KR101486699B1 - 태양광 집광렌즈 - Google Patents

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김형진
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해오름솔라(주)
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Abstract

본 발명은 태양광 집광렌즈에 관한 것으로, 태양광을 태양전지판으로 모아주는 볼록한 형태의 태양광 집광렌즈로서, 중앙 상부에 형성되어 태양전지판과 대향하는 원 형의 얇은 볼록렌즈부; 상기 얇은 볼록렌즈부의 둘레에 인접하는 도우넛 형상으로 얇은 볼록렌즈부에 비해 상대적으로 두껍게 형성되며 태양전지판을 향하여 경사지게 형성되는 두꺼운 볼록렌즈부; 및 상부 둘레는 상기 두꺼운 볼록렌즈부의 하부 둘레에 인접하고 하부 둘레는 태양전지판이 설치되는 베이스에 결합하며 태양전지판을 향하여 경사지게 형성되는 오목렌즈부를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 집광렌즈를 제공한다.
본 발명에 따르면, 지구의 자전과 공전에 의한 태양광 입사각의 변화를 고려한 광학적 설계를 통해 집광렌즈의 각 부분 별로 태양전지판에 빛이 도달하도록 꺾는 방식을 달리하고 태양전지판 보다 큰 집광렌즈를 사용함으로써, 기존과 동일한 크기의 태양전지판을 사용하는 경우 태양전지판에 조사되는 빛의 양이 훨씬 많아 집광 효율이 뛰어난 효과가 있다.
또한, 태양광 집광렌즈는 태양전지판보다 크게하고 집광렌즈 내부면은 볼록하고 오목한 형태로 각 부분 별 설계(구성)를 달리 함으로써 태양의 고도가 낮은 겨울철이나 아침과 오후에 사선으로 들어오는 빛이 잘 꺾여 태양전지판에 도달할 수 있는 효과가 있다.
또한, 태양광 집광렌즈를 구성하는 볼록렌즈 및 오목렌즈를 크게 함으로써 고 고도에서 넓게 들어오는 빛도 태양전지판으로 효과적으로 도달할 수 있고, 저 고도에서 사선으로 들어오는 빛도 태양전지판에 효과적으로 도달할 수 있는 효과가 있다.

Description

태양광 집광렌즈{SOLAR HEAT CONDENSER}
본 발명은 태양광 집광렌즈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 많은 양의 태양광을 집중시켜 태양전지판에 조사할 수 있는 태양광 집광렌즈에 관한 것이다.
일반적으로 태양광 집광장치는 태양에너지를 모아 이를 전기 에너지로 변환시키기 위한 장치이며, 태양광발전의 원리는 광전효과이다. 광전효과는 성질이 서로 다른 n형, p형 반도체를 접합시킨 태양전지 셀에 빛을 비추면 전자와 정공이 분리되면서 전기를 발생시키는 것을 말한다.
이러한 태양광 집광장치는 베이스(받침대) 상에 설치되는 태양전지판과 베이스 상에 설치되어 태양전지판으로 태양광을 모아주는 렌즈로 구성된다.
태양광 집광장치에서 중요한 점은 태양광을 얼마나 효율적으로 집광하느냐이다. 종래, 태양이 움직이는 방향을 자동추적하여 집광판이 움직이는 기술이 있으나, 추적식은 비용이 비싸고 오작동이나 고장이 자주 발생하는 문제가 있어 활용도가 낮은 편이다.
또한, 도 1 및 도 2는 종래의 다른 태양광 발전용 집광장치의 예로서 등록특허 제10-0936624호(태양광 발전용 집광장치)에 관한 것이다. 도 1은 태양이 고 고도에 있을 때 빛이 굴절되는 상태를 나타내는데, 집광렌즈(10)가 있으나 없으나 태양전지판(1)에 들어오는 빛의 양에는 아무런 차이가 없다. 도 2는 태양이 저 고도에 있을 때 빛이 굴절되는 상태를 나타내는데, 사선으로 들어오는 빛의 양 역시 집광렌즈(10)가 있으나 없으나 아무런 차이가 없는 것을 알 수 있다.
결국, 종래 등록특허 제10-0936624호(태양광 발전용 집광장치)에 의하는 경우, 집광렌즈(10)를 사용하여 빛을 모으기는 하나 집광렌즈(10)를 사용하는 경우와 사용하지 않는 경우에 태양전지판(1)에 조사되는 빛의 총 량에는 차이가 없어 집광렌즈(10)를 사용함으로 인한 효과가 없고, 시설 비용만 증가시키는 문제가 있다.
본 발명은 상기의 종래 기술의 문제를 해결하기 위한 것으로, 지구의 자전과 공전에 의한 태양광 입사각의 변화를 고려한 광학적 설계를 통해 기존과 동일한 크기의 태양전지판을 사용하여도 훨씬 많은 양의 빛을 모을 수 있는 태양광 집광렌즈를 제공하고자 함에 발명의 목적이 있다.
