(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
受光面、結露サブアセンブリ、水回収サブアセンブリおよびクリーニングサブアセンブリを含むソーラーシステムであって、
前記受光面は外気にさらされ、
前記結露サブアセンブリは膨張チャンバに連結された圧縮空気膨張弁を含み、
前記結露サブアセンブリの前記膨張チャンバは、前記圧縮空気膨張弁により制御されるような前記膨張チャンバ内の圧縮空気の膨張が、前記受光面の温度を低下させることによって、前記受光面上の湿気の結露を促進するように、前記受光面に熱的に連結して、環境から熱的に絶縁され、
前記水回収サブアセンブリは、水回収容器と前記受光面上の結露水を前記水回収容器に向かわせるために配置した水誘導ハードウェアとを含み、
前記クリーニングサブアセンブリは、クリーニング液ダクトを介して流体的に前記水回収容器に連結する水分配ユニットを含み、
前記水分配ユニットは、前記ソーラーシステムの前記受光面上に前記水回収容器から水を分配するように配置される、
ソーラーシステム。
【請求項２】
前記受光面は、ソーラーリフレクタモジュールの反射面を含み、前記結露サブアセンブリの前記膨張チャンバは、前記ソーラーリフレクタモジュールの後方に熱的に連結している、あるいは、
前記受光面は、光起電モジュールの入力面を含み、前記結露サブアセンブリの前記膨張チャンバが、前記光起電モジュールの後方に熱的に連結している、
請求項１に記載のソーラーシステム。
【請求項３】
前記ソーラーシステムは、前記結露サブアセンブリの前記圧縮空気膨張弁に連結する圧縮空気供給装置をさらに含み、
前記光起電モジュールは、その光起電性出力の一部を前記圧縮空気供給装置に専用にするように構成される、
請求項２に記載のソーラーシステム。
【請求項４】
前記ソーラーシステムは、前記結露サブアセンブリの前記圧縮空気膨張弁に連結する圧縮空気供給装置をさらに含む、請求項１に記載のソーラーシステム。
【請求項５】
前記圧縮空気供給装置は、前記圧縮空気供給装置からの圧縮空気を除湿するために配置される水トラップを含み、
前記水トラップは、補助的な水回収バルブを介して、前記水回収サブアセンブリの前記水回収容器との流体連通に置かれる、
請求項４に記載のソーラーシステム。
【請求項６】
前記受光面は、光起電性またはソーラーリフレクタモジュールの入力面を含み、
前記結露サブアセンブリの前記膨張チャンバの一方側は、高熱伝導性材料を介して前記モジュールの後方に熱的に連結され、
前記結露サブアセンブリの前記膨張チャンバの反対側が、熱的に絶縁材料の層を担持する、請求項１に記載のソーラーシステム。
【請求項７】
前記クリーニングサブアセンブリの前記水分配ユニットは、前記受光面に向けられる１つまたは複数の水噴霧ノズルを終端として接続し、１つまたは複数のクリーニングアクセサリを含み、
前記クリーニングサブアセンブリは、選択的に、前記水回収容器から廃水を切り換えるか、または前記水回収容器にろ過した廃水を向けるために配置される水切り換え弁を含む、請求項１に記載のソーラーシステム。
【請求項８】
前記ソーラーシステムは、前記受光面上の湿気の結露および水回収のための前記水回収サブアセンブリのアクティブ化の前に前記受光面をクリーニングするために、前記クリーニングサブアセンブリの前記水分配ユニットのアクティブ化を確実にするようにプログラムされるプロセス制御装置をさらに含む、請求項１に記載のソーラーシステム。
【請求項９】
前記ソーラーシステムは、周囲温度センサ、周囲湿度センサまたはそれらの組み合わせ、および、周囲温度、湿度またはそれらの組み合わせの関数として、前記水回収サブアセンブリのアクティブ化を制御するようにプログラムされるプロセス制御装置を含む、請求項１に記載のソーラーシステム。
【請求項１０】
前記受光面は光起電性モジュールの入力面を含み、
前記ソーラーシステムは光起電性モジュール電力モニタとプロセス制御装置、さらに、圧縮空気供給装置とを含み、
前記プロセス制御装置は、前記電力モニタによって検出されるような、前記圧縮空気供給装置の空気圧の関数として、あるいは、前記光起電性モジュールによって生成される電力の関数として、前記クリーニングサブアセンブリのアクティブ化を制御するようにプログラムされる、
請求項１に記載のソーラーシステム。
【請求項１１】
前記ソーラーシステムは、１つまたは複数の周囲センサと、圧縮空気供給装置と、プロセス制御装置とを含み、
前記圧縮空気供給装置は前記結露サブアセンブリの前記圧縮空気膨張弁に連結し、
前記プロセス制御装置は、前記圧縮空気膨張弁を介して前記圧縮空気供給装置からの圧縮空気の放出を制御することによって、周囲センサ出力の関数として前記水回収サブアセンブリのアクティブ化条件を制御するようにプログラムされ、
前記アクティブ化条件は、放出期間、圧力低下またはそれらの組み合わせを含む、
請求項１に記載のソーラーシステム。
【請求項１２】
圧縮空気供給装置をさらに含み、
前記圧縮空気膨張弁は、前記圧縮空気供給装置から前記膨張チャンバへ前記圧縮空気を放出し、
前記圧縮空気供給装置の圧縮空気圧は、周囲圧力とは異なるものであり、
前記膨張チャンバにおける前記圧縮空気の前記膨張は、外気の露点温度よりも低くなるよう前記受光面の少なくとも一部を熱的に冷却し、前記受光面を間接的に熱的に冷却することにより、当該受光面上において前記外気中の湿気から水分を凝縮させる、
請求項１に記載のソーラーシステム。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の相互参照】
【０００１】
本出願は、２０１５年１月１５日に出願された「Solar System Comprising Self Sustainable Condensation, Water Collection, and Cleaning Subassemblies」（Docket SA 6012 PA）と題する、米国特許出願第１４／５９７，４０４号に優先権を主張し、その内容は完全に本願明細書に引用したものとする。
