KR20080004605A - 클러스터식 태양 에너지 변환 어레이 및 이에 대한 방법 - Google Patents

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KR20080004605A
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스테펀 쿠섹
허버트 티. 헤이든
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애리조나 퍼블릭 서비스 컴파니
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Abstract

태양 에너지 변환(SEC) 어레이(24) 및 오퍼레이션 방법이 개시된다. 본 어레이(24)는 어레이(24)가 구동할 때, 태양 방향(50)과 실질적으로 일치하는 조준 방향(48)을 가진다. 본 어레이(24)는 어레이 지지 구조(26), 및 복수의 SEC 클러스터(28)로 구성된다. 각각의 클러스터(28)는 다수의 SEC 유닛(44), 및 단일 셀 지지 구조(32)로 구성된다. 각각의 SEC 유닛(44)은 어레이 지지 구조(26)에 연결된 오목거울(30), 및 셀 어셈블리(34)로 구성된다. 셀 어셈블리(34)는 SEC 셀(72)을 수용하는 셀 하우징(68), 및 열을 추출하고 방산하도록 구성되어 있고 셀(72)에 열적으로 연결된 수동 열-추출 유닛(70)으로 구성된다. 셀 지지 구조(32)는 어레이 지지 구조(26)에 연결된 지지 기둥(56), 및 지지 기둥(56)과 각각의 셀 어셈블리(34)를 연결하는 개별적인 지지대(60)으로 구성된다.
태양 에너지 변환(SEC) 유닛, 어레이, 어레이 지지 구조, SEC 클러스터, SEC 유닛, 셀 지지 구조, 오목거울, 셀 어셈블리, 셀 하우징, SEC 셀, 열 추출 유닛.

Description

클러스터식 태양 에너지 변환 어레이 및 이에 대한 방법{CLUSTERED SOLAR-ENERGY CONVERSION ARRAY AND METHOD THEREFOR}
본 발명은 태양 에너지 변환 시스템 분야에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 집중식 태양 에너지 발전 시스템 분야에 관한 것이다.
재생가능한 자원을 사용하는 발전 시스템에 대한 강한 필요성이 존재한다. 사용가능한 많은 재생가능한 자원 중 가장 기초적인 하나는 태양 에너지이다. 태양 에너지로부터 전기를 발생시키기 위한 많은 다양한 시스템이 고안되어 왔다. 종래의 원자력 및 화석연료 발전 시스템과 비교하여 비효율성이 발전 비용의 막대한 증가를 일으킨다. 즉, 원자력 및 화석연료 발전 시스템과 비교할 때, 상대적으로 낮은 단위 비용당 전력(키로와트-시)을 생산하기 때문에, 종래의 태양 에너지 발전 시스템은 경제적으로 비효율적이였다.
태양 에너지로부터 전기를 발생시키기 위해 사용되는 다양한 방법 중, 가장 에너지 효율적인 것은 태양 에너지 변환(SEC) 디바이스를 사용하는 것이다. SEC 디바이스는 방사성 태양 에너지(열, 광, 또는 다른 방사선)을 전기로 직접 변환한다. SEC 디바이스의 예는 광전지 셀이다.
SEC 디바이스를 사용하는 시스템도 여전히 에너지 비효율성을 가지고 있고, 에너지 비효율성은 경제적 비효율의 한가지 요소이다. 주어진 비용에 대하여, 보다 더 에너지 효율적인 SEC 디바이스는 시스템을 보다 경제적으로 효율적으로 만든다.
가장 에너지 효율적인 SEC 디바이스는 집중식 SEC 디바이스, 예컨대, 집중식 광전지 셀이다. 이러한 디바이스는 태양 에너지가 고도로, 전형적으로 수백 썬 단위로 집중될 때 그들의 최고 효율을 달성한다. 이것은 태양 에너지를 집중시키도록 구성된 광학적이고 기계적인 구조의 사용을 제안한다. 태양 에너지를 집중시키기 위해, 에너지 수집 엘리먼트의 구조(예컨대, 렌즈 또는 미러)는 셀보다 훨씬 큰 면적을 가질 필요가 있다. 예를 들어, 500-썬 시스템은 에너지 수집 엘리먼트가 셀 면적보다 500배 넓은 면적을 가지도록 요구한다. 이 에너지 수집 엘리먼트는 수집된 에너지를 셀로 포커싱한다.
집중식 SEC 시스템과 함께 트래킹 문제가 존재한다. 에너지 수집 엘리먼트가 셀보다 훨씬 큰 면적을 가지기 때문에, 이 시스템은 해가 뜰 때부터 질 때까지 태양의 위치를 정확하게 트래킹해야 한다. 트래킹에서 작은 편차라 하더라도 집중된 에너지가 타겟을 벗어나게 하기 충분하다, 즉, 셀 상에 정확하게 집중되지 않는다. 셀위로 떨어지는 집중된 태양 에너지의 일부분만이 발전을 위해 사용가능하다. 그러므로, 에너지 효율성은 트래킹 시스템의 정확도에 달려 있다.
초기 구조화 비용의 애모티제이션 및 운전 비용은 모두 시스템의 단위 비용 당 전력(키로와트-시)인 경제적 효율성에 기여한다. 주어진 레벨의 에너지 효율성을 달성하는 시스템에 대하여, 더 낮은 비용의 시스템이 경제적으로 더 효율적일 것이다. 일반적으로, 시스템 구조가 더 작을수록, 그리고 구조 및 운전 비용이 더 낮을수록, 단위 비용당 전력인 경제적 효율성이 더 크다. 많은 종래 기술의 시스템은 수집된 태양 에너지를 위해 필수적인 것보다 더 크다. 즉, 시스템은 전체 어레이 사이즈와 동등한 면적 위로 떨어지는 상당한 태양 에너지를 캡쳐하는데 실패했다(예컨대, 그림자, 데드 스팟, 및/또는 어레이 상의/내의 "홀"). 이것은 운전 비용(시스템을 포지셔닝하고 컨트롤하는 비용)을 증가시키고, 경제적 효율성을 상당히 감소시킨다.
SEC 디바이스의 사용이 직면한 다른 문제는 열이다. 에너지 비효율성으로 인하여, 태양 에너지를 전기로 변환하는 과정에서 상당한 열이 발생된다. 이러한 열은 방산되거나, 그 외의 고려되어야 한다.
또한, 절대적으로 에너지 효율적인 디바이스는 존재하지 않기 때문에, 셀 위로 떨어지는 사용가능한 에너지의 일부분만이 전기로 변환될 수 있다. 그 나머지는 열로 변환된다. 또한, 이 시스템은 이렇게 발생된 열을 관리할 수 있어야 한다.
가장 에너지 효율적인 형태의 SEC 시스템은 집중식 광전지 시스템이다. 이러한 시스템은 두 가지 형태의 열에 고통을 받는다. 집중된 태양광 내의 본래의 열이 상당할 수 있다. 예를 들어, 집중식 시스템은 그 셀에서 수백 썬의 에너지 레벨을 산출할 수 있다. 이 시스템은 이러한 상대적으로 작은 표면의 셀 상의 수백 썬의 열을 관리할 수 있어야 한다.
열 관리 그 자체가 에너지 및 경제적 효율성의 문제를 가진 프로세스이다. 한가지 효율적인 열 관리 방법은 능동 열 추출을 사용한다. 그러나, 이 방법은 능동적이기 때문에, 즉 열을 추출하기 위해 전력을 반드시 소비해야 하기 때문에 바람직하지 못하다. 열을 추출하기 위해 요구되는 전력은 그 SEC 시스템에 의해 발생된 전력으로부터 효과적으로 끌어오고, 전체적으로 그로 인해, 그 시스템의 에너지 및 경제적 효율성은 모두 낮아진다.
몇몇 종래의 고-집중식 SEC 시스템은 고-밀도 SEC 시스템이다. 고-밀도 SEC 시스템에서, 큰 면적의 집중기가 대체적으로 평면인 "포컬 존"에 태양 에너지를 포커싱하기 위해 사용된다. SEC 디바이스(셀)의 어레이는 그 "포컬 존"에 위치한다. 그 다음, 각각의 SEC 디바이스는 그것의 집중된 태양 에너지의 일부분을 수신한다. 이 집중기는 하나의 큰 렌즈 또는 미러가 사용될 수도 있으나, 전형적으로 복수의 렌즈 또는 미러로 이루어진다.
