KR20100102094A - 지붕 기반 에너지 전환 시스템 - Google Patents

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KR20100102094A
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크리스토퍼 조지 에드워드 나이팅게일
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드래곤 에너지 피티이. 리미티드
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Abstract

지붕(13)을 갖는 빌딩(12)용 지붕 기반 에너지 전환 시스템(10)은 지붕 프레임 구조체(14) 및 복수의 태양 에너지 전환 타일 조립체들을 포함한다. 태양 에너지 전환 타일 조립체들은 태양 에너지를 전기 에너지로 전환시키는 광발전 타일 조립체(100) 및 태양 에너지를 열 에너지로 전환시키는 열적 타일 조립체의 선택을 포함하여 이루어진다. 상기 타일 조립체 둘 모두는 실질적으로 같은 외관을 갖기 때문에 같은 지붕 구조체(14) 상에 함께 놓일 경우 시각적으로 식별이 불가능하다. 또한, 에너지 전환 시스템(10)은 지붕 구조체(14)를 흘러 나가는 빗물로부터의 운동 에너지를 전기 에너지로 전환시키도록 구성되는 수력 발전 시스템(200) 및 움직이는 공기의 운동 에너지를 전기 에너지로 전환시키도록 구성되는 풍력 에너지 전환 시스템(300)을 포함할 수 있다. 상기 타일들(100), 상기 수력 발전 시스템(200) 및 상기 풍력 에너지 전환 시스템(300)으로부터의 전기 에너지를 수용하기 위해 에너지 관리 시스템(20)이 제공될 수 있다. 상기 에너지 관리 시스템은 배터리들을 채용하며, 시스템(10)에 의하여 생성된 에너지가 공급 그리드까지 전달될 수 있도록 하는 연결 시스템(30)을 포함한다.

Description

지붕 기반 에너지 전환 시스템{ROOF BASED ENERGY CONVERSION SYSTEM}
본 발명은 빌딩용 지붕 기반 에너지 전환 시스템(roof based energy conversion system)에 관한 것이며, 특히 지붕 기반 재생가능 에너지 전환 시스템 또는 지붕 기반 대안 에너지 전환 시스템에 관한 것이다.
차량용 엔진들 및 발전소들(power stations)과 같은 전력 에너지 전환 디바이스들 및 시스템들에 대한 화석 연료들의 이용으로부터 발생되는 잠재적인 환경적, 경제적 및 문화적 위험들이 잘 입증되어 있다. 이러한 위험들을 줄이거나 회피하기 위하여, 혹자는 원자력의 이용을 증대시켜야 한다고 주장한다. 하지만, 이는 방사성 폐기물의 안전한 저장과 관련한 다른 딜레마들을 유발시킨다. 또한, 원자력 발전소들은 그 부산물들이 핵무기의 제조에 이용될 잠재성으로 인하여 많은 사람들과 정부들이 반대하고 있다.
지열 에너지 발전소들, 풍력 발전단지(wind farm) 및 대형 태양 전지들(large solar arrays)과 같은 에너지 전환 시스템 및/또는 청정한 대안의 에너지원들을 토대로 하는 발전소들을 개발하려는 시도가 있어 왔다. 하지만, 이들 시스템들 중 많은 것들은 특정한 지리적 위치에서만 상업적 이용이 가능하며 상대적으로 큰 자본 투자를 필요로 한다는 점에서 제한이 있다.
본 발명의 바람직한 목적은 바람직한 지붕 기반 에너지 전환 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 지붕 기반 에너지 전환 시스템이 제공되며, 상기 지붕 기반 에너지 전환 시스템은:
지붕 프레임 구조체; 및
복수의 태양 에너지 전환 타일들 - 상기 태양 에너지 전환 타일들 각각은 대응되는 베이스 타일에 부착되는 1 이상의 커버 타일들 및 상기 지붕 프레임 구조체의 적어도 일 부분에 고정되며, 상기 베이스 타일들은 상기 지붕 프레임 구조체의 적어도 일 부분에 대해 실질적인 방수 클래딩(substantially waterproof cladding)을 형성하기 위하여 인접한 엣지들을 따라 서로 밀폐식으로 결합되도록 구성됨 - 을 포함한다.
복수의 태양 에너지 전환 타일들은, (a) 태양 에너지를 전기 에너지로 전환시키는 복수의 광발전 타일(photovoltaic tile); 또는 (b) 태양 에너지를 열 에너지로 전환시키는 복수의 열적 타일들(thermal tile); 또는 (c) 적어도 하나의 광발전 타일 및 적어도 하나의 열적 타일의 조합을 포함할 수 있다. 베이스 타일들은 열적 절연체를 지붕 프레임 구조체에 제공하도록 구성되거나 그렇게 형성될 수 있다.
지붕 프레임 구조체는 서로를 향하여 상방향으로 수렴하는 적어도 2 개의 경사 측들을 갖는 피치 지붕 프레임 구조체(pitched roof frame structure)를 포함할 수 있다.
실질적으로 같은 외관으로 이루어진 각각의 노출 표면들을 갖도록 광발전 타일들 및 열적 타일들 모두를 위한 커버 타일들이 형성될 수 있다. 이러한 방식으로, 지붕 프레임 구조체가 고정되는 경우 광발전 타일들 및 열적 타일들은 시각적으로 동일한 외관을 갖는다.
에너지 전환 시스템은 지붕 부분을 흘러 나가는 빗물로부터의 운동 에너지를 전기 에너지로 전환시키도록 구성되는 수력 발전 시스템(hydro-electric system)을 더 포함할 수 있다. 수력 발전 시스템은 1 이상의 거터(gutter)와 홈통(downpipe); 및 1 이상의 수력 터빈(water turbine) - 상기 거터 및 홈통이 지붕 프레임 구조체 부분을 흘러 나가는 빗물을 수집하여 각각의 수력 터빈을 구동하는 물의 유동을 발생시키도록 구성됨 - 를 포함할 수 있다. 1 이상의 홈통 상단부에는 저장소(reservoir)가 제공되어 연관된 수력 터빈에 대한 물의 유동을 조절한다는 것을 이해해야 한다. 지붕을 대각선방향으로 가로질러 거터까지 이어지도록 배치되는 1 이상의 지붕 채널들이 제공될 수 있다. 수력 발전 시스템은 전체 에너지 전환 시스템 또는 빌딩의 수력 시스템에서 사용하기 위한 빗물을 수집하는 저장 탱크를 더 포함할 수 있다.
에너지 전환 시스템은 이동하는 기단(air mass)의 운동 에너지를 전기 에너지로 전환시키는, 지붕 프레임 구조체에 의하여 지지되는 1 이상의 풍력 터빈(wind trubine)을 갖는 풍력 발전 시스템을 더 포함할 수 있다. 이 실시예에서, 풍력 발전 시스템은 지붕 프레임 구조체와 함께, 이동하는 공기가 지붕 프레임 구조체 위로 유동하여 1 이상의 풍력 터빈을 통하도록 지향시키는 윈드 터널을 형성하기 위하여 1 이상의 풍력 터빈 위에 걸쳐 있는(overlie) 카울링(cowling) 또는 서브-루프(sub-roof)를 더 포함할 수 있다. 풍력 터빈들은 지붕 프레임 구조체의 크레스트(crest)를 따라 장착될 수 있다.
