(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽電池モジュールの設置角度が地表面に対してほぼ垂直に設置した太陽光発電設備の使用方法において、前記太陽電池モジュールが両面受光型の太陽電池モジュールであって、該両面受光型太陽電池モジュールのエネルギー変換効率の高い側の面を冬季には南方向に向けて使用し、夏季には東方向あるいは西方向に向けて使用することを特徴とする太陽光発電設備の使用方法。
【請求項２】
請求項１において、前記両面受光型太陽電池モジュールの両面のエネルギー変換効率が等価のとき、その一方の面を冬季には南方向に向けて使用し、夏季には東方向あるいは西方向に向けて使用することを特徴とする太陽光発電設備の使用方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、前記冬季が１０月〜３月であり、前記夏季が４月〜９月であることを特徴とする太陽光発電設備の使用方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、太陽電池モジュールを利用した太陽光発電設備の使用方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
太陽光発電設備は、太陽電池を利用した無公害で環境にやさしい発電設備であり、最近の国の補助金事業の効果もあり、ここ数年急速に普及が拡大している。太陽電池は、太陽光エネルギーを直接電気エネルギーに変換する素子であるため、効率よく発電を行うためにはできるだけ有効に太陽光エネルギーを受けるように設置する必要がある。
太陽光エネルギーが最も有効に得られる太陽電池の設置方向、設置角度については以前から種々検討が行われてきた。現在、国内ではこれらのデータとしては新エネルギー産業技術開発機構が委託研究として行った成果をまとめた「発電量基礎調査」（昭和６３年３月新エネルギー産業技術開発機構）、あるいは、これを改定した全国日射関連データマップが最も一般に利用されている
これらのデータによると、太陽電池の設置方位、角度を固定した場合には、本州では南向きに傾斜角度３０前後で設置すると、年間を通して最も日射量を得ることができる結果となっている。このため、本州では太陽電池を設置する場合には特殊条件がある場合を除いて殆ど南向きで傾斜角度は２０〜３０程度に固定して設置されている。
また、住宅用太陽光発電設備のように既設住宅の屋根に太陽電池電池を設置する場合には、傾斜角度は屋根の傾斜にあわせて設置する方法が取られるが、この場合でも南向き方位の屋根面に固定して設置する方式が一般に採用されている。住宅用太陽光発電設備として太陽電池が採用されるようになってから、太陽電池を建築材料の一部として利用する動きが活発となってきており、ビルの壁材として太陽電池を利用するなどの設置例が出てきている。このような場合には、太陽電池は、地表面に対して垂直に設置されることになり、従来の設置方法とは違った方向から太陽光が入射するため、太陽電池の発電特性も従来の設置の場合と異なった特性を有することになる。
また、現在、太陽電池は表面のみで太陽光を受けて発電する片面受光型太陽電池が殆どの場合使用されているが、最近は表面のみならず、裏面からも太陽光を取り入れて発電を行う両面受光型太陽電池も実用化され始めている。
このような両面受光型太陽電池の設置方法としては、特願平２０００−１７９３６７号公報に例が見られる。特願平２０００−１７９３６７号公報では太陽電池を地表面に対して垂直に設置し、太陽電池の表面を東、裏面を西向に固定する方式が提案され、発電電力量の評価も行われている。この方式によると、上記のように両面受光型太陽電池を設置した場合に得られる発電電力量は、両面受光型太陽電池の表面側の変換効率と等しい片面受光型太陽電池を最適傾斜角で設置した場合に得られる発電電力量と大きな差がないことが記されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特願平２０００−１７９３６７号公報では、季節に関係なく、太陽電池の表面を東、裏面を西向に固定する方式であるため、設置方位に対して季節ごとの太陽電池の発電電力量については言及しておらず、どの方位に太陽電池を向けた場合に最も効率よく発電電力が得られるかについては明確されていない。
また、上記に示すように、片面受光型または両面受光型の太陽電池が地表面に対して垂直に設置された太陽光発電設備においては、従来最大に出力が取れる設置方法に関して十分検討がなされておらず、エネルギーの有効利用の点では問題があった。
【０００４】
本発明の課題は、上記事情に鑑み、太陽電池を地表面に対してほぼ垂直に設置した太陽光発電設備の使用方法において、太陽電池の設置方向と日射量の関係を明らかにし、発電電力量が最大となる設置方位を設定して使用する太陽光発電設備の使用方法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、太陽電池モジュールの設置角度が地表面に対してほぼ垂直に設置した太陽光発電設備の使用方法において、太陽電池モジュールのエネルギー変換効率の高い側の面を冬季には南方向に向けて使用し、夏季には東方向あるいは西方向に向けて使用する。
