KR101653800B1 - solar light combiner - Google Patents
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Abstract
본 발명은 태양광 집광용 빔 컴바이너에 관한 것으로서, 중공을 갖되 제1내경을 갖게 형성된 제1삽입부분과, 제1삽입부분으로부터 점진적으로 내경이 좁아지게 형성된 테이퍼진 부분과, 테이퍼진 부분의 종단에서 제1내경보다 좁은 제2내경으로 연장된 제2삽입부분을 갖는 접속하우징과, 제1삽입부분에 삽입되어 태양으로부터 입사된 태양광을 도파하는 복수개의 제1광섬유들과, 제2삽입부분에 삽입되어 제1광섬유들로부터 출사된 태양광을 도파하는 하나의 제2광섬유를 구비하고, 접속하우징은 금속소재로 형성되어 있다. 이러한 태양광 집광용 빔 컴바이너에 의하면, 실리카 소재의 코어를 갖는 다수개의 광섬유를 하나의 광섬유로 광손실이 저감되게 집속하여 전송할 수 있으면서도 열에 의한 손상을 억제할 수 있는 장점을 제공한다.The present invention relates to a beam combiner for sunlight focusing, the beam combiner comprising a first insertion portion formed to have a hollow and having a first inner diameter, a tapered portion formed so as to gradually narrow the inner diameter from the first insertion portion, A plurality of first optical fibers inserted in the first insertion portion and guiding the sunlight incident from the sun, and a second optical fiber inserted in the first insertion portion, And a second optical fiber inserted into the insertion portion and guiding the sunlight emitted from the first optical fibers, wherein the connection housing is formed of a metal material. According to such a solar beam focusing beam combiner, a plurality of optical fibers having a silica-based core can be focused and transmitted with a single optical fiber so as to reduce the optical loss, and it is possible to suppress damage due to heat.
Description
본 발명은 태양광 집광용 빔 컴바이너에 관한 것으로서, 상세하게는 100℃ 이상의 고온에서도 손상없이 태양광을 집광할 수 있도록 된 고온 적용이 가능한 태양광 집광용 빔 컴바이너에 관한 것이다.The present invention relates to a beam combiner for sunlight focusing, and more particularly, to a beam combiner for sunlight focusing capable of applying sunlight at a high temperature without damaging even at a high temperature of 100 ° C or higher.
최근 식물공장 등 자연광의 유입이 어려운 실내에 자연광을 효율적으로 공급하기 위하여 다양한 광전송 기술이 연구되고 있다.Recently, a variety of optical transmission technologies have been researched to efficiently supply natural light to indoors where natural light such as a plant is difficult to enter.
자연광을 건물 내부에 전송하기 위하여 설계시부터 자연광 전송을 반영한 건축물이 늘어나고 있는 추세이다.In order to transmit natural light to the inside of the building, the number of buildings reflecting the transmission of natural light from designing is increasing.
자연광 전송 방법으로는 공공 화장실이나 단층으로 된 건물에는 옥상 일부분을 투명유리로 마감하여 채광하는 방법이 있다. 또한, 다층 건물 및 지하층까지의 자연광 채광은 반사 거울이 내장된 덕트를 각 층과 지하층까지 시공하여 자연광을 전송하고 있으나, 이러한 방법은 건물의 많은 면적이 덕트에 의해 할애되어 건축면적 활용 효율이 낮아지는 단점이 있다.As a natural light transmission method, there is a method of finishing a part of the roof of a public toilet or a single-layer building with a transparent glass. In addition, the natural light to the multi-story building and the basement is transmitted through natural light by constructing ducts with reflection mirrors to each floor and the basement floor. However, this method has a problem in that a large area of the building is occupied by a duct, .
이러한 단점을 해결하기 위한 대안으로서 광케이블을 이용한 자연광 전송방법이 다양하게 시도되고 있다.Various attempts have been made to transmit natural light using an optical cable as an alternative to solve these drawbacks.
