KR101187357B1

KR101187357B1 - 구형 집광렌즈를 이용한 태양광 조명장치

Info

Publication number: KR101187357B1
Application number: KR1020110033480A
Authority: KR
Inventors: 정병호
Original assignee: (주)삼호엔씨티
Priority date: 2011-04-11
Filing date: 2011-04-11
Publication date: 2012-10-11

Abstract

본 발명은 구형 구형 집광렌즈를 이용함으로써, 다양한 위치의 태양의 수직입사를 유도함으로서 태양광 추적을 위한 별도의 태양위치 추적장치가 필요없이 태양광을 효과적으로 집광하여 플라스틱 광케이블(POF : Plastic Optical Fiber)을 통해 빛을 전송하여 이를 실내조명으로 활용할 수 있는 구형 집광렌즈를 이용한 태양광 조명장치에 관한 것이다.
그 기술적인 구성은, 태양광이 조사되는 위치에 설치되어 태양광을 집광시키는 집광부와, 상기 집광부에 의해 집광된 빛을 입력받아 전송하도록 일단이 상기 집광부에 연결된 플라스틱 광섬유와, 상기 플라스틱 광섬유를 통해 전송되어 그 플라스틱 광섬유의 타단으로 출사되는 빛을 조명이 요구되는 공간으로 출사시키도록 상기 플라스틱 광섬유의 타단에 연결된 조명부로 구성된 태양광을 이용한 조명장치에 있어서, 상기 집광부는, 굴절률이 1보다 큰 재질로 구형상으로 형성되어 입사된 빛을 집속시키기 위한 구형 집광렌즈와, 상기 구형 집광렌즈에 의해 집속된 빛의 열을 차단하여 통과시키기 위한 열차단 필터와, 상기 열차단 필터를 통과한 빛을 상기 플라스틱 광섬유의 일단으로 유도하기 위한 버퍼렌즈가 구비되어 구성되고, 상기 플라스틱 광섬유는, 수개의 다발로 구성되어 그 다발의 일단이 상기 버퍼렌즈를 통과한 빛이 그 다발의 일단으로 입사되게 상기 버퍼렌즈에 연결된 것을 요지로 한다.

Description

구형 집광렌즈를 이용한 태양광 조명장치{SOLAR LIGHTING DEVICE USING IN SPHERICALNESS CONCENTRATION LENS}

본 발명은 구형 집광렌즈를 이용한 태양광 조명장치에 관한 것으로, 보다 상세하게로는 구형 집광렌즈를 이용함으로써, 다양한 위치의 태양의 수직입사를 유도함으로서 태양광 추적을 위한 별도의 태양위치 추적장치가 필요없이 태양광을 효과적으로 집광하여 플라스틱 광케이블(POF : Plastic Optical Fiber)을 통해 빛을 전송하여, 이를 실내조명으로 활용할 수 있도록 함은 물론, 태양위치에 상관없이 상기 구형 집광렌즈를 통해 항상 일정한 집광 성능을 확보함으로써, 활용가치를 높이고 고효율 및 저비용으로 활용도가 가일층 높게 이루어질 수 있도록한 구형 집광렌즈를 이용한 태양광 조명장치에 관한 것이다.

건설기술의 발달로 인해 건축물의 규모는 커지므로 주간에 햇빛을 받지 못하는 공간이 늘어가고 있는 실정이다.

현대 건축물의 대부분은, 큰 규모의 빌딩형태로 넓은 공간의 활용과 업무상의 이용 및 업무효율 증가를 위해 주간에도 실내 조명을 대부분 이용하고 있다. 특히, 도시의 건축물은 주거의 형태에서도 이러한 현상을 쉽게 접할 수 있다. 터널, 지하실, 지하상가, 지하주차장등의 지하공간이 대표적인 공간이며, 건물의 내부나 안쪽은 빛이 도달하지 않아 주간에 전기조명에 의존하고 있다. 주간조명은 안전한 생활과 안락함을 제공하는 중요한 요소로 실생활에 매우 중요한 요소이다.

상기와 같은 주간 실내조명을 위해서 에너지의 사용이 증가함에 따라 선진국은 건축물로 인한 환경부하 저감과 에너지 절약을 동시에 해결하기 위한 방안으로 그린빌딩(GB, Green Building) 개념을 도입하여 친환경 건축물 인증제도를 시행하고 있으며 국내에서도 2002년 1월부터 친환경 건축물 인증제도를 시행하고 있다. 이러한 친환경 및 에너지 절약형 건축물에는 태양광을 채광하여 실내조명에 이용하는 방법이 사용된다. 또한 이러한 채광방식은 건축물내의 태양광 조사 뿐만 아니라 물속, 지하통로나 하수도 등지의 다양한 적용처를 확보하고 있다.

