JPH10190036A - 集光式太陽電池装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 簡易な機構によって太陽電池への集光を可能
とし、太陽が移動しても常に効率的な発電を行う。 【解決手段】 ケーシング１１の開口部に覆着された蓋
体１３には複数のフレネルレンズ６が設けられている。
ケーシング１１内に配設された支持板３上には複数の太
陽電池４が設けられてそれぞれフレネルレンズ６に対向
している。支持板３はカムフォロア３７に支えられ、カ
ムフォロア３７は臼形状のカム体７のカム面上に位置し
ている。収納室１２内にはＸ軸モータ２ＡとＹ軸モータ
２Ｂが収納されており、モータ２Ａ，２Ｂによって、支
持板３はケーシング１１の底面に沿って二次元方向へ移
動させられるとともに、カム面上を移動するカムフォロ
ア３７によって垂直方向へも移動させられ、各太陽電池
４は常に各フレネルレンズ６の焦点位置付近に位置決め
される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は集光式太陽電池装置
に関し、特に集光レンズと太陽電池との相対位置を変更
することによって常に効率的な発電を行う集光式太陽電
池装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、資源浪費や環境汚染の防止等の観
点から、太陽エネルギーの利用促進を図るための太陽電
池装置が注目されている。この太陽電池は通常、多結晶
あるいはアモルファスのＰＮ接合シリコン膜等で構成さ
れているが、膜面積（受光面積）の大きいものは非常に
高価である。そこで、図１１に示すように、太陽電池４
の前方に集光レンズ６を設け、その焦点付近に太陽電池
４を位置させることにより、比較的小径の太陽電池４に
効率的に太陽光Ｌを入射させる集光式の太陽電池装置が
提案されている。ところが、このような集光式太陽電池
装置では、太陽が直上位置から移動すると、図１２に示
すように、太陽光Ｌの収束位置が太陽電池４から外れて
発電不能になる。そこで、例えば実開昭６２−５３１５
号公報等では、図１３に示すように、追尾機構によって
集光レンズ６および太陽電池４を常に太陽に向けるよう
にしている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記追尾機構
を使用した装置は、大型で重量がある太陽電池装置全体
の姿勢を変える必要があるため追尾機構が大掛かりにな
るという問題がある上に、追尾機構の駆動源に発電エネ
ルギーの一部を使用すると、追尾機構のために多くの発
電エネルギーが消費されて、全体として発電効率が悪化
してしまうという問題もある。

【０００４】そこで、本発明はこのような課題を解決す
るもので、従来の追尾機構に代わる簡易な機構によって
太陽電池への集光を可能とすることにより、太陽が移動
しても常に効率的な発電を行うことができる集光式太陽
電池装置を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明では、図２、図３に示すように、集光レンズ
（６）と、当該集光レンズ（６）に対向して配設された
太陽電池（４）と、集光レンズ（６）ないし太陽電池
（４）の一方を他方に対して対向面内で二次元方向へ相
対移動させる移動駆動手段（２Ａ，２Ｂ）と、二次元方
向への相対移動量に応じて集光レンズ（６）ないし太陽
電池（４）を対向面に垂直な方向へ移動させて、太陽電
池（４）を集光レンズ（６）の焦点位置付近に位置決め
する案内部材（７）とを具備している。なお、案内部材
には、カム部材、テーパ部材、ローラによる倣い部材等
が含まれる。

【０００６】本発明において、集光レンズに入射する太
陽光は太陽の運行に伴ってその方位角と入射角が変化す
る。この変化に伴い、集光レンズに入射した平行太陽光
の焦点は三次元的に移動する。そこで、太陽の運行に伴
い移動駆動手段によって集光レンズないし太陽電池の一
方を他方に対して対向面内で二次元方向へ相対移動さ
せ、同時にカム部材によって対向面に垂直な方向へ移動
させることにより、太陽電池を常に集光レンズの焦点位
置付近に位置決めすることができる。本第１発明によれ
ば、集光レンズないし太陽電池のいずれかのみを移動さ
せれば良いから追従機構としての移動駆動手段の構造が
簡素化される。特に、カム部材を使用したことにより、
集光レンズ等の移動駆動を二次元的に行うのみでこれら
の三次元的な移動を実現しているから、移動駆動手段の
構造をさらに簡素かつ軽量なものとすることができる。
そして、移動駆動手段の駆動に要するエネルギーも小さ
くできるから、発電エネルギーの一部を駆動に使用して
もその消費量は少なく、発電効率の悪化が避けられる。

