KR20150146037A - 태양광 센서와 감속수단을 갖는 자연채광장치 - Google Patents

태양광 센서와 감속수단을 갖는 자연채광장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 자연채광장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 태양광 센서를 통해 태양의 방위각 및 고도에 맞게 1차반사판의 반사각도가 조절되어 유입된 빛을 항상 수직상방으로 반사함으로써 제작단가를 낮추고 유지보수를 저렴하고 원활하게 실시할 수 있는 자연채광장치에 관한 것이다.
본 발명은 서로 직교하는 X축, Y축 및 Z축 상에서 Y축 및 Z축을 중심축으로 회전하여 태양의 위치를 추적하고 표적주사영역으로 빛을 전달하는 자연채광장치에 있어서, 상기 태양의 방위각에 대응할 수 있도록 Z축을 중심축으로 회전가능하게 구비되고, 상기 Y축을 중심축으로 회전가능하게 구비되어 시간에 따라 변화하는 태양의 방위각 및 고도에 맞게 반사각도가 조절되어 상기 태양으로부터 유입된 빛을 항상 수직상방으로만 반사하는 1차반사판이 구비되는 1차반사부; 및 상기 1차반사판의 수직상방에 배치되어 상기 1차반사판으로부터 반사된 빛을 표적주사영역으로 전달하는 2차반사판이 구비되는 2차반사부;를 포함하고, 상기 1차반사판은 상기 태양의 방위각 변화시 태양의 방위각 변화각도와 동일하게 반사각도가 변경되고, 상기 태양의 고도 변화시 태양의 고도 변화각도의 1/2만큼 반사각도가 변경되는 것을 특징으로 하는 자연채광장치를 제공한다.

Description

태양광 센서와 감속수단을 갖는 자연채광장치{A natural lighting System with Sunlight Sensor and Deceleration Apparatus}
본 발명은 자연채광장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 태양광 센서를 통해 태양의 방위각 및 고도에 맞게 1차반사판의 반사각도가 조절되어 유입된 빛을 항상 수직상방으로 반사함으로써 제작단가를 낮추고 유지보수를 저렴하고 원활하게 실시할 수 있는 자연채광장치에 관한 것이다.
오늘날 현대인들은 아파트, 빌딩 등과 같은 고층건물에서 생활하는 경우가 빈번하다. 이러한 아파트나 빌딩과 같은 고층건물은 태양을 마주하는 전면(북반구의 경우 남향) 측에는 항상 채광이 이루어지지만, 태양과 반대편에 위치하는 건물의 후면(북향)은 건물 자체의 그림자에 의해 햇빛이 차단되며, 그 건물의 후방에 위치한 다른 건물은 전방에 위치한 건물에 의해 전면조차도 햇빛이 전달되지 않는 일조권 침해를 겪게 된다. 이에 따라, 창문이 남향으로 설치되지 않은 공간이나 전방 건물에 의해 일조권 침해를 겪는 곳에서 생활하는 현대인들은 일조량 부족으로 햇볕 결핍 증후군과 같은 현대병 질환에 걸릴 확률이 대단히 높은 실정이다.
따라서 이를 해결하기 위하여, 건물옥상과 같은 높은 지점에 자연채광장치를 설치하여 일조량을 확보하기 위한 노력이 지속적으로 일어나고 있으며, 이러한 자연채광장치는 실내 일부 영역에 한정적으로 햇빛을 공급하거나, 아파트나 빌딩 같은 고층건물의 옥상에 설치되어 햇빛이 도달하지 못하는 건물의 일부 영역에 햇빛을 보상해 줄 수 있는 장치이다.
그러나, 이러한 종래의 자연채광장치 중에 태양의 위치에 대응하는 구동형, 특히 구조적 안정성을 확보할 수 있는 태양 방위각 및 고도에 대한 분리(decoupled) 구동형 자연채광장치들은 태양의 방위각과 고도에 각각 대응하기 위하여 Yawing 구동과 Pitching 구동이 제어부를 통해 복잡한 알고리즘을 통하여 계산되어야 하므로, 이러한 알고리즘 산출을 위해 고가의 컨트롤러 및 부가장치들(각도센서 등)이 사용되어 초기 제작단가가 높아지고, 유지보수가 복잡하여 원활한 사후 서비스가 어려운 문제점이 있었다.
KR 10-1021169 B1
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 태양광 센서를 통해 시간에 따라 변화하는 태양의 방위각 및 고도에 맞게 반사각도가 조절되는 1차반사판을 통해 유입된 빛을 항상 수직상방으로 반사함으로써 제작단가를 낮추고 유지보수비용을 절감할 수 있는 자연채광장치를 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 서로 직교하는 X축, Y축 및 Z축 상에서 Y축 및 Z축을 중심축으로 회전하여 태양의 위치를 추적하고 표적주사영역으로 빛을 전달하는 자연채광장치에 있어서, 상기 태양의 방위각에 대응할 수 있도록 Z축을 중심축으로 회전가능하게 구비되고, 상기 태양의 고도에 대응할 수 있도록 Y축을 중심축으로 회전가능하게 구비되어 시간에 따라 변화하는 태양의 방위각 및 고도에 맞게 반사각도가 조절되어 상기 태양으로부터 유입된 빛을 항상 수직상방으로만 반사하는 1차반사판이 구비되는 1차반사부; 및 상기 1차반사판의 수직상방에 배치되어 상기 1차반사판으로부터 반사된 빛을 표적주사영역으로 전달하는 2차반사판이 구비되는 2차반사부;를 포함하고, 상기 1차반사판은 태양의 방위각 변화에는 그대로 따라서 Yawing 각도가 변경되면서 태양의 고도 변화에는 변화각도의 1/2만큼 Pitching 각도가 변경되는 것을 특징으로 하는 자연채광장치를 제공한다.
바람직하게는, 복수 개의 광센서를 갖추어 상기 태양의 위치(방위각 및 고도)를 감지하는 위치추적부를 포함하고, 상기 위치추적부는 상기 복수 개의 광센서가 설치되는 바닥판과 상기 바닥판으로부터 수직하게 연장되는 복수 개의 이격부재 및 상기 복수 개의 이격부재의 상부단을 연결하는 판상의 상판을 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 복수 개의 광센서는 서로 이웃하는 복수 개의 이격부재 사이에 배치되고 상기 상판의 테두리로부터 바닥판 측으로 수직하게 연장되는 가상의 테두리상에 중심부가 위치하도록 배치될 수 있다.
