WO2014163180A1 - 太陽追尾型太陽光発電システム - Google Patents

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Abstract

 本発明による太陽追尾型太陽光発電システムは、複数枚の太陽光発電パネルを互いに近接させて装荷した基盤を、回転手段によって、太陽の方位角変化に追従して水平回転させるように構成されたものである。そして、前記の回転手段を、前記基盤の下面に同心円状に敷設された複数のレールと、地盤側の基台に設けた車輪とを備えて構成する。これによって、広い設置スペースにレールを水平に敷設する場合に比べて、車輪を同一水平面に支持する方が容易であるので、施工コストの削減や施工期間の短縮が可能となり、大形のシステムを実現することができる。また、基盤は複数のレールによって同心円状に補強されているので、該基盤は、金属製のLアングル等から組立てることができ、面積の広い基盤を、軽量で安価に作製できるようになる。

Description

太陽追尾型太陽光発電システム
 本発明は、太陽光発電システムに関し、特に太陽の方位(東西)の移動を追尾するものに関する。
 近年、CO2の排出削減や原子力発電の抑制などのために、再生可能エネルギーを使った新たな電源の必要性が高まっている。その新たな電源の中でも、太陽光発電が、発電効率の向上と、太陽光発電パネルの低価格化とによって、注目を集めている。太陽光発電は、太陽光発電パネルに入射する太陽光のエネルギーを電気エネルギーに変換することで行われ、その光電変換効率は、図12(A)に示すように、太陽光発電パネル10に垂直に入射する太陽光20のエネルギーに対して、実際に太陽光発電パネル10から取出すことができる電気エネルギーの割合で示される。
 前記太陽光発電パネル10の発電効率(光電変換効率)をEF、該太陽光発電パネル10に入射する太陽光20の平均エネルギーをES、太陽光20の入射する時間をTとすると、太陽光発電パネル10の計算上の出力エネルギーPoは、下記のようになる。
  Po=ES×EF×T
 しかし、上式の出力エネルギーPoを得られるのは、太陽と太陽光発電パネル10とが正対している場合である。実際は、太陽光20の入射角が刻一刻と変化するので、太陽光発電パネル10を放置(固定)したままでは、得られる出力エネルギーPoは、平均で、上式の半分以下になる。前記入射角は、方位角と仰俯角との2つの角度で表される。
 詳しくは、一般的な太陽光発電パネルの設置例であり、たとえば住宅の屋根などに設置される固定型、つまり太陽追尾型でない太陽光発電システムの場合、太陽光発電パネル10に入射する太陽光20の入射角は、季節や時刻によって大きく変動する。たとえば、図12(B)に示すように、入射角が45度になると、実際に太陽光発電パネル10に入射しようとする太陽光20のエネルギーは、正対時のcos45°=0.707になる。更に、図12(C)のように入射角が60度になると、正対時のcos60°=0.5と、半分にまで低下する。その上、太陽光20の太陽光発電パネル10への入射角が大きくなって、斜目に入射しようとする程、該太陽光発電パネル10のガラス表面で反射される光の割合が増加し、実際に太陽光発電パネル10に入射する太陽光20のエネルギーは、前記の数値より大幅に低下することになる。
 そこで、このような太陽光発電パネル10の入射エネルギー、つまり前記の発電効率EFの低下を避けるためには、太陽光発電パネル10を太陽に正対するように駆動すればよい。たとえば、図12(B)のように、太陽光20の入射角が(パネルの法線から)45度になった際に、図13(A)のように太陽光発電パネル10を45度回転して太陽と正対させると、太陽光20は、ガラス表面での反射も抑えられて、ほぼ100%パネルに入射して発電量を最大にできる。同様に、図12(C)のように入射角が60度になっても、図13(B)のように太陽光発電パネル10を60度回転すると、太陽光20の持つエネルギーの100%を太陽光発電パネル10に入射して発電量を最大にできる。このようにして、太陽光発電パネル10を回転させることによって、出力低下の問題を解決するように構成された太陽追尾型の太陽光発電装置が提案されている(たとえば、特許文献1等を参照)。
 このような従来から提案されている太陽光発電システムでは、複数の太陽光発電パネルを使用する場合、それぞれの太陽光発電パネルを回転させることで発電量が増加するように考えられる。しかしながら、図14に示すように、各太陽光発電パネルが面一に並んだ状態から大きく回転させる程、相対的に太陽に近い前側の太陽光発電パネルが、相対的に太陽から遠い後側の太陽光発電パネルに影を作ってしまう。そのため、図15のように、各太陽光発電パネルを、陰の影響が小さくなるように、相当な距離を離して設置する必要がある。したがって、複数の太陽光発電パネルを使用して、それらを個別に回転させる太陽光発電装置の場合、固定型に比べて、同じ敷地面積に設置できる太陽光発電パネルの数(面積)が減ってしまう。結果として、複数の太陽光発電パネルに分割しても、単位敷地面積当りの発電量は大して増えないことになる。
 加えて、上述のような太陽光発電システムでは、追尾装置が、太陽光発電パネル毎、あるいは、数枚程度毎に必要になる。そのため、該追尾装置の費用や追尾のためのエネルギーが嵩み、結果として、太陽エネルギーの利用による経済効果が小さくなり、ビルの屋上のような設置面積が限られたごく小規模な発電にしか使われていないのが現状である。
