KR100696283B1 - Concentration Enhanced Collector Designs that provide Uniform Energy Distribution on the Receiver Surface - Google Patents

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KR100696283B1 KR1020050030093A KR20050030093A KR100696283B1 KR 100696283 B1 KR100696283 B1 KR 100696283B1 KR 1020050030093 A KR1020050030093 A KR 1020050030093A KR 20050030093 A KR20050030093 A KR 20050030093A KR 100696283 B1 KR100696283 B1 KR 100696283B1
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Abstract

본 발명은 반사경을 이용하여 태양광을 집속하고 집속된 광이 균일한 밀도로 수광면에 분포되며, 열역학적 한계에 도달하는 복합포물면(Compound Parabolic Concentrator, CPC)이 정의하는 한계입사각(Acceptance Angle)에 의한 한정된 집속비(Concentration Ratio)를 2단계(2nd Stage)의 CPC 개념으로 본래의 CPC(제 1단계)의 구성곡면을 연장하여 증가시켜 형성되는 고집속의 수광밀도 균일화 복합포물면 집속장치에 관한 것이다. The present invention focuses sunlight using a reflector and the focused light is distributed on the light receiving surface with a uniform density, and at the acceptance angle defined by the Compound Parabolic Concentrator (CPC) reaching a thermodynamic limit. The present invention relates to a high-concentration light receiving density uniformity composite parabolic focusing device formed by extending a constitution surface of an original CPC (first stage) by increasing a limited concentration ratio by a 2nd stage CPC concept.

본 발명에 따른 고집속의 수광밀도 균일화 복합포물면 집속장치는 종래의 수광밀도 균일화 CPC 집속장치를 제1단계 CPC 집속장치로 하고, 1단계 CPC 집속장치의 두 반사경 하단에 제2단계 CPC 집속장치를 연속적으로 연장 형성하여 수광면의 위치를 하향시켜 입사한계각으로 입사하는 끝단광선이 반사면에서 한번 더 반사되어 수광면에 수광되도록 한 것이다.The high light receiving density uniforming composite parabolic focusing device according to the present invention uses a conventional light receiving density uniforming CPC focusing device as a first step CPC focusing device, and a second step CPC focusing device continuously under the two reflectors of the first step CPC focusing device. It extends to the position of the light-receiving surface is lowered so that the end light beam incident at the incident limit angle is reflected on the reflective surface once more to be received by the light-receiving surface.

Description

고 집속,수광 밀도 균일화 집속장치{Concentration Enhanced Collector Designs that provide Uniform Energy Distribution on the Receiver Surface} Concentration Enhanced Collector Designs that provide Uniform Energy Distribution on the Receiver Surface}

도 1은 포물경의 구조의 단면 및 일반적인 광학적 특성 기하학적 설명도1 is a cross-sectional view of a parabolic structure and geometrical description of general optical properties

도 2는 형성된 기본 CPC 집속기의 기하학적 단면도2 is a geometric cross-sectional view of the formed basic CPC collector

도 3은 기본 CPC의 광학적 특성 기하학적 설명도 3 is an explanatory diagram of optical characteristics of a basic CPC

도 4는 수광면에 광밀도 균일화를 위한 광집속장치의 구현과정 설명도4 is a diagram illustrating an implementation process of an optical focusing device for uniforming light density on a light receiving surface

도 5는 본 발명에 따른 광밀도 균일화 집속장치의 구현 설명도5 is an explanatory diagram of an implementation of a light density uniforming focusing device according to the present invention;

도 6은 기본 CPC 장치의 수광면에서의 에너지 분포도6 is an energy distribution diagram at the light receiving surface of the basic CPC device;

도 7은 에너지 균일화된 고집속 집속장치의 에너지밀도 분포도 7 is an energy density distribution diagram of an energy uniformized high focusing device;

****도면의 주요부호에 대한 설명******** Description of the major symbols in the drawings ****

A, A', B : CPC 집속장치의 개구면의 상 단점A, A ', B: Disadvantages of opening surface of CPC focusing device

F, F', F : 포물면의 초점F, F ', F: Parabolic focal point

J, J' : 반사면의 일 점, 끝단 광선과 반사면이 만나는 점J, J ': One point of the reflecting surface, the point where the end ray meets the reflecting surface

K, K' : CPC반사면의 하단 끝단점K, K ': lower end point of CPC reflecting surface

s, s' : 반사면의 이동거리 (좌측)s, s': travel distance of the reflecting surface (left)

C, C', C1, C2 : 집속비C, C ', C1, C2: Focus ratio

FF' : CPC형 집속장치의 수광면(흡열면)의 폭 또는 출구면 FF ': Width or exit surface of light receiving surface (heat absorbing surface) of CPC type focusing device

JJ' : 제 1단계 집속기의 가상 수광면(출구면)JJ ': Virtual light receiving surface (outlet surface) of the first stage focuser

