KR102303345B1

KR102303345B1 - Sunlight accumulator

Info

Publication number: KR102303345B1
Application number: KR1020210055525A
Authority: KR
Inventors: 주용제; 조현일; 강병도; 박민철; 이충희; 라주 티말시나; 최진아
Original assignee: (주)푸드포트
Priority date: 2021-04-29
Filing date: 2021-04-29
Publication date: 2021-09-17

Abstract

The present invention relates to a sunlight condensing device which reduces efficiency degradation caused by heat loss. The sunlight condensing device comprises: a reflecting mirror of a funnel shape constructed to reflect incident sunlight to allow the sunlight to travel to an axial light unit; and the axial light unit driven to receive sunlight from the reflecting mirror. The radial length (y) of the surface of the reflecting mirror satisfies the following equation 5: y = (1 + a^2) / (2a^2) (ax-y_0) + (y_0^2) / (2a^2) (1 / (ax+y_0)). In equation 5, x and y are coordinate values in accordance with peak P0 and points P1 and P2, and y_0 represents the peak in the y-axis direction.

Description

Solar concentrator.{SUNLIGHT ACCUMULATOR}

본 발명은 태양광 집광 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 광 경로 왜곡으로 인한 초점분포 변형과 입사각 변동 상황에 맞게 축광부를 회전시켜 태양복사 에너지를 최대로 받을 수 있도록 구성되어 고효율의 태양 에너지를 수확이 가능하도록 한 태양광 집광 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a photovoltaic concentrator, and more particularly, is configured to receive maximum solar radiation energy by rotating a light emitting unit according to focal distribution deformation and incident angle variation due to light path distortion, thereby harvesting high-efficiency solar energy. It relates to a solar concentrator that made this possible.

종래의 태양 복사 에너지를 수확하기 위한 기술로는 패널형 태양광 패드를 광대역에 펼쳐 활용하는 기술과 태양광 집속기술(CSP)을 들 수 있다. 상기 패널형 태양광 패드를 광대역에 펼쳐 에너지를 얻는 경우, 대부분의 실시예에서 태양 고도, 위도 등을 반영한 태양 위치 추적 시스템(일종의 트래킹 기술)을 연동하지 않고 수동적으로 태양광을 입사 받게 된다.As a conventional technology for harvesting solar radiation energy, a technology for using a panel-type solar pad spread over a wide band and a solar focusing technology (CSP) are available. When the panel-type solar pad is spread over a wide band to obtain energy, in most embodiments, sunlight is passively incident without interlocking a solar positioning system (a kind of tracking technology) that reflects the sun's altitude, latitude, and the like.

상기 CSP 기술은 도 1에 도시된 바와 같이 Dish/Stiring Engine 기술, Parabolic Trough 기술, Linear Fresnel 기술, Solar Tower 기술로 나뉘며 특히 Dish/Stiring Engine 기술과 태양광 위치 추적 시스템 기술이 접목되는 경우가 많고 Solar Tower 기술에도 개별 거울이 최대 광량의 빛을 타워에 모이도록 하기 위해 개별 거울을 피드백 제어함으로써 결론적으로 태양광 위치 추적을 접목한 양상을 나타낸다.The CSP technology is divided into Dish/Stiring Engine technology, Parabolic Trough technology, Linear Fresnel technology, and Solar Tower technology as shown in FIG. In the Tower technology, the individual mirrors are feedback-controlled so that the maximum amount of light can be collected on the tower, thereby showing the aspect of incorporating sunlight location tracking.

또한, 태양열 발전 기술의 동향과 전망(2017.06)에 따르면 Dish/Stiring Engine 기술의 특징은 주로 포물경 형태를 띄며 초점 한 점에 위치한 리시버 내 유체를 750℃까지 올려 엔진, 혹은 터빈으로 전력을 얻는 것을 특징으로 한다. 해당 기술의 에너지 효율은 20 내지 30% 수준이다. 해당 기술의 특허 실시예로써, (주) 그린광학의 특허 '태양광 발전 시스템을 이용한 채광 장치 및 그 채광 방법(대한민국 공개특허공보 10-2015-0121365호)에서 제시된 기술 중 태양광 집속기술(집광부 관련 기술)과 이스라엘의 오르 하마 에너지 엘티디 사의 특허 “태양 에너지 활용을 위한 시스템 및 방법(대한민국 공개특허공보 10-2014-0113699호)” 등을 들 수 있다.In addition, according to the trend and prospect of solar power generation technology (2017.06), the characteristic of Dish/Stiring Engine technology is mainly in the form of a parabolic shape, and it raises the fluid in the receiver located at one focal point to 750℃ to obtain power from the engine or turbine. characterized. The energy efficiency of the technology is at the level of 20 to 30%. As a patent example of the technology, among the technologies presented in Green Optics' patent 'Mining device using solar power generation system and its mining method (Korean Patent Publication No. 10-2015-0121365) miner-related technology) and Israel's Orhama Energy Ltd.'s patent "System and method for solar energy utilization (Korean Patent Publication No. 10-2014-0113699)", etc. are mentioned.

또한, Parabolic Trough 기술을 기반으로 한 태양열 발전 시스템은 여러 개의 단방향 포물경 혹은 원통형경 형태의 오목 거울을 배치된 형태를 띄며 합성유 파이프가 각 거울의 초점을 통과하여 지나는 형태를 갖고 있다. 합성유의 온도는 약 400 ℃까지 상승하며 터빈으로 전력을 얻는 것을 특징으로 한다. 해당 기술의 에너지 효율은 약 15% 수준이다.In addition, the solar power generation system based on Parabolic Trough technology has a form in which several unidirectional parabolic or cylindrical concave mirrors are arranged, and a synthetic oil pipe passes through the focal point of each mirror. The temperature of the synthetic oil rises to about 400 °C and is characterized by obtaining electric power by a turbine. The energy efficiency of the technology is about 15%.

또한, Linear Fresnel 기술은 거울 여러 개를 직선으로 분리하고 각 거울의 위치에 따라 굴절률을 차등하여서 중심의 튜브에 열이 집중되도록 하는 기술이다. 이 기술은 효율이 10% 미만으로 매우 낮다.In addition, Linear Fresnel technology separates several mirrors in a straight line and differentiates the refractive index according to the position of each mirror so that heat is concentrated in the central tube. This technique is very low, with efficiencies of less than 10%.

또한, Solar Tower 기술은 주로 대체로 대규모, 대용량 태양열 시설에 활용된다. 해당 기술은 수많은 거울들이 태양의 위치에 따라 저마다 트래킹 되어 태양광을 Solar Tower 꼭대기에 위치한 리시버에 집중시켜서 열전달 매질의 온도를 1,500 ℃까지 상승시키는 것을 특징으로 한다. 해당 기술의 에너지 효율은 약 20 내지 35% 수준이다.In addition, Solar Tower technology is mainly used in large-scale, large-capacity solar thermal facilities. The technology is characterized by a number of mirrors that are tracked according to the position of the sun, and the sunlight is focused on a receiver located at the top of the Solar Tower, raising the temperature of the heat transfer medium to 1,500 °C. The energy efficiency of the technology is about 20 to 35%.

또한, 기존의 태양광을 집속하기 위한 반사경으로 주로 포물경을 사용하였고 경우에 따라 구면경(볼록거울, 오목거울)을 사용해 왔다. 드물게는 평면거울을 큰 평면 상에 배치하거나 조각인 평면 거울을 포물 곡면에 배열하여 근사적으로 하나의 초점을 갖는 구조물을 사용하기도 하였다(특허명: 접시조립체, 대한민국 공개특허공보 10-2005-0060062호). 즉 기존 CSP 기술 등에 활용되는 태양광 집속을 위한 반사경 등은 하나의 초점 또는 근사적으로 하나의 초점을 갖도록 구성되었다. 따라서 열저장 위치에 배치된 유체, 열전달 매체 등의 필요 열 이상으로 열이 과도하게 전달되어 이로 인한 손실이 발생하게 된다. 열 손실로 인한 효율 저하가 CSP 기술 문제의 주원인이 되어왔다. In addition, a parabolic mirror has been mainly used as a reflector for focusing sunlight, and a spherical mirror (convex mirror, concave mirror) has been used in some cases. Rarely, a structure having a single focus was used by arranging a flat mirror on a large plane or arranging a sculpted flat mirror on a parabolic curved surface (Patent name: Dish assembly, Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-2005-0060062) ). That is, a reflector for focusing sunlight used in the existing CSP technology, etc. is configured to have one focal point or approximately one focal point. Accordingly, excessive heat is transferred beyond the required heat of the fluid, heat transfer medium, etc. disposed at the heat storage location, thereby causing a loss. Efficiency degradation due to heat loss has been a major cause of CSP technology problems.

대한민국 공개특허공보 10-2015-0121365호Republic of Korea Patent Publication No. 10-2015-0121365 대한민국 공개특허공보 10-2014-0113699호Korean Patent Publication No. 10-2014-0113699 대한민국 공개특허공보 10-2005-0060062호Korean Patent Publication No. 10-2005-0060062

한국태앙광발전학회, 태양열 발전 기술의 동향과 전망 (2017.06)Korea Photovoltaic Society, Trend and Prospect of Solar Power Technology (2017.06)

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 감안하여 안출된 것으로서, 반사된 태양광의 초점을 하나의 선상에 연속적으로 분포시키고, 초점분포 선의 위치를 사용자의 필요에 따라 조정 및 설계할 수 있도록 하여 열 손실로 인한 효율 저하를 저감시킨 태양광 집광 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.The present invention has been devised in view of the problems of the prior art as described above, by continuously distributing the focus of the reflected sunlight on one line, and adjusting and designing the position of the focus distribution line according to the needs of the user. An object of the present invention is to provide a photovoltaic concentrator in which efficiency degradation due to loss is reduced.

또한, 광전소자에 효율상승에 기인할 수 있는 수준의 집속도를 갖는 태양광의 축광을 위하여 적절한 초점분포를 갖는 반사경을 포함하는 태양광 집광 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.Another object of the present invention is to provide a solar concentrating device including a reflective mirror having an appropriate focal distribution for the luminescence of sunlight having a focusing rate at a level that can be attributed to an increase in efficiency in a photoelectric device.

또한, 초점분포 설계를 통해 축광부에 수용되는 광 에너지밀도, 축광부의 온도 등을 사용자의 목적에 맞게 공급할 수 있는 태양광 반사경을 설계함으로써 종래의 CSP 기술에서 손실 열에 의한 효율저하가 발생하는 문제점을 해소하고 CSP 기술을 적용할 때 보다 높은 효율을 보장할 수 있는 반사경을 포함하는 태양광 집광 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.In addition, by designing a solar reflector that can supply the light energy density accommodated in the light emitting unit and the temperature of the light emitting unit according to the purpose of the user through the focus distribution design, the problem of efficiency decrease due to loss of heat in the conventional CSP technology is solved. It is an object of the present invention to provide a solar concentrator including a reflector that can solve the problem and ensure higher efficiency when applying CSP technology.

또한, 축광부의 구동 방법을 개선하여 구름, 스모그, 안개 및 기상 악화 등 대기 환경 변화로 인한 초점분포의 왜곡이 나타날 때 이에 대응하여 피드백 제어되는 축광부 구동 방법을 적용한 태양광 집광 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.In addition, by improving the driving method of the light emitting unit, when a distortion of the focus distribution due to changes in the atmospheric environment such as clouds, smog, fog, and bad weather appears, it is to provide a solar concentrator to which a method of driving the light emitting unit is applied, which is feedback-controlled in response. for that purpose

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 태양광 집광 장치는 입사하는 태양광을 반사하여 상기 태양광을 축광부로 진행하도록 구성되는 깔때기 형태의 반사경 및 상기 반사경으로부터 태양광을 수광하도록 구동되는 축광부를 포함하는 것으로서, 상기 반사경 표면의 지름방향 길이(y)는 하기 수학식 5를 충족하는 것을 특징으로 한다.The photovoltaic device of the present invention for achieving the above object includes a funnel-shaped reflector configured to reflect incident sunlight to advance the sunlight to a photoluminescent unit, and a photoluminescent unit driven to receive sunlight from the reflecting mirror. As including, the radial length (y) of the surface of the reflector is characterized in that it satisfies the following Equation (5).