플라스틱 광섬유의 경우 석영계 유리 광섬유에 비해 직경이 10 ~ 20㎜로 크지만 열에 약하고, 투명도가 낮으며, 레일레이 산란으로 인하여 단파장에서 손실이 높아서 전송효율이 좋지 않은 단점이 있고, 태양광을 20m 이상 전송하는 경우에는 연색성이 떨어진다는 문제점이 있다.Plastic optical fiber has a diameter of 10 ~ 20mm larger than quartz glass optical fiber, but it is weak to heat, low transparency, and has a disadvantage in that transmission efficiency is not good due to high loss at a short wavelength due to raylayer scattering. There is a problem in that the color rendering property is deteriorated.
또한, 플라스틱 광섬유의 경우, 태양광 집광에 따른 고온에 의해 광섬유 말단부가 변형된다는 문제점이 있다.In addition, in the case of a plastic optical fiber, there is a problem that the end portion of the optical fiber is deformed due to high temperature due to sunlight condensation.
이러한 문제점을 개선하기 위하여 순수 실리카를 코어로 적용하여 대구경화할 수 있는 광섬유가 국내 공개특허 제10-2010-0115949호에 개시되어 있다.In order to solve such a problem, an optical fiber which can be cured by applying pure silica as a core is disclosed in Korean Patent Laid-Open No. 10-2010-0115949.
한편, 순수 실리카를 코어로 하며 수밀리 이상의 직경을 갖는 대구경화한 광섬유의 경우 상대적으로 제조비용이 많이 드는 단점이 있다.On the other hand, in the case of a large-diameter cured optical fiber having a diameter of several millimeters or more using pure silica as a core, the manufacturing cost is relatively high.
따라서, 실리카 코어를 갖는 복수개의 광섬유들을 통해 입사된 태양광을 하나의 단일 광섬유로 집속하여 전송할 수 있으면서 열에 의한 손상을 억제할 수 있는 구조가 요구되고 있다.Accordingly, there is a demand for a structure capable of collecting and transmitting sunlight incident through a plurality of optical fibers having a silica core to a single optical fiber and suppressing damage due to heat.
본 발명은 상기와 같은 요구사항을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 실리카소재의 코어를 갖는 복수개의 광섬유들을 하나의 광섬유로 광을 전송할 수 있으면서도 발생되는 열에 의한 손상을 억제할 수 있는 태양광 집광용 빔 컴바이너를 제공하는데 그 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and it is an object of the present invention to provide a solar light collecting apparatus capable of transmitting a plurality of optical fibers having a core made of silica to one optical fiber, The goal is to provide a combiner.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 태양광 집광용 빔 컴바이너는 중공을 갖되 제1내경을 갖게 형성된 제1삽입부분과, 상기 제1삽입부분으로부터 점진적으로 내경이 좁아지게 형성된 테이퍼진 부분과, 상기 테이퍼진 부분의 종단에서 상기 제1내경보다 좁은 제2내경으로 연장된 제2삽입부분을 갖는 접속하우징과; 상기 제1삽입부분에 삽입되어 태양으로부터 입사된 태양광을 도파하는 복수개의 제1광섬유들과; 상기 제2삽입부분에 삽입되어 상기 제1광섬유들로부터 출사된 태양광을 도파하는 하나의 제2광섬유;를 구비하고, 상기 접속하우징은 금속소재로 형성되어 있다.In order to accomplish the above object, a beam combiner for sunlight focusing according to the present invention includes a first insertion portion formed to have a hollow and having a first inner diameter, a tapered portion formed to gradually narrow the inner diameter from the first insertion portion, And a second insertion portion extending from an end of the tapered portion to a second inner diameter narrower than the first inner diameter; A plurality of first optical fibers inserted in the first insertion portion to guide sunlight incident from the sun; And a second optical fiber inserted in the second insertion portion to guide the sunlight emitted from the first optical fibers, wherein the connection housing is formed of a metal material.
