(57)【要約】【課題】  ＰＶパネルを用いた追尾型太陽光発電装置による１日の発電量を高める。【解決手段】  追尾型太陽光発電装置のＰＶパネルの姿勢制御にジャイロ機構を用い、前後左右に配列されたＰＶパネルを互いに密接させて配置した追尾型太陽光発電装置である。太陽高度が高い日中の時間帯は、隣り合うＰＶパネルを互いに干渉させることなく、また、前列の追尾型装置のＰＶパネルの影を後列の追尾型装置のＰＶパネルの面に形成させることなく各ＰＶパネルの姿勢を制御しつつ太陽を追尾させて発電量を大幅に増大させ、太陽高度が低い日の出後もしくは日の入り前の時間帯においては、ＰＶパネルをフラットの姿勢に保つことによって固定型装置と同程度の発電量を確保する。【選択図】    図１０
2017028907.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
追尾式装置のＰＶパネルの姿勢制御にジャイロ機構を用い、前後左右に配列されたＰＶパネルを互いに密接させて配置した追尾型太陽光発電装置であって、
ジャイロ機構は南北方向の方位角回転軸と、東西方向の仰角回転軸とによってＰＶパネルを２軸方向に回転可能に支持させたものであり、
方方位角回転軸および仰角回転軸はそれぞれ個別に回転制御されるものであり、
方位角回転軸は、東西方向の辺の中心を横切り、方位角回転軸を中心にＰＶパネルを東西の方向に回転させるものであり、
仰角回転軸は、南北方向の辺の中心を横切り、仰角回転軸を中心にＰＶパネルを南北の方向に回転させるものであり、この２つの軸の交点がジャイロの中心点となっているものであることを特徴とする追尾型太陽光発電装置。
【請求項２】
各列のＰＶパネルをフラットの姿勢に保たせた状態と、フラットの姿勢から立ち上がらせ、さらにＰＶパネルの姿勢を制御して太陽を追尾させる本来の追尾型装置として機能させる状態とに切り替える追尾型太陽光発電装置の制御方法であって、
太陽高度が日の出、日の入りの時間帯は、ＰＶパネルをフラットの姿勢に保たせた状態に保たせ、太陽高度がある高さ以上の時間帯はフラットの姿勢から立ち上がらせ、さらにＰＶパネルの姿勢を制御して太陽を追尾させることを特徴とする追尾型太陽光発電装置の制御方法。
【請求項３】
ＰＶパネルをフラットの姿勢から起立姿勢に切り替えるタイミングは、日の出後もしくは日の入り前に、太陽高度角が15°以下もしくは35°以上、方位角が70°以下もしくは150°以上にある時を除き、後列のＰＶパネルに影の形成が10%程度以下となるような条件下で太陽を追尾させ、その範囲以外の時間帯においては、ＰＶパネルをフラットの姿勢に切り替えることを特徴とする請求項２に記載の追尾型太陽光発電装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽電池モジュール（以下ＰＶパネルという）を用いた追尾型太陽光発電装置特にジャイロ機構を用いた追尾型太陽光発電装置とその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＰＶパネルを用いた太陽光発電装置は固定型装置と追尾型装置とに分類される。固定型装置は、ＰＶパネルを構築物や地上の定位置に固定して設置する方式であり、追尾型装置は、太陽の動きに追尾してＰＶパネルの姿勢を変化させる方式である。
【０００３】
追尾型装置によれば、太陽光をＰＶパネルの面に垂直方向から入射させてエネルギー変換効率を高めることができるのに対して固定型装置では南中時以外はＰＶパネルの面に対して太陽光が斜め方向から入射するため、追尾型に比べてエネルギー変換効率に劣る。このため、ＰＶパネルの単位面積当たりの発電量が高く固定型に比べて約１．５〜２倍の発電量が得られるとされている。
【０００４】
追尾型装置１は、図１に示すようにＰＶパネルである集光板２を支持台部３で支え、集光板２を常時太陽に向いた状態で上下、左右に自由に動かすことができる手段４、５で支持することによって構成されている（特許文献１参照）。この太陽光発電装置は、通常その複数台が一定間隔ごとにたとえば、前後（南北方向）、左右方向（東西方向）に配列することによって設置される。ちなみに、特許文献１に記載された装置は、通常経緯台式と呼ばれる追尾型の太陽光発電装置である。
【０００５】
