KR20090008943A - 태양광 조광장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 태양광을 일정한 조광부에 계속적으로 공급하는 태양광조광장치에 관한 것으로서, 태양이 일주운동을 하여 위치가 달라지더라도 일정한 방향으로 태양광을 조광할 수 있도록 반사판의 위치가 제어되는 태양광조광장치를 제공한다.
본 발명은 태양경로추적장치와, 태양광을 조광부로 반사시키는 반사판과, 상기 태양경로추적장치가 태양을 향해 이동하고 상기 반사판이 상기 태양경로추적장치가 이동한 각도의 1/2만큼 이동하도록 구동되는 구동부와, 상기 구동부를 제어하는 제어부를 포함한다.
태양광조광장치, 천구, 태양궤도, 조광부, 태양에너지, 반사판, 태양경로추적장치

Description

태양광 조광장치{AN APPARATUS FOR ILLUMINATING SUNBEAMS}
본 발명은 태양광을 일정한 조광부에 계속적으로 조광하는 태양광조광장치에 관한 것으로서, 특히 태양의 이동에 따라 반사판의 자세가 변하여 낮 동안 태양광을 조광부로 계속적으로 공급할 수 있는 장치에 관한 것이다.
태양에너지는 수소의 핵융합 에너지에 의해 생성되는 에너지로서 지구상에 존재하는 생명체의 에너지의 근원이다. 태양에너지는 태양광, 복사열의 형태로 지구에 도달하며, 태양이 존재하는 한 계속적으로 공급될 수 있는 거의 무한에 가까운 에너지자원이다.
태양에너지는 태양전지를 통해 전기에너지로 사용될 수 있고, 태양열에너지를 이용하여 태양열보일러를 구동하는등 다양하게 응용될 수 있다. 한편 태양의 빛 에너지는 다양한 파장의 빛을 가지고 있으며, 생물체에 필요한 영양분을 합성하는 촉매로서도 기능한다. 또한, 태양에너지는 공해를 생성하지 않는 무한한 자원이므로 적극적으로 활용할 필요가 있다.
태양의 복사에너지 및 빛에너지를 효율적으로 이용하기 위해서는 태양광을 일정한 방향으로 조광할 필요가 있다. 그러나 태양은 지구의 자전에 의해 매일 천 구 상을 이동하는 일주 운동을 하기 때문에, 시간에 따라 그 위치와 고도가 달라지므로 태양광을 일정한 장소에 계속적으로 공급하기는 어려운 문제점이 있다.
따라서 태양에너지를 이용할 수 있는 에너지 분야, 조경분야, 건축분야 등 여러 분야에서 태양광을 공급하는 조광기술이 필요하며, 실내 또는 구조물에 의해 태양광이 도달하기 어려운 장소에도 태양광을 조광할 수 있는 장치가 요구된다.
상기와 같은 제반 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 태양의 위치가 일주 운동에 의해 달라지더라도 일정한 방향으로 태양광을 조광할 수 있도록 반사판의 자세를 제어하는 태양광조광장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 태양경로추적장치와, 태양광을 조광부로 반사시키는 반사판과, 상기 태양경로추적장치가 태양을 향해 이동하도록 구동하고 상기 반사판이 상기 태양경로추적장치가 이동한 각도의 1/2만큼 이동하도록 구동하는 구동부와, 상기 구동부를 제어하는 제어부를 포함한다.
상기 구동부는 두 개의 축을 기준으로 회전하는 회전수단을 포함하며, 이 회전수단은 상기 반사판과 태양경로추적장치를 반사판의 법선축을 기준으로 회전시키는 제1 회전수단과, 상기 반사판과 태양경로추적장치를 상기 제1 회전수단의 회전축에 직교한 방향으로 회전시키는 제2 회전수단을 포함할 수 있다.
