WO2020179568A1 - 太陽光発電装置及び太陽追尾方法 - Google Patents

太陽光発電装置及び太陽追尾方法 Download PDF

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WO2020179568A1
WO2020179568A1 PCT/JP2020/007650 JP2020007650W WO2020179568A1 WO 2020179568 A1 WO2020179568 A1 WO 2020179568A1 JP 2020007650 W JP2020007650 W JP 2020007650W WO 2020179568 A1 WO2020179568 A1 WO 2020179568A1
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WO
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power generation
sun
generation module
drive mechanism
azimuth
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PCT/JP2020/007650
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English (en)
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宏治 森
宗譜 上山
博之 小中
鍛 平山
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住友電気工業株式会社
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02S—GENERATION OF ELECTRIC POWER BY CONVERSION OF INFRARED RADIATION, VISIBLE LIGHT OR ULTRAVIOLET LIGHT, e.g. USING PHOTOVOLTAIC [PV] MODULES
    • H02S20/00—Supporting structures for PV modules
    • H02S20/10—Supporting structures directly fixed to the ground
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02S—GENERATION OF ELECTRIC POWER BY CONVERSION OF INFRARED RADIATION, VISIBLE LIGHT OR ULTRAVIOLET LIGHT, e.g. USING PHOTOVOLTAIC [PV] MODULES
    • H02S20/00—Supporting structures for PV modules
    • H02S20/30—Supporting structures being movable or adjustable, e.g. for angle adjustment
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02S—GENERATION OF ELECTRIC POWER BY CONVERSION OF INFRARED RADIATION, VISIBLE LIGHT OR ULTRAVIOLET LIGHT, e.g. USING PHOTOVOLTAIC [PV] MODULES
    • H02S20/00—Supporting structures for PV modules
    • H02S20/30—Supporting structures being movable or adjustable, e.g. for angle adjustment
    • H02S20/32—Supporting structures being movable or adjustable, e.g. for angle adjustment specially adapted for solar tracking
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy

Definitions

  • the present disclosure relates to a solar power generation device and a sun tracking method.
  • This application claims priority based on Japanese Patent Application No. 2019-041332 filed on Mar. 7, 2019, and incorporates all the contents described in the Japanese application.
  • the concentrating photovoltaic power generation device is a solar tracking type.
  • the tracker of the photovoltaic module for tracking the sun is biaxially driven in azimuth and elevation.
  • a rotating device is used as an azimuth drive source
  • a retractable cylinder is used as an elevation drive source (see Patent Document 1). Focusing on any point of the photovoltaic power generation module and considering what kind of trajectory each of the two axes moves independently, the movement is like drawing a horizontal plane at the azimuth angle.
  • the elevation is a vertical movement. Normally, the azimuth changes continuously in one direction from sunrise to sunset.
  • the elevation angle is a round-trip change that increases in the morning and decreases in the afternoon.
  • the device of the present disclosure is a solar power generation device that tracks the sun to generate electric power, and is a solar power generation module, a pillar that stands on an installation surface and supports the solar power generation module, and the solar power generation module with respect to the sun. And an azimuth drive mechanism that changes the azimuth angle of the photovoltaic module with respect to the sun, and an auxiliary drive mechanism that can change the angle formed by the azimuth drive mechanism with respect to the vertical line.
  • the method of the present disclosure is a sun tracking method of tracking the sun by changing the attitude of the photovoltaic power generation module by biaxial driving of azimuth and elevation, and a line obtained by extending the rotation axis of the reference rotation surface of azimuth.
  • the point where the celestial sphere and the celestial sphere intersect is located within the movement locus range of the sun, by changing the angle of the rotation axis with respect to the vertical line, the point is located outside the movement locus range of the sun, the sun To track.
  • FIG. 1 is a diagram showing a main part by simplifying the configuration of the photovoltaic power generation device, and is a perspective view.
  • FIG. 2 is a diagram showing a main part by simplifying the configuration of the solar power generation device, and is a diagram showing both a front view and a side view.
  • FIG. 3 is a diagram showing a state where the photovoltaic power generation module is rotated 90 degrees clockwise in FIG. 1 from the state of FIG. 1, and is a perspective view.
  • FIG. 4 is a view showing a state in which the photovoltaic power generation module is rotated 90 degrees clockwise in FIG. 1 from the state of FIG. 2, and is a view in which a front view and a side view are also shown.
  • FIG. 5 is a figure which shows the state which the photovoltaic power generation module rotated 90 degrees counterclockwise in FIG. 1 from the state of FIG. 1, and is a perspective view.
  • FIG. 6 is a view showing a state in which the photovoltaic power generation module is rotated 90 degrees counterclockwise in FIG. 1 from the state of FIG. 2, and is a view in which a front view and a side view are also shown.
  • FIG. 7 is a perspective view showing a state in which the photovoltaic power generation module is in a vertical posture from the state of FIG. 1 and the light receiving surface is directed toward the front side.
  • FIG. 8 is a diagram showing a state in which the solar power generation module is in a vertical posture from the state of FIG.
  • FIG. 9 is a diagram in which the rotary drive device is rotated from the state of FIG. 7 and the solar power generation module is rotated 90 degrees clockwise, and is a perspective view.
  • FIG. 10 is a view in which the rotary drive device is rotated from the state of FIG. 8 and the photovoltaic power generation module is rotated 90 degrees clockwise, and the front view and the side view are also shown.
  • FIG. 11 is a perspective view of the rotary drive device and its upper portion tilted by 30 degrees from the state of FIG.
  • FIG. 12 is a diagram in which the rotary drive device and the portion above it are inclined by 30 degrees from the state of FIG.
  • FIG. 10 is a diagram in which a front view and a side view are shown together.
  • FIG. 13 is a diagram in which the rotary drive device is rotated from the state of FIG. 7 and the photovoltaic power generation module is rotated 90 degrees counterclockwise, and is a perspective view.
  • FIG. 14 is a diagram in which the rotary drive device is rotated from the state of FIG. 8 and the photovoltaic power generation module is rotated counterclockwise by 90 degrees, and is a diagram in which a front view and a side view are shown together.
  • FIG. 15 is a perspective view of the rotary drive device and its upper portion tilted by 30 degrees from the state of FIG. FIG.
  • FIG. 16 is a view in which the rotation drive device and the portion above it are tilted by 30 degrees from the state of FIG. 14, and is a view in which a front view and a side view are also shown.
  • FIG. 17 is a diagram in which the rotary drive device rotates from the state of FIG. 7, the solar power generation module rotates clockwise by 180 degrees, and the rotary drive device and the portion above it are inclined by 30 degrees. It is a perspective view seen from above.
  • FIG. 18 is a diagram in which the rotary drive device rotates from the state of FIG. 7, the solar power generation module rotates clockwise by 180 degrees, and the rotary drive device and the portion above it are inclined by 30 degrees. It is the perspective view seen from the bottom.
  • FIG. 17 is a diagram in which the rotary drive device rotates from the state of FIG. 7, the solar power generation module rotates clockwise by 180 degrees, and the rotary drive device and the portion above it are inclined by 30 degrees. It is the perspective view seen from the bottom.
  • FIG. 19 is a diagram in which the rotary drive device rotates from the state of FIG. 8, the solar power generation module rotates clockwise 180 degrees, and the rotary drive device and the portion above it are inclined 30 degrees. It is the figure which described both the figure and the side view.
  • FIG. 20 is a diagram showing a state in which the photovoltaic power generation module faces directly above from the state of FIG. 17, and is a perspective view seen from diagonally above.
  • FIG. 21 is a diagram showing a state in which the photovoltaic power generation module faces directly above from the state of FIG. 18, and is a perspective view seen from diagonally below.
  • FIG. 22 is a diagram showing a state in which the photovoltaic power generation module faces directly above from the state of FIG.
  • FIG. 19 is a perspective view showing a posture in which the light receiving surface of the photovoltaic power generation module is directed to the installation surface, that is, directly below at night.
  • FIG. 24 is a view showing a posture in which the light receiving surface of the photovoltaic power generation module is directed to the installation surface, that is, directly below, at night, and is a view showing both a front view and a side view.
  • FIG. 25 is a diagram showing the trajectory of the movement of the sun when viewed from a point at latitude 0 degrees.
  • FIG. 26 shows a solar power generation device in which the auxiliary drive mechanism is not used and the reference rotation surface of the rotation drive device is horizontally fixed.
  • FIG. 27 is a diagram showing how the tracking of the sun is performed in a state where the reference rotation surface of the rotary drive device is tilted by a predetermined angle with respect to the vertical line.
  • FIG. 28 is a figure which shows the relationship between the reference
  • FIG. 29 is a diagram showing the relationship between the reference rotating surface (inclination) of the photovoltaic power generation device installed at a point at latitude 0 degrees and the range of the movement locus of the sun.
  • FIG. 30 is a figure which shows the relationship between the reference
  • FIG. 31 is a figure which shows the relationship between the reference
  • FIG. 32 is a diagram showing a relationship between a reference rotation surface (tilt) of a solar power generation device installed at a position of 10 degrees north latitude and a movement locus range of the sun.
