KR20170034034A - 고효율의 태양광 집광용 반사부재 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고효율의 태양광 집광용 반사부재에 관한 것으로, 태양광을 집광하여 태양전지판으로 반사하는 반사부; 상기 반사부와 마주하며, 반사부로부터 반사된 태양광을 집광하여 전기 에너지로 변환하는 태양전지판; 및 상기 태양전지판을 지지하며 고정하는 지지대;를 포함하는 태양광 집광용 반사부재에 있어서, 상기 반사부는 태양광을 반사시키기 위하여 오목거울의 형태를 가지되, 상기 오목거울의 오목부는 오목거울의 중심부쪽으로 갈수록, 초점거리가 짧은 오목거울이 복수로 조합되어 연속된 형태의 반사영역을 포함하는 태양광 집광용 반사부재에 관한 것이다.

Description

고효율의 태양광 집광용 반사부재{REFLECTIVE ELEMENT FOR CONDENSING SUN LIGHT WITH HIGH EFFICIENCY}

본 발명은 고효율의 태양광 집광용 반사부재에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 반사부의 중심부쪽으로 갈수록 반사광의 초점거리가 짧아지는 형태를 갖도록 반사부의 형상을 구성한 태양광 집광용 반사부재에 관한 것이다.

최근 들어, 태양에너지는 점점 고갈되고 있는 화석에너지를 대체할 수 있는 하나의 주요 대체수단으로서 자리매김하고 있다. 이와 같은 태양에너지는 화석에너지와 달리 이산화탄소의 배출이 없어서 지구의 온난화 현상을 방지할 수 있는 장점이 있고, 태양에너지는 태양이라는 무궁무진한 에너지 공급원을 갖기 때문에 에너지 절약 측면에서 타 에너지 수단보다 우수한 장점을 갖는다.

이러한 태양에너지 발전시스템은 일사된 태양복사 에너지를 집광하여 회수된 고온(250 ~ 1,200 ℃)의 열에너지를 이용, 발전설비를 구동하여 전기에너지를 얻는 방법을 사용하거나, 또는 태양전지를 사용하는 태양전지 발전방식이 있고, 태양전지를 이용하는 경우에 태양광을 직접적으로 전기에너지로 변환할 수 있어 편리한 장점이 있다.

상기 태양광 발전은 태양 에너지를 전기 에너지로 변환하는 광전 변환 소자인 태양전지판과 태양광을 모아 효율을 향상시키는 태양광 집광판을 포함하며, 이와 같은 태양 전지는 입사된 빛의 양에 비례하여 전기 에너지가 발생하고, 태양 전지의 크기가 매우 작으므로 넓은 범위의 태양광을 모아주는 태양광 집광기가 필요하다.

즉, 태양광을 집광하여 발전하기 위한 장치에서 사용되는 태양전지판의 면적은 일정한 면적을 가지고 있으므로, 입사하는 태양광의 광량을 증가시키기 위해서, 태양전지판보다 넓은 면적에 입사되는 태양광을 집광판, 또는 오목거울 등의 반사부재를 통해 태양광을 모아 태양전지판으로 반사해주는 기술이 개발되어 사용되어 왔다.

일반적으로 기존에 사용되는 태양광 집광 반사부재는 입사된 태양광을 태양전지판으로 반사하는 반사부와 이로부터 반사되는 태양광을 집광하는 태양전지판으로 구성될 수 있고, 특정한 면적의 태양전지판에 보다 많은 양의 태양광을 집광하기 위해서 상기 반사부는 태양전지판보다 넓은 면적을 가지고 있고, 반사부에 입사되는 태양광 입사광선이 태양전지판으로 모아질 수 있도록 오목거울 형태를 가지고 있으며, 이러한 구조의 태양광 집광 반사부재에서 태양전지판의 위치는 오목거울 형태의 반사부 전면에서 반사되는 태양광 반사광을 집광할 수 있도록 반사부에 대향하여 초점부근의 위치에 설치되어 있다.

이를 보다 상세히 살펴보면, 현재 태양광 집광용 반사부재의 반사부는 도 1에 도시되어 있는 것과 같이 반구형 거울이 일반적으로 사용되고 있다.

