KR20110121686A

KR20110121686A - 피작동 피드포워드 제어식 태양 추적 시스템

Info

Publication number: KR20110121686A
Application number: KR1020117019183A
Authority: KR
Inventors: 케네스 우스팅
Original assignee: 인스파이어드 서지컬 테크놀로지스, 인크.
Priority date: 2009-01-22
Filing date: 2010-01-22
Publication date: 2011-11-08
Also published as: EP2389547A4; US20100180883A1; IL214179A0; WO2010085592A3; US20100180884A1; RU2011134891A; AU2010206766A1; TW201042220A; MA33054B1; MX2011007715A; US8389918B2; EG26353A; TN2011000360A1; ZA201105392B; WO2010085592A2; JP2012516059A; EP2389547A2; CN102308159A; CA2750107A1; US20100185333A1

Abstract

피작동 피드포워드 제어식 태양 추적 시스템은 태양 패널을 지지하는 서브 프레임, 이 서브 프레임을 지지하는 기둥, 및 상기 서브 프레임과 상기 기둥을 연결하는 연결 기구를 포함하며, 상기 연결 기구는 제 1 축, 제 2 축 및 몸체 부재를 포함한다. 연결 기구의 제 1 축과 제 2 축은 서로 직교하여 배치되고 또한 상기 몸체 부재에 의해 떨어져 있다. 상기 시스템은 또한 두개 이상의 선형 액츄에이터, 상기 선형 액츄에이터와 서브 프레임를 연결하는 회전 조인트, 및 상기 액츄에이터를 구동시키는 구동 시스템을 포함한다. 추가적으로, 상기 시스템은, 여러 입력을 사용해서 상기 선형 액츄에이터의 원하는 위치를 계산하며 상기 구동 시스템과 통신하여 선형 액츄에이터를 구동시키는 컴퓨터를 포함하는 피드포워드 제어 시스템, 및 센서 장치가 수집한 정보를 상기 피드포워드 제어 시스템에 전달하는 피드백 제어 시스템을 포함하며, 상기 피드포워드 제어 시스템과 피드백 제어 시스템은 통합 방식으로 기능한다.

Description

피작동 피드포워드 제어식 태양 추적 시스템{ACTUATED FEEDFORWARD CONTROLLED SOLAR TRACKING SYSTEM}

본 출원은 2009년 1월 22일에 미국 특허 및 상표청("USPTO")에 출원된 가출원 제 61/146,508; 2009년 4월 21일에 USPTO에 출원된 가출원 제 61/171,263; 및

2009년 10월 26일에 USPTO에 출원된 가출원 제 61/254,963에 대해 우선권을 주장한다.

본 발명은 기존의 태양 추적 시스템 보다 개선된 피작동 피드포워드 제어식 태양 추적 시스템에 관한 것이다.

태양 발전 시스템 및 하늘을 가로지르는 태양을 추적하는 장치가 업계에 알려져 있다. 기존의 많은 시스템은 태양 패널이 낮 시간 동안 태양을 주기적으로 추적할 수 있게 해주는 단순한 제어법을 사용한다.

본 출원에서 설명된 시스템은, 무엇 보다도, 하늘을 가로지르는 태양을 원활하고 연속적으로 추적하기 위한 복잡한 피드포워드 제어 시스템을 사용하고 또한 비용을 줄이고 태양 추적기의 신뢰성, 내구성 및 정확성을 개선한 기계적 장치를 이용함으로써 기존의 태양 추적 시스템 보다 개선된 것이다.

본 발명의 일 실시 형태는, 하나 이상의 태양 패널을 지지할 수 있는 서브 프레임, 상기 서브 프레임을 지지하기 위한 하나 이상의 기둥, 및 상기 서브 프레임을 상기 기둥에 연결하는 연결 기구를 포함하는 피작동 피드포워드 제어식 태양 추적 시스템에 관한 것으로, 상기 연결 기구는 제 1 축, 제 2 축 및 이들 제 1 축과 제 2 축을 연결하는 몸체 부재를 포함한다. 또한, 연결 기구의 제 1 축과 제 2 축은 실질적으로 서로 직교하여 배치되고 또한 상기 몸체 부재와 동일한 거리로 서로 떨어져 있다. 상기 시스템은 또한 각기 제 1 단부와 제 2 단부를 갖는 두개 이상의 선형 액츄에이터, 상기 선형 액츄에이터의 제 2 단부를 서브 프레임에 연결하기 위한 회전 조인트, 및 상기 선형 액츄에이터를 구동시키기 위한 구동 시스템을 포함한다. 추가적으로, 상기 시스템은, 입력으로서 여러 데이타 점들을 사용해서 상기 선형 액츄에이터의 원하는 위치를 계산하며 상기 구동 시스템과 통신하여 선형 액츄에이터를 원하는 위치로 구동시키는 컴퓨터를 포함하는 피드포워드 제어 시스템, 및 센서 장치가 수집한 정보를 상기 피드포워드 제어 시스템에 전달하는 피드백 제어 시스템을 포함하며, 상기 피드포워드 제어 시스템과 피드백 제어 시스템은 통합 방식으로 기능한다.

본 발명의 다른 실시 형태는, 하나 이상의 태양 패널을 지지할 수 있는 서브 프레임, 상기 서브 프레임을 지지하기 위한 하나 이상의 기둥, 상기 서브 프레임을 상기 기둥에 연결하는 연결 기구를 포함하는 피작동 피드포워드 제어식 태양 추적 시스템에 관한 것으로, 상기 연결 기구는,제 1 축, 제 2 축 및 이들 제 1 축과 제 2 축을 연결하는 몸체 부재를 포함한다. 또한, 상기 제 1 축과 제 2 축은 실질적으로 서로 직교하여 배치되고 또한 상기 몸체 부재의 길이와 동일한 거리로 서로 떨어져 있으며, 상기 제 1 축, 제 2 축 및 몸체 부재는 일체화된 부재이다. 상기 시스템은 또한 각기 제 1 단부와 제 2 단부를 갖는 두개 이상의 선형 액츄에이터, 상기 선형 액츄에이터의 제 2 단부를 서브 프레임에 연결하기 위한 회전 조인트, 상기 선형 액츄에이터를 구동시키기 위한 유압 시스템을 포함하는 구동 시스템, 및 기초 시스템의 빔에 연결되는 제 1 단부 및 선형 액츄에이터에 연결되는 제 2 단부를 갖는 하나 이상의 받침부를 더 포함한다. 추가적으로, 상기 시스템은, 입력으로서 여러 데이타 점들을 사용해서 상기 선형 액츄에이터의 원하는 위치를 계산하며 상기 구동 시스템과 통신하여 선형 액츄에이터를 원하는 위치로 구동시키는 컴퓨터를 포함하는 피드포워드 제어 시스템을 포함하며, 상기 데이타 점들은 시간, 한 해의 시간, 날짜, 지리적 위치결정 시스템 좌표, 장치 탑재 클록, 기초 방향, 실린더 위치, 연결 부재의 각도, 밸브 위치 및 태양 추적 센서 데이타를 포함하고, 시스템에 있는 상기 컴퓨터는 다항 스플라인 곡선을 사용한다. 상기 시스템은 또한 센서 장치가 수집한 정보를 상기 피드포워드 제어 시스템에 전달하는 피드백 제어 시스템을 포함한다. 상기 피드포워드 제어 시스템과 피드백 제어 시스템은 통합 방식으로 기능한다.

본 발명의 또 다른 실시 형태는, 하나 이상의 태양 패널을 지지할 수 있는 서브 프레임; 상기 서브 프레임을 지지하기 위한 하나 이상의 기둥; 및 상기 서브 프레임을 상기 기둥에 연결하는 연결 기구를 포함하는 피작동 피드포워드 제어식 태양 추적 시스템에 관한 것으로, 상기 연결 기구는 제 1 축, 제 2 축 및 이들 제 1 축과 제 2 축을 연결하는 몸체 부재를 포함한다. 또한, 상기 제 1 축과 제 2 축은 실질적으로 서로 직교하여 배치되고 또한 상기 몸체 부재의 길이와 동일한 거리로 서로 떨어져 있으며, 상기 제 1 축, 제 2 축 및 몸체 부재는 일체화된 부재이며, 상기 제 1 축과 제 2 축의 단부들은 베어링 어셈블리에 배치된다. 상기 시스템은 또한 각기 제 1 단부와 제 2 단부를 갖는 두개 이상의 선형 액츄에이터를 포함하며, 상기 선형 액츄에이터의 제 2 단부를 서브 프레임에 연결하는데는 회전 조인트가 사용된다. 추가로, 상기 시스템은 상기 선형 액츄에이터를 구동시키기 위한 유압 시스템을 포함하는 구동 시스템을 포함한다. 상기 시스템은 또한 기초 시스템의 빔에 연결되는 제 1 단부 및 선형 액츄에이터에 연결되는 제 2 단부를 갖는 하나 이상의 받침부를 포함한다. 추가로, 상기 시스템은 상기 서브 프레임이 그의 기계적 한도를 넘어 구동되는 것을 방지하기 위한 수단을 포함한다. 상시 시스템은 또한 입력으로서 여러 데이타 점들을 사용해서 상기 선형 액츄에이터의 원하는 위치를 계산하며 상기 구동 시스템과 통신하여 선형 액츄에이터를 원하는 위치로 구동시키는 컴퓨터를 포함하는 피드포워드 제어 시스템을 포함하며, 상기 데이타 점들은 시간, 한 해의 시간, 날짜, 지리적 위치결정 시스템 좌표, 장치 탑재 클록, 기초 방향, 실린더 위치, 연결 부재의 각도, 밸브 위치 및 태양 추적 센서 데이타를 포함하고, 상기 컴퓨터는 다항 스플라인 곡선을 사용한다. 또한, 상기 시스템은 센서 장치가 수집한 정보를 상기 피드포워드 제어 시스템에 전달하는 피드백 제어 시스템을 포함하며, 상기 피드포워드 제어 시스템과 피드백 제어 시스템은 통합 방식으로 기능한다.