상기 반사판은 제1 회전수단의 회전축에 고정되고, 상기 반사판에는 상기 태 양경로추적장치가 제2 회전수단의 회전축에 평행한 회전축을 기준으로 회전가능하게 결합되며, 상기 태양경로추적장치에는 제1 기어가 고정되고, 상기 제2 회전수단의 회전축에는 상기 제1 기어와 동일한 지름과 동일한 이 수를 가지며 상기 제1 기어와 맞물리는 제2 기어가 고정되며, 상기 제2 기어는 제2 회전수단의 회전축 방향으로는 회전하지 않고 상기 제2 회전수단 구동시 상기 제1 기어가 제2 기어와 맞물려 그 외주면을 따라 회전하는 것이 바람직하다.
상기 태양경로추적장치는 상기 제2 회전수단의 회전축에 평행한 베이스판과,
상기 베이스판으로부터 이격되어 평행하게 배치되며, 그 수직 정사영이 상기 베이스판 내에 투영되는 그림자판과, 상기 베이스판 상에 상기 그림자판의 수직 정사영 내부에 위치되어 태양광을 감지하는 태양광감지부를 포함할 수 있다.
상기 태양광감지부는 상기 제2 회전수단의 회전축에 평행한 방향으로 두 개가 배치되고, 상기 제2 회전수단의 회전축에 평행한 방향으로 배치된 두 개의 태양광감지센서와 직교하게 배치되는 두 개의 태양광감지센서를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 제어부는 상기 그림자판에 의해 상기 제2 회전수단의 회전축과 평행하게 배치되는 두 개의 태양광감지센서에 태양광이 감지되지 않을 때까지 제1 회전수단을 구동한 후, 나머지 태양광감지센서에 태양광이 감지되지 않을 때까지 제2 회전수단을 구동하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면 태양이 이동함에 따라 반사판을 태양의 이동한 각도의 1/2만큼 회전하도록 제어할 수 있어서 반사판에 의해 반사된 태양광이 일정한 조광부를 향해 계속적으로 공급될 수 있으므로 태양에너지를 효율적으로 이용할 수 있는 효과가 있다.
이하, 도 1 내지 도 7을 참조하여 본 발명에 따른 태양광조광장치의 실시예를 설명한다.
태양은 천구상의 일정한 궤도를 일주한다. 도 1은 천구상에서 태양의 이동을 도시한 개념도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 천구상에서 태양의 위치는 시간각과 고도 두가지 좌표로 표현할 수 있다. 즉, 태양이 S1에 있을 때 태양의 좌표는 두가지의 각도, 즉, 수평면에서의 고도 α1과 기준에서의 시간각 β1으로 표시할 수 있다. 마찬가지로 태양이 S2의 위치로 이동하면, 태양의 좌표는 수평면에서의 고도 α2와 기준에서의 시간각 β2로 표시할 수 있다. 즉, 태양의 위치는 2차원의 각도좌표를 통해 나타낼 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 태양광조광장치를 이용하여 태양광을 일정한 위치의 조광부로 조광하는 과정을 도시한 개념도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 태양의 위치(S1, S2)에 관계없이 조광부(target)에 태양광을 계속적으로 조광하기 위해서는 반사판(10)의 각도가 태양의 위치에 따라 이동하여야 한다. 도면에서 N1은 태양이 S1의 위치에 있는 경우의 반사판(10)의 법선축을 표시하고, N2는 태양이 S2의 위치에 있는 경우의 반사판(10)의 법선축을 표시한 것이다. 태양과 각 법선이 이루는 각을 θ라고 표시하며, S1과 N1이 이루는 각을 θ1, S2과 N2이 이루는 각을 θ2로 표시한다. 태양이 S1에서 S2로 이동하는 경우 태양의 이동각은 2(θ1-θ2)이다. 이때, 반사판의 법선축의 이동각은 N1과 N2 사이의 각도 (θ1-θ2)이다. 따라서, 태양광을 반사판(10)을 이용하여 조광부에 계속적으로 공급하기 위해서는 반사판을 태양의 이동각도의 1/2만큼씩 회전시켜야 한다.
