JPH11224955A - 集光式太陽電池装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 発電ユニットの設置姿勢を測定する作業を不
要とする。 【解決手段】 各発電ユニット１内には、集光レンズ、
太陽電池、発電センサ、太陽電池および発電センサを集
光レンズに対して相対移動させる駆動モータが収納され
ている。コンピュータ２１は、発電センサの発電量が最
大となる位置を集光レンズの焦点位置とし、この焦点位
置から、発電ユニット１に対する太陽光の方位角θと入
射角ｄを算出し、これら方位角θと入射角ｄに基づいて
発電ユニット１の設置方位角γと設置傾斜角βを算出す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は集光式太陽電池装置
に関し、特に、発電ユニットの設置姿勢を自動検出する
機能を有する集光式太陽電池装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】特願平８−３５７８９６号には、従来の
追尾機構に代わる簡易な機構によって太陽電池への効率
的な集光を可能にした集光式太陽電池装置が提案されて
いる。本装置は、発電ユニット内に設けた駆動機構によ
り、刻々の太陽の移動に応じて集光レンズに対する太陽
電池の相対位置を変更することによって、太陽電池を常
に集光レンズの焦点位置近傍に位置させるようにしたも
のである。

【０００３】この場合、集光レンズの焦点位置の移動
は、発電ユニットを設置した場所（経度、緯度）におけ
る刻々の太陽高度と太陽方位、並びに発電ユニットの設
置傾斜角と設置方位角により決定される。したがって、
太陽電池を集光レンズの焦点位置近傍に刻々追従させる
プログラム制御を行う場合には、発電ユニットの設置傾
斜角と設置方位角を予め正確に測定しておく必要があ
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記設置傾斜角および
設置方位角の測定は、従来、それぞれ傾斜計や磁石等を
使用して行うのが一般的である。しかし、民生用の太陽
電池装置ではコスト削減のために発電ユニットを屋根に
直置きすることが多く、この場合、傾斜した屋根の上で
傾斜計や磁石等を扱うのは困難であり、特に夏は屋根上
の温度が上昇するため、測定作業は難渋する。

【０００５】そこで、本発明はこのような課題を解決す
るもので、発電ユニットの設置姿勢の測定作業を不要と
した集光式太陽電池装置を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明では、集光レンズ（５）と、当該集光レンズ
（５）に対向して配設された太陽電池（４）と、集光レ
ンズ（５）ないし太陽電池（４）の一方を他方に対して
相対移動させる移動駆動手段とを発電ユニット（１）内
に収納するとともに、刻々の太陽の移動位置を予測して
太陽電池（４）が集光レンズ（５）の焦点位置近傍に常
に位置するように移動駆動手段の作動を制御する制御手
段（２１，２２，２３）を具備する集光式太陽電池装置
において、発電ユニット（１）設置時の集光レンズ
（５）の焦点位置より当該発電ユニット（１）の設置姿
勢を検出する姿勢検出手段（２１，ステップ１０１〜１
０５）を設ける。

【０００７】本発明においては、発電ユニットを家屋の
屋根上等に設置した時点で、設置時の集光レンズの焦点
位置より、姿勢検出手段によって発電ユニットの設置姿
勢が自動検出される。したがって、屋根上で傾斜計や磁
石等を扱う困難な作業が解消される。なお、「発電ユニ
ット設置時」とは、初期設置時のみならず、取付けが緩
む等により発電ユニットの姿勢が変化した時も含まれ
る。したがって、発電ユニットの姿勢が変化しても即座
に新たな姿勢を検出することができ、太陽電池の位置が
集光レンズの焦点位置近傍から外れることがないから、
常に良好な発電出力が得られる。

【０００８】姿勢検出手段（２１，ステップ１０１〜１
０５）は集光レンズ（５）に対して相対移動する発電セ
ンサ（４Ａ）を含み、当該発電センサ（４Ａ）の発電量
が最大となる位置を集光レンズ（５）の焦点位置とし
て、これに基づいて発電ユニット（１）の設置姿勢を検
出するように設定されている。また、姿勢検出手段（２
１，ステップ１０１〜１０５）は集光レンズ（５）の焦
点位置から、発電ユニット（１）に対する太陽光の方位
角（θ）と入射角（ｄ）を算出し、これら方位角（θ）
と入射角（ｄ）に基づいて発電ユニット（１）の設置方
位角（γ）と設置傾斜角（β）を算出するように設定さ
れている。なお、発電センサ（４Ａ）は太陽電池（４）
と一体に移動する構造としても良い。また、発電センサ
（４Ａ）は太陽電池（４）と同一構造のものを使用でき
る。

