KR101521327B1 - 태양 에너지 수집 시스템 - Google Patents

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로베르토 앵골리
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Abstract

본 발명은 태양 추적 장치를 포함하는 태양 에너지 수집 시스템에 관한 것으로, 그 태양 추적 장치는 자체 축선을 중심으로 회전될 수 있는 하중 지지용 수평 방향 메인 튜브; 이 메인 튜브에 대해 직교하게 이동될 수 있는 한편, 자체의 축선을 중심으로 회전될 수 있게 고정된 복수의 보조 튜브; 이들 보조 튜브들에 각각 고정되어 태양 에너지를 포집할 수 있는 패널; 및 수직으로 배치된 제1 기둥 및 제2 기둥을 포함한 지지 구조체를 포함하고; 제1 및 제2 기둥은 메인 튜브를 그 단부에서 고정시키도록 상단부에 위치된 연결 요소를 각각 포함하고; 이들 연결 요소는 메인 튜브를 고정하기 위한 제1 측방향 부분 및 추가로 존재할 수 있는 추가적인 메인 튜브를 고정하기 위한 제2 측방향 부분을 포함하고; 메인 튜브는 이 메인 튜브의 확장을 가능하게 하는 슬라이딩 가능 조인트를 포함하고, 이 슬라이딩 가능 조인트는 일단부에서는 메인 튜브에 고정되고 타단부에서는 상기 제1 측방향 부분에 고정되고; 제1 기둥 및 제2 기둥은 그들의 기부에 커플링 지점을 포함하고; 이 커플링 지점은 스크루 샤프트에 의해서 지면에 고정되며; 제1 기둥 및 제2 기둥의 각각은 지면에 고정된 둘 이상의 케이블에 의해 수직 자세로 유지되고; 이들 둘 이상의 케이블이 스크루 샤프트에 의해 지면에 고정된다.

Description

태양 에너지 수집 시스템{SOLAR ENERGY COLLECTION SYSTEM}
본 발명은 태양 에너지 수집 시스템에 관한 것으로서, 특히 광전지 패널 또는 기타 태양 에너지 수집 장치들을 태양을 향해서 정확하게 배향시키는 2-축 태양 추적 장치(tracker)를 포함한다.
광전지 발전 설비는 광전지 효과에 의해 전기 에너지를 생산하도록 태양 에너지를 이용하는 발전 설비이다.
태양 추적 장치는 광전지 패널, 열적(thermal) 태양전지 패널 또는 태양광 집속 장치를 태양 광선을 향해서 순조롭게 배향시킬 수 있는 자동 제어 장치이다. 보다 정교한 태양 추적 장치는 2 자유도를 가지며, 그러한 2 자유도에 의해서 추적 장치들이 실시간으로 광전지 패널로부터의 수직선을 타양광선과 완벽하게 정렬시킬 수 있다.
태양 추적 장치는 하나 또는 둘 이상의 태양전지 패널을 지지하는 로드(rod)로 구성되는 것으로 알려져 있다. 이들 태양전지 패널은 그러한 패널들을 태양을 향해 배향시킬 수 있는 액츄에이터에 의해서 구동된다.
어떤 경우에, 높은 레벨의 전기 에너지가 생산될 때, 이들 태양전지 패널은 100 ㎡ 보다 더 넓을 수 있는 치수를 가진다.
그러한 시스템이 가혹한 기후 조건 및 특히 풍력에 견뎌야 하기 때문에, 견고한 지지 로드 및 큰 베이스가 필요하게 된다. 그에 따라, 구조재 중량이 상당히 무거워지고, 베이스 크기가 상당히 커지며, 그리고 설치에 상당한 시간 및 특별한 노동력이 필요하게 된다.
또한, 만약 이러한 태양 추적 장치가 농경지 표면에 놓인다면, 그 농경지에 위해 근접하게 배치되어 바람 작용을 제한하는 장애물들에 의해 그 농경지에서 작업하는 데에 심각한 제약이 따르게 된다.
본 발명의 목적은 아래쪽의 토지에서의 모든 작업을 가능하게 하는 현수형(suspended) 태양 에너지 수집 시스템을 제공하는 것이다.
다른 목적은 단순한 개념의 2-축 태양 추적 장치를 제공하는 것이다.
다른 목적은 설치 및 제거가 용이한 시스템을 제공하는 것이다.
추가적인 목적은 모듈형 구조를 제공하는 것이다.
