KR102499128B1 - 광 제어 모듈 및 이를 이용한 온실 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 광 제어 모듈 및 이를 이용한 온실에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 광의 산란이나 반사를 최소화하여 온실 내부로 광의 유입을 극대화하여 광의 이용효율을 향상시킬 수 있고, 광을 파장대별로 분리하여 전기에너지를 수득할 수 있고 과잉 열기를 회수하여 재활용할 수 있을 뿐만 아니라 측창 및 천정창의 개방 없이 온실 내부 온도조절이 가능한 광 제어 모듈 및 이를 이용한 온실에 관한 것이다.
본 발명에 따른 광 제어 모듈은 광 제어 모듈에 있어서, 광의 투과가 가능한 광투과판; 상기 광투과판의 하부에 배치되는 프리넬 렌즈; 상기 프리넬 렌즈의 하부에 배치되어 입사되는 광을 파장대별 스펙트럼으로 분리하는 프리즘; 상기 프리즘에 의해 분리된 광 중 적외선 영역을 제외한 파장대 광을 입사받도록 설치되는 집광형태양광전지모듈; 및 상기 프리즘에 의해 분리된 광 중 적외선 영역의 파장대 광을 입사받아 열교환 작용을 수행하는 방열체를 포함하는 것을 한다.

Description

광 제어 모듈 및 이를 이용한 온실{SUNLIGHT CONTROL MODULE AND GREENHOUSE USING IT}
본 발명은 광 제어 모듈 및 이를 이용한 온실에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 광의 산란이나 반사를 최소화하여 온실 내부로 광의 유입을 극대화하여 광의 이용효율을 향상시킬 수 있고, 광을 파장대별로 분리하여 전기에너지를 수득할 수 있고 과잉 열기를 회수하여 재활용할 수 있을 뿐만 아니라 측창 및 천정창의 개방 없이 온실 내부 온도조절이 가능한 광 제어 모듈 및 이를 이용한 온실에 관한 것이다.
일반적으로, 농작물 재배는 토질, 기후 조건, 계절 등에 맞는 작물을 선택하여 노지에서 재배하는 것이 일반적이었으나, 사계절이 뚜렷한 우리나라의 기후 특성상 노지에서의 작물재배는 일정 시기에 국한되어 있는 반면, 국민들의 소득수준은 나날이 높아져 신선 농산물에 대한 수요는 연중 지속되고 있는 것이 현실이고, 근래 이상기온이 빈번히 발생하면서 국내 농산물 수급과 물가 변동에 대한 불확실성이 커지고 있다.
이에 따라, 이상기온에 따른 불확실성을 줄이고, 소비자들의 연중 수요를 충족하기 위한 방안으로 시설원예가 점차 확대되고 있으며 다양한 연구개발이 진행되고 있다.
시설원예는 유리온실이나 비닐하우스 등의 온실 내부에 구성한 재배지에 작물을 식재하고, 작물의 재배에 이상적인 온도, 습도, CO2 등의 조건을 유지하도록 환경을 관리하면서 재배과정을 수행하게 된다.
온실은 종부재 및 횡부재 등을 이용하여 통상 골격의 기능을 수행하도록 시공된 온실프레임과, 이 온실프레임에 설치되는 유리나 비닐시트로 이루어진 광투과성면상체로 구성되어 있고, 온실의 내부에는 온도, 습도, CO2 조절 등을 위해 난방배관, 냉방배관, 습도조절장치, 이산화탄소공급장치 등이 설치되어 있다.
그리고, 일반적인 온실은 우리나라와 같이 긴 동절기를 갖는 지역의 경우 전체 영농비의 40 내지 60% 정도를 차지하고 있으므로 과도한 난방비용으로 인해 생산원가를 상승시켜 농업경쟁력을 약화시키는 요인이 되고 있다.
이에 따라, 비닐하우스의 경우 난방비용의 절감을 위해 비닐지를 2겹이나 3겹으로 설치하고 있고, 특히 측벽에 비해 약 2배 이상의 열손실이 발생하는 천정부위로는 단열 커튼(가림막)을 설치하고 있다.
하지만, 비닐지는 내구 연한이 정해져 있어서 교체가 필요하고, 복수 겹으로 비닐지를 설치하거나 단열 커튼을 설치할 경우 광의 입사량이 저하되므로 작물의 생육에 악영향을 초래하는 한계점이 있다.
또한, 종래 온실은 하절기를 물론이고 춘추절기나 동절기의 낯 시간에 태양광 입사 특성이 우수할 경우 온실 내부 온도가 작물의 생육 온도 이상으로 상승하게 되어 측장 및 천정창의 개방이 필요하게 되는데, 이 경우 온실에 시비한 CO2가 외부로 유출, 낭비되므로 시비효과의 저하는 물론이고 관리비용의 상승을 초래하는 단점이 있고, 습도를 정확하게 조절할 수 없는 한계점이 있다.
