KR100602581B1 - Compound Parabolic Concentrator for Uniform Energy Distribution on the Receiver Surface - Google Patents
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Abstract
본 발명은 태양광을 집속하는 복합포물면(CPC) 집속장치의 수광면(또는 흡열면)에 불균일한 광밀도의 분포에 따른 문제점을 해결하기 위하여 개선된 수광밀도 균일화 복합포물면(CPC) 집속장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 수광밀도 균일화 CPC 집속장치는 단면이 포물형으로 포물선의 궤적이 ρ = 2f/(1-cosφ)를 만족하는 우측반사경(제2반사경)과 좌측반사경(제1반사경) 그리고 두 반사경의 하단을 연결하여 형성된 수광면으로 이루어지고, 각 반사경의 초점(F,F')이 대향하는 반사경의 하단점에 형성되고 태양광의 입구측 끝단부(A,B)와 초점(F,F')을 연결하는 선(AF', BF)과 z축과의 사이각이 입사한계각이 ±α인 기본 CPC를 개선하여, 좌측 제1반사경(AF)의 하단점 F (우측 제2반사경의 초점)와 우측 제2반사(BF')의 상단점 B를 연결하여 선 BF를 긋고, 좌측 제1반사경(AF)의 초점 F'(우측반사면의 하단점)에서 선 BF와 평행한 선을 그어, 우측 제2반사면과 만나는 점 K'의 위치를 결정하거나, 선정한 입사한계반각 α에 대하여 관계식The present invention is directed to an improved light receiving density homogenous composite parabolic surface (CPC) focusing device in order to solve the problems caused by the distribution of light density uneven on the light receiving surface (or endothermic surface) of the composite parabolic surface (CPC) focusing apparatus for focusing sunlight. It is about. In the light receiving density uniforming CPC focusing apparatus according to the present invention, the right reflector (second reflector), the left reflector (first reflector), and two reflectors whose parabolic trajectories satisfy ρ = 2f / (1-cosφ) in a cross section is parabolic. It consists of a light receiving surface formed by connecting the lower end of the focal point (F, F ') of each reflector is formed at the lower end of the opposite reflector and the entrance end of the sunlight (A, B) and the focal point (F, F') ), The base CPC with the angle of incidence of ± α between the line (AF ', BF) and the z-axis connecting each other is improved, so that the lower point F (the focus of the right second reflector) of the left first reflector AF is improved. ) And draw the line BF by connecting the upper point B of the right side second reflection BF ', and draw a line parallel to the line BF at the focus F' (lower point of the right side reflecting surface) of the left first reflecting mirror AF. To determine the location of the point K 'meeting the right second reflecting surface, or to establish the relation
cosφK' = [1-2(1+sinα)*sinα]cosα+(1+sinα)*(1-2sinα) / cosφ K ' = [1-2 (1 + sinα) * sinα] cosα + (1 + sinα) * (1-2sinα) Of
(cosα+sinα+1)*(1-2sinα)2 (cosα + sinα + 1) * (1-2sinα) 2
을 만족하는 각도 φK'의 값으로 결정되는 점 K'의 위치를 결정하고, 상기 점 K'에서 장치의 횡축(x-축)과 평행한 선 (K'K)과 선 BF와 만나는 점 K의 위치를 결정하며, 좌측 제1반사경(AF)을 장치의 횡축 (x-축)을 따라 점 K와 만나는 점 까 지 거리 s만큼 우측으로 이동되는데, 좌측반사경(AF)이 s만큼 우로 이동됨에 따라 우측반사경(BF)의 하단에 있던 초점(F)가 점 F"로 이동되고, 이렇게 이동된 상태에서 각 반사경의 하단부위는 선 K,K'로 절단하여 수광면을 형성하여, 수광면의 양단부가 좌우측 반사경의 각 초점에서부터 이격되어 위치하므로써 수광된 광밀도가 균일하게 분포하도록 한 태양광 집속장치이다.Determine the position of the point K ', which is determined by the value of the angle φ K' , and meet the line K'K parallel to the device's horizontal axis (x-axis) and the line BF at the point K ' The position of the first reflecting mirror AF to the right along the device's transverse axis (x-axis) to the point where it meets point K. The left reflector AF moves to the right by s. Accordingly, the focal point F at the lower end of the right reflector BF is moved to the point F ″, and in this state, the lower end of each reflector is cut by the lines K and K 'to form a light receiving surface. Both ends are positioned apart from each focal point of the left and right reflectors so that the received light density is uniformly distributed.
Description
도 1은 태양전지의 전기적 특성 및 집속비와의 관계 그래프1 is a graph of the relationship between the electrical characteristics and the focusing ratio of the solar cell
도 2 및 도 3은 포물면의 광학적 특성 설명도2 and 3 are explanatory diagrams of optical characteristics of paraboloids
도 4는 기본 CPC 집속장치 모형의 형성구조 단면도4 is a cross-sectional view of the formation structure of the basic CPC focusing device model
도 5는 기본 CPC 집속장치의 광학적 특성설명도5 is an explanatory diagram of optical characteristics of the basic CPC focusing apparatus;
도 6은 기본 CPC 집속장치의 2차원 모형 사시도6 is a two-dimensional model perspective view of the basic CPC focusing device
도 7은 기본 CPC 집속장치의 3차원 모형 사시도7 is a three-dimensional model perspective view of the basic CPC focusing device
도 8, 도 9 및 도 10은 기본 CPC 집속장치에 있어서 입사각에 따른 수광면에서의 에너지 분포 설명도8, 9 and 10 are explanatory diagrams of energy distribution on the light receiving surface according to the incident angle in the basic CPC focusing apparatus.
도 11은 본 발명에 따른 수광밀도 균일화 CPC 집속장치의 구성원리 설명을 위한 단면도11 is a cross-sectional view for explaining the membership of the light receiving density uniformity CPC focusing apparatus according to the present invention
도 12, 도 13 및 도14는 본 발명에 따른 수광밀도 균일화 CPC 집속장치에 있어서 입사각에 따른 수광면에서의 에너지 분포 설명도12, 13 and 14 are explanatory diagrams of energy distribution on the light receiving surface according to the incident angle in the light receiving density uniformizing CPC focusing apparatus according to the present invention.
도 15는 본 발명에 따른 장화형 수광밀도 균일화 CPC 집속장치의 구성원리 설명을 위한 단면도Figure 15 is a cross-sectional view for explaining the membership of the rain-mounted light receiving density uniformity CPC focusing apparatus according to the present invention
도 16은 수광면이 지면과 평행하게 위치하는 발명에 따른 장화형 수광밀도 균일화 CPC 집속장치의 단면도16 is a cross-sectional view of the boots type light receiving density uniformizing CPC focusing device according to the invention in which the light receiving surface is located parallel to the ground.
도 17은 여유공간을 갖도록 설계된 본 발명에 따른 장화형 수광밀도 균일화 CPC 집속장치의 단면도17 is a cross-sectional view of the rain-type light receiving density uniformity CPC focusing apparatus according to the present invention designed to have a clearance
도 18은 신개선 궤도곡면과 흡열관 흡열면에 응용한 기본 CPC의 단면도18 is a cross-sectional view of the basic CPC applied to the newly improved orbital and endothermic heat absorbing surface;
도 19는 본 발명에 따른 장화형 수광밀도 균일화 CPC 집속장치에 있어서 흡열면을 신개선 궤도의 곡면과 흡열관으로 집속장치 단면도19 is a cross-sectional view of the concentrating device to the curved surface and the heat absorbing tube of the new improved track in the boot type light receiving density uniformity CPC focusing apparatus according to the present invention.
도 20은 도 19의 집속장치에 여유공간을 갖도록 한 집속장치의 단면도 20 is a cross-sectional view of the focusing apparatus having a free space in the focusing apparatus of FIG.
