KR20240063868A - 태양광 기반 전력 생성을 위한 디바이스 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반사 표면을 제공하는 반사 패널(11), 에너지 생성 모듈(12) 및 반사 패널(11) 및 에너지 생성 모듈(12)을 함께 지지하는 지지 구조(13)를 포함하는 에너지 생성 디바이스(1)에 관한 것으로, 반사 패널(11)은 입사하는 태양광을 필터링하여 태양광의 제1 부분을 통과시키고 태양광의 제2 부분을 반사하도록 구성되고, 상기 반사 표면은 각각에 대해 서로 다르게 배향된 복수의 반사 영역(11', 11'', 11''')을 제공하고 각각은 상기 에너지 생성 모듈(12)의 수집 표면 상에 입사하는 광의 상기 제2 부분을 균질하게 반사하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 태양광 기반 전력 생성 분야에 관한 것으로 보다 구체적으로 농업에서의 태양광 기반 전력 생성 분야에 관한 것이다. 본 발명은 전력 생성과 농업 성장 최적화 모두를 위한 수단을 제공하는 것을 목표로 한다.
오늘날, 광전지(PV; Photovoltaic) 전력 생성은 전 세계적으로 친환경적이고 저렴한 에너지원일 뿐만 아니라 화석 에너지가 없는 미래를 여는 핵심 요소로 간주된다. 하지만, PV 필드를 생성하면 경작 가능한 토지가 낭비되거나 또는 생물 다양성이 손상될 수 있기 때문에, 대규모 PV 프로젝트를 위한 공간을 찾는 것은 여전히 어려운 문제이다. 이러한 이유로, 일반적으로 "농업용 발전(Agrovoltaics)"으로 불리는 현대적인 프로젝트가 생성되었으며, 경작 가능한 토지를 전력 생성 뿐만 아니라 농업 수확량을 위해 동시에 사용될 수 있는, 가용 토지의 이중 사용을 촉진하는 것을 목표로 한다.
농업용 발전을 위해 지금까지 부분적 셰이딩(partial shading) 및 스펙트럼 필터링(spectral filtering)으로 불리는 두 가지 서로 다른 방식이 고려되었다.
부분적 셰이딩 방식에서, 특히 파장 선택성이 없는 반투명, 또는 불투명 광전지 셀은 식물이 자라는 필드 위에 배치되고 식물에 도달하는 광의 일부를 흡수함으로써 식물에 부분적인 셰이딩을 생성하면서 전기를 생성한다. 셰이딩은 광 강도의 감소를 특징으로 하지만 태양광의 스펙트럼 성분을 수정하지는 않는다.
겨울철 반년 동안 태양광이 부족한 북위도에서는, 예를 들어 US2017126172A1에서 설명되는 바와 같은 부분적 셰이딩 방식은, 모든 식물 유형에 적용 가능한 것은 아니다. 겨울 절반의 낮은 광 조건에서, 식물에 도달하는 태양광의 양을 줄이는 것은 광을 좋아하는 일부 특정 식물 품종의 성장에 해로울 수 있다. 예를 들어, EP3798688A1과 같은 일부 설계에서, 패널의 투과율은 더 많은 광이 식물에 도달하도록 조정될 수 있다. 하지만, 투과율이 100%에 도달하면, 식물의 성장을 방해하지 않고는 발전이 수행될 수 없다. 이러한 이유로, 발전과 식물의 성장 사이의 균형을 획득하는 것은 매우 복잡할 수 있다.
반면에, 스펙트럼 필터링 방식은 선택된 파장 세트만이 식물에 도달하도록 허용되는 특수 PV 패널을 사용한다는 점에서, 이전 방식과 근본적으로 다르다. 이 해결수단에서는, 유색 필터(다이크로익 필터(dichroic filter)) 또는 파장 선택형 PV 셀이 태양 스펙트럼의 나머지 부분으로부터 식물의 성장에 도움이 되는 광 성분을 분리하기 위해 사용된다. 식물의 성장에 유용하지 않은 파장은 에너지 생성(PV 또는 열 집중)을 위해 사용된다. 스펙트럼 필터링 방식의 장점은 광 조건과 관계없이, 식물이 마치 스펙트럼 필터링이 없는 것처럼 그것들의 성장에 필요한 동일한 양의 광을 받게 된다는 것이다. 결과적으로, 일사량이 낮은 달(month)에도, PV 시스템은 햇빛이 잘 드는 달과 유사한 효율로 전기를 생성한다.
스펙트럼 필터링 방식에서, 파장 선택형 반투명 태양 전지의 사용이 연구되었다(예를 들어, US2012198763A1). 하지만, 이러한 태양 전지의 광 투과율은 박막 필터만큼 높은 투과율에 도달하지 못했고, 이에 따라 식물의 성장에 해로운 부분적인 셰이딩을 생성했으며 광-전자 효율은 다소 낮게 유지되었다.
