KR102505408B1 - 광섬유를 이용한 집광형 태양광 발전 시스템 - Google Patents
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Abstract
광섬유를 이용한 집광형 태양광 발전 시스템을 개시한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 태양광을 입사받아 일 위치로 집광하는 태양광 집광장치와 태양광을 입사받아 전기에너지를 생산하는 태양광 발전장치 및 상기 태양광 집광장치가 집광하는 태양광을 유입받아 상기 태양광 발전장치로 전달하는 광 케이블을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 시스템을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 태양광을 입사받아 일 위치로 집광하는 태양광 집광장치와 태양광을 입사받아 전기에너지를 생산하는 태양광 발전장치 및 상기 태양광 집광장치가 집광하는 태양광을 유입받아 상기 태양광 발전장치로 전달하는 광 케이블을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 시스템을 제공한다.
Description
본 발명은 광섬유를 이용하여 태양광의 집광위치와 분리된 위치에서도 태양광 발전을 수행할 수 있는 집광형 태양광 발전 시스템에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
최근 들어, 전통적인 화석연료의 매장량이 줄어들고 화석연료로 인한 환경오염이 심각해지면서, 친환경적인 대체 에너지의 활용에 관심이 증가하고 있다. 특히, 태양광을 이용한 태양광 발전 시스템은 오랜 연구를 거치며 축적된 기술로 인해 향후 전통적인 에너지를 대체할 가장 유력한 대체에너지로 각광받고 있다.
태양광 발전 시스템은 기술의 개발이 진행되며, 종래의 실리콘 반도체보다 발전효율이 3~4배 이상 우수한 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체가 사용되고 있다. 다만, Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체는 종래의 실리콘 반도체보다 가격이 상당히 비싸기 때문에, 종래의 실리콘 반도체와 같이 넓은 면적에 배치되어 태양광 발전을 수행할 수는 없고, 태양광을 반도체로 집속하기 위한 집광 시스템이 추가로 배치된다.
다만, 이처럼 태양광이 반도체로 집광되면, 반도체의 온도가 상승하며 발전효율이 급격하게 떨어진다. 이에, 반도체를 냉각시키기 위한 냉각 시스템 역시 추가로 배치되어야 한다.
또한, 태양의 위치는 시간에 따라 변화하기 때문에, 발전효율을 향상시키기 위해서는 태양의 위치를 실시간으로 추적하는 추적 시스템이 배치되어야 한다.
즉, Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체를 사용하는 태양광 발전 시스템은 필수적으로 집광 시스템, 냉각 시스템 및 추적 시스템을 구비하여야 한다.
종래의 태양광 발전 시스템은 모든 구성을 구비하여 태양광이 잘 입사되는 곳에 배치되어 운영되어 왔다. 그러나 실외에 모든 구성이 배치되어 외부 환경에 그대로 노출되어 있기 때문에, 파손의 우려가 있으며 내구성이 상대적으로 빠르게 감소하게 되는 문제가 발생한다. 또한, 추적 시스템이 태양광을 추적함에 있어, 태양광 발전 시스템의 모든 구성의 무게를 지탱하며 추적하여야 하기에, 효율도 떨어지고 운영비도 높아지는 문제를 갖는다.
본 발명의 일 실시예는, 태양광을 추적하고 집광하는 구성과 태양광을 이용해 전기 에너지를 생성하는 구성을 분리하여, 외부 환경으로의 노출을 최소화하고 운영비를 절감할 수 있는 집광형 태양광 발전 시스템을 제공하는 데 일 목적이 있다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 태양광을 입사받아 일 위치로 집광하는 태양광 집광장치와 태양광을 입사받아 전기에너지를 생산하는 태양광 발전장치 및 상기 태양광 집광장치가 집광하는 태양광을 유입받아 상기 태양광 발전장치로 전달하는 광 케이블을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 시스템을 제공한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 태양광 발전장치는 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 태양광 집광장치는 태양광이 집광되는 위치에 기 설정된 직경의 중공부를 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 광 케이블은 상기 중공부에 배치되어, 상기 태양광 집광장치가 집광하는 태양광을 유입받는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 태양광 발전장치는 상기 태양광 집광장치와 공간적으로 분리된 위치에 배치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 태양광 집광장치는 시간에 따른 태양의 방향을 따라 함께 회전하는 것을 특징으로 한다.
