JP2012513102A - ソーラーエネルギー収集システム - Google Patents
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Abstract
【選択図】図1
Description
本発明は、本出願者により2008年12月3日に出願された米国仮特許出願整理番号第61/200,835号の利益を主張するものである。
*寸法的に十分に小さい集光素子の製造を経済的なものとし、係る素子のアレイをパネル状エンクロージャ内に構成し、
*最大限の集光率を可能とする極めて高い太陽追尾精度を提供することにより、光起電材料の必要量を最小限にし、
*アレイ素子間の空間に対する光の損失を最小限にすることにより、集中型光学システムの開口効率を最大限にし、かつ
*素子の取り外しおよび再設置を簡単で平易なものとすることにより、極めて高い動作上の堅牢性を提供し、維持および保守を容易にする。
図1は、単一のエネルギー収集素子を示し、図2は、パネルに設置された、いくつかの係る素子を示し、図3は、60個の素子の完全な適合を含むパネルを示す。
エネルギー収集素子は、エネルギー収集素子を受容するよう設計されたパネル状のエンクロージャ内に設置されるよう設計されている。図2は、最初に素子のベースユニットを設置し、次いで素子の位置決めユニットおよび捕捉ユニットを設置するという2段階プロセスにより、複数の素子が設置されるエンクロージャのベース部分を示す。
本発明は、同一のエネルギー収集素子の密接充填アレイを備えるエネルギー捕捉システムについて説明する。なお、このシステムにおいては、(複数の)素子は、各素子が個別に動いても相互に衝突する可能性が無く、各素子の光軸がアレイの法線軸と一致する場合、面を本質的にタイル状に埋め尽くす。したがって、本発明は、同時に以下の2つの重要な目的を達成する。すなわち、本発明は、エネルギー収集素子間に入る光線の部分が入射光全体のうちのごくわずかな割合となるように最小化することにより、2軸系追尾素子アレイの開口効率を最大限にし、各素子の動きを同期する必要なしに、および各素子の運動範囲を制限する必要なしに、素子の衝突回避を確実なものとする。本発明は、1つには、平面タイル形状の生成方法を提供することにより、以上の目的を達成する。なお、この平面タイル形状は、例えば本発明に係る角度位置決め器により提供されるような、2つの直交回転軸を中心として運動する際に掃過する体積の面上への各投影が、その形状と一致するような平面タイル形状である。
・Xd:各列内における形状と形状との間の変位
・Yd:列と列との間の変位
・Rm、Xm:形状の境界となる端部の距離
という4つの独立変数を定義することから始まる。
図5A 100 86.6 0.5 − 100
図5B 100 86.6 0.5 0.5 111.8
2つの図面における素子の上向きプレートは、様々な設計のうちの任意のものとなる可能性があるエネルギー捕捉ユニットを表すが、その平坦面は、ユニットの対称軸および光軸(単数または複数)に対して垂直で、かつ素子の内側回転軸を含む平面である、その開口平面に位置するユニットの部分を表す。
図8は、第1実施形態に係る反射器を設計するために用いた方法を示す。反射器が2つの鏡面対称面を有するため、本方法においては、反射器の単一の四分割部の生成について説明するものとする。なお、この単一の四分割部をこれらの対称面に関して鏡映すると、反射器全体が作られる。図8Aは、共通焦点112を共有する1組の放物面区域、すなわち5つの放物面区域115、116、117、118、および119を示す。これらの放物面区域が、図6Bに示す捕捉器クリアランス体積の表面の1/4を表すシェル102により切り抜かれる。反射器は、放物面区域のうちの、クリアランス体積の内側に位置する部分のみを含むことができる。
2軸系角度位置決め器200は、2つの弓状スロット、すなわち凸状軌道190を摺動可能に装着する上方の弓状スロット204と、凹状軌道310を摺動可能に装着する下方の弓状スロット206とを備える。
図14は、16個の素子のみを示すよう簡略化された、図13に示すパネルの電気回路図である。図14において簡略化され点線四角形で示された素子の電気回路図が図15および図16に示される。
