KR101269367B1 - 자연채광 집광장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 바람직한 일 실시 예에 의하면, 태양광이 투과되는 투과면이 상단에 구비되며, 패턴이 가공되어 태양광을 굴절시키는 가공면이 하단에 구비되는 경사평면; 경사평면 일단 끝단에서 연장되어, 수평면에 대하여 중심각을 갖는 부채꼴 형상으로 이루어지는 제1평면; 경사평면 타단 끝단에서 연장되며, 제1평면과 동일한 형상으로 구비되는 제2평면; 및 제1평면 끝단에서 제2평면 끝단까지 연장되어 형성되며, 태양광을 반사시키는 파라볼라면;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 자연채광 집광장치가 제공된다.

Description

자연채광 집광장치 {DAYLIGHTING COLLECTING APPARATUS}

본 발명은 자연채광 집광장치에 관련한 것으로서, 더욱 상세하게는 태양의 고도각이 높은 여름철과 고도각이 낮은 겨울철의 집광효율을 획기적으로 조절하여 실내 태양광 유입량을 평균화 할 수 있는 자연채광 집광장치에 관한 것이다.

종래 전통적인 한옥과 같이 남향으로 개방된 단독 주거 형태에서는 태양광이 건물 내부로 충분히 유입되므로 낮에는 건물 실내를 밝혀 주기 위한 별도의 조명 장치가 거의 필요치 않았다.

그러나, 오늘날의 단독 주택은 개방형인 전통 가옥과 달리 방범의 목적상 폐쇄형 주택의 양식을 취함으로써 실내로 유입되는 태양광이 감소되어 낮에도 어느 정도의 조명 기구를 사용하여야 하는 단점을 가지고 있으며 건축 기술의 발달과 함께 건물들이 대규모 고층화됨에 따라 건물들간의 태양광 차단으로 건물 내의 태양광 유입이 감소된다.

특히 우리나라의 경우 국토 면적이 좁고 인구에 비하여 주택과 녹지 공간은 매우 부족한 실정이기 때문에 경제 활동 공간으로서의 지하 공간 개발이 활발히 이루어지고 있고, 향우에도 지하 공간의 개발은 계속될 것이나, 이와 같은 지하 공간은 하루종일 조명 기구가 필요로 되는 만큼 조명을 위한 에너지의 소비가 매우 크다는 문제점이 있다.

이와 같이 낮에 소비되는 조명용 전기 에너지의 획기적인 절약과 지하 공간에서 활동하는 사람들에 대한 일사량 보충의 면에서 태양광을 이용한 자연 채광에 의한 조명이 매우 바람직하다.

따라서, 에너지 절약을 목적으로 하고 자연광인 태양광의 특성을 지하시설물이나 대형건축물 내부에까지 전송하기 위해서 다양한 태양광 집광광치에 대한 연구가 이루어지고 있으며, 종래 폴리카보네이트를 재질의 투명 돔 구조와 투명 프리즘 패널을 이용한 다양한 집광구조가 개시되어 오고 있다.

가령 투명 돔 구조의 경우 수직으로 설치할 시를 예를 들면 겨울철에는 고도 각이 낮으므로 집광부를 투과한 태양광이 수직도광부에 유입되어 도광부 내부 반사면에 입사되는 각이 높아져 반사 횟수가 여름철보다 현저히 많아지게 된다.

때문에 도광부의 반사율이 96%일 경우에는 한번 반사에 4%씩 효율이 저하되며, 도광부의 길이가 길어질수록 반사 횟수는 많아진다. 도광부의 길이가 1.5m인 경우 여름철 반사 횟수는 1회, 겨울철 반사 횟수는 6~7회가 되며, 태양광 전송 효율로 따지면 여름철 94%, 겨울철 61%로 30% 이상의 효율차이가 나는 문제점이 발생한다.

집광구조가 프리즘 패널면 만으로 구성된 경우는, 빛이 광학적으로 밀(密)한 매질(굴절률이 큰 물질)에서 소(疎)한 매질(굴절률이 작은 물질)로 입사할 때, 입사각이 어느 특정 각도(임계각) 이상이면 그 경계면에서 빛이 전부 반사 되어 버리고 굴절광선은 존재하지 않게 되며, 이러한 현상을 전반사라한다.

