KR100997752B1 - 태양광 집광 모듈 - Google Patents

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Abstract

접시형 또는 포물면형 반사경을 이용하여 고밀도 태양광을 형성하며 형성한 고밀도 태양광을 원거리의 태양광 응용 시스템까지 효율 저하를 최소화하면서 송광하는 태양광 집광 모듈 및 태양광 송광 장치가 개시된다.
본 발명은, 태양광 집광 모듈에 관한 것으로서, 입사하는 제1태양광선을 반사하여 반사한 제1태양광선이 제1초점으로 진행하도록 하는 제1집광수단과, 그리고 상기 제1초점으로 진행하는 제1태양광선을 재반사하여 재반사한 제2태양광선이 상기 제1집광수단 방향으로 진행하도록 하는 제2집광수단을 포함한다.
본 발명에 따르면, 고집적화한 태양광 또는 고집적화한 다수의 태양광을 결합하여 초고집적화한 태양광을 원거리의 태양광 응용 시스템으로 자유롭게 송광할 수 있다.
태양광, 집광, 송광, 반사, 회전, 포물면 반사경

Description

태양광 집광 모듈{Module for condensing sunlight}
본 발명은 태양광 집광 모듈 및 태양광 송광 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 접시형 또는 포물면형 집광수단으로 태양광을 추적하면서 상광학(像光學)적 또는 비상광학(非像光學)적 방법을 사용하여 고밀도(高密度) 태양광을 집광하는 모듈과, 상기 태양광 집광 모듈을 이용하여 집광한 고밀도 태양광 또는 다수의 고밀도 태양광을 결합한 초고밀도(超高密度) 태양광을 원거리의 태양광 응용 시스템에 전송(傳送)하는 태양광 송광 장치에 관한 것이다.
반사 광학계(catoptic system)를 구성하는 전통적인 광학 수단의 예로는 뉴튼 망원경 및 그레고리 망원경이 있다.
그 중, 그레고리 망원경은 1663년 제임스 그레고리에 의하여 제안되었으며 천체 망원경과 유사한 작동 원리를 채택한다. 구체적으로, 중심에 구멍을 형성한 오목 주거울(concave primary mirror)과 오목 부거울(concave secondary mirror)을 사용하며, 오목 주거울과 오목 부거울 간의 거리는 각각의 초점 거리를 합한 값이 거나 그보다 다소 크다.
또한, 카세그레인(cassegrain) 망원경, 갈릴레이 망원경 및 Schwarzschild 현미경은 공통적으로 오목 주거울 및 볼록 부거울(convex secondary mirror)의 조합을 채택하며, 수차가 거의 존재하지 않는 초점을 형성하는 공중심(concentric) 광학계이다. 이때, 곡률 반경비가
Figure 112009012385675-pat00001
인 경우 수차가 없는 초점을 형성한다.
더욱 상세한 망원경 또는 현미경 등의 초점 형성 원리에 관해서는 다음의 문헌들을 참조할 수 있다.
[문헌 1] 응용 광학(Jurgen R. Meyer-Arendt) p 168 - p 174
[문헌 2] 광학 결정(한국경제신문 출판)
한편, 태양광을 집광하여 고밀도 태양광을 형성하기 위해 종래 포물면형 집광기가 사용되어 왔다. 포물면형 집광기의 대표적인 예로는 홈통형 집광기, 타워형 집광기, 접시형 집광기 또는 복합 포물면형 집광기 등이 있다.
그 중, 접시형 집광기는 포물면형 반사경의 반경을 최대화하여 그 초점 위치에 흡수기를 형성하며, 흡수기가 직접 태양광을 흡수하는 방식을 채택한다.
그러나, 이러한 접시형 집광기에 의하면, 흡수기가 태양광을 차단하는 차광효과(Shading Effects)로 인해 집광 효율이 감소하며, 집광기가 대형이므로 구조물 설치 과정이 복잡하고 설치 장소의 제약이 심하며, 집광기의 하중이 증가하여 구동에너지의 소모가 극심한 문제점이 있다.
또한, 흡수기의 태양광 흡수 이후 태양광은 태양열로 변환되므로, 변환된 태양열을 원거리의 냉/난방 시스템 등 태양열 응용 시스템으로 송광하기 위해 열 매체가 사용되어 왔는데, 그러한 열 매체를 사용하면 1000K 이상의 초고온 태양광 또는 태양열을 획득하기 곤란한 문제점이 있다.
그리고, 타워형 집광기는 고밀도 태양광을 획득하기 위해서 흡수기 타워를 중앙에 설치하고 타워의 하부에 포물면형 반사경을 형성함으로써 흡수기 타워 상부에 고온의 태양광을 집광하는 방식을 채택한다.
그러나, 이러한 타워형 집광기에 따르면, 초점을 정밀하게 형성하기 곤란하여 초고온 태양광을 형성하기가 극히 곤란한 문제점이 있다.