  • the above 180 degree rotation at noon needs to be performed instantaneously for tracking, but in reality it takes a certain amount of time because of the low speed rotation. Therefore, a state in which tracking is impossible occurs at the zenith, and accurate tracking cannot be performed in time during the time period, resulting in a loss of generated power. In particular, in the case of a concentrating solar power generation device, if the tracking is deviated, the generated power will drastically decrease.
  • the present disclosure aims to eliminate an untrackable state in a solar power generation device that tracks the sun to generate power.
  • the gist of the embodiments of the present disclosure includes at least the following.
  • a solar power generation device that tracks the sun to generate power, and includes a solar power generation module, a pillar that stands on an installation surface and supports the solar power generation module, and the sunlight with respect to the sun.
  • An elevation angle drive mechanism for changing the elevation angle of the power generation module
  • an azimuth angle drive mechanism for changing the azimuth angle of the photovoltaic power generation module with respect to the sun
  • an auxiliary drive capable of changing the angle formed by the azimuth angle drive mechanism with respect to the vertical line.
  • It is a photovoltaic power generation device provided with a mechanism and a control part which operates the elevation angle drive mechanism, the azimuth angle drive mechanism, and the auxiliary drive mechanism.
  • the elevation angle of the solar power generation module can be changed by the elevation angle drive mechanism.
  • the azimuth drive mechanism can change the azimuth angle of the photovoltaic power generation module.
  • the auxiliary drive mechanism can change the angle formed by the reference rotation surface with respect to the vertical line.
  • the reference rotation surface for performing the azimuth tracking operation can be in a state of being tilted from the horizontal, for example. In this state, the point where the line extending the axis of rotation of the azimuth reference plane of rotation and the celestial sphere cross the outside of the sun's trajectory even if the solar power generator is installed within the north-south return line.
  • the sun By setting the position, the sun can be tracked while continuously rotating the azimuth. Therefore, even if the solar power generation device is installed on the north-south return line, it is not necessary to instantaneously rotate the azimuth angle by 180 degrees, and the untrackable state can be eliminated.
  • the solar power generation device according to (1) above can be tilted with respect to the pillar by being attached to the first joint provided at the upper end of the pillar and via the first joint.
  • a second joint that serves as a center of rotation, a first actuator that is provided between the pillar and the fixed portion, and that changes an inclination angle of the rotary drive device with respect to the pillar, the movable portion, and the sunlight.
  • a second actuator that is provided between the movable unit and the photovoltaic module to change the tilt angle of the photovoltaic module with respect to the movable unit, and the elevation angle drive mechanism includes the movable unit, the second joint, and ,
  • the second actuator, the azimuth angle drive mechanism is configured by the rotary drive device, and the auxiliary drive mechanism is configured by the fixed portion, the first joint, and the first actuator. It may be done.
  • the elevation angle of the photovoltaic power generation module can be changed by operating the second actuator.
  • the azimuth of the photovoltaic power generation module can be changed by operating the rotation drive device to rotate the movable part.
  • the first actuator it is possible to change the inclination angle formed by the reference rotation surface of the movable portion with respect to the support column.
  • the first actuator is installed between the pillar and the fixed portion and expands and contracts
  • the second actuator includes the movable portion and the movable portion. It may be installed on the solar power generation module and extend and contract.
  • the expansion and contraction of the second actuator allows the photovoltaic module to track the sun with respect to the elevation angle.
  • the angle formed by the azimuth drive mechanism with respect to the vertical line can be changed.
  • the solar power generation module has, for example, a flat plate shape as a whole, and the vertical direction in the vertical posture is fixed.
  • the reference rotating surface of the azimuth is horizontal and the sun moving in a trajectory passing through the zenith from the east is tracked, the azimuth of 180 before and after passing the zenith. It is necessary to rotate every degree, and it becomes impossible to track during that time.
  • such a state can be avoided by changing the angle formed by the azimuth drive mechanism with respect to the vertical line.
  • the method is a sun tracking method of tracking the sun by changing the attitude of the photovoltaic power generation module by biaxial driving of azimuth and elevation, and extending the rotation axis of the reference rotation surface of azimuth.
  • the point where the line and the celestial sphere intersect is located within the movement locus range of the sun, by changing the angle of the rotation axis with respect to the vertical line, the point is located outside the movement locus range of the sun, It is a sun tracking method to track the sun.
  • FIG. 1 and FIG. 2 are views showing a main part by simplifying the configuration of the solar power generation device 100.
  • FIG. 1 is a perspective view
  • FIG. 2 is a view showing a front view and a side view together.
  • a photovoltaic power generation device 100 is a device that changes its posture so that the photovoltaic power generation module 1 tracks the sun and generates power.
  • the photovoltaic module 1 is actually an assembly of a large number of small modules.
  • X, Y, and Z shown in the figure are three orthogonal directions, the XY plane is a horizontal plane, and Z is a vertical direction.
  • the solar power generation module 1 has a flat plate-like rectangular shape, an opening 1a for avoiding interference with the support column 2 is provided in the lower part (front side) of the center.
  • the photovoltaic power generation module 1 has the X direction in the vertical direction, the one with the opening 1a is on the bottom, and the opposite side is on the top.
  • the solar power generation module 1 is supported by columns 2.
  • the column 2 is fixed vertically to the foundation 3.
  • the foundation 3 is firmly fixed to the installation surface (ground) G.
  • the column 2 stands vertically with the foundation 3 fixed to the installation surface G.
  • the solar power generation module 1 is in a horizontal posture with the light receiving surface 1f facing upward and the back surface 1r facing downward.
  • a joint (first joint) 4 is provided at the upper end of the support column 2.
  • the rotation drive device 5 is attached to the support column 2 via the joint 4. As a result, the rotation drive device 5 can be tilted with respect to the support column 2.
  • the rotation drive device 5 has a fixed portion (stator) 5s and a movable portion (rotor) 5r rotatable with respect to the fixed portion 5s.
  • the movable portion 5r includes a reference rotating surface 5x of an azimuth angle (a surface facing the fixed portion 5s and parallel to the XY plane in FIG. 2).
  • the solar power generation module 1 and the movable part 5r are connected via a joint (second joint) 6.
  • the photovoltaic power generation module 1 is rotatable with respect to the movable portion 5r.
  • the joint 6 is the center of rotation of the elevation angle of the photovoltaic power generation module.
  • the support arm 5a is fixed to the movable portion 5r.
  • the drive arm 5b is fixed to the fixed portion 5s.
  • a support arm 2a is fixed to the column 2.
  • the actuator (first actuator) 7 is installed between the support arm 2a of the column 2 and the drive arm 5b of the fixed portion 5s, and can be expanded and contracted to change the inclination angle of the rotary drive device 5 with respect to the column 2. ..
  • the actuator (second actuator) 8 is installed between the support arm 5a of the movable portion 5r and the solar power generation module 1, and can expand and contract to change the inclination angle of the solar power generation module 1 with respect to the movable portion 5r. it can.
  • the solar power generation module 1 can be made to track the sun with respect to the elevation angle.
  • the angle formed by the reference rotating surface 5x with respect to the vertical line can be changed. Further, the structure in which the actuators 7 and 8 are installed and the posture of the photovoltaic power generation module 1 is changed by the expansion/contraction operation is simple and can be manufactured robustly.
  • the movable portion 5r, the joint 6, and the actuator 8 constitute an elevation angle drive mechanism M1 that changes the elevation angle of the photovoltaic power generation module 1.
  • the rotation drive device 5 constitutes an azimuth drive mechanism M2 that changes the azimuth of the photovoltaic power generation module 1.
  • the fixed portion 5s, the joint 4, and the actuator 7 constitute an auxiliary drive mechanism M3 capable of changing the angle formed by the azimuth drive mechanism with respect to the vertical line.
  • the control unit 9 operates the actuator 8 of the elevation angle drive mechanism M1, the rotation drive device 5 of the azimuth drive mechanism M2, and the actuator 7 of the auxiliary drive mechanism M3.
  • the actuators 7 and 8 are, for example, electric, but the actuators 7 and 8 are not limited to this, and may be hydraulic or other actuators as long as they can perform a precise expansion and contraction operation.
  • the control unit 9 includes, for example, a computer, and the computer executes software (computer program) to realize a necessary control function.
  • the software is stored in a storage device (not shown) of the control unit 9.
  • the control unit 9 holds information on the latitude, longitude, altitude, and current time of the installation location as information necessary for sun tracking. Based on these pieces of information, the position of the sun (azimuth angle, elevation angle) can be calculated and tracking can be performed. Further, the control unit 9 may receive a detection output from the sun position sensor 10 including the pyroheliometer. It is also possible to track the sun based on the detection output from the sun position sensor 10.
  • FIGS. 3 and 4 are views showing a state in which the photovoltaic power generation module 1 is rotated 90 degrees clockwise in FIG. 1 from the states of FIGS. 1 and 2, respectively, FIG. 3 is a perspective view, and FIG. 4 is a front view. It is the figure which described both the figure and the side view. The figure mainly shows the attitude of the solar power generation module 1 and the positions of the actuators 7 and 8 at that time, and detailed reference numerals are omitted (the same applies hereinafter).
