KR20120037081A

KR20120037081A - 평판형 광 집속장치

Info

Publication number: KR20120037081A
Application number: KR1020100098622A
Authority: KR
Inventors: 이서영; 이형종
Original assignee: 이서영
Priority date: 2010-10-11
Filing date: 2010-10-11
Publication date: 2012-04-19

Abstract

본 발명은 평판형 광 집속장치에 관한 것으로, 외부로부터 입사되는 광을 집속시키기 위한 적어도 하나의 집광부재를 구비하는 집광판과, 상기 집광판의 상부 또는 하부에 일정간격 이격되게 배치되고, 상기 집광부재에 의해 초점이 모인 광의 전파방향을 일정각도로 변환하기 위한 적어도 하나의 광학부재를 상기 집광부재와 대응되는 위치에 구비하며, 내부반사에 의해 상기 광학부재로부터 변환된 광을 적어도 어느 한 측면으로 집속시키는 도광판을 포함함으로써, 적은 면적의 태양전지를 사용하여 전력생산을 효과적으로 높일 수 있는 효과가 있다.

Description

평판형 광 집속장치{PLANAR LIGHT CONCENTRATOR}

본 발명은 평판형 광 집속장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 건물 창호 등에 사용되는 유리창과 같은 평판에 입사하는 태양광을 평판을 따라 수평하게 평판의 가장자리(즉, 창틀)로 집속시킴으로써, 평판의 가장자리에 구비되는 적은 면적의 태양전지를 사용하여 전력생산을 효과적으로 높일 수 있도록 한 평판형 광 집속장치에 관한 것이다.

일반적으로, 광 집속장치는 태양에너지의 중요성에 비추어 지금까지 많은 연구개발들이 있었으며, 태양광을 집속하여 조사해줌으로서 냉난방 또는 태양열을 에너지원으로 하는 열기관의 효율을 높이는 데에 사용되거나 태양전지의 전력생산 효율을 높이는 연구개발들이 있었다.

이와 같이 태양광을 이용한 광 집속장치의 종류를 크게 나누어보면, 태양의 고도각이나 방위각의 추적이 필요한 태양추적식과 지상에 고정되어 별도의 추적기구를 사용하지 않는 지상고정식으로 나누어 볼 수 있다.

상기 지상고정식은 고도각이나 방위각의 변화에 대해서 태양광을 가능한 한 넓은 각도범위에서 수용할 수 있도록 원추곡선 또는 복합원추곡선의 반사면 또는 굴절면을 이용하는 장치들(예컨대, 미국특허등록 제4,045,246호, 제4,146,407호, 제3,988,166호 및 한국특허등록 제0365771호 등)이 주류를 이루며, 태양추적이 필요 없는 운용상의 편의성 때문에 지금까지 많은 연구들이 있었다. 하지만, 상기 지상고정식의 집속효율은 상기 태양추적식에 비하여 일반적으로 낮고 태양전지 발전용으로 사용하기가 어려워 주로 태양열 집속용으로 사용되었다.

지금까지 태양추적식 태양광 집속은 주로 프렌넬-렌즈 또는 반사경을 쓰는 방식이 대부분이다. 이들의 경우, 렌즈의 초점거리가 수 미터 이상으로 길고 집광계의 구조물이 크며, 상기 태양추적식의 특성상 그 기계적 구조가 크며 강풍을 견디는 구조물 비용이 고가이다. 최근에 새로이 TIR-R(Total Internal Reflection- Refraction) 방식(예컨대, 스페인 Isofoton사, 집광효율 1000배, www.isofoton.com 참조) 연구 개발되고 있지만, 이 역시 그 집광각(개구수, NA)이 커서 태양전지의 표면에서 광흡수율이 작다는 단점이 있다.

한편, 지금까지 제안된 평판형 광 집속장치는 홀로그램층을 포함하는 방식(예컨대, 미국특허등록 제5,268,985호, 제5,877,874호 및 제4,863,224호 등), 복합프리즘계를 사용하는 방식(예컨대, 미국특허등록 제6,021,007호 등), 발광체를 포함하는 도광판과 파장필터를 포함한 태양전지를 사용하는 방식(예컨대, 미국특허등록 제4,155,371호 등), 고굴절 발광체층과 저굴절 투명층을 적층한 방식(예컨대, 미국특허등록 제4,488,047호 등), 형광체를 포함하는 도광판(예컨대, 미국특허등록 제4,367,367호 등), 프렌넬 렌즈 방식(미국특허등록 제5,870,233호, 한국실용신안등록 제0419531호 및 한국특허등록 제0466257호 등) 등이 있다.

그러나, 이들 방식은 태양광이 평판형 광 집속장치에 입사되어 평판을 따라서 태양광이 모아지는 태양광의 집합과정에서 그 역과정 즉, 평판 밖으로 광이 다시 빠져나가는 과정을 일으키며 그 결과 집속효율이 크게 저하되는 문제점이 있다.

최근에는 유리판 표면 또는 유리판 사이에 제1 파장대(단파장)를 흡수하여 제2 파장대(장파장)를 방출하는 염료층을 둠으로서 염료가 태양광을 흡수하고 재방출할 때 전체 입체각으로 방출되는 빛 중에서 제1 유리판의 전반사각보다 큰 각으로 유리표면에 입사하는 광을 전반사시킴으로서 태양광을 집속하는 방법이 발표되었다(Michael J. Currie, High-Efficiency Organic Solar Concentrators for Photovoltaics, Science, vol 321, 226p, 2008 참조).

그러나, 이 방법은 첫째, 염료의 광흡수대 이상의 장파장을 활용하기 위해서는 또 다른 제2 유리판이 필요하며, 둘째, 제1 및 제2 유리판에서는 흡수한 광 중에 전반사각 이하로 입사되는 광은 다시 외부로 빠져나가며, 셋째, 염료의 재흡수로 인하여 유리판이 커질수록 그 효율이 감소하는 단점이 있고, 넷째, 폴리머재료의 일반적 문제점인 약 10년 이상을 사용할 경우에 염료의 안정성이 문제가 되며, 이를 개선하기 위한 자외선 차단코팅이 추가로 필요한 문제점이 있다.

상기와 같은 종래의 평판형 광 집속장치에서는 평판의 각 부분들에 입사된 광들이 평판 내에 있는 광학요소 층 또는 기구 예를 들면, 홀로그램(미국특허등록 제5,268,985호, 제5,877,874호 및 제4,863,224호 참조) 또는 마이크로프리즘과 같은 소자들에 의해(미국특허등록 제6,021,007호 참조) 평판을 따라서 광의 전파방향이 바뀌어 진행하게 되고 평판을 따라서 이러한 과정이 계속적으로 일어나면서 광이 모아지게 된다.

그러나, 집속광 경로 상에 존재하는 홀로그램이나 광학요소에 의하여 역과정이 일어나게 되며 다시 상당량의 광이 자유공간으로 되돌아가게 되어 광 집속효율이 저하되는 문제점이 있다.

또한, 평판형 광 집속장치를 사용하는 태양광 발전에서는 집속광을 쓰게 되므로 발열이 크며 따라서 온도가 상승하여 광전효율이 저하되는 문제점이 있다. 이러한 문제를 개선하기 위해서는 발전에 활용되는 광파장 대역 이외의 광은 차단하여 선택적으로 태양광을 활용할 필요가 있다. 예를 들면, 실리콘 태양전지의 경우는 약 1㎛ 이하의 광파장은 발전에 사용되지 못하며 온도상승 효과만을 가져오므로 이를 차단할 필요가 있다.

또한, 광에너지의 광파장별 활용 측면에서도 효율성을 개선할 필요가 있다. 예를 들면, 0.4㎛ 파장의 광은 0.8㎛ 파장의 광보다 광자에너지가 두 배가 큼에도 광에너지로의 활용은 실리콘을 태양전지를 사용할 경우에 동일하다. 이러한 단점을 개선하려면 광스펙트럼을 대역별로 나누고 각 대역에 맞는 태양전지를 활용하는 것이 필요하게 된다(예를 들면, 반도체의 밴드갭은 태양전지의 최대전압에 해당하며 이들은 Si은 1.12eV, GaAs는 1.43eV, CdS 2.3eV 등).

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 건물 창호 등에 사용되는 유리창과 같은 평판에 입사하는 태양광을 평판을 따라 수평하게 평판의 가장자리(즉, 창틀)로 집속시킴으로써, 평판의 가장자리에 구비되는 적은 면적의 태양전지를 사용하여 전력생산을 효과적으로 높일 수 있도록 한 평판형 광 집속장치를 제공하는데 있다.

전술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 측면은, 외부로부터 입사되는 광을 집속시키기 위한 적어도 하나의 집광부재를 구비하는 집광판; 및 상기 집광판의 상부 또는 하부에 배치되고, 상기 집광부재에 의해 초점이 모인 광의 전파방향을 일정각도로 변환하기 위한 적어도 하나의 광학부재를 상기 집광부재와 대응되는 위치에 구비하며, 내부반사에 의해 상기 광학부재로부터 변환된 광을 적어도 어느 한 측면으로 집속시키는 도광판을 포함하는 평판형 광 집속장치를 제공하는 것이다.