도 3은 본 발명에 따른 태양광조광장치의 일 실시예를 도시한 사시도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 이 실시예는 조광부(T)를 향해 태양광을 반사시키는 직사각형의 반사판(110)과, 태양(S)을 따라 이동하는 태양경로추적장치(120)와, 반사판(110)을 태양의 이동각도의 1/2만큼 회전시키기 위한 구동수단으로서, 회전축이 반사판(110)의 법선축과 같은 방향이며, 반사판(110)을 회전시키는 구동모터(130)와 반사판(110)의 상측에 연결되어 신축하면서 반사판(110)을 구동모터(130)의 회전축과 직교한 방향으로 회전시키는 실린더(150)를 포함한다. 구동모터(130)의 회전축에는 기준축(140)이 부착되며, 반사판(110)이 기준축(140)에 베어링(111)으로 결합되어 실린더(150) 신축시 반사판(110)이 기준축(140)을 기준으로 회전할 수 있다.
구동모터(130)와 실린더(150)는 태양경로추적장치(120)가 태양을 따라 회전하도록 구동되며, 반사판(110)은 태양경로추적장치(120)의 회전 각도의 1/2만큼 회전한다.
A는 반사판(110)을 회전시키는 구동모터(130)의 회전축을 나타내며 이는 반사판(110)의 법선축과 동일한 축이다. B는 반사판(110)의 좌우측을 연결하는 기준축(140)의 방향을 나타내는 축으로서 A와 직교한 축이다. 실린더(150)의 신축방향 을 나타내는 C는 기준축(140)의 방향을 나타내는 B와 언제나 직교한다. 기준축(140)은 구동모터(130)의 회전축에 그 중심이 고정되어 A를 기준으로 회전할 수 있으며, 기준축(140)의 회전에 의해 이와 연결된 반사판(110)이 A를 기준으로 회전한다. 반사판(110)은 실린더(150)의 신축에 따라 B를 기준으로 회전할 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 태양광조광장치의 태양경로추적장치를 도시한 사시도이다. 태양경로추적장치(120)는 반사판(110)의 측면에 구비되며, B에 평행하게 배치된 베이스판(122)과, 베이스판(122)에 평행하며 수직 정사영이 베이스판(122) 내에 투영되는 그림자판(123)과, 베이스판(122) 상에 구비되며 그림자판(123)의 수직 정사영의 내부에 배치되는 태양광감지센서(124a, 124b)를 포함한다. 그림자판(123)은 그 대각선으로 직교하게 배치되는 지지대(125)에 의해 베이스판(122)과 연결된다.
한 쌍의 태양광감지센서(124a)는 B와 평행하게 배치되며, 나머지 한 쌍의 태양광감지센서(124)는 이에 직교하게 배치된다. 태양광 감지센서(124a)는 베이스판(122) 상의 그림자판(123)의 수직 정사영의 경계선에 최대한 가깝게 배치되는 것이 바람직하다.
태양경로추적장치(120)가 태양을 향하는 경우, 즉 그림자판(123)이 태양광의 진행방향과 직교하는 경우, 그림자판(123)의 그림자는 베이스판(122)에 투영된 그림자판의 수직 정사영과 동일한 영역에 형성된다. 따라서, 그림자판(123)의 베이스판(122) 상의 수직 정사영 내에 배치된 태양광감지센서(124a, 124b) 모두에 빛이 감지되지 않는다. 태양경로추적장치(120)가 태양을 향하지 않는 경우에는 그림자 판(123)이 태양광의 진행방향에 직교하지 않고 그림자판(123)의 그림자가 베이스판(122)에 비스듬하게 형성된다. 따라서, 그림자와 수직 정사영이 동일하지 않고 적어도 하나의 태양광감지센서(124a, 124b)에 빛이 감지된다. 이때, 제어부(미도시)는 모든 태양광감지센서(124a, 124b)에 빛이 감지되지 않도록 자세를 변화시키도록 구동모터(130)와 실린더(150)를 구동시킨다.