 ここで、太陽光20が太陽光発電パネル10に入射する角度を正確に表すには、方位角と仰俯角との2つの角度を必要とする。しかしながら、季節によって変化する仰俯角に比べて、1日で変化する方位角の方が、発電効率に与える影響が大きいので、図12~図15の説明では、主に方位角の変化を想定している。
 そこで、複数の太陽光発電パネルを、前記影の影響などを考慮した上で、共通の基盤上に設置し、その基盤を鉛直軸線回りに回転させることで、太陽の方位角の変化を追尾することが考えられる。その場合には、設置場所の地盤に、基礎および舗装を施工して基台を造成し、その基台上に、円形のレールを敷設する一方、前記複数の太陽光発電パネルを装架した基盤には、前記レール上を転動することができる複数の車輪を設けて、前記基盤を前記レール上で回転させることで、太陽を追尾できるようにした装置が考えられる。このような装置によれば、前記レールを同心円状に複数本設置し、前記車輪も多数設けることで、大きな荷重を支えることが可能となる。そのため、トータルのパネル面積の広い大形の太陽光発電パネルを用いた太陽追尾型太陽光発電システムが可能となる。また、多数の太陽光発電パネルに対して、追尾装置は共通で、該追尾装置の装置コストや、追尾のためのエネルギーも削減することができる。このような太陽追尾型太陽光発電システムを、本件出願人は、特開2013-74037号として既に特許出願している。
 こうして、前記特開2013-74037号の発明によって、大きな荷重の太陽光発電パネルであっても、太陽追尾型太陽光発電システムを構成することが可能となった。しかしながら、大規模なシステムであるので、前記レールの敷設範囲も広く、該レールの全長に亘り、精度良く水平に敷設する工事が大変であった。つまり、高精度の施工が要求される。そのため、前述のように、パネルや追尾のためのコストは抑えられるものの、反対に施工コストが嵩み、また、施工期間の短縮も困難であった。
特開2007-258357号公報
 そこで本発明は、大型の太陽追尾型太陽光発電システムにおいて、施工コストの削減および施工期間の短縮が可能な技術を提供することを目的としている。
 上述の目的を達成するために、本発明の一局面に係る太陽追尾型太陽光発電システムは、前記特開2013-74037号の発明をさらに改良するものであって、複数枚の太陽光発電パネルを互いに近接させて装荷した基盤を、回転手段によって、前記太陽光発電パネルが水平面において太陽と正対するように回転させるように構成された太陽追尾型太陽光発電システムにおいて、前記回転手段は、前記太陽光発電パネルが装荷された基盤の下面に同心円状に敷設された複数のレールと、前記レールを載せて支持する複数の車輪と、設置場所に設けられた基台上において前記車輪を支持する車輪支持手段と、前記基盤を、前記車輪上で回転させる駆動手段とを備え、前記基盤は、Lアングルが碁盤目状に組合わせて構成され、前記複数のレールによって前記同心円状に補強されていることを特徴とする。
 上記の構成によれば、複数枚の太陽光発電パネルを装荷した基盤の下面に複数のレールを設け、前記レールを載せる車輪を設置場所の基台の上面に配設したので、レールの全長を水平に敷設するよりも、車輪を、その高さや水平を揃えて配設する方が容易に工事を行うことができ、施工コストの削減や施工期間の短縮が可能となり、大形の太陽追尾型太陽光発電システムの普及を促進できる。
図1は、本発明に係る太陽追尾型太陽光発電システムに用いられ、複数の太陽光発電パネルを装荷した基盤の模式図である。 図2は、図1の基盤を回転させた状態の模式図である。 図3は、本発明に係る太陽追尾型太陽光発電システムの一実施形態を模式的に示す斜視図である。 図4は、設置スペースを有効に利用するために、前記基盤に大きさの異なるものを配置した例を模式的に示す平面図である。 図5は、本発明に係る太陽追尾型太陽光発電システムに用いられる太陽光発電パネルを装荷した基盤と、その下面に配設された複数のレールとを示す底面図である。 図6は、本発明に係る太陽追尾型太陽光発電システムに用いられる基台の上面に配設される複数の車輪の配置例を示す平面図である。 図7Aおよび図7Bは、本発明に係る太陽追尾型太陽光発電システムに用いられる回転手段の一例を構成するレールと車輪との要部の側面図である。 図8は、本発明に係る太陽追尾型太陽光発電システムに用いられる回転手段の他の例を構成するレールと車輪との要部の側面図である。 図9は、本発明に係る太陽追尾型太陽光発電システムに用いられる回転手段のさらに他の例を構成するレールと車輪との要部の側面図である。 図10Aおよび図10Bは、本発明に係る太陽追尾型太陽光発電システムに用いられる駆動手段を構成するレールと駆動輪との要部の側面図および平面図である。 図11は、支持する車輪の高さを調整することができる車輪支持手段の一例を示す斜視図である。 図12A、図12Bおよび図12Cは、太陽光発電パネルに入射する太陽光の入射角の違いによる発電量の違いを説明するための図である。 図13Aおよび図13Bは、太陽の方向に太陽光発電パネルを正対させる様子を説明するための図である。 図14は、従来例の太陽光発電システムにおいて、太陽の方向に太陽光発電パネルを追従させる場合に生じる影を説明するための図である。 図15は、前記影を解消する方法を説明するための図である。 図16は、仰俯角連動機構を備える基盤の平面図である。 図17は、仰俯角連動機構を説明するための側面図である。 図18は、仰俯角連動機構を説明するための側面図である。 図19は、仰俯角連動機構を説明するための側面図である。 図20は、太陽光発電パネルの背面図である。 図21は、仰俯角連動機構を備える基盤の他の例を示す平面図である。
