JP5563798B2 - 地上設置式太陽追尾型光電池アレイ - Google Patents

Description

本出願は、地上設置式太陽追尾型光電池アレイ、より特定的には、太陽電池モジュールを太陽の方向に整列状態に維持するために、第一及び第二直交軸に対して同時に移動可能な太陽電池モジュールを備えたモジュラーアレイに関する。

地上設置式太陽追尾型光電池アレイは、様々な用途に使用される。アレイは、特定の出力容量に対して設計されており、異なる容量に都合よく変更することができない。設定されるアレイの容量は、数キロワットといった比較的小さいものから、数百キロワットといった比較的大きいものまで異なるものとなる。アレイは、必要とされる電力容量を発生するのに十分な時間にわたり太陽に向くように、様々な位置に取り付けることができる。

光電池アレイは、一般的には、パネルの形をした１又はそれ以上の太陽電池モジュールを備えたフレームを含む。フレームは、太陽電池モジュールが太陽を向くように調整することができる。フレームは、電力容量を最大にするために、太陽電池モジュールが一日中太陽の方向に向き続けるように、その位置を調整することができる。

多くの現存する光電池アレイは、太陽電池モジュールを支持する大きなフレームを含む。フレームの大きさ及び必要な取り付けには、多大の費用がかかることが多い。最初に、フレームを大型トラック又は他の同様の装備によって取り付け位置に移動させる。フレームをトラックから持ち上げて適切な位置に設置するためには、クレーンその他同様の持ち上げ装置が必要である。この取り付け方法は、移動のための大きな労働力と、フレームを設置し、関連する太陽電池モジュールを取り付けるために必要な組立体が必要となることが多い。これら従来の設計は、フレーム及び太陽電池モジュールを取り付けるためには、一人又は僅かな人数ではできなかった。

これらの従来技術のフレームは、予め定められた数の太陽電池モジュールを取り付けるように形成されたものである。特定のアレイに対する需要に応えるために、太陽電池モジュールの数を変更することはできなかった。特に、取り付け中又は取り付け後に、予定以外の設計に変更する方法はなかった。

米国特許第７，３８１，８８６号公報

本出願は、地上設置式太陽追尾型光電池アレイに向けられる。アレイは、小さい労働力で取り付けを容易にするような大きさ及び重量とするモジュラー設計を含むことができる。アレイは、更に、必要とされる電力供給需要に適応させるために、取り付け中及び取り付け後に調整されるようにする。

地上設置式太陽追尾型光電池アレイは、個々の区分により形成することができる縦方向支持材を含む。アレイの全体の長さは、必要とされるアレイの大きさに応じて調整することができる。第一軸に対して第一方向及び第二方向に縦方向支持材を回転するように、モーターを設けることができる。太陽電池モジュールの各々は、縦方向支持材に沿って配置される長方形の箱を含むものとすることができ、この長方形の箱に、対応する受け材によって位置決めされる複数のレンズを備えるようにすることができる。リンク機構を太陽電池モジュールに連結することができ、このリンク機構が、さらに、縦方向支持材に沿って軸方向に移動して第一の平面と直交する第二の平面内で太陽電池モジュールを回転させ、日中に太陽を更に追尾するようにする。アレイは、該アレイの種々の要素の位置による重量配分及び／又は１又はそれ以上の平衡機構によって、第一軸周りの回転を助けるように形成することができる。

様々な実施形態の様々な態様を、望まれるように、単独で、又は適宜の組み合わせによって使用することができる。

一実施形態による地上設置式太陽追尾型光電池アレイの斜視図である。 一実施形態による縦方向支持材に連結された取り付け台及び太陽電池モジュールの斜視図である。 一実施形態による縦方向支持材に連結された取り付け台の斜視図である。 一実施形態による縦方向支持材に連結された１対の取り付け台の斜視図である。 一実施形態による縦方向支持材に連結された取り付け台及び太陽電池モジュールの斜視図である。 一実施形態による縦方向支持材に連結された基台の斜視図である。 一実施形態によるリンク機構及びピボット連結部の部分的斜視図である。 一実施形態によるリンク機構に連結された連結部の斜視図である。 一実施形態による縦方向支持材に連結された取り付け台及び縦方向支持材に作動的に連結されたモーターの部分的斜視図である。 一実施形態による地上設置式太陽追尾型光電池アレイの一部の正面図である。 一実施形態による縦方向支持材から外向きに延びる反バックラッシュ機構の側面図である。 一実施形態による縦方向支持材に作動的に連結された付勢部材の部分図である。 一実施形態による地上設置式太陽追尾型光電池アレイに作動的に連結された平衡機構の略端面図である。 一実施形態による第一方向における駆動トレインの歯車の側面図である。 一実施形態による第二方向における駆動トレインの歯車の側面図である。 一実施形態による太陽電池アレイモジュールの部分的に切り取った斜視図である。 高度及び方位角の相関関係として、地上での太陽の軌道を示したグラフである。

