KR20180123146A - 태양 추적 장치 - Google Patents

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Abstract

태양 추적 장치는 주 광학 센서(30); 적어도 2개의 보조 광학 센서(70a, 70b); 및 하우징을 포함한다. 하우징은 주 센서(30)가 그 아래에 배치되는 중심 구멍(100; 62; 82) 및 각각의 보조 센서(70a, 70b) 각각이 배치되는 중심 구멍(100; 62; 82) 주위에 측방향으로 배치된 광정(22; 25)을 갖는 상부 표면(80)을 갖는다. 각각의 광정(22, 25)은, 연관 보조 센서(70a, 70b)가 그 위에 배치되는 저부 표면(15); 상부 표면의 개구(84); 및 상부 표면과 저부 표면을 연결하는 측벽(22)을 포함한다. 측벽(22) 중 하나는 중심 구멍의 접선에 평행하게 배치된 광 반사 표면(25)이며, 다른 모든 측벽은 광 흡수성이다.

Description

태양 추적 장치
본 발명은 태양 추적 장치에 관한 것이며, 특히 다수의 광학 센서를 갖는 태양 추적 장치에 관한 것이다.
태양 에너지 집광에서 태양 집광 패널, 예컨대, 광기전(PV) 패널을 그 위치에서 최적 배향으로 배치하는 것이 바람직하다. 고정 설치에서, 이는 패널을 대체로 남쪽 방향(북반구에서)으로 향하게, 그리고, 수평선에 대해 적절한 각도로 패널을 배치하는 것일 수 있다. 그러나, 이러한 고정 설치는 가능한 한 태양광을 많이 포획하지 못하며, 그 이유는 배향이 절충적이며, 하루 중 대부분에 대하여, 효율적 태양 에너지 집광에 대해 패널과 관련하여 태양이 최적의 위치에 있지 않기 때문이다. 집광 효율을 향상시키기 위해, 패널에 대한 태양의 위치를 감지할 수 있는 연관 태양 추적 장치를 태양 패널에 제공하고, 전동 구동 메커니즘으로 패널을 그 방향을 향해 지향시키도록 배향시키는 것이 공지되어 있다. 이 방식으로, 패널은 하루 중 임의의 주어진 시간에 가능한 한 가장 효율적인 각도- 대체로 태양에 수직임 -로 배향될 수 있다.
예를 들어, US 2015076319 A로부터, 상부 표면 상에 구멍을 갖는 상자, 상자의 저부 상의 감광 요소 어레이 및 입사 태양광을 어레이로 지향시키기 위한 볼록 렌즈 어레이를 포함하는 태양 추적 장치를 제공하는 것이 알려져있다. 이 장치는 패널에서 태양 에너지의 집광을 최대화하기 위해 감광 요소 어레이로부터의 신호에 응답하여 태양 집광 패널의 방향 각도를 변경시키는 모터를 포함할 수 있다.
WO 2015/107559 A1은 이미지 획득 수단, 상기 이미지 획득 수단과 일체이고 정렬된 음영 센서, 처리 유닛 그리고 음영 센서의 디바이더를 형성하는 광 복사선에 대해 불투명한 수용체를 포함하는 태양 추적 시스템용 지향 센서를 도시한다.
US 2009/056700 A는 서로 떨어진 2개의 위치에서 태양 패널에 개별적으로 장착되고 패널의 중심에 대하여 대칭인 제1 및 제2 광 센서를 갖는 태양 추적 시스템을 개시한다. 제1 슬리브는 제1 광 센서를 둘러싸고, 제2 슬리브는 제2 광 센서를 둘러싸고 있다. 각 슬리브는 패널의 표면을 기준으로 경사진 개구를 갖는다.
CN 20 22 10 763 U는 가정용 태양 추적 광기전 발전 장치를 보여준다. 이 장치는 8-지점 4-사분면 광전 센서, 비교기, 스테핑 모터 및 패럿 커패시터를 포함하며, 광전 센서는 벽체의 금속 받침대 상에 배열되고, 2개의 광전 센서는 광전 센서의 각 사분면의 상부 및 하부 부분에 배열된다.
WO 2008/048478은 대응하는 광 검출기의 광 검출 표면의 면적보다 작은 면적을 한정하는 개구를 갖는 태양 센서 조립체를 개시한다.
JP 63 167 212 U1로도 공지된 JP 2055736 Y는 연관 개구를 갖는 2 Х 2 센서 조립체를 개시한다.
본 개시내용은 적어도 종래 기술의 태양 추적 장치에 대한 대안을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 태양 추적 장치가 제공되며, 이는 주 광학 센서; 적어도 2개의 보조 광학 센서; 및 하우징을 포함한다. 하우징은 주 센서가 그 아래에 배치되는 중심 개구 및, 각각의 보조 센서 각각이 배치되는, 중심 개구 주위에 측방향으로 배치된 광정(light well)을 갖는 상부 표면을 갖는다. 각각의 광정은, 연관 보조 센서가 배치되는 저부 표면; 상부 표면의 개구; 및 상부 표면과 저부 표면을 연결하는 측벽을 포함한다. 측벽들 중 하나는 중심 개구의 접선에 평행하게 배치된 광 반사 표면이고, 다른 모든 측벽은 광 흡수성이다.