****도면의 주요부호에 대한 설명******** Description of the major symbols in the drawings ****
A, A', B : CPC 집속장치의 개구면의 상 단점 A, A ', B: Disadvantages of opening surface of CPC focusing device
F, F', F" : 포물면의 초점F, F ', F ": Parabolic focal point
K, K' : CPC반사면의 하단 끝단점, 기본 CPC의 출구면(수광면)K, K ': Lower endpoint of CPC reflecting surface, exit surface of basic CPC (light receiving surface)
s : 반사면의 이동거리 (좌측) s: distance of reflection (left)
d (K'G, HG') : 장화형 집속장치의 여유 공간거리 d ( K'G , HG ' ): Clearance distance of rain boot type focusing device
C : 집속비C: Focus ratio
(x,y), (x',y') (x",y") : 직각 좌표계, 장치의 축 (x, y), (x ', y') (x ", y"): Cartesian coordinate system, the axis of the device
JF, J'F' : 포물면의 축 JF , J'F ': Parabolic axis
FF', KK' : CPC형 집속장치의 수광면(흡열면)의 폭 또는 출구면 FF ', KK' : Width or exit surface of light receiving surface (heat absorbing surface) of CPC type focusing device
K'M, K"M' : 장화형 집속장치의 흡열면(선형) 또는 출구면 K'M , K "M ' : Endothermic surface (linear) or exit surface of rain boot type focusing device
α : 평판 수광면을 이용한 CPC 장치의 입사한계반각α is the incident limit half angle of the CPC device using the plate light receiving surface
θ : 원형 흡열면을 이용하는 CPC장치의 입사한계반각θ: incident limit half angle of CPC device using circular endothermic surface
(ρ,φ) : 포물면의 극좌표계(ρ, φ): Polar coordinate system of parabola
본 발명은 태양광을 집속하는 복합포물면(CPC) 집속장치의 수광면(또는 흡열면)에 불균일한 광밀도의 분포에 따른 문제점을 해결하기 위하여 개선된 수광밀도 균일화 복합포물면(이하 CPC라 한다.) 집속장치에 관한 것이다.The present invention provides an improved light receiving density homogenous composite parabolic surface (hereinafter referred to as CPC) in order to solve the problems caused by uneven distribution of light density on the light receiving surface (or heat absorbing surface) of the CPC focusing apparatus for focusing sunlight. ) Relates to a focusing device.
태양에너지 이용장치는 태양광과 태양열을 이용하는 장치로 대분할 수 있다.태양광 이용장치는 반도체를 이용하여 태양에너지를 전기에너지로 직접 변환하는 수단이며, 태양열 이용장치는 태양에너지를 흡수하는 흡열판 또는 흡열관을 이용하여 태양에너지를 열에너지로 변환하는 수단이다. 태양광 이용장치에 사용되는 반도체는 대표적으로 실리콘(Si), 비소화갈륨(GaAs) 등이 있으며, 전기변환효율은 종류에 따라 약 10~20%이다. 태양열 이용장치에 사용되는 흡열면은 크롬(Cr) 또는 티타늄(Ti) 합성물(예: TiO2) 등을 사용하며, 태양에너지 흡수율은 약 90~95%이다.The solar energy utilization device can be divided into a device using sunlight and solar heat. A solar energy utilization device is a means of directly converting solar energy into electrical energy using a semiconductor, and a solar heat utilization device absorbs solar energy. Or means for converting solar energy into thermal energy using an endothermic tube. Semiconductors used in photovoltaic devices are typically silicon (Si) and gallium arsenide (GaAs), and the electrical conversion efficiency is about 10-20% depending on the type. The endothermic surface used in the solar heat utilizing device is made of chromium (Cr) or titanium (Ti) composite (eg TiO 2 ) and the solar energy absorption is about 90 ~ 95%.
이러한 목적으로 사용되는 집광기 (또는 집열기)는 평판형(Flat-plate Collector)과 집속형(Concentrating collector)이 있다. 평판형 집광기는 태양에너 지를 수광면 (또는 흡열면)의 면적만큼 받아 에너지변환을 하는 장치이며, 집속형 집광기는 특수한 광학장치를 이용하여 집광면의 면적보다 집속비 (개구면면적/수광면면적) 만큼 더 많은 에너지를 수광면(흡열면)에 도달하게 하여 평판형과 동일한 수광면(흡열면) 면적에 대하여 평판형 집광기보다 많은 양의 전력 (또는 높은 온도)을 발생하게 하는 장치이다. 집속형 장치는 용도에 따라 2차원 또는 3차원 집속기가 있으며 또한 각 장치는 태양 추적형 또는 비추적형 장치가 있다.The collector (or collector) used for this purpose is a flat-plate collector and a concentrating collector. A flat type condenser receives energy as much as the area of a light receiving surface (or heat absorbing surface) and converts energy. A focused type condenser uses a special optical device to focus the ratio (opening area / light receiving area) rather than the area of the condensing surface. ) Is a device that generates more energy (or higher temperature) than a flat plate condenser on the same light receiving surface (heat absorbing surface) area as that of the flat plate type by reaching more light energy. Focused devices may be two- or three-dimensional focusers, depending on the application, and each device may be a sun tracked or non-tracked device.
태양전지 및 모듈의 구조:Structure of solar cell and module:
태양전지(Photovoltaic cell)는 태양에너지를 전기에너지로 변환시키는 소자로서 일반적으로 p-n 접합구조(p-n junction structure)인 일종의 반도체 다이오드(diode)이며, 실리콘(Si) 또는 비소화갈륨(GaAs) 등의 반도체를 사용하고 있다. A photovoltaic cell is a device that converts solar energy into electrical energy. It is a kind of semiconductor diode, which is a pn junction structure, and is a semiconductor such as silicon (Si) or gallium arsenide (GaAs). I'm using.
태양전지의 종류는 다양하나, 예로서 단결정체 Si 태양전지는 얇은 Si 웨이퍼(Wafer)의 앞면과 뒷면에 금속판을 접합시켜 자유전자(Free electrons)와 정공(Holes)을 수집(collect)할 수 있도록 구성된다. 앞면의 접촉금속은 태양광을 최대한 받아들이기 위하여 가늘고 얇은 금속으로 일정 간격으로 형성된 그리드(Grid 또는 Finger) 형태로 되어 있어 태양광이 조사될 때 생성되는 자유전자를 최대한 수집하고 뒷면 접촉금속판은 정공을 수집한다. 반도체 p-n 접합 다이오드의 양극단에 생성된 전하운반자(Charge carriers: 전자 및 정공)는 외부회로에 연결하였을 때 전류가 되어 태양전지로 작용한다. 효율적인 태양전지는 태양광을 최대한 많이 포착할 수 있어야 하며, 광 에너지를 흡수하여 최대한 많은 수의 전하운반자를 생 성할 수 있어야 한다. There are various types of solar cells, but for example, single-crystal Si solar cells are formed by bonding metal plates to the front and back sides of a thin Si wafer to collect free electrons and holes. It is composed. The front contact metal is a thin or thin metal grid or finger formed at regular intervals in order to receive the maximum sunlight, and collects free electrons generated when the sunlight is irradiated. Collect. Charge carriers (electrons and holes) generated at the anode ends of semiconductor p-n junction diodes become currents when connected to external circuits and act as solar cells. Efficient solar cells should be able to capture as much sunlight as possible and absorb the light energy to create as many charge carriers as possible.
태양전지 모듈(Photovoltaic(PV) Module)은 태양전지를 이용한 발전장치의 단위장치이다. 본 장치의 구성은 다수의 태양전지를 직렬로 연결하여 요구되는 전압(V)을 결정하며, 이것을 String이라고 칭하고 있다. 이러한 String을 다수 병렬로 연결하여 필요한 전류(I)를 조정하여 요구하는 출력(P)을 P=IV 관계식에 의하여 조정한다. 예로서, 현재 평판형 전지로 많이 사용되고 있는 단결정 Si 전지의 크기는 약 10 cm x 10 cm이며 이것의 전기적 특성은 표준상태에서 개방전압(Voc)은 ~0.5V, 단전전류(Isc)은 ~3A이고 최대출력은 약 P~1.2W이다. 이러한 동일한 전지 12개를 직렬로 연결하면 전압이 약 5V인 String이 형성되며, 이러한 String 4개를 병렬로 연결하면 약 60W를 출력할 수 있는 모듈이 형성된다. The photovoltaic (PV) module is a unit of a power generation device using a solar cell. The configuration of this apparatus connects a plurality of solar cells in series to determine the required voltage (V), which is called String. Many such strings are connected in parallel to adjust the required current (I) to adjust the required output (P) by the P = IV relationship. For example, the size of a single crystal Si battery, which is widely used as a flat plate battery, is about 10 cm x 10 cm, and its electrical characteristics are -0.5V in open voltage (Voc) and ~ 3A in single-circuit current (Isc). The maximum output power is about P ~ 1.2W. When the same 12 batteries are connected in series, a string having a voltage of about 5V is formed, and when the four strings are connected in parallel, a module capable of outputting about 60W is formed.
