KR101796599B1 - 토션 리미터 장치, 시스템 및 방법 그리고 토션 리미터를 채용한 태양광 트랙커 - Google Patents

토션 리미터 장치, 시스템 및 방법 그리고 토션 리미터를 채용한 태양광 트랙커 Download PDF

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Abstract

본 발명은 태양광 트랙커 조립체를 개시한다. 상기 태양광 트랙커 조립체는 지지 기둥, 상기 지지 기둥에 연결되는 토션 빔, 상기 토션 빔에 부착되는 장착 메카니즘, 상기 토션 빔에 연결되는 구동 시스템, 및 상기 구동 시스템의 출력 측에 연결되는 토션 리미터를 구비한다. 외력이 상기 구동 시스템 상의 토션 레벨을 미리 설정된 한계를 초과하도록 발생시킬 때, 상기 토션 리미터를 태양광 트랙커 조립체의 비틀림 방향으로의 회전 이동을 용이하게 하고, 이에 의하여 외력이 상기 토션 빔을 통과하여 연장하는 피봇 축을 중심으로 회전하는 것을 허용한다. 예시적인 실시예들은 또한 태양광 트랙커의 복수개의 열을 정렬하는 방법을 구비한다.

Description

토션 리미터 장치, 시스템 및 방법 그리고 토션 리미터를 채용한 태양광 트랙커{Torsion Limiter Devices, Systems and Methods and Solar Trackers Incorporating Torsion Limiters}
관련 출원
본 출원은 2014년 2월 19일에 출원된 미국 특허출원 61/941,754 및 2013년 10월 19일에 출원된 미국 특허출원 제62/065,741에 대한 우선권의 이익을 주장하며, 상기 문헌들의 각각의 내용은 본 명세서에서 그 전체로서 참조 인용된다.
기술 분야
본 발명은 토션 리미터 장치(torsion limiter device), 시스템 및 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 기계적 위치결정 시스템의 토크 해제 메카니즘(torque release mechanism)에 관한 것이다. 본 발명은 또한 토크 리미팅 및 슬립 클러치 조립체(torque limiting and slip clutch assembly)에 관한 것이다.
태양광 트랙킹 광전지(photovoltaic : "PV") 어레이 또는 외부의 환경적 힘에 노출되는 기계적으로 구동되는 위치결정 시스템에 풍력이 작용할 때, 이는 독립적, 누적적 또는 선택적으로 상기 어레이에 작용하는 양압(positive pressure) 및 부압(negative pressure)을 유발한다. 이러한 풍력들은 통상적으로 항력(drag), 양력(uplift), 하방력 및 회전축을 중심으로 한 힌지 모멘트로 분류된다. 이러한 풍력들은 바람의 속력, 방향 및 어레이의 회전 트랙킹 각도에 따라 변화한다. 이러한 풍력들은 또한 일반적으로 대형 어레이 필드에 있는 외부 구조물들 상에서 보다 커지게 된다.
통상적으로 단일 축 태양광 트랙킹 시스템의 경우에, 트랙킹되는 어레이 또는 다른 기계적 시스템에 유도되는 양력 및 항력은 구조물 내의 다중 지점들에서 저항을 받게 된다. 그러나 기존의 시스템들에서 입증되는 바와 같이, 힌지 모멘트는 통상적으로 한 지점에서 저항을 받는다. 상대적으로 긴 토션 튜브들 또는 다른 빔 형상체에 가해지는 결과적인 비틀림 힘은 커질 수 있고, 트랙커 구조물의 비틀림 가요성(torsional flexibility)과 상호 작용하는 경향이 있다. 구조물 내의 단일 지점에서 큰 힌지 모멘트 힘들을 상쇄하기 위해서는, 큰 결합 토크와 시스템의 빔 하중의 양자에 과도한 가요성 없이도 저항할 수 있는 충분히 강한 비틀림 부재들이 요구된다. 상기 힌지 모멘트 힘들은 정력(static force)으로 존재하거나, 또는 때때로 비틀림 발산력(torsional divergence)으로 알려진 동력(dynamic force)으로 존재할 수 있다. 만약 트랙커의 구조적 시스템이 그 설계상 가요성을 가지고 단일 지점에서 비틀림 방향으로 구속된다면, 구조물 상의 하중을 상당히 증가시킬 수 있는 잠재력을 가지는 비틀림 발산력 및 다른 동력들이 발생할 수 있다. 따라서 트랙커 구조물의 가요성을 최소화함으로써 위와 같은 동력들을 발생시킬 수 있는 바람의 상호 작용을 감소시키거나 제거하는 것이 구조적으로 유리하다.
따라서 트랙킹 시스템에 가해지는 피크 힌지 모멘트 힘(peak hinge moment force)을 감소시키고 및/또는 시스템이 다중 지점들에서 모멘트 힘들에 저항할 수 있도록 허용함으로써 상기 구조물이 노출되는 동력/조화력(dynamic/harmonic force)들을 감소시키거나 효과적으로 제거하는 메카니즘에 대한 요구가 존재한다. 구조물에서 비틀림을 감소시키면 비틀림과 빔 하중의 결합된 부하가 더 적어지므로, 관련된 구조적 부재들의 빔부하 능력이 증가된다. 피크 비틀림 힘을 제한하고 그 다음에 구조물을 따른 다중 지점에서 보다 작은 최대 비틀림 력에 저항하는 수단을 제공함으로써, 보다 경량의 구조적 구성부품들이 채용될 수 있고 태양광 트랙커 시스템의 재료 중량과 비용을 절감할 수 있다.
본 발명의 실시예들은 토션 리미터를 채용함으로써 태양광 트랙커와 같은 기존의 기계적 시스템들의 단점을 상당히 완화하는데, 상기 토션 리미터는 어떠한 경우 각 트랙커 열(tracker row)의 제2의 기어 랙(gear rack)이 결합되기 전의 주 기어박스의 출력측에 있는 토크 리미팅 클러치(torque limiting clutch)가 될 수 있다. 본질적으로, 이는 미리 설정된 토크 해제 메카니즘을 비틀림 응력이 가해지는 구성요소들과, 트랙커 시스템의 각 개별 구동되거나 링크된 트랙커 열의 구동장치 사이에 위치시키는 것이다. 본 발명의 예시적인 실시예들은 트랙킹 시스템의 구조적 요건들을 실질적으로 감소시키기 위해 트랙커 어레이 상에 바람에 의해 유도된 비틀림 힘을 최소화하는 이점을 가진다. 실질적으로 감량된 구조물은 트랙커 시스템의 코스트의 상당한 절감에 이르게 된다.
토션 리미터의 예시적인 실시예들은 힌지 모멘트를 최소화하고 광전지 트랙킹 구조물과 같은 기계적인 시스템 상에 바람에 의해 유도되는 어떠한 상당한 동력(dynamic force)들을 제거하는 비틀림 힘 릴리프 밸브(relief valve)로서 작용한다. 중요한 기능은 강풍이 부는 동안에 비틀림을 해제하는 것 및 비틀림 힘이 미리 설정된 비틀림 해제력을 더 이상 극복할 수 없는 위치로 어레이가 이동할 때까지 또는 상기 어레이가 비틀림 힘에 의해 극단 회전 위치까지 이동하여 구조물 상의 다중 지점에 구속될 때까지 각각의 개별적인 트래커 열(tracker row)을 다른 위치로 이동하는 것을 허용하는 것이다. 극단 회전 위치에서 어레이를 따라 복수개의 스토퍼를 채용함에 의해, 비틀림 저항 구조적 요소 또는 요소들의 어느 일 부분에서 비틀림 힘이 최소화된다.
예시적인 실시예들에서, 어레이가 불균형한 강한 눈 부하, 폭설 또는 사구(sand dune)와 같은 장애물에 의해 이동되지 못하거나 또는 하나 또는 그 이상의 링크된 기어 세트가 극단 한계 정지 위치에 있을 때, 상기 토션 리미터는 구동 모터의 입력 힘에 대한 과부하 릴리프로서 작용할 수 있다. 이러한 조건에서, 상기 장애물 저항이 비틀림 제한 한계치보다 더 큰 경우에 토션 리미팅 클러치는 출력 구동력들로부터 입력 구동력들을 분리시킬 것이다. 예시적인 실시예들에서, 토션 리미터에 의해 해제되는 힘들은 어레이 상에 외부적으로 유도되는 힌지 모멘트 힘들과, 또한 어레이를 이동시키는데 필요한 입력 구동력들이 토션 리미터 한계를 넘을 때 입력 구동 메카니즘으로부터 나오는 힌지 모멘트 힘들의 양자가 될 것이다.
태양광 트랙커 조립체의 예시적인 실시예들은 지지 기둥, 상기 지지 기둥에 연결되는 토션 빔(torsion beam), 상기 토션 빔에 부착되는 장착 메카니즘, 상기 토션 빔에 연결되는 구동 시스템 및 상기 구동 시스템에 연결되는 토션 리미터를 구비한다. 상기 태양광 트랙커 조립체는 복수개의 지지 기둥을 구비하고, 각각의 지지 기둥에 스토퍼를 더 구비한다. 상기 토션 빔은 밸런스드 무게 중심을 중심으로 회전할 수 있도록 밸런스드 무게 중심(balanced ceter of gravity)을 가지도록 형성될 수 있다. 바람과 같은 외력이 시스템 상에 미리 설정된 한계를 초과하는 비틀림 레벨을 발생시키면, 상기 토션 리미터는 태양광 트랙커 조립체의 비틀림 방향으로 회전 이동을 용이하게 하고, 이에 의하여 외력이 상기 조립체를 토션 빔을 통과하여 연장하는 피봇 축을 중심으로 회전시키는 것을 허용한다.
예시적인 실시예들에서, 어레이를 제2 회전 위치로 이동하도록 허용함에 의해 외력이 해제되도록 상기 토션 리미터는 과도한 비틀림을 분리시킨다. 비틀림 방향으로의 이동은 태양광 트랙커 조립체의 제1 회전 위치로부터 적어도 하나의 제2 회전 위치로의 이동을 포함할 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 외력이 충분히 클 때, 태양광 트랙커는 극단의 회전 위치 멈춤 위치로 이동한다. 최대 회전 위치 기계적 스토퍼는 최대 회전 각도에 위치하고, 그 다음에 트랙킹 구조물의 다중 지점에서 저항을 받음으로써, 주 비틀림 저항 구조 부재(main torsional resisting structual member)가 궁극적으로 다중 지점에서 회전 지지되고 토션 빔 구조물의 비틀림을 효과적으로 제한한다.
비틀림 방향으로의 이동은 태양광 트랙커 조립체의 제1 회전 위치로부터 제2 또는 다중 회전 위치로의 이동을 포함할 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 상기 태양광 트랙커 조립체는 태양광 트랙커 조립체의 비틀림 저항 구조물을 따른 다중 분산 위치에서 최대 회전 위치 내에 구속된다. 트랙커가 극단 위치에 있지 않을 때 비틀림 힘을 해제하도록 트랙커가 회전하는 것을 허용함으로써 상기 토션 리미터는 상기 토션 빔을 통과하여 연장되는 피봇 축을 중심으로 힌지 모멘트를 제한하고, 그 다음에 시스템이 더 이상 회전할 수 없을 때 극단 위치에 있는 다중 스토퍼들이 비틀림 저항 구조 부재의 어느 일 부분에서 비틀림을 종국적으로 제한한다.