단일 반사 표면을 갖는 그 각각의 광정에 보조 센서를 제공하는 것은 센서에 의해 출력된 신호를 비교함으로써 장치에 대한 태양의 위치의 적어도 대략적인 표시를 결정할 수 있음을 의미한다. 이는 넓은 시야를 허용하는 장치의 위치설정 및 배향을 위한 입력으로서, 예를 들어 주 센서가 사용될 수 있기 전의 초기 입력으로서 유용할 수 있다. 하나의 시나리오에서, 보조 센서의 시야는 주 센서의 시야보다 넓어, 주 센서가 태양광을 받을 위치에 있지 않더라도 하나 이상의 보조 센서가 트리거될 수 있다. 보조 센서의 제공이 제공하는 또 다른 이점은 중복성이다: 주 센서가 고장 나면, 이때 보조 센서가 사실상 주 센서로서의 역할을 맡을 수 있다.
각각의 광 반사 표면은 중심 개구를 향하는 외부 측벽 상에 위치될 수 있다. 대안적으로, 각각의 광 반사 표면은 중심 개구로부터 멀어지는 방향을 향하는 내부 측벽 상에 위치될 수 있다.
주 광학 센서는 광전 위치를 나타내기 위해 광다이오드 표면 저항을 사용하는 등방성 유형으로 이루어질 수 있거나 CMOS, CCD 또는 Si 다이오드 어레이와 같은 이산 센서의 2D 어레이를 포함할 수 있는 위치 감지 검출기(PSD)일 수 있다. PSD는 정확한 위치 결정을 제공할 수 있고; 예를 들어 태양 집광에 최적인 PSD 상의 광 중심설정- 이는 따라서 상부 표면이 태양에 수직인 것을 의미함 -을 목적으로 장치를 재위치시키기 위해 입력으로서 사용될 수 있는 PSD 광이 입사되는 위치를 나타내는 신호를 생성한다.
태양 추적 장치는 중심 개구와 PSD 사이에 배치되어 개구를 통과하는 입사 태양광을 PSD 상에 집속하기 위한 광학장치를 더 포함할 수 있다. 태양 추적 장치는 렌즈와 중심 개구 사이에 정합된 중심 구멍을 갖는 마스크를 더 포함할 수 있다.
중심 개구는 챔퍼링되어 상부 표면쪽으로 넓어질 수 있다. 챔퍼링된 프로파일은 넓은 각도 범위의 광이 개구를 통과할 수 있는 것을 보증한다. 예로서, 주 센서는 약 175 도의 시야(FOV)를 가질 수 있으며, 이 경우, 전체 FOV를 가로지르는 광이 방해받지 않고 센서에 도달할 수 있는 것을 보증하도록 개구가 챔퍼링될 수 있다.
각각의 보조 광학 센서는 광다이오드를 포함할 수 있다. PSD에 비해 광다이오드는 간단하고 저렴하다. 또한 다른 종류의 광학 센서를 사용한다는 것은 양 유형 모두가 실패할 가능성이 적어 시스템에 중복성을 제공한다는 것을 의미한다.
광정 개구는 직사각형일 수 있으며, 상부 표면에 수직인 내부 및 외부 측벽과, 저부 표면을 향해 안쪽으로 경사진 인접한 측벽을 갖고, 대체로 트로프 형상의 광정을 형성한다. 이는 넓은 각도 범위로부터의 광이 저부의 보조 센서에 도달할 수 있는 것이 보증된다.
태양 추적 장치는 모든 광학 센서와 작동 가능하게 연결된 칩을 더 포함할 수 있다. 칩은 모든 센서로부터 수신된 신호를 처리할 수 있으며, 예를 들어 유입 광의 위치와 양을 나타내는 신호를 출력할 수 있다. 모든 센서를 단일 칩에 연결함으로써 물리적으로 근접한 배열이 달성될 수 있으며, 따라서, 신호 처리가 최적화되고 구성요소 보정 드리프트가 줄어들고 마이크로 컨트롤러에 동기화된 신호가 보증된다.
태양 추적 장치는 검출된 광에 응답하여 장치를 위치시키도록 작동 가능한 적어도 하나의 구동 메커니즘을 더 포함할 수 있다. 따라서, 센서로부터의 수신된 입력에 의존하여, 장치는 하루 중의 임의의 주어진 시간에서 최적의 광 집광을 위해 재배향될 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 태양 추적 장치를 위치시키는 방법이 제공되며, 이 방법은 검출된 광에 응답하여 장치를 위치시키도록 작동 가능한 적어도 하나의 구동 메커니즘을 포함할 때, 제1 양태에 따른 태양 추적 장치를 제공하는 단계; 보조 센서에서의 광 강도; 및 주 센서 상의 입사 광의 위치 중 적어도 하나를 검출하는 단계; 및 보조 센서에서의 광 강도를 균형화하고 입사 광을 주 센서 상에 중심설정하는 목적으로 검출된 광에 응답하여 적어도 하나의 구동 메커니즘을 작동시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시예는 첨부 도면을 참조하여 이하에서 추가로 설명된다.