바람직하게는, 상기 1차반사부는 상기 1차반사판의 일측에 고정설치되는 일정길이를 갖는 지지축을 포함하고, 상기 지지축의 일단에는 상기 지지축을 회전시키는 구동모터가 연결되고, 타단에는 상기 바닥판이 감속수단을 매개로 연결될 수 있다.
바람직하게는, 상기 위치추적부는 제어부를 통하여 상기 상판이 항상 태양을 마주하도록 조정될 수 있다.
바람직하게는, 초기설정시 상기 1차반사판은 상기 이격부재의 길이방향이 지면과 수평을 이루는 상태에서 이격부재의 길이방향과 45도의 각도를 이루도록 배치될 수 있다. 이는 일출과 일몰의 경우와 같이 고도가 0도인 상태에서 1차반사판이 45도를 이루면 수직 상방인 90도 방향으로 햇빛을 반사시키는 것을 초기설정의 기준으로 잡는다.
바람직하게는, 상기 감속수단은 상기 태양의 고도 변화시 상기 위치추적부는 태양의 고도 변화 각도와 동일한 각도로 변경되고 상기 1차반사판은 태양의 고도 변화각도의 1/2만큼만 반사각도가 변경되도록 구비될 수 있다.
바람직하게는, 상기 감속수단은 상기 바닥판의 일측에 구비되는 피동풀리와 상기 지지축의 단부에 구비되는 구동풀리 및 상기 피동풀리와 구동풀리를 연결하는 벨트로 구비되고, 상기 구동풀리는 상기 피동풀리의 직경보다 2배의 직경을 갖도록 구비될 수 있다.
바람직하게는, 상기 감속수단은 상기 바닥판의 일측에 구비되는 피동기어와, 상기 지지축의 단부에 구비되는 구동기어와, 상기 구동기어 및 피동기어의 사이에 배치되어 상기 구동기어 및 피동기어가 동일한 방향으로 회전하도록 하는 중간기어를 포함하고, 상기 중간기어 및 피동기어 중 적어도 하나는 상기 구동기어와 1:2의 기어비를 갖도록 구비될 수 있다.
바람직하게는, 상기 1차반사판 및 2차반사판은 판상의 평면경으로 구비될 수 있다.
바람직하게는, 상기 2차반사부는 일정면적을 갖는 지지플레이트; 일정면적을 갖는 판상의 평면경으로 구비되어 상기 지지플레이트의 일면에 서로 인접하도록 배치되는 복수 개의 2차반사판; 및 상기 복수 개의 2차반사판을 상기 지지플레이트의 일측에 각각 고정하는 적어도 하나의 체결부재;를 포함하고, 상기 복수 개의 2차반사판은 상기 체결부재를 통하여 초기 설정각도가 개별적으로 조절되고, 상기 복수 개의 2차반사판은 햇빛의 산란 특성을 이용하여 햇빛면적을 확대하여 전달할 수 있다.
바람직하게는, 상기 2차반사판은 10cm×10cm의 크기일 때 80m 이격된 위치에서 상기 2차반사판의 반사면적보다 50~60배 확대된 햇빛면적이 획득되도록 구비될 수 있다.
바람직하게는, 상기 2차반사판을 통해 확대된 햇빛 면적은 하기의 식 및 이를 기준으로 도출되는 2차반사판의 반사면적과 확대된 햇빛 면적의 거리에 따른 점진적 증/감관계를 만족할 수 있다. 여기서, 확대된 햇빛 면적(㎠) = 7.7*2차반사판의 반사면적(㎠)+4900(㎠)이다.
바람직하게는, 상기 체결부재는 일정길이를 갖추고 외주면을 따라 나사부가 형성된 나사봉과 상기 나사봉의 일측에 체결되는 조절너트 및 상기 2차반사판의 후면에 접하도록 배치되어 상기 나사봉의 길이중간에 체결되는 고정너트를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 서로 마주하는 지지플레이트와 2차반사판 사이에는 상기 나사봉의 외주면을 감싸도록 스프링부재가 삽입배치될 수 있다.
바람직하게는, 상기 복수 개의 2차반사판은 상기 조절너트의 조절을 통하여 초기 반사각도가 개별적으로 조절될 수 있다.
바람직하게는, 상기 체결부재는 3개로 구비되고, 상기 3개의 체결부재는 삼각형을 이루도록 배치될 수 있다.
바람직하게는, 하부단이 설치면에 고정되는 베이스부; 상기 베이스부에 대하여 상기 Z축을 중심축으로 회전가능하게 설치되는 지지프레임과 상기 지지프레임에 지지축을 매개로 회전가능하게 연결되는 1차반사판이 구비되는 1차반사부; 및 상기 1차반사판의 수직상방에 배치되어 상기 1차반사판으로부터 반사된 빛을 표적주사영역으로 전달하는 2차반사판이 구비되는 2차반사부;를 포함하고, 상기 1차반사판은 상기 지지프레임의 상부측에 Y축과 평행한 방향으로 배치되고, 상기 2차반사부는 상기 베이스부로부터 상방으로 연장되는 연결프레임을 통하여 상기 2차반사판이 1차반사판의 수직상방에 배치될 수 있다.
본 발명에 의하면, 태양광 센서를 통해 시간에 따라 변화하는 태양의 방위각과 고도에 맞게 반사각도가 조절되는 1차반사판을 통해 유입된 빛을 항상 수직상방으로 반사함으로써 제작단가를 낮추고 유지보수를 저렴하고 원활하게 실시할 수 있는 자연채광장치를 제공하는 데 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 자연채광장치를 나타낸 전체사시도.
도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 자연채광장치를 나타낸 전체사시도.
도 3은 본 발명의 자연채광장치에 적용되는 1차반사부 및 위치추적부를 나타낸 확대도.
도 4는 도 2에 적용되는 2차반사부를 나타낸 저면사시도.
