(57)【要約】【課題】 センサレス制御のブラシレスモータを使用することで、堅牢性および信頼性を確保し、高コストのＣＰＵを使用しなくても、高効率の駆動が可能である追尾式太陽光発電装置を提供する。【解決手段】  ブラシレスモータのセンサレス制御装置は、ロータの位置を推定し(S1)、次いで、追尾モードかどうかを判定し(S2)、ＹＥＳの場合には、ロータを推定位置より所要回転角分を同期駆動し(S3)、その後、数１０ｍｓの間モータ電流を保持し(S4)、ＮＯの場合には、ロータを推定位置より同期駆動によって駆動し(S6)、その後、センサレス制御モードで、所定位置まで駆動する(S7)。【選択図】    図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
集光式の太陽電池パネルと、太陽電池パネルを太陽の移動に伴って移動させるモータとを備えている追尾式太陽光発電装置において、
モータがセンサレス制御のブラシレスモータとされ、センサレス制御装置は、追尾動作を行わせる追尾動作手段と、非追尾動作を行わせる非追尾動作手段とを備えており、非追尾動作手段は、起動を同期駆動で行い、所定回転数に到達後にセンサレス制御に移行するものであり、追尾動作手段は、同期駆動によって起動から所要回転角の回転を行うとともに、停止後に所定時間モータ駆動電流を流すことでロータ位置を引き込むものであることを特徴とする追尾式太陽光発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、効率的な発電を可能とするために、集光式の太陽電池パネルを常に太陽に向けるように制御する追尾式太陽光発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
集光式の太陽電池パネルと、太陽電池パネルを太陽の移動に伴って移動させるモータとを備えている追尾式太陽光発電装置は、例えば特許文献１に開示されているが、従来、このような追尾式太陽光発電装置におけるモータ駆動系としては、誘導モータと汎用インバータとを組み合わせたものが一般的である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−１５３２０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
誘導モータと汎用インバータとを組み合わせたモータ駆動系は、堅牢でかつモータ駆動が容易であるという利点を有している反面、低速でのトルクが小さく効率が悪いという問題があった。
【０００５】
誘導モータに比べてトルクが大きくかつ効率のよいモータとして、エンコーダ使用またはセンサレス制御のブラシレスモータが知られているが、ロータ位置を検出するためのエンコーダを有するブラシレスモータを使用する場合には、コスト、耐環境性、信頼性などの点において問題があり、また、センサレス制御のブラシレスモータを使用する場合には、追尾を行う時のモータ速度が低速域となり、パネルの非追尾動作（退避動作など）が高速域となるために、低速から高速までの全速度域にわたってセンサレスで駆動するには、高価なＣＰＵが必要で、また、追尾時の低速域での使用が中心となるので、センサレス制御の利点が生かしにくいという問題がある。このため、追尾式太陽光発電装置でのブラシレスモータの実用化はなされていなかった。
【０００６】
この発明の目的は、センサレス制御のブラシレスモータを使用することで、堅牢性および信頼性を確保し、高コストのＣＰＵを使用しなくても、高効率の駆動が可能である追尾式太陽光発電装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明による追尾式太陽光発電装置は、集光式の太陽電池パネルと、太陽電池パネルを太陽の移動に伴って移動させるモータとを備えている追尾式太陽光発電装置において、モータがセンサレス制御のブラシレスモータとされ、センサレス制御装置は、追尾動作を行わせる追尾動作手段と、非追尾動作を行わせる非追尾動作手段とを備えており、非追尾動作手段は、起動を同期駆動で行い、所定回転数に到達後にセンサレス制御に移行するものであり、追尾動作手段は、同期駆動によって起動から所要回転角の回転を行うとともに、停止後に所定時間モータ駆動電流を流すことでロータ位置を引き込むものであることを特徴とするものである。
【０００８】
