KR20190008846A - 로봇 어셈블리를 갖는 진보된 솔라 pv 시스템 - Google Patents

Abstract

비용-효율적 솔라 에너지 수집 시스템은, 1) 최대화된 전력 출력을 유지하면서 패널간 쉐이딩(panel-to-panel shading)의 트래킹을 허용하도록 설계된 새로운 솔라 PV 패널 와이어링 및 전력 변환 시스템, 2) 새로운 와이어링 방식(wiring scheme)을 지원하는 동반식 새로운 결합된 구조적 및 전기적 패널간 커넥터 시스템, 3) 새로운 패널간 커넥터 시스템을 위한 새로운 패널 구조적 지지부, 4) 새로운 패널간 커넥터 및 새로운 패널 구조적 지지 시스템을 로봇 크롤러를 갖는 필드의 솔라 어레이 섹션으로 어셈블링하고 어셈블링된 솔라 어레이 섹션들을 그의 최종 포지션들로 이동시키는 데 사용되는 로봇 어레이 어셈블리 및 설치 시스템, 및 5) 솔라 어레이 섹션들을 지지하기 위한 포스트 시스템 및 설치기를 포함한다. 이는 솔라 에너지 분야에 대한 혁신적인 변화들을 함께 생성하는 신속한 설치 및 더 높은 에너지 출력을 위한 완전 통합된 솔라 에너지 시스템이다.

Description

솔라 PV 셰이드-적응 시스템 및 어셈블리

솔라 에너지 수집 시스템들, 특히 PV(photovoltaic) 시스템들의 비용-효율성은 그의 컴포넌트 비용, 설치 비용 및 유효 에너지 출력의 결합된 함수이다. 솔라 패널의 에너지 출력은 일반적으로 태양을 직접 마주할 때 최대화된다. 이러한 패널들은 광으로부터 전기를 직접 생성하는 PV 패널들, 및 열 에너지를 수집하는 태양열 패널들을 포함한다. 수집되는 에너지의 양은 여러 팩터들과 관련되는데, 이들 중 2개는 솔라-다이렉트 벡터(solar-direct vector)로부터의 패널의 각도 및 패널의 온도이다. 예로서, PV 패널들은 일반적으로, 이들이 과열되도록 허용되지 않기만 하면, 태양으로부터 50도까지의 각도에서 에너지를 잘 수집한다. 각도 및 온도 둘 모두 중요하며, 은폐 테두리로 "커브 어필(curb appeal)"을 위해 지붕 상의 패널들의 장착을 "드레싱(dressing)" 하는 최근의 노력들은 단지 패널 열 관리의 이슈를 악화시켰다.

일반적으로, 다음의 장착 카테고리들 즉, 지면 또는 지붕 상에 수평으로 고정, 기울어진 지붕에 평평하게 고정, 지면 또는 지붕으로부터 기울어지게 고정, 동-서 수평축 상의 트래킹(남반구로부터 태양의 고도를 트래킹), 지구의 축(북-남 방향이며 위도와 매칭하도록 상승된 축, 일출부터 일몰까지 태양을 따름)과 평행한 축 상의 트래킹, 및 단일 폴 상에 장착되고 일년 중 어느 날이든 하늘에 떠 있는 태양을 트래킹하도록 패널들을 최적으로 조준(aim)할 수 있는 "2축 트래킹" 시스템에 속하는 다수의 솔라 패널 장착 및 트래킹 방식들이 사용되었다. 이러한 장착 방식들 각각은 그의 장점들 및 단점들을 갖는다. 그의 솔라 조준(solar aim)을 개선하기 위해 "지면 또는 지붕으로부터 기울어진" 고정 패널들을 장착하는 것은 수집되는 에너지의 양을 증가시킬 수 있지만, 이 장착 방식은 일반적으로, 그것이 보기 흉하고 특히 주거 환경들에서 보기 흉하기 때문에 대중적이지 않다. "지면으로부터 기울어진" 또는 "지붕으로부터 약간 기울어진" 장착은 가장 일반적인 상용 패널 설치 방법이다. 2축 트래킹은 패널 당 에너지 수집을 최적화한다.

모든 패널 장착 방식들에 있어, 솔라 패널의 임의의 부분의 쉐이딩(shading)은 지금까지는, 특히, 쉐이딩될 때 열악한 전기적 특성들을 갖는 PV 패널들에 대해 바람직하지 않은 것으로 간주되었다. 본 발명의 하나의 양상은 최적의 전력 변환을 유지하면서 병렬 패널간 쉐이딩(parallel panel-to-panel shading)을 특별히 허용하도록 설계된 PV내 그리고 PV간 패널 전기 와이어링(wiring)의 새로운 방법론을 제공하는 것이다. 비법은, 유사하게 쉐이딩된 PV 셀들은 유사한 전기 출력들을 생성하고 병렬 패널간 쉐이딩은 공통적인 전기 특성들을 가진 각각의 패널 내의 열들 또는 행들을 생성한다는 것을 인식하는 것이다. 이러한 "쉐이딩-공통" 행들/열들을 병렬 또는 직렬의 긴 스트링(long string)들로 함께 연결함으로써, 결국 "유사한 출력을 생성하는" PV 셀들의 최적화된 변환이 된다. 또한, 확실하게는, 패널간 쉐이딩의 설계 방향에서 쉐이딩을 최적화하기 위해 PV 셀들 그 자체가 배향/생성될 필요가 있다. 지붕 능선(ridge line)이나 지붕 난간 벽과 같이 솔라 패널들과 평행한 임의의 긴 직선 아이템으로부터의 쉐이딩에 대해서도 마찬가지이다.

