KR101093773B1

KR101093773B1 - 태양광 집광장치

Info

Publication number: KR101093773B1
Application number: KR1020090081223A
Authority: KR
Inventors: 홍종문
Original assignee: 한국방진방음 주식회사
Priority date: 2009-08-31
Filing date: 2009-08-31
Publication date: 2011-12-19
Also published as: KR20110023378A

Abstract

본 발명은 태양광 이용기술에 관한 것으로서, 좀 더 자세하게는 태양광을 집광하여 조명용 광원으로 사용할 수 있도록 하는 장치이다.

본 발명은 넓은 영역으로 입사하는 태양광을 집속하는 집속반사경과 집속된 태양광을 평행광선으로 변환하는 평행반사경으로 구성하되, 집속반사경과 평행반사경을 그 경축과 초점이 서로 일치하도록 배열하였다. 그리고 컨트롤러와 반사경구동장치를 구비하여 집속반사경이 항상 태양을 향하도록 하고, 집속반사경의 테두리에는 태양전지를 부착하여 전기를 생산할 수 있게 하였다. 또한 광도의 끝에는 광섬유 다발을 구비하여 집속된 태양광을 조명이 필요한 곳으로 전송할 수 있게 하였다.

본 발명인 태양광 집광장치는 태양광을 이용하여 조명에 필요한 빛, 태양열, 그리고 태양광발전에 의한 전기를 동시에 얻을 수 있고, 태양광은 광섬유를 통하여 조명이 필요한 곳으로 전송할 수 있다. 본 발명의 태양광 집광장치를 사용할 경우,별도의 에너지를 사용하지 않고 태양광을 조명용 광원으로 이용할 수 있어 에너지를 절약하고 탄소 배출량을 줄일 수 있는 친환경 녹색 에너지 발생장치이다.

태양광, 조명, 반사경, 오목거울, 초점, 친환경, 녹색, 에너지

Description

태양광 집광장치{Sun Light Condensing Equipment}

최근 친환경 재생에너지에 대한 관심이 높아져 가고, 이에 따라 태양광을 이용하여 전기를 생산하거나 태양열을 이용하는 장치가 다수 개발되고 있다. 그러나 태양광을 조명용 광원으로 사용하기 위한 연구는 미미한 실정이다.

그리고 최근에는 대형 건물이 많이 지어지고 있는데, 이들 대형 건물에서는 창가 일부지역만을 제외하고는 태양이 비치는 낮시간에도 전기를 이용한 조명을 하고 있는 실정인데, 이와 같은 조명용 전기 에너지의 소비가 크다.

최근에 태양광을 조명용 광원으로 사용하는 장치에 관하여 장치들이 특허출원이 되고 있으나, 모두 실현가능성이 희박한 것들이다.

국내 공개특허 10-2004-0086031호 "태양광원을 집광하여 에너지로 이용하는 광원설비기계"에는 1, 2차 반사기와 모임점에 랜즈를 사용하여 광원을 광원안내구로 안내한다고 기재되어 있으나, 도면에 도시된 반사기의 형태로 보아 집광이 불가 능하다.

국내 등록특허 10-0754544호 "태양광 전송장치"에는 오목거울로 짐작되는 집광기와 복잡한 렌즈장치를 이용하여 집광한다고 기재되어 있으나, 오목거울이라고 하여 임의의 각도로 입사하는 광선을 렌즈장치에 집광되게 할 수 있는 것이 아니므로, 이 또한 실현이 불가능하다.

국내 등록실용신안 20-0170477호 "광파이프에 의한 태양광 집광 전송장치"에는 반사경과 보조반사경을 이용하여 집광을 하는 장치에 대한 기재가 되어 있으나, 보조반사경의 종류와 위치가 기재되어 있지 않아 이 또한 실현이 불가능하다.

따라서 현재까지 고안된 집광장치 중에서 실현가능한 구체적인 집광장치는 없는 실정이다.

최근에 광섬유가 개발되어 여러 가지 용도로 사용되고 있는데, 특히 최근에 저렴한 플라스틱 광섬유가 개발되어 여러 용도로 사용되고 있다. 광섬유는 섬유의 일단에 입사한 빛이 섬유 내에서 전반사를 일으키면서 거의 소실되지 않고 타단으로 유출된다.