이러한 목적들 및 기타 목적들은 본 발명에 따르면 태양 추적 장치를 포함하는 태양 에너지 수집 시스템에 의해서 달성되는 데, 그 태양 추적 장치는 자체 축선을 중심으로 회전될 수 있는 하중 지지용 수평 방향 메인 튜브; 이 메인 튜브에 대해 직교하게 이동될 수 있는 한편, 자체의 축선을 중심으로 회전될 수 있게 고정된 복수의 보조 튜브; 이들 보조 튜브들에 각각 고정되어 태양 에너지를 포집할 수 있는 패널; 및 수직으로 배치된 제1 기둥 및 제2 기둥을 포함한 지지 구조체를 포함하고; 상기 제1 및 제2 기둥은 메인 튜브를 그 단부에서 고정시키도록 상단부에 위치된 연결 요소를 각각 포함하고; 이들 연결 요소는 메인 튜브를 고정하기 위한 제1 측방향 부분 및 추가로 존재할 수 있는 추가적인 메인 튜브를 고정하기 위한 제2 측방향 부분을 포함하고; 메인 튜브는 이 메인 튜브의 확장을 가능하게 하는 슬라이딩 가능 조인트를 포함하고, 이 슬라이딩 가능 조인트는 일단부에서는 상기 메인 튜브에 고정되고 타단부에서는 상기 제1 측방향 부분에 고정되고; 제1 기둥 및 제2 기둥은 그들의 기부에 커플링 지점을 포함하고; 이 커플링 지점은 스크루 샤프트에 의해서 지면에 고정되며; 제1 기둥 및 제2 기둥의 각각은 지면에 고정된 둘 이상의 케이블에 의해 수직 자세로 유지되고; 이들 둘 이상의 케이블이 스크루 샤프트에 의해 지면에 고정되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 추가적인 특징들이 종속항에 기재되어 있다.
본 발명으로, 농작물 경작을 주목적으로 농경지를 이용할 수 있게 하면서도 그 농경지의 표면 위에 대형 발전 설비를 제공할 수 있다.
이는, 그러나 위험한 하중 지지 구조체를 이용하지 않고 지면으로부터 특정 높이에서 태양 패널을 배치함으로써 달성된다. 이러한 해결책은 타이(tie)에 의해서 제위치에서 유지되는 약 5 m 높이의 매우 얇은 기둥을 이용한다. 기둥 및 타이에 대한 고정 기초부(foundations)는 또한 스크루 샤프트로 감소되어, 농작물을 위한 가능한 한 많은 공간을 남길 수 있다.
이러한 방식에서, 패널들 사이의 약 4.5 m의 통로 공간을 갖는 기둥의 열(rows)이 지면에 형성된다. 이는 농기계의 운행이 가능하도록 그 아래의 놓인 농경지에서의 모든 작업을 보장하거나, 또는 이러한 구조체가 도로 위에 형성되는 경우에 그 도로를 도로 차량들이 완벽하게 이용하도록 보장한다.
본 발명의 특징들 및 이점들은 첨부 도면들에서 비제한적인 예로 도시된 일 실시예에 관한 이하의 상세한 설명으로부터 보다 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 태양 에너지 수집 시스템을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 태양 에너지 수집 시스템을 위한 제1 구동 장치를 부분적으로 투시하여 상세하게 도시한 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른, 태양 에너지 수집 시스템을 위한 제2 구동 장치를 부분적으로 투시하여 상세하게 도시한 사시도이다.
도 4 및 도 5는 본 발명에 따라 메인 튜브를 지지 기둥에 고정하기 위한 커플링의 추가적인 실시예를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른, 태양 에너지 수집 시스템의 케이블들을 연결하기 위한 시스템을 도시한 분해도이다.
도 7은 본 발명에 따른, 태양 에너지 수집 시스템의 슬라이딩 가능 신축 조인트를 구체적으로 도시한 분해도이다.
도 8 및 도 9는 본 발명에 따라 지지 기둥 및 타이를 지면에 고정하기 위한 구조체의 2가지 실시예를 도시한 도면이다.
첨부 도면을 참조하면, 본 발명에 따른 태양 에너지 수집 시스템은 장력-구조체(tenso-structure)에 의해서 지지되는 복수의 태양전지 패널을 가지는 복수의 태양 추적 장치를 포함한다.
각각의 태양 추적 장치는 자체 축선을 중심으로 회전될 수 있는 하중 지지용 수평 방향 메인 튜브(10)를 포함하고, 이 메인 튜브(10)에 직교하게 고정되는 한편, 베어링 상에서 자체의 축선을 중심으로 회전될 수 있는 복수의 보조 튜브(11)가 메인 튜브에 연결된다.
