KR100454225B1 - 초박형 고집속 광에너지 집속장치 - Google Patents

초박형 고집속 광에너지 집속장치 Download PDF

Info

Publication number
KR100454225B1
KR100454225B1 KR10-2000-0025410A KR20000025410A KR100454225B1 KR 100454225 B1 KR100454225 B1 KR 100454225B1 KR 20000025410 A KR20000025410 A KR 20000025410A KR 100454225 B1 KR100454225 B1 KR 100454225B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
light
reflector
reflecting mirror
ultra
optical
Prior art date
Application number
KR10-2000-0025410A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20010104037A (ko
Inventor
황우성
Original Assignee
황우성
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 황우성 filed Critical 황우성
Priority to KR10-2000-0025410A priority Critical patent/KR100454225B1/ko
Publication of KR20010104037A publication Critical patent/KR20010104037A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR100454225B1 publication Critical patent/KR100454225B1/ko

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S23/00—Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors
    • F24S23/70—Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors with reflectors
    • F24S23/79—Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors with reflectors with spaced and opposed interacting reflective surfaces
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/08—Mirrors
    • G02B5/10—Mirrors with curved faces
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S23/00—Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors
    • F24S23/70—Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors with reflectors
    • F24S23/71—Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors with reflectors with parabolic reflective surfaces
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S23/00—Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors
    • F24S23/70—Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors with reflectors
    • F24S23/74—Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors with reflectors with trough-shaped or cylindro-parabolic reflective surfaces
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S23/00—Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors
    • F24S23/70—Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors with reflectors
    • F24S23/80—Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors with reflectors having discontinuous faces
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S23/00—Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors
    • F24S23/70—Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors with reflectors
    • F24S2023/83—Other shapes
    • F24S2023/837—Other shapes hyperbolic
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/40—Solar thermal energy, e.g. solar towers

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Lenses (AREA)

Abstract

본 발명은 광 에너지를 모아 집속하기 위한 광학장치로서 특히 태양에너지를 열 에너지 또는 전기 에너지로 변환시키는 광에너지 집속장치에 관한 것이다.
본 발명은 3차원의 접시형 또는 2차원의 여물통 모양을 가지는 광에너지 집속장치로서, 일정한 초점을 지니며 정점부에 출구면을 구비하는 주반사경과, 상기 주반사경의 상부에 배치되어지며 주반사경과 초점을 공유하고 상기 초점이 주반사경의 입사면에 포함되는 제 2반사경으로 이루어진 광집속기와, 상기 출구면은 주반사경으로부터 제 2반사경의 초점을 향해 입사한 광의 반사광이 상기 출구면을 통과하도록 하며, 상기 광집속기 출구면하부에 위치하고 상기 출구면을 통과한 광을 수용하는 흡열면을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 구성에 의한 본 발명의 광에너지 집속장치는 박형 및 경량화를 가능하게 하고, 흡열장치의 무게, 부피, 작업공간 등의 제반문제의 제한을 받지 아니하며, 열손실을 최소화하여 열효율을 높일 수 있는 장점을 지니고 있다. 또한 집열판의 온도를 조절하여 필요한 온도를 일정하게 공급할 수 있어 산업공정 등 일정한 온도를 필요로 하는 장비 및 설비에 매우 유용하다.

