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KR100880683B1 - 태양광 집광 시스템 - Google Patents

태양광 집광 시스템 Download PDF

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KR100880683B1
KR100880683B1 KR1020080011131A KR20080011131A KR100880683B1 KR 100880683 B1 KR100880683 B1 KR 100880683B1 KR 1020080011131 A KR1020080011131 A KR 1020080011131A KR 20080011131 A KR20080011131 A KR 20080011131A KR 100880683 B1 KR100880683 B1 KR 100880683B1
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KR
South Korea
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light
sunlight
solar
lens
reflecting
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오세대
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주식회사 엔에스넷
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Abstract

본 발명은 태양광 집광 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 반사부재와 집광부재를 이용하여 건물 외벽에 형성함으로써 많은 집광 면적을 확보할 수 있으며, 이송거리의 제한 없이 적용가능하여 집광의 효율성을 높일 수 있는 태양광 집광 시스템에 관한 것이다.
태양, 집광, 반사판, 프레넬 렌즈, 비구면 렌즈, 자연채광

Description

태양광 집광 시스템 {Condensing System Of Solar Light}
본 발명은 태양광 집광 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 반사부재와 집광부재를 이용하여 건물 외벽에 형성함으로써 많은 집광 면적을 확보할 수 있으며, 집광의 효율성을 높일 수 있는 태양광 집광 시스템에 관한 것이다.
현재까지 연구개발 되었거나 상용화된 자연 채광 시스템(태양 집광 시스템 포함)은 크게 광덕트를 이용한 고정식 채광 시스템과 태양 추적식 렌즈(구면렌즈 또는 프레넬 렌즈)를 이용하여 집광하는 시스템 등이 활용되고 있다.
광덕트를 이용한 고정식 채광시스템의 경우 태양추적 방식에 비하여 태양광의 집광 효율을 낮으나, 천공의 상태(기상상태)에 큰 영향 없이 채광이 가능한 장점이 있으며, 반대로 태양 추적방식 시스템의 경우 태양이 있는 청천공 또는 부분 담천공에만 채광이 가능하고 집광효율이 높은 장점이 있다.
두 종류의 채광시스템의 우수성을 단순 비교하기는 어려우며, 이러한 장단점을 감안하여 고정식 채광시스템의 경우 실내 전반조명용으로 활용되고 태양추적식 의 경우 실내 국부 조명용으로 활용되어지고 있다.
특히 태양추적식 자연채광시스템은 집광원리에 따라 반사거울방식(평면 또는 곡면 반사체)과 렌즈방식으로 구분되며, 광전송 방식에 따라서는 반사거울방식과 광섬유방식으로 구분된다.
반사거울 방식의 경우 별도의 집광부 없이 반사거울에 의한 태양광 전송으로 원거리 전송에 유리하지만, 반사거울의 크기와 광전송 공간이 충분히 확보되어야 하는 문제가 있으며, 렌즈방식의 경우 광섬유를 이용한 광전송으로 인하여 광전송 거리의 한계(30m 이내)와 광섬유의 경제성의 한계로 실용성이 떨어지는 문제가 있다.
또한, 종래의 태양광 집광 시스템은 건물의 지붕에 설치 운영되고 있으나, 우리나라와 같이 5층 이상의 고층 건물(공동주택 포함)이 많은 환경에서 건물 외벽에 태양 집광 시스템을 적용할 필요성이 크게 대두되고 있다.
그러나, 상기 종래의 태양광 집광 시스템은 태양광을 집광하기 위한 렌즈 또는 반사거울이 항상 태양을 직각으로 향하도록 구성되어 있으며, 우리나라의 경우 태양의 고도가 약 30 ~ 70 도 사이에 위치하는 기후 및 환경적인 특성에 기인하여 상기와 같은 원리를 구현하기 위해서는 모든 태양 추적식 집광 시스템은 반드시 독립된 형태로 건물의 지붕면에 설치되어야 하고, 건물 외벽에 설치할 경우 집광 자체가 어려우므로 효율이 0에 가까워서 이용 자체가 불가능한 문제가 있었다.
또한, 고층 건물의 지붕에 설치할 경우 집광된 태양광의 이송 거리에 제한이 발생하고, 건물의 미관과 유지 관리가 어려운 문제가 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로써, 본 발명의 목적은 건물 외벽에서 전면 반사 부재와 집광 렌즈를 이용하여 높은 집광 효율을 얻을 수 있는 태양광 집광 시스템을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 건물의 형태 및 위치에 상관없이 건물의 외벽에 설치하여 많은 집광 면적을 확보할 수 있으며, 고층 건물의 경우 각 층마다 이송거리의 제한없이 자연채광 시스템을 적용할 수 있는 태양광 집광 시스템을 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명의 제 1 실시예에 따른 수직형 태양광 집광 시스템은 건물 외벽에 형성되어 태양광을 수광하여 일정한 방향으로 반사시키는 다수의 반사 부재와 상기 반사 부재로부터 반사된 태양광을 집광하는 다수의 집광 부재 및 상기 집광 부재와 연결되어 집광된 광을 전송하는 다수의 광섬유 부재를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 반사 부재를 내부에서 고정하고 상기 집광 부재를 수용하는 케이스 부재를 더 포함할 수 있다.
