JPS5911830B2 - 太陽追尾装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、太陽追尾装置に関し、特に効率のよい集光を
可能とするとともに、春夏秋冬、日の出及び日の入り等
を問わず、低エネルギーでしかも高精度の太陽追尾が行
ない得る太陽追尾装置を提案することを目的とするもの
である。

太陽工不ルギーの利用には、大別して太陽炉で代表され
る熱利用と太陽電池で代表される光利用とがある。

ところで前者の熱利用としての太陽炉では特に高温を得
るために放物面鏡等を用いることにより高集光のものが
実現されているが、高集光を得るために不可欠な太陽追
尾機能を具備するようにしているものがなく、または具
備してい、ても十分な効果を上げているものは存在して
いない。

一方、後者の光利用としての太陽電池では、従来無集光
方式のものが商品化されて来ているが、この方式のもの
では、シリコンを使用するのでエネルギーの回収に相当
の期間（通常約４〜６年）を要する。この点は、特にエ
ネルギー開発にとつては致命的な問題である。この点を
仮に考慮しなくとも、シリコン結晶を大量に使用する無
集光方式のものでは、太陽電池のコストを大幅に下げる
ということは困難である。そこで最近では種々な集光機
能をもたせたものが開発されるに至つているが、いずれ
も１０倍以下の倍率でしか太陽光を集光し得ないもので
あつた。この原因は多々考えられるが、集光倍率を上げ
ればそれに伴つて高精度の太陽追尾が必要とされ、その
追尾を行なうにあたつては低エネルギーで実現すること
が困難であるということがその一因であると考えられる
。本発明はこのような従来の欠点を解決し、１０００倍
、１００００倍等の高倍率の集光を可能とするとともに
、春夏秋冬あるいは日の出、日の入りを問わず自動的に
太陽を追尾し得る新規な太陽追尾装置を提供することを
目的とするものである。

以下本発明に係る好ましい実施例について図面を参照し
ながら説明する。

第１図は本発明に係る第１の実施例を示し斜視１０図で
あり、互いに直交するＸ軸およびＹ軸方向（たとえぱ東
西および南北方向）に自由に回動追尾し得るように構成
されている。

これは、春夏秋冬によつて太陽の高さが変わることに対
処しようとするものである。９５第２図は、一方向（た
とえはＸ軸方向）の回転追尾機構の一例を示す概略構成
説明図であり、他方向（Ｙ軸方向）の回転追尾機構も、
ほぼこの第ウ１−２図と同様に構成できる〇 これら第１図および第２図において、集光部１は、たと
えばフレネル型レンズ等を用いた集光レンズを同一平面
上に４枚配置して構成されている。

この集光部１は、太陽エネルギを高効率に回収するため
、たとえば１０００倍、１００００倍程度の高倍率の集
光が可能な集光レンズを用いている。なお、集光部とし
ては凹面の反射鏡等を用いてもよい。この集光部１に対
して前方（光の入射する方向）には、第１の受光検知手
段２が設けられ、上記集光部１で集光される前の太陽か
らの入射光を検知する。この第１の受光検知手段２は、
第３図に示すように、上記集光部１の面に対して垂直に
形成されかつ互いに直交するように構成された２枚のし
やへい板３と、このしやへい板３の先端に設けられ上記
集光部１の面と平行に配設されたしやへい板４とを有し
、さらに上記しやへい板３を挟むように配設されたフオ
トダイォード、フオトトランジスタ等の受光素子５ａ，
５ｂ等を有している。上記集光部１の各集光レンズによ
つて集光された太陽光が焦点を結ぶ距離には、上記集光
部１の面とほぼ平行に放熱板６が配設される。この放熱
板６上において、上記集光部１が太陽に対向したときに
集光された太陽光が焦点を結ぶ４個の位置には、４個の
発電素子、たとえば太陽電池７が配設される。この太陽
電池７の周囲のＸ軸、Ｙ軸方向の各位置には、それぞれ
２個づつのフオトダイオード、フオトトランジスタ等の
受光素子８が配設され、これら受光素子８は第２の受光
検知手段を構成する。これら集光部１、放熱板６等を固
定支持する支柱９には回転軸１０が設けられており、こ
の回転軸１０のまわりに上記支柱９が回動する。次に、
以上の構成を有する太陽追尾装置の動作について説明す
る。