Description

초박형 고집속 광에너지 집속장치{Ultra-thin, High Concentration Light Energy Concentrator}
본 발명은 광 에너지를 모아 집속하기 위한 광학장치로서 특히 태양에너지를 열 에너지 또는 전기 에너지로 변환시키는 광에너지 집속장치에 관한 것이다.
태양열 에너지 기술은 이미 많이 알려져 왔으며, 특히 고온을 발생하여 동력원으로 사용하고자 하는 장치들이 수 십년 동안 연구되어져 왔다. 고온용 집속기는 사용하고자 하는 목적과 형태에 따라 여러 종류로 구분된다. 대표적인 것은 도 1과 같이 3차원 포물선 모양의 접시 형태 (Parabolic Dish), 도 2와 같은 2차원 포물선 모양의 여물통 형태 (Parabolic Trough Concentrator), 또는 CPC (Compound Parabo lic Concentrator)등이 있다. 2차원 집속기는 일반적으로 집속비가 10이하인 경우 사용하며 그 이상의 집속비가 필요한 경우에는 3차원 집속기를 사용한다.
포물형 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. 일반적으로 오차의 한계가 작을수록 장치의 정밀도가 높아지게 되며 고가가 된다. 상기와 같은 종래의 광학장치는 특히 흡열면이 광 집속기보다 상위에 위치하므로 입사광선의 차단면적이 많게 되고, 사용하고자 하는 다른 기계장치에 연결할 경우 집속기의 하부로 연결되는 연결고리가길어 열손실로 인한 비효율적인 결과를 초래하는 문제가 있다. 또한 흡열장치가 크거나 무거울 경우 무계중심의 위치에 따라 태양추적 장치의 부가적인 오차를 초래한다.
복합포물면 집속기 (CPC: Compound Parabolic Concentrator)는 저. 중온용으로 태양을 추적하지 않아도 고온을 구할 수 있는 장점이 있다. 상기 집속장치는 포물면의 일부를 반사면으로 하고 한계입사각 만큼 기울여 일정한 축을 대칭으로 하는 2차원 또는 3차원 집속기 구조를 특징으로 하고 있다 (특허: U.S. Letters Patent 4003 638; Radiant Energy Concentration, U.S. Letters Patent 4002 499; Cylindrical Concentrators for Solar Energy). 하지만 상기와 같은 고온용 집속기는 장치의 중량, 부피, 태양추적의 정확도, 광학부품의 제한된 오차한계 등의 고질적인 문제가 상존하고 있음에도 현재까지 이렇다할 대안이 제시되지 못하고 있는 실정이다.
태양전지 에너지 기술은 특히 인공위성과 관련하여 전력원으로 응용되어 왔다. 미래의 인공위성 임무는 보다 많은 요구조건을 충족시키기 위하여 10~600 kW 범위의 전력을 충당할 수 있는 태양전지 배열을 요구하고 있다. 이러한 전력은 평판형 장치로는 실질적으로 불가능하며 광 집속기를 사용하여야 한다. 이와같이 큰 인공위성의 상대적으로 높은 전력과 부수적으로 발생하는 높은 전류 또는 높은 전압은 기존의 작은 인공위성에 사용되는 태양전지 전력원 장치보다 많은 새로운 장치의 고안 문제가 야기된다. 예를 들면 위성 응용에 고질적인 한계인 중량 및 부피, 열 에너지의 안전한 소산, 태양전지의 가격 문제 등이 이에 해당한다. 지상에서 사용되고 있는 태양전지의 기술로는 이러한 인공위성의 기술을 해결 할 수 없다.
상기 종래기술이 지니는 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 비구면 광학 반사경을 특수하게 조합하여 초박형으로 설계하고, 동시에 오차한계를 넓혀주며 따라서, 태양추적 및 광학부품의 제작을 용이하게 하며 무게 및 부피를 최소화 하고 광학 집속기 장치 및 전체 장치를 간소화하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 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 집속기장치의 무게중심이 전체장치의 중심보다 하부에 위치하여 기계적인 운동의 오차를 축소하며, 흡열 또는 수광장치의 설치를 용이하게 하고자 함을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 흡열장치를 동공형태로 설계하여 방사 및 대류에 의한 열 손실을 줄이며, 집속된 광 에너지의 밀도를 광학계 또는 기계적인 수단으로 조절하여 입사 광 에너지원의 변화로 인한 흡열면 또는 전지에 도달하는 광 밀도의 변화를 줄여 균일한 온도 또는 전류를 유지하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 광행로를 바꾸어 주는 또 다른 광학장치을 이용하여, 광학 집속기를 통한 광행로와 흡열장치 또는 수광장치의 축이 일치하지 않음으로 인하여 발생하는 장치간의 긴 연결고리를 축소하고 연결병합을 용이하게 하며, 또한 흡열장치 또는 수광장치와의 긴 연결고리로 인한 열 또는 광 손실을 축소하고자 함을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 2 개 이상의 흡열 또는 수광 장치를 운영할 수 있도록 집속된 광 에너지를 분산시키는 광학수단을 강구하고, 태양전지 장치와 합병할 경우 소형의 전지로 보다 큰 전기 에너지로의 변환효율을 발생하여 인공위성의 고질적인 한계인 무게, 부피, 가격 등의 문제를 근원적으로 해결하고자 함을 목적으로 한다.
도 1은 3차원 포물형 집속기 단면도.
도 2는 2차원 포물형 집속기 단면도.
도 3은 본 발명의 집속장치의 기본구조 단면도.
도 4는 포물면의 형상과 광학적 특성설명도.
도 5는 쌍곡면의 형상과 광학적 특성설명도.
도 6은 타원면을 이용한 집속장치 구조의 단면도.
도 7은 타원면의 형상과 광학적 특성설명도.
도 8은 제 2 반사면을 기울인 광 집속기의 광행로를 보여주는 설명도.
도 9는 제 2 반사면을 기울인 광 집속기의 단면도.
도 10은 제 3 반사경을 내부에 고용한 초박형 광 집속기 단면도.
도 11은 제 3 반사경을 외부에 고용한 광 집속기 단면도.
도 12는 제 3 반사경을 내부 및 외부에 고용한 광 집속기 단면도.
도 13은 제 2 반사경을 연장한 광 집속기 단면도.
도 14는 반사광의 밀도에 따른 흡열면의 에너지 분포도.
도 15는 공동형 흡열장치 및 이동식 집열판 장치.
도 16은 렌즈 이동위치에 따른 흡열면의 에너지 밀도를 보여주는 참고도.
도 17은 본 집속기 장치를 이용하여 설치장소의 위도를 고려한 집열장치.
도 18은 집속기를 이용한 인공위성의 태양전지 배열판.
도 19는 태양추적 오차에 의한 각종 광 집속기의 수행능력을 나타내는 그래프.
도 20은 비대칭 반사경을 고용한 광 집속장치 단면도.
*도면의 주요부분에 대한 부호설명*
1: 주 반사경, 2: 제 2 반사경(쌍곡면)
3: 흡열면 또는 수광면, 4: 제 2 반사경(타원면)
5: 내부 제 3 반사경, 7: 기울인 제 2 반사경(쌍곡면)
8: 기울인 제 2 반사경(쌍곡면), 10: 광 집속기 입사면(개구면),
11: 주 반사경 출구면, 12: 제 3 반사경(원추형)
14: 제 3 반사경 17,18: 광행로를 바꾸어 주는 반사면
21: 원추 기반면; 제 3 반사면의 입구면
55: 비대칭 제 3 반사경, 60, 62: 흡열장치, 71: 흡열면
73: 흡열면 이동용 지지봉, 81: 에너지 조절용 광학렌즈,
82: 광학렌즈 이동장치
A, B: 주 반사경의 입사면의 끝단점
C, D: 제 2 반사경의 입사면에서의 끝단점
