KR20100015814A - 추적형 태양열 집열기 조립체 - Google Patents

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다니엘 에스. 슈가
찰스 알마이
제이슨 존스
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선파워 코포레이션
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Abstract

본 발명의 추적형 태양열 집열기 모듈 조립체는 프레임과 태양열 집열기를 포함한다. 프레임은 극지-적도로 배향 가능한 경사 축을 갖는다. 태양열 집열기는 프레임에 장착되고 주변 에지를 갖는다. 주변 에지는 극지 및 서쪽 방향으로 사실상 배향된 제1 에지 부분과, 극지 및 동쪽 방향으로 사실상 배향된 제2 에지 부분을 갖는다. 제1 에지 부분 및 제2 에지 부분은 적어도 사실상 경사 축의 양측에 위치된다. 제1 에지 부분 및 제2 에지 부분은 40°내지 120°의 평균 끼인각을 형성한다.
추적형 태양열 집열기 모듈 조립체, 경사 축, 주변 에지, 자기 가림

Description

추적형 태양열 집열기 조립체 {TRACKING SOLAR COLLECTOR ASSEMBLY}
본 발명은 태양 에너지 수집에 관한 것이며, 특히 태양열 집열기 조립체의 로우(row) 내의 태양열 집열기 조립체들 사이에서 자기 가림(self shading)을 적어도 최소화하도록 구성되는 추적형 태양열 집열기 조립체에 관한 것이다. 본 발명은 태양열 집열기 모듈이 전력을 발생하기 위한 광전지(photovoltaic cell)의 어레이를 포함하는 태양열 집열기 조립체에 적용되지만, 동일한 원리가 예컨대, 태양열 난방(solar heating)을 위한 배열체에도 적용될 수 있다.
광전지 어레이는 유틸리티 인터랙티브 파워 시스템(utility interactive power system)으로서, 원격 또는 무인 지역에 대한 전원으로서, 휴대폰 스위치부 전원(cellular phone switch-site power supply) 또는 마을 전원(village power supply)을 포함하는 다양한 목적을 위해 사용된다. 이러한 어레이는 수 킬로와트 내지 100 킬로와트 이상의 용량을 가질 수 있으며, 통상적으로 대부분의 낮 동안 태양에 노출되는 적절하게 편평한 영역이 존재하는 곳에 설치된다.
일반적으로, 이러한 태양열 집열기 조립체는 프레임에 지지되는, 통상적으로는 광전지 모듈인 각자의 태양열 집열기 모듈을 갖는다. 프레임은 일반적으로 토크 관 또는 토크 부재로 종종 지칭되며 축으로 기능하는 프레임 부재를 포함한다. 경사 조립체로도 불리우는 추적기 구동 시스템은 광전지 모듈을 가능한 태양과 직각을 이루도록 유지하기 위해 태양열 집열기 조립체의 하나 이상의 로우의 태양열 집열기 조립체를 그들의 경사 축을 중심으로 회전 또는 이동(rock)하는데 사용될 수 있다. 일반적으로, 로우는 태양열 집열기 조립체의 경사축이 북-남 방향으로 배치된 상태로 배열되고, 경사 조립체는 아침에 동향에서 오후에 서향으로 낮 동안 태양열 집열기 조립체의 하나 이상의 로우를 점진적으로 회전시킨다. 태양열 집열기 조립체는 익일을 위해 동향으로 복귀된다.
이러한 유형의 태양열 집열기 배열체가 바커(Barker) 등에게 허여된 미국 특허 제5,228,924호에 개시된다. 상기 특허에서, 전지판의 각 로우는 피벗 샤프트가 저널링되는(journaled) 둘 이상의 지지 피어(pier)에 지지되는 수평 피벗 샤프트에 부착된다. 구동 기구가 피어 중 하나에 장착되어, 샤프트로부터 변위된 일 지점에서 태양 전지판(solar panel)을 민다. 이 경우, 구동부는 스크루형이며, 구동 모터가 회전할 때 샤프트는 일 방향 또는 타 방향으로 전지판의 로우를 회전시키도록 수축 및 연장된다. 이러한 배열에서, 전지판의 각 로우는 각자의 개별 구동 기구를 갖는다. 미국 특허 제6,058,930호에 도시된 바와 같은 다른 설계는 태양 전지판의 다중 로우를 제어하기 위해 단일 액추에이터를 채용한다.
추적형 태양열 집열기 모듈 조립체의 제1 예는 프레임과 태양열 집열기를 포함한다. 프레임은 북-남으로 배향 가능한 경사 축을 갖는다. 태양열 집열기는 프레임에 장착되고 주변 에지를 갖는다. 주변 에지는 적어도 사실상 경사 축의 양측에 북동향 에지 및 북서향 에지를 갖는다. 북동향 에지 및 북서향 에지는 40°내지 120°의 평균 끼인각을 형성한다.
추적형 태양열 집열기 모듈 조립체의 제2 예는 프레임과 태양열 집열기를 포함한다. 프레임은 극지-적도로 배향 가능한 경사 축을 갖는다. 태양열 집열기는 프레임에 장착되고 주변 에지를 갖는다. 주변 에지는 사실상 극지 및 서쪽 방향으로 배향된 제1 에지 부분과 사실상 극지 및 동쪽 방향으로 배향된 제2 에지 부분을 갖는다. 제1 에지 부분 및 제2 에지 부분은 적어도 사실상 경사 축의 양측에 위치된다. 제1 에지 부분 및 제2 에지 부분은 40°내지 120°의 평균 끼인각을 형성한다.