本出願は、地上設置式太陽追尾型光電池アレイに向けられる。図１は、全体が要素１００で示されるアレイの実施形態をしている。アレイ１００は、縦方向に延び、間隔を持つ配列で太陽電池モジュール２００を取り付けるように形成された細長いフレーム１１０を含む。フレーム１１０は、日中太陽の高度を同時に追尾するように、第一軸Ａに対して各々の太陽電池モジュール２００を回転させることができる。フレーム１１０は、実質的に軸Ａと垂直である軸Ｂに沿って各々の太陽電池モジュール２００を回転させ、日中太陽の方位角位置を追尾するようにすることができる。

フレーム１１０は、太陽の動きを追尾するように太陽電池モジュール２００を位置決めする。フレーム１１０は縦方向支持材１２０を含み、該縦方向支持材１２０は、間隔を持った垂直支持材１３０により、表面３００の上方に位置決めされる。一実施形態においては、縦方向支持材１２０は、単一の連続片である。特定の一実施形態においては、縦方向支持材１２０は、約４インチ（約１０ｃｍ）の直径を持つパイプで、約０．１６７インチ（約０．４２ｃｍ）の厚さである。パイプは、約１９２インチ（約４８８ｃｍ）の長さで、約１１０ポンド（約５０ｋｇ）の重さである。

別の実施形態においては、縦方向支持材１２０は、多数の別個の区分１２１から形成され、これら区分は、端部突合せ配列で互いに連結することができる。各々の区分１２１の長さ及び構成は、同じものとすることができるか又は異なるものとすることができる。一実施形態においては、各々の区分１２１は、１対又は多数の対の太陽電池アレイモジュール２００を取り付ける大きさである。モジュラー設計は、使用者が、必要な数の太陽電池モジュール２００を支持するのに必要な長さに対応する縦方向支持材１２０を形成できるようにする。望まれる電力を発生するために、アレイ１００に必要とされる付加的太陽電池モジュール２００に合せて、現存するフレーム１１０に区分１２１を追加することができる。

取り付け台１６０が、太陽電池モジュール２００を支え、縦方向支持材１２０に連結される。取り付け台１６０は、図３及び図６に最も良く示されているように、少なくとも部分的に基台１６１を介して縦方向支持材１２０に連結することができる。取り付け台１６０は、太陽電池モジュール２００を支える垂直部材１６２及び水平部材１６３を含むことができる。取り付け台１６０は、異なる数の太陽電池モジュール２００に適合するために異なる大きさとすることができる。図２及び図３は、各々が１つの太陽電池モジュール２００に取り付ける大きさの取り付け台１６０を含む。図４及び５では、２つの太陽電池モジュール２００を受ける大きさの取り付け台１６０を含む。

取り付け台１６０は、ピボット部材１６５を含むことができ、以下に詳細に説明するように、第二軸Ｂ周りの太陽電池モジュール２００のピボット運動を可能にする。ピボット部材１６５は、基台１６１を介して延びるか、又は基台１６１から離れて位置するようにすることができる。更に、ピボット部材１６５は、単一の細長い部材とするか、又は別個の部材を端部突合せ方向に配置して、基台１６１で連結するようにすることができる。

取り付け台１６０は、縦方向支持材１２０の長さに沿って、様々な間隔で配置することができる。図２−５は、縦方向支持材１２０の両側にオフセットした対を形成し、互いに直接向き合った状態で縦方向支持材１２０に沿って配列されている取り付け台１６０を示している。他のオフセット位置では、縦方向支持材１２０の各々の両側から外向きに延びる同じ数の取り付け台１６０が、長さ方向に不均一に配置される取り付け台１６０を含むものとすることができる。オフセット位置は、アレイ１００の釣り合いを保ち、第一軸Ａに対する回転を助ける。他の形態では、縦方向支持材１２０の対向する側壁から外向きに延びる同じ数ではない取り付け台１６０を含むことができる。

垂直支持材１３０は、縦方向支持材１２０の長さに沿って間隔を持つ。垂直支持材１３０は、表面３００上で太陽電池モジュール１２０が第一軸Ａで回転するように設置するのに十分な長さを含む。したがって、垂直支持材１３０は、取り付け台１６０及び太陽電池モジュール２００の高さより高いものとする。

垂直支持材１３０は、取り付け台１６０から離れた位置で縦方向支持材１２０に沿って配置され、太陽電池モジュール２００との間の干渉を生じないようにされる。図１に示しているように、垂直支持材１３０は、縦方向支持材１２０の長さ方向に太陽電池モジュール２００から離れて位置する。この配列においては、垂直支持材１３０は、太陽電池モジュール２００と重ならない配列となる。様々な数の垂直支持材１３０を、縦方向支持材１２０の長さに沿って配置することができる。図１の実施形態においては、垂直支持材１３０は、対の取り付け台１６０の各々の間に配置される。他の実施形態においては、垂直支持材１３０は、縦方向支持材１２０に沿って、大きな距離をあけて配置される。１つの特定の実施形態においては、垂直支持材１３０は、縦４インチ横４インチ（約１０ｃｍｘ約１０ｃｍ）の長方形とし、約０．１８８インチ（約０．４８ｃｍ）の厚さを持つ。垂直支持材１３０は、コンクリートのパッドで支持することができる。

