KR101183953B1

KR101183953B1 - 집광 어셈블리

Info

Publication number: KR101183953B1
Application number: KR1020110102441A
Authority: KR
Inventors: 박인수
Original assignee: 한국과학기술원; (주)파크이즈건축사사무소
Priority date: 2011-10-07
Filing date: 2011-10-07
Publication date: 2012-09-21
Also published as: KR20120021295A

Abstract

본 발명은 집광 어셈블리 및 이를 구비한 축열 시스템에 관한 것이다. 특히, 외부에서 입사되는 광을 집광시키는 과정에서 광 경로를 변환시켜 집광 효율을 향상시킬 수 있는 집광 어셈블리 및 이를 구비한 축열 시스템에 관한 것이다.
본 발명의 일실시예에 따른 집광 어셈블리는 외부에서 입사되는 광을 집광시키는 복수의 집광 렌즈와, 상기 복수의 집광 렌즈를 정렬시켜 지지하는 집광 플레이트와, 상기 복수의 집광 렌즈에서 이격 배치되어, 상기 복수의 집광 렌즈를 통해 집광된 광이 상기 집광 플레이트의 길이 방향과 교차하는 방향을 향하도록 광 경로를 변환시키는 복수의 광학기를 포함한다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 축열 시스템은 외부에서 입사되는 광을 집광시키는 복수의 집광 렌즈와, 상기 복수의 집광 렌즈를 정렬시켜 지지하는 집광 플레이트와, 상기 복수의 집광 렌즈에서 이격 배치되어, 상기 복수의 집광 렌즈를 통해 집광된 광이 상기 집광 플레이트의 길이 방향과 교차하는 방향을 향하도록 광 경로를 변환시키는 복수의 광학기와, 상기 복수의 광학기가 상기 집광 플레이트의 길이 방향으로 안치되도록 내측에 광 처리공간이 형성되고, 상기 집광 플레이트가 개방된 상부에 결합되도록 상기 집광 플레이트의 일측면 테두리를 지지하는 하우징 및 상기 복수의 광학기가 일측 또는 양측에 위치하도록 상기 집광 플레이트의 길이 방향을 따라 상기 광 처리공간을 가로지르고, 상기 복수의 집광 렌즈에서 집광된 광 및 상기 복수의 광학기에서 광 경로가 변환된 광을 조사받는 온수관을 포함한다.

Description

집광 어셈블리{Light collecting assembly}

본 발명은 집광 어셈블리에 관한 것이다. 특히, 외부에서 입사되는 광을 집광시키는 과정에서 광 경로를 변환시켜 집광 효율을 향상시킬 수 있는 집광 어셈블리에 관한 것이다.

에너지 자원이 점차 고갈되고, 환경 오염에 따른 자연 재해가 늘어나면서 친환경 에너지(Green Energy)를 활용하는 방안이 강구되고 있다. 친환경 에너지의 활용 방안 중의 하나로서 안정적이며, 무공해인 태양 에너지를 활용하는 방안이 주목받고 있으며, 주택이나 발전소 등에서 난방용, 온수 공급용, 전력 생산용 등의 다양한 목적으로 응용되고 있다.

종래의 태양광을 이용하는 축열 장치에 관하여 살펴보면, 종래의 축열 장치는 복수의 볼록 렌즈를 구비하여 입사된 태양광을 집광시키는 집광부와, 집광부를 통해 집광된 태양광을 온수관의 표면에 조사하여, 온수관의 내부에 채워진 물을 가열하는 축열부를 포함한다. 축열부에서 가열된 물은 일정한 온도 이상이 되면 배관 라인을 따라 배출되어 난방기, 온수기 또는 발전기 등으로 공급된다.

그런데, 위와 같은 종래의 축열 장치에서는 태양광을 입사받는 복수의 볼록 렌즈가 온수관의 상측 영역에서 이격 배치될 때, 온수관의 연장되는 길이 방향을 따라 온수관의 바로 상측 영역, 즉 직상(直上) 영역에 배치되어야 하는 설치 상의 제한이 있었다. 즉, 종래의 축열 장치에서는 태양광이 집광된 후 온수관의 표면에 조사될 수 있도록 볼록 렌즈의 하측 영역에 형성되는 광 경로 상에 온수관을 위치시켜야 하기 때문에 볼록 렌즈의 설치 개수를 확장시키는데 어려움이 있었다. 따라서, 온수관에 보다 많은 태양광을 집광시키지 못하여 집광 효율을 향상시키는데 어려움이 있었다. 또한, 온수관에 보다 많은 태양광이 집광되지 못함으로 인해 온수관에 채워지는 물의 온도를 상승시키기 위한 축열 효율을 향상시키는데 한계가 있었다.

본 발명은 집광 어셈블리를 제공한다.