종래의 태양광을 이용한 채광 또는 집광을 통한 빛의 활용기술은 태양광의 수직입사를 위해 굴절유리를 이용하거나 반사거울을 이용하여 빛을 유도하는 방법 등을 통해 빛의 경로를 조절하는 방식이 사용되고 있다. 특히, 태양광의 이용효율을 높이기 위하여 태양의 고도와 방위를 추적하는 방법이 이용되기도 한다. 그런데, 태양광 추적장치를 이용하는 경우는 부가적인 전기장치나 태양위치 추적구동장치등의 장치가 필요함으로서 전체 시스템의 비용이 커져서 실용화에 어려움을 격고 있으며 이러한 시스템은 전체 무게가 커지거나 가격이 증가하는 단점이 있다.

태양광 추적장치를 부착하지 않는 태양광을 이용한 실내조명장치 중 반사채광방식은 광선반시스템을 이용하는 방식이나 루버 및 블라인드를 적용하는 방식, 프리즘을 이용하여 넓은 면적의 태양빛을 반사시켜 사용하고 있으나 이러한 빛의 굴절을 이용한 채광방식은 꾸준한 유지보수와 설치각도, 설치면적에 제약을 받는다.

한편, 채광을 위해 집광렌즈의 이용이 많은데, 집광렌즈는 기본적으로 반구형 렌즈를 적용하여 왔으나 반구형렌즈가 무게나 부피가 커서 적용하는데 어려움이 있다. 따라서 이를 개선하기 위한 프레넬렌즈나 돔형 렌즈가 등장하고 있는 실정이다.

또한, 집광렌즈는 태양빛의 산란이 발생하거나 수직입사가 유지되지 않는 경우에 집광하는데 어려움이 발생하는 문제점이 있는 것으로, 따라서 별도의 태양위치 추적기장치가 부가되어야만 한다.

그러나, 추적기 시스템은 센서방식이나 프로그램방식 둘 다 전기적인 동력이 필요하므로 실제로 에너지 변환효율은 우수하지 않으며, 또한 전동기구와 가동부는 시스템을 복잡하게 하고 단가를 증가시키며 설치를 어렵게 하여 실제 제약이 크게 되는 단점이 있는 것이다.

또한, 돔형이나 하프돔형과 같은 프레넬렌즈와 유사한 형태의 비구면 렌즈를 이용한 집광 장치에서 나타나고 있으나, 이 역시 효율의 상승과 렌즈의 부피를 줄이는데는 성공했으나 추적기를 가져야 하는등 많은 문제점이 있는 것이다.

본 발명은 상기와 같은 점을 인식하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 구형 집광렌즈를 이용함으로써, 다양한 위치의 태양의 수직입사를 유도함으로서 태양광 추적을 위한 별도의 태양위치 추적장치가 필요없이 태양광을 효과적으로 집광하여 플라스틱 광케이블(POF)을 통해 빛을 전송하여, 이를 실내조명으로 활용할 수 있도록 함은 물론, 태양위치에 상관없이 상기 구형 집광렌즈를 통해 항상 일정한 집광 성능을 확보함으로써, 활용가치를 높이고 고효율 및 저비용으로 활용도가 가일층 높게 이루어질 수 있는 구형 집광렌즈를 이용한 태양광 조명장치를 제공하는데 있다.

또한, 본 발명은 집광된 태양빛의 열을 투명재질의 유리 버퍼렌즈가 차단하여 발산하며, 태양의 위치에 따라 위치가 다르게 집광된 빛을 상기 투명재질의 유리 버퍼렌즈가 보정하여 플라스틱 광섬유의 입사단에 빛을 용이하게 전송할 수 있도록 하고, 상기 플라스틱 광섬유의 단부와 연설되는 조명부의 조명등 하부에는 빛 확산형 렌즈가 설치되어, 실내 조명이 눈에 피로가 적은 은은한 형태로 확산하여 고른 배광이 이루어질 수 있는 구형 집광렌즈를 이용한 태양광 조명장치를 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 구형 집광렌즈를 이용한 태양광 조명장치는, 태양광이 조사되는 위치에 설치되어 태양광을 집광시키는 집광부와, 상기 집광부에 의해 집광된 빛을 입력받아 전송하도록 일단이 상기 집광부에 연결된 플라스틱 광섬유와, 상기 플라스틱 광섬유를 통해 전송되어 플라스틱 광섬유의 타단으로 출사되는 빛을 조명이 요구되는 공간으로 출사시키도록 상기 플라스틱 광섬유의 타단에 연결된 조명부로 구성된 태양광을 이용한 조명장치에 있어서,

