KR20100046337A

KR20100046337A - 태양에너지 발전 시스템용 집광장치 및 이를 이용한 태양에너지 발전 시스템

Info

Publication number: KR20100046337A
Application number: KR1020080105129A
Authority: KR
Inventors: 채수조
Original assignee: 채수조
Priority date: 2008-10-27
Filing date: 2008-10-27
Publication date: 2010-05-07
Also published as: WO2010050698A2; WO2010050698A3

Abstract

미리 정해진 촛점을 갖는 프레넬 렌즈; 상기 프레넬 렌즈와 이격되고, 상기 프레넬 렌즈와 동일한 촛점을 갖는 가상의 제1포물선 궤적 상에 형성된 제1반사판; 및 상기 제1포물선으로부터 이격되며 상기 프레넬 렌즈 및 상기 제1포물선과 동일한 촛점을 갖는 가상의 제2포물선 궤적 상에 형성되고, 상기 프레넬 렌즈 및 상기 제1반사판과 이격되는 제2반사판을 포함하여, 집광손실영역(RA)을 최소화하고, 광을 집속하는 집광 장치 및 태양광 발전장치의 크기를 최소화하고 광 집속률을 높일 수 있는 집광장치 및 이를 이용한 태양광 발전장치를 제공한다.

프레넬 렌즈, 포물선, 공통 초점, 반사판, 태양광, 발전장치

Description

태양에너지 발전 시스템용 집광장치 및 이를 이용한 태양에너지 발전 시스템{CONCENTRATING OPTICAL APPARATUS FOR SOLAR POWER SYSTEM AND SOLAR POWER SYSTEM BY USING THE SAME}

본 발명은 태양에너지를 집속하는 집광장치 및 이를 이용하여 태양에너지를 집속함으로써 발전효율이 증대되는 태양에너지 발전장치에 관한 것이다.

석유자원의 고갈 및 환경의 문제로 최근 대체에너지에 대한 관심이 높아지고 있다.

이러한 대체에너지 중 가장 각광을 받고 있는 부분이 태양에너지 발전장치이다.

태양에너지 발전은 태양광 또는 태양열 에너지를 전기적 에너지로 전환하는 태양전지(Solar Cell)에 의해 이루어진다.

태양전지는 실리콘 기반형, 화합물 기반형, 및 기타로 크게 구분된다.

실리콘 기반형 태양전지에는 단결정 실리콘, 다결정 실리콘, 및 비정질 실리콘 태양전지가 있으며, 단결정 실리콘 태양전지는 효율이 24%~28%로 상대적으로 우수한 반면 고가인 단점이 있고, 비정질 실리콘 태양전지는 비교적 저가인 반면 효 율이 10%~12%로 상대적으로 낮은 단점이 있다.

화합물 기반형 태양전지에는 GaAs, InP, GaAlAs, 및 GaInAs등의 Ⅲ-Ⅴ족 화합물계와 CuInSe2, CdS, CdTe, 및 ZnS등의 Ⅱ-Ⅵ족 화합물계를 사용한다.

그 밖에 광전(photovoltaic) 성능을 갖는 유기물을 사용하는 유기 태양전지등이 있다.

태양전지의 효율은 입력된 광에너지와 출력되는 전기에너지에의해 산출되는 것으로, 효율은 광전 성능을 갖는 재료의 밴드갭에 의한 open-circuit voltage(Voc)에 종속적임과 동시에 입사되는 광의 세기 및 파장분포에 따라 달라지는 shot-circuit current(Jsc)에도 종속적이다.

이러한 태양광 발전 시스템의 효율을 높이기 위해서는 광효율이 좋은 태양전지를 이용하여 태양광이 항상 수직으로 태양전지에 입사되도록 하는 추적장치가 필요하다.

그러나 가장 효율이 좋은 Ⅲ-Ⅴ족 탄뎀 태양전지는 단가가 너무 높으므로 오목거울이나 렌즈를 이용한 집광을 통하여 태양전지의 면적을 줄이는 것이 필요하다.

태양광을 집속하는 집광장치에 관한 기술들이 다양하게 공개되어 있다.

일본 공개특허공보 제2004-214470호(이하 "인용문헌 1"이라 함)에서는 태양전지에 태양광을 집속하기 위하여 태양전지를 촛점거리로 하는 프레넬 렌즈(Fresnel Lens)를 도입하는 기술이 기재되어 있다.

도 1에서 도시한 바와 같이 프레넬 렌즈(10)는 광의 입사방향(DL)에 대해 동 일 촛점 좌표값(0,-1)과 임의의 굴절률(n, 도1에서는 1.5로 가정함)을 갖는 포물선 함수들(F1,F2,F3...)에 의해 계산되어 질 수 있다.

그러나, 프레넬 렌즈(10)는 촛점 좌표값(0,-1)을 지나는 기준축을 중심으로 멀어져, 즉 x좌표값의 절대값이 커져서 임계점(F11과 x축이 만나는 점)에 도달할 수록 렌즈의 효율이 떨어지며, 임계점을 지나게 되면 광을 집속하는 기능을 상실하게되므로 프레넬 렌즈의 크기에 한계가 있는 문제점이 있다.

한편, 대한민국 공개특허공보 제2008-0077937호(이하 "인용문헌 2"라 함)에서는 태양전지에 태양광을 집속하기 위하여 태양전지를 촛점거리로 하는 포물선형의 집속 반사판을 형성하는 기술이 기재되어 있다.

도2에서 도시한 바와 같이 포물선형 집속 반사판(20)을 광의 입사방향(DL)에 대해 촛점 좌표값(0,-1)을 갖는 포물선 함수(R)에 의해 계산되어 질 수 있다.

그러나, 이러한 포물선형 집속 반사판(20)은 도2에서 도시한 바와 같이 포물선 집속 반사판으로 이루어진 원통형 구조내의 촛점상에 태양전지판(30)을 배치, 즉 태양전지판을 태양광 경로(DL)상에 배치하여야 하므로 태양전지판이 태양광을 차단하고, 이에따라 집광손실영역(RA)이 발생되는 문제점이 있다.

또한, 인용문헌 2에 의한 기술은 넓은 영역에서 태양광을 집속하기 위하여 큰 포물선형 집속 반사판이 필요하며, 이에 따라 비용이 상승하며, 설치 및 유지관리가 어려운 문제점이 있다.