게다가 최근 몇 년 동안, 박막 다이크로익 필터는 이미 농업용 발전 영역 내에서 다양한 장치에서 사용되었으며, 예를 들어 WO2016093397A1은 포커싱 광학계와 스펙트럼 분리기 사이의 분리를 하는 시스템을 제공한다. 하지만, 시스템에 광학 요소를 추가하면, 시스템은 청소하기가 더 어려워지고, 광 경로에 추가적인 인터페이스가 생성되어 이에 따라 전체 효율성을 감소시킨다.
박막 필터는 본질적으로 광의 입사각에 따라 달라지는 대역폭을 가지므로, WO2021012003A1, CN106538294A, FR3019885A1 또는 WO2015158968A1과 같이 외부 요인(예를 들어 온실 방향, 지붕과 같은 구조 방향 선택, 위도 등)에 의해 주어지는 고정된 방향을 갖는 시스템은 장치의 기하학적 구조에 따라 필터를 재설계해야 할 것이다.
WO2017024974A1은 식물의 성장에 유용한 광이 1차 및 2차 미러에 의해 반사되어 식물에 도달하는 카세그레인(Cassegrain) 시스템인 또 다른 종래의 시스템을 제공한다. 이러한 시스템은 한정된 조리개를 가지며 대부분 직사광선만이 작물에 도달할 수 있다. 흐린 날에는, 식물에 도달하는 광 강도가 상당히 감소될 수 있다. 게다가, 대형 포물선 미러를 제조하는 것은 상당한 비용이 든다.
따라서 상기 언급된 종래 기술의 문제점을 해결하는 시스템이 필요하다.
이와 관련하여, 본 발명의 주된 목적은 상기 언급된 문제점을 해결하는 것이며 보다 구체적으로 대상 토지의 식물에 적절하고 최대의 광량을 제공하는 동시에 향상된 에너지 또는 전력 생성을 허용하는 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 하루 중 언제든지 및 어느 계절에서도 에너지 또는 전력 생성을 최적화하는 것을 허용하는 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 식물의 품종 및/또는 밀도에 따라 대상 토지의 식물에 도달하는 광량을 최적화하는 것을 허용하는 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적 중 하나는 반사/수집 구조를 최적화하여 광을 수집하여 에너지를 생성하는 동시에 최소한의 음영으로 식물로의 가장 높은 광 투과율을 획득하는 것을 허용하는 시스템을 제공하는 것이다.
상기 문제들은 여러 개의 페싯을 제공하고 에너지 생성 모듈 상의 균질한 조명을 보장하는 경량의 광-필터링 축외(off-axis) 반사경 설계를 도입하여 저농도의 에너지 또는 전력 생성 시스템에서 높은 에너지 또는 전력 수율을 최적화하는 본 발명에 의해 해결된다. 예를 들어 에너지 생성 모듈이 PV 시스템일 때, 균질한 조명은 낮은 농도의 PV 시스템에서 PV 수율을 최적화한다. 스펙트럼 필터링 모듈은 필요한 태양광 성분, 즉 파장이 반사경 뒤에 위치된 식물에 도달할 수 있도록 한다. 또한, 경량 구조는 단순한 태양 추적 시스템을 가능하게 한다.
본 발명의 제1 측면은 적어도 부분적인 반사 표면을 제공하는 반사 패널, 에너지 생성 모듈, 및 반사 패널 및 에너지 생성 모듈을 함께 지지하는 지지 구조를 포함하는 에너지 생성 디바이스로서, 반사 패널은 입사하는 태양광을 필터링하여 상기 태양광의 제1 부분을 통과시키고 상기 태양광의 제2 부분을 반사하도록 구성되고, 상기 반사 표면은 각각에 대해 서로 다르게 배향된 복수의 반사 영역을 제공하고 각각은 상기 에너지 생성 모듈의 수집 표면 상에 입사하는 광의 상기 제2 부분을 균질하게 반사하도록 구성되는 것을 특징으로 한다. 이로 인해서, 디바이스는 향상된 에너지 전력 생성을 허용하는 동시에 대상 토지의 식물에 적절하고 최대의 광량을 제공한다. 또한, 디바이스는 더 양호한 식물 성장을 위한 광 스펙트럼의 가능한 수정을 제공하는 것을 허용한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 반사 패널의 재료(들)의 투과/반사/굴절 지수는 특정한 파장 범위를 갖는 광을 통과시키도록 조정되도록 구성된다. 이 방식에서, 에너지 생산에 사용되는 광과 식물로 투과되는 광의 비율은 최적화된다.