ここで、両面受光型太陽電池モジュールの両面のエネルギー変換効率が等価のとき、その一方の面を冬季には南方向に向けて使用し、夏季には東方向あるいは西方向に向けて使用する。
ここで、冬季が１０月〜３月であり、夏季が４月〜９月である。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。
まず、片面受光型太陽電池を地表面に対してほぼ垂直に設置して使用する場合の設置方向と日射量の関係について説明する。
太陽電池の発電電力は、太陽電池表面に入射される日射量によってほぼ決定されるので、できるだけ日射量が多く得られるように、太陽電池を設置する必要がある。太陽電池表面に入射する日射量の評価としては、先に述べた全国日射関連データマップが現在最も一般に使用されている。このデータマップは、国内８０１地点について方位角毎に（南から北まで１５度毎）傾斜角を１０〜９０度まで１０度ピッチで変えた場合の単位面積当たりに入射される日射量を各月ごとに計算したものである。
このデータマップから札幌、仙台、水戸、東京、金沢、名古屋、大阪、広島、福岡の代表９地区について、傾斜角９０度（地表面に対して垂直）の面に入射する各方位の単位面積当たりに入射する月別平均日射量をグラフにした結果を図２に示す。
図２では、横軸に月をとり、縦軸に１日の単位面積当りの全天日射量をとって方位角をパラメータとしてグラフを描いている。方位角パラメータは、南を０度とし、３０度ごとに北向きまで７種類とっている。なお、全国日射関連データマップは、東西の日射は対象のため、方位角は一方向のみの表示となっている。
図２のグラフから、札幌の日射量データに着目すると、４月に若干の差はあるものの、１０月〜４月の期間は０度（南向き）面の月別全天日射量が最も多くなる結果となっている。また、５月〜８月の間は９０度つまり東向き面あるいは西向き面の全天日射量が最も多くなる結果となっている。
この現象は、札幌だけに特有の現象ではなく、他の８地域すべてに同様の現象となっていることがわかる。
以上の分析から、片面受光型太陽電池を地表面に対して垂直に設置して使用する場合は、日本国内ではどの地区においても１０月〜４月の冬季には南面に向けて設置し、５月〜８月の夏季には太陽電池を東又は西向きに設置することで最大の日射量が得られることがわかる。つまり、片面受光型の太陽電池を垂直設置して使用する場合は、夏季と冬季で太陽電池の設置方向を１回変更するだけで最大発電出力を取ることができる。
【０００７】
次に、両面受光型太陽電池を地表面に対して垂直に設置して使用する場合の設置方向と発電電力量の関係について説明する。
両面受光型太陽電池の場合は、表面の外に裏面からの入射量も発電電力に影響する。このため、片面受光型太陽電池の場合に入射量が最大となる
１０月〜４月：南向き
５月〜８月：東面向き（あるいは西向き）
の設置が両面受光型太陽電池の場合にも適用できるかは断定できない。
そこで、以下に両面受光型太陽電池の最適設置方法について検討する。一般に、両面受光型太陽電池では、表面、裏面とも同じエネルギー変換効率を有していることが理想的と考えられるが、裏面側のエネルギー変換効率を表面側と同じ値とすることは難しく、現状では裏面側の変換効率は表面側の７０〜７５％程度である。
これらの状況から、以下では両面受光型太陽電池の裏面変換効率を表面の７５％として両面受光型太陽電池の出力特性の考察を行う。
両面受光型太陽電池では、表面、裏面各々に入射する太陽光によって発電した電力の合計値が発電出力として得られる。したがって、表面裏面の変換効率が等しい場合には、表面、裏面の入射日射量合計値が最大となる時が太陽電池の出力も最大となる。一方、裏面の変換効率が表面の７５％の場合には、裏面側発電電力は裏面に表面と同じ日射が入っても電気出力は表面の７５％しか得られないことを考慮して評価する必要がある。
しかしながら、このことは見方を変えると、裏面と表面の変換効率は同じと考え、裏面に入る日射が実際の７５％に低下すると考えることと等価なる。つまり、裏面の変換効率の低下分を裏面の日射量が低下したと考えることによって、表面、裏面の変換効率を等しいと見做すことができる。
太陽電池の電気出力は日射量に比例するので、上記のように表面、裏面の変換効率が等しいと見做せる場合には、表面の日射量と裏面の日射量の７５％を合計した日射量が最大の条件のところでは太陽電池の出力も最大となる。したがって、図２と同様に、両面の日射量によって太陽電池の電気出力の最大値を評価することができる。
【０００８】
上記の考え方によって、両面受光型太陽電池の表、裏両面に入射される日射量を計算した結果を図３に示す。図３は、各方位の表面と裏面に入射する日射量を計算し、裏面に入射する日射量を０．７５倍して表面と裏面を合計したものを図２と同様にグラフにしたものである。
