MX2011005952A

MX2011005952A - Sistema de recoleccion de energia solar.

Info

Publication number: MX2011005952A
Application number: MX2011005952A
Authority: MX
Inventors: James Hoffman
Original assignee: James Hoffman
Priority date: 2008-12-03
Filing date: 2009-12-03
Publication date: 2011-11-02
Also published as: EP2371004A2; US9065371B2; CN102439731A; JP2012513102A; JP5901293B2; KR20110104487A; EP2371004B1; CN102439731B; WO2010065794A3; US20110259396A1; KR101631830B1; JP2016136831A; EP2371004A4; US20150318818A1; WO2010065794A2

Abstract

Un sistema para recolectar energía solar que usa una pluralidad de elementos de recolección de energía dispuestos en un arreglo plano dentro de una estructura de base estacionaria, comprendiendo cada uno: una unida de captura de energía con medios ópticos para enfocar la luz solar direccional paralela a su eje sobre uno o más convertidores de luz solar-a-electricidad dentro de la misma, y medios para percibir la divergencia de su eje de la dirección del sol; y una unidad de posicionamiento angular que orienta dicha unidad de captura alrededor de dos ejes anidados al montar de manera deslizable dos rieles arqueados en ranuras arqueadas opuestas y perpendiculares, un riel convexo dentro de dicha unidad de captura de energía y un riel cóncavo dentro de dicha estructura de base, cada una de dichas ranuras es equipada con un aparato impulsor que acopla su riel respectivo y mueve el posicionador a lo largo del mismo. La invención proporciona métodos para determinar las formas y arreglo de tales elementos con el fin de maximizar la eficiencia de apertura mientras que se previenen las colisiones de elementos adyacentes.

Description

SISTEMA DE RECOLECCION DE ENERGIA SOLAR PRIORIDAD Reclamación de prioridad bajo 35 U.S.C. § 1 19 La presente invención reclama el beneficio a la solicitud de patente estadounidense provisional teniendo ser. No. 61 /200,835, presentada el 3 de diciembre de 2008, por el presente inventor.

Campo de la invención La presente invención se refiere a métodos para recolectar energía solar usando concentración óptica con módulos en movimiento que rastrean el sol , y en particular, tales métodos, los cuales son adecuados para la construcción de sistemas fotovoltaicos concentradores teniendo factores de forma y características de instalación similares a los paneles solares convencionales.

Antecedentes Las aproximaciones para convertir la luz solar a electricidad usando celdas fotovoltaicas son principalmente de dos tipos: aquéllas que usan paneles planos de celdas fotovoltaicas montadas en orientaciones fijas, y aquéllas que usan elementos ópticos de rastreo para concentrar luz solar sobre áreas más pequeñas de celdas fotovoltaicas. El último tipo proporciona potencialmente mayores densidades de energía y menores costos de equipo al reducir las cantidades de materiales fotovoltaicos requeridos, permitiendo por ello el uso económico de celdas fotovoltaicas de alta eficiencia, cuyo costo en paneles no concentradores sería prohibitivo. Por ejemplo, las celdas fotovoltaicas de triple empalme que emplean semiconductores tipo l l l-V han demostrado recientemente eficiencias de conversión de luz solar-a-electricidad de más de 40 por ciento, pero las aplicaciones terrestres efectivas en cuanto a costo de tales celdas requieren normalmente su uso a concentraciones de más de cien soles.

A la fecha, las aplicaciones fotovoltaicas concentradoras han sido mayormente limitadas a operaciones de escala industrial. Aunque una variedad de sistemas concentradores recientemente desarrollados usan elementos ópticos de tamaño relativamente pequeño y son descritos como que tienen un bajo perfil, permanecen pobremente adecuados para el único sector más grande del mercado para productos que convierten luz solar a electricidad - el mercado de paneles de azotea.

La mayoría de instalaciones de paneles solares de azotea montan los paneles en orientaciones fijas, donde tienen un bajo perfil y apariencia discreta. Un colector solar que combinó la econom ía superior de fotovoltaicos de alta eficiencia concentradores con la facilidad de instalación y mantenimiento, y la estética de paneles solares convencionales, proporcionaría valor sin precedente para el propietario y usuario. El requerimiento de que un colector solar concentrador usando elementos ópticos rastreadores tiene una forma fija con un perfil delgado como un panel convencional necesita el uso de muchos de tales elementos ópticos montados dentro de una estructura de base fija.

Los sistemas propuestos que incorporan arreglos de elementos ópticos en arreglos contenidos dentro de planchas fijas relativamente delgadas, mecánicamente enlazan los elementos a un mecanismo de ajuste compartido por múltiples elementos. Tales aproximaciones tienen varias desventajas incluyendo que fallas en los enlaces mecánicos entre elementos pueden provocar fallas de rastreo de múltiples elementos, que los enlaces mecánicos introducen una fuente de errores de rastreo debido a imprecisiones en el mecanismo y que dar servicio a elementos individuales es complicado al tener que manipular conexiones mecánicas.

Los objetivos de la presente invención incluyen proporcionar métodos para crear sistemas de recolección de energ ía solar que: * Hacer económica la fabricación de elementos concentradores de dimensiones suficientemente pequeñas de manera que arreglos de tales elementos puedan ser configurados en recinto similares a paneles.

* Proporcionar precisión de rastreo solar excepcional, permitiendo la maximización de la proporción de concentración y por ello minimizar la cantidad de material fotovoltaico requerida.

* Maximizar la eficiencia de apertura del sistema óptico concentrador al minimizar pérdidas de luz a espacios entre los elementos de arreglo.

* Proporcionar robustez operacional excepcional y permitir fácil mantenimiento y servicio al hacer la remoción y re-instalación de elementos simple y sencilla.

Breve descripción de la invención La invención permite la creación de sistemas de recolección de energía solar usando medios ópticos para concentrar luz solar por factores de cientos o miles y dirigirla a celdas fotovoltaicas de alta eficiencia (PV) a través del uso de elementos de recolección de energía de auto-orientación de dos ejes, comprendiendo cada elemento: una unidad de captura de energía que realiza las funciones de percibir la orientación de la luz, concentrar la luz y convertirla en electricidad; una unidad posicionadora angular que soporta e inclina la unidad de captura alrededor de dos ejes perpendiculares; y una unidad de base que soporta la unidad de posicionamiento angular; donde dichos elementos de recolección de energía están arreglados dentro de recintos similares a planchas, posiblemente teniendo factores de forma similares a los paneles solares convencionales.

Cada elemento de recolección de energía rastrea individuamente el sol a través de un sistema de posicionamiento angular que controla la rotación de unidad de captura alrededor de cada uno de dos ejes de inclinación perpendiculares a través de una combinación de medios ópticos, fotoeléctricos, electrónicos y mecánicos. La unidad de captura de energía, a través de su geometría de percepción de luz y óptica, proporciona información en la forma de electricidad alrededor de desviaciones del eje de unidad de captura de energ ía de la dirección del sol. Esa información es usada para controlar el movimiento de motores en la unidad de posicionamiento angular que mueve la unidad alrededor de dos ejes perpendiculares - uno en relación a la base y uno en relación al capturador - y por ello giran el capturador en una dirección que reduce dichas desviaciones.

Debido a que cada elemento tiene motores de tracción de posicionamiento angular dedicados, los cuales son controlados por el sistema óptico en el capturador de energía del mismo elemento, el sistema de tracción es sin esado: sin importar cómo es posicionado inicialmente un elemento, se orientará a sí mismo para enfocar la luz direccional y no será afectado por el funcionamiento de otros elementos en el panel. La relación mecánica estrecha entre el sistema óptico que proporciona información a la electrónica de orientación y la unidad de posicionamiento angular que proporciona control de posicionamiento y montaje de ese sistema, minimiza las oportunidades para la introducción de errores de rastreo.

Cada capturador de energía de elemento es montado por su posicionador angular para girar alrededor de dos ejes perpendiculares anidados, donde el eje exterior es paralelo a la plataforma de base y el eje interior es perpendicular al eje exterior y perpendicular al eje normal del capturador.

La invención describe una familia de formas que son usadas para definir los perfiles de la óptica de captura de energía la cual, montada por posicionadores angulares en arreglos de empaque cerrado, proporcionan eficiencia de apertura tópica sobre un amplio rango de ángulos de inclinación sin restringir el movimiento individual de los capturadores. Las formas embaldosan el plano cuando miran en la dirección normal de arreglo, aunque, cuando se mueven por sus posicionadores ang ulares, permanecen completamente dentro de los volúmenes respectivos definidos por la extensión en dicha d i rección normal de sus baldosas planas respectivas.

La invención proporciona métodos adicionales para diseñar la óptica de unidades de captura de energ ía de manera que sus perfiles se aproximen estrechamente dichas formas de baldosas-planas, y sus volúmenes de movi miento bajo el control del posicionador angular no intersectan los volúmenes de movimientos de sus vecinos, evitando pro ello las colisiones entre elementos de arreglo si n im portar sus movimientos ind ividuales.

M ientras que alg unas modalidades de elementos de recolección de energ ía recaen en la geometría de la óptica de unidad de captura y celdas PV para producir electricidad que energiza directamente los motores de posicionam iento para efectuar el movim iento de orientación de capturador. Otras modalidades emplean algoritmos y conjuntos de datos generados por adelantado e instalados en microcontroladores en cada elemento para determinar el movimiento orientador de capturador de los motores de posicionamiento con base en el patrón de n iveles de rendimiento de las celdas PV del capturador. El uso de tales algoritmos permite que modalidades del último tipo se basen completamente en celdas PV de recolección de energ ía para datos a partir de los cuales infieren la información de orientación , eliminando la necesidad de sensores dedicados de luz que perciban la dirección .

Breves descripción de los dibujos La FIG. 1 muestra una vista de un elemento de recolección de energía de auto-orientación simple de la primera modalidad de la invención.

La FIG. 2 muestra elementos tal como se muestra en la FIG. 1 siendo instalados dentro de un panel.

La FIG. 3 muestra un panel completo, que aloja sesenta elementos idénticos del tipo mostrado en la FIG. 1 .

Las FIGs. 4A y 4B muestran proyecciones de perfiles de varias formas de embaldosado plano conforme se inclinan por incrementos de alrededor de los ejes de movimiento provistos por el posicionador angular de la invención.

Las FIGs. 5A a 5C muestran un método para generar una familia de un parámetro de formas de embaldosado teniendo volúmenes de movimiento no de intersección cuando son movidos por el posicionador angular.

Las FIGs. 6A a 6D muestran los volúmenes barridos por una forma de embaldosado definida en las FIGs. 5A a 5C conforme se mueve alrededor de uno y ambos ejes de inclinación del posicionador angular.

Las FIGs. 7A y 7B muestran una simulación que muestra la eficiencia de apertura de un caso de la invención para varios desplazamientos angulares de luz incidente del eje normal de arreglo.

Las FIGs. 8A a 8C muestran el método para diseñar la parte reflectora de la unidad de captura de energía de la primera modalidad.

La FIG. 9 muestra una vista esquemática y vistas en detalle de la unidad de captura de energía de la primera modalidad.

La FIG. 10 muestra una vista abajo del eje normal de la unidad de captura de energía y tres secciones longitudinales de la unidad.

Las FIGs. 1 1 A a 1 1 D muestran las trayectorias tomadas por rayos de luz representativos que golpean la unidad de captura de energ ía.

Las FIGs. 12A y 12B muestran detalles de la unidad de posicionamiento angular.

La FIG. 1 3 muestra una vista en detalle de la esquina de un panel que contiene elementos de recolección de energía de la primera modalidad de la invención.

La FIG. 14 muestra un esquema eléctrico de un panel.

La FIG. 15 muestra un esquema eléctrico de un elemento de recolección de energía de la primera modalidad teniendo solo circuitos análogos simples.

La FIG. 16 muestra un esquema eléctrico de un elemento de recolección de energía que tiene un microcontrolador.

Las FIGs. 1 7A a 1 7D muestran arreglos de componentes de captura de energía y sus respectivos ejes ópticos para varias modalidades de la invención.

La FIG. 18 muestra un elemento de recolección de energía de la segunda modalidad, cuya unidad de captura de energía tiene cinco componentes de captura, cuatro usando óptica de reflexión y uno usando óptica de refracción.

Las FIGs. 19A y 19B muestran vistas de porciones de la unidad de captura de energ ía de la segunda modalidad.

Las FIGs. 20A y 20B muestran una vista ensamblada y una esquemática de un elemento de recolección de energía de la tercera modalidad, cuya unidad de captura de energía tiene cuatro componentes de captura usando óptica de refracción.

La FIG. 21 muestra una vista y secciones de la unidad de captura de energía de la tercera modalidad.

La FIG. 22 muestra un elemento de recolección de energía de la cuarta modalidad, cuya unidad de captura de energía tiene cuatro componentes de captura usando óptica de reflexión.

La FIG. 23 muestra una vista y secciones de la unidad de captura de energía de la cuarta modalidad.

La FIG. 24 muestra un esquema eléctrico de un elemento de recolección de energía basado en circuitos análogos.

La FIG. 25 muestra un esquema eléctrico de un elemento de recolección de energía teniendo un microcontrolador.

Las FIGs. 26A a 26D muestran representaciones de los espacios de movimiento y desplazamiento de dirección de luz.

Las FIGs. 27A a 27D muestran un ejemplo de funciones de respuesta de PV hipotéticas sobre el espacio de desplazamiento de luz.

La FIG. 28 es un diagrama de flujo que resume el proceso para generar conjuntos de datos usados por elementos de recolección de energía equipados con microcontroladores.

La FIG. 29 es un diagrama de flujo que ilustra un algoritmo de orientación ejecutado por un microcontrolador de elemento de recolección de energía.

La FIG. 30 ilustra un mapa inverso del espacio de respuesta a espacio de desplazamiento.

La FIG. 31 ilustra un método para doblar el mapa del espacio de respuesta al espacio de desplazamiento para reducir los datos requeridos para representar el mapa.

La FIG. 32 ilustra el uso de información de estado en el algoritmo de orientación para eliminar la ambigüedad del mapa de desplazamiento.

La FIG. 33 ilustra el uso de información de estado en el algoritmo de orientación para corregir el sesgado en el mapa de desplazamiento.

La FIG. 34 muestra un elemento de recolección de energ ía de la cuarta modalidad dentro de un recinto diseñado para alojar un elemento simple.

La FIG. 35 muestra la esquina de un panel conteniendo elementos de recolección de energía de la cuarta modalidad para ilustrar el sombreado de elementos por sus vecinos.

La FIG. 36 ilustra el espacio de condición de cuatro dimensiones que consiste del producto del desplazamiento y espacio de posición.

La FIG. 37 muestra un banco de prueba para generar datos de muestra que cubren el espacio de condición, que usa una plataforma que permite que la fuente de luz se fije.

Las FIGs. 38A y 38B muestran montajes de la quinta modalidad de la invención.

La FIG. 39 muestra un elemento de recolección de energ ía de la sexta modalidad de la invención.

Descripción detallada de las modalidades preferidas La presente descripción detallada de las modalidades preferidas comienza con una revisión de una primera modalidad de la invención . Entonces explica el método para determinar las formas de unidades de captura de energ ía de esta y otras modalidades que proporciona simultáneamente eficiencia de apertura óptica a través de un empacado denso de las unidades al tiempo que remueve la posibilidad de su colisión . Con ese antecedente, la descripción regresa a la primera modalidad para explicar su función en detalle . A conti nuación , la descripción examina tres modalidades adicionales de la invención , cuyas unidades de captura de energ ía son segmentadas en varios componentes de captura y algoritmos mediante los cuales los microcontroladores de elementos individuales de tales modalidades orientan sus unidades de captura usando los datos de sus componentes de captura. Finalmente, la descripción cubre dos modalidades de la invención cuyas características se apartan significativamente de las primeras cuatro modalidades.

El elemento de recolección de energ ía radiante La FI G. 1 muestra un elemento de recolección de energ ía si mple , la FIG. 2 muestra varios de tales elementos siendo instalados en un panel , y la FI G. 3 muestra un panel con su com plemento completo de sesenta elementos.