그리고, 측창 및 천정창의 개방시 외기에 포함된 병원균의 유입으로 인해 다양한 병해충에 쉽게 감염되므로 방재비용 등의 상승과 농작물의 성장에 악영향을 포래하여 생산성 저하 및 품질 저하를 초래하는 한계점이 있다.
아울러, 측장 및 천정창의 급격한 개방시 춥고 더운 외부환경의 변화에 따라 온실 내부의 환경도 급변하게 되므로 농작물의 성장에 악영향을 초래하고, 특히 에너지 손실로 인해 냉난방비의 증가에 따른 농작물 재배 단가를 상승시키는 단점이 있다.
한국등록특허 등록번호 제10-1578187호 "온실용 공기조화 구조" 한국등록특허 등록번호 제10-0785930호 "실내공기 정화를 위한 자동 온실시스템"
본 발명은 상기 내용에 착안하여 제안된 것으로, 광의 산란이나 반사를 최소화함으로써 온실 내부로 광의 유입을 극대화하여 광의 이용효율을 향상시킬 수 있도록 한 광 제어 모듈 및 이를 이용한 온실을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은, 온실 내부로 광의 유입을 극대화하면서도 광을 파장대별로 분리하여 전기에너지를 수득할 수 있고 과잉 열기를 회수하여 재활용할 수 있을 뿐만 아니라 측창 및 천정창의 개방 없이 온실 내부 온도조절이 가능하도록 한 광 제어 모듈 및 이를 이용한 온실을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 광 제어 모듈은 광 제어 모듈에 있어서, 광의 투과가 가능한 광투과판; 상기 광투과판의 하부에 배치되는 프리넬 렌즈; 및 상기 프리넬 렌즈의 하부에 배치되어 입사되는 광을 파장대별 스펙트럼으로 분리하는 프리즘을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 광 제어 모듈은 광 제어 모듈에 있어서, 광의 투과가 가능한 광투과판; 상기 광투과판의 하부에 배치되는 프리넬 렌즈; 상기 프리넬 렌즈의 하부에 배치되어 입사되는 광을 파장대별 스펙트럼으로 분리하는 프리즘; 및 상기 프리즘에 의해 분리된 광 중 적외선 영역을 제외한 파장대의 광을 입사받도록 설치되는 집광형태양광전지모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 광 제어 모듈은 광 제어 모듈에 있어서, 광의 투과가 가능한 광투과판; 상기 광투과판의 하부에 배치되는 프리넬 렌즈; 상기 프리넬 렌즈의 하부에 배치되어 입사되는 광을 파장대별 스펙트럼으로 분리하는 프리즘; 상기 프리즘에 의해 분리된 광 중 적외선 영역을 제외한 파장대 광을 입사받도록 설치되는 집광형태양광전지모듈; 및 상기 프리즘에 의해 분리된 광 중 적외선 영역의 파장대 광을 입사받아 열교환 작용을 수행하는 방열체를 포함하는 것을 한다.
그리고 본 발명에 따른 광 제어 모듈은 상기 프리넬 렌즈, 상기 프리즘, 광형태양광전지모듈 및 상기 방열체의 각도를 조절할 수 있도록 구성되는 회전구동장치를 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 광 제어 모듈은 상기 광투과판 및 상기 프리넬 렌즈가 설치되는 메인프레임; 및 상기 프리즘이 설치되도록 상기 메인프레임에 형성되는 보조프레임을 포함하여 구성된다.
이때, 상기 프리즘은 상기 보조프레임에 회전 가능하게 설치될 수 있다.
상기 보조프레임은 상기 메인프레임에 평행하게 설치되고 상기 프리즘의 힌지축이 접속되는 수평부재와, 상기 수평부재에 설치되는 행거부재를 포함하여 구성될 수 있다.
그리고, 상기 프리넬 렌즈는 상기 메인프레임에 회전 가능하게 설치될 수 있다.
상기 메인프레임은 상기 광투과판의 가장자리 부분이 설치되는 틀 형태로 형성되고 상기 프리넬 렌즈의 힌지축이 접속되는 힌지접속부가 마련된 테두리부재로 구성될 수 있다.
