(57)【要約】【課題】改良された太陽エネルギー収集システムを提供する。【解決手段】入射太陽エネルギーの収集及び発電用の太陽エネルギー収集モジュールアセンブリが提供される。当該アセンブリは、中央に位置しかつ垂直方向に延在する中央垂直支柱を含む。太陽エネルギー収集アセンブリが、複数の双面受光部アセンブリを含み、各受光部アセンブリは、上側受光面及び下側受光面を有している。中央垂直支柱が、各太陽エネルギー収集アセンブリを支えている。集光部反射アセンブリが、中央垂直支柱を取り囲み、かつ太陽エネルギー収集アセンブリに向けて入射太陽エネルギーを反射させるように向きを調整されている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射太陽エネルギーの収集及び発電用の太陽エネルギー収集モジュールアセンブリであって、
（ａ）中央に位置しかつ垂直方向に延在する中央垂直支柱と、
（ｂ）前記中央垂直支柱によって支えられており、各々が上側受光面及び下側受光面を有する１若しくは複数の双面受光部アセンブリを含む太陽エネルギー収集アセンブリと、
（ｃ）前記中央垂直支柱を取り囲み、かつ前記太陽エネルギー収集アセンブリに向けて入射太陽エネルギーを反射させるように向きを調整された集光部反射アセンブリとを含むことを特徴とする太陽エネルギー収集モジュールアセンブリ。
【請求項２】
各受光部アセンブリが、上面及び下面を有する楔形の支持体を含み、かつ前記上面及び前記下面のそれぞれに対して取り付けられた受光部を有することを特徴とする請求項１に記載の太陽エネルギー収集モジュールアセンブリ。
【請求項３】
前記中央垂直支柱が、該中央垂直支柱に取り付けられた受光部を有することを特徴とする請求項１に記載の太陽エネルギー収集モジュールアセンブリ。
【請求項４】
各受光部が、直列、並列またはそれらの組合せで電気的に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の太陽エネルギー収集モジュールアセンブリ。
【請求項５】
前記受光部が、電池、インバータまたはそれらの組合せに電気的に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の太陽エネルギー収集モジュールアセンブリ。
【請求項６】
前記集光部反射アセンブリが、その内部に形成された流体管を有することを特徴とする請求項１に記載の太陽エネルギー収集モジュールアセンブリ。
【請求項７】
前記集光部反射アセンブリの前記流体管に流体連通する貯留部を有する基部に取り付けられていることを特徴とする請求項６に記載の太陽エネルギー収集モジュールアセンブリ。
【請求項８】
前記中央垂直支柱の頂部に、太陽光反射面または風力タービンが設けられていることを特徴とする請求項１に記載の太陽エネルギー収集モジュールアセンブリ。
【請求項９】
請求項１に記載の太陽エネルギー収集モジュールアセンブリのアレイ。
【請求項１０】
中央ハウジング内に収容されている請求項９に記載のアレイ。
【請求項１１】
請求項１に記載の複数の水平に設置されたソーラーモジュールを支える、垂直方向に延在する中央柱であって、当該中央柱に向けて入射太陽エネルギーが反射されるように向きを調整された集光部反射アセンブリに取り囲まれていることを特徴とする中央柱。
【請求項１２】
太陽エネルギー収集アセンブリから電気を発生させる方法であって、
（Ａ）太陽エネルギー収集モジュールアセンブリであって、
（ａ）中央に位置しかつ垂直方向に延在する中央垂直支柱と、
（ｂ）前記中央垂直支柱によって支えられており、各々が上側受光面及び下側受光面を有する１若しくは複数の双面受光部アセンブリを含む太陽エネルギー収集アセンブリと、
（ｃ）前記中央垂直支柱を取り囲み、かつ前記太陽エネルギー収集アセンブリに向けて入射太陽エネルギーを反射させるように向きを調整された集光部反射アセンブリとを含む太陽エネルギー収集モジュールアセンブリを提供するステップと、
（Ｂ）前記提供された太陽エネルギー収集モジュールアセンブリを太陽エネルギーにさらすステップと、
（Ｃ）発生させた太陽エネルギーを貯蔵するか、使用するか、またはその両方を行うステップとを含むことを特徴とする方法。
【請求項１３】
各受光部アセンブリが、上面及び下面を有する楔形の支持体から形成されており、
前記上面及び前記下面にそれぞれ受光部を取り付けるステップを含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記中央垂直支柱に受光部を取り付けるステップをさらに含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