El elemento com prende tres montajes ríg idos que se mueven en relación unos a otros: la unidad de captura de energía radiante 1 00, la unidad de posicionamiento angular 200 y la unidad de base 300. Para brevedad, la unidad de captura de energía también es referida como el capturador de energía o simplemente capturador, y la unidad de posicionamiento angular también es referida como el posicionador angular o simplemente posicionador. El posicionador angular monta deslizablemente de manera simultánea rieles arqueados del capturador de energía y la unidad de base y por ello proporciona rotaciones parciales alrededor de dos ejes perpendiculares y de intersección - un eje exterior de rotación parcial del posicionador en relación a la base y un eje interior de rotación parcia del capturador en relación al posicionador. El riel arqueado de capturador es un arco de riel en T convexo 190 que se extiende a través de aproximadamente 170 grados de arco. El riel arqueado de base es un arco de riel en T cóncavo 310 que se extiende a través de aproximadamente 170 grados de arco. Debido a que cada una de las dos ranuras de acoplamiento de arco del posicionador se extiende por unos 25 grados de distancia angular, el rango angular de movimiento proporcionado por cada arco es aproximadamente 145 grados.

El posicionador angular usa potencia e información en la forma de electricidad portada a él a través del cable 260 para efectuar su deslizamiento a lo largo de los arcos de montaje, a través de la acción de un par de micromotores de engrane montados dentro del posicionador. El rango de viaje del posicionador en relación a la base y al capturador es limitado por pequeños elevadores en los arcos de montaje, los cuales actúan como topes encontrados por las paredes de posicionador en los desplazamientos angulares máximos.

El elemento de recolección de energía captura energía radiante al concentrarla ópticamente sobre la pequeña celda fotovoltaica de alta eficiencia, o celda PV de potencia 160, la cual convierte la energ ía electromagnética a energía eléctrica.

El capturador de energía consiste de tres partes principales: la torre 150, el plato reflector 1 10 y el arco de montaje convexo 1 90. Mientras que las funciones traslapantes de estas partes son explicadas en secciones subsecuentes, esta sección resalta algunas de sus características salientes.

La torre está compuesta principalmente de una pieza de aleación de aluminio sólida con superficies pulidas que incluyen las facetas paraboloides 1 56, las aletas 154 y las facetas interiores 1 58 (vistas en la FIG. 9). Esta pieza soporta una pirámide de celdas PV de sensor amplio delgadas 164, cada una con un injertado transversal para interceptar luz incidente de ángulo bajo.

Montada dentro del lado inferior cóncavo del bloque 170 que forma la parte superior de la torre se encuentra la celda PV de potencia 160 (vista en la FIG. 9) que mira hacia abajo del eje óptico del capturador y está ubicada en focos compartidos de las superficies paraboloides comprendiendo el plato reflector 1 10. La energía eléctrica es conducida desde dicha celda PV a la base de la torre por el cable plano 172 laminado a una de las aletas de torre.

El plato de reflector tiene una superficie superior con espejo de forma precisa que es altamente reflectante, de espejo y resistencia a la corrosión. Es acoplada con la torre vía un enchufe cuadrado y es diseñado con la torre para asegurar una alineación precisa entre características en las dos partes. El arco de montaje convexo es una pieza separada, unida a la torre en la base de la torre. Ópticamente, el reflector está compuesto de cinco espejos parabólicos, compartiendo un punto focal común y teniendo diferentes longitudes focales. Visto desde su eje óptico, el reflector es un mosaico simétrico de diferentes paraboloides, con elevadores entre los parches, paralelos al eje óptico, completamente escorzado para aparecer como líneas delgadas entre los parches.

Ensamble de panel Los elementos de recolección de energía son diseñados para ser instalados dentro de los recintos similares a panel diseñados para aceptarlos. La FIG. 2 muestra la porción de base de un recinto en el cual los elementos están siendo instalados por un proceso de dos etapas de primeras unidades de base de elementos de instalación y entonces instalar sus unidades de posicionamiento y captura.

Al menos seis unidades de base han sido instaladas al deslizar sus ranuras de riel 318 sobre los rieles de base con muesca 424, y uniendo los extremos de componentes adyacentes a la placa de base de recinto 412 usando sujetadores 416 que acoplan orificios 414 en dicha placa de base.

Cuatro elementos completos han sido instalados al montar módulos pre-ensamblados combinando unidades de posicionamiento angular y captura de energía sobre los arcos cóncavos de unidades de base instaladas. Esta acción de montaje acarrea alinear la ranura exterior del posicionador angular con el riel de módulo de base y aplicar fuerza al lado opuesto del posicionador para hacerlo deslizar sobre el riel. Un pequeño tope en el extremo del riel 312 previene que el posicionador se deslice fuera del riel una vez que se ha instalado. Para completar una instalación de elemento, el tapón en el extremo del cable eléctrico de módulo es acoplado con un enchufe en la base.

La FIG. 3 muestra un panel completado conteniendo 60 elementos, en el cual todos los capturadores de energ ía de elementos son alineados con sus ejes ópticos paralelos a la dirección de luz solar. Los elementos son protegidos del clima por la cubierta transparente 430.

Formas de empaque óptimas La presente invención describe sistemas de captura de energía comprendiendo arreglos de empaque cerrado de elementos de recolección de energía idénticos, donde los elementos no pueden chocar sin embargo se mueven individualmente, y los elementos esencialmente embaldosan el plano cuando sus ejes ópticos coinciden con el eje normal del arreglo. De esta manera, la invención logra simultáneamente dos objetivos importantes: maximiza la eficiencia de apertura de arreglos de elementos de riel de dos ejes al minimizar la fracción de luz que cae entre elementos a fracciones muy pequeñas de luz incidente total; y asegura que los elementos no choquen, sin requerir que el movimiento de los elementos sea sincronizado y sin imponer restricciones sobre el rango de movimiento de los elementos. La invención lo logra, en parte, al proporcionar un método para generar formas de embaldosado plano que, cuando se mueven alrededor de los dos ejes perpendiculares de rotación tales como los provistos por el posicionador angular de la invención, los volúmenes de barrido de cada una de cuya proyección sobre ese plano coincide con la forma.

La siguiente descripción del método de generación de forma de la invención comienza al examinar la falla de formas de embaldosado plano común para proporcionar volúmenes de movimiento que evitan la colisión.

Las FIGs. 4A y 4B muestran un estudio de los perfiles de holgura de un conjunto de formas de embaldosado movidas por el posicionador angular de la invención. La FIG. 4A muestra una modalidad del posicionador angular 20 que monta una placa 1 0 sobre la cual están inscritos los perfiles de cinco polígonos de embaldosado plano. El posicionador es diseñado para moverse a través de 120 grados de movimiento angular alrededor del eje de rotación interior 1 8 de la placa, la cual se monta a través de un arco interior 1 9 y a través de 120 grados de movimiento angular alrededor del eje de rotación exterior 32 de la base, la cual se monta a través del arco exterior 31 . La modalidad es mostrada en una posición donde ambos desplazamientos angulares de los ángulos normales son cero y la placa cae en el plano de embaldosado.

La FIG. 4B muestra los resultados de una simulación en la cual, para cada no de los cuatro polígonos de embaldosado, una traza que estima su perfil de holgura es generado al acumular las proyecciones perpendiculares del contorno de pol ígono sobre el plano de embaldosado para cada combi nación de rotaciones de eje interior y exterior lejos de los ángulos normales respectivos en el rango de menos 60 a 60 grados en incrementos de 1 0 grados.

La simulación muestra que ninguno de los cuatro polígonos es adecuado como un perfil para una unidad de captura de energ ía q ue perm ite la creación de arreglos que embaldosan el plano mientras que se aseg uran simultáneamente de la operación libre de col isión de elementos vecinos. Las porciones del polígono proyectado señala q ue caen fuera del perfil del polígono en el plano de embaldosado que traslapan las celdas de polígonos adyacentes , y es u na aproximación a perfiles en la familia de un parámetro de perfiles de embaldosado cuyos perfiles de holgura no se traslapan mostrados en las FI Gs. 5A a 5C .

Las FIG . 5A a 5C ilustran un método para generar formas planas cada una de las cuales embaldosa el plano y barre un volumen , cuando se mueve por el posicionador angular de la invención, cuya proyección sobre el plano de em baldosado es idéntico al a forma. El método comienza al definir las siguientes cuatro variables i ndependientes.

• Xd: desplazamiento entre formas dentro de cada fila · Yd: desplazamiento entre filas • Rm, Xm: distancias de borde de forma-a-lím ite Ignorando Rm y Xm, los cuales son valores relativamente peq ueños q ue proporcionan un amortiguador entre formas adyacentes, la proporción de Yd y Xd, llamada la proporción de alargamiento, define una familia de un parámetro de formas, siendo esa proporción al menos seno de un tercio de Pl (aproximadamente 0.866) .

Los valores dados de Xd y Yd, las coordenadas de los puntos centrales de dos formas adyacentes, P1 y P2, son establecidas, colocando P1 en el origen . Las dos formas están en filas sucesivas, siendo desplazada la segunda fila desde la primera fila a lo largo del eje X por la mitad de la distancia entre formas adyacentes en la misma fila . El radio de l ímite R es la mitad de la distancia entre P7 y P2. El rad io de arco convexo Rp es R menos Rm y el radio de arco cóncavo Rm es R más Rm. El ancho de mitad de forma Xr es la mitad de Xd menos Xm y la altura de mitad de forma Yr es un valor de más de R y menos de Yd.

Debido a que la forma tiene dos planos de simetría , es suficiente para describir un cuadrante de la forma, y usar reflejos a través de los ejes X y Y para construir la forma completa. El perfil de borde de forma es substancialmente paralelo a la curva de l ímite 90. Su borde está compuesto del arco cóncavo 91 centrado en P2, el arco convexo 92 centrado en P1 y, si la proporción de alargamiento es mayor q ue 0.866 el segmento de línea 93 paralelo al eje Y en la distancia Xr y, opcionalmente la curva 94 a la distancia Yr del origen .

Las proporciones de alargamiento ( Yd dividida por Xd) que resultan en formas útiles para la invención varían desde el valor m ínimo de 0.866 hasta u n valor de quizás 1 .5.

Las FI Gs. 5B y 5C muestran dos arreglos cuyos elementos fueron definidos usando proporciones de alargamiento de 0.866 y 1 .0, respectivamente los valores de los parámetros de forma para los dos arreglos son como sigue: Xd Yd Rm Xm R FIG . 5A 1 00 86.6 0.5 - 1 00 FI G . 5B 1 00 86.6 0.5 0.5 1 1 1 .8 Las placas que miran hacia arriba de los elementos en las dos figuras representan unidades de captura de energ ía, las cuales podrían ser de cualquiera de una variedad de d iseños, pero la su perficie plana representa la porción de la unidad que cae en su plano de apertura , el cual es ese plano perpendicu lar al eje de unidad de simetría y eje o ejes ópticos y que contiene eje de rotación interior de elemento.

De las modalidades enumeradas en esta descripción , la primera , tercera, cuarta y quinta usan la geometría de forma basada en la proporción de alargamiento m ínima de 0.866, mientras que la seg unda y la sexta usan la geometría de forma basada en la proporción de alargamiento de 1 . Sin embargo, cualquiera de las modalidades podría ser adaptada para usar formas de perfiles basados en diferentes proporciones de alargamiento. Las proporciones de alargamiento de 0.866 y 1 .0 tienen cada una características que pueden ser consideradas deseables. La proporción de 0.866 resulta en arreglos de empaque cerrado con una geometría hexagonal reg ular en la cual los seis vecinos de cada elemento yacen a la misma d istancia . La proporción de 1 .0 resulta en arreglos de empaque cerrado , en los cuales la distancia entre elementos en una fila iguala la distancia entre filas .

Las formas de la fam ilia de un parámetro descritas por la invención tienen dos planos de simetría reflejante y embaldosan el plano con el grupo de simetría cmm. Esta familia es parte de una mayor familia de formas de embaldosado plano de este grupo de simetría , arreglos compactos de los cuales tienen vol úmenes de movim iento de no intersección cuando se montan mediante el posicionador ang ular. Sn embargo, la presente familia de un parámetro describe el subconjunto de esta mayor familia cuyas formas tienen el borde de perfil más corto para un área dada y por lo tanto los más útiles como perfiles de colectores de energ ía solar en arreglos compactos.

Las FIGs. 6A a 6D muestran los volúmenes barridos por una forma de embaldosado 1 2 , adecuada para una unidad de captura de energ ía, donde la forma es generada por el método descrito antes con una proporción de alargamiento de 0.866. La FI G . 6A muestra la forma inclinada ligeramente lejos de los ángulos normales en ambos ejes de montaje interior y exterior. La FI G . 6B m uestra el volumen barrido por el capturador de energ ía de unidad conforme gira a través de su rango angular de movimiento alrededor de su eje de montaje interior 1 8. La FIG. 6C muestra el volumen barrido por las partes en movimiento de la unidad - la forma de embaldosado de unidad 12 y su posicionador angular 20 - conforme la unidad gira a través de sus rangos angulares de movimiento alrededor tanto de su eje de montaje interior 18 y eje de montaje exterior 32. La FI G . 6D muestra cuatro de los volúmenes de FIG . 6C arreglados en un arreglo de empaque cerrado, mostrando q ue los volúmenes no se intersectan .

Las FI Gs. 7A y 7 B muestran una simulación que mide la eficiencia de apertura de un arreglo de unidades tal como se muestra en la FI G . 6A sobre un rango de ángulos de inclinación alrededor de los ejes de montaje interior y exterior. La FIG. 7A muestra el método para generar las proyecciones mostradas en la tabla de la FIG. 7B. El plano de proyección 50 y los planos de apertura de los capturadores de los diversos módulos son orientados perpendiculares a la dirección del sol 60, la cual es desplazada de la dirección normal del arreglo 40 por la rotación de eje interior 58 y la rotación de eje exterior 52. Las áreas negras estrechas vistas en algunas de las proyecciones mostradas en la FIG. 7B para rotaciones de eje de 30 grados y menos representan pérdidas de apertura, las cuales, en todos los casos son menores que 5 por ciento.

Diseño de reflector Las FIGs. 8A a 8C muestran el método usado para desinar el reflector de la primera modalidad. Debido a que el reflector tiene dos planos de simetría de espejo, el método describe la generación de un cuadrante simple del reflector, el cual es espejeado subsecuentemente por los planos de simetría para construir el reflector completo. La FIG. 8A muestra un conjunto de cinco secciones paraboloides 1 1 5, 1 16, 1 17, 1 1 8 y 1 1 9 que comparten un punto focal común 1 12. Estas secciones paraboloides son sujetadas por la coraza 102, la cual representa un cuarto de la superficie del volumen de holgura de capturador mostrado en la FIG. 6B. El reflector puede incluir solo porciones de las secciones paraboloides que yacen dentro del volumen de holgura.

La FIG. 8B muestra la superficie superior de un cuadrante del reflector generado al combinar parches de las cinco secciones paraboloides sujetadas mostradas en la FIG. 8A con elevadores que conectan los bordes de los parches. Un mapa 1 20 en el plano perpendicular al eje normal 70 y óptico del reflector define un conjunto de seis regiones donde cada región es proyectada sobre una de las cinco secciones paraboloides para definir un parche paraboloide, indicado en las FIGs. 8B y 8C por el número de su sección paraboloide padre. Estos parches son unidos a lo largo de sus bordes por las superficies elevadoras verticales 128. Las superficies elevadoras están compuestas de caras planas y cilindricas paralelas al eje óptico de reflector y en cualquier parte teniendo una dirección normal separada por 90 grados o menos de la dirección de ese eje. Este diseño asegura que, cuando el eje óptico de reflector es paralelo a la dirección de luz incidente, los elevadores no obstruirán la luz y reducirán por ello la apertura efectiva de la unidad: ni evitarán que luz incidente alcance las superficies paraboloides, ni evitarán que la luz reflejada por las superficies paraboloides alcancen el receptor 160, posicionado a lo largo del eje óptico.

La selección de las formas de las regiones que definen los parches paraboloides es guiada por varios criterios, incluyendo: 1 . Mantener el borde exterior del reflector dentro de una pequeña distancia de la curva de perfil de holgura 122. 2. hacer la longitud focal promedio del reflector tan larga como sea posible. 3. Acomodar las indentaciones en el lado posterior del reflector para proporcionar espacio para el ancho de montaje interior y otras características.

La vista en detalle de la FIG. 8C muestra cómo se cumple el primer criterio. Cada paraboloide intersecta la coraza de sujeción 102 a una altura determinada, en cualquier punto dado, por la longitud focal de paraboloide y por la distancia de ese punto desde el eje óptico 70. La paraboloide 1 1 5, teniendo la longitud focal más corta, intersecta la coraza en la curva más alta, con cada paraboloide sucesora intersectando la coraza a lo largo de una curva inferior. Debido a que la distancia del eje óptico aumenta conforme se mueve hacia la porción ahusada del reflector mostrado en la FIG. 8C, las paraboloides de longitudes focales sucesivamente mayores deben ser seleccionadas para intersectar la coraza a una altura dada, tal como aquélla del plano medio conteniendo la curva de perfil 122. El mapa 120 es diseñado de manera que cada parche paraboloide encuentra la coraza de sujeción dentro de un rango estrecho de desplazamiento vertical desde el plano medio.