[수학식 5][Equation 5]

(상기 수학식 5에서 x 및 y는 정점 P₀와 동점 P1 및 P2에 따른 좌표값이며, y₀는 y축 방향에서의 정점을 나타낸다.)(In Equation 5, x and y are coordinate values according to points P1 and P2 that are tied _{to the vertex P 0 ,} _{and y 0} indicates the vertex in the y-axis direction.)

이때, 상기 반사경은 복수의 삼각형 거울면으로 깔때기 형상을 이루도록 조합된 n각형 형태의 반사경이며, 상기 n각형을 구성하는 상기 삼각형의 반사경 중심측 예각(θ)은 하기 수학식 7을 충족하며, 상기 삼각형의 반사경 외측 변의 길이(s)는 하기 수학식 10 및 수학식 11을 충족하는 것일 수 있다.At this time, the reflector is an n-gonal reflector combined to form a funnel shape with a plurality of triangular mirror surfaces, and the acute angle θ at the center of the reflector of the triangle constituting the n-gonal satisfies the following Equation 7, The length (s) of the outer side of the triangular reflector may satisfy Equations 10 and 11 below.

[수학식 7][Equation 7]

[수학식 10][Equation 10]

[수학식 11][Equation 11]

(상기 수학식 10에서 l₁은 반사경의 직경이며, 상기 수학식 11에서 l₂는 반사경의 중심부 직경이다.)(In Equation 10, l ₁ is the diameter of the reflector, and in Equation 11, l ₂ is the diameter of the center of the reflector.)

또한, 상기 반사경은 단면이 상기 반사경의 폭 방향으로 n개의 계층으로 이루어진 복수의 삼각형 거울면으로 깔때기 형상을 이루도록 조합되어 구성되며, 상기 거울면의 선형 초점 분포(k_n)는 하기 수학식 15를 충족하일 수 있다.In addition, the reflector is configured such that the cross section is combined to form a funnel shape with a plurality of triangular mirror surfaces composed of n layers in the width direction of the reflector, and the linear focus distribution (k _n ) of the mirror surface is expressed by the following Equation 15 can be satisfied

[수학식 15][Equation 15]

(상기 수학식 15에서 k_n은 선형 초점 분포 상단 값이며, x_n은 n개 거울면의 가장자리 폭 방향이며, y_n은 n개 거울면의 가장자리 높이 방향이며, θ_n은 각 거울면의 입사각과 반사각을 나타낸다.)(In Equation 15, k _n is the top value of the linear focus distribution, x _n is the edge width direction of _{n mirror surfaces, y n} is the edge height direction of _n mirror surfaces, and θ n is the incident angle of each mirror surface. and the angle of reflection.)

또한, 상기 복수의 삼각형 거울면은 상기 수학식 15를 만족하는 범위 내에서 상기 삼각형 거울면 간의 간격이 조절되도록 구성될 수 있다.In addition, the plurality of triangular mirror surfaces may be configured such that an interval between the triangular mirror surfaces is adjusted within a range satisfying Equation (15).

또한, 상기 축광부는 길이 및 각도의 조절이 가능하도록 구성될 수 있다.In addition, the light emitting part may be configured to be adjustable in length and angle.

또한, 상기 축광부는 전력 제어부를 포함하며, 상기 전력 제어부는 고도센서, 위치센서, 기계학습 시스템을 포함할 수 있다.In addition, the photoluminescent unit may include a power control unit, and the power control unit may include an altitude sensor, a position sensor, and a machine learning system.

또한, 상기 축광부는 일정 시간 간격을 두고 길이 및 각도 중 어느 하나 이상이 변경되어 광 에너지 밀도, 온도 및 초점분포를 측정하여 측정 데이터를 수집하고, 상기 측정 데이터를 기반으로 상기 기계학습 시스템에서 축광부의 움직임을 기계학습하여 학습 데이터를 생성할 수 있다.In addition, the light emitting unit is changed at a certain time interval at least one of the length and angle to measure the light energy density, temperature, and focus distribution to collect measurement data, and based on the measurement data, the light emitting unit in the machine learning system Learning data can be generated by machine learning movement.

또한, 상기 측정 데이터는 광 에너지 밀도, 온도 및 초점분포에 대한 기준 데이터와 비교하여 그 변화량을 분석한 분석 데이터일 수 있다.In addition, the measured data may be analysis data obtained by analyzing the amount of change in comparison with reference data for light energy density, temperature, and focus distribution.

또한, 상기 축광부는 송수신부를 포함하며, 상기 송수신부는 위성통신을 통해 상기 학습 데이터를 송신하는 것일 수 있다.In addition, the photoluminescent unit may include a transceiver, and the transceiver may transmit the learning data through satellite communication.

또한, 상기 송수신부는 위성통신을 통해 상기 태양광 집광 장치의 위치 정보를 송수신할 수도 있다.Also, the transceiver may transmit/receive location information of the solar concentrator through satellite communication.

본 발명의 태양광 집광 장치는 반사된 태양광의 초점을 하나의 선상에 연속적으로 분포시키고, 초점분포 선의 위치를 사용자의 필요에 따라 조정 및 설계할 수 있도록 하여 열 손실로 인한 효율 저하를 저감시키는 효과를 나타낸다.The photovoltaic concentrator of the present invention continuously distributes the focus of reflected sunlight on one line, and reduces the decrease in efficiency due to heat loss by allowing the position of the focus distribution line to be adjusted and designed according to the needs of the user indicates

또한, 상기 반사경은 광전소자에 효율상승에 기인할 수 있는 수준의 집속도를 갖는 태양광의 축광을 위하여 적절한 초점분포를 가질 수 있다.In addition, the reflector may have an appropriate focal distribution for photoluminescence of sunlight having a focusing speed at a level that can be attributed to an increase in efficiency of the photoelectric device.

또한, 초점분포 설계를 통해 축광부에 수용되는 광 에너지밀도, 축광부의 온도 등을 사용자의 목적에 맞게 공급할 수 있는 태양광 반사경을 설계함으로써 종래의 CSP 기술에서 손실 열에 의한 효율저하가 발생하는 문제점을 해소하고 CSP 기술을 적용할 때 보다 높은 효율을 보장할 수 있게 된다.In addition, by designing a solar reflector that can supply the light energy density accommodated in the light emitting unit and the temperature of the light emitting unit according to the purpose of the user through the focus distribution design, the problem of efficiency decrease due to loss of heat in the conventional CSP technology is solved. It is possible to ensure higher efficiency when solving the problem and applying CSP technology.

또한, 축광부의 구동 방법을 개선하여 구름, 스모그, 안개 및 기상 악화 등 대기 환경 변화로 인한 초점분포의 왜곡이 나타날 때 이에 대응하여 피드백 제어할 수 있다.In addition, by improving the driving method of the light emitting unit, feedback control can be performed in response to distortion of the focus distribution due to changes in the atmospheric environment, such as clouds, smog, fog, and bad weather.

도 1은 종래의 CSP 기술에 사용되는 반사경 및 집광장치를 나타낸 개념도이다.
도 2는 종래의 포물경의 특성을 수학적 정의로부터 설명하기 위한 개념도이다.
도 3은 본 발명에서 제시한 포물경의 설계 방법을 수학적 정의로 설명하기 위한 개념도이다.
도 4는 본 발명에서 제시한 수학적 설계 방법을 바탕으로 얻어진 설계안 예시들이다.
도 5는 도3에 제시한 설계안을 바탕으로 y₀=0.05일 때 광학 시뮬레이션을 통해 초점분포를 얻은 결과에 관한 것이다.
도 6은 도3, 도4에서 제시된 설계안 중 a=1, y₀=0.05인 예시 모델에 반사경 중심에 축광부를 두었을 때의 광학 시뮬레이션 결과에 관한 것이다.
도 7은 단면이 1차함수 직선일 때 회전체(깔때기)는 깔때기 형태가 됨을 나타내는 개념도이다.
도 8은 (정)다각뿔 형태의 반사경 내 중심의 축광부가 위치할 공간을 두었을 때, 모든 반사파가 축광부에 흡수되기 위해서, 다각뿔 반사경 한 변의 길이가 축광부 지름보다 작아야 함을 보이기 위한 개념도이다.
도 9는 본 발명에서 제시한 방법을 바탕으로 설계한 72각뿔 형태의 반사경과 축광부에 수직으로 태양광이 비춰진 광학 시뮬레이션 결과에 관한 것이다.
도 10은 본 발명에서 제시한 계층형 평면 거울의 설계를 설명하기에 앞서 필요한 내용을 설명하고자 제시한 개념도에 관한 것이다.
도 11은 도 10과 같이 본 발명에서 제시한 계층형 평면 거울의 설계를 설명하기 위한 수학적 개념도에 관해 추가된 것이다.
도 12는 본 발명에서 제시한 계층형 평면거울을 조합한 반사경에 관한 것이다.
도 13은 도 12에 보인 반사경에 수직으로 태양광이 입사되는 상황에서의 광학 시뮬레이션 결과에 관한 것이다.
도 14는 본 발명의 방법을 통해 도출된 도 12의 모델을 예시로 해당 기술의 활용 예시 개념도이다.
도 15는 본 발명의 방법을 통해 도출된 도 12의 모델을 예시로 해당 기술의 또 다른 활용 예시 개념도이다.
도 16은 도 12에서 제시한 본 발명의 모델을 바탕으로 반사경과 축광부에 들어오는 열을 바탕으로 30초 후 온도 분포를 시뮬레이션 한 결과물이다.
도 17은 도 12에서 제시한 본 발명의 모델을 바탕으로 반사경과 축광부에 들어오는 열을 바탕으로 30초 후 열 분포를 시뮬레이션 한 결과물이다.
도 18은 도 12에 제시한 기본형 파라메트릭 형태의 반사경, 나선형, 지그재그 형, 보로노이 형 반사경과 측광부의 예시이다.
도 19는 도 12에 제시한 반사경 및 축광부 모델을 바탕으로 태양광 입사각이 10도 기울어져 들어오는 상황의 광경로 시뮬리에션 결과물이다.
도 20는 도 12에 제시한 반사경 및 10도 기울어진 축광부 모델을 바탕으로 태양광 입사각이 10도 기울어져 들어오는 상황의 광경로 시뮬리에션 결과물이다.
도 21은 도 12에 제시한 반사경 및 10도 기울어진 축광부 모델을 바탕으로 태양광 입사각이 50도 기울어져 들어오는 상황의 광경로 시뮬리에션 결과물이다.
도 22는 다양한 대기 환경에 따라 형성 가능한 초점 분포 왜곡과 바람직한 축광부의 위치에 관한 개념도이다.
도 23은 태양광 입사각에 따라 초점분포가 변화되는 것을 설명하기 위한 개념도이다.
도 24는 반사경의 태양 위치 추적 시스템 동작 유무에 관한 개념도이다.
도 25는 기존 Dish/String Engine 기술과 본 발명의 기술 활용 시 시스템 에너지 효율을 보여주는 비교표이다.
도 26은 본 발명을 통해 얻은 도 12의 설계 방법을 기초로 축광부의 GaAs 계열 소자 배치를 가정하여 구체화된 태양광 집광장치(반사경+측광부)의 예시 모델이다.1 is a conceptual diagram illustrating a reflector and a condenser used in a conventional CSP technology.
2 is a conceptual diagram for explaining the characteristics of a conventional parabolic from a mathematical definition.
3 is a conceptual diagram for explaining the design method of the parabola presented in the present invention with a mathematical definition.
4 is an example of a design plan obtained based on the mathematical design method presented in the present invention.
FIG. 5 relates to a result of obtaining a focal distribution through optical simulation when _{y 0} =0.05 based on the design presented in FIG. 3 .
FIG. 6 relates to an optical simulation result when a light emitting part is placed at the center of a reflector in the exemplary model with _{a=1 and y 0} =0.05 among the designs presented in FIGS. 3 and 4 .
7 is a conceptual diagram illustrating that the rotating body (funnel) has a funnel shape when the cross section is a linear function straight line.
8 is a conceptual diagram to show that the length of one side of the polygonal pyramidal reflector must be smaller than the diameter of the light-emitting unit in order to absorb all reflected waves when a space is provided for the central light-emitting unit in the (positive) polygonal pyramid-shaped reflector. .
9 relates to an optical simulation result in which sunlight is perpendicular to a 72 pyramid-shaped reflector and a light emitting part designed based on the method presented in the present invention.
10 is a conceptual diagram presented to explain the necessary contents prior to explaining the design of the hierarchical planar mirror presented in the present invention.
11 is an addition with respect to a mathematical conceptual diagram for explaining the design of the hierarchical planar mirror presented in the present invention as shown in FIG. 10 .
12 relates to a reflector combining the hierarchical flat mirror presented in the present invention.
FIG. 13 relates to an optical simulation result in a situation in which sunlight is vertically incident on the reflector shown in FIG. 12 .
FIG. 14 is a conceptual diagram illustrating the application of the corresponding technology using the model of FIG. 12 derived through the method of the present invention as an example.
FIG. 15 is a conceptual diagram illustrating another application example of the technology by taking the model of FIG. 12 derived through the method of the present invention as an example.
FIG. 16 is a result of simulating the temperature distribution after 30 seconds based on the heat entering the reflector and the light emitting part based on the model of the present invention presented in FIG. 12 .
17 is a result of simulating the heat distribution after 30 seconds based on the heat entering the reflector and the light emitting part based on the model of the present invention presented in FIG. 12 .
18 is an example of a basic parametric type reflector, a spiral, a zigzag type, a Voronoi type reflector, and a light meter, shown in FIG. 12 .
19 is a light path simulation result in a situation where the incident angle of sunlight is inclined by 10 degrees based on the reflector and photoluminescent unit model shown in FIG. 12 .
20 is a light path simulation result of a situation in which the incident angle of sunlight is inclined by 10 degrees based on the reflector and the photoluminescent part model inclined by 10 degrees shown in FIG. 12 .
FIG. 21 is a light path simulation result in a situation where the incident angle of sunlight is tilted by 50 degrees based on the reflector and the photoluminescent unit model inclined by 10 degrees shown in FIG. 12 .
22 is a conceptual diagram illustrating a focus distribution distortion that can be formed according to various atmospheric environments and a preferred position of a light emitting part.
23 is a conceptual diagram illustrating a change in focus distribution according to an incident angle of sunlight.
24 is a conceptual diagram relating to the presence or absence of the operation of the solar tracking system of the reflector.
25 is a comparison table showing the system energy efficiency when using the existing Dish/String Engine technology and the technology of the present invention.
26 is an exemplary model of a solar concentrator (reflector + light meter) embodied by assuming the arrangement of GaAs-based elements in the light emitting part based on the design method of FIG. 12 obtained through the present invention.

