KR101671455B1 - 태양광 조명, 살균 및 열전발전을 위한 태양광 집광기 - Google Patents

Abstract

태양광 집광기가 개시된다. 본 발명에 따른 태양광 집광기는, 입사되는 태양광이 한 지점으로 모일 수 있도록 태양광을 반사시키기 위한 오목거울 형 집속 반사경, 집속 반사경에서 반사되는 태양광 중 적외선은 투과시키고 적외선 이외의 태양광은 반사시키는 기능을 하며, 집속 반사경의 초점 부위에 설치되는 콜드미러, 콜드미러에서 반사된 태양광을 광케이블로 전송하기 위한 렌즈 어셈블리, 콜드미러에서 투과된 적외선 태양광의 고온을 이용하여 전기를 발전하기 위한 열발전장치 및 렌즈 어셈블리에 연결되어 집속된 태양광을 전송하기 위한 광 케이블을 포함한다.
본 발명에 따르면, 한 대의 태양광 집광기를 통해 자외선만을 집중적으로 제공하여 자외선에 의한 살균, 소독 효과를 제공할 수 있으며, 주간 음영지역에는 가시광선 영역을 전송하여 조명으로 제공할 수 있고, 아울러 전기를 동시에 생성시킬 수 있거나 이를 선택적으로 제공할 수 있다.

Description

태양광 조명, 살균 및 열전발전을 위한 태양광 집광기{Solar Concenstrator for photovoltaic lighting, sterilization and thermoelectric generator}

본 발명은 태양광 집광기에 관한 것이며, 구체적으로는 광섬유 케이블 방식의 태양광 직접 조명 시스템과 태양광 중 자외선을 이용한 살균 소독을 위한 태양광 집광 장치 그리고 태양광의 집광으로 발생하는 고열을 이용한 열전발전을 통합한 태양광 집광기에 관한 것이다.

최근 친환경 재생에너지에 대한 관심이 높아져 가고 있다. 이에 따라 태양광을 모아 건물 안의 조명으로 사용하거나 태양광, 태양열을 이용하여 전기를 생산하는 다수의 장치가 개발되고 있다.

종래의 태양광 이용 기술 중은 실리콘을 이용하여 솔라 모듈을 만들어 DC 전기를 얻고 이를 AC 전기로 변환하여 다시 전기 조명으로 사용하기 때문에 그 효율이 떨어지고 실리콘을 재료로 하여 많은 산업 폐기물을 만드는 문제점이 있었다.

최근에는 태양이 있는 주간에도 건물 내, 터널, 지하실 등 음영지역에 전기 조명이 필요로 한 곳이 많고, 비타민D 합성 등 많은 기능을 가지는 생육광원인 태양광의 순기능에 대한 관심이 많아, 태양광을 변환 없이 채광하고 필요한 장소에 전달하여 자유롭게 이용하는 태양광 조명 시스템을 개발하여 상용화하기 위해 세계적으로 노력이 경주되고 있다.

한편, 태양광을 이용한 전기 발전 기술에서도 열전도율이 낮은 두 금속 혹은 반도체의 양 끝단이 큰 온도차를 가질 때, 열기전력이 발생하는 제백효과(Seebeck Effect)를 이용한 열전발전에 대한 연구가 다수 진행되고 있다. 그러나 한쪽 끝단을 고온으로 가열하기 위한 열원으로 히터를 사용할 경우 열전발전량보다 히터를 사용하기 위한 에너지 소모가 더욱 커지는 등의 단점이 있어 열원으로 지열, 폐열 등을 이용한 열전발전이 연구되고 있다.

한국 특허 제 10-1093773호에 개시된 태양광 집광장치에는 태양광을 집광하여 광섬유 다발로 전달하는 기술과 함께 솔라셀을 이용한 태양광 발전을 통해 전기를 얻는 기술을 개시하고 있으나, 태양광 집광 장치 테두리에 솔라셀을 둘러서 배치하여 태양광의 집광 없이 발전을 하기 때문에 발전 효율이 떨어지는 문제가 있다. 또한, 솔라셀의 경우 열에 약해 집광을 통해 발전을 할 수 없는 문제점도 존재한다.

