(57)【要約】【課題】独立型電源システムとして好適であり、設置面積に制約がある場所にも設置することができ、しかも相対的に高い発電効率が得られるハイブリッド型太陽光発電システムを提供すること。【解決手段】ハイブリッド型太陽光発電システム１０は、集光型太陽光発電モジュール１２と、非集光型太陽光発電モジュール１４と、集光型発電モジュール１２から出力される電力の電圧と、非集光型発電モジュール１４から出力される電力の電圧とを一致させる電圧調整手段２２と、電圧調整手段２２により電圧が調整された電力を蓄えるバッテリー１６と、集光型太陽光発電モジュール１２及び／又は非集光型太陽光発電モジュール１４で得られた電力を用いて、集光型太陽光発電モジュール１２を太陽の方向に向ける追尾装置とを備えている。【選択図】図１
2015090946.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
集光型太陽光発電モジュールと、
非集光型太陽光発電モジュールと、
前記集光型発電モジュールから出力される電力の電圧と、前記非集光型発電モジュールから出力される電力の電圧とを一致させる電圧調整手段と、
前記電圧調整手段により電圧が調整された電力を蓄えるバッテリーと、
前記集光型太陽光発電モジュール及び／又は前記非集光型太陽光発電モジュールで得られた電力を用いて、前記集光型太陽光発電モジュールを太陽の方向に向ける追尾装置と
を備えたハイブリッド型太陽光発電システム。
【請求項２】
次の（１）式の関係を満たす請求項１に記載のハイブリッド型太陽光発電システム。
Ｓmin≦Ｓp≦Ｓc／２    ・・・（１）
但し、
Ｓpは、前記非集光型太陽光発電モジュールの設置面（Ａ）の面積、
Ｓminは、１時間の充電で前記追尾装置の駆動に必要な電力量を発生させることが可能な前記設置面（Ａ）の最小面積、
Ｓcは、前記集光型太陽光発電モジュールの設置面（Ｂ）の面積。
【請求項３】
前記集光型太陽光発電モジュール及び前記非集光型発電モジュールは、同一のパネル上に設置されている請求項１又は２に記載のハイブリッド型太陽光発電システム。
【請求項４】
前記パネルの下側に前記集光型太陽光発電モジュールが設置され、前記パネルの上側に前記非集光型太陽光発電モジュールが設置されている請求項３に記載のハイブリッド型太陽光発電システム。
【請求項５】
前記追尾装置を駆動するための電力を外部から供給するための外部接続端子をさらに備えた請求項１から４までのいずれか１項に記載のハイブリッド型太陽光発電システム。
【請求項６】
前記追尾装置の駆動状態を監視する監視装置と、
前記監視装置により前記追尾装置の異常が検知された時に、異常を報知する警報装置と
をさらに備えた請求項１から５までのいずれか１項に記載のハイブリッド型太陽光発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ハイブリッド型太陽光発電システムに関し、さらに詳しくは、集光型太陽光発電モジュールと非集光型発電モジュールの双方を備え、かつ、独立型電源システムとして好適なハイブリッド型太陽光発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽光発電モジュールは、太陽光をそのまま太陽電池セルに照射する非集光型と、集光装置を用いて集光された太陽光を太陽電池セルに照射する集光型に大別される。これらの内、集光型太陽光発電モジュールは、太陽電池セルを小さくすることができるので、変換効率の良い高価なセルを使用しても電力製造コストに与える影響が小さい。そのため、集光型太陽光発電モジュールは、安価な電力を効率よく製造できるという利点がある。
【０００３】
集光型太陽光発電モジュールは、太陽光を集光するための集光レンズ（１次光学系：Primary Optical Element）を備えている。集光レンズで集光された光は、中心部の強度が強く、周辺部の強度は弱い。このような光を直接、太陽電池セルに照射すると、高い発電効率は得られない。そのため、集光型太陽光発電モジュールは、通常、１次光学系で集光された光の強度を均一化させるための光学部材（２次光学系：Secondary Optical Element）が設けられる。