여기서, 상기 집광판과 상기 도광판 사이 또는 상기 도광판의 적어도 어느 한 측면 중 적어도 어느 한 부분에 특정 대역의 파장 또는 편광을 반사하기 위한 도광반사막이 더 구비됨이 바람직하다.

바람직하게, 상기 도광반사막은 다층박막을 적층한 다층반사막으로 이루어질 수 있다.

바람직하게, 상기 집광부재는 구면렌즈, 구면반사경, 회절렌즈 또는 원통형 렌즈 중 적어도 어느 하나로 이루어질 수 있다.

바람직하게, 상기 집광부재가 복수개로 이루어질 경우, 각각의 집광부재는 일정간격 이격되어 일차원 또는 이차원으로 배열될 수 있다.

바람직하게, 상기 집광부재는 상기 집광판의 상면 또는 하면 중 적어도 어느 한 면에 일체로 형성될 수 있다.

바람직하게, 상기 도광판의 적어도 한 측면에 일정간격 이격되어 구비된 태양전지에 균일하게 광을 조사하기 위하여 상기 도광판의 적어도 한 측면은 오목렌즈, 볼록렌즈 또는 회절렌즈 형태 중 어느 한 형태로 가공되어 이루어질 수 있다.

바람직하게, 상기 도광판의 적어도 한 측면은 일정각도로 경사진 테이퍼 형태로 가공되어 이루어질 수 있다.

바람직하게, 상기 광학부재는 상기 도광판의 표면 또는 내부에 구비될 수 있다.

바람직하게, 상기 광학부재는 적어도 하나의 마이크로프리즘 또는 회절격자패턴으로 이루어질 수 있다.

바람직하게, 상기 마이크로프리즘 또는 회절격자패턴은 반사형, 투과형 또는 쐐기형 중 어느 하나의 형태로 상기 도광판의 표면에 구비될 수 있다.

바람직하게, 상기 마이크로프리즘의 꼭지각은 100도 내지 140도 범위로 이루어질 수 있다.

바람직하게, 상기 회절격자패턴은 직사각형, 삼각형, 사다리꼴, 반원 또는 반타원형 중 어느 한 형태로 이루어질 수 있다.

바람직하게, 상기 도광판이 상기 집광판의 상부에 배치될 경우, 상기 도광판을 통하지 않고 상기 집광판으로 직접 입사되는 광을 상기 도광판의 적어도 한 측면에 일정간격 이격되어 구비된 태양전지로 반사시키기 위하여, 상기 도광판과 상기 태양전지 사이에 위치한 집광판의 표면에 요철 형태의 반사패턴이 더 구비될 수 있다.

바람직하게, 상기 도광판이 상기 집광판의 하부에 배치될 경우, 상기 도광판을 통하지 않고 상기 도광판의 하부에 별도로 구비된 바닥판으로 직접 입사되는 광을 상기 도광판의 적어도 한 측면에 일정간격 이격되어 구비된 태양전지로 반사시키기 위하여, 상기 도광판과 상기 태양전지 사이에 위치한 바닥판의 표면에 요철 형태의 반사패턴이 더 구비될 수 있다.

바람직하게, 상기 도광판이 상기 집광판의 하부에 배치될 경우, 상기 도광판의 가장자리 하부에 구비된 태양전지로 상기 도광판의 내부반사에 의해 집속되는 광을 효율적으로 전달하기 위하여, 상기 도광판의 가장자리 상부면 또는 어느 한 측면 중 적어도 어느 한 면에 반사코팅될 수 있다.

바람직하게, 상기 태양전지로 집속되는 광의 도광효율을 개선하기 위하여, 상기 도광판 가장자리 상부면에 광산란막이 더 구비될 수 있다.

바람직하게, 상기 도광판의 내부반사에 의해 전달되는 광을 수직 입사광으로 바꾸어 상기 태양전지에 조사되도록 상기 도광판 가장자리 상부면에 반사프리즘이 더 구비될 수 있다.

바람직하게, 상기 집광부재를 통해 집광된 광의 초점이 상기 광학부재의 위치와 일치되도록 상기 집광판을 수평방향으로 이동시키기 위한 이동수단이 더 구비될 수 있다.

바람직하게, 외부로부터 입사되는 광이 수직이 아닐 경우, 상기 집광부재를 통해 집광된 광의 초점이 상기 광학부재의 위치와 일치시키기 위하여, 상기 집광부재의 축이 일정각도로 기울어지게 구비될 수 있다.

바람직하게, 상기 집광판 및 상기 도광판의 적어도 어느 한 측면을 기준축으로 하여 일측 방향으로 회동시키기 위한 회동수단이 더 구비될 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 평판형 광 집속장치에 따르면, 도광판과 집광판을 사용하여 건물 창호 등에 사용되는 유리창과 같은 평판에 입사하는 태양광을 평판을 따라 수평하게 평판의 가장자리(즉, 창틀)로 집속시킴으로써, 평판의 가장자리에 구비되는 적은 면적의 태양전지를 사용하여 전력생산을 효과적으로 높일 수 있으며, 태양광 발전에 이를 사용하면 발전효율의 향상을 기할 수 있는 이점이 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 태양광 발전에 불필요한 적외선 등을 제거하고 태양광 발전에 유효한 파장 대역만을 선택적으로 모을 수 있는 이점이 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 도광판에 대하여 다양하고 편리한 위치에서 태양전지를 부착 또는 위치시킬 수 있는 이점이 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 태양추적을 1개 축 방향의 회전 또는 병진 운동을 할 수도 있고, 도광판에 비 수직광에 대해서도 도광시켜 태양광을 집속할 수 있는 이점이 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 평판형 광 집속장치의 동작원리를 설명하기 위한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 평판형 광 집속장치에 적용된 광학부재의 다양한 예시를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 평판형 광 집속장치에 적용된 집광판과 도광판 사이에 다층반사막을 구비하는 구조를 나타낸 도면이다.
도 4는 도 3의 구조를 갖는 평판형 광 집속장치에서 입사광의 파장 또는 편광에 따른 도광반사막의 투과특성을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 평판형 광 집속장치를 설명하기 위한 사시도(a) 및 단면도(b)이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 평판형 광 집속장치의 다른 구조를 나타낸 단면도이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 평판형 광 집속장치를 설명하기 위한 사시도(a) 및 단면도(b)이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 평판형 광 집속장치의 다른 구조를 나타낸 단면도이다.
도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 평판형 광 집속장치로서 다양한 광전달기들을 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 제4 실시예에 따른 평판형 광 집속장치를 설명하기 위한 사시도(a) 및 단면도(b)이다.
도 11은 본 발명의 제4 실시예에 따른 평판형 광 집속장치의 다른 구조를 나타낸 단면도이다.
도 12는 본 발명의 제5 실시예에 따른 평판형 광 집속장치를 설명하기 위한 단면도이다.
도 13은 본 발명의 제6 실시예에 따른 평판형 광 집속장치를 설명하기 위한 단면도이다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나, 다음에 예시하는 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되어지는 것이다.

본 발명은 주된 구성요소들로서, 집광셀 형태의 집광부재들의 일차원 또는 이차원 배열로 구성되는 집광판과, 내부반사에 의하여 광을 유도해주는 도광판과, 상기 집광부재들에 의해 모아진 광속을 도광판 진행방향으로 바꾸어주는 광학부재(예컨대, 마이크로프리즘 또는 회절격자패턴 등), 상기 도광판을 따라 진행한 광을 태양전지로 전달해주는 광전달기 등으로 구성되어 있다.

먼저, 본 발명의 제1 구성요소로서 집광판에 대하여 설명하기로 한다.

상기 집광판의 상면 및/또는 하면에 집광셀 형태로 적어도 하나의 집광부재들이 일차원 또는 이차원 배열로 구비되어 있다. 여기서, 상기 집광셀이라 함은 자유공간에서 상기 집광판으로 들어오는 태양광속을 집광셀의 배열에 의하여 다수의 광속으로 분할하고, 각각의 분할된 광속을 집광셀 단위로 한 점 즉, 초점에 집속시키는 광학적 요소이다.

이러한 집광셀로는 예컨대, 구면렌즈, 구면반사경, 회절렌즈(예컨대, 홀로그램, 존-플레이트(ZONE-PLATE), 프렌넬 렌즈(FRESNEL-LENS) 등), 원통형 렌즈 또는 이들을 중복 사용하여 구성한 광집속 기구 등이 사용될 수 있다.

또한, 상기 집광셀의 초점은 다음에 기술하는 본 발명의 제2 구성요소인 도광판의 내부 또는 표면에 위치하며, 이 집광셀의 초점에는 역시 후술하는 본 발명의 제3 구성요소인 광학부재(예컨대, 마이크로프리즘 또는 회절격자패턴 등)를 배치한다.