이와 같은 반구형 오목거울 반사부의 경우, 반사광은 반구의 초점을 지나도록 반사됨으로써 초점 부근의 특정한 부분에 집중적으로 반사광이 집광되는 것이 가능하나, 이러한 방식으로 태양광을 반사하는 반사부의 경우에 상기 도 1에서의 A부분에는 태양광이 입사되지 않음으로써, 상기 A부분으로부터 반사될 수 있는 반사광을 수광하는 태양전지의 영역에 해당하는 부분은 반사광의 수광이 불가능하여, 태양전지의 중심부분의 영역을 활용할 수 없는 단점을 가지게 되며, 또한 태양전지판의 전체면이 동일한 고르게 수광되지 않고 태양전지판의 위치에 따라 특정한 부분은 반사광을 받음으로써 가열되고 중앙부는 반사광을 받지 않으며, 또한 반구형 반사부의 특성에 따라 태양전지판의 바깥면에서 중앙부쪽으로 태양전지판의 온도차이가 크게 되다가 다시 중앙부의 비수광영역에 의해 온도가 감소하게 됨으로써, 태양전지판이 동일한 온도로서 유지되지 않는 단점 등의 태양광 발전 효율이 떨어질 수도 있는 문제점을 가지고 있다.

또한, 상기 반구형 오목거울 반사부의 경우, 넓은 면적을 갖는 반사부로부터의 반사광을 적은 면적의 태양전지판에 집광하는 경우에 반사부의 중심으로부터 멀리 떨어진 부분에서 반사되는 반사광을 좁은 면적의 태양전지판에 집광하기가 어려운 단점을 가지고 있다.

한편, 본 발명의 기술분야에 있어 상기 태양광 집광용 반사 부재의 종래기술로서, 한국공개특허 제2010-0069246호(2010.06.24.)는 태양광 집광장치에 관한 것으로서, 반구형태의 태양광 반사부로부터 반사된 태양광을 채광수단을 통해 재반사 및 재집속시키는 기술이 제시되어 있고, 또한, 미국공개특허 제2010-0071768호(2010.03.25.)는 반구형태의 제1 반사부에 반사되는 태양 반사광이 상기 제1 반사부 상부에 설치되어 있는 제2 반사부에서 재반사하여 제1 반사부 중앙에 위치한 태양전지판에 집광하는 기술이 제시되어 있다.

그러나, 상기 선행기술을 포함하는 종래 기술에서는 반구 형태의 반사부를 채용함으로써, 앞서 기재된 바와 같은 문제점을 해결할 수 없는 것으로 사료되며, 반사부재로부터 반사되는 태양광을 태양전지내 모든 면이 수광함으로써, 태양전지판의 사용되지 않는 부분이 없도록 하며, 또한 태양전지판의 특정부분의 온도가 지나치게 올라가지 않고, 태양전지판의 전 면적이 고르게 반사광을 받도록 최적화된 태양광 집광용 반사 부재의 개발에 대한 필요성은 지속적으로 요구되고 있는 실정이다.

한국공개특허 제2010-0069246호(2010.06.24.) 미국공개특허 제2010-0071768호(2010.03.25.)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해, 반사부재로부터 반사되는 태양광을 태양전지내 모든 면이 수광함으로써, 태양전지판의 사용되지 않는 부분이 없도록 하며, 또한 태양전지판의 특정부분의 온도가 지나치게 올라가지 않고, 태양전지판의 전 면적이 고르게 반사광을 받도록 최적화된 태양광 집광용 반사 부재를 제공하는 데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 상기 반사 부재를 적어도 하나 포함하는 태양광 집광 장치를 제공하는 데 발명의 또 다른 목적이 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 집광용 반사부재는, 태양광을 집광하여 태양전지판으로 반사하는 반사부; 상기 반사부와 마주하며, 반사부로부터 반사된 태양광을 집광하여 전기 에너지로 변환하는 태양전지판; 및 상기 태양전지판을 지지하며 고정하는 지지대;를 포함하는 태양광 집광용 반사부재에 있어서, 상기 반사부는 태양광을 반사시키기 위하여 오목거울의 형태를 가지되, 상기 오목거울의 오목부는 오목거울의 중심부쪽으로 갈수록 초점거리가 짧은 오목거울이 복수로 조합되어 연속된 형태의 반사영역을 포함하는 것을 특징으로 한다.

일 실시예로서, 상기 반사부는 거울을 포함하는 상기 반사영역 및 거울을 포함하지 않는 비반사 영역으로 구분되며, 상기 비반사 영역은 반사부의 중심부에 형성되고, 상기 태양전지판에 의해 태양광이 가려짐으로써 태양광이 태양전지판에 반사되지 않는 것을 특징으로 한다.