태양광 이용 장치Photovoltaic devices 에 있어서 집속장치의 필요성: Necessity of focusing device in
태양에너지를 이용하는 평판형 장치의 문제는 태양전지(반도체)를 이용하여 전기를 발생하고자 할 경우 일반적으로 태양전지 반도체의 값이 고가이며 또한 반도체의 전기변환 효율도 낮다. 일반 반도체의 전기적(I-V )특성은 태양광에너지의 밀도에 비례하여 전류가 증가하며 태양에너지의 밀도는 집속비에 비례한다. 즉 태양전지 출력의 집속비에 대한 의존도는 하기 관계식으로 표현된다. The problem with flat panel devices that use solar energy is that solar cells (semiconductors) generate electricity in general, and solar cell semiconductors are expensive and have low electrical conversion efficiency. The electrical (IV) characteristics of general semiconductors increase in proportion to the density of solar energy and the density of solar energy is proportional to the focusing ratio. In other words, the dependence of the solar cell output on the focusing ratio is expressed by the following relationship .
Isc = C Isco (1) Isc = C Isco (1)
Voc = Voco+(nVth)ln(C) (2)Voc = Voco + (nVth) ln (C) (2)
여기에 Isc =단전전류(Short circuit current6), C = 집속비, Voc=개방회 로전압(Open circuit voltage), n= diodic factor, nVth = 태양전지 효율에 대한 열 의존도이다. 즉 태양전지의 전류(I)는 집속비에 선형적으로 비례하며 전압(V)은 로가리즘적으로 약간의 증가가 있다. 따라서 집속비가 높을수록 출력(P)은 P=I*V 의 관계식에 의하여 높아진다 (도 1 참조).Here, Isc = short circuit current 6, C = focusing ratio, Voc = open circuit voltage, n = diodic factor, nVth = thermal dependence on solar cell efficiency. That is, the current (I) of the solar cell is linearly proportional to the focusing ratio, and the voltage (V) has a slight increase in logic. Therefore, the higher the focusing ratio, the higher the output P is by the relation of P = I * V (see FIG. 1).
이것의 의미는 동일한 출력에 대하여 태양전지의 사용면적을 집속비만큼 줄일 수 있어 그 만큼 경제적이 된다. 즉 집속비가 2 이면 사용하는 태양전지의 면적은 평판일 경우와 동일한 출력에 대하여 반이하로 줄어들게 된다. 집속비가 10이면 사용하는 태양전지의 면적은 평판형일 때 보다 1/10로 줄어들게 된다. 따라서 용도에 따라 적절한 집속비의 집속장치를 사용하면 태양전지의 사용면적을 줄이거나 전기출력을 높일 수 있으며 또한 효율도 증가하여 경제적이다.This means that the use area of the solar cell can be reduced by the focusing ratio for the same output, thereby making it economical. In other words, if the focusing ratio is 2, the area of the solar cell used is reduced to less than half of the same output as the flat plate. If the focusing ratio is 10, the area of the solar cell used is reduced to 1/10 than that of the flat panel type. Therefore, by using the focusing device with the proper focusing ratio according to the use, it is possible to reduce the use area of the solar cell or increase the electric power output and increase the efficiency and economical.
태양전지의 표면이 부분적으로 조사(照射)된 경우의 문제점:Problems when the surface of the solar cell is partially irradiated:
단일 태양전지가 불균일하게 조사(Illumination)되면 결과적으로 전지의 온도와 전류가 불균일하게 분포된다. 따라서 이러한 조사는 Fill-factor에 영향을 주며 또한 개방전압의 감소로 나타난다. 개방전압과 효율은 조사윤곽이 국부적으로 집중될수록 더 큰 폭으로 감소된다. If a single solar cell is irradiated unevenly, the temperature and current of the cell are unevenly distributed as a result. Therefore, this investigation affects the fill factor and also results in the reduction of open voltage. Opening voltage and efficiency are significantly reduced as the irradiation contour is locally concentrated.
모듈을 구성하는 태양전지(PV Cell)의 일부가 전부 또는 부분적으로 그늘이 지거나, 손상이 가거나 또는 모듈을 구성하는 각 각의 전지가 서로 전기적으로 짝이 잘 맞지 않거나 할 경우 전지에 뜨거운 부위(Hot spot)가 발생하게 된다. 이러한 현상은 전지 또는 모듈의 열적 긴장(Thermal stress)을 초래하며, PV 발전회로, 부하, 및 그늘짐 정도에 따라 그늘진 전지의 전압이 반대로 될 수 있어 열의 형태로 전력이 소산되며, 또한 각 전지(Cell)의 손실은 전지의 온도를 상승시켜 과열현상이 일어나고 전지가 파손될 수 있다. 또한 높은 밀도의 태양에너지가 전지의 한 부분에 집속되면 전지의 온도가 국부적으로 높아져 전지가 손상될 수 있다. 그늘진 모듈의 수행손실은 가장 많이 그늘진 전지의 손실에 비례하여 출력이 감소된다. 또한 모듈의 수명에도 좌우된다.If a part of the PV cells constituting the module is partially or partially shaded, damaged, or if each cell constituting the module is not electrically matched with each other, the hot spots on the cell spots occur. This phenomenon causes thermal stress of the cell or module, and the voltage of the shaded cell may be reversed depending on the PV generation circuit, the load, and the degree of shading, so that power is dissipated in the form of heat. Loss of cells increases the temperature of the battery, causing overheating and damaging the battery. In addition, if high-density solar energy is concentrated on a part of the cell, the temperature of the cell may be locally increased, which may damage the cell. The performance loss of the shaded module is reduced in proportion to the loss of the shaded battery most. It also depends on the life of the module.
태양에너지 집속장치: Solar energy concentrator:
본 분야에는 다양한 종류의 장치가 개발되어 있다. 집속형 장치는 일반적으로 렌즈 또는 반사면 또는 렌즈와 반사면을 합친 복합광학 장치를 사용한다. Various kinds of devices have been developed in this field. The focusing device generally uses a lens or a reflecting surface or a compound optical device in which a lens and a reflecting surface are combined.
(일반적으로 렌즈형 집속기는 태양전지 장치에, 반사면은 태양열 이용 집속장치로 사용되고 있다. 특별한 차이는 없으나 렌즈를 사용하는 집속장치는 설계상의 자유도가 반사면 장치보다는 더 많으며 장치의 광학적 오차에 덜 민감하다. 그러나 렌즈는 산란광을 투과하지 않으므로 사막과 같이 직달광선이 강한 곳에 유용하다. 렌즈는 무게를 줄이기 위하여 일반적으로 Fresnel형 렌즈를 사용한다.) (A lens type focuser is generally used as a solar cell device, and a reflecting surface is used as a solar heat focusing device. There is no particular difference, but a focusing device using a lens has more design freedom than a reflecting device, It's less sensitive, but the lens doesn't transmit scattered light, so it's useful in direct sunlight, such as deserts, which typically use Fresnel lenses to reduce weight.)
모든 집속장치 중 특히 복합포물면(Compound Parabolic Concentrator, CPC)을 이용한 장치는 이론적으로 가장 이상적인 집속기로 검증되어 있는데(US 특허번호 4003 638, US특허번호 4002 499 등), CPC는 기본적으로 포물면을 반사면으로 이용한 장치이다.Of all the focusing devices, especially those using compound parabolic concentrators (CPCs) are theoretically proven to be the most ideal focusing devices (US Patent No. 4003 638, US Patent No. 4002 499, etc.). It is a device used as a slope.
포물선 궤적은 수학적으로 극좌표계 (ρ,φ)에서 다음과 같이 표현된다 (도 2 참조).The parabolic trajectory is mathematically expressed in the polar coordinate system (ρ, φ) as follows (see Fig. 2).
ρ = 2f/(1-cosφ) (3)ρ = 2f / (1-cosφ) (3)
여기에, f 는 초점거리(OF)이다. Here, f is the focal length OF.