예시적인 실시예들에서, 태양광 트랙커 조립체의 구동 시스템은 적어도 하나의 기어 휠을 포함하는 기어 조립체를 구비한다. 예시적인 실시예들에서, 상기 기어 조립체는 일-방향 기어박스(one-way gearbox)를 구비하고, 상기 토션 리미터는 비틀림 제한 클러치이다. 상기 토션 리미터는 또한 어떠한 실시예들에서 슬립 클러치(slip clutch)일 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 상기 기어 조립체는 기어 휠에 맞물리는 마찰 커플링을 포함할 수 있고, 상기 토션 리미터는 상기 마찰 커플링에 위치한다. 상기 토션 리미터는 상기 기어 조립체의 제1 기어단의 출력측에 위치될 수 있다. 다른 예시적인 실시예들에서, 상기 태양광 조립체는 푸시/풀 링크된 트랙커(push/pull linked tracker)이고, 상기 토션 리미터는 선형 슬립 장치 또는 선형 클러치 연결기구이다. 상기 태양광 트랙커 조립체는 유압 시스템을 구비할 수 있고, 상기 토션 리미터는 상기 유압 시스템의 압력 릴리프의 형태가 될 수 있다. 상기 태양광 트랙커 조립체는 비틀림 력의 해제를 제어하고 태양광 트랙커 조립체의 운동을 느리게 하기 위해 기어 랙 또는 그 부근에 채용된 댐퍼를 더 구비할 수 있다.
예시적인 실시예들은 복수 열의 태양광 트랙커를 구비한 태양광 어레이를 배열하는 단계와, 태양광 트랙커들의 각 열에 개별적으로 연결된 토션 리미터를 제공하는 단계를 구비하고, 여기에서 하나 또는 그 이상의 태양광 트랙커는 태양광 트랙커들의 적어도 하나의 열의 동력전달장치에 의하여 유발된 비틀림 레벨이 비틀림 한계 임계값을 초과하도록 발생시키는 기계적 회전 리미트를 구비함으로써, 상기 토션 리미터는 기계적으로 제한된 적어도 하나의 열이 회전하지 않도록 허용하는 한편 동시에 태양광 트랙커의 다른 복수개의 열들의 회전을 구동한다. 태양광 트랙커의 복수개의 열들은 링크된 태양광 트랙커들의 다중 열들을 구비한다. 태양광 트랙커의 복수개의 열들 중 태양광 트랙커의 적어도 하나의 열 상의 기계적인 제한 조건은 미리 설정된 임계값을 초과하는 트랙커의 비틀림 레벨을 발생시킨다.
태양광 트랙커의 다른 복수개의 열들이 회전하는 동안 적어도 하나의 기계적으로 제한된 열은 회전하지 않고, 태양광 트랙커의 모든 복수개의 열들이 더 이상 회전하지 않을 때까지 상기 복수개의 열들은 최대 기계적 제한 위치에 도달한다. 각 열이 최대의 기계적 제한 위치 도달할 때 각 트랙커 열은 회전 운동을 정지하는 반면, 태양광 트랙커의 다른 복수개의 열들은 회전하여 최대 제한 위치에 도달한다.
만약 하나 또는 그 이상의 열들이 눈보라, 모래바람 또는 다른 방해물과 같은 외부 환경적 조건에 의해 방해받을 때, 안전한 임계값에서 구동 토크를 제한하고 해제하는 동일한 메카니즘이 또한 유리하다. 상기 토션 리미터는 추적되는 어레이가 방해물에 의해 손상되는 것을 보호하는 한편, 또한 방해물이 없어질 때까지 상기 트랙커가 제한된 운동으로 회전하는 것을 허용한다.
예시적인 실시예들에서, 외력들로부터 과 비틀림이 가해지는 동안, 비틀림 방향으로의 이동은 태양광 트랙커의 적어도 하나의 열의 제1 회전위치로부터 적어도 하나의 제2 회전 위치로의 이동을 포함할 수 있다. 비틀림 방향으로의 이동은 태양광 트랙커의 적어도 하나의 열의 제1 회전 위치로부터 다중 회전위치들로의 이동을 포함할 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 태양광 트랙커의 적어도 하나의 열은 복수개의 회전 위치들 또는 최대 제한 위치들에서 복수개의 기계적 구속체를 타격한다. 태양광 트랙커들의 각 열은 복수개의 지지 기둥과, 각 지지 기둥에 있는 스토퍼를 구비할 수 있다. 예시적인 실시예들은 비틀림력의 해제를 조절하고 태양광 트랙커 조립체의 운동을 느리게 하기 위해 토션 리미터 또는 그 부근에 댐퍼를 채용하는 단계를 더 구비한다.
단일의 구동되는 태양광 트랙커 조립체의 예시적인 실시예들은 지지 기둥, 상기 지지 기둥에 연결되는 하나 또는 그 이상의 토션 빔들, 하나 또는 그 이상의 토션 빔들에 부착되는 태양광 모듈 장착 시스템, 하나 또는 그 이상의 토션 빔들에 연결되는 구동 시스템, 및 모터 브레이크를 포함한다. 상기 구동 시스템은 입력측 및 출력측을 가지는 양방향 기어박스를 구비하고, 상기 모터 브레이크는 상기 양방향 기어박스의 입력측에 위치한다. 외력이 구동 시스템 상에 미리 설정된 한계를 넘는 토션 레벨을 발생시킬 때 모터는 슬립하고, 만약 상기 모터 브레이크가 모터 그 자체의 내부에 있다면 상기 모터는 시스템을 통과하여 후방으로 구동되고, 이는 시스템의 후방-구동(back-driving)과 비틀림 힘의 해제를 용이하게 한다.
예시적인 실시예들에서, 기어 구동 시스템은 토크 리미팅 클러치와 적어도 하나의 웜 기어 휠(worm gear wheel)을 가지는 기어 조립체를 구비한다. 상기 기어 조립체는 기어박스 안에 수용되거나 수용되지 않을 수 있다. 기어 상의 토크 레벨이 미리 설정된 레벨을 초과할 때, 상기 클러치가 슬립한다. 상기 기어 조립체는 상기 웜 기어 휠과 맞물리는 2개의 테이퍼 부를 구비할 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 상기 토크 리미팅 클러치는 상기 2개의 테이퍼 부에 위치된다. 상기 클러치는 상기 테이퍼 부에서 스프링 장력을 변화시키는 너트를 통하여 조절될 수 있다. 이러한 슬립 클러치는 예시적인 실시예들에서 교호적인 형상을 취할 수 있고, 기어 구동 기계적인 시스템들의 상이한 타입들에 필요한 다른 형상을 취할 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 태양광 트랙커 조립체는 적어도 하나의 지지 기둥, 상기 지지 기둥에 연결되고 토션 빔을 관통하여 연장하는 피봇 축을 가진 토션 빔, 상기 토션 빔에 부착되는 장착 메카니즘, 상기 장착 메카니즘에 장착되는 하나 또는 그 이상의 태양광 모듈, 및 토크 리미팅 클러치와 적어도 하나의 웜 기어 휠을 내장하는 기어박스 조립체를 구비한다. 상기 기어박스 상의 토크 레벨이 미리 설정된 임계값을 초과할 때, 상기 클러치가 슬립한다.
기어 구동 기계적 시스템의 예시적인 실시예들은 적어도 하나의 기어 랙과 상기 기어 랙에 결합되는 기어 구동 시스템을 구비하는 적어도 하나의 기어 구동 기계적 유닛을 포함한다. 상기 기어 구동 시스템은 적어도 하나의 기어 휠과, 상기 기어 조립체의 출력측에 위치하고 상기 기어 구동 시스템이 상기 기어 랙에 맞물리는 위치의 앞에 있는 토크 리미팅 클러치를 구비한다. 상기 기어 조립체 상의 토크 레벨이 미리 설정된 레벨을 초과할 때 클러치가 슬립하여, 상기 기어 구동 기계적 유닛 상의 토크를 해제한다.
예시적인 실시예들에서, 상기 기어 조립체는 상기 기어 휠에 맞물리는 적어도 하나의 테이퍼 부와, 상기 테이퍼 부에 위치하는 토크 리미팅 클러치를 구비한다. 상기 클러치는 상기 테이퍼 부의 스프링 장력을 변화사키는 너트를 통하여 조절될 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 상기 기어 구동 기계적 유닛은 회전가능하다. 예시적인 실시예들에서, 상기 기어 구동 기계적 유닛은 최대 회전 각도에서 강성의(hard) 정지 위치까지 회전한다.
기어 구동 기계적 시스템의 예시적인 실시예들은 회전 축을 중심으로 하여 회전가능한 적어도 하나의 기어 구동 기계적 유닛과, 기어 구동 시스템을 포함한다. 기어 구동 기계적 유닛은 적어도 하나의 기어 랙과, 상기 기어 랙과 결합되는 기어 구동 시스템을 구비한다. 상기 기어 구동 시스템은 적어도 하나의 기어 휠과 상기 기어 조립체의 출력측에 위치하는 토크 리미팅 클러치를 구비하는 기어 조립체를 포함한다. 기어 조립체 상의 토크 레벨이 미리 설정된 레벨을 초과할 때, 클러치가 슬립하여 기어 구동 시스템 상의 토크를 해제하고 상기 회전 축을 중심으로 한 힌지 모멘트를 제한한다.
예시적인 실시예들에서, 토크 리미팅 클러치는 기어 구동 기계적 유닛의 제1 기어 단의 출력 측에 위치한다. 예시적인 실시예들에서, 상기 토크 리미팅 클러치는 기어 구동 기계적 유닛의 기어 랙의 입력 측에 포함된다. 상기 적어도 하나의 기어 구동 기계적 유닛은 복수개의 기어 구동 기계적 유닛을 포함할 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 각 기어 구동 기계적 유닛은 최대 회전 각도에서 기계적으로 제한된 정지 위치까지 회전한다.
태양광 트랙킹 시스템의 예시적인 실시예들은 토크 리미팅 클러치를 통하여 회전하도록 유지되는 적어도 하나의 태양광 트랙커 조립체를 포함한다. 상기 태양광 트랙커 조립체는 적어도 하나의 지지 기둥, 상기 지지 기둥에 연결되는 토션 빔, 상기 토션 빔에 부착되는 모듈 장착 수단, 및 상기 토션 빔에 연결되는 적어도 하나의 기어 구동 조립체를 구비한다. 피봇 축은 상기 토션 빔을 통과하여 연장된다. 상기 토크 리미팅 클러치는 기어 구동 조립체에 결합된다. 상기 기어 구동 조립체 상에 외부에서 작용하는 토크 레벨이 미리 설정된 레벨을 초과할 때, 클러치가 슬립하여 상기 트랙킹 시스템이 회전하도록 허용하고, 이에 의하여 태양광 트랙커 상의 토크를 해제하고 상기 피봇 축을 중심으로 한 힌지 모메트를 감소시킨다.