도 5는 도 2에서 조절너트를 통한 2차반사판의 설치각도를 조절하는 개념도.
도 6은 본 발명에 따른 자연채광장치에 적용되는 감속수단을 나타낸 도면.
도 7은 본 발명에 따른 자연채광장치에 적용되는 감속수단의 여러 형태를 나타낸 개념도.
도 8은 본 발명에서 태양의 위치 변화에 따른 위치추적부의 상태를 나타낸 개념도.
도 9는 본 발명에서 태양의 위치 변화에 따른 1차반사판 및 위치추적부의 상태를 나타낸 개념도.
도 10은 본 발명에 따른 자연채광장치의 설치상태도.
도 11은 2차반사판이 복수 개로 구비되는 경우 2차반사판과 채광영역과의 관계를 나타낸 개념도로써, a)는 분산채광을 하는 경우이고, b)는 집중채광을 하는 경우를 나타낸 도면.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 더욱 상세히 설명하기로 한다.
이하에서, 발명의 이해를 돕기 위해 도면부호를 부가함에 있어 동일한 구성요소에 대해서는 비록 다른 도면에 표시되었다 하더라도 동일한 도면부호를 사용하기로 한다.
한편, 명세서 전반에 걸쳐서 X축, Y축 및 Z축은 서로 직교하는 세 축을 말하며, X축은 도 1을 기준으로 지지축의 길이방향에 대하여 수직한 방향이고, Y축은 지지축의 길이방향과 평행한 방향이며, Z축은 베이스부의 높이방향과 평행한 방향을 지칭한다.
본 발명에 따른 자연채광장치(100,200)는 시간에 따라 변화하는 태양의 방위각 및 고도에 맞게 1차반사판(124)의 반사각도가 조절되어 유입된 빛을 항상 수직상방으로 반사함으로써 제작단가를 낮추고 유지보수를 저렴하고 원활하게 실시할 수 있는 데 기술적 특징이 있다.
이와 같은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 자연채광장치(100,200)는 도 1 내지 도 11에 도시된 바와 같이 베이스부(110), 1차반사부(120) 및 2차반사부(130,230)를 포함한다.
상기 베이스부(110)는 일정높이를 갖도록 구비되고, 하부단이 설치면(건물의 옥상 등)에 고정설치된다. 이러한 베이스부(110)의 상부단에는 지지프레임(122)이 상기 베이스부(110)에 대하여 Z축을 중심축으로 회전가능하게 구비된다. 즉, 상기 베이스부(110)에 제1모터(114)가 구비되고, 상기 제1모터(114)와 연결된 기어박스(116)가 상기 지지프레임(122)에 연결되어 제1모터(114)로부터 구동력을 인가받아 상기 지지프레임(122)이 베이스부(110)에 대하여 회전된다.
이때, 상기 제1모터(114)는 제어부(170)로부터 신호를 받아 구동이 제어되며, 시간에 따라 태양의 위치(방위각)가 변하게 되면 상기 제어부(170)의 신호에 의해 상기 제1모터(114)가 작동되어 상기 지지프레임(122)이 회전됨으로써 지지프레임(122)의 상부측에 구비된 1차반사판(124)이 태양의 위치(방위각)에 대응되도록 회전된다. 이에 따라, 시간의 변화에 따라 태양의 위치(방위각)가 변하더라도 상기 1차반사판(124)은 항상 태양과 마주하도록 위치가 변경됨으로써 태양으로부터 조사되는 빛을 반사시킬 수 있도록 한다.
상기 지지프레임(122)은 하부측이 상기 베이스부(110)의 상부단에 회전가능하게 결합되고, 상부측에 상기 1차반사판(124)이 연결되어 상기 1차반사판(124)을 베이스부(110)로부터 상부로 일정높이 이격시켜 지지하는 역할을 한다. 이때, 상기 지지프레임(122)의 상부측에 배치되는 1차반사판(124)은 지지축(126)을 매개로 지지프레임(122)에 연결된다. 여기서, 상기 지지축(126)은 일단에 구비되는 제2모터(128)에 의해 Y축을 중심으로 회전이 가능하도록 상기 지지프레임(122)에 결합된다. 이에 따라, 시간에 따라 태양의 위치(고도)가 변하게 되면 도 9에 도시된 바와 같이 상기 제2모터(128)에 의해 지지축(126)이 Y축을 중심축으로 회전함으로써 상기 1차반사판(124)도 Y축을 중심축으로 회전되어 태양의 고도 변화에 대응할 수 있도록 한다. 여기서, 상기 제2모터(128)는 상기 제어부(170)로부터 신호를 인가받아 구동이 제어된다.
상기 1차반사판(124)은 시간에 따라 변화하는 태양의 위치(방위각 및 고도)에 대응하여 반사각도가 변경됨으로써 태양으로부터 입사되는 빛을 상기 2차반사부(130,230)으로 반사시키기 위한 것이다.
이때, 본 발명에 따른 1차반사판(124)은 태양의 위치(방위각/고도)에 상관없이 태양으로부터 입사되는 빛이 항상 수직상방으로만 반사되도록 반사각도가 설정된다.(도 9 참조) 이에 따라, 시간의 변화에 따라 태양의 위치(방위각/고도)가 변하더라도 상기 제1모터(114)의 구동을 통해 상기 1차반사판(124)이 태양을 마주하도록 상기 지지프레임(122)을 Z축을 중심축으로 하여 회전시켜 주면 태양의 방위각에 대한 고려는 더 이상 필요하지 않게 된다. 이로 인해, 시간의 변화에 따른 태양의 고도 변화에 대응하여 입사되는 빛을 수직상방으로 반사시킬 수 있도록 상기 1차반사판(124)의 반사각도를 조절하게 되면 상기 2차반사부(130,230)를 통해 원하는 표적주사영역으로 빛을 전달할 수 있게 된다.
이에 따라, 본 발명에 따른 자연채광장치(100,200)는 시간의 경과에 따른 태양의 방위각 및 고도변화에 대응하기 위한 제어동작이 각각 개별적으로 수행될 수 있다는 것을 의미한다.
