KR20010094713A - Reflector structure design of radiant energy collector - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A structure of reflector of an optical concentrator is provided to focus efficiently light energy by improving a structure of a reflective mirror. CONSTITUTION: A main reflective mirror(1,1') has a reflective face of a parabolic shape. The second reflective mirror(2,2') has the reflective face of the parabolic shape or an elliptical shape. The main reflective mirror(1,1') is formed with two reflective mirrors(1,1') which are symmetrical to each other. The second reflective mirror(2,2') is located between the reflective mirrors(1,1') of the main reflective mirror(1,1') in order to connect the reflective mirrors(1,1') with each other. An endothermic face(3) or an endothermic tube is formed in the second reflective mirror(2,2'). The second reflective mirror(2,2') is formed with two reflective mirrors(2,2'). The main reflective mirror(1,1') and the second reflective mirror(2,2') have a common focus.

Description

광 집속기의 반사경 형성구조 {Reflector structure design of radiant energy collector}Reflector structure design of radiant energy collector

본 발명은 태양열 에너지 이용 광 집속장치에 있어 반사경의 형성구조에 관한 것이다.The present invention relates to a structure for forming a reflector in a solar energy utilizing light focusing apparatus.

일반적으로 광에너지 집속장치는 광학장치와 에너지 변환장치와의 합병으로 응용되는데, 이 합병은 가상적으로 태양 에너지와 같은 광 에너지를 열 에너지 또는 전기 에너지로 전환시키는 모든 응용에 적용된다. 광학장치는 광 에너지를 집속하는 수 많은 장치에 적용되지만, 특히 고온을 필요로 하는 집열장치, 고효율을 요구하는 인공위성의 동력판(Power panels)과 같은 태양전지 배열(Solar cell array) 등에 적용된다.In general, optical energy concentrators are applied by the merger of optical devices and energy converters, which virtually apply to all applications that convert light energy such as solar energy into thermal energy or electrical energy. Optical devices are applied to a number of devices that focus light energy, but are particularly applied to solar cell arrays such as heat collectors requiring high temperatures and power panels of satellites requiring high efficiency.

태양열 에너지 이용기술은 잘 알려져 있으며, 특히 고온을 발생하여 동력원으로 사용하고자 하는 장치를 수 십년 동안 개발하여 왔다. 고온용 집속기는 사용하고자 하는 목적과 형태에 따라 여러 종류로 구분되는데, 대표적인 것은 포물형 집속기로서, [도 1]과 같은 2차원 포물선으로 구성된 여물통 형태 (Parabolic Trough)의 2차원 집속기 와 [도 2]와 같은 3차원 포물선으로 구성된 접시 형태 (Parabolic Dish)의 복합포물면 집속장치(CPC: Compound Parabolic Concentrator)인 3차원 집속기가 있다.Solar energy utilization technology is well known and has been developing devices for decades, especially those that generate high temperatures and use them as power sources. The high temperature concentrators are classified into various types according to the purpose and shape to be used. The representative ones are parabolic concentrators, and two-dimensional concentrators of parabolic troughs composed of two-dimensional parabolas as shown in FIG. There is a three-dimensional concentrator that is a compound parabolic concentrator (CPC) of a dish type (Parabolic Dish) consisting of a three-dimensional parabolic as shown in FIG.

2차원 집속기는 일반적으로 집속비가 10이하인 경우 사용하며 그 이상의 집속비가 필요한 경우에는 3차원 집속기를 사용한다.A two-dimensional focuser is generally used when the focusing ratio is less than 10, and a three-dimensional focuser is used when a higher focusing ratio is required.

여기서 광 집속비라 함은 집속기의 빛의 출구면(흡열면)면적에 대한 빛이 들어오는 개구면(입사면)면적의 비로 정의된다.Here, the light focusing ratio is defined as the ratio of the area of the opening surface (incident surface) where light enters to the area of the exit surface (heat absorbing surface) of the light of the collector.

포물면 집속기는 2, 3차원 공히 오차에 민감하여 정확한 태양 추적이 필요하다. 예로써 집속비가 100이면 포물면 집속기 전체의 오차한계가 ±1.5°이내에 있어야 70%이상의 광학적 효율을 구할 수 있다. 오차의 한계가 작을수록 장치의 정밀도가 높아지게 되며 고가의 장비가 된다.Parabolic focusers are sensitive to errors in both two and three dimensions and require accurate sun tracking. For example, if the focusing ratio is 100, the optical efficiency of 70% or more can be obtained if the error limit of the entire parabolic focuser is within ± 1.5 °. The smaller the margin of error, the higher the accuracy of the device and the more expensive the equipment.

이상에서 상술한 바와 같이 일반적으로, 고온용 광 집속기는 장치의 중량, 부피, 태양추적의 정확도, 광학부품의 제한된 오차한계 등이 본질적인 문제가 있다. As described above, in general, the high temperature optical concentrator has an inherent problem such as the weight, volume, accuracy of solar tracking, and limited error limits of the optical component .

특히 인공위성과 관련하여 전력원(電力源)으로 응용되어 왔는데, 미래의 인공위성 임무는 보다 많은 요구조건을 충족시키기 위하여 100∼600 kW 범위의 전력을 충당할 수 있는 태양전지 배열을 요구하고 있어, 이러한 전력은 평판형 장치로는 실질적으로 불가능하여, 입체형 장치인 광 집속기의 사용이 요구된다.In particular, satellites have been applied as a power source, and future satellite missions require solar cell arrays that can cover 100 to 600 kW in order to meet more requirements. Power is practically impossible with flat panel devices, and therefore, the use of a light concentrator, which is a three-dimensional device, is required.

이와같이 큰 인공위성의 상대적으로 높은 전력과 부수적으로 발생하는 높은 전류 또는 높은 전압은 기존의 작은 인공위성에 사용되는 태양전지 전력원 장치보다 많은 새로운 장치의 창안 문제가 제기되고 있다.The relatively high power of such large satellites and the high currents or high voltages that occur incidentally raises the issue of the creation of more new devices than the solar cell power source devices used in existing small satellites.

즉 인공위성에 대한 광 집속장치 적용상 고질적인 한계인 중량 및 부피, 열 에너지의 안전한 소산, 태양전지의 가격 등 여러 문제를 극복해야 하는데, 종래에 있어 지상에서 사용되고 있는 태양전지의 기술로서 종래의 집광장치는 이러한 인공위성의 기술상 문제점을 해결 할 수 없었다.That is, it is necessary to overcome various problems such as weight and volume, safe dissipation of thermal energy, and price of solar cells, which are inherent limitations in the application of the optical focusing apparatus to satellites. The device could not solve the technical problem of these satellites.

이와 같은 제반 문제를 해결하기 위하여 종래부터 많은 발명이 창안되어 왔는데, .미국특허번호 제4,003,638호(명칭; Radiant Energy Concentration)와 미국특허번호 제4,002,499(명칭 ; Cylindrical Concentrators for Solar Energy)가 기본적인 발명의 일종이다.In order to solve such problems, many inventions have been invented in the related art. US Patent No. 4,003,638 (name; Radiant Energy Concentration) and US Patent No. 4,002,499 (name; Cylindrical Concentrators for Solar Energy) It is a kind.

이런 노력들은 기본적으로 [도 1]과 [도 2]에 도시된 종래의 포물형 광 집속장치의 반사면 구조를 넘어서지 못하고 있는 것으로 상기한 광 집속장치의 고질적 문제를 명쾌하게 해결하지 못하고 있다.These efforts do not basically overcome the reflecting surface structure of the conventional parabolic light concentrator shown in FIGS. 1 and 2, and do not clearly solve the above-mentioned problems of the light concentrator.

상기와 같은 종래의 광 집속 장치의 문제점을 해결하기 위하여 본 발명이 창안되었는데, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 비구면 광학곡면의 특수한 광학적 성질을 이용하여 2개 또는 그 이상의 서로 다른 포물면의 반사경을 특수하게 조합시켜 태양추적의 오차범위를 넓히도록 하여 광 에너지 집속을 위한 기본장치에 응용하여 흡열면에 태양열을 집속하게 하므로서 보다 높은 온도를 발생시킬 수 있도록 하며, 태양전지 장치와 합병하여 동일한 반도체에 높은 광 에너지를 집속시키므로써 보다 높은 실질적인 전기에너지 변환효율을 얻을 수 있도록 하고자 함에 있다.In order to solve the problems of the conventional optical focusing apparatus as described above, the present invention has been made, the technical problem to be solved by using the special optical properties of the aspherical optical curved surface of two or more different parabolic reflectors By specially combining to widen the range of error of solar tracking, it is applied to the basic device for focusing the light energy to focus solar heat on the heat absorbing surface and to generate higher temperature. By concentrating high light energy to achieve a higher practical electrical energy conversion efficiency.