바람직하게 상기 보조프레임은 상기 메인프레임에 평행하게 설치되고 상기 프리즘의 힌지축이 접속되는 수평부재와, 상기 집광형태양광전지모듈 및 상기 방열체가 접속되도록 상기 수평부재에 설치되는 행거부재를 구비하되, 상기 행거부재는 상기 집광형태양광전지모듈 및 상기 방열체의 높낮이 조절과 배치각도 조절이 가능하도록, 상기 수평부재에 높낮이 조절 가능하게 설치되는 높낮이조절축과, 상기 집광형태양광전지모듈 및 상기 방열체가 회전 가능하게 설치되도록 상기 높낮이조절축에 연결되는 조립축을 포함하여 구성될 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 광 제어 모듈을 이용한 온실은 광 제어 모듈을 이용한 온실에 있어서, 내부에 재배공간이 마련되도록 구성된 온실체; 및 상기 온실체에 복수 개가 조립되는 광 제어 모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 광 제어 모듈을 이용한 온실은 광 제어 모듈을 이용한 온실에 있어서, 내부에 재배공간이 마련되도록 구성된 온실체; 상기 온실체에 복수 개가 조립되는 광 제어 모듈; 상기 온실체의 천정부위에 흡입부가 마련된 천정공기유입라인; 상기 천정공기유입라인으로부터 유입된 천정 공기를 열교환하는 열교환부; 상기 열교환부에 의해 열교환된 공기를 온실 내부로 공급하는 냉각공기공급라인; 및 상기 천정공기유입라인 또는 상기 냉각공기공급라인에 접속되는 송풍기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 열교환부는, 상기 천정공기유입라인과 상기 냉각공기공급라인이 접속되는 열교환기, 상기 열교환기에 접속되어 열교환용유체를 공급하는 열교환유체공급라인, 및 상기 열교환기에 일측이 접속되고 타측이 상기 열교환유체공급라인에 접속되어 가온된 열교환용유체의 열교환이 지반 내부에서 이루어지도록 하는 열기공급라인을 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 광 제어 모듈 및 이를 이용한 온실에 의하면, 광투과판를 경유한 태양광이 프리넬 렌즈를 통해 집광된 후 입사됨에 따라 산란 및 반사가 최소화되므로 종래와 같이 다겹의 비닐지로 구성된 온실에 비해 광 손실을 줄임으로써 광의 이용효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따른 광 제어 모듈 및 이를 이용한 온실에 의하면, 프리넬 렌즈를 통해 집광된 광이 파장대별로 분리되므로 적외선 파장대를 제외한 영역의 광을 이용하여 전기에너지를 수득할 수 있고 적외선 파장대 광의 열기를 회수하여 재활용할 수 있을 뿐만 아니라 측창 및 천정창의 개방 없이 온실 내부 온도조절이 가능하여 천정장이나 측창의 개방 없이도 온도를 제어할 수 있어서 병해충의 예방과 CO2의 외부 유출이 방지되어 시비효과의 상승은 물론이고 난방비용 등 영농비용을 절감할 수 있고, 습도를 정확하게 조절할 수 있는 효과가 있다.
도1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 광 제어 모듈의 기술적 사상을 설명하기 위한 모식도,
도2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 광 제어 모듈을 나타낸 개략적인 구성도,
도3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 광 제어 모듈의 보조프레임 부위을 나타낸 분리사시도,
도4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 광 제어 모듈의 집광형태양광전지모듈 부위를 나타낸 분리사시도,
도5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 광 제어 모듈의 방열체 부위를 나타낸 분리사시도,
도6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 광 제어 모듈의 변형예를 설명하기 위한 사시도,
도7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 광 제어 모듈을 이용한 온실을 설명하기 위한 개략적인 모식도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면 도1 내지 도7에 의거하여 상세히 설명하고, 도1 내지 도7에 있어서 동일한 구성 요소에 대해서는 동일한 참조번호를 부여한다. 한편 각 도면에서 일반적인 기술로부터 이 분야의 종사자들이 용이하게 알 수 있는 구성과 그에 대한 작용 및 효과에 대한 도시 및 상세한 설명은 간략히 하거나 생략하고 본 발명과 관련된 부분들을 중심으로 도시하였다.
도1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 광 제어 모듈의 기술적 사상을 설명하기 위한 모식도, 도2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 광 제어 모듈을 나타낸 개략적인 구성도, 도3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 광 제어 모듈의 보조프레임 부위을 나타낸 분리사시도, 도4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 광 제어 모듈의 집광형태양광전지모듈 부위를 나타낸 분리사시도, 도5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 광 제어 모듈의 방열체 부위를 나타낸 분리사시도이다.
도1 및 도2를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 광 제어 모듈(m)은 온실의 천정이나 측면에 설치하여 광의 산란이나 반사를 최소화하여 온실 내부로 광의 유입을 극대화할 수 있도록 하기 위한 단위 모듈로서 메인프레임(1), 광투과판(2), 프리넬 렌즈(3), 프리즘(4), 집광형태양광전지모듈(5) 및 방열체(6)가 구비되어 있다.
메인프레임(1)은 광투과판(2), 프리넬 렌즈(3) 등이 설치되는 본체로서 광투과판(2)의 가장자리 부분이 설치되도록 대략 사각 틀 형태로 형성된 테두리부재로 구성되어 있다.
테두리부재는 판재로 형성된 측판(12)에 의해 대략 사각 틀 형태로 형성된 것으로 프리넬 렌즈(3)에 결합되는 힌지축(32)이 접속되는 홀 형태의 힌지접속부가 마련되어 있다.
그리고, 메인프레임(1)에는 프리즘(4)이 설치되도록 보조프레임(7)이 구비되어 있다.