예시적인 실시예들에서, 토크 리미팅 클러치가 태양광 트랙커 조립체의 제1 기어단의 출력 측에 위치된다. 예시적인 실시예들에서, 상기 토크 리미팅 클러치는 태양광 트랙커 조립체의 기어 구동 조립체에 포함된다. 상기 기어 구동 조립체는 주 구동 기어를 구비하고, 여기에서 상기 토크 리미팅 클러치가 상기 주 구동 기어의 출력 측 상에 포함된다. 예시적인 실시예들에서, 상기 태양광 트랙커 조립체는 최대 회전 각도에서 기계적 스토퍼에 결합되도록 회전한다.
상기 태양광 트랙킹 시스템은 토크 리미팅 클러치가 암(arm) 연결부와 토션 튜브 사이에 포함되는 링크된 시스템일 수 있다. 상기 태양광 트랙킹 시스템은 푸시/풀 링크된 트랙커 일 수 있다. 다른 예시적인 실시예들에서, 상기 태양광 트랙킹 시스템은 유압 구동되고, 상기 토크 리미팅 클러치는 유압 릴리프 밸브이다.
이와 같이 토션 리미터들, 토크 리미팅 클러치들, 기어 구동 시스템들, 태양광 트랙커들 및 관련된 토크 해제 방법들이 제공됨을 알 수 있다. 기술된 장치들, 시스템들 및 방법들은 미리 설정된 토크 해제 메카니즘을 제공하고, 이에 의하여 광전지 트랙킹 구조물 상의 힌지 모멘트 및 다른 동력(dynamic force)들을 감소시키거나 제거한다. 이러한 또는 다른 특징 및 이점들은 첨부된 도면들과 함께 후술하는 상세한 설명을 검토함으로써 이해될 수 있을 것이다. 도면에서 동일한 도면 부호는 동일한 구성요소를 지칭한다.
본 발명의 앞서 언급한 특징들 및 목적들은 첨부 도면과 함께 후술하는 발명의 상세한 설명을 고려함에 의하여 보다 명백해질 것이다. 도면에서 동일한 도면 부호는 동일한 구성요소를 지칭한다.
도 1A는 본 발명에 따른 기계적 유닛의 예시적 실시예에 대한 도식도이다.
도 1B는 본 발명에 따른 기계적 유닛의 예시적 실시예에 대한 도식도이다.
도 1C는 본 발명에 따른 기계적 유닛의 예시적 실시예에 대한 도식도이다.
도 1D는 본 발명에 따른 기계적 유닛의 예시적 실시예에 대한 도식도이다.
도 2는 본 발명에 따른 예시적인 토션 리미팅 방법의 공정 흐름도이다.
도 3은 본 발명에 따른 태양광 트랙커의 예시적인 실시예의 사시도이다.
도 4는 본 발명에 따른 토션 리미터를 구비하는 태양광 트랙커의 예시적인 실시예의 상세 절제도이다.
도 5는 본 발명에 따른 토션 리미터를 구비하는 기어 구동 기계적 유닛의 예시적인 실시예의 상세 절제도이다.
도 6은 본 발명에 따른 다중 마찰 플레이트 토션 리미터의 예시적인 실시예의 사시도이다.
도 7A는 본 발명에 따른 예시적인 토션 리미터를 채용한 개별 구동되는 태양광 트랙커의 예시적인 실시예의 사시도이다.
도 7B는 도 7A의 태양광 트랙커의 사시도이다.
도 8은 본 발명에 따른 예시적인 토크 리미팅 클러치를 구비한 링크된 기어 구동 태양광 트랙커 어레이의 예시적인 실시예의 사시도이다.
도 9는 본 발명에 따른 로터리 토션 리미터의 예시적인 실시예를 채용한 푸시/풀 트랙커 시스템의 예시적인 실시예의 사시도이다.
도 10은 본 발명에 따른 선형 슬립 포스 리미터(linear slip force limiter)의 예시적인 실시예를 구비한 푸시/풀 링크된 트랙커 시스템의 예시적인 실시예의 사시도이다.
도 11은 본 발명에 따른 리니어 슬립 포스 리미터의 예시적인 실시예의 사시도이다.
도 12A는 본 발명에 따른 예시적인 과압 밸브(over pressure valve)를 구비하는 유압 램(hydraulic ram) 구동 태양광 트랙커의 예시적인 실시예의 후방 사시도이다.
도 12B는 도 12A의 태양광 트랙커의 측면도이다.
도 13은 본 발명에 따른 유압 실린더 또는 램의 예시적인 실시예의 사시도이다.
도 14는 본 발명에 따른 과압 밸브의 예시적인 실시예의 절제도이다.
도 15는 본 발명에 따른 예시적인 토션 리미터와 태양광 트랙커 기어 조립체의 예시적인 실시예의 사시도이다.
도 16는 본 발명에 따른 예시적인 토션 리미터와 태양광 트랙커 기어 조립체의 예시적인 실시예의 측면도이다.
도 17은 본 발명에 따른 예시적인 토션 리미터와 태양광 트랙커 기어 조립체의 예시적인 실시예의 상세도이다.
도 18은 본 발명에 따른 예시적인 토션 리미터와 태양광 트랙커 기어 조립체의 예시적인 실시예의 측면도이다.
도 19는 본 발명에 따른 예시적인 모터 브레이크를 구비하는 태양광 트랙커의 예시적인 실시예의 사시도이다.
도 20은 본 발명에 따른 예시적인 모터 브레이크의 절제도이다.
도 21은 본 발명에 따른 예시적인 실시예들이 사용되는 직류 브러쉬 모터의 절제 사시도이다.
후술하는 단락들에서, 실시예들이 첨부된 도면을 참조하여 예시적으로 상세히 설명될 것이다. 첨부 도면은 실측으로 도시되지 않았고, 도시된 구성요소들은 다른 구성요소에 대하여 반드시 비례적으로 도시된 것은 아니다. 발명을 상세한 설명의 전체에 걸쳐, 실시예들과 도시된 예들은 본 발명을 제한하는 것이 아니라 예시적으로 고려되어야 한다. 본 명세서에서 사용된 "본 발명"은 여기에 기술된 실시예들의 하나 및 그 균등물을 지칭한다. 또한 본 명세서의 전체에 걸쳐 본 발명의 다양한 특징들은 모든 청구된 실시예들 또는 방법들이 반드시 언급된 특징을 가져야 하는 것을 의미하지 않는다.
토션 리미터(torsion limiter)의 예시적인 실시예들은 강한 풍력과 같은 외부의 힘들에 노출될 수 있는 어떠한 종류의 구동 시스템에도 유리하게 사용될 수 있고, 단지 단일 지점 대신에 구조물에 따른 다중 지점들에서 상기 외력에 저항할 능력으로부터 이익을 볼 수 있는 시스템에 유리하게 사용될 수 있다. 태양광 트랙커가 그러한 시스템의 일 예이고, 예시적인 실시예들은 어떠한 종류의 태양광 트랙커에도 사용될 수 있고, 수평축, 틸트 및 롤(tilt and roll), 및 방위축(azimith)과 같은 단일축 트랙커 뿐만 아니라 이중축(dual-axis) 트랙커를 포함하나, 이에 한정되지 아니한다. 예시적인 실시예들은 구동장치의 출력측과 콜렉터 어레이(collector array) 사이에 연결되는 토션 리미터를 포함하는 어떠한 태양광 트랙커 설계도 포함하는데, 여기에서 상기 토션 리미터는 미리 설정된 비틀림 힘의 레벨에서 해제한다. 예시적인 실시예들은 기어-구동, 유압 구동 또는 다른 어떠한 수단에 의하여 구동되는 태양광 트랙커를 포함한다. 예시적인 트랙커의 기하학적 구조는 트랙커 프레임에 직접 부착되거나 또는 D-링 체인 구동, 또는 트랙커 용의 하나 또는 두개의 지지 기둥에 부착되는 케이블 시스템과 같은 제2의 단계를 통하여 부착되는 웜-기어 주 기어 구동(worm-gear primary gear drive)을 채용한다. 예시적인 태양광 트랙커 실시예들은 토션 리미터 힘이 어떠한 트랙커 회전각에서도 일정하게 유지되도록 밸런스드 어레이(balanced array)를 채용할 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예들은 트랙킹 시스템에서 토크를 해제하여 상기 시스템이 높은 토크 위치로부터 벗어나 제2의 위치로 이동하여 정지하거나, 또는 만약 외력이 충분히 큰 경우에 비틀림 힘이 단일의 지점(일반적으로 시스템의 중앙부) 대신에 다중 지점에서 저항할 수 있는 극단 위치로 상기 시스템이 이동한다. 대안으로서, 만약 시스템이 사구, 눈, 얼음 또는 어떠한 다른 외부 방해물과 같은 방해물을 만날 때, 시스템의 구동 모터로부터 나오는 토크가 토션 리미터에 의해 입력측 구동장치로부터 해제된다. 또한 링크된 구동 시스템에서, 방해물에 의해 영향을 받은 열 또는 열들 만이 이동하지 않는 반면에, 다른 방해받지 않는 링크된 열들은 추적을 계속한다. 따라서 예시적인 실시예들은 2개의 상이한 타입의 토크, 즉 바람으로부터 가해지는 외부 비틀림력 및/또는 트랙킹 시스템 출력이 방해될 때 구동장치에 의해 발생되는 내부 비틀림을 해제하는 이점을 제공한다.
바람이 부는 조건에서, 풍력은 트랙커 시스템 상에 힌지 모멘트를 유발한다. 만약 상기 힌지 모멘트가 토션 리미터의 유지력보다 크다면 토션 리미터는 비틀림을 해제하고 트래커는 힘이 더 약화될 수 있는 제2 위치로 이동하는데, 왜냐하면 새로운 회전 위치의 결과로서 돌풍이 줄어들게 되거나 또는 힌지 모멘트가 줄어들게 되기 때문이다. 만약 상기 이동이 계속되어 시스템이 극단 위치의 다중 기계적 스토퍼로 구동된다면, 바람은 단일 지점 대신에 다중 지점에서 저항을 받을 수 있다. 바람직하게는, 토션 리미터들의 예시적인 실시예들을 채용하는 시스템은 자연적 또는 수동적 방식으로 반응하고, 모터나 능동 해제 장치와 같은 전자 장치가 필요 없다. 예시적인 실시예들에서, 상기 토션 리미터는 수동적으로 슬립(passively slip)하고, 하루에 두번(모터가 시스템을 극단 스토퍼 위치로 구동시킬 때 아침에 한번 그리고 저녁에 한번) 스스로 교정하는 기회를 가지는 클러치 어셈블리이다.
추적되는 광전지 어레이 상에 바람이 작용할 때, 상기 바람은 통상적으로 도1A-1D에 도시된 바와 같은 트랙커의 회전축을 중심으로 힌지 모멘트 MH를 발생시킨다. 예시적인 태양광 트랙커가 바람을 받을 때의 특징 및 특성은 다음과 같이 표기된다.
기호 특징 또는 특성
AS 모듈 표면 면적
MH 풍력 부하에 의한 힌지 모멘트
MG 총 지반(ground) 모멘트 반력
RD 지반 항력 반력
RL 지반 양력 반력
Θ y-축으로부터의 트랙커 각도
FD 풍력 부하에 의한 항력
FL 풍력 부하에 의한 양력
qZ 바람의 동 속도 압력
Γ y-축으로부터 바람의 요각(yaw angle)
위에서 언급되고 본 명세서에서 상세히 기술되는 바와 같이, 예시적인 토션 리미터 및 관련된 기어 구동장치 및 태양광 트랙커들은 트랙커 상의 힌지 모멘트를 감소시키거나 제거한다.