다시 도 3으로 돌아와서, 구동모터(130)의 회전축은 A이며, 구동모터(130)는 기준축(140)을 A를 기준으로 회전시킨다. 기준축(140)에는 반사판(110)이 베어링(111)에 의해 결합되고 반사판(110)에는 태양경로추적장치(120)가 결합되므로 기준축(140)의 회전에 의해 반사판(110)과 태양경로추적장치(120)가 A를 기준으로 함께 회전한다. A는 반사판(110)의 법선축과 동일하므로 구동모터(130)가 구동하는 동안 반사판(110)의 법선축의 방향이 변하지 않는다. 즉, 구동모터(130)가 구동하는 동안에도 반사판(110)의 법선축은 동일한 방향을 유지한다. 구동모터(130)는 반사판(110) 측면에 결합된 태양경로추적장치(120)의 태양광감지센서(124a, 124b) 중 B에 평행하게 배치된 태양광감지센서(124a) 모두에 빛이 감지되지 않을 때까지 구동된다. B에 평행한 태양광감지센서(124a)에 빛이 감지되지 않으면, B와 동일한 방향으로 배치된 기준축(140)은 태양궤도에 대해 직교하게 배치된 것이다. 따라서, 기준축(140)과 직교하게 배치된 실린더(130)가 신축구동하면 반사판(110)과 태양경로추적장치(120)가 기준축(140)을 기준으로 회전하며 이들은 태양궤도를 따라 회전하게 된다. 이때, 태양경로추적장치(120)의 회전각도에 대해 반사판(110)의 회전각도는 1/2이 되어야 한다.
태양경로추적장치(120)는 태양을 향하도록 이동하므로 태양궤도를 따라 이동하게 되고, 반사판(110)은 태양경로추적장치(120)의 1/2만큼 이동하여 태양광이 반사판(110)에서 반사되어 일정한 위치의 조광부(T)로 계속하여 조광된다.
도 5는 본 발명에 따른 태양광조광장치의 반사판과 태양경로추적장치를 도시한 평면도이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 반사판(110)의 측면에는 B에 평행하게 배치된 태양경로추적장치(120)의 회전축(112)이 구비된다. 태양경로추적장치(120)에는 제1 기어(121)가 부착되며, 제1 기어(121)는 태양경로추적장치의 회전축(112)에 회전가능하게 결합한다. 기준축(140)에는 제2 기어(141)가 구비되며, 제2 기어(141)는 기준축에 고정된다. 제1 기어(121)와 제2 기어(141)의 지름과 이 수는 동일하다.
실린더(150)의 신축시 기준축(140)의 위치와 자세는 변하지 않으므로 기준축(140)에 고정된 제2 기어(141)는 회전하지 않으며, 반사판(110)이 기준축(140)을 기준으로 회전하게된다. 제1 기어(121)와 제2 기어(141)의 맞물림에 의해 반사판(110)의 회전은 태양경로추적장치(120)의 회전의 1/2이 된다. 이는 도 6과 도 7을 설명하면서 함께 설명한다.
이하, 도 6 및 도 7을 참조하여 본 발명에 따른 태양광조광장치의 동작 및 작용효과를 설명한다.
도 6 및 도 7은 본 발명에 따른 태양광조광장치의 반사판과 태양경로추적장치의 이동 메커니즘을 도시한 개념도이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 초기상태에서 구동모터(130)가 A를 기준으로 회전하면, 구동모터(130)의 회전구동축에 고정된 기준축(140)과 기준축(140)에 결합된 반사판(110) 및 반사판(110)에 결합된 태양경로추적장치(120)가 A를 기준으로 회전한다. 구동모터(130)는 B와 평행한 방향으로 배치된 태양광감지센서(124a) 모두에 그림자판(123)의 그림자가 드리워져 태양광이 감지되지 않을 때까지 기준축(140)을 회전시키며, 이때 기준축(140)과 결합된 반사판(110) 및 반사판(110)에 결합된 태양경로추적장치(120)가 함께 회전한다. B와 평행한 방향으로 배치된 태양광감지센서(124a) 모두에 태양광이 감지되지 않으면, B가 태양궤도에 직교하게 배치된 상태이다.