일 실시예로서, 상기 비반사 영역은 상기 태양전지판의 면적보다 작거나 같은 크기를 가지는 것을 특징으로 한다.

일 실시예로서, 상기 태양전지판은 반사부의 최상단부로부터의 거리가 상기 반사부내 반사영역의 최하단부에서 형성되는 구의 초점보다 더 먼 거리에 위치하는 것을 특징으로 한다.

일 실시예로서, 상기 태양전지판은 반사된 태양광을 받아들이기 위해 태양전지판의 한쪽면 만이 반사부에서 반사되는 반사광을 전기에너지로 변환하는 태양전지를 포함하는 것을 특징으로 한다.

일 실시예로서, 상기 태양전지판은 양면이 모두 태양광을 전기에너지로 변환하는 태양전지를 포함하되, 상부는 태양으로부터 직접 태양광을 받아들이며, 하부는 상기 반사부로부터 집광된 반사광을 받아들이는 것을 특징으로 한다.

일 실시예로서, 상기 반사부내 반사영역은 외부환경으로부터 반사면을 보호하기 위해 반사면이 유리 또는 고분자 수지의 투명한 보호층으로 코팅되어 있는 것을 특징으로 한다.

일 실시예로서, 상기 반사부내 반사영역의 최상단부의 반사광은 태양전지판의 어느 한쪽 말단에 반사되고, 또한 상기 반사영역의 최하단부의 반사광은 상기 태양전지판의 대향하는 타 말단에 반사되는 것을 특징으로 한다.

일 실시예로서, 상기 태양전지판은 원형 또는 다각형의 형태를 가지며, 상기 태양광 집광용 반사부재는 태양전지판의 원형 또는 다각형의 말단을 지지하기 위한 홀더를 포함하며, 상기 홀더가 상기 지지대와 결합되는 것을 특징으로 한다.

일 실시예로서, 상기 반사부는 원뿔, 다각형 뿔 또는 이들이 조합된 구조로 이루어지는 외면을 포함하는 오목거울 형태인 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명은 상기 태양광 집광용 반사부재를 적어도 하나 이상 포함하는 태양광 집광 장치를 제공한다.

본 발명에 따른 태양광 집광용 반사부재는 오목거울의 중심부쪽으로 갈수록 초점거리가 짧은 오목거울이 복수로 조합되어 연속됨으로써, 반사부재로부터 반사되는 태양광이 태양전지판의 중심부를 포함하는 태양전지내 모든 면에 의해 수광되어 태양전지판의 사용되지 않는 부분이 없으며, 또한 태양전지판의 특정부분의 온도가 지나치게 올라가지 않고, 태양전지판의 전 면적이 고르게 반사광을 받도록 최적화된 태양광 집광용 반사 부재를 제공할 수 있다.

또한 본 발명에 따른 태양광 집광용 반사부재는 반사부의 반사영역에 해당하는 오목거울의 면적이 태양전지판의 면적보다 큰 경우에 태양전지판에 많은 광량을 효과적으로 조사시킴으로써, 발전 효율을 높일 수 있으므로 경제적인 장점이 있다.

도 1은 종래의 태양광 집광용 반사부재에 대해 설명하기 위한 그림이다.
도 2는 수직으로 입사하는 입사광이 오목거울의 초점에 대해 반사되는 방향에 대해 설명하기 위한 그림이다.
도 3은 오목거울의 반사면을 형성하는 구의 반경에 따라 초점거리가 다양해지는 것에 대해 설명하기 위한 그림이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 초점거리가 서로 다른 구의 일부분이 조합된 오목거울을 도시한 그림이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 집광용 반사부재의 반사부에 대해 설명하기 위한 그림이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 집광용 반사부재의 다각형 각뿔 형태를 갖는 반사부에 대해 설명하기 위한 그림이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 집광용 반사부재에 따른 태양전지판의 크기 및 위치에 대해 설명하기 위한 그림이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 태양광 집광용 반사부재에 따른 태양전지판의 크기 및 위치에 대해 설명하기 위한 그림이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 집광용 반사부재에 따른 태양전지판의 크기 및 위치에 따라 집광된 효율을 도출하기 위한 그림이다.

