JPH0287679A - 太陽電池設置用架台 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、高波の影響を受けることの大きい水上、海岸
又は湖岸等に設置される太陽電池の架台に関するもので
ある。

（従来の技術） 従来海岸或は湖岸等の近傍に太陽電池モジュール（以下
モジュールともいう）を設置する場合、波浪の影響を受
けないように、波浪を直接浴びない一定の高さに取り付
けていた。例えば灯台用のモジュールの場合である。こ
のとき強度的には、風速６０〜８０ｍ／秒に相当する風
圧荷重３００〜４００　Ｋ９／ｒｒ？に耐えるようなモ
ジュール架台の構造設計がなされている。

一方海面或は湖面に設けた浮体或いは岩礁等に設置され
たモジュールは、波浪の影響を受けることが大きい。浮
体上にモジュールを設置する場合、面積が２０ｉ程度以
下の小形浮体では、浮体が波に揺られる形になるので、
比較的影響が少ないが、面積が８０ｉ程度以上の大形浮
体では、波に逆らう形となり、波浪が浮体の甲板上に衝
突する事態が発生する。従って、小型浮体に設置される
モジュールの架台の構造は、波浪を浴びない場合の構造
と同様のもので充分なことが多いが、大型浮体に設置す
る場合は、例えば、波圧荷重１．５　ｔｏｎ　／ｒｒ？
に耐えるような構造設計が必要となり、そのためにモジ
ュール自体の裏側に補強材料を組み込む構成が提案され
ている（本出願人の昭和６１年１１月１４日出願実願昭
６１−１７５４５４参照）。

（発明が解決しようとする課題） 最近の太陽電池の低価格化と普及に伴なって、従来より
は荷重的に更に厳しい条件となる岸辺への設置が行われ
るようになってきた。これに相当する事例としては、岸
壁或は防波堤、さらには孤立した岩礁等を利用してモジ
ュールを取り付け、養殖事業、海洋データ収集、標識等
に必要な電力を供給するシステムがある。

このような場合のモジュール設置位置は、満潮時で海面
上致来の高さＫなるのが一般的であるが、台風時や津波
発生時には、高波の岸辺での砕波による氷塊がモジュー
ル表面を叩く形となる。このような状況で、モジュール
面に加わる力は次のように見積もることができる。

第４図は、沖合で発生した高波１（波高Ｈ８波長Ｌ）が
岸辺に向って伝播し、岸壁２（静水面からの高さＪ）で
破砕し、水塊３が岸壁上面にかかる状況を示したもので
ある。砕波は岸辺に近づくに従って波高を増し、破砕直
前の波（以下岸波と称する）の高さＨｂは２Ｈｏとなる
ことが知られており、その静水面４からの高さＨｂｏは
、図から判るように、次の（１）式で表わされる。

Ｈｂｏ　＝　２Ｈｏ−７＋δ　　　　（１１ここでｌは
、静水時の水面と砕波の高さの１／２の面との差で、次
の（２）式のように表わされる。

πＨｏ２ δ＝□ Ｌ （２）式と（１）式から次の（３）式が得られる。

このような特性をもつ岸波の破砕による水塊ぐ以下氷塊
という）が、岸壁上面に達したときの速度Ｖは、岸波の
回転速度ｖｌ　と氷塊の落下の終速度ｖ２のベクトル和
となり、次の（４）式のように表わされる。

Ｖ＝〆臂；Ｌ可　　　（４） ｖｌ、ｖ２と波特性の関係は以下の（５）弐〜（８）式
のように導かれる。

回転速度は、次の（５）式で示される。

Ｖｌ　＝“Ｈｏ（５１ ここで、Ｔは波の周期で、重力波の伝播方程式Ｃ２＝ｇ
Ｌ／２π（Ｃ：波の速度、ｇ：重力の加速度）と、波長
り２周期Ｔ、波の速度Ｃの一般的関係Ｌ　＝　ＣＴ　　
とから、次の（６）式で表わされる。

これを（５）式に代入して、（７）式を得る。

る。第５因に記入したベクトル図から、モジュール面に
垂直方向の氷塊の速度ベクトルｖｍは次の０１式のよう
に表わされることが判る。

Ｖｍ＝Ｖｓｉｎ（ｙｒ−（α＋７９）ｌ＝Ｖｍ（α＋β
）ＱＯこの速度ベクトルｖｍから、モジュール５に加わ
る圧力強度Ｐｍは次の（６）式から求められる。

一方、落下の終速度は下記の（８）式で示され、これに
（３）式の関係を入れて、次の（９）式が得られる。

ｖ２＝〆η〒π−Ｈｄ）　　　　　　（８）Ｖ２＝４コ
■フ可馬丁　（９） Ｌ 以上から、氷塊が岸壁上に達した時の速度は、（４）式
、（７）式、（９）式を使って計算できることが判る。