유리하게는, 반사 패널의 투과/반사/굴절은 특정한 재료 및/또는 특정한 두께 범위 및/또는 특정한 표면 처리 및/또는 특정한 첨가제를 통해 조정된다. 따라서, 반사 패널은 임의의 유형의 식물 및/또는 에너지 생성 수율에 맞도록 조정될 수 있다.
바람직하게는, 에너지 생성 디바이스는 반사 패널 및 에너지 생성 모듈의 방향을 수정하도록 구성된 배향 시스템을 포함한다. 따라서, 입사하는 태양광의 위치를 조정할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 배향 시스템은 서로 수직인 두 방향으로 반사 패널의 방향을 수정하도록 구성된 피벗 모듈 및 틸팅 모듈을 포함한다. 이 방식에서, 반사 패널은 입사하는 태양광에 대해 가장 좋은 방향으로 위치될 수 있다.
유리하게는, 에너지 생성 디바이스는 태양 방향/위치 및/또는 태양광 방향을 결정하도록 구성된 태양 추적 시스템을 포함한다. 이로 인해서, 사용자는 입사하는 태양광에 대해 반사 패널의 가장 좋은 방향을 지속적으로 알 수 있다.
바람직하게는, 에너지 생성 디바이스는 태양 추적 시스템에 의해 수신된 데이터에 기초하여 배향 시스템을 제어하도록 구성된 제어 시스템을 포함한다. 따라서, 반사 패널은 입사하는 태양광에 대해 항상 가장 좋은 방향을 향하고 있기 때문에 효율이 향상된다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 복수의 반사 영역은 편평한 표면 및/또는 인접한 표면이다. 따라서, 반사된 광의 균질성이 더욱 향상된다.
바람직하게는, 반사 패널은 적어도 두 개의 페싯/라멜라로 이루어진 다이크로익 미러이다. 이 방식에서, 반사된 광의 균질성이 더욱 더 향상된다.
유리하게는, 페싯/라멜라는 지지 구조를 통해 함께 조립되거나 또는 단일의 부품을 구성한다. 이로 인해서, 그것들은 보다 모듈화 되거나 또는 견고하고 생산하기 쉽다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 지지 구조는 모듈이 반사 패널에 대해 중심에서 벗어나도록 반사 패널의 단부를 에너지 생성 모듈의 단부에 연결하도록 구성된다. 이 방식에서, 에너지 생성 모듈은 반사 패널 상에 어떤 음영도 투영하지 않으며 이로써 그것의 효율이 더욱 향상된다.
유리하게는, 에너지 생성 모듈은 광전지 셀 중 적어도 하나를 사용하는 전기 생성 모듈, 열 생성용 모듈 및 수소 생산용 모듈 중 적어도 하나를 포함하는 그룹에서 선택된다. 따라서, 여러 유형의 에너지가 동시에 생산될 수 있다.
바람직하게는, 에너지 생성 모듈의 뒷면은 반사 표면, 광 산란체를 제공하고, 형광 물질 및/또는 에너지-생성 표면을 포함한다. 이 방식에서, 입사광은 추가로 에너지를 생성하기 위해 사용되거나 또는 식물로 반사된다.
본 발명의 제2 측면은, 본 발명의 제1 측면에 따른 복수의 에너지 생성 디바이스를 포함하는 에너지 생성 시스템으로서, 하부 부분으로부터 복수의 디바이스를 각각 지지하는 하나 이상의 빔 및/또는 상부로부터 에너지 생성 디바이스를 매달고 있는 하나 이상의 케이블을 포함하는 것을 특징으로 한다. 이로 인해서, 본 발명의 에너지 생성 디바이스는 전 분야에 유리하고 용이하게 제공될 수 있다.
본 발명의 이러한 디바이스의 추가적인 이점은 아래에서 간략하게 설명된다.
박막 다이크로익 미러는 비용이 0이 아니다. 포물선형/원통형 미러를 갖는 설계는 PV 패널이 다이크로익 미러 영역의 일부를 셰이딩하게 되어, 자원을 낭비하게 된다. 또한, PV 패널은 태양광에 수직이므로 식물에 일부 셰이딩을 생성한다. 본 발명에서는, PV 패널의 후면에서 반사된 태양광에 관해 수직하지 않는 입사를 생성하는, 축외 미러를 사용하여 문제를 해결한다. 이는 태양 고도가 낮을 때, 태양광이 PV 패널의 뒷면에서 반사되어 식물로 투과되는 조절 메커니즘을 생성한다.
본 발명의 시스템은 기하학적 제약이 존재하는 경우에도, 해결수단의 배향성을 허용하는 경량 구조를 갖는다. 따라서 모든 기능에 적합한 해결수단의 사용이 단순화된다. 구조는 또한 식물에 대해 최소한의 셰이딩을 갖도록 최적화된다.
단순한 단일-광학-인터페이스 구조는 간접 태양광의 경우에도, 식물로의 최대의 광 투과율을 허용한다.