다르게 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 모든 기술적 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 숙련된 전문가에 의해서 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로, 본 명세서에서 사용된 명명법 은 본 기술분야에서 잘 알려져 있고 통상적으로 사용되는 것이다.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 '포함' 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

도 2는 수직으로 입사하는 입사광이 오목거울의 초점에 대해 반사되는 방향에 대해 설명하기 위한 그림으로서, 상기 도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 오목거울의 초점거리(f : focal length)는 외부 광원으로부터 조사된 조사광이 오목거울의 반사면(reflecting surface)으로 입사된 후, 굴절 및 반사되어 형성되는 초점(F : Focal point)과 상기 반사면 사이의 거리를 의미하며, 상기 도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 상기 오목거울의 초점은 해당 오목거울의 곡면을 형성하는 구의 중심(C : Center)으로부터 반지름의 1/2 위치에 형성되고, 따라서 오목거울의 곡면을 형성하는 구의 중심과 반사면 사이의 거리(radius : 구의 반경)는 초점거리의 2배가 된다.

상기와 같은 원리로 인해, 초점거리를 짧게 하는 경우에 오목거울의 반사면을 형성하는 구의 반지름도 그만큼 짧아지게 되고, 구의 크기가 커지면 초점거리도 같이 커지게 된다는 것을 알 수 있다.

이와 같은 원리를 본 발명에서의 태양광 집광용 반사부재에 적용하게 되면, 상기 오목거울의 초점거리를 먼 것부터 가까운 것까지 연속적으로 조합되게 설계함으로써, 새로운 태양광 집광용 반사부재를 제공할 수 있다.

이를 도 3을 통해 보다 상세히 설명할 수 있다. 도 3은 오목거울의 반사면을 형성하는 구의 반경에 따라 초점거리가 다양해지는 것에 대해 설명하기 위한 예시도로서, 초점거리가 다른 오목거울을 동일한 위치에 겹쳐놓았을 때, 그에 따른 각각의 오목거울의 반사면을 형성하는 구의 크기가 도시되어 있다.

여기서 적색구는 흑색구 반지름의 80%, 녹색구는 흑색구 반지름의 60%를 가지는 것으로, 상기와 같이 동일 크기의 오목거울에서 반사면을 형성하는 구의 크기에 따라 초점거리는 비례하며, 반사부(반사면)의 깊이는 구의 크기와 반비례하기 때문에, 적색구를 반사면으로 가지는 오목거울의 초점거리는 흑색구에 해당하는 오목거울의 초점거리의 80%가 되고, 녹색구에 해당하는 오목거울의 초점거리는 흑색구에 해당하는 오목거울의 초점거리의 60%가 된다. 또한, 오목거울의 깊이는 녹색구에 해당하는 오목거울이 가장 깊고, 흑색구에 해당하는 오목거울이 가장 얕게 된다.

따라서 도 3에 도시된 바와 같이 오목거울내 각각의 다른 초점 거리를 가지는 구면을 각각 겹치게 하되 초점거리를 긴 것으로부터 짧은 것의 순으로 연결함으로써 반사부를 설계하여 반사부재를 제작하게 되면 본 발명에서의 다양한 초점거리를 갖는 새로운 태양광 집광용 반사부재를 제시할 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 집광용 반사부재의 구조를 설명하기 위해, 초점거리가 서로 다른 구의 일부분이 조합된 오목거울을 도시한 그림으로서, 반지름의 크기가 서로 다른 3 개의 구의 일부분이 조합된 형태로, 반지름의 크기가 작은 순서로 조합됨으로써 구성되는 본 발명에서의 반사부의 개념적 구조가 도시되어 있다.

즉, 도 4에 도시된 구조를 따르는 오목거울은 구의 지름방향에 평행으로 일정거리 만큼 이격되어 잘려진 복수의 오목거울이 반지름의 크기가 작은 순서로 조합되어, 오목거울의 중심부쪽으로 갈수록 초점거리가 짧은 오목거울들이 복수로 조합되어 구현된 형태로서, 이를 통해 수평으로 입사한 태양광이 검은 색의 구면에 해당하는 도우넛 형태의 영역에서 반사하는 경우에는 적색의 구면에 해당하는 도우넛 형태의 영역에서 반사하는 경우보다 더 먼 거리에서 초점이 형성되며, 녹색구의 구면에서의 반사광이 가장 짧은 초점거리를 가지며 반사하게 된다.

이러한 원리를 확장하여 본 발명에서는 상기 반사부의 오목거울이 연속적으로 초점거리가 변화할 수 있는, 태양광 집광용 반사부재의 구조를 제공할 수 있다.