KK' : 변형된 CPC 장치의 수광면(출구면) KK '': Light receiving surface (outlet surface) of deformed CPC device

α : 기본 CPC 장치의 입사한계반각α is the incident limit half angle of the basic CPC device

(ρ,φ) : 포물면의 극좌표계(ρ, φ): Polar coordinate system of parabola

(x',z') : 원형 포물선의 좌표계(x ', z'): Coordinate system of circular parabola

(x, z) : CPC형 집속장치의 좌표계 (x, z): Coordinate system of CPC type focusing device

본 발명은 태양광을 집속하는 기본 복합포물면(CPC) 집속장치의 수광면(또는 흡열면)에 불균일한 광밀도의 분포에 따른 문제점을 해결하기 위하여 개선된 제 1단계(1st stage) 수광밀도 균일화 복합포물면(CPC) 집속장치와 제 1단계 장치의 축소된 집속비를 증가하기 위하여 제 2단계(2nd stage)의 CPC 집속장치를 제 1단계의 CPC 장치의 (하부)곡면을 연속적으로 연장하여 형성함으로써 구성되는 1 개의 포물형 곡면을 서로 대칭되는 구조로 한쌍의 반사경으로 형성하여 개선된 고 집속비의 수광밀도 균일화 복합포물면(MCPC, Modified CPC) 집속장치에 관한 것이다. The present invention provides an improved 1st stage light receiving density uniformity to solve the problems caused by uneven distribution of light density on the light receiving surface (or endothermic surface) of the basic composite parabolic surface (CPC) focusing apparatus for focusing sunlight. In order to increase the reduced focusing ratio of the composite parabolic surface (CPC) focusing device and the first stage device, a second stage CPC focusing device is formed by continuously extending the (lower) curved surface of the first stage CPC device. The present invention relates to an improved high-density ratio light receiving density uniformed composite parabolic surface (MCPC) focusing apparatus, which is formed by forming a pair of reflecting mirrors having a structure symmetrical with each other.

복합포물면(이하 CPC라 한다)을 이용한 태양광 집속장치는 특히 태양광 이용 장치에 있어서 수광면에 도달하는 태양에너지 밀도를 장치의 집속비 만큼 증가시켜 전기로 변환하는 출력을 배가시키며 동시에 장치의 단가를 줄이는데 유용한 장치이다.The solar focusing device using the compound parabolic plane (hereinafter referred to as CPC) increases the output of converting into electricity by increasing the density of solar energy reaching the light-receiving surface by the focusing ratio of the device, especially in the photovoltaic device. It is a useful device to reduce the

기본 CPC 집속장치는 에너지 집속기로서 열역학적 한계에 도달하는 가장 이상적인 집속기로 검증되었으며 태양에너지 이용 장치에 있어서 주어진 집속비에 대하여 어느 장치보다 최대의 입사 한계각을 허용한다. 따라서 CPC는 다양하게 응용되고 있다.(미국특허번호 US 4,003,638, 미국특허번호 US 4,002,499 등) The basic CPC focusing device has been proven to be the ideal focusing device to reach the thermodynamic limits as an energy focusing device and allows the maximum incidence limit angle of any device for a given focusing ratio for solar-powered devices. Therefore, CPC has been applied to various applications (US Patent No. US 4,003,638, US Patent No. US 4,002,499, etc.).

일반적으로 수광면에 도달하는 에너지 밀도가 모든 입사각에 대하여 균일하지 못하면 장치의 효율이 저하된다.([도 6] 참조)In general, if the energy density reaching the light-receiving surface is not uniform for all incident angles, the efficiency of the device is reduced (see FIG. 6).

특히 CPC 장치가 태양전지와 사용할 경우에는 특수한 문제가 발생한다.즉, 태양전지에 국부적으로 조사(照射)되어 그늘짐(Shadow) 현상이 생기게 되며, 이러한 경우 전기변환 효율이 저하되며 또는 극심한 경우 태양전지내에서 발생되는 열의 불균형적 분포로 인하여 열적 긴장이 생기며 태양전지가 파손될 수 있다. (본 수광면이 흡열면일 경우 흡열면이 국부적으로 가열되어 균일하게 분포된 경우보다 비효율적이다.) 즉 단일 태양전지가 불균일하게 조사(Illumination)되면 결과적으로 전지의 온도와 전류가 불균일하게 분포된다. 불균일한 조사(照射)는 에너지 변환효율에 영향을 주며 또한 개방전압의 감소로 나타난다. 개방전압과 효율은 조사윤곽이 국부적으로 집중될수록 더 큰 폭으로 감소된다. In particular, when the CPC device is used with a solar cell, a special problem occurs, i.e., the solar cell is locally irradiated, causing a shadow phenomenon, in which case the conversion efficiency is degraded or, in extreme cases, the sun Due to the unbalanced distribution of heat generated in the cell, thermal tension can occur and the solar cell can be damaged. (If the light-receiving surface is an endothermic surface, the endothermic surface is locally inefficiently heated and uniformly distributed.) That is, if a single solar cell is irradiated unevenly, the temperature and current of the cell are unevenly distributed as a result. Non-uniform irradiation affects the energy conversion efficiency and also results in a decrease in open voltage. Opening voltage and efficiency are significantly reduced as the irradiation contour is locally concentrated.