또한, 타워형 집광기는 포물면형 반사경의 초점 위치에서 사용하거나 에너지 변환을 수행하여야 하므로, 원거리의 태양열 응용 시스템으로 송광하는 경우 막대한 송광 손실이 발생하여 효율이 저하되고 2000K 이상의 초고온 태양광 또는 태양열을 획득하기 곤란한 문제점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 상기 문제점을 극복하기 위한 것으로서, 접시형 또는 포물면형 반사경을 이용하여 고밀도 태양광을 형성하는 태양광 집광 모듈을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는, 상기 문제점을 극복하기 위한 것으로서, 형성한 고밀도 태양광 또는 다수의 고밀도 태양광을 집적한 초고밀도 태양광을 송광하는 태양광 송광 장치를 제공하는 것이다.
본 발명은, 태양광 집광 모듈에 관한 것으로서, 입사하는 제1태양광선을 반사하여 반사한 제1태양광선이 제1초점으로 진행하도록 하는 제1집광수단과, 그리고 상기 제1초점으로 진행하는 제1태양광선을 재반사하여 재반사한 제2태양광선이 상기 제1집광수단 방향으로 진행하도록 하는 제2집광수단을 포함한다.
상기 제1집광수단은 포물면 주반사경, 상기 제2집광수단은 포물면 부반사경이며, 상기 포물면 주반사경과 대향하는 포물면 부반사경의 면은 오목 면 또는 볼록 면이다.
상기 포물면 주반사경 및 포물면 부반사경은 고정수단에 의해 서로 연결 결합함으로써 상기 포물면 부반사경을 지지한다.
상기 포물면 주반사경의 두께 방향으로 관통 형성되는 개구부에 의해, 상기 재반사한 제2태양광선이 상기 포물면 주반사경을 관통하여 진행한다.
상기 입사하는 제1태양광선 및 재반사한 제2태양광선의 광로는 서로 평행이며, 상기 포물면 주반사경 및 포물면 부반사경의 중심축은 서로 일치한다.
상기 입사하는 제1태양광선이 상기 포물면 주반사경의 중심축과 비평행인 경우, 상기 포물면 부반사경은, 비평행 제1태양광선이 상기 포물면 주반사경에서 반사된 광을 재반사한다.
본 발명은 송광부를 포함하는바, 상기 송광부는 상기 개구부를 관통한 제2태양광선을 외부로 송광하며, 하나 이상의 위치에서 절곡되는 송광관을 포함하고, 상기 송광관의 일 끝단은 상기 개구부의 일 끝단과 결합한다.
또한, 상기 송광관은 상기 제2태양광선을 반사하는 하나 이상의 반사경을 포함하며, 상기 반사경에 대한 상기 제2태양광선의 입사 경로 및 반사 경로는 상기 송광관의 중심축과 평행하다.
상기 송광관은 하나 이상의 세부 송광관이 서로 결합되어 구성되며, 상기 세부 송광관은 각각의 중심축을 회전축으로 하여 독립적으로 회전할 수 있다.
상기 세부 송광관은 엘보(elbow)일 수 있고, 상기 엘보의 결합 부위는 윤활체를 더 포함할 수 있다.
한편, 본 발명은 회전부를 포함하는바, 상기 회전부는 상기 포물면 주반사경과 결합 형성되어 입사하는 제1태양광선의 입사 각도 변화에 따라 상기 포물면 주반사경을 회전시킨다.
상기 회전부는, 수평축에 의해 회전구동하는 수평 회전체 및 수직축에 의해 회전구동하는 수직 회전체를 포함하며, 상기 수평축과 수직축은 서로 직교한다.
상기 포물면 주반사경 및 수평 회전체는 지지대에 의해 서로 결합되며, 상기 수평 회전체 및 수직 회전체는 기어에 의해 서로 결합된다.
상기 수평 회전체 및 수직 회전체는 동력부에 의해 회전 동력을 획득한다.
본 발명은 고정지지대를 포함하는바, 상기 고정지지대는 상기 포물면 주반사경 또는 송광부에 고정 결합되어 상기 포물면 주반사경 또는 송광부(03)를 지지한다.
한편, 상기 송광부는 광섬유 또는 내측에 반사체를 형성한 관(pipe)일 수도 있으며, 그러한 경우 상기 광섬유 또는 관의 일 끝단은 상기 개구부의 일 끝단과 결합한다.
또한, 상기 개구부는, 상기 제2태양광선을 입사하여 수렴시키는 볼록렌즈와, 상기 볼록렌즈를 실장하는 렌즈 케이스와, 수렴하는 제2태양광선을 입사하여 상기 송광부로 진행시키는 오목렌즈와, 그리고 상기 렌즈 케이스 내부에 형성되어 상기 오목렌즈를 실장하는 오목렌즈 케이스를 포함할 수도 있다.