다음으로, 본 발명의 제2 구성요소로서 도광판에 대해 설명하기로 한다.

상기 도광판은 판상의 도광매질과 이를 둘러싸는 외부매질(14, 도 1 참조)로 이루어지며, 상기 도광매질에서 외부매질(14)을 향해 입사하는 광이 그 계면에서 다시 내부로 반사되게 함으로서 광이 상기 도광판을 따라 공간적으로 이동할 수 있도록 유도하는 장치를 의미한다.

상기에서 광이 계면에서 다시 도광판 내부로 반사된다 함은 통상적으로 광이 임계각 이상으로 입사할 때 일어나는 전반사를 뜻하며, 또한 상기 도광판의 도광매질과 외부매질(14) 간의 계면에 부가적으로 다층박막을 형성함으로서 생기는 계면에서의 반사를 의미할 수도 있다.

후자의 경우에 계면은 특정 편광 또는 특정 대역의 파장만을 선택적으로 반사해주는 계면이 되기도 하며, 이 경우 도광판은 특정 편광 또는 특정 대역의 광은 도광하는 반면에 그 외의 광은 상기 도광판의 외부매질(14)로 투과하게 함으로서 도광하지 않는다.

상기에서 판상의 도광매질이라 함은 이상적으로는 평판형의 광학매질을 뜻하나, 상술한 도광판의 내부반사에 의한 광의 공간적 이동이 가능한 범위에서의 평판형 광학매질의 굴곡이나 두께변화가 있을 수도 있다.

또한, 상기의 판상매질들을 다수 적층함으로서 구성되는 적층매질 역시 도광판에 포함된다. 상기 판상매질을 구성하는 재료로는 광학용도의 유리, 수지 등의 고체, 액체 및 기체 등이 포함될 수 있다.

다음으로, 본 발명의 제3 구성요소로서 광학부재(예컨대, 마이크로프리즘 또는 회절격자패턴 등)에 대하여 설명하기로 한다.

상기 광학부재는 상기 집광셀에 의해 초점에 모인 광의 전파방향을 바꾸어줌으로서 상기 집광셀에 입사된 광속이 상기 도광판을 따라서 도광판 내부에서 반사에 의해 진행하도록 해준다.

이와 같은 목적을 이루기 위하여 상기 광학부재는 상기 도광판 표면 또는 내부에 구비하며, 그 위치가 상기 집광셀의 초점과 일치하게 한다. 그 이유는 상기 광학부재를 상기 도광판 표면 또는 내부에 구비함으로서 상기 집광셀에서 오는 광을 그 전파방향만을 선회시켜 상기 도광판으로 바로 입사시킬 수가 있기 때문이다.

마지막으로, 본 발명의 제4 구성요소로서 광전달기에 대하여 설명하기로 한다.

상기 광전달기는 상기 도광판에 의하여 유도된 광을 상기 도광판으로부터 태양전지로 전달해주는 기능을 수행한다. 이러한 광전달기는 상기 도광판의 광이 태양전지에 고루 잘 전달되어 흡수하도록 한다. 이러한 목적을 달성하기 위하여 유도 광을 태양전지로 전달하는 방식에서도 여러 가지 방법이 있을 수 있다.

예로서, 상기 태양전지는 상기 도광판의 광전달기에 대하여 상기 도광판의 측면 끝에 위치하거나 상기 도광판의 하부면에 위치할 수 있고, 또한 상기 도광판에 접촉되거나 이격되거나 하는 등의 다양한 방식으로 배치될 수 있다. 본 발명의 실시예들에서 다양한 방식들을 구체적으로 설명하기로 한다.

이하에는 본 발명의 실시예들에 따른 평판형 광 집속장치의 동작원리에 대하여 상세하게 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 평판형 광 집속장치의 동작원리를 설명하기 위한 개념도로서, 하나의 집광부재로 모아진 광속의 진행을 도시한 것이며, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 평판형 광 집속장치에 적용된 광학부재의 다양한 예시를 나타낸 도면으로서, 도 2의 (a)는 반사코팅된 마이크로프리즘, 도 2의 (b)는 반사코팅된 1/4 파장 깊이의 반사형 회절격자패턴, 도 2의 (c)는 고굴절 투과형 회절격자패턴을 나타낸 것이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 평판형 광 집속장치는, 적어도 하나의 집광셀 형태의 집광부재(11)의 배열로 구성되는 집광판(10)과, 그 하부에 광학부재(예컨대, 반사형, 투과형 또는 쐐기형의 마이크로프리즘 또는 회절격자패턴 등)(12)의 배열을 포함하는 도광판(13)으로 구성되어 있으며, 집광부재(11)에 의해 집속된 광들은 광학부재(12)에 의해 도광판(13)으로 선회하여 도광판(13)에서 전반사에 의하여 도광된다.

그리고, 집광부재(11)에 의해 초점을 형성한 광은 광학부재(12)에 의하여 전파방향이 바꾸어지고, 도광판(13)을 따라서 배열된 다수의 광학부재(12)에 의하여 광이 모아지면서 도광판(13) 내부에서 반사에 의해 진행한 다음에 태양전지로 모이진 광을 전달한다.

여기서, 광학부재(12)는 집광부재(11)로부터 오는 입사광의 전파벡터를 도광판(13)에서 입사각이 적정 각이 되도록(예로서, 유리 도광판의 경우는 유리의 임계각도인 약 41도 이상이 되도록) 선회시켜 주어야 하며 이러한 기능을 수행하도록 하기 위하여, 광학부재(12)는 예컨대, 반사형, 투과형 또는 쐐기형 중 어느 하나의 형태로 회절격자패턴, 프리즘(바람직하게, 마이크로프리즘) 또는 광산란입자 등이 사용될 수 있다.

또한, 광의 전파벡터가 90도 이하로 선회하면 투과형 선회자라고 하고, 90도 이상으로 선회하면 반사형 선회자라고 부르기로 한다. 상기 반사형 선회자는 선회자 광학요소의 계면에서 광이 반사할 수 있도록 금속코팅을 하며 필요에 따라서 유전체 코팅을 할 수도 있다.

한편, 입사광의 전파벡터를 임계각 이상으로 선회시켜 도광판(13)을 따라서 전파되도록 하는 일 즉, 입사광과 90도를 이루는 도광판(13) 방향으로 높은 효율로 선회시키는 광학소자를 구현하는 일은 쉽지 않다. 그 이유는 빛의 전파방향이 90도 가까이의 큰 각도로 바뀔 경우에는 광학부재(12)에 의해 1차로 선회된 광이 광학부재(12)의 단위셀 내부에서 다시 2차로 재선회되기 때문이다. 미설명부호 14는 도광판(13)을 감싸는 외부매질을 나타낸 것이다.

도 2의 (a)는 반사형 프리즘의 꼭지각을 평행 입사광에 대하여 2차 선회가 일어나지 않는 최대각 약 120도를 취한 것이며, 여기서 수직 입사광은 약 60도로 반사한다(이 광은 도광판 계면에 대해서는 60도 각도로 입사하며 유리의 굴절률이 n일 경우, sinθ_c=n 임에서 임계각 θ_c=41도 보다 크므로 도광판에서 전반사를 한다).

한편, 도 2의 (a)에서 반사형 프리즘의 각도가 약 120도 이상이면 2차 반사는 일어나지 않으나, 도광판(13) 방향의 광운동량 전달이 작아지게 되며, 따라서 도광판(13) 계면에서의 입사각이 작아지므로 도광에는 제약이 커지게 된다.

또한, 도 2의 (a)에서 반사형 프리즘의 각도가 약 120도 이하에서는 2차 반사가 일어나며, 2차 반사광의 도광판(13) 방향의 광운동량 전달 역시 작아짐을 알 수 있다. 즉, 도 2의 (a)로부터 반사형 프리즘의 각도가 약 90도 이면 모든 수직 입사광이 2차 반사함을 알 수가 있다.

또한, 도 2의 (a)에서 반사형 프리즘 각도가 약 120도일 경우에도 입사광의 각도가 광학부재(12)에 대해 수직에서 벗어나면 역시 2차 반사가 일어나고 도광판(13)으로 광의 전달각이 다시 커지는 것을 알 수 있다.

따라서, 본 발명의 경우에서와 같이 집속된 광의 회절에서는 반사형 프리즘의 꼭지각을 약 100도 내지 140도 범위에서 최적화하게 되며, 최적화 각도는 집광부재(11)의 NA(Numerical Aperture)에 의하여 결정될 수 있다.

그리고, 도 2의 (b)는 반사형 회절격자패턴의 경우로서, 상기와 같은 2차 회절 현상이 유사하게 일어난다. 그렇지만, 이 경우는 격자선의 크기가 미크론 정도로서 상기 반사형 프리즘의 경우와 같이 기하광학적인 개념적 직관에 의한 접근이 어렵고 따라서 맥스웰 방정식을 직접 풀어야 한다.