발명의 일 측면에 의하면, 태양광 집광장치가 집광한 태양광을 입사받아 태양광 발전장치로 전달하는 광섬유에 있어서, 제1 기 설정된 굴절률과 제1 기 설정된 범위 내의 직경을 갖는 코어와 상기 코어의 외곽에 배치되며, 제2 기 설정된 굴절률과 제2 기 설정된 범위 내의 직경을 갖는 클래딩 및 상기 클래딩의 외곽에 배치되어, 상기 코어와 상기 클래딩을 외력으로부터 보호하는 코팅부를 포함하며, 상기 광섬유의 각 끝단은 기 설정된 길이만큼 상기 코팅부가 식각되며, 상기 코어와 상기 클래딩이 기 설정된 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 광섬유를 제공한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 코어는 상기 클래딩보다 기 설정된 기준치 이상 큰 굴절률을 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 기 설정된 기준치는 0.015인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 제1 기 설정된 범위는 100㎛이상, 300㎛ 이하인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 제2 기 설정된 범위는 상기 코어의 직경의 1.1배 이상, 1.2배 이하인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 코팅부는 제3 기 설정된 범위 내의 두께를 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 제3 기 설정된 범위는 10㎛이상, 40㎛ 이하인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 태양광 집광장치가 집광한 태양광을 입사받아 태양광 발전장치로 전달하는 광케이블에 있어서, 상기 광섬유가 복수 개 포함되는 것을 특징으로 하는 광 케이블을 제공한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 측면에 따르면, 태양광을 추적하고 집광하는 구성과 태양광을 이용해 전기 에너지를 생성하는 구성을 분리하여, 외부 환경으로의 노출을 최소화하고 운영비를 절감할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 집광형 태양광 발전 시스템의 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 집광장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 케이블의 단면을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광 케이블 내 사용된 광섬유 끝단의 단면과 이의 굴절률 분포를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 광 케이블 내 사용된 광섬유 끝단의 형상을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 집광장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 케이블의 단면을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광 케이블 내 사용된 광섬유 끝단의 단면과 이의 굴절률 분포를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 광 케이블 내 사용된 광섬유 끝단의 형상을 도시한 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에서, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 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 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해서 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 본 발명의 각 실시예에 포함된 각 구성, 과정, 공정 또는 방법 등은 기술적으로 상호간 모순되지 않는 범위 내에서 공유될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 집광형 태양광 발전 시스템의 구성을 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 집광형 태양광 발전 시스템(100)은 태양광 집광장치(110), 광케이블(120) 및 태양광 발전장치(130)를 포함한다.
태양광 집광장치(110)는 태양의 이동을 추적하며 태양광을 광케이블(120)로 집광한다. 태양광 집광장치(110)는 시간에 따른 태양의 방향을 따라 함께 회전하며, 입사되는 태양광을 집광한다. 태양광 집광장치(110) 내에 광 케이블(120)이 배치되며, 광 케이블(120)이 배치된 위치로 태양광을 집광한다. 보다 구체적인 구조는 도 2를 참조하여 후술한다.
광 케이블(120)은 태양광 집광장치(110)에 의해 집광된 태양광을 태양광 발전장치(130)로 전달한다. 광 케이블(120)의 일 끝단은 태양광 집광장치(110) 내 태양광이 집광되는 위치에 위치하고, 나머지 일 끝단은 태양광 발전장치(130)로 광을 방사할 수 있는 위치에 위치한다. 이처럼, 광 케이블(120)은 양 장치(110, 130)간 광을 전달함으로써, 양자를 공간적으로 분리시킬 수 있다. 양자가 공간적으로 분리됨에 따라, 다음과 같은 이점이 발생한다.
