KR20010089287A - 반투명성 표면을 가지는 광소자 - Google Patents

반투명성 표면을 가지는 광소자 Download PDF

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KR20010089287A
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Abstract

본 발명은 반투명성 표면(2) 및 에너지 도관(3)을 포함하는 광소자(1)에 관한 것이다. 반투명성 표면(2)은 반투명성 표면(2)에 부딪치는 방사선이 에너지 도관(3)으로 향하도록 형성된다. 태양 전지(3), 유체 라인(13) 또는 광섬유(16)가 에너지 도관으로서 이용되는 것이 바람직하다. 광소자는 확산된 광선으로 지역을 조명하기에 적합하다.

Description

반투명성 표면을 가지는 광소자{LIGHT ELEMENT HAVING A TRANSLUCENT SURFACE}
윈도우, 유리벽 및 지붕을 통하여 비추는 태양 광선은 실내를 조명하기 위하여 이용될 수 있다. 그러나, 강한 빛의 세기는 실내 공간에서 종종 눈부심, 비균일적인 광선 분배 뿐만 아니라 급격한 온도 증가를 종종 발생시킨다. 블라인드(blind)는 인공 조명이 빌딩 내부에 제공되도록 어느 정도 광속을 차단하는 모순된 상황을 자주 초래한다. 입사 광선은 외부로 부터 들어오는 직사 광선(direct sunlight)과, 반구 방향, 즉 모든 방향으로부터 하프 공간(half space)으로 방사되는 거의 균일하게 분배되는 확산 광선(diffuse light)으로 구성되며, 상기 확산 광선은 대기 상태에 따라 직사 광선의 10%까지 이를 수 있다.
그늘을 제공하기 위한 요구때문에, 많은 고층 빌딩에서의 전력의 대부분이 내부 공간에 설치되는 많은 램프 및 전등 설비의 이용의 결과로서 낮동안 소모된다. 인공 광원은 내부로부터 발생되는 열을 제거하기 위하여 "공기 조화"를 위한 부가적인 전기 에너지를 요구하는 "약한 조명 효과를 가진 발열 소자"로서 특징지을 수 있다.
수개의 타입의 블라인드가 수년동안 개발되어 왔는데, 태양에 대해 블라인드의 상대적인 방향이 조절되어 블라인드가 빛을 통과시키거나 반사함으로써 외부로부터 원하지 않는 직사 광선을 반사하여 확산 광선만의 통과를 허용한다. 이러한 의미에서, 특히 참고 문헌이 회전하는 프리즘의 상업적으로 이용가능한 시스템으로 제작되었다. 따라서, 투명한 프리즘 시스템이 태양 광선에 수직한 방향인 경우 투명한 프리즘 시스템은 직사 광선을 반사하고 확산 광선의 통과를 허용한다. 이것은 선택적인 투명 블라인드의 형성을 허용한다.
비록, 이러한 종래의 시스템은 윈도우, 유리 정면 또는 유리 지붕을 갖춘 내부 공간의 조명을 개선시킬 수 있지만, 종래의 시스템은 비록 에너지원으로서 가치있는 것이지만 차폐된 직사 광선이 반사에 의하여 외부로 불리하게 되돌아가는 기본적인 취약점이 있다.
본 발명은 반투명성 표면을 가지는 광소자에 관한 것이다.
도 1은 광전지 모듈을 가지는 본 발명에 따른 시스템의 개략적인 도면이며,
도 2는 유체 라인을 가지는 본 발명에 따른 시스템의 개략적인 도면이며,
도 3은 라이트 가이드를 가지는 본 발명에 따른 시스템의 개략적인 도면이며,
도 4는 온실을 위한 본 발명에 따른 시스템의 적용의 개략적인 도면이며,
도 5는 기후 필로우(climatic pillow)의 개략적인 도면이며,
도 6은 온실용 기후 필로우의 적용을 개략적으로 도시한 도면이며,
도 7은 기후 필로우 주위의 에너지 플럭스를 개략적으로 보여주는 도면이다.
그러므로 본 발명은 반투명성 표면에 직접 충돌하는 방사선을 이용할 수 있는 이러한 타입의 광소자를 더 발전시키기 위한 목적을 토대로 한다.
