KR20030000943A

KR20030000943A - 프레넬 및 프리즘 렌즈를 이용한 태양광 집광 자연 채광조명 장치

Info

Publication number: KR20030000943A
Application number: KR1020010037219A
Authority: KR
Inventors: 이의준
Original assignee: 한국에너지기술연구원
Priority date: 2001-06-27
Filing date: 2001-06-27
Publication date: 2003-01-06
Also published as: KR100384277B1

Abstract

본 발명은 프레넬(Fresnel) 렌즈를 이용한 태양광 집광 장치에서 모아진 선형의 태양광을 프리즘 렌즈를 사용한 변광부에서 적절한 형상으로 전환시킨 후 실내로 연결되는 광파이프를 통하여 실내를 조명하는 프레넬 및 프리즘 렌즈를 이용한 태양광 집광 조명 장치에 관한 것이다.

본 발명의 장치는, 두 개의 부채꼴 형상이 대향하면서 상호 연결된 경량 알루미늄 프레임(11)과, 이 프레임(11)의 두 원호상부에 부착되는 프레넬 렌즈(12)와, 상기 양측면의 두 부채꼴 형상부 프레임에 부착되는 측면 고반사 필름(13)으로 이루어진 집광부(10)와; 상기 프레넬 렌즈(12)의 촛점에 위치하도록 집광부(10)에 연결되며,상기 프레넬 렌즈(12)의 촛점 위치가 되는 상면의 길이 방향 중앙부에 밴드 형상의 제1 프리즘 렌즈(21)가 위치하고, 저면의 폭 방향 및 길이 방향 중앙부에는 광파이프(41)의 단면 형상과 일치하는 제2 프리즘 렌즈(22)가 위치하는 박스형 변광부(20)와, 상기 제2 프리즘 렌즈(22)의 배면에 부착되어 제2 프리즘 렌즈(22)를 통과한 빛이 광파이프(41)로 적절히 전달되도록 진로 방향을 변화시켜 주는 삼각 단면 형상의 광 커넥터(30)와; 광 커넥터(30)를 통과해 온 태양광을 전달받아 실내로 전달하는 역할을 수행하기 위하여 상기 광 커넥터(30)와 일측단부가 연결되고, 타측단부 선단면 내부에는 거울(41C)이 구비되는 광파이프(41)의 내부 상면에는 실내면 균일 조도를 위한 익스트랙터 필름(42)이, 내부 하면에는 실내 작업면 균일 확산 조도를 위한 확산 필름(43)이 부착되며, 내부 상하면에 각각 익스트랙터 필름과 확산 필름이 부착된 광파이프의 내부 전체면에 빛을 길이 방향으로 효과적으로 전달하기 위한 고반사 필름(44)이 적층, 부착되는 배광부(40)로 구성된다.

본 발명의 태양광 집광 조명 장치는 경량의 프레넬 렌즈와 프리즘 렌즈를 사용하므로써 장치 전체의 중량이 현저히 감소되어 설치 및 운반이 쉬울 뿐 아니라, 종래 일반 구조체와 렌즈를 사용한 경우보다 저렴하게 제작이 가능한 이점이 있다.

Description

프레넬 및 프리즘 렌즈를 이용한 태양광 집광 자연 채광 조명 장치{Solar daylighting system using Fresnel and prism lens}

본 발명은 건축물 조명 설비 기술 중에서 태양광 집광에 의한 자연 채광 조명 장치에 관한 것으로, 더 자세하게는 프레넬(Fresnel) 렌즈를 이용한 태양광 집광 장치에서 모아진 선형의 태양광을 프리즘 렌즈을 사용한 변광부에서 적절한 형상으로 전환시킨 후, 실내로 연결되는 광파이프로 전반사시켜 실내를 조명해 주는 프레넬 및 프리즘 렌즈를 이용한 태양광 집광 조명 장치에 관한 것이다.