또한, 태양광 집광렌즈는 태양전지판보다 크게하고 집광렌즈 내부면은 볼록하고 오목한 형태로 각 부분 별 설계(구성)를 달리 함으로써 태양의 고도가 낮은 겨울철이나 아침과 오후에 사선으로 들어오는 빛이 잘 꺾여 태양전지판에 도달할 수 있는 태양광 집광렌즈를 제공하고자 함에 발명의 목적이 있다.
또한, 태양광 집광렌즈를 구성하는 볼록렌즈 및 오목렌즈는 고 고도에서 넓게 들어오는 빛도 태양전지판으로 효과적으로 도달할 수 있고, 저 고도에서 사선으로 들어오는 빛도 태양전지판에 효과적으로 도달할 수 있도록 빛을 꺾는 설계를 통해 태양광 집광렌즈를 제공하고자 함에 발명의 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 태양광 집광렌즈는 태양광을 태양전지판으로 모아주는 볼록한 형태의 태양광 집광렌즈로서, 중앙 상부에 형성되어 태양전지판과 대향하는 원 형의 얇은 볼록렌즈부; 상기 얇은 볼록렌즈부의 둘레에 인접하는 도우넛 형상으로 얇은 볼록렌즈부에 비해 상대적으로 두껍게 형성되며 태양전지판을 향하여 경사지게 형성되는 두꺼운 볼록렌즈부; 및 상부 둘레는 상기 두꺼운 볼록렌즈부의 하부 둘레에 인접하고 하부 둘레는 태양전지판이 설치되는 베이스에 결합하며 태양전지판을 향하여 경사지게 형성되는 오목렌즈부를 포함한다.
또한, 상기 오목렌즈부는 태양전지판이 설치되는 베이스의 중심을 기준으로 베이스 면으로부터 20~40도 사이에 형성되고, 상기 두꺼운 볼록렌즈부는 오목렌즈부의 상부에서 시작하여 베이스 면으로부터 50~70도 사이에 형성될 수 있다.
또한, 상기 얇은 볼록렌즈부는 베이스에 설치되는 정방형 태양전지판 한 변의 크기의 1~3배 높이에 위치할 수 있다.
또한, 상기 얇은 볼록렌즈부, 두꺼운 볼록렌즈부 및 오목렌즈부의 두께 비는 렌즈의 재료와 태양전지판에 대한 집광렌즈 크기 비에 따라 1: 1.5 ~ 3 : 0.5~1 일 수 있다.
또한, 상기 오목렌즈부의 하부 둘레 지름의 길이는 베이스에 설치되는 정방형 태양전지판 한변의 길이의 1.5배~3배일 수 있다.
또한, 상기 두꺼운 볼록렌즈부 및 오목렌즈부의 내주면 일측에는 반사층이 더 구비되고, 상기 반사층은 태양광 집광렌즈 내부로 입사된 후 외부로 나가는 태양광을 상기 태양전지판으로 반사시킬 수 있다.
또한, 상기 반사층은 금속소재, 비금속소재 및 반사물질이 코팅된 유리 중 어느 하나로 이루어 질 수 있다.
또한, 상기 볼록한 형태는 반구형, 위로 튀어나온 포물형, 옆으로 넓게 펼쳐진 포물형, 물방울형 및 한쪽 방향으로 기운 비대칭형 중 어느 하나의 형태일 수 있다.
한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 태양광 집광렌즈는 태양광을 태양전지판으로 모아주는 롤케익 형태의 태양광 집광렌즈로서, 중앙 상부에 형성되어 태양전지판과 대향하는 장방형의 얇은 볼록렌즈부; 상기 얇은 볼록렌즈부를 중심으로 좌, 우에 대칭하여 인접하고 얇은 볼록렌즈부에 비해 상대적으로 두껍게 형성되며 태양전지판을 향하여 경사지게 형성되는 장방형의 두꺼운 볼록렌즈부; 및 상부는 상기 두꺼운 볼록렌즈부의 좌, 우 하부에 각각 대칭하여 인접하고 하부는 태양전지판을 사이에 두고 태양전지판이 설치되는 베이스에 결합하며 태양전지판을 향하여 경사지게 형성되는 오목렌즈부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 오목렌즈부는 태양전지판이 설치되는 베이스의 중심을 기준으로 베이스 면으로부터 20~40도 사이에 형성되고, 상기 두꺼운 볼록렌즈부는 오목렌즈부의 상부에서 시작하여 베이스 면으로부터 50~70도 사이에 형성될 수 있다.
또한, 상기 얇은 볼록렌즈부는 베이스에 설치되는 장방형 태양전지판의 길이가 짧은 변의 크기의 1~3배 높이에 위치할 수 있다.
또한, 상기 얇은 볼록렌즈부, 두꺼운 볼록렌즈부 및 오목렌즈부의 두께 비는 렌즈의 재료와 태양전지판에 대한 집광렌즈의 크기 비에 따라 1: 1.5 ~ 3 : 0.5~1 일 수 있다.
