KR101110465B1 - 태양광 집광 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 집광판을 이용하여 면광원으로 입사되는 빛을 점광원으로 전환시켜, 빛을 집광시키는 태양광 집광 장치에 관한 것으로, 사다리꼴 형상의 육면체로, 상면은 태양광이 입사되는 수광면을 구성하고, 상기 수광면의 단축 변에서의 수직면은 상기 수광면에서 입사되는 빛이 집광되는 집광면을 구성하며, 하면은 상기 수광면에서 입사된 빛을 상기 집광면으로 유도하는 반사면을 구성하는 집광판; 및 상기 집광면에 부착되는 태양전지;를 포함한다.

Description

태양광 집광 장치{Apparatus for Concentrating Solar light}
본 발명은 태양광 집광 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 집광판을 이용하여 면광원으로 입사되는 빛을 점광원으로 전환시켜, 빛을 집광시키는 태양광 집광 장치에 관한 것이다.
일반적으로 태양광 발전설비는 태양전지(solar cell)를 이용하여 태양의 빛 에너지를 전기에너지로 변환시키는 장치를 말한다. 이때, 태양전지는 PN접합 반도체로 구성되어 태양광 조사시 자유전자를 발생시켜 전기를 유도하는 기능을 수행한다. 이러한 태양전지만을 이용하여 태양광 발전설비를 설치하는 경우 대면적의 태양전지가 요구되어 설치 비용면에서 매우 불리하다. 따라서, 태양광 집광 장치를 이용하여 소면적의 태양전지에 빛을 집중시켜 조사하여, 설치 비용을 줄이고자 하는 태양광 발전설비가 많이 개발되고 있다.
도 1은 종래의 기술에 따른 태양광 집광 장치를 개략적으로 나타낸 사시도이다. 종래의 태양광 집광장치는 (가)에 도시된 바와 같이 반사경(2)을 이용하거나, (나)에 도시된 바와 같이 집광 렌즈(3)를 이용하여 소면적의 태양전지(1)에 빛을 집중시키는 구조를 이룬다. 이러한 집광 장치는 소면적의 태양전지를 이용함으로써, 대면적의 태양전지를 이용하는 구조에 비하여 태양전지에 소모되는 비용을 줄일 수 있다.
그러나, 종래의 집광 장치는 태양전지(1)와 집광수단(2,3) 사이에 충분한 공간이 확보되어야 하므로, 설치 공간에 많은 제약을 받는다. 또한, 태양의 위치에 따라 반사경(2)이나 집광 렌즈(3)를 회전시켜야 하므로, 회전 수단이 별도로 더 설치되어야 하는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 점광원의 빛을 면광원으로 전환시키는 도광판의 기능을 역으로 이용함으로써, 구조가 간단하고 저렴한 비용으로 설치할 수 있는 태양광 집광 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은 별도의 회전 수단이 없어도 태양의 다양한 위치에 따라 수광 효율 및 집광 효율을 최적화할 수 있는 태양광 집광 장치를 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 태양광 집광 장치는 사다리꼴 형상의 육면체로, 상면은 태양광이 입사되는 수광면을 구성하고, 상기 수광면의 단축 변에서의 수직면은 상기 수광면에서 입사되는 빛이 집광되는 집광면을 구성하며, 하면은 상기 수광면에서 입사된 빛을 상기 집광면으로 유도하는 반사면을 구성하는 집광판; 및 상기 집광면에 부착되는 태양전지;를 포함한다.
전술한 구성에 있어서, 상기 집광판은 상기 수광면에는 집광면에서 대광면(상기 수광면의 장축 변에서의 수직면)을 향하여 방사상으로 적어도 하나 이상의 수광 프리즘이 양각으로 형성되고, 상기 반사면에는 상기 집광면으로 연장되는 중심축에 대한 적어도 하나 이상의 원호 형상의 반사 프리즘이 음각으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
전술한 구성에 있어서, 상기 반사 프리즘은 단면이 상기 집광면 방향으로 빗변을 가지는 직각 삼각형 형상으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
전술한 구성에 있어서, 상기 집광판은 집광면에서 대광면으로 향할수록 두께가 얇아지도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
전술한 구성에 있어서, 상기 반사면은 단면(A-A)의 중심부가 하측으로 볼록한 호 형상을 이루는 것을 특징으로 한다.