상기 집광부는, 굴절률이 1보다 큰 재질로 구형상으로 형성되어 입사된 빛을 태양의 어느 위치에서도 집속시키기 위한 구형 집광렌즈가 투명 재질의 렌즈커버 내부에 내설되고, 상기 구형 집광렌즈의 하측에는 구형 집광렌즈에 의해 집속된 빛의 열을 1차 차단하여 통과시키기 위한 열차단 필터가 착설되며, 상기 열차단 필터를 통과하여 집광된 빛의 열을 2차 차단하여 발산하며, 태양의 위치에 따라 위치가 다르게 집광된 빛을 보정하여 상기 플라스틱 광섬유의 입사단에 빛을 전송토록 투명재질의 유리 버퍼렌즈가 상기 열차단 필터의 하측에 착설되고, 이때 상기 유리 버퍼렌즈의 외측에는 상기 유리 버퍼렌즈를 통과한 빛이 외부로 손실되지 않으면서 내면에 빛이 반사되도록 커넥터가 설치되며, 상기 유리 버퍼렌즈를 통과한 빛이 입사단으로 입사되도록 수개의 다발로 구성된 플라스틱 광섬유 일측 단부가 상기 유리 버퍼렌즈에 연결 설치되고, 상기 플라스틱 광섬유의 타측단 조명부에는 상기 플라스틱 광섬유를 통해 전송된 빛의 양을 조절 및 차단하기 위한 컨트롤러가 설치되는 구성으로 이루어진 것을 특징으로 하는 구형 집광렌즈를 이용한 태양광 조명장치를 마련함에 의한다.

또한, 본 발명은 상기 플라스틱 광섬유를 통해 전송된 빛의 양을 조절 및 차단하기 위하여 플라스틱 광섬유와 연설되는 컨트롤러는, 구경의 크기 조절에 의해 빛의 양을 제어하는 조리개(Aperture)로 이루어진 광 분배기로 구성되며, 이때 상기 조리개로 이루어진 광 분배기는, 조리개와 연결구를 개재하여 조작 다이얼과 연설되어 광량을 조절하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 플라스틱 광섬유의 단부와 연설되는 조명부의 조명등 하부에는 빛 확산형 렌즈가 설치되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 구형 집광렌즈를 이용한 태양광 조명장치에 의하면, 구형 집광렌즈를 이용함으로써, 다양한 위치의 태양의 수직입사를 유도함으로서 태양광 추적을 위한 별도의 태양위치 추적장치가 필요없이 태양광을 효과적으로 집광하여 플라스틱 광케이블(POF)을 통해 빛을 전송하여, 이를 실내조명으로 활용할 수 있도록 함은 물론, 태양위치에 상관없이 상기 구형 집광렌즈를 통해 항상 일정한 집광 성능을 확보함으로써, 활용가치를 높이고 고효율 및 저비용으로 활용도가 가일층 높게 이루어질 수 있으며, 또한 집광된 태양빛의 열을 투명재질의 유리 버퍼렌즈가 차단하여 발산하며, 태양의 위치에 따라 위치가 다르게 집광된 빛을 상기 투명재질의 유리 버퍼렌즈가 보정하여 플라스틱 광섬유의 입사단에 빛을 용이하게 전송할 수 있도록 하고, 상기 플라스틱 광섬유의 단부와 연설되는 조명부의 조명등 하부에는 빛 확산형 렌즈가 설치되어, 실내 조명이 눈에 피로가 적은 은은한 형태로 확산하여 고른 배광이 이루어질 수 있는 우수한 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 구형 집광렌즈를 이용한 태양광 조명장치를 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 구형 집광렌즈를 이용한 태양광 조명장치의 집광부를 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 조명부에 설치되는 광 분배기의 조리개 연결 구조를 도시한 도면.
도 4는 스넬의 법칙을 설명하기 위한 도면.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 구형 집광렌즈를 이용한 태양광 조명장치의 구형 집광렌즈에 의해 태양광이 집광되는 작용을 개념적으로 도시한 도면.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10...집광부 11...구형 집광렌즈
12...열차단 필터 13...유리 버퍼렌즈
14...커넥터 15...렌즈커버
20...플라스틱 광섬유 30...조명부
31...조명등 32...컨트롤러
33...스위치 34...조리개
35...광 분배기 36...연결구
37...조작 다이얼 38...빛 확산형 렌즈