플라스틱 광섬유는 고순도 아크릴 레진(PMMA, Polymethyl methacrylate)으로 된 코어(Core)와 코어의 표면에 얇게 코팅된 불소 폴리머(F-PMMA, Fluorine Polymethyl methacrylate)의 클래드(Clad)층으로 구성되어 있다. 클래드의 굴절율(refractive index)이 코어의 굴절율보다 낮으므로 광섬유의 한쪽 끝단으로부터 들어온 빛은 코어와 클래드의 경계면에서 전반사(Total-Reflection)를 일으켜 한쪽 끝단으로 입사한 빛이 다른 끝단으로 그대로 나가게 된다.

상기 아크릴 레진으로 제작된 플라스틱 광섬유의 가시광선 대역에서의 빛 전달 손실은 길이 30m에서 대략 60%가 되는 것으로 알려져 있다.

상기한 바와 같이 현재 태양광을 조명용 광원으로 사용할 수 있게 하는 실효성이 있는 집광장치는 없다.

따라서 태양광을 효과적으로 집광하여 이를 조명이 필요한 곳으로 보낼 수 있는 집광장치가 필요하다.

본 발명은 상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위하여, 넓은 영역으로 입사하는 태양광을 집속하는 집속반사경과 집속된 태양광을 평행광선으로 변환하는 평행반사경으로 구성하되, 집속반사경과 평행반사경을 그 경축과 초점이 서로 일치하도록 배열하였다.

그리고 집속된 태양광이 통과하는 광도에 냉각장치를 구비하여 조명에 필요한 가시광선은 통과하고 태양열은 흡수되게 하고, 평행반사경에는 태양위치추적센서를 구비하여 태양의 고도와 경도를 추적할 수 있게 하고, 컨트롤러와 반사경구동장치를 구비하여 집속반사경이 항상 태양을 향하도록 하고, 집속반사경의 테두리에는 태양전지를 부착하고 축전기를 구비하여 태양광 발전을 하여 전기를 생산할 수 있게 하였다. 또한 광도의 끝에는 광섬유 다발을 구비하여 집속된 태양광을 조명이 필요한 곳으로 전송할 수 있게 하였다.

본 발명인 태양광 집광장치는 태양광을 효과적으로 집광하고 평행광선으로 변환하여, 광섬유를 통하여 조명이 필요한 곳으로 전송할 수 있게 한다.

본 발명의 태양광 집광장치를 사용할 경우, 대형 건물에서 태양광이 비치는 동안에는 별도의 에너지를 사용하지 않고 태양광을 조명용 광원으로 이용할 수 있게 함으로써, 조명에 필요한 에너지를 절약하고, 궁극적으로는 발전에 필요한 화석연료의 사용을 줄여 탄소 배출량을 줄일 수 있게 한다.

본원 발명은 도 1에 도시한 바와 같이, 넓은 영역으로 입사하는 태양광을 집속하는 집속반사경과 집속된 태양광을 평행광선으로 변환하는 평행반사경으로 구성되는 집광장치(1), 집광장치(1)의 광도에 설치되어 집광된 태양광의 열을 흡수하는 냉각장치(2), 집광장치(1)의 집속반사경이 항상 태양을 향하도록 제어하는 제어장치(3), 제어장치의 구동명령에 따라 집속반사경이 태양을 향하도록 하는 구동장치(4), 태양광을 이용하여 전기를 생산하는 태양광발전정치(5), 그리고 집속된 태양광을 조명이 필요한 곳으로 전송할 수 있게 하는 광케이블(6)을 포함하여 구성된다.

집광장치(1)는 넓은 영역으로 입사하는 태양광을 집속하는 기능을 하는 집속반사경(11)과 집속된 태양광을 평행광선으로 변환하는 평행반사경(12), 그리고 집속된 태양광이 통과하는 광도(14)로 구성된다.

집속반사경(11)은 큰 오목거울인데, 경축이 지나는 중심부에 광도(14)가 결합되는 구멍이 형성되어 있다. 집속반사경(11)의 크기는 조명에 필요한 조도의 빛을 집광하는데 충분한 크기로 한다.

평행반사경(12)은 작은 오목거울로서, 상기 집속반사경(11)과 경축이 서로 일치하도록 마주보면서 평행반사경(12)의 초점이 상기 집속반사경(11)의 초점과 일치되게 설치한다. 평행반사경(12)은 가장자리에 3-4개의 고정봉(13)을 이용하여 상기 집속반사경(11)의 가장자리 또는 내면에 고정한다. 평행반사경(12)의 크기는 가능한 한 작게 하여 태양광선이 집속반사경(11)에 입사되는 것을 방해하지 않도록 하되, 집속반사경(11)에서 집광된 빛을 모두 반사시킬 수 있는 크기로 한다.