【０００４】
集光型太陽光発電モジュールにおいて、太陽電池は、常時太陽に向けておく必要がある。特に、集光倍率が高いほど、視野（許容入射角）が狭くなり、正確な追尾が必要となる。そのため、太陽電池セルを追尾架台に載せ、モータを用いて追尾架台を駆動することが行われている。例えば、特許文献１には、精密な太陽軌道位置計算に基づき、回転角を位置決め制御する方法が開示されている。
【０００５】
商用の電力系統から独立した独立型電源システムは、太陽電池で発電した電力を一時的に蓄えるバッテリーを備えている。このような独立型電源システムは、街灯や自動販売機などの電源としての応用が期待されている。
しかしながら、独立型電源システムは、設置される発電パネルの面積に制約があることが多い。この場合、発電用モジュールとして、発電効率が高い集光型モジュール（通常、非集光型モジュールの約２倍程度）を用いれば、バッテリーへの充電電力が増大し、バッテリー切れのリスクが大幅に低減する。
【０００６】
しかしながら、集光型モジュールは、太陽の追尾が必要である。バッテリー切れにより太陽の追尾が停止すると、発電も停止し、バッテリーへの充電も行われない。その結果、独立型電源システムが永久に停止する。
バッテリー切れが生じた場合には、電源を積んだ緊急車両で独立型電源システムの設置場所に行き、バッテリーの充電を行う解決方法も考えられる。しかし、バッテリー切れの原因となる天候不順は、広い範囲で一斉に起こるので、現実的な解決策ではない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００８−０２６３８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明が解決しようとする課題は、独立型電源システムとして好適なハイブリッド型太陽光発電システムを提供することにある。
また、本発明が解決しようとする他の課題は、設置面積に制約がある場所にも設置することができ、しかも相対的に高い発電効率が得られるハイブリッド型太陽光発電システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために本発明に係るハイブリッド型太陽光発電システムは、
集光型太陽光発電モジュールと、
非集光型太陽光発電モジュールと、
前記集光型発電モジュールから出力される電力の電圧と、前記非集光型発電モジュールから出力される電力の電圧とを一致させる電圧調整手段と、
前記電圧調整手段により電圧が調整された電力を蓄えるバッテリーと、
前記集光型太陽光発電モジュール及び／又は前記非集光型太陽光発電モジュールで得られた電力を用いて、前記集光型太陽光発電モジュールを太陽の方向に向ける追尾装置と
を備えている。
【発明の効果】
【００１０】
集光型発電モジュールは、発電効率は高いが、受光面に太陽光が直射しない時には全く発電しなくなる。一方、非集光型太陽光発電モジュールは、集光型発電モジュールに比べて発電効率は低いが、反射光のような弱い光であっても発電する。
このような集光型発電モジュールと非集光型発電モジュールとをハイブリッド化し、電圧調整手段を介して双方をバッテリーに接続すると、天候不順等により集光型発電モジュールの発電や太陽光の追尾が停止した場合であっても、非集光型発電モジュールは、光が照射された時に発電を再開する。その結果、バッテリー切れが生じた場合であっても、追尾装置が自動復帰する確率が高くなる。
さらに、ハイブリッド型太陽光発電システムは、集光型発電モジュールを備えているので、設置面積に制約がある場所にも設置することができ、しかも相対的に高い発電効率が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施の形態に係るハイブリッド型太陽光発電システムの模式図である。
【図２】本発明の一実施の形態に係るハイブリッド型太陽光発電システムのブロック図である。
【図３】集光型発電モジュールのみからなる発電システムの充電池残量の日数変化を示す図である。
【図４】非集光型発電モジュールのみからなる発電システムの充電池残量の日数変化を示す図である。