集光式の太陽電池パネルを使用するとともに、追尾式とすることで、発電効率を高めることができるが、高集光率タイプの太陽光発電では、太陽パネルの角度誤差が発電量を大きく左右するので、追尾のための１ステップの動作角度を小さくする必要がある。また、モータの効率が悪いと、その分、モータに使用される電力量が多くなって、得られる発電量が低下するので、モータの効率が重要な要素となる。
【０００９】
追尾式太陽光発電装置で従来使用されていた誘導モータは低速（追尾動作時は低速での使用となる）でのトルクが小さく効率が悪いので、この発明による追尾式太陽光発電装置では、駆動率向上のためブラシレスモータ（例えば永久磁石界磁同期モータ）が使用され、さらに、堅牢性、信頼性向上のため、故障の一番の原因であるエンコーダを用いないセンサレス制御でブラシレスモータを駆動するものとされる。
【００１０】
例えば、太陽パネルの追尾のための駆動ステップを毎分０．５ｄｅｇとすると、追尾動作は１２０秒に１度、わずか１秒程度の動作となり、追尾動作はほとんど起動動作のみとなり、ブラシレスモータと誘導モータとの効率差が大きくなる。したがって、起動停止回数が多くなる高集光率タイプの太陽光発電（０．１°程度の精度が必要）において、ブラシレスモータ使用の効果が顕著なものとなる。
【００１１】
ブラシレスモータの制御は、ベクトル制御、すなわち、固定座標系（互いに１２０°の角度をなして１点で交わるｕ軸、ｖ軸およびｗ軸からなる座標系）における３相の電流値を回転座標系（界磁極の磁束方向を示すｄ軸およびこれと直交するｑ軸からなる座標系）における２相の電流（ｄ軸電流およびｑ軸電流）に変換して、この２相の電流を用いて制御するものとされる。このベクトル制御を行うに際しては、ブラシレスモータのロータの角度を直接検出するためのセンサ（エンコーダなど）を使用せずに、ロータの角度および速度を推定するセンサレス制御とされる。
【００１２】
ここで、低速から高速までの全速度域をセンサレスで駆動するためには、高価なＣＰＵが必要となり、また、低速域では高周波注入などにより駆動効率低下があり、駆動時間も短いため、微小回転角ずつ短い間隔で追尾することが好ましい高集光タイプになるほど、追尾動作時に位相推定を行うセンサレスで制御する効果は低くなってしまう。
【００１３】
この問題を解消するため、この発明による追尾式太陽光発電装置においては、センサレス制御装置は、追尾動作を行わせる追尾動作手段と、非追尾動作を行わせる非追尾動作手段とを備えており、非追尾動作手段は、起動を同期駆動で行い、所定回転数に到達後にセンサレス制御に移行するものとされ、追尾動作手段は、同期駆動によって起動から所要回転角の回転を行うとともに、停止後に所定時間モータ駆動電流を流すことでロータ位置を引き込むものとされる。
【００１４】
追尾動作時は、同期駆動により所要回転角（例えば、減速比２００００の場合、太陽パネルの回転角０．１ｄｅｇにつきモータ回転角２０００ｄｅｇ＝５．５５６回転）を駆動する。このとき、停止後も駆動電流を所定時間（例えば数１０ｍｓ）流し、ロータ位置を引き込んでから停止する。そして、退避動作（太陽パネルを水平状態に格納する動作）等の連続動作となる非追尾動作時は、起動のみを同期駆動で行い、センサレス制御が可能となる所定回転数に達した後はセンサレス駆動を行う。
【００１５】
モータの起動は、例えば、比較的低い周波数の交流制御信号をインバータに供給するとともに、その周波数を徐々に高くすることで行われ、これにより、モータは比較的低い周波数で同期モータとして起動させられ、その回転数が徐々に高くなる。そして、ステータコイルの逆起電力を監視し、これが検出可能なレベルに達することにより、センサレス制御が可能となる。追尾動作時の同期駆動では、制御装置側でロータを何度回転させたかが分かり、例えば２０〜３０回転後に回転を止めるようにするとともに、ロータを引き込むようにし、これを起動の時の出発点として同期駆動する。
【００１６】
追尾に際しては、追尾センサを使用してもよく、また、カレンダタイマで計算して内蔵の角度検出器で追尾するようにしてもよく、好ましくは、追尾センサで追尾するものとされる。モータの減速比は、耐風圧等を考えると大トルクが必要となるので、高減速比（減速比を１００００以上、例えば２００００）とすることが好ましい。追尾を行う間隔は特に限定されないが、例えば２０〜６０秒に１回程度の割合で追尾することが好ましい。
【発明の効果】
【００１７】