고-밀도 SEC 시스템이 가진 두 가지 중요한 문제점: 데드 존 및 열이 있다. 데드 존은 셀 어레이의 액티브 영역 사이의 필수적인 공간, 즉 개별 SEC 셀 사이의 공간이다. 절대적으로, 이러한 영역은 매우 작을 수 있다. 그러나, 셀은 또한 작고, 태양 에너지가 집중되는 곳에 위치하기 때문에, 데드 존은 중요할 수 있다. 예를 들어, 1-㎠ 셀의 전형적인 어레이에서, 데드 존은 1mm 폭일 수 있는데, 각각의 1㎠ 셀은 121㎟을 나타내고, 여기서 21㎟(17.3 퍼센트)가 데드존임을 나타낸다. 이것이 집중기에서 반사된다. 작은 1000-셀, 500-썬 시스템에서, 집중기의 면적은 60.5㎡일 수 있고, 그 중 10.5㎡를 사용할 수 없다. 이것은 집중기의 임의의 부분의 결합 심(seam), 및/또는 그림자로 인한 본질적이지 않은 비효율성은 고려하지 않았다. 그러므로, 고-밀도 SEC 시스템은 데드 존으로 인한 추가적 비효율성을 가진다.
또한, 고-밀도 SEC 시스템은 열에 고통을 받는다. 수신된 열은 매우 클 수 있다, 즉 수백의 썬일 수 있다. 또한, SEC 셀에 의한 발전이 열을 발생시킨다. 35퍼센트의 효율을 가진다면, 매 키로와트의 전기를 발전할 때마다 1.8키로와트 이상의 열을 발생시킨다. 이러한 열은 모두 추출되고 방산되어야 한다.
집중기에 의해 수신된 모든 태양 에너지는 상대적으로 작은 면적에 집중된다. 이 상대적으로 작은 면적으로부터 이러한 열을 제거하는 것은 능동 열-추출(HE) 유닛의 사용을 필요로 한다. 능동 HE 유닛은 복잡하다. 복잡할수록, 신뢰도가 중대한 설계 요소가 된다. 복잡한 HE 유닛을 신뢰성있게 하는 것은 비용이 많이 든다. 또한, 능동 HE 유닛은 전력을 필요로 한다. 능동 HE 유닛을 구동하기 위해 필요한 전력은 그 SEC 시스템에 의해 발생된 전력으로부터 효과적으로 끌어온다. 그러므로, 능동 HE 유닛은 기생하여, 에너지 및 경제적 효율성을 더 감소시킨다.
또한, 임의의 신뢰성 감소는 유지 비용 증가 형태로 운전 비용을 증가로 이어진다. 이러한 운전 비용의 증가는 그 시스템의 경제적 효율성을 직접적으로 감소시킨다.
따라서, 본 발명의 장점은 클러스터식 태양 에너지 변환 어레이 및 이에 대한 방법이 제공된다는 것이다.
본 발명의 다른 장점은 셀에 존재하는 수신된 태양 에너지의 퍼센트를 합리적으로 실용적인 범위 내에서 증가시키는 태양 에너지 변환 어레이가 제공된다는 것이다.
본 발명의 다른 장점은 보다 신뢰성있고, 효율적인 수동 열-추출 유닛이 사용될 수 있도록, 열 집중 영역을 분산시키는 아키텍처를 사용한 태양 에너지 변환 어레이가 제공된다는 것이다.
본 발명의 다른 장점은 집중된 태양 에너지의 영역 내의 데드존을 실용적인 범위 내에서 효과적으로 감소시키기 위한 분산 아키텍처를 가진 태양 에너지 변환 어레이가 제공된다는 것이다.
본 발명의 상술한 장점 및 다른 장점은 발전 시스템용 태양 에너지 변환(SEC) 유닛의 어레이에 의해 한가지 형태로 수행된다. 이 어레이는 어레이 지지 구조, 및 SEC 클러스터를 포함한다. SEC 클러스터는 어레이 지지 구조 및 N개의 SEC 유닛에 연결된 셀 지지 구조를 포함하고, 여기서 N은 1보다 큰 소정의 수이다. 각각의 SEC 유닛은 태양 에너지를 반사하도록 구성되어 있고 어레이 지지 구조에 연결되어 있는 오목거울, 및 셀 지지 구조에 연결된 셀 어셈블리를 포함한다. 셀 어셈블리는 셀 하우징, 셀 하우징 내에 수용되어 있고 오목거울에 의해 반사된 태양 에너지의 대부분을 수신하도록 위치된 SEC 셀, 및 SEC 셀로부터 열을 추출하고 방산하도록 구성되어 있고 셀 하우징에 연결된 열-추출 유닛을 포함한다.
본 발명의 상술한 장점 및 다른 장점은 태양 에너지를 전기로 변환하는 방법에 의해 다른 형태로 수행된다. 본 방법은 태양 에너지 변환(SEC) 어레이를 태양 방향으로 조준하는 단계; 조준하는 동작에 응답하여 N개의 오목거울로부터 복수의 SEC 클러스터의 각각으로 태양 에너지를 반사하는 단계(여기서, N은 소정의 숫자), 각각의 SEC 클러스터에 대하여 N개의 각각의 오목거울에 대하여 N개의 SEC 셀 중 하나를 포지셔닝하는 단계, 반사 및 포지셔닝 동작에 응답하여 각각의 SEC 클러스터에 대하여 각각의 SEC 셀에서의 각각의 오목거울로부터 반사된 태양 에너지의 대부분을 수신하는 단계, 수신하는 동작에 응답하여 각각의 SEC 셀에 전기를 수집하는 단계, 각각의 SEC 클러스 내의 각각의 N개의 SEC 실에 N개의 열-추출 유닛 중 하나를 열적으로 연결하는 단계, 및 수신하고 수집하는 동작에 의해 발생된 열을 방산하는 단계를 포함한다.
본 발명은 상세한 설명 및 청구항을 참조하여 하기 도면과 연관지어 고려함으로써 보다 완벽하게 이해될 수 있고, 유사한 참조번호는 도면을 통해 유사한 항목을 나타내고:
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 동작하는 태양 에너지 변환(SEC) 시스템의 측면도를 도시하고;
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 사각형-미러 매트릭스를 도시하는, 도 1의 SEC 시스템으로부터의 SEC 어레이의 평면도를 도시하고;
도 3은 본 발명의 대안의 바람직한 실시예에 따른 육각형-미러 매트릭스를 도시하는, SEC 어레이의 평면도를 도시하고;
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 중앙 셀 어셈블리를 가진 미러 레 이아웃을 도시하는 도 2의 SEC 어레이로부터의 SEC 클러스터의 평면도를 도시하고;
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 도 4의 SEC 클러스터로부터의 SEC 태양 에너지 변환 유닛의 측면도를 도시하고;
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 에너지 수집을 도시하는, 도 4의 SEC 클러스터로부터의 SEC 유닛의 측면도를 도시하고;
도 7은 본 발명의 대안의 바람직한 실시예에 따른 주변의 셀 어셈블리를 가진 미러 레이아웃을 도시하는, SEC 클러스터의 평면도를 도시하고;
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 에너지 수집을 도시하는, 도 7의 SEC 클러스터로부터의 SEC 유닛의 측면도를 도시하고;
도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반사형 2차 엘리먼트를 도시하는, 도 6의 SEC 유닛으로부터의 셀 어셈블리의 측면도를 도시하고;
도 10은 본 발명의 대안의 바람직한 실시예에 따른 반사형 2차 엘리먼트를 도시하는, 도 6의 SEC 유닛으로부터의 셀 어셈블리의 측면도를 도시하고;
도 11은 열 추출 유닛의 동작을 도시하는, 도 5의 SEC 유닛으로부터의 셀 어셈블리의 측 단면도를 도시하고;
도 12는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 셀 어셈블리의 움브럴 영역을 도시하고, 라인 12-12에서 취해진, 도 4의 SEC 클러스터의 SEC 유닛의 측 단면도를 도시하고;
도 13은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 지지대의 움브럴 영역을 도시하고, 라인 13-13에서 취해진, 도 4의 SEC 클러스터의 SEC 유닛의 측 단면도를 도시 한다.
본 발명을 실시하기 위한 최선의 모드
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 동작하는 태양 에너지 변환(SEC) 시스템(20)의 측면도를 도시한다. 지금부터, 도 1에 대하여 설명한다.
이 설명을 통해, SEC 시스템(20)의 경제적 효율성이 강조된다. 에너지 효율성은 주어진 세트의 조건 하에서 전기 에너지로 변환된 태양 에너지의 퍼센트에 관한 것이고, 경제적 효율성은 단위 비용당 발생된 전기의 전력(키로와트-시)에 관한 것이다. 초기 구조화 비용(즉, 컴포넌트, 건설, 및 설치 비용)의 애모티제이션 및 중간 비용(스패어-부, 유지, 보수, 및 운전 비용)은 모두 시스템(20)의 경제적 효율성에 기여한다.