종래 전통적인 한옥과 같이 남향으로 개방된 단독 주거 형태에서는 태양광의 반사에 의한 간접적인 태양광이 건물 내부로 충분히 유입되므로, 낮에는 건물 실내를 밝혀 주기 위한 별도의 조명 장치가 거의 필요치 않았다

그러나, 오늘날의 단독 주택은 개방형인 전통 가옥과 달리 방범의 목적상 패쇄형 주택의 양식을 취하므로써 실내로 유입되는 반사 태양광이 감소되어 낮에도 어느 정도의 조명 기구를 사용하여야 하는 단점을 가지고 있다.

또한, 건축 기술의 발달과 함께 건물들이 대규모 고층화됨에 따라 건물들간의 태양광 차단으로 건물내의 태양광 유입이 감소되기도 하고, 창호를 통해 직접적으로 유입되는 태양광을 차단하고 건물의 미관을 위하여 장식적이지만 광투과율이 낮은 유리로 창호를 구성하거나 블라인더를 사용하므로써 건물내로 유입되는 태양광이 적어 일반적인 사무실용 건물의 경우에는 낮에도 상당히 많은 조명 기구를 켜야한다.

특히, 대형 고층 건축물의 경우, 낮에도 가동시키는 조명 기구에 의한 에너지 소비 비용은 상당한 수준에 이르기 때문에 국가적인 에너지 절약 뿐 아니라, 건축물의 관리 비용을 절감하기 위하여 낮에 사용되는 조명용 에너지의 절감이 매우 중요하나, 근래 많이 사용되고 있는 전자식으로 점등되는 에너지 절약형 전등과 같은, 단순히 전기를 사용하는 조명 기구의 품질 개선만으로는 한계가 있다.

더욱이, 국내의 경우 인구에 비하여 주택과 녹지 공간은 매우 부족한 실정이기 때문에 경제 활동 공간으로서의 지하 공간 개발이 활발히 이루어지고 있고, 향후에도 지하 공간의 개발은 계속될 것이나, 이러한 지하 공간은 24시간 조명 기구가 필요로 되는 만큼 조명을 위한 에너지의 소비가 많다는 문제가 있으며, 지하 공간에서 장시간 활동하는 사람들에게는 태양광을 쬘 수 있는 시간이 절대적으로 부족하여 건강에도 좋지 않다는 문제가 있다.

따라서, 낮에 소비되는 조명용 전기 에너지의 획기적인 절약과 지하 공간에서 활동하는 사람들에 대한 일사량 보충을 위하여 태양광을 이용한 자연 채광에 의한 조명이 매우 바람직하다.

태양광을 이용한 채광 및 조명 방법은, 건물의 창이나 차양 장치 등을 이용하여 외부의 자연광을 실내 깊숙이 유입시키는 소극적 방식과, 집광기가 태양의 위치를 계속 추적하여 집광하고 집광된 태양광을 실내로 유입시키는 적극적 방식으로 구분될 수 있으며, 이들 중 대규모 건물이나 지하 공간 등에 적합한 상기 적극적 방식의 태양광을 이용한 조명 시스템들이 다양하게 개발되었고, 계속적으로 연구되고 있다.

국내 특허공개공보 제 1990-12113호에는 다수개의 광학렌즈와 태양광을 전달하는 광도체 케이블 등으로 구성된 태양광 조명 장치가, 동 제 1993-1755호에는 상면에 만곡면을 가지며 외주면에 알루미늄이나 수은 등과 같은 반사체 도료와 보호용 페인트가 도착된 역사각뿔형 집광 렌즈와 광유도파이프 등으로 구성된 태양광을 이용한 조명 장치가 개시되어 있으며, 그 밖에도 다양한 장치들이 있다.

그러나, 상기와 같은 종래의 태양광 조명 장치는 일반적으로 태양광의 집광을 위하여 다수개의 렌즈가 사용되고, 보다 많은 태양광을 모으기 위하여서는 집광부의 면적을 넓혀야 하기 때문에 집광 장치를 구성하는 렌즈의 무게가 과다하게 증가될 뿐 아니라, 그 제작 또한 매우 어렵고 가격 또한 고가인 단점이 있으며, 렌즈가 아닌 거울과 같은 반사체를 사용할 경우에는 집광 효율이 떨어져 좁은 범위의 조명만이 가능한 문제가 있다.