도 1은 일 실시예에 따른 태양 추적 장치를 위에서 본 도면이다.
도 2는 장치의 하우징의 상부 플레이트의 개구를 도시하는 상세도이다.
도 3은 중심 구멍 및 양 측면에 한 쌍의 광정을 갖는 마스크 플레이트를 도시하기 위해 상부 플레이트가 제거된 하우징의 상부 사시도이다.
도 4는 도 3에 대응하지만, 하위 렌즈를 도시하기 위해 마스크 플레이트가 제거되고, 명확성을 위해 광정 하우징이 제거되어 있는 상부 상세 사시도이다.
도 5는 도 4에 대응하지만 한 쌍의 인접한 광학 센서와 함께 하위 감광 요소 어레이를 도시하기 위해 렌즈가 제거되어 있다.
도 6은 도 5에 실질적으로 대응하지만, 감광 요소 어레이가 제거되어 하위 집적 칩(IC)의 구성요소를 도시하는 평면도이다.
도 7은 도 6에 대응하지만, 인접한 광학 센서가 제거되고 하위 기판을 도시한다.
도 8a 내지 도 8c는 장치를 통한 단면의 개략적인 광선 다이어그램이다.
도 9는 도 3에 대응하지만 더 얕은 각도에서의 상부 플레이트가 제거된 하우징의 사시도이다.
도 10은 도 9에 대응하지만 더 높고 더 넓은 각도로부터의 하우징의 다른 사시도이다.
도 11은 상부 플레이트의 중심 개구와 마스크 플레이트의 하위 구멍의 위에서 본 상세 사시도이다.
도 12는 태양 패널에 통합된 태양 추적 장치의 개략도이다.
도 13은 태양 추적 장치 및 태양 패널을 회전시키고 기울이기 위한 메커니즘의 아래에서 본 개략적인 사시도이다.
도 14는 본 발명에서 사용하기 위한 집적 회로(IC)의 상부 사시도이다.
도 15는 보조 센서가 있는 대안 실시예의 사시도이다.
첨부 도면을 참조하면, 태양 추적 장치(10)의 실시예가 도시되어 있으며, 이는 도 9에 가장 잘 도시된 바와 같이 하우징(12)을 포함하며, 하우징(12)은 베이스 기판(15)을 갖는 대체로 직사각형인 베이스 부분(14), 그 내부의 중공 챔버(18)를 형성하는 대체로 정사각형 중심 부분(16) 및 중심 부분(16)의 양 측면 상의, 그리고, 베이스 부분(14) 위의 2개의 측방향 부분(20)을 포함한다.
위치 감지 장치(PSD)(30)는 감광 요소 어레이 및 연관 마이크로 컨트롤러(도시되지 않음)를 포함하고 집적 회로(또는 칩)(IC)(40)의 형태로 프로세서의 바로 위에서 베이스 기판(15)에 평행한 평면에 장착된 중공 챔버(18) 내에 수용된다. 마이크로 컨트롤러는 일반적으로 감광 어레이와 분리된 보드 상에 위치하여 이들 컴포넌트를 격리시킨다. PSD(30)는 정합 접촉부(32, 42)(도 5, 도 6 및 도 14)를 통해 IC(40)에 작동 가능하게 연결된다. 렌즈(50)와 같은 광학장치는 아래에 더 완전히 설명된 바와 같이 PSD(30) 위의 중앙에 장착되어 PSD 상에 입사 광을 지향시킨다. PSD(30) 및 하위 렌즈(50)를 향해 상대적으로 넓은 직경으로부터 상대적으로 좁은 직경으로 테이퍼지는 챔퍼링된 개구(62)를 갖는 마스크 플레이트(60)가 렌즈(50) 위에 있다. 마스크 플레이트(60)는 PSD(30), IC(40) 및 베이스 기판(15)과 평행하다.
도 1 및 도 8에 도시된 바와 같이, 하우징의 상부 표면 층(80)은 마스크 플레이트(60) 위에, 그리고, 그에 평행하게 배치된다. 상부 표면 층(80)은 하위 개구(62)를 향해 상대적으로 넓은 직경으로부터 상대적으로 좁은 직경으로 테이퍼지고 마스크 플레이트의 중심 개구(62)와 정합하는 챔퍼링된 중심 구멍(82)을 포함하여, 상부 표면 위로부터 마스크 플레이트(60) 아래의 렌즈(50)로 통과하는 광을 위한 개구(100)를 함께 형성한다. 렌즈(50)는 개구를 통과하는 입사 광을 PSD(30)에 집속시키도록 설계된다.
챔퍼링은 입사 광이 장치의 상단을 통해 PSD(30)로 통과할 수 있는 유효 각도 범위를 확대시키도록 제공되지만, 특정 실시예에서, 마스크 플레이트(60) 및 상부 표면 층(80) 중 어느 하나 또는 모두가 충분히 얇으면, 이때, 그들을 통한 각각의 개구(62) 및 구멍(82)이 챔퍼링될 필요가 없을 수도 있다.