본 발명의 실시 형태의 바람직한 특징들은 첨부 도면에 개시되어 있으며, 도면에서 유사한 참조 번호는 몇개의 도면에 걸쳐 유사한 요소를 나타낸다.
도 1 은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 피드포워드 제어식 태양 추적기의 정면 사시도이다.
도 2 는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 이른 아침 위치에 있는 피드포워드제어식 태양 추적기의 정면/측면 사시도로, 도 2 의 (A)는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 피드포워드 제어식 태양 추적기의 조인트 연결부를 나타내는 상세도이고, (B)는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 피드포워드 제어식 태양 추적기의 연결 기구를 나타내는 상세도이다.
도 3 은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 오후 중간 위치에 있는 피드포워드 제어식 태양 추적기의 측면 사시도로, 도 3 의 (A)는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 피드포워드 제어식 태양 추적기의 조인트 연결부의 상세도이고, (B)는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 피드포워드 제어식 태양 추적기의 연결 기구의 상세도이다.
도 4 는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 피드포워드 제어식 태양 추적기의 정면/측면 사시도이다.
도 5 는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 피드포워드 제어식 태양 추적기의 측면도이다.
도 6a 는 본 발명의 일 실시 형태에 따라 직각 삼각형 위치로 구성된 피드포워드 제어식 태양 추적기의 베이스의 위치를 나타낸다.
도 6b 는 본 발명의 일 실시 형태에 따라 이등변 삼각형 위치로 구성된 피드포워드 제어식 태양 추적기의 베이스의 위치를 나타낸다.
도 6c 는 본 발명의 일 실시 형태에 따라 정삼각형 위치로 구성된 피드포워드 제어식 태양 추적기의 베이스의 위치를 나타낸다.
도 7 은 본 발명의 일 실시 형태에 따라 피드포워드 제어식 태양 추적기의 플랫폼/서브 프레임에 기둥을 연결하는데 사용되는 연결 기구의 정면/측면 사시도이다.
도 8 은 본 발명의 일 실시 형태에 따라 피드포워드 제어식 태양 추적기의 플랫폼/서브 프레임에 기둥을 연결하는데 사용되는 베개형 블럭 베어링 어셈블리의 형태로 된 연결 기구의 정면 사시도이다.
도 9a 는 본 발명의 일 실시 형태에 따른, 비틀림 저항 바아에 의해 안정하게 되는 피드포워드 제어식 태양 추적기의 액츄에이터 베이스 및 기둥 베이스를 나타낸다.
도 9b 는 본 발명의 일 실시 형태에 따른, 대각선 방향 버팀부와 비틀림 저항 바아에 의해 안정하게 되는 피드포워드 제어식 태양 추적기의 기둥 베이스 및 액츄에이터 베이스의 측면도이다.
도 10 은 본 발명의 일 실시 형태에 따른, 받침부가 액츄에이터 베이스에 연결되어 있는 피드포워드 제어식 태양 추적기의 정면/측면 사시도이다.
도 11 은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 피드포워드 제어식 태양 추적기의 유압 시스템 처리를 나타내는 흐름도이다.
도 12a 는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 피드포워드 제어식 태양 추적기의 역 단동 액츄에이터 실린더의 정면 사시도이다.
도 12b 는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 피드포워드 제어식 태양 추적기의 역 단동 또는 복동 액츄에이터 실린더의 정면 사시도이다.
도 13 은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 두개의 기둥을 갖는 피드포워드 제어식 태양 추적기의 정면/측면 사시도이다.
도 14 는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 두개의 기둥을 갖는 피드포워드 제어식 태양 추적기의 정면 사시도이다.
도 15 는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 두개의 기둥을 갖는 피드포워드 제어식 태양 추적기의 측면이다.
도 16 은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 제 3 액츄에이터를 갖는 피드포워드 제어식 태양 추적기의 측면 사시도이다.
도 16a 는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 제 3 액츄에이터를 갖는 피드포워드 제어식 태양 추적기의 기계적 부분을 더 나타내는 상세도이다.
도 17 은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 피드포워드 제어식 태양 추적기의 측면도이다.
도 18 은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 피드포워드 제어식 태양 추적기의 정면 사시도이다.
도 19 는 본 발명의 일 실시 형태에 따른, 스프로킷 기어와 랙기어를 통해 작동하기 위한 일정 모멘트 레버를 이용하는 피드포워드 제어식 태양 추적기의 정면/측면 사시도이다.
도 20 은 본 발명의 일 실시 형태에 따른, 스프로킷 기어와 랙기어를 통해 작동하기 위한 일정 모멘트 레버를 이용하는 피드포워드 제어식 태양 추적기의 측면 사시도이다.
도 20a 는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 작동용 일정 모멘트 레버를 이용하는 피드포워드 제어식 태양 추적기의 스프로킷 기어의 상세도이다.
도 21 은 본 발명의 일 실시 형태에 따른, 스프로킷 기어와 랙기어를 통해 작동하기 위한 일정 모멘트 레버를 이용하는 피드포워드 제어식 태양 추적기의 정면.
도 22 는 본 발명의 일 실시 형태에 따른, 액츄에이터의 위치를 위한 일정 모멘트를 제공하기 위해 체인이나 케이블을 당기기 위해 제 3 의 지상 설치 액츄에이터를 이용하는 피드포워드 제어식 태양 추적기의 정면/측면 사시도이다.
도 22a 는 본 발명의 일 실시 형태에 따른, 액츄에이터의 위치를 위한 일정 모멘트를 제공하기 위해 체인이나 케이블을 당기기 위해 제 3 의 지상 설치 액츄에이터를 이용하는 피드포워드 제어식 태양 추적기의 정면도이다.
도 22b 는 본 발명의 일 실시 형태에 따른, 액츄에이터의 위치를 위한 일정 모멘트를 제공하기 위해 체인이나 케이블을 당기기 위해 제 3 의 지상 설치 액츄에이터를 이용하는 피드포워드 제어식 태양 추적기의 측면도이다.

본 발명을 첨부도면을 참고하여 이하 더 충분히 설명할 것이며, 이 도면에는 본 발명의 바람직한 실시 형태가 나타나 있다. 그러나 많은 상이한 형태로 실시될 수 있고 여기서 개시된 바람직한 실시 형태에 한정되는 것은 아니다.

다음 설명에서, 유사한 참조 부호는 도면 전체에 걸쳐 유사하거나 대응되는 부분을 나타낸다. 또한, 이하의 설명에서 "제 1", 제 2" 등과 같은 용어는 편의를 위한 것이지, 한정적인 용어는 아니다.

본 발명의 실시 형태는, 플랫폼의 서브 프레임이 전기 또는 다른 유용한 형태의 에너지로 전환하기 위해 태양으로부터의 에너지 포착이 최적화되게 배치되도록 태양 발전 시스템(및 미러 또는 광기전력 전지"PV"와 같은 구성요소)을 겨냥시키기 위한 플랫폼에 관한 것이다. 본 발명의 실시 형태는 강도, 신뢰성, 효율 및 유지 관리성 면에서 최적화되어 있다. 본 발명의 실시 형태는 또한 높은 바람 조건에도 잘 적합하고, 강한 바람에서도 계속 태양을 추적할 수 있다.

도 1 ∼ 5 및 도 17 ∼ 18 에 도시되어 있는 바와 같이, 본 발명의 일 실시 형태에서, 태양 추적 장치(2)는 기초 시스템(1)을 포함하며, 이 기초 시스템은 I 빔 크로스(4) 및 조절가능한 기초 설치부(6)(나사, 금속 기초 등과 같은)를 포함하며, 이 설치부는 I 비임 크로스(4)를 태양 추적 장치(2)가 고정되는 설치 표면(8)에 고정시켜 준다. 당업자라면 본 실시 형태에서 기초 설치부(6)는 조절가능하거나 또는 그렇지 않을 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다. 추가로, 당업자라면 비한정적으로 T 크로스를 포함하여 다른 I 빔 기초 시스템을 이용할 수도 있음을 쉽게 이해할 수 있을 것이다. I 빔 크로스(4)에는 두개의 선형 액츄에이터(10, 12) 및 기둥(14)이 연결되어 있다. 본 발명의 일 실시 형태에서, 선형 액츄에이터(10, 12)는 바람직하게는 동서 방향 액츄에이터(10) 및 남북 방향 액츄에이터(12)로 구성된다. 선형 액츄에이터(10, 12)의 바닥 단부는 바람직하게는 핀 연결부(15), 조인트 연결부 등을 통해 I 빔 크로스(4)에 연결된다. 이들 핀 연결부(15)는 선형 액츄에이터(10, 12)가 2자유도의 운동을 할 수 있게 해주며, 선형 액츄에이터에서 스트레인을 경감시켜 주며, 또한 액츄에이터의 적절하고 자유로운 운동을 보장해 준다. 당업자라면 본 발명의 실시 형태의 설명에서 사용되는 바와 같은 2자유도의 운동은 두개의 직교축 또는 두개의 직교 운동 라인 또는 하나의 축과 하나의 라인과 같은 두개의 독립적인 형태로 운동을 일으킬 수 있는 매니퓰레이션을 말한다. 또한, 당업자라면 상기 핀연결부는 두개의 핀을 갖는 링크를 사용해서 만들어지는 연결부일 수 있으며, 따라서 이러한 링크에 의해 2자유도의 운동이 가능하게 된다. 도 1 ∼ 5 에 도시된 본 발명의 바람직한 실시 형태에서, 기둥(14)의 바닥 단부는 상기 I 빔 크로스(4)에 단단히 연결되어 있다. 이리 하여, 본 발명의 실시 형테에서 2핀 시스템이 구현되는 것이다. 그러나, 본 발명의 실시 형태에서는 3핀 시스템도 바람직할 수 있는데, 이러한 시스템에서는 기둥(14)이 핀 연결부(도면에는 미도시)를 통해 I 빔 크로스(4)에 연결된다. 본 발명의 바람직한 실시 형태에서, 선형 액츄에이터(10, 12)의 상단부 및 기둥(14)의 상단부는 서브 프레임(16)에 연결되어 있는데, 이 서브 프레임은 태양을 추적하는 플랫폼(18)을 떠받치는 것이다. 본 발명의 바람직한 실시 형태에서, 플랫폼은 솔라 어레이를 유지하거나 이 어레이로 이루어진다. 선형 액츄에이터(10, 12)는 조인트 연결부(20)를 통해 서브 프레임(16)에 연결되며, 이 조인트 연결부에 의해 액츄에이터(10, 12)가 2자유도 운동을 할 수 있게 된다. 사실, 선형 액츄에이터(10, 12)의 바닥에 있는 핀 연결부(15) 및 선형 액츄에이터(10, 12)의 상부에 있는 조인트 연결부(20)는, 액츄에이터에서 스트레인을 경감시켜 주고 또한 적절하고 자유로운 운동을 보장해 주는 2자유도의 핀 연결부 등이다. 기둥(14)은 연결 기구(22)를 통해 서브 프레임(16)에 바람직하게 연결되며, 이 연결 기구에 의해 플랫폼(18)이 2자유도로 기둥(14)에 대해 회전할 수 있다. 본 발명의 다른 실시 형태에서, 기둥(14)은 액츄에이터(10, 12)와 서브 프레임(16) 사이에 있는 조인트 연결부(20)와 유사한 조인트를 통해 서브 프레임(16)에 연결될 수 있다. 당업자라면 기둥(14)과 액츄에이터(10, 12) 모두를 서브 프레임에 연결해주는 다른 수단이 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다. 전술한 모든 실시 형태는 서브 프레임(16)과 기둥(14) 및 액츄에이터(10, 12)의 정상부 사이의 3핀 연결 시스템을 구현한다. 본 발명의 또 다른 실시 형태에서, 액츄에이터(10, 12) 및 기둥(14)은 서브 프레임(16) 없이 핀 조인트 또는 링크를 통해 플랫폼(18)에 직접 연결된다.

기초 시스템(1)에 대한 태양 추적기의 2 또는 3핀 연결부(15) 및 서브 프레임(16)에 대한 조인트 연결부(20) 및/또는 연결 기구(22)는 어떤 토크가 기초 시스템(1)에 전달되는 것을 최소화 또는 피하면서 실질적인 힘에 견딜 수 있는 적절한 강도를 부여해 준다. 기초 시스템(1)과 서브 프레임(16)에 대한 기둥(14) 및 액츄에이터(10, 12)의 연결점과 관련된 토크가 낮기 때문에 지붕 정상부에 상기 시스템을 설치할 수 있다. 시스템의 대 부분의 실시 형태는, 태양 추적기의 기초 시스템(1)이 두개 이상의 트러스(이들은 일반적으로 8 ∼ 10 피트로 서로 떨어져 있다)에 걸칠 수 있으므로, 상용 지붕 트러서 간격에 잘 맞다.

본 발명의 바람직한 실시 형태에서, 선형 액츄에이터(10, 12)는 또한 구조 부재로서 기능한다. 구조 부재로서 액츄에이터(10, 12) 를 사용하면, 작동 강도를 확보하고 또한 제작 비용을 줄일 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시 형태에서, 선형 액츄에이터(10, 12)는 유압 펌프로 구동되는 유압 실린더이다.