프리즘 패턴이 고정형으로 설치될 경우 태양의 고도와 위도는 항상 바뀜으로 프리즘 패턴 설계각에 따라 다르겠지만, 태양이 일정한 각 이상 넘어가면 전반사가 일어나며 자연채광 집광장치의 효율이 떨어지는 문제점이 발생한다.

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 일 실시 예는 추적방식이 아니더라도 계절에 따른 태양의 고도에 의한 집광효율을 평균화하도록 이루어지는 것과 관련된다.

본 발명의 바람직한 일 실시 예에 의하면, 태양광이 투과되는 투과면이 상단에 구비되며, 패턴이 가공되어 태양광을 굴절시키는 가공면이 하단에 구비되는 경사평면; 경사평면 일단 끝단에서 연장되어, 수평면에 대하여 중심각을 갖는 부채꼴 형상으로 이루어지는 제1평면; 경사평면 타단 끝단에서 연장되며, 제1평면과 동일한 형상으로 구비되는 제2평면; 및 제1평면 끝단에서 제2평면 끝단까지 연장되어 형성되며, 태양광을 반사시키는 파라볼라면;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 자연채광 집광장치가 제공된다.

상술한 바와 같은 본 발명의 일 실시 예에 따르면 첫째, 추적방식이 아니더라도 계절에 따른 태양의 고도에 의한 집광효율을 평균화하여 사계절 조명에너지 절약 및 냉/난방 부하 절약이 가능해진다.

둘째, 사계절 실내로 유입되는 조도량을 평균화시킴으로 과학적 실내농업분야의 실내 기후 컨트롤요소로 활용하는 것이 가능해진다.

셋째, 본 발명은 단순한 구조로 이루어지며, 생산비용을 획기적으로 절감할 수 있다.

넷째, 본 발명은 수직형 자연채광 집광장치 뿐만 아니라 수평형 자연채광 집광장치에 동시에 적용 가능하므로, 수직으로 설치시 여름철 고효율 겨울철 저효율의 집광효율 차이뿐만 아니라 수평으로 설치시 여름철 저효율 겨울철 고효율의 집광효율 차이를 줄이는 것이 가능하다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 자연채광 집광장치의 사용상태도,
도 2는 도 1에 나타난 자연채광 집광장치가 수직형으로 사용되는 경우에 대한 사시도,
도 3은 도 2에 나타난 자연채광 집광장치에 대한 측단면도,
도 4는 도 1에 나타난 자연채광 집광장치가 수평형으로 사용되는 경우에 대한 사시도,
도 5는 도 4에 나타난 자연채광 집광장치에 대한 측단면도,
도 6은 종래기술에 따른 평면이 적용된 자연채광 집광장치의 여름, 봄과 가을, 겨울의 태양광 반사 도면,
도 7은 본 발명의 파라볼라면이 적용된 자연채광 집광장치의 여름, 봄과 가을, 겨울의 태양광 반사 도면,
도 8은 종래기술에 따른 투과면이 적용된 자연채광 집광장치의 여름, 봄과 가을, 겨울의 태양광 반사 도면,
도 9는 본 발명의 가공면이 적용된 자연채광 집광장치의 여름, 봄과 가을, 겨울의 태양광 반사 도면이다.

이하, 본 발명의 일 실시 예에 따른 자연채광 집광장치의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다.

또한, 후술 되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 하여 내려져야 할 것이다.