에너지 전환 시스템은 태양 에너지 전환 타일, 수력 발전 시스템 및 풍력 발전 시스템으로부터의 전기 에너지를 수용 및 관리하는 에너지 관리 시스템을 더 포함할 수 있다. 또한, 에너지 관리 시스템은 전기 공급 그리드(electricity supply grid)에 대한 커넥션(connection)을 더 포함하고 에너지 전환 시스템과 전기 공급 그리드 사이의 전기 에너지의 양 방향 유동(two way flow)을 관리하도록 구성될 수 있다. 보다 구체적으로, 에너지 관리 시스템은 전기 에너지 저장 장치를 포함할 수 있으며, 에너지 관리 시스템은 전기 저장 장치가 완전 충전된 상태에 있는 경우에는 전기 공급 그리드에 전기 에너지를 제공하고, 전기 저장 장치가 임계 수준 아래의 충전 수준을 갖는 경우에는 전기 공급 그리드를 전기 저장 장치에 연결하도록 구성된다. 에너지 관리 시스템은 에너지 입력의 안전을 측정하고, 제어하고 보장하며, 전기 저장 장치로부터 교류를 제공하도록 전기 공급부를 전환시키기 위한 장치를 더 포함할 수 있다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예가 단지 예시의 방법으로 설명될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 지붕 기반 에너지 전환 시스템을 채용한 빌딩의 단면도;
도 2는 도 1에 도시된 빌딩의 부분 측면도;
도 3은 도 1 및 2에 도시된 지붕 기반 에너지 전환 시스템에 채용된 광발전 타일 조립체의 베이스 타일의 단면도;
도 4는 도 3에 도시된 베이스 타일의 평면도;
도 5는 광발전 타일 조립체에 포함되는 커버 타일의 단면도;
도 6은 도 5에 도시된 커버 타일의 평면도;
도 7은 광발전 타일 조립체의 측단면도;
도 8은 광발전 타일 조립체의 횡단면도;
도 9는 광발전 타일 조립체에 포함되는 전기적 연결 포스트의 개략도;
도 10은 광발전 타일 조립체에 포함되는 전기적 연결 튜브의 사시도;
도 11은 도 10에 도시된 튜브의 평면도;
도 12는 도 10 및 11에 도시된 튜브의 단면도;
도 13은 도 5 및 6에 도시된 커버 타일 일 부분의 단면도;
도 14는 도 1 및 2에 도시된 지붕 기반 에너지 전환 시스템에 포함되는 수력 발전 시스템의 일 실시예의 개략도;
도 15는 도 14에 도시된 수력 발전 시스템에 포함되는 홈통의 평면도;
도 16은 수력 발전 시스템의 측면도;
도 17은 도 1 및 2에 도시된 지붕 기반 에너지 전환 시스템에 포함되는 풍력 에너지 전환 시스템의 끝단면도;
도 18은 도 17에 도시된 시스템의 부분 측면도이다.
도 1 및 2를 참조하면, 지붕(13)을 갖는 주택(12)과 같은 빌딩용 지붕 기반 에너지 전환 시스템(10)은 지붕 프레임 구조체(14) 및 복수의 태양 에너지 전환 타일 조립체들을 포함한다. 각각의 타일 조립체는 지붕 프레임 구조체(14)의 적어도 일 부분에 고정되는 베이스(base) 타일, 및 대응되는 베이스 타일에 부착가능한 1 이상의 커버 타일을 포함한다. 베이스 타일들은 그들이 고정되는 지붕 구조체의 부분에 대해 실질적인 방수 클래딩(substantially waterproof cladding)을 형성하기 위하여 인접한 엣지들을 따라 서로 밀폐식으로 결합되도록 구성된다. 보다 상세히 후술되는 바와 같이, 타일 조립체들은 태양 에너지를 열적 에너지로 전환시키는 열적 타일 조립체들(도시 안됨) 및 태양 에너지를 전기 에너지로 전환시키는 광발전(PV) 타일 조립체들(100)로부터 선택될 수 있다. 열적 타일은 물이 유동하는 파이프들을 포함하며, 파이프들을 통해 유동하는 물을 가열시키기 위하여 태양열 복사를 흡수한다. 타일들의 두 타입 모두는 유사한 일반적인 구조 및 형태의 베이스 타일을 갖는다. 또한, 각각의 커버 타일은 같은 지붕 프레임 구조체(14) 상에 함께 놓일 경우 동일한 형상, 구조 및 외관을 갖기 때문에 사실상 구별할 수 없다는 것을 이해해야 한다. 하지만, 태양 에너지를 전기 및 열로 전환시키는 상이한 작업들을 이행하기 위하여 커버 타일의 구조는 PV 타일들 및 열적 타일들에 대해 상이할 수 있다. 보다 효율적인 실시예는 PV 타일 및 열적 타일 둘 모두의 조합을 포함할 수 있다고 여겨지기도 하지만, 상이한 실시예들에서는 시스템(10)이 PV 타일 또는 열적 타일 중 하나만을 포함할 수 있다.
시스템(10)이 PV 타일들 및 열적 타일들 둘 모두를 포함하는 경우, PV 타일들이 지붕(13)의 상부에 놓여 바람 냉각과 높은 노출로부터 이득을 취하여 전기 발생에서의 최적의 효율성을 얻도록 한다는 것을 이해해야 한다. 물론, 시스템(10)이 단지 PV 타일들만을 포함하는 경우 이들 타일들은 지붕(13)의 전체 노출 영역 위에 놓이거나, 또는 제한된 수의 PV 타일들만 사용되는 경우 이러한 타일들은 상술된 바와 같이 지붕(13)의 상부 부분들 상에 놓일 수 있다.
PV 타일 조립체들(100)에 대해서는 보다 상세히 후술된다.
또한, 에너지 전환 시스템(10)은 지붕 구조체(14)를 흘러 나가는 빗물로부터의 운동 에너지를 전기 에너지로 전환시키도록 구성되는 수력-발전 시스템(hydro-electric system: 200)을 포함할 수 있다. 수력-발전 시스템(200)에 대해서는 후술된다.
또한, 시스템(10)은 움직이는 공기(즉, 바람)의 운동 에너지를 전기 에너지로 전환시키는 풍력 에너지 전환 시스템(300)을 포함할 수 있다.