추적형 태양열 집열기 장치의 일 예는 태양열 집열기 조립체의 제1 및 제2 로우와 적어도 하나의 경사 조립체를 포함한다. 태양열 집열기 조립체의 제1 및 제2 로우는 대체로 동향 배향과 대체로 서향 배향 사이에서 이동하도록 지지 표면상에 지지된다. 각각의 태양열 집열기 조립체는 지지 표면에 의해 지지되는 조립체 지지 구조물과 조립체 지지구조물에 의해 지지되는 추적형 태양열 집열기 모듈 조립체를 포함한다. 추적형 태양열 집열기 모듈 조립체는 북-남으로 배향 가능한 경사 축을 갖는 프레임과, 프레임에 장착되고 주변 에지를 갖는 태양열 집열기를 포함한다. 주변 에지는 적어도 사실상 경사 축의 양측에 북동향 에지 및 북서향 에지를 갖는다. 북동향 에지 및 북서향 에지는 40°내지 120°의 평균 끼인각을 형성한다. 제1 로우와 제2 로우는 로우간(row to row) 간격에 의해 이격된다. 각 로우의 태양열 집열기 조립체는 측방향 간격에 의해 이격된다. 추적형 태양열 집열기 모듈 조립체가 대체로 동향 배향과 대체로 서향 배향 사이에서 이동 가능하도록 적어도 하나의 경사 조립체가 추적형 태양열 집열기 모듈 조립체에 구동식으로 커플링된다.
본 발명의 다른 특징, 양태 및 장점은 도면, 상세한 설명 및 후속하는 청구항을 참조하면 이해될 수 있다.
도 1은 태양열 집열기 조립체의 일 예를 도시한 전방 좌측 평면도이고,
도 1A는 태양열 집열기 조립체의 다른 예를 도시한 전방 우측 평면도이고,
도 2 내지 도 5는 도 1의 태양열 집열기 조립체의 정면도, 후면도 및 좌측면도이고,
도 5A는 태양열 집열기 모듈이 접착제에 의해 프레임의 레일에 고정된 비프레임식 태양열 집열기 모듈인 본 발명의 다른 예의 확대 우측면도이고,
도 6은 도 1의 남측 지지부를 도시한 확대도이고,
도 7은 토크 부재에 고정된 구동 요소의 내측 단부와, 구동 요소의 외측 단부에 피벗식으로 연결된 구동 로드의 말단부를 도시하는, 도 1 내지 도 5의 조립체의 밑면의 일부의 확대도이고,
도 7A는 구동기를 도시한, 도 1의 일부의 확대도이고,
도 7B는 구동기의 각도 배향을 도시한, 도 1의 구조물의 부분 좌측면도이고,
도 8 및 도 9는 지지 받침대의 상위 단부를 토크 부재에 고정하는 베어링 조립체를 도시한, 도 1 내지 도 5의 조립체의 밑면의 일부의 확대 측면도 및 단부도 이고,
도 10은 아침에 대체로 동향 배향인 상태로 도시된, 도 1의 태양열 집열기 조립체의 로우의 전방 우측 평면도이고,
도 11은 정오 배향과 도 10의 태양열 집열기 조립체의 로우를 도시하고,
도 12는 저녁에 대체로 서향 배향인, 도 10의 태양 조립체의 로우를 도시하고,
도 13은 중간 태양열 집열기 조립체의 구동 요소의 외측 단부에 대한 구동 요소 커플러의 피벗식 연결을 도시한, 도 12의 일부의 확대도이고,
도 13A는 추적형 태양열 집열기 조립체의 어레이 내에서 자기 가림을 감소 또는 제거하는 것을 돕도록 설계되는 태양열 집열기 조립체의 다른 실시예를 도시하고,
도 13B 내지 도 13F는 조립체가 낮 동안에 걸쳐 태양을 추적할 때 이른 아침, 늦은 아침, 정오, 늦은 오후 및 늦은 저녁 배향이 도시된 도 13A의 어레이의 개요도이고,
도 13G 내지 도 13L은 자기 가림 방지가 강화된 도 13A의 대체로 다이아몬드형인 태양열 집열기 모듈 조립체에 대한 대안 형상을 도시하고,
도 14는 태양열 집열기 조립체의 로우의 다른 예를 도시한 개요도이고,
도 15는 도 14에 도시된 태양열 집열기 조립체의 로우의 측면도이고,
도 16은 도 14 및 도 15의 경사 조립체의 확대된 개요도이고,
도 17은 도 16의 경사 조립체의 후면도이다.
후속하는 설명은 일반적으로 특정한 구조적 실시예 및 방법을 참조할 것이다. 본 발명을 특정적으로 설명된 실시예 및 방법에 제한하려는 의도는 없으며, 본 발명은 다른 특징부, 요소, 방법 및 실시예를 이용하여 실시될 수도 있다. 청구항에 의해 규정되는 본 발명을 본 발명의 범주를 제한하지 않고 도시하기 위해 양호한 실시예들이 설명된다. 당업자라면 후속하는 설명에서 많은 균등한 변형례를 인지할 것이다. 다양한 실시예에서 유사한 요소는 유사한 도면 부호에 의해 공통적으로 지칭된다.
