JP6618270B2 - 太陽光発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、太陽光発電装置に関する。

従来、太陽光発電装置の発電効率を向上させる為に、軌道上の太陽の日周運動に太陽電池パネルを追従させて、太陽電池パネルの受光面が略垂直状に太陽光を受けるようにした追従式の太陽光発電装置が提案されている（特許文献１参照）。

特開２０１１−９１０７３号公報

しかし、特許文献１記載の太陽光発電装置は、太陽の位置を検知するセンサーを備え、センサーにより検知した軌道上の太陽の位置に合わせて太陽電池パネルの稼働を制御するものであって、構造が複雑となり、それに伴ってコストも高くなるという欠点があった。

そこで、本発明は、簡単な構造で太陽電池パネルを太陽に追従させて太陽光発電効率を向上する太陽光発電装置を提供することを目的とする。

本発明に係る太陽光発電装置は、複数の帯板片状太陽電池パネルを備え、上記太陽電池パネルの受光面に太陽光が略垂直状に射し込むように上記太陽電池パネルを太陽の日周運動に追従させる太陽光発電装置であって、複数の上記太陽電池パネルが取着されるパネル取付用揺動フレームを複数個並列状に配設し、季節による太陽の軌道変動に対応して上記太陽電池パネルの受光面の向きを調整するための角度調整機構と、太陽の日周運動に合わせて上記揺動フレームを揺動させ複数の上記太陽電池パネルを回転させる回転駆動機構とを、備え、該回転駆動機構は、モーターによって回転駆動される駆動軸と、該駆動軸に取付けた複数のウォームギア部と、上記ウォームギア部に噛合して、上記揺動フレームを揺動させる複数のウォームホイール部とによって、複数の太陽電池パネルを機械的に連動連結し、上記パネル取付用揺動フレームは、複数本の支持棒によって架台に揺動自在に取着され、上記揺動フレームに第１支持棒、第２支持棒、第３支持棒が順次連結され、上記第１支持棒、上記第２支持棒、上記第３支持棒は、夫々に長さ寸法が異なり、上記第１支持棒が最も短く、上記第２支持棒が上記第１支持棒より長く、かつ、上記第３支持棒より短く設定され、上記第２支持棒は、下端部に上記ウォームホイール部が固着され、揺動軸芯廻りに揺動自在とし、上端部が上記揺動フレームに枢着され、上記第１支持棒の下端部及び上記第３支持棒の下端部と上記架台との連結点は、ボールジョイントを用いて左右前後方向に自由に揺動可能とし、上記第１支持棒の上端部及び上記第３支持棒の上端部と上記揺動フレームの第２枠材との連結点も、左右前後方向に自由に揺動可能として形成し、上記第１支持棒の下端部及び上記第３支持棒の下端部と上記架台との連結点は、上記ウォームホイール部の揺動軸芯の延長線上には配設されず、上記第１支持棒の下端部が、上記第２支持棒の揺動軸心よりも上記太陽電池パネル寄り内側の位置に配設され、上記第３支持棒の下端部が、上記第２支持棒の揺動軸心よりも上記太陽電池パネルから遠い外側の位置に配設されるよう構成されているものである。

また、上記太陽電池パネルは、上記角度調整機構によって、夏季の太陽軌道上の日出位置・日没位置に対応して、上記受光面の向きが、平面的に見て東方向と西方向を超えて１８０度より大きい角度範囲にわたって変位するよう構成されているものである。
また、複数個の上記揺動フレームを架台に並設して太陽光発電ユニットを形成し、複数個の上記太陽光発電ユニットを並べて配設し、一の駆動軸の長手方向端部に、他の駆動軸の長手方向端部を自在継手を介して連結して、上記モーターによって連結一体状の上記駆動軸を回転駆動して複数個の上記揺動フレームを揺動させるよう構成されているものである。