El segundo criterio que guía el diseño del reflector es maximizar las longitudes focales promedio de superficies paraboloides comprendiendo el reflector. Mientras que la selección de parches paraboloides que se extienden al borde del reflector es restringida por el requerimiento de que los parches intersectan la coraza de sujeción cerca del plano medio, los parches de paraboloides de longitudes focales más largas pueden ser seleccionadas para el interior del reflector. El uso de un parche grande de paraboloide 1 19 para el interior del reflector en lugar de paraboloides de longitud focal más corta significa que mucho de la luz que alcanza el receptor tendrá un ángulo de incidencia más pequeño que sería el caso de otra manera.

Una ventaja adicional provista por la selección de un paraboloide de longitud focal más largo para el interior de reflector, es que permite el alargamiento de los elevadores entre parches, proporcionando espacio para características tales como los espejos deprimidos 1 24.

En resumen, el presente método es usado para diseñar óptica reflejante para ajustarse dentro de las formas de perfil de embaldosado plano de la invención al combinar múltiples paraboloides teniendo el mismo eje óptico y foco pero diferentes longitudes focales al usar un mapa de regiones contiguas en un plano perpendicular al eje óptico de paraboloides para rebanar parches de las diferentes paraboloides, las cuales se unen entonces a lo largo de sus bordes por superficies elevadoras perpendiculares a dicho eje óptico. Este método es fácilmente generalizado al aplicar al diseño de reflectores que tienen múltiples sectores ópticos, cada uno definido por una apertura y eje óptico, tal como el reflector de la segunda modalidad mostrada por las FIGs. 18, 19A y 19B, o el reflector de la cuarta modalidad mostrada por la FIG. 22.

Un método similar es usado para diseñar óptica refractante para ajustare dentro de las formas de perfiles de embaldosado de plano de la invención y volúmenes de movimiento que evitan la colisión correspondientes. Involucra combinar múltiples secciones de lentes teniendo el mismo eje óptico y foco pero diferentes longitudes focales, donde los grados de las secciones de lentes son determinados por el volumen de movimiento de la unidad de captura. El uso de tal método es ilustrado para un lente teniendo cuatro sectores ópticos en el caso de la tercera modalidad, mostrado por la FIG. 21 .

La FIG. 9 muestra vistas esquemáticas y detalladas de la unidad de captura de energía de la primera modalidad. La unidad es separada en sus tres componentes principales: la torre 150, el reflector 1 10 y el arco de montaje convexo 190. La región circular marcada A es aumentada como DETALLE A para mostrar el injerto refractante 166 que cubre los parches PV direccionales.

La vista magnificada en la esquina derecha inferior etiquetada DETALLE B muestra la depresión en el bloque de torre conteniendo la celda PV de potencia 160 y las facetas que miran hacia adentro espejeadas 158 y las facetas que miran hacia afuera espejeadas 1 56.

La FIG. 10 muestra una vista de la unidad de captura hacia debajo de su eje normal y las tres secciones longitudinales indicadas. La Sección B es cortada justo hacia adelante del eje óptico, de manera que dos de las aletas 1 54 son vistas en perfil.

Las FIGs. 1 A a 1 1 D muestran las trayectorias de rayos de luz representativos que caen en una unidad de captura de energía de elemento. Las FIGs. 1 1 A y 1 1 B muestran la sección diagonal indicada por B en la FIG. 10, y las FIGs. 1 1 C y 1 1 D muestran la sección indicada por C en la FIG. 10. En las cuatro figuras, la luz incidente es paralela al eje vertical de la página, mientras que el eje óptico de la unidad inclinada lejos de esa dirección alrededor del eje perpendicular a la página por cuatro ángulos diferentes: 0 grados en la FIG. 1 1 A, 0.5 grados en la FIG. 1 1 B, 2 grados en la FIG. 1 1 C y 2 grados en la FIG. 1 1 D.

Cuando el eje óptico de unidad es paralelo a la dirección de luz incidente, como en la FIG. 1 1 A, las diversas superficies paraboloides del reflector reflejan luz incidente a la celda PV de potencia 160. El rayo de luz 510 es reflejado por la superficie paraboloide 1 19 a la celda PV de potencia 160. El rayo de luz 512 es reflejado primero por la faceta de bloque de torre 1 56, entonces por la porción inferior del espejo deprimido 124 a la celda PV de potencia. Las PVs de sensor 164 yacen precisamente en la sombra del bloque de torre.

Cuando el eje óptico de unidad diverge solo ligeramente de la dirección de luz incidente, como en la FIG. 1 1 B, mucho de la luz reflejada por las superficies de reflector todavía alcanza la celda PV de potencia, mientras que otra luz comienza a golpear uno o dos de las PVs de sensor 164. El rayo de luz 514 es reflejado por la superficie de paraboloide 1 19 hacia la celda PV de potencia, posiblemente reflejándose fuera de la faceta de bloque de torre interior 1 58 antes de alcanzar la celda. El rayo de luz 516 es reflejado primero por la faceta de bloque de torre 1 56 entonces por el espejo deprimido central 124 a la PV de sensor 164. Debido a la curvatura de la superficie con forma de copa del espejo deprimido, un ligero aumento en la altura del punto de reflexión resulta en un gran cambio en el ángulo de luz reflejada.

Cuando el eje óptico de unidad diverge más de la dirección de luz incidente, como en la FIG. 1 1 C, la luz alcanza las PVs de sensor vía dos clases de rutas. El rayo de luz 520, que pasa justo al lado del bloque de torre 17 golpea la PV de sensor 164 directamente. El rayo de luz 522 es reflejado por la superficie de paraboloide 1 19 a la porción superior de la PV de sensor 164. Aunque ambos de estos rayos de luz alcanzan la PV de sensor vía ángulos muy altos de incidencia, la superficie de rejilla transversal que cubre la PV asegura que mucho de la luz es capturada y absorbida por la PV.

Cuando el eje óptico de unidad diverge todavía más de la dirección de luz incidente, como en la FIG. 1 1 D, la luz continúa alcanzando las PVs de sensor vía dos clases de rutas, pero la cantidad de luz incidente en las PVs aumenta. El rayo de luz 524, pasa directamente a la PV de sensor 164. El rayo de luz 526 es reflejado por la superficie paraboloide 1 19 a la porción inferior de la PV de sensor.

Posicionador angular El posicionador angular de dos ejes 200 tiene dos ranuras arqueadas, una superior 204 que monta deslizablemente el riel convexo 190 y uno inferior 206 que monta deslizablemente el riel cóncavo 31 0.

Cada una de dichas ranuras arqueadas de posicionador es equipada con el rodillo impulsado por motor que asegura el riel respectivo de ranura a lo largo del perímetro del borde bridado del riel. La ranura 204 tiene el rodillo 224, impulsado por el micro-motor de engranes 222 y la ranura 206 tiene el rodillo 228 impulsado por el micro-motor de engranes 226.

Los alambres incluidos en el arnés de cable 230 conectan los componentes electrónicos dentro del posicionador a través de varias cavidades comunicantes. La FIG. 12B muestra un microcontrolador 232 tal como el encontrado en la versión de la modalidad descrita en la FIG. 16.

El cuerpo del posicionador está compuesto por cuatro piezas moldeadas: dos mitades superiores idénticas 214 y dos mitades inferiores idénticas 216. El posicionador es ensamblado al insertar componentes, tales como los motores de tracción y alambres, en cavidades en las mitades superiores e inferiores, acoplando las mitades respectivas, deslizando los montajes superiores e inferiores resultantes juntos, y finalmente asegurando el montaje completo al insertar las boquillas de seguro 218 en orificios laterales en el montaje. Cables exteriores 26 y 262, mostrados en las FIGs. 1 y 2, entran al posicionador a través de las boquillas de seguro.

El posicionador angular proporciona un reciente protector para los motores de engrane y electrónica al tiempo que soportan simultáneamente la unidad de captura de energía solar y proporcionan posicionamiento angular de la misma en relación a la unidad de base. Su articulación con la base es tal que puede removerse al deslizaría fuera del extremo del riel cóncavo anclado en base.

Otras modalidades del posicionador angular puede modificar la manera por la cual una transmisión se acopla a su riel. Una transmisión puede estar equipada con un piñón y el riel con dientes de comunicación, y un servomotor para permitir que un microcontrolador del elemento registre la distancia angular viajada y de ahí infiera la posición angular. O una transmisión puede tener un rodillo con crestas longitudinales que proporcionen mejor tracción sobre la superficie de riel.

La FIG. 13 muestra detalles de una porción de un panel de la primera modalidad, en la cual todos los capturadores de energía son orientados en la posición normal. La vista es una sección justo por debajo de la cara superior amplia de la cubierta transparente del reciento de panel 430. El plano de sección se rebana a través de las paredes laterales someras de dicha cubierta, las cuales se extienden hacia debajo de dicha cara alrededor del perímetro de panel para encontrar las paredes laterales de base opacas 420 El puerto de captación 436 es situado a lo largo del borde inferior del panel. Equipado con filtro 438, puede ser usado ya sea para ecualizar la presión en un panel que es sellado de otra manera del aire exterior, o puede ser usado en conjunción con un ventilador de escape (no mostrado) el cual arrastra aire a través del panel desde el filtro de captación y lo saca a través de un puerto de agotamiento. El puerto de agotamiento puede ser canalizado para entrega de aire calentado a una aplicación tal como calefacción de edificio.

Los alambres de fila 448 conectan las salidas de cada elemento dentro de una fila en paralelo y los alambres de esqueleto 446 conectan dichos alambres de fila ya sea en paralelo o en serie al microcontrolador de panel 450. Los alambres de salida principal 444 conducen la energ ía eléctrica acumulada de todos los elementos y conectan dicho microcontrolador al conector eléctrico 442, montado en el exterior del panel. Un cordón con un conector eléctrico, no mostrado, que se acopla con dicho conector, es usado para suministrar corriente eléctrica generada por el panel a una carga externa.

Electrónica de la primera modalidad La FIG. 14 es un esquema eléctrico del panel mostrado en la FI G. 1 3, simplificado para mostrar solo dieciséis elementos. Esquemas eléctricos de los elementos, los cuales son truncados e indicados por cuadrados punteados en la FIG. 14, son mostrados en las FIGs. 1 5 y 16.

Las FIGs. 1 5 y 16 son esquemas eléctricos de elementos de dos variantes de la primera modalidad, donde la FIG. 1 5 muestra un elemento con un simple par de circuitos análogos que ¡mplementa el comportamiento de auto-orientación del elemento y al FIG. 16 muestra un elemento cuya función es aumentada por un microcontrolador 236.

Esta descripción examina primero las características comunes de los dos circuitos y entonces examina sus características individuales. Los circuitos de elementos son conectados a sus alambres de filas respectivos 448 por los conectores 280. Los conductores 282 y 284 portan corriente producida por la celda fotovoltaica de energía 160 y, en el caso del circuito mostrado en la FIG. 16, proporcionan energía al microcontrolador de elementos 236. Los motores de tracción 222 y 226 son energizados por los pares conductores 286 y 288, respectivamente.

Volviendo ahora a los específicos del esquema en la FIG. 1 5, tiene tres circuitos eléctricos conectados al microcontrolador 236. Cuando la celda PV de energ ía 160 no está produciendo corriente, una desviación de voltaje entre conductores 282 y 284 es mantenida a través de la acción del microcontrolador de panel 450 suficiente para energizar el microcontrolador de elementos 236 y los motores de tracción controlados por él.

Los motores de tracción 222 y 226 tienen ejes equipados con interruptores rotatorios 292 y 284, respectivamente, los cuales están conectados al microcontroladores de elementos 236 por conductores 296 y 298, respectivamente. Al monitorear los voltajes sobre los pares conductores de motores de tracción 286 y 288 en conjunción con las señales de los interruptores rotatorios, el microcontrolador de elementos puede registrar la dirección y la distancia de viaje de cada uno de los rodillos montados en dichos ejes de motor de tracción.

Las unidades de recolección de energía radiante en el sistema de microcontrolador aumentado mostrado en la FIG. 16 tienen la capacidad de rastrear el sol incluso cuando sus sensores de orientación de luz son sombreados por elementos adyacentes temprano o tarde en el día, y cuando el sol está bloqueado por nubes; extendiendo así las horas de operación por día, y reduciendo o eliminando los retrasos para reanudar el rastreo siguiendo breves oclusiones de luz solar directa.

Para el propósito de esta descripción, el rastreo primario es definido conforme el rastreo realizado directamente en respuesta a los potenciales eléctricos o corrientes generados por el sensor de orientación de luz, y el rastreo secundario es definido como todas las otras formas de rastreo. El rastreo secundario está necesariamente bajo el control de microcontroladores de elementos y/o paneles, mientras que el rastreo primario puede o no estar mediados por dichos microcontroladores.

Durante el rastreo primario, un microcontrolador del elemento de recolección registra rotaciones de los motores de tracción como se describe antes, y por ello infiere los desplazamientos angulares de los dos ejes de montaje del elemento sobre el tiempo. El microcontrolador usa estos datos para calibrar un modelo que predice la posición del sol como una función del tiempo de día y tiempo de año y los desplazamientos angulares de los ejes de montaje que mantendrán el eje del elemento de simetría que apunta al sol como una función del tiempo. Entonces, durante el rastreo secundario, dicho microcontrolador suministra corrientes a los motores de tracción para efectuar los desplazamientos de dichos ejes de montaje, como se mide por rotaciones de motor, para mantener la unidad de captura de energía de elemento orientada.

El intercambio entre el rastreo primario y secundario es determinado por el potencial eléctrico entre los conductores 282 y 284: cuando dicho potencial está por arriba de un cierto umbral, debido a que la luz solar concentrada que cae en la celda PV de potencia 160, los rieles de elementos en modo primario, y cuando dicho potencial está por debajo de ese umbral, los rieles de elementos en modo secundario.

El microcontrolador puede estar equipado con interruptores de paso a través que permiten corrientes de los sensores de orientación de luz para energizar directamente los motores de tracción . El microcontrolador puede fallar en tal operación si detecta un mal funcionamiento. Durante la operación de paso a través, las corrientes eléctricas sobre los pares conductores 182 y 184 se combinan con paridad invertida para producir corriente en el par de conductores 288 y corrientes eléctricos en los pares de conductores 1 86 y 1 88 se combinan con paridad invertida para producir corriente en el par de conductores 286.

La función primaria de las PVs de sensor 164 es proporcionar información sobre la dirección de luz incidente en relación al eje óptico de unidad de captura para usarse por circuitos eléctricos para restaurar la alineación entre el eje óptico de unidad y la dirección de luz incidente. Esto es la única función de las PVs de sensor en la modalidad de elemento cuyo circuito eléctrico es mostrado en la FIG. 15. Sin embargo, las PVs de sensor también pueden usarse para generar energía eléctrica cuando el sol es obstruido y luz direccional requerida para enfocar sobre la celda PV de potencia está ausente en modalidades de elementos con la electrónica requerida como se muestra en la FIG. 16. Aunque la energía de cantidad máxima generada por las PVs de sensor es pequeña comparada con aquélla generada por la PV de potencia cuando la unidad está enfocando luz direcciona, la electricidad de las PVs de sensor podría ser usada para funciones tales como proporcionar energía para los microcontroladores de elementos y motores y microcontrolador de panel cuando el sol es obstruido.

Modalidades con múltiples componentes de captura de energía Esta sección describe tres modalidades adicionales de la invención. Estas modalidades comparten con la primera modalidad mostrada en las FIGs. 1 a 3 y 8A a 12B, las siguientes características subyacentes de la invención: • Arreglos de elementos substancialmente idénticos, cada uno con los medios para percibir independientemente su orientación en relación al sol y ajustar su orientación de acuerdo con esto, están arreglados dentro de los recintos similares a panel.

• La unidad de captura de energía del elemento es diseñada de acuerdo con el método ilustrado en las FIGs. 5A a 5C que permite que las unidades estén arregladas en el arreglo de empaque cerrado óptico, en donde sus unidades de captura embaldosan esencialmente el plano cuando están orientadas en sus posiciones normales, aunque no chocan unas con otras sin importar cómo se muevan individualmente.

· La óptica de la unidad de captura de energía es efectuada por la unidad de posicionamiento angular, la cual acopla arcos perpendiculares en la unidad de captura y base.

• Información de celdas fotovoltaicas en la unidad de captura es usada para determinar direcciones de movimiento angular necesario para llevar la unidad hacia alineación con la luz incidente direccional.

