KR100406834B1

KR100406834B1 - 광 집속기

Info

Publication number: KR100406834B1
Application number: KR10-2000-0017991A
Authority: KR
Inventors: 황우성
Original assignee: 황우성
Priority date: 2000-04-06
Filing date: 2000-04-06
Publication date: 2003-11-21
Also published as: KR20010094713A

Abstract

본 발명은 태양 에너지 이용 광 집속장치에 있어 반사경에 관한 것이다.

일반적으로 광에너지 집속장치는 광학장치와 에너지 변환장치와의 합병으로 응용되는데, 이 합병은 가상적으로 태양 에너지와 같은 광 에너지를 열 에너지 또는 전기 에너지로 전환시키는 모든 응용에 적용된다. 광학장치는 광 에너지를 집속하는 수 많은 장치에 적용되지만, 특히 고온을 필요로 하는 집열장치, 고효율을 요구하는 인공위성의 동력판(Power panels)과 같은 태양전지 배열(Solar cell array)등에 적용되는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 비구면 광학곡면의 특수한 광학적 성질을 이용하는 것으로, 2개 또는 그 이상의 서로 다른 비구면(포물면, 타원면, 쌍곡면 등)의 반사경을 특수하게 조합시켜, 태양추적의 오차범위를 넓히도록 하며, 광 에너지 집속을 위한 기본장치에 응용하여 흡열면에 태양열을 높은 에너지로 집속하게 하므로서 보다 높은 온도를 발생시킬 수 있도록 하는 것인데, 더불어 태양전지 장치와 합병하여 동일한 반도체에 높은 광 에너지를 집속시키므로써 보다 높은 실질적인 전기에너지 변환효율을 얻을 수 있도록 하고자 함에 있다.

즉 본 발명의 목적을 달성하는 광 집속기는 비구면으로된 두 벌의 반사경 즉주 반사경 한 벌과 제2 반사경 한 벌을 도립하는 등 특수하게 조합 배열하므로서 주어진 한계입사각에 대하여 집속비가 높으며, 광 추적의 정밀도에 덜 민감하고, 흡열면 또는 수광면에서의 에너지 밀도가 실질적으로 균일하게 하고자 한 것으로, 예로서 반사경을 포물면으로 하고 한계입사각 만큼 기울여 일정한 축을 대칭으로 한 벌의 반사경을 주 반사경과 제2 반사경으로 하여 설치하고, 특히 제2 반사경의 설치를 도립하여 서로 등을 지고 대칭하여 설치되게 하여 집속기 구조를 겸비한 태양에너지 집속장치를 제공하는데 본 발명의 특징이 있는 것이다.

본 발명의 목적에 따른 집속기는 광학 반사경의 조합이 간단한 구조를 변경하여 주 반사경과 제 2의 반사경을 특정한 각도로 기울임으로서 입사광선이 반사된 후의 광 손실을 최소화하여 효율을 높이고자 하며 주어진 한계입사각에 대하여 광 에너지 밀도를 증가하고자 한 것이다.

Description

광 집속기 {radiant energy collector}

본 발명은 태양 에너지 이용 광 집속장치에 관한 것이다.

일반적으로 광에너지 집속장치는 광학장치와 에너지 변환장치와의 합병으로 응용되는데, 이 합병은 가상적으로 태양 에너지와 같은 광 에너지를 열 에너지 또는 전기 에너지로 전환시키는 모든 응용에 적용된다. 광학장치는 광 에너지를 집속하는 수 많은 장치에 적용되지만, 특히 고온을 필요로 하는 집열장치, 고효율을 요구하는 인공위성의 동력판(Power panels)과 같은 태양전지 배열(Solar cell array) 등에 적용된다.

태양열 에너지 이용기술은 잘 알려져 있으며, 특히 고온을 발생하여 동력원으로 사용하고자 하는 장치를 수 십년 동안 개발하여 왔다. 고온용 집속기는 사용하고자 하는 목적과 형태에 따라 여러 종류로 구분되는데, 대표적인 것은 포물형 집속기로서, [도 1]과 같은 2차원 포물선으로 구성된 여물통 형태 (Parabolic Trough)의 2차원 집속기 와 [도 2]와 같은 3차원 포물선으로 구성된 접시 형태 (Parabolic Dish)의 복합포물면 집속장치(CPC: Compound Parabolic Concentrator)인 3차원 집속기가 있다.

2차원 집속기는 일반적으로 집속비가 10이하인 경우 사용하며 그 이상의 집속비가 필요한 경우에는 3차원 집속기를 사용한다.

여기서 광 집속비라 함은 집속기의 빛의 출구면(흡열면)면적에 대한 빛이 들어오는 개구면(입사면)면적의 비로 정의된다.

포물면 집속기는 2, 3차원 공히 오차에 민감하여 정확한 태양 추적이 필요하다. 예로써 집속비가 100이면 포물면 집속기 전체의 오차한계가 ±1.5°이내에 있어야 70%이상의 광학적 효율을 구할 수 있다. 오차의 한계가 작을수록 장치의 정밀도가 높아지게 되며 고가의 장비가 된다.

이상에서 상술한 바와 같이 일반적으로, 고온용 광 집속기는 장치의 중량, 부피, 태양추적의 정확도, 광학부품의 제한된 오차한계 등이 본질적인 문제가 있다.

