KR100600934B1

KR100600934B1 - 태양광 집광장치

Info

Publication number: KR100600934B1
Application number: KR1020050064436A
Authority: KR
Inventors: 박화랑
Original assignee: (주) 찬성에너지
Priority date: 2005-07-15
Filing date: 2005-07-15
Publication date: 2006-07-13

Abstract

본 발명은 태양광의 집광효율을 높여 집광판과 멀리 떨어진 장소에서도 집광된 태양광을 원활하게 사용할 수 있고, 태양의 궤도에 따라 집광판을 선회시켜 태양광의 집광효율을 보다 높일 수 있는 태양광 집광장치에 관한 것이다.

이를 위해, 전향집광판과 상향집광판을 통해 집광된 직사광선 및 산란광선을 2차반사체의 재반사를 통해 광출구로 집광시키는 태양광 집광장치에 있어서, 상기 광출구 측에 설치한 원뿔 형상의 집광기와; 상기 집광기 상, 하부에 설치한 복수의 집광렌즈와; 집광된 빛을 외부로 이송시킬 수 있게 상기 집광기 하단에 설치한 광케이블과; 상기 집광기와 고정된 상향집광판 및 전향집광판을 태양의 궤도에 따라 소정각도만큼 선회시키는 집광판선회수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기한 구성에 따라, 집광기 내부의 프레넬렌즈와 반구형렌즈를 통해 태양광을 집광하여 광케이블을 통해 이송하므로, 집광판과 멀리 떨어진 장소까지도 밝고 원활하게 조명장치를 제공할 수 있는 효과가 있고, 태양의 이동 궤도에 맞춰 집광판을 180°선회시키므로, 보다 많은 양의 태양광 입사가 가능하여 집광장치의 집광효율을 높일 수 있는 효과도 있다.

태양광, 집광기, 프레넬렌즈, 반구형렌즈, 광케이블.

Description

태양광 집광장치{Apparatus for concentrating solar energy}

도 1은 종래 기술에 의한 태양광 집광 시스템을 나타낸 측단면도,

도 2는 본 발명에 따른 태양광 집광장치의 측단면도,

도 3은 본 발명에 따른 집광기 구조를 확대 도시한 측단면도,

도 4는 본 발명에 따른 집광기 설치상태의 다른 일 실시예를 나타낸 정면도.

*도면중 주요 부호에 대한 설명*

210 : 전향집광판 220 : 상향집광판

230 : 2차반사체 240 : 광출구

400 : 집광기 410 : 제1집광기

420 : 제2집광기 450 : 집광렌즈

460 : 프레넬렌즈 470 : 반구형렌즈

500 : 광케이블 610 : 모터

612 : 구동기어 620 : 플랜지관

622 : 종동기어 630 : 고정베이스

640 : 선회베이스 650 : 볼 베어링

655 : 베어링홈

본 발명은 태양광 집광장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 태양광의 집광효율을 높여 집광판과 멀리 떨어진 장소에서도 집광된 태양광을 원활하게 사용할 수 있고, 태양의 궤도에 따라 집광판을 이동시켜 태양광의 집광효율을 보다 높일 수 있는 태양광 집광장치에 관한 것이다.

일반적으로, 태양광은 무공해성과 무한성으로 인하여 차세대 대체에너지로 가장 유망하고 선호되고 있으며, 태양전지를 이용한 전력생산 외에, 태양광의 열원을 이용한 온수의 제공 및 각종 병균을 살균하는 용도 등으로 폭넓은 연구 및 상용화가 진행 중에 있다.

특히, 태양광을 이용하는 여러 장치 중 태양광을 집광하는 장치의 경우에는 입사되는 태양광을 한 곳으로 집광하여 태양전지에 의해 전력을 생산하거나 열 에너지를 얻기 위한 것으로, 이러한 태양광 집광장치는 집광량 및 집광비에 따라 실용화 및 경제성 있는 제품화가 결정되었다.