Estas modalidades adicionales difieren de la primera modalidad principalmente en la configuración de ta óptica y elementos fotovoltaicos en la unidad de captura de energía y algunos demuestran también variaciones en la forma de la unidad de posicionamiento angular y configuración de arcos de montaje.

Todas las modalidades restantes se apartan de la dependencia de la primera modalidad de celdas PV de sensor dedicadas al incorporar múltiples celdas de PV de potencia en las unidades de captura y que confía en sus rendimientos para derivar información de orientación. La unidad de captura de energía de la primera modalidad mostrada en la FIG. 1 tiene una celda de PV de potencia simple situada a lo largo del eje óptico simple de unidad de captura, y cuatro PVs de sensor arregladas alrededor de su eje. ¾ En contraste, la unidad de captura de energ ía de cada una de las cuatro modalidades restantes tiene celdas de PV de potencia múltiples, teniendo cada una su propio eje óptico. Cuando una unidad de captura de una de estas modalidades está alineada con luz direccional, la luz dentro de su apertura es capturada por cualquiera de varios componentes de captura de energ ía, teniendo cada uno un segmento de apertura, el cual es alguna fracción de la apertura de unidad, un eje óptico paralelo al eje normal de unidad, y celda de PV de potencia ubicada a lo largo del eje óptico. En la mayoría de los casos, la función de concentración óptica de cada componente es realizada por diferentes porciones de una parte común, tal como un lene o reflector de compuesto.

Las FIGs. 17A a 17D muestran las unidades de captura de energía de la primera a cuarta modalidades, con cada una de las cuatro ilustraciones, denotadas A a D, indicando el eje óptico y segmento de apertura correspondiente de los componentes de captura de unidad de captura de energ ía. Elementos completos de las segunda a cuarta modalidades se muestran en las FIGs. 18 a 23.

La FIG. 17A muestra la unidad de captura de energ ía de la primera modalidad, con un solo componente de captura de energía teniendo el segmento de apertura 540 y el eje óptico 541 .

La FIG. 17B muestra la unidad de captura de energ ía de la segunda modalidad, detallada en las FIGs. 18, 19A y 1 9B, la cual tiene cinco componentes de captura de energía, un componente central que usa un lente para enfocar la luz sobre una celda PV que mira hacia arriba y cuatro componentes circundantes que usan porciones de un reflector para enfocar la luz sobre celdas PV que miran hacia afuera. El componente central tiene el segmento de apertura 550 y el eje óptico 551 y cuatro componentes circundantes tienen el segmento de apertura 552 y el eje óptico 553, el segmento de apertura 554 y el eje óptico 555, el segmento de apertura 556 y el eje óptico 557, el segmento de apertura 558 y el eje óptico 559, respectivamente.

La FIG. 17C muestra la unidad de captura de energ ía de la tercera modalidad, detallada en las FIGs. 20A, 20B y 21 , la cual tiene cuatro componentes de captura de energía, usando cada uno una porción diferente de un lente de compuesto para enfocar luz sobre la celda PV. Los cuatro componentes tienen el segmento de apertura 562 y el eje óptico 563, el segmento de apertura 564 y el eje óptico 565, el segmento de apertura 566 y el eje óptico 567, el segmento de apertura 568 y el eje óptico 569, respectivamente.

La FIG. 17D muestra la unidad de captura de energía de la cuarta modalidad, detallada en las FIGs. 22 y 23, la cual tiene cuatro componentes de captura de energía, cada uno usando una diferente porción de un reflector de compuesto para enfocar la luz en una de las celdas PV montadas en elevadores sobre el mismo reflector. Los cuatro componentes tienen el segmento de apertura 572 y el eje óptico 573, el segmento de apertura 574 y el eje óptico 575, el segmento de apertura 576 y el eje óptico 577, el segmento de apertura 578 y el eje óptico 579, respectivamente.

Elemento con cinco componentes de captura La FIG. 18 muestra un elemento de recolección de energ ía de la segunda modalidad de la invención, cuya unidad de captura de energ ía tiene cinco componentes de captura de energ ía, cada uno con su segmento de apertura respectivo, eje óptico y celda PV de potencia. Las FIGs. 19A y 1 9B muestran detalles de la unidad de captura de energía de la segunda modalidad.

Las celdas están montadas en depresiones en el bloque central 632. El componente de captura central usa el lente 640, soportador por la torre perforada 644, para enfocar luz direccional sobre la celda que mira hacia arriba 650.

Cada uno de los cuatro componentes de captura restantes usa un cuadrante del plato reflector 610 para enfocar la luz direccional sobre una de las cuatro celdas PV de potencia que miran hacia adelante 652. Cada uno de dicho cuadrante comprende una serie de superficies paraboloides que comparte el eje óptico que corre a través y el punto focal montado a horcajadas por su celda PV objetivo 652. Las alturas de las diferentes paraboloides que definen las superficies paraboloides del cuadrante y los grados angulares de esas superficies son seleccionadas de manera que la altura de la superficie, donde intersecta el eje interior del elemento de captura, el perfil de holgura permanece dentro de una distancia especificada del plano de apertura del elemento. La FIG. 19B etiqueta las superficies paraboloides de uno de los cuatro cuadrantes, el cual, con el fin de incrementar la longitud focal, son las superficies 61 2, 613, 614, 615, 616, 617 y 618.

Mientras que las cinco de las PVs de potencia participan en la conversión de luz direccional a electricidad cuando la unidad de captura es alineada con esa luz, las celdas PV de potencia que mira hacia afuera 652 son usadas para determinar la dirección de partida de la unidad de captura de energ ía de la dirección de luz incidente cuando los dos ejes no están alineados. Los métodos para usar tal información para impulsar el posicionador angular del elemento para rastrear el movimiento del sol se describen más adelante.

Mientras tanto, comparada con la primera modalidad, la segunda modalidad requiere electrónica más sofisticada para implementar el comportamiento de orientación y rastreo, tiene la ventaja de eliminar las pequeñas pérdidas de apertura de la torre de primera modalidad, mientras que proporciona un vertedero de calor mucho más grande, distribuyendo los puntos de acceso entre las diversas ubicaciones de celda PV y proporcionando espacio interior del vertedero de calor para alambres de PV y paso de estructura térmicamente conductora a través del reflector.

Elemento con cuatro componentes de captura usando óptica refractante Las FIGs. 20A y 20B muestran un elemento de recolección de energía de la tercera modalidad, cuya unidad de captura de energ ía usa un lente de compuesto 710 para enfocar luz sobre cuatro celdas PV de potencia 750. La FIG. 20A muestra el elemento en un estado ensamblado y la FIG. 20B muestra el mismo elemento esquemático.

La FIG. 21 muestra una vista y las dos secciones indicadas de la unidad de captura de energ ía de la tercera modalidad. La vista muestra la unidad desde su eje normal y las secciones, marcadas A y B, cortadas a través de los dos planos de simetría del lente de compuesto.

Las celdas de PV 750 se fijan a los vertederos de calor 752, los cuales son incrustados a su vez en la plataforma 730. Las celas PV son conectadas eléctricamente al conector eléctrico 756 por los conductores 754 incrustados en la plataforma.

La plataforma 730 está conectada de manera rígida a los lentes a través de los arcos de montaje dual 720, los cuales son montados de manera deslizable por las ranuras arqueadas interiores 764 de la unidad de posicionamiento angular 760.

La unidad de captura, comprendiendo el lente 710, los arcos de montaje dual 720 y la plataforma 730 y electrónica montada en la misma, es soportada y posicionada por la unidad de posicionamiento angular 760, la cual consiste de un bloque configurado de material 762 con las ranuras arqueadas interiores duales 764, la ranura arqueada exterior 766 y perforaciones para aceptar el motor de engrane de eje interior 772 y el motor de engrane de eje exterior 776. El posicionador monta de manera deslizable el arco de base 792 integral con la unidad de base 790.

Un módulo de electrónica 780 en la forma de un cabe flexible equipado con conectores y componentes electrónicos incrustados se conecta eléctricamente al tapón de electrónica de PV 756 vía el conector 782, a los motores de tracción vía los conectores 784, y a la base a través del conector 786, el cual aloja el microcontrolador del elemento. Tanto el módulo de electrónica como los motores de engrane de tracción pueden ser reemplazados sin desensamblar de los componentes mecánicos principales del elemento.

Entre las modalidades descritas en la presente, solo la tercera modalidad usa óptica refractante completamente. También usa materiales transparentes para la mayoría de las otras partes voluminosas, tales como los arcos de unidad de captura y plataforma y la unidad de base. Los arreglos de elementos de esta modalidad podrían estar encerrados en paneles teniendo caras posteriores transparentes.

Un panel concentrador predominantemente transparente hecho posiblemente por la tercera modalidad tiene propiedades particularmente útiles para ciertas aplicaciones. Usado en un tragaluz, abertura de ventana o marquesina, tal panel concentraría la gran mayoría de luz incidente sobre sus celdas PV siempre que el sol esté brillando y las unidades de captura de panel estén orientadas para mirar al sol, sombreando por ello el espacio debajo de ella, pero transmitiría la mayoría de luz siempre que el sol esté ocluido o las unidades de captura del panel no estén así orientadas, inundando por ello el mismo espacio con luz. Usado para cubrir una superficie opaca, al panel tendría una apariencia cuyo color y otros atributos visuales imitarían aquéllos de la superficie. Cuando el sol esté brillando y las unidades de captura del panel estén rastreando el sol, el panel absorberá la mayoría de la luz con el fin de parecer mucho más obscuro que la superficie, pero cuando el sol está ocluido o las unidades no están así orientadas, el panel transmitirá la mayoría de la luz incidente a y entonces desde la superficie cubierta, tomando por ello el color y apariencia de la superficie.

Elemento con celdas PV incrustadas en el reflector.

La FIG. 22 muestra un elemento de recolección de energía de la cuarta modalidad, cuya unidad de captura de energía usa un reflector de compuesto, cada uno de cuyos cuatro cuadrantes enfoca luz direccional sobre una celda PV incrustada en un elevador en el cuadrante opuesto del reflector. La FIG. 23 muestra una vista del capturador de energía de modalidad de su eje normal y tres secciones del capturador.

Los métodos usados para crear el reflector son el sujeto de la solicitud de patente PCT/US2009/046606 por el presente inventor. En la presente solicitud la modalidad es usada para ilustrar el montaje de dos ejes provistos por la unidad de posicionamiento angular y los métodos de orientación relacionados con base en las diferencias en los potenciales eléctricos de las celdas PV de potencia.

El reflector 81 0, cuyo lado posterior está unido de manera rígida al arco de montaje convexo 820, es una parte simple con dos planos de simetría reflejante que dividen el reflector en cuatro cuadrantes. La superficie superior de cada cuadrante está compuesta de un conjunto de caras paraboloides que comparten un foco común y eje óptico, y un conjunto de caras elevadoras planas y cilindricas 818 que son paralelas al eje normal de unidad de captura. El foco de los paraboloides de un cuadrante cae en el medio de una cara de elevador del cuadrante opuesto y es montado a horcajadas por una celda fotovoltaica 850 montada en esa cara.

Cuando el eje de simetría del reflector está alineado con la dirección de luz incidente, los ejes ópticos de los cuatro cuadrantes son también, y cada una de las caras paraboloides enfoca luz sobre la celda PV en el cuadrante opuesto.

La cuarta modalidad proporciona varias características, las cuales son ventajosas para la creación de unidades de captura de energ ía. En particular, la incrustación de las celdas PV en elevadores en el reflector por sí mismo remueve las estructuras por arriba del reflector y las cuestiones de diseño concomitantes para asegurar la rigidez de tales estructuras, y minimiza las pérdidas de apertura a partir de ellas. La parte de reflector, la cual constituye el volumen de la unidad de captura de energía, podría ser fabricada como una sola parte por simplicidad y precisión dimensional.

Adicionalmente, debido a que las celdas PV son montadas en el reflector en puntos distribuidos uniformemente alrededor de la circunferencia del reflector y a lo largo de sus radios, el reflector puede proporcionar un vertedero de calor especialmente eficiente, en particular si está compuesto mayormente de un material con alta conductividad térmica, tal como aluminio. Aún si la parte de reflector estuviera compuesta por un material con baja conductividad térmica y por lo tanto inadecuada como un vertedero de calor, vertederos de calor separados unidos a los lados posteriores de las celdas PV podrían ser diseñados con el fin de extenderse hacia el espacio detrás del reflector donde no sombrearían el reflector.

Otra ventaja de la cuarta modalidad es que la luz enfocada sobre las celdas PV por el reflector tiene un ángulo de incidencia promedio bajo, evitando pérdidas reflejantes sobre superficies de celda PV provocadas por altos ángulos de incidencia de luz.

Electrónica para modalidades con múltiples componentes de captura Las segunda a cuarta modalidades comparten la característica común que las distingue de la primera modalidad que tiene múltiples componentes de captura de energía, cada uno desplazado del eje de simetría de unidad de captura de energía en una dirección diferente. Debido a que los componentes de captura están arreglados simétricamente alrededor del eje de simetría de unidad de captura pero son individualmente asimétricos, y debido a la geometría óptica es tal que las celdas PV recibirán alguna iluminación incluso cuando el eje de unidad de captura diverja de la dirección de luz incidente, las celdas PV producirán electricidad, al menos en pequeñas cantidades a niveles que son una función del desplazamiento del eje de unidad desde el eje de luz incidente. A diferencia de la unidad de recolección de energía de primera modalidad, la cual tiene cuarto celdas PV que perciben dirección además de su celda PV de potencia, los elementos de recolección de energía de la segunda a cuarta modalidad dependen de las salidas de sus múltiples celdas PV de potencia para reunir información sobre la orientación de sus unidades de captura de energ ía en relación a luz incidente y dispensan con celdas PV que perciben dirección dedicadas.

Para modalidades con múltiples celdas PV de potencia por unidad de captura, la invención contempla varios métodos por los cuales la unidad determina el movimiento requerido por un posicionador angular para llevar su unidad de captura hacia alineación con luz incidente direccional. Los métodos varían desde circuitos análogos simples solo ligeramente más complejos que el ilustrado en la FIG. 15 a unos que empelan programas almacenados ejecutados por microcontroladores.

Las FIGs. 24 y 25 muestran esquemas eléctricos de dos variantes de la cuarta modalidad. La cuarta modalidad fue seleccionada como un ejemplo representativo con el cual ilustrar diseños de circuitos específicos, variantes de los cuales serían adecuadas para la segunda, tercera y quinta modalidad.

La FIG. 24 es un esquema eléctrico de un módulo de la cuarta modalidad, cuya función de rastreo solar es implementado completamente con electrónica análoga.

En el circuito mostrado en la FIG. 24, los cuatro diodos 870 conectan las salidas de las cuatro celdas PV 850 al alambre de potencia de módulo 880 y los ocho diodos 872 conectan la salida de cada celda PV a uno de los dos alambres de percepción de dirección de eje interior 876 y uno de los dos alambres de percepción de dirección de eje exterior 878.

Los circuitos de control de eje interior y exterior 882 y 884 proporcionan energía eléctrica a los motores de tracción 822 y 826 vía los pares de alambres de motor 886 y 888, respectivamente, con base en los potenciales relativos de sus entradas desde dichos pares de alambres de percepción de dirección 876 y 878, respectivamente. Cuando los dos potenciales de dirección comunicados a un circuito de control son relativamente similares, el circuito balancea los potenciales en sus alambres de motor. Cuando un potencial de alambre de percepción de dirección difiere del otro por al menos algún umbral, el circuito de control intercambia efectivamente un alambre de motor al módulo a tierra y el otro alambre de motor al alambre de potencia de módulo 880, donde el par es invertido cuando la diferencia de potencial de alambre de percepción de dirección es invertida. Por lo tanto, el motor corre cuando el valor absoluto de la diferencia en potenciales de dirección es mayor que algún umbral y en una dirección determinada por el signo de esa diferencia.

La FIG. 25 es un esquema eléctrico de un módulo de la cuarta modalidad teniendo el microcontrolador 860. Los cuatro diodos 870 permiten el flujo de corriente de las celdas PV 850 a la salida y alambre de potencia de módulo 880 al tiempo que permiten el microcontrolador para leer los potenciales sobre las celdas individuales. Usando información sobre tales potenciales así reunidos, el microcontrolador ejecuta un algoritmo, tal como se describe en la siguiente sección, para mover los motores de engrane 882 y 884 con el fin de levar la unidad de captura de energía hacia alienación con luz incidente direccional .

