KR20110115627A - 양면 프리즘 집광기 및 이를 사용하는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 양면 프리즘 집광기 및 이를 사용하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 평판 형이고 전면의 특정 위치에서 입사된 광을 양면 프리즘 집광기 내부에 굴절시켜 양면 프리즘 집광기 내부로 입사시키되 입사 또는 출사되는 광을 평행광으로 만드는 평행 광학부를 두어 평행광으로 만들고 다수의 직각 프리즘을 이용하여 최종적으로 측면으로 광을 집합 유도하여 집광효율을 극대화시켜 공간 활용성을 높이며, 견고성, 취급의 용이성, 두께의 감소 및 제작원가도 절감할 수 있는 양면 프리즘 집광기 및 이를 사용하는 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 본 발명에 따르면, 효율적인 전면 입사광의 측면 집합이 용이하고, 일정한 지지강도를 갖도록 전체적인 두께가 줄고 일정하며, 길이방향으로 강도가 보강되어 취급도 용이하고 제작이 간편하여 제조비용도 줄이는 효과를 얻을 수 있다.

Description

양면 프리즘 집광기 및 이를 사용하는 방법{Double Side Prism Solar collector and method for using that}

본 발명은 양면 프리즘 집광기 및 이를 사용하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 평판 형이고 전면의 특정 위치에서 입사된 광을 양면 프리즘 집광기 내부에 굴절시켜 양면 프리즘 집광기 내부로 입사시키되, 입사 또는 출사되는 광을 평행광으로 만드는 평행 광학부를 두어 평행광으로 만들고 다수의 직각 프리즘을 이용하여 최종적으로 측면으로 광을 집합 유도하여 집광효율을 극대화시켜 공간 활용성을 높이며, 견고성, 취급의 용이성, 두께의 감소 및 제작원가도 절감할 수 있는 양면 프리즘 집광기 및 이를 사용하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 광의 일 형태인 태양에너지를 이용하는 방법으로는 태양전지를 통해 전기를 생산하는 태양광 발전, 태양열 집열관 또는 집열판을 이용하여 태양열을 흡수하고 이를 온수 생산이나 난방에 활용하는 태양열 집열, 태양광 자연채광 모듈 또는 반사판을 이용하여 조명이나 식물생장 또는 광촉매에 활용하거나 자연 채광하는 태양광 자연채광 등이 있다.

주지하다시피, 광의 일 형태인 태양에너지를 최대로 활용하기 위해서는 태양광을 효율적으로 집광하여야 하며 이를 위해 다양한 태양광 집광장치가 사용되는데, 집광장치의 광 집적도는 태양광발전, 태양열 집열, 태양광 자연채광 등 이용방법이 무엇이든지 간에 태양 에너지의 효율과 직결된다.

태양광 집광장치는, 포인트 집중 디쉬 타입(point-focus dish type), 포인트 집중 프레넬 렌즈 타입(point-focus Fresnel lens type), 선형 집중 프레넬 렌즈 타입(linear-focus Fresnel lens type), 그리고 헬리오스테트 타입(heliostat type), 그레고리안 / 카세그레인 집광계, 홀로그래픽 프리즘시트를 이용한 집광 등으로 구분되며, 여타 무수히 다양한 방법이 공지되어 있나 궁극적으로는 집광렌즈와 집광거울을 병합한 광학계를 이용하게 된다.

전술한 종래 태양광 집광장치는 통상적으로 태양광 발전설비의 발전량/ 태양열 집열/태양광 자연채광 양의 증가를 위해서 태양광 집광장치 구조의 대형화가 불가피한데, 대형으로 제조함에 있어 비용이나 구조적인 면에서 많은 제약이 발생되므로 투자대비 경제성을 기대하기가 매우 곤란하다.

따라서 집광을 통하여 태양 에너지 효율을 높이는 한편, 무엇보다도 중요한 투자 대비 경제성을 확보하도록 좁은 면적으로 집광하는 기술적인 대안이 매우 필요하다고 할 수 있다.

한편, 집광된 태양광을 광케이블에 입사시켜 특정 위치로 보낸 후에 이를 활용하기 위해서는 산광이 필요한 경우가 있다. 예를 들면 지하실 등의 자연조명에 이용하기 위해서는 고도로 집속되어 전달된 태양광을 확산시켜야 하는데 이를 위해서는 넓은 면적에 광을 분할하여 조사되도록 해야 할 필요가 있다.

따라서 인공광 혹은 자연광 여부를 떠나서 집광과 산광을 효율적으로 수행하는 광가이드가 다수 공지되어 있으나 높은 효율로 전면에 입사하는 광을 측면으로, 혹은 측면에서 입사시킨 광을 전면에 골고루 확산시키는 데는 문제점이 있어 왔다.