그리고, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 수직형 태양광 집광 시스템은 태양광을 수광하여 일정한 방향으로 반사시키는 다수의 반사 부재와 건물 외벽에 형성되 고, 상기 반사 부재를 고정하고 태양의 위치 추적을 위해 좌우 회전이 가능하도록 구성된 회전틀과 상기 반사 부재로부터 반사된 태양광을 집광하는 다수의 집광부재 및 상기 집광 부재와 연결되어 집광된 광을 전송하는 다수의 광섬유 부재를 포함하는 것을 특징으로 한다. 여기서, 건물 외벽에 형성되어 상기 회전틀과 결합되고, 상기 집광 부재를 수용하는 케이스 부재를 더 포함하여 구성될 수 있다.
그리고, 상기 반사 부재는 태양의 위치 추적을 위해 상하 1축 회전이 가능하도록 구성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 반사 부재는 회전틀에 다단의 레이어로 고정되어 형성되고, 각 레이어마다 하나의 반사 부재로 형성된 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 제 1 및 2 실시예에 따른 상기 반사 부재는 전면 반사판 또는 전면 반사 렌즈인 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명의 제 3 실시예에 따른 수직형 태양광 집광 시스템은 건물 외벽에 형성되어 태양광을 수광하여 일정한 방향으로 반사시키고 반사된 광을 집광시키는 곡면 반사 부재와 상기 곡면 반사 부재로부터 집광된 광을 전송하는 광섬유 부재를 포함하는 것을 특징으로 한다. 상기 곡면 반사 부재는 곡면 전면 반사판 또는 곡면 전면 반사렌즈인 것을 특징으로 한다.
상기 제 1 및 3 실시예의 상기 반사 부재는 태양의 위치 추적을 위해 상하, 좌우로 2축 회전이 가능하도록 구성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제 1 내지 3 실시예의 상기 집광부재는 프레넬 렌즈 또는 구면렌즈인 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 광섬유 부재는 플라스틱 광섬유 또는 유리 광섬유인 것을 특징으로 한다.
또한, 집광렌즈 후단의 광섬유 부재 사이에 형성되어 반사부재 또는 곡면 반사부재의 위치를 보정하는 위치보정 소자(예를 들어, CCD 소자)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 집광부재와 연결되어 집광된 광의 열 및 적외선을 차단하는 필터를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 태양광 집광 시스템은 입사된 태양광을 반사하는 반사부재와; 상기 반사부재와 평형하게 이격되어 형성되어 상기 반사부재로부터 전송된 태양광을 집광하는 집광부재와; 상기 집광부재 하부에 형성되어 상기 집광된 태양광을 고 광속의 직진 평행광으로 변환하는 렌즈부재와; 상기 렌즈부재 하부에 연결되어 변환된 태양광을 전송하여 광을 공급하는 광전송부재를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 반사부재는 태양의 위치에 따라 태양광을 추적하는 광추적 제어부와; 상기 광추적 제어부를 통해 추적된 태양광을 일정한 방향으로 반사시키는 반사부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 집광부재는 경사지게 형성되어 상기 반사부재로부터 전송된 태양광을 반사하여 하부로 전송하는 반사부와; 상기 반사부 하부에 형성되어 전송된 태양광을 집광하는 프레넬 렌즈를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 반사부는 반사거울 또는 프리즘 패널로 구성하는 것이 바람직하 다.
여기서, 상기 프리즘 패널은 경사면에 태양전지 모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 본 발명에 따른 태양광 집광 시스템은 광 덕트를 더 포함하여 구성되되; 상기 프리즘 패널은 상기 광 덕트 상부에 형성되고, 상기 프레넬 렌즈는 상기 광 덕트 내부 및 상기 프리즘 패널 하부에 형성되고, 상기 렌즈부재는 상기 프리즘 패널 하부에 형성되고, 상기 광 전송부재는 상기 렌즈부재 하부에 연결되어 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 프리즘 패널은 태양광과 천공광이 동시에 투과될 수 있도록 반투과형으로 형성되는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 렌즈부재는 오목렌즈로 구성된 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 렌즈부재는 상기 오목렌즈 하부에 볼록렌즈를 더 포함하는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 렌즈부재는 상기 오목렌즈 상부에 곡면렌즈을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 광 전송부재는 상기 태양광이 공기를 통해 직진으로 전달될 수 있도록 중공된 형태로 구성된 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 광 전송부재는 태양광의 전송거리에 따라 부재 굵기가 결정되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 광 전송부재는 굴곡되는 부분에 직진 태양광을 90도로 반사시키는 반사거울 또는 프리즘을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 태양광 집광 시스템은 태양 고도가 약 30 ~ 70 도 인 우리나라의 기상 조건의 건물 외벽에서 전면 반사 부재와 집광 렌즈를 이용하여 높은 집광 효율을 얻을 수 있는 탁월한 효과가 발생한다.
