KR20130024690A - 채광렌즈 - Google Patents

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KR20130024690A
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Abstract

본 발명은 상이한 굴절율 층을 가진 반구체 또는 반타원체 형상 채광렌즈에 관한 것으로, 본 발명에 따른 상이한 굴절율 층을 가진 반구체 또는 반타원체 형상 채광렌즈는, 일 측 공간에서 다양한 각도로 입사되는 상호간 평행한 일련의 광선들과 평행하되 중심점을 지나는 선상(이하 “입사광축”이라 칭함)에 중심점으로부터의 거리가 일정한 공간위치에 상호간 평행한 일련의 광선들의 초점을 형성하도록 구체경계면 혹은 내부에서 단계적으로 굴절시키는 서로 다른 곡률반경과 서로 다른 굴절율을 가진 반 구체 형상인 다수의 반구체 집속광학모듈;로 이루어지고 상기 반구체 집속광학모듈 각각은 하나의 반구체 중심점에 정렬된 층으로 구비되며 전체적으로도 반구체를 형상인 것을 특징으로 하는바, 본 발명에 따르면, 정밀한 태양 추미장치 없이도 광 에너지 이용효율을 극대화할 수 있고, 구조가 간단하여 제작과 설치가 용이하며, 제조비용도 저렴한 효과를 얻을 수 있는 장점이 있다.

Description

채광렌즈{A light condensing lens}
본 발명에 따른 상이한 굴절율 층을 가진 반구체 또는 반타원체 형상 채광렌즈는, 일 측 공간에서 다양한 각도로 입사되는 상호간 평행한 일련의 광선들과 평행하되 중심점을 지나는 선상(이하 “입사광축”이라 칭함)에 중심점으로부터의 거리가 일정한 공간위치에 상호간 평행한 일련의 광선들의 초점을 형성하도록 구체경계면 혹은 내부에서 단계적으로 굴절시키는 서로 다른 곡률반경과 서로 다른 굴절율을 가진 반 구체 형상인 다수의 반구체 집속광학모듈;로 이루어지고 상기 반구체 집속광학모듈 각각은 하나의 반구체 중심점에 정렬된 층으로 구비되며 전체적으로도 반구체를 형상인 것을 특징으로 하며, 광선의 입사각도가 다르더라도 용이하게 광을 집속시키는 장점이 있다.
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 집광거울과 같은 기하광학에 기초를 둔 단위 광학요소를 기반으로 다양한 단위 집속 광학계를 병합내지 조합하여 이용하며, 이러한 단위 집속 광학계는 통상적으로 태양광이 평행하게 입사하는 것을 전제로 하기 때문에 태양의 고도각 및 방위각의 변화에 따라( 더 정확하게는 지구의 공전과 자전에 따라) 시시각각 변하는 각도를 추적하는 태양추미장치에 탑재하여야 하는 제약이 있다.
전술한 종래 태양광 집광장치 및 태양추적/추미장치는 통상적으로 태양광 발전설비의 발전량/ 태양열 집열/태양광 자연채광 양의 증가를 위해서 태양광 집광장치 및 추미장치의 대형화가 불가피한데, 대형으로 제조함에 있어 비용이나 구조적인 면에서 많은 제약이 발생되므로 투자대비 경제성을 기대하기가 매우 곤란하다.
따라서 단위 집속 광학계가 집광을 통하여 태양 에너지 효율을 높이고, 중요한 투자 대비 경제성을 확보함은 물론 건축물의 외피에 통합이 용이하게 하기 위해서는 두 가지 기술적인 해결 과제가 있으며, 그 하나는 단위 집속 광학계를 이용하되, 전체적인 형상으로는 평판타입의 집광기(이하 “평판 집광기 : Planar light concentrator”라 칭하기로 함)가 필요하고, 나머지 하나는 단위 집속 광학계가 태양추미장치에 의해 회동하지 않아도 효율적으로 집속하거나 태양추미장치에 탑재되어 회동시킨다고 하더라도 소정각도까지는 회동하지 않을 경우에도 집속 광학계가 효율적으로 집속하면, 그 결과로 인하여 태양추미장치의 정밀도를 완화시켜 태양추미장치를 저렴하게 제작할 수 있게 하므로 이에 대한 기술적 대안(太陽 無追尾 광학계: Non-tracking Optic element)이 매우 필요하다고 할 수 있다.
