KR101310390B1 - 고효율 태양광 집광 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고효율 태양광 집광 장치에 대한 것으로서, 보다 상세하게는 종래의 일반 렌즈의 문제점을 해결하기 위하여 복합렌즈를 통하여 집광 능력을 향상시키고, 굴절 프리즘으로 난반사를 유도한 고효율 태양광 집광 장치에 관한 것이다.
본 발명은 상부 돔(top dome)과 상기 상부 돔과 결합되는 선파이프와, 상기 선파이프의 끝부분의 하측부 돔에 결합되는 천정 확산 어셈블리(ceiling diffuser assy.)가 연결된 고효율 태양광 집광 장치에 있어서, 상기 선파이프 또는 전송관 파이프 내부에 고정되어 부착되는 볼록렌즈와, 상기 볼록렌즈 하측부에 일정 거리 이격되어 부착되어, 상기 볼록렌즈와 중심선이 일치하는 오목렌즈와, 상기 오목렌즈와 일정 거리 이격되어 설치되는 일정 반경의 고정 지지링 중앙에 설치되는 굴절프리즘으로 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

고효율 태양광 집광 장치{Concentrating apparatus for natural sun lighting}

본 발명은 고효율 태양광 집광 장치에 대한 것으로서, 보다 상세하게는 종래의 일반 렌즈의 문제점을 해결하기 위하여 복합렌즈를 통하여 집광 능력을 향상시키고, 굴절 프리즘으로 난반사를 유도한 고효율 태양광 집광 장치에 관한 것이다.

태양광은 태양에서 지구까지 8분(광속) 만에 도달한다.

태양과 지구와의 거리로 보았을 때 일부분의 태양광만 도달할 뿐 아니라 빛의 밝기도 약해진 상태에서 도달한다.

너무 먼거리를 이동했기 때문에 자연광인 태양광이 많이 약해져 있고, 에너지 변환이 제한적이기 때문에 태양광의 밝기를 높여서 활용하는데 제한적일 수 밖에 없다.

또한 태양광은 사람의 눈에 의하여 감지되는 약 0.38 ㎛ 내지 0.77 ㎛ 파장의 가시광선, 0.38 ㎛ 이하의 파장을 갖는 자외선과 0.78um 이상의 파장을 갖는 적외선으로 이루어져 있다. 이러한 태양광이 자연스러운 조명 즉, 자연광으로서 심리적 안정 등 정신 건강에 이로울 뿐 아니라, 난방, 해충 박멸 등과 같은 신체적 건강에도 매우 유익하다는 것은 이미 잘 알려진 사실이다.

그러나, 사람이 주거하거나 일을 하기 위한 현대의 건축물은 자연 친화적이 아닌 인공적으로 조성된 환경으로써, 건축물 내부에는 자연광을 대신하여 형광등, 백열등 등 인공적인 조명장치가 설치된다. 이러한 환경변화로 인해, 사람들은 실내에서 생활하거나 활동하는 시간 동안 유익한 자연광을 접할 수 있는 기회가 많이 줄어들었고, 문화병이라 불리는 여러 가지 현대질병이 사회적인 문제로 제기되고 있다.

이러한 문제를 해결하기 위해, 고층 아파트나 빌딩의 사무실에서도 자연광으로 조명을 하고, 실내에서 식물을 재배하며, 태양광을 이용하여 난방을 하는 친환경적인 공간을 형성하고자 하는 경향이 있다. 즉, 건물 옥상 등에 집광장치를 설치하여 광을 모으고, 광케이블을 통해서 필요한 곳까지 광을 전달한 후 다시 분산시켜 조명에 이용하거나, 모은 광을 열에너지, 전기 에너지 등으로 변환하여 난방에 이용하고 있다.