도2는 토션 리미터를 채용한 예시적인 방법(1000)을 도시한다. 토션 리미터는 슬리핑(slipping), 힘의 분리, 압력의 해제, 이동을 용이하게 함, 또는 시스템의 구성요소의 분리와 같은 어떠한 수단(그러나 이에 한정되지 않는다)에 의하여 시스템 상의 토션 레벨, 토크 또는 다른 외력을 제한, 해제, 경감 또는 달리 감소시킬 수 있는 어떠한 장치가 된다. 본 명세서에서 보다 상세히 논의되는 바와 같이, 토션 리미터들의 여러가지 설계 변형이 존재한다. 상기 시스템은 안전하게 노출될 수 있는 토션 레벨 상에 미리 설정된 제한을 가지도록 구성될 수 있다(1010). 외력이 시스템 상의 토션 레벨을 미리 설정된 한계를 넘도록 발생시키면(1020), 토션 리미터가 작용하여 시스템 상의 토션 레벨을 감소시킨다(1030). 본 명세서에서 보다 상세히 논의되는 바와 같이, 토션 리미터의 형태에 따라, 비틀림 감소 작용은 슬리핑이거나(1040), 압력의 해제이거나(1050), 및/또는 비틀림의 방향에서 시스템의 회전 이동을 용이하게 하는 것(1060)이 될 수 있다.
예시적인 실시예에서, 상기 시스템이 비틀림 방향으로 이동할 때, 외력이 해제되고 시스템 상의 토션 레벨이 감소하도록 과도한 비틀림을 분리한다(1070). 예시적인 실시예에서, 시스템의 비틀림 방향으로의 이동은 시스템이 제1 위치로부터 적어도 하나의 제2 위치로 이동하는 것을 의미한다(1080). 상기 시스템은 상기 적어도 하나의 제2 위치에서 최대 위치 스토퍼를 타격한다(1090). 만약 상기 이동이 회전 이동이라면, 상기 최대 위치 스토퍼는 최대 회전각에 있을 수 있다(1100). 비틀림 방향으로의 이동은 제1 위치에서 다중 위치로의 이동이 될 수 있다(1110). 예시적인 실시예에서, 상기 시스템은 태양광 트랙커 조립체의 비틀림 저항 구조에 따른 다중 분산 위치들에서 그 최대 위치에 구속된다(1120).
도 3-5를 참조하여, 기어-구동 기계적 시스템(10)의 예시적인 실시예와 토션 리미터(18)를 기술한다. 기어-구동 기계적 시스템(10)은 하나 또는 그 이상의 기계적 유닛을 가지고, 기어를 사용하여 기계적 구성요소들을 회전, 이동 및/또는 일(work)을 발생시키며, 이에 한정되지 않으나 이송 시스템, 농업 시스템, 제조 시스템, 및 에너지 변환 및/또는 에너지 발생 시스템을 포함하는 어떠한 종류의 기계적 시스템이 될 수 있다. 예시적인 기어-구동 기계적 시스템(10)은 기어 랙(gear rack; 14)를 포함하는 적어도 하나의 기어-구동 기계적 유닛(12)를 구비한다. 상기 기계적 시스템(10)은 토크 리미팅 클러치(18)와 같은 토션 리미터를 채용한 기어 구동 시스템(16)을 또한 구비할 수 있다. 더 상세하게는, 예시적인 기어 구동 시스템(16)은 토크 리미팅 클러치(18)와 적어도 하나의 기어 휠(22)을 포함하는 기어 조립체(20)를 구비한다.
모터(15)가 마련되어 상기 기어 구동 시스템(16)을 구동시키고, 순차적으로 예를 들어 토션 튜브(34)와 같은 빔 또는 튜브를 직접 회전시키거나, 기어 랙(14)를 구동시켜 순차적으로 상기 토션 튜브 또는 다른 모듈 장착 빔 구조물(34)을 구동시킨다. 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 기어 랙(14)은 평기어(spur gear) 랙이거나 D-링 체인 구동장치가 될 수 있고, 이는 기계적 유닛(12)의 예를 들어 토션 튜브(34)와 같은 회전가능한 튜브에 부착된다. 따라서 기어 구동 시스템(16)에 의해 작동될 때 기계적 유닛(12)이 회전된다. 예시적인 실시예들에서, 토크 리미팅 클러치(18)은 기어 조립체(20)의 출구 측, 상기 기계적 유닛(12)의 제1 기어단 상에, 그리고 기어 구동 시스템(16)이 상기 기계적 유닛(12)의 기어 랙(14)에 맞물리는 위치 앞에 위치된다. 트래킹 조립체(12)와 유사하게 제2, 제3 등의 기계적 유닛은 독립된 유사한 웜 조립체(worm assembly)에 의해 구동 샤프트(25)에 연결될 수 있다. 이는 기어-구동 기계적 시스템에서 여러개의 기계적 유닛들에 대하여 반복될 수 있다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 토크 리미팅 클러치(18)의 예시적인 실시예가 예시적인 기어 박스(24)의 절제 단면에 도시된다. 상기 기어 휠(22)은 어떠한 종류의 기어 휠이 될 수 있고, 예로서 웜(21)에 맞물리는 웜 휠로서 도시된다. 도 5에 잘 도시된 바와 같이, 상기 웜 휠(22)은 중앙에 2개의 테이퍼 부(26)를 한정할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 상기 클러치(18)는 이러한 테이퍼 부(26)에 위치된다. 예시적인 실시예들에서, 스프링 장력 하에서 웜 휠 기어(22)에 맞물리는 2개의 강철 테이퍼 부(26)가 있을 수 있다. 상기 클러치는 테이퍼 부(26) 상의 스프링 장력을 변화시키는 너트(44) 또는 다른 동등한 기구에 의해 조절될 수 있다. 기어박스 출력 샤프트(43)는 기어 박스(24)를 기어 랙(14)에 연결한다. 예시적인 실시예들에서, 스프링(19)들이 출력 샤프트(43) 상에 마련된다. 상기 스프링은 되어 접시 와셔(Belleville washer)와 같은 와셔(19)의 형상일 수 있다. 도 5에 잘 도시된 바와 같이, 상기 와셔(19)는 기어박스(24)의 외측에서 출력 샤프트(43) 상에 상호 마주보는 원뿔 디스크가 될 수 있다. 상기 와셔(19)는 웜 휠(22)에 대한 상기 원뿔 부분의 압력을 제공하는 스프링으로서 작용한다.
상기 기어 조립체(20)에 작용하는 토크 레벨이 미리 설정된 레벨을 초과할 때, 클러치(18)가 슬립한다. 더 상세하게는, 증가된 토크가 상기 테이퍼 부(26) 상의 클러치(18)의 마찰을 이길 때, 상기 클러치(18)는 슬립한다. 이는 기어 구동 기계적 유닛(12) 상의 토크를 해제하는 이점을 제공한다. 이러한 토크 해제 특성은 기계적 유닛(12)이 회전 가능하도록 된 예시적인 실시예에서 더욱 유리한 바, 왜냐하면 이것은 유닛의 회전축을 중심으로 힌지 모멘트 HM를 제한하기 때문이다.
다양한 기계적 조건들이 클러치, 기어 구동 및 하나 또는 그 이상의 기계적 유닛을 가지는 기계적 시스템, 즉 하나 또는 그 이상의 트랙커를 구비하는 태양광 트랙킹 시스템의 예시적인 실시예들에서 발생할 수 있다. 도 1 및 도 3을 참조하면, 예시적인 태양광 트랙커(12)는 적어도 하나의 지지 기둥(32)을 포함할 수 있는데, 상기 지지 기둥은 광전지 모듈과 그에 장착된 다른 구성요소들을 지지할 수 있는 한 어떠한 형상을 가질 수 있고 어떠한 재료로도 구성될 수 있다. 태양광 트랙커(12)의 예시적인 실시예들은 2개의 공간적으로 이격된 지지 기둥(32a, 32b)을 포함한다. 토션 빔(34) 또는 다른 트랙커 구조물은 상기 지지 기둥(32)에 연결된다. 더 상세하게는 상기 토션 빔은 2개의 지지 기둥(32a, 32b)을 연결하고, 베어링(36) 및 어떠한 적절한 고정구를 포함하는 베어링 하우징 배열체에 의하여 상기 지지 기둥에 부착될 수 있다.
상기 토션 빔(34)은 다중 연결된 빔을 포함하여 장착 랙 또는 다른 장착 기구를 지지하기에 적절한 어떠한 형상 및 구성이 될 수 있고, 예시적인 실시예에서 상기 토션 빔은 원형, 사각형 또는 육각형의 단면을 가진다. 오버형(overhung) 중량체를 가진 시스템에서, 시스템이 회전할 때 오버헝 사하중 토션(dead load torsin)이 변화한다. 대안적인 실시예의 토션 빔 실시예들은 어레이의 무게가 밸런스 포인트를 중심으로 회전하도록, 밸런스드 무게 중심(balanced center of gravity)을 가지도록 구성될 수 있다. 이러한 밸런스드 시스템은 어떠한 오버헝 중량체 없이도 토크 해제력을 모든 회전점들에서 일정하게 유지할 것이기 때문에, 토션 리미팅 설계에 채용될 수 있는 이점이 있다.
피봇 축(40)은 토셤 빔(34)을 관통하여 연장되고, 상기 토션 빔(34)는 상기 피봇 축(40)을 중심으로 피봇하거나 회전한다. 태양광 모듈(42)들은 태양광 트랙커(12)에 장착될 수 있는데, 클램프(35)를 이용하여 토션 빔(34)에 장착되거나 모듈 장착 브라켓 조립체를 통하여 장착된다. 태양광 트랙커는 2중 또는 다중 빔 비틀림 구조 배열체에서 하나 이상의 토션 빔을 채용할 수 있다는 점을 유의하여야 한다. 그러한 실시예에서, 하나의 트랙커는 그 길이 방향을 따라 연장하는 2개 또는 그 이상의 토션 빔을 가질 수 있다. 하나의 열의 다중 트랙커들은 열의 길이 방향을 따라 연장하는 2개 또는 그 이상의 토션 빔을 가질 수 있다.
예시적인 실시예에서, 상기 태양광 트랙커(12)의 상기 기어 구동 시스템(16)은 태양광 트래커(12)의 제1 기어단 상에 토크 리미팅 클러치(18)를 채용한다. 상기 기어 구동 시스템(16)이 태양광 집적 어레이를 직접 회전시키는 단일-단계 웜 기어 구동인 경우, 예시적인 실시예들은 단일-단계 기어 구동 태양광 트랙커를 포함할 수 있다. 클러치의 형상으로 된 상기 토션 리미터는 상기 웜 기어 구동의 출력측의 연결부와 태양광 집적 어레이 사이에 위치될 수 있다. 예시적인 실시예들은 또한 2 단계 또는 다중 단계 태양광 트래커를 포함할 수 있다. 기어 조립체(20)는 적어도 하나의 기어 휠(22)를 구비하고, 예시적인 실시예에서 상기 기어 휠은 웜 휠이다.