이러한 목적은 반투명성 표면을 가지는 광소자에 의하여 달성되는데, 상기 반투명성 표면을 갖춘 광소자는 에너지 도관을 포함하며, 상기 반투명성 표면은 상기 반투명성 표면에 직접 충돌하는 방사선만이 상기 에너지 도관으로 향하도록 형성된다.
본 발명에 따른 광소자에서, 직사 방사선과 같은 정도의 입사 방사선의 대부분은 에너지를 이용하기 위하여 에너지 도관으로 향하는 반면, 확산 방사선은 에너지 도관을 우회하여 조명 목적을 위하여 이용될 수 있다. 에너지 도관은 예를 들면 에너지 변환기 또는 라이트 가이드일 수 있다.
지구의 태양 광선은 다음과 같이 선택적으로 처리되는데, 확산 부분은 전달되어 내부 공간을 위한 기본적인 조명을 제공하는 반면, 태양 광선의 직사 부분은 본 발명에 따른 반투명성 표면을 통과하지만, 내부 공간에 도달하기 전 또는 내부 공간에서 초점 라인 또는 초점에서 집중된다.
유용하게는, 반투명성 표면은 프레넬 렌즈(Fresnel lense), 홀로그래픽 렌즈(holographic lens) 또는 굴절 광학 소자(refractive optical element)를 포함할 수 있다. 이러한 광학 수단은 에너지 도관상의 직사 방사선을 집중시키기 위하여 이용될 수 있으며 확산 방사선의 통과를 허용한다.
본 발명에 따른 시스템은 초점 라인 또는 초점에 배치될 수 있어, 집중된 광선을 열[태양 열 콜렉터(thermal solar collector)] 또는 전기[광전지 콜렉터(photovoltaic collector)]로 변환시키거나, 시준된 광선(collimated light)이 편향되어 광소자뒤에 위치된 내부 공간으로 전달되는 2차 광학 소자를 통하여 제공될 수 있다. 바람직한 일 실시예에 따라, 에너지 도관은 열을 제거하기 위한 수동 또는 피동 수단을 갖춘 태양 전지를 포함한다.
선택적으로, 에너지 도관은 유체 라인으로서 실시될 수 있다. 여기서 흡수되는 열은 유용한 열역학적 또는 열적 시스템으로 순차적으로 공급될 수 있다.
제 3 실시예에 따라, 에너지 도관은 라이트 가이드를 포함할 수 있다. 라이트 가이드는 집중된 광선의 추가적인 전달이나 수개의 라이트 가이드의 광선을 부가적으로 집중시키는 것을 허용한다.
바람직한 일 실시예에 따라, 광소자의 유입 단부는 초점면의 이동을 트랙킹(tracking)하는 반면, 유출 단부는 고정되어 에너지 도관을 향한다.
바람, 날씨 및 오염물으로부터 라이트 가이드를 보호하기 위하여, 광소자는 반투명성 보호 표면뒤에 배치될 수 있다. 보호 표면은 단일 유리 패널일 수 있는데, 이러한 단일 유리 패널은 용이하게 세척할 수 있어 유리 패널뒤에 배치된 광소자의 특별한 광학 소자를 정규적으로 세척할 필요가 없도록 한다. 바람직하게는, 광소자는 광소자를 위한 최적 보호를 제공하는 두 개의 패널을 형성하는 두 개의 반투명성 표면 사이에 배치될 수도 있다.
일반적으로, 에너지 도관은 반투명성 표면과 부가적인 반투명성 표면 사이에 배치될 수 있다. 부가적인 반투명성 표면은 보호 표면의 형태이거나 반투명성 표면에 직접 부딪치는 에너지 도관상의 방사선 부분만이 향하도록 설계될 수 있다.
유용하게, 반투명성 표면들 또는 반투명성 표면은 생활 공간에 이용될 수 있다. 이러한 생활 공간은 방사선의 확산 부분만이 생활 공간에서 감지될 수 있으며, 이는 반투명성 표면에 부딪치는 방사선의 부분이 에너지 도관으로 향하여 생활 공간을로 도달하기 전에 흡수되기 때문이다.