図３の結果から、９地域全てにおいて最大日射量が取れる条件は下記となる。１０月〜３月：南向き
４月〜９月：東面向き（あるいは西向き）
これは、図２の片面受光太陽電池の場合と比べて１ヶ月程度の時期のずれはあるが、図２の片面受光太陽電池の場合とほぼ同様な結果となっている。つまり、両面受光型太陽電池も、夏季と冬季で設置方向を１回変更するだけで最大発電出力を得ることが可能となる。
なお、上記では、裏面変換効率が表面変換効率の７５％として評価を行ったが、裏面変換効率が表面変換効率の５０〜１００％の範囲で変化した場合でも、全く同じ結論が得られることを確認しているが、ここでは説明を省略する。
【０００９】
上記の検討結果をもとに、図１に、本発明の太陽光発電設備の一実施形態を示す。図１において、１は太陽電池モジュールであり、各太陽電池モジュールは６枚ずつフレーム枠２ａ及び２ｂによって固定され、太陽電池を支える支柱３に取付けられる。支柱３は支持材４及び台座５によって支えられ、基礎６に固定される。さらに、基礎６はアンカーボルト等によって地面に固定され、風圧荷重等の外力に十分耐えられるよう据付られる。
【００１０】
図４は、図１の支柱３、支持材４、台座５の取付け構造部の詳細を示す。支柱３は、基礎６に安定して固定できるように、基礎６の部分に十分な長さが差し込まれる構造とする。支柱３と支持材４とは溶接等により一体構造とし、太陽電池１、フレーム枠２ａ，２ｂ及び支柱３の荷重が台座５に伝わる構造とする。
台座５は、固定ボルト５ｂにより基礎６に固定され、ベアリング機構５ａが埋め込まれる。このベアリング機構５ａの作用により、支柱３の中心軸の周方向に自由に回転できる構造とする。
上記の構造により、支柱３を自由に回転することができるので、太陽電池１、フレーム枠２ａ，２ｂを任意の方角に向けることが可能となる。
また、支持材４には、上から見たときに図５に示す位置に固定用の穴７ａ〜７ｄがあけられ、太陽電池１の設置方向が南向あるいは東西向きに決定したとき、ピンを入れてその位置に固定する。
【００１１】
太陽電池発電設備を以上説明した構造とすることにより、冬期には、片面受光型太陽電池の場合は太陽電池を南向きとして、また、両面受光型太陽電池の場合はエネルギー変換効率が高い側の面（表面）を南向きとして設置することが可能となり、夏季には、固定用の穴７ａ〜７ｄに差し込まれているピンを抜いて支柱３を回転自由な状態とし、支柱３を９０度右あるいは左方向に回転し、再度固定用の穴７ａ〜７ｄにピンを差込固定することで、片面受光型太陽電池の場合は太陽電池を東あるいは西方向に向けて、また、両面受光型太陽電池の場合はエネルギー変換効率が高い側の面（表面）を東あるいは西方向に向けて設置することが可能となる。ここで、片面受光型太陽電池の場合は、片面のみが太陽電池で形成されることから、この片面をエネルギー変換効率が高い側の面と云うことができる。
なお、両面受光型太陽電池の場合に、その両面のエネルギー変換効率が等価のときは、そのいずれか一方の面を南方向または東（あるいは西）方向に向けて設置することになる。
【００１２】
図６は、本発明の他の実施形態を示す。太陽電池発電設備の構成は図１と同じであるが、支柱３、支持材４、台座５の構成が図４と一部異なり、ベアリング機構５を省略した例である。
太陽電池モジュール１の枚数が少なく、フレーム枠２ａ、２ｂ、支柱３が軽い場合には、ベアリング機構を必要とせず、ハンドル８を支柱３の軸方向に回転することによって図１の実施形態と同様に設置方向を回転させることが可能となる。
【００１３】
本発明の上記実施形態では、支柱３を手動で回転させる機構について述べたが、油圧機構などを用いた動力によって回転させても同様な効果を得られることは云うまでもない。
【００１４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、太陽電池を地表面に対してほぼ垂直に設置する太陽光発電設備から、太陽電池の設置方向を季節によって変更することによって、常に最大発電電力を得ることができ、最も有効に太陽電池を利用することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の太陽光発電設備の一実施形態
【図２】日射特性を説明する図
【図３】日射特性を説明する図
【図４】本発明の取付け構造部の詳細図
【図５】本発明の取付け構造部の詳細図
【図６】本発明の他の実施形態
【符号の説明】
１…太陽電池、２ａ…フレーム枠、２ｂ…フレーム枠、３…支柱、４…支持材、５…台座、５ａ…ベアリング機構、５ｂ…固定用ボルト、６…基礎、７ａ〜ｄ…固定用の穴、８…ハンドル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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