첨부 도면 도 1은 이와 같은 태양광 집광장치의 일예로 대한민국 특허 제487076호(명칭:태양광 집광 시스템)에 대한 것으로써, 이를 살펴보면 포물선 형상의 전향집광판(210)과 상향집광판(220)을 통해 집광된 직사광선 및 산란광선을, 구형반사체부와 하향 직선반사체부를 갖는 2차반사체(230)의 재반사를 이용하여 광출구(240)로 집광시키고, 상기 광출구(240) 하부에는 광원이용수단을 설치한다.

이 때, 상기 광원이용수단으로는 광덕트(300), 인볼류트형 반사체를 갖는 집 열관, 태양전지판, 도관, 수납실을 갖는 일광실 등을 적용함으로써, 여러 용도로 사용할 수 있게 된다.

그러나, 상기한 태양광 집광 시스템은 상향집광판과 전향집광판 및 2차반사체를 통해 태양광의 집광이 가능한 효과는 있으나, 집광된 태양광의 세기 및 밝기가 다소 부족하여, 상기 집광판과 집광된 빛을 사용하고자 하는 장소 사이가 멀리 떨어진 경우에는 집광된 빛을 원활하게 사용하기가 어려운 폐단이 있었다.

더욱이, 상기한 태양광 집광 시스템은 상향집광판 및 전향집광판이 어느 한 곳에 고정 설치된 구조로 이루어져 있어, 태양의 이동에 따라 직사광선을 바로 받을 수가 없으므로, 태양광의 집광율이 떨어지는 문제가 있었다.

본 발명은 전술한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로, 집광되는 태양광의 밝기 및 세기를 보다 크게 하여 집광판과 멀리 떨어진 장소에서도 집광된 빛을 원활하게 사용할 수 있도록 한 태양광 집광장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 태양의 궤도에 따라 집광판을 소정 각도만큼 계속해서 회전시켜 보다 많은 양의 태양광을 집광시킬 수 있도록 한 태양광 집광장치를 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 포물선 형상의 전향집광판과 상향집광판을 통해 집광된 직사광선 및 산란광선을 2차반사체의 재반사를 통해 광출구로 집광시키는 태양광 집광장치에 있어서, 상기 광출구 측에 설치한 원뿔 형상의 집광기와; 상기 집광기 상, 하부에 설치한 복수의 집광렌즈와; 집광된 빛을 외부로 이송시킬 수 있게 상기 집광기 하단에 설치한 광케이블과; 상기 집광기와 고정된 상향집광판 및 전향집광판을 태양의 궤도에 따라 소정각도만큼 선회시키는 집광판선회수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2 내지 도 4는 본 발명의 태양광 집광장치를 도시한 것으로, 집광기(400)와 집광렌즈(450)와 광케이블(500)과 집광판선회수단을 주요 구성요소로 한다.

먼저, 집광기(400)는 도 2와 같이 대략 원뿔 형상으로 형성되는 것으로, 전향집광판(210)과 상향집광판(220)에 의해 조성되는 광출구(240) 하측에 구비된다. 이러한, 상기 집광기(400) 상단에는 포물선 형상의 전향집광판(210)과 상향집광판(220)이 구비되고, 상기 전향집광판(210)과 상향집광판(220) 사이에는 2차반사체(230)가 구비되며, 상기 전향집광판(210)과 상향집광판(220) 전방 단부에는 투광패널(200)이 구비된다.

여기서, 상기한 투광패널(200)과 전향집광판(210)과 상향집광판(220) 및 2차반사체(230)와 광출구(240)는 종래 기술에 설명된 특허 제487076호에 기재 및 도시된 기술 구성과 동일한 것으로, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 하고, 또한 특허 제487076호에 기재된 구성과 동일한 구성에 대해서는 동일한 부호를 적용하였음을 밝혀둔다.

계속해서, 도 3과 같이 상기 집광기(400)는 제1집광기(410)와 제2집광기(420)로 구성되는데, 상기 제1집광기(410)는 하단 일부가 소정 길이만큼 절단 형성된 원뿔 형상의 것으로, 광출구(240) 하단에 고정 설치된다. 또한, 상기 제2집광기(420) 역시 하단 일부가 소정 길이만큼 절단 형성된 원뿔 형상의 것으로, 상기 제1집광기(410) 하단에 고정 설치된다.