도면, 특히 도 6a ∼ 6c에서 알 수 있는 바와 같이, 기초 시스템(1)과 서브 프레임(16) 각각에 대한 선형 액츄에이터(10, 12)와 기둥(14)의 바닥부 및 정상부 둘다의 연결은 바람직하게는 삼각형을 이룬다. 기초(1)에 대한 연결과 서브 프레임(16)에 대한 연결로 형성되는 삼각형의 치수는 상이한 실시 형태에서 상이한 요건에 맞게 조절될 수 있다. 예컨대, 표준 PV 패널은 미러식 또는 촛점식 시스템(즉, 집중기) 보다 큰 허용 공차를 갖는다. 표준 패널은 보다 정확한 겨냥을 요구하는 촛점식 시스템 보다 더 작은 삼각형과 더 작은 액츄에이터를 갖는 더 작은 시스템으로 제어될 수 있다. 도 6a는 직각 삼각형 배치("RA" 모델 태양 추적기)(24)를 나타내며, 도 6b는 이등변 삼각형 배치("ISO" 모델 태양 추적기)(25)를 나타내며, 도 6c는 정삼각형 배치("EQ" 모델 태양 추적기)(27)를 나타낸다.

도 1 ∼ 5 에서 보는 바와 같이, 본 발명의 실시 형태에서, 상기 기초 시스템(1)은 I 빔 크로스(4) 및 제거가능하고 조절가능한 다수의 기초 설치부(6)(말뚝, 그라운드 스크류, 헬리컬 그라운드 앵커 등)로 구성된다. 본 발명의 또 다른 실시 형태에서, 3개의 개별적인 베이스(기둥(14) 및 두개의 액츄에이터(10, 12)) 아래의 기초는 3개의 설치 위치를 지지하도록 설계된 단일의 기초로 대체될 수 있다. 예컨대, 큰 콘크리트 슬라브 등이 사용될 수 있다. 이 실시 형태에서, 기초 시스템(1)은 I 빔 크로스(4)를 위한 조절가능한 설치부를 갖는 콘크리트 슬라브 또는 세개의 별도의 베이스를 포함한다. I 빔 크로스(4)는 그의 베이스가 남북과 동서를 향하도록 설치되며, 조절가능한 기초 설치부(6)에 의해 높이가 맞추어진다. 액츄에이터(10, 12) 및 중앙 기둥(14)은 바람직하게는 I 빔 크로스(4)에 설치된다. 이런 시스템에 의해, 신속하고 강하며 또한 저렴한 설치가 가능하며 또한 20년 또는 30년의 사용 후 시스템이 폐기된 후 저렴하고 전체적인 정화가 가능하게 된다.

도 10에서 보는 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시 형태에서, 받침부(44)가 액츄에이터(12) 밑에 추가되는데, 이 받침부에 의해 액츄에이터(10, 12)의 하부 조인트 또는 핀 연결부(15)가 서로 다른 높이에 있을 수 있다. . 하부 조인트 또는 핀 연결부(15)가 베이스(액츄에이터(12)가 이의 일부임)상에서 더 높이 있게 하는 것이 바람직한데, 왜냐하면 그렇게 하는 것이 일출과 일몰시에 동서 방향 자유도의 어떤 각도에 대해 태양 추적 장치의 안정성과 강도를 개선할 수 있기 때문이다. 추가적으로, 액츄에이터(12) 아래의 받침부(44)는 스트레인과 간섭을 줄이는 것을 도와 주며, 플랫폼(18)을 태양광선에 수직이 되게 정렬하는데 요구되는 각도에 태양 추적 장치(2)가 효율적으로 도달할 수 있게 해준다.

도 9a 및 도 9b에서 보는 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시 형태에서, 대각선 버팀부(38)가 기초(1) 의 상방 어떤 높이에서 기둥(14)에 부착되어 있고 또한 액츄에이터(10, 12)(유압 실린더)의 기초 설치부에도 부착되어 있다. 이들 버팀부(38)는 추가적인 강도를 제공해 주고 그리고/또는 기둥(14)에서 필요한 재료의 양을 줄여주며 그래서 그 기둥(14)의 가격을 줄여준다. I 빔 크로스(4)가 사용되지 않는 실시 형태에서는, 액츄에이터(10, 12)와 기둥(14)이 회전하지 못하도록 이들의 기초 설치부를 연결하기 위해 지지부 또는 비틀림 저항 바아(40)를 사용할 수 있다. 이들 연결부는 움직임을 저지하기 위한 앵커로서 액츄에이터(10, 12)의 설치부를 사용하면서 기둥 베이스(17)상의 긴 레버로 작용한다. 이렇게 액츄에이터(10, 12)의 기초 설치부를 사용하는 것이 특히 효과적인데, 액츄에이터(10, 12)의 베이스에 대한 하중이 스크류 기초(42) 등의 기본 축선에 수직되어 최대의 저항을 주기 때문이다.

도 1 ∼ 5 에 도시된 바람직한 실시 형태로 다시 돌아가면, 기둥(14)의 정상부에 있는 연결 기구(22) 또는 조인트의 방향은 고정되어 있으며 중심축선을 중심으로 하는 회전력에 저항할 수 있다. 기둥(14) 그 자체는 연결 기구(22)에서 전달되는 그러한 회전력에 견딜 수 있도록 설계되어 있다. 이러한 저항으로 태양 추적 장치(2)는 똑바로 또한 보정되어 서 있게 된다.

기둥(14)의 정상부에 있는 연결 기구(22)의 설치부와 각 액츄에이터(10, 12)의 정상부에 있는 조인트(20)는 연결 기구(22) 또는 조인트(20)의 사용을 그들의 기계적 한도내에서 최적화해주는 각도에 있을 수 있다. 액츄에이터(10, 12)의 정상부에 있는 조인트(20)는 액츄에이터(10, 12)의 자유로운 회전에 의해 제공되는 것 외에도 어느 정도의 회전 자유를 선택적으로 가질 수 있다.

도 7 및 8 에는 기둥(14)의 정상부에 있는 2자유도의 연결 기구(22)가 더 자세히 도시되어 있다. 기둥(14)의 정상부에 있는 2자유도 연결 기구(22)는 매우 큰 토크력에 견디기게 충분히 강하게 되어 있다. 도 7 에 도시된 바람직한 실시 형태에는 높은 바람에 의해 야기될 수 있는 최대 토크를 보상하도록 설계된 연결 기구(22)가 나타나 있다. 이 연결 기구(22)는 제 1 축(33)과 제 2 축(35)을 연결하는 몸체 부재(31)를 포함한다. 제 1 축(33)과 제 2 축(35)은 베어링 어셈블리(28)를 포함하는데, 이 베어링 어셈블리는 서로 직교하게 설치되어 연결 기구(22)가 2자유도 운동을 할 수 있게 된다. 몸체 부재(31)의 반경 "r"으로 인해 토크가 각각의 두 베어링/축 어셈블리(28)에서 힘으로 분산되고 그래서 그 토크는 각각의 베어링(30)에 의해 저지된다.

도 7 에 도시된 기둥 연결 기구(22)의 바람직한 실시 형태는 연결 기구(22)의 제 1 축(32)과 제 2 축(35)사이의 중심간 거리로 이루어진 오프셋(32)을 제공한다. 이 오프셋(32)은 서브 프레임(16)이 수평에 근접한 지점을 향할 때 일몰시에도 그 서브 프레임(16)이 기둥(14)을 지나는 여유를 갖게 해주는 작용을 한다. 또한, 오프셋(32)으로 인해 선형 액츄에이터(10, 12)의 스트로크의 끝 근처에서 서브 프레임(16)이 더 큰 각 운동을 할 수 있다. 또한 오프셋(32)은 액츄에이터가 그의 후퇴 위치 근처에 있을 때 액츄에이터(12)에 대한 지레 작용을 제공한다.

도 8 에 도시된 연결 기구(23)에 의해, 도 7 에 나타나 있는 연결 기구(22) 보다 더 컴팩트한 링크가 얻어지며 또한 수평에 근접한 각도에 대해서는 더 적은 특이점이 나타나게 된다. 본 발명의 대안적인 실시 형태에서의 연결 기구(23)는 실질적으로 베개 블럭 베어링 어셈블리다. 도 7 의 연결 기구(22) 와 도 8 의 연결 기구(23) 간의 근본적인 차이는, 도 8 의 연결 기구(23)는 축이 없고(축은 기둥(14)과 서브 프레임(16)의 일부분이다) 도 7 의 연결 기구(22)는 링크의 일부로서 축(33, 35)을 가지며 또한 연결 기구(22)는 도 8 의 연결 기구(23)에 비해 긴 축간 오프셋을 가지고 있다는 것이다. 도 8 의 연결 기구(23)는 베어링 어셈블리(28)의 적절한 배향을 보장하기 위해 강판(29) 등을 포함한다. 도 8 의 연결 기구(23)의 단점은, 이 연결 기구는 도 7 에 나타난 기둥 링크(22)와 동일한 각도를 얻기 위해서는 다소 더 긴 액츄에이터를 필요로 한다는 것이다. 도 8 의 연결 기구(23)는 일부 장소와 날에 대해서 태양을 향하는데 요구되는 어떤 각도에 도달할 수 없다는 점에서 바람직하지 않다. 연결 기구(22)는 특히 일출과 일몰 중에 태양 광선에 수직인 위치로 서브 프레임(16)/플랫폼(18)을 정렬시키기 위해 최대의 각도에 이를 수 있게 해주므로 바람직하다.

도 7 과 도 8 에서 보는 바와 같이, 연결 기구(22, 23)는 큰 바람 하중하에서도 최소의 스트레인 변위가 일어나도록 설계되어 있다. 연결 기구(22)는 베어링(30)과 베어링/축 어셈블리(28)에 대한 최소의 여유 요건을 제공하여 이들 구성요소의 가격과 스트레인을 최소화한다. 축(33, 35) 사이의 오프셋(32) 거리로 인해, 시스템은 태양계와 유사한 양태로 운동하게 되며, 그래서 한 액츄에이터(10)는 바람직하게 그날의 시간에 따른 위치 결정을 제공하고 다른 액츄에이터(12)는 바람직하게 그 해의 날에 따른 위치 결정을 제공한다. 연결 기구(22)의 몸체 부재(31)의 길이는 구속 없이 얻어질 수 있는 각운동량을 결정한다. 연결 기구(22)의 길이는 액츄에이터(10, 12)에 대해 있을 수 있는 최저 하중 조건에서 요구되는 운동의 자유가 얻어지도록 최적화되어 있다. 연결 기구(22)는 통 금속편으로 형성되기 보다는 용접되는 부품으로 구성될 수도 있다. 연결 기구(22)의 축(33, 35)은 일반적으로 비틀려진 또는 제작된 구성품에서 제 위치에 용접 또는 고정되는 별개의 구성품이다. 연결 기구(22)의 몸체 부재(31)는 정사각형 소재, 비틀린 편평한 바아, 주물 등으로도 제작될 수 있다.

당업자라면 대안적인 실시 형태에서 볼 조인트나 다른 종류의 조인트가 조인트(20) 및/또는 핀 연결부(15) 대신에 사용될 수 있음을 쉽게 이해할 것이다. 이는 액츄에이터(10, 12)에 있는 조인트가 회전을 허용할 수 있기 때문이다. 그러나, 기둥(14)의 정상부에 있는 조인트/연결 기구(22, 23)는 볼 조인트로 대체될 수 없는데, 그 이유는 조인크/연결 기구는 회전에 저항하면서 시스템을 제 위치에 유지시켜야 하기 때문이다. 조인트/연결 기구는 제로 보다 큰 오프셋 길이(32)(또는 조인트/링크 기구 길이)를 갖는다. 그러나, 본 발명의 대안적인 실시 형태의 경우에는 제로의 오프셋 길이를 갖는 연결 기구도 가능하다.

도 16 및 도 16a 에는 제 3 액츄에이터(34)가 추가된 태양 추적 장치(2)가 나타나 있다. 추가적인 자유도가 임의의 주어진 날에 대한 정확한 일출 또는 일몰 지점으로 수평을 가로질러 휩쓸거나(ISO 모델 태양 추적기에 대해) 또는 아래로 수평까지 휩쓸도록(RA 모델 태양 추적기에 대해) 플랫폼(18)의 일단부에 있는 설치부(36)가 서브 프레임(16)에 대해 소정의 각도로 상승되도록 추가 액츄에이터(34)를 서브 프레임(16)에 추가함으로써 이른 아침이나 늦은 저녁에 추가의 정확성이 얻어진다.

