KR101082718B1 - 태양광 추적장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 태양빛을 실내로 들여오는 광도관(1) 장치로서, 자연태양광을 집광하는 방법으로 프레넬렌즈(3)를 이용하는 방법과, 다중 반사경(7)을 이용하는 방법을 제시하고, 이들 프레넬렌즈(3) 및 반사경(7)은 태양을 쫓아 추적하는 시스템을 제공받고 있다. 실내로 보다 많은 양의 빛을 모아 전송하기 위한 효율적인 광도관(1) 장치이다. [도 1, 도 3]

광도관, 태양광, 추적장치, 프레넬렌즈, 반사경

Description

태양광 추적장치 {A SOLAR TRACKING APPARATUS}

지하 주차장, 사무실 및 공장 등에 조명 수준의 자연채광을 하기 위해서는 일 중 태양의 이동궤적에도 불구하고 대량의 태양광이 항상 일정한 위치에 보내어져야 한다. 외부로부터 태양빛을 받아 실내로 유도해 주는 광파이프(sunpipe)를 광도관(light guide pipe)이라하는데, 고정식의 경우 지붕 등에 설치하여 실내 채광을 실시하기도 하나, 일 중 태양 궤도의 영향을 많이 받고, 지붕에 만든 창이므로 채광면적에 제한을 받게 된다. 실내 조명의 특성상 일정한 밝기가 늘 유지되어야 하기 때문에 태양의 궤도를 추적하는 추적 식이 비교적 일정한 태양빛을 채광할 수 있어 광도 관(1)에서 활용하기 유리하다. 추적방식은 광케이블을 통하여 일부 상용화되어 가고 있다.

광도 관(1)은 고정되어 있고 입구로부터 들어오는 빛을 출구로 보내주는 역할을 하고 있다. 입구로부터 빛을 수동적으로 받을 경우 태양의 위치나 입구면적에 의하여 제한적인 채광이 될 수밖에 없다. 광도 관(1)의 입구에서 집광 된 빛을 받을 경우보다 강한 태양빛이 광도 관(1)으로 모여지게 된다. 태양빛의 집광에는 평면 형 프레넬렌즈(3)가 집광하기에 유리하다. 또한, 여러 개의 반사경(7)으로부터 반사된 빛을 한곳으로 보내주는 다중경 반사경(7) 시스템도 적용할 수 있다[도 3]. 태양의 궤적은 정해진 황도를 따라 움직이므로 프로그램이나 센서를 활용하여 이동 궤적을 추적할 수 있다.

광도 관(1)을 이용한 자연채광에 있어서 고정식의 경우 대개 지붕 등에 설치하여 실내 채광을 실시하기도 하나, 일 중 태양 이동궤도의 영향을 많이 받고, 지붕에 만든 창이므로 채광면적에 제한을 받게 된다. 제한된 광도 관(1)의 입구면적에도 불구하고 보다 많은 빛을 광도 관(1)으로 보내기 위해서는 입구에 들어오는 빛의 집광의 방법이 필요하다. 또한, 효율적인 집광을 위해서는 일 중 태양의 이동을 추적하는 시스템이 필요하다.

본 발명에서 집광방식으로 프레넬렌즈(3)를 사용하는 경우와 다중 반사경(7)을 사용하는 경우로 나누어져 있다. 먼저, 프레넬렌즈(3)를 사용하는 경우는 집광 된 빛이 항상 광도 관(1)의 입구로 들어오기 위해서 프레널렌즈(3)를 웜기어(2) 회전 선위에 설치하여 프레넬렌즈(3)의 초점이 항상 광도관(1) 입구중심으로 향하도록 하였다.[도 1] 프레널렌즈(3)는 웜기어 제어모터(6)와 원 회전 제어모터(5)에 의하여 태양의 궤적을 추적하게 된다. 일반적으로 프레넬렌즈(3)를 통하여 수십 배까지 빛을 집광 될 수 있다. 다중 반사경(7)을 사용하는 경우, 각 각의 반사경(7)은 태양을 추적하도록 하되, 그 반사된 빛이 항상 광도관(1) 입구중심으로 향하도록 하였다. 여러 개의 반사경(7)을 사용하여 2배 이상의 빛을 집광할 수 있다. [도 3]

본 발명에서 프레넬렌즈(3) 및 반사경(7)은 태양을 추적하는 시스템을 가지고 있어 일 중 태양의 이동 궤도에 무관하게 일정한 태양빛을 광도 관(1)에 공급할 수가 있다. 구조적으로 프레넬렌즈(3) 및 다중 반사경(7)으로 집광 된 빛은 광도 관(1)의 입구로 향하게 설계되어 있다. 본 발명의 광도관(1) 장치는 상기의 추적시스템과 집광구조에 의해서 대량의 빛을 항상 일정하게 실내로 공급할 수 있게 된다.

