KR20140059434A - 태양광 광결합기 및 그것을 포함한 태양광 시스템 - Google Patents

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강현서
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박형준
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전은경
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Abstract

본 발명은 태양광 광결합기에 관한 것이다. 본 발명의 태양광 광결합기는 복수개의 광섬유들을 포함한 광섬유 번들을 통해 입력되는 태양광을 하나로 모으는 빔 인테그레이터, 모아진 태양광을 포커싱하는 트리플릿 렌즈, 및 포커싱된 태양광을 전달하는 광섬유를 포함하고, 광섬유는 열 확장 코어 광섬유이다.

Description

태양광 광결합기 및 그것을 포함한 태양광 시스템{SUNLIGHT OPTICAL COUPLER AND SUNLIGHT SYSTEM COMPRISING THEREOF}
본 발명은 태양광 시스템에 관한 것으로, 특히 광섬유를 통해 집광된 태양광을 손실없이 전달할 수 있는 태양광 광결합기에 관한 것이다.
최근 유가 상승과 더불어 경제적이고 친환경적인 신재생 에너지의 개발이 활발히 이루어지고 있다. 이러한 신재생 에너지들 중에서도 태양광을 이용한 태양광 채광 기술은 에너지 절감을 위한 대안으로 부각되고 있다. 태양광 채광 기술은 자연 조명으로 활용하기 위한 채광 시스템에 대한 연구가 활발하다.
태양광 채광 기술은 반사 거울 시스템, 프리즘 시스템, 광 파이프 시스템, 헬리오스타트 시스템, 광섬유형 채광 시스템 등으로 구현될 수 있다. 여기서, 반사 거울 시스템은 반사 거울을 이용하여 태양광을 집광하는 방식이고 추가적인 반사거울이 필요할 수 있다. 광 파이프 시스템은 광 파이프에 빛을 흐르게 하여 전체 파이프가 동일한 조도를 갖도록 한다. 헬리오스타트 시스템은 거울 또는 유리 타일을 사용하며 자동으로 태양을 추적하고, 두 장의 평판 프리즘을 사용하여 집광한 자연광을 바로 실내로 유입시킨다. 이러한 채광 시스템들은 건축물의 시공 단계부터 설계되어야 하며 많은 유지 보수 비용을 필요로 한다.
이와 달리, 광섬유형 채광 시스템은 집광된 태양광을 광섬유들을 사용하여 원하는 위치까지 전송한다. 이러한 광섬유형 채광 시스템은 많은 양의 태양광을 전달하기 위해서는 광케이블을 사용함에 따라 전송거리의 제약이 없으며, 설치에 따른 제약이 크지 않다. 따라서, 광섬유형 채광 시스템은 시공될 단계에서부터 설계되지 않아도 된다.
그러나, 태양광을 채광하기 위한 광케이블은 고가이므로, 광케이블의 광섬유 개수가 증가할수록 설치 비용이 증가한다는 문제점이 있었다.
본 발명의 목적은 태양광 전송을 위한 광케이블 내 광섬유의 개수를 감소시킨 태양광 광결합기 및 그것을 포함한 태양광 시스템을 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 설치 비용을 감소시킨 태양광 광결합기 및 그것을 포함한 태양광 시스템을 제공함에 있다.
본 발명에 따른 태양광 시스템은 태양광을 집광하는 집광기, 상기 집광기로부터 출력된 태양광들을 모아 하나의 광선로로 출력하는 태양광 광결합기, 및 상기 출력된 태양광을 이용하는 태양광 이용 기기를 포함하고, 상기 태양광 광결합기는 복수개의 광섬유를 포함한 광섬유 번들을 통해 입력되는 태양광을 하나로 모으는 빔 인테그레이터, 상기 모아진 태양광을 포커싱하는 트리플릿 렌즈, 및 상기 포커싱된 태양광을 전달하는 열확장 코어 광섬유를 포함한다.
이 실시예에 있어서, 상기 집광기는 상기 태양광을 집광하기 위한 복수개의 렌즈들, 및 상기 복수개의 렌즈들을 통해 집광되는 태양광들을 상기 복수개의 광섬유들 각각으로 제공하기 위한 복수개의 집광 소자들을 포함한다.
이 실시예에 있어서, 상기 트리플릿 렌즈는 제 1 볼록 렌즈, 제 2 볼록 렌즈, 및 상기 제 1 볼록 렌즈와 상기 제 2 볼록 렌즈 사이에 위치한 오목 렌즈를 포함한다.