도 7은 태양이 천구상의 태양궤도를 따라 2γ 만큼 일주운동한 경우를 나타낸다. 도 7에 도시된 바와 같이, 상태에서 실린더(150)가 신축구동되는 과정을 나타낸 것이다. 반사판(110)의 초기위치를 반사판의 법선축 N1과 태양의 방향을 나타내는 축 S1이 동일한 것으로 하였고, 태양의 위치는 S1에서 S2로 2γ만큼 이동한다. 전술한 바와 같이, 구동모터(130)가 회전하는 동안 반사판(110)의 법선축 N1의 방향은 변화하지 않는다. B가 태양궤도에 직교하게 배치되면, 실린더(150)가 신축구동하게 되고 기준축(140)에 회전가능하게 결합한 반사판(110)이 B를 기준으로 회전한다. 제2 기어(141)는 기준축(140)에 고정되어 있으므로 회전축(112)을 기준으로 회전하는 제1 기어(121)가 제2 기어(141)의 외주면을 따라 회전한다. 이에 따라, 회전축(112)과 반사판(110) 및 태양경로추적장치(120)가 기준축(140)을 기준으로 회전한다. 즉, B에 직교하게 배치된 태양광감지센서(124b) 모두에 빛이 감지되지 않을 때까지 실린더(150)가 신축구동하여 반사판(110)의 법선축은 초기의 법선축 N1에 대해 γ만큼 회전하여 N2가 되고, 제1 기어(121)와 제2 기어(141)의 맞물림에 의해 제2 기어(141)가 γ만큼 더 돌아가서 태양경로추적장치(120)가 2γ 만큼 회전한다. 다시 말해, 초기에 제1 기어(121)와 제2 기어(141)의 접점을 P라고 하면, 제1 기어(121) 및 제2 기어(141)는 동일한 지름과 동일한 이 수를 갖고 맞물리기 때문에, 제1 기어(121) 상의 접점 P는 회전축(112)을 기준으로 γ만큼 회전하고, 회전축(112) 자체가 기준축(140)을 기준으로 γ만큼 회전하기 때문에 태양경로추적장치(120)는 태양의 초기위치 S1에 대해 2γ 만큼 회전하게 되어 태양과 동일한 방향을 향하게 된다. 이때, 반사판(110)은 회전축(112)이 기준축(140)을 기준으로 회전한 만큼 회전하기 때문에 반사판(110)의 초기 법선축 N1에 대해 γ만큼 회전한다. 따라서, 반사판(110)은 태양의 이동각(태양경로추적장치(120)의 이동각)의 1/2만큼 이동하게 되며, 태양광은 반사판(110)에 반사되어 일정한 조광부(T)에 계속적으로 조광된다.
상기와 같은 태양광조광장치의 설치는 우선, 태양경로추적장치(120)를 태양을 향하게 하고 태양광이 조광부(T)를 향하게 반사판(110)을 조정하여 이루어진다. 태양경로추적장치(120)의 자세는 미세조절나사(126)에 의해 미세조절된다. 태양의 이동에 따라 반사판(110)과 태양경로추적장치(120)의 위치 및 자세가 구동모터(130)와 실린더(150)에 의해 제어되며, 시간에 대한 자세의 변화는 데이터베이스로 저장된다. 반사판(110)과 태양경로추적장치(120)의 자세에 대한 데이터가 일정량 이상 저장되면 다음날의 일출시의 태양의 좌표가 예측될 수 있고, 해가 진 후에는 반사판(110) 및 태양경로추적장치(120)의 자세가 동쪽을 향하도록 실린더와 구동모터가 구동된다.
이 실시예에서 반사판과 태양경로추적장치는 2축을 회전하기 위해서 구동모터(130)와 신축실린더(150)를 이용하는 것으로 한정하였으나, 두축을 기준으로 회전하는 회전구동수단이면 가능하다.