모듈을 구성하는 태양전지(PV Cell)의 일부가 전부 또는 부분적으로 그늘이 지거나, 손상이 가거나 또는 모듈을 구성하는 각 각의 전지가 서로 전기적으로 짝 이 잘 맞지 않거나 할 경우 전지에 뜨거운 부위(Hot spot)가 발생하게 된다. 이러한 현상은 전지 또는 모듈의 열적 긴장(Thermal stress)을 초래하며, 태양전지의 발전회로, 부하, 및 그늘짐 정도에 따라 그늘진 전지의 전압이 반대로 될 수 있어 열의 형태로 전력이 소산되며, 또한 각 전지(Cell)의 손실은 전지의 온도를 상승시켜 과열현상이 일어나고 전지가 파손될 수 있다. 또한 높은 밀도의 태양에너지가 전지의 한 부분에 집속되면 전지의 온도가 국부적으로 높아져 전지가 파손될 수 있다. 그늘진 모듈의 수행손실은 가장 많이 그늘진 전지의 손실에 비례하여 출력이 감소된다. 또한 모듈의 수명에도 좌우된다.If a part of the PV cells constituting the module is partially or partially shaded, damaged, or if each cell constituting the module is not electrically matched with each other, the hot spots on the cell spots occur. This phenomenon causes thermal stress of the cell or module, and the voltage of the shaded cell can be reversed depending on the solar cell's power generation circuit, load, and shade level, dissipating power in the form of heat. Loss of a cell increases the temperature of the cell, causing overheating and damaging the cell. In addition, if high-density solar energy is concentrated on a part of the cell, the temperature of the cell may be locally increased, and the cell may be damaged. The performance loss of the shaded module is reduced in proportion to the loss of the shaded battery most. It also depends on the life of the module.

이러한 수광면에 분포되는 에너지 밀도의 불균일성을 해결하는 방안을 본 출원인은 국내출원번호 제10-2004-44638호 (출원일 2004. 06.16), "수광밀도 균일화 복합포물면(CPC) 집속장치"에 제안하였는데, 이 선출원발명에 기술한 제안의 모형원리는 도 4에 도시된 바와 같이 입사 한계각으로 개구면에 입사하는 광이 기본 복합포물면(CPC, [도 3] 참조) 집속장치의 초점(F, F') 부위에 모이는 광행로의 중간에 수광면(KK')을 위치시켜 반사된 광을 동일한 크기의 수광면(KK')의 표면에 균일한 밀도로 에너지를 분포시킴으로서 수광면(KK')에 설치된 태양전지의 전기변환 효율 (또는 흡열면의 온도)을 높여 효율성이 증가되고 경제적이며 수명도 연장되는 수광밀도가 균일화된 복합 포물면(CPC) 태양에너지 집속장치를 제안한 것이다.Applicant proposed a solution to the non-uniformity of the energy density distributed on the light receiving surface in the Korean Application No. 10-2004-44638 (application date 2004. 06.16), "light receiving density homogenous composite parabolic surface (CPC) focusing device" The model principle of the proposal described in the present invention is the focus of the focusing device (F, F) on the basic composite parabolic surface (CPC, see FIG. The light receiving surface (KK ') is placed in the middle of the light path gathered at the') area, and the reflected light is distributed on the surface of the light receiving surface (KK ') of the same size with a uniform density to the light receiving surface (KK'). This paper proposes a compound parabolic (CPC) solar energy concentrator with uniform light receiving density that increases efficiency, increases economic efficiency and extends life by increasing the electrical conversion efficiency (or temperature of endothermic surface) of installed solar cells.

그런데 상기 선출원발명은 기본 CPC장치와 비하여 실질적으로 균일한 에너지 밀도가 수광면에 분포되며 주어진 집속비에 대하여 입사한계각이 유지되나 집속비가 기본 CPC의 경우보다 축소되어 출력이 감소되는 단점을 갖는다. However, the present invention has a disadvantage in that a substantially uniform energy density is distributed on the light-receiving surface as compared to the basic CPC apparatus, and the incident limit angle is maintained for a given focusing ratio, but the output ratio is reduced since the focusing ratio is smaller than that of the basic CPC.

