KR20100037912A

KR20100037912A - 고효율 태양광 조명시스템

Info

Publication number: KR20100037912A
Application number: KR1020080097256A
Authority: KR
Inventors: 신창기
Original assignee: 주식회사 고려광에너지
Priority date: 2008-10-02
Filing date: 2008-10-02
Publication date: 2010-04-12

Abstract

본 발명은 태양광을 구형반사 거울에 의해 고효율로 집속하여 대용량의 집속된 빛을 원거리 전송이 가능한 실리카 광섬유를 이용하여 광을 전송할 수 있는 고효율 태양광 조명시스템에 관한 것으로, 태양광을 집광하여 광섬유로 전달하는 복수의 집광유니트를 가지는 태양광 집광장치; 상기 복수의 태양광 집광장치의 광섬유와 연결되어 광을 모으는 합광기; 및 상기 합광기와 메인광섬유에 의해 연결되고 복수의 조명장치에 광을 분배하는 분광기를 포함한다.

태양광, 집광, 분광, 합광

Description

고효율 태양광 조명시스템{High-efficiency sun-lightening system}

본 발명은 고효율 태양광 조명시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 태양광을 구형반사 거울에 의해 고효율로 집속하여 대용량의 집속된 빛을 원거리 전송이 가능한 실리카 광섬유를 이용하여 광을 전송할 수 있는 고효율 태양광 조명시스템에 관한 것이다.

최근 비용 및 공해문제로 인하여 화석연료의 사용량을 줄이고자 하는 노력이 세계적으로 이루어지고 있다. 이를 위하여 태양에너지를 이용한 대체에너지 또는 에너지 저감기술 개발이 이루어지고 있는 실정이다.

태양광 채광기술은 태양에너지를 전기나 열로 변환하지 않고 직접 채광하여 조명 및 생육광으로 이용하는 기술로써 급속한 경제사회의 발전으로 인한 환경오염과 건물의 고층화, 집약화로 인해 부족한 일조를 보충하기 위한 대안으로 새롭게 등장하고 있다.

태양광 채광 시스템은 주로 채광 방식에 따라 반사거울 방식, 광파이프 방 식, 프리즘·거울 방식, 렌즈·광섬유 방식으로 분류되며, 전송방식에 따라 덕트 방식, 공중전송 방식, 광섬유 방식으로 분류된다.

미국 Sunlight사에서 개발된 태양광 조명 시스템은 반사거울·광섬유 방식으로, 태양광 위치 추적 장치를 장착하고 기존의 전기 전원과 혼용하여 사용할 수 있는 장치이다. 이 시스템은 접시형태의 40인치 크기의 거울에 의해 태양광 채광을 하고, 태양광 추적 시스템은 GPS 방향 유도 장치에 의해 받아들이는 태양광을 최대화하며, 플라스틱 광섬유로 전송된 태양광은 광섬유 발광체를 통해 빛을 내게 되는데 백열등이나 형광등과의 하이브리드 시스템으로 설계되어, 날씨가 흐린 경우엔 백열등이나 형광등으로 실내조명을 보충하도록 되어있다. 그러나 태양광의 조명 효율이 높지 않아 설치비용 및 경제성에 한계를 갖고 있다.

일본의 경우, (주)라포렛 엔지니어링(LA FORET ENGINEERING CO.,LTD)에서는 프리넬 렌즈를 이용한 채광 장치(히마와리)를 개발하여 상품화에 성공하였다.

이 태양광 조명 시스템은 렌즈·광섬유 방식으로, 태양광을 채광하는 렌즈로 프리넬 렌즈를 사용함으로써, 렌즈가 갖고 있는 구면 및 색 수차 등을 최소화하여 1㎜의 직경을 갖는 광섬유 한 가닥에 태양광을 집적 시키는 특징이 있다.

하지만, 태양광을 받아들이는 렌즈의 크기가 직경이 95㎜로 제한되어 있어, 여러 개의 렌즈를 사용하여야만 요구되는 빛의 밝기를 충족시킬 수 있다는 문제점을 가지고 있다.