 本発明に係る太陽追尾型太陽光発電システムは、図1に示すように、複数枚の太陽光発電パネル10を密接して装荷した基盤を、太陽に正対するように動かすように構成されたものである。したがって、太陽の方位が変化しても、図2に示すように、複数枚の太陽光発電パネル10を太陽に正対するように追尾させることによって、太陽光発電パネル10面に照射される太陽光の持つエネルギーが効率良く該太陽光発電パネル10に入射するようになる。さらに、太陽光発電パネル10を密接して装荷できるので、単位面積当りの発電量を大きく向上できる。
 以下においては、本発明に係る太陽追尾型太陽光発電システムの一実施形態を図3に示して、その構成と作用効果を説明する。図3に示したように、複数枚の太陽光発電パネル10は、それぞれ基盤30の上に所定の仰角で傾斜された状態で装荷されている。図3は、模式図であり、太陽光発電パネル10は30枚示されているが、実際には、大規模になると、200枚以上で構成されることもある。そして、太陽の正中(北半球では南中)位置に対応した基盤30の回転位置において、太陽光発電パネル10は、東西方向には互いに近接され、南北方向には所定の間隔を開けて、前記基板30上に装荷される。基盤30は、後述する回転手段によって、矢印で示したように、水平面内で回転駆動されるように構成されている。前記所定の仰角や所定の間隔は、主に設置場所の緯度に応じて、総合的に発電効率が最も高くなるように設定されている。特に前記所定の間隔は、各太陽光発電パネル10の大きさや緯度によって、前述の図14で示すような影の影響が小さくなるように選ばれる。前記所定の仰角や所定の間隔は、前列側と後列側とで、互いに異なっていてもよい。
 このように、複数枚の太陽光発電パネル10を装荷した単一の基盤30を、1つの回転手段によって、太陽の方位角に合わせて回転(追尾)させることで、太陽追尾型太陽光発電システムにおける追尾のための装置コストおよびエネルギーを削減し、システム全体としての費用対効果を高めることができる。
 前記基盤30は、たとえば直径30m、面積約700m2に製作され、この基盤30を複数枚(台)使用するような大規模な太陽光発電所の例を図4に示す。基盤30は水平回転されるので、円形に形成される。そのため、1種類の直径の基盤30のみを複数枚(台)使用すると、基盤30間に相当な空き空間を生じる。そこで、図4に示したように、直径の異なる基盤30,31を組み合わせて使用し、たとえば直径12mの基盤31を前記空き空間に配設することで、空き空間を大幅に低減することが可能になる。このようにして、限られた設置スペースに、効率良く多数の基盤を配設することができる。なお、直径30mの複数の基盤30と、直径12mの基盤31との間の隙間に、さらに小さな直径の基盤を配設してもよい。基板30が直径10mの場合、基板31は直径4mである。
 次に、本発明に係る太陽追尾型太陽光発電システムの一実施形態として、基盤、基台および回転手段の具体的構成を、図5~11を用いて説明する。図5は、基盤30の底面図である。図5は、基盤30と、その下面に設けられる同心円状の複数のレール40~44,60との構成例を示す。基盤30は、金属製の押し出し材や圧延部材から成る梁状の構造材(建築構造用鋼材)を連結して、図示したように、マトリクス状に構築されている。なお、図3は、上述のように模式図であり、基盤30は円盤状に示されているが、実際は、この図5のように、前記梁状の構造材をマトリクス状に組上げて構成されている。前記梁状の構造材は、Lアングル、Cチャンネル、H形鋼、I形鋼、角パイプ、円パイプ等である。
 そして、このような基盤30上に、前記梁状の構造材から立ち上げた支柱などによって、前記複数の太陽光発電パネル10が、それぞれ所定の仰角で傾斜された状態で装荷される。レール40~44は、基盤30の下面において、同心円状に配設され、基盤30に固定されているとともに、前記マトリクス状の基盤30を補強する。基盤30の回転中心には、回転軸部材は設けられていない。
 図6は、基台70上に配設される複数の車輪50~52の配置状態を示す平面図である。車輪50~52は、二点鎖線で示した上述の同心円状のレール40~44に沿って、水平面上に配設される。前記水平面は、図7A、8、9に示す車輪50~52が、基台70もしくは車輪支持手段53上に形成するもので、複数の各車輪50~52の高さが揃えられ、かつ各車輪50~52の車軸が水平となるように設置されることで実現される。図11は、車輪支持手段53の一例を示す斜視図である。この車輪支持手段53は、基礎の上に立設され、上面で支持する車輪50~52の高さを揃え、かつ車軸を水平に支持するために設置される。
 前記車輪50~52とレール40~44とによって実現される機能としては、基盤30の荷重を支持する荷重支持機能、レール40~44が車輪50~52から脱輪することを防止する脱輪防止機能、レール40~44が車輪50~52から浮き上がることを防止する浮き上がり防止機能が挙げられる。