본 발명의 장치에서 크게 프레넬렌즈(3)를 이용하는 집광방식과 다중 반사경(7)을 이용하는 방식으로 나누어진다. [도 1, 도 3] 먼저, 프레넬렌즈(3) 이용 집광방식의 경우, 프레넬렌즈(3)는 웜기어(2) 상에 부착되어 있는데, 웜기어 제어모터(6)에 의하여 태양의 고도를 따라 구면 위를 이동하게 된다. 또한, 원통 회전 제어모터(5)는 태양의 동서방향 이동을 렌즈(3)가 추적하도록 한다. 따라서, 태양의 황도는 2개의 제어 축으로 추적이 가능하게 되고, 프레넬렌즈(3)에서 모아지는 광선들의 초점(10)은 항상 광도 관(1)의 입구로 향하게 된다. [도 1] 다중 반사경 방식의 집광은 여러 위치에 설치된 반사경(7)으로부터 반사된 빛이 모두 광도 관(1)의 입구로 향하는데, 각 각의 반사경은 태양추적 시스템에 의하여 제어되고 있다.[도 3]

프레널렌즈(3)를 이용한 집광방식에서 초점 거리 300mm 의 프레넬 렌즈(3)를 광도관(1) 장치에 설치하였다. 광도 관(1)의 직경은 100mm 로 집광비는 9배가 되는 프레널렌즈(3)를 적용하였다. 웜기어(2)는 웜기어 제어모터(6) 1회전에 프레널렌즈(3)가 1도 회전하는 구동비를 갖춘 웜기어(2)를 적용하였다. 태양추적 회로는 상용화된 시스템으로부터 태양의 황도 정보를 제공받아 그 신호를 원통 회전 제어모터(5)와 웜기어 제어 모터(6)에 각 각 제공하였다. 프레널렌즈(3)와 추적장치는 외부로부터 보호하기 위하여 투명 아크릴 커버가 씌워졌다. [도 1] 다중 반사경(7)을 이용한 집광방식에서 광도 관(1)의 직경은 100mm 이고, 반사경(7)의 직경은 150mm 으로 각기 다른 위치에 3개 설치하였다. 각 반사경(7)에는 상용화된 태양추적장치를 붙여 반사광선이 광도 관(1)의 입구 면에 향하도록 하였다.[도 3]

도 1 (가)는 프레넬렌즈 방식의 광도관 장치의 3차원 개념도

도 1 (나)는 도 1 (가)의 정면도

도 2 는 다중 반사경 방식의 광도관 장치의 개념도

1: 광도관 7: 반사경

2: 웜기어 8: 태양

3: 프레넬렌즈 9: 태양추적제어장치

4: 렌즈 지지대 10: 렌즈 집광 광선

5: 원통 회전 제어모터 11: 반사 광선 경로

6: 웜기어 제어모터

Claims (3)

1. 태양광 추적장치에 있어서,

   수직 파이프 형태로 구비되는 광도관;

   상기 광도관 상측 끝단에서 레이디얼 방향으로 연장되는 다수개의 스포크와 상기 스포크 끝단을 서로 연결시키는 테두리를 포함하여 이루어지는 회전프레임;

   상기 테두리의 지름을 형성하는 두 지점을 통과하며, 상기 테두리와 수직하게 이루어지는 원주상에 구비되는 웜기어;

   상기 웜기어 일단에 맞물려 구비되는 웜;

   상기 웜에서 연장되는 회전축의 끝단에 구비되는 웜기어제어모터;

   상기 웜기어 타단에 구비되는 프레넬렌즈;

   상기 광도관 일단 외주면에 형성되는 회전판;

   상기 스포크와 상기 회전판을 연결하며 다수개로 이루어지는 렌즈 지지대; 및

   상기 회전판 일단에 구비되며, 상기 회전프레임과 회전판의 회전을 제어하는 원통 회전 제어모터;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 태양광 추적장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 프레넬렌즈에는 투명 아크릴 커버가 씌워지는 것을 특징으로 하는 태양광 추적장치.
3. 제 2 항에 있어서,

   태양의 고도정보에 따라 상기 웜기어 제어모터가 제어되며,

   태양의 동서방향 이동정보에 따라 상기 원통 회전 제어모터가 제어되는 것을 특징으로 하는 태양광 추적장치.

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