반투명성 표면을 갖춘 본 발명에 따른 광소자의 다양한 실시예는 도면을 참고로 하여 더욱 상세하게 설명된다.
도 1에 도시된 광소자(1)는 반투명성 표면(2) 및 에너지 도관(3)을 필수적으로 포함한다. 도시된 실시예에서의 에너지 도관(3)은 광전지 소자로서 실행되고 프레넬 렌즈의 형태인 반투명성 표면(2)과 윈도우 패널(4) 사이에 배치된다.
태양(5)으로부터의 방사선(6)은 직사 방사선(7) 및 확산 방사선(8)으로서 반투명성 표면(2)에 부딪친다. 반투명성 표면(2)에 직접 부딪치는 방사선(7)은 광전지 콜렉터(2)의 프레넬 렌즈에 의하여 집중되는 반면, 확산 방사선(8)은 프레넬 렌즈 및 프레넬 렌즈 뒤에 배치된 윈도우 패널(4)을 통과한다.
프레넬 렌즈(2)는 포인트 이미지 또는 선형 이미지를 형성할 수 있어, 방사선을 포인트형 또는 선형 에너지 도관(3)으로 집중시킨다.
더욱이, 프레넬 렌즈(2)는 태양(5)을 트랙킹하기 위하여 하나 또는 두 개의 축선에 대하여 회전할 수 있어 에너지 도관(3)이 배치되어 방사선 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 초점 라인 또는 초점상의 직접적인 방사선의 대부분을 통합한다. 태양(5)의 방사선(8)의 확산 부분은 렌즈를 통과하여 에너지 변환기를 우회하며 윈도우 패널(4) 뒤에 배치되고 조명되는 내부 공간(9)으로 도달한다.
본 발명의 장치는 한편으로는 그 뒤에 놓여 있는 충분한 양의 눈부시지 않은 광선이 내부 공간으로 통과되도록 하며 한편으로는 전달되지 않는 방사선(7)의 직사 부분의 유용한 에너지를 이용할 수 있도록 하는 요구를 충족시킨다.
스트립형 또는 원형 광전지 모듈(3)은 집중되는 조명 아래에서 작동되므로 냉각된다. 적절하게, 활성 냉각 루프(예를 들면 물)가 적용될 수 있어, 전체 시스템은 빛 뿐만 아니라 전력 그리고 낮은 온도의 열적 에너지(통상적으로, 약 40℃ 내지 50℃의 온도의 물)를 공급한다. 실리콘은 선형 광학 소자로 작동되는 집중기형 태양 전지에 대한 적절한 재료인 반면, 갈륨 비화물(gallium-arsenide)은 포인트에 초점을 맞추는 광학 소자를 이용하는 태양 전지에 대해 우수한 재료이다.
도 1은 수 냉각 대신 냉각 핀(10, 11)을 보여주며, 광전지 모듈(2)은 태양(5)을 트랙킹하기 위하여 축선(12)에 대해 회전될 수 있다.
도 2는 유사한 시스템을 보여주는데, 이는 광전지 모듈이 열적 에너지의 부가적인 회복을 허용하는 유체 라인(13)에 의하여 대체된다. 유체 라인(13)은 외부를 검게 한 중공형 흡수 튜브(hollow absorber tube)로서(선형 초점 조정 광학 소자가 이용되는 경우) 또는 외부를 검게 한 흡수 구형체(포인트로의 광학 초점 조정이 이용되는 경우)로서 실행된다. 기체 또는 액체일 수 있는 가열되는 유체(14)는 튜브 또는 구형체 내부를 순환한다. 대응하는 일차원 초점 조정 광학 소자의 회전 축선은 흡수 튜브(13)의 중앙 축선과 일치하는 반면, 이차원 초점 조정 광학 소자의 초점이 아날로그 방식으로 흡수 구형체의 중앙에 위치한다.
흡수기(13)의 열 효율은 흡수기(13)를 투명한 재킷 튜브 또는 엔벨로핑 구형체(enveloping sphere)(15)로 둘러쌈으로써 강화될 수 있다. 재킷(15)과 흡수기 사이의 공간은 진공으로 되고 흡수기 표면은 입사, 집중된 광선 플럭스의 가장 가능한 부분이 흡수되는 방식으로 검게될 수 있으며 동시에 흡수기의 열 반사가 최소화된다.