Los elementos cuyos esquemas son mostrados en las FIGs. 24 y 25 se conectan eléctricamente al circuito de panel vía el conector taponable 890, el cual es compatible con el conector 280 mostrado en las FIGs. 1 5 y 16. Tanto la electrónica como los sistemas de montaje de elementos usados en los arreglos pueden ser diseñados para ser compatibles. Los elementos teniendo varios diseños diferentes, en particular en sus unidades de captura de energía, pueden ser usados en los mismos arreglos, siempre que los elementos sean diseñados con perfiles de holgura de operación compatibles, sistemas de montaje de interfases electrónicas.

Algoritmos de orientación para elementos con múltiples componentes de captura La primera modalidad con la electrónica ilustrada en la FI G . 1 5 implementa un método para mover la unidad de captura de energ ía hacia alineación con luz direccional a través de las formas de sus superficies y circuitos eléctricos muy simples. Este comportamiento de orientación es posible debido a que el signo de la diferencia entre la intensidad de iluminación de celdas PV de sensor que mira en dirección opuesta iguala el signo del ángulo del eje óptico de capturador en relación a la dirección de luz incidente en el plano de rotación del eje de inclinación controlado por ese par de celdas PV.

La cuarta modalidad con la electrónica ilustrada en la FIG . 24 también implemente un método para mover su unidad de captura de energía hacia alineación con luz direccional a través de la forma de su reflector y circuitos eléctricos ligeramente más complejos que la primera modalidad.

En varias de las otras modalidades, las relaciones entre los niveles de iluminación PV y desplazamiento del eje óptico de la dirección de luz son más complejas, haciendo la implementación de comportamiento de orientación a través del diseño de sus componentes ópticos y electrónica análoga más difícil. Esta sección describe algoritmos para orientar las unidades de captura de energ ía de modalidades cuyos elementos tienen múltiples componentes de captura de energía y son equipados con microcontroladores.

Debido a que la segunda a quinta modalidades tienen solamente pequeñas celdas fotovoltaicas que montan a horcajadas los puntos focales de sus comunes de captura respectivos y operan a proporciones de concentración de hasta varios miles, niveles de luz para que estas celdas PV caigan a pequeñas fracciones de sus valores pico cuando el eje de unidad de captura aparta de la dirección de luz incidente por tan poco como unos cuantos grados. Sin embargo, la luz direccional continúa cayendo sobre las celdas PV de las modalidades contempladas a través de la mayoría del espacio bidimensional de desplazamientos angulares de la dirección de luz incidente del eje de unidad de captura hasta 90 grados en cualquier dirección del eje normal de unidad, debido a que existen muchas familias de trayectorias alternas que la luz puede tomar para alcanzar las celdas PV y estas familias cubren diferentes regiones de traslape del espacio de desplazamientos angulares. Para componentes de captura que usan óptica reflejante, grandes porciones de este espacio son cubiertas por regiones en donde la luz alcanza la celda PV directamente. Otras porciones del espacio son cubiertas por regiones en donde la luz alcanza la celda PV después de una, dos o tres reflexiones por el reflector de unidad de captura.

En tales modalidades de la invención, las combinaciones de niveles de iluminación sobre varias celdas PV de unidad de captura de energía variarán como una función del desplazamiento angular de los ejes ópticos de unidad de la dirección de luz incidente. La invención proporciona un conjunto de métodos para permitir que elementos de recolección de energía orienten sus unidades de captura en alineación con luz direccional usando datos de tiempo real sobre la iluminación de sus celdas PV combinadas con algoritmos pre-programados y conjuntos de datos que implementan efectivamente mapas inversos de datos de respuesta PV para control de posicionamiento angular.

De acuerdo con este conjunto de métodos, los elementos de recolección de energía traducen datos de respuesta de PV directamente hacia control de posicionamiento, usando conjuntos de datos compactos generados por adelantado a través de un proceso de dos etapas. Ese proceso usa primero un sistema de prueba para producir datos de alta resolución que describen niveles de respuesta PV como una función de posición de unidad de captura y movimiento, y entonces procesa esos datos para generar mapas inversos de control de posicionamiento de orientación como una función de daos de respuesta de PV y cod ifica esos mapas en conjuntos de daos de producción compactos.

Espacios y mapas usados por algoritmos de orientación Los procesos involucrados para generar los conjuntos de datos de producción son descritos con referencia a los siguientes cinco espacios, los cuales son descritos con referencia a las FI Gs. 26A a 26D y 27.

• El espacio de movimiento angular de unidad de posicionam iento, o espacio de movimiento, describe las dos dimensiones de movimiento de los motores de tracción bi-direccionales de la unidad de posicionamiento angular y el movimiento acoplado de la unidad de captura dentro del espacio de posición . La FI G . 26A muestra una representación del espacio de movim iento angular como una región rectangular del plano 900 teniendo un sistema de coordenadas cartesianas cuyo eje ud representa el movim iento alrededor del eje de inclinación interior de la unidad y cuyo eje vd representa el movimiento alrededor del eje de inclinación exterior de la unidad. Los rangos de espacio de movimiento negativo a positivo en am bas direcciones, con la unidad estando sin movimiento en el origen 902.

• El espacio de posición angular de unidad de captura , o espacio de posición , es el espacio bidimensional de orientaciones posibles de la unidad de captura de energ ía en relación a la base de elemento provista por la unidad de posicionamiento angular. La FI G . 26B muestra dos representaciones del espacio de posición de una unidad de captura que puede girar a más y menos 60 grados del eje normal del elemento 904 a lo largo de ambos ejes de inclinación interior y exterior. La porción superior de la ilustración muestra el espacio en relación a la unidad de captura como un parche esférico 906 alrededor del perfil de holgura de la unidad 908. La porción inferior de la ilustración muestra el mismo espacio mapeado a una región rectangular del plano teniendo un sistema de coordenadas cartesianas. El parche y región son regulados por una rejilla que muestra contornos de movimiento angular a lo largo de ambos ejes separados por 10 grados. El origen del espacio de posición angular 91 2 corresponde a la unidad de captura que es orientada de manera que su eje normal es paralelo al eje normal del arreglo. El horizonte de arreglo 914, el cual es un plano perpendicular al eje normal del arreglo conteniendo los ejes de inclinación exterior de los elementos, es indicado como un anillo que rodea el elemento ilustrado.

El espacio de desplazamiento de dirección de luz, o espacio de desplazamiento, es el espacio bidimensional de desplazamientos angulares de la dirección de luz incidente del eje normal de la unidad de captura. La FIG. 26C muestra dos representaciones del espacio de desplazamiento, el cual se extiende fuera de 90 grados en todas las direcciones de la dirección normal de la unidad de captura 924. La ilustración superior muestra el espacio en relación a la unidad de captura como un hemisferio 920 regulado por una rejilla formada por dos conjuntos de curvas, donde las curvas de cada conjunto son paralelas a uno de los dos planos de unidad de captura de simetría. La ilustración inferior muestra el mismo espacio y su rejilla mapeada a una región con forma de diamante del plano teniendo un sistema de coordenadas cartesianas con los ejes g y h. Dado un punto (g, h) en esta representación, las coordenadas cartesianas tridimensionales de su posición en la esfera son expresadas por el siguiente conjunto de ecuaciones: sin(|g|) * cos(h) * (1 - |h|/ju) sin(|h|) * cos(g) * (1 - |g|/n) sqrt(1 - sqrt(x2 + y2)) Existen muchas representaciones alternativas posibles del espacio de desplazamiento, tales como unas reguladas por sistemas de coordenadas polares y unas que usan diferentes proyecciones del hemisferio para el plano. Las representaciones de la FIG. 26C fueron elegidas debido a la densidad con la cual la rejilla cubre el hemisferio varía solo ligeramente y la rejilla mapea a una región compacta del plano cuyos puntos pueden ser asignados con coordenadas cartesianas.

El espacio de respuesta de PV, o espacio de respuesta, es el espacio multi-dimensional que abarcan las posibles combinaciones de valores de salida de las celdas PV de unidad de captura. Este espacio tiene muchas dimensiones ya que la unidad de captura tiene tales celdas PV.

• El delta de espacio de respuesta de PV, o delta de espacio de respuesta, el espacio que abarcan las posibles velocidades de cambio de valores de salida de las celdas de PV de unidad de captura conforme la unidad de captura es movida por pequeños incrementos a lo largo de cada uno de los dos ejes perpendiculares del espacio de movimiento angular. Para cada dimensión del espacio de respuesta de PV, existen dos dimensiones correspondientes en el delta de espacio de respuesta de PV, uno para cada una de las dos direcciones de movimiento provistas por la unidad de posicionamiento angular.

Para la mayoría de las modalidades de la invención descritas en la presente, los elementos de recolección de energ ía y sus unidades de captura tienen la capacidad para percibir directamente sus coordenadas en solo la PV y delta de espacios de respuesta de PV, al leer los niveles de salida de sus celdas PV, y tienen la capacidad para controlar directamente su ubicación en solo el espacio de movimiento angular, al controlar la electricidad suministrada a sus motores de tracción de posicionadores angulares. Los algoritmos descritos más adelante permiten a los elementos mover sus unidades de captura a través del espacio de posición angular, y por ello en el espacio de desplazamiento de luz, en una manera que lleva rápida y eficientemente sus unidades de captura hacia alineación con luz direccional. Cada algoritmo implementa, en efecto, una función cuyo dominio es cualquiera o ambos de los espacios de respuesta de PV y cuyo rango es el espacio de movimiento angular. El diseño de los algoritmos se basa en las relaciones entre los diversos espacios, los cuales son descritos actualmente.

La relación de los primeros dos espacios es directa: los componentes u y v de posición angular son las integrales de los componentes ud y vd de movimiento angular sobre el tiempo.

La relación de los espacios de posición y desplazamiento es variable y es determinada al seleccionar un punto en el espacio de posición, el cual define la orientación de la unidad de captura y por lo tanto la ubicación del origen de espacio de desplazamiento dentro del espacio de posición. La FIG. 26D muestra la representación esférica del espacio de desplazamiento superimpuesto sobre la representación esférica del espacio de posición, el eje y origen del espacio de desplazamiento siendo desplazado desde el origen del espacio de posición por 40 grados a lo largo del eje de inclinación exterior y 30 grados a lo largo del eje de inclinación interior. La construcción requiere que, en el origen de espacio de desplazamiento 922 las rejillas de ambos espacios estén alineadas con los grandes círculos correspondiendo a los ejes g y h del espacio de desplazamiento siendo tangentes a los contornos a lo largo de las direcciones u y v del espacio de posición.

Debido a que la selección de un punto en el espacio de posición como el origen del espacio de desplazamiento determina de manera única cómo los dos espacios son superimpuestos, existe un mapeo uno-a-uno bien definido entre los dos espacios para cada uno de tales puntos. Ese mapeo proporciona que las direcciones de base dentro de los espacios, definidas por las variables u y v en el espacio de posición y las variables g y h en el espacio de desplazamiento, estén alineadas en origen del espacio de desplazamiento. Sin embargo, debido a que los dos espacios son parametrizados de manera diferente, estas direcciones de base divergen con distancia creciente desde el origen del espacio de desplazamiento. Sin embargo, es divergencia no excede mayormente 45 grados, en cualquier parte del mapeo para cualq uier selección del origen de espacio de desplazamiento dentro del espacio de posición .

La relación del espacio de respuesta al espacio de desplazam iento es aquélla de una función multivaluada de dos variables independ ientes. Dada una unidad de captura de energ ía con cuatro celdas PV que participan en la percepción de dirección , para cada punto en el espacio de desplazamiento (g, h) , existe un 4-tuplo de valores de respuesta de PV.

Las FIG. 27A a 27D muestran vistas de la función que mapea el espacio de desplazamiento al espacio de respuesta para una unidad de captura hipotética teniendo cuatro celdas de PV. Las FIGs . 27A a 27C muestran la función de respuesta como gráficas de superficie sobre el espacio de desplazamiento parametrizado por las variables g y h. La FI G. 27A muestra la gráfica para un solo componente de captura . La gráfica tiene un pico 930 sobre el origen del espacio de desplazamiento , donde la luz direccional es enfocada sobre la celda PV del com ponente . La dimensión vertical de la gráfica tiene una escala logarítmica de manera q ue el pico aparece mucho menor en relación a las porciones circundantes de la gráfica que lo que sería el caso si la dimensión tuviera una escala lineal. La FIG. 27B muestra las gráficas de los componentes de captura superimpuestos, donde la cuña es removida de la gráfica para revelar secciones a través de los cuatro componentes. Una línea que se eleva desde el punto de espacio de desplazamiento 940 intersecta las gráficas de los cuatro componentes a los niveles 941 , 942, 943 y 944, respectivamente.

La FIG. 27D muestra una representación del espacio de respuesta como una proyección de un hipercubo tetradimensional, en el cual el punto de espacio de respuesta 946 corresponde al punto de espacio de desplazamiento 940, siendo desplazado desde el origen de espacio de respuesta 948 por las distancias 941 , 942, 943 y 944 e n las cuatro dimensiones que representan los cuatro componentes de captura.

La FIG. 27C muestra la gráfica compuesta de la FIG. 27B sobre solo un cuarto del espacio de desplazamiento. Debido a que las gráficas de respuesta de los cuatro componentes de captura son idénticas unas a otras, modular uno o dos reflejos a través de los ejes g y/o h, el mapa entero de las cuatro funciones de respuesta sobre el espacio de desplazamiento puede duplicarse hacia las cuatro gráficas superimpuestas en un solo cuadrante, reduciendo la memoria requerida para representar el mapa. Usando tal representación de la función, los valores de respuesta para cualquier punto en el espacio de desplazamiento pueden ser reconstruidos al ubicar la imagen de ese punto en los datos conteniendo cuadrante y transponer los ejes de espacio de respuesta de manera acorde. Los detalles de un método para implementar tal duplicación de la representación de función de respuesta son provistos a continuación con referencia a la FIG. 31.

Como una aproximación, el delta de espacio de respuesta también se refiere al espacio de desplazamiento como una función multivaluada de las dos variables independientes g y h, teniendo dos valores para cada celda PV, una para cada una de las dos direcciones ud y vd en el espacio de movimiento. Sin embargo, debido a la divergencia de direcciones de base en mapeos entre los espacios de posición y desplazamiento mencionados antes, esta descripción aplica de manera precisa solamente a la situación en donde los orígenes de estos dos espacios son coincidentes. Una función que describe de manera precisa los derivados de los niveles de respuesta de PV con respecto a la posición angular de la unidad de captura de energía teniendo cuatro celdas PV tiene un dominio tetradimensional y un rango octadimensional: para cada punto ((g,h),{u,v)) existen dos 4-tuplos de los delta de valores de respuesta.

Generación de conjunto de datos Mientas que las relaciones entre los espacios de movimiento, posición y desplazamiento son analíticos y pueden ser caracterizados con rigor matemático, las funciones que mapean estos espacios a la respuesta y delta de espacios de respuesta serán sometidos, para una modalidad dada, para desempeñar las características de las celdas PV y óptica de casos de esa modalidad. La invención proporciona un conjunto de métodos para generar empíricamente estructuras de datos que representan el mapa del espacio de desplazamiento al espacio de respuesta, y con base en esos datos, el mapa inverso del espacio de respuesta nuevamente al espacio de desplazamiento. Estos métodos trabajarán con modalidades teniendo un amplio rango de diseños ópticos, pero cuyas unidades individuales tienen variaciones suficientemente pequeñas en geometría óptica de sensibilidad de PV que los mismos conjuntos de datos proporcionarán comportamiento de orientación robusta desde una unidad a la siguiente.

La FIG. 28 resume la aproximación de usar un sistema de lecho de prueba para generar un conjunto de datos intermedios que represente el mapeo de espacio de desplazamiento a espacio de respuesta, procesando entonces esos datos para generar un conjunto de datos compactos que representan el mapeo inverso de espacio de respuesta al espacio de desplazamiento. Esa aproximación es descrita en detalle ahora.

El algoritmo de orientación ejecutado por los microcontroladores de elementos de recolección de energía usa un conjunto de datos de producción que representa un mapa del espacio de respuesta para el desplazamiento y/o espacios de movimiento. Para una modalidad dada, un conjunto de datos de producción es generado usando un arreglo de prueba cuyos elementos tienen óptica esencialmente idéntica y celdas PV para aquéllos de elementos de arreglo de producción. El arreglo de prueba difiere de un arreglo de producción en que los elementos son equipados con unidades de posicionamiento angular externamente controlados y son instrumentados para medir las posiciones angulares de sus unidades de captura de energía, así como otras condiciones de prueba. El sistema de prueba pudiera ser instrumentado para medir la posición angular del sol o fuente de luz artificial en relación al arreglo, o pudiera usarse con una fuente de luz fija, donde el desplazamiento angular de la fuente de luz es producida al mover el arreglo de prueba. Una modalidad específica de un arreglo de prueba es descrita a continuación con referencia a la Fig. 37.