이하에서는 도면에도 도시된 실시예를 참조하여 본 발명에 따른 구형 집광렌즈를 이용한 태양광 조명장치를 보다 상세하게 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 구형 집광렌즈를 이용한 태양광 조명장치를 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 구형 집광렌즈를 이용한 태양광 조명장치의 집광부를 도시한 도면이며, 도 3은 본 발명의 조명부에 설치되는 광 분배기의 조리개 연결 구조를 도시한 도면으로서, 상기 도면을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 구형 집광렌즈를 이용한 태양광 조명장치는 집광부(10), 플라스틱 광섬유(20) 및 조명부(30)를 포함하여 구성된다.

이때, 상기 집광부(10)는 태양광(L)을 집광시키는 구성으로, 건물의 외부 즉, 태양광(L)이 조사되는 위치인 실외에서 건물의 외벽이나 지붕과 같은 구조물(W)에 태양광(L)에 노출되게 설치된다.

상기 집광부(10)는, 구형 집광렌즈(11)와 열차단필터(12) 그리고 유리 버퍼렌즈(13), 커넥터(14), 렌즈커버(15)를 포함하여 구성된다.

상기 구형 집광렌즈(11)는, 입사된 빛을 유리 버퍼렌즈(13) 방향으로 집속하기 위한 렌즈로서 구형상으로 형성되어, 상기 구형 집광렌즈(11)의 표면에 조사된 빛이 일정 영역에 집광 되도록, 상기 구형 집광렌즈(11)의 굴절률은 대기의 굴절률보다 커야 한다.

즉, 상기 구형 집광렌즈(11)의 굴절률은 1보다 커야 하며, 바람직하게는 고굴절률인 것이 바람직하다.

상기 구형 집광렌즈(11)에 의해 태양광이 집광되는 원리는 스넬의 원리에 따르게 되며, 이때 도 4는 스넬의 원리를 도식적으로 도시한 도면으로서, 상기 도 4를 참조하면, 빛은 매질을 경계에서 수학식 1에 따라 굴절된다.

상기 수학식 1에 따르면 빛이 굴절률이 n₁인 매질에서 굴절률이 n₂인 매질로 진행할 때 매질의 경계면에서 진행방향이 꺽이는 굴절현상이 발생되며, 그 때 입사각 θ₁의 sin값과 굴절각 θ₂의 sin값은 반비례 관계를 갖는다. 따라서, n₁〈 n₂인 경우 굴절각 θ₂가 입사각 θ₁보다 작아지게 된다. 따라서, 굴절률이 1인 공기중에서 굴절률이 1보다 큰 매질로 된 집광렌즈(11)로 입사된 태양광은 굴절된 빛의 굴절각이 입사각보다 적어져 집광된다.

본 발명은 구형 집광렌즈(11)가 구형상으로 형성되어 고도와 방위각이 변하면서 입사되는 태양광이 구형 집광렌즈(11)에 의해 유리 버퍼렌즈(13)가 위치한 일정한 영역의 내로 집광됨으로써 별도의 태양광 추적장치가 필요없는 것이다.

한편, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 구형 집광렌즈를 이용한 태양광 조명장치의 구형 집광렌즈에 의해 태양광이 집광되는 작용을 개념적으로 도시한 도면으로서, 상기 도 5를 참조하여 설명하면, 상기 구형 집광렌즈(11)의 표면으로 입사되는 태양광은 구형 집광렌즈(11)의 중심을 향하는 태양광선(L1)은 법선(n1)과 일치하기 때문에, 상기 구형 집광렌즈(11)의 중심을 통과하여 태양광이 입사된 반대측으로 출사되고, 그 주변으로 입사된 태양광선(L2,L3,L2',L3')은 굴절되어 구형 집광렌즈(11)의 중심을 관통한 태양광선(L1)을 중심으로 일정한 영역(a)을 갖게 모아지게 된다. 이때 상기 도 5에서 n2,n3,n2',n3'는 태양광선 L2,L3,L2',L3' 각각의 법선을 도시한 것이다.

태양의 고도와 방위각의 변화로 상기 구형 집광렌즈(11)로 입사되는 태양광의 변화에 따라 집광되는 위치가 집광영역(A)의 내에서 변하게 되며, 집광된 빛이 유리 버퍼렌즈(13)을 통과하도록 유리 버퍼렌즈(13)의 입사면은 집광영역(A)보다 큰 것이 바람직하다.

