KR100891015B1 - 적외선과 가시광선을 반대방향으로 분리하여 집광하는태양광 집속장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자연적으로 채광이 가능한 태양광을 고효율로 집광하도록 고안하고, 태양광 중 가시광선과 적외선을 분리하여 집광함으로써, 각각 직접 조명 및 태양열 발전 등의 응용 기술로 동시에 사용할 수 있는 고 효율 태양광 분광 집속장치에 관한 발명으로 친 환경적이며, 기존 전기를 이용한 조명 및 발전용 에너지 소비를 절대적으로 저감시킬 수 있는 지속 가능한 신 재생에너지 기술이다.

본 발명을 통하여, 거울을 이용한 빛의 반사와 집광 현상을 1차적으로 이용하고, 적외선 반사거울과 가시광선 집광렌즈 및 적외선 집광렌즈를 사용한 가시광선과 적외선 분리의 고안을 통하여 가시광선과 적외선 모두를 동시에 이용할 수 있어 전체 태양광 에너지의 이용효율을 극대화하도록 하였다.

태양광 조명, 자연채광, 태양광 분리 채광, 적외선 채광

Description

적외선과 가시광선을 반대방향으로 분리하여 집광하는 태양광 집속장치{Sunlight concentrating device to devide a infrared ray and a visible ray from the sun's ray in opposite direction and to respectively concentrate them}

본 발명은 반사경을 이용한 태양광 집속장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 자연 채광이 가능한 태양광을 반사경과 태양광 분리 반사경을 이용하여 가시광선과 적외선으로 각각 분리하여 집속하고, 이것을 각각 광파이버를 이용하여 전송함으로써, 집속된 가시광선은 조명용으로 사용하고, 집속된 적외선은 열에너지로 활용할 수 있는 난방기의 열교환기와 같은 다양한 에너지 발생 기기에 사용하도록 하는 적외선과 가시광선을 분리하여 집광하는 태양광 집속장치에 관한 것이다.

최근 비용 및 공해문제로 인하여 화석연료의 사용량을 줄이고자 하는 노력이 세계적으로 이루어지고 있다. 이를 위하여 태양에너지를 이용한 대체에너지 또는 에너지 저감기술 개발이 이루어지고 있는 실정이다.

지구로 조사되는 태양광은 자외선에서부터 적외선까지 넓은 영역의 파장대를 가진다. 이 중 자외선은 지구 대기권에서 대부분 흡수 및 반사되므로 지표면까지 도달하는 양은 얼마 되지 않으며, 나머지 가시광선과 적외선만이 지표면에 도달하게 된다. 가시광선 및 소량의 자외선을 이용한 기술로서는 태양 전지를 이용한 전기변환 기술을 예로 들 수 있으며, 적외선을 이용한 기술로는 태양열을 이용한 온수 기술을 들 수 있다.

태양 전지를 이용한 전기 변환기술은 태양으로부터 받은 에너지를 저장 후, 태양이 없는 흐린 날이나 밤에 전기로 변환하여 사용할 수 있으므로 소비전력을 저감시킬 수 있는 기술이다. 하지만, 태양전지 모듈의 제작비용이 많이 소요된다는 것과 전기 에너지로의 변환 효율이 20%이하로 매우 낮다는 것이 문제점으로 지적되고 있다.

태양열을 이용한 온수 기술은 태양광 중 적외선만을 이용하여 물을 데우는 기술로 열변환 효율이 높아 현재 많은 사용이 이루고 있는 실정이다.

하지만, 이 경우 적외선 이외의 가시광선과 자외선은 이용하지 않는다. 따라서 전체 태양광 에너지(자외선부터 적외선까지)로부터 이용 가능한 효율을 고려할 때 전체 에너지 이용 효율은 낮다.

태양광에서 가시광선은 자연채광이나 태양광 집속기술을 이용함으로써 직접 조명에 이용하는 것이 가능하다. 이 경우 태양광을 전기와 같은 다른 형태의 에너지로 변환할 필요가 없기 때문에 에너지 이용효율이 매우 높다.