C', D': 기울인 제 2 반사경의 입사면에서의 끝단점
C", D": 연장된 제 2 반사경의 입사면에서의 끝단점
G, H: 주 반사경 정점부근의 절단면 끝단점; 광행로의 출구
P, Q: 흡열면 또는 수광면의 가장자리 점
F, F' : 제 2 반사면의 초점
V: 제 2 반사면의 정점
W: 기을인 제 2반사면의 끝단광선의 광행로가 집속기 축과 맞나는 점
LL': 집속기의 대칭축 WW': 설치장소의 수평면에 대한 수직선
fp: 주 반사경의 초점거리
fh: 쌍곡면 또는 타원면 제 2 반사경의 초점거리
a: 쌍곡면 또는 타원면의 장축
b: 쌍곡면 또는 타원면의 단축
e: 쌍곡면 또는 타원면의 이심율
d: 주 반사사경의 출구의 반폭 또는 반지름h: 집속기의 두께(개구면에서 흡열면까지의 깊이)
θc: 주 반사경의 기울기 각, 또는 입사한계 반각
θe: 제 2 반사경의 기울기 각
φ: 게 2 반사경의 기울기 각도
θ: 입사광선이 개구면과 이루는 각도 β: 원추면 꼭지 반각
x, z: 직각 좌표계
본 발명의 초박형 고집속 광 에너지 집속장치는 3차원의 접시형 또는 2차원의 여물통 모양의 광에너지 집속장치에 적용가능한 것으로서, 일정한 초점을 지니며 정점부에 출구면을 구비하는 주반사경과, 상기 주반사경의 상부에 배치되어지며 주반사경과 초점을 공유하고 상기 초점이 주반사경의 입사면에 포함되는 제 2반사경으로 이루어진 광집속기와, 상기 출구면은 주반사경으로부터 제 2반사경의 초점을 향해 입사한 광의 반사광이 상기 출구면을 통과하도록 하며, 상기 광집속기 출구면하부에 위치하고 상기 출구면을 통과한 광을 수용하는 흡열면을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은 상기 주반사경의 우측단면에 위치하는 반쪽반사경의 축이 일정각도만큼 시계의 반대방향으로 입사면상에 있는 초점을 중심으로 회전하고, 좌측의 반쪽반사경은 상기 우측의 반쪽반사경과 광 집속기의 축에 대칭으로 형성되며, 상기 2개의 반쪽반사경의 초점이 일치하여 입사면의 기하학적중심에 있도록 구성한 초박형 고집속 광 에너지 집속장치를 포함한다. 또한 상기 본 발명은 상기 주반사경에서 반사된 광에너지를 수용하는 상기 제 2반사경의 우측 반쪽 반사경의 축이 주반사경의 회전에 대하여 독립적으로 일정각도만큼 시계방향으로 입사면 상에 있는 제 1초점을 중심으로 회전하고, 좌측의 반쪽반사면경 우측의 반쪽반사경과 광 집속기의 축에 대칭으로 형성되며, 2개의 제 1초점이 일치하여 입사면의 기하학적 중심에 위치하여 주반사경의 초점과 일치하도록 하는 초박형 고집속 광 에너지 집속장치를 포함한다.
이하 상기 본 발명의 구성을 도면을 참고하여 상세히 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 초박형 고집속 광 에너지 집속장치의 일 실시예로서 동일한 축 LL'를 공유하는 주반사면인 포물면 AGHB (1)과 제 2반사면인 쌍곡면 CVD (2)와 흡열면 또는 수광면 GH (3)으로 구성된다. 상기 본 발명의 제 1실시예를 보여주는 도면은 광집속기의 단면으로서 축 LL'을 중심으로 회전하면 접시형인 3차원 광집속기가 되고, 상기 단면을 길이(y-축)방향으로 연장하면 여물통형인 2차원 광집속기가 된다.
또한 본 발명의 또 다른 실시예로서 도 6에 도시한 바와 같이 동일한 축 LL'를 공유하는 주반사면인 포물면 AGHB (1)과 제 2반사면인 타원면 CV'D (4)과 흡열면 또는 수광면 GH (3)으로 구성하는 것도 가능하나 이에 한정되는 것은 아니며, 주반사면은 포물면 또는 타원면, 제 2반사면은 포물면, 쌍곡면, 타원면, 구면 등으로 이루어진 조합에 의하여도 본 발명의 실시에 있어 적합하다.
상기 본 발명의 광 집속기 반사면은 도 3, 도 4, 도 5와 같이 반사면인 포물면 AGHB (1)과 쌍곡면 CVD (2)가 동일한 축 LL'를 공유한다. 상기 축 LL'상에 포물면의 초점 F가 놓여 있고 쌍곡면의 제 1 초점이 포물면의 초점 F와 공유하고 제 2의 초점 F'은 동일한 축 LL'상에 위치한다. 포물면의 입사면(10) ACFDB가 초점 F를 포함하도록 설계하면, 축 LL'에 평행한 끝단광선(JA 또는 KB)의 점 B (또는 A)에서의 입사각과 반사각인 테두리 각 (Rim angle)은 90°가 된다. 이러한 경우 장치의 두께는 최소가 된다.
축 LL'에 평행하게 들어오는 모든 광선은 포물면 AGHB (1)에 의하여 반사되어 모두 초점 F에 모이게 되고 상기 광선들은 쌍곡면 CMND (2)에서 다시 반사되어 초점 F'에 모이게 된다. 바람직하기로는 상기 광선들이 모두 포물면을 통과하여 초점 F'에 도달할 수 있도록 포물면의 정점부근을 절단하여 흡열면(3)과 동일한 크기의 구멍공간인 출구면 (11)을 형성한다. 상기 출구면공간(11)의 최소의 크기는 끝단 광선(JA 및 KB)의 행로가 최종으로 포물면의 정점부위와 맞나는 점으로 형성되는 직경 또는 폭 GH와 동일한 크기로 하는 것이 바람직하다. 흡열면 또는 수광면(3)은 면 GH(11)상에, 또는 그 아래 방향으로 흡열면 또는 수광면의 크기 또는 구조에 따라서 GH와 PQ사이에서 임의의 위치에 놓을 수 있다. 바람직하기로는 상기 흡열면 또는 수광면(3)의 위치는 에너지의 손실문제 또는 장치의 부피문제 등을 고려하여 볼 때 면 GH(11)의 부근이 가장 이상적이다. 하지만 장치의 구조와 편의성에 따라 반사된 태양에너지를 모두 받을 수 있는 임의의 위치에 어느 곳에나 설치하는 것도 가능하다.
상기 본 발명을 구성하는 각 반사곡면은 도 4, 도 5에 표시한 좌표계 (x,z)와 원점 O에 대하여 다음식으로 표현된다.
<포물면>
관계식 : z2= 4fp(x+fp)
초점거리 : fp= (d/2)√C (3차원)
fp= (d/2)C (2차원)
입사면의 직경( 또는 폭) (2*AF) : 4fp
상기에서 초점거리는 사용하고자 하는 집속비(C)와 흡열면 또는 수광면의 반지름 또는 반폭(d)에 의하여 결정된다.
<쌍곡면>
관계식 : b2(x-fh)2-a2z2=a2b2
초점거리 : fh
차단직경 : 2×CF = 2b2/a =2a(e2-1)
초점간 거리 : FF' = 2fh= 2ae
이심율 : e = √(1+b2/a2)
장축 : a = fh/ e
단축 : b = a √(e2-1)
출구면 반지름 : d' = (2fh/m)-√{(1+m2-2m(fh/fp)}
m = tanγ= (b2/a)/(2fh) = (e2-l)/2e
상기에서 이심율은 초점간의 거리를 정하며 동시에 집속기의 차단면적(Block age area) (CD)를 결정한다. 차단면적은 제 2 반사경이 광 집속기의 입사면의 중심부위에서 입사광선을 차단하는 면적이다.
또한 본 장치에서 광 집속장치의 높이(h)와 집속비(C)는 다음 관계식으로 주어진다.
C = 1/d2×{h+(h2+d2)1/2}2- {1+(h/d)×[(e2-1)/(2e)]}2(3차원인 경우)
C = 1/d×{h+(h2+d2)1/2} - {1+(h/d)×[(e2-1)/(2e)]} (2차원인 경우)
상기 본 발명의 제 2 실시예의 집속기 반사면은 도 6, 도 7과 같으며 반사면인 포물면 AGHB (1)과 타원면 CV'D (4)가 동일한 축 LL'를 공유한다. 상기 축상에 포물면의 초점 F가 놓여 있고 타원면의 제 1 초점이 포물면의 초점 F와 공유하고 제 2의 초점 F'은 동일한 축 LL'상에 위치한다. 포물면의 입사면(10) ACFDB가 초점 F를 포함하도록 설계하면 테두리 각은 90°가 된다. 축 LL'에 평행하게 들어오는 광선은 포물면 AGHB에 의하여 반사되어 모두 초점 F에 모이게 되고 상기 광선들은 타원면 CV'D에서 다시 반사되어 초점 F'에 모이게 된다. 기타 구조 및 광학적 특성은 제 1의 고안과 동일하다. 타원면의 기하학적 특성은 도 7에 표시한 원점 O에 대하여 다음 수식으로 표현된다.