次に氷塊の速度から、岸壁上に設置されたモジュールに
加えられる荷重を求める。第５図はモジュール５が水平
面との角度α、岸壁２の上面からモジュール５の中心ま
での高さＨｍの条件で設置されていて、モジュール５に
速度Ｖの水塊８が水平面との角度βで落下する状態を示
したものであここでＫは係数で、経験的に２の値が得ら
れており、Ｗは水の単位体積重量で、海水の場合１．０
８ｔｏｎ７’−の値を有する。なお、βはＶがｖｌ　と
ｖ２のベクトル和であることから四式より求めることが
できる。

上述した関係式を用い、海水の場合について、具体的な
数値を入れて計算した結果を第６図に示す。計′！Ｊ、
に当って、Ｌは経験的にＬ＝２０Ｈ０であること力ｇ知
られているので、この関係を用いた。

また、（９）式ではＨｄの代りに、静水面からモジュ−
ル面までの高さＨｄ＋Ｈｍを用いた。第６図において、
モジュールの中心部の静水面からの高さを８ｍで一定と
し、片波の高さＨ６が３　ｍ　、　４　ｍ　。

６ｍ、８ｍの場合のそれぞれの波圧強度を、モジュール
傾斜角との関係として示したものである。

第６図から、通常のモジュール設置角（３０〜４０°）
では、Ｈｏが３ｍの場合でも８ｔｏｎ／−の波圧が加わ
ることになり、この値は現在の補強モジュールの耐圧強
度１．５　ｔｏｎ　／ｌｒｌの約２倍となる。Ｈｏが８
？ＦＩＫなると、波圧は約２０　ｔｏｎ／ｎ／という値
にまで達する。

以上は岸壁にモジュールを設置した場合の計算例である
が、浮体にモジュールを設置した場合も浮体が固く係留
され静止している場合は同様に計算できる。

従って、モジュールの補強を強化する方向では到底この
ような大きい波正に耐える構造を得ることは不可能と言
える。

（課題を解決するための手段） 本発明においては、前述の問題を解決するため、表面に
太陽電池を配置した枠体の適宜の個所に緩衝部材を設け
、この緩衝部材を介して基台に取付けるようにした。

（作用） モジュールに氷塊の大きな圧力が加わった場合、その圧
力は緩衝部材によって緩和されるので、モジュールの破
損を防止することができる。

（実施例） 第１図は本発明の一実施例の側面図である。同図におい
て、太陽電池設置用架台６は、太陽電池モジュール５を
組み込んだ枠体７の下端が、例えば岸壁２の上に固定さ
れた基台となる台柱２０゜２０、に固定されたフレーム
８の一方の端に、シャフト９により回動自在に枢支され
、枠体７の上端はフレーム８に一端を回動自在に枢支さ
れた支柱１５−１の一端に回動自在に枢支されている。

支柱１５−１と支柱１５−２とは、第２図に示されるよ
うに、支柱１５−２に設けられたスリーブ１３の中に支
柱１５−１の他端が押入されスプリング１４が支柱１５
−１の先端とスリーブ１８の底部との間に挿入されて連
結される。支柱１５−２の他端はシャフト１２によりフ
レーム８に枢支されている。

以上のような構造であるから、氷塊がモジュル面に当っ
た場合、その荷重はスプリング１４の変形により支柱１
５−１．１５−２の合計長さの伸縮に従って、３つのシ
ャツ）９，１１．１２のまわりに吸収される。シャフト
９．１１．１２の部分に捩ればねを設けて、荷重を吸収
することもできる。

スプリング等の緩衝部材の設計に当っては次のようなこ
とを考慮する。

氷塊による荷重は、風圧、積雪荷重と異なり、一定の周
期で間欠的な力が加わるという特徴がある。この周期内
で力を分散させる方法をとれば、モジュールに加わる力
を耐圧強度以下の値に下げることが可能となる。

波の周期Ｔは、（６）式とＬ二２０Ｈｏの関係から、０
式の形で計算することができる。

０３式から、波高Ｈ８が２ｍの低い波について周期を求
めると５秒となる。緩衝部材の固有振動周期Ｔｃを５秒
とし、対応する最大変位量ｘＩＴｌを６４式の関係から
求めると６．２ｍとなり、波の周期は緩衝部材を使うに
は充分過ぎる長さを持っていることが分かる。

