JP2012511262A - 太陽光エネルギー変換装置、その製造方法および使用方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
【解決手段】地表面に対して平行に配置された平面配列や、太陽の動きに追随する設計で提供された電池に対して、回転して動かされるＰＶ電池は増大した効率を有する。太陽光由来エネルギー変換（１０）装置であって、シャフト（１２）と複数の外側に広がる羽根（１４）を含み、それぞれの羽根は複数の光起電力電池（２１）を有し、平面に配列された同じ面積の光起電力電池と比較して、大きな電流を生じる。装置はモーターまたは発電機（１０１）を備えたアセンブリの一部としても使用できる。
【選択図】図７

Description

背景
光起電力（ＰＶ）電池は、放射エネルギーへの暴露後に電子を放出する。ＰＶ電池のアセンブリはソーラーモジュールを作るのに使用され、次いで並べられて連結される。

典型的な太陽光発電機は直流（ＤＣ）電気を発生させるような回路で配列され接続されたＰＶ電池の配列（ａｒｒａｙ）を使う。例えば、米国特許４，６１４，８７９および４，３２１，４１６を参照。交流（ＡＣ）と異なり、標準的なＤＣ電気的出力は変電することができないので、その使用が比較的、発電場所の近くの位置に制限されるという特性がある。従って、太陽光発電機の多くの直流出力が、ＤＣで作動するように設計された、例えば、携帯用の計算機のような近くの装置を動かすか、またはバッテリーなどの蓄電装置を充電するために使用される。

太陽光発電による直流出力が長距離にわたり輸送されるか、または電力グリッドに接続されるためには、最初にインバータなどの装置によってそれをＡＣに変換しなければならない。例えば、米国特許４，２１７，６３３を参照。すべてのそのような変換プロセスは必ず電流の損失を伴い、出力効率の低下をもたらす。

いくつかの太陽光発電機が、直接交流出力を発電するように設計されている。例えば、米国特許４，５７７，０５２は、非平行構成で接続された一対のＰＮ接合太陽電池の間に交互に光を向ける装置について説明する。米国特許６，７７４，２９９は直流モーターによって作動させられる回転シャフトが、ＰＶ電池が取り付けられた複数の羽根を含む装置について説明する。この装置では羽根が回転するのに従って、パネル上への入射光強度が変化し、その結果、正弦波様の電気電圧を発生する。
特定の形式または出力にかかわらず、太陽光発電機は使用されるＰＶ電池／モジュールのタイプの制限を受けることがある：最適に入射する日光に向けても、反射、熱力学、再結合損失などの固有の問題のために、典型的な電池／モジュールは、低いエネルギー変換効率を有する。この非効率性のため、大きいＰＶ電池モジュールが、大きくない量のＤＣ電気を製造するのに必要である。配列の大きい広がりが、適度に大きい電流を製造するのに必要である。

米国特許４，２１７，６３３ 米国特許４，５７７，０５２ 米国特許６，７７４，２９９ 米国特許４，６１４，８７９ 米国特許４，３２１，４１６

かなりの量の電流を製造できるＰＶ電池の、モジュールまたは配列のコンパクトな構成が非常に望ましい。

以下に記載される方法と物品は、本質的には静的な配置、たとえば地表面に対して平行に配置された平面配列や、太陽の動きに追随する設計で提供された電池に対して、回転して動かされるＰＶ電池は増大した効率を有することに少なくとも部分的に基づいている。回転運動は、排他的でないが、典型的には、地表面に垂直な軸の周囲を回る。そのような回転は、軸に関して交代する形式（前後方向の半球上の動き）、またはより一般的には軸の周りを完全に（３６０°）回ることができる。完全な回転は、円形である必要はなく、楕円、円錐、らせん、多角形状、および同様のもののいずれでもよい。

この効率増大は例えば、効率的に太陽エネルギーを電流に変換できるコンパクトな装置として具体化される。該装置は中央の軸から外側に向けて広がる複数の羽根を含むように構成できる。それぞれの羽根は複数のＰＶ電池を含み、該電池は光子に露出されるとＤＣ出力を発生し、たとえばシャフトを通して、またはシャフトに向かって種々の方法で装置の外部に向けられる。モジュールを形成するようにＰＶ電池を接続でき、少なくともいくつかの構成では、配列を形成するために複数の羽根からのモジュールを接続できる。比較的わずかな量を満足させるための場合であっても、有利には、装置は多くの電流を製造できる。ＰＶ電池は平坦に横たえられるのではなく、本質的に太陽に垂直（すなわち、水平線から約４５°から約１３５°）にされる。これは従来の太陽光収集パネルのための標準的な構成である。しかし本発明の装置においてはＰＶ電池は上記のように垂直ではなく、時には鉛直にされる。さらに、モーター、発電装置（ＡＣまたはＤＣ）、または両方を含むアセンブリの一部として装置を使用できる。