일반적으로 건축물의 실내공간에는 조명기구가 설치되어 있으나 주간에는 창문을 통한 자연채광으로 주로 밤에만 조명기구를 사용하는 게 통상적이나 자연채광이 전혀 이루어지지 않는 지하공간 등에는 태양광을 대신하여 주야에 상관없이 생활에 지장이 없도록 조명기구를 사용하여 내부를 환하게 밝히고 있다.

한편, 최근 도심 및 주거지역에서는 부족한 생활공간 및 주거공간의 확보를 위해 지하공간의 활용방안이 강구되고 있고 실제로 다양한 용도로 더 많은 지하공간이 사용되고 있는게 현실이다.

그러나 건축물의 지하공간은 자연채광을 할 수 있는 창문이 전혀 없어 조명기구로 실내공간을 환하게 밝혀야하기 때문에 전력사용량이 많고 이에 대한 전기료 부담도 크고, 전기사용량 증대에 따른 추가적인 발전소 건설이 요구된다.

또한, 지하공간에 활동 및 거주하는 시간이 길어지면서 태양광이 전혀 조사되지않기 때문에 거주자에게는 건강에 이상을 가져 올 수 있으며, 특히 지하는 지상에 비하여 항시 일정한 온도를 유지하므로, 겨울철에는 지상보다 따뜻하고, 여름철에는 지상보다 서늘하기 때문에 여름철에 지하실의 실내공간은 지하실의 벽체나 바닥슬래브에 비하여 높은 온도를 가지게 되며, 이때 지하실의 벽체나 바닥슬래브의 실내측에는 이슬이 맺혀지는 소위 결로현상으로 인해 내부공기가 다습한 상태가 되고, 이 다습한 상태는 곰팡이 및 각종 세균이 서식하기 쉬워져 거주하는 사람들에게 불쾌한 환경을 조성하는 문제점이 있다.

따라서 이러한 불쾌한 환경을 개선하기 위해서 태양광의 집광이 필요한데, 일반 렌즈 특히 볼록 렌즈 등으로 단순히 설계한 집광장치는 집광 촛점에서 열이 발생하는 문제점이 있어서 그동안 자연채광에 이용되지 못하였다.

한편 종래기술로서 한국등록특허 제0673556호는 비구면 렌즈를 이용한 자연채광장치로 비구면 렌즈를 통해 태양광을 집광하여 태양광이 조사되지 않는 건축물의 지하공간에 설치된 광섬유케이블의 조사부를 통해 주간에만 태양광을 유도 조사하여 자연채광을 함으로써 일조권을 확보할 수 있는 것으로서, 간단히 설명하면 건축물의 지하공간에 자연채광장치(1)를 통해 집광된 태양광을 유도하여 주간에만 조사함으로써 실내 조명기구를 대체하여 자연채광할 수 있는 것이다. 상기 자연채광장치(1)는 태양광을 집광하는 집광부와 집광된 태양광이 입사되어 타측 끝단으로 전달하는 광섬유케이블(15)과, 상기 광섬유케이블(15) 끝단에 형성된 조사부(16)로 구성된다. 상기 자연채광장치(1)의 집광부는 비구면 렌즈(8)를 내설할 수 있도록 상면은 개방되고 바닥면에는 1차 초점조절부(14)를 끼움 삽입할 수 있도록 중앙에 통공(19)을 형성한 상태에서 분리 결합할 수 있는 상하부 하우징(2, 3)으로 구성된다.

상술한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 볼록렌즈와 오목렌즈를 활용한 복합렌즈를 통하여 집광 능력을 향상시키고, 굴절 프리즘으로 난반사를 유도하여 더욱 밝은 태양광을 산출할 수 있는 고효율 태양광 집광 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명은 상부 돔(top dome)과 상기 상부 돔과 결합되는 선파이프와, 상기 선파이프의 끝부분의 하측부 돔에 결합되는 천정 확산 어셈블리(ceiling diffuser assy.)가 연결된 고효율 태양광 집광 장치에 있어서, 파이프 내부에 고정되어 부착되는 볼록렌즈와, 상기 볼록렌즈 하측부에 일정 거리 이격되어 부착되어, 상기 볼록렌즈와 중심선이 일치하는 오목렌즈와, 상기 오목렌즈와 일정 거리 이격되어 설치되는 일정 반경의 고정 지지링 중앙에 설치되는 굴절프리즘으로 구성된다.