本項では、本発明に係る、さらなる3つの実施形態について説明する。これらの実施形態は、図1から図3および図8から図12に示す第1実施形態と、以下に記す本発明の基本的な特徴を共有する。
図18は、本発明の第2実施形態に係るエネルギー収集素子を示す。このエネルギー収集素子のエネルギー捕捉ユニットは、それぞれがそれぞれの開口セグメント、光軸、および発電用PVセルを有する5つのエネルギー捕捉部品を有する。図19は、第2実施形態に係るエネルギー捕捉ユニットの詳細を示す。
図20は、第3実施形態に係るエネルギー収集素子を示す。なお、このエネルギー収集素子のエネルギー捕捉ユニットは、複合レンズ710を用いて4つの発電用PVセル750に光を集中させる。図20Aは、組み立て状態にある収集素子を示し、図20Bは、分解された状態の同一素子を示す。
図22は、第4実施形態に係るエネルギー収集素子を示す。なお、このエネルギー収集素子のエネルギー捕捉ユニットは複合反射器を使用し、その4つの四分割部は、それぞれが、反射器の反対側の四半分のライザに埋め込まれたPVセルに平行光を集中させる。図23は、本実施形態に係るエネルギー捕捉器を法線軸から見た図、および捕捉器の3つの断面図を示す。
第2から第4の実施形態は、第1実施形態とは異なり、それぞれがエネルギー捕捉ユニットの対称軸から異なった方向に向かって変位している複数のエネルギー捕捉部品を有するという共通の特徴を有する。捕捉部品は捕捉ユニットの対称軸を中心として対称的に配列されているが、個々は非対称形であるため、およびその光学形状は、捕捉ユニットの軸が入射光の方向から逸脱していたとしてもPVセルが何らかの照度を受けるように構成されているため、PVセルは、入射光軸から捕捉ユニット軸までの変位の関数であるレベルの、少なくとも少量の電気を生成するであろう。発電用PVセルに加えて4つの方向検出PVセルを有する第1実施形態に係るエネルギー収集ユニットとは異なり、第2から第4の実施形態に係るエネルギー収集素子は、複数の発電用PVセルが発する出力に基づいて、入射光に対するエネルギー捕捉ユニットの指向に関する情報を取得し、専用の方向検出PVセルを省略する。
図15に示す電子機器を有する第1実施形態は、エネルギー捕捉ユニットの表面形状および極めて簡単な電気回路を用いて、平行光に対して整列するようエネルギー捕捉ユニットを動かす方法を実現する。この指向挙動が可能となるのは、対向するセンサ用PVセルの照度の差異の符号が、その対のPVセルにより制御される傾斜軸の回転面における、入射光の方向に対する捕捉器の光軸の角度の符号と一致するためである。
生産データセットの生成に伴うプロセスについて、以下の5つの空間に関連して説明する。なお、これら5つの空間は、図26および図27を参照して説明する。
x=sin(|g|)×cos(h)×(1−|h|/π)
y=sin(|h|)×cos(g)×(1−|g|/π)
z=sqrt(1−sqrt(x2+y2))
という式により上のように表現される。極座標系によって支配されるもの、および半球を平面に投影する他の投影法を使用するもの等、変位空間の他の可能な表現は多数存在する。図26Cの表現が選択された理由は、方眼線が半球を覆う密度がわずかにしか変化しないこと、および方眼線が、各点にデカルト座標が割り当てられる平面のコンパクトな領域に写像されることである。
運動空間、位置空間、および変位空間の間の関係は解析的あり、数学的厳密さをもって特性を表すことができる一方で、これらの空間を応答空間およびデルタ応答空間に写像する関数は、所与の実施形態に対しては、その実施形態に係る様々な例の光学部品およびPVセルの性能特性に支配されるであろう。本発明は、変位空間から応答空間への写像を表現するデータ構造を実験により生成し、そのデータに基づいて、応答空間から変位空間への逆写像を生成する、1組の方法を提供する。これらの方法は、広範囲の光学的設計を有するが個々のユニットはPV感度の光学的形状の変化が十分に小さいために同一のデータセットが1つ1つのユニットに対して堅牢な指向挙動を提供するような、実施形態に対して効果を現す。