한편, 도 2의 (b)에서는 직사각형 형태의 회절격자패턴을 예시하였으나, 이에 국한하지 않으며, 상기 회절격자패턴의 형태는 예컨대, 삼각형, 사다리꼴, 반원 또는 타원형 등의 여러 가지 형태가 가능하며, 그 형태에 따라서 0차 회절과 ±1차 회절간의 비가 달라지므로, 도광판으로의 ±1차 회절효율을 최대화하기 위하여 격자모양의 최적화가 필요하다.

그 수식적 방법은 RCWA(Rigorously Coupled Wave Analysis)로 알려져 있으며, 예컨대, 격자모양, 회절각, 파장 및 편광 등에 따른 회절효율을 계산할 수가 있다. 도 2의 (b)는 반사형 회절격자패턴의 경우로서, 격자선의 깊이(h)가 λ/4가 되도록 하면 수직으로 반사하는 0차 회절광은 격자의 산과 골에서 왕복하는 반사광의 위상이 상대적으로 λ/2가 되므로 상쇄간섭을 하게 되어 0차 회절이 줄어들고 특정 각도로 반사하는 +1차와 -1차의 회절은 보강간섭을 하게되어 회절효율이 증가한다(이때, 격자의 골과 마루의 폭, w와 s가 같다고 가정함).

또한, 도 2(c)는 투과형 회절격자패턴의 경우로서, 고굴절률(n=2.0)의 질화실리콘막을 써서 0차 회절을 줄이고 +1차와 -1차의 회절을 높인 것이다. 그러나, 도 2의 (b)에 도시한 반사형 회절격자패턴에 비하여 투과형 회절격자패턴은 격자의 산과 골에서의 위상차를 λ/2로 만드는데 있어서 불리하다.

이는 반사형 회절격자패턴의 격자 깊이에 의한 왕복위상차가 2nd=λ/2(여기서, n과 d는 격자 골의 굴절률 및 깊이)의 조건을 만족하면 되는 반면에, 투과형 회절격자패턴은 Δnd=λ/2(여기서, Δn은 격자 산과 골의 굴절률 차, d는 격자깊이)의 조건을 만족해야하며 이를 위해서 d가 더 커야하기 때문이다.

여기에서는 회절격자패턴의 형태로서 직사각형의 회절격자만을 예시하였으나 격자의 모양이 삼각형, 반원 또는 타원 등의 다양한 형태가 될 수도 있다. 또한, 이와 같은 회절격자패턴은 광파장과 편광에 따라서 회절각이나 그 효율이 달라질 수 있다.

한편, 광학부재(12)의 크기는 집광부재(11)의 초점 크기와 같도록 또는 그 보다 약간만 크도록 정한다. 그 이유는 초점에 모인 광은 광학부재(12)에 의해 전부가 선회하여 도광판(13)을 따라 진행하는 반면에 그 반대과정(Reciprocity process) 즉, 도광판(13)을 진행하는 광이 광학부재(12)에 의하여 다시 집광부재(11)로 되돌아가는 과정을 크게 줄일 수가 있기 때문이다.

이는 도광판(13)을 진행하는 광은 이미 광학부재(12)를 지나서 발산하는 광으로서 반대과정으로의 광학부재(12)에 의한 광산란 단면적이 크게 감소하기 때문이다. 단, 상기의 작용이 유효하려면 집광부재(11)를 통해 광학부재(12)로 입사하는 광이 광학부재(12) 및 도광판(13)의 평면에 수직에 가까워서 집광부재(11)의 초점이 광학부재(12)의 위치와 일치하여야 한다.

또한, 광학부재(12)는 도광판(13)의 내부보다 표면(또는 계면)에 설치하는 것이 더 바람직하며, 그 이유는 도광판(13)의 표면에 설치함으로서 도광판(13) 내에서 전반사로 도파되는 광에 대하여 산란단면적을 더 줄일 수 있기 때문이다. 또한, 광학부재(12)는 도광판(13)의 표면에 반사형(즉, 도광판의 내부에서 외부로 향하는 광에 대하여 작용하도록)으로 제작함이 바람직하다.

또한, 광학부재(12)는 실시예에서 설명하는 반사형 프리즘의 경우(도 2의 (a) 참조)와 같이 도광판(13)을 구성하는 재료만으로 만들 수도 있고, 반사형 회절격자패턴의 경우(도 2의 (b) 참조)와 같이 도광판(13)의 표면에 회절격자패턴을 일체형(예를 들어, 압출 금형으로 찍어서)으로 만들 수도 있으며, 별도의 박판으로 회절격자패턴을 만들어 도광판(13)에 부착 또는 삽입하는 경우처럼 별도의 소자 또는 재료를 도광판(13)에 부가하여 제작될 수도 있다(도 2의 (c) 참조).

마지막으로, 상술한 본 발명의 네 가지 구성요소들 중에서 적어도 어느 하나의 구성요소에 적외선(IR; Infrared) 차단기구(도 3, 도 7 참조)가 추가될 수 있다. 일반적으로, 태양전지는 온도 증가에 따라서 전기변환 효율이 크게 저하되며(예컨대, 결정질 실리콘 태양전지의 경우는 약 20℃에서 약 23％, 약 100℃에서 약 16.5％, 약 200℃에서 약 8％로 저하됨), 전기변환 효율의 저하를 막기 위해서는 냉각효율이 좋은 태양전지를 사용하는 것은 매우 중요하다.

그러나, 본 발명은 태양광을 집속시켜 태양전지에 에너지 밀도가 높은 광을 조사하는 장치로서 전기로 변환되지 않은 광은 대부분이 열에너지로 바뀌어 태양전지의 온도상승 및 전기변환 효율의 저하를 가져오게 된다. 따라서, 온도의 상승을 막기 위하여 적외선 차단기구가 상술한 본 발명의 네 가지 구성요소들 중 적어도 어느 하나에 추가될 수 있다.

이러한 적외선 차단기구의 예로서는 IR 흡수 재료로 사용한다든지 IR 반사박막계를 사용한다든지 하는 방법 등이다.

예를 들면, 첫째, 아크릴레이트 계의 몇몇 수지는 1미크론 이상의 파장에 대하여는 흡수가 큰 반면에 기시광 및 근적외선 대역에서는 투광도가 매우 높은 재료로서 도광판(13)이나 집광판(10) 등의 재료로 사용함이 바람직하다.

둘째, 집광판(10)이나 태양전지 또는 광전달기의 표면에 적외선 차단용 다층막막 필터(미도시)를 코팅하거나 또는 이와 같은 역할을 하는 시트류(미도시)를 코팅하거나 붙이거나 또는 삽입하여 사용할 수도 있다.

셋째, 도광판(13)의 계면에 적외선 투과 코팅 또는 시트류를 붙여서 사용할 수도 있다.

넷째, 집광부재(11)가 반사경일 경우나 광학부재(12)가 반사형 프리즘일 경우에는 유전체나 금속의 다층박막 또는 가시광에 비해 적외선의 반사율이 작은 알미늄이나 백금계의 금속을 단일 또는 복층으로 코팅하여 사용함으로서 적외선을 차단하는 반사기구를 사용할 수도 있다. 이와 같은 반사계는 단파장을 반사시키는 거울로서 콜드미러(Cold-mirror)라고 한다.

다섯째, 광학부재(120)가 반사형 회절격자패턴일 경우에는 상기의 금속코팅과 더불어 격자주기(p, 도 2 참조)를 특정함으로서, 가시광 대역에서는 +1차 및 -1차 회절이 임계각 이상으로 일어나고, 적외선 대역에서는 0차 회절로 투과 또는 반사하도록 할 수도 있다. 이 경우는 회절격자패턴이 일종의 광파장 선택기구임을 이용한 것으로서, 격자주기가 특정한 적외선 파장보다 작은 경우에 특정파장 이상의 적외선은 0차 회절만 일어나게 된다.

이하에는 본 발명의 주요 측면들을 구체적으로 설명하기로 한다.

본 발명의 제1 측면은 상술한 본 발명의 구성요소들에 의해 자유공간에서 도광판(13)으로 광을 전달하되, 그 역과정 즉, 도광판(13)에서 자유공간으로 되돌아 나가는 과정은 방지하는 광학적 기구이다.

이와 같이 역과정으로 다시 빠져나가는 광을 최소화하기 위하여 집광부재(11)에 의해 초점에 광을 모으고 그 위치에만 예컨대, 작은 마이크로프리즘 또는 회절격자패턴 등의 광학부재(12)를 설치한다.

이때, 초점의 크기는 수 미크론부터 수백 미크론 범위이며, 그 크기는 집광부재(11)의 F-수에 의해 주어진 이론적인 초점 크기에 더하여 본 발명에 따른 평판형 광 집속장치의 기계적 열적 변형에 의해 생기는 광학부재(12)에 대한 초점 이동까지 고려한 크기로 정한다.

