KR20110023377A - 광분배기 및 이를 이용한 태양광 조명 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 태양광 이용기술에 관한 것으로서, 좀 더 자세하게는 태양광을 집광하여 이를 조명이 필요한 건물의 각 부위로 분배하여 조명용 광원으로 사용할 수 있도록 하는 태양광 분배기와 이를 이용한 태양광 조명 시스템에 관한 것이다.

본 발명의 광분배기는 내면에 반사코팅이 되어 있고 서로 평행한 면이 없는 비정형 다각형 챔버로서, 보충광원과 컨트롤러가 구비되어 전송중에 생긴 빛의 손실을 보상하고 또한 기상조건과 시간대에 따라 유입되는 태양광의 세기가 변하더라도 항상 일정한 밝기로 모든 분지부로 빛을 분배할 수 있게 한다.

그리고 태양광 조명 시스템은 경축과 초점이 서로 일치하도록 배열된 집속반사경과 평행반사경으로 구성하여 넓은 영역의 태양광을 평행광선으로 집속하는 집광장치와, 집광장치에서 집광된 태양광을 전송하는 광케이블과, 광케이블의 중간 중간에 설치되어 조명이 필요한 여러 곳으로 빛을 분배할 수 있는 광분배기와, 그리고 조명이 필요한 각 방에 설치되어 광케이블로 전송되어 온 광조명등으로 구성된다.

태양광, 집광, 분배, 광케이블, 조명, 평행광선

Description

광분배기 및 이를 이용한 태양광 조명 시스템{Solar Light Distributer and Solar Lighting System Using the Distributer}

본 발명은 태양광 이용기술에 관한 것으로서, 좀 더 자세하게는 태양광을 집광하여 이를 조명이 필요한 건물의 각 부위로 분배하여 조명용 광원으로 사용할 수 있도록 하는 태양광 분배기와 이를 이용한 태양광 조명 시스템에 관한 것이다.

최근 친환경 재생에너지에 대한 관심이 높아져 가고, 이에 따라 태양광을 이용하여 전기를 생산하거나 태양열을 이용하는 장치가 다수 개발되고 있다. 그러나 태양광을 조명용 광원으로 사용하기 위한 연구는 미미한 실정이다.

그리고 최근에는 대형 건물이 많이 지어지고 있는데, 이들 대형 건물에서는 창가 일부지역만을 제외하고는 태양이 비치는 낮시간에도 전기를 이용한 조명을 하고 있는 실정인데, 이와 같은 조명용 전기 에너지의 소비가 크다.

최근에 태양광을 조명용 광원으로 사용하는 장치에 관하여 특허출원이 되고 있으나, 모두 실현가능성이 희박한 것들이다.

국내 공개특허 10-2004-0086031호 "태양광원을 집광하여 에너지로 이용하는 광원설비기계"에는 집광장치와 함께 광원모집기, 광원 임시저장실, 광원터미널 스위치 등의 기재가 있으나, 이들은 모두 빛의 물리적 성질을 고려하지 않은 상상의 구성품들로서 실현이 불가능하다.

국내 등록실용신안 20-0170477호 "광파이프에 의한 태양광 집광 전송장치"에는 광분배기에 대한 기재가 있으나, 이는 내면에 반사코팅이 된 파이프를 단순히 분지한 것에 지나지 않는데, 빛이 분배될 수 있을지 의문이다.

그리고 국내 공개특허 10-2006-0111099호, "광섬유를 이용한 조명장치"에는 플라스틱 광섬유의 끝단으로 유출되는 빛을 이용한 조명장치가 기재되어 있는데, 이는 광섬유로 적절한 조도의 빛이 전송될 경우 실현 가능하다.

따라서 현재까지 고안된 장치 중 광섬유를 이용한 조명장치는 실용가능한 것이 있으나, 태양광을 집광하여 조명이 필요한 각 방으로 분배하는 태양광 분배기는 실현가능한 것이 없는 실정이다.

최근에 광섬유가 개발되어 여러 가지 용도로 사용되고 있는데, 특히 최근에 저렴한 플라스틱 광섬유가 개발되어 여러 용도로 사용되고 있다. 광섬유는 섬유의 일단에 입사한 빛이 섬유 내에서 전반사를 일으키면서 거의 소실되지 않고 타단으로 유출된다.