<타원면>
관계식 : b2(x+fh)2-a2z2=a2b2
초점거리 : fh
차단직경 : 2×CF = 2b2/a =2a(1-e2)
초점간 거리 : FF' = 2fh= 2ae
이심율 : e = √(1-b2/a2)
장축 : a = fh/ e
단축 : b = a √(1-e2)
상기에서 이심율은 초점간의 거리를 정하며 동시에 광 집속기의 차단면적을 결정한다.
또한 본 발명은 제 2 반사면이 일반 다항식으로 표현되는 곡면을 사용하는 경우를 포함한다. 이 경우 상기 곡면은 하기 일반식에 의해 표현이 가능하다.
x = ∑anzn
x = a0+ a1z + a2z2+ .... +anzn(7)
상기에서 an은 곡면의 특성에 따라 정해지는 계수이고, n은 0 또는 0이 아닌 일반 멱수를 나타낸다. 예를 들면 n=1 이면 x=a0+a1z 으로 표현되는 선형곡면이 되며 이것은 기울기가 a1이고 원점에서 x축으로 a0만큼 떨어진 점을 지나는 직선이 된다. 이 경우 a1의 부호에 따라 제 2 반사면은 V자 또는 사갓모양의 곡면이 된다.
<넓은 각의 입사광을 고려한 광집속기 장치>
도 3, 도 6의 광집속기는 입사광선이 광 집속기의 축 LL'에 거의 평행하게 들어올 경우 가장 효율적이다. 하지만 일반적으로 태양추적의 정확도, 광학 반사경의 형상 정밀도, 소재의 수축/팽창, 환경조건, 태양의 크기로 인한 입사광의 비축행로, 및 여러 부품들의 조합 등에서 발생할 수 있는 구조적 오차를 고려하여야 한다. 상기 오차의 총 합의 범위는 광학장치의 개구면(입사면) (10)에 들어오는 입사각의 크기(θ)로 대표될 수 있다. 예로서, 축 LL'과 ±5°의 각도로 광 집속기의 개구면(10)에 들어올 때 이 광선이 반사된 후 모두 광 집속기의 출구면(11)에 모인다면 장치 전체의 오차한계를 ±5°로 정하여 모든 오차가 발생하는 각 요소에 요인각도로 배분하는 것이 가능하다. 상기와 같은 오차를 고려할 때 본 발명의 광 집속기 모형은 아래와 같이 여러 가지로 변형하는 것이 가능하다.(a) 제 1 반사경을 기울인 광 집속기[도 8a]에서 입사광선 K'B 는 주반사면(1)에서 반사된 후 제 2 반사면(2)에 도달하지 않고 집속기 밖으로 나가 버린다. 이와같은 광선을 구제하기 위하여 주 반사경(1)을 초첨 F를 중심으로 각도 Φ(≥θ)만큼 시계의 반대방향으로 회전하면 본 광선(K'B)와 평행하게 입사하는 광선(K"B")은 제 2 반사면에 도달하게 되어 반사후 흡열면에 도달한다. Φ=θ 이면 입사광선 K"B"의 광행로는 제 1 반사면(1')의 끝단점 B"에서 반사된 후 입사광선 KB의 광행로와 동일하게 된다.
(b) 제 2 반사경을 기울인 광 집속기
도 3에서 입사광선 K'B는 입사각(θ)이 클 경우 반사경에서 여러번 반사된 후 출구면(3) GH에 도달하지 않고 집속기 밖으로 되돌아 나아 갈 수 있다. 상기와 같은 경우 주반사경(1)은 고정시키고, 제 2 반사경인 쌍곡면의 축 (LSLS')을 도 8b와 같이 공유초점 (F)를 중심으로 각 φ만큼 시계방향으로 기울이면 제 2 반사경에서 반사되는 광행로의 방향을 바꾸어 축으로부터 ±θ의 각도로 입사면(10)에 입사하는 광선(예: 입사광선 K'B)을 출구면(3) GH로 향하게 하는 것이 가능하다. 이때 기울어진 쌍곡면 (7)의 제 2 초점은 쌍곡면의 축상에 있으며 집속기의 축(LL")과 일치하지 않게 된다.
상기 기울인 쌍곡면의 초점거리는 기울이지 않았을 경우와 반드시 일치하지 않아도 된다. 하지만 출구면(3)의 크기가 고정되어 있을 경우, 끝단 입사광선 (30)의 광행로가 어떤 경우라도 출구면(3)에 도달할 수 있도록 설계하는 것이 바람직하다. 예로서, 출구면의 가장자리(예: 점 H)를 지나도록 초점거리 또는 이심율을 조절하여야 한다. 본 끝단 광선의 광행로는 광 집속기의 축 LL'과 점 W에서 교차된다.
완전한 광 집속기 장치는 도 8의 집속기 모형을 축 LL'을 대칭으로 회전하면 도 9와 같이 도 3과 유사한 모형의 집속기 단면이 된다. 도 8에서 입사광선 32는 주 반사면 (1)에서 반사되어 제 2 반사면 (7)에서 반사된 후 여러번의 재 반사를 통하여 출구면(3)에 도달한다. 그러나 도 3의 경우 상기 광선은 기울이지 않은 제 2 반사면 (2)에는 도달하지 않으므로 집속기 밖으로 나가 버리게 된다.
(c) 제 3 반사경을 내부에 고용한 집속기
도 3, 도 6, 도 9에 도시된 광집속기에서 더욱 더 큰 입사각이 필요할 경우 제 3의 반사경을 고용하여 모든 입사광선을 흡열면 또는 수광면에 도달하게 할 수 있다.
도 10은 꼭지반각이 β인 절단된 원추곡면(5)을 광 집속기의 내부에 설치한 단면을 보여주고 있다. 상기 원추면의 꼭지는 제 2 반사경 (2)의 제 2 초점 (F' 또는 제 2 반사경을 기울인 경우에는 점 W)과 일치하며, 원추면의 밑면은 광 집속기의 출구면(3)의 가장자리와 일치하며, 상기 원추면의 기반면 (21)은 출구면(3)과 입사면(10) 사이에 있고 입사광선 (46) 또는 (48)이 주 반사면 (1)에서 반사된 경로와 만나는 점 N 또는 M과 일치한다. 입사광선 (56) 또는 (48)은 입사면 (10)에 축 LL'과 평행하게 제 2 반사경의 차단면 가장자리 점 C 또는 D를 지나는 점이다. 상기 원추면을 연장하면 집속기의 입사면에서 제 2 반사면의 가장자리(CD)와 일치한다. 이 경우 입사광선 (41)은 주 반사경 (1)에서 반사되어 제 2 반사면 (2 또는 7)에서 반사되고 본 원추 반사면에서 다시 반사된 후 출구면 (11)에 도달한다.
상기 원추면의 꼭지반각 β는 최소의 각이나, 광행로 추적의 결과에 따라 더 큰 각도를 사용하는 것이 가능하다. 또한 상기 원추면 대신 구면, 포물면, 타원면, CPC (Compound Pabolic Concentrator) 또는 다항식으로 표현되는 복합곡면을 사용하는 것도 본 발명의 실시에 있어 바람직하다. 도 9의 경우 꼭지점은 집속기의 축상의 W점에 위치하게 된다. 이 경우 꼭지각은 더욱 커지며, 원추면의 꼭지반각 β는 제 2 반사경의 이심율(쌍곡면 또는 타원면) e와 다음 관계식을 만족하게 된다.
β≥ tan-1[｜(e2-1)｜/(2e)]
상기에서 ｜ ｜는 절대값을 의미한다.
(d) 제 3 반사경을 외부에 고용한 집속기
제 3 반사경은 주반사경의 출구면과 주반사면 하부에 위치한 흡열면(또는 수광면) 사이에 위치하며, 입사면이 주반사경의 출구면과 실질적으로 일치하고, 출구면은 흡열면(또는 수광면)과 근접하게 설치하는 것이 바람직하다. 또한 상기 제 3반사경은 광집속기의 축에 대하여 대칭 또는 비대칭으로 하는 것이 가능하다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예로서 제 3반사경을 외부에 고용한 집속기를 보여주고 있다. 상기 도면에서 입사광 41의 행로가 제 2 반사면 (2)에서 반사된 후 주 반사면 (1)의 표면 G'점에서 다시 반사되어 밖으로 되돌아 나가는 것을 보여주고 있다. 상기와 같이 되돌아 나가는 광선을 흡열면 또는 수광면 (3)에 도달시키기 위하여 출구면의 구멍공간 (11)을 직경 (또는 폭)이 G'H'만큼 더 크게 절단하고 제 3 반사경 (9)의 입구면을 본 출구면의 가장자리(G'H')와 일치 시키고 제 3 반사경의 출구면을 흡열면 또는 수광면의 가장자리와 일치 시킨다. 상기 제 3 반사경 (9)의 형상은 타원면, 포물면, 원추면 등의 곡면을 조건에 따라 선택할 수 있으며, 대칭 또는 비대칭 형상의 CPC 반사경도 사용할 수 있다. 대칭 CPC를 고용할 경우 축의 기울기 각도는 CPC의 입사한계각인 θc가 된다. 상기 CPC의 길이가 길어질 경우 2중 또는 3중의 CPC를 층층으로 연결하여 사용할 수 있다. 도 11에서 입사광선 (41)은 반사된 후 제 3 반사경의 입사면 점인 G'에서 다시 반사되어 흡열면(3) 또는 태양전지에 직접 도달하거나 제 3 반사경에서 재 반사된 후 도달한다. CPC인 경우 상기 광선 (41)은 출구면의 가장자리 점 Q에 도달하게 설계할 수 있다.