태양광 발전장치(130)가 광 케이블(120)에 의해 태양광 집광장치(110)로부터 공간적으로 분리될 수 있기에, 태양광 발전장치(130)는 태양광 집광장치(110)와 달리 실내에 위치할 수 있다. 태양광 발전장치(130)는 굳이 태양광 집광장치(110)와 같이 태양광이 입사되는 실외에 위치하지 않아도 무방하다. 이에 따라, 태양광 발전장치(130)는 외부 환경에 노출되지 않아 유지/보수가 원활해질 수 있다.
또한, 태양광 발전장치(130)의 동작에 의해 태양광 발전장치(130)에 제반되는 설비들도 태양광 집광장치(110)와 공간적으로 분리될 수 있다. 태양광 발전장치(130)가 태양광을 입사받아 전기 에너지를 생산하는 경우 많은 열이 발생하기에, 태양광 발전장치(130)를 냉각시키기 위한 냉각 설비가 필요하다. 또한, 태양광 발전장치(130)가 전기 에너지를 생산하는 경우, 생산된 전기 에너지를 저장할 설비와 해당 설비까지 전기 에너지를 전달할 설비 등도 필요하다. 이와 같은 다양한 제반되는 설비들도 모두 태양광 집광장치(110)와 공간적으로 분리될 수 있기 때문에, 태양광 집광장치(110)는 자신의 무게만을 지탱하며 태양광을 추적하며 집광할 수 있다. 이에, 태양광 집광장치(110)의 유지/보수가 수월해지고, 운영비가 현저히 감소할 수 있다.
태양광 발전장치(130)는 광기전력 효과(Photovoltaic Effect)에 의해서 태양광 에너지를 전기로 변환할 수 있는 장치이다. 태양광 발전장치(130)는 전기 에너지 생산(변환)효율이 높은 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체로 구현된다. 다만, 전술한 대로, Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체는 고가이기 때문에, 종래의 실리콘 반도체와 같이 넓은 면적으로 구현이 곤란하다. 이에, 태양광 발전장치(130)는 광 케이블(120)로부터 전달되는 광을 입사받아 전기 에너지를 생산한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 집광장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 집광장치(110)는 제1 반사미러(210) 및 제2 반사미러(220)를 포함한다.
태양광 집광장치(110)는 태양광을 집광함에 있어, 렌즈가 아닌 반사미러를 이용한다. 실리콘 반도체와는 달리 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체는 가시광 파장대역 뿐만 아니라 근적외선 파장대역도 수광하여 전기 에너지를 생산할 수 있다. 이에, Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체로는 상대적으로 넓은 파장대역의 광이 입사하는데, 렌즈는 구면수차로 인해 파장에 따라 집광되는 위치가 달라지는 문제가 발생한다. 이에, 태양광 집광장치(110)는 렌즈가 아닌 반사미러를 포함한다.
반사미러의 형상은 다음의 수식을 만족한다.
반사미러의 형상은 xz 평면상에서 구현되며, c는 곡률반경(R)의 역수를, k는 코닉 상수를 의미한다.
제1 반사미러(210)는 입사되는 태양광을 제2 반사미러(220)로 반사시킨다. 제1 반사미러(210)는 R1의 곡률반경을 가지며, k가 -1인 포물선 형상을 갖는다. 제1 반사미러(210)는 포물선 형상을 가지며, 입사되는 태양광을 제2 반사미러(220)로 반사시킨다.
