KR20110104487A - 태양 에너지 수집 시스템 - Google Patents

Abstract

고정된 베이스 구조 내에 평면형 어레이로 배열된 복수의 에너지 수집 소자들을 사용하여 태양 에너지를 수집하기 위한 시스템으로서, 이들 각각은: 그 축에 평행한 방향성 태양광을 자체 내의 하나 이상의 광전 변환부들로 집중시키는 광학 수단 및 태양의 방향에 대한 그 축의 발산을 감지하는 수단을 가지는 에너지 캡쳐 유닛; 및 서로 대향하며 수직인 아크형 슬롯들에 두 개의 아크형 트랙들을 슬라이딩 가능하게 장착함으로써, 즉 상기 에너지 캡쳐 유닛 내에 볼록 트랙을, 그리고 상기 베이스 구조 내에 오목 트랙을 장착함으로써 두 개의 포개진 축들을 중심으로 상기 캡쳐 유닛을 배향하는 각도 배치 유닛을 포함하며, 각 슬롯은 각각의 트랙을 치합하고 이를 따라 배치부를 이동시키는 구동 장치를 구비한다. 본 발명은 개구 효율을 극대화하면서 인접 소자들 사이의 충돌을 방지하도록 소자들의 형상들 및 배열을 결정하기 위한 방법들을 제공한다.

Description

태양 에너지 수집 시스템 {SOLAR ENERGY COLLECTION SYSTEM}

본 출원은 본 발명자에 의해 2008년 12월 3일자에 출원한 미국 가출원 제 61/200,835 호에 대해 우선권을 주장한다.

본 발명은 태양을 추적하는 이동하는 모듈들로써 광학 집광을 사용하여 태양 에너지를 수집하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 이러한 방법 중 종래 솔라 패널과 유사한 형태 인자들 및 설치 피쳐들을 가진 집광식 광발전 시스템의 구축에 적합한 방법들에 관한 것이다.

광발전 (photovoltaic) 셀들을 사용하여 태양광을 전기로 변환시키는 접근법에는 주로 두 종류가 있는데, 고정된 배향 (orientation) 으로 장착된 광발전 셀들의 평면형 패널들을 사용하는 종류와, 추적형 광학 소자들을 사용하여 태양광을 적은 면적들의 광발전 셀들로 집광하는 종류가 있다. 후자의 종류는 요구되는 광발전 재료들의 양을 감소시키고 이로 인해 비집광식 패널들에서는 비용적으로 제약이 있을 고효율 광발전 셀들의 경제적인 사용을 가능하게 함으로써 잠재적으로는 더 높은 전력 밀도와 더 적은 장비 비용을 가능하게 한다. 예를 들어, III-V 타입 반도체들을 이용하는 삼중접합 (triple-junction) 광발전 셀들은 근래에 40% 를 넘는 광전변환효율을 나타낸 바 있지만, 이러한 셀들의 지상 응용이 경제성 있게 하기 위해서는 통상적으로 100 초과의 태양 (suns) 의 집광으로 사용하는 것이 요구된다.

현재까지는, 집광식 광발전 응용들이 주로 산업 규모의 작동들로 제한되어 왔다. 근래에 개발된 다수의 집광식 시스템들은 상대적으로 작은 크기의 광학 소자들을 사용하고 낮은 프로파일 (profile) 을 가지는 것으로 묘사되지만, 이들은 태양광을 전기로 변환시키는 제품에 대한 시장의 가장 큰 부문, 즉 옥상 패널 시장에 대해서는 여전히 적합하지 않다.

대부분의 옥상 솔라 패널 설치에서는 패널들을 낮은 프로파일 및 거슬리지 않는 외관을 가지도록 고정된 배향으로 장착한다. 집광식 고효율 광발전기들의 우수한 경제성과 종래 솔라 패널들의 설치 및 관리상의 편의 및 미관을 조합하는 솔라 컬렉터 (solar collector) 가 있다면 이는 그 소유자 및 사용자에게 전례 없는 가치를 제공할 것이다. 추적형 광학 소자들을 사용하는 집광식 솔라 컬렉터가 종래의 패널처럼 얇은 프로파일과 고정된 형상을 가지도록 하는 요구조건은 그러한 광학 소자들 다수가 고정된 베이스 구조 내에 장착되어 사용되는 것을 필요하게 한다.

상대적으로 얇은 슬래브들 내에 배열된 광학 소자들의 어레이들을 포함하는 제안된 시스템들은 이 소자들을 복수의 소자들에 의해 공유되는 조절 메커니즘과 기계적으로 링크시킨다. 이러한 접근법들은 여러 가지 단점들을 지니는데, 여기에는 소자들 사이의 기계적 링크들 내의 장애들이 복수의 소자들의 추적 장애들을 일으킬 수 있다는 점, 메커니즘 내의 비정밀성으로 인해 기계적 링크들이 추적 오류들의 근원이 된다는 점, 그리고 기계적 연결들을 조작해야 하므로 개별 소자들을 보수하는 것이 복잡하다는 점이 포함된다.

본 발명의 목적에는 아래의 과제들을 해결하는 태양 에너지 수집 시스템들을 생산하는 방법들을 제공하는 것이 포함된다:

* 집광 소자들의 어레이들이 패널 형상의 봉입체들 (enclosures) 내에 구성될 수 있을 만큼 충분히 작은 치수들을 가지는 집광 소자들의 제조를 경제성 있게 함.

* 탁월한 태양 추적 정확도를 제공하여 집광 비율의 극대화를 가능하게 하고 요구되는 광발전 재료의 양을 최소화함.

* 어레이 소자들 사이의 공간들로의 광손실을 최소화함으로써 집광식 광학 시스템의 개구 효율 (aperture efficiency) 을 극대화함.

* 소자들의 제거 및 재설치를 간단하고 직관적이 되게 함으로써 탁월한 작동 로버스트성을 제공하고 용이한 유지 보수를 가능하게 함.

본 발명은 2축 자체 정향 (self-orienting) 에너지 수집 소자들을 이용함으로써 광학 수단을 사용하여 태양광을 수백 혹은 수천 배로 집광하고 이를 고효율 광발전 (PV) 셀들로 인가하는 태양 에너지 수집 시스템들의 생산을 가능하게 하는데, 각 소자는: 광 배향을 감지하고, 광을 집광하고, 이를 전기로 변환시키는 기능들을 수행하는 에너지 캡쳐 유닛; 캡쳐 유닛을 지지하고 두 개의 수직 축들을 중심으로 틸팅하는 각도 배치 유닛; 및 각도 배치 유닛을 지지하는 베이스 유닛을 포함하며; 상기 에너지 수집 소자들은 슬래브 형상의 봉입체들 내에 배열되고, 종래 솔라 패널들과 유사한 폼팩터들 (form-factors) 을 가질 수 있다.

각 에너지 수집 소자는 광학적, 광전기적, 전자적, 및 기계적 수단의 조합을 통하여 두 개의 수직 틸트축들 각각에 대한 캡쳐 유닛의 회전을 제어하는 각도 배치 시스템을 통하여 개별적으로 태양을 추적한다. 에너지 캡쳐 유닛은, 그 광학적 및 광감지 기하형상을 통해, 에너지 캡쳐 유닛의 축이 태양의 방향으로부터 벗어난 정도에 관한 정보를 전기의 형태로 제공한다. 이 정보는 두 수직 축들 (베이스에 대해 상대적인 하나와 캡쳐부에 대해 상대적인 하나) 을 중심으로 유닛을 이동시킴으로써 상기 벗어난 정도를 감소시키는 방향으로 캡쳐부를 회전시키는 각도 배치 유닛 내의 모터들의 이동을 제어하는 데 사용된다.

각 소자는 동일한 소자의 에너지 캡쳐부 내의 광학 시스템에 의해 제어되는 전용의 각도 배치 구동 모터들을 가지기 때문에, 구동 시스템은 무상태 (stateless) 이다: 소자가 초기에 어떻게 배치되든지 간에, 이는 방향성 광을 집중시키도록 자신을 정향할 것이며, 패널 내의 다른 소자들의 기능의 영향을 받지 않을 것이다. 정향을 하는 전자계들에 정보를 제공하는 광학 시스템과 이 시스템의 장착 및 배치 제어를 제공하는 각도 배치 유닛 사이의 긴밀한 기계적 관계는 추적 오류들이 발생할 기회를 최소화한다.

각 소자의 에너지 캡쳐부는 그 각도 배치부에 의해 장착되어 두 개의 포개진 (nested) 수직 축들을 중심으로 회전되는데, 외부 축은 베이스 플랫폼에 평행하고 내부 축은 외부 축에 수직이며 캡쳐부의 법선 축에 수직이다.

본 발명은 긴밀하게 패킹된 (close-packed) 어레이들에서 각도 배치부들에 의해 장착되어 캐쳐부들의 개별 이동을 제약하지 않으면서 넓은 범위의 틸팅 각도들에 걸쳐 최적의 개구 효율을 제공하는 에너지 캡쳐 광학계들의 프로파일들을 정의하는 데 사용되는 일 군의 형상들을 설명한다. 이 형상들은 어레이의 법선 방향을 향할 때 평면을 타일링 (tile) 하고, 그들의 각도 배치부들에 의해 이동될 때에도 각각의 평면 타일들의 상기 법선 방향 연장 (extension) 에 의해 정의되는 각각의 체적 내에 완전히 속해 있다.

본 발명은 또한 에너지 캡쳐 유닛들의 광학계들을 설계하는 방법으로서, 프로파일들이 상기 평면 틸팅 형상들에 매우 근사하게 하고 각도 배치부의 제어 하의 운동 체적 (volumes of motion) 이 이웃들의 운동 체적과 교차하지 않게 하여 어레이 소자들의 개별적인 운동과 무관하게 어레이 소자들 사이에 충돌을 방지하도록 에너지 캡쳐 유닛들의 광학계들을 설계하는 방법을 제공한다.

에너지 수집 소자들의 일부 실시예들은 캡쳐 유닛들의 광학계들 및 PV 셀들의 기하형상에 의존함으로써 배치 모터들을 직접 가동하는 전기를 생산하여 캡쳐부 정향 운동을 일으키는 반면, 다른 실시예들은 사전에 생성되고 각 소자의 마이크로컨트롤러들에 설치된 알고리즘들 및 데이터 세트들을 이용함으로써 캡쳐부의 PV 셀들의 출력 레벨들의 패턴에 기초하여 배치 모터들의 캡쳐부 정향 운동을 결정한다. 이러한 알고리즘들의 사용은 후자의 종류의 실시예들이 정향 정보를 유추할 수 있는 데이터를 위해 전적으로 에너지 수집 PV 셀들에 의존할 수 있게 하여, 전용 방향 감지 광 센서들이 필요하지 않게 한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 집광 소자들의 어레이들이 패널 형상의 봉입체들 내에 구성될 수 있을 만큼 충분히 작은 치수들을 가지는 집광 소자들을 경제적으로 제조하고, 탁월한 태양 추적 정확도를 제공하여 집광 비율의 극대화를 가능하게 하고 요구되는 광발전 재료의 양을 최소화하고, 어레이 소자들 사이의 공간들로의 광손실을 최소화함으로써 집광식 광학 시스템의 개구 효율을 극대화하고, 소자들의 제거 및 재설치를 간단하고 직관적이 되게 함으로써 탁월한 작동 로버스트성을 제공하고 용이한 유지 보수를 가능하게 하는 태양 에너지 수집 시스템 및 그 생산 방법이 제공된다.

도 1 은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 자체 정향하는 에너지 수집 소자를 도시하는 도면이다.
도 2 는 도 1 에 도시된 것과 같은 소자들이 패널 내부에 설치된 모습을 도시하는 도면이다.
도 3 은 도 1 에 도시된 종류의 동일한 소자들 60 개를 수용하는 패널 전체를 도시하는 도면이다.
도 4 는 제공되는 두 개의 운동축을 중심으로 본 발명의 각도 배치부에 의해 평면 틸팅 형상들이 증분별로 틸팅됨에 따라 나타나는 다양한 평면 틸팅 형상들의 외곽선들의 투영을 도시하는 도면이다.
도 5 는 각도 배치부에 의해 이동되는 경우 운동 체적이 교차하지 않는 1-파라미터 군의 틸팅 형상들을 생성하는 방법을 도시하는 도면이다.
도 6 은 도 5 에서 정의된 틸팅 형상이 각도 배치부의 틸트축 중 하나 및 둘 모두를 중심으로 이동함에 따라 스위핑되는 체적들을 도시하는 도면이다.
도 7 은 본 발명의 일 예에서 어레이의 법선 축으로부터 오는 입사광의 다양한 각도 변위에 대하여 개구 효율을 표현하는 시뮬레이션을 도시하는 도면이다.
도 8 은 제 1 실시예의 에너지 캡쳐 유닛의 반사부를 설계하는 방법을 도시하는 도면이다.
도 9 는 제 1 실시예의 에너지 캡쳐 유닛의 분해도 및 상세도를 도시하는 도면이다.
도 10 은 에너지 캡쳐 유닛의 법선 축을 따라 하향으로 본 도면 및 유닛에 대한 세 개의 종단면도이다.
도 11 은 에너지 캡쳐 유닛에 투사되는 대표적 광선들이 따르는 경로를 도시하는 도면이다.
도 12 는 각도 배치 유닛의 세부점들을 도시하는 도면이다.
도 13 은 본 발명의 제 1 실시예의 에너지 수집 소자들을 포함하는 패널의 모퉁이의 상세도이다.
도 14 는 패널의 전기 계통도이다.
도 15 는 단순 아날로그 회로들만을 가지는 제 1 실시예의 에너지 수집 소자의 전기 계통도이다.
도 16 은 마이크로컨트롤러를 가지는 에너지 수집 소자의 전기 계통도이다.
도 17 은 본 발명의 여러 실시예들을 위한 에너지 캡쳐 컴포넌트들의 배열들과 각각의 광축들을 도시하는 도면이다.
도 18 은 제 2 실시예에 따른 에너지 수집 소자로서 에너지 캡쳐 유닛이 다섯 개의 캡쳐 컴포넌트들을 가지며 이 중 넷은 반사형 광학계를 사용하고 하나는 굴절형 광학계를 사용하는 에너지 수집 소자를 도시하는 도면이다.
도 19 는 제 2 실시예의 에너지 캡쳐 유닛의 부품들을 도시하는 도면이다.
도 20 은 제 3 실시예에 따른 에너지 수집 소자로서 에너지 캡쳐 유닛이 굴절형 광학계를 사용하는 네 개의 캡쳐 컴포넌트들을 가지는 에너지 수집 소자의 조립 상태 및 분해 상태를 도시하는 도면이다.
도 21 은 제 3 실시예의 에너지 캡쳐 유닛과 그 단면도를 도시하는 도면이다.
도 22 는 제 4 실시예에 따른 에너지 수집 소자로서 에너지 캡쳐 유닛이 반사형 광학계를 사용하는 네 개의 캡쳐 컴포넌트들을 가지는 에너지 수집 소자를 도시하는 도면이다.
도 23 은 제 4 실시예의 에너지 캡쳐 유닛과 그 단면도를 도시하는 도면이다.
도 24 는 아날로그 회로들에 기초한 에너지 수집 소자의 전기 계통도이다.
도 25 는 마이크로컨트롤러를 가지는 에너지 수집 소자의 전기 계통도이다.
도 26 은 이동 공간들 및 광 방향 변위의 표현들을 도시하는 도면이다.
도 27 은 광 변위 공간에 걸친 가상의 PV 반응 함수들의 일 예를 도시하는 도면이다.
도 28 은 마이크로컨트롤러를 구비하는 에너지 수집 소자들에 의해 사용되는 데이터세트들을 생성하는 프로세스를 간략히 도시하는 순서도이다.
도 29 는 에너지 수집 소자의 마이크로컨트롤러에 의해 실행되는 정향 알고리즘을 예시하는 순서도이다.
도 30 은 반응 공간으로부터 변위 공간으로의 역지도를 예시하는 도면이다.
도 31 은 반응 공간의 맵을 변위 공간으로 폴딩하여 맵을 표현하는 데 요구되는 데이터를 감소시키는 방법을 예시하는 도면이다.
도 32 는 정향 알고리즘에서 변위 맵을 명확화하기 위한 상태 정보의 사용을 예시하는 도면이다.
도 33 은 정향 알고리즘에서 변위 맵 내의 왜곡을 보정하기 위한 상태 정보의 사용을 예시하는 도면이다.
도 34 는 제 4 실시예의 에너지 수집 소자가 하나의 소자를 수용하도록 설계된 봉입체 내에 수용된 모습을 도시하는 도면이다.
도 35 는 제 4 실시예의 에너지 수집 소자들을 포함하는 패널의 모퉁이를 도시한 것으로서 이웃들에 의한 음영을 예시하기 위한 도면이다.
도 36 은 변위와 위치 공간의 곱을 포함하는 4차원 조건 공간을 예시하는 도면이다.
도 37 은 조건 공간을 커버하는 샘플 데이터를 생성하기 위한 시험대로서 광원이 고정될 수 있게 하는 플랫폼을 사용하는 시험대를 도시하는 도면이다.
도 38 은 본 발명의 제 5 실시예에 따른 조립품들을 도시하는 도면이다.
도 39 는 본 발명의 제 6 실시예에 따른 에너지 수집 소자를 도시하는 도면이다.

바람직한 실시예들에 대한 본 상세한 설명은 본 발명의 제 1 실시예의 개관으로써 시작된다. 그 다음, 이 실시예 및 기타 실시예들에서 에너지 캡쳐 유닛들이 서로 충돌할 가능성을 제거하면서도 동시에 유닛들의 밀집된 패킹을 통하여 최적의 개구 효율을 제공할 수 있도록 에너지 캡쳐 유닛들의 형상들을 결정하는 방법이 설명된다. 이러한 배경이 주어진 후, 상세한 설명은 다시 제 1 실시예를 검토하여 그 기능을 상세히 설명한다. 다음으로, 상세한 설명은 에너지 캡쳐 유닛들이 다수의 캡쳐 컴포넌트들로 분할되어 있는 경우에 대한 본 발명의 실시예 세 가지를 추가로 검토하고, 그러한 실시예들에서 개별 소자들의 마이크로컨트롤러들이 이들의 캡쳐 컴포넌트들로부터의 데이터를 사용하여 캡쳐 유닛들을 정향하기 위한 알고리즘들을 검토한다. 마지막으로, 상세한 설명은 처음 네 개의 실시예들과 현저히 다른 피쳐들 (features) 을 가지는 본 발명의 실시예 두 가지를 다룬다.

복사 에너지 수집 소자

도 1 은 하나의 에너지 수집 소자를 도시하고, 도 2 는 이러한 소자들 다수가 패널 내로 설치되는 모습을 도시하며, 도 3 은 60 개의 소자들로 완성된 패널을 도시한다.

소자는 서로에 대해 상대적으로 이동하는 세 개의 강성 조립품들을 포함하는데, 이들은 복사 에너지 캡쳐 유닛 (100), 각도 배치 유닛 (200), 및 베이스 유닛 (300) 이다. 편의상, 에너지 캡쳐 유닛은 에너지 캡쳐부 또는 간단히 캡쳐부로 지칭되기도 하며, 각도 배치 유닛은 각도 배치부 또는 간단히 배치부로 지칭되기도 한다. 각도 배치부는 에너지 캡쳐부 및 베이스 유닛의 아크형 (arcuate) 트랙들을 동시에 슬라이딩 가능하게 장착하여 수직적이고 교차하는 두 축들을 중심으로 부분 회전을 제공한다 -- 외부 축을 중심으로 배치부가 베이스에 대해 상대적으로 부분 회전하고 내부 축을 중심으로 캡쳐부가 배치부에 대해 상대적으로 부분 회전. 캡쳐부의 아크형 트랙은 약 170 도의 아크를 따라 연장되는 볼록한 T-레일 아크 (190) 이다. 베이스의 아크형 트랙은 약 170 도의 아크를 따라 연장되는 오목한 T-레일 아크 (310) 이다. 배치부의 아크 치합 슬롯들 각각은 약 25 도의 각도 거리에 걸쳐 연장되어 있기 때문에, 각 아크가 제공하는 운동의 각도 범위는 대략 145 도이다.