본 발명의 목적은 상술한 CPC를 이용한 태양광집속장치에 있어서 수광면에 분포는 광밀도를 균일하게 하여 불균일한 분포로 인하여 발생되는 제반문제를 해결하고,동시에 선출원된 본출원인의"수광밀도 균일화 복합포물면(CPC) 집속장치"(국내출원번호 제10-2004-44638호)의 집속비가 축소되어 출력이 감소되는 문제를 한쌍의 집속기를 형성하는 반사곡면으로 해결하고자 함에 그 특징이 있다.An object of the present invention is to solve the problems caused by the non-uniform distribution by uniform distribution of light density in the light converging device using the above-described CPC, and to uniformize the "receiving density" It is characterized by a reflection curve that forms a pair of concentrators in which the output ratio is reduced by reducing the focusing ratio of the compound parabolic surface (CPC) focusing apparatus "(Domestic Application No. 10-2004-44638).

본 발명은 선출원발명인 국내출원번호 제10-2004-44638호 (출원일 2004. 06.16), "수광밀도 균일화 복합포물면(CPC) 집속장치"의 태양광을 집속하는 복합포물면(CPC) 집속장치의 수광면(또는 흡열면)에 불균일한 광밀도의 분포에 따른 문제점을 해결하기 위하여 개선된 제1단계(1st stage) 수광밀도 균일화 복합포물면(CPC) 집속장치에 집속비를 증가하기 위하여 제2단계(2nd stage)의 CPC 집속장치를 상기 제1단계의 CPC 장치의 반사경의 하단을 연속적으로 연장형성하여 수광면의 위치를 하향시켜 입사한계각(α)으로 입사하는 끝단광선이 반사면에서 한번 더 반사된 후 수광면에 수광되도록 형성하여 수집되는 광을 집속시켜 수광밀도를 높이는데 그 특징이 있다.The present invention is a light-receiving surface of the composite parabolic surface (CPC) focusing device to focus the sunlight of the domestic application No. 10-2004-44638 (application date 2004. 06.16), "receiving density uniformized composite parabolic surface (CPC) focusing device" 2nd step (2nd) to increase the focusing ratio in the 1st stage light receiving density uniformity compound parabolic (CPC) focusing device, which is improved to solve the problem caused by the uneven distribution of light density on the (or endothermic surface). the CPC focusing device of the stage) is continuously extended to the lower end of the reflector of the CPC device of the first step to lower the position of the light-receiving surface so that the end-ray beam incident at the incident limit angle α is reflected once more on the reflecting surface. It is characterized in that it is formed to receive light on the light receiving surface to focus the collected light to increase the light receiving density.

본 발명에 따른 고집속 수광밀도 균일화 장치는 기본 CPC의 형태를 변형한 것인데, 도 2에 도시된 단면이 포물형으로 초점(F)을 좌표계(ρ,φ)의 원점으로 할 때 포물선의 궤적과 초점거리(f)가 관계식The high-concentration light-receiving-density equalization device according to the present invention is a modification of the shape of the basic CPC, and when the focal point F is the origin of the coordinate system ρ, φ, the cross section shown in FIG. Focal length f is a relational expression

ρ = 2f/(1-cosφ) (1)ρ = 2f / (1-cosφ) (1)

를 만족하는 우측반사경과 좌측반사경 그리고 두 반사경의 하단을 연결하여 형성된 수광면(FF'=2a')으로 이루어지고,It consists of a light receiving surface (FF '= 2a') formed by connecting the right and left reflectors and the lower ends of the two reflectors satisfying the

상기 각 반사경의 초점(F,F')이 대향하는 반사경의 하단점에 형성되고 각 반사경의 축이 각 각의 초점을 중심으로 서로 대향하여 각도 ±α(입사한계반각)로 기울여 형성되고 집속비(C')와 초점거리(f)가 관계식The focal points F and F 'of the respective reflectors are formed at the lower end points of the opposite reflectors, and the axes of the reflectors are formed at an angle of ± α (incident limit half angle) opposite to each other with respect to the respective focal points, and the focusing ratio (C ') and focal length (f) are relational expressions

C'=1/sinα (2)C '= 1 / sinα (2)

f = a'(1+sinα) (3)f = a '(1 + sinα) (3)

에 의하여 결정되는 기본 CPC(Compund Parabolic Concentrator)를 개선하여,By improving the default CPC (Compund Parabolic Concentrator),

선정한 입사한계반각 α에 대하여 관계식Relational expression for the selected limiting half-angle α

cosφK' = [1-2(1+sinα)*sinα]cosα+(1+sinα)*(1-2sinα) / cosφ K ' = [1-2 (1 + sinα) * sinα] cosα + (1 + sinα) * (1-2sinα) Of

(cosα+sinα+1)*(1-2sinα)2 (4) (cosα + sinα + 1) * (1-2sinα)2(4)

을 만족하는 각도 φK'의 값으로 결정되는 점 K'의 위치를 결정하고, Determine the position of the point K 'determined by the value of the angle φ K' satisfying

상기 점 K'에서 장치의 횡축(x-축)과 평행한 선 (K'K)과 선 BF와 만나는 점 K의 위치를 결정할 때에,In determining the position of the point K which meets the line K'K and the line BF parallel to the device's abscissa (x-axis) at the point K ',