또한, 상기 접속하우징은 상기 테이퍼진 부분의 내면이 상기 제1광섬유들로부터 출사되는 광을 상기 제2광섬유로 반사에 의해 집속시킬 수 있도록 반사율이 높은 알루미늄, 니켈 소재중 어느 하나로 형성되거나, 상기 접속하우징의 상기 테이퍼진 부분의 내면에 알루미늄, 금, 은, 니켈 소재 중 어느 하나로 코팅된 반사미러층을 갖는 구조로 형성될 수 있다.The connection housing may be formed of any one of aluminum and nickel having a high reflectivity so that the inner surface of the tapered portion can focus the light emitted from the first optical fibers by reflection to the second optical fiber, And a reflective mirror layer coated on the inner surface of the tapered portion of the housing with one of aluminum, gold, silver, and nickel.
바람직하게는 상기 테이퍼진 부분은 상기 테이퍼진 부분의 내면과 상기 제2삽입부분의 연장방향과의 사이각이 5 내지 10°를 갖게 형성된다.Preferably, the tapered portion is formed so that an angle between the inner surface of the tapered portion and the extending direction of the second insertion portion is 5 to 10 degrees.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 테이퍼진 부분의 내부에는 굴절율이 1.48 내지 1.5인 충진물로 충진된 충진층;을 더 구비하고, 상기 충진층은 투명 열경화성 실리콘고무로 충진되어 형성될 수 있다.According to an aspect of the present invention, there is further provided a filling layer filled with a filling material having a refractive index of 1.48 to 1.5 inside the tapered portion, and the filling layer may be filled with a transparent thermosetting silicone rubber.
상기 제2광섬유는 0.48 내지 0.5의 개구수를 갖는 것이 적용되는 것이 바람직하다.It is preferable that the second optical fiber has a numerical aperture of 0.48 to 0.5.
본 발명에 따른 태양광 집광용 빔 컴바이너에 의하면, 실리카 소재의 코어를 갖는 다수개의 광섬유를 하나의 광섬유로 광손실이 저감되게 집속하여 전송할 수 있으면서도 열에 의한 손상을 억제할 수 있는 장점을 제공한다.The beam combiner for sunlight focusing according to the present invention has an advantage that a plurality of optical fibers having a silica-based core can be focused and transmitted with a single optical fiber so as to reduce light loss, do.
도 1은 본 발명에 따른 태양광 집광용 빔 컴바이너의 일측을 절단해 보인 사시도이고,
도 2는 도 1의 태양광 집광용 빔 컴바이너의 단면도이고,
도 3은 도 2의 태양광 집광용 빔 컴바이너의 광전송과정을 도식적으로 나타내 보인 도면이고,
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 태양광 집광용 빔 컴바이너의 단면도이다.FIG. 1 is a perspective view of one side of a beam combiner for sunlight focusing according to the present invention,
2 is a cross-sectional view of the beam condenser for sunlight collecting in Fig. 1,
FIG. 3 is a diagram schematically showing an optical transmission process of the solar light collecting beam combiner of FIG. 2,
4 is a cross-sectional view of a beam combiner for sunlight focusing according to another embodiment of the present invention.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 태양광 집광용 빔 컴바이너를 더욱 상세하게 설명한다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The accompanying drawings, which are incorporated in and constitute a part of the specification, illustrate embodiments of the invention and, together with the description, serve to explain the principles of the invention.