상기 굴절프리즘은 상기 고정 지지링의 내부 공간을 향하여 3중 지지대로 연결되고, 상기 내부공간에는 보호 메쉬가 부착된다.

상기 굴절프리즘은 상기 고정 지지링의 내부고정부에 하나 이상의 굴절프리즘이 연결된다.

본 발명에 따르면 복합렌즈를 통하여 집광 능력을 향상시키고, 굴절 프리즘으로 난반사를 유도한 빛을 금속재질의 파이프에 주입함으로써, 기존 선파이프보다 먼거리에 있는 태양을 더욱 더 가까이 가져오는 효과를 얻을 수 있다.

도1은 종래 광케이블을 이용한 자연채광의 구체적인 구성을 보여주는 도면.
도2는 본 발명에 따른 고효율 태양광 집광 장치의 전체적인 구성을 보여주는 사시도.
도3은 도2의 절단면도.
도4는 본 발명의 일실시예에 따른 고효율 태양광 집광 장치의 빛이 통과하는 라인을 구체적으로 보여주는 도면.
도5는 본 발명의 일실시예에 따른 고정 지지링의 평면도.
도6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 고정 지지링의 평면도.

이하 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 도면을 참고하여 자세히 설명한다.

도2에서 보는 바와 같이 본 발명에 따른 고효율 태양광 집광 장치(100)는 상부 돔(top dome;110)과 선파이프(기둥 모양)와 천정 확산 어셈블리(ceiling diffuser assy.;하측부 돔)를 기본적으로 포함한다.
고효율 태양광 집광 장치(100)는 상부 돔(top dome;110)과 상기 상부 돔과 결합되는 선파이프와, 상기 선파이프의 끝부분의 하측부 돔에 결합되는 천정 확산 어셈블리(ceiling diffuser assy.)가 연결된 고효율 태양광 집광 장치에 있어서,상기 선파이프 또는 전송관 파이프 내부에 고정되어 부착되는 볼록렌즈와; 상기 볼록렌즈 하측부에 일정 거리 이격되어 부착되어, 상기 볼록렌즈와 중심선이 일치하는 오목렌즈와; 상기 오목렌즈와 일정 거리 이격되어 설치되는 일정 반경의 고정 지지링 중앙에 설치되는 굴절프리즘;으로 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 선파이프 또는 전송관 파이프는 난반사 효율이 98%에 이르는 금속을 사용하여 표면에서 태양광이 난반사하면서 전송되는 역할을 하는데, 이하 설명하는 본 발명에 따른 구성에 의하여 상기 난반사를 더욱 더 증폭시킬 수 있다.

또한 상기 상부 돔(110)과 천정 확산 어셈블리 등은 에어로젤 등으로 이루어지는 것이 바람직하다.

이에 대해서는 기존의 기술이 많이 분포해 있으므로 자세한 설명은 생략한다.

구체적으로 본 발명에 따른 고효율 태양광 집광 장치는 볼록렌즈(142)와 오목렌즈(144)와 굴절프리즘(150)으로 크게 나누어 구성된다.

볼록렌즈(142)는 파이프 내부에 고정되어 부착되는 렌즈로서, 렌즈의 양면 또는 한 면이 볼록할 수 있으며, 초점에 빛이 집중될 뿐 아니라 볼록렌즈의 특성상 먼곳에 있는 태양이 가까이 위치시키는 역할을 한다.