이른 아침이나 늦은 오후/저녁의 겨냥을 위해 태양 추적 장치(2)를 최적화하기 위해 고정된 또는 작동되는 엘리베이션을 서브 프레임(16)에 추가한다. 이러한 추가 능력은 어떤 종류의 태양 패널 및/또는 일출/일몰시나 그 근처에서의 발전이 중요한 경우에 바람직하다.

태양 추적 장치(2)는 신속하고 비용 효과적으로 전개될 수 있게 설계된다. 조립 공정은 여러 조립 단계들이 동시에 일어날 수 있도록 시스템 설계의 도움을 받는다: 기초 시스템(1), 서브 프레임(16), 구조 요소 조립(액츄에이터(10, 12)와 기둥(14)) 및 기초 시스템(1)의 위치결정과 방향잡기. 이들 동시적인 작업 결과 최종 조립에 이르게 되며, 최종 조립시에는 구성요소들이 함께 효율적으로 고정될 수 있도록 이들 구성요소를 배치하는데 크레인 등이 사용된다. 태양 추적 장치에 대한 동력 공급원은 임의의 형태의 안정되고 청정한 동력이다. 본 발명의 바람직한 실시 형태에서, 시스템내 어떤 전자 구성품에도 기후 등으로부터의 보호를 위해 싸개가 제공된다.

다른 용도를 위해 태양 추적 장치(2)에 대한 여러개의 상이한 실시 형태가 가능하다. 각각의 실시 형태에서는 그의 특정 기능을 위한 특정의 요소가 제공된다. 도 6a ∼ 6c 에서 보는 바와 같이, 이들 실시 형태들에서는 삼각형이 표준 이등변 삼각형(25)(도 6b)에서 바람직한 직각 삼각형(24)(도 6a)에서 정삼각형(27)(도 6c)으로 변하게 된다. 기둥(14)의 높이와 액츄에이터(10, 12, 34)의 길이 또한 변하여 성능 특성이 변하게 된다.

피드포워드 제어 시스템:

당업자라면 본 발명의 실시 형태에서 피드포워드 제어 시스템을 구축하는데 사용될 수 있는 상이한 수단(예컨대, 시간, 날짜, GPS 좌표 및 기초 방향의 입력이 있으며 이에 한정되는 것은 아님)이 있음을 쉽게 이해할 수 있을 것이다. 본 발명의 바람직한 실시 형태에서, 컴퓨터 제어 플랫폼은 주어진 날에 대해 여러 세트의 태양 위치 각도를 얻기 위해 이들 입력을 사용할 것이다. 본 발명에서 상기 컴퓨터 제어 플랫폼은 바람직하게는 프로그래머블 로직 컨트롤러(PLC)에 전형적인 입력 및 출력 능력을 갖는다. 추가로, 본 발명의 바람직한 실시 형태에서, 피드 포워드 제어 시스템에서는 선형 액츄에이터(10, 12, 34)의 위치를 구동하기 위해 다항 스플라인 곡선을 사용한다. 이들 스플라인 곡선은, 그날 중에 태양의 여러 알려져 있는 각 위치를 찾고, 태양의 각 위치와 본 발명의 특정 실시 형태의 기계적 구성간의 관계에 근거하여 그들 각도를 선형 액츄에이터(10, 12, 34) 위치로 변환함으로써 생성될 수 있다. 이들 선형 액츄에이터(10, 12, 34)의 위치는 시간(t)(일출에서 일몰까지의 시간)의 함수인 스플라인 곡선의 생성을 위한 데이타 점이 된다. 몇몇 실시 형태에서는, 연결 기구(22)의 축(33, 35)의 각도와 그들 각 위치의 시간-함수 비를 맵핑하기 위해 추가적인 스플라인 곡선이 또한 사용되며, 각속도는 액츄에이터(10, 12, 34)의 선형 위치와 선형 속도에 관련된다.

중앙 컴퓨터 또는 각 태양 추적기에 배치된 컴퓨터가 이전에 저장된 데이타를 사용해서 다음날에 사용될 스플라인 곡선을 밤사이 계산할 수 있다. 중앙 컴퓨터가 한 사용 영역에 있는 모든 태양 추적기를 위한 스플라인 곡선을 계산하거나 또는 하나 이상의 사용 영역에 있는 모든 태양 추적기를 위한 스플라인 곡선을 계산하는데 사용되는 경우, 각각의 태양 추적기가 데이타 테이블을 저장할 수 있다. 이 데이타 테이블은 시간 및 △t(시간 영역내에서 GPS 경도 위치에 대한 시간변위)의 함수로 액츄에이터 실린더 위치(또는 관련된 각도) 및 연관된 모터 속도(또는 온-오프 사이클 및 밸브 위치)를 나타내는 스플라인 곡선에 대한 계수를 포함한다. 대안적으로, 각 태양 추적기 수년 가치의 데이타 테이블을 저장할 수 있는 충분히 큰 메모리 용량을 가질 수 있다. 일부 실시 형태에서, 복수의 곡선 세트가 데이타 테이블에 제공되며, 정확한 곡선 세트는, 날짜 또는 관련된 시간 오프셋와 함께 GPS 좌표로 주어지는 위도(위치) 또는 날짜와 위치 모두와 같은 어떤 인자에 근거하여 선택된다.

본 발명의 대안적인 실시 형태에서, 데이타 테이블은 스플라인 곡선을 사용하지 않고 시간에 대한 저장된 입력 테이타를 사용해서 시스템을 제어하는데 사용된다. 본 발명의 다른 대안적인 실시 형태에서는 실시간으로 행해지는 충분한 태양 계산을 사용한다. 이 실시 형태에서는, 액츄에이터 위치와 속도를 나타내기 위한 스플라인 곡선을 사용하지 않고, 액츄에이터 위치 및/또는 연결 기구(22)의 각 위치 및 실시간으로 고도 및 방위각으로부터 직접 변환되는 변화률에 근거하는 피드포워드 제어를 사용한다. 본 발명의 또 다른 실시 형태에서는 피드포워드 제어나 스플라인 곡선을 사용하지 않고, 대신에 태양의 위치에 대한 표준 고도와 방위각으로부터 변환되는 액츄에이터 위치와 함께 일련의 규칙을 사용하게 된다.

본 발명의 바람직한 실시 형태는 피드포워드 모델을 구축하기 위해 스플라인 곡선법을 이용하는데, 이는 수학적인 실시간 태양 계산과 그들 각각의 도함수를 수학적으로 계산하는 경우에 훨씬 더 큰 계산 능력이 요구되고 또한 상당한 에러 및 과다한 특이점이 발생되기 때문이다. 이러한 복잡성의 증가로 인해, 하드웨어 비용이 증가되고 또한 제어 시스템의 정확성과 안정성이 감소하게 된다.

바람직한 실시 형태에서, 스플라인 곡선법을 사용하면, 그날 전체에 걸쳐 액츄에이터(10, 12, 34) 속도의 증분 조절이 가능하게 되며, 위치 조절은 연속적으로 된다(또는 아주 빈번하고 작아서 움직임의 증가를 인지할 수 없거나 거의 인지할 수 없다).

본 발명의 바람직한 실시 형태에 사용되는 스플라인 곡선은 전형적으로 여러 부분의 삼차 다항식의 형태로 되어 있다.

f₁(t) = a₁·t³＋ a₂·t²＋ a₃·t＋ a₄ (t = 0 ∼ t_a 에 대해)

f₂(t) = b₁·t³＋ b₂·t²＋ b₃·t＋ b₄ (t = t_a ∼ t_b 에 대해)

f₃(t) = c₁·t³＋ c₂·t²＋ c₃·t＋ c₄ (t = t_b ∼ t_c 에 대해)

f₄(t) = d₁·t³＋ d₂·t²＋ d₃·t＋ d₄ (t = t_c ∼ t_최종 에 대해)

이러한 방정식계를 푸는 방법은 당업자에게 잘 알려져 있다. 상기 예는 고유해를 갖기 위해서는 16개의 데이타 점이 필요한 16 x 16 세트의 위치 방정식으로 구성된 계이다. 위치 요건("t"의 어떤 값에 대한)과 연속성 구속조건(f₁, f₂, f₃ 및 f₄의 사이에서)의 조합이 이들 데이타 점을 규정한다 더 높은 차수를 갖는 다항식과 이에 따른 더 큰 방정식계를 사용하면, 서브 프레임(16) 및/또는 플랫폼(18)의 원하는 각도를 얻는데 있어서 선형 액츄에이터(10, 12, 34)의 위치가 더욱 정확하게 될 수 있다. 기둥 연결 기구(22)의 축의 원하는 각도를 나타내는 스플라인 곡선을 사용해서 피드포워드 수정 루프를 형성한다. 기둥 연결 기구(22)의 실제 각도는 원하는 각도와 비교되어 측정 에러가 계산된다. 피드백 루프에서 사용되는 게인이 상기 에러에 곱해져 피드포워드 제어 시스템을 수정하게 된다.

피드포워드 제어 시스템의 바람직한 실시형태에서는 운동 히스테리시스를 최소화하거나 없애기 위해 시간 미분을 사용한다. 스플라인 곡선 계산시에 작은 증분(△t)만큼 시간을 앞당기면, 태양 추적 장치의 응답 및 회로 응답의 물리적 특성으로 인한 시간 지연을 사실상 없앨 수 있다. "△t" 항은 태양 추적 장치를 구동하는데 사용되는 각 스플라인 곡선에서 사용되며, 따라서 구동과 센서 피드백이 더욱 정확히 일치하게 된다. "△t" 항이 없는 실시간은 위치를 검사하고 에를 측정하는데 사용된다. 이러한 "△t" 의 사용으로 한 차수의 크기만큼 제어 에러를 줄일 수 있다.

본 발명의 대안적인 실시 형태에서, 스플라인 곡선은 한개 이상의 부분에서 2차, 3차 또는 그 이상 차수의 다항식이다.

그리고, 위치 방정식의 일계 도함수를 사용해서, 액츄에이터(10, 12, 34)에 대해 원하는 시간 변화률을 구한다. 유압 실린더가 선형 액츄에이터(10, 12, 34)에 사용되면, 이 시간 변화률은 컴퓨터에 의해 쉽게 유체 유량 요건으로 변환되고 이어서 피드포워드 제어 시스템을 위한 펌프-모터 속도/전류 요건으로 변환된다.

피드포워드 제어 시스템은 선형 액츄에이터(10, 12, 34)를 위한 매우 정확하고 원활한 제어(예컨대, 펌프 모터 속도 제어, 구동부(들)에 대한 펄스 변조 또는 밸브 떨림)을 제공한다. 이러한 제어 전략은 액츄에이터(10, 12, 34)의 과구동을 최소화하거나 없애주며, 이리 하여 그 액츄에이터(10, 12, 34) 및 다른 기계 구성품에 대한 마모와 변형이 감소하게 되며 또한 전류 인출과 에너지 사용이 최소화된다.

일계, 이계, 삼계 및 사계 도함수를 함수들 사이에서 연속적이게 구속하면, 태양 추적 장치(2)의 기계 구성품의 작동은 최대한 원활하게 되고 또한 그의 마모도 최소로 된다. 이러한 구속 조건으로 장치는 더욱 신뢰성을 갖게 된다.