전술한 구성에 있어서, 상기 반사면에는 광의 유출을 방지하기 위한 반사부재가 더 구비되는 것을 특징으로 한다.
전술한 구성에 있어서, 상기 집광 장치는 태양전지가 이웃하는 집광 장치의 태양전지와 반대 방향에 위치하도록 복수개가 연결되어 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 구성의 태양광 집광 장치는 도광판의 기능을 역으로 이용함으로써, 구조가 간단하고 저렴한 비용으로 설치할 수 있으며, 설치 공간에 제약을 받지 않는다.
또한, 별도의 회전 수단이 없어도 태양의 다양한 위치에 따라 수광 효율 및 집광 효율을 최적화할 수 있다.
도 1은 종래의 기술에 따른 태양광 집광 장치를 나타낸 사시도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 집광 장치를 나타낸 사시도,
도 3은 도 2의 집광판에 대한 A-A 단면도,
도 4는 도 2의 집광판에 대한 저면도,
도 5는 도 2의 집광판에 대한 B-B 단면도,
도 6은 도 2의 집광판에 대한 광 경로를 설명하기 위한 상태도, 및
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양광 집광 장치를 나타낸 사시도이다.
본 발명과 본 발명의 실시에 의해 달성되는 기술적 과제는 다음에서 설명하는 바람직한 실시예들에 의해 명확해질 것이다. 다음의 실시예들은 단지 본 발명을 설명하기 위하여 예시된 것에 불과하며, 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것은 아니다. 이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 살펴보기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 집광 장치를 나타낸 사시도이다. 본 발명의 집광 장치(10)는 점광원의 빛을 면광원의 빛으로 전환시키는 도광판(Light Guide Panel)의 원리를 역으로 이용한 것으로, 태양광을 면광원으로 입사시켜 소정의 위치에서 점광원의 빛으로 출사되도록 한다. 이러한 태양광 집광 장치(10)는 도 2에 도시된 바와 같이, 태양광을 집광하는 집광판(100, Light Concentration Panel:LCP)과, 집광된 태양광의 빛에너지를 전기에너지로 전환시키는 태양 전지(200)로 구성된다.
여기서 집광판(100)은 사다리꼴 형상의 육면체 형상을 이룬다. 사다리꼴 형상의 상면은 빛이 입사되는 수광면(110)을 형성하고, 하면은 입사된 빛을 소정의 방향으로 유도하는 반사면(130)을 형성한다. 또한, 사다리꼴 형상의 단축 변 수직면은 입사된 빛이 모이는 집광면(120)을 형성한다. 즉, 본 발명의 집광판(100)은 사다리꼴 형상의 수광면(110)으로 빛이 입사되고, 입사된 빛은 하면의 반사면(130)에 반사되어, 일 측의 집광면(120)으로 집광되도록 구성된다. 이때, 수광면(110)은 넓은 면적으로 형성되어 많은 양의 빛이 입사될 수 있으며, 집광면(120)은 집광판(100)의 일 측에서 좁은 면적으로 형성되어 입사되는 빛이 집광될 수 있도록 한다. 이러한 집광판(100)은 내부를 통과하는 빛을 전반사 및 산란시켜 소정의 위치로 유도하는 특성을 나타내는 도광판과 동일한 재질로서, 일 예로 PMMA와 같은 수지 재질로 구성된다.
한편, 집광판(100)의 집광면(120)에는 집광면(120)의 크기에 해당하는 소면적의 태양전지(200)가 부착된다. 태양전지(200)는 집광면(120)으로 모이는 빛을 받아들여 전기에너지로 변환시키게 된다. 이러한 구조에 의하여 소면적의 태양전지(200)를 사용하더라도, 설치 공간의 제약 없이 수광면(110)의 면적에 해당하는 많은 양의 빛을 이용할 수 있다.
이하, 도 3 내지 도 5를 참조하여, 본 발명의 태양광 집광 장치에 대하여 상세히 살펴본다. 도 3 내지 도 5는 도 2에 도시된 집광판 구조에 대하여 각각 A-A 단면, 저면 및 B-B 단면을 나타낸 도면이다.