측방향 하우징 부분(20)은 각각 베이스 기판(15) 및 마스크 플레이트(60)에 수직하게 연장되는 평행하게 이격된 내부 및 외부 측벽(22)을 포함한다. 인접한 측벽(24)은 베이스 기판(15)을 향해 내향 경사져서, 베이스 부분(14)에 횡단하여, 상부 단부에서 상대적으로 넓은 직사각형 개구(26) 및 저부 단부에서 대체로 정사각형 개구(28)를 갖는 대체로 트로프 형상의 광정을 형성한다. 직사각형 개구(26)는 하위 측벽(22, 23, 24)의 상부 단부와 정합하여 상부 표면 층(80)에 대응하는 직사각형 개구 또는 구멍(84)에 의해 형성될 수 있다.
광학 센서(70)는 정합 접촉부(72, 43)에 의해 IC(40)에 작동 가능하게 연결된 각 광정의 저부 단부에 장착된다. 광학 센서(70)는 광다이오드와 같은 임의의 적합한 전기 광학 센서일 수 있다. PSD(30)가 장치(10)의 주 광학 센서인 것으로 고려되면, 이때, 광학 센서(70)는 보조 광학 센서로 고려될 수 있다. 일부 실시예에서, 보조 센서(70)는 광이 센서(70)에 도달하는지 아닌지를 나타내는 간단한 2진 신호를 생성할 수 있다. 다른 실시예에서, 보조 센서(70)는 어떠한 광량이 센서(70)에 도달하는지를 나타내는 신호를 생성할 수 있다. 일부 실시예에서, 센서는 300㎚ 내지 1200㎚의 범위 내의 광을 검출할 수 있다.
인서트(23)는 내부 측벽(22)의 외부 면에 장착되어 중심 부분(16)으로부터 바깥 쪽을 향한 광 반사 표면(25)을 제공한다. 외부 측벽(22)의 내부 표면뿐만 아니라 인접한 측벽(24)의 내부 표면은 모두 광 흡수성이며; 특히 검은색이다. 특정 실시예에서, 광 흡수성은 표면을 조면화 및/또는 광 흡수 재료로 코팅함으로써 달성될 수 있다. 이와 같이, 특정 각도로 광정에 진입하는 광만이 센서(70) 상에 들어갈 수 있다. 이것과 양 보조 센서(70)로부터의 신호가 고려된다는 사실로부터, 장치(10)에 대한 태양의 위치의 적어도 대략적인 표시가 보조 센서만에 의해 생성된 신호로부터 결정될 수 있다. 이는 도 8a 내지 도 8c의 개략적인 광선 다이어그램을 참조하여 보다 상세하게 설명된다. 특정 실시예에서, 인서트 부재 상에 반사 표면을 제공하기보다는, 관련된 측벽의 구조와 일체형일 수 있다.
도 8a에서, 태양은 도시된 바와 같이 장치의 우측에 있고, 이 때문에, 평행한 광선(200)은 약 45 도의 측방향 각도로 장치에 입사된다. 이 각도에서, 광선(200) 중 일부는 중심 개구(100)를 통해 하위 렌즈(50)로 통과할 수 있으며, 여기서 광선은 굴곡되고, 지점(P1)에서 PSD(30) 상에 집속된다. 도 5에 도시된 바와 같이, PSD(30)는 센서의 2D 어레이를 포함하고, PSD는 센서 어레이의 좌측 측면 상의 지점(P1)에서 입사되는 광을 나타내는 신호를 생성할 것이며, 이 신호는 후술될 바와 같이 PSD(30)의 마이크로 컨트롤러에서 처리된다. 상부 표면 층(80)에 의해 차단되지 않은 다른 평행한 광선(200)은 직사각형 개구(84)를 통해 광정에 들어갈 수 있다. 도시된 바와 같이, 좌측 광정에서는, 이 각도의 광선(200)이 외부 측벽(22)의 내부 표면에 충돌하고, 그 곳에서 흡수된다. 따라서, 어떠한 광선도 좌측 보조 센서(70a)에 도달할 수 없고, 그에 의해 어떠한 신호도 생성되지 않을 것이다. 우측 광정에서, 이 각도에서의 광선(200)은 인서트(23)의 광 반사 표면(25)에 충돌하여 그 곳에서 반사되고 이에 따라 우측 보조 센서(70b)에 도달하여 센서(70b)에 도달된 광을 나타내는 신호를 트리거한다.