이 실시예에 있어서, 상기 열 확장 코어 광섬유는 입력단의 코어를 확장시켜 광섬유 개구수를 증가시킨 광섬유이다.
이 실시예에 있어서, 상기 열 확장 코어 광섬유는 하나의 광섬유이다.
본 발명에 따른 태양광 광결합기는 복수개의 광섬유들을 포함한 광섬유 번들을 통해 입력되는 태양광을 하나로 모으는 빔 인테그레이터, 상기 모아진 태양광을 포커싱하는 트리플릿 렌즈, 및 상기 포커싱된 태양광을 전달하는 광섬유를 포함하고, 상기 광섬유는 열 확장 코어 광섬유이다.
이 실시예에 있어서, 상기 트리플릿 렌즈는 제 1 볼록 렌즈, 제 2 볼록 렌즈, 및 상기 제 1 볼록 렌즈와 상기 제 2 볼록 렌즈 사이에 위치한 오목 렌즈를 포함한다.
이 실시예에 있어서, 상기 열 확장 코어 광섬유는 입력단의 코어를 확장시켜 광섬유 개구수를 증가시킨 광섬유이다.
이 실시예에 있어서, 상기 열 확장 코어 광섬유는 하나의 광섬유이다.
본 발명의 태양광 광 결합기는 코어 입력단의 개구수를 확장시킨 열 확장 코어 광섬유를 사용함에 따라 하나의 광섬유를 사용하여 원하는 장소까지 태양광을 전송할 수 있다. 또한, 태양광 광 결합기는 하나의 광섬유를 통해 태양광을 전송할 수 있음으로 인해 설치 비용을 감소시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 태양광 시스템을 도시한 도면,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 집광기를 도시한 도면,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 태양광 광결합기를 도시한 도면, 및
도 4는 도 3에 도시된 트리플릿 렌즈를 예시적으로 도시한 도면이다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기의 설명에서는 본 발명에 따른 동작을 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않도록 하기 위해 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 태양광 시스템을 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 태양광 시스템(10)은 집광기(100), 태양광 광결합기(200), 및 태양광 이용 기기(300)를 포함한다.
집광기(100)는 태양으로부터의 태양광을 복수개의 광섬유들 각각으로 집광한다. 여기서, 광섬유들은 광섬유 번들(fiber bundle)(210)에 각각 포함될 수 있다. 여기서, 집광기(100)는 태양을 향해 방향을 전환할 수 있는 방향 변환기를 추가로 포함할 수도 있다. 이를 통해, 집광기(100)는 태양광의 집광 성능을 향상시킬 수 있다.
집광기(100)는 집광된 광을 광섬유 번들(210)을 통해 태양광 광결합기(200)로 출력한다.
태양광 광결합기(200)는 집광기(100)에 연결된 광섬유 번들(210)을 통해 제공된 태양광들을 결합한다. 이를 통해, 태양광 광결합기(200)는 하나의 광섬유(240), 즉 열 확장 코어 광섬유(TEC fiber: Thermally-diffusion Expand Core fiber)로 전달한다. 이를 통해, 태양광 광결합기(200)는 광결합 효율을 최대로 할 수 있다.
태양광 광결합기(200)는 광섬유(240)를 통해 태양광 이용 기기(300)로 태양광을 출력할 수 있다.
태양광 이용 기기(300)는 전달된 태양광을 이용하여 조명을 활용하는 기기를 포함한다. 하지만, 태양광 이용 기기(300)는 조명 이외의 살균, 건조 등을 제공할 수 있는 다른 기기를 포함할 수도 있다.
여기서, 태양광 광결합기(200)는 하나의 집광기(100)가 연결된 구조는 설명의 편의를 위한 것으로, 두 개 이상의 집광기들이 연결된 구조를 가질 수도 있다.
이와 같이, 본 발명은 태양광 광결합기(200)를 통해 복수개의 광섬유들로 집광된 태양광을 하나의 광섬유를 통해 전송하도록 할 수 있다. 이에 따라, 본 발명에서 제안된 태양광 광결합기(200)는 높은 비용을 필요로 하는 광케이블의 개수를 감소시킬 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 집광기를 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 집광기(100)는 채광판(110), 집광판(120), 및 광섬유들(131, 132, 133, 134, 135, 136)을 포함한다.
채광판(100)은 태양광을 복수개의 렌즈들(111, 112, 113, 114, 115, 116)을 포함한다. 복수개의 렌즈들(111, 112, 113, 114, 115, 116) 각각은 채광판(100)의 표면에 위치할 수 있고, 태양광을 광섬유들(131, 132, 133, 134, 135, 136)로 전달하기 위해 렌즈 표면으로 입사되는 태양광을 하나의 초점을 기준으로 집광한다.