메인 튜브(10)는 주로 압출 알루미늄재(경량)로 제조되고, 길이가 12 m이고 그리고 약 30-40 cm의 직경을 가지는 내부 중공형이다.
보조 튜브(11)는 메인 튜브의 양측에서 플랜지로 끝나도록 되어, 나사 수단에 의해서 패널들을 탈부착할 수 있도록 되어 있다.
패널(12)이 태양 에너지를 포집할 수 있도록 각각의 보조 튜브(11)에 고정된다.
메인 튜브(10)의 단부들이 타이(ties)의 네트워크에 의해서 제위치에서 유지되는 2개의 지지 기둥(13)에 고정된다.
지지 기둥은 직경이 약 10-12 cm이고 두께가 3-4 mm인 철제 기둥이다.
2개의 정렬된 메인 튜브(10)의 경우에, 2개의 측부 지지 기둥(13) 및 하나의 중간 지지 기둥(13)이 필요하다.
지지 기둥(13) 및 타이가 기초부(foundation)를 통해서 그리고 바람직하게 스크루 샤프트(16)에 의해서 지면(15) 내에 고정된다.
지지 기둥(13)은 그들의 베이스에 배치된 커플링 지점(17)에 의해서 스크루 샤프트(16)에 고정된다.
상기 기초부는 유리하게는 지면 내로 박힌 스크루 샤프트(16)로 이루어지거나, 해당 위치에 형성된 소형 파일(micro-pile), 실질적으로는 땅 속의 특정 깊이에 형성된 콘크리트 실린더로 이루어진다.
상기 스크루 샤프트(16) 및 연결 요소는 천공 수직 플레이트(5)를 구비한 커플링 지점(17)을 상단부에 구비한다. 지지 기둥(13)들은 그 기부에서 플레이트(5)와 협력하도록 정렬된 2개의 서로 간격을 두고 떨어진 천공 수직 플레이트들로 끝난다.
핀(7)이 나란히 배치된 구멍들 내로 삽입되어, 지지 기둥(13)이 메인 튜브(10)의 축선에 평행한 축선을 중심으로 회전할 수 있게 한다.
내부에 구멍(전기 케이블이 내부로 제공될 수 있게 하기 위한)이 형성된 고정 요소[또는 연결 크라운(crown); 21]가 지지 기둥(13)의 상단부에 고정된다. 측방향으로는 연결 크라운을 메인 튜브(10)에 고정하는 나사들을 위해 필요한 다수의 구멍을 갖는 2개의 플랜지들이 배치된다.
하나의 플랜지를 이용하여 연결 크라운(21)을 메인 튜브(10)에 고정(지지)하고, 이러한 제1 플랜지와 이격된 다른 플랜지는 제1 메인 튜브(10)와 일렬로 배치되는 인접한 다른 하나의 메인 튜브(10)에 연결 크라운(21)을 고정(지지)하는 데에 이용된다. 이러한 방식에서, 메인 튜브(10)의 연속적인 열(row)이 형성될 수 있다.
고정 요소(21)는 기둥(13)에 고정시키기 위한 하부 부분(50), 중간 부분(51) 및 상기 플랜지들을 포함하는 상부 부분(52)을 제공한다.
하부 부분(50) 및 중간 부분(51) 사이에는 메인 튜브(10)의 축선에 대해서 직교하게 배치되는 케이블(55)을 위한 안착부가 제공된다.
중간 부분(51)과 상부 부분(52) 사이에는 메인 튜브(10)의 축선과 동일한 방향으로 배치되는 케이블(56)을 위한 안착부가 제공된다.
그에 따라, 2개의 상호 직교하는 금속 케이블(55 및 56)을 통과시킴으로써, 기둥(13)의 머리 부분에 장착될 수 있도록 고정 요소(21)가 형성된다.
본질적으로, 2개의 팽팽한 금속 케이블(55 및 56)이 연결 크라운(21)의 구성 요소 내에 매립된다.