각도 배치부는 케이블 (260) 을 통해 이송되는 전기 형태의 전력 및 정보를 사용하여 배치부 내부에 장착된 한 쌍의 마이크로 기어모터들 (gearmotors) 의 작용을 통해 장착 아크들을 따라 슬라이딩한다. 베이스 및 캡쳐부에 대한 배치부의 상대적 운동 범위는 장착 아크들 내의 작은 라이저들 (risers) 에 의해 제한되는데, 이들은 최대 각도 변위들에서 배치부의 벽체들이 만나게 되는 범퍼들 (bumpers) 역할을 한다.

에너지 수집 소자는, 전자기 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 작은 고효율 광발전 셀 혹은 전력 PV 셀 (160) 로 복사 에너지를 광학적으로 집광시킴으로써 복사 에너지를 캡쳐한다.

에너지 캡쳐부는 세 개의 주요 부품들을 포함하는데, 이들은 타워 (150), 반사경 (reflector dish) (110), 및 볼록 장착 아크 (190) 이다. 이 부품들의 기능들 중 중복되는 부분은 이후의 부분에서 설명되고, 현재 부분에서는 이들의 핵심 피쳐들에 집중한다.

타워는 일차적으로는 연마된 표면들을 가진 솔리드한 (solid) 알루미늄 합금편으로 이루어지며, 포물형 패싯들 (paraboloid facets) (156), 날개들 (fins) (154), 및 내측 패싯들 (158) (도 9 참조) 을 포함한다. 이 합금편은 저각도 입사광을 포획하기 위한 가로 그레이팅 (transverse grating) 을 각각 가지고 있는 얇고 넓은 센서 PV 셀들 (164) 의 각뿔을 지지한다.

타워의 상부를 형성하는 블록 (170) 의 오목한 저면 내에는 전력 PC 셀 (160) (도 9 참조) 이 장착되어 있는데, 이는 캡쳐부의 광축을 따라 하측으로 향하고, 반사경 (110) 을 포함하는 포물면들의 공유 초점에 위치한다. 타워 날개들 중 하나에 적층된 (laminated) 편평형 케이블 (172) 에 의해 전력은 상기 PV 셀로부터 타워의 베이스로 전도된다.

반사경은 정밀한 형상의 거울형 상부 표면을 가지는데, 이는 반사도가 높고, 정반사성 (specular) 이며, 부식 저항성이다. 반사경은 사각형 소켓 (socket) 을 통해 타워에 끼워지며 타워와 함께 두 부품들의 피쳐들 사이에 정밀한 정렬을 보장하도록 설계된다. 볼록 장착 아크는 별도의 개체로서, 타워의 베이스에서 타워에 부착된다.

광학적 측면에서, 반사부는 공통의 초점을 공유하고 상이한 초점거리들을 가지는 다섯 개의 포물형 거울들로 이루어져 있다. 광축을 따라 볼 때, 반사부는 상이한 포물형들의 패치워크 (patchwork) 로서, 패치들 사이에는 광축에 평행한 라이저들이 있는데, 이들은 온전히 축소되어 패치들 사이의 가는 선들로 보이게 되어 있다.

패널 조립품

에너지 수집 소자들은 이들을 수용하도록 설계된 패널 형상의 봉입체들 내부에 설치되도록 설계되어 있다. 도 2 는 봉입체의 베이스 부분을 도시하는데, 소자들을 봉입체에 설치함에 있어서는 우선 소자들의 베이스 유닛들을 설치하고 그 다음 이들의 배치 및 캡쳐 유닛들을 설치하는 2 단계 프로세스에 의하여 설치된다.

베이스 유닛들의 레일 슬롯들 (318) 을 노치형 베이스 레일들 (424) 상으로 슬라이딩시키고, 봉입체 베이스 플레이트 (412) 내의 홀들 (414) 과 치합하는 패스너들 (416) 을 사용하여 인접한 컴포넌트들의 말단들을 상기 베이스 플레이트에 부착시킴으로써 적어도 6 개의 베이스 유닛들을 설치하였다.

에너지 캡쳐 및 각도 배치 유닛들을 조합하는 사전 조립된 모듈들을 설치된 베이스 유닛들의 오목 아크들 상에 장착함으로써 네 개의 완성된 소자들을 설치하였다. 이러한 장착 동작은 각도 배치부의 외부 슬롯을 베이스 모듈의 트랙과 정렬시키고 배치부의 반대편에 힘을 가하여 트랙 상으로 슬라이딩하게 만드는 과정을 포함한다. 트랙 (312) 말단의 작은 범프 (bump) 는 배치부가 설치된 후 트랙에서 이탈하여 슬라이딩되는 것을 방지한다. 소자의 설치를 완성하기 위해, 모듈의 전기 케이블 말단의 플러그는 베이스 내의 소켓에 끼워진다.

도 3 은 60 개의 소자들을 포함하는 완성된 패널을 도시하는데, 소자들 모두의 에너지 캡쳐부들은 태양광의 방향에 평행인 이들의 광축들과 정렬되어 있다. 소자들은 투명한 커버 (430) 에 의해 천후로부터 보호된다.

최적 패킹 형상

본 발명은 긴밀히 패킹된 동일한 에너지 수집 소자들의 어레이들을 포함하는 에너지 캡쳐 시스템들을 설명하는데, 소자들은 개별적으로 어떻게 이동하든 충돌하지 않으며, 소자들은 광축들이 어레이의 법선 축과 일치할 때 사실상 평면을 타일링한다. 본 발명은 따라서 두 개의 중요한 목표들을 동시에 달성하는데, 즉 소자들 사이에 다다르는 광의 비율을 총 입사광의 매우 작은 비율로 최소화함으로써 2축 추적 소자들의 어레이들의 개구 효율을 극대화시키고; 또한 소자들의 운동이 동기화될 필요 없이, 그리고 소자들의 운동 범위에 제약을 가하지 않고도, 소자들이 충돌하지 않을 것을 보장한다. 본 발명은, 부분적으로는, 본 발명의 각도 배치부에 의해 제공되는 것과 같은 두 수직 회전축들을 중심으로 이동될 때 스위핑 (sweep out) 되는 체적들의 평면으로의 투영이 각각 해당 형상과 일치하게 되는 평면 틸팅 형상들을 생성하는 방법을 제공함으로써 이러한 목표를 달성한다.

본 발명의 형상 생성 방법에 관한 이하의 설명은 충돌을 회피하는 운동 체적들을 제공함에 있어 통상의 평면 틸팅 형상들이 실패하는 현상을 검토하면서 시작하기로 한다.

도 4 는 본 발명의 각도 배치부에 의해 이동되는 일 세트의 타일링 형상들의 클리어런스 (clearance) 프로파일들의 분석을 도시한다. 도 4a 는 다섯 개의 평면 틸팅 다각형들의 외곽선이 새겨져 있는 평판 (10) 이 장착되어 있는 각도 배치부 (20) 의 일 실시예를 도시한다. 배치부는 내부 아크 (19) 를 통해 장착되는 평판의 내부 회전축 (18) 을 중심으로 120 도의 각도 운동에 걸쳐 이동하고, 외부 아크 (31) 를 통해 장착되는 베이스의 내부 회전축 (32) 을 중심으로 120 도의 각도 운동에 걸쳐 이동하도록 설계되어 있다. 이 실시예는 법선 각도들로부터의 각도 변위들이 양자 모두 0 이고, 평판이 틸팅 평면에 속하는 위치에 대해 도시되어 있다.

도 4b 는 각각의 법선 각도들로부터 멀어지도록 -60 도 내지 60 도의 범위에서 10 도 간격으로 회전되는 내부 및 외부 축 회전들의 각 조합에 대하여 틸팅 평면으로의 다각형 외곽선의 수직 투영들을 누적함으로써 클리어런스 프로파일을 추정하는 궤적이 생성되는 시뮬레이션의 결과들을 네 개의 틸팅 다각형들 각각에 대해 도시한다.

이 시뮬레이션은 평면을 타일링하면서 동시에 이웃하는 소자들이 충돌 없이 작동할 것을 보장하는 어레이들의 생산을 가능하게 하는 에너지 캡쳐 유닛의 프로파일로서 네 다각형들 중 어느 것도 적합하지 않음을 나타낸다. 투영된 다각형 외곽선들 중에서 틸팅 평면 내의 다각형의 프로파일 외부에 속하는 부분들은 틸팅 배열 내 인접 다각형들의 셀들과 겹쳐지며 인접한 소자들 사이 충돌의 가능성을 나타낸다. 그러나 우측의 14 각형은 인접 셀들에 대해 가장 적은 겹침을 나타내며, 도 5 에 도시된, 클리어런스 프로파일들이 겹쳐지지 않는 1-파라미터 군의 틸팅 프로파일들에 대한 대략적인 근사치이다.

도 5 는 각각이 평면을 타일링하고, 본 발명의 각도 배치부에 의해 이동될 때 스위핑되는 체적이 틸팅 평면으로 투영되면 해당 형상과 동일하게 되는 평면형 형상들을 생성하기 위한 방법을 예시한다. 이 방법은 이하 네 개의 독립 변수들을 정의하면서 시작된다:

ㆍXd: 각 행 내의 형상들 사이의 변위

ㆍYd: 행들 사이의 변위

ㆍRm, Xm: 형상의 모서리와 경계 간 거리

Rm 및 Xm 은 인접한 형상들 사이에 완충을 제공하는 상대적으로 작은 값들로써 무시하면, 신장비로 칭하여지는 Yd 와 Xd 의 비율은 1-파라미터 군의 형상들을 정의하며, 이 비율은 1/3 PI 의 사인 (sin) (대략 0.866) 이상이다.

Xd 및 Yd 의 값들이 주어지면, 두 인접한 형상들 P1 및 P2 의 중심점들의 좌표들이 구해지고, P1 이 원점에 놓여진다. 두 형상들은 연이은 행들에 있으며, 제 2 행은 제 1 행으로부터 X 축을 따라 동일한 행 내의 인접 형상들 사이의 거리의 1/2 만큼 이격되어 있다. 경계 반지름 R 은 P1 과 P2 사이의 거리의 1/2 이다. 볼록한 아크 반지름 Rp 는 R 마이너스 Rm 이고, 오목한 아크 반지름 Rm 은 R 더하기 Rm 이다. 반 (half) 형상 너비 Xr 는 Xd 의 반 빼기 Xm 이고, 반 형상 높이 Yr 는 R 보다 크고 Yd 보다 작은 값이다.

형상이 두 대칭면들을 가지므로, 형상의 사분원 하나만 설명하고 X 및 Y 축들에 대한 반사들을 사용하면 전체 형상을 구축하는 데 충분하다. 형상의 모서리 프로파일은 경계 곡선 (90) 에 대해 실질적으로 평행하다. 그 모서리는 P2 를 중심으로 하는 오목 아크 (91) 및 P1 을 중심으로 하는 볼록 아크 (92), 그리고 신장비가 0.866 보다 크면, Xr 의 거리에 있고 Y 축에 평행한 선분 (93), 그리고 선택적으로, 원점으로부터 Yr 의 거리에 있는 곡선 (94) 로 이루어져 있다.

본 발명에 유용한 형상들을 얻게 하는 신장비 (Yd 나누기 Xd) 들은 최소값 0.866 부터 가능하게는 1.5 의 값까지 이를 수 있다.

도 5b 및 도 5c 는 소자들이 각각 0.866 및 1.0 의 신장비를 사용하여 정의된 두 개의 어레이들을 도시한다. 두 어레이들의 형상 파라미터들의 값들은 아래와 같다:

Xd Yd Rm Xm R

도 5a 100 86.6 0.5 - 100

도 5b 100 86.6 0.5 0.5 111.8

두 도면에서 소자들의 상향하는 (upward-facing) 평판들은 에너지 캡쳐 유닛들을 표현하고, 이들은 다양한 디자인들을 가질 수 있으나, 편평한 표면은 유닛에서 개구 평면에 속해 있는 부분을 표현하며, 여기서 개구 평면은 유닛의 대칭축 및 광축 혹은 광축들에 대해 수직이며 소자의 내부 회전축을 포함하는 평면이다.

본 상세한 설명에서 열거되는 실시예들 중에서, 제 1, 제 3, 제 4, 및 제 5 실시예는 최소 신장비 0.866 에 기초한 기하형상을 사용하는 반면, 제 2 및 제 6 실시예는 신장비 1 에 기초한 기하형상을 사용한다. 그러나 실시예들 중 어느 것이든 다른 신장비들에 기초한 프로파일 형상들을 사용하도록 적응될 수 있다. 0.866 및 1.0 의 신장비들은 각각 바람직한 것으로 여겨질 수 있는 특징들을 가진다. 0.866 의 비율은 각 소자의 여섯 이웃들이 동일한 거리에 있게 되는 정육각형의 기하형상으로서 긴밀히 패킹된 어레이들을 제공한다. 1.0 의 비율은 어느 행 내의 소자들 사이의 거리가 행들 사이의 거리와 동일하도록 긴밀히 패킹된 어레이들을 제공한다.

본 발명에 의해 설명된 1-파라미터 군의 형상들은 두 개의 반사형 대칭면들을 가지며 cmm 대칭 그룹으로 평면을 타일링한다. 이 군은 이러한 대칭 그룹의 평면 틸팅 형상들의 보다 큰 군의 일부로서 이들의 컴팩트 어레이들은 각도 배치부에 의해 장착될 때 서로 교차하지 않는 운동 체적들을 가진다. 그러나 본 1-파라미터 군은 이러한 더 큰 군의 부분집합으로서 주어진 면적에 대해 형상들이 가장 짧은 프로파일 모서리를 가지고 따라서 컴팩트 어레이들 내의 태양 에너지 컬렉터의 프로파일들로서 가장 유용한 군이다.

도 6 은 에너지 캡쳐 유닛에 적합한 타일링 형상 (12) 에 의해 스위핑되는 체적들을 도시하는데, 형상은 0.866 의 신장비로 전술한 방법에 의해 생성된다. 도 6a 는 형상이 내부 및 외부 장착축들 모두에 대하여 법선 각도로부터 약간 틸팅된 상태를 도시한다. 도 6b 는 유닛의 에너지 캡쳐부가 내부 장착축 (18) 을 중심으로 그 운동의 각도 범위에 걸쳐 회전하면서 스위핑되는 체적을 도시한다. 도 6c 는 유닛이 내부 장착축 (18) 및 외부 장착축 (32) 모두를 중심으로 그 운동의 각도 범위에 걸쳐 회전하면서 유닛의 이동하는 부분들 (유닛의 타일링 형상 (12) 및 각도 배치부 (20)) 에 의해 스위핑되는 체적을 도시한다. 도 6d 는 도 6c 의 체적들 네 개가 긴밀히 패킹된 어레이로 배열된 모습을 도시하며, 체적들이 서로 교차하지 않음을 도시한다.

도 7 은 도 6a 에 도시된 것과 같은 유닛들의 어레이의 개구 효율을 내부 및 외부 장착축들을 중심으로 한 일 범위의 틸팅 각도들에 걸쳐 측정하는 시뮬레이션을 도시한다. 도 7a 는 도 7b 의 표에 도시된 투영들을 생성하는 방법을 도시한다. 다양한 모듈들의 캡쳐부들의 투영 평면 (50) 및 개구 평면들은 태양 (60) 의 방향에 수직으로 배향되어 있는데, 이는 내부 축 회전 (58) 및 외부 축 회전 (52) 에 의해 어레이 (40) 의 법선 방향으로부터 이격되어 있다. 도 7b 에 도시된 투영들 일부에서 30 도 이하의 축 회전들에 대해 보여지는 좁은 흑색 면적들은 개구 손실들을 표현하는데, 모든 경우에서 이들은 5% 미만이다.

반사부 설계

도 8 은 제 1 실시예의 반사부를 설계하는 데 사용되는 방법을 도시한다. 반사부는 두 개의 거울면 반사 평면들을 가지므로, 이 방법은 반사부의 사분원 하나의 생성을 설명하고, 이는 이어서 대칭면들에 반전되어 반사부 전체를 구축한다. 도 8a 는 공통의 초점 (112) 을 공유하는 다섯 개의 포물형 섹션들 (paraboloid sections) (115, 116, 117, 118, 및 119) 의 세트를 도시한다. 이러한 포물형 섹션들은 도 6b 에 도시된 캡쳐부 클리어런스 체적의 표면의 1/4 을 나타내는 쉘 (102) 에 의해 절단 (clipped) 된다. 반사부는 포물형 섹션들 중 클리어런스 체적의 내부에 속하는 부분들만을 포함할 수 있다.

도 8b 는 도 8a 에 도시된 다섯 개의 포물형 섹션들의 패치들 (patches) 을 조합하여 생성된 반사부 사분원의 상부 표면을 도시하는데, 패치들의 모서리들을 라이저들이 연결한다. 반사부의 광축 및 법선 축 (70) 에 수직인 평면의 맵 (map) (120) 이 여섯 개 영역들의 세트를 정의하는데, 각 영역은 다섯 개의 포물형 섹션들 중 하나에 투영되어 포물형 패치를 정의하며, 이는 도 8b 및 도 8c 에서 그 원본 포물형 섹션의 번호로 표시되어 있다. 이러한 패치들은 이들의 모서리들을 따라 수직방향 라이저 표면들 (128) 에 의해 결합된다. 라이저 표면들은 반사부의 광축에 평행하고 어디에서나 법선 방향이 이 축으로의 방향에서 90도 이하로 떨어져 있는 평면형 및 원통형 (cylindrical) 면들로 이루어져 있다. 이러한 설계는 반사부의 광축이 입사광의 방향에 평행할 때 라이저들이 광을 차단하여 유닛의 유효 개구부를 감소시키지 않을 것을 보장하는데, 이들은 입사광이 포물면들에 도달하는 것을 방지하지도 않을 것이고, 포물면들에 반사되는 광이 광축을 따라 배치된 수신부 (160) 에 도달하는 것을 방지하지도 않을 것이다.

포물형 패치들을 정의하는 영역들의 형상들의 선택은 다수의 기준들에 따르는데, 여기에는 이하의 내용이 포함된다:

1. 반사부의 외측 모서리를 클리어런스 프로파일 곡선 (122) 으로부터 작은 거리 내에 유지함.

2. 반사부의 평균 초점거리를 가능한 한 길게 함.

3. 반사부의 후면에 홈들을 두어 내부 장착 아크 및 기타 피쳐들을 위한 공간을 제공함.