에너지 전환 시스템(10)은 케이블들(22)을 통해 PV 타일들(100)에 의하여, 케이블들(24)을 통해 수력-발전 시스템(200)에 의하여, 그리고 케이블들(26)을 통해 풍력 에너지 전환 시스템(300)에 의하여 발생되는 전기 에너지를 수용하는 에너지 관리 시스템(20)을 더 포함한다. 에너지 관리 시스템(20)은 다양한 에너지 전환 조립체 및 시스템(100, 200 및 300)으로부터 출력되는 전류를 제공하는 전기 케이블들이 플러깅될 수 있는 복수의 입력 잭(28)을 포함한다는 것을 이해해야 한다. 에너지 관리 시스템(20)은 다양한 에너지 전환 시스템들에 의하여 발생되는 전기를 저장하기 위한 충전가능한 배터리와 같은 전기 에너지 저장 장치를 포함할 수 있다. 에너지 관리 시스템(20)은 또한 전기 공급 그리드(electricity supply grid)에 연결하기 위한 케이블(32)을 갖는 연결 시스템(30) 및 배터리들과 전기 공급 그리드 사이에 양 방향의 전기 흐름을 관리하기 위한 제어기를 포함할 수 있다. 이러한 방식으로, 시스템(10)은, 예를 들어 배터리들이 완전히 충전된 경우에는 전기 공급 그리드로 전기를 공급하고, 배터리들 내의 충전 수준이 사전설정된 수준 아래에 있는 경우에는 전기 공급 그리드로부터 전기를 끌어 쓸 수 있다. 물론, 에너지 관리 시스템은 DC를 AC로 전환시키고 AC를 DC로 전환시키기 위한, 즉 첫째로 배터리 내에 저장하기 위하여 AC를 DC로 전환시킬 필요가 있는 경우 에너지 전환 시스템에 의하여 생성된 전류의 타입을 전환시키고, 둘째로 배터리로부터, 통상적으로 AC로 작동하는 빌딩 내의 콘센트 및 기기들 또는 공급 그리드로 전기를 전달하기 위한 컨버터들 및 인버터들을 포함할 수 있다.
광발전 타일 조립체(100)
첨부 도면 3 내지 13을 참조하면, 광발전 타일 조립체(이후 간단히 "조립체"라 칭하기로 함)(100)의 일 실시예는 적어도 하나(이 특정 실시예에서는 4 개)의 솔리드 영역(solid region: 114)을 갖는 베이스 타일(112)을 포함한다 - 상기 솔리드 영역을 통해 지붕 구조체와 같은 기반(underlying) 구조체에 베이스 타일(112)을 체결하기 위한 못이나 스크루와 같은 기계 체결구가 기능한다 - . 설치자가 기계 체결구들을 위한 최적의 위치를 선택할 수 있도록, 솔리드 영역에 기계 체결구들을 위한 홀들이 반드시 사전드릴가공되거나 형성되어야 할 필요는 없다. 하지만, 이 실시예의 변형례에서는 이러한 홀들이 1 개 이상 형성될 수 있다.
조립체(100)는 각각 태양 에너지를 전기로 전환시키는 광발전 셀(118)을 갖는 1 이상의 커버 타일(116)을 더 포함한다. 광발전 셀(118)은 양의 출력 단자 및 음의 출력 단자(120a 및 120b) - 이후 일반적으로 "출력 단자(120)"라 칭하기로 함 - 에서 각각 이용할 수 있게 만들어지는 전류를 발생시킨다.
커버 타일(116)은 2 가지 형태로 제공될 수 있다. 커버 타일(116)의 제 1 형태에서, 셀(118)은 출력 단자들(120)을 갖는 표면적 부분을 제외하고 실질적으로 타일(116)의 전체 표면적 상에 제공된다. 커버 타일(116)의 제 2 형태에서는, 출력 단자(120) 바로 아래 표면적의 대략 1/3이 빈 채로[즉, 광발전 셀(118) 없이] 남겨져, 보다 아래의 타일(116) 표면적의 대략 2/3에만 셀(118)이 형성된다. 보다 상세히 후술되겠지만 타일 조립체(100)에서, 커버 타일(116)은 표면적의 1/3만큼 오버랩되고, 상기 커버 타일(116)의 제 1 형태는 가장 위쪽에 있으며 완전히 노출되는 한편, 기반 타일(underlying tile: 116)은 제 2 형태로 되어 있고 표면적의 상부 1/3이 덮여 있다.
커버 타일들(116)은 전기적 연결 포스트(electrical connection posts)(이후 일반적으로 "포스트"라 지칭하기로 함)(122)에 의하여 전기적 및 기계적으로 커플링된다. 포스트들(122)은 베이스 타일(112) 내에서 지지되고, 커버 타일(116)의 각각의 출력 단자(120)와 접촉하며 각각의 출력 단자(120)에 전기적 연결부(electrical connection)을 제공하는 제 1 단부(124)를 갖는다. 또한, 제 1 단부(124)는 커버 타일(116)을 관통하여 베이스 타일(112)에 커버 타일을 기계적으로 부착시킨다. 특히 도 8을 참조하여 보다 상세히 후술되는 바와 같이, 각각의 포스트(122)는 또한 전기적 연결 튜브(128) - 에너지 관리 시스템(20)에 대한 커버 타일(116)의 전기적 커플링을 원활히 함 - 에 전기적으로 커플링되는 제 2 단부(126)를 갖는다.
조립체(100)의 구성요소들을 보다 상세히 살펴보면, 베이스 타일(122)은 통상적으로 평면이고 실질적으로 연속적인 상부 표면(130)을 갖는 정사각형 판의 구조로 되어 있다. 상부 표면(130)의 연속성은 상기 상부 표면(130)의 평면에 수직한 방향으로 상기 상부 표면(130)을 통한 포스트들(122)의 연장부에서만 단절되어 있다. 포스트들(122)은 이 실시예에서 2 개의 평행선들로 배치된다. 보다 상세히 후술되는 바와 같이, 포스트들(122)이 표면(130)을 통해 연장되는 곳에 상기 포스트들(122)에 대한 방수 시일이 형성된다.
베이스 타일(112)의 하부 측(132)에는 상기 하부측(132)을 다수의 상이한 섹션으로 분할하는 복수의 벽 또는 리브(rib)가 형성된다. 이 특정 실시예에서, 베이스 타일(112)의 4 개의 코너 각각은 솔리드 부분(114) - 이를 통해 못이나 스크루와 같은 기계 체결구들이 기능할 수 있음 - 을 구성하는 솔리드 재료(solid material)로 형성된다. 베이스(112)의 대향되는 측들(136과 138) 사이에는 1 쌍의 평행한 벽(134)이 연장되며, 부분적으로 솔리드 부분들(114)의 경계를 형성한다. 베이스는 벽들(134)에 대해 수직하게 연장되고 또한 솔리드 부분들(114)의 각각의 측들에 대한 경계를 짓는 복수의 추가 벽(140)을 더 포함한다. 벽들(140)은 가장 근거리의 벽(134)과 베이스 타일(112)의 각각의 인접한 측들(142 및 144) 사이에서 연장된다. 이러한 구조에 의하여, 베이스 타일(112)의 하부 측(132)에는 측들(142 및 144)에 인접한 구획부(compartment: 146) 및 보다 큰 중앙 구획부(148)가 형성된다.