 前記荷重支持機能は、図7Aに示したように、荷重支持のレール40と、このレール40の底面に接触して荷重を受けて転動するように構成された車輪50との構造によって、実現することができる。前記荷重支持機能を実現するための車輪50の数は、前記基盤30の重量に応じて増減させることができる。このような荷重支持機能を実現する車輪50は、基盤30の荷重を支えるとともに、基盤30の回転中心を中心に回転する方向の動きに対しては、車輪として抵抗が少なく、軽く回転するように構成されている。すなわち、車輪50の回転軸は、レール40~44による同心円の半径方向に配置される。
 前記脱輪防止機能は、前記レール41の側面に近接して配設されて、該レール41の横ブレを規制する規制手段によって実現することができる。規制手段としては、図8に示したように、車輪51側にフランジ511,512を設けてもよいし、レール41側にガイドを設けてもよい。このような脱輪防止機能を実現する車輪51は、回転方向以外の力に対してはLアングル状のレール41を挟むように設けたフランジ511,512が応力を支えることで、レール41の該車輪51からの脱輪を防止している。この図8に示すレール41は、脱輪防止レールとしての機能を有するとともに、荷重負担を有する場合は、荷重支持レールとしての機能も有する。
 前記浮き上がり防止機能は、レール40の一部の上面に近接して配設されて、該レール40の上方向への浮き上がりを規制する規制手段によって実現されている。前記浮き上がり防止機能を実現する規制手段としては、図7Aに示したように、基盤30の下面にはCチャンネル状のレール40を敷設し、そのCチャンネル状のレール40における基盤30の下面に固定される片とは反対側の片を上方から覆う逆L字型の浮き防止体501を、基台70や車輪支持手段53側に設けることで実現することができる。このようにCチャンネルを抱くように、レール40の上側まで回り込むように浮き防止体501が延設されていることで、強風や地震等で基盤30およびレール40が、車輪50から浮き上がろうとしても、阻止することができる。
 なお、複数のレール40~44には、図7Aに示したレール40の構造のものと、図8に示したレール41の構造のものとを組み合わせて使用可能である。これらの図7Aおよび図8では、2種類の形状のレール40,41を使用する例を示したが、上記3つの目的(荷重支持機能、脱輪防止機能、浮き上がり防止機能)を実現できれば、形状は限定する必要は無く、たとえば図9に示すように、1種類のレール40と車輪52とによって、或いは図7Bに示すように、1種類のレール40と2つの車輪50,50aとによって、3つの目的を達成することもできる。
 図9の例では、浮き防止体523が設けられるとともに、車輪52は、荷重支持だけでなく、その両端にフランジ521,522が設けられていることで、脱輪も防止されている。図7Bの例では、フランジ付きの特殊な車輪を用いるのではなく、車輪50と同様の車輪50aを、前記基台70や車輪支持手段53から立設した支柱55によって、回転軸が鉛直となるように支持している。そして、車輪50aはCチャンネル状のレール40の外周面上を転動しており、こうして安価な部品で脱輪も防止されている。
 このように基台70や車輪支持手段53上に固定された多数の車輪50~52と、基盤30の下面に固定された複数のレール40~44とによって基盤30を支えることで、多数の太陽電池パネル10を装荷して相当な重量になる基盤30を安定して支持し、かつ少ない抵抗で回転させることができる。そして、本実施形態の太陽追尾型太陽光発電システムは、太陽光発電パネル10を装荷した基盤30側にレール40~44を設け、地盤側の基台70や車輪支持手段53上に車輪50~52を設けるので、広い設置スペースにレール40~44を水平に敷設する場合に比べて、車輪50~52を同一水平面に支持する方が容易である。これによって、施工コストの削減や施工期間の短縮が可能となり、大形の太陽追尾型太陽光発電システムの普及を促進することができる。また、浮き防止体501,523およびフランジ511,512,521,522を設けることで、台風等の強風や地震によって、車輪50~52からレール40~44が外れてしまう不具合も防止することができる。
 さらに、基盤30は複数のレール40~44によって同心円状に補強されている、つまりレール40~44が基盤30の一部を構成しているので、該基盤30自体を剛性の高い金属材で作成しなくてもよく、上述のように、金属製のLアングルやH鋼等をマトリクス状に連結して作製することができ、面積の広い基盤を、軽量で安価に作製できるようになる。たとえば、基盤30の直径を30m以上、発電電力が50kw以上と言う従来に無い超大型のシステムを、安価に実現することができる。それには、前記レール40~44による基盤30の補強によって、太陽電池パネル10に該基盤30を加えた回転体の重量を、略20トンに抑えられていることが大きく貢献している。さらに、そのように大型の基盤30であっても、軽量であることから、追尾のためのエネルギー(消費電力)は、平均10w未満と、格別小さく抑えることができる。
 前記の50kwは、日本国において、一般家庭に設置される太陽光発電装置の発電電力である5kwの10軒分、一般家庭の消費電力である3kwの16軒分にも相当する。そして、固定型の太陽光発電装置の場合は、発電量がピーク時の9割を超える時間は3時間程度であるが、本発明のように太陽追尾型の太陽光発電装置の場合は、両者の差が最も出難い春分・秋分の付近においても、追尾すると6時間以上になる。特に、夏季は日照時間が長い上に、日の出、日の入りの緯度がより北側になるので、追尾効果が高まり、9時間近い時間で9割以上の発電が可能になることが予想できる。詳しくは、南向きに設置した固定の太陽光パネルの場合、夏季の朝夕では、太陽がパネルの裏面側に回り込んでしまう場合が生じるのに対して、本発明のように追尾を行えば、1日を通して、パネル面に太陽光を入射させることができる。このように、固定型に比べ有効発電時間が長い太陽追尾型の太陽光発電装置は、電源としての品質が高く、そのような太陽追尾型の太陽光発電装置を、低コストに、極めて大型化できる本発明は、顕著な優位性を有する。