한편, 대한민국 공개특허공보 제2001-0100071호(이하 "인용문헌 3"이라 함)에서는 상기 인용문헌 2의 문제점인 태양광 경로상에 태양전지판을 배치함에 따라 발생되는 집광손실영역(RA)을 제거하기 위하여 다수의 반사판을 이용하여 반사판 그룹을 마주보며 태양광 경로상으로부터 이격된 위치에 배치된 태양전지판에 광을 집속하는 기술이 기재되어 있다.

그러나, 인용문헌 3에 의하면, 다수의 평면 반사판으로 이루어진 집광모듈과 태양전지판이 일정거리 이상 이격되어 있어야 하므로 전체적인 태양광 발전장치의 크기가 커지는 문제점이 있으며, 또한 집광모듈의 촛점상에 위치한 태양전지판이 바람 및 중력등의 주변환경에 의해 촛점으로부터 이격되는 문제점이 있다.

또한, 인용문헌 3에 의한 평면 반사판은 개별 반사판이 평면으로 이루어져 있으므로 태양전지판 각각의 개별 반사판에 의해 반사된 빛이 집광 효과를 얻기 위해서는 매우 많은 평면 반사판들을 구비하여야 하는 문제점이 있다.

한편, 대한민국 공개특허공보 제2007-0088221호(이하 "인용문헌 4"라 함)에서는 상기 인용문헌 2의 문제점이 태양광 경로상에 태양전지판을 배치함에 따라 발생되는 집광손실영역(RA)를 제거하기 위하여 집광손실영역에 대응되는 태양광 경로상에 프레넬 렌즈로 이루어진 제1집광렌즈부를 배치하고, 제1집광렌즈부의 측면에 연장하여 프레넬 렌즈로 이루어진 제2집광렌즈부를 배치하며, 또한 제2집광렌즈부의 촛점에 다수의 반사판을 형성하여 반사판에 의해 반사된 빛을 태양전지판에 조사하는 기술이 기재되어 있다.

그러나, 인용문헌 4에 의한 기술은 물리적으로 실현될 수 없는 기술로 제2집광렌즈부에 의해 집속되어 태양전지판에 가까운 제1반사판에 반사된 광은 태양전지판에 전달될 수 있으나, 제1반사판의 뒷쪽에 위치하는 제2, 제3반사판에 의해 반사 된 광은 제1반사판에 의해 차단되어 태양전지판에 전달될 수 없는 문제점이 있다.

또한, 제2집광렌즈부의 촛점에 위치하는 반사판에 의해 전달되는 광은 다시 제2집광렌즈부의 집속되는 광의 굴절각도로 확산되어 태양전지판에 전달되므로 인용문헌 4에서 기술된 만큼의 효과를 얻기 어려운 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 태양광 경로상에 태양전지판을 배치함에 따라 발생되는 집광손실영역(RA)을 최소화하기 위한 것이다.

또한, 본 발명은 반사판을 사용하여 광을 집속하는 집광 장치 및 태양광 발전장치의 크기를 최소화하고 광 집속률을 높이기 위한 것이다.

또한, 본 발명은 집광 장치가 장시간 바람 및 중력에 노출되어 촛점이 변형되거나, 태양전지판이 촛점으로부터 이격되는 것을 방지하기 위한 것이다.

상기 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 집광 장치는, 미리 정해진 촛점을 갖는 프레넬 렌즈; 상기 프레넬 렌즈와 이격되고, 상기 프레넬 렌즈와 동일한 촛점을 갖는 가상의 제1포물선 궤적 상에 형성된 제1반사판; 및 상기 제1포물선으로부터 이격되며 상기 프레넬 렌즈 및 상기 제1포물선과 동일한 촛점을 갖는 가상의 제2포물선 궤적 상에 형성되고, 상기 프레넬 렌즈 및 상기 제1반사판과 이격되는 제2반사판을 포함한다.

또한, 상기 집광 장치에 있어서, 상기 제1반사판은 적어도, 상기 프레넬 렌즈의 중심과 상기 촛점을 연결하는 가상의 제1직선과 평행한 방향으로 상기 프레넬 렌즈의 최외곽에서 연장되는 가상의 제2직선과 상기 제1포물선이 만나는 제1지점에서 부터, 상기 촛점과 상기 프레넬 렌즈의 최외곽을 연결하는 가상의 제3직선과 상기 제1포물선이 만나는 제2지점까지 연장되며, 상기 제2반사판은 적어도, 상기 제1직선과 평행한 방향으로 상기 제2지점에서 연장되는 가상의 제4직선과 상기 제2포물선이 만나는 제3지점에서 부터, 상기 촛점과 상기 제1지점을 연결하는 가상의 제5직선과 상기 제2포물선이 만나는 제4지점까지 연장되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 집광 장치에 있어서, 상기 제1반사판은 적어도, 상기 프레넬 렌즈의 중심과 상기 촛점을 연결하는 가상의 제1직선과 평행한 방향으로 상기 프레넬 렌즈의 최외곽에서 연장되는 가상의 제2직선과 상기 제1포물선이 만나는 제1지점에서 부터, 상기 제1직선과 수직한 방향으로 상기 프레넬 렌즈의 중심으로부터 연장되는 가상의 제6직선과 상기 제1포물선이 만나는 제2-1지점까지 연장되며, 상기 제2반사판은 적어도, 상기 제1직선과 평행한 방향으로 상기 제2-1지점에서 연장되는 가상의 제4-1직선과 상기 제2포물선이 만나는 제3-1지점에서 부터, 상기 제6직선과 상기 제2포물선이 만나는 제4-1지점까지 연장되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 집광 장치에 있어서, 상기 제1반사판의 양단부 중 상기 촛점에 대해 가까운 단부 및 상기 제2반사판의 양단부 중 상기 촛점에 대해 가까운 단부는, 상기 프레넬 렌즈의 중심과 상기 촛점을 연결하는 가상의 제1직선과 수직한 방향으로 상기 프레넬 렌즈의 중심으로부터 연장되는 가상의 제6직선과, 상기 제1직 선과 수직한 방향으로 상기 촛점으로부터 연장되는 가상의 제7직선 사이에 위치하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 집광 장치에 있어서, 상기 제1반사판의 양단부 중 상기 촛점에 대해 가까운 단부 및 상기 제2반사판의 양단부 중 상기 촛점에 대해 먼 단부는, 상기 제6직선의 궤적 상에 또는 상기 제6직선과 상기 제7직선 사이에 위치하는 것이 바람직하다.