【技術分野】
【０００２】
本開示は、透過型または反射型受光面が環境にさられ、粒子汚染の影響を受ける光起電性、熱型、および他のタイプのソーラーシステムに関する。より具体的には、本開示は、このようなソーラーシステムにおいて、利用される受光面の粒子汚染に対処するための技術を導入する。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
本開示の主題によれば、都市、遠隔地あるいは沖合位置において、使用されるように、ソーラーシステムは、結露、水回収およびソーラーシステムの特定の受光面上の粒子の付着から生じる性能の問題に対処するように構成される、クリーニングサブアセンブリを含んで提供される。本開示の主題は、外気中に存在する湿度の結露を誘発し、結露した水を捕捉して回収し、回収した水を用いてソーラーシステムの特定の受光面をクリーニングする自立型ソーラーシステムの構築に適している。
【０００４】
本開示の一実施形態によれば、圧縮空気の膨張を、ソーラーシステムの受光面を冷却するために使用する。周囲の湿気は受光面に結露し、それはシステムの水回収媒体としても役立つ。捕えられた水は、例えば、表面の下端に配置される容器に集められて、塵埃除去のために濾過され、その後加圧水タンクに貯蔵される。圧縮空気を使用して、貯蔵された水を上昇させて加圧し、それをシャワーヘッドパイプまたは他の任意の水性クリーニングシステムに供給する。シャワーヘッドパイプは、好ましくは受光面の上端に配置され、効率的な表面クリーニングに影響を及ぼすように整列された水ジェット噴霧器、ノズル、スプリンクラーなどを備える。このクリーニングハードウェアは、ブラシ、ワイパー、モップ等のような１つまたは複数の既存の、水を利用する自動クリーニングアクセサリと組み合わせることができると考えられる。
【０００５】
本開示の別の実施形態によれば、受光面、結露サブアセンブリ、水回収サブアセンブリおよびクリーニングサブアセンブリを備えるソーラーシステムが提供される。受光面は、外気にさらされる。結露サブアセンブリは、膨張チャンバに連結された圧縮空気膨張弁を備える。結露サブアセンブリの膨張チャンバは、圧縮空気膨張弁により制御されるような膨張チャンバ内の圧縮空気の膨張が、受光面の温度を低下させることによって、受光面上の湿気の結露を促進するように、受光面に熱的に連結して、環境から熱的に絶縁される。水回収サブアセンブリは、水回収容器と受光面上の結露水を水回収容器に向かわせるために配置した水誘導ハードウェアとを含む。クリーニングサブアセンブリは、クリーニング液ダクトを介して流体的に水回収容器に連結する水分配ユニットを含む。水分配ユニットは、ソーラーシステムの受光面上の水回収容器から水を分配するように配置される。
【０００６】
また別の実施形態では、ソーラーシステムを動作させる方法は、ソーラーシステムが、圧縮空気膨張弁を通る圧縮空気供給装置からの圧縮空気の放出を制御することによって、水回収サブアセンブリの制御アクティブ化条件を周囲センサ出力の関数として制御することにより動作する所で企図される。
【０００７】
本開示の概念は、いくつかの特定のソーラーシステム構成を主に参照して本明細書に記載されているが、環境にさらされていて、粒子汚染の影響を受ける受光面を含むいかなるソーラーシステムにも、この概念が適用可能性を享受すると考えられる。
【０００８】
本開示の特定の実施形態の以下の詳細な説明は、同様の構造が同様の参照番号で示されている以下の図面と併せて読むと最もよく理解できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１Ａ】図１Ａは、受光面、結露サブアセンブリ、水回収サブアセンブリおよびそれらのクリーニングサブアセンブリを特に強調して、本開示の一実施形態によるソーラーシステムを例示する。
【図１Ｂ】図１Ｂは、水分配ユニットおよびその周辺の水ダムを特に強調して、本開示の一実施形態によるソーラーシステムを例示する。
【図２】図２は、本開示により企図される受光面構成の多くの代替タイプを例示する。
【図３】図３は、本開示により企図される受光面構成の多くの代替タイプを例示する。
【図４】図４は、システムの周囲センサを特に強調した本開示の一実施形態によるソーラーシステム構成を例示する。
【図５】図５は、本開示によるソーラーシステムの有効性をサポートするモデル化された運用データを説明する。
【図６】図６は、本開示によるソーラーシステムの有効性をサポートするモデル化された運用データを説明する。
【図７】図７は、本開示によるソーラーシステムの有効性をサポートするモデル化された運用データを説明する。
【図８】図８は、本開示によるソーラーシステムの有効性をサポートするモデル化された運用データを説明する。
【図９】図９は、本開示によるソーラーシステムの有効性をサポートするモデル化された運用データを説明する。
【図１０】図１０は、本開示によるソーラーシステムの有効性をサポートするモデル化された運用データを説明する。
【図１１】図１１は、本開示によるソーラーシステムの有効性をサポートするモデル化された運用データを説明する。
【図１２Ａ】図１２Ａは、本開示によるソーラーシステムの有効性をサポートするモデル化された運用データを説明する。
【図１２Ｂ】図１２Ｂは、本開示によるソーラーシステムの有効性をサポートするモデル化された運用データを説明する。
【図１３】図１３は、本開示によるソーラーシステムの有効性をサポートするモデル化された運用データを説明する。
【図１４Ａ】図１４Ａは、本開示によるソーラーシステムの有効性をサポートするモデル化された運用データを説明する。
【図１４Ｂ】図１４Ｂは、本開示によるソーラーシステムの有効性をサポートするモデル化された運用データを説明する。