본 발명은 외부에서 입사되는 광을 집광시키는 과정에서 광 경로를 변환시켜 집광 효율을 향상시킬 수 있는 집광 어셈블리를 제공한다.

본 발명의 일실시예에 따른 집광 어셈블리는 외부에서 입사되는 광을 집광시키는 복수의 집광 렌즈와, 상기 복수의 집광 렌즈를 정렬시켜 지지하는 집광 플레이트와, 상기 복수의 집광 렌즈에서 이격 배치되어, 상기 복수의 집광 렌즈를 통해 집광된 광이 상기 집광 플레이트의 길이 방향과 교차하는 방향을 향하도록 광 경로를 변환시키는 복수의 광학기를 포함한다.

본 발명은 실시예들에 따른 집광 어셈블리 및 이를 구비한 축열 시스템에 의하면, 외부에서 입사되어 복수의 볼록 렌즈를 통해 집광된 광이 온수관을 향하도록 광 경로를 변환시킬 수 있어 온수관의 위치와 상관없이 복수의 볼록 렌즈를 정렬 배치시킬 수 있다. 따라서, 온수관에 대응되는 볼록 렌즈의 개수를 용이하게 확장시켜 온수관에 조사되는 광량을 증가시킴으로써 집광 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 온수관의 표면에 복수의 볼록 렌즈로부터 나오는 집광된 광을 촘촘한 간격으로 조사시킬 수 있어 온수관 내에 채워진 축열액의 온도를 상승시키기 위한 축열 효율을 용이하게 향상시킬 수 있다.

또한, 복수의 볼록 렌즈와 집광 플레이트를 하나의 몸체로 형성함으로써 집광 어셈블리의 제조 비용을 절감할 수 있으며, 집광 어셈블리를 구비하는 축열 시스템의 설치 비용을 절감하고, 설치에 소요되는 시간을 단축시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 형태에 따른 축열 시스템을 일부 개방하여 도시한 도면.
도 2는 도 1에 도시된 선 A-A'에 따른 축열 시스템의 일측 단면도.
도 3은 본 발명의 제 1 실시예 및 제 1 변형예에 따른 축열 시스템의 내부 구성도.
도 4는 본 발명의 제 2 변형예에 따른 축열 시스템의 내부 구성도.
도 5는 본 발명에 따른 집광 어셈블리와 하우징의 결합 상태도.
도 6은 본 발명에 따른 집광 어셈블리, 온수관 및 광학기의 배치 상태를 도시한 도면.
도 7은 본 발명에 따른 온수관의 변형예를 개략적으로 도시한 도면.
도 8은 본 발명에 따른 집광 어셈블리에 사용하여 온수관에 조사되는 광 조사 부위를 도시한 도면.
도 9은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 축열 시스템의 설치 상태도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 발명의 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면 상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.

도 1은 본 발명의 실시 형태에 따른 축열 시스템을 일부 개방하여 도시한 도면이고, 도 2는 도 1에 도시된 선 A-A'에 따른 축열 시스템의 일측 단면도이고, 도 3은 본 발명의 제 1 실시예 및 제 1 변형예에 따른 축열 시스템의 내부 구성도이며, 도 4는 본 발명의 제 2 변형예에 따른 축열 시스템의 내부 구성도이다. 또한, 도 5는 본 발명에 따른 집광 어셈블리와 하우징의 결합 상태도이고, 도 6은 본 발명에 따른 집광 어셈블리, 온수관 및 광학기의 배치 상태를 도시한 도면이고, 도 7은 본 발명에 따른 온수관의 변형예를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 8은 본 발명에 따른 집광 어셈블리에 사용하여 온수관에 조사되는 광 조사 부위를 도시한 도면이며, 도 9은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 축열 시스템의 설치 상태도이다.

도 1 내지 도 9를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 집광 어셈블리는 외부에서 입사되는 태양광(L_s)을 집광(集光)시키는 복수의 집광 렌즈(100)와, 복수의 집광 렌즈(100)를 정렬시켜 지지하는 집광 플레이트(200)와, 복수의 집광 렌즈(100)에서 이격 배치되어, 복수의 집광 렌즈(100)를 통해 집광된 태양광(L_s')이 집광 플레이트(200)의 길이 방향(x방향)과 교차하는 방향(y방향)을 향하도록 광 경로를 변환시키는 복수의 광학기(300)를 포함한다.

(여기서, 태양을 향하는 집광 플레이트(200)의 상부면이 'x방향' 및 'y방향'을 나타내는 기준면이 된다. 즉, 집광 플레이트(200)의 법선(Z선) 방향은 'z방향'과 일치한다. 따라서, 집광 플레이트(200)의 길이 방향(x방향)은 후술되는 온수관(400)의 연장되는 길이 방향 및 복수의 집광 렌즈(100)의 중심부가 형성하는 직선 라인(N₁ 내지 N₅)의 연장 방향과 동일하다.)