【図５】本発明に係るハイブリッド型太陽光発電システムの充電池残量の日数変化を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。
［１．  ハイブリッド型太陽光発電システム］
図１に、本発明の一実施の形態に係るハイブリッド型太陽光発電システム（以下、単に「発電システム」ともいう）の模式図を示す。図１において、発電システム１０は、集光型太陽光発電モジュール１２と、非集光型太陽光発電モジュール１４と、電圧調整手段（図示せず）と、バッテリー１６と、追尾装置（図示せず）とを備えている。
【００１３】
［１．１．  集光型太陽光発電モジュール］
本発明において、集光型太陽光発電モジュール１２の構造は、特に限定されるものではなく、目的に応じて種々の構造を備えたモジュールを用いることができる。集光型太陽光発電モジュール１２は、一般に、１次光学系と、２次光学系と、太陽電池セルとを備えている。
【００１４】
１次光学系は、太陽光を集光するための光学部材（集光レンズ）である。１次光学系としては、例えば、ドーム型フレネルレンズ、平板型レンズなどがある。
２次光学系は、１次光学系で集光された光を均一化するための光学部材である。２次光学系は、必ずしも必要ではないが、１次光学系と太陽電池セルの間に２次光学系を設けると、太陽電池セルに照射される光が均一化され、発電効率が向上する。２次光学系としては、例えば、側面で光を繰り返し全反射させるホモジナイザー型、入射面で光を１回だけ屈折させる屈折型などがある。
【００１５】
太陽電池セルは、照射された光を受光面で受光し、これを電力に変換するためのセルである。太陽電池セルの構造は、特に限定されるものではなく、種々の構造を備えたセルを用いることができる。一般に、集光型は、発電効率が高いので、高価なセルを用いても電力コストに与える影響は少ない。
【００１６】
［１．２．  非集光型太陽光発電モジュール］
［１．２．１．  構造］
本発明において、非集光型（平板型）発電モジュール１４の構造は、特に限定されるものではなく、目的に応じて種々の構造を備えたモジュールを用いることができる。平板型発電モジュール１４は、一般に、パネル上に太陽電池セルがそのまま載置され、外光をそのまま集光せずに電力に変換する。また、多くの場合、強化ガラスの前面カバーと高耐久性の樹脂シールド（バックシート）の間にセルを並べて挟み、ＥＶＡ等の樹脂で封止した構造となっている。
【００１７】
［１．２．２．  面積］
非集光型発電モジュール１４の設置面の面積（≒太陽電池セルの受光面の面積）は、独立型電源システムとしての性能に影響を与える。一般に、非集光型発電モジュール１４の設置面の面積が大きくなるほど、追尾装置が自動復帰しやすくなる。一方、非集光型発電モジュール１４の設置面の面積が大きくなりすぎると、発電システム１０全体の発電効率が低下する。
さらに、集光型太陽光発電モジュール１２において、一次光学系の投影面積（すなわち、集光型太陽光発電モジュール１２の設置面の面積）は、太陽電池セルの受光面の面積に比べて遙かに大きくなる。
【００１８】
追尾装置の自動復帰の容易性と、高い発電効率とを両立させるためには、発電システム１０は、次の（１）式の関係を満たしているのが好ましい。
Ｓmin≦Ｓp≦Ｓc／２    ・・・（１）
但し、
Ｓpは、前記非集光型太陽光発電モジュールの設置面（Ａ）の面積、
Ｓminは、１時間の充電で前記追尾装置の駆動に必要な電力量を発生させることが可能な前記設置面（Ａ）の最小面積、
Ｓcは、前記集光型太陽光発電モジュールの設置面（Ｂ）の面積。
【００１９】
非集光型発電モジュール１４のみによって自動復帰させるためには、Ｓpは、Ｓmin以上が好ましい。Ｓpは、さらに好ましくは、２．０×Ｓmin以上、さらに好ましくは、５．０×Ｓmin以上である。
一方、Ｓpが大きくなりすぎると、発電システム１０全体の発電効率が低下する。従って、Ｓpは、０．５×Ｓc以下が好ましい。Ｓpは、さらに好ましくは、０．２×Ｓc以下、さらに好ましくは、０．１×Ｓc以下である。
【００２０】
［１．２．３．  設置位置］