상기 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 집광 장치는, 미리 정해진 촛점을 갖는 프레넬 렌즈; 및 상기 프레넬 렌즈와 이격되고, 상기 프레넬 렌즈와 동일한 촛점을 갖는 가상의 제1포물선 궤적 상에 형성된 제1반사판;을 포함하며, 상기 제1반사판은 적어도, 상기 프레넬 렌즈의 중심과 상기 촛점을 연결하는 가상의 제1직선과 평행한 방향으로 상기 프레넬 렌즈의 최외곽에서 연장되는 가상의 제2직선과 상기 제1포물선이 만나는 제1지점에서 부터, 상기 촛점으로부터 멀어지는 방향으로 연장된다

또한, 상기 집광 장치에 있어서, 상기 제1반사판은 적어도, 상기 제1지점에서부터 상기 촛점과 상기 프레넬 렌즈의 최외곽을 연결하는 가상의 제3직선과 상기 제1포물선이 만나는 점까지 연장되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 집광 장치에 있어서, 상기 제1반사판은 적어도, 상기 제1지점에서부터 상기 제1직선과 수직한 방향으로 상기 프레넬 렌즈의 중심으로부터 연장되는 가상의 제6직선과 상기 제1포물선이 만나는 점까지 연장되는 것이 바람직하다.

상기 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전장치 는, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 집광 장치와 상기 집광 장치의 촛점에 위치하는 태양전지를 포함한다.

상기 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양광 발전장치는, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 집광 장치와 상기 프레넬 렌즈의 중심과 상기 촛점을 연결하는 가상의 직선의 궤적상에 꼭지점이 위치하는 적어도 두개의 태양전지판를 포함한다.

상기한 바와 같은 본 발명에 따르면, 프레넬 렌즈에 의한 집광과 프레넬 렌즈의 외곽에 배치되는 상기 프레넬 렌즈와 동일한 촛점을 갖는 포물선의 궤적에 따라 배치된 반사판을 이용하여, 집광손실영역(RA)을 최소화하고, 광을 집속하는 집광 장치 및 태양광 발전장치의 크기를 최소화하고 광 집속률을 높일 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 집광 장치의 크기를 최소화하고 그에 따라 케이스에 단단히 고정할 수 있으므로, 집광 장치가 장시간 바람 및 중력에 노출되어 촛점이 변형되거나, 태양전지판이 촛점으로부터 이격되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.

본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 참고로 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

도 3 및 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 집광장치를 사용한 태양에너지 발전장치에 대한 사시도를 도시한 것으로, 도 3은 집광장치 및 발전을 위한 태양전지판을 선형으로 배치된 것이며, 도 4는 집광장치를 원형으로 배치하여 촛점에 대응되는 지점에 태양전지판을 배치한 것이다.

도 3에 의한 선형 집광장치를 사용한 태양에너지 발전장치(510)는 크게 프레넬 렌즈(110)와 반사판(210) 및 태양전지판(310)으로 구성된다.

프레넬 렌즈(110)는 광 굴절률 n을 갖는 투명한 재질로 이루어지며, 본 발명에서는 일 실시예로 광 굴절률이 1.5인 투명한 폴리머를 사용하였으며, 상세한 내용은 이후 도 5 내지 도 8을 이용하여 설명한다.

반사판(210)은 광반사성 물질로 이루어지거나 광반사성 물질이 표면에 형성된 물질로 이루어지며, 본 발명에서는 일 실시예로 알루미늄을 사용하였다.

반사판(210)은 프레넬 렌즈(110)의 촛점과 동일한 촛점을 갖는 포물선의 궤적 상에 형성함으로써, 반사판(210)에 입사된 광을 상기 촛점에 집속시킬 수 있다.

또한, 반사판(210)은 프레넬 렌즈(110)를 기준으로 양측에 각각 하나씩을 배치할 수도 있고, 복수개를 배치할 수도 있다.

반사판(210)을 복수개 배치하는 경우에는, 촛점으로부터 멀리 떨어진 반사판(212, 213)에 의해 집속되는 광을 촛점으로부터 가까운 반사판(211)이 차단하지 않도록 반사판들(211, 212, 213)을 배치하는 것이 바람직하며 상세한 설명은 이후 도 5 내지 도 8을 이용하여 설명한다.

태양전지판(310)은 프레넬 렌즈(110) 및 반사판(210)의 촛점에 위치하며 광을 전기로 전환하기 위한 것으로 실리콘 기반 또는 화합물 기반 등 어떠한 태양전지도 사용이 가능하다.

또한, 태양전지판(310)은 반사판(210)에 의해 집속되는 광이 태양전지판(310)의 표면에 의해 반사되는 것을 최소화하기 위하여 2개의 태양전지판(311, 312)를 맞대어 삼각형을 이루도록 구성하여, 반사판(210)에서 전달된 광의 태양전지판으로의 입사각도를 크게하는 것이 바람직하다.

또한, 2개의 태양전지판(311, 312)를 맞대어 이루어지는 삼각형의 꼭지점은 프레넬 렌즈(110)의 중심부와 촛점을 잇는 가상의 직선 궤적에 위치하는 것이 바람직하다.

프레넬 렌즈(110)와 반사판(210) 및 태양전지판(310)을 고정하기 위한 케이스(410)을 더 포함할 수도 있다.

도 4에 의한 원형 집광장치를 사용한 태양에너지 발전장치(520)는 크게 프레넬 렌즈(120)와 반사판(220) 및 태양전지판(320)으로 구성된다.

프레넬 렌즈(120)는 광 입사면이 원형으로 구성되고 그에 따른 프레넬 렌즈의 곡선이 원형으로 배치되는 것을 제외하고는 도 3의 실시예와 동일하다.

반사판(220) 역시 광 입사부 즉, 광 입사각에서 본 반사판의 형상이 원형으로 구성되는 것을 제외하고는 도 3의 실시예와 동일하다.

반사판(220)을 복수개 배치하는 경우에는, 촛점으로부터 멀리 떨어진 반사판(222, 223)에 의해 집속되는 광을 촛점으로부터 가까운 반사판(221)이 차단하지 않도록 반사판들(221, 222, 223)을 배치하는 것이 바람직하며 상세한 설명은 이후 도 5 내지 도 8을 이용하여 설명한다.