이 보조프레임(7)은 메인프레임(1)에 평행하게 설치되고 후술되는 프리즘(4)의 힌지축(42)이 접속되는 수평부재(71)와, 집광형태양광전지모듈(5) 및 방열체(6)가 접속되도록 수평부재(71)에 양측에 설치되는 행거부재(72)로 구성되어 있다.
수평부재(71)는 메인프레임(1)의 좌우 측벽에 연결되는 한 쌍의 형강재로 형성된 것으로서 평철바, 파이프 등으로도 구성될 수 있지만, 본 실시예에서는 프리즘(4) 및 행거부재(72)의 용이한 설치를 위해 통상 앵글(angle)로 호칭되는 'ㄱ'자형 형강재로 구성되어 있다.
이때, 수평부재(71)는 행거부재(72)의 이동이 가능으로 하도록 길게 절개 형성된 이동장공(712)이 형성되어 있다.
행거부재(72)는 메인프레임(1)의 측벽(12)에도 설치될 수 있지만 본 실시예에서는 수평부재(71)의 일측 및 타측에 설치된 것으로서, 이 행거부재(72)에 설치되는 집광형태양광전지모듈(5) 및 방열체(6)의 좌우방향 위치조절, 높낮이 조절 및 배치각도 조절이 가능하도록 구성된 점에 특징이 있다.
보다 구체적으로 설명하면, 행거부재(72)는 수평부재(71)에 높낮이 조절 가능하게 설치되는 한 쌍의 높낮이조절축(721)과, 집광형태양광전지모듈(5) 및 방열체(6)가 회전 가능하게 설치되도록 높낮이조절축(721) 사이에 연결되는 조립축(722)으로 구성되어 있다.
높낮이조절축(721)은 상부에 고정너트(723)가 체결되는 나사부(721a)가 형성되어 있어서 이동장공(712)에서 고정너트(723)의 고정 및 해제 동작을 통해 체결위치를 조절함으로써 전후방향 위치조절이 가능하고, 높낮이조절축(721)을 상하로 이동시키는 방식으로 높낮이의 조절이 가능한 장점이 있다. 아울러 집광형태양광전지모듈(5) 및 방열체(6)는 조립축(722)에 힌지브라켓(724)를 매개로 회전 가능하게 설치되어 있으므로 각도조절 또한 가능한 장점이 있다. 여기서 힌지브라켓(724)은 집광형태양광전지모듈(5) 및 방열체(6)에 체결되는 브라켓플레이트(724a)와, 이 브라켓플레이트(724a)에 일체로 형성되고 조립축(722)이 삽입되도록 호 형상으로 굴곡되게 형성되어 볼트에 의해 조임 및 해제되는 한 쌍의 힌지홀더(724b)로 구성되어 있다.
아울러, 전술한 메인프레임(1) 및 보조프레임(7)은 광의 투과에 방해가 되지 않도록 폴리카보네이트, 아크릴, 등과 같은 투명한 강화 플라스틱 소재로 형성된 판재, 형강재에 의해 제작되는 것이 바람직하다.
한편, 광투과판(2)은 메인프레임(1)의 상부에 설치되는 광투과형 판재로서 광의 투과가 가능한 판재라면 특별한 제한 없이 선택하여 적용할 수 있지만 본 실시예에서는 강화 유리로 구성되어 있다.
프리넬 렌즈(3,fresnel lens)는 광투과판(2)과 접한 하부에 배치되는 구성요소로서, 주지된 바와 같이 두께를 줄이기 위하여 몇 개의 일정한 두께를 가진 고리 모양의 렌즈로 구성된 집광 렌즈를 의미한다.
그리고, 프리넬 렌즈(3)는 광의 입사각도에 따라 각도의 조절이 가능하도록 전후 방향 중심에 힌지축(32)이 마련되어 메인프레임(1)의 측벽(12)에 회전 가능하게 설치되는 것이 중요하다.
프리즘(4)은 주지된 바와 같이 입사되는 광을 분산이나 굴절 등을 일으키도록 유리나 수정 등으로 형성된 기둥 형상의 광학부재로서 광을 파장대별 스펙트럼으로 분리하는 기능을 수행한다.
그리고, 프리즘(4)은 입사되는 광의 방향에 따라 방향을 조절할 수 있도록 보조프레임(7)에 회전 가능하게 설치되는 것이 중요하다. 이를 위해 프리즘(4)은 삼각 봉 형상으로 형성되어 프리넬 렌즈(3)의 하부에 배치되되 양단에 수평부재(71)에 접속된 상태에서 회전될 수 있도록 핀 형태의 힌지축(42)이 접속되어 있다.
집광형태양전지모듈(5)은 프리즘(4)을 통해 입사되는 광을 이용하여 전기에너지를 발전하기 위해 구성된 것으로서 통상 CPV(Concentrator Photovoltaic Cell) 호칭되는 모듈로 구성되어 있다.
