KR20100078167A - 태양광 집광장치 및 이의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 태양광 집광장치 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명의 태양광 집광장치는 태양광이 입사되는 반사면을 구비하는 태양광 집광장치에 있어서, 상기 반사면은, 상부변이 하부변보다 긴 사다리꼴 형상의 반사판 다수 개를 포함하고, 이웃하는 반사판들의 측변이 연결되도록 구성되며, 상기 상부변은 상기 반사면에서 태양광이 입사되는 개구부 측에 배치되고, 상기 하부변은 상기 반사면의 정점 측에 배치되며, 상기 반사판의 면은 상기 하부변에서 상기 상부변을 향하는 방향으로는 포물선의 궤적을 따라 굽어지고 일측변에서 타측변을 향하는 방향으로는 직선의 궤적을 따라 평평하도록 형성된 것을 특징으로 한다.

Description

태양광 집광장치 및 이의 제조방법{APPARATUS FOR COLLECTING SOLAR RADIATION AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 태양광 집광장치 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 입사되는 태양광을 집광하는 접시형 집광장치 및 이를 제조하는 방법에 관한 것이다.

태양광 에너지는 무공해 에너지원으로서 화석 연료를 바탕으로 하는 기존 에너지 생산을 대체함과 동시에 환경문제도 해결하여 인류가 풍요롭고 쾌적한 삶을 영위하기에 필요한 청정 에너지이다. 앞으로 태양광 에너지는 이산화탄소를 배출하는 화석연료와는 달리 환경오염 없는 그린 에너지로 각종 환경규제에 가장 적극 대응할 수 있는 산업이 될 수 있으며，에너지 소비 및 수급 특성상 우리나라 여건에 필수적인 산업이 될 것으로 전망된다.

태양광을 집광하여 열 에너지 또는 전기 에너지로 변환하여 이용하기 위해서는, 집광장치에 의하여 태양광을 집광하고, 집열장치에 의하여 집광된 태양광을 열변환하여 집열하고, 이를 축적하여 원하는 곳에 전달하는 문제가 상당히 중요하다. 태양광을 집광하는 장치들에는 사용하고자 하는 목적과 형태에 따라 여러 종류가 있는데, 대표적인 것은 접시형의 포물면 태양광 집광장치이다.

종래의 포물면형 태양광 집속장치는 접시형 포물면 형상의 반사면을 이용하여 입사되는 태양광을 포물면 형상의 초점에 집중시키고, 초점위치에는 집열기를 설치하여 집광된 태양광을 열변환한다.

이와 같이 종래의 태양광 집속장치는 그 반사면의 형상이 접시형의 포물면 형상으로 제작되어 그 생산공정이 까다롭고 생산비용이 상당히 소요되어, 원하는 성능을 유지하면서 이를 상업적으로 이용하기 위해서는 생산공정을 단순화시키고 생산비용을 절감하여야 하는 문제가 있다.

본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 사다리꼴의 평면 형상의 다수의 반사판으로 태양광이 입사되는 반사면을 구성하여 생산공정을 단순화시키고 생산비용을 절감할 수 있으며, 반사판의 제작치수의 정밀도를 향상시킬 수 있는 태양광 집광장치 및 이의 제조방법을 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 태양광 집광장치는, 태양광이 입사되는 반사면을 구비하는 태양광 집광장치에 있어서, 상기 반사면은, 상부변이 하부변보다 긴 사다리꼴 형상의 반사판 다수 개를 포함하고, 이웃하는 반사판들의 측변이 연결되도록 구성되며, 상기 상부변은 상기 반사면에서 태양광이 입사되는 개구부 측에 배치되고, 상기 하부변은 상기 반사면의 정점 측에 배치되며, 상기 반사판의 면은 상기 하부변에서 상기 상부변을 향하는 방향으로는 포물선의 궤적을 따라 굽어지고 일측변에서 타측변을 향하는 방향으로는 직선의 궤적을 따라 평평하도록 형성된 것을 특징으로 한다.

