KR101046859B1 - 포물면형 태양광 집광장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 태양광 집광장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 포물면형 반사경에 반사되는 빛의 광학적 특성을 통해 태양광의 집광 및 반사율을 극대화시켜 조명효율을 배가시킬 수 있도록 한 포물면형 태양광 집광장치에 관한 것이다.

이를 위해, 포물선 형상의 반사경을 통해 집광된 직사광선 및 산란광선을 광출구로 집광시키는 태양광 집광광장치에 있어서, 내주면이 포물선의 형상을 갖는 투명한 원뿔 형상으로 형성하고, 그 내주면 중 일측 절반에 반사필름을 증착 형성한 제1돔형반사경과; 내주면이 포물선의 형상을 갖는 반원뿔 형상으로 형성하고, 그 내주면에 반사필름을 증착 형성하여 제1돔형반사경으로부터 반사되는 빛의 초점 위치에 설치한 제2돔형반사경과; 내주면에 반사필름을 증착 형성하여 제1돔형반사경 중앙 하단에 설치한 광이송튜브를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기한 구성에 따라, 제1돔형반사경과 제2돔형반사경을 통한 두 차례의 고밀도 집광 및 반사작용을 통해 집광비를 상승시키므로, 태양광 집광효율을 향상시켜 조명 효율을 배가시킬 수 있는 효과가 있다.

태양광, 돔형, 포물면, 반사필름, 은증착.

Description

포물면형 태양광 집광장치{Paraboloid type apparatus for concentrating solar light}

본 발명은 태양광 집광장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 포물면형 반사경에 반사되는 빛의 광학적 특성을 통해 태양광의 집광 및 반사율을 극대화시켜 조명효율을 배가시킬 수 있도록 한 포물면형 태양광 집광장치에 관한 것이다.

일반적으로, 인공광을 이용한 조명기구는 그 사용목적에 따라 백열등기구, 형광등기구, 스탠드, 도로등 등으로 구분이 된다. 이러한 조명기구는 과거 수세기동안 끊임없는 연구 개발을 통해 에너지 효율과 빛의 질을 개선하여 현재에는 각급 산업시설과 일반 가정에 보편적으로 적용되고 있는 실정에 있다.

그러나, 이와 같은 혁신적인 발전에도 불구하고 인공광은 근본적으로 자연광에 비해 빛의 자연스러움과 효율이 떨어진다는 점, 그리고 인공광 사용을 위해서는 불가피하게 고가의 전력 소비가 수반되어야 한다는 점 등 여러 가지 단점이 있어, 근래에 이르러서는 전 세계적으로 인공광을 대체하기 위한 태양광 개발에 박차를 가하고 있다.

이와 같은 태양광은 무공해성과 무한성으로 인하여 차세대 대체에너지로 가 장 유망하게 선호되고 있으며, 태양전지를 이용한 전력생산 이 외에도 태양광의 열원을 이용한 온수의 제공과 함께 각종 병균을 살균하는 용도 등으로 폭넓게 연구됨은 물론, 태양광의 상용화가 빠른 속도로 진행중에 있다.

더욱이, 근래에 이르러 전기에너지의 사용량이 갈수록 증가하는 추세에 있고, 특히 전기에너지 중 조명에너지로 활용되는 에너지 소비가 매우 큰 비중을 차지하고 있는 바, 태양광의 실내 유입을 통해 전체 에너지 사용량의 20~30%를 줄일 수 있는 것으로 보고되고 있다.

뿐만 아니라, 창문이 없는 공간이나 지하공간과 같이 근본적으로 태양광의 전달이 어려운 곳에 태양광을 유입할 수 있게 되면, 어두운 공간에 활력을 불어 넣어 동적인 공간을 창출할 수 있고, 실내외의 공간을 연계시켜 풍요롭고 자연친화적인 환경조성을 가능하게 하며, 안정적인 생체리듬(biological rhythm)을 제공하여 생산성 향상에도 기여하게 된다.

한편, 태양광을 한 곳으로 집광하여 전력을 생산하거나 열 에너지를 얻기 위한 태양광 집광장치의 경우에는 집광량 및 집광비에 따라 제품의 실용화와 함께 제품의 경제성 유무가 결정되고 있다.

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.

여기서, 상기 광원이용수단으로는 광덕트(300), 인볼류트형 반사체를 갖는 집열관, 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 부족하여, 집광된 빛을 사용하고자 하는 장소와 집광판의 거리가 멀리 떨어진 경우에는 집광된 빛을 원활하게 사용하기가 어려운 폐단이 있었다.