제1 반사미러(210)는 기 설정된 범위 내의 직경(D1)을 갖는다. 여기서, 기 설정된 범위는 100mm 이상, 400mm 이하일 수 있다. 직경(D1)이 100mm보다 작을 경우, 충분히 태양광을 입사받기 곤란한 문제가 발생한다. 반대로, 직경(D1)이 400mm보다 클 경우, 제1 반사미러(210)에서 열이 많이 발생하며 집광효율이 감소하는 문제가 발생한다. 이에, 제1 반사미러(210)는 기 설정된 범위 내의 직경을 갖는다.
제1 반사미러(210)는 반사한 광이 제2 반사미러(220)로부터 재반사되어 집광되는 위치에 중공부(215)를 갖는다. 전술한 위치에 중공부(215)가 형성됨에 따라, 중공부(215)에 광 케이블(120)이 배치되어 집광되는 태양광을 입사받을 수 있다. 중공부(215)는 기 설정된 범위 내의 직경(Dh)을 갖는다. 중공부(215)는 광 케이블(120)의 직경(Dcable)보다는 크고 제2 반사미러(220)의 직경(D2)보다는 작게 구현된다. 중공부(215)의 직경이 제2 반사미러(220)의 직경보다 크면 제1 반사미러(210)의 광 반사면적이 감소하여 반사광량이 감소하게 된다.
제2 반사미러(220)는 기 설정된 위치에 배치되어, 제1 반사미러(210)로부터 반사된 태양광을 재반사시켜 중공부(215)로 집광한다.
제2 반사미러(220)는 제1 반사미러(210)로부터 반사된 태양광을 재반사시켜 중공부(215)로 집광한다. 제2 반사미러(220)는 R2의 곡률반경을 가지며, k가 0인 구형상을 갖는다. 제2 반사미러(220)는 구형상으로 구현되어, 제1 반사미러(210)로부터 반사된 광을 입사받아 재반사한다. 이때, 제2 반사미러(220)가 구형으로 구현됨에 따라, 반사광을 재반사함에 있어 중공부(215)의 위치로 반사광을 포커싱하여 재반사시킬 수 있다. 제2 반사미러(220)에 의해, 중공부(215)에 위치하는 광 케이블(120)은 태양광 집광장치(110)로 입사하는 대부분의 광을 입사받을 수 있다.
제2 반사미러(220)는 기 설정된 위치에 배치된다. 제2 반사미러(220)는 태양광을 재반사함에 있어 높은 효율을 가질 수 있도록, 제1 반사미러(210)의 초점 부근에서 재반사 집광 효율이 가장 큰 위치에 배치된다. 제2 반사미러(220)가 배치될 기 설정된 위치(재반사 집광 효율이 가장 큰 위치)는 중공부(215)의 중심에서 H 만큼 떨어진 위치이며, H는 다음의 수식을 만족한다.
제2 반사미러(220)는 기 설정된 위치에 배치됨에 따라, 우수한 재반사 집광 효율을 가질 수 있다.
제2 반사미러(220) 역시 기 설정된 범위 내의 직경(D2)을 갖는다. 여기서, 기 설정된 범위는 10mm 이상, 직경(D1) 이하일 수 있다. 직경(D2)이 10mm보다 작을 경우, 제1 반사미러(210)에서 반사되는 반사광을 온전히 입사받지 못하는 문제가 발생한다. 반대로, 직경(D2)이 직경(D1)보다 클 경우, 재반사율은 높아지지만, 제2 반사미러(220)가 제1 반사미러(210)로 입사하는 태양광을 차단할 우려가 존재한다. 이에, 제2 반사미러(220)는 기 설정된 범위 내의 직경(D2)을 갖는다.
제1 반사미러(210)와 제2 반사미러(220)가 전술한 조건을 만족시킬 경우, 미러의 반사율이 100%라 가정하면, 중공부(215)의 위치로 광이 약 99%이상 집광될 수 있다. 예를 들어, 제1 반사미러(210)의 직경(D1)과 곡률반경을 각각 300mm와 700mm로, 제2 반사미러(220)의 직경(D2)과 곡률반경을 각각 16mm와 8mm로, 중공부(215)의 직경(Dh)과 중공부(215)의 광케이블 끝단에서 제2 반사미러(220)까지의 거리(H)를 각각 10mm와 346mm로 설정하고 시뮬레이션하였을 때, 중공부(215)의 위치로 광이 약 99.5%만큼 집광되는 것을 확인하였다.