【図１５】図１５は、本開示によるソーラーシステムの有効性をサポートするモデル化された運用データを説明する。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本開示は、透過型または反射型の受光面が周囲にさらされ、粒子汚染の影響を受ける、光起電性、熱性および他のタイプのソーラーシステムに利用される受光面の粒子汚染に対処する技術を導入する。このような汚染およびそれに対応する作業効率低下は、システムが遠隔地、都市部または沖合の場所に設置される場合のように、特に粒子および／または汚れの濃度が高い今日のソーラーシステムにおける主要な課題である。
【００１１】
最初に図１Ａを参照すると、外気にさらされる受光面１０、結露サブアセンブリ２０、水回収サブアセンブリ３０およびクリーニングサブアセンブリ４０を含むソーラーシステム１００が例示される。受光面１０は、光起電性モジュールの入力面または、熱あるいは他の形態の濃縮エネルギーを回収するように構成されたソーラーリフレクタモジュールの反射面である。
【００１２】
結露サブアセンブリ２０は、膨張チャンバ２４に連結する圧縮空気膨張弁２２を含む。結露サブアセンブリ２０の膨張チャンバ２４は、受光面１０に熱的に連結して、周囲から断熱される。動作中、圧縮空気膨張弁２２により制御される膨張チャンバ２４内の圧縮空気の膨張は、膨張チャンバ２４を冷却し、膨張チャンバ２４に熱的に結合された受光面１０上の湿気の結露を促進する。例えば、図１Ａに図示するように、結露サブアセンブリ２０の膨張チャンバ２４は、受光面１０が膨張チャンバ２４で冷却することを確実にするために、モジュールの後方に、熱的に連結できる。
【００１３】
必須ではないが、例示の実施形態では、受光面１０は、光起電性の、すなわちソーラーリフレクタモジュールの入力面を備え、結露サブアセンブリ２０の膨張チャンバ２４の一方の側は、高熱伝導率材料２６、例えば、銅またはアルミニウムの導電層を介して、モジュールの背面に熱的に連結する。環境からの直接的な熱吸収を最小限にして、膨張チャンバ２４の裏側の結露を防止するために、結露サブアセンブリ２０の膨張チャンバ２４の反対側が断熱材料２８の層を担持できることも考えられる。
【００１４】
水回収サブアセンブリ３０は、水回収容器３２と、受光面上の結露水を水回収容器３２に向けるように配置された水誘導ハードウェア３４とを含む。受光面１０の少なくとも一部の周辺に沿って配置される周辺水ダム３６の形で図１Ａに図示される、水誘導ハードウェア３４に加えて、水回収サブアセンブリ３０は、結露水が水回収容器３２に向けられる前に、結露水から粒子を取り除くために配置される、水回収フィルタ３８を含むことができると考えられる。受光面１０が透明な疎水性コーティングを備えて、結露水の撥水性および結果として得られる水回収を改善できることも考えられる。
【００１５】
クリーニングサブアセンブリ４０は、クリーニング液ダクト４４を介して水回収容器３２に流体的に連結する水分配ユニット４２を含む。水分配ユニット４２は、受光面１０に向けて水をソーラーシステム１００の受光面１０上の水回収容器３２から分配する１つまたは複数の水噴霧ノズル４６を終端として接続できる。クリーニング液は、圧縮空気供給装置５０および加圧弁５５を介して水回収容器に選択的に加圧することによって、クリーニング液ダクト４４の上へ押し上げられることが可能である。例えば、水噴霧ノズル４６は、シャワーヘッドパイプに固定された直線状配列のノズルで構成することができ、各々が約３５ｋＰａ〜約３５０ｋＰａ間で動作する。表層クリーニング動作の間、圧縮空気は水回収容器３２にだけ向けられて、水噴霧ノズル４６の十分な加圧を確実にすることができる。クリーニングサブアセンブリ４０は、選択的にクリーニング動作の間、水の選択的なリサイクリングのために、廃水を水回収容器３２から進路変更させるか、またはそれにろ過した廃水を向ける、水ダイバージョン弁４８を、加えて備えていることができる。
【００１６】
図２および３は、本開示が、実質的に平面状の受光面（図２参照）、例えばソーラーコレクタ１２において、ソーラエネルギー集中の焦点または焦線を画定するように構成された湾曲した受光面１０＊および、ソーラエネルギーを伝達する受光面１０’’に向けるように構成された相補的な反射性および透過性の受光面１０’、１０’’（図３参照）を含む様々な形の受光面を企図している、という事実を説明するために表すものである。
【００１７】
図１および４は、圧縮空気供給装置５０を本開示によるソーラーシステム１００と統合できる方法を、図式的に例示する。より具体的には、圧縮空気供給装置５０は、結露サブアセンブリ２０の圧縮空気膨張弁２２に、直接または間接的に連結できる。ソーラーシステム１００が、それぞれ受光面１０を含んでそれぞれが結露サブアセンブリと関連付けられた、ソーラーユニット６０の配列、水回収サブアセンブリならびにクリーニングサブアセンブリを含む、図４を参照して具体的に見ると、圧縮空気供給装置５０は、中央の圧縮空気供給装置または、ソーラーユニット６０の配列の個々のソーラーユニットと連通する複数の専用圧縮空気供給装置を含むことができると考えられる。いずれの場合でも、受光面１０が光起電性モジュールの入力面を含む所において、光起電性モジュールはその光起電性の一部の出力を圧縮空気供給装置５０に専用にするように構成できると考えられる。
【００１８】
圧縮空気供給装置が圧縮空気供給装置５０の圧縮空気を除湿するために配置される水トラップ５２を含むことができることが、さらに考えられる。水トラップ５２は、補助的な水回収バルブ３５を介して、水回収サブとの流体連通に置くことができる。このように、冷却／結露フィンを含むことができる水トラップ５２および補助的な水回収バルブ３５は、回収された結露水を水回収容器３２へ移すために「要求に応じて」用いることができる。圧縮空気供給装置のこの除湿はまた、結露サブアセンブリ２０の内面上の水吸込みを防止する。
【００１９】