특히 인공위성과 관련하여 전력원(電力源)으로 응용되어 왔는데, 미래의 인공위성 임무는 보다 많은 요구조건을 충족시키기 위하여 100∼600 kW 범위의 전력을 충당할 수 있는 태양전지 배열을 요구하고 있어, 이러한 전력은 평판형 장치로는 실질적으로 불가능하여, 입체형 장치인 광 집속기의 사용이 요구된다.

이와같이 큰 인공위성의 상대적으로 높은 전력과 부수적으로 발생하는 높은 전류 또는 높은 전압은 기존의 작은 인공위성에 사용되는 태양전지 전력원 장치보다 많은 새로운 장치의 창안 문제가 제기되고 있다.

즉 인공위성에 대한 광 집속장치 적용상 고질적인 한계인 중량 및 부피, 열 에너지의 안전한 소산, 태양전지의 가격 등 여러 문제를 극복해야 하는데, 종래에 있어 지상에서 사용되고 있는 태양전지의 기술로서 종래의 집광장치는 이러한 인공위성의 기술상 문제점을 해결 할 수 없었다.

이와 같은 제반 문제를 해결하기 위하여 종래부터 많은 발명이 창안되어 왔는데, .미국특허번호 제4,003,638호(명칭; Radiant Energy Concentration)와 미국특허번호 제4,002,499(명칭 ; Cylindrical Concentrators for Solar Energy)가 기본적인 발명의 일종이다.

이런 노력들은 기본적으로 [도 1]과 [도 2]에 도시된 종래의 포물형 광 집속장치의 반사면 구조를 넘어서지 못하고 있는 것으로 상기한 광 집속장치의 고질적 문제를 명쾌하게 해결하지 못하고 있다.

상기와 같은 종래의 광 집속장치의 문제점을 해결하기 위하여 본 발명이 창안되었는데, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 비구면 광학곡면의 특수한 광학적 성질을 이용하여 2개 또는 그 이상의 서로 다른 비구면(예;포물면)의 반사경을 특수하게 조합시켜 태양추적의 오차범위를 넓히도록 하여 광 에너지 집속을 위한 기본장치에 응용하여 흡열면에 태양열을 집속하게 하므로서 보다 높은 온도를 발생시킬 수 있도록 하며, 태양전지 장치와 합병하여 동일한 반도체에 높은 광 에너지를 집속시키므로써 보다 높은 실질적인 전기에너지 변환효율을 얻을 수 있도록 하고자 함에 있다.

즉 본 발명의 목적을 달성하는 광 집속기는 비구면으로 된 두 벌의 반사경 즉 한 벌의 주반사경과 한 벌의 제2 반사경을 특수하게 조합하여 배열하므로서 주어진 한계입사각에 대하여 집속비가 높으며, 광 추적의 정확도에 덜 민감하고, 흡열면 또는 수광면에서의 에너지 밀도가 실질적으로 균일하게 하고자 한 것으로, 예로서 반사경을 포물면으로 하고 한계입사각 만큼 기울여 일정한 축을 대칭으로 한 벌의 반사경을 주 반사경과 제2 반사경으로 하여 설치하고 특히 제2 반사경의 설치를 도립하여 서로 등을 지고 대칭하여 설치되게 하여 집속기 구조를 겸비한 광 집속장치를 제공하는데 본 발명의 특징이 있는 것이다.

본 발명의 목적에 따른 집속기는 광학 반사경의 조합이 간단한 기본구조를 변경하여 주 반사경과 제 2의 반사경을 각각 독립적으로 특정한 각도로 기울임으로서 주어진 한계입사각 이내로 들어오는 입사광선이 반사된 후의 광 손실을 최소화하여 효율을 높이고자 하며 주어진 한계입사각에 대하여 에너지 밀도를 증가하고자 한다.

도 1은 종래의 2차원 포물형 광 집속기의 개략적 구성도

도 2는 종래의 3차원 포물형 광 집속기의 개략적 구성도

도 3a는 본 발명에 따른 광집속기에 있어서 평판형 흡열면을 고용할 경우의 기본구조의 반단면도 3b는 본 발명에 따른 광집속기에 있어서 원통형 흡열관을 고용할 경우의 기본구조의 반단면

도 4는 본 발명에 따른 광집속기의 기본구조의 전단면

도 5는 본 발명의 광집속기에 따른 제1 실시예의 3차원 집속기의 개략적 구성도

도 6은 본 발명에 따른 제1 실시예의 2차원 집속기의 개략적 구성도

도 7은 본 발명에 따른 제2 반사경이 타원면인 경우 기본구조의 반단면

도 8은 본 발명에 따른 제2 반사경이 타원면인 경우 기본구조의 전단면

도 9a는 본 발명에 있어 제2 반사경이 포물면인 경우 반사경을 한계입사각 만큼 기울인 경우 기본 구성도도 9b는 본 발명에 있어 도 9a의 반단면이 임의적인 회전축의 위치선정을 도시하는 단면도.

도 10은 본 발명에 있어 제2 반사경이 타원면인 경우 반사경을 한계입사각 만큼 기울인 경우 기본 구성도

도 11은 본 발명에 있어 포물면인 제2반사경을 Y축과 평행하게 자른 단면 기본 구성도

도 12는 기존의 광집속기의 기본원리와 본 발명의 기본원리의 비교 설명도

도 13은 본 발명의 또다른 실시예로서 보조반사경이 형성된 기본 모형도

도 14는 본 발명의 또 다른 실시예로서 집속기의 제2 반사경과 흡열관을 유리관이 수용한 기본 모형도

도 15는 본 발명의 또 다른 실시예로서 집속기 전체를 유리관이 수용한 모형도

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

1, 1' : 주 반사경 2, 2' : 제2 반사경 3 : 흡열면

5 : 흡열관 6 : 보조 반사경 8 : 지지대

31, 32 : 유리관 41 : 입사광선 42 : 반사광선

F, F' : 공유 초점 Φ: 환형 초점 φ: 선형 초점

본 발명에 따른 광 집속기에 대하여 이하에서 첨부도면과 함께 상세히 설명하기로 한다.