한국 특허공보 제 10-1983-009506에 개시된 집광 및 발전겸용 장치에서도 태양광을 집속하여 광도체 케이블 내로 도입하는 집광 장치와 태양광을 수광하여 발전하는 장치를 결합한 기술을 개시하고 있으나, 태양광 발전 장치는 집광을 통한 태양광을 발전하는 방식이 아닌 태양광이 입사하는 면적만큼 솔라셀을 설치하고 여기에 수광되는 태양광만을 이용하기 때문에 발전 효율이 떨어지는 문제가 있다.

본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점들을 해결하고 사회적으로 요구되는 사항들을 만족시키기 위한 것이다.

본 발명은 태양광 집광장치를 통해 수집된 태양광을 전기로 변환하는 과정을 거치지 않고 그대로 조명으로 사용할 수 있도록 하여 주간에도 전기 조명을 사용하는 건물 내부, 지하 등 음영 지역에 태양광을 제공할 수 있는 기술을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명은 태양광 중 자외선만을 별도로 집광하여 필요한 곳에 조명하여 살균 소독하는 기능을 제공할 수 있는 기술을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명은 조명 및 살균 소독에 사용되지 않는 적외선 영역의 태양광을 한 곳으로 집광하여 이를 통해 발전하는 기술을 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 사상에 따르면, 태양광 집광기는, 입사되는 태양광이 한 지점으로 모일 수 있도록 상기 태양광을 반사시키기 위한 오목거울 형 집속 반사경, 상기 집속 반사경에서 반사되는 태양광 중 적외선은 투과시키고 상기 적외선 이외의 태양광은 반사시키는 기능을 하며, 상기 집속 반사경의 초점 부위에 설치되는 콜드미러, 상기 콜드미러에서 반사된 태양광을 광케이블로 전송하기 위한 렌즈 어셈블리, 상기 콜드미러에서 투과된 적외선 태양광의 고온을 이용하여 전기를 발전하기 위한 열발전장치, 및 상기 렌즈 어셈블리에 연결되어 집속된 태양광을 전송하기 위한 광케이블을 포함한다.

바람직하게는, 상기 집속 반사경의 경축의 중심부에는 집광된 태양광을 전송하고 상기 렌즈 어셈블리와 광케이블을 설치하기 위한 통공이 형성되어 있다.

한편, 상기 렌즈 어셈블리는 볼록 렌즈(Convenx Lens), 평면 볼록 렌즈(Plano Convex Lens), 오목 렌즈(Concave Lens), 평면 오목 렌즈(Plano Concave Lens), 볼 렌즈(Ball Lens), 하프 볼 렌즈(Half Ball Lens) 중 하나 이상의 렌즈를 포함하며, 상기 렌즈를 이용하여 입사되는 태양광을 굴절 및 압축하여 상기 광케이블로 전송한다.

일 실시예에서, 상기 렌즈 어셈블리는 상기 렌즈를 고정시키기 위한 하나 이상의 렌즈 결합부, 및 상기 광케이블을 연결하기 위해 광케이블 삽입구가 형성된 한 광케이블 커넥터를 포함한다.

일 실시예에서, 상기 렌즈 어셈블리는, 입사되는 태양광 중 자외선을 필터링시키기 위해 그 표면에 자외선 반사용 코팅 처리를 하여 설치된 필터링 거울, 상기 필터링 거울을 통해 반사된 자외선을 집광하기 위한 자외선 집광부, 상기 자외선을 전달하기 위한 자외선 광케이블을 더 포함하고, 상기 필터링 거울은 반사되는 자외선이 상기 콜드미러 방향으로 향하지 않도록 입사되는 태양광의 직각 방향에서 소정의 각도를 틀어 설치될 수 있다.

다른 실시예에서, 상기 열발전장치는 상기 콜드미러를 기준으로 상기 집속 반사경의 반대편에 설치되는 열전소자를 포함하며, 상기 열전소자와 상기 콜드미러는 상기 집속 반사경과 상기 집속 반사경의 초점 사이에 위치하고, 상기 열전소자는 상기 콜드미러를 통과하여 집속된 적외선을 이용하여 열발전을 통해 태양열 에너지를 전기에너지로 변환시킨다.