各受光部を、直列、並列またはそれらの組合せのうちの１つ以上で電気的に接続するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１６】
前記受光部を、電池、インバータまたはそれらの組合せのうちの１つ以上に電気的に接続するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１７】
前記集光部反射アセンブリ内に流体管を提供するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１８】
貯留部を有する基部を提供し、そこに前記集光部反射アセンブリの前記流体管を接続するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記中央垂直支柱の頂部に太陽光反射面または風力タービンを設けるステップをさらに含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項２０】
当該太陽エネルギー収集モジュールアセンブリのアレイを提供するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本願は、２０１３年１１月１２日に出願された米国仮特許出願第６１／９０２，８３７号の利益を主張する。
【０００２】
連邦政府資金による研究開発の記載
該当しない。
【０００３】
本発明は、太陽エネルギー収集（集光／集熱）装置に関し、詳細には、改良された太陽エネルギー収集システムに関する。
【背景技術】
【０００４】
太陽から地球の表面に降り注ぐエネルギーの量は膨大である。地球に埋蔵されている石炭、石油、天然ガスに蓄えられている全エネルギーが、ちょうど２０日分の太陽光のエネルギーに匹敵する。地球の大気圏外では、太陽のエネルギーは１平方メートル当たり約１，３００ワット（Ｗ／ｍ２）である。この光の約３分の１が宇宙に向けて反射され、大気で多少吸収される（一部は風を吹かせるエネルギーに変換される）。晴れた日の正午であれば、地表に到達するまでに太陽光エネルギーは約１，０００Ｗ／ｍ２まで低下する。地球には、全表面、１日２４時間、１年間に均すと、概算で１年間に１平方メートル当たり石油約１バレルに相当するエネルギー、すなわち１日４．２キロワット時（ｋＷｈ）のエネルギーが照射される。砂漠では、非常に空気が乾燥していて雲がほとんどないので、日光の大部分、すなわち１日につき１平方メートル当たり６ｋＷｈを超えるエネルギーを受け取る。北方気候帯、例えばボストンなどでは、３．６ｋＷｈに近付く。太陽光は季節によっても変化し、冬になるとほとんど日が照らない地域もある。例えば、１２月のシアトルでは、１日につき約０．７ｋＷｈしか得られない。
【０００５】
これらの数字は、捕捉して使用することができる最大限利用可能な太陽エネルギーを表しているが、太陽エネルギー収集装置は、その効率にもよるがこのうちの一部しか捕捉しないことにも留意されたい。例えば、アリゾナでは、効率１５パーセントのソーラーパネル１平方メートルがあれば、１日につき約１ｋＷｈの電気が生み出される。太陽エネルギー収集装置は、収集されるエネルギーが限られているので、真に商業規模の発電を実現するには広大な土地が必要になる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記制限などに対処する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
入射太陽エネルギーの収集及び発電用の太陽エネルギー収集モジュールアセンブリが提供される。当該アセンブリは、中央に位置しかつ垂直方向に延在する中央垂直支柱を含む。太陽エネルギー収集アセンブリが、複数の双面受光部アセンブリを含み、各受光部アセンブリは、上側受光面及び下側受光面を有している。中央垂直支柱が、各太陽エネルギー収集アセンブリを支えている。集光部反射アセンブリが、中央垂直支柱を取り囲み、かつ太陽エネルギー収集アセンブリに向けて入射太陽エネルギーを反射させるように向きを調整されている。
【０００８】
本発明の方法及びプロセスの本質及び利点をより十分に理解するために、添付の図面に関連して、以下の詳細な説明を参照されたい。図面の詳細は後述する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】放物面型集光部アセンブリの等角図。
【図２】図１の放物面型集光部アセンブリの上面図。
【図３】図１の３−３線断面図。