モーター１７０は、縦方向支持材１２０に連結されて、Ａ軸周りに縦方向支持材１２０を回転させる力を与える。一実施形態においては、モーター１７０は、縦方向支持材１２０の端部に配置することができる。モーター１７０は、縦方向支持材１２０と係合する１又はそれ以上の歯車を備えた駆動トレインを含むことができる。付加的モーター１７０は、縦方向支持材１２０の長さに沿って連結され、更なる回転力を与えることができる。

モーター１７０は、縦方向支持材１２０の両外端部間の中間区分に配置することができる。この配置は、縦方向支持材１２０の長さに沿って、モーター１７０により付与されたトルクを均一にすることができる。

連結部１５０は、各々の取り付け台１６０に取り付けられて、取り付け台１６０及び取り付けられた太陽電池モジュール２００を第二軸Ｂ周りに回転できるようにする。図３、７及び８に最も良く示されているように、連結部１５０は、基台１６１の両側に位置する第一及び第二アーム１５１、１５２を含む。第一アーム１５１は、第一取り付け台１６０に作動的に連結され、第二アーム１５２は、第二取り付け台１６０に作動的に連結される。アーム１５１、１５２は、ネック部１５３において互いに連結される。アーム１５１、１５２は、別個の片から形成され、ネック部１５３を通って延びる締結具１５４により互いに連結することができる。

連結部１５０は、縦方向支持材１２０のが回転中に、第一軸Ａ周りに回転するように連結される。連結部１５０は、第二軸Ｂ周りに回転するように取り付け台１６０に取り付けられる。アーム１５１、１５２は基台１６１に連結されていないので、連結部１５０は、第二軸Ｂ周りに回転する間、基台１６１及び縦方向支持材１２０に対して動く。一実施形態においては、アーム１５１、１５２は、基台１６０の後部に延びるピボット部材１６５に連結される。

リンク機構１４０は、第二軸Ｂ周りに太陽電池モジュール２００を回転させるために、取り付け台１６０に連結される。各々のリンク機構１４０は、第一端部１４１及び第二端部１４２を含む。リンク機構１４０は、縦方向支持材１２０に実質的に並行に、互いに直線状に配列するように取り付けられる。図３及び７は、各々の連結部１５０が２つの別個のリンク機構１４０に取り付けられた実施形態を示している。特定的には、第一リンク機構１４０の第一端部１４１及び第二リンク機構１４０の第二端部１４２が、連結部１５０にそれぞれ連結される。近接するリンク機構１４０の端部１４１、１４２は、連結部１５０のネック部１５３を通って延びる共通の締結具１６６により、互いに連結することができる。

図８は、単一のリンク機構１４０が連結部１５０に連結された実施形態を示している。端部１４２は、アーム１５１、１５２の間に配置され、締結具１５４と連結する。近接するリンク機構１４０は、端部突合せ状態に配置され、連結部１５０とは間隔を持つ。コネクタ１４９は、リンク機構１４０を端部突合せ状態で互いに連結する。

モーター１８０が、図９に示すように、駆動リンク機構１４４に取り付けられる。駆動リンク機構１４４は、第一区分１４４ａ及び入れ子式の第二区分１４４ｂを含む。第一区分１４４ａは、モーター１８０と作動的に連結され、第二区分１４４ｂは、リンク機構１４０と作動的に連結される。モーター１８０は、駆動リンク機構１４４及びこれに取り付けられたリンク機構１４０を動かすための力を与え、第二軸Ｂ周りに太陽電池モジュール２００をピボット運動させる。モーター１８０及び駆動リンク機構１４４により動く直線状の多数のリンク機構１４０は、使用内容によって変えることができる。一実施形態においては、１又はそれ以上の付加的モーター１８０が、リンク部材に沿って配置され、リンク機構１４０を動かすために、先に述べたモーター１８０と組み合わせて作動する。

図１０は、モーター１８０に近接する１又はそれ以上の取り付け台１６０に連結される駆動リンク機構１４０の実施形態を示している。取り付け台１６０は、上記したように、連結部１５０を介してリンク機構１４０に作動的に連結される。モーター１８０は、回転力で取り付け台１６０を直接回転させ、連結部１５０を介して、他方の下向きリンク機構１４０に回転力を与える。

アレイ１００は、第一軸Ａ周りの縦方向支持材１２０の回転が可能となるように形成される。アレイ１００は、第一軸Ａまわりの様々な角度位置に回転した状態で、モーター１７０に必要とされる負荷動力を平均するように設計される。要求負荷を平均する１つの方法は、アレイ１００の様々な回転位置で、アレイ１００の重心が縦方向支持材１２０を通るように、取り付け台１６０及び太陽電池モジュール２００を設置することである。アレイ１００の端部から見た時、重心は縦方向支持材１２０に垂直で、縦方向支持材を通って、地球に向かって下向きに通過するものとなるであろう。