구획부들(146 및 148)은 채워지지 않은 공동들(voids)로서 남겨질 수 있다. 하지만, 구획부들(146)은 열적 절연 재료를 포함하고, 구획부(148)는 선택적으로 배터리(150)와 같은 전력 저장 수단을 포함하며 공동(148)의 나머지 소정 공간은 절연 재료로 채워질 수도 있다는 것을 이해해야 한다. 물론, 배터리(150)가 포함되지 않는 경우에는 전체 구획부가 열적 절연 재료로 채워질 수 있다. 어느 한 경우에, 열적 절연 재료를 포함하거나, 그렇지 않을 경우 열적 절연 재료로 만들어지는 베이스 타일(112)이 절연 기능을 수행할 수 있다. 또한, 벽들(134 및 140)에는 연결 튜브들(128)이 자리하는 길이방향으로 연장되는 후퇴부들(recesses)이 제공될 수 있다. 각각의 튜브는 그들이 자리할 벽들(134, 140) 내의 후퇴부의 길이와 같은 길이로 이루어진다.
또한, 조립체(100)는 인접한 타일 조립체들 사이에 방수 커플링을 제공하는 타일 커플링 시스템을 포함한다. 이 실시예에서, 커플링 시스템은 베이스 타일(112)의 인접한 측들(138 및 144)을 따라 나아가는 측방향으로 연장되는 텅(tongue: 152)을 포함한다. 나아가, 각각의 텅(152)에는 길이방향으로 연장되는 고무 시일(154)이 제공된다. 또한, 타일 커플링 시스템은 베이스 타일(112)의 인접한 측들(136 및 142)을 따라 길이방향으로 연장되는 상보적 홈들(156)을 포함한다. 텅들(152) 및 홈들(156)의 제공은 타일 조립체(100)가 모두 4 개의 측 상에서 다른 동일한 타일 조립체들(100)과 방수식으로 연결되게 할 수 있다.
특히, 도 7, 8 및 9를 참조하면, 각각의 포스트(122)는 고무 그라밋(rubber grommet: 158) 형태의 단부 캡을 수용하기 위하여 제 1 단부(124)에 개구부를 갖는 튜브의 형태라는 것을 알 수 있다. 단부 캡 또는 그라밋(158)은 고무와 같은 탄성 재료로 형성되며, 억지 끼워맞춤(interference fit) 및 접착제들의 이용 중 한 가지 방법 또는 두 방법 모두를 이용하여 단부(124) 내에서 유지된다. 포스트(122) 자체는 강 또는 스테인리스 강과 같은 도전성 재료로 만들어지며 둘레방향 및 축방향으로 이격되는 1 쌍의 홈들 또는 후퇴부들(160)이 형성되어 있다. 도전성 스프링(162)이 단부(126)에 전기적 및 기계적으로 커플링된다.
후퇴부들(160)은 포스트들(122)이 삽입되는 베이스 타일(112)에 형성된 홀들 내에 구성되는 대응 돌출부들을 수용한다. 이는 각각의 포스트(122)와 베이스 타일(112) 사이에 방수 시일을 제공하도록 구성된다. 보다 구체적으로, 포스트들(122)은 베이스 타일(112) 내의 대응되는 홀들로 밀려 들어가, 단부(124)가 표면(130)으로부터 돌출되어 커버 타일(116)과의 연결을 원활히 하는 한편, 단부(126)는 벽들(134) 내에 형성되는 후퇴부 내로 돌출되어 각각의 연결 튜브들(128)과 커플링될 수 있다.
도 8, 10, 11 및 12는 전기적 연결 튜브(128)의 특징을 보다 상세하게 도시하고 있다. 상기 튜브는 각각의 포스트(122)의 제 2 단부(126)와 결합되고 상기 제 2 단부에 전기적 연결을 제공하기 위한 개구부(164)를 포함한다. 각각의 개구부(164)는 길이방향 슬롯(166)을 포함하며, 상기 길이방향 슬롯(166)은 그로부터 연장되는 복수의 제 2 슬롯(168)과 함께 튜브(128)의 전체 길이에 대해 연장된다. 제 2 슬롯(168)은 둘레방향으로 연장되는 제 1 길이(170) 및 축선방향으로 연장되는 제 2 길이(172)를 포함한다. 제 2 길이(172)는 원형 부분(174)에서 끝난다.
연결 튜브(128)의 각각의 축선방향 단부에는 전기적 단부 커넥터들(176 및 178)이 제공되어 인접한 튜브들(128) 간에 단부와 단부의 전기적 연결을 가능하게 한다. 이와 관련하여, 단부 커넥터들(176)은 스프링 장착되거나 편향된(biased) 수(male) 플러그들 형태로 이루어지는 한편, 단부 커넥터들(178)은 암(female) 소켓들의 형태로 이루어질 수 있다. 수 플러그들(176)은 PV 타일들을 설치하는 동안 대응되는 튜브(128)의 인접한 단부들과 실질적으로 같은 높이를 이루도록 수축될 수 있으며, 이후 스프링 작용에 의하여 대응되는 암 소켓들(178) 내로 밀려 들어갈 수 있다. 제 1 컨덕터(180)는 단부 커넥터들(176) 중 하나를 단부 커넥터들(178) 중 하나에 연결하며, 또한 제 2 슬롯들(168)의 그룹과의 전기적 커플링을 제공한다. 이와 유사하게, 제 2 컨덕터(182)는 다른 단부 커넥터들(176 내지 178)과 제 2 슬롯(168)의 제 2 그룹에 전기적 연결을 제공한다. 보다 구체적으로, 컨덕터들(180 및 182)은 PV 셀들(118)의 양과 음의 단자들(120a 및 120b)과 전기적으로 연결되는 교번(alternate) 슬롯들(168)에 전기적 연결을 제공한다. 따라서, 효과면에 있어 PV 셀들(118) 각각의 양의 단자들(120a)은 컨덕터(180)와 전기적으로 커플링되는 한편, PV 셀들(118) 각각의 음의 단자들(120b)은 컨덕터(182)와 전기적으로 커플링된다.
튜브(128)의 축선방향 단부들 각각은 인접한 튜브와의 기계적 커플링을 원활히 하는 방식으로 형성될 수 있다. 이는 인접한 튜브들(128) 간의 "클릭(click) 연결" 또는 억지 끼워맞춤의 방식으로 이루어지는 것이 이상적이다.
베이스 타일들(112)은 그라밋들(158)의 팩과 함께 하나의 팩으로 제공되며, 커버 타일들(116)은 별도의 팩들로 제공된다는 것을 이해해야 한다.