(e) 제 3 반사경을 내부 및 외부에 고용한 집속기
오차한계가 대단히 큰 경우 또는 광 집속장치의 전체 두께를 줄이기 위하여도 3, 도 9, 도 10, 도 11에 개시된 장치를 합병한 형태로 사용할 수 있다. 도 12에서 제 2 반사경은 도 3과 같이 기울이지 않을 수도 있으며, 도 9에서와 같이 각도 ω만큼 시계방향으로 기울이고, 원추형 제 3 반사경 (12)을 주 반사경 내부에 병합시켜 도 10과 실질적으로 동일하게 구성하고, 또 하나의 제 4 반사경 (12)을 주 반사경 외부에 도 11과 같이 실질적으로 동일하게 병합시킨다. 따라서 주 반사경 (1)의 출구면의 직경 또는 폭이 G"H"만큼 절단 되었으며 이 출구면은 제 3 반사경 (12)의 출구면과 제 4 반사경 (14)의 입구면과 실질적으로 일치하게 된다. 상기 구조의 광 집속기에서 끝단 입사광선 (51)은 주 반사경 (1)과 제 2반사면 (2 또는 7)에서 반사된 후 제 3의 반사면 (12)에서 반사되고 제 4의 반사면 (14)에서 다시 반사되어 최종 출구면 PQ(3)에 도달한다.
(e) 제 2 반사면을 연장시킨 집속기
도 13은 제 2반사면을 연장시킨 본 발명의 또 다른 실시예를 보여주고 있다. 상기 도 13에서 입사광선 (55)는 주 반사경에서 반사된 후 제 2 반사경에 도달하지 않고 그대로 집속기 밖으로 나간다. 상기 광선을 집속기 내부로 반사시키기 위하여 도 3, 도 9, 도 10, 도 11, 도 12의 집속기 모형에서 제 2 반사경 곡면을 원 위치에서 입사면 (10)의 상부로 그대로 연속적으로 연장시켜 크게 만들어 도 13과 같은 형태의 집속기로 만든다. 상기 반사면의 크기는 최대의 입사각 θm으로 들어오는 광선 (55)가 주 반사면 (1)에서 한 번 반사했을 때에 연장된 면과 만나는 점 D' (또는 C')에서 절단한 면이다. 이러한 제 2 반사경의 연장된 형태는 도 3, 도 9, 도 10, 도 11, 도 12에 설명한 집속기에 모두 적용이 가능하다.
<흡열장치의 구조>
일반적으로 집속된 열을 흡수하는 흡열장치는 평판 또는 원통형 관을 사용한다. 3차원 집속기를 사용할 경우 직립된 원통형 관은 필요한 평면면적만큼 나선형으로 구성할 수 있다. 본 발명의 집속장치는 주로 고온(100℃ ~ 3000℃)용에 적합한 장치로서, 흡열면의 온도분포가 균일하고 일정할 것이 요구된다. 따라서 재료 및 구조 등에 의한 여러 가지 형태의 열손실 요인을 최소화하여 최대의 효율을 구하여야 한다. 이러한 현상에 따른 흡열장치의 구조적 선택은 다양하다.
본 발명에서는 흡열장치의 열손실을 최소화할 수 있는 고안으로 공동(Cavity )형 장치를 이용한다. 공동형 장치는 흡열면에서 방사되는 열이 대류 및 방사에 의하여 밖으로 나가 버리는 열을 주변의 벽으로부터 다시 방사시킴으로서 흡열관에 다시 전달되는 과정을 이용하기 위해 사용된다. 또한 외부 환경으로 인한 온도의 변화 및 오염으로 부터 방지할 수 있는 역할도 겸한다.
도 14, 도 15와 같이 평판형 흡열면 또는 관(tube)을 나선형으로 제작한 흡열관을 고려할 수 있다. 이러한 흡열면 또는 흡열관에서 발생할 수 있는 온도는 단위면적당 흡수되는 열량과 흡열면에 들어오는 태양에너지의 양에 따라 결정된다. 그러므로 주어진 에너지량에 대하여 흡열면의 면적에 따라 온도가 변하게 된다. 도 3에서 흡열면에 들어오는 태양에너지는 연필 끝 모양으로 들어온다. 따라서 도 14와 같이 T0, ..., T4등의 위치에 따라 흡열되는 에너지의 밀도가 다르게 되므로 흡열면의 위치에 따라 온도가 다르게 된다. 상기 구성하에서의 온도는 가장 이상적인 환경하에 다음 관계식으로부터 구할 수 있다.
εσT4= α CaIN
상기에서 Ca는 광 집속기의 집속비, IN은 직달일사량 상수(약 1000W/m2), σ는 스테판-볼츠만 상수(5.67 x 10-8W m-2K-4), T는 절대온도이다. α와 ε는 각 각 흡수율과 방사율로서 흡열면의 특성에 따른 상수를 나타낸다. 따라서 흡열면의 온도는 흡열면 면적의 1/4승에 역비례한다.
또한 본 발명에 의하면 주어진 광 집속기의 집속비에 대하여 흡열면의 위치를 조절함으로써 필요한 온도를 선택하는것이 가능하며, 초점 F' 부근에서 최고의 온도가 구해진다(T0>T1> ....>T4). 또한 공동의 입구에 도 15와 같이 광이 최대한 통과할 수 있는 판유리 또는 렌즈를 놓음으로서 외부환경으로부터 보호할 수 있고 동시에 공동에서 발생하여 흐르는 열과 방사되는 에너지가 밖으로 나아가는 것을 다시 방사 및 반사시켜 방지할 수 있다.
흡열면의 온도조절 장치는 기본적으로 흡열면이 일정한 위치에 고정되었을 경우와, 흡열면이 도 15와 같이 상하로 이동할 수 있는 장치로 2가지의 경우를 고려할 수 있다. 흡열면이 고정된 위치에 있을 경우, 흡열장치의 입구에 위치한 광학렌즈의 위치를 상하로 조절하면 도 16과 같이 렌즈의 초점의 위치가 상대적으로 원격조정이 되므로 도 14와 유사한 효과를 구할 수 있다. 또한 여러 개의 렌즈나 또는 줌(Zoom) 렌즈 장치를 사용하여 초점거리를 조절하므로서 동일한 결과를 구할 수 있다. 흡열면을 상하로 이동하여 조절할 경우 도 15와 같은 구조가 한가지 예가 될 수 있다. 이 경우 흡열면 또는 관의 상하이동으로 인하여 열을 사용하는 장치와 특수한 연결장치나 또는 유연한 관으로 연결되어야 한다.
태양전지용으로 사용할 경우 반도체 수광면은 보통 평면판으로 구성되며, 이 경우 광 집속기의 출구면(GH) 부근에 위치할 수 있고 반도체의 특성에 따라 적절한 집속비를 선택하여야 한다.
이하 본 발명의 내용을 구체적인 실시예를 통해 상세히 설명하기로 한다.
<실시예 1>: 고온용 집열기 #1
도 17은 본 발명의 광 집속기를 이용하여 입사각이 집속기의 축과 거의 동일 할 때 고온을 구할 수 있는 장치의 단면을 나타낸다. 상기에서 광 집속기는 설치장소의 수평면에서 위도만큼 태양을 향하여 기울어져 있다.
집속기를 통하여 집속기의 출구면으로 나아가는 집속된 에너지의 진행방향이 본 에너지를 사용하고자 하는 장치(60)의 축 (102)와 일치하지 않으므로, 본 에너지의 진행방향을 바꾸어 놓을 수 있는 평면 또는 오목 반사경 (16)을 고용하여 본 에너지 이용장치의 축과 일치되게 구성하였다. 상기 평면 또는 오목 반사경이외에도 렌즈 또는 회절격자를 이용하여 구성하는 것도 본 발명의 실시에 있어 바람직하다.
상기 장치는 흡열부가 광 집속기의 하부에 위치하고 있으므로 제 2의 열기관과(예: 스털링 엔진)의 연결이 열 손실을 최소화 할 수 있어 효율적이다.