図１及び５は、縦方向支持材１２０の両側から外向きに延びる、同じ数の取り付け台１６０及び太陽電池モジュール２００の配置の実施例を示している。図１及び５は、互いに縦方向支持材１２０を直接横切って、対で配列した取り付け台１６０及び太陽電池モジュール２００を示している。取り付け台１６０及び太陽電池モジュール２００が、対を成さず、その長さに渡って分散する他の配列を含むことができる。平衡の取れたシステムは、第一方向の回転が、第一の側から外向きに延びる取り付け台１６０及び太陽電池モジュール２００の重量により助けられ、更に第二方向の回転が、縦方向支持材１２０の第二の側から外向きに延びる反対側の取り付け台１６０及び太陽電池モジュール２００により助けられるので、一定に近い潜在エネルギーを維持するものとなる。

図１３は、縦方向支持材１２０に連結された１又はそれ以上の太陽電池モジュール２００を備えたアレイ１００の概略端面図である。モーター１７０は、縦方向軸Ａ周りに縦方向支持材１２０及びモジュール２００を回転させるように連結されて、日中太陽の高度を追尾する。モーター１７０は、一日の始まりの開始点から一日の最後の最終点まで、太陽を追尾するように縦方向支持材を回転させる。アレイ要素の配置は、様々な回転位置で、縦方向支持材１２０を通って、地球に向かって下向きに延びる重心を維持することができる。図１３の実施形態においては、モーター１７０は、日中は、矢印Ｘで示した反時計回りの方向に縦方向支持材を回転させる。次の日が始まる前に、モーターは、矢印Ｙで示した反対向きの方向（すなわち、図１３で示された時計回りの方向）に縦方向支持材１２０を回転させる。第二方向Ｙの回転は、次の日に太陽の高度を追尾するためにアレイ１００を準備させるものである。一実施形態においては、モーター１７０は、最終点から開始点まで第二方向にアレイを回転するのに、僅かな時間（例えば、数分）しか必要としない。

一日の最初の期間は、アレイ１００の重量は、モーター１７０が、Ｘ方向にアレイ１００を回転するような力を与えるものである。一日のある時点では、アレイ１００の質量の分布が移動して、その重量が、Ｘ方向にアレイ１００を回転させようと、すなわち引っ張ろうとする。アレイを前方に回転させようとするこの移動は、バックラッシュと言われる。一実施形態においては、このバックラッシュが起こると、モーター１７０は、回転を遅くしようとするブレーキ力を与え、アレイ１００は、１日の残りの時間、太陽の高度を追尾し続ける。一実施形態においては、これは、太陽電池モジュール２００が、これらに限定されるものではないが、縦方向支持材１２０に対する上死点位置などの特定の回転位置に到達した直後に始まる。これが起こると、モーター１７０がアレイ１００の引っ張り力に対抗する方向に作動するようになるので、アレイ１００の重量はモーター１７０に歪みを生じさせる。これは、アレイ１００の位置の正確さに悪い影響を与え、モジュール２００が、日中太陽から外れるようになる原因となる。

更に、バックラッシュによる移動は、モーター１７０の歯車及び／又は縦方向支持材１２０の噛合いを外す原因となる場合がある。図１４Ａ及び１４Ｂは、歯車３９０、４９０の方向を示している。歯車３９０は、モーター１７０と作動的に連結され、縦方向支持材１２０に作動的に連結された歯車４９０と係合する。歯車３９０、４９０は、モーター１７０を縦方向支持材１２０と連結する駆動トレインの２つだけの歯車とすることができるか、又はより多くの駆動トレインの中の２つとすることができる。歯車３９０は、第一縁３９２及び第二縁３９３のそれぞれの周辺に間隔を持って配置された複数の歯３９１を含む。同様に、歯車４９０は、第一及び第二縁４９２、４９３の各々に、複数の歯４９１を含む。歯車３９０、４９０は、実質的に類似したものとすることができるか、又は異なる大きさ、歯数、及び／又は使用内容に応じた歯の間隔を含むものとすることができる。

図１４Ａは、モーター１７０が、縦方向支持材１２０を回転させるための力を与える時の方向を示している。歯車３９０の歯３９１の第一縁３９２は、歯車４９０の歯４１９の第二縁４９３に接触する。この接触が、歯車３９０、４９０を介してモーター１７０の力を伝達して、縦方向支持材１２０を回転させる。

図１４Ｂに示しているようなバックラッシュによる移動が成された場合、歯車４９０の回転速度は、歯車３９０の回転速度より大きくなる。これは、歯車４９０を歯車３９０より先行回転させ、縁３９２と４９３との間に接触が生じないようにする。歯車４９０は、第一縁４９２が第二縁３９３に対して接触する状態で先行回転する。幾つかの例においては、この接触は、アレイ１００が平衡の取れた位置に固定するまで、歯車４９０が実際に歯車３９０を駆動させる。これは、太陽電池モジュール２００が太陽の向きから外れる原因となる。一実施形態においては、アレイ１００は、太陽電池モジュール２００が、縦方向支持材１２０の垂直方向下方に位置する大きさだけ回転する。