또한, 패널간 쉐이딩은 일반적으로 용인될 수 없기 때문에, 영역 당 및 패널 출력 당 결합된 순수 출력(net combined per area and per panel output)은 제한되었다. 패널 내의 셀이 쉐이딩될 때, 이는 그 셀의 전기 전력 출력, 특히 전류 출력을 상당히 변화시킨다. 각각의 "PV 셀"이 단지 약 0.5VDC의 전압을 생성하기 때문에, 다수의 셀들은 AC 전력으로의 변환이 수행되기 이전에 더 높은 DC 전압들을 획득하기 위해 직렬로 함께 연결(strung)된다. 이들이 "직렬" 연결들이기 때문에, 임의의 하나의 셀이 쉐이딩되는 경우, 그의 낮아진 전류는 전체 직렬 또는 "스트링"의 출력에 상당히 영향을 미친다. 그러한 쉐이딩을 수용하기 위한 다수의 다른 시도들이 설명되었지만, 그 중 어느 것도 본원에서 설명된 바와 같은 대규모의 어레이에 걸친 쉐이딩(wholesale across-the-array shading)을 공개적으로 포괄하거나 설계하지 않는다. 이전에 인식된 패널간 쉐이딩 한계를 돌파함으로써, PV 패널들의 어레이의 순수 전력 출력이 상당히 증가될 수 있다.

또한, PV 어레이들의 기존 어셈블리는 다수의 클램프(clamp) 및 볼트들, 및 매우 다수의 현장 작업자들을 필요로 하는 매우 노동 집약적인 활동이다. 세상의 미래는 더 빠른 어셈블리 및 더 낮은 비용의 설치에 대한 요건을 생성하는 PV 어레이 설치의 가속화에 매우 의존적일 수 있다.

본 발명은 비용을 감소시키고 전개 속도를 증가시키는 완전히 통합된 새로운 패널, 전기, 장착 및 설치 시스템을 제공함으로써 솔라 에너지 시스템 비용 효율성을 크게 증가시킨다. 그것은 상조적인 PV 패널 업그레이드들, PV 전기 시스템 업그레이드들 및 PV 어레이들의 필드 내 로봇 어셈블리를 통합한다. 이 통합된 시스템은 단위 영역 당 상당히 더 높은 에너지 출력으로 턴-키(turn-key) 유틸리티-스케일 및 대형 상업용 PV 어레이 솔루션들의 신속한 전개를 용이하게 하는 파괴적인 도약(disruptive leap forward)을 만들어낸다.

이 통합된 솔루션의 핵심은, 새로운 쉐이드-공통 PV 셀 및 패널 와이어링 방식, 패널간 커넥터 시스템 및 장착 및 설치 시스템들의 3가지 요소(triad)이다. 솔라 컬렉터들을 트래킹하는 것은 PV 패널 당 최고 전력 출력이 산출하지만, 트래킹은 항상, 행간 쉐이딩을 회피하기 위해 여분의 용지를 요구한다. 이 제한의 근원은 솔라 "셀들"이 각각의 패널 내에서 함께 와이러링되는 방식에 있다. 우리는, 트래킹 동안 행간 또는 패널간 쉐이딩으로부터의 전력 저하를 제거하도록 패널들 그 자체 및 PV 어레이의 행들/열들을 와이어링하는 새로운 방식을 제시한다. 이 기술은 태양 직사광으로부터 이용 가능한 최대 전력을 허용하고 전체 하늘 노출로부터 이용 가능한 부가적인 전력을 부가함으로써 패널간 쉐이딩 동안 전반적인 어레이 전력 출력을 크게 증가시킨다.

이 새로운 셀 및 패널 와이어링 방식은 패널들 사이에 더 많은 커넥터들을 필요로 한다. 전반적인 시스템을 보다 비용-효율적으로 만들기 위해, 새로운 결합된 전기적 및 구조적 패널간 커넥터 및 매칭하는 구조적 프레임 시스템이 포함된다. 이 새로운 커넥터들 및 구조적 프레임들은, 클램프들 또는 와이어를 사용하지 않고 함께 "플러깅"하고, 크로스 프레임 부재를 긴 트러스에 연결하기에 충분한 볼트들만을 요구함으로써(패널들 그 자체 상에 볼트들이 없음), 패널들이 지지 부재들을 프레이밍하도록 허용한다. 이 새로운 구조적 시스템은 추가로, 이를테면, 전 세계적으로 전신주들을 위해 사용되는 폴(pole) 및 표준 나사 앵커들을 사용한 새로운 폴 장착 시스템에 의해 추가로 비용 효율적이 된다. 나사 앵커들을 이용한 이러한 폴들의 설치를 위한 자동화된 시스템은 비용-효율적인 새로운 시스템의 일부이다.

새로운 비용 효율적인 솔라 컬렉터 시스템을 완성하기 위해, 매우 작지만, 좋은 보수의 지원팀으로 선적 컨테이너들 및 플랫베드 트럭들로부터 직접 하루 만에 최소 1MW의 솔라 어레이의 어셈블리 및 설치를 위한 완전 자족 로봇 어레이 어셈블리 시스템이 설명된다. 단일 "선적 컨테이너"로 전달되는 로봇 PV 어레이 어셈블리 시스템은 대형 솔라 어레이들 설치되는 곳이면 어디든 쉽게 갈 수 있다. 현재, PV 전개의 속도는 시장의 힘으로 인해 급속도로 가속화하도록 세팅되며, 우리의 로봇 어레이 어셈블리 시스템은 이러한 가속화를 위한 중요한 인에이블링 기술(significant enabling technology)일 것이다. 로봇 어레이 어셈블리는 타겟 와이어링 방법에 의해 가능하게 되는 새로운 커넥터 방법과 함께, 대형 PV 어레이 설치 인건비의 비용을 $ 0.20/W으로부터 $ 0.07/W로 감소시키고, 용지 비용을 적어도 30% 낮추도록 트래킹 어레이의 밀도를 개선할 수 있다. 로봇 어셈블리 시스템은 새로운 표준화된 프레임 구조와 함께 작동하도록 직접 설계되고, 완전히 완성된 어레이 섹션들을 로봇 어셈블리 시스템으로부터 그의 최종 설치 위치로 이동시키기 위한 자동화된 전달 크롤러를 또한 포함하여서, 어레이 섹션 어셈블리 로봇 시스템은, 완전 대형-스케일 어레이가 구축되는 동안 단지 매일 이동되기만 하면 된다. 로봇 어레이 어셈블리 시스템은 추가로, 빌트-인 전개 휠들을 가질 수 있어서, 현장에서 매일의 이동은 어셈블리 시스템 자력으로 이루어질 수 있다.