중공부(215)의 제2 반사미러(220)와 가까운 끝단에 보호막(미도시)이 배치될 수 있다. 태양광 집광장치(110)가 태양광이 잘 입사하는 실외에 배치되기 때문에, 중공부(215)에 배치된 광 케이블(120)의 끝단도 마찬가지로 실외에 노출된다. 광 케이블(120)의 노출된 면이 외부 환경에 의해 훼손될 여지도 존재하여, 중공부(215)의 전술한 끝단에 보호막(미도시)이 배치될 수 있다. 보호막(미도시)은 해당 위치에 배치되어, 광 케이블(120)의 끝단을 외부환경으로부터 보호한다. 보호막(미도시)은 광의 진행경로에 영향을 미치지 않거나 최소화하는 소재로 구현될 수 있으며, 표면에 무반사(Anti-Reflection) 코팅이 수행될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 케이블의 단면을 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 광 케이블(120)은 복수의 광섬유(310)를 포함한다.
광 케이블(120) 내에는 복수의 광섬유(310)가 배치된다. 광 케이블(120)은 실외에 배치된 태양광 집광장치(110)와 실내에 배치된 태양광 발전장치(130)를 연결하기 때문에, 태양광 발전장치(130)가 배치된 공간의 내부 구조 등에 따라 굴곡되는 경우가 발생한다. 다만, 광섬유(310)의 직경이 일정 수준 이상 커질 경우, 유연성(Flexibility)이 감소한다. 이에, 광 케이블(120)이 양 장치(110, 130)를 연결하기 위해 배치됨에 있어 원활히 배치되지 못할 수 있다. 이를 방지하기 위해, 전체적으로 일정 범위 내의 직경을 갖는 광섬유(310)가 복수 개만큼 광 케이블(120) 내에 배치된다. 광섬유(310)는 광 케이블(120) 내 최대한 많은 양이 배치되어, 입사되는 광을 태양광 발전장치(130)로 전달한다. 광섬유(310)는 일정한 직경을 가지며, 복수 개가 광 케이블(120) 내 빽빽하게(예를 들어, 벌집 구조와 같이 공백이 최소화되도록) 배치된다.
이때, 광섬유(310)가 일정한 직경을 갖기 때문에, 필연적으로 광섬유(310)와 광섬유(310) 사이에 공백(320)이 형성된다. 광 케이블(120)은 광 전달량을 증가시키기 위해, 공백(320)에 직경이 작은 추가 광섬유(미도시)를 배치할 수 있다.
광섬유(310)의 단면은 원형으로 구현되며, 코어(313), 클래딩(316) 및 코팅부(319)를 포함한다.
코어(313)는 광을 입사받아 전달한다. 코어(313)와 클래딩(316)은 후술할 도 4와 같이 굴절률 차이를 갖기 때문에, 코어(313)로 입사된 광은 코어(313) 내에서 전반사되며 코어(313)를 따라 진행한다.
코어(313)는 기 설정된 범위 내의 직경(dcore)을 갖는다. 여기서, 기 설정된 범위는 100㎛ 이상, 300㎛ 이하일 수 있다. 보다 많은 광량을 입사받아 전달하기 위해서는 직경이 클수록 좋다. 다만, 코어(313)의 직경(dcore)이 지나치게 커질 경우(300㎛ 이상), 유연성(Flexibility)이 감소한다. 이에 따라, 코어는 기 설정된 범위 내의 직경을 갖는다.