본 발명의 추가적인 특정한 이점 및 특징은 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 적어도 하나의 실시예의 다음의 비-제한적인 설명으로부터 더욱 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명의 일반적인 개념을 나타내고,
도 2a 및 2b는 본 발명의 제1 실시예를 개략적으로 나타내고
도 3a 및 3b는 대안적인 원형 지지 구조를 갖는 본 발명의 실시예를 개략적으로 나타내고
도 4는 반사경의 1D 어레이를 형성하는 금속 프로파일 상의 반사경을 갖는 본 발명의 실시예를 나타내고
도 5는 케이블을 사용하는 배향 메커니즘을 갖는 본 발명의 또 다른 실시예를 나타내고,
도 6a 및 6b는 여러 개의 반사경을 사용하는 배열을 갖는 본 발명의 실시예를 나타내고, 케이블은 여러 개의 반사경의 배향을 동시에 수행하기 위해 사용되고,
도 7은 본 발명에 따른 반사경 설계에 관한 스케치 및 변수 정의를 나타내고, 그리고
도 8은 본 발명의 제2 실시예를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일반적인 개념을 나타내고,
도 2a 및 2b는 본 발명의 제1 실시예를 개략적으로 나타내고
도 3a 및 3b는 대안적인 원형 지지 구조를 갖는 본 발명의 실시예를 개략적으로 나타내고
도 4는 반사경의 1D 어레이를 형성하는 금속 프로파일 상의 반사경을 갖는 본 발명의 실시예를 나타내고
도 5는 케이블을 사용하는 배향 메커니즘을 갖는 본 발명의 또 다른 실시예를 나타내고,
도 6a 및 6b는 여러 개의 반사경을 사용하는 배열을 갖는 본 발명의 실시예를 나타내고, 케이블은 여러 개의 반사경의 배향을 동시에 수행하기 위해 사용되고,
도 7은 본 발명에 따른 반사경 설계에 관한 스케치 및 변수 정의를 나타내고, 그리고
도 8은 본 발명의 제2 실시예를 나타낸다.
실시예의 임의의 특징이 유리한 방식으로 다른 실시예의 임의의 다른 특징과 결합될 수 있으므로 본 발명의 상세한 설명은 비-제한적인 방식으로 본 발명을 설명하도록 의도된다.
도 1은 태양광(A)이 대상 토지(D)를 향하고 이 토지 위에 본 발명에 따른 에너지 생성 디바이스(1)가 제공되는 본 발명의 일반적인 개념을 도시한다. 용어 "위(above)"는 그것의 자연적인 의미를 가질 수 있으나, 수직 정원의 경우 동일한 용어는 "앞(in front)"으로 이해되어야 하며, 따라서 요약하면 이 용어의 의미는 "식물과 광원 사이"로 이해되어야 한다. 에너지 생성 디바이스(1)는 일부 광(화살표 C)을 통과시켜 식물에 도달하고 나머지 광, 즉 식물에 필요하지 않은 광(화살표 E)을 반사하여 차단하고, 방향을 바꾸고, 반사된 광으로 에너지를 생산하도록 구성된 에너지 생성 모듈(12) 상에 균질하게 집중시키도록 구성된 반사 패널(11)을 가지고, 태양광을 적어도 부분적으로 차단하도록 구성된다. 바람직한 실시예에 따르면, 생산된 에너지는 광전지 셀(들)을 통한 전기이나, 그것은 대신에 열 에너지 또는 수소 생산일 수 있다.
보다 구체적으로, 에너지 생성 디바이스(1)는 식물의 성장에 필요한 광(화살표 C)이 에너지 생성 디바이스(1)의 뒤(또는 아래)에 위치되는 식물 D에 거의 완전히 투과되도록 구성된다. 통과 기준은 바람직하게는 광의 파장이다.
본 발명의 에너지 생성 디바이스(1)의 제1 실시예가 이제 도 2a 및 2b를 참조하여 설명될 것이다. 기본적으로, 에너지 생성 디바이스(1)는 반사 패널(11), 지지 구조(13) 및 에너지 생성 모듈(12)을 포함한다.
제1 실시예에 따르면, 반사 패널(11)은 바람직하게는 도면에 세 개로 표시된 적어도 두 개의 페싯/라멜라(11', 11'', 11''')로 이루어진 다이크로익 미러를 포함하는 것이 바람직하며, 태양광은 바람직하게는 반사 패널(11)의 상기 페싯(11', 11'', 11''')에서 적어도 부분적으로 반사된다. 페싯/라멜라(11', 11'', 11''')는 도 2a 및 2b에 도시된 바와 같이 지지 구조(13')를 통해 함께 부착될 수 있거나 또는, 대안적으로 적어도 두 개의 평면 표면으로 이루어지고 서로 다른 방향으로 반사된 광을 특정 영역, 바람직하게는 에너지 생성 모듈(12)의 수집 표면에 대응하는 특정 영역에 균질하게 집중시켜, 태양 에너지 생성 모듈에 균질한 일사량을 획득함으로써 광 수집을 최적화하는 내부 표면을 제공하는 단일의 부품(미도시)으로 구성될 수 있다.