이하 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail. The terms or words used in the present specification and claims should not be construed as being limited to their ordinary or dictionary meanings, and the inventor may properly define the concept of the term in order to best describe his invention. It should be interpreted as meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention based on the principle that there is.

본 발명은 CSP 기술에 활용되는 반사경을 포함하는 태양광 집광 장치에 관한 것이다. 본 발명은 Dish/Stiring Engine, Solar Tower과 다르게 초점이 한 점에 국한되지 않으며 대체로 선형의 분포를 갖는다는 점에서 종래의 집광 장치와는 차이가 있다. 또한, Parabolic Trough 기술에 활용되는 반사경도 비록 선형 초점 분포를 갖으나 Parabolic Trough 기술의 초점분포는 가로로 형성되어 있으며 기구물의 단면으로 보았을 때는 여전히 하나의 점의 초점을 갖는 형태의 연장에 불과하다는 점에서 가로 방향으로 형성된 초점분포는 수동적으로 형성된 것으로써 설계 시 초점분포를 조절하여 구성하기 난해하다는 점에서 본 발명의 집광 장치와는 차이를 나타낸다. 또한, 본 발명의 집광 장치는 기술적 특성상 Solar Tower 기술처럼 대규모, 대용량 시설에 사용되는 것도 가능하지만 주로 소규모(수십 ~ 수백 W급), 중규모(수 kW급 ~ 수 MW급)을 타겟으로 한다는 점이 Solar Tower 기술과 다르다(본 발명은 기술의 특성 상 필요(교구 등)에 따라 키트규모(수 mW ~ 수 W급), 마이크로 규모(~수 mW)로 활용할 수 있다.The present invention relates to a solar concentrator including a reflector used in CSP technology. The present invention is different from the conventional light collecting device in that the focus is not limited to one point, unlike the Dish/Stiring Engine and the Solar Tower, and has a generally linear distribution. In addition, although the reflector used in the Parabolic Trough technology has a linear focus distribution, the focus distribution of the Parabolic Trough technology is formed horizontally, and when viewed as a cross section of the device, it is still only an extension of the form having a focal point. The focal distribution formed in the horizontal direction is different from the light collecting device of the present invention in that it is difficult to configure by adjusting the focal distribution during design as it is passively formed. In addition, the light collecting device of the present invention can be used in large-scale and large-capacity facilities like the Solar Tower technology due to its technical characteristics, but the fact that it mainly targets small-scale (tens to hundreds of W class) and medium-scale (several kW class to several MW class) It is different from the tower technology (the present invention can be utilized in kit scale (several mW to several W class) and micro scale (~ several mW) depending on the need (e.g., parish) due to the characteristics of the technology.

따라서 본 발명은 CSP 기술에 적용할 수 있는 반사경의 형태 및 설계를 통하여 기존의 태양광 집광 장치와 다른 고효율의 집광 장치를 제공할 수 있게 된다. 또한, 본 발명의 태양광 집광 장치에서 축광부를 사용자의 활용 형태에 따라 설계하고 능동적으로 활용할 수 있도록 제어하는 것을 포괄한다는 점에서 기 CSP 기술과는 다른 특징을 갖는다.Therefore, according to the present invention, it is possible to provide a high-efficiency concentrator different from the conventional solar concentrator through the shape and design of the reflector applicable to the CSP technology. In addition, it has a different characteristic from the existing CSP technology in that it encompasses designing the photoluminescent unit according to the user's application form and controlling so that it can be actively utilized in the photovoltaic device of the present invention.

본 발명의 태양광 집광 장치는 입사하는 태양광을 반사하여 상기 태양광을 축광부로 진행하도록 구성되는 포물경 형태의 반사경 및 상기 반사경으로부터 태양광을 수광하도록 구동되는 축광부를 포함하는 것인데, 이러한 구조는 종래의 태양광 집광 장치에도 널리 적용되고 있는 것이다.The photovoltaic device of the present invention includes a parabolic reflector configured to reflect incident sunlight to propagate the sunlight to a photoluminescent unit, and a photoluminescent unit driven to receive sunlight from the reflecting mirror. It is also widely applied to conventional solar concentrating devices.

본 발명에서는 상기 태양광 집광 장치를 구성하는 반사경의 설계를 최적화함으로써 집광 효율을 향상시키고 있다. 이는 다음과 같은 수학적 원리에 기초하여 기존의 포물선의 수학적 정의로부터 변형 응용하여 도출된 것이다.In the present invention, the light collecting efficiency is improved by optimizing the design of the reflector constituting the solar light collecting device. This is derived by applying transformations from the existing mathematical definition of parabola based on the following mathematical principles.

도 2를 참조하면, 정점 P₀와 임의의 동점 P₁까지의 거리와 동점 P₁과 y = -y₀인 직선과의 최단거리가 같다는 조건을 두고 전개하면 수학식 1 내지 3에서와 같은 포물선이 도출된다.Referring to FIG. 2 , if _{developed under the condition that the distance between the vertex P 0} and an arbitrary tie point P ₁ and the shortest distance between the tie points P ₁ and the straight line with y = -y ₀ are the same, the parabola as in Equations 1 to 3 this is derived

[수학식 1][Equation 1]

[수학식 2][Equation 2]

[수학식 3][Equation 3]

상기와 같이 유도된 식은 기존의 포물경 설계에 활용되어 것이며, 각종 집광, 집열 디바이스에 응용하여 사용되고 있다.The formula derived as described above has been utilized in the existing parabolic design, and has been applied and used in various condensing and heat collecting devices.

본 발명에서는 상기 수학적 원리로부터 반사경 내 반사되는 위치가 중심위치로부터 떨어진 거리에 따라 초점이 높이 방향으로 비례하여 변하면 초점 분포가 설정된 정의에 따라 결정되고, 해당(선형) 초점분포를 갖는 반사경을 얻을 수 있다는 점을 착안하여 아래와 같은 수학식에 의해 포물경을 설계하고 있다.In the present invention, from the above mathematical principle, if the focal point is proportionally changed in the height direction according to the distance away from the central position in the reflected position in the reflector, the focus distribution is determined according to the set definition, and a reflector having the corresponding (linear) focus distribution can be obtained. Considering that there is, the parabola is designed by the following equation.

본 발명에 따라 설계되는 포물경의 정의에 대한 개념도는 도 3과 같다. 이를 수식으로 전개하면 반사경의 표면의 지름방향 선을 아래 수학식 4 및 5와 같이 구할 수 있다.A conceptual diagram for the definition of a parabola designed according to the present invention is shown in FIG. 3 . If this is developed as an equation, the radial line of the surface of the reflector can be obtained as shown in Equations 4 and 5 below.

[수학식 4][Equation 4]

[수학식 5][Equation 5]

이때, 상기 수학식 5에서 x 및 y는 정점 P₀와 동점 P₁ 및 P₂에 따른 좌표값이며, y₀는 y축 방향에서의 정점을 나타낸다. 따라서 본 발명의 반사경은 지름방향 길이(y)가 상기 수학식 5를 만족하는 값을 가지도록 설계됨으로써 종래의 포물경에 비해 집광 효과가 우수한 반사경의 설계가 가능하게 된다.At this time, in Equation 5, x and y are coordinate values according to points P ₁ and P _{2 that} _{are tied to the vertex P 0 ,} _{and y 0} represents the vertex in the y-axis direction. Therefore, the reflector of the present invention is designed to have a radial length y that satisfies Equation (5), thereby enabling the design of a reflector having an excellent light-converging effect compared to a conventional parabolic mirror.

상기의 식을 살펴보면, x가 작을수록 두 번째 항이 지배적이라서 반비례 함수 형태를 갖게 되며, x가 클수록 첫 번째 항이 지배적이라서 1차 함수 형태를 갖게 된다. 이 때, a는 비례상수로써 점 P₁의 위치변화에 초점변화 간의 비율을 의미한다. 즉 a가 1이면 점 P₁이 x축 방향으로 x만큼 움직일 때 초점도 y축 방향으로 동일하게 x 만큼 움직인다. 만약, a가 0.5이면 점 P₁이 x축 방향으로 x만큼 움직일 때 초점은 y축 방향으로 x/2 만큼 움직인다.Looking at the above equation, as x is smaller, the second term dominates and thus has an inverse function form, and as x is larger, the first term dominates and thus has a linear function form. In this case, a is a proportional constant and means the ratio between the change in the position _{of the point P 1 and the change in focus.} That is, if a is 1, when the point P ₁ moves by x in the x-axis direction, the focus also moves by x in the y-axis direction. If a is 0.5, when the point P ₁ moves by x in the x-axis direction, the focus moves in the y-axis direction by x/2.

도 4에서는 a와 y₀에 따라 도출된 본 발명의 반사경의 구조를 예시적으로 나타내고 있다. 반사경의 직경이 유한하므로 초점의 분포도 유한한 선분의 형태를 갖는다. 이때, a가 작을수록 초점의 선분이 짧아져 한 점에 수렴하므로 반사경은 포물경에 수렴한 형태가 되고 a가 클수록 초점의 선분이 길어져 반사경은 직선경, 즉 깔때기 형태에 수렴한다. a가 적당한 값을 갖도록 하면 포물경과 직선경의 중간 형태를 갖게 된다.4 exemplarily shows the structure of the reflector of the present invention derived according to a and y _{0 .} Since the diameter of the reflector is finite, the distribution of the focal point also has the form of a finite line segment. At this time, as a is smaller, the line segment of the focus becomes shorter and converges to a point, so the reflector becomes a parabolic convergence form. If a has an appropriate value, it will have an intermediate shape between a parabolic and a straight diameter.