한편, 본 발명은 태양광 송광 장치를 포함하는바, 상기 태양광 송광 장치는, 태양광선을 송광하는 하나 이상의 송광관과, 상기 송광관 내부를 통해 입사하는 태양광선을 반사하며, 반사한 태양광선이 초점으로 진행하게 하는 포물면 주반사경과, 상기 초점으로 진행하는 태양광선을 재반사하여 재반사한 태양광선이 초고밀도 송광관 내부로 진행하도록 하는 포물면 부반사경과, 그리고 재반사한 태양광선을 외부로 송광하는 초고밀도 송광관을 포함한다.
이때, 상기 포물면 주반사경의 중심축은 상기 송광관 중심축 또는 상기 송광관 내부를 통해 입사하는 태양광선의 광로와 평행하며, 상기 포물면 주반사경 및 포물면 부반사경은 초점을 공유한다.
이러한 태양광 송광 장치는 태양광 집광 모듈을 더 포함할 수도 있으며, 태양광 집광 모듈은 입사하는 제1태양광선을 반사하여 반사한 제1태양광선이 제1초점으로 진행하도록 하는 제1집광수단과, 상기 제1초점으로 진행하는 제1태양광선을 재반사하여 재반사한 제2태양광선이 상기 제1집광수단 방향으로 진행하도록 하는 제2집광수단을 포함하며, 상기 송광관이 송광하는 태양광선은 상기 재반사한 제2태양광선이다.
본 발명에 따르면, 접시형 또는 포물면형 반사경을 이용하여 고밀도 태양광을 형성할 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 따르면, 형성한 고밀도 태양광 또는 다수의 고밀도 태양광을 집적한 초고밀도 태양광을 송광할 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 따르면, 송광한 초고밀도 태양광을 조명, 난방, 초고온 설비 등의 다양한 에너지원으로 용이하게 활용할 수 있으며, 초고밀도 태양광을 초고온 설비에 활용하는 경우, 3000K 이상의 초고온을 구현할 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 따르면, 고밀도 태양광 또는 초고밀도 태양광을 용융로 또는 증기터빈을 이용하는 태양광 발전에 활용할 수 있으며, 지하 또는 실내로 태양광을 송 광함으로써 실내 조경, 조명, 난방, 또는 조리에 활용할 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 관해 상세히 설명하기에 앞서, 본 발명의 기술적 요지와 직접적 관련이 없는 구성에 대하여는 본 발명의 기술적 요지를 흩뜨리지 않는 범위 내에서 생략하였음을 유의하여야 할 것이다.
또한, 본 명세서에 사용된 용어 또는 단어는 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어 또는 단어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 할 것이다.
접시형 또는 포물면형 반사경을 이용하여 고밀도 태양광을 형성하며 형성한 고밀도 태양광을 원거리의 태양광 응용 시스템까지 효율 저하를 최소화하면서 송광함으로써 다양한 태양광 또는 태양열 에너지원으로 활용할 수 있는 태양광 집광 모듈 및 태양광 송광 장치가 개시된다.
구체적으로, 초점을 명확하게 형성할 수 있는 상광학적 원리에 기초하여 태양광의 광(光) 및 열(烈)을 동시에 집광하는 태양광 집광 모듈과, 그러한 태양광 집광 모듈이 집광한 고밀도 태양광 또는 다수의 고밀도 태양광을 집적한 초고밀도 태양광을 송광하는 태양광 송광 장치가 개시된다.
<제1실시예>
이하, 본 발명의 제1실시예에 따른 태양광 집광 모듈에 관하여 설명한다.
본 발명의 제1실시예에 따른 태양광 집광 모듈은, 집광부(01), 회전부(02), 송광부(03) 및 고정지지대(10)를 포함한다.
상기 집광부(01)는 입사하는 태양광을 집광하며, 제1집광수단, 제2집광수단, 개구부(13) 및 고정수단(19)을 포함한다.
이하, 상기 제1집광수단 및 제2집광수단을 포물면 반사경으로 설정하여 각각 포물면 주반사경(parabola primary mirror, 11) 및 포물면 부반사경(parabola secondary mirror, 12)으로 설명하나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
입사하는 태양광은 무한 점광원으로부터 발광하는 평행광선들의 집합으로 가정할 수 있으며, 상기 포물면 주반사경(11) 내측의 임의의 위치로 입사하는 제1태양광선(04)은 상기 포물면 주반사경(11)의 내측에서 반사된 후 상기 포물면 주반사경(11)의 초점(F)으로 진행하여 수렴한다.
이하, 제1실시예에 있어서, 태양광이 집광되는 광학적 원리에 관하여 설명한다.
도 4를 참조하면, 모든 태양광선이 평행하게 조사(照射)하지 않으며 포물면에 대해 대략 θ=0.0093 라디안(radian)의 각도로 조사한다. 도 4의
Figure 112009012385675-pat00002
(rim 각, 포물면 초점 F의 연장선 및 포물면 축부터 포물면이 잘려나간 가장자리까지의 초점 연장선 사이의 각도)이 태양광에 대해 정렬되는 경우, 태양광은 초점의 중심에서 원형의 상을 형성한다.