또한, 렌즈에 의해 렌즈의 촛점에 집광되는 태양광은 점, 즉 원의 형태를 하게 되기 때문에, 이 원 형상의 태양광이 전달되는 통로인 광파이버나 광파이프 등의 단면 형상 역시 원형이 되어야 태양광의 전달 과정에서 빛의 손실을 감소시킬 수 있으나, 종래에는 상기 원 형상의 태양광을 그대로 사용하기 때문에 광파이프와 같은 태양광 전달 수단의 제조에도 제약을 받게 된다.

본 발명은 태양광을 이용한 종래의 조명 장치들이 가지고 있는 제반 문제점들을 해결하기 위한 것으로, 태양광을 효과적으로 집광할 수 있으며 경량화가 가능한 알루미늄 프레임과 프레넬 렌즈를 사용하여 태양광을 선형의 형태로 집광하고, 선형의 형태로 집광된 태양광의 형상과 반사각을 변화시켜 태양과의 손실을 최소화하면서 실내 조명을 할 수 있는 자연 채광 시스템을 제공함에 본 발명의 목적이 있다.

도 1은 본 발명 일실시예 장치의 구성도.

도 2는 고반사 필름이 결합된 프레넬 렌즈의 사시도.

도 3은 박스형 변광부의 저면 사시도.

도 4는 배광부의 단면도.

도 5는 본 발명 장치를 통한 태양광의 집광 및 반사 개념도.

((도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명))

10. 집광부 11. 프레임

12. 프레넬 렌즈 13. 측면 고반사 필름

20. 변광부 21. 제1 프리즘 렌즈

22. 제2 프리즘 렌즈 30. 광 커넥터

40. 배광부 41. 광파이프

42. 익스트랙터 필름 43. 확산 필름

44. 고반사 필름

본 발명의 상기 목적은 태양광을 집광하는 프레넬 렌즈와, 집광된 태양광의 형상과 반사각을 변화시켜 주는 프리즘 렌즈와, 프리즘 렌즈를 통과한 빛이 이동하며 전반사 되거나 실내로 투과되도록 하는 광파이프에 의하여 달성된다.

본 발명의 프레넬 및 프리즘 렌즈를 이용한 태양광 집광 조명 장치에 사용된 프레넬 렌즈는 렌즈의 두께를 줄이기 위하여 개발된 것으로, 볼록 렌즈에서 빛이 꺾이는 부분은 바로 렌즈의 표면이며 이곳에서 굴절된 빛이 초점에 모이게 되며, 이때 초점이 형성되는 쪽을 절단하여 일측이 평평한 볼록 렌즈를 형성하여도 렌즈의 기능을 수행함에는 이상이 없는 현상을 이용한 렌즈이다.

일반적인 렌즈는 가운데 부분이 두껍게 제작되지만, 프레넬 렌즈는 몇 개의 띠 모양으로 나누어 각 띠에 프리즘 작용을 가지게 하여 평평하게 제작할 수 있으며, 본 발명 장치는 집광 장치로서 아크릴이나 폴리탄산에스테르와 같은 소재로 만든 가벼운 프레넬 렌즈를 사용함에 기술적 특징이 있다.

단면 두께와 경사각이 다른 다수 띠 형태의 프리즘을, 전체적인 외주면이 원호상을 이루도록 폭 방향으로 부착시킨 형상의 프레넬 렌즈는 태양광을 한 곳으로모으게 되며, 이때 각 띠 형태의 프리즘이 길이 방향으로는 직선의 형상을 하기 때문에 각 프림즘에 의해 촛점에 모아지는 태양광의 형상은 일반 렌즈와 같은 원형이 아닌 직선과 같은 선형의 형상을 하게 된다.

즉, 각 프리즘을 통과한 다수의 선형 태양광이 하나로 중첩되어 집광되는 것이다.

상기와 같이 선형으로 집광되는 태양광은 적절한 각도를 갖는 제1 프리즘 렌즈상에 집광되어 그 반사각과 형상이 변환된 후, 제2 프리즘 렌즈를 통하여 실내로 연결되는 광파이프로 조사된다.