이전에, 케이블들에 록킹 슬리브(57)(이 슬리브는 케이블 직경을 증대시킴)가 장착되는데, 그러한 록킹 슬리브들은 디자인 치수에 따라서 공장에서 매우 정확하게 미리 결정된 이격 거리를 두고 케이블에 클림핑된다. 이러한 방식에서, 슬리브들의 위치 설정에 의해 메인 튜브(10)의 헤드들 간의 거리가 매우 정확하게 미리 설정된다는 점에서, 슬리브들은 또한 일종의 조립용 템플릿(template)을 형성한다. 따라서, 케이블을 이용하여 기둥들을 제위치에서 지지할 뿐만 아니라 그 기둥들을 매우 큰 정확도로 정확한 간격으로 제위치에 유지할 수 있어, 각 헤드에 둘러싸인 많은 타이 피스들로 이루어진 통상적인 시스템에서는 필수적이었던 튜브 헤드들 간의 거리 조정의 필요성이 제거된다. 이러한 시스템은 비용을 줄이고, 헤드 장착을 단순화하며, 설비 조립을 가속하며, 정확성을 보장한다. 특히, 전술한 사항은 평행한 튜브(10)들을 연결하는 케이블에도 관련이 있고 또한 메인 튜브(10)의 약간 아래에서 정렬되어 연장하는 케이블도 관련이 있다.
6열로 이루어진 6개의 메인 튜브들을 갖는 수집 시스템의 경우에, 18 mm 직경의 스틸 케이블들이 사용되었다.
메인 튜브(10)의 일단부에는 이 튜브에 적절하게 고정된 모터(24)가 위치되고, 이 모터의 기어 휘일(25)이 고정 요소(21)에 고정된 반원형 기어(26)(또는 기어휘일)에 맞물린다. 모터(24)는 메인 튜브(10)의 축선을 중심으로 메인 튜브(10)를 회전시킨다.
메인 튜브(10)의 보다 내측에는 랙(rack)을 작동시키는 모터(30)가 위치되며, 그 랙이 태양 추적 장치(11)에 고정된 샤프트(33)에 고정되게 결합된 기어 휘일(32)을 회전시킨다. 이러한 구조는 메인 튜브(10)에 고정된 태양 추적 장치의 각각의 쌍에 대해서 반복된다.
전술한 해결책에 대한 대안으로서, 기어휘일은 풀리 및 케이블(체인)을 가지는 랙에 의해서 대체될 수 있을 것이다.
통상적으로, 모터(24, 30)는 비가역 감속 기어(irrversible step-down gear)에 연결된 스텝핑 전기 모터로 이루어지고, 그들은 제어 시스템에 의해서 설정된 가변 속도로 2개의 운동방향(통상적으로, 휴지(rest) 상태를 중심으로 ±90°)을 따라 링크 기구를 견인한다. 비가역성은 예를 들어 워엄 감속기(worm reducers)에 의해서 제공된다. 사용된 전기 모터들은 태양을 추적할 때 매우 낮은 rpm의 큰 토크를 생성하나, 축을 신속하게 위치 설정하기 위해서는 높은 rpm으로 사용될 것이다. 특히, 모터들은 약 1/1.5 Newton의 힘으로 사용된다.
스텝핑 모터는 겪게 될 많은 수의 스텝들을 정함으로써 전자적으로 제어되는 위치 설정을 이용한다.
각 전진 스텝에서 모터에 의해서 발생된 토크가 저항 토크보다 크다면, 그 모터는 확실한 정밀도로 위치 재설정을 실행한다.
바람직하게, 튜브들을 회전시키기 위해서 슬라이딩 베어링들이 이용되는데, 이는 연결 크라운에 결합된 2개의 고정된 단부 부분들과 튜브 사이에 배치된 플라스틱 밴드로 구성된다. 이들 베어링은 기계 수명 중에 유지보수할 필요가 없으나, 볼 베어링보다 더 큰 마찰을 제공한다. 그에 따라, 패널을 가압하는 풍력에 의해서 유발되는 베어링 마찰로 인해서는 물론 발생할 수 있는 불균형으로 인한 토크가 극복되어야 한다.
충분한 토크를 얻기 위해서, 비가역 감속 기어가 하나 또는 둘 이상의 기계적인 rpm 감속기에 커플링되어야 할 것이다.
비가역 감속 기어를 연결하는 이러한 시스템은 또한 브레이크로서도 작용한다. 모터가 축들을 위치 설정하고 나면, 모터는 외부로부터 추적 장치에 작용하는 힘에 대해서도 그 위치를 유지한다.
바람직하게, 개루프(open loop)식 모터 제어 시스템이 이용된다.
진단 목적을 위해서, 제어 시스템은 경사 센서를 이용하여 축선의 경사(inclination)를 주기적으로 확인한다. 이는, 단지 안전 목적을 위한 주기적인 제어이고, 그리고 또한 초기에 추적 장치를 설치할 때 축선들의 최초 위치를 탐색하는 역할을 한다.
메인 튜브(10)의 타단부에는 확장시킬 수 있도록 신축자재식 요소(telescopic element)로 구성된 슬라이딩 가능 신축 조인트(36)가 배치된다.