 続いて、本発明に係る太陽追尾型太陽光発電システムにおいて、太陽を追尾するための駆動手段の一例を説明する。図10は、その駆動手段の一例を説明するための図であり、図10(A)は側面図、図10(B)は平面図である。大略的に、この駆動手段は、基盤30の下面に取付けられた受動輪としてのレール60に、駆動輪61が押し当てられ、その駆動輪61をモータ63によって駆動することで、駆動機能が実現されている。レール60は、Lアングルが円弧上に曲形されて構成される。駆動輪61は、レール60に対して、滑り難い材質のゴムなどの材料から成る。レール60に対する更なる摩擦が必要な場合は、たとえばレール60側にラックが形成され、駆動輪61側にローレットが形成されていてもよい。
 モータ63は、アーム62の一端に保持され、アーム62の他端は、ピン64によって、基台70に、鉛直軸線回りに揺動自在に支持される。そして、アーム62は、図示しないバネ等の付勢手段によって、モータ63、つまり駆動輪61をレール60の側面に、所定の圧力で押し当てられるように構成されている。こうして、モータ63を回転させることで、基盤30を回転させ、該基盤30を太陽の方位変化に追尾させることが可能になる。なお、上述の例では、レール60はLアングルで構成されているが、基盤30の下面に敷設された帯状の板で構成され、駆動輪61が水平軸線回りに回転するように構成されてもよい。また、レール60は、円形、つまり無端環状に形成されていなくてもよく、追尾範囲に必要な円弧状に形成されてもよい。さらに、レール60は、前記レール40,41を兼ねてもよい。また、基盤30を回転させるために、ベルトや、ラックベルトなどが用いられてもよい。
 ここで、レール60の直径をDm1、駆動輪61の直径をDm2とすると、減速比はDm1/Dm2となって、大きな減速比を得ることができ、モータ63のトルクはDm2/Dm1となって、小さなモータでも大きな基盤30を回転させることができる。たとえば、前述のように、直径30mの基盤30を、平均電力が10w程度の微少電力で回転させることができる。
 次に、本発明に係るシステムの施工方法の要部を説明する。本発明を実施する場合、先ず設置場所の地盤に、コンクリートやアスファルト等による基礎および舗装を施工して基台70を形成し、その基台70上に複数の車輪支持手段53を配置し、その上に車輪50~52を配設する。これらの車輪50~52は、図6に示したように、基盤30側の円形状のレール40~44に対応させて、円周に沿って配設されるとともに、その高さが一定で、かつ回転軸が水平となるように、車輪支持手段53の高さ調整手段によって調整される。
 図11には、車輪支持手段53の一例を示す。この車輪支持手段53では、下部には基台70にアンカーボルト等を用いて固定するための固定プレート531を備え、上部には車輪50~52(図11の例では50)を支持する高さ調整手段533を備え、それらの間は適切な高さの支柱532が設けられている。高さ調整手段533は、たとえばこの図11で示すように、ボルトとナットとを組み合わせることで、高さの微調整が可能となっている。
 このような車輪支持手段53を各車輪50~52の支持に用い、高さ調整手段533を調整することで、車輪50~52の上面が十分な精度で同一な高さとなるように微調整する作業を、容易かつ迅速に行えるようになる。なお、高さ微調整機構533としては、車輪50~52のブラケットと支柱532との間に、スペーサ等を介在することでも実現することができる。また、基台70の表面が十分な精度で水平面状に施工されている場合には、該基台70の上面に、車輪50~52を直接固定することも可能である。これらの車輪50~52の回転軸は水平とし、各回転軸の延長線は、前記同心円の中心で交差するように配設される。なお、前記同心円の中心には、中心軸部材は設けられていない。
 ここで、設置場所の地盤が、岩盤や乾燥地域の硬い地盤である場合、或いは基盤30が前記30mのような大型ではなく、中~小型である場合に適用可能な簡易施工の例について説明する。簡単には、前記車輪支持手段53における高さ調整手段533よりも下方の固定プレート531および支柱532の部分を、前記コンクリートやアスファルト等による基台70として整地されていない地盤に埋め込んだ基礎の上に搭載することである。前記基礎として、具体的には、外周面が螺旋状に形成されて、地盤にねじ込まれるパイプ(螺旋杭)や、ブロック状で、前記地盤を掘り返して埋め込まれた後、埋め戻されるコンクリート基礎などを用いることができる。このように車輪50~52を支持する箇所にだけ基礎を施工し、設置場所における残余の領域から基礎施工を省略することで、施工コストを大幅に縮小することができる。
 以上で、本実施形態の太陽追尾型太陽光発電システムは、太陽の方位角変化に追従することを説明したが、太陽光発電パネル10の仰俯角を、日の出から日没まで時間経過に伴い変化する太陽の高度(仰角)に合わせて、変化させることができる仰俯角連動機構を備えていることが好ましい。その場合、太陽光発電パネル10の仰俯角の変化を、モータ等の専用のアクチェータを用いて実現することも可能であるが、前記の方位角変化に追従する基盤30の回転を利用して(連動するように)実現してもよい。