一つの態様では効率的に太陽エネルギーを電流に変換できる装置を提供する。装置は中央のシャフトと複数の外側に広がる羽根を含んでいる。この羽根はシャフトの縦方向に対して垂直な状態で配置できる。いくつか、大部分、または望ましくはすべて羽根が、その主表面の一つまたは好ましくは両面に複数のＰＶ電池を有し、好ましくは１種以上のモジュールの形で提供される。羽根は物理的にシャフトに接続されたり、またはシャフトに接触している必要はない。１つの構成では、シャフトは羽根と係合し、または他の方法で羽根を保持するように設計された環状のブラケットを含むことができる。そのようなブラケットはシャフトと一体とすることができるが、部品は別々に作られ、使用時に組み立てることができる。他の構成ではそれぞれの羽根は、放射状に広がっているアームを通して中央のシャフトにつなげられるか、または調整可能な接続アセンブリを通って直線的なブラケット（例えばシャフトの主軸に平行に配置されたもの）へ伸び、羽根の端の縁に係合されることができる。

装置は粉塵、雨、風、および同様のものから装置を保護するように設計されているか、または適合させた部屋内に配置されることができる。該部屋は、部屋の外部の大気圧よりも低い圧力にすることができる。アセンブリの容易さのため、装置を提供した後に、部屋の要素を別々に提供して、組み立てることができる。

もう一つの側面では、回転太陽エネルギー変換装置と発電装置（ＡＣまたはＤＣ）を、を含むアセンブリが提供される。アセンブリのシャフトは発電機と電磁的連絡(electromagnetic communication)を有し、光電池的に発生された電流を発電機に伝える。このタイプのアセンブリの利点としては、アセンブリの一体的な発電、回転するアセンブリによって製造された電流を制御する能力、ＡＣの場合にはインバータの必要性の除去があげられる。

異なる態様では、回転太陽光エネルギー変換装置とモーターを含むアセンブリが提供される。アセンブリの回転シャフトはモーターと電磁的連絡を有する。装置の回転を開始するのにモーターを使用できる。（前後の文脈が異なるものであることを示さない限り、「発電機」という用語は機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換する機械を意味し、「モーター」は電気的エネルギーを機械的エネルギーに変換する機械を意味する。）

さらなる態様では、太陽光由来のエネルギーからＤＣ電気出力を発生させる方法が提供される。この方法では、通常は少なくとも１８０°であり、より典型的には完全な３６０°の範囲であるアーク上を、ＤＣ出力を発生しながらそれらを回転して輸送できる支持体上のＰＶ電池、モジュールまたは配列を提供する。この方法における使用のために適合させられる１つの構成は、外側に伸びるＰＶ電池、モジュールまたは配列を備えた羽根を備えた中央の回転可能なシャフトを含む装置である。

まだ更なる態様では、再生可能資源から電気エネルギーを製造するための方法をユーティリティシステムまたはＡＣユーザの近くに提供する。本発明の方法は、例えば、少なくともある実施態様ではＡＣユーザの近くにあることができる電気電柱、電話電柱、または同様のものを含むユーティリティシステム構成要素と、回転することが許容されるＰＶ電池、モジュールまたは配列を含む装置との間の電磁連絡を提供することを伴う。この装置には、しばしば約０．１から約５ｍ^３まで、より一般的には約０．２から約３ｍ^３までの体積を構成する形式で提供され、該構成要素から１メーターまたは２メートル以下の距離で太陽光由来のエネルギーを電気に変換する。いくつかの構成では、ユーティリティシステム構成要素に装置を取り付けることができる。この方法は再生可能な（または消費されない）天然資源からエネルギーを局所的に製造するために便利な方法を提供することができる。

さらなる態様では、再生可能資源から電気エネルギーを製造するための方法を乗り物の近くに提供する。この方法は、乗り物のモーターと、ＰＶ電池、モジュールまたは配列が回転することが許可されている装置との間に電磁連絡を提供することを伴う。装置は乗り物またはそれに（永久的にまたは取り外し可能に）接続された何らかの構造（例えば、トレーラ）に取り付けられ、太陽光由来のエネルギーを電気に変える。

他の態様は、添付の図面と以下のより詳細な説明から当業者に明らかになるだろう。

以下の図面には例示的な構成が示され、同様の数字は同様の部分または特徴について関連する。図面のいずれも実寸ではない。

図１は本発明の太陽光エネルギー変換装置の１つの構成の斜視図である。

図２は本発明の太陽光エネルギー変換装置の１つの異なる構成の斜視図である。

図３は図１および２に記載されたものとは異なるシャフトに放射羽根を固定するための接続アセンブリの一部を取り去った側面図である。

図４は本発明の太陽光エネルギー変換装置の１つの異なる構成の上方からの斜視図である。

図５は、図４に示された装置を使うアセンブリの下方からの斜視図である。

図６は図５のアセンブリの上方からの斜視図である。

図７は発電機、スタンド、および任意の防護カバーに関連する、図１の装置が示されているアセンブリの別の構成の斜視図である。

図８は、図７のアセンブリの、一部の部品を取り去った拡大側面図である。

図９は、図７のアセンブリの、一部の部品を取り去った上方向からの拡大図である。

図１０は最終用途環境の例で表現されたアセンブリの別の構成の上方からの斜視図である。

例示的実施態様の詳細な説明
ＰＶ電池の回転変換によって提供される増大した効率について説明して、例示するために以下の記載が提供される。それは例示的な構成および操作方法について説明する。特許請求の範囲は排他的な権利が請求される発明を定義し、以下に説明される特定の実施例に制限されることを意図しない。