CPC의 기본원리는 도 4에 도시하였다. CPC의 기본모형의 반사면은 2 개의 포물선 구조의 반사면으로 구성되며, 포물선으로 형성된 반사면의 광학적 특성을 이용한다. 즉 도 2에 도시하는 바와 같이 포물면의 축(z'-축)과 평행하게 입사하는 광선은 본 포물면에서 반사된 후 모두 초점 F에 모인다. 따라서 수광면이 초점부위에 있으면 높은 밀도의 에너지가 분포된다.The basic principle of the CPC is shown in FIG. The reflective surface of the basic model of the CPC is composed of two parabolic reflective surfaces and uses the optical properties of the parabolic reflective surface. That is, as shown in FIG. 2, the light rays incident in parallel with the parabolic plane (z'-axis) are all reflected at the focal point F after being reflected from the parabolic plane. Therefore, when the light receiving surface is at the focusing point, high density energy is distributed.
그러나 입사광선이 축과 평행하지 않고, 각 ±α만큼 기울어진 각도로 입사하면 (도 3) 초점부위에서의 에너지의 밀도는 넓게 퍼지게 되며, 이 경우 수광면 (예: DD')의 위치와 크기에 따라 수광면에서의 에너지 밀도의 분포가 다르게 되며. 어떤 광선은 수광면에 도달하지 않고 반사면에서 반사되어 밖으로 되돌아 나아간다.However, if the incident light is not parallel to the axis and is incident at an angle inclined by ± α (Fig. 3), the energy density at the focal region spreads widely, in which case the position and size of the light receiving surface (e.g., DD ') The distribution of energy density on the light receiving surface is different. Some rays do not reach the light-receiving surface, but are reflected back from the reflecting surface.
주어진 일정한 수광면의 폭(DD')에 대하여 2차원 CPC 구조는 2개의 상술한 포물형 반사면의 축을 기울여 한 개의 집속장치로 변형한 구조로서 입사한계각(±α) 이내에서 입사하는 모든 광선은 수광면에 도달하게 된다. 이것을 끝단광선의 원리라고 한다. For a given constant light-receiving surface width DD ', the two-dimensional CPC structure is a structure transformed by one focusing device by tilting the axes of the two parabolic reflecting surfaces described above, and all light rays incident within the incident limit angle (± α). Will reach the light receiving surface. This is called the principle of the end ray.
이러한 원리를 만족하는 CPC장치의 구성은 도 4에 도시된 바와 같이 우측 포물면(일부분, F'B)의 초점을 점 F에 위치하고, 본 포물면의 축(FJ, z'-축)이 구성하고자 하는 집속장치의 축 (z-축)과 각 +α만큼 시계의 반대방향으로 기울이고, 본 반사면의 상단점(B)은 본 점에서의 접선이 장치의 종축 (z-축)과 평행하게 형성되는 점 B에서 절단하고, 본 포물면의 하단점(F')은 장치의 횡축(x-축)과 평행하게 초점 F를 지나는 선과 만나는 교차점 F‘에서 절단한다. 장치의 대칭축(z-축)은 본 출구면 FF'의 중간점을 지난다.As shown in FIG. 4, the CPC apparatus that satisfies this principle is positioned at the point F of the right parabolic surface (partially, F'B), and the axis (FJ, z'-axis) of the parabolic surface is intended to be constructed. The axis of the focusing device (z-axis) is inclined counterclockwise by an angle of + α, and the upper end point (B) of the reflecting surface is formed so that the tangent at this point is parallel to the longitudinal axis (z-axis) of the device. Cut at point B, and the bottom point F 'of the present parabolic plane cuts at the intersection F' where it meets the line passing through the focal point F, parallel to the transverse axis (x-axis) of the device. The axis of symmetry of the device (z-axis) crosses the midpoint of this exit plane FF '.
상기 우측 반사면(F'B)을 장치의 종축(z-축)을 대칭으로 하여 거울에 비친 영상 (Mirror image)으로 좌측 반사면(AF)를 형성하면 좌측 포물면(AF)의 초점은 점 F'에 위치하고 이것의 축은 선 F'J'으로 형성된다. If the left reflecting surface AF is formed as a mirror image in which the right reflecting surface F'B is symmetrically in the longitudinal axis (z-axis) of the device, the focus of the left parabolic surface AF is at point F. Is located on its axis formed by the line F'J '.
이와 같이 형성된 2개의 좌 우측 반사면 (AF 및 BF')이 한 개의 집속장치(AFF'B)를 형성한다. 출구면 FF'에 수광면 (또는 흡열면)이 위치한다. The two left and right reflecting surfaces AF and BF 'thus formed form one focusing device AFF'B. The light receiving surface (or endothermic surface) is located at the exit surface FF '.
본 장치의 특성은 개구면(AB)에 각 ±α보다 같거나 작은 각도로 입사하는 모든 광선은 직접 또는 반사면에서 반사된 후 모두 출구면(FF’)에 도달한다 (도 5). 각 α보다 큰 각도로 입사하는 광선은 반사면애서 반사된 후 모두 밖으로 되돌아 나아간다. 수광면에 도달하는 최대 입사각 α를 입사한계반각(Acceptance half-angle)이라 하며 개구면(AB)과 출구면(FF')과의 비를 기하학적 집속비(Geometric Concentration Ratio)라 정의한다. 본 집속비와 입사한계반각과의 관계는 CPC인 경우 다음과 같이 정의된다.The characteristic of this device is that the opening All light rays incident at an angle equal to or less than ± α reach the exit surface FF 'after being reflected either directly or at the reflective surface (FIG. 5). Light rays incident at angles greater than the angle α are all reflected back out of the reflection surface. The maximum incidence angle α that reaches the light receiving surface is called an acceptance half-angle, and the ratio between the opening surface AB and the exit surface FF 'is defined as a geometric concentration ratio. The relationship between this focusing ratio and the incident limit half angle is defined as follows for CPC.
Ccpc=1/sinα (2차원 집속기일 경우) (4)Ccpc = 1 / sinα (for two-dimensional focuser) (4)
Ccpc=1/sin2α (3차원 집속기일 경우) (5)Ccpc = 1 / sin 2 α (for 3-D Integrator) (5)
본 원리의 응용으로 2차원 집속장치의 경우 (도 6)를 예로 들면, 입사한계반 각이 90°이면 집속비는 일(1)이 되어 평판형과 동일하게 되고, 입사한계반각이 30°이면 집속비가 2가 된다. 후자의 경우, 개구면(AB)과 출구면(FF')의 면적의 비가 2가 되며, 이것의 의미는 개구면으로 입사하는 태양에너지의 밀도가 출구면에서 2배로 증가하게 되며, 따라서 출구면에 본 출구면과 동일한 면적의 태양전지를 놓으면 2배의 광량을 받아 평판형으로 사용할 때보다 약 2배의 전류가 생성되며 (도 1 참조), 또는 본 출구면에 출구면과 동일한 면적의 흡열판을 놓을 경우 2배의 태양에너지가 집속되어 평판형인 경우보다 더 높은 온도를 생성할 수 있게 된다 (예: 태양에너지 방사에 의한 온도의 증가는 이 경우(C=2) 표준조건하에서 90℃에서 160℃로 증가함). 또한 장치의 운영온도 부위에서의 효율성도 평판형 집열기보다 훨씬 증가한다. In the case of the two-dimensional focusing apparatus as an example of the application of the present principle (Fig. 6), when the incident limit half angle is 90 °, the focusing ratio becomes one (1), and when the incident limit half angle is 30 °, Focus ratio becomes two. In the latter case, the ratio of the area between the opening surface AB and the exit surface FF 'becomes 2, which means that the density of solar energy incident on the opening surface is doubled at the exit surface, and thus the exit surface. If the solar cell having the same area as the main exit face is placed on the air outlet, it receives twice the amount of light and generates about twice as much current as when used as a flat plate type (see Fig. 1), or the endotherm of the same area as the exit face at the main exit face When the plate is placed, twice as much solar energy is concentrated to produce a higher temperature than in the case of flat plates (e.g. an increase in temperature due to solar radiation in this case (C = 2) at 90 ° C under standard conditions). Increased to 160 ° C.). In addition, the efficiency at the operating temperature range of the device is much higher than that of flat plate collectors.