또한 2 가지 종류의 다른 장치를 동시에 응용하는 것도 가능하다. 이 경우평면 또는 오목 반사경(16)이 집속기의 출구면으로 나아오는 광 에너지를 차단하여 제 1의 흡열장치 방향으로 편향시키거나 또는 차단하지 않음으로서 제 2의 흡열장치를 위한 반사경 (18)로 보낼 수 있다. 이러한 방법은 차단 반사거울을 상하로 진동운동을 하는 회전축 S (17)을 중심으로 빠른 속도로 진동시키서 2 개의 사용장치(60, 62)를 동시에 사용할 수 있게 한다.
광 집속기가 태양을 추적할 때에 집속기의 회전은 흡열장치의 축을 중심으로 회전운동을 하여야 사용장치의 안정성이 있다. 2 개의 흡열장치를 동시에 설치할 경우 제 1 또는 제 2의 흡열장치는 집속장치와 동시에 동일한 각도로 수평면에서 회전할 수 있도록 고안하여야 한다.
상기 본 발명의 실시예에서는 집열판의 온도를 조절할 수 있는 장치가 설치되었다. 흡열장치 (60) 내에 흡열면(71) 또는 흡열관이 장착되어 있고 이 흡열면은 지지봉(73)에 연결되어 있으며, 이 지지봉은 지상에 고정되어 있는 수평판 (90)에 안착되어 있는 또 다른 지지대(72)를 통하여 상하이동이 가능하게 구성되어 있다. 따라서, 흡열장치 내에서의 흡열면의 상하 위치에 따라 온도조절이 가능하게 된다.
또 다른 온도조절 장치로서 광학계를 사용하였다. 광학계 또는 광학렌즈(81)가 상하로 이동할 수 있도록 하는 조절기능장치(82)안에 놓여 있다. 흡열장치(62)내에 흡열면 (3) 또는 다른 종류의 흡열기관이 놓여있고 본 흡열장치 입구에 광학 평면판(83)이 놓여 있다. 광학계 또는 광학렌즈는 반사면(18)에서 반사된 광 에너지를 받아 상하로 움직여 흡열면(75)에 필요한 열량을 조절한다.
<실시예 2>: 고효율 인공위성 태양전지 판
도 18은 본 발명의 집속기를 이용한 인공위성의 태양전지배열판을 보여주고 있다. 도 18(a)는 위성의 태양전지로 구성된 한 쪽 날개가 완전히 펴져 있을 때에 도 18(b)와 같은 태양전지 판이 10개의 태양전지 모쥴로 구성되어 있고, 각 모쥴은 도 18(c)와 같은 252개의 태양전지 요소로 구성되었다고 가정한 구조이다. 도 18(c)는 도 10과 동일한 구조이다.
상기 광 집속기의 출구면에 태양전지 (90) (예: Si, GaAs 등)이 놓여 있고 상기 전지는 열을 방출시키기 위하여 방열판 (91)과 접촉하고 있다. 상기 광 집속기의 기하학적 집속비(개구면의 면적÷출구면의 면적)가 160일 때에 전지의 반경이 2mm이면 개구면(입사면)의 직경은 약 50mm이고 집속기의 높이는 12.7mm가 된다. 원추면의 꼭지각이 22.6°일 때 원추면의 높이는 약 4mm가 된다. 이와 같은 크기의 집속장치의 요소를 한 개의 모쥴에 252개를 배열하면 각 모듈의 크기는 약 60cm x 105cm x 1.27cm의 부피가 된다.
상기 광 집속기의 비축입사광선에 대한 광학적 수행능력을 다른 광학 집속기 장치와 비교하여 보면 도 19와 같다. 곡선 (201)은 도 3의 기본 집속기 모형과 동일하나 주 반사경과 제 2반사경이 구면일 때의 수행능력을 나타낸다. 이 경우 태양추적 오차가 0.5°보다 작아야 75%정도의 입사광 에너지가 전지에 도달할 수 있다. 이러한 정확도는 실질적으로 어렵다. 곡선 (202)는 도 10의 집속기 모형과 동일하나 제 2 반사경인 쌍곡면을 기을이지 아니한 경우이고, 곡선 (204)은 상기 쌍곡면을 기울인 경우이다. 태양추적 오차가 전자의 경우에는 약 3°이내에서 80%이상의수행능력을 보여주고 있으나, 후자의 경우 전자보다 약 1°이상의 수행능력 증가를 보여주고 있다. 수행능력 증가의 기본원리는 비구면 광학 반사경과 원추면을 고용한 것이다. 이러한 수행능력의 증가는 전지에 보다 균일한 에너지가 분포될 뿐만 아니라 광학부품 제작비도 많이 낮출 수 있다.
곡선 (203)은 비구면 광학렌즈와 원추 반사경으로 구성된 집속기의 수행능력을 나타낸다. 상기 광 집속기의 수행능력은 약 4.5°이내에서는 본 발명의 장치보다 훨씬 떨어지나 5°이상의 입사각도에서도 약 20%의 광 에너지를 전지의 수광면에 도달시킬 수 있는 것이 장점이 있다.
도 18에 도시된 각 모쥴내에 있는 252개의 광 집속기에 장착된 각각의 태양전지는 위성이 필요한 전류와 전압을 공급하기 위하여 전기적으로 직렬과 병렬로 서로 연결되어 있다. 본 장치는 인공위성의 태양추적 오차범위를 넓게 하였으며(~±5°), 전지판을 접어서 서로 겹처 쌓은 체적도 많이 줄이며, 주어진 요구전력에 대하여 무게도 줄어들며, 또한 열방사 장치도 전지에 직접 접촉시키므로서 용이하게 해결된다.
태양에너지를 전기에너지로 변환해 주는 태양전지의 효율은 광전지의 종류에 따라 다르다. 평면 입사광을 받을 때 대기권 밖에서의 효율은 Si은 10 ~ 15%이며 GaAs는 약 18%이다. 그러나 광을 집속시키면(예: 본 집속기) Si은 약 20%에 도달할 수 있고, GaAs는 30%이상의 효율을 발생한다. 따라서, 본 장치는 개념적으로 600kW이상의 전력을 요구하는 대형 인공위성의 전지배열판도 현재 평면판을 사용하는 인공위성과 비슷한 모형으로 만들 수 있다.
<실시예 3>: 고온용 집열기 #3
도 20은 고온용 2차원 또는 3차원으로 응용할 수 있는 태양열 집열장치를 나타낸다. 주 반사경은 설치장소의 위도만큼 태양을 향하여 기울어저 있다. 제 3의 반사경의 축은 설치장소의 수평면에서 수직으로 된 비대칭 반사면(55)이다. 상기 집속기는 3차원인 경우 기하학적 집속비가 640으로 1,000 ~ 1,500℃의 온도를 발생할 수 있다. 개구면 (AB) (10)의 직경은 약 500cm이고, 흡열면 (F1F2) (3)의 직경은 20cm이다. 주 반사경의 초점거리는 약 125cm이며, 제 2 반사경의 초점거리는 약 75cm이다. 주 반사경의 절단면의 직경 (GH)은 약 130cm으로 입사 한계각은 약 ±5°이다. 제 3 반사경은 단면이 2 개의 서로 다른 반사곡면으로 구성되며, 비대칭 CPC를 고용 할 경우 각 반사곡면의 초점(F1, F2)은 흡열면의 가장자리에 놓여 있고, 입구면(G'H')은 주 반사경의 절단면과 실질적으로 접하여 있다. 각각의 초점거리 f1과 f2는 다음 관계식에 의하여 상대적으로 결정된다.
f1+ f2= a' [1 + 1/C']
f1/f2= [1 + sinψ1]/{1 + sinψ2]
상기에서, C'=[주 반사경의 절단면적/흡열면 면적], ψ1과 ψ2는 흡열면의 축과 각 각의 반사면의 축과 이루는 기울기 각도이다.
본 발명은 필요에 따라 중.고온을 생성할 수 있고, 비구면 광학 반사경을 사용한 초박형 광 집속장치로 박형 및 경량화가 가능하다. 포물면만 사용하는 접시형(3차원) 또는 여물통 모양(2차원)의 집속기와는 달리 광행로를 집속기의 하부에 모을 수 있으므로 흡열장치를 집열기의 하부에 위치할 수 있어 흡열장치의 무게, 부피, 작업공간 등의 제반문제의 제한을 최소화할 수 있는 장점이 있다. 또한 공동(Cavity)모양의 흡열장치는 본 발명 장치의 입구에 광학 렌즈를 사용하여 열손실을 최소화할 수 있어 높은 효율을 발생한다. 본 발명 장치는 평면 또는 오목반사면을 사용하여 광행로의 방향을 자유롭게 바꿀수 있어 설치장소의 위치 선택이 자유로우며 응용에 따라 2 가지 이상의 다른 장치에도 동시 사용이 가능하다.
또한 일반 구면으로 구성된 유사한 장치 또는 포물면만으로 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.
또한 집열판의 온도를 조절할수 있도록 고안한 흡열장치는 필요한 온도를 일정하게 공급할 수 있어 산업공정 등 일정한 온도를 필요로 하는 장비 및 설비에 유용하다.