상기의 수식을 바탕으로 설계한 본 발명의 반사경 성능을 확인하기 위해 태양으로부터 오는 광선 경로를 시뮬레이션 하였으며 도 5와 같은 결과를 얻었다. 또한, 집광부의 설치를 감안하여 반사경의 중심부분에 흑체에 가까운 선형 흡수체가 있다고 가정하면, 도 6와 같이 선형 분포의 초점을 갖는 반사광들이 축광부에 거의 모두 흡수되는 것을 알 수 있다. 이는 축광부의 축광 효율이 크게 향상될 수 있음을 시사하는 결과이다.In order to confirm the performance of the reflector of the present invention designed based on the above equation, a ray path coming from the sun was simulated, and the results shown in FIG. 5 were obtained. In addition, assuming that there is a linear absorber close to a black body at the center of the reflector in consideration of the installation of the light collecting unit, it can be seen that almost all of the reflected light having a linear distribution focus is absorbed by the light collecting unit as shown in FIG. 6 . This is a result suggesting that the luminous efficiency of the luminescent portion can be greatly improved.

만약 y₀가 상당히 작다면 수학식 5를 만족하는 본 발명 반사경이 표면 라인이 하기 수학식 6과 같이 수렴하기 때문에 직선형태로 수렴하게 된다. If y ₀ is very small, the reflector of the present invention satisfying Equation 5 converges in a straight line form because the surface line converges as shown in Equation 6 below.

[수학식 6][Equation 6]

또한, 단면이 1차 함수 직선이므로 도 7와 같이 깔때기 형태의 반사경을 만들 수도 있다. 더 나아가서, 깔때기 형태의 거울을 상면에서 봤을 때 충분히 각 수 가 많은 다각형의 형태로 구성하더라도 축광부의 직경보다 정다각형의 한 변의 길이가 더 작게 설계된다면 반사된 모든 광선은 축광부에 흡수될 수 있다. In addition, since the cross section is a linear function straight line, it is also possible to make a funnel-shaped reflector as shown in FIG. 7 . Furthermore, even if the funnel-shaped mirror is configured in the form of a polygon with a sufficiently large number of angles when viewed from the top, if the length of one side of the regular polygon is designed to be smaller than the diameter of the light-emitting unit, all reflected rays can be absorbed by the light-emitting unit.

도 8에서는 상기 반사경이 복수의 삼각형 거울면을 조합하여 깔때기 형상을 이루도록 조합된 n각형 형태의 반사경인 경우를 예시하고 있다. 이때, 상기 삼각형 거울면은 서로 중첩되어 조합될 수 있으며, 별도의 구동장치를 이용하여 상기 거울면의 간격을 조절할 수 있다.8 exemplifies a case in which the reflector is an n-gonal reflector that is combined to form a funnel shape by combining a plurality of triangular mirror surfaces. In this case, the triangular mirror surfaces may be combined to overlap each other, and the distance between the mirror surfaces may be adjusted by using a separate driving device.

도 8에서는 반사경 좌상부 한 면에 태양광이 들어온 경우, 반사된 빛이 중심부로 입사되는 모습을 묘사하고 있다. 이때 상기 n각형을 구성하는 상기 삼각형의 반사경 중심측 예각(θ)은 하기 수학식 7을 충족하며, 상기 삼각형의 반사경 외측 변의 길이(s)는 하기 수학식 10 및 수학식 11을 충족하는 것이 최적의 효과를 나타내는 것으로 나타났다.In FIG. 8, when sunlight enters one side of the upper left part of the reflector, the reflected light is incident to the center. At this time, it is optimal that the acute angle θ at the center side of the reflector of the triangle constituting the n-gon satisfies Equation 7 below, and the length s of the outer side of the reflector of the triangle satisfies Equations 10 and 11 was shown to exhibit the effect of

[수학식 7][Equation 7]

또한, 반사경 직경과 축광부 공간의 직경 간의 비가 m:1, 즉, 하기 수학식 8을 만족한다면, 수학식 9가 성립하게 된다.In addition, if the ratio between the diameter of the reflector and the diameter of the light emitting part space is m:1, that is, if the following Equation (8) is satisfied, Equation (9) is established.

[수학식 8][Equation 8]

[수학식 9][Equation 9]

또한, 다각형을 구성하는 한 변의 길이는 수학식 10과 같으며, 이는 하기 수학식 11의 조건을 만족하게 된다. 상기 수학식 10에서 l₁은 반사경의 직경이며, 상기 수학식 11에서 l₂는 반사경의 중심부 직경으로서 상기 중심부는 집광부가 설치되는 면적일 수 있다.In addition, the length of one side constituting the polygon is the same as in Equation 10, which satisfies the condition of Equation 11 below. In Equation 10, l ₁ is the diameter of the reflector, and in Equation 11, l ₂ is the diameter of the center of the reflector, and the center may be an area in which the light collecting unit is installed.

[수학식 10][Equation 10]

[수학식 11][Equation 11]

또한, 수학식 12 및 13과 같이 m 값에 따라 최소 n 값이 결정된다. 즉, 축광부 배치 공간의 직경과 정다각뿔 반사경 직경의 비율 m에 따라 n각뿔로 결정된다.In addition, as shown in Equations 12 and 13, a minimum value of n is determined according to the value of m. That is, the n-pyramid is determined according to the ratio m of the diameter of the light emitting part arrangement space and the diameter of the regular polygonal pyramidal reflector.

[수학식 12][Equation 12]

[수학식 13][Equation 13]

따라서 m 값에 따른 최소 n 값은 하기 수학식 14를 만족한다.Therefore, the minimum n value according to the m value satisfies Equation 14 below.

[수학식 14][Equation 14]

도 12는 본 발명의 예시 모델로서 m이 20, 즉, 축광부 배치 공간이 1㎝일 때 반사경의 직경이 20㎝로 20배 큰 경우에 해당한다. 상기 수학식 14에 의하면 약 62.8이 계산되며 각 수는 정수이므로 63각뿔 이상이 될 때 모든 반사광이 축광부에 집중되는 것을 알 수 있다. 참고로, m이 2일 때의 설계는 6각형이 된다. 심미적인 이유로 6 또는 12의 배수인 72, 72각뿔 형태의 반사경으로 예시 모델을 설계할 수 있으나, m이 20인 경우에 대해 63각뿔 이상의 다각뿔로 설계한다면 동일한 설계효과를 얻을 수 있다.12 is an exemplary model of the present invention, and corresponds to a case where the diameter of the reflector is 20 cm, which is 20 times larger when m is 20, that is, when the light emitting part arrangement space is 1 cm. According to Equation 14, about 62.8 is calculated and each number is an integer, so it can be seen that all reflected light is concentrated on the light emitting part when the number is greater than or equal to 63 pyramids. For reference, when m is 2, the design becomes hexagonal. For aesthetic reasons, an example model can be designed with a reflector in the form of 72 or 72 pyramids that are multiples of 6 or 12, but the same design effect can be obtained if m is 20 and a polygonal pyramid of 63 or more pyramids is designed.

도 9는 72각형으로 설계한 반사경이며 시뮬레이션 결과 모든 반사광이 축광부에 흡수됨을 확인하였다. 즉, 72개의 조각 평면거울을 활용하여 반사경을 구성할 수 있다. 그러나 본 예시와 같이, 깔때기 형 반사경의 경우, 두께가 얇으면 a가 커져서 깔때기 가장자리에서의 초점이 너무 멀어져 축광부의 길이가 매우 길어지게 되는 문제점이 있다. 광선을 선형으로 모아서 받되 길이 방향으로 충분히 많이 분산시켜야 하는 경우는 이와 같은 형태의 설계가 유효하나 대체로 축광부의 길이를 적당히 작게 하면서도 반사경의 두께를 일정 이상 얇게 만들기에는 적합하지 못하다. 따라서 동일한 선형 초점 분포를 갖는 계층형 거울면을 사용하는 것이 바람직하다.9 is a reflector designed in a 72-gonal shape, and as a result of simulation, it was confirmed that all reflected light is absorbed by the light emitting part. In other words, it is possible to construct a reflector using 72 pieces of flat mirrors. However, as in this example, in the case of a funnel-type reflector, if the thickness is thin, a becomes large, so that the focal point at the edge of the funnel is too far away, so that the length of the light emitting part becomes very long. This type of design is effective when the light rays are collected and received in a linear fashion but must be sufficiently dispersed in the longitudinal direction. Therefore, it is preferable to use a hierarchical mirror surface having the same linear focal distribution.

또한, 도 22에서와 같이, 대기조건에 의해 초점이 왜곡되는 경우에 대한 대안으로 축광부의 축을 기울일 수 있다.Also, as shown in FIG. 22 , the axis of the light emitting unit may be tilted as an alternative to the case where the focus is distorted by atmospheric conditions.

수학식 5를 바탕으로 하는 반사경 설계 방법과 선형성을 갖는 깔때기 형태(원뿔)의 반사경 설계 방법, 4각부터 확장하여 n각 뿔의 형태를 갖는 설계 방법 및 그로부터 도출된 반사경 형태는 모두 본 발명의 태양광 집광 장치에 적용될 수 있다. 다만, 일반적인 포물경은 기존부터 이용되어 온 것이므로 바람직한 실시예로는 볼 수 없다.A reflector design method based on Equation 5, a funnel-shaped (conical) reflector design method having linearity, a design method having an n-cornered shape by extending from a quadrangle, and a reflector shape derived therefrom are all aspects of the present invention It can be applied to a light condensing device. However, since the general parabolic mirror has been used in the past, it cannot be viewed as a preferred embodiment.

또한, 도 10 및 도 11에서와 같이 거울면이 계층형으로 구성될 수도 있다. 즉, 상기 반사경은 단면이 상기 반사경의 폭 방향으로 n개의 계층으로 이루어진 복수의 삼각형 거울면으로 깔때기 형상을 이루도록 조합되어 구성될 수 있다.In addition, as shown in FIGS. 10 and 11 , the mirror surface may be configured in a hierarchical manner. That is, the reflector may be configured such that a cross-section of the reflector is combined to form a funnel shape with a plurality of triangular mirror surfaces composed of n layers in the width direction of the reflector.

도 10은 계층형 평면거울의 한쪽 단면을 나타내며 빛이 지면에 대해 수직으로 들어올 때 각 거울면에 반사되어 각 거울의 선형 초점 분포 상단이 k_n(k₁, k₂, k₃, …)이 되는 경우, 각 거울면 가장자리를 폭 방향으로 x₁, x₂, …, x_n이라 하고 각 거울면 가장자리를 높이 방향으로 y₁, y₂, …, y_n이라 하면, 그리고 각 거울면의 입사각과 반사각을 θn(θ₁, θ₂, θ₃, …)이라고 하면 하기 수학식 15를 만족하게 된다.10 shows a cross-section of a hierarchical flat mirror, and when light enters perpendicular to the ground, it is reflected on each mirror surface, so that the top of the linear focus distribution of each mirror is k _n (k ₁ , k ₂ , k ₃ , …) If , the edge of each mirror plane in the width direction is x ₁ , x ₂ , … Let , x _{n be} , and the edge of each mirror surface in the height direction is y ₁ , y ₂ , … , y _n , and if the incident and reflection angles of each mirror surface are θn(θ ₁ , θ ₂ , θ ₃ , …), Equation 15 below is satisfied.

[수학식 15][Equation 15]

이때, k₁=k₂=k₃=…=k_n 이 되면 도 11과 같이 각 계층의 거울의 선형 초점분포를 겹치도록 설계할 수 있다. 따라서, 상기 삼각형 거울면이 서로 중첩되어 조합될 때 상기 거울면의 간격을 조절할 수 있고 이를 통해 입사광과 주변의 조건에 따른 반사경의 형태를 변화하게 할 수 있다. 다만, 상기 거울면의 간격은 상기 수학식 15의 값을 만족하는 범위 내에서만 조절되어야 한다. In this case, k ₁ =k ₂ =k ₃ =… When =k _n is reached, it can be designed to overlap the linear focal distribution of the mirrors of each layer as shown in FIG. 11 . Therefore, when the triangular mirror surfaces are combined to overlap each other, the distance between the mirror surfaces can be adjusted, thereby changing the shape of the reflector according to the incident light and surrounding conditions. However, the distance between the mirror surfaces should be adjusted only within a range that satisfies the value of Equation (15).

또한, 임의의 m, n(m과 n은 다는 수) 번째 거울에 대해 하기 수학식 16을 만족시키면 이와 같은 설계를 할 수 있다.In addition, if the following Equation 16 is satisfied for any m, n (m and n are different numbers)-th mirror, such a design can be made.