従来の追尾型装置のほとんどは経緯台式であり、同様の構成の経緯台式太陽光発電装置は、たとえば特許文献２、３などにも記載されている。図２に、南北方向に配列した追尾型装置の列の一部を示す。図中、最前列の追尾型装置を１ａ，第２列の装置を１ｂ，第３列の装置を１ｃにて示している。
【０００６】
追尾型装置は固定型装置に比べ太陽光のエネルギー変換効率が高いとはいうものの太陽高度が低くなる日の出後の２〜３時間、日の入り前の２〜３時間の時間帯には以下のような問題が生じる。すなわち、太陽高度が低いときに、ＰＶパネルの面に太陽光を直角方向から受けようとすると、図２に示すようにＰＶパネル２を起立させなければならない。そのため、相対的に前列のＰＶパネル２の影が後ろに長く伸び、後列のＰＶパネル２の面に影が生じ、このため、エネルギー変換効率が低下するという問題である。
【０００７】
このような問題を避けるには、前後の追尾型装置のＰＶパネル間には有る程度の余裕を持って間隔を確保しておく必要がある。
【０００８】
また、追尾型装置のいま一つの問題点として、前後左右方向に配列された追尾型装置のＰＶパネル相互の間隔設定の問題がある。例えば、太陽高度が中程度の高さ（30°〜70°）においては、太陽方位角度に対して図３のように互いに隣接するＰＶパネル２を左右方向（東西方向）に回転させる必要があり、このため、前後左右に配列されたＰＶパネル２，２の相互間には一定の間隔を確保しておかなければならない。
【０００９】
すなわち、隣接するＰＶパネル間の間隔をあまりせまく設定すると、干渉して回転ができなくなるし、後列のＰＶパネルに前列のＰＶパネルの影が生じるからである。
【００１０】
このように、追尾型装置では、どうしても隣接するＰＶパネル間には互いに干渉が生じない程度の広い幅の隙間が必要となるために、一定範囲の面積内に設置する追尾型装置の設置台数が限られ、このため、設置面積当たりの発電量の低下はさけられない。
【００１１】
これに対して、固定型装置によれば、理論上、前後左右方向に隙間なくＰＶパネルを敷き詰めることが可能であり、追尾型装置のようにＰＶパネル間の隙間を考慮する必要はない。実際には、固定型装置ではメンテナンスの面から、アクセス道路を設ける必要があることから、敷地の全面にＰＶパネルを敷き詰めることはできないが、同じ面積の敷地内に設置する場合を比較したときに、固定型装置のＰＶパネルをフラットの姿勢に敷き並べた方が敷地の利用効率が高く、その結果、一定の敷地面積から得られる全発電量は追尾型装置に勝るという結果になっていた。
【００１２】
もっとも、固定型装置であっても、敷地の全面に隙間なくＰＶパネルを敷き詰めることができるわけではない。アクセス道路のためだけでなく、冬至南中時には、図４のように前列のＰＶパネル（地面に対して10°の傾斜で設置した例）２ａによる影が後列のＰＶパネル２ｂの面にできないように、前後のＰＶパネル間には一定の間隔を確保しておく必要があるからである。
【００１３】
ちなみに、この隙間はアクセス道路として利用できる。この場合には、夏場に太陽高度が高くなると、この隙間に太陽が当たるようになるが、太陽が当たってもこの隙間には、電池がなく発電するわけではないから、固定型装置といえど、その分単位面積当たりの発電量の低下は避けられない。
【００１４】
前列のＰＶパネル２ａの影が後列のＰＶパネル２ｂの面にできたときの問題点を図５（ａ）、（ｂ）に示す。図５（ａ）において、ＰＶパネルの内部では必要電圧に達するように複数のセル６ａ、６ｂ、６ｃ、・・・が直列につながれている。そして、その直列セル６ａ、６ｂ、６ｃ、・・・の列Ｌ１，Ｌ２，・・・がさらに並列につながれている。したがって、図５（ｂ）のように直列接続の部分で任意に一つのセルの表面に影Ｓｄができると、影Ｓｄに覆われたセルを含む列Ｌ６、Ｌ７の部分には電気が流れなくなり、この場合列Ｌ６、Ｌ７に含まれるセルでの発電はすべてゼロとなる。このように一部であってもセルの部分に影が生じると、発電量が著しく低下する現象が起こるのである。
【００１５】
このような理由から、太陽電池パネルを設置するときには、できる限り影が発生しないようにパネルを並べることが通常行われている。影ができたとしても、並列接続の方向に影が発生しないようにＰＶパネルを配置できるかどうかが解決すべきポイントである。