또한, 건물의 위치에 상관없이 건물의 외벽에 설치하여 많은 집광 면적을 확보할 수 있으며, 고층 건물의 경우 각 층마다 이송거리의 제한없이 자연채광 시스템을 적용할 수 있는 탁월한 효과가 발생한다.
또한, 집광된 태양광을 고 광속의 평행광으로 변환하여 광을 전송함으로써 전송 중의 광 손실을 최소화시킬 수 있으므로 집광효율을 최대화시킬 수 있는 탁월한 효과가 발생한다.
이하, 본 발명의 구체적인 구성 및 작용에 대하여 도면 및 실시예를 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.
<제 1 실시예>
도 1a는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 태양광 집광 시스템을 개략적으로 도시한 단면도이고, 도 1b는 상기 도 1a의 반사부재 및 집광 부재의 확대 단면도이고, 도 1c는 도 1a의 개략적인 사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 태양광 집광 시스템은 태양의 위치 변화 에 따라 태양광을 수광하여 일정한 방향으로 반사시키는 반사 부재(11)와 상기 반사 부재로부터 유입된 태양광을 집광하는 집광부재(21)와 상기 집광부재를 통해 집광된 태양광을 이송하는 광섬유 부재(31)를 포함하여 구성될 수 있다. 여기서, 상기 반사 부재와 집광부재는 건물 외벽의 케이스 부재(41)에 수용될 수 있다. 상기 케이스 부재(41)는 소정의 강도를 가지고 빛의 투과율이 높은 소재는 무엇이나 가능하고, 유리 또는 강화 플라스틱 등이 사용될 수 있다.
또한, 상기 반사 부재(11)는 전면 반사가 가능하기만 하면 무엇이나 가능하며, 바람직하게 전면 반사판 또는 전면 반사 렌즈 형태로 구성될 수 있다.
그리고, 상기 집광 부재(21)는 상기 반사 부재로부터 유입된 태양광을 집광할 수 있는 부재이기만 하면 무엇이나 가능하며, 바람직하게는 프레넬 렌즈(211) 또는 비구면 렌즈(212) 형태로 구성될 수 있다.
상기 반사 부재(11)의 크기 및 상하 좌우 간격은 설치되는 환경에 따라 달라 질 수 있으며, 년 중 태양의 위치의 고도차를 고려하여 다양하게 결정될 수 있다.
또한, 상기 집광 부재(21)의 크기 및 개수는 반사부재(11)로부터 집광되는 양, 집광 효율, 광이 전송되는 거리, 광이 배분되는 면적 등을 고려하여 다양하게 결정될 수 있다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 반사 부재의 2축 회전에 의한 경사각 조절을 도시한 것이다.
도 2를 참조하면, 상기 반사부재(11)는 태양의 위치에 따른 위치 추적을 위해 상하, 좌우의 2축 회전이 가능하도록 구성될 수 있다.
상기 집광 부재(21)는 법선면에 나란하게 입사되는 광 만을 집광할 수 있으므로, 집광을 위해 상기 반사 부재(11)는 태양의 위치에 따라 2축 회전이 가능하도록 구성되어야만 한다.
도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 반사 부재가 와이어 부재에 의해 고정된 것을 도시한 것이다.
도 3을 참조하면, 상기 반사부재(11)는 와이어 부재로 고정되어 와이어의 장력을 조절함으로써 반사 부재가 2축 회전할 수 있도록 구성될 수 있다. 이외에도, 상기 반사 부재는 케이스 부재와 연결되는 부분에 힌지 결합 등을 통해 반사 부재가 2축 회전하도록 구성할 수 있으며 그외에 2축 회전이 가능한 어떠한 방식으로도 구현될 수 있다.
도 4는 태양 위치에 따른 반사 부재의 기울기 변화를 개략적으로 도시한 실시예이다.
도 4를 참조하면, 계절(날짜) 및 시간 별 태양의 위치에 따라 반사 부재(11)를 2축 회전하여 조절하여 집광할 수 있으며, 상기 태양 위치 추적 및 반사 부재(11)의 제어는 본 발명의 핵심에서 벗어나는 부분일 뿐만 아니라, 당업자에게 자명한 사항이므로 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
도 5는 반사 부재의 위치 보정을 위해 위치보정 소자를 더 포함한 태양광 집광 시스템의 구성도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 태양광 집광 시스템은 반사 부재의 위치를 보정하기 위한 위치보정 소자를 더 포함하여 구성될 수 있다. 여기서, 상기 위치보 정 소자는 집광되는 태양광의 초점의 위치를 보정할 수 있는 수단은 무엇이나 가능하지만, 일례로 CCD 소자(Charge-Coupled Device, 50)를 사용한 경우에 대해서만 설명하기로 한다.