상기와 같은 광 집속의 결과로서 집광부재(11)로 입사되는 광의 대부분은 도광판(13)으로 전달된다. 그러나, 일단 도광판(13)으로 전파되는 광은 이미 광학부재(12)에 있는 초점을 지나서 발산되는 광이므로 역과정으로의 산란 단면적이 작아 그 과정이 제한된다. 도광판(13)에서 발산 진행하는 광에 대한 광학부재(12)의 역과정 산란 단면적은 발산각 범위에서 개별 광학부재들의 산란 단면적의 합이 된다.

이때, 광의 발산정도는 집광부재(11) 예컨대, 집광렌즈 또는 오목거울의 F-수(F-number)에 비례한다. 발산되는 입체각 내의 개별 산란 단면적은 상술한 바와 같이 충분히 작게 할 수 있으며 따라서 자유공간으로 역과정의 광손실과정을 크게 줄일 수 있다.

이와 같은 자유공간으로 역과정의 광손실에 대한 수치계산을 집광부재(11)로서 렌즈를 쓸 경우에 대해서 예시한다(도 1 참조). 상기 렌즈의 개구수(NA; Numerical Aperture)를 0.1로 할 경우 초점의 크기

는

에 의하여 5 마이크로미터가 된다.

그리고, 집광부재(11)의 직경(D, 도 1 참조)을 5mm로 하면 집광계 초점거리(F, 도 1 참조)는 50mm가 된다. 여기서, D와 f는 렌즈의 직경과 초점거리이며, λ는 가시광선 대역의 중심 광파장으로서 0.5 마이크로미터를 사용하였다. 광학부재(12)의 면적을 초점직경의 두 배인

마이크로미터로 하면, 집광부재(11)에 대한 광학부재(12)의 면적비는 4×10^-6에 불과하다.

초점의 광학부재(12)에 의하여 반사 또는 회절되어 도광판(13)을 진행하는 광의 도광판(13) 계면에 대한 입사각을 약 60도를 중심으로 한 NA=0.1의 발산광으로 가정하면(약 ±3도가 됨), 도광판(13)을 진행하는 광이 도광판(13) 계면에 설치된 광학부재(12)를 보는 산란 단면적은 cos60°에 비례한다.

여기서, 상기 입사각은 약 57도 내지 63도 범위이며 실제로는 이 범위의 공간각에 대한 적분을 하여야 하나, 이 각도 범위에서 산란 단면적의 변화는 크지 않으므로 약 60도로 간주한다.

한편, 광학부재(12)에 의한 단위셀 내에서 산란확률 σ는 단위셀 면적에 대한 광학부재(12)의 산란 단면적 비가 되며, 전체 산란 단면적은 도광판(13)의 길이방향으로 광학부재(12)의 개수를 곱한 것이 된다. 도광판(13)의 두께가 H=10mm이고, 길이가 L=1m이면 전체 산란확률 nσ는,

이므로

가 되어 역과정으로의 산란확률은 거의 무시할 수 있는 수치가 된다.

이때, 도광판(13)의 초점에서 반사되며 발산하는 광속은 원뿔모양으로 발산하며, 도광판(13) 계면의 반사는 거울면 s2의 허상 그리고 이 허상의 거울면 s1에 대한 2차 허상 등으로 취급하면 직진 발산하는 원뿔모양의 광속으로 취급할 수 있다. 그리고, 발산에 따르는 광속밀도의 변화에 의한 산란단면적의 변화는 광속밀도가 클 경우, 산란단면적도 따라서 증가하므로 발산광 대신에 평행광으로 취급하여 광속밀도가 균일한 빔으로 간주하여 계산하여도 확률적으로 등가 계산이 된다.

전술한 바와 같이 본 발명의 제1 측면은, 자유공간에서 도광판(13)으로는 광을 전달하되, 그 역과정 즉, 도광판(13)에서 자유공간으로 되돌아 나가는 과정은 방지하는 집광부재(11), 광학부재(12) 및 도광판(13)을 사용하는 광학적 기구들의 효율은 이론적으로는 약 0.01％ 정도의 손실에 불과한 매우 우수한 장치가 됨을 알 수가 있다.

본 발명의 제2 측면은, 도광판(13)의 계면에 도광반사막(15, 도 3 참조)을 설치함으로서 특정 스펙트럼 파장만을 도광하는 도광판(13)의 구조이다. 일반적으로, 도광판(13)은 임계각 이상으로 광을 입사시켜 모든 광파장에 대하여 도광을 한다. 그러나, 태양광 집속에 의한 태양전지는 전술한 바와 같이 온도에 민감하며, 태양스펙트럼에서 광전변환이 되지 않는 적외선 파장을 제거할 수 있다면 태양전지의 온도를 상승을 줄일 수 있다.

이러한 목적을 달성하기 위하여 도광판(13)의 계면에 다층박막을 형성하여 가시광선은 도광시키면서 적외선은 제거하는 도광 구조를 만들 수 있다. 이 경우 도광판(13)은 전반사에 의하여 구성되는 것이 아니라 다층박막에 의하여 구성되는 것이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 평판형 광 집속장치에 적용된 집광판과 도광판 사이에 다층반사막을 구비하는 구조를 나타낸 도면으로서, 가시광 대역의 도광 구조를 형성하는 예시를 나타낸 도면이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 평판형 광 집속장치는, 집광부재(11)의 배열로 구성되는 집광판(10)과, 그 하부에 예컨대, 마이크로프리즘 또는 회절격자패턴 등으로 이루어진 광학부재(12)의 배열을 포함하는 도광판(13), 그리고 집광판(10)과 도광판(13) 사이에 다층의 반사막으로 적층된 도광반사막(15)을 구비하며, 도광반사막(15)에 의하여 특정 대역의 파장 또는 편광만이 반사하며 도광된다.

이때, 외부매질의 굴절률이 도광매질의 굴절률보다 반드시 작을 필요가 (따라서, 전반사가 일어날 필요가) 없다. 도광판(13)의 계면(또는 표면) 즉, 집광판(10)과 도광판(13) 사이에 (0.7L 1.4H 0.7L) (0.71L 1.42H 0.71L) … (1.33L 2.66H 1.33L) (1.34L 2.68H 1.34L)과 같은 다층박막을 적층하였다.

도 4는 도 3의 구조를 갖는 평판형 광 집속장치에서 입사광의 파장 또는 편광에 따른 도광반사막의 투과특성을 나타내는 도면으로서, 다층의 반사막이 적층된 도광반사막의 반사스펙트럼을 계산한 그래프이다.

도 4를 참조하면, 도면부호 16은 도광반사막(15)에 입사광이 수직입사한 경우이며, 도면부호 17은 도광반사막(15)에 입사광이 55도로 입사한 경우이며, 도면부호 19는 도광반사막(15)에 입사광이 60도로 입사한 경우이고, p와 s는 각각 P파 및 S파의 편광을 나타낸다.

여기서, 기판의 굴절률은 1.6, 도광반사막의 H층은 1.6, L층은 1.5의 굴절률을 사용하였다. L 및 H 앞의 숫자는 특정 기준파장에 대한 1/4 광파장의 배수로서 두께를 나타낸다.

도 4의 중앙부에서 최상단의 곡선(16)은 집광부재(11)로부터 도광판(13)에 수직으로 입사하는 광의 투과도를 표시하며, 중앙의 하단 곡선(19) 및 최하단의 곡선(17)은 도광판(13)의 내부에서 계면으로 각각 60도 및 55도로 입사하는 s파(17s, 19s)와 p파(17p, 19p)의 투과도이다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 약 450nm 내지 900nm의 대역에서 s파와 p파는 잘 반사시키므로 도광을 하게 되며 그 외의 파장영역에서는 투과도가 급격히 저하됨을 나타내므로 도광판(13) 내부에서 외부로 광이 빠져나가면서 제거되게 된다.

물론, 도광되는 가시광은 도광판(13) 내에서 여러 번 반사를 하게 되므로 최종 도광효율은 도광판(13)에서 몇 회 반사를 하는가에 따라 그 회수만큼 투과도를 곱해주어야 한다. 도 4의 최상단의 집광부재(11)로부터 도광판(13)에 수직으로 입사하는 광의 투과도 곡선에서 상기의 반사회수를 곱한 투과도 곡선을 뺀 면적이 집광부재(11)로부터 태양전지로 전달되는 광의 투과스펙트럼이 됨을 알 수 있다.

한편, 도광반사막(15)은 도광판(13)의 계면에 광학코팅을 함으로서 제작될 수 있고, 또한 이미 제조된 박막구조를 갖는 필름 형태의 시트류를 도광판(13)에 부착하여 사용할 수도 있다.

상기 광학시트를 부착하여 사용하는 방법은 이미 액정표시장치(Liquid Crystal Display, LCD)의 도광판에서 BEF(Brightness Enhancement Film)로서 알려져 있으나 이는 도광판에서 확산판을 거쳐 수직방향으로 나오는 광의 반사필름으로서 본 발명의 취지와는 상이하다. 또한, 액정표시장치(LCD)에서 사용되는 프리즘시트에 대해서도 본 발명의 취지와는 상이하며, 본 발명은 프리즘을 예시로 하고 있을 뿐이며 프리즘시트의 기구에 대한 발명이 아니기도 하다.