형성되는 상의 지름 d는 다음의 [수학식 1]과 같다.
Figure 112009012385675-pat00003
태양광에 대해 평행하게 정렬되는 경우, 복사에너지 강도는 균일하며 최대이다. 그 과열점(Hot spot)에서의 이론 집광비 C는 일사량에 대한 과열점에서의 복사에너지 강도의 비를 통해 결정되며 다음의 [수학식 2]와 같다.
Figure 112009012385675-pat00004
더욱 상세한 집광비 결정 방법 등에 관해서는 다음의 문헌들을 참조할 수 있다.
[문헌 3] 수소에너지(21C 수소에너지 개발 사업단) p 137-p 148
[문헌 4] 설비저널(대한설비공학회 2006.제33권 제10호) p 34-p 44
한편, 상기 포물면 주반사경(11)의 초점(F)은 상기 포물면 주반사경(11) 내 측 표면으로부터 일정 거리 이격된 위치에 형성된다.
상기 포물면 부반사경(12) 및 포물면 주반사경(11)은 초점(F) 및 중심축(100)을 공유한다.
상기 포물면 주반사경(11)의 초점(F) 위치로 수렴하는 제1태양광선(04)은 상기 포물면 부반사경(12)에 의해 재(再)반사된 후 평행한 재반사 경로를 따라 제2태양광선(05)을 형성하며, 형성된 제2태양광선(05)은 상기 포물면 주반사경(11)의 내측 중심 방향으로 진행한다.
제1실시예에서, 상기 포물면 부반사경(12)의 오목한 내측이 상기 포물면 주반사경(11)을 향하고 있으나, 상기 포물면 부반사경(12)의 볼록한 외측이 상기 포물면 주반사경(11)을 향하도록 설정하여도 무관하다.
상기 포물면 주반사경(11)의 중심에는 소정의 반경을 가지는 개구부(13)가 상기 포물면 주반사경(11)을 두께 방향으로 관통하여 형성된다.
상기 개구부(13)의 외측 끝단에는 상기 송광부(03)가 결합되어 있으므로, 상기 포물면 주반사경(11)의 내측 중심 방향으로 진행하는 제2태양광선(05)은 상기 개구부(13)를 통과하여 상기 송광부(03)로 입사한다.
상기 고정수단(19)은 상기 포물면 주반사경(11) 및 포물면 부반사경(12)을 연결하여 결합함으로써 상기 포물면 부반사경(12)을 고정 지지한다. 상기 고정수단(19)은 상기 포물면 주반사경(11) 외주면 상의 임의의 지점과 포물면 부반사경(12)을 연결 결합하는 다수 개의 결합수단과, 상기 포물면 부반사경(12)으로부터 상기 포물면 주반사경(11)의 중심축(100)과 평행하게 형성된 다수 개의 결합수단으 로 구성된다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 상술한 바와 같은 집광부(01)의 구성에 의해, 제1태양광선(04)들은 상기 포물면 주반사경(11)의 중심축(100)과 평행으로 입사하여 상기 포물면 주반사경(11)의 내측에서 반사한다. 반사한 제1태양광선(04)들은 초점(F)에서 점광원을 형성한다.
초점(F)를 경유하여 방사하는 제1태양광선(04)들은 상기 포물면 부반사경(12)에 입사하여 재반사함으로써 고밀도 태양광을 형성하고, 형성된 고밀도 태양광은 상기 포물면 주반사경(11)의 중심축(100)과 평행한 광로를 따라 상기 송광부(03)로 입사한다.
상기 포물면 부반사경(12)은 장시간 상기 제1태양광선(04) 또는 제2태양광선(05)에 노출될 수 있으므로, 상기 포물면 부반사경(12)의 상단에는 방열판(15)을 형성한다.
이때, 상기 포물면 부반사경(12)에서 재반사하는 고밀도 태양광의 진행 경로는 상기 포물면 주반사경(11)의 중심축(100)과 평행하지 않은 다른 경로로 설정할 수도 있다.
또한, 도 4에 도시한 바와 같이, 상기 포물면 주반사경(11)의 내측으로 입사하는 태양광선들이 상기 포물면 주반사경(11)의 중심축(100)과 평행하지 않은 경우, 그러한 비평행 태양광들의 초점(J, K)들을 경유하는 태양광들까지 재반사할 수 있도록 상기 포물면 부반사경(12)이 위치한다면 집광 효율이 극대화된다.
아울러, 상기 포물면 부반사경(12)이 초점(F)에 근접하여 위치할수록 고밀도 태양광의 광 밀도는 증가한다.
또한, 상기 회전부(02)는 상기 집광부(01) 및 고정지지대(10) 사이에 형성되어 상기 집광부(01)를 지지하며 태양광의 입사 각도 변화에 따라 상기 집광부(01)를 회전시키는 기능을 수행하고, 2개의 회전체와, 지지대(06) 및 동력부(21, 22)를 포함한다.