【図４】図１の放物面型集光部アセンブリの一部である、集光塔用の或るキャップアセンブリの側面図。
【図５】図１の放物面型集光部アセンブリの一部である、集光塔用の別のキャップアセンブリの側面図。
【図６】集光塔の複数の錐台形受光部のうちの１つ及び複数の受光部を支持する絶縁体の部分分解断面図。
【図７】プラス（＋）及びマイナス（−）のパッドコネクタを示す錐台形受光部の裏面。
【図８】整合開口部並びに＋及び−のコネクタパッドを示す絶縁体の下面図。
【図９】並列表面回路を示す、受光部で被覆された錐台の上面図。
【図１０】直列表面回路を示す、受光部で被覆された錐台の上面図。
【図１１】受光部が円錐台表面の形状に合わせて曲がっている、並列表面回路を有する円錐台の上面図。
【図１２】上面側及び下面側の錐台形表面回路の並列配線図。
【図１３】上面側及び下面側の錐台形表面回路の直列配線図。
【図１４】共通の基部に取り付けられた放物面型集光部モジュールのアレイの等角図。
【図１５】中央柱が複数の水平な放物面型集光部アセンブリを支持する受光塔アレイの等角図。
【図１６】ハウジング内に収容された複数の垂直な放物面型集光部アセンブリの側面図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の集光部アセンブリの特徴は、複数の面を持つ複数面受光部であって、その上面及び下面において太陽エネルギーを受け、それ故にさらなる面積を消費することなく太陽エネルギーが当たる面積を増大させるような、複数面受光部にある。これは、複数面（双面）受光部を、放物面または他の意匠面に対して向きを調整し、それによって入射太陽エネルギーを双面受光部の下面にも反射させることによって可能になる。このとき、太陽エネルギーは、複数面受光部アセンブリの上面及び下面の両方に当たる。加えて、本発明のソーラーモジュールの設計の独自性は、さらなる使用のための水の回収を伴う、ソーラーモジュールに風力タービン発電を加える能力にある。
【００１１】
ソーラーモジュールの基本的構成要素は、次のとおりである。
Ａ．任意でタービン発電機（この目的のための、別名空気タービン）を含む、受光部で被覆された垂直支柱、
Ｂ．複数面受光部アセンブリ、
Ｃ．放物形の太陽光反射素子、
Ｄ．任意で水濾過貯留部を含む支持基部、
Ｅ．水濾過貯留部と併用される任意のメッシュ状の入口、
Ｆ．システムディスプレー、並びに
Ｇ．回路及び電池及び／またはインバータ素子。
【００１２】
ここで、図１、図２及び図３を参照すると、プロトタイプのソーラーモジュールが示されている。図中のプロトタイプの基本的構成要素は、集光部アセンブリ１２と、受光塔１４である。集光部アセンブリ１２の設計は、その内面１６が放物面（パラボラ）形状である限り、受光塔１４への太陽光の反射を最大化するという選択の１つであるが、代わりに、曲面的な、分割された、及び他の幾何学的形状が、本明細書に開示されているソーラーモジュールの製作に利用され得る。受光塔１４の方向及びデザイン、受光塔の数、その方向に応じて、集光部アセンブリ１２に適した内面の形状が異なり得る。集光部アセンブリ１２が受光塔１４のための支持部も提供することを踏まえれば、集光部アセンブリ１２の構成材料は、耐久性、耐候性及び同様のファクタに関して適切なものになる。このとき、適切な材料は、例えば、金属、セラミック、ガラス、プラスチック、それらの組合せなどであり、任意で薄層が重ね合わされ、任意で特別な仕上げが施される。構成材料にかかわらず、集光部アセンブリ１２は鏡面反射性内面を有する。実際には、集光部アセンブリは、膨張式であり得る。
【００１３】
集光部アセンブリ１２の内面は、そこに入射する太陽放射を反射させるために、鏡面反射性を有することになる。集光部アセンブリ１２は、例えばアルミニウムなどの金属から製作することにより、もともと鏡面反射性を有していてもよいし、あるいは、集光部アセンブリ１２に鏡面反射コーティング１７を塗工してもよい。鏡面コーティング１７は、単一の表面であってもよいし、あるいはいくつかのセクションまたはパネルから製作してもよい。当該セクションまたはパネルは、水平または垂直に方向付けられかつ金物類（例えばボルト及びナット）によって適所に保持されるか、集光部アセンブリ１２の内面に形成された突起上に載せられるか、複数のセクションにおいて別な方法で形成され得る。放物面または他の曲面形状に近づけ、かつこの目的のために許容可能な利用法を見つけるために、当該セクションは曲線よりもむしろ直線をなすことさえできる。
【００１４】