[수학식 16][Equation 16]

또한, k₁을 원하는 높이로 설정하고 x₁(최하단 거울 폭)을 설정하면 y₁이 결정되고, 각 층별로 x_m을 두기에 따라 각각의 y_m이 결정되게 된다. 즉, x_m이 설계변소이며, y_m이 종속변수가 되는데, 이는 수학식 17 및 18과 같다.In addition, if k ₁ is set to a desired height and x ₁ (the lowest mirror width) is set, y ₁ is determined, and each _{y m} is determined by placing _{x m for each layer.} That is, x _m is the design _{variable, and y m} is the dependent variable, which is shown in Equations 17 and 18.

[수학식 17][Equation 17]

[수학식 18][Equation 18]

상기와 같은 설계 방법을 적용하면 전술한 바와 같은 도 12와 같은 형상의 반사경을 설계할 수 있다. 상기 반사경에 대하여 시뮬레이션을 통해 태양광의 경로를 확인하였다. 그 결과 도 13에서와 같이 모든 반사광이 각 계층 거울마다 같은 위치의 선형 초점분포로 집광체에 집중되는 것을 확인하였다.When the design method as described above is applied, the reflector having the shape shown in FIG. 12 as described above can be designed. The path of sunlight was confirmed through simulation with respect to the reflector. As a result, as shown in FIG. 13 , it was confirmed that all reflected light was concentrated on the light collector with a linear focal distribution at the same position for each hierarchical mirror.

이와 같은 반사경 설계 방법이 적용된 상기의 구조(도 9)를 적용하면 에너지 밀도 분포를 고르게 가질 수 있는 장점이 있다. 해당 장점 설명하기에 앞서 설명에 필요한 주요 에너지 량을 계산했다. 그 결과, 지표면에서 받는 단위 면적 당 단위시간 당 태양복사에너지, 즉, 지표면에서 받는 단위시간 당 태양복사에너지 밀도(D_g)를 구하면 341 W/㎡으로 도출되었다.When the above structure (FIG. 9) to which such a reflector design method is applied is applied, there is an advantage in that the energy density distribution can be evenly distributed. Before explaining the merits, we calculated the main amount of energy required for the description. As a result, the solar radiation energy per unit time per unit area received from the ground surface, that is, the solar radiation energy density per unit time received from the ground surface (D _g ) was derived as 341 W/m2.

이는 전 지구 평균 태양복사 에너지밀도이고 위상에 따른 태양의 고도가 게산되지 않았으므로 지축을 고려하여 태양광이 지면에 수직으로 들어오는 지점에서 12시에 받을 수 있는 태양복사 에너지 밀도에 해당한다. 대한민국 한여름의 약 12.5도(지축 23.5도, 위도 36도로 여름 12.5도 겨울 59.5도 기울어진 지정학적 위치) 기울어진 위치에서 12시에 약 334.2 W/㎡의 태양복사 에너지 밀도로 태양광을 받으며 한여름의 하루 평균 212.9 W/㎡의 에너지 밀도로 태양광을 받는다. 한국에너지기술연구원의 조사에 따르면 2010년 기준 대한민국 한여름 낮시간 평균 태양복사 에너지밀도는 229.2 W/㎡로 상기의 계산값과 유사하다. 또한 해당 문헌에는 대한민국 연평균 낮시간 평균 태양복사 에너지밀도는 155.65 W/㎡으로 기록되어 있다.This is the global average solar radiation energy density, and since the altitude of the sun according to the phase is not calculated, it corresponds to the solar radiation energy density that can be received at 12:00 at the point where the sunlight enters the ground perpendicular to the ground considering the earth axis. About 12.5 degrees in midsummer in Korea (23.5 degrees on the Earth's axis, 36 degrees on latitude, 12.5 degrees in summer, 12.5 degrees in winter, 59.5 degrees in winter) At 12 o'clock at an inclined position, it receives sunlight with a solar radiation energy density of about 334.2 W/㎡. It receives sunlight with an energy density of 212.9 W/m2 on average per day. According to a survey by the Korea Energy Research Institute, the average solar radiation energy density during the daytime in midsummer in Korea as of 2010 was 229.2 W/m2, which is similar to the calculated value above. In addition, in this document, the average daily average solar radiation energy density in Korea is recorded as 155.65 W/m2.

기존의 태양광 집광 장치의 경우, 반사경으로 기능하는 포물경의 면적이 A이고 축광부의 면적이 B라면 축광부의 에너지 밀도는 A/B가 된다. 이때, 포물경에 입사되는 에너지 밀도가 150 내지 400 W/㎡(한반도 기준 평균 약 156 W/㎡, 계산상 전 지구 평균 341 W/㎡)이며 A/B 면적비율이 약 1:10,000이라고 가정하면(가로세로 비율 약 1:100의 크기) 1.5 내지 4 MW/㎡ 가 된다. 이 정도의 에너지 밀도라면 어떠한 금속, 합금도 버티지 못하고 녹아버린다. 만약 A/B 면적비율이 1:1,000이더라도 축광부가 받는 에너지 밀도는 150 내지 400 W/㎡ 가 되어 고열을 1,000℃ 이상 견디는 금속도 물러지거나 붉게 되어 특성이 변할 것이다. 결국 기존의 방식으로는 초점을 정밀하게 한 점에 두도록 반사경 표면을 잘 만들더라도 축광부의 크기를 키워야 하며, 초점에서 적당히 떨어진 지점에 축광부를 두어야 하는 단점이 생긴다. 또한 축광부를 이와 같이 두더라도 축광부 면에 에너지가 고루 분포하지 않고 축광부 표면 중 비교적 초점에 가까운 지점에 에너지가 집중적으로 쏠리게 되는 현상이 발생하게 된다. 본 발명은 반사경의 초점 분포 설계를 함으로써 초점 부분에서의 에너지를 온전히 활용할 수 있으며 A/B의 면적비율도 미리 설계할 수 있으며 축광부에 각 부분에 고르게 에너지를 전달할 수 있다. 또한, 깔때기 형상, 평면거울 결합 방식을 활용함으로써 제작 난이도를 낮추고 제작비용을 낮출 수 있는 장점이 있다.In the case of the conventional solar concentrator, if the area of the parabolic mirror functioning as a reflector is A and the area of the light-emitting part is B, then the energy density of the light-emitting part is A/B. At this time, assuming that the energy density incident on the parabola is 150 to 400 W/m2 (average of about 156 W/m2 based on the Korean Peninsula, and the global average of 341 W/m2 based on calculations) and the A/B area ratio is about 1:10,000 (A size of about 1:100 aspect ratio) 1.5 to 4 MW/m 2 . At this level of energy density, any metal or alloy cannot withstand it and melts. Even if the A/B area ratio is 1:1,000, the energy density received by the photoluminescent part will be 150 to 400 W/m2, and even the metal that can withstand high heat of 1,000°C or more will become soft or red, and the characteristics will change. In the end, in the conventional method, even if the surface of the reflector is well made to precisely focus the focus on one point, the size of the light emitting part must be increased, and there is a disadvantage that the light emitting part must be placed at a point reasonably far from the focus. In addition, even if the light emitting portion is placed in this way, energy is not evenly distributed on the surface of the light emitting portion, and energy is concentrated on a point on the surface of the light emitting portion that is relatively close to the focal point. In the present invention, by designing the focus distribution of the reflector, the energy in the focus part can be fully utilized, the area ratio of A/B can be designed in advance, and the energy can be evenly transmitted to each part in the light emitting part. In addition, by utilizing a funnel shape and a planar mirror coupling method, there is an advantage in that it is possible to lower the manufacturing difficulty and lower the manufacturing cost.

또한, 본 발명의 도 11의 설계 모델을 바탕으로 A/B 면적 비율을 계산해보면 약 22.2배 정도로 축광부의 복사에너지 밀도가 반사경에서의 복사에너지 밀도보다 약 22.2배 크다. 즉, 축광부에 3.3 내지 8.9 kW/㎡ 수준의 에너지 밀도가 인가된다.In addition, if the A/B area ratio is calculated based on the design model of FIG. 11 of the present invention, the radiant energy density of the light emitting part is about 22.2 times greater than that of the reflector by about 22.2 times. That is, an energy density of 3.3 to 8.9 kW/m 2 is applied to the light emitting part.

본 발명의 도 12의 설계 모델(반사경의 재질을 은(Ag)으로 가정)의 반사경에 341 W/㎡의 에너지밀도의 열이 유입되고, 축광부에 7,574 kW/㎡의 에너지밀도의 열이 유입될 때 30초 후(열 평형 후) 반사경과 축광부의 온도분포는 도 16과 같다. Heat of 341 W/m2 of energy density flows into the reflector of the design model of FIG. 12 (assuming that the material of the reflector is silver (Ag)) of the present invention, and heat of 7,574 kW/m2 of energy density flows into the light emitting part After 30 seconds (after thermal equilibrium), the temperature distribution of the reflector and the light emitting part is as shown in FIG. 16 .

도 16의 결과를 살펴보면, 온도는 반사경이 22.0℃ 이고 축광부의 온도는 23.4 ℃로 축광부의 온도가 크게 증가하지 않음을 확인하였으며, 축광부 내 온도 분포가 고르게 형성되는 것을 확인하였다. 또한, 축광부의 열의 분포가 도 17과 같이 나타나 시간이 흐르더라도 약 7.58±0.01 kW/㎡의 에너지밀도를 고르게 유지하는 것을 확인하였다.Looking at the results of FIG. 16 , the temperature of the reflector was 22.0° C. and the temperature of the light-emitting part was 23.4° C., and it was confirmed that the temperature of the light-emitting part did not increase significantly, and it was confirmed that the temperature distribution within the light-emitting part was uniformly formed. In addition, it was confirmed that the distribution of heat of the photoluminescent part is shown as shown in FIG. 17, and the energy density of about 7.58±0.01 kW/m 2 is uniformly maintained even with the passage of time.

도 14는 본 발명의 방법을 통해 도출된 도 12의 모델을 예시로 해당 기술의 활용 예시 개념도이다. 축광부 표면에 태양광/태양열 패널을 소형화한 모듈, 또는 광소자를 두르거나 배치하고 이로부터 전환된 전기에너지를 전력 제어부로 송출한다. 전력 제어부는 생략될 수도 있으나 더 좋은 품질의 전기를 제공하기 위해 존재한다. 전력 제어부는 정류기능, 레귤레이션(DC/DC 등) 기능 등이 들어 있어서 전력을 공급하고자 하는 디바이스의 필요전압 또는 필요전류 등의 조건에 맞게 전기를 전달할 수 있는 기능을 한다. 또한 보호회로 등을 포함할 수 있다. 전력 제어부에서 송출된 전기는 전력 케이블 또는 저전력 시 전선을 통해 외부로 송출된다.FIG. 14 is a conceptual diagram illustrating the application of the corresponding technology using the model of FIG. 12 derived through the method of the present invention as an example. A photovoltaic/solar panel miniaturized module or photo element is wrapped or placed on the surface of the photoluminescent unit, and the converted electrical energy is transmitted to the power control unit. The power control unit may be omitted, but is present to provide better quality electricity. The power control unit includes a rectification function and a regulation (DC/DC, etc.) function, and thus functions to deliver electricity according to the conditions such as the required voltage or required current of the device to supply power. It may also include a protection circuit and the like. Electricity transmitted from the power control unit is transmitted to the outside through a power cable or a wire in case of low power.

또한, 상기 전력 제어부에는 고도센서, 위치센서, 기계학습 시스템이 구비된 별도의 박스가 결합될 수 있다. 상기 고도센서 및 위치센서는 지구상에 위치하는 집광 장치의 현재 위치를 정확히 측정할 수 있도록 구비된 것으로서 GPS 데이터를 수신하여 현재 위치와 태양광의 입사각을 고려하여 상기 반사경을 움직이기 위한 데이터로 활용되게 된다. 이러한 반사경의 움직임은 별도의 제어부를 이용하여 제어될 수 있다.In addition, a separate box equipped with an altitude sensor, a position sensor, and a machine learning system may be coupled to the power control unit. The altitude sensor and the position sensor are provided to accurately measure the current position of the light collecting device located on the earth, and receive GPS data to be used as data for moving the reflector in consideration of the current position and the incident angle of sunlight. . The movement of the reflector may be controlled using a separate control unit.