본 발명의 바람직한 실시 형태에서, 액츄에이터(10, 12, 34)의 위치, 연결 기구(22)의 각도 또는 양자에 대한 센서 피드백은 피드포워드 제어 시스템을 수정하고 업데이트하는데 필요하다. 이로써 피드백 제어 시스템이 구현된다. 당업자라면 피드백 제어 시스템을 위한 수단은 선형 액츄에이터의 위치, 연결기구(22)의 축(33, 35)의 각 위치 및 태양 추적 센서 데이타의 입력을 포함하며 이에 한정되는 것은 아님을 쉽게 이해할 것이다. 바람 저항과 마찰 변화는 환경적 조건과 시간에 따라 변하게 될 것이다. 이들 작은 변화에 대한 보상은, 실제 위치가 예상 위치와 일치할 때가지 액츄에이터(10, 12, 34) 속도를 조절하기 위해 에러에 작은 게인을 곱함으로써 이루어질 수 있다. 이 에러 정보에 더 작은 게인을 곱하면, 액츄에이터(10, 12, 34)에 대한 전력을 나중의 운동에 맞게 조절할 수 있으며, 그리 하여 시간이 지남에 따라 피드포워드 모델이 현재의 환경적 조건과 기계적 조건에 대해더욱 정확하게 된다.

통신 능력은 최대 시간을 확인하는데 도움을 준다. 다른 대안적인 실시 형태에서 제어 시스템에는 유지 보수 요청을 보내고/보내거나 상태 문의에 대해 응답을 하기 위한 보안 인터넷 통신이 구비되어 있다.

본 발명의 실시 형태는 바람직하게는 태양 추적 장치의 구성을 위한 다음과 같은 카테고리들 중의 하나를 포함한다.

1. PV 패널을 위한 최적화, 위도 30°∼ 50°사이에서의 지상 설치;

2. PV 패널을 위한 최적화, 위도 0°∼ 30°사이에서의 지상 설치;

3. PV 패널을 위한 최적화, 50°보다 큰 극한 위도에서의 지상 설치;

4. PV 패널을 위한 최적화, 위도 30°∼ 50°사이에서의 지붕 설치;

5. PV 패널을 위한 최적화, 위도 0°∼ 30°사이에서의 지붕 설치;

6. PV 패널을 위한 최적화, 50°보다 큰 극한 위도에서의 지붕 설치;

7. 집중식 PV 패널을 위한 최적화, 위도 30°∼ 50°사이에서의 지상 설치;

8. 집중식 PV 패널을 위한 최적화, 위도 0°∼ 30°사이에서의 지상 설치;

9. 집중식 PV 패널을 위한 최적화, 50°보다 큰 극한 위도에서의 지상 설치;

10. 집중식 PV 패널을 위한 최적화, 위도 30°∼ 50°사이에서의 지붕 설치;

11. 집중식 PV 패널을 위한 최적화, 0°∼ 30°사이에서의 지붕 설치;

12. 집중식 PV 패널을 위한 최적화, 50°보다 큰 극한 위도에서의 지붕 설치.

일부 실시 형태는 0°, 30°또는 50°외의 다른 각도에서 최적화된다는 것을 유의해야 한다. 본 발명의 다른 실시 형태에서는, 추가적인 최적화 레벨이 추가되어 상기 12개의 카테고리 각각에 대해 최대의 바람 저항성을 제공한다.

이들 카테고리 각각에서, 삼각형 치수, 플랫폼(18) 또는 솔라 어레이 사이즈, 액츄에이터(10, 12, 34)의 길이 및/또는 기둥(14)의 높이를 조절하여 특별한 실시 형태의 특정 요구를 수용하게 된다. 예컨대, 표준 PV 패널 설치에는 더 저렴한 시스템이 요구되지만, 허용 각도 공차는 더 크다. 촛점식/집중식 시스템은 에러에 대해 작은 허용 공차를 갖지만, 와트 당 기준으로 표준 PV 시스템보다 저렴하다.

북미에서의 설치를 위해서는, 위도상 PV 패널은 특별한 위치 및 그 해의 날에 따라 한 낮에서의 최소 및 최대 각도 사이에서 지평선 상방에 있는 것이 바람직하다. ISO 모델에 대해서는(이등변 삼각형(25)에 근거한), 어떤 위도 사이의 모든 위치에서는 기둥(14)은 특정의 높이에 있어야 되고 이 특별한 범위외에 있을 때는 기둥(14)의 높이는 달라지게 된다. 적도에 더 가까운 위치일 수록 기둥(14)은 더 높게 되고 또한 위치가 북쪽으로 갈 수록 기둥(14)은 더 짧게 된다. ISO 모델 태양 추적기에 대한 모든 경우에, 기둥(14)의 높이는 완전 후퇴된 액츄에이터(10, 12, 34)(실린더)의 높이에 대해 조절되게 된다.

서브 프레임에 설치된 솔라 패널 어레이 및 프레임을 위한 지상 여유를 얻기 위해 여분의 높이가 모든 세 베이스에 추가될 수 있다. 본 발명의 일 실시 형태에서, 지상 여유를 위한 여분의 높이를 제공하기 위해 기둥(14)과 액츄에이터(10, 12) 아래에 상승기(riser)를 추가할 수 있으며, 또는 더 큰 플랫폼(18)을 태양 추적기에 설치할 수 있다. I 빔을 전체 기초의 높이에 있게 하거나 그 기초의 높이를 올리기 위해 상승기를 전체 기초 시스템(1)의 아래, 예컨대 I 빔 크로스(4) 아래에 추가할 수도 있다. 레벨링을 위한 이러한 사용은 지면이 경사져 있는 위치의 경우에 바람직하고 특히 유익하다.

본 발명의 실시 형태에서, 비틀림 저항 바아(40)를 사용해서, 상승기의 위나 아래를 지나지 않는 I 빔 크로스(4)의 구성품의 단부에 상승기를 대각선 방향으로 묶을 수 있다. 이들 비틀림 저항 바아(40)는 상승기에 추가적인 안정성과 토크에 대한 저항성을 부여한다.

태양 추적기의 상이한 높이 요건을 만족하기 위해 액츄에이터(10, 12, 34)의 능력을 또한 조절할 수 있다. 어떤 경우든, 시스템이 클 수록 더 큰 액츄에이터(10, 12, 34)를 포함해서 더 큰 구성품이 필요하게 된다.

북반구의 북쪽 지역 또는 남반구의 더 남쪽 지역에서 작동되는 ISO 시스템(이등변 삼각형(25)에 근거한)은 기둥(14)이 후퇴된 액츄에이터(10, 12) 보다 높은 역 배향의 실시 형태로부터 이득을 얻게 된다. 이러한 경우, 상기 배향에 따르면, 기둥(14)은 바람직하게는 본 발명의 ISO 모델 실시 형태를 위해 적도로부터 멀리 배치될 것이다. 이는 시스템 설치 위치가 적도로부터 멀어짐에 따라 일출이 여름과 겨울중에는 적도로부터 더 북쪽과 남쪽에서 일어날 것이기 때문이다.

전술한 바와 같이, 유압 시스템이 신뢰성과 강도면에서 잘 알려져 있기 때문에 본 발명의 바람직한 실시 형태에서 선형 액츄에이터(10, 12, 34)는 유압 실린더로 되어 있다. 구성품들은 쉽게 구할 수 있으며 유압계통 작업을 할 수 있는 기술자들의 공급도 많다. 대안적인 실시 형태에서, 스크류 드라이브, 공압 또는 다른 선형 액츄에이터 등이 유압 실린더 대신에 사용될 수 있다. 이들 대안적인 실시 형태에서, 액츄에이터를 구동시키는데 바람직하게는 모터가 사용된다. 그러나, 당업자라면, 밸브를 갖는 펌프, 기어를 갖는 모터 및 벨트와 풀리를 갖는 모터의 사용을 포함하여(이에 한정되는 것은 아님) 액츄에이터를 구동하는데 사용할 수 있는 많은 수단들이 있음을 쉽게 이해할 것이다.

본 발명의 바람직한 실시 형태에서 제어 시스템은 주어진 죄표 세트에 대해 주어진 날짜에서 주어진 시간에 태양의 위치에 대한 예상 각도에 근거하는 피드포워드 시스템이다. 시스템에의 입력은 시간, 날짜, GPS 좌표, 기초 방향, 실린더 /각 위치 피스백 및 태양 추적 센서 데이타를 포함할 수 있는데, 이에 한정되는 것은 아니다. 피드포워드 출력은 모터 속도와 유체 유량을 제어한다. 유압 장치가 사용되는 어떤 바람직한 실시 형태에서 시스템은 또한 밸브 위치를 조작하여 유체 유동 방향을 제어하게 된다. 하나의 조절 가능한 밸브 또는 하나 이상의 이원(binary) 밸브는 잉여 유체(있다면)를 방출시켜 유압 저장부에 되돌려 보내는 덤프 밸브로서 기능을 한다. 제어 시스템은 요구되는 운동을 일으키는데 필요한 정확한 양의 유체만 거의 생성하도록 모터가 펌프를 구동케 할 수 있다. 잉여 유체 유동은 유체 요구량이 매우 적어 모터와 펌프가 원하는 유량을 정확히 생성할 수 없는 경우에만 발생될 것이다. 또한 운동이 중단되고 펌프가 대기 모드로 운전될 때(웜업 사이클에서와 같은 경우) 잉여 유체 유동이 생성되는 경우도 있다.

본 발명의 실시 형태를 위한 전술한 시스템에서의 입력에 관해서는, 무선 주파수("RF") 신호, 로컬 서버, GPS 시스템 또는 장치 탑재 클록들으로부터 시간과 날짜를 얻을 수 있다. GPS 좌표는 장치 탑재 GPS 시스템으로부터 얻어지거나, 또는 외부 GPS로부터/에 의해 입력되어 플래시 메모리에 저장된다. 대안적으로, GPS 좌표는 로컬 서버 등으로부터 얻어진다. 기초 방향은 설치시에 입력되고 플래시 메모리에 저장되거나 센서 등을 통해 입력된다. 실린더 위치는 실시간으로 얻어지거나 센서 등을 통해 입력된다. 태양 추적 센서 데이타는 실시간으로 얻어지거나 센서 등을 통해 입력된다.

액츄에이터(10, 12, 34)(실린더)의 위치 또는 연결 기구(22)의 각도에 대한 예상 센서 판독은 또한 피드포워드 시스템에 의해 출력되며 또한 제어 시스템의 피드백 부분에 사용되는 제어 에러를 찾기 위해 그들의 위치의 실제 판독에 대해 측정된다. 그런 다음 이들 에러에는 비교적 작은 게인이 곱해져 펌프 속도(또는 모터 속도) 및 밸브 위치를 동적으로 수정해서 태양 추적기가 원하는 운동을 할 수 있게 한다. 본 발명의 바람직한 실시 형태에서, 피드백 시스템은, 마찰 변화를 포함하는(이에 한정되지 않음) 시간 경과적 기계적 시스템의 변화 및 온도 변화를 포함하는(이에 한정되지 않음) 환경적 조건의 변화를 보상한다.

솔라 피드백 최적화가 이루어지는 실시 형태를 위해서, 플랫폼(18)에 대한 최적 솔라 입력의 위치를 검출하는 솔라 센서(들)로부터의 출력에는 비교적 작은 시간 누적 게인이 곱해져, 피드포워드 값으로부터 소정의 한계내에서 피드포워드 위치가 느리고 안정적으로 조절된다. 그리고 나서, 이 출력은 액츄에이터(10, 12, 34)(실린더)의 위치에 대한 조절로 변환되고 최종적으로는 펌프와 밸브 신호로 변환된다. 최소의 광학과 계산 능력을 갖는 단일의 이차원 챠지드 커플 장치("2D CCD") 센서와 유사한 센서를 사용하여, 본 실시 형태에서 밝기의 중심을 찾는다. 그러나, 유사한 기능을 갖는 다른 센서도 사용할 수 있다.