データ処理手順は、中間データセットを検討して、生産データセットを生成する。なお、この生産データセットとは、応答空間の点を運動空間の点に写像する変位写像と呼ばれるデータ構造およびアクセス方法である。このデータ構造の好適な形態は、応答空間の、1組のセルへの分割であり、このセルは、それぞれが、変位空間における捕捉ユニットの実際の座標に近いかまたはその座標を含む可能性が高い光線変位空間における、ゼロまたは複数の点の座標または領域を含む。応答空間における点が与えられると、参照方法は、セルの位置を、与えられた点が含まれるその空間の分割において特定し、そのセルに記憶された変位空間の、ゼロまたは複数の点または領域を返す。
上述の実施形態に対するPV応答関数は、g軸およびh軸を対称軸とする鏡映対称を有するため、変位空間全体を含む写像を提供するアクセス方法と併せて、1つの象限のみを含むデータを用いることにより、関数を表すために要求されるデータを4重に減少させることが可能である。以下は、対称性を利用するデータ縮小方法を適用して、サンプルデータ配列の生成、および変位参照写像の生成と使用の両方を実行する応答関数折り畳みと呼ばれる方法の説明である。この方法について、第3実施形態および第4実施形態を参照して説明する。なお、第3実施形態および第4実施形態の両方は4つの捕捉部品を有するが、異なる対称性を有する。
D(r1,r2,r3,r4)=Df(r1,r2,r3,r4)∪Df(r3,r2,r1,r4)×(1,−1)∪Df(r3,r4,r1,r2)×(−1,−1)∪Df(r1,r4,r3,r2)×(−1,1)
D(r1,r2,r3,r4)=Df(r1,r2,r3,r4)∪Df(r3,r4,r1,r2)×(1,−1)∪Df(r4,r3,r2,r1)×(−1,−1)∪Df(r2,r1,r4,r3)×(−1,1)
と定義される。
図29にまとめられた指向アルゴリズムは、変位写像を用いて、変位空間における捕捉ユニットの位置を、ステートレスおよびステートフルという2つの異なる参照手順で推測する。なお、ステートレス手順においては、指向アルゴリズムは、全面的に捕捉ユニットの現在の応答値のみに依存し、ステートフル手順においては、指向アルゴリズムは、現在の応答値と、捕捉ユニットの最近の変位履歴に関する情報とを組み合わせる。各手順は、変位点の発見に成功するか、または、応答値が応答空間分割におけるNULL値セルのみを参照する場合のように失敗するか、のいずれかである。
上述した指向アルゴリズムは、応答空間から変位空間への写像を生成するので、変位空間指向アルゴリズムとよばれる。捕捉ユニットの角度位置は、変位およびデルタ応答値から推測され得るが、上述した歪曲履歴、変位参照写像等の状態情報は、変位データをPV応答データに写像する実験に基づく関数から逆写像を生成することに基づく。
上述したように、変位写像は、応答空間における特定の点が与えられたとき、変位空間における位置を推測するために用いられる。しかし、1つの実施形態に係る捕捉ユニットの形状は、捕捉ユニットの部分を覆う影が十分に予想可能な方法で応答値に影響するために、所与の光線変位に対する応答空間の点および遮光条件が与えられると、同一の近似的な変位に対する応答空間の遮光のない点が、応答空間分割の条件付きサーチにより特定されるというものである場合がある。
一般化された指向アルゴリズムは、エネルギー吸収素子の条件空間を、角度位置と光線変位空間の積として定義する。位置空間および変位空間は、それぞれが2つの次元を有するのに対して、条件空間は4つの次元、すなわち位置空間からuおよびvと、変位空間からgおよびhとを有する。条件空間は、gおよびhの符号に基づいて、4つの象限に分割される。
上述した方法は、PVセルの照度に関する情報を電気出力の形で提供する捕捉ユニットのPVセルに依存する。ここで、セルの出力の大きさは、セル上に当たる太陽光の量に比例する。捕捉ユニット内のPVセルの応答写像から、変位および条件逆参照写像を導き出すための上述の手順は、これらPVセルが、相互に対して本質的に同等な応答特性、およびテストベッドシステム内のPVセルに対して本質的に同等な応答特性を有することを仮定する。しかし、同等の仕様を有するように作製されたPVセルは、応答特性において著しい相違を有する場合がある。本発明は係る差異を補償するための手段を提供する。これらの手段は、各エネルギー収集素子のマイクロコントローラに、素子のPVセルのそれぞれに対する較正データを記録することからなり、係るデータは、変位写像または条件写像により用いられる前に、各PV出力データを正規化するために用いられる。