도 1은 남측 지지부(16)로도 종종 지칭되는 제1 지지부(16)와 북측 지지부(18)로도 종종 지칭되는 제2 지지부(18)에 의해, 통상적으로는 지면인 지지 표면(14) 위에 장착되는 태양열 집열기 모듈 조립체(12)를 대체로 포함하는 태양열 집열기 조립체(10)를 도시한다. 태양열 집열기 조립체(12)는 다수의 태양열 집열기 모듈(22)을 지지하는 프레임(20)을 포함한다. 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 프레임(20)은 횡방향으로 배향된 레일(26)을 지지하는, 종종 토크 부재(24)로도 지칭되는 프레임 부재(24)를 포함한다. 태양열 집열기 모듈(22)은 클립(27)에 의해(도 6 및 도 7 참조) 또는 태양열 집열기 모듈의 구조에 적합한 다른 장착 구조물에 의해 레일(26)에 고정된다. 주연 프레임을 갖는 태양열 집열기 모듈(22)과 함께 사용하기에 적합한 클립의 일 예가 2007년 3월 5일 출원된 미국 특허 출원 제11/681,972호(대리인 문서 번호 PWRL 1044-2)에 개시된다.
도 5A는 태양열 집열기 모듈(22)이 접착제를 사용하여 프레임(20)의 레 일(26)에 고정되는 비프레임식(frameless) 모듈인 다른 예를 도시한다. 비프레임식 태양열 집열기 모듈의 사용은 태양열 집열기 모듈 프레임의 비용을 절감하고, 낮은 전체 높이로 인해 적층 밀도를 개선하고, 비프레임식 모듈이 손상 없이는 모듈을 제거하기 어려운 구조에 접착될 수 있기 때문에 도난을 방지하는데 도움이 되는 것을 포함하는 몇 가지 장점을 제공할 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 남측 지지부(16)는 지지 표면(14)상에 그리고 사실상 지지 표면 위에 배치되는, 종종 남측 기부(28)로도 지칭되는 제1 표면 장착부(28)를 포함한다. 적절한 경우에, 지지 표면(14)의 약간의 표면 정지(preparation)가 기부(28)에 안정적인 표면을 제공하기 위해 필요하거나 또는 바람직할 수 있다. 남측 기부(28)는 기부(28)가 지지 표면 내에 매설된다면 필요하게 되는, 지지 표면의 상당한 굴착을 필요로 하지 않고, 또는 지지 표면(14)에 남측 기부를 고정할 필요 없이 적소에 토크 부재(24)의 남측 단부(30)를 고정하기에 충분히 무겁도록 설계되는 비고정식 밸라스트형 기부(anchorless ballast type base)이다. 남측 기부(28)는 통상적으로 콘크리트로 이루어진다. 20°의 경사 각도(32)(도 5 참조)로 배향되고 표면적이 약 9.3 내지 37 평방미터(100 내지 400 평방피트)인 태양열 집열기 조립체(10)에 대해, 남측 기부(28)는 적어도 680㎏(1500lbs)의 중량을 갖는 것이 바람직하다.
토크 부재(24)는 남측 조인트(34)에 의해 남측 기부(28)에 피벗식으로 고정된다. 남측 조인트(34)는 토크 부재(24)의 남측 단부(30)에 부착된 내측 베어링 부재(38)와, 내측 베어링 부재(38)를 중심으로 회전 가능한 외측 베어링 부재(40) 를 포함한다. 이로 인해, 토크 부재(24)는 토크 부재에 의해 형성되는 경사 축(42)을 중심으로 회전 또는 피벗될 수 있다. 또한, 남측 조인트(34)는 대체로 수평인 남측 피벗 축(46)을 중심으로 하는 피벗 운동하도록 남측 베어링 조립체(36)의 외측 베어링 부재(40)를 남측 기부(28)에 고정하는 남측 피벗 장착부(44)를 포함한다. 이로 인해, 경사 각도(32)는 변경될 수 있다. 또한, 남측 기부(28)에 대한 남측 피벗 장착부(44)의 배향은 수직 축을 중심으로 조절될 수 있다. 남측 피벗 장착부의 배향을 조절하는 성능 및 경사 축(42)을 중심으로 피벗하는 토크 부재(24)의 성능은 지지 표면(14) 내의 불균일성을 조절하는 것을 도와서 설치 전에 지지 표면(14)을 넓은 범위에 걸쳐 정지하지 않아도 되도록 돕는다.
이제, 도 1, 도 8 및 도 9를 참조하면, 북측 지지부(18)는 지지 표면(14)에 배치되는, 종종 북측 기부(66)로도 지칭되는 제2 표면 장착부(66)를 포함한다. 북측 지지부(18)는 각 북측 기부(66)로부터 연장하고 북측 베어링 조립체(72)에 의해 토크 부재(24)의 북측 단부(68)에 피벗식으로 고정되는 지지 받침대(70)를 포함한다. 남측 지지부(16)에서와 같이, 북측 기부(66)는 굴착하거나 또는 지지 표면(14)에 북측 기부를 고정할 필요없이, 바람 및 다른 힘에 대항하여 토크 부재(24)의 북측 단부(28)를 고정하고 그에 따라 태양 집열기 모듈 조립체(12)를 고정하기에 충분히 무겁도록 설계되는 비고정식 밸라스트형 기부이다. 북측 기부(66)는 통상적으로 콘크리트로 이루어진다.