본 출원인은 이 중에서 우선“평판 집광기”에 대한 기술적인 대안으로 프리즘 광가이드 및 이를 사용하는 방법(10- 2010- 0033054, 선출원 1), 프리즘 웨이브 가이드 및 이를 사용하는 방법(10- 2010- 0038215, 선출원 2), 렌즈 통합형 프리즘 광가이드 및 이를 사용하는 방법(10- 2010- 0042311, 선출원 3), 채널 프리즘 광가이드(10- 2010- 0043240, 선출원 4), 하이브리드 채광 및 전송장치(10- 2010- 0077534, 선출원 5), 측면 태양광 집광기(10- 2010- 0004153, 선출원 6), 프리즘 하이브리드 태양광 집광기(10- 2010- 0006250, 선출원 7), 프리즘 태양광 집광기(10- 2010- 0006756, 선출원 8), 양면 프리즘 집광기 및 이를 사용하는 방법(10- 2010- 0035035, 선출원 9), 및 다수 채널을 갖는 광가이드 장치(등록특허 10- 2010- 0115051, 선출원 10)를 출원한 바 있다 (일부 출원은 공개되지 않음).
그리고, 이들 모두는 단위 집속 광학계의 배열을 이용하고 있으며, 채광렌즈까지도 하나의 단위 집속 광학계로 채택할 수 있는 구조를 가지고 있는바, 채광렌즈는 정 중앙에 초점을 형성하는 돔 형상을 포함한 구체 또는 반구체 형상의 광학요소를 통칭하며, 특히 태양광의 집속에 사용하되 태양의 움직임에 상관없이 중심에 초점을 형성하는 광학요소를 통용되는 용어로 “채광렌즈"를 사용하며 당업자에게는 주지의 사실이다.
한편, 이러한 채광렌즈로서 종래의 기술로는 상기 선출원 3, 6 내지 8을 우선권 주장의 기초로 하는 국제출원 제PCT/KR2010/005008호의 도 17에서 보는 바와 같이 단일의 반 구체의 볼록거울을 사용하거나, 혹은 도 1의 (a),(b),(d)에 도시한 바와 같이 돔형 프레넬렌즈[Dome-Shape Fresnel]가 있으며 반 구체로서 표면에 적절한 미세 프리즘 밀집도와 형상으로 다양한 각도에서 진입하는 광을 1차로 돔의 곡률과 곡면에 형성된 미세 프리즘을 이용하여 중심에 집속하며, 구체로서는 도 1의 (c)와 같은 투명한 구체를 이용하는 것으로, 인공광 혹은 자연광 여부를 떠나서 이와 유사한 기술이 다수 공지되어 있다,
그러나, 종래의 이러한 채광렌즈는 하나의 점 중앙 초점으로의 집속이 용이하지 않고 최종 집속효율에 개선의 여지가 많은데, 그 이유는 미세 프리즘에 의한 광 경로의 스티어링(Steering)이 모든 방향에서 일치하지 않아 산란이 생기거나, 미세 프리즘의 제작이 까다로워서 사실상 중심 한 초점으로의 집속이 용이하지 않기 때문이며, 돔형 프레넬렌즈[Dome-Shape Fresnel]가 이에 해당한다 (도 1의 (b) 참조).
한편, 투명한 구체 또는 반 구체(구체 일부 포함)의 경우 소재 굴절율이 낮아서 다양한 각도에서 입사되는 광을 중심에 가깝게 집속할 수가 없는 문제점이 있어서, 좀 더 개선된 채광구조가 매우 필요하고, 값싸게 제작할 수 있는 대안이 여전히 필요한 실정이다.