본 출원인은 이러한 대안의 하나로 “측면 태양광 집광기(10-2010-0004153, 선출원1)”와 선출원 1의 단점을 개선하여 길이방향으로 기다란 형상의 경우, 길이방향으로의 구부러짐 강도가 약하여 취급적용성이 미흡하고, 만약 두께를 보강하지 않으면 얇은 부분에서의 반사부 형성 및 취급까지도 용이하지 않아 불량 발생은 물론 제작 원가가 상승, 취급비용이 증가하는 등의 문제를 개선한 “프리즘 광가이드(10-2-10-0033054, 선출원 2)”를 개시한 바 있다.

또한, 상단 프리즘 시트와 하단 프리즘 시트 사이에 집광렌즈를 배치하고 광을 측면으로 몰아서 집광 효율을 극대화 시킨 “프리즘 하이브리드 태양광 집광기(10-2010-0006250, 선출원 3)” 및 “프리즘 태양광 집광기(10-2010-0006756,선출원 4)”도 개시한 바 있다.

그러나 선출원 1은 전면으로 입사되는 평행한 태양광을 집광하는데 있어 다수의 렌즈 및 거울 집광 모듈이 배열 조합된 집광부와, 반사부가 다단으로 구비되고 집광부 하면 또는 상면에 하나의 측면부재를 두고 집광부가 1차 집광한 집속 태양광을 반사부를 통해 측면으로 반사하고 집광하여 태양광 집광장치의 집광 효율을 높일 수 있도록 하여, 측면에서 인공광원을 조사할 경우에도 균일하게 전면으로 광을 산광하게 할 수 있는 개선안이었으나, 측면 반사부가 다단으로 다수 형성됨으로 인하여 측면부재의 두께가 차이나고, 측면 반사부를 제작하는 소재에 따라서는 반사부를 일정하게 지지하는 강도를 확보하기 어려울 뿐만 아니라 지지하는 강도를 보강하기 위해 측면부재의 두께를 증가시켜야 하는 단점이 있어 선출원 2를 통해 문제를 개선한 바 있다.

또한, 선출원 3 및 선출원 4는 전면에 입사되는 태양광을 분할하여 집광부가 1차적으로 집광하고 집광된 광을 동시에 상.하단 프리즘을 이용하여 측면으로 몰아서 집광하므로 집광효율과 평판형으로 제작이 가능한 매우 효율적인 집광기이기는 하나 역시 길이 방향으로의 강도가 필요한 사용에 있어서는 그 벤딩 강도에 대해 문제점이 있고, 더욱 더 집광부의 높이를 줄일 필요가 있었다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술상의 제반 문제점을 감안하여 이를 해결하고자 창출된 것으로, 전면 입사광의 측면 집합이 용이하고 일정한 지지강도를 갖도록 전체적인 두께가 일정하며 길이방향으로 강도도 보강되어 취급이 용이하고 두께도 더욱 혁신적으로 줄일 수 있고 제작 또한 더욱 간편하여 제작원가를 더욱 줄일 수 있어 투자대비 경제성을 대폭 증대시킬 수 있는 양면 프리즘 집광기 및 이를 사용하는 방법을 제공하는데 그 주된 목적이 있다.

상기 목적은 2개의 직각프리즘이 ‘V'형상을 갖도록 결합되어 한 쌍을 이루고, 다수 쌍이 일직선상에 배열되어 형성된 상단 프리즘과; 상기 상단 프리즘의 하측에 간격을 두고 상기 상단 프리즘을 구성하는 직각프리즘의 두 배 크기 또는 2 개로 밀착되어 형성되거나 일체로 형성된 직각 프리즘이 역삼각형 형태로 대응되도록 배열된 하단 프리즘과; 상기 상단 프리즘과 하단 프리즘사이에 형성되며 상기 상단 프리즘의 빗면에서 굴절되어 입사된 광을 입사받아 평행광으로 출사하고, 동시에 상기 상단 프리즘과 하단 프리즘에서 상하로 전반사된 평행광을 입사 받아 평행광으로 출사시키는 선형 단위 평행 광학모듈(20)의 다수 배열로 형성된 평행 광학부(2);로 구성되어 전면으로부터 입사된 광이 상단 프리즘 및 하단프리즘의 전반사에 의해 측면으로 유도되는 것을 특징으로 하는 양면 프리즘 집광기의해 달성된다.