예컨대, 집광형태양전지모듈(5)은 전지모듈하우징(미도시)에 선형으로 배열된 복수의 집광형 광전지(미도시), 이 집광형 광전지가 장착되는 인쇄회로기판, 집광형 광전지 및 인쇄회로기판의 냉각을 위한 냉각부(미도시) 등으로 구성된 공지의 모듈을 적용하여 구성할 수 있다.
그리고, 집광형태양전지모듈(5)은 프리즘(4)을 통해 입사되는 광 중에서 적외선 파장대의 광에 장시간 노출될 경우 열화가 발생되어 수명이 단축되는 점을 고려하여 프리즘에 의해 분리된 광 중 적외선 영역을 제외한 파장대 광을 입사받도록 설치되는 것이 중요하다.
보다 구체적으로 설명하면 집광형태양전지모듈(5)은 수평부재(71)에 좌우방향으로 이동될 수 있는 행거부재(72)에 설치되어 좌우방향 위치 조절이 가능하고, 행거부재(72)의 높낮이조절축(721)의 상하 이동을 통해 높낮이 조절이 가능하며, 조립축(722)에 힌지브라켓(724)을 매개로 회전 운동이 가능하게 결합되어 배치각도의 조절이 가능하므로 이러한 조절작용을 통해 적외선 영역을 제외한 영역의 파장대 광을 입사받도록 위치나 배치각도를 조절할 수 있다.
한편, 방열체(6)는 프리즘(4)에 의해 분리된 광 중 적외선 영역의 파장대 광을 입사받아 열교환 작용을 수행하는 것으로서, 태양광의 적외선 파장대의 광 에너지가 온도상승을 유발하여 온실 내부온도가 과열되는 현상을 저감하기 위한 구성요소이다.
방열체(6)는 적외선 영역의 파장대 광을 입사받을 수 있도록 집광형태양전지모듈(5)과 마찬가지로 좌우방향, 상하방향, 배치각도의 조절이 가능한 행거부재(72)에 설치되어 있다.
그리고 방열체(6)는 방열 특성이 우수하다면 형태나 구조에 특별한 제한 없이 다양하게 구성하여 설치할 수 있지만, 본 실시예에서는 열전도 특성이 우수한 동, 알루미늄 등의 소재로 형성된 방열판(61)에 다수의 방열핀(62)이 돌출된 구조로 형성되어 있다.
도6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 광 제어 모듈의 변형예를 설명하기 위한 사시도이다.
도6을 참조하면, 프리즘(4)은 각도조절을 수조작에 의하지 않고 자동적으로 수행할 수 있도록 회전구동장치(45)가 구성되어 있다.
회전구동장치(45)는 프리즘(4)을 회전시킬 수 있는 구조라면 특별한 제한 없이 다양하게 구성할 수 있다. 예컨대, 회전구동장치(45)는 모터축에 구동기어(452)가 설치되고 스텝모터와 같은 소형으로 구성되는 구동모터(451)와, 구동기어(452)와 치합되어 회전되도록 프리즘(4)의 힌지축(42)에 설치되는 종동기어(453)로 구성되어 있다.
전술한 회전구동장치(45)는 프리즘(4)의 각도조절이 필요한 경우 구동모터(451)를 구동시키게 되면 구동기어(452) 및 종동기어(453)를 통해 회전력이 전달되어 힌지축(42)를 회전시키게 되므로 편리하게 희망하는 각도만큼 각도조절 과정을 수행할 수 있다.
그리고, 회전구동장치(45)는 도면을 통해 구체적으로 도시하지는 않았으나 프리넬 렌즈(3), 광형태양광전지모듈(5) 및 방열체(6) 부위에도 설치하여 각각의 각도조절을 자동적으로 수행할 수 있다.
예컨대, 회전구동장치(미도시)는 프리넬 렌즈(3)의 힌지축(32), 광형태양광전지모듈(5) 및 방열체(6)의 힌지브라켓(724)과 조립축(722)의 연결부위에 도6에 도시된 회전구동장치와 유사하게 구동모터, 구동기어 및 종동기어를 설치하는 방식으로 구성할 수 있으므로 도면상 도시나 구체적인 설명을 생략한다.
첨부도면, 도7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 광 제어 모듈을 이용한 온실을 설명하기 위한 개략적인 모식도이다.
도7을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 광 제어 모듈을 이용한 온실은 전술한 광 제어 모듈(m)과, 이 광 제어 모듈(m)이 인접하여 조립되는 온실체(h)로 구성되어 있다.
온실체(h)는 내부에 작물의 재배공간이 마련되도록 종지주, 횡지주 등의 구성된 온실프레임(미도시)으로 구성된 것이지만, 이해를 돕기 위해 도7에서는 온실프레임의 도시를 생략하고 간략화하여 나타낸 것이다.
그리고, 전술한 광 제어 모듈(m)은 온실프레임의 측벽에도 설치될 수 있지만 본 실시예에서는 천정 부위에 설치된 예를 기준을 설명한다.