오목렌즈(144)는 상기 볼록렌즈(142) 하측부에 일정 거리 이격되어 부착되어, 상기 볼록렌즈(142)와 중심선이 일치하는 렌즈로서, 상기 볼록렌즈(142)와 하나의 구조물에 일정 거리 이격되어 설치된 모듈형태(복합렌즈)로 제조될 수도 있다.

도3에서 보는 바와 같이 상기 상부 돔(110)은 상기 파이프와 칼라 링(collar ring)으로 밀폐 결합되고, 그 전에 상기 파이프와 플래쉬 플레이트(flashing plate)가 부착되며, 상기 볼록렌즈(142)는 제1고정부(132)로 고정되며, 오록렌즈(144)도 제2고정부(134)로 고정된다.

따라서 도4에서 보는 바와 같이 상기 볼록렌즈(142)로 집광 촛점 상이 맺히기 전에 집광 능력이 높아진 태양광을 상기 오목렌즈(144)를 통하여 전송관 파이프 내부에 확산시켜 단위 면적 당 더욱 많은 태양광을 채광할 수 있다.

또한 굴절프리즘(150)은 상기 오목렌즈(144)와 일정 거리 이격되어 설치되는 일정 반경의 고정 지지링 중앙에 설치되며, 그 위치는 전체적인 파이프 수직 높이에서 30% 내지 50% 사이에 설치되는 것이 바람직하다.

또한 상기 고정 지지링(200)은 공간 손실을 만회하기 위해 소정의 두께를 갖는 링 형태로 상기 파이프를 주회하여 밀착되게 부착된다.

여기에서 상기 굴절프리즘(150)은 상기 파이프 내부에서 더 많은 난반사를 유도하여 더욱 밝은 태양광을 산출할 수 있다.

또한 도5에서 보는 바와 같이 상기 굴절프리즘(150)은 상기 고정 지지링(200)의 내부 공간을 향하여 3중 지지대(152)로 연결되고, 상기 내부공간에는 보호 메쉬가 부착된다. 여기에서 상기 3중 지지대(152)는 하나 이상의 지지대로 연결될 수도 있다.

즉 지붕을 통해 침투하는 사람을 막을 수 있으면서도, 상기 보호 메쉬로 인해 태양광 손실은 최소화할 수 있도록 보호 메쉬의 메쉬 크기가 결정되는 것이 바람직하다.

또한 도6에서 보는 바와 같이 상기 굴절프리즘(150)은 상기 고정 지지링(200)의 내부고정부(300)에 하나 이상의 굴절프리즘(150)이 연결될 수 있다.

100 : 고효율 태양광 집광 장치
110 : 상부 돔(top dome)
142 : 볼록렌즈
144 : 오목렌즈
150 : 굴절프리즘
200 : 고정 지지링
152 : 지지대
300 : 내부고정부

Claims (3)

1. 상부 돔(top dome)과 상기 상부 돔과 결합되는 선파이프와, 상기 선파이프의 끝부분의 하측부 돔에 결합되는 천정 확산 어셈블리(ceiling diffuser assy.)가 연결된 고효율 태양광 집광 장치에 있어서,
   상기 선파이프 또는 전송관 파이프 내부에 고정되어 부착되는 볼록렌즈와;
   상기 볼록렌즈 하측부에 일정 거리 이격되어 부착되어, 상기 볼록렌즈와 중심선이 일치하는 오목렌즈와;
   상기 오목렌즈와 일정 거리 이격되어 설치되는 일정 반경의 고정 지지링 중앙에 설치되는 굴절프리즘;
   으로 구성되는 것을 특징으로 하는 고효율 태양광 집광 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 굴절프리즘은,
   상기 고정 지지링의 내부 공간을 향하여 지지대로 연결되고, 상기 내부공간에는 보호 메쉬가 부착되는 것을 특징으로 하는 고효율 태양광 집광 장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 굴절프리즘은,
   상기 고정 지지링의 내부고정부에 하나 이상의 굴절프리즘이 연결되는 것을 특징으로 하는 고효율 태양광 집광 장치.

Images