한편, 종래의 자연채광장치는 태양으로부터 입사되는 빛을 반사하는 1차반사판으로부터 표적주사영역(음영영역)으로 전달하기 위한 2차반사부로 유입되는 빛의 각도가 특별하게 정해져 있는 것이 아니기 때문에, 행성 운동학을 기반으로 하는 태양의 위치(방위각 및 고도) 산출은 물론, 산출된 태양의 위치와 2차반사부의 위치(1차반사판을 기준으로 한 2차반사부의 상대적 위치(2축 각도)를 1차반사판 중심의 구면좌표계 상에서 모두 고려하여 1차반사판의 자세(2축 각도, yawing & pitching) 데이터를 산출해야한다. 이에 따라, 이러한 복잡한 알고리즘의 산출을 위한 고가의 장비가 요구된다.
반면, 본 발명에 따른 자연채광장치(100,200)는 입사되는 빛이 항상 수직상방으로 반사되도록 1차반사판(124)의 반사각도가 설정됨에 따라 시간의 경과에 따른 태양의 위치에 대하여 태양의 방위각 및 고도변화에 대응되는 제1모터(114) 및 제2모터(128)의 제어동작이 태양광 센서의 신호만을 기준으로 수행됨으로써 단순한 저가의 컨트롤러를 사용할 수 있어 제작단가를 획기적으로 줄일 수 있게 된다. 더불어, 저가의 컨트롤러의 경우 복잡한 연산과정을 수행하지 않기 때문에 고장의 위험성 역시 현저히 줄어들어 유지보수 비용도 줄어들게 된다.
이와 같은 1차반사판(124)은 일정면적을 갖는 판상의 평면경으로 구비되며, 상기 지지프레임(122)에 지지축(126)을 매개로 회전가능하게 결합된다. 즉, 상기 지지축(126)의 단부에는 피동기어가 구비되고, 구동기어가 구비된 제1모터(114)가 상기 피동기어와 서로 맞물린다. 이에 따라, 상기 제1모터(114)로부터 구동력을 전달받아 상기 구동기어가 회전되면 맞물려 있는 피동기어에 의해 지지축(126)이 회전됨으로써 상기 1차반사판(124)이 Y축을 중심축으로 회동되어 태양으로부터 유입되는 빛을 반사하기 위한 반사각도가 조절된다. 이로 인해, 시간의 경과에 따른 태양의 위치(고도)가 변하게 되면 상기 제어부(170)의 신호에 의해 상기 제1모터(114)가 작동되어 1차반사판(124)을 회동시켜줌으로써 상기 1차반사판(124)으로 들어오는 빛을 수직상방으로 반사시키게 된다.
이때, 상기 1차반사판(124)은 시간의 경과에 따른 태양의 고도 변화시 입사되는 빛을 항상 수직상방으로 반사시킬 수 있도록 초기 설정시 태양의 고도를 0도로 가정하여 설치면(수평면)에 대하여 45도의 각도를 이루도록 배치되고, 태양의 고도 변화각도의 1/2만큼 반사각도가 변경되도록 설정된다.(도 9 참조)
여기서, 상기 위치추적부(150)에 구비되는 이격부재(152)의 길이방향은 지면과 수평한 상태를 이룬다.
이를 위해, 상기 지지축(126)의 단부측에는 복수 개의 광센서(154)를 갖추어 시간의 경과에 따른 태양의 위치를 감지하기 위한 위치추적부(150)가 감속수단(160,260)을 매개로 연결된다. 이러한 위치추적부(150)는 도 6 및 도 8에 도시된 바와 같이 복수 개의 광센서(154)가 설치되는 바닥판(151)과 상기 바닥판(151)으로부터 수직하게 연장되는 복수 개의 이격부재(152) 및 상기 복수 개의 이격부재(152)의 상부단을 연결하는 판상의 상판(153)으로 구성된다.
여기서, 상기 복수 개의 센서(154)는 태양으로부터 조사되는 빛의 유무(세기)를 감지하는 센서이며, 서로 이웃하는 이격부재(152)의 사이에 배치되고, 상기 상판(153)의 테두리로부터 바닥판(151) 측으로 수직하게 연장되는 가상의 테두리상에 중심부가 위치하도록 배치된다.(도 8 참조)
이러한 위치추적부(150)는 초기 설정시 상기 이격부재(152)의 길이방향과 1차반사판(124)이 서로 45도의 각도를 이루도록(도 9a 참조) 상기 지지축(126)의 단부측에 상기 감속수단(160,260)을 매개로 연결되며, 태양의 고도변화에 대응하여 태양의 고도변화와 동일한 각도만큼 회전되도록 제어부(170)에 의해 제어되어 상판(153)이 항상 태양과 마주할 수 있도록 한다.
이에 따라, 상기 상판(153)이 태양과 정위치로 마주하게 되면 태양으로부터 조사되는 빛을 통해 상기 상판(153)으로부터 드리워지는 그림자에 의해 모든 센서(154)는 일부가 그림자에 의해 덮여지고 나머지는 빛에 노출되어 빛을 감지하게 된다. 상기 제어부(170)에서는 모든 센서(154)에 드리워지는 그림자의 영역에 대한 정보로부터 태양의 위치정보를 획득하고, 태양의 위치에 맞게 1차반사판(124)의 반사각도를 조절하게 된다.
즉, 상기 제어부(170)는 모든 센서(154)의 절반 영역이 상판(153)에 의해 생성되는 그림자에 의해 덮여지고 나머지가 빛에 노출된 상태를 1차반사판(124)의 정위치 상태로 설정한 후(도 8a, 도 8d 참조), 시간의 경과에 따른 태양의 위치(방위각/고도)가 변하는 경우(도 8b,8e 참조) 상기 정위치 상태로 변경(도 8c,8f 참조)될 수 있도록 제1모터(114) 및 제2모터(128)를 작동시켜 1차반사판(124)의 반사각도를 변경하게 된다.