그러므로 태양광 집속기술을 이용하여 집속된 태양광을 가시광선과 적외선으 로 분리하여 가시광선은 직접 조명으로 사용하고 적외선은 태양열을 이용한 온수 기기나 증기 발생기 등과 같은 기술에 접목하고, 이를 동시에 사용할 경우 전체 에너지 변환효율을 상당히 증대시킬 수 있다.

본 발명의 일반적인 목적은 반사경을 이용하여 태양광을 집속하고, 이것을 가시광선과 적외선으로 분리하여 직접조명과 열 에너지원으로 각각 이용함으로써 전체 에너지 이용효율을 높일 수 있는 고효율 태양광 집속장치를 제공하는 데에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 가시광선과 적외선을 상호 반대방향으로 분리하여, 각각을 별도로 집광할 수 있는 태양광 집속장치를 제공하는 데에 있다.

상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 내부에 공간을 가지는 케이싱; 상기 케이싱의 상부에 설치되어 태양광이 입사되는 수광창; 상기 케이싱의 하부에 설치되어 상기 수광창으로부터 입사된 태양광을 상측으로 반사시켜 1차 집광시키는 1차집광거울; 상기 케이싱에 설치되어 상기 1차집광거울로부터 집광된 태양광으로부터 가시광선은 통과시키고, 적외선만을 상기 집광된 태양광의 반대방향으로 반사시키는 적외선반사창; 상기 케이싱의 하부에 고정되고 상기 1차집광거울의 중심부 상 측으로 연장되어 설치되며, 내부에 적외선용 광파이버가 삽입되는 적외선용 광파이버 지지부재; 상기 적외선용 광파이버 지지부재의 상측에 설치되는 적외선집광렌즈고정부재; 상기 적외선용 렌즈고정부재의 상단에 설치되어 상기 적외선반사창에 의해 입사된 적외선을 2차 집광하는 적외선집광렌즈; 상기 케이싱의 상부측 중심부에 설치되며, 내부에 가시광선용 광파이버가 삽입고정되는 가시광선집광렌즈고정부재; 및 상기 가시광선집광렌즈고정부재의 하측에 설치되어 적외선반사창을 투과한 가시광선을 2차 집광시켜 상기 가시광선용 광파이버에 공급하는 가시광선집광렌즈를 포함하는 태양광 집속장치이다.

상기 적외선반사창은 상기 가시광선집광렌즈고정부재에 연장되어 일체로 형성되는 적외선반사창고정부재에 설치되는 것을 특징으로 한다.

또, 상기 적외선반사창은 평면의 유리에 적외선 반사필름이 증착된 것을 특징으로 한다.

또, 상기 적외선반사창은 볼록렌즈에 적외선 반사필름이 증착된 것을 특징으로 한다.

또, 상기 적외선반사창에 의해 반사된 적외선은 상기 적외선집광렌즈를 향하여 평행하게 조사되는 것을 특징으로 한다.

또, 상기 1차집광거울의 초점은 상기 적외선반사창보다 상측에 위치하는 것을 특징으로 한다.

또, 상기 적외선집광렌즈의 초점은 적외선용 광파이버의 상단에 위치하는 것을 특징으로 한다.

또, 상기 적외선집광렌즈는 볼록렌즈인 것을 특징으로 한다.

또, 상기 가시광선집광렌즈는 볼록렌즈 또는 볼렌즈인 것을 특징으로 한다.

또, 상기 가시광선집렌즈의 초점은 상기 가시광선용 광파이버의 하단에 위치하는 것을 특징으로 한다.

또, 상기 적외선반사창을 투과한 가시광선의 초점은 가시광선집광렌즈의 하단에 위치하는 것을 특징으로 한다.

본 발명을 통하여, 거울을 이용한 빛의 반사와 집광 현상을 1차적으로 이용하고, 적외선 반사거울과 가시광선 집광렌즈 및 적외선 집광렌즈를 사용한 가시광선과 적외선 분리의 고안을 통하여 가시광선은 직접 조명으로 사용하고 적외선은 태양열을 이용한 온수 장치나 증기 발생기와 같은 기술에 응용이 가능하므로 태양광 에너지의 이용효율을 상당히 증대시킬 수 있다.

이하, 본 발명을 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 하기의 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하며, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명의 실시예1에 따른 고효율 태양광 집속장치(10)의 개략도이다.