플라스틱 광섬유는 고순도 아크릴 레진(PMMA, Polymethyl methacrylate)으로 된 코어(Core)와 코어의 표면에 얇게 코팅된 불소 폴리머(F-PMMA, Fluorine Polymethyl methacrylate)의 클래드(Clad)층으로 구성되어 있다. 클래드의 굴절율(refractive index)이 코어의 굴절율보다 낮으므로 광섬유의 한쪽 끝단으로부터 들어온 빛은 코어와 클래드의 경계면에서 전반사(Total-Reflection)를 일으켜 한쪽 끝단으로 입사한 빛이 다른 끝단으로 그대로 나가게 된다.

상기 아크릴 레진으로 제작된 플라스틱 광섬유의 가시광선 대역에서의 빛 전달 손실은 길이 30m에서 대략 60%가 되는 것으로 알려져 있다.

태양광을 조명용 광원으로 사용하기 위해서는 적절한 집광장치와, 집광된 빛을 필요한 곳으로 전송하는 전송수단과, 전송 중의 빛을 여러 개의 경로로 나누는 광분배기와 전송된 빛으로 실내를 밝히는 광조명등이 필요하다.

특히 광분배기는 전송수단을 따라 빛이 전송되는 과정에서 발생한 손실을 보충해 줄 수 있어야 하고, 하나의 광분배기에서 각 전송장치로 분배되는 빛의 밝기가 균등해야하고, 그리고 일기와 시간대에 따라 변하는 태양광의 밝기의 변동에도 불구하고 실내로 항상 일정한 밝기의 빛을 공급해 줄 수 있어야 한다.

본 발명은 상기와 같은 기술적 과제를 해결한 것으로서, 경축과 초점이 서로 일치하도록 배열된 집속반사경과 평행반사경으로 구성하여 넓은 영역의 태양광을 평행광선으로 집속하는 집광장치와, 집광장치에서 집광된 태양광을 전송하는 광케이블과, 광케이블의 중간 중간에 설치되어 조명이 필요한 여러 곳으로 빛을 분배할 수 있는 광분배기와, 그리고 조명이 필요한 각 방에 설치되어 빛을 발하는 광조명등으로 구성된다.

광분배기는 내면에 반사코팅이 되어 있고, 서로 평행한 면이 없는 비정형 다각형 챔버이다. 그리고 광분배기에는 보충광원이 구비되어, 전송중에 생긴 빛의 손실을 보상하고 또한 기상조건과 시간대에 따라 유입되는 태양광의 세기가 변하더라도 항상 일정한 밝기로 모든 분지부로 빛을 분배할 수 있게 하였다.

본 발명은 태양광을 효과적으로 집광하여 이를 평행광선으로 변환하여, 조명이 필요한 곳으로 전송할 수 있게 한다.

본 발명의 태양광 조명 시스템은 대형 건물에서 태양광이 비치는 동안에는 별도의 에너지를 사용하지 않고 태양광을 조명용 광원으로 이용할 수 있게 함으로써, 조명에 필요한 에너지를 절약하고, 궁극적으로는 발전에 필요한 화석연료의 사용을 줄여 탄소 배출량을 줄일 수 있게 한다.

본 발명의 태양광 분배기는 외부의 기상조건이 변하여 집광되는 광량이 변하거나 전송중에 빛의 손실이 생기더라도, 조명이 필요한 모든 방으로 항상 일정한 세기의 빛을 안정적으로 공급할 수 있다.

본 발명의 태양광 조명 시스템은 도 1에 도시한 바와 같이, 태양광을 집광하 는 집광장치(1), 집광된 빛을 필요한 곳으로 전송하는 광케이블(2), 광케이블의 중간 중간에 설치되어 태양광을 필요한 곳으로 분배하는 광분배기(3), 그리고 조명이 필요한 곳에 설치되어 광케이블(2)로 전송되어 오는 빛을 실내로 발산하는 광조명등(4)으로 구성된다.