본 발명의 주된 목적은 시스템(20)의 경제적 효율성을 실행가능한 증가시키는 것이다. 많은 예에서, 한 분야에서의 경제적 효율성이 감소하면, 다른 분야에서의 경제적 효율성이 증가하는 트레이드-오프가 이루어져야 함을 알아야 한다. 종종, 올바른 트레이드-오프는 시스템(20)이 사용될 환경 및 의도된 어플리케이션을 기초로 한다.
SEC 시스템(20)은 시스템 받침대(22) 및 SEC 어레이(24)로 구성된다. 시스템 받침대(22)는 SEC 어레이(24)를 지지하고, 조준시키, 이동시키기 위해 필수적인 모든 컴포넌트를 포함한다. 받침대(22)의 컴포넌트 및 기술은 SEC 어레이(24)의 크기 및 시스템(20)이 사용될 환경에 따라 다양할 수 있다.
(하기 서술될) 분산 아키텍처를 사용함으로써, 어레이(24)는 원하는 출력을 위해 실행가능한 작게 만들어질 수 있다. 이러한 크기 감소는 날씨 영향을 감소시키고, 매스 모멘트를 감소시킨다. 이러한 감소는 받침대(22)를 위해 사용될 구조를 더 작게 할 수 있고, 받침대(22)와 연관된 초기 비용 및 운전 비용을 모두 줄일 수 있다. 이것은 시스템(20)의 경제적 효율성을 증가시킨다.
어레이(24)는 적어도 하나의 SEC 클러스터(28)를 지지하도록 구성된 어레이 지지 구조(26)를 포함한다. 편의상, 본 설명에서, 어레이(24)는 복수의 클러스터(28)로, 보다 상세하게는 도 1, 2, 및 3에 도시된 바와 같이, 9개의 클러스터(28)로 이루어짐을 가정한다(도 2 및 3은 아래에 서술된다). 그러나, 당업자들은 클러스터(28)의 개수가 본 발명에 필수요건이 아님을 이해할 것이다. 실제로, 어레이(24)는 시스템(20)이 사용되는 어플리케이션에 따라, 1 내지 12, 또는 심지어 수백 개의, 임의의 개수의 클러스터(28)를 가질 수 있다.
각각의 SEC 클러스터(28)는 N개의 오목거울(30), 셀 지지 구조(32), 및 N개의 셀 어셈블리(34)로 구성되고, 여기서 N>1이다. 도면의 바람직한 실시예에서, 2<N<5, 즉, N=3 또는 N=4이다. 이것은 아래에 보다 상세하게 설명된다.
도 2 및 3은 지오메트릭 매트릭스(36)를 형성하는 오목거울(30)을 도시하는, SEC 어레이(24)의 평면도를 도시한다. 도 2는 정사각형의 매트릭스(38)를 형성하는 오목거울(30)을 도시한다. 도 3은 정육각형 매트릭스(40)를 형성하는 오목거울(30)을 도시한다. 이하 설명은 도 1, 2, 및 3에 관한 것이다.
오목거울(30)은 지오메트릭 매트릭스(36)를 형성하도록 어레이 지지 구 조(26)에 의해 연결되고 지지된다. 지오메트릭 매트릭스(36)는 실질적으로 동일한 오목거울(30)로 구성되는 것이 바람직하다. 실질적으로 동일하게 함으로써, 오목거울(30)의 제조가 간단해지고, 부수적인 비용이 감소된다. 또한, 실질적으로 동일한 오목거울(30)은 인-필드 서비스 동안 적재될 필요가 있는 스패어 부를 줄일 수 있다. 그러므로, 실질적으로 동일한 오목거울(30)은 시스템(20)의 경제적 효율성을 증가시킨다.
각각의 오목거울(30)은 지오메트릭 매트릭스(36)에서 매우 높은 패킹 밀도가 달성되게 하는, 실질적인 다각형 둘레(42)를 가지기 위한 형상인 것이 바람직하다. 오목거울(30)는 실질적으로 정다각형, 더욱 상세하게는, 도 2에 도시된 바와 같은 정사각형(정방형), 또는 도 3에 도시된 정육각형이기 위한 형상이다. 실질적으로 정사각형 또는 정육각형일 때, 오목거울(30)은 지오메트릭 매트릭스(36)의 대부분의 영역이 거울이 되도록 함께 패킹된다(즉, 인접한 오목거울(30) 사이의 작은 틈새 공간(43)만 태양 에너지를 수집할 수 없다) 이것은 어레이(24)가 높은 패킹 밀도를 가지게 할 수 있다, 즉 주어진 양의 입사 태양 에너지를 캡쳐하기 위해 합리적으로 가능한 작아질 수 있다. 높은 패킹 밀도는 시스템(20)의 경제적 효율성을 증가시킨다.
오목거울(30)이 실질적으로 정사각형(정방형)의 실질적인 다각형 둘레(42)를 가진다면, 지오메트릭 매트릭스(36)는 정사각형(정방형) 매트릭스(38)이고, N=4이다(도 2). 그리고, 각각의 SEC 클러스터(28)는 어레이 지지 구조(26)에 의해 지지되는 4개의 오목거울(30), 및 단일 셀 지지 구조(32)에 의해 지지되는 4개의 셀 어 셈블리(34)로 이루어진다.
오목거울(30)이 실질적으로 정육각형의 실질적인 다각형 둘레(42)를 가진다면, 지오메트릭 매트릭스(36)는 정육각형 매트릭스(40)이고, N=3이다(도 3). 그리고, 각각의 클러스터(28)는 어레이 지지 구조(26)에 의해 지지되는 3개의 오목거울(30), 및 단일 셀 지지 구조(32)에 의해 지지되는 3개의 셀 어셈블리(34)로 이루어진다.
간략함을 위해, 본 명세서의 이후 부분은 도 2에 도시된 바와 같이 오목거울(30)이 정사각형이고, 그 지오메트릭 매트릭스(36)는 정사각형 매트릭스(38)인 것으로 가정하고 상세하게 설명할 것이고, 도 3은 제외한다. 당업자들은 SEC 클러스터(28) 내의 오목거울(30)의 특정 개수(1보다 큰) 및 오목거울(30)의 특정 형상이 본 발명의 필수요건이 아님이 이해될 것이다. 다양한 개수의 오목거울 및 다양한 형상이 특정 어플리케이션의 요구사항을 만족시킬 수 있다. 다양한 개수 및 형상의 오목거울(30)을 사용하는 것은 본 발명의 범위를 벗어나지 않는다.
하기 설명은 도 1에 관한 것이다.
SEC 어레이(24)는 어레이 평면(46)을 가진다. 오목거울(30)은 어레이 평면(46)과 실질적으로 평행이 되도록 어레이(24)에 연결된다. 즉, 오목거울이 평편하다면, 그것이 어레이 평면(46)을 형성할 것이다.
어레이(24)는 어레이 평면(46)에 수직인 조준 방향(48)을 가진다. 조준 방향(48)은 어레이(24)가 시스템(20)이 전기를 발생시키는 태양 에너지를 가장 효율적으로 수신하게 하는 방향이다. 그러므로, 동작되기 위해, 어레이(24)는 태양 방 향(50)으로 조준되는 것이 바람직하고, 태양 방향(50)은 태양(52)의 평균(mean) 방향으로 정의된다. 즉, 조준 방향(48)은 시스템(20)이 태양 에너지를 전기로 변환하는 것이 유효하도록 태양 방향(50)과 실질적으로 일치하는 것이 바람직하다.
도 4는 4개의 오목거울(30) 및 셀 어셈블리(34)를 도시하는, SEC 클러스터(28)의 평면도를 도시하고, 도 5는 SEC 클러스터(28)로부터의 SEC 유닛(44)의 측면도를 도시한다. 하기 설명은 도 1, 4, 및 5에 관한 것이다.
어레이(24)의 각각의 SEC 클러스터(28) 내에, N개의 오목거울(30)이 어레이 지지 구조(26)에 의해 지지되고 연결된다. 도면에 도시된 바람직한 실시예에서, 각각의 오목거울(30)은 지지 패드(54)에 의해 어레이 지지 구조(26)에 연결된다. 지지 패드(54)는 (도시되지 않은) 접착제, 볼트, 또는 (도시되지 않은) 다른 고정장치, 또는 당업자에게 주지된 다른 수단에 의해 오목거울(30)에 부착될 수 있다. 당업자들은 지지 패드(54)는 예시적인 것이고, 본 발명의 필수요건은 아님을 이해할 것이다. 오목거울(30)을 연결하고 지지하는 다른 방법(예컨대, 둘레 클립)의 사용은 본 발명의 범위를 벗어나지 않는다.