국제공개 제2011/087194호
본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술상의 제반 문제점을 감안하여 이를 해결하고자 창출된 것으로, 상이한 굴절율 층을 가진 반구체 또는 반타원체 형상 채광렌즈를 제공하는데 그 주된 목적이 있다.
본 발명에 따른 상이한 굴절율 층을 가진 반구체 또는 반타원체 형상 채광렌즈는, 일 측 공간에서 다양한 각도로 입사되는 상호간 평행한 일련의 광선들과 평행하되 중심점을 지나는 선상(이하 “입사광축”이라 칭함)에 중심점으로부터의 거리가 일정한 공간위치에 상호간 평행한 일련의 광선들의 초점을 형성하도록 구체경계면 혹은 내부에서 단계적으로 굴절시키는 서로 다른 곡률반경과 서로 다른 굴절율을 가진 반 구체 형상인 다수의 반구체 집속광학모듈;로 이루어지고 상기 반구체 집속광학모듈 각각은 하나의 반구체 중심점에 정렬된 층으로 구비되며 전체적으로도 반구체를 형상인 것을 특징으로 한다.
즉, 본 발명의 일 측면에 따르는 채광렌즈는, 굴절율이 1을 초과하는 투명한 반구체 혹은 반타원체의 제1 반구체 집속광학모듈; 및 굴절율이 1을 초과하되 상기 제1 반구체 집속광학모듈과 상이한 굴절율을 갖는 투명한 반구체 혹은 반타원체의 제2 반구체 집속광학모듈;을 포함하되, 상기 제1 반구체 집속광학모듈 및 상기 제2 반구체 집속광학모듈은 상호 동일한 곡율 형태를 가지면서, 상기 제1 반구체 집속광학모듈의 내피에 상기 제2 반구체 집속광학모듈이 겹쳐지는 구조인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 굴절율이 1을 초과하되 상기 제1 반구체 집속광학모듈 및 상기 제2 반구체 집속광학모듈과 상이한 굴절율을 갖는 투명한 반구체 혹은 반타원체의 제3 반구체 집속광학모듈;을 더 포함하되, 상기 제1 반구체 집속광학모듈, 상기 제2 반구체 집속광학모듈 및 상기 제3 반구체 집속광학모듈은 상호 동일한 곡율 형태를 가지면서, 상기 제1 반구체 집속광학모듈, 상기 제2 반구체 집속광학모듈 및 상기 제3 반구체 집속광학모듈이 상호 겹쳐지는 구조인 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게는, 상기 제3 반구체 집속광학모듈은 맨 안쪽에 형성되면서 코팅층인 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는, 상기 제1 반구체 집속광학모듈의 외측은 반사방지(Anti-Reflection)층으로 코팅되는 것을 특징으로 한다.
특히, 상기 각 반구체 집속광학모듈은 동일한 곡율을 갖는 반구체 형상이면서, 하나의 반구체 중심점에 정렬된 층으로 구비되며 전체적으로도 반구체를 형상을 이루는 것이 바람직하다.
또한 바람직하게는, 상기 제1 반구체 집속광학모듈과 제2 반구체 집속광학모듈 사이에는 동일한 곡율 형태를 갖는 공기층이나 진공층이 삽입되는 것을 특징으로 하며,
상기 반구체 집속광학모듈의 굴절율은 내측으로 갈수록 증가하는 것이 좋다.
한편, 본 발명의 다른 측면에 따르는 채광렌즈는, 굴절율이 1을 초과하는 투명한 반실린더 형상의 제1 반구체 집속광학모듈; 및 굴절율이 1을 초과하되 상기 제1 반구체 집속광학모듈과 상이한 굴절율을 갖는 투명한 반실린더 형상의 제2 반구체 집속광학모듈;을 포함하되, 상기 제1 반구체 집속광학모듈 및 상기 제2 반구체 집속광학모듈은 상호 동일한 곡율 형태를 가지면서, 상기 제1 반구체 집속광학모듈의 내피에 상기 제2 반구체 집속광학모듈이 겹쳐지는 구조인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 반구체 집속광학모듈은 선형으로 제작되며, 채광렌즈의 단면은 반고리형 단면을 갖으며 전체 형상은 직선바 형상인 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는, 상기 반구체 집속광학모듈은 선형으로 제작되며, 채광렌즈의 단면은 반고리형 단면을 갖으며 전체 형상은 도우넛 형상인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 정밀한 태양 추미장치 없이도 광 에너지 이용효율을 극대화할 수 있고, 구조가 간단하여 제작과 설치가 용이하며, 제조비용도 저렴한 효과를 얻을 수 있는 장점이 있다.