  • the state of FIG. 3 is obtained.
  • the state of FIG. 2 changes to the state of FIG. In FIG. 4, the actuator 8 is rotated 90 degrees together with the photovoltaic module 1.
  • the actuator 7 is not moving.
  • FIGS. 5 and 6 are diagrams showing a state in which the photovoltaic module 1 is rotated 90 degrees counterclockwise in FIG. 1 from the states of FIGS. 1 and 2, respectively.
  • FIG. 5 is a perspective view
  • FIG. It is the figure which wrote together the front view and the side view.
  • the solar power generation module 1 in the state of FIG. 1 is rotated 90 degrees counterclockwise by the rotation of the rotary drive device 5 (FIG. 2)
  • the state of FIG. 5 is obtained.
  • the state of FIG. 2 changes to the state of FIG.
  • the actuator 8 is rotated 90 degrees counterclockwise together with the photovoltaic module 1.
  • Actuator 7 is not moving.
  • FIGS. 7 and 8 are diagrams showing a state in which the photovoltaic module 1 is in a vertical posture from the states of FIGS. 1 and 2, and the light-receiving surface is directed to the front side (front side of FIG. 7), respectively.
  • FIG. 7 is a perspective view
  • FIG. 8 is a front view and a side view.
  • the photovoltaic power generation module 1 is in a vertical posture due to the extension of the actuator 8.
  • FIGS. 9 and 10 are diagrams in which the rotation driving device 5 is rotated and the photovoltaic module 1 is rotated 90 degrees clockwise from the states of FIGS. 7 and 8, respectively, and FIG. 9 is a perspective view and FIG. [Fig. 3] is a view showing both a front view and a side view.
  • the photovoltaic power generation module 1 is in a vertical posture due to the extension of the actuator 8.
  • FIGS. 11 and 12 are views in which the rotary drive device 5 and the portion above it are tilted by 30 degrees from the states of FIGS. 9 and 10, respectively.
  • FIG. 11 is a perspective view
  • FIG. 12 is a front view and a side view.
  • FIGS. 7 and 8 are diagrams in which the rotation driving device 5 is rotated and the photovoltaic power generation module 1 is rotated 90 degrees counterclockwise from the states of FIGS. 7 and 8, respectively
  • FIG. 13 is a perspective view and a diagram of FIG. 14 is a view in which a front view and a side view are shown together.
  • the extension of the actuator 8 causes the photovoltaic power generation module 1 to assume a vertical posture.
  • FIGS. 15 and 16 are views in which the rotary drive device 5 and a portion above the rotary drive device 5 are inclined by 30 degrees from the states of FIGS. 13 and 14, respectively, FIG. 15 is a perspective view, and FIG. 16 is a front view and a side view. It is a figure which also shows.
  • the rotation drive device 5 and the photovoltaic power generation module 1 are tilted by 30 degrees with respect to the vertical line of the support column 2 due to the extension of the actuator 7.
  • FIG. 17 is a diagram in which the upper portion is inclined by 30 degrees
  • FIG. 17 is a perspective view seen from diagonally above
  • FIG. 18 is a perspective view seen from diagonally below
  • FIG. 19 is a diagram showing both a front view and a side view.
  • the azimuth of the solar power generation module 1 is rotated by 180 degrees because the rotation drive device 5 is rotated by 180 degrees.
  • the rotation drive device 5 and the solar power generation module 1 are inclined by 30 degrees with respect to the vertical line of the support column 2.
  • FIG. 21, and FIG. 22 are views showing a state in which the photovoltaic power generation module 1 faces directly above from the states of FIG. 17, FIG. 18, and FIG. 19, respectively, and FIG. FIG. 21, FIG. 21 is a perspective view seen obliquely from below, and FIG. 22 is a view showing both a front view and a side view. In this case, as the actuator 8 contracts, the elevation angle is changed and the photovoltaic module 1 is in a horizontal state.
  • FIG. 23 and 24 are views showing a posture in which the light receiving surface 1f of the photovoltaic power generation module 1 faces the installation surface, that is, directly below at night
  • FIG. 23 is a perspective view
  • FIG. 24 is a front view and a side view. It is a figure.
  • the actuator 8 extends and tilts the photovoltaic power generation module 1 with respect to the rotation drive device 5
  • the actuator 7 extends and tilts the rotation drive device 5 with respect to the support column 2.
  • the solar power generation module 1 can create a posture in which it faces directly below. By taking this posture at night, it is possible to prevent dust and the like from adhering to the light receiving surface 1f.
  • the solar power generation module 1 can continuously take the various postures illustrated above and intermediate postures therebetween. Therefore, the sun tracking operation can be performed from sunrise to sunset.
  • FIG. 25 is a diagram showing a trajectory of the sun moving as viewed from a point P having a latitude of 0 degrees.
  • the sun at sunrise is directly east. After that, the sun rises in altitude and reaches the zenith without approaching the south or north. After that, the sun goes down, and the setting sun is just west.
  • the trajectory of the sun moves to the north, and at the winter solstice, it moves to the south.
  • north-south regression line from north latitude 23.4 degrees to south latitude 23.4 degrees there is always a day when the trajectory of the sun passes through the zenith throughout the year.
  • the zenith is generally passed during the predetermined period before and after that day.
  • the shaded range between the trajectory of the sun in the summer solstice and the trajectory of the sun in the winter solstice is a movement trajectory range E in which the sun may pass throughout the year.
  • FIG. 26 is a solar power generation device in the case where the reference drive surface 5x of the rotation drive device 5 is fixed horizontally without using the auxiliary drive mechanism M3.
  • the reference drive surface 5x of the rotation drive device 5 is fixed horizontally without using the auxiliary drive mechanism M3.
  • the auxiliary drive mechanism M3 For example, on a day when the trajectory of the sun passes from the east to the zenith, It is a figure which shows what kind of tracking operation is performed. First, at sunrise, the light receiving surface 1f of the photovoltaic power generation module 1 faces the east. After that, the elevation angle of the solar power generation module 1 increases as the altitude of the sun rises, but since there is no change in the azimuth angle, the sun is tracked by noon until noon. Then, when the sun passes the zenith, it is theoretically necessary to instantly rotate the azimuth by 180 degrees. After that, the elevation angle of the photovoltaic power generation module 1 decreases as the altitude of the sun decreases, and the light receiving surface 1f of the photovolta
  • the control unit 9 in FIG. 2 uses the auxiliary drive mechanism M3 for a predetermined period in which the tracking of the sun may be impossible based on the information held in advance or the information on the position of the sun provided from the sun position sensor 10.
  • the reference rotating surface 5x of the rotation driving device 5 is tilted by a predetermined angle (for example, 30 degrees) with respect to the support column 2 (vertical line). In this state, tracking is performed from sunrise. Further, when the photovoltaic power generation device 100 is installed within the latitude range of the north-south return line, the reference rotating surface 5x may be tilted in advance at the time of installation.
  • FIGS. 28 to 32 described later are explanations of how much the reference rotating surface 5x needs to be tilted when the reference rotating surface 5x is tilted in advance.
  • FIG. 27 is a diagram showing how the sun is tracked when the reference rotation surface 5x (FIG. 2) of the rotation drive device 5 (FIG. 2) is tilted by a predetermined angle with respect to the vertical line.
  • the photovoltaic power generation module 1 takes the posture shown in FIGS. 11 and 12.
  • the photovoltaic module 1 is in a vertical position and faces the east so as to face the sun at sunrise.
  • the elevation angle of the photovoltaic power generation module 1 increases, so the elevation angle tracking operation is performed.
  • the reference rotation surface 5x of the rotary drive device 5 is tilted by a predetermined angle with respect to the vertical line, a change in azimuth angle is obtained, and continuous tracking operation is also performed in azimuth angle.
  • the posture of the photovoltaic power generation module 1 continuously changes from sunrise to noon in FIG. 26, and is always a posture facing the sun.
  • the photovoltaic power generation module 1 is in the posture shown in FIGS. 20 and 21.
  • the elevation angle of the solar power generation module 1 decreases, so the elevation angle tracking operation is performed. Further, since the reference rotation surface 5x of the rotary drive device 5 is tilted by a predetermined angle with respect to the vertical line, a change in azimuth angle is obtained, and continuous tracking operation is also performed in azimuth angle. In this way, the posture of the photovoltaic power generation module 1 continuously changes from noon to sunset in FIG. 26, and is always in a posture facing the sun. At sunset, the photovoltaic power generation module 1 takes the posture shown in FIGS. 15 and 16. The solar power generation module 1 is in a vertical posture, and faces the west so as to face the setting sun.
  • FIGS. 28 to 32 show the solar power generation device 100 installed at a point of latitude 0 degrees (equator). 31 and 32 show, for example, a photovoltaic power generation device 100 installed at a point at latitude 10 degrees north.
  • a sun movement locus range E indicated by a thick line represents a range in which the sun can pass between the summer solstice and the winter solstice when viewed throughout the year.