다 함께, 이 새로운 통합된 솔라 시스템은 추가로, 표준화된 어레이 영역들 및 전력 레이아웃 방식들의 설계를 용이하게 하여서, 모든 케이블링(cabling)이 또한 표준화되고 어셈블리 시스템과 함께 각각의 설치 현장에 쉽게 선적되어, 현장 전기 작업을 크게 감소시키고 모든 현장 복잡성을 제거할 것이다. 새로운 시스템은 유틸리티 고전압 그리드 상호연결을 제외한 모든 전기 작업을 플러그-앤-플레이(plug-n-play)로 전환한다. 이는 추가로, 솔라 어레이 영역 내에서 필요한 고-전압 그리드 상호연결 컴포넌트들의 "제품-모드" 전달을 용이하게 할 수 있는 것이 가능하다. 표준화된 어레이 영역들의 이용은 심지어, 전반적인 솔라 어레이 설치 비용의 8% 또는 $ 0.16/W 정도로 추정되는 엔지니어링 비용들을 추가로 감소시킨다.

새로운 쉐이드-공통 와이어링 방식에 관해서, 패널들의 긴 행들이 기울어질 때, 셀들의 3개의 병렬 세트들 ― 1) 완전 일광(full sun)의 셀들의 세트, 2) 완전 하드 쉐이드(full hard shade)의 셀들의 세트, 및 3) 부분적 일광/부분적 쉐이드의 셀들의 세트가 항상 존재할 것이다. 또한, 패널들의 병렬 행들 또는 열들을 갖는 상황에서, 이러한 쉐도우들은 항상 패널들 내의 PV 셀들의 행들/열들과 평행하며, 이는 행들/열들의 "3개의 세트들" 각각 내의 셀들의 전력 출력이 매우 매칭되게 하고, 이에 따라, 적절하게 설계된 전력 변환 장치에 의한 최적의 전력 변환에 매우 적합할 것이다. 각각의 패널의 개별 행들/열들은 통상적으로 5 또는 6개의 "세트들"(패널의 행들/열들 수들과 동일함)을 형성하는 균등하게 쉐이딩된 행들/열들에 기초하여 직렬로 완전히 와이어링될 수 있다(각각의 패널에서 어떠한 "선택/라우팅" 장비도 요구하지 않는 와이어링 방식). 대안적으로, 인버터들(DC-AC 변환기들)에 도달하는 전력이 "쉐이드-공통(shade-common)"이고 이에 따라 공통적인 전기 변환 파라미터들을 갖는 공통 엘리먼트들로, 이러한 접근법들의 히이브리드 어레인지먼트가 가능하다.

일련의 "쉐이드-공통" 회로들의 세트의 이 새로운 병렬 와이어링 방식은 추가로 솔라 어레이에 대해 요구되는 인버터들의 수를 감소시킬 수 있는 새로운 인버터 장치 기회들로 이어진다. 이러한 옵션들은 쉐이드-공통 회로 당 하나의 인버터를 사용하고, 병렬 패널들 내의 모든 회로들(예를 들어, 5-6개의 회로들)에 대해 단일 인버터를 사용하거나, 또는 건설 경제성 및 전력 변환 이전에 쉐이드-공통 회로들을 함께 결합하는 능력에 기초하여 중간 수의 인버터들을 사용하는 것을 포함한다.

다음은 본 발명의 하나의 가능한 실시예의 설명이다.

도 1은 자동화된 오프-로딩을 위해 포지셔닝된 재료 선적 컨테이너들(3) 및 트러스 크레인(5)을 갖는 로봇 시스템의 단부까지 후진된, 트러스 섹션들(6)을 갖는 플랫베드 트럭들과 함께, 로봇 시스템(4)을 보여주는 로봇 어셈블리 장치의 와이드 뷰(wide view)이다. 하나의 트러스(7)가 로봇 시스템(4)에 로딩되고 이미 설치된 PV 패널들(8)과의 부분적 어셈블리 중인 채로 도시된다. 임시 보유 포지션에 있는 하나의 완전히 완성된 어레이(2)가 또한 도시되며, 크레인은 크레인 리프트 케이블(1)에 부착된 것으로 도시되는 크레인 어태치먼트(crane attachment)(9)와의 최종 포지셔닝을 위해 그 하나의 완전히 완성된 어레이(2)를 들어 올릴 준비가 되어 있다.