まず任意の方向から太陽光が入射した場合には、集光部
１によつて集光された太陽光は、一般に上記太陽電池７
に受光されないのみならず、第２の受光検知手段８のい
ずれにも受光されないことが多い。これは、１０００倍
、１００００倍の高倍率で太陽光を集光させるため、任
意方向からの太陽光が、上記太陽電池７の近傍に照射さ
れることの確率が非常に低くなるからである。このよう
な場合には、まず集光前の太陽光を受光する第１の受光
検知手段２（以下コースセンサと称す）により太陽方向
を検知し、モータ等を駆動させて集光部１を太陽に対向
させる。すなわち、第２図に示すように図の右側（矢印
Ｒ方向）から太陽光が入射すると、コースセンサ２の右
側の受光素子５ａのみが太陽光を受光し、他方の左側の
受光素子５ｂはしやへい板３により太陽光がさえぎられ
てその光は受光されない。このとき、これら受光素子５
ａ，５ｂの出力差を検出し、この検出信号によつてモー
タ等を駆動することにより、支柱９を回転軸１０のまわ
りに矢印Ａ方向に回動する。したがつて集光部１は次第
に太陽方向に向いてゆき、集光部１の面が太陽に対向し
た位置では、太陽光はしやへい板４で完全にさえぎられ
、左右の受光素子５ａ，５ｂのいずれにも受光されない
。このときこれら各受光素子５ａ，〜５ｂの出力差がほ
ぼ０になり、コースセンサ２による太陽追尾動作は終了
する。一方、図の左側（矢印Ｌ方向）から太陽光が入射
された場合にも上記と同様の動作が生じ、この場合には
支柱゛９は矢印Ａとは逆方向（矢印Ｂ方向）に回動され
る。また以上はＸ軸方向のコースセンサによる太陽追尾
動作であるが、Ｙ軸方向についても同様であるため説明
を省略する。このように、コースセンサ２により集光部
１はほぼ太陽の方向を向くわけであるが、集光された太
陽光が正確に太陽電池７に焦点を結んで照射される（以
下これをスポツトされると称す）とは限らない。

これは、集光レンズとして高倍率のものを使用している
ため、集光前の太陽光を受光して太陽方向を検知するコ
ースセンサ２のみでは集光された太陽光を太陽電池７上
に正確に位置させる程度の精度が得られないからである
。このようなことから、コースセスサ２による太陽追尾
動作が終了した後には、集光部１で集光された太陽光は
、太陽電池７あるいはその周囲に配置された受光素子８
で構成される第２の受光検知手段（以下フアインセンサ
と称す）に照射される。このフアインセンサにより、さ
らに高精度の太陽追尾が行なえ、集光された太陽光は正
確に太陽電池７上にスポツトされるわけである。次に、
このフアインセンサによる太陽追尾動作について説明す
る。

いまフアインセンサのうちで、太陽電池７に対して第２
図の左側に位置する受光素子８ｂの上部あるいはその周
辺に、集光された太陽光が照射された場合には、受光素
子８ｂは太陽電池７に対して第２図中右側に位置する他
の受光素子８ａに比してより多くの出力を生じる。そこ
でこれらの受光素子８ａ，８ｂの出力差を電気的に検出
してより出力の小さい受光素子（この例では右側の受光
素子８ａ）方向にスポツトが移動するように、支柱９を
矢印Ａ方向に回動させる。このようにして、集光された
太陽光が移動して太陽電池７上に正確にスポツトされる
と、一方の受光素子８ｂと他方の受光素子８ａとの出力
差はなくなる。この出力差がなくなつた位置にてモータ
等の駆動は停止し、太陽電池７上にのみ集光された太陽
光をスポツトする。上記フアインセンサの受光素子８ａ
，８ｂと太陽電池７との配設位置関係については種々考
えられる。すなわち、たとえば第４図に示すように、１
個の太陽電池７のまわりに受光素子８を４個配設しても
よいし、また集光部１を構成する集光レンズの数に応じ
た数だけ太陽電池７を配設した太陽追尾装置にあつては
、第５図に示すように、その太陽電池７の隣接する位置
にＸｌＹ軸の正、負の４方向についてそれぞれ１個づつ
配設するようにしてもよい〇なお、これらの受光素子８
を太陽電池７と同一のヘツダ１１の上部にマウントする
場合には、受光素子８の裏面に絶縁体を介在させてもよ
いし、また受光素子８と太陽電池７とが電気的に導通す
るようにしてもよいが、集光された太陽光のスポツトで
かなり多くの熱が照射されるために、その熱はけを考慮
する場合には絶縁体を介在させない方がよい。