 図16は仰俯角連動機構を備える基盤30bの平面図であり、図17~図19は仰俯角連動機構を説明するための側面図であり、図20は太陽光発電パネル10の背面図である。図16において、図5の構成に類似し、対応する部分には同一の参照符号を付して、その説明を省略する。この基盤30bでは、南北に延びる梁状の構造材として、東西方向の中央寄りには4本の構造材34,35,37,38が設けられ、東西寄りはそれぞれ2本の構造材331,332;391,392が設けられている。一方、東西方向に延びる梁状の構造材は、設けられていない。
 ここで、図3で示すように、太陽光発電パネル10が、帯状(長手状)に形成され、所定の剛性を有するフレームによって支持されている場合、その帯の長手方向のフレーム材も、前記梁状の構造材の一部として活用することができ、本実施形態は、そのような構造を採用している。図3の例では、太陽光発電パネル10が、4枚、7枚、8枚、7枚、4枚と、それぞれ連結されて、ユニットあるいはモジュール化されている例を示している。そのユニットは、東西方向に延び、南北方向に前記所定の間隔を開けて、図3の例では上述のように、5列配列されている。太陽光発電パネル10の作成に、大型の基板を使用可能である場合、さらに少ない枚数で帯状に形成されてもよく、1枚であってもよい。
 そして、上述のように、帯(長手)状の太陽光発電パネル10は、その裏面において、帯の両側のフレーム101,102および中央のフレーム103の東西(長手)方向に延びる3本のフレーム、および南北(短手)方向の適宜の箇所に設けられる横フレーム104に搭載支持されている。中央のフレーム103、すなわち太陽光発電パネル10の概ね重心点の適宜の箇所には、回転支持手段12が設けられており、この回転支持手段12によって、水平軸線回りに太陽光発電パネル10が回転されることで、仰俯角変化が可能になる。
 一方、仰俯角連動機構は、フレーム32と、ラック&ピニオン部11と、前記回転支持手段12と、連動シャフト13と、ギアボックス15と、駆動シャフト16と、ギア付モータ17とを備えて構成される。
 フレーム32は、前記東西方向に延びる3本の梁状の構造材321~323と、上下方向に延びる複数本の支柱326と、南北方向に延びる複数本の横材324と、1または複数本の補強材325とを備えて構成され、太陽光発電パネル10の脚台を構成するものである。図17~図19は、フレーム32および太陽光発電パネル10を、西側から見た側面図である。フレーム32は、第1の構造材321を基準として、第2の構造材322が横材324によって南または北(北半球では北)方向にずれて配置され、第3の構造材323が支柱326によって上方向にずれて配置され、支柱326と横材324との間が斜めの補強材325によって補強されて構成されている。上方の第3の構造材323には、回転支持手段12によって、太陽光発電パネルの幅方向における略中央位置(概ね重心点)の裏面が、揺動自在に支持されている。したがって、太陽光発電パネル10を、僅かな力で、その傾き(仰角)を調整することができる。本実施形態では、構造材321~323、支柱326、横材324および補強材325は、Lアングルで構成されている。
 そして、各太陽光発電パネル10のユニットの傾き(仰角)調整のために、回転支持手段12に加えて、ラック&ピニオン部11および連動シャフト13が設けられている。連動シャフト13は、図16で示すように、太陽光発電パネル10の裏側で、東西方向に延びる1本のシャフトであり、図20で示すように、支柱326の下端付近に、軸受け14によって、該支柱326に回転自在に支持されている。その連動シャフト13の適宜の箇所に、ラック&ピニオン部11が設けられている。図16の例では、ラック&ピニオン部11は、南北端の短い太陽光発電パネル10に対応する連動シャフト13には4箇所に、それらの間の長い太陽光発電パネル10に対応する連動シャフト13には8箇所に、それぞれ設けられている。
 ラック&ピニオン部11は、ベース114と、ピニオンギア110と、受けローラ111,112と、ラックギア113とを備えて構成される。ベース114には、連動シャフト13が挿通されて支持されており、該ベース114は連動シャフト13の周方向に回転自在となっている。この連動シャフト13には、ピニオンギア110が固着されている。ベース114上には、ピニオンギア110に対向して、一対の受けローラ111,112が設けられている。ローラ111,112は、一直径線での断面が概略I字状、またはH字状に形成されており、そのI字またはH字の溝部分で、ラックギア113のギア面とは反対側を保持する。ラックギア113のギア面側には、ピニオンギア110が噛合している。ラックギア113の一端は、ピン115によって、太陽光発電パネル10の下端付近に揺動自在に連結される。
 したがって、連動シャフト13が回転すると、それに固着されている複数のピニオンギア110が連動して回転し、該ピニオンギア110に噛合しているラックギア113が繰り出され、或いは引き込まれてゆく。これによって、図17で示すように、ラックギア113が一杯に引き込まれた状態では太陽光発電パネル10は仰角が最大の直立状態となり、ラックギア113が繰り出されてゆくと、図18で示すように、太陽光発電パネル10の仰角が小さくなり、図19で示すように、一杯に繰り出されると、太陽光発電パネル10は仰角が最小の水平状態となる。