도 2는 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 대한민국 특허 제600934호로 개시된 종래의 "태양광 집광장치"에 대한 것으로, 설명하면 광출구(240) 측에 원뿔 형상의 집광기(400)를 설치하고, 상기 집광기(400) 상, 하부에 복수의 집광렌즈(450)를 설치하며, 집광된 빛을 외부로 이송시킬 수 있게 상기 집광기(400) 하단에 광케이블(500)을 설치하고, 상기 집광기(400)와 고정된 상향집광판(220) 및 전향집광판(210)을 태양의 궤도에 따라 소정각도만큼 선회시킬 수 있도록 집광기(400) 하부에 집광판선회수단을 설치한다.

즉, 집광기 내부에 구비된 집광렌즈를 통해 태양광을 집광한 후, 광케이블을 통해 집광된 빛을 제공함으로써, 집광판과 멀리 떨어진 장소에도 원활하게 조명을 밝힐 수 있고, 또한 집광판의 선회 작동을 통해 집광장치의 집광효율을 높일 수 있는 것이다.

그러나, 상기한 종래의 태양광 집광장치는 넓은 수광 유리면에 먼지 등의 광투과 저해 물질들이 쌓이게 되어 채광효율을 크게 저하시키고, 이로 인해 설치 후 유지 관리 또한 어려운 문제가 있었다.

또한, 종래의 태양광 집광장치는 주로 공공의 대형지하공간용으로 제작 및 설치됨으로써 그 가격이 높아 대중적으로 보급되기에는 한계가 있었고, 또한 설치된 제품 디자인이 시각적으로 세련되지 못하고 대중에게 호감을 주지 못하여 도심의 미관 향상에 저해 요소가 되는 문제도 있었다.

도 3과 도 4는 태양광을 이용한 집광장치의 또 다른 종래 기술로 대한민국 특허 등록번호 제0451048호로 개시된 "태양추적 반사거울방식 자연채광장치"에 대한 것으로, 크게 채광부(1)와, 전송부(2)와, 조사부(3)로 구성된다.

설명하면, 채광부(1)는 전체 외부를 투명 돔(11) 형태로 구성한 것으로, 삼각 지지대(14)에 의해 상기 돔(11) 내부 중앙에 1차 반사판(13)을 설치하고, 1차 반사판(13)을 구동시켜 태양을 추적할 수 있도록 구동부(12)를 설치하며, 상기 돔(11) 내부의 공기온도 상승 및 습기 방지를 위하여 구동부(12) 및 삼각 지지대(14)를 이용한 환기팬(15)을 설치하고, 투명 돔(11) 외부에 위치하여 자동세척장치 지지대(18)에 자동세척장치(17)를 설치하며, 실외에 우수의 배출장치(20)를 설치하고, 상기 각 장치를 건물에 설치하기 위한 채광부 설치대(16)가 설치 구성된다.

그리고, 전송부(2)는 상기 채광부(1)의 1차 반사판(13)에서 반사된 태양광을 원하는 실내에 확산하기 위해 다양한 형태의 반사곡면이 자동조절될 수 있도록 2차 반사판(21)을 설치하고, 상기 반사판(21)을 고정 설치할 수 있도록 2차 반사판설치대(22)를 설치한다. 또한, 조사부(3)는 상기 전송부(2)로부터 빛을 전송받는 인공 광(조명장치)의 조도를 조절하도록 실내에 자동조도조절장치(26)를 설치하여 구성된다.

그러나, 상기한 종래의 자연채광장치는 돔 내부에 설치된 1차 반사판이 빛의 집광과 반사작용에 최적의 광학원리인 포물선형 반사광을 채용하지 않으므로, 빛의 반사와 집광이 원활하게 이루어지지 않아 큰 조명 효율을 기대할 수 없는 치명적인 단점이 있었고, 또한 1차반사판과 2차반사판이 서로 멀리 떨어져 설치됨으로써, 빛의 반사효율을 크게 저하시키는 문제도 있었다.