상기 2개의 회전체는 수평 회전체(23) 및 수직 회전체(24)로 구성된다.
상기 수평 회전체(23)는 수평축(200, 201)을 따라 회전하며, 상기 수직 회전체(24)는 수직축(300)을 따라 회전한다. 상기 수평축(200, 201)과 수직축(300)은 서로 직교한다.
상기 수평 회전체(23)는 지반과 평행한 수평축(200, 201)을 따라 회전구동하며, 이에 의해 상기 집광부(01)도 지반과 평행한 수평축(200, 201)을 따라 회전구동할 수 있다.
상기 수평 회전체(23) 및 수직 회전체(24)는 각각 또는 동시에 제1태양광선(04)의 입사 각도를 추적하여 상기 집광부(01)를 회전시킴으로써 상기 집광부(01) 내측이 항상 제1태양광선(04)의 입사 방향을 향하도록 한다.
상기 수직 회전체(24)는 상기 수평 회전체(23) 및 고정지지대(10)를 서로 연결하여 결합하되, 기어(16, 25)를 사용하여 결합한다. 상기 수직 회전체(24)는 지반에 수직한 수직축(300)을 따라 회전구동하며, 이에 의해 상기 집광부(01)도 지반에 수직한 수직축(300)을 따라 회전구동할 수 있다.
상기 지지대(06)는 상기 포물면 주반사경(11) 및 수평 회전체(23)를 서로 연결하여 베어링 결합한다.
상기 동력부(21, 22)는 상기 수직 회전체(24)의 일 측면에 기어(16, 25)에 의해 결합 형성되어 상기 수평 회전체(23) 및 수직 회전체(24)의 회전 동력을 공급한다. 상기 동력부(21, 22)는 수평축 구동장치(21) 및 수직축 구동장치(22)로 구성된다.
물론, 상기 동력부(21, 22)가 기어(16, 25) 이외에도 유압식 쇼버 또는 타이밍 벨트를 통해 회전 동력을 공급하도록 할 수도 있다.
상기 수평축(200, 201)은 상기 포물면 주반사경(11)의 중심축(100)과 교차하며, 동시에 상기 수직축(300)과 교차한다.
또한, 상기 송광부(03)는 상기 회전부(02)에 결합 형성되어 상기 제2태양광선(05)을 본 발명의 제1실시예에 따른 태양광 집광 모듈의 외부로 전송하며 송광관(送光管, 36) 및 반사경(31, 32, 33, 34, 34a)을 포함한다.
상기 송광관(36)은 상기 제2태양광선(05)을 송광한다.
상기 송광관(36)은 다수 개의 위치에서 직각으로 절곡되며, 일 끝단은 상기 집광부(01)의 개구부(13)의 외측 끝단과 결합하고, 타 끝단은 본 발명의 제1실시예에 따른 태양광 집광 모듈의 외부 장치와 결합한다.
본 발명의 제1실시예에서, 상기 송광관(36)은 직각으로 절곡되는 것으로 설정하였으나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 송광부(03)의 반사경은 제1반사경(31), 제2반사경(32), 제3반사경(33) 및 제4반사경(34, 34a)으로 구성된다.
상기 제1반사경 내지 제4반사경(31, 32, 33, 34, 34a)은 상기 송광관(36)이 직각으로 절곡된 부위에 형성되어 상기 제2태양광선(05)을 직각으로 반사한다. 반사하는 광로(光路)는 상기 송광관(36)의 중심축과 평행이다.
본 발명의 제1실시예에서, 상기 제1반사경 내지 제4반사경(31, 32, 33, 34, 34a)은 상기 제2태양광선(05)을 직각으로 반사하는 것으로 설정하였으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 송광관(36)의 일부 부위는 상기 수평 회전체(23) 또는 수직 회전체(24)와 결합 형성되어 상기 수평 회전체(23) 또는 수직 회전체(24)와 일체로 회전한다. 상기 송광관(36) 일부 부위의 회전축은, 상기 수평 회전체(23) 또는 수직 회전체(24)의 회전축(200, 201, 300)과 동일하다.
상기 송광관(36)은 다수 개의 세부 송광관이 서로 결합되어 형성되므로 상기 수평 회전체(23)와 수직 회전체(24)의 회전 방향이 서로 상이하더라도 영향이 없다.
상기 송광관(36)의 일부 부위가 상기 수평 회전체(23) 또는 수직 회전체(24)와 일체로 회전하는 경우에도, 상기 제2태양광선(05)의 진로에는 영향이 없다. 상기 송광관(36)의 내부를 직진하는 광과 상기 송광관(36)의 회전축이 평행하면, 상기 송광관(36)이 광의 진행 방향과 직각 방향으로 회전하더라도 광은 동일한 방향으로 진행하기 때문이다.
도 7을 참조하면, 상기 수직축(300)이 회전(37)하여 수평축이 200에서 201로 이동하더라도, 또한 상기 수평축(200, 201)이 회전(22)하여 상기 포물면 주반사경(11)의 중심축이 100에서 101로 이동하더라도, 축들이 광로(光路)와 일치하므로 광의 진행 방향과는 무관하다.