この状態が起こるのを妨げるために、平衡機構又は動的反バックラッシュ機構３５０を、アレイ１００に連結することができる。図１３は、第二方向Ｙに回転するようにアレイ１００に力を与える機構３５０を示している。機構３５０は、モーター１７０が、歯車４９０の表面４９３に接触したまま歯車３９０の表面３９２で縦方向支持材を駆動するようにさせるものである。機構３５０は、様々な回転位置の各々で、縦方向軸Ａを重心が通る状態でアレイ１００の平衡を維持することができる。

図３は、動的反バックラッシュ機構３５０を示しており、滑車３５１、錘３５２、及びケーブル３５３を含む。滑車３５１は、縦方向支持材１２０に連結される。図３は、縦方向支持材１２０の端部の滑車３５１を示しているが、他の実施形態では、長さに沿って異なる位置で滑車３５１を配置することができる。錘３５２は、ケーブル３５３によって滑車３５１に取り付けられる。錘３５２は、滑車３５１から下向きに吊り下げられ、ガイドレール（図示されず）に乗ることができる。ケーブル３５３は、縄、鎖、及び編みワイヤを含む、種々異なる長さ及び構造を含むことができる。

使用においては、錘３５２は、一日の初めに、縦方向支持材１２０から距離を持って配置することができる。時間が経過すると、モーター１７０は、第一方向に縦方向支持材１２０を回転させ、ケーブル３５２を滑車３５１に巻きつけて、縦方向支持材１２０に対して上向きに錘を移動させる。機構３５０は、一日のある時点で起こりうるバックラッシュによる重みに対向するために、アレイ１００に対抗釣合い力を付与する。一日の最後には、錘３５２は、縦方向支持材１２０に近接して位置する。次の日に追尾を始める前に、モーター１７０は、第二の反対方向に縦方向支持材を回転させる。これは、ケーブル３５３を滑車３５１からほどき、錘３５２を縦方向支持材１２０より下方に移動させる。機構３５０によりアレイ１００に与えられるこの力は、アレイ１００を最初の位置に戻すために回転するように、モーター１７０を助ける。

図１１は、縦方向支持材１２０から外向きに延びる固定支持材３５４上に錘３５２が配置された反バックラッシュ機構３５０を示している。錘３５２の量及び支持材３５４の長さは、アレイ１００の回転をモーター１７０が助けるように形成される。

動的反バックラッシュ機構３５０は、第一方向に回転する間に、モーター１７０が縦方向支持材１２０に一定したトルクを与えるように形成することができる。モーター１７０は、縦方向支持材１２０に一定したトルクを与えるように、コントローラを更に含むことができる。

動的反バックラッシュ機構３５０は、平衡状態にないアレイ１００の平衡を保つことができる。不均衡は、縦方向支持材１２０の１つの側の、均一でない数の取り付け台１６０及び太陽電池モジュール２００により起きる。錘３５２の量及び支持材３５４の長さは、縦方向支持材１２０の別の均一でない重量の配分を釣合わせるように定められる。

重量が平衡を保っているアレイ１００は、モーター１７０に関する重量負荷及び摩擦負荷を消滅又は減少させる。これは、モーター１７０への要求力及び駆動トレインの摩擦による消耗を減少する。平衡した重み付けは、モーター１７０及びモーター駆動トレインの歪みを減少するため、アレイ１００の追尾を改善することができる。

動的反バックラッシュ機構３５０は、縦方向支持材１２０に連結された１又はそれ以上の張力部材を含むことができる。図１２は、縦方向支持材１２０に作動的に連結された張力部材３５８の実施形態を示している。張力部材３５８は、第一端部３５６が縦方向支持材から離れた点で、第二端部３５７が表面３００、垂直支持材１３０その他のものにおいて縦方向支持材１２０に取り付けられる。延長アーム３５９は、縦方向支持材１２０から外向きに延びて、縦方向支持材１２０から離れた第一端部３５６の取り付け点とすることができる。使用中に、縦方向支持材１２０の回転は、張力部材３５８を引き伸ばして、戻り力を付与する。張力部材３５８は、アレイ１００の回転により発生する錘のオフセット量の増加をオフセットさせるように、縦方向部材１２０を更に回転させる大きな力を付与することができる。張力部材３５８は、縦方向支持材に延びる渦巻きばねを更に含むことができる。第一及び第二端部３５６、３５７の１つが、縦方向支持材１２０に取り付けられる。縦方向支持材１２０の回転が、張力部材３５８に再び戻り力を与えることとなる。