즉 본 발명의 목적을 달성하는 광 집속기는 포물면으로 된 두 벌의 반사경 즉 한 벌의 주반사경과 한 벌의 제2 반사경을 특수하게 조합하여 배열하므로서 주어진 한계입사각에 대하여 집속비가 높으며, 광 추적의 정확도에 덜 민감하고, 흡열면 또는 수광면에서의 에너지 밀도가 실질적으로 균일하게 하고자 한 것으로, 반사경을 포물면으로 하고 한계입사각 만큼 기울여 일정한 축을 대칭으로 한 벌의 반사경을 주 반사경과 제2 반사경으로 하여 설치하고 특히 제2 반사경의 설치를 도립하여 서로 등을 지고 대칭하여 설치되게 하여 집속기 구조를 겸비한 광 집속장치를 제공하는데 본 발명의 특징이 있는 것이다.That is, the optical concentrator which achieves the object of the present invention has a high focusing ratio for a given limit incident angle by arranging specially combining two sets of reflectors of parabolic surfaces, that is, one pair of main reflectors and one set of second reflectors, In order to be less sensitive to the accuracy of and to make the energy density at the endothermic or light-receiving surface substantially uniform, the reflector is a parabolic surface and tilted by the limiting incident angle to symmetrically on a certain axis. The present invention provides an optical focusing apparatus having a concentrator structure by inverting and symmetrically installing the second reflector.

본 발명의 목적에 따른 집속기는 광학 반사경의 조합이 간단한 기본구조를 변경하여 주 반사경과 제 2의 반사경을 특정한 각도로 기울임으로서 주어진 한계입사각 이내로 들어오는 입사광선이 반사된 후의 광 손실을 최소화하여 효율을 높이고자 하며 주어진 한계입사각에 대하여 에너지 밀도를 증가하고자 한다.Focusing machine according to the object of the present invention by changing the basic structure of the simple combination of the optical reflector and tilting the main reflector and the second reflector at a specific angle to minimize the light loss after the incident light is reflected within a given limit incident angle We want to increase the energy density and increase the energy density for a given marginal incident angle.

도 1은 종래의 2차원 포물형 광 집속기의 개략적 구성도1 is a schematic configuration diagram of a conventional two-dimensional parabolic light concentrator

도 2는 종래의 3차원 포물형 광 집속기의 개략적 구성도2 is a schematic configuration diagram of a conventional three-dimensional parabolic light concentrator

도 3은 본 발명에 따른 광집속기의 반사경 형성구조에 있어 기본구조의 반단면Figure 3 is a half cross section of the basic structure in the reflector forming structure of the optical concentrator according to the present invention

도 4는 본 발명에 따른 광집속기의 반사경 형성구조에 있어 기본구조의 전단면Figure 4 is a shear plane of the basic structure in the reflector forming structure of the optical concentrator according to the present invention

도 5는 본 발명의 반사경 형성구조를 따른 제1 실시예의 3차원 집속기의 개략적 구성도5 is a schematic configuration diagram of a three-dimensional focusing machine of the first embodiment according to the reflector forming structure of the present invention;

도 6은 본 발명에 따른 제1 실시예의 2차원 집속기의 개략적 구성도6 is a schematic configuration diagram of a two-dimensional focuser of a first embodiment according to the present invention;

도 7은 본 발명에 따른 제2 반사경이 타원면인 경우 기본구조의 반단면7 is a half cross section of the basic structure when the second reflector according to the present invention is an ellipsoid;

도 8은 본 발명에 따른 제2 반사경이 타원면인 경우 기본구조의 전단면8 is a shear plane of the basic structure when the second reflector according to the present invention is an ellipsoid

도 9는 본 발명에 있어 제2 반사경이 포물면인 경우 반사경을 한계입사각 만큼 기울인 경우 기본 구성도9 is a basic configuration when the second reflector is a parabolic plane when the reflector is tilted by a limiting incident angle in the present invention

도 10은 본 발명에 있어 제2 반사경이 타원면인 경우 반사경을 한계입사각 만큼 기울인 경우 기본 구성도10 is a basic configuration when the second reflector is inclined by the limit incident angle when the second reflector is an ellipsoid in the present invention

도 11은 본 발명에 있어 포물면인 제2반사경을 Y축과 평행하게 자른 단면 기본 구성도11 is a cross-sectional basic configuration of the parabolic second reflecting mirror cut parallel to the Y axis in the present invention;

도 12는 기존의 광집속기의 기본원리와 본 발명의 기본원리의 비교 설명도12 is a comparative explanatory view of the basic principle of the conventional optical focusing machine and the basic principle of the present invention

도 13은 본 발명의 또다른 실시예로서 보조반사경이 형성된 기본 모형도13 is a basic model of the auxiliary reflector formed as another embodiment of the present invention

도 14는 본 발명의 또 다른 실시예로서 집속기의 제2 반사경과 흡열관을 유리관이 수용한 기본 모형도14 is a basic model view in which a glass tube accommodates a second reflector and an endothermic tube of a focuser as another embodiment of the present invention;

도 15는 본 발명의 또 다른 실시예로서 집속기 전체를 유리관이 수용한 모형도15 is a model view in which the glass tube accommodates the entire concentrator as another embodiment of the present invention.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ><Description of Symbols for Main Parts of Drawings>

1, 1' : 주 반사경 2, 2' : 제2 반사경 3 : 흡열면1, 1 ': main reflector 2, 2': second reflector 3: endothermic surface

5 : 흡열관 6 : 보조 반사경 8 : 지지대5: endothermic tube 6: auxiliary reflector 8: support

31, 32 : 유리관 41 : 입사광선 42 : 반사광선31, 32: glass tube 41: incident light 42: reflected light

F, F' : 공유 초점 Φ: 환형 초점 φ: 선형 초점F, F ': shared focus Φ: annular focus φ: linear focus

본 발명에 따른 광 집속기의 반사경 형성구조에 대하여 이하에서 첨부도면과 함께 상세히 설명하기로 한다.The reflector forming structure of the optical concentrator according to the present invention will be described in detail below with reference to the accompanying drawings.

[도 3]와 [도 4]는 본 발명에 따른 광 집속기의 반사경 형성구조에 있어 제1 실시예에 의한반사경의 기본구조를 단면형태로 도시한 도면인데, [도 3]은 반사경 기본구조의 반(半)단면을 도시한 것이고 [도 4]는 전(全)단면도이다.3 and 4 are cross-sectional views showing the basic structure of the reflector according to the first embodiment in the reflector forming structure of the optical concentrator according to the present invention, and FIG. Fig. 4 shows a half cross section of Fig. 4 is an entire cross section.

본 발명에 있어서 제1 실시예에 의한 반사경의 기본구조 는 [도 3]와 [도 4]에 도시된 것 처럼 포물면인 주 반사경(1,1')과 또 하나의 도립된 반사 포물면인 제 2의 반사경(2,2')과 수광면(3)로 구성된다. 수광면(3)은 평면, 구형, 원통 또는 다른 형태로 대치할 수 있다.In the present invention, the basic structure of the reflector according to the first embodiment is a second reflector parabolic surface and a second inverted reflection parabolic surface, as shown in FIGS. 3 and 4. Is composed of a reflecting mirror (2, 2 ') and a light receiving surface (3). The light receiving surface 3 may be replaced by a plane, a sphere, a cylinder or another form.

[도 3]과 [도 4]에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 광 집속기에 있어 제1 실시예에 의한 반사경은 단면으로 관찰할 때 주 반사경은 최외곽을 형성한 포물면으로 서로 대칭되는 두 개의 반사경(1,1')으로 형성되고, 두 개의 반사경으로 이루어진 한 벌의 주 반사경(1,1') 사이 저면측에서 두 반사경을 연결하는 흡열면(3)이 형성되고, 흡열면(3)의 상부 표면 중앙에 도립(倒立)된 형태로 두 개의 반사경으로 구성된 한 벌의 제2반사경(2,2')이 형성되는데 제2반사경(2,2')의 두 반사경은 서로 등을 지고 형성되어 두 개의 주 반사경(1,1')과 각 각 대향하여 반사면 끼리 마주보며 형성된다.As shown in FIGS. 3 and 4, the reflector according to the first embodiment of the optical concentrator according to the present invention, when viewed in cross section, has two main mirrors that are symmetrical with each other in a parabolic plane that forms the outermost part. A heat absorbing surface 3 formed of two reflecting mirrors 1, 1 ', and connecting the two reflecting mirrors at the bottom side between a pair of main reflecting mirrors 1, 1' consisting of two reflecting mirrors, and a heat absorbing surface 3 The second reflector (2,2 ') consisting of two reflectors is formed in an inverted shape in the center of the upper surface of the lens. The two reflectors of the second reflector (2,2') face each other. It is formed so as to face the two main reflectors (1, 1 ') and the reflecting surface facing each other.

본 발명의 제1 실시예에 의한 기본구조에서 상기 주 반사경(1)과 제2반사경(2)의 초점은 초점 F에서 공유하도록 하고, 공간 좌표계 x축에 평행하고 초점 F를 지나는 축 SS'을 공유하도록 형성한다. 도립된 포물면인 제 2 반사경(2)의 하단 끝점은 흡열면(3)의 기하학적 중점(中點)G와 일치하며, 제 2 반사경(2)의 기하학적 상단 점(上端 點)E는 흡열면(3)의 기하학적 일측단 점(一側端 點)H와 일치한다. 제2 반사경(2, 2')(2)의 점 E는 공간 좌표계 x축에 평행하게 들어오는 입사광선(41)이 주 반사경(1)의 상단 점(上端 點)N에서 반사된 광선(42)와 흡열면(3)의 일측단 점 H를 향하여 들어오는 광선(43)이 서로 만나는 점이다.In the basic structure according to the first embodiment of the present invention, the focal points of the main reflector 1 and the second reflector 2 are shared at the focus F, and the axis SS 'parallel to the x axis of the spatial coordinate system and passing through the focal F is defined. Form to share. The lower end point of the inverted parabolic surface of the second reflecting mirror 2 coincides with the geometric midpoint G of the heat absorbing surface 3, and the geometric upper point E of the second reflecting mirror 2 is the heat absorbing surface ( It coincides with the geometric one-sided end point H of 3). The point E of the second reflecting mirrors 2, 2 '(2) is the ray 42 in which the incident light beam 41 coming in parallel to the x-axis of the spatial coordinates is reflected at the upper point N of the main reflecting mirror 1; And the rays 43 coming in toward one end H of the heat absorbing surface 3 meet each other.