図１、２および４で表現されるのは、一般に、シャフト１２と複数の外側に広がる羽根１４を含む太陽光エネルギー変換装置１０である。これらのバージョンでは、各羽根１４はシャフト１２から放射状に広がるが、他の配置、例えば半径方向に正接した、または平行な配置も可能である。これらのバージョンに表現されるように、シャフト１２は、一般的に地面または他の接地面に対して垂直に配置される。

シャフト１２は、中実の断面を通常有する必要はなく、少なくとも部分的に中空であることができる。シャフト１２はさまざまな材料から作られることができ、たとえば鉄、銅、アルミ、およびチタンなどの金属；ステンレス、青銅、真鍮などの合金類；炭素繊維複合材料；およびさまざまな任意のプラスチックまたはセラミックからつくられることができる。

装置１０で使うことができる羽根の数は広範囲であることができ、一般に、最低限２個から数ダースまでである。図に示された装置１０のそれぞれの構成は偶数の羽根を使っているが、奇数の羽根の使用も想定される。図１においてはそれぞれの羽根１４は階段状の形状で示される。ほぼ正方形（上半分）と長方形（下半分）の構成が図２に示され、方形構造が図４に示される。様々な図に表現された羽根の幾何学は、例示であり何らの制限を加えるものではない。以下の図７に関して議論するように、装置１０が防護カバーを備えたアセンブリにおいて使用されるために設計されているとき、例えば、曲がっているか、または不規則な多角形形状を有する羽根は、ＰＶ電池、モジュールまたは配列の取り付けに利用可能な表面積を最大にすることができる。

それぞれの羽根１４は一般に平面である主表面を有し、図１および２におけるようにシャフト１２の縦軸に平行に配置され（垂直に配置されると表現される）、また図４におけるようにシャフト１２の縦軸に垂直ではなく、幾分斜めに角度を有して配置される。

図に示された羽根のいずれもシャフト１２に物理的に接触しない。図１では、それぞれの羽根１４はトップブラケット１５とボトムブラケット１６に提供された相補的なスロットに取り付けられている。図２では、それぞれがトップブラケット１５またはボトムブラケット１６、および中間ブラケット１７に提供された相補的なスロットに取り付けられ、並びに図３では任意の垂直な支持体１９にも取り付けられる。図４では、装置１０は異なる取り付け機構を採用する。それぞれの羽根１４は対応するブラケット１１（図５および６に見られる）に取り付けられる。ブラケット１１はラジアルアーム２０の遠位端に配置され、それぞれのラジアルアームはシャフト１２の方向に伸び、それに取り付けられる。図１および２で表現された構成では、固定具１３によってトップブラケット１５をシャフト１２に固定できる。固定具の非限定的な例はロック座金である。

上記の構成は例示であり、何らの制限を加えることを意図していない。例えば、図３は羽根１４がさまざまな希望の角度の任意の角度で設定されることを許容する代替の締着構成について表現する。図３では、ＰＶ電池２１を備えたただ１個の羽根１４だけが示されている。他の、そして、同様の羽根は明瞭化のため省略された。羽根１４はブラケット２７内に固定されており、シャフト１２に本質的に平行なものとして記載されている。固定は摩擦、接着剤、調節可能な締め付け器具（図示せず）、または多くの他の手段により行うことができる。ついで、ロッド２５を介してブラケット２７は、シャフト１２に接続される。六角ナット２３ａおよび２３ｂは、任意の輪状の座金２２ａおよび２２ｂによって、それぞれシャフト１２とブラケット２７から離れて示される。ブラケット２７（従って、羽根１４）は、六角ナット２３ｂをゆるめ、ブラケット２７（従って、羽根１４）を所望の角度に回転し、次いで六角ナット２３ｂを再度しめることにより垂直平面から離れて回転させることができる。

それぞれの図は別々の羽根が単一のシャフトに取り付けられる構成について表現する。羽根と対応するシャフトの部分（たとえば使用される羽根の数がｎの場合に３６０／ｎに等しい弧に対応する部分）とがあらかじめ作られて予備的に組み立てられている構成（例えば、スナップまたはスライド継手による）によりシャフトを構成することも企図される。

それぞれの羽根は１４ａと１４ｂとして特定された、２つの主表面を含んでいる。望ましくは、それぞれの主表面はＰＶ電池２１の配列を有し、これは図３および４に示された実施態様に示されているが、装置の他の要素の簡単さと明瞭さのために他の図では省略された。それぞれの主表面の大部分（例えば、少なくとも５０％、少なくとも７５％、または少なくとも８０％）の上にＰＶ電池を配置できる。この特徴は必須でないが、それぞれの羽根１４はＰＶ電池の１種以上のモジュールを通常有する。

それぞれの羽根のサイズ（すなわち、主表面の１４ａおよび１４ｂの面積）は特に制限されない。特定の最終用途によって、このサイズは数平方センチメートルから数平方メートルまで及ぶことができる。特殊用途に必要なパワーの大きさは、通常あらかじめ知られているので、この情報は使われた特定のＰＶ電池の効率評価と組み合わせて、必要な電流の量、ついで必要な羽根の総量を決定できる。