도 1은 종래의 채광렌즈를 설명하기 위한 도면.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 상이한 굴절율 층을 가진 반구체 형상 채광렌즈의 사시도.
도 3은 본 발명의 실시예 및 변형예에 따른 상이한 굴절율 층을 가진 반구체 형상 채광렌즈 단면도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 반구체 형상 채광렌즈의 자동 채광동작을 설명하기 위한 단면도.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 상이한 굴절율 층을 가진 반타원체 형상 채광렌즈 단면도.
이하 본 발명에 따른 상이한 굴절율 층을 가진 반구체 또는 반타원체 형상 채광렌즈에 대한 실시예 및 해당 첨부 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다. 다만, 첨부된 도면은 본 발명의 내용을 보다 쉽게 개시하기 위하여 설명되는 것일 뿐, 본 발명의 범위가 첨부된 도면의 범위로 한정되는 것이 아님은 당해 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 용이하게 알 수 있을 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 상이한 굴절율 층을 가진 반구체 형상 채광렌즈의 사시도이고, 도 3은 본 발명의 실시예 및 변형예에 따른 상이한 굴절율 층을 가진 반구체 형상 채광렌즈의 단면도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 반구체 형상 채광렌즈의 자동 채광동작을 설명하기 위한 단면도이며, 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 상이한 굴절율 층을 가진 반타원체 형상 채광렌즈 단면도이다.
도 2, 3에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 상이한 굴절율 층을 가진 반구체 형상 채광렌즈(1)는, 일 측 공간에서 다양한 각도로 입사되는 상호간 평행한 일련의 광선들과 평행하되 중심점(0)을 지나는 선상(Li,”입사광축”)에 중심점(0)으로부터의 거리가 일정한 공간위치에 상호간 평행한 일련의 광선들의 초점을 형성하도록 구체경계면 혹은 내부에서 단계적으로 굴절시키는 서로 다른 곡률반경과 서로 다른 굴절율을 가진 반 구체 형상인 3개의 반구체 집속광학모듈(10a,10b,10c);로 이루어지고 상기 반구체 집속광학모듈(10a,10b,10c) 각각은 하나의 반구체 중심점(0)에 정렬된 층으로 구비되며 전체적으로도 반구체를 형상으로 구비된다.
이하, 본 명세서에서 '반구체'라 함은 구체의 1/2은 물론, 구체의 꼭 1/2이 아니더라도 구체의 일부를 포함하는 의미로 사용되어진다. 반타원체 역시 타원회전체의 꼭 1/2이 아니더라도 타원체의 일부를 포함하는 의미로 사용되어진다.
아울러, 도 2 및 3에서 도시한 반구체 집속광학모듈(10a,10b,10c) 각각의 구분된 색상은 굴절율의 차이가 있다는 것을 명백하기 위해 색상을 구분한 것 일뿐, 광을 투과하는 부재이고, 중심축(Cx,Cy,Cz)과 구체 중심점(0)이 일치되도록 구비된다.