【００１６】
固定型メガソーラーでも、ＰＶパネルを傾斜して多数並べるときには、影ができにくいように、ミラーの前後列の間隔をある程度確保することが必要であり、傾斜をつけたことによって、固定型装置のＰＶパネルの場合でも、太陽高度が低くなる日の出後、日の入り前の数時間帯には、後列のＰＶパネルに必ず前列のＰＶパネルの影が形成され、その結果、発電量が著しく低下するのである。
【００１７】
以上のように、追尾型装置では、追尾機能を実行するため、あるいは変換エネルギーの変換効率をあげるために、列の前後のＰＶパネル間には隙間の確保が必要であったのに対し、固定型装置においても、列の前後のＰＶパネル間に隙間の確保が必要であって、全地面にＰＶパネルを敷き詰めることはできず、その分発電量の低下は避けられないという問題点があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１８】
【特許文献１】特開２００３−３２２４１８
【特許文献２】特開２０１３−８０８４０
【特許文献３】特開２０１４−２３２７３９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
解決しようとする問題点は、従来の追尾型装置、固定型装置のいずれの方式であっても、ＰＶパネル間に隙間の確保が必要であって、敷地の全面にＰＶパネルを敷き詰めることはできず、その分発電量の低下は避けられないという点である。
【００２０】
本発明は、隣接するＰＶパネルからの制約をうけることなくＰＶパネルを互いに近づけて設置することができ、しかもＰＶパネルの面には、垂直方向からの太陽光を入射させて発電効率を高めることが可能な追尾型太陽光発電装置とその制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
上記課題を解決するために、本発明による追尾型太陽光発電装置においては、追尾型装置のＰＶパネルの姿勢制御にいわゆるジャイロ機構を用いてＰＶパネルを互いに密接させて配置し、太陽高度が高い日中の時間帯は、隣り合うＰＶパネルを互いに干渉させることなく、前列の追尾型装置のＰＶパネルの影を後列の追尾型装置のＰＶパネルの面に形成させることなく方位方向、高度方向に太陽を追尾させて発電量を大幅に増大させ、太陽高度が低い日の出後もしくは日の入り前の時間帯においては、ＰＶパネルをフラットの姿勢に保つことによって固定型装置と同程度の発電量を確保するものである。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、太陽高度が低い日の出後もしくは日の入り前の時間帯においては、固定型装置と同程度の発電量が得られ、さらに、その時間帯前後の数時間の間は、ジャイロ機構の特徴を生かして太陽光に対してできる限り垂直となるようにＰＶパネルを立てて運転することによって後列と横列のＰＶパネルに前列のＰＶパネルの影をわずかにしか生じさせずに、固定型装置による発電量を大幅に上回る発電量を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】従来の追尾型装置の一例を示す図である。
【図２】従来の経緯台式追尾型装置を設置する際の前後の設置間隔を示す図である。
【図３】従来の経緯台式追尾型装置を設置する際の左右の設置間隔を示す図である。
【図４】固定型装置の前後のＰＶパネル間の設置間隔を示す図である。
【図５】（ａ）、（ｂ）は前列のＰＶパネルの影が後列のＰＶパネルの面にできたときの問題点を示す図である。
【図６】本発明による追尾型装置のＰＶパネルがジャイロ機構によって支えられている状態の説明図である。
【図７】ジャイロ機構に支えられたＰＶパネル同士が接触しない程度に近接させて前後、左右に配列した例を示す図である。
【図８】各列のＰＶパネルを水平姿勢でフラットの姿勢に保たせた状態を示す図である。
【図９】各列のＰＶパネルを図８のフラットの姿勢から起立姿勢に立ち上がらせた状態を示す図である。
【図１０】ＰＶパネルをフラットの姿勢と、追尾姿勢とに使い分ける例を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