[도 3]와 [도 4]는 본 발명에 따른 광 집속기에 있어 제1 실시예에 의한 반사경의 기본구조를 단면형태로 도시한 도면인데, [도 3]은 반사경 기본구조의 반(半)단면을 도시한 것이고 [도 4]는 전(全)단면도이다.

본 발명에 있어서 제1 실시예에 의한 반사경의 기본구조 는 [도 3]와 [도 4]에 도시된 것 처럼 포물면인 주 반사경(1,1')과 또 하나의 도립된 반사 포물면인 제 2의 반사경(2,2')과 수광면(3)로 구성된다. 수광면(3)은 평면, 구형, 원통 또는 다른 형태 즉 2차원 또는 3차원 모양의 타원형 달걀형 삼각형 도립된 V자형 등으로 대치할 수 있다.

[도 3]과 [도 4]에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 광 집속기에 있어 제1 실시예에 의한 반사경은 단면으로 관찰할 때 주 반사경은 최외곽을 형성한 포물면으로 서로 대칭되는 두 개의 반사경(1,1')으로 형성되고, 두 개의 반사경으로 이루어진 한 벌의 주 반사경(1,1') 사이 저면측에서 두 반사경을 연결하는 흡열면(3)이 형성되고, 흡열면(3)의 상부 표면 중앙에 도립(倒立)된 포물면 형태로 두 개의 반사경으로 구성된 한 벌의 제2반사경(2,2')이 형성되는데 제2반사경(2,2')의 두 반사경은 서로 등을 지고 형성되어 두 개의 주 반사경(1,1')과 각 각 대향하여 반사면 끼리 마주보며 형성된다.

본 발명의 제1 실시예에 의한 기본구조에서 상기 주 반사경(1)과 제2반사경(2)의 초점은 초점 F에서 공유하도록 하고, 공간 좌표계 x축에 평행하고 초점 F를 지나는 축 SS'을 공유하도록 형성한다. 도립된 포물면인 제 2 반사경(2)의 하단 끝점은 흡열면(3)의 기하학적 중점(中點)G와 일치하며, 제 2 반사경(2)의 기하학적 상단 점(上端點)E의 z축 위치는 흡열면(3)의 기하학적 일측단 점(一側端點)H의 z축 위치와 일치한다. 제2 반사경(2)의 점 E는 공간 좌표계 x축에 평행하게 들어오는 입사광선(41)이 주 반사경(1)의 상단 점(上端點)N에서 반사된 광선(42)와 흡열면(3)의 일측단 점 H를 향하여 들어오는 광선(43)이 서로 만나는 점이다.

공간 좌표계 x축과 일치하는 본 발명의 제1 실시예에 의한 광 집속기의 반사경의 대칭축인 LL'을 중심으로 180°회전하였을 때 [도 4]와 같이 형성된다. 따라서 본 발명의 제1 실시예에 의한 광 집속기는 대칭으로 형성된 2 개의 주 반사경(1, 1')과 2 개의 제 2 반사경(2, 2')으로 반사경을 구성하고 있어 2 개의초점(F, F')이 형성된다. 2 개의 제 2 반사경(2, 2')의 하부 단부는 서로 합쳐져 있고 합쳐진 단부는 흡열면(3)의 기하학적 중심(中心)G에 놓여 있으며, 2 개의 주 반사경(1, 1')의 하단점(下端點)은 각각 흡열면(3)의 양측단점(兩側短點)H와H'와 일치하여 세워진 구조를 한다. 광 집속기의 반사경 중심축 LL'을 중심으로 완전 회전(180°회전)하면 [도 5]에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 반사경 구조를 갖는 제1 실시예에 의한 3차원 집속기가 되고, 기본단면을 길이(y-축)방향으로 연장하면 [도 6]에 도시된 바와 같이 본 발명의 반사경 구조를 갖는 여물통 모양의 제1 실시예에 의한 2 차원 집속기가 된다.

(축 LL'은 공간 좌표계 x축에 평행하여 일치되게 되어 있다. 즉 선(線) HGH' 상의 일 점을 지나는 수직선을 택할 수 있다). 2 개의 제 2 반사경(2,2')의 하단점(下端點)은 흡열면(3)위에서 서로 겹칠 수도 있고 또는 흡열면(3) 위로 떨어져 있을 수도 있다. 이 경우에 있어, 서로 겹치는 경우 2개의 제 2 반사경이 만나는 꼭지점(G)은 주 반사경(1, 1')의 하단 상측으로 떨어져 있게 된다.