남측 기부(28) 및 각 북측 기부(66)에 대해 요구되는 중량은 조립체(12)의 크기 및 구성, 예측 풍속, 예측 풍향 및 경사 각도(32)를 포함하는 다양한 인자에 따라 결정된다. 예컨대, 20°의 경사 각도(32)(도 5 참조)로 배향되고 표면적이 약 9.3 평방미터 내지 37 평방미터(100 내지 400 평방피트)인 태양열 집열기 조립체에 대해, 각 북측 기부(66)는 적어도 2270㎏(5000lbs)의 중량을 가질 수 있다.
북측 지지부(18)의 장점 중 하나는 북측 기부(66)가 조립체(10)의 로우(90) 내의 인접한 태양열 집열기 조립체(10)들 사이에서 사용될 때 공유되는 단일의 북측 기부로서 기능할 수 있다는 것이다. 도 10 내지 도 12의 예에서, 조립체(10A)와 조립체(10B) 사이 그리고 조립체(10B)와 조립체(10C) 사이의 북측 기부(66)는 공유되는 단일의 북측 기부이다. 이는 조립체(10) 상의 하중, 특히 풍하중이 동일하지 않으며 통상적으로는 끊임없이 변하기 때문에 매우 중요하다. 그 결과, 동일한 로우(90) 내의 조립체(10)에 가해지는 하중, 특히 측방향 하중은 북측 기부(66)를 통해 로우 내의 다른 조립체들 사이에서 분산될 수 있다. 그 결과, 태양열 집열기 조립체(10)가 전복될 가능성을 매우 낮추면서도, 로우(90) 내의 전체 북측 기부(10)의 총 중량이 북측 기부가 인접한 태양열 집열기 조립체(10)들 사이에서 공유되지 않을 때보다 가벼울 수 있다. 다른 예에서, 공유 기부로서 북측 기부(66)를 사용하는 대신에, 각 북측 기부(66)는 단일 태양열 집열기 모듈 조립체(12)와 함께 사용될 수도 있다(도 1A 참조).
각각의 북측 베어링 조립체(72)는 남측 베어링 조립체(36)와 유사하고, 토크 부재(24)에 부착된 내측 베어링 부재(74) 및 경사 축(42)을 중심으로 자유롭게 피벗하도록 내측 베어링 부재(74) 위에 회전 가능하게 장착된 외측 베어링 부재(76)를 포함한다. 각 지지 받침대(70)의 상위 단부(78)는 지지 받침대(70)가 받침대 장착 축(82)을 중심으로 피벗할 수 있도록 클레비스형 받침대 장착부(80, clevis-type strut mount)에 의해 외측 베어링 부재(76)에 피벗식으로 장착된다. 도 4를 참조하면, 지지 받침대(70)의 하위 단부(84)는 북측 피벗 장착부(86)에 의해 북측 기부(66)에 피벗식으로 장착된다. 북측 피벗 장착부(86)는 남측 피벗 장착부(44)와 사실상 동일하고, 지지 받침대(70)로 하여금 남측 피벗 축(46)에 대응하는 대체로 수평인 축을 중심으로 피벗할 수 있게 한다. 또한, 북측 피벗 장착부(86)는 북측 기부(66) 및 토크 부재(24)에 지지 받침대(70)를 고정하는 것을 돕기 위해 대체로 수직인 축을 중심으로 회전될 수 있다. 또한, 지지 받침대(70)는 길이가 가변적인 삽통식 받침대이다. 지지 받침대(70)와 토크 부재(24) 사이의 피벗식 연결과, 지지 받침대(70)와 북측 기부(66) 사이의 피벗 연결과, 길이가 가변적인 삽통식 받침대(70)의 사용은 태양열 집열기 조립체(10)의 설치를 더욱 용이하게 하는데, 이는 북측 기부(66)의 정확한 배치가 요구되지 않거나 또는 지지 표면(14)이 북측 기부를 수용하기 위해 넓은 범위에 걸쳐 기울기를 완만하게 하거나(graded) 정지될 필요가 없기 때문이다.
이제, 도 1을 참조하면, 태양열 집열기 모듈 조립체(12)는 경사 조립체에 의해, 경사 축(42)을 중심으로 피벗되어 태양열 집열기 조립체가 낮 동안 태양의 이동을 따라 이동할 수 있도록 한다. 도 7, 도 7A 및 도 7B는 경사 조립체(50)의 일 예를 도시하고, 도 15, 도 16 및 도 17는 대표적으로 양호한 경사 조립체(400)의 다른 실시예를 도시한다.
경사 조립체(50)는 구동 로드(56)에 의해 토크 부재(24)로부터 연장하는 토 크 암 유형의 구동 요소(54)에 연결되는 구동기(52)를 포함한다. 구동 요소(54)의 내측 단부(58)는 토크 부재(24)에 고정되고 태양열 집열기 모듈(22)에 의해 형성되는 평면에 대체로 수직하게 토크 부재로부터 연장한다. 구동 요소(54)는 구동 로드(56)의 클레비스형 말단 단부(62)를 수용하는 클레비스형 외측 단부(60)를 포함하고, 두 단부들(60, 62)은 2개의 롤핀에 고정되는, 통상적으로는 둥근 핀인 피벗 요소(64)에 의해 서로에 대해 피벗식으로 고정된다. 구동기(52)는 구동 로드(56)를 대체로 선형이며 대체로 수평인 방식으로 이동시키고, 이러한 이동으로 인해 구동 요소(54)의 외측 단부(60)는 경사 축(42)을 중심으로 회전하여, 태양열 집열기 모듈(22)이 대체로 태양을 따라 이동할 수 있게 한다.