도 8c 의 상세도는 제 1 기준이 어떻게 충족되는지를 도시한다. 각 포물형은, 어떠한 주어진 지점에 대해, 포물형의 초점거리 및 그 지점으로부터 광축 (70) 까지의 거리에 의해 결정되는 높이에서 절단 쉘 (102) 을 교차한다. 가장 짧은 초점거리를 가지는 포물형 (115) 은 가장 높은 곡선에서 쉘을 교차하고, 잇따른 각 포물형은 더 낮은 곡선을 따라 쉘을 교차한다. 도 8c 에 도시된 반사부의 테이퍼드 (tapered) 부분으로 이동함에 따라 광축으로부터의 거리는 증가하므로, 프로파일 곡선 (122) 을 포함하는 중앙평면 (mid-plane) 에서와 같이, 주어진 높이에서 쉘을 교차하기 위해서는 잇따라 커지는 초점거리들의 포물형들을 선택하여야 한다. 맵 (120) 은 중앙평면으로부터 좁은 범위의 수직방향 변위 내에서 각 포물형 패치가 절단 쉘을 만나도록 설계되어 있다.

반사부 설계가 따르는 제 2 기준은 반사부를 구성하는 포물면들의 평균 초점거리들을 극대화하는 것이다. 반사부의 모서리까지 연장되는 포물형 패치들의 선택은 패치들이 중앙평면 근처에서 절단 쉘을 교차하여야 한다는 요구조건에 의해 제약되지만, 반사부의 내측에 대해서는 보다 긴 초점거리들의 포물형들에 의한 패치들이 선택될 수 있다. 반사부의 내측에 짧은 초점거리의 포물형들 대신 커다란 포물형 (119) 의 패치를 사용한다는 것은 수신부에 도달하는 광의 상당량이 다른 경우에 비해 보다 작은 입사각을 가질 것을 의미한다.

반사부의 내측에 보다 긴 초점거리 포물형을 선택함에 따른 또 다른 장점은 패치들 사이의 라이저들을 길게 하여 함입 (recessed) 거울들 (124) 과 같은 피쳐들을 위한 공간을 제공할 수 있다는 점이다.

요약하면, 본 방법은 포물형들의 광축에 수직인 평면 내의 연속적인 영역들의 맵을 사용하여 상이한 포물형들에서 패치들을 잘라내고 이들을 모서리들을 따라 상기 광축에 수직인 라이저 표면들에 의해 결합시킴으로써 광축과 초점은 동일하지만 초점거리는 상이한 복수의 포물형들을 조합하여 반사형 광학계들이 본 발명의 평면 틸팅 프로파일 형상들 내에 맞도록 설계하는 데 사용된다. 이 방법은, 예를 들면 도 18 및 도 19 에 도시되는 제 2 실시예의 반사부 또는 도 22 에 도시되는 제 4 실시예의 반사부와 같이, 각각 개구부 및 광축에 의해 정의되는 복수의 광학 섹터들을 가지는 반사부들의 설계에 적용하도록 용이하게 일반화될 수 있다.

본 발명의 평면 틸팅 프로파일 형상들 및 상응하는 충돌 회피 운동 체적들 내에 맞도록 굴절형 광학계들을 설계함에 있어서도 유사한 방법이 사용된다. 여기에는 광축과 초점은 동일하지만 초점거리들은 상이한 복수의 렌즈 섹션들을 조합하는 것이 관련되는데, 렌즈 섹션들의 한계들은 캡쳐 유닛의 운동 체적에 의해 결정된다. 이러한 방법의 사용은 제 3 실시예의 경우에 관하여 네 개의 광학 섹터들을 가지는 렌즈에 대해 예시되어 있으며, 이는 도 21 에 도시되어 있다.

도 9 는 제 1 실시예의 에너지 캡쳐 유닛의 분해도 및 상세도를 도시한다. 유닛은 세 개의 주요 컴포넌트들로, 즉 타워 (150), 반사부 (110), 및 볼록 장착 아크 (190) 로 분리된다. A 로 표시된 원형 영역은 상세 A 로 확대되어 방향성 PV 패치들을 커버하는 굴절형 그레이팅 (166) 을 도시한다.

상세 B 로 표지된 우측 하단 모퉁이의 확대도는 전력 PV 셀 (160) 을 포함하는 타워 블록 내의 함입 및 거울형 내향 (inward-facing) 패싯들 (158) 및 거울형 외향 패싯들 (156) 을 도시한다.

도 10 은 법선 축을 따라 하향으로 본 캡쳐 유닛의 모습과 표시된 세 개의 종단면도들을 도시한다. 단면도 B 는 광축의 바로 앞의 단면으로서, 날개들 (154) 중 두 개가 옆면으로 보인다.

도 11 은 소자의 에너지 캡쳐 유닛에 다다르는 대표적 광선들의 경로들을 도시한다. 도 11a 및 도 11b 는 도 10 에서 B 에 의해 표시되는 대각선 단면을 도시하고, 도 11c 및 도 11d 는 도 10 에서 C 에 의해 표시되는 단면을 도시한다. 도면 네 개 모두에서, 입사광은 지면의 세로축에 평행하지만, 유닛의 광축은 그 방향으로부터 지면에 수직인 축을 중심으로 4 개의 상이한 각도로 틸팅되어 있는데, 도 11a 에서는 0도, 도 11b 에서는 0.5도, 도 11c 에서는 2도, 도 11d 에서는 20도이다.

도 11a 에서와 같이 유닛의 광축이 입사광의 방향에 평행한 경우에는, 반사부의 다양한 포물면들은 입사광을 전력 PV 셀 (160) 로 반사한다. 광선 (510) 은 포물면 (119) 에 의해 전력 PV 셀 (160) 으로 반사된다. 광선 (512) 은 먼저 타워 블록 패싯 (156) 에 의해 그 다음에는 함입 거울 (124) 의 하부에 의해 전력 PV 셀로 반사된다. 센서 PV 들 (164) 은 정확히 타워 블록의 음영 내에 위치한다.

도 11b 에서와 같이 유닛의 광축이 입사광의 방향에서 약간만 벗어나는 경우에는, 반사부의 표면들에 의해 반사되는 광의 상당량이 여전히 전력 PV 셀에 도달하고, 다른 광은 센서 PV 들 (164) 의 한두 개를 스트라이크 (strike) 하기 시작한다. 광선 (514) 은 포물면 (119) 에 의해 전력 PV 셀 (160) 을 향해 반사되며, 가능하게는 셀에 도달하기 전에 내측 타워 블록 패싯 (158) 에 반사될 수 있다. 광선 (516) 은 먼저 타워 블록 패싯 (156) 에 의해 그 다음에는 중간 함입 거울 (124) 에 의해 센서 PV (164) 로 반사된다. 함입 거울의 컵모양 (cupped) 표면의 곡률에 의해, 반사지점 높이에 있어 약간의 증가는 반사광의 각도에 큰 변화를 초래한다.

도 11c 에서와 같이 유닛의 광축이 입사광의 방향에서 더 벗어나는 경우에는, 광이 두 종류의 루트들 (routes) 을 통해 센서 PV 들에 도달한다. 타워 블록 (170) 의 바로 옆으로 지나는 광선 (520) 은 직접적으로 센서 PV (164) 를 스트라이크 한다. 광선 (522) 은 포물면 (119) 에 의해 센서 PV (164) 의 상부로 반사된다. 이러한 광선들이 매우 높은 입사각들을 통해 센서 PV 에 도달하지만, PV 를 커버하는 가로 그레이팅 표면은 광의 상당량이 PV 에 의해 캡쳐 및 흡수될 것을 보장한다.

도 11d 에서와 같이 유닛의 광축이 입사광의 방향에서 보다 더 벗어나는 경우에는, 광은 여전히 두 종류의 루트들을 통해 센서 PV 들에 도달하지만, PV 들에 입사하는 광의 양이 증가한다. 광선 (524) 은 센서 PV (164) 에 직접적으로 다다른다. 광선 (526) 은 포물면 (119) 에 의해 센서 PV 의 하부로 반사된다.

각도 배치부

2축 각도 배치부 (200) 는 두 개의 아크형 슬롯들을 가지는데, 볼록한 트랙 (190) 을 슬라이딩 가능하게 장착하는 상부 슬롯 (204) 과 오목한 트랙 (310) 을 슬라이딩 가능하게 장착하는 하부 슬롯 (206) 이다.

상기 배치부의 아크형 슬롯들 각각은 트랙의 플랜지 달린 (flanged) 모서리의 외주면을 따라 슬롯의 해당 트랙을 치합하는, 모터로 구동되는 롤러를 구비한다. 슬롯 (204) 은 마이크로 기어모터 (222) 에 의해 구동되는 롤러 (224) 를 가지며, 슬롯 (206) 은 마이크로 기어모터 (226) 에 의해 구동되는 롤러 (228) 를 가진다.

와이어 하니스 (wire harness) (230) 내에 둘러진 와이어들은 다양한 통신용 캐비티들 (cavities) 을 통해 배치부 내부의 전자 컴포넌트들을 연결한다. 도 12b 는 도 16 에 설명되는 실시예의 버전에서 발견되는 것과 같은 마이크로컨트롤러 (232) 를 도시한다.

배치부의 본체는 네 개의 성형물들로 이루어져 있는데, 두 개의 동일한 상반부 (214) 및 두 개의 동일한 하반부 (216) 이다. 구동 모터들 및 와이어들과 같은 컴포넌트들을 상반부들 및 하반부들 내의 캐비티들에 삽입하고, 각각의 반부들을 끼우고, 결과적인 상부 및 하부 조립품들을 서로 슬라이딩시키고, 마지막으로 잠금 니플들 (nipples) (218) 을 조립품 내의 횡방향 홀들에 삽입하여 완성된 조립품을 잠금으로써 배치부가 조립된다. 도 1 및 도 2 에 도시된 외부 케이블들 (260 및 262) 은 잠금 니플들을 통해 배치부 내에 들어간다.

각도 배치부는 기어모터들 및 전자계들을 위한 보호용 봉입체를 제공하면서 동시에 태양 에너지 캡쳐 유닛을 지지하고 베이스 유닛에 대해 상대적인 각도 배치를 제공한다. 베이스와의 관절결합은 베이스에 앵커된 (base-anchored) 오목 트랙의 말단에서 각도 배치부를 슬라이딩시켜 이탈시킴으로써 제거될 수 있도록 구성되어 있다.

각도 배치부의 기타 실시예들에서는 구동기 (drive) 가 트랙과 치합하는 방식이 수정될 수 있다. 구동기가 피니언 기어를 구비하고 트랙은 맞물리는 톱니 (teeth) 를 구비하며, 서보모터 (servomotor) 가 포함되어 소자의 마이크로컨트롤러가 운동한 각도 거리를 기록하여 각도 위치를 유추할 수 있게 할 수 있다. 또는, 구동기가 트랙의 표면에 더 나은 트랙션 (traction) 을 제공하도록 종방향 리지들을 가진 롤러를 가질 수 있다.

도 13 은 제 1 실시예의 패널의 일부의 세부점들을 도시하는데, 에너지 캡쳐부들 모두가 법선 위치로 배향되어 있다. 이 도면은 패널 봉입체 (430) 의 투명한 커버의 넓은 상부면의 바로 아래에 대한 단면도이다. 단면 평면은 패널의 외주면을 따라 상기 상부면으로부터 하향으로 연장되어 불투명한 베이스 측벽들 (420) 과 만나는 상기 커버의 얇은 측벽들을 통과하여 절단한다.

유입 포트 (436) 는 패널의 하부 모서리를 따라 위치한다. 필터 (438) 를 구비하여, 다른 면으로는 외기로부터 밀봉된 패널에서 압력을 평형화시키는 데 사용되거나 유입 필터로부터 패널을 통해 공기를 흡입하고 배기 포트를 통해 배기하는 배기 팬 (미도시) 과 연계하여 사용될 수 있다. 배기 포트는 덕트화되어 (ducted) 건물 난방과 같은 응용에 이용되도록 데워진 공기를 이송할 수 있다.

로우 와이어들 (row wires) (448) 은 행 내의 각 소자의 출력들을 병렬로 연결하고, 백본 와이어들 (backbone wires) (446) 은 상기 로우 와이어들을 병렬 또는 직렬로 패널 마이크로컨트롤러 (450) 에 연결한다. 메인 출력 와이어들 (444) 은 모든 소자들의 누적 전력을 전도하고 상기 마이크로컨트롤러를 패널의 외부에 장착된 전기 커넥터 (442) 에 연결한다. 상기 커넥터에 끼워지는, 도시되지 않은, 전기 커넥터를 가진 코드 (chord) 를 사용하여 패널에 의해 생성된 전류를 외부 부하로 공급한다.

제 1 실시예의 전자계

도 14 는 도 13 에 도시된 패널의 전기 계통도로서, 16 개의 소자들만을 도시하도록 간략화된 것이다. 도 14 에서 생략되어 점선 사각형으로 표시된 소자들의 전기 계통도는 도 15 및 도 16 에 도시되어 있다.

도 15 및 도 16 은 제 1 실시예의 두 변형례에 대한 소자들의 전기 계통도로서, 도 15 는 소자의 자체정향 행태를 구현하는 단순한 한 쌍의 아날로그 회로들을 가진 소자를 도시하고, 도 16 은 그 기능이 마이크로컨트롤러 (236) 에 의해 지원되는 소자를 도시한다.

본 설명에서는 우선 두 회로들의 공통 피쳐들을 검토하고 그 다음 이들의 개별 피쳐들을 검토한다. 소자 회로들은 커넥터들 (280) 에 의해 각각의 로우 와이어 (448) 들에 연결된다. 도체들 (282 및 284) 은 전력 광발전 셀 (160) 에 의해 생산되는 전류를 이송하고, 도 16 에 도시된 회로의 경우에는, 소자 마이크로컨트롤러 (236) 에 전력을 제공한다. 구동 모터들 (222 및 226) 은 각각 도체 쌍들 (286 및 288) 에 의해 전력이 공급된다.

도 15 의 계통도의 세부 사항들을 보면, 세 개의 회로들이 있는데, 하나는 전력 PV 셀 (160) 로부터 커넥터 (280) 로 전력을 이송하고, 하나는 한 쌍의 대향하는 센서 PV 셀들 (164) 을 구동 모터 (222) 에 연결하고, 다른 하나는 다른 쌍의 대향하는 센서 PV 셀들 (164) 을 구동 모터 (226) 에 연결한다.

도 16 의 계통도의 세부 사항들을 보면, 마이크로컨트롤러 (236) 에 다수의 전기 회로들이 연결되어 있다. 전력 PV 셀 (160) 이 전류를 생산하지 않는 경우에는, 패널 마이크로컨트롤러 (450) 의 동작을 통하여 패널 마이크로컨트롤러 (450) 이 제어하는 소자 마이크로컨트롤러 (236) 및 구동 모터들에 전력을 공급하기에 충분한 전압 바이어스가 도체들 (282 및 284) 사이에 유지된다.

구동 모터들 (222 및 226) 은 각각 로터리 스위치 (292 및 284) 들을 구비한 액슬들을 가지는데, 이들은 각각 도체들 (296 및 298) 에 의해 소자 마이크로컨트롤러 (236) 에 연결된다. 로터리 스위치들로부터의 신호들과 연계하여 구동 모터 도체 쌍들 (286 및 288) 의 전압들을 모니터링함으로써, 소자 마이크로컨트롤러는 상기 구동 모터 액슬들에 장착된 롤러들 각각의 운동 방향 및 거리를 기록할 수 있다.

도 16 에 나타난 마이크로컨트롤러 지원 시스템 내의 복사 에너지 수집 유닛들은 낮 시간 중 이른 시간 혹은 늦은 시간에 광 배향 센서들이 인접한 소자들에 의해 음영지는 경우 및 태양이 구름에 가려지는 경우에도 태양을 추적하는 능력이 있어서, 매일의 작동 시간이 연장되고, 직달 태양광이 일시적으로 가려진 후 추적을 재개할 때의 지연이 감소 또는 제거될 수 있다.

설명의 목적을 위해, 일차 추적은 광 배향 센서에 의해 생성되는 전위들 또는 전류들에 직접적으로 반응하여 수행되는 추적으로 정의하고, 이차 추적은 기타 모든 형태의 추적으로 정의한다. 이차 추적은 소자 및/또는 패널 마이크로컨트롤러들의 제어 하에 필요한 반면, 일차 추적은 상기 마이크로컨트롤러들에 의해 중재될 수도 있고 아닐 수도 있다.

일차 추적 중에, 수집 소자의 마이크로컨트롤러는 전술한 바와 같이 구동 모터들의 회전들을 기록하여, 시간에 대한 소자의 두 장착축들의 각도 변위들을 유추한다. 마이크로컨트롤러는 이 데이터를 사용하여, 하루 중의 시간 및 연 (year) 중의 시간의 함수로써 태양의 위치를 예측하고 소자의 대칭축이 태양을 가리키도록 하는 장착축들의 각도 변위들을 시간의 함수로써 예측하는 모델을 교정 (calibrate) 한다. 그 다음, 이차 추적 중에, 상기 마이크로컨트롤러는 구동 모터들에 전류들을 공급함으로써 모터 회전수들로 측정되는 상기 장착축들의 변위들을 발생시켜 소자의 에너지 캡쳐 유닛이 배향된 상태를 유지하게 한다.

일차 및 이차 추적 사이의 스위칭은 도체들 (282 및 284) 사이의 전위에 의해 결정되는데, 전력 PV 셀 (160) 에 다다르는 집적 태양광에 의해 상기 전위가 특정 임계치를 초과하면 소자는 일차 모드로 추적하고, 상기 전위가 그 임계치 미만이면 소자는 이차 모드로 추적한다.

마이크로컨트롤러는 광 배향 센서들로부터의 전류들이 구동 모터들에 직접 전력이 공급될 수 있게 하는 패스스루 (pass-through) 스위치들을 구비할 수 있다. 마이크로컨트롤러는 고장이 검출되는 경우 이러한 작동으로 디폴트 (default) 할 수 있다. 패스스루 작동 중에는, 도체 쌍들 (182 및 184) 상의 전류들이 반대의 패리티 (parity) 로 조합되어 도체 쌍 (288) 상에 전류를 생산할 수 있고, 도체 쌍들 (186 및 188) 상의 전류들은 반대의 패리티로 조합되어 도체 쌍 (286) 상에 전류를 생산할 수 있다.

센서 PV 들 (164) 의 일차적 기능은, 유닛의 광축과 입사광의 방향 사이에 정렬을 회복하는 데 전기 회로들에 의해 사용되도록, 캡쳐 유닛의 광축에 대한 입사광의 상대적 방향에 관한 정보를 제공하는 것이다. 도 15 에 도시된 전기 회로를 가진 소자 실시예의 센서 PV 들에서는 이것이 유일한 기능이다. 그러나 도 16 에 도시된 요구 전자계를 가진 소자 실시예들에서는, 태양이 차단되고 전력 PV 셀에 집중되어야 하는 방향성 광이 없는 경우 센서 PV 들이 전력을 생성하는 데에도 사용될 수 있다. 센서 PV 들에 의해 생성되는 전력의 최대량은 유닛이 방향성 광을 집중시킬 때 전력 PV 에 의해 생성되는 전력에 비해 적지만, 센서 PV 들로부터의 전기는 태양이 차단되었을 때 소자 마이크로컨트롤러들 및 모터들 및 패널 마이크로컨트롤러에 전력을 제공하는 것과 같은 기능들에 사용될 수 있을 것이다.

복수의 에너지 캡쳐 컴포넌트를 가지는 실시예

이 부분은 본 발명의 세 가지 추가적 실시예들을 설명한다. 이 실시예들은 다음과 같은 본 발명의 기본 특징들을 도 1 내지 도 3 및 도 8 내지 도 12 에 도시된 제 1 실시예와 공유한다:

ㆍ각각 태양에 대한 배향을 독립적으로 감지하고 이에 따라 그 배향을 조절하기 위한 수단을 가지며 패널 형상의 봉입체들 내부에 배열된, 실질적으로 동일한 소자들의 어레이들.