광도(光道, 14)는 상기 집속반사경(11)의 중심부에 집속된 태양광이 통과할 수 있는 통로로서, 일정 길이의 파이프 형태로 제작되고, 집속반사경(11)의 후방 경축방향으로 돌출되도록 집속반사경(11) 중심부의 구멍에 결합된다. 광도(14)의 내벽에는 도 2에 도시한 바와 같이, 빛이 통과하는데 방해가 되지 않도록 다수 개의 냉각판(141)을 방사상으로 부착하여, 집광된 빛에서 발생하는 열을 잘 흡수할 수 있게 하는 것이 좋다. 광도는 열전달이 잘 일어나는 구리, 알루미늄 등으로 제작하는 것이 좋다.

오목거울의 경우 경축과 평행하게 입사한 빛은 모두 초점을 향하여 반사되고, 초점을 통과하여 입사한 빛은 모두 경축과 평행하게 반사된다. 태양은 지구에 서 아주 멀리 떨어져 있으므로 태양광은 직선광으로 볼 수 있다. 이와 같이 직선광인 태양광이 태양을 향하여 설치된 집속반사경(11)에 그 경축과 평행하게 입사하면 태양광은 모두 집속반사경(11)의 초점을 향하여 집광된다. 평행반사경(12)은 집속반사경(11)과 경축과 초점이 일치하므로, 집속반사경(11)에서 반사되어 초점을 지나는 빛은 집속반사경(11)과 마주보고 있는 평행반사경(12)에서 반사되어 모두 경축과 평행하게 집속반사경(11)의 중심부를 향하여 직선광으로 진행하게 된다.

상기와 같이 경축과 초점이 서로 일치하게 배치된 두 개의 오목거울인 집속반사경(11)과 평행반사경(12)으로 구성되는 집광장치(1)에 의하여, 집속반사경(11)으로 입사한 태양광은 모두 직선광선으로 집속되어 집속반사경(11)의 경축이 있는 중심부에 결합된 광도(14) 속으로 진행하게 된다.

냉각장치(2)는 집광장치(1)의 광도(14)에 설치되어 집광된 태양광의 열을 흡수한다. 본 발명에서 집광된 빛을 필요한 곳으로 전송하는 전송 수단으로 플라스틱 광섬유 다발에 피복을 입혀 제작하는 광케이블을 이용하는데, 플라스틱 광섬유는 열에 약하여 120℃를 초과할 경우 빛 전달 손실이 급격히 커지므로, 집광된 태양광이 가지는 열을 충분히 냉각시켜야 한다. 만약 집광되는 태양광에서 발생하는 열의 량이 많지 않아 자연풍에 의한 공냉으로 충분할 경우 별도의 냉각장치를 사용하지 않을 수도 있다.

냉각장치(2)의 일례로는 광도(14)의 외면에 냉각코일(21)을 설치하여 냉각수를 순환시키는 수냉식으로 구성할 수 있다. 이 경우, 태양열을 흡수하여 가열된 냉각수를 온수로 이용할 수도 있다.

냉각장치(2)의 또 다른 예로는 광케이블이 결합되는 부위의 광도(14)의 벽에 냉각공기파이프(22)를 구비하여 구성할 수 있다. 이 냉각공기파이프(22)를 통하여 냉각에 필요한 저온의 바람을 광도(14) 속으로 불어넣어 주면, 광케이블의 끝단 광섬유가 노출된 부위를 냉각시켜 주어 광섬유의 온도가 오르는 것을 방지할 수 있다.

광도(14)의 전면과 후면에는 가시광선 투광도가 좋은 투명한 판으로 제작된 투광판(15)로 밀폐하고, 광도(14)의 내부에 불활성 기체 또는 질소 등의 안정된 무색의 기체를 고압으로 충진하면, 태양열을 더욱 효과적으로 흡수할 수 있다. 태양열은 주로 적외선에 의하여 발생되는데, 적외선은 가시광선보다 훨씬 잘 투과하는데, 집광된 태양광 중 적외선은 대부분 투광판(15)를 투과하여 광도 내부의 기체를 가열하게 되고, 그 열은 상기 냉각코일(21)에 흡수되어 태양열을 이용할 수 있게 한다. 이때 광도 내부의 기체의 압력이 높을수록 태양열에 의하여 운동이 활발해진 기체분자가 많아져서 태양열의 흡수에 유리하다.