구동기(52)는 남측 기부(28) 및 북측 기부(66)와 마찬가지로 통상적으로 콘크리트이며 지면 내에 매립을 요구하지 않을 만큼 충분히 무거운 기반(footing) 또는 토대(foundation)에 장착된다. 도 7B에 도시된 바와 같이, 구동기(52)는 구동 요소(54)의 외측 단부(60)의 이동을 가장 잘 수용하도록 경사 각도(32)와 동일한 각도(69)로 배향된다. 그 결과, 토대(65)는 대체로 수평인 것이 통상적으로 바람직하다. 하지만, 토대(65)가 대체로 수평이 되어야 하는 필요성은 이러한 요구 조건을 제거하는 방식으로 경사 조립체(50)를 구성함으로써 제거될 수 있다. 예컨대, 구동기(52)와 토대(65) 사이의 각도 방향은 조절 가능하도록 이루어질 수 있다.
도 15, 도 16 및 도 17은 구동기(400)와 구동 요소 커플러(92)를 포함하는 경사 조립체(402)를 도시한다. 구동기(400)는 구동 요소 커플러(92)에 연결되어 구동 요소 커플러를 구동한다. 도 13을 참조하면, 구동 요소 커플러(92)는 경사 조립체(402)의 일측에서 태양열 집열기 조립체(10)의 구동 요소(54)로 연장한다. 구동기(400)는 도시되지 않은 적절한 토대 또는 다른 지지부에 고정되도록 구성된 기부(408)를 포함하는 구동 프레임(406)을 포함한다. 토대는 지상 구조물 또는 완전히 매설되거나 부분적으로 매설된 구조물일 수 있다. 예컨대, 기부(408)는 땅에 박히는 로드 또는 스파이크를 갖거나 또는 갖지 않는 크고 무거운 강철 플레이트에 볼트로 조여지거나 용접되거나 또는 고정될 수 있다. 이러한, 토대에 대한 다른 실시예는 나사 결합식 토대(screw-in foundation), 진동 또는 압력(또는 진동 및 압력) 피동 관 또는 관들, 및 (통상적으로는 국부적으로) 흙 또는 자갈로 충전되는 밸라스트형 베슬을 포함한다.
또한, 구동 프레임(406)은 대체로 수직인 포스트(410)와, 대체로 L형 구조물을 생성하도록 포스트(410)의 상위 단부로부터 연장하는 횡단 방향으로 연장하는 부재(412)를 포함한다. 부재(412)는 경사 축(42)의 경사도와 대체로 동일한, 수평에 대한 각도로 상향 및 외향으로 연장한다. 한 쌍의 지지 암(414)이 부재(412)의 양단부로부터 연장한다. 구동 암 지지부(416)는 베어링(418)에 의해 지지 암(414)의 말단 단부에 장착된다. 이로 인해, 구동 암 지지부(416)는 구동 암 축(420)을 중심으로 회전될 수 있다. 구동 암 축(420)은 경사 조립체(402)의 일측에서 태양열 집열기 조립체(10)의 피벗 축(42)과 대체로 평행하게 그리고 대체로 측방향으로 정렬되도록 배열된다.
또한, 구동기(400)는 구동 암 지지부(416)로부터 연장하여, 구동 위치(424) 에서 구동 요소 커플러(92)의 클레비스형 단부(94)에 연결되는 구동 암(422)을 포함한다. 구동 위치(424)로부터 구동 암 지지 축(420)까지의 거리를 제2 거리(426)로 한다. 도 7 및 도 13을 참조하면, 제2 거리(426)는 피벗 요소(64)와 토크 부재(24)의 중심을 통과하는 경사 축(42) 사이에 계측되는 제1 거리와 동일하다.
또한, 구동기(400)는 기어 배열체(434)에 의해 구동 로드(432)에 연결되는 모터(430)를 포함하는 구동 암 구동기(428)를 포함한다. 기어 배열체(434)는 통상적으로 스크루 잭에 대한 웜 기어 감소(worm gear reduction)를 이용하지만, 구동 로드(432)는 유압 펌프 및 잭 또는 다른 작동 장치에 의해서도 구동될 수 있다. 경사 조립체(402) 및 특히 구동 프레임(406)의 구조로 인해, 구동 요소 커플러(92)는 구동 프레임의 일부 아래를 자유롭게 통과할 수 있다. 구동 프레임(406)은 단일 포스트(410)를 이용하여 외팔보 방식으로 이를 달성하지만, 구동 프레임(406)은 이러한 구성을 제공하기 위해, 예컨대 구동 요소 커플러(92)의 양측 상에서 포스트(406)를 갖도록 구성될 수도 있다. 또한, 구동기(400)는 낮 동안에 걸쳐 모터(430)의 작동을 제어하도록 사용되는 전자 제어기를 수납하는 인클로저(436)를 포함한다.