공간 좌표계 x축과 일치하는 본 발명의 제1 실시예에 의한 광 집속기의 반사경의 대칭축인 LL'을 중심으로 180°회전하였을 때 [도 4]와 같이 형성된다. 따라서 본 발명의 제1 실시예에 의한 광 집속기는 대칭으로 형성된 2 개의 주 반사경(1, 1')과 2 개의 제 2 반사경(2, 2')으로 반사경을 구성하고 있어 2 개의초점(F, F')이 형성된다. 2 개의 제 2 반사경(2, 2')의 하부 단부는 서로 합쳐져 있고 합쳐진 단부는 흡열면(3)의 기하학적 중심(中心)G에 놓여 있으며, 2 개의 주 반사경(1, 1')의 하단점(下端點)은 각각 흡열면(3)의 양측단점(兩側短點)H와H'와 일치하여 세워진 구조를 한다. 광 집속기의 반사경 중심축 LL'을 중심으로 완전 회전(180°회전)하면 [도 5]에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 반사경 구조를 갖는 제1 실시예에 의한 3차원 집속기가 되고, 기본단면을 길이(y-축)방향으로 연장하면 [도 6]에 도시된 바와 같이 본 발명의 반사경 구조를 갖는 여물통 모양의 제1 실시예에 의한 2 차원 집속기가 된다.It is formed as shown in FIG. 4 when rotated 180 degrees about LL 'which is the axis of symmetry of the reflector of the optical concentrator according to the first embodiment of the present invention, which coincides with the x-axis of the spatial coordinate system. Therefore, the optical concentrator according to the first embodiment of the present invention constitutes a reflector by two main reflectors 1 and 1 'and two second reflectors 2 and 2' which are formed symmetrically, and thus, two focal points F , F ') is formed. The lower ends of the two second reflectors 2, 2 ′ are joined together and the joined ends lie at the geometric center G of the heat absorbing surface 3, and the lower points of the two main reflectors 1, 1 ′. The lower part has a structure erected coincident with both end points H and H ' of the endothermic surface 3, respectively. Full rotation ( 180 ° rotation ) about the reflector central axis LL 'of the optical concentrator becomes a three-dimensional concentrator according to the first embodiment having a reflector structure according to the present invention as shown in FIG. Extending the cross section in the longitudinal (y-axis) direction results in a two-dimensional concentrator according to the first embodiment of the trough shape having the reflector structure of the present invention as shown in FIG.

(축 LL'은 공간 좌표계 x축에 평행하여 일치되게 되어 있다. 즉 선(線) HGH' 상의 일 점을 지나는 수직선을 택할 수 있다). 2 개의 제 2 반사경(2,2')의 하단점(下端點)은 흡열면(3)위에서 서로 겹칠 수도 있고 또는 흡열면(3) 위로 떨어져 있을 수도 있다. 이 경우에 있어, 서로 겹치는 경우 2개의 제 2 반사경이 만나는 꼭지점(G)은 주 반사경(1, 1')의 하단 상측으로 떨어져 있게 된다.(Axis LL 'is parallel to the x-axis of the spatial coordinate system, i.e. a vertical line through a point on line HGH' can be chosen). The lower end points of the two second reflecting mirrors 2, 2 'may overlap each other on the heat absorbing surface 3 or may be spaced apart from the heat absorbing surface 3. In this case, in the case of overlapping, the vertex G where the two second reflecting mirrors meet is spaced above the lower end of the main reflecting mirrors 1, 1 '.

후자(제 2반사경이 서로 겹치는 경우)의 경우 흡열면(3)으로 원통형 흡열체를 사용할 때 유용하다. 2차원 집속기(도 6)인 경우 초점 F와 F'은 선형 초점φ이 이루어 지고 이 부위가 고온이 되며, 3차원 집속기(도 5)인 경우 초점 F는 환형 초점Φ이 되며 이 선형 또는 환형 초점(φ,Φ)부위에 광선이 집속되어 고온이 된다. 본 발명에 따른 제1 실시예의 반사경구조를 갖는 광 집속기에서 제 2 반사경(2,2')에 의하여 폭 EE' 만큼 입사광선이 주 반사경(1,1') 및 흡열면(3)으로 진행되는 것을 차단하므로(도 5와 도 6 참조), 그 면적만큼의 광 에너지의 손실이 생긴다.이 같은 광선 차단면적을 방해면적이라 칭하기로 한다.The latter (when the second reflecting mirror overlaps each other) is useful when a cylindrical heat absorber is used as the heat absorbing surface 3. In the case of a two-dimensional focuser (FIG. 6), the focal points F and F 'have a linear focus φ and this region becomes hot, and in the case of a three-dimensional focuser (FIG. 5), the focus F is an annular focus Φ and this linear or The light beam is focused at the annular focal point φ, Φ and becomes high temperature. In the optical concentrator having the reflector structure of the first embodiment according to the present invention, the incident light propagates to the main reflector 1,1 'and the heat absorbing surface 3 by the width EE' by the second reflector 2,2 '. Since the light is blocked (see Figs. 5 and 6), the loss of light energy by the area is caused. This light blocking area is referred to as a disturbing area.

광 집속기의 입사면(개구면)에 축 LL'과 평행하게 들어오는 모든 광선은 주 반사경(1, 1')에서 한번 반사된 후 초점 F와 F'에 모이고, 다시 한번 제 2 반사경(2, 2')에서 반사된 후 축과 평행하게 입사방향으로 진행하여 흡열면(3)에 도달한다. 이 때에 흡열면(3)에 도달한 에너지는 집속기의 집속비에 비례하여 높은 밀도의 에너지가 되며 고르게 분포된다.All light rays that enter the incident surface (opening surface) of the light collimator in parallel with the axis LL 'are once reflected by the main reflectors 1, 1' and then converge at the focal points F and F ', and once again the second reflector 2, 2 ') and then proceeds in the incident direction parallel to the axis to reach the heat absorbing surface 3. At this time, the energy reaching the endothermic surface 3 becomes an energy of high density in proportion to the focusing ratio of the focusing machine and is evenly distributed.

[도 7]은 본 발명에 따른 광 집속기의 반사경 구조에 의한 또 다른 실시예로서 제2 실시예에 의한 반 단면을 도시한 것이고, [도 8]은 전 단면을 도시한 것이다,FIG. 7 shows a half cross section according to the second embodiment as another embodiment of the reflector structure of the optical concentrator according to the present invention, and FIG. 8 shows the entire cross section.

본 발명에 따른 제2 실시예의 기본구조는 [도 7]과 같이 축 SS'를 공유하는 포물면인 주 반사면(1, 1)과 타원면인 제 2의 반사면(4)과 흡열면(3)로 구성된다. 흡열면(또는 수광면) (3)은 평면, 구형, 원통 또는 다른 모양으로 대치할 수 있다.The basic structure of the second embodiment according to the present invention is the main reflecting surfaces 1, 1, which are parabolic surfaces sharing the axis SS ', and the second reflecting surface 4, which is an elliptical surface, and the heat absorbing surface 3, as shown in FIG. It consists of. The heat absorbing surface (or light receiving surface) 3 may be replaced by a flat, spherical, cylindrical or other shape.

본 구조에서 포물면인 주 반사면(1)의 초점와 타원면의 제 1 초점은 F에서 서로 공유하고 또한 공간 좌표계 x축에 평행하고 공유 초점F를 지나는 축 SS'을 공유한다. 타원면(4)의 제 2 초점(F˝)은 타원면의 축(SS') 상에 있고 실질적으로 흡열면(3) 저면 하측에 놓여있다.The focal point of the paraboloidal main reflecting surface 1 and the first focal point of the ellipsoid in this structure share one another in F and also share the axis SS 'parallel to the x coordinate axis of the spatial coordinate system and passing through the shared focal point F. The second focal point F ′ of the ellipsoidal surface 4 is on the axis SS ′ of the ellipsoidal surface 4 and lies substantially below the bottom surface of the heat absorbing surface 3.

상기 제2 초점(F″)은 타원면의 기하학적 구조에 의한 광학적 특성에 의하여 형성된 초점이다.The second focal point F ″ is a focal point formed by an optical characteristic by an ellipsoidal geometry.

이점에서 제2 실시예는 제1 실시예와 다른데 제2 실시예는 제1 실시예와 달리 2개의 초점이 형성된다.In this regard, the second embodiment is different from the first embodiment, but the second embodiment has two focal points formed unlike the first embodiment.

제 2 반사면(4)의 하단점은 흡열면(3)의 기하학적 중점 G와 일치하며, 상단점은 점 E와 일치한다. 점 E는 축에 평행하게 들어오는 입사광선 (41)이 주 반사경(1)의 단점(短點) N에서 반사된 광선(42)와 흡열면(3)의 단점 H를 향하여 들어오는 광선이 서로 만나는 점이다.The lower point of the second reflecting surface 4 coincides with the geometric midpoint G of the heat absorbing surface 3, and the upper point coincides with the point E. Point E is the point where the incident light beam 41 coming in parallel to the axis meets the light beam 42 reflected at the disadvantage N of the main reflector 1 and the light beam coming toward the disadvantage H of the heat absorbing surface 3. to be.