클래딩(316)은 코어(313)의 외부에 배치된다. 클래딩(316)은 후술할 도 4와 같은 굴절률을 가짐으로써, 코어(313) 내에서 전반사가 일어나도록 한다.
클래딩(316)은 기 설정된 범위 내의 직경(dclad)을 갖는다. 여기서, 기 설정된 범위는 1.1dcore 이상, 1.2dcore 이하일 수 있다. 클래딩(316)은 전반사를 유도해야 하기에 코어(313) 직경의 10% 이상의 직경은 가져야 하며, 지나치게 클 필요는 없기에 코어(313) 직경의 20% 이상은 가질 필요가 없다.
코어(313)와 클래딩(316)은 유리 소재로 구현될 수 있다. 태양광의 집광에 의한 고온에 잘 견디고, 가시광 파장대역 뿐만 아니라 근적외선 파장대역의 광도 원활히 전송하기 위해, 코어(313)와 클래딩(316)은 유리 소재로 구현된다. 이때, 굽힘과 같은 외부 요인에 의해 광 손실 발생을 최소화하기 위해, 코어(313)와 클래딩(316)은 도 4와 같은 굴절률을 갖는다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광 케이블 내 사용된 광섬유 끝단의 단면(코어와 클래딩으로 구성)과 이의 굴절률 분포를 도시한 도면이다.
코어의 굴절률과 클래딩의 굴절률은 코어에서 온전히 전반사가 일어날 수 있도록 Δn14만큼 차이를 갖는다. 여기서, Δn14는 코어의 최대 굴절률과 클래딩의 굴절률의 차이로서, 적어도 0.015보다는 크도록 설정된다. Δn14가 적어도 0.015보다는 커야 전반사가 온전히 일어나며, 광섬유에 일정 수준의 굽힘이 가해진다 하더라도 굽힘손실을 최소화할 수 있다.
한편, 코어(313)의 굴절률은 아래와 같이, 코어(313)의 중심으로부터 멀어질수록 감소하는 형태를 갖는다.
여기서, c1 ≥ 0.1을 만족하고, Reff = c3 * R을 만족하며, c3는 광섬유를 구성하는 물질의 탄성계수를, R은 광섬유의 굴곡 반경을 의미한다. 코어(313)의 굴절률이 전술한 수식을 만족함에 따라, 광섬유에 굽힘이 발생하더라도 코어(313)에서 굽힘 손실이 최소화될 수 있다.
다시 도 3을 참조하면, 코팅부(319)는 클래딩(316)의 외부에 배치된다. 전술한 대로, 코어(313)와 클래딩(316)이 유리로 구현되기 때문에, 이들을 외부로부터 보호하기 위해 코팅부(319)가 클래딩(319)의 외부, 광섬유(310)의 최외각에 배치된다. 코팅부(319)는 코어(313)와 클래딩(316)이 입사된 광을 전달하며 발생하는 열에 견딜 수 있도록 고온에서 견딜 수 있는 소재, 예를 들어, 폴리이미드(Polyimide) 또는 테플론(Teflon) 등의 불소계 수지로 구현될 수 있다.
코팅부(319)는 코어(313)와 클래딩(316)을 보호하기만 할 뿐, 광의 전달에는 어떠한 역할도 수행하지 않기 때문에 굳이 두꺼울 필요가 없다. 오히려, 코팅부(319)의 두께가 두꺼울 경우, 광섬유(310) 전체의 크기(직경)만 커져 광 전달 효율이 나빠진다. 이에, 코팅부(319)의 두께(dcoat-dclad)는 10㎛ 이상, 40㎛ 이하일 수 있다. 코팅부(319)가 이 같은 두께를 가짐에 따라, 광섬유(310) 내에서 광을 전달하는 코어 영역이 최대한 넓은 면적을 확보할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 광 케이블 내 사용된 광섬유 끝단의 형상을 도시한 도면이다.