この発明の追尾式太陽光発電装置によると、モータがブラシレスモータとされていることで、誘導モータを使用する従来のものに比べて、効率が高いものとなり、センサレス制御とされていることで、従来と同様の堅牢性を持つものとすることができる。そして、センサレス制御装置は、追尾動作を行わせる追尾動作手段と、非追尾動作を行わせる非追尾動作手段とを備えており、非追尾動作手段は、起動を同期駆動で行い、所定回転数に到達後にセンサレス制御に移行するものであり、追尾動作手段は、同期駆動によって起動から所要回転角の回転を行うとともに、停止後に所定時間モータ駆動電流を流すことでロータ位置を引き込むものであるので、微小回転角ずつ短い間隔で追尾することが好ましい高集光タイプの追尾式太陽光発電装置におけるモータの制御が最適化されて、高効率の駆動が可能となり、追尾に必要な電力が低減されることで、発電効率を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は、この発明による追尾式太陽光発電装置を示す図である。
【図２】図２は、この発明による追尾式太陽光発電装置で使用されているモータを示すブロック図である。
【図３】図３は、この発明による追尾式太陽光発電装置の制御ステップを示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
この発明の実施の形態を、以下図面を参照して説明する。
【００２０】
図１は、この発明による追尾式太陽光発電装置を模式的に示している。
【００２１】
同図に示すように、追尾式太陽光発電装置(1)は、集光式の太陽電池パネル(2)と、太陽電池パネル(2)を回動自在に支持する支柱(3)と、支柱(3)を旋回させるための旋回機構(4)と、太陽電池パネル(2)を傾動する傾動機構(5)とを備えており、旋回機構(4)に設けられた旋回モータ(6)と傾動機構(5)に設けられた傾動モータ(7)とによって、太陽を追尾するように太陽電池パネル(2)を移動させることで、発電量を大きくする構成とされている。
【００２２】
太陽電池パネル(2)の移動の形態には、図に実線で示す位置を基準にして、Ａの二点鎖線で示す追尾位置まで微小回転角移動する追尾動作と、Ｂの二点鎖線で示す退避位置である水平状態に一気に移動する場合などの非追尾動作とがある。
【００２３】
旋回モータ(6)および傾動モータ(7)は、いずれも、図２に示すように、永久磁石界磁同期モータ（ブラシレスモータ）(21)とセンサレス制御装置(22)とから構成されている。
【００２４】
同期モータ(21)は、複数相（この例では３相）のステータコイル(23)を有するステータ(24)と、永久磁石を有するロータ(25)とを備えている。同期モータ(21)の減速比は、耐風圧等を考えると大トルクが必要となるので、高減速比（例えば２００００）とされている。
【００２５】
センサレス制御装置(22)は、センサレスベクトル制御を行うもので、外部から入力されたロータ(25)の指令速度ω＊とロータ(25)の現在速度ωとに基づいて２軸座標系におけるｄ軸・ｑ軸電流指令値ｉｄ＊，ｉｑ＊を算出する速度制御部(41)と、２軸座標系におけるｄ軸・ｑ軸電流指令値ｉｄ＊，ｉｑ＊に基づいて２軸座標系におけるｄ軸・ｑ軸電圧指令値Ｖｄ＊，Ｖｑ＊を算出する電流制御部(42)と、２軸座標系におけるｄ軸・ｑ軸電圧指令値Ｖｄ＊，Ｖｑ＊に基づいて３相の電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊を算出する座標変換部(43)と、３相の電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊に基づいてモータ(21)のステータコイル(23)に直流駆動電流を供給するＰＷＭインバータ(44)と、ステータコイル(23)に流れる相電流Ｉｕ，Ｉｖに基づいて各相の電流値ｉｕ，ｉｖ，ｉｗを求める電流検出部(45)と、相電流値ｉｕ，ｉｖ，ｉｗに基づいて２軸座標系におけるｄ軸・ｑ軸電流値ｉｄ，ｉｑを算出する座標変換部(46)と、ロータ(25)の角度θおよび現在速度ωを求めて、現在速度ωを速度制御部(41)に、角度θを各座標変換部(43)(46)にそれぞれ出力する位置・速度推定部(47)とを備えている。
【００２６】