본 발명에 따른 제2 실시예에 의한 광 집속기의 완전한 단면도는 [도 7]의 반 단면에서 공간 좌표계 x축에 평행한 대칭축 LL'을 중심으로 180°회전하였을 때 제1 실시예의 [도 4]와 비슷한 [도 8]의 형상으로 형성된다. 따라서 본 제2 실시예에 의한 광 집속기는 대칭으로 형성된 2 개의 주 반사경(1, 1')과 2 개의 제 2 반사경(4, 4')으로 반사면으로 구성되어 있으며 또한 4 개의 초점(F, F', F˝, F˝)으로 구성된다. 2개의 제 2 초점은 각 각 집속기의 외부 즉 흡열면(3)의 저면 아래측에 놓여 있다. 2 개의 제 2 반사경의 하단점은 합쳐져 있고 동시에 흡열면(3)의 기하학적 중심(中心) G에 놓여 있으며, 2 개의 주 반사경(1, 1')의 하단점은 흡열면(3)의 가장자리에 맞닿아 있다. 공간좌표계 x축과 평행한 본 반사경의 축 LL'을 중심으로 완전 회전하면 [도 5]와 비슷한 3차원 집속기가 형성되고, 본 단면을 길이(y-축)방향으로 연장하면 [도 6]와 비슷한 여물통 모양의 2 차원 집속기로 형성된다.(본 발명의 제2 실시예에 의한 3차원 집속기와 2차원 집속기의 사시도는 생략한다.)The complete cross-sectional view of the optical concentrator according to the second embodiment of the present invention is the half-section of [FIG. 7] of FIG. 7 when it is rotated 180 degrees about the symmetry axis LL 'parallel to the x-axis of the spatial coordinate system. Is formed in the shape of [Fig. 8]. Therefore, the light concentrator according to the second embodiment is composed of two main reflectors 1 and 1 'and two second reflectors 4 and 4' which are symmetrically formed and the reflecting surface and four focal points F , F ', F', F '). The two second focal points lie outside the collector, i.e., below the bottom of the heat absorbing surface 3. The lower points of the two second reflectors are combined and at the same time lie at the geometric center G of the heat absorbing surface 3, and the lower points of the two main reflectors 1, 1 ′ are at the edges of the heat absorbing surface 3. It is touching. Full rotation around the axis LL 'of the bone reflector parallel to the x-axis of the spatial coordinate system forms a three-dimensional focuser similar to [Fig. 5], and when the main section is extended in the length (y-axis) direction, [Fig. It is formed by a similar trough two-dimensional integrator. (The perspective view of the three-dimensional integrator and the two-dimensional integrator according to the second embodiment of the present invention is omitted.)

본 실시예로서 타원면의 반사면을 갖는 제2 반사경인 경우는 광 집속기의 입사면(개구면)에 집속기의 중심축 LL'과 평행하게 들어오는 모든 광선은 주 반사면(1, 1')에서 한번 반사된 후 초점 F와 F'에 모이고, 다시 한번 제 2반사경(2, 2')에서 반사된 후 제2 반사면의 제 2 초점인 F″과 F″방향으로 진행하여 흡열면(2, 2') 또는 수광면에 도달한다. 이 때에 흡열면(3) 또는 수광면에 도달한 에너지는 포물면의 제2 반사경에 비하여 집속기의 집속비에 비례하여 높은 밀도의 에너지를 얻을 수 있게 된다.In the present embodiment, in the case of the second reflecting mirror having the reflecting surface of the ellipsoidal surface, all the light rays that enter the incident surface (opening surface) of the light concentrator in parallel with the central axis LL 'of the concentrator are the main reflecting surfaces (1, 1'). Is reflected once at the focal points F and F ', and once again reflected at the second reflectors 2, 2' and then proceeds to the second focal points F ″ and F ″ of the second reflecting surface, 2 ') or light receiving surface. At this time, the energy reaching the heat absorbing surface 3 or the light receiving surface can obtain energy of high density in proportion to the focusing ratio of the focusing machine compared to the second reflecting mirror of the parabolic surface.

특히 본 실시예는 수광면인 흡열면(3)이 도너스 형태를 취하는 경우처럼 수광면의 중앙에 구멍이 형성된 경우에 유용하다.In particular, the present embodiment is useful when a hole is formed in the center of the light receiving surface, such as the case where the heat absorbing surface 3, which is the light receiving surface, has a donor shape.

본 발명의 다른 실시예로서 [도 3]에서 주 반사면 (1, 1')의 축 SS'을 공유초점 F를 중심으로 한계입사각 θc만큼 시계의 반대 방향으로 주 반사면 (1, 1')과 함께 회전시킨다. ([도 9] 참조). 이 경우 복합 포물면이 되며, 본 포물면의 특징은 광추적 결과에 의하면 한계입사각(θc)이내의 각도에서 들어오는 광선은 주 반사경(1, 1')에서 반사된 후 제 2 반사경(2, 2')에 모두 도달하거나 또는 일부는 흡열면에 직접 도달한다.As another embodiment of the present invention, in Fig. 3, the main reflective surface 1, 1 'is rotated in the counterclockwise direction by the limit incident angle θc around the shared focal point F of the axis SS' of the main reflective surface 1, 1 '. Rotate with (See [Figure 9]). In this case, it becomes a composite paraboloid, and the characteristics of the parabolic surface are based on the light tracking results, and the light coming from the angle within the limit incident angle θc is reflected by the main reflectors 1, 1 'and then the second reflectors 2, 2' All or some reach the endothermic surface directly.

제 2 반사경(2, 2')에 도달한 광선은 제 2 반사경(2, 2')의 구조와 특성에 따라 모두 흡열면 (3)에 도달하거나 또는 일부는 반사 후 밖으로 되돌아 나간다. 후자의 경우 제 2 반사경(2)을 각 θe 만큼 시계방향으로 기울여 밖으로 되돌아 나가는 것을 방지 또는 최소화할 수 있다. 흡열면의 크기가 고정되어 있을 경우 광행로의 추적분석을 통하여 제 2 반사경(2, 2')의 초점거리 또는 이심율(타원면인 경우)을 조절하여 제 2 반사경(2, 2')의 하단 점이 흡열면(3) 의 기하학적 중심에 위치하도록 하여야 한다. 또한 흡열면(3)에서의 에너지 분포가 최대한 균일하도록 하여야 한다 ([도 9],[도 10] 참조).The light rays reaching the second reflectors 2 and 2 'both reach the heat absorbing surface 3 or partially return out after reflection depending on the structure and characteristics of the second reflectors 2 and 2'. In the latter case, the second reflecting mirror 2 can be prevented or minimized by reclining clockwise by an angle θe. If the size of the heat absorbing surface is fixed, the focal point or eccentricity (in the case of an ellipsoid) of the second reflecting mirrors 2 and 2 'is adjusted through tracking analysis of the optical path to adjust the lower points of the second reflecting mirrors 2 and 2'. It should be located at the geometric center of the heat absorbing surface (3). In addition, the energy distribution on the heat absorbing surface 3 should be as uniform as possible (see FIG. 9 and FIG. 10).

주 반사경(1, 1')의 회전으로 입사면의 폭 또는 직졍이 감소되어 집속기의 집속비가 감소되는데, 이것은 주 반사경(1)의 끝점 N,M를 동일한 집속비가 될 때 까지 연장하므로서 광 집속비를 높이어 조절하면 된다.Rotation of the main reflectors 1, 1 'reduces the width or straightness of the incidence plane, reducing the focusing ratio of the focuser, which extends the end points N, M of the main reflector 1 until the same focusing ratio. You can adjust the rain by raising it.

이하 본 발명에 따른 광 집속기의 반사경 구조에 있어 반사경의 광학적 특성을 더 상세히 기술하기로 한다.Hereinafter, the optical characteristics of the reflector in the reflector structure of the optical concentrator according to the present invention will be described in more detail.

본 발명에 따른 집속기에 있어 제 1의 반사경(1, 1')의 기본구조는 [도 11]와 같이 포물면MGN를 반사면으로 한다. 축 VF상에 초점 F가 놓여 있다. 본 축에 평행하게 들어오는 광선은 한번 반사된 후 초점 F에 모인다. 반대로 초점에서 발광하는 빛은 포물면에서 반사된후 축과 평행하게 나아간다. 본 반사곡면은 [도 11]에 표시한 좌표계 원점 O에 대하여 다음식으로 표현된다.In the integrator according to the present invention, the basic structure of the first reflecting mirrors 1 and 1 'has a parabolic surface MGN as a reflecting surface as shown in FIG. Focus F lies on axis VF. Light rays coming parallel to this axis are reflected once and then converge at focal point F. In contrast, the light emitted from the focal point reflects off the parabola and then travels parallel to the axis. This reflection curved surface is expressed by the following equation with respect to the coordinate system origin O shown in FIG.

z2= 4fp(x+fp) (1)z 2 = 4f p (x + f p ) (1)

여기에 fp는 초점거리이며 장치의 집속비와 흡열면 또는 수광면의 면적에 의하여 다음관계식으로 결정된다.Where f p is the focal length and is determined by the following relationship by the focal ratio of the device and the area of the endothermic or light-receiving surface.

fp= (R/2) C (2차원) (2)f p = (R / 2) C (two-dimensional) (2)

fp= (R/2)√C (3차원) (3)f p = (R / 2) √C (three-dimensional) (3)

여기에 C는 집속기의 집속비이며, R은 흡열면(3)의 반경 또는 반폭이다.C is the focal ratio of the integrator, and R is the radius or half width of the heat absorbing surface 3.