ㆍ소자의 에너지 캡쳐 유닛이 도 5 에 예시된 방법에 따라 설계되어 유닛들은 최적의 긴밀하게 패킹된 배열에서 이들의 캡쳐 유닛들은 법선 위치들로 배향될 때 사실상 평면을 타일링하되 개별적으로 어떻게 이동하든 서로 충돌할 수 없도록 유닛들이 배열될 수 있다.

ㆍ에너지 캡쳐 유닛의 광학계는 각 유닛의 개구부가 그 개구 평면 내의 프로파일 형상의 모서리까지 연장하도록 설계되어 있다.

ㆍ에너지 캡쳐 유닛의 정향은 캡쳐 유닛 및 베이스 내의 수직 아크들을 치합하는 각도 배치 유닛에 의해 이루어진다.

ㆍ유닛을 방향성 입사광과 정렬시키는 데 필요한 각도 이동의 방향은 캡쳐 유닛 내의 광발전 셀들로부터의 정보를 사용하여 결정된다.

이러한 추가적 실시예들은 일차적으로는 에너지 캡쳐 유닛 내의 광학계 및 광발전 소자들의 구성에서 제 1 실시예와 다르며, 일부 실시예들에서는 또한 각도 배치 유닛의 형상 및 장착 아크들의 구성에서도 변형례들이 나타나 있다.

나머지 실시예들은, 캡쳐 유닛들에 복수의 전력 PV 셀들을 포함시키고 이들의 출력들에 의존하여 정향 정보를 도출함으로써, 모두 제 1 실시예의 전용 센서 PV 셀들에 대한 의존성에서 벗어난다. 도 1 에 도시된 제 1 실시예의 에너지 캡쳐 유닛은 캡쳐 유닛의 단일 광축을 따라 소재하는 단일 전력 PV 셀을 가지고, 그 축 주위로 배열된 네 개의 센서 PV 들을 가진다. 이와는 대조적으로, 나머지 네 개의 실시예들 각각의 에너지 캡쳐 유닛은 각각 자체의 광축을 가지는 복수의 전력 PV 셀들을 가진다. 이러한 실시예들 중 하나의 캡쳐 유닛이 방향성 광과 정렬되는 경우, 개구부 내의 광은 다수의 에너지 캡쳐 컴포넌트들 중 어느 것에 의해 캡쳐되는데, 이들 각각은 유닛의 개구부의 일정한 부분인 개구 세그먼트, 유닛의 법선 축에 평행한 광축, 및 그 광축을 따라 위치하는 전력 PV 셀을 가진다. 대부분의 경우, 각 컴포넌트의 광학적 집광 기능은 복합 반사부 (compound reflector) 또는 렌즈와 같이 공통 부분의 상이한 부분들에 의해 수행된다.

도 17 은 제 1 내지 제 4 실시예들의 에너지 캡쳐 유닛들을 도시하는데, A 내지 D 로 표기된 네 개의 도면 각각에는 에너지 캡쳐 유닛의 캡쳐 컴포넌트들의 광축 및 상응하는 개구 세그먼트가 표시되어 있다. 제 2 내지 제 4 실시예들의 완성된 소자들은 도 18 내지 도 23 에 도시되어 있다.

도 17a 는 제 1 실시예의 에너지 캡쳐 유닛을 도시하는데, 하나의 에너지 캡쳐 컴포넌트가 개구 세그먼트 (540) 및 광축 (541) 을 가지고 있다.

도 17b 는 도 18 및 도 19 에서 상세히 설명되는 제 2 실시예의 에너지 캡쳐 유닛을 도시하는데, 이 에너지 캡쳐 유닛은 다섯 개의 에너지 캡쳐 컴포넌트들, 즉 렌즈를 사용하여 상향하는 PV 셀 상으로 광을 집중시키는 중앙 컴포넌트와 반사부의 부분들을 사용하여 외향하는 PV 셀들 상으로 광을 집중시키는 네 개의 주변 컴포넌트들을 가진다. 중앙 컴포넌트는 개구 세그먼트 (550) 및 광축 (551) 을 가지고, 네 개의 주변 컴포넌트들은 각각 개구 세그먼트 (552) 및 광축 (553), 개구 세그먼트 (554) 및 광축 (555), 개구 세그먼트 (556) 및 광축 (557), 개구 세그먼트 (558) 및 광축 (559) 을 가진다.

도 17c 는 도 20 및 도 21 에서 상세히 설명되는 제 3 실시예의 에너지 캡쳐 유닛을 도시하는데, 이 에너지 캡쳐 유닛은 각각 복합 렌즈의 상이한 부분을 사용하여 PV 셀 상으로 광을 집중시키는 네 개의 에너지 캡쳐 컴포넌트들을 가진다. 네 개의 컴포넌트들은 각각 개구 세그먼트 (562) 및 광축 (563), 개구 세그먼트 (564) 및 광축 (565), 개구 세그먼트 (566) 및 광축 (567), 개구 세그먼트 (568) 및 광축 (569) 을 가진다.

도 17d 는 도 22 및 도 23 에서 상세히 설명되는 제 4 실시예의 에너지 캡쳐 유닛을 도시하는데, 이 에너지 캡쳐 유닛은 각각 복합 렌즈의 상이한 부분을 사용하여 동일한 반사부 상에서 라이저들에 장착된 PV 셀들 중 하나로 광을 집중시키는 네 개의 에너지 캡쳐 컴포넌트들을 가진다. 네 개의 컴포넌트들은 각각 개구 세그먼트 (572) 및 광축 (573), 개구 세그먼트 (574) 및 광축 (575), 개구 세그먼트 (576) 및 광축 (577), 개구 세그먼트 (578) 및 광축 (579) 을 가진다.

다섯 개의 캡쳐 컴포넌트를 가지는 소자

도 18 은 본 발명의 제 2 실시예의 에너지 수집 소자를 도시하는데, 여기에서의 에너지 캡쳐 유닛은 각각의 개구 세그먼트, 광축, 및 전력 PV 셀을 가지는 다섯 개의 에너지 캡쳐 컴포넌트들을 가진다. 도 19 는 제 2 실시예의 에너지 캡쳐 유닛의 세부점들을 도시한다.

셀들은 중앙 블록 (632) 내의 함입부들에 장착된다. 중앙 캡쳐 컴포넌트는 천공된 (perforated) 타워 (644) 에 지지되는 렌즈 (640) 를 사용하여 방향성 광을 상향하는 셀 (650) 상에 집중시킨다.

나머지 네 개의 캡쳐 컴포넌트들은 각각 반사경 (610) 의 사분원을 사용하여 방향성 광을 네 개의 외향하는 전력 PV 셀들 (652) 중 하나 상으로 집중시킨다. 상기 사분원 각각은 목표 PV 셀 (652) 을 통과하는 광축 및 목표 PV 셀 (652) 에 걸쳐 있는 초점을 공유하는 일련의 포물면들을 포함한다. 사분원의 포물면들 및 이 포물면들의 각도 한계들을 정의하는 상이한 포물형들의 높이들은 캡쳐 소자의 내부 축 클리어런스 프로파일을 교차하는 표면의 높이가 소자의 개구 평면으로부터 지정된 거리 이내에 유지되도록 선택된다. 도 19b 는 네 사분원 중 하나의 포물면들을 표지하였는데, 초점거리가 증가하는 순서로 표면들 (612, 613, 614, 615, 616, 617, 및 618) 이다.

캡쳐 유닛이 방향성 광에 정렬되었을 때 다섯 개의 전력 PV 들 모두는 방향성 광의 전기로의 변환에 참여하는 반면, 두 축들이 정렬되지 않았을 때에는 에너지 캡쳐 유닛이 입사광의 방향에서 벗어난 방향을 결정하는 데 외향하는 전력 PV 셀들 (652) 이 사용된다. 이러한 정보를 사용함으로써 소자의 각도 배치부를 구동하여 태양의 움직임을 추적하는 방법들이 이하 설명된다.

제 1 실시예와 비교할 때, 제 2 실시예에서는 정향 및 추적 행태를 구현하는 데 보다 정교한 전자계가 요구되지만, 제 1 실시예의 타워에 의한 작은 개구 손실들을 제거하면서, 또한 훨씬 큰 열 싱크 (heat sink) 를 제공하고, 다수의 PV 셀 위치들에 열점들 (hotspots) 을 배분하며, 반사부를 통과하는 PV 와이어들 및 열전도성 구조를 위한 공간을 열 싱크의 내부에 제공하는 장점을 가진다.

굴절형 광학계를 사용하는 네 개의 캡쳐 컴포넌트를 가지는 소자

도 20 은 제 3 실시예의 에너지 수집 소자를 도시하는데, 여기에서의 에너지 캡쳐 유닛은 복합 렌즈 (710) 를 사용하여 광을 네 개의 전력 PV 셀들 (750) 상에 집중시킨다. 도 20a 는 조립된 상태의 소자를 도시하고, 도 20b 는 동일한 소자의 분해된 상태를 도시한다.

도 21 은 제 3 실시예의 에너지 캡쳐 유닛을 나타낸 도면 및 표시된 두 단면도를 도시한다. 도면은 유닛을 그 법선 축에서 본 모습을 도시하고, A 와 B 로 표기된 단면도들은 복합 렌즈의 두 대칭면들을 통해 자른 모습이다.

PV 셀들 (750) 은 열 싱크들 (752) 에 고정되어 있고, 열 싱크들 (752) 은 플랫폼 (730) 내에 내장되어 있다. PV 셀들은 플랫폼에 내장된 도체들 (754) 에 의해 전기 커넥터 (756) 에 전기적으로 연결되어 있다.

플랫폼 (730) 은 각도 배치 유닛 (760) 의 내측 아크형 슬롯들 (764) 에 의해 슬라이딩 가능하게 장착된 이중 (dual) 장착 아크들 (720) 을 통해 렌즈에 강성으로 연결되어 있다.

렌즈 (710), 이중 장착 아크들 (720), 및 플랫폼 (730) 과 그 안에 장착된 전자계들을 포함하는 캡쳐 유닛은, 이중 내측 아크형 슬롯들 (764), 외측 아크형 슬롯 (766), 및 내부 축 기어모터 (772) 와 외부 축 기어모터 (776) 를 수용하기 위한 구멍들을 가진 정형된 재료의 블록 (762) 을 포함하는 각도 배치 유닛 (760) 에 의해 지지 및 배치된다. 배치부는 베이스 유닛 (790) 에 통합된 베이스 아크 (792) 를 슬라이딩 가능하게 장착한다.

커넥터들 및 내장 전자 컴포넌트들을 구비한 유연성 케이블 형태의 전자 모듈 (780) 은 커넥터 (782) 를 통해 PV 전자 플러그 (756) 에 전기적으로 연결되고, 커넥터들 (784) 을 통해 구동 모터들에 전기적으로 연결되며, 소자의 마이크로컨트롤러를 수용하는 커넥터 (786) 를 통해 베이스에 전기적으로 연결된다. 전자 모듈과 구동 기어모터들 모두 소자의 주요 기계 컴포넌트들의 분해 없이 교체될 수 있다.

여기에서 설명된 실시예들 중에서, 제 3 실시예만이 전적으로 굴절형 광학계만을 사용한다. 또한 캡쳐 유닛의 아크들과 플랫폼, 및 베이스 유닛과 같은 기타 육중한 부품들의 대부분에 투명한 재료들을 사용한다. 이 실시예의 소자의 어레이들은 투명한 후면들을 가진 패널들에 봉입될 수도 있을 것이다.

제 3 실시예에 의해 가능해지는 대부분 투명한 집광식 패널은 특정 응용들에 특히 유용한 특성들을 가진다. 천창 (skylight), 창호, 또는 차양에 사용하는 경우, 이러한 패널은 태양이 비치고 패널의 캡쳐 유닛들이 태양을 향하도록 배향되어 그 하부의 공간에 음영이 질 때마다 입사광의 거의 대부분을 PV 셀들로 집광할 것이나, 태양이 가려지거나 패널의 캡쳐 유닛들이 태양을 그와 같이 배향되지 않은 경우 광의 대부분을 투과시켜 동일한 공간이 광으로 환해질 것이다. 불투명한 표면을 커버하는 데 사용되는 경우, 이러한 패널은 그 표면의 색채 및 기타 시각적 특징들을 모사하는 외관을 가질 것이다. 태양이 비치고 패널의 캡쳐 유닛들이 태양을 추적하는 경우, 패널은 광의 대부분을 흡수하여 표면보다 훨씬 어두운 것으로 보일 것이나, 태양이 가려지거나 유닛들이 그와 같이 배향되지 않은 경우, 패널은 커버된 표면으로의 그리고 커버된 표면으로부터의 입사광 대부분을 투과시켜 그 표면의 색채 및 외관을 가지게 될 것이다.

반사부에 내장된 PV 셀을 가지는 소자

도 22 는 제 4 실시예의 에너지 수집 소자를 도시하는데, 여기에서의 에너지 캡쳐 유닛은 각각 반사부의 반대편 사분원 내의 라이저에 내장된 PV 셀 상으로 방향성 광을 집중시키는 네 개의 사분원들을 가지는 복합 반사부를 사용한다. 도 23 은 이 실시예의 에너지 캡쳐부를 법선 축으로부터 본 모습과 캡쳐부의 세 단면도들을 도시한다.

반사부를 제작하는 데 사용되는 방법들은 본 발명자에 의한 특허 출원 PCT/US2009/046606 호의 대상이다. 본 출원에서는 각도 배치 유닛에 의해 제공되는 2축 장착 및 전력 PV 셀들의 전위들의 차이들에 기초한 관련 정향 방법들을 예시하기 위해 이 실시예가 사용된다.

후면이 볼록 장착 아크 (820) 에 강성으로 부착되어 있는 반사부 (810) 는 반사부를 네 개의 사분원들로 나누는 두 개의 반사형 대칭면들을 가지는 하나의 부품이다. 각 사분원의 상면은 공통의 초점 및 광축을 공유하는 일 세트의 포물면들 및 캡쳐 유닛의 법선 축에 평행한 일 세트의 편평형 및 원통형 라이저 면들 (818) 로 이루어져 있다. 일 사분원의 포물형들의 초점은 반대편 사분원의 라이저 면의 중간에 속해 있으며 그 면에 장착된 광발전 셀 (850) 에 걸쳐 있다.

반사부의 대칭축이 입사광의 방향과 정렬되면, 네 개의 사분원들의 광축들도 그러하며, 포물면들 각각은 반대편 사분원 내의 PV 셀 상으로 광을 집중시킨다.

제 4 실시예는 에너지 캡쳐 유닛들의 제작에 유리한 다수의 특징들을 제공한다. 특히, PV 셀들을 반사부 자체의 라이저들에 내장함으로써, 반사부 위의 구조들 및 이러한 구조들의 강성을 보장하도록 수반되는 설계 문제들이 제거되며, 이로 인한 개구 손실들이 최소화된다. 에너지 캡쳐 유닛의 주요 부분을 이루는 반사부는 단순화 및 치수적 정확성을 위해 단일 부품으로 제조될 수 있을 것이다.

더욱이, PV 셀들이 반사부의 원주에 그리고 그 반지름들을 따라 균일하게 분포되어 있는 지점들에서 반사부에 장착되기 때문에, 반사부는 특히 효율적인 열 싱크를 제공할 수 있는데, 알루미늄과 같이 높은 열전도율을 가진 재료로 주로 구성되는 경우 특히 그러하다. 반사부가 낮은 열전도율을 가진 재료로 구성되어 열 싱크로 부적합하다고 해도, PV 셀들의 후측들에 부착되는 별도의 열 싱크들이 설계되어 반사부에 음영을 지우지 않는 반사부 뒤의 공간으로 연장될 수 있을 것이다.

제 4 실시예의 또 다른 장점은, 반사부에 의해 PV 셀들에 집중되는 광이 낮은 평균 입사각을 가짐으로써, 높은 광 입사각들에 의해 초래되는 PV 셀 표면들 상의 반사 손실들을 피할 수 있다는 점이다.

복수의 캡쳐 컴포넌트를 가진 실시예를 위한 전자계

제 2 내지 제 4 실시예들은 제 1 실시예와 구별되는 공통의 특징으로서 각각 에너지 캡쳐 유닛의 대칭축으로부터 상이한 방향으로 이격되어 있는 복수의 에너지 캡쳐 컴포넌트들을 가진다는 특징을 공유한다. 캡쳐 컴포넌트들이 캡쳐 유닛의 대칭축을 중심으로 대칭으로 배열되어 있으나 개별적으로는 비대칭적이기 때문에, 그리고 캡쳐 유닛의 축이 입사광의 방향으로부터 벗어나는 때에도 PV 셀들이 얼마의 조명을 받도록 광학적 기하형상이 구성되어 있기 때문에, PV 셀들은 유닛의 축의 입사광 축에 대한 변위의 함수인 레벨들로 적어도 소량으로는 전기를 생산할 것이다. 전력 PV 셀에 더해 네 개의 방향감지 PV 셀들을 가지는 제 1 실시예의 에너지 수집 유닛과는 달리, 제 2 내지 제 4 실시예의 에너지 수집 소자들은 입사광에 대한 에너지 캡쳐 유닛들의 상대적 배향에 관한 정보를 수집함에 있어 복수의 전력 PV 셀들의 출력들에 의존하며, 방향감지 전용의 PV 셀들을 생략한다.

캡쳐 유닛마다 복수의 PV 셀들을 가지는 실시예들에 대해, 본 발명은 캡쳐 유닛이 방향성 입사광과 정렬시키는 데 각도 배치부에 의해 요구되는 이동을 유닛이 결정하는 다수의 방법들을 구상한다. 이 방법들은 도 15 에서 예시된 것에 비해 약간만 더 복잡한 단순한 아날로그 회로들부터 마이크로컨트롤러들에 의해 실행되는 저장 프로그램들을 이용하는 방법들까지 다양하다.

도 24 및 도 25 는 제 4 실시예의 두 변형례의 전기 계통도를 도시한다. 제 4 실시예는 구체적인 회로 설계들을 예시하기 위한 대표적 예로 선택되었으며, 그 변형례들은 제 2, 제 3, 및 제 5 실시예에도 적합할 것이다.

도 24 는 태양 추적 기능이 전적으로 아날로그 전자계들로 구현된 제 4 실시예의 모듈의 전기 계통도이다.

도 24 에 도시된 회로에서는, 네 개의 다이오드들 (870) 이 네 개의 PV 셀들 (850) 의 출력들을 모듈 전력 와이어 (880) 에 연결하고, 여덟 개의 다이오드들 (872) 이 각 PV 셀의 출력을 두 개의 내부 축 방향감지 와이어들 (876) 중 하나와 두 개의 외부 축 방향감지 와이어들 (878) 중 하나에 연결한다.

내부 축 및 외부 축 제어 회로들 (882 및 884) 은 각각 상기 방향감지 와이어 쌍들 (876 및 878) 로부터의 입력들의 상대적 전위들에 기초하여 모터 와이어 쌍들 (886 및 888) 을 통해 구동 모터들 (822 및 826) 에 각각 전력을 제공한다. 제어 회로에 통신된 두 방향 전위들이 상대적으로 유사한 경우, 회로는 그 모터 와이어들 상에서 전위들을 밸런싱한다. 하나의 방향감지 와이어 전위가 나머지에 비해 일정한 임계치 이상으로 차이가 나는 경우, 제어 회로는 결과적으로 하나의 모터 와이어를 모듈 접지로 스위칭하고 다른 모터 와이어를 모듈 전력 와이어 (880) 로 스위칭하며, 방향감지 와이어 전위 차가 역으로 되는 경우 위 페어링 (pairing) 도 역으로 한다. 그러므로 방향 전위들의 차의 절대값이 일정한 임계치를 초과하는 경우 모터가 구동되며, 그 차의 부호에 의해 결정되는 방향으로 구동된다.