태양전지판(320)은 프레넬 렌즈(120) 및 반사판(220)의 촛점에 위치하며 광을 전기로 전환하기 위한 것으로 실리콘 기반 또는 화합물 기반 등 어떠한 태양전지도 사용이 가능하다.

또한, 태양전지판(320)은 반사판(220)에 의해 집속되는 광이 태양전지판(320)의 표면에 의해 반사되는 것을 최소화하기 위하여 복수의 태양전지판(321, 322)를 맞대어 삼각뿔, 또는 다각뿔을 이루도록 구성하여, 반사판(220)에서 전달된 광의 태양전지판으로의 입사각도를 크게하는 것이 바람직하다.

또한, 복수의 태양전지판(321, 322)를 맞대어 이루어지는 다각뿔의 꼭지점인 첨두부는 프레넬 렌즈(120)의 중심부와 촛점을 잇는 가상의 직선 궤적에 위치하는 것이 바람직하다.

프레넬 렌즈(120)와 반사판(220) 및 태양전지판(320)을 고정하기 위한 케이스(420)을 더 포함할 수도 있다.

이상 도 3 및 도 4를 참조하여 선형 및 원형 집광장치를 예를 들어 설명하였으나, 사각형 또는 오각형으로 배치하는 다양한 변형예가 가능하다 할 것이다.

도 5는 본 발명의 프레넬 렌즈 및 반사판을 설계하기 위한 궤적을 구하기 위한 방법을 설명하기 위한 도면이다.

중심좌표(0,0)와 촛점좌표(0,-1)을 갖고, 광 굴절률(n)이 1.5인 프레넬 렌즈는 제1포물선 궤적(Ff1)과 제1포물선 궤적(Ff1)으로부터 이격거리(δf)만큼 순차적으로 중심좌표 이격된 포물선 궤적들(Ff2,...Ff7)로부터 계산되어 질 수 있다.

이러한 포물선 궤적들(Ff1, Ff2, ..., Ff7)은 아래와 같은 [수학식1]로 표현될 수 있다.

[수학식1]

여기에서 i는 0 부터 원하는 포물선 궤적의 개수까지 이나, 도1에서 설명한 바와 같이 프레넬 렌즈의 임계점 및 효율을 고려하여 본 발명에서는 i를 0부터 7까지로 설계하였다.

프레넬 렌즈는 X축을 프레넬 렌즈의 상부면으로 하고, X축과 포물선 궤적들(Ff1, ... Ff7)으로 구획되는 부분을 돌기형 하부면으로 구성함으로써 입사되는 광을 촛점좌표(0,-1)에 집속할 수 있다.

반사판을 위한 포물선 궤적은 프레넬 렌즈의 촛점좌표(0,-1)와 동일한 촛점좌표(0,-1)를 갖는 아래와 같은 [수학식2]에 의해 계산될 수 있다.

[수학식2]

여기에서, a는 포물선의 폭을 조절하는 상수로 조절이 가능하며, -b는 반사판에 대한 복수의 포물선 궤적들 중 j가 0일때 y절편에 대한 것이며, j는 0부터 원하는 포물선 궤적의 개수까지 사용할 수 있으나, y절편 즉 -b+j*δr의 값이 촛점의 y좌표값보다 크지 않도록 선택하는 것이 바람직하다.

본 발명에서는 일 실시예로 a를 4로 하고, b를 2로 하고, j를 0부터 10까지로 설계하였다.

따라서, 상기 [수학식1]에 의해 계산된 포물선 궤적을 이용한 프레넬 렌즈와 상기 [수학식2]에 의해 계산된 포물선 궤적에 형성된 반사판은 y축 방향으로 입사되는 광을 촛점좌표(0,-1)로 집속할 수 있다.

도 6 내지 도 8은 도 3 또는 도 4에 도시된 집광장치를 절취선 AA' 및 BB'에 의해 절취된 단면에서의 프레넬 렌즈와 반사판을 설계하기 위한 다양한 실시예를 설명하기 위한 도면이다.

이하, 각각의 실시예를 도6 내지 도8을 참조하여 설명함에 있어, 프레넬 렌즈를 설계하기 위한 포물선 궤적은 상기 [수학식1]을 이용하고, 반사판을 설계하기 위한 포물선 궤적은 상기 [수학식2]를 사용하였다.

* 실시예1 *

도 6은 본 발명의 집광장치에 대한 제1실시예를 설명하기 위한 도면으로, 프레넬 렌즈는 도 5를 참조하여 설명한 바와 같이 Y축을 기준으로 X축상에 형성하고, 반사경은 프레넬 렌즈로부터 이격되며 Y축을 기준으로 대칭되게 형성하였다.

프레넬 렌즈는 [수학식1]을 이용한 도 5에서와 같이 Ff1부터 Ff7까지의 포물선을 사용하였으며, 이에 따라 프레넬 렌즈의 최외곽은 포물선 Ff7과 X축이 만나는 지점으로 그 좌표값을 (X1,0)이라 하였을 때 X1은 약 0.5679로 계산된다.

이하 실시예2 및 실시예3에서도 상기와 동일한 프레넬 렌즈를 사용하였다.

Y축 방향, 즉 프레넬 렌즈의 중심좌표(0,0)에서 촛점좌표(0,-1)를 연결하는 가상의 제1직선과 평행한 방향으로 프레넬 렌즈의 최외곽(X1,0)을 지나는 가상의 직선을 제2직선이라 하고, 상기 제2직선과 상기 [수학식2]에 의한 포물선 Fr1 내지 Fr10 중 어느 하나의 포물선과 만나는 점을 제1지점(X1,Y1-1)이라 한다.

또한, 촛점(0,-1)과 프레넬 렌즈의 최외곽(X1,0)을 연결하는 가상의 직선을 제3직선이라 하고, 상기 제1지점(X1,Y1-1)을 지나는 상기 [수학식2]에 의한 포물선과 상기 제3직선이 만나는 점을 제2지점(X2,Y1-2)라고 할 때, 상기 제1지점(X1,Y1- 1)과 상기 제2지점(X2,Y1-2)을 해당 포물선의 궤적을 따라 연결하여 반사판의 궤적(R1)을 구할 수 있다.