본 집속기의 제 2의 반사경(2, 2')의 기본구조는 주 반사경(1, 1')과 같은 포물면이나 초점거리가 다르고 반사면이 거꾸로 위치하고 있다. [도 11]의 좌표계에서 본 포물면은 다음식으로 표현된다.The basic structure of the second reflectors 2, 2 'of the present integrator has the same parabolic surface as the main reflectors 1, 1' or the focal length is different and the reflecting surfaces are located upside down. The parabola seen from the coordinate system of FIG. 11 is represented by the following formula.

z2= 4fps(x+fps) (4)z 2 = 4f ps (x + f ps ) (4)

여기에 fps는 제 2 반사경의 초점거리이며 주 반사경과 흡열면(3)의 크기에 따라 결정된다.Where f ps is the focal length of the second reflector and is determined according to the size of the main reflector and the heat absorbing surface 3.

본 집속기의 제 2 반사경(2, 2')을 타원을 사용할 경우 [도 12]에 표시한 좌표계에 대하여 다음식으로 표현된다.In the case of using an ellipse for the second reflecting mirrors 2, 2 'of the collector, the coordinate system shown in FIG. 12 is expressed by the following equation.

b2(x+fh)2-a2z2=a2b2(5)b 2 (x + f h ) 2 -a 2 z 2 = a 2 b 2 (5)

여기에 fh는 초점거리, a (=fh/e)는 장축, b (=a√(1-e2))는 단축이며, e (=√(1-b2/a2))는 이심율이다. 이심율은 초점간의 거리를 정하며 동시에 집속기의 차단면적(Blockage area)을 결정한다.Where f h is the focal length, a (= f h / e) is the major axis, b (= a√ (1-e 2 )) is the short axis, and e (= √ (1-b 2 / a 2 )) is Eccentricity. The eccentricity determines the distance between the focal points and at the same time determines the blockage area of the focuser.

제 2 반사경(2, 2')이 일반 다항식으로 표현되는 곡면을 사용할 경우 그 곡면은 일반적으로 아래 수식으로 표현된다.When the second reflectors 2 and 2 'use a curved surface represented by a general polynomial, the curved surface is generally expressed by the following expression.

x = ∑anzn x = ∑a n z n

= a0+ a1z + a2z2+ .... +anzn(6)= a 0 + a 1 z + a 2 z 2 + .... + a n z n (6)

여기에 an은 곡면의 특성에 따라 정하여야 할 계수이고, n은 0 또는 0이 아닌 일반 멱수이다.Where a n is a coefficient to be determined according to the characteristics of the surface, and n is 0 or a non-zero general power.

예로서 n=1 이면 x=a0+a1z 로 표현되는 곡면이 되며, 이것은 기울기가 a1이고 원점에서 x축으로 a0만큼 떨어진 점을 지나는 직선이 된다. 이 경우 a1의 부호에 따라 V자 모양 또는 삿갓모양의 곡면이 된다.For example, if n = 1, then the surface is expressed as x = a 0 + a 1 z, which is a straight line passing through the point whose slope is a 1 and is a 0 away from the origin on the x axis. In this case, it becomes a V-shaped or hat-shaped curved surface according to the sign of a 1 .

이하 본 발명에 따른 광 집속장치의 반사경 구조를 갖는 집속장치의 수학적 표현을 기술하기로 한다.Hereinafter, a mathematical expression of the focusing device having the reflector structure of the light focusing device according to the present invention will be described.

(a) 제 2반사면(2, 2')이 포물면인 경우(a) the second reflecting surfaces 2, 2 'are parabolic

집속기의 집속비(C)와 흡열면(3)의 반경 또는 반폭(R)이 주어질 경우, [도 3]에 표시한 좌표계에서 주 반사경(1, 1')이 각 (-θc)만큼 시계의 반대방향으로 기울이고 제 2 반사경(2, 2')을 (+θe)만큼 시계방향으로 기울일 경우 집속기의 각 변수의 수학적 표현은 아래와 같다 ([도 9, 10] 참조).If the radius or half-width (R) of the focusing ratio (C) and the heat absorbing side 3 of the house shorthand given, the main reflecting mirror (1, 1 ') in the coordinate system shown in FIG. 3 by angle (-θ c) When tilting in the counterclockwise direction and tilting the second reflectors 2, 2 'clockwise by (+ θ e ), the mathematical expression of each variable of the focusing machine is as follows (see [FIGS. 9, 10]).

기하학적 집속비 (C) :Geometric focusing ratio (C):

C = (xN-xE)/R (2차원 집속기인 경우) (7)C = (x N -x E ) / R (for two-dimensional focuser) (7)

C = (xN 2-xE 2)/R2(3차원 집속기인 경우) (8)C = (x N 2 -x E 2 ) / R 2 (for 3-D Integrator) (8)

주 반사경(1, 1')의 관계식 :Relation of main reflector (1, 1 '):

sin2θcz2-2cosθc(2fp+xsinθc)z+x2cos2θc-4fp(fp+xsinθc)=0sin 2 θ c z 2 -2cosθ c (2f p + xsinθ c ) z + x 2 cos 2 θ c -4f p (f p + xsinθ c ) = 0

z=cosθc(2fp+xsinθc)/sin2θc*{1-[1-tanθc[x2cos2θc-4fp(fp+xsinθc)]/(2fp+xsinθc)2 ] 1/2 }(9)z = cosθ c (2f p + xsinθ c ) / sin 2 θ c * { 1- [ 1-tanθ c [x 2 cos 2 θ c -4f p (f p + xsinθ c )] / (2f p + xsinθ c ) 2 ] 1/2 } (9)

주 반사경의 초점거리 :Focal length of the main reflector:

fp= (-(xN+2R)/(2sinθc)/2 - Ao+ Bo)/2 (10)f p = (-(x N + 2R) / (2sinθ c ) / 2-A o + B o ) / 2 (10)

Bo={3[(xN+2R)/(2sinθc)]2/4-Ro 2-2{(1+sin2θc)xN+R}R/sin2θc)B o = { 3 [(x N + 2R) / (2sinθ c )] 2 / 4-R o 2 -2 {(1 + sin 2 θ c ) x N + R} R / sin 2 θ c )

-(4(xN+2R)/(2sinθc)*{(1+sin2θc)xN+R}R/sin2θc-8(xN+2R)/(2sinθc)-(4 (x N + 2R) / (2sinθ c ) * {(1 + sin 2 θ c ) x N + R} R / sin 2 θ c -8 (x N + 2R) / (2sinθ c )

-[(xN+2R)/(2sinθc)]3)/(4Ao)} 1/2 -[(x N + 2R) / (2sinθ c )] 3 ) / (4A o ) } 1/2

Ao={(a/2)2-{(1+sin2θc)xN+R}R/sinθc A o = { (a / 2) 2 -{(1 + sin 2 θ c ) x N + R} R / sinθ c

-2{√(-α/3)} *cos(φ/3)+[(1+sin2θc)xN+R]R/sin2θc/3} 1/2 -2 {√ (-α / 3)} * cos (φ / 3) + [(1 + sin 2 θ c ) x N + R] R / sin 2 θ c / 3 } 1/2

φ = cos-1[{(β/2)2/(α/3)3}]1/2 φ = cos -1 [{(β / 2) 2 / (α / 3) 3 }] 1/2

α ={3[(xN+2R)/(2sinθc)*R2xN/sinθc+4(RxN/(2tanθc)2]α = { 3 [(x N + 2R) / (2sinθ c ) * R 2 x N / sinθ c +4 (Rx N / (2tanθ c ) 2 ]

-[{(1+sin2θc)xN+R}R/sin2θc]2 }/3-[{(1 + sin 2 θ c ) x N + R} R / sin 2 θ c ] 2 } / 3

β ={2[-{(1+sin2θc)xN+R}R/sin2θc]3}+9[{(1+sin2θc)xN+R}R/sinθc]*β = { 2 [-{(1 + sin 2 θ c ) x N + R} R / sin 2 θ c ] 3 } +9 [{(1 + sin 2 θ c ) x N + R} R / sinθ c ] *

[(xN+2R)/(2sinθc)*R2xN/sinθc+4(RxN/(2tanθc)2]+27λ}/27[(x N + 2R) / (2sinθ c ) * R 2 x N / sinθ c +4 (Rx N / (2tanθ c ) 2 ] + 27λ } / 27

λ = -(xN+2R)/(2sinθc)2*{-(RxN/(2tanθc)2}λ =-(x N + 2R) / (2sinθ c ) 2 * {-(Rx N / (2tanθ c ) 2 }

+4[{(1+sin2θc)xN+R}R/sin2θc]*[ -(RxN/(2tanθc)2]-{R2xN/sinθc}2 +4 [{(1 + sin 2 θ c ) x N + R} R / sin 2 θ c ] * [-(Rx N / (2tanθ c ) 2 ]-{R 2 x N / sinθ c } 2

xN= (√C - 1)R (3차원일 경우) (11)x N = (√C-1) R (for three dimensions) (11)

xN= (C - 1)R (2차원일 경우) (12)x N = (C-1) R (for two dimensions) (12)