하나의 신축자재식 요소(60)가 연결 크라운(21)의 플랜지에 고정되고, 그리고 다른 신축자재식 요소(61)가 메인 튜브(10)에 고정된다. 이들 2개의 신축자재식 요소들이 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 링에 의해서 분리된다.
조립 중에, 최대 확장 및 최대 수축이 가능하도록, 슬라이딩 가능 단부가 지지 구조체에 고정된다.
신축 조인트(36)에 의해서, 지지 지점 즉, 연결 크라운을 가압하지 않고 열팽창에 의해서 메인 튜브(10)의 길이를 증가시킬 수 있고, 또는 그 반대가 될 수 있으며, 이는 연결 크라운이 고정 지점 내에서 특정의 운동 탄성을 가질 수 있게 하고, 이러한 방식에서 케이블 탄성을 보상한다.
만약 지지 기둥(13)이 직선 라인을 따라서 위치된다면 고정 요소(21)가 사용될 것이다. 만약, 기둥들이 도로 또는 강을 따라 위치된다면, 그에 따라 직선 라인을 따라서 고정될 수 없다면, 다른 방향들을 따라서 배치된 2개의 서로 엇갈린 구조체(45)가 사용될 수 있을 것이다. 그러한 구조체(45)는 기둥(13)에 장착된 링(46)을 포함하고, 그러한 링의 둘레에서 구조체가 회전할 수 있을 것이다. 각 구조체(45)는 2개의 안착부(22)를 포함하고, 이 안착부 내에는 메인 튜브(10)를 고정하기 위한 나사가 위치된다.
메인 튜브(10)가 하중을 지지하기 때문에, 이는 자체 중량, 내부 링키지의 중량, 패널이 고정되는 회전 샤프트의 중량, 및 패널의 중량을 지지한다. 축선의 위치와 무관하게, 풍력 및 눈의 중량에 견딜 수 있도록 튜브의 기계적 특성들이 결정된다. 또한, 메인 튜브(10)는 다양한 패널들에 의해서 생성된 전류 또는 포집된 열을 외부로 이송하기 위해서 다양한 패널(12)을 위한 전기 연결 케이블(또는 유체 이송 튜브)를 포함한다.
날짜 및 시간, 지리학적 설치 좌표, 및 지면에 평행한 메인 축선의 북극에 대한 배향을 기초로 한 알고리즘을 이용한 기상 예측으로부터 유도된 방법을 이용함으로써, 메인 튜브(10)에 통합된 추적 장치에 대한 제어 시스템은 항상 태양을 향해서 배향된 상태로 패널들을 유지할 수 있으며, 그에 따라 태양이 패널의 포집 표면에 대해서 수직이 되게 한다.
제어 시스템은 또한, 필요한 경우에(우박, 과다한 바람, 등) 패널들을 특별한 위치로 신속하게 재배치할 수 있고, 결빙을 방지하여 시스템을 이동하게 유지할 수 있으며, 구동 부재의 임의의 고장을 탐지할 수 있고, 패널의 분리를 감지할 수 있고, 그리고 여러 종류의 환경(environmental) 측정을 실행할 수 있다.
각각의 메인 튜브(10)는 그러한 튜브 자체에 통합된 제어 시스템, 및 인접한 메인 튜브(10)와 통신하기 위한 송수신기를 포함한다.
제어 시스템은 바람직하게 지그비(ZigBee) 타입의 송수신기를 구비하고, 그러한 송수신기에 의해서 하나 또는 둘 이상의 제어 센터와 다수의 태양 추적 장치로 이루어진 네트워크에서 통신이 이루어질 수 있다. 각각의 송수신기는 네트워크 내에서 노드(node)를 형성하여, 그 자신의 메시지를 직접 전송하거나 이웃 노드(nodes)로부터 수신된 메시지를 재전송할 수 있도록 된다. 송수신기의 작동 반경은 가장 가까운 송수신기들과 통신할 뿐만 아니라, 그들 송수신기들 중 하나 또는 둘 이상이 고장난 경우에, 보다 멀리 떨어진 송수신기와 통신할 수 있도록, 정해져야 할 것이다. 이러한 목적을 위해서, 각 송수신기의 작동 반경은 메인 튜브(10) 길이의 적어도 4배와 같아야 할 것이다.
그러한 네트워크에 의해서, 각 메인 튜브(10)가 제어 센터에 연결되어, 이 제어 센터로부터 내부 클록의 정확한 동기성(synchronism)을 주기적으로 수신할 수 있다. 정확한 시간, 지리적 위치(위도 및 경도) 그리고 북쪽에 대한 메인 추적 장치 축선의 방향을 알고 있는 통합된 제어 시스템이 태양의 절대 위치를 시시각각 계산할 수 있고 이에 따라 기계적 부재를 조정할 수 있다.