ところで、コースセンサの取付角度と集光部の取付角度
との誤差等により、コースセンサで検出した太陽方向と
フアインセンサで検出した太陽方向とが一致しない場合
がある。

このような場合には、フアインセンサとコースセンサと
で互いに逆方向の回転を指示するため、フアインセンサ
による高精度の太陽追尾動作に悪影響が及ぼされる。こ
の悪影響を防止するには、たとえばフアインセンサの出
力が所定値以上となつたとき、コースセノサからの出力
をしや断するような制御回路の構成をとればよい。第６
図はこのような制御回路の一例を示すものであり、コー
ス、フアイン各センサの受光素子５ａ，５ｂ，８ａ，８
ｂは第２図の位置関係にあるものとする。

この第６図において、第２図の矢印Ｒ方向からの光入射
があつたときのみ出力を生じ得る受光素子５ａ，８ｂか
らの出力の和は、比較器２１の一方の入力端子に供給さ
れる。他の受光素子５ｂ，８ａからの出力の和は、比較
器２１の他方の入力端子に供給される。さらにコースセ
ンサを構成する受光素子５ａ，５ｂの直後には、それぞ
れスイツチ１２ａ，１２ｂが挿入接続されている。

ここでフアインセンサを構成する受光素子８ａ，８ｂの
出力の和が所定値以上になつたとき、スイツチ１２ａ，
１２ｂが０ＦＦ動作し、コースセンサの受光素子５ａ，
５ｂからの出力はしや断され、比較器２１に供給されな
い。したがつてフアインセンサのみによる高精度の太陽
追尾動作に影響が及ぼされない。なお、増幅器２２ａ，
２２ｂは、集光前の太陽光が照射される受光素子５ａ，
５ｂからの低レベルの出力を、集光された太陽光が照射
される受光素子８ａ，８ｂからの出力のレベルにまで高
めるために用いられるものであり、モータ２３は前述し
た第１の実施例の支柱９を回転，駆動する駆動手段であ
る。この第６図の例では、スイツチ１２ａ，１２ｂをコ
ースセンサを構成する受光素子５ａ，５ｂの直後に配置
しているが、この他たとえば、フアイン、コースセンサ
についてそれぞれ比較器を設け、フアインセンサの比較
器の直後にスイツチを配置する構成等、種々の制御回路
の構成をとることが可能である。次に、以下は第２の実
施例として移動速度を焦光点と発電素子との位置関係に
応じて変化させるようにしたものである。

焦光点と発電素子との位置がずれると、発電素子の発電
力は極端に低下する。

この点は無焦光型の発電装置に比べ大きく異なる点であ
る。そのために、離れた位置より太陽を探策する場合に
は、できるだけ高速度でしかも短時間で移動する必要が
ある。ところが、焦光点と発電素子との位置が一致した
のちに、太陽の移動を追うときは、必要以上の速度で太
陽を追尾する必要がないばかりでなく、必要以上の速度
で太陽を追尾した場合には駆動手段の慣性などのために
移動し過ぎ等の現象を起し、所手位置で完全に停止する
までの時間が長くかかる欠点が生じる。このようなこと
から、太陽を追尾するには、太陽を離れた位置に集光部
が位置するときは焦光点と発電素子とが一致する付近に
おいてでは移動速度を遅くする必要がある。モータ等で
駆動手段を駆動するような場合には、モータに印加する
電圧を変化させることにより、移動速度を変化させる方
法があるが、この場合には可変する範囲が小さく遅い速
度の領域においてでは、トルクが異常に小さくなるなど
のため動作が不安定になり易い。このような点に着目し
、上記欠点を除去するために、モータをパルスで駆動し
、そうして幅の定まつたパルスの周期を変化させるか、
あるいはパルスの幅を変化させるかを行なうことにより
（モータの速度を変えて太陽を追尾するようにしたもの
である。