図１および４を参照すると、ソーラーシステム１００は、水回収サブアセンブリ３０のアクティブ化の前に受光面１０をクリーニングするためのクリーニングサブアセンブリ４０の水分配ユニット４２のアクティブ化を確実にするようにプログラムされるプロセス制御装置７０を備えて、回収した水の粒状物質の吸込みを回避するのを助けることができると考えられる。プロセス制御装置７０はまた、周辺温度センサ８０および周囲湿度センサ８２からの信号に応答して、周囲温度、湿度またはそれらの組み合わせの関数として、水回収サブアセンブリ３０のアクティブ化を制御するようにプログラムすることもできる。さらに、圧縮空気供給装置５０の空気圧が不十分であるときに、結露サブアセンブリ２０のアクティブ化を回避するために、プロセス制御装置７０が圧縮空気供給装置５０の空気圧の関数として、クリーニングサブアセンブリ４０のアクティブ化を制御するようにプログラムすることができると考えられる。
【００２０】
受光面が光起電性モジュールの入力面を含む場合、ソーラーシステム１００が光起電モジュール電力モニタ８４を備えていることができることが、そして、電力モニタ８４により検出されるように、光起電モジュールによって、発生する電源の関数として、クリーニングサブアセンブリのアクティブ化を制御するように、プロセス制御装置７０をプログラムすることができることがさらに考えられる。例えば、上述したコンポーネントを用いて、自動化システムは、周囲温度、湿度またはシステム性能劣化を測定し、回収およびクリーニングサブアセンブリのアクティブ化のための頻度、期間および日時を決定するように、構成できると考えられる。
【００２１】
プロセス制御装置７０は、圧縮空気供給装置５０から圧縮空気の放出を制御することによって、周囲センサ出力の関数として、水回収サブアセンブリ３０のアクティブ化条件、例えば、放出期間、圧力低下またはそれらの組み合わせを制御するように、プログラムすることができることも考えられる。例えば、一実施形態おいて、周囲センサは周辺温度センサ８０、周囲湿度センサ８２、周囲風速センサ８６を含み、水回収サブアセンブリの適切な動作条件は温度、湿度、風速または他の測定された気候条件の各種の組合せに従ってプロセス制御装置７０によって、設定できる。
【００２２】
さらに図４を参照して、本開示によるソーラーシステムは、補助的な電源コンセントまたは、例えば、外部電源グリッド９０から補助的な電源の下でシステムオペレーションができるようにするように構成される入力の他の形を含むことができる。例えば、光起電モジュールの光起電性の出力が、夜に、または、他の弱光条件の下で発生するように、最小限の操作上の閾値以下に落ちるときに、ソーラーシステム動作は外部電源グリッド９０からによる電源によって、補充できる。
【００２３】
エネルギー節約算出のために、システムの環境条件、物理寸法および機械的要因を含む数学的モデルが、季節変化をカバーするために開発された。このモデルは熱力学原理および熱伝導法に基づいて、外気に存在する湿度の結露のエネルギー要件を予測して、クリーニングプロセスのための適切な水量を捕える。このモデルは、本願明細書において、説明のためだけに示されており、それらの文字通りの説明を越えて添付の請求の範囲の範囲を制限するために用いてはならない。
【００２４】
このモデルは、ＰＶモジュールの特定の表面積の上の大気圧での湿気の結露のための最高気温を使用しており、太陽熱システムのためのリフレクタに、等しく適用できる。受光面上の面積およびその相対湿度は、適切な水凝縮物を集めて、最小エネルギーの消費でそれをクリーニングに利用できるようにするための、動作の期間を決定する。加えて、外気湿度が高い場合には、ＰＶモジュールの展開の前に、相当な量の水が、フィン付きの熱伝導を経て圧縮空気を冷やすことにより回収されることも指摘しておかねばならない。
【００２５】
このモデルは、下で示されるように、「ＰＶステーション特性」、「ＰＶアセンブリ特性」、「環境因子」および「洗浄システムの詳細」に基づく。具体的には、「ＰＶステーション特性」は、電力出力、ＰＶ面積および冷却した面積を含む。
「ＰＶアセンブリ特性」は、シリコン単結晶または多結晶ソーラーモジュールを想定して、中空ＰＶ設計、ガラス厚み、ガラス熱伝導率、ＥＶＡ厚、ＥＶＡ熱伝導率、シリコン厚、シリコン熱伝導率、テドラー厚、テドラー熱伝導率、アルミニウムフレーム厚およびアルミニウムフレーム熱伝導率を含む。「環境因子」は、周囲温度、大気圧、相対湿度、年間日照日、１日当たり昼間時間、および風速を含む。「洗浄システムの詳細」は、揚水のための高さ、配管の寸法、ノズルヘッド圧力、クリーニングのための適切な水量、水貯留タンク容量、クリーニングの期間およびクリーニング頻度を含む。
【００２６】
多くの支配方程式は、モデルを開発するために利用されて、下で示される。
冷却したＰＶ表面の温度。冷却したＰＶ表面（外部で空気と接触している）の好適な温度を決定するためには、湿気が冷却した表面上に凝縮して水分が形成されるために、相対湿度（ＲＨ）は１００％に達することが必要であると考える。この温度は、「露点」と呼ばれている。空気中の水分飽和に対するアントワンの方程式は、以下の通りである（Ａ＝８．０７４、Ｂ＝１７３０．６３、Ｃ＝２３３．４）：
【００２７】
【数１】
0006687633.tif 000002
【００２８】
冷却した空気（膨張後）の温度。
表面冷却のための冷却風の好適な温度（ 膨張後の内部）の算出のために、表面上の外気からの熱伝達率およびＰＶモジュールの内部アセンブリの温度は、以下のように算出できる：
【００２９】
【数２】
0006687633.tif 000003
【００３０】
【数３】
0006687633.tif 000004
【００３１】
ここにおいて、λはアセンブリの各材料の熱伝導率であり、ΔＬは各材料の（熱トランスファーベクトル／方向に対して垂直の）厚みである。アセンブリの内面の厚さが非常に薄いので、線形温度勾配方法を最小の誤差によって、用いることができる。
【００３２】
冷却給気率。
適切な冷却給気率を決定するために、定常状態で、内部アセンブリから冷却した空気への熱除去率は、冷却風の全体風量（ｍａｉｒ、単位ｇ／ｓ）、冷却空気の熱容量および温度差に比例する：
【００３３】
【数４】
0006687633.tif 000005
【００３４】
水結露率。