도 10은 아침에 대체로 동향인 것이 도시되는 태양열 집열기 조립체(10A, 10B, 10C)의 로우(90)를 도시하는 반면에, 도 11 및 도 12는 정오와, 저녁에 대체로 서향인 로우(90)를 도시한다. 경사 조립체(50)는 도 1에 도시된 바와 같이 구동 로드(56)와 구동기(52)를 포함한다. 또한, 경사 조립체(50)는 조립체(10A, 10B) 및 조립체(10B, 10C)의 구동 요소(54)의 외측 단부(60)를 커플링하는 구동 요 소 커플러(92)를 포함한다. 도 13은 구동 요소(54)의 외측 단부(60)와 구동 요소 커플러(92) 사이의 피벗식 연결을 도시한 도 12의 조립체(10B)의 일부의 확대도이다. 구동 요소 커플러(92)는 하나의 클레비스형 단부(94)와 이 클레비스형 단부(94) 내에 끼워 맞춤되는 크기를 갖는 편평한 원통형 단부(96)를 갖는 구동 로드(56)와 유사하다. 원통형 단부(96)는 커플러(92)의 유효 길이가 변경될 수 있도록 다수의 구멍(98)을 갖는다. 커플러(92)의 길이를 변경하기 위한 다른 기술이 사용될 수도 있다. 구동 요소(54)의 외측 단부(60)에서 피벗식 연결을 이용함으로써 조립체들의 로우(90) 내의 조립체(10)의 정렬이 훨씬 덜 중요해진다. 이는 넓은 지역에 걸친 고비용의 현장 정지(site preparation)를 필요로 하지 않으면서도 불균일하거나 기복이 심한 지지 표면 또는 편평하지 않은 다른 지지 표면(14)에서 조립체(10)의 로우(90)를 사용하는 것에 도움이 된다.
태양열 집열기 조립체(10)의 로우(90)의 다른 예가 도 14에 도시된다. 도 14의 예와 도 1 및 도 11에 도시된 예의 차이점 중 일부는 태양열 집열기 모듈(22)을 위한 다른 배열체를 사용하는 것과, 도 1에 도시된 로우의 단부에서 경사 조립체(50)를 사용하는 대신에 로우(90)를 따라 중간에서 경사 조립체(402)를 사용하는 것을 포함한다. 경사 조립체(402)의 구조 및 경사 조립체의 사용을 통해 발생되는 장점은 도 15, 도 16 및 도 17을 참조하여 상술되었다.
로우(90) 내의 경사 조립체(402)의 양측에는 각각 3개의 태양열 집열기 조립체가 도시되었지만, 실제로는 더 많은 태양열 집열기 조립체가 단일 로우(90)를 구성하는 것이 일반적이다.
통상적으로, 태양열 집열기 모듈 조립체(12) 내의 태양열 집열기 모듈(22)의 수는 (1) 예컨대, 용기의 운송 모드 크기 제한, 트럭의 운송 모드 크기 제한 또는 철도(rail)에 의한 운송 모드 크기 제한을 만족시키고, (2) 적절한 전기 제한(electrical limitation)을 만족시키고, (3) 스트링 길이(string length)의 정수분(integer fraction)을 만족시키는 상태에서, 적어도 부분적으로는 각 태양열 집열기 모듈 조립체(12) 상의 PV의 양의 최대화에 따라 결정된다. 스트링 길이는 소정의 전기 출력을 제공하는데 요구되는 태양열 집열기 모듈(22)의 수에 의해 계측된다. 스트링 길이의 정수분이란, 소정의 스트링 길이가 X이지만 X가 너무 크기 때문에 태양열 집열기 모듈 조립체(12) 상에 많이 설비할 수 없어서 조립체(12)가 장(field) 내에서 함께 용이하게 배선될 수 있도록 각 조립체(12)의 스트링 길이가 X/2 또는 X/3 등이 되어야 하는 것을 의미한다. 또한, 스트링 길이는 하나의 태양열 집열기 조립체(10) 상에 여러 개의 스트링을 가질 수 있도록 매우 작을 수도 있다.
수평으로 배향되지 않는 태양열 집열기 어레이의 문제점 중 하나는 자기 가림 현상이다. 이는 특히, 아침과 저녁에 인접한 태양열 집열기들이 서로를 그늘지도록 할 때 발생한다. 자기 가림은 피벗 축의 남측 경사의 감소와, 태양열 집열기의 표면적 감소와, 태양열 집열기들 사이의 간격 증가와, 백트랙킹(backtracking) 중 하나 이상에 의해 감소될 수 있다. 백트래킹은 추적형 태양열 집열기 조립체를 아침에는 좀더 서쪽을 향하도록 회전시키고 저녁에는 좀더 동쪽을 향하도록 회전시키는 방법이다. 하지만, 이러한 종래의 해법들 각각은 장치의 작동 효율을 감소시 킬 수 있다.