흡수기에서 회복된 열적 에너지가 예를 들면 본 발명의 시스템을 구비한 빌딩을 가열, 서비스 물 공급, 또는 [흡수 시스템, 스터링 냉각 시스템(Sterling refrigeration systems) 등으로] 냉각시키기 위하여 이용될 수 있다. 그러나, 다른 열동력학적 기계(예를 들면, 증기 터빈 또는 스털링 엔진)는 또한 기본적으로 작동될 수 있다. 선형 광학 소자를 이용하는 시스템은 약 50℃와 400℃ 사이의 온도에서 통상적으로 작동되는 반면, 2차원 초점 조정 광학 소자를 이용하는 시스템은 1000℃를 훨씬 초과하는 온도에서 작동될 수 있다.
도 3은 가요적 라이트 가이드(16)를 가지는 시스템을 보여준다. 이러한 라이트 가이드(16)는 집중된 평행 광선 다발 디프(parallel light bundle deep)의 형태로 초점 라인 또는 초점에 집중된 광선을 빌딩내로 전도한다. 미러 및/또는 렌즈의 형태인 적절한 시스템이 초점 라인 또는 초점을 향하여 수렴하는 광선을 시준하기 위하여 적용될 수 있어, 광선은 과도한 발산없이 초점 라인 또는 초점으로부터 원하는 위치로 다시 향할 수 있다. 태양을 트랙킹하는 광학 소자가 초점 라인 또는 초점에서 입사각이 계속적으로 변하기 때문에, 이 같이 시준이 변화하는 부가적인 광학 소자는 보통 타깃이 입사 광선 및 불시적인 광선의 광학 상태에 따라 연속적으로 조명하는 방식으로 보통 트랙킹되어야 한다. 본 발명의 실시예에서, 이것은 스트립 형상의 가요적 라이트 가이드(선형 초점 광학 소자의 경우) 또는 원형 라이트 가이드(2차원 광학 소자의 경우)에 의하여 해결된다. 시준된 직사 방사선(7)은 프레넬 렌즈(2)에 의하여 변형되어 일정한 각도(17)로 수렴하는 광선 다발을 형성한다. 가요적 라이트 가이드(16)는 입체각 범위로부터 광선을 수집하는데, 이러한 입체각 범위는 상기 각도(17)와 동일하거나 더 크며, 총 내부 반사를 통하여 내부로 광선을 가이드한다.
라이트 가이드(16)의 가요성의 결과로서, 광선 유입 단부(18)가 태양 트랙킹 광학 소자에 연결되어 광선 유입 단부는 한편으로는 입사 광선 다발의 광학 축선에 수직하게 영구적으로 배향되고, 한편으로는 광학 시스템의 회전 축선 및 회전의 포인트는 각각 이러한 유입 단부를 통하여 연장된다. 이것은 집중된 직사 광선이 태양의 위치에 관계없이 가요적 라이트 가이드로 결합되는 것을 보장한다.
유출 단부(19)는 홀딩 장치(20)에 의하여 배치되어 타깃 위치(21)의 방향으로 항상 향한다. 적절한 광학 장치는 라이트 가이드의 유출 단부(19)로부터 일정한 각도(22)로 발산되는 광선을 각각의 조명 요구 조건에 따르는 정도로 시준한다.
이것은 두 개의 대응하는 오목한 미러(23, 24)를 조합함으로써 본 실시예가 달성된다. 그러나, 유출 광선 다발에 렌즈만을 포함하는 시스템이 기본적으로 실행될 수 있다.
상술된 시스템은 주광의 확산 부분을 전달하며 잘 형성되고 공간적으로 구별된 초점 지역에서 주광의 직사 부분을 묶는 광학 시스템이 빌딩의 유쾌하고 눈부시지 않는 내부 조명을 제공할 뿐만 아니라 이러한 빌딩에서 매우 원격된 지역의 동시 가열, 냉각 및 전력 및 조명을 제공하는 것을 설명한다. 중량 및 비용 때문에, 본 발명의 개념은 홀로그래픽 렌즈 및/또는 굴절 광학 소자의 이용을 통하여 기본적으로 실현될 수도 있다.