구체적으로 설명하면, 태양이 지평선 상에 위치하는 일출 또는 일몰의 경우 태양의 고도는 대략 0도와 비슷하므로, 유입되는 빛을 수직상방으로 반사시키기 위하여 1차반사판(124)은 이격부재(152)의 길이방향에 대하여 45도 기울어진 각도로 배치된다. 이후, 시간의 경과에 의해 태양의 위치(고도/방위각)가 변하게 되면 모든 센서 중 일부 센서는 상판(153)에 의해 생성되는 그림자에 의해 빛이 차단(도 8b, 8d 참조)된다. 이와 같은 경우 상기 제어부(170)는 1차반사판(124)이 정위치 상태에서 벗어난 것으로 판단하고 빛이 차단된 센서들로부터 정보를 획득하여 다시 정위치 상태로 변경(도 8c,8f 참조)될 수 있도록 제1모터(114) 및 제2모터(128)를 구동함으로써 상기 1차반사판(124)으로 유입된 빛이 수직상방으로 반사될 수 있도록 반사각도를 변경(도 8b 참조)하게 된다.(도 8b 참조) 여기서, 상기 제1모터(114)는 태양의 방위각 변화에 대응하여 1차반사판(124)이 Z축을 중심축으로 회전되도록 함으로써 1차반사판(124)이 항상 태양과 마주할 수 있도록 하며, 상기 제2모터(128)는 태양의 고도변화에 대응하여 1차반사판(124) 및 위치추적부(150)가 Y축을 중심축으로 회전되도록 함으로써 1차반사판(124)으로 유입된 빛을 항상 직상부로 반사시키는 한편 위치추적부(150)가 항상 태양과 마주할 수 있도록 한다.
이때, 상기 위치추적부(150)는 태양의 고도변화와 동일한 각도만큼 회전되고, 상기 1차반사판(124)은 상기 감속수단(160,260)에 의해 태양의 고도변화 각도의 1/2에 해당하는 각도만큼 변경됨으로써 1차반사판(124)의 반사각도가 변경되더라도 유입된 빛을 항상 수직상방으로 반사시킬 수 있게 된다.
이를 위해, 상기 감속수단(160,260)은 도 6 및 도 7a에 도시된 바와 같이 상기 바닥판(151)의 일측에 구비되는 피동풀리(162)와 상기 지지축(126)의 단부에 구비되는 구동풀리(161) 및 상기 피동풀리(162)와 구동풀리(161)를 연결하는 벨트(163)로 구비되고, 상기 구동풀리(161)는 상기 피동풀리(162)의 직경보다 2배의 직경을 갖도록 구비될 수 있다.
대안으로, 상기 감속수단(160,260)은 도 7b에 도시된 바와 같이 바닥판(151)dml 일측에 구비되는 피동기어(262)와, 상기 지지축(126)의 단부에 구비되는 구동기어(261)와, 상기 구동기어(261) 및 피동기어(262)의 사이에 배치되어 상기 구동기어(261) 및 피동기어(262)가 동일한 방향으로 회전되도록 하는 중간기어(263)로 구비되고, 상기 중간기어(263) 및 피동기어(262) 중 적어도 하나는 상기 구동기어(261)와 1:2의 기어비를 갖도록 구비된다.
도면과 설명에는 상기 감속수단(160,260)의 형태로, 풀리방식과 기어방식을 예시적으로 설명하였지만 이에 한정하는 것은 아니며, 1차반사판(124)의 회전각도와 위치추적부(150)의 회전각도가 1:2의 비율로 변경될 수 있는 것이면 어떠한 구조를 사용하여도 무방함을 밝혀둔다.
상기 2차반사부(130,230)는 상기 1차반사판(124)의 상부에 배치되어 상기 1차반사판(124)으로부터 유입된 빛을 표적주사영역으로 전달하기 위한 것이다. 이러한 2차반사부(130,230)는 유입된 빛을 항상 직상부로 반사시키는 1차반사판(124)의 직상부에 배치됨으로써 1차반사판(124)으로부터 반사된 빛이 모두 2차반사부(130,230) 측으로 유입될 수 있도록 한다. 이와 같은 2차반사부(130,230)는 상기 베이스부(110)로부터 연장되는 연결프레임(112)을 매개로 지지플레이트(132)가 상기 1차반사판(124)의 직상부에 배치되며, 상기 지지플레이트(132)의 일면에 2차반사판(134)이 적어도 하나의 체결부재(140)를 통하여 고정된다.
즉, 상기 지지플레이트(132)는 일면이 일정면적을 갖는 평면을 갖도록 구비되며, 상기 2차반사판(134)이 상기 평면에 고정된다. 이러한 지지플레이트(132)는 상기 1차반사판(124)으로부터 반사된 빛을 유입하여 원하는 표적주사영역 측으로 빛을 전달할 수 있도록 상기 2차반사판(134)을 고정하기 위한 지지구조물이다.
상기 2차반사판(134)은 유입된 광을 사용자가 원하는 영역으로 반사시켜 전달하기 위한 것으로, 일정면적을 갖는 판상의 부재로 이루어지며 평면경으로 구비된다.
한편, 본 발명에 따른 자연채광장치(100,200)는 도 2, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 상기 2차반사판(134)이 복수 개로 구비되고 체결부재(140)를 통하여 지지플레이트(132)의 일면에 각각 고정됨으로써 반사각도가 개별적으로 조절될 수도 있다.
본 출원인은 실험을 통하여 맑은 날 10cm×10cm의 크기를 갖는 사각형상의 평면경으로 햇빛을 약 80m 떨어진 건물에 비추어보면 50~60배로 확대된 반사면적을 얻을 수 있다는 것을 확인하였다. 이때, 상기 확대된 햇빛의 조도는 아래식과 같이 평면경의 반사율과 확대비율에 의해 결정되는 것을 확인할 수 있었다.
[수학식 1]
확산된 햇빛의 조도 = 태양의 직사광선 조도*반사율/확대비율
본 발명에서는 2차반사판(134)이 복수 개로 구비되는 경우 상술한 바와 같이 10cm×10cm의 크기를 갖는 사각형상의 평면경으로 구비되어 햇빛을 약 80m 떨어진 건물에 반사시킬 때 50~60배로 확대된 반사면적을 얻을 수 있는 평면경을 사용하도록 한다.
더불어, 본 출원인은 다양한 측정을 통하여 2차반사판(134)의 반사면적 대비 주사거리 80m에서 획득되는 확대된 햇빛면적의 관계를 아래의 식으로 도출하였다.