한편, 상기 열전소자의 한쪽 끝단은 상기 콜드미러에서 투과된 적외선에 의해 가열되는 가열부를 포함하고, 반대쪽 끝단은 냉각핀 또는 냉각파이프 또는 세라믹 방열재를 포함할 수 있다. 상기 콜드미러는 포물면, 구면, 쌍곡면, 타원면 중 어느 한가지 형태의 표면을 갖고, 반사 또는 투과하는 광을 집광한다.

바람직하게는, 상기 집속 반사경은 포물면, 구면, 쌍곡면, 타원면 중 어느 한가지 형태의 표면을 갖고, 반사하는 광을 집광한다.

상기와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 태양광 집광기는 종래의 태양광 발전 및 태양광 조명에 관한 기술의 여러 문제점을 해결하여 태양광 조명, 태양광 이용 살균 및 태양광 발전 등 다양한 기능을 하나의 기기로 통합하여 협소한 공간에서도 설치가 가능하고, 설치 공간 대비 효율이 우수한 효과를 갖는다.

또한, 1차 태양광 집광에서 대구경 렌즈 대신 오목거울 형 반사경을 채용하여 렌즈형 집광 방식에 비해 경제성이 우수한 효과가 있다.

또한, 본 발명은 대형 건물, 지하철, 주차장, 병원, 학교 등 건물 내부나 음영지역에서 사용하는 주간 전기조명을 대체하여 국가적으로 전력 사용 절감효과를 가져오는 기본적인 효과 이외에도, 한 대의 태양광 집광기를 통해 자외선만을 집중적으로 제공하여 자외선에 의한 살균, 소독 효과를 제공할 수 있으며, 주간 음영지역에는 가시광선 영역을 전송하여 조명으로 제공할 수 있고, 아울러 전기를 동시에 생성시킬 수 있거나 이를 선택적으로 제공할 수 있는 탁월한 효과가 있다.

또한, 본 발명은 최소의 열전소자만을 사용하여 높은 효율을 구가할 수 있고, 별도의 열원 없이 발전할 수 있어 경제적이며, 열전반전을 이용하여 일반 전기 공급은 물론, 전력을 자체 생산하여 태양광 추적 장치에 공급하도록 해, 태양광 집광장치 사용에 필수적으로 필요한 태양광 추적 장치를 외부 전기 없이 구동할 수 있고, 이에 따라 외부 동력 없이 자체적으로 구동 가능한 태양광 집광기가 구성될 수 있는 효과가 있다.

또한, 입사되는 태양광 중에서 전기적 살균 소독기를 대체할 수 있는 만큼의 자외선을 별도로 필터링하여 집광한 후, 이를 식당, 병원 등 자외선 살균, 소독이 필요한 장소에 제공할 수 있는 이점이 있고, 미용 목적의 선탠 장치에도 활용할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 태양광 집광기의 용도에 따라 분리된 태양광을 광케이블, 특히 SOF(Silica Optical Fiber), GOF(Glass Optical Fiber)로 전송할 수 있게 하기 때문에 높은 효율로 자유롭게 시공, 설치가 가능한 장점이 있다.

도 1은 종래의 프리넬 렌즈를 이용한 태양광 집광 장치를 나타낸 도이다.
도 2은 종래의 2개의 오목 거울을 이용한 태양광 집광 장치를 나타낸 도이다.
도 3은 본 출원인의 기존의 태양광 집광기의 구성을 나타낸 도이다.
도 4는 도 3에 도시된 태양광 집광기의 제2 집광부의 구성을 나타낸 도이다.
도 5는 본 발명에 따른 태양광 집광기의 구성을 나타낸다.

후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.

이하에서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 종래의 프리넬 렌즈를 이용한 태양광 집광 장치를 나타낸 도이다.

도 1을 참조하면 프리넬 렌즈를 이용한 태양광 집광 장치(10)는 두 개의 부채꼴 형상이 대향하면서 상호 연결된 프레임(11)과 이 프레임(11)의 두 원호상부를 갈이 방향 양단부로 하여 부착되는 프리넬 렌즈(12)와 두 부채꼴 형상부 내측에 부착되는 측면 고반사 필름(13)으로 이루어지고, 프리넬 렌즈(12)를 통해 태양광을 집적시킨다.