非集光型発電モジュール１４は、集光型太陽光発電モジュール１２とは別個のパネルに設置されていても良い。
しかしながら、集光型太陽光発電モジュール１２及び非集光型発電モジュール１４とは、図１に示すように、同一のパネル１８上に設置されているのが好ましい。集光型太陽光発電モジュール１２は、追尾装置により太陽の方向に常に向けられている。そのため、両者を同一パネル１８上に設置すると、追尾装置が正常に作動している間は、非集光型発電モジュール１４も高い発電効率を示す。図１に示す例において、パネル１８は、地面に設置された支柱２０の先端に固定されている。
【００２１】
集光型太陽光発電モジュール１２と非集光型発電モジュール１４とを同一パネル１８上に設置する場合、非集光型発電モジュール１４の設置位置は、特に限定されない。
しかしながら、集光型太陽光発電モジュール１２は、一次光学系を備えているために、一般にその厚さは厚い。そのため、太陽から見て集光型太陽光発電モジュール１２の下に非集光型発電モジュール１４を設置すると、非集光型発電モジュール１４の表面の一部が集光型太陽光発電モジュール１２の影になり、発電効率が低下する。
【００２２】
また、集光型発電モジュール１２の横に非集光型発電モジュール１４を設置する場合において、追尾装置が正常に作動している時には、非集光型発電モジュール１４の表面の一部が集光型太陽光発電モジュール１２の影になることはない。しかしながら、追尾装置が停止した場合には、非集光型発電モジュール１４の表面の一部が集光型太陽光発電モジュール１２の影になることがある。
従って、両者を同一パネル１８上に設置する場合には、図１に示すように、パネル１８の下側に集光型太陽光発電モジュール１２を設置し、パネル１８の上側に非集光型太陽光発電モジュール１４を設置するのが好ましい。
【００２３】
［１．３．  電圧調整手段］
集光型発電モジュール１２から出力される電力の電圧は、通常、非集光型発電モジュール１４から出力される電力の電圧より高い。そのため、両者を電気的に接続するためには、両者の電圧を一致させるための手段（電圧調整手段）が必要となる。
電圧調整手段は、両者の電圧を一致させることができるものである限り、特に限定されない。太陽電池の出力は、一般に、直流であるため、ＤＣ／ＤＣコンバーターが用いられる。一定電圧を一定電圧に昇圧（降圧）するタイプでも良く、出力電力が最大となるように入力電圧を調整する機能を備えているタイプでも良い。
このような電圧調整手段は、集光型太陽光発電モジュール１２側又は非集光型発電モジュール１４のいずれか一方に設けられていても良く、あるいは、双方に設けられていても良い。
【００２４】
［１．４．  バッテリー］
バッテリー１６は、電圧調整手段により電圧が調整された電力を蓄えるためのものである。バッテリー１６に蓄えられた電力の一部は、目的とする負荷（例えば、街灯、自動販売機、通信基地局、電動自転車や電気自動車の充電器など）で消費され、残りは、太陽光の追尾に消費される。
【００２５】
［１．５．  追尾装置］
追尾装置は、集光型太陽光発電モジュール１２及び／又は非集光型太陽光発電モジュール１４で得られた電力を用いて、集光型太陽光発電モジュール１２を太陽の方向に向けるための装置である。追尾装置の構造は、特に限定されるものではなく、集光型太陽光発電モジュール１２を確実に太陽の方向に向けることができるものであればよい。
追尾装置は、集光型太陽光発電モジュール１２のみを移動させるものでも良く、あるいは、これに加えて非集光型発電モジュール１４も同時に移動させるものでも良い。
【００２６】
［１．６．  その他の手段又は装置］
本発明に係る発電システム１０は、上述した手段又は装置以外のものをさらに備えていても良い。
【００２７】
［１．６．１．  外部接続端子］
例えば、発電システム１０は、追尾装置を駆動するための電力を外部から供給するための外部接続端子をさらに備えていても良い。
本発明に係る発電システム１０は、バッテリー１６切れにより太陽の追尾が一時的に停止しても、太陽が所定の位置に来た時には非集光型太陽光発電モジュール１２が発電を再開するので、自動復帰する確率が高い。そのため、本発明に係る発電システム１０は、独立型電源システムとして好適であり、外部接続端子は必ずしも必要ではない。