도 1은 본 발명에 따른 태양광 집광용 빔 컴바이너의 일측을 절단해 보인 사시도이고, 도 2는 도 1의 태양광 집광용 빔 컴바이너의 단면도이고, 도 3은 도 2의 태양광 집광용 빔 컴바이너의 광전송과정을 도식적으로 나타내 보인 도면이다.FIG. 1 is a perspective view of a side view of a sunbeam beam combiner according to the present invention, FIG. 2 is a cross-sectional view of a beam combiner for solar light condensing of FIG. 1, FIG. 3 is a diagram schematically showing the optical transmission process of the beam combiner.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 태양광 집광용 빔 컴바이너(100)는 접속하우징(110), 복수개의 제1광섬유(120), 제2광섬유(130) 및 충진층(150)을 구비한다.1 to 3, a sun beam condensing beam combiner 100 according to the present invention includes a
접속 하우징(110)은 금속소재로 길이방향을 따라 관통된 중공(110a)을 갖게 형성되어 있다.The
접속 하우징(110)을 구분하면, 제1내경을 갖게 형성된 제1삽입부분(111)과, 제1삽입부분(111)으로부터 점진적으로 내경이 좁아지게 형성된 테이퍼진 부분(113)과, 테이퍼진 부분(113)의 종단에서 제1내경보다 좁은 제2내경으로 연장된 제2삽입부분(115)을 갖는 구조로 되어 있다.The
즉, 제1삽입부분(111)은 길이방향을 따라 제1내경을 갖는 관구조로 형성되어 있고, 테이퍼진 부분(113)은 제1삽입부분(111)과 접하는 부분이 제1내경을 갖으며 제2삽입부분(115)과 접하는 부분이 제2내경을 갖게 점진적으로 내경이 좁하지게 테이퍼진 형상으로 형성되어 있다.That is, the
제1삽입부분(111)의 제1내경은 복수개의 제1광섬유(120)가 수용될 수 있게 제1광섬유(120)의 외경보다 적어도 2배 이상으로 크게 형성된 것을 적용한다.The first inner diameter of the
제1광섬유(120)들은 제1삽입부분(111) 내에 삽입되어 있다.The first
도시된 예에서는 3개의 제1광섬유(120)들이 접속 하우징(110)의 제1삽입부분(111) 내에 삽입되어 있고, 제1광섬유(120)의 수용 개수는 도시된 예와 다르게 적용될 수 있음은 물론이다.In the illustrated example, three first
또한, 제2삽입부분(115)은 제2내경을 갖게 일정길이 연장되어 있다.In addition, the
이러한 접속하우징(110)은 금속소재로 형성되어 있다.The
접속하우징(110)은 테이퍼진 부분(113)의 내면은 제1광섬유(120)들로부터 출사되는 광을 제2광섬유(130)로 전반사에 의해 집속시킬 수 있도록 반사율이 높은 알루미늄, 니켈 소재 중 어느 하나로 형성될 수 있다.The inner surface of the
이와는 다르게, 도 4에 도시된 바와 같이 접속하우징(110)은 100℃ 이상의 고온에서도 변형이 안되는 스테인레스 스틸소재, 철소재 등 반사율과 관계 없이 다양한 금속소재로 형성하고, 테이퍼진 부분(113)의 내면은 제1광섬유(120)들로부터 출사되는 광을 제2광섬유(130)로 전반사에 의해 집속시킬 수 있도록 반사율이 높은 알루미늄, 니켈, 금, 은 중 어느 하나로 코팅된 반사미러층(117)을 갖는 구조로 형성될 수도 있다.4, the
또한, 테이퍼진 부분(113)은 테이퍼진 부분(113)의 내면과 제2삽입부분(115)의 연장방향과의 사이각(α)이 제1광섬유(120)들에 출사된 광의 제2광섬유(130)로의 집속을 위해 전반사가 충분히 이루어지도록 5 내지 10°를 갖게 형성된다.The
테이퍼진 부분(113)의 내부에는 공기가 존재해도 되나 바람직하게는 굴절율이 1.48 내지 1.5인 충진물로 충진된 충진층(150)을 갖게 형성한다.Air may be present inside the
충진층(150)은 투명 열경화성 실리콘고무로 충진되어 형성될 수 있다.The
제1광섬유(120)들은 제1삽입부분(111)에 삽입되어 태양으로부터 입사된 태양광을 도파하여 테이퍼진 부분(113)을 향하는 방향으로 출사한다.The first
제1광섬유(120)는 석영 또는 유리소재로 된 코어(121)와, 코어(121)를 에워싸며 코어(121)보다 굴절율이 낮은 클래드(122)로 되어 있다.The first