상기 반구체 집속광학모듈(10) 각각은 실리콘(Silicone), 유리, 플래스틱 등 투명한 소재로 형성될 수 있으며, 그 종류로는 투명전극에 사용하는 고 굴절율 ITO 층, 통상적인 AR(Anti-Reflection: 반사방지)층으로 코팅되는 다양한 소재뿐만 아니라, 굴절율이 매우 높은 얇은 실리콘이 얇은 층으로 코팅되어 사용될 수 있음은 물론이고, 트랜스퍼 금형에 의한 몰드성형 소재로 사용하는 실리콘 계열이라고 하더라도 그 조성에 있어 크기가 나노수준인 SiO2, TiO2, SnO2 등이 혼합되어 굴절율이 각기 변경된 투명한 실리콘 소재를 사용할 수 있음은 주지의 사실이고, 아크릴, 폴리카보네이트 등 투명한 플래스틱은 물론이려니와 얇은 그래핀 소재도 가능하다. 그리고 반구체 집속광학모듈(10) 각각의 광학소재 선택은 각각의 반구체 집속광학모듈(10a, 10b, 10c) 각각의 단계적 굴절율 증가특성, 두께 및 층 형성 방법에 따라 선택적으로 최적화하여 구비되는 것으로, 본 발명에 사용하는 광학소재는 이미 공지된 기술이고, 광학소재에 관한 본 발명의 취지를 당업자라면 쉽게 이해할 수 있으므로 이에 대하여는 더 이상의 자세한 설명은 생략하기로 한다.
한편, 본실시예에서는 최상층 반구체 집속광학모듈(10a)로 굴절율 1.42의 실리콘을, 그 다음 두 번째 반구체 집속광학모듈(10b) 로는 굴절율 1.57 실리콘을 사용하며 별도의 투명한 기판(미도시) 또는 홀이 형성된 투명내지 불투명한 기판(미도시)에 트랜스퍼 금형을 이용하여 각각 몰드 성형하며, 최하단 반구체 집속광학모듈(10c)로는 통상적인 실리콘 콘택즈 렌즈 코팅제로 사용되는 굴절율이 높은 TiO2를 두 번째 반구체 집속광학모듈(10b) 층의 하부에 코팅하여 형성하며, 각각의 반구체 집속광학모듈(10a)(10b)(10c)이 성형된 기판을 중심점(0)에 정렬하여 구비하되, 두 번째 반구체 집속광학모듈(10b)을 최상층 반구체 집속광학모듈(10a) 내부에 안착시켜 구비한다.
이에 따라 3 개의 반구체 집속광학모듈(10a, 10b, 10c)이 단계적으로 증가되는 굴절율을 가지고, 이들을 층으로 구비하게 되고, 본실시예에 따른 상이한 굴절율 층을 가진 반구체 형상 채광렌즈(1)도 반구체 형상으로 구비된다. 이때 각각의 기판으로부터 떼어낸 각각의 반구체 집속광학모듈(10a)(10b)을 상호간 안착시켜 구비할 수 있음도 물론이고 코팅 층으로 연달아 다수 코팅 층으로 일체형성할 수 있으며, 이 외에도 반구체 집속광학모듈(10)을 형성하기 위해 성형방법으로는 인젝션몰딩, Precision Glass Molding, Imprinting, 코팅으로 형성하는 방법으로는 스퍼터링, 고온증착, CVD, 잉크젯 프린팅, 스프레이 코팅 등 다양한 제작방법이 있으며, 본 실시예의 TiO2 코팅 방법 또한, 이미 공지된 기술이므로 이에 대하여도 자세한 설명은 생략하기로 한다.
참고로, 상기 반구체 집속광학모듈은 설계에 따라 (10a)(10b)의 두께는 코팅층의 두께는 수 mm의 반구체 렌즈로 구성하여도 되며, 수백 ㎛ 두께의 코팅층으로 하여도 된다. 다만, 코팅층의 두께가 수십 ㎛에 불과할 경우로서 파장(λ)의 1/4미만에 불과할 경우에는 (<λ/4) 굴절의 효과가 미미하기 때문에, 코팅층의 두께는 수백 ㎛ 이상은 되어야 한다.
이하 본 발명의 실시예에 따른 상이한 굴절율 층을 가진 반구체 형상 채광렌즈(1)에 대한 작동 과정을 도 3의 (a)를 참조하여 설명하기로 한다.