또한, 본 발명의 일실시예에 따른 축열 시스템(1000)은 외부에서 입사되는 태양광(L_s)을 집광시키는 복수의 집광 렌즈(100)와, 복수의 집광 렌즈(100)를 정렬시켜 지지하는 집광 플레이트(200)와, 복수의 집광 렌즈(100)에서 이격 배치되어, 복수의 집광 렌즈(100)를 통해 집광된 태양광(L_s')이 집광 플레이트(200)의 길이 방향(x방향)과 교차하는 방향(y방향)을 향하도록 광 경로를 변환시키는 복수의 광학기(300)와, 복수의 광학기(300)가 집광 플레이트(200)의 길이 방향(x방향)으로 안치(安置)되도록 내측에 광 처리공간(S)이 형성되고, 집광 플레이트(200)가 광 처리공간(S)의 개방된 상부에 결합되도록 집광 플레이트(200)의 일측면 테두리를 지지하는 하우징(500) 및 복수의 광학기(300)가 일측 또는 양측에 위치하도록 집광 플레이트(200)의 길이 방향(x방향)을 따라 광 처리공간(S)을 가로지르고, 복수의 집광 렌즈(100)에서 집광된 광(L_s') 및 복수의 광학기(300)에서 광 경로가 변환된 광(L_s")을 조사받는 온수관(400)을 포함한다. 상기 축열 시스템(1000)은 태양광의 집광 효율을 향상시키기 위해 적어도 하나의 하우징(500)이 상부면에 안치되고, 집광 플레이트(200)의 법선(Z선) 방향을 따라 태양광(L_s)이 복수의 집광 렌즈(100)에 입사되도록 하우징(500)의 위치를 변경시키는 위치 변경기(600)를 더 포함할 수 있다.

집광 렌즈(100)는 볼록 렌즈의 일종으로서, 태양과 마주하는 일측면으로 입사되는 태양광(L_s)을 입사면과 반대되는 타측면의 공간 상에 굴절시켜 하나의 영역에 모이도록 집광시킨다. 집광 렌즈(100)의 종류, 크기, 굴절률 등에 따라서 태양광(L_s)의 집광 정도, 집광 위치(초점 위치)가 다르게 나타나며, 집광 렌즈(100)의 초점 위치에서 단위 면적당 태양광(L_s')의 집광 정도가 가장 크게 나타난다. 집광 렌즈(100)의 광 경로 상에 축열(heat storage)을 위한 대상물이 위치하더라도 초점 거리에 위치하지 않으면 태양광(L_s')이 대상물의 표면에서 분산된 상태로 조사되어 집광 효율이 저하된다. 집광 정도의 세기는 태양열의 집열 효율에 비례하기 때문에 집광 정도의 세기가 가장 큰 초점 위치에 축열을 위한 대상물, 즉 후술되는 온수관(400)이 위치되도록 배치함으로써 온수관(400)의 가열 효율을 향상시킬 수 있다.

집광 렌즈(100)로서 본 실시예에서는 평볼록 렌즈(plane convex lens)를 사용하였다. 평볼록 렌즈는 태양광(L_s)의 입사면이 볼록한 곡면으로 형성되고, 굴절된 태양광(L_s')이 투과되어 나가는 입사면의 반대면이 편평한 평면으로 형성되는 렌즈로서 양측면이 볼록한 곡면을 이루는 볼록 렌즈보다 초점 거리를 용이하게 단축시킬 수 있다. 집광 렌즈(100)는 태양광(L_s)의 집광 경로 방향(z방향)과 교차하는 방향(x방향 또는 y방향)으로의 수평 단면의 형상이 원형이나 사각형, 육각형 등의 다양한 다각형 형상으로 형성될 수 있다. 본 실시예에서는 상기 방향에 있어서 수평 단면의 형상이 정육각형을 갖는 집광 렌즈(100)를 사용하였다. 이를 통해, 한정된 설치 면적을 갖는 집광 플레이트(200)의 내측에 복수의 집광 렌즈(100)를 정렬시켜 배치시킬 때 집광 렌즈(100)의 정육각 형상의 변 부분이 서로 맞대어져 맞물리도록 함으로써 인접한 집광 렌즈(100)들 사이의 이격 거리를 최소화하고, 더 나아가 인접한 집광 렌즈(100)들 사이에 빈 공간이 형성되는 것을 방지할 수 있다. 즉, 일정한 크기를 갖는 집광 플레이트(200) 상에서 복수의 집광 렌즈(100)를 최대한의 개수로 확장시켜 정렬 배치시킬 수 있다.