복수의 반사 영역(11', 11'', 11''')은 바람직하게는 편평하고 인접한 방식으로 제공될 수 있다. 대안적으로, 제2 실시예에 따르면, 반사 영역을 제공하는 각각의 라멜라(11', 11'', 11''', 11'''', 11''''', 11'''''')는, 도 8에 도시된 바와 같이 V 형상을 제공하기 위해 두 부분으로 나눠질 수 있다. V 형상이란 서로에 대해 각도를 갖는 두 개의 표면을 제공하기 위해 하나(또는 여러 개)의 반사 영역이 수직으로 뒤틀어질 수 있음을 의미한다. 이는 장애물이 광로 상에 있을 때 장애물의 음영이 뒤틀림에 대응되도록 하여 음영 문제를 해결하는 것을 허용할 수 있게 한다. 수직 비틀림의 경우, 이는 광의 교차-반사를 허용한다(좌측 반사 표면은 에너지 생성 모듈의 우측 부분으로 광을 반사하고 우측 반사 표면은 에너지 생성 모듈의 좌측 부분으로 광을 반사한다). 즉, 도 8의 실시예는 반사된 광이 수직 방향으로 세 개의 인자, 그리고 수평 방향으로 두 개의 인자에 의해 집중되도록 하는 방식으로 배향된 여섯 개의 라멜라를 포함하는 반사 패널을 나타낸다. 집중 인자를 증가시킴으로써, 전력 생성 모듈로부터의 전력 출력은 반사 패널의 최종 부분적 셰이딩에 덜 의존하게 된다.
상기 설명된 바와 같이, 반사 패널(11)은 식물에 도달하도록 통과될 수 있고, 에너지 생성 모듈로 반사되는 광을 필터링한다. 필터링되는 파라미터는 바람직하게는 광의 파장이다. 조명될 식물/작물의 유형에 따라, 반사 패널(11)의 투과/반사/굴절 지수, 또는 보다 정확하게는 반사 패널(11)을 구성하는 재료(들)의 투과/반사/굴절 지수는, 특정한 파장 범위를 통과시키고 다른 특정 파장 범위를 반사하도록 조정된다. 예를 들어, 파장 범위가 470~530nm(식물의 잎/과실에 있는 카로테노이드, 안토시아닌, 등의 함량에 따라 다름) 이하이고 630 내지 780nm의 파장이 식물로 투과되도록 하는 필터는 일반적인 감광성 식물 구성요소(클로로필, 크립토크롬, 포토트로핀, 카로테노이드, 피토크롬)가 가장 많이 흡수하는 영역을 커버한다.
반사 패널(11)의 투과/반사/굴절을 조정하기 위해, 특정한 재료 및/또는 특정한 두께 범위 및/또는 특정한 표면 처리 및/또는 특정한 첨가제가 사용될 수 있다. 다이크로익 필터는 예를 들어 유리 기판 상에 수 백 나노미터 두께의 금속 산화물 층을 증착하여 만들어질 수 있다. 더 저렴한 대안은 예를 들어 유리, 폴리카보네이트 또는 아크릴 또는 임의의 기타 UV 스테이블 폴리머와 같은 기판 상에 부착함으로써 다층 폴리머 필터를 사용하는 것이다. 플라즈몬 필터와 같은, 다른 옵션도 또한 고려될 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 반사 패널의 뒷면, 즉 표면 처리된 측면이 아닌 뒷면은, 반투명 또는 확산 유리로 만들어질 수 있고 및/또는 반사-방지(AR; Anti Reflection) 코팅을 가질 수 있다.
에너지 생성 모듈(12)은 바람직하게는 하나 이상의 광전지 셀이지만 열 생성용 모듈, 및/또는 수소 생산용 모듈 등일 수 있다. 반사 패널(11) 및 에너지 생성 모듈(12)은 바람직하게는 최대의 광량이 (직접적으로 및 간접적으로) 식물에 도달하여 식물 상의 음영을 방지하도록 최적화된 방식으로, 즉 가능한 가장 작은 차단 표면을 제공하는 방식으로 고안된 경량의 지지 구조(13, 13')에 의해 지지된다.