본 발명은, 상기 구형 집광렌즈(11)가 구형상의 구면렌즈로서 임의의 각도로 입사되는 태양광(L)을 효율적으로 집광시킬 수 있는 것이다. 즉, 계절이 변화 및 태양의 일주로 구형 집광렌즈(11)로 입사되는 태양광의 입사각이 변하더라도 태양광을 집광영역(A)의 내로 용이하게 집광시킬 수 있게 된다.

한편, 집광영역(A)의 크기가 크면 유리 버퍼렌즈(13)의 크기가 커지기 때문에 집광영역(A)의 크기는 적은 것이 바람직하며, 이는 상기 구형 집광렌즈(110의 굴절률을 크게 함으로써 달성되어 질 수 있다. 통상 다이아몬드의 굴절률은 2.42이고 공기는 1.0, 물은 1.33, 벤젠은 1.5, 유리는 1.45~1.92이다. 따라서 가공과 가격적인 측면 및 투과율 등을 고려하면 구형 집광렌즈(11)의 재질로는 투명재질의 유리나 플라스틱이 바람직하다.

상기 유리의 경우 고굴절률은 1.70이상, 초고굴절율이 1.80이상이며, 플라스틱의 경우는 고굴절률이 1.60이상, 초고굴절률은 1.65이상이다. 따라서, 본 발명에서는 초고굴절률의 유리나 플라스틱 재질로 구형 집광렌즈(11)를 제조함으로써 충분히 집광영역(A)를 작게 할 수 있다.

상기 구형 집광렌즈(11)는 5~10배율이 바람직하다. 상기 구형 집광렌즈(11)의 배율이 5보다 작으면 충분한 채광이 확보되지 않으며 배율이 10보다 크면 플라스틱 광섬유(20)로 입사되는 빛에 열이 너무 높아 플라스틱 광섬유(20)를 손상시킬 수 있게 된다.

따라서, 상기 구형 집광렌즈(11)가 5~10배율로 설계하는 경우 유리 버퍼렌즈(13)의 수광면적이 18,000㎟라면 태양빛의 입사면적은 90,000~180,000㎟이 된다. 즉, 유리 버퍼렌즈(13)의 직경이 150mm라고 한다면 집광렌즈(11)은 340~480mm의 직경으로 설계된다.

상기 열차단 필터(12)는, 상기 구형 집광렌즈(11)에 의해 집광된 태양광 중에서 열작용을 하는 광선이 플라스틱 광섬유(20)으로 입사되지 않도록 1차 차단하는 역할을 수행한다.

상기 구형 집광렌즈(11)는 채광효율을 높이기 위해 플라스틱 광섬유(20)의 입사단의 면적보다 수배이상 넓은 면적에서 집광하여야 한다. 따라서 집광율이 높아지면 상대적으로 높은 열이 발생하므로 플라스틱 광섬유(20)의 내구성을 감안하여 구형 집광렌즈(11)의 집광율을 조절하여야 할 뿐만 아니라 집광된 광선에서 열작용 광선을 상기 열차단필터(12)에 의해 1차 제거하는 것이다.

이때, 상기 플라스틱 광섬유(20)로 플라스틱의 소재인 플라스틱 광케이블(POF : Plastic Optical Fiber)이 사용되는 경우 열의 차단이 매우 중요해진다. 최근 내열 플라스틱 광케이블(POF) 소재에 대한 다양한 기술이 소개되고 있어 향후 이상의 성능을 확보할 것으로 예측되지만 상기 플라스틱 광케이블의 열적 성능은 일반적으로 -20℃~70℃이므로, 상기 플라스틱 광케이블로 입사되는 광선의 온도를 흡수하거나 반사시키는 것이 필요하기 때문에 상기 열차단 필터(12)는 필수적인 것이다.

상기 열차단필터(12)는 열작용 광선이 플라스틱 광섬유(20)로 입사되지 않도록 한 것이므로 상기 플라스틱 광섬유(20)의 전에 위치되도록 하며, 바람직하게는 도면에서와 같이 열차단필터(12)가 유리 버퍼렌즈(13)의 전방에 위치시키는 것이 바람직 하다.

한편, 상기 열차단필터(12)는 도면에서와 같이 상기 유리 버퍼렌즈(13)과 별도로 구성되어 질 수 있으나, 이는 집광된 빛을 플라스틱 광섬유(20)로 전송하는 유리 버퍼렌즈(13)와 일체로 구현되어 질 수 있다. 예를 들면, 상기 열차단필터(12)는 상기 유리 버퍼렌즈(13)에 열차단 코팅이 이루어지거나 유리 버퍼렌즈(13)에 열을 흡수하고 반사하도록 하여 구성되어 질 수 있다.

