KR0181198B1 - 축선을 경계로 포물선과 인볼류트 반사체로 집광기 구성되는 집열장치 - Google Patents

Abstract

축선을 경계로 양측에 인볼류트반사체와 일측전개 포물선형반사체로 구성되는 집광기를 구성 요소로 집광된 광을 집열관에서 집열하는 태양복사에너지 수집이용장치로, 무추적으로 직달 및 확산일사를 수집하는 집열장치 발명이다.

평판형 집열기보다 고온의 열매체를 생산할 뿐만 아니라, 건물벽체 기능을 갖는 기능성 집열 판넬로 여름철 냉방부하를 경감시킬수 있는 에너지 절약형 집열장치이다.

Description

축선을 경계로 포물선과 인볼류트반사체로 집광기 구성되는 집열 장치

제1도는 포물선형 집광기에 있어서의 집광 상태 설명도.

제2도는 본 발명 집광기의 집광 상태 도시 단면도.

제3도는 본 발명 집광기의 유형별 단면도.

제4도는 인볼류트형 반사체의 반사 특성을 도시한 단면도.

제5도는 판넬형 집열 장치에서의 광작용 상태 도시 단면도.

제6도 및 7도는 일부 단면이 절개 도시된 실시 사시도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 인볼류트(Involute)형 반사체의 기초원 2 : 인볼류트반사체

3 : 포물선형 반사체

4 : 포물선형반사체의 축선(Axis, 중심선)

5 : 집열관 Q : 림각(Rim Angle)

F : 포물선형 반사체의 초점(Focus, Focal Point)

T : 포물선형 반사체의 정점(Vertex)

본 발명은 포물선형 반사체의 축선을 경계로 그 일측에는 포물선형 반사체 타측에는 인볼류트형 반사체를 집광반사체로 구성, 집광된 태양 복사선을 집열관에 작용시켜 집열케하는 발명이다.

지금까지 공지된 집광기는 축선을 경계로 대칭형 포물선형 반사체를 기본으로, C.P.C(Compound Parabolic Concentrator), 통형포물선형집광기(Cylindrical Parabolic Concentrator) 및 태양로등에 사용되는 접시형 집광기가 있었으며, 조명용 채광 장치로는 카스그레인(Cassegrain)식 태양광 수집 장치 (한국특허 85-1135)가 있었으나, 제1도와 같이 축선(4)을 기준으로 일측 림각(Q)이 45∼60도 범위로 극히 제한적으로 전개 사용되었으며, 림각이 90도 일때 전체 구경비(w/x)는 4가 되는 바 공지 집광기에서는 70도 이상의 림각까지 사용된 경우는 드물었으며, 그 이유는 도면과 같이 이론적으로 정밀제작이 어려웠고, 멀어질수록 림각이 커지면서 곡률 반경이 증가돼 전체 반사광이 동일 촛점(또는 초선)에 점상(또는 선상)으로 함께 수렴되지 못하고 이탈되기 때문이며, 그나마 정밀추적장치로 추적하여야만 축선과 평행입사광(직달일사)만을 집광할 뿐이며 확산일사는 전량 재반사돼 외부 누광되었다.

본 발명의 내용을 제2도에서 설명하면; 기초원(1, Basic Circle)의 원주일점에서 양측 전개되는 인볼류트 반사체(2)와, 정점(T)은 일측인볼류트반사체 단부에 초점(F)은 타측 인볼류트반사체 단부 내측에 구성되는 일측전개 포물선형 반사체(3)로 집광기 제작, 기준축선(4)이상의 고도광(확산 및 직달 전일사)을 기초원(1)에 최종 작용케 한 것으로, 상기 기초원(1)을 집열관(5)으로 구성하여 집광된 복사에너지를 집열관에서 열로 수집하여 가정용 및 산업용 열매체를 생산케 한 것이다.

제3도는 제2도를 기준으로 한 다른 유형의 실시단면도로 A도 에서는 초점(F)이 단부 내측 맺히는 쪽 인볼류트반사체(2)의 시작기점과 포물선형반사체(3)의 정점(T)이 기초원주(1, 집열관5) 상에서 상호 접하는 경우로 축선(4)을 지면과 25도 경사진 상태로 구성, 그 이상의 고도 입사광 대부분을 집열케한 것으로, 포물선형반사체와 일측전개 인볼류트반사체가 동일점에서 전개된형식이다.

B도는 제2도의 기본도와 원리는 동일하나, 양측전개 인볼류트반사체(2)와 포물선형반사체의 배열 위치가 상이한 경우로 제2도는 축선(4) 이상의 고도광을 B도는 축선이하의 고도광을 집열관에 최종 작용케 한 것으로, 지면과의 60도 이하 고도광을 수집케 한 것이다.

제4도는 인볼류트반사체(2)에서 다양한 각도의 입사광이 기초원(집열관)에 최종 작용하는 설명용 단면도로, 점선으로 표기된 직달일사 및 공기중의 물체에 의한 굴절 및 반사광(확산일사)과 포물선형반사체에서 반사된 반사광(직선표기)이 인볼류트반사체에서 재반사돼 집열관에 작용하는 것이다.