【０００７】上記集光レンズ（６）および太陽電池
（４）を対向する二枚の板体（３，１３）上にそれぞれ
複数が配置して、移動駆動手段（２Ａ，２Ｂ）により、
板体（３，１３）の一方を他方に対して対向面内で二次
元方向へ相対移動させるものであっても良い。

【０００８】これによれば、板体上に設けた複数の集光
レンズないし太陽電池を一体に移動させることができる
から、移動駆動手段の構造がさらに簡素化できる。

【０００９】さらに、上方へ開放する容器状のケーシン
グ（１１）を設け、集光レンズ（６）を設けた板体（１
３）をケーシング（１１）の開口に覆着するとともに、
太陽電池（４）を設けた板体（３）をケーシング（１
１）内に収納して移動駆動手段（２Ａ，２Ｂ）により二
次元方向へ相対移動させるようにしても良い。

【００１０】これによれば、太陽電池装置がケーシング
内に収納されてユニット化されるから、家屋の屋根上等
に必要数の太陽電池ユニットを自由な配置で設けること
ができる。この場合、ケーシング内へ水を供給すれば、
板体上の太陽電池を容易に冷却することができるととも
に、供給水の浮力で集光レンズを設けた板体が軽くな
り、カム部材による板体の垂直方向移動がより容易とな
る。また、温まった供給水を風呂等に利用することもで
きる。

【００１１】さらに、ケーシング（１１）の底壁上に収
納室（１２）を設け、当該収納室（１２）内に移動駆動
手段（２Ａ，２Ｂ）を収納するようにしても良い。この
移動駆動手段はＸ軸方向移動用のモータ（２Ａ）とＹ軸
方向移動用のモータ（２Ｂ）とで構成することができ
る。

【００１２】これによれば、移動駆動手段がケーシング
外へ突出しないから、太陽電池ユニットを隣接させて無
駄なスペースを生じることなく配置することができると
ともに、搬送保管等にも便利である。

【００１３】

【発明の実施の形態】図１には、本発明に係る集光式太
陽電池装置の全体構成を示す。太陽電池装置は家屋の屋
根上等に設置される多数の太陽電池ユニット１を有して
おり、各太陽電池ユニット１は同一構造で、それぞれに
後述するような集光レンズ、太陽電池、駆動機構等が内
設されている。なお、太陽電池ユニット１は通常、後述
するＹ軸方向を屋根の傾斜方向へ向けて設置される。

【００１４】図２には太陽電池ユニット１の破断平面図
を示し、図３には、図２のIII −III 線に沿う断面図を
示す。太陽電池ユニット１は、平面視で四角形の上方へ
開放する容器状ケーシング１１を有し、その底壁中央に
は平面視で長方形の収納室１２が形成されている。収納
室１２は長方形の側壁に囲まれ、その底壁はケーシング
１１の底壁よりも段付きに下がって（図３）、一部は下
方へ開放して配線口１２１となっている。収納室１２は
側壁上に天板１２２が液密的に覆着されて閉鎖されてお
り、その内部には移動駆動手段としての駆動機構を構成
するＸ軸モータ２ＡとＹ軸モータ２Ｂが配設されてい
る。これらモータ２Ａ，２Ｂはいずれもパルスモータで
ある。

【００１５】Ｙ軸モータ２Ｂには図２の下方へ突出する
その出力軸にカップリング２１によってネジ付きシャフ
ト２２の一端が結合されている。ネジ付きシャフト２２
は図２の上下方向（Ｙ軸方向）へ延び、その両端部が軸
受け２５に支持されて、ケーシング１１の底壁と平行に
位置している（図３）。ネジ付きシャフト２２にはトラ
ベルナット２６が設けてある。トラベルナット２６は直
方体形で、その下面が摺動自在にケーシング１１の底壁
に接するとともに、下端部に形成された雌ネジ部内を上
記ネジ付きシャフト２２が貫通している。トラベルナッ
ト２６にはネジ付きシャフト２２と直交する方向（Ｘ軸
方向）へガイドシャフト２６１が貫通している。Ｙ軸モ
ータ２Ｂを正逆転させると、トラベルナット２６がネジ
付きシャフト２２に沿ってＹ軸方向へ正逆移動する。