도 2는 장착 포스트들로 전달 준비가 된, 지지 프레임(14) 상의 보유 포지션에 있는 완성된 어레이(1)를 보여주는, 로봇 어셈블리 시스템의 확대도이며, 재료 선적 컨테이너(2)는 펼쳐진 로봇 시스템 작업 플랫폼(3)에 포지셔닝되며, 여기서 재료를 회수(retrieve)하기 위해 컨테이너에 진입하는 로봇 지게차(4)가 도시된다. 플랫베드 트럭들(6)로부터 트러스 섹션들을 회수하여 이들을 전달하기 위한, 전개된 포지션의 트러스 크레인 로봇 디바이스(5)가 또한 도시되며, 도시된 하나의 트러스 섹션(7)은 로봇 어셈블리 시스템 지지 및 자동화된 공급 시스템(8) 상에 로딩된다. 어셈블리 중인 트러스 섹션의 원단에서, 패널 리프팅 어태치먼트(12)를 사용하여 패널(13)을 이미 제 포지션에 배치한 패널 배치 디바이스(11)를 볼 수 있다. 이 도면에서, 결합된 구조적/전기적 커넥터들이 구조적 패널 지지 및 다음 패널에 대한 전기적 연결을 위해 관통하여 삽입되는, 다른 크로스 부재의 구멍들(15)을 볼 수 있다. 또한, 로봇 어셈블리(9) 및 압축기(10) 및 발전기(16)와 같은 지지 장치의 일부에 대해 준비된 재료 스택들의 일부가 도시된다.

도 3은, 로봇 언로딩을 위해 포지셔닝된 재료 선적 컨테이너들(5)과 함께, 그의 전개된 작업 플랫폼(4)을 보여주고, 하나의 트러스를 갖진 채로 로봇 시스템의 트러스 크레인(2) 단부에 포지셔닝된 플랫베드 트럭들(3) 및 로봇 어셈블리 시스템 상에 로딩되고 부분적으로 어셈블링된 일부 패널들(10)을 보여주는, 로봇 시스템(1)에 대한 작업 레이아웃의 조감도의 일 실시예를 도시한다. 완성된 어레이 섹션들(6)에 대한 임시 보유 포지션으로부터, 미리 결정된 경로(12)를 통해 포스트들(11) 상의 그의 최종 안착 포지션으로 로봇 크롤러(7)로 이동되는 하나의 완성된 어레이 섹션(8)과 더불어, 이미 설치되어 있는 일부 완성된 어레이 섹션들(9), 이미 설치되어 있고 완성된 어레이 섹션들을 위해 준비된 더 많은 포스트들(11)이 도시된다.

도 4는 이 실시예에서 트러스 섹션(2)이 장착되는 나사 장착된 포스트(1)의 일 실시예를 도시하며, 여기서 베이스 플레이트(3)는 지면(6)에 나사고정된(screwed) 지면 앵커들(4)에 볼트고정된다(5).

도 5는 트러스 섹션(3)이 장착되는 지면 나사 앵커링된 포스트(1)의 다른 실시예를 도시하며, 여기서 당김줄들(2)은 포스트(1) 상의 링(8)에 부착되고, 포스트는 지면(4)에 부분적으로 매립되는 최하단 플레이트(5)를 갖고, 당김줄들(2)은 또한 지면 앵커들(7)에 부착되며, 이 지면 앵커들(7)은 포스트(1)를 완전히 고정시키기 위해 그들의 최상단 링들(6)에서 지면에 나사고정된다.

도 6은 쉐이드-공통 회로(shade-common circuit)들의 긴 스트링(string)들로 패널들을 신속하게 설치하기 위한 청구된 임베디드 커넥터의 도면이다. 패널들(1 및 3)은, 한 단부에 삽입 커넥터들(2) 및 패널들의 다른 단부 상의 매칭 잭들(matching jack)을 갖는다. 한 단부 상의 삽입 커넥터의 도체(5) 및 다른 단부 상의 잭(4), 풍우밀 밀봉(weather-tight seal)을 생성하기 위해 커넥터 단부 상에서 도체(5) 뒤의 밀봉 O-링(6)과 함께, 패널(1)의 단면이 도시된다(3). 긴 세트의 설치된 패널들의 긴 세트 중간의 패널의 제거 및 삽입을 허용하도록 선택적인 "커넥터 수축(connector retraction)" 메커니즘(7)이 도시된다. 설치된 패널들의 긴 세트 중간의 패널의 제거 및 삽입을 허용하기 위한 대안적인 접근법은 최하단 부분(11)의 제거 시에, 패널이 나중에 인접 커넥터들(2/5)에서 떼어질 수 있도록 잭들(4)을 포함하는 패널 단부의 제거 가능한 최하단 부분(11)을 통해 이루어진다. 스트링 단부 커넥터들의 세트, 즉 잭 단부(8) 및 커넥터 단부(9)는 인접 패널 스트링들을 연결하기 위한 와이어들(10)을 갖는 것으로 도시된다. 커넥터 본체들(2 및 4)은 도 2(15)에서 도시된 바와 같이, 크로스 부재들의 구멍들을 또한 통과함으로써 패널들에 대한 구조적 지지를 제공한다. 본체(2)로부터 돌출된 커넥터(5)의 도시는 도면에 도시하기 위한 하나의 가능한 실시예이며, 유망한 구현은 보여주기가 어려운 리세스형 커넥터(recessed connector)라는 것에 주의한다.

도 7은 본 발명과 연관된 쉐이딩 효과의 도면이다. 패널간 간극(5)을 둔 채로, (8)로 도시된 태양-지면 각도 및 패널-지면 각도(6) 및 이에 따라 유효 태양-패널 각도(7)(이는 최종 패널을 제외한 모든 패널들에 대한 부분적 패널 쉐이딩(4)을 발생시킴)를 갖도록, 패널 코너들에 도시된 광선들(1)에 의해 도시된 솔라 방사선에 노출되는, 일부 수단, 이를테면, 랙(rack)들(2) 상에 장착된 솔라 패널(solar panel)들(3)이 도시된다. 나침도(9)는 도시된 관절결합(articulation)의 통상적인 배향을 도시하며, 이 도면은 동-서 트래킹(east-to-west tracking)을 보여준다. 쉐이딩되지 않은, 패널들의 세트 단부의 패널(10)이 항상 존재할 것이지만, 이 비-쉐이딩 패널은 아마도, 하루 중 상이한 시간들(예를 들어, 오전 대 오후)에 패널들의 세트의 교호하는 단부들에 있을 것이란 점에 주의한다.