후자(제 2반사경이 서로 겹치는 경우)의 경우 흡열면(3)으로 원통형 흡열체를 사용할 때 유용하다. 2차원 집속기(도 6)인 경우 초점 F와 F'은 선형 초점φ이 이루어 지고 이 부위가 고온이 되며, 3차원 집속기(도 5)인 경우 초점 F는 환형 초점Φ이 되며 이 선형 또는 환형 초점(φ,Φ)부위에 광선이 집속되어 고온이 된다. 본 발명에 따른 제1 실시예의 반사경구조를 갖는 광 집속기에서 제 2 반사경(2,2')에 의하여 폭 EE' 만큼 입사광선이 주 반사경(1,1') 및 흡열면(3)으로 진행되는 것을 차단하므로(도 5와 도 6 참조), 그 면적만큼의 광 에너지의 손실이 생긴다.이 같은 광선 차단면적을 방해면적이라 칭하기로 한다.

광 집속기의 입사면(개구면)에 축 LL'과 평행하게 들어오는 모든 광선은 주 반사경(1, 1')에서 한번 반사된 후 초점 F와 F'에 모이고, 다시 한번 제 2 반사경(2, 2')에서 반사된 후 축과 평행하게 입사방향으로 진행하여 흡열면(3)에 도달한다. 이 때에 흡열면(3)에 도달한 에너지는 집속기의 집속비에 비례하여 높은 밀도의 에너지가 되며 고르게 분포된다.

[도 7]은 본 발명에 따른 광 집속기에 의한 또 다른 실시예로서 제2 실시예에 의한 반 단면을 도시한 것이고, [도 8]은 전단면을 도시한 것이다,

본 발명에 따른 제2 실시예의 기본구조는 [도 7]과 같이 축 SS'를 공유하는 포물면인 주 반사면(1, 1)과 타원면인 제 2의 반사면(4)과 흡열면(3)로 구성된다. 흡열면(또는 수광면) (3)은 평면, 구형, 원통 또는 다른 모양 죽 2차원 또는 3차원 모양의 타원형, 달걀형, 삼각관형, 도립된 V자형 등으로 대치할 수 있다.

본 구조에서 포물면인 주 반사면(1)의 초점와 타원면의 제 1 초점은 F에서 서로 공유하고 또한 공간 좌표계 x축에 평행하고 공유 초점F를 지나는 축 SS'을 공유한다. 타원면(4)의 제 2 초점(F˝)은 타원면의 축(SS') 상에 있고 실질적으로 흡열면(3) 저면 하측에 놓여있다.

상기 제2 초점(F″)은 타원면의 기하학적 구조에 의한 광학적 특성에 의하여 형성된 초점이다.

이점에서 제2 실시예는 제1 실시예와 다른데 제2 실시예는 제1 실시예와 달리 2개의 초점이 형성된다.

제 2 반사면(4)의 하단점은 흡열면(3)의 기하학적 중점 G와 일치하며, 상단점은 점 E와 일치한다. 점 E는 축에 평행하게 들어오는 입사광선 (41)이 주 반사경(1)의 단점(短點) N에서 반사된 광선(42)와 흡열면(3)의 단점 H를 향하여 들어오는 광선이 서로 만나는 점이다.

본 발명에 따른 제2 실시예에 의한 광 집속기의 완전한 단면도는 [도 7]의 반 단면에서 공간 좌표계 x축에 평행한 대칭축 LL'을 중심으로 180°회전하였을 때 제1 실시예의 [도 4]와 비슷한 [도 8]의 형상으로 형성된다. 따라서 본 제2 실시예에 의한 광 집속기는 대칭으로 형성된 2 개의 주 반사경(1, 1')과 2 개의 제 2 반사경(4, 4')으로 반사면으로 구성되어 있으며 또한 4 개의 초점(F, F', F˝, F'˝)으로 구성된다. 2개의 제 2 초점(F", F'")은 각 각 집속기의 외부 즉 흡열면(3)의 저면 아래측에 놓여 있다. 2 개의 제 2 반사경의 하단점은 합쳐져 있고 동시에 흡열면(3)의 기하학적 중심(中心) G에 놓여 있으며, 2 개의 주 반사경(1, 1')의 하단점은 흡열면(3)의 가장자리에 맞닿아 있다. 공간좌표계 x축과 평행한 본 반사경의 축 LL'을 중심으로 완전 회전하면 [도 5]와 비슷한 3차원 집속기가 형성되고, 본 단면을 길이(y-축)방향으로 연장하면 [도 6]와 비슷한 여물통 모양의 2 차원 집속기로 형성된다.(본 발명의 제2 실시예에 의한 3차원 집속기와 2차원 집속기의 사시도는 생략한다.)

본 실시예로서 타원면의 반사면을 갖는 제2 반사경인 경우는 광 집속기의 입사면(개구면)에 집속기의 중심축 LL'과 평행하게 들어오는 모든 광선은 주 반사면(1, 1')에서 한번 반사된 후 초점 F와 F'에 모이고, 다시 한번 제 2반사경(2, 2')에서 반사된 후 제2 반사면의 제 2 초점인 F″과 F″방향으로 진행하여 흡열면(2, 2') 또는 수광면에 도달한다. 이 때에 흡열면(3) 또는 수광면에 도달한 에너지는 포물면의 제2 반사경에 비하여 집속기의 집속비에 비례하여 높은 밀도의 에너지를 얻을 수 있게 된다.

특히 본 실시예는 수광면인 흡열면(3)이 도너스 형태를 취하는 경우처럼 수광면의 중앙에 구멍이 형성된 경우에 유용하다.

