KR0185653B1 - 채광관 장치의 구조 - Google Patents

Abstract

태양빛을 채광하는 채광관 구조에 있어서의 관의 형태로 구성한 채광관 본체를 전단부위와 후단부위로 구성하고 전단부위는 0∼45도 각도의 상항각으로 사각을 구성하고 후단부위는 그 반대 방향인 하단각으로 0∼45도의 각도로 사각 구성하되 그 내면은 전면은 반사각으로 구성하여 전단부위의 입사면으로 입사한 태양빛은 내부도과 반사하여 출사면으로 출사하게 끔 구성한 것이 특징인 채광관의 구조에 관한 것으로 태양열과 빛을 이용함에 있어서 시사각각 변화하는 태양의 조사각도와 관계없이 채광효율을 높이는 것은 물론 입사렌즈에 의해 직접 집광하여 태양빛을 입사하므로 태양광을 이용한 조명장치, 태양열을 이용한 온수 급탕 가열 장치, 태양광 및 열을 이용한 태양발전장치 등에 효율적으로 사용할 수 있다.

Description

채광관(採光管)장치의 구조

제1도는 본 발명의 구조 설명도.

제2도는 태양의 조사(照射)각도에 대한 설명도.

제3도는 본 발명이 실시된 외형도.

제4도는 반사각에 대한 설명도.

제5도는 내부 반사각에 대한 설명도.

제6도는 내부 반사경 작용에 대한 설명도.

제7도는 본 발명의 설치실시의 예 설명도.

제8도는 본 발명의 응용실시의 예 설명도.

제9도는 집광렌즈의 작용 설명도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 채광관(採光管) 2 : 입사렌즈(入射Lens)

3 : 반사면 4 : 출사렌즈(出射Lens)

5 : 내부반사경 6 : 광입속장치

7 : 부착대

본 발명은 태양빛 태양열을 집광하는 집광장치로서 지구의 자전 및 공전에 의해 계절, 또는 일출부터 일몰까지 시시각각 변하는 태양의 조사각도(照射角度)에 구애없이 어떠한 조사각의 태양빛도 그 내부로 도과 반사하여 효율적으로 집광출사(集光出射)하게끔 발명된 채광관(採光管)장치 구조에 관한 것이다.(태양열을 이용하는데에 있어서는 태양빛 그자체가 태양열과 같은 개념임) 태양광을 효율적으로 이용키 위해서는 태양의 움직임을 추적하여 빛을 많이 받아들이는 각도로 집광장치를 구동해야 한다.

더욱이 태양광을 고효율화 하기 위해 렌즈등으로 집광하는 집광계는 허용편각이 집광면적만큼 작아지므로 태양의 움직임을 추적할 필요가 크다.

종래의 일부 공지된 태양빛 이용장치의 채광장치들은 태양빛 추적장치가 과다한 부분을 점유하여 실용화에 한계가 있었으며 특히 단위면적당 고효율의 채광효율이 중요한 본 태양빛 채광장치들은 채광부분의 단위면적보다 추적장치등 보조장치의 점유면적이 과다하여 채광의 효율화를 기할 수가 없음은 물론 태양빛 추적장치의 구동성의 한계 때문에 채광시간이 상대적으로 짧아 실용화할 수가 없었다.

따라서 지구의 자전 및 공전에 의해 태양의 일출부터 일몰까지 시시각각 변하는 조사위치에 관계없이(태양 추적장치없이)어느 각도에서이던지 입사되는 태양의 빛을 송출해야 하는 장치가 요구되는바 본 발명은 바로 이러한 요구를 충족키 위한 집광장치를 제공함에 있다.

도면 제1도 및 도면 제3도는 본 발명의 구조설명도 및 그 외형 설명도로서 전면부(B)는 평면 내지 상향경사각으로 구성되고 그 후면부(D)는 하향경사각으로 구성된 관형태의 채광관(1)을 구성하되 내부 전면(全面)은 반사면(3)으로, 빛의 입사방향인 입사면(E)부위로는 +의 힘을 갖는 입사렌즈(2)로 빛의 출사방향인 출사면(F)부위에는 출사렌즈(4)로 각 입출사면(E.F)을 렌즈로 구성, 내부를 밀봉한다.

또한 입사렌즈(2)와 출사렌즈(4)가 이루는 광축의 중심부위로는 양면의 반사면(3)을 갖는 내부 반사경(5)을 입설한다.

동채광관(1)전단부와 후단부의 적정 위치에 부착대(7,8)을 부착 형성한다.

이러한 채광관(1)의 구조는 도면 제4도의 b도와 같이 입사면(E)으로 사각(斜角)입사된 빛이라 하더라도 그 내부 반사면(3)에 반사 중첩되어 출사면(F)으로 집광 출사케 된다. 이 경우 태양빛은 그 입사각에 따라 내부 반사각이 달라진다. 태양빛은 도면 제2도의 a도와 같이 지구자전에 의거 일몰때의 조사각(R)과 정오때의 조사각(S) 및 일몰대의 조사각(T)이 시시각각으로 다르며 그 조사각의 편차 매우크다.