또한, 상기 오목렌즈부의 좌, 우 하부 간의 길이는 베이스에 설치되는 장방형 태양전지판의 길이가 짧은 변의 크기의 1.5배~3배일 수 있다.
또한, 상기 두꺼운 볼록렌즈부 및 오목렌즈부의 내주면 일측에는 반사층이 더 구비되고, 상기 반사층은 태양광 집광렌즈 내부로 입사된 후 외부로 나가는 태양광을 상기 태양전지판으로 반사시킬 수 있다.
또한, 상기 반사층은 금속소재, 비금속소재 및 반사물질이 코팅된 유리 중 어느 하나로 이루어 질 수 있다.
본 발명에 따른 태양광 집광렌즈에 의하면, 지구의 자전과 공전에 의한 태양광 입사각의 변화를 고려한 광학적 설계를 통해 집광렌즈의 각 부분 별로 태양전지판에 빛이 도달하도록 꺾는 방식을 달리하고 태양전지판 보다 큰 집광렌즈를 사용함으로써, 기존과 동일한 크기의 태양전지판을 사용하는 경우 태양전지판에 조사되는 빛의 양이 훨씬 많아 집광 효율이 뛰어난 효과가 있다.
또한, 태양광 집광렌즈는 태양전지판보다 크게하고 집광렌즈 내부면은 볼록하고 오목한 형태로 각 부분 별 설계(구성)를 달리 함으로써 태양의 고도가 낮은 겨울철이나 아침과 오후에 사선으로 들어오는 빛이 잘 꺾여 태양전지판에 도달할 수 있는 효과가 있다.
또한, 또한, 태양광 집광렌즈를 구성하는 볼록렌즈 및 오목렌즈를 크게 함으로써 고 고도에서 넓게 들어오는 빛도 태양전지판으로 효과적으로 도달할 수 있고, 저 고도에서 사선으로 들어오는 빛도 태양전지판에 효과적으로 도달할 수 있는 효과가 있다.
또한, 볼록한 형태의 태양광 집광렌즈의 각 부분 별 설계(구성)를 달리 함으로써 집광렌즈를 통해 태양전지판 밖으로 벗어나는 빛을 태양전지판으로 꺾어 모을 수 있는 효과가 있다.
또한, 일조 환경에 따라 위로 튀어나온 포물형 또는 옆으로 넓게 펼쳐진 포물형태로 구성하여 태양전지판을 둘러싸고 있는 집광렌즈의 표면적을 넓힘으로써, 빛을 태양전지판에 더 많이 모을 수 있는 효과가 있다.
또한, 한겨울과 같이 태양의 최고 고도가 낮아 북쪽에서는 태양광이 들어오지 않는 경우, 집광렌즈 북쪽 내측에 반사물질을 발라 집광렌즈를 투과하여 밖으로 나가는 빛을 태양전지판으로 모을 수 있는 효과가 있다.
또한, 집광렌즈의 집광 효율이 높아 기존에 비해 작은 태양전지판을 사용하여도 동일한 전력을 생산할 수 있는 효과가 있다.
또한, 볼록한 형태 또는 롤케익 형태의 집광렌즈를 사용함으로써, 외부 충격을 분산시킬 수 있고, 내부 태양전지판도 보호할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래 발명에 따른 집광렌즈에 의해 태양이 고 고도일 때 빛이 굴절되는 상태도.
도 2는 종래 발명에 따른 집광렌즈에 의해 태양이 저 고도일 때 빛이 굴절되는 상태도.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 태양광 집광렌즈의 단면도.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 태양광 집광렌즈의 평면도.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 태양광 집광렌즈에 시간대 별로 빛이 굴절되는 상태도.
도 6은 본 발명의 다른 실시 예인 위로 튀어나온 포물형 태양광 집광렌즈에 빛이 굴절되는 상태도.
도 7은 본 발명의 다른 실시 예인 옆으로 넓게 펼쳐진 포물형 태양광 집광렌즈에 빛이 굴절되는 상태도.
도 8은 본 발명의 다른 실시 예인 한쪽 방향으로 기운 비대칭형 태양광 집광렌즈에 빛이 굴절되는 상태도.
도 9는 본 발명의 다른 실시 예인 롤케익 형태의 태양광 집광렌즈의 사시도.
이하에서는, 첨부도면을 참고하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예 및 다른 실시 예를 보다 상세하게 설명한다.
Figure 112014028372618-pat00001
[그림1]
위의 그림1 에서 알 수 있듯이 태양을 중심으로 지구는 공전을 하며, 지구의 자전축은 공전궤도에 대해 23.5도 기울어져 있다. 지구의 자전과 공전으로 인해 태양이 지표면을 비추는 각도는 계절별 그리고 아침, 점심, 저녁 시간 별로도 달라지므로 태양광이 약해지는 경우를 고려하여 태양광을 태양전지판에 보다 많이 모을 수 있는 태양광 집광렌즈를 설명한다.