상기 제1반사경(31)은 상기 포물면 주반사경(11)의 중심축(100)과 회전부(02)의 수평축(200, 201)과의 교차점에 형성된다.
상기 제2반사경(32)은 상기 수평축(200, 201)과 수직축(300)과 교차점에 형성된다.
상기 제3반사경(33)은 상기 수직축(300)의 타 끝단이 절곡된 부위에 형성된다.
필요에 따라, 상기 제2태양광선(05)이 상기 제3반사경(33)에서 반사한 이후에도, 상기 송광관(36)을 절곡하여 형성하고 절곡된 부위에 다른 제4반사경(34, 34a)을 설치한다.
도 9를 참조하면, 상기 제2태양광선(05)은 세부 송광관(36a)을 통해 입사하여 제4반사경(34)에서 반사하며, 세부 송광관(36b, 37a)를 통해 진행하여 제4반사경(34a)에서 반사하고, 세부 송광관(37b)을 통해 진행하여 마찬가지로 반사한 후, 세부 송광관(38)으로 진입한다.
각각의 세부 송광관들(36a, 36b, 37a, 37b, 38)은 독립적으로 각각의 중심축을 회전축(回轉軸)으로 하여 회전할 수 있다. 예컨대, 세부 송광관(36b)은 자신의 중심축(60)을 회전축으로 하여 회전(65)할 수 있다. 세부 송광관(37b)은 자신의 중 심축(70)을 회전축으로 하여 회전할 수 있다.
각각의 세부 송광관들(36a, 36b, 37a, 37b, 38) 내부를 진행하는 상기 제2태양광선(05)의 광로는 각각의 세부 송광관들(36a, 36b, 37a, 37b, 38)의 회전축과 평행하며 이를 포함한다. 즉, 각각의 제4반사경(34, 34a)의 입사 경로 및 반사 경로는 상기 제2태양광선(05)의 광로와 일치한다.
각각의 세부 송광관들(36a, 36b, 37a, 37b, 38)은 엘보(elbow)로 설정될 수 있으며, 세부 송광관들(36a, 36b)은 하나의 제1엘보로 제작될 수 있고, 세부 송광관들(37a, 37b)은 하나의 제2엘보로 제작될 수 있다. 그러한 경우, 제1엘보 및 제2엘보는 서로 겹쳐지게 결합하며, 원활한 회전을 위하여 결합면에는 윤활체(潤滑體)를 삽입할 수 있다.
도 10을 참조하면, 상기 송광관(36)을 구성하는 세부 송광관들의 결합 각도 또는 방향은 필요에 따라 조절할 수 있다. 도 10의 '가' 또는 '나'의 경우, 세부 송광관들이 결합되는 위치에 형성된 반사경들에 의해 상기 제2태양광선(05)은 광의 손실 없이 요구되는 방향으로 진행한다.
도 10에서, 각각의 세부 송광관들은 도 9에서와 마찬가지로 필요에 따라 엘보로 형성될 수 있다. 다수 개의 세부 송광관들이 결합됨으로써, 유연성, 변위(變位)의 흡수성, 완충력이 배가된다.
아울러, 도 10에서, 일부의 세부 송광관들이 결여되더라도 광로(光路)가 유지된다면 송광 기능은 유지된다. 광로를 보호하기 위한 관(pipe)을 매설할 수 없거나 매설이 불필요하면 반사경만을 설치하여 송광할 수 있다.
그리고, 상기 고정지지대(10)는 상기 회전부(02)의 하부에 형성되어 지반에 고정 결합되며, 상기 집광부(01) 및 회전부(02)의 하중을 지반에 전달함으로써 본 발명의 제1실시예에 따른 태양광 집광 모듈을 고정 지지하는 기능을 수행한다.
이하, 본 발명의 제1실시예에 따른 다수 개의 태양광 집광 모듈에 의해 집광 및 송광된 상기 제2태양광선(05)들을 집적하여 초고밀도 태양광을 획득하는 태양광 송광 장치의 구성에 관하여 설명한다.
도 13을 참조하면, 다수 개의 태양광 집광 모듈 각각의 제1송광관 내지 제3송광관(36-1, 36-2, 36-3) 내부를 진행하는 상기 제2태양광선(05)들은 함체(92)로 입사한다.
상기 함체(92)는 포물면 주반사경(90)으로 설정되며, 상기 포물면 주반사경(90)의 중심축은 상기 제1송광관 내지 제3송광관(36-1, 36-2, 36-3) 또는 상기 함체(92)로 입사하는 상기 제2태양광선(05)의 광로와 수직이다.
상기 함체(92)로 입사하는 상기 제2태양광선(05)은 상기 포물면 주반사경(90)에서 반사하여 초점(F90)으로 수렴하고, 소구경의 포물면 부반사경(91)에서 재반사하여 상기 함체(92)로 입사하는 상기 제2태양광선(05)의 광로와 평행한 광로를 따라 초고밀도 송광관(93) 내부로 진행한다.