또한 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 태양광 집광장치는, 태양광이 입사되는 반사면을 구비하는 태양광 집광장치에 있어서, 상기 반사면은, 직선 형상의 하부변과, 상기 하부변보다 긴 직선 형상의 상부변과, 외측으로 볼록한 곡선 형상의 양측변을 구비한 반사판 다수 개를 포함하고, 이웃하는 반사판들의 측변이 연결되도록 구성되며, 상기 반사판은 상기 하부변에서 상기 상부변을 향하는 방향으로는 포물선의 궤적을 따라 굽어지고, 일측변에서 타측변을 향하는 방향으로는 직선의 궤적을 따라 평평하도록 형성된 것을 특징으로 한다.

또한 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 태양광 집광장치의 제조방법은, 제1항 또는 제2항의 태양광 집광장치를 제조하는 방법으로서, 상기 포물선의 궤적을 일정한 기준 길이로 분할하고, 상기 포물선의 궤적을 따라 상기 기준 길이만큼 증분하면서 양측변 사이의 수평 거리를 구하며, 구해진 수평 거리들은 상기 반사판의 제조에 이용되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 태양광 집광장치의 제조방법에 있어서, 바람직하게는, 상기 양측변 사이의 수평 거리를 구하기 위하여, 상기 포물선을 상기 반사판들이 배치되는 방향을 따라 회전시킨 포물면을 형성하는 단계; 상기 포물면의 원주를 상기 반사판의 수량으로 나눈 분할원주폭의 방정식을 구하는 단계; 상기 분할원주폭에 대한 상기 반사판의 양측변 사이의 수평 거리의 비례비의 방정식을 구하는 단계; 및 상기 분할원주폭과 상기 비례비를 곱해서, 상기 포물선의 궤적을 따라 양측변 사이의 수평 거리의 방정식을 구하는 단계;를 포함한다.

본 발명에 따른 태양광 집광장치의 제조방법에 있어서, 바람직하게는, 상기 포물면을 형성하는 단계는, 상기 반사판들의 대칭축이 되고 상기 반사면의 개구부의 중심과 상기 반사면의 정점을 지나는 축을 y축으로, 상기 상부변의 중심점과 상기 하부변의 중심점을 지나고 상기 반사판의 면을 따라 진행하는 축을 y'축으로, 상기 반사면의 정점을 지나고 상기 y축과 실질적으로 직교하며 상기 y축과 평행한 방향으로 상기 y'축이 투영되어 형성되는 축을 x축으로 설정하는 단계; 및 상기 포 물선을 상기 y'축 상에 배치하고, 아래와 같이 상기 포물선의 방정식을 구하는 단계;를 포함하고,

(여기서, r은 상기 반사면의 정점에서의 곡률반경이며, 상기 반사면의 정점으로부터 상기 포물선의 방정식의 초점까지의 거리의 2배이다)

상기 분할원주폭의 방정식을 구하는 단계는, 아래와 같이 상기 포물선 상의 임의의 점에서의 원주를 상기 반사판의 수량으로 나누어서 구하고,

(여기서, fw는 상기 분할원주폭이고, n은 상기 반사판의 수량이다)

상기 비례비의 방정식을 구하는 단계는, 아래와 같이 상기 포물선 상의 임의의 점에서상기 반사판의 양측변 사이의 수평 거리를 상기 분할원주폭으로 나누어서 구하고,

(여기서, k는 상기 비례비이다)

상기 수평 거리의 방정식을 구하는 단계는, 아래와 같이 상기 분할원주폭과 상기 비례비를 곱해서 구한다.