도 13A는 추적형 태양열 집열기 조립체의 어레이 내에서 자기 가림을 감소 또는 제거하는 것을 돕도록 설계된 태양열 집열기 조립체(10)의 다른 예를 도시한다. 이 예에서, 태양열 집열기 조립체(10)는 약 20°의 경사 각도로 배향되는 태양열 집열기 모듈 조립체(340)를 포함하고, 태양열 집열기 모듈 조립체(340)는 조립체(340)의 서측, 북측, 동측 및 남측 단부의 모퉁이(342, 343, 344, 345)로 이루어진 대략적인 다이아몬드 형상을 갖는다. 태양열 집열기 모듈 조립체(340)는 경사 축(42)을 중심으로 대체로 서향인 저녁 배향으로 회전된 것으로 도시된다. 북동측 에지(346) 및 북서측 에지(348)는 각각 경사 축(42)에 대해 평균 예각(average acute angle)(350, 352)으로 연장한다. 각도(350, 352)는 대체로 동일하지만, 반드시 그럴 필요는 없다. 일부 예에서, 각도(350, 352)는 20°내지 60°이며, 통상적으로는 약 45°이다. 북서향 에지(348) 및 북동향 에지(346)는 40°내지 120°, 통상적으로는 약 90°인 끼인각을 형성한다. 조립체(340)의 대략적인 다이아몬드 형상과, 특히 양호하게는 경사 축(32)과 중첩하는 위치에서 만나는 북서향 에지(348)와 북동향 에지(346)는 인접한 조립체(340)의 자기 가림을 감소 또는 제거하는데 도움이 된다. 따라서, 북동향 에지(346) 및 북서향 에지(348)는 적어도 사실상 경사 축(42)의 반대쪽 측부들 상에 위치된다. 이는 도 13B 내지 도 13I에 도시되는데, 도 13B 내지 도 13I는 조립체(340)가 낮 동안에 걸쳐 태양을 추적함에 따라 이른 아침, 늦은 아침, 정오, 늦은 오후 및 늦은 저녁 배향일 때의 도 13A의 어레이가 도시된 개요도이다.
인접한 태양열 집열기 모듈 조립체(340)들 사이의 측방향 동-서 간격(354)과 조립체(10)의 로우(90)들 사이의 로우간의 북-남 간격(356)도 자기 가림의 최소화와 측방향 간격(345) 및 로우간 간격(356)의 최소화 사이의 효율적인 균형을 달성하는데 중요하다. 측방향 간격(354)은 토지 비용과, 구동 요소 커플러(92) 및 지지 받침대(70)의 길이를 증가시키는 비용과, 설치 위치, 지역 날씨 데이터 및 사용자의 개별적인 요구 조건을 포함하는 몇 가지 인자의 함수이다. 또한, 축(42)을 중심으로 하는 회전 각도가 증가되면, 측방향 간격(354)도 증가된다. 이러한 모든 파라미터들의 최종 구성은 태양의 이동을 정확하게 추적하기 위해 아침 또는 저녁 또는 고장 시에 예컨대 자기 가림으로 인한 파워의 손실을 최소화하도록 상기한 파라미터들 사이에서 절충된다. 일부 예에서, 도 13B에 도시된 바와 같이 각 로우 내의 태양열 집열기 모듈 조립체(340)를 인접한 로우 내의 조립체로부터 측방향으로 오프셋하는 것이 유용하다는 것이 발견되었다. 로우(90)들 사이의 간격은 통상적으로 설치 부지의 위치 및 기후에 따라 결정된다. 조립체(340)는 하나의 남측 기부(28)에 의해 지지되는 것으로 도시되었으며, 받침대(70)와 결합되어 공유되는 또는 공유되지 않는 북측 기부(66)도 사용될 수 있다는 것을 주목해야 한다.
남/동 에지(347) 및 남/서 에지(349)는 평균 예각(351, 353)으로 경사 축(42)으로부터 연장한다. 각도(351, 353)는 통상적으로 동일하지만, 반드시 동일할 필요는 없다. 일부 예에서, 각도(351, 353)는 20°내지 60°이며, 통상적으로는 약 45°이다. 남서향 에지(349) 및 남동향 에지(347)의 용도는 조립체(340) 부분이 지지 구조물 또는 지면과 접촉하는 것을 방지하는데 주로 사용된다. 도 13G 내지 도 13L은 대체로 다이아몬드 형인 조립체(340)에 대한 대안 형상을 도시하는데, 이러한 조립체들은 사실상 다이아몬드 형상이 아니지만 여전히 자기 가림 방지가 강화된다. 자기 가림을 감소 또는 제거하도록 설계된 모든 예들에서 공통인 요소는 장방형 태양열 집열기 모듈 조립체(340) 상의 북서측 모퉁이 및 북동측 모퉁이가 되는 부분의 제거이다. 도 13K 및 도 13L은 조립체(340)가 다수의 장방형 태양열 집열기 모듈(22)을 포함하는 예로서, 북동 에지(346) 및 북서 에지(348)는 장방형 모듈(22)의 사용을 반영하여 단차식으로 성형된다. 북동 에지(346) 및 북서 에지(348)의 공동적인 특징은 이들이 대체로 북동향 에지 및 북서향 에지이며 대체로 각각 남동 및 남서 방향으로 연장한다는 것이다.
상술된 설명에서 위, 아래, 상부, 하부, 상위, 하위 등의 용어가 사용되었다. 이러한 용어들은 본 발명의 이해를 돕기 위해 사용되었으며 본 발명을 제한하지 않는다. 방향 북과 남은 북반구에 설치되는 것을 가정하여 사용되었다. 북반구 및 남반구 모두의 설치 위치를 커버하기 위해서 북 대신 더 포괄적인 용어인 극지가 사용되고, 남 대신 더 포괄적인 용어인 적도 또는 적도 지역(equator or equatorial)이 사용될 수 있다.