클래드(122)는 폴리머소재로 형성될 수 있음은 물론이다. The
제2광섬유(130)는 제2삽입부분(115)에 삽입되어 제1광섬유(120)들로부터 출사된 태양광을 도파한다.The second
제2광섬유(130)는 제2삽입부분(115) 내에 하나가 삽입되어 있다.One of the second
제2광섬유(130)도 제1광섬유(120)와 마찬가지로 석영 또는 유리소재로 된 코어(131)와, 코어(131)를 에워싸며 코어(131)보다 굴절율이 낮은 클래드(132)로 되어 있다.Like the first
제2광섬유(130)의 클래드(132)는 폴리머소재로 형성될 수 있음은 물론이다. Of course, the
여기서, 제2광섬유(130)는 0.48 내지 0.5의 개구수(NA; Numerical apperature)를 갖는 것이 적용된다.Here, the second
개구수(NA)는 아래의 수학식 1로 표현된다.The numerical aperture (NA) is expressed by the following equation (1).
여기서 nco는 제2광섬유(130) 코어(131)의 굴절율이고, ncl은 제2광섬유(130) 클래드(132)의 굴절율이다.Where n co is the refractive index of the second
충진층(150)은 제2광섬유(130)와 제1광섬유(120)들 사이의 테이퍼진 부분(113) 내에 코어(131)(132)와 굴절율 차이가 적은 투명 열경화성 실리콘고무로 충진되어 제2광섬유(130)와 제1광섬유(120)들 사이의 광도파시 광손실을 억제할 수 있도록 해준다.The
충진층(150)을 형성하는 투명 열경화 실리콘 고무의 굴절율은 1.48 내지 1.5인 것이 적용된다.The refractive index of the transparent thermosetting silicone rubber forming the
이러한 빔 컴바이너(100)는 접속 하우징(110)의 테이퍼진 부분(113)에 액상의 투명 열경화성 실리콘 고무를 주입하여 충진층(150)을 형성하고, 제1삽입부분(111)과 제2삽입부분(115)에서 제1광섬유(120)들과 제2광섬유(130)를 삽입한 다음 투명 열경화성 실리콘 고무가 경화되게 150℃에서 2시간 정도 열처리하여 형성하면 된다.The beam combiner 100 injects a liquid transparent thermosetting silicone rubber into the
< 제조예 ><Production Example>
제1 및 제2광섬유(120)(130)는 유리소재로 된 코어(121)(131)의 굴절율이 1.49이고 직경이 1.0mm, 클래드(122)(132)의 굴절율은 1.41이고, 직경이 1.035인 것을 동일하게 적용하였다.The first and second
제1 및 제2광섬유(120)(130)는 접속 하우징(110)에 삽입할 길이 만큼 자켓을 벗겨 한 측에는 제1광섬유(120) 3개를 삽입시키고, 타측에는 제2광섬유(130) 한 개를 삽입한 후 150℃에서 2시간 가열하여 제조를 완료하였다.The first and second
이러한 빔 컴바이너(100)는 제1광섬유(120)들과 제2광섬유(130) 사이의 테이버진 부분(113)에서 고 반사율에 의해 반사가 진행되더라도 도 3에 도시된 바와 같이 경사각도에 의해 제2광섬유(130)로 집속되고, 충진층(150)에 의해 광도파 손실이 억제되어 제1광섬유(120)들과 제2광섬유(130) 사이의 광도파 효율을 높일 수 있다.3, even if the
또한, 집속 하우징(110)이 금속소재로 형성되어 있어 100℃ 이상의 고온에서도 손상되지 않는다. Also, since the focusing
이러한 빔 컴바이너(100)는 제1광섬유(120)의 선단을 태양광이 입사되는 방향에 배치시키고, 제2광섬유(130)의 종단을 조명 위치까지 연장시키면 태양광 집광기로서 이용할 수 있다.The
이상에서 설명된 빔 컴바이너(100)는 실리카 소재의 코어를 갖는 다수개의 광섬유를 하나의 광섬유로 광손실이 저감되게 집속하여 전송하면서도 고온에서도 손상되지 않는 장점을 제공한다. The beam combiner 100 described above provides an advantage that a plurality of optical fibers having a silica-based core are converged to a single optical fiber so as to reduce the optical loss and are not damaged even at a high temperature.