그리고, 온실체(h)에는 방열체(6)로부터 발산되어 천정부위로 상승되는 고온의 공기를 흡입하기 위한 흡입부(811)가 마련된 천정공기유입라인(81)이 설치되어 있고, 이 천정공기유입라인(81)으로부터 유입된 천정 공기를 열교환하는 열교환부(82)가 온실체(h)의 외부 또는 내부에 설치되어 있으며, 열교환부(82)에 의해 열교환된 공기를 온실 내부로 공급하는 냉각공기공급라인(83)이 설치되어 있다.
또한, 열교환부(82)에는 천정 공기를 흡인하여 순환시키기 위해 냉각공기공급라인(또는 천정공기유입라인)에 송풍기(84)가 접속되어 있다.
한편, 열교환부(82)는 천정공기유입라인(81)과 냉각공기공급라인(83)이 접속되는 열교환기(821), 열교환기(821)에 접속되어 열교환용유체를 공급하는 열교환유체공급라인(822), 및 열교환기(821)에 일측이 접속되고 타측이 열교환유체공급라인(822)에 접속되며 가온된 열교환용유체의 열교환이 지반 내부에서 이루어지도록 지반 내부로 가설되는 열기공급라인(823)이 구비되어 있다.
여기서, 열교환기(821)는 주지된 바와 같이 서로 온도가 다르고 고체벽으로 분리된 두 유체 사이에 열교환을 수행하는 장치로서 열교환용유체의 종류, 열교환 구조, 열교환 용량 등에 다양한 형태로 제작된 것 중에서 선택하여 설치할 수 있다. 예컨대, 금속관을 다수 늘어놓아 관외와 관내에 흐르는 두 유체 사이에서 열교환을 하는 다관식 열교환기, 다수의 평판을 일정한 간격으로 세워놓고 한칸씩 건너서 각각의 유체를 통과시켜 열교환하는 판형 열교환기 중에서 선택하여 구성할 수 있다.
전술한 열교환부(82)는 천정공기유입라인(81)으로부터 열교환기(821)로 유입되어 열교환된 천정 공기의 열기를 열기공급라인(823)을 통해 지반 내부로 공급하고 지층을 가온하여 저장하도록 함으로써 지층 내부에 온열층(g)을 형성하도록 하는 것으로서, 동절기에 온열층에 접하여 시설된 별도의 지열회수시스템(9)을 이용하여 열기를 회수하여 난방에 이용할 수 있다.
여기서, 지열회수시스템(9)은 지열을 회수하여 사용하도록 온실 등에 사용되는 공지된 지열회수시스템을 제한 없이 선택하여 적용할 수 있는 것으로서, 예컨대 지열회수시스템(9)은 지층의 내부로 가설되고 온열층(g)의 열기를 흡수하여 가온되는 열회수유체가 유동되면서 순환되는 열회수라인(91)과, 이 열회수라인(91)이 접속되어 온열층의 열기를 온실 내부로 열교환하여 방출하여 열방출기(92) 등으로 구성되어 있다.
전술한 본 발명에 따른 광 제어 모듈 및 이를 이용한 온실의 작용을 간략하게 설명한다.
도1 및 도2에 도시된 바와 같이 구성된 다수의 광 제어 모듈(m)을 온실체(h)의 지붕에 해당하는 부위에 조립하여 온실을 구성한 상태에서 태양광이 조사될 경우 광투과판(2)를 경유하여 프리넬 렌즈(3)로 입사되는 광이 집광되면서 산란이나 반사가 최소화 되므로 광 손실을 줄여 다겹의 비닐지로 구성된 종래 온실에 비해 20 내지 30% 정도의 광 유입량을 증가시킬 수 있음을 알 수 있었다.
그리고, 프리넬 렌즈(3)로 입사된 광은 집광된 후 프리즘(4)으로 조사되면서 파장대별 스펙트럼으로 분리되고, 이와 같이 파장대별로 분리된 광은 온실에 식재된 작물에 인가되어 광합성을 수행하도록 하는 광합성 모드에 이용된다.
이러한 광합성 모드를 보다 구체적으로 설명하면, 광합성 모드는 광투과판(2), 프리넬 렌즈(3)를 경유한 태양광을 프리즘(4)이 작물을 향해 조사하는 모드로서 프리즘(4)은 작물로부터 높이가 높은 천정 부위에 근접하여 위치하므로 파장대별 광은 특정 위치에 집중되지 않고 작물 근처에 도달되는 과정에서 넓게 확산될 뿐만 아니라 광 제어 모듈(m)은 다수 개가 다양한 각도로 설치되어 있으므로 서로 교차되어 고르게 확산하면서 작물로 입사된다.
상기한 광합성 모드의 시행과정에서 광 조건의 변화(프리넬 렌즈에 의한 산란 및 반사 감소로 광 에너지 공급량이 과다할 경우)에 따라 작물의 광합성이 포화 상태에 이르게 될 경우, 또는 하절기에 냉방수단의 부재나 냉방수단의 작동중단으로 온실 내부온도가 상승할 경우에는 태양광을 작물에 직접 입사하지 않고 전기에너지를 생산하는 발전 모드를 수행할 수 있다.