【００１６】収納室１２の長手方向中央に位置するＸ軸
モータ２Ａからは左右一対の出力軸が突出し、各出力軸
にはカップリング２１によってそれぞれネジ付きシャフ
ト２３，２４の一端が結合されている。各ネジ付きシャ
フト２３，２４はＸ軸方向へ延び、それぞれ両端部は軸
受け２５によって支持されている。各ネジ付きシャフト
２３，２４には上記トラベルナット２６と同形同構造の
トラベルナット２７．２８が装着されており、これらト
ラベルナット２７，２８を、それぞれガイドシャフト２
７１，２８１がＹ軸方向へ貫通している。Ｘ軸モータ２
Ａを正逆転させると、左右の各トラベルナット２７，２
８はネジ付きシャフト２３，２４に沿ってＸ軸の同方向
へ同量だけ正逆移動する。

【００１７】ケーシング１１の内空間にはこれよりもや
や小さい正方形状の樹脂製支持板３が配設されており、
支持板３の下面には図２の下辺と左右辺に沿ってそれぞ
れ係合片３１Ａ，３１Ｂ，３２Ａ，３２Ｂ，３３Ａ，３
３Ｂ，３４Ａ，３４Ｂ，３５Ａ，３５Ｂ，３６Ａ，３６
Ｂが設けられている。これら係合片３１Ａ〜３６Ｂはそ
れぞれ対となって下方へ平行に延び（図３）、各ガイド
シャフト２６１〜２８１に上方から嵌装されて各内側面
がガイドシャフト２６１〜２８１の側面に当接係合して
いる。各係合片３１Ａ〜３６Ｂはトラベルナット２６〜
２８とは間隔を有して位置しており、Ｙ軸モータ２Ｂに
よってトラベルナット２６がネジ付きシャフト２２に沿
ってＹ軸方向へ移動させられると、ガイドシャフト２６
１に係合する下辺の係合片３１Ａ〜３２Ｂがこれと一体
に移動して、支持板３が全体としてＹ軸方向へ移動す
る。この時、左右辺の各係合片３３Ａ〜３６Ｂはガイド
シャフト２７１、２８１に沿って摺動し、支持板３は平
行に位置するガイドシャフト２７１と２８１に案内され
て姿勢変化を生じることなく移動する。一方、Ｘ軸モー
タ２Ａによって各トラベルナット２７，２８がネジ付き
シャフト２３，２４に沿ってＸ軸方向へ移動させられる
と、各ガイドシャフト２７１、２８１に係合する左右辺
の係合片３３Ａ〜３６Ｂがこれと一体に移動して、支持
板３は全体としてＸ軸方向へ移動する。この時、下辺の
係合片３１Ａ〜３２Ｂはガイドシャフト２６１に沿って
摺動する。支持板３は、平行に位置する左右のガイドシ
ャフト２７１と２８１によって姿勢変化を規制されてい
るから、この時のＸ軸方向移動もスムーズになされる。
なお、Ｘ軸モータ２Ａを単軸出力とし、Ｙ軸モータ２Ｂ
を二軸出力として、支持板３の左右辺に代えて上下辺で
姿勢変化を規制するような構造としても良い。