또한, 상기 기계학습 시스템은 상기 고도센서, 위치센서에 의해 수득되는 위치 데이터와 더불어, 축광부에서 수집되는 광 에너지 밀도, 온도 및 초점분포와 같은 측정 데이터를 지속적으로 수집하고 이를 기계학습하여 상기 반사경과 축광부의 최적의 상태를 도출할 수 있게 된다. 상기 기계학습은 통상의 기계학습 모델을 적용할 수 있으며 특별히 제한되지는 않는다. 예를 들어, 구글(Google)사에서 개발한 기계 학습 엔진인 텐서 플로(Tensorflow)를 적용하여 딥러닝을 하도록 할 수 있다. 또한, 이와 같이 수득된 기계학습 결과를 축광부의 움직임에 반영하여 초점분포의 변동에 의해 블러(blur)가 발생하는 경우에 대응하여 축광부를 항상 최적의 위치에 둘 수 있다.In addition, the machine learning system continuously collects measurement data such as light energy density, temperature, and focus distribution collected from the photoluminescent unit in addition to the position data obtained by the altitude sensor and the position sensor, and machine-learning it to the reflector and the optimal state of the light emitting part can be derived. The machine learning may apply a conventional machine learning model, and is not particularly limited. For example, deep learning can be performed by applying Tensorflow, a machine learning engine developed by Google. In addition, by reflecting the machine learning result obtained in this way to the movement of the light-emitting unit, it is possible to always place the light-emitting unit in an optimal position in response to a case in which blur occurs due to a change in the focus distribution.

도 15는 본 발명의 방법을 통해 도출된 도 12의 모델을 예시로 해당 기술의 또 다른 활용 예시 개념도이다. 축광부의 표면에 배치되는 광소자가 고효율 및 첨단화됨에 따라 다양한 형태나 특성을 가질 수 있게 된다. 경우에 따라 트리거(스위칭) 전류, 트리거(스위칭) 전압, 마찰, 화학적 조건 등을 요구할 수 있으며 해당 요구조건을 만족시킬 수 있는 소자 구동부가 필요할 수 있다. 소자 구동부는 도 15와 같이 축광부와 전력 제어부 사이에 위치하여서 어떠한 소자를 구동시킬 수 있다면 새로운 광소자가 개발되는 것과 상관없이 적절한 공간활용을 통해 선형(또는 선분형) 초점분포를 활용한 맞춤형 태양광 집광/집열 전력 시스템 구성이 가능하다. 본 발명을 기초로 설계할 경우 소자 구동부를 배치할 수 있는 충분한 공간을 반사경 설계 시 미리 마련할 수 있다.FIG. 15 is a conceptual diagram illustrating another application example of the technology by taking the model of FIG. 12 derived through the method of the present invention as an example. As the optical element disposed on the surface of the light emitting part becomes high-efficiency and advanced, it is possible to have various shapes and characteristics. In some cases, trigger (switching) current, trigger (switching) voltage, friction, chemical conditions, etc. may be required, and a device driver that can satisfy the requirements may be required. As shown in FIG. 15, if the device driving unit is located between the photoluminescent unit and the power control unit to drive any device, regardless of whether a new optical device is developed, customized sunlight using a linear (or linear) focal distribution through appropriate space utilization Condensing/collecting power system configuration is possible. When designing based on the present invention, a sufficient space for arranging the device driving unit may be prepared in advance when designing the reflector.

도 26은 상기의 도 14, 도 15에 제시한 본 발명의 반사경과 축광부를 포괄하는 태양광 에너지 수확장치의 한 예시이다. 도 26의 모델은 반사경은 도 12에 제시된 예시를 도출하는데 사용된 상기의 설계 방법에 따라 설계되었다. 축광부는 최근 소형 제품화 된 GaAs 계열 고효율 광전 패드가 부착된 것을 가정하여 구성하였다. 축광부의 형태는 3각 기둥부터 n각 기둥으로 변형 가능하지만 본 예시의 축광부는 6각 기둥 형태로 제시하였다. 기둥 안쪽 공간은 비워둘 수 있지만, 상기 도 14, 도 15에서 제시한 전력 제어부(또는, 소자 구동부 + 전력 제어부) 등의 공간으로 활용할 수 있다.Figure 26 is an example of a solar energy harvesting device encompassing the reflector and the photoluminescent portion of the present invention shown in Figures 14 and 15 above. The model of FIG. 26 was designed according to the above design method used to derive the example shown in FIG. 12 of the reflector. The photoluminescent part was constructed on the assumption that a GaAs-based high-efficiency photoelectric pad, which was recently commercialized, was attached. The shape of the light emitting part can be changed from a triangular pole to an n pole, but the light emitting part in this example is presented in the form of a hexagonal pole. The space inside the pillar may be left blank, but it may be used as a space for the power control unit (or device driver + power control unit) shown in FIGS. 14 and 15 .

본 발명은 기존의 단순 패널형과 비교하여 소자 반응에 필요한 에너지 밀도를 공급할 수 있는 반사경 구조를 설계할 수 있으며, 이에 따라 태양광 신소재 개발 시 문턱 에너지 밀도 등의 제한조건이 있다면 해당 제한조건을 해소하거나 낮출 수 있는 장점이 있다. The present invention can design a reflector structure that can supply the energy density required for device reaction compared to the existing simple panel type. Accordingly, if there is a limiting condition such as a threshold energy density when developing a new solar material, the limiting condition is eliminated. There are advantages to lowering or lowering it.

기존의 CSP 기술에 활용되는 반사경 대신 본 발명의 설계를 바탕으로 설계한 반사경을 사용한다면 초과되는 열손실을 최소화하여 효율을 높일 수 있다. 또한 본 발명의 설계 방법에 따라 반사경을 설계한다면 축광부에 온도나 열이 한 부분에 치우치지 않고 고른 분포를 갖는 반사경을 만들 수 있다.If the reflector designed based on the design of the present invention is used instead of the reflector used in the existing CSP technology, the efficiency can be increased by minimizing excessive heat loss. In addition, if the reflector is designed according to the design method of the present invention, it is possible to make a reflector having an even distribution without biasing the temperature or heat to one part of the light emitting part.

도 18은 본 발명의 대표 형상인 도 12의 형상을 응용하여 변형 가능한 형태로써, 도 18의 가장 왼쪽의 도는 기존 도 12와 같은 설계 모델이며 왼쪽에서 두번째 모델은 나선형 파라메트릭 모델, 왼쪽에서 세번째 모델은 지그재그형 파라메트릭 모델이다. 각 조각 거울 또는 패턴의 형상 요소를 등변사다리꼴에서 기울어진 사각형 형태로 변형하여 이어 붙인 형상이다. 도 18의 가장 오른쪽 도는 베르누이 패턴을 기본 패턴으로 하는 반사경의 형상이다. 파라메트릭 형상을 형성할 수 있는 또다른 형태로써, 본 발명의 설계를 바탕으로 형성된 반사경의 기본 골격 형태 위에 베르누이 패턴이 추가된 형상이다. 고른 거울면에 비교하여 반사광의 집속 능력은 다소 떨어지지만 반사경 생성, 제작 시 유리한 장점이 있다.18 is a form that can be deformed by applying the shape of FIG. 12, which is a representative shape of the present invention. The leftmost figure of FIG. 18 is the same design model as in the existing FIG. 12, the second model from the left is a spiral parametric model, and the third model from the left. is a zigzag parametric model. It is a shape in which the shape elements of each piece mirror or pattern are transformed from an isosceles trapezoid to an inclined square shape and joined together. The rightmost diagram of FIG. 18 is a shape of a reflector using the Bernoulli pattern as a basic pattern. As another form that can form a parametric shape, it is a shape in which a Bernoulli pattern is added on the basic skeleton shape of the reflector formed based on the design of the present invention. Compared to an even mirror surface, the focusing ability of reflected light is somewhat lower, but there is an advantage in creating and manufacturing a reflector.

구름, 바람 등 기후 조건에 따라 대기로부터 반사경까지 경로 내의 대기밀도가 불균일할 수 있다. 태양광 스팩트럼의 각 파장에 따라 굴절률의 차이가 있으므로 이로 인한 태양광의 광경로 변화가 생겨서 파장에 따른 태양광 입사각이 달라질 수 있으며 구름 및 대기 산란이 심한 경우, 전반적인 광경로가 변경될 수 있다. 도 22는 이 같은 사례의 대기 환경에 따라 형성 가능한 초점 분포 왜곡과 바람직한 축광부의 위치에 관한 개념을 나타낸다.Depending on climatic conditions such as clouds and wind, the density of the air in the path from the atmosphere to the reflector may be non-uniform. Since there is a difference in refractive index according to each wavelength of the solar spectrum, the optical path of sunlight is changed, and the angle of incidence of sunlight according to the wavelength may vary. Fig. 22 shows a concept of a focus distribution distortion that can be formed according to the atmospheric environment in this case and a preferable position of the light emitting part.

태양광 광경로가 많이 변경되는 경우, 즉 입사각이 변형된 경우 대비하여도 19와 같이 태양광의 입사 각도가 10도 일 때의 광 경로 시뮬레이션을 수행하였다. 그 결과, 입사 각도가 기울어진 방향과 반대방향으로 초점분포가 형성된다. 따라서 축광부에 초점이 맞춰지지 않는다. 본 발명은 도 20 과 같이 축광부를 태양광 입사각과 반대방향으로 동일한 크기의 각도(10도)로 기울였을 때의 광 경로 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 대부분의 광선이 흡수되었고 다만 축광부의 위와 아래부분으로 초점이 맞춰져 일부의 광선만 흡수되지 못한 채 빠져나감을 확인하였다. 즉, 그러나 태양광 입사각이 50도로 커진 경우(극단적인 경우로 이와 같은 대기 상황 발생 가능성은 희박함), 도 21과 같이 대부분의 반사광을 흡수체가 흡수할 수 없다.A light path simulation was performed when the incident angle of sunlight was 10 degrees as shown in FIG. As a result, a focal distribution is formed in a direction opposite to the direction in which the incident angle is inclined. Therefore, the light emitting part is not focused. The present invention shows a light path simulation result when the light emitting unit is tilted at an angle of the same magnitude (10 degrees) in the opposite direction to the incident angle of sunlight as shown in FIG. 20 . Most of the light rays were absorbed, but it was confirmed that only some light rays escaped without being absorbed because they were focused on the upper and lower parts of the photoluminescent part. That is, however, when the incident angle of sunlight is increased to 50 degrees (in an extreme case, such an atmospheric condition is unlikely to occur), the absorber cannot absorb most of the reflected light as shown in FIG. 21 .

따라서 상기 축광부는 길이 및 각도의 조절이 가능하도록 구성될 수 있다. 이를 위하여 축광부의 길이를 위아래로 조정하거나 각도를 변경할 수 있도록 제어설계를 하거나 축광부 지지대의 길이가 조절되도록 하여 초점이 왜곡될 시 더 자유도 있게 축광부를 움직여 보정을 할 수 있도록 구성된다.Accordingly, the light emitting part may be configured to be adjustable in length and angle. To this end, a control design is designed to adjust the length of the light emitting part up and down or change the angle, or the length of the light emitting part support is adjusted so that when the focus is distorted, the light emitting part can be moved more freely to compensate.

즉, 상기 축광부는 일정 시간 간격을 두고 길이 및 각도 중 어느 하나 이상이 변경되며 미세하게 움직이는데, 이 과정에서 광 에너지 밀도, 온도 및 초점분포를 측정하여 측정 데이터를 수집하고, 상기 측정 데이터를 기반으로 상기 기계학습 시스템에서 축광부의 움직임을 기계학습하여 학습 데이터를 지속적으로 생성하게 된다. 이를 위하여 상기 기계학습 시스템은 광 에너지 밀도, 온도 및 초점분포에 대한 기준 데이터에 대한 기준 데이터를 저장하고 있으며, 상기 측정 데이터와 상기 기준 데이터를 비교하여 그 변화량을 분석함으로써 분석 데이터를 만들도록 구성될 수 있다. 이러한 분석 데이터를 축적함으로써 상기 반사경 및 축광부의 최적의 움직임을 도출할 수 있으며, 이를 별도의 제어부를 통해 제어하도록 하여 상기 집광 장치가 태양광을 최대한 효율적으로 이용하도록 할 수 있다.That is, the light emitting unit moves minutely while changing at least one of length and angle at regular time intervals. In this process, measurement data is collected by measuring light energy density, temperature, and focus distribution, and based on the measurement data The machine learning system continuously generates learning data by machine learning the movement of the photoluminescent unit. To this end, the machine learning system stores reference data for reference data for light energy density, temperature, and focus distribution, and compares the measurement data with the reference data and analyzes the amount of change to create analysis data. can By accumulating the analysis data, it is possible to derive the optimal movement of the reflector and the light emitting unit, and control this through a separate control unit so that the light concentrator can use sunlight as efficiently as possible.