La generación de un conjunto de datos de producción involucra ejecutar un procedimiento de adquisición para tener un conjunto de datos intermedios llamados los datos de muestra de respuesta y es seguido por procedimiento de procesamiento de datos que examina dichos datos de muestra para producir el conjunto de datos de producción llamado los datos de búsqueda de desplazamiento.

La presente descripción examina primero una simple variante del procedimiento que ignora la desviación de las direcciones de base de los espacios de posición y desplazamiento o sesgo. Debido a que este sesgo entre los espacios generalmente permanece menor en valor absoluto que 45 grados de rotación, tal variante debería producir movimiento de la unidad de captura de energ ía que converge sobre la alineación de su eje normal con la dirección de luz incidente, sin o es por la ruta más directa. Esta variante también ignora el delta de datos de respuesta a favor de observar en solo los datos de respuesta mucho más simples, e ilustra casos en los cuales existen cuatro componentes de captura de energía.

El procedimiento de adquisición de datos acarrea mover los elementos de un arreglo de simulación a través de sus rangos de movim iento en una manera sistemática y posiblemente en forma de pasos mientras que registra, para cada una de las numerosas posiciones que cubren una porción del espacio de desplazamiento , las salidas de sus celdas PV y datos de posición correspondientes. Este proced imiento produce un conjunto de datos que representa el mapa del espacio de desplazamiento al espacio de respuesta como un arreglo de alta resolución de muestras. Estos datos de muestra son un arreg lo bidimensional de 4-tuplos que representan pu ntos en el espacio de respuesta, donde las filas y columnas de arreglo representan las posiciones en el espacio de desplazamiento. Una representación alternativa remueve el requerimiento de que las muestras caen en las líneas de rej illa en el espacio de desplazam iento (contornos de valores g y h ig uales), y tira la estructura de arreglo bidimensional . En ese caso , los datos de desplazamiento son suministrados por un par de coordenadas (g, h) almacenadas con cada muestra en lugar de ser inferidos por la posición de la muestra en el arreg lo.

El algoritmo de orientación y datos El procedimiento de procesamiento de datos examina el conj unto de datos intermedios para generar el conjunto de datos de producción , el cual es un método de acceso y estructura de datos, llamado el mapa de desplazam iento, el cual mapea puntos en el espacio de respuesta a puntos en el espacio de movimiento. La forma preferida de esta estructura de datos es una división del espacio de respuesta en un conjunto de celdas, cada una de las cuales contiene las coordenadas de cero o más puntos o regiones en el espacio de desplazamiento de luz que son probables de estar cerca de o que abarcan las coordenadas reales de la unidad de captura en el espacio de desplazamiento. Dado un punto en el espacio de respuesta, el método de búsqueda ubica la celda en la división de ese espacio dentro del cual el punto cae, y regresa a cero o más puntos o regiones en espacio de desplazamiento almacenados en esa celda.

El microcontrolador de la unidad ejecuta repetidamente el algoritmo de búsqueda, que lo suministra con datos de respuesta de sus celdas PV y que los obtiene de sus datos de espacio de desplazamiento. En cada uno de tales pasos, el algoritmo mapea los datos de desplazamiento a coordenadas de movimiento predichas para mover la unidad de captura más cerca del origen de espacio de desplazamiento, que usa para ajustar los niveles que gobiernan el movimiento de sus motores de tracción del posicionador.

La FIG. 29 es un diagrama de flujo que resume la forma preferida del algoritmo de orientación. Los detalles del algoritmo son descritos a continuación, siguiendo un examen de implementaciones de los datos de búsqueda de desplazamiento y algoritmos.

Debido a que el mapa de espacio de respuesta a espacio de desplazamiento puede ser multi-valuado en lugares, y debido a que el comportamiento de respuesta de la óptica y celdas PV como una función de desplazamiento de luz está sometido a algún grado de error, el propósito del mapa de búsqueda de desplazamiento es permitir al elemento adivinar, lo mejor posible, su posición en espacio de desplazamiento y el movimiento requerido para llevar su unidad de captura más cerca al origen de espacio de desplazamiento. El método de división usa información sobre la distribución simultánea de datos de muestra tanto en espacios de desplazamiento como de respuesta para generar una estructura de datos compacta útil para estimar el desplazamiento de unidad de captura con base en los datos de respuesta.

La FIG. 30 ilustra la relación de celdas de división de espacio de respuesta a coordenadas en espacio de respuesta. El bloque 950 representa el espacio de respuesta tetradimensional que es rebanado para revelar una sección bidimensional del espacio 952, dentro del cual se muestran tres celdas de división. Las curvas 958 indican el mapeo de dichas celdas a puntos y regiones del espacio de desplazamiento 926. Un criterio principal para el algoritmo de división es que produce celdas que el mapean para compactar regiones del espacio de desplazamiento. Una medida útil de la compactación de un conjunto de muestras es su grado angular y a un grado menor su grado radial, debido a que los puntos dentro de una región de grado angular y radial limitado se traducen en puntos similares en espacio de movimiento. Los valores de espacio de desplazamiento almacenados en las celdas de división pueden consistir de puntos que representan los centroides de regiones y pueden incluir datos alrededor del grado de las regiones, tal como es indicado por las formas radiales de las regiones de espacio de desplazamiento mostradas en la FIG. 30.

De las tres celdas mostradas en al FIG. 30, la celda 954 mapea a una región simple, la celda 955 mapea a dos regiones, y la celda 956 mapea a ninguna región, significado por una X. Dada ia función de respuesta mostrada en las FIGs. 27A a 27D, la mayoría del espacio de respuesta estaría ocupado por celdas que, como la celda 956, tienen mapas de valor nulo. El papel el algoritmos de orientación de un mapas de solo valor, de múltiples valores y de valor nulo de celdas de espacio de respuesta a espacio de desplazamiento será explicado a continuación.

Duplicación de mapa de desplazamiento Debido a que las funciones de respuesta de PV para las modalidades descritas tienen simetría reflejante a través de ambos ejes g y h, es posible reducir las cuatro veces de los datos requeridos para representar las funciones al usar datos que cubren solo un cuadrante en conjunción con métodos de acceso para proporcionar mapas que cubren el espacio de desplazamiento completo. A continuación se encuentra una descripción de un método, llamado duplicación de función de respuesta, que aplicar un método de reducción de datos que explotan la simetría para tanto la generación del arreglo de datos de muestra como la generación y uso de los mapas de búsqueda de desplazamiento. El método es descrito con referencia a la tercera y cuarta modalidades, ambas teniendo cuatro componentes de captura, pero con diferentes simetrías.

El método de duplicación de función de respuesta modifica la generación del arreglo de datos de muestra para produci r datos q ue cubren solo el primer cuadrante del espacio de desplazam iento, en el cual tanto g como h son positivos. Como una med ida de control de calidad , los datos pueden ser reunidos de los demás cuadrantes y comparados con los datos registrados para el primer cuadrante. Los datos de muestra para el primer cuadrante son usados entonces para generar el conjunto de datos de producción implementando el mapa de búsqueda de desplazam iento.

Los datos de búsqueda de desplazamiento en esta representación duplicada contienen coordenadas de desplazamiento en solo el primer cuadrante. Sin embargo, se usa para encontrar ubicaciones en cualquier cuadrante del espacio de desplazam iento al usar un método de acceso que mapea permutaciones de las cuatro d imensiones de espacio de respuesta a reflejos de las dos dimensiones de espacio de desplazamiento. Así, mientras que el 4-tuplo sin permutar de valores de espacio de respuesta refiere un desplazamiento en el primer cuadrante , tres permutaciones de los desplazamientos de referencia de 4-tuplo en los otros tres cuadrantes.

La FIG . 31 muestra las permutaciones de las dimensiones de espacio de respuesta que generan los tres cuadrantes restantes del espacio de desplazamiento del cuadrante seleccionado para cada uno de dos casos: la tercera modalidad cuya unidad de captura y mapa de permutación son mostrados a la izquierda y la cuarta modal idad , cuya unidad de captura y mapa de permutación son mostrados a la derecha . Los símbolos r1, r2, r3 y r4 designan las cuatro dimensiones de espacio de respuesta, cada una de las cuales corresponde a un componente de captura como se muestra en el etiquetado dentro de las unidades de captura. El 4-tuplo (r1 ,r2,r3,r4) representa un punto en el espacio de respuesta.

El arreglo de datos de muestra es generado solamente para el primer cuadrante, en el cual g y h son positivos. Los datos de búsqueda de desplazamiento son generados a partir de estos datos y de ahí todos los puntos de desplazamiento referido por celdas de la división de espacio de respuesta están en el primer cuadrante también.

El método de acceso que genera el mapa de desplazamiento a partir de los datos de búsqueda de desplazamiento duplicados es descrito más completamente con el beneficio de las siguientes definiciones. Digamos que D(r1,r2, ...rn) es el mapa de desplazamiento el cual, dadas las n dimensiones de espacio de respuesta r1 a rn, regresa un conjunto de cero o más coordenadas de espacio de desplazamiento de la forma (g,h). Digamos que Df(r1 ,r2, ...rn) es el mapa de desplazamiento duplicado el cual, dadas las n dimensiones de espacio de respuesta r1 a rn, regresa un conjunto de cero o más coordenadas de espacio de desplazamiento de la forma (g,h), donde g y h son ambas positivas. Digamos que Df(r1 ,r2, ...rn)*(sg,sh) es igual, donde cada una de las coordenadas regresadas es multiplicada por el factor de escala (sg,sh) como (g*sg,h*sh). El mapa de desplazamiento duplicado Df corresponde a los datos de búsqueda de desplazamiento que cubren el primer cuadrante. Ahora los mapas de desplazamiento para los dos ejemplos mostrados en la FIG. 31 pueden ser definidos, respectivamente, como sigue: D(r1,r2,r3,r4) = Df(r1 ,r2,r3,r4) U Df(r3,r2,r1 ,r4)*(1 ,-1 ) U Df(r3,r4,r1 ,r2)*(-1,-1) U Df(r1,r4,r3,r2)*(-1,1) D(r1,r2,r3,r4) = Df(r1 ,r2,r3,r4) U Df(r3,r4,r1 ,r2)*(1 ,-1 ) U Df(r4,r3,r2,r1 )*(-1,-1) U Df(r2,r1,r4,r3)*(-1,1) Aunque es ilustra con referencia a las unidades de captura de energía de las tercera y cuarta modalidades de la invención, cada una de estas dos definiciones de mapas de desplazamiento en términos de datos de búsqueda de desplazamiento es aplicable a otras modalidades cuyos componentes de captura comparten sus simetrías. La segunda definición también aplica a la segunda modalidad y ia primera definición también aplica a la quinta modalidad descrita a continuación. Las modalidades teniendo más componentes de captura y por lo tanto los espacios de respuesta de más dimensiones, requerirán diferentes mapas de permutación con base en el mismo método que los presentes ejemplos ilustran.

Modos de orientación El algoritmo de orientación resumido en la FIG. 29 usa el mapa de desplazamiento para inferir la posición de unidad de captura en espacio de desplazamiento dentro de dos procedimientos de búsqueda diferentes: sin estado, en el cual el algoritmo depende exclusivamente de los valores de respuesta actual de unidad; y con estado, en el cual el algoritmo combina los valores de respuesta actual con información sobre la historia de desplazamiento reciente de unidad de captura. Cada procedimiento puede ya sea tener éxito en encontrar un punto de desplazamiento, o fallar, como cuando los valores de respuesta refieren solamente celdas de valor nulo en la división de espacio de respuesta.

El algoritmo puede ser resumido como que tiene dos circuitos o modos de control principales: el modo de búsqueda que ocupa la porción izquierda del diagrama de flujo, el cual mueve de manera repetida la unidad de captura en direcciones aleatorias a través de distancias significativas en el espacio de posición y ejecuta el procedimiento de búsqueda sin estado hasta que el procedimiento tiene éxito, mientras que transfiere el control al circuito de rastreo; y el modo de rastreo que ocupa la porción derecha del diagrama de flujo, que mueve de manera repetida la unidad de captura por pequeños incrementos hacia el origen de espacio de desplazamiento y ejecuta el procedimiento de búsqueda con estado hasta que el procedimiento fracasa múltiples veces en sucesión, sobre lo cual transfiere el control nuevamente al circuito de búsqueda.

El circuito de rastreo registra la información de estado tal como coordenadas de desplazamiento de iteraciones previas y usa esa información para mejorar su desempeño de orientación a través de varios métodos posibles, dos de los cuales son descritos en la presente: eliminar la ambigüedad de resultados de mapa de desplazamiento y compensación para sesgo entre los espacios de desplazamiento y posición.

La FIG. 32 ilustra el uso de información de estado para eliminar la ambigüedad de resultados de mapa de desplazamiento. Conforme se nota con referencia a la FIG. 30, las celdas en la división de espacio de respuesta puede referir múltiples puntos o regiones en el espacio de desplazamiento, que resulta en ambigüedades en el mapa de desplazamiento. Sin embargo, debido a que la unidad de captura es movida por incrementos en el modo de rastreo, las coordenadas de desplazamiento registradas para iteraciones previas son probablemente próximas a las coordenadas de desplazamiento correctas para la iteración actual. Si y cuando el mapa de desplazamiento regresa múltiples puntos candidatos, el algoritmo compara cada uno de tales puntos con uno o más de los puntos recientemente registrados y selecciona el punto candidato, si lo hay, que se ajuste a la tendencia de los puntos recientes, con base en los criterios tales como la longitud y dirección del vector entre puntos sucesivos.

La FIG. 32 muestra el rastro 960 del movimiento de una unidad de captura a través de espacio de desplazamiento, cuyos vértices representan las coordenadas de desplazamiento en cada paso durante el cual el algoritmo lee los valores de respuesta de PV, consulta el mapa de desplazamiento para inferir sus coordenadas de espacio de desplazamiento y ajusta su trayectoria al ajustar velocidades de motor de tracción. Los sectores radiales representan los resultados de las búsquedas de mapa de desplazamiento, con el sector 962 regresado por búsquedas a dos pasos consecutivos y el sector 963 regresado por la búsqueda en el siguiente paso. En el paso indicado por el último punto de rastro mostrado 968, la búsqueda regresa los dos sectores 964 y 965. Debido a que el sector 964 yace en la tendencia de sectores regresados por búsquedas en pasos previos, el algoritmo lo acepta como que indica la ubicación de desplazamiento correcto y rechaza el sector 965.

La FIG. 33 ilustra el uso de información de estado para compensar el sesgo. Como se nota antes con referencia a las FIGs. 26A a 26D, el sesgo entre espacios de desplazamiento y posición generalmente crece con distancia creciente desde el origen de espacio de desplazamiento a tanto como 50 grados dependiendo de los factores tales como la posición angular actual de la unidad de captura, la magnitud de desplazamiento de luz, y la parametrización del espacio de desplazamiento. Si las coordenadas de espacio de desplazamiento inferidas son traducidas directamente en coordenadas de movimiento al mapear los componentes (g,h) a (ud.vd), entonces el algoritmo de orientación producirá movimiento para alinear la unidad de captura con la dirección de luz que, en muchos casos, diverge significativamente de la trayectoria más directa.

Este comportamiento de orientación no óptimo debido al sesgo es corregido fácilmente al introducir una rotación anti-sesgo en el mapa de (g,h) a (ud,vd) y ajusfar esa rotación para cancelar el efecto del sesgo. En cada iteración del circuito de rastreo la posición actual y una o más posiciones previas en espacio de desplazamiento son examinadas para medir la separación angular de la dirección de rastreo de la dirección óptima, y el ángulo anti-sesgo es incrementado por el inverso de ese ángulo.

La FIG . 33 m uestra tres puntos en el espacio de desplazam iento inferido por búsquedas de mapa de desplazamiento a partir de los datos de respuesta de PV en tres pasos consecutivos que ejecutan el circu ito de rastreo con estado. En el primer paso el algoritmo justo ha entrado en el modo con estado, ha estimado coordenadas de desplazamiento del punto 970 y no tiene aún información sobre el sesgo. En ese punto, el sistema de coordenadas de espacio de posición 975 es girado aproximadamente 50 grados con respecto al sistema de coordenadas de desplazamiento. Con base en su posición inferida en el espacio de desplazam iento, el algoritmo deduce la dirección hacia el origen de los espacios 976, el cual es aproximadamente veinte grados en d irección de las manecillas del reloj del eje g del espacio y ajusta las velocidades de tracción del posicionador con base en un mapeo en forma de componentes del vector de dirección de origen en el sistema de coordenadas g, h en el sistema de coordenadas ud. vd. Debido al sesgo 977 , el movimiento es prod ucido en una dirección de aproxi madamente 50 grados en la dirección de las manecillas del reloj desde la dirección óptima 976. En el siguiente paso, el algoritmo mide el ángulo del segmento que conecta el punto previo 970 al punto actual 972 , y resta el ángulo de la dirección actual al origen para obtener un áng ulo antisesgo 978 de aproximadamente menos 50 grados . En este paso, el algoritmo aj usta las velocidades de tracción del posicionador con base en un mapeo del vector de dirección de origen en el sistema de coordenadas g, h hacia el sistema de coordenadas ud, vd con u na rotación por el ángulo anti-sesgo, que resulta en movim iento al siguiente punto inferido 974 cuya dirección se aproxima estrechamente al vector de dirección de origen.