상기 CCD 소자(50)는 집광부재(21) 후단의 광섬유 부재(31) 연결부에 형성될 수 있으며, 상기 CCD 소자(50)의 중심점이 상기 광섬유 부재(31)에 중심이 일치하도록 설치될 수 있다.
상기 CCD 소자(50)는 집광부재(21)로부터 집광된 초점이 CCD 소자(50)의 중심점과 일치하지 않을 경우 이를 감지하여 2축 회전 조절을 통해 반사 부재의 기울기를 보정할 수 있다.
이를 위해, 본 발명에 따른 태양광 집광 시스템은 집광 부재를 통해 집광되는 CCD 소자의 초점이 CCD 소자의 중심점과 일치하는지 여부를 검출하는 CCD검출부(미도시)와 상기 CCD검출부를 통해 초점과 중심점이 일치하지 않는 경우 초점과 중심점이 일치하도록 반사 부재의 기울기를 조절하는 반사 부재 제어부(미도시)를 더 포함하여 구성될 수 있다.
그리고, 상기 집광 부재(21)와 광섬유 부재(31) 사이에서 연결되어 열 및 자외선을 차단하는 필터(미도시)를 더 포함하여 구성될 수 있다. 상기 필터는 열이나 자외선의 영향이 문제되는 경우에 선택적으로 설치할 수 있다.
<제 2 실시예>
이하의 실시예에서는 상기 제 1 실시예와 공통적인 구성이나 공통적인 설명 에 해당하는 부분에 대해서는 생략하고 구별되는 구성이나 작용 위주로 설명하기로 한다.
도 6a는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 태양광 집광 시스템을 개략적으로 도시한 단면도이고, 도 6b는 도 1의 곡면 반사 부재 원리를 도시한 확대 단면도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 태양광 집광 시스템은 건물 외벽에 형성되어 태양광을 수광하여 일정한 방향으로 반사시키고 반사된 광을 집광시키는 곡면 반사 부재(12)와 상기 곡면 반사 부재로부터 집광된 광을 전송하는 광섬유 부재(32)를 포함하여 구성될 수 있다. 그리고, 상기 곡면 반사 부재(12)를 고정하는 케이스 부재(42)를 더 포함하여 구성될 수 있다.
상기 곡면 반사 부재(12)는 상기 제 1 실시예의 반사 부재와 집광 부재의 역할을 동시에 수행하게 된다. 따라서, 곡면 반사 부재(12)는 태양광을 수광하여 반사시킴과 동시에 내측 곡면이 포물선에 의해 하나의 초점으로 광이 집광되도록 작용할 수 있다.
상기 곡면 반사 부재(12)는 태양광을 반사시키면서 반사된 광을 집광할 수 있는 부재이면 무엇이나 가능하고, 바람직하게는 곡면 전면 반사판 또는 곡면 전면 반사렌즈 형태로 구성될 수 있다.
그리고, 상기 곡면 반사 부재(12)는 태양의 위치 추적을 위해 상기 제 1 실시예의 반사 부재와 같이 상하, 좌우 2축 회전이 가능하도록 구성될 수 있다. 상기 2축 회전이 가능한 곡면 반사 부재의 구성은 상기 제 1 실시예와 동일하므로 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
또한, 상기 제 1실시예에서와 같은 CCD소자 및 필터를 더 포함하여 구성될 수 있다.
<제 3 실시예>
도 7은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 태양광 집광 시스템을 개략적으로 도시한 정면도 및 단면도이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 제 3 실시예에 따른 태양광 집광 시스템은 태양광을 수광하여 일정한 방향으로 반사시키는 다수의 반사 부재(13)와 상기 반사 부재를 고정하고 태양의 위치 추적을 위해 좌우 회전이 가능하도록 구성된 회전틀(60)과 상기 반사 부재로부터 반사된 태양광을 집광하는 다수의 집광부재(23)와 상기 집광 부재와 연결되어 집광된 광을 전송하는 다수의 광섬유 부재(33) 및 상기 회전틀과 연결되고 상기 집광부재를 수용하는 케이스 부재(43)를 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, 상기 반사 부재(13), 집광 부재(23), 광섬유 부재(33) 및 케이스 부재(43)는 상기 제 1 실시예와 동일하므로 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
그러나, 상기 제 1 실시예의 반사 부재(11)는 하나의 반사 부재 레이어에 2축 회전을 위해 다수개의 반사 부재가 포함되도록 구성되어야 함에 반해, 본 제 3 실시예의 반사 부재(13)는 회전틀(60)에 고정되고, 상기 회전틀(60)에 의해 좌우 1축 회전이 달성되고, 반사 부재(13)가 상하의 1축 회전만 담당할 수 있으므로 하나의 반사 부재 레이어에 장형의 하나의 반사 부재로 구성될 수 있다는 점에서 구별 된다.