冷却した表面上の水の結露率は、水液化（結露）エンタルピー（Ｈ２Ｏ（ｇ）Ｈ２Ｏ（ｌ）＋ΔＨ、発熱）を使用して算出することができ、それは２５℃［２］で５４０ｃａｌ／ｇに等しい。このように、結露率は、以下の通りである：
【００３５】
【数５】
0006687633.tif 000006
【００３６】
断熱膨張による冷却した空気。
可逆的な断熱膨張を受ける空気の理想的な気体反応を仮定して、それはＰＶγが膨張の間、一定であることを意味し、ここで、Ｐは圧力であり、Ｖは容積であり、そして、γは空気の熱容積比（ＣＰ、／ＣＶ）である。以上から、以下の結論を得ることができる：
【００３７】
【数６】
0006687633.tif 000007
【００３８】
ここにおいて、Ｐ１（圧縮空気圧）はＴ１（周囲温度）、Ｐ２（大気圧）およびＴ２（冷却した空気温度）に対して算出できる。
【００３９】
クリーニングシステムの圧力要件。
クリーニングのための適切な全圧は、に加えて水ノズル（または噴霧器またはスプリンクラ）で印加される圧力にクリーニング水をシャワーヘッドまで上げるための静水圧要件を加えた合計である。本発明開示において、開発された数学的モデルは、商業的な圧力要件の間にある１０ｐｓｉｇに対して検査された。
【００４０】
この圧力で空気を圧縮するために必要なエネルギーを算出するために、断熱過程は、以下のように仮定する：
【００４１】
【数７】
0006687633.tif 000008
【００４２】
ここにおいて、αは１／（γ−１）に等しく、ｎは圧縮する空気のモルの数である。クリーニングサイクル当たりの適切な空気のモルは、水圧タンクで使用する空気のモルと膨張弁で使用する空気のモルの和に等しい。水タンクで、（圧力をかけられている）空気のモルは、（ＰＶ）／（ＲＴ）に等しい。膨張弁で、必要な空気のモルは、上ですでに、冷却した空気供給率として算出されている。空気モル当たり圧縮のためのエネルギー量および給気モル率を使用して、圧縮のためのエネルギー消費率を算出できる。
【００４３】
上述した数学的モードを使用して決定されるように、犠牲エネルギー比として表される、本願明細書において、提案するソーラーシステム技術のエネルギー消費への、周囲温度、相対湿度、冷却した表面積のパーセンテージ、コンプレッサ効率、適切なクリーニング水量、風速およびシャワーヘッド圧力の効果が、図５から１１に図示される。以下のデータが、数学的モデルにおいて、使われた：
ＰＶシステム設置パラメータ：
１．  ＰＶシステム表面：１ｍ２
２．  ＰＶシステム電力出力：１８０Ｗ［３］
３．  ガラス厚：３ｍｍ
４．  ＥＶＡ厚：０．３ｍｍ
５．  シリコン厚：０．２ｍｍ
６．  テドラー厚：２ｍｍ
７．  設置最大高さ：１．８ｍ
環境詳細：
１．  大気圧：１気圧
２．  １年当たりの日照日：３１０
３．  １日当たりの平均的昼間時間：１０時間
クリーニングシステムの詳細：
１．  冷却および洗浄システムのための別々のコンプレッサ
２．  クリーニングのための適切な水：１２０ｍｌ
３．  シャワーヘッドパイプ直径：１２.７ｍｍ
４．  配管のエネルギー損：２％
５．  ノズル死圧：１０ｐｓｉｇ
６．  クリーニング期間：３０秒
７．  クリーニング頻度：週当たり２回
図５は、ソーラーＰＶシステムのための犠牲エネルギー比に対する周囲温度の効果を例示する。周囲温度は１５℃から４０℃の範囲であり、その一方で、相対湿度はいずれの場合においても固定である。さらにまた、冷却した面積のパーセンテージ（Ａ）、大気圧（Ｐ）、風速および水量は、それぞれ１気圧、１００％、７ｋｍ／ｈおよび１２０ｍｌである。
【００４４】
図６は、ソーラーＰＶシステムの犠牲エネルギー比に対する相対湿度（ＲＨ）の効果を例示する。相対湿度は２０％から８０％の範囲であり、その一方で、冷却したＰＶ表面のパーセンテージ（Ａ）および周囲温度（Ｔ）はいずれの場合においても固定である。さらにまた、周囲圧力（Ｐ）、風速および水量は、それぞれ１気圧、７ｋｍ／ｈおよび１２０ｍｌである。
【００４５】
図７は、ソーラーＰＶシステムのための犠牲エネルギー比に対する風速の効果を例示する。風速は７〜５７ｋｍ／ｈの範囲であり、その一方で相対湿度はいずれの場合においても固定である。さらにまた、周囲温度（Ｔ）、冷却した面積のパーセンテージ（Ａ）、周囲圧力（Ｐ）および水量は、それぞれ２５℃、１００％、１気圧および１２０ｍｌである。
【００４６】
図８は、ソーラーＰＶシステムの犠牲エネルギー比に対する冷却した面積のパーセンテージの効果を例示する。冷却した面積のパーセンテージは５０％から１００％の範囲であり、その一方で、周囲温度（Ｔ）はいずれの場合においても固定である。さらにまた、周囲圧力（Ｐ）、相対湿度（ＲＨ）、風速および水量は、それぞれ１気圧、４０％、７ｋｍ／ｈおよび１２０ｍｌである。
【００４７】
図９は、ソーラーＰＶシステムのための犠牲エネルギー比に対する生成された水量の効果を例示する。生成された水量は８０から１８０ｍｌの範囲であり、その一方で、相対湿度はいずれの場合においても固定である。さらにまた、周囲温度（Ｔ）、冷却した面積のパーセンテージ（Ａ）、周囲圧力（Ｐ）および風速は、それぞれ２５℃、１００％、１気圧および７ｋｍ／ｈである。
【００４８】
図１０は、ソーラーＰＶシステムのための犠牲エネルギー比に対するコンプレッサ効率の効果を例示する。周囲温度（Ｔ）、冷却した面積のパーセンテージ（Ａ）、周囲圧力（Ｐ）、生成された水量および風速は、それぞれ２５℃、１００％、１気圧、１２０ｍｌおよび７ｋｍ／ｈである。
【００４９】
図１１は、ソーラーＰＶシステムのための犠牲エネルギー比に対する水噴射ヘッド圧力の効果を例示する。周囲温度（Ｔ）、冷却した面積のパーセンテージ（Ａ）、周囲圧力（Ｐ）、相対湿度（ＲＨ）、生成された水量および風速は、それぞれ２５℃、１００％、１気圧、４０％、１２０ｍｌおよび７ｋｍ／ｈである。
【００５０】
