JP5145427B2 - 光追尾装置 - Google Patents
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Description
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
図4、5はこの様子を示している。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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 (14)
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。 - 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。
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