먼저, 일 측 공간에서 다양한 각도로 입사되는 상호간 평행한 일련의 광선들은 최상단 반구체 집속광학모듈(10a) 구면경계의 접선에 수직인 법선에 대한 입사각에 대하여 스넬의 법칙에 따라 각기 다른 각도로 굴절되어 상이한 굴절율 층을 가진 반구체 형상 채광렌즈(1)안으로 1차 진입한다. 그리고 최상단 반구체 집속광학모듈(10a)에서 출사되는 광선들은 그 다음 굴절율이 다른 반구체 집속광학모듈(10b, 10c)과의 구면 경계면 및 공기층에서 역시 스넬의 법칙에 따라 굴절되고, 최종적으로 출사되어 초점에 집속되게 된다. 이때 최초 입사하는 광들은 반구체 집속광학모듈(10) 각 층의 구면경계와 각 층의 굴절율 차이 및 각 층의 두께에 의해 단계적으로 위상 차이 (입사광의 입사지점의 차이) 가 발생하게 되고 굴절되어 집속되게 된다.
한편, 반구체 집속광학모듈(10) 각각의 두께와 절적한 굴절율을 가진 소재의 형성을 통해 최초 입사된 평행한 광선들을 원하는 초점 위치에 집속하도록 최적화된 조합 선택할 수 있으며, 이를 통하여 도 3의 (c)에 도시한 바와 같이 반구체 집속광학모듈(10) 각각의 중심에 집속하면 모든 방향에서 입사하는 입사광을 하나의 초점 부위(중심점)에 집속하는 것으로, 다양한 각도에서 일련의 평행한 광선들이 진입하는 각도가 다르더라도 최초 반구체 집속광학모듈(10)이 같은 동일한 구면경계 곡률을 갖는 구체 또는 반구체인 관계로 하나의 중심 또는 그 근접한 부위에 다양한 각도에서 인입되는 일련의 평행광을 단계적으로 굴절시켜 집속 초점을 형성하는 것이며, 반구체 집속광학모듈(10)의 선택적 조합으로 각각의 중심 한 점에 정확하게 집속하지 않더라도 상이한 굴절율 층을 가진 반구체 형상 채광렌즈(1)의 구체중심 한 점 부위에 일련의 평행광선을 집속한 초점군을 형성시킬 수 있고, 다양한 각도에서 인입되는 일련의 광선군들도 단계적으로 굴절시켜 동일하게 초점군으로 밀집시키는 것이므로, 이를 가상으로 연결한 면은 오목하게 3 차원 공간상에 초점면을 형성하는 것이다. 이에 따라 시시각각 변하는 입사 각도를 추적하도록 정밀한 태양추미장치에 탑재하지 않고도, 해당 밀집된 초점군 부위에 도시하지 않은 시준기나 별도의 광학요소, 태양전지를 더 구비할 경우, 시시각각 태양 추미할 필요 없이, 후속 광 활용에 매우 큰 효과가 있는 것이다. 이는 당업자라면 쉽게 이해할 수 있는 것이고, 광의 후속 활용에 대한 자세한 설명은 선출원 1 내지 9에 자세하게 설명되어 있으므로 이하 생략하기로 하며, 이러한 시준기로는 볼록렌즈, 오목렌즈, 프뢰넬 렌즈, 파리눈 렌즈, 평면거울/파라볼릭 거울/회전체거울/도넛형 회전체 거울/도넛형 파라볼릭거울, 배면창이 구비된 카세그레인/ 그레고리안 콜리메이팅 옵틱, 그린렌즈, 볼 렌즈, 화이버 옵틱 테이퍼, 광섬유를 포함하여 다양한 광원 및 광학계(Optic elements) 및 그 배열 등을 더 포함하여 사용할 수 있으며, 이들 각각에 대하여도 역시 당업자가 쉽게 이해하는 사항이므로 이 또한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
즉, 도 3의 (c) 및 (d)에서와 같이, 2개 이상의 굴절율을 갖고서 연속 굴절된 광이 반구체의 중심점에 모일 경우에는, 도 4에서 보는 바와 같이, 태양이 반구체에 연직방향으로 입사되는 경우는 물론 (도 4의 실선 부분 참조), 태양의 방위각 및/또는 고도가 변화하여 반구체에 비스듬하게 입사되는 경우라도 (도 4의 점선 부분 참조), 동일한 지점에 입사되게 된다. 따라서, 이러한 집속광학모듈(10a, 10b, 10c)이 완전 반구체이고 반구체의 중심점에 집광되는 경우에는, 집광되는 지점이 항상 변하지 않기 때문에, 그 지점에서만 집속광을 이용하는 소자 (다른 위치로 광을 가이드하는 반사판이나 혹은 솔라셀) 를 위치시키면 된다.