１つの特定の実施形態においては、動的反バックラッシュ機構３５０は、２つの張力ばねを含み、それぞれが、最大で１６０ポンド（約７２ｋｇ）の力を備え、垂直支持材１３０の１つに固定される。縦方向支持材１２０は、鎖でばねに連結されるスプロケットを含む。一実施形態においては、スプロケットは、Ｍａｒｔｉｎ ５０Ａ６５型スプロケットで、鎖は、３フィートの＃５０鎖を含む。日中、動的反バックラッシュ機構３５０は、アレイが太陽を追尾するために移動する間、種々異なる程度の力を付与する。朝には、アレイ１００により発生されるモーメントは反時計回りに作動し、動的反バックラッシュ機構３５０は、ばねが弛緩した状態で反バックラッシュ装置として作動し、ほとんど力を与えない。昼には、アレイ１００は、実際には平衡を保っており、ばねは約半分の力（１６０ポンド（約７２ｋｇ）のばねの実施形態においては、約８０ポンド（約３６ｋｇ））を生じ、反時計回りの反バックラッシュモーメントを形成する。午後遅くには、アレイ１００により形成されるモーメントは、方向が変化し、反対方向にばねがほぼ十分な力を発生して反対方向に大きな力を与えることができ、反バックラッシュ機構として機能する。

一実施形態においては、太陽電池モジュール２００は、各々が約４３インチ（約１０９ｃｍ）ｘ６７インチ（約１７０ｃｍ）である。図１５は、アルミニウムフレーム及びプラスチック又はプラスチック波板の側壁を備えた太陽電池モジュール２００を示しており、これは全体の重量を約７０ポンド（約３２ｋｇ）減少する。一実施形態においては、各々の太陽電池モジュール２００は、３列Ｘ５列のレンズ４００を含み、対応する受け材４１０に設置される。レンズは、様々な形状及び大きさを含むことができ、１つの特定の実施形態では、約１３平方インチ（約７８平方センチメートル）のレンズを含む。更に、レンズ４００と受け材４１０との焦点距離は、約２０インチ（約５１ｃｍ）である。

表面３００に取り付けられる時、縦方向支持材１２０は、図１に示すように北Ｎ−南Ｓの方向に設置することができる。一実施形態においては、表面３００は、地球の表面である。縦方向支持材１２０は、望ましい数の太陽電池モジュール２００を設置するための長さを含む。日中において、アレイ１００は、太陽電池モジュール２００が太陽の方向の向きを維持するように調整される。モーター１７０は、縦方向支持材１２０、すなわち各々の取り付け台１６０及びこれに取り付けられた太陽電池モジュール２００を回転させる力を付与するために、周期的に作動させることができる。モーター１７０により付与される力は、各々の太陽電池アレイモジュール２００が同時に進行し、更に一致して動くように、太陽電池受け材２００の各々が同じ程度に動くように与えられる。縦方向支持材１２０の回転は、太陽電池モジュール２００が、日中、太陽の高度を追尾するようにすることができる。

縦方向支持材１２０の回転に加えて、１又はそれ以上のモーター１８０がリンク機構１４０を動かして、太陽電池モジュール２００が太陽に向くように更に維持する。モーター１８０は、第一リンク機構１４４ａに取り付けられたリンク機構１４０の部材を周期的に動かすように作動する。この動きは、連結部１５０及びこれに取り付けられた取り付け台１６０と太陽電池モジュール２００を様々な軸Ｂ周りにピボット運動させる。これらの軸Ｂは、軸Ａと直交するものとすることができる。リンク機構１４０の部材は、同様に、各々の太陽電池モジュール２００が、それぞれの軸Ｂ周りに一致して動くようにさせる。Ｂ軸周りの動きは、太陽電池モジュール２００が、日中、太陽の方位角位置を追尾するのを可能とさせる。

コントローラ１９０により、地上設置式太陽追尾型アレイ１００の動きを制御することができる。このコントローラ１９０は、メモリが組み合わされたマイクロコントローラを含むことができる。一実施形態においては、コントローラ１９０は、マイクロプロセッサ、ランダムアクセスメモリ、読み出し専用メモリ、及び入出力インターフェースを含む。コントローラ１９０は、第一軸Ａ周りに縦方向支持材１２０及び太陽電池モジュール２００が回転させるように、１又はそれ以上のモーター１７０の作動を制御する。コントローラ１９０は、リンク機構１４０を駆動し、更に第二軸Ｂ周りに太陽電池モジュールを回転するために、１又はそれ以上のモーター１８０を更に制御する。コントローラ１９０は、内蔵タイミング機構を含むことができ、これによって、時間に応じて太陽電池モジュール２００に対してモーターが作動し、太陽の方位角及び高度を追尾するようにする。

特定の太陽電池モジュール２００により映される影は、その大きさ及び形状によるものであり、更に空の太陽の位置に対する該太陽電池モジュール２００の位置による。東西方向においては、太陽の位置は１５０°まで変化することができる。これに関しては、太陽の高度が水平線から１５°より低くなる場所では、必要な量の電気を発生するには、光線が不十分であることが一般的に認められていることに留意するべきである。したがって、太陽電池アレイ１００が位置する緯度は、ほとんど影響を与えない。

南北方向においては、地球の軸が太陽の軌道に対して２３°の角度で傾いているとすると、太陽の位置は、４６°まで変化する。これに関しては、緯度が２３°より小さい場合は異なる条件となり、緯度が４５°より大きくなると、直射日照レベル（ＤＮＩ）が低いのでほとんど関係なくなることが分かる。