축선(4)을 기준으로 포물선형반사체가 우측전개시는 축선이상의 고도광을, 좌측전개시는 축선이하의 고도광을 정점과 초점간에 반사작용 시키고, 인볼류트반사체는 상기한 바와 같이 그 개구부에 입사한 광이 기초원(집열관)에 최종작용 열변환된다.

제1도는 양측 전개된 포물선형반사체의 림각이 90도일때 구경비 4인 상태도이고, 제2도는 일측전개 포물선형반사체 구경비가 4인 상태를 비교 도시한 것이고, 제3도의 B는 하짓날 남중고도광 이하의 고도광을 수광하는 상태도로 집광량은 하지에서 최대가 되고, 제5도는 동지날 일시점 이상의 고도광을 수광하는 경우로 하지날 남중시 집광량이 최소가 되는 것이다.

포물선형반사체의 축선경사각과 전개림각 및 인볼류트반사체의 전개 상태(단일전개 또는 양측전개, 양측전개시 양측반사체 각각의 전개 범위)는 장치의 설치 위도, 집열 매체의 용도, 열매체 온도조건, 설치지역 기후 및 온도 특성, 설치상태(수직 또는 수평 설치) 및 설치 장소등에 따라 적절히 하면된다.

본 발명 집열 장치는 집열관 기준 수직 설치형과 수평설치형으로 대별되는바, 제6도는 수평 설치형으로, 전면 수광부엔 투과체(11), 배면엔 보온재(8) 및 케이싱(6, 카바)으로 단일 후레임(7)에서 패널 형상으로 제작한 벽기능 집열장치로 패널형상 제작되므로 주거용이나 산업용 건물의 남면벽 설치시, 여름철에는 태양 복사에너지를 집열하므로 건물 실내의 온도 상승을 방지하므로 냉방부하 절감 효과가 상당하며, 겨울에는 한기를 막아주고 방음기능까지 겸비한 1장치 2기능 발명이다.

제7도는 수직 설치형으로, 건물 동측에 설치된 수직 설치형 벽기능 판넬식 집열 장치로, 수직 설치되는 집열관(5)에 건물내의 배기관(12)을 연결, 가열된 집열관의 통풍력(굴뚝효과)으로 실내의 악취와 오염 공기 및 혼탁 가열공기를 외부 송출케한 배기용 장치이다.

서측벽에도 동일한 형상으로 설치할 수 있고 남측벽에는 제6도의 열매체 가열 전용 장치를 대용벽으로 구성한다면 에너지 생산과 에너지 절감 효과의 양대문제를 해결케되며, 별도의 토지공간없이 설치되므로 경제적 이익이 크며, 진공관식 집열관을 설치하면 보다 고온의 열매체를 효율높게 생산할 수 있다.

이상 기술한 내용을 기초로 작용 효과 및 경제적 실용성을 요약하면, 일측전개 포물선형반사체의 축선이상 고도광을 인볼류트반사체 단부 내측에 작용시키므로 고도 정밀 제작이 불필요하며, 림각을 확대 적용할 수 있는 장점이 있고, 공지의 평판형 집열기보다 고온 열매를 생산할 수 있으며, 직달 및 확산전일사 수집 효과와 함께 벽기능을 갖는 특징이 있는 집열 장치로, 옥상등에 흉물스럽게 돌출 설치 않아도 되며, 저가 생산이 가능한 실용화 용이 장치로 북반구는 물론 남반구의 고위도 지역에도 설치할 수 있는 것이다.

Claims (4)

1. 기초원(1)의 원주일점에서 양측 전개되는 인볼류트반사체(2)와, 정점(T)은 일측 인볼류트반사체 단부에 초점(F)은 타측 인볼류트반사체 단부 내측에 구성되는 일측전개 포물선형반사체(3)로 집광기 제작하여 기초원을 집열관(5)으로 구성시킨 것을 특징으로 하는 축선을 경계로 그 양측에 포물선과 인볼류트형반사체로 집광기 구성되는 집열 장치.
2. 제1항에 있어서, 초점이 맺히는쪽 인볼류트반사체의 기점과 포물선형반사체의 정점이 기초원주(집열관)상에서 상호 접하는 집광기 구성되는 것을 특징으로 하는 축선을 경계로 그 양측에 포물선과 인볼류트형 반사체로 집광기 구성되는 집열 장치.
3. 제1항 및 제2항에 있어서, 전면에 투과체 배면엔 보온재 및 케이싱으로 단일 후레임에서 패널 형상으로 제작되는 특징을 갖는 축선을 경계로 그 양측에 포물선과 인볼류트반사체로 집광기 구성되는 집열 장치.
4. 제3항에 있어서, 수직 설치되는 집열 장치의 수직 집열관이 배기관을 연결하여 가열된 집열관의 통풍력으로 실내 배기에 이용하는 특징을 갖는 축선을 경계로 그 양측에 포물선과 인볼류트반사체로 집광기 구성되는 집열 장치.