반면, 상기 도 3의 (a) 및 (b)와 같이 광의 집속점이 반구체의 중심점과 일치하지 않을 경우에는 태양의 방위각이나 위도가 바뀜에 따라, 집속점의 위치도 변하게 되는 관계로 집속광을 이용하는 소자의 위치가 변경되도록 설계하여야 한다.
다른 한편, 도 5 (a)에서 보는 바와 같이, 집속광학모듈(10a, 10b, 10c)이 완전 반구체가 아니고 반타원체일 경우 (즉, 일측 단면은 반원형이나 타측 단면은 반타원인 경우) 에는, 예컨데 태양의 방위각 변화에 따른 태양의 위치를 본 발명의 장치로 자동 채광하고 (도 5의 (b) 참조), 태양의 위도(고도각)의 변화에 대해서는 집속점이 계속 바뀌게 되므로 (도 5(c)의 점 (O)에서 점 (O')로 바뀜), 본 발명의 채광렌즈 장치에 별도의 장치를 추가하여 위도만을 별도의 장치로 추미하여 주거나, 선집광되는 광 (도 5의 (c) 참조) 을 별도의 장치로 광가이드하여 주면 된다.
아울러, 본 실시예와 달리 변형된 예로서, 반구체 집속광학모듈(10)은 도 3의 (b)에 도시한 바와 같이, 각 층 사이에는 공기층이나 진공층이 형성될 수 있으며, 그 작동 관계는 동일하고, 각각의 반구체 집속광학모듈(10) 층 사이에 굴절율 매칭 오일이나 접착제를 더 포함하여 사용될 수 있음은 물론이려니와, 반구체 집속광학모듈(10)에는 특정 파장을 통과시키고 내부로부터의 특정파장은 반사시키는 파장 선택 투과 층이나 나노패턴에 의한 무반사 코팅층 혹은 굴절율이 큰 무반사 코팅층을 반구체 집속광학모듈(10)의 외주면에 더 포함하여 형성될 수 있으며, 도시하지는 않았지만, 본실시예와 다른 변형예로서 상기 반구체 집속광학모듈(10)은 선형으로 제작할 수 있어, 그 형상이 도 3의 단면을 길이방향으로 연장한 직선바 형상일 수 있고, 선택된 소정의 회전중심을 기준으로 회전시킨 도넛형일 수도 있으며, 다수의 반구체 집속광학모듈(10)의 조합으로 속이 꽉 찰 수 있음은 물론, 도 3의 (d),(e)에 도시한 바와 같이 상방이 반구체를 유지하되 하방은 다양한 형상일 수 있고, 도 3의 (f)와 같이, 시준기나 별도의 광학요소, 태양전지를 더 포함할 경우 반구체 집속광학모듈(10)에 내장시킬 수 있다.
또한, 반구체 집속광학모듈(10)은 각각은 내부가 연속적인 굴절율 구배(Gradient Index)를 갖도록 형성될 수 있음은 물론 일체로 형성될 수 있으며, 일체로 형성될 때에도 내부가 연속적인 굴절율 구배를 갖도록 형성될 수 있는 것은 당업자에게 자명한 것임은 물론이려니와, 본 발명에 따른 상이한 굴절율 층을 가진 반구체 형상 채광렌즈(1)는 선출원 1 내지 9로 개시한 평판형 집광기의 채광렌즈로 사용할 수 있으며, 배열로 하여 대면적으로 제작한 후, 각각의 상이한 굴절율 층을 가진 반구체 형상 채광렌즈로부터 집속된 광을 광케이블이나 태양전지, 또는 임의의 태양광 이용 장치에 조사할 수 있다.