太陽電池アレイ１００は、太陽電池モジュール２００間の影の問題を消去又は最小にするような方法で形成される。一実施形態においては、縦方向支持材１２０及び太陽電池モジュール２００の個々の部分１２１は、太陽が水平線より１５°上にある位置で、十分に照らされて、更にモジュール２００が他のモジュール２００の影にならないように、各々のモジュール２００が間隔を持つような大きさとする。

図１６は、北緯３５度で１５°より大きいすべての角度の太陽高度を示した太陽軌道図表である。グラフは、一年の３つの時点、すなわち夏至（最も上の点線）、冬至（最も下の点線）、及び昼夜平分時（中間の点線）の太陽軌道を示している。他のすべての日の太陽軌道は、最も上の点線と最も下の点線により定められる領域内にあてはまる。したがって、冬至には、太陽軌道は約４５°より低い方位角から約４５°より高い方位角までで、高度は１５°から約２７°になり、更に１５°にまで戻る。太陽軌道の同様の範囲は、夏至及び昼夜平分時でも明らかである。

Ｅｍｃｏｒｅ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎの米国特許第７，３８１，８８６号に太陽電池アレイ及び太陽軌道に対する位置が示されており、ここにその全体が引用により組み込まれる。

一実施形態においては、地上設置式太陽追尾型アレイ１００は、直接的に取り付けることができる。様々な部品は、通常の運搬具に適合する大きさで、単一の人又は限定された数の人により取り付けることができる程度に軽量である。更に、アレイ１００のモジュラー態様は、最初の取り付け後に変更することを可能にする。追加区分１２１及び垂直支持材１３０を、望ましい数の追加された太陽電池モジュール２００に適合するように、フレーム１１０に追加することができる。更に、取り付けた後、１又はそれ以上の太陽電池モジュール２００を取り除いてアレイ１００の大きさを減少させることができる。１又はそれ以上の動的反バックラッシュ機構３５０を、必要に応じてアレイ１００に追加することができる。一実施形態においては、追加した太陽電池モジュール２００に適合するようにアレイ１００の大きさを増加した時に、付加的機構３５０が追加される。更に、錘３５２或いは付勢機構の数又は大きさは、必要とされる平衡力を付与するように変えることができる。

本発明の特定の実施形態が示されて、述べられてきたが、ここでの教示に基づいて、変更及び修正が本発明及びその広い態様から外れることなく成され、したがって添付された特許請求の範囲は、すべての変更及び修正が本発明の範囲内であるように、その範囲内に含まれることを当業者は理解するであろう。更に、本発明は、添付された特許請求の範囲によってのみ定められることが理解される。

一般的には、ここで、特に添付された特許請求の範囲（例えば、添付された特許請求の範囲全体）で使用される用語は、「限定的でない」用語（例えば、「含まれる」という用語は、「限定するものではないが含まれる」と解釈することができ、「有する」という用語は、「限定するものではないが有する」と解釈することができ、「含む」という用語は、「限定するものではないが含む」と解釈することができ、「含む」及び「含まれる」などのこれらの変化は、限定しない、包括的意味、すなわち「限定するものではないが含まれる」と理解される）として全体的に意図されることが当業者によって理解されるであろう。特許請求の範囲に導入される特定の数の言い回しを意図するならば、その意図は、特許請求の範囲に明白に述べられるものであり、そのような言い回しがない場合は、そのような意図は存在しないことを当業者は理解するであろう。例えば、理解を助けるものとして、以下の添付された特許請求の範囲は、特許請求の範囲の言い回しを導入するために、「少なくとも１つ」及び「１又はそれ以上」の導入的文言の使用を含むことができる。しかしながら、このような文言の使用は、同じ特許請求の範囲が、導入的文言「１又はそれ以上」又は「少なくとも１つ」、及び「１つの」などの不定冠詞（例えば、「１つの」は、典型的には「少なくとも１つ」又は「１又はそれ以上」を意味するように理解される。）を含む場合でも、不定冠詞「１つの」による特許請求の範囲の言い回しの導入が、このような言い回しを１つだけ含む本発明に対し、このような特許請求の範囲の言い回しを含むあらゆる特定の特許請求の範囲を限定することを意味すると理解するべきではない。特許請求の範囲の言い回しを導入するために使用される定冠詞の使用の場合も、同じことが言える。更に、導入された特許請求の範囲の言い回しの特定の数が明白に述べられている場合は、このような言い回しは、典型的には、少なくとも列挙された数を意味する（例えば、他に修飾語がない「２つの言い回し」というだけの言い回しは、典型的には少なくとも２つの言い回し、或いは２又はそれ以上の言い回しを意味する。）ように理解するべきであることを当業者は認識している。

１００ アレイ
１１０ フレーム
１２０ 縦方向支持材
１３０ 垂直支持材
１４０ リンク機構
１５０ 連結部
１５１ アーム
１５３ ネック
１６０ 取り付け台
１６１ 基台
１７０ モーター
１８０ モーター
２００ 太陽電池モジュール

