KR100825667B1 - 렌즈와 반사판을 이용한 집열장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 태양열을 이용한 집열장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 태양광선의 진로를 변경하여 하나의 초점에 집광하는 렌즈와 반사판으로 구성된 집광부를 이용하여 집광된 빛을 통과시키는 좁은 구멍의 개구부와 내부가 빈 구형의 공간을 갖는 구형수광부를 상기 초점과 일치시켜 구성함으로써 상기 구형수광부 내부에서 손실없이 집광함과 동시에 바로 열 변환하여 높은 열 변환 효율을 갖도록 함과 아울러 고정된 광축을 따라 집광부만이 태양을 트래킹할 수 있도록 구성한 렌즈와 반사판을 이용한 집열장치에 관한 것이다.

프로넬 렌즈, 반사판, 집광부, 구형수광부, 열 변환 효율.

Description

렌즈와 반사판을 이용한 집열장치{SOLAR COLLECTOR USING A LENSE AND A REFLECTION PLATE}

본 발명은 태양열을 이용한 집열장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 태양광선의 진로를 변경하여 하나의 초점에 집광하는 렌즈와 반사판으로 구성된 집광부를 이용하여 집광된 빛을 통과시키는 좁은 구멍의 개구부와 내부가 빈 구형의 공간을 갖는 구형수광부를 상기 초점과 일치시켜 구성함으로써 상기 구형수광부 내부에서 손실없이 집광함과 동시에 바로 열 변환하여 높은 열 변환 효율을 갖도록 함과 아울러 고정된 광축을 따라 집광부만이 태양을 트래킹할 수 있도록 구성한 렌즈와 반사판을 이용한 집열장치에 관한 것이다.

근래에 들어 화석원료의 과다한 사용에 따른 대기오염 문제와 함께 자원고갈의 문제에 직면하여 대체 에너지원으로 태양열을 이용하는 기술이 꾸준히 개발되고 있는데, 이와 같은 태양열을 에너지원으로 이용하는 기술은 태양열 발전소, 태양열 보일러, 태양열 차량 등이 있다.

일반적으로 태양열을 이용하는 시스템은 집열부(集熱部), 축열부(蓄熱部), 및 이용부(利用部)로 구성되어 있다.

여기서, 태양광을 집광하여 열 에너지 또는 전기 에너지로 변환하여 이용하기 위하여 집열 및 축적의 단계를 거치게 되는데, 그 중에서도 집광장치에 의하여 태양 광을 집광하고, 집열장치에 의하여 열 변환하여 집열하고, 이를 축적하여 전달하는 문제가 상당히 중요하다.

특히, 고온을 발생하여 동력원으로 사용하고자 하는 장치들에 대해서는 고온용의 집속기를 사용할 필요가 있다. 이러한 고온용 집속기는 사용하고자 하는 목적과 형태에 따라 여러 종류가 있는데, 대표적인 것은 접시모양의 구형 집속기이다.

도 1은 종래의 접시모양의 구형 집속기에 대한 도면이다.

도시한 바와 같이 종래의 태양열을 이용하는 시스템에서의 접시모양의 구형 집속기(10)는 태양 광을 하나의 렌즈나 구형의 반사경(1)을 사용하여 광을 집중 조사하고, 집중된 광을 열로 전환하여 흡수하기 위하여 흡열면(2)을 사용하여 별도로 구성한 집열장치(미도시)로 전달하여 저장하였다.

그러나, 이러한 종래의 태양열을 집광하는 구형의 집속기는 주어진 태양의 빛을 하나의 렌즈나 반사경을 통해 집중 조사함에 있어 집광에 누설되는 양이 존재하는 문제가 있다.

또한, 종래에는 태양 광을 집중시키기 위하여 사용하는 렌즈가 두껍고 무거워서 소형화가 어렵고, 짧은 초점거리를 위하여 굴절률이 큰 렌즈를 사용하게 되면 비용이 증가하는 문제가 있다.

또한, 집중된 빛을 열로 전환하여 저장하기 위하여 별도의 흡열장치 또는 집열장치를 구성함으로써 복잡하고 부피가 크며, 비용이 많이 소요되는 문제가 있다.

또한, 집광된 빛을 열로 전환함에 있어 별도의 집열장치를 구성하여 사용함으로써 고열의 에너지로 열 변환할 경우에 효율이 떨어지는 문제가 있다.

한편, 종래의 구형의 집속기는 태양이 동에서 떠오르면 태양에 대응하여 최대한의 태양광을 조사받을 수 있도록 태양을 추적하는 트래킹 수단이 구비되고 구동되어야 한다.