이를 도 5를 통하여 보다 상세히 설명하도록 한다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 집광용 반사부재의 반사부에 대해 설명하기 위한 그림으로서, 상기 반사부에서의 오목거울의 오목부에 접하는 구의 초점거리가 연속적으로 변화할 수 있도록, 초점거리가 다른 구면이 연속된 형태로서의 원뿔의 형태를 나타내고 있다.

상기 도 5에서 도시되는 바와 같이 반사부의 반사영역은 원뿔의 꼭지점 부분인 원뿔 상부가 밑면에 수평한 방향으로 잘린 형태를 가지는, 단면이 사다리꼴 형태의 접시 모양을 가지게 되는 구조를 가지며, 상기 원뿔 또는 다각형 뿔의 꼭지점쪽의 중앙부 부분은 비반사 영역으로서 거울을 포함하지 않음으로써, 태양광을 반사하지 않을 수 있다.

즉, 본 발명에서의 반사부재에서의 상기 반사부는 거울을 포함하는 상기 반사영역 및 거울을 포함하지 않는 비반사 영역으로 구분될 수 있고, 상기 비반사 영역은 반사부의 중심부인 원뿔의 가상의 꼭지점 쪽에 형성되고, 이부분은 상기 태양전지판에 의해 태양광이 가려짐으로써, 태양광이 비반사영역에서는 태양전지판으로 반사되지 않을 수 있다.

여기서 상기 비반사 영역은 상기 태양전지판의 면적보다 작거나 같은 크기를 가질 수 있다. 만약 상기 거울을 포함하지 않는 비반사 영역의 면적이 태양전지판보다 넓게 되면 태양전지판의 면적을 초과하는 비반사영역의 면적에서 반사시킬 수 있는 태양광을 태양전지판쪽으로 반사시킬 수 없어 효율이 낮아질 수 있기 때문이다.

상기 도 5에 기재된 바와 같이, 본 발명에서의 반사부재는 반사영역으로서 원뿔의 중심부쪽이 잘려나간 형태를 가지며, 또한 비반사 영역으로서, 상기 원뿔의 잘려진 중심부 부분을 포함할 수 있다. 여기서 상기 비반사 영역의 경우에 태양광이 반사되지 않기 때문에 이의 형상이 원뿔 형상을 가지던지 또는 꼭지점 부분이 잘려짐으로써 평면의 형상을 가지던지는 중요하지 않으며, 본 발명에서는 상기 반사 영역이 원뿔 또는 다각형 뿔의 외면을 가지는 것이 기술적 특징이라 볼 수 있다.

즉, 본 발명에서의 반사부재의 반사영역은 중심으로부터 바깥방향으로 갈수록 반지름이 커지는 구가 외접함으로써, 이의 초점 거리 또한 원뿔 중심으로부터 바깥방향으로 갈수록 멀어지게 되어 태양광을 반사할 수 있고, 상기 초점거리의 변화가 연속적일 경우에는 그 오목거울의 형태는 원뿔 또는 다각형 뿔의 형태가 될 것이다.

보다 구체적으로, 본 발명은 태양광 집광용 반사부재는, 태양광을 집광하여 태양전지판으로 반사하는 반사부; 상기 반사부와 마주하며, 반사부로부터 반사된 태양광을 집광하여 전기 에너지로 변환하는 태양전지판; 및 상기 태양전지판을 지지하며 고정하는 지지대;를 포함하는 태양광 집광용 반사부재에 있어서, 상기 반사부는 태양광을 반사시키기 위하여 오목거울의 형태를 가지되, 상기 오목거울의 오목부는 오목거울의 중심부쪽으로 갈수록 초점거리가 짧은 오목거울이 복수로 조합되어 연속된 형태의 반사영역을 포함하는 구조를 가진다.

본 발명에서 사용되는 태양전지판의 경우에 외부로부터의 적외선, 가시광선 및 자외선을 가리지 않고 반사영역내 거울 표면에서 반사시켜 태양전지에서 이를 전기 에너지로 변환하는 것이면 제한되지 않고 사용될 수 있다.

상기 태양전지판은 원형 또는 다각형의 형태를 가질 수 있으며, 바람직하게는 원형 또는 사각형의 단면을 가질 수 있다.