이 때, 상기 제1집광기(410)와 제2집광기(420)의 원뿔각(α°)(β°)은 서로 다른 각을 갖도록 형성하게 되는데, 제1집광기(410)의 원뿔각(α°)은 약 46°~47°사이의 각만큼 형성하고, 제2집광기(420)의 원뿔각(β°)은 약 39°~40°사이의 각만큼 형성하여, 집광기(400)의 집광효율을 높일 수 있도록 하였다.

계속해서, 집광렌즈(450)는 상기 집광기(400) 상, 하부에 복수 설치하는 것으로, 프레넬렌즈(460)(Fresnel lens)와 반구(毬)형렌즈(470)를 각각 설치한다.

설명하면, 상기 프레넬렌즈(460)는 볼록렌즈와 같은 작용을 가지게 한 대신, 그 두께를 줄인 렌즈로써, 광출구(240)에 해당하는 제1집광기(410) 경계면 즉, 상기 제1집광기(410) 상면에 구비한다. 그리고, 상기 반구형렌즈(470)는 구(毬)면이 아래를 향하도록 제1집광기(410)와 제2집광기(420)의 경계면 내부에 설치한다.

다음으로, 도 2와 도 3과 같이 광케이블(500)은 상기 집광기(400)에서 집광되는 빛을 외부로 이송시킬 수 있게 제2집광기(420) 하단에 연결 설치한 것으로, 상기 광케이블(500)은 그 직경이 12㎜~20㎜의 것을 사용하고, 그 길이를 대략 100m까지 늘려 사용함으로써, 집광된 빛을 장소에 구애받지 않고 전달 및 이송시켜 자유롭게 사용할 수 있도록 하였다.

이 때, 도 4와 같이 상기 광케이블(500) 상단의 집광기(400)는 광출구(240) 횡방향으로 하나 이상 다수 설치 가능함으로써, 태양광을 보다 많은 양과 세기로 집광시켜 광케이블(500)을 통해 이송시킬 수 있게 된다.

계속해서, 집광판선회수단은 상기 집광기(400)와 고정된 상향집광판(220) 및 전향집광판(210)을 태양의 궤도에 따라 소정각도만큼 선회시키는 것으로, 모터(610)와, 고정베이스(630)와, 플랜지관(620)과, 선회베이스(640)와, 볼 베어링(650)으로 구성된다.

도 2와 도 4를 통하여 설명하면, 상단에 감속기를 갖는 모터(610) 상부에 구동기어(612)를 결합하고, 상기 구동기어(612) 상부에 타이머센서(Ts)를 연결하며, 상기 타이머센서(Ts)에 입력된 시간을 감지하여 모터(610)를 일정 간격으로 정회전 및 역회전하게 된다. 즉, 타이머센서(Ts)의 감지에 의해 시간이 오전 7시부터 오후 7시까지는 30분 간격으로 2.5초간 모터(610)를 정회전시키고, 오후 7시에는 모터(610)를 역회전시킨다.

그리고, 상기 모터(610) 하부에는 원형 프레임형태의 고정베이스(630)를 고정 설치하고, 상기 고정베이스(630) 상면에는 동일한 원형 프레임형태의 선회베이스(640)를 선회 가능하게 설치하되, 상기 선회베이스(640) 상면은 연결프레임(635)을 통해 전향집광판(210) 및 상향집광판(220)에 연결 고정시킨다.

이 때, 도 2와 같이 상기 고정베이스(630)와 선회베이스(640)가 마주하는 면 중 일면에는 그 둘레를 따라 베어링홈(655)을 형성하고, 타면에는 등간격으로 다수의 베어링홈(655)을 형성하여 상기 베어링홈(655)에 볼 베어링(650)이 다수 구비될 수 있도록 한다.

또한, 상기 선회베이스(640)의 중앙 직상방에는 전향집광판(210) 및 상향집광판(220)에 고정 설치된 플랜지관(620)을 설치하고, 상기 플랜지관(620) 하부 외측에는 상기 구동기어(612)와 맞물려 회전하는 종동기어(622)를 장착 구비하여 집광판선회수단을 구성한다. 여기서, 상기 구동기어(612)와 종동기어(622)의 기어비는 4:1로 하여 종동기어(622)가 감속기어의 역할을 하게 된다.