본 발명의 다른 실시예로서 [도 3]에서 주 반사면 (1, 1')의 축 SS'을 공유초점 F를 중심으로 한계입사각 θc만큼 시계의 반대 방향으로 주 반사면 (1, 1')과 함께 회전시킨다. ([도 9] 참조). 이 경우 복합 포물면이 되며, 본 포물면의 특징은 광추적 결과에 의하면 한계입사각(θc)이내의 각도에서 들어오는 광선은 주 반사경(1, 1')에서 반사된 후 제 2 반사경(2, 2')에 모두 도달하거나 또는 일부는 흡열면에 직접 도달한다.제 2 반사경(2, 2')에 도달한 광선은 제 2 반사경(2, 2')의 구조와 특성에 따라 모두 흡열면 (3)에 도달하거나 또는 일부는 반사 후 밖으로 되돌아 나간다. 후자의 경우 제 2 반사경(2)을 공유초점 F를 중심으로 각 θe 만큼 시계방향으로 기울여 밖으로 되돌아 나가는 것을 방지 또는 최소화할 수 있다. 흡열면의 크기가 고정되어 있을 경우 광행로의 추적분석을 통하여 제 2 반사경(2, 2')의 초점거리 또는 이심율(타원면인 경우)을 조절하여 제 2 반사경(2, 2')의 하단 점이 흡열면(3) 의 기하학적 중심에 위치하도록 하여야 한다. 또한 흡열면(3)에서의 에너지 분포가 최대한 균일하도록 하여야 한다 ([도 9],[도 10] 참조). 도 9(b)의 경우 대칭축 LL'를 좌측으로 이동하여 상기 축을 대칭축으로 집속기 장치를 형성할 경우 중앙에 소정의 빈공간(원구멍 또는 사각구멍)형성시키므로서 특수 흡열면구조에 맞게 집속장치를 형성할 수 있다.상기 실시예는 3차원인 경우 태양전지(반도체)의 구조가 중앙부위에 빈공간이 형성되어 있을 경우에 해당된다. 상기 빈공간은 반도체의 자유전자를 흡수하는 그리드의 구조가 방사형일 때 형성된다.

주 반사경(1, 1')의 회전(기울임)으로 입사면의 폭 또는 직졍이 감소되어 집속기의 집속비가 감소되는데, 이것은 주 반사경(1)의 끝점 N,M를 동일한 집속비가 될 때 까지 연장하므로서 광 집속비를 높이어 조절하면 된다.

이하 본 발명에 따른 광 집속기의 반사경 구조에 있어 반사경의 광학적 특성을 더 상세히 기술하기로 한다.

본 발명에 따른 집속기에 있어 제 1의 반사경(1, 1')의 기본구조는 [도 11]와 같이 포물면MGN를 반사면으로 한다. 축 VF상에 초점 F가 놓여 있다. 본 축에 평행하게 들어오는 광선은 한번 반사된 후 초점 F에 모인다. 반대로 초점에서 발광하는 빛은 포물면에서 반사된후 축과 평행하게 나아간다. 본 반사곡면은 [도 11]에 표시한 좌표계 원점 O에 대하여 다음식으로 표현된다.

z²= 4f_p(x+f_p) (1)

여기에 f_p는 초점거리이며 장치의 집속비와 흡열면 또는 수광면의 면적에 의하여 다음관계식으로 결정된다.

f_p= (R/2) C (2차원) (2)

f_p= (R/2)√C (3차원) (3)

여기에 C는 집속기의 집속비이며, R은 흡열면(3)의 반경 또는 반폭이다.

본 집속기의 제 2의 반사경(2, 2')의 기본구조는 주 반사경(1, 1')과 같은 포물면이나 초점거리가 다르고 반사면이 거꾸로 위치하고 있다. [도 11]의 좌표계에서 본 포물면은 다음식으로 표현된다.

z²= 4f_ps(x+f_ps) (4)

여기에 f_ps는 제 2 반사경의 초점거리이며 주 반사경과 흡열면(3)의 크기에 따라 결정된다.

본 집속기의 제 2 반사경(2, 2')을 타원으로 사용할 경우 [도 12]에 표시한 좌표계에 대하여 다음식으로 표현된다.

b²(x+f_h)²-a²z²=a²b²(5)

여기에 f_h는 초점거리, a (=f_h/e)는 장축, b (=a√(1-e²))는 단축이며, e (=√(1-b²/a²))는 이심율이다. 이심율은 초점간의 거리를 정하며 동시에 집속기의 차단면적(Blockage area)을 결정한다.

제 2 반사경(2, 2')이 일반 다항식으로 표현되는 곡면을 사용할 수 있으며 이경우 그 곡면은 일반적으로 아래 수식으로 표현된다.

x = ∑a_nzⁿ

= a₀+ a₁z + a₂z²+ .... +a_nzⁿ(6)

여기에 a_n은 곡면의 특성에 따라 정하여야 할 계수이고, n은 0 또는 0이 아닌 일반 멱수이다.

예로서 n=1 이면 x=a₀+a₁z 로 표현되는 곡면이 되며, 이것은 기울기가 a₁이고 원점에서 x축으로 a₀만큼 떨어진 점을 지나는 직선이 된다. 이 경우 a₁의 부호에 따라 V자 모양 또는 삿갓모양의 곡면이 된다.또는 2차원 곡면인 경우에는 n=2로 그 곡면은 x=a₀+ a₁z + a₂z²로 표현되며,이수식은 각계수의 부호와 값에 따라 원이나 포물선 또는 쌍곡선을 표현한다.n=4인 경우 달걀모양(oval)의 곡면을 표현하는 특수해를 구할 수 있다.