이때, 적외선 영역의 파장대의 태양광은 열기를 발산하여 전기에너지를 생산하는 집광형태양광전지모듈(5)의 열화를 초래하므로 수작업 또는 회전구동장치(45)를 작동시켜 프리즘(4)을 회전시킴으로써 적외선 파장대를 제외한 영역의 광만이 집광형태양광전지모듈(5)로 입사되도록 하여 전기에너지를 발전할 수 있다. 이와 같이 적외선 파장대를 제외한 영역을 이용하여 발전할 경우 고가의 집광형태양광전지모듈(5)의 열화를 방지할 수 있어서 내구성을 향상시킬 수 있고 안정적으로 전기에너지를 수득하면서도 가동시간의 증가와 유지보수비용을 절감할 수 있는 장점이 있다.
한편, 적외선 파장대 영역의 광은 열기가 방출되므로 동절기와 같이 기온이 낮을 경우 난방열로 활용하지만 하절기의 경우 온실 내부온도를 급격하게 상승시켜 작물 재배에 악영향을 초래하게 된다. 이 경우 종래에는 천정장이나 측창을 개방하여 환기를 실행함으로써 온실 내부온도를 낮추는 방법을 적용하고 있지만 환기 시에 외부공기에 포함된 병해충이 유입되거나 온실 내부에 시비한 CO2가 외부로 유출, 낭비되므로 시비효과의 저하는 물론이고 관리비용의 상승을 초래하는 단점이 있고, 습도를 정확하게 조절할 수 없는 한계점이 있다.
하지만 본 발명에 따른 광 제어 모듈은 적외선 영역의 태양광으로부터 발산되는 열기를 천정창이나 측장의 개방 없이 방열체(6) 및 열교환부(82)를 이용하여 효과적으로 제거하여 온실 내부온도를 적정하게 유지할 수 있는 온실 과열방지 모드를 수행할 수 있다.
보다 구체적으로 설명하면, 도1에 도시된 바와 같이 온실 내부온도가 고온으로 상승하는 하절기의 경우 프리즘(4) 또는 방열체(6)의 위치를 조절하여 적외선 영역의 태양광이 온실 내부로 조사되지 않고 방열체(6)로 입사되도록 하게 되면 방열작용에 의해 열기를 방출하게 되고 이러한 열기는 대류 현상에 의해 온실의 천정 부위로 이동된다. 이러한 상태에서 송풍기(84)가 작동되면 천정 부위에 위치한 흡입부(811)를 통해 천정 부위의 더운 공기가 유입되어 천정공기유입라인(81)을 따라 이동한 후 열교환부(82)의 냉각작용에 의해 냉각된다. 이와 같이 냉각된 공기는 냉각공기공급라인(83)를 통해 온실 내부로 공급되어 온실 내부온도를 낮추게 되므로 천정장이나 측창의 개방 없이도 온도를 제어할 수 있어서 병해충의 예방과 CO2의 외부 유출이 방지되어 시비효과의 상승은 물론이고 난방비용 등 영농비용을 절감할 수 있고, 습도를 정확하게 조절할 수 있는 장점이 있다.
한편 열교환부(82)는 천정공기유입라인(81)으로부터 열교환기(821)로 유입되어 열교환되는 과정에서 천정 공기의 열기를 열기공급라인(823)을 통해 지반 내부로 공급하여 지층을 가온하여 온열층(g)를 형성함으로써 동절기에 온열층에 접하여 시설된 지열회수시스템(9)을 활용하여 열기를 회수하여 난방에 이용할 경우 난방비를 절감할 수 있으므로 영농비용을 줄일 수 있는 장점이 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 광 제어 모듈 및 이를 이용한 온실을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어나지 않은 범위 내에서 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 사상이 있다고 할 것이다.
상기한 실시예에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
1:메인프레임
2:광투과판
3:프리넬 렌즈
4:프리즘
5:집광형태양광전지모듈
6:방열체
7:보조프레임
81:천정공기유입라인
82:열교환부
83:냉각공기공급라인
9:지열회수시스템

Claims (13)

  1. 광 제어 모듈에 있어서,
    광의 투과가 가능한 광투과판;
    상기 광투과판의 하부에 배치되는 프리넬 렌즈;
    상기 프리넬 렌즈의 하부에 배치되어 입사되는 광을 파장대별 스펙트럼으로 분리하는 프리즘;
    상기 광투과판 및 상기 프리넬 렌즈가 설치되는 메인프레임; 및
    상기 프리즘이 설치되도록 상기 메인프레임에 형성되는 보조프레임;을 포함하고,
    상기 프리즘은 상기 보조프레임에 회전 가능하게 설치되는 것을 특징으로 하는 광 제어 모듈.