  • the light receiving surface 1f of the photovoltaic power generation module 1 and the azimuth reference rotation surface 5x are horizontal, and the rotation axis Ax of the reference rotation surface 5x coincides with the vertical line.
  • a point P1 where a line extending from the rotation axis Ax intersects the celestial sphere H is within the movement locus range E of the sun.
  • the photovoltaic power generation module 1 assumes the posture shown in FIG. 28, the photovoltaic power generation module 1 will be unable to track the sun during that time period. Therefore, this is an undesirable situation that should be avoided.
  • the light-receiving surface 1f of the photovoltaic module 1 and the azimuth reference rotation surface 5x are tilted more than horizontally, and the rotation axis Ax has a certain angle with respect to the vertical line.
  • the point P2 where the line extending from the rotation axis Ax intersects the celestial sphere H is still within the movement locus range E of the sun.
  • the solar power generation module 1 is in a state where it cannot track the sun. Therefore, this is also an undesirable state that should be avoided.
  • the solar power generation module 1 is in a favorable state capable of tracking the sun in elevation and azimuth every day throughout the year. That is, there is no need to instantaneously rotate the azimuth angle by 180 degrees, and the untrackable state can be eliminated.
  • FIG. 31 assuming a point at 10 degrees north latitude, the light receiving surface 1f of the photovoltaic power generation module 1 and the reference rotating surface 5x of the azimuth angle are in a horizontal state.
  • a point P4 where a line extending from the rotation axis Ax intersects the celestial sphere H is within the movement locus range E of the sun.
  • the solar power generation module 1 is in a state where it cannot track the sun. Therefore, this is an undesirable situation that should be avoided.
  • the light-receiving surface 1f of the photovoltaic module 1 and the azimuth reference rotation surface 5x are tilted more than the horizontal, and the rotation axis Ax has a certain angle with respect to the vertical line.
  • the point P5 where the line extending from the rotation axis Ax intersects the celestial sphere H is outside the movement locus range E of the sun. At that point, the sun does not pass outside the locus range E. Therefore, the solar power generation module 1 is in a favorable state capable of tracking the sun in elevation and azimuth every day throughout the year. That is, there is no need to instantaneously rotate the azimuth angle by 180 degrees, and the untrackable state can be eliminated.
  • the photovoltaic power generation device 100 of the present disclosure changes the elevation angle drive mechanism M1 that changes the elevation angle of the photovoltaic power generation module 1 with respect to the sun, and the azimuth angle of the photovoltaic power generation module 1 with respect to the sun.
  • the auxiliary drive mechanism M3 capable of changing the angle formed by the azimuth drive mechanism M2 with respect to the vertical line is provided.
  • the elevation angle of the solar power generation module 1 can be changed by the elevation angle drive mechanism M1.
  • the azimuth drive mechanism M2 can change the azimuth angle of the photovoltaic power generation module 1.
  • the auxiliary drive mechanism M3 can change the angle formed by the reference rotation surface 5x with respect to the vertical line.
  • the reference rotation surface 5x for performing the azimuth tracking operation can be in a state of being tilted from the horizontal, for example.
  • the untrackable state is avoided when the sun does not pass through the point. it can.
  • the rotation axis Ax is extended in advance. It is preferable to set the point where the drawn line and the celestial sphere H intersect is located outside the movement locus range of the sun.
  • the elevation angle of the photovoltaic module 1 can be changed by operating the actuator 8.
  • the azimuth of the photovoltaic module 1 can be changed by operating the rotation driving device 5 and rotating the movable portion 5r.
  • the actuator 7 it is possible to change the tilt angle formed by the reference rotation surface 5x of the movable portion 5r with respect to the column 2.
  • the reference rotation surface 5x for performing the azimuth tracking operation can be made to be inclined from the horizontal.