도 25 는 마이크로컨트롤러 (860) 를 가진 제 4 실시예의 모듈의 전기 계통도이다. 네 개의 다이오드들 (870) 은 PV 셀들 (850) 로부터 출력 및 모듈 전력 와이어 (880) 로 전류가 흐를 수 있게 하면서 마이크로컨트롤러가 개별 셀들의 전위들을 판독할 수 있게 한다. 이와 같은 방법으로 수집된 이러한 전위들에 관한 정보를 사용함으로써, 마이크로컨트롤러는 다음 부분에서 설명되는 바와 같이 알고리즘을 실행하여 기어모터들 (882 및 884) 을 이동시켜 에너지 캡쳐 유닛을 방향성 입사광과 정렬시킨다.

도 24 및 도 25 에 계통도가 도시된 소자들은 도 15 및 도 16 에 도시된 커넥터 (280) 와 호환 가능한 플러깅 가능한 커넥터 (890) 를 통하여 패널 회로에 전기적으로 연결된다. 어레이들에 사용되는 소자들의 전자계 및 장착 시스템들은 호환 가능하도록 설계될 수 있다. 특히 에너지 캡쳐 유닛들에 있어서 매우 상이한 설계들을 가진 소자들이더라도, 소자들이 호환 가능한 작동 클리어런스 프로파일들, 장착 시스템들, 및 전자 인터페이스들을 가지도록 설계되는 한, 동일한 어레이들에서 사용될 수 있다.

복수의 캡쳐 컴포넌트를 가진 소자를 위한 정향 알고리즘

도 15 에 도시된 전자계들을 가진 제 1 실시예는 그 표면들의 형상들 및 매우 단순한 전기 회로들을 통하여 방향성 광과 정렬시키도록 에너지 캡쳐 유닛을 이동시키는 방법을 구현한다. 이러한 정향 행태가 가능한 이유는 대향하는 센서 PV 셀들의 조명 세기 차이의 부호가 그 PV 셀들의 쌍에 의해 제어되는 틸트 축의 회전 평면 내에서 입사광 방향에 대한 캡쳐부의 광축의 상대적 각도의 부호와 일치하기 때문이다.

도 24 에 도시된 전자계들을 가진 제 4 실시예도 그 반사부의 형상 및 제 1 실시예의 경우보다 약간 더 복잡한 전기 회로들을 통하여 방향성 광과 정렬시키도록 에너지 캡쳐 유닛을 이동시키는 방법을 구현한다.

다수의 다른 실시예들에서는, PV 조명 레벨들과 광 방향에 대한 광축의 변위 사이의 관계가 더 복잡하여, 광학 컴포넌트들 및 아날로그 전자계들의 설계를 통한 정향 행태의 구현이 훨씬 더 어렵다. 현재 부분에서는 소자들이 복수의 에너지 캡쳐 컴포넌트들을 가지고 마이크로컨트롤러들을 구비한 실시예들의 에너지 캡쳐 유닛들을 정향하기 위한 알고리즘을 설명한다.

제 2 내지 제 5 실시예들은 각각의 캡쳐 컴포넌트들의 초점에 걸쳐 있고 수 천에까지 이르는 집광 비율들에서 작동하는 작은 광발전 셀들만을 가지기 때문에, 캡쳐 유닛의 축이 입사광 방향으로부터 단지 몇 도 어긋나기만 해도 이러한 PV 셀들에 대한 광 레벨들은 이들의 피크 (peak) 값들의 매우 작은 비율에 미치게 된다. 그러나 유닛의 법선 축으로부터 어떠한 방향으로든 90도까지 캡쳐 유닛의 축에 대한 입사광 방향의 각도 변위의 2차원 공간의 대부분에 걸쳐 방향성 광은 구상된 실시예들의 PV 셀들 상에 계속해서 다다르는데, PV 셀들에 도달하기 위해 광이 취할 수 있는 대안 경로들의 군들이 다수 존재하고, 이러한 군들은 각도 변위들의 공간의 상이한 겹쳐지는 영역들을 커버하기 때문이다. 반사형 광학계들을 사용하는 캡쳐 컴포넌트들에서는, 이 공간의 큰 부분들이 광이 PV 셀에 직접 도달하는 영역들에 의해 커버된다. 공간의 다른 부분들은 광이 캡쳐 유닛의 반사부에 한 번, 두 번, 혹은 세 번 반사된 후 도달하는 영역들에 의해 커버된다.

본 발명의 이러한 실시예들에서는, 에너지 캡쳐 유닛의 다양한 PV 셀들 상의 조명 레벨 조합들은 입사광의 방향에 대한 유닛의 광축들의 각도 변위의 함수로써 변화할 것이다. 본 발명은 PV 셀들의 조명에 관한 실시간 데이터를, 결과적으로 PV 반응 데이터로부터 각도 배치 제어로의 역지도들 (inverse maps) 를 구현하는 사전 프로그래밍된 알고리즘들 및 데이터 세트들과 조합하여 사용함으로써, 에너지 수집 소자들이 이들의 캡쳐 유닛들을 방향성 광에 대해 정렬되도록 배향시킬 수 있게 하는 일 세트의 방법들을 제공한다.

이러한 세트의 방법들에 따르면, 에너지 수집 소자들은 2단계 절차를 통해 사전에 생성된 컴팩트 데이터 세트들을 사용하여 PV 반응 데이터를 직접적으로 배치 제어로 전환한다. 이 프로세스는 우선 테스트 시스템을 사용하여 PV 반응 레벨들을 캡쳐 유닛 위치 및 이동의 함수로서 설명하는 고해상도 데이터를 생산하고, 그 다음 그 데이터를 프로세싱하여 PV 반응 데이터의 함수로서 정향 배치 제어의 역지도들을 생성하고, 그 맵들을 컴팩트 생산 데이터 세트들로 암호화한다.

정향 알고리즘에 의해 사용되는 공간 및 매핑

생산 데이터 세트들의 생성에 관련되는 프로세스들은 이하의 다섯 가지 공간들을 참조하여 설명되고, 이들은 도 26 및 도 27 을 참조하여 설명된다.

ㆍ배치 유닛 각도 이동 공간, 혹은 이동 공간은, 각도 배치 유닛의 이방향성 (bi-directional) 구동 모터들의 2차원 움직임 및 위치 공간 내 캡쳐 유닛의 커플링된 (coupled) 움직임을 설명한다. 도 26a 는 ud 축이 유닛의 내부 틸트축을 중심으로 하는 이동을 표현하고 vd 축이 유닛의 외부 틸트축을 중심으로 하는 이동을 표현하는 데카르트 좌표계를 가지는 평면 (900) 의 직사각형 영역으로 각도 이동 공간을 표현한 경우를 도시한다. 공간은 양 방향으로 음수 내지 양수의 이동까지 걸쳐 있으며, 원점 (902) 의 경우 유닛은 이동이 없는 상태이다.

ㆍ캡쳐 유닛 각도 위치 공간, 혹은 위치 공간은, 각도 배치 유닛에 의해 에너지 캡쳐 유닛이 소자의 베이스 에 대해 상대적으로 가질 수 있는 가능한 배향들의 2차원 공간이다. 도 26b 는 내부 및 외부 틸트축들을 따라 소자의 법선 축 (904) 에서 플러스 및 마이너스 60도 회전할 수 있는 캡쳐 유닛의 위치 공간에 대한 두 개의 표현을 도시한다. 도면의 상측 부분은 이 공간을 캡쳐 유닛에 대해 관계하여 유닛의 클리어런스 프로파일 (908) 주위의 구형의 패치 (906) 로서 도시한다. 도면의 하측 부분은 동일한 공간을 데카르트 좌표계를 가지는 평면의 직사각형 영역으로 매핑하여 도시한다. 패치 및 영역은 양 축들을 따른 각도 이동의 외곽선들을 10도 간격으로 나타내는 격자로 그어져 있다. 각도 위치 공간 (912) 의 원점은 캡쳐 유닛의 법선 축이 어레이의 법선 축에 평행하도록 캡쳐 유닛이 배향된 경우에 상응한다. 어레이의 법선 축에 수직이며 소자의 외부 틸트 축들을 포함하는 평면인 어레이 수평면 (914) 은 도시된 소자를 감싸는 환형으로 표시되어 있다.

ㆍ광 방향 변위 공간, 혹은 변위 공간은, 캡쳐 유닛의 법선 축에 대한 입사광 방향의 각도 변위들의 2차원 공간이다. 도 26c 는 캡쳐 유닛의 법선 방향 (924) 으로부터 모든 방향으로 90도 연장되는 변위 공간에 대한 두 개의 표현을 도시한다. 상측 도면은 이 공간을 캡쳐 유닛에 대해 관계하여 두 세트의 곡선들에 의해 형성되는 격자로 그어져 있는 반구형 (920) 으로 도시하는데, 각 세트의 곡선들은 캡쳐 유닛의 두 대칭면 중 하나에 평행하다. 하측 도면은 동일한 공간과 그 격자가 g 및 h 축들을 가진 데카르트 좌표계의 평면의 다이아몬드 형상 영역에 매핑된 경우를 도시한다. 이 표현에서 점 (g, h) 가 주어지면, 구 (sphere) 상의 그 위치에 대한 3차원 데카르트 좌표들은 이하의 수식들로 표현된다:

x = sin(|g|) * cos(h) * (1 - |h|/π)

y = sin(|h|) * cos(g) * (l - |g|/π)

z = sqrt(l - sqrt(x² + y²))

변위 공간에 대해서는 극좌표계에 따라 그어지는 표현들, 및 반구를 평면 상으로 상이하게 투영시키는 표현들과 같이 다수의 대안적 표현들이 가능하다. 도 26c 의 표현들은 격자가 반구를 커버하는 밀집도가 약간만 변화하고, 데카르트 좌표들이 지정될 수 있는 점들을 가진 평면의 컴팩트한 영역으로 격자가 매핑하기 때문에 선정되었다.

ㆍPV 반응 공간, 혹은 반응 공간은, 캡쳐 유닛의 PV 셀들의 출력값들에 대한 가능한 조합들을 포괄하는 다차원 공간이다. 이 공간은 캡쳐 유닛이 이러한 PV 셀들을 가진 수만큼 많은 수의 차원을 가진다.

ㆍ델타 PV 반응 공간, 혹은 델타 반응 공간은, 각도 이동 공간의 두 수직 축들을 따라 작은 증분들로 캡쳐 유닛이 이동할 때 캡쳐 유닛의 PV 셀들의 출력값들이 가질 수 있는 가능한 변화율들을 포괄하는 공간이다. PV 반응 공간의 각 차원마다, 델타 PV 반응 공간에는 각도 배치 유닛에 의해 제공되는 두 이동 방향에 대해 하나씩 두 개의 상응하는 차원들이 있다.

여기에서 설명되는 본 발명의 실시예들 대부분의 경우, 에너지 수집 소자들 및 이들의 캡쳐 유닛들은 PV 및 델타 PV 반응 공간들 내에서만, PV 셀들의 출력 레벨들을 판독함으로써, 자신들의 좌표들을 직접적으로 감지하는 능력이 있으며, 각도 이동 공간 내에서만, 각도 배치부의 구동 모터들에 공급되는 전기를 제어함으로써, 자신들의 위치를 직접적으로 제어하는 능력이 있다. 이하 설명되는 알고리즘들은, 캡쳐 유닛들이 신속하고 효율적으로 방향성 광과 정합되도록 하는 방식으로, 소자들이 그들의 캡쳐 유닛들을 각도 위치 공간에 걸쳐, 그리고 광 변위 공간에 걸쳐, 이동할 수 있게 한다. 각 알고리즘은 결과적으로 정의역이 PV 반응 공간들 중 하나 혹은 둘 모두이고 치역이 각도 이동 공간인 함수를 구현한다. 알고리즘들의 설계는 이제 설명되는 다양한 공간들 사이의 관계들에 기초한다.

처음 두 공간들의 관계는 명확하다: 각도 위치의 u 및 v 성분들은 각도 이동의 ud 및 vd 성분들의 시간에 대한 적분들이다.

위치 및 변위 공간들의 관계는 가변적이며 캡쳐 유닛의 배향을 정의하는 위치 공간 내의 점을, 그리고 이에 따라 위치 공간 내의 변위 공간 원점의 위치를 선택함으로써 결정된다. 도 26d 는 변위 공간의 구형 표현이 위치 공간의 구형 표현 상에 중첩된 경우를 도시하는데, 변위 공간의 축 및 원점이 위치 공간의 원점으로부터 외부 틸트축을 따라 40도, 내부 틸트 축을 따라 30도 이격되어 있다. 구축을 위해서는 변위 공간 원점 (922) 에서 두 공간들의 격자들이 정렬되어 변위 공간의 g 및 h 축들에 상응하는 거대한 원들이 위치 공간의 u 및 v 방향들을 따라 외곽선들에 접할 (tangent) 것이 요구된다.

위치 공간 내의 점을 변위 공간의 원점으로서 선택하는 것은 두 공간들이 어떻게 중첩되었는지를 특유하게 결정하기 때문에, 그러한 점 각각에 대하여 두 공간들 사이에 잘 정의된 일대일 매핑이 존재한다. 이 매핑은 위치 공간 내에서 변수들 u 와 v, 그리고 변위 공간 내에서 변수들 g 와 h 에 의해 정의되는 공간들 내의 기준 방향들이 변위 공간의 원점에서 정렬되게 한다. 그러나 두 공간들이 상이하게 매개변수화 (parameterized) 되기 때문에, 변위 공간의 원점으로부터 거리가 증가함에 따라 이 기준 방향들은 발산한다. 그러나 이 발산은 위치 공간 내의 어떠한 변위 공간 원점 선택에 대한 매핑의 어떠한 부분에서도 45도를 크게 초과하지 않는다.

변위 공간에 대한 반응 공간의 관계는 두 독립 변수들의 다가 (multivalued) 함수의 관계이다. 방향감지에 참여하는 네 개의 PV 셀들을 가진 에너지 캡쳐 유닛이 주어진 경우, 변위 공간의 각 점 (g, h) 에 대하여 4-튜플 (4-tuple) 의 PV 반응값들이 존재한다.

도 27 은 네 개의 PV 셀들을 가진 가상의 캡쳐 유닛에 대하여 변위 공간을 반응 공간으로 매핑하는 함수를 도시한다. 도 27a 내지 도 27c 는 반응 함수를 g 및 h 변수들에 의해 매개변수화된 변위 공간 상의 표면 그래프들로 도시한다. 도 27a 는 단일 캡쳐 컴포넌트에 대한 그래프를 도시한다. 그래프는 방향성 광이 컴포넌트의 PV 셀 상에 집중되는 곳인 변위 공간의 원점 상에서 피크 (930) 를 가진다. 그래프의 수직방향 차원은 로그형 축척 (logarithmic scale) 을 가지므로, 피크는 선형 축척의 경우에서보다 주위 부분들에 대해 상대적으로 훨씬 낮게 보인다. 도 27b 는 네 개의 캡쳐 컴포넌트들의 그래프들을 중첩하여 도시하는데, 네 컴포넌트들을 통과하는 단면들을 공개하기 위해 그래프에서 웨지 (wedge) 가 제거되었다. 변위공간 점 (940) 으로부터 상승하는 직선은 각각 레벨들 (941, 942, 943, 및 944) 에서 네 컴포넌트들의 그래프들과 교차한다.

도 27d 는 반응 공간을 4차원 하이퍼큐브의 투영으로서 표현한 경우를 도시하는데, 네 캡쳐 컴포넌트들을 표현하는 네 차원들에서 거리들 (941, 942, 943, 및 944) 만큼 반응공간 원점 (948) 로부터 이격된 점으로서 반응공간 점 (946) 이 변위공간 점 (940) 에 상응한다.

도 27c 는 도 27b 의 합성 그래프를 변위 공간의 사분의 일에 대해서만 도시한다. 네 캡쳐 컴포넌트들의 반응 그래프들은 g 및/또는 h 축들을 통한 한 두 번의 반사들을 제외하고는 서로 동일하므로, 변위 공간 상에서 네 반응 함수들의 맵 전체는 하나의 사분면 내 네 개의 중첩된 그래프들을 폴딩시켜 맵을 표현하는 데 요구되는 메모리를 감소시킬 수 있다. 이와 같은 함수 표현을 사용하면, 변위 공간 내 어떠한 점에 대해서도 데이터를 포함하는 사분면에서 그 점의 이미지를 찾고 이에 따라 반응공간 축들을 전치 (transposing) 시킴으로써 반응값들을 재구성할 수 있다. 반응 함수 표현의 이러한 폴딩을 구현하는 방법의 세부점들은 이하 도 31 을 참조하여 설명된다.

근사치로서, 델타 반응 공간도 또한 두 독립 변수들 g 및 h 의 다가 함수로서 변위 공간과 관계되며, 각 PV 셀마다 이동 공간 내의 두 방향 ud 및 vd 각각에 대하여 하나씩 두 개의 값을 가진다. 그러나 전술한 위치 및 변위 공간들 사이의 매핑들에서 기준 방향들의 발산 때문에, 두 공간들의 원점들이 일치하는 상황에 대해서만 위 설명이 정확히 적용된다. 네 개의 PV 셀들을 가진 에너지 캡쳐 유닛의 각도 위치에 대한 PV 반응 레벨들의 미분들을 정확하게 설명하는 함수는 4차원 정의역 및 8차원 치역을 가지는데, 즉 각 점 ((g, h), (u, v)) 마다 두 개의 4-튜플들의 델타 반응값들이 존재한다.

데이터 세트 생성

이동, 위치, 및 변위 공간들 사이의 관계들은 분석적으로서 수학적 적용으로서 특징지어지는 반면, 주어진 실시예에서 이 공간들을 반응 및 델타 반응 공간들로 매핑하는 함수들은 그 실시예의 상황들에 따른 광학계 및 PV 셀들의 성능 특성들의 영향을 받을 것이다. 본 발명은 변위 공간으로부터 반응 공간으로의 맵을 표현하는 데이터 구조들을 경험적으로 (empirically) 생성하고, 이 데이터에 기초하여 다시 반응 공간으로부터 변위 공간으로의 리버스 맵 (reverse map) 을 표현하는 일 세트의 방법들을 제공한다. 이 방법들은 실시예가 넓은 범위의 광학 설계들을 가지만 동일한 데이터 세트들이 한 유닛과 다음 유닛에서도 로버스트한 정향 행태를 제공할 정도로 개별 유닛들은 광학적 기하형상에 있어서 충분히 작은 PV 민감도 변화들을 가지는 실시예들에서 사용가능하다.

도 28 은 시험대 시스템을 사용하여 변위공간에서 반응공간으로의 매핑을 표현하는 중간 데이터 세트를 생성하고, 그 다음 이 데이터를 프로세싱하여 반응공간에서 변위공간으로의 역 매핑을 표현하는 컴팩트한 데이터 세트를 생성하는 접근법을 요약한다. 이 접근법이 이제 상세히 설명된다.