도 8b에서, 태양은 장치의 반대측의 좌측 측면에 있고, 따라서 광선(200)은 도 8a의 것과 반대 방향으로부터 약 45도의 측방향 각도로 장치에 입사된다. 이 각도에서, 광선(200)의 일부는 중심 개구(100)를 통해 하위 렌즈(50)로 통과할 수 있으며, 여기서 광선은 굴곡되고, 센서 어레이의 우측 측면 상의 지점(P2)에서 PSD(30) 상에 집속된다. 따라서, PSD는 지점(P2)에서 입사되는 광을 나타내는 신호를 생성할 것이며, 이 신호는 PSD(30)의 마이크로 컨트롤러에서 처리된다. 상부 표면 층(80)에 의해 차단되지 않은 다른 평행한 광선(200)은 직사각형 개구(84)를 통해 광정에 들어갈 수 있다. 좌측 광정에서, 도시된 바와 같이, 이 각도에서의 광선(200)은 인서트(23)의 광 반사 표면(25)에 충돌하여, 그 곳에서 반사되며, 이에 따라, 좌측 보조 센서(70a)에 도달하여 센서(70a)에 도달한 광을 나타내는 신호를 트리거한다. 우측 광정에서, 이 각도의 광선(200)은 외부 측벽(22)의 내부 표면에 충돌하고 그 곳에서 흡수된다. 따라서, 어떠한 광선도 우측 보조 센서(70b)에 도달할 수 없고, 그에 의해 어떠한 신호도 생성되지 않을 것이다.
도 8a 및 도 8b의 각각에서, 광선(200)은 광선(200)의 각도 및 상부 표면(80)의 마스킹 효과로 인해 보조 센서(70)에 직접 도달할 수 없다. 도 8c는 광선(200)이 더 급격하고, 표면(80)에 수직한 방향으로부터 대략 10 도의 측방향 각도로 장치에 입사하는 상황을 도시한다. 이 시나리오에서, 광선(200)은 보조 센서(70a, b)에 직접 도달할 수 있고, 따라서 이들 모두는 신호를 생성할 것이다. 또한, 이 각도에서, 광선(200)의 일부는 중심 개구(100)를 통해 하위 렌즈(50)로 통과될 수 있으며, 여기서 광선이 굴곡되고 센서 어레이의 우측 측면 상의, 그러나, 더 급격한 입사 각도로 인해 지점(P2)보다 중앙의, 지점(P3)에서 PSD(30) 상에 집속된다. PSD는 따라서 지점(P3)에 입사되는 광을 나타내는 신호를 생성할 것이며, 이 신호는 PSD(30)의 마이크로 컨트롤러에서 처리된다.
특정 각도 범위에서 장치의 우측 측면으로부터의 광만이 우측 보조 센서(70b)에서 신호를 생성하고, 특정 각도 범위의 장치의 좌측 측면으로부터의 광만이 좌측 보조 센서(70a)에서 신호를 생성할 것이라는 것이 알려져 있기 때문에, 보조 센서(70a,b) 중 하나만이 트리거링되면, 이때, 장치의 어느 측면으로부터 광이 유입되는지를 결정할 수 있다. 양 보조 센서(70) 모두가 트리거되는 경우, 이는 광이 보조 센서(70a,b)에 직접 도달할 수 있도록 장치에 대해 충분히 급격한 각도인 입사 광을 나타낸다. 양 보조 센서 모두가 트리거되기 때문에, 이는 도시된 바와 같이 광원(통상적으로, 태양)이 장치의 우측 또는 좌측 중 어느 쪽에 있는지의 표시를 제공할 수 없으며, 단지 특정 각도 범위 내에 있다는 것의 표시만을 제공할 수 있다. 따라서, 태양의 상대 위치의 대략적인 결정은 보조 센서(70)만에 의해 생성된 신호로부터 결정될 수 있다.
그후 태양의 상대 위치의 더 정확한 결정을 얻기 위해, PSD(30)의 감광 어레이 상의 지점(P1-3)의 위치가 또한 고려될 수 있다. 어레이는 x 및 y 좌표로 나뉘며, 어레이에 입사하는 광은 상대적 항으로 광 삼각측량을 결정하기 위해 연관된 마이크로 컨트롤러에 의해 분석될 수 있는 신호를 생성한다. 보조 센서(70)가 그에 도달하는 광의 양을 검출할 수 있는 경우, 상이한 보조 센서(70)에 도달하는 상대적인 양은 태양의 상대 위치를 결정하기 위한 추가 입력으로서 사용될 수 있다.
넓은 시야(FOV)가 바람직하며, 그 이유는 장치가 더 큰 위치 범위에서- 특히 태양의 위치가 아직 알려지지 않은 시동 모드에서 - 기능할 수 있게 하기 때문이다. 예로서, PSD(30)는 약 175 도의 FOV를 가질 수 있다. 이를 보조 센서(70)와 결합함으로써, FOV는 약 270도까지 연장될 수 있다. 예를 들어, 2개의 유사한 장치를 함께 연결함으로써, 보다 넓은 FOV를 제공하도록, 하나보다 많은 장치(10)가 조합되어 사용될 수 있다.