이 집광 장치(10)는 태양광 채광 방법으로 프리넬 렌즈(12)를 사용하였고, 렌즈가 갖고 있는 구면 및 색 수차 등을 최소화하여 지름 1mm 의 중심 경을 갖는 광섬유 한 가닥에 태양광을 집적 시킬 수 있다. 그러나 태양광을 받아들이는 렌즈의 크기가 지름 95mm 로 제한되어 있어, 여러 렌즈를 사용해야만 요구되는 밝기를 충족시킬 수 있다는 문제점을 갖고 있다.

도 2은 종래의 2개의 오목 거울을 이용한 태양광 집광 장치를 나타낸 도이다.

도 2을 참조하면, 2개의 오목 거울을 이용한 태양광 집광 장치(20)는 주 반사기(오목 거울;21) 및 부 반사기(오목 거울;22)를 통해 태양으로부터 오는 태양광을 광섬유(24)가 연설된 집광부(23)로 반사시키는 원리를 이용한다.

구체적으로 집광 장치(20)는 태양광이 주 반사기(21)에 입사되면 내측 즉, 오목면에 1차 반사되며, 상기 오목면의 곡률에 따라 1차 반사된 태양광은 한 초점에 집중하게 되는데, 상기 초점에 부 반사기(22)를 형성하되 오목면이 상기 주 반사기를 향하도록 형성하게 되면, 1차 반사된 태양광은 다시 2차 반사하게 된다.

이와 같은 오목 거울을 이용한 집광 장치는, 1차로 입사되는 태양광의 크기가 너무 크기 때문에 여러 가닥의 광섬유를 사용하여야 하며, 이로 인하여 집광부에서 빛의 손실이 생기는 문제점이 있다.

도 3은 본 출원인의 기존의 태양광 집광기의 구성을 나타낸 도이다.

도 3을 참조하면, 본 출원인에 의해 2008년 6월 19일자로 출원된 태양광 집광기(출원번호 10-2008-0057734)는, 볼록 거울(31), 2차 볼록 거울 지지대(32), 오목 거울(36)을 포함하는 제1 집광부와 볼록 렌즈(33), 볼 렌즈(34), 집광 부 지지대(35), 광섬유(37)를 포함하는 제2 집광부, 그리고, 적외선 광 필터(38), 거울 고정판(39), 광 필터 하우징(40)을 포함한다.

도 3의 태양광 집광기는 500mm 의 곡률 반경을 갖는 오목 거울(36)과 50mm 의 곡률 반경의 2차 볼록 거울(31)을 사용하여 태양광을 집광시킨다. 태양광은 오목 거울에 의해 1차 반사되어 볼록 거울에 집광된다. 볼록 거울은 오목 거울의 초점 면 보다 앞에 위치하며, 볼록 거울에 의해 다시 반사된 빛은 제2 집광부(50)의 볼록 렌즈(33)에 평행하게 입사된다. 볼록 렌즈(33)에 입사된 빛은 볼록렌즈(33)의 초점 면을 지나 볼렌즈(34)로 들어가도록 설계된다. 볼렌즈(34)에 의해 최종 집광된 태양광의 크기는 지름 1.5 mm 가 되어 광섬유 한 가닥에 입사시키는 것이 가능하다.

도 3의 태양광 집광기는 이 집광된 빛을 볼록 렌즈(33)와 볼렌즈(34)를 사용하여 지름 1.5mm 의 광섬유 한 가닥에 집광시킴으로써, 집광된 태양광의 손실을 최소화하였다. 이 결과로 일본의 렌즈 집광형 채광방식에 비하여 약 2배의 대면적 채광이 가능해 졌으며, 미국의 반사 집광 형에 비교하여서는 광섬유 한 가닥에 집광시킴으로써, 광섬유 다발에 집광시킬 때 발생할 수 있는 손실을 없앨 수 있으므로 보다 더 효율적인 광 전송이 가능하다. 광섬유를 통과한 빛은 적외선 광필터를 이용하여 적외선을 거른 후, 조명에 이용되도록 한다.

도 4는 도 3에 도시된 태양광 집광기의 제2 집광부의 구성을 나타낸 도이다.

제2 집광부(50)는, 광섬유(37), 볼록 렌즈(41), 집광 부 하우징(42), 볼렌즈(43), 광섬유 지지대(44)를 포함한다.