조광부(T)에는 집광장치, 태양전지 등 태양광을 이용하는 장치가 구비되어 태양에너지를 이용할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백할 것이다.
도 1은 천구상에서 태양의 이동을 도시한 개념도,
도 2는 본 발명에 따른 태양광조광장치를 이용하여 태양광을 일정한 위치의 조광부로 조광하는 과정을 도시한 개념도,
도 3은 본 발명에 따른 태양광조광장치의 일 실시예를 도시한 사시도,
도 4는 본 발명에 따른 태양광조광장치의 태양경로추적장치를 도시한 사시도,
도 5는 본 발명에 따른 태양광조광장치의 반사판과 태양경로추적장치를 도시한 평면도, 그리고
도 6 및 도 7은 본 발명에 따른 태양광조광장치의 반사판과 태양경로추적장치의 이동 메커니즘을 도시한 개념도이다.
<도면의 주요부분에 대한 설명>
S, S1, S2: 태양 T: 조광부
N, N1, N2: 반사판법선축 γ: 반사판 회전각
110: 반사판 120: 태양경로추적장치
121: 제1 기어 122: 베이스판
123: 그림자판 124a, 124b: 태양광감지센서
125: 지지대 126: 미세조절나사
130: 구동모터 140: 기준축
141: 제2 기어 150: 실린더

Claims (7)

  1. 태양경로추적장치와,
    태양광을 조광부로 반사시키는 반사판과,
    상기 태양경로추적장치가 태양을 향해 이동하도록 구동하고 상기 반사판이 상기 태양경로추적장치가 이동한 각도의 1/2만큼 이동하도록 구동하는 구동부와,
    상기 구동부를 제어하는 제어부
    를 포함하는 태양광조광장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 구동부는 두 개의 축을 기준으로 회전하는 회전수단을 포함하는 태양광조광장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 구동부는
    상기 반사판과 태양경로추적장치를 반사판의 법선축을 기준으로 회전시키는 제1 회전수단과,
    상기 반사판과 태양경로추적장치를 상기 제1 회전수단의 회전축에 직교한 방향으로 회전시키는 제2 회전수단
    을 포함하는 태양광조광장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 반사판은 제1 회전수단의 회전축에 고정되고,
    상기 반사판에는 상기 태양경로추적장치가 제2 회전수단의 회전축에 평행한 회전축을 기준으로 회전가능하게 결합되며,
    상기 태양경로추적장치에는 제1 기어가 고정되고,
    상기 제2 회전수단의 회전축에는 상기 제1 기어와 동일한 지름과 동일한 이 수를 가지며 상기 제1 기어와 맞물리는 제2 기어가 고정되며,
    상기 제2 기어는 제2 회전수단의 회전축 방향으로는 회전하지 않게 고정되고 상기 제2 회전수단 구동시 상기 제1 기어가 제2 기어와 맞물려 그 외주면을 따라 회전하는
    태양광조광장치.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서,
    상기 태양경로추적장치는
    상기 제2 회전수단의 회전축에 평행한 베이스판과,
    상기 베이스판으로부터 이격되어 평행하게 배치되며, 그 수직 정사영이 상기 베이스판 내에 투영되는 그림자판과,
    상기 베이스판 상에 상기 그림자판의 수직 정사영 내부에 위치되어 태양광을 감지하는 태양광감지부
    를 포함하는 태양광조광장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 태양광감지부는 상기 제2 회전수단의 회전축에 평행한 방향으로 두 개가 배치되고, 상기 제2 회전수단의 회전축에 평행한 방향으로 배치된 두 개의 태양광감지센서와 직교하게 배치되는 두 개의 태양광감지센서를 포함하는 태양광조광장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 그림자판에 의해 상기 제2 회전수단의 회전축과 평행하게 배치되는 두 개의 태양광감지센서에 태양광이 감지되지 않을 때까지 제1 회전수단을 구동한 후, 나머지 태양광감지센서에 태양광이 감지되지 않을 때까지 제2 회전수단을 구동하는
    태양광조광장치.
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