도 23 (d)와 같이, 태양광이 지면에 대해(또는 반사경의 직경방향에 대해) θ의 각도로 입사해 들어올 때 반사경이 다층화 형태인 경우, 반사경의 초점분포가 틀어지게 될 때 각 층의 반사경 마다 갖는 초점분포가 저마다 개별적으로 틀어지게 되어 어느 정도의 선형성은 갖지만 정확한 선형분포를 이루지 못하게 된다. 반사경이 단일 뿔인 경우는 도 23 (b)와 같이 되어 초점분포가 기울어진 채로 선형 형태를 유지한다. 따라서 축광부의 운신의 폭을 크게 하려면 다층형 반사경을 쓰지 않거나 층을 적게 써야한다. 반면에 축광부의 사이즈를 적당히 작게 만들고자 할 때는 다층형 반사경을 사용하여 비교적 근거리인 특정 선형 영역에 상대적으로 밀집된 초점분포를 갖도록 설계할 수 있다. 앞에서 언급했듯이, 도 12와 같이 설계하여 도 18과 같이 축광부를 10도 수준으로 기울이더라도 대부분의 태양광을 축광부에 축광할 수 있다.As shown in Fig. 23 (d), when sunlight is incident on the ground at an angle of θ (or with respect to the radial direction of the reflector), if the reflector is in a multi-layered form, when the focus distribution of the reflector is distorted, the The focus distribution of each reflector is individually shifted, so it has a certain degree of linearity, but does not achieve an accurate linear distribution. When the reflector is a single cone, as shown in FIG. 23(b), the focus distribution is tilted and the linear shape is maintained. Therefore, in order to increase the movement width of the light-emitting part, it is necessary to use a multi-layered reflector or use fewer layers. On the other hand, if you want to make the size of the light emitting part small enough, it can be designed to have a relatively dense focus distribution in a specific linear region that is relatively short distance by using a multi-layered reflector. As mentioned above, even if the light emitting unit is tilted at a level of 10 degrees as shown in FIG. 18 by designing as shown in FIG.

또한, 태양 위치추적 시스템을 연동한 반사경 추적운행을 하더라도 기후조건에 따라 입사되어오는 태양광의 초점이 분산될 수 있는데 축광부도 연동하여 움직임에 따라 최대한의 태양광을 축광할 수 있다. 또한, 기계적, 건축적인 이유로 태양 위치추적 시스템 기반의 반사경 추적 운행 가능 각도가 제한될 때, 축광부의 기울임을 통해 하루 중 약 1시간 20분(아침, 저녁으로 각각 40분)의 태양광을 최대한 효과적으로 보강하여 축광할 수 있다.In addition, even if the reflector tracking operation linked with the solar tracking system is operated, the focus of the incident sunlight may be dispersed depending on the climatic conditions. In addition, when the operating angle of the reflector tracking system based on the solar tracking system is limited due to mechanical and architectural reasons, the sunlight of about 1 hour and 20 minutes (40 minutes in the morning and 40 minutes in the evening) during the day is maximized effectively through the inclination of the phosphor. It can be reinforced to illuminate.

태양 위치추적 시스템은 GPS(위성추적) 시스템 정보를 활용하여, 본 발명의 위치를 위도, 경도 정보 및 시간 정보를 얻어 해당 정보를 바탕으로 반사경의 태양 위치추적 동작을 제어할 수 있다. 또한 축광 되는 에너지 또는 광량을 실시간 감시하여 해당 물리량의 변화값이 가장 작은 방향으로 축광부의 태양 위치추적 동작을 피드백 제어할 수 있다. 이러한 형태의 태양 위치 추적 시스템을 바탕으로 반사경의 움직임을 제어하거나 축광부의 움직임을 제어한다.The solar tracking system utilizes GPS (satellite tracking) system information to obtain latitude, longitude information and time information for the location of the present invention, and based on the information, it is possible to control the solar tracking operation of the reflector. In addition, by real-time monitoring of the energy or amount of light, it is possible to feedback control the operation of tracking the position of the light of the light in the direction in which the change value of the corresponding physical quantity is the smallest. Based on this type of solar tracking system, the movement of the reflector is controlled or the movement of the light emitting unit is controlled.

또한, 상기 축광부는 송수신부를 포함할 수 있는데, 이를 통해 원거리의 관리센터나 컴퓨터, 모바일 기기와 통신을 할 수 있게 된다. 상기 송수신부는 위성통신을 통해 상기 학습 데이터를 송신하여 별도의 장치에 상기 학습 데이터를 저장 및 관리하도록 할 수 있다. 또한, 상기 송수신부는 위성통신을 통해 상기 태양광 집광 장치의 위치 정보를 송수신함으로써 기상 변화나 다른 외부 요인이 발생할 경우 사용자가 컴퓨터나 모바일 기기를 이용하여 상기 집광 장치를 제어하도록 구성될 수도 있다.In addition, the light-emitting unit may include a transceiver, through which it is possible to communicate with a remote management center, a computer, or a mobile device. The transceiver may transmit the learning data through satellite communication to store and manage the learning data in a separate device. In addition, the transceiver may be configured to transmit and receive location information of the photovoltaic device through satellite communication so that a user controls the light collecting device using a computer or mobile device when a change in weather or other external factors occurs.

또한, 전술한 바와 같이, 반사경의 곡률을 제어하여 상황에 맞게 초점분포의 위치를 상하방향으로 바꿔줄 수 있으며, 이때 축광부도 바뀐 초점분포에 맞게 상하방향으로 제어될 수 있다. 반사경을 넓게 펼칠수록 더 많은 태양 복사에너지를 집광할 수 있지만 축광부를 더 높이 세워야 하므로 더 많은 공간을 차지하게 된다. 따라서 시간에 따라, 배치공간에 따라 반사경의 곡률이 유연하게 제어될 수 있다. 만약 태양광 복사에너지를 시간에 대해 일정하게 유지하여 얻고자 한다면 축광부와 함께 반사경의 곡률을 제어할 수 있으며 기상조건에 악화되었을 경우에도 축광부를 기울이는 것과 함께 반사경 곡률을 제어함으로써 더욱 효과적으로 최적의 태양광 복사에너지를 집속시킬 수 있다.In addition, as described above, by controlling the curvature of the reflector, the position of the focal distribution may be changed in the vertical direction according to the situation, and in this case, the light emitting unit may also be controlled in the vertical direction according to the changed focal distribution. The wider the reflector, the more solar radiation it can collect, but it takes up more space because the photoluminescent part has to be erected higher. Accordingly, the curvature of the reflector can be flexibly controlled according to time and arrangement space. If you want to keep the solar radiation energy constant over time, you can control the curvature of the reflector together with the light emitting part, and even if the weather conditions are bad, by controlling the curvature of the reflector along with tilting the light emitting part, the optimal sun Light radiation can be focused.

상기의 제어 방법들을 활용하면, 도 24와 같이 태양 위치 추적을 통해 지구 위 특정 지점과 태양 간의 위치에 따라 태양광 입사각이 달라지는 현상을 제거할 수 있다. 이에 따라서 동일한 면적의 반사경으로 태양 위치추적 시스템 없이 대한민국 한여름 하루(낮시간) 평균 212.9 W/㎡의 에너지 밀도로 태양복사 에너지를 모을 수 있던 것을, 태양 위치추적 시스템을 적용함으로써 341 W/㎡의 에너지 밀도로 태양복사 에너지를 모을 수 있다.By utilizing the above control methods, it is possible to eliminate a phenomenon in which the incident angle of sunlight varies according to a position between a specific point on the earth and the sun through sun position tracking as shown in FIG. 24 . Accordingly, it was possible to collect solar radiation energy with an energy density of 212.9 W/m2 on average for a midsummer day (daytime) in Korea without a solar tracking system with a reflector of the same area. It is possible to collect solar radiation energy by density.

반사경 표면에 은박 등의 반사율이 0.9 수준으로 큰 금속류를 사용되었다면 반사경을 통해 들어온 태양복사 에너지는 약 90% 효율로 축광부에 들어온다. 축광부에 GaAs 계열의 고효율 광전 소자가 붙어 있다면 광전 효율이 최대 약 40% 이므로 반사경으로부터 전기로 변환된 에너지 전환 효율은 약 36%가 된다. 생산된 전기 중 5%가 송전부(전력전달 라인) 및 배터리 내부에서 손실된다면 약 34.2%의 효율로 배터리에 에너지가 저장되게 된다.If a metal with a high reflectance such as silver foil is used on the surface of the reflector, the solar radiation energy entering through the reflector enters the light emitting part with about 90% efficiency. If a GaAs-based high-efficiency photoelectric element is attached to the light-emitting part, the photoelectric efficiency is up to about 40%, so the energy conversion efficiency from the reflector to electricity is about 36%. If 5% of the generated electricity is lost in the power transmission unit (power transmission line) and inside the battery, energy is stored in the battery with an efficiency of about 34.2%.

즉 한여름에 1㎡ 당 212.9 W의 태양복사 에너지를 받는 지표면(대한민국)에서 72 W의 전력을 배터리에 저장할 수 있는 시스템 구축이 가능한 것이며 가로 30m, 세로 30m 공간을 빽빽하게 활용한다면, 약 65 kW를 생산할 수 있다.In other words, it is possible to build a system that can store 72 W of electricity in the battery on the ground surface (Korea) that receives 212.9 W of solar radiation energy per 1 m² in midsummer. can

대한민국에서 태양광 추적시스템을 활용하는 경우, 태양광 추적시스템을 활용하지 않는 경우에 비해 약 1.677배(위도에 따른 위상 이득 1.601, 하루 중 태양 고도에 따른 위상 이득 1.569, 운신에 필요한 추가공간으로 인한 에너지 밀도 저감 이득 0.667(손해) 1.601 x 1.569 x 0.667= 1.677) 더 많은 에너지를 축광부에 전달할 수 있다. 추적시스템을 통해 태양 복사에너지를 더 얻어온 것이지만 시스템 내부 에너지 순환계에서 추적시스템 활용 여부를 알 수 없으며 별도의 에너지 증폭 장치 없이 결과적으로 더 많은 에너지를 얻어오는 것이므로, 시스템적으로 축광부에 150.9% 효율로 에너지가 들어온 것으로 보여질 수 있다. 태양복사 에너지밀도의 약 17배 이상의 에너지 밀도로 GaAs 계열 광전 소자에 반사광이 입사된다면 태양광 수준의 태양 복사에너지 밀도로 반사광이 입사되는 경우보다 약 2% 정도 광전 효율이 올라감으로, 광전 효율이 최대 약 42% 수준이 된다. 그럼 반사경으로부터 전기로 변환된 에너지 전환 효율은 약 63.4%가 된다. 생산된 전기 중 5%가 송전부(전력전달 라인) 및 배터리 내부에서 손실된다면 약 60.2%의 효율로 배터리에 에너지가 저장되게 된다. 대한민국 한여름에 전체 시스템의 관점에서 동일한 대지 면적을 활용할 때, 태양 위치 추적 시스템이 없는 경우의 전체 에너지 효율 보다 태양 위치 추적 시스템이 있을 때 약 26.0% 효율이 올라가는 효과가 있다. In the case of using the solar tracking system in Korea, it is about 1.677 times compared to the case of not using the solar tracking system (phase gain 1.601 according to latitude, phase gain 1.569 according to solar altitude during the day, Energy density reduction gain 0.667 (damage) 1.601 x 1.569 x 0.667 = 1.677) More energy can be transferred to the light emitting part. Although more solar radiation energy has been obtained through the tracking system, it is not known whether the tracking system is used in the internal energy circulation system, and as a result, more energy is obtained without a separate energy amplification device. It can be seen that energy has entered. If the reflected light is incident on a GaAs-based photoelectric device with an energy density of about 17 times or more of the solar radiation energy density, the photoelectric efficiency is increased by about 2% compared to the case where the reflected light is incident at the solar radiation energy density of the level of sunlight. It is about 42%. Then, the energy conversion efficiency from the reflector to electricity is about 63.4%. If 5% of the generated electricity is lost in the power transmission unit (power transmission line) and inside the battery, energy is stored in the battery with an efficiency of about 60.2%. When using the same site area from the point of view of the entire system in midsummer in Korea, there is an effect of increasing the efficiency by about 26.0% when there is a solar tracking system rather than the total energy efficiency when there is no solar tracking system.