도 8은, 아마도, 각각의 패널의 완전(full) 쉐이드(6) 및 완전 일광(full sun)(5) 부분들 사이의 경계의 부분적으로 쉐이딩된 셀들과 함께, 패널 코너들의 광선들(1)에 의해 도시된 바와 같이 태양에 의해 조사되고 이에 따라 병렬의 완전 쉐이드(6) 및 완전 일광(5)의 영역들을 생성하는, 랙 시스템(4), 이번에는 수직 스탠드오프(vertical standoff)들(3) 상의 솔라 패널들(2)의 어레이의 도면이다. 나침도들(7, 8, 및 9)의 세트는, 패널들(2)의 행들의 정확한 방향에 관계없이 이 동일한 기본 구성이 어떻게 사용될 수 있는지를 보여주며 ― 병렬 패널들은 항상 병렬 쉐도우들 및 이에 따라, 패널들 내에서 셀들의 병렬 쉐도우-공통 세트들을 생성한다. 어레이의 한 측에 완전 조명된 패널 행(10)이 또한 도시된다.

도 9는 동일한 쉐이딩-공통 솔라 방식의 도면이지만, 이번에는 모든 패널 세트들/행들이 순수 출력을 최적화하기 위해 항상 함께 관절결합되진 않는 경우이다. 완전 조명된 패널들(3) 및 완전 쉐이딩된 패널(2)을 달성하는, 광선들(1)에 의해 도시된 바와 같이 태양에 의해 조사되는, 랙들(4) 상의 패널들(3)이 도시된다. 완전히 쉐이딩된 패널(2)은 때때로, 다른 패널들(3)과 일치하여 완전히 관절결합될 수 있고; 때때로, 전력 출력을 최대화하기에 적절하지 않다.

도 10은 본 발명과 연관된 패널내 및 패널간 와이어링에 대한 기본적인 변경을 도시하며, 여기서 개별 솔라 셀들(2)을 포함하는 패널들(1)은, 인접 패널들의 솔라 셀들의 동일한 쉐이드-공통 세트에 직렬 와이어링(4)되는 세트들(3)에서 직렬로 연결되고, 패널들은 패널들 내의 PV 셀들이 직렬로 전도(5)하도록 배향되게 배향된다. 셀들은 설명된 병렬 방식으로 쉐이딩을 가진 채로 최적의 전력 생산을 위해 추가로 배향된다(셀들 상의 호일 패턴의 함수임).

도 11은, 병렬 세트들로서 와이어링(6 및 7)되는 패널내 쉐이드 공통 세트들("M"은 이 패널들에서 셀들의 열들의 수와 동일함)을 보여주는, 직렬 와이어링된 세트들(3)로 배열되고 적절한 전도(4)를 위해 배향되는 솔라 PV 셀들(2)을 갖는 솔라 패널들(1)의 전체 어레이를 도시하며, PV 셀들의 쉐이드 공통 세트들(3)은 여기서 (5)로 라벨링된다. 타원들(ooo)은 양 방향들에서 패널들 및 셀들 둘 모두의 긴 세트들을 도시한다. 어레이의 종결 단부들은, 쉐이딩되고, 부분적으로 쉐이딩되고, 완전히 조명되도록 전체 회로들을 감소(reduce)시키는 선택기들(8)을 포함할 수 있고, 비용을 최적화하기 위해 쉐이딩 및 조명된 출력 회로들(9)을 추가로 못쓰게 하는(break down) 다른 변형들이 사용될 수 있다(도 23 내지 도 26 참조).

도 12는, 때때로 어레이의 나머지에 있어 완전히 조명되고 때때로 쉐이드-공통인 최종 패널들 또는 패널들의 "외부 행(outer row)들")(도 17의 아이템(10) 및 도 18의 아이템(10) 참조)에 대한 하나의 가능한 구성을 도시하며, 여기서 패널들의 "외부 행"은 단순함을 위해 단일 "최종 패널"(1)과 동일하게 도시되고, 둘 모두는 한 단부에서 스위칭 박스(4)에 와이어링되는 셀들의 다수(M)의 병렬 긴 세트(parallel long set)들(3)을 형성하는 일련의 와이어링된 PV 셀들(2)의 스트링이고, 스위칭 박스(4)는 어레이의 나머지로부터의 쉐이드-공통 회로들(5)을 수용하고 셀들의 이들 세트들의 원단들로부터의 점퍼들(6)을 또한 가지며, 이 패널(들)이 어레이의 완전 태양 조명된 측 상에 있지 않을 때, 스위칭 박스(4)는 (7)에서 어레이 출력을 드러내기 전에 쉐이딩 공통 회로(5)와 별개로 이러한 셀들의 세트(1)들을 포함하거나, 또는 어레이의 완전히 조명된 단부에 있을 때, 스위칭 박스(4)는, 대신 쉐이드-공통 회로들을 출력(7)에 직접 연결하고 셀들의 이러한 완전히 조명된 세트를(점퍼들(6) 및 스위칭 박스(4)를 사용하여) 단일 직렬 전기 회로에 함께 연결함으로써 그러한 쉐이드 공통 회로들(5)로부터 이러한 셀들의 세트들을 격리하여 (8)에서 출력되는 별개의 PV 회로를 발생시킨다. 그 후, 이 "외부 행" 회로 또는 서로 "최종 패널" 회로들의 직렬 연결은 별개로 AC로 변환되거나, 또는 크기가 이러한 하나의 외부 행 또는 최종 패널들의 세트와 매칭되는 다른 DC->AC 변환기 모듈을 추가하여 도 23 및 도 24에 도시된 인버터들에 통합된다.