【０００９】本発明はまた、集光レンズ（５）の焦点位
置を検出するステップ（１０１）と、集光レンズ（５）
の焦点位置から発電ユニット（１）に対する太陽光
（Ｌ）の方位角（θ）と入射角（ｄ）を算出するステッ
プ（１０２）と、上記方位角（θ）と入射角（ｄ）に基
づいて発電ユニット（１）の設置方位角（γ）と設置傾
斜角（β）を算出するステップ（１０３，１０４）とを
有する発電ユニット（１）の姿勢検出方法としても実現
できる。

【００１０】なお、上記カッコ内の符号は、後述する実
施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであ
る。

【００１１】

【発明の実施の形態】図１には集光式太陽電池装置の全
体構成を示す。太陽電池装置は複数の発電ユニット１を
有しており、各発電ユニット１は矩形平板状のケーシン
グ１１内に移動駆動手段としてのＸ軸モータとＹ軸モー
タを内蔵している。図１に示すＸ方向、Ｙ方向は発電ユ
ニット１の平面内で互いに直交する方向であり、Ｚ方向
はこれらＸ方向とＹ方向に直交する法線方向である。上
記各Ｘ軸モータおよびＹ軸モータには制御装置１の駆動
回路２２，２３から切換回路２４を経て駆動信号２ａ，
２ｂが与えられ、後述するように太陽電池が集光レンズ
の焦点位置付近へ追従移動させられる。なお、Ｘ軸モー
タおよびＹ軸モータは切換回路２４により各発電ユニッ
ト１内のものが順次駆動させられ、このモータ駆動は一
定時間毎に繰り返される。

【００１２】各発電ユニット１内には後述するように、
太陽電池を利用した発電センサが設けられており、各発
電センサからの発電信号１ａが上記切換回路２４からア
ンプ回路２５、Ａ／Ｄ変換回路２６を経てコンピュータ
２１の入力インターフェース２１４に入力している。コ
ンピュータ２１は入力インターフェース２１４の外に、
ＣＰＵ２１１、メモリ２１２、出力インターフェース２
１３を有している。上記入力インターフェース２１４に
はデータ設定部２７が接続されて、太陽電池装置すなわ
ち発電ユニット１が設置されている経度や緯度等のデー
タが入力される。

【００１３】発電ユニット１のケーシング１１は上方開
口が図２に示すように蓋板１３で液密的に覆われ、この
ケーシング１１内に冷却水が満たしてある。蓋板１３は
上層の強化ガラス板１３１、中層の透明スペーサ板１３
２、および下層の透明アクリル板１３３により構成され
ており、スペーサ板１３２には一定間隔をおいて円形開
口が形成されて、これら開口内にスペーサ板１３２とほ
ぼ同厚の、集光レンズたるフレネルレンズ５が多数配設
されている。太陽電池４はケーシング１１内に位置する
支持板３上にフレネルレンズ５に対応させて多数設けら
れており、太陽電池のうちの一つ４Ａは、他の太陽電池
４とは接続されず、既述の発電センサとして切換回路２
４（図１）に接続されている。

【００１４】図２において、上方より入射する平行太陽
光Ｌは各フレネルレンズ５によって各太陽電池４と発電
センサ４Ａの近傍直上にある焦点ｆo へ収束させられた
後、受光面内に収まる大きさの集光スポットとしてこれ
ら太陽電池４と発電センサ４Ａに入射する。ここで、発
電ユニット１に対する太陽光の入射角ｄが、図３に示す
ように、ｄ1 〜ｄ3 へと変化すると、フレネルレンズ５
の焦点位置は、直上からの太陽光Ｌが収束するｆo 位置
から、ｆ1 ，ｆ2 ，ｆ3 位置へと移動する。すなわち、
上記焦点位置ｆ1 ，ｆ2 ，ｆ3 は中心点からの距離ｒが
ｒ1 ，ｒ2 ，ｒ3 と大きくなるにつれて上方のＺ方向へ
浮き上がる。