(여기서, rw는 상기 수평 거리이다)

본 발명에 따른 태양광 집광장치의 제조방법에 있어서, 바람직하게는, 상기 양측변 사이의 수평 거리를 구하기 위하여, 시점 x좌표부터 상기 포물선의 방정식을 선적분한 길이가 상기 기준 길이와 실질적으로 동일하도록 만드는 종점 x좌표를 구하는 단계; 상기 시점 x좌표에서 상기 종점 x좌표까지 상기 x값을 증분하는 단계; 및 증분된 x값들을 상기 수평 거리의 방정식에 각각 대입하는 단계;를 더 포함한다.

본 발명의 태양광 집광장치 및 이의 제조방법에 따르면, 굽어진 사다리꼴 형상의 다수의 반사판으로 태양광이 입사되는 반사면을 구성함으로써, 태양광 집광장치의 생산공정을 단순화시키고 생산비용을 절감할 수 있다.

또한 본 발명의 태양광 집광장치의 제조방법에 따르면, 반사판을 제조하기 위한 수평 거리들을 반사판의 면이 휘어진 방향을 따라 일정한 간격으로 출력함으로써, 반사판의 제작치수의 정밀도를 향상시킬 수 있다.

이하, 본 발명에 따른 태양광 집광장치 및 이의 제조방법의 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 집광장치의 사시도이다.

도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 태양광 집광장치(100)는 태양광이 입사되는 접시형의 반사면을 구비하는 것으로서, 상기 반사면은 다수의 반사판(110)을 포함하도록 구성된다.

상기 반사판(110)은 상부변(111)이 하부변(112)보다 긴 사다리꼴 형상이다. 상기 상부변(111)은 태양광이 입사되는 개구부(121) 측에 배치되고, 상기 하부변(112)은 반사면의 정점(122) 측에 배치된다.

한편 상기 반사판(110)은 기본적으로 사다리꼴 형상이지만 양측변(113)이 직선이 아닌 외측으로 완만하게 볼록한 곡선의 형상을 가질 수도 있다. 상부변(111)과 하부변(112)은 직선 형상이고, 상부변(111)이 하부변(112)보다 길게 형성되며, 하부변(112)과 상부변(111)을 연결하는 각각의 측변(113)은 외측으로 완만히 볼록한 곡선의 형상으로 마련될 수 있다.

상기 반사판(110)의 면은 전체적으로 평평한 형상이 아니고, 일 방향으로 휘어지도록 형성된다. 즉, 하부변(112)에서 상부변(111)을 향하는 방향(A)으로는 포물선(131)의 궤적을 따라 굽어진 형상이고, 일측변(113)에서 타측변(113)을 향하는 방향(B)으로는 직선의 궤적을 따라 평평한 형상이다.

이와 같이 굽어진 형상을 가진 반사판(110)의 측변(113)과 동일한 형상을 가진 이웃하는 반사판(110)의 측변(113)이 서로 연결되어, 전체적인 반사면을 형성한다.

이하, 도 1 내지 도 4를 참조하면서, 본 실시예에 따른 태양광 집광장치의 제조방법에 대하여 간략하게 설명하기로 한다.

도 2는 도 1의 태양광 집광장치에 x축, y축, z축 및 y'축을 설정한 상태를 도시한 도면이고, 도 3은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ'선을 따라 절단한 단면도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 집광장치의 제조방법의 순서도이다.

본 발명의 태양광 집광장치의 제조방법은, 포물선(131)의 궤적을 일정한 기준 길이로 분할하고, 포물선(131)의 궤적을 따라 기준 길이만큼 증분하면서 양측변 사이의 수평 거리(115)를 구하며, 구해진 다수의 수평 거리(115)를 기초로 하여 반사판(110)을 제조하는 것을 특징으로 한다. 반사판(110)을 제조하기 위한 데이터가 휘어진 방향을 따라 일정한 간격으로 출력되도록 함으로써, 반사판(110)의 제작치수의 정밀도를 향상시킬 수 있다.