상기 구형 집광렌즈(11)를 통해 집광된 빛은 유리 버퍼렌즈(13)를 이용하여 플라스틱 광섬유(20)에 효과적으로 빛을 전달할 수 있는 매체로 사용되며, 이때 상기 유리버퍼렌즈의 역할은 두가지로 구분된다.

첫 번째는, 구형 집광렌즈(11)의 아래부분에 위치한 유리 버퍼렌즈(13)는 구형 집광렌즈(11)를 통해 집광된 빛에너지와, 열차단필터(12)를 통해 1차 제거된 열에너지를 모두 흡수하여 열에너지를 2차로 방열하는 역할을 수행한다.

상기 구형 집광렌즈(11)를 통해 집광된 높은 태양에너지는 열과 빛을 모두 포함하고 있는 관계로, 조명에 사용되는 에너지의 형태는 빛에너지만을 사용하기 때문에 효과적인 열발산은 필수불가결한 요소이다.

따라서, 집광된 열에너지 수 백℃이상의 고온으로 플라스틱 광섬유(20)에 직접적으로 닿았을 경우 상기 플라스틱 광섬유가 심하게 훼손될 수 있는 관계로, 상기 유리 버퍼렌즈(13)에서 열을 발산해 주게 된다.

또한, 두 번째로 상기 유리 버퍼렌즈(13)는, 집광경로를 제공하는 역할을 수행하게 되며, 이는 상기 구형 집광렌즈(11)에서 출사된 집광된 빛의 위치는 다양하기 때문에 상기 구형 집광렌즈의 하단부위에 출사하는 빛의 위치를 확인 할 수 있으나, 정확한 출사위치는 시간, 계절에 따른 태양위치에 따라 변동하기 때문에 상기 유리 버퍼렌즈(13)가 이를 보정하는 역할을 수행한다.

상기와 같이, 유리 버퍼렌즈(13)를 통해 보정된 집광된 빛은 정확하게 플라스틱 광섬유(20)의 입사단에 입사시켜 빛을 전송할 수 있도록 경로를 제공해 주는 것이다.

따라서, 상기 구형 집광렌즈(11)에 의해 집광된 빛은 유리 버퍼펜즈(13)을 통해 플라스틱 광섬유(20)로 전달되며, 이때 상기 유리 버퍼렌즈(13)는 유리로 되어 열을 반사시키고, 빛을 플라스틱 광섬유(20)에 전달시키는 역할을 하기 때문에 빛을 플라스틱 광섬유(20)에 전달하기 용이한 형상을 갖도록 형성된다.

즉, 상기 유리 버퍼렌즈(13)는 집광된 빛이 수개의 플라스틱 광섬유(20)의 입사단에 골고루 확산되도록 도면에서와 같이 반구형의 오목렌즈로 형상을 갖도록 형성된다.

상기 구형 집광렌즈(11)에 의해 집광된 빛은 조명부(30)의 개수나 크기에 따라 플라스틱 광섬유(20)으로 입사되는 배분이 달라지지만, 통상 상기 조명부(30)는 수개 이상으로 구성되는 경우가 많으므로, 집광된 빛은 여러 가닥의 플라스틱 광섬유(20)에 고르게 분배되는 것이 바람직하며, 이를 위하여 상기 유리 버퍼렌즈(13)는 빛의 분산이 이루어지는 오목렌즈로 형성되어 빛을 확산시킨다.

또한, 상기 유리 버퍼렌즈(13)의 외측에는, 상기 유리 버퍼렌즈(13)를 통과한 빛이 외부로 손실되지 않으면서 내면에 빛이 반사되도록 커넥터(14)가 설치되며, 이때 상기 커넥터(14)는, 상기 플라스틱 광섬유(20)의 입사단을 상기 유리 버퍼렌즈(13)에 연결하도록 하며, 상기 커넥터(14)는 유리 버퍼렌즈(13)을 통과한 빛이 외부로 손실되지 않도록 내면에 빛이 반사되도록 구성된다.

또한, 투명 재질의 렌즈커버(15)는 상기 구형 집광렌즈(11)를 내부에 둘러싸게 설치되어 상기 구형 집광렌즈(11)를 보호하며, 이때 상기 구형 집광렌즈(11)는 집광을 위하여 실외에 설치되기 때문에 외부의 물리적인 충격이나 오염등에 노출되는 관계로, 상기 렌즈커버(15)를 통하여 외부의 물리적 충격이니 오염으로부터 구형 집광렌즈(11)를 안전하게 보호하는 역할을 수행한다.