그리고 상기 선형 단위 평행 광학모듈(20)은 선형 그린렌즈(Gradient Indexed Lens), 그린렌즈(Gradient Indexed Lens)의 선형배열 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하며, 상기 상단 프리즘과 하단 프리즘은 V'자형이 연달아 이어져 있는 시트 형태를 갖되, 각 'V'자형 단면 형상의 빗면은 상하 서로 평행하게 유지되는 것을 특징한다.

한편, 상기 상단 프리즘 또는 하단 프리즘은 투명한 아크릴, 폴리카보네이트, 내열성이 좋은 폴리이미드, 유리, 파이렉스, 석영유리, 실리콘 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 효율적인 전면 입사광의 측면 집합이 용이하고, 일정한 지지강도를 갖도록 전체적인 두께가 줄고 일정하며, 길이방향으로 강도가 보강되어 취급도 용이하고 제작이 간편하여 제조비용도 줄이는 효과를 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 양면 프리즘 집광기의 기본 개념을 설명하기 위한 예시도
도 2는 본 발명에 따른 양면 프리즘 집광기의 집광 개념을 설명하기 위한 단면도
도 3은 통상적인 그린렌즈(Gradient Indexed Lens) 원리를 설명하는 단면도

이하 본 발명에 따른 양면 프리즘 집광기에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 양면 프리즘 집광기(1)는, 2개의 직각프리즘이 ‘V'형상을 갖도록 결합되어 한 쌍을 이루고, 다수 쌍이 일직선상에 밀접하여 배열되는 상단 프리즘(32a)과; 상기 상단 프리즘의 하측에 간격을 두고 상기 상단 프리즘을 구성하는 직각프리즘의 두 배 크기 또는 2 개로 밀착되어 형성되거나 일체로 형성된 직각 프리즘이 역삼각형 형태로 대응되도록 배열된 하단 프리즘(32b)과; 상단 프리즘(32a)과 상기 하단 프리즘(32b) 사이에 위치하여 입사된 광을 평행광으로 만드는 평행 광학부(2);로 구성된다.

보다 상세하게는, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 양면 프리즘 집광기(1)는 상단 프리즘(32a)이 연달아 밀집되게 배열되어 다수 형성되고, 그 하단에는 하단 프리즘(32b)이 형성되는데, 하단 프리즘(32b)의 빗면이 상단 프리즘(32a)의 빗면에 각각 평행하도록 대응되게 형성된다.

이때, 평행 광학부(2)는 상단 프리즘(32a)과 하단 프리즘(32b)와의 사이에 위치된다. 상기 양면 프리즘 집광기(1)의 형상은 상단 프리즘(32a) 및 하단프리즘(32b)이 연달아 밀접하게 배열되어 그 단면이 마치 ‘V'자형이 연달아 이어져 있는 시트 형태이고, 각 'V'자형 단면 형상의 빗면이 서로 평행하게 유지되는 형태를 갖는다.

이러한 구성과 구조에서는 인접하여 좌우 대응되는 프리즘은 내부의 수직. 수평 평행광을 전반사시켜 점진적으로 측면에 이동시키는 작용을 하고, 상하로 대응되는 프리즘은 입사된 광을 상하로 주고받으면서 프리즘에 의한 광의 진행 방해를 제거하는 작용을 하고 이들 다수가 배열로 형성되어 측면으로 광을 최종 가이드하게 되며, 도 2에 도시한 바와 같이 전면에서 평행하게 입사되는 광(11b)은 상단 프리즘(32a)의 빗면에서 대부분 굴절되어 양면 프리즘 집광기(1)의 내부하단으로 직진하다가 선형 단위 평행 광학모듈(20)의 배열로 이루어진 평행 광학부(2)에 의해 상단 프리즘(32a) 및 하단프리즘(32b)의 빗면에서 직각으로 전반사 하도록 내부에서 평행광으로 시준되며, 일단 평행광으로 만들어진 광은 상단 프리즘(32a) 및 하단프리즘(32b) 사이에서 전반사하며 측면으로 이동하여 집광(11c)된다.

이때, 입사각 I는 상단 프리즘(32a)의 빗변 각도가 45도이므로 45도 각도이고 프리즘 굴절율/공기굴절율 = sin I/sin R의 굴절율 관계식에 의해 굴절각 R은 약 27.92288 도가 되며, 평행 광학부(2)에 는 약 62.0771각도로 좌우 프리즘의 빗면 상단으로부터 입사되고 평행광으로 하단프리즘(32b)에 출사된다.

