JP2011507218A - 光追尾装置 - Google Patents

Abstract

光追尾装置は、第１支持部材及び第２支持部材と、第１支持部材及び第２支持部材が相対的に並進変位する際に変形する一以上の弾性柔軟梁によって、第１支持部材及び第２支持部材の各々に支持される少なくとも１つの受光素子とを備える。
第１支持部材及び前記第２支持部材は、部材の相対的な並進変位によって受光素子の回転変位を生じさせるように配置される。
一以上の弾性柔軟梁は、受光素子から第１支持部材と第２支持部材とにそれぞれ延びるらせん状アームを含んでもよい。
【選択図】 図４

Description

本発明は、一以上の受光素子を駆動して、光源を追尾する光追尾装置に関する。
本発明は、特に、一以上の太陽光エネルギー変換装置を駆動して太陽軌道を追尾させるために光追尾装置を用いることができる太陽光集光器の技術分野に適用され得る。

太陽エネルギーは、非常に豊かなエネルギー源である。
光発電は、太陽光を電気エネルギーに変換するために用いられる。
太陽光発電は、使用によって二酸化炭素を排出しないので、将来有望な電力源である。

しかしながら、光発電は製造コストが高く、資金の面では光発電池の設置に対する初期投資を回収するのに１０年以上かかってしまうため、太陽光発電はこれまで魅力的な電力源ではなかった。

この問題に対処するため、太陽光集光システムを用いることが検討されてきた。
太陽光集光システムは、直射日光を集めてより小さな領域に収束させる、すなわち、収集する。
高価な光発電材料は光が収集される箇所のみに配置されるので、所定の大きさの太陽光集光システムにおいて用いられる光発電材料の量は大幅に削減される。
高収集率で良好に動作する種類の光発電セルが本用途において好ましい。
そのような光発電セルには、米国のスペクトロラボ社等の企業が製造し、数百倍の収集率、すなわち、数百［ｓｕｎ］で動作する「多接合」セルが含まれる。

太陽光システムは、太陽光を収集するためには空を横断する太陽を追尾しなければならない。
太陽追尾のための機械システムとして知られているものは、概して、それぞれ２本の回転軸を持つ２つの基本的な機構の変形である。
両機構は、ジンバル構造に基づく。

第一の機構は、（一般的に鉛直な）支柱であってその軸を中心に回転できるものと、この支柱に搭載されて水平軸に対して傾斜する装置とで構成されている。
この装置の傾斜と回転の組み合わせによって、季節による、及び、一日における太陽の動きに追尾することができる。
この種の機械システムの概略図が図１に示され、この種の装置の一例はＵＳ５７３０１１７に見られる。

第２の種類の装置は２本の軸を有し、両軸は初期位置においては水平であってもよい。
部材は、図２に示されるように取り付けられている。
このような機械システムの例は、ＵＳ４９６８３５５に記載されている。
ＵＳ４９６８３５５においては、より低コストでより大型装置の設置を可能にするために、角運動の一般原理が行列形式で構成される。

しかしながら、一般的に、機械追尾システムでは、最終的な装置を得るために高コストが必要となる。
また、粉塵環境においては、接合機械システムの保守及び長期信頼性の問題もある。
さらには、太陽は大きな角度領域にわたって移動するため、このような機械システムの運動は、一般的に大きな領域を占領することを意味する。
薄型の機械システム、すなわち、使用時及び搬送時のいずれにおいても、一次元において薄い機械システムが有利である。
例えば、薄型の機械システムの完成形態での搬送コストは、より低くなる。
このような機械システムが設置されるとき、風にさらされる断面積が増加しない。
したがって、ビル構造にかかり得る風負荷が増加せず、美的品質も高いため、このような機械システムは屋上取り付けに好ましい。

本発明によれば、このような問題に対処するための太陽光集光器を製造する新しい方法が提供される。

従来技術に関する当該問題を解決するために、本発明に係る光追尾装置は、第１支持部材及び第２支持部材と、第１支持部材及び第２支持部材が相対的に並進変位する際に弾性的に変形する一以上の弾性柔軟梁によって、各支持部材上に支持される少なくとも１つの受光素子とを備え、第１支持部材及び第２支持部材並びに弾性柔軟梁が、第１支持部材及び第２支持部材の相対的な並進変位によって弾性柔軟梁が弾性的に変形でき、受光素子の回転変位を生じさせるように配置される。