이처럼, 앞에서 설명된 본 발명의 일실시예는 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 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 : 반구체 형상 채광렌즈 10 : 반구체 집속광학모듈
20 : 반타원체 집속광학모듈

Claims (10)

  1. 굴절율이 1을 초과하는 투명한 반구체 혹은 반타원체의 제1 반구체 집속광학모듈; 및
    굴절율이 1을 초과하되 상기 제1 반구체 집속광학모듈과 상이한 굴절율을 갖는 투명한 반구체 혹은 반타원체의 제2 반구체 집속광학모듈;
    을 포함하되,
    상기 제1 반구체 집속광학모듈 및 상기 제2 반구체 집속광학모듈은 상호 동일한 곡율 형태를 가지면서,
    상기 제1 반구체 집속광학모듈의 내피에 상기 제2 반구체 집속광학모듈이 겹쳐지는 구조인 것을 특징으로 하는 채광렌즈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    굴절율이 1을 초과하되 상기 제1 반구체 집속광학모듈 및 상기 제2 반구체 집속광학모듈과 상이한 굴절율을 갖는 투명한 반구체 혹은 반타원체의 제3 반구체 집속광학모듈;
    을 더 포함하되,
    상기 제1 반구체 집속광학모듈, 상기 제2 반구체 집속광학모듈 및 상기 제3 반구체 집속광학모듈은 상호 동일한 곡율 형태를 가지면서,
    상기 제1 반구체 집속광학모듈, 상기 제2 반구체 집속광학모듈 및 상기 제3 반구체 집속광학모듈이 상호 겹쳐지는 구조인 것을 특징으로 하는 채광렌즈.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제3 반구체 집속광학모듈은 맨 안쪽에 형성되면서 코팅층인 것을 특징으로 하는 채광렌즈.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 반구체 집속광학모듈의 외측은 반사방지(Anti-Reflection)층으로 코팅되는 것을 특징으로 하는 채광렌즈.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항의 제1 반구체 집속광학모듈 및 제2 반구체 집속광학모듈로 이루어지되,
    상기 각 반구체 집속광학모듈은 동일한 곡율을 갖는 반구체 형상이면서, 하나의 반구체 중심점에 정렬된 층으로 구비되며 전체적으로도 반구체를 형상을 이루는 것을 특징으로 하는 채광렌즈.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 반구체 집속광학모듈과 제2 반구체 집속광학모듈 사이에는 동일한 곡율 형태를 갖는 공기층이나 진공층이 삽입되는 것을 특징으로 하는 채광렌즈.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 반구체 집속광학모듈의 굴절율은 내측으로 갈수록 증가하는 것을 특징으로 하는 채광렌즈.
  8. 굴절율이 1을 초과하는 투명한 반실린더 형상의 제1 반구체 집속광학모듈; 및
    굴절율이 1을 초과하되 상기 제1 반구체 집속광학모듈과 상이한 굴절율을 갖는 투명한 반실린더 형상의 제2 반구체 집속광학모듈;
    을 포함하되,
    상기 제1 반구체 집속광학모듈 및 상기 제2 반구체 집속광학모듈은 상호 동일한 곡율 형태를 가지면서,
    상기 제1 반구체 집속광학모듈의 내피에 상기 제2 반구체 집속광학모듈이 겹쳐지는 구조인 것을 특징으로 하는 채광렌즈.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 반구체 집속광학모듈은 선형으로 제작되며, 채광렌즈의 단면은 반고리형 단면을 갖으며 전체 형상은 직선바 형상인 것을 특징으로 하는 채광렌즈.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 반구체 집속광학모듈은 선형으로 제작되며, 채광렌즈의 단면은 반고리형 단면을 갖으며 전체 형상은 도우넛 형상인 것을 특징으로 하는 채광렌즈.
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