여기서, 상기 복수 개의 2차반사판(134)은 가로 및 세로의 길이가 동일한 정사각형상의 평면경을 사용하였다.
[수학식 2]
확대된 햇빛 면적(㎠) = 7.7*2차반사판의 반사면적(㎠)+4900(㎠)
주사거리 80m일 때, 2차반사판의 반사면적과 채광영역으로 전달되어 확대된 햇빛 면적
2차반사판의 반사면적(㎠) 확대된 햇빛 면적(㎠) 확대율
784 10936 14배
441 8992 19배
191 5945 32배
100 5670 56배
49 5281 108배
상기 표 1을 통해 확인할 수 있듯이 2차반사판(134)의 반사면적이 좁을수록 채광영역에서 획득되는 확대된 햇빛 면적은 좁아지고, 2차반사판(134)의 반사면적이 넓을수록 채광영역에서 획득되는 확대된 햇빛 면적은 넓어지는 것을 확인할 수 있는 반면, 2차반사판(134)의 반사면적이 좁을수록 햇빛면적의 확대율은 더욱 커지는 것도 함께 확인할 수 있다. 이는, 2차반사판(134)의 반사면적이 좁을수록 채광영역으로 전달되는 빛의 확대율은 상대적으로 커지나 전달되는 햇빛의 조도는 더 낮아진다는 것을 의미한다. 따라서, 실제 설치 시에는 본 발명의 반사경과 채광영역 사이의 주사거리 및 원하는 확대율에 따라, 상기 수학식 2 및 이를 기준으로 도출되는 2차반사판의 반사면적과 확대된 햇빛 면적의 거리에 따른 점진적 증/감 관계를 고려하여 적절한 반사면적을 갖는 2차반사판(134)이 다양하게 사용될 수 있음을 밝혀둔다. 더불어, 본 발명에 사용되는 2차반사판(134)은 10cm×10cm의 크기를 갖는 사각형상의 평면경으로 한정하는 것은 아니며, 표 1에 예시된 면적뿐만 아니라 상기의 수학식 2 및 이를 기준으로 도출되는 2차반사판의 반사면적과 확대된 햇빛 면적의 거리에 따른 점진적 증/감 관계를 만족하는 다양한 크기의 면적을 갖는 평면경으로 구비될 수 있음을 밝혀둔다.
본 발명에 따른 2차반사부(130,230)는 도 4에 도시된 바와 같이 복수 개의 2차반사판(134)이 서로 인접하도록 상기 지지플레이트(132)의 일면에 배치되며 상기 체결부재(140)를 매개로 상기 지지플레이트(132)의 일면에 각각 고정된다.
여기서, 상기 체결부재(140)는 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 일정길이를 갖추고 외주면을 따라 나사부가 형성된 나사봉(141)과, 상기 지지플레이트(132)의 후면에 배치되도록 상기 나사봉(141)의 일측에 체결되는 조절너트(143) 및 상기 각각의 2차반사판(134)의 후면에 접하도록 배치되어 상기 나사봉(141)의 길이중간에 체결되는 고정너트(142)를 포함한다.
그리고, 상기 나사봉(141)에는 일단이 상기 지지플레이트(132)의 일면에 접하고 타단이 상기 2차반사판(134)의 후면에 접하도록 스프링부재(144)가 삽입설치된다.
이때, 상기 각각의 2차반사판(134)을 고정하는 체결부재(140)는 3개로 구비되고, 상기 3개의 체결부재(140)는 삼각형을 이루도록 배치된다.
이에 따라, 도 5에 도시된 바와 같이 상기 지지플레이트(132)의 일면에 체결부재(140)를 통하여 각각 고정된 복수 개의 2차반사판(134)은 상기 조절너트(143)의 조임과 풀림을 통하여 상기 지지플레이트(132)에 대한 설치각도가 각각 개별적으로 조절된다. 그리고, 상기 3개의 체결부재(140)가 삼각형을 이루도록 배치됨으로써 3개의 체결부재(140)를 적절하게 조절하여 다양한 설치각도로 조정할 수 있게 된다. 여기서, 상기 조절너트(143)를 조이게 되면 상기 스프링부재(144)는 압축되어 탄성력을 저장한 후 상기 조절너트(143)를 풀게 되면 상기 스프링부재(144)에 저장된 탄성력에 의해 상기 2차반사판(120)을 일방향으로 밀게됨으로써 2차반사판(134)의 설치각도가 변경되게 된다.
이로 인해, 본 발명에 따른 2차반사부(130,230)는 복수 개의 2차반사판(134)이 상기 체결부재(140)의 조절-더욱, 자세하게는 조절너트(143)의 조절을 통하여 개별적으로 설치각도가 조절됨으로써 원하는 채광영역에 반사된 햇빛을 분산하여 전체적인 채광이 이루어지도록 할 수도 있고, 한 곳에 집중적인 채광을 수행할 수도 있다.
구체적으로 설명하면, 일례로 상기 지지플레이트(132)의 일면에 116개의 2차반사판(134)이 배치되도록 한다. 그리고, 116개의 2차반사판(134)을 10개씩의 2차반사판(134)이 동일한 영역을 채광하도록 설정하여 총 12개의 설정영역을 채광하도록 설정한다. 여기서, 상기 12개의 채광영역은 채광하고자 하는 건물에 설치된 총 12개의 유리창이 된다.
이에 따라, 본 발명에 따른 자연채광장치(100,200)를 사용하여 일조권 침해를 받는 여러 영역(창문)에 모두 동일한 햇빛의 양으로 채광할 수 있게 된다.(도 11a 참조)
한편, 상기 12개의 설정영역 중 일부영역에 집중채광을 수행하고자 하는 경우에는 상기 12개의 설정영역 중 선택된 일부의 설정영역에 다른 설정영역보다 더 많은 수의 2차반사판(134)이 빛을 전달하도록 설정각도를 조정함으로써 간편하게 전달되는 빛의 양을 조절할 수 있다.(도 11b 참조)
이와 같이, 본 발명에 따른 2차반사부(230)는 각각의 2차반사판(134)이 체결부재(140)를 통하여 반사각도가 개별적으로 조절됨으로써 원하는 영역에 분산 채광을 하거나 집중 채광을 수행할 수 있게 된다.