제어 센터는 기상 제어 유닛을 구비하고 그리고 필요한 경우에 임의의 비상 상황을 모든 추적 장치로 전송한다. 예를 들어, 바람이 강한 경우에, 제어 센터는 바람의 힘에 최소한의 표면이 노출되는 위치로 패널들을 이동시킬 수 있다. 비가 오는 경우에, 제어 센터는 패널들을 수직 자세로 되게 하여 그 아래의 전체 지면으로 비가 내리게 할 수도 있다. 기온이 낮은 경우에, 제어 센터는 기계적 부재들을 계속적으로 이동시켜 조인트에 결빙이 되는 것을 방지한다. 유지보수 중에는, 그 아래의 차량들의 운행을 방해하지 않도록 패널들을 적절히 배치시킨다. 주기적으로, 제어 센터는 존재 및 작동성을 확인하기 위해서 각각의 개별 추적 장치와 접촉할 수 있을 것이다.
각 추적 장치는 진단에 따른 경고 또는 측정치를 경보 센터로 전송할 수 있다.
각 추적 장치는 점멸등 빛 및 단속적 음향 경고 장치를 구비하며, 그러한 경고 장치는, 추적 장치 주변의 사람에게 기계적 부재들이 빠른 속도로 이동하고 있다는 것을 경고하거나, 경보의 경우에(예를 들어, 절도범에 의한 패널 분리로 인한 경보) 책임자에게 추적 장치의 위치를 알리도록 활성화된다.
일반적으로, 새벽녘 및 해질녘에 패널들 간의 상호 그림자 간섭이 발생하지 않도록 적절히 이격된 평행한 열들(rows)을 따라서 배치된 다수의 메인 튜브(10)가 이용된다. 이러한 구성에서, 각각의 기둥은 2개의 인접한 메인 튜브들의 일단부를 지지하는 역할을 한다. 패널들이 수직에 근접한 최대 한계까지 회전될 수 있도록 지지 기둥의 높이가 결정되어야 할 것이다. 이러한 최소 높이에 더하여, 설치 장소에 따라서 추가적인 공간이 부가될 수 있을 것이다.
예를 들어, 그러한 타입의 발전 설비는 도로를 따라서, 철로를 따라서, 제방을 따라서 또는 운하를 따라서 통상적으로 설치된다. 이러한 경우에, 사람 및 차량이 지나갈 수 있게 하는 높이의 기둥들의 선형 조립체가 도로 또는 운하의 가장 자리를 따라서 배치될 것이다. 만약 적절하게 이격되어 있다면, 가로등의 기둥, 전화용 전신주, 또는 전기용 전신주의 열과 같은 기존의 기둥 조립체들이 이용될 수 있을 것이다. 길고 평행한 추적 장치의 열들(rows)의 형태의 규칙적인 직사각형 또는 정사각형 그리드(grid)로서 농경지에 설치되는 경우에, 농사가 가능한 토지가 긴 줄무늬 형태를 이루게 되는데, 그 줄무늬의 폭은 추적 장치의 길이와 평행한 열들 간의 거리에 따라 달라질 것이다. 기둥 구조체의 높이는 사용되는 차량 및 작물 모두에 따라서 달라질 것이다.
통상의 경우에는 9 m의 간격을 두고 떨어진 평행한 열들로 정렬된 길이 12 m의 메인 튜브(12)와 높이 5 m의 기둥을 구비하는 추적 장치가 이용되는데, 메인 튜브(10)의 한쪽 단부에 5개 패널을 구비하고 그 반대측 위치에서 메인 튜브(10)의 다른쪽 단부에서 5개 패널을 구비하여 밸런싱 문제를 피하도록 되며, 그 패널들의 크기는 1m x 2m이고 약 1.5 m 이격된다. 이러한 구성에서, 농작물의 종류에 제한을 가하지 않게 되고 또는 추적 장치의 아래쪽으로 임의의 크기의 농기계가 통과할 수 있게 된다.
또한, 기둥에 설치물을 장착함으로써, 추적 장치 및 전기적 부품들이 지면으로부터 멀리 떨어지게 유지되고, 그에 따라 사람들의 안전성을 높일 수 있고 그리고 물이 흐르거나 늪지인 땅도 이용될 수 있게 한다.