Claims (21)

  1. 삭제
  2. 일정한 초점을 지니며 정점부에 집속된 광이 모여나가는 출구면을 구비한 주반사경과, 상기 주반사경 상부에 배치되어 지며 주반사경과 초점을 공유하며, 주반사경으로부터 입사한 광이 상기 출구면을 통과하도록 하는 제2반사경과, 상기 출구면 하부에 위치하고 상기 출구면을 통과한 광을 수용하는 흡열면으로 구성되어 3차원의 접시형 또는 2차원의 여물통형으로 된 광에너지 집속장치에 있어서,
    주반사경은 단면상 곡선의 축을 기준으로 이등분된 반쪽반사경으로 형성되어, 주반사경의 우측에 위치하는 반쪽반사경은 일정각도만큼 시계의 반대방향으로 입사면상에 있는 초점을 중심으로 회전하고,
    주반사경의 좌측에 위치하는 반쪽반사경은 상기 우측의 반쪽반사경과 같은 각도로 시계방향으로 입사면상에 있는 초점을 중심으로 회전하며,
    상기 2개의 반쪽반사경의 초점이 일치하여 입사면의 기하학적중심에 있도록 구성되어 입사광의 축에 대한 입사각의 오차범위를 넓히는 것을 특징으로 하는 초박형 고집속 광에너지 집속장치.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제 2 항에 있어서,
    제2반사경은 단면상 곡선의 축을 기준으로 이등분된 반쪽반사경으로 형성되어, 주반사경의 회전에 대하여 독립적으로 제2반사경의 우측에 위치하는 반쪽반사경은 일정각도만큼 시계방향으로 입사면 상에 있는 초점을 중심으로 회전하고,
    제2반사경의 좌측에 위치하는 반쪽반사경은 상기 우측의 반쪽반사경과 같은 각도로 시계의 반대방향으로 입사면상에 있는 초점을 중심으로 회전하며,
    상기 제2반사경의 2개의 반쪽반사경이 만드는 2개의 초점이 일치하여 입사면의 기하학적 중심에 위치하여 주반사경의 초점과 일치하도록 하는 것을 특징으로 하는 초박형 고집속 광 에너지 집속장치.
  9. 제 2 항에 있어서, 상기 주반사경의 출구면과 주반사면 하부에 위치한 흡열면 사이에 위치하며, 입사면이 주반사경의 출구면과 실질적으로 일치하고, 출구면은 흡열면과 근접하게 설치되는 제3반사경을 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 초박형 고집속 광 에너지 집속장치.
  10. 제 9항에 있어서, 제 3반사경은 광집속기의 축에 대하여 대칭 또는 비대칭인 것을 특징으로 하는 초박형 고집속 광 에너지 집속장치.
  11. 제 2 항에 있어서, 원추형 또는 포물형 또는 타원형으로 표현되는 곡면으로 된 반사면이 상기 주반사경의 출구면과 실질적으로 일치하고 원추반사면 또는 비구면 반사면의 기반면이 주반사경의 출구면과 입사면 사이에 있도록 구성되는 제 3반사경을 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 초박형 고집속 광 에너지 집속장치.
  12. 제 11항에 있어서, 상기 절단된 원추의 수학적 정점이 제 2반사경의 제2초점에 놓여 있고, 상기 원추표면은 제 2반사면의 제 2초점에서부터 제 2반사면의 입사면상의 원둘레로 향하여 퍼져 있으며, 또한 상기 원추의 반각 β는 하기 관계식을 만족하는 것을 특징으로 하는 초박형 고집속 광 에너지 집속장치.
    β≥tan-1[｜(e2-1)｜/(2e)]
    상기에서 e는 제 2반사면의 이심율을 나타낸다.
  13. 제 2 항에 있어서, 상기 흡열면은 실질적으로 최종출구면과 일치하는 것을 특징으로 하는 초박형 고집속 광 에너지 집속장치.
  14. 제 2 항에 있어서, 상기 흡열면은 동공안에 위치하며, 상기 동공의 입구는 실질적으로 광집속기의 출구면과 일치하는 것을 특징으로 하는 초박형 고집속 광 에너지 집속장치.
  15. 제 2 항에 있어서, 상기 흡열면을 동공안에서 상하로 이동하도록 하는 이동수단을 구비하여 흡열면에 도달하는 광에너지 밀도를 조절하도록 구성된 광에너지 밀도 조절장치를 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 초박형 고집속 광 에너지 집속장치.
  16. 제 2 항에 있어서, 상기 동공의 입구에 흡열면에 도달하는 광에너지 밀도를 조절하는 광학장치로 구성되는 광에너지 밀도 조절장치를 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 초박형 고집속 광 에너지 집속장치.
  17. 제 16항에 있어서, 상기 광학장치는 줌렌즈 형태인 것을 특징으로 하는 초박형 고집속 광 에너지 집속장치.
  18. 제 2 항에 있어서, 상기 초박형 고집속 광 에너지 집속장치는 광의 입사각이 집속기의 축과 동일하도록 위도만큼 광원을 향해 기울어지게 구성한 것으로서, 상기 광집속기의 출구면 후방에 고정되며, 광집속기를 통한 광에너지를 수평면과 수직하게 위치한 하나 이상의 흡열면에 전달하는 평면 또는 오목 반사경으로 구성된 광행로 변환장치를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 초박형 고집속 광 에너지 집속장치.
  19. 제 18항에 있어서, 상기 평면 또는 오목반사경은 광집속기의 출구면 후방에 하나 이상 설치되며, 각각 고정위치에서 회전축을 중심으로 일정한 각도로 회전진동하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 초박형 고집속 광 에너지 집속장치.
  20. 제 2 항에 있어서, 상기 초박형 고집속 광 에너지 집속장치는 광의 입사각이 집속기의 축과 동일하도록 위도만큼 광원을 향해 기울어지게 구성한 것으로서, 상기 광집속기의 출구면 후방에 고정되며 광집속기를 통한 광에너지를 분산하여 수평면과 수직하게 위치한 하나 이상의 흡열면에 전달하는 평면 또는 렌즈로 구성된 광행로 변환장치를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 초박형 고집속 광 에너지 집속장치
  21. 제 2항에 있어서, 상기 초박형 고집속 광 에너지 집속장치는 광의 입사각이 집속기의 축과 동일하도록 위도만큼 광원을 향해 기울어지게 구성한 것으로서, 상기 광집속기의 출구면 후방에 고정되며 광집속기를 통한 광에너지를 분산하여 수평면과 수직하게 위치한 하나 이상의 흡열면에 전달하는 평면 또는 회절격자로 구성된 광행로 변환장치를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 초박형 고집속 광 에너지 집속장치.
KR10-2000-0025410A 2000-05-12 2000-05-12 초박형 고집속 광에너지 집속장치 KR100454225B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR10-2000-0025410A KR100454225B1 (ko) 2000-05-12 2000-05-12 초박형 고집속 광에너지 집속장치