しかしながら、非集光型太陽光発電モジュール１２は、集光型に比べて発電効率が低いので、自動復帰に時間がかかる場合がある。
これに対し、外部接続端子をさらに備えている場合には、外部電源を用いてバッテリー１６を充電することができ、短時間で追尾装置を強制的に復帰させることができる。
【００２８】
［１．６．２．  監視装置及び警報装置］
また、発電システム１０は、
前記追尾装置の駆動状態を監視する監視装置と、
前記監視装置により前記追尾装置の異常が検知された時に、異常を報知する警報装置と
をさらに備えていても良い。
【００２９】
駆動状態の監視方法としては、例えば、
（１）バッテリー１６の残量を監視する方法、
（２）軌道計算により求められた太陽の方向と追尾装置の向きとのずれを監視する方法、
（３）追尾装置や充放電コントローラーの故障の有無を監視する方法、
などがある。
【００３０】
異常を報知する方法としては、例えば、
（１）監視員が待機するコントロールセンターに、有線又は無線で警告信号を送信する方法、
（２）アラームを作動させる方法、
などがある。
【００３１】
上述したように、本発明に係る発電システム１０は、独立型電源システムとして好適である。しかしながら、発電停止が生じた時に早期に復帰させるためには、監視員に異常を報知し、外部接続端子を用いてバッテリー１６を充電したり、あるいは、故障した部品を交換するのが好ましい。
【００３２】
［１．７．  ブロック図］
図２に、本発明の一実施の形態に係るハイブリッド型太陽光発電システムのブロック図を示す。
図２において、発電システム１０は、集光型太陽光発電モジュール１２と、非集光型太陽光発電モジュール１４と、電圧調整手段２２と、バッテリー１６と、追尾装置（図示せず）とを備えている。
【００３３】
集光型太陽光発電モジュール１２には、避雷器２４ａが設けられている。また、集光型太陽光発電モジュール１２は、逆流防止ダイオード２６ａを介して充放電コントローラー２８に接続されている。
同様に、非集光型発電モジュール１４には、避雷器２４ｂが設けられている。また、非集光型発電モジュール１４は、電圧調整手段２２及び逆流防止ダイオード２６ｂを介して充放電コントローラー２８に接続されている。
さらに、充放電コントローラー２８は、バッテリー１６の入力端子に接続されている。
【００３４】
避雷器２４ａ、２４ｂは、落雷から発電システム１０を保護するためのものである。
逆流防止ダイオード２６ａ、２６ｂは、それぞれ、集光型太陽光発電モジュール１２又は非集光型発電モジュール１４への電流の逆流を防止するためのものである。
充放電コントローラー２８は、バッテリー１６が過充電及び／又は過放電しないように、電流及び電圧を制御するためのものである。
【００３５】
バッテリー１６の出力端子には、ＤＣ出力端子及びＡＣ出力端子が接続されている。また、バッテリー１６の出力端子とＡＣ出力端子との間には、インバータ３０が設けられている。
さらに、バッテリー１６の出力端子には、監視・警報装置３２が設けられている。また、充放電コントローラー２８の入力端子には、逆流防止ダイオード２６ｃを介して外部接続端子３４が設けられている。
【００３６】
集光型太陽光発電モジュール１２に太陽光が照射されると、電力が発生する。発生した電力は、逆流防止ダイオード２６ａ及び充放電コントローラー２８を通ってバッテリー１６に蓄えられる。同様に、非集光型発電モジュール１４に太陽光が照射されると、電力が発生する。発生した電力は、電圧調整手段２２により電圧が調整された後、逆流防止ダイオード２６ｂ及び充放電コントローラー２８を通ってバッテリー１６に蓄えられる。
バッテリー１６に蓄えられた電力の一部は、ＤＣ出力端子又はＡＣ出力端子を介して負荷に供給される。バッテリー１６に蓄えられた電力の他の一部は、図示しない追尾装置の駆動に用いられる。
【００３７】
監視・警報装置３２を用いて、発電システム１０の発電状態（例えば、バッテリー１６の充電池残量）を監視しながら、このような発電を継続する。そして、監視・警報装置３２が異常を検知したときは、コントロールセンターに有線又は無線で異常を報知する。緊急を要する場合には、外部接続端子３４を用いてバッテリー１６を急速充電する。