아울러, 길이방향으로 길게 형성된‘V'자 단면 형상의 양면 프리즘 집광기(1)는, 길이방향으로는 구부러짐에 매우 견고하여 기다란 양면 프리즘 집광기(1), 예를 들면 수평 블라인드 슬랫의 대용으로 사용할 수 있는데 수평 블라인드 슬랫은 통상 슬랫의 길이가 2 ~ 3 미터이고 양 측단에 거치되는 구조여서 'V'자와 같은 요철형상이 아닌 평탄한 구조일 경우 구부러질 수 있으나 본 발명의 양면 프리즘 집광기(1)는 구부러짐에 매우 강한 구조를 가지므로 대용하기에 적당하다.

또한, 상단 프리즘(32a)과 하단 프리즘(32b)을 별도의 시트에 각각 형성하여 별개로 제조한 후 상호 결합하여 일체화시키거나 혹은 처음 제조시부터 상단 프리즘(32a)과 하단 프리즘(32b)을 하나의 몸체로 형성하되 평행 광학부(2)를 슬롯처럼 끼워지도록 양단 사이에 중공을 형성할 수 있으며, 입사되는 광에 대하여 양면 프리즘 집광기(1)에 사용되는 물질의 굴절률이 일정하다는 것을 전제로 하며, 양면 프리즘 집광기(1) 전면에 도달하는 광은 평행광 형태로 입사됨을 전제로 하며 상단 프리즘(32a) 빗면의 계면에서 일부 반사로 소실되나 대부분 굴절되어 양면 프리즘 집광기(1) 내부로 입사된다.

한편 본 발명에 따른 양면 프리즘 집광기(1)는 투명한 소재로 제작하되, 상단 프리즘(32a) 및 하단 프리즘(32b)은 소정각도로 공기에 접한 면에서 비스듬히 표면(빗면)이 형성되고 빗면 외측 층에는 광 굴절율이 낮은 물질층이 더 형성되어 공기가 아니더라도 밀한 매질에서 소한매질로의 전반사 원리가 적용되도록 형성될 수 있으며, 본실시 예에서는 45° 각도로 형성되고 상단 프리즘(32a) 및 하단 프리즘(32b)의 빗면이 접한 소한 매질이 공기인 것을 예시하고 있고 전반사 임계각이 통상적인 유리의 경우 약 42도 인 것과 플라스틱 소재의 경우 유리의 굴절율 1.5보다 큰 굴절율을 가진다는 것도 당업자라면 쉽게 이해할 수 있어 광의 전반사를 형성하는 구조에 대한 추가적인 자세한 설명은 생략하기로 한다.

또한, 양면 프리즘 집광기(1)의 재질로는 투명도가 좋은 아크릴, 폴리카보네이트, 내열성이 좋은 폴리이미드 등의 플라스틱과 다양한 조성의 투명한 유리, 고릴라 유리, 파이렉스, 석영유리, 실리콘과 같이 광학적으로 투명한 소재가 바람직하며, 본 발명에 따른 양면 프리즘 집광기(1)의 광 용도에 따라 소재를 선택적하는 것이 바람직하다. 본실시 예의 프리즘은 자외선 차단 플라스틱 렌즈용 모노머를 사용한 UV-400 아크릴계 시트이고, 통상적으로 자외선에 의해 플라스틱은 황변현상이 발생하므로, 태양 UV에 의해 발생하는 황변문제를 해결하기 위해 UV액을 코팅 또는 자외선 차단 모노머를 사용하여 내후성을 담보할 수 있으며, 이러한 태양광 UV에 의한 내후성 증진에 관한 사항은 당업자가 용이하게 실시 가능한 것이므로 이에 대한 설명을 생략하기로 한다.

통상적으로 광학유리나 플라스틱 광케이블에 사용되는 아크릴계의 플라스틱은 전반사에 의한 미터 당 광 감쇄율이 2~ 5% 미만이므로 거의 모든 광이 측면으로 전달되어 집광되므로 일단 내부로 굴절되어 평행 광학부(2)에 의해 평행광으로 바뀌면 프리즘의 전반사 원리가 적용되며 측면으로 집합(11c)되어 집광효율이 극대화되게 된다.

또한, 양면 프리즘 집광기(1)가 투명한 소재라고 하더라도 소재 특성에 따라 전술한 전반사의 원리를 적용하기 곤란한 경우에는 하단 프리즘(32b)의 외측에는 소정의 반사물질이 코팅될 수도 있다. 여기서, 소정의 반사물질은, 90% 이상의 반사율을 가지는 금속물질을 의미하는 것으로서, 알루미늄, 은, 금, 니켈, 스테인레스 박판 등이 사용될 수 있다.