상기 태양광 집속장치(10)는 적외선 반사창(24)에 의하여 가시광선과 적외선을 분리하여 집광할 수 있도록 하였다.

상기 태양광 집속장치(10)의 외형은 내부에 공간을 가지는 케이싱(14)에 의해 이루어진다.

상기 케이싱(14)의 상측으로는 태양광을 받아들일 수 있는 수광창(12)이 설치된다.

그리고 상기 케이싱(14)의 하부에는 상기 수광창(12)으로 입사된 태양광을 1차적으로 집광시키는 1차 집광거울(32)이 배치된다.

상기 1차 집광거울(32)은 오목거울로 구성되며, 상기 태양광 입사방향의 반대방향으로 태양광을 집광하도록 반사시킨다. 상기 1차 집광거울(32)의 초점은 상기 케이싱의 중심의 상부측에 형성된다.

상기 케이싱(14)의 하부의 중심부에는 적외선용 광파이버 지지부재(30)가 상기 케이싱(14)의 내부공간을 향하여 돌출되도록 형성된다.

상기 적외선용 광파이버 지지부재(30)는 대략 튜브 형상이며, 상기 적외선용 광파이버 지지부재(30)의 내부에는 적외선용 광파이버(34)가 삽입고정된다.

상기 적외선용 광파이버 지지부재(30)의 상측에는 적외선 렌즈고정부재(22)가 일체로 형성된다.

상기 적외선 렌즈고정부재(22)의 상측에는 적외선 집광렌즈(18)가 설치된다.

이 때, 상기 적외선 집광렌즈(18)의 초점은 상기 적외선용 광파이버(34)의 상단부상에 위치하도록 한다. 상기 적외선 집광렌즈(18)로는 볼록렌즈를 사용할 수 있다.

상기 적외선 집광렌즈(18)의 하부에는 태양광의 집속을 위한 제1공간(26)이 형성될 수 있다. 이 때, 상기 적외선용 광파이버(34)는 상기 제1공간(26)에 상단부가 노출되게 설치될 수 있다.

또, 상기 수광창(12)의 중앙부에는 가시광선집광렌즈 고정부재(20)가 설치된다.

상기 가시광선집광렌즈 고정부재(20)의 상단 중심부에는 가시광선용 광파이버(36)가 삽입설치된다.

상기 가시광선용 광파이버(36)는 상기 적외선용 광파이버(34)와 동축선상에 배열시키는 것이 렌즈의 배치에 유리하다.

그리고, 상기 가시광선집광렌즈 고정부재(20)의 하단부에는 가시광선집광렌즈(16)가 설치된다. 상기 가시광선 집광렌즈(16)의 초점은 상기 가시광선용 광파이버(36)의 하단부상에 위치하도록 한다.

본 발명의 실시예에서는 상기 가시광선집광렌즈(16)로 볼렌즈를 사용하였으나, 볼록렌즈 또는 반구렌즈를 사용하는 것도 가능하다.

상기 가시광선 집광렌즈(16)의 상부에는 태양광의 집속을 위한 제3공간(42)이 형성될 수 있다. 이 때, 상기 가시광선용 광파이버(36)는 상기 제3공간(42)에 하단부가 노출되게 설치될 수 있다.

상기 가시광선집광렌즈 고정부재(20)의 하측에는 적외선 반사창 고정부재(28)가 연장되어 설치된다.

상기 적외선 반사창 고정부재(28)의 하단부에는 적외선 반사창(24)이 설치된다. 따라서, 상기 가시광선 집광렌즈(16)와 상기 적외선 반사창(25) 사이에 제2공간(40)이 형성될 수 있다.

또한, 상기 적외선 반사창(24)은 상기 가시광선 집광렌즈(16)와 상기 적외선 집광렌즈(18)의 사이에 배치된다.

상기 적외선 반사창(24)은 상기 1차 집광거울(32)에 의해 집광된 태양광을 가시광선과 적외선으로 분리하는 역할을 한다. 즉, 적외선은 상기 적외선 반사창(24)에 의해 반사되고, 적외선을 제외한 태양광은 상기 적외선 반사창(24)을 투과하게 된다.