위와 같은 복수의 집광 렌즈(100)를 집광 플레이트(200)에 정렬 배치시킬 때, 복수의 집광 렌즈(100)는 각각의 중심부가 집광 플레이트(200)의 길이 방향(x방향)을 따라 가상의 직선 라인(N₁ 내지 N₅)을 형성하도록 정렬 배치된다. 여기서, 복수의 직선 라인(N₁ 내지 N₅)은 연장 방향을 따라 서로 겹쳐지지 않도록 평행하게 형성된다.

집광 플레이트(200)의 길이 방향과 교차하는 방향(y방향)을 따라 복수의 직선 라인(N₁ 내지 N₅) 사이에서, 복수의 집광 렌즈(100)의 중심부를 잇는 가상의 직선 라인(N_i)은 일직선으로 형성되지 못하고, 지그재그(zigzag) 형상, Z자 형상 등과 같이 엇갈려 정렬 배치된다. 이때, 홀수 직선 라인(N₁, N₃, N₅) 상에 정렬된 복수의 집광 렌즈(100)의 중심부를 잇는 가상의 직선 라인(N_i-1)과, 짝수 직선 라인(N₂, N₄) 상에 정렬 배치된 복수의 집광 렌즈(100)의 중심부를 잇는 가상의 직선 라인(N_i-2)는 각각 일직선으로 형성되고, 상호 집광 플레이트(200)의 길이 방향과 교차하는 방향(y방향)을 따라 평행하게 형성된다.

집광 플레이트(200)는 플레이트(plate) 형상으로서 중앙 부위에서 정렬 배치되는 복수의 집광 렌즈(100)를 지지한다. 집광 플레이트(200)는 복수의 집광 렌즈(100)와 사출 성형 가공법을 통해 하나의 몸체, 즉 일체형으로 형성될 수 있다. 이때, 동일한 재질로서 일체형으로 형성되는 복수의 집광 렌즈(100)와 집광 플레이트(200)는 광투과성, 가공성, 내마모성 등이 우수한 플라스틱 재질, 세라믹 재질, 유리 재질 등으로 이루어지며, 본 실시예에서는 폴리카보네이트(polycarbonate)를 일체형 재질로서 사용하였다. 이와 같이 복수의 집광 렌즈(100)와 집광 플레이트(200)를 하나의 몸체로 간편하게 형성함으로써 복수의 집광 렌즈(100)의 정렬 배치에 소요되는 시간 등을 없애 집광 어셈블리 및 축열 시스템(1000)의 제조를 간편하게 할 수 있다. 또한, 집광 어셈블리의 운반 등을 용이하게 하고, 복수의 집광 렌즈(100)의 분실을 방지하여 보관을 용이하게 할 수 있다.

복수의 집광 렌즈(100)와 집광 플레이트(200)는 일체형이 아닌 조립형으로 형성할 수도 있다. 즉, 집광 플레이트(200)의 내측에 복수의 집광 렌즈(100)가 삽입되어 지지될 수 잇는 복수의 삽입홀(미도시)을 관통 형성할 수 있다. 이때, 삽입홀의 직경은 집광 렌즈(100)의 직경보다 작게 형성되어 집광 렌즈(100)의 삽입 시 집광 플레이트(200)의 삽입홀은 집광 렌즈(100)의 가장자리 부위를 지지하여 집광 렌즈(100)가 삽입 방향의 반대편 공간으로 빠지지 않는다. 이처럼 복수의 집광 렌즈(100)와 집광 플레이트(200)를 조립형으로 형성함으로써 정렬 배치된 복수의 집광 렌즈(100) 중 일부가 손상되거나 또는 오염되었을 때 해당 집광 렌즈(100)의 보수나 교체를 간편하게 하여 축열 시스템(1000)을 용이하게 관리할 수 있다.

전술한 바와 같이 복수의 집광 렌즈(100)의 단면 형상이 정육각 형상으로 이루어져 집광 플레이트(200) 상에서 벌집 형태로 정렬 배치된다. 집광 플레이트(200)의 길이 방향(x방향)을 따라 복수의 집광 렌즈(100)의 중심부는 복수의 직선 라인(N₁ 내지 N₅)을 이루도록 정렬 배치된다.

우선, 센터 직선 라인(N₃)에 정렬되는 복수의 집광 렌즈(100)의 직하(直下)에는 온수관(400)이 이격 배치되어 센터 직선 라인(N₃)에 정렬되는 복수의 집광 렌즈(100)의 집광 경로가 온수관(400)을 향하도록 형성된다. 따라서, 센터 직선 라인(N₃)에 정렬되는 복수의 집광 렌즈(100)를 통해서 집광된 태양광(L_s')은 별도의 수단, 예를 들어 광학기(300) 등을 거치지 않고 온수관(400)에 직접 조사된다. 이때, 센터 직선 라인(N₃) 상에 정렬된 복수의 집광 렌즈(100)를 통해서 집광된 태양광(L_s')은 도 8에 도시된 것처럼 포인트 형상으로 온수관(400)에 P_a1, P_a2, P_a3, … P_an의 조사 영역을 형성한다. 본 실시예에서는 센터 직선 라인(N₃)에 정렬 배치되는 복수의 집광 렌즈(100)의 크기, 형상이 동일하여 P_a1, P_a2, P_a3, … P_an의 조사 영역의 간격이 일정하게 형성된다.