本発明の太陽光発電装置によれば、構造が簡素で、安価に製造でき、かつ、複数の太陽電池パネルをウォームギア部とウォームホイール部により機械的に連動連結して太陽に追従させて、太陽光発電効率を向上できる。太陽電池パネルを取着した複数の揺動フレームを共用のモーターによって駆動できる。ウォームギア部とウォームホイール部の噛合に遊びが生じることなく、モーターにより非常に細かく太陽電池パネルを制御できる。ウォームギア部とウォームホイール部により高いギア比を小さなスペースで実現でき、太陽電池パネルに高いトルクを伝達できる。季節による太陽の軌道変動に対応して、太陽電池パネルの受光面の向きの調整を、角度調整機構によって、容易に行うことができる。角度調整機構によって、日本だけでなく、地球上のどの緯度でも、太陽の軌道変動に容易に対応でき、海外での使用に対応できる。

本発明の実施の一形態を示した側面図である。 一部断面で示す要部拡大側面図である。 本発明の太陽光発電装置を示した平面図である。 一部断面で示す要部拡大正面図である。 春分の日及び秋分の日の太陽軌道を示す簡略斜視図である。 本発明の太陽光発電装置を示した正面図である。 冬季の太陽軌道を示す簡略斜視図である。 本発明の太陽光発電装置の冬季の使用状態を示した側面図である。 夏季の太陽軌道を示す簡略斜視図である。 本発明の太陽光発電装置の夏季の使用状態を示した側面図である。 夏季の太陽電池パネルの変位を説明する簡略平面図である。 太陽電池パネルの回転の様子を説明する斜視図である。 太陽電池パネルの回転の様子を説明する斜視図である。 複数個の太陽光発電ユニットを示す平面図である。

以下、実施の形態を示す図面に基づき本発明を詳説する。
本発明は、太陽電池パネルの受光面に太陽光が略垂直状に射し込むように、太陽電池パネルを太陽の日周運動に追従させる太陽追従（追尾）式の太陽光発電装置に関する。
図１と図３に示すように、本発明の太陽光発電装置は、複数の帯板片状太陽電池パネル４を備え、季節による太陽の軌道変動に対応して太陽電池パネル４の受光面４ａの向きを調整するための角度調整機構３と、太陽の日周運動に合わせて複数の太陽電池パネル４を回転させる回転駆動機構６とを、備えている。

太陽電池パネル４は、揺動自在のパネル取付用揺動フレーム５の上面５ａに取り付けられている。揺動フレーム５は、複数個が架台８に並列状に配設され、架台８と複数個の揺動フレーム５によって連結一体状の太陽光発電ユニット１０が形成されている。
図１に示すように、パネル取付用揺動フレーム５は、側面視三角形状に形成され、３枚の太陽電池パネル４が縦方向（長手方向）に並べて固着される第１枠材１と、第１枠材１にヒンジ部７で枢着されると共に複数本の支持棒２１，２２，２３によって架台８に支持される第２枠材２と、第１枠材１と第２枠材２にヒンジ部７の反対側端部で連結される長さ調節自在の調整用枠材９とを、有し、第１枠材１と第２枠材２がヒンジ部７で成す角度αが、調整用枠材９の長さ調節によって自由に変更できるように構成されている。即ち、太陽電池パネル４の受光面４ａの向きが、揺動フレーム５の調整用枠材９を長さ調節することによって変更される。図１に示す傾斜角度θは、揺動フレーム５を鉛直起立状態とした際に、水平面に対し受光面４ａの成す角度を図示している。なお、揺動フレーム５の調整用枠材９の長さ調節は、手動にて操作可能である。