지지 패드(54)는 조절가능하다. 즉, 지지 패드(54)는 지지 패드(54)의 조절이 오목거울(30)을 어레이 평면(46)에 대하여 약간씩 움직이도록 오목거울(30) 또는 어레이 지지 구조(26) 중 하나에 연결될 수 있다. 지지 패드(54)를 조절함으로써, 오목거울(30)은 셀 어셈블리(34)의 포지셔닝에서의 작은 편차를 보상하기 위해, (하기 서술될) 연관된 셀 상에 태양 에너지를 보다 정확하게 반사시키기 위해 미세하게 튜닝될 수 있다.
각각의 SEC 클러스터(28)는 셀 지지 구조(32)를 포함한다. 각각의 셀 지지 구조(32)는 어레이 지지 구조(26)에 연결되고 지지된 지지 기둥(56)으로 이루어지고, 조준 방향(48)으로 인접한 오목거울(30)의 공통 접합에 의해 수용되고 그 사이로 뻗어 있다.
도면의 바람직한 실시예에서 인접한 오목거울(30) 사이로 지지 기둥(56)이 뻗도록 하기 위해, 오목거울(30)이 가장 높은 실제적인 밀도로 지오메트릭 매트릭스(36)를 형성하게 함과 동시에, 실질적인 다각형 둘레(42)가 노치된다. 즉, 노치(58)는 지지 기둥(56)을 수용하기 위해, 각각의 클러스터(28) 내의 적어도 하나의 오목거울(30)의 다각형 둘레(42)로 도입된다. 도 4의 바람직한 실시예에서, 노치(58)는 클러스터(28) 내의 각각의 오목거울(30)의 공통 코너에 실질적인 (즉, 노치된) 다각형 둘레(42)로부터 취해진다. 오목거울(30)의 코너로부터의 태양 에너지 반사가 대부분 타겟을 벗어나는 수차(aberration)를 겪기 쉽기 때문에, 클러스터(28) 내의 오목거울(30)의 공통 코너를 노칭하는 것이 시스템(20)의 경제적 효율성에 좋지 못한 감소를 최소화한다.
당업자들은 도면에 도시되지 않은 대안의 실시예에서 노치(58)가 생략될 수도 있음을 이해할 것이다. 이러한 일 대안의 실시예에서, 지지 기둥(56)은 밀폐된 내부를 가지지 않도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 지지 기둥(56)은 클러스터(28)의 오목거울(30)의 공통 접합부에서 틈새 공간(43) 내에 완전하게 놓인 십자형의 "팔"을 가진, 어레이 평면(46)과 평행한 십자형 단면을 가질 수 있다. 이 대안의 실시예의 변형에서, 지지 기둥(56)은 지지 기둥(56)의 일부분이 오목거울(30)의 태 양쪽에 위치한 외부 커버링을 가질 수 있다. 지지 기둥(56)의 이러한 실시예 및 다른 대안의 실시예는 본 발명의 정신을 벗어나지 않고 사용될 수 있다.
각각의 SEC 클러스터(28)는 N개의 셀 어셈블리(34)를 포함하고, 각각의 셀 어셈블리(34)는 지지 기둥(56)에 연결되고, 지지대(60)에 의해 지지된다. 지지대(60)눈 지지 기둥(56)으로부터 셀 어셈블리(34)로 뻗어 있다.
오목거울(30)이 실질적으로 (즉, 노치된) 정다각형인 둘레를 가진, 바람직한 실시예에서, 각각의 클러스터(28) 내에 임의의 주어진 지지대(60)는 시계방향으로 인접한 지지대(60)와 제1각(62)을 이루고, 시계반대방향으로 인접한 지지대(60)와 실질적으로 동일한 제2각(64)을 이룬다. 즉, N의 값에 관계없이, 지지대(60)는 지지 기둥(56)에 대하여 일정한 각으로 떨어져 있다. 도 2 및 4에서, N=4이고, 지지대(60) 사이의 각(즉, 제1 및 제2각(62 및 64))은 90°이다. 도 3에서, N=3이고, 지지대(60) 사이의 각(즉, 제1및 제2각(62 및 64))은 120°이다.
도 5의 바람직한 실시예에서, 지지대(60) 및 셀 어셈블리(34)는 지지 버팀대(66)에 의해 지지되고 더 안정화된다. 도 5에서, 지지 버팀대(66)는 지지대(60) 아래에 지지 기둥(56)으로부터 지지대(60)로 뻗어 있는 것으로 도시되어 있다. 당업자들은 지지 버팀대(66)의 존재, 위치, 및 연결이 본 발명에 필수요건이 아님을 이해할 것이다. 지지 버팀대(66)는 생략될 수도 있고, 또는 사용될 때 지지대(60) 아래 또는 위에 있을 수도 있고, 그리고/또는 지지대(60) 또는 셀 어셈블리(34)로 뻗을 수 있고, 이는 모두 본 발명의 정신을 벗어나지 않는다.
각각의 셀 어셈블리(34)는 하나의 오목거울(30)에 대하여 포지셔닝되고, 연 관된다. 각각의 셀 어셈블리(34) 및 그것과 연관된 오목거울(30)은 함께 SEC 유닛(44)을 구성한다. 그러므로, 클러스터(28)는 N개의 셀 어셈블리(34) 및 N개의 연관된 오목거울(30)을 가진 N개의 SEC 유닛(44)으로 구성된다. 어레이(24)는 클러스터(28)의 어레이이기 때문에, 어레이(24)는 또한 SEC 유닛(44)의 어레이이다.
SEC 유닛(44)는 개별 엔티티이다. 즉, 각각의 SEC 유닛(44)은 오목거울(30) 및 연관된 오목거울(30)로 구성된다. 셀 어셈블리(34)는 그들의 개별 오목거울(30) 위에 위치되고, 그러므로 어레이(24) 보다 약간 작은 영역 위에 고르게 분포된다. 각각의 셀 어셈블리(34)는 열 추출(HE) 유닛(70)에 연결된 셀 하우징(68)으로 구성된다. SEC 셀(72)은 셀 하우징(68) 내에 수용된다. 각각의 오목거울(30)은 그것의 연관된 셀(72)에만 태양 에너지를 집중시키고 반사시키도록 구성된다. 각각의 셀(72)에서 생성된 열은 각각의 HE 유닛(70)에 의해 추출되고 방산된다. 이것은 전체 열이 어레이(24) 보다 약간 작은 영역 위로 추출되고 방산되는 분산 어프로치를 구성한다. 이것이 전체 열이 단일의 비교적 작은 영역으로 추출되고 분산되는 종래기술의 고밀도 SEC 시스템과의 큰 차이점이다. 이 분산 아키텍처는 시스템(20)의 경제적 효율성을 상당히 증가시킨다.
시스템(20) 내의 SEC 셀(72)로서 사용하기 적합한 일 디바이스는 'Spectrolab, Inc.'에서 제조된 'the Multi-Junction Terrestrial Concentrator Solar Cell'이다. 그러나, 당업자들은 SEC 셀(72)로서 이 디바이스를 사용하는 것이 본 발명의 필수요건은 아니고, 다른 제조자에 의한 다른 디바이스가 사용되는 것이 본 발명의 정신을 벗어나지 않음을 이해할 것이다.
HE 유닛(70)은 추출 끝부(76) 및 방산 끝부(78)를 가진 열 파이프(74)로 구성된다. 열 파이프(74)는 셀 하우징(68)에 연결된다. 열 파이프(74)의 추출 끝부(76)는 SEC 셀(72)에 열적 연결되고, 그로부터 열을 추출하도록 구성된다. 적어도 하나의 라디에이터(80), 그리고 바람직하게는 복수의 라디에이터(80)가 열 파이프(74)에 연결된다. 라디에이터(80)는 열을 방산하도록 구성된다. 그러므로, 적어도 하나의 라디에이터(80)는 열 파이프(74)의 방산 끝부(78)에 또는 그 부근에 연결되는 것이 바람직하다.
전기적으로, 셀 어셈블리(34)는 또한 바이패스 다이오드(82)를 포함한다. 바이패스 다이오드(82)는 셀 하우징(68)의 외부에 위치한다. 바이패스 다이오드(82)의 이러한 위치는 셀 하우징(68) 안쪽에 바이패스 다이오드(82)가 위치하는 것 보다 셀 하우징(68)을 더 작게 할 수 있게 한다. 아래 서술된 바와 같이, 오목거울(30)에 가능한 작은 그림자만 생기도록 하기 위해, 셀 하우징(68)은 가능한 작은 것이 바람직하다. 그러므로, 셀 하우징(68)의 크기의 감소는 시스템(20)의 경제적 효율성의 증가를 나타낸다.
바이패스 다이오드(82)는 오목거울(30)에 생기는 그림자에 영향을 주지 않도록, 지지대(60) 내에, 지지 기둥(56) 내에, 또는 어레이 지지 구조(26) 내 또는 위에 위치하는 것이 바람직하다. 바이패스 다이오드(82)는 와이어(84)에 의해 셀(72)과 전기적으로 연결된다.