집광장치(1)의 상세 구성은 도 2에 도시한 바와 같은데, 넓은 영역으로 입사하는 태양광을 집속하는 기능을 하는 집속반사경(11)과 집속된 태양광을 평행광선으로 변환하는 평행반사경(12), 그리고 집속된 태양광이 통과하는 광도(14)를 포함하여 구성된다.

집속반사경(11)은 큰 오목거울인데, 경축이 지나는 중심부에 광도(14)가 결합되는 구멍이 형성되어 있다. 집속반사경(11)의 크기는 조명에 필요한 조도의 빛을 집광하는데 충분한 크기로 한다.

평행반사경(12)은 작은 오목거울로서, 상기 집속반사경(11)과 경축이 서로 일치하도록 마주보면서 평행반사경(12)의 초점이 상기 집속반사경(11)의 초점과 일치되게 설치한다. 평행반사경(12)은 가장자리에 3-4개의 고정봉(13)을 이용하여 상기 집속반사경(11)의 가장자리 또는 내면에 고정한다. 평행반사경(12)의 크기는 가능한 한 작게 하여 태양광선이 집속반사경(11)에 입사되는 것을 방해하지 않도록 하되, 집속반사경(11)에서 집광된 빛을 모두 반사시킬 수 있는 크기로 한다.

광도(光道, 14)는 상기 집속반사경(11)의 중심부에 집속된 태양광이 통과할 수 있는 통로로서, 일정 길이의 파이프 형태로 제작된다. 광도는 열전달이 잘 일어나는 구리, 알루미늄 등으로 제작하는 것이 좋다. 광도(14)에는 적절한 냉각 수단 을 구비하여 태양열에 의하여 온도가 오르는 것을 방지하는 것이 좋다.

오목거울의 경우 경축과 평행하게 입사한 빛은 모두 초점을 향하여 반사되고, 초점을 통과하여 입사한 빛은 모두 경축과 평행하게 반사된다. 태양은 지구에서 아주 멀리 떨어져 있으므로 태양광은 직선광으로 볼 수 있다. 이와 같이 직선광인 태양광이 태양을 향하여 설치된 집속반사경(11)에 그 경축과 평행하게 입사하면 태양광은 모두 집속반사경(11)의 초점을 향하여 집광된다. 평행반사경(12)은 집속반사경(11)과 경축과 초점이 일치하므로, 집속반사경(11)에서 반사되어 초점을 지나는 빛은 집속반사경(11)과 마주보고 있는 평행반사경(12)에서 반사되어 모두 경축과 평행하게 집속반사경(11)의 중심부를 향하여 직선광으로 진행하게 된다.

상기와 같이 경축과 초점이 서로 일치하게 배치된 두 개의 오목거울인 집속반사경(11)과 평행반사경(12)에 의하여, 집속반사경(11)으로 입사한 태양광은 모두 직선광선으로 집속되어 집속반사경(11)의 경축이 있는 중심부에 결합된 광도(14) 속으로 진행하게 된다.

상기 집속반사경(11)과 평행반사경(12)은 자세제어수단(15)에 의하여 집속반사경(11)이 항상 태양을 향하도록 하여, 태양광이 경축과 평행하게 집속반사경(11)으로 입사하게 하여야 하는데, 이에 필요한 센서와 제어장치 그리고 구동장치는 태양광을 이용하는 기술분야에서 실용화 된 것이 다수 있다.

태양광발전장치(16)는 집속반사경(11)의 가장자리에 테두리를 형성하고, 이 테두리에 태양전지셀을 다수 부착하여 구성한다. 최근 태양광을 전기로 변환하여 전기를 생산하는 태양전지셀이 상용화되어 시판되고 있다. 태양전지셀에서 발전한 전기는 축전기에 축전하여 사용한다.

광케이블(2)은 상기 집광장치에서 평행광선으로 집광된 태양광을 필요한 곳으로 전송하는 역할을 하는데, 일정 직경의 광섬유 다수 가닥을 묶어 다발을 형성하고, 그 외부를 보호피막으로 감싸는 방법으로 제작한다. 광섬유로는 고순도 아크릴 레진으로 재질의 유연하고 저렴한 플라스틱 광섬유를 사용하는 것이 좋다.