먼저, 수광면(110)은 빛이 입사되기 위한 구성으로, 태양의 위치에 따른 입사 효율을 최적화할 수 있는 다양한 형상의 패턴으로 형성된다. 본 발명의 실시예에 따른 수광면(110)은 도시된 바와 같이 프리즘 형상의 패턴으로 형성된다. 이러한 수광 프리즘(111)은, 도 2에서와 같이 동일한 개수가 집광면(120)에서 대광면(140, 여기서 '대광면'이란 집광판의'집광면'에 대한 반대측 면으로, 수광면의 장축 변에 대한 수직면을 말한다.)으로 향할수록 커지는 가변 크기로 형성된다. 또한, 도 3에서와 같이 단면이 이등변 삼각형으로 양각되어 형성된다. 본 발명에 있어서, 이러한 수광면(110)의 패턴은 상술한 프리즘 형상에 한정되지 않고, 양각 또는 음각된 렌티큘러 형상과 같이 다양한 형상이 적용될 수 있다.
그리고, 반사면(130)은 입사된 빛을 집광면(120)으로 유도하기 위한 구성으로, 집광 효율을 최적화할 수 있도록 도 3에 도시된 바와 같이, 중앙부가 하측으로 볼록게 돌출되는 호 형상으로 형성된다. 그리고 도 4에 도시된 바와 같이, 호 형상의 반사면(130)에는 입사되는 빛을 집광면(120) 방향으로 반사시키기 위한 다양한 형상의 패턴이 형성된다. 본 발명의 실시예에 따른 반사면(130)에는 프리즘 형상의 반사 패턴이 형성된다. 수광면(110)을 통하여 집광판(100) 내부로 입사되는 빛은 반사 프리즘(131)에 의하여 전반사 및 굴절되어 집광면(120)으로 진행 방향이 전환된다. 이러한 반사 프리즘(131)은 집광면(120)에서 연장된 중심축(R)에 대하여 동일한 동심원의 원호 형상으로 음각 형성된다. 또한, 반사 프리즘(131)은 도 5에 도시된 바와 같이, 빛을 집광면(120) 방향을 유도하기 위하여 빗변이 집광면(120) 방향으로 향하는 직각 삼각형 형상으로 형성된다. 이때, 반사 프리즘(131)은 집광면(120)에 가까워질수록 작아지는 가변 크기로 형성되는 것이 바람직하다. 본 발명에 있어서, 이러한 반사면(130)에서의 패턴은 프리즘 형상에 한정되지 않고, 양각 또는 음각된 렌즈 형상과 같이 다양한 형상이 적용될 수 있다.
한편, 집광판(100) 내부로 입사되는 빛은 반사면(130)에서 모두 전반사되지 않고, 일부는 반사면(130)을 통과하여 외부로 누설된다. 이러한 누설 빛을 차단하기 위하여 반사면(130)에는 별도의 반사부재(132)가 더 구비될 수 있다. 반사부재(132)는 반사면(130)의 외면에 반사재질의 물질이 코팅된 반사층으로 구성되거나, 반사면(130)의 외면에 부착된 별도의 반사시트로 구성될 수 있다. 이러한 반사부재(132)에 의하여 누설되는 빛을 차단함으로써, 집광 효율을 향상시킬 수 있다.
집광면(120)은 집광판(100) 내부로 입사되는 빛이 집광되어 태양전지(200)로 전달하기 위한 구성이다. 이러한 집광면(120)은 상면이 사다리꼴 형상인 집광판(100)의 단축 변에서 수직으로 형성된다. 집광면(120)에는 태양전지(200)가 부착되어, 집광면(120)을 통하여 출사되는 빛 에너지를 전기에너지로 전환시키게 된다.
그리고, 이러한 구조의 집광판(100)은 도 5에 도시된 바와 같이, 집광면(120)에서 멀어질수록 두께가 얇아지도록 형성되는 것이 바람직하다. 이는 집광면(120)에서 멀어질수록 빛의 밀도가 낮아지기 때문이다.