좌측 반사경(AF)을 장치의 횡축(x-축)을 따라 점 K와 만나는 점 까지 거리 s만큼 우측으로 이동되는데, 좌측반사경(AF)이 s만큼 우로 이동됨에 따라 우측반사경(BF)의 하단에 위치하여 있던 초점(F')이 점 F"로 동일거리로 이동되고, The left reflector AF is moved to the right along the device's transverse axis (x-axis) to the point where it meets point K. At the bottom of the right reflector BF as the left reflector AF moves to the right by s. The existing focus F 'is moved to the same distance at point F ",

이렇게 이동된 상태에서 각 반사경의 하단부위는 선 KK'(=2a')로 절단하여 수광면을 형성하여, 수광면의 양단부가 좌우측 반사경의 각 초점에서부터 이격되어 위치하고 수광된 광밀도가 균일하게 분포되는 집속기가 형성된다. ([도 4]참조)In this state, the lower end of each reflector is cut with a line KK '(= 2a') to form a light receiving surface, and both ends of the light receiving surface are located apart from each focus of the left and right reflectors, and the received light density is uniformly distributed. The collector is formed. (See Fig. 4)

본 집속기의 형성과정에서 반사경의 구조가 입사한계반각(-α)으로 우측 반사경의 상측 끝단점 B에서 우측 반사경의 초점 F로 향하는 광선(BF)이 In the process of forming the concentrator, the structure of the reflector is the incident limit half angle (-α) and the light beam BF from the upper end point B of the right reflector to the focal point F of the right reflector is

* 좌측 반사면의 일 점 J에서 반사되도록 좌측 반사면을 이동하면 * If you move the left reflection surface to reflect at one point J of the left reflection surface

* 본 반사된 광선은 좌측 반사면과 동일거리 이동된 초점 F"으로 향하여 진행되는데, * The reflected beam is directed towards the focal point F ", which is shifted the same distance as the left reflection surface.

* 본 광선(JF")은 또한 우측 반사면의 하단점 K'에서 만나게 되고* This beam (JF ") also meets at the bottom point K 'of the right reflective surface

* 본 점 K'에서 횡축(x축)과 평행한 선이 좌측 반사면과 만나는 점 K와 연결하는 선과 이루어지는 선분 KK'의 길이가 본래의 주어진 수광면의 폭(KK'=2a'))과 동일하게 되는 위치로 * The length of the line segment KK 'formed by the line connecting the point K where the line parallel to the horizontal axis (x axis) meets the left reflection surface at the point K' is the width of the original light receiving surface (KK '= 2a')) With the position becoming equal

좌측 반사면을 거리 s' 만큼 이동하여 형성될 때 When formed by moving the left reflective surface by distance s'

* 가상 수광면 JJ'의 폭(2a")이 선정되어서 관계식 * Width (2a ") of virtual light-receiving surface JJ 'is selected

f= a"(1+sinα) (5)f = a "(1 + sinα) (5)

를 만족하는 초점거리 f를 특성으로 하는 포물형 반사경을 형성하고To form a parabolic reflector characterized by a focal length f that satisfies

* 서로 대칭하는 한 쌍의 포물경으로 집속장치를 구성한다.* A focusing device consists of a pair of parabolic mirrors that are symmetrical to each other.

이와같이 형성된 구조의 수광면에서의 광밀도의 분포는 가상 수광면(JJ')과 수광면(KK')에서 [도 7]과 같은 모형(Pattern)으로 형성된다.The distribution of light density in the light receiving surface of the structure thus formed is formed in a pattern as shown in FIG. 7 in the virtual light receiving surface JJ 'and the light receiving surface KK'.

집속비는 제 1단계 장치는 C1=A'B/JJ'>1 으로 정의 되며 제 2단계 장치는 C2=JJ'/FF'>1로 정의 되고 전체 장치의 최종 집속비(C)는 C=A'B/FF' 이며 이것은 또한 제 1단계와 제 2단계의 집속비의 곱으로 표시된다. 즉The focusing ratio is defined as C1 = A'B / JJ '> 1 for the first stage device, and the second stage device is defined as C2 = JJ' / FF '> 1, and the final focusing ratio (C) of the entire device is C = A'B / FF ', which is also expressed as the product of the focal ratios of the first and second stages. In other words

C=C1*C2=(A'B/JJ')*(JJ'/FF') = A'B/FF' (6)C = C1 * C2 = (A'B / JJ ') * (JJ' / FF ') = A'B / FF' (6)

의 관계가 성립된다.Relationship is established.