(제1 실시예)

도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 평판형 광 집속장치를 설명하기 위한 사시도(a) 및 단면도(b)이다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 평판형 광 집속장치는, 크게 적어도 하나의 집광부재(21)를 구비한 집광판(20)과, 집광판(20)의 하부에 일정간격 이격되게 배치되며, 적어도 하나의 광학부재(23)를 구비하는 도광판(22) 등을 포함하여 이루어진다.

여기서, 집광부재(21)는 집광셀 형태로서 예컨대, 사각형의 볼록렌즈가 이차원으로 배열되어 있다. 이때, 집광부재(21)의 다른 배치로는 집광부재(21)의 중심점을 잇는 선들이 예컨대, 원형, 타원형, 삼각형, 사각형 또는 다각형(바람직하게, 육각형 등)의 다양한 이차원의 도형을 이루는 배열이 될 수 있으며, 단위 집광부재(21)의 모양 또한 원형, 타원형, 삼각형, 사각형 또는 다각형 등의 다양한 모양이 될 수 있다.

상기 볼록렌즈 즉, 집광부재(21)는 한 면이 평평하고 다른 면은 볼록하게 집광판(20)의 상면 또는 하면에 구비될 수 있으며, 집광판(20)의 상면 및 하면이 모두 볼록한 렌즈를 사용할 수도 있다.

그리고, 도광판(22)은 집광판(20)의 하부에 위치하며, 도광판(22)의 하면에는 전술한 도 2의 (b)에서 예시한 반사형 회절격자패턴의 광학부재(23)가 집광부재(21) 배열들의 초점과 일치하게 위치한다.

또한, 도광판(22)의 양 측면 끝에서 일정한 거리로 이격되어 구비되는 태양전지(26)에 도광판(22)의 광을 조사한다. 특히, 도광판(22)의 양 측면 끝 부분은 태양전지(26)에 균일하게 광을 조사하기 위하여 오목렌즈(30) 형태로 가공됨이 바람직하지만, 이에 국한하지 않으며, 예컨대, 볼록렌즈 또는 회절렌즈 등의 다른 형태로 가공될 수도 있다.

그리고, 프레임(28)은 집광판(20)을 지지하고, 도광판(22)을 지지하기 위한 지지대(25) 및 도광판(22)의 하부에 구비된 바닥판(24)을 통해 도광판(22)을 지지하며 태양전지(26)를 고정해준다. 한편, 지지대(25)는 집광판(20)과 도광판(22) 사이에 구비될 수도 있다.

특히, 본 발명에서 집광판(20)에 구비된 집광부재(21)의 초점과 도광판(22)에 구비된 광학부재(23)의 위치가 정합되는 것은 매우 중요하며, 프레임(28)과 바닥판(24)은 그 수단을 제공한다. 또한, 본 발명의 평판형 광 집속장치에서는 태양광이 집광판(20)에 수직에 가깝게 입사하여야 하며, 프레임(28)은 y축과 z축으로 본 발명의 평판형 광 집속장치를 일측 방향으로 회전시킴으로서 φ와 θ을 조정할 수 있는 기계적 틀 즉, 회동수단(미도시)(예컨대, 모터 등)을 제공하는 역할도 할 수 있다.

더욱이, 바닥판(24)의 좌/우측에 도광판(22)과 태양전지(26)가 이격되어 있는 간격에는 바닥판(24)을 요철 형태의 반사면(29)으로 가공함으로써, 집광부재(21)를 통하지 않고 바닥판(24)으로 직접 들어오는 태양광을 태양전지(26)로 반사시켜 태양광 집광효율을 더욱 높일 수 있다.

미설명부호 27은 집광장치의 내부를 보호하기 위한 전후면 덮개판을 나타낸 것이며, 본 발명의 제1 실시예에서는 전후면 덮개판(27)을 별도로 구비하였지만, 이에 국한하지 않으며, 프레임(28)과 일체로 형성할 수도 있다.

도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 평판형 광 집속장치의 다른 구조를 나타낸 단면도로서, 본 발명의 제1 실시예의 구조를 바탕으로 도광판(42)의 하부에 집광판(40)이 위치되는 변형된 구조를 나타낸 것이다.

도 6을 참조하면, 전술한 제1 실시예의 도 5와 비교해 보면, 도 5의 집광판(20) 위치에 덮개판(44)이 위치되어 있으며, 도 5의 바닥판(24)에 오목거울 형태의 집광부재(41)가 구비된 집광판(40)으로 이루어진다. 또한, 도광판(42)의 상면 즉, 덮개판(44)과 마주보는 면에는 광학부재(43)가 구비되어 있다.

한편, 기타 구체적으로 설명되지 않은 구성요소들은 본 발명의 제1 실시예와 동일하므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 평판형 광 집속장치의 동작을 살펴보면, 먼저 태양으로부터 입사광(31)은 덮개판(44)과 도광판(42)을 지나 바닥판 즉, 집광판(40)에 있는 오목거울 형태의 집광부재(41)에서 반사된다.

이후에, 집광부재(41)로부터 반사된 광은 도광판(42)의 상면에 구비된 광학부재(예컨대, 마이크로프리즘 또는 회절격자패턴 등)(43)에 모인 다음에 도광판(42)으로 입사된다. 그리고, 도광판(42)을 진행한 광은 도광판 양 측면 끝에 있는 볼록렌즈(30')에 의하여 태양전지(46)에 조사된다.

(제2 실시예)

도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 평판형 광 집속장치를 설명하기 위한 사시도(a) 및 단면도(b)이다.

도 7을 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 평판형 광 집속장치는, 집광판(50)과 도광판(52)이 붙어있는 형태로서 그 사이 계면에는 전술한 도 3에서 예시한 도광반사막(55)이 삽입되어 있고, 태양전지(56)가 도광판(52)의 양 측면에 이격없이 부착된 형태이다.

또한, 도광판(52)의 양 측면에는 도광반사막(55)과 유사한 기능 즉, 특정 대역의 파장 또는 편광을 반사하는 기능을 갖는 도광면코팅막(57)이 더 구비될 수도 있다.

한편, 기타 구체적으로 설명되지 않은 구성요소들 예컨대, 전후면 덮개판(54) 및 프레임(58) 등은 전술한 본 발명의 제1 실시예와 동일하므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 제2 실시예에 따른 평판형 광 집속장치의 동작을 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 입사하는 태양광(31)은 육각형의 집광부재(51)가 2차원으로 배열된 집광판(50)을 지나서 도광반사막(55)을 거쳐 도광판(52)의 바닥면에 구비된 광학부재(53)에 초점이 모아진 다음에 도광판(52)으로 입사한다.

다음으로, 도광판(52)으로 입사된 광은 도광판(52)의 바닥에서 전반사를 하고, 도광판(52)의 상층면에서는 도광반사막(55)에 의하여 반사를 거듭하면서 도광판(52)의 가장자리 끝에 있는 도광면코팅막(57)을 지나서 태양전지(56)로 조사된다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 제2 실시예에 따른 평판형 광 집속장치에서는, 도광반사막(55)과 도광면코팅막(57)을 도광판(52)에 적용한 것으로서 태양전지(56)에 전달되는 광스펙트럼을 도광반사막(55)과 도광면코팅막(57)에 의해 조절할 수 있는 특징이 있다. 또한, 도광판(52)에 태양전지(56)를 직접 붙이는 형태로서 태양전지(56)를 도광판(52)의 측면 가장자리에 붙여서 제작한다.

도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 평판형 광 집속장치의 다른 구조를 나타낸 단면도로서, 전술한 본 발명의 제2 실시예의 구조를 바탕으로 집광판과 도광판이 뒤집힌 형태로 변화된 구조를 나타낸 것이다.

도 8을 참조하면, 반사거울 형태의 집광부재(61)를 바닥판 즉, 집광판(60)에 제작한 경우이다. 일반적으로 이와 같은 반사거울 형태의 집광부재(61)는 투과렌즈형의 집광부재에 비하여 초점거리를 작게 할 수 있으며, 이는 반사거울의 경우 투과렌즈에 비하여 입사광에 대한 출사광의 편위각이 커지기 때문이다. 그 결과 얇은 평판형 집광판(60)을 제조할 때는 짧은 초점거리라는 유리한 점이 있는 반면에 도광반사막(65)을 두 번 투과하므로 추가적인 광손실도 있게 된다.

한편, 기타 구체적으로 설명되지 않은 구성요소들 예컨대, 프레임(68) 등은 본 발명의 제1 실시예와 동일하므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 하며, 본 발명의 제2 실시예에 적용된 도 7의 도광면코팅막(57)은 필요에 따라 제거할 수도 있다.

(제3 실시예)

도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 평판형 광 집속장치로서 다양한 광전달기들을 나타낸 도면이다.

도 9를 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 평판형 광 집속장치는, 전술한 본 발명의 제2 실시예와 유사한 구조로서, 도 7의 제2 실시예에서 적용된 도광반사막(65)이 제거된 구조이며, 도광판(70)과 집광판(78)의 사이에 이들을 일정간격 이격되도록 지지대(72)가 구비되어 있다.