도 3의 태양광 집광기는 약 500mm 의 곡률 반경을 갖는 오목 거울(36)과 곡률반경 약 50mm 를 갖는 볼록 거울(31)로 구성된다. 태양광은 오목 거울(36)에 의해 반사되어 볼록 거울(31)에 집광된다. 볼록 거울(31)은 오목 거울(36)의 초점 면 보다 앞에 위치하며 2차 거울에 의해 다시 반사된 빛은 제2 집광부의 볼록 렌즈(33)에 이 볼록 렌즈의 크기와 같은 크기로 입사된다. 볼록 렌즈(33)에 입사된 빛은 볼록 렌즈(33)의 초점면을 지나 볼렌즈(34)로 들어가도록 구성되며, 볼렌즈(34)에 의해 최종 집광된 태양광의 크기는 지름 1.5mm 가 되어 광섬유 한 가닥에 입사시키는 것이 가능하다. 상기 지름 및 곡률 반경은 위에 기재된 지름 및 곡률반경에서 ±10%의 오차범위 내의 크기를 가질 수 있다.

도 5는 본 발명에 따른 태양광 집광기의 구성을 나타낸다.

도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 태양광 집광기(60)는 집속 반사경(61), 고정부(62), 콜드미러-열전소자 어셈블리(70) 및 렌즈 어셈블리(80)를 포함한다.

콜드미러-열전소자 어셈블리(70)는 콜드미러(71), 열발전장치(72)를 포함하며, 렌즈 어셈블리(80)는 광 케이블 커넥터(83), 광 케이블 삽입부(84), 필터링 거울(85), 자외선 집광부(86), 광 케이블(87), 자외선 광 케이블(88) 및 볼렌즈(81)와 볼록 렌즈(82)를 포함하는 렌즈 결합부(89)를 포함한다.

집속 반사경(61)은 입사되는 태양광이 한 지점으로 모일 수 있도록 태양광을 반사시키기 위한 오목 거울형 장치이다. 이 집속 반사경은 포물면, 구면, 쌍곡면, 타원면 중 어느 한가지 형태의 표면을 갖고, 반사하는 한 곳으로 모이게 한다.

고정부(62)는 렌즈 어셈블리(80)와 콜드미러-열전소자 어셈블리(70)를 결합하여 고정시키는 장치이다.

콜드미러-열전소자 어셈블리(70)는 집속 반사경(61)에 의해 집광되는 태양광 중 적외선은 투과시키고 나머지 태양광을 반사시키고 투과된 적외선을 이용하여 열전발전하기 위한 결합 장치이다. 콜드미러-열전소자 어셈블리(70)는 집속 반사경(61)과 집속 반사경의 초점 사이에 위치하는 것이 바람직하다.

렌즈 어셈블리(80)는 집속 반사경(61)의 경축의 중심부에 고정되어 집광된 태양광을 한 점으로 더 집광하여 이를 광 케이블로 전송하고, 아울러 태양광 중 자외선을 분리하여 별도의 광 케이블로 전송하기 위한 결합 장치이다.

콜드미러(71)는 집속 반사경(61)에서 반사되는 태양광 중 적외선은 투과시키고 적외선 이외의 태양광은 렌즈 어셈블리(80) 쪽으로 반사시키는 기능을 한다. 이 콜드미러(71)는 집속 반사경(61)의 초점 부위에 설치된다.

열발전장치(72)는 콜드미러(71)에서 투과된 적외선 태양광의 고온을 이용하여 열발전을 통해 전기를 발생시키는 기능을 한다.

한편, 열발전장치(72)는 열전소자를 포함하고, 이 열전소자는 콜드미러(71)를 기준으로 집속 반사경(61)의 반대편에 설치되어 콜드미러(71)를 통과하여 집속된 적외선을 이용하여 열전발전을 통해 태양열 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 기능을 한다. 이 열전소자의 한쪽 끝단은 콜드미러(71)에서 투과된 적외선에 의해 가열되는 가열부를 포함하고, 반대편 끝단은 공냉, 수냉, 유냉 중 한가지 방법으로 냉각되어 양 끝단의 온도차에 의해 열기전력을 발생한다. 이 열전소자의 상기 반대편 끝단은 냉각핀 또는 냉각파이프 또는 세라믹 방열재를 포함할 수 있다.