집광판(120)은 광섬유들(131, 132, 133, 134, 135, 136) 각각이 연결된 집광 소자들(121, 122, 123, 124, 125, 126)을 포함한다. 여기서, 복수개의 집광 소자들(121, 122, 123, 124, 125, 126)은 복수개의 렌즈들(111, 112, 113, 114, 115, 116) 각각에 대응되고, 복수개의 렌즈들(111, 112, 113, 114, 115, 116)이 태양광을 집광하는 초점들 각각에 위치할 수 있다. 또한, 복수개의 집광 소자들(121, 122, 123, 124, 125, 126)은 광섬유들(131, 132, 133, 134, 135, 136)이 각각 연결된다. 그러므로, 집광판(120)의 집광 소자들(121, 122, 123, 124, 125, 126)은 태양광을 광섬유들(131, 132, 133, 134, 135, 136)로 출력한다.
광섬유들(131, 132, 133, 134, 135, 136)은 집광 소자들(121, 122, 123, 124, 125, 126) 각각에 연결되어 태양광을 태양광 광결합기(200)로 출력한다. 또한, 광섬유들(131, 132, 133, 134, 135, 136)이 복수개 포함된 묶음은 광섬유 번들(210)이다.
일예로, 제 1 렌즈(111)를 통해 태양광은 제 1 집광 소자(121)로 전달된다. 제 1 집광 소자(121)는 제 1 렌즈(111)를 통해 집광된 태양광을 연결된 제 1 광섬유(131)를 통해 태양광 광결합기(200)로 전달한다. 이와 같이, 나머지 렌즈들(112, 113, 114, 115, 116)도 집광 소자들(122, 123, 124, 125, 126)을 통해서 광섬유들(132, 133, 134, 135, 136)로 태양광을 전달할 수 있다.
또한, 집광기(100)는 일예로 설명된 것으로서, 광섬유들(131, 132, 133, 134, 135, 136)로 태양광을 집광하는 집광기(100)는 상술한 구조 이외의 다양한 구조를 가질 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 태양광 광결합기를 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 태양광 광결합기(200)는 광섬유 번들(210), 빔 인테그레이터(beam integrator)(220), 트리플릿 렌즈(triplet lens)(230), 및 광섬유(240)를 포함한다.
광섬유 번들(210)은 복수개의 광섬유들을 포함한다. 광섬유 번들(210)은 집광기(100)로부터 집광된 태양광을 출력하는 복수개의 광섬유들을 포함한다. 여기서, 광섬유 번들(210)은 집광기(100)로부터 집광된 태양광을 태양광 광결합기(200)로 출력하기 위한 복수개의 광섬유들(132, 133, 134, 135, 136)을 포함하므로, 집광기(100)와 태양광 광결합기(200) 사이에 위치한다. 따라서, 광섬유 번들(210)은 설명의 편의를 위하여 태양광 광결합기(200)에 포함된 것으로 설명한다. 빔 인테그레이터(220)는 광섬유 번들(210)로부터 출력되는 태양광들을 하나의 태양광으로 모아 출력한다.
트리플릿 렌즈(230)는 하나로 모아진 태양광을 광섬유(240)로 포커싱시킨다.
광섬유(240)는 하나로 모아진 태양광을 전송한다. 이때, 광섬유(240)는 열확장 코어 광섬유가 사용될 수 있다. 여기서, 빔 인테그레이터(220)와 트리플릿 렌즈(230)를 통해 광섬유 번들(210)에서 출력되는 복수개의 태양광들을 하나의 태양광으로 모은다. 이로 인해, 빔의 크기가 커져 태양광이 입사되는 광섬유(240)의 개구수(numerical aperture)가 집광기(100)에서 사용한 광섬유들의 개구수와 같을 경우, 태양광 손실이 발생하여 광결합 효율이 좋지 못하다. 결국, 모아진 하나의 태양광이 입사되는 광섬유를 열 확장 코어 광섬유를 사용하여 모아진 태양광이 입력되는 입력단의 코어를 확장한다.
열 확장 코어 광섬유는 광섬유 코어 내의 첨가물들이 열처리에 의해 확산될 수 있도록 구성되며, 광섬유의 코어를 확장시켜 광섬유의 개구수를 늘릴 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 태양광 시스템은 열 확장 코어 광섬유를 사용한 태양광 광결합기(200)를 사용함으로써 고가의 광케이블의 개수를 감소시킬 수 있고, 태양광을 손실없이 하나의 광섬유를 통해 장거리 전송에 활용할 수 있다.