ＰＶ電池のさまざまなタイプと構造を使用することができる。ただし柔軟な片またはフィルムの形で提供されることができるものは、それらの軽荷重量のため有利であることがわかった。ＰＶ電池と配列の商業的供給者としては、ＢＰ Ｓｏｌａｒ ＵＳＡ（フレディリック、メリーランド））および ＩＯＷＡ Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ Ｉｎｃ．（エームズ、アイオワ）があげられる。より高い効率が望ましい場合には、シリコン型以外の半導体が好ましい。これらのいくつかは光子に加えてＩＲ、近ＩＲ、ＵＶ、および他のタイプの太陽光由来エネルギーで活性化できる。高能率的なＰＶ電池と配列の供給者としてはＥｍｃｏｒｅ Ｃｏｒｐ．（アルバカーキ、ニューメキシコ）およびＳｐｅｃｔｒｏｌａｂ， Ｉｎｃ．（シルマー、カリフォルニア）があげられる。

典型的には任意のさまざまなプラスチックなどの軽量材料から羽根１４を提供することができるが、他の材料も使用できる。いくつかの実施態様では、装置の総合的な反射の減少または非発電性の吸収の減少のために羽根１４を１種以上の光学的に透明な材料、例えば、ポリカーボネート、ＰＭＭＡなどから提供できる。その結果、シャフト１２が回転するのに従って、羽根１４の軌道の経路におけるすべての点においてＰＶ電池に達することができる光子の数が増加される。必要でないが、光学的に透明な材料からシャフトおよび／またはブラケットも作ることができる。図１−３の実施態様で使われたブラケットが、光学的に透明であるかどうかにかかわらず、電気的に伝導でなく、比較的小さい熱膨張係数を持っている材料（作動の間、羽根１４との安全な係合を確実にするのを助けることができる）からそれらが提供されることは好ましい。

ＰＶ電池、モジュールまたは配列は羽根にさまざまな方法で一体化されることができるが、光学的に透明な接着剤（ホットメルト、空気硬化可能接着剤、ＰＳＡなど）は、比較的簡単で有効である。あるいはまた、それぞれの羽根は一群の構成要素として提供することができ、それらのいくつかは所定のサイズおよび／または構成のＰＶ電池および、他のＰＶ電池を固定するように設計された相補的な要素を受容するように適合されて機械加工されまたは形成され、最初のタイプの構成要素と（任意にスナップで）係合される。別のそのようなオプションは、ＰＶ電池を背面同士で配置して共通基盤を共有するように、機械的または接着剤でしっかりと固定される２枚以上の薄板を含む。

１種以上の一体とされた配列を含む羽根も想定される。

図に示された装置とアセンブリの構成において、単一の羽根の上のＰＶ電池同士、および羽根同士の間の電気接続は、装置とアセンブリの他の要素がより明確に表されるために省略された。直列または並列接続のどちらかを使用して、モジュールを形成するためにＰＶ電池を接続し、直列または並列接続のどちらかで複数の羽根を接続することは、どちらも当業者が容易にできることであるので、これらの接続について説明は簡潔化のために省略される。

図面および上記の説明に示された中央のシャフトの構成に加えて、当業者はＰＶ電池、モジュールまたは配列が回転並進運動を、完全又は部分的に許容する方法を容易に想到することができる。非限定的な例としては、回転するドーム、ドラムまたは膨張性の支持体；往復するパドルまたは他の支持体（任意のさまざまな機械的または電気的機構により駆動でき、弧の上を３６０°未満で移動できる）；トラックの上の回路を横断する支持体；および回転するベルトまたはトラックを含むものがあげられる。さらに、これらの１つ以上の代替手段または２つ以上の代替手段は、組み合わせて使用されて、図に例示された中央のシャフトデザインと組み合わせて使用できる場合がある。

図４（図６でも見える）を参照すると、それぞれのラジアル・アーム２０は、シャフト１２を含む単一のアセンブリの一部である。図４に示されていた装置１０のバージョンが中央のシャフトに取り付けられたラジアル・アームを含んでいるので、図５と６に示されているような単一のアセンブリ１００の一部としてそれは通常提供される。逆に、図１および２に示される装置１０の構成（並びに図３に示された取り付けアレンジメントを使用したもの、および図１０のアセンブリに使用されたもの）は、図７に示されたような単一のアセンブリの一部として提供されることもでき、個々の構成要素部品の出荷を可能とし、また組み立てられる前に意図された用途のために部分的に組み立てられ、そのようなアセンブリを形成するために任意の他の構成要素と接続されることを可能にする。

図５〜７には、上で説明されたような典型的にはハウジング１０２によって通常保護される発電機１０１（図７で部分的に示す）との電磁連絡を有する太陽光エネルギー変換装置を含む発電アセンブリ１００を示す。以下でさらに詳細に、発電機１０１（または、モーター）と装置１０が接続され、電磁的に連絡する方法を説明する。

しばしばダイナモと呼ばれる発電機は、運動（本発明の場合には整流子に取り付けられた軸の回転運動）を、界磁石の近くにおける電磁石の運動を介して電流に変換する。ダイナモの構成要素、配置、および内部の操作は、当業者にとってなじみ深く、ここでは従って詳細に説明しない。

図５〜７に示されたアセンブリ１００の構成は、シャフト１２の回転運動を使い、次いで発電機１０１を作動し電流を提供する。シャフト１２が回転する速度は特に制限されないが、数１，０００ｒｐｍの速度が可能である。通常、操作上の回転速度は５から約５０００ｒｐｍ、より典型的には約１０から約１０００ｒｐｍ、一般的には約２０から約７５０ｒｐｍ、およびより一般的には約３０から約５００ｒｐｍまでである。