또한, 상기 렌즈커버(15)는 자외선에 강인한 특성을 갖는 투명 폴리카보네이트 소재나 투명아크릴 등의 소재로 반구형의 형상을 갖도록 형성되며, 상기 렌즈커버(15)는 구형 집광렌즈(11)의 설치지역 제약이나 환경적인 영향을 줄일 수 있도록 할 뿐만 아니라 방수 및 방열을 역할을 수행하는 한편, 상기 렌즈커버(15)의 하부에는 상기 구형 집광렌즈(11)가 용이하게 안착되기 위한 충진물(15a)이 채워지는 것이다.

계속해서, 상기 플라스틱 광섬유(20)는, 집광부(10)에 의해 집광된 빛을 입력받아 전송하도록 일단부인 입사단이 상기 집광부(10)의 유리 버퍼렌즈(13)에 연결되고 타단부인 출사단은 상기 조명부(30)에 연결 설치된다.

상기 플라스틱 광섬유(20)는, 수개의 다발로 구성되어 그 다발의 일단이 상기 유리 버퍼렌즈(13)를 통과한 빛이 그 다발의 일단으로 입사되게 상기 유리 버퍼렌즈(13)에 커넥터(14)에 의해 연결된다.

이때, 상기 플라스틱 광섬유(20)로는 유리 광섬유가 사용되어 질 수 있으나 가격 및 유연성이 우수하여 사용이 편리한 플라스틱 광섬유(POF)가 사용되는 것이 바람직하며, 본 발명에서 사용되는 플라스틱 광섬유는 외경이 3mm 이상의 멀티모드 광섬유이며, 코어부분의 굴절률 분포가 균일한 스텝 인덱스(SI형) 광섬유와 분포를 가지는 그래디드 인덱스(GI 형) 광섬유로 나눌 수 있다. 코어부분의 굴절률이 균일한 SI형 광섬유에서 광섬유 내부의 빛은 코어와 클래딩의 계면에서의 전반사에 의하여 광섬유의 반대쪽 끝으로 도파된다.

한편, 상기 플라스틱 광섬유(20)의 타단부인 출사단에 연결되는 조명부(30)는, 상기 플라스틱 광섬유(20)를 통해 전송되어 그 플라스틱 광섬유(20)의 타단, 즉 출사단으로 출사되는 빛을 실내와 같이 조명이 요구되는 공간으로 출사시키도록 상기 플라스틱 광섬유(20)의 타단에 연결되며, 이때 상기 조명부(30)는 상기 플라스틱 광섬유(20)을 통해 전송된 빛을 실내로 확산시키도록 천정 등과 같은 구조물(C)에 부설된 조명등(31)과, 상기 플라스틱 광섬유(20)를 통해 상기 조명등(31)으로 전송되는 빛의 양을 조절하거나 차단하기 위한 컨트롤러(32)가 구비되어 구성된다.

이때, 상기 플라스틱 광섬유(20)의 단부와 연설되는 조명부(30)의 조명등(31) 하부에는 빛 확산형 렌즈(38)가 설치되어, 실내 조명시 눈에 피로가 적은 은은한 빛의 형태로 제공되도록 하며, 상기 빛 확산렌즈(38)를 통하여 빛을 효과적으로 확산시켜 고른 배광을 갖도록 하는 것이다.

또한, 상기 컨트롤러(32)는 스위치(33)의 입력에 따라 조명등(31)으로 전송되는 빛의 양을 조절하거나 차단하기 위한 셔터로 구성되며, 또한 상기 컨트롤러(32)는, 구경의 크기 조절에 의해 빛의 양을 제어하는 조리개(34)(Aperture)로 이루어진 광 분배기(35)로 구성될 수 있고, 이때 상기 조리개(34)로 이루어진 광 분배기(35)는, 조리개(34)와 연결구(36)를 개재하여 조작 다이얼(37)과 연설되어 광량을 수동으로 조절할 수 있는 것이다.

즉, 실내에 조사되는 빛 에너지는 일반적으로 최대한 적극적인 활용방법을 이용하지만, 경우에 따라서는 광량을 조절하는 장치가 별도로 필요한 경우도 있으므로, 상기 광량을 조절하는 장치로서 카메라에서 광량을 제어하는 조리개(Aperture)의 구조와 같은 원리로, 구경의 크기조절로 빛의 양을 조절하는 방식인 조리개(34)를 이용할 수 있으며, 이때 상기 조리개(34)를 통해 전기에너지가 필요없이 수동으로 광량을 조절할 수 있는 광 분배기(35)가 포함되고, 상기 광 분배기(35)는 다이얼방식의 조작 다이얼(37)을 통해 수동으로 광량을 직접 조절하는 방식으로 친환경 에너지활용 기술의 일관성을 유지할 수 있는 것이다.

