(57)【要約】  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。
2014163180.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。【０００３】
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。【０００４】
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。【０００５】
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。【０００６】
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）。【０００７】
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。【０００８】
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。【０００９】
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。【００１０】
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。【００１１】
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。
【特許文献１】特開２００７−２５８３５７号公報
【発明の開示】
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】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】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】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】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】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】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７】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】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】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１０】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】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１２】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１３】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】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】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】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】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】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】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】図２０は、太陽光発電パネルの背面図である。
【図２１】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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
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。【００１７】
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。【００１８】
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。【００１９】
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。【００２０】
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。【００２１】
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。【００２２】
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。【００２３】
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。【００２４】
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。【００２５】
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。【００２６】
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。【００２７】
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。【００２８】
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。【００２９】
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。【００３０】
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。【００３１】
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。【００３２】
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。【００３３】
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。【００３４】
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。【００３５】
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。【００３６】
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。【００３７】
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。【００３８】
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。【００３９】
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。【００４０】
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。【００４１】
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。【００４２】
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。【００４３】
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。【００４４】
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。【００４５】
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。【００４６】
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。【００４７】
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。【００４８】
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。【００４９】
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。【００５０】
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。【００５１】
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。【００５２】
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。【００５３】
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。【００５４】
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。【００５５】
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。【００５６】
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。【００５７】
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。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
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。
【図１】
2014163180.tif 000003
【図２】
2014163180.tif 000004
【図３】
2014163180.tif 000005
【図４】
2014163180.tif 000006
【図５】
2014163180.tif 000007
【図６】
2014163180.tif 000008
【図７】
2014163180.tif 000009
【図８】
2014163180.tif 000010
【図９】
2014163180.tif 000011
【図１０】
2014163180.tif 000012
【図１１】
2014163180.tif 000013
【図１２】
2014163180.tif 000014
【図１３】
2014163180.tif 000015
【図１４】
2014163180.tif 000016
【図１５】
2014163180.tif 000017
【図１６】
2014163180.tif 000018
【図１７】
2014163180.tif 000019
【図１８】
2014163180.tif 000020
【図１９】
2014163180.tif 000021
【図２０】
2014163180.tif 000022
【図２１】
2014163180.tif 000023
【国際調査報告】
2014163180.tif 000024
2014163180.tif 000025
2014163180.tif 000026
2014163180.tif 000027
2014163180.tif 000028