上述の記述は、エネルギー捕捉手段を平行光と整列するよう動かす一定の特性を有する、マイクロコントローラを装備する集中型ソーラーエネルギー収集装置をプログラムする方法を説明する。なお、これらの方法は、PV応答レベルを位置状態の関数として記述する実験生成サンプルデータを用いて、PV応答レベルからそれらの状態への逆写像を記述するデータを生成する。サンプルデータを生成するために使用される上述のテストベッドシステムは、生産システムにおけるエネルギー収集素子と同様のエネルギー収集素子を使用する、物理的装置である。しかし、PV応答データから変位情報および位置情報を推測するために、逆写像を生成および使用する同一の方法が使用される可能性がある。なお、この方法においては、サンプルデータは、シミュレーションが十分に現実的であって、有用なサンプルデータを生成するように実施形態の特性が与えられるならば、物理的テストベッドシステムの代わりに、コンピュータシミュレーションの手段により生成される。
上述の実施形態は、数平方マイクロメートルの面積の形状因子において40%に達しつつある太陽光−電気効率と、鉛筆の半分ほどの直径の高比率マイクロギヤモータと、メガバイト単位のデータを記憶できるマイクロコントローラと、手持ち式物体のサイズの精密光学部品のための大量製造方法とを有する、三重接合太陽電池等の既存の開発が完了した技術にかんがみ、本発明の好適な形態を示す。本発明に関連する、角度位置決め方法、互換性を有する密接充填ゼロ衝突光学形状生成方法、および素子ごとの追尾方法は上述の実施形態とは極めて異なって見える方法で適用されてもよい。
図38は、本発明の第5実施形態を示し、この第5実施形態は、反射光学部品および屈折光学部品を組み合わせるエネルギー捕捉ユニットを使用し、第5実施形態においては、エネルギー捕捉器および角度位置決めユニットはモジュールを形成し、その組み合わされた形状は、それらを受容するよう設計されたトレイ状基盤内のキャビティに入れ込まれる。
図39は、本発明の第6実施形態に係るエネルギー収集素子を示し、そのエネルギー捕捉ユニットは、千個を超す集中型マイクロ素子のマイクロアレイを備えるプレート状表面を有する。図面の下方は、1.0の細長比に基づく単一のエネルギー収集素子を示し、図面の上側右手部分における拡大されたブロックは、56個の光起電セルを有するマイクロアレイの1部分の拡大図を示す。
角度位置決めユニット(または、角度位置決め器、位置決め器):ベースおよび捕捉ユニットにおける直交弓形に対して自らを摺動させることにより、エネルギー捕捉ユニットを指向させる部品。
動作クリアランスプロファイル:角度位置決めユニットの動作により、エネルギー収集素子の捕捉ユニットおよび位置決めユニットの運動範囲にわたって、捕捉ユニットおよび位置決めユニットが動くときに、捕捉ユニットおよび位置決めユニットにより掃過される体積。
Claims (14)
- ベース構造において支持されるエネルギー収集素子の2次元アレイを備え、前記素子のそれぞれは、光集中型光学部品および光−電気変換手段を組み込むエネルギー捕捉ユニットと、前記捕捉ユニットが2つの実質的に直交する軸を中心として傾斜することを可能にする取付台と、前記軸のそれぞれを中心として傾斜を生じさせる手段とを備える、ソーラーエネルギー収集システムであって、
改善点は、前記素子のそれぞれの2軸系の装着機能および傾斜実行機能が、前記捕捉ユニットと一体である1つまたは複数の凸状弓形軌道に沿って、前記エネルギー捕捉ユニット自体を装着および移動させることにより、前記エネルギー捕捉ユニット自体に対して前記エネルギー捕捉ユニットを支持および位置決めし、かつ、前記ベース構造に対して固く取り付けられた凹状弓形軌道に沿って前記エネルギー捕捉ユニット自体を装着および移動させることにより、前記ベース構造に対して前記エネルギー捕捉ユニット自体を支持および位置決めする、コンパクトな角度位置決めユニットに組み合わされている点からなる、ソーラーエネルギー収集システム。 - 前記角度位置決めユニットは、前記捕捉ユニットの凸状軌道を摺動可能に装着する弓状スロットと、前記ベースユニットの凹状軌道を摺動可能に装着する、実質的に垂直な弓状スロットと、を含む、請求項1に記載のエネルギー収集素子。