鏡面反射ライニングを施工する場合、鏡面反射ライニングを支持する構造体は、様々な耐久性のある材料、例えば、コンクリート、木材、金属、プラスチック、セラミック、それらの組合せなどから製作することができる。特にパネルから形成される場合には、鏡面反射ライニングを使用することで、鏡面反射ライニングのメンテナンス及び取り替えをより容易にしかつより費用効率を高めることができる。当然のことながら、集光部アセンブリの遠隔監視、またはどちらかと言えば集光部アセンブリのアレイの遠隔監視は、有利であることが分かるであろう。
【００１５】
集光部アセンブリ１２は、日の当たる場所に配置され、その内面は、それ自体が鏡面反射性であるか、または鏡面反射面を提供する材料から製作されているので、集光部アセンブリ１２が高温になるのは理にかなっている。それ故、集光部反射アセンブリ１２を形成する壁の内側には流体管１８が形成されており、それを図３に示す。流体管１８に水または他の流体をポンプで送り込み、熱量を回収して利用することができる。集光部反射アセンブリ１２は、図に示したような自立式に設計することができるが、集光部アセンブリ１２を基部２０の上に設置すれば、基部２０は、流体管１８中を流れる水または他の流体２２のための貯留部を提供し、かつ流体を流体管１８に送り込むためのポンプ２４を収容するというさらなる価値を持つ。流体管１８内の流体は、集光部反射アセンブリ１２を冷却することにもなる。
【００１６】
基部２０との接続部において、集光部反射アセンブリ１２から導線１９が出ているのが見える。電気回路及び接続部のさらなる説明は後述する。
【００１７】
図４及び図５は、受光塔１４用の２つの異なるキャップアセンブリを、図１で示したキャップがない状態で示している。塔頂部のキャップ（覆い）の使用は完全に任意である。図４では、キャップ２６の上に、追加の太陽発電用の受光部２８が取り付けられている。図５では、受光塔１４の上に、同様に追加の発電用の、垂直な風力発電機３０が取り付けられている。受光塔１４用の様々な異なるキャップアセンブリ（追加の発電時にアクティブまたはパッシブのいずれか）を実現することができ、あるいは上記の如くキャップなしでもよい。
【００１８】
図６には、受光塔１４の受光部アセンブリのうちの１つの部分分解断面図が示されている。受光部アセンブリは、受光塔１４を完全に取り囲んでいなくてもよいことが分かるであろう。図６に示した受光部３２Ａ及び３２Ｂを含むような受光部アセンブリが、６つ存在する。受光部アセンブリの数及び位置は、図に示されている数よりも多くしたり少なくしたりすることができる。各受光部アセンブリは、各々が台形形状の上面及び下面を有する内部支持体３４Ａ及び３４Ｂからなる。内部支持体３４Ａ及び３４Ｂの上面及び下面は、アセンブリ３２Ａについては受光部３６Ａ及び３６Ｂで被覆されており、アセンブリ３２Ｂについては受光部３６Ｃ及び３６Ｄで被覆されている。したがって、各受光部は、台形、円形または他の形状であってよく、図中のプロトタイプでは図７に見られるように台形、楔形であり、図７は受光部３６Ａの下側に配置された＋及び−の電気的接続も示している。同様の電気的接続が、受光塔１４に取り付けられた各受光部に対して提供されることになる。
【００１９】
各受光部アセンブリは、図６に示したような絶縁体アセンブリによって、相互に接続されている。具体的には、受光部アセンブリ３２は、該受光部アセンブリを貫通して延在する中央開口部を有する。上方の絶縁体３８は、上端おねじ部及び下端めねじ部を有している。絶縁体３８の下端部は、受光部４０及び４１にて受光部で被覆されており、受光部４４及び４５にて同様に受光部で被覆されている別の絶縁体４２の上端おねじ部を受け入れる。絶縁体４２の上端おねじ部は、受光部アセンブリ３２の中央開口部を通り抜けて、絶縁体３８の下端めねじ部にねじ込まれる。図８には、絶縁体４２に用いられる、発生させた電力を各受光部アセンブリから収集点に送るための＋及び−の電気接続パッド４６及び４８が示されている。受光塔１４を形成するため及び受光部アセンブリを支えるために様々な異なるアセンブリを提供し得ることが分かるであろう。
【００２０】
図９は、受光部で被覆された錐台の上面図であって、図示した６つの六角形の受光部アセンブリのための並列表面回路５０及び５２を示している。各回路５０及び５２は、絶縁体５５に取り付けられた電気接続パッド５１及び５３に接続されている。図１０は、受光部で被覆された錐台の上面図であって、この場合も同様に、図示した６つの受光部アセンブリのための、直列表面回路５４〜６６を示している。各回路はさらに、本明細書において既に説明したような、絶縁体によって支えられている電気接続パッドに電気的に接続されている。各回路の利点及び欠点は当業者によく知られており、設計者の好みの問題である。例えば、錐台の各面において、太陽電池を図１０に示されているように直列に接続し、各面がストリングを形成することができる。ストリングは、このとき、並列に接続可能である。ソーラーユニットの大きさにもよるが、１つの面に複数のストリングを設けることができる。それ故、太陽エネルギーアセンブリの設計者は、電気回路に関して様々な選択肢があり、そのことは本発明の太陽エネルギーアセンブリのさらなる利点である。