追尾型装置では、ＰＶパネルの面が垂直に太陽の方向を向くので、太陽高度が低くなる時や、ＰＶパネル同士の隙間を小さく設定した場合には、前列のＰＶパネルの影が後列や横列のＰＶパネルの面に生じる。これは、これまでの常識的な追尾の考え方である。本発明においては、ＰＶパネルの姿勢制御に、太陽高度が低いときでも、またＰＶパネル間の隙間が狭い場合にも、後列や横列のＰＶパネルに前列のＰＶパネルの影が生じにくいジャイロ機構を用いる点が特徴である。
【００２５】
ジャイロ機構は、図６に示すように南北方向の方位角回転軸６と、東西方向の仰角回転軸７とによってＰＶパネル２を２軸方向に回転可能に支持させたものである。図示は略しているが方位角回転軸６および仰角回転軸７はそれぞれコンピュータによってプログラムされた駆動装置もしくは追尾センサー駆動装置によって個別に回転制御される。
【００２６】
方位角回転軸６および仰角回転軸７によって制御されるＰＶパネル２は、適宜支持台部に支えられて敷地に設置されるのは経緯台式と同じである。
【００２７】
ＰＶパネル２が正方形の場合に、方位角回転軸６は、東西方向の辺の中心を横切り、方位角回転軸６を中心にＰＶパネル２を東西の方向に回転させる（東西回転軸＝軸の方向は南北）ものである。
【００２８】
また、仰角回転軸７は、南北方向の辺の中心を横切り、仰角回転軸７を中心にＰＶパネル２を南北の方向に回転させる（南北回転軸＝軸の方向は東西）ものである。この２つの軸の交点はジャイロの中心点となっていることから、ジャイロ機構の名の所以となっている。
【００２９】
追尾型装置のＰＶパネルの姿勢制御にジャイロ機構を用いることによってＰＶパネルを極めて近接させることができ、例えば固定型装置においてＰＶパネル間に必須となるアクセス道路の隙間（全地面積の約30%が通常）よりも小さくする（10%程度）ことが可能である。
【００３０】
このようなジャイロ機構では、ＰＶパネルが正方形のときには、ＰＶパネル同士が接触しない程度に近接させて図７のように10%程度の隙間で近接させても太陽方位方向も太陽高度も追尾が可能である。図７において、最前列のＰＶパネルを２ａ，２ａ，・・、第２列を２ｂ，２ｂ・・と区別して図示している。もっとも、ＰＶパネルの形状は、必ずしも正方形に限られるものではない。特定の場合には長方形であってもよい。
【００３１】
図８は、最前列の３枚のＰＶパネル２ａ，２ａ，２ａと、第２列の３枚のＰＶパネル２ｂ，２ｂ，２ｂを選択的に取り出して以下に本発明による追尾型装置の制御方法を説明する。
【００３２】
図８は、各列のＰＶパネル２ａ，２ｂを水平のフラットの姿勢に保たせた状態を示している。ＰＶパネルのサイズは１ｍ×１ｍ、ＰＶパネルの間隔を１０ｃｍで敷地内に縦横方向に配列した例である。土地の隙間率は０．１６７であった。
各列のＰＶパネル２ａ、２ｂの影は地上に形成されている。
【００３３】
図９は、方位角回転軸６および仰角回転軸７を駆動して各列のＰＶパネル２ａ、２ｂを図８のフラットの姿勢から起立姿勢に立ち上がらせた状態を示している。この例は、某年３月２０日の午前８時３０分、太陽高度３０．８３°、太陽方位１１７．２°の時点で、方位角回転軸６は、３７．４３°、仰角回転軸７は５６．１３°回転させてＰＶパネル２ａ、２ｂを太陽に向けて同一姿勢で立ち上がらせた例である。
【００３４】
各ＰＶパネル２ａ、２ｂの面には太陽光が垂直に照射され、それぞれのＰＶパネル２ａ、２ｂの背後にはＰＶパネル２ａ、２ｂの影が形成されるが、図に明らかなようにいずれもその影は敷地の設置面に形成され、前列のＰＶパネル２ａの影が後列のＰＶパネル２ｂの面に形成されにくい。
【００３５】
ＰＶパネルの姿勢制御にジャイロ機構を用いてＰＶパネルの姿勢を制御することによって影ができにくくなることの理由は概ね以下の通りである。従来の経緯台式の追尾型装置によれば、太陽高度が低いときに前後のＰＶパネル間に十分な間隔が確保されていない以上、後列のＰＶパネル上に前列の影が形成されるのは避けられないが、ジャイロ機構によれば、南北方向の方位角回転軸６を中心に回転をするので、影とミラーの位置が後列のＰＶパネルの面に影が発生しにくくなるように変化するからである。
【００３６】