이러한 기능을 수행하기 위해 상기 적외선 반사창(24)에는 적외선 반사필름이 증착된다.

본 발명의 실시예1에서는 상기 적외선 반사창(24)은 평판형태의 유리를 사용한다.

따라서, 상기 적외선 반사창(24)은 상기 1차 집광거울(32)로부터 집광된 태양광에서 적외선만을 하향으로 조사되도록 하고 가시광선을 포함하는 다른 영역의 빛은 투과시킨다.

실시예1의 고효율 태양광 집속장치(10)는 기본적으로 상기와 같이 구성된다. 이하, 상기 태양광 집속장치(10)의 태양광의 경로에 대해 도 1 및 도 2를 통하여 설명한다.

상기 수광창(12)을 통해 입사된 태양광은 상기 1차 집광거울(32)까지 도달하여, 상기 적외선 반사창(24)을 향해 집속된다.

상기 적외선 반사창(24)에 의해 태양광은 상기 가시광선과 적외선으로 분광된다. 즉, 상기 적외선 반사창(24)을 통과할 수 있는 가시광선은 상기 가시광선 집광렌즈(16)로 입사되고, 상기 적외선 반사창(24)에 의해 반사된 적외선은 상기 적외선 집광렌즈(18)로 입사된다.

상기 적외선 집광렌즈(18)로 공급된 적외선은 다시 2차로 집광되어 최종적으로 상기 적외선용 광파이버(34)에 전달된다.

상기 적외선용 광파이버(34)를 통해 전달되는 적외선은 온수장치와 증기 발생기 등에 사용될 수 있다. 따라서, 상기 집광된 적외선을 상기 적외선 광파이버(34)에 연결된 열교환기(50)를 통해 상기 적외선이 포함하고 있는 열을 물과 같은 열매체로 전달하게 된다.

또한, 상기 적외선 반사창(24)에 공급된 태양광 중에서 가시광선은 상기 적외선 반사창(24)을 투과하여 상기 가시광선 집광렌즈(16)로 공급된다.

상기 가시광선 집광렌즈(16)로 공급된 가시광선은 다시 2차로 집광되어 최종적으로 상기 가시광선용 광파이버(36)에 전달된다.

상기 가시광선용 광파이버(36)를 통해 전달되는 태양광은 상기 발광부(44)를 통해 실내에서 조명용으로 사용되게 된다.

상기 발광부(44)는 상기 가시광선용 광파이버(36)의 단부를 필라멘트와 같이 사용하는 발광팁(미도시)과, 상기 발광팁이 발광하는 빛을 일측방향으로 향하도록 반사하여 주는 전등갓(38)을 포함한다.

다음으로, 본 발명의 실시예2에 따른 고효율 태양광 집속장치(11)를 도 3을 참조하여 설명한다. 실시예2에서 각 구성요소의 설명 중 실시예1과 동일한 것에 대하여는 동일한 참조번호를 붙이고, 그 자세한 설명은 생략한다.

도 3은 본 발명의 실시예2에 따른 고효율 태양광 집속장치(11)의 개략도이다. 실시예2에 따른 상기 태양광 집속장치(11)에서 실시예1의 상기 태양광 집속장치(10)와 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호를 사용하고 자세한 설명은 생략한다.

실시예2의 태양광 집속장치(11)는 실시예1의 상기 태양광 집속장치(10)와 달리, 적외선 반사창(13)으로써 볼록렌즈에 적외선 반사필름이 증착된 것을 사용한다.

이러한 볼록렌즈의 형태로 적외선을 반사시킬 경우, 상기 적외선 반사창(13)에 의해 반사된 적외선이 평행광의 형태로 입사되기 때문에, 적외선 집광부의 위치가 1차 집광거울(32) 측으로 더 내려갈 수 있다.

따라서, 채광할 수 있는 공간을 더 늘릴 수 있는 효과가 있다.

또한, 실시예 1의 평면의 적외선 반사창(11)과는 달리 볼록렌즈에 의한 반사를 시킬 경우, 적외선이 평행광의 형태로 적외선 집광렌즈를 향하여 집속되기 때문에, 상기 적외선 반사창(11)에 의할 경우에 생기는 주위로 퍼져나가는 적외선이 없어서 집광효율을 훨씬 더 높일 수 있는 특징이 있다.