【００２１】
図１１は、並列表面回路６８及び７０を含む円錐台の上面図であり、受光部は円錐台表面の形状に合わせて曲がっている。各回路はさらに、本明細書において既に説明したような、絶縁体によって支えられている電気接続パッドに電気的に接続されている。
【００２２】
図１２は、複数の受光部アセンブリのための、上面側及び下面側の錐台表面回路の並列配線図である。全ての正極側は導線７２によって並列に接続されており、全ての負極側は導線７４によって並列に接続されている。図１３は、複数の受光部アセンブリのための、上面側及び下面側の錐台表面回路の直列配線図である。この場合、各隣接する陽極は、その陰極において隣接する受光部に接続されている。
【００２３】
図１４は、共通の基部１００に取り付けられた放物面型集光部モジュール７６〜９８のアレイの等角図である。図１５は、受光塔アレイの等角図であって、代表的な受光塔１０４〜１１０によって示されるような、複数の水平方向に延在する放物面型集光部アセンブリを、中央柱１０２が支持している。受光塔アレイは、本明細書で既に説明したように、基部に取り付けることができる。図１６は、中央ハウジング１２４内に収容された複数の垂直な集光部アセンブリ１１２〜１２２の側面図である。集光部アセンブリの数は、ハウジング１２４の大きさによってしか制限されず、この場合もやはり、当該アレイの設計者にフレキシビリティを与える。
【００２４】
上側受光面及び下側受光面を有する場合に重要なことは、太陽エネルギーが上側受光面に直接当たることができ、鏡が入射太陽エネルギーを双面受光部の下側受光面に当てるように、双面受光部を、放物面鏡または他の意匠的な鏡または鏡面反射面に合わせて取り付けることである。本明細書に開示されている太陽電池の原理に従って、上述したように、様々な曲面的な鏡面、平面的な鏡面、または曲面的／平面的鏡面の組合せを用いることができる。双面受光部に当たる太陽エネルギーの量を増加させるために追加の反射性内面を提供しつつ、外部からの直接の入射太陽エネルギーを通過させるために、半球状のハーフミラー上面を設けることができる。
【００２５】
必要に応じて、中央柱を追加の受光部で覆うことができる。中央柱の上端部はまた、回転可能であって、中央柱内に配置された駆動軸に接続することができる。当該回転可能な上端部は、気流により駆動させることにより、追加電力を発生させることができ、かつ本明細書に開示されているソーラーモジュールが発生させる電力の総量を増加させることができる。
【００２６】
本明細書に開示されているソーラーモジュールのいくつかの形態は、雨にさらされる放物面鏡（パラボリックミラー）を有することになるので、雨水の回収及び再利用のために、鏡及び中央柱の接合点の周りにおいて、雨水を濾過して基部貯留部へ通過させるためのメッシュを設置するように対策を講じることができる。当然のことながら、本明細書に開示されているソーラーモジュールは、保守及びデータの収集のための読み出しディスプレーを有することになる。必要に応じて、発生させた電気を回収するためのインバータ、電池及び他の素子が提供される。
【００２７】
本発明の装置及び方法について種々の実施形態に関連して説明してきたが、当業者であれば、本発明の範囲及び本質から逸脱することなしに、様々な変更を加えることができ、かつ構成要素を等価なものに置き換えることができることを理解するであろう。さらに、本発明の本質的な範囲から逸脱することなしに、特定の状況や材料を本明細書の教示に適合させるように、多くの修正を加えることもできる。したがって、本発明は、開示されている特定の実施形態に限定されることを意図するものではなく、添付の特許請求の範囲に含まれる全ての実施形態を含むものとする。本願において、別段の明示的な指示がない限り、全ての単位はメートル法で表され、全ての量及びパーセンテージは重量による。また、本明細書において引用されている全ての引用文献は、明示的に引用することを以って本明細書の一部となす。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【国際調査報告】
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