예시적인 실시예들에서, 상기 토크 리미팅 클러치(18)은 제1단 웜 기어의 출력측의 연결부와 제2단 기어 사이에 위치한다. 상기 제2 또는 다중 단계 기어 또는 기어들은 회전력을 양 방향으로 전달할 수 있는 어떠한 타입의 양방향 기어 구동 시스템으로 구성될 수 있는데, 평기어, 핀기어, 케이블 구동기구, 벨트 또는 체인 구동기구를 포함하며 이에 한정되지 않는다. 상기 토크 리미팅 클러치(18)는 기어 조립체(20)의 출력측에, 태양광 트랙커(12)의 제1기어 단의 출력측 상에, 그리고 기어 구동 시스템(16)이 태양광 트랙커(12)의 기어 랙(14)과 결합되는 곳의 앞에 위치될 수 있다. 위에서 기술된 바와 같이, 상기 클러치(18)는 웜 휠 기어(22)의 2개의 테이퍼 부(26)에 위치될 수 있다. 상기 2개의 강철 테이퍼 부(26)는 스프링 장력 하에서 웜 휠 기어(22)와 맞물리고, 상기 스프링 장력은 너트(44) 또는 다른 조정기구를 통하여 조절될 수 있다.
예시적인 실시들예에서, 상기 토크 리미팅 클러치는 하나 또는 그 이상의 태양광 트랙커의 열(46)로 구성되는 어레이 레이아웃 안으로 연결되는 복수개의 태양광 트랙커(12)에 채용될 수 있다. 더 상세하게는, 다중 태양광 트랙커(12)들은 대형의 어레이 구성(50)으로 기계적으로 링크되어, 단일의 모터 및 트랙커 콘트롤러에 의하여 구동되어 협력하여 작동될 수 있다. 회전 구동 링크 시스템을 태양광 트랙커 어레이의 아래에 제공함으로써 상기 어레이 구성이 실행될 수 있다. 어레이 지지대의 베이스 부근에 작용되는 부하력을 견딜 수 있도록 적절히 설계된다면, 슬루 구동장치(slew drive)와 같은 또 다른 베어링 시스템이 또한 고정 경사 방위각(fixed tilt azimuth) 트래킹 기하학적 구조로 포함될 수 있다. 대안적인 예시적 실시예들에서, 상기 어레이는 각각의 태양광 콜렉터 기어 구동장치에서 모터를 가질 수 있다. 단일 동력 기어 구동기 실시예들에서, 비틀림 제한 특성이 동력 기어 구동기 조립체로 포함될 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 상기 구동 시스템은 링크된 웜 기어 구동장치를 카루셀(carousel) 타입 고정 경사 방위각 트래킹 어레이 필드로 통합시킬 수 있다. 그러한 실시예들에서, 상기 경사진 태양광 어레이는 대 면적 회전 베어링(large area circular bearing) 상에 회전되어 태양을 추적한다.
도 6을 참조하면, 고장력, 스프링 힘, 다중 플레이트 토션 리미터(718)의 예시적인 실시예가 다중 끼워진 스프링 부하가 걸린 마찰 플레이트(multiple interleaved spring loaded friction plate; 715)로 구성될 수 있다. 스프링(717)이 마찰 플레이트(715) 상에 마찰력을 발생시켜 토션 리미터(718)의 마찰 표면 면적을 증가시킨다. 이러한 설계는 도 4 및 도 5에 도시된 스프링 부하가 걸린 테이퍼진 원뿔형 토션 리미터의 예시적인 변형예이다. 내경은 하나의 축에 연결되고, 외경은 다른 축에 연결될 수 있다. 상기 토션 리미터(718)는 상기 2개의 축 사이에 비틀림을 한정한다. 상기 토션 리미터는 도 7B에 도시된 바와 같이 기어 장치와 출력 측 사이에 웜 기어 구동 유닛의 내부로 포함될 수 있거나, 도 7A에 도시된 바와 같이 토션 튜브가 웜 기어 유닛으로 연결되는 부분 상에 상기 웜 기어 유닛의 외측에 장착될 수 있다. 대안으로서, 상기 토션 리미터는 도 10에 도시된 바와 같이 그 내경에서 토션 튜브에 그리고 선형 암(linear arm)에 연결되어, 링크된 트랙킹 시스템의 어레이 상에서 비틀림을 제한할 수 있다.
토크 리미팅 클러치 조립체를 사용하는 시스템의 예시적인 실시예들이 도 7A-12B에 태양광 트랙커 시스템을 예로 들어 도시되어 있다. 이러한 실시예들 및 다른 실시예들에서, 상기 토션 리미팅 클러치는 트랙커의 제1 기어 단이 아닌 다른 위치에 있을 수 있다. 도 7A, 도 7B 및 도 8을 참조하면, 개별 구동하는 기어 구동 태양광 트랙커(112)는 기어 조립체의 출력 측에 또는 구동 유닛(116)의 내부로 포함되는 클러치(118)를 갖는다. 그러한 실시예들은 도 3-4에 도시된 예시적인 시스템들과 유사하게 구성되는데, 여기에서 다중 트랙커들이 단일의 모터에 의해 구동되고 토크 리미팅 클러치(18)는 동일한 방식으로 작동하여 동일한 이점들을 제공한다. 예시적인 태양광 트랙커 조립체(112)에서, 토션 빔(34)는 지지 기둥(32)에 연결되고, 태양광 모듈(42)들은 상기 트랙커(112)에 장착될 수 있다.
도 7A 및 도 7B에 도시된 예시적인 실시예에서, 상기 토션 리미터 또는 클러치(118)는 기어 구동 유닛(116)의 출력측이 개별 구동되는 기어 구동 태양광 트랙커(112)의 토션 튜브(34)에 연결되는 연결부 상에 위치될 수 있다. 더 상세하게는, 상기 클러치(118)는 [구동 유닛(116)의 내부에서] 기어 조립체의 출력측에 기계적으로 연결된다. 대안으로서, 상기 클러치는 브레이크 모터와 양방향 기어 구동장치 사이와 같은 기어열의 다른 단계들 안으로 포함될 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 부가적인 토션 리미팅 클러치(118)들이 마련되어 회전 액추에이터(111)와 트랙커(112)의 토션 빔(34) 사이에 위치된다. 예시적인 실시예들에서 상기 구동 유닛(116)은 토크 리미팅 클러치를 수용한다. 도 8은 복수개의 열(46)로 배열된 링크된 단일-단계 기어 구동 트랙커(112)의 예시적인 실시예를 도시하는데, 여기에서 2개의 토션 리미팅 클러치(118)가 메인 구동 기어(116)의 출력 측 상에 포함된다.
도 9는 토크 암(torque arm)이 토크 튜브(34)로 연결되는 연결부 상에 토션 리미터(218)를 가지는 푸시/풀 트랙커(push/pull tracker; 212)의 예시적인 실시예를 도시한다. 예시적인 실시예들에서, 로터리 클러치가 상기 메인 비틀림 요소의 내부에 또는 어떠한 종류의 트랙커의 기어의 출력측 상에 위치될 수 있다. 도 9에 도시된 바와 같이 예시적인 실시예들에서 토션 리미터(218)는 기어 구동 유닛(216)의 출력 측의 암 연결부와 푸시/풀 트랙커 시스템의 토션 튜브(34) 사이에 포함될 수 있다. 더 상세하게는, 상기 로터리 클러치(218)는 태양광 트랙커(212)의 기어 랙(214)에 기계적으로 연결되는 반면, 상기 기어 랙(214)은 상기 토션 빔(34)에 작동적으로 연결된다. 예시적인 실시예들에서, 상기 토션 리미터는 로터리 토션 리미터가 될 수 있다.
도 10-11을 참조하면, 푸시/풀 링크된 태양광 트랙커 시스템(310)의 예시적인 실시예가 도시되어 있다. 여기에서 상기 링크 장치는 각각의 트랙커(312)에서 선형 슬립 포스 리미터(linear slip force limiter; 318)를 채용하여, 강풍 동안에 개별적인 열 이동이 극단 위치까지 달성되도록 할 수 있다. 선형 포스 리미터(318)의 예시적인 실시예가 도 11에 도시되어 있다. 예시적인 실시예들에서, 상기 선형 클러치는 선형 링크 장치가 선형 이동으로 슬립할 때 상기 트랙커의 회전을 허락하는 마찰 선형 슬라이드(friction linear slide; 318)이다. 상기 마찰 선형 슬라이드(318)는 튜브(319)와 상기 튜브 상에 미끄러지는 클램프(clamp; 321)로 구성된다. 상기 클램프(321)는 트러니은 마운트(trunion mount; 323)를 통해 상기 튜브에 장착되고, 마찰 메이트(friction mate; 325)는 상기 클램프(321)와 튜브(319) 사이에 위치된다. 이러한 선형 마찰 슬라이드 장치(318)는 태양광 트랙커의 푸시/풀 링크 장치 안에 위치될 수 있다. 트랙커에 외부적으로 작용하는 비틀림 힘이 상기 슬라이드(318)의 마찰력을 극복하기에 요구되는 힘보다 더 크면, 상기 비틀림 힘은 해제될 것이고 상기 트랙커는 이동이 가능하게 된다. 푸시/풀 트랙커 시스템은 개별적으로 구동될 수 있거나, 또는 선형 구동 운동으로 함께 링크될 수 있음을 유의하여야 한다.
도 12A, 12B, 13 및 14를 참조하면, 유압 구동 트랙커 시스템(412)의 예시적인 실시예들이 과압 릴리프 밸브(over-pressure relief valve; 418)의 형태로 비틀림 릴리프 기능을 채용하여, 트랙커(412)가 과도한 풍력에 노출되는 조건에서 트랙커를 극단 위치로 이동하는 것을 허용한다. 도 13에 도시된 바와 같이, 2중으로 작용하는 유압 램(hydraulic ram; 460) 또는 실린더가 유압 트랙커(412)를 구동하는데 사용될 수 있다. 상기 유압 램(460)의 예시적인 실시예들은 막대로 이루어질 수 있는 로드(461), 실(seal; 465)과 다른 밀봉 요소들(463), 확장 포트(extend port; 462) 및 축소 포트(retract port; 464)를 구비한다. 도 10-11을 참조하여 위에서 설명한 바와 같이, 상기 유압 램(460)의 선형 이동은 회전 이동으로 변환되어 푸시/풀 트래커 설계에 사용될 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 상기 유압 램(460)는 도 14에 도시된 것과 같은 과압 밸브(418)에 구비될 수 있다. 예시적인 과압 밸브(418)는 밸브 보넷(valve bonnet; 476)의 내부에 수용된 스프링(472)을 구비한다. 시트 디스트(seat disk; 478)가 디스크 홀더(480)에 의해 몸체(474)의 내부에 유지된다. 상기 밸브(418)는 배출(blowdown) 조절 링(482)과 노즐(484)을 더 구비할 수 있다. 상기 과압 밸브(418)는 상기 회전 위치를 정하고 유지하는 유압 램(462)의 2개의 챔버 사이에 유압 회로로 포함될 수 있는데, 즉 상기 유압 램(460)의 상기 확장 포트(462)와 축소 포트(464) 사이에 위치될 수 있다.