도 12에 도시된 바와 같이, 추적 장치(10)는 광기전 패널(300)과 같은 태양 집광 장치에 통합될 수 있으며, 상부 표면(80)은 패널(300)과 평행하며, 전형적으로 그 평면과 동일 평면을 이룬다. 본 기술 분야에서 잘 공지된 바와 같이, 태양 에너지 집광은 패널(300)이 태양 광선에 수직인 평면에서 배향되면 최대화된다. 따라서, 장치의 목적은 입사 태양광이 가능한 한 상부 표면(80)에 수직으로 가깝도록 장치를 태양에 대해 위치시키는 것이다. 이를 위해, 장치(10) 및 연관 패널(300)은 도 13에 개략적으로 도시된 바와 같이 구동 메커니즘(400) 상에 장착될 수 있다. 일 실시예에서, 구동 메커니즘(400)은 추적 장치(10)가 그 상부 표면 상에 장착될 수 있는 플랫폼(402)을 포함한다. 아암(403)이 플랫폼(402)의 하측으로부터 돌출한다. 플랫폼(402)은 아암(403) 및 이에 따라 플랫폼(402)을 수평 축(410) 주위로 회전시키도록 작동 가능한 제1 구동 모터(406)로서 여기에 도시된 플랫폼(402)의 기울기를 조정하기 위한 제1 메커니즘(404)에 작동 가능하게 연결된다. 플랫폼(402)은 또한 플랫폼(402)의 회전 위치를 조정하기 위한 제2 메커니즘(414)에 작동 가능하게 연결된다. 도시된 바와 같이, 제2 메커니즘(414)은 제1 메커니즘(404)을 회전시키고 따라서 플랫폼(402)을 수직 축(420) 주위로 회전시키도록 작동할 수 있는 제2 구동 모터(416)를 포함한다.
작동시, IC(40)는 PSD(30) 및 보조 센서(70)로부터 수신된 신호를 처리하여 장치(10)에 대한 태양의 위치를 결정할 것이다. IC(40)는 장치(10), 그리고, 이에 따라 태양 패널(300)을 입사 태양광에 가능한 수직에 근접하게 배향하기 위해 필요에 따라 제1 및 제2 구동 모터(406, 416)를 작동시키기 위해 구동 신호를 구동 메커니즘에 전달하도록 작동 가능하다. 보조 센서(70)로부터의 입력만을 취하는 제1 경우에, IC(40)의 목적은, 정확한 일반적 방향을 향하는 패널(300)을 나타내는, 양 보조 센서(70) 모두가 트리거되는 배향으로 장치를 이동시키는 것이다. 이를 달성하는 데 필요한 처리는 상대적으로 간단하고 선택적으로 경험적일 수 있다. 보조 센서(70)가 입사 광의 양을 검출할 수 있는 실시예에서, 이때, 목적은 각 보조 센서(70)에서 검출된 양을 균등화하는 것이다. 일단 초기 위치설정이 이루어지고 나서 또는 그와 동시에, IC(40)는 더 정확한 위치설정을 위해 PSD(30)의 (마이크로 컨트롤러)로부터의 입력을 추가적으로 취한다.
장치(10)가 이러한 방식으로 배향될 수 있는 경우, 조합된 센서(30, 70)의 유효 FOV는 증가되고, 각 축에서 전체 360 도까지의 커버리지를 제공할 수 있다.
광학 센서(30, 70)로부터의, 선택적으로, 추가적 입력으로부터의 피드백 제어 하에 수직 축(즉, '회전') 및 수평 축(즉, '기울임')에 대한 장치(10)의 위치설정을 위해 다른 구동 메커니즘이 쉽게 구현될 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다.
더 많은 수의 보조 광학 센서(70)가 중심 개구(100) 둘레에 이격된 각각의 광정에 제공될 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 2개 보다 많은 보조 센서로부터의 신호가 태양의 상대적 위치의 보다 정확한 초기 결정을 제공하기 위해 보간될 수 있다. 예로서, 3개의 보조 센서가 120도 간격으로 주 센서 주위에 위치될 수 있다. 각각의 광정의 구성은 이러한 배열에서 장치의 그 특정 위치에 적응될 수 있다. 예를 들어, 반사 표면(25)은 모두 중심 개구(100)로부터 반경방향 이격 방향을 향하도록 정렬될 수 있다. 대안적으로, 이는 모두 공통 방향으로 정렬되거나 또는 대면하는 쌍일 수 있다(즉, 외부 측벽(22)의 내부 면 상에 위치되고 중심 개구(100)를 향해 내향으로 향하는 반사 표면(25)을 가짐).
도 15에 도시된 다른 실시예에서, 보조 센서(70)는 중심 부분(1016)의 개구(1100)를 통해 축에 대해 외측으로 각도를 이루는 각각의 측방향 하우징(1020)에 수용될 수 있다. 이러한 방식으로, 넓은 각도 범위(즉, 더 넓은 시야)로부터의 광이 감광 표면 상에서 센서(1070) 또는 PSD 중 적어도 하나에 입사될 수 있다.
이들이 특정 환경- PSD의 고장 또는 웨이크-업 모드(wake-up mode)와 같은 -에서 장치(10)를 배향시키기 위한 주 광학 센서로서 함께 작용할 수 있지만, 보조 센서(70, 1070)는 이들이 일반적으로 시스템에 대한 추가 입력으로서 작동하기 때문에 주 센서(30)보다 더 간단하고 감도가 낮을 수 있다.