렌즈 시스템은 현존하는 빌딩 윈도우의 정면 또는 뒤, 빌딩의 유리벽 또는 유리 지붕에 수용될 수 있다. 시스템이 윈도우 패널 뒤, 즉 빌딩 내부에 배치되는 경우, 초점 라인 또는 초점에 위치되는 방사선 수용기 및 방사선 변환기로부터 발생되는 원하지 않는 열 부하는 그때 적절한 절연 및 외부로의 유체 유동의 전환에 의하여 최소로 감소될 수 있다.
전형적으로, 윈도우, 건물의 정면 또는 광선 루프 뒤에 설치되는 렌즈 시스템의 이용은 바람 또는 비에 의한 손상없이 건물의 정면 또는 광선 루프가 광학 기능을 충족하기 때문에 더욱 유용하다. 윈도우 뒤에 보호 환경으로 배치되는 재료, 기어 및 기계 부품이 비용 및 중량을 상당히 줄일 수 있고 에너지를 보존하고 더 긴 수명을 가지도록 하기 때문에 이것은 요구된 태양 트랙킹 시스템을 매우 단순화한다.
도 4는 반투명성 보호 표면(31) 뒤에 본 발명에 따른 광전 소자(30)를 설치하는 일 실시예를 보여준다. 반투명성 보호 표면(31)은 온실(32)의 외측 유리벽에 의하여 여기서 형성된다. 보호 표면 아래 배치된 것은 일점 쇄선으로 표시된 렌즈(33)이다. 이러한 렌즈(33)는 파이프(35)로의 직사 태양 방사선(24)를 집중시킨다. 유체는 파이프(35)를 통하여 유동되어 열 저장부(36)에 집중된다. 예를 들면, 밤에 가열된 유체가 열 저장부(36)로부터 철회되어 펌프(37)에 의하여 파이핑 시스템(38)을 통하여 온실(32)로 열을 펌핑할 수 있다. 온실(32)에 위치된 식물(39)은 렌즈를 통과하는 광선의 확산 부분만을 반드시 수용하며-광학적으로- 루프 영역을 통과하는 직사 광선의 근소한 부분은 렌즈에 의하여 커버되지 않는다. 또한 렌즈를 통과하는 이러한 광선 부분을 확산 광선으로 변환하기 위하여, 매우 전달적이고 바람직하게는 광 섬유 조직이 전방 스캐터링(scattering)을 통하여 직사 광선을 확산 광선으로 효율적으로 변환하기 위한 이러한 영역에 배치될 수 있다.
도 5는 광 모듈 광학 소자(light modular optical element; 40)를 도시한다. 본 발명에 따라, 광학 렌즈 시스템(41) 및 광선 수집 및 수렴 시스템(light collection and conversion systems)이 공기의 작용에 의하여 형성되는 투명한 필로우 시스템의 내부의 이 필로우(41)에 배치된다. 필로우(42)는 두 개의 매우 투명하고 기계적으로 강하며 환경적으로 안정된 형광폴리머 시트(fluoropolymer sheets)로 형성된다. 형광폴리머 시트는 내부 공기 과압에 의하여 필로우로 형성된 두 개의 투명 시트(42 및 44)로 형성되고 기계적 안정 프로파일(45)에 의하여 주변을 따라 지지된다. 또한 렌즈 시스템(41)의 회전 축선과 유체 라인은 이러한 프로파일을 통하여 연장된다. 이러한 프로파일(45)은 필로우(42)가 태양(46)을 트랙킹하여 직사 방사선(47)이 필로우의 표면에 거의 수직한 상부 필로우 엔벨로프(43)에 부딪치게 한다.
도 6은 수개의 공기 필로우 소자(pneumatic pillow elements; 50)로부터의 온실(51)의 엔벨로프의 형성을 보여준다. 그럼으로써 온실(51) 내부에 위치된 식물(52)은 쾌적한 온도에서 충분한 광선을 받는다. 렌즈 시스템(53)은 렌즈(54)를 통한 열역학적 기계(55)로 공급되는 뜨거운 유체를 생산한다. 전력(56)은 생산되고 냉각된 유체는 제 2 라인(57)을 통하여 렌즈 시스템(53)으로 복귀된다. 열 저장부(58)의 선택적 통합을 통하여, 열역학적 기계(55)는 날씨가 나쁜 기간을 극복할 수 있으며 기본적으로 밤과 낮에 작동될 수도 있다.