타이와 함께 기둥을 포함하는 구조체는 지면 내로 삽입될 수 있는 소형 파일 또는 스크루형 파일을 이용함으로서 제한된 기초 작업만으로도 성취될 수 있고, 그에 따라 지면에 위치된 통상적인 추적 장치에서 요구되는 보강 콘크리트 기초작업을 회피할 수 있게 된다.
기둥들의 열이 배치되고 그리고 기둥들의 열을 횡방향으로 함께 연결하는 케이블이 기둥의 상부를 통과한 경우(그 케이블은 후에 기둥의 열의 시작부 및 종료부에서 지면에 고정된다), 이러한 해결책은 단순한 레버 시스템을 이용하여 기둥의 기부의 피봇에서 기둥들을 매우 용이하게 회전시킴으로써 기둥들을 지면으로부터 들어올릴 수 있게 한다. 기둥과 기초부 사이의 조인트는 피봇으로 구성되며, 그러한 피봇은 기둥의 교체를 위해서 분리할 수 있고, 발전 설비의 수명이 끝나갈 때, 구조체의 해체를 가능하게 하고 또는 기초부가 지면으로부터 용이하게 제거될 수 있게 한다. 기초부는 그 단부의 고정된 링에서 승강 시스템에 결합되어, 이 승강 시스템에 의해 기초부가 지면으로부터 수직으로 빼내지게 된다.
추적 장치는 모든 이동 축선을 따라서 균형을 이루고 그에 따라 그 이동에는 최소 힘이 요구될 것이다. 이는, 낮은 에너지 소모 및 보다 경량의 기계적 부재를 초래한다.
모든 기계적인 부재들이 대기중의 물질로부터 보호되는 튜브형 구조체(10) 내에 수용되며, 그에 따라 작동 수명이 연장된다.
매달란 설치물은 이동 부재들, 전기 시스템 및 임의의 유체 이송 네트워크로부터 멀리 떨어져 유지되어, 발전 설비의 안전성이 높아진다.
이러한 측면에서, 하강 라인(descent line)을 제외하고, 전기 시스템 및 가능할 수 있는 유체 이송 네트워크가 현수형 케이블에 연결된다.
포집용 패널들이 서로 이격되어 있고 지면을 따라 이동하는 그림자를 생성하며, 이에 따라 그 아래의 농경지는 모든 지점에서 태양광선을 직접적으로 받게 된다. 그림자가 지는 지면은 매우 제한적이고 불연속적이어서, 아래의 농작물 성장에 최소한의 영향을 미친다.
설치물은 기둥에 매달려 있기 때문에 농기계가 추적 장치의 아래를 통과하여 운행될 수 있게 한다.
기둥 및 타이(tie) 형태의 지지 구조체는, 아래의 지면에 상당한 영향을 미칠 것이고 발전 설비의 운영 수명의 말기에 제거하기가 어려웠을 보강 콘크리트 기초부 작업을 필요로 하지 않는다.
광전지 패널들 사이의 전기 연결 시스템[또는 할당 장치(capitation device)를 통해 순환하는 유체를 위한 파이프들]이 튜브형 구조체 내에 미리 케이블 연결되며, 그에 따라 설치가 매우 단순해진다. 광전지 패널 또는 할당 장치들이 픽업(pick-up) 센서들을 포함하는 지지 구조체로 조립되고 그리고 공장에서 테스트된다. 그들은 발전 설비의 테스트 및 집중화(centralizing)에 앞서 단지 최종 설치 단계에서 신속 연결 커넥터에 의해서 추적 장치에 연결되고 고정되며, 그에 따라 설치 장소에서 절도범에 대한 안전성이 높아질 것이다.
만약 추적 장치들이 환경 센서를 가진다면, 몇 개의 추적 장치로 이루어진 플랜트가 모세관(capillary) 환경 모니터링 네트워크를 구성한다.
사용되는 물질 및 치수들은 요건에 따라서 또는 기술 수준에 따라서 선택될 수 있을 것이다. 이러한 방식으로 창안된 태양 추적 장치는 수 많은 변형 및 변경 실시예에 적용될 수 있을 것이고, 그러한 변형 및 변경 실시예 모두는 본 발명의 범위에 포함될 것이고; 또한 모든 상세한 사항들은 기술적으로 균등한 요소들로 대체될 수 있을 것이다.