【００１８】上記支持板３上には太陽電池４が間隔をお
いて多数設けられており、また、支持板３上のコーナ部
の一つには位置検出センサ５が設けられている。ケーシ
ング１１の開放部は蓋板１３で覆われており、蓋板１３
の外周部は、図４に示すように、側壁１１の上端に固定
された枠部材１４，１５により液密的に挟着されてい
る。蓋板１３は上層の強化ガラス板１３１、中層の透明
スペーサ板１３２、および下層の透明アクリル板１３３
により構成されており、スペーサ板１３２には上記各太
陽電池４および位置検出センサ５に対応する位置に円形
開口が形成されて、これら開口内にスペーサ板１３２と
ほぼ同厚の、集光レンズたるフレネルレンズ６が配設さ
れている。上方より至った平行太陽光Ｌは各フレネルレ
ンズ６によって各太陽電池４の近傍直上にある焦点ｆo
へ収束させられた後、太陽電池６の受光面内に収まる大
きさの集光スポットとして太陽電池６に入射する。位置
検出センサ５の受光面５１（図５）にもこれに対応する
フレネルレンズ６によって、図５の斜線で示すように、
所定径の集光スポットＬp が形成される。位置検出セン
サ５の受光面５１は図示するように４つに分割されてお
り、各分割面５１１，５１２，５１３，５１４からは入
射光量に応じた出力電流が得られる。したがって、集光
スポットＬp が受光面中心５１ａにある図示の状態では
各分割面５１１〜５１４の出力電流は同じで平衡してい
るが、集光スポットＬp が受光面中心５１ａからＸ軸あ
るいはＹ軸方向へずれると、各分割面５１１〜５１４か
らの出力電流は不平衡となる。そこで、位置検出センサ
５の受光面中心５１ａに集光スポットＬp がある時に、
各太陽電池４の受光面上にもそれぞれフレネルレンズ６
による集光スポットが生じるように、位置検出センサ
５、各太陽電池４、および各フレネルレンズ６の設置位
置を考慮しておけば、位置検出センサ５からの出力電流
の不平衡を解消するように支持板３を移動させることに
よって、各太陽電池４の受光面を各フレネルレンズ６に
よる集光スポットが生じる位置に常に合致させることが
できる。なお、各太陽電池４は例えば支持板３上に形成
されたプリント配線により互いに接続され、その発電出
力は図略のリード線によって支持板３から太陽電池ユニ
ット１外へ取り出される。

【００１９】図２において、支持板３の下面には４つの
コーナ部の内方位置にカムフォロア３７が突設されてい
る。このカムフォロア３７は図６に示すように先細の錐
状体で、その先端が、ケーシング１１の底壁上に設けた
カム体７のカム面７ａ上に位置して支持板３を支えてい
る。カム体７は円柱形をなし（図２）、角形の基台７１
（図６）上に固定されている。カム体７のカム面７ａは
詳細を後述する曲面形状で外周部から中心部へ下り傾斜
し、カム体７は全体として円形の臼の形をしている。カ
ムフォロア３７によって支持された支持板３が既述の各
モータ２Ａ，２ＢによってＸ軸方向ないしＹ軸方向へ移
動させられると、カム体７のカム面中心からの移動距離
ｒに応じて支持板３はカム面７ａに倣って垂直上方（Ｚ
軸方向）へ持ち上げられる。

【００２０】上記カム面の断面形状は以下のように決定
されている。すなわち、図７において、水平姿勢で配設
された厚肉集光レンズ（実際にはフレネルレンズ）６に
図の上方から平行太陽光が入射すると、これは集光レン
ズ６下方の距離ｆにある焦点ｆo に収束する。太陽光が
次第に傾き、集光レンズ６への入射角がｄ1 ，ｄ2 ，ｄ
3 と変化すると、焦点の位置はｆ1 ，ｆ2 ，ｆ3 と変化
する。この焦点位置の変化曲線は一般に（１）式で表さ
れる多項式となる。

【００２１】

【数１】

【００２２】ここで、ａi は集光レンズの設計諸元によ
り決定される値である。

【００２３】発明者の実験によると、ｆo からｆ1 ，ｆ
2 ，ｆ3 への変化軌跡はほぼ（２）式で示す二次曲線と
して良好に近似できる。

【００２４】

【数２】

【００２５】ここで、ａは集光レンズの設計諸元により
決定される値である。

【００２６】そこで、カム体７のカム面中心Ｏから距離
ｒ3 までは、カム面７ａは上記（２）式に沿った２次曲
面とし、それより外方は所定の曲率で滑らかに水平まで
変化する面としてある。上記距離ｒ3 は太陽光の入射角
がｄ3 になる位置に対応しており、この入射角ｄ3 は午
前９時あるいは午後３時頃のものである。すなわち、太
陽光による十分な発電が期待できるのはほぼ午前９時か
ら午後３時頃までの間であり、この間は（２）式に沿っ
た曲面上をカムフォロア３７が移動するから、支持板３
上の各太陽電池４は常に各フレネルレンズ６の焦点位置
変化に追従して移動させられる。