여기서, 도면과 설명에는 상기 각각의 2차반사판(134)이 10cm×10cm의 크기를 갖는 사각형상의 평면경으로 구비되는 것으로 도시하고 설명하였지만, 이에 한정하는 것은 아니며 원형 또는 다각면 및 이들을 조합한 다양한 면형상을 갖도록 구비될 수 있음을 밝혀둔다.
더불어, 상기 1차반사판(124) 및 2차반사판(134)이 평면경으로 구비되는 것을 도시하고 설명하였지만, 이에 한정하는 것은 아니며 유입된 빛을 반사시킬 수 있는 평면경, 구면경, 볼록경, 오목경이나 반사율이 높은 금속재질의 판 플레이트가 모두 사용될 수 있음을 밝혀둔다.
이와 같이 구성된 본 발명에 따른 자연채광장치(100,200)는 주로 가해건물(101)의 옥상에 설치될 수 있다. 이때, 상기 2차반사부(130,230)는 상기 1차반사판(124)의 직상부에 배치되도록 고정설치되며, 상기 1차반사판(124)은 태양의 위치에 상관없이 태양으로부터 유입된 빛을 항상 직상부로 반사시키도록 함으로써 1차반사판(124)에서 반사된 빛이 모두 2차반사부(130,230) 측으로 유입될 수 있도록 설정된다.
그리고, 상기 2차반사판(134)은 피해건물(102)의 음영지역(S)을 채광하도록 체결부재(140)를 통해 반사각도가 조절되어 있다.(2차반사판(134)이 복수 개로 구비되는 경우 복수 개의 2차반사판(134)은 반사각도가 개별적으로 조정됨.)
이때, 상기 복수 개의 2차반사판(134)은 도 11a에 도시된 바와 같이 대략 동일한 숫자의 2차반사판(134)이 피해건물(102)의 복수 개의 음영영역(A,B,C,D,E,F,G,H,I,J,K,L)을 각각 분담하여 채광할 수 있도록 설정될 수도 있고, 도 11b에 도시된 바와 같이 복수 개의 2차반사판(134)이 음영영역 중 일부(A,B,C,D)를 집중적으로 채광하도록 설정될 수도 있다.
이로 인해, 본 발명에 따른 자연채광장치(100,200)는 저렴한 태양광 센서와 감속수단의 조합을 통해 제작단가를 낮추고 유지보수를 저렴하고 원활하게 실시할 수 있는 것은 물론, 2차반사부와의 조합을 통해 제작이 용이하고 성능이 효율적인 한 대의 자연채광장치(100,200)로 채광이 필요한 다수의 음영영역을 함께 채광할 수 있음으로써 초기 설치비를 획기적으로 줄일 수 있으며, 조절너트(143)의 조절을 통해 각각의 2차반사판(134)의 반사각도(또는 설치각도)를 개별적으로 조절함으로써 다양한 방식의 채광을 구현할 수 있게 된다.
본 발명에 의하면, 태양광 센서를 통해 시간에 따라 변화하는 태양의 고도에 맞게 반사각도가 조절되는 1차반사판을 통해 유입된 빛을 항상 수직상방으로 반사함으로써 제작단가를 낮추고 유지보수비용을 절감할 수 있는 자연채광장치를 제공하는 데 있다.
더불어, 평면경으로 이루어진 복수 개의 2차반사판이 체결부재를 통하여 개별적으로 반사각도가 조절되도록 하고 햇빛의 산란 특성을 이용함으로써 제작이 용이하고 최대의 반사 효율을 활용할 수 있으며, 채광영역에 햇빛의 분산 또는 집중을 자유롭게 설정할 수 있게 되므로 사용편의성을 증대시키고 초기설치비용을 줄일 수 있는 장점이 있다.
상기에서 본 발명의 특정 실시예와 관련하여 도면을 참조하여 더욱 상세히 설명하였지만, 본 발명을 이와 같은 특정구조에 한정하는 것은 아니다. 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 특허청구범위에 기재된 기술적 사상을 벗어나지 않고서도 용이하게 수정 또는 변경할 수 있을 것이다. 그러나, 이러한 단순한 설계변형 또는 수정을 통한 등가물, 변형물 및 교체물은 모두 명백하게 본 발명의 권리범위 내에 속함을 미리 밝혀둔다.
100,200 : 자연채광장치 110 : 베이스부
112 : 연결프레임 114 : 제1모터
116 : 기어박스 120 : 1차반사부
122 : 지지프레임 124 : 1차반사판
126 : 지지축 128 : 제2모터
130,230 : 2차반사부 132 : 지지플레이트
134 : 2차반사판 140 : 체결부재
141 : 나사봉 142 : 고정너트
143 : 조절너트 144 : 스프링부재
150 : 위치추적부 151 : 바닥판
152 : 이격부재 153 : 상판
154 : 광센서 160,260 : 감속수단
161 : 구동풀리 162 : 피동풀리
163 : 벨트 261 : 구동기어
262 : 피동기어 263 : 중간기어
170 : 제어부

Claims (18)

  1. 서로 직교하는 X축, Y축 및 Z축 상에서 Y축 및 Z축을 중심축으로 회전하여 태양의 위치를 추적하고 표적주사영역으로 빛을 전달하는 자연채광장치에 있어서,
    상기 태양의 방위각에 대응할 수 있도록 Z축을 중심축으로 회전가능하게 구비되고, 상기 Y축을 중심축으로 회전가능하게 구비되어 시간에 따라 변화하는 태양의 방위각 및 고도에 맞게 반사각도가 조절되어 상기 태양으로부터 유입된 빛을 항상 수직상방으로만 반사하는 1차반사판이 구비되는 1차반사부; 및
    상기 1차반사판의 수직상방에 배치되어 상기 1차반사판으로부터 반사된 빛을 표적주사영역으로 전달하는 2차반사판이 구비되는 2차반사부;를 포함하고,
    상기 1차반사판은 상기 태양의 고도 변화시 태양의 고도 변화각도의 1/2만큼 반사각도가 변경되는 것을 특징으로 하는 자연채광장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    복수 개의 광센서를 갖추어 상기 태양의 위치를 감지하는 위치추적부를 포함하고, 상기 위치추적부는 상기 복수 개의 광센서가 설치되는 바닥판과 상기 바닥판으로부터 수직하게 연장되는 복수 개의 이격부재 및 상기 복수 개의 이격부재의 상부단을 연결하는 판상의 상판을 포함하는 것을 특징으로 하는 자연채광장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 복수 개의 광센서는 서로 이웃하는 복수 개의 이격부재 사이에 배치되고 상기 상판의 테두리로부터 바닥판 측으로 수직하게 연장되는 가상의 테두리상에 중심부가 위치하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 자연채광장치.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 1차반사부는 상기 1차반사판의 일측에 고정설치되는 일정길이를 갖는 지지축을 포함하고, 상기 지지축의 일단에는 상기 지지축을 회전시키는 구동모터가 연결되고, 타단에는 상기 바닥판이 감속수단을 매개로 연결되는 것을 특징으로 하는 자연채광장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 위치추적부는 제어부를 통하여 상기 상판이 항상 태양을 마주하도록 조정되는 것을 특징으로 하는 자연채광장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    초기설정시 상기 1차반사판은 태양의 고도를 0도로 가정하여 설치면에 대하여 45도의 각도를 이루도록 배치되고, 상기 이격부재는 길이방향이 상기 설치면과 수평을 이루도록 배치되어 상기 1차반사판이 상기 이격부재의 길이방향과 45도의 각도를 이루도록 배치되는 것을 특징으로 하는 자연채광장치.