국내의 경우에는 반사거울 및 광 파이프(Duct) 방식의 태양광 채광 조명 시스템에 대한 개발의 초기 상태이며 실용화 수준에 이르지 못한 형편이다. 또한 광 섬유를 전달 매개로 하는 태양광 채광 조명 시스템에 대한 개발은 전무하며, 국외 선진사(일본, 스웨덴, 미국)의 제품을 수입하여 설치하는 초기 단계이다.

국내 몇몇 회사와 연구소에서 개발한 태양광 조명 장치는, 덕트나 광섬유를 이용하여 태양광을 지하 및 주택내로 유도하는 초보적인 수준의 기술로서 태양 위치 변화에 따른 조명 시간과 효율이 매우 낮은 어려움이 있으며, 15m 이내 단거리 채광에 국한되는 결점이 있다.

본 발명의 일반적인 목적은 태양광을 구형반사 거울에 의해 고효율로 집속하여 대용량의 집속된 빛을 원거리 전송이 가능한 실리카 광섬유를 이용하여 광을 전송할 수 있는 고효율 태양광 조명시스템에 관한 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 태양광 발전용 솔라셀을 태양광 집광부에 부착하여 태양광 채광장치의 구동에 필요한 모든 전력을 자체 발전한 전력을 이용하여 구동할 수 있도록 하는데 있다.

상기의 목적을 해결하기 위한 본 발명은, 태양광을 집광하여 광섬유로 전달하는 복수의 집광유니트를 가지는 태양광 집광장치; 상기 복수의 태양광 집광장치의 광섬유와 연결되어 광을 모으는 합광기; 및 상기 합광기와 메인광섬유에 의해 연결되고 복수의 조명장치에 광을 분배하는 분광기를 포함하는 고효율 태양광 조명시스템이다.

상기 분광기는 광분배비율을 조절가능한 것을 특징으로 한다.

또, 상기 조명장치는 조도를 조절하도록 조도조절수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또, 상기 조명장치는 광센서를 포함하여, 일정 조도를 유지하는 것을 특징으로 한다.

또, 상기 태양광 집광장치에는 태양광 추적장치가 설치되고, 상기 태양광 집광장치에는 솔라셀이 설치되서, 상기 태양광 추적장치는 상기 솔라셀로부터 얻어지는 전력을 이용하여 작동시키는 것을 특징으로 한다.

반사거울에 의한 집광은 렌즈를 사용하는 집광에 비하여 대면적의 빛을 집광하는 데에 유리하다. 렌즈 집광의 경우, 렌즈가 갖는 고유의 구면 수차와 색 수차로 인하여 렌즈의 면적을 크게 할 경우, 집광할 수 있는 면적에 한계가 있으므로, 대면적 집광이 어렵다.

또한 프리넬 렌즈와 같은 색 수차 보정렌즈의 경우에는 무리하게 집광면적을 줄임으로 인해서 집광된 빛의 색이 태양광과 달라지므로, 연색성이 떨어지는 문제점이 있다. 이에 반해 반사거울에 의한 집광은 색 수차를 가지지 않으므로 태양광과 똑같은 색깔의 빛을 전달 할 수 있고, 집광 면적을 렌즈 집광에 비하여 크게 증가 시킬 수가 있으므로, 대용량-고효율 태양광 집광이 가능하다.

여러 개의 반사거울로부터 집속된 빛들은 반사거울 1개당 1개의 광섬유를 사용하여 전송하도록 되어 있다. 광섬유는 일반 전선에 비하여 매우 고가이므로, 사용되는 광섬유의 개수 및 길이를 줄여야 한다.

본 발명에서는 여러 개의 광섬유(광섬유 번들)로부터 나오는 빛을 2차적으로 다시 집광하여 1개의 광섬유에 집속시키는 합광기와 합광된 빛을 광조사를 위하여 원하는 만큼의 광섬유를 사용하여 다시 빛을 재분배 하는 배광기를 사용함으로서 이러한 문제를 해결할 수 있다.

이하, 본 발명을 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 하기의 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하며, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명의 실시예1에 따른 태양광 조명시스템의 개략도이다.

상기 태양광 조명시스템은 태양광을 집광하여 복수의 집광유니트(110)를 가지는 태양광 집광장치(10)와, 상기 태양광 집광장치(10)로부터 광이 집광되어 전달되는 광섬유와 연결되어 광을 모으는 합광기(20)와, 상기 합광기(20)와 메인광섬유(2)에 의해 연결되고 복수의 조명장치(40,42,44,46,48)에 광을 분배하는 분광기(30,32)를 포함한다.