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR10-2000-0025410A KR100454225B1 (ko) 2000-05-12 2000-05-12 초박형 고집속 광에너지 집속장치

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20010104037A KR20010104037A (ko) 2001-11-24
KR100454225B1 true KR100454225B1 (ko) 2004-10-26

Family

ID=41262744

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR10-2000-0025410A KR100454225B1 (ko) 2000-05-12 2000-05-12 초박형 고집속 광에너지 집속장치

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR100454225B1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101306200B1 (ko) 2009-08-07 2013-09-09 요크공조(주) 태양광 집광 장치 및 태양광 집광 시스템

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7906722B2 (en) 2005-04-19 2011-03-15 Palo Alto Research Center Incorporated Concentrating solar collector with solid optical element
US20090025784A1 (en) 2007-02-02 2009-01-29 Sol Focus, Inc. Thermal spray for solar concentrator fabrication
US20090159126A1 (en) * 2007-12-22 2009-06-25 Solfocus, Inc. Integrated optics for concentrator solar receivers
CN102042184A (zh) * 2009-10-12 2011-05-04 蔡学庆 太阳能光汇聚系统
WO2011056229A2 (en) * 2009-11-06 2011-05-12 Gerald Fargo A focused solar energy collection system to increase efficiency and decrease cost
US8884156B2 (en) 2010-11-29 2014-11-11 Palo Alto Research Center Incorporated Solar energy harvesting device using stimuli-responsive material
US8752380B2 (en) 2012-05-22 2014-06-17 Palo Alto Research Center Incorporated Collapsible solar-thermal concentrator for renewable, sustainable expeditionary power generator system
EP3152782B1 (en) * 2014-06-19 2019-05-08 Lakshmanan, Karthigueyane Dual-stage parabolic concentrator

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS56110845A (en) * 1980-02-07 1981-09-02 Kiichi Taga Device for generating high temperature heat medium by solar heat
JPH063593A (ja) * 1992-06-16 1994-01-14 Stanley Electric Co Ltd 光学反射素子
JPH0720307A (ja) * 1993-06-30 1995-01-24 Iwasaki Electric Co Ltd 集光器
EP0909929A2 (en) * 1997-10-15 1999-04-21 Mitaka Kohki Co., Ltd. Sunlight collecting system

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS56110845A (en) * 1980-02-07 1981-09-02 Kiichi Taga Device for generating high temperature heat medium by solar heat
JPH063593A (ja) * 1992-06-16 1994-01-14 Stanley Electric Co Ltd 光学反射素子
JPH0720307A (ja) * 1993-06-30 1995-01-24 Iwasaki Electric Co Ltd 集光器
EP0909929A2 (en) * 1997-10-15 1999-04-21 Mitaka Kohki Co., Ltd. Sunlight collecting system

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101306200B1 (ko) 2009-08-07 2013-09-09 요크공조(주) 태양광 집광 장치 및 태양광 집광 시스템

Also Published As

Publication number Publication date
KR20010104037A (ko) 2001-11-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6668820B2 (en) Multiple reflector solar concentrators and systems
US6620995B2 (en) Non-imaging system for radiant energy flux transformation
US3899672A (en) Solar energy collection
US8631787B2 (en) Multi-junction solar cells with a homogenizer system and coupled non-imaging light concentrator
US4131485A (en) Solar energy collector and concentrator
US4307711A (en) Sun tracking solar energy collector system
JP4829407B2 (ja) 太陽エネルギー集中器及び変換器並びにその組合せ
US4385430A (en) Method of forming an energy concentrator
US8960185B2 (en) Compound collector system for solar energy concentration
US4301321A (en) Two-axis focusing energy concentrator
US20100139739A1 (en) Solar Energy Collection System
US20070251568A1 (en) Beam Integration For Concentrating Solar Collector
WO2008112310A1 (en) Optical concentrator, especially for solar photovoltaics
US20120042949A1 (en) Solar concentrator
US4150663A (en) Solar energy collector and concentrator
GB2031179A (en) Concentrating light energy for transduction
KR100454225B1 (ko) 초박형 고집속 광에너지 집속장치
US4114596A (en) Method and apparatus for tracking the sun for use in a solar collector with linear focusing means
US20140174503A1 (en) Energy convertor/concentrator system
US20140326293A1 (en) Methods and apparatus for solar energy concentration and conversion
Dang Concentrators: a review
JP2002339859A (ja) 電磁波集束装置
KR100406834B1 (ko) 광 집속기
JPH1131837A (ja) 集光型太陽光発電装置及びこれを用いたモジュール
KR100353616B1 (ko) 태양열 열전발전 장치의 고집적 집속기

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
AMND Amendment
E601 Decision to refuse application
J201 Request for trial against refusal decision
AMND Amendment
B601 Maintenance of original decision after re-examination before a trial
J301 Trial decision

Free format text: TRIAL DECISION FOR APPEAL AGAINST DECISION TO DECLINE REFUSAL REQUESTED 20021028

Effective date: 20040727

S901 Examination by remand of revocation
GRNO Decision to grant (after opposition)
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20111013

Year of fee payment: 8

LAPS Lapse due to unpaid annual fee