입사한계각의 의미는 이 경우 태양의 위치가 집광면의 수직면으로부터±30°범위 이내에 위치하면 개구면에 입사하는 모든 광선은 모두 수광면에 도달한다. 본 각도는 태양을 추적하지 않을 경우, 일일 중 수광시간의 한계를 결정하며 또한 계절에 따른 본 집속기의 위치조절의 회수를 결정한다. 즉, 본 예의 경우, 집속장치가 동서(도 6)로 위치되어 있고 집속기의 개구면의 수직방향이 춘분 (또는 추분)에 정오에 정남으로 향하여 고정되어 있으면 약 5시간의 수광시간이 가능하며 하지 때에는 11시간의 수광시간이 가능하다. 이 경우 계절에 따라 남북으로 위치조절을 하지 않아도 된다 (남북 조절각도는 ±23.5°)In this case, the angle of incidence angle means that if the position of the sun is within the range of ± 30 ° from the vertical plane of the light-converging plane, all light rays incident on the aperture will reach the light-receiving plane. This angle determines the limit of light receiving time during the day if the sun is not tracked, and also determines the number of times the positioning of the collector is seasonal. That is, in this example, if the focusing device is located east-west (FIG. 6), and the vertical direction of the opening surface of the integrator is fixed to the vernal equinox (or the autumn equinox) at noon at about noon, about 5 hours of light receiving time is possible. If not, 11 hours of light reception is possible. In this case, according to the season is not required to position control from north to south (north-south control angle is ± 23.5 °)
본 구조의 CPC는 다른 어떤 종류의 집속기보다 주어진 집속비에 대하여 최대의 입사한계각을 허용한다. 역으로 주어진 입사한계각에 대하여 최대의 집속비를 허용하는 장치로써 최대의 태양에너지를 수광면(또는 흡열면)에 전달할 수 있는 집속장치이다.The CPC of this structure allows the maximum angle of incidence for a given focusing ratio than any other type of focusing machine. Conversely, it is a device that allows the maximum focusing ratio for a given angle of incidence, and can focus the maximum solar energy on the light receiving surface (or endothermic surface).
태양에너지를 이용하는 평판형 장치의 문제는 태양전지(반도체)를 이용하여 전기를 발생하고자 할 경우 일반적으로 태양전지 반도체(예: Si, GaAs 등)의 값이 고가이며 (전체장치의 약 1/3~1/2) 또한 반도체의 전기변환 효율도 낮다 (단결정 Si 인 경우 약 15%). 태양열을 이용하는 평판형 집열기 장치는 흡열면의 집열온도에 한계가 있어 (약 40~90℃) 고온(>150℃)을 요구하는 장치에 이용할 수 없게 된다. 따라서 장치의 단가를 줄이거나 또는 고온을 요구하는 장치에는 일종의 집속장치가 필요하게 된다. The problem with flat panel devices using solar energy is that solar cell semiconductors (eg, Si, GaAs, etc.) are generally expensive when generating electricity using solar cells (semiconductors). 1/2) the semiconductor also has low electrical conversion efficiency (about 15% for single crystal Si). The flat heat collector device using solar heat has a limit on the heat collection temperature of the heat absorbing surface (about 40 to 90 ° C.) and cannot be used for a device requiring a high temperature (> 150 ° C.). Therefore, a type of focusing apparatus is required for a device that reduces the cost of the device or requires a high temperature.
상술한 CPC는 태양전지에 사용할 경우 특수한 문제가 발생한다. The CPC described above causes special problems when used in solar cells.
즉, 태양전지에 국부적으로 그늘(Shadow)이 생기에 되며, 이러한 경우 상술한 바와 같이 전기변환 효율이 저하되며 또한 극심한 경우 태양전지내에서 발생되는 열의 불균형적 분포로 인하여 열적 긴장이 생기며 파손될 수 있다. In other words, a shadow is generated locally in the solar cell, and in this case, the electrical conversion efficiency is lowered as described above, and in extreme cases, thermal tension may occur due to an unbalanced distribution of heat generated in the solar cell, thereby causing damage. .
상기 예(CR=2, α= 30°)에서 거의 +30°또는 -30°의 입사각으로 들어오는 광선은 반사 후 초점 F(또는 F')부위에 모두 모이게 되어 주위의 다른 부분에는 그늘짐 현상이 발생하게 된다 (도 8, 도 9, 도 10참조). 또한 초점 부위에서 태양전지 및 반사면의 온도가 국부적으로 상승하게 되며, 온도가 상승함에 따라 태양전지의 전압이 감소되어 출력이 저하되며, 고온인 경우에 도 8에서 점선 원으로 도시한 반사면의 하단부위 및 태양전지에 손상이 발생할 수 있다. In the above example (CR = 2, α = 30 °), the incoming light at an angle of incidence of almost + 30 ° or -30 ° is collected at the focal point F (or F ') after reflection, so that the shadowing phenomenon occurs in other parts of the surrounding area. (See Figs. 8, 9 and 10). In addition, the temperature of the solar cell and the reflecting surface is locally increased at the focal point, and as the temperature is increased, the voltage of the solar cell is decreased, so that the output is lowered. Damage to the bottom and solar cells can occur.
본 수광면이 흡열면일 경우 흡열면이 국부적으로 가열되어 균일하게 분포된 경우 보다 비효율적이다.In the case where the light receiving surface is an endothermic surface, the endothermic surface is locally inefficiently heated and uniformly distributed.
상술한 기본 복합포물면(CPC) 집속장치의 수광면(또는 흡열면)에 불균일한 광밀도의 분포로 인하여 발생되는 상술한 제반문제를 광학원리를 이용하여 해결하고자 한다. 본 원리는 초점부위에 모이는 광행로의 중간에 수광면(또는 흡열면)을 위치하여 반사된 광을 수광면 (또는 흡열면)의 표면에 균일하게 에너지밀도를 분포시킴으로서 수광면에 설치된 태양전지의 전기변환 효율을 높이거나 흡열면의 온도를 높이고자 함에 있다. 따라서 효율성이 증가되고 경제적이며 수명도 연장되는 수광밀도가 균일화된 복합 포물면(CPC) 태양에너지 집속장치를 제안하고자 한다.
In order to solve the above-mentioned problems caused by the distribution of light density uneven in the light receiving surface (or heat absorbing surface) of the basic composite parabolic surface (CPC) focusing apparatus described above, the optical principle will be solved. The principle is to position the light receiving surface (or heat absorbing surface) in the middle of the light path that is gathered at the focal point and distribute the reflected light uniformly on the surface of the light receiving surface (or heat absorbing surface) to distribute the energy density. The purpose is to increase the efficiency of electrical conversion or increase the temperature of the endothermic surface. Therefore, we propose a CPC solar energy focusing device with uniform light receiving density that increases efficiency, economics and lifespan.
(1) 수광밀도 균일화 CPC 집속장치(1) Light receiving density uniforming CPC focusing device
본 발명에 따른 수광밀도 균일화 CPC 집속장치는 도 4에 도시된 기본 CPC 집속장치가 도 11에 도시된 바와 같은 형태로 변형된 것인데, 기본 CPC 집속장치가 도 11에 도시된 바와 같은 본 발명의 수광밀도 균일화 CPC 집속장치를 형성하기 위한 기하학적 구조 변화는 다음과 같은 수단에 의하여 달성된다.In the light receiving density uniforming CPC focusing apparatus according to the present invention, the basic CPC focusing apparatus shown in FIG. 4 is modified in the form as shown in FIG. 11, and the basic CPC focusing apparatus is receiving the light receiving apparatus of the present invention as shown in FIG. 11. Geometrical changes to form the density uniformity CPC focusing apparatus are achieved by the following means.
1. 도 4에 도시한 일종의 기본 CPC구조에서 좌측 제1반사면(AF)의 하단점 F (우측 제2반사면의 초점)와 우측 제2반사면(BF')의 상단점 B를 연결하여 선 BF를 형성하고(상기 선BF는 좌측 제1반사면(AF)의 축에 평행하게 초점 F를 향하여 우측 제2반사면(BF')의 상단점 B에서 입사한계반각으로 입사하는 광선과 동일함),1. In the basic CPC structure shown in FIG. 4, by connecting the lower end point F (focus of the right second reflecting surface) of the left first reflecting surface AF and the upper end point B of the right second reflecting surface BF '. Line bf (The line BF is the same as the light incident at the limit half angle incident at the upper end point B of the right second reflecting surface BF 'toward the focal point F in parallel to the axis of the left first reflecting surface AF),
2. 좌측 제1반사면의 초점 F'(우측반사면의 하단점)에서 선 BF와 평행한 선을 형성하고, 우측 제2반사면과 만나는 점 K'의 위치를 구한다.2. A line parallel to the line BF is formed at the focal point F 'of the left first reflecting surface (lower point of the right reflecting surface), and the position of the point K' which meets the right second reflecting surface is obtained.