Figure 112014028372618-pat00002
[그림2]
Figure 112014028372618-pat00003
[그림3]
위의 그림2를 보면, 여름철과 겨울철, 같은 지표면에 도달하는 빛의 강도를 붉은 화살의 개수로 표현했고, 지표면에 닿은 빛의 양은 붉은 점으로 표현하였다. 녹색 지표면이 태양전지판의 면적이라고 했을 경우 여름철의 경우 겨울철보다 같은 면적에 많은 빛이 도달함을 알 수 있다. 그림3과 같이 계절에 따라 북쪽과 남쪽을 사이에 두고 태양의 고도가 변한다면, 아침과 점심 때의 태양각은 동쪽과 서쪽을 사이에 두고 각도가 계속 변한다.
한편, 빛은 직진하므로 태양면에 수직으로 태양전지를 놓으면 태양전지 면적만큼의 태양광을 받게 되어 태양전지를 여러 장 펼쳐놓으면 그만큼의 빛을 모을 수 있게 된다. 빛 한 줄기에 전자 하나가 나온다면 빛 두 줄기가 들어가면 전자가 두 개 나오므로 태양전지판 두 장에 들어가는 빛을 한 장의 태양전지판에 모아줘도 같은 효과를 나타낼 수 있다.
다시 말해서, 한 장의 태양전지판 위에 두 장의 태양전지판의 면적을 차지하는 볼록렌즈를 두면 에너지 효율을 두 배로 높일 수 있다. 아래의 그림4와 그림5는 한 장의 태양전지판 위에 태양전지판 보다 큰 볼록렌즈를 이용하여 태양광을 모으는 원리를 설명하고 있다.
Figure 112014028372618-pat00004
[그림4]
Figure 112014028372618-pat00005
[그림5]
낮의 경우는 태양전지판 면적 두 배의 볼록렌즈를 두는 것만으로도 집광효율을 두 배 올릴 수 있지만, 빛이 비스듬히 들어가는 아침(동쪽)과 오후(서쪽)의 경우는 그림4와 그림5의 볼록렌즈를 그대로 이용하는 경우 효과가 높지 않다. 따라서 태양전지판에 직각으로 들어오지 않고 사선으로 들어오는 태양광을 모으기 위해서는 사선으로 들어오는 방향에서 넓은 볼록렌즈 및 오목렌즈를 이용하여 태양광을 태양전지판으로 굴절시킴으로써 보다 많은 태양광을 모으고, 태양광이 빠져나가는 것을 최소화 할 수 있다.
이하에서는 상기의 개념이 적용된 본 발명에 대해서 구체적으로 설명한다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 태양광 집광렌즈(100)는 태양광을 베이스(2)상에 설치된 태양전지판(1)으로 모아주는 장치로서 볼록한 형태이다. 태양광 집광렌즈(100)는 태양전지판(1) 보다 크며, 태양전지판(1)을 감싸는 형태이고 집광렌즈(100)의 면적을 크게 함으로써 보다 많은 태양광과 접촉할 수 있도록 하고 많은 태양광이 태양전지판(1)으로 꺾어 질 수 있도록 한다. 태양전지판(1)에 집광 효율을 높이기 위해서는 태양전지판(1)과 태양광 집광렌즈(100)가 설치된 베이스(2)를 태양을 향해 수직으로 설치하는 것이 바람직하다.
도 3은 반구형의 모습을 보여주고 있으나, 위로 튀어나온 포물형, 옆으로 넓게 펼쳐진 포물형, 물방울형 및 한쪽 방향으로 기운 비대칭형 등 다양한 형태가 될 수 있다.
태양광 집광렌즈(100)는 얇은 볼록렌즈부(10), 두꺼운 볼록렌즈부(20) 및 오목렌즈부(30)로 구성된다.
얇은 볼록렌즈부(10)는 볼록한 태양광 집광렌즈(100)의 중앙 상부에 위치하며 위에서 내려다 볼 때 원형의 모습을 하고 있다. 베이스(2)에 설치된 태양전지판(1)과 서로 마주보고 있다.
구체적으로, 얇은 볼록렌즈부(10)는 베이스(2)에 설치되는 정방형 태양전지판(1) 한 변의 크기의 1~3배 높이에 위치한다.
두꺼운 볼록렌즈부(20)는 원형의 얇은 볼록렌즈부(10)의 둘레에 인접하는 도우넛 형상으로 얇은 볼록렌즈부(10)에 비해 상대적으로 두껍게 형성되며 태양전지판(1)을 향하여 경사지게 형성된다. 두꺼운 볼록렌즈부(20)의 상부 둘레는 원형의 얇은 볼록렌즈부(10)의 둘레와 인접하고 하부로 내려갈수록 점점 원을 크게 그리면서 퍼져나가는 구조이다.
도 3은 태양광 집광렌즈(100)의 단면을 보여주는 것으로 두꺼운 볼록렌즈부(20)는 좌측의 볼록렌즈(20a)와 우측의 볼록렌즈(20b)와 같이 중앙의 얇은 볼록렌즈부(10)에 비해 상대적으로 두껍게 형성되고, 태양전지판(1)을 대각선 방향에서 감싸며 바라보는 구조로 형성된다. 두꺼운 볼록렌즈부(20)가 넓은 면적에 걸쳐 두껍게 형성되어 있어 보다 많은 태양광이 두꺼운 볼록렌즈부(20)을 지나며 태양전지판(1)으로 잘 꺾어지게 된다.