【００２７】図２、図３において、ケーシング１１の側
壁には給排水管１４が分岐接続されて、ケーシング１１
内に水が供給されている。この水により、支持板３上の
各太陽電池４が放熱冷却されるとともに、支持板３に浮
力が作用してカムフォロア３７による垂直上方への持ち
上げがスムーズになされる。また、ケーシング１１内で
温められた水は日没後に上記給排水管１４から排出回収
され、風呂等に利用される。なお、日中に何らかの原因
で供給水の水位が下がって太陽電池４が空気中に露出す
ると、図４の破線で示すようにフレネルレンズ６の焦点
ｆo 位置が上方へ移動して太陽電池４付近での集光スポ
ットの径が大きくなる。これにより、太陽電池４への熱
集中が緩和され、周囲の冷却水が無くなっても太陽電池
４の過度の温度上昇は避けられる。

【００２８】図１において、各太陽電池ユニット１は制
御装置８に接続されている（図はその内一つの太陽電池
ユニットについてのみ接続関係を示す）。すなわち、各
太陽電池ユニット１内のＸ軸モータ２ＡおよびＹ軸モー
タ２Ｂは、これらに対応して制御装置８内に設けたＸ軸
モータ駆動回路８２およびＹ軸モータ駆動回路８３にそ
れぞれ接続されている。Ｘ軸モータ駆動回路８２および
Ｙ軸モータ駆動回路８３にはコンピュータ８１の出力イ
ンターフェース８１３を介してそれぞれ支持板３に対す
るＸ方向、Ｙ方向の移動座標位置が出力され、これに基
づいてＸ軸モータ２ＡおよびＹ軸モータ２Ｂに駆動パル
スが出力される。また、各太陽電池ユニット１内に設け
た位置検出センサ５の各分割面５１１〜５１４（図５）
からの出力電流は制御装置８の差動アンプ回路８４へ入
力し、ここで不平衡電流に応じた電圧に変換された後、
Ａ／Ｄ変換器８５でデジタル信号に変換されて、コンピ
ュータ８１の入力インターフェース８１４を経てＣＰＵ
８１１へ入力する。また、制御装置８にはデータ設定部
８６が設けられて、ここで太陽電池ユニット設置場所の
経度、緯度、設置方位角、設置傾斜角等が設定される。
設定値は入力インターフェース８１４を経てコンピュー
タ８１のＣＰＵ８１１へ入力する。また、コンピュータ
８１は制御プログラムおよびデータを記憶するためのメ
モリ８１２を有している。

【００２９】図８には、上記コンピュータ８１における
制御処理手順を示す。ステップ１０１では、データ設定
部８６で設定された、太陽電池ユニット設置場所の経度
λ、緯度φ、設置方位角γ、設置傾斜角βを読み込む。
ここで、設置方位角γは図９に示すように、太陽電池ユ
ニット１の南方向からの振れ角である。また、設置傾斜
角βは太陽電池ユニット１が水平面に対してなす角度で
ある。続くステップ１０２では太陽電池ユニット１に対
する太陽光Ｌの入射角ｄと方位角θ（図１０）を式
（３）〜式（５）により算出する。

【００３０】

【数３】

【００３１】ここで、ｈは太陽の高度角、αは太陽の方
位角であり、これらを図９に示す。高度角ｈ、方位角α
はいずれも経度λ、緯度φ、太陽の時角Ｈ、太陽の赤緯
δ等より公知の式で算出することができる。