このセンサレス制御装置(22)では、位置・速度推定部(47)において、３相の相電圧に基づいて各相の回転位置推定信号が生成され、この各相の回転位置推定信号に基づいてＰＷＭインバータ(44)がＰＷＭ方式で電源から３相への通電を制御することで、ロータ(25)の角度を直接検出するためのエンコーダを使用せずに、制御を行うようになっている。
【００２７】
この発明の追尾式太陽光発電装置(1)におけるセンサレス制御装置(22)においては、追尾動作を行うときの追尾動作制御と、退避動作などの非追尾動作を行うときの非追尾動作制御とでは、異なる制御が行われている。すなわち、一般的なセンサレス制御装置は、起動時のみを同期駆動で行うようにして、その後は、位置・速度推定部(47)により生成される回転位置推定信号に基づいて、センサレス制御を行うものとされているに対し、このセンサレス制御装置(22)では、このようなセンサレス制御を行うのは、非追尾動作のときのみであり、追尾動作を行うときは、別のステップによって行われている。このステップを図３に示す。
【００２８】
図３に示すように、センサレス制御装置(22)は、まず、ロータ(25)の位置を推定し(S1)、次いで、追尾モードかどうかを判定し(S2)、ＹＥＳの場合には、追尾動作手段(A)によって追尾用の動作制御を行い、ＮＯの場合、非追尾動作手段(B)によって非追尾用の動作制御を行う。追尾用の動作制御では、ロータ(25)を推定位置より所要回転角分（例えば、太陽電池パネル(2)の回転角度にして０．１ｄｅｇ）を同期駆動し(S3)、その後、数１０ｍｓの間モータ(21)の駆動電流を保持し(S4)、指令待ち状態で待機する(S5)。非追尾用の動作制御では、ロータ(25)を推定位置より同期駆動によって駆動し(S6)、これにより、センサレス制御が可能となるので、その後、センサレス制御モードで、所定位置（例えば、太陽電池パネルが水平状態の退避位置）まで駆動して(S7)、指令待ち状態で待機する(S5)。
【００２９】
ステップ(S1)のロータ位置の推定は、例えばディザリングによって行えばよく、具体的には、高周波電流（または高周波電圧）を注入して位置誤差を０°または１８０°に収束させた後、磁極判定を行って、位置誤差が１８０°の場合には軸を反転させて位置誤差を０°にすることにより、ロータ(25)の停止位置が推定される。
【００３０】
ステップ(S3)〜(S4)の追尾用の動作制御(A)は、日の出から日没までの間に、例えば２４秒に１回程度の割合で間欠的に行われ、１回の動作によって、所要回転角（例えば、減速比２００００の場合、太陽パネルの回転角０．１ｄｅｇにつきモータ回転角２０００ｄｅｇ＝５．５５６回転）を駆動する。このとき、停止後もモータ(21)の駆動電流を所定時間（例えば数１０ｍｓ）流し、ロータ位置を引き込んでから停止するものとされる。追尾に要する時間は、１秒程度である。
【００３１】
ステップ(S6)〜(S7)非追尾用の動作制御(B)は、日没後などに、傾斜状態の太陽電池パネル(2)を水平状態に格納する際や、日の出前に、水平状態の太陽電池パネル(2)を傾斜状態に移動させる際に行われ、これに要する時間は、数十秒程度である。
【００３２】
起動時の同期駆動および所定回転数に達した後のセンサレス駆動は、従来と同様に行われる。具体的には、モータ(21)の起動は、比較的低い周波数の交流制御信号をインバータ(44)に供給するとともに、その周波数を徐々に高くすることで行われる。そして、ステータコイル(23)の逆起電力が検出可能なレベルに達すると、センサレス制御に移行する。センサレス制御では、ステータコイル(23)の逆起電力に基づく交流制御信号がインバータ(44)に供給され、この交流制御信号の周波数がステータコイル(23)の逆起電力に伴って、徐々に高くなり、所定の運転周波数に達した後、その周波数に保持され、これに伴って、ロータ(25)の回転数は、徐々に高くなった後、所定の運転回転数に保持される。
【符号の説明】
【００３３】
(1)     追尾式太陽光発電装置
(2)     太陽電池パネル
(6)     旋回モータ
(7)     傾動モータ
(21)    永久磁石界磁同期モータ（ブラシレスモータ）
(22)    センサレス制御装置
(A)     追尾動作手段
(B)     非追尾動作手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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