【００１５】そこで、既述のＸ軸モータおよびＹ軸モー
タは、距離ｒに応じて下式（１），（２）で定められる
Ｘ方向、Ｙ方向の各量ｘ，ｙだけ上記支持板３を二次元
平面内で移動させる。支持板３は二次元平面内での移動
距離ｒに応じて、焦点の浮き上がり移動軌跡に応じたカ
ム面６ａを有するカム体によって全体がＺ方向へ持ち上
げられ、太陽電池４と発電センサ４Ａがフレネルレンズ
５の焦点移動に追従させられる。ここで式（１）中、θ
は発電ユニット１に対する太陽光Ｌの方位角である。

【００１６】

【数１】

【００１７】図４には上記太陽光Ｌの入射角ｄと方位角
θの位置関係を示す。なお、発電ユニット１はＹ軸方向
を南北方向に向けてある。また、図５には、太陽光Ｌの
対地入射角ｈと対地方位角Ａ、および発電ユニット１の
設置傾斜角βと設置方位角γの位置関係を示す。そし
て、本太陽電池装置では、発電ユニット１を家屋の屋根
上に設置した際に、制御装置２（図１）内のコンピュー
タ２１が図６に示す手順で設置傾斜角βと設置方位角γ
を算出する。ここで、太陽光Ｌの対地入射角ｈと対地方
位角Ａはいずれも、発電ユニット１の設置経度と緯度、
太陽の時角、太陽の赤緯等より、ユニット設置時の値が
公知の式で算出される。

【００１８】図６のステップ１０１では、Ｘ軸モータお
よびＹ軸モータの駆動量より支持板３（図２）上の発電
センサ４Ａの移動量を得る。すなわち、本ステップで
は、Ｘ軸モータとＹ軸モータを手動で駆動して、発電セ
ンサ４Ａをこの時のフレネルレンズ５の焦点近傍位置へ
移動させる。発電センサ４Ａが焦点近傍位置に至ったこ
とは、その出力が最大となることから知ることができ、
発電センサ４Ａの出力が最大値を示した時の、そのＸ軸
方向およびＹ軸方向の移動量ｘ，ｙをフレネルレンズ５
の焦点位置とする。

【００１９】続くステップ１０２では、下式（３）より
太陽光Ｌの方位角θを算出するとともに、下式（４）で
示す中心からの距離ｒに基づいて、太陽光Ｌの入射角ｄ
を算出する。

【００２０】

【数２】

【００２１】ここで、太陽光Ｌの方位角θは上式（３）
から容易に算出することができるが、太陽光Ｌの入射角
ｄと距離ｒとの関係は、フレネルレンズ５の焦点が浮き
上がることによって非線形になるとともに（図３参
照）、ガラス層や水層等での屈折による補正を要するた
め（図２参照）、計算がかなり複雑になる。そこで、本
実施形態では、太陽光Ｌの入射角ｄについて、０°〜６
０°の間で１°単位で距離ｒとの関係を実測し、マップ
としてメモリ２１２（図１）に記憶しておく。そして、
発電センサ４Ａの移動量ｘ，ｙより得た距離ｒに最も近
い上下の距離値ｒ1，ｒ2 とその時の入射角ｄ1 ，ｄ2
より、下式（５）で直線補完して太陽光Ｌの入射角ｄを
得る。

【００２２】

【数３】

【００２３】図６のステップ１０３では、下式（６）に
より発電ユニット１の設置方位角γを算出する。

【００２４】

【数４】

【００２５】式（６）を得るには球面三角法の定理を使
用する。すなわち、図７には立体球面図を示し、ここに
は天頂の北極点ｏ、太陽光Ｌの入射点ｐ、法線Ｚの貫通
点ｑを含む、太陽光Ｌの入射角ｄ、太陽光Ｌの方位角
θ、太陽光Ｌの対地入射角ｈ、太陽光Ｌの対地方位角
Ａ、発電ユニット１の設置傾斜角β、および発電ユニッ
ト１の設置方位角γの関係が示されている。ここで、図
８に示すように、点ｏｐｑを結ぶ三角形に注目すると、
球面三角法の正弦定理より式（７）が成立し、この式
（７）を変形すると上式（６）が得られる。

【００２６】

【数５】

【００２７】次に図６のステップ１０４では、下式
（８），（９）により発電ユニット１の設置傾斜角βを
算出する。

【００２８】

【数６】

【００２９】上式（８），（９）における角度ｍは、図
９に示すように、天頂の北極点ｏと法線Ｚの貫通点ｑを
結ぶ線の延長線（図９の破線）に対して、太陽光Ｌの入
射点ｐから直交する補助線を引き（図９の一点鎖線）、
その交点ｕと上記貫通点ｑとの間の角度である。ここで
点ｏｐｕを結ぶ三角形に注目すると、球面三角法の公式
より上式（８）が直接導出される。また、点ｑｐｕを結
ぶ三角形に注目すると、同じく球面三角法の公式より上
式（９）が直接導出される。