도 8은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 회전틀 및 반사 부재의 회전 제어를 도시한 예시도이다.
도 8을 참조하면, 회전틀(60)은 좌우 방향으로 회전이 가능하므로 태양의 위치에 따라 상기 회전틀(60)의 회전을 제어하여 반사 부재의 위치를 태양의 위치에 얼라인할 수 있으며, 상기 반사 부재(13)는 상하 방향으로 1축 회전이 가능하도록 구성될 수 있으므로 상기 회전틀과 반사 부재의 회전을 제어하여 태양의 위치에 따라 반사 부재를 정렬할 수 있다.
상기 반사 부재(13)의 1축 회전 제어는 상기 제 1 실시예와 동일하게 제어할 수 있으며, 상기 회전틀(60)은 베어링과 모터 등의 부재를 이용하여 기계적으로 제어되도록 구성할 수 있다.
또한, 상기 제 1실시예에서와 같은 CCD소자 및 필터를 더 포함하여 구성될 수 있다.
<제 4 실시예>
본 발명에 따른 수직형 태양광 집광 시스템의 성능을 검증하기 위해 종래의 태양광 추적식 채광 시스템과 성능을 비교하였다.
각 시스템마다 시스템을 구성하는 제원 및 집광부의 크기에 따라 집광 성능이 상이할 수 있으므로, 집광면적을 1㎡라는 가정하에 서울 지역을 기준으로 태양의 위치변화(시각)에 따른 집광 성능을 비교하였다.
타입 A는 본 발명에 따른 수직형 태양광 집광 시스템이며, 타입 B는 도 9a와 같은 종래의 건물 지붕에 형성된 광 덕트를 이용한 태양 추적식 반사 채광 시스템이며, 타입 C는 도 9b와 같은 건물 지붕에 형성된 광섬유를 이용한 종래의 태양 추적식 반사채광 시스템이다. 여기서, 투과체와 반사체의 굴절 및 반사율 등은 고려하지 않았다.
하기의 표 1은 태양추적 방식별 집광 효율의 비교표이다.
Figure 112008009026795-pat00001
상기 표 1은 태양광이 집광부에 수직으로 입사되는 C 타입을 기준으로, A 및 B타입의 입사광량(집광량)을 비교한 결과이다.
상기 표 1을 참조하면, 건물 외벽(벽면)에 설치하는 본 발명에 따른 A 타입의 경우 동지일 기준 80%의 효율을 나타내는 반면, 하지일의 경우에는 20% 전후의 효율을 나타냄을 알 수 있다.
건물 옥상에 설치하는 B, C 타입과 비교할 때, 집광 효율을 떨어지지만, 우리나라의 태양 위치를 고려할 때 건물 외벽에서의 집광이 어렵다는 점과 건물 옥상 설치에 따른 집광부 설치 면적이 제한적이고 각 층별 광전송 효율이 떨어지는 점을 고려할 때, 고층 건물의 외벽에 적용하기 위한 방법으로 본 발명은 충분히 실용적인 발명임을 알 수 있다.
<제 5 실시예>
본 발명의 제 5 실시예에 따른 태양광 집광 시스템은 고정식 채광시스템과 태양 추적장치를 이용한 집광시스템의 단점을 보완하여 천공의 상태가 변화하더라도 보다 효율적이고 안정적인 자연채광이 가능하도록 설계되었다.
도 10은 본 발명의 제 5 실시예에 따른 태양광 집광 시스템을 개략적으로 도시한 시스템 구성도이다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 제 5 실시예에 따른 태양광 집광 시스템은 입사된 태양광을 반사하여 전달하는 반사부재(71)와 상기 반사부재로부터 전송된 태양광을 집광하는 집광부재(72)와 상기 집광부재로부터 집광된 태양광을 고 광속의 평행광으로 변환하는 렌즈부재(73)와 상기 변환된 태양광을 전송하는 광전송부 재(74)를 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, 상기 반사부재(71)는 태양광의 위치에 따라 태양광을 추적하는 태양광 추적 반사부재로 구성될 수 있다. 이를 위해, 상기 반사부재(71)는 태양광의 위치를 추적하는 광추적 제어부와 상기 광추적 제어부에 의해 추적된 태양광을 반사하는 제 1반사부를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 광추적 제어부는 연중 시간별 태양의 위치가 변하는 것을 감안하여 태양의 위치를 추적함으로써 반사부재 전면에 설치된 상기 제 1반사부를 통하여 지속적으로 일정한 방향으로 태양광을 반사시킬 수 있다.
상기 광추적 제어부는 태양의 위치(고도)에 따라 제 1반사부의 각도를 자동 제어하여 태양광을 추적할 수 있으며, 구체적인 구성은 당업계의 당업자에게 자명한 사항이므로 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
또한, 상기 제 1반사부는 태양광의 반사가 가능한 재료는 무엇이나 가능하고, 일례로 반사거울 또는 반사 렌즈가 사용될 수 있다.