이는 트랙커 시스템에 외부에서 작용하는 비틀림이 상기 유압 램에 과압을 발생시킬 때 상기 램(460)에서의 이동을 가능하게 한다. 더 상세하게는, 충분한 압력이 과압 밸브(418)를 타격할 때, 그것은 유압적으로 해제하여 트랙커에 대한 토션 리미터로서 기능한다. 상기 과압 릴리프 밸브(418)는 미리 설정된 압력에서 개방되도록 설계되거나 설정되어, 트랙킹 시스템(412)에 외부에서 작용하는 과도한 비틀림을 해제시킨다. 가압된 유체가 상기 유압 램의 2개의 챔버 사이로 유동하도록 함으로써 상기 압력은 해제되어, 압력이 상기 밸브(418)에 의해 조절된다. 공압 구동 트랙커 시스템은 또한 풍력 유도된 비틀림 릴리프를 과압 릴리프 밸브의 형태로 채용하여 동일한 기능을 달성할 수 있다.
도 15-18을 참조하면서 동력구동되는 기어 랙/트랙커 열 조립체의 예시적인 실시예들이 설명될 것이다. 기어 랙(814)이 태양광 트랙커 조립체(812)의 토션 튜브(834)에 결합되고, 또한 상기 트랙커 조립체의 지지 기둥(832)에 부착될 수 있다. 더 상세하게는, 상기 기어 랙(814)은 토션 튜브 베어링 조립체(834)들 및 커플러(823)를 통해 토션 튜브(834)에 부착될 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 상기 기어 박스(824)는 기어 조립체(820)의 출력 측에 위치하는 내부 클러치(미도시)를 구비하는데, 상기 기어 조립체는 기어 랙(814)과, 피니언 기어 축(817)를 가지는 피니언 기어(815)를 구비하고, 기어 축 단부 베어링을 구비할 수 있다. 상기 시스템은 구동 모터(821) 및 구동 기어박스(824)을 가지는 기어 구동 수직 기둥 조립체(gear dirve upright column assembly)를 구비할 수 있다. 하나 또는 그 이상의 광전지 모듈(842)이 모듈 장착 브라켓(835)들을 사용하여 토션 튜브(842)에 결합될 수 있다.
도 17은 상기 기어 랙(814)의 단부 이동 위치와 상기 피니언 기어(815)의 결합을 보여주는 상세도이다. 예시적인 실시예에서, 상기 기어 랙(814)의 핀(825)들은 기어 랙(814)의 단부 또는 그 부근에 위치하여 상기 피니언 기어(815)가 핀(825)의 변경된 위치 내부로 구를 때 스토퍼로서 기능하는 것이 바람직하다. 도 18에 잘 도시된 바와 같이, 상기 피니언(815)은 중앙이 돌출된 핀(825)과 슬롯이 형성된 피니언 기어를 구비할 수 있다. 이러한 배열은 바람직하게는 상기 피니언 기어(815)가 오직 상기 기어 랙(814)의 핀(825)들에만 접촉되고 상기 기어 랙의 측면 플레이트에 접촉하지 않도록 보장한다.
도 19-22를 참조하면, 예시적인 실시예들에서 단일의 동력구동되는 태양광 트랙커(512)는 모터 브레이크(518)가 될 수 있는 토션 리미터 장치를 포함한다. 도 20에 잘 도시된 바와 같이, 예시적인 모터 브레이크는 전기 모터에 부착될 수 있다. 상기 모터 브레이크(518)는 압력 플레이트와 디스크 요소들의 어떠한 적절한 조합을 포함할 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 내부 구성요소들은 허브와 축을 가지는 하나 또는 그 이상의 회전 마찰 디스크(523) 뿐만 아니라 정지 디스크(521)를 구비한다. 상기 브레이크는 모터가 작동하는 동안에 전기적으로 해제되고, 모터의 동력이 끊길 때 연결된다. 압력 플레이트(525)는 상기 디스크들에 대하여 가압하고, 자율 조절 기구(527)가 상기 디스크들 상의 압력을 조절하기 위하여 마련될 수 있다. 해제 레버(529)는 압력의 수동 해제를 허용한다.
예시적인 실시예들에서, 개별적인 모터가 각각의 어레이에 위치될 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 양 방향으로 구동될 수 있는 능력을 가진 기어장치 시스템이 각각의 어레이에서 모터와 모터 브레이크(518)에 결합될 수 있다. 상기 모터는 모터 시스템에서 브레이크를 가질 수 있거나, 그 자체를 브레이크로서 사용한다. 상기 모터, 브레이크 및 기어 비율과 기어 효율의 적절한 배열에 의해, 상기 모터 또는 모터 브레이크(518)는 상기 시스템 내에서의 풍력 해제로서 작용할 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 상기 구동 시스템은 양 방향 기어박스(514)를 구비하고, 상기 모터 브레이크(518)는 상기 기어박스(514)의 입력 측에 위치된다. 상기 양 방향 기어장치는 기어 박스 입력측 또는 출럭측으로부터 구동될 수 있고, 출력측 또는 입력측 중의 하나로부터 구동될 수 있는 능력을 가진다. 예시적인 실시예들에서, 상기 양 방향 기어장치는 어떠한 적절한 기어도 될 수 있고, 평기어, 헬리컬 기어, 유성기어, 고효율 저비율 웜기어, 벨트 구동, 체인 구동 또는 다른 양 방향 구동 배열체들을 포함하나, 이에 한정되지 아니한다.
예시적인 모터 브레이크 실시예들에서, 풍력과 같은 외부 힘들이 작용할 때 토션 튜브(34) 내의 토크는 양 방향 기어장치의 기어비 만큼 감소되고, 이에 의하여 모터 브레이크 힘을 극복한다. 그 다음에 비틀림이 출력 측에서 해제되고, 상기 트랙커 어레이가 회전한다. 이러한 실시예에서, 상기 모터 브레이크(518)는 미리 설정된 토크 한계에 달할 대까지 태양광 트랙커(512)를 그 위치에 잠그도록 구성되고, 이 시점에서 모터 브레이크가 슬립한다. 예시적인 실시예들은 모터의 내부에 위치하는 또는 모터와 기어 구동장치 사이에 부착된 기계적 브레이크를 포함할 수 있다. 만약 도 21에 도시된 바와 같이 모터 자체가 분리된 브레이크를 가진다면, 상기 모터는 상기 어레이를 유지하는데 요구되는 비틀림 해제력으로부터 상기 어레이를 분리시켜 이동시키는 크기로 설정될 수 있다.
도 21에 도시된 바와 같이, 상기 모터 브레이크는 브러쉬 형 전류 모터(brush-type current motor; 618)가 될 수 있는데, 이 모터는 모터 출력측 상에 브레이크 작용을 일으키도록 단락된, 리드 와이어(lead wire; 635)와 같은 입력 파워 리드(input power lead)를 가진다. 만약 브러쉬 형 직류 모터로 설계되고 상기 기어비와 슬립 토크가 적절하게 크기가 설정된다면, 상기 모터는 그 자체로 외부 비틀림을 극복하는 슬립 클러치로서 사용될 수 있다. 직류 브러쉬 형 모터(618)는 단락된 그 파워 리드와 함께, 모터를 단락된 출력을 가진 제너레이터로 전환시킴으로써 브레이크로서 작용할 수 있고, 이는 모터가 회전되는 것을 어렵게 한다. 예시적인 실시예들에서, 브러쉬 형 모터(618)는 주기적으로 전기의 방향을 역전시키는 내부 정류자(631)를 가지고, 적어도 하나의 브러쉬(633)가 상기 정류자와 접촉하여 스위치를 완성한다.
모터가 적용되는 것을 도시한 예시적인 회로도가 도 22에 도시되어 있다. 도 22는 모터, 본 예시적인 실시예에서 브러쉬 모터(618)를 단락시키는 예시적인 방법을 도시하는데, 이와 같이 모터는 단락된 제너레이터로서 작용한다. 에이치 브리지(H-Bridge)는 상기 모터를 켜고, 상기 모터는 릴레이(619)를 통하여 단락될 수 있다. 이러한 일이 발생될 때, 상기 브러쉬 모터(618)는 완전히 부하가 걸린 제너레이터처럼 작용하여, 따라서 회전하기 어렵게 되고 태양광 트랙킹 시스템 상의 브레이크로서 작용한다. 상기 모터(618)는 브레이크(637)를 채용할 수 있는데, 상기 브레이크는 부 작동형 전자기 브레이크(negative actuated-type electromagnetic brake)가 될 수 있다. 모터 브레이크가 다양한 태양광 트랙커 조립체 중의 어느 하나에 채용될 수 있는 바, 개별 구동되는 단일, 다중-스테이지 또는 양 방향 기어 구동 시스템을 포함하나, 이에 한정되지 아니한다. 외력이 구동 시스템 상에 토션 레벨을 미리 설정된 한계를 초과하도록 발생시키면, 상기 모터 브레이크가 극복되어 상기 구동 시스템의 역 구동을 용이하게 한다.
도 23A-23D를 참조하여, 베어링 정지 조립체(70)의 예시적인 실시예를 설명한다. 예시적인 베어링 정지 조립체(70)는 베어링 하우징(72), 드라이 슬라이드 베어링(dry slide bearing; 74) 및 내부 회전 정지 블럭(76)을 구비한다. 도 23B는 그 회전 한계의 일측, 즉 일 극단 정지 위치에 결합된 정지 블럭(76)을 도시한다. 도 23C는 중간 위치, 즉 허락된 회전 운동의 중간에 있는 정지 블럭(76)을 도시한다. 도 23D는 도 23B에 극단 정지 위치와 대향되는 위치에 있는 정지 블럭(76)을 도시한다. 상기 베어링 정지 조립체들은 모든 기둥 상에 위치될 수 있고, 상기 토션 튜브(34)에 부착될 수 있다. 베어링 정지 조립체(70)들은 태양광 트랙커 어레이를 지지하고, 상기 어레이가 회전할 수 있는 베어링을 제공하고, 본 명세서에서 상세히 기술되는 바와 같이 트랙커의 최대 회전 위치들에서 기계적인 스토퍼로서 기능하는 3가지 기능을 제공하는 것이 바람직하다. 상기 하우징은 저 마찰 코팅으로 피복되어 느린 이동 베어링에서 고착 또는 미끄러짐 작용을 방지할 수 있다.
도 24A-24C는 내부 접지를 가지는 트랙커 베어링 정지 조립체(170)의 다른 예시적인 실시예를 도시한다. 예시적인 조립체(170)는 베어링 하우징(172), 핀 및 롤러 베어링 휠(pin and roller bearing wheel; 173), 드라이 슬라이드 상반 부싱(dry slide top half bushing) 및 내부 회전 정지 블럭(176)을 구비한다. 바람직하게는, 이러한 설계는 먼지가 많은 환경에서 보다 양호한 성능을 제공할 수 있고, 또한 연속적인 전기적 도전 접지 경로를 제공하여, 외부 접지 와이어가 상기 토션 튜브를 지주에 전기적으로 결합할 필요성을 제거한다.