 図16を参照して、各連動シャフト13は、ギアボックス15を介して、共通の駆動シャフト16によって回転駆動される。駆動シャフト16は、ギア付モータ17によって回転駆動される。こうして、日の出から日没までの太陽高度に合わせてギア付モータ17を駆動することで、太陽光発電パネル10が太陽に常に正対するように、該太陽光発電パネル10の仰角を一括して調整することができる。その際、前述のように、太陽光発電パネル10の略中央(重心)が回転支持手段12によって揺動自在に支持されているとともに、ギア付モータ17、ギアボックス15およびラック&ピニオン部11のギア比によって、僅かなトルクで、多数の太陽光発電パネル10を一括して、その仰角を調整することができる。
 そして、このように太陽光発電パネル10のユニットを支持するフレームである3本の構造材321~323が、基盤30bを構成する東西方向における梁状の構造材として使用され、基盤本体を構成する南北方向における梁状の構造材331,332;34,35,37,38;391,392と、マトリクス状に組合わせられ、さらに同心円状のレール40,41,43,44で補強されて、基盤30bが構成されている。このように構成することで、基盤30bは、所定の強度を確保しつつ、構造材を一層削減することができる。
 また、この基盤30bでは、駆動レール60が設けられておらず、最外周のレール44が駆動レールとして兼用されている。そして、そのレール44の周方向に略等間隔に、複数の箇所に設けられる図7Aで示すローラ50が、荷重支持とともに、駆動輪として機能する。また、この基盤30bの円周方向の位置規制、すなわち脱線防止には、周方向に略等間隔に、複数の箇所に設けられる図7Bで示すローラ50aが用いられる。ローラ50,50aは、基盤30bの規模に応じた数が設けられればよく、また駆動と脱輪防止との機能を、何れのレールに持たせるかも任意である。
 ここで、地球の自転軸は概ね23.4度傾いているので、北緯35度地点の夏至の南中高度は78.4度になり、それに正対する太陽光発電パネル10の仰角は、11.6度になる。このため、太陽光発電パネル10の仰角は、日の出時に90度、南中時に11.6度、日没時に90度と大きく変化させる必要があり、上記のような仰俯角連動機構を用いることが好ましい。一方、太陽が低い状態では、影も長くなるので、北側および/または東西各側に他の基盤30bが存在する場合には、前記太陽光発電パネル10の南北方向の間隔等にも応じて、日の出時および日没時の仰角を設定すればよい。たとえば、日の出から太陽の高度が30度になるまで、および太陽の高度が30度から日没までは、仰角は5度に設定される。
 ところで、太陽光発電パネル10は、風の圧力を受けることになる。その場合、風圧によって発生する応力は、回転軸が直交するギアボックス15で、主に受けることになる。したがって、ギアボックス15は、駆動時の強度ではなく、静止時に強風等による応力に耐える強度となる大きさや構造に設計すればよい。また、基板30bが大型化したり、風の強い地域に設置される場合には、図21の基板30cで示すように、連動シャフト131,132、ギアボックス151,152、駆動シャフト161,162およびギア付モータ171,172を、複数系等に分割していてもよい。図21の例では、2系統に分割している。こうして、強風等に対する耐力を高めることができる。
 なお、方位角や仰俯角については、年間の各時期もしくは各日時における太陽の方位や高度を予め計算手段で求めて記憶手段に記憶させておき、前記モータ63等を制御するマイクロコンピュータ等の制御装置によるカレンダー機能を利用して、当日の日時に対応するデータを読出し、前記モータ63等を制御するようにしてもよい。または、前記方位角や仰俯角は、日毎に都度計算するようにしてもよい。
 前記図16~図21で示すような仰俯角連動機構は、その可動範囲を拡大することで、倒伏手段や直立手段として利用することができる。倒伏手段は、太陽光発電パネル10を、図19で示すような、ほぼ水平状態に倒伏させて支持するもので、直立手段は、太陽光発電パネル10を、図17で示すような、ほぼ直立状態に起立させて支持するものである。それらの倒伏手段や直立手段は、たとえば外部の制御装置等から、ギア付モータ17;171,172に、倒伏制御信号や直立制御信号が入力されることで動作を行うことができる。
 たとえば、前記倒伏制御信号は、前記太陽光発電パネル10の近傍や太陽追尾型太陽光発電システムの敷地内に設置した風速計、或いは気象情報システムから得られた風速のデータから、所定の閾値を超えるような強い風が観測された場合に発生される。したがって、そのような場合に、太陽光発電パネル10を寝かしてほぼ水平状態にしておくことで、風圧の影響を受けて、車輪50~52がレール40~44から脱輪したり、太陽光発電パネル10が破損したりすることを、未然に防止することができるとともに、基盤30cや、それへの該太陽光発電パネル10の装荷のための構造材の強度をむやみに高める必要が無く、構造材のコストを抑えることもできる。なお、前記風速のデータは、実際の観測値に限らず、台風などの場合予測値であってもよい。また、前記閾値は、発電量の乏しい朝夕の時間帯や夜間には低く設定され、より上記のような不具合の防止が図られてもよい。