【００３０】図６のステップ１０５では、ステップ１０
３，１０４でそれぞれ得られた発電ユニット１の設置方
位角γと設置傾斜角βを、焦点追従プログラム制御に使
用するために初期設定するとともに、モニタ上に表示す
る。以上のステップ１０１〜１０５の処理を全ての発電
ユニット１について順次行う。

【００３１】各発電ユニット１内の太陽電池４の焦点追
従プログラム制御がコンピュータ２１で実行される場合
には、初期設定された上記設置方位角γと設置傾斜角
β、および公知の式で算出される刻々と変化する太陽光
Ｌの対地入射角ｈと対地方位角Ａに基づいて、発電ユニ
ット１に対する太陽光Ｌの入射角ｄと方位角θが下式
（１０），（１１），（１２）で算出される。上記入射
角ｄよりマップを参照して中心からの距離ｒが求めら
れ、上式（１），（２）によりＸ軸方向およびＹ軸方向
の移動量ｘ，ｙが算出される。そして、この移動を実現
すべく、Ｘ軸モータとＹ軸モータがコンピュータ２１か
らの出力で駆動される。この焦点追従制御は全ての発電
ユニット１について順次行われる。

【００３２】

【数７】

【００３３】一台の発電ユニット１について焦点追従制
御に要する時間は数秒であるから、例えば発電ユニット
１を２０台設けた場合でも全ての発電ユニット１につい
て焦点追従制御を終えるのに要する時間は１分程度であ
り、この程度の時間内であれば太陽の移動量は小さく、
このような時間周期で順次各発電ユニット１内の太陽電
池の焦点追従制御を行えば、太陽エネルギーの利用効率
が低下することはない。この場合、Ｘ軸モータおよびＹ
軸モータの駆動が各発電ユニット１毎に順次行われるか
ら、全ての発電ユニット１のモータを同時に駆動するの
に比して、モータ駆動に要する電力を軽減することがで
きる。

【００３４】上記実施形態の発電ユニットは、集光レン
ズに対して太陽電池を相対移動させる構造のものであっ
たが、太陽電池に対して集光レンズを相対移動させる構
造のものであっても良い。また、発電センサに代えて、
ＣＣＤのような二次元受光素子、あるいはフォトダイオ
ードを２次元的に配置したものを使用しても良く、この
場合には、二次元受光素子等を固定配置して集光レンズ
の焦点位置移動を直接検出することができる。

【００３５】

【発明の効果】以上のように、本発明の集光式太陽電池
装置によれば、屋根上での発電ユニットの姿勢測定作業
を解消することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】集光式太陽電池装置の全体構成ブロック図であ
る。

【図２】発電ユニットの要部拡大断面図である。

【図３】太陽光入射角に応じた集光レンズの焦点位置移
動を説明する図である。

【図４】発電ユニットと太陽光との関係を示す説明図で
ある。

【図５】発電ユニットと太陽光との関係を示す説明図で
ある。

【図６】コンピュータの制御フローチャートである。

【図７】発電ユニットと太陽光との関係を示す立体半球
図である。

【図８】球面三角形の説明図である。

【図９】球面三角形の説明図である。

【符号の説明】

１…発電ユニット、２…制御装置、２１…コンピュー
タ、２２…Ｘ軸モータ駆動回路、２３…Ｙ軸モータ駆動
回路、４…太陽電池、４Ａ…発電センサ、５…集光レン
ズ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 集光レンズと、当該集光レンズに対向し
   て配設された太陽電池と、前記集光レンズないし太陽電
   池の一方を他方に対して相対移動させる移動駆動手段と
   を発電ユニット内に収納するとともに、刻々の太陽の移
   動位置を予測して前記太陽電池が前記集光レンズの焦点
   位置近傍に常に位置するように移動駆動手段の作動を制
   御する制御手段を具備する集光式太陽電池装置におい
   て、発電ユニット設置時の集光レンズの焦点位置より当
   該発電ユニットの設置姿勢を検出する姿勢検出手段を設
   けたことを特徴とする集光式太陽電池装置。