우선 포물선(131)을 반사판(110)들이 배치되는 방향을 따라 회전시킨 포물면(132)을 형성한다. 포물면(132)을 형성하고 이후의 과정들을 수식으로 정의하기 위하여 도 2 및 도 3에 도시된 각각의 축들을 정의한다. 반사면 상에 배치된 다수의 반사판(110)들의 대칭축이 되고 반사면의 개구부(121)의 중심(123)과 반사면의 정점(122)을 지나는 축을 y축으로 정의한다. 또한 반사판의 상부변(111)의 중심점(115)과 반사판의 하부변(112)의 중심점(116)을 지나고 반사판(110)의 면을 따라 굽어지도록 진행하는 축을 y'축으로 정의한다. 또한 반사면의 정점(122)을 지나고 y축과 실질적으로 직교하며, y축과 평행한 방향으로 y'축이 투영되어 형성되는 축을 x축으로 정의한다.

이후 반사판(110)의 면이 하부변에서 상부변을 향하는 방향으로 굽어지도록 만드는 포물선(131)의 궤적을 y'축 상에 배치하고, 아래와 같이 포물선(131)의 방 정식(수식(1))을 구한다.

...(1)

여기서, r은 근축영역에서의 곡률반경 즉, 반사면의 정점(122)에서의 곡률반경이며, r은 반사면의 정점(122)으로부터 포물선(131)의 방정식의 초점(124)까지의 거리의 2배이다.

이와 같이 배치된 포물선(131)을 y축을 회전중심으로 하여 회전시켜서 포물면(132)을 형성한다. 포물면(132)은 반사판(110)의 면들과 접하도록 형성된다.

이후, 포물면(132)의 원주를 반사판(110)의 수량으로 나눈 분할원주폭의 방정식을 구한다.

도 2를 참조하여 포물선(131) 상의 임의의 점의 x좌표를 x라 하면, 그 점에서 x-z평면과 평행하게 형성되는 포물면(132)의 원주의 길이는 2πx가 된다. y축을 중심으로 배치되는 반사판(110)의 수량을 n이라 하고, 포물면(132)의 원주를 반사판(110)의 수량으로 나눈 결과값을 분할원주폭으로 정의하면, 포물선(131) 상의 임의의 점에 대한 분할원주폭의 방정식(수식(2))은 아래와 같이 구해질 수 있다.

...(2)

여기서, fw는 분할원주폭이고, n은 y축을 중심으로 배치된 사다리꼴 형상의 반사판(110)의 수량이다.

이후, 분할원주폭에 대한 반사판(110)의 양측변 사이의 수평 거리(115)의 비 례비의 방정식을 구한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 포물선(131) 상의 임의의 점의 x좌표를 x라 하면, 그 점에서 반사판(110)의 양측변 사이의 수평 거리(115)는 2xtan(π/n)이다. 또한, 상술한 바와 같이, 동일한 위치에서의 분할원주폭은 2πx/n 이다. 따라서, 분할원주폭에 대한 반사판(110)의 양측변 사이의 수평 거리(115)의 비례비의 방정식(수식(3))은 아래와 같이 구해질 수 있다.

...(3)

여기서, k는 비례비이다.

이후, 분할원주폭과 비례비를 곱해서, 아래와 같이 양측변 사이의 수평 거리(115)의 방정식(수식(4))을 구할 수 있다.

...(4)

여기서, rw는 양측변 사이의 수평 거리(115)이다.

이후, x값을 증분하여 수평 거리(115)의 방정식에 대입하면 다수의 수평 거리(115) 데이터를 획득할 수 있고, 이를 기초로 하여 반사판(110)의 제조에 필요한 형상 데이터를 얻어낼 수 있다. 그러나 반사판(110)의 형상이 포물선(131)의 궤적을 따라 즉, y'축을 따라 굽어지게 형성되어 있으므로, x값을 일정한 간격으로 증분시키더라도 상부변(111) 측으로 갈수록 반사판(110)의 수평 거리(115)에 대한 데이터가 간격이 균일하지 않고 간격간 거리가 길게 출력된다. 따라서 반사판(110) 의 상부변(111) 측으로 갈수록 또는 포물선(131)의 경사가 급할수록 반사판의 형상에 대한 정밀도가 떨어지게 된다. 이를 해결하기 위해 y'값을 일정한 간격을 증분시키고 그에 대응되는 반사판(110)의 수평 거리(115)들의 데이터를 출력한다. y'값을 일정한 간격을 증분시키는 과정은 아래와 같다.