上記の述べられたモデルにおいて、図５〜１１にて図示したように、周囲環境条件、すなわち周囲温度、相対湿度および風速に従ってクリーニングシステムの動作パラメータ（Ｐおよび冷却空気流量）を調整することは、有用である。犠牲エネルギーを最小化するために、２つの低いエネルギー消費動作が決定された：ｉ）冷却空気供給膨張に使用されるコンプレッサにおける固定された圧力下での動作および、ｉｉ）固定された冷却したＰＶ表面温度（空気と接触している外部 ）の下での動作、である。
【００５１】
冷却空気供給装置を冷やすためのコンプレッサの固定された圧力の下の動作。図１２は、２気圧での冷却空気供給装置のためのコンプレッサにおける固定された動作圧の下での、ソーラーＰＶシステムのための犠牲エネルギー比に対する外気相対湿度の効果を例示する。相対湿度は２０％から８０％の範囲であり、その一方で、冷却したＰＶ表面のパーセンテージ（Ａ）および周囲温度（Ｔ）はいずれの場合においても固定である。さらにまた、周囲圧力（Ｐ）、風速および水量は、それぞれ１気圧、７ｋｍ／ｈおよび１２０ｍｌである。図１２ｂは、３気圧での冷却空気供給装置のためのコンプレッサにおける固定された動作圧の下での、ソーラーＰＶシステムのための犠牲エネルギー比に対する外気相対湿度の効果を例示する。相対湿度は２０％から８０％の範囲であり、その一方で、冷却したＰＶ表面のパーセンテージ（Ａ）および周囲温度（Ｔ）はいずれの場合においても固定である。さらにまた、周囲圧力（Ｐ）、風速および水量は、それぞれ１気圧、７ｋｍ／ｈおよび１２０ｍｌである。
【００５２】
図１２ａおよび１２ｂは集合的に、冷却空気供給装置のためのコンプレッサの動作圧がそれぞれ２気圧および３気圧で固定される場合における、ソーラーＰＶシステムのための犠牲エネルギー比に対する相対湿度の効果を示す。図１２ａおよび１２ｂに示されているように、圧力が２気圧および３気圧で固定される場合にはそれぞれ、犠牲エネルギー比（クリーニングシステムのエネルギー消費）の急激な低下が、ＲＨ約５０％および約３５％で観察される。このエネルギー消費の急激な低下は、第２のタンクでの圧縮、フィン冷却およびその後の湿った空気の除湿により捕捉される相当量の結露水に起因する。
【００５３】
固定されたコンプレッサ動作圧条件の下で、（冷却空気供給装置のための）コンプレッサの動作圧上のソーラーＰＶシステムの犠牲エネルギー比の感度分析は、図１３に示される。図１３は、固定された動作圧条件の下でソーラーＰＶシステムのための犠牲エネルギー比について冷却空気供給装置のためのコンプレッサの動作圧の感度分析を例示する。２５および３５℃の周囲温度での、４０および６０％の相対湿度のケースが示される。周囲圧力（Ｐ）、風速および水量は、それぞれ１気圧、７ｋｍ／ｈおよび１２０ｍｌである。コンプレッサ動作圧は１．５〜２．３気圧の範囲であり、その一方で、２５および３５℃（Ｔａｍｂ）での４０および６０％の相対湿度のケースが示される。図１３に例示するとおり、本発明のクリーニングシステムに記載するエネルギー消費上のコンプレッサ動作圧の効果は、水が冷却したＰＶ表面の外側上の外気除湿によって、捕えられるだけである、低いＴａｍｂおよびＲＨレベルの下で、顕著である。
【００５４】
固定された冷却したＰＶ表面温度の下の動作。
図１４ａは、固定された冷却したＰＶ表層温度１℃の下での、ソーラーＰＶシステムのための犠牲エネルギー比に対する外気相対湿度の効果を例示する。
相対湿度は２０％から８０％の範囲であり、その一方で、冷却したＰＶ表面のパーセンテージ（Ａ）および周囲温度（Ｔ）はいずれの場合においても固定である。さらにまた、周囲圧力（Ｐ）、風速および水量は、それぞれ１気圧、７ｋｍ／ｈおよび１２０ｍｌである。図１４ｂは、固定された冷却したＰＶ表層温度２℃の下での、ソーラーＰＶシステムのための犠牲エネルギー比に対する外気相対湿度の効果を例示する。相対湿度は２０％から８０％の範囲であり、その一方で、冷却したＰＶ表面のパーセンテージ（Ａ）および周囲温度（Ｔ）はいずれの場合においても固定である。さらにまた、周囲圧力（Ｐ）、風速および水量は、それぞれ１気圧、７ｋｍ／ｈおよび１２０ｍｌである。
【００５５】
図１４ａおよび１４ｂは集合的に、冷却した外側のＰＶ表面温度が、空気湿気の結露が発生する１℃および２℃で固定される場合における、ソーラーＰＶシステムのための犠牲エネルギー比に対する相対湿度の効果を示す。図１４ａおよび１４ｂに示されているように、ＲＨが４０〜６０％の範囲にあるときに、図１２ａ及び１２ｂにおいて、観察されるものと類似の犠牲エネルギー比の急激な低下が観察される。このエネルギー消費の急激な低下は、第２のタンクでの圧縮、フィン冷却およびその後の湿った空気の除湿により捕捉される相当量の結露水に起因する。
【００５６】
固定された冷却したＰＶ表面温度条件の下での、冷却したＰＶ表面温度上のソーラーＰＶシステムの犠牲エネルギー比の感度分析が、図１５に示される。
表層温度は１〜５℃の範囲であり、その一方で、４０、６０および８０％の相対湿度のケースが示される。周囲温度（Ｔａｍｂ）、周囲圧力、（Ｐａｍｂ）、風速および水量は、それぞれ２５℃、１気圧、７ｋｍ／ｈおよび１２０ｍｌである。それぞれの場合における露点にも言及する。図１５に例示するとおり、クリーニングシステムエネルギーの消費についての、固定されたＰＶ表面温度の効果は、あまり顕著ではない。
【００５７】
本発明を記載して、定義する目的で、パラメータまたは別の変数の「関数」である変数への本願明細書における言及は、その変数が排他的に、列挙されたパラメータまたは変数の関数であることを意味する意図ではない、ということに留意する。むしろ、列挙されたパラメータの「関数」である変数への本願明細書における言及は、その変数が単一のパラメータまたは複数のパラメータの関数であってもよいように、開放的であることを意図する。
【００５８】
特定の特性または関数を特定の方法で実施するために、ある特定の方法で「構成される」かまたは「プログラムされる」本開示のコンポーネントの本願明細書における説明が、意図する用途の説明とは違い、構造的な説明であることに留意する。より具体的には、コンポーネントが「プログラムされる」かまたは「構成される」方法への本願明細書における言及は、コンポーネントの既存の物理的状態を意味して、従って、コンポーネントの構造的な特性の確かな説明として考えるべきである。