3. 점 K'에서 장치의 횡축(x-축)과 평행한 선 (K'K)과 선 BF와 만나는 점 K의 위치를 정한다.3. At point K ', locate the line K that is parallel to the device's abscissa (x-axis) and the point K that meets line BF.
4. 기본 CPC 집속장치의 구조에서 좌측 제1반사면(AF)이 장치의 횡축 (x-축)을 따라 점 K와 만나는 점 까지 거리 s만큼 우측으로 이동한다. 이때에 초점 F'도 우측으로 이동하게 되어 점 F"에 위치하게 된다.4. In the structure of the basic CPC focusing device, the left first reflecting surface AF moves to the right by the distance s to the point where it meets the point K along the device's transverse axis (x-axis). At this time, the focal point F 'is also moved to the right and is located at the point F ".
5. 각 반사면의 하단부위는 본 점 (K,K')에서 절단한다 5. Cut the lower part of each reflecting surface at this point (K, K ').
6. 이와 같이 형성된 반사면 A'K 및 BK'은 본 발명에 따른 수광밀도 균일화 CPC 집속장치를 형성한다.6. The reflection surfaces A'K and BK 'thus formed form the light receiving density uniforming CPC focusing apparatus according to the present invention.
상술한 조건을 만족시키는 점 K'의 위치는 기본 CPC의 모형에서 다음 관계식을 만족한다 (도 4의 x'z'-좌표계에서).The location of the point K 'satisfying the above condition satisfies the following relation in the model of the basic CPC (in the x'z'-coordinate system of Figure 4).
cosφK' = [1-2(1+sinα)*sinα]cosα+(1+sinα)*(1-2sinα) / cosφ K ' = [1-2 (1 + sinα) * sinα] cosα + (1 + sinα) * (1-2sinα) Of
(cosα+sinα+1)*(1-2sinα)2 (6)(cosα + sinα + 1) * (1-2sinα) 2 (6)
여기에, φK' 는 도 4에서 정의된 초점 F를 원점으로 한 극좌표계에서의 포물선상의 점 K'의 위치이며, α 는 전술한 기본 CPC의 입사한계반각이다. Here, φ K ' is the position of the parabolic point K' in the polar coordinate system with the focal point F defined in FIG. 4 as the origin, and α is the incident limit half angle of the basic CPC described above.
상기 관계식에서 조건 cosφK'≤±1에 의하여 α≥30°경우에는 상술한 점 K'은 존재하지 않고 초점 F'과 일치한다. 즉 α≥30°에 해당되는 기본 CPC와 동 일하다. 따라서 본 발명의 기본 원리는 α< 30°의 경우에만 해당된다. 이것은 2차원 기본 CPC의 구조에서 관계식 (4)에 의하여 집속비가 2 이상의 구조에 해당한다 (3차원인 경우 관계식 (5)에 의하여 집속비가 4이상인 경우에 해당 됨). In the above relation, if? ≧ 30 ° according to the condition cosφ K ′ ≦ ± 1, the above point K ′ does not exist and coincides with the focal point F ′. In other words, the same as the basic CPC corresponding to α≥30 °. The basic principle of the present invention therefore applies only in the case of α <30 °. This corresponds to a structure in which the focusing ratio is two or more according to the relation (4) in the structure of the two-dimensional basic CPC (in the case of the three-dimensional, the focusing ratio is four or more by the relation (5)).
본 발명의 상기 구조에 의한 집속비(Ceff)는 주어진 입사한계반각(α)에 대하여 기본 CPC의 집속비(Ccpc)보다 줄어들게 되며 2차원 장치인 경우 다음 관계식으로 주어진다The focusing ratio Ceff according to the above structure of the present invention becomes smaller than the focusing ratio Ccpc of the basic CPC for a given incidence half angle α and is given by the following relation in the case of a two-dimensional apparatus.
Ceff = Ccpc - 2*(1+sinα)*tanα*cos(φk'-α)/(1-cosφk') (7)Ceff = Ccpc-2 * (1 + sinα) * tanα * cos (φ k ' -α) / (1-cosφ k' ) (7)
여기에 Ccpc는 관계식(4)에 정의된 기본 CPC의 집속비이다. 예로서, 기본 CPC의 집속비가 Ccpc=2.1인 경우 관계식 (4), (6), (7)에 의하여 α=28.44˚ φK'=109.3˚ Ceff =1.91로써 기본 CPC의 집속비 Ccpc=2.1보다 약 10% 줄어든다. 그러나 집속장치에서는 일반적으로 집속비의 크기보다는 수광면(흡열면)에서의 에너지 밀도의 균일성이 가장 중요하며, 또한 광손실 (또는 열손실)의 최소화가 더욱 중요하다.Where Ccpc is the focusing ratio of the base CPC defined in relation (4). For example, if the focusing ratio of the basic CPC is Ccpc = 2.1, α = 28.44˚ φ K ' = 109.3˚ Ceff = 1.91 according to the relations (4), (6) and (7), than the focusing ratio Ccpc = 2.1 of the basic CPC. About 10% less. However, in the focusing apparatus, in general, the uniformity of energy density on the light receiving surface (heat absorption surface) is more important than the size of the focusing ratio, and the minimization of light loss (or heat loss) is more important.
본 발명에 따른 변형된 CPC집속장치는 도 12 내지 도 13에 도시된 바와 같이 입사한계반각 ±α보다 작은 각도로 개구면 A'B에 입사하는 모든 광선은 수광면 KK'에 실질적으로 고르게 분포된다.In the modified CPC focusing apparatus according to the present invention, as shown in FIGS. 12 to 13, all light rays incident on the opening surface A'B at an angle smaller than the incident limit angle ± α are substantially evenly distributed on the light receiving surface KK '. .
(2) 장화형 수광밀도 균일화 CPC 집속장치(2) Rain Boot Type Light Density Uniformity CPC Focusing Device
본 발명에 따른 집속장치인 도 11의 모형은 주어진 입사한계각이내에서 장치 의 개구면에 입사하는 모든 광선은 수광면에 실질적으로 균일하게 에너지 분포가 형성된다. In the model of FIG. 11, which is a focusing device according to the present invention, all light rays incident on the opening face of the device within a given angle of incidence are formed with a substantially uniform energy distribution on the light receiving face.
그리고 상기 도 11의 모형과 거의 동일한 효과를 제공할 수 있는 또 하나의 본 발명에 따른 집속장치는 도 15와 같은 장화형 구조이다. 상기 장화형 구조는 도 15에 도시되어 있는 바와 같이, And another focusing device according to the present invention that can provide almost the same effect as the model of Figure 11 is a rain boot type structure as shown in FIG. The rain boot type structure is shown in FIG. 15,
1. 수광면 KK'을 반지름으로 하여 점 K'을 중심으로 원호 KNM의 반사면을1.Reflect the reflecting surface of arc KNM around the point K 'with the light receiving surface KK' as the radius.
형성한다.Form.
2. 우측 반사면의 상단점 B에서 입사한계반각으로 입사하는 광선의 광행로2. Light path of the light incident at the limit half angle of incidence at the upper end point B of the right reflective surface
와 만나는 점 M을 구한다. 즉, 본 광선은 초점 F를 향하여 진행하며 진Find the point M where In other words, this ray travels toward focal point F
행경로 중 좌측 반사면의 하단점 K에서 반사되어 초점 F"으로 향하여 진Reflected at the bottom point K of the left reflective surface in the path and turned towards the focal point F "
행된다. Is done.
3. 좌측 반사면의 상단점 A'에서 입사한계반각으로 입사하는 광선은 원호 3. The light incident at the upper limit A 'of the left reflecting surface at the incident limit half angle is an arc.
KNM의 중심점 K'을 지나 직접 원호의 일점 N에 도달하며 본 광선은 점 Pass the center point K 'of KNM and reach point N of the arc directly.
N에서 다시 반사되어 되돌아 나아가 점 K'을 지난다. Reflect again at N and back through the point K '.
4. 선 K'M은 본래의 수광면(KK')과 동일한 폭으로 형성된 출구면이다.4. Line K'M is an exit surface formed the same width as the original light receiving surface KK '.