도 5를 참조하면, 광 케이블에 적용된 광섬유의 각 끝단부에서 기 설정된 길이만큼 코팅부(319)가 식각되며, 코어(313)와 클래딩(316)이 곡면형태를 갖는다. 보다 구체적으로는 코팅부(319)가 식각된 부위(420)의 코어(313)와 클래딩(316)은 제조가 용이한 구형(k가 0)을 가질 수 있다. 코어(313)와 클래딩(316)의 일 끝단이 구형을 가짐에 따라 볼록렌즈와 같이 동작한다. 이에, 태양광 집광장치(110)에 근접한 광 케이블의 끝단에서는 태양광 집광장치(110)에 의해 집광되는 태양광이 어느 각도로 유입되더라도 코어(313) 내로 집광되는 형태를 가질 수 있다. 경우에 따라, 태양광이 코어 내로 지나치게 경사진 각도로 입사할 경우, 코어(313)에서 전반사되지 못하고 코어(313)를 이탈하는 상황이 발생할 수 있다. 코어(313)와 클래딩(316)의 끝단이 구형을 가져 볼록렌즈로서 동작을 함에 따라, 어떠한 각도로 광이 입사하더라도 코어(313) 내로 온전히 입사할 수 있다.
여기서, 광 케이블의 일 끝단에 형성되는 광섬유의 코어(313)와 클래딩(316) 형상의 곡률반경은 클래딩의 직경의 절반(dclad/2) 보다는 크고, 클래딩의 직경의 2배(2dclad)보다는 작을 수 있다.
광섬유(310)의 다른 끝단(태양광 발전장치)이 구형을 가짐에 따라 마찬가지로 볼록렌즈와 같이 동작한다. 이에, 코어(313)에서 출력되는 광이 일정한 면적에 그대로 출력되는 것이 아니라 태양광 발전장치(130)의 면적 내에서 분산되는 형태로 출력된다. 태양광이 태양광 발전장치(130)로 너무 포커싱되어 입사하게 되면, 해당 부위만 국부적으로 너무 온도가 상승하게 되는 문제가 발생한다. 이에, 코어(313)와 클래딩(316)의 다른 끝단도 구형을 가짐으로써, 태양광 발전장치(130)로 광을 분산시켜 출력할 수 있다.
여기서, 광 케이블의 다른 끝단에 형성되는 광섬유(310)의 코어(313)와 클래딩(316) 형상의 곡률반경은 클래딩의 직경의 절반(dclad/2) 보다는 크고, 클래딩의 직경의 3배(3dclad)보다는 작을 수 있다.
광섬유의 각 끝단부 형상이 도 5와 같이 구현될 경우, 그렇지 않았을 경우에 비해 40%의 광전송 효율이 개선될 수 있다. 예를 들어, 광 케이블의 내경(Dcable)을 10mm로, 하나의 광섬유 코팅의 직경(dcoat)을 0.25mm로, 하나의 광섬유 클래딩의 직경(dclad)을 0.22mm로, 하나의 광섬유 코어의 직경(dcore)을 0.20mm로, 광섬유의 일 끝단에 형성되는 형상의 곡률반경을 0.18mm로, 광섬유의 다른 끝단에 형성되는 형상의 곡률반경을 0.23mm로, Δn14를 0.017로, Δn12(코어의 최대 굴절률과 최소 굴절률의 차이)를 0.001로, 광케이블의 굽힘 허용 반경을 10mm로 설정하고 시뮬레이션 하였을 때, 종래(광섬유의 각 끝단부 형상이 도 5와 같이 구현되지 않았을 때)에 비해 광전송 효율이 40% 개선된 것을 확인할 수 있었다.