.상기 태양광 집광장치(10)는 도 2에 도시된 바와 같이, 복수의 집광유니트(110)를 가지도록 구성된다.

태양광 집광장치(10)는 서보모터, 전동기어 등의 구동수단이 내장되고 몸체를 이루는 메인바디(100)와, 상기 메인바디(100)의 상측에서 수평면상에서 회전하여 방위각을 조절하는 방위각 고정부(102)와, 상기 방위각 고정부(102)에 고정되고 메인플레이트(106)를 태양의 고도각에 맞추어 조절할 수 있는 고도각 고정부(104) 와, 상기 메인플레이트(106)에 장착되는 복수의 집광유니트(110)와, 상기 메인플레이트(106)에 장착되는 복수의 솔라셀(106)과, 상기 플레이트(106)에 장착되어 태양광을 인식하는 광센서(112)를 포함하여 이루어진다.

상기 집광유니트(110)는 공지의 집광장치를 사용할 수 있으며, 상기 메인플레이트(106)의 방위각 및 고도각을 조절하는 것은 상기 메인바디(100)에 내장된 서보모터 등의 구동수단에 의해 상기 방위각 고정부(102) 및 상기 고도각 고정부(104)를 각변위시키는 것에 의해 이루어진다.

이 때, 상기 구동수단에 필요한 전력은 상기 솔라셀(106)로부터 공급된다. 그릭, 상기 방위각 고정부(102) 및 상기 고도각 고정부(104)를 각변위시키는 양은 상기 광센서(112)의 검측데이터에 의해 정해진다.

상기 합광기(20)는 광섬유 집합체인 광섬유번들(2)에 채광된 태양광을 합쳐서 메인광섬유(2)로 전달한다.

상기 합광기(20)는 내부에 광전달매질 및 반사체를 포함하여 광섬유번들(2)의 다수의 빛을 하나의 빛으로 합쳐서 상기 메인광섬유(2)로 전달하게 된다.

상기 분광기(30)에는 광스플리터가 포함되어 조명장치(40,42,44,46,48)와 연결되는 분배광섬유(3)에 태양광을 전달한다. 이 때, 상기 분배광섬유(3)에 전달되는 태양광의 양은 조절될 수 있다.

그리고, 상기 조명장치(40,42,44,46,48)에는 상기 분광기(30)로부터 받은 태양광을 확산 및 산란시키는 산란기구를 포함한다. 상기 산란기구는 표면에 산란홈 등이 형성된 광투과성 물질로 이루어진다.

또한, 상기 조명장치(40,42,44,46,48)에는 조리개 등의 조도조절수단을 가져서, 실내공간에 공급되는 빛의 양을 조절할 수 있다. 또, 상기 조명조절수단에 광센서(미도시)를 부가하여 조도조절을 제어함으로써 일정한 조도를 공급하는 것이 가능하다.

상기 조명장치(40,42,44,46,48)는 독립적으로 사용할 수 있으며, 외부 조도에 따른 실내 인공광원의 자동 조절이 필요한 경우에는 전기에너지에 의한 조명기구와 연동하여 사용할 수 있다.

도 3은 실시예2에 따른 태양광 집광장치(12)의 개략도이다. 상기 태양광 집광장치(12)는 복수개가 사용될 수 있다.

상기 태양광 집광장치(12)는 프레임(120)과, 상기 프레임(120)과 연결되는 베이스(122)에 설치되는 반사거울(124)과, 상기 프레임(120)에 장착되어 상기 반사거울(124)의 중심을 향해 단부가 배치되는 지지빔(126)과, 상기 지지빔(126)의 단부에 고정설치되는 광섬유홀더(128)와, 상기 광섬유홀더(128)에 장착되는 광섬유(132)를 포함한다.

태양광은 상기 오목거울인 반사거울(124)에 의해 집광되어 상기 광섬유(132)의 단부에 집중시킨다. 따라서, 상기 광섬유(132)의 단부는 상기 반사거울(124)의 초점위치와 일치하도록 설치하여야 한다.