5. 따라서, 반사면을 A'KNM과 BK'로 형성하고, 원래의 수광면 KK'을 출구5. Therefore, the reflecting surface is formed of A'KNM and BK ', and the original light receiving surface KK' is exited.
면 K'M으로 옮겨 일개의 장화형 집속장치가 형성된다.It is moved to the surface K'M and one boot type focusing device is formed.
상기 본 발명에 따른 장화형 수광밀도 균일화 CPC 집속장치는 입사한계반각 ±α보다 작은 각도로 개구면A'B에 입사하는 모든 광선은 각 반사면에서 반사된 후 수광면 K'M에 실질적으로 고르게 분포된다. In the boots type light receiving density uniformizing CPC focusing apparatus according to the present invention, all light rays incident on the opening surface A'B at an angle smaller than the incident limit half angle ± α are reflected on each reflecting surface, and are substantially evenly received on the light receiving surface K'M. Distributed.
도 16에 도시된 장화형 수광밀도 Boot type light receiving density shown in FIG.
균일화 CPC 집속장치는 도 15의 수광면 K'M과 지면이 평행하도록 집속장치를 회전시킨 상태의 것이다.The homogenizing CPC focusing apparatus is a state in which the focusing apparatus is rotated so that the light receiving surface K'M and the ground of FIG. 15 are parallel.
이와 같이 장화형 수광밀도 균일화 CPC 집속장치를 수광면 K'M과 지면(地面)이 서로 평행하도록 회전시킨 이유는 평판형 흡열면이 지면을 향하게 되면 밀폐된 장화형 공간에서 대류에 의한 열손실이 줄어들기 때문이다.The reason why the boot type light receiving uniformity CPC focusing device is rotated so that the light receiving surface K'M and the ground are parallel to each other is that when the plate type heat absorbing surface faces the ground, heat loss due to convection in the closed boot type space is reduced. Because it decreases.
(3) 장화형 수광밀도 균일화 CPC 집속장치의 구조변경(3) Structural Change of Rain Boot Type Light Density Uniformity CPC Focusing Device
도 15에 도시된 장화형 수광밀도 균일화 CPC 집속장치의 모형은 우측 반사면과 수광면이 경계점 K'에서 서로 점으로 접합되어 있으나, 실 제품은 공작(제작)할 수 있는 여유 공간이 일반적으로 필요하다. In the model of the boots type light receiving density uniformity CPC focusing apparatus shown in FIG. 15, the right reflecting surface and the light receiving surface are bonded to each other at the boundary point K ', but the actual product generally requires a free space for working (manufacturing). Do.
이러한 문제를 고찰하여 Consider these issues
1. 도 15 및 도 16에 도시된 장화형 수광밀도 균일화 CPC 집속장치의 우측 1. Right side of the boot type light receiving density uniformity CPC focusing apparatus shown in FIG. 15 and FIG.
제1반사면(BK')과 수광면(K'M)과의 경계점 K'에서 요구되는 여유공간 d Clearance space required at the boundary point K 'between the first reflecting surface BK' and the light receiving surface K'M
만큼 수광면(K'M)을 따라 우측으로 이동하여 점 G의 위치를 선정한다. Move to the right along the light-receiving surface K'M to select the position of point G.
(도 17 참조)(See FIG. 17)
2. 점 K'에서 수광면 K'M과 수직하게 내린 선이 원호 반사면 KNM과 만나는 2. The line perpendicular to the light receiving surface K'M at the point K 'meets the arc reflecting surface KNM.
점 H에서 수광면 K'M과 평행하게 동일한 여유공간 d 만큼 반사면을 직At point H, the reflecting surface is aligned by the same clearance d parallel to the light receiving surface K'M.
선으로 연장하여 점 G'의 위치를 결정한다.Extend the line to determine the location of point G '.
3. 점 G를 중심점으로 하여 반경이 KK'인 원호 반사면(G'N"M')을 점 G'에서3. A circular arc reflecting surface (G'N "M ') with radius KK' at the point G 'with the point G as the center point
부터 형성한다. To form.
4. 우측 포물면 반사면의 상단점 B에서 입사한계반각으로 입사하는 광선은 4. Light rays incident at the incident limit half angle at the upper end point B of the right parabolic reflecting surface
초점 F를 향하여 진행하고 좌측 반사면의 하단점 K에서 반사되어 초점 Proceed towards focal point F and reflect at the lower point K of the left reflective surface to focus
F"을 향하여 진행될 때 원호반사면과 만나는 점 M'의 위치를 결정한다,Determine the location of the point M 'where it meets the arc reflection plane as it travels toward F ",
5. 좌측 반사면의 상단점 A'에서 입사한계반각으로 입사하는 광선은 초점 5. Light rays incident from the upper limit point A 'of the left reflection surface at the incident limit half angle are focused.
F"을 향하여 진행하고, 본 광선은 원호 반사면 G'N"M'상의 점 N"에서 다Proceed toward F ", and the light beam diverges from point N" on the circular reflection surface G'N "M '.
시 반사되어 점 V 및 K"을 향하여 진행된다. Is reflected back and proceeds towards points V and K ".
여기에 점 V는 수광면 평면(K'G)의 연장선과 본 반사광선이 만나는 점이Point V is the point where the extension line of the light receiving surface plane K'G meets the reflected light.
며, 점 K"은 본 반사광선과 KK'과 동일한 크기의 반지름으로 점 M'을 중Point K "is the same radius as the reflected light and KK '
심으로 하여 형성되는 원호와 만나는 점이다. 따라서 점 V와 K"은 모두 It is the point where it meets the arc formed by the core. So both points V and K "
본 반사광선상에 위치하는 점이다. This point is located on the reflected light beam.
6. 여기에서, 본 반사광선의 2 점, V 및 K", 사이에서 일 점을 선택하여 M'6. Here, M 'is selected between two points, V and K ", of the reflected light and M'
점과 연결한 출구면을 수광면의 폭으로 선정할 수 있다. The exit surface connected with the point can be selected as the width of the light receiving surface.
즉, 본래의 수광면의 폭 KK'과 동일한 폭의 수광면은 출구면 K"M'으로 That is, the light receiving surface having the same width as the width KK 'of the original light receiving surface is the exit surface K "M'.
사용할 수 있으며, 또한 폭 VM'을 선정하여 보다 작은 폭의 수광면으로 It is also possible to use it, and also select the width VM 'for the light receiving surface of smaller width.
선택할 수도 있다. 또는 점 V 와 K"을 연결하는 선상의 다른 일점 K"을 You can also choose. Or another point K "on the line connecting point V and K"
선택하여 출구면 K"M'을 수광면으로 선택할 수 있다. 본 구조에서는 폭 The exit face K "M 'can be selected as the light receiving surface.
VM'이 수광면의 최소의 폭이 된다. (도 17 참조) VM 'becomes the minimum width of the light receiving surface. (See FIG. 17)
7. 공간 K'V의 최대공간은 선 K'V의 연장선과 반사광선 KF"의 연장선과 만7. The maximum space of the space K'V is equal to the extension of the line K'V and the extension of the reflected light KF ".
나는 점까지 이다.I'm up to the point.
8. 직선 K'G를 형성하는 면의 내부는 반사면이며, 직선 GK" 또는 VK"은 본8. The inside of the surface forming the straight line K'G is the reflecting surface, and the straight line GK "or VK"
래의 수광면 K'G에 수직한 반사면이다.It is a reflection surface perpendicular to the light receiving surface K'G.
9. 이와 같이 형성된 본 발명에 따른 집속장치 구조는 모두 입사한계반각보9. All the focusing device structures according to the present invention formed as described above are incident limit half angle beams
다 작은 각도로 개구면 A‘B로 입사하는 모든 광선은 수광면 VM' 또는 All light beams incident on aperture A ' B at a smaller angle
K"M'에 도달한다. K "M 'is reached.
수광면을 VM' 또는 K"'M'으로 선택할 경우 장치의 집속비는 수광면이 When the light receiving surface is selected as VM 'or K "' M ', the focusing ratio of the device is
K"M'의 경우보다 증가한다.(여기서 K"'은 직선 VK"선상에서 임의로 K'M 'is higher than that (where K "' is randomly on the line VK").
선택되는 점이다.)Is chosen.)