도 23A를 다시 참조하면, 베어링 정지 조립체(70)의 예시적인 실시예가 태양광 트랙커 적용예에 완전히 장착된 것이 도시되는 바, 여기에서 상기 태양광 트랙커(12)는 특별한 모듈 장착 브라켓들로 토션 튜브(34)에 장착된 광전지 모듈(42)들을 구비한다. 부가적인 브라켓이 마련되어 댐퍼가 트랙커의 토션 튜브(34)와 지지 기둥(32) 사이에 연결되도록 허용할 수 있다. 댐퍼는 과 토크가 발생되는 동안에 트랙커가 회전되는 속도를 제어하도록 기어 구동장치에 포함될 수 있다. 시스템이 회전하도록 허용함으로써 비틀림이 해제될 때, 어레이가 이동하도록 허용되는 속도는 클러치의 슬립 마찰에 의하여 또는 외부 댐퍼에 의하여 또는 양자에 의하여 제어될 수 있다.
예시적인 실시예들에서 베어링 정지 조립체(70)는 I-빔 기둥(80)에 연결되는 U-브라켓(78)에 연결된다. 도시된 바와 같이 상기 토션 튜브가 베어링 정지 조립체의 중앙을 통과하여 연장되도록, 상기 베어링 정지 조립체(70)는 예시적인 팔각형 토션 튜브(34)에 장착된다. 상기 토션 튜브는 어떠한 횡단면 형상으로 될 수 있는데, 원형, 둥근형, 계란형(ovular), 정사각형, 직사각형, 삼각형, 오각형, 륙각형 및 팔각형을 포함하나, 이에 한정되지 아니한다. 상기 베어링 정지 조립체(70)의 정지 블럭(76)은 토션 튜브(34)의 외부 형상에 일치하는 링으로서 구성되어, 상기 튜브의 외측에 키드(keyed)되어 튜브와 함께 회전한다.
예시적인 실시예들에서, 드라이 슬라이드 베어링(74)은 또한 상기 토션 튜브(34)의 외측 형상에 일치되어, 튜브와 함께 회전한다. 도 23A에 도시된 바와 같이, 드라이 슬라이드 베어링(74)은 내부 상에서 팔각형이고 외부 상에서 둥근형이 될 수 있다. 상기 드라이 슬라이드 베어링(74)의 상기 둥근 외부 형상은 베어링 하우징(72)의 둥근 내부 형상 상에서 미끄러진다. 드라이 슬라이드 베어링(74)의 외면과 베어링 하우징(72)의 내면의 접면이 베어링 면을 형성한다. 예시적인 실시예들에서, 상기 베어링 하우징(72)의 베어링 면은 저 마찰 코팅으로 피복되어 베어링에서 마찰을 감소시킬 수 있다. 상기 드라이 슬라이드 베어링(74)은 일반적으로 폴리머 재료로 형성되어, 또한 구성물질로서 마찰 저감 물질을 포함하여 마찰을 감소시킬 수 있다. 토션 튜브(34)가 기계적 한계점까지 회전할 때, 상기 정지 블럭(76)이 베어링 하우징에 맞물려 상기 토션 튜브(34)의 더 이상의 회전을 제거한다. 따라서 상기 정지 블럭(76)에 의해 생성되는 2개의 극단 회전 정지 위치가 존재한다.
작동 시에, 바람은 기어 구동 기계적 시스템(10)에 힌지 모멘트(MH)를 발생시킨다. 도 1-5를 및 다른 예시적인 실시예들을 참조하면, 클러치는 최대로 유발되는 힌지 모멘트 토크의 일부(fraction)에서 슬립하도록 미리 설정될 수 있다. 바람에 의하여 유발된 상기 힌지 모멘트(MH)가 미리 설정된 토크 한계값에 도달하면, 테이퍼부(26) 상에서의 클러치(18)의 마찰이 극복되어 클러치(18)가 슬립한다. 사실상, 상기 클러치(18)는 바람에 의해 유발된 힌지 모멘트(MH)에 대한 압력 릴리프 밸브와 같이 작용하여, 기어 구동 기계적 유닛(12) 상의 토크를 해제하는 것이 바람직하다. 토크 레벨이 클러치를 슬립하기에 충분하면, 일 열의 기어 구동 기계적 유닛(12)이 제 위치로부터 낮은 힌지 모멘트 위치로 회전하여 들어갈 수 있다.
기어 구동 시스템(콜렉터 어레이; collector array)의 출력측 상에 외부적으로 작용하는 비틀림이 미리 설정된 한계를 초과할 때, 상기 토션 리미팅 장치는 힘이 비틀림 한계치 이하로 감소되거나 상기 어레이가 기계적인 한계점에 도달할 때까지 어레이가 새로운 위치로 이동하는 것을 허용한다. 입력측으로부터 작용하는 비틀림이 어레이 상의 미리 설정된 비틀림 한계를 초과하는 경우에, 상기 토션 리미팅 장치는 초과하는 입력측 힘을 분리하고, 상기 입력측이 어레이 상에서 유효한 이동 없이 이동하는 것을 허용한다. 본 명세서에서 보다 상세히 기술되는 바와 같이, 이것은 기계적인 스토퍼에 대향하여 구동될 때 링크된 어레이들을 동기화하는데 사용되거나, 폭설이나 모래와 같은 자연 현상이 어레이 이동을 방해할 때 사용될 수 있다. 이러한 경우에, 상기 토션 리미터로 입력측 구동력을 분리하고 상기 어레이 출력 측을 제 위치에 유지시키는 것이 바람직하다.
예시적인 실시예들에서, 풍속에 의한 힘이 동력전달장치의 클러치를 슬립하는데 요구되는 토크를 초과할 때, 태양광 어레이 또는 다른 기어 구동 기계적 유닛(12)은 다른 위치로 회전한다. 만약 이러한 과도한 토크가 바람으로부터 계속된다면, 각 기계적 유닛(12)과 유닛과 유닛의 어레이(50)는 최대 회전 각도(54), 즉 토션 튜브(34) 상의 다중 위치에서 비틀림 힘에 저항할 수 있는 극단 회전 각도로 이동한다. 기계적 유닛(12)의 열은 최대 각도 스토퍼에 도달할 때까지 바람에 의하여 회전될 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 상기 열이 통상적인 작동 동안에 극단 위치로 이동할 때마다, 상기 시스템은 기계적 유닛(12)의 각 열 상의 기계적인 스토퍼(58)를 타격한다. 태양광 트랙커의 다른 열들을 구동시키는 동안에 외력이 태양광 트랙커의 일 열을 회전시키도록 허용하는 것은, 태양광 트랙커의 모든 열들이 정렬될 때까지 각 열이 그 최대 한계 위치에 도달하는 것을 허용한다. 이는 바람이 열을 이동시키는 경우, 유닛(12)의 모든 열들이 하루에 두번 배열되는 것을 보장하는 것이바람직하다. 이는 모든 열들이 하루에 적어도 한번 정확히 동기화되도록 보장한다. 새로운 프로젝트의 주문 시에, 트랙커 열들은 모든 방향으로 위치될 수 있으나, 보정 후에 상기 열들은 완전히 동기화된다. 링크된 태양광 트랙커 시스템에서 클러치(18)는 각각의 트랙커 열에서 독립적으로 작용할 수 있다는 점을 유의하여야 한다. 이는 왜냐하면 모든 트랙커 열들은 역 구동하여야 하는 역 구동가능한 링크 시스템(back-drivable linked system)을 가지는 것은 풍력이 열에 별개로 작용할 때 각 열을 보호하도록 적절히 반응하지 않을 수 있기 때문이다.
예시적인 실시예들에서, 회전 속도는 클러치 슬립력에 의해 조절될 수 있다. 바람직하게는, 상기 클러치(18)는 시스템의 스프링을 제거함으로써 시스템 상의 동부하를 분리할 수 있고, 이에 의하여 설계 부하를 상당히 삼소시킨다. 대안으로서, 댐퍼(58)들이 마련되어 트랙커의 이동 속도를 줄일 수 있다. 그 다음에 최대 각도 스토퍼가 단지 기어 랙에 의해서가 아니라 기어 랙의 댐퍼들 또는 기계적 유닛(12)의 열들의 단부의 스토퍼들(58)에 의해 저항될 수 있고, 이에 의하여 기어 랙(60)의 비틀림 부하를 공유하고 토션 튜브(34) 상의 다중 지점들을 통하여 비틀림 부하를 분산한다. 상기 댐퍼(58)들은 어레이의 단부에서 스토퍼로서 이중의 임무를 수행할 수 있고, 또한 어떠한 위치에 위치되는 댐퍼들은 비틀림 해제 반응 속도를 조절하고 힌지 모멘트 부하에 저항하는데 도움이 되도록 설계될 수 있다.
바람직하게는, 예시적인 실시예들은 최대 힌지 모멘트를 감소시키고, 동적 부하를 제거하며, 기어 구동 기계적 시스템이 단일의 지점 대신에 어레이의 다중 지점들에서 힌지 모멘트 힘에 저항하는 것을 허용한다. 힌지 모멘트 힘들이 작은 경사 각에서 더 크고, 어레이 경사 각이 중가함에 따라 감소하는 것이 통상적이다. 예시적인 실시예들에서 극단 수직 정지 위치들에서 최대 힌지 모멘트 힘은 작은 회전 각도에서보다 더 작게 될 것이며, 이동 범위의 극단에서 기계적인 스토퍼에서 오직 발생할 것이다. 단지 중앙 기어보다 내부에서 총 힌지 모멘트에 저항할 수 있다. 운동 범위 기계적 스토퍼는 어레이 상의 어떠한 위치에 위치될 수 있는 바, 통상적으로 분산된 수직 지지대에서 힌지 모멘트 부하에 저항하는데 도움을 되고, 이에 따라 시스템의 어떠한 단일 지점에서 비틀림 부하를 최소화한다.
도 1 및 3을 참조하면, 최대 힌지 모멘트는 x ft lbs이고, 클러치(18)은 약 x/4 ft lbs에서 슬립한다. 따라서 토션 튜브(34)는 클러치(18)가 슬립하기 전에 기어 구동 장치(16)에서 단지 x/4 ft lbs의 최대값에 저항할 필요가 있다. 이러한 예시적인 실시예에서, 최대 회전 각도(54)에서 최대 힌지 모멘트는 약 x ft lbs이고, 기어는 x/2 ft lbs에 저항하고, 트랙커의 단부에 위치한 스토퍼들은 x/4 ft lbs에 저항하여야 하고, 따라서 튜브(34) 내부의 최대 비틀림 부하는 x/4 ft lbs 이다. 최대 비틀림 값은 상기 클러치와 다중 스토퍼의 예시적인 실시예들의 유리한 사용 없이는 각 구성요소에서 두배로 될 것이다. 비틀림 해제가 더욱 낮은 값에서 발생하도록 허용함에 의하여 그리고 모든 기둥에서와 같이 어레이의 오직 단부들에서보다 더 많은 스토퍼를 사용함에 의하여 이러한 값들은 더욱 감소될 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 동력전달장치와 기어 랙은 모터(15)로부터 힘을 정지시키는 하나의 기어 랙(14)을 가지지 않을 것이다. 따라서 상기 기어 랙과 동력전달장치는 더욱 최소한도로 구성될 수 있다. 더욱이 예시적인 시스템들은 오직 매일의 운동의 범위에 제한되는 이동을 가지도록 구성될 필요가 있고, 과도한 이동 방지가 토션 리미터의 내부로 포함될 수 있다. 댐퍼들(58) 및 기어 랙(14)는 최적으로 설계되어 이동의 전 범위에서 시행될 수 있다. 하루의 이동의 범위 이외에 이동 범위 상에서 여분의 오차는 불필요하다.