도 13은, 다양한 쉐이딩-공통 및 "외부 행" 회로들(4)로부터의 다수의 입력 회로들을, 관리(3) 하에서, 이 경우에는, 다수의 개별 DC->AC 변환기 모듈들(5 및 7)이 사용되고 이에 따라 순수 인버터 출력(2)과 비교하여 각각의 변환기의 크기를 제한하는, 플럭스-첨가(flux-additive) 및 전압 적응 출력(높은 볼트 출력이 가능함)을 위한 변압기(6)를 사용하여 출력 "그리드" 전력(2)으로 변환하는 다중-회로 통합된 인버터 어셈블리(1)의 하나의 가능한 구성을 도시하며, 여기서 변환기(7)는 기껏해야 하나의 스트링 회로인 부분적으로 쉐이딩된 회로에 대해 필요에 따라 더 작은 것으로 도시된다. 현재 완전히 조명된 "외부 행"에 대해 다른 작은 변환기가 포함될 수 있다.

도 14는 컴퓨터 제어(3) 하에서, 이 경우에는, 가능한 경우 직접 변환 및 DC/AC 변환기 모듈들(6 및 7)을 사용하여 다양한 쉐이딩-공통 및 "외부 행" 회로들(4)로부터의 다수의 입력 회로들을 출력 "그리드" 전력(2)으로 변환하는 대안적인 인버터(1) 접근법을 도시하며, 이 DC->AC 변환기 모듈들(6 및 7)은 선택기(5)(도 25 및 26에서 또한 도시됨)를 사용하여 입력(4)을 전력-공통 회로들(V-l 성질과 매칭함)로 결합하고 이에 따라 전체 인버터 출력에 대해 그의 크기를 제한하면서도, 사용되는 변환기들의 수를 감소시키게 할 수 있게 크기가 정해진다.

도 15는 도 24(아이템(5))에 도시된 선택기의 도면이며, 이 선택기는, 가능하게는, 이 경우에, 각각의 전체 쉐이드 회로들에 대해 하나(4), 전체 일광 회로들에 대해 하나 그리고 부분 쉐이드 회로에 대해 더 작은 하나(5)(이는, 그것이 단일 쉐이드-공통 어레이 회로로 항상 제한되기 때문임)인 최소 수의 DC->AC 변환기들을 사용하는 구성으로, 항상 내부 선택기 제어(2) 하에서 입력들 및 출력들을 연결하기 위한 연결들(3)을 형성함으로써 기능적으로 크로스-바 스위치(1)인 것을 사용하여 DC->AC 변환기 모듈들(4 및 5)로, 때때로 전체 쉐이드(Full Shade)이고 때때로 전체 일광(Full Sun)이고 때때로 부분 일광(6)인 다양한 PV 셀 회로들(7)을 연결한다. 또한, 전체 쉐이드 변환기는 회로들의 세트가 생성하는 더 낮은 전력으로 인해 더 작은 크기로 이루어질 수 있다.

도 16은 도 25의 경우와 동일한 모든 컴포넌트들과 함께, 도 24(아이템(5))에 도시된 선택기의 다른 도면이지만, 이번에는 보다 많은 DC->AC 변환기들이 존재하여서, 각각의 변환기는 도 25에 도시된 전체 일광 변환기보다 상당히 더 작은 용량을 가질 수 있다. 이 변형의 목적은 비용 및 신뢰성 관리를 위한 것이며, 순수 인버터 출력 크기 및 DC->AC 변환기 카운트 및 크기의 궁극적인 균형이 생산/제품 최적화 이슈이다. 도 26에 도시된 바와 같이, 동일한 6개의 입력 회로들이 기껏해야, 2개의 공통 회로들의 전력을 처리해야 하는 DC->AC 변환기들로 수용될 수 있다.

도 17은, 컴퓨테이셔널 제어(3) 하에서 솔라 어레이(4) 및 그리드 전력 출력(2)으로부터의 입력들을 갖는 새로운 인버터(1) 능력의 실시예를 도시하며, 여기서 특수 변압기(6)는, 병렬 및 직렬로 연결되고 회로 연결 컴포넌트(8)에서 병렬/직렬로 결합된 큰 복수의 1차 코일들(9)을 가지며, 이는 또한 솔라 어레이 전력의 AC로의 최적의 전반적인 변환을 위해 큰 복수의 1차 코일들(9)을 1차 DC-AC 변환기들(7 내지 5)의 출력들에 최상으로 어떻게 연결할지를 결정하는데 필요한 계산(mathematics) 및 센서들을 포함한다.

도 18은 패널들(1 및 4) 사이에 삽입된 PV 어레이 회로 모니터링 디바이스(5)의 실시예를 도시하며, 여기서 각각의 패널은 돌출 커넥터(3) 및 수용 커넥터(2)를 갖고, 돌출 커넥터들 중 하나는, 그것이 크로스 프레임 부재(6)를 통과하여 회로 모니터링 디바이스(5)로 삽입되기 때문에, 보이지 않는다. 회로 모니터링 디바이스(5)는 또한, 크로스 프레임을 통과하여 좌측 패널(1)의 수용 커넥터(2)로 삽입되기 때문에, 보이지 않는 돌출 커넥터를 갖는다. 이 도면에서, 회로 모니터링 디바이스(5)는 트러스 섹션의 단부에서 발생할 수 있는 바와 같이 2개의 크로스 부재들(6) 사이에 끼워진 것으로 도시되지만, 이 특정한 구성은 패널 구조적 지지가 적절히 유지되는 한 요구되진 않는다.