상기와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예1에 따른 고효율 태양광 집속장치의 사용에 관한 개략도이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 고효율 태양광 집속장치의 개략도이다.

도 3은 본 발명의 실시예2에 따른 고효율 태양광 집속장치의 사용에 관한 개략도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10, 11: 태양광 집속장치 12: 수광창

13: 적외선 반사창 14: 케이싱

16: 가시광선집광렌즈 18: 적외선 집광렌즈

20: 가시광선집광렌즈고정부재 22: 적외선집광렌즈고정부재

24: 적외선 반사창 26: 제1공간

28: 적외선반사창고정부재 30: 광파이버 지지부재

32: 1차집광거울 34: 적외선용 광파이버

36: 가시광선용 광파이버 38: 전등갓

40: 제2공간 42: 제3공간

44: 발광부 50: 열교환기

Claims (11)

1. 내부에 공간을 가지는 케이싱;

   상기 케이싱의 상부에 설치되어 태양광이 입사되는 수광창;

   상기 케이싱의 하부에 설치되어 상기 수광창으로부터 입사된 태양광을 상측으로 반사시켜 1차 집광시키는 1차집광거울;

   상기 케이싱에 설치되어 상기 1차집광거울로부터 집광된 태양광으로부터 가시광선은 통과시키고, 적외선만을 상기 집광된 태양광의 반대방향으로 반사시키는 적외선반사창;

   상기 케이싱의 하부에 고정되고 상기 1차집광거울의 중심부 상측으로 연장되어 설치되며, 내부에 적외선용 광파이버가 삽입되는 적외선용 광파이버 지지부재;

   상기 적외선용 광파이버 지지부재의 상측에 설치되는 적외선집광렌즈고정부재;

   상기 적외선용 렌즈고정부재의 상단에 설치되어 상기 적외선반사창에 의해 입사된 적외선을 2차 집광하는 적외선집광렌즈;

   상기 케이싱의 상부측 중심부에 설치되며, 내부에 가시광선용 광파이버가 삽입고정되는 가시광선집광렌즈고정부재; 및

   상기 가시광선집광렌즈고정부재의 하측에 설치되어 적외선반사창을 투과한 가시광선을 2차 집광시켜 상기 가시광선용 광파이버에 공급하는 가시광선집광렌즈를 포함하는 태양광 집속장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 적외선반사창은 상기 가시광선집광렌즈고정부재에 연장되어 일체로 형성되는 적외선반사창고정부재에 설치되는 것을 특징으로 하는 태양광 집속장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 적외선반사창은 평면의 유리에 적외선 반사필름이 증착된 것을 특징으로 하는 태양광 집속장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 적외선반사창은 볼록렌즈에 적외선 반사필름이 증착된 것을 특징으로 하는 태양광 집속장치
5. 제1항에 있어서, 상기 적외선반사창에 의해 반사된 적외선은 상기 적외선집광렌즈를 향하여 평행하게 조사되는 것을 특징으로 하는 태양광 집속장치.
6. 제1항에 있어서, 상기 1차집광거울의 초점은 상기 적외선반사창보다 상측에 위치하는 것을 특징으로 하는 태양광 집속장치.
7. 제1항에 있어서, 상기 적외선집광렌즈의 초점은 적외선용 광파이버의 상단에 위치하는 것을 특징으로 하는 태양광 집속장치.
8. 제1항에 있어서, 상기 적외선집광렌즈는 볼록렌즈인 것을 특징으로 하는 태양광 집속장치.
9. 제1항에 있어서, 상기 가시광선집광렌즈는 볼록렌즈 또는 볼렌즈인 것을 특징으로 하는 태양광 집속장치.
10. 제1항에 있어서, 상기 가시광선집렌즈의 초점은 상기 가시광선용 광파이버의 하단에 위치하는 것을 특징으로 하는 태양광 집속장치.
11. 제1항에 있어서, 상기 적외선반사창을 투과한 가시광선의 초점은 가시광선집 광렌즈의 하단에 위치하는 것을 특징으로 하는 태양광 집속장치.

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