타일 조립체들(100)을 지붕 프레임 구조체(14) 상에 설치하기 위하여, 단부들(124)이 표면(130)을 넘어 돌출되고 단부들(126)이 벽들(134 및 140) 내에 형성되는 후퇴부들 및 홈들 내로 돌출될 수 있도록 [그라밋들(158)들이 없는] 포스트들(122)이 베이스 타일들 내에 형성되는 대응 홀들 내로 삽입된다. 다음으로, 개별 베이스 타일(112)은 솔리드 부분들(114)을 통해 못들을 해머링함으로써 지붕 구조체에 부착된다. 그 다음, 각각의 연결 튜브들(128)은 벽들(134 및 140)의 후퇴부들 내에 배치되며, 포스트들(122)의 단부들(126)은 슬롯들(166) 내에 배치되고 제 2 슬롯들(168)과 정렬된다. 그 후, 튜브들이 회전되고 슬라이딩되어 그들을 제 위치에 록킹하며, 포스트들(122)의 단부들(126)은 각각의 원형 부분들(174) 내에서 결합되고 스프링들(162)이 원형 부분(174)의 아래 표면을 가압하여 대응되는 컨덕터(180 또는 182)와의 전기적 접촉을 촉진한다.
그 다음, 이 프로세스는 베이스 타일들 중 하나의 텅(152)이 다른 베이스 타일(112)의 홈(156) 내에 수용되도록 포스트들(122)이 삽입된 후 앞서 놓여진 베이스 타일(112)에 대하여 밀어올려지는 다음의 인접한 베이스 타일(112)에 대해 반복된다. 인접한 타일에서의 연결 튜브(128)의 설치시, 인접한 베이스 타일(112)의 연결 튜브(128)가 제 위치로 회전되는 동안 일 튜브의 수 플러그들(176)는 수축된다. 그 후, 수 플러그들(176)은 암 소켓(178)과 정합되고 그 안으로 연장되어 앞서 놓여진 타일들과 인접한 타일들의 튜브들(128)의 정확한 정렬을 얻는다.
보다 단순한 설치 프로세스에서는, 베이스 타일들(112)이 지붕 프레임 구조체(14)에 고정되기 전에 연결 튜브들(128) 및 포스트들(122)을 포함하도록 조립될 수도 있다. 이 프로세스에서 다음 타일(112)이 놓일 때 설치자는 다음 타일(112)이 지붕 프레임 구조체(14)에 고정되기 전에 단지 텅들(152)과 홈(156)을, 그리고 수 플러그들(176)과 암 소켓들(178)을 결합시키면 된다.
베이스 타일들(112)이 놓이고 제 위치에 고정되고 나면, 커버 타일(116)에 형성되는 대응되는 홀들을 통해 단부들(124)을 밀어준 다음 그라밋들(158)을 포스트들(122)의 단부들(124) 내로 밀어 넣음으로써, 커버 타일들(116)이 대응되는 베이스 타일들(112) 상에 간단하게 클리핑된다. 이러한 홀들은 커버 타일들(116)의 출력 단자들(120)과 대응된다. 연결 튜브들(128) 각각의 대향 단부들이 일 튜브의 커넥터들(176)과 인접한 튜브의 커넥터들(178)과의 커플링에 의해 서로 전기적으로 접촉하기 때문에, 타일 조립체들(100)의 각각의 열을 따라 전기적 연결이 연속적으로 제공된다. 이때, 벽들(170)에 형성되는 후퇴부들 내에 자리하는 유사한 튜브 커넥터들(128)을 이용하면 인접한 열들에 전기적 연결이 제공될 수 있다(도 3 참조). 조립체들(100)로부터의 전류는 케이블들(22)을 통해 전력 관리 시스템(20)에 커플링된다.
커버 타일들(116)은 일 타일의 하부가 수직방향으로 인접하지만 하부에 있는 타일의 상부와 오버랩되도록 전형적인 지붕널(shingle) 또는 타일 지붕에서와 같이 표면적의 대략 1/3만큼 수직방향으로 서로 오버랩되도록 구성되고 크기설정된다. 또한, 특정 베이스 타일(112) 상의 최하부 커버 타일(116)의 하부는 수직방향으로 인접하지만 하부에 있는 베이스 타일(112) 상의 최상부 커버 타일(116)의 상부와 오버랩된다. 추가적으로, 커버 타일들(116)은 방수 재료들로 만들어진다. 따라서, 이러한 방식으로 놓여지는 커버 타일들(116)은 효과에 있어 지붕(13)에 대한 제 2의 방수층과 추가적인 열적 절연을 제공한다.
도 7 및 8에 도시된 바와 같이, 각 타일의 하부는 아래에 놓인 커버 타일들(116)의 그라밋들(158)의 라인 상에 놓이고 그에 의한 완충효과를 얻는다. 또한, 커버 타일들(116)을 부착하는 경우, 통상적인 타일 클립들 또는 후크들(117)이 인접한 커버 타일(116) 사이에 삽입되어 위에 놓인 타일(116)의 바닥 엣지 위를 걸어주고(hook) 인접한 아래에 놓인 타일의 상부 엣지 아래를 걸어준다.
PV 셀들(118)은 통상적인 구조로 이루어질 수 있다. 하지만, 효율성을 높이기 위하여, 상이한 주파수들의 광을 흡수하는 광발전 재료의 복수의 층(184a, 184b)을 포함하는, 도 13에 도시된 것과 같은 PV 셀들(118)이 이용될 수 있으며, 여기서 입사하는 광이 투사되는 셀(118)의 측 상에 일 방식의 거울 막(186)이 제공되고, 상기 일 방식의 거울 막(186)과 마주하며 층(184b) 아래에 있는 층에 리플렉터(188)가 제공된다. 이러한 방식으로, 일 방식의 거울 막(186)을 통해 셀(118) 내로 나아가는 광은 일 방식의 거울(186)과 반사면(188) 사이의 광발전 층들(184a 및 184b)을 통해 연속적으로 반사된다. 광 투과성의 별개의 층(190)이 광발전 층들(184a 및 184b) 사이에 제공될 수도 있다. 추가적으로, 리플렉터(188)와 거울 막(186)에 인접한 셀(118)의 대향되는 측들 상에 보호 막들 또는 층들(191a 및 191b)이 제공된다.
수력발전 시스템(200)
첨부 도면 14 - 16은 주택(12)의 지붕(13)을 흘러나가는 물로부터의 운동 에너지를 전기 에너지로 전환시키기 위한 수력발전 시스템(200)의 일 실시예를 예시하고 있다. 상기 시스템(200)은 로터(218) 및 로터(218)에 의해 구동되는 제너레이터(219)를 갖는 터빈(216), 및 지붕(13)으로부터 흘러 나가는 물을 수용하기 위한 상단부(222)를 갖는 적어도 하나의 홈통(down pipe: 220)을 포함한다. 홈통(220)은 상단부(222)로부터 각각의 유출부(226a 및 226b)[이후 일반적으로 "유출부(226)"라 칭함]까지 연장되는 채널들(224a 및 224b)[이후 일반적으로 "채널들(224)"이라 칭함]을 포함한다. 유출부들(226) 각각은 그로부터 유동하는 물을 로터(218) 상으로 지향시켜 로터(218)가 동일한 방향으로 회전하게 하도록 배치된다. 본 명세서에서 보다 상세히 후술되겠지만, 채널들(224)은 또한 채널(224a)이 채널(224b) 내에서 오버플로우되는(overflow) 방식으로 구성된다.