제 2반사경의 관계식 :Relation of the second reflecting mirror:

z ={-{(cosθe-xcosθesinθe/2fe)/2}+[{(cosθe-xcosθesinθe/2fe)/2}2 z = { -{(cosθ e -xcosθ e sinθ e / 2f e ) / 2} + [ {(cosθ e -xcosθ e sinθ e / 2f e ) / 2} 2

-(sin2θe/4fe)*(xsinθe-fe+x2cos2θe/4fe)] 1/2 }/(sin2θe/4fe) (13)-(sin 2 θ e / 4f e ) * (xsinθ e -f e + x 2 cos 2 θ e / 4f e ) ] 1/2 } / (sin 2 θ e / 4f e ) (13)

제 2반사경의 초점거리 :Focal length of the second reflector:

fe= {-(R+fpsinθc)sinθe-fpcosθccosθe+{[-(R+fpsinθc)cosθe-f e = {-(R + fpsinθc) sinθe-fpcosθccosθe + {[-(R + f p sinθ c ) cosθ e-

fpcosθcsinθe]2+[-(R+fpsinθc)sinθe-fpcosθccosθe]2}1/2 }/2 (14)f p cosθ c sinθ e ] 2 + [-(R + f p sinθ c ) sinθ e -f p cosθ c cosθ e ] 2 } 1/2 } / 2 (14)

개구면 폭 (D) :Aperture width (D):

D =2{xN+(R-xQ)} (15)D = 2 {x N + (Rx Q )} (15)

xQ= fpsinθc x Q = f p sinθ c

집속기 깊이 (H) :Injector Depth (H):

H = zN+ fpcosθc(16)H = z N + f p cosθ c (16)

차단면적의 폭(DB) :Width of breaking area (D B ):

DB= 2{xE+(R-fesinθc)} (17)D B = 2 {x E + (Rf e sinθ c )} (17)

xE={-(sinθe+m*cosθe)+{[(sinθe+m*cosθe)]2 x E = { -(sinθ e + m * cosθ e ) + { [(sinθ e + m * cosθ e )] 2

+[{cosθe-m*sinθe)2/4]} 1/2 }/[{cosθe-m*sinθe)2/(4fe)] (18) + [{cosθ e -m * sinθ e) 2/4]} 1/2} / [{cosθ e -m * sinθ e) 2 / (4f e)] (18)

m=[(-R+fecosθe)sinθe-fecosθecosθe]/[(-R+fesinθe)cosθe-fecosθesinθe] (19)m = [(-R + f e cosθ e ) sinθ e -f e cosθ e cosθ e ] / [(-R + f e sinθ e ) cosθ e -f e cosθ e sinθ e ] (19)

제 2차 반사면의 높이(h) :Height (h) of the secondary reflecting surface:

h = fp+2fe(1-cosθe)/sin2θe(20)h = f p + 2f e (1-cosθ e ) / sin 2 θ e (20)

주 반사경 및 제 2 반사면을 기울이지 않았을 경우, 즉 θc=0, θe=0일 경우 집속기의 관계식은 아래와 같다.When the main reflector and the second reflecting surface are not inclined, that is, when θ c = 0 and θ e = 0, the relation of the integrator is as follows.

D = 2(R+xN) (21)D = 2 (R + x N ) (21)

fp= xN/[2(1+xN/R)1/2] (22)f p = x N / [2 (1 + x N / R) 1/2 ] (22)

H = xN 2/(4fp) (23)H = x N 2 / (4f p ) (23)

fe= -fp{1-[1+(R/fp)2]1/2} (24)f e = -f p {1- [1+ (R / f p ) 2 ] 1/2 } (24)

DB= 2(R+4fe 2/R) (25)D B = 2 (R + 4f e 2 / R) (25)

h = fp+ fe(26)h = f p + f e (26)

(b) 제 2반사면(2, 2')이 타원면인 경우(b) the second reflecting surface (2, 2 ') is an ellipsoid

변수에 대한 관계식을 구하는 과정은 (a)의 경우와 유사하다. 주 반사면은상기 관계식 (1~14)과 동일하다. 제 2 의 타원 반사면에 대한 기본 관계식은 아래와 같다.The process of finding a relation for a variable is similar to that of (a). The main reflecting surface is the same as the relational expression (1-14). The basic relation for the second elliptic reflecting surface is as follows.

각도 θe로 시계방향으로 기울인 타원의 관계식:Relation of ellipse tilted clockwise at angle θ e :

b2(xcosθe-zsinθe)2-a2(xsinθe+zcosθe)2= a2b2(27)b 2 (xcosθ e -zsinθ e ) 2 -a 2 (xsinθ e + zcosθ e ) 2 = a 2 b 2 (27)

초점거리 : fe= (-a/2-Ro+Eo)/2 (28)Focal length: f e = (-a / 2-R o + E o ) / 2 (28)

Eo= {3a2/4-Ro 2-2b)-[4ab-8c-a3]/(4Ro)}1/2 E o = (3a 2 / 4-R o 2 -2b)-[4ab-8c-a 3 ] / (4R o )} 1/2

Ro= {(a/2)2-b+yo}1/2 R o = {(a / 2) 2 -b + y o } 1/2

yo= 2(-α'/3)1/2cos(φ/3) - p/3y o = 2 (-α '/ 3) 1/2 cos (φ / 3)-p / 3

φ = cos-1[(β'/2)2/(-α'/3)3]φ = cos -1 [(β '/ 2) 2 / (-α' / 3) 3 ]

α' = (3q-p2)/3α '= (3q-p 2 ) / 3

β' = (2p3-9pq+27r)β '= (2p 3 -9pq + 27r)

p = -bp = -b

q = ac-4dq = ac-4d

r = -a2d+4bd-c2 r = -a 2 d + 4bd-c 2

a =2γ/δa = 2γ / δ

b =(k2δ2-Cδ2+2Bβδ-Aβ2)/k2δ2 b = (k 2 δ 2 -Cδ 2 + 2Bβδ-Aβ 2 ) / k 2 δ 2

c =(-2γδC+2B(αδ+βγ)-2Aαβ)/k2δ2 c = (-2 γδ C + 2B (αδ + βγ) -2Aαβ) / k 2 δ 2

d =(-Cγ2+2Bαγ-Aα2)/k2δ2 d = (-Cγ 2 + 2Bαγ-Aα 2 ) / k 2 δ 2

α=-Rsinθe α = -Rsinθ e

β=[(1-e)cosθesinθe-(1-e)cos2θe]/eβ = [(1-e) cosθ e sinθ e- (1-e) cos 2 θ e ] / e

γ=-Rcosθe γ = -Rcosθ e

δ=[(1-e)cosθesinθe+(1-e)cosθesinθe]/eδ = [(1-e) cosθ e sinθ e + (1-e) cosθ e sinθ e ] / e

A=[(1-e2)sin2θe-cos2θe]A = [(1-e 2 ) sin 2 θ e -cos 2 θ e ]

B=-e2cosθesinθe B = -e 2 cosθ e sinθ e

C=[(1-e2)cos2θe-sin2θe]C = [(1-e 2 ) cos 2 θ e -sin 2 θ e ]

k=[(1-e2)/{e2*(R-fpcosθc)}]k = [(1-e 2 ) / {e 2 * (Rf p cosθ c )}]

이심율 : e = [1+(b/a)2]1/2(29)Eccentricity: e = [1+ (b / a) 2 ] 1/2 (29)

선 GN의 관계식 : z = mx (30)Relation of line GN: z = mx 30

m=[{-R+(a-fe)cosθe}sinθe-(a-fe)cosθecosθe]m = [{-R + (af e ) cosθ e } sinθ e- (af e ) cosθ e cosθ e ]

/[(-R+(a-fe)sinθe)cosθe+(a-fe)cosθesinθe] (31)/ [(-R + (af e ) sinθ e ) cosθ e + (af e ) cosθ e sinθ e ] (31)

관계식 (27)~(31)에서 변수 이심율의 값이 주어지면 집속비(C)와 흡열면(3)의 반폭(R)의 함수로 (a)의 경우와 같이 집속기의 각 변수에 대한 관계식이 구하여 진다.Given the value of the variable eccentricity in relations (27) to (31), the relation for each variable of the collector as in the case of (a) is a function of the focusing ratio (C) and the half-width (R) of the endothermic surface (3). Is obtained.

상술한 바와 같은 반사경의 구조에 의한 본 발명의 광 집속 기본원리는 기존의 복합 포물면 광 집속기의 광 집속 기본원리와 비교하여 볼 때, 비교 우위에 있는 점은 다음과 같다. 기존의 복합 포물면 집속기의 광 집속 기본원리는 [도 12]에서 점선으로 표시한바와 같이 반사경인 포물면 (90)의 축(91)을 각 θc만큼 초점 Fp를 중심으로 시계 반대방향으로 기울어저 있다. 반대편에 있는 대칭 반사면의 초점은 Fp'에 위치하고 흡열면은 직경 또는 폭이 FpFp' 와 일치하도록 구성되어 있다. 복합 포물면의 특성은 집속비(C)가 C=1/sinθc(2차원인 경우), 또는 C=1/sin2θc(3차원인 경우)로 주어지며, ±θc이내의 각도로 입사하는 광선은 모두 흡열면 FpFp'에 도달한다.The basic principle of the light focusing according to the present invention by the structure of the reflector as described above is superior in comparison with the light focusing principle of the conventional composite parabolic light collector. Existing The basic principle of the light focus of the compound parabolic collector is the angle?cAs long as the focus FpTilt counterclockwise around. The focal point of the opposite symmetrical reflecting surface is Fp'Located on the endothermic surface diameter or width FpFpIs configured to match ' The characteristic of the composite paraboloid is that the focusing ratio (C) is C = 1 / sinθc(If two-dimensional), or C = 1 / sin2θc(In three dimensions), ± θcAll light rays incident at an angle within the heat absorbing surface FpFp'Reach.