본 발명은 전술한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 포물면형 반사경에 반사되는 빛의 광학적 특성을 통해 태양광의 집광 및 반사율을 극대화시켜 조명효율을 향상시킬 수 있도록 한 포물면형 태양광 집광장치를 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 포물선 형상의 반사경을 통해 집광된 직사광선 및 산란광선을 광출구로 집광시키는 태양광 집광광장치에 있어서, 내주면이 포물선의 형상을 갖는 투명한 원뿔 형상으로 형성하고, 그 내주면 중 일측 절반에 반사필름을 증착 형성한 제1돔형반사경과; 내주면이 포물선의 형상을 갖는 반원뿔 형상으로 형성하고, 그 내주면에 반사필름을 증착 형성하여 제1돔형반사경으로부터 반사되는 빛의 초점 위치에 설치한 제2돔형반사경과; 내주면에 반사필름을 증착 형성하여 상기 제1돔형반사경 중앙 하단에 설치한 광이송튜브;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 반사필름은 은증착을 통해 형성한다.

그리고, 상기 1돔형반사경과 제2돔형반사경은 강화유리와 폴리카보네이트 중 어느 하나로 형성한다.

상기한 과제 해결수단을 통해 본 발명은, 제1돔형반사경과 제2돔형반사경을 통한 두 차례의 고밀도 집광 및 반사작용을 통해 집광비를 상승시킬 수 있어 태양광 집광효율을 극대화시킬 수 있고, 이로 인해 조명 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

더욱이, 복합조명장치를 통해 전기조명과 광조명을 혼용하여 사용함으로써, 에너지 절감을 통해 전력소비량을 줄일 수 있는 효과도 있다.

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

도 5 내지 도 7은 본 발명의 포물면형 태양광 집광장치에 대한 것으로, 크게 제1돔형반사경(10)과, 제2돔형반사경(20)과, 광이송튜브(30)로 구성된다.

도 5와 도 6을 통해 구체적으로 설명하면, 제1돔형반사경(10)은 태양광의 직사광선 및 산란광선을 1차적으로 집광 및 반사하는 역할을 하는 것으로, 빛을 장거리에 집중 반사시킬 수 있도록 내주면 단면이 포물선의 형상을 갖도록 형성하고, 상면이 평평하게 형성된 원뿔 형상으로 형성한다.

그리고, 상기 제1돔형반사경(10)은 빛을 투과시키면서도 강풍에도 견딜 수 있는 강한 강도의 투명한 강화유리나 폴리카보네이트 재질로 형성하게 되는데, 상면은 투명한 상기 재질로 덮고, 하면은 개방되게 형성한다.

또한, 상기 제1돔형반사경(10) 내주면 중 일측 절반에 해당하는 반원뿔 내주면에는 태양광의 반사가 가능하도록 반사필름(11)을 증착 형성한다. 여기서, 상기 반사필름(11)은 반사율이 약 98%에 이르는 은증착 재료를 통해 증착하는 것이 적절 하다.

부가적으로 설명하면, 본 발명에 사용되는 제1돔형반사경(10)은 상단의 지름을 200㎜로 형성하고, 하단의 지름을 400㎜로 형성하며, 외륜각(rim angle)을 43.2°가 되게 형성한 것을 사용하게 된다.

제2돔형반사경(20)은 제1돔형반사경(10)을 통해 반사된 빛을 2차적으로 집광 및 반사하는 역할을 하는 것으로, 내주면 단면이 포물선의 형상을 갖도록 형성하고, 상면과 하면이 개방된 반원뿔 형상으로 형성한다.

이러한, 상기 제2돔형반사경(20)은 제1돔형반사경(10)으로부터 반사되는 빛의 초점(F) 위치에 설치해야 하는 구조 특성으로 인해, 상기 제2돔형반사경(20)은 제1돔형반사경(10)의 반사필름(11)이 형성되지 않은 제1돔형반사경(10) 내부 위치에 설치하게 되는데, 이때 제1돔형반사경(10)의 반사필름(11)은 제2돔형반사경(20) 내주면에 증착된 반사필름(21)과 서로 마주하게 설치한다.

즉, 도 6을 통해 부가하여 설명하면, C는 제1돔형반사경(10)의 정점이고, F는 제1돔형반사경(10)의 초점인 동시에 제2돔형반사경(20)의 정점이기도 함으로써, 제2돔형반사경(20)을 F 위치에 설치하게 되는 것이다. 본 발명에는 제1돔형반사경(10)과 제2돔형반사경(20)의 크기를 감안할 때에 CF간의 거리가 320㎜가 되는 것이 적절하고, 제2돔형반사경(20)의 외륜각 역시 제1돔형반사경(10)과 같이 43.2°가 되게 형성한다.