액츄에이터(10, 12, 34)(실린더) 위치의 "시간 변화률"(또는 일계 도함수) 와 유압 펌프의 구동을 위한 모터 속도 사이의 수학적 모델에 기록되어 있는 공지된 관계는 제어 시스템의 일 요소이다. 스플라인 곡선 방정식의 일계 도함수로부터는 액츄에이터(10, 12, 34)(실린더)를 구동하는 로드의 속도를 알 수 있다. 유압 시스템에 있어서는, 실린더 보어와 로드 직경을 알면, 제어 시스템은 그 속도에서 액츄에이터(10, 12, 34)(실린더)를 움직이게 하는데 요구되는 유체 유량을 계산할 수 있다. 요구되는 유량으로 제어 시스템은 요구되는 펌프 속도를 계산하기 위해 그 펌프의 회전률 당 입방 인치를 사용할 수 있다. 그리고, 펌프를 구동하기 위해 모터 속도를 제어하기 위한 드라이버 계산은 원하는 유량을 얻기 위해 펌프 속도 요건으로부터 구해진다.

시스템의 속도 때문에 모터 크기에 대한 요건은 최소이다. 시스템을 구동하는데 있어서는 작지만 내구성이 있는 모터(크기면에서는 진공 청소기 모터와 비슷함)만 있으면 된다. 추가로, 모터 시동의 최소화는 모터의 마모를 줄이는데 도움이 된다. 연속적인 사용을 위한 등급의 소형 모터가 빈번히 시동되고 또한 정지되어야 하는 대형 모터 보다 낫다. 피드포워드 제어 시스템은 온/오프 사이클이 최소화되도록 구동장치의 균형을 이룬다. 밸브 사이클의 최소화는 또한 최대의 신뢰성을 얻는데 있어 중요하다. 피드포워드 제어 시스템에 의해 제공되는 밸런스에 의해 밸브 사이클을 최소화할 수 있다.

본 발명의 어떤 실시 형태에서는, 센서가 액츄에이터(10, 12, 34)(실린더) 몸체에 설치되거나 또는 실린더 몸체의 내부에 설치되어, 한 조인트의 중심에서 다른 조인트의 중심까지의 총 실린더 길이를 측정한다. 이들 센서는 전술한 제어 알고리듬에서 사용되는 각 액츄에이터(10, 12, 34)(실린더)의 위치에 대한 피드백 데이타를 제공한다. 그러나, 본 발명의 바람직한 실시 형태에서는, 각각의 각도에서 인코더에 의해 측정되는 연결 기구 각도에 근거하여 액츄에이터 위치를 계산하는데, 이렇게 하는 것이 액츄에이터 위치를 직접 측정하는 것 보다 정확하고 비용면에서도 효과적이다.

태양 추적기의 ISO 실시 형태의 RA 실시 형태에서, 다양한 위도와 허용 공차 요건을 수용하기 위한 조절이 가능할 수 있게 본 발명의 서브 프레임(16)은 각 액츄에이터(10, 12)의 정상부에 유니버셜 조인트를 부착하기 위한 복수의 설치 구멍을 갖는다. 서로 가까이 떨어져 있는 설치 구멍을 사용함으로써, 최대의 일출 및 일몰 각도에 대해 더 큰 범위가 주어지고 또한 기둥(14) 또는 다른 액츄에이터(10, 12)로부터 더 멀리 떨어진 위치는 더 큰 정확성을 준다.

본 발명의 실시 형태에서 더 긴 스트로크를 갖는(삼각형 높이에 비해) 선형 액츄에이터(10, 12)를 사용하고 기둥(14)의 높이를 액츄에이터(10)의 중간 스트로크 길이와 같게 함으로써 완전한 360°회전을 이룰 수 있다.

센서: 어떤 실시 형태에서, 제어 시스템은 각 자유도를 위한 일종 이상의 센서를 갖는다. 이들 센서는 인코더, 선형 센서, 레벨 센서 및 비젼 센서 등을 포함하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 인코더는 연결 기구의 축(33, 35)으로부터 직접 각도를 측정하는데 사용될 수 있다. 자기 변형 재료(magnetostictive), 레이저, 초음파(예컨대, MTS 에서 제조된 것) 등과 같은 선형 위치 측정 센서를 사용해서 선형 액츄에이터(10, 12, 34)의 길이를 측정할 수 있다. 플랫폼(18)이 수평일 때는 자이로스코프, 수은 스위치 또는 다른 장치를 사용한다. 어떤 실시 형태에서는, 기계 비젼 시스템 및/또는 광전지(또는 그와 유사한 것)가 제어 시스템의 일부로서 포함될 수도 있다. 비젼 시스템은 태양 추적기 위치와 태양의 실제 위치 사이의 각도 에러를 측정하는데 사용된다. 이 측정된 에러는 제어 시스템을 수정 또는 보정하거나 에러를 줄이는데 사용된다.

본 발명의 실시 형태에서, 고도와 방위각을 측정하는 센서는 선형 액츄에이터에 있는 센서들을 대체 또는 증대시킬 수 있다. 이들 각도 측정 장치는 시스템이 포커스되고 집중된 또는 미러드(mirrored) 콜렉터의 더 좁은 허용 공차 내에서 작동할 수 있게 도와 준다. 추가로, 본 발명의 실시 형태에서, 에너지 시스템으로부터의 통합 데이타는 위에서 언급한 다른 테이타 입력에 추가될 수 있고 본 발명의 선택적인 인터넷 접속으로 소유주와 유지 보수 업자에게 사용될 수 있다. 본 발명의 어떤 실시 형태에서, 추적이 정확하다는 것을 입증하기 위해 솔라 센서 피드백을 추가할 수 있다. 이는 시스템의 출력을 측정하여 플랫폼(18)의 면에 직교하는 라인에 대한 태양의 위치를 직접 감지하는 것을 포함한다.

대안적인 실시 형태에서, 태양 각도는 실시간으로 제공될 수 있고 미분 계산으로 구해지는 도함수로 선형 액츄에이터 위치로 직접 변환될 수 있다. 이들 변환과 계산은 전술한 스플라인 곡선에 대한 대안으로 사용된다.

낮 시간 보정: 광전지 또는 유사한 검출기가 사용되는 실시 형태에서, 센서들은 튜브의 주 축선이 플랫폼(18)의 면에 직교하도록 설치되는 중공 튜브의 바닥에 위치된다. 이 튜브의 길이와 크기는 센서가 태양을 검출할 때 또는 검출할 수 없을 때 원하는 정확도가 확실히 얻어지도록 선택된다. 대안적으로, 상기 추적기에 있는 하나 이상의 태양 패널로부터 나오는 전기 에너지의 측정된 출력은 태양이 플랫폼(18)과 태양 패널의 허용가능한 범위내에 있음을 감지하는데 사용된다. 전기 출력을 사용하는 경우, 출력의 증대 및 감소로부터, 제어 시스템의 현재의 보정에 대한 태양 위치에 관한 정보를 얻을 수 있다. 감지 전략에서 주어진 시간 이상 동안 태양이 검출되지 않으면, 제어 프로그램에 따라 플랫폼(18)은 태양을 검출하거나 현재의 보정으로부터의 미리 설정된 최대 각도 편차에 이를 때까지 원래의 위치로부터 동심원으로 외부로 움직이게 된다(플랫폼(18)에 직교하는 중심 축선이 원형의 조사 패턴 밖으로 반복적으로 휩쓸고 지나가 원의 반경이 커지게 된다). 허용가능한 최대 편차에 도달되면, 태양 추적기는 원래의 궤도로 돌아가고 설정된 시간 동안 추적을 계속하게 된다. 태양이 센서에 의해 다시 검출되면, 추적은 통상 대로 계속된다. 그렇지 않으면, 조사 과정이 다시 개시된다. 태양이 조사 중에 발견되면, 연결 기구(22)의 각 축(33, 35)와 관련된 각도에 대해 보정 오프셋이 설정된다. 설정된 횟수의 조사 과정이 완료되기 전에 태양이 발견되지 않으면, 추적기는 재보정을 위한 유지 관리를 요청하는 메시지를 보내게 된다. 태양의 중심을 찾기 위해 추적기는 태양이 검출되는 경로를 따라 가장 멀리 있는 지점에 도달할 때까지 그의 원형 경로를 계속 따르게 된다. 태양이 발견되는 아치형 경로의 시간과 길이는 주어진 날에 있어서 태양의 모습의 알려진 예상되는 기하학적 형태 및 GPS 좌표에 근거하여 태양의 중심을 계산하는데 사용된다.

본 발명의 일 실시 형태에서는, 유사한 방식으로 작동하지만 동심원이 태양 추적 장치가 아닌 소프트웨어에서 수행되기 때문에 더 빠른 기계 비젼 센서가 사용된다. 본 발명의 대안적인 실시 형태에서, 태양 패널 시스템의 전기 출력을 측정하는 센서들은 태양을 검출하는 광학적 센서 등의 대신에 사용된다.

본 발명의 바람직한 실시 형태에서, 태양이 처음 검출되고 또한 마지막으로 검출된 위치와 시간이 기록되고 계산에 사용되며, 이 계산에서는 태양의 줌심을 찾기 위해 태양 추적기 운동의 알려진 원형 패턴, 하늘을 가로지르는 태양의 알려진 운동 및 알려진 겉보기 크기와 기하학적 특성이 이용된다. ,

야간 보정: 각 밤에 태양 추적기는 그의 플랫폼(18)이 수평으로 되는 위치로 가게 되며 시스템은 레벨 센서(자이로스코프 등)에 대한 그의 위치를 검사하게 된다. 시스템이 허용 공차 밖에 있으면, 낮 시간 조사와 유사한 조사 과정이 수행되어 레벨 위치를 찾고 또한 전술한 바와 같이 오프셋 각도가 설정되고 또는 더 큰 최대 조사 영역의 경우에는 스플라인 곡선 생성을 위한 방위 및 고도 입력에 적용된다.

통신: 바람직한 실시 형태에서, 인터넷 접속을 처리하는 로컬 서버와 통신을 하기 위해 광섬유, 무선 및/또는 유선 로컬 이더넷 네트워크 등의 조합이 시스템에 구비된다. 솔라 필드내에 있는 추적기의 개수에 따라, 다수의 로컬 서버가 일군의 태양 추적기에 대한 감독 제어 시스템 및 데이타 획득 시스템("SCADA 시스템")으로서 작용한다. SCADA 시스템은 낮 기준으로 원거리에 있는 원자 클록에 로컬 클록을 동기화시키기 위해 인터넷 접속을 사용한다. SCADA 시스템은 밤 기준으로 또는 출력 증대시 그의 실시간 클록을 태양 추적기의 실시간 클록에 동기화시킨다. 또한, SCADA 시스템은 시간, 태양 추적기의 위치 좌표, 태양의 각도 위치 또는 스플라인 곡선의 계수등과 같은 입력이 얻어질 수 있는 야간용 스플라인 곡선에 필요한 추가적인 정보를 전달한다. SCADA 시스템은 또한 데이타 집중기로서 작용하고 또한 경보를 모니터링하거나 데이타 등을 수집하는 것과 같은 기능을 수행한다. 이와 관련하여 메시지와 리포트가 또한 전송될 수 있다(예컨대, 유지 보수 요청).

전술한 보정법 중에서 어떤 것에서도, 정정은 성능 개선을 위해 제어 시스템에서 출력으로 사용될 수 있고 또한 계휙된 궤도의 출력이 보정 정정을 포함하도록피드포워드 제어 시스템에 대한 입력으로 사용될 수 있다.

바람 릴리프 : 바람직한 실시 형테에서, 태양 추적 장치(2)는, 시스템 부품이 파손되거나 굽혀지는 것을 막기 위해 액츄에이터(10, 12, 34)가 심한 바람의 힘에 따르면서 움직이도록 설계되어 있다. 유압 액츄에이터(10, 12, 34)를 갖는 시스템에서는, 이는 각 실린더에 설치되는 커운터밸런스 밸브를 사용해서 달성된다. 이 카운터밸런스 밸브는 통상적인 바람 조건에 필요한 압력을 초과하는 유압을 방출하기 위해 설치된다. 이 조건에서 방출되는 유체는 실린더와 저장 탱크 양측 사이에서 흐르게 된다. 카운터밸런스 밸브의 이 릴리프 기능은 바람의 힘에 비례한다. 밸브는 필요한 때만 열리고 따라서 실린더 변위는 최소로 된다. 한바탕 바람이 잔잔해진 후, 구동 시스템에 의해 실린더는 어떤 허용 공차내의 그의 위치로 복귀하게 된다. 복귀 시간은 변위량에 따라 다를 것이지만, 항상 몇분내에서 이루어진다. 이리 하여, 시스템은 높은 바람에 의한 손상을 피할 수 있고 또한 다른 태양 추적기로 가능한 경우 보다 훨씬 더 높은 바람 속도에서도 태양 에너지를 포집할 수 있다.