本発明によれば、各列のＰＶパネル２ａ、２ｂを図８のようにフラットの姿勢に保たせた状態では、固定型装置と同じであり、フラットの姿勢から立ち上がらせ、さらにＰＶパネル２ａ、２ｂの姿勢を制御して太陽を追尾させることによって本来の追尾型装置として機能させることができ、ＰＶパネル２ａ、２ｂをフラットの姿勢に保たせた状態と、追尾姿勢とを使い分けることによって、発電量を大幅に改善することができる。
【００３７】
次にＰＶパネルをフラットの姿勢と、追尾姿勢とに使い分ける例を説明する。図１０は、本発明による追尾型装置の制御によって得られる１日の発電量と、従来の固定型装置の１日の発電量とを比較したグラフである。図１０中、曲線Ｘは、従来の固定型装置によって得られる発電量の時間的変化を示すグラフであり、曲線Ｙは、本発明による追尾型装置の制御によって得られる発電量の時間的変化を示している。曲線Ｚは、本発明による追尾型装置の制御のタイミングを変化させたときに得られる発電量の時間的変化を示すグラフである。
【００３８】
この例では午前６時４５分から太陽光の受光が開始され、従来の固定型装置も本発明による追尾型装置も発電を開始する。固定型装置には、ＰＶパネルがフラットの姿勢に固定されているため、時間の経過とともに太陽光の受光量が増加し、この例では午後１２時１５分前後に最大となり、以後緩やかに減少して午後１６時４５分に発電を停止させている。
【００３９】
これに対し、本発明による追尾型装置は、前述のように各列のＰＶパネルを図８のようにフラットの姿勢に保たせた状態と、図９のように太陽を追尾させることによって本来の追尾型装置として機能させる状態とに使い分けるものである。
この例では、発電開始の午前６時４５分から７時４５分までの間は各列のＰＶパネルを図８のようにフラットの姿勢に保たせている。
【００４０】
したがって、その間、本発明による装置は固定型装置として機能して発電し、本発明による曲線Ｙは、従来の固定型装置に得られる曲線Ｘに沿って緩やかに変化しつつ増加してゆく。午前７時４５分には、後列と横列に影がわずかにしか生じないで、かつ太陽光に対してできる限り垂直となるようにＰＶパネルを起立させ、それ以後、ＰＶパネルの姿勢を制御して太陽を追尾させる。これによって曲線Ｙは図１０に示すようにピークに達し、以後１６時１５分まではピークを保ったまま推移する。なお図１０の縦軸はＰＶパネルをフラットに敷き詰めたときに太陽の南中時に得られる発電量であり、縦軸の１が最大値に相当する。この例では１６時１５分に太陽の追尾を終了し、各列のＰＶパネルをフラットの姿勢に戻している。このため、曲線Ｙは、発電終了までの間従来の固定型装置に得られる曲線Ｘに沿って緩やかに変化している。
【００４１】
曲線Ｚは、本発明装置をフラットの姿勢に保たせた状態と本来の追尾型装置として機能させる状態とに切り替えるタイミングを遅らせた例である。曲線Ｙと、曲線Ｚとを比較して明らかなようにこの限りでは、切り替えるタイミングは早い方が望ましいといえる。
【００４２】
本発明において、ＰＶパネルをフラット姿勢から起立姿勢に切り替えるタイミングは、日の出後もしくは日の入り前に、太陽高度角が15°以下もしくは35°以上で方位角が70°以下もしくは150°以上にある時を除き、後列のＰＶパネルに影の形成が10%程度以下となるような条件下で太陽を追尾させ、その範囲以外の時間帯においては、ＰＶパネルをフラットの水平姿勢に切り替えて固定型装置として機能させることが望ましい。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明は、太陽に追尾させる形式の発電装置に適用して発電量を従来の追尾型装置や固定型装置に比べて大幅に改善できる。
【符号の説明】
【００４４】
１  追尾型装置、１ａ  最前列の追尾型装置、１ｂ  第２列の追尾型装置、１ｃ  第３列の追尾型装置、２  ＰＶパネル、２ａ  前列のＰＶパネル、２ｂ  後列のＰＶパネル、３  支持台部、４，５  集光板を動かす手段、６  南北方向の方位角回転軸、６ａ，６ｂ，６ｃ  セル、７  東西方向の仰角回転軸
【図１】
2017028907.tif 000003
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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