이하 본 발명에 따른 광 집속장치의 수학적 표현을 기술하기로 한다.

(a) 제 2반사면(2, 2')이 포물면인 경우

집속기의 집속비(C)와 흡열면(3)의 반경 또는 반폭(R)이 주어질 경우, [도 3]에 표시한 좌표계에서 주 반사경(1, 1')이 각 (-θ_c)만큼 시계의 반대방향으로 기울이고 제 2 반사경(2)을 (+θ_e)만큼 시계방향으로 기울일 경우 집속기의 각 변수의 수학적 표현은 아래와 같다 ([도 9, 10] 참조).

기하학적 집속비 (C) :

C = (x_N-x_E)/R (2차원 집속기인 경우) (7)

C = (x_N ²-x_E ²)/R²(3차원 집속기인 경우) (8)

주 반사경(1, 1')의 관계식 :

sin²θ_cz²-2cosθ_c(2f_p+xsinθ_c)z+x²cos²θ_c-4f_p(f_p+xsinθ_c)=0

z=cosθ_c(2f_p+xsinθ_c)/sin²θ_c*{1-[1-tanθ_c[x²cos²θ_c-4f_p(f_p+xsinθ_c)]/(2f_p+xsinθ_c)² ] ^1/2 }(9)

주 반사경의 초점거리 :

f_p= (-(x_N+2R)/(2sinθ_c)/2 - A_o+ B_o)/2 (10)

B_o={3[(x_N+2R)/(2sinθ_c)]²/4-R_o ²-2{(1+sin²θ_c)x_N+R}R/sin²θ_c)

-(4(x_N+2R)/(2sinθ_c)*{(1+sin²θ_c)x_N+R}R/sin²θ_c-8(x_N+2R)/(2sinθ_c)

-[(x_N+2R)/(2sinθ_c)]³)/(4A_o)} ^1/2

A_o={(a/2)²-{(1+sin²θ_c)x_N+R}R/sinθ_c

-2{√(-α/3)} *cos(φ/3)+[(1+sin²θ_c)x_N+R]R/sin²θ_c/3} ^1/2

φ = cos^-1[{(β/2)²/(α/3)³}]^1/2

α ={3[(x_N+2R)/(2sinθ_c)*R²x_N/sinθ_c+4(Rx_N/(2tanθ_c)²]

-[{(1+sin²θ_c)x_N+R}R/sin²θ_c]² }/3

β ={2[-{(1+sin²θ_c)x_N+R}R/sin²θ_c]³}+9[{(1+sin²θ_c)x_N+R}R/sinθ_c]*

[(x_N+2R)/(2sinθ_c)*R²x_N/sinθ_c+4(Rx_N/(2tanθ_c)²]+27λ}/27

λ = -(x_N+2R)/(2sinθ_c)²*{-(Rx_N/(2tanθ_c)²}

+4[{(1+sin²θ_c)x_N+R}R/sin²θ_c]*[ -(Rx_N/(2tanθ_c)²]-{R²x_N/sinθ_c}²

x_N= (√C - 1)R (3차원일 경우) (11)

x_N= (C - 1)R (2차원일 경우) (12)

제 2반사경의 관계식 :

z ={-{(cosθ_e-xcosθ_esinθ_e/2f_e)/2}+[{(cosθ_e-xcosθ_esinθ_e/2f_e)/2}²

-(sin²θ_e/4f_e)*(xsinθ_e-f_e+x²cos²θ_e/4f_e)] ^1/2 }/(sin²θ_e/4f_e) (13)

제 2반사경의 초점거리 :

f_e= {-(R+fpsinθc)sinθe-fpcosθccosθe+{[-(R+f_psinθ_c)cosθ_e-

f_pcosθ_csinθ_e]²+[-(R+f_psinθ_c)sinθ_e-f_pcosθ_ccosθ_e]²}^1/2 }/2 (14)

개구면 폭 (D) :

D =2{x_N+(R-x_Q)} (15)

x_Q= f_psinθ_c

집속기 깊이 (H) :

H = z_N+ f_pcosθ_c(16)

차단면적의 폭(D_B) :

D_B= 2{x_E+(R-f_esinθ_c)} (17)

x_E={-(sinθ_e+m*cosθ_e)+{[(sinθ_e+m*cosθ_e)]²

+[{cosθ_e-m*sinθ_e)²/4]} ^1/2 }/[{cosθ_e-m*sinθ_e)²/(4f_e)] (18)

m=[(-R+f_ecosθ_e)sinθ_e-f_ecosθ_ecosθ_e]/[(-R+f_esinθ_e)cosθ_e-f_ecosθ_esinθ_e] (19)

제 2차 반사면의 높이(h) :

h = f_p+2f_e(1-cosθ_e)/sin²θ_e(20)

주 반사경 및 제 2 반사면을 기울이지 않았을 경우, 즉 θ_c=0, θ_e=0일 경우 집속기의 관계식은 아래와 같다.

D = 2(R+x_N) (21)

f_p= x_N/[2(1+x_N/R)^1/2] (22)

H = x_N ²/(4f_p) (23)

f_e= -f_p{1-[1+(R/f_p)²]^1/2} (24)

D_B= 2(R+4f_e ²/R) (25)

h = f_p+ f_e(26)

(b) 제 2반사면(2, 2')이 타원면인 경우

변수에 대한 관계식을 구하는 과정은 (a)의 경우와 유사하다. 주 반사면은상기 관계식 (1~14)과 동일하다. 제 2 의 타원 반사면에 대한 기본 관계식은 아래와 같다.