각각의 오목거울(30)은 그것의 연관된 셀(72) 상에 태양 에너지를 반사하고 집중시키도록 구성된다. 이 태양 에너지는 수백 썬의 강도에 이를 수 있다. 어레 이(24)가 태양(52)에 직접적으로 조준되어 있지 않을 때, 즉, 조준 방향(48)이 태양 방향(50)과 일치하지 않을 때, 이 집중된 태양 에너지는 지지대(60) 및/또는 지지 기둥(56) 상에 플레이된다. 이 집중된 태양 에너지는 노출되어 있다면 와이어(84)를 손상시킬 잠재적 위험을 가진다. 그러므로, 이러한 손상 위험이 있는 와이어(84) 부분은 지지대(60) 및 지지 기둥(56) 내에 절연되고 라우팅되는 것이 바람직하다.
본 명세서의 이 후 부분은 SEC 시스템(20)이 가동중임을, 즉, 조준 방향(48)이 실질적으로 태양 방향(50)과 일치함을 가정한다. 명료함을 위해, 본 명세서의 이후 부분은 단일 SEC 유닛(44)의 동작을 서술한다. 모든 SEC 유닛(44)은 실질적으로 동일하게 동작한다.
도 4 및 도 7은 오목거울(30)에 대하여 중앙에(도 4), 및 주변에(도 7) 위치한 셀 어셈블리(34)를 가진 SEC 클러스터(28)의 평면도를 도시하고, 도 6 및 도 8은 각각 태양 에너지(86)의 획득을 도시하는, 도 4 및 도 7의 클러스터(28)로부터의 SEC 유닛(44)의 측면도를 도시한다. 하기 설명은 도 1, 4 ,6 ,7, 및 8에 관한 것이다.
태양 에너지(86)는 그것이 오목거울(30)을 만날 때까지 태양 방향(50)의 역방향으로 진행한다. 오목거울(30)은 SEC 유닛(44)의 주 광학 엘리먼트이다. 오목거울(30)은 태양 에너지(86)를 반사시키고 집중시킨다. SEC 셀(72)은 오목거울(30)의 "초점" 부근에 위치한다.
도 4 및 6의 바람직한 실시예에서, 오목거울(30)은 "초점"이 오목거울(30)의 중심으로부터 조준 방향(48)안에 있게 하도록 방향진다. 그러므로, SEC 셀(72)은 오목거울(30)의 중심으로부터 조준 방향(48) 내에 위치한다. 본 실시예에서, 오목거울(30)은 대칭으로 형성되고 대칭으로 설치된다. 이것은 오목거울(30) 및 지지 패드(54)에 대한 초기 비용을 최소화한다.
도 7 및 8의 대안의 바람직한 실시예에서, 오목거울(30)은 "초점"이 지지 기둥(56) 부근의 오목거울(30)의 둘레에 위치하도록 기울어진다. 그러므로, SEC 셀(72)은 지지 기둥(56) 부근에 위치하고, 오목거울(30)에 대한 평면으로 기울어진다. 본 실시예에서, 오목거울(30)은 비대칭으로 형성되고, 비대칭으로 설치된다. 이것은 오목거울(30) 및 지지 패드(54)에 대한 더 큰 초기 비용을 요구할 수 있다. 이것은 시스템(20)의 경제적 효율성을 다소 감소시킬 수는 있으나, 오목거울(30) 상에 (하기 서술된) 더 작은 그림자가 생기도록 함으로써, 경제적 효율성의 임의의 감소는 적어도 일부분 상쇄된다.
오목거울(30)을 대칭으로 형성하고 설치하는 것과 비대칭으로 형성하고 설치하는 것 중 어느 것이 더 좋은지는, 일 실시예는 몇몇 어플리케이션 및 환경에 대하여 바람직할 수 있고, 한편 다른 실시예는 다른 어플리케이션 및 환경에 대하여 바람직할 수 있는 트레이드 오프의 문제이다. 명료함을 위해, 본 명세서의 이후 부분은 도 4 및 6의 바람직한 실시예로 가정하고, 도 7 및 8에 대한 상세한 설명은 제외한다.
도 9 및 10은 반사형 이차 광학 엘리먼트(88)(도 9) 및 굴절형 광학 엘리먼트(90)(도 10)를 도시하는 셀 어셈블리(34)의 측면도를 도시한다. 하기 설명은 도 1, 4, 6, 9, 및 10에 관한 것이다.
설명을 위해, 태양(52)을 한 점으로 다룬다면, 태양 에너지(86)는 실질적으로 평행한 광선으로 다루어질 수 있다. 오목거울(30)이 포물선 모양이라 하면, 반사된 태양 에너지(86)는 오목거울(30)의 (도시되지 않은) 광학 축 상의 실제 초점에 모여진다. 그리고, SEC 셀(72)은 태양 에너지(86)가 실질적으로 셀(72) 크기의 "이미지"를 형성하는 위치에서 광학 축을 따라 초점의 앞 또는 뒤에 위치될 수 있다. 이것은 오목거울(30)이 실질적으로 정사각형이고 셀(72)의 형상과 효과적으로 매칭하는 다각형 형상(42)을 가질 때 특히 효과적이다.
그러나, 오목거울(30)을 포물선 모양으로 형성하는 것은 그것과 연관된 비용을 증가시키고, 시스템(20)의 경제적 효율성을 감소시킨다. 이 때문에, 많은 실시예에서, 오목거울(30)은 구형 거울인 것이 바람직하다. 오목거울(30)이 구형이면, 반사된 태양 에너지(86)는 광학 축을 따라 퍼지는 "초점"에 모여진다. 이것은 구형 수차(spherical aberration)로 알려져 있다. 구형 수차는 SEC 셀(72)을 성공적으로 위치시키는 것이 실제적으로 불가능하게 만들 수 있다. 즉, 광학 축을 따른 임의의 위치는 현저한 핫 스팟 및/또는 쿨 스팟을 만들 수 있고, 빛을 손실시키고, 시스템(20)의 경제적 효율성을 감소시키고, 잠재적으로 셀(72)을 손상시킬 수 있다.
이차 광학 엘리먼트가 오목거울(30)의 구형 또는 다른 수차를 보상하기 위해 사용될 수 있다. 도 9에서, 반사형 이차 광학 엘리먼트(88)가 이것을 사용하지 않으면 셀(72)에서 손실될 태양 에너지(86)를 더 잘 반사시키기 위해 사용된다. 이 와 유사하게, 도 10에서, 굴절형(렌즈식) 이차 광학 엘리먼트(90)는 셀(72) 상에 실제 태양 에너지(86)의 최대량을 다이렉팅하는 유사 기능을 서브한다. 반사형 또는 굴절형 엘리먼트(88 또는 90)가 사용될 수 있지만, 이 또한 트레이드 오프이다. 반사형 엘리먼트(88)는 광학 손실은 작지만, 제조 및 유지 비용이 더 비싸다. 렌즈식인, 굴절식 엘리먼트(90)는 (반사 및 흡수를 통한) 광학 손실은 더 크지만, 제조 및 유지 비용이 더 싸다. 반사형 및 굴절형 엘리먼트(88 및 90)는 각각 시스템(20)의 경제적 효율성을 이차 광학 엘리먼트가 없을 때와는 상이하게 감소시키지만, 이러한 경제적 효율성의 감소는 문제 있는 구형 오목거울(30)의 사용에 의해 발생되는 경제적 효율성의 증가와 상쇄된다. 모든 트레이드 오프와 마찬가지로, 포물선형 또는 구형 오목거울(30)의 조합 및/또는 이차 엘리먼트없이, 반사형 엘리먼트(88) 또는 굴절형 엘리먼트(90)는 시스템(20)이 사용되는 어플리케이션과 환ㄱ경의 함수인 것이 가장 바람직하다.
도 11은 HE 유닛(70)의 동작을 도시하는 셀 어셈블리(34)의 측단면도를 도시한다. 하기 설명은 도 1, 4, 6, 및 11에 관한 것이다.
오목거울(30)은 태양 에너지(86)를 반사시키고 집중시킨다. SEC 셀(72)은 오목거울(30)에 의해 반사되고 집중된 대부분의 태양 에너지(86)를 수신하도록 포지셔닝된다. 그 다음, SEC 셀(72)은 태양 에너지(86)의 수신에 응답하여 (도시되지 않은) 전기를 발생시킨다.
태양 에너지(86)는 태양 에너지(86)를 수신하는 동안 셀(72)로 전달된다. 전기로 변환되지 않은 임의의 에너지는 열 소스이다. 그 결과, 셀(72)은 셀(72)에 대한 최대 에너지 효율을 유지하고 셀(72)의 파괴를 막기 위해 합리적으로 가능한 제거되어야 할 상당한 양의 열을 축적한다. HE 유닛(70)이 이러한 일을 완수한다.