우선, y'축을 따라 포물선(131)의 궤적을 일정한 기준 길이(133)로 분할한다.

이후, 시점 x좌표부터 포물선(131)의 방정식을 선적분한 길이가 기준 길이(133)와 실질적으로 동일하도록 만드는 종점 x좌표를 구한다.

일반적으로 포물선을 선적분하는 공식을 다음과 같이 알려져 있다.

...(5)

여기서, 수식(1)을 이용하고,

로 치환하면,

이므로,

...(6)

단,

,

이다.

예를 들면, 기준 길이(133)를 1 mm로 설정하고 시점 x좌표인 a는 미리 정해져 있는 상태에서, 수식(6)을 만족하는 종점 x좌표인 b를 구하게 된다. b를 구하는 과정에서, 수학적으로 상기 수식(6)을 만족하는 b값을 구할 수도 있고, 컴퓨터 프로그래밍에서 이터레이션(iteration) 기법을 통해 b값을 구할 수도 있다.

종점 x좌표가 구해지면, 시점 x좌표에서 종점 x좌표까지 x값을 증분한다. 구해진 종점 x좌표는 다음 단계의 x값의 증분을 구하는 과정에서 시점 x좌표가 된다.

이후, 증분된 x값들을 수평 거리(115)의 방정식(수식(4))에 각각 대입하여, 양측변 사이의 수평 거리(115)들을 구한다.

상술한 바와 같이 구성된 본 실시예에 따른 태양광 집광장치 및 이의 제조방법은, 굽어진 사다리꼴 형상의 다수의 반사판으로 태양광이 입사되는 반사면을 구성함으로써, 태양광 집광장치의 생산공정을 단순화시키고 생산비용을 절감할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

또한 상술한 바와 같이 구성된 본 실시예에 따른 태양광 집광장치의 제조방법은, 반사판을 제조하기 위한 수평 거리들을 반사판의 면이 휘어진 방향을 따라 일정한 간격으로 출력함으로써, 반사판의 제작치수의 정밀도를 향상시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

본 발명의 권리범위는 상술한 실시예 및 변형례에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 집광장치의 사시도이고,

도 2는 도 1의 태양광 집광장치에 x축, y축, z축 및 y'축을 설정한 상태를 도시한 도면이고,

도 3은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ'선을 따라 절단한 단면도이고,

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 집광장치의 제조방법의 순서도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100: 태양광 집광장치 110: 반사판

111: 상부변 112: 하부변

113: 측변 121: 개구부

122: 정점 131: 포물선

132: 포물면

Claims (6)

1. 태양광이 입사되는 반사면을 구비하는 태양광 집광장치에 있어서,

   상기 반사면은, 상부변이 하부변보다 긴 사다리꼴 형상의 반사판 다수 개를 포함하고, 이웃하는 반사판들의 측변이 연결되도록 구성되며,

   상기 반사판은 상기 하부변에서 상기 상부변을 향하는 방향으로는 포물선의 궤적을 따라 굽어지고, 일측변에서 타측변을 향하는 방향으로는 직선의 궤적을 따라 평평하도록 형성된 것을 특징으로 하는 태양광 집광장치.
2. 태양광이 입사되는 반사면을 구비하는 태양광 집광장치에 있어서,

   상기 반사면은, 직선 형상의 하부변과, 상기 하부변보다 긴 직선 형상의 상부변과, 외측으로 볼록한 곡선 형상의 양측변을 구비한 반사판 다수 개를 포함하고, 이웃하는 반사판들의 측변이 연결되도록 구성되며,