  • the sun tracking method is to track the sun by changing the attitude of the photovoltaic module 1 by biaxial driving of azimuth and elevation. Then, when the point where the line extending from the rotation axis Ax of the azimuth reference rotation surface 5x and the celestial sphere intersect is located within the movement locus range of the sun, by changing the angle of the rotation axis Ax with respect to the vertical line, A sun tracking method, in which the sun is tracked in a state where the point is located outside the movement locus of the sun.
  • the reference rotation surface 5x for performing the azimuth tracking operation can be tilted from the horizontal, for example.
  • the point where the line extending the rotation axis of the reference rotation surface 5x of the azimuth angle and the celestial sphere intersect is the movement trajectory range of the sun.
  • the auxiliary drive mechanism M3 is separately provided on the column 2.
  • the configuration in which the column is tilted using an actuator or the like is referred to as the auxiliary drive mechanism. You can also do it.

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Abstract

太陽を追尾して発電する太陽光発電装置であって、太陽光発電モジュールと、設置面に立てられ、太陽光発電モジュールを支える支柱と、太陽に対する太陽光発電モジュールの仰角を変化させる仰角駆動機構と、太陽に対する太陽光発電モジュールの方位角を変化させる方位角駆動機構と、方位角駆動機構が鉛直線に対して成す角度を変化させ得る補助駆動機構と、仰角駆動機構、方位角駆動機構、及び、補助駆動機構を動作させる制御部と、を備えている。

Description

太陽光発電装置及び太陽追尾方法
　本開示は、太陽光発電装置及び太陽追尾方法に関する。
　本出願は、２０１９年３月７日出願の日本出願第２０１９－０４１３３２号に基づく優先権を主張し、前記日本出願に記載された全ての記載内容を援用するものである。
　太陽光発電装置には、設置面に太陽光発電モジュール（パネル）を固定して発電する固定型の装置と、太陽光発電モジュールが太陽を追尾して発電する太陽追尾型の装置とがある。集光型太陽光発電装置は原理上、太陽追尾型である。太陽を追尾するための太陽光発電モジュールのトラッカーは、方位角及び仰角の２軸駆動となっている。例えば、方位角の駆動源には回転装置が用いられ、仰角の駆動源には伸縮するシリンダが用いられている（特許文献１参照。）。太陽光発電モジュールの任意の点に注目して２軸のそれぞれが単独にどのような軌跡を描いて動くかを考えると、方位角には水平面を描くような動きとなる。仰角には鉛直面を描くような動きとなる。通常、方位角は日の出から日の入まで連続的に一方向変化する。仰角は午前に増加し、午後に減少する往復の変化となる。
特開２００７－１９３３１号公報
　本開示は、以下の発明を含む。但し、本発明は、請求の範囲によって定められるものである。
　本開示の装置は、太陽を追尾して発電する太陽光発電装置であって、太陽光発電モジュールと、設置面に立てられ、前記太陽光発電モジュールを支える支柱と、太陽に対する前記太陽光発電モジュールの仰角を変化させる仰角駆動機構と、太陽に対する前記太陽光発電モジュールの方位角を変化させる方位角駆動機構と、前記方位角駆動機構が鉛直線に対して成す角度を変化させ得る補助駆動機構と、前記仰角駆動機構、前記方位角駆動機構、及び、前記補助駆動機構を動作させる制御部と、を備えている。
　また、本開示の方法は、方位角及び仰角の２軸駆動により太陽光発電モジュールの姿勢を変えて太陽を追尾する太陽追尾方法であって、方位角の基準回転面の回転軸を延長した線と天球とが交わる点が、太陽の移動軌跡範囲内に位置する場合、鉛直線に対する前記回転軸の角度を変化させることにより、前記点が太陽の移動軌跡範囲外に位置する状態として、太陽を追尾する。
図１は、太陽光発電装置の構成を簡素化して要部を示す図であり、斜視図である。 図２は、太陽光発電装置の構成を簡素化して要部を示す図であり、正面図及び側面図を併記した図である。 図３は、図１の状態から太陽光発電モジュールが図１における時計回りに９０度回転した状態を示す図であり、斜視図である。 図４は、図２の状態から太陽光発電モジュールが図１における時計回りに９０度回転した状態を示す図であり、正面図及び側面図を併記した図である。 図５は、図１の状態から太陽光発電モジュールが図１における反時計回りに９０度回転した状態を示す図であり、斜視図である。 図６は、図２の状態から太陽光発電モジュールが図１における反時計回りに９０度回転した状態を示す図であり、正面図及び側面図を併記した図である。 図７は、図１の状態から太陽光発電モジュールが垂直な姿勢となり、かつ、受光面を手前側に向けた状態を示す図であり、斜視図である。 図８は、図２の状態から太陽光発電モジュールが垂直な姿勢となり、かつ、受光面を手前側に向けた状態を示す図であり、正面図及び側面図を併記した図である。 図９は、図７の状態から回転駆動装置が回転し、太陽光発電モジュールが時計回りに９０度回転した図であり、斜視図である。 図１０は、図８の状態から回転駆動装置が回転し、太陽光発電モジュールが時計回りに９０度回転した図であり、正面図及び側面図を併記した図である。 図１１は、図９の状態から回転駆動装置及びその上にある部分が３０度傾いた図であり、斜視図である。 図１２は、図１０の状態から回転駆動装置及びその上にある部分が３０度傾いた図であり、正面図及び側面図を併記した図である。 図１３は、図７の状態から回転駆動装置が回転し、太陽光発電モジュールが反時計回りに９０度回転した図であり、斜視図である。 図１４は、図８の状態から回転駆動装置が回転し、太陽光発電モジュールが反時計回りに９０度回転した図であり、正面図及び側面図を併記した図である。 図１５は、図１３の状態から回転駆動装置及びその上にある部分が３０度傾いた図であり、斜視図である。 図１６は、図１４の状態から回転駆動装置及びその上にある部分が３０度傾いた図であり、正面図及び側面図を併記した図である。 図１７は、図７の状態から回転駆動装置が回転し、太陽光発電モジュールが時計回りに１８０度回転し、かつ、回転駆動装置及びその上にある部分が３０度傾いた図であり、斜め上から見た斜視図である。 図１８は、図７の状態から回転駆動装置が回転し、太陽光発電モジュールが時計回りに１８０度回転し、かつ、回転駆動装置及びその上にある部分が３０度傾いた図であり、斜め下から見た斜視図である。 図１９は、図８の状態から回転駆動装置が回転し、太陽光発電モジュールが時計回りに１８０度回転し、かつ、回転駆動装置及びその上にある部分が３０度傾いた図であり、正面図及び側面図を併記した図である。 図２０は、図１７の状態から太陽光発電モジュールが真上を向いた状態を示す図であり、斜め上から見た斜視図である。 図２１は、図１８の状態から太陽光発電モジュールが真上を向いた状態を示す図であり、斜め下から見た斜視図である。 図２２は、図１９の状態から太陽光発電モジュールが真上を向いた状態を示す図であり、正面図及び側面図を併記した図である。 図２３は、夜間において、太陽光発電モジュールの受光面を設置面すなわち真下に向ける姿勢を示す図であり、斜視図である。 図２４は、夜間において、太陽光発電モジュールの受光面を設置面すなわち真下に向ける姿勢を示す図であり、正面図及び側面図を併記した図である。 図２５は、緯度０度の地点から見て、太陽が移動して行く軌跡を表した図である。 図２６は、仮に、補助駆動機構を使わず、回転駆動装置の基準回転面を水平に固定した場合の太陽光発電装置で、太陽の軌跡が例えば真東から天頂を通る日に、どのような追尾動作が行われるかを示す図である。 図２７は、鉛直線に対して回転駆動装置の基準回転面を所定角度傾けた状態で、太陽の追尾がどのように行われるかを示す図である。 図２８は、緯度０度の地点に設置された太陽光発電装置の基準回転面（水平）と太陽の移動軌跡範囲との関係を示す図である。 図２９は、緯度０度の地点に設置された太陽光発電装置の基準回転面（傾斜）と太陽の移動軌跡範囲との関係を示す図である。 図３０は、緯度０度の地点に設置された太陽光発電装置の基準回転面（傾斜）と太陽の移動軌跡範囲との関係を示す図である。 図３１は、北緯１０度の地点に設置された太陽光発電装置の基準回転面（水平）と太陽の移動軌跡範囲との関係を示す図である。 図３２は、北緯１０度の地点に設置された太陽光発電装置の基準回転面（傾斜）と太陽の移動軌跡範囲との関係を示す図である。
　［発明が解決しようとする課題］
　ここで、太陽追尾型の太陽光発電装置を例えば赤道直下にある場所に設置したとして、春分の日及び秋分の日において、設置点から見た太陽がどのように移動（相対的移動を意味する。以下同様。）するかを考える。日の出は真東からであり、そこから南又は北に寄らずに高度を上げて行く太陽は正午に、天頂を通る。天頂通過後の太陽は高度を下げて行き、真西に沈む。このような軌跡で移動する太陽の位置は、正午の瞬間を除き方位角が変化せず、仰角のみが変化することになる。従って、太陽光発電モジュールは日の出には真東を向き、その後仰角のみを増大させ、正午に真上を向いた状態となる。ここで太陽光発電モジュールは真上を向いたまま１８０度回転して向きを変え、午後は仰角を減少させて行き、日の入には真西を向く。