또한, 식물로 투과되는 광량을 최대화하기 위해, 에너지 생성 모듈(12)의 뒷면(반사 패널(11)로부터 멀어지는 쪽)은 광의 일부를 식물로 반사하도록 (도 1의 화살표 H) 구성될 수 있다(예를 들어, 미러 및/또는 특정한 틸트 방향을 제공함). 그것은 또한 확산광이 식물에 도달하도록 하는 광 산란체(scatterer)일 수 있거나, 또는 그것은 비-광합성 활성 광자를 광합성 활성 광자로 상향/하향-변환하는 것을 보장하기 위한 형광 물질을 포함할 수 있거나 또는 그것은 에너지-생성 표면일 수 있다. 하지만, 최적화된 에너지 생산이 필요한 경우, 에너지-생성 모듈은 양면형(bi-facial)일 수 있다. 에너지 생성 모듈은 또한 방열판에 연결될 수 있다.
에너지 생성 디바이스의 지지 구조(13, 13')는 또한 모듈 방향을 단순화하도록 설계된다. 반사 패널(11) 및 에너지 생성 모듈(12)을 함께 지지하는 지지 구조(13)의 프레임은 도 2a에 도시된 바와 같은 직사각형 형상, 또는 도 3a에 도시된 바와 같은 다각형 또는 원형 형상을 가질 수 있다. 바람직하게는 지지 구조(13)의 중앙에 빈 공간이 마련되는 중공(hollow) 구조이고 이로써 상기 구조에 의해 차단되는 광을 최소화하도록 얇은 표면을 제공한다. 지지 구조(13)는 하나의 단일 기계 부품으로 만들어질 수 있거나 또는 서로 부착된 여러 개의 요소로 만들어질 수 있다. 지지 구조는 가볍고 강해야 한다. 철, 티타늄 또는 알루미늄과 같은 금속이 사용될 수 있다. 탄소 강화 복합재 또는 유리 섬유 복합재와 같은 복합 물질의 사용 또한 유용할 수 있다. UV 저항성 폴리머가 또한 더 작은 부분을 위해서 사용될 수 있다. 지지 구조(13)의 빈 공간은 간접 광의 높은 광학적 투과를 돕지만 강풍의 경우에 바람 저항성을 낮추도록 구조물을 배향하는 것도 도움이 될 수 있다.
바람직하게는, 지지 구조는 모듈이 반사 패널에 대해 중심에서 벗어나도록(또는 축에서 벗어나도록) 반사 패널의 단부를 에너지 생성 모듈의 단부에 연결하도록 구성된다. 보다 바람직하게는, 지지 구조는 반사 패널의 하단을 에너지 생성 모듈의 상단과 연결한다. 여기서 용어 단부는 엣지(상부 및 하부 엣지)로서 이해되어야 한다.
사용 시, 도 2에 도시된 바와 같은 여러 개의 에너지 생성 디바이스(1)는 대상 토지 유형 및 작물의 유형에 따라 에너지 생성을 최적화하도록 동시에 사용된다. 이러한 디바이스를 지지하기 위해, 전체 시스템은 도 4에 도시된 바와 같이 복수의 디바이스(1)를 각각 지지하는 하나 이상의 빔(20)을 마련하도록 설계된다. 이는 에너지 생성 디바이스(1)를 하부 부분으로부터 지지하는 하나의 옵션을 나타낸다. 대안적으로, 도 5에 도시된 바와 같이, 예를 들어 일부 케이블(21)을 사용하여 에너지 생성 디바이스(1)를 상부로부터 매달고 있는 것 또한 가능할 수 있다.
마지막으로, 하부 부분으로부터 복수의 디바이스(1)를 각각 지지하는 하나 이상의 빔(20)과 상부로부터 에너지 생성 디바이스(1)를 매달고 있는 하나 이상의 케이블(21)을 조합하는 배치 또한 제공될 수 있다.
에너지 생성 디바이스(1) 당 전력 생성을 향상시키기 위해, 패널에 의해 반사된 광이 전력 생성 모듈의 전체 표면을 커버하는 것이 바람직하다. 추가적으로, 전력 생성 모듈에 도달하는 반사된 광의 양을 최대화/최적화하기 위해 태양광을 향하는 방향으로 반사 표면을 마련한다. 이를 하루 종일, 그리고 일년 내내 달성하기 위해, 디바이스(1)의 방향이 태양의 움직임을 추적하기 위해 모터화 될 수 있도록 태양 방향 추적 시스템(도시되지 않음) 및 모터화 시스템을 포함하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 각각의 디바이스(1)는 도 2a 및 2b에 도시된 바와 같이 액츄에이터 세트(14, 15)를 가질 수 있고, 이는 에너지 생성 디바이스(1)를 틸팅하거나 및 또는 피봇할 수 있다. 도 2a 및 2b의 예에서, 모듈의 틸팅은 바람직하게는 비-캡티브 스테퍼(non-captive stepper) 모터를 사용하여 획득된다.