아울러, 아래의 실시 예는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것이 아니라 본 발명의 청구범위에 제시된 구성요소의 예시적인 사항에 불과하며, 본 발명의 명세서 전반에 걸친 기술사상에 포함되고 청구범위의 구성요소에서 균등물로서 치환 가능한 구성요소를 포함하는 실시 예는 본 발명의 권리범위에 포함될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 자연채광 집광장치의 사용상태도, 도 2는 도 1에 나타난 자연채광 집광장치가 수직형으로 사용되는 경우에 대한 사시도, 도 3은 도 2에 나타난 자연채광 집광장치에 대한 측단면도, 도 4는 도 1에 나타난 자연채광 집광장치가 수평형으로 사용되는 경우에 대한 사시도, 도 5는 도 4에 나타난 자연채광 집광장치에 대한 측단면도, 도 6은 종래기술에 따른 평면이 적용된 자연채광 집광장치의 여름, 봄과 가을, 겨울의 태양광 반사 도면, 도 7은 본 발명의 파라볼라면이 적용된 자연채광 집광장치의 여름, 봄과 가을, 겨울의 태양광 반사 도면, 도 8은 종래기술에 따른 투과면이 적용된 자연채광 집광장치의 여름, 봄과 가을, 겨울의 태양광 반사 도면, 도 9는 본 발명의 가공면이 적용된 자연채광 집광장치의 여름, 봄과 가을, 겨울의 태양광 반사 도면이다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 자연채광 집광장치는, 태양광이 투과되는 투과면(110)이 상단에 구비되며, 패턴이 가공되어 태양광을 굴절시키는 가공면(120)이 하단에 구비되는 경사평면(100); 상기 경사평면(100) 일단 끝단에서 연장되어, 수평면에 대하여 중심각을 갖는 부채꼴 형상으로 이루어지는 제1평면(200); 상기 경사평면(100) 타단 끝단에서 연장되며, 상기 제1평면(200)과 동일한 형상으로 구비되는 제2평면(300); 및 상기 제1평면(200) 끝단에서 제2평면(300) 끝단까지 연장되어 형성되며, 태양광을 반사시키는 파라볼라면(400);을 포함하여 이루어진다.

도 1에 나타난 바와 같이, 자연채광 집광장치는 태양광을 집광시키는 집광장치와 상기 집광장치에서 집광된 태양광을 산광부(600)로 전달시키는 도광부(500)와 상기 도광부(500)를 통하여 전달된 태양광을 확산시켜 실내를 조명하는 산광부(600)를 포함하여 이루어진다. 산광부(600)에 고휘도 LED나 플라즈마 램프를 적용하여 도광부(500)를 통해서 전달되는 태양광에 대한 보정이 이루어지는 것이 가능하다.

본 발명의 자연채광 집광장치는 경사평면(100), 제1평면(200), 제2평면(300), 파라볼라면(400)을 포함하여 이루어진다.

경사평면(100)은 투과면(110)과 가공면(120)을 포함하여 이루어진다. 수직형 태양광 집광장치의 경우 투과면(110)이 상단에 형성되며, 가공면(120)은 하단에 형성된다.

투과면(110)은 투과율이 높으며 수명이 반영구적인 저철분강화유리 또는 폴리카보네이트 재질을 사용하는 것이 바람직하다. 투과면(110)은 파라볼라면(400)이 태양광을 도광부(500) 깊숙이 반사시킬 수 있도록 태양광의 굴절 및 반사가 최소화된 상태로 태양광을 유입시킨다.

가공면(120)에는 경면패턴이 가공되는데, 광학용아크릴인 폴리메틸메타크릴레이트(Poly Methyl Methacrylate, PMMA)에 프리즘형 경면패턴을 가공하는 것이 바람직하다.

도 8과 도 9에 나타난 바와 같이, 태양광이 굴절 없이 직선으로 유입된다고 해도 도광부(500)로 유입되어 파라볼라면(400)의 기능을 활용할 수 없는데 비하여, 경면패턴 가공면(120)을 형성시키는 경우 태양광이 굴절되어 도광부(500) 깊숙이 유입되므로 집광 효율이 향상된다.

경사평면(100)의 일단 끝단의 경사진 모서리에서 하측으로 연장되어 제1평면(200)이 형성된다. 제1평면(200)은 경사평면(100)과 직각을 이루며, 수평면에 대하여 일정한 중심각을 가지는 부채꼴 형상으로 구비된다.

제2평면(300)은 경사평면(100)의 타단 끝단의 경사진 모서리에서 하측으로 연장되며, 제1평면(200)과 동일한 형상으로 이루어지므로, 제1평면(200)에서 일정 거리 이격되어 구비된다.

제1평면(200)과 제2평면(300)은 부채꼴 형상으로 이루어지므로, 제1평면(200)의 부채꼴에서부터 제2평면(300)의 부채꼴까지 연장시키면 파라볼라면(400)이 형성된다.