본 발명에서는 같은 각도 θc로 주 반사면(1, 1')을 기울였을 때 동일한 흡열면(3)의 크기에 대하여 입사면(BA)이 기본 CPC의 입사면(BC)보다 더 넓다. 본 발명의 집속기에서도 차단면적 만큼 에너지의 손실이 있으나 전체 입사면의 면적이 차단면적보다 크므로 종래의 경우에 비하여 더 많은 양의 에너지가 흡열면에 도달한다.In the present invention, the incident surface BA is wider than the incident surface BC of the basic CPC with respect to the size of the same endothermic surface 3 when the main reflective surfaces 1, 1 'are inclined at the same angle θ c . In the concentrator of the present invention, there is a loss of energy as much as the blocking area, but since the total incident surface area is larger than the blocking area, more energy reaches the endothermic surface than in the conventional case.

[도 13], [도 14] 및 [도 15]은 본 발명에 따른 광 집속기의 반사경 구조를 갖는 2차원 집속기의 또 다른 실시예들로서, 상기 본 발명에 따른 제1 실시예와 제2 실시예에 적용가능한 응용 실시예인 것이다.13, 14 and 15 are still other embodiments of a two-dimensional focusing apparatus having a reflector structure of an optical focusing apparatus according to the present invention. It is an application embodiment applicable to the embodiment.

[도 13]에 도시된 제1 응용 실시예는 주 반사경(1), 제 2 반사경(2), 원통형 흡열관(3) 및 보조 반사경(6)로 구성되는데 상술한 실시예와 다른 점은 흡열면(3)을 원통상의 흡열관(5)으로 한 것과 주 반사경(1, 1)의 하단을 연결하는 톱니 모양을 하고 반 구형으로 구부러진 형상을 한 보조 반사경(6)가 구비된 점에 있다.The first application embodiment shown in FIG. 13 is composed of a main reflector 1, a second reflector 2, a cylindrical heat absorbing tube 3, and an auxiliary reflector 6, which is different from the above-described embodiment. It has a point where the surface 3 is made into the cylindrical heat absorbing tube 5, and the auxiliary reflector 6 which sawtooth-connected to connect the lower end of the main reflectors 1 and 1, and was bent in a semi-spherical shape is provided. .

본 응용 실시예에서 주 반사경(1, 1)초점 F(F')는 제 2 반사경(2, 2)의 초점을 공유하고, 주 반사경(1, 1)은 각도 θc만큼 시계의 반대 방향으로 기울어져 있으며 제 2의 반사경(2, 2)은 θe만큼 시계 방향으로 기울어져 있다. 이 때에 θc는 한계입사각이 되며, θe는 광선추적 결과에 따라 결정된다. 보조 반사경(6)은 집속기의 반사경 장치와 흡열관이 구조상 떨어저 있어야 할 경우 간격이 생기므로, 광선 JP와 같이 주 반사경(1, 1')의 축과 평행하게 들어오지 않는 광선이 흡열관(5)에 도달하지 않을 경우 보조 반사경(6)에서 반사되어 흡열관(5)에 도달하게 하는 장치이다. 본 보조 반사경(6)의 구조는 여러개의 톱니모양이 원형으로 배열되어 있으며 한 개의 톱니를 사용할 수도 있다. 톱니 수는 흡열관(5)과 보조 반사경(6)과의 간격에 따라 다르게 형성할 수 있다. 톱니 간격은 최대 흡열관(5)의 반경만큼 떨어질 수 있다. 보조 반사경(6)을 지지하는 지지대 (8)은 주 반사경(1, 1')의 하부에 연결되어 있다.In this application embodiment the main reflectors 1, 1 focal point F (F ') share the focus of the second reflectors 2, 2, and the main reflectors 1, 1 are counterclockwise by an angle θ c . The second reflecting mirrors 2 and 2 are inclined clockwise by θ e . At this time, θ c becomes the marginal incident angle and θ e is determined according to the ray tracing result. Since the auxiliary reflector 6 is spaced apart when the reflector device of the collector and the heat absorber should be separated from each other in structure, the light does not enter parallel to the axis of the main reflector 1, 1 'such as the light beam JP. If it does not reach 5) it is a device that is reflected by the secondary reflector 6 to reach the heat absorbing tube (5). In the structure of the auxiliary reflector 6, a plurality of teeth are arranged in a circle, and one tooth may be used. The number of teeth may be formed differently according to the distance between the heat absorbing tube 5 and the auxiliary reflecting mirror 6. The tooth spacing may fall by the radius of the maximum heat absorbing tube (5). A support 8 for supporting the auxiliary reflector 6 is connected to the lower part of the main reflectors 1, 1 '.

[도 14]에 도시된 제2 응용 실시예는 상기 제1 응용 실시예의 장치 중 흡열관(5)과 제 2반사경(2, 2')을 원통형 유리관(31) 속에 삽입하여 흡열관(5) 주위에서 발생하는 복사열의 손실을 줄일 뿐만 아니라, 외부의 환경으로 인한 오염 및 바람 등으로 인한 침해를 최소화 하기 위한 장치이다.14 shows a heat absorbing tube 5 by inserting the heat absorbing tube 5 and the second reflecting mirrors 2 and 2 'into the cylindrical glass tube 31 of the apparatus of the first application embodiment. It is a device not only to reduce the loss of radiant heat generated from the surroundings, but also to minimize the pollution caused by the external environment and the invasion caused by the wind.

[도 15]에 도시된 제3 응용 실시예는 [도 15]에 도시된 제2 응용 실시예와 동일한 목적으로 집속기 전체를 유리관(32) 속에 삽입하였다. [도 15]의 경우 본 목적에 [도 14]보다 더 효율적이나 고가이다.In the third application embodiment shown in FIG. 15, the entire concentrator is inserted into the glass tube 32 for the same purpose as the second application embodiment shown in FIG. FIG. 15 is more efficient and expensive than this FIG. 14 for this purpose.

전체 입사면의 면적이 차단면적보다 크므로 더 많은 양의 에너지가 흡열면(3)에 도달한다.Since the area of the entire incident surface is larger than the blocking area, a greater amount of energy reaches the endothermic surface 3.

본 발명은 주어진 집속비에 대하여 주 반사경의 기울기 각도에 따라 입사 한계각을 조절할 수 있고 동시에 제 2 반사경의 기울기 각도를 조절하여 반사 후 밖으로 나가는 광선을 최소화 시킬 수 있어 집속기의 효율을 많이 향상시킬 수 있고 또한 경량화 소형화 할 수 있다. 동일한 한계입사각에 대하여 종래의 복합 포물면 집속기 (CPC)보다 개구면의 증가로 집속비가 증가하므로 주어진 한계입사각에 대하여 에너지 밀도를 더욱 높일 수 있다.The present invention can adjust the incidence limit angle according to the inclination angle of the main reflector for a given focusing ratio and at the same time adjust the inclination angle of the second reflector to minimize the outgoing light after reflection to improve the efficiency of the integrator much Can also reduce the weight and size. For the same limit incident angle, the focal ratio increases with the increase of the opening surface than the conventional compound parabolic concentrator (CPC), so that the energy density can be further increased for the given limit incident angle.

본 발명은 필요한 중.고온을 생성할 수 있고, 비구면 광학 반사경을 특수하게 조합한 집속기로 한 벌의 반사경만 사용하는 접시형(3차원) 또는 여물통 모양(2차원)의 집속기와는 달리 제2 반사경에 의하여 광행로를 집속기의 하부에 모을 수 있으므로 흡열장치가 집열기의 하부에 위치할 수 있어 흡열장치의 무게, 부피, 작업공간 등의 제반문제의 제한을, 완화시키며 한 벌의 반사경만 사용하는 접시형(3차원) 또는 여물통 모양(2차원)의 집속기와는 달리 동일한 한계입사각에 대하여 흡열관 또는 수광면에 집속된 에너지 밀도를 증가시킬 수 있다.The present invention is capable of generating the required medium and high temperatures, and unlike a dish-shaped (three-dimensional) or trough-shaped (two-dimensional) integrator, which uses only a pair of reflectors as a conduit with a special combination of aspherical optical reflectors, 2 by reflector Since the light path can be collected in the lower part of the collector, the endothermic device can be located in the lower part of the collector, which alleviates the limitations of problems such as weight, volume, and work space of the heat absorber, and uses only a pair of reflectors. Unlike the (three-dimensional) or trough-shaped (two-dimensional) focuser, the energy density focused on the heat absorbing tube or the light receiving surface can be increased for the same limit incident angle.