(4) 본 발명에 따른 장화형 수광밀도 균일화 CPC 집속장치의 흡열면이 비선형 (원통형)인 경우(4) When the heat absorbing surface of the boots type light receiving uniformity CPC focusing apparatus according to the present invention is nonlinear (cylindrical)
흡열면이 평면이 아닌 경우로 도 18에 도시된 바와 같이 주어진 입사한계반각에 대하여 이론적으로 최대의 집속을 할 수 있는 반사면의 궤도는 흡열면 단면의 신개선(Involute) 궤도의 반사곡면 일부와 신개선 궤도의 곡면과 연속적으로 연결된 특수한 제 2의 반사곡면으로 형성된다.If the heat absorbing surface is not a plane, as shown in Fig. 18, the orbit of the reflecting surface that can theoretically maximize the maximum incident half angle with respect to the reflection surface of the involute track of the endothermic surface It is formed of a special second reflective surface continuously connected to the curved surface of the new track.
상기 제 2 반사면의 궤도는 입사한계각으로 입사하는 광선이 제2의 반사면에서 반사된 후 본 비선형 흡열면에 접선으로 만나도록 조절된 특수한 궤적의 반사면으로 형성된다. The trajectory of the second reflecting surface is formed of a reflecting surface of a special trajectory which is adjusted to meet a non-tangential endothermic surface tangentially after the light rays incident at the incident limit angle are reflected from the second reflecting surface.
이상과 같은 장치를 “신계선형 집속기“라고 칭하기로 한다. 도 18는 본 비 선형 흡열면이 원통형일 경우를 예시한 것이다.Such a device will be referred to as a "new linear integrator". 18 illustrates the case where the non-linear endothermic surface is cylindrical.
예로서, 도 18에 도시한바와 같이 흡열면의 단면이 원통형일 경우, 좌측 하부 반사면의 형성은 원의 신계선 (원통을 감은 실이 원에서 팽팽하게 당겨서 접선으로 풀어 나아갈 때 실의 끝점이 그리는 궤적)으로 형성되는 곡면의 일부 (곡면 OP)이다. 제2의 반사면은 곡면 PQ로서 입사한계반각(θ)과 평행하게 들어오는 모든 광선은 본 반사면 PQ에서 반사된 후 흡열면의 표면에 접선으로 만나도록 형성된 특수곡면이다. 본 두(2)개의 곡면은 접합점 P에서 연속적으로 (즉, 접점 P에서 서로의 기울기가 동일함) 만난다. 상단점 Q는 본 점에서의 접선이 장치의 축인 z"-축과 평행하게 형성되는 점이다.For example, as shown in FIG. 18, when the endothermic surface is cylindrical as shown in FIG. 18, the formation of the lower left reflective surface is the end of the yarn when the new wire of the circle (the yarn wound by the cylinder is pulled tightly from the circle and pulled out tangentially). Part of the surface (surface OP) that is formed by the locus that the point draws. The second reflecting surface is a curved surface PQ, which is a special curved surface formed so that all light rays coming in parallel with the incident limit half angle θ meet at the surface of the heat absorbing surface after being reflected by the present reflecting surface PQ. These two (2) curved surfaces meet continuously at the junction P (ie, the slopes of each other at the contact P are the same). Top point Q is the point where the tangent at this point is formed parallel to the z "-axis which is the axis of the device.
우측 반사면 0P‘Q’은 반사면 OPQ 곡면이 본 장치의 대칭축 (z"-축)에 대칭으로 형성되는 곡면이다.The right reflecting surface 0P'Q 'is a curved surface in which the reflecting surface OPQ curved surface is formed symmetrically on the axis of symmetry (z "-axis) of the apparatus.
이러한 궤적의 반사면의 특징은 전술한 CPC와 같이 반사면 OPQ (또는 OP'Q')는 입사한계반각(θ) 및 이 보다 작은 각도로 입사하는 모든 광선을 본 반사면에서 한 번 또는 그 이상 반사된 후 모두 흡열면에 도달한다 (끝단광선의 원리). 본 입사한계반각보다 큰 각도로 입사하는 광선은 반사면에서 한번이상 반사된 후 흡열면에 도달하지 않고 모두 밖으로 되돌아 나아간다. The characteristic of the reflective surface of this trajectory is that, like the CPC described above, the reflective surface OPQ (or OP'Q ') has the incident limit half angle θ and one or more times at the reflective surface which sees all the light beams incident at a smaller angle. After reflection, they all reach the endothermic plane (the principle of the end beam). Light rays incident at an angle greater than this incident limit half angle are reflected at least once on the reflection surface and then return outward without reaching the endothermic surface.
이와 같은 신개선 특수반사면의 이용은 도 19 및 도 20에 도시하였다. 즉 도 15 및 도 17에 제시한 장치에서 흡열면(K'M, 또는 K"M')을 제거하고 도 18에 제시한 집속장치의 개구면 (QQ')의 폭을 흡열면의 폭 K'M과 동일하게 조절하여 대치한다. 이 경우 입사한계반각(θ)은 본체의 장치(도 15, 도 17)에서 반사되어 출구면 (K'M, 또는 K"M')에 도달하는 최대의 각도를 본 특수장치의 개구면(QQ'=K'M, 또는 K"M')으로 입사하는 입사한계반각으로 선정한다. The use of such a new improved special reflective surface is shown in Figs. 19 and 20. That is, the heat absorbing surface K'M or K "M 'is removed in the apparatus shown in FIGS. 15 and 17, and the width of the opening surface QQ' of the focusing apparatus shown in FIG. In this case, it is adjusted to replace M. In this case, the incident limit half angle θ is the maximum angle reflected by the apparatus of the main body (Figs. 15 and 17) to reach the exit surface K'M or K'M '. Is selected as the incidence limit half angle incident on the opening surface (QQ '= K'M, or K "M') of this special apparatus.
본 장치의 형성에 있어서 도 18에 제시된 신개선반사면의 깊이(높이)를 임의로 절단하여 개구면 QQ'의 폭을 조절할 수 있다[예: 개구면 WW'].In the formation of the apparatus, the depth (height) of the newly improved reflective surface shown in Fig. 18 can be arbitrarily cut to adjust the width of the opening surface QQ '(e.g., opening surface WW').
본 발명은 종래의 기본 CPC의 설계에 있어서 초점 부위에 모이는 태양에너지의 집속으로 인한 수광면(흡열면)의 그늘짐 현상을 완화시키며, 동시에 일부 부위에 집속된 에너지로 인한 고온현상을 저하시킨다. 또한 장치의 출구면에 실질적으로 균일하게 분포된 태양에너지 밀도로 인하여 장치 (수광면 또는 흡열면)의 효율을 증가시킨다. The present invention mitigates the shading of the light receiving surface (heat absorbing surface) due to the focusing of the solar energy collected at the focal point in the design of the conventional basic CPC, and at the same time reduces the high temperature phenomenon due to the energy focused on a part. It also increases the efficiency of the device (light receiving surface or endothermic surface) due to the solar energy density distributed substantially uniformly at the exit surface of the device.
집속장치는 태양전지의 면적을 집속비만큼 줄일 수 있어 태양전지의 사용면적을 줄임으로서 장치의 단가도 많이 줄일 수 있다. 광학요소의 단가는 태양전지의 약 1/10 ~ 1/20에 해당된다.The focusing apparatus can reduce the area of the solar cell by the focusing ratio, thereby reducing the unit cost of the apparatus by reducing the use area of the solar cell. The cost of an optical element is about 1/10 to 1/20 of a solar cell.
본 발명이 태양열이용 장치에 응용될 경우 흡열면의 표면온도를 상승시킬 수 있을 뿐만 아니라 실질적으로 고르게 가열시킬 수 있어 국부적으로 가열될 경우보다 장치의 효율이 증가된다. When the present invention is applied to a solar device, not only can the surface temperature of the heat absorbing surface be increased, but also can be heated substantially evenly, thereby increasing the efficiency of the device than when locally heated.
또한 흡열면이 지면과 평행하며 동시에 지면을 향하게 위치하여 대류에 의한 열손실이 감소되어 장치의 효율이 증가시킨다 (도 15, 도 17). 또한 대류의 흐름을 정체시킴으로서 흡열면의 열효율을 극대화할 수 있다(도 17, 도 20).In addition, the endothermic surface is parallel to the ground and at the same time facing the ground to reduce the heat loss due to convection to increase the efficiency of the device (Fig. 15, Fig. 17). In addition, it is possible to maximize the thermal efficiency of the endothermic surface by stagnating the flow of convection (Fig. 17, Fig. 20).
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