센터 직선 라인(N₃)을 기준으로, 센터 직선 라인(N₃)의 양측에 사이드 직선 라인(N₁, N₂ 또는 N₄, N₅)의 형성 개수가 대칭을 이루도록 하여 온수관(400)의 양측을 고르게 가열시킬 수 있다. 물론, 집광 플레이트(200)의 크기, 집광 효율 등을 고려하여 센터 직선 라인(N₃)의 일측에 사이드 직선 라인(N₁, N₂, N₄, N₅)을 몰아서 형성할 수 있으며, 센터 직선 라인(N₃)의 양측에 비대칭적(예를 들어, 일측에 N₁ 직선 라인, 타측에 N₂, N₄, N₅ 직선 라인 형성)으로 사이드 직선 라인(N₁, N₂, N₄, N₅)을 형성할 수 있다.

사이드 직선 라인(N₁, N₂, N₄, N₅)에서 정렬 배치되는 복수의 집광 렌즈(100)의 하측 각각에는 온수관(400)이 위치되지 않고, 복수의 광학기(300)가 이격 배치된다. 복수의 광학기(400)는 사이드 직선 라인(N₁, N₂, N₄, N₅) 상에 정렬 배치되는 복수의 집광 렌즈(100)를 통해서 집광되는 태양광(L_s')이 온수관(400)의 표면에 조사될 수 있도록 집광된 태양광(L_s')의 광 경로를 온수관(400)을 향하도록 변환시킨다. 즉, 복수의 광학기(300)는 사이드 직선 라인(N₁, N₂, N₄, N₅) 상에서 정렬 배치되는 복수의 집광 렌즈(100)와 일대일 대응되도록 배치되어 집광 렌즈(100)에서 집광된 태양광(L_s')이 온수관(400)이 아닌 다른 표면(예, 하우징(500)의 내측 바닥면)에 조사되는 것을 방지한다.

도 3(a)에 도시된 바와 같이, 복수의 광학기(300)는 복수의 집광 렌즈(100)를 통해 집광된 태양관(L_s')이 온수관(400)의 외주면에 조사될 수 있도록 집광된 태양광(L_s')을 반사시켜 광 경로를 변환시키는 반사판(320)을 포함한다. 또한, 복수의 광학기(300)는 도 3(b)에 도시된 바와 같이 집광된 태양광(L_s')의 광 경로를 변환시키기 전 광 폭을 변경시킬 수 있는 오목 렌즈(310)를 더 포함할 수 있다. 여기서, 집광된 태양광(L_s')의 광 폭은 온수관(400)의 외주면에 태양광(L_s')이 조사되는 영역의 폭을 의미한다. 오목 렌즈(310)를 통해 집광된 태양광(L_s')이 반사판(320)을 통해 광 경로가 변환되면서 조사 영역의 폭이 변동되는 것을 보정할 수 있다.

한편, 반사판(320)과 온수관(400) 사이의 이격 거리 차이에 따라 광 경로가 변환된 태양광(L_s")의 조사 영역의 폭이 달라지는 것을 방지하기 위하여 반사판(320)에 의해 형성되는 반사 경로 상에 볼록 렌즈(350)를 추가로 구비할 수 있다. 볼록 렌즈(350)는 도 4(a)에 도시된 바와 같이 모든 반사판(320)에 대응하여 설치될 수 있으며, 도 4(b)에 도시된 바와 같이 온수관(400)으로부터 멀리 떨어진 반사판(320)에만 볼록 렌즈(350)를 선택적으로 구비시킬 수 있다.

반사판(320)이나 오목 렌즈(310)를 하우징(500)의 바닥면에 설치할 때 반사판(320)과 오목 렌즈(310)의 높이 및 기울기를 각각 조절할 수 있는 광학기 지지대(330; 330a, 330b)가 사용된다. 반사판(320)으로는 반사율이 높은 유리 재질, 금속 재질, 세라믹 재질 등이 사용될 수 있다.

전술한 바와 같이 복수의 광학기(300)는 상측에 이격 배치된 복수의 집광 렌즈(100)와 일대일 대응하도록 배치되어 하우징(500)의 내측에 형성되는 광 처리공간(S)에서 온수관(400)의 길이 방향(x방향)을 따라 온수관(400)의 양측에 정렬 배치된다. 즉, 복수의 광학기(300)는 온수관(400)의 길이 방향(x방향)으로 하우징(500) 내에서 복수의 직선 라인(N₁, N₂, N₄, N₅)을 이루도록 배치된다. 이때, 온수관(400)을 바라보는 방향(y방향)으로 인접한 복수의 광학기(300)들이 엇갈리도록 배치되어 광 경로의 변경 시 변경된 태양광(L_s")이 겹치는 것을 방지할 수 있다. 특히, 온수관(400)에 복수의 조사 영역(P)이 촘촘하게 조사될 수 있도록 복수의 광학기(300) 각각은 반사 경로의 방향과 온수관(400)의 길이 방향이 수직을 이루지 않도록 마주하는 온수관(400)에 대하여 비스듬하게 배치된다.