【００３８】
［２．  作用］
集光型発電モジュールは、発電効率は高いが、受光面に太陽光が直射しない時には全く発電しなくなる。一方、非集光型太陽光発電モジュールは、集光型発電モジュールに比べて発電効率は低いが、反射光のような弱い光であっても発電する。
このような集光型発電モジュールと非集光型発電モジュールとをハイブリッド化し、電圧調整手段を介して双方をバッテリーに接続すると、天候不順等により集光型発電モジュールの発電や太陽光の追尾が停止した場合であっても、非集光型発電モジュールは、光が照射された時には発電を再開する。その結果、バッテリー切れが生じた場合であっても、追尾装置が自動復帰する確率が高くなる。
さらに、ハイブリッド型太陽光発電システムは、集光型発電モジュールを備えているので、設置面積に制約がある場所にも設置することができ、しかも相対的に高い発電効率が得られる。
【実施例】
【００３９】
（実施例１、比較例１〜２）
［１．  発電システム］
図１及び図２に示す構造を備えたハイブリッド型発電システム（実施例１）、集光型太陽光発電モジュールのみを備えた発電システム（比較例１）、及び、非集光型（平板型）発電モジュール１４のみを備えた発電システム（比較例２）を作製した。パネル面積（発電モジュールの設置面積の総和）は、同一とした。
【００４０】
［２．  試験方法］
発電システムを用いて、以下の条件下で発電試験を行った。
（１）設置場所：  東京
（２）電力消費：  平均１００Ｗ
（３）パネル面積：  ５ｍ2
（４）パネル全体に占める非集光型発電モジュール１４の設置面（Ａ）の面積の割合：  ２０％（実施例１）、０％（比較例１）、又は、１００％（比較例２）
（５）集光型太陽光発電モジュール１２の効率：  ２８％
（６）非集光型発電モジュール１４の効率：  １６％
（７）追尾その他の電力消費：  １０Ｗ
（８）蓄電池充放電容量：  １０ｋＷｈ
【００４１】
［３．  結果］
図３に、集光型発電モジュールのみからなる発電システム（比較例１）の充電池残量の日数変化を示す。図４に、非集光型発電モジュールのみからなる発電システム（比較例２）の充電池残量の日数変化を示す。図５に、ハイブリッド型太陽光発電システム（実施例１）の充電池残量の日数変化を示す。図３〜５より、以下のことがわかる。
【００４２】
（１）比較例２（図４）では、冬期に発電量が不足し、空バッテリー状態が４５日発生した。
（２）比較例１（図３）では、空バッテリー状態は３日発生した。しかし、復帰させるには、外部電源からの再充電が必要であった。
（３）実施例１（図５）では、空バッテリー状態は１日に留まった。また、空バッテリー状態となった後、自動復帰した。
（４）実施例１と比較例１の比較において、バッテリー残量特性は良く似ている。ただし、雨が続いた時等、残量がどんどん減っている時期でも、実施例１では完全に残量がなくなるまで落ち込まず、３日の内、２日は空バッテリーまで落ち込まなかった。
【００４３】
以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明に係るハイブリッド型太陽光発電システムは、
（１）街灯、自動販売機、通信基地局、電動自転車や電気自動車の充電器などの独立型電源システム、
（２）植物工場など自然エネルギー由来といったことに価値を見出し、かつ、電力需要にある程度融通が利く電源システム、
（３）既存送電線が無く、かつ、Ａ重油等の燃料輸送コストがかさむ地域（例えば、離島など）における電源システム、
などに使用することができる。
【符号の説明】
【００４５】
１０    ハイブリッド型太陽光発電システム
１２    集光型太陽光発電モジュール
１４    非集光型発電モジュール
１６    バッテリー
２２    電圧調整手段
【図１】
2015090946.tif 000003
【図２】
2015090946.tif 000004
【図３】
2015090946.tif 000005
【図４】
2015090946.tif 000006
【図５】
2015090946.tif 000007