상술된 바와 같이, 어레이(24)의 분산 아키텍처는 SEC 셀(72)을 어레이(24)보다 약간 작은 영역으로 분산시킨다. 각각의 오목거울(30)은 그것의 관련된 셀(72)에만 태양 에너지를 반사시키고 집중시키도록 구성된다. 각각의 셀(72)에서 생성된 열은 개별 HE 유닛(70)에 의해 추출되고 방산된다. 본 발명의 개별 셀(72)의 보다 작은 열 추출 요구량은 보다 작은 열 추출 유닛의 사용을 가능하게 한다.
HE 유닛(70)은 수동 HE 유닛이다. 즉, HE 유닛(70) 내부의 동작은 셀(72)로부터 추출된 열을 단독으로 사용하는, 순수하게 열역학적이다. 이 열은 시스템(20)이 전기를 발생시키기 위해 사용할 수 없는 낭비 에너지이기 때문에, HE 유닛(70)은 오버헤드를 가지지 않고, 시스템(20)의 사용중 경제적 효율성에 영향을 주지 않는다. 또한 수동인, HE 유닛(70)은 (아래에 서술된) 액체 열 전달 매체를 저장하는 이동하지 않는 부분을 가진다. 이러한 본질적인 명료함은 HE 유닛(70)에 임의의 능동 열-추출 유닛을 능가하는 신뢰성을 제공한다. 오버헤드의 부재 및 HE 유닛(70)의 명료함은 유사한 용량의 종래기술의 고밀도 SEC 시스템을 능가하여, 시스템(20)의 경제적 효율성을 현저하게 증가시킨다.
열 파이프(74)의 추출 끝부(76)는 셀(72)과 열적으로 연결된다. 그러므로, 셀(72)로부터의 열(92)은 열 파이프(74)로 들어간다. 통상적인 액체 열전달 매체(94)가 열 파이프(74) 내에 위치한다. 열전달 매체(94)는 열(92)을 흡수한다. 열(92)은 열전달 매체(94)를 기화시킨다. 기화된 열전달 매체(94)는 도 11에 열 파이프(74)의 내측벽을 따라 작은 방울로 도시되어 있다.
시스템(20)이 동작할 때, 열 파이프(74)의 방산 끝부(78)는 추출 끝부(76) 보다 더 높이 위치한다. 열이 상승하기 때문에(그리고, 가스는 액체 내에서 상승하려 하기 때문에), 더 뜨겁고, 기화된 열전달 매체(94)는 열 파이프(74)의 방산 끝부(78)를 향해 이동한다. 이동 중에, 기화된 열전달 매체(94)는 적어도 하나의 라디에이터(80), 바람직하게는 복수의 라디에이터(80)에 닿거나 통과한다. 열(92)은 열전달 매체(94)로부터 라디에이터(80)로 전달된다. 라디에이터(80)는 열(92)을 방산시킨다.
열전달 매체(94)로부터 라디에이터(80)로의 열(92) 전달은 열전달 매체(94)의 온도를 낮춘다. 이것이 열전달 매체(94)가 액체 상태로 다시 액화하게 한다. 그 다음, 열전달 매체(94)는 중력에 의해 열 파이프(74)의 추출 끝부(76)로 복귀한다.
그러므로, HE 유닛(70)은 태양 에너지(86)의 수신 및 (도시되지 않은) 전기 발생에 의해 셀(72)에서 산출된 열(92)을 추출하고 방산시킨다.
도 12 및 13은 셀 하우징 움브럴 영역(96)(도 12), 및 지지대 움브럴 영역(98)(도 13)을 도시하는, 각각 도 4의 라인 12-12, 및 13-13에서 취해진 SEC 유닛(44)의 측단면도를 도시한다. 하기 설명은 도 1, 4, 5, 12, 및 13에 관한 것이다.
태양 에너지(86)는 태양(52)으로부터, 즉 태양 방향(50)의 역방향으로부터 어레이(24)에 도달하는 실질적으로 평행한 광선으로 생각될 수 있다. SEC 시스 템(20)이 동작할 때, 즉 조준 방향(48)이 태양 방향(50)과 실질적으로 동일할 때, 임의의 태양쪽의 어레이 평면(46)은 오목거울(30) 상에 그림자를 잠재적으로 생기게 할 수 있다. 오목거울(30)에 생긴 임의의 그림자는 에너지 출력을 감소시킨다. 주어진 크기의 어레이(24)에 대하여 에너지 출력은 항상 증가시키는 것이 바람직하기 때문에, 오목거울(30)에 생기는 그림자는 실제적으로 최소로 유지되는 것이 바람직하다.
지지 기둥(56)은 인접한 오목거울(30) 사이에서 어레이 지지 구조(26)로부터 조준 방향(48)으로 뻗어 있고, 태양쪽의 어레이 평면(46)에서 종료한다. 지지 기둥(56)은 (도시된) 실린더, (도시되지 않은) 프리즘, 또는 조준 방향(48)에 평행한 실질적으로 매끄러운 측면을 가진 (도시되지 않은) 다른 형태인 것이 바람직하다. 조준 방향(48)이 태양 방향(50)과 실질적으로 일치하고, 지지 기둥(56)이 오목거울(30) 내의 노치(58)를 통과하기 때문에(도 4), 지지 기둥(56)은 오목거울(30) 뒤로만 그림자가 생기게 한다. 도면의 바람직한 실시예에서, 지지 기둥(56)의 그림자는 둘레 노치(58)에 의해 수용된다(도 2). 즉, 지지 기둥(56)은 오목거울(30)에 떨어지지 않는 (도시되지 않은) 지지-기둥 그림자를 생기게 한다.
지지대(60) 및 지지 버팀대(66)는 지지 기둥(56)으로부터 셀 어셈블리(34)로 뻗어 있다. 바람직한 실시예에서, 각각의 지지대(60) 및 임의의 보조 지지 버팀대(66)는 모두 지지대(60) 및 지지 버팀대(66) 중 위쪽의 하나로부터 뻗어 있고, 지지대(60) 및 지지 버팀대(66)중 더 아래쪽의 하나에 의해 잠재적으로 한정된 지지대 움브럴 영역(98)을 생성하고, 그 지지대(60) 바로 아래의 오목거울(30)에만 떨어진다. 즉, 임의의 주어진 지지대(60) 및 그것의 보조 지지 버팀대(66)는 모두 하나의 오목거울(30)에만 지지대 그림자(100)를 생기게 한다.
도 1, 5, 및 13의 바람직한 실시예에서, 지지대(60)는 지지 버팀대(66)의 태양쪽이다. 지지 버팀대(66)는 지지대(60)의 대응 직경보다 크지 않은 어레이 평면(46)에 평행한 (도시되지 않은) 무한대의 포텐셜 직경을 가진다. 지지대(60)에서 태양 에너지(86)의 차단에 의해 생성되는, 지지대 움브럴 영역(98)은 지지 버팀대(66)를 전체적으로 둘러싼다. 그러므로, 지지 버팀대(66)는 오목거울(30) 상의 지지대 그림자(100)에 영향을 주지 않는다. 그러므로, 지지대(60) 및 지지 버팀대(66) 모두에 의해 생기는 지지대 그림자(100)는 지지 버팀대(66) 없이 지지대(60)에 의해 생기는 지지대 그림자(100)보다 크지 않다.
오목거울(30)로 떨어지는 그림자의 양을 가능한 많이 줄이는 것이 바람직하다. 이러한 이유로, 지지대(60)는 지지 기둥(56)으로부터 셀 어셈블리(34)까지만 뻗는 것이 가장 바람직하다. 지지대(60)가 셀 어셈블리(34)를 넘어, 예컨대, 오목거울(30)을 지나 반대편 코너 또는 반대측까지 뻗으면, 지지대(60)의 확장부가 오목거울(30)에 추가적인 그림자를 생기게 할 것이고, 그로 인해 시스템(20)의 경제적 효율성을 감소시킬 것이다.
(본 단락에서만) 도 7 및 8을 간략하게 참조하면, 셀 어셈블리(34)를 둘레에 위치시키는 것은 지지대 그림자(100)를 줄이거나 심지어 제거할 수 있음을 볼 수 있을 것이다. 이것은 시스템(20)의 경제적 효율성에 바람직한 증가를 만들어내지만, 경제적 효율성의 증가는 오목거울(30)의 비용 증가에 의해 상쇄될 것이다. 또 한, 트레이드 오프는 시스템(20)이 사용되는 어플리케이션 및 환경에 따른다.