에너지 수집 소자들의 마이크로컨트롤러에 의해 실행되는 정향 알고리즘은 반응 공간에서 변위 및/또는 이동 공간들로의 맵을 표현하는 생산 데이터 세트를 사용한다. 주어진 실시예에서, 생산 데이터 세트는 생산 어레이 소자들과 사실상 동일한 광학계 및 PV 셀들을 가진 소자들이 있는 테스트 어레이를 사용하여 생성된다. 테스트 어레이는 소자들이 외적으로 제어되는 각도 배치 유닛들을 구비하고 에너지 캡쳐 유닛들의 각도 위치들 및 기타 시험 조건들을 측정하도록 구안 (instrumented) 되어 있다는 점에서 생산 어레이와 상이하다. 테스트 시스템은 어레이에 대해 상대적인 태양 또는 인공 광원의 각도 위치를 측정하도록 구안되거나, 고정된 광원과 함께 사용하여 테스트 어레이를 이동시킴으로써 광원의 각도 변위를 생산하도록 할 수 있다. 테스트 어레이의 구체적인 실시예가 이하 도 37 을 참조하여 설명된다.

생산 데이터 세트의 생성에는 데이터 취득 절차를 실행하여 반응 샘플 데이터로 지칭되는 중간 데이터 세트를 생성하는 것이 관련되며, 그 이후에는 상기 샘플 데이터를 검사하여 변위 룩업 데이터 (displacement lookup data) 로 지칭되는 생산 데이터 세트를 생산하는 데이터 프로세싱 절차가 뒤따른다.

본 상세한 설명은 우선 절차의 단순한 변형례로서 위치 및 변위 공간들에서 기준 방향들의 벗어남, 혹은 왜곡이 무시되는 경우를 검토한다. 공간들 사이의 이 왜곡은 일반적으로 절대값이 45도 회전 미만이기 때문에, 이러한 변형례는, 비록 가장 직접적인 루트에 의하지 않더라도, 법선 축이 입사광 방향에 정렬하는 것으로 수렴하는 에너지 캡쳐 유닛의 이동을 생산할 것이다. 이 변형례는 또한 델타 반응 데이터는 무시하고 대신 훨씬 단순한 반응 데이터만을 보며, 네 개의 에너지 캡쳐 컴포넌트들이 있는 경우들을 예시한다.

데이터 취득 절차는 변위 공간의 일 부분을 커버하는 수많은 위치들 각각에 대하여 PV 셀들의 출력들 및 상응하는 위치 데이터를 기록하는 동안 시뮬레이션 어레이의 소자들을 체계적이고 가능하게는 단계적인 방식으로 이들의 운동 범위에 걸쳐 이동시키는 것을 수반한다. 이 절차는 변위 공간에서 반응 공간으로의 맵을 고해상도 어레이의 샘플들로서 표현하는 데이터 세트를 생산한다. 이 샘플 데이터는 반응 공간 내의 점들을 표현하는 4-튜플들의 2차원 어레이로서, 어레이의 행들 및 열들은 변위 공간 내의 위치들을 표현한다. 대안적인 표현에서는 샘플들이 변위 공간 내의 격자 선들 (동일한 g 및 h 값들의 외곽선들) 상에 속해야 한다는 요구조건이 제거되며, 2차원 어레이 구조에서 이탈한다. 이 경우, 변위 데이터는 어레이 내 샘플의 위치로부터 유추되는 대신 각 샘플과 함께 저장된 좌표 쌍 (g, h) 에 의해 공급된다.

정향 알고리즘 및 데이터

데이터 프로세싱 절차는 중간 데이터 세트를 검사하여 생산 데이터 세트를 생성하는데, 이는 데이터 구조이고 액세스 (access) 방법이며, 변위 맵으로 지칭되는 것으로서, 반응 공간의 점들을 이동 공간의 점들로 매핑한다. 이 데이터 구조의 바람직한 형태는 변위 공간 내 캡쳐 유닛의 실제 좌표들에 근접하거나 이들을 포괄할 가능성이 높은 광 변위 공간 내의 0 개 이상의 점들 또는 영역들의 좌표들을 각각 포함하는 일 세트의 셀들로 반응 공간을 구획한 형태이다. 반응 공간에서 주어진 점에 대하여, 룩업 방법은 이 점이 속하는 그 공간의 구획에서 셀을 찾고 그 셀에 저장된 변위 공간 내 0 개 이상의 점들 또는 영역들을 리턴한다.

유닛의 마이크로컨트롤러는 반복적으로 룩업 알고리즘을 실행하여 PV 셀들로부터의 반응 데이터를 공급하고 변위공간 데이터를 획득한다. 이러한 각 단계에서, 알고리즘은 캡쳐 유닛을 변위 공간의 원점에 근접하게 이동시킬 것으로 예측되는 이동 좌표들로 변위 데이터를 매핑하는데, 알고리즘은 이를 사용하여 배치부의 구동 모터들의 이동을 주관하는 레벨들을 조절한다.

도 29 는 정향 알고리즘의 바람직한 형태를 요약하는 순서도이다. 알고리즘의 세부점들은 이하 변위 룩업 데이터 및 알고리즘들의 구현형태들에 대한 검토 이후에 설명된다.

반응 공간에서 변위 공간으로의 맵은 장소에 따라 다가 (multi-valued) 일 수 있고, 광 변위의 함수로서 광학계 및 PV 셀들의 반응 행태가 어느 정도의 오류의 영향을 받을 수 있기 때문에, 변위 룩업 맵의 목적은 소자가 변위 공간 내 자신의 위치와 캡쳐 유닛을 변위공간 원점에 근접하게 하는 데 요구되는 이동을 가능한 한 비슷하게 추측할 수 있게 하는 것이다. 구획 방법은 변위 및 반응 공간들 내 샘플 데이터의 동시적 분포에 관한 정보를 사용함으로써 반응 데이터에 기초한 캡쳐 유닛의 변위를 추정하는 데 유용한 컴팩트한 데이터 구조를 생성한다.

도 30 은 반응 공간 내 좌표들에 대한 반응공간 구획 셀들의 관계를 예시한다. 블록 (950) 은 4차원 반응 공간을 표현하는데, 이는 공간 (952) 의 2차원 단면을 공개하도록 잘라내어 졌으며 이 공간에는 세 개의 구획 셀들이 도시되어 있다. 곡선들 (958) 은 상기 셀들을 변위 공간 (926) 의 점들 및 영역들로 매핑한 것을 표시한다. 구획 알고리즘의 기본적인 기준은 변위 공간의 컴팩트한 영역들로 매핑되는 셀들을 생산한다는 것이다. 일 세트의 샘플들의 컴팩트성에 대한 유용한 척도는 이들의 각도 한계, 그리고 더 적은 정도로는 방사상 한계 (radial extent) 인데, 제한된 각도 및 방사상 한계의 영역 내의 점들은 이동 공간 내 유사한 점들로 전환되기 때문이다. 구획 셀들에 저장된 변위공간 값들은 영역들의 중심들 (centroids) 을 표현하는 점들을 포함할 수 있으며, 도 30 에 도시된 변위공간 영역들의 방사형 형상들에 의해 표시되는 것과 같은 영역들의 한계에 관한 데이터를 포함할 수 있다.

도 30 에 도시된 세 개의 셀들 중에, 셀 (954) 은 하나의 영역으로 매핑하고, 셀 (955) 은 두 개의 영역들로 매핑하며, 셀 (956) 은 X 에 의해 표시된 것처럼 어느 영역으로도 매핑하지 않는다. 도 27 에 도시된 반응 함수가 주어진 경우, 반응 공간의 대부분은 셀 (956) 과 같이 0가의 맵들을 가지는 셀들이 차지할 것이다. 반응공간 셀들로부터 변위 공간으로의 일가, 다가, 및 0가 맵들이 정향 알고리즘들에서 취하는 역할이 이하 설명될 것이다.

변위 맵 폴딩

설명된 실시예들을 위한 PV 반응 함수들이 g 및 h 축들을 통해 반사형 대칭을 가지기 때문에, 액세스 방법들과 연계하여 하나의 사분면을 커버하는 데이터를 사용하여 전체 변위 공간을 커버하는 맵들을 제공함으로써 함수들을 표현하는 데 요구되는 데이터를 4배로 감소시키는 것이 가능하다. 이하, 샘플 데이터 어레이의 생성과 변위 룩업 맵들의 생성 및 사용 모두에 대칭을 이용하는 데이터 감소 방법을 적용하는, 반응 함수 폴딩으로 지칭되는 방법이 설명된다. 이 방법은 제 3 및 제 4 실시예들을 참조하여 설명되는데, 양자 모두 네 개의 캡쳐 컴포넌트들을 가지지만 상이한 대칭들을 가진다.

반응 함수 폴딩 방법은 g 와 h 모두가 양수인 변위 공간의 제 1 사분면만을 커버하는 데이터를 생산하도록 샘플 데이터 어레이의 생성을 수정한다. 품질 제어의 방책으로서, 다른 사분면들에서 데이터를 수집하여 제 1 사분면에 대해 기록된 데이터와 비교할 수 있다. 그 다음 제 1 사분면을 위한 샘플 데이터를 사용하여 변위 룩업 맵을 구현하는 생산 데이터 세트를 생성한다.

이러한 폴딩된 표현의 변위 룩업 데이터는 제 1 사분면만의 변위 좌표들을 포함한다. 그러나 이 데이터는, 네 개의 반응공간 차원들의 순열들 (permutations) 을 두 변위공간 차원들의 반사들로 매핑하는 액세스 방법을 사용함으로써, 변위 공간의 어떠한 사분면에서든 위치들을 찾는 데 사용된다. 따라서 순열화되지 않은 (unpermuted) 4-튜플의 반응공간 값들은 제 1 사분면의 변위를 참조하는 반면, 튜플의 세 순열들은 다른 세 개의 사분면들 내의 변위들을 참조한다.

도 31 은 선택된 사분면으로부터 변위 공간의 나머지 세 사분면들을 생성하는 반응공간 차원들의 순열들을 두 경우들에 대하여, 즉 캡쳐 유닛 및 순열 맵이 좌측에 도시된 제 3 실시예와, 캡쳐 유닛 및 순열 맵이 우측에 도시된 제 4 실시예의 경우에 대하여 도시한다. 기호 r1, r2, r3, 및 r4 는 각각 캡쳐 유닛들 내에 표지되어 도시된 캡쳐 컴포넌트에 상응하는 네 개의 반응공간 차원들을 지정한다. 4-튜플 (rl, r2, r3, r4) 는 반응 공간 내의 점을 표현한다.

샘플 데이터 어레이는 g 와 h 가 양수인 제 1 사분면에 대해서만 생성된다. 변위 룩업 데이터는 이 데이터로부터 생성되고, 따라서 반응공간 구획의 셀들에 의해 참조되는 모든 변위 점들 역시 제 1 사분면에 속한다.

폴딩된 변위 룩업 데이터로부터 변위 맵을 생성하는 액세스 방법은 다음의 정의들을 활용하여 보다 온전히 설명된다. D(rl, r2, ... rn) 을, n 개의 반응공간 차원들 r1 내지 rn 이 주어진 경우, (g, h) 형태를 가진 0 개 이상의 변위공간 좌표들의 세트를 리턴하는 변위 맵이라 하자. Df(rl, r2, ... rn) 을, n 개의 반응공간 차원들 r1 내지 rn 이 주어진 경우, g 와 h 모두 양수인 (g, h) 형태를 가진 0 개 이상의 변위공간 좌표들의 세트를 리턴하는 폴딩된 변위 맵이라 하자. Df(rl, r2, ... rn)*(sg, sh) 를 동일한 것으로 하되, 리턴된 좌표들 각각에 축척인자 (scale factor) (sg, sh) 가 곱하여져서 (g*sg, h*sh) 가 된다고 하자. 폴딩된 변위 맵 Df 는 제 1 사분면을 커버하는 변위 룩업 데이터에 상응한다. 이제 도 31 에 도시된 두 예들에 대한 변위 맵들은 각각 다음과 같이 정의될 수 있다:

D(rl, r2, r3, r4) = Df(rl, r2, r3, r4) ∪ Df(r3, r2, rl, r4)*(l, -1) ∪ Df(r3, r4, rl, r2)*(-1, -1) ∪ Df(rl, r4, r3, r2)*(-l, l)

D(rl, r2, r3, r4) = Df(rl, r2, r3, r4) ∪ Df(r3, r4, rl, r2)*(l, -1) ∪ Df(r4, r3, r2, r1)*(-1, -1) ∪ Df(r2, r1, r4, r3)*(-l, l)

본 발명의 제 3 및 제 4 실시예들의 에너지 캡쳐들을 참조하여 예시되었지만, 변위 룩업 데이터로 정의된 변위 맵의 이러한 두 정의들 각각은 캡쳐 컴포넌트들이 대칭들을 공유하는 다른 실시예들에도 적용가능하다. 두 번째 정의는 제 2 실시예에도 적용되고, 첫 번째 정의는 후술되는 제 5 실시예에도 적용된다. 더 많은 수의 캡쳐 컴포넌트들을 가지고 따라서 더 많은 차원들의 반응 공간들을 가진 실시예들에는 본 예들이 예시하는 것과 동일한 방법에 기초한 상이한 순열 맵들이 요구될 것이다.

정향 모드

도 29 에 요약된 정향 알고리즘은 변위 맵을 사용하여 변위 공간 내 캡쳐 유닛의 위치를 유추하고, 이는 두 개의 상이한 룩업 절차들 내에서 이루어지는데, 알고리즘이 유닛의 현재 반응값들에 전적으로 의존하는 무상태 (stateless) 와; 알고리즘이 유닛의 현재 반응값들을 캡쳐 유닛의 최근 변위 이력에 관한 정보와 조합하는 유상태 (stateful) 절차들이다. 각 절차는 변위 점을 찾는 데 성공하거나, 또는 실패할 수 있는데, 예를 들어 반응값들이 반응공간 구획에서 0가 셀들만을 참조하는 경우 그러하다.

알고리즘은 두 개의 주요 제어 루프들 혹은 모드들을 가지는 것으로 요약할 수 있는데, 순서도의 좌측 부분을 차지하는 검색 모드에서는 캡쳐 유닛을 위치 공간 내에서 임의의 방향들로 현저한 거리들에 걸쳐 반복적으로 이동시키고 무상태 룩업 절차가 성공할 때까지 무상태 룩업 절차를 실행하며 절차가 성공하면 제어권을 추적 루프로 전달하고; 순서도의 우측 부분을 차지하는 추적 모드에서는 캡쳐 유닛을 변위 공간 내의 원점을 향해 작은 증분들만큼 반복적으로 이동시키고 유상태 룩업 절차가 연이어 복수의 횟수 실패할 때까지 유상태 룩업 절차를 실행하며 절차가 복수의 횟수 실패하면 제어권을 다시 검색 루프로 전달한다.

추적 루프는 이전 반복들 (iterations) 의 변위 좌표들과 같은 상태 정보를 기록하고, 이 정보를 이용하여 그 정향 성능을 개선시키는데, 이에 사용될 수 있는 다수의 가능한 방법 중 두 가지, 즉 변위 맵 결과들의 명확화 (disambiguation) 및 변위 및 위치 공간들 사이의 왜곡에 대한 보상이 여기에 설명된다.

도 32 는 변위 맵 결과들을 명확화를 위한 상태 정보의 사용을 예시한다. 도 30 을 참조하여 전술된 바와 같이, 반응공간 구획 내의 셀들은 변위 공간 내 복수의 점들 혹은 영역들을 참조하여 변위 맵 내의 불명확성 (ambiguities) 을 초래할 수 있다. 그러나 추적 모드에서 캡쳐 유닛은 증분적으로 (incrementally) 이동하기 때문에, 이전 반복들에서 기록된 변위 좌표들은 현재 반복에서 올바른 변위 좌표들에 밀접할 (proximal) 가능성이 높다. 만약 변위 맵이 복수의 후보 점들을 리턴하면, 알고리즘은 이러한 점 각각을 최근 기록된 하나 이상의 점들과 비교하고, 연이은 점들 사이의 벡터의 길이 및 방향과 같은 기준에 기초하여 최근 점들의 경향에 부합하는 후보 점이 있다면 이를 선택한다.

도 32 는 변위 공간을 통한 캡쳐 유닛의 이동의 궤적 (960) 을 도시하는데, 꼭지점들은 알고리즘이 PV 반응값들을 판독하고, 변위 맵을 확인하여 그 변위공간 좌표들을 유추하고, 구동 모터 속도들을 설정함으로써 그 궤도를 조절하는 각 단계에서의 변위 좌표들을 표현한다. 방사형 섹터들은 변위 맵 룩업들의 결과들을 표현하는데, 섹터 (962) 는 두 연속적 단계들에서의 룩업들에 의해 리턴된 것이고 섹터 (963) 는 그 다음 단계에서의 룩업에 의해 리턴된 것이다. 도시된 마지막 궤적 점 (968) 이 나타내는 단계에서, 룩업은 두 개의 섹터들 (964 및 965) 을 리턴한다. 섹터 (964) 가 이전 단계들의 룩업들에 의해 리턴된 섹터들의 경향에 속하기 때문에, 알고리즘은 이것이 올바른 변위 위치를 나타내는 것으로 받아들이고 섹터 (965) 는 거부한다.

도 33 은 왜곡 보상을 위한 상태 정보의 사용을 예시한다. 도 26 을 참조하여 전술된 바와 같이, 변위공간 원점으로부터 거리가 증가할수록 변위 및 위치 공간들 사이의 왜곡은 일반적으로 증가하는데, 캡쳐 유닛의 현재 각도 위치, 광 변위 크기, 및 변위 공간의 매개변수화와 같은 인자들에 따라 50도까지 증가할 수 있다. 유추된 변위공간 좌표들을 성분별로 (componentwise) (g, h) 를 (ud, vd) 로 매핑함으로써 이동 좌표들로 직접적으로 전환하면, 정향 알고리즘은 캡쳐 유닛을 광 방향과 정렬시키는 이동을 생산할 것이나, 많은 경우 이는 가장 직접적인 경로로부터 현저히 발산할 것이다.

왜곡으로 인한 이러한 비최적 정향 행태는 (g, h) 에서 (ud, vd) 로의 맵 내에 왜곡방지 회전을 도입하고 이 회전을 조절하여 왜곡의 효과를 상쇄시킴으로써 용이하게 보정될 수 있다. 추적 루프의 각 반복에서 변위 공간 내 현재 위치 및 하나 이상의 이전 위치들이 검사되어 최적 방향에 대한 추적 방향의 각도 분리가 측정되며, 왜곡방지 각도는 그 각도의 역만큼 증분된다.

도 33 은 변위 공간 내의 세 점들로서 유상태 추적 루프 실행의 세 개의 연속적인 단계들에서 PV 반응 데이터로부터 변위맵 룩업들에 의해 유추되는 점들을 도시한다. 제 1 단계에서 알고리즘은 방금 유상태 모드에 진입하였고, 점 (970) 의 변위 좌표들을 추정하였으며, 아직은 왜곡에 관한 정보를 가지고 있지 않다. 이 시점에서 위치공간 좌표계 (975) 는 변위 좌표계에 대하여 대략 50도 회전된다. 알고리즘은 변위 공간 내의 유추된 위치에 기초하여 공간의 g 축을 중심으로 시계방향으로 약 20도에 있는 공간들의 원점 (976) 을 향하는 방향을 도출하고, g, h 좌표계의 원점 방향 벡터를 ud, vd 좌표계로 성분별 매핑한 것에 기초하여 배치부의 구동 속도들을 설정한다. 왜곡 (977) 으로 인하여, 이동은 최적 방향 (976) 으로부터 시계방향으로 대략 50도의 방향으로 생산된다. 다음 단계에서, 알고리즘은 이전 점 (970) 을 현재 점 (972) 과 연결시키는 선분의 각도를 측정하고, 이 각도를 현재 원점의 방향으로부터 차감하여 대략 마이너스 50도의 왜곡방지 각도 (978) 을 획득한다. 이 단계에서 알고리즘은 g, h 좌표계의 원점 방향 벡터를 ud, vd 좌표계로 성분별 매핑한 것에 기초하고 왜곡방지 각도만큼의 회전을 가하여 배치부의 구동 속도들을 설정하며, 그 결과 원점 방향 벡터에 매우 근사한 방향으로 다음 유추 점 (974) 으로의 이동이 얻어진다.