次に第１図ないし第１０図を参照しながら本発明に係る
第３の実施例について説明する。

この第３の実施例では、第２の受光検知手段であるフア
インセンサとしての機能を、発電素子である太陽電池７
にもたせることにより、構成をより簡略化している。な
お、この太陽追尾装置の他の部分の構成については、前
記第１の実施例とほぼ同様であるため、図示せず説明を
省略する。まず第７Ａ図において、円領域Ａｓｂｓｃｌ
ｄは、前述した集光部が正確に太陽をとらえたときに、
集光された太陽光が照射される領域を示している。

太陽電池７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄは上記円領域の直径よ
りも少なくとも長い長辺を有する四角形の受光面をそれ
ぞれ有し、この受光面の中心位置が各円領域Ａｓｂｌｃ
ｓｄの中心位置からずれるように配置される。この場合
、同一軸上（Ｘ軸上あるいはＹ軸上）の２個の太陽電池
については、上記ずれは互いに逆向きで等距離となるよ
うにし、かつ上記円領域は太陽電池の受光面内に含まれ
るようにする必要がある。このようにして配置された各
太陽電池７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄはたとえば第８図に示
すような検出回路を用いて高精度の太陽方向検出が行な
える。

この第８図において等価回路で表わされた太陽電池１ａ
，７ｂ，７ｃ，７ｄは上記第７Ａ図の各太陽電池にそれ
ぞれ相当する。Ｘ軸上に配置される太陽電池７ａ，７ｂ
については、これらの接続点４の出力と、これらの太陽
電池に並列接続されたそれぞれ等しい抵抗値を有する分
圧抵抗１３ａ，１３ｂの接続点８の分圧出力とを比較器
１４で比較する構成を有している。またＹ！１１１上に
配置される太陽電池７ｃ，７ｄについても同様に、接続
点Ｏの出力と、それぞれ等しい抵抗値を有する分圧抵抗
１３ｃ，１３ｄの接続点０の分圧出力とを比較器１５で
比較する構成を有している。以下動作を説明する。

たとえば集光された太陽光がＸ軸の正方向にずれて第７
図破線に示す円領域ａ′、ｂ′、ｃ′、ｄ′に照射され
ると、Ｘ軸上の太陽電池７ａの出力電圧が低下する。こ
のため４点電圧が８点の分電圧よりも高くなり、比較器
１４からは、たとえば正の出力が生じる。逆に８点の分
電圧が４点電圧よりも高ければ、比較器１４からの出力
はたとえば負となる。この比較器１４からの出力の正負
に応じて前述した支柱等を回転駆動し、集光された太陽
光をＸ軸の正、負方向に微小距離だけ移動させ、上記太
陽電池７ａ，７ｂ上の円領域Ａｌｂにスボツトさせる。
このとき４、８点電圧は等しくなり、比較器１４からの
出力がなくなつて上記回転駆動が停止される。Ｙ軸方向
の集光された太陽光のずれについても同様に、Ｏ点電圧
とＯ点電圧とを比較器１５で比較し、その出力の正負に
応じて集光させた太陽光を円領域Ｃｌｄにスポツトさせ
る方向に移動させる。この第７Ａ図に示される太陽電池
７ａ〜７ｄの配置の場合には、集光部の各レンズは第７
Ａ図の一点鎖線の如く配置される。

第１の実施例に示されるような集光部１、回転軸等の構
成を有する太陽追尾装置の場合には、第７Ｂ図のような
太陽電池７ａ〜７ｄの配置とすればよい。このときの集
光部の各レンズは第７Ｂ図の一点鎖線で示され、正確に
集光された太陽光は円領域ａ−ｄにスボツトされる。こ
のような第３の実施例は種々の変形が可能であり、たと
えば太陽電池７の形状および配置は第９図のように、ま
た検出回路の構成は第１０図のようにしてもよい。