ここでｇは重力の加速度である。

緩衝部材の選択に当っては、要求される最大変位量から
、（ト）式を使って緩衝部材のばね定数にの値を求め、
更に材料、形状の関係から寸法を決定する。

ｋ＝　ｗ　／　ｘ　ｍ　　　　　ＯＱ ここでＷは緩衝部材を組み込んだ支持棒に加わる荷重で
ある。

第２図に示されるスプリング１４は、圧縮ばねとして作
用する。設計条件として、片波高さ８ｍ、設置角度ａ＝
３５°、モジュール中心の静水面からの高さ’ｄ＋Ｈｍ
　＝　３　ｒｎ　きし、０１）式からモジュール面に直
角な方向の水塊による圧力強度ｐｍを求めると、１６．
４　ｔｏｎ／ｌｒ？となる。モジュールは耐圧強度Ｌ５
ｔｏｎ／−の補強されたモジュールを使うとすると、必
要な圧力低減率は１／１１となる。補強モジュールの最
大たわみは３５ｍｍであるので、モジュール支持棒に求
められる縮み量（最大変位′！ｋ）は、３５＋ｍＸ１１
＝３８５ｗ１１となる。

次にモジュール支柱への荷重Ｗ、ばねの形状。

使用材料特性と、ｘｍ及び最大せん断応力τとの間の一
般的な関係を示す０Ｏ式、　＜１７）式及び（ト）式を
使って適用可能なばねを定める。

ここで、Ｇはばね材の横弾性係数、 ｄは素線直径、 ｎはばね巻数、 Ｄはコイル直径、 Ｃは応力修正係数である。

いま、表面積０．８４ｉのモジュール６枚を２本のモジ
ュール支柱を有する架台に取り付けるものとすると、全
荷重は、 ０．８４ｍ”Ｘ　６　Ｘ　１６．４　ｔｏｎ／ｉ＝　８
８　ｔｏｎとなり、支柱１本には１６．５　ｔｏｎの荷
重がかかることになる。このＷ　＝　１６．５　ｔｏｎ
とｘ１７１＝８８５ｍを（ト）式に代入するとげね定数
４８　ｋｇ／ｄが得られる。

次に、用いるばねのばね定数がこの値より以下であり、
且つ素線内に生じるせん断応力値が許容値にあることの
確認を、００式、αカ式、（ト）式を使って行う。ばね
材は硬鋼の良質品で、せん断応力許容値が１４４　ｋｇ
／Ｊ、横弾性係数Ｇが８　ｔｏｎ／−のものを用いる。

選定したばねの形状はコイル直径１２０＋ｍａ、素線直
径４０關、ばね巻数３５、ピンチ角１２°（ピッチ２６
■〕でばね定数は４２．３Ｋｆ／ｊ（＜４８）、せん断
応力は１２２に＆／Ｊ（＜１４４）の値を有する。

以上、緩衝部材として圧縮ばねを用いた例について説明
したが、空気ばね、ゴム材、あるいは油圧器等を用いる
場合も、目標とする変位量、ばね定数は全く同様にして
定め、あとは部材に特有のばね定数と寸法、形状との間
の関係を吟味することてなる。

なお、変位量は０４）式から緩衝部材の固有振動数ｆ　
（＝　１／’ｒＣ）に換算することができ、この場合の
縮み量３８５日は、ｆ＝０．８Ｈｚとなる。このｆが緩
衝部材の特性としては一般的である。例えば、ベローズ
型空気ばねは、ｆがＩＨｚ程度のものが多く、ここで目
標としている特性をもつものを、容易に設計できること
が判る。

第３図は、本発明の他の実施例を示す側断面図である。

この場合は架台材料の使用を少なくするために、傾斜を
もった岸壁１６に直接モジュール面が岸壁面と平行にな
るように取り付けられている。ここではモジュールを固
定した枠体７は、モジュール支柱１７．１７に沿って、
岸壁に直角な方向に摺動できるように支持されており、
枠体７とモジュール支柱１７の下方の座板１８との間に
はクッシラン状の緩衝部材１９が挾持されている。

（発明の効果） 以上のようにして、本発明によるときは、高波による荷
重が太陽電池モジュールの耐圧強度以上に大きい場合で
も、その荷重を緩衝部材によって吸収させて、モジュー
ルの耐圧強度以下に軽減することができるので、モジュ
ールの損傷を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の側面図、第２図はその緩衝
部材の一例の断面図、第３図は他の実施例の側断面図、
第４図は片波と津波の波形の説明図、第５図はモジュー
ルに氷塊が落下する状態の説明図、第６図はモジュール
面傾斜角と氷塊の圧力強度との関係を示すグラフである
。 ５・・・太陽電池モジュール、７・・・枠体、８・・・
フレーム、９，１１．１２・・・シャフト、１０・・・
緩衝部材、１４・・・スプリング、１５−１．１５−２
・・・支柱第１図 Ｗ４２因

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １．表面に太陽電池を配置した枠体と、その枠体と基台
   との間に設けられた緩衝部材とよりなる太陽電池設置用
   架台。