그리고, 상기 제2돔형반사경(20) 역시 제1돔형반사경(10)과 같이 투명한 강화유리나 폴리카보네이트 재질로 형성할 수 있다. 이처럼 형성된 상기 제2돔형반사 경(20) 내주면 중 상부 절반 가량에는 제1돔형반사경(10)으로부터 반사되는 빛의 재반사가 가능하도록 반사필름(21)을 증착 형성한다. 여기서, 상기 반사필름(21)은 반사율이 약 98%에 이르는 은증착 재료를 통해 증착하는 것이 적절하다. 또한, 상기 제2돔형반사경(20)과 제1돔형반사경(10)은 서로 일체로 형성하여 설치할 수 있으나, 경우에 따라 서로 분리 형성하여 각각 설치가 가능하다.

광이송튜브(30)는 제2돔형반사경(20)으로부터 반사되는 빛과 직사광선 및 산란광선을 집광 이송하는 역할을 하는 것으로, 제1돔형반사경(20) 중앙 하단에 설치한다. 이러한, 광이송튜브(30)는 제2돔형반사경(20)이 내부에 위치되게 설치함으로써, 제2돔형반사경(20)으로부터 반사된 빛이 재반사되어 광이송튜브(30) 내측의 초점(P)에 집광되고, 이처럼 집광된 빛은 광이송튜브(30)를 통해 하부로 이송된다. 본 발명에 사용되는 광이송튜브(30)는 지름이 300㎜의 것이 사용될 수 있다.

또한, 상기 광이송튜브(30) 내측에는 빛의 반사가 가능하도록 반사필름(31)을 증착 형성한다. 여기서, 상기 반사필름(31)은 반사율이 약 98%에 이르는 은증착 재료를 통해 증착하는 것이 적절하다.

그리고, 광이송튜브(30) 단부에 설치된 건물 내부에는 광이송튜브(30)와 연결하여 조명기구(40)를 설치한다. 이때, 상기 조명기구로는 광조명과 전기조명을 함께 사용할 수 있는 복합조명기구를 설치할 수 있다. 즉, 백열등이나 형광등과 같은 전기조명을 복합조명기구 양측에 설치하고, 복합조명기구 중앙에는 태양광을 통해 조명시킬 수 있는 광조명을 설치할 수 있는 것이다.

도 7은 본 발명에 의한 포물면형 태양광 집광장치의 다른 실시예를 도시한 것으로, 제1돔형반사경(10)의 내주면 단면을 포물선 형상으로 형성하되, 반사필름(11)이 증착 형성되는 내주면 일측 절반을 제1돔형반사경(10)의 내측으로 돌출되게 형성한다. 그리고, 제1돔형반사경(10)의 정점(C)이 변경됨에 따라 초점(F)이 변경됨으로써, 제2돔형반사경(20)을 광이송튜브(30) 상단 내측 즉, 제1돔형반사경(10)의 하단 경계면 위치에 설치하게 된다.

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

본 발명의 태양광 전환 채광장치를 이용하여 건물 내부 또는 원하는 장소에 조명를 밝히기 위해서는 먼저, 제1돔형반사경(10)에 증착 형성된 반사필름(11)을 통해 태양광의 직사광선과 산란광선을 1차적으로 집광한다. 이 후, 제1돔형반사경(10)을 통해 집광된 빛은 다시 반사가 되어 제2돔형반사경(20)에 고밀도로 집광된 후, 제2돔형반사경(20)에 증착 형성된 반사필름(21)을 통해 광이송튜브(30)로 재반사가 된다.

이처럼, 광이송튜브(30)에 고밀도로 집광된 빛은 내주면에 증착 형성된 반사필름(31)을 통해 건물 내부에 설치된 조명기구(40)나 조명이 필요한 장소에 공급되어 빛을 밝히는 조명으로 사용할 수 있게 된다. 여기서, 상기 조명기구(40)로 복합조명기구를 사용하는 경우에는 전기조명과 광조명을 혼용하여 사용할 수 있으므로, 태양광의 집광율이 높고 광 조도가 높은 경우에는 광조명만을 사용하고, 태양광의 조도가 낮은 경우에는 광조명과 함께 전기조명을 함께 사용할 수 있게 된다.