정향 알고리즘은 지속적인 왜곡 측정들을 사용하여 캡쳐 유닛의 각도 위치에 관해 유추할 수 있고, 후술하는 바와 같이 캡쳐 유닛 음영을 감안하는 반응공간 구획의 검색과 같이 다양한 작업의 성능을 개선시키는 데 이 정보를 사용할 수 있다.

정향 알고리즘의 일반화

전술한 알고리즘들은 변위공간 정향 알고리즘들로 지정되는데, 이들은 반응 공간에서 변위 공간으로의 맵을 생성하기 때문이다. 캡쳐 유닛의 각도 위치는 변위 및 델타 반응값들, 왜곡 이력과 같은 상태 정보로부터 유추될 수 있지만, 전술한 변위 룩업 맵은 변위 데이터를 PV 반응 데이터로 매핑하는 경험적 함수로부터 역지도를 생성하는 것에 기초한다.

변위공간 정향 알고리즘들은, 적어도 근사치로서, 어떠한 주어진 광 변위에 대해 캡쳐 유닛의 개구부가 균일하게 조명되는 것으로 가정한다. 그러나 도 7 의 개구부 연구에서 볼 수 있듯이, 긴밀히 패킹된 어레이 내의 캡쳐 유닛은 어레이의 법선 방향으로부터 벗어나는 작은 광 변위들 및 각도 위치들에서도 음영지기 시작한다. 전술한 것과 같은 변위공간 정향 방법들은, 에너지 수집 소자들이 대부분의 운동 범위 및 입사광 조건들에서 서로 음영지게 할 정도로 밀접하지 않은 구성에 사용되는 경우 로버스트한 정향 행태를 제공할 것으로 기대할 수 있지만, 긴밀히 패킹된 소자들의 어레이들에서는 수정 없이는 로버스트한 정향 행태를 제공할 것으로 반드시 기대할 수는 없다.

도 34 는 에너지 수집 소자를 수용하도록 설계된 봉입체 내의 제 4 실시예의 에너지 수집 소자를 포함하는 독립형 (stand-alone) 모듈을 도시한다. 봉입체 (980) 의 투명한 상부는 소자의 틸트축들의 피벗 점보다 훨씬 아래까지 연장되며 작동중 운동 범위에 걸쳐 캡쳐 유닛의 개구부가 온전히 조명될 수 있게 한다. 이러한 모듈들은 밀집되지 않은 (sparse) 배열들로 설치되어 개별 모듈들이 서로를 현저히 음영지게 하지 않도록 할 수 있다. 대안적으로는, 복수의 소자들을 포함하는 봉입체들에서 소자들이 밀집되지 않은 배열들로 설치되어 음영지우는 것을 피할 수 있다. 그러나 본 발명의 유용한 특징들 다수는 최적으로 컴팩트한 배열들로 소자들을 패킹하는 것에 관한 것이고 이를 가능하게 하는 것으로서, 에너지 캡쳐 유닛들은 대부분의 시간 동안 이웃하는 유닛들로부터 일정 정도의 음영이 드리워지는 것을 경험한다.

긴밀히 패킹된 소자들의 어레이들에 사용되는 경우, 음영지지 않은 유닛들만으로부터 생성된 반응공간 구획에서 그 공간 중 음영진 조건들에 상응하는 부분들의 커버리지 (coverage) 가 누락될 것이기 때문에, 음영진 캡쳐 유닛들로부터의 반응 데이터를 사용하는 변위 룩업들은 실패할 가능성이 높을 것이다. 이하에서는 첫째로 이 문제를 다루는 변위공간 정향 알고리즘의 수정을 설명하고; 둘째로 단지 변위 공간에 대해서만이 아니라 변위 및 이동 공간들의 곱에 관계하여 샘플 데이터 및 리버스 룩업 맵들을 생성하는 변위공간 정향 알고리즘들의 일반화를 설명한다.

반응공간 검색

전술한 바와 같이, 변위 맵은 반응 공간 내에 특정 점이 주어진 경우 변위 공간 내의 위치들을 유추하는 데 사용된다. 그러나 실시예의 캡쳐 유닛의 기하형상은 주어진 광 변위 및 음영 조건에 대해 반응공간 점이 주어진 경우 반응공간 구획의 제한 검색 (constrained search) 에 의해 음영 없는 경우의 동일한 변위 근사치가 찾아질 수 있을 만큼 캡쳐 유닛의 일부를 커버하는 음영들이 충분히 예측가능한 방식으로 반응값들에 영향을 미치도록 하는 기하형상일 수 있다.

예를 들어, 캡쳐 유닛의 위치 및 광 변위가 네 개의 캡쳐 컴포넌트들 중 하나만 음영지게 하면, 그 반응공간 점은 비음영 조건에서 기록된 것에 비해 음영진 캡쳐 컴포넌트에 대한 반응공간 좌표가 감소된다는 점에서만 다를 것이다. 따라서 반응 공간에서 점이 주어진 경우, 알고리즘은 캡쳐 컴포넌트들 중 하나, 둘, 또는 셋에 음영이 졌는지 가정하느냐에 따라 반응공간 구획의 1차원, 2차원, 또는 3차원 부분공간들 또는 섹션들로 검색을 제한한다. 모든 경우들에서, 검색은 주어진 점의 좌표들 이상의 좌표들을 가진 섹션들만을 검사하면 된다.

따라서, 네 개의 컴포넌트들 모두에 음영이 졌을 수 있다고 가정하여도, 반응공간 구획의 검색은 여전히 주어진 반응값들에 의해 결정되는 부분공간으로 제한된다. 검색될 부분공간의 차원 수에 따라 검색 시간은 증가하기 때문에, 알고리즘은 부분공간의 차원 수가 증가하는 순서로 검색들을 수행하고 검색 기준을 만족하는 셀을 찾을 때 검색을 마칠 수 있다. 알고리즘은 또한 검색 순서를 지도하는 데 상태 정보를 사용할 수 있는데, 예를 들어 추적 루프의 이전 반복에서 일치가 발견된 부분공간을 우선 검색할 수 있다.

도 35 는 제 4 실시예의 에너지 수집 소자들을 수용하는 패널의 일부를 도시하는데, 캡쳐 유닛들의 법선 축들 대부분은 서로 대해 정렬되어 있다. 도 17 을 참조하여 전술한 바와 같이, 모퉁이 소자의 반사부의 사분원들은 상응하는 캡쳐 컴포넌트들의 개구부들에 따라 표지되어 있다. 태양이 관찰자의 바로 뒤에 있다고 하면, 보이는 캡쳐 유닛들 모두에는 일정 정도의 음영이 지며, 모두의 경우 관찰자로부터 가장 멀리 있는 캡쳐 컴포넌트 (574) 에는 거의 전적으로 음영지지 않고, 대부분의 경우 관찰자에게 가장 가까이 있는 캡쳐 컴포넌트 (578) 에는 거의 전적으로 음영이 진다. 어레이에 대한 상대적인 광 변위가 적어질수록, 음영의 양 및 영향 받는 캡쳐 컴포넌트들의 수의 측면 모두에서 캡쳐 유닛들의 음영은 감소된다.

어레이의 법선 축에 대한 상대적인 광 변위와 음영 사이의 관계로 인해, 변위공간 정향 알고리즘들은 태양의 방향이 어레이의 법선 방향과 근접할 때에는 긴밀히 패킹된 어레이들에 대해 로버스트한 추적 행태를 제공할 것으로 기대할 수 있지만, 이 축들의 각도 변위가 증가함에 따라 효율 및 신뢰도가 감소할 수 있다. 알고리즘은 이 사실을 활용하여 저음영 (low shading) 조건들 중에 추적 이동들을 기록하고, 이 데이터를 사용하여 다른 시간들에 실행되는 프로그래밍된 이동 코스를 교정할 수 있다. 이러한 프로그래밍된 이동의 구현에는, 도 16 을 참조하여 전술한 바와 같이, 각도 배치부가 각 아크들에 대해 상대적으로 운동한 거리를 감지하도록 준비되어 있을 것이 요구될 수 있다.

조건 공간 매핑

일반화된 정향 알고리즘은 에너지 수집 소자의 조건 공간을 각도 위치 및 광 변위 공간들의 곱으로 정의한다. 위치 및 변위 공간들은 각각 두 차원들을 가지는 반면, 조건 공간은 네 차원을, 즉 위치 공간으로부터 u 와 v, 그리고 변위 공간으로부터 g 와 h 를 가진다. 조건 공간은 g 와 h 의 부호들에 기초하여 네 개의 사분면들로 나누어진다.

도 36 은 4차원 체적의 지면 상으로의 투영으로서 조건 공간을 예시한다. 좌표쌍 (u, v) 에 의해 주어지는 위치 공간의 어떠한 점에 대해서도 조건 공간은 변위 공간을 가로지르는 조각면 (slice) 을 포함하며, 좌표쌍 (g, h) 에 의해 주어지는 변위 공간의 어떠한 점에 대해서도 조건 공간은 위치 공간을 가로지르는 조각면을 포함한다. 조건 공간의 원점 (982) 은 변위 공간 원점 (912) 과 위치 공간 원점 (902) 이 교차하는 지점이다.

도 36 에 표현된 조건 공간은 도 31 을 참조하여 전술한 바와 같이 변위 공간이 폴딩되는 것과 동일한 방식으로 폴딩된다. 조건 공간의 제 1 사분면에 대해서만 샘플 데이터가 생성되며 이는 반응공간 구획을 생성하는 데 사용된다. 반응값들이 주어진 경우, 각각 구획 좌표들의 특유한 순열을 사용하고 각각 네 가지 가능한 조합 중 하나로서 결과들의 g 와 u 좌표들 및/또는 h 와 v 좌표들을 도치 (invert) 시키거나 어느 것도 도치시키지 않는 네 개의 반응공간 룩업들의 합집합 (union) 을 리턴함으로써 조건 맵은 조건 공간의 네 사분면들 중 어느 것에서든 위치들을 리턴한다.

도 28 을 참조하여 전술한 바와 같이 변위 공간을 커버하는 샘플 데이터 어레이를 생산하는 데 비슷한 시스템이 사용되는 것과 마찬가지 방식으로, 조건 공간을 커버하는 샘플 데이터 어레이를 생산하는 데 시험대 시스템이 사용된다. 그러나 변위 공간에 비하여 조건 공간의 추가적인 2 자유도는 시험대 시스템에 더 많은 요구조건들을 부가하는데, 그 구현형태의 일 예가 이하 도 37 을 참조하여 설명된다.

전술한 절차에서는, 에너지 캡쳐 유닛들이 광원에 대하여 상대적으로 2-파라미터 범위의 각도 이동에 걸쳐 이동하여 광변위 공간의 적어도 한 사분면을 커버하게 한다. 변위 공간은 캡쳐 유닛들의 음영 없이 매핑되어 있기 때문에, 시험대는 하나의 에너지 수집 소자만을 사용하여 데이터를 수집할 수 있다. 본 절차에서는, 어레이 베이스에 대해 상대적인 캡쳐 유닛들의 이동 및 광원에 대해 상대적인 캡쳐 유닛들의 이동은 각각 조건 공간의 직교형 각도 이동 및 광 변위 부분공간들 내의 이동에 상응한다. 캡쳐 유닛이 광원에 대한 상대적 배향을 일정하게 유지한 채 베이스에 대해 상대적으로 이동하면, PV 반응 레벨들은 캡쳐 유닛에 걸친 음영들의 이동의 함수로서만 변경한다. 이러한 각도 이동에 대해 상대적인 PV 반응의 함수를 캡쳐하기 위해 테스트 유닛은 일 어레이의 계측용 (instrumented) 에너지 수집 소자들을 사용함으로써 또는 단일의 계측용 소자와 이를 둘러싸고 중앙 소자와 일치하게 이동하여 음영지게 하는 목업 (mockup) 소자들을 사용함으로써 음영들을 생성할 필요가 있다.

도 37 은 조건 공간의 커버리지를 위한 샘플 데이터의 수집을 가능하게 하는 시험대 시스템의 일부를 도시한다. 시스템은 시험대 배치 장치를 사용하는데, 이 장치에서는 그 자체가 본 발명의 각도 배치부의 변형례인 2축 각도 배치부 (1020) 를 가지는 플랫폼 (1010) 이 어레이의 법선 축에 대해 상대적인 태양의 가능한 변위들의 범위를 시뮬레이팅하는 운동 범위에 걸쳐 에너지 수집 유닛들 (1012) 의 작은 어레이를 이동시키도록 설계되어 있다. 도면에서는, 법선 축이 1006 인 플랫폼은 법선 축이 1004 인 베이스에 대해 상대적으로 내부 틸트 축을 중심으로 10도 회전되고, 중앙 유닛의 법선 축이 1008 인 에너지 캡쳐 유닛들은 이들의 베이스들 및 플랫폼에 대해 상대적으로 외부 틸트 축들을 중심으로 40도 회전된다. 플랫폼은, 시험대 배치 장치의 회전 중심이 중간 에너지 캡쳐 유닛의 회전 중심에 상응하도록, 내부 틸트 축 아래로 이격되어 있다.

시험대 배치 장치는 고정된 광원에 대해 상대적으로 테스트 어레이의 각도 운동의 2축 범위를 제공하여 태양의 상대적 각도 변위들을 시뮬레이팅하고, 어레이의 에너지 수집 소자들의 각도 배치부들은 어레이에 대해 상대적인 에너지 캡쳐 유닛들의 각도 운동의 독립적인 2축 범위를 제공하여 어레이 내의 음영 조건들을 생산하기 때문에, 시험대 시스템은 고정된 광원을 사용하여 4차원 조건 공간의 커버리지를 위한 데이터의 생성을 가능하게 한다.

도 37 에 도시된 동일한 장비는 태양과 사용될 수 있는데, 이 경우 태양광과 인공광 사이의 차이들로부터 발생할 수 있는 문제들을 피하게 되지만 태양의 이동으로 인해 변위 공간에 일정한 변경을 도입하게 된다. 컴퓨터에 의해 제어되는 4축 시험대 시스템을 사용하여 이와 같이 역동적으로 변경하는 데이터를 수집하는 데 다수의 방법들이 사용될 수 있다. 일 세트의 방법들은 각 캡쳐 컴포넌트마다 일련의 궤적들을 기록하는데, 각각 PV 반응 데이터를 절대 시간의 함수로서 기록하며, 시험대의 위치 이력 및 태양의 경로에 관한 정보와 함께 궤적들을 사용하여 조건 공간의 커버리지를 이룬다. 태양의 위치, 시험대 캡쳐의 틸트 각도들, 및 시험대 베이스의 틸트 각도들은 상대적으로 높은 정확도로 결정될 수 있기 때문에, 궤적을 따르는 어느 점의 조건 공간에서의 위치 또한 결정될 수 있다. 도 36 에 지시되는 것과 같은 샘플들의 4차원 어레이로서 조건 공간의 커버리지를 이루는 방법에서는 각 샘플 지점마다 그 조건 공간에 가장 가까운 궤적 점의 반응값들을 지정한다.

개별 PV 반응 교정

전술한 방법들은 캡쳐 유닛의 PV 셀들이 이들의 조명에 관한 정보를 전기 출력들의 형태로 제공하는 것에 의존하며, 셀의 출력의 크기는 셀에 다다르는 태양광의 양에 비례한다. 캡쳐 유닛 내의 PV 셀들의 반응 맵들로부터 변위 및 조건 리버스 룩업 맵들을 도출하기 위한 전술한 절차는 이 셀들이 서로에 대해 그리고 시험대 시스템 내의 PV 셀들에 대해 실질적으로 동일한 반응 특성들을 가지는 것으로 가정한다. 그러나 동일한 스펙 (specifications) 으로 제조된 PV 셀들도 반응 특성에 있어 현저한 차이들이 있을 수 있으며, 본 발명은 이러한 차이들을 보상하기 위한 수단들을 제공한다. 이러한 수단들은 각 에너지 수집 소자의 마이크로컨트롤러에 각 소자의 PV 셀들을 위한 교정 데이터를 기록하는 것을 포함하는데, 이러한 데이터는 각 PV 의 출력 데이터가 변위 또는 조건 맵들에 의해 사용되기 전에 이를 정규화하는 데 사용된다.

본 발명은 두 종류의 PV 출력 정규화를 구상한다. 제 1 종류의 정규화에서는, 각 PV 셀마다 단일의 계수가 저장되며, 액세스할 때마다 PV 의 출력값에는 계수가 곱해져서 정규화된 값이 획득된다. 제 2 종류의 정규화에서는, 각 PV 셀마다 함수를 표현하는 데이터 구조가 저장되며, 액세스할 때마다 PV 의 출력값이 함수로 통과되어 정규화된 값이 획득된다.

샘플 데이터 생성의 기타 방법

전술한 설명은 방향성 광에 정렬시키도록 에너지 캡쳐 수단을 이동시키는 특정 특성들을 가지는, 마이크로컨트롤러를 구비한 집광식 태양 에너지 수집 장치들을 프로그래밍하는 방법들을 제시하는데, 이러한 방법들은 PV 반응 레벨들을 위치 조건들의 함수들로 표현하는 경험적으로 생성된 샘플 데이터를 사용하여 PV 반응 레벨들에서 그러한 조건들로의 리버스 맵을 표현하는 데이터를 생성한다. 샘플 데이터를 생성하는 데 사용되는 전술한 시험대 시스템들은 생산 시스템들에 사용되는 것들과 유사한 에너지 수집 소자들을 이용하는 물리적 장치들이다. 그러나 리버스 맵들을 생성 및 사용하여 PV 반응 데이터로부터 변위 및 위치 정보를 유추하는 동일한 방법들은, 실시예의 특성들을 감안할 때 시뮬레이션이 유용한 샘플 데이터를 생산하기에 충분히 현실적이라면, 샘플 데이터가 물리적 시험대 시스템 대신 컴퓨터 시뮬레이션들을 통하여 생성되는 경우에도 이용될 수 있을 것이다.

기타 실시예

전술한 실시예들은, 수 제곱밀리미터의 면적까지의 폼팩터에서 40% 에 근접하는 광전 효율들을 가진 삼중접합 광발전 셀들, 직경이 연필 직경의 반인 고비율 마이크로 기어모터들, 수 메가바이트의 데이터를 저장할 수 있는 마이크로컨트롤러들, 및 휴대용 물체들의 크기를 가지는 정밀 광학 부품들을 위한 고체적 제조 방법들과 같이 온전히 개발된 기존의 기술들이 주어진 경우에 대하여 본 발명의 바람직한 형태들을 설명한다. 본 발명과 관련한 각도 배치, 호환성 긴밀-패킹 무충돌 광학계 형상 생성, 및 소자 단위의 추적 방법들은 상기 실시예들과는 매우 상이해 보이는 방식들로 사용될 수 있다.