한편, 기타 구체적으로 설명되지 않은 구성요소들 예컨대, 광학부재(70-1) 및 프레임(79) 등은 본 발명의 제1 및 제2 실시예와 동일하므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

도 9의 (a)는 직접적인 광전달구조를 나타낸 것으로서, 도광판(70)의 적어도 어느 한 측면에 태양전지(71)를 이격없이 배치한 구조이다.

도 9의 (b)는 태양전지(71)를 도광판(70)의 적어도 어느 한 측면 가장자리 부분의 하부에 설치한 것이다.

이때, 도광판(70)의 가장자리 단면 및/또는 도광판(70) 끝의 상부면에는 반사코팅(73)을 구비함으로써, 도광판(70)을 진행하는 광이 태양전지(71)로 잘 전달되게 한다. 또한, 도광판(70) 끝의 상부면에 광산란막(74)을 더 설치함으로서, 태양전지(71)로 도광효율을 효과적으로 개선할 수 있다.

도 9의 (c)는 도광판(70)의 광전달기의 형태를 테이퍼 형태로 구성한 것으로서, 도광판(70)의 양 측면 끝은 일정각도로 기울어진 경사면 즉, 테이퍼(70-2) 형태로 가공되고, 그 상면에는 반사코팅(73)이 구비된다.

그리고, 테이퍼(70-2)에 이격없이 직접 태양전지(71)를 배치한 구조로서, 도광판(70)의 양 측면 끝에 형성된 테이퍼(70-2)를 진행하면서 광은 점점 태양전지(71)에 대하여 수직 입사각으로 옮겨가며 테이퍼(70-2)에 직접 배치된 태양전지(71)를 고루 조명하게 된다.

도 9의 (d)는 도 9의 (c)의 테이퍼(70-2) 형태의 광전달기를 프리즘(75) 형태의 광전달기로 바꾼 것이다. 이와 같은 반사 프리즘(75) 형태는 전술한 바와 같이 예컨대, 마이크로프리즘 또는 회절격자패턴 등의 광학부재에 대해서도 사용되는 것으로서, 상기 광학부재의 작용에 대한 역과정으로 생각하면 된다.

즉, 상기 광학부재가 수직 입사광을 도광판(70)으로 전달하듯이 프리즘(75)이 그 역과정으로서 도광판(70)으로 전달되는 광을 수직 입사광으로 바꾸어 태양전지(71)에 조사하는 것이다.

도 9의 (e)는 도광판(70)의 적어도 어느 한 측면 끝에 반사면 또는 반사코팅(73)을 설치함으로써, 도광판(70) 하부의 임의위치에서도 광을 도광판(70)의 하부로 끌어낼 수 있도록 한 구조이다.

즉, 도광판(70)의 하부에 배치된 태양전지(71)에 광을 전달하는 방법으로서의 광전달기는 예컨대, 산란자, 테이퍼, 프리즘 등의 전달기가 사용될 수 있으며, 여기서는 회절격자패턴(77)의 경우를 예시하였다.

(제4 실시예)

도 10은 본 발명의 제4 실시예에 따른 평판형 광 집속장치를 설명하기 위한 사시도(a) 및 단면도(b)이다.

도 10을 참조하면, 본 발명의 제4 실시예에 따른 평판형 광 집속장치는, 1차원 배열의 원통형 렌즈로 이루어진 집광부재(81)를 구비한 집광판(80)과, 1차원 배열의 반사프리즘으로 이루어진 광학부재(83)를 사용함으로서 태양추적을 1축만으로 가능하게 한 구조이다.

즉, 집광판(80)은 원통형 렌즈로 이루어진 집광부재(81)들의 1차원 배열로 구성되어 있다. 집광판(80)의 하부에는 일정간격 이격되어 도광판(82)이 위치하며, 도광판(82)의 바닥면 즉, 하부면에는 예컨대, 반사프리즘 형태의 마이크로프리즘 또는 회절격자패턴 등으로 이루어진 광학부재(83)가 도광판(82)에 일체로 형성되어있다.

그리고, 도광판(82)의 좌/우측면에는 판 형상의 태양전지(86)가 프레임(88)에 고정되어 있다. 프레임(88)은 집광판(80)과 태양전지(86) 및 도광판(82)을 지지한다. 도광판(82)의 하부면에는 예컨대, 반사프리즘 형태의 마이크로프리즘 또는 회절격자패턴 등으로 이루어진 광학부재(83)가 구비되어 있다.

본 발명의 제4 실시예는 집광부재(81)와 광학부재(83)의 구조가 z축 방향으로 동일하며, 1차원으로 배열된 점을 제외하면 전술한 제1 실시예와 동일하다. 그러나, 태양광의 입사 고도각 즉, 집광판(80)으로 보면 φ가 변하더라도 집광효율을 그대로 유지할 수 있는 장점이 있다.

왜냐하면, 태앙을 년중 특정일에 z축을 포함하고 φ 평면에 수직인 황도면에서 움직이게 집광판의 방향과 φ를 정할 수 있고, 따라서 φ 방향의 원통형 렌즈로 이루어진 집광부재(81) 초점의 위치는 광학부재(83)가 놓인 z축 방향을 따라서 움직이므로 광학부재(83)를 벗어나지 않으며, 전술한 제1 실시예에 준하는 동일한 원리로 그 기능을 수행할 수 있게 되기 때문이다. 이 구조를 사용하면 년중 태양 고도각이 변하더라도 각도 φ를 주기적으로 조절하므로써 집광판의 태양추적이 가능하다.

그러나, 태양고도각의 변화가 크면 z축 방향으로 광학부재(83)의 절단부 즉, 전후면 끝에서는 상기의 기능을 수행할 수 없다. 따라서, 전후면 덮개판(87)의 내면에 반사코팅(미도시)을 함으로써 이를 효과적으로 방지할 수 있다.

상기와 같은 1차원 배열의 광 집속장치는 2차원 배열의 광 집속장치가 θ, φ 즉, 2축의 태양추적이 필요한데 비하여 φ 즉, 1축 이동만으로 태양추적을 할 수 있는 장점이 있다.

따라서, 도 10에 도시된 평판형 광 집속장치를 좌우방향 또는 전후방향으로 z축을 배치함으로서 일간 태양조사각 변화에 따른 태양추적을 없애거나 계절에 따른 태양조사각 변화에 따른 태양추적을 소거할 수가 있다.

도 11은 본 발명의 제4 실시예에 따른 평판형 광 집속장치의 다른 구조를 나타낸 단면도로서, 기계장치로 평판을 따라 움직이는 1차원 배열의 원통형 반사거울로 이루어진 광학부재(91)를 사용하여 태양추적을 위한 회전운동을 없앤 구조이다.

즉, 도 11은 도 10과 유사하게 1차원 집광부재의 배열을 이용한 도 10의 변형된 구조의 예시로서, 집광판(90)은 반사형 원통거울로 이루어진 집광부재(91)의 1차원 배열을 사용하고 있으며, 예컨대, 반사프리즘을 사용한 광학부재(93)는 도광판(92)의 상면에 구비되어 있다.

그리고, 광전달기는 도광판(92)의 양단을 테이퍼형으로 사용하였으며, 태양추적을 위한 θ 방향의 1축 회전마저도 반사형 원통거울로 이루어진 집광부재(91)의 배열을 좌우측으로 기계적 이동기구(예를 들면, 랙과 피니언 기어 등을 포함한 전동이송 또는 수동이동 기계장치)(94)에 의하여 움직일 수 있게 함으로써 태양추적을 위한 회전운동을 없앤 실시예이다.

(제 5 실시예)

도 12는 본 발명의 제5 실시예에 따른 평판형 광 집속장치를 설명하기 위한 단면도로서, 미리 소정의 각도로 기울어진 집광부재의 배열을 사용함으로서 평판형 광 집속장치를 입사광의 고도각에 맞추어 가울이지 않고서도 광집속 기능을 수행할 수 있도록 개선한 구조이다.

도 12를 참조하면, 집광판(100)은 일정각도로 기울어진 반사거울 형태의 집광부재(101)들의 1차원 또는 2차원의 배열로 구성되어 있다. 집광판(100)의 상부에는 일정간격 이격되어 도광판(102)이 배치되며, 도광판(102)의 상면에는 예컨대, 반사프리즘 형태의 광학부재(103)가 도광판(102)에 일체로 형성되어 있다.

그리고, 광전달기는 도광판(92)의 양단을 테이퍼(104)형으로 사용하였으며, 테이퍼(104)에 이격없이 직접 태양전지(106)를 부착하였다.

(제6 실시예)

도 13은 본 발명의 제6 실시예에 따른 평판형 광 집속장치를 설명하기 위한 단면도로서, 미리 소정의 각도로 기울어진 반사프리즘으로 이루어진 광학부재의 배열을 사용함으로서 광 집속을 단일방향으로 하여 태양전지를 도광판의 어느 한 쪽에서 설치 사용할 수 있도록 개선한 구조이다.