アセンブリ１００にはさまざまな発電機モデルを使用できる。そして具体的なアセンブリについての具体的なタイプとモデルは、電気出力のタイプ（ＡＣまたはＤＣ）と望ましいアンペア数に基づいて選ぶことができる。さまざまなブラシおよびブラシレス発電機の供給者の例は、Ｍｉｎｎｅｓｏｔａ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｉｎｃ．（マンケイト、ミネソタ）である。

同様の構造であるが、本質的には反対の操作のアセンブリを提供するために、発電機１０１をモーターで置換できる。電流は、界磁石と共に、整流子が取り付けられた軸の回転運動をもたらす電磁石を作るために使用される。この電流は外部線源または、接続ワイヤ６０を通して装置からモーターに流れて通電される羽根１４におけるＰＶ電池の直流出力から得られる。軸の回転は、軸と動作上の連絡関係（たとえばプーリー、ベルト、ギアなどの機械的連絡関係又は磁力的な連絡関係）にある装置のシャフト１２とそれに取り付けられた羽根の回転を引き起こす。この回転の速度は特に制限されないが、適切であると上に詳しく説明された回転の速度範囲である。

これらの羽根の回転は先に言及された回転して変換されるＰＶ電池の向上した効率を達成する１つの方法である。アセンブリ１００は軸の周囲を回転する変換を提供し、典型的な運転では、この軸は地表面に垂直である。この回転は軸の周りで一般的に３６０°のアークを有するが、軸の周りの往復、半球状の動きも適切なモーターの選択により可能である。

モーターについての追加の詳細について、米国特許番号３，４５０，９０７、３，７６０，２０９、４，４１４，４８１、４，８２０，９４８、および５，３３４，８９７、並びにこれらを引用する最近の特許文献が参考とされる。アセンブリ１００で使うことができるモーターのタイプの非限定的な例としては、ホイールハブモーターおよびスピンドルモータ（たとえばコンピュータのハードディスクプラッタを回転させるのに使用されるものなど）があげられる。

図７でのアセンブリ１００の構成は、発電機１０１（または、モーター）と電磁連絡を有する図１に示された太陽エネルギー変換装置を含み、該装置は任意の脚５０でサポートされベース３０の上に置かれた任意の防護カバー４０によって形成された部屋によって保護されている。このアレンジメントは、アセンブリ１００が雪、落ち葉、および同様のものの堆積に暴露される条件下で使用される場合に追加の利益を提供できる。

どちらの特徴も必要でないが、ベース３０は不透明で実質的に平坦であるものとして図７に示されている。幾分くぼんでいるか、および／または反射性物質でベース３０を提供すると、太陽光エネルギー変換装置の増加した効率がもたらされる場合がある。ベース３０を金属箔、金属化フィルムなどから提供された層を最上層に有するラミネート、または金属から形成することにより、反射性が提供されることができる。さまざまな成形またはスタンピングの技術および後生成操作のいずれによってもくぼみを提供できる。

防護カバー４０が採用される場合には、ベースの上に置かれるように設計されることができ、一般にベース３０の周縁が防護カバー４０の周縁を超えるようにされる。防護カバー４０は丸いかまたは半球として示されるが、これらは例示に過ぎない。しばしば防護カバー４０は光学的に透明な材料からのみ作られるが、拡大、焦点化、変更（たとえば位相シフト）などのために、レンズ、多層膜、コーティング、フィルタなどを含むことができる。

防護カバー４０を、ベース３０上の装置１０の上に適用することによって、保護部屋を形成できる。太陽エネルギー変換装置１０がその内部で運転される部屋の圧力を減圧にすることができる。すなわち少なくとも部分的な真空を部屋の内部に作ることができる。羽根１４が遭遇する空気抵抗を抑えると、装置の回転の効率は好ましい影響を受ける場合がある。保護部屋の排気を実行する１つの方法は、ベース３０内に真空配管を取り付けることができる真空接続継手（図示せず）を提供し、部屋から空気の所望の量を除去することである。

図７からのアセンブリ１００は組み立てられた形式で提供されず、エンドユーザがそれを組み立てることができる。発電機１０１のシャフト、ロッドまたは軸（図示せず）またはハウジング１０２を通って伸びるモーターが、底部ブラケット１６およびベース３０を通して挿入されたシャフト１２と係合することができる。羽根１４はブラケット１５と１６と係合することができて、固定具１３は、上側のブラケット１５の上に適用されて、シャフト１２と係合する。

あるいはまた、発電機１０１（または、モーター）の一部としてシャフト１２を提供できる。装置および発電機に伴う相補的な部品が組み立てられ、作動の間係合していなければならないことを避けることができる。

図８−９を参照して太陽エネルギー変換装置１０と発電機１０１（または、モーター）との電磁連絡について説明する。図８および９は装置１０と発電機１０１との間の例示的な電磁接続と、装置１０を使用できる環境の非制限的な例を当業者に提供する。