그리고, 상기 집광부재(72)는 상기 반사부재(71)로부터 전달되는 태양광을 집광하는 역할을 담당한다.
보다 구체적으로, 상기 집광부재(72)는 경사지게 형성되어 상기 반사부재(71)로부터 전송된 태양광을 반사하여 하부로 전송하는 제 2반사부(721)와 상기 제 2반사부(721) 하부에 형성되어 전송된 태양광을 집광하는 프레넬 렌즈(722)를 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, 상기 제 2반사부(721)는 광을 반사할 수 있는 수단은 무엇이나 가능 하며, 프리즘 패널 또는 반사거울이 사용될 수 있다.
프리즘 패널을 사용하는 경우 상기 반사부재(71)로부터 반사된 태양광은 상기 프리즘 패널에 유입되고, 프리즘 패널에 유입된 태양광은 프리즘의 광학적 특성에 의하여 90도 방향으로 전면 반사하며, 반사된 태양광은 상기 프레넬 렌즈를 통하여 프레넬 렌즈의 초점으로 집광된다.
그리고, 상기 렌즈부재(73)는 상기 집광부재로부터 집광된 광을 고 광속의 평행광으로 변환하는 역할을 담당한다.
도 11은 도 10의 렌즈부재에 대한 상세 구성도이다.
도 11을 참조하면, 상기 렌즈부재(73)는 상부의 곡면렌즈(731), 상기 곡면렌즈 하부의 오목렌즈(732), 상기 오목렌즈 하부의 볼록렌즈(733)를 포함하여 구성될 수 있다.
이를 통해, 집광된 태양광은 오목렌즈와 볼록렌즈로 구성된 렌즈부재을 통하여 다시 고 광속(光束)의 평행광으로 변환된다. 렌즈부재를 통하여 재생산된 고 광속의 평행광은 빛의 직진성 및 고 광속(光束)의 특성으로 건축용 수도배관과 같이 작은 단위면적의 공간만 확보된다면 광전송의 거리에 크게 제한을 받지 않고 원거리 자연채광이 가능하다. 여기서, 곡면렌즈(731)는 상부의 프레넬 렌즈(722)에서 집광된 광을 더욱 더 모아서 오목렌즈(732)로 전달하는 역할을 담당한다.
원리에 대해 보다 구체적으로 살펴보면, 상기 프레넬 렌즈(722)를 통해 집광된 광은 집광이 된 상태이지만 광속이 높지 않으므로 직진성이 약하므로 광 전송에 따른 손실이 발생하게 된다. 따라서, 상기 프레넬 렌즈(722) 하부에 오목렌즈를 설 치하면 집광된 광의 광속(光束)을 높여서 레이저와 같은 직진성을 가진 평행광을 형성하게 된다. 여기서, 오목렌즈 하단에 볼록렌즈를 형성하면 직진성을 더 높일 수 있다.
상기 렌즈부재(73)는 도 11의 실시예 이외에도 집광된 광을 고 광속의 평행광으로 변환할 수 있는 구성이면 어떠한 구성도 가능하고, 단일의 오목렌즈, 다수의 오목렌즈와 볼록렌즈의 조합 등의 다양한 구성이 사용될 수 있다.
상기 광전송 부재(74)는 상기 렌즈부재(73)를 통해 변환된 평행광을 건물 내부로 전송하여 공급하는 역할을 담당한다.
여기서, 상기 광전송 부재(74)는 상기 변환된 평행광을 손실없이 내부로 공급하기 위해 중공된 형태로 구성될 수 있고, 중공된 내부 공간의 공기를 매체로 손실없이 광이 전송될 수 있다. 그리고, 상기 광전송 부재의 굴곡부에는 반사거울 또는 프리즘(741)을 통하여 광전송 경로를 쉽게 변경할 수 있다.
도 12는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 평행광 생성 예 및 성능 예측을 도시한 것이다.
도 12를 참조하면, 본 발명에 따라 생성되는 평행광의 전송 거리에 따라 광 전송부재의 두께가 결정될 수 있음을 알 수 있다.
또한 필요에 따라 프레넬 렌즈의 초점에 집광된 빛은 본 발명의 상기 제 1 실시예와 같이 렌즈유닛을 대신하여 광섬유를 이용한 광전송도 가능하며, 광섬유에 의한 광전송 시 30m이내의 거리에서 광전송 경로를 자유롭게 구성할 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 제 5실시예에에 따른 고 광속(光束) 태양광 집광 시스템은 대기 중의 부유물질 또는 연무와 같은 가시거리 확보의 제한이 없는 한 광 전송 거리에 제한되지 않으므로, 일반 건축물은 물론 공간 구성이 복잡한 건축물이나 지하 갱도 또는 지하철 역사와 같은 지하시설물 등에 쉽게 적용할 수 있다.
도 13은 본 발명의 제 5실시예에 광 덕트를 더 포함한 시스템 구성도이다.