第９図の場合には、集光された太陽光が破線で示すよう
に一方向にずれて照射されると、１個の太陽電池７ｅの
みに果光された太陽光が受光され、他の太陽電池７ｆ，
７ｇ，７ｈには集光された太陽光が受光されなくなる。

また第１０図の検出回路の場合には、Ｏ点電圧と０点電
圧とを比較器１５で比較し、この比較出力の正負により
、ずれがＸ軸方向かＹ軸方向かを検出する。

さらに４点電圧と８点電圧とを比較器１４で比較するこ
とにより、Ｘ軸あるいはＹ軸上の正、負いずれの方向か
を検出する。次に、第１１図ないし第１４図を参照しな
がら本発明の第４の実施例について説明する。

日没まで太陽の造尾を続けて西方向（第１１図中右方向
）に向いている集光部１は、日没によつて太陽の照射が
なくなると、太陽追尾装置の動作の停止によつて西方向
を向いたままの状態で位置する。

そのために、翌朝太陽が昇り始めた時点では、太陽光は
集光部１と反対方向（矢印Ａ方向）から照射される。し
たがつて、コースセンサ及びフアインセンサのいずれに
も太陽光が入射しないために、太陽を追尾し得ないとい
うことが生じる。また、例えば雲等の影響によつて太陽
の照射が一時的、あるいは断続的になくなると、雲によ
つて太陽光がさえぎられた以外の太陽光のある別の方向
に動作するおそれが生じ、そのために再び太陽が照射さ
れた時には別の地点に移動し過ぎてしまうことがあつた
。このように、太陽の照射がなくなつた場合、または一
時的あるいは断続的に極めて照射エネルギーが弱くなつ
た場合に、どのようにして有効な太陽追尾を行なうかが
問題となつている。従来、このような実情に鑑み、時計
装置を利用し常に太陽方向に集光部を向けるようにした
ものが提案されているが、この時計装置の駆動に発電電
力を浪費してしまうという欠点がある。

また、日の出後の数時間と日の入り前の数時間は太陽か
ら照射されるエネルギーは昼間よりも少ないことを考慮
して、予めコースセンサの追尾可能な範囲以外は、機械
的に太陽を追尾しないようにすることも考えられるが、
やはりこの場合にもある程度の発電電力の消費は否めな
い。そこで、従来のような時計装置を使用することなく
、しかも発電電力を少しでも浪費しないようにして、前
記問題点を解決しようとしたのが本発明の第４実施例で
ある〇そのために、前記実施例に、さらに本実施例には
例えば太陽追尾装置のＸ軸方向への移動の限界点、すな
わち日の入り時点の近傍に例えば切換えスイツチ１６等
を設け、太陽追尾装置が日の入り時点に移動すると、こ
れを検知して逆方向（図中左方向）に機械的に移動させ
て真上方向（図中上方向）に常に集光部１が自動的に向
くように構成してある。

このように構成すれば、太陽が再び照射され始まれば、
直ちに太陽追尾の動作を開始し、発電電力を余り浪費せ
ず日の出から日の人りまでの可能な太陽エネルギーを、
より有効に吸収することができる。また、上記のような
問題（コースセンサの背部方向から太陽光が照射されて
いる場合）に対しては、次の方法によつてもよい。

すなわち、一つの方法は、前記実施例で述べた太陽追尾
装置の一部を構成しているコースセンサにさらに例えば
第１２図に示すように放熱板６の下面（背面）に、ある
いは放熱板６の両側部に、さらにコースセンサ２の下部
等の位置に新規のコースセンサ２ａ，２ｂ，２ｃを増設
し、前記実施例のコースセンサと併用する方法である。

第二の方法は、第１３図に示すように、集光部１の少な
くとも一側部あるいは、コースセンサ２の前面方向の位
置に例えばグラスフアイバ一や反射鏡１７ａ，１７ｂを
設け、この鏡１７ａ，１７ｂ等を利用することによつて
コースセンサ２の検知能力を拡大する方法である。

第三の方法は、例えば第１４図に示すように既存のコー
スセンサ２の受光素子５の上部に魚眼レンズ１８を設け
、この魚眼レンズ１８によつて１８０度の角度方向にも
検知能力を拡大する方法である。