 一方、前記直立制御信号は、たとえば降雪や、火山灰の降灰が、検出或いは予測される場合に発生される。したがって、そのような場合に、太陽光発電パネル10をほぼ直立状態にしておくことで、前記降雪や降灰によって発電効率が低下したり、発電不能となってしまうことを未然に防止することができるとともに、雪や灰の重みによる太陽光発電パネル10の損傷も未然に防止することができる。
 なお、前記倒伏手段や直立手段は、前記仰俯角連動機構と兼用されずに、独立した専用の構成で実現されてもよい。
 本発明に係る太陽追尾型太陽光発電システムは、太陽の方位角を追尾可能な構成を、大規模、かつ低コストに実現することができ、太陽光発電の普及に寄与することができる。

Claims (13)

  1.  複数枚の太陽光発電パネルを互いに近接させて装荷した基盤を、回転手段によって、前記太陽光発電パネルが水平面において太陽と正対するように回転させるように構成された太陽追尾型太陽光発電システムにおいて、
     前記回転手段は、
      前記太陽光発電パネルが装荷された基盤の下面に同心円状に敷設される複数のレールと、
      前記レールを載せて支持する複数の車輪と、
      設置場所に設けられた基台上において前記車輪を支持する車輪支持手段と、
      前記基盤を、前記車輪上で回転させる駆動手段とを備え、
     前記基盤は、梁状の構造材が組合わせて構成され、前記複数のレールによって前記同心円状に補強されていることを特徴とする太陽追尾型太陽光発電システム。
  2.  前記太陽光発電パネルは、帯状に形成されて、所定の剛性を有するフレームに支持されており、
     太陽の正中位置に対応した基盤の回転位置において、前記太陽光発電パネルの帯は東西方向に延びて装荷され、
     前記基盤は、
      南北方向に延びる梁状の構造材から成る基盤本体と、
      前記東西方向に延びる梁状の構造材として使用される前記フレームと、
      前記同心円状のレールとを備えて構成されることを特徴とする請求項1記載の太陽追尾型太陽光発電システム。
  3.  装荷する太陽光発電パネルの仰俯角を、太陽高度に合わせて変化させる仰俯角連動機構を備えていることを特徴とする請求項2記載の太陽追尾型太陽光発電システム。
  4.  前記仰俯角連動機構において、前記太陽光発電パネルの脚台として機能するフレームにおける東西方向に延びる梁状の構造材が、前記南北方向に延びる梁状の構造材から成る基盤本体および同心円状のレールと組合わせられることを特徴とする請求項3記載の太陽追尾型太陽光発電システム。
  5.  前記脚台は、前記東西方向に延びる3本の梁状の構造材と、上下方向に延びる複数本の支柱と、南北方向に延びる複数本の横材と、1または複数本の補強材とを備え、
     第1の構造材を基準として、第2の構造材は前記横材によって南または北方向にずれて配置され、第3の構造材は前記支柱によって上方にずれて配置され、前記支柱と横材との間は斜めの補強材によって補強されており、
     前記帯状の太陽光発電パネルの幅方向における略中央位置の裏面が、回転支持手段によって、前記第3の構造材に揺動自在に支持されていることを特徴とする請求項4記載の太陽追尾型太陽光発電システム。
  6.  前記支柱の下端付近にはピニオンギアが設けられており、前記太陽光発電パネルの下端付近にはラックギアの一端が揺動自在に連結されており、ピニオンギアの回転によるラックギアの繰り出しによって、前記太陽光発電パネルの仰角が大きくなってゆくことを特徴とする請求項5記載の太陽追尾型太陽光発電システム。
  7.  前記ピニオンギアおよびラックギアは、前記太陽光発電パネルの裏側の複数箇所に設けられており、
     前記複数のピニオンギアは、連動シャフトによって互いに連動回転され、
     前記連動シャフトはギアボックスを介して駆動シャフトで回転駆動され、
     前記太陽光発電パネルが受ける風圧によって発生する応力を、前記ギアボックスで受けることを特徴とする請求項6記載の太陽追尾型太陽光発電システム。
  8.  前記連動シャフト、ギアボックスおよび駆動シャフトは、複数系等に分割されていることを特徴とする請求項7記載の太陽追尾型太陽光発電システム。
  9.  前記同心円状に敷設される複数のレールは、前記基盤の重量を支えるように構成された荷重支持レールと、前記車輪の脱輪を防止する脱輪防止レールとの2種類のレールを備えていることを特徴とする請求項1記載の太陽追尾型太陽光発電システム。
  10.  前記太陽光発電パネルの方位が、計算手段で算出した太陽の方位に一致するように、前記前記回転手段に前記基盤を回転させる制御装置を備えていることを特徴とする請求項1記載の太陽追尾型太陽光発電システム。
  11.  前記太陽光発電パネルの仰俯角が、計算手段で算出した太陽の高度に一致するように、前記仰俯角連動機構を駆動する制御装置を備えていることを特徴とする請求項3記載の太陽追尾型太陽光発電システム。
  12.  前記制御装置は、外部から倒伏制御信号が入力されたときに、前記仰俯角連動機構を、前記太陽光発電パネルを寝かして概ねフラットにした倒伏状態にさせる倒伏手段として機能させることを特徴とする請求項11記載の太陽追尾型太陽光発電システム。
  13.  前記制御装置は、外部から直立制御信号が入力されたときに、前記仰俯角連動機構を、前記太陽光発電パネルを立てて概ね直立状態にさせる直立手段として機能させることを特徴とする請求項11記載の太陽追尾型太陽光発電システム。
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