즉, 한여름에 1m2 당 212.9 W의 태양복사 에너지를 받는 지표면(대한민국)에서 128.2 W의 전력을 배터리에 저장할 수 있는 시스템 구축이 가능한 것이며 가로 30m, 세로 30m 공간을 활용한다면, 약 77 kW를 생산할 수 있다.In other words, it is possible to build a system that can store 128.2 W of power in the battery on the surface (Korea) that receives 212.9 W of solar radiation energy per 1m2 in midsummer. have.

상기의 내용과 같이, GaAs 계열의 광전 소자를 활용하면 태양 위치 추적 시스템을 활용하지 않더라도 전체 시스템 효율이 약 34.2%의 효율로 Dish/Stiring Engine 기술의 최대 30% 효율을 능가한다. 광전 소자 기술의 발전에 따라 태양광 복사에너지를 열로 전환시키는 것보다 곧바로 전기 에너지로 교환하는 것이 경쟁력을 갖게 되었다. 따라서 포물경을 이용해 한 점에 극대화된 열을 생성시키는 방법보다 광전 소자의 효율을 높일 수 있는 수준의 광량을 집속시켜 줄 수 있는 본 발명이 경쟁력을 갖는다. 상기의 내용을 정리하면 도 25와 같다.As described above, when a GaAs-based photoelectric device is used, the overall system efficiency is about 34.2% even without the use of a solar tracking system, surpassing the maximum efficiency of the dish/stiring engine technology by 30%. With the development of photoelectric device technology, it has become more competitive to directly exchange solar radiation energy into electrical energy than to convert it into heat. Therefore, the present invention, which can focus the amount of light at a level capable of increasing the efficiency of the photoelectric device, has a competitive edge over the method of generating maximized heat at one point using a parabolic mirror. 25 is a summary of the above contents.

도 26에 제시된 모델과 같은 형태로 상기 사양을 만족하는 반사경과 축광부를 구성할 수 있다. 도 26의 모델과 같이 반사경과 축광부가 구성된다면, 축광부의 GaAs 계열 태양광 패드 공간과 반사경의 태양광 입사면적(반사경 표면의 면적이 아닌, 반사경에 들어오는 태양광의 채널 면적)의 비율이 약 1:17.45 이다. 즉 태양광의 약 17.45배의 태양광 복사에너지가 축광부의 GaAs 계열 태양광 패드에 집속 ?공급된다. GaAs 계열 고효율(40%) 태양광 패드를 사용하여 본 발명을 구성하기 위해 축광부 제작에 약 500만 원의 비용이 들며 반사경 제작에 50만 원 수준의 비용이 드는 것으로 가정한다면, GaAs 계열 태양광 패드로 해당면적을 커버하는 태양광 패널을 만드는 경우 약 8,500만 원 이상의 제작 비용이 발생할 것이다. 집속도가 높은 설계가 될수록 두 태양광 에너지 수확장치 간 비용의 차이는 더욱 커질 것이다. 따라서 본 발명의 반사경과 차세대 태양광 광전 패드를 함께 활용한다면, 단순히 태양광 광전 패드만을 활용할 경우보다 경제적인 구성이 가능하다.In the same form as the model shown in FIG. 26 , a reflector and a light emitting unit satisfying the above specifications may be configured. If the reflector and the light emitting unit are configured as in the model of FIG. 26, the ratio of the GaAs-based solar pad space of the light emitting part to the sunlight incident area of the reflector (the channel area of sunlight entering the reflector, not the surface area of the reflector) is about 1: It is 17.45. That is, about 17.45 times the solar radiation energy of sunlight is concentrated and supplied to the GaAs-based solar pad of the photoluminescent part. In order to construct the present invention using a GaAs-based high-efficiency (40%) solar pad, if it is assumed that the manufacturing cost of the photoluminescent part is about 5 million won and the cost of the reflector is about 500,000 won, the GaAs-based solar energy In the case of making a solar panel that covers the corresponding area with a pad, the manufacturing cost will be about 85 million won or more. The higher the collection speed, the greater the difference in cost between the two solar energy harvesters. Therefore, if the reflector of the present invention and the next-generation photovoltaic pad are used together, a more economical configuration is possible than when only the photovoltaic pad is used.

즉, 상기 발명의 구성에 축광부의 소자로 GaAs 계열의 광전 패드를 활용한다면, 단순히 태양광을 받고자 하는 모든 면적에 GaAs 계열의 광전 패드를 배치하는 것보다 구성 시 비용을 15 내지 20 배(태양광 집광 비율과 같음) 낮출 수 있다. 즉, 본 발명의 방식은 기존의 모든 면적에 GaAs 계열의 광전 패드를 배치하는 방식(100% 기준) 대비 비용을 5 내지 7 % 수준까지 낮출 수 있다. 만약 광전 패드의 효율이 떨어지는 대신 싼 것으로 구성하더라도 구성비용을 10 내지 12 % 수준까지 낮출 수 있다.That is, if a GaAs-based photoelectric pad is used as an element of the photoluminescent unit in the configuration of the present invention, the cost is 15 to 20 times higher than that of simply arranging a GaAs-based photoelectric pad in all areas to receive sunlight (solar light). same as the condensing ratio) can be lowered. That is, the method of the present invention can lower the cost by 5 to 7% compared to the conventional method of arranging GaAs-based photoelectric pads in all areas (based on 100%). If the efficiency of the photoelectric pad is lowered and it is composed of a cheap one, the configuration cost can be lowered to the level of 10 to 12%.

본 발명의 반사경 설계 방법을 적용하면 축광부 및 축광부의 내부 소자, 물질 등의 반응을 고려하여 필요한 에너지를 적정하고 고르게 제공할 수 있도록 할 수 있다. 따라서 초과되거나 부족한 에너지를 최소화하여 집광 효율을 높이는 효과가 있으며 이는 태양열 CSP 기술에 곧바로 활용될 수 있다. 또한, GaAs 계열 광전 패널을 적용하면 태양광 복사에너지의 20배 내외의 복사에너지를 집중시켜 효율을 높이는 효과를 얻을 수 있다. 더 나아가 일정영역의 태양광을 해당영역 전체에 태양광 광전 패드를 커버하지 않고도 동일한 에너지량을 축광부에 배치된 광전 패드만으로 얻을 수 있어서 시설비용 및 노후화 후 폐태양광 패드 처리 비용을 아끼는 효과를 얻을 수 있다.When the reflector design method of the present invention is applied, it is possible to appropriately and evenly provide the required energy in consideration of the photoluminescent part and the reaction of the internal elements and materials of the photoluminescent part. Therefore, it has the effect of increasing the light collection efficiency by minimizing excess or insufficient energy, which can be directly utilized in solar CSP technology. In addition, when a GaAs-based photoelectric panel is applied, it is possible to obtain the effect of increasing the efficiency by concentrating the radiation energy of about 20 times the solar radiation energy. Furthermore, the same amount of energy can be obtained only with the photoelectric pad disposed in the photoluminescent part without covering the photovoltaic pad in the entire area to receive sunlight in a certain area. can be obtained

본 발명의 일 실시예로서 도 26을 참조하면, 태양열 기술의 형태를 가질 때 터빈, 냉각시설, 순환시설, 또는 탱크, 모터 등의 제반 시설을 마련해야하는 번거로움과 관리 비용을 아낄 수 있으며 일반적인 태양광 패널을 넓은 영역에 전개하여 전력을 얻는 시스템에 비해 수십 분의 일 수준의 태양광 패널을 활용하여 구성할 수 있어서 경제적 우수성 및 휴대의 편의성을 갖는다.Referring to FIG. 26 as an embodiment of the present invention, when it has a form of solar thermal technology, it is possible to save the hassle and management cost of providing various facilities such as a turbine, a cooling facility, a circulation facility, or a tank, a motor, and the general solar energy. Compared to a system that obtains power by deploying a light panel in a wide area, it can be configured using a photovoltaic panel that is one tenth of a level, so it has economical superiority and portability.

또한, 본 발명은 이상에서 설명한 바와 같이 광선이 모이는 분포를 설계하여 기능에 따라 다양한 광 디바이스 설계에 맞춤형으로 응용될 수 있고, 직선경을 활용하거나 조각거울을 활용한 경우 제작 단가와 표면 제작 난이도를 낮출 수 있는 장점이 있다.In addition, the present invention can be applied to various optical device designs according to the function by designing the distribution of light rays as described above, and when using a straight mirror or a sculpting mirror, the manufacturing cost and surface manufacturing difficulty are reduced. There are advantages to lowering it.

또한, 본 발명은 반사경에 도입한 태양 위치 추적 시스템을 도입함으로써 최대의 태양 복사에너지를 집광할 수 있고, 여러 가지 기후조건, 대기조건에 따라 왜곡된 초점분포가 형성될 시 축광부의 축 기울임에 따라 최대의 태양광을 축광할 수 있다.In addition, the present invention can collect the maximum solar radiation energy by introducing the solar positioning system introduced into the reflector, and when a distorted focal distribution is formed according to various climatic and atmospheric conditions, I can phosphorescence the maximum sunlight.

본 발명은 상술한 바와 같이 바람직한 실시형태를 들어 설명하였으나, 상기 실시형태에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형과 변경이 가능하다. 그러한 변형예 및 변경예는 본 발명과 첨부된 특허청구범위의 범위 내에 속하는 것으로 보아야 한다.Although the present invention has been described with reference to the preferred embodiment as described above, it is not limited to the above embodiment and various modifications and changes made by those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains within the scope not departing from the spirit of the present invention change is possible Such modifications and variations are intended to fall within the scope of the present invention and the appended claims.

Claims

In the photovoltaic device comprising a funnel-shaped reflector configured to reflect incident sunlight to advance the sunlight to a photoluminescent unit, and a photoluminescent unit driven to receive sunlight from the reflecting mirror,
The radial length (y) of the surface of the reflector satisfies the following Equation 5,
The light emitting part is configured to be adjustable in length and angle,
The light emitting unit includes a power control unit,
The power control unit includes an altitude sensor, a position sensor, and a machine learning system,
The light emitting unit collects measurement data by measuring light energy density, temperature and focus distribution by changing at least one of length and angle at regular time intervals,
The solar concentrator, characterized in that the machine learning system based on the measurement data to generate learning data by machine learning the movement of the light emitting unit.

[Equation 5]

(In Equation 5, x and y are coordinate values according to points P1 and P2 that are tied _{to the vertex P 0 ,} _{and y 0} indicates the vertex in the y-axis direction.)

The method according to claim 1,
The reflector is an n-gonal reflector combined to form a funnel shape with a plurality of triangular mirror surfaces, and the acute angle θ at the center side of the reflector of the triangle constituting the n-gonal satisfies the following Equation 7, The length (s) of the outer side of the reflector is a solar light collecting device, characterized in that it satisfies the following Equations (10) and (11).

[Equation 7]

[Equation 10]

[Equation 11]

(In Equation 10, l ₁ is the diameter of the reflector, and in Equation 11, l ₂ is the diameter of the center of the reflector.)

The method according to claim 1,
The reflector is configured such that the cross section is combined to form a funnel shape with a plurality of triangular mirror surfaces composed of n layers in the width direction of the reflector, and the linear focus distribution (k _n ) of the mirror surface satisfies the following Equation 15 A solar concentrator, characterized in that.

[Equation 15]

(In Equation 15, k _n is the top value of the linear focus distribution, x _n is the edge width direction of _{n mirror surfaces, y n} is the edge height direction of _n mirror surfaces, and θ n is the incident angle of each mirror surface. and the angle of reflection.)

4. The method according to claim 3,
In the plurality of triangular mirror surfaces, the distance between the triangular mirror surfaces is adjusted within a range that satisfies Equation (15).

delete

The method according to claim 1,
The measured data is an analysis data obtained by analyzing the amount of change compared with reference data for light energy density, temperature, and focus distribution.

The method according to claim 1,
The light-emitting unit includes a transceiver,
The transceiver is a solar concentrator, characterized in that for transmitting the learning data through satellite communication.

The method according to claim 1,
The light-emitting unit includes a transceiver,
The photovoltaic device, characterized in that the transceiver transmits/receives the location information of the photovoltaic device through satellite communication.