이와 같이 설치되는 본 발명의 집광장치는 광이송튜브(30)를 통하여 약 8m 깊이까지 조명을 비출 수 있게 되는데, 일례로 건물천정의 높이가 약 2.4m이고, 광이송튜브(30)의 길이가 약 1.8m가 되는 총 4.2m 깊이에서는 약 22㎡의 내부 공간에 조명을 공급할 수 있으며, 광이송튜브(30)의 지름을 550㎜로 크게 하는 경우에는 약 12m 깊이까지 내부를 조명을 비출 수 있게 된다.

또한, 광이송튜브(30)의 길이가 8m이고, 외부조도가 97000lux인 경우 실내에는 약 1200lux가 되어 약 1.24%의 광율을 확보할 수 있으며, 아래표와 같은 측정치를 확인할 수 있다.

외부 일사량과 집광비

시간	외부일사량(W/㎡)	집광된 일사량(W/㎡)	집광비
12:00	739.7	4.00×104	54.06
14:00	750.8	4.15×104	55.27
14:30	749.0	5.01×104	66.89
15:00	740.7	4.60×104	62.09
15:30	750.3	4.59×104	61.18
16:00	748.2	4.55×104	60.81

*평균집광비 : 60.05

이와 같이, 본 발명의 포물면형 태양광 집광장치는 제1돔형반사경(10)과 제2돔형반사경(20)을 통한 두 차례의 고밀도 집광 및 반사작용을 통해 집광비를 평균 60까지 상승시킬 수 있어 태양광 집광효율을 극대화시킬 수 있고, 이로 인해 조명 효율을 가일층 향상시킬 수 있는 것이다.

더욱이, 본 발명의 포물면형 태양광 집광장치는 복합조명기구를 통해 전기조명과 광조명을 혼용하여 사용 가능함으로써, 태양광의 집광율 및 조도에 따라 전기조명을 비례적으로 증가 또는 감소시킬 수 있으며, 이로 인해 태양광 조도가 높은 낮 시간에는 에너지 절감이 가능하여 전력소비량을 획기적으로 줄일 수 있게 된다.

뿐만 아니라, 돌발사고나 화재로 인한 단전시 외부에서 안정적으로 조명 에너지를 공급할 수 있으며, 대형이나 고층 건물로 가려진 낮은 건물 등 일조가 취약한 건물의 채광이 가능하여 지상 건물 일조권 보상용 설비로 활용이 가능하고, 지하의 가용 유효 공간을 증대할 수 있게 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.

도 1은 종래 기술에 의한 태양광 집광 시스템을 나타낸 측단면도,

도 2는 다른 종래 기술에 의한 태양광 집광장치의 측단면도,

도 3은 또 다른 종래 기술에 의한 자연채광장치의 전체 구성도,

도 4는 도 3에 도시한 채광부의 상세도,

도 5는 본 발명에 의한 태양광 집광장치의 제1돔형반사경과 제2돔형반사경을 나타낸 사시도,

도 6은 본 발명에 의한 태양광 집광장치의 설치 정단면도,

도 7은 본 발명에 의한 태양광 집광장치의 다른 실시예를 나타낸 설치 정단면도.

*도면 중 주요 부호에 대한 설명*

10 : 제1돔형반사경 11 : 반사필름

20 : 제2돔형반사경 21 : 반사필름

30 : 광이송튜브 31 : 반사필름

40 : 조명기구 C : 정점

F : 초점

Claims (3)

1. 포물선 형상의 반사경을 통해 집광된 직사광선 및 산란광선을 광출구로 집광시키는 태양광 집광광장치에 있어서,

   강화유리와 폴리카보네이트 중 어느 하나로 형성하되, 내주면이 포물선의 형상을 갖는 투명한 원뿔 형상으로 형성하고, 그 내주면 중 일측 절반에 반사필름(11)을 은증착을 통해 형성한 제1돔형반사경(10)과;

   강화유리와 폴리카보네이트 중 어느 하나로 형성하되, 내주면이 포물선의 형상을 갖는 반원뿔 형상으로 형성하고, 그 내주면에 반사필름(21)을 은증착을 통해 형성하여 제1돔형반사경(10)으로부터 반사되는 빛의 초점(F) 위치에 설치한 제2돔형반사경(20)과;

   내주면에 반사필름(31)을 은증착을 통해 형성하여 상기 제1돔형반사경(10) 중앙 하단에 설치한 광이송튜브(30);

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 포물면형 태양광 집광장치.
2. 삭제
3. 삭제

Images