Claims (11)

  1. 복수의 태양 추적 장치를 포함하는 태양 에너지 수집 시스템에 있어서,
    각각의 태양 추적 장치는, 자체 축선을 중심으로 회전될 수 있는 하중 지지용 수평 메인 튜브(10); 이 메인 튜브에 대해 직교하게 이동할 수 있는 한편, 자체의 축선을 중심으로 회전할 수 있도록 고정된 복수의 보조 튜브(11); 이들 보조 튜브(11)에 각각 고정되어 태양 에너지를 포집할 수 있는 패널(12); 및 수직으로 배치된 제1 기둥(13) 및 제2 기둥(13)을 포함한 지지 구조체를 포함하고; 상기 제1 기둥(13) 및 제2 기둥(13)은 상기 메인 튜브(10)를 그 단부에서 고정시키도록 상단부에 위치한 연결 요소(21)를 각각 포함하고; 이 연결 요소(21)는 상기 메인 튜브를 고정하기 위한 제1 측방향 부분 및 추가로 존재할 수 있는 추가적인 메인 튜브를 고정하기 위한 제2 측방향 부분을 포함하는 것인 태양 에너지 수집 시스템에 있어서,
    상기 메인 튜브(10)는 확장을 가능하게 하는 슬라이딩 가능 조인트(60, 61, 62)를 포함하고, 상기 슬라이딩 가능 조인트(60, 61, 62)는 일단부(61)에서는 상기 메인 튜브(10)에 고정되고 타단부(60)에서는 상기 제1 측방향 부분에 고정되고; 상기 제1 기둥(13) 및 제2 기둥(13)은 그들의 기부에 커플링 지점(17)을 포함하고; 이 커플링 지점(17)은 상기 제1 기둥(13) 및 제2 기둥(13) 각각에 고정된 제1 천공 플레이트(6)를 포함하고, 각각의 커플링 지점(17)은 지면에 박혀 고정되는 스크루 샤프트(16, 18)를 포함하며, 이들 스크루 샤프트(16, 18)에 제2 천공 플레이트(5)가 고정되며, 제1 및 제2 천공 플레이트(5, 6)의 구멍을 통해 핀(7)이 삽입되며; 상기 제1 기둥(13) 및 제2 기둥(13)의 각각은 지면에 고정된 둘 이상의 케이블(55, 56)에 의해서 수직 자세로 유지되고; 상기 둘 이상의 케이블(55, 56)은 스크루 샤프트(16, 18)에 의해서 지면에 고정되며, 상기 연결 요소(21)는 이 연결 요소를 상기 제1 기둥(13) 및 제2 기둥(13)에 고정시키기 위한 하부 부분(50), 중간 부분(51) 및 상부 부분(52)을 포함하고; 상기 하부 부분(50)과 중간 부분(51) 사이에는 상기 메인 튜브(10)의 축선에 대해서 직교하게 배치되는 제1 케이블(55)을 위한 안착부가 마련되며; 상기 중간 부분(51)과 상부 부분(52) 사이에는 메인 튜브(10)의 축선과 동일한 방향으로 배치되는 제2 케이블(56)을 위한 안착부가 마련되며; 상기 제1 및 제2 케이블에는 록킹 슬리브(57)가 장착되되, 이 록킹 슬리브들은 공장에서 정확하게 미리 결정된 이격 거리를 두고 케이블들에 클림핑되며; 이들 록킹 슬리브의 위치 설정에 의해 상기 제1 기둥(13)과 제2 기둥(13) 간의 간격이 설정되는 것을 특징으로 하는 태양 에너지 수집 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 정렬되어 복수의 제1 기둥(13) 및 제2 기둥(13)에 고정되는 복수의 메인 튜브(10)를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 에너지 수집 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 단지 두 개의 케이블(55, 56)이 각각의 연결 요소(21)에 고정되는 것을 특징으로 하는 태양 에너지 수집 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 메인 튜브(10)는 메인 튜브 자체에 고정되는 모터(24)를 포함하고, 이 모터(24)는 상기 제1 기둥(13)에 고정된 치형 휘일(26)과 결합되는 기어휘일(25)을 갖는 것을 특징으로 하는 태양 에너지 수집 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 메인 튜브(10)는 상기 메인 튜브에 고정되어 랙을 구동하기 위한 모터(30)를 포함하고, 상기 랙은 상기 보조 튜브(11)에 고정되게 결합된 기어휘일(32)을 회전시키는 것을 특징으로 하는 태양 에너지 수집 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 복수의 메인 튜브(10)를 포함하고; 이들 복수의 메인 튜브(10)의 각각은 인접하게 위치한 메인 튜브(10)들과 통신할 수 있는 송수신기를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 에너지 수집 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제1 기둥(13) 및 제2 기둥(13)의 높이가 3 m를 초과하는 것을 특징으로 하는 태양 에너지 수집 시스템.
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