본 발명의 요지 내에서 개시된 실시예에 대한 변경 및 변형이 이루어질 수 있다. 예컨대, 토크 부재(24)는 원형 및 사각형을 포함하는 다양한 단면 형상을 가질 수 있으며, 내부가 부분적으로 중실체이거나 완전히 중실체일 수 있으며, 하나 이상의 재료로 이루어질 수 있으며, 그 길이를 따라 변하는 다양한 구조적 특징부를 가질 수 있다. 태양열 집열기 모듈(22)을 위한 지지부 또는 프레임으로 작용 하는 토크 부재(24) 및 레일(26)은 강성인 장방형 플랫폼과 같은 다른 태양열 집열기 지지 구조물로 대체될 수도 있다. 따라서, 경사 조립체(50)는 토크 부재(24) 이외의 구조물에 고정될 수도 있다. 태양열 집열기 지지 구조물은 고정된 경사 축(42)에 대해 경사지는 것이 아니라, 예컨대 소정 범위의 순간 경사 축(instantaneous tilt axes)에 대해 경사지도록 장착될 수 있다.
상술된 모든 특허, 특허 출원 및 발행된 간행물 및 그 일부는 참조로서 포함된다.

Claims (10)

  1. 추적형 태양열 집열기 모듈 조립체이며,
    북-남 방향으로 배향가능한 경사 축을 갖는 프레임과,
    프레임에 장착되고 주변 에지를 갖는 태양열 집열기를 포함하고,
    주변 에지는 적어도 사실상 경사 축의 반대쪽 측부들 상에 북동향 에지 및 북서향 에지를 가지며,
    북동향 에지 및 북서향 에지는 40°내지 120°의 평균 끼인각을 형성하는
    추적형 태양열 집열기 모듈 조립체.
  2. 제1항에 있어서,
    태양열 집열기는 복수의 장방형 태양열 집열기 모듈을 포함하는
    추적형 태양열 집열기 모듈 조립체.
  3. 제1항에 있어서,
    북동향 에지 및 북서향 에지는 단차식 예지인
    추적형 태양열 집열기 모듈 조립체.
  4. 제1항에 있어서,
    북동향 에지 및 북서향 에지는 경사 축과 중첩하는 위치에서 만나는
    추적형 태양열 집열기 모듈 조립체.
  5. 제1항에 있어서,
    평균 끼인각은 약 90°인
    추적형 태양열 집열기 모듈 조립체.
  6. 제1항에 있어서,
    주변 에지는, 경사 축의 양측에 위치되고 40°내지 120°의 제2 평균 끼인각을 형성하는 남동향 에지 및 남서향 에지를 갖는
    추적형 태양열 집열기 모듈 조립체.
  7. 추적형 태양열 집열기 모듈 조립체이며,
    극지-적도 방향으로 배향 가능한 경사 축을 갖는 프레임과,
    프레임에 장착되고 주변 에지를 갖는 태양열 집열기를 포함하고,
    주변 에지는 사실상 극지 및 서쪽 방향으로 배향된 제1 에지 부분과 사실상 극지 및 동쪽 방향으로 배향된 제2 에지 부분을 가지며, 제1 에지 및 제2 에지 부분은 적어도 사실상 경사 축의 반대쪽 측부들 상에 위치되고
    제1 에지 부분 및 제2 에지 부분은 40°내지 120°의 평균 끼인각을 형성하는
    추적형 태양열 집열기 모듈 조립체.
  8. 추적형 태양열 집열기 모듈 조립체이며,
    북-남 방향으로 배향 가능한 경사 축을 갖는 프레임과,
    프레임에 장착되고, 주변 에지를 가지며, 하나 이상의 장방형 태양열 집열기 모듈을 포함하는 태양열 집열기를 포함하고,
    주변 에지는 경사 축의 반대쪽 측부들 상에 북동향 에지 및 북서향 에지를 가지며, 북동향 에지 및 북서향 에지는 경사 축과 중첩하는 위치에서 만나고,
    북동향 에지 및 북서향 에지는 40°내지 120°의 평균 끼인각을 형성하고,
    주변 에지는, 경사 축의 양측에 위치되고 40°내지 120°의 평균 끼인각을 형성하는 남동향 에지 및 남서향 에지를 갖는
    추적형 태양열 집열기 모듈 조립체.
  9. 제8항에 있어서,
    제1 평균 끼인각은 약 90°인
    추적형 태양열 집열기 모듈 조립체.
  10. 추적형 태양열 집열기 장치이며,
    사실상 동향 배향 및 사실상 서향 배향 사이에서 이동하도록 지지 표면상에 지지되는 태양열 집열기 조립체의 제1 및 제2 로우와,
    적어도 하나의 경사 조립체를 포함하고,
    각각의 태양열 집열기 조립체는
    지지 표면에 의해 지지되는 조립체 지지 구조물과,
    조립체 지지 구조물에 의해 지지되는 추적형 태양열 집열기 모듈 조립체를 포함하고,
    추적형 태양열 집열기 조립체는
    북-남 방향으로 배향가능한 경사 축을 갖는 프레임과,
    프레임에 장착되고 주변 에지를 갖는 태양열 집열기를 포함하고,
    주변 에지는 적어도 사실상 경사 축의 반대쪽 측부들 상에 북동향 에지 및 북서향 에지를 가지며,
    북동향 에지 및 북서향 에지는 40°내지 120°의 평균 끼인각을 형성하고,
    제1 및 제2 로우는 로우간 간격에 의해 이격되고,
    각 로우 내의 태양열 집열기 조립체는 측방향 간격에 의해 이격되고,
    적어도 하나의 경사 조립체는 추적형 태양열 집열기 모듈 조립체가 사실상 동향 배향과 사실상 서향 배향 사이에서 이동 가능하도록 추적형 태양열 집열기 모듈 조립체에 구동식으로 커플링되는
    추적형 태양열 집열기 장치.
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