바람직하게는 예시적인 실시예들에서, 만약 기계적 유닛(12)의 일 열이 기계적 결속을 가진다면, 이는 시스템(10)의 나머지에 영향을 주지 않을 것이다. 이것은 트랙커 열 결속 문제를 자가 진단할 수 있으므로 도움이 될 수 있다. 만약 외부 열들이 바람으로부터 극단 각도로 이동하면, 이들은 내부 열들에 대한 바람 차단물로서 작용할 수 있다. 양력, 항력 및 힌지 모멘트가 시스템 상에 결합하여 발생하고 이러한 부하들의 각각이 상이한 특정 회전 각도 위치에서 최대가 될 것이므로, 기계적 유닛의 열이 최대 양력 조건이 발생하기 전에 더욱 극단 각도 위치로 이동하도록 허용하는 것이 바람직하다. 만약 본 명세서에서 기술된 토션 리미터에 의해 이러한 것이 신뢰성있게 달성된다면, 최대 양력에 대한 기초 설계치는 더욱 낮아질 것이고, 따라서 시스템 기초에 요구되는 크기 및/또는 깊이는 낮아진 양력에 저항하도록 더 작아질 것이다.
최대 비틀림이 다중 지점에서 저항할 수 있고 최대 힌지 모멘트에 대한 최대 회전 각도에서 저항하지 않으므로, 비틀림 강도 요구사항은 줄어들 수 있다. 수평 태양광 트랙커의 경우에 시스템이 통상적으로 극단 회전 각도 위치에 대하여 설계되므로 항력 피크는 변경되지 않을 것이나, 태양광 트랙커의 다른 기하학적 형상에서는 줄어들 수 있다. 전체적인 구조적 요구사항이 줄어드는 경우에 최대 결합력 또한 줄어들 수 있다. 이러한 힘의 감소는 기계적 시스템의 구조적 요구사항의 감소에 상응한다. 구조적인 재료의 감소는 통상적으로 상당한 재료비의 절감에 상응하며, 또한 작업 공수의 절감에 상응하며, 이에 따라 시스템의 전체적인 설비 비용이 감소될 수 있다.
이와 같이 태양광 트랙커와 같은 시스템에 적용되는 토션 리미터 장치들, 시스템들, 방법들이 제공됨을 알 수 있다. 상기 시스템들, 장치들 및 방법들은 예시적인 실시예들에 관하여 기술되었으나 본 발명은 상기 기술된 실시예들에 한정되지 않는다는 점을 이해하여야 한다. 비록 지금까지 구체적인 실시예들이 설명되었으나, 본 기술분야의 숙련자라면 본 발명을 벗어나지 않고 다양한 변경과 개량이 이루어질 수 있다는 점은 명백하다.
이상에서의 특징들 및 특정된 구성요소들 또는 화학적 화합물들은 선행하는 실시예들의 시스템의 어느 하나를 가지고 호환적으로 사용될 수 있다는 점을 이해하여야 한다. 특허청구범위의 범위와 기술적 본질 안에서 다양한 변경들과 유사한 배열들을 포함하는 것을 의미하고, 본 발명의 범위는 그러한 모든 변경 사항들과 유사한 구조들을 포함하도록 가장 광범위하게 해석되는 것이 부합된다. 본 발명은 후술하는 특허청구범위는 어떠한 그리고 모든 실시예들을 포함한다. 첨부된 특허청구범위는 본 발명의 본질과 범위를 벗어나지 않는 그러한 모든 변경사항과 개량사항들을 포함하기 위한 것이다.

Claims (21)

  1. 지지 기둥;
    상기 지지 기둥에 연결되는 하나 또는 그 이상의 토크 튜브(torque tube);
    상기 하나 또는 그 이상의 토크 튜브에 부착되는 장착 메카니즘;
    상기 하나 또는 그 이상의 토크 튜브에 연결되는 구동 시스템; 및
    상기 구동 시스템의 출력측에 연결되는 토션 리미터;를 구비하는 태양광 트랙커로서,
    힌지 모멘트 힘이 상기 구동 시스템 상의 토크 레벨을 미리 설정된 한계를 초과하도록 발생시킬 때, 상기 토션 리미터가 태양광 트랙커 조립체의 토크 방향으로의 회전 이동을 수동적으로(passively) 용이하게 함으로써, 이에 의하여 상기 힌지 모멘트 힘이 상기 태양광 트랙커 조립체를 피봇 축을 중심으로 낮은 힌지 모멘트 위치(lower hinge moment position) 안으로 회전시키는 것을 허용하는 태양광 트랙커 조립체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 토크 방향으로의 이동은, 외력이 해제되고 상기 태양광 트랙커 조립체 상의 토크 레벨이 감소되도록 과도한 토크를 분리시키는 태양광 트랙커 조립체.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 토크 방향으로의 이동은 상기 태양광 트랙커 조립체의 제1 회전 위치로부터 적어도 하나의 제2 회전 위치로의 이동을 포함하는 태양광 트랙커 조립체.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 지지 기둥에 연결되는 하나 또는 그 이상의 기계적 스토퍼(mechanical stop)를 더 구비하고, 상기 기계적 스토퍼들은 태양광 트랙커의 최대 회전 위치(maximum rotational position)에 위치되며,
    상기 태양광 트랙커 조립체는 상기 적어도 하나의 제2 회전 위치에서 최대 위치 스토퍼를 타격하는 태양광 트랙커 조립체.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 태양광 트랙커 조립체는 상기 태양광 트랙커 조립체의 비틀림 저항 구조를 따른 다중 분산된 지점들에서 최대 회전 위치들 안에 구속되는 태양광 트랙커 조립체.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 태양광 트랙커 조립체는 태양광 트랙커들의 열을 지지하는 복수개의 지지 기둥을 구비하고, 각 지지 기둥에서 스토퍼를 더 포함하는 태양광 트랙커 조립체.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 태양광 트랙커들의 열 안의 각 트랙커가 그 최대 회전 위치에 도달할 때, 상기 스토퍼들은 각 지지 기둥에서 토크를 제한하는 태양광 트랙커 조립체.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 구동 시스템은 적어도 하나의 기어 휠을 구비하는 기어 조립체를 포함하는 태양광 트랙커 조립체.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 기어 조립체는 일-방향 기어박스(one-way gearbox)를 구비하고, 상기 토션 리미터는 상기 기어박스 내부에 포함된 토크 리미팅 클러치인 태양광 트랙커 조립체.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 기어 조립체는 상기 기어 휠과 결합되는 마찰 커플링을 구비하고, 상기 토션 리미터는 상기 마찰 커플링에 위치되는 태양광 트랙커 조립체.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 토션 리미터는 상기 기어 조립체의 제1 기어단의 출력 측에 위치되는 태양광 트랙커 조립체.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 태양광 트랙커 조립체는 푸시/풀 링크된 트랙커(push/pull linked tracker)이고, 상기 토션 리미터는 선형 슬립 장치(linear slip device)인 태양광 트랙커 조립체.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 태양광 트랙커 조립체는 유압 시스템을 구비하고, 상기 토션 리미터는 압력 릴리프 밸브(pressure relief valve)인 태양광 트랙커 조립체.
  14. 제1항에 있어서,
    토크 힘의 해제 및 상기 태양광 트랙커 조립체의 느린 이동을 제어하는 댐퍼를 더 구비하는 태양광 트랙커 조립체.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 하나 또는 그 이상의 토크 튜브는, 상기 하나 또는 그 이상의 토크 튜브가 밸런스드 무게 중심(balanced center of gravity)을 중심으로 회전하도록 밸런스드 무게 중심을 가지도록 구성되는 태양광 트랙커 조립체.
  16. 하나의 모터로 구동되는 링크된 태양광 트랙커의 다중 열을 가진 태양광 트랙커의 복수개의 열을 제공하는 단계;
    태양광 트랙커의 각 열에 연결되는 토션 리미터를 제공하는 단계;
    태양광 트랙커의 적어도 하나의 열 상의 토크 레벨이 미리 설정된 토크 한계를 초과하도록 상기 태양광 트랙커의 적어도 하나의 열 상에 힌지 모멘트 힘을 받는 단계;
    상기 적어도 하나의 열이 최대 제한 위치에 도달할 때, 태양광 트랙커의 다른 다중 열과 관계없이 태양광 트랙커의 적어도 하나의 열이 회전 이동을 정지하는 것을 허용하도록 상기 토션 리미터를 사용하는 단계; 및
    태양광 트랙커의 복수개의 열의 전부가 정렬될 때까지 각 열이 최대 제한 위치에 도달하도록, 태양광 트랙커의 다른 다중 열을 구동하는 단계;를 포함하는 태양광 어레이의 정렬 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    태양광 트랙커의 각 열은 복수개의 지지 기둥을 구비하고, 상기 각 지지 기둥에 스토퍼를 제공하는 단계를 더 포함하는 태양광 어레이의 정렬 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    태양광 트랙커의 각 열이 최대 회전 제한 위치에 도달할 때 상기 스토퍼들은 각 지지 기둥에서 토크를 제한하고 회전 이동을 정지시키는 반면, 태양광 트랙커들의 다른 다중 열들은 회전하여 최대 제한 위치에 도달하는 태양광 어레이의 정렬 방법.
  19. 지지 기둥;
    상기 지지 기둥에 연결되는 하나 또는 그 이상의 토크 튜브;
    상기 하나 또는 그 이상의 토크 튜브에 부착되는 장착 메카니즘;
    상기 하나 또는 그 이상의 토크 튜브에 연결되고, 입력측과 출력측을 가지는 양-방향 기어박스(bi-directional gearbox)를 구비하는 구동 시스템; 및
    상기 양-방향 기어박스의 입력 측에 위치하는 모터 브레이크;를 구비하는 태양광 트랙커 조립체로서,
    힌지 모멘트 힘이 상기 구동 시스템 상의 토크 레벨을 미리 설정된 임계값을 초과하도록 발생시키면, 상기 모터 브레이크가 슬립하여 상기 구동 시스템의 역-구동(back-driving)을 용이하게 하고, 이에 의하여 상기 힌지 모멘트 힘이 상기 태양광 트랙커 조립체를 낮은 힌지 모멘트 위치로 회전시키는 것을 허용하는 태양광 트랙커 조립체.
  20. 제16항에 있어서,
    상기 태양광 트랙커의 복수개의 열들 중 하나 또는 그 이상이 낮은 힌지 모멘트 위치로 회전되는 태양광 어레이의 정렬 방법.
  21. 제1항에 있어서,
    상기 태양광 트랙커 조립체는 복수개의 태양광 트랙커 열을 지지하는 복수개의 지지 기둥을 구비하고,
    태양광 트랙커들의 하나 또는 그 이상의 열을 방해하는 방해물이 존재할 때 상기 토션 리미터가 상기 방해된 열의 회전 이동을 정지시키는 한편, 방해되지 않는 열은 계속 회전하여 태양을 추적하도록 허용하는 태양광 트랙커 조립체.
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