또한 지구 공전에 의거 도면 제2도의 b도와 같이 겨울의 조사각도는 H각도와 같이 낮으며 봄 가을의 조사각도는 I, 여름의 조사각도는 J와 같이 계절에 따라 그 조사각의 편차가 있다.

따라서 이러한 태양 채광관의 구조는 위 계절과 일출부터 일몰까지 시시각각 다른 태양의 조사각도를 여하히 수용하는데에 따라 그 채광시간과 효율이 좌우되는 것이다.

그러나 반사면(3)의 반사의 법칙은 이미 공지된 바와 같이 스넬(snell)의 법칙에 의거 도면 제4도의 a도와 같이 반사면(3)의 수평을 기준하여 입사된 빛(LK)이 이루는 입사각 LK와, 반사되여 나가는 반사빛(L)의 반사각(LL)은 같다. 즉 LK=LL이 된다. (이하 반사법칙 1이라 한다).

도면 제4도의 b도 및 도면 제5도의 a도와 같이 입사면(E)으로 입사된 빛은 반사면(3)에 의해 반사되나 직진입사된 빛이 아닌 경사각으로 사각 입사된 빛은 위 반사법칙에 의거 중첩반사케 된다.

이때 사각 입사된 빛은 채광관(1)내부 경사된 반사면(3)의 반사 경사각(LD)에 의해 그 입사각(LK)과 반사각(LL)이 반사 횟수에 따라 적어지며 어느 단계에서 입사각(LK)이 반사경사각(LD)보다 작아질 경우 입사된 빛은 출사면(F)이 아닌 입사면(E)으로 되돌아 반사케 된다. 즉 반사각 LL=LK+LD (이하 반사법칙 2라한다)가 성립 되므로 LD는 이점을 고려 완만할수록 좋으나 이 경우 도면 제5도의 a도와 같이 채광관(1)의 길이가 길어지며 이에 따라 반사횟수도 늘어나 그만큼 반사손실은 물론 이를 광섬유에 입속 전송할 경우에도 입사각이 크므로 광섬유 내부 반사횟수에 따른 손실율이 커진다.

이점을 개선키 위해 도면 제5도의 c도와 같이 채광관(1)전단부위인 B를 상향 사각으로 형성하되 동 상향사각이 이루는 각도 LC는 0°에서 45°미만으로 형성한다.

이와 같은 이유는 0°이하로 하여 오히려 하향각도를 이루는 경우는 위에서 설명한 바와 같이 도면 제5도의 a도와 같이 반사횟수 증가에 따른 손실이 뒤따르며 이를 45°이상으로 할 경우는 입사면(E)에 입사된 빛의 경사각이 아무리 크더라도 이를 반사할 수 있는 반사각이 성립되지 않기 때문이다.

이와 같은 구조의 채광관(1)의 반사작용은 도면 제5도에 b도와 같이 평면 B면에 입사된 빛은 도면 제5도의 a도에 비해 그 LL이 크므로서 적은 반사횟수에 의해 출사면으로 출사케 되며 도면 제5도의 c도와 같이 상향 사각의 B면에 입사된 빛은 그 반사각(LL)이 LC만큼 상승되어 커지므로 그만큼 감소된 반사횟수에 의거 출사케 되는 것이다.

도면 제6도는 내부반사경(5)의 작용효과 설명도인바 B면에 사각으로 입사된 빛은 그대로 D면의 하향사각 반사면(3)의 입사될 경우, D의 상향반사각(LD)만큼 반사각(LL)이 상쇄되므로 출사면(F)으로의 반사횟수가 늘어난다. 그러나 중심부위에 내부반사경(5)이 설치될시는 그 설치각도가 도면 제6도의 a도와 같이 평면인 경우는 그 반사각이 LD의 상쇄각이 없어지므로 반사각이 그만큼 커지는 효과가 있게 된다.

도면 제6도의 b도와 같은 경우는 내부반사경(5)의 양반사면이 LD의 각도와 같은 사각으로 형성되므로 해서 양반사경의 사각만큼 반사각이 커지게 된다. 다만 이때 내부반사경의 사각의 빗면만큼 직진되는 빛의 손실이 있으므로 이를 막기위해 내부반사경(5)첨두부분을 상향 사각 반사면(5A)을 형성 손실을 막을 수 있으며 내부반사경(5)의 길이를 증가하여 전면부 이상으로 도면 제6도의 a도와 같이 형성할 수 있다.