오목렌즈부(30)는 상부 둘레가 두꺼운 볼록렌즈부(20)의 하부 둘레에 인접하고 하부 둘레는 태양전지판(1)이 설치되는 베이스(2)에 결합하며 태양전지판(1)을 향하여 경사지게 형성된다.
도 3을 참조하면, 오목렌즈부(30)는 두꺼운 볼록렌즈부(20)의 하단부 둘레에 인접하며, 좌측의 오목렌즈(30a)와 우측의 오목렌즈(30b)와 같이 볼트(3)에 의해 베이스(2)에 결합된다. 직경은 두꺼운 볼록렌즈부(20)과 비교하여 더 크게 형성되고, 두꺼운 볼록렌즈부(20)보다 더 비스듬한 각도에서 태양전지판(1)을 감싸며 바라보는 구조로 형성된다.
구체적으로, 오목렌즈부(30)는 태양전지판(1)이 설치되는 베이스(2)의 중심을 기준으로 베이스(2) 면으로부터 20~40도 사이에 형성되고, 두꺼운 볼록렌즈부(20)는 오목렌즈부(30)의 상부에서 시작하여 베이스(2) 면으로부터 50~70도 사이에 형성된다. 바람직하게는, 반구형 태양광 집광렌즈(100)을 삼등분하여 0~30도 사이는 오목렌즈부(30), 30~60도 사이는 두꺼운 볼록렌즈부(20), 60~90도 사이는 얇은 볼록렌즈부(10)가 구비된다.
오목렌즈부(30)의 하부 둘레 지름의 길이는 베이스(2)에 설치되는 정방형 태양전지판(1) 한변의 길이의 1.5배~3배 정도가 될 수 있다. 태양전지판(1) 보다 큰 반구형 태양광 집광렌즈(100)를 사용함으로써 보다 많은 태양광을 흡수하여 태양전지판(1)으로 모을 수 있다.
또한, 얇은 볼록렌즈부(10), 두꺼운 볼록렌즈부(20) 및 오목렌즈부(30)의 두께 비는 렌즈의 재료와 태양전지판에 대한 집광렌즈 크기 비에 따라 1: 1.5 ~ 3 : 0.5 ~ 1 정도로 형성될 수 있다.
두꺼운 볼록렌즈부(20)가 두껍게 형성됨으로써 태양광을 태양전지판(1)으로 확실하게 굴절시킬 수 있으며, 최하단부에 위치한 오목렌즈부(30)는 아침이나 저녁에 비스듬히 들어오는 태양광을 오목렌즈의 특성에 분산시킴으로써, 즉 태양전지판(1) 방향으로 올려서 꺾어줌으로써 베이스(2)에 도달해 버릴지도 모르는 많은 태양광을 태양전지판(1)으로 효과적으로 모을 수 있다. 이와 같이 종래와 같은 크기의 태양전지판(1)을 이용하여도 각 부분 별로 태양광을 꺾는 방식이 다른 반구형 태양광 집광렌즈(100)를 적용함으로써, 종래의 태양광 집광장치보다 뛰어난 집광 효율을 거둘 수 있다.
태양광 집광렌즈(100)를 구성하는 얇은 볼록렌즈부(10), 두꺼운 볼록렌즈부(20) 및 오목렌즈부(30)의 재질은 태양광이 잘 투과되면서 내구성이 높고 가벼운 재료를 사용하며, 태양전지판(1)을 감싸는 볼록한 형태의 태양광 집광렌즈(100)를 통해 습기, 비, 눈, 먼지 등에 의한 태양전지판(1)의 산화와 부식을 방지할 수 있다.
도 5를 참조하면, 태양이 아침부터 저녁까지 동쪽에서 서쪽으로 이동함에따라 반구형의 태양광 집광렌즈(100)에 의해 태양전지판(1)으로 태양광이 굴절되는 상태를 볼 수 있다.
(a)를 보면, 아침 8시에는 두꺼운 볼록렌즈(20a)와 오목렌즈(30a)를 통해서 태양광이 굴절된 후 태양전지판(1)으로 조사된다. 마찬가지로, (e)를 보면 태양이 지는 오후 17시에도 두꺼운 볼록렌즈(20b)와 오목렌즈(30b)를 통해 태양광이 굴절된 후 태양전지판(1)으로 조사된다. 해가 뜨는 아침과 해가 지는 오후에는 두꺼운 볼록렌즈부(20)와 오목렌즈부(30)를 통해서 비스듬히 들어오는 태양광을 태양전지판(1)으로 효과적으로 꺾어서 모을 수 있다.