콜드미러(71)는 포물면, 구면, 쌍곡면, 타원면 중 어느 한가지 형태의 표면을 갖고 반사 또는 투과되는 태양광을 집광하는 기능을 한다.

다시 도 5를 참조하면, 집속 반사경(61)의 중심부에는 집광된 태양광을 전송하고 렌즈 어셈블리(80)와 광 케이블(87, 88)을 설치하기 위한 통공이 설치되어 있다.

도 5의 실시예에서 렌즈 어셈블리(80)의 렌즈 결합부(89)는 볼 렌즈(81)과 볼록 렌즈(82) 등을 고정 결합시키는 기능을 한다. 그러나 렌즈 어셈블리(80)는 이 외에도, 볼록 렌즈, 명편 볼록 렌즈, 오목 렌즈, 평면 오목 렌즈, 볼 렌즈, 하프 볼 렌즈들 중에서 적절한 조합과 설치 위치 조절을 통해 입사되는 태양광을 굴절하고 압축하여 광 케이블로 전송할 수 있도록 하는 기능을 한다. 도 5의 실시에에서 볼록 렌즈(82)와 볼 렌즈(81)를 거친 태양광은 광 케이블(87)의 끝단으로 집광되어 광 케이블(87)을 통해 전송된다.

렌즈 어셈블리(80)는 광케이블을 연결하기 위해 광 케이블 삽입구(84)가 형성된 광 케이블 커넥터(83)를 포함한다. 또한, 렌즈 어셈블리(80)의 필터링 거울(85)은 콜드미러(71)에서 반사되어 렌즈 어셈블리(80)로 입사되는 태양광 중 자외선을 필터링시키는 기능을 하는 거울이다. 필터링 거울(85)은 그 표면에 자외선 반사용 코팅 처리 등을 하여 자외선만을 반사시키게 할 수 있다. 자외선 집광부(86)는 필터링 거울(85)에서 반사된 자외선을 집광하여 이를 자외선 광 케이블(88)로 전달하는 기능을 한다. 한편, 필터링 거울(85)은 반사되는 자외선이 콜드미러 방향으로 향하지 않고 다른 방향으로 입사되도록 입사되는 태양광의 직각 방향에서 소정의 각도를 틀어 설치되는 것이 바람직하다. 이와 같이 필터링 거울(85)이 약간 비틀어져 설치되면 반사되는 자외선과 입사되는 태양광이 겹치지 않도록 하여 자외선을 별도로 처리하는 데 유리하다.

다시 도 5를 참조하면, 이 태양광 집광 장치는 기 개발된 외부 장치 (예를 들어 태양광 추적 장치)의 도움을 받아 태양을 따라 움직이면서, 태양광의 입사 방향과 직각방향이 되게 하며, 포물면, 구면, 타원면, 쌍곡면의 표면을 갖는 집속 반사경(61)에서 반사된 태양광은 초점에서 집광될 수 있다. 반사경의 중앙 통공부에 렌즈 어셈블리(80)가 결합되고, 렌즈 어셈블리(80)와 동축 상에서 집속 반사경(61)과 집속 반사경(61)의 초점 사이에 콜드미러-열전소자 어셈블리(70)가 위치하여 고정부(62)에 의해 렌즈 어셈블리(80)와 콜드 미러-열전소자 어셈블리(70)가 결합된다. 집속 반사경(61)에 의해 반사된 태양광이 콜드미러-열전소자 어셈블리(70)의 콜드미러(71)에 의해 1차로 열전소자를 가열하기 위한 적외선 대역의 태양광과 조명 및 살균·소독에 사용되기 위한 나머지 태양광 대역으로 분리된다. 콜드미러(71)에 의해 분리된 태양광 중 적외선 대역의 태양광은 그대로 집속 반사경(61)의 초점으로 진행하여 열전소자에 집적되어 고효율 열전발전을 구현하고, 나머지 가시광선과 자외선 대역은 콜드미러(71)에서 반사되어 집속 반사경(61)의 중앙 통공부에 결합된 렌즈 어셈블리(80)로 진행한다. 이 렌즈 어셈블리(80)에서는 특수 코팅된 필터링 거울(85)을 통해 콜드미러(71)에서 반사되어 입사된 태양광을 살균·소독의 용도로 사용하기 위한 자외선을 분리하여 별도의 광케이블(88)로 전송할 수 있도록 별도로 집광하고, 가시광선 또한 별도의 광케이블(87)로 전송할 수 있게 압축하는 역할을 한다. 필터링 거울(85)은 코팅 렌즈나 거울로 구성되어 렌즈 어셈블리(80)의 내부에 배치되고 태양광 중 가시광선 대역은 통과시키고 자외선 대역은 반사되도록 한다. 필터링 거울(85)을 통과한 가시광선은 압축되어 광케이블 커넥터(83)에 연결된 광케이블(87)을 통해 전송되고, 별도로 분리된 자외선은 자외선 집광부(86)를 통해 자외선 광 케이블(88)로 전송되어 각각 그 목적에 다른 조사 구역에 도달하며 태양광을 방광할 수 있게 한다.