또한 본 발명의 상기 태양전지판은 태양전지판의 한 쪽면만이 사용되거나 또는 양쪽면이 모두 사용될 수 있다. 즉, 상기 태양광 집광용 반사부재내 태양전지판은 반사된 태양광을 받아들이기 위해 태양전지판의 한쪽면 만이 반사부에서 반사되는 반사광을 전기에너지로 변환하는 태양전지를 포함하거나, 또는 양면이 모두 태양광을 전기에너지로 변환하는 태양전지를 포함하되, 상부는 태양으로부터 직접 태양광을 받아들이며, 하부는 상기 반사부로부터 집광된 반사광을 받아들이도록 구성 될 수 있다.

본 발명에서의 반사부는 외부의 태양광을 반사시키기 위하여 오목거울 형태로서, 상기 오목거울의 오목부는 오목거울의 중심부쪽으로 갈수록 초점거리가 짧은 오목거울이 복수로 조합되어 연속된 형태의 반사영역을 포함하게 된다.

이를 상기 도 5에 도시된 바에 따라 설명하면, 도 5에서는 원뿔이 역상으로 바닥면을 원뿔의 꼭지점이 향하며, 상기 원뿔의 꼭지점 부분인 원뿔 상부가 밑면에 수평한 방향으로 잘린 형태를 가지는, 단면이 사다리꼴 형태의 접시 모양을 가지게 되는 구조를 나타내고 있고, 도 5의 상부 그림내의 회색으로 채워진 부분이 본 발명에서의 반사영역으로서, 상기 오목거울의 오목부는 오목거울의 중심부쪽으로 갈수록 초점거리가 짧은 오목거울이 복수로 조합되어 연속된 형태를 나타내고 있다.

또한, 상기 도 5에서의 회색부분을 제외한 원뿔의 중심부는 상기 반사부의 비반사 영역에 해당되며, 도 5의 하부 그림에서는 태양전지판과 이를 지지하는 지지대를 도시하고 있다.

여기서, 상기 지지대는 태양전지판을 지지하며, 상기 반사부로부터 반사되는 태양광을 수용하기 위한 최적의 위치에 위치함으로써, 반사부와 이격될 수 있도록 하며, 이를 위해 상기 반사부와 연결되어 고정되거나, 또는 태양광 집광용 반사부재를 포함하는 태양광 집광 장치의 고정된 구성요소에 지지되어 태양전지판을 지지할 수 있도록 한다.

또한, 상기 지지대는 원형 또는 다각형 형태를 가지는 태양전지판의 말단을 직접 지지하는 구조일 수도 있고, 혹은 원형 또는 다각형 형태를 가지는 태양전지판의 말단을 지지하기 위한 홀더를 구비하고 있어 상기 홀더가 상기 지지대와 결합되는 구조일 수도 있다. 또한 지지대의 구조의 종류에 제한되지 않고 사용될 수 있으며, 최대한 반사부에 입/반사되는 태양광을 가리지 않을 수 있는 어떠한 구조로도 설치되어 있을 수 있다.

한편, 본 발명의 반사부재내 반사부는 반사영역이 원뿔 형태 이외의 다각형 뿔 또는 이들이 조합된 구조로 이루어지는 외면을 포함하는 오목거울 형태를 포함할 수 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 집광용 반사부재의 다각형 각뿔 형태를 갖는 반사부에 대해 설명하기 위한 그림으로서, 다양한 다각형 각뿔 형태의 반사부의 평면도를 도시하고 있다.

보다 상세하게는, 도 6(a)는 8각뿔로 형성된 반사부를 도시한 것이고, 도 6(b)는 하부의 반은 원뿔이고 상부는 8각뿔을 도시한 것이다. 또한, 도 6(c)는 비반사 영역 부분은 원형의 구조로, 안쪽부분은 8각뿔 형태로 형성한 반사부를 도시한 것이고, 도 6(d)는 비반사 영역 부분은 8각뿔로, 안쪽부분은 원뿔로 형성한 반사부를 도시한 것이며, 도 6(e)는 상부와 하부가 비대칭인 7각뿔로 형성한 반사부이고, 도 6(f)는 4각뿔로 형성한 반사부를 도시한 것으로, 각뿔을 형성하는 일부의 면을 원뿔의 일부 면과 같이 곡면으로 형성하고 중앙에는 비반사영역을 갖는 반사부를 도시한 것이다.

본 발명에서 상기 도 6에 도시된 반사부의 형태는 반사부를 형성하는 데 있어 원뿔과 다각형 뿔을 이용하여 다양하게 설계할 수 있다는 것을 설명하기 위한 것일 뿐, 본 발명에 따른 반사부재의 반사부 형상을 한정하는 것은 아니다.