それぞれの羽根１４（個別または羽根相互の電気接続（例えば、配線）を介する集合的な羽根）は、１種以上の接続ワイヤ６０を通して電気的に発電機１０１に接続される。１種以上の羽根の上のＰＶ電池、モジュールまたは配列が入射光子を電気的に変換するので、電流はＰＶ電池（示されていない半導体接触による）からそれぞれの電気的に接続点１０３を介して発電機１０１と電気的に接続する接続ワイヤに流れる；次いで、電気的に発電機１０１のそれらの部分と接続し、接極子要素を動かし、および／または界成分内で磁気を作成して、それにより発電機軸またはシャフト（ローター）、および装置のシャフト１２の回転が引き起こされる。上記に簡潔にまとめられるように、磁場を通る回転は電流を製造し、アセンブリ１００から遠くに伝えて、使用されるか、または蓄電できる。ＡＣまたはＤＣのどちらかは発電機の具体的な構成と操作（例えば、整流器が含まれているか否か）に依存する。そのような発電機の電気出力はよく理解されて、あらかじめ計算しやすくて、規制しやすい。

図８−９に、発電機１０１の部分であって、ベース３０で定義される平面よりも上で、下部ブランケット１６よりも低い部分が示される。これは図７にも示されるが、シャフト１２に沿って羽根１４、上側のブラケット１５、および固定具１３が図８では取り除かれている。ベース３０（図５〜７で見られたハウジング１０２の中）の平面より下の発電機１０１の部分の構造と操作は、上記のように当業者にはよく知られているので本明細書には記載されない。

図８および９に見られる発電機１０１の要素も同様に当業者によく知られているが、装置１０が運転される環境がより容易に想到できるように、ここで要約して説明する。発電機エンドベル１０４は、ベース３０の中の開口に適合し、および／または係合し、取り付けねじ１０６は、発電機１０１が装置１０に固定されたままで保持されていることを確実にする。当業者はこれらの要素を係合し、固定するための他のいくつかの技術を想到することができる。

発電機軸１０８は図９では、ベース３０の平面よりわずかに上に広がっている。先に示唆したように、他の構成も可能である。例えば、シャフト１２は、発電機１０１の内部に伸び、その一部として機能するか、または逆に軸１０８はさらに伸びて、装置１０のためのシャフトとしても作用できる。

図８および９に示された特定の発電機では、ベース３０の上の平面に伸びる部分が、電気変換と送電要素を含んで、具体的には、ブラシユニットハウジング１１０および１２０、ブラシ１１２および１２２（他の材料も使用できるが、通常はカーボンブラシである）、典型的には絶縁電線として提供されるブラシシャント１１４および１２４、ブラシシャントラグ１１６および１２６、発電機パワー端末１１８および１２８、および発電機端末スタッドナット１１９および１２９を含む。ブラシシャント１１４および１２４は、それぞれ発電機パワー端末１１８および１２８に接続され、それぞれスタッドナット１１９および１２９によって固定される。図８および９に示された発電機はブラシタイプモデルであり、ブラシレスタイプの整流器を使用できる。

パワー端末１１８および１２８から電気的に駆動される装置、バッテリーまたはＡＣの場合における送電網までの電流の送電は、広範な公知の接続および技術により達成できる。

図５〜７に示されたアセンブリにおいて発電機をモーターを置換するなら、電気接続がわずかに変更されるだけである。装置の通電されたＰＶ電池で発生する少量の電流は、望ましい速度での回転を開始して、維持するためにモーターを向けられて、動かすことができる。（モーターがパワー、例えば電流を別のソースから受ける場合には、太陽エネルギー変換装置はモーターと電気接続する必要はない。）ＰＶ電池で発生する電流の大部分は、アセンブリ１００から遠くへ導くことができ、たとえば、非制限的な例として電気接続はシャフト１２内または（シャフトが中空な場合には）シャフトを通って導かれることができ、または羽根の弧の上および下のさまざまなポイントの任意の場所の摩擦的（ブラシまたはブラシレス）接続により導くことができる。アセンブリ１００からの直流出力は、電気的に駆動される装置の駆動、バッテリーまたは他の蓄電装置を充電するために運ばれるか、またはインバージョンの後に、任意の必要なまたは特定の電圧で送電網に送ることができる。有利に、図１０（以下に議論する）に関して最も容易に想到されるように、後者のオプションが、遠隔の発電箇所と使用場所との間の高電圧送電線に関係なく、使用される場所の近くで提供することができる。

再び図７を参照すると、アセンブリ１００は、さまざまな環境で使用することができ、さまざまな物体に取り付け又は固定することができるようなサイズと構成にされる。任意の脚５０の有無にかかわらず、アセンブリはビルまたはビルに隣接した屋根の上に配置されて、発電することができる。好都合には、アセンブリがＡＣ電気出力のために構成される場合には、インバータの必要なしで直接電気を使用できる。アセンブリ１００の効率およびサイズに応じて、１または複数のアセンブリからビルの全体の要求電力を提供できる。そして、必要な量より多くの電気を提供する場合には、過剰分を直接送電網に供給することができる。

例えば、モーター駆動の乗り物に使用されるためにアセンブリ１００が構成できる。乗り物は全体または一部がＤＣ電力で走るように構成することができ、アセンブリはＤＣ電気出力のために構成できる。一方、アセンブリ１００のサイズおよび効率に応じて、アセンブリから乗り物の全体の要求電力を提供できる。車のバッテリーを充電または再充電するために過剰の電気を使用できる。