光追尾装置は、複数の受光素子を備えていてもよい。

一以上の弾性柔軟梁は、受光素子から第１支持部材及び第２支持部材にそれぞれ延びるらせん状アームであってもよい。

１つの、又は、各支持部材には、相対的に並進変位を生じさせるアクチュエータが備えられていてもよい。

少なくとも１つの受光素子は、光を収集する太陽光収集素子であってもよい。

光追尾装置はさらに、光が収集される点に位置付けられている各受光素子に対して少なくとも１つの光発電セルを備えていてもよい。

光発電セルは、多接合光発電セルであってもよい。

一以上の弾性柔軟梁は、導電性材料からなり、光発電セルから遠くに電流を導くために用いられてもよい。

受光素子は、標準的なレンズ構造、フレネルレンズ、放物面反射鏡、複合放物面集光器（ＣＰＣ：Ｃｏｍｐｏｕｎｄ Ｐａｒａｂｏｌｉｃ Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｏｒ）のいずれか１つであってもよい。

第１支持部材と第２支持部材との間の距離は、少なくとも１つの受動構造素子によって制御されてもよい。

少なくとも１つの受動構造素子は、第１支持部材と第２支持部材とを接続するワイヤーを備えてもよい。

弾性柔軟梁、少なくとも１つの受光素子、及び／又は第１支持部材と第２支持部材は、熱を放射するヒートシンクとして機能するように配置されてもよい。

本発明はさらに前述の請求項のいずれかに記載の第１支持部材と第２支持部材とを製造する方法であって、弾性柔軟梁及び／又は第１支持部材と第２支持部材をシート材料の単一片から切り出すステップを含む。

シート材料の単一片の各々は、ばね鋼からなっていてもよい。

この方法はさらに、リードフレーム製造技術を用いるステップを含んでいてもよい。

本発明は、スケーラブルな製造技術を用いて太陽追尾システムを構築するための、簡易で低コストな解決策を提供する。
その思想は、互いに対して並進はするが回転しない２つの平行なパネルに基づくものである。
２つのパネル間の隙間を接続する少なくとも１つの素子が存在し、当該素子は柔軟梁を用いてパネルの並進動作から回転運動を起こす。
２つのパネルが互いに対して相対的に変位すると、柔軟梁に接続された受光素子は運動に追尾できる。
したがって、回転運動を生じさせる本解決策は、滑り接触、軸受／転がり制御、又は接合アセンブリに基づく他の解決策とは異なるものである。

本発明は、接合や滑り接触を要することなく、大きな回転偏向を起こすように変形し、または曲がるよう設計された構造を提供する。

本発明は、部材数、及び組み立ての複雑さを低減し、したがって、コストを削減する構造を提供する。
例えば、軸受や滑り接触に影響するほこりの粒子に関する信頼性の問題は解決されるか低減される。
本発明は、装置を行列形式に製造するのが簡単な低コストの製造技術に対して互換性がある。

行列形式では、行列内の各素子は太陽光線を光発電結晶等の素子上に収集するための光アセンブリを含んでもよい。
各素子内の光部品は一般的に、力が加わっても大きくは変形しない硬質な構造である。
むしろ、光部品は本発明の装置内に保持される。

本発明の一実施例においては、弾性柔軟梁を光発電セルによって集められた電気エネルギーを遠くに導く柔軟な導体として使用でき、それによって別の電気接続を設けることによるコスト及び複雑さを低減できる。

本発明の別の実施例では、さらなる受動部材が構造に加えられる。
この部材は、２つの支持部材を接続するワイヤーを備えていてもよい。
この支持部材は、支持部材が互いに対して並進変位する際の支持部材間の隙間を制限する。
例えば、張力が強いワイヤーを上部支持部材と下部支持部材との間に接続して取り付けてもよく、それによって両支持部材が「デフォルト」の状態で垂直になる。
支持部材の一方が相対的に並進するとき、支持部材が互いに対して相対的に円弧状に移動することをこれらのワイヤーが抑制する。
これは、支持部材が大きく並進したときに弾性柔軟梁がその柔軟性の制限を超えて延びることを防止するので、上述した設計に有利である。
また、（この素子に対する）より大きな回転角が得られる。

光アセンブリの本実施例は種々の形態をとることができる。
種々の形態には、標準的なレンズ構造、フレネルレンズ、放物面反射鏡、複合放物面集光器（ＣＰＣ）が含まれる。

本発明の実施例を以下に述べる。

光追尾素子の従来例を示す概略図。 光追尾素子の他の従来例を示す概略図。 本発明に用いることのできる集光器の実施例の概略図。 本発明に係る光追尾装置の概略側面図。 どのように回転変位が生じるかを示す本発明の光追尾装置の概略側面図。 単一の光収集素子を備える本発明に係る光追尾装置の側面図であって、一方の支持部材が他方の支持部材に対して並進するとき、弾性柔軟梁がどのように変形して光収集素子を回転させるかを示す図。 本発明の光追尾装置に用いられ得る弾性柔軟梁の他の実施例を示す図。 本発明に係る光追尾装置における集光器の行列を示す図。 本発明の光追尾装置の平面図であって、光収集素子に対する可能な電気接続を示す平面図。 支持部材の離間距離を制限するために受動保持素子が用いられる本発明のさらに他の実施例を示す図。