각도 θ_e로 시계방향으로 기울인 타원의 관계식:

b²(xcosθ_e-zsinθ_e)²-a²(xsinθ_e+zcosθ_e)²= a²b²(27)

초점거리 : f_e= (-a/2-R_o+E_o)/2 (28)

E_o= {3a²/4-R_o ²-2b)-[4ab-8c-a³]/(4R_o)}^1/2

R_o= {(a/2)²-b+y_o}^1/2

y_o= 2(-α'/3)^1/2cos(φ/3) - p/3

φ = cos^-1[(β'/2)²/(-α'/3)³]

α' = (3q-p²)/3

β' = (2p³-9pq+27r)

p = -b

q = ac-4d

r = -a²d+4bd-c²

a =2γ/δ

b =(k²δ²-Cδ²+2Bβδ-Aβ²)/k²δ²

c =(-2γδC+2B(αδ+βγ)-2Aαβ)/k²δ²

d =(-Cγ²+2Bαγ-Aα²)/k²δ²

α=-Rsinθ_e

β=[(1-e)cosθ_esinθ_e-(1-e)cos²θ_e]/e

γ=-Rcosθ_e

δ=[(1-e)cosθ_esinθ_e+(1-e)cosθ_esinθ_e]/e

A=[(1-e²)sin²θ_e-cos²θ_e]

B=-e²cosθ_esinθ_e

C=[(1-e²)cos²θ_e-sin²θ_e]

k=[(1-e²)/{e²*(R-f_pcosθ_c)}]

이심율 : e = [1+(b/a)²]^1/2(29)

선 GN의 관계식 : z = mx (30)

m=[{-R+(a-f_e)cosθ_e}sinθ_e-(a-f_e)cosθ_ecosθ_e]

/[(-R+(a-f_e)sinθ_e)cosθ_e+(a-f_e)cosθ_esinθ_e] (31)

관계식 (27)~(31)에서 변수 이심율의 값이 주어지면 집속비(C)와 흡열면(3)의 반폭(R)의 함수로 (a)의 경우와 같이 집속기의 각 변수에 대한 관계식이 구하여 진다.

상술한 바와 같은 반사경의 구조에 의한 본 발명의 광 집속 기본원리는 기존의 복합 포물면 광 집속기의 광 집속 기본원리와 비교하여 볼 때, 비교 우위에 있는 점은 다음과 같다. 기존의 복합 포물면 집속기의 광 집속 기본원리는 [도 12]에서 점선으로 표시한바와 같이 반사경인 포물면 (90)의 축(91)을 각 θ_c만큼 초점 F_p를 중심으로 시계 반대방향으로 기울어저 있다. 반대편에 있는 대칭 반사면의 초점은 F_p'에 위치하고 흡열면은 직경 또는 폭이 F_pF_p' 와 일치하도록 구성되어 있다. 복합 포물면의 특성은 집속비(C)가 C=1/sinθ_c(2차원인 경우), 또는 C=1/sin²θ_c(3차원인 경우)로 주어지며, ±θ_c이내의 각도로 입사하는 광선은 모두 흡열면 F_pF_p'에 도달한다.

본 발명에서는 같은 각도 θ_c로 주 반사면(1, 1')을 기울였을 때 동일한 흡열면(3)의 크기에 대하여 입사면(BA)이 기본 CPC의 입사면(BC)보다 더 넓다. 본 발명의 집속기에서도 차단면적 만큼 에너지의 손실이 있으나 전체 입사면의 면적이 차단면적보다 크므로 종래의 경우에 비하여 더 많은 양의 에너지가 흡열면에 도달한다.

[도 13], [도 14] 및 [도 15]은 본 발명에 따른 광 집속기의 반사경 구조를 갖는 2차원 집속기의 또 다른 실시예들로서, 상기 본 발명에 따른 제1 실시예와 제2 실시예에 적용가능한 응용 실시예인 것이다.

[도 13]에 도시된 제1 응용 실시예는 주 반사경(1), 제 2 반사경(2), 원통형 흡열관(5) 및 보조 반사경(6)으로 구성되는데 상술한 실시예와 다른 점은 흡열면(3)을 원통상의 흡열관(5)으로 한 것과 주 반사경(1, 1)의 하단을 연결하는 톱니 모양을 하고 반 구형으로 구부러진 형상을 한 보조 반사경(6)가 구비된 점에 있다.

본 응용 실시예에서 주 반사경(1, 1)초점 F(F')는 제 2 반사경(2, 2)의 초점을 공유하고, 주 반사경(1, 1)은 각도 -θ_c(또는 +θ_c)만큼 공유초점 F(또는 F')을 중심으로 시계의 반대 방향(또는 시계방향)으로 기울어져 있으며 제 2의 반사경(2, 2)은 θ_e(-θ_c)만큼 시계 방향(또는 시계방향)으로 기울어져 있다. 이 때에 θ_c는 한계입사각이 되며, θ_e의 값은 집속비에 의하여 결정되며, θ_e의 값은 광선추적 결과에 따라 결정된다. 보조 반사경(6)은 집속기의 반사경 장치와 흡열관이 구조상 떨어저 있어야 할 경우 간격이 생기므로, 광선 JP와 같이 주 반사경(1, 1')의 축과 평행하게 들어오지 않는 광선이 흡열관(5)에 도달하지 않을 경우 보조 반사경(6)에서 반사되어 흡열관(5)에 도달하게 하는 장치이다. 본 보조 반사경(6)의 구조는 여러개의 톱니모양이 원형으로 배열되어 있으며 한 개의 톱니를 사용할 수도 있다. 톱니 수는 흡열관(5)과 보조 반사경(6)과의 간격에 따라 다르게 형성할 수 있다. 톱니 간격은 최대 흡열관(5)의 반경만큼 떨어질 수 있다. 보조 반사경(6)을 지지하는 지지대 (8)은 주 반사경(1, 1')의 하부에 연결되어 있다.