제어장치(3)는 태양의 집속반사경(11)이 항상 태양을 향하도록 하여 태양광이 경축과 평행하게 집속반사경(11)으로 입사하게 하는 제어신호를 생성한다. 태양은 날짜와 시간에 따라 항상 일정한 궤도로 운행되므로, 본 장치가 설치될 지점의 지표상의 좌표(경도와 위도)를 알면 날짜별로 그리고 시간별로 태양의 고도와 방위각을 정확히 알 수 있다. 본 제어장치는 입력된 설치지점의 좌표를 바탕으로 날짜별 그리고 시간별 태양의 위치(고도와 방위각)를 계산하여, 집속반사경(11)이 항상 태양을 향하도록 집광장치(1)의 자세를 제어하는 신호를 생성하여 구동장치(4)로 송출한다.

제어장치(3)는 태양위치추적센서(7)로부터 실시간으로 측정한 태양의 위치 정보를 이용하여 집광장치(1)의 자세를 제어할 수 있다. 태양위치추적센서(7)에는 여러 종류가 있으나, 빛의 세기에 따라 전기량이 변하는 포토셀을 다수 개를 구비한 판에 그림자를 만들 수 있는 막대기를 구비하여 막대기로 인하여 발생하는 그림자의 위치를 인식하여 태양의 위치를 식별하는 태양위치식별센서가 개발되어 사용되고 있다. 즉, 막대기의 그림자기 생기지 않는 방향이 태양이 있는 방향이 된다.

태양위치추적센서(7)는 도면에 도시한 바와 같이 평행반사경(12)의 뒷면에 부착하는 것이 가장 간명하겠으나, 집광장치(1)를 포함하여 태양이 보이는 임의의 장소에 부착할 수 있다.

태양위치추적센서(7)가 태양의 위치 정보를 제어장치(3)에 보내고, 제어장치(3)는 태양의 위치에 따라 집속반사경(11)이 항상 태양을 향하도록, 즉 태양위치추적센서(7)의 막대기 그림자가 생기지 않도록 집광장치(1)의 자세를 제어하는 신호를 생성하여 구동장치(4)로 송출한다.

구동장치(4)는 집광장치(1)의 자세인 고각과 방위각을 조정하는 장치로서, 고각구동장치(41)와 방위각구동장치(42)로 구성된다. 고각구동장치(41)는 상하로 회전을 하는 힌지와 이 힌지를 구동하는 모터로 구성되어, 상기 제어장치(3)의 제어명령에 따라 집광장치(1)의 고각을 조정한다. 그리고 방위각구동장치(42)는 수직축을 중심으로 회전하는 피벗과 이 피벗을 구동하는 모터로 구성되어, 상기 제어장치(3)의 제어명령에 따라 집광장치(1)의 고각을 조정한다. 구동장치(4)는 전 방향 으로 회전할 수 있는 볼조인트를 이용하여 고각과 방위각을 동시에 조정할 수 있게 구성할 수도 있다.

상기 제어장치(3)와 구동장치(4)와 유사한 자세제어장치는 산업계에 많이 이용되고 있고, 제어에 대한 초보적이 지식이 있는 자라면 쉽게 구성할 수 있다.

태양광발전장치(5)는 상기 집광장치(1)의 집속반사경(11)의 가장자리에 테두리(51)를 형성하고, 이 테두리에 태양전지셀(52)을 다수 부착하여 구성한다. 최근 태양광을 전기로 변환하여 전기를 생산하는 태양전지셀이 상용화되어 시판되고 있다. 태양전지셀(52)에서 발전한 전기는 배터리인 축전기(8)에 축전되어 전기를 사용할 수 있게 한다.

광케이블(6)은 일정 직경의 광섬유(61) 다수 가닥을 묶어 다발을 형성하고, 그 외부를 보호피막(62)으로 감싸는 방법으로 제작한다. 광섬유로는 고순도 아크릴 레진으로 재질의 저렴한 플라스틱 광섬유를 사용하는 것이 좋고, 광섬유의 절단된 끝을 상기 광도(14)의 축방향으로 하여 집광된 빛이 광섬유 속으로 잘 진입하게 한다. 광섬유로 유입된 집광된 태양광은 조명이 필요한 곳으로 광섬유를 따라 전송된다.

본 발명인 태양광 집광장치는, 태양광을 이용하여 조명에 필요한 빛, 태양열, 그리고 전기를 동시에 수집할 수 있는 장치로서, 태양광 조명장치, 태양열 이용장치, 그리고 태양전기 이용장치에 두루 이용될 수 있다.

도 1은 본 발명인 태양광 집광장치의 전체 구성도이다.

도 2는 광도의 내부 단면도이다.