　正午における上記の１８０度回転は、追尾のためには瞬時に行う必要があるが、現実には低速回転のため、一定の時間がかかる。そのため、天頂において追尾不能な状態が生じて、当該時間帯は正確な追尾が間に合わず、発電電力のロスを生じることになる。特に、集光型太陽光発電装置の場合は追尾がずれると発電電力が激減する。
　かかる課題に鑑み、本開示は、太陽を追尾して発電する太陽光発電装置において、追尾不能な状態を無くすことを目的とする。
　［本開示の効果］
　本開示によれば、太陽を追尾して発電する太陽光発電装置において、追尾不能な状態を無くすことができる。
　［本開示の実施形態の説明］
　本開示の実施形態には、その要旨としては、少なくとも以下のものが含まれる。
　（１）開示するのは、太陽を追尾して発電する太陽光発電装置であって、太陽光発電モジュールと、設置面に立てられ、前記太陽光発電モジュールを支える支柱と、太陽に対する前記太陽光発電モジュールの仰角を変化させる仰角駆動機構と、太陽に対する前記太陽光発電モジュールの方位角を変化させる方位角駆動機構と、前記方位角駆動機構が鉛直線に対して成す角度を変化させ得る補助駆動機構と、前記仰角駆動機構、前記方位角駆動機構、及び、前記補助駆動機構を動作させる制御部と、を備えている太陽光発電装置である。
　このように構成された太陽光発電装置では、仰角駆動機構により、太陽光発電モジュールの仰角を変化させることができる。方位角駆動機構により、太陽光発電モジュールの方位角を変化させることができる。そして、方位角駆動機構の基準回転面を想定すると、補助駆動機構は当該基準回転面が鉛直線に対して成す角度を変化させることができる。これにより、方位角の追尾動作をするための基準回転面を、例えば水平より傾斜させた状態とすることができる。この状態では、南北回帰線内に太陽光発電装置を設置した場合であっても、方位角の基準回転面の回転軸を延長した線と天球とが交わる点が、太陽の移動軌跡範囲外に位置する状態とすることにより、方位角の連続的な回転動作をしながら太陽を追尾することができる。従って、南北回帰線内に太陽光発電装置を設置しても、瞬時に方位角を１８０度回転させる必要が無くなり、追尾不能な状態を無くすことができる。
　（２）前記（１）の太陽光発電装置は、前記支柱の上端に設けられた第１の継手と、前記第１の継手を介して取り付けられることにより前記支柱に対して傾斜する動作が可能であり、固定部、及び、当該固定部に対して回転可能であり方位角の基準回転面を含む可動部を有する回転駆動装置と、前記可動部に設けられ、前記太陽光発電モジュールの仰角の回動中心となる第２の継手と、前記支柱と前記固定部との間に設けられ、前記支柱に対する前記回転駆動装置の傾斜角度を変化させる第１のアクチュエータと、前記可動部と前記太陽光発電モジュールとの間に設けられ、前記可動部に対する前記太陽光発電モジュールの傾斜角度を変化させる第２のアクチュエータと、を備え、前記仰角駆動機構は、前記可動部、前記第２の継手、及び、前記第２のアクチュエータによって構成され、前記方位角駆動機構は、前記回転駆動装置によって構成され、前記補助駆動機構は、前記固定部、前記第１の継手、及び、前記第１のアクチュエータによって構成されるものであってもよい。
　このように構成された太陽光発電装置では、第２のアクチュエータを動作させることにより、太陽光発電モジュールの仰角を変化させることができる。回転駆動装置を動作させて可動部を回転させることにより、太陽光発電モジュールの方位角を変化させることができる。また、第１のアクチュエータを動作させることにより、可動部の基準回転面が支柱に対して成す傾斜角度を変化させることができる。可動部の基準回転面を例えば水平より傾斜した状態とすることにより、方位角の追尾動作をするための基準回転面を水平より傾斜させた状態とすることができる。
　（３）前記（２）の太陽光発電装置において、前記第１のアクチュエータは、前記支柱と前記固定部とに架設され伸縮動作するものであり、前記第２のアクチュエータは、前記可動部と前記太陽光発電モジュールとに架設され伸縮動作するものであってもよい。
　この場合、第２のアクチュエータの伸縮により、太陽光発電モジュールに、仰角についての太陽の追尾を行わせることができる。第１のアクチュエータの伸縮により、方位角駆動機構が鉛直線に対して成す角度を変化させることができる。第１，第２のアクチュエータを架設し、伸縮動作によって太陽光発電モジュールの姿勢を変える構成は簡素であり、頑丈に製造することができる。
　（４）前記（１）から（３）のいずれかの太陽光発電装置において、前記太陽光発電モジュールは、例えば、全体として平板状であり、鉛直姿勢における上下の方向性が決まっている。
　このような太陽光発電モジュールは、仮に、方位角の基準回転面が水平な状態で、真東から天頂を通過する軌跡で移動する太陽を追尾した場合、天頂を通過する前後で方位角の１８０度の回転が必ず必要となり、その時間帯は追尾不能な状態となる。しかしながら、方位角駆動機構が鉛直線に対して成す角度を変化させ得ることで、このような状態を回避することができる。
　（５）方法の観点からは、方位角及び仰角の２軸駆動により太陽光発電モジュールの姿勢を変えて太陽を追尾する太陽追尾方法であって、方位角の基準回転面の回転軸を延長した線と天球とが交わる点が、太陽の移動軌跡範囲内に位置する場合、鉛直線に対する前記回転軸の角度を変化させることにより、前記点が太陽の移動軌跡範囲外に位置する状態として、太陽を追尾する、太陽追尾方法である。
　このような太陽追尾方法によれば、方位角の追尾動作をするための基準回転面を、例えば水平より傾斜させた状態とすることができる。この状態では、南北回帰線内に太陽光発電装置を設置した場合であっても、方位角の基準回転面の回転軸を延長した線と天球とが交わる点が、太陽の移動軌跡範囲外に位置する状態とすることにより、方位角の連続的な回転動作をしながら太陽を追尾することができる。従って、南北回帰線内に太陽光発電装置を設置しても、瞬時に方位角を１８０度回転させる必要が無くなり、追尾不能な状態を無くすことができる。
　［本開示の実施形態の詳細］
　以下、本開示の、太陽光発電装置及び太陽追尾方法の具体例について、図面を参照して説明する。
　《太陽光発電装置の基本構成》
　図１及び図２は、太陽光発電装置１００の構成を簡素化して要部を示す図であり、図１は斜視図、図２は正面図及び側面図を併記した図である。図１において、太陽光発電装置１００は、太陽光発電モジュール１が太陽を追尾するように姿勢を変えて発電する装置である。太陽光発電モジュール１は、実際には、多数の小モジュールの集合体である。裏面側には架台としての構造物が存在するが、ここでは図示を省略している。図中に示すＸ，Ｙ，Ｚは、直交３方向であり、Ｘ－Ｙ平面が水平面、Ｚが鉛直方向である。太陽光発電モジュール１の概略形状は平板状の矩形であるが、中央の下部（手前）には支柱２との干渉を避けるための開口１ａが設けられている。太陽光発電モジュール１は図１の状態においてＸ方向が上下の方向であり、開口１ａのある方が下、その反対側が上である。
　太陽光発電モジュール１は、支柱２によって支えられている。支柱２は、基礎３に対して垂直に固定されている。基礎３は、設置面（地面）Ｇに強固に固定される。基礎３が設置面Ｇに固定された状態で支柱２は、鉛直に立っている。図１では、太陽光発電モジュール１は、水平かつ受光面１ｆが上向きで裏面１ｒが下向きの姿勢である。
　次に、図２の右側の図を参照して、太陽光発電装置１００の構成要素を詳細に説明する。この図において、支柱２の上端には、継手（第１の継手）４が設けられている。回転駆動装置５は、継手４を介して支柱２に取り付けられている。これにより、回転駆動装置５は、支柱２に対して傾斜する動作が可能である。また、回転駆動装置５は、固定部（ステータ）５ｓと、固定部５ｓに対して回転可能な可動部（ロータ）５ｒと、を有する。可動部５ｒは、方位角の基準回転面５ｘ（固定部５ｓとの対向面であり、図２ではＸ－Ｙ平面に平行な面）を含む。
　太陽光発電モジュール１と可動部５ｒとは、継手（第２の継手）６を介して接続されている。太陽光発電モジュール１は、可動部５ｒに対して回転可能である。継手６は、太陽光発電モジュールの仰角の回動中心となる。可動部５ｒには支持腕５ａが固定されている。固定部５ｓには駆動腕５ｂが固定されている。また、支柱２には支持腕２ａが固定されている。アクチュエータ（第１のアクチュエータ）７は、支柱２の支持腕２ａと固定部５ｓの駆動腕５ｂとの間に架設され、伸縮により、支柱２に対する回転駆動装置５の傾斜角度を変化させることができる。アクチュエータ（第２のアクチュエータ）８は、可動部５ｒの支持腕５ａと太陽光発電モジュール１との間に架設され、伸縮により、可動部５ｒに対する太陽光発電モジュール１の傾斜角度を変化させることができる。
　アクチュエータ８の伸縮により、太陽光発電モジュール１に、仰角についての太陽の追尾を行わせることができる。アクチュエータ７の伸縮により、基準回転面５ｘが鉛直線に対して成す角度を変化させることができる。また、アクチュエータ７，８を架設し、伸縮動作によって太陽光発電モジュール１の姿勢を変える構成は簡素であり、頑丈に製造することができる。
　図２において、可動部５ｒ、継手６、及び、アクチュエータ８は、太陽光発電モジュール１の仰角を変化させる仰角駆動機構Ｍ１を構成している。回転駆動装置５は、太陽光発電モジュール１の方位角を変化させる方位角駆動機構Ｍ２を構成している。固定部５ｓ、継手４、及び、アクチュエータ７は、方位角駆動機構が鉛直線に対して成す角度を変化させ得る補助駆動機構Ｍ３を構成している。
　制御部９は、仰角駆動機構Ｍ１のアクチュエータ８、方位角駆動機構Ｍ２の回転駆動装置５、及び、補助駆動機構Ｍ３のアクチュエータ７を動作させる。なお、アクチュエータ７，８は、例えば電動であるが、これに限られることはなく、精密な伸縮動作が可能であれば、油圧その他のアクチュエータであってもよい。