집속 반사경(61)의 재질은 철, 알루미늄, 유리, 폴리카보네이트 등 일반적인 거울을 재료를 사용할 수 있다. 렌즈 어셈블리(80)와 콜드미러-열전소자 어셈블리(70)의 케이스 재료는 철, 스테인리스, 스틸, 알루미늄 등 철계 및 비철계 금속 및 금속 합금을 사용할 수 있고, 연화 온도가 높은 플라스틱을 사용할 수도 있다. 그리고 렌즈 어셈블리(80)의 렌즈(81, 82)는 BK7, 석영, 루비, 사파이어, 용융 실리카, S-LAH79, LaSFN9 및 그 외 고온 안정성이 높은 재료를 사용한다.

상기와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 태양광 집광기는 종래의 태양광 발전 및 태양광 조명에 관한 기술의 여러 문제점을 해결하여 태양광 조명, 태양광 이용 살균 및 태양광 발전 등 다양한 기능을 하나의 기기로 통합하여 협소한 공간에서도 설치가 가능하고, 설치 공간 대비 효율이 우수한 효과를 갖는다.

또한, 1차 태양광 집광에서 대구경 렌즈 대신 오목거울형 반사경을 채용하여 렌즈형 집광 방식에 비해 경제성이 우수한 효과가 있다.

또한, 본 발명은 대형 건물, 지하철, 주차장, 병원, 학교 등 건물 내부나 음영지역에서 사용하는 주간 전기조명을 대체하여 국가적으로 전력 사용 절감효과를 가져오는 기본적인 효과 이외에도, 한 대의 태양광 집광기를 통해 자외선만을 집중적으로 제공하여 자외선에 의한 살균, 소독 효과를 제공할 수 있으며, 주간 음영지역에는 가시광선 영역을 전송하여 조명으로 제공할 수 있고, 아울러 전기를 동시에 생성시킬 수 있거나 이를 선택적으로 제공할 수 있는 탁월한 효과가 있다.

또한, 본 발명은 최소의 열전소자만을 사용하여 높은 효율을 구가할 수 있고, 별도의 열원 없이 발전할 수 있어 경제적이며, 열전반전을 이용하여 일반 전기 공급은 물론, 전력을 자체 생산하여 태양광 추적 장치에 공급하도록 해, 태양광 집광장치 사용에 필수적으로 필요한 태양광 주척 장치를 외부 전기 없이 구동할 수 있고, 이에 따라 외부 동력 없이 자체적으로 구동 가능한 태양광 집광기가 구성될 수 있는 효과가 있다.

또한, 입사되는 태양광 중에서 전기적 살균 소독기를 대체할 수 있는 만큼의 자외선을 별도로 필터링하여 집광한 후, 이를 식당, 병원 등 자외선 살균, 소독이 필요한 장소에 제공할 수 있는 이점이 있고, 미용 목적의 선탠 장치에도 활용할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 태양광 집광기의 용도에 따라 분리된 태양광을 광케이블, 특히 SOF(Silica Optical Fiber), GOF(Glass Optical Fiber)로 전송할 수 있게 하기 때문에 높은 효율로 자유롭게 시공, 설치가 가능한 장점이 있다.

이상에서 본 발명이 구체적인 구성요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명이 상기 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형을 꾀할 수 있다.