도 4는 도 3에 도시된 트리플릿 렌즈를 예시적으로 도시한 도면이다.
도 4를 참조하면, 트리플릿 렌즈(230)는 두 개의 볼록 렌즈(231, 232)와 오목 렌즈(233)를 포함한다.
두 개의 볼록 렌즈들(231, 232)은 일정 거리 이격된 형태로 구현된다.
오목 렌즈(233)는 두 개의 볼록 렌즈들(231, 232) 사이에 위치한다. 오목 렌즈는 에지의 두께(d2)가 중심의 두께(d1)보다 크다.
트리플릿 렌즈(230)는 두 개의 볼록 렌즈들(231, 232)과 하나의 오목 렌즈(233)가 접합되어 일체화된 구조를 갖는다. 트리플릿 렌즈(230)는 수차를 감소시키며, 높은 광학 특성을 유지할 수 있다.
본 발명의 태양광 광결합기(200)는 광섬유형 태양광 채광용 태양광 시스템(10) 내에서 복수개의 광섬유들(131, 132, 133, 134, 135, 136)을 통해 태양광을 집광하더라도 하나의 광섬유(240)를 사용하여 원하는 장소까지 태양광을 전송할 수 있다. 이를 통해, 태양광 시스템 구현 시 설치 비용을 감소시킬 수 있는 태양광 광결합기(200)를 제공할 수 있다. 또한, 태양광을 전송하기 위한 광섬유의 입력단의 코어부를 열을 이용하여 크기를 확장함으로서 태양광을 손실없이 전송할 수 있다.
한편, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 상술한 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 발명의 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
10: 태양광 시스템 100: 집광기
200: 태양광 광결합기 300: 태양광 이용 기기
210: 광섬유 번들 240: 광섬유
110: 채광판 120: 집광판
111, 112, 113, 114, 115, 116: 렌즈들
121, 122, 123, 124, 125, 126: 집광 소자들
131, 132, 133, 134, 135, 136: 광섬유들
220: 빔 인테그레이터 230: 트리플릿 렌즈
231, 232: 볼록 렌즈들 233: 오목 렌즈

Claims (9)

  1. 태양광을 집광하는 집광기;
    상기 집광기로부터 출력된 태양광들을 모아 하나의 광선로로 출력하는 태양광 광결합기; 및
    상기 출력된 태양광을 이용하는 태양광 이용 기기를 포함하고,
    상기 태양광 광결합기는
    복수개의 광섬유를 포함한 광섬유 번들을 통해 입력되는 태양광을 하나로 모으는 빔 인테그레이터;
    상기 모아진 태양광을 포커싱하는 트리플릿 렌즈; 및
    상기 포커싱된 태양광을 전달하는 열확장 코어 광섬유를 포함하는 태양광 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 집광기는
    상기 태양광을 집광하기 위한 복수개의 렌즈들; 및
    상기 복수개의 렌즈들을 통해 집광되는 태양광들을 상기 복수개의 광섬유들 각각으로 제공하기 위한 복수개의 집광 소자들을 포함하는 태양광 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 트리플릿 렌즈는
    제 1 볼록 렌즈;
    제 2 볼록 렌즈; 및
    상기 제 1 볼록 렌즈와 상기 제 2 볼록 렌즈 사이에 위치한 오목 렌즈를 포함하는 태양광 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 열 확장 코어 광섬유는 입력단의 코어를 확장시켜 광섬유 개구수를 증가시킨 광섬유인 태양광 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 열 확장 코어 광섬유는 하나의 광섬유인 것을 특징으로 하는 태양광 시스템.
  6. 복수개의 광섬유들을 포함한 광섬유 번들을 통해 입력되는 태양광을 하나로 모으는 빔 인테그레이터;
    상기 모아진 태양광을 포커싱하는 트리플릿 렌즈; 및
    상기 포커싱된 태양광을 전달하는 광섬유를 포함하고,
    상기 광섬유는 열 확장 코어 광섬유인 태양광 광결합기.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 트리플릿 렌즈는
    제 1 볼록 렌즈;
    제 2 볼록 렌즈; 및
    상기 제 1 볼록 렌즈와 상기 제 2 볼록 렌즈 사이에 위치한 오목 렌즈를 포함하는 태양광 광결합기.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 열 확장 코어 광섬유는 입력단의 코어를 확장시켜 광섬유 개구수를 증가시킨 광섬유인 태양광 광결합기.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 열 확장 코어 광섬유는 하나의 광섬유인 태양광 광 결합기.
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