図１および２を参照すると、太陽光収集装置を支持するために用いられる上述したような従来例の光追尾構造が示される。
図１の構造においては、回転支柱１が傾斜板２を支持し、使用時には傾斜板２が光収集素子を支持する。
それによって、一日の間に動いている太陽を追尾して光を最適に集めることができる。
同じ方式に基づく変形構造では、一以上の傾斜板を支持するために１つの回転支柱が用いられる。

図２は、同様の傾斜板ではあるが、さらなる旋回支持部材３に支持される傾斜板を備える変形構造を示している。
同じ方式に基づく変形構造（例えば、ジョンソンによるＵＳ４９６８３５５参照）では、多くの傾斜板が単一の旋回支持部に接続されている。

図３は従来例の装置で用いられている光素子であって、本発明にも適用できる光素子を示している。
これらの光発電素子５の各々には（分図ａ又はｂに示される）レンズ又は（分図ｃ又はｄに示される）反射器によって光が向けられる。

本発明によれば、本光アセンブリは少なくとも２箇所において機械システムに接続されている。
これら２箇所は、２つの独立して動く平面に接続されている。
これら２つの平面は、弾性柔軟梁、もしくは、好ましい変形実施例では空間圧縮弾性柔軟梁を形成する部分によって主要構造を形成する。
空間圧縮弾性柔軟梁は、その２つの固定箇所の間の直接経路よりかなり長いので、折りたたまれる、すなわち、曲げられる。
したがって、空間圧縮弾性柔軟梁の端点は、弾性を示す最大張力を超える前の単純な直線梁より光を屈折させることができる。
図７は空間圧縮弾性柔軟梁の一実施例及び従来の非空間圧縮弾性柔軟梁を示す。

梁は、弾性変形するように設計された構造の一部である。
当該設計の顕著な態様は、並進運動を回転に変換することが可能であり、受光素子の上部平面と下部平面とを支持する。

光追尾装置の目的とされる仕様は、中心点から２方向に回転可能であって、（季節による太陽位置の空での変化を考慮して）一方向に少なくとも±２４°、（主に一日における太陽位置の変化を考慮して）他方向に少なくとも±６０°回転可能とするものである。

図４は、本発明の光追尾装置を概略的に示している。
上部支持部材１０及び下部支持部材１１が設けられ、各々が受光素子１３に取り付けられた弾性支持梁１２を有する。

上部支持部材１０及び下部支持部材１１が互いに対して回転を伴わずに並進すると、その並進によって上部支持部材１０及び下部支持部材１１の間に点Ａ及びＢの周りの弾性支持梁１２を介して接続されている受光素子１３が回転する。
図４、５はこの様子を示している。

上部支持部材１０及び下部支持部材１１の間のずれによって、下部平面に対する上部平面の直線並進が図５に示すように光素子すなわち受光素子１３を回転させる。

弾性支持梁すなわち弾性柔軟梁１２は、点Ａ、Ｂ（図４）が２軸で回転できるように構成されている。
このような弾性支持梁１２の実施例の１つは、図６に示す２つのらせん状アームである。
本実施例においては、らせん状アームは平坦な部材から形成され、したがって、シート材料から容易に形成することができる。
三次元構造に基づく他の構造は、変形実施例である。
射出成型は、このような実施例において好ましい製造技術である。

上述の構造によれば、上部支持部材１０及び下部支持部材１１の並進によって制御されて、受光素子１３はＸ軸及びＹ軸（図６に示される）を中心に回転することができる。
こうして、一日中及び全季節中、太陽を追尾することが可能となる。

別の種類の梁すなわち弾性柔軟梁も適用可能であり、適用可能な実施例のうち２つが図７に示されている。

本機械システムすなわち光追尾装置の主な利点の１つは、多くの光アセンブリすなわち受光素子１３を行列形式に配置でき、全ての受光素子１３が同じ上部支持部材１０及び下部支持部材１１によって制御されることである。
これによって、図８に示すように、薄型で大きな面積の追尾システムであって、多くの小さい光受信器すなわち受光素子１３を備えるものをかなり少ない独立部品で構築することができる。

各受光素子１３に対する弾性柔軟梁の製造における許容誤差が小さければ、各受光素子１３の回転角は等しくなるので、すべての受光素子１３が空の同じ位置を指す。

各受光素子１３の制御は、単一の上部支持部材１０と下部支持部材１１とを使用することによって２つ又は３つのアクチュエータに結合される。
第１のアクチュエータは、上部シートと下部シートとの間のｘ軸方向のずれを制御するためのものであり、第２アクチュエータはｙ軸方向のずれを制御するためのものであり、任意の第３のアクチュエータは支持部材のｚ方向における離間を制御するためのものである。