위와 같이, 온수관(400)의 일측에서 복수의 광학기(300)가 사이드 직선 라인(N₄, N₅)을 따라 정렬 배치될 때, 하나의 사이드 직선 라인(N₄) 상에 정렬 배치된 복수의 광학기(300)는 P_b1, P_b2, P_b3, …, P_bn의 조사 영역을 온수관(400)의 측면에 형성하고, 다른 사이드 직선 라인(N₅) 상에 정렬 배치된 복수의 광학기(300)는 P_c1, P_c2, P_c3, …, P_cn의 조사 영역을 온수관(400)의 다른 측면에 각각 형성한다.

복수의 광학기(300)를 통해서 광 경로가 변경된 태양광(L_s")은 온수관(400)의 길이 방향(x방향)을 따라 온수관(400)의 양측 외주면에 일정한 간격(M)을 이루도록 조사될 수 있다. 복수의 집광 렌즈(100) 및 복수의 광학기(300)가 온수관(400)의 길이 방향과 교차하는 방향(y방향)으로 엇갈려 배치되기 때문에 조사 영역의 간격(M)을 촘촘하게 하여 온수관(400)에 보다 많은 태양광(L_s")을 조사시킬 수 있다.

온수관(400)은 태양광(L_s")을 조사받아 가열되며, 온수관(400)의 내부에 채워지는 축열액(heat storage liquid; L)에 열을 전달하여 축열액(L)의 온도를 상승시킨다. 축열액(L)으로는 열전도율이 높은 유체를 사용하는데, 상온, 상압 상태에서 100℃ 가열점을 갖는 물(water)을 사용하여 가열된 상태의 물을 온수용으로 직접 이용할 수 있으며, 물 보다 높은 가열점을 갖는 유체를 사용하여 가열 온도를 100℃ 이상이 되도록 함으로써 난방용이나 전력 생산용 등으로 이용할 수 있다.

온수관(400)은 온도 변화가 쉽게 야기되면서도 형상의 변형이 적은 구리(Cu) 또는 구리(Cu) 합금 재질로 형성된다. 구리 또는 구리 합금 재질 이외에도 열전도율이 높고, 열 손상이 적어 변형이 쉽게 야기되지 않는 재질을 온수관(400)의 재질로서 적용할 수 있음은 물론이다. 한편, 축열 효율을 향상시킬 수 있도록 온수관(400)의 외주면에 태양광(L_s")의 조사시 태양광(L_s")의 반사량을 감소시킬 수 있는 광 반사 방지막(미도시)을 부착하거나 코팅하여 형성시킬 수 있다.

온수관(400)을 일측 단면의 형상이 원형을 이루는 단순한 파이프 형상으로 형성할 수 있지만, 본 실시예에서는 센터 직선 라인(N₃) 상에 배치되는 복수의 집광 렌즈(100)로부터의 광 조사가 용이하도록 온수관(400)의 최상단부가 온수관(400)의 길이 방향(x방향)을 따라 편평한 면을 이루도록 형성된다. 즉, 센터 직선 라인(N₃) 상에 배치된 복수의 집광 렌즈(100)를 통해 조사되는 태양광(L_s')이 온수관(400)의 편평한 면에 경사지지 않고 수직으로 입사되도록 함으로써 축열 효율을 향상시킬 수 있다.

한편, 도 7에 도시된 바와 같이 온수관(400)의 변형예로서 하우징(500)의 내측을 가로지르는 길이 방향(x방향)을 따라 온수관(400)의 표면적을 확장시키기 위해 온수관(400)의 외주면을 물결 형상이 되도록 변형시킬 수 있다. 온수관(400)의 외주면을 물결 형상이 되도록 함으로써 온수관(400)에 입사되는 태양광(L_s")이 일부 반사될 때 반사되는 태양광(L_s")도 일정량 재 입사받을 수 있도록 하여 온수관(400)의 축열 효율을 향상시킬 수 있다.