본 발명의 일 실시 형태에서, 유압 저장부는 기둥안에 있다. 주 기둥의 내부의 일부는 유압 유체를 내장하는데 사용된다.

당업자라면 본 발명의 실시 형태에서 태양 추적 장치가 그의 기계적 한도를 넘어 구동되는 것을 막기 위한 수단으로서 범퍼 등을 사용할 수 있음을 쉽게 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 일 실시 형태에서는 태양 추적기가 그의 기계적 한도를 넘어 구동되는 것을 막기 위해 범프가 제공된다. 이들 범프는 태양 추적 장치가 폭풍우속에서 손상되거나 바람직하지 않은 방향으로 움직이는 것을 막는다. 심한 바람이 불 때 전력 공급이 중단되면, 바람 릴리프 시스템과 범프에 의해, 시스템은 바람 하중이 최소로 될 수평 위치로 움직이게 된다. 전력 공급 중단시 심한 바람이 존재하지 않으면, 시스템은 전력이 회복될 때까지 그의 위치를 유지하게 된다.

균형: 지상 여유가 최대로 되고 바람 하중을 이용하여 플랫폼(18)이 수평 위치로 움직이는 것이 촉진되도록 태양 추적 장치(2)는 바람직하게는 연결 기구(22)에 대해 균형을 이루게 된다. 이들 조건은 대부분의 상황에서 액츄에이터(10, 12, 34)의 부하를 최소화하는데 도움이 된다. 이 경우 균형은 질량 보다는 기하학적인 것이다.

유체: 유압 실린더를 이용하는 일 실시 형태에서, 상기 시스템은 낮은 작동 압력과 듀티 사이클을 위해 설계되어 있으므로 생분해성 오일을 사용하는데 잘 적합하게 되어 있다. 이들 환경친화적인 유체는 또한 청소와 유지 보수에 대한 비용도 줄여준다.

호스 고장: 전술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시 형태에서, 카운터밸런스 밸브가 실린더에 직접 설치된다. 호스가 고장난 경우, 유압력이 회복될 수 있을 때까지 카운터밸런스 밸브가 실린더를 제 위치에 유지시킨다. 실린더의 운동이 불가능하게 될 점까지 유압 유체 공급이 저하되면, 제어 시스템은 이 조건을 감지하여 자동적으로 중단시킨다. 어떤 경우든, 흘려지는 유체의 양은 최소화될 것이다. 최소의 유지 보수 요건과 누설 또는 흘림의 가능성이 최저로 되는 것을 보장하기 위해 시스템내의 모든 이음부 및 시일 그리고 호스는 최신 기술과 최상의 품질로 만들어진다.

태양 추적 장치의 일 실시 형태에서, 각 실린더를 위해 한 펌프로부터 여러 실린더로의 밸브 제어에 대한 대안으로서 별도의 펌프와 모터(또는 양 방향 펌프 및 모터)가 사용된다.

본 발명의 다른 실시 형태에서는 다층 조작을 이용하는데, 이 경우, 조작이 누적되도록 제 2, 3 또는 4의 베이스 시스템이 다른 시스템에 추가하여 설치된다. 이러한 적층식 접근법으로, 조작의 더 큰 자유도를 얻을 수 있고 또한 조인트의 기계적 한도의 영향을 줄일 수 있다.

본 발명의 일 실시 형태에서, 단일 축 또는 여러개의 축을 따르는 서브 프레임의 보조 작동은 선택된 축에 대한 더 큰 자유도와 정확성을 부여한다. 예컨대, 본 발명의 일부 실시 형태에서는, 수평선(방위축)을 가로지르는 관절이 최소이거나 전혀 없다. 이는 수평에서 일출/일몰의 위치를 위해 남북으로 회전할 수 있다는 점에서 유리하다.

또한, 본 발명의 일 실시 형태는 유연성과 정확성을 높이기 위한 대안적인 방법으로서 베이스의 보조 작동을 이용할 수 있다. 이러한 경우, 액츄에이터와 기둥의 기초 설치부는 각각 하나의 회전 베이스에 부착된다.

본 발명의 일 실시 형태는 진동을 없애고 마모를 더 줄이기 위해 추가되는 스트러트 등과 같은 감쇠 수단을 이용할 수 있다.

추가로, 본 발명의 일 실시 형태는 위성 접시를 겨냥하기 위한 다른 목적으로 사용되거나, 구동 기구(예컨대, 프로펠러 또는 제트 엔진) 또는 무기용 설치/조준 시스템으로도 사용될 수 있다.

본 발명의 일 실시 형태는 피드포워드 제어를 사용하지 않는다. 이 대안적인 경우, 스플라인 곡선 위치가 표준 비례 적분 도함수("PID")제어를 위한 입력으로서 사용된다.

대안적인 실시 형태에서, 기둥(14)의 정상부에 있는 연결 기구(22)를 회전시키고 전체 기둥(14)을 회전시키거나 또는 전체 장치(2)를 회전시키기 위해 추가적인 관절을 부가할 수 있다. 이렇게 하는 일차적인 이유는, 이른 아침 및/또는 늦은 오후에 시스템의 정확성을 높이기 위한 것이다. 본 발명의 일 실시 형태에서 설치되는 어떤 변환 장비에 대해서는, 상기 추가적인 관절이 부가된다면 일출 및 일몰 모두를 위해 발전 기회가 한 시간 내지 두 시간 늘어나게 된다.

본 발명의 대안적인 실시 형태에서, 태양 추적 장치는 수평 외의 다른 방향으로도 설치될 수 있다. 예컨대, 시스템은 빌딩의 측면, 산허리 등에도 설치될 수 있다. 이들 위치에서는 전체적으로 태양 노출이 적지만 노출이 있을 때 태양을 추적한다는 점에서 더 큰 효율의 이점이 있다.

본 발명의 다른 실시 형태에서, 기둥 높이가 조절된다. 선형 액츄에이터등을 사용해서, 액츄에이터나 이 액츄에이터의 외부에 있는 프레임에 의해 조인트가 기둥의 축선을 중심으로 회전하는 것을 억제하면서 기둥의 정상부를 승하강 시킬 수 있다. 이 실시 형태에서는 각각의 액츄에이터에서 더 작은 스트로크 길이로도 플랫폼의 운동 범위가 더 커지게 된다.

당업자라면 본 발명의 실시 형태들이 단지 두개의 액츄에이터에 한정되는 것은 아님을 쉽게 이해할 것이다. 본 발명의 일 실시 형태에서, 제 3 액츄에이터가 액츄에이터(10, 12)와 유사한 방식으로, 기둥(14)의 반대쪽에서 동서 방향 액츄에이터에 대칭이 되도록 서브 프레임(16)에 직접 부착될 수 있다. 이 제 3 액츄에이터는 동서 방향 액츄에이터와 동일한 역할을 하여 강도와 안정성을 증가시켜 준다.

도 12a 및 도 12b 에서 보는 바와 같이, 본 발명의 일 실시 형태에서, 상기 시스템은 하나 이상의 역 실린더(76)를 이용한다. 이들 실린더 구성은 당김력만 제공하고 중력을 이용해 부스러기를 로드 시일(78) 밖으로 제거하는 이점을 갖는다.

또한, 도 13 ∼ 15 에서 보는 바와 같이, 본 발명의 일 실시 형태에서, 제 2 기둥(80)(제 4 다리)을 사용해서 더 큰 안정성과 토크 저항성을 얻는다. 이 경우에, 제 2 기둥(80)은 연결 기구(22)의 하부 회전 축선과 정렬되며, 하부 조인트(82)의 축은 기둥(14, 80) 사이의 거리에 걸치도록 연장되어 있다. 연결 기구(22)는 링크 지지부(81)에 의해 더 지지된다.

도 19 ∼ 21 에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시 형태에 따르면, 스프로킷 기어(48)와 랙기어(50)를 통한 작동을 위해 일정 모멘트 레버(46)가 제공된다. 이 구성에 의하면, 여러 추적기들이 동서 방향 작동을 위해 단일의 액츄에이터(52)를 공유할 수 있다. 단일의 액츄에이터(52)는 각각의 태양 추적기(56)에 있는 로드(54)에 부착되어 있는 랙기어(50)를 이용하여 로드(54)를 밀고 당기게 된다. 랙기어(50)는 각 추적기(56)에 있는 스프로킷 기어(48) 부분과 접속한다. 상기 로드(54)가 밀리고 당겨짐에 따라 링크(58)가 동서 방향으로 회전하도록(또는 설치시 요구된 방향을 따라) 기둥 상부 링크(58)는 스프로킷 기어(48)에 직접 연결되어 있다. 로드(54)는 태양 추적기의 운동을 위한 여유를 제공하기 위해 지면 또는 그 근처에 배치된다. 스프로킷 기어(48) 세그먼트는 기둥 상부의 링크(58)의 하부 축의 회전축(60)의 중심으로부터 아래로 로드(54)에 있는 랙기어(50)까지 반경(R1)을 갖는다. 어떤 실시 형태에서는, 로드(54)와 스프로킷 기어(48)가 기둥(64)의 두 부분 사이에 있거나 로드(54)와 스프로킷 기어(48)가 기둥(64) 근처에 있도록 기둥(64)을 분할할 수 있다. 각 태양 추적기를 위한 제 2 액츄에이터(66)는 연속적으로 움직일 수 있고 또는 성능 요건에 맞춰 필요에 따라 주기적으로 움직일 수도 있다. 다른 실시 형태에서, 제 2 액츄에이터(66)는 고정 길이의 부재 또는 수동으로 조절되는 길이를 갖는 부재로 대체된다. 이 실시 형태는 구축하는데 비용이 덜 들고 또한 다른 태양 추적기에 비해 진보된 성능을 준다.

또 다른 실시 형태에서, 동서 방향 액츄에이터는 수평으로 배치되며 기둥 링크의 일체적인 부분인 스퍼 기어를 회전시키는 기어 랙을 움직이게 한다. 스퍼 기어의 중심은 링크의 바닥 축이다. 링크의 상부축은 강도와 안정성이 보장되도록 기어에 충분히 길게 연결되도록 스퍼 기어의 외주에 있는 두 지점을 이어주면서 그 기어에 부착되어 있으며, 추적기가 태양의 모든 위치에 이를 수 있도록 적절한 각 자유도를 제공하기 위해 다른 축으로부터는 충분히 멀리 있다. 축들은 바람직하게는 서로 직교한다. 상부축의 두 단부와 서브 프레임에 있는 제 2 액츄에이터는 안정 삼각형을 이룰 것이다. 수평 액츄에이터는 그의 고정된 단부에서 짧은 기둥으로 지지되며, 로드 단부에서는 중앙 기둥으로 지지된다. 짧은 기둥, 주 기둥 및 제 2 액츄에이터의 베이스는 지상에서 안정 삼각형을 이룰 것이다. 주 기둥은 두 기둥 시스템, 또는 피작동 기어 트랙과 액츄에이터 지지부를 위한 통로가 중앙을 통과하는 단일의 기둥으로 구성될 수 있다.