110: 집속 하우징 120: 제1광섬유
130: 제2광섬유 150: 충진층110: focusing housing 120: first optical fiber
130: second optical fiber 150: filling layer
Claims (6)
상기 제1삽입부분에 삽입되어 태양으로부터 입사된 태양광을 도파하는 복수개의 제1광섬유들과;
상기 제2삽입부분에 삽입되어 상기 제1광섬유들로부터 출사된 태양광을 도파하는 하나의 제2광섬유;를 구비하고,
상기 접속하우징은 금속소재로 형성되어 있고,
상기 접속하우징은 상기 테이퍼진 부분의 내면이 상기 제1광섬유들로부터 출사되는 광을 상기 제2광섬유로 반사에 의해 집속시킬 수 있도록 반사율이 높은 알루미늄, 니켈 소재중 어느 하나로 형성되거나, 상기 접속하우징의 상기 테이퍼진 부분의 내면에 알루미늄, 금, 은, 니켈 소재 중 어느 하나로 코팅된 반사미러층을 갖는 구조로 형성되어 있으며,
상기 테이퍼진 부분은 상기 테이퍼진 부분의 내면과 상기 제2삽입부분의 연장방향과의 사이각이 5 내지 10°를 갖게 형성되어 있고,
상기 테이퍼진 부분의 내부에는 굴절율이 1.48 내지 1.5인 충진물로 충진된 충진층;을 구비하고,
상기 충진층은 상기 접속하우징 내에 액상의 투명 열경화성 실리콘고무를 주입하고 열처리과정을 거쳐 형성되고,
상기 제2광섬유는 0.48 내지 0.5의 개구수를 갖는 것이 적용된 것을 특징으로 하는 태양광 집광용 빔 컴바이너.A first insertion portion formed to have a hollow and having a first inner diameter, a tapered portion gradually formed from the first insertion portion so as to have an inner diameter narrower, and a second inner diameter narrower than the first inner diameter at the end of the tapered portion A connection housing having an extended second insertion portion;
A plurality of first optical fibers inserted in the first insertion portion to guide sunlight incident from the sun;
And one second optical fiber inserted into the second insertion portion to guide the sunlight emitted from the first optical fibers,
Wherein the connection housing is formed of a metal material,
The connection housing may be formed of any one of aluminum and nickel materials having high reflectance so that the inner surface of the tapered portion can focus the light emitted from the first optical fibers by reflection to the second optical fiber, And a reflective mirror layer coated on the inner surface of the tapered portion with one of aluminum, gold, silver, and nickel,
The tapered portion is formed so that an angle between the inner surface of the tapered portion and the extending direction of the second insertion portion is 5 to 10 degrees,
And a filling layer filled in the inside of the tapered portion with a filler having a refractive index of 1.48 to 1.5,
Wherein the filling layer is formed by injecting a liquid transparent thermosetting silicone rubber into the connection housing and performing a heat treatment process,
Wherein the second optical fiber has a numerical aperture of 0.48 to 0.5.
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