なお、この第三の方法の場合には、対向して２個設ける
ようにすれば３６０度の範囲検知能力に拡大することが
できる。このような第一乃至第三の各方法（以下これら
の方法に寄与するコースセンサを背面センサと称す）に
よつて、背面方向からの太陽光は検知される。

したがつて、第１２図及び第１３図中の左方向から太陽
光が照射されると、まず背面からの太陽光を検知する背
面センサ２ａ，２ｂ，２ｃ，１７ａ，１７ｂ，５に、太
陽光による出力が発生し、このセンサが、集光部がいか
なる方向（例えばＸ軸の左か右）を向いているかを、位
置検出装置に信号を伝達して駆動手段を駆動させ、集光
部１を第１２図及び第１３図中反時計方向に回動させる
。これによつて、第１２図及び第１３図中上方向の位置
するまでに集光部１が向けば、今度は、既存のコースセ
ンサ２が働く動作範囲内に入るので、このコースセンサ
２によつて、前記実施例で述べたと同様の太陽追尾動作
を開始する。

なお、上記の位置検出装置は、一軸（例えばＸ軸）のい
ずれの方向（例えば右方向、左方向）に集光部が向いて
いるかを検出し得る例えば機械的なスイツチが適当であ
る。以上のように、本発明は太陽光を集光する集光部と
、該集光部での集光前に太陽光の入射方向を検知して駆
動手段によつて太陽に上記集光部を対向させる第１の受
光検知手段と、上記集光部によつて集光された太陽光の
入射方向をさらに高精度に検出して駆動手段によつて太
陽光を所定位置に照射させて発電させる第２の受光検知
手段とを備えることにより、高集光型の太陽発電システ
ムが実現出来、効率のよい太陽光の集光を可能とすると
ともに、春夏秋冬、日の出及び日の入り等のいかんにか
かわらず、低エネルギーマしかも高精度の太陽追尾を行
なうことができるなど極めて有用な効果を有する。

【図面の簡単な説明】

図は本発明にかかる太陽追尾装置の一実施例を示し、第
１図は本発明に係る第１の実施例を示す斜視図、第２図
は一方向の回転追尾機構の一例を示す概略構成説明図、
第３図は本発明に使用されるコースセンサの一例を示す
斜視図、第４図及び第５図は互いに異なるフアインセン
サの受光素子と太陽電池との配設位置関係を示す平面図
、第６図は本発明に使用される制御回路の一例を示すプ
ロツク回路図である。 第７図乃至第１０図は本発明の第３の実施例を示し、第
７図はフアインセンサとしての機能を発電素子にもたせ
るようにした本発明の第３の実施例を示す説明図、第８
図は第７図に使用される検出回路を示すプロツク回路図
、第９図は第７図で示した第３の実施例の変形例を示す
説明図、第１０図は第９図に使用される検出回路を示す
プロツク回路図である。第１１図乃至第１４図は本発明
の第４の実施例を示し、第１１図は既存の太陽追尾装置
に例えば切換えスイツチを設けた例を示す概略構成説明
図、第１２図は既存の太陽追尾装置に新規の背面センサ
を設けた例を示す概略構成説明図、第１３図は既存の太
陽追尾装置に反射鏡等を設けた例を示す概略構成説明図
、第１４図は魚眼レンズを使用した背面センサの一例を
示す側面図である。１・・・・・・集光部、２・・・・
・・第１の受光検知手段（コースセンサ）、５，５ａ，
５ｂ・・・・・・コースセンサの受光素子、６・・・・
・・放熱板、７・・・・・・発電素子（太陽電池）、８
，８ａ，８ｂ・・・・・・第２の検知手段（フアインセ
ンサ）を構成する受光素子、１０・・・・・・回転軸。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 太陽光を集光する集光部と、該集光部での集光前に
   太陽光の入射方向を検知して駆動手段によつて太陽に上
   記集光部を対向させる第１の受光検知手段と、上記集光
   部によつて集光された太陽光の入射方向をさらに高精度
   に検出して駆動手段によつて太陽光を所定位置に照射さ
   せて発電させる第２の受光検知手段とを備えることを特
   徴とする太陽追尾装置。