El algoritmo de orientación puede usar medidas en curso de sesgo para hacer inferencias sobre la posición angular de unidad de captura y usar esa información para mejorar el desempeño de varias tareas, tales como búsquedas de la división de espacio de respuesta considerando el sombreado de unidad de captura como se describe a continuación.

Generalizaciones de algoritmos de orientación Los algoritmos descritos antes son designados algoritmos de orientación de espacio de desplazamiento debido a que generan un mapa de espacio de respuesta a espacio de desplazamiento. Aunque la posición angular de unidad de captura puede ser inferida del desplazamiento a lo largo del delta de valores de respuesta, la información de estado tal como una historia de sesgo, el mapa de búsqueda de desplazamiento descrito antes se basa en generar un mapa inverso a partir de la función empírica que mapea los datos de desplazamiento a datos de respuesta de PV.

Los algoritmos de orientación de espacio de desplazamiento asumen, como una aproximación al menos, que una apertura de unidad de captura es iluminada uniformemente para cualquier desplazamiento de luz dado. Sin embargo, como puede verse a partir del estudio de apertura de las FIGs. 7A y 7B, una unidad de captura dentro de un arreglo de empaque cerrado comienza a sombrearse para incluso pequeños desplazamientos de luz y posiciones angulares que se apartan de la dirección normal del arreglo. Los métodos de orientación de espacio de desplazamiento, tal como se describe antes, pueden esperarse que proporcionen comportamiento de orientación robusto para elementos de recolección de energía usados en configuraciones donde no son de tal proximidad cercana que se sombreen unos a otros a través de su rango de movimiento y condiciones de luz incidente, pero no puede esperarse necesariamente, sin modificación, que proporcionen comportamiento de orientación robusta en arreglos de elementos de empaque cerrado.

La FIG. 34 muestra un módulo autónomo que consiste de un elemento de recolección de energ ía de la cuarta modalidad dentro de un recinto diseñado para recibirlo. La porción superior transparente del recinto 980 se extiende muy por abajo del punto de pivote de los ejes de inclinación del elemento y permite que la apertura de la unidad de captura esté completamente iluminada a través de su rango operativo de movimiento. Tales módulos podrían ser instalados en arreglos dispersos de manera que los módulos individuales no se sombrearían significativamente unos a otros. De manera alternativa, los elementos podrían ser instalados en arreglos analizados dentro de los recintos conteniendo múltiples elementos para evitar el sombreado. Sin embargo, varias características útiles de la invención permiten y se refieren al empaque de elementos en arreglos óptimamente compactos en donde las unidades de captura de energía experimentan algún grado de sombreado de unidades vecinas la mayoría del tiempo.

Usados con arreglos de elementos de empaque cerrado, las búsquedas de desplazamiento que usan datos de respuesta de las unidades de captura sombreadas serían propensas a fallar debido a que la división de espacio de respuesta, generada a partir de datos de muestra de solo unidades no sombreadas, estaría faltando la cobertura de porciones de ese espacio correspondiente a condiciones sombreadas. Lo siguiente describe, primero, una modificación de algoritmos de orientación de espacio de desplazamiento que resuelve el problema; y segundo, una generalización de algoritmos de orientación de espacio de desplazamiento que genera datos de muestra e invierte mapas de búsqueda en relación al producto del desplazamiento y espacios de movimiento en lugar de solo el espacio de desplazamiento.

Búsqueda de espacio de respuesta Como se describe antes, el mapa de desplazamiento es usado para inferir ubicaciones en el espacio de desplazamiento dado un punto específico en espacio de respuesta. Sin embargo, la geometría de una unidad de captura de modalidad puede ser tal que las sombras que cubren porciones de ella afectan los valores de respuesta en una manera suficientemente predecible que, dado un punto de espacio de respuesta para un desplazamiento de luz y condición de sombreado dados, un punto de espacio de respuesta para el m ismo desplazamiento aproximado sin sombreado pueden ser ubicados por una búsqueda restringida de la división de espacio de respuesta.

Por ejemplo, si una posición de unidad de captura y desplazamiento de luz resulta en solo uno de sus cuatro componentes de captura siendo sombreados, su punto de espacio de respuesta diferirá de aquél registrado para el mismo desplazamiento en la condición no sombreada solo en que la coordenada de espacio de respuesta para el componente de captura sombreado será reducido. Así, dado un punto en el espacio de respuesta, el algoritmo restringe su búsqueda a subespacios o secciones uni- bi- o tri-dimensionales de la división de espacio de respuesta, dependiendo de si asume que uno, dos o tres de los componentes de captura están sombreados. En todos los casos, la búsqueda necesita examinar solo tales secciones cuyas coordenadas son iguales a o mayores que las coordenadas del punto dado.

Así, incluso asumiendo que los cuatro componentes pueden estar sombreados, la búsqueda de la división de espacio de respuesta todavía está restringida a un subespacio determinado por los valores de respuesta dados. Debido a que los tiempos de búsqueda crecen con el número de dimensiones del subespacio a ser buscado, el algoritmo puede realizar las búsquedas con el fin de incrementar la dimensión del subespacio, dependiendo de la búsqueda cuando ubica una celda que satisface sus criterios de búsqueda. El algoritmo también puede usar información de estado para guiar su orden de búsqueda, tal como al buscar primero el subespacio en el cual una igualación fue encontrada en una iteración previa del circuito de rastreo.

La FIG. 35 muestra una porción de un panel que aloja elementos de recolección de energía de la cuarta modalidad, en el cual la mayoría de los ejes normales de las unidades de captura están alineados unos con otros. Los cuadrantes del reflector del elemento de esquina son etiquetados de acuerdo con las aperturas de sus correspondientes componentes de captura, descritos antes con referencia a las FIGs. 17A a 17D. Si el sol estuviera directamente detrás del observador, entonces todas las unidades de captura visibles son sombreadas en algún grado, con todo el componente de captura más lejano del observador 574 casi completamente no sombreado y teniendo en su mayoría el componente de captura más cercano al observador 578 completamente sombreado. Conforme el desplazamiento de luz en relación al arreglo se vuelve menor, el sombreado de unidades de captura disminuye, tanto en cantidad como en el número de componentes de captura afectado.

Debido a la relación entre el desplazamiento de luz en relación al eje normal del arreglo y sombreado, los algoritmos de orientación de espacio de desplazamiento pueden esperarse que proporcionen comportamiento de rastreo robusto de arreglos de empaque cerrado cuando la dirección del sol está cerrada a la dirección normal del arreglo, pero puede volverse menos eficiente y confiable conforme el desplazamiento angular de estos ejes aumenta. El algoritmo puede explorar este hecho al registrar sus movimientos de rastreo durante las condiciones de bajo sombreado y usando esos datos para calibrar un curso de movimiento programado que es ejecutado en otros tiempos. La implementación de tal movimiento programado puede requerir que el posicionador angular sea equipado para percibir su distancia de viaje en relación a sus arcos respectivos, tal como se describe antes en relación a la FIG. 16.

Mapeos de espacio de condición El algoritmo de orientación generalizado define el espacio de condición de un elemento de recolección de energía como el producto de la posición angular y espacios de desplazamiento de luz. Mientras que los espacios de posición y desplazamiento tienen cada uno dos dimensiones, el espacio de condición tiene cuatro, u y v desde la espacio de posición y g y h desde el espacio de desplazamiento. El espacio de condición es dividido en cuatro cuadrantes con base en los signos de g y h.

La FIG. 36 ilustra el espacio de condición como una proyección de un volumen tetradimensional sobre la página. Para cualquier punto en el espacio de posición dado por el par de coordenadas (u, v) el espacio de condición contiene una rebanada que extiende el espacio de desplazamiento y para cualquier punto en el espacio de desplazamiento dado por el par de coordenadas (g, h) el espacio de condición contiene una rebanada que extiende el espacio de posición. El origen del espacio de condición 982 es el punto donde el origen de espacio de desplazamiento 912 y el origen de espacio de posición 902 se intersectan.

El espacio de condición mostrado en la Fig. 36 es duplicado en la misma manera que el espacio de desplazamiento es duplicado como se describe antes con referencia a la FIG. 31. Los datos de muestra son generados para solo el primer cuadrante de espacio de condición y se usa para generar la división de espacio de respuesta. Dados los valores de respuesta, el mapa de condición regresa las ubicaciones en cualquiera de los cuatro cuadrantes de espacio de condición al regresar la unión de cuatro búsquedas de d ivisión de espacio de respuesta , cada una usando una permutación única de coordenadas de división , y cada una invirtiendo las coordenadas g y u de los resu ltados y/o sus coordenadas h y v, o ninguna, en una de las cuatro posibles combinaciones.

Un sistema de lecho de prueba es usado para producir el arreg lo de datos de muestra que cubren el espacio de condición en tal manera que tal sistema es usado para producir el arreglo de datos de muestra que cubre el espacio de desplazamiento como se describe antes con referencia a la FIG. 28. Sin embargo, los dos grados ad icionales de libertad que del espacio de condición ha comparado con el lugar de espacio de desplazamiento colocan más req uerimientos sobre el sistema de lecho de prueba , un ejemplo de cuya i mplementación es descrita más adelante con referencia a la FI G . 37.

En el procedimiento descrito antes, las unidades de captura de energía se hacen para moverse a través de un rango de dos parámetros de movimiento angular en relación a la fuente de luz, cubriendo al menos un cuadrante del espacio de desplazam iento de luz. Debido a que el espacio de desplazamiento es mapeado si n sombrear las unidades de captura , el lecho de prueba pudiera usar solamente un solo elemento de recolección de energ ía para reunir datos. En el presente procedimiento, el movim iento de las unidades de captura en relación a la base de arreglo y en relación a la fuente de luz corresponde a movimiento dentro del movimiento angular ortogonal y subespacios de desplazamiento de luz del espacio de condición, respectivamente. Cuando una unidad de captura es movida en relación a la base mientras que se mantienen su orientación en relación a la constante de fuente de luz, los niveles de respuesta de PV cambian solamente como una función del movimiento de las sombras a través de la unidad de captura. Para capturar esta función de respuesta de PV en relación al movimiento angular, la unidad de prueba necesita generar sombras, ya sea a través de usar un arreglo de elementos de recolección de energ ía instrumentados, o a través de usar un solo elemento instrumentado rodeado por elementos de maqueta que se mueven en unísono con el elemento central y lo sombrean.

La FIG. 37 muestra una porción de un sistema de lecho de prueba que permite la recolección de datos de muestra para una cobertura del espacio de condición. El sistema usa un dispositivo de posicionamiento de lecho de prueba en el cual la plataforma 1010 con un posicionador angular de dos ejes 1020, por sí mismo una variante del posicionador angular de la invención, diseñado para mover un pequeño arreglo de unidades de recolección de energía 1 012 a través de un rango de movimiento que simula el rango de posibles desplazamientos del sol en relación al eje normal del arreglo. En la ilustración, la plataforma cuyo eje normal es 1006, es girado 10 grados alrededor de su eje de inclinación interior en relación a su base, cuyo eje normal es 1 004, y las unidades de captura de energía, el eje normal de la unidad central siendo 1 008, están giradas 40 grados alrededor de sus ejes de inclinación exteriores en relación a sus bases y la plataforma. La plataforma es desplazada por debajo de su eje de inclinación interior de manera que el centro de rotación del dispositivo de posicionamiento de lecho de prueba corresponde al centro de rotación de la unidad de captura de energía central.

Debido a que el dispositivo de posicionamiento de lecho de prueba proporciona un rango de dos ejes de movimiento angular del arreglo de prueba en relación a una fuente de luz fija que simula los desplazamientos angulares relativos del sol, mientras que los posicionadores angulares de los elementos de recolección de energ ía del arreglo proporcionan un rango de dos ejes independiente de movimiento angular de las unidades de captura de energ ía al arreglo produciendo las condiciones de sombreado dentro del arreglo, el sistema de lecho de prueba permite la generación de datos para una cobertura del espacio de condición tetradimensional que usa una fuente de luz fija.

El mismo aparato mostrado en la FIG. 37 podría ser usado con el sol, derivando posibles problemas que surgen de las diferencias entre la luz solar y la luz artificial, pero introduciendo un cambio constante en el espacio de desplazamiento debido al movimiento del solar. Muchos métodos podrían ser usados para recolectar tales datos dinámicamente cambiantes que usan el sistema de lecho de prueba de cuatro ejes controlado por computadora. Un conjunto de métodos registra una serie de rastros para cada componente de captura, registrando cada uno sus datos de respuesta de PV como una función de tiempo absoluto y, con información sobre la historia de posición de lecho de prueba y trayectoria del sol, usa los rastros para producir una cobertura de espacio de condición. Debido a la ubicación del sol, los ángulos de inclinación de la captura de lecho de prueba y aquéllos de la base de lecho de prueba pueden ser determinados con un grado relativamente alto de precisión , la ubicación en espacio de condición de cualquier punto a lo largo de un rastro también se puede. Un método para producir una cobertura de espacio de condición como un arreglo tetradimensional de muestras, tal como se indica por la FI G. 36 es asignar a cada punto de muestra los valores de respuesta del punto de rastro más cercano a su espacio de condición.

Calibración de respuesta de PV individual Los métodos descritos antes dependen de las celdas PV de unidad de captura que proporcionan información sobre su iluminación en la forma de salidas eléctricas donde la magnitud de una salida de celda es proporcionar a la cantidad de luz solar que cae sobre ella. El procedimiento descrito antes para derivar mapas de búsqueda inversa de condición y desplazamiento a partir de mapas de respuesta de las celdas PV dentro de una unidad de captura, asumen que esas celdas tienen características de respuesta que son substancialmente idénticas unas a otras y a las celdas PV dentro del sistema de lecho de prueba. Sin embargo, las celdas PV que son fabricadas para especificaciones idénticas pueden tener diferencias significativas en características de respuesta y la invención proporciona medios para compensar tales diferencias. Estos medios consisten en registrar en cada microcontrolador del elemento de recolección de energía datos de calibración para cada una de las celdas PV del elemento, siendo usados tales datos para normalizar cada dato de salida de PV antes de ser usado por los mapas de condición o desplazamiento.

La invención contempla dos tipos de normalización de salida de PV. En el primer tipo de normalización, un simple coeficiente es almacenado para cada celda PV, y sobre cada acceso, el valor de salida de PV es multiplicado por el coeficiente para obtener el valor normalizado. En el segundo tipo de normalización, una estructura de datos que representa una función es almacenada para cada celda PV, y sobre la cual cada acceso, el valor de salida de PV es pasado a la función para obtener el valor normalizado.

Otros métodos de generación de datos de muestra La descripción anterior expone cuatro métodos de programar dispositivos concentradores de recolección de energía solar equipados con microcontrolador que tienen ciertas características para mover sus medios de captura de energía en alineación con luz direccional, donde esos métodos usan datos de muestras generados empíricamente que describen los niveles de respuesta de PV como funciones de condiciones de posición para generar datos que describen un mapa inverso de niveles de respuesta de PV a esas condiciones. Los sistemas de lecho de prueba descritos usados para generar los datos de muestra son dispositivos físicos que emplean elementos de recolección de energía similares a aquéllos de sistemas de producción . Sin embargo, los mismos métodos para generar y usar mapas inversos para inferir el desplazamiento de información de posición de datos de respuesta de PV podrían emplearse donde los datos de muestra fueron generados por medio de simulaciones de computadora en lugar de un sistema de lecho de prueba físico, siempre que la simulación fuera suficientemente realista, dadas las características de la modalidad, para producir datos de muestra útiles.