마지막 두 개의 실시예들은 아직 존재하지 않을 수 있지만 예상 가능한 제조 방법들의 개발에 의해 가능해지는 본 발명의 형태들을 예시한다. 예를 들어, 제 5 실시예는 상당히 작을 수 있는 구슬 형상의 에너지 캡쳐 유닛들을 사용한다. 그처럼 작은 치수들로 그리고 그처럼 많은 양으로 모터들, 전자계들, 및 광학계들을 제조하는 것은 오늘날 경제적이지 않을 수 있으나, 시간이 지나 마이크로 패브리케이션 자동화 기술이 발전함에 따라 더 경제적이 될 가능성이 높다. 마찬가지로, 제 6 실시예에는 미세한 광발전 수용체들 (receivers) 이 수천 개의 어레이들에 배치 및 접속되는 것이 요구된다. 바로 이런 작업들을 수행하도록 프로그래밍되고 구성될 수 있는 기기들이 오늘날 존재할 수 있으나, 이들을 솔라 패널들의 크기의 컴포넌트들을 제조하는 데 사용하는 것은 경제적이지 않을 수 있다.

트레이형 베이스 구조에 장착된 소자

도 38 은 본 발명의 제 5 실시예를 도시하는데, 이는 반사형 및 굴절형 광학계들을 조합하는 에너지 캡쳐 유닛을 사용하고, 에너지 캡쳐 및 각도 배치 유닛들은 그 조합된 형상들이 이들을 수용하도록 설계된 트레이 형상의 플랫폼 내의 캐비티들 내에 포개진다.

도 38a 는 18 개의 완성된 캐비티들을 가지고 그 중 다섯 개는 모듈들 (1106) 이 차지하고 있는 트레이 (1140) 및 베이스 트레이 위에 메달려 있는 단일 모듈 (1108) 을 도시한다.

도 38b 는 단일 모듈의 각도 배치 유닛을 도시하는데, 가려진 모서리들은 점선들로 표시되어 있다. 이 실시예의 배치 유닛은 캡쳐 유닛의 양단으로 연장되는 아치의 형상을 가지고 캡쳐 유닛을 축방향 페그들 (1122) 을 통해 원주형으로 장착하는 대신 축방향으로 장착한다는 점에서 다른 실시예들의 변형례들과 대조된다. 다른 실시예들과 마찬가지로, 배치 유닛은 내부 및 외부 틸트 축들에 원주 방향으로 토크를 가하는데, 아치의 중간지점에 밀접하게 장착된 구동 롤러들을 통하여 토크를 가한다. 배치부의 본체의 상면 내의 캐비티로부터 돌출하는 내측 구동 롤러 (1134) 는 에너지 캡쳐 유닛의 대략적으로 구형인 표면 (1110) 의 저면과 치합한다. 배치부의 본체의 하면 내의 캐비티로부터 돌출하는 외측 구동 롤러 (1138) 는 모듈이 설치된 베이스 캐비티 내의 원통형 트랙 (1142) 과 치합한다. 구동 롤러들은 대부분 롤러들의 내부에 위치하며 배치부의 본체에 앵커된 본체들을 가진 작은 기어모터들에 의해 가동된다.

에너지 캡쳐 유닛들의 광학계들은 굴절과 반사의 조합을 사용하는데, 입사광은 유닛의 솔리드한 투명한 본체에 진입하면서 우선 굴절되고, 그 다음에는 본체의 후면의 거울형 표면에 반사되며, 마지막으로 본체에 내장된 PV 셀들 상에 수렴한다. 각 캡쳐 유닛은 제 3 실시예의 캡쳐 컴포넌트들에서 발견되는 패턴과 유사한 패턴으로 배열된 네 개의 에너지 캡쳐 컴포넌트들을 가진다.

도 38 은 다양한 전기 컴포넌트들을 연결하는 도체들의 세부점들은 도시하지 않는다. 일 설계형태에서는, 도체들이 축방향 페그들 (1122) 중 하나를 통하여 혹은 그 근처에서 캡쳐 유닛과 각도 배치 유닛 사이를 통과하며, 도체들이 캡쳐 유닛의 면들 중 하나로부터 나오는 작은 케이블을 통해 캡쳐 유닛으로부터 베이스 트레이로 통과하여 트랙 (1142) 의 바로 너머에 위치하는 소켓에서 베이스 내로 통과한다. 케이블은 완만한 아크로 굽어 베이스와 모듈들 사이에서 엉키지 않을 것을 보장하도록 충분한 경직성을 가진다.

마이크로 광학계를 가진 소자

도 39 는 본 발명의 제 6 실시예의 에너지 수집 소자를 도시하는데, 여기에서의 에너지 캡쳐 유닛은 1000 개가 넘는 집광식 마이크로 소자들의 마이크로 어레이를 포함하는 평판 형상의 표면을 가진다. 도면의 하측 부분은 1.0 의 신장비에 기초한 하나의 에너지 수집 소자를 도시하고, 도면의 우측 상단 부분의 확대된 블록은 56 개의 광발전 셀들을 가진 마이크로 어레이의 일부의 확대도를 도시한다.

광학적 집광의 수단은 확대도를 참조하여 설명된다. 투명한 재료 (1220) 는 복합 렌즈를 형성하는데, 각 광발전 셀을 위한 광축이 마이크로 어레이를 지지하는 평판 (1210) 에 수직이다. 복합 렌즈 (1222) 의 각 소자는 초점이 각 PV 셀 (1230) 에 맞추어져 있다. PV 셀들은 PV 셀들에 의해 생성되는 전력을 수집하고 제 1 케이블 (1250) 을 통해 배치 유닛 (1240) 으로 그리고는 제 2 케이블 (1252) 을 통해 유닛의 베이스로 이를 전송하는 도체 스트립들 (1232) 에 의해 연결되어 있다.

서로에 대해 수직이고 각각 평판 (1210) 에 수직인 박형 평판들 (1214) 의 쌍은 에너지 캡쳐 유닛의 대칭면들을 따라 마이크로 소자들의 행 및 열을 나눈다. 이 평판들은 마이크로 소자들의 광축들에 평행하므로, 유닛이 방향성 입사광에 정렬되어 있는 경우에는 평판들이 마이크로 소자들 어느 것에도 음영 지우지 않지만, 유닛의 축이 입사광의 방향으로부터 벗어남에 따라 평판들은 점차적으로 더 많은 수의 마이크로 소자들에 음영이 지게 한다. 어느 마이크로 소자들에 음영이 지울 것인지는 유닛의 축이 입사광의 방향으로부터 벗어나는 방향에 의존한다. 에너지 캡쳐 유닛의 전자계는 어느 마이크로 소자들에 음영이 졌는지에 관한 정보를 사용함으로써 캡쳐 유닛의 축과 입사광의 방향 사이에 정렬을 회복하기 위해 캡쳐 유닛이 이동하여야 하는 각도 방향을 결정하고 각도 배치 유닛이 이에 따라 이동하도록 명령한다.

용어 해설

각도 배치 유닛 (angular positioning unit) (또한 각도 배치부, 배치부): 베이스 및 캡쳐 유닛의 수직 아크들에 대한 슬라이딩 동작을 통해 에너지 캡쳐 유닛을 정향하는 컴포넌트.

각도 위치 공간 (angular position space) (또한 위치 공간): 각도 배치 유닛에 의해 제공되는 베이스에 대하여 상대적으로 에너지 캡쳐 유닛이 가질 수 있는 가능한 각도 위치들의 집합을 포괄하는 2차원 공간.

개구부 (aperture): 지배적으로 평행한 광의 방향에 수직인 평면에서 장치에 다다르는 광의 기둥을 정의하는 영역.

개구 평면 (aperture plane): 에너지 캡쳐 유닛의 내부 틸트축을 포함하는 유닛의 법선 축에 수직인 평면.

개구 효율 (aperture efficiency): 소자들의 어레이에 다다르는 광 중 그 소자들에 의해 캡쳐되는 광의 비율.

개구 세그먼트 (aperture segment): 소자의 개구부 중 에너지 캡쳐 컴포넌트들 중 하나에 의해 커버되는 부분.

어레이 법선 축 (array normal axis) (또한 패널 법선 축): 에너지 수집 소자들의 어레이의 평면에 수직인 방향

베이스 유닛 (base unit): 에너지 수집 소자 중에서 장착 아크를 통해 각도 배치 유닛을 지지하고 소자를 어레이 베이스 또는 기타 플랫폼에 앵커시키는 부분

캡쳐 유닛 법선 축 (capture unit normal axis): 광축 혹은 광축들이 평행하고, 통상적으로 유닛의 반사형 대칭면들의 교차선과 일치하는, 에너지 캡쳐 유닛의 중심 축.

회전 중심 (center of rotation): 내부 및 외부 틸트축들이 교차하는 지점.

오목 장착 아크 (concave mounting arc): 베이스 유닛에 강성으로 부착되는 장착 아크.

조건 맵 (condition map): 반응 공간에서 좌표들이 주어진 경우 조건 공간 내에 0 개 혹은 그 이상의 점들을 리턴하는 데이터 구조 및 액세스 방법.

조건 공간 (condition space): 에너지 캡쳐 유닛의 법선 축에 대하여 방향성 입사광의 방향이 가질 수 있는 각도 변위들 및 각도 배치 유닛에 의해 제공되어 에너지 캡쳐 유닛이 베이스에 대하여 상대적으로 가질 수 있는 각도 위치들의 집합을 포괄하는 4차원 공간.

볼록 장착 아크 (convex mounting arc): 에너지 캡쳐 유닛에 강성으로 부착되는 장착 아크.

델타 PV 반응 공간 (delta PV response space) (또한 델타 반응 공간): 각도 위치 공간의 두 방향을 따른 작은 움직임에 반응하는 에너지 캡쳐 유닛의 PV 셀들의 출력 레벨들의 변화율들을 차원들로 가지는 공간.

변위 맵 (displacement map): 반응 공간에서 좌표들이 주어진 경우 광 변위 공간 내에 0 개 혹은 그 이상의 점들을 리턴하는 데이터 구조 및 액세스 방법.

변위 룩업 데이터 (displacement lookup data): 변위 맵에 의해 사용되는 데이터 구조로서, 변위 공간 내의 점들 및/또는 영역들을 참조하는 셀들로 반응 공간을 구획하는 것을 포함하는 데이터 구조.

신장비 (elongation ratio): 에너지 수집 소자들의 어레이에서 행들 사이의 거리에 대한 행 내의 소자들 사이의 거리의 비율.

에너지 캡쳐 컴포넌트 (energy capture component) (또한 캡쳐 컴포넌트): 에너지 캡쳐 유닛에서 개구 세그먼트를 가지는 기능적 부분.

에너지 캡쳐 유닛 (energy capture unit) (또한 에너지 캡쳐부): 에너지 수집 소자의 일부로서 광집적 광학계 및 광전기 변환 수단을 포함하는 부분.

에너지 수집 소자 (energy collection element): 어레이들로 패널 형상의 봉입체 내에 설치되는 조립품으로서, 에너지 캡쳐 유닛, 각도 배치 유닛, 및 베이스 유닛을 포함하는 조립품.

내부 틸트축 (inner tilt axis): 에너지 캡쳐 유닛과 같은 탑재물에 대해 상대적인 각도 배치부의 부분 회전의 축.

광 변위 공간 (light displacement space): 에너지 캡쳐 유닛의 법선 축의 90도까지 이 법선 축에 대하여 방향성 입사광의 방향이 가질 수 있는 각도 변위들의 집합을 포괄하는 2차원 공간.

장착축 (mount axis): 각도 배치부를 사용한 틸트축.

장착 아크 (mounting arc): 각도 배치 유닛에 치합되어 에너지 캡쳐 유닛을 지지하고 각도 이동을 제공하는 볼록 장착 아크 또는 오목 장착 아크.

법선 축 (normal axis): (캡쳐 유닛 법선 축 또는 어레이 법선 축 참조.)

작동 클리어런스 프로파일 (operational clearance profile): 에너지 수집 소자의 캡쳐 유닛 및 배치 유닛이 각도 배치 유닛의 동작을 통하여 운동 범위들에 걸쳐 이동함에 따라 이들이 스위핑하는 체적.

외부 틸트축 (outer tilt axis): 베이스에 대해 상대적인 각도 배치부의 부분 회전의 축.

PV 반응 함수 (PV response function): 주어진 에너지 캡쳐 유닛 디자인에 대하여 광 변위 공간 내의 점들을 PV 반응 공간으로 매핑하는 함수.

PV 반응 공간 (PV response space) (또한 반응 공간): 에너지 캡쳐 유닛의 PV 셀들의 출력 레벨들을 차원들로 가지는 공간.

반응 공간 구획 (response-space partition): 변위 및 반응 공간 내 샘플들의 분포에 기초하여 반응 공간을 셀들로 분할한 것으로서, 변위 룩업 데이터로 암호화된 분할.

샘플 데이터 어레이 (sample data array): 시뮬레이션 어레이를 사용하여 생성된 데이터 세트로서 변위 공간, 또는 변위 및 위치 공간들의 곱 내의 밀집된 격자의 점들 각각에 대해 반응 공간 점들을 산출하는 샘플들을 포함하는 데이터 세트.

틸트축 (tilt axis): 각도 배치 유닛이 각도 운동을 생성하도록 그 중심을 도는 두 축들 (에너지 캡쳐 유닛에 대하여 상대적으로 운동하게 하는 내부 축 및 베이스에 대하여 상대적으로 운동하게 하는 외부 축) 중 어느 하나.

Claims (14)

1. 베이스 구조 내에 지지되는 에너지 수집 소자들의 2차원 어레이를 포함하며,
   각 소자는 광집적 광학계와 광전기 변환 수단을 포함하는 에너지 캡쳐 유닛, 서로에 대해 실질적으로 수직인 두 개의 축들을 중심으로 상기 에너지 캡쳐 유닛의 틸팅 (tilting) 을 허용하는 마운트, 및 각 축을 중심으로 틸팅을 실행하는 수단을 구비하며;
   각 소자의 2축 장착 기능 및 틸팅 실행 기능들이 컴팩트한 (compact) 각도 배치 유닛 내에 조합되는 것을 포함하되, 상기 각도 배치 유닛은 상기 에너지 캡쳐 유닛에 통합된 하나 이상의 볼록 아크형 (arcuate) 트랙을 따라 장착되고 이동함으로써 상기 각도 배치 유닛에 대하여 상대적으로 상기 에너지 캡쳐 유닛을 지지하고 배치하며, 상기 베이스 구조에 강성으로 (rigidly) 고정된 오목 아크형 트랙을 따라 장착되고 이동함으로써 상기 베이스 구조에 대하여 상대적으로 상기 각도 배치 유닛을 지지하고 배치하는, 태양 에너지 수집 시스템.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 각도 배치 유닛은 상기 에너지 캡쳐 유닛의 볼록 트랙에 슬라이딩 가능하게 장착하는 아크형 슬롯, 및 상기 베이스 유닛의 오목 트랙에 슬라이딩 가능하게 장착하는 실질적으로 수직의 아크형 슬롯을 포함하는, 에너지 수집 소자.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 각도 배치 유닛은, 각각 상기 트랙들 중 하나와 치합하고 상기 트랙을 따라 상기 각도 배치 유닛의 운동을 제어하는 한 쌍의 모터구동 롤러들 또는 피니온 기어들 (pinion gears) 을 포함하는, 에너지 수집 소자.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 모터들은 상기 소자의 상기 에너지 캡쳐 유닛 내에서 외측을 향하는 PV 셀들에 의해 생성된 전기에 의해 전력이 공급되는, 에너지 수집 소자.
5. 제 3 항에 있어서,
   상기 모터들은 상기 소자의 상기 에너지 캡쳐 유닛 내의 다수의 전력 PV 셀들 각각의 반응 레벨들의 다차원 벡터의 함수로서 제어되는 특성들을 가지는 전기에 의해 전력이 공급되는, 에너지 수집 소자.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 각도 배치 유닛과 상기 베이스에 부착된 오목 아크 사이의 관절결합 (articulation) 은 상기 각도 배치 유닛이 간단한 수동 동작을 통하여 상기 오목 아크로부터 제거 및 상기 오목 아크 상에 재설치되는 것을 허용하며, 설치 절차는 교정 (calibration) 을 포함하지 않는, 에너지 수집 소자.
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 에너지 캡쳐 유닛 내의 상기 아크형 트랙 혹은 트랙들의 중심들에 의해 정의되는 내부 틸트축과 상기 베이스 내의 상기 아크형 트랙의 중심에 의해 정의되는 외부 틸트축은 서로에 대해 수직이며 교차하는, 에너지 수집 소자.
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 에너지 캡쳐 유닛은,
   그 법선 축에서 볼 때 상기 광학계들의 개구부에 대응하며 유닛 간의 작은 간격을 제외하고는 cmm 대칭 그룹의 패턴으로 평면을 타일링 (tile) 하는 프로파일을 가지며, 상기 각도 배치 유닛의 제어 하에 그 틸트축들을 중심으로 이동되는 경우 상기 베이스에 대한 수직 투영이 상기 프로파일 형상 내부에 완전히 속하는 체적을 스위핑 (sweeps out) 하도록 조형 및 설계되는, 에너지 캡쳐 유닛.
9. 제 1 항에 있어서,
   상기 에너지 수집 소자들은 개별적으로 이동하더라도 충돌하지 않는, 태양 에너지 수집 시스템.
10. 제 1 항에 있어서,
    상기 베이스 구조는 상기 태양 수집 소자들을 보호하는 투명한 상부면을 가진 봉입체의 일부인, 태양 에너지 수집 시스템.
11. 2축 마운트 상에 지지되는 강성 에너지 캡쳐 유닛 내의 광발전 셀들과 연계하여 광집적 광학계들을 사용하는 태양 에너지 수집 소자로서;
    상기 캡쳐 유닛을 평행한 광축들을 가지지만 각각 비대칭 광학계들을 가지는 상이한 캡쳐 컴포넌트들로 분할하고, 축외 (off-axis) 방향성 광에 대한 상기 캡쳐 컴포넌트들의 셀들의 반응들의 실시간 패턴에 기초하여 정향 (orienting) 운동을 실행함으로써, 전용 센서 없이 폐루프 태양 추적을 구현하는, 태양 에너지 수집 소자.
12. 제 11 항에 있어서,
    실시간 셀 반응 데이터가 주어진 경우 정향 운동의 계산을 위한 기초로서 시험대 (testbed) 환경에서 에너지 수집 소자들의 행태를 측정하는 것으로부터 도출된 데이터가 사용되는, 태양 에너지 수집 소자.
13. 각각 상이한 개구부 및 초점거리를 가지지만 공통의 광축 및 초점을 공유하는 복수의 광학 컴포넌트들을 조합시킴으로써, 집광식 광학 유닛의 개구부 형상이 상기 집광식 광학 유닛의 법선 축에 수직인 평면 내 상기 집광식 광학 유닛의 프로파일 형상과 일치하고, 2축 추적 마운트에 의해 제공되는 어떠한 세트의 틸팅에 대해서도 베이스 평면에 대한 상기 집광식 광학 유닛의 투영이 상기 형상 내에 속하도록 상기 집광식 광학 유닛을 생산하며, 상기 컴포넌트 개구부들은 상기 형상 또는 그 일부를 타일링하는, 집광식 광학 유닛 생산 방법.
14. 제 13 항에 있어서,
    상기 방법은 반사기를 생산하는 데 사용되며,
    상기 광학 컴포넌트들은 복수의 포물형들 (paraboloids) 의 패치들을 포함하며, 상기 패치들은 상기 베이스 평면 위에 그래프를 형성하고, 상기 광축에 평행한 라이저 (riser) 표면들이 인접한 패치들의 모서리들에 결합하며, 상기 그래프는 상기 평면으로부터의 특정된 최대 거리 내에서 프로파일 곡선과 만나는, 집광식 광학 유닛 생산 방법.

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