Claims (13)

1. 地球の表面上を延びる縦方向支持材と、
   地球表面上の支持表面に接触するように形成された第一端部と、前記縦方向支持材に連結された第二端部とを各々が含み、前記支持表面から垂直方向に間隔をもった位置において、前記縦方向支持材を、縦方向軸である第一軸周りに回転可能に支持する複数の垂直支持材と、
   前記第一軸に直交する第二軸周りにピボット運動可能に前記縦方向支持材に取り付けられた複数の平坦な太陽電池モジュールと、
   を備え、
   前記複数の太陽電池モジュールは、前記縦方向支持材から横方向外向きに延びる第一組と、前記第一組が延びる方向とは反対向きの横方向外向きに延びる第二組とを含み、該複数の太陽電池モジュールは、前記縦方向支持材の長さに沿って間隔を持って配置され、
   日中、前記太陽電池モジュールが太陽の高度を追尾するように、日中における太陽の移動方向である第一方向に前記縦方向支持材を該第一軸周りに回転させ、一日が終わった後に前記第一方向とは反対方向である第二方向に前記縦方向支持材を該第一軸周りに回転させるために、前記縦方向支持材にモーターが連結され、
   前記縦方向支持材には、日中に前記モーターにより該縦方向支持材に与えられる前記第一方向の回転力とは反対方向の前記第二方向に該縦方向支持材を回転させる力を付与するための平衡機構が連結されており、
   前記複数の太陽電池モジュールを、前記第二軸周りに同時に回転させて、日中に太陽の方位角位置を追尾させるように、該複数の太陽電池モジュールを連動して前記第二軸周りにピボット運動させる駆動機構が設けられている、
   ことを特徴とする地上設置式太陽追尾型光電池アレイ。
2. 前記モーターに連結される第一歯車と、前記縦方向支持材に連結される第二歯車を更に含み、前記平衡機構は、太陽の高度を追尾するために前記第一方向に前記第一歯車が回転する時に、前記第一及び前記第二歯車を互いに係合状態に維持することを特徴とする請求項１に記載の地上設置式太陽追尾型光電池アレイ。
3. 前記複数の太陽電池モジュールは、前記アレイの端部から見た時、重心が前記縦方向支持材に垂直で、かつ前記縦方向支持材を通過する状態で前記縦方向支持材に沿って配置されることを特徴とする請求項１に記載の地上設置式太陽追尾型光電池アレイ。
4. 前記平衡機構は、前記縦方向支持材の中心にある滑車、錘、及び前記錘と前記滑車との間に延びるケーブルとを含むことを特徴とする請求項１に記載の地上設置式太陽追尾型光電池アレイ。
5. 前記平衡機構は、前記アレイに対し前記第二方向に一定の回転力を与えることを特徴とする請求項１に記載の地上設置式太陽追尾型光電池アレイ。
6. 各々の太陽電池モジュールは、複数のレンズが対応する受け材に設置された長方形の箱を含むことを特徴とする請求項１に記載の地上設置式太陽追尾型光電池アレイ。
7. 前記長方形の箱は、４３インチ（１０９ｃｍ）の幅と６７インチ（１７０ｃｍ）の長さを持つことを特徴とする請求項６に記載の地上設置式太陽追尾型光電池アレイ。
8. 前記縦方向支持材から離れて配置され、各々の前記太陽電池モジュールを互いに連結するリンク機構の部材を更に含み、前記リンク機構の部材は、前記第一軸に直交する前記第二軸周りに前記太陽電池モジュールを回転させて、日中太陽の方位角位置を追尾するために、前記縦方向支持材に対して軸方向に移動可能であることを特徴とする請求項１に記載の地上設置式太陽追尾型光電池アレイ。
9. 前記複数の垂直支持材の各々は、高さ及び幅が各々４インチ（１０ｃｍ）の長方形断面を持つことを特徴とする請求項１に記載の地上設置式太陽追尾型光電池アレイ。
10. 前記縦方向支持材は、地球の表面の南北方向に延びることを特徴とする請求項１に記載の地上設置式太陽追尾型光電池アレイ。
11. 前記モジュールは、前記縦方向支持材の両側に対で配列され、前記第一モジュールは前記第一方向に前記縦方向支持材から横方向外向きに延び、前記第二モジュールは、前記縦方向支持材の長さ方向にみて前記第一モジュールに対応する位置にあり、前記第一方向とは反対向きの前記第二方向に外向きに延びることを特徴とする請求項１に記載の地上設置式太陽追尾型光電池アレイ。
12. 前記平衡機構は、一日の始めの第一回転位置と一日の最後の第二回転位置との間で、前記第一回転方向に移動する間、前記モーターが前記縦方向支持材に一定したトルクを付与するように形成されることを特徴とする請求項１に記載の地上設置式太陽追尾型光電池アレイ。
13. 前記モーターは、外側両端部から離れた前記縦方向支持材の中間部分に配置されることを特徴とする請求項１に記載の地上設置式太陽追尾型光電池アレイ。

Images