그러나, 이러한 종래 구형 집속기의 트래킹 수단은 반사경(1)과 흡열면(2)을 포함한 구형 집속기(10) 전체가 태양을 따라 회전하도록 되어 있어서 구성의 복잡함과 흡열면(2) 또는 집열장치의 무게와 크기에 따라 지지장치나 기타 부가 장치를 더 구비하여야 하는 문제가 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 집광장치에 의하여 모아진 태양광을 고열의 에너지로 열 변환하는 데 있어 높은 효율을 갖도록 하는 구조의 구형수광부를 구비한 렌즈와 반사판을 이용한 집열장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 소형화하면서도 집광된 태양 광을 손실없이 집광함과 동시에 바로 열 변환하여 저장 및 이송하도록 하는 간단한 구조의 구형수광부를 구비한 렌즈와 반사판을 이용한 집열장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 태양을 추적하는 트래킹 수단에 있어 회전하는 부분을 최소화하여 구성에 있어 간단하고 적은 비용이 소요되도록 하는 렌즈와 반사판을 이용한 집열장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 따른 렌즈와 반사판을 이용한 집열장치는 태양열을 이용하는 집광장치에 있어서, 태양광선을 통과시켜 초점에 모으는 렌즈와 상기 렌즈의 초점 방향에 위치하여 일정한 각도를 갖도록 경사지게 구성하여 상기 렌즈의 초점 방향을 바꾸는 반사판으로 이루어진 집광부; 및 상기 반사판의 전면에 위치하여 내부에 빈 구형의 공간을 갖고 반사판에 의한 방향이 바뀐 렌즈의 초점 위치에 맞게 좁은 구멍의 개구부를 갖는 구형수광부;를 포함하여 구성하되, 상기 집광부는 상기 구형수광부의 개구부를 축으로 하여 회전할 수 있도록 구성하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 렌즈는 프로넬 렌즈인 것을 특징으로 한다.

상기 구형수광부의 개구부는 내주면의 원주 상에 위치하도록 구성한 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 구형수광부는 동 또는 알루미늄으로 구성한 것을 특징으로 한다.

상기 구형수광부는 내주면에 무광 흑색의 크롬을 코딩한 것을 특징으로 한다.

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상기와 같은 본 발명에 따른 렌즈와 반사판을 이용한 집열장치는 태양광선의 진로를 변경하여 하나의 초점에 집광하는 프로넬 렌즈와 반사판으로 구성된 집광부를 이용하여 집광된 빛을 통과시키는 좁은 구멍의 개구부와 내부가 빈 구형의 공간을 갖는 구형수광부를 상기 초점과 일치시켜 구성함으로써 소형화함과 아울러 상기 구형수광부 내부에서 손실없이 집광함과 동시에 바로 열 변환하여 높은 열 변환 효율을 갖는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 태양을 추적하는 트래킹 수단을 구현함에 있어 고정된 광축 즉, 구형수광부의 개구부를 축으로 하여 구형수광부와 별개로 렌즈와 반사판만을 회전하도록 구성함으로써 설계가 간단하고 부가 비용이 필요없는 장점이 있다.

이하에서는 본 발명에 따른 렌즈와 반사판을 이용한 집열장치의 구성 및 기능에 대한 바람직한 실시 예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 렌즈와 반사판을 이용한 집열장치에 사용되는 프로넬 렌즈의 기능을 보여주는 도면이다.

도시한 바와 같이, 본 발명에 사용되는 프로넬 렌즈(111)는 각 광원으로부터 조사되는 광들을 한 초점에 집속시키기 위하여 경사각이 다른 다수 개의 경사돌기를 갖는 구조를 이룬다.

상기 프로넬 렌즈(111)는 상기 다수 개의 경사돌기를 구비함으로써 볼록렌즈에 비하여 두께가 얇으면서 초점거리가 짧은 렌즈의 구현이 가능하고, 집열장치의 소형화를 이룰 수 있게 한다.

도 3은 본 발명에 따른 렌즈와 반사판을 이용한 집열장치에 대한 단면도이다.

도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 렌즈와 반사판을 이용한 집열장치(100)는 집광부(110)와 구형수광부(120)로 구성된다.

상기 집광부(110)는 렌즈(111)와 상기 렌즈의 초점 방향에 위치하여 일정한 각도를 갖도록 경사지게 구성하여 상기 렌즈의 초점 방향을 바꾸는 반사판(112)으로 구성한다.

이때, 상기 렌즈(111)는 경사각이 다른 다수 개의 경사돌기를 갖는 프로넬 렌즈를 사용하여 구성함이 바람직하다.

상기 구형수광부(120)는 내부에 빈 구형의 공간을 갖고 상기 반사판(112)에 의하여 방향이 바뀐 렌즈(111)의 초점(F)과 일치하는 위치에 좁은 구멍의 개구부(121)를 구비하여 형성된다.

이와 같이 상기 구형수광부(120)의 개구부(121)를 상기 반사판(111)에 의하여 방향이 바뀐 렌즈(111)의 초점(F)과 일치시키도록 구성하는 것은 상기 반사판(111)에 반사된 태양광선을 모두 집광되도록 하기 위함이다.