上記の２つの用途は、例示に過ぎず、何らの制限を加えるものではない。当業者は他のさまざまな可能な環境に用途を広げることができる。

図１０でのアセンブリ１００の構成は、モーター（モーターカバー７０で隠されている）との電磁連絡を有する太陽エネルギー変換装置の別の構成を含んでいる。ここでは装置は輪状のフレーム１６０に係合する防護カバー４０によって形成された部屋によって保護されている。この構成は２つの本質的に半球である防護カバーを含んでいる。当業者は、太陽光エネルギー変換装置の全体を覆う単一のカバーが、サポートの上に置かれ、それによりフレームの必要性を排除できることが想到できる。

モーターは、太陽エネルギー変換装置のシャフト１２と操作可能に係合し、シャフト１２を回す。太陽エネルギー変換装置の他の構成では、シャフト１２の回転は１秒あたり数分の１回転から数回転と広範に変化しうる。ほとんどのタイプのモーターは回転速度を変え、その結果シャフト速度のリアルタイムの変化を可能にする。

シャフト１２の回転はそれぞれの羽根１４を回転させ、次いでその上又はその内部に位置するＰＶ電池（上で説明した理由により図示せず）がアークを通過する。それぞれの羽根１４は、上で図３に関して説明したものと同様にシャフト１２に取り付けられる。具体的には、接続アセンブリ２６（図３に関して示されたスペーサおよび六角ナットなどの要素を使うことができる）を介してリンクされたブラケット２７を通して取り付けられる。羽根の上のＰＶ電池、モジュールまたは配列、並びに羽根の内部および羽根の間の接続は、装置とアセンブリの他の要素が、より明確に提示されるために省略された。これらの示されていない要素の取り付けと接続は、先に説明された方法と同様にして達成できる。

アセンブリ１００のモーターはアセンブリ１００内または外の他の位置にあることもできる。羽根１４の上のＰＶ電池、モジュールまたは配列から得られた電流で動かすことができ、また別個の自己充足的なソース（例えば、二次電池）または垂直な支持１３０からの別のラインからの電流で動かすことができる。さらに、１個以上のモーターを使うことができ、またそのような場合、同期調整装置または同期調整機構を通常使うことができる。

示されているように、アセンブリ１００は、Ｃ−ブラケット１４０の水平な腕の下または上に支持される。アセンブリ１００は多くの機構の任意のものによりこの形式の支持に接続できる。図１０に示された特定の構成では、Ｃ−ブラケット１４０の上部または下部アームのどちらかをモーター（図示されていない）を取り付けるのに使用できる。また、モーターと垂直な支持体１３０との間に任意の電気接続を提供することができる。多くの機械的技術または接着剤による技術のいずれによっても、垂直な支持体１３０（例えば電柱）にブラケット１４０を取り付けることができる。

ブラケットに加えて、アセンブリ１００は、一部が図示されていない垂直な支持体１３０に任意の導管１５０を通して接続できる。アセンブリ１００と、垂直な支持体１３０に取り付けられたユーティリティ要素（示されていない）との間の電磁連絡は、ブラケット１４０内またはブラケット上の配線を介して達成できる。任意の配管１５０がユーティリティ要素からモーター（アセンブリ１００からのいくらかの電流がそのために転用されない場合）、またはアセンブリ１００から１種以上のユーティリティ要素（例えば、トランス、ワイヤなど）までの電流流れの追加保護のために提供できる。任意の配管１５０はインバータの配置のために便利な位置を提供できる。ただし多くのそのような装置はアセンブリ１００の内部、ブラケット１４０の上、または垂直な支持体１３０上のどこかに配置することができるほど十分に小さい。

電柱などの垂直な支持体に取り付けられる能力を保持しつつ、さまざまな電流または電圧の必要条件を満たすためにアセンブリ１００の大きさを決定できる。垂直な支持体１３０が電柱であるときに、図１０に表現されたもののようなアセンブリは、非常に使用場所に近くでＡＣ発電（インバージョンを介して）を可能にする。言い換えれば、他の電柱につながる電力線のサポートとして機能することに加えて、多くの電柱で電力線は１種以上の近くのビルに延びる。送電損失が最小にされるので、使用場所の近くの電柱で電気を起こすことができるのは非常に望ましい。ＡＣを作成するためにインバータにＤＣを通すことによって被るすべての効率損失は軽い。

遠隔地からアセンブリ１００の運転を通常モニターできる。電気的出力は、有線又は無線の接続を介して測定し、モニター地点または施設に報告できる。負荷需要を考慮して、効率などを向上するために運転パラメータを調整できる。モニタリングは電気ユーティリティ、顧客または両方へり請求書の作成に役に立つデータを提供することができる。

直流出力を発生させつつ、回転して弧の上を移動させる１以上の支持体の上に配置されたＰＶ電池、モジュールまたは配列からの太陽光由来エネルギーから電気出力を発生するために、上記の装置、アセンブリおよび代替装置を使用できる。アークは、少なくとも１５°、少なくとも３０°、少なくとも４５°、少なくとも６０°、少なくとも７５°、少なくとも９０°、少なくとも１０５°、少なくとも１２０°、少なくとも１３５°、少なくとも１５０°、少なくとも１６５°、少なくとも１８０°、または少なくとも１８０°と３６０°の間の対応する余角になるだろう。それらが完全な円の形で移動されない場合、ＰＶ電池、モジュールまたは配列はいくつかのタイプの往復運動を典型的には含む。