광 처리공간(S)을 제공하는 하우징(500)은 온수관(400)의 길이 방향을 따라 마주하는 양측면이 개방되는 하우징 몸체(510)와, 하우징 몸체(510)의 개방된 양측면에 각각 결합되는 한 쌍의 하우징 덮개(520; 520a, 520b)를 포함한다. 이때, 한 쌍의 하우징 덮개(520)의 적어도 어느 하나에는 온수관(400)이 관통되어 삽입되도록 관통홀(522; 도8 참조)이 형성된다. 미도시되었지만, 고온으로 가열되는 온수관(400)을 지지하는 관통홀(522)은 고온에도 변형이 발생되는 것을 방지하기 위해 내열 처리가 이루어진다. 하우징 몸체(510)에는 집광 플레이트(200)의 결합을 용이하게 하기 위하여 결합 단차(512)가 형성된다(도4 참조). 결합 단차(512) 상에서 집광 플레이트(200)를 결합시켜 지지하고, 볼트(미도시) 등의 체결 수단을 사용하여 분리되는 것을 방지할 수 있다. 하우징 몸체(510)의 내측 바닥면에는 온수관(400)을 지지하는 온수관 지지대(410)가 설치되고, 온수관 지지대(410)가 설치되는 장소에 온수관(400)의 길이 방향(x방향)을 따라 홈(402)이 형성되어 하우징(500)의 내부에 발생되는 습기 등으로 인한 응축액이나 외부로부터 유입되는 먼지 등의 이물질을 용이하게 모아 배출시킬 수 있다. 이를 위해 하우징 몸체(510)의 내측 바닥면에 홈(402)을 형성하였지만, 하우징 몸체(510)의 내측 바닥면을 테이퍼(taper) 형상으로 변형시킬 수도 있다. 하우징(500)의 내부 일측에는 하우징(500) 내부의 온도, 온수관(400)의 표면 온도, 온수관(400)의 내부에서 가열되는 축열액(L)의 온도를 각각 측정할 수 있는 온도 측정기(미도시)가 구비된다.

온수관(400)을 가열하기 위해 하우징(500)을 1개 사용할 수 있지만 도 9에 도시된 바와 같이 2개 또는 그 이상의 개수로 하우징(500)을 맞대어 설치함으로써 집광 렌즈(100)의 개수를 확장시킴으로써 태양광(L_s)의 집광 효율을 향상시킬 수 있다. 이때, 온수관(400)은 각각의 하우징(500)을 관통하도록 복수 개 설치되거나 또는 하나의 온수관(400)이 복수의 하우징(500)의 내부를 모두 지나도록 굴곡시킬 수 있다. 또한, 각각의 하우징(500) 내에서 온수관(400)이 하우징(500)의 내부를 단순하게 가로지르도록 일직선 형상으로 형성시키거나, 하우징(500) 내에서 다양한 형상을 갖도록 굴곡시킨 후 하우징(500)을 가로지르도록 설치할 수 있다.

미도시되었지만, 각각의 하우징(500)을 관통하도록 설치된 복수의 온수관(400) 또는 굴곡된 온수관(400)의 일측에는 온수관(400)에 채워지는 축열액(L)을 공급하고, 온도 상승된 축열액(L)을 모아 보관하는 축열액 공급 및 회수 탱크가 구비된다.

한편, 온수관(400)의 연장되는 배관 상에는 온수관(400) 내에서 축열액(L)의 온도가 일정한 온도가 될 때까지 축열액(L)의 순환을 조절할 수 있는 밸브 수단(550)이 구비된다. 밸브 수단(550)에는 온도 측정기를 통해 측정된 축열액(L)의 온도와 사용자에 의해 설정된 기준 온도를 자동으로 비교하고, 비교 결과에 따라 밸브 수단(550)의 개폐를 제어할 수 있는 자동 개폐 제어기가 구비된다. 한편, 밸브 수단(550)과 연결되어 하우징(500)의 외부 일측에는 설정 기준 온도 등 사용자에 의한 입력값 등을 입력하기 위한 키보드, 마우스 등의 입력 수단과, 온도 측정기로부터 측정된 온도 등을 출력하는 모니터, 스피커 등의 출력 수단 및 입력 정보, 출력 정보, 구동 제어 정보 등이 시간의 흐름에 따라 저장되는 데이터베이스 등을 포함하는 입출력기(미도시)가 구비될 수 있다.

하우징(500)의 하부에는 하우징(500)의 자세 또는 위치를 변경시켜 집광 플레이트(200)에 정렬되는 복수의 집광 렌즈(100)의 법선 방향(Z방향)이 태양광(L_s)의 입사 경로의 연장 방향과 일치시키는 위치 변경기(600)가 구비된다. 위치 변경기(600)는 적어도 하나의 하우징(500)이 안치되는 회전판(610)과, 회전판(610)을 회전 구동(R)시키는 회전판 구동기(620)와, 회전판(610)의 상부면에서 돌출되도록 형성되어 하우징(500)의 하부면을 지지하는 적어도 하나의 승강라드(630)와, 승강라드(630)를 상하 구동(M₁, M₂)시키는 승강라드 구동기(미도시) 및 집광 렌즈(100)의 법선 방향(Z방향)을 따라 태양광(L_s)이 입사되도록 회전판 구동기(620) 및 승강라드 구동기의 구동을 제어하는 위치 제어기(미도시)를 포함한다.