이와 같이 구성된 본 발명의 작용 및 효과를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 2에 도시된 바와 같이, 투광패널(200)을 통해 입사된 태양광은 전향집광판(210)과 상향집광판(220)에 의해 반사된 후, 2차반사체(230)를 통해 재반사되어 광출구(240) 측으로 집광된다.

이처럼, 광출구(240) 측으로 집광되는 태양광은 제1집광기(410) 상부의 프레넬렌즈(460)를 통해 강하게 하부 방향으로 재집광되고, 상기 재집광된 태양광은 다시 제1집광기(410)와 제2집광기(420) 사이의 반구형렌즈(470)를 통해 보다 강하게 하부 방향으로 재집광되어, 상기 제2집광기(420) 하부의 광케이블(500)을 통해 외부로 이송시킬 수 있게 된다.

즉, 상기 집광기(400) 내부에 구비된 프레넬렌즈(460)와 반구형렌즈(470)를 통해 약 236000럭스(lux)의 매우 강한 밝기 및 세기를 갖는 태양광을 집광할 수 있고, 이처럼, 집광되는 태양광을 길게 형성된 광케이블(500)을 통해 자유롭게 이송하는 것이다. 따라서, 집광판과 가까운 장소 뿐만 아니라, 특히 집광판과 멀리 떨 어진 장소까지도 원활하게 조명장치를 설치하여, 장소에 구애받지 않고 보다 밝은 조명을 제공할 수 있는 것이다.

아래의 표 1은 본 발명의 프레넬렌즈(460)와 반구형렌즈(470)가 적용된 집광기(400)의 조도와, 자연 조도를 시각에 따라 각각 비교한 실험예로서, 프레넬렌즈(460)와 반구형렌즈(470)를 함께 사용하는 경우에 뛰어난 조도를 확보할 수 있음을 알 수 있다.

시각	날씨	자연조도(Lux)	프레넬+반구형(Lux)	비고
13:00	맑음	72,000	283,000
13:30	맑음	92,000	360,000
14:00	맑음	89,000	520,000	최적추적상태
14:30	맑음	73,900	361,000
15:00	맑음	72,000	283,000
평균		79,780	361,400

한편, 상기와 같은 집광기(400)에서의 집광작용이 되기 위해서는 그 작용 이전에 전향집광판(210)과 상향집광판(220) 및 2차반사체(230)를 통한 직사광선 및 산란광선의 입사가 필수적이다.

즉, 태양은 일정한 궤도를 따라 이동하게 되는데, 전향집광판(210) 및 상향집광판(220)을 통해 보다 많은 양의 태양광을 입사받기 위해서, 본 발명의 집광장치는 집광판선회수단을 통해 태양의 궤도를 따라 일정 간격으로 계속하여 선회하게 된다.

도 2를 통해 보다 상세하게 설명하면, 타이머센서(Ts)는 오전 7시부터 오후 7시까지 30분 간격으로 2.5초 동안 모터(610)에 신호를 보내고, 신호를 받은 모터는 구동기어(612)를 감속시켜 정회전시킨다. 즉, 오전 7시 30분, 8시 00분, 8시 30분 등과 같이 30분 간격으로 구동기어(612)를 회전시키는 것이다.

이처럼, 구동기어(612)가 회전되면 구동기어(612)와 맞물린 종동기어(622)를 회전시키게 되는데, 상기 종동기어(622)는 플랜지관(620)에 의해 전향집광판(210) 및 상향집광판(220)에 고정되므로, 상기 전향집광판(210) 및 상향집광판(220)에 회전하려는 힘이 가해지게 된다.

이 때, 상기 전향집광판(210) 및 상향집광판(220) 하부에는 선회베이스(640)가 고정되어 있고, 상기 선회베이스(640)는 볼 베어링(650)에 의해 고정베이스(630) 상에서 선회 가능하게 설치되므로, 전향집광판(210) 및 상향집광판(220)을 태양의 궤도에 따라 선회시킬 수 있게 된다.