이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 태양광 발전 시스템
110: 태양광 집광 장치
120: 광 케이블
130: 태양광 발전 장치
210: 제1 반사미러
215: 중공부
220: 제2 반사미러
310: 광섬유
313: 코어
316: 클래딩
319: 코팅부
110: 태양광 집광 장치
120: 광 케이블
130: 태양광 발전 장치
210: 제1 반사미러
215: 중공부
220: 제2 반사미러
310: 광섬유
313: 코어
316: 클래딩
319: 코팅부
Claims (14)
- 태양광을 입사받아 일 위치로 집광하며, 태양광이 집광되는 위치에 기 설정된 직경의 중공부가 형성된 태양광 집광장치;
태양광을 입사받아 전기에너지를 생산하는 태양광 발전장치; 및
상기 중공부에 배치되어, 상기 태양광 집광장치가 집광하는 태양광을 유입받아 상기 태양광 발전장치로 전달하는 광 케이블을 포함하고,
상기 광 케이블은 복수의 광섬유를 포함하되,
상기 복수의 광섬유 각각은 코어, 상기 코어 외곽에 배치된 클래딩 및 상기 클래딩의 외곽에 배치되어 상기 코어와 클래딩을 외력으로부터 보호하는 코팅부를 포함하며,
상기 태양광 집광장치에 근접한 광 케이블 끝단 측의 상기 각각의 광섬유는 각 광섬유의 끝단이 기 설정된 길이만큼 상기 코팅부가 식각되고, 상기 코어와 상기 클래딩이 구형을 형성하도록 함으로써, 상기 광 케이블의 끝단에서는 집광되는 태양광이 어느 각도로 유입되더라도 상기 코어 내로 집광되도록 하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 태양광 발전장치는,
Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체인 것을 특징으로 하는 태양광 발전 시스템. - 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 태양광 발전장치는,
상기 태양광 집광장치와 공간적으로 분리된 위치에 배치되는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 태양광 집광장치는,
시간에 따른 태양의 방향을 따라 함께 회전하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 시스템. - 태양광 집광장치가 집광한 태양광을 입사받아 태양광 발전장치로 전달하는 광섬유에 있어서,
제1 기 설정된 굴절률과 제1 기 설정된 범위 내의 직경을 갖는 코어;
상기 코어의 외곽에 배치되며, 제2 기 설정된 굴절률과 제2 기 설정된 범위 내의 직경을 갖는 클래딩; 및
상기 클래딩의 외곽에 배치되어, 상기 코어와 상기 클래딩을 외력으로부터 보호하는 코팅부를 포함하며,
상기 코어의 상기 제1 기 설정된 범위는 100㎛이상, 300㎛ 이하이고, 상기 클래딩의 제2 기 설정된 범위는 상기 코어의 직경의 1.1배 이상, 1.2배 이하이며, 상기 코팅부는 10㎛이상, 40㎛ 이하이고,
상기 태양광 집광장치에 근접한 광 케이블 끝단 측의 상기 광섬유는 그 끝단이 기 설정된 길이만큼 상기 코팅부가 식각되고, 상기 코어와 상기 클래딩이 구형을 형성하도록 함으로써, 상기 광섬유의 끝단에서는 집광되는 태양광이 어느 각도로 유입되더라도 상기 코어 내로 집광되도록 하는 것을 특징으로 하는 광섬유. - 제7항에 있어서,
상기 코어는,
상기 클래딩보다 기 설정된 기준치 이상 큰 굴절률을 갖는 것을 특징으로 하는 광섬유. - 제8항에 있어서,
상기 기 설정된 기준치는,
0.015인 것을 특징으로 하는 광섬유. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 태양광 집광장치가 집광한 태양광을 입사받아 태양광 발전장치로 전달하는 광케이블에 있어서,
제7항 내지 제9항 중 어느 한 항의 광섬유가 복수 개 포함되는 것을 특징으로 하는 광 케이블.
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| KR1020210028199A KR102505408B1 (ko) | 2021-03-03 | 2021-03-03 | 광섬유를 이용한 집광형 태양광 발전 시스템 |
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| KR20220124495A KR20220124495A (ko) | 2022-09-14 |
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