도 22, 22a 및 22b 에서 보는 바와 같이, 다른 대안적인 실시 형태에서, 지상에 설치되는 제 3 액츄에이터(68)를 사용하여, 스프로킷을 갖는 직각("RAS") 모델 추적기의 동서 방향 제어 액츄에이터(74)의 반대편에서 스프로킷 또는 비미끄럼풀리(72)를 가로질러 체인이나 케이블(70)을 당긴다. 이 실시 형태에 따르면, 동서 각 위치를 구동하는 액츄에이터(74)의 모든 위치에 대해 일정한 모멘트가 제공되고 또한 수평에서 또는 그 근처에서 더 큰 안정성 요인이 제공된다. 상기 체인 또는 케이블(70)은 스프로킷이나 비미끄럼 풀리(72)의 정상부 위 또는 그 바닥의 아래를 지날 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시 형태들과 그의 변형예들를 여기서 상세히 설명했지만, 본 발명은 전술한 실시 형태와 변형예에 한정되는 것이 아니고, 첨부된 청구범위에 기재되어 있는 바와 같은 본 발명의 범위와 정신을 벗어나지 않고 다른 변형예와 변경이 당업자에 의해 이루어질 수 있을 것이다. 예컨대, 본 발명은 네개 이상의 액츄에이터, 세개 이상의 기둥, 꺽인 기둥 및 다른 구성도 포함할 수 있다.

도면에 포함된 참조 번호 리스트

다음은 본 발명의 실시 형태를 위한 첨부된 도면에 사용되는 모든 참조 번호의 리스트이다.

(1) 기초 시스템 (31) 몸체 부재

(2) 태양 추적 장치 (32) 오프셋

(4) I 빔 크로스 (33) 제 1 축

(6) 기초 설치부 (34) 제 3 액츄에이터

(8) 설치 표면 (35) 제 2 축

(10) 액츄에이터 (36) 설치부

(12) 액츄에이터 (38) 버팀부

(14) 기둥 (40) 비틀링 저항 바아

(15) 조인트/핀 연결부 (42) 기초

(16) 서브 프레임 (44) 받침부

(17) 기둥 베이스 (46) 일정 모멘트 레버

(18) 플랫폼 (48) 스프로킷 기어

(20) 조인트 연결부 (50) 랙 기어

(22) 연결 기구 (52) 동서 방향 액츄에이터

(23) 연결 기구 (54) 로드

(24) 직각 삼각형 (56) 태양 추적기

(25) 이등변 삼각형 (58) 기둥 상부 링크

(26) 중심 축선 (60) 회전 축선

(27) 정삼각형 (64) 기둥

(28) 베어링 어셈블리 (66) 제 2(남북 방향) 액츄에이터

(29) 강판 (68) 지상 설치 액츄에이터

(30) 베어링 (70) 체인

(72) 스프로킷 (84) 풀 바아

(74) 동서 방향 액츄에이터 (86) 체인 연결부

(76) 역 실린더 (88) 설치 핀

(78) 로드 시일 (90) 비틀림 바아

(80) 제 2 기둥 (92) 푸시 바아

(81) 링크 지지부 (94) 안내 핀

(82) 하부 조인트 (96) 기초판

Claims

피작동 피드포워드 제어식 태양 추적 시스템으로서,
하나 이상의 태양 패널을 지지하기 위한 서브 프레임;
상기 서브 프레임을 지지하기 위한 하나 이상의 기둥;
상기 서브 프레임을 상기 기둥에 연결하는 연결 부재;
각기 제 1 단부와 제 2 단부를 갖는 두개 이상의 선형 액츄에이터;
상기 선형 액츄에이터의 제 2 단부를 서브 프레임에 연결하기 위한 회전 조인트;
상기 선형 액츄에이터를 구동시키기 위한 구동 시스템;
입력으로서 여러 데이타 점들을 사용해서 상기 선형 액츄에이터의 원하는 위치를 계산하며 상기 구동 시스템과 통신하여 선형 액츄에이터를 원하는 위치로 구동시키는 컴퓨터를 포함하는 피드포워드 제어 시스템; 및
센서 장치가 수집한 정보를 상기 피드포워드 제어 시스템에 전달하는 피드백 제어 시스템을 포함하며,
상기 연결 부재는 제 1 축, 제 2 축 및 이들 제 1 축과 제 2 축 사이에 배치되는 몸체 부재를 포함하며,
상기 제 1 축과 제 2 축은 실질적으로 서로 직교하여 배치되고 또한 상기 몸체 부재의 길이와 대략 동일한 거리로 서로 떨어져 있으며,
상기 피드포워드 제어 시스템과 피드백 제어 시스템은 통합 방식으로 기능하는 태양 추적 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 선형 액츄에이터의 제 1 단부를 기초 시스템에 연결하기 위한 회전 조인트를 더 포함하는 태양 추적 시스템.
제 1 항에 있어서,
제 1 단부와 제 2 단부를 갖는 하나 이상의 받침부를 더 포함하며, 상기 제 1 단부는 기초 시스템에 연결되고 제 2 단부는 회전 조인트로 선형 액츄에이터에 연결되는 태양 추적 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 축, 제 2 축 및 몸체 부재는 일체화된 부재이거나 개별적인 부재인 태양 추적 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 축과 제 2 축의 단부들은 기둥의 정상부 및 서브 프레임의 바닥에 부착되어 있는 베어링 어셈블리에 배치되는 태양 추적 시스템.
제 1 항에 있어서,
복수의 빔과 복수의 고정 부재를 포함하는 기초 시스템을 더 포함하는 태양 추적 시스템.
제 5 항에 있어서,
제 1 단부와 제 2 단부를 갖는 버팀 부재를 더 포함하며, 상기 제 1 단부는 빔에 연결되어 있고 제 2 단부는 기둥에 연결되어 있는 태양 추적 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 회전 조인트와 연결 부재는 2자유도의 회전 운동을 포함하는 태양 추적 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 구동 시스템은 유압 시스템을 포함하는 태양 추적 시스템.
제 8 항에 있어서,
상기 유압 시스템을 위한 저장부가 상기 기둥안에 배치되어 있는 태양 추적 시스템.
제 9 항에 있어서,
상기 선형 액츄에이터는 유압 실린더이고, 구동 시스템은 유압 펌프에 연결된 전기 모터이며, 피드포워드 제어 시스템은 전기 모터 및 상기 시스템에 있는 일련의 밸브와 소통하여 서브 프레임을 원하는 위치로 움직이게 하는 태양 추적 시스템.
제 1 항에 있어서,
제 1 단부와 제 2 단부를 갖는 비틀림 저항 바아를 더 포함하며, 제 1단부는 선형 액츄에이터의 베이스에 연결되어 있고 제 2 단부는 기둥의 베이스에 연결되어 있는 태양 추적 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 서브 프레임이 그의 기계적 한도를 넘어 구동되는 것을 방지하기 위한 수단을 더 포함하는 태양 추적 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 데이타 점들은 미리 정해져 있는 태양 추적 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 데이타 점들은 실시간으로 계산되는 태양 추적 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 데이타 점들은 시간, 날짜, 지리적 위치결정 시스템 좌표, 기초 방향, 실린더 위치, 연결 부재의 각도, 밸브 위치 및 태양 추적 센서 데이타를 포함하는 태양 추적 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 컴퓨터는 다항 스플라인 곡선을 사용하는 태양 추적 시스템.
제 16 항에 있어서,
상기 다항 스플라인 곡선은 시간 미분 특성을 포함하는 태양 추적 시스템.
제 16 항에 있어서,
상기 스플라인 곡선은 이차, 삼차 또는 그 이상의 다항식을 포함하는 태양 추적 시스템.
피작동 피드포워드 제어식 태양 추적 시스템으로서,
하나 이상의 태양 패널을 지지하기 위한 서브 프레임;
상기 서브 프레임을 지지하기 위한 하나 이상의 기둥;
상기 서브 프레임을 상기 기둥에 연결하는 연결 부재;
각기 제 1 단부와 제 2 단부를 갖는 두개 이상의 선형 액츄에이터;
상기 선형 액츄에이터의 제 2 단부를 서브 프레임에 연결하기 위한 회전 조인트;
상기 선형 액츄에이터를 구동시키기 위한 유압 시스템을 포함하는 구동 시스템;
기초 시스템에 연결되는 제 1 단부 및 회전 조인트로 선형 액츄에이터에 연결되는 제 2 단부를 갖는 하나 이상의 받침부;
입력으로서 여러 데이타 점들을 사용해서 상기 선형 액츄에이터의 원하는 위치를 계산하며 상기 구동 시스템과 통신하여 선형 액츄에이터를 원하는 위치로 구동시키는 컴퓨터를 포함하는 피드포워드 제어 시스템; 및
센서 장치가 수집한 정보를 상기 피드포워드 제어 시스템에 전달하는 피드백 제어 시스템을 포함하며,
상기 연결 부재는 제 1 축, 제 2 축 및 이들 제 1 축과 제 2 축 사이에 배치되는 몸체 부재를 포함하며,
상기 제 1 축과 제 2 축은 실질적으로 서로 직교하여 배치되고 또한 상기 몸체 부재의 길이와 대략 동일한 거리로 서로 떨어져 있으며,
상기 제 1 축, 제 2 축 및 몸체 부재는 일체화된 부재이며,
상기 데이타 점들은 시간, 날짜, 지리적 위치결정 시스템 좌표, 기초 방향, 실린더 위치, 연결 부재의 각도, 밸브 위치 및 태양 추적 센서 데이타를 포함하고,
상기 컴퓨터는 다항 스플라인 곡선을 사용하며,
상기 피드포워드 제어 시스템과 피드백 제어 시스템은 통합 방식으로 기능하는 태양 추적 시스템.
피작동 피드포워드 제어식 태양 추적 시스템으로서,
하나 이상의 태양 패널을 지지하기 위한 서브 프레임;
상기 서브 프레임을 지지하기 위한 하나 이상의 기둥;
상기 서브 프레임을 상기 기둥에 연결하는 연결 부재;
각기 제 1 단부와 제 2 단부를 가지며, 구조 부재로서 기능하는 두개 이상의 선형 액츄에이터;
상기 선형 액츄에이터의 제 2 단부를 서브 프레임에 연결하기 위한 회전 조인트;
상기 선형 액츄에이터를 구동시키기 위한 유압 시스템을 포함하는 구동 시스템;
기초 시스템의 빔에 연결되는 제 1 단부 및 회전 조인트로 선형 액츄에이터에 연결되는 제 2 단부를 갖는 하나 이상의 받침부;
상기 서브 프레임이 그의 기계적 한도를 넘어 구동되는 것을 방지하기 위한 수단;
입력으로서 여러 데이타 점들을 사용해서 상기 선형 액츄에이터의 원하는 위치를 계산하며 상기 구동 시스템과 통신하여 선형 액츄에이터를 원하는 위치로 구동시키는 컴퓨터를 포함하는 피드포워드 제어 시스템; 및
센서 장치가 수집한 정보를 상기 피드포워드 제어 시스템에 전달하는 피드백 제어 시스템을 포함하며,
상기 연결 부재는 제 1 축, 제 2 축 및 이들 제 1 축과 제 2 축 사이에 배치되는 몸체 부재를 포함하며,
상기 제 1 축과 제 2 축은 실질적으로 서로 직교하여 배치되고 또한 상기 몸체 부재의 길이와 대략 동일한 거리로 서로 떨어져 있으며,
상기 제 1 축, 제 2 축 및 몸체 부재는 일체화된 부재이며,
상기 제 1 축과 제 2 축의 단부들은 기둥의 정상부 및 서브 프레임의 바닥에 부착되어 있는 베어링 어셈블리에 배치되며,
상기 데이타 점들은 시간, 한 해의 시간, 날짜, 지리적 위치결정 시스템 좌표, 장치 탑재 클록, 기초 방향, 실린더 위치, 연결 부재의 각도, 밸브 위치 및 태양 추적 센서 데이타를 포함하고,
상기 컴퓨터는 시간 미분 특성을 갖는 다항 스플라인 곡선을 사용하며,
상기 피드포워드 제어 시스템과 피드백 제어 시스템은 통합 방식으로 기능하는 태양 추적 시스템.