이와같이 선정된 CPC 집속장치에서 점 J'은 관계식 (5)를 만족하는 포물면에서 다음 관계식에 의하여 계산된다.In the selected CPC focusing device, the point J 'is calculated by the following relation in the parabola satisfying the relation (5).

cosφJ' = [1-2(1+sinα)*sinα]cosα+(1+sinα)*(1-2sinα) / cosφ J ' = [1-2 (1 + sinα) * sinα] cosα + (1 + sinα) * (1-2sinα) Of

(cosα+sinα+1)*(1-2sinα)2 (7) (cosα + sinα + 1) * (1-2sinα)2(7)

점 K'의 좌표는 The coordinate of point K '

ρ=2f/(1-cosψ) (8)ρ = 2f / (1-cosψ) (8)

에 의하여 결정되며, 여기에 ψ는 2α≤ψ≤π+α의 범위에 있다.Φ is in the range of 2α ≦ ψ ≦ π + α.

본 발명의 상기 구조에 의한 최종 집속비(C)는 주어진 입사한계반각(α)에 대하여 기본 CPC의 집속비(Ccpc)보다 증가하게 된다.The final focusing ratio C by the above structure of the present invention is increased than the focusing ratio Ccpc of the basic CPC for a given incident limit half angle α.

본 발명에 인용된 반사경 포물면을 타원면으로 대치하여 유사한 결과를 구할 수 있다. Similar results can be obtained by replacing the reflector paraboloid cited in the present invention with an ellipsoid.

또는 제 1단계 반사면은 포물면, 제2단계포물면은 구면, 타원면 또는 쌍곡면으로 구성할 수 있으며, 이 경우 두 곡면은 접합점 J (또는 J')에서 연속적으로 연결이 되어야 한다. 즉, 접합점 J (또는 J')에서 각 각의 곡면의 기울기가 동일하여 야 한다. Alternatively, the first stage reflective surface may be composed of a parabolic surface, and the second stage parabolic surface may be a spherical surface, an elliptical surface, or a hyperbolic surface. In this case, the two curved surfaces should be connected at the junction J (or J ') continuously. That is, the slopes of each curved surface at the junction point J (or J ') must be equal.

일반 원추곡선(원, 타원, 포물선, 쌍곡선)은 초점을 원점으로 하는 좌표계 Ordinary cone curves (circles, ellipses, parabolas, hyperbolas) are coordinate systems with the focal point as the origin.

[(x',z') 또는 (ρ,φ)]에서 in [(x ', z') or (ρ, φ)]

x'2+z'2 = e2(d+z')2 (9) x ' 2 + z' 2 = e 2 (d + z ') 2 (9)

또는or

ρ=de/(1-e cosφ) (10)ρ = de / (1-e cosφ) (10)

의 관계식으로 표현되며, 여기에 각 곡면의 특성상수인 d는 초점과 준선(Directrix)간의 거리이고 e는 이심율(Eccentricity)로서 포물선은 e=1, 타원은 e<1 그리고 쌍곡선은 e>1의 값을 갖는다.Where d is the distance between the focal point and the directrix, e is the eccentricity, the parabola is e = 1, the ellipse is e <1, and the hyperbola is e> 1. Has a value.

수광면의 우측 끝단점에 대응하는 점 K'(xk,zk)의 위치는 The position of the point K '(x k , z k ) corresponding to the right end point of the light receiving surface is

xk'k' sin(φk'-α) (11)x k ' = ρ k' sin (φ k ' -α) (11)

zk'k' cos(φk'-α) (12)z k ' = ρ k' cos (φ k ' -α) (12)

의 관계식에서 구할 수 있다.It can be obtained from the relation of.

본 발명은 종래의 기본 CPC의 설계에 있어서 초점 부위에 모이는 태양에너지의 집속으로 인한 수광면(흡열면)의 그늘짐 현상을 완화시키며, 동시에 일부 부위에 집속된 에너지로 인한 고온현상을 저하시킨다. 또한 장치의 출구면에 실질적으로 균일하게 분포된 태양에너지 밀도로 인하여 장치 (수광면 또는 흡열면)의 효율 을 증가시킨다. The present invention mitigates the shading of the light receiving surface (heat absorbing surface) due to the focusing of the solar energy collected at the focal point in the design of the conventional basic CPC, and at the same time reduces the high temperature phenomenon due to the energy focused on a part. It also increases the efficiency of the device (light-receiving or endothermic) due to the solar energy density distributed substantially uniformly at the exit surface of the device.

동시에 기본 CPC 장치보다 증가된 집속비로 균일한 수광 밀도로 분포되는 것은 가장 이상적인 CPC형의 장치의 효율을 특정한 응용에 있어서 극대화 할 수 있다. At the same time, the distribution of uniform light receiving density with increased focusing ratio than the basic CPC device can maximize the efficiency of the most ideal CPC type device in certain applications.

집속장치는 태양전지의 면적을 집속비만큼 줄일 수 있어 태양전지의 사용면적을 줄임으로서 장치의 단가도 많이 줄일 수 있으며, 또한 균일한 에너지 분포로 태양전지의 수명을 보존할 수 있다.The focusing apparatus can reduce the area of the solar cell by the focusing ratio, thereby reducing the unit cost of the apparatus by reducing the use area of the solar cell, and also preserving the life of the solar cell with a uniform energy distribution.