図２〜図４に示すように、回転駆動機構６は、架台８に取付けられるモーター１１と、モーター１１に連結されて回転駆動される駆動軸１２と、駆動軸１２に所定のピッチで取付けられる複数のウォームギア部１３と、ウォームギア部１３に噛合する複数のウォームホイール部１４とを、備えている。
モーター１１は、パルス電流により一定の小角度ずつ回転するステッピングモーターが用いられ、モーター１１を太陽の日周運動に合わせて駆動するパルス電流が入力されるよう制御部２５によって電気的に制御されている。なお、パルス電流とは、脈動するように継続時間の極めて短い電流のことをいう。ウォームホイール部１４は、揺動フレーム５を支持する複数本の支持棒２１，２２，２３の内の１本の支持棒２２の下端に固着されている。ウォームギア部１３とウォームホイール部１４によって、駆動軸１２の回転駆動力が、揺動フレーム５を揺動させる力に変換される。従って、駆動軸１２と供回りする複数のウォームギア部１３によって、複数のウォームホイール部１４に回転駆動力が伝達され、複数個の揺動フレーム５が同時に揺動し、複数の太陽電池パネル４が機械的に連動（連結）して回転するよう構成されている。モーター１１がステッピングモーターであり、かつ、ウォームギア部１３とウォームホイール部１４の噛合により確実に駆動軸１２の回転駆動力が揺動フレーム５に伝達される為、受光面４ａを常に太陽に向けるように太陽電池パネル４の回転を非常に細かく制御することが可能である。ウォームホイール部１４は、架台８に固定されたギア支持部３０に揺動軸心Ｌ_０廻りに回転自在に枢着され、かつ、ウォームギア部１３は、ギア支持部３０に枢支され、ウォームホイール部１４とウォームギア部１３の噛合状態が保持されている。なお、ウォームギア部１３とウォームホイール部１４の接合角度を変更することは可能であり、支持棒２２の角度の変更を容易に行うことができる。

図１に示すように、パネル取付用揺動フレーム５は、複数本の支持棒２１，２２，２３によって架台８に揺動自在に取着されている。揺動フレーム５の第２枠材２に、北側から第１支持棒２１と第２支持棒２２と第３支持棒２３の３本が順次連結されている。第１支持棒２１・第２支持棒２２・第３支持棒２３は、夫々に長さ寸法Ｌが異なり、第１支持棒２１が最も短く、第２支持棒２２は、第１支持棒２１より長く、かつ、第３支持棒２３より短く設定されている。第２支持棒２２は、下端部２２ａにウォームホイール部１４が固着され、揺動軸心Ｌ_０廻りに揺動自在とし、上端部２２ｂが第２枠材２の垂下突片２ａに枢着されている。第１支持棒２１の下端部・第３支持棒２３の下端部と架台８との連結点は、ボールジョイントを用いて左右前後方向に自由にフリー揺動可能とし、第１支持棒２１の上端部・第３支持棒２３の上端部と揺動フレーム５の第２枠材２との連結点も、左右前後方向に自由にフリー揺動可能として形成されている。なお、第１支持棒２１の下端部・第３支持棒２３の下端部と架台８との連結点は、ウォームホイール部１４の揺動軸心Ｌ_０の延長線上には配設されていない。

図５に示すように、春分の日、及び、秋分の日には、太陽は、真東（日出位置Ｅ_０）から上り、真西（日没位置Ｗ_０）に沈む。
図１では、太陽電池パネル４は、受光面４ａの傾斜角度θを、角度調整機構３によって、春分の日又は秋分の日の太陽軌道上の南中高度Φ_０に対応して、θ＝９０°−Φ_０の関係式が成り立つように設定する。
図６に示すように、太陽電池パネル４は、回転駆動機構６によって、太陽の日周運動に合わせて図中矢印Ｍのように東西方向（左右方向）に回転する。太陽電池パネル４は、春分の日又は秋分の日の日出位置Ｅ_０・日没位置Ｗ_０に対応して、受光面４ａの向きが、平面的に見て真東から真西の約１８０度の角度範囲にわたって変位するよう構成されている。

図７に示すように、秋分の日より後、春分の日より前の期間（以下、冬季という）には、太陽軌道上の日出位置Ｅ_１・日没位置Ｗ_１が、真東・真西より南に移動し、太陽の見かけの移動距離が短くなる。即ち、夜より昼が短くなる。なお、冬季の太陽軌道上の南中高度Φ_１は、春分の日又は秋分の日の南中高度Φ_０よりも小さくなる。
図８に示すように、太陽電池パネル４は、角度調整機構３によって、冬季の太陽軌道に対応して、受光面４ａの傾斜角度θが、春分の日又は秋分の日より大きく設定されている。太陽電池パネル４は、冬季の日出位置Ｅ_１・日没位置Ｗ_１に対応して、受光面４ａの向きが、平面的に見て真東から真西の間の１８０度より小さい角度範囲にわたって変位するよう構成されている。