그리고, 광 파이프로 조사되는 태양광은 그 빛의 세기가 강하고 빛이 고르게 분포되지 않아 조명용으로는 적당치 않으므로 광파이프의 입구 내벽에는 빛 확산 필름과 고반사 필름이 구비되어 빛의 일부를 산란시키는 동시에 광파이프 내부로 태양광을 반사시키게 되고, 이때 상기 산란된 빛은 간접 조명의 효과를 얻을 수 있도록 하여 준다.

광파이프의 입구 내벽에서 산란되고 반사된 테양광은 외주면이 익스트랙터(extractor) 필름으로 둘러싸인 광파이프의 내부벽을 따라 반사 혹은 투과가 되는데, 내부벽에 대한 태양광의 입사각이 임계각 이내 일 경우에는 전반사에 의해 광파이프 내부로 반사되고, 임계각을 초과하게 되면 광파이프를 투과하여 실내로 유입되므로써 실내 조명에 사용된다.

본 발명의 목적과 자세한 기술적 특성 및 작용 효과는 본 발명의 바람직한 실시예를 도시하고 있는 도면을 참조한 다음의 상세한 설명에 의하여 명확하게 이해될 것이다.

도 1에 본 발명 일실시예 프레넬 및 프리즘 렌즈를 이용한 태양광 집광 조명 장치의 개략 구성도를, 도 2에 프레임을 제거한 상태의 집광부 사시도를, 도 3에 본 발명 일실시예 장치를 구성하는 변광부의 사시도를, 도 4에 본 발명 일실시예 장치를 구성하는 배광부의 단면도를, 도 5에 본 발명 일실시예 장치를 통한 태양광의 반사 개념도를 도시하였다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 장치는 두 개의 부채꼴 형상이 대향하면서 상호 연결된 프레임(11)과, 이 프레임(11)의 두 원호상부를 길이 방향 양단부로 하여 부착되는 대략 원통의 부분 외주면 형상을 하는 프레넬 렌즈(12)와, 두 부채꼴 형상부 내측에 부착되는 측면 고반사 필름(13)으로 이루어진 집광부(10)와; 상기 프레넬 렌즈(12)의 촛점에 위치하도록 집광부(10)에 연결되며, 상기 프레넬 렌즈(12)의 촛점 위치가 되는 상면의 길이 방향 중앙부에 밴드 형상의 제1 프리즘 렌즈(21)가 위치하고, 저면의 폭 방향 및 길이 방향 중앙부에는 광파이프(41)의 단면 형상과 일치하는 제2 프리즘 렌즈(22)가 위치하는 박스형 변광부(20)와, 상기 제2 프리즘 렌즈(22)의 배면에 부착되어 제2 프리즘 렌즈(22)를 통과한 빛이 광파이프(41)로 적절히 전달되도록 진로 방향을 변화시켜 주는 삼각 단면 형상의 광 커넥터(30)와; 광 커넥터(30)를 통과해 온 태양광을 전달받아 실내로 전달하는 역할을 수행하기 위하여 상기 광 커넥터(30)와 일측단부가 연결되고, 타측단부 선단면 내부에는 거울(41C)이 구비되는 광파이프(41)의 내부 상면에는 실내면 균일 조도를 위한 익스트랙터 필름(42)이, 내부 하면에는 실내 작업면 균일 확산 조도를 위한 확산 필름(43)이 부착되며, 내부 상하면에 각각 익스트랙터 필름과 확산 필름이 부착된 광파이프의 내부 전체면에 빛을 길이 방향으로 효과적으로 전달하기 위한 고반사 필름(44)이 적층, 부착되는 배광부(40)로 구성된다.

즉, 본 발명의 장치는 집광부, 변광부, 광 커넥터 및 배광부로 구성되고, 상기 집광부에는 태양의 고도에 따라 프레넬 렌즈의 각도를 변화시킬 수 있도록 태양 추적 장치를 연계시키는 것이 바람직하다.