[도 14]에 도시된 제2 응용 실시예는 상기 제1 응용 실시예의 장치 중 흡열관(5)과 제 2반사경(2, 2')을 원통형 유리관(31) 속에 삽입하여 흡열관(5) 주위에서 발생하는 복사열의 손실을 줄일 뿐만 아니라, 외부의 환경으로 인한 오염 및 바람 등으로 인한 침해를 최소화 하기 위한 장치이다.

[도 15]에 도시된 제3 응용 실시예는 [도 15]에 도시된 제2 응용 실시예와 동일한 목적으로 집속기 전체를 유리관(32) 속에 삽입하였다. [도 15]의 경우 본 목적에 [도 14]보다 더 효율적이나 고가이다.

전체 입사면의 면적이 차단면적보다 크므로 더 많은 양의 에너지가 흡열면(3)에 도달한다.

본 발명은 주어진 집속비에 대하여 주 반사경의 기울기 각도에 따라 입사 한계각을 조절할 수 있고 동시에 제 2 반사경의 기울기 각도를 조절하여 반사 후 밖으로 나가는 광선을 최소화 시킬 수 있어 집속기의 효율을 많이 향상시킬 수 있고 또한 경량화 소형화 할 수 있다. 동일한 한계입사각에 대하여 종래의 복합 포물면 집속기 (CPC)보다 개구면의 증가로 집속비가 증가하므로 주어진 한계입사각에 대하여 에너지 밀도를 더욱 높일 수 있다.

본 발명은 필요한 중.고온을 생성할 수 있고, 비구면 광학 반사경을 특수하게 조합한 집속기로 한 벌의 반사경만 사용하는 접시형(3차원) 또는 여물통 모양(2차원)의 집속기와는 달리 제2 반사경에 의하여 광행로를 집속기의 하부에 모을 수 있으므로 흡열장치가 집열기의 하부에 위치할 수 있어 흡열장치의 무게, 부피, 작업공간 등의 제반문제의 제한을, 완화시키며 한 벌의 반사경만 사용하는 접시형(3차원) 또는 여물통 모양(2차원)의 집속기와는 달리 동일한 한계입사각에 대하여 흡열관 또는 수광면에 집속된 에너지 밀도를 증가시킬 수 있다.

일반 구면으로 구성된 유사한 장치 또는 포물면 만으로 구성된 접시형이나 여물통 모양의 집속기보다 입사각의 허용한도가 많이 크므로 장치의 광학적 수행능력이 훨신 향상되며, 동시에 흡열면 또는 수광면에 보다 균일한 에너지가 분포되어 장치의 효율을 높이며, 제작 및 태양추적의 오차한계를 많이 넓힐 수 있다.

집속된 광 에너지의 행로가 입사 광 에너지의 행로와 동일한 방향으로 진행하게 하여, 흡열장치 또는 수광장치의 위치가 광학 집속기의 하부에 위치하게 하며, 입사 광 에너지의 차단을 최소화시키며, 또한 장치의 무게중심이 전체장치의 중심보다 하부에 위치하여 기계적인 운동의 오차를 축소하되고, 흡열 또는 수광장치의 설치를 용이하게 하며, 태양추적 및 광학부품의 제작을 용이하게 하며 장치의 소형화 및 경량화를 달성하며 광학 집속기 장치 및 전체 장치를 간소화되는 것이다.

Claims

반사면이 포물면으로 된 반사경으로 된 두 개의 주 반사경과 두 주 반사경의 하단과 하단을 연결하여 형성되는 광에너지 흡수체인 흡열면 또는 흡열관으로 구성된 여물통형 또는 접시형 광 집속기에 있어서,

흡열면(3) 또는 흡열관(5)의 상부면 중앙에 위치하여 도립(倒立)하여 서로 등을 지고 세워져 각기 주 반사경(1,1')을 마주보며 형성된 제2반사경(2, 2')이 도립된 포물면인 오목형 반사면으로 구성되고,

주 반사경(1, 1)과 제2반사경(2, 2')은 초점(F)을 공유하며,

주 반사경(1, 1)이 공유초점(F)을 중심으로 한계입사각 만큼 시계반대방향으로 기울어진 것을 특징으로 하는 광 집속기.
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제 1항에 있어서, 제2반사경(2, 2')이 공유 초점(F)을 중심으로 시계방향으로 한계입사각만큼 기울여진 것을 특징으로 하는 광 집속기.
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제1항에 있어서, 흡열면(3) 또는 흡열관(5)과 제2반사경(2, 2')을 통상의 유리관(31)내에 수용한 광 집속기.
제1항에 있어서,주반사경(1, 1'), 흡열면(3) 또는 흡열관(5)과 제2반사경(2, 2')을 밀폐된 통상의 유리관(32)내에 수용하는 광 집속기.
제 10항에 있어서, 통상의 유리관(32) 내부를 진공 상태로 하는 광 집속기.