이러한 본 발명의 구조는 설치시 도면 제2도 b도의 I와 같이 지구 공전에 의한 봄가을의 조사각도로 본 집광관을 설치할 경우 도면 제2도의 a'도와 같이 일출부터 일몰의 R-S-T가 이루는 조사각과 도면 제2도의 b도와 같이 계절에 따른 H.I.J가 이루는 조사각등 계절과 시시각각 다른 조사각에 의한 어떠한 태양빛도 사각으로 입사되는 빛은 B면과 내부반사경(5)의 반사면에 의해 내부반사 집광되여 출사면(F)으로 집광출사케 되므로 태양추적장치없이 일출부터 일몰까지 계절에 관계없이 입사할 수 있으므로 도면 제7도의 a도처럼 계단식으로 구성하여 공지나 건물옥상에 설치가 가능하며 도면 제7도의 b도처럼 일자 배열로 건물 천정에 설치도 가능하며 특히 도면 제7도의 c도 처럼 채광관(1)을 사각 형태로 박막 구조화 할시는 건물 벽면에 설치 가능하므로 단위 면적당 채광효율은 극대화할 수 있으며 특히 기계전체면적구성에 있어서 부대장치 점유면적이 없이 주로 채광면적을 극대화 하므로 매우 효율적이다.

이와같은 채광관(1)의 내부구조는 어떠한 사각의 태양빛도 입사 내부반사 출사면(F)로 출사케 되므로 도면 제9도와 같이 입사면(E)부위에 +의 힘을 갖는 입사렌즈(2)를 부착하여 빛(또는 열)의 밀도를 10배에서 필요배수까지 집적하여 출사할 수 있다.

또한 도면 제9도와 같이 입사렌즈(2)의 촛점거리인 F1의 위치에 촛점(F2)이 맺힐 경우 동촛점의 직경비와 입사렌즈(Z)의 직경비의 비율의 자승이 광의 집적율이 된다.

즉 빛(열)의 집적율이 된다. 예컨데 직경이 100mmψ의 입사렌즈(2)의 직경이 갖는 촛점거리는 300m/m로 형성할 경우, 촛점의 직경비가 30m/m일 경우 집적율 M은로서 약 11배의 집광 집적율이 가능케 되는 것이다.

이러한 입사렌즈(2)에 입사되는 태양빛은 입사렌즈(2)의 재질에 따라 또는 휠터를 그 전후단에 부착 하므로서 태양빛을 선별 입사할 수 있다. 예컨데 채광을 주로 난방을 위한 태양열을 집열키위한 구조로 응용시는 적외선은 많이 흡수하는 재질로서 입사렌즈(2)를 구성커나 또는 휠터를 부착 사용하면 되는 것이다. 또한 입사렌즈(2)형태도 도면 제6도의 b도와 같이 입사각에 따라 중복배치도 가능하며 프리즘 또는 반사경(30)으로 중심부위를 형성효율을 증가할 수도 있다.

도면 제8도는 본 발명을 응용 실시의 실시예로서 도면 제8도의 a도와 같이 채광관(1) 출사면F 위치에 공지된 광섬유(21)나 반사경 덕트(Duct) 등의 광이송장치를 결합할시는 자연광 채광장치로 응용이 가능하고 도면 제8도 b도와 같이 출사면인 F부위에 공지된 온수 파이프(22) 또는 집열장치 등을 결합시는 난방용 급수기 및 건조기기와 소형 발전용 급탕 장치로 응용이 가능하며 도면 제8도의 c도와 같이 공지된 실리콘 태양전지 등의 광발전 소자(23)등과 결합시는 효율적인 채광 발전장치로 응용이 가능한 것이다.

따라서 이러한 본 발명은 태양열과 빛을 이용함에 있어서 시시각각 변하는 태양의 조사 각도와 관계없이 고정된 상태에서 빛을 집광입사 내부도과 반사하여 출사하므로서 채광 효율을 극대화함은 물론 입사렌즈(2)에 의해 직접 집광하여 태양빛을 입사하므로서 태양광을 이용한 조명장치, 태양열을 이용한 온수 급탕 가열장치, 태양광 및 열을 이용한 태양발전장치 등에 효율적으로 사용할 수 있다.

Claims (3)

1. 태양빛을 채광(採光)하는 채광관 구조에 있어서 관(菅)형태로 구성한 채광관(1) 본체를 전단부위(B)와 후단부위(D)로 구성하고 전단부위(B)는 0-45도 각도의 상향각(C)으로 사각(斜角)구성 하고 후단부위(D)는 그반대 방향인 하향각(D)으로 0-45도 각도로 사각 구성하되 그 내면은 전면(全面)을 반사면(3)으로 구성하여 전단부위(B)의 입사면(E)으로 입사한 태양빛은 내부도과(內部導過)반사하여 출사면(F) 으로 출사 하게끔 구성한 것이 특징인 채광관의 구조.
2. 제1항에 있어서 채광관(1) 중심부위에 양면반사경(5)을 구성한 것이 특징인 채광관의 구조.
3. 제1항에 있어서 입사면(E)부위와 출사면(F)부위에 렌즈를 부착한 것이 특징인 채광관의 구조.