본 발명의 일실시예 장치에서는, 변광부 상면의 제1 프리즘 렌즈(21)를 중심으로 상하 대칭 되도록 광센서(S)를 부착하였으며, 이 광센서(S)에 의해 조도를 실시간 측정하여 조도차가 발생하면 조도 차이가 없어지도록 하면서 태양을 추적할 수 있도록 집광부의 각도를 변화시키기 위한 장치로서 피엘씨 컨트롤러와 제어 모터(도면 미도시)를 채용하였다.

그리고, 박스형 변광부(20)의 내부에는 전반사 필름(도면 미도시)이 구비되어 제1 프리즘 렌즈(21)를 통해 변광부 내부로 진행된 태양광을 계속하여 전반사시켜 종래에는 변광부의 출구 즉, 제2 프리즘 렌즈(22)를 통하여 변광부를 빠져나가게 된다.

즉, 상면의 제1 프리즘 렌즈(21)에 선형으로 집광된 태양광의 대부분은 저면의 제2 프리즘 렌즈(22)로 입사된다.

이때, 상면의 제1 프리즘 렌즈(21)를 적절히 선택하면 선형으로 집광된 태양광의 형상을 사각, 원 등의 원하는 형상, 즉 광파이프의 단면 형상에 일치되도록 변화시킬 수 있는 바, 배광부로의 광전송 효율을 가능한 한 높일 수 있도록 제1 프리즘 렌즈을 설계할 수 있으며, 이러한 역할을 하는 변광부에 본 발명 장치의 기술적 특징이 있다.

따라서, 상기 실시예 장치에서는 사각 단면 형상의 광파이프와 제2 프리즘 렌즈가 사용되었으나, 원형의 광파이프와 같이 다른 단면 형태의 광파이프가 사용되어도 무방하다.

상기와 같이 구성된 본 발명 장치의 광전송 성능은 집광부, 변광부, 배광부 각각의 효율(η_C,η_T,η_P)을 구함으로써 얻을 수 있으며, 다음 식과 같이 나타낼 수 있다.

,

상기에서, η_total은 장치 전체의 효율, φ_i는 장치 입구에서의 광속, φ_o는 장치 출구에서의 광속, C는 집광부, T는 변광부, P는 배광부이다.

상기 식에서 (φ_i)_C는 태양에서 집광부로 도달하는 전체 광속을 나타내며, 집광부에서 나가는 광속은 변광부로 들어가는 광속과, 변광부에서 나오는 광속은 배광부로 들어가는 광속과 같기 때문에 본 발명 장치의 전체 효율 관계식은 다음식과같이 집광부에 도달한 전체 광속 중 배광부를 통해 실내로 유입되는 광속의 비로 나타낼 수 있다.

상기 식 2에 근거하여 변광부의 효율을 실험을 통하여 측정하였다.

이때, 본 발명 장치와 광원을 동일 높이로 설치하고 변광부 입구부에 제1 프리즘 렌즈가 없는 경우와 70°, 90°의 제1 프리즘 렌즈를 각각 설치한 경우로 구분하였으며, 광원의 방위각을 5°간격으로 변화시키면서 변광부의 효율을 측정한 결과는 다음의 표 1과 같다.

방위각	0°	5°	10°	15°	20°	25°	30°	35°	40°
70°필름	46.87	37.33	37.21	28.45	20.90	16.53	7.02	-	-
90°필름	33.82	33.71	32.14	29.79	26.24	23.70	16.74	-	-
무필름	9.56	11.86	13.05	12.91	14.37	16.66	26.41	33.15	33.01
η_total	46.87	37.33	37.21	29.79	26.24	23.70	26.41	33.15	33.01

상기 표 1에서 알 수 있듯이, 방위각이 0∼10°일 때는 프리즘 각도가 70°인 프리즘 렌즈의 효율이 높게 나타났으며, 15∼25°일 때는 프리즘 각도가 90°인 프리즘 렌즈의 효율이 높게 나타났는 바, 이러한 결과는 변광부의 효율 향상을 위하여 태양의 이동 경로에 따라 그에 적합한 프리즘 렌즈로 바꾸어 주어야 한다는 것을 보여주는 것이다.