이러한 타입의 온실은 반 건조 및 건조 기후 지역에 특히 적합하다. 조절된 내부 기후는 최적 식물 성장을 가능하게 한다. 엔벨로프에 생산된 에너지는 이같은 확장가능한 모듈의 "오아시스(oases)"로 에너지를 공급하기 위하여 이용될 수 있다.
또한 전력을 발생하여 분배하기 위한 완전히 새로운 타입의 태양력 플랜트(solar power plants)가 구성될 수 있다. 동력 플랜트를 위하여 요구된 플로어 스페이스(floor space)가 소모되지 않으며 차라리 자동적으로 강화되는데, 이는 상술된 바와 같이, 식물 및 인간을 위한 최적 생활 및 작업 상태가 생성된다
도 7은 에너지 및 기후 엔벨로프로 유입되고 유출되는 에너지 플럭스를 개략적으로 도시한다. 입사 태양 지구 방사선(60)은 스펙트럼 범위(A, B, C)로 구성되는데, A는 스펙트럼의 단파 가시 UV 부분, B는 가시 스펙트럼, 그리고 C는 스펙트럼의 장파 가시 적외 부분을 나타낸다. 기후 및 에너지 엔벨로프(61)의 에너지 도관 및 렌즈 시스템은 지구 방사선을 열, 냉각, 전력 뿐만 아니라 지향된 집중광선(62)으로 변환한다. 다향한 전술된 타입의 에너지는 배타적으로 그리로 다른 타입의 에너지와 조합하여 생산될 수 있다.
입사 지구 방사선의 확산 부분(63)은 렌즈 시스템에 의하여 초점이 맞추어지지 않으며 확산, 눈부시지 않는 광선의 형태로 에너지 기후 엔벨로프 뒤 또는 아래의 공간(64)으로 도달한다.
본 발명의 시스템은 다용성의 태양광선을 이용하는 부품을 나타내며 보편적인 빌딩 뿐만 아니라 다양한 형태의 완전한 빌딩 엔벨로프의 건축을 위하여 윈도우 소자, 건물의 정면 소자 또는 지붕 소자로서 이용할 수 있다. 이 같은 공간의 내부 공간은 부가적인 에너지를 생산하는 엔벨로프를 갖춘 열 및 광선에 대하여 기후 조절된다.

Claims (10)

  1. 반투명성 표면을 가지는 광소자에 있어서,
    에너지 도관을 포함하며, 상기 반투명성 표면은 방사선만이 상기 에너지 도관으로 향하도록 형성되어 상기 방사선이 상기 반투명성 표면에 직접 부딪치도록 하는 것을 특징으로 하는 광소자.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 반투명성 표면은 프레넬 렌즈, 홀로그래픽 렌즈 또는 굴절성의 광학 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 광소자.
  3. 전술한 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 에너지 도관은 태양 전지를 포함하는 것을 특징으로 하는 광소자.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 에너지 도관은 유체 라인을 포함하는 것을 특징으로 하는 광소자.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 에너지 도관은 라이트 가이드를 포함하는 것을 특징으로 하는 광소자.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 라이트 가이드는 가요적인 것을 특징으로 하는 광소자.
  7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서, 상기 라이트 가이드의 유입 단부는 초점면의 이동을 트랙킹하며 상기 라이트 가이드의 유출 단부는 고정되어 상기 에너지 도관을 향하고 있는 것을 특징으로 하는 광소자.
  8. 전술한 항 중 어느 한 항에 있어서, 반투명성 보호 표면 뒤에 배치되는 것을 특징으로 하는 광소자.
  9. 전술한 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 에너지 도관은 상기 반투명성 표면과 부가적인 반투명성 표면 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 광소자.
  10. 전술한 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반투명성 표면은 생활 공간에 이용될 수 있는 것을 특징으로 하는 광소자.
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