또한, 상기 태양광에 포함된 열에너지를 제거하기 위해 상기 광섬유홀더(128)의 단부에는 적외선제거필터(130)를 설치한다. 상기 적외선제거필터(130)에 의해 집광되는 태양광의 적외선을 제거한다. 상기 적외선제거필터(130)는 투명유리 에 적외선불투과필름을 부착하는 것으로 구성될 수 있다.

도 4는 실시예3에 따른 태양광 집광장치(14)의 개략도이다. 실시예3에서 실시예2와 동일한 부분에 대해서는 설명을 생략한다.

상기 태양광 집광장치(14)는 실시예2에 따른 태양광 집광장치(12) 한쌍을 접합한 것으로, 프레임(140)을 공유하고, 상기 프레임(140)의 중심에 형성된 중심홀(164)을 통해 광섬유(162,164)를 관통시키는 차이가 있다.

따라서, 상기 중심홀(164)을 형성하는 것에 의해 광섬유(162,164)는 상기 태양광 집광장치(12)의 반대쪽, 즉 태양의 방향과 반대방향으로 뽑아낼 수 있어서, 여러 가닥의 광섬유들을 정리하기가 간편해진다.

도 5는 실시예4에 따른 태양광 집광장치(17)의 개략도이다. 실시예4에서 실시예2와 동일한 부분에 대해서는 설명을 생략한다.

상기 태양광 집광장치(17)는 실시예2에 따른 태양광 집광장치(12) 4개를 접합한 것으로, 프레임(170)을 공유하고, 상기 프레임(170)의 중심에 형성된 중심홀(198)을 통해 광섬유(162,164)를 관통시키는 차이가 있다.

도 6은 실시예4에 따른 태양광 집광장치(17)를 복수개 집합시킨 집합체의 개략도이다. 중심에 태양광을 추적하도록 광센서(18)가 설치된다.

상기와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

도 2는 도 1의 태양광 조명시스템의 태양광 집광장치의 개략도이다.

도 3은 실시예2에 따른 태양광 집광장치의 개략도이다.

도 4는 실시예3에 따른 태양광 집광장치의 개략도이다.

도 5는 실시예4에 따른 태양광 집광장치의 개략도이다.

도 6은 도 5의 태양광 집광장치를 복수개 집합시킨 집합체의 개략도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1: 광섬유 번들 2: 메인광섬유

3: 분배광섬유 10,12,14,17: 태양광 집광장치

18, 112: 광센서 20: 합광기

30,32: 분광기 40,42,44,46,48: 조명장치

100: 메인바디 102: 방위각 고정부

104: 고도각 고정부 106: 메인플레이트

108: 솔라셀 110: 집광유니트

120: 프레임 122: 베이스

124: 반사거울 126: 지지빔

128: 광섬유홀더 130: 적외선 제거필터

132: 광섬유 140: 프레임

142: 베이스 144,146: 반사거울

148,150: 지지빔 152,154: 광섬유홀더

156,158: 적외선 제거필터 160,162: 광섬유

164: 중심홀 170: 프레임

172: 베이스 172,174,176,180: 반사거울

182,184,186,188: 지지빔 190,192,194,196: 광섬유홀더

198: 중심홀

Claims

태양광을 집광하여 광섬유로 전달하는 복수의 집광유니트를 가지는 태양광 집광장치;

상기 복수의 태양광 유니트의 광섬유와 연결되어 광을 모으는 합광기; 및

상기 합광기와 메인광섬유에 의해 연결되고 복수의 조명장치에 광을 분배하는 분광기를 포함하는 고효율 태양광 조명시스템.
제1항에 있어서, 상기 분광기는 광분배비율을 조절가능한 것을 특징으로 하는 고효율 태양광 조명시스템.
제1항에 있어서, 상기 조명장치는 조도를 조절하도록 조도조절수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 고효율 태양광 조명시스템.
제3항에 있어서, 상기 조명장치는 광센서를 포함하여, 일정 조도를 유지하는 것을 특징으로 하는 고효율 태양광 조명시스템.
제1항에 있어서, 상기 태양광 집광장치에는 태양광 추적장치가 설치되고, 상기 태양광 집광장치에는 솔라셀이 설치되서, 상기 태양광 추적장치는 상기 솔라셀로부터 얻어지는 전력을 이용하여 작동시키는 것을 특징으로 하는 고효율 태양광 조명시스템.