광케이블(2) 한쪽 끝이 상기 광도(14)에 결합되는데, 집광장치(1)에 의하여 집광되어 광도(14) 속으로 직선 광선으로 진행하는 빛이 광섬유의 절단면으로 유입되어 광섬유를 따라 전송된다.

광분배기(3)는 도 3에 도시한 바와 같이, 챔버(31)의 내면에 반사층(32)이 코팅되어 구성되고, 챔버(31)의 벽에는 상기 광케이블(2)이 결합될 수 있는 분기공(33)이 다수 개가 형성되어 있다. 그리고 사용하지 않는 분기공(33)은 마개(34)로 막도록 구성된다.

챔버(31)는 서로 평행한 면이 없는 비정형 다변형 용기형태로 제작되는데, 이와 같이 챔버를 비정형 다변형으로 할 경우, 챔버의 일부분으로 유입된 빛이 챔버 내부의 각 면에 불규칙하게 연속적으로 반사되어 챔버 내부에 빛이 균등하게 확산된다. 이와 같이 챔버(31) 내에서 빛이 확산되면 챔버 내부의 모든 지점에서 조도가 균일해지고, 챔버(31)의 벽에 형성된 모든 분기공(33) 부위의 조도가 같아지게 된다.

광분배기(3)에는 보충광원(35)과 조도센서(36)그리고 컨트롤러(37)를 구비하어, 전송중에 생긴 빛의 손실을 보상하고 또한 기상조건과 시간대에 따라 유입되는 태양광의 세기가 변하더라도 항상 일정한 밝기로 모든 분지부로 빛을 분배할 수 있게 하는 것이 좋다. 현재 시판되고 있는 플라스틱 광섬유의 경우, 빛 전달 손실은 길이 30m에서 대략 60%가 되는 것으로 알려져 있다.

보충광원(35)은 1개 또는 2 이상의 다수개가 사용되어 빛을 발하는 모든 형태의 광원이 사용될 수 있으나, LED전등을 사용하는 것이 전기 소모가 적어서 좋다. 통상적인 LED전등은 발광소자인 LED 다수개를 다발로 묶어 전체적으로 하나의 광원이 되게 하는 방식으로 상용화되어 시판되고 있다. 보충광원(35)에 공급되는 전기는 외부에서 공급되는 상업용 전기 또는 상기 집광장치(1)에 구비된 태양광발전장치(16)에 의하여 방전되어 축전기에 축전된 전기를 사용할 수 있다.

조도센서(36)는 챔버(31) 내부의 밝기인 조도(照度)를 측정하는 장치로서, 상용화되어 시판되는 조도계를 사용하면 된다.

컨트롤러(37)는 조도센서(36)로 감지한 챔버(31) 내부의 조도가 기준값보다 낮을 경우 필요한 수만큼의 보충광원(35)에 전기를 공급하여 챔버의 조도를 높이고, 챔버(31) 내부의 조도가 기준값보다 높을 경우 필요한 수만큼의 보충광원(35)에 전기를 차단하여 챔버의 조도를 낮추는 제어를 한다.

광조명등(4)은 광케이블(2)로 전송되어 오는 빛을 실내로 발산하는 것인데, 광케이블(2) 끝단의 광섬유 다발 주위에 반사갓을 씌우는 형태로 구성된다. 플라스틱 광섬유의 경우 코어의 표면에 코팅된 클래드를 제거하면 코어에서 직접 빛이 외부로 누설되므로, 충분한 길이로 클래드가 제거된 광섬유 주위에 반사갓을 씌워 형광등과 같이 길이가 긴 광조명등을 만들 수도 있다.

본 발명인 광분배기 및 이를 이용한 태양광 조명 시스템은 건물의 조명설비분야에 이용될 수 있다.

도 1은 본 발명인 태양광 조명 시스템의 구성도이다.

도 2는 집광장치의 구성도이다.

도 3은 광분배기의 구성도이다.

※ 중요 구성품 번호

1 : 집광장치, 2 : 광케이블, 3 : 광분배기, 4 : 광조명등,

11 : 집속반사경, 12 : 평행반사경, 13 : 고정봉, 14 : 광도,

15 : 자세제어수단, 16 : 태양광발전장치,

31 : 챔버, 32 : 반사층, 33 : 분기공, 34 : 마개,

35 : 보충광원, 36 : 조도센서, 37 : 컨트롤러.