즉, 모터(610)가 회전되는 2.5초간 종동기어(622)를 7.5°만큼 회전시키게 됨으로써, 오전 7시부터 오후 7시까지 총 24번 선회 작동시켜 종동기어(622)를 180°회전시키게 된다. 따라서, 태양의 이동 궤도에 맞춰 집광판을 선회시키므로, 집광판 내부에 보다 많은 양의 태양광 입사가 가능하여 집광기(400)의 집광효율을 높일 수 있는 것이다.

한편, 태양의 궤도에 따라 집광판을 180°선회시킨 이 후에는, 타이머센서(Ts)에 의해 오후 7시에 모터에 신호를 보내고, 신호가 인가된 모터(610)는 구동기어(612) 및 상기 구동기어(612)와 맞물린 종동기어(622)를 180° 역회전시켜, 전향집광판(210) 및 상향집광판으로 이루어진 집광판을 선회되기 이전의 본래 위치로 선회 복귀시키게 된다.

한편, 본 발명은 상기한 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

이상에서와 같이 본 발명은, 집광기 내부에 구비된 프레넬렌즈와 반구형렌즈를 통해 매우 강한 밝기 및 세기를 갖는 태양광을 집광한 후, 광케이블을 통해 자유롭게 이송함으로써, 집광판과 가까운 장소 뿐만 아니라, 특히 집광판과 멀리 떨어진 장소까지도 보다 밝고 원활하게 조명장치를 제공할 수 있는 효과가 있다.

더욱이, 본 발명은 태양의 이동 궤도에 맞춰 집광판을 180°선회 및 선회복귀조작을 반복함으로써, 집광판을 통해 보다 많은 양의 태양광 입사가 가능하여 집광장치의 집광효율을 높일 수 있는 효과도 있다.

Claims

포물선 형상의 전향집광판과 상향집광판을 통해 집광된 직사광선 및 산란광선을 2차반사체의 재반사를 통해 광출구로 집광시키는 태양광 집광장치에 있어서,

상기 광출구(240) 측에 설치한 원뿔 형상의 집광기(400)와;

상기 집광기(400) 상, 하부에 설치한 복수의 집광렌즈(450)와;

집광된 빛을 외부로 이송시킬 수 있게 상기 집광기(400) 하단에 설치한 광케이블(500)과;

상기 집광기(400)와 고정된 상향집광판(220) 및 전향집광판(210)을 태양의 궤도에 따라 소정각도만큼 선회시키는 집광판선회수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 집광장치.
제 1항에 있어서, 상기 집광기(400)는 제1집광기(410) 하부에 제2집광기(420)를 연결 설치하되, 상기 제1집광기(410)와 제2집광기(420)의 원뿔각(α°)(β°)은 서로 다른 각을 갖도록 형성하는 것을 특징으로 하는 태양광 집광장치.
제 2항에 있어서, 상기 제1집광기(410)의 원뿔각(α°)은 46°~47°만큼 형성하고, 제2집광기(420)의 원뿔각(β°)은 39°~40°만큼 형성하여 됨을 특징으로 하는 태양광 집광장치.
제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 집광렌즈(450)는 광출구(240)와 제1집광기(410) 경계면에 구비한 프레넬렌즈(460)와;

제1집광기(410)와 제2집광기(420) 경계면 내부에 구비한 반구형렌즈(470)로 구성되는 것을 특징으로 하는 태양광 집광장치.
제 1항에 있어서, 상기 집광기(400)는 하나 이상 다수 설치한 것을 특징으로 하는 태양광 집광장치.
제 1항에 있어서, 상기 집광판선회수단은,

구동기어(612)를 갖되, 타이머센서(Ts)에 의해 일정 간격으로 정,역회전하는 모터(610)와;

상기 모터(610) 하부에 고정 설치된 고정베이스(630)와;

상기 구동기어(612)와 맞물려 회전할 수 있도록 외측에 종동기어(622)를 구비하되, 전향집광판(210) 및 상향집광판(220)에 고정 설치된 플랜지관(620)과;

상기 전향집광판(210) 및 상향집광판(220)에 고정되되, 모터(610)의 구동에 따라 상기 고정베이스(630) 상면에서 선회 가능하게 설치되는 선회베이스(640)와;

상기 고정베이스(630)와 선회베이스(640) 사이에 설치된 다수의 볼 베어링(650)을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 집광장치.