상부 및 하부 고정 링들(221a 및 221b)은 로터(218)가 회전할 때 터빈(216)을 홈통(220) 내의 제 위치에서 유지시키며, 제너레이터(219)와 에너지 관리 시스템(20) 사이에서 케이블들(24)을 라우팅(route)하는데 이용될 수 있다.
시스템(200)은 지붕(13)으로부터의 물을 수용하고 상기 물을 홈통(220)으로 지향시키는 거터(228)를 더 포함한다. 채널들(224a 및 224b)은 홈통(220)으로 들어가는 물이 초기에 채널(224a)을 통해 흐르고 유출부(226a)로부터 나와 로터(218) 상으로 유동하여 제너레이터(219)를 구동하는 방식으로 구성된다. 하지만, 폭우시에 채널(224a)은 채널(224b) 내로 오버플로우될 수 있다. 그 다음, 오버플로우되는 물은 채널(224b)을 통해 유동하고 유출부(226b)를 통과하여 로터(218)를 회전시킴으로써 제너레이터(219)에 추가적인 구동력을 제공한다.
채널 224a로부터 224b까지의 물의 오버플로우는 점진적으로 증대되는 높이의 각각의 상부 엣지들을 갖는 채널들(224)을 형성함으로써 촉진되며, 이에 의하여 하나의 채널, 예를 들어 채널(224a)의 상부 엣지에서 오버플로우되는 물이 실질적으로 인접한 채널(224b) 내로 유동할 수 있다. 이와 관련하여, 도 14로부터 채널(224a)은 상부 엣지(230a)를 갖는 한편, 채널(224b)은 상부 엣지(230a)보다 높은 상부 엣지(230b)를 갖는다는 것을 알 수 있다. 따라서, 채널(224a)이 물로 채워져 오버플로우되는 경우, 오버플로우는 상부 엣지(230a) 위로 흘러 채널(224b) 내로 유동한다. 예를 들어, 홈통(220)에 추가의 제 3 채널이 제공되는 경우, 물은 제 1 채널(224a)의 상부 엣지(230a) 및 제 2 채널(224b)의 상부 엣지(230b) 둘 모두에서 오버플로우된 후에 제 3 채널 내로 유동한다는 것을 이해해야 한다.
채널(224a)을 통해 제어된 정상류의 물을 제공하기 위하여, 홈통(220)의 상부 엣지(222)에는 소정의 물의 유동이 제공되어 저장소(232)를 조절한다. 저장소(232)는 채널(224a)의 상부 엣지(230a)를 포함하는 직립 벽(236), 하향 경사진 베이스(237), 및 벽(236)으로부터 이격된 제 2 직립 벽(238)을 포함한다.
저장소(232)에는 채널(224a)에 대해 2 개의 유출부가 제공된다. 제 1 유출부(234)는 베이스(237)와의 결합부(junction) 부근의 벽(238)에 형성되는 슬롯 또는 일련의 홀들을 포함한다. 제 1 유출부 위로 이격되는 제 2 유출부는 벽(238)의 상단부 부근에 형성되는 수평방향 슬롯(240)이다. 슬롯(240)은 채널(224a)에 대한 연수로(spill way)를 구성하는 효과를 갖는다. 따라서, 물은 저장소 내에서 슬롯(240) 아래의 높이로 수집되는 경우, 제 1 유출부(234)를 통해 채널(224a) 내로 유동한다. 유출부(234)는 수두(water of head)가 저장소(232) 내에 포함되는 경우 채널(224a) 아래로 물의 정상적인 연속적 흐름을 제공하도록 크기설정된다. 빗물의 양이 충분히 증가되는 경우, 물은 초기에는 슬롯(240)을 통해 유동하고 채널(224a) 내로 유동하여 터빈(216)을 구동하기 위한 추가적인 압력을 제공한다. 저장소(232) 내의 수위가 유출부(234)로부터 그리고 슬롯(240)을 통해 유동해 나가는 것보다 충분히 많은 양으로 증가된다면, 엣지(230a)에서 오버플로우되어 제 2 채널(224b) 아래로 유동할 수 있다.
채널들(224)에는 동일하거나 또는 상이한 수력 직경(hydraulic diameter)이 제공될 수 있다. 하지만, 바람직한 실시예에서 채널(224a)은 채널(224b)보다 작은 수력 직경을 가질 수 있다. 채널(224a)의 수력 직경, 개구부(234)의 크기, 및 저장소(232)의 부피는 채널(224a)을 통해 물의 일정한 유동을 제공하도록 선택될 수 있다.
홈통(220)을 통해 그리고 로터(218)를 통해 유동하는 물은 홈통(220)의 테일부(tail portion: 242)를 통해 물탱크(244) 내로 유동할 수 있다. 물탱크(244)는 지면 상이나 지하에 배치될 수 있다. 물탱크(244)는 빗물을 저장하며, 이 빗물은 다양한 용도 - 비음용적 이용, 예컨대 정원에 물주기, 외부 영역의 세척, 기계 세척 및 설거지, 또는 대안적으로 적절한 필터들을 이용하여 식수로서 이용됨 - 로 이용될 수 있다. 추가적으로, 물탱크(244) 내의 물은 샤워기 또는 세탁기를 위한 용도와 같이 빌딩(12) 내에서의 이용을 위해 가열된 물을 제공하기 위하여 태양열 시스템(solar heating system)을 통해 펌핑되거나, 또는 대안적으로 난방 목적으로 라디에이터들을 통해 펌핑될 수 있다. 이러한 실시예들에서, 물탱크(244)로부터의 물의 펌핑은 지붕(13) 상의 태양 전지들에 의하여 발생되는 전기에 의하여 급전되는 것이 이상적이다. 또한, 물탱크(244)에는 오버플로우 밸브(246)가 제공될 수 있으며, 상기 오버플로우 밸브는 홈통(220) 전체가 물로 채워지기 전에 물탱크(244)의 수압이 사전설정된 수준을 초과한 경우 상기 물탱크(244)로부터 초과된 물이 배수될 수 있게 개방되도록 구성된다.
도 15는 채널(224a)이 본질적으로 홈통 내에 파이프를 포함하는 경우의 홈통(220)의 특정 구조를 예시하고 있다. 거터(228)는 채널(224a) 마우스(mouth) 또는 개구부에 직접 물을 공급하여, 물이 완전히 채워지는 경우 홈통(220)을 형성하는 외부 파이프(246)의 내측과 채널(224a)의 외측 사이의 홈통(220)의 영역을 구성하는 채널(224b) 내로 오버플로우될 수 있다.