도 1에 나타난 바와 같이, 파라볼라면(400)은 투과면(110)에서 유입된 태양광을 도광부(500) 깊숙이 반사시켜주는 기능을 수행한다. 이를 위해 파라볼라면(400)은 반사율이 뛰어나며 평탄한 곡면을 형성해야 효율적이며, 고반사 아노다이징 코팅 재질의 금속이 바람직하며, 은나노 코팅은 더욱 바람직하다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 자연채광 집광장치에 있어서, 상기 부채꼴의 중심각의 크기는 15°이상 70°이하이며, 상기 부채꼴의 반지름의 길이는 500mm 이상 3000mm 이하이며, 상기 투과면(110)에 대한 가공면(120)의 비율은 0.2 이상 8 이하이다.

평가 결과, 본 발명의 자연채광 집광장치의 부채꼴의 중심각(θ)의 크기는 15°~ 70°범위이며, 부채꼴의 반지름(R)의 길이는 500mm ~ 3000mm 범위이며, 투과면(110)에 대한 가공면(120)의 비율은 0.2 ~ 8 이하로 이루어지는 것이 바람직하다.

즉 집광효율 평균화라는 본 발명의 목적은 부채꼴의 중심각의 크기와 투과면(110)에 대한 가공면(120)의 비율, 부채꼴의 반지름 길이에 의하여 달성되며, 상기 범위 내에서 부채꼴의 반지름 길이에 따른 투과면(110)에 대한 가공면(120)의 비율을 조절하여 여름철과 겨울철 집광효율이 조절되도록 이루어진다.

본 발명에 따른 집광효율 개선효과는 다음과 같다.

	여름 76°	봄, 가을 53°	겨울 30°
평면반사	94%	82%	58%
파라볼라면반사	94%	85%	78%

상기 표 1에 나타난 바와 같이, 도 6의 평면반사의 경우 여름과 겨울의 효율차이가 36%인데 비해, 도 7의 파라볼라면반사시에는 여름과 겨울과 효율차이가 16%로 줄어들게 된다.

	여름 76°	봄, 가을 53°	겨울 30°
투과면반사	94%	88%	64%
가공면반사	94%	99%	90%

상기 표 2에 나타난 바와 같이, 도 8의 투과면반사의 경우 여름과 겨울의 효율차이가 30%인데 비해, 도 9의 가공면반사시에는 여름과 겨울과 효율차이가 9%로 줄어들게 된다.

	여름 76°	봄, 가을 53°	겨울 30°
평면+투과면반사	94%	85%	61%
파라볼라면+가공면반사	94%	90%	84%

상기 표 3에 나타난 바와 같이, 종래의 평면과 투과면으로 이루어진 경우에는 여름과 겨울의 효율차이가 30%인데 비해, 본 발명의 파라볼라면과 가공면으로 이루어진 경우에는 여름과 겨울과 효율차이가 10%로 줄어들게 된다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 자연채광 집광장치에 있어서, 상기 제1평면(200)과 제2평면(300)은 태양광을 투과시키거나, 반사시키거나, 굴절시키도록 이루어진다.

추가적으로 효율을 높이기 위하여, 제1평면(200)과 제2평면(300)이 태양광을 투과시키거나, 반사시키거나, 굴절시키도록 이루어지는 것이 가능하다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 자연채광 집광장치는, 태양광이 투과되는 투과면(110)이 상단에 구비되며, 패턴이 가공되어 태양광을 굴절시키는 가공면(120)이 하단에 구비되는 경사평면(100); 상기 경사평면(100) 일단 끝단에서 연장되며, 부채꼴 형상으로 이루어지며, 일측 끝단 모서리가 수직으로 위치하는 제1평면(200); 상기 경사평면(100) 타단 끝단에서 연장되며, 상기 제1평면(200)과 동일한 형상으로 구비되는 제2평면(300); 및 상기 제1평면(200) 끝단에서 제2평면(300) 끝단까지 연장되어 형성되며, 태양광을 반사시키는 파라볼라면(400);을 포함하여 이루어지며, 상기 경사평면(100)이 수평면과 이루는 경사각의 크기는 15°이상 70°이하이며, 상기 부채꼴의 반지름의 길이는 500mm 이상 3000mm 이하이며, 상기 투과면(110)에 대한 가공면(120)의 비율은 0.2 이상 8 이하다.