以下の表は適当な部品と材料を定義するために使用される用語をリスト形式で要約したものである。
表ｌ：
１０：太陽光エネルギー変換装置
１２：シャフト
１３：固定具
１４：羽根
１５：トップブラケット
１６：ボトムブラケット
１７：中間ブラケット
１９：垂直な支持体
２０：ラジアルアーム
２１：ＰＶ電池
２２：座金
２３：六角ナット
２５：ロッド
２６：接続アセンブリ
２７：ブラケット
３０：ベース
４０：防護カバー
５０：脚
６０：ソーラーパネル接続ワイヤ
７０：モーターカバー
１００：発電機アセンブリ
１０１：発電機
１０２：発電機ハウジング
１０３：接続ワイヤ接続点
１０４：エンドベル
１０６：取り付けねじ
１０８：軸
１１０：ブラシユニットハウジング
１１２：ブラシ
１１４：ブラシシャント
１１６：ブラシシャントラグ
１１８：発電機パワー端末
１１９：発電機端末スタッドナット
１２０：ブラシユニットハウジング
１２２：ブラシ
１２４：ブラシシャント
１２６：ブラシシャントラグ
１２８：発電機パワー端末
１２９：発電機端末スタッドナット
１３０：垂直な支持体
１４０：ブラケット
１５０：導管
１６０：輪状のフレーム

上記の説明は簡潔さの、明確性、および理解の容易さのためにある用語と句を使った。そのような用語は記述のために使用され、広く解釈できることを意図するので、どんな不要な制限もそこからは意図されない。

上記の構成および方法は例示のためにのみ提示された。
記載された構成および方法のある特徴は、そのような構成および方法の１つまたはいくつかについて説明されたが、それらの構造または使用が付加的用途への適合が不可能でない場合には、それらが他の構成または方法において有用であるとみなすべきである。また、単独で説明した特徴の組み合わせも想定される。

Claims (20)

1. 太陽光由来エネルギーの電気への変換に有用な装置であって、中央の垂直に配置されたシャフトと複数の外側に広がる羽根を含み、該羽根の少なくともいくつかはそれらの主表面の少なくとも１つの上またはそれに沿って、１以上の光起電力電池、モジュールまたは配列を含む、装置。
2. 前記羽根のそれぞれが、それらの主表面の少なくとも１つの上またはそれに沿って、１以上の光起電力電池、モジュールまたは配列を含む、請求項１記載の装置。
3. 前記羽根のそれぞれが、それらの主表面の両方の上またはそれに沿って、１以上の光起電力電池、モジュールまたは配列を含む、請求項２記載の装置。
4. 前記羽根の少なくともいくつかが、それらの主表面の両方の上またはそれに沿って、１以上の光起電力電池、モジュールまたは配列を含む、請求項１記載の装置。
5. 前記羽根が前記シャフトの縦軸へ垂直に配置される、請求項１記載の装置。
6. 前記シャフトが前記複数の羽根の少なくとも１つに係合するブラケットの少なくとも１つに操作可能に接続される、請求項１記載の装置。
7. 前記ブラケットが環状であり、前記複数の羽根のそれぞれに係合する、請求項６記載の装置。
8. 前記ブラケットの少なくとも１つのそれぞれが、前記シャフトの縦軸へ垂直に配置され、前記複数の羽根の１つと係合される、請求項６記載の装置。
9. 発電機をさらに含み、該発電機が前記装置と電磁連絡を有し、前記装置により駆動される、請求項１から８のいずれか１項記載の装置。
10. モーターをさらに含み、該モーターが該シャフトと作動可能に係合され、該シャフトを回転する、請求項１から８のいずれか１項記載の装置。
11. さらに防護カバーを含む、請求項１０記載の装置。
12. さらにベースを含み、該ベースおよび防護カバーは作動可能に係合され、保護部屋を提供する、請求項１１記載の装置。
13. 前記シャフトが、それを通る通路を有する、請求項１記載の装置。
14. 前記通路を通って配置された１以上のワイヤをさらに含み、該ワイヤは前記光起電力電池、モジュールまたは配列によって製造された電流を該装置から離れて導くように作用する、請求項１３記載の装置。
15. 太陽光由来エネルギーを変換する方法であって、光起電力電池、モジュールまたは配列が支持体の上に配置され、該支持体は弧を通って回転して移動し、該光起電力電池、モジュールまたは配列がＤＣ電気出力を発生させる、方法。
16. 前記アークが少なくとも１８０°である、請求項１５記載の装置。
17. 前記支持体が回転可能なシャフトと作動可能に係合される羽根を備える、請求項１５または１６記載の装置。
18. 前記シャフトがモーターと作動可能に係合され、該モーターは該シャフトを回転移動することが可能である、請求項１７記載の装置。
19. 前記ＤＣ電気出力をＡＣ電気出力に変換する工程をさらに含む、請求項１８記載の装置。
20. 前記の回転移動と前記の変換する工程の両方が、ユーティリティシステム構成要素の２メーター以内で行なわれる、請求項１９記載の装置。

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