이때, 포물선 궤적 상의 반사판의 궤적(R1)에 대해 상기 제2직선을 기준으로 좌표값 중 X값의 절대값이 제1지점의 X좌표값이 X1의 절대값보다 작은 영역, 즉 Y축에 가까운 영역은 프레넬 렌즈에 의해 입사 광이 전달되지 않는 영역이므로, 이러한 입사 광이 전달되지 않는 영역까지 반사판의 궤적(R1)을 확장하지 않는 것이 바람직하며, 일부 확장된 경우도 본 발명의 범위안에 포함된다고 할 것이다.

또한, 촛점(0,-1)로부터 X축방향으로 연장되는 가상의 직선을 제7직선이라 할때, 반사판의 궤적(R1) 중 Y좌표값이 촛점의 Y좌표값인 -1보다 작은 경우, 즉 촛점보다 Y축방향으로 더 아래에 위치하는 경우는 입사된 광의 촛점(0,-1)으로 집속되는 방향이 Y값이 증가하는 방향, 즉 아래에서 위로 올라가는 방향이므로 일면에 태양전지가 형성된 태양전지판의 타면에 비춰지므로 유용하지 않다.

따라서, 상기 [수학식2]에 의한 포물선 Fr1 내지 Fr10 중 상기 제1지점(X1,Y1-1)을 포함하는 포물선을 선택할 때, 상기 제2직선과 포물선들(Fr1,.., Fr10)이 만나는 점의 Y좌표값이 상기 제7직선의 Y좌표값보다 크거나 같은 포물선을 선택하는 것이 바람직하나, 필요에 따라 상기 제7직선의 Y좌표값보다 약간 작은 포물선을 선택할 수도 있다.

본 발명의 일 실시예로 상기 [수학식2]에 의한 포물선들 중 도 5에 도시된 Fr8을 반사경 설계를 위한 포물선 궤적으로 선택하였다.

이에따라 제1지점(X1,Y1-1)의 좌표값은 약 (0.56789,-1.03125)가 되어 제1지 점의 Y좌표값인 Y1-1이 촛점의 Y좌표값인 -1보다 약간 작은 값이 되었다.

또 다른 변형예로 포물선 Fr8과 촛점(0,-1)로부터 연장되는 상기 제7직선과 만나는 점을 제1-1지점(X'1,Y'1-1)로 선택할 수도 있다.

제1-1지점(X'1,Y'1-1)의 좌표값은 약 (0.6, -1)가 되어 프레넬 렌즈의 최외곽의 X좌표값(X1)인 0.56789보다 약간 큰 값이 되었으며, 이로 인하여 프레넬 렌즈와 반사경에의해 집속되지 않는 영역, 즉 집속손실영역(RA)가 일부 발생될 수도 있으나, 그 크기가 미비한 경우는 반사판의 궤적(R)을 제1-1지점부터 시작할 수도 있다.

또 다른 변형예로 [수학식2]에서 j값을 정수가 아닌 소수값으로 입력하여 제2직선과 포물선이 만나는 지점의 Y좌표값이 -1이 되는 포물선 Fr8'(미도시)의 궤적 상에 반사판을 형성할 수도 있다.

따라서, [수학식2]에서 j값으로 약 7.16055로 입력하면, 포물선 Fr8'를 적용하면, 제2직선과 포물선 Fr8'이 만나는 지점의 좌표값은 약(0.56789,-1)이 되므로 X좌표값은 프레넬 렌즈의 최외각의 X좌표값(X1)과 일치하고, Y좌표값은 촛점의 Y좌표값(Y1-1)과 일치하여 가장 바람직한 반사판의 궤적을 얻을 수 있다.

본 발명의 실시예1에 의한 도 6의 각 지점들의 좌표값은 아래 [표1]과 같다.

* 실시예2 *

도 7은 본 발명의 집광장치에 대한 제2실시예를 설명하기 위한 도면으로, 프레넬 렌즈는 도 5를 참조하여 설명한 바와 같이 Y축을 기준으로 X축 상에 형성하고, 반사경은 프레넬 렌즈로부터 이격되며 Y축을 기준으로 대칭되게 형성하였다.

프레넬 렌즈는 상기 실시예1과 동일하게 하였다.

Y축 방향, 즉 프레넬 렌즈의 중심좌표(0,0)에서 촛점좌표(0,-1)를 연결하는 가상의 제1직선과 평행한 방향으로 프레넬 렌즈의 최외곽(X1,0)을 지나는 가상의 직선을 제2직선이라 하고, 상기 제2직선과 제1포물선인 상기 [수학식2]에 의한 포물선들(Fr1,..Fr10) 중 임의의 포물선과 만나는 점을 제1지점(X1,Y1-1)이라 한다.

또한, 촛점(0,-1)로부터 X축방향으로 연장되는 가상의 직선을 제7직선이라 할때, 상기 [수학식2]에 의한 포물선 Fr1 내지 Fr10 중 상기 제1지점(X1,Y1-1)을 포함하는 포물선을 선택할 때, 상기 제2직선과 포물선들(Fr1,.., Fr10)이 만나는 점의 Y좌표값이 상기 제7직선의 Y좌표값보다 크거나 같은 포물선을 선택하는 것이 바람직하나, 필요에 따라 상기 제7직선의 Y좌표값보다 약간 작은 포물선을 선택할 수도 있다.

본 발명에서는 상기 제1포물선을 상기 [수학식2]에서 j가 10인 포물선, 즉 Fr10을 선택하였다.

촛점(0,-1)과 프레넬 렌즈의 최외곽(X1,0)을 연결하는 가상의 직선을 제3직선이라 하고, 상기 제1지점(X1,Y1-1)을 지나는 상기 제1포물선과 상기 제3직선이 만나는 점을 제2지점(X2,Y1-2)라고 할 때, 상기 제1지점(X1,Y1-1)과 상기 제2지점(X2,Y1-2)을 제1포물선의 궤적을 따라 연결하여 제1반사판의 궤적(R1)을 구할 수 있다.

상기 제1직선과 평행한 방향으로 상기 제2지점(X2,Y1-2)을 지나는 가상의 직선을 제4직선이라 하고, 상기 제4직선과 제2포물선인 상기 [수학식2]에 의해 제1포물선인 Fr10을 제외한 나머지 포물선들(Fr1,..Fr9) 중 임의의 포물선과 만나는 점을 제3지점(X2,Y2-1)이라 한다.

본 발명에서는 상기 제1포물선을 선택할 때 고려했던 사항과 마찬가지로 제3지점의 Y좌표값인 Y2-1이 상기 제7직선의 Y좌표값인 -1보다 크거나 같은 포물선인 Fr9를 선택하였다.