도 16을 참조하면, 수력발전 시스템(200)이 지붕(13)의 상부로부터 거터(228)까지 대각선방향으로 연장되는 1 이상의 지붕 채널(248)을 또한 포함한다는 것을 더 알 수 있다. 지붕 채널들(248)은 지붕(13)을 타고 흐르는 빗물이 거터(228) 내에서의 물의 유동 방향에 대해 소정의 방향을 따라 예각으로 유동하도록 지향시키는 역할을 한다. 이는 거터(228) 내의 물에 모멘텀 또는 속도를 부가하여 그것의 운동 에너지를 증대시킨다. 저장소(232)의 상태 및 개구부(234)의 크기에 따라, 물로 제공되는 운동 에너지가 증가되면 터빈으로부터 보다 큰 전기 에너지가 출력될 수 있다.
각각의 터빈(216)에 의하여 발생되는 전기는 대응되는 케이블(24)을 통해 전력 관리 시스템(20)으로 공급된다.
수력발전 시스템(200)의 일 실시예에 대해 기술되었지만, 당업자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 여러 수정 및 변경들이 가해질 수 있음을 이해해야 한다. 예를 들어, 시스템(200)은 2 개의 채널들(224a 및 224b)로 분할되는 홈통을 도시하고 있다. 하지만, 상술된 바와 같이 홈통(220)은 2 개 보다 많은 채널들로 분할될 수 있다. 또한, 아르키메데스의 스크루 펌프(Archimedes screw) 형태의 로터(218)가 가장 효율적인 형태의 로터를 구성한다고 여겨지기는 하지만, 휠들 또는 프로펠러들이 이용될 수도 있다. 또한, 슬롯으로서 상술되고 도시된 저장소(232)의 제 2 유출부는 대안의 형태들을 취할 수 있다. 예를 들어, 벽(238)은 그 최상부 엣지가 댐 벽 - 그 위로 물이 유동함 - 으로서 작용하도록 슬롯(240)의 바닥과 같은 높이로 간단하게 만들어질 수 있다. 추가 변형례에서, 슬롯(240)은 벽(238)에 같은 높이의 복수의 홀들로 대체될 수 있다.
풍력 에너지 전환 시스템(300)
첨부 도면 17 및 18은 1 이상의 풍력 터빈(312)과 함께 상기 풍력 터빈(312)이 장착되는 피치 지붕 구조체(pitched roof structure: 14) - 상기 피치 루프 구조체는 제 1 피치를 가짐 - , 및 터빈(312) 위의 피치 루프 구조체(14) 상에서 지지되는 커버(316)를 포함하는 빌딩(12)용 풍력 에너지 전환 시스템(300)의 일 실시예를 예시하고 있다. 상기 커버(316)는 제 1 피치보다 작은, 즉 피치 루프 구조체(14)의 피치보다 작은 제 2 피치를 갖는다.
피치 루프 구조체(14)는 상방향으로 서로를 향해 수렴되는 2 개의 경사측(318 및 320)을 갖는다. 풍력 터빈(312)은 수렴하는 경사측들(318 및 320) 사이에 그리고 그들에 의하여 형성되는 융기 영역(322)의 피치 루프 구조체(14) 상에서 지지된다. 풍력 터빈(312)의 장착을 위하여 피치 루프 구조체(14)의 크레스트 또는 융기 영역(322)을 개방된 채로 두는 것 외에, 피치 루프 구조체(14)는 대체로 통상적인 형태 및 구조로 되어 있으며, 따라서 서까래들(rafters), 조인트들 및 배튼들(battens)(도시 안됨)과 함께 복수의 지붕 빔들(324)을 포함한다.
커버(316)는 피치 루프 구조체(14)의 상부(326)에 걸쳐 있고(overlie) 융기 영역(322)의 대향되는 측들로 연장된다. 효과면에 있어, 커버(316) 및 피치 루프 구조체(14)의 상부(326)는 윈드 터널(328)을 생성하거나 윈드 터널로서 작용하여, 측들(318 및 320) 상에서 바람(W)을 상향 유동시켜 풍력 터빈(312)을 통하도록 지향시킨다.
상술된 바와 같이, 커버(316)의 피치는 루프 구조체(14)의 피치보다 작아서, 제 1 구조체(14)의 상부(326)와 커버(316) 간의 수직방향의 거리(D)가 융기 영역(322)을 향하는 방향으로 감소되도록 구성된다. 따라서, 융기 영역(322)을 향하여 윈드 터널(328)의 단면적이 축소된다. 이는 공기압의 증가와, 그에 따라 터빈들(312)을 통한 공기의 속도가 증가되는 효과를 갖는다. 윈드 터널(328)의 구조는 구조체(14)의 대향되는 측들로부터의 바람을 지향시켜 터빈들(312)을 통해 유동하게 하는 효과를 갖는다는 것을 이해해야 한다.
각각의 터빈(312)은 구동 샤프트(332)에 커플링되는 윈드 로터(wind rotor: 330)를 포함하며, 상기 구동 샤프트는 윈드 로터(330)의 회전축을 통과한다. 구동 샤프트(332) 및 프로펠러(330)의 회전 축선은 융기 영역(322)의 크기(extent)의 라인 또는 방향을 가로지르거나 또는 상기 방향과 직교한다. 따라서, 구동 샤프트(332)는 터빈(312)을 통한 기류의 방향과 실질적으로 평행하다.
나아가 터빈(312)을 통한 기류의 집중화를 돕기 위하여, 시스템(300)은 터빈들(312) 각각을 위한 각각의 카울링(334)을 더 포함한다. 각각의 카울링(334)은 빔들(324) 위에서 연장되는 대응되는 터빈(312)의 상부를 둘러싸며 공기가 루프 구조체(14) 위로 유동하도록 지향시켜 터빈(312)을 통하도록 하는 개방형 대향 단부들을 갖는다. 카울링들(334)은 이상적인 공기역학적 형상으로 되어 있으며 윈드 로터(330)를 가로질러 또는 그를 통해 기류를 집중시키도록 구성된다. 이와 관련하여, 예를 들어 카울링(334)의 내측 표면은 대향되는 개구부들로부터 윈드 로터(330)가 회전하는 중심 영역까지 점진적으로 테이퍼지도록(taper) 구성될 수 있다. 도 17 및 18에서 알 수 있듯이, 각각의 카울링(34)은 커버(316)의 내측 표면과 루프 구조체(14)의 외측 표면 사이에서 수직방향으로 연장된다.
구동 샤프트(332)의 대향 단부들은 전기를 발생시키는 각각의 발전기(338)에 커플링된다. 발전기들(338)은 같은 위상의 전류 - 이후 전기 케이블들(26)을 통해 전력 관리 시스템(power management system)(도시 안됨)에 제공됨 - 를 생성하도록 구성 및 구동된다.