그것의 연관된 오목거울(30)의 태양방향인 각각의 셀 어셈블리(34)는 하나의 오목거울(30)에만 셀 어셈블리 그림자(102)를 생기게 한다. 셀 어셈블리(34)는 셀 하우징(68) 및 HE 유닛(70)으로 구성된다. HE 유닛(70)은 셀 하우징(68)으로부터 조준 방향(48)으로 뻗는다. 바람직하게는, HE 유닛(70)의 임의의 부분의 어레이 평면(46)에 평행한 직경이 셀 하우징(68)의 대응 직경보다 크지 않아야 한다.
바람직하게는, HE 유닛(70)의 수집 컴포넌트에 의한 태양 에너지(86)의 차단에 의해 생성된 HE-유닛의 움브럴 영역(104)은 셀 하우징(68) 상에 모두 떨어진다. HE 유닛(70)의 수집 컴포넌트 및 셀 하우징(68)의 조합에 의한 태양 에너지(86)의 차단에 의해 생성된, 셀 하우징 움브럴 영역(96)은 셀 어셈블리 그림자(102)를 생성하도록 오목거울(30)에 떨어진다. 그러므로, HE 유닛(70)은 오목거울(30) 상의 셀 어셈블리 그림자(102)에 영향을 주지 않는다. 그러므로, 셀 하우징(68) 및 HE 유닛(70) 모두에 의해 생긴 셀 어셈블리 그림자(102)는 HE 유닛(70)없이 셀 하우징(68)에 의해 생기는 셀 어셈블리 그림자(102)보다 크지 않다.
요약하자면, 본 발명은 클러스터식 태양 에너지 변환 어레이(24) 및 이에 대한 방법을 교시한다. 어레이(24)는 셀(72)에 존재하는 수신된 태양 에너지(86)의 퍼센트를 합리적으로 실제적인 범위 내에서 증가시킨다. 신뢰성 있고 효율적인 수동 HE 유닛(70)의 사용을 가능하게 하고, 셀(72) 사이의 데드 존을 효과적으로 제거하는 분산 아키텍처가 사용된다.
본 발명의 바람직한 실시예가 상세하게 도시되고 서술되었으나, 본 발명의 정신 또는 첨부된 청구항의 범위를 벗어나지 않고 다양한 수정이 이루어질 수 있음이 당업자들은 쉽게 이해될 것이다.

Claims (28)

  1. 발전 시스템용 태양 에너지 변환(SEC) 유닛(44)의 어레이(24)로서,
    어레이 지지 구조(26); 및
    SEC 클러스터(28)를 포함하고,
    상기 SEC 클러스터는 상기 어레이 지지 구조 및 N개의 상기 SEC 유닛에 연결된 셀 지지 구조(32)를 포함하고, N은 1보다 큰 소정의 숫자이고,
    상기 SEC 유닛의 각각은
    태양 에너지를 반사시키도록 구성되어 있고, 상기 어레이 지지 구조에 연결되어 있는 오목거울(30); 및
    상기 셀 지지 구조에 연결된 셀 어셈블리(34)를 포함하고,
    상기 셀 어셈블리는
    셀 하우징(68);
    상기 셀 하우징 내에 수용되어 있고, 상기 오목거울에 의해 반사된 상기 태양 에너지의 대부분을 수신하도록 위치된 SEC 셀(72); 및
    상기 SEC 셀로부터 열을 방산시키도록 구성되어 있고, 상기 셀 하우징에 연결된 열 추출 방산(HE) 유닛(70)을 포함하는 것을 특징으로 하는 발전 시스템용 태양 에너지 변환 유닛의 어레이.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 SEC 클러스트(28)는 복수의 SEC 클러스터 중 하나 인 것을 특징으로 하는 발전 시스템용 태양 에너지 변환 유닛의 어레이.
  3. 제 1 항에 있어서, N은 2보다 크고 5보다 작은 것을 특징으로 하는 발전 시스템용 태양 에너지 변환 유닛의 어레이.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 오목거울(30)의 각각은 사각형(38) 및 육각형(40) 중 하나의 형상인 실질적인 다각형의 둘레를 가지는 것을 특징으로 하는 발전 시스템용 태양 에너지 변환 유닛의 어레이.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 오목거울(30)의 상기 다각형 둘레(42)는 상기 셀 지지 구조(32)를 수용하도록 구성된 노치(58)를 가지는 것을 특징으로 하는 발전 시스템용 태양 에너지 변환 유닛의 어레이.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 셀 지지 구조(32)는
    상기 어레이 지지 구조(26)에 연결되어 있고, 상기 오목거울(30) 중 인접한 하나 사이로 실질적인 조준 방향(48)으로 뻗은 지지 기둥(56); 및
    상기 지지 기둥(56)에 연결된 N개의 지지대(60)를 포함하고,
    상기 N개의 지지대의 각각은 상기 지지 기둥으로부터 상기 N개의 셀 어셈블리(34)로 뻗어 있는 것을 특징으로 하는 발전 시스템용 태양 에너지 변환 유닛의 어레이.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 지지대(60)의 각각에 대하여, 각각의 상기 지지대(60)와 시계방향으로 인접한 지지대(60) 사이의 제1각도(62)는 각각의 상기 지지대(60)와 시계반대방향으로 인접한 지지대(60) 사이의 제2각도와 실질적으로 동일한 것을 특징으로 하는 발전 시스템용 태양 에너지 변환 유닛의 어레이.
  8. 제 6 항에 있어서, 상기 N개의 지지대(60)의 각각은 상기 지지 기둥(56)으로부터 상기 하나의 셀 어셈블리(34)로만 뻗어 있는 것을 특징으로 하는 발전 시스템용 태양 에너지 변환 유닛의 어레이.
  9. 제 6 항에 있어서, 상기 조준 방향(48)이 태양 방향(50)일 때,
    상기 지지 기둥(56)은 상기 오목거울(30) 중 어떤 것에도 지지 기둥의 그림자를 생기게 하지 않고; 그리고
    상기 지지대(60)의 각각은 상기 오목거울(30) 중 하나에만 지지대 그림자(100)를 생기게 하는 것을 특징으로 하는 발전 시스템용 태양 에너지 변환 유닛의 어레이.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 셀 지지 구조(32)는 부가적으로 상기 지지대(60)의 각각에 대한 지지 버팀대(66)를 포함하는 것을 특징으로 하는 발전 시스템용 태양 에너지 변환 유닛의 어레이.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 지지대(60) 및 상기 지지 버팀대(66)는 모두 상기 하나의 오목거울(30)에 상기 지지대 그림자를 생기게 하고;
    상기 지지대 그림자(100)는, 상기 지지대 및 지지 버팀대 모두에 의해 생길 때, 상기 지지 버팀대 없이 상기 지지대에 의해 생기는 상기 지지대 그림자 보다 크지 않은 것을 특징으로 하는 발전 시스템용 태양 에너지 변환 유닛의 어레이.
  12. 제 6 항에 있어서, SEC 클러스터(28) 내의 상기 오목거울 사이의 공통 접합부는 상기 지지 기둥(56)을 수용하는 것을 특징으로 하는 발전 시스템용 태양 에너지 변환 유닛의 어레이.
  13. 제 1 항에 있어서, 조준 방향(48)을 가지고, 상기 조준 방향이 태양 방향(50)일 때:
    상기 셀 어셈블리(34)의 각각은 상기 오목거울(30) 중 하나에만 셀-어셈블리 그림자(102)를 생기게 하고; 그리고
    상기 셀 하우징(68) 및 HE 유닛(70)에 의해 상기 셀-어셈블리 그림자가 생길 때, 상기 HE 유닛 없이 상기 셀 하우징에 의해 생기는 상기 셀-어셈블리 그림자보다 크지 않은 것을 특징으로 하는 발전 시스템용 태양 에너지 변환 유닛의 어레이.
  14. 제 1 항에 있어서, 셀 어셈블리(34)는 부가적으로 셀 하우징(68)의 외부에 위치한 바이패스 다이오드(82)를 포함하는 것을 특징으로 하는 발전 시스템용 태양 에너지 변환 유닛의 어레이.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 바이패스 다이오드(82)는 임의의 상기 오목거울(30)에 임의의 그림자에 영향을 주지 않는 것을 특징으로 하는 발전 시스템용 태양 에너지 변환 유닛의 어레이.
  16. 제 14 항에 있어서, 상기 바이패스 다이오드(82)는 와이어(84)에 의해 상기 SEC 셀(72)에 전기적으로 연결되고; 그리고, 상기 와이어의 일부분은 상기 셀 지지 구조(32)의 일부분 내에 루팅된 것을 특징으로 하는 발전 시스템용 태양 에너지 변환 유닛의 어레이.
  17. 제 1 항에 있어서, 상기 HE 유닛(70)은 수동 HE 유닛인 것을 특징으로 하는 발전 시스템용 태양 에너지 변환 유닛의 어레이.