(b)를 보면, 아침 10시에는 두꺼운 볼록렌즈(20a)와 얇은 볼록렌즈(10)를 통해서 태양광이 굴절된 후 태양전지판(1)으로 조사되며, 오목렌즈(30a)를 통해 굴절 후 태양전지판(1)으로 조사될 수도 있다. (d)의 경우도 얇은 볼록렌즈(10)와 두꺼운 볼록렌즈(20b)를 통해서 태양광이 굴절된 후 태양전지판(1)으로 조사되며, 오목렌즈(30b)를 통해 굴절 후 태양전지판(1)으로 조사될 수도 있다.
(c)를 보면, 정오에는 대부분의 태양광이 얇은 볼록렌즈(10)와 두꺼운 볼록렌즈(20a, 20b)를 통해 굴절된 후 태양전지판(1)으로 조사된다.
이와 같이 태양전지판(1)보다 큰 반구형의 태양광 집광렌즈(100)를 사용함으로써 많은 태양광을 집광렌즈(100)에 흡수시킬 수 있고, 각 부분별로 다른 형태의 렌즈를 구비함으로써, 각 시간대에 조사되는 태양광을 더 많이 태양전지판(1)으로 모을 수 있다.
도 6을 참조하면, 위로 튀어나온 포물형 태양광 집광렌즈(100)를 볼 수 있다. 이와 같이 상, 하로 볼록한 형태의 포물형 태양광 집광렌즈(100)를 사용하는 경우, 태양광이 집광렌즈(100)에 비스듬히 들어오는 아침이나 오후에 집광렌즈(100)의 더 넓은 면적으로 많은 태양광을 흡수하여 태양전지판(1)으로 모을 수 있다.
도 7을 참조하면, 옆으로 넓게 펼쳐진 포물형 태양광 집광렌즈(100)를 볼 수 있다. 이 경우는 도 6의 경우와 달리 정오에 많은 태양광을 태양전지판(1)으로 모을 수 있다.
이와 같이 각 시간 별 태양의 입사각을 고려하여 태양광 집광렌즈(100)의 모양을 달리함으로써, 해당 시간대에 더 많은 태양광을 효과적으로 모을 수 있다.
도 8을 참조하면, 한쪽 방향으로 기운 비대칭형 태양광 집광렌즈에 빛이 굴절되는 모습을 볼 수 있다. 이러한 비대칭형은 태양전지판(1)이나 태양광 집광렌즈(100)가 너무 커서 태양을 향해 수직으로 설치하는 것이 힘든 경우 태양광이 비추는 남쪽 방향과 북쪽 방향의 집광렌즈(100)를 비대칭으로 만들고 집광렌즈(100)의 북쪽 내측에 반사물질을 발라 밖으로 빠져나가는 태양광을 반사시켜 태양전지판(1)으로 모을 수 있다.
이를 위해, 태양광 집광렌즈(100)의 두꺼운 볼록렌즈부(20) 및 오목렌즈부(30)의 내주면 일측에는 반사층(40)이 더 구비되고, 반사층(40)은 태양광 집광렌즈(100) 내부로 입사된 후 외부로 나가는 태양광을 태양전지판(1)으로 반사시킬 수 있다.
반사층(40)은 금속소재, 비금속소재 및 반사물질이 코팅된 유리 중 어느 하나로 구성될 있다.
우리나라는 태양의 북반구(북위33~38도)에 위치하면서 자전축이 23.5도 기울어져있다. 따라서 한겨울에 태양의 최고 고도(낮12시)는 10~15도 가량 된다.
따라서 태양전지판(1)이 지면과 평형할 때를 기준으로 북쪽에서는 태양광이 들어오지 않는다. 따라서 북쪽면에 위치한 두꺼운 볼록렌즈(20a)와 오목렌즈(30a)에 반사층(40)을 구성함으로써, 투과되어 밖으로 나가는 태양광을 태양전지판(1)으로 모으도록 한다.
도 9는 본 발명의 다른 실시 예인 롤케익 형태의 태양광 집광렌즈의 사시도이다.
도 9를 참조하면, 롤케익 형태의 태양광 집광렌즈(100) 안쪽에는 집광렌즈(100)의 길이를 따라 장방형의 태양전지판(1)이 설치된다. 롤케익 형태의 태양광 집광렌즈(100)도 태양광이 비추는 방향에 따라 태양전지판(1)에 태양광을 모으는 기본원리는 도 3 내지 도 8에서 살펴본 바와 동일하다.
이러한 롤케익 형태의 태양광 집광렌즈(100)는 도 3 에서 본 반구형의 태양광 집광렌즈(100)에 비하여 태양광 집광장치의 설비 시 공간을 더욱 효율적으로 활용할 수 있는 장점이 있다.