태양 추적을 수행하는 메커니즘의 또 다른 실시예가 도 3a 및 3b에 도시되어 있고 슬라이더(17)가 디바이스(1)를 지지하는 직사각형 지지 구조(18)를 움직이는 링 구조(16)를 포함한다. 제2 축 이동(틸팅)은 중앙 프레임(13)의 회전 축(M)에 의해 보장된다.
도 2a, 2b, 3a 및 3b에 도시된 바와 같은 배향 메커니즘은, 바람직하게는 고도방위각 마운트에 기초한다. 짐벌(gimbal)을 사용하여, 적도 마운트를 재현하는 시스템 또한 동일한 목적을 위해 사용될 수 있다.
이전에 언급된 바와 같이, 반사 패널(11)은 단일의 반사경 뿐만 아니라 반사경의 1D 또는 2D 어레이로 구성될 수 있다. 도 6a 및 6b는 금속 프로파일(빔(20)) 상에 여러 개의 에너지 생성 디바이스(1)를 장착하기 위한 제1 실시예를 나타낸다. 여기서, 각각의 에너지 생성 디바이스(1) 상에 액츄에이터 세트(14, 15)를 갖는 것을 피하기 위해, 타이밍 벨트(18)는 프로파일 말단에서 모터와 함께 사용되어 반사경의 전체 라인의 방위각 움직임을 수행한다. 도 6b와 같이 프로파일에 내장된 단일의 케이블을 갖는 메커니즘은 편차를 사용하여 태양의 적위를 추적하기 위해 사용될 수 있지만, 동일한 작업을 수행하는 여러 개의 케이블을 갖는 시스템이 대신에 사용될 수 있다.
반사 패널(11)의 기하학적 구조는 에너지 생성 모듈(12) 상에 균질한 조명을 보장하도록 최적화된다. 바람직하게는 상기 기하학적 구조는 라멜라의 끝점을 연산하기 위한 수학적 공식을 따라야 한다.
도 7을 참조하면, 반사 패널(11)은 반사 패널(11)의 바닥(점 X1=(0,0))이 좌표계의 원점이고 N-1 개의 라멜라(11', 11', …)(또는 N-1 개의 서로 다른 방향의 표면을 제공함)로 이루어지고, 에너지 생성 모듈(12)의 바닥(점 PVb)은 좌표 (L,0)을 갖는 것으로 간주한다. 에너지 생성 모듈(12)은 길이 PVh를 가지고 y-축에 대해 각도 δ 만큼 틸팅되어, 에너지 생성 모듈(12)의 상부 좌표는 PVt=(L+PVh*sin(δ), PVh*cos(δ))가 된다.
에너지 생성 모듈(12)의 셰이드가 X1에 투영되는 태양 고도각 α=atan(PVh*cos(δ)/(L+PVh*sin(δ)))이고, nl은 원점으로부터 태양을 향하는 단위벡터로, nl은=[cos(α); sin(α)]이다.
이전 단락에서 설명된 변수로부터, 라멜라(11, 11', …)의 말단 지점이 반복적으로 계산될 수 있다. 라멜라(11)의 하부 말단 지점 Xi를 아는 경우, 상부 말단 Xi+1이 다음과 같이 계산될 수 있다:
반사된 광의 방향(라멜라 바닥이 PV 패널 바닥으로 향함)을 나타내는 단위 벡터는 nx=(PVb-Xi)/|PVb-Xi|이다. 라멜라에 수직한 단위 벡터는 반사와 태양광 사이의 중간이다: nM=(nl+nX)/|nl+nX|. nM 벡터는 좌표 nM,x 및 nM,y를 가진다. 위쪽을 가리키는 미러 라멜라에 접하는 단위 벡터 nMp는 좌표 (-nM,y; nM,x)를 가진다. 라멜라의 길이를 구하기 위해, 다음의 선형 방정식 시스템 Xi+a*nMp=PVt+b*nx를 풀어 a 및 b를 구한다. 방정식은 nM에 의해 정의되는 표면을 갖는 라멜라 상의 지점을 찾고, 반사된 광선은 PV 모듈의 상부에 도달한다. 방정식을 푸는 값은 라멜라의 길이이다. 라멜라의 상부 말단 Xi+1=Xi+a*nMp가 된다. 다음 라멜라의 끝점은 Xi+1부터 시작하여 Xi+2를 계산하는 동일한 방식으로 계산될 수 있다. N-1 개의 라멜라를 갖는 반사경의 경우, 끝점은 XN까지 계산되어야 한다.
에너지 생성 모듈(12)의 틸트(δ)는 반사된 광의 패널 상에서의 입사각을 감소시키기 위해 조정될 수 있다. 동시에, 틸트는 태양의 작은 고도에서 패널 뒷면에서 식물에 태양광을 반사할 수 있도록 한다.