図９に示すように、春分の日より後、秋分の日より前の期間（以下、夏季という）には、太陽軌道上の日出位置Ｅ_２・日没位置Ｗ_２が、真東・真西より北に移動し、太陽の見かけの移動距離が長くなる。即ち、昼が長くなる。なお、夏季の太陽軌道上の南中高度Φ_２は、春分の日又は秋分の日の南中高度Φ_０よりも大きくなる。
図１０に示すように、太陽電池パネル４は、角度調整機構３によって、夏季の太陽軌道に対応して、受光面４ａの傾斜角度θが、春分の日又は秋分の日より小さく設定されている。
図１１では、太陽電池パネル４は、夏季の日出位置Ｅ_２・日没位置Ｗ_２に対応して、受光面４ａの向きが、平面的に見て東方向と西方向を超えて１８０度より大きい角度範囲にわたって変位するよう構成されている。

夏季に於ける太陽電池パネル４の回転の様子を説明すると、図１２に示すように、揺動フレーム５を鉛直起立状態とすると、太陽電池パネル４の受光面４ａは、南下がりに傾斜しつつほぼ上方に向いている。第１支持棒２１の下端部２１ａと第３支持棒２３の下端部２３ａは、第２支持棒２２の揺動軸心Ｌ_０の延長線上にはなく、第１支持棒２１の下端部２１ａは、揺動軸心Ｌ_０より太陽電池パネル４寄り（内側）の位置に配設され、第３支持棒２３の下端部２３ａは、揺動軸心Ｌ_０より太陽電池パネル４から遠い（外側）の位置に配設されている。

図１３に示すように、第２支持棒２２を９０°揺動させ太陽電池パネル４を上向きから横向きに回転させると、第３支持棒２３は、太陽電池パネル４と共に揺動する。第３支持棒２３は、揺動フレーム５に連結されて第２支持棒２２と一定の距離を維持する為、第２支持棒２２側（北側）に傾きつつ９０°未満の角度で揺動する。また、第１支持棒２１も、第２支持棒２２を９０°揺動させると、太陽電池パネル４と共に揺動する。第１支持棒２１は、第２支持棒２２と一定の距離を維持する為、第２支持棒２２側（南側）に傾きつつ９０°を超える角度で揺動する。即ち、太陽電池パネル４は、第１支持棒２１・第２支持棒２２・第３支持棒２３の長さの違いによって回転半径に差が生じ、９０°回転して横方向を向くと、受光面４ａが北向きに傾斜する。なお、第１支持棒２１・第２支持棒２２・第３支持棒２３の支点を同一直線上に配設しないことで、第１支持棒２１と第３支持棒２３が揺動に伴って第２支持棒２２側に傾き、太陽電池パネル４の受光面４ａを、所定角度だけ大きく北向きに傾けることができる。

図１４に示すように、架台８に揺動フレーム５を複数個並設した太陽光発電ユニット１０，１０を、複数個並べて配設し、一の駆動軸１２の長手方向端部１２ａに、他の駆動軸１２の長手方向端部１２ａを自在継手（ユニバーサルジョイント）２４を介して連結して、モーター１１によって連結一体状の駆動軸１２，１２を回転駆動して複数個の揺動フレーム５を揺動させるよう構成されている。
つまり、複数個の太陽光発電ユニット１０，１０を並べて使用する場合、モーター１１を共用し、（１つの）モーター１１の回転駆動力を自在継手（ユニバーサルジョイント）２４を介して駆動軸１２，１２相互に伝達する。駆動軸１２，１２を自在継手２４によって連結することにより、地面の起伏に対応して設置でき、かつ、太陽光発電ユニット１０，１０の並べ方の変更も自由である。また、太陽光発電ユニット１０，１０の数の増減を容易に行える。従って、本発明に係る太陽光発電装置は、遊休地に設置するのみでなく、農地や駐車場等の上部に設置することが可能であって、デッドスペースを有効に利用することができる。

なお、本発明は、設計変更可能であって、例えば、架台８に並設する揺動フレーム５の数、及び、揺動フレーム５の取着する太陽電池パネル４の数は自由に増減することができる。
また、複数の太陽電池パネル４が取着される揺動フレーム５を架台８に複数個並設して連結一体状の太陽光発電ユニット１０とすることにより、複数の太陽電池パネルを大きなパネルに固定する従来の太陽光発電装置に比べ、風・雪の影響を受けにくい。