일반 구면으로 구성된 유사한 장치 또는 포물면 만으로 구성된 접시형이나 여물통 모양의 집속기보다 입사각의 허용한도가 많이 크므로 장치의 광학적 수행능력이 훨신 향상되며, 동시에 흡열면 또는 수광면에 보다 균일한 에너지가 분포되어 장치의 효율을 높이며, 제작 및 태양추적의 오차한계를 많이 넓힐 수 있다.The tolerance of the angle of incidence is much higher than that of a similar device consisting of a general spherical surface or a dish or trough shaped concentrator consisting of only a parabolic surface, and thus the optical performance of the device is much improved, and at the same time, more uniform energy is distributed on the heat absorbing surface or the light receiving surface. As a result, the efficiency of the device can be increased, and the margin of error in manufacturing and solar tracking can be widened.

집속된 광 에너지의 행로가 입사 광 에너지의 행로와 동일한 방향으로 진행하게 하여, 흡열장치 또는 수광장치의 위치가 광학 집속기의 하부에 위치하게 하며, 입사 광 에너지의 차단을 최소화시키며, 또한 장치의 무게중심이 전체장치의 중심보다 하부에 위치하여 기계적인 운동의 오차를 축소하되고, 흡열 또는 수광장치의 설치를 용이하게 하며, 태양추적 및 광학부품의 제작을 용이하게 하며 장치의 소형화 및 경량화를 달성하며 광학 집속기 장치 및 전체 장치를 간소화되는 것이다.The path of focused light energy travels in the same direction as the path of incident light energy, so that the position of the heat absorber or light receiver is located under the optical concentrator, minimizing the blocking of the incident light energy, and also The center of gravity is located below the center of the whole device to reduce the errors of mechanical movement, facilitate the installation of endothermic or light-receiving devices, facilitate the manufacture of solar tracking and optical components, and reduce the size and weight of the device. To achieve and simplify the optical concentrator device and the whole device.

Claims (11)

반사면이 포물면인 주 반사경(1,1')과 반사면이 도립된 포물면 또는 타원면인 제 2의 반사경(2,2')과 흡열면(3) 또는 흡열관(5)으로 구성되는 것으로, 주 반사경(1,1')은 최외곽을 형성한 포물면으로 서로 대칭되는 두 개의 반사경(1,1')으로 형성되고, 두 개의 반사경으로 이루어진 주 반사경(1,1') 사이 하단에서 두 주 반사경(1, 1')을 연결하며 흡열면(3) 또는 흡열관(5)이 형성되고, 흡열면(3) 또는 흡열관(5)의 상부 표면 중앙에 도립(倒立)된 형태로 보다 작은 포물면 또는 타원면으로 된 두 개의 반사경으로 구성된 제2반사경(2,2')이 형성되는데 제2반사경 (2, 2')의 두 반사경은 서로 등을 지고 형성되어 두 개의 주 반사경(1,1')과 각 각 대향하여 반사면 끼리 마주보며 형성된 광 집속기의 반사경 형성구조It is composed of a main reflector (1, 1 ') whose reflecting surface is a parabolic surface, a second reflecting mirror (2, 2') which is an inverted parabolic surface or an ellipsoidal surface and an endothermic surface (3) or a heat absorbing tube (5). The main reflectors 1,1 'are formed of two reflectors 1,1' which are symmetrical with each other in the outermost parabolic plane, and are arranged at the bottom between the main reflectors 1,1 'consisting of two reflectors. A heat absorbing surface 3 or a heat absorbing tube 5 is formed to connect the reflecting mirrors 1 and 1 ', and is smaller in the shape of inverted in the center of the upper surface of the heat absorbing surface 3 or the heat absorbing tube 5. A second reflector (2, 2 ') consisting of two reflectors of parabolic or ellipsoidal surfaces is formed. The two reflectors of the second reflector (2, 2') are formed with their backs against each other to form two main reflectors (1,1 '). Reflector formation structure of the optical concentrator formed to face each other and the reflecting surfaces face each other 제 1항에 있어서, 포물면의 내측면을 반사면으로 하는 주 반사경(1, 1)과, 포물면 또는 타원면의 반사면을 갖는 제 2의 반사경(2, 2')은 초점(F)을 공유하는 것을 특징으로 하는 광 집속기의 반사경 형성구조2. The main reflectors 1, 1 according to claim 1, wherein the main reflectors 1, 1 having the inner surface of the parabolic surface as the reflecting surface and the second reflecting mirrors 2, 2 'having the reflecting surface of the parabolic surface or the elliptical surface share the focal point F. Reflector forming structure of the optical focuser, characterized in that 제 1항에 있어서, 제2 반사경(2, 2')의 반사곡면이 단면상 일반 다항식으로 표현되는 구조를 갖는 광 집속기의 반사경 형성구조The reflector forming structure of an optical concentrator according to claim 1, wherein the reflecting curved surfaces of the second reflecting mirrors (2, 2 ') have a structure represented by a general polynomial in cross section. 제 1항과 제 2항에 있어서, 주 반사경(1, 1)을 공유초점(F)을 중심으로 입사한계각 만큼 시계의 반대방향으로 기울여 장치가 태양추적을 하지 않아도 되며 동시에 장치의 오차한계를 넓혀주는 것을 특징으로 하는 광 집속기의 반사경 형성구조The device according to claim 1 or 2, wherein the main reflectors (1, 1) are inclined counterclockwise by the angle of incidence with respect to the shared focal point (F) so that the device does not need to track the sun and at the same time the error limit of the device is reduced. Reflector forming structure of the optical concentrator, characterized in that for widening 제 1항과 제 2항에 있어서, 제 2반사경(2, 2')을 공유 초점(F)을 중심으로 시계방향으로 θe만큼 기울여 광의 진로를 조절하며 동시에 광의 손실을 최소화하는 광 집속기의 반사경 형성구조The method according to claim 1 or 2, wherein the second reflectors (2, 2 ') are centered on the shared focal point (F). Clockwise θeReflector forming structure of the light concentrator which inclines as much as possible to control the light path and minimize the loss of light 제 1항과 제 2항에 있어서, 제 2반사경(2, 2')의 반사면이 포물면인 경우, 제 2 반사경과 주 반사경이 상호 연계하는 공유 초점(F)의 초점거리가 관계식 fe={-(R+fpsinθc)sinθe-fpcosθccosθe+{[-(R+fpsinθc)cosθe-fpcosθcsinθe]2+[-(R+fpsinθc)sinθe-fpcosθccosθe]2}1/2 }/2 을 만족하는 광 집속기의 반사경 형성구조3. The method according to claim 1 or 2, wherein when the reflecting surfaces of the second reflecting mirrors 2, 2 'are parabolic, the focal length of the shared focal point F, which the second reflecting mirror and the main reflecting mirror cooperate with each other, is represented by the relation f e = { -(R + f p sinθ c ) sinθ e -fpcosθccosθ e + {[-(R + f p sinθ c ) cosθ e -f p cosθ c sinθ e ] 2 + [-(R + f p sinθ c ) sinθ e -f p cosθ c cosθ e ] 2 } 1/2 } / 2 Reflector Formation Structure of Optical Integrator 제 1항과 제 2항에 있어서, 제2 반사경의 반사면이 타원인 경우, 제 2 반사경(2, 2')이 주 반사경(1, 1')과 연계하여 공유 초점(F)의 초점거리가 관계식 fe= (-a/2-Ro+Eo)/2를 만족하는 광 집속기의 반사경 형성구조3. The focal length of the shared focal point F according to claim 1, wherein when the reflecting surface of the second reflecting mirror is an ellipse, the second reflecting mirrors 2, 2 ′ are linked to the main reflecting mirrors 1, 1 ′. Reflector forming structure of optical concentrator satisfying relation f e = (-a / 2-R o + E o ) / 2 제 1항에 있어서, 흡열면(3) 또는 흡열관(5)은 평면, 구형, 원통 또는 다른 형태로 대치할 수 있으며, 흡열면(3) 또는 흡열관(5)의 형상에 무관하게 반사경(1, 1', 2, 2')의 형성구조를 유지하면서 반사경(1, 1', 2, 2')의 대칭축(LL')을 이동할 수 있는 것을 특징으로 하는 광 집속기의 반사경 형성구조The heat absorbing surface 3 or the heat absorbing tube 5 may be replaced by a plane, a spherical shape, a cylindrical shape, or another shape, and the reflecting mirror 3 may be replaced with the reflecting glass 3 regardless of the shape of the heat absorbing surface 3 or the heat absorbing tube 5. Reflector forming structure of the optical concentrator, which can move the symmetry axis LL 'of the reflecting mirrors 1, 1', 2, 2 'while maintaining the forming structures of 1, 1', 2, 2 '. 광 집속기의 흡열면(3) 또는 흡열관(5)과 제 2 반사면(2, 2')을 함께 유리관(31)에 수용하는 광 집속기의 반사경 형성구조Reflector forming structure of the light concentrator for accommodating the heat absorbing surface 3 or the heat absorbing tube 5 and the second reflecting surfaces 2, 2 'of the light concentrator together in the glass tube 31 제 1항에 있어서,광 집속기 전체를 밀폐된 통상의 유리관(32)내에 수용하는 광 집속기의 반사경 형성 구조The reflector formation structure of the optical concentrator of Claim 1 which accommodates the whole optical concentrator in the sealed normal glass tube 32. 제 10항에 있어서, 광 집속기 전체를 밀폐된 통상의 유리관(32)속에 수용함에 있어 유리관(32)의 내부를 진공 상태로 하는 광 집속기의 반사경 형성구조11. The reflector forming structure of the optical concentrator according to claim 10, wherein the inside of the glass tube (32) is vacuumed when the entire optical concentrator is accommodated in a sealed ordinary glass tube (32).
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