　制御部９は、例えばコンピュータを含み、コンピュータがソフトウェア（コンピュータプログラム）を実行することで、必要な制御機能を実現する。ソフトウェアは、制御部９の記憶装置（図示せず。）に格納される。制御部９は、太陽追尾に必要な情報として、設置場所の緯度、経度、標高、及び、現在時刻の情報を保有している。これらの情報に基づいて、太陽の位置（方位角、仰角）を演算し、追尾を行うことができる。また、制御部９は、直達日射計を含む太陽位置センサ１０から検出出力を受け取るようにしてもよい。太陽位置センサ１０からの検出出力に基づいて太陽の追尾を行うことも可能である。
　《動作の具体例》
　次に、アクチュエータ７，８及び回転駆動装置５の動作によって太陽光発電モジュール１の姿勢がどのように変化するかを、複数の具体例を挙げて説明する。
　（水平から時計回りに９０度回転）
　図３及び図４は、それぞれ、図１及び図２の状態から太陽光発電モジュール１が図１における時計回りに９０度回転した状態を示す図であり、図３は斜視図、図４は正面図及び側面図を併記した図である。図は、太陽光発電モジュール１の姿勢と、そのときのアクチュエータ７，８の位置を主として示すものであり、細部の符号は省略している（以下同様。）。
　図１の状態の太陽光発電モジュール１を、回転駆動装置５（図２）の回転により、時計回り方向に９０度回転させると、図３の状態となる。図２の状態は、図４の状態に変化する。図４において、アクチュエータ８は太陽光発電モジュール１とともに９０度回転している。アクチュエータ７は動いていない。
　（水平から反時計回りに９０度回転）
　図５及び図６は、それぞれ、図１及び図２の状態から太陽光発電モジュール１が図１における反時計回りに９０度回転した状態を示す図であり、図５は斜視図、図６は正面図及び側面図を併記した図である。図１の状態の太陽光発電モジュール１を、回転駆動装置５（図２）の回転により、反時計回り方向に９０度回転させると、図５の状態となる。図２の状態は、図６の状態に変化する。図６において、アクチュエータ８は太陽光発電モジュール１とともに反時計回りに９０度回転している。アクチュエータ７は動いていない。
　（垂直手前向き）
　図７及び図８は、それぞれ、図１及び図２の状態から太陽光発電モジュール１が垂直な姿勢となり、かつ、受光面を手前側（図７の手前側）に向けた状態を示す図であり、図７は斜視図、図８は正面図及び側面図を併記した図である。図８において、アクチュエータ８が伸びることにより、太陽光発電モジュール１は垂直な姿勢となっている。
　（垂直から時計回りに９０度回転）
　図９及び図１０は、それぞれ、図７及び図８の状態から回転駆動装置５が回転し、太陽光発電モジュール１が時計回りに９０度回転した図であり、図９は斜視図、図１０は正面図及び側面図を併記した図である。図９，図１０において、アクチュエータ８が伸びることにより、太陽光発電モジュール１は垂直な姿勢となっている。
　（垂直から時計回りに９０度回転、３０度傾斜）
　図１１及び図１２は、それぞれ、図９及び図１０の状態から回転駆動装置５及びその上にある部分が３０度傾いた図であり、図１１は斜視図、図１２は正面図及び側面図を併記した図である。図１１及び，図１２の右の図において、アクチュエータ７が伸びることにより、回転駆動装置５及び太陽光発電モジュール１は、支柱２の鉛直線に対して３０度傾いている。
　（垂直から反時計回りに９０度回転）
　図１３及び図１４は、それぞれ、図７及び図８の状態から回転駆動装置５が回転し、太陽光発電モジュール１が反時計回りに９０度回転した図であり、図１３は斜視図、図１４は正面図及び側面図を併記した図である。図１４の左の図において、アクチュエータ８が伸びることにより、太陽光発電モジュール１は垂直な姿勢となっている。
　（垂直から時計回りに９０度回転、３０度傾斜）
　図１５及び図１６は、それぞれ、図１３及び図１４の状態から回転駆動装置５及びその上にある部分が３０度傾いた図であり、図１５は斜視図、図１６は正面図及び側面図を併記した図である。図１５及び，図１６の右の図において、アクチュエータ７が伸びることにより、回転駆動装置５及び太陽光発電モジュール１は、支柱２の鉛直線に対して３０度傾いている。
　（垂直から時計回りに１８０度回転、３０度傾斜）
　図１７，図１８，図１９は、それぞれ、図７，図８の状態から回転駆動装置５が回転し、太陽光発電モジュール１が時計回りに１８０度回転し、かつ、回転駆動装置５及びその上にある部分が３０度傾いた図であり、図１７は斜め上から見た斜視図、図１８は斜め下から見た斜視図、図１９は正面図及び側面図を併記した図である。回転駆動装置５が１８０度の回転を生じることにより、太陽光発電モジュール１の方位角は１８０度回転している。また、図１７，図１８、及び、図１９の右の図により明らかなように、回転駆動装置５及び太陽光発電モジュール１が支柱２の鉛直線に対して３０度傾いている。
　（垂直から時計回りに９０度回転、３０度傾斜、真上向き）
　図２０，図２１，図２２は、それぞれ、図１７，図１８，図１９の状態から太陽光発電モジュール１が真上を向いた状態を示す図であり、図２０は斜め上から見た斜視図、図２１は斜め下から見た斜視図、図２２は正面図及び側面図を併記した図である。この場合、アクチュエータ８が縮むことにより、仰角が変更され、太陽光発電モジュール１は水平な状態となっている。
　（太陽光発電モジュールが下向き）
　図２３及び図２４は、夜間において、太陽光発電モジュール１の受光面１ｆを設置面すなわち真下に向ける姿勢を示す図であり、図２３は斜視図、図２４は正面図及び側面図を併記した図である。この場合、アクチュエータ８が伸びて回転駆動装置５に対して太陽光発電モジュール１を傾けるとともに、アクチュエータ７が伸びて回転駆動装置５を支柱２に対して傾ける。これにより、太陽光発電モジュール１が真下を向く姿勢を作り出すことができる。夜間にはこの姿勢をとることで、受光面１ｆへの塵埃等の付着を抑制することができる。
　以上、例示した各種の姿勢、及び、これらの中間的な姿勢を、連続的に、太陽光発電モジュール１はとることができる。従って、日の出から日の入りまで、太陽の追尾動作を行うことができる。
　《太陽の動きとの関係》
　図２５は、緯度０度の地点Ｐから見て、太陽が移動して行く軌跡を表した図である。春分の日及び秋分の日には、日の出の太陽は真東にある。その後、太陽は、南にも北にも寄ることなく、高度を高めて行き、天頂に達する。その後、太陽は高度を下げて行き、日の入りの太陽は真西にある。夏至には太陽の軌跡は北側に移動し、冬至には南側に移動する。北緯２３．４度から南緯２３．４度までの南北の回帰線内にある地点では、１年中に必ず、太陽の軌跡が天頂を通る日がある。また、その日の前後の所定期間も、概ね天頂を通ることになる。夏至における太陽の軌跡と、冬至における太陽の軌跡との間の斜線を付した範囲は、１年を通して、太陽が通過する可能性のある移動軌跡範囲Ｅである。
　図２６は、仮に、補助駆動機構Ｍ３を使わず、回転駆動装置５の基準回転面５ｘを水平に固定した場合の太陽光発電装置で、太陽の軌跡が例えば真東から天頂を通る日に、どのような追尾動作が行われるかを示す図である。まず、日の出には太陽光発電モジュール１の受光面１ｆが真東を向く。その後、太陽の高度が上がって行くに応じて太陽光発電モジュール１の仰角が増大して行くが、方位角の変化がないため、仰角のみで正午まで太陽を追尾する。そして、太陽が天頂を通過するとき、理論的には瞬時に方位角を１８０度回転させることが必要になる。その後、太陽の高度が下がって行くに応じて太陽光発電モジュール１の仰角が減少し、日の入りには太陽光発電モジュール１の受光面１ｆが真西を向く。
　しかしながら、前述のように、太陽が天頂を通過するとき瞬時に方位角を１８０度回転させることは現実には無理である。従って、この時間帯には一時的に追尾不能となり、発電電力のロスが生じる。
　そこで、図２における制御部９は、予め保有する情報又は太陽位置センサ１０から与えられる太陽の位置の情報に基づいて、太陽の追尾が不能となる可能性がある所定期間は、補助駆動機構Ｍ３を用いて、支柱２（鉛直線）に対して回転駆動装置５の基準回転面５ｘを所定角度（例えば３０度）傾ける。この状態で日の出から追尾が行われる。
　また、南北回帰線の緯度範囲内に太陽光発電装置１００を設置する場合は、設置時に予め基準回転面５ｘを傾けておく状態としてもよい。後述の図２８～図３２は、予め基準回転面５ｘを傾けておく場合に、どれだけ傾ける必要があるかについての説明である。
　図２７は、鉛直線に対して回転駆動装置５（図２）の基準回転面５ｘ（図２）を所定角度傾けた状態で、太陽の追尾がどのように行われるかを示す図である。まず、日の出には、太陽光発電モジュール１は図１１，図１２に示す姿勢となる。太陽光発電モジュール１は垂直姿勢であり、日の出の太陽に正対するように真東を向いている。その後、太陽の高度が上がって行くに応じて太陽光発電モジュール１の仰角が増大して行くので仰角の追尾動作が行われる。また、鉛直線に対して回転駆動装置５の基準回転面５ｘを所定角度傾けた状態であることにより、方位角の変化が得られ、方位角にも連続的な追尾動作が行われる。このようにして、図２６における日の出から正午まで、太陽光発電モジュール１の姿勢は連続的に変化し、常に太陽に正対する姿勢となる。正午には、太陽光発電モジュール１は図２０，図２１に示す姿勢となる。
　その後、太陽の高度が下がって行くに応じて太陽光発電モジュール１の仰角が減少して行くので仰角の追尾動作が行われる。また、鉛直線に対して回転駆動装置５の基準回転面５ｘを所定角度傾けた状態であることにより、方位角の変化が得られ、方位角にも連続的な追尾動作が行われる。このようにして、図２６における正午から日の入りまで、太陽光発電モジュール１の姿勢は連続的に変化し、常に太陽に正対する姿勢となる。日の入りには、太陽光発電モジュール１は図１５，図１６に示す姿勢となる。太陽光発電モジュール１は垂直姿勢であり、日の入りの太陽に正対するように真西を向いている。
　《基準回転面と太陽の移動軌跡範囲との関係》
　以下、方位角の基準回転面５ｘと太陽の移動軌跡範囲との関係を、天球Ｈをイメージした図２８～図３２を用いて説明する。図２８，図２９及び図３０は、緯度０度（赤道）の地点に設置された太陽光発電装置１００を表している。図３１及び図３２は、例えば北緯１０度の地点に設置された太陽光発電装置１００を表している。各図において、太線で示す太陽の移動軌跡範囲Ｅは、年間を通して見た場合の、夏至と冬至との間で太陽が通過し得る範囲を表している。