光発電池すなわち光発電セル５を下部シートに配置することは、製造時に完全に自動化される。
図９に示されるように、電気接点（＋、−）が、下部支持部材１１の２つのアームすなわち弾性柔軟梁１２に接続されている。
すなわち、受光素子１３への、及び受光素子１３からのワイヤーは必要ないため、コストが削減される。

また、図１０に示されるような受動構造部材を用いることによって本発明の性能を向上させることができる。
さらなる受動素子、すなわち受動構造素子１４を追尾システム、すなわち光追尾装置に組み込むことによって、装置の最大変位を向上させることができる。
例えば、張力のみが強い糸材料を受動構造部材すなわち受動構造素子１４の離間を制限する硬質な外部素子の間に接続してもよい。

設計によっては、このような部材を加えることによって受光素子１３が回転できる角度範囲が増加する。
支持部材、すなわち上部支持部材１０および下部支持部材１１の一方が相対的に並進するとき、支持部材すなわち上部支持部材１０および下部支持部材１１が互いに対して相対的に円弧状に移動することをこれらのワイヤー、すなわち受動構造素子１４が抑制する。
したがって、これらのワイヤーは、支持部材同士が離間し、それによって弾性柔軟梁１２の端部の位置が変化し、受光素子１３の回転変位が増大することを抑制する。

機械システムすなわち光追尾装置内の一以上の部材を、光発電セルにおいて生じる不要な熱を放射するヒートシンクとして設計し、製造してもよい。

１ ・・・ 鉛直な支柱
２ ・・・ 水平軸に対して傾斜する装置
３ ・・・ 軸
５ ・・・ 光発電セル
１０ ・・ 上部支持部材
１１ ・・・ 下部支持部材
１２ ・・・弾性柔軟梁
１３ ・・・ 受光素子
１４ ・・・ 受動構造素子

Claims (15)

1. 第１支持部材及び第２支持部材と、
   前記第１支持部材及び第２支持部材が相対的に並進変位する際に弾性的に変形する一以上の弾性柔軟梁によって前記第１支持部材及び第２支持部材の各々に支持される少なくとも１つの受光素子とを備え、
   前記第１支持部材及び第２支持部材並びに弾性柔軟梁が、前記第１支持部材及び第２支持部材の相対的な並進変位によって前記弾性柔軟梁が弾性的に変形でき、前記受光素子の回転変位を生じさせるように配置されていることを特徴とする光追尾装置。
2. 複数の前記受光素子を備えていることを特徴とする請求項１に記載の光追尾装置。
3. 前記一以上の弾性柔軟梁が、前記受光素子から前記第１支持部材と第２支持部材とにそれぞれ延びるらせん状アームを含んでいることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光追尾装置。
4. 相対的な並進変位を生じさせるアクチュエータが、１つの、又は、各支持部材に備えられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光追尾装置。
5. 前記少なくとも１つの受光素子が、光を収集する太陽光収集素子であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一つに記載の光追尾装置。
6. 光が収集される点に位置付けられている各受光素子に対して少なくとも１つの光発電セルがさらに備えられていることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一つに記載の光追尾装置。
7. 前記光発電セルが、多接合光発電セルであることを特徴とする請求項６に記載の光追尾装置。
8. 一以上の弾性柔軟梁が、導電性材料から構成されて光発電セルから遠くに電流を導くために用いられることを特徴とする請求項６または請求項７に記載の光追尾装置。
9. 前記受光素子が、標準的なレンズ構造、フレネルレンズ、放物面反射鏡、複合放物面集光器（ＣＰＣ）のいずれか１つであることを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか一つに記載の光追尾装置。
10. 前記第１支持部材と第２支持部材との間の距離が、少なくとも１つの受動構造素子によって制御されることを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれか一つに記載の光追尾装置。
11. 前記少なくとも１つの受動構造素子が、前記第１支持部材と第２支持部材とを接続するワイヤーを備えていることを特徴とする請求項１０に記載の光追尾装置。
12. 前記少なくとも１つの受光素子、弾性柔軟梁、及び／又は第１支持部材と第２支持部材が、熱を放射するヒートシンクとして機能するように配置されていることを特徴とする請求項１乃至請求項１１のいずれか一つに記載の光追尾装置。
13. 請求項１乃至請求項１２のいずれか一つに記載の第１支持部材と第２支持部材とを製造する方法であって、
    前記弾性柔軟梁及び／又は第１支持部材と第２支持部材をシート材料の単一片から切り出すステップを含むことを特徴とする方法。
14. 前記シート材料の単一片の各々が、ばね鋼からなることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
15. さらに、リードフレーム製造技術を用いるステップを含んでいることを特徴とする請求項１３または請求項１４に記載の方法。

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