즉, 본 발명 장치를 중심으로 태양의 방위각이 큰 9∼11시 및 13∼15시 사이에는 90°의 프리즘 렌즈을 사용하고, 태양의 방위각이 거의 없는 11∼13시 사이에는 70°의 프리즘 렌즈를 사용하는 것이 바람직하다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 태양광 집광 조명 장치는 경량의 프레넬 렌즈와 프리즘 렌즈를 사용하므로써 장치 전체의 중량이 현저히 감소되어 설치 및 운반이 손쉬울 뿐 아니라, 가격도 종래 일반 렌즈를 사용한 경우보다 저렴하게 제작이 가능한 이점이 있다.

그리고, 집광된 선형의 태양광을 광파이프의 단면 형상에 알맞도록 변화시킬 수 있기 때문에, 설치 장소에 따라 달라질 수 있는 광파이프의 단면 형상에 제약을 받지 않고, 일정항 효율을 유지할 수 있는 장점이 있다.

Claims

두 개의 부채꼴 형상이 대향하면서 상호 연결된 프레임(11)과, 이 프레임(11)의 두 원호상부를 길이 방향 양단부로 하여 부착되는 대략 원통의 부분 외주면 형상을 하는 프레넬 렌즈(12)와, 상기 양측면의 두 부채꼴 형상부 프레임에 부착되는 측면 고반사 필름(13)으로 이루어진 집광부(10)와; 상기 프레넬 렌즈(12)의 촛점에 위치하도록 집광부(10)에 연결되며, 상기 프레넬 렌즈(12)의 촛점 위치가 되는 상면의 길이 방향 중앙부에 띠 형상의 제1 프리즘 렌즈(21)가 위치하고, 저면의 폭 방향 및 길이 방향 중앙부에는 광파이프(41)의 단면 형상과 일치하는 제2 프리즘 렌즈(22)가 위치하는 박스형 변광부(20)와, 상기 제2 프리즘 렌즈(22)의 배면에 부착되어 제2 프리즘 렌즈(22)를 통과한 빛이 광파이프(41)로 적절히 전달되도록 진로 방향을 변화시켜 주는 삼각 단면 형상의 광 커넥터(30)와; 광 커넥터(30)를 통과해 온 태양광을 전달받아 실내로 전달하는 역할을 수행하기 위하여 상기 광 커넥터(30)와 일측단부가 연결되고, 타측단부 선단면 내부에는 거울(41C)이 구비되는 광파이프(41)의 내부 상면에는 익스트랙터 필름(42)이, 내부 하면에는 확산 필름(43)이 부착되며, 내부 상하면에 각각 익스트랙터 필름과 확산 필름이 부착된 광파이프의 양 단면을 제외한 내부 전체면에 고반사 필름(44)이 적층, 부착되는 배광부(40)로 구성됨을 특징으로 하는 프레넬 및 프리즘 렌즈를 이용한 태양광 집광 조명 장치.
제 1항에 있어서, 상기 변광부(20) 상면의 제1 프리즘 렌즈(21)를 중심으로 상하 대칭 되도록 광센서(S)가 부착되며, 이 광센서(S)에 의해 조도를 실시간 측정하여 조도차가 발생하면 조도 차이가 없어지도록 집광부의 각도를 변화시키기 위한 태양 추적 장치가 구비됨을 특징으로 하는 프레넬 및 프리즘 렌즈를 이용한 태양광 집광 조명 장치.
제 1항에 있어서, 상기 변광부(20) 상면의 제1 프리즘 렌즈(21)는 프리즘 각도가 90°인 프리즘 렌즈임을 특징으로 하는 프레넬 및 프리즘 렌즈를 이용한 태양광 집광 조명 장치.
제 1항에 있어서, 상기 변광부(20) 상면의 제1 프리즘 렌즈(21)는 프리즘 각도가 70°인 프리즘 렌즈임을 특징으로 하는 프레넬 및 프리즘 렌즈를 이용한 태양광 집광 조명 장치.