Otras modalidades Las modalidades escritas antes muestran formas preferidas de las tecnologías completamente desarrolladas existentes dadas de la invención, tales como celdas fotovoltaicas de triple empalme con eficiencias de luz solar-a-electricidad que se aproximan a cuarenta por ciento en factores de forma debajo de unos cuantos milímetros cuadrados de área, micro motores de engrane de alta proporción de la mitad del diámetro de un lápiz, microcontroladores que pueden almacenar megabytes de datos y métodos de fabricación de alto volumen para partes de óptica de precisión el tamaño de los objetos sostenidos a mano. Las invenciones se refiere a métodos de posicionamiento angular, generación de forma de óptica de colisión cero de empaque cerrado, y rastreo por elemento pueden aplicarse en formas que se ven muy diferentes de dichas modalidades.

Las dos modalidades finales ilustran formas de la invención hechas posibles mediante el desarrollo de métodos de fabricación que pueden no existir todavía, pero que son previsibles. Por ejemplo, la quinta modalidad usa unidades de captura de energ ía similares a panes que pudieran ser bastante pequeñas. La fabricación de motores, electrónica y óptica en tan pequeñas dimensiones y en tan grandes cantidades puede no ser económica hoy en día, pero es probable que se vuelvan más en el transcurso del tiempo conforme la tecnología de micro-fabricación automatizada avanza. De igual manera, la sexta modalidad requiere receptores fotovoltaicos diminutos a ser posicionados y alambrados en arreglos de miles. Pueden existir máquinas hoy en día que puedan ser programadas y configuradas para realizar justo esas tareas, pero su uso para fabricar componentes del tamaño de paneles solares puede no ser económico.

Elementos montados en estructuras de base tipo charola.

Las FIGs. 38A y 38B muestran la quinta modalidad de la invención, la cual usa una unidad de captura de energía que combina la óptica reflejante y refractante y donde las unidades de captura de energía y posicionamiento angular forman módulos cuyas formas combinadas anidan dentro de cavidades dentro de una plataforma similar a charola diseñada para recibirlas.

La FIG. 38A muestra una porción de una charola 1 140 teniendo 1 8 cavidades completas, cinco de las cuales son ocupadas por módulos 1 106 y un solo módulo suspendido por la charola de base 1 108.

La FIG. 38B muestra la unidad de posicionamiento angular de un solo módulo, en el cual los bordes escondidos son indicados por líneas punteadas. La unidad de posicionamiento de esta modalidad contrasta con variantes en las otras modalidades ya que tiene la forma de un arco que se extiende a extremos opuestos de la unidad de captura, la cual se monta axialmente en lugar de circunferencialmente vía clavijas axiales 1 122. Igual que las demás modalidades, la unidad de posicionamiento aplica torque tanto sobre los ejes de inclinación interiores y exteriores circunferencialmente, vía rodillos de tracción montados próximos al punto medio del arco. El rodillo de tracción interior 1 134, que sobresale de una cavidad en la superficie superior del cuerpo del posicionador, se acopla al lado inferior de la superficie aproximadamente esférica 1 1 1 0 de la unidad de captura de energía. El rodillo de tracción exterior 1 1 38, que sobresale de una cavidad en la superficie inferior del cuerpo del posicionar, se acopla al riel cilindrico 1 142 en la cavidad de base en la cual el módulo es instalado. Los rodillos de tracción son energizados por pequeños motores de engrane cuyos cuerpos caen la mayoría dentro de los rodillos y son anclados al cuerpo del posicionador.

La óptica de las unidades de captura de energía usan una combinación de refracción y reflexión, donde la luz incidente es primero refractada al entrar al cuerpo transparente sólido de la unidad, y entonces reflejado por una superficie espejeada en el lado posterior del cuerpo antes de converger finalmente sobre las celdas PV incrustadas en el cuerpo. Cada unidad de captura tiene cuatro componentes de captura de energía arreglados en un patrón similar a aquél encontrado en los componentes de captura de la tercera modalidad.

Las Figs. 38A y 38B no muestran detalles de los conductores que conectan los diversos componentes eléctricos. En un diseño, los conductores pasan entre la unidad de captura y la unidad de posicionamiento angular cerca o a través de una de las clavijas axiales 1 122, y los conductores pasan de la unidad de captura a la charola de base a través de un pequeño cable que emerge de una de las caras de unidad de captura y pasa hacia la base a un enchufe ubicado justo detrás del riel 1 142. El cable tiene suficiente rigidez para asegurar que se curva en un amplio arco, previniendo que se enrede entre la base y módulos.

Elemento con micro-óptica La Fig. 39 muestra un elemento de recolección de energ ía de la sexta modalidad de la invención, cuya unidad de captura de energía tiene una superficie similar a placa que contiene un micro-arreglo de más de mil micro-elementos concentradores. La porción inferior de la fibra muestra un elemento de recolección de energía simple, basado en una proporción de alargamiento de 1 .0 y el bloque aumentado en la porción a mano derecha superior de la figura muestra una vista aumentada de una porción del micro-arreglo teniendo 56 celdas fotovoltaicas.

El medio de concentración óptica es explicado con referencia a la vista aumentada. El material transparente 1220 forma un lente de compuesto con un eje óptico par cada celda fotovoltaica perpendicular a la placa 1210 que soporta el micro-arreglo. Cada elemento del lente de compuesto 1222 tiene un punto focal centrado en su celda PV respectiva 1230. Las celdas PV son conectadas por las tiras conductoras 1 232, las cuales recolectan la energía eléctrica generada por las celdas PV y la transmiten a través del primer cable 1250 a la unidad de posicionamiento 1240 y entonces a través del segundo cable 1252 a la base de unidad.

El par de placas delgadas 1214, las cuales son mutuamente perpendiculares y cada perpendicular de la placa 1210 dividen filas y columnas de micro-elementos a lo largo de los planos de simetría de la unidad de captura de energ ía. Siendo paralelas a los ejes ópticos de los micro-elementos, estas placas no sombrean alguno de los micro-elementos cuando la unidad está alineada con luz incidente direccional , pero sombrean progresivamente más de los micro-elementos conforme el eje de unidad se aparta de la dirección de luz incidente. Cuáles micro-elementos son sombreados depende de la dirección de separación del eje de unidad de la dirección de luz incidente. La electrónica de la unidad de captura de energía usa información sobre cuáles micro-elementos son sombreados para determinar la dirección angular que la unidad de captura necesita para moverse para restaurar la alineación entre su eje y la dirección de luz incidente y comanda la unidad de posicionamiento angular para moverse de manera acorde.

Glosario de términos Unidad de posicionamiento angular (también posicionador angular, posicionador): el componente que orienta la unidad de captura de energía a través de la acción deslizante de sí misma contra arcos perpendiculares en la base y la unidad de captura.

Espacio de posición angular (también espacio de posición): el espacio bidimensional que abarca el conjunto de posiciones angulares posibles de la unidad de captura de energ ía en relación a la base provista por la unidad de posicionamiento angular.

Apertura: la región en un plano perpendicular a la dirección de luz dominantemente paralela que define una columna de tal luz que caerá en un dispositivo.

Plano de apertura: el plano perpendicular a un eje normal de la unidad de captura de energía que contiene el eje de inclinación interior de la unidad.

Eficiencia de apertura: la fracción de luz que cae sobre un arreglo de elementos que es capturado por aquellos elementos.

Segmento de apertura: esa porción de una apertura de elemento cubierta por uno de sus componentes de captura de energía.

Eje normal de arreglo (también eje normal de panel): la dirección perpendicular al plano de un arreglo de elementos de recolección de energía.

Unidad de base: esa porción de un elemento de recolección de energía que soporta su unidad de posicionamiento angular a través de un arco de montaje que ancla el elemento a la base de arreglo u otra plataforma.

Eje normal de unidad de captura: el eje central de una unidad de captura de energía a la cual su eje óptico o ejes son paralelos, y usualmente coincidentes con la intersección de los planos de la unidad de simetría reflejante.

Centro de rotación: el punto en el cual los ejes de inclinación interior y exterior se intersectan.

Arco de montaje cóncavo: el arco de montaje que está unido de manera rígida a la unidad de base.

Mapa de condición: la estructura de datos y métodos de acceso que, coordenadas dadas en espacio de respuesta, regresa a cero o más puntos en el espacio de condición.

Espacio de condición: el espacio tetradimensional que abarca el conjunto de desplazamientos angulares posibles de la dirección de luz direccional incidente del eje normal de unidad de captura de energía y las posibles posiciones angulares de la unidad de captura de energ ía en relación a la base provista por la unidad de posicionamiento angular.

Arco de montaje convexo: el arco de montaje que está unido de manera rígida a la unidad de captura de energ ía.

Delta de espacio de respuesta de PV (también delta de espacio de respuesta): el espacio cuyas dimensiones son las tasas de cambio de los niveles de salida de celdas PV de la unidad de captura de energ ía en respuesta a pequeños movimientos a lo largo de las dos direcciones de espacio de posición angular.

Mapa de desplazamiento: la estructura de datos y método de acceso que, coordenadas dadas en espacio de respuestas, regresa a cero o más puntos en el espacio de desplazamiento de luz.

Datos de búsqueda de desplazamiento: la estructura de datos, que consiste de una división del espacio de respuesta en celdas que se refieren a puntos y/o regiones en el espacio de desplazamiento, usada por el mapa de desplazamiento.

Proporción de alargamiento: la proporción de la distancia entre filas a la distancia entre elementos dentro de una fila en un arreglo de elementos de recolección de energ ía.

Componente de captura de energía (también componente de captura): una porción funcional de una unidad de captura de energ ía teniendo un segmento de apertura.

Unidad de captura de energ ía (también capturador de energía): la porción de un elemento de recolección de energía que comprende la óptica concentradora de luz y medios de conversión de luz-a-electricidad.

Elemento de recolección de energía: el montaje, arreglos de los cuales son instalados dentro de recintos similares a panel, comprendiendo una unidad de captura de energía, unidad de posicionamiento angular y unidad de base.

Eje de inclinación interior: el eje de rotación parcial del posicionador angular en relación a su carga útil, tal como la unidad de captura de energ ía.

Espacio de desplazamiento de luz: el espacio bidimensíonal que abarca el conjunto de posibles desplazamientos angulares de la dirección de luz direccional incidente del eje normal de la unidad de captura de energía hasta 90 grados de ese eje.

Eje de montaje: eje de inclinación que usa un posicionador angular.

Arco de montaje: ya sea del arco de montaje convexo o arco de montaje cóncavo, los cuales son acoplados por la unidad de posicionamiento angular para soportar y proporcionar movimiento angular de la unidad de captura de energía.

Eje normal: (Ver eje normal de unidad de captura o eje normal de arreglo.) Perfil de holgura operacional: el volumen barrido por una unidad de captura del elemento de recolección de energ ía y unidad de posicionamiento conforme se mueven a través de sus rangos de movimiento a través de la acción de la unidad de posicionamiento angular.

Eje de inclinación exterior: el eje de rotación parcial del posicionador angular en relación a la base.

Función de respuesta de PV: la función que mapea puntos en el espacio de desplazamiento de luz a puntos en el espacio de respuesta de PV para un diseño dado de unidad de captura de energía.

Espacio de respuesta de PV (también espacio de respuesta) : el espacio cuyas dimensiones son los niveles de salida de celdas PV de unidad de captura de energía.

División de espacio de respuesta: la segmentación del espacio de respuesta en celdas, con base en la distribución de muestras en espacio de desplazamiento y respuesta, codificada en los datos de búsqueda de desplazamiento.

Arreglo de datos de muestras: el conjunto de datos generados usando el arreglo de simulación, consistiendo de muestras dando puntos de espacio de respuesta para cada uno de una rejilla densa de puntos en el espacio de desplazamiento o producto de espacios de desplazamiento y posición.

Eje de inclinación: cualquiera de dos ejes alrededor de los cuales la unidad de posicionamiento angular genera movimiento angular - un eje interior de movimiento en relación a la unidad de captura de energ ía y un eje exterior de movimiento en relación a la base.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un sistema de recolección de energía solar que comprende un arreglo bidimensional de elementos de recolección de energía soportados en una estructura de base, cada elemento equipado con una unidad de captura de energía que incorpora óptica concentradora de luz y medios de conversión de luz-a-electricidad, un montaje que permite inclinación de la unidad de captura alrededor de dos ejes substancialmente perpendiculares y medios para efectuar inclinación alrededor de tal eje; en donde la mejora consiste de cada montaje de 2 ejes del elemento y funciones que efectúan inclinación que están combinadas en una unidad de posicionamiento angular compacta que soporta y posiciona la unidad de captura de energía en relación a sí misma al montar y moverse a sí misma a lo largo de uno o más rieles arqueados convexos integrales a la unidad de captura, y soporta y posiciona a sí misma en relación a la estructura de base al montar y moverse a sí misma a lo largo de un riel arqueado cóncavo fijado de manera rígida a dicha estructura de base.

2. El elemento de recolección de energía de la reivindicación 1, en la cual la unidad de posicionamiento angular contiene una ranura arqueada que monta deslizablemente el riel convexo de unidad de captura y una ranura arqueada substancialmente perpendicular que monta deslizablemente el riel cóncavo de unidad de base.

3. El elemento de recolección de energía de la reivindicación 1 , en el cual la unidad de posicionamiento angular contiene un par de rodillos impulsados por motor o engranes de piñón, acoplando cada uno de dichos rieles y controlando el viaje de la unidad de posicionamiento a lo largo del riel.

4. El elemento de recolección de energía de la reivindicación 3, en la cual dichos motores son energizados mediante electricidad generada por celdas PV que miran hacia afuera dentro de la unidad de captura de energía del elemento.

5. El elemento de recolección de energ ía de la reivindicación 3, en el cual dichos motores son energizados por electricidad cuyas características son controladas como una función del vector multidimensional de niveles de respuesta de cada una de las varias celdas PV de potencia en la unidad de captura de energía del elemento.

6. El elemento de recolección de energía de la reivindicación 1 , en el cual la articulación entre la unidad de posicionamiento angular y arco cóncavo unido a base permite al formador ser removido de y reinstalado en el último a través de una simple acción manual, y donde el procedimiento de instalación no involucra calibración.

7. El elemento de recolección de energía de la reivindicación 1 , en el cual el eje de inclinación interior, definido por los centros del o los rieles arqueados en la unidad de captura de energía, y el eje de inclinación exterior, definido por el centro del riel arqueado en la base, son perpendiculares unos a otros y se intersectan.

8. La unidad de captura de energía de la reivindicación 7 que está siendo configurada y diseñada de manera que: tenga un perfil como es visto desde su eje normal que corresponde a su apertura de óptica y la cual, excepto por una abertura inter-unidad pequeña, embaldosa el plano con un patrón del grupo de simetría cmm; y cuando se mueve alrededor de sus ejes de inclinación bajo el control de la unidad de posicionamiento angular, barre un volumen cuya proyección perpendicular a la base cae exactamente dentro de dicha forma de perfil.

9. El sistema de recolección de energía solar de la reivindicación 1 , en la cual los elementos de recolección de energ ía no chocan sin importar cómo se muevan individualmente.

10. El sistema de recolección de energía solar de la reivindicación 1 , en la cual la estructura de base es parte de un recinto con una cara superior transparente que protege los elementos de recolección solar.

1 1 . Un elemento de recolección de energía solar que usa óptica concentradora de luz en conjunción con celdas fotovoltaicas en una unidad de captura de energía rígida soportada en un montaje de 2 ejes en donde la mejora consisten en implementar rastreo de sol de circuito cerrado sin sensores dedicados al segmentar la unidad de captura en diferentes componentes de captura teniendo ejes ópticos paralelos pero teniendo cada uno óptica asimétrica y ejecutando el movimiento de orientación con base en el patrón de tiempo real de respuestas de las celdas de componentes de captura a luz direccional fuera de eje.

12. El elemento de la reivindicación 1 1 , en el cual datos derivados de medir el comportamiento de elementos de recolección de energía en un ambiente de lecho de prueba se usan como la base para calcular el movimiento de orientación dados datos de respuesta de celda de tiempo real.

13. Un método para crear una unidad óptica concentradora de manera que su forma de apertura iguala su forma de perfil en un plano perpendicular a su eje normal, y la proyección de la unidad sobre el plano de base para cualquier conjunto de inclinaciones provisto por un montaje de rastreo de dos ejes también cae dentro de esa forma, al combinar múltiples componentes ópticos teniendo cada uno una diferente apertura y longitud focal pero compartiendo un eje óptico común y punto focal, donde dichas aperturas de componente embaldosan dicha forma o sección del mismo.

14. El método de la reivindicación 1 3 usada para crear un reflector donde dichos componentes ópticos comprenden parches de múltiples paraboloides donde los parches forman una gráfica sobre dicho plano de base con superficies elevadoras paralelas a dicho eje óptico que une los bordes de parches adyacentes, y donde la gráfica encuentra la curva de perfil dentro de una distancia máxima especificada desde dicho plano.