촛점(0,-1)과 제1지점(X1,Y1-1)을 연결하는 가상의 직선을 제5직선이라 하고, 상기 제3지점(X2,Y2-1)을 지나는 상기 제2포물선과 상기 제5직선이 만나는 점을 제4지점(X3,Y2-2)라고 할 때, 상기 제3지점(X2,Y2-1)과 상기 제4지점(X3,Y2-2)을 제2포물선의 궤적을 따라 연결하여 제2반사판의 궤적(R2)을 구할 수 있다.

상기 제2반사판의 궤적(R2)를 구하는 것과 동일한 방법으로 제3반사판의 궤적(R3) 내지 제5반사판의 궤적(R5)를 구할 수 있다.

상기와 같은 방법에 의해 형성되는 반사판들은 입사된 광을 촛점(0,-1)으로 집광함에 있어서, 촛점에 가까운 반사판이 촛점으로 부터 먼 반사판의 집광경로상에 위치하지 아니하므로, 분할된 반사판들에 의해 넓은 집광폭(ML2)을 갖으면서도 집광장치 모듈의 높이(MH2)를 줄일 수 있는 장점이 있다.

또한, 반사판의 양단을 연결하는 직선거리(LR2)를 실시예1 보다 작게 할 수 있는 장점이 있다.

본 발명의 실시예2에 의한 도 7의 각 지점들의 좌표값은 아래 [표2]와 같다.

* 실시예3 *

도 8은 본 발명의 집광장치에 대한 제3실시예를 설명하기 위한 도면으로, 프레넬 렌즈는 상기 실시예1 및 실시예2와 같이 도 5를 참조하여 설명한 바와 같이 Y축을 기준으로 X축 상에 형성하고, 반사판들은 상기 실시예2와 같이 프레넬 렌즈로부터 이격되며 Y축을 기준으로 대칭되게 형성하되, 반사판 궤적 상의 위쪽에 있는 지점을 선택하는 방법을 상이하게 하였다.

반사판들을 설계하는 방법을 좀더 상세히 설명하면 다음과 같다.

제1반사판의 궤적(R1) 상의 제1지점(X1,Y1-1)은 상기 실시예2와 동일한 방법으로 선택할 수 있다.

촛점(0,-1)과 프레넬 렌즈의 최외곽(X1,0)을 연결하는 가상의 직선을 제3직선이라 하고, 상기 제1지점(X1,Y1-1)을 지나는 상기 제1포물선과 상기 제3직선이 만나는 점을 제2지점이라 하고, 제1직선(프레넬 렌즈의 중심과 촛점을 연결하는 가상의 직선)에 수직하고 프레넬 렌즈 중심을 지나는 가상의 직선인 제6직선이라 할 때, 상기 제2지점의 Y좌표값이 제6직선의 Y좌표값보다 큰 경우에는 제1반사판의 끝단을 제2지점이 아닌, 제1포물선과 제6직선이 교차하는 지점인 제2-1지점(X2,Y1-2)으로 하고 제1지점과 제2-1지점을 연결하는 제1반사판 궤적(R1)을 구할 수 있다.

상기 제1직선과 평행한 방향으로 상기 제2-1지점(X2,Y1-2)을 지나는 가상의 직선을 제4-1직선이라 하고, 상기 제4-1직선과 제2포물선인 상기 [수학식2]에 의해 제1포물선인 Fr10을 제외한 나머지 포물선들(Fr1,..Fr9) 중 임의의 포물선과 만나는 점을 제3-1지점(X2,Y2-1)이라 한다.

본 발명에서는 상기 제1포물선을 선택할 때 고려했던 사항과 마찬가지로 제3-1지점의 Y좌표값인 Y2-1이 상기 제7직선의 Y좌표값인 -1보다 크거나 같은 포물선인 Fr9를 선택하였다.

촛점(0,-1)과 제1지점(X1,Y1-1)을 연결하는 가상의 직선을 제5직선이라 하고, 상기 제3-1지점(X2,Y2-1)을 지나는 상기 제2포물선과 상기 제5직선이 만나는 점을 제4지점이라 할 때, 상기 제4지점의 Y좌표값이 상기 제6직선의 Y좌표값보다 큰 경우에는 제2반사판의 끝단을 제4지점이 아닌, 제2포물선과 제6직선이 교차하는 지점인 제4-1지점(X3,Y2-2)으로 하고 제3-1지점과 제4-1지점을 연결하는 제2반사판 궤적(R2)을 구할 수 있다.

상기 제2반사판의 궤적(R2)를 구하는 것과 동일한 방법으로 제3반사판의 궤적(R3) 내지 제6반사판의 궤적(R6)를 구할 수 있다.

상기와 같은 방법에 의해 형성되는 반사판들은 실시예2와 같이 입사된 광을 촛점(0,-1)으로 집광함에 있어서, 촛점에 가까운 반사판이 촛점으로 부터 먼 반사판의 집광경로상에 위치하지 아니하므로, 분할된 반사판들에 의해 넓은 집광폭(ML3)을 갖으면서도 실시예2 보다 집광장치 모듈의 높이(MH3)를 더 줄일 수 있는 장점이 있다.

또한, 반사판의 양단을 연결하는 직선거리(LR3)를 실시예1 및 실시예2 보다 작게 할 수 있는 장점이 있다.

본 발명의 실시예3에 의한 도 8의 각 지점들의 좌표값은 아래 [표3]과 같다.

* 실시예들에 대한 비교 *

상기 실시예1 내지 실시예3에 의한 프레넬 렌즈 및 반사판을 포함하는 집광장치 모듈에 대한 비교 결과는 아래 [표4]와 같다.

또한, 도 9는 상기 결과 값을 비교하기 위한 그래프를 도시한 것이다.

집광영역(ML)은 넓을수록 바람직하며, 집광장치 모듈 높이(MH), 반사판 개수, 및 최대 반사판의 크기(반사판의 양단을 연결하는 거리 : LR)는 작을수록 바람직하다.

집광장치의 경우 하나의 반사판의 크기가 클수록 비용이 많이 소요되며, 집광장치 모듈 높이(MH)가 태양광 발전장치의 크기에 영향을 가장 많이 미치는 요소이므로, 집광장치 모듈 높이(MH)와 최대 반사판 크기가 작고, 집광영역(ML)이 비교적 넓은 실시예2 또는 실시예3이 더욱 바람직하다.