도 4에 나타난 바와 같이, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 자연채광 집광장치가 구비되는 것이 가능하다.

수평형 자연채광 집광장치의 경사평면(100)에는 투과면(110)이 하단에 형성되며, 가공면(120)이 상단에 형성된다. 경사평면(100)이 수평면과 이루는 경사각(θ)의 크기는 15°~ 70°범위로 이루어지며, 부채꼴의 반지름의 길이(R)는 500mm ~ 3000mm 범위이며, 투과면(110)에 대한 가공면(120)의 비율은 0.2 ~ 8 범위로 이루어지는 것이 바람직하다.

경사평면(100)의 일단 끝단의 경사진 모서리에서 하측으로 연장되어 제1평면(200)이 형성된다. 제1평면(200)은 경사평면(100)과 직각을 이루며, 일측 끝단 모서리가 수직으로 위치하는 부채꼴 형상으로 구비된다.

제2평면(300)은 경사평면(100)의 타단 끝단의 경사진 모서리에서 하측으로 연장되며, 제1평면(200)과 동일한 형상으로 이루어지므로, 제1평면(200)에서 일정 거리 이격되어 구비된다.

제1평면(200)과 제2평면(300)은 부채꼴 형상으로 이루어지므로, 제1평면(200)의 부채꼴에서부터 제2평면(300)의 부채꼴까지 연장시키면 파라볼라면(400)이 형성된다.

100 : 경사평면, 110 : 투과면, 120 : 가공면
200 : 제1평면
300 : 제2평면
400 : 파라볼라면
500 : 도광부
600 : 산광부

Claims (4)

1. 태양광이 투과되는 투과면이 상단에 구비되며, 패턴이 가공되어 태양광을 굴절시키는 가공면이 하단에 구비되는 경사평면과, 상기 경사평면 일단 끝단에서 연장되어, 수평면에 대하여 중심각을 갖는 부채꼴 형상으로 이루어지는 제1평면과, 상기 경사평면 타단 끝단에서 연장되며, 상기 제1평면과 동일한 형상으로 구비되는 제2평면과, 상기 제1평면 끝단에서 제2평면 끝단까지 연장되어 형성되며, 태양광을 반사시키는 파라볼라면을 포함하여 이루어지는 집광장치; 및
   상기 집광장치에서 집광된 태양광을 산광부로 전달시키며 파이프 형태로 마련되는 도광부;를 포함하여 구비되며,
   상기 산광부에 고휘도 LED나 플라즈마 램프를 적용하여 도광부를 통해서 전달되는 태양광에 대한 보정이 이루어지는 것을 특징으로 하는 자연채광 집광장치.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 부채꼴의 중심각의 크기는 15°이상 70°이하이며,
   상기 부채꼴의 반지름의 길이는 500mm 이상 3000mm 이하이며,
   상기 투과면에 대한 가공면의 비율은 0.2 이상 8 이하인 것을 특징으로 하는 자연채광 집광장치.
   
3. 삭제
4. 태양광이 투과되는 투과면이 상단에 구비되며, 패턴이 가공되어 태양광을 굴절시키는 가공면이 하단에 구비되는 경사평면과, 상기 경사평면 일단 끝단에서 연장되며, 부채꼴 형상으로 이루어지며, 일측 끝단 모서리가 수직으로 위치하는 제1평면과, 상기 경사평면 타단 끝단에서 연장되며, 상기 제1평면과 동일한 형상으로 구비되는 제2평면과 상기 제1평면 끝단에서 제2평면 끝단까지 연장되어 형성되며, 태양광을 반사시키는 파라볼라면을 포함하여 이루어지는 집광장치; 및
   상기 집광장치에서 집광된 태양광을 산광부로 전달시키며 파이프 형태로 마련되는 도광부;를 포함하여 구비되며,
   상기 산광부에 고휘도 LED나 플라즈마 램프를 적용하여 도광부를 통해서 전달되는 태양광에 대한 보정이 이루어지며,
   상기 경사평면이 수평면과 이루는 경사각의 크기는 15°이상 70°이하이며,
   상기 부채꼴의 반지름의 길이는 500mm 이상 3000mm 이하이며,
   상기 투과면에 대한 가공면의 비율은 0.2 이상 8 이하인 것을 특징으로 하는 자연채광 집광장치.

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