본 실시예에서는 원형 단면을 갖는 회전판(610) 상에서 3개의 승강라드(630)를 사용하여 하우징(500)의 하부면을 지지하였다. 삼각 형상으로 배치되는 3개의 승강라드(630)의 상하 구동(M₁, M₂)되는 높이를 개별 제어함으로써 하우징(500)의 기울어짐을 자유롭게 조절할 수 있다. 위치 제어기에는 축열 시스템(1000)이 설치되는 장소와 관련된 위도, 경도 등의 위치 정보와, 설치 장소에서의 날짜 등의 시간 정보 등이 입출력기를 통해 입력되며, 이러한 정보들을 기초로 하여 태양 고도, 태양 위치가 판단되어 집광 렌즈(100)의 위치가 자동으로 변경된다.

전술한 바와 같이 본 발명의 실시예들에 따른 집광 어셈블리 및 이를 구비한 축열 시스템에 의하면, 외부에서 입사되어 복수의 볼록 렌즈를 통해 집광된 광이 온수관을 향하도록 광 경로를 변환시킬 수 있어 온수관의 위치와 상관없이 복수의 볼록 렌즈를 정렬 배치시킬 수 있다. 따라서, 온수관에 대응되는 볼록 렌즈의 개수를 용이하게 확장시켜 온수관에 조사되는 광량을 증가시킴으로써 집광 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 온수관의 표면에 복수의 볼록 렌즈로부터 나오는 집광된 광을 촘촘한 간격으로 조사시킬 수 있어 온수관 내에 채워진 축열액의 온도를 상승시키기 위한 축열 효율을 용이하게 향상시킬 수 있다. 또한, 복수의 볼록 렌즈와 집광 플레이트를 하나의 몸체로 형성함으로써 집광 어셈블리의 제조 비용을 절감할 수 있으며, 집광 어셈블리를 구비하는 축열 시스템의 설치 비용을 절감하고, 설치에 소요되는 시간을 단축시킬 수 있다.

이상, 본 발명에 대하여 전술한 실시예들 및 첨부된 도면을 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 후술되는 특허청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 후술되는 특허청구범위의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명이 다양하게 변형 및 수정될 수 있음을 알 수 있을 것이다.

100: 집광 렌즈 200: 집광 플레이트
300: 광학기 310: 오목 렌즈
320: 반사판 400: 온수관
500: 하우징 600: 위치 변경기
1000: 축열 시스템

Claims

외부에서 입사되는 광을 집광시키는 복수의 집광 렌즈와;
상기 복수의 집광 렌즈를 정렬시켜 지지하는 집광 플레이트와;
상기 복수의 집광 렌즈에서 이격 배치되어, 상기 복수의 집광 렌즈를 통해 집광된 광이 상기 집광 플레이트의 길이 방향과 교차하는 방향을 향하도록 광 경로를 변환시키는 복수의 광학기;를 포함하고,
상기 복수의 집광 렌즈는,
상기 집광 플레이트의 길이 방향으로 상기 복수의 집광 렌즈의 중심부가 직선 라인을 형성하도록 정렬되고, 상기 집광 플레이트의 길이 방향과 교차하는 방향으로 상기 복수의 집광 렌즈의 중심부가 엇갈려 정렬되며,
상기 복수의 집광 렌즈와 상기 집광 플레이트는 하나의 몸체로 형성되고,
상기 복수의 광학기는 상기 복수의 집광 렌즈와 반사판 사이에 구비되는 오목 렌즈를 포함하는 집광 어셈블리.
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 복수의 집광 렌즈는,
상기 집광 플레이트의 길이 방향 및 상기 집광 플레이트의 길이 방향과 교차하는 방향으로 측면 부위가 맞대어져 정렬되는 집광 어셈블리.
청구항 1에 있어서,
상기 복수의 집광 렌즈는,
광이 입사되는 방향을 향해 볼록하고, 광의 집광 방향과 교차하는 수평 단면이 정육각형으로 형성되는 집광 어셈블리.
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 하나의 몸체로 형성되는 복수의 집광 렌즈 및 집광 플레이트는 폴리카보네이트를 재질로 하여 형성되는 집광 어셈블리.
청구항 1에 있어서,
상기 복수의 광학기는,
상기 복수의 집광 렌즈를 통해 집광된 복수의 광이 반사되는 반사판을 포함하는 집광 어셈블리.
삭제
청구항 7에 있어서,
상기 복수의 광학기는,
상기 반사판에 의해 형성되는 상기 집광된 복수의 광의 반사 경로 상에 구비되는 볼록 렌즈를 포함하는 집광 어셈블리.