상기 포물면 주반사경(90) 및 포물면 부반사경(91)은 초점(F90)을 공유하며, 상기 포물면 부반사경(91)은 상기 포물면 주반사경(90)보다 소구경으로 초점(F90) 의 근거리에 형성한다.
상기 초고밀도 송광관(93) 내부의 태양광선은 초고밀도광(105)으로서, 상기 제2태양광선(05)들이 집적되어 단면적이 최소화됨에 따라 초고밀도화된다.
<제2실시예>
제1실시예에 있어서, 상기 송광부(36)에 상기 제1반사경 내지 제4반사경(31, 32, 33, 34)을 형성하는 대신, 상기 송광부(36)로서 광섬유를 채택하거나, 상기 송광부(36)의 내측에 고광택의 반사체를 형성한다.
<제3실시예>
제1실시예에 있어서, 상기 포물면 부반사경(12) 대신 오목형 반사경(concave mirror)을 형성한다. 상기 오목형 반사경의 장초점 위치를 경유하는 광섬유를 형성하거나 내부에 고광택의 반사체를 형성한 관(pipe)을 결합하여 비평행 태양광까지 용이하게 송광한다.
<제4실시예>
도 12를 참조하여, 제1실시예에 있어서, 상기 집광부(01)의 개구부(13)에 렌즈 조절부(85)를 삽착한다.
상기 렌즈 조절부(85)는, 제2태양광선(05)을 입사하여 수렴시키는 볼록렌즈(80), 상기 볼록렌즈(80)를 실장하는 렌즈 케이스(81), 수렴하는 제2태양광선(05)을 입사하여 제1반사경(31)으로 진행시키는 오목렌즈(83), 상기 렌즈 케이스(81) 내부에 형성되어 상기 오목렌즈(83)를 실장하는 오목렌즈 케이스(82)로 구성된다.
즉, 상기 개구부(13)와 제1반사경(31) 사이에서, 개구부(13)를 통과한 제2태양광선(05)은 먼저 볼록렌즈(80)로 입사되며, 볼록렌즈(80)를 통과한 제2태양광선(05)은 오목렌즈(83)로 입사되고, 오목렌즈(83)를 통과한 제2태양광선(05)은 최종적으로 제1반사경(31)으로 진행한다.
태양광은 무한한 에너지원으로서, 고집적화가 용이하며 집적도의 증가에 따라 초고온을 용이하게 획득할 수 있는 특성이 있다. 또한, 태양광 또는 태양광이 변환된 태양열을 직접 에너지원으로 사용할 수 있는 특성이 있다.
본 발명에 따르면, 태양광 또는 태양열의 산업화 가능성을 극대화하기 위해, 상광학적(像光學的) 및 비상광학적(非像光學的) 방법을 사용하여 태양광 자체를 고집적화하고, 고집적화한 다수의 태양광을 결합하여 초고집적화한 태양광을 원거리의 태양광 응용 시스템으로 자유롭게 송광할 수 있다.
이에 따라, 송광한 초고밀도 태양광을 조명, 난방, 초고온 설비 등의 다양한 에너지원으로 용이하게 활용할 수 있다. 초고밀도 태양광을 초고온 설비에 활용하는 경우, 종래에는 불가능했던 3000K 이상의 초고온을 구현할 수 있으므로 산업상 이용가능성이 극대화된다.
또한, 태양광 에너지는 종래의 화력 또는 원자력 등의 에너지를 대체하는 무한 에너지원으로서 각광받고 있는바, 주간에는 본 발명을 용융로 또는 증기터빈을 이용하는 태양광 발전에 활용할 수 있다. 아울러, 지하 또는 실내로 태양광을 송광함으로써 실내 조경, 조명, 난방, 또는 조리에 활용할 수 있다.