또한, 상기 구형수광부(120)의 개구부(121)는 상기 렌즈(111)와 반사판(112)에 의한 태양광선의 광축과 일치하도록 하기 위한 것이다. 즉, 본 발명에 따른 집열장치를 사용하여 태양열을 이용함에 있어 하루 동안 이동하는 태양을 추적하는 트래킹 수단을 구현함에 있어 구형수광부(120)의 개구부(121)를 축으로 하여 구형수광부(120)와 별개로 렌즈(111)와 반사판(112)으로 구성된 집광부(110)만을 회전하도록 구성함으로써 광의 어긋남이나 뒤틀림과 같은 문제가 없도록 하고, 설계를 간단히 할 수 있도록 하여 부가 장치에 대한 비용이 필요없도록 하기 위함이다.

따라서, 본 발명에 따른 렌즈와 반사판을 이용한 집열장치(100)는 상기 렌즈(111)를 통과하여 반사판(112)에 의하여 방향이 바뀐 태양광선을 모두 초점(F)를 지나게 하고, 초점(F)을 지난 빛은 상기 구형수광부(120)의 내주면에 주사되어 집광된다.

도 4는 본 발명에 따른 렌즈와 반사판을 이용한 집열장치에 사용되는 구형수광부에 대한 일실시 예를 보여주는 사시도이다.

도시한 바와 같이, 상기 구형수광부(120)는 내부에 빈 구형의 공간을 갖는데, 내주면의 중심과 초점(F)과 일치하게 위치시키는 개구부(121)를 동일 선상에 존재하도록 구성하되, 상기 개구부(121)가 상기 구형수광부(120) 내주면의 원주 상에 위치하도록 구성함이 바람직하다.

이와 같은 구성은 초점(F)을 지나는 태양광선이 상기 구형수광부(120)의 개구부(121)에서 부딪히거나 반사되는 양을 최소화하는 기능을 하여 최대한의 태양광선이 집광되도록 한다

또한, 상기 구형수광부(120)는 동(Cu) 또는 알루미늄(Al)과 같은 열전도성이 좋은 재질을 사용하여 구성함이 바람직하다.

또한, 상기 구형수광부(120)는 내주면에 열 변환용인 무광 흑색의 크롬으로 코팅함이 바람직하다.

이는 상기 반사판(110)에서 반사된 태양광선이 상기 동이나 알루미늄으로 구성한 구형수광부(120)에 조사됨과 동시에 바로 열로 변환되도록 하여 그 효율을 높이기 위함이다.

또한, 상기 동이나 알루미늄으로 구성한 구형수광부(120)는 외부로부터 다른 에너지의 개입 없이 동이나 알루미늄의 열 전도성에 의한 열전달이 자연적으로 이루어지도록 한다.

이상에서 설명한 본 발명은 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것은 아니다.

도 1은 종래의 접시 모양의 구형 집속기에 대한 도면,

도 2는 본 발명에 따른 렌즈와 반사판을 이용한 집열장치에 사용되는 프로넬 렌즈의 기능을 보여주는 도면,

도 3은 본 발명에 따른 렌즈와 반사판을 이용한 집열장치에 대한 단면도,

도 4는 본 발명에 따른 렌즈와 반사판을 이용한 집열장치에 사용되는 구형수광부에 대한 일실시 예를 보여주는 사시도이다.

** 도면의 주요 부분에 대한 부호설명 **

1 : 반사경 2 : 흡열면

10 : 구형 집속기 100 : 집열장치

110 : 집광부 111 : 렌즈(프로넬 렌즈)

112 : 반사판 120 : 구형수광부

121 : 개구부

Claims (6)

1. 태양열을 이용하는 집광장치에 있어서,

   태양광선을 통과시켜 초점에 모으는 렌즈와 상기 렌즈의 초점 방향에 위치하여 일정한 각도를 갖도록 경사지게 구성하여 상기 렌즈의 초점 방향을 바꾸는 반사판으로 이루어진 집광부; 및

   상기 반사판의 전면에 위치하여 내부에 빈 구형의 공간을 갖고 반사판에 의한 방향이 바뀐 렌즈의 초점 위치에 맞게 좁은 구멍의 개구부를 갖는 구형수광부;를 포함하여 구성하되,

   상기 집광부는 상기 구형수광부의 개구부를 축으로 하여 회전할 수 있도록 구성하는 것을 특징으로 하는 렌즈와 반사판을 이용한 집열장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 렌즈는 프로넬 렌즈인 것을 특징으로 하는 렌즈와 반사판을 이용한 집열장치.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 구형수광부의 개구부는 내주면의 원주 상에 위치하도록 구성한 것을 특징으로 하는 렌즈와 반사판을 이용한 집열장치.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 구형수광부는 동 또는 알루미늄으로 구성한 것을 특징으로 하는 렌즈와 반사판을 이용한 집열장치.
5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 구형수광부는 내주면에 무광 흑색의 크롬을 코딩한 것을 특징으로 하는 렌즈와 반사판을 이용한 집열장치.
6. 삭제

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