Claims (3)

단면이 포물형으로 포물선의 궤적이 ρ= 2f/(1-cosφ)를 만족하고 동시에 초점거리 f는 f=a'(1+sinα)를 만족하는 우측반사경과 좌측반사경 그리고 두 반사경의 하단을 연결하여 형성된 폭이 a'인 수광면으로 이루어지고, The cross section is parabolic, and the parabolic trajectory satisfies ρ = 2f / (1-cosφ) and the focal length f connects the right and left reflectors and the bottom of the two reflectors to satisfy f = a '(1 + sinα). Formed by a light-receiving surface having a 'width, 각 반사경의 초점(F,F')이 대향하는 반사경의 하단점에 형성되고, Focus (F, F ') of each reflector is formed at the lower end of the reflecting mirror, 태양광의 입구측 끝단부(A,B)와 초점(F,F')을 연결하는 선(AF', BF)과 z축과의 사이각이 입사한계각이 ±α인 기본 CPC에서, In the basic CPC where the angle between the lines AF 'and BF connecting the focal point F and F' and the z axis and the z-axis is incident angle of ± α, 선정한 입사한계반각 α에 대하여 관계식Relational expression for the selected limiting half-angle α cosφK' = [1-2(1+sinα)*sinα]cosα+(1+sinα)*(1-2sinα) / cosφ K ' = [1-2 (1 + sinα) * sinα] cosα + (1 + sinα) * (1-2sinα) / (cosα+sinα+1)*(1-2sinα)2 (cosα + sinα + 1) * (1-2sinα) 2 을 만족하는 각도 φK''의 값으로 결정되는 점 K'의 위치를 결정하고, Determine the position of the point K 'determined by the value of the angle φ K'' satisfying 상기 점 K'에서 장치의 횡축(x-축)과 평행한 선 (K'K)과 선 BF와 만나는 점 K의 위치를 결정하며,Determine the location of the point K where the point K 'meets the line K'K parallel to the device's transverse axis (x-axis) and the line BF, 좌측 제1반사경(AF)을 장치의 횡축 (x-축)을 따라 점 K와 만나는 점 까지 거리 s만큼 우측으로 이동되는데, 좌측반사경(AF)이 s만큼 우로 이동됨에 따라 우측반사경(BF)의 하단에 있던 초점(F)이 점 F"로 이동되고, The left first reflector AF is moved to the right by the distance s along the transverse axis (x-axis) of the device to the point where it meets point K. As the left reflector AF is moved to the right by s, the right reflector AF The bottom focus (F) is moved to point F ", 이렇게 이동된 상태에서 각 반사경의 하단부위는 선 KK'로 절단하여 수광면을 형성하여, 수광면의 양단부가 좌우측 반사경의 각 초점에서부터 이격되어 위치 하므로써, 수광된 광밀도가 균일하게 분포하도록 한 수광밀도 균일화 CPC 집속장치에 있어서,In this state, the lower end of each reflecting mirror is cut by the line KK 'to form a light receiving surface, so that both ends of the light receiving surface are spaced apart from each focus of the left and right reflectors, so that the received light density is uniformly distributed. In density uniformizing CPC focusing apparatus, 상기 수광밀도 균일화 CPC 집속장치를 제1단계 CPC 집속장치로 하고, 1단계 CPC 집속장치의 두 반사경 하단에 제2단계 CPC 집속장치를 연속적으로 연장 형성하여 수광면의 위치를 하향시켜 입사한계각(α)으로 입사하는 끝단광선이 반사면에서 한번 더 반사되어 수광면에 수광되도록 하여 수집되는 고 집속, 수광밀도 균일화 집속장치The light receiving density uniforming CPC focusing device is the first step CPC focusing device, and the second step CPC focusing device is continuously formed at the lower ends of the two reflectors of the first step CPC focusing device to lower the position of the light receiving surface to lower the incident angle ( High concentration and uniformity of light receiving density collected by collecting the end ray of light incident on α) once more from the reflecting surface to be received on the receiving surface 제1항에 있어서, 제1단계 집속장치의 하단에 연장되어 형성되는 제2단계 집속장치의 두 반사경은 반사면이 제1단계의 반사면과 동일 곡면으로 연장 형성하는 것으로, 단면이 포물형으로 포물선의 궤적이 ρ= 2f/(1-cosφ)를 만족하는 우측반사경과 좌측반사경 그리고 두 반사경의 하단을 연결하여 형성된 수광면으로 이루어지고, According to claim 1, wherein the two reflecting mirrors of the second focusing device extending from the lower end of the first focusing device, the reflecting surface extends to the same curved surface as the reflecting surface of the first stage, the cross-section is parabolic The parabolic trajectory consists of the right and left reflectors satisfying ρ = 2f / (1-cosφ) and the light receiving surface formed by connecting the lower ends of the two reflectors. 