실시예가 다수의 실시예와 함께 설명되었지만, 많은 대안, 수정 및 변형이 적용 가능한 기술분야의 통상의 기술자에게 명백할 것임이 분명하다. 따라서, 본 개시는 본 개시의 범위 내에 있는 모든 대안, 수정, 및 등가물 및 변형을 포괄하도록 의도된다. 이는 특히 사용될 수 있는 다양한 장치, 재료, 각도에 관한 경우이다. 또한, 본 발명의 시스템 및 디바이스는 옥외, 즉 야외, 또는 예를 들어 온실과 같은 실내에서 사용되도록 구성되도록 의도되어야 한다.
Claims (14)
- 에너지 생성 디바이스(1)로서,
반사 표면을 제공하는 반사 패널(11),
에너지 생성 모듈(12) 및
상기 반사 패널(11) 및 상기 에너지 생성 모듈(12)을 함께 지지하는 지지 구조(13)를 포함하고,
상기 반사 패널(11)은 입사하는 태양광을 필터링하여 상기 태양광의 제1 부분을 통과시키고 상기 태양광의 제2 부분을 반사하도록 구성되고,
상기 반사 표면은 각각에 대해 서로 다르게 배향된 복수의 반사 영역(11', 11'', 11''')을 제공하고, 각각은 상기 에너지 생성 모듈(12)의 수집 표면 상에 입사하는 광의 상기 제2 부분을 균질하게 반사하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 에너지 생성 디바이스. - 청구항 1에 있어서,
상기 반사 패널(11)의 재료(들)의 투과/반사/굴절 지수는 특정한 파장 범위를 갖는 광을 통과시키도록 조정되도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 에너지 생성 디바이스. - 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 반사 패널(11)의 투과/반사/굴절은 특정한 재료 및/또는 특정한 두께 범위 및/또는 특정한 표면 처리 및/또는 특정한 첨가제를 통해 조정되는 것을 특징으로 하는, 에너지 생성 디바이스. - 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
상기 반사 패널(11)의 방향을 수정하도록 구성된 배향 시스템(14, 15)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 에너지 생성 디바이스. - 청구항 4에 있어서,
상기 배향 시스템(14, 15)은 서로 수직인 두 방향으로 상기 반사 패널(11)의 방향을 수정하도록 구성된 피벗 모듈 및 틸팅 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는, 에너지 생성 디바이스. - 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
태양 방향/위치 및/또는 태양광 방향을 결정하도록 구성된 태양 추적 시스템을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 에너지 생성 디바이스. - 청구항 6에 있어서,
상기 태양 추적 시스템에 의해 수신된 데이터에 기초하여 상기 배향 시스템(14, 15)을 제어하도록 구성된 제어 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는, 에너지 생성 디바이스. - 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,
상기 복수의 반사 영역(11', 11'', 11''')은 편평한 표면 및/또는 인접한 표면인 것을 특징으로 하는, 에너지 생성 디바이스. - 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
상기 반사 패널은 적어도 두 개의 페싯/라멜라(11', 11'', 11''')로 이루어진 다이크로익 미러(dichroic mirror)인 것을 특징으로 하는, 에너지 생성 디바이스. - 청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 한 항에 있어서,
상기 페싯/라멜라(11', 11'', 11''')는 지지 구조(13)를 통해 함께 조립되거나 또는 단일의 부품을 구성하는 것을 특징으로 하는, 에너지 생성 디바이스. - 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
상기 지지 구조(13)는, 모듈이 상기 반사 패널(11)에 대해 중심에서 벗어나도록 상기 반사 패널(11)의 단부를 상기 에너지 생성 모듈(12)의 단부에 연결하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 에너지 생성 디바이스. - 청구항 1 내지 청구항 11 중 어느 한 항에 있어서,
상기 에너지 생성 모듈(12)은 광 전지를 사용하는 전기 생성 모듈, 열 생성용 모듈 및 수소 생산용 모듈 중 하나를 포함하는 그룹에서 선택되는 것을 특징으로 하는, 에너지 생성 디바이스. - 청구항 1 내지 청구항 12 중 어느 한 항에 있어서,
상기 에너지 생성 모듈(12)의 뒷면은 반사 표면, 광 산란체를 제공하고, 형광 물질 및/또는 에너지-생성 표면을 포함하는 것을 특징으로 하는, 에너지 생성 디바이스. - 청구항 1 내지 청구항 13 중 어느 한 항에 따른 복수의 에너지 생성 디바이스를 포함하는 에너지 생성 시스템에 있어서,
각각이 하부 부분으로부터 복수의 디바이스(1)를 지지하는 하나 이상의 빔(20) 및/또는 상부로부터 상기 에너지 생성 디바이스(1)를 매달고 있는 하나 이상의 케이블(21)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 에너지 생성 시스템.
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