상술한 바와 같이 본 발명은, 구형 집광렌즈(11)가 굴절률이 공기보다 커서 태양광을 유리 버퍼렌즈(13)로 모아주고, 유리 버퍼렌즈(13)는 집광된 빛을 플라스틱 광케이블과 같은 플라스틱 광섬유(20)의 입사단에 골고루 분산시켜 입사시키고, 플라스틱 광섬유(20)는 입사된 빛을 원하는 위치에 설치된 조명부(30)로 전송시키도록 구성된다.

특히, 본 발명은 구형 집광렌즈(11)를 통하여 태양의 고도각의 변화나 방위각의 변화에 상관없이 태양광의 채광을 극대화할 수 있는 것으로, 실용화의 가능성이 매우 크며 태양위치에 상관없이 상기 구형 집광렌즈(11)를 통해 항상 일정한 집광 성능을 확보함으로써, 활용가치를 높이고 고효율, 저비용, 활용도 높은 태양광을 이용한 조명장치를 구축할 수 있도록 한다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것으로 본 발명에 속하는 기술분야는 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위내에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의해 본 발명의 기술사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의해 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위내에 있는 모든 기술사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims

태양광이 조사되는 위치에 설치되어 태양광을 집광시키는 집광부와, 상기 집광부에 의해 집광된 빛을 입력받아 전송하도록 일단이 상기 집광부에 연결된 플라스틱 광섬유와, 상기 플라스틱 광섬유를 통해 전송되어 그 플라스틱 광섬유의 타단으로 출사되는 빛을 조명이 요구되는 공간으로 출사시키도록 상기 플라스틱 광섬유의 타단에 연결된 조명부로 구성된 태양광을 이용한 조명장치에 있어서,
상기 집광부는, 굴절률이 1보다 큰 재질로 구형상으로 형성되어 입사된 빛을 태양의 어느 위치에서도 집속시키기 위한 구형 집광렌즈가 투명 재질의 렌즈커버 내부에 내설되고, 상기 구형 집광렌즈의 하측에는 구형 집광렌즈에 의해 집속된 빛의 열을 1차 차단하여 통과시키기 위한 열차단 필터가 착설되며, 상기 열차단 필터를 통과하여 집광된 빛의 열을 2차 차단하여 발산하며, 태양의 위치에 따라 위치가 다르게 집광된 빛을 보정하여 상기 플라스틱 광섬유의 입사단에 빛을 전송토록 투명재질의 유리 버퍼렌즈가 상기 열차단 필터의 하측에 착설되고, 이때 상기 유리 버퍼렌즈의 외측에는 상기 유리 버퍼렌즈를 통과한 빛이 외부로 손실되지 않으면서 내면에 빛이 반사되도록 커넥터(14)가 설치되며, 상기 유리 버퍼렌즈(13)를 통과한 빛이 입사단으로 입사되도록 수개의 다발로 구성된 플라스틱 광섬유 일측 단부가 상기 유리 버퍼렌즈에 연결 설치되고, 상기 플라스틱 광섬유의 타측단 조명부에는 상기 플라스틱 광섬유를 통해 전송된 빛의 양을 조절 및 차단하기 위한 컨트롤러가 설치되는 구성으로 이루어진 것을 특징으로 하는 구형 집광렌즈를 이용한 태양광 조명장치.
제1항에 있어서, 상기 플라스틱 광섬유를 통해 전송된 빛의 양을 조절 및 차단하기 위하여 플라스틱 광섬유와 연설되는 컨트롤러는, 구경의 크기 조절에 의해 빛의 양을 제어하는 조리개(Aperture)로 이루어진 광 분배기로 구성되는 것을 특징으로 하는 구형 집광렌즈를 이용한 태양광 조명장치.
제2항에 있어서,
상기 조리개(Aperture)로 이루어진 광 분배기는, 조리개와 연결구를 개재하여 조작 다이얼과 연설되어 광량을 조절하는 것을 특징으로 하는 구형 집광렌즈를 이용한 태양광 조명장치.
제1항에 있어서,
상기 플라스틱 광섬유의 단부와 연설되는 조명부의 조명등 하부에는 빛 확산형 렌즈가 설치되는 것을 특징으로 하는 구형 집광렌즈를 이용한 태양광 조명장치.