광학 센서(30, 70)에 추가하여, 장치는 IC(40)에 추가 입력을 제공하기 위해 하나 이상의 추가 센서를 포함할 수 있다. 도시된 실시예에서, 하우징(12)은 자기 N극에 대한 장치의 배향을 나타내는 신호를 제공하기 위해 IC(40)에 작동 가능하게 연결되는 자력계 칩(502)이 장착된 자력계 모듈(500)을 더 포함한다. 하우징(12)은 또한 장치의 경사를 나타내는 신호를 제공하기 위해 IC(40)에 작동 가능하게 연결된 경사계 칩(512)이 장착된 경사계 모듈(510)을 더 포함한다. 자력계 칩(502) 및 경사계 칩(512)으로부터의 신호에 의해 제공되는 추가 정보는 태양의 예상 위치에 대한 장치의 위치 및 배향에 대한 추가 표시를 제공하기 위해 IC 칩(40)에 의해 처리될 수 있다.
예로서, IC(40)는 클록 신호 및 선택적으로 위치 신호(예컨대, GSM 칩- 도시되지 않음 -로부터의, 또는 설치시 수동 입력된 바와 같은)와 연계하여 자력계 칩(502)으로부터의 입력을 처리하여, 특정 시간 및 위치에서 장치에 대한 태양의 예상 위치의 표시를 제공할 수 있고, 구동 메커니즘(400)을 작동시켜 패널(300)이 태양 에너지를 집광하고 태양광이 광학 센서(30, 70) 중 적어도 하나에 도달하여 이들이 장치를 더 정확하게 위치설정하도록 IC(40)를 위한 입력 신호를 생성하게 하는 적절한 배향으로 장치를 위치시킬 수 있다.
경사계 칩(512)으로부터의 추가 입력은 장치의 비평준(non-level) 설치를 보상하는 데 사용될 수 있다. 따라서 최적의 작동을 위해 장치를 완벽하게 수평으로 설정할 필요가 없을 수 있다.
IC(40), 자력계 모듈(500) 및 경사계 모듈(510)은 PCB의 기판을 포함할 수 있는 기판(15) 상에 모두 장착된다. 별개의 자력계 및 경사계 모듈(500, 510) 대신 또는 그와 함께, 자이로스코픽 모듈(도시되지 않음)이 제공될 수 있다.
내부 측벽(22)의 각각의 외부 면 상에 반사 표면을 갖는 대신에, 반사 표면(25)은 결과적 신호의 처리의 적절한 적응과 함께 외부 측벽의 내부 면 상에 위치될 수 있다(즉, 서로 멀어지는 방향을 향하지 않고 서로를 향함). 이들 배열 중 어떤 것이 사용되든, 각각의 광정의 반사 표면은 바람직하게는 배열이 중심 개구(100)에 대해 회전 대칭적이도록 중심 개구의 접선에 평행하게 정렬될 것이다. 대칭적 배열은 광학 센서(30, 70)로부터 수신된 신호에 필요한 처리를 단순화한다.
다양한 센서(30, 70) 및 모듈(500, 510)로부터의 입력은 장치(10)의 위치 및 배향을 결정하기 위해 초기 설치시에 사용될 수 있다. 이론적으로, 일단 알려지고 나면, 태양의 추적은 해당 위치에서 그리고 하루 및 연간의 주어진 시간에 대해 태양의 이동이 수록된 참조표를 참조하여 달성될 수 있다. 그러나, 적당한 간격으로 센서(30, 70)로부터의 입력을 취함으로써 실황적 추적(live tracking)이 달성될 수 있다. 예를 들어, 4 분마다 또는 10 분마다 판독이 이루어질 수 있다. 빈도는 광 조건에 의존할 수 있다. 예를 들어, 낮은 광 조건에서, 간격은 더 밝은 조건에서보다 길 수 있다.
매일의 시작시(즉, 장치의 위치에 대한 일출), 장치는 태양광이 센서(30, 70)에 의해 검출될 가능성을 증가시키기 위해 전날의 시작 배향으로 되돌아가도록 프로그램될 수 있다. 어떤 센서도 트리거되지 않으면(예를 들어, 흐린 경우), 이때, 장치는 센서(30, 70) 중 적어도 하나에 의해 광이 검출될 때까지 적절한 간격으로 무작위적 움직임을 수행하도록 프로그램될 수 있다.
본 발명은 태양 에너지 집광을 위한 수단으로서 광기전 패널과 관련하여 주로 설명되었지만, 태양 열 수집기(solar thermal collector) 또는 태양 집속 시스템(solar concentration system) 같은 태양 에너지 집광 및 변환의 다른 형태에 마찬가지로 적용될 수 있다는 것을 이해할 것이다.