따라서, 본 발명의 사상은 상기 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등하게 또는 등가적으로 변형된 모든 것들은 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

60: 태양광 방광기 61: 집속 반사경
62; 고정부 70: 콜드미러-열전소자 어셈블리
71: 콜드미러 72: 열발전장치
80: 렌즈 어셈블리 81: 볼렌즈
82: 볼록 렌즈 83: 광 케이블 커넥터
84; 광 케이블 삽입부 85: 필터링 거울
86: 자외선 집광부 87: 광 케이블
88: 자외선 광 케이블 89: 렌즈 결합부

Claims (10)

1. 입사되는 태양광이 한 지점으로 모일 수 있도록 상기 태양광을 반사시키기 위한 오목거울 형 집속 반사경;
   상기 집속 반사경에서 반사되는 태양광 중 적외선은 투과시키고 상기 적외선 이외의 태양광은 반사시키는 기능을 하며, 상기 집속 반사경의 초점 부위에 설치되는 콜드미러;
   상기 콜드미러에서 반사된 태양광을 광케이블로 전송하기 위한 렌즈 어셈블리;
   상기 콜드미러에서 투과된 적외선 태양광의 고온을 이용하여 전기를 발전하기 위한 열발전장치;
   상기 렌즈 어셈블리에 연결되어 집속된 태양광을 전송하기 위한 광 케이블;
   입사되는 태양광 중 자외선을 필터링시키기 위해 그 표면에 자외선 반사용 코팅 처리를 하여 설치된 필터링 거울;
   상기 필터링 거울을 통해 반사된 자외선을 집광하기 위한 자외선 집광부; 및
   상기 자외선을 전달하기 위한 자외선 광 케이블;
   을 포함하고,
   상기 필터링 거울은 반사되는 자외선이 상기 콜드미러 방향으로 향하지 않도록 입사되는 태양광의 직각 방향에서 소정의 각도를 틀어 설치되고,
   상기 열발전장치는 상기 콜드미러를 기준으로 상기 집속 반사경의 반대편에 설치되는 열전소자를 포함하며, 상기 열전소자와 상기 콜드미러는 상기 집속 반사경과 상기 집속 반사경의 초점 사이에 위치하고, 상기 열전소자는 상기 콜드미러를 통과하여 집속된 적외선을 이용하여 열발전을 통해 태양열 에너지를 전기에너지로 변환시키고, 상기 열전소자의 한쪽 끝단은 상기 콜드미러에서 투과된 적외선에 의해 가열되는 가열부를 포함하고, 반대쪽 끝단은 공냉, 수냉, 유냉 중 한가지 방법으로 냉각되어 양 끝단의 온도차에 의해 열기전력을 발생하며, 상기 열전소자의 상기 반대편 끝단은 냉각핀 또는 냉각파이프 또는 세라믹 방열재를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 집광기.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 집속 반사경의 경축의 중심부에는 집광된 태양광을 전송하고 상기 렌즈어셈블리와 광 케이블을 설치하기 위한 통공이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 태양광 집광기.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 렌즈 어셈블리는 볼록 렌즈(Convenx Lens), 평면 볼록 렌즈(Plano Convex Lens), 오목 렌즈(Concave Lens), 평면 오목 렌즈(Plano Concave Lens), 볼 렌즈(Ball Lens), 하프 볼 렌즈(Half Ball Lens) 중 하나 이상의 렌즈를 포함하며, 상기 렌즈를 이용하여 입사되는 태양광을 굴절 및 압축하여 상기 광케이블로 전송하는 것을 특징으로 하는 태양광 집광기.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 렌즈 어셈블리는
   상기 렌즈를 고정시키기 위한 하나 이상의 렌즈 결합부; 및
   상기 광케이블을 연결하기 위해 광 케이블 삽입구가 형성된 한 광 케이블 커넥터;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 집광기.
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제
9. 제 1 항에 있어서,
   상기 콜드미러는 포물면, 구면, 쌍곡면, 타원면 중 어느 한가지 형태의 표면을 갖고, 반사 또는 투과하는 광을 집광하는 것을 특징으로 하는 태양광 집광기.
10. 제 1 항에 있어서,
    상기 집속 반사경은 포물면, 구면, 쌍곡면, 타원면 중 어느 한가지 형태의 표면을 갖고, 반사하는 광을 집광하는 것을 특징으로 하는 태양광 집광기.
    

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