【００３２】ステップ１０３では、カムフォロア３７が
移動すべきカム体７のカム面中心Ｏ（図７）からの距離
ｒを式（６）で算出する。

【００３３】

【数４】

【００３４】ステップ１０４では式（７）、式（８）で
支持板３に対するＸ方向、Ｙ方向の移動座標位置ｘ，ｙ
を算出し、出力する。これにより、太陽電池ユニット１
内のＸ軸モータ２ＡおよびＹ軸モータ２Ｂが起動してカ
ムフォロア３７がカム面７ａの所定位置へ移動させら
れ、これに伴って支持板３が三次元方向へ移動する。

【００３５】

【数５】

【００３６】ステップ１０５では、位置検出センサ５か
らの不平衡電流値を読み込み、この不平衡電流値が零に
なるようにステップ１０６で移動座標位置ｘ，ｙに補正
を加えて出力する。

【００３７】以上の各ステップのうち、ステップ１０４
〜１０６は順次他の太陽電池ユニット１に対しても行わ
れ、全ての太陽電池ユニット１内の支持板３が所定位置
へ移動させられる。太陽光の入射角ｄと方位角θは時々
刻々と変化するから、ステップ１０２以下が一定時間毎
に繰り返され、新たな移動座標位置ｘ，ｙが算出され
て、全ての太陽電池ユニット１内の支持板３が新たな位
置へ移動させられる。このようにして、支持板３上の各
太陽電池４は、太陽の運行に伴うフレネルレンズ６の焦
点の移動に追従して常に焦点付近へ移動し、確実かつ効
率的な集光発電がなされる。

【００３８】上記実施形態ではフレネルレンズを固定と
し、太陽電池を移動させる構造を採用しているが、太陽
電池を固定とし、フレネルレンズを移動させる構造とし
ても良い。

【００３９】また、上記実施形態ではカム体を臼形に成
形してカム面を内周全周に形成することにより、広い範
囲の太陽の運行軌跡に対応できるようにしているが、必
ずしも臼形とする必要はない。

【００４０】さらに、モータによる移動駆動のみで支持
板上の太陽電池が確実に焦点付近へ位置決めされる場合
には、位置検出センサによる位置補正は不要である。

【００４１】

【発明の効果】以上のように本発明の集光式太陽電池装
置によれば、簡易な機構によって、太陽が移動しても常
に効率的な発電を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態における、太陽電池装置の
全体構成を示す図である。

【図２】太陽電池ユニットの破断平面図である。

【図３】図２のIII −III 線に沿った断面図である。

【図４】太陽電池ユニットのケーシング開口側縁の拡大
断面図である。

【図５】位置検出センサの受光面の平面図である。

【図６】カム体設置部の拡大垂直断面図である。

【図７】太陽光入射角に応じた集光レンズの焦点移動を
説明する図である。

【図８】コンピュータの制御フローチャートである。

【図９】太陽電池ユニットと太陽光との関係を示す説明
図である。

【図１０】太陽電池ユニットと太陽光との関係を示す説
明図である。

【図１１】従来装置の概略側面図である。

【図１２】従来装置の概略側面図である。

【図１３】従来装置の概略側面図である。

【符号の説明】

１…太陽電池ユニット、１１…ケーシング、１２…収納
室、１３…蓋板、２Ａ…Ｘ軸モータ、２Ｂ…Ｙ軸モー
タ、３…支持板、４…太陽電池、６…フレネルレンズ、
７…カム体。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 加藤 隆幸 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の１ 株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 寺田 重雄 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の１ 株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 寒河江 孝志 愛知県東海市荒尾町ワノ割１番地 愛知製 鋼株式会社内 (72)発明者 福井 康二 愛知県東海市荒尾町ワノ割１番地 愛知製 鋼株式会社内 (72)発明者 石川 尚樹 愛知県東海市荒尾町ワノ割１番地 愛知製 鋼株式会社内 (72)発明者 丹下 恭一 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 集光レンズと、当該集光レンズに対向し
   て配設された太陽電池と、前記集光レンズないし太陽電
   池の一方を他方に対して対向面内で二次元方向へ相対移
   動させる移動駆動手段と、二次元方向への相対移動量に
   応じて前記集光レンズないし太陽電池を前記対向面に垂
   直な方向へ移動させて、前記太陽電池を前記集光レンズ
   の焦点位置付近に位置決めする案内部材とを具備する集
   光式太陽電池装置。