또한, 본 발명의 일실시예의 양면 프리즘 집광기(1)는 통상적인 리소그라피 공정을 이용하여 제작할 수 있다.

한편, 상기 평행 광학부(2)는 선형 단위 평행 광학모듈(20)이 1차원으로 복수 개 밀집하여 배열로 형성되며, 또한 먼저 선형 단위 평행 광학모듈(20)은 전면에 입사되는 굴절광(11a)을 평행광으로 변환하고, 동시에 상단 프리즘(32a) 및 하단 프리즘(32b)사이에서 주고받는 평행광을 입력 받아 평행광으로 출사하여야 하므로 그린렌즈(Gradient Indexed Lens) 이어야만 하며, 그 폭은 최대로 상단 프리즘을 구성하는 하나의 직각프리즘 하면의 넓이를 벗어나지 않는 것이 바람직하고 폭이 좁으면 좁을수록 바람직하다. 그리고 도 3에 도시한 바와 같이 선형 그린렌즈(Linear Gradient Indexed Lens)는 집광형(Focusing)과 발산형(Diverging)을 모두 사용할 수 있으나, 본실시 예에서는 발산 형을 사용하며, 선형 그린렌즈(Linear Gradient Indexed Lens) 대신에 작은 그린렌즈(Gradient Indexed Lens)의 선형 배열도 가능하다.

그러나 케플러/ 갈릴레이/뉴튼 광학계나 카세그레인/그레고리안 광학계는 굴절되어 입사하는 광도 평행하게 하고, 또 평행하게 입사하는 광을 평행광으로 동시에 출사하기는 원리상 사용하기 어렵다. 하지만 그린렌즈(Gradient Indexed Lens)에서는 굴절광의 경우 점진적으로 다른 굴절율 층에서 광이 점점 더 굴절되어 끝단에서는 평행광이 출사되는 것이며 평행광은 같은 굴절율을 가지는 층에서 직진하게 되므로 평행광으로 입사되는 광은 평행광으로 출사할 수 있으며, 이는 당업자가 쉽게 이해할 수 있는 것이고 그린렌즈의 제작방법도 이온교환 등, UV경화 등 다수가 공지되어 있으므로 이에 대한 자세한 설명도 생략하기로 한다.

그리고 첨부된 도면은 본 발명의 내용을 보다 쉽게 개시하기 위하여 설명되는 것일 뿐, 본 발명의 범위가 첨부된 도면의 범위로 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.

1: 양면 프리즘 집광기
2: 평행 광학부
20: 선형 단위 평행 광학모듈 32a: 상단 프리즘 32b :하단 프리즘

Claims (4)

1. 2개의 직각프리즘이 ‘V'형상을 갖도록 결합되어 한 쌍을 이루고, 다수 쌍이 일직선상에 배열되어 형성된 상단 프리즘과;
   상기 상단 프리즘의 하측에 간격을 두고 상기 상단 프리즘을 구성하는 직각프리즘의 두 배 크기 또는 2 개로 밀착되어 형성되거나 일체로 형성된 직각 프리즘이 역삼각형 형태로 대응되도록 배열된 하단 프리즘과;
   상기 상단 프리즘과 하단 프리즘사이에 형성되며 상기 상단 프리즘의 빗면에서 굴절되어 입사된 광을 입사받아 평행광으로 출사하고, 동시에 상기 상단 프리즘과 하단 프리즘에서 상하방향으로 전반사된 평행광을 입사 받아 평행광으로 출사시키는 선형 단위 평행 광학모듈(20)의 다수 배열로 형성된 평행 광학부(2);로 구성되어 전면으로부터 입사된 광이 상단 프리즘 및 하단프리즘의 전반사에 의해 측면으로 유도되는 것을 특징으로 하는 양면 프리즘 집광기.
2. 청구항 1에 있어서;
   상기 선형 단위 평행 광학모듈(20)은 선형 그린렌즈(Gradient Indexed Lens), 그린렌즈(Gradient Indexed Lens)의 선형배열 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 양면 프리즘 집광기.
3. 청구항 1에 있어서;
   상기 상단 프리즘과 하단 프리즘은 V'자형이 연달아 이어져 있는 시트 형태를 갖되, 각 'V'자형 단면 형상의 빗면은 상하 서로 평행하게 유지되는 것을 특징으로 하는 양면 프리즘 집광기.
4. 청구항 1에 있어서;
   상기 상단 프리즘 또는 하단 프리즘은 투명한 아크릴, 폴리카보네이트, 내열성이 좋은 폴리이미드, 유리, 파이렉스, 석영유리, 실리콘 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 프리즘 광 가이드.
   

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