도 13를 참조하면, 본 발명의 제 5실시예에 따른 태양광 집광 시스템은 광 덕트에 결합하여 설치될 수 있다.
보다 구체적으로, 광 덕트 상부에 집광부재를 형성하고, 상기 광 덕트 내부 및 집광부재 하부에 렌즈부재 및 광 전송부재를 형성함으로써 광 덕트에 의한 채광과 본 발명에 따른 태양광 집광 시스템에 의한 채광을 동시에 적용할 수 있다.
광덕트에 의한 자연채광부는 일반적인 광덕트방식의 자연채광시스템과 유사한 형태로, 경면 반사재질로 구성된 덕트와 프리즘 패널 및 투명 투과체로 구성된 상부 채광부로 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 태양 집광 시스템에 의한 태양광 집광을 위하여 광덕트 상부에 프리즘 패널이 위치하며, 프리즘 패널은 태양추적장치로부터 유입된 태양광을 전면 반사하는 기능 외에 다른 방향에서 유입되는 태양광 및 천공광(天空光)을 광덕트 내부로 유입시키는 기능을 하게 된다.
반사부재로부터 유입된 태양광을 반사시키기 위하여 프리즘 패널이 아닌 반사거울을 사용할 경우 반사거울이 광덕트로 유입되는 태양광 및 천공광을 차단하게 됨으로써 반사거울이 아닌 프리즘 패널을 사용할 경우 광덕트에 의한 자연광 채광 에 장애가 되지 않는 특징이 있다.
광덕트에 의한 자연채광은 광덕트를 설치하기 위한 공간적 제한과 광전송 거리의 한계로 인하여 건물의 최상부 또는 지하시설물, 근거리 채광용으로 활용할 수 있다.
본 발명에서 제시된 자연채광은 건물의 형태 및 적용공간의 형태에 따라 수평 설치 또는 수직 설치가 가능하다.
도 14a는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수평형 태양광 집광 시스템을 도시한 것이고, 도 14b는 수직형 태양광 집광 시스템을 도시한 것이다.
도 14a 및 14b를 참조하면, 수평설치는 건물의 옥상 또는 지면에 설치하는 것으로 건물의 상층부 또는 계단실, 지하공간 등에 적용하기 용이하며, 수직 설치는 우리나라와 같이 5층 이상의 고층건물이 많은 환경에서 고층건물의 층별 적용에 용이하다.
도 15는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 프리즘 패널에 태양전지 모듈이 부착된 태양광 집광 시스템을 도시한 것이다.
도 15를 참조하면, 광덕트 상부(수평형의 경우 외부)에 위치한 프리즘 패널의 경사면에 반투과성의 태양전지 모듈을 적용할 경우, 별도의 전원 공급 없이 반사부의 광추적 제어부의 구동을 위한 자체적인 전원공급이 가능하다.
태양광이 없는 밤이나 태양이 구름에 가린 경우 태양전지를 통한 전력생산이 어렵지만 태양광이 없는 조건에서 태양광 집광 역시 불가능 하므로 집광에는 문제가 되지 않는다.
또한, 프리즘 패널의 외부 경사면에 태양전지 모듈을 설치할 경우, 프리즘 패널을 투과하여 광덕트로 유입되는 자연광(태양광+천공광)이 감소할 수 있으나, 최근 개발된 반투광성의 태양광 전지모듈을 이용하고 프리즘 패널이 아닌 투명 투광체 부분을 통하여 충분한 자연광이 유입될 수 있으므로 광덕트를 통한 자연 채광에 큰 문제가 되지 않는다.
도 1a는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 태양광 집광 시스템을 개략적으로 도시한 단면도이고, 도 1b는 도 1a의 반사부재와 집광부재의 확대 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 반사 부재의 2축 회전에 의한 경사각 조절을 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 반사 부재가 와이어 부재에 의해 고정되어 2축 회전 조절을 도시한 예시도이다.
도 4는 태양 위치에 따른 반사 부재의 기울기 변화를 개략적으로 도시한 실시예이다.
도 5는 반사 부재의 위치 보정을 위해 CCD 소자를 더 포함한 태양광 집광 시스템의 구성도이다.
도 6a는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 태양광 집광 시스템을 개략적으로 도시한 단면도이고, 도 6b는 도 6a의 곡면 반사부재의 확대 단면도이다.
도 7은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 태양광 집광 시스템을 개략적으로 도시한 정면도 및 단면도이다.
도 8은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 회전틀 및 반사 부재의 회전 제어를 도시한 예시도이다.
도 9a는 종래의 건물 지붕에 형성된 광 덕트를 이용한 태양 추적식 반사 채 광 시스템이며, 도 9b는 건물 지붕에 형성된 광섬유를 이용한 종래의 태양 추적식 반사채광 시스템을 도시한 것이다.
도 10은 본 발명의 제 5 실시예에 따른 태양광 집광 시스템을 개략적으로 도시한 시스템 구성도이다.