도 13을 참조하면, 집광판(110)은 일정각도로 기울어진 렌즈로 이루어진 집광부재(111)들의 배열로 구성되어 있다. 집광판(100)의 하부에는 일정간격 이격되어 도광판(112)이 배치되어 있으며, 도광판(112)의 하부면에는 예컨대, 반사프리즘 형태의 쐐기형 마이크로프리즘 또는 회절격자로 이루어진 광학부재(113)가 가공되어 있다.

전술한 본 발명의 제5 및 제6 실시예에서는 태양광이 수직이 아닐 경우에 집광부재 또는 광학부재의 기하학적 구조를 기울여서 본 발명의 제1 실시예에 준하는 광학적 기능을 수행할 수 있게 개선한 것이다.

이와 같은 구조는 예컨대, 지붕이나 아파트 벽면 등에 본 발명의 평판형 광 집속장치를 설치할 경우에 유용하게 사용될 수 있다. 즉, 도 12에서는 반사거울 형태의 집광부재의 축이 기울어져 있으며, 도 13에서는 렌즈로 이루어진 집광부재의 광축과 반사프리즘으로 이루어진 광학부재의 반사각도가 비대칭형으로 만들어져 있다.

특히, 도 13에서는 광학부재(113)가 도광판(112)의 단일방향으로만 광을 전달하는 것을 나타내고 있으며, 태양전지(116)도 오른쪽에 한 개만 배치되어 있다.

전술한 본 발명의 실시예들에 따른 평판형 광 집속장치에 따르면, 유리창의 전면에 비추는 태양광은 유리창에 부가된 광학요소에 의하여 유리창에 나란한 방향으로 유리 내부의 전반사에 의해서 창틀 쪽으로 진행하게 된다.

따라서, 창틀 쪽에서는 적은 면적의 태양전지를 사용하여 전력생산을 높일 수 있게 된다. 보다 상세하게 상기의 기능을 수행하게 하는 유리창의 광학요소들을 살펴보자면, 유리창은 집광셀 형태의 집광부재들의 배열로 이루어진 집광판과, 예컨대, 반사형, 투과형 또는 쐐기형의 마이크로프리즘 또는 회절격자패턴 등의 배열을 포함하는 도광판으로 이루어지며, 상기 집광부재에 의해 집속된 광들을 마이크로프리즘 또는 회절격자패턴에 의해 반사 또는 회절로 상기 도광판 방향으로 선회하여 도광시켜 광을 집속하는 장치이다. 한편, 본 발명의 구성은 태양추적식이나 태양고도각이 정해질 경우에는 태양비추적식으로도 구성이 가능하다.

전술한 본 발명에 따른 평판형 광 집속장치에 대한 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명에 속한다.

10 : 집광판,
11 : 집광부재,
12 : 광학부재,
13 : 도광판,
15 : 도광반사막

Claims

외부로부터 입사되는 광을 집속시키기 위한 적어도 하나의 집광부재를 구비하는 집광판; 및
상기 집광판의 상부 또는 하부에 배치되고, 상기 집광부재에 의해 초점이 모인 광의 전파방향을 일정각도로 변환하기 위한 적어도 하나의 광학부재를 상기 집광부재와 대응되는 위치에 구비하며, 내부반사에 의해 상기 광학부재로부터 변환된 광을 적어도 어느 한 측면으로 집속시키는 도광판을 포함하는 평판형 광 집속장치.
제1 항에 있어서,
상기 집광판과 상기 도광판 사이 또는 상기 도광판의 적어도 어느 한 측면 중 적어도 어느 한 부분에 특정 대역의 파장 또는 편광을 반사하기 위한 도광반사막이 더 구비되는 것을 특징으로 하는 평판형 광 집속장치.
제2 항에 있어서,
상기 도광반사막은 다층박막을 적층한 다층반사막으로 이루어진 것을 특징으로 하는 평판형 광 집속장치.
제1 항에 있어서,
상기 집광부재는 구면렌즈, 구면반사경, 회절렌즈 또는 원통형 렌즈 중 적어도 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 평판형 광 집속장치.
제1 항에 있어서,
상기 집광부재가 복수개로 이루어질 경우, 각각의 집광부재는 일정간격 이격되어 일차원 또는 이차원으로 배열되는 것을 특징으로 하는 평판형 광 집속장치.
제1 항에 있어서,
상기 집광부재는 상기 집광판의 상면 또는 하면 중 적어도 어느 한 면에 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 평판형 광 집속장치.
제1 항에 있어서,
상기 도광판의 적어도 한 측면에 일정간격 이격되어 구비된 태양전지에 균일하게 광을 조사하기 위하여 상기 도광판의 적어도 한 측면은 오목렌즈, 볼록렌즈 또는 회절렌즈 형태 중 어느 한 형태로 가공되어 이루어진 것을 특징으로 하는 평판형 광 집속장치.
제1 항에 있어서,
상기 도광판의 적어도 한 측면은 일정각도로 경사진 테이퍼 형태로 가공되어 이루어진 것을 특징으로 하는 평판형 광 집속장치.
제1 항에 있어서,
상기 광학부재는 상기 도광판의 표면 또는 내부에 구비되는 것을 특징으로 하는 평판형 광 집속장치.
제1 항에 있어서,
상기 광학부재는 적어도 하나의 마이크로프리즘 또는 회절격자패턴으로 이루어진 것을 특징으로 하는 평판형 광 집속장치.
제10 항에 있어서,
상기 마이크로프리즘 또는 회절격자패턴은 반사형, 투과형 또는 쐐기형 중 어느 하나의 형태로 상기 도광판의 표면에 구비되는 것을 특징으로 하는 평판형 광 집속장치.
제10 항에 있어서,
상기 마이크로프리즘의 꼭지각은 100도 내지 140도 범위로 이루어진 것을 특징으로 하는 평판형 광 집속장치.
제10 항에 있어서,
상기 회절격자패턴은 직사각형, 삼각형, 사다리꼴, 반원 또는 반타원형 중 어느 한 형태로 이루어진 것을 특징으로 하는 평판형 광 집속장치.
제1 항에 있어서,
상기 도광판이 상기 집광판의 상부에 배치될 경우,
상기 도광판을 통하지 않고 상기 집광판으로 직접 입사되는 광을 상기 도광판의 적어도 한 측면에 일정간격 이격되어 구비된 태양전지로 반사시키기 위하여, 상기 도광판과 상기 태양전지 사이에 위치한 집광판의 표면에 요철 형태의 반사패턴이 더 구비되는 것을 특징으로 하는 평판형 광 집속장치.
제1 항에 있어서,
상기 도광판이 상기 집광판의 하부에 배치될 경우,
상기 도광판을 통하지 않고 상기 도광판의 하부에 별도로 구비된 바닥판으로 직접 입사되는 광을 상기 도광판의 적어도 한 측면에 일정간격 이격되어 구비된 태양전지로 반사시키기 위하여, 상기 도광판과 상기 태양전지 사이에 위치한 바닥판의 표면에 요철 형태의 반사패턴이 더 구비되는 것을 특징으로 하는 평판형 광 집속장치.
제1 항에 있어서,
상기 도광판이 상기 집광판의 하부에 배치될 경우,
상기 도광판의 가장자리 하부에 구비된 태양전지로 상기 도광판의 내부반사에 의해 집속되는 광을 효율적으로 전달하기 위하여, 상기 도광판의 가장자리 상부면 또는 어느 한 측면 중 적어도 어느 한 면에 반사코팅되는 것을 특징으로 하는 평판형 광 집속장치.
제16 항에 있어서,
상기 태양전지로 집속되는 광의 도광효율을 개선하기 위하여, 상기 도광판 가장자리 상부면에 광산란막이 더 구비되는 것을 특징으로 하는 평판형 광 집속장치.
제16 항에 있어서,
상기 도광판의 내부반사에 의해 전달되는 광을 수직 입사광으로 바꾸어 상기 태양전지에 조사되도록 상기 도광판 가장자리 상부면에 반사프리즘이 더 구비되는 것을 특징으로 하는 평판형 광 집속장치.
제1 항에 있어서,
상기 집광부재를 통해 집광된 광의 초점이 상기 광학부재의 위치와 일치되도록 상기 집광판을 수평방향으로 이동시키기 위한 이동수단이 더 구비되는 것을 특징으로 하는 평판형 광 집속장치.
제1 항에 있어서,
외부로부터 입사되는 광이 수직이 아닐 경우, 상기 집광부재를 통해 집광된 광의 초점이 상기 광학부재의 위치와 일치시키기 위하여, 상기 집광부재의 축이 일정각도로 기울어지게 구비되는 것을 특징으로 하는 평판형 광 집속장치.
제1 항에 있어서,
상기 집광판 및 상기 도광판의 적어도 어느 한 측면을 기준축으로 하여 일측 방향으로 회동시키기 위한 회동수단이 더 구비되는 것을 특징으로 하는 평판형 광 집속장치.