   상기 반사판은 상기 하부변에서 상기 상부변을 향하는 방향으로는 포물선의 궤적을 따라 굽어지고, 일측변에서 타측변을 향하는 방향으로는 직선의 궤적을 따라 평평하도록 형성된 것을 특징으로 하는 태양광 집광장치.
3. 제1항 또는 제2항의 태양광 집광장치를 제조하는 방법으로서,

   상기 포물선의 궤적을 일정한 기준 길이로 분할하고, 상기 포물선의 궤적을 따라 상기 기준 길이만큼 증분하면서 양측변 사이의 수평 거리를 구하며, 구해진 수평 거리들은 상기 반사판의 제조에 이용되는 것을 특징으로 하는 태양광 집광장치의 제조방법.
4. 제3항에 있어서,

   상기 양측변 사이의 수평 거리를 구하기 위하여,

   상기 포물선을 상기 반사판들이 배치되는 방향을 따라 회전시킨 포물면을 형성하는 단계;

   상기 포물면의 원주를 상기 반사판의 수량으로 나눈 분할원주폭의 방정식을 구하는 단계;

   상기 분할원주폭에 대한 상기 반사판의 양측변 사이의 수평 거리의 비례비의 방정식을 구하는 단계; 및

   상기 분할원주폭과 상기 비례비를 곱해서, 상기 포물선의 궤적을 따라 양측변 사이의 수평 거리의 방정식을 구하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 집광장치의 제조방법.
5. 제4항에 있어서,

   상기 포물면을 형성하는 단계는,

   상기 반사판들의 대칭축이 되고 상기 반사면의 개구부의 중심과 상기 반사면의 정점을 지나는 축을 y축으로, 상기 상부변의 중심점과 상기 하부변의 중심점을 지나고 상기 반사판의 면을 따라 진행하는 축을 y'축으로, 상기 반사면의 정점을 지나고 상기 y축과 실질적으로 직교하며 상기 y축과 평행한 방향으로 상기 y'축이 투영되어 형성되는 축을 x축으로 설정하는 단계; 및

   상기 포물선을 상기 y'축 상에 배치하고, 아래와 같이 상기 포물선의 방정식을 구하는 단계;를 포함하고,

   

   (여기서, r은 상기 반사면의 정점에서의 곡률반경이며, 상기 반사면의 정점으로부터 상기 포물선의 방정식의 초점까지의 거리의 2배이다)

   상기 분할원주폭의 방정식을 구하는 단계는, 아래와 같이 상기 포물선 상의 임의의 점에서의 원주를 상기 반사판의 수량으로 나누어서 구하고,

   

   (여기서, fw는 상기 분할원주폭이고, n은 상기 반사판의 수량이다)

   상기 비례비의 방정식을 구하는 단계는, 아래와 같이 상기 포물선 상의 임의의 점에서상기 반사판의 양측변 사이의 수평 거리를 상기 분할원주폭으로 나누어서 구하고,

   

   (여기서, k는 상기 비례비이다)

   상기 수평 거리의 방정식을 구하는 단계는, 아래와 같이 상기 분할원주폭과 상기 비례비를 곱해서 구하는 것을 특징으로 하는 태양광 집광장치의 제조방법.

   

   (여기서, rw는 상기 수평 거리이다)
6. 제5항에 있어서,

   상기 양측변 사이의 수평 거리를 구하기 위하여,

   시점 x좌표부터 상기 포물선의 방정식을 선적분한 길이가 상기 기준 길이와 실질적으로 동일하도록 만드는 종점 x좌표를 구하는 단계;

   상기 시점 x좌표에서 상기 종점 x좌표까지 상기 x값을 증분하는 단계; 및

   증분된 x값들을 상기 수평 거리의 방정식에 각각 대입하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 집광장치의 제조방법.

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