　まず、図２８において、太陽光発電モジュール１の受光面１ｆ及び方位角の基準回転面５ｘは水平であり、基準回転面５ｘの回転軸Ａｘは鉛直線と一致する状態である。回転軸Ａｘを延長した線が天球Ｈと交わる点Ｐ１は、太陽の移動軌跡範囲Ｅ内にある。春分の日又は秋分の日の正午において、太陽光発電モジュール１が図２８に示す姿勢となってしまうと、その時間帯には、太陽光発電モジュール１は太陽を追尾不能な状態となる。従って、これは回避すべき、好ましくない状態である。
　また、図２９において、太陽光発電モジュール１の受光面１ｆ及び方位角の基準回転面５ｘは水平よりも傾き、回転軸Ａｘは鉛直線に対して一定の角度がある状態である。しかしながら、回転軸Ａｘを延長した線が天球Ｈと交わる点Ｐ２は、依然として太陽の移動軌跡範囲Ｅ内にある。春分の日又は秋分の日と夏至との間の日の正午において、太陽が点Ｐ２の方向にあり、太陽光発電モジュール１が図２９に示す姿勢となってしまうと、その時間帯には、太陽光発電モジュール１は太陽を追尾不能な状態となる。従って、これも回避すべき、好ましくない状態である。
　次に、図３０において、太陽光発電モジュール１の受光面１ｆ及び方位角の基準回転面５ｘは水平よりも傾き、鉛直線に対する回転軸Ａｘの角度が図２９よりも増した状態である。そして、回転軸Ａｘを延長した線が天球Ｈと交わる点Ｐ３は、太陽の移動軌跡範囲Ｅより外側にある。当該地点において、太陽は、移動軌跡範囲Ｅより外側を通ることはない。従って、１年を通して毎日、太陽光発電モジュール１は仰角及び方位角において太陽を追尾可能な、好ましい状態となる。すなわち、瞬時に方位角を１８０度回転させる必要が無くなり、追尾不能な状態を無くすことができる。
　次に、北緯１０度の地点を想定した図３１において、太陽光発電モジュール１の受光面１ｆ及び方位角の基準回転面５ｘは、水平な状態である。回転軸Ａｘを延長した線が天球Ｈと交わる点Ｐ４は、太陽の移動軌跡範囲Ｅ内にある。春分の日又は秋分の日と夏至との間の日の正午において、太陽が点Ｐ４の方向にあり、太陽光発電モジュール１が図３１に示す姿勢となってしまうと、その時間帯には、太陽光発電モジュール１は太陽を追尾不能な状態となる。従って、これは回避すべき、好ましくない状態である。
　一方、図３２において、太陽光発電モジュール１の受光面１ｆ及び方位角の基準回転面５ｘは水平よりも傾き、回転軸Ａｘは鉛直線に対して一定の角度がある状態である。そして、回転軸Ａｘを延長した線が天球Ｈと交わる点Ｐ５は、太陽の移動軌跡範囲Ｅより外側にある。当該地点において、太陽は、移動軌跡範囲Ｅより外側を通ることはない。従って、１年を通して毎日、太陽光発電モジュール１は仰角及び方位角において太陽を追尾可能な、好ましい状態となる。すなわち、瞬時に方位角を１８０度回転させる必要が無くなり、追尾不能な状態を無くすことができる。
　《開示のまとめ》
　以上、詳述したように、本開示の太陽光発電装置１００は、太陽に対する太陽光発電モジュール１の仰角を変化させる仰角駆動機構Ｍ１、及び、太陽に対する太陽光発電モジュール１の方位角を変化させる方位角駆動機構Ｍ２を備えるほか、方位角駆動機構Ｍ２が鉛直線に対して成す角度を変化させ得る補助駆動機構Ｍ３を備えている。
　このように構成された太陽光発電装置１００では、仰角駆動機構Ｍ１により、太陽光発電モジュール１の仰角を変化させることができる。方位角駆動機構Ｍ２により、太陽光発電モジュール１の方位角を変化させることができる。そして、方位角駆動機構Ｍ２の基準回転面５ｘを想定すると、補助駆動機構Ｍ３は基準回転面５ｘが鉛直線に対して成す角度を変化させることができる。これにより、方位角の追尾動作をするための基準回転面５ｘを、例えば水平より傾斜させた状態とすることができる。この状態では、南北回帰線内に太陽光発電装置１００を設置した場合であっても、方位角の基準回転面５ｘの回転軸Ａｘを延長した線と天球Ｈとが交わる点が、太陽の移動軌跡範囲Ｅの外側に位置する状態とすることにより、方位角の連続的な回転動作をしながら太陽を追尾することができる。従って、南北回帰線内に太陽光発電装置１００を設置しても、瞬時に方位角を１８０度回転させる必要が無くなり、追尾不能な状態を無くすことができる。
　なお、基準回転面５ｘの回転軸Ａｘを延長した線と天球Ｈとが交わる点が、太陽の移動軌跡範囲内にあっても、当該点を太陽が通過しないときは、追尾不能な状態は回避できる。但し、回避できるか否かの判断が制御上常に必要となるので、制御負担軽減の観点からは、南北回帰線内に太陽光発電装置１００を設置する場合には、予め、回転軸Ａｘを延長した線と天球Ｈとが交わる点が、太陽の移動軌跡範囲外に位置するよう設定することが好ましい。
　より具体的な構成としては、アクチュエータ８を動作させることにより、太陽光発電モジュール１の仰角を変化させることができる。回転駆動装置５を動作させて可動部５ｒを回転させることにより、太陽光発電モジュール１の方位角を変化させることができる。また、アクチュエータ７を動作させることにより、可動部５ｒの基準回転面５ｘが支柱２に対して成す傾斜角度を変化させることができる。可動部５ｒの基準回転面５ｘを例えば水平より傾斜した状態とすることにより、方位角の追尾動作をするための基準回転面５ｘを水平より傾斜させた状態とすることができる。
　太陽追尾方法としての観点からは、まず、方位角及び仰角の２軸駆動により太陽光発電モジュール１の姿勢を変えて太陽を追尾する太陽追尾方法である。そして、方位角の基準回転面５ｘの回転軸Ａｘを延長した線と天球とが交わる点が、太陽の移動軌跡範囲内に位置する場合、鉛直線に対する回転軸Ａｘの角度を変化させることにより、前記点が太陽の移動軌跡範囲外に位置する状態として、太陽を追尾する、太陽追尾方法である。
　このような太陽追尾方法によれば、方位角の追尾動作をするための基準回転面５ｘを、例えば水平より傾斜させた状態とすることができる。この状態では、南北回帰線内に太陽光発電装置１００を設置した場合であっても、方位角の基準回転面５ｘの回転軸を延長した線と天球とが交わる点が、太陽の移動軌跡範囲外に位置する状態とすることにより、方位角の連続的な回転動作をしながら太陽を追尾することができる。従って、南北回帰線内に太陽光発電装置１００を設置しても、瞬時に方位角を１８０度回転させる必要が無くなり、追尾不能な状態を無くすことができる。
　《その他》
　なお、上記実施形態では、補助駆動機構Ｍ３を支柱２の上に別途設ける構成としたが、支柱自身が傾動可能な構成にすれば、アクチュエータ等を用いて支柱を傾ける構成を、補助駆動機構とすることもできる。
　《補記》
　なお、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
　１　太陽光発電モジュール
　１ａ　開口
　１ｆ　受光面
　１ｒ　裏面
　２　支柱
　２ａ　支持腕
　３　基礎
　４　継手（第１の継手）
　５　回転駆動装置
　５ａ　支持腕
　５ｂ　駆動腕
　５ｒ　可動部
　５ｓ　固定部
　５ｘ　基準回転面
　６　継手（第２の継手）
　７　アクチュエータ（第１のアクチュエータ）
　８　アクチュエータ（第２のアクチュエータ）
　９　制御部
　１０　太陽位置センサ
　１００　太陽光発電装置
　Ａｘ　回転軸
　Ｅ　移動軌跡範囲
　Ｇ　設置面
　Ｈ　天球
　Ｍ１　仰角駆動機構
　Ｍ２　方位角駆動機構
　Ｍ３　補助駆動機構
　Ｐ　地点
　Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４，Ｐ５　（交わる）点

Claims (5)

  1. 　太陽を追尾して発電する太陽光発電装置であって、
    　太陽光発電モジュールと、
    　設置面に立てられ、前記太陽光発電モジュールを支える支柱と、
    　太陽に対する前記太陽光発電モジュールの仰角を変化させる仰角駆動機構と、
    　太陽に対する前記太陽光発電モジュールの方位角を変化させる方位角駆動機構と、
    　前記方位角駆動機構が鉛直線に対して成す角度を変化させ得る補助駆動機構と、
    　前記仰角駆動機構、前記方位角駆動機構、及び、前記補助駆動機構を動作させる制御部と、
    　を備えている太陽光発電装置。
  2. 　前記支柱の上端に設けられた第１の継手と、
    　前記第１の継手を介して取り付けられることにより前記支柱に対して傾斜する動作が可能であり、固定部、及び、当該固定部に対して回転可能であり方位角の基準回転面を含む可動部を有する回転駆動装置と、
    　前記可動部に設けられ、前記太陽光発電モジュールの仰角の回動中心となる第２の継手と、
    　前記支柱と前記固定部との間に設けられ、前記支柱に対する前記回転駆動装置の傾斜角度を変化させる第１のアクチュエータと、
    　前記可動部と前記太陽光発電モジュールとの間に設けられ、前記可動部に対する前記太陽光発電モジュールの傾斜角度を変化させる第２のアクチュエータと、を備え、
    　前記仰角駆動機構は、前記可動部、前記第２の継手、及び、前記第２のアクチュエータによって構成され、
    　前記方位角駆動機構は、前記回転駆動装置によって構成され、
    　前記補助駆動機構は、前記固定部、前記第１の継手、及び、前記第１のアクチュエータによって構成される、請求項１に記載の太陽光発電装置。
  3. 　前記第１のアクチュエータは、前記支柱と前記固定部とに架設され伸縮動作するものであり、
    　前記第２のアクチュエータは、前記可動部と前記太陽光発電モジュールとに架設され伸縮動作するものである、請求項２に記載の太陽光発電装置。
  4. 　前記太陽光発電モジュールは、全体として平板状であり、鉛直姿勢における上下の方向性が決まっている、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の太陽光発電装置。
  5. 　方位角及び仰角の２軸駆動により太陽光発電モジュールの姿勢を変えて太陽を追尾する太陽追尾方法であって、
    　方位角の基準回転面の回転軸を延長した線と天球とが交わる点が、太陽の移動軌跡範囲内に位置する場合、
    　鉛直線に対する前記回転軸の角度を変化させることにより、前記点が太陽の移動軌跡範囲外に位置する状態として、太陽を追尾する、
    　太陽追尾方法。
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