  18. 제 1 항에 있어서, 상기 HE 유닛(70)은
    추출 끝부(76) 및, 상기 추출 끝부 보다 높은 방산 끝부(78)를 가지고, 상기 추출 끝부 부근에서 상기 SEC 셀(72)로부터 열을 추출하도록 구성된 열 파이프(74); 및
    상기 열을 방산하도록 구성되어 있고, 상기 열 파이프에 연결되어 있는 라디 에이터(80)를 포함하는 것을 특징으로 하는 발전 시스템용 태양 에너지 변환 유닛의 어레이.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 열 파이프(74)는
    상기 추출 끝부(76) 부근에서 상기 SEC 셀(72)로부터 열을 흡수하고;
    상기 열 흡수에 응답하여 기화되고;
    상기 방산 끝부(78)로 이동하고;
    상기 열을 상기 라디에이터(80)로 전달하고;
    상기 열 전달에 응답하여 액화하고; 그리고
    중력에 응답하여 상기 추출 끝부로 복귀하도록 구성된 열전달 매체(94)를 포함하는 것을 특징으로 하는 발전 시스템용 태양 에너지 변환 유닛의 어레이.
  20. 태양 에너지를 전기 에너지로 변환하는 방법으로서,
    태양 에너지 변환(SEC) 어레이를 태양 방향(50)으로 조준하는 단계;
    상기 조준 동작에 응답하여, 각각의 복수의 SEC 클러스터(28) 내의 N개의 오목거울(30)로부터 상기 태양 에너지를 반사시키는 단계(여기서, N은 소정의 수);
    각각의 상기 SEC 클러스터에 대한 상기 N개의 오목거울 각각에 대하여 N개의 SEC 셀(72) 중 하나를 포지셔닝하는 단계;
    상기 반사 및 포지셔닝 동작에 응답하여 상기 SEC 클러스터 각각에 대하여 상기 N개의 SEC 셀 각각에서 상기 N개의 오목거울 각각으로부터 반사된 상기 태양 에너지의 대부분을 수신하는 단계;
    상기 수신 동작에 응답하여 각각의 상기 SEC 클러스터 각각의 상기 N개의 SEC 셀에서 상기 전기를 발생시키는 단계;
    각각의 상기 SEC 클러스터 내의 상기 N개의 SEC 셀의 각각에 N개의 열추출(HE) 유닛(70) 중 하나를 열적 연결하는 단계; 및
    상기 수신 및 발생 동작에 의해 산출된 열을 방산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 에너지를 전기로 변환하는 방법.
  21. 제 20 항에 있어서,
    각각의 상기 SEC 클러스터에 대하여 셀 지지 구조(32)를 어레이 지지 구조(26)에 연결하는 단계;
    각각의 상기 SEC 클러스터에 대하여 상기 N개의 오목거울(30)을 상기 어레이 지지 구조에 연결하는 단계;
    각각의 상기 SEC 클러스터에 대하여 상기 N개의 SEC 셀(72) 각각을 N개의 셀 하우징(68) 중 하나에 수용하는 단계;
    상기 N개의 HE 유닛 각각을 상기 N개의 셀 하우징 중 하나에 연결하는 단계; 및
    상기 N개의 셀 하우징 및 상기 N개의 HE 유닛 중 하나씩을 상기 셀 지지 구조에 연결하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 에너지를 전기로 변환하는 방법.
  22. 제 20 항에 있어서, N은 2보다 크고 5보다 작은 것을 특징으로 하는 태양 에너지를 전기로 변환하는 방법.
  23. 제 20 항에 있어서, 각각의 상기 SEC 클러스터 내 상기 오목거울의 각각을 실질적으로 다각형 둘레(42)를 가지도록 형상화하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 에너지를 전기로 변환하는 방법.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 셀 지지 구조(32)의 지지 기둥(56)을 어레이 지지 구조(26)로부터, 상기 오목거울(30)들 중 인접한 하나 사이로, 조준 방향(48)으로 뻗게 하는 단계; 및
    상기 지지 기둥으로부터의 N개의 지지대(60)의 각각을 N개의 셀 어셈블리(34) 중 하나로 뻗게 하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 에너지를 전기로 변환하는 방법.
  25. 제 20 항에 있어서, 상기 SEC 클러스터(28)의 각각에 대한 상기 N개의 SEC 셀(72)의 각각에 대해, 상기 방산하는 동작은
    상기 HE 유닛(70)의 열 파이프(74)의 추출 끝부(76)에서 상기 SEC 셀로부터 열을 흡수하는 단계;
    상기 흡수하는 단계에 응답하여 상기 열 파이프 내의 열전달 매체(94)를 기 화시키는 단계;
    상기 추출 끝부 보다 더 높게 있는 상기 열 파이프의 방산 끝부(78)를 향해 상기 열전달 매체를 이동시키는 단계;
    상기 열을 상기 열 파이프에 연결된 라디에이터(80)로 전달하는 단계;
    상기 전달하는 동작에 응답하여 상기 열전달 매체를 액화하는 단계;
    중력에 응답하여 상기 열전달 매체를 상기 추출 끝부로 반환시키는 단계; 및
    상기 라디에이터로부터 상기 열을 방산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 에너지를 전기로 변환하는 방법.
  26. 태양 에너지 변환(SEC) 어레이로서,
    상기 어레이(24)가 동작할 때 태양 방향(50)과 실질적으로 일치하는 조준 방향(48);
    어레이 지지 구조(26); 및
    복수의 SEC 클러스터(28);를 포함하고,
    상기 SEC 클러스터의 각각은 N개의 SEC 유닛(44);을 포함하고, N은 2보다 크고 5보다 작은 소정의 수이고,
    상기 N개의 SEC 유닛의 각각은
    실질적인 다각형 둘레(42)를 가지고, 상기 어레이가 동작할 때 태양 에너지를 반사하도록 구성되어 있고, 상기 어레이 지지 구조에 연결된 오목거울(30);
    상기 어레이가 동작할 때, 상기 오목거울 중 하나에만 셀 어셈블리 그림자(102)가 생기도록 구성된 셀 어셈블리(34); 및
    셀 지지 구조(32);를 포함하고,
    상기 셀 어셈블리는
    셀 하우징(68);
    상기 셀 하우징 내에 수용되어 있고, 상기 어레이가 동작할 때 상기 오목거울에 의해 반사된 상기 태양 에너지의 대부분을 수신하도록 위치한 SEC 셀(72); 및
    상기 셀 하우징에 연결된 수동 열-추출(HE) 유닛(70);을 포함하고,
    상기 수동 HE 유닛은
    그로부터 열을 추출하도록 구성되어 있고, 상기 SEC 셀에 연결된 열 파이프(74); 및
    상기 열을 방산하도록 구성되어 있고, 상기 열 파이프에 연결된 라디에이터(80);를 포함하고,
    상기 셀 지지 구조는
    상기 어레이가 동작할 때, 상기 오목거울 중 어떤 것에도 지지 기둥 그림자가 생기지 않도록 구성되어 있고, 실질적으로 상기 조준 방향으로 뻗어 있고, 상기 어레이 지지 구조에 연결된 지지 기둥(56);
    상기 어레이가 동작할 때, 상기 오목거울 중 하나에만 지지대 그림자(100)가 생기도록 구성되어 있고, 상기 지지 기둥에 연결되어 있고, 상기 지지 기둥으로부터 상기 셀 어셈블리 중 하나로 뻗은 N개의 지지대(60);을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 에너지 변환 어레이.
  27. 제 26 항에 있어서, 상기 셀 지지 구조는 N개의 지지 버팀대(66)를 더 포함하고,
    상기 N개의 지지 버팀대의 각각은 상기 지지 기둥과 상기 N개의 지지대 사이에 연결되어 있고;
    상기 어레이가 동작할 때, 상기 지지대 그림자는 상기 각각의 지지대 및 그것에 연결된 상기 지지 버팀대에 의해 생기고, 상기 지지 버팀대 없이 상기 각각의 지지대에 의해 생기는 상기 지지대 그림자보다 크지 않은 것을 특징으로 하는 태양 에너지 변환 어레이.
  28. 제 26 항에 있어서, 상기 어레이가 동작할 때, 상기 셀 어셈블리 그림자는 그것에 연결된 상기 HE 유닛 및 상기 셀 하우징에 의해 생기고, 상기 셀 HE 유닛없이 상기 셀 하우징에 의해 생기는 상기 셀 어셈블리 그림자보다 크지 않은 것을 특징으로 하는 태양 에너지 변환 어레이.
KR1020077026456A 2005-04-29 2006-04-28 클러스터식 태양 에너지 변환 어레이 및 이에 대한 방법 KR20080004605A (ko)

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