以上のように、本発明に係る太陽光発電装置は、複数の帯板片状太陽電池パネル４を備え、太陽電池パネル４の受光面４ａに太陽光が略垂直状に射し込むように太陽電池パネル４を太陽の日周運動に追従させる太陽光発電装置であって、複数の太陽電池パネル４が取着されるパネル取付用揺動フレーム５を複数個並列状に配設し、季節による太陽の軌道変動に対応して太陽電池パネル４の受光面４ａの向きを調整するための角度調整機構３と、太陽の日周運動に合わせて揺動フレーム５を揺動させ複数の太陽電池パネル４を回転させる回転駆動機構６とを、備え、回転駆動機構６は、モーター１１によって回転駆動される駆動軸１２と、駆動軸１２に取付けた複数のウォームギア部１３と、ウォームギア部１３に噛合して揺動フレーム５を揺動させる複数のウォームホイール部１４とによって、複数の太陽電池パネル４を機械的に連動連結するよう構成されているので、構造が簡素で、安価に製造でき、かつ、複数の太陽電池パネル４をウォームギア部１３とウォームホイール部１４により機械的に連動連結して太陽に追従させて、太陽光発電効率を向上できる。太陽電池パネル４を取着した複数個の揺動フレーム５を共用のモーターによって駆動できる。ウォームギア部１３とウォームホイール部１４の噛合に遊びが生じることなく、モーター１１（ステッピングモーター）により非常に細かい制御が可能となり、太陽電池パネル４が確実に太陽に追従できる。ウォームギア部１３とウォームホイール部１４により高いギア比を小さなスペースで実現でき、太陽電池パネル４に高いトルクを伝達できる。季節による太陽の軌道変動に対応して、太陽電池パネル４の受光面４ａの向きの調整を、角度調整機構３によって、容易に行うことができる。角度調整機構３によって、日本だけでなく、地球上のどの緯度でも、太陽の軌道変動に容易に対応でき、海外での使用に対応できる。

また、太陽電池パネル４は、角度調整機構３によって、夏季の太陽軌道上の日出位置Ｅ_２・日没位置Ｗ_２に対応して、受光面４ａの向きが、平面的に見て東方向と西方向を超えて１８０度以上の角度範囲にわたって変位するよう構成されているので、夏季の太陽軌道に合わせて受光面４ａを太陽に向け、太陽電池パネル４を稼働することができる。

また、複数個の揺動フレーム５を架台８に並設して太陽光発電ユニット１０を形成し、複数個の太陽光発電ユニット１０，１０を並べて配設し、一の駆動軸１２の長手方向端部１２ａに、他の駆動軸１２の長手方向端部１２ａを自在継手２４を介して連結して、モーター１１によって連結一体状の駆動軸１２，１２を回転駆動して複数個の揺動フレーム５を揺動させるよう構成されているので、太陽光発電ユニット１０の数を駆動軸１２，１２の連結により変更できる。地面の起伏に合わせて複数個の太陽光発電ユニット１０，１０を設置できる。遊休地に設置するのみでなく、農地や駐車場等の上部に設置することが可能であって、デッドスペースを有効に利用することができる。

また、パネル取付用揺動フレーム５は、長さ寸法Ｌが異なる複数本の支持棒２１，２２，２３によって揺動自在に取着されているので、太陽電池パネル４を１８０度以上の角度範囲にわたって変位させ、夏季の太陽軌道に合わせて受光面４ａを太陽に向けるよう太陽電池パネル４を稼働することができる。

３ 角度調整機構
４ 太陽電池パネル
４ａ 受光面
５ 揺動フレーム
６ 回転駆動機構
８ 架台
１０ 太陽光発電ユニット
１１ モーター
１２ 駆動軸
１２ａ 長手方向端部
１３ ウォームギア部
１４ ウォームホイール部
２１ 支持棒
２２ 支持棒
２３ 支持棒
２４ 自在継手
Ｌ 長さ寸法
Ｅ_２ 夏季の太陽軌道上の日出位置
Ｗ_２ 夏季の太陽軌道上の日没位置