상기와 같이 구성되는 집광판에 입사되는 빛의 경로를 도 6을 참조하여 상세히 살펴본다. 도 6은 도 2의 집광판에 대한 광 경로를 설명하기 위한 상태도이다.
먼저, 도 6a를 참조하여 평면에서의 빛의 경로를 살펴보면, 좌우의 넓은 영역에서 입사되는 빛은 원호 형상의 반사 프리즘(131)에 의하여 동일한 중심축의 좁은 영역으로 진행 방향이 전환된다. 이로 인하여 사다리꼴 형상의 수광면(110)으로 입사되는 모든 빛은 일 측의 집광면(120)으로 빛이 집중된다. 또한, 도 6b를 참조하여 측면에서의 빛의 경로를 살펴보면, 전체적으로 균일한 밀도의 빛이 집광면으로 진행한다. 이는 집광판(100)이 집광면(120)에서 멀어질수록 두께가 얇아지는 형상으로 이루어졌기 때문이다.
살펴본 바와 같이, 본 발명의 태양광 집광 장치(10)는 집광판(100)이 사다리꼴 형상의 육면체로 이루어져, 구조가 간단하면서도 넓은 면적에서 입사되는 빛을 효율적으로 좁은 면적으로 집광시킬 수 있다. 또한, 수광면(110)은 집광면(120)을 향하는 수광 프리즘(111)으로 형성되어 태양의 위치에 상관없이 입사 효율을 최적화할 수 있다. 또한, 반사면(130)에 형성된 반사 프리즘(131)에 의하여 우수한 집광 효율을 나타낼 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양광 집광 장치를 나타낸 사시도이다. 도 7에 도시된 태양광 집광 장치는 도 2의 집광 장치(10)가 복수개 연결되는 구조를 이룬다. 도시된 바와 같이, 각 집광 장치(10)는 태양전지(200)가 서로 반대 방향에 위치하도록 집광판(100)이 측면으로 서로 연결된다. 이때, 각 집광판(100)의 수광면(110)은 도시된 바와 같이 동일한 평면을 이룬다. 또한, 도시되지는 않았지만, 태양의 위치에 따른 수광 효율을 향상시키기 위하여 전체적으로 호 형상을 이루도록 연결될 수 있다. 도 2의 집광 장치(10)를 복수개 연결하여 설치함으로써, 그에 해당하는 만큼의 많은 양의 빛을 이용할 수 있으며, 설치 공간을 적절히 활용할 수 있다.
이상에서 본 발명에 있어서 실시예를 참고로 설명되었으나, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
100 : 집광판 200 : 태양전지
110 : 수광면 111 : 수광 프리즘
120 : 입광면 130 : 반사면
131 : 반사 프리즘 132 : 반사부재
140 : 대광면

Claims (7)

  1. 상면의 수광면, 하면의 반사면, 일 측면의 집광면 및 반대 측면의 대광면을 이루며, 입광면에서 대광면으로 향할수록 두께가 얇아지고, 수광면이 방사상의 사다리꼴 형상을 이루는 집광판; 및
    상기 집광면에 부착되는 태양전지;를 포함하는 태양광 집광 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 집광판은,
    상기 수광면에는 집광면에서 대광면(상기 수광면의 장축 변에서의 수직면)을 향하여 방사상으로 적어도 하나 이상의 수광 프리즘이 양각으로 형성되고,
    상기 반사면에는 집광면으로 연장되는 중심축에 대한 적어도 하나 이상의 원호 형상의 반사 프리즘이 음각으로 형성되는 것을 특징으로 하는 태양광 집광 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 반사 프리즘은,
    단면이 상기 집광면 방향으로 빗변을 가지는 직각 삼각형 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 태양광 집광 장치.
  4. 삭제
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반사면은,
    단면(A-A)의 중심부가 하측으로 볼록한 호 형상을 이루는 것을 특징으로 하는 태양광 집광 장치.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반사면에는,
    광의 유출을 방지하기 위한 반사부재가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 태양광 집광 장치.
  7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 집광 장치는,
    태양전지가 이웃하는 집광 장치의 태양전지와 반대 방향에 위치하도록 복수개가 연결되어 구성되는 것을 특징으로 하는 태양광 집광 장치.
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