도 11은 도 10의 렌즈부재에 대한 상세 구성도이다.
도 12는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 평행광 생성 예 및 성능 예측을 도시한 것이다.
도 13은 본 발명의 제 5실시예에 광 덕트를 더 포함한 시스템 구성도이다.
도 14a는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수평형 태양광 집광 시스템을 도시한 것이고, 도 14b는 수직형 태양광 집광 시스템을 도시한 것이다.
도 15는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 프리즘 패널에 태양전지 모듈이 부착된 태양광 집광 시스템을 도시한 것이다.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
11, 13 : 반사 부재 12 : 곡면 반사부재
21, 23 : 집광 부재 31,32,33 : 광섬유 부재
41, 42,43 : 케이스 부재 50 : CCD 소자
60 : 회전틀 71 : 반사부재
72 : 집광부재 721 : 제 2 반사부
722 : 프레넬 렌즈 73 : 렌즈부재
74 : 광 전송부재

Claims (25)

  1. 건물 외벽에 형성된 수직형 태양광 집광 시스템으로서,
    건물 외벽과 이격된 외벽 전면 전체에 상하, 좌우 일정간격으로 형성되고 태양광을 수광하여 상기 건물 외벽 방향으로 평행하게 반사시키고, 태양의 위치 추적을 위해 상하, 좌우로 2축 회전이 가능한 다수의 반사 부재와;
    상기 반사부재와 건물 외벽 방향으로 이격되어 형성되고, 상기 반사부재로부터 반사된 태양광을 초점에 집광하는 다수의 집광 부재와;
    상기 집광 부재의 초점에 연결되어 상기 초점에 집광된 광을 전송하는 다수의 광섬유 부재 및;
    집광렌즈 후단의 광섬유 부재 사이에 형성되어 상기 초점의 변화를 감지하여 상기 반사부재의 위치를 보정하는 위치보정 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 수직형 태양광 집광 시스템.
  2. 삭제
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  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 입사된 태양광을 반사하는 반사부재와;
    상기 반사부재와 평형하게 이격되어 형성되어 상기 반사부재로부터 전송된 태양광을 집광하여 하부로 전송하는 집광부재와;
    상기 집광부재 하부에 형성되되, 볼록렌즈와 상기 볼록렌즈 상에 형성된 오목렌즈 및 상기 오목렌즈 상에 형성된 곡면렌즈를 포함하여 상기 집광된 태양광을 고 광속(光束, 단위:루멘)의 직진 평행광으로 변환하는 렌즈부재와;
    상기 렌즈부재 하부에 연결되어 상기 변환된 고 광속의 직진 평행광을 전송하여 광을 공급하는 광전송부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 집광 시스템.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 반사부재는
    태양의 위치에 따라 태양광을 추적하는 광추적 제어부와;
    상기 광추적 제어부를 통해 추적된 태양광을 일정한 방향으로 반사시키는 반사부를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 집광 시스템.
  15. 제 13항에 있어서,
    상기 집광부재는
    경사지게 형성되어 상기 반사부재로부터 전송된 태양광을 반사하여 하부로 전송하는 반사부와;
    상기 반사부 하부에 형성되어 전송된 태양광을 집광하는 프레넬 렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 집광 시스템.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 반사부는
    반사거울 또는 프리즘 패널로 구성된 것을 특징으로 하는 태양광 집광 시스템.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 프리즘 패널은
    경사면에 태양전지 모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 집광 시스템.
  18. 제 15항에 있어서,
    상기 태양광 집광 시스템은 광 덕트를 더 포함하여 구성되되;
    프리즘 패널이 상기 광 덕트 상부에 형성되고, 상기 프레넬 렌즈는 상기 광 덕트 내부 및 상기 프리즘 패널 하부에 형성되고, 상기 렌즈부재는 상기 프리즘 패널 하부에 형성되고, 상기 광 전송부재는 상기 렌즈부재 하부에 연결되어 형성되는 것을 특징으로 하는 태양광 집광 시스템.
  19. 제 18항에 있어서,
    상기 프리즘 패널은
    태양광과 천공광이 동시에 투과될 수 있도록 반투과형으로 형성된 것을 특징으로 하는 태양광 집광 시스템.
  20. 삭제
  21. 삭제
  22. 삭제
  23. 제 13항에 있어서,
    상기 광 전송부재는
    상기 태양광이 공기를 통해 직진으로 전달될 수 있도록 중공된 형태로 구성된 것을 특징으로 하는 태양광 집광 시스템.
  24. 제 23항에 있어서,
    상기 광 전송부재는
    태양광의 전송거리에 따라 부재 굵기가 결정되는 것을 특징으로 하는 태양광 집광 시스템.
  25. 제 23항에 있어서,
    상기 광 전송부재는
    굴곡되는 부분에 직진 태양광을 90도로 반사시키는 반사거울을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 집광 시스템.
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