Claims (3)

1. 複数の帯板片状太陽電池パネル（４）を備え、上記太陽電池パネル（４）の受光面（４ａ）に太陽光が略垂直状に射し込むように上記太陽電池パネル（４）を太陽の日周運動に追従させる太陽光発電装置であって、
   複数の上記太陽電池パネル（４）が取着されるパネル取付用揺動フレーム（５）を複数個並列状に配設し、
   季節による太陽の軌道変動に対応して上記太陽電池パネル（４）の受光面（４ａ）の向きを調整するための角度調整機構（３）と、太陽の日周運動に合わせて上記揺動フレーム（５）を揺動させ複数の上記太陽電池パネル（４）を回転させる回転駆動機構（６）とを、備え、
   該回転駆動機構（６）は、モーター（１１）によって回転駆動される駆動軸（１２）と、該駆動軸（１２）に取付けた複数のウォームギア部（１３）と、上記ウォームギア部（１３）に噛合して、上記揺動フレーム（５）を揺動させる複数のウォームホイール部（１４）とによって、複数の太陽電池パネル（４）を機械的に連動連結し、
   上記パネル取付用揺動フレーム（５）は、複数本の支持棒（２１）（２２）（２３）によって架台（８）に揺動自在に取着され、
   上記揺動フレーム（５）に第１支持棒（２１）、第２支持棒（２２）、第３支持棒（２３）が順次連結され、
   上記第１支持棒（２１）、上記第２支持棒（２２）、上記第３支持棒（２３）は、夫々に長さ寸法（Ｌ）が異なり、上記第１支持棒（２１）が最も短く、上記第２支持棒（２２）が上記第１支持棒（２１）より長く、かつ、上記第３支持棒（２３）より短く設定され、
   上記第２支持棒（２２）は、下端部（２２ａ）に上記ウォームホイール部（１４）が固着され、揺動軸芯（Ｌｏ）廻りに揺動自在とし、上端部（２２ｂ）が上記揺動フレーム（５）に枢着され、
   上記第１支持棒（２１）の下端部（２１ａ）及び上記第３支持棒（２３）の下端部（２３ａ）と上記架台（８）との連結点は、ボールジョイントを用いて左右前後方向に自由に揺動可能とし、上記第１支持棒（２１）の上端部及び上記第３支持棒（２３）の上端部と上記揺動フレーム（５）の第２枠材（２）との連結点も、左右前後方向に自由に揺動可能として形成し、
   上記第１支持棒（２１）の下端部（２１ａ）及び上記第３支持棒（２３）の下端部（２３ａ）と上記架台（８）との連結点は、上記ウォームホイール部（１４）の揺動軸芯（Ｌｏ）の延長線上には配設されず、
   上記第１支持棒（２１）の下端部（２１ａ）が、上記第２支持棒（２２）の揺動軸心（Ｌｏ）よりも上記太陽電池パネル（４）寄り内側の位置に配設され、上記第３支持棒（２３）の下端部（２３ａ）が、上記第２支持棒（２２）の揺動軸心（Ｌｏ）よりも上記太陽電池パネル（４）から遠い外側の位置に配設されていることを特徴とする太陽光発電装置。
2. 上記太陽電池パネル（４）は、上記角度調整機構（３）によって、夏季の太陽軌道上の日出位置（Ｅ_２）・日没位置（Ｗ_２）に対応して、上記受光面（４ａ）の向きが、平面的に見て東方向と西方向を超えて１８０度より大きい角度範囲にわたって変位するよう構成されている請求項１記載の太陽光発電装置。
3. 複数個の上記揺動フレーム（５）を架台（８）に並設して太陽光発電ユニット（１０）を形成し、
   複数個の上記太陽光発電ユニット（１０）（１０）を並べて配設し、一の駆動軸（１２）の長手方向端部（１２ａ）に、他の駆動軸（１２）の長手方向端部（１２ａ）を自在継手（２４）を介して連結して、上記モーター（１１）によって連結一体状の上記駆動軸（１２）（１２）を回転駆動して複数個の上記揺動フレーム（５）を揺動させるよう構成されている請求項１又は２記載の太陽光発電装置。

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