【００５９】
本明細書で使用される場合、「好ましい」、「典型的な」および「適切な」というような用語は、請求された発明の範囲を限定するため、または特定の特性が、請求された発明の構造または機能にとって決定的、本質的もしくは重要でさえある、ということを意味するために使用されるものではないことに留意する。むしろ、これらの用語は、本開示の実施形態の特定の態様を特定すること、または本開示の特定の実施形態で利用されても、利用されなくてもよい、代替的または追加の特性を強調することを意図しているだけである。
【００６０】
本発明を説明および定義するためのために、本明細書では、「実質的に」および「およそ」という用語は、定量的な比較、値、測定またはその他の表現に起因する不確実性の固有の程度を表すために用いられる。「実質的に」および「およそ」という用語は、本明細書では、量的表現が、問題の主題の基本的な機能には変化をもたらさずに、記載された言及とは異なるという場合の、程度を表すためにも利用される。
【００６１】
本開示の主題を詳細に、またその特定の実施形態を参照して説明したが、本明細書に開示された様々な詳細は、本明細書に付随する各図面に特定の要素が示されている場合であっても、これらの詳細が、明細書に記載された様々な実施形態の必須コンポーネントである要素に関連する、ということを暗示するとは解釈すべきではないことに留意する。さらに、添付の請求の範囲において、定められる実施形態を含むがこれに限らず、修正および変更が本開示の範囲を逸脱せずに可能であることは、明らかである。より具体的には、本開示のいくつかの態様が本明細書において、好ましいかまたは特に有利であると識別されるが、本開示は必ずしもこれらの態様に限定されないと考えられる。
【００６２】
以下の請求項の１つまたは複数が移行フレーズとして「そこにおいて（ｗｈｅｒｅｉｎ）」という用語を利用することに留意する。本発明を定義するためのために、この用語は、構造の一連の特徴の説明を導入するために使用される開放型の移行フレーズとして、特許請求の範囲に導入され、より一般的に使用される開放型の前置き用語「以下を含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」のように解釈されるべきであることに留意する。
以下、本発明の好ましい実施形態を記載する。
（実施形態１）
受光面、結露サブアセンブリ、水回収サブアセンブリおよびクリーニングサブアセンブリを含むソーラーシステムであって、
前記受光面は外気にさらされ、
前記結露サブアセンブリは膨張チャンバに連結された圧縮空気膨張弁を含み、
前記結露サブアセンブリの前記膨張チャンバは、前記圧縮空気膨張弁により制御されるような前記膨張チャンバ内の圧縮空気の膨張が、前記受光面の前記温度を低下させることによって、前記受光面上の湿気の結露を促進するように、前記受光面に熱的に連結して、前記環境から熱的に絶縁され、
前記水回収サブアセンブリは、水回収容器と前記受光面上の結露水を前記水回収容器に向かわせるために配置した水誘導ハードウェアとを含み、
前記クリーニングサブアセンブリは、クリーニング液ダクトを介して流体的に前記水回収容器に連結する水分配ユニットを含み、
前記水分配ユニットは、前記ソーラーシステムの前記受光面上の前記水回収容器から水を分配するように配置される、
ソーラーシステム。
（実施形態２）
前記受光面は、ソーラーリフレクタモジュールの反射面を含み、また前記結露サブアセンブリの前記膨張チャンバは、前記ソーラーリフレクタモジュールの後方に熱的に連結している、実施形態１のソーラーシステム。
（実施形態３）
前記受光面は、光起電性モジュールの入力面を含み、また前記結露サブアセンブリの前記膨張チャンバは、前記光起電性モジュールの後方に熱的に連結している、実施形態１のソーラーシステム。
（実施形態４）
前記ソーラーシステムは、前記結露サブアセンブリの前記圧縮空気膨張弁に連結する圧縮空気供給装置をさらに含み、
前記光起電性モジュールは、その光起電性出力の一部を前記圧縮空気供給装置に専用にするように構成される、
実施形態３のソーラーシステム。
（実施形態５）
前記ソーラーシステムは、前記光起電性モジュールの前記光起電性出力が最小操作閾値未満となるときに、補助的な電源の下でのシステムオペレーションが可能となるように構成される補助的な電源コンセントをさらに含む、実施形態４のソーラーシステム。
（実施形態６）
前記受光面は透明な疎水性コーティングを含む、実施形態１のソーラーシステム。
（実施形態７）
前記受光面は実質的に平面である、実施形態１のソーラーシステム。
（実施形態８）
前記受光面はソーラエネルギー集中の焦点または焦線を定める、実施形態１のソーラーシステム。
（実施形態９）
前記ソーラーシステムは、前記結露サブアセンブリの前記圧縮空気膨張弁に連結する圧縮空気供給装置をさらに含む、実施形態１のソーラーシステム。
（実施形態１０）
前記ソーラーシステムは、ソーラーユニットの配列を画定するように配置されて、それぞれが結露サブアセンブリ、水回収サブアセンブリおよびクリーニングサブアセンブリに結合した複数の受光面を含み、
前記圧縮空気供給装置は、中央圧縮空気供給装置または前記ソーラーユニットの配列の個々のソーラーユニットと連通する複数の専用圧縮空気供給装置を含む、
実施形態９のソーラーシステム。
（実施形態１１）
前記圧縮空気供給装置は、前記圧縮空気供給装置からの圧縮空気を除湿するために配置される水トラップを含み、
前記水トラップは、補助的な水回収バルブを介して、前記水回収サブアセンブリの前記水回収容器との流体連通に置かれる、
実施形態９に記載のソーラーシステム。
（実施形態１２）
前記受光面は、光起電性またはソーラーリフレクタモジュールの入力面を含み、
前記結露サブアセンブリの前記膨張チャンバの一方側は、高熱伝導性材料を介して前記モジュールの後方に熱的に連結される、
実施形態１のソーラーシステム。
（実施形態１３）
前記結露サブアセンブリの前記膨張チャンバの反対側が、熱的に絶縁材料の層を担持する、実施形態１２のソーラーシステム。