이상 도 5 내지 도 9를 참조하여 설명한 본 발명의 다양한 실시예에 따른 집광장치에 태양전지판을 포함한 도 3 또는 도 4를 참조하여 설명한 태양에너지 발전장치에 태양 추적 장치(600)를 더욱 도입하여 발전 효율을 극대화할 수 있다.

태양의 이동 궤도 추적 방법은 공지되어 있는 광센서에 의한 추적방법 또는 프로그램에 의한 추적 방법 등 다양한 방법을 사용할 수 있으며, 이하 도 10 내지 도 11을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 태양의 이동 궤도 추적 방법을 설명하면 다음과 같다.

태양은 도 10에 도시된 바와 같이 지구의 공전에 따라 그 남중고도가 계절에 따라 변한다.

지구자전축은 북극성을 향하며 지평선과 φ만큼 경사를 이루고 있다. 이때, 지구자전축과 지평선이 이루는 각인 φ는 관측지역의 위도와 같다.

한편, B는 태양의 적위가 0°일 때, 즉 춘분 또는 추분일 때의 태양의 일주운동을 나타내고, 천구의 적도를 따라 정동에서 떠서 정서로 지게 되어 낮과 밤의 길이가 같다. 또한, A는 태양의 적위가 +23.5°일 때, 즉 하지일 때의 태양의 일주운동을 나타낸다. 그리고, C는 태양의 적위가 -23.5°일 때, 즉 동지일 때의 태양의 일주운동을 나타낸다. 어느 지역이든 계절에 상관없이 태양은 지구자전축을 중심으로 일주운동을 하게 된다. 다만, 계절에 따라 태양의 남중고도(a, b, c)의 변화만 있게 되는 것이다.

따라서, 태양 추적 장치(600)는 도 11에 도시한 바와 같이 제1회전축(620)에 설치되는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 태양에너지 발전 장치(500)들을 태양의 남중고도 변화를 추적하도록 제1회전축(620)상에서 회동시켜 태양에너지 발전장치(500)의 발전효율을 증대시킬 필요가 있다.

이를 위해 태양에너지 발전 장치(500)들은 제1회전축(620)의 길이방향을 따라 제1회전축(620)과 수직을 이루어 일정간격으로 배열되되, 제1회전축(620)에 회동가능하도록 구비되는 복수개의 제2회전축(660)에 고정설치되는 것이 바람직하다. 즉, 제1회전축(620)에는 그 길이방향을 따라 삽입홈(622)이 일정간격으로 형성배열되고, 상기 삽입홈(622)에 일단이 삽입되어 회동가능하도록 설치되는 복수개의 제2회전축(660)이 구비된다.

이때 제2회전축(660) 각각의 타단에 태양에너지 발전 장치(500)가 고정설치되는 것이다. 따라서, 각각의 태양에너지 발전 장치(500)는 제1회전축(620)의 길이방항과 수직방향으로 배열되어 제1회전축(620) 상에서 회동가능하게 된다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따른 태양에너지 발전 시스템은 지구의 공전에 따른 태양의 남중고도의 변화를 추적하기 위해 제1회전축(620)에 설치되는 복수개의 태양에너지 발전 장치(500)들을 제2회전축(660)을 중심으로 각각 동일하게 회동시키기 위한 구조를 갖는다.

즉, 연결부재(670)가 각 제2회전축(660)으로부터 연장 형성되고, 관통홀이 형성된 원통형부재(680)가 상기 연결부재(670)의 말단에 회동가능하게 결합되고, 원통형부재(680)들의 관통홀에 회전 제어봉(690)이 삽입고정된다.

이때, 원통형부재(680)는 한 쌍의 연결부재(670)의 말단에 양단이 회동가능하도록 설치되는 것이 바람직하다.

따라서, 연결부재(670)들의 관통홀에 삽입고정된 회전 제어봉(690)이 그 길이방향으로 직선운동을 하게 되면 연결부재(670) 및 제2회전축(660)이 제1회전축(620) 상에서 회동하게 되고, 결국, 제2회전축(660)에 고정설치된 태양에너지 발전 장치(500)가 회동하게 되는 것이다.

즉, 회전 제어봉(690)을 제어함으로써 제1회전축(620) 상에 설치된 태양에너지 발전 장치(500)들을 계절의 변화에 따른 태양의 입사광과 수직을 이루도록 제어할 수 있는 것이다.

이때, 도면에는 도시되어 있지 않지만, 회전 제어봉(690)을 이동시킨 뒤 회전 제어봉(690)의 말단을 고정시킬 수 있는 고정수단을 구비하는 것이 바람직하다.

또한, 도면에는 도시되어 있지 않지만, 회전 제어봉(690)을 모터에 의해 연동되도록 구성하고, 모터는 제어부에 의해 제어된다.

따라서 본 발명의 일실시예에 따른 태양 추적형 태양광 발전 시스템은 도 11에 도시된 바와 같이 제1회전축(620)을 지구자전축과 평행하게 프레임(미도시)에 설치하고, 제1회전축(620)을 시간당 15°씩 일정하게 회동시키면 지구자전에 의한 태양의 일주운동을 추적할 수 있게 된다.

한편, 도 11에 도시된 바와 같이 태양에너지 발전장치(500)들이 설치된 복수개의 제1회전축(620)들은 모터(미도시)에 의해 구동하는 체인 또는 벨트(미도시)와 연결되고, 모터와 연결된 제어부(미도시)는 지구의 자전에 따른 태양의 일주운동을 추적할 수 있도록 제1회전축(620)들을 동일한 각속도로 회동하게 된다.

그리고, 회전 제어봉(690)을 이동시키면 각 원통형부재(680)가 이동하게 되고, 원통형부재(680)가 회동가능하게 연결된 연결부재(670) 및 제2 회전축(660)이 제1회전축(620) 상에서 회전하게 된다.

이때, 제2회전축(660)에 고정설치된 태양에너지 발전 장치(500)들이 제2회전축(660)을 중심으로 회동하게 되어 지구의 공전에 따른 태양의 남중고도의 변화를 추적할 수 있게 된다.

각 제1회전축(620)에 설치되는 회전 제어봉(690)은 기계적인 구성을 통해 상술된 모터와 연동시켜 자동화시키는 것도 가능하다. 그러나, 지구의 공전에 따른 태양의 고도변화는 일(日)당 그 변화량이 매우 작기 때문에 작업자가 소정기간이 지난 뒤에 남중고도의 변화량에 맞추어 회전 제어봉(690)을 조절할 수 있도록 구성하는 것도 가능하다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

도 1은 프레넬 렌즈의 원리를 설명하기 위한 도면이다.