  7. 제 4항에 있어서,
    상기 감속수단은 상기 태양의 고도 변화시 상기 위치추적부는 태양의 고도 변화 각도와 동일한 각도로 변경되고 상기 1차반사판은 태양의 고도 변화각도의 1/2만큼 반사각도가 변경되도록 구비되는 것을 특징으로 하는 자연채광장치.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 감속수단은 상기 바닥판의 일측에 구비되는 피동풀리와 상기 지지축의 단부에 구비되는 구동풀리 및 상기 피동풀리와 구동풀리를 연결하는 벨트로 구비되고, 상기 구동풀리는 상기 피동풀리의 직경보다 2배의 직경을 갖도록 구비되는 것을 특징으로 하는 자연채광장치.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 감속수단은 상기 바닥판의 일측에 구비되는 피동기어와, 상기 지지축의 단부에 구비되는 구동기어와, 상기 구동기어 및 피동기어의 사이에 배치되어 상기 구동기어 및 피동기어가 동일한 방향으로 회전하도록 하는 중간기어를 포함하고, 상기 중간기어 및 피동기어 중 적어도 하나는 상기 구동기어와 1:2의 기어비를 갖도록 구비되는 것을 특징으로 하는 자연채광장치.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 1차반사판 및 2차반사판은 판상의 평면경으로 구비되는 것을 특징으로 하는 자연채광장치.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 2차반사부는 일정면적을 갖는 지지플레이트;
    일정면적을 갖는 판상의 평면경으로 구비되어 상기 지지플레이트의 일면에 서로 인접하도록 배치되는 복수 개의 2차반사판; 및
    상기 복수 개의 2차반사판을 상기 지지플레이트의 일측에 각각 고정하는 적어도 하나의 체결부재;를 포함하고,
    상기 복수 개의 2차반사판은 상기 체결부재를 통하여 초기 설정각도가 개별적으로 조절되고,
    상기 복수 개의 2차반사판은 햇빛의 산란 특성을 이용하여 햇빛면적을 확대하여 전달하는 것을 특징으로 하는 자연채광장치.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 2차반사판은 10cm×10cm의 크기일 때 80m 이격된 위치에서 상기 2차반사판의 반사면적보다 50~60배 확대된 햇빛면적이 획득되도록 구비되는 것을 특징으로 하는 자연채광장치.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 2차반사판을 통해 확대된 햇빛 면적은 하기의 식 및 이를 기준으로 도출되는 2차반사판의 반사면적과 확대된 햇빛 면적의 거리에 따른 점진적 증/감관계를 만족하는 것을 특징으로 하는 자연채광장치.
    확대된 햇빛 면적(㎠) = 7.7*2차반사판의 반사면적(㎠)+4900(㎠)
  14. 제 11항에 있어서,
    상기 체결부재는 일정길이를 갖추고 외주면을 따라 나사부가 형성된 나사봉과 상기 나사봉의 일측에 체결되는 조절너트 및 상기 2차반사판의 후면에 접하도록 배치되어 상기 나사봉의 길이중간에 체결되는 고정너트를 포함하는 것을 특징으로 하는 자연채광장치.
  15. 제 14항에 있어서,
    서로 마주하는 지지플레이트와 2차반사판 사이에는 상기 나사봉의 외주면을 감싸도록 스프링부재가 삽입배치되는 것을 특징으로 하는 자연채광장치.
  16. 제 14항에 있어서,
    상기 복수 개의 2차반사판은 상기 조절너트의 조절을 통하여 초기 반사각도가 개별적으로 조절되는 것을 특징으로 하는 자연채광장치.
  17. 제 14항에 있어서,
    상기 체결부재는 3개로 구비되고, 상기 3개의 체결부재는 삼각형을 이루도록 배치되는 것을 특징으로 하는 자연채광장치.
  18. 제 1항에 있어서,
    하부단이 설치면에 고정되는 베이스부;
    상기 베이스부에 대하여 상기 Z축을 중심축으로 회전가능하게 설치되는 지지프레임과 상기 지지프레임에 지지축을 매개로 회전가능하게 연결되는 1차반사판이 구비되는 1차반사부; 및
    상기 1차반사판의 수직상방에 배치되어 상기 1차반사판으로부터 반사된 빛을 표적주사영역으로 전달하는 2차반사판이 구비되는 2차반사부;를 포함하고,
    상기 1차반사판은 상기 지지프레임의 상부측에 Y축과 평행한 방향으로 배치되고,
    상기 2차반사부는 상기 베이스부로부터 상방으로 연장되는 연결프레임을 통하여 상기 2차반사판이 1차반사판의 수직상방에 배치되는 것을 특징으로 하는 자연채광장치.
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