（実施形態１４）
前記水回収サブアセンブリの前記水誘導ハードウェアは、前記受光面の周辺の少なくとも一部に沿って配置される周辺水ダムを含む、実施形態１のソーラーシステム。
（実施形態１５）
前記水回収サブアセンブリは、結露水から、それが前記水回収容器に向けられる前に粒子を取り除くために配置される水回収フィルタを含む、実施形態１のソーラーシステム。
（実施形態１６）
前記クリーニングサブアセンブリの前記水分配ユニットは、前記光回収面に向けられる１つまたは複数の水噴霧ノズルを終端として接続し、１つまたは複数のクリーニングアクセサリを含む、実施形態１のソーラーシステム。
（実施形態１７）
前記クリーニングサブアセンブリは、選択的に、前記水回収容器から廃水を切り換えるか、または前記水回収容器にろ過した廃水を向けるために配置される水切り換え弁を含む、実施形態１６のソーラーシステム。
（実施形態１８）
前記ソーラーシステムは、前記受光面上の湿気の結露および水回収のための前記水回収アセンブリのアクティブ化の前に前記受光面をクリーニングするために、前記クリーニングサブアセンブリの前記水分配ユニットのアクティブ化を確実にするようにプログラムされるプロセス制御装置をさらに含む、実施形態１のソーラーシステム。
（実施形態１９）
前記ソーラーシステムは、周囲温度センサ、周囲湿度センサまたはそれらの組み合わせ、および、周囲温度、湿度またはそれらの組み合わせの関数として、前記水回収サブアセンブリのアクティブ化を制御するようにプログラムされるプロセス制御装置を含む、実施形態１のソーラーシステム。
（実施形態２０）
前記受光面は光起電性モジュールの入力面を含み、
前記ソーラーシステムは光起電性モジュール電力モニタとプロセス制御装置とを含み、
前記プロセス制御装置は、前記電力モニタによって検出されるような、前記光起電性モジュールによって生成される電力の関数として、前記クリーニングサブアセンブリのアクティブ化を制御するようにプログラムされる、
実施形態１のソーラーシステム。
（実施形態２１）
前記ソーラーシステムは圧縮空気供給装置とプロセス制御装置とを含み、
前記圧縮空気供給装置は前記結露サブアセンブリの前記圧縮空気膨張弁に連結し、
前記プロセス制御装置は、前記圧縮空気供給装置の空気圧の関数として、前記クリーニングサブアセンブリのアクティブ化を制御するようにプログラムされる、
実施形態１のソーラーシステム。
（実施形態２２）
前記ソーラーシステムは、１つまたは複数の周囲センサと、圧縮空気供給装置と、プロセス制御装置とを含み、
前記圧縮空気供給装置は前記結露サブアセンブリの前記圧縮空気膨張弁に連結し、
前記プロセス制御装置は、前記圧縮空気膨張弁を介して前記圧縮空気供給装置からの圧縮空気の放出を制御することによって、周囲センサ出力の関数として前記水回収サブアセンブリのアクティブ化条件を制御するようにプログラムされ、
前記アクティブ化条件は、放出期間、圧力低下またはそれらの組み合わせを含む、
実施形態１のソーラーシステム。
（実施形態２３）
前記周囲センサは、周囲温度センサ、周囲湿度センサ、周囲風速センサまたはそれらの組み合わせを含む、実施形態２２のソーラーシステム。
（実施形態２４）
前記ソーラーシステムは、ソーラーユニットの配列を画定するように配置されて、それぞれが結露サブアセンブリ、水回収サブアセンブリおよびクリーニングサブアセンブリに結合した複数の受光面を含む、実施形態１のソーラーシステム。
（実施形態２５）
受光面、結露サブアセンブリ、水回収サブアセンブリ、クリーニングサブアセンブリ、１つまたは複数の周囲センサ、圧縮空気供給装置およびプロセス制御装置を含むソーラーシステムを操作する方法であって、
前記受光面は外気にさらされ、
前記結露サブアセンブリは膨張チャンバに連結された圧縮空気膨張弁を含み、
前記結露サブアセンブリの前記膨張チャンバは、前記圧縮空気膨張弁により制御されるような前記膨張チャンバ内の圧縮空気の膨張が、前記受光面の前記温度を低下させることによって、前記受光面上の湿気の結露を促進するように、前記受光面に熱的に連結して、前記環境から熱的に絶縁され、
前記水回収サブアセンブリは、水回収容器と前記受光面上の結露水を前記水回収容器に向かわせるために配置した水誘導ハードウェアとを含み、
前記クリーニングサブアセンブリは、クリーニング液ダクトを介して流体的に前記水回収容器に連結する水分配ユニットを含み、
前記水分配ユニットは、前記ソーラーシステムの前記受光面上の前記水回収容器から水を分配するように配置され、
前記圧縮空気供給装置は前記結露サブアセンブリの前記圧縮空気膨張弁に連結し、
前記ソーラーシステムは、前記圧縮空気膨張弁を介して前記圧縮空気供給装置からの圧縮空気の放出を制御することによって、周囲センサ出力の関数として前記水回収サブアセンブリのアクティブ化条件を制御することにより操作される、
方法。
【図１Ａ】
0006687633.tif 000009
【図１Ｂ】
0006687633.tif 000010
【図２】
0006687633.tif 000011
【図３】
0006687633.tif 000012
【図４】
0006687633.tif 000013
【図５】
0006687633.tif 000014
【図６】
0006687633.tif 000015
【図７】
0006687633.tif 000016
【図８】
0006687633.tif 000017
【図９】
0006687633.tif 000018
【図１０】
0006687633.tif 000019
【図１１】
0006687633.tif 000020
【図１２Ａ】
0006687633.tif 000021
【図１２Ｂ】
0006687633.tif 000022
【図１３】
0006687633.tif 000023
【図１４Ａ】
0006687633.tif 000024
【図１４Ｂ】
0006687633.tif 000025
【図１５】
0006687633.tif 000026