무엇보다도, 본 발명에 따르면 원거리 송광이 가능하므로, 전지구적인 송광로를 가설하면 지구의 반대편에 광속으로 태양광을 송광함으로써 24시간 내내 태양광을 활용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 태양광 집광 모듈에 관한 사시도
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 집광부의 종단면도
도 3은 도 2의 A 부분에 관한 확대도
도 4는 태양광선의 입사 및 반사 원리에 관한 개략도
도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 태양광 집광 모듈의 종단면도
도 6은 본 발명의 제1실시예에 따른 포물면 부반사경에 관한 상세도
도 7은 본 발명의 제1실시예에 따른 회전부의 작동도
도 8은 본 발명의 제1실시예에 따른 고밀도 태양광선의 진행 경로에 관한 개략도
도 9는 본 발명의 제1실시예에 따른 송광관의 부분 종단면도
도 10은 본 발명의 제1실시예에 따른 송광관의 부분 동작도
도 11은 본 발명의 제4실시예에 따른 조절 렌즈부가 형성된 포물면 주반사경의 종단면도
도 12는 본 발명의 제4실시예에 따른 조절 렌즈부의 확대 단면도
도 13은 본 발명의 제1실시예에 따른 태양광 송광 장치에 관한 사시도
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
01 --- 집광부 02 --- 회전부
03 --- 송광부 04 --- 제1태양광선
05 --- 제2태양광선 06 --- 지지대
10 --- 고정지지대 11 --- 포물면 주반사경
12 --- 포물면 부반사경 13 --- 개구부
15 --- 방열판 16,25 --- 기어
21 --- 수평축 구동장치 22 --- 수직축 구동장치
23 --- 수평 회전체 24 --- 수직 회전체
31 --- 제1반사경 32 --- 제2반사경
33 --- 제3반사경 34, 34a --- 제4반사경
36 --- 송광관 36a,36b,37a,37b,38 --- 세부 송광관
60, 70 --- 세부 송광관 회전축 80 --- 볼록렌즈
81 --- 렌즈 케이스 82 --- 오목렌즈 케이스
83 --- 오목렌즈 100, 101 --- 포물면 주반사경 중심축
200, 201 --- 수평축 300 --- 수직축
F, F90 --- 포물면 주반사경 초점
36-1, 36-2, 36-3 --- 태양광 송광 장치 송광관
90 --- 태양광 송광 장치 포물면 주반사경
91 -- 태양광 송 광장치 포물면 부반사경
92 --- 함체 93 --- 초고밀도 송광관
105 --- 초고밀도광

Claims (28)

  1. 태양광 집광 모듈에 있어서,
    입사하는 제1태양광선(04)을 반사하여 반사한 제1태양광선(04)이 제1초점으로 진행하도록 하는 포물면 주반사경(11);
    상기 제1초점으로 진행하는 제1태양광선(04)을 재반사하여 재반사한 제2태양광선(05)이 상기 포물면 주반사경(11) 방향으로 진행하도록 하는 포물면 부반사경(12);
    상기 포물면 주반사경(11)의 두께 방향으로 관통 형성되어 상기 재반사한 제2태양광선(05)이 상기 포물면 주반사경(11)을 관통하여 진행하도록 하는 개구부(13); 및
    상기 개구부(13)를 관통한 제2태양광선(05)을 외부로 송광하는 송광관(36)을 포함하되,
    상기 송광관(36)은 그 내측에 반사체를 구비한 하나 이상의 세부 송광관이 소정의 결합 각도에 따라 서로 결합되어 구성되며 상기 제2태양광선(05)을 반사하는 하나 이상의 반사경(31, 32, 33, 34)을 포함하고, 임의의 세부 송광관은 각각의 중심축을 회전축으로 하여 타 세부 송광관의 중심축과는 독립적으로 회전하는 기능을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 집광 모듈.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 포물면 주반사경(11) 및 포물면 부반사경(12)을 서로 연결 결합하여 상기 포물면 부반사경(12)을 지지하는 고정수단(19)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 집광 모듈.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 포물면 주반사경(11) 및 포물면 부반사경(12)의 중심축은 서로 일치하는 것을 특징으로 하는 태양광 집광 모듈.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 포물면 주반사경(11)과 대향하는 상기 포물면 부반사경(12)의 면은 오목 면 또는 볼록 면인 것을 특징으로 하는 태양광 집광 모듈.
  8. 삭제
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  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 제1항에 있어서,
    상기 세부 송광관은 엘보(elbow)인 것을 특징으로 하는 태양광 집광 모듈.
  16. 삭제
  17. 제1항에 있어서,
    상기 포물면 주반사경(11)과 결합 형성되어 상기 입사하는 제1태양광선(04)의 입사 각도 변화에 따라 상기 포물면 주반사경(11)을 회전시키는 회전부(02)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 집광 모듈.
  18. 삭제
  19. 삭제
  20. 삭제
  21. 삭제
  22. 제1항에 있어서,
    상기 포물면 주반사경(11) 또는 송광관(36)에 고정 결합되어 상기 포물면 주반사경(11) 또는 송광관(36)을 지지하는 고정지지대(10)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 집광 모듈.
  23. 제1항에 있어서,
    상기 송광관(36)은 광섬유 또는 내측에 반사체를 형성한 관(pipe)이며, 상기 광섬유 또는 관의 일 끝단은 상기 개구부(13)의 일 끝단과 결합하는 것을 특징으로 하는 태양광 집광 모듈.
  24. 제1항에 있어서,
    상기 개구부(13)는,
    상기 제2태양광선(05)을 입사하여 수렴시키는 볼록렌즈(80);
    상기 볼록렌즈(80)를 실장하는 렌즈 케이스(81);
    수렴하는 제2태양광선(05)을 입사하여 상기 송광부(03)로 진행시키는 오목렌즈(83); 및
    상기 렌즈 케이스(81) 내부에 형성되어 상기 오목렌즈(83)를 실장하는 오목렌즈 케이스(82);를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 집광 모듈.
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