Claims (29)

1. 솔라 에너지 수집 어레이들의 고속 및 비용-효율적인 어셈블리를 위한 시스템인 장치로서,
   - PV 패널들 및 어레이들에 대한 새로운 쉐이드-공통 와이어링 방식(new shade-common wiring scheme);
   - 상기 새로운 쉐이드-공통 와이어링 방식 및 결합된 패널 구조적 지지 및 전기 상호연결을 제공하는 고속 어레이 어셈블리 둘 모두를 지지하기 위한 새로운 패널간 커넥터;
   - 새로운 결합된 패널간 구조적 및 전기적 커넥터들을 사용하여 클램프들 또는 볼트들 없이 패널들을 장착하기 위한 고속 어레이 어셈블리를 위한 새로운 패널 지지 구조; 및
   - 상기 새로운 패널 지지 구조 및 새로운 패널 커넥터 시스템을 활용하여 어레이들의 고속 필드 어셈블리 및 설치를 위한 로롯 어셈블리 시스템을 포함하는,
   장치.
2. 제1항에 있어서,
   결합된 시스템은 전기 그리드 상호연결(electric grid interconnection) 이외의 모든 필드내 필드 맞춤 어셈블리 요건(in-the-field field custom assembly requirement)들을 제거하기 위해 초대형 솔라 어레이 시스템들의 완전한 "키트-모드(kit-mode)" 전달을 허용하는,
   장치.
3. 설치된 어레이들에 솔라 패널들을 장착 및 지지하기 위한 구조적 지지 시스템인 장치로서,
   - 개별 패널을 장착하기 위해 어떠한 클램프(clamp)들 또는 볼트들도 필요하지 않고;
   - 상기 구조적 지지 시스템은 단지, 트러스 섹션(truss section), 상기 트러스 섹션에 필드 부착되는, 패널들을 보유하는 크로스 부재 및 그의 영구적인 위치에 패널들과 어셈블링된 트러스들을 장착하기 위한 포스트 시스템(post system)만을 포함하고;
   - 상기 솔라 패널들을 상기 크로스 부재에 고정하기 위한 수단은 상기 패널들의 단부들 상의 복수의 결합된 구조적 및 전기적 커넥터들에 의해 가능하게 되는,
   장치.
4. 제3항에 있어서,
   상기 결합된 구조적 및 전기적 커넥터들은 각각의 패널의 한 단부로부터, 상기 구조적 크로스 부재의 매칭하는 구멍을 통과하여, 그리고 다음 패널의 프레임의 단부의 매칭 구멍들로 돌출하고, 상기 패널들을 물리적으로 지지하고 전기 회로들을 완성하기 위해 상기 다음 패널의 매칭하는 결합된 커넥터 "플러그들"에 커플링되는,
   장치.
5. 제4항에 있어서,
   어레이 섹션들의 완성된 행의 각각의 단부들의 돌출 커넥터들 및 매칭 플러그들을, 인접 행들 및 인버터 장치로의 연결을 위한 와이어들에 연결하기 위한 수단이 제공되는,
   장치.
6. 제4항에 있어서,
   상기 돌출 커넥터들은 상기 패널들이 수리 또는 교체를 위해 설치 후에 제거될 수 있도록 수축(retract)될 수 있는,
   장치.
7. 제3항에 있어서,
   상기 트러스 섹션은 임의의 구조적 형태로 이루어지고, 패널들과 완전히 어셈블링되면, 더 긴 어레이 행들을 형성하기 위해 다음 트러스 섹션에 연결되는,
   장치.
8. 제3항에 있어서,
   모든 전기 회로들의 완전한 솔라 어레이 모니터링을 제공하기 위해 전압 모니터링 장치가 각각의 트러스 섹션 사이에 삽입될 수 있으며, 각각의 모니터링 장치는 무선 네트워크를 통해 통신하는,
   장치.
9. 제3항에 있어서,
   상기 포스트 시스템은 복수의 나사 앵커(screw anchor)들로 지면에 고정되는,
   장치.
10. 제9항에 있어서,
    상기 포스트 시스템은 부분적으로 매립된 평평한 바닥 포스트(flat bottomed post)이고 상기 나사 앵커들에 상기 포스트를 고정하는 데 사용되는,
    장치.
11. 제9항에 있어서,
    상기 포스트 시스템은 나사 앵커들의 유압 설치 및 상기 포스트의 자동화된 정렬을 포함하는 자가 포지셔닝 로봇 장치(self positioning robotic apparatus)로 설치되는,
    장치.
12. 제3항에 있어서,
    모든 컴포넌트들은, 최소의 노동으로 솔라 어레이의 로봇 어셈블리 및 설치를 용이하게 하기 위해 정돈된 형태로 설치 현장에 전달되는,
    장치.
13. 최대화된 전력 출력을 갖는 고밀도 어레이(dense array)들에서의 트래킹(tracking)을 허용하기 위해 쉐이드-공통 전기 회로(shade-common electrical circuit)들을 갖는 쉐이드 톨러런트 솔라 PV 시스템인 장치로서,
    - PV 셀들의 병렬 행들이 별개의 쉐이드-공통(shade-common) 전기 회로들에 와이어링되고;
    - 상기 쉐이드-공통 전기 회로들은 DC로부터 AC 전력으로 최적으로 변환되는,
    장치.
14. 제13항에 있어서,
    하나의 패널로부터의 상기 쉐이드-공통 전기 회로들은 각각 다음 패널에 연결되는,
    장치.
15. 제13항에 있어서,
    상기 쉐이드 공통 회로들은 AC로의 변환 이전에 감소된 수의 회로들로 결합되며, 상기 감소된 수의 회로들은:
    - 부분적으로 쉐이딩된 셀들에 대한 하나의 회로;
    - 완전 쉐이딩된 셀들에 선택적으로 할당된 하나 또는 그 초과의 회로들; 및
    - 완전 일광 셀들(fully sunlit cells)에 선택적으로 할당된 하나 또는 그 초과의 회로들이고,
    상기 완전 쉐이딩된 셀들 및 완전 일광 셀들에 대해 사용 가능한 회로들의 수는 비용-효율성을 최대화하도록 선정되고, 특정 할당(specific assignment)들은 와이어들 및 연결들에서의 전력 손실을 최소화하고 총 전력 출력을 최대화하기 위해 매일 동적으로 결정되는,
    장치.
16. 제15항에 있어서,
    회로 감소는 상기 다음 패널로의 연결 이전에 각각의 솔라 패널 내에서 수행되고, 이에 따라 패널-간 회로들의 수를 감소시키는,
    장치.
17. 제13항에 있어서,
    AC로부터 DC 전력으로의 변환은 각각의 회로 상의 인버터를 사용하는,
    장치.
18. 제13항에 있어서,
    AC로부터 DC 전력으로의 변환은 먼저 개별 회로 상의 전압 균등화를 수행하고 이어서 이를 더 적은 수의 회로들로 결합하여 인버터에 공급함으로써 이루어지는,
    장치.
19. 제13항에 있어서,
    상기 AC로부터 DC 전력으로의 변환은 복수의 1차 코일들을 갖는 변압기를 활용하고:
    - 상기 1차 코일들은 인입(incoming) 회로들에 대해 선택적으로 할당되어 연결되고,
    - 상기 1차 코일들은 각각의 코일에 과부하가 걸리게(overloading) 하지 않고 최적의 전력 변환을 생성하도록 직렬 및 병렬 둘 모두로 할당되고,
    - 상기 할당은 각각의 인입 회로에 대한 전압 및 전류에 정통한 임베디드 컴퓨터 디바이스에 의해 이루어지는,
    장치.
20. 솔라 어레이들의 필드-내 어셈블리 및 설치를 위한 필드 전개 가능 로봇 시스템인 장치로서,
    - 팔레트들 및 플랫베드 트럭(flatbed truck)들 상의 컴포넌트 엘리먼트들로부터의 완성된 PV 어레이 섹션들을 어셈블링하기 위한 로봇 시스템; 및
    - 완성된 PV 어레이 섹션들을 그의 영구 위치 지지 포스트들에 전달하기 위한 수단을 포함하는,
    장치.
21. 제20항에 있어서,
    상기 로봇 어셈블리 시스템은 플랫베드 트럭으로부터 트러스 엘리먼트들을 언로딩(unload)하고, 팔레트들로부터 상기 트러스 상의 그의 장착 포지션들로 크로스 부재들을 이동시키고, 팔레트들로부터 상기 크로스 부재 상의 그의 장착 포지션들로 PV 패널들을 이동시키고, 임의의 필요한 볼트들을 사용하여 이들 엘리먼트들을 완성 솔라 어레이 섹션들로 어셈블링하기 위한 장치를 포함하는,
    장치.
22. 제21항에 있어서,
    완성된 솔라 어레이 섹션들은 하나의 트러스를 어셈블리 포지션으로 이동시키고, 크로스 부재를 상기 트러스에 장착하고, 상기 크로스 부재의 폭과 매칭되는 PV 패널들의 세트를 배치하고, 다음 크로스 부재 위치로 상기 트러스를 전진시키고, 상기 어레이 섹션이 완성될 때까지 상기 크로스 부재 및 PV 패널 세트 배치를 반복하고, 이어서 전달 수단에 의한 픽 업(pick up)을 위해 임시 보유 위치로 상기 어레이 섹션을 이동시키는 반복적 프로세스에 의해 구축되는,
    장치.
23. 제20항에 있어서,
    상기 전달 수단은 완성된 어레이 섹션 상에 래치(latch)하도록 설계된 기계화된 크롤러(mechanized crawler)이고, 임의의 설치된 포스트들 위를 통과하도록 상기 어레이 섹션을 들어올릴 수 있는,
    장치.
24. 제23항에 있어서,
    상기 기계화된 크롤러는 원격 제어 조이스틱 디바이스로 사람에 의해 동작되는,
    장치.
25. 제23항에 있어서,
    상기 기계화된 크롤러는 미리-결정된 어레이 섹션 설치 패턴을 기초하여 자가 운전(self driving)되고 충돌 회피 센서들 및 컴퓨터화된 제어 시스템들을 포함하는,
    장치.
26. 제20항에 있어서,
    상기 전달 수단은 국부적으로 이용 가능한 크레인에 의한 전달을 위해 완성 어레이 섹션들 상에 래치되는 크레인 어태치먼트(crane attachment)인,
    장치.
27. 제20항에 있어서,
    상기 로봇 어셈블리 시스템은 작업 플랫폼을 형성하기 위한 자가-전개 측(self-deploying side)들을 갖는 선적 컨테이너에 포함되는,
    장치.
28. 제27항에 있어서,
    개방 선적 컨테이너들은 상기 작업 플랫폼에 인접하게 배치되고 로봇 지게차(robotic fork lift)는 이러한 선적 컨테이너들로부터 상기 로봇 어셈블리 시스템으로 재료의 팔레트들을 이동시키는 데 사용되는,
    장치.
29. 제20항에 있어서,
    모든 필요한 동력, 공기 압력 및 유압 지지부는 포함된 발전기, 압축기 및 유압 펌프 디바이스들에 의해 제공되는,
    장치.

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