※ 중요 구성품 번호

1 : 집광장치, 2 : 냉각장치, 3 : 제어장치, 4 : 구동장치,

5 : 태양광발전장치, 6 :광케이블, 7 : 태양위치추적센서, 8 : 축전기,

11 : 집속반사경, 12 : 평행반사경, 13 : 고정봉, 14 : 광도, 15 : 투광판,

21 : 냉각코일, 22 : 냉각공기파이프,

41 : 고각구동장치, 42 : 방위각구동장치,

51 : 테두리, 52 : 태양전지셀,

61 : 광섬유, 62 : 보호피막.

Claims

경축이 지나는 중심부에 구멍이 형성되어 있는 큰 오목거울로서 넓은 영역으로 입사하는 태양광을 집속하는 집속반사경(11), 상기 집속반사경(11)과 경축과 초점이 일치하도록 마주보고 배치되는 작은 오목거울로서 집속된 태양광을 평행광선으로 변환하는 평행반사경(12), 상기 평행반사경(12)을 상기 집속반사경(11)에 고정하는 고정봉(13), 그리고 상기 집속반사경(11)의 중심부에 형성된 구멍에 결합되어 집속반사경(11)의 후방 경축방향으로 돌출되는 일정 길이의 파이프로서 집속반사경(11)에 의하여 집광되고 평행반사경(12)에 의하여 직선광선이 된 태양광이 통과하는 통로가 되는 광도(14)로 구성되는, 집광장치(1);

그리고 상기 집광장치(1)의 광도(14)의 끝단에 결합되는 것으로서, 일정 직경의 광섬유(61) 다발 외부를 보호피막(62)으로 감싸는 방법으로 제작되고, 상기 광섬유(61)의 절단된 끝단이 광도(14)에 노출되어, 광도(14)로 유입되는 태양광을 받아들여 필요한 곳으로 전송하는, 광케이블(6);

을 포함하여 구성되는, 태양광 집광장치.
제1항에 있어서, 상기 태양광 집광장치는,

집광장치(1)의 광도(14)의 외부에 감겨 그 내부로 냉각수가 흐르는 냉각코일(21)을 포함하는 냉각장치(2)를 추가로 구비하여, 광도 내부의 온도가 오르는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는, 태양광 집광장치.
제1항에 있어서, 상기 태양광 집광장치는,

집광장치(1)의 광도(14)의 내부 벽에 두께가 얇은 냉각판(141)이 광도(14)의 길이를 따라 방사상으로 다수 개가 부착되어, 광도(14)의 내부에 축적되는 태양열을 용이하게 소산시킬 수 있는 것을 특징으로 하는, 태양광 집광장치.
제2항에 있어서, 상기 태양광 집광장치는,

집광장치(1)의 광도(14)의 전면과 후면에 가시광선 투광도가 좋은 투명한 판으로 제작된 투광판(15)을 구비하여 광도(14)를 밀폐하고, 광도(14)의 내부에 무색의 기체를 고압으로 충진하여, 태양열을 더욱 효과적으로 흡수할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는, 태양광 집광장치.
제1항에 있어서, 상기 태양광 집광장치는,

상기 집광장치(1)의 자세를 집속반사경(11)이 태양을 향하도록 하는 제어명령을 생성하는 제어장치(3);

그리고 상기 제어장치(3)의 제어명령에 따라 집광장치(1)의 고각과 방위각을 조절하는 구동장치(4);

를 추가로 구비하여, 집광장치(1)의 자세를 집속반사경(11)의 경축이 항상 태양을 향하도록 하는 것을 특징으로 하는, 태양광 집광장치.
제5항에 있어서, 상기 태양광 집광장치는,

태양위치추적센서(7)를 추가로 구비하여, 태양위치추적센서(7)가 감지한 태양의 위치 정보를 제어장치(3)에 보내고, 제어장치(3)는 태양의 위치에 따라 집속반사경(11)이 항상 태양을 향하도록 집광장치(1)의 자세를 제어하는 신호를 생성하여 구동장치(4)로 송출하는 것을 특징으로 하는, 태양광 집광장치.
제5항에 있어서, 상기 태양광 집광장치는,

상기 집광장치(1)의 집속반사경(11)의 가장자리에 테두리(51)를 형성하고, 이 테두리(51)에 태양전지셀(52)을 다수 부착하여 구성되는, 태양광발전장치(5);

그리고 상기 태양광발전장치(5)에서 발전한 전기를 축전할 수 있는 축전기(8);

를 추가로 구비하여, 태양전지셀(52)에서 발전한 전기를 사용할 수 있는 것을 특징으로 하는, 태양광 집광장치.