또한 본 발명에서 상기 반사부재내 반사부를 구성하는 반사소재로서는 입사광을 반사시킬 수 있는 재질이면 종류에 제한받지 않고 사용될 수 있다.

본 발명에서의 상기 반사부는 외부 광원으로부터 입사되는 조사광을 반사시키기 위하여 오목거울의 오목부가 중심부쪽으로 갈수록 초점거리가 짧은 오목거울이 복수로 조합되어 연속된 형태의 반사영역을 가지는 오목거울 형태에 해당하면 종류에 제한되지 않고 사용가능할 수 있으며, 상기 반사부내 반사영역의 소재는 거울로 되어 있는 것이 바람직하나, 이에 한정하는 것은 아니며 입사광을 반사시킬 수 있도록 반사가능한 금속, 금속 산화물, 금속 염 등을 반사부의 표면에 코팅 등의 방법을 이용하여 처리할 수도 있다.

한편, 상기 반사부재내 반사부는 외부환경으로부터 반사면을 보호하기 위해 반사면이 유리 또는 고분자 수지의 투명한 보호층으로 코팅될 수 있다. 보다 상세하게는 상기 반사부를 유리 코팅, UV 코팅, 광촉매 코팅, PET, 아크릴, PC 등의 폴리머 코팅 또는 이들의 조합을 포함한 방법을 이용하여 상기 반사부재의 표면에 유리 또는 고분자 수지의 투명한 보호층을 코팅함으로써, 강수, 강설, 강풍, 먼지 또는 이들을 포함한 외부환경으로부터 상기 반사부재의 반사부 표면을 보호할 수 있다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 집광용 반사부재의 구조를 설명하기 위한 그림이다. 상기 도 7에 도시되어 있는 바와 같이 본 발명의 태양광 집광용 반사부재는 도 7의 하부에 위치한, 태양광을 집광하여 태양전지판으로 반사하는 반사부 및, 도 7의 상부에 위치하고 상기 반사부와 마주하며, 반사부로부터 반사된 태양광을 집광하여 전기 에너지로 변환하는 태양전지판을 구비하며, 또한 상기 태양전지판을 지지하며 고정하는 지지대(미도시)를 포함한다.

또한, 반사부의 중앙부로서, 상기 태양전지판과 평행한 방향으로 일정 거리에 비반사영역이 위치하며, 상기 비반사 영역은 태양광이 상기 태양전지판에 가려져 입사되지 않기 때문에 거울이 불필요하다. 이러한 비반사 영역은 원뿔 또는 다각형 뿔의 구조로부터 밑면과 평행한 방향으로 꼭지점을 포함하는 상부가 잘려진 형태로서 단면이 사다리꼴의 구조를 가지게 된다.

이하에서는 상기 도 7에 따라 본 발명에서의 반사부의 반사영역과 태양전지판의 위치 및 각각의 크기에 따른 태양광의 집광양태를 살펴보기로 한다.

도 7에서의 태양광 집광용 반사부재의 반사부는 원뿔의 형상을 가지되 중앙부인 원뿔의 꼭지점 부근이 밑면과 평행 방향으로 일정거리를 두도록 하여 평행하게 잘려진 원뿔형상을 가지며, 이때, 원뿔 또는 다각형 뿔의 중심각의 반을 θ로 하고, 태양전지판의 반지름을 R으로 하며, 상기 반사부의 최상단부(원뿔의 밑면)의 원의 반지름을 W + R의 값을 가지도록, 반사부의 반사영역의 수평방향 거리를 W로 하는 경우에, 수직으로 입사하는 태양광은 태양전지판에 가려짐으로써, 단면이 도우넛 형태의 아래 식 A-1 에서의 면적만큼만을 반사영역으로서 기능을 할 수 있다.

반사영역의 단면적 = ((W + R)² - R² )*π (식 A-1)

또한, 상기 반사부내 반사영역의 최상단부에서 반사영역의 최하단부까지가 오목거울의 중심부쪽으로 갈수록 초점거리가 짧은 오목거울이 복수로 조합되어 연속된 형태이므로, 평행한 입사광에 대한 반사광은 각각의 초점을 지나도록 반사하게 되고, 따라서 반사부내 반사영역의 최상단부(원뿔의 밑면)에서의 반사광은 반사영역의 최하단부(원뿔의 잘려진 부분)에서의 반사광에 비해 훨씬 먼 초점거리를 가지게 된다.