  2. 광 제어 모듈에 있어서,
    광의 투과가 가능한 광투과판;
    상기 광투과판의 하부에 배치되는 프리넬 렌즈;
    상기 프리넬 렌즈의 하부에 배치되어 입사되는 광을 파장대별 스펙트럼으로 분리하는 프리즘;
    상기 프리즘에 의해 분리된 광 중 적외선 영역을 제외한 파장대의 광을 입사받도록 설치되는 집광형태양광전지모듈; 및
    상기 광투과판 및 상기 프리넬 렌즈가 설치되는 메인프레임; 및
    상기 프리즘이 설치되도록 상기 메인프레임에 형성되는 보조프레임;을 포함하고,
    상기 프리즘은 상기 보조프레임에 회전 가능하게 설치되는 것을 특징으로 하는 광 제어 모듈.
  3. 광 제어 모듈에 있어서,
    광의 투과가 가능한 광투과판;
    상기 광투과판의 하부에 배치되는 프리넬 렌즈;
    상기 프리넬 렌즈의 하부에 배치되어 입사되는 광을 파장대별 스펙트럼으로 분리하는 프리즘;
    상기 프리즘에 의해 분리된 광 중 적외선 영역을 제외한 파장대 광을 입사받도록 설치되는 집광형태양광전지모듈;
    상기 프리즘에 의해 분리된 광 중 적외선 영역의 파장대 광을 입사받아 열교환 작용을 수행하는 방열체;
    상기 광투과판 및 상기 프리넬 렌즈가 설치되는 메인프레임; 및
    상기 프리즘이 설치되도록 상기 메인프레임에 형성되는 보조프레임;을 포함하고,
    상기 프리즘은 상기 보조프레임에 회전 가능하게 설치되는 것을 특징으로 하는 광 제어 모듈.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 프리넬 렌즈, 상기 프리즘, 광형태양광전지모듈 및 상기 방열체의 각도를 조절할 수 있도록 구성되는 회전구동장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 제어 모듈.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 보조프레임은 상기 메인프레임에 평행하게 설치되고 상기 프리즘의 힌지축이 접속되는 수평부재와, 상기 수평부재에 설치되는 행거부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 제어 모듈.
  8. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 프리넬 렌즈는 상기 메인프레임에 회전 가능하게 설치되는 것을 특징으로 하는 광 제어 모듈.
  9. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 메인프레임은 상기 광투과판의 가장자리 부분이 설치되는 틀 형태로 형성되고 상기 프리넬 렌즈의 힌지축이 접속되는 힌지접속부가 마련된 테두리부재로 구성된 것을 특징으로 하는 광 제어 모듈.
  10. 제3항에 있어서,
    상기 광투과판 및 상기 프리넬 렌즈가 설치되는 메인프레임; 및 상기 프리즘이 설치되도록 상기 메인프레임에 형성되는 보조프레임을 포함하고,
    상기 보조프레임은 상기 메인프레임에 평행하게 설치되고 상기 프리즘의 힌지축이 접속되는 수평부재와, 상기 집광형태양광전지모듈 및 상기 방열체가 접속되도록 상기 수평부재에 설치되는 행거부재를 구비하되,
    상기 행거부재는 상기 집광형태양광전지모듈 및 상기 방열체의 높낮이 조절과 배치각도 조절이 가능하도록, 상기 수평부재에 높낮이 조절 가능하게 설치되는 높낮이조절축과, 상기 집광형태양광전지모듈 및 상기 방열체가 회전 가능하게 설치되도록 상기 높낮이조절축에 연결되는 조립축을 포함하는 것을 특징으로 하는 광 제어 모듈.
  11. 광 제어 모듈을 이용한 온실에 있어서,
    내부에 재배공간이 마련되도록 구성된 온실체; 및
    상기 온실체에 복수 개가 조립되는 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 광 제어 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 광 제어 모듈을 이용한 온실.
  12. 광 제어 모듈을 이용한 온실에 있어서,
    내부에 재배공간이 마련되도록 구성된 온실체;
    상기 온실체에 복수 개가 조립되는 제3항 또는 제4항의 광 제어 모듈;
    상기 온실체의 천정부위에 흡입부가 마련된 천정공기유입라인;
    상기 천정공기유입라인으로부터 유입된 천정 공기를 열교환하는 열교환부;
    상기 열교환부에 의해 열교환된 공기를 온실 내부로 공급하는 냉각공기공급라인; 및
    상기 천정공기유입라인 또는 상기 냉각공기공급라인에 접속되는 송풍기를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 제어 모듈을 이용한 온실.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 열교환부는,
    상기 천정공기유입라인과 상기 냉각공기공급라인이 접속되는 열교환기, 상기 열교환기에 접속되어 열교환용유체를 공급하는 열교환유체공급라인, 및 상기 열교환기에 일측이 접속되고 타측이 상기 열교환유체공급라인에 접속되어 가온된 열교환용유체의 열교환이 지반 내부에서 이루어지도록 하는 열기공급라인을 포함하는 것을 특징으로 하는 광 제어 모듈을 이용한 온실.
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