롤케익 형태의 태양광 집광렌즈(100)는 중앙 상부에 형성되어 태양전지판(1)과 대향하는 장방형의 얇은 볼록렌즈부(10), 얇은 볼록렌즈부(10)를 중심으로 좌, 우에 대칭하여 인접하고 얇은 볼록렌즈부(10)에 비해 상대적으로 두껍게 형성되며 태양전지판(1)을 향하여 경사지게 형성되는 장방형의 두꺼운 볼록렌즈부(20a, 20b) 및 상부는 두꺼운 볼록렌즈부(20a, 20b)의 좌, 우 하부에 각각 대칭하여 인접하고 하부는 태양전지판(1)을 사이에 두고 태양전지판(1)이 설치되는 베이스(2)에 결합하며 태양전지판(1)을 향하여 경사지게 형성되는 오목렌즈부(30a, 30b)를 포함한다.
구체적으로, 오목렌즈부(30a, 30b)는 태양전지판(1)이 설치되는 베이스(2)의 중심을 기준으로 베이스(2) 면으로부터 20~40도 사이에 형성되고, 두꺼운 볼록렌즈부(20a, 20b)는 오목렌즈부(30a, 30b)의 상부에서 시작하여 베이스(2) 면으로부터 50~70도 사이에 형성될 수 있다.
얇은 볼록렌즈부(10)는 베이스(20)에 설치되는 장방형 태양전지판(1)의 길이가 짧은 변의 크기의 1~3배 높이에 위치하며, 얇은 볼록렌즈부(10), 두꺼운 볼록렌즈부(20a, 20b) 및 오목렌즈부(30a, 30b)의 두께 비는 렌즈의 재료와 태양전지판에 대한 집광렌즈의 크기 비에 따라 1: 1.5 ~ 3 : 0.5 ~ 1 일 수 있다.
오목렌즈부(30a, 30b)의 좌, 우 하부 간의 길이는 베이스(2)에 설치되는 장방형 태양전지판(1)의 길이가 짧은 변의 크기의 1.5배~3배일 수 있다.
두꺼운 볼록렌즈부(20a, 20b) 및 오목렌즈부(30a, 30b)의 내주면 일측에는 반사층이 더 구비되고, 반사층은 태양광 집광렌즈(100) 내부로 입사된 후 외부로 나가는 태양광을 태양전지판(1)으로 반사시키며, 반사층은 금속소재, 비금속소재 및 반사물질이 코팅된 유리 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.
본 발명에 의하면, 지구의 자전과 공전에 의한 태양광 입사각의 변화를 고려한 광학적 설계를 통해 집광렌즈의 각 부분 별로 태양전지판에 빛이 도달하도록 꺾는 방식을 달리하고 태양전지판 보다 큰 집광렌즈를 사용함으로써, 기존과 동일한 크기의 태양전지판을 사용하는 경우 태양전지판에 조사되는 빛의 양이 훨씬 많아 집광 효율이 뛰어난 효과가 있다.
또한, 태양광 집광렌즈는 태양전지판보다 크게 하고 집광렌즈 내부면은 볼록하고 오목한 형태로 각 부분 별 설계(구성)를 달리 함으로써 태양의 고도가 낮은 겨울철이나 아침과 오후에 사선으로 들어오는 빛이 잘 꺾여 태양전지판에 도달할 수 있는 효과가 있다.
또한, 또한, 태양광 집광렌즈를 구성하는 볼록렌즈 및 오목렌즈를 크게 함으로써 고 고도에서 넓게 들어오는 빛도 태양전지판으로 효과적으로 도달할 수 있고, 저 고도에서 사선으로 들어오는 빛도 태양전지판에 효과적으로 도달할 수 있는 효과가 있다.
또한, 볼록한 형태의 태양광 집광렌즈의 각 부분 별 설계(구성)를 달리 함으로써 집광렌즈를 통해 태양전지판 밖으로 벗어나는 빛을 태양전지판으로 꺾어 모을 수 있는 효과가 있다.
또한, 일조 환경에 따라 위로 튀어나온 포물형 또는 옆으로 넓게 펼쳐진 포물형태로 구성하여 태양전지판을 둘러싸고 있는 집광렌즈의 표면적을 넓힘으로써, 빛을 태양전지판에 더 많이 모을 수 있는 효과가 있다.
또한, 한겨울과 같이 태양의 최고 고도가 낮아 북쪽에서는 태양광이 들어오지 않는 경우, 집광렌즈 북쪽 내측에 반사물질을 발라 집광렌즈를 투과하여 밖으로 나가는 빛을 태양전지판으로 모을 수 있는 효과가 있다.
또한, 집광렌즈의 집광 효율이 높아 기존에 비해 작은 태양전지판을 사용하여도 동일한 전력을 생산할 수 있는 효과가 있다.
또한, 볼록한 형태 또는 롤케익 형태의 집광렌즈를 사용함으로써, 외부 충격을 분산시킬 수 있고, 내부 태양전지판도 보호할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 상기한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 되는 것임은 자명하다.