Claims (6)

1. 서로 평행한 면이 없는 비정형 다변형 용기인, 챔버(31);

   상기 챔버(31)의 내면에 코팅되어 빛을 반사하는, 반사층(32);

   그리고, 상기 챔버(31)의 벽에 다수 개가 형성되어, 챔버(31) 내부로 빛을 유입시키거나 챔버(31)로부터 빛을 유출시키는 광케이블이 결합되는 구멍인, 분기공(33);

   을 포함하여 구성되어, 챔버의 상기 분기공(33)으로 유입된 빛이 챔버(31) 내부의 각 면에 불규칙하게 연속적으로 반사되어 챔버 내부에 빛이 균등하게 확산되는 것을 특징으로 하는, 광분배기(3).
2. 제1항에 있어서, 상기 광분배기(3)는,

   전기에 의하여 빛을 발생하는 조명등인 보충광원(35)이 1개 또는 2개 이상 다수개가 추가로 구비되어, 광케이블로 유입되는 빛이 부족할 경우 챔버(31) 내부의 조도를 올려줄 수 있는 것을 특징으로 하는, 광분배기(3).
3. 제2항에 있어서, 상기 보충광원(35)은,

   다수 개의 발광체가 군집을 형성하여 하나의 광원이 되는 LED램프인 것을 특징으로 하는, 광분배기(3).
4. 제2항에 있어서, 상기 광분배기(3)는,

   챔버(31) 내부의 밝기를 측정하는, 조도센서(36);

   그리고, 상기 조도센서(36)로부터 수신한 챔버(31) 내부의 밝기에 따라 조도가 기준값보다 낮을 경우 필요한 수만큼의 보충광원(35)에 전기를 공급하여 챔버의 조도를 높이고, 챔버(31) 내부의 조도가 기준값보다 높을 경우 필요한 수만큼의 보충광원(35)에 전기를 차단하여 챔버(31)의 조도를 낮추는 제어를 하는 컨트롤러(37);

   를 추가로 구비하여, 챔버(31) 내부의 조도가 항상 일정 이상이 되는 것을 특징으로 하는, 광분배기(3).
5. 큰 오목거울로서 넓은 영역으로 입사하는 태양광을 집속하는 집속반사경(11), 상기 집속반사경(11)과 경축과 초점이 일치하도록 배치되는 작은 오목거울로서 집속된 태양광을 평행광선으로 변환하는 평행반사경(12), 상기 평행반사경(12)을 상기 집속반사경(11)에 고정하는 고정대(13), 그리고 상기 집속반사경(11)의 경축이 통과하는 중심부에 형성된 구멍에 결합되는 것으로서 집속반사경(11)에의하여 집광되고 평행반사경(12)에 의하여 직선광선이 되어 반사하는 태양광이 통과하는 통로인 광도(14)로 구성되는, 집광장치(1);

   상기 집광장치(1)의 광도(14)에 결합되어 집광된 빛을 필요한 곳으로 전송하는 것으로서, 다수 가닥으로 형성된 광섬유 다발의 외부를 보호피막으로 감싸는 방법으로 구성되는, 광케이블(2);

   상기 광케이블(2)의 중간에 설치되는 것으로서, 하나의 광케이블(2)로 유입되는 빛을 다수개의 광케이블(2)로 분배하는 기능을 하는, 상기 제1항 내지 제 4항 중 어느 한 항의, 광분배기(3);

   그리고, 조명이 필요한 장소에 설치되고, 상기 광케이블(2)의 말단이 연결되어, 광케이블(2)을 통하여 전송되어온 빛을 외부로 발산하는, 광조명등(4);

   을 포함하여 구성되어, 태양광을 집광하여 조명용 광원으로 사용하는 것을 특징로 하는, 태양광 조명 시스템.
6. 제5항에 있어서,

   상기 광케이블(2)의 광섬유로 유연한 플라스틱 광섬유를 사용한 것을 특징으로 하는, 태양광 조명 시스템.

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