대향되는 방향들로 터빈들(312)을 통과하는 바람은 윈드 로터들(330)이 대향되는 방향들로 회전하게 한다는 것을 이해해야 한다. 시스템(300) 내에 채용되는 발전기들(338)의 형태에 따라, 프로펠러(330)의 회전 방향과는 무관하게 발전기들(338)에 의하여 생성되는 전류의 위상을 유지시키는 것이 중요할 수 있다. 이는, 구동 샤프트(332) 및 프로펠러(330)의 회전 방향과는 무관하게, 발전기들(338)의 로터들(도시 안됨)의 회전 방향이 동일하게 유지되도록 샤프트(332)와 발전기들(338) 사이에 기어 박스들을 제공함으로써 달성될 수 있다.
터널(328)을 통해 불어오는 어떠한 물도 수거할 수 있도록 터빈들(312) 아래에서 융기 영역(322)을 따라 나아가는 거터(340)가 제공된다. 상기 거터(340)는 수력 발전 시스템(200)의 거터들(228) 내로 연관설치될(plumbed) 수 있다.
이상의 설명으로부터, 에너지 전환 시스템(10)의 실시예들은 상이한 크기, 형상 및 구조의 빌딩들의 지붕으로부터 전력을 발생시킬 수 있는 태양 복사, 풍력 및 빗물의 1 이상의 재생가능한 에너지원들을 활용한다는 것이 이해될 것이다. 상기 시스템(10)은 설계자/건축업자들이 언제든지 빌딩 배치의 지배적인 조건들에 대해 가장 효율적인 특정 에너지 전환 시스템들/전력 발생 시스템들을 선택할 수 있도록 발전에 있어 "혼합되고 매칭된(match)" 접근법을 이용할 수 있게 한다.
본 출원의 청구범위 및 본 발명의 설명에 있어, 문맥상 명확한 용어 또는 필요한 함축적 의미를 위해 요구되는 경우를 제외하고, "포함하다"라는 용어는 포괄적인 의미로 사용된다 - 즉, 본 발명의 다양한 실시예들에서의 추가적인 특징들의 존재 또는 부가를 배제하려는 것이 아니라 언급된 특징들의 존재를 구체화하기 위한 의미로서 사용된다 - .

Claims (14)

  1. 지붕 기반 에너지 전환 시스템(roof based energy conversion system)에 있어서,
    지붕 프레임 구조체; 및
    복수의 태양 에너지 전환 타일 - 상기 태양 에너지 전환 타일 각각은 대응되는 베이스 타일에 부착되는 1 이상의 커버 타일 및 상기 지붕 프레임 구조체의 적어도 일 부분에 고정됨 - 을 포함하며,
    상기 베이스 타일은 상기 지붕 프레임 구조체의 적어도 일 부분에 대해 실질적인 방수 클래딩(substantially waterproof cladding)을 형성하기 위하여 인접한 엣지들을 따라 서로 밀폐식으로 결합되는 지붕 기반 에너지 전환 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 태양 에너지 전환 타일은, (a) 태양 에너지를 전기 에너지로 전환시키는 복수의 광발전 타일(photovoltaic tile); 또는 (b) 태양 에너지를 열 에너지로 전환시키는 복수의 열적 타일(thermal tile); 또는 (c) 적어도 하나의 광발전 타일 및 적어도 하나의 열적 타일의 조합을 포함하는 지붕 기반 에너지 전환 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 지붕 프레임 구조체는 서로를 향하여 상방향으로 수렴하는 적어도 2 개의 경사 측들을 갖는 지붕 기반 에너지 전환 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 복수의 태양 에너지 전환 타일은 적어도 하나의 광발전 타일 및 적어도 하나의 열적 타일을 포함하며, 상기 타일은 상기 광발전 타일이 상기 열적 타일보다 상기 지붕 프레임 구조체의 적어도 일 부분 상의 보다 높은 위치들에 고정되도록 구성되는 지붕 기반 에너지 전환 시스템.
  5. 제 2 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광발전 타일 및 상기 열적 타일 둘 모두를 위한 커버 타일들이 실질적으로 같은 외관으로 이루어진 각각의 노출 표면들을 갖도록 형성되는 지붕 기반 에너지 전환 시스템.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    복수의 커버 타일이 각각의 베이스 타일에 부착되고,
    커버 타일 중 적어도 2 개의 커버 타일이 서로 오버랩(overlap)되는 지붕 기반 에너지 전환 시스템.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 베이스 타일은 상기 지붕 프레임 구조체에 열적 절연을 제공하도록 형성되는 지붕 기반 에너지 전환 시스템.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    지붕 부분을 흘러 나가는 물로부터의 운동 에너지를 전기 에너지로 전환시키도록 구성되는 수력 발전 시스템(hydro-electric system)을 더 포함하는 지붕 기반 에너지 전환 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 수력 발전 시스템은 1 이상의 거터(gutter)와 홈통(downpipe); 및 1 이상의 수력 터빈(water turbine)을 포함하며,
    상기 거터 및 홈통은 상기 지붕 프레임 구조체 부분을 흘러 나가는 빗물을 수집하여 수력 터빈을 구동하는 물의 유동을 발생시키도록 구성되는 지붕 기반 에너지 전환 시스템.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    이동하는 기단(air mass)의 운동 에너지를 전기 에너지로 전환시키는, 상기 지붕 프레임 구조체에 의하여 지지되는 1 이상의 풍력 터빈(wind trubine)을 갖는 풍력 에너지 전환 시스템을 더 포함하는 지붕 기반 에너지 전환 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 풍력 발전 시스템은 상기 지붕 프레임 구조체와 함께, 이동하는 공기가 상기 지붕 프레임 구조체 위로 유동하여 1 이상의 풍력 터빈을 통하도록 지향시키는 윈드 터널을 형성하기 위하여 상기 1 이상의 풍력 터빈 위에 걸쳐 있는(overlie) 커버를 더 포함하는 지붕 기반 에너지 전환 시스템.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 태양 에너지 전환 타일, 상기 수력 발전 시스템 및 상기 풍력 발전 시스템으로부터의 전기 에너지를 수용 및 관리하는 에너지 관리 시스템을 더 포함하는 지붕 기반 에너지 전환 시스템.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 에너지 관리 시스템은 전기 공급 그리드(electricity supply grid)에 대한 커넥션(connection)을 포함하고, 상기 에너지 전환 시스템과 상기 전기 공급 그리드 사이의 전기 에너지의 2 가지 방식의 유동(two way flow)을 관리하도록 구성되는 지붕 기반 에너지 전환 시스템.
  14. 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서,
    상기 에너지 관리 시스템은 전기 에너지 저장 장치를 포함하며,
    상기 에너지 관리 시스템은 상기 전기 저장 장치가 완전 충전된 상태에 있는 경우에는 상기 전기 공급 그리드에 전기 에너지를 제공하고, 상기 전기 저장 장치가 임계 수준 아래의 충전 수준을 갖는 경우에는 상기 전기 공급 그리드를 상기 전기 저장 장치에 연결하도록 구성되는 지붕 기반 에너지 전환 시스템.
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