1: 태양전지판 2: 베이스
3: 볼트 10: 얇은 볼록렌즈부
20, 20a, 20b: 두꺼운 볼록렌즈부 30, 30a, 30b: 오목렌즈부
40: 반사층 100: 태양광 집광렌즈

Claims (15)

  1. 태양광을 태양전지판으로 모아주는 볼록한 형태의 태양광 집광렌즈로서,
    중앙 상부에 형성되어 태양전지판과 대향하는 원 형의 얇은 볼록렌즈부;
    상기 얇은 볼록렌즈부의 둘레에 인접하는 도우넛 형상으로 얇은 볼록렌즈부에 비해 상대적으로 두껍게 형성되며 태양전지판을 향하여 경사지게 형성되는 두꺼운 볼록렌즈부; 및
    상부 둘레는 상기 두꺼운 볼록렌즈부의 하부 둘레에 인접하고 하부 둘레는 태양전지판이 설치되는 베이스에 결합하며 태양전지판을 향하여 경사지게 형성되는 오목렌즈부를 포함하되,
    상기 오목렌즈부는 태양전지판이 설치되는 베이스의 중심을 기준으로 베이스 면으로부터 20~40도 사이에 형성되고, 상기 두꺼운 볼록렌즈부는 오목렌즈부의 상부에서 시작하여 베이스 면으로부터 50~70도 사이에 형성되는 것을 특징으로 하는 태양광 집광렌즈.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 얇은 볼록렌즈부는 베이스에 설치되는 정방형 태양전지판 한 변의 크기의 1~3배 높이에 위치하는 것을 특징으로 하는 태양광 집광렌즈.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 얇은 볼록렌즈부, 두꺼운 볼록렌즈부 및 오목렌즈부의 두께 비는 렌즈의 재료와 태양전지판에 대한 집광렌즈의 크기 비에 따라 1: 1.5 ~ 3 : 0.5 ~ 1 인 것을 특징으로 하는 태양광 집광렌즈.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 오목렌즈부의 하부 둘레 지름의 길이는 베이스에 설치되는 정방형 태양전지판 한변의 길이의 1.5배~3배인 것을 특징으로 하는 태양광 집광렌즈.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 두꺼운 볼록렌즈부 및 오목렌즈부의 내주면 일측에는 반사층이 더 구비되고,
    상기 반사층은 태양광 집광렌즈 내부로 입사된 후 외부로 나가는 태양광을 상기 태양전지판으로 반사시키는 것을 특징으로 하는 태양광 집광렌즈.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 반사층은 금속소재, 비금속소재 및 반사물질이 코팅된 유리 중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 태양광 집광렌즈.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 볼록한 형태는
    반구형, 위로 튀어나온 포물형, 옆으로 넓게 펼쳐진 포물형, 물방울형 및 한쪽 방향으로 기운 비대칭형 중 어느 하나의 형태인 것을 특징으로 하는 태양광 집광렌즈.
  9. 태양광을 태양전지판으로 모아주는 롤케익 형태의 태양광 집광렌즈로서,
    중앙 상부에 형성되어 태양전지판과 대향하는 장방형의 얇은 볼록렌즈부;
    상기 얇은 볼록렌즈부를 중심으로 좌, 우에 대칭하여 인접하고 얇은 볼록렌즈부에 비해 상대적으로 두껍게 형성되며 태양전지판을 향하여 경사지게 형성되는 장방형의 두꺼운 볼록렌즈부; 및
    상부는 상기 두꺼운 볼록렌즈부의 좌, 우 하부에 각각 대칭하여 인접하고 하부는 태양전지판을 사이에 두고 태양전지판이 설치되는 베이스에 결합하며 태양전지판을 향하여 경사지게 형성되는 오목렌즈부를 포함하되,
    상기 오목렌즈부는 태양전지판이 설치되는 베이스의 중심을 기준으로 베이스 면으로부터 20~40도 사이에 형성되고, 상기 두꺼운 볼록렌즈부는 오목렌즈부의 상부에서 시작하여 베이스 면으로부터 50~70도 사이에 형성되는 것을 특징으로 하는 태양광 집광렌즈.
  10. 삭제
  11. 제9항에 있어서,
    상기 얇은 볼록렌즈부는 베이스에 설치되는 장방형 태양전지판의 길이가 짧은 변의 크기의 1~3배 높이에 위치하는 것을 특징으로 하는 태양광 집광렌즈.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 얇은 볼록렌즈부, 두꺼운 볼록렌즈부 및 오목렌즈부의 두께 비는 렌즈의 재료와 태양전지판에 대한 집광렌즈의 크기 비에 따라 1: 1.5 ~ 3 : 0.5 ~ 1 인 것을 특징으로 하는 태양광 집광렌즈.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 오목렌즈부의 좌, 우 하부 간의 길이는 베이스에 설치되는 장방형 태양전지판의 길이가 짧은 변의 크기의 1.5배~3배인 것을 특징으로 하는 태양광 집광렌즈.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 두꺼운 볼록렌즈부 및 오목렌즈부의 내주면 일측에는 반사층이 더 구비되고,
    상기 반사층은 태양광 집광렌즈 내부로 입사된 후 외부로 나가는 태양광을 상기 태양전지판으로 반사시키는 것을 특징으로 하는 태양광 집광렌즈.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 반사층은 금속소재, 비금속소재 및 반사물질이 코팅된 유리 중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 태양광 집광렌즈.
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