- 前記角度位置決めユニットは、それぞれが前記軌道のうちの1つと係合し、前記位置決めユニットの前記軌道に沿った移動を制御する、1組のモータ駆動ローラまたはピニオンギアを含む、請求項1に記載のエネルギー収集素子。
- 前記モータは、前記素子のエネルギー捕捉ユニット内の外向きPVセルにより生成された電気により動力が供給される、請求項3に記載のエネルギー収集素子。
- 前記モータは、前記素子のエネルギー捕捉ユニット内のいくつかの発電用PVセルのそれぞれの応答レベルの多次元ベクトルの関数として、その特性が制御される電気により、動力が供給される、請求項3に記載のエネルギー収集素子。
- 前記角度位置決めユニットとベースに取り付けられた凹状弓形との間の相互関連により、簡単な手作業により、設置手順がまったく較正を含むこと無く、前記角度位置決めユニットを、前記凹状弓形から取り外すこと、および前記角度位置決めユニットを前記凹状弓形に再び装着することが可能である、請求項1に記載のエネルギー収集素子。
- 前記エネルギー捕捉ユニットにおける前記弓状軌道(単数または複数)の中心により画定される前記内側傾斜軸と、前記ベースにおける前記弓状軌道の中心により画定される前記外側傾斜軸とは、互いに対して垂直であり、互いに交差する、請求項1に記載のエネルギー収集素子。
- 前記ユニットの法線軸から見ると、前記ユニットの光学部品の開口に対応し、かつ小さいユニット間間隙を除いて、前記平面をcmm対称群のパターンでタイル状に埋め尽くし、かつ前記ユニットの傾斜軸を中心として前記角度位置決めユニットの制御下で動くと、前記ベースに対して垂直なその投影が、前記プロファイル形状の中に正確に位置する体積を掃過するプロファイルを有するよう、形作られ設計された、請求項7に記載のエネルギー捕捉ユニット。
- 前記エネルギー収集素子は、個別にいかなる動きをしたとしても、衝突し得ない、請求項1に記載のソーラーエネルギー収集システム。
- 前記ベース構造は、前記ソーラー収集素子を保護する透明な上面を有するエンクロージャの1部分である、請求項1に記載のソーラーエネルギー収集システム。
- 2軸系の取付台に支持された剛性のエネルギー捕捉ユニットにおいて、光起電セルと併せて、光集中型光学部品を使用するソーラーエネルギー収集素子であって、
改善点は、平行な光軸を有し、かつそれぞれが非対称な光学部品を有する、異なる捕捉部品へと前記捕捉ユニットを分化し、軸から外れた平行光に対する、前記捕捉部品のセルの応答のリアルタイムパターンに基づいて、指向動作を実行することにより、専用センサを用いることなく閉ループ太陽追尾を実装することからなる、ソーラーエネルギー収集素子。 - テストベッド環境において、エネルギー収集素子の挙動を測定することから導き出したデータは、指向動作が与えられたリアルタイムセル応答データを算出するための基準として使用される、請求項11に記載の素子。
- 集中型光学ユニットを作製する方法であって、その法線軸に対して平行な面において、その開口形状がそのプロファイル形状と一致し、それぞれが異なる開口および焦点距離を有するが、共通の光軸および焦点を共有する、複数の光学部品を組み合わせ、前記部品の開口は前記形状またはその区域をタイル状に埋め尽くすことにより、2軸系追尾式取付台により提供される傾斜の任意の組に対する、前記ユニットのベース面への投影もまたその形状内に位置する、方法。
- 前記光学部品は複数の放物面の断片を備え、前記断片は、グラフを、隣接する断片の端部を接続する前記光軸に対して平行なライザ面を有する前記ベース面上で形成し、前記グラフは、前記プロファイル曲線と、前記面から所定の最大距離内で接する、反射器の作製に使われる請求項13に記載の方法。
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