본 명세서의 상세한 설명 및 청구범위 전체에서, 단어 "포함" 및 "함유" 및 그 변형은 "포함하지만 이에 한정되지 않는"을 의미하며, 이들은 다른 모이어티(moiety), 첨가물, 구성요소, 완전체(integer) 또는 단계를 배제하는 것을 의도하지 않는다(배제하지 않는다). 본 명세서의 설명 및 청구범위 전반에 걸쳐, 단수는 문맥 상 달리 요구되지 않는 한 복수를 포함한다. 특히, 부정 관사가 사용되는 경우, 문맥상 달리 요구되지 않는 한, 명세서는 복수 및 단수를 고려하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명의 특정 양태, 실시예 또는 예와 관련하여 설명된 특징, 완전체, 특성, 화합물, 화학적 모이어티 또는 그룹은 이들과 양립할 수 없지 않다면 본원에 설명된 임의의 다른 양태, 실시예 또는 예에 적용될 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 본 명세서에 개시된 특징 모두(임의의 첨부 청구범위, 요약서 및 도면 포함) 및/또는 개시된 임의의 방법 또는 프로세스의 단계 모두는 이런 특징 및/또는 단계 중 적어도 일부가 상호 배제적인 조합을 제외하고, 임의의 조합으로 조합될 수 있다. 본 발명은 임의의 전술한 실시예의 세부 사항에 제한되지 않는다. 본 발명은 본 명세서(임의의 첨부 청구범위, 요약서 및 도면 포함)에 개시된 특징의 임의의 신규한 특징 또는 임의의 신규한 조합으로 확장되거나, 개시된 임의의 방법 또는 프로세스의 임의의 신규한 단계 또는 임의의 신규한 조합으로 확장된다.

Claims (14)

  1. 태양 추적 장치이며,
    주 광학 센서(30);
    적어도 2개의 보조 광학 센서(70); 및
    주 센서(30)가 그 아래에 배치되는 중심 구멍(100; 62; 82) 및, 각각의 보조 센서(70) 각각이 배치되는, 중심 구멍(100; 62; 82) 둘레에 측방향으로 배치되는 광정(22, 24; 25)을 갖는 상부 표면을 구비한, 하우징(12)을 포함하고,
    각각의 광정(22, 24; 25)은,
    연관 보조 센서(70)가 그 위에 배치되는 저부 표면(15),
    상부 표면(80)의 개구(84), 및
    상부 표면(80)과 저부 표면(15)을 연결하는 측벽(22, 24; 25)을 포함하고,
    측벽들 중 하나는 중심 구멍에 대한 반경방향 연결부의 접선에 평행하게 배치되거나 상기 반경방향 연결부에 수직인 광 반사 표면(25)이고, 다른 모든 측벽(22, 24)은 광 흡수성인, 태양 추적 장치.
  2. 제1항에 있어서, 각각의 광 반사 표면(25)은 중심 구멍(100; 62; 82) 쪽으로 향하는 외부 측벽(22) 상에 위치되는, 태양 추적 장치.
  3. 제1항에 있어서, 각각의 광 반사 표면(25)은 중심 구멍(100; 62; 82)으로부터 멀어지는 방향으로 향하는 내부 측벽(22) 상에 위치되는, 태양 추적 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 주 광학 센서(30)는 위치 감지 장치(PSD)인, 태양 추적 장치.
  5. 제4항에 있어서, PSD는 등방성인, 태양 추적 장치.
  6. 제4항에 있어서, PSD는 이산 센서의 2D 어레이를 포함하는, 태양 추적 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 중심 구멍을 통과하는 입사 태양광을 PSD 상에 집속하기 위해 PSD와 중심 구멍 사이에 배치된 광학장치를 더 포함하는, 태양 추적 장치.
  8. 제7항에 있어서, 렌즈와 상부 표면의 중심 구멍 사이에 정합하는 개구를 갖는 마스크를 더 포함하는, 태양 추적 장치.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 중심 구멍은 챔퍼링되어 상부 표면을 향해 넓어지는, 태양 추적 장치.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 보조 광학 센서는 광다이오드를 포함하는, 태양 추적 장치.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 광정 개구는 직사각형이며, 상부 표면에 수직인 내부 및 외부 측벽과, 저부 표면을 향해 내향 경사지는 인접한 측벽을 갖고, 대체로 트로프 형상의 광정을 형성하는, 태양 추적 장치.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 광학 센서 모두와 작동 가능하게 연결된 프로세서를 더 포함하는, 태양 추적 장치.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 검출된 광에 응답하여 장치를 위치설정하도록 작동 가능한 적어도 하나의 구동 메커니즘을 더 포함하는, 태양 추적 장치.
  14. 태양 추적 장치를 위치설정하는 방법이며,
    제13항에 따른 태양 추적 장치를 제공하는 단계;
    검출 단계로서,
    보조 센서에서의 광 강도, 및
    주 센서 상의 입사 광의 위치 중 적어도 하나를 검출하는,
    검출 단계; 및
    보조 센서에서의 광 강도를 균형화하고 그리고 입사 광을 주 센서 상에 중심설정하는 목적으로 검출된 광에 응답하여 적어도 하나의 구동 메커니즘을 작동시키는 단계를 포함하는, 방법.
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