도 2는 포물선형 집속 반사판의 원리를 설명하기 위한 도면이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 집광 장치 및 이를 이용한 태양에너지 발전장치의 사시도이다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 집광 장치 및 이를 이용한 태양에너지 발전장치의 사시도이다.

도 5는 본 발명에 의한 프레넬 렌즈와 집속 반사판을 설명하기 위한 각각의 포물선 함수들을 결합하여 도시한 그래프이다

도 6 내지 도8은 상기 도3의 AA'절단선 또는 도4의 BB'절단선에 의해 절취된 집광 장치의 다양한 실시예에 대한 단면을 설명하기 위한 도면이다.

도 9는 도 6 내지 도 8에 의한 본 발명의 다양한 실시예를 비교한 그래프이다.

도 10은 계절에 따른 태양의 일주운동을 설명하기 위한 도면이다.

도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 추적형 태양에너지 발전시스템의 주요부를 나타내는 사시도이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

100, 110, 120 : 프레넬 렌즈(Fresnel Lens),

210, 220 : 포물선형 집속 반사판 모듈,

310, 320 : 태양전지,

410, 420 : 프레임,

500, 510, 520 : 태양에너지 발전장치,

600 : 태양 추적장치

Claims

미리 정해진 촛점을 갖는 프레넬 렌즈;

상기 프레넬 렌즈와 이격되고, 상기 프레넬 렌즈와 동일한 촛점을 갖는 가상의 제1포물선 궤적 상에 형성된 제1반사판; 및

상기 제1포물선으로부터 이격되며 상기 프레넬 렌즈 및 상기 제1포물선과 동일한 촛점을 갖는 가상의 제2포물선 궤적 상에 형성되고, 상기 프레넬 렌즈 및 상기 제1반사판과 이격되는 제2반사판을 포함하는 집광장치.
제1항에 있어서,

상기 제1반사판은 적어도, 상기 프레넬 렌즈의 중심과 상기 촛점을 연결하는 가상의 제1직선과 평행한 방향으로 상기 프레넬 렌즈의 최외곽에서 연장되는 가상의 제2직선과 상기 제1포물선이 만나는 제1지점에서 부터, 상기 촛점과 상기 프레넬 렌즈의 최외곽을 연결하는 가상의 제3직선과 상기 제1포물선이 만나는 제2지점까지 연장되며,

상기 제2반사판은 적어도, 상기 제1직선과 평행한 방향으로 상기 제2지점에서 연장되는 가상의 제4직선과 상기 제2포물선이 만나는 제3지점에서 부터, 상기 촛점과 상기 제1지점을 연결하는 가상의 제5직선과 상기 제2포물선이 만나는 제4지점까지 연장되는 것을 특징으로 하는 집광 장치.
제1항에 있어서,

상기 제1반사판은 적어도, 상기 프레넬 렌즈의 중심과 상기 촛점을 연결하는 가상의 제1직선과 평행한 방향으로 상기 프레넬 렌즈의 최외곽에서 연장되는 가상의 제2직선과 상기 제1포물선이 만나는 제1지점에서 부터, 상기 제1직선과 수직한 방향으로 상기 프레넬 렌즈의 중심으로부터 연장되는 가상의 제6직선과 상기 제1포물선이 만나는 제2-1지점까지 연장되며,

상기 제2반사판은 적어도, 상기 제1직선과 평행한 방향으로 상기 제2-1지점에서 연장되는 가상의 제4-1직선과 상기 제2포물선이 만나는 제3-1지점에서 부터, 상기 제6직선과 상기 제2포물선이 만나는 제4-1지점까지 연장되는 것을 특징으로 하는 집광 장치.
제1항에 있어서,

상기 제1반사판의 양단부 중 상기 촛점에 대해 가까운 단부 및 상기 제2반사판의 양단부 중 상기 촛점에 대해 가까운 단부는, 상기 프레넬 렌즈의 중심과 상기 촛점을 연결하는 가상의 제1직선과 수직한 방향으로 상기 프레넬 렌즈의 중심으로부터 연장되는 가상의 제6직선과, 상기 제1직선과 수직한 방향으로 상기 촛점으로부터 연장되는 가상의 제7직선 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 집광장치.
제4항에 있어서,

상기 제1반사판의 양단부 중 상기 촛점에 대해 가까운 단부 및 상기 제2반사 판의 양단부 중 상기 촛점에 대해 먼 단부는, 상기 제6직선의 궤적 상에 또는 상기 제6직선과 상기 제7직선 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 집광장치.
미리 정해진 촛점을 갖는 프레넬 렌즈; 및

상기 프레넬 렌즈와 이격되고, 상기 프레넬 렌즈와 동일한 촛점을 갖는 가상의 제1포물선 궤적 상에 형성된 제1반사판;을 포함하며,

상기 제1반사판은 적어도, 상기 프레넬 렌즈의 중심과 상기 촛점을 연결하는 가상의 제1직선과 평행한 방향으로 상기 프레넬 렌즈의 최외곽에서 연장되는 가상의 제2직선과 상기 제1포물선이 만나는 제1지점에서 부터, 상기 촛점으로부터 멀어지는 방향으로 연장되는 것을 특징으로 하는 집광 장치.
제6항에 있어서,

상기 제1반사판은 적어도, 상기 제1지점에서부터 상기 촛점과 상기 프레넬 렌즈의 최외곽을 연결하는 가상의 제3직선과 상기 제1포물선이 만나는 점까지 연장되는 것을 특징으로 하는 집광 장치.
제6항에 있어서,

상기 제1반사판은 적어도, 상기 제1지점에서부터 상기 제1직선과 수직한 방향으로 상기 프레넬 렌즈의 중심으로부터 연장되는 가상의 제6직선과 상기 제1포물선이 만나는 점까지 연장되는 것을 특징으로 하는 집광 장치.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 촛점에 위치하는 태양전지를 포함하는 태양에너지 발전 시스템.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 프레넬 렌즈의 중심과 상기 촛점을 연결하는 가상의 직선의 궤적상에 꼭지점이 위치하는 적어도 두개의 태양전지판를 포함하는 태양에너지 발전 시스템.