각 반사경의 초점(F,F')이 대향하는 반사경의 하단점에 형성되고, Focus (F, F ') of each reflector is formed at the lower end of the reflecting mirror, 태양광의 입구측 끝단부(A,B)와 초점(F,F')을 연결하는 선(AF', BF)과 z축과의 사이각이 입사한계각이 α인 기본 CPC의 우측 반사경(BF')의 상단점 B에서 우측 반사경의 초점 F로 향하여 진행하는 광선이 좌측 반사경(AF)의 일 점 J에서 반사하여 좌측 반사경의 초점 F'로 향하여 진행하는 광선(JF')이 우측 반사면과 점 K'의 위치에 만나는데, 점 J에서 장치의 횡축(x-축)과 평행한 선을 그어 우측 반사면과 만나는 점 J'의 위치를 선정한 입사한계반각 α에 대하여 관계식 Right reflector (BF) of the basic CPC whose angle of incidence is α between the lines AF 'and BF connecting the focal point F and F' to the inlet-side ends A and B of the sunlight and the z axis. The light beam JF 'traveling from the upper end point B of') toward the focal point F of the right reflector reflects at one point J of the left reflector AF and proceeds toward the focal point F 'of the left reflector with the right reflecting surface. At the point K ', where the point is parallel to the device's abscissa (x-axis) and plots the position of point J' where cosφJ' = [1-2(1+sinα)*sinα]cosα+(1+sinα)*(1-2sinα) / cosφ J ' = [1-2 (1 + sinα) * sinα] cosα + (1 + sinα) * (1-2sinα) / (cosα+sinα+1)*(1-2sinα)2 (cosα + sinα + 1) * (1-2sinα) 2 을 만족하는 각도 φJ'의 값으로 결정되는 점 J'의 위치를 결정하고, Determine the position of the point J 'determined by the value of the angle φ J' satisfying 점 K'에서 횡축과 평행하게 그은 선이 좌측 반사경과 만나는 점 K를 선정하고 At point K ', select the point K where the line drawn parallel to the abscissa meets the left reflector. 좌측 반사경을 횡축을 따라 우측으로 이동하여 2 점 K 및 K' 사이의 길이가 선정한 수광면의 폭(KK'=a")과 동일하도록 위치하고, 이 때에 가상 수광면의 폭 (JJ'=a')이 관계식 f = a'(1+sinα)를 만족하는 초점거리 f를 선정하여 두개의 포물면(AK, BK')의 특성으로 하며, 이렇게 이동된 상태에서 각 반사경의 하단부위는 선 K, K'로 절단하여 수광면을 형성하여, 수광면의 양단부가 좌우측 반사경의 각 초점에서부터 이격되어 위치하며 수광된 광밀도가 균일하게 분포하도록 하며, 동시에 집속장치의 집속비(=A'B/KK'=a/a")가 동일한 특성의 기본 CPC보다 증가되게 하는 고 집속,수광 밀도 균일화 집속장치.Move the left reflector to the right along the horizontal axis so that the length between two points K and K 'is equal to the width of the selected light-receiving surface (KK' = a "), where the width of the virtual light-receiving surface (JJ '= a' ) Selects the focal length f that satisfies the relation f = a '(1 + sinα), and it is characterized by two paraboloids (AK, BK'). In this state, the lower part of each reflector is the line K, K The light receiving surface is cut to form a light receiving surface, and both ends of the light receiving surface are spaced apart from each focal point of the left and right reflecting mirrors so that the received light density is uniformly distributed and at the same time the focusing ratio of the focusing device (= A'B / KK '). = a / a ") is a high focusing, light-density uniformity focusing device which allows the same characteristic to be increased than the basic CPC. 제1항에 있어서, 제1단계 집속장치의 하단에 연장되어 형성되는 제2단계 집속장치의 두 반사경은 반사면이 2차원 곡면 (원, 타원면, 쌍곡면) 또는 다항식 곡면 (Cardioid, 또는 다차원 다항식 곡면)으로 형성하되, 제 1단계 집속장치의 하단부에서 본래의 반사경 형성 궤적을 따라 연속하여 형성되어 수광밀도 균일화 또는 집속비를 증가시키는 고 집속,수광 밀도 균일화 집속장치.According to claim 1, wherein the two reflectors of the second stage focusing apparatus extending from the bottom of the first stage focusing apparatus has a reflecting surface is a two-dimensional curved surface (circle, ellipsoidal, hyperbolic surface) or polynomial curved surface (Cardioid, or multidimensional polynomial) A high focusing, light receiving density homogenizing device which is formed continuously along the original reflector formation trajectory at the lower end of the first stage focusing device to increase the light receiving density or increase the focusing ratio.
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