이에 따라 도 7에서는 반사부내 반사영역의 최상단부(원뿔의 밑면)에서의 반사광은 태양전지판의 가장 인접한 모서리에 해당하는 어느 한쪽 말단에 반사되고, 또한 상기 반사영역의 최하단부의 반사광은 가장 먼 모서리 에 해당하는 상기 태양전지판의 대향하는 타 말단에 반사되도록 함으로써, 반사부에서 반사된 태양광이 손실없이 태양전지판 전면에 골고루 반사되어 집광될 수 있도록 한다.

즉, 상기 도 7에서의 반사영역의 최상단부(가장 좌측)로 입사되는 태양광(적색선)은 가장 먼 초점거리를 가지며 반사됨으로써, 태양전지판의 좌측 말단에 반사될 수 있고, 도 7에서의 반사영역의 최하단부(좌측에서 두 번째)로 입사되는 태양광(녹색선)은 가장 짧은 초점거리를 가지며 반사됨으로써, 태양전지판의 우측 말단에 반사될 수 있다. 또한 상기 도 7의 우측에 위치한 반사부내 반사영역의 최상단부와 최하단부에서의 반사광도 이와 동일한 원리로 반사되게 된다.

이때, 상기 태양전지판은 반사부의 최상단부(원뿔의 밑면)로부터의 거리가 상기 반사부내 반사영역의 최하단부(원뿔의 잘려진 부분)에서 형성되는 구의 초점(fb)보다 더 먼 거리에 위치하도록 할 수 있다.

또한, 상기 태양전지판은 반사부의 최상단부(원뿔의 밑면)로부터의 거리가 상기 반사부내 반사영역의 최상단부에서 형성되는 구의 초점(미도시)보다 더 가까운 거리에 위치하도록 할 수 있다. 상기 태양전지판의 거리 범위를 유지함으로써, 원뿔의 중심각의 변화에 따라 태양전지판의 크기와 반사부의 크기를 적절히 조절함에 의해 본 발명에서의 반사영역에서 반사되는 태양광의 전부를 상기 태양전지판에 집광시킬 수 있다.

일반적으로, 상기 반사부의 반사영역의 면적이 태양전지판의 면적보다 크므로 본 발명에 따른 구조의 태양전지판에는 동일한 면적의 외부 태양광에 의해 태양전지판에 조사되는 빛보다 더 센 빛이 조사되어 발전 효율을 높일 수 있고, 이는 태양광 발전 판넬의 수를 줄일 수 있는 경우에 해당하므로 보다 경제적일 수 있으며, 태양광량이 적은 날에 특히 유용하게 사용될 수 있다.

예시적으로, 상기 원뿔의 중심각의 반이 60도를 가지며(θ = 60도)로 하고, 태양전지판의 반지름을 R으로 하며, 상기 반사부의 최상단부(원뿔의 밑면)의 원의 반지름을 W+ R의 값을 가지도록 하며, 반지름 R의 태양전지판에 직접 조사되는 태양 에너지를 1이라 할 때, 상기 관계를 이용하여 본 발명에서의 반사부재내 반사영역을 통해 집광된 태양에너지 값(A)은 아래 식을 따른다.

이는 앞서 식 A-1에서의 값으로부터 유도되는 단순한 면적비에 관한 것으로서, 거울내 반사영역의 단면적과 태양전지의 면적의 비율에 해당한다.

A =

즉, 상기 태양전지가 수집할 수 있는 태양광의 양은 단순히 거울의 반사영역과 태양전지의 면적에 따라 좌우될 수 있다.

또한, 이하에서 하기 식 A-2 (

)로 표시되는 바와 같이, 상기 반사영역에서 반사되는 반사광을 모두 태양전지면에 손실없이 반사시기 위해, 반사영역내 중심각의 반에 해당하는 기울기 θ는 거울의 크기와 태양전지의 크기에 의존하게 된다.

이는 도 9에 도시된 변수값들과 각도 값들을 통하여 얻어낼 수 있으며, 이의 유도는 아래와 같다. 여기서, 입사광이 거울면에 도달하는 점에서 거울면에 수직선을 그을 때 그 사이각을 β로 하였고, 입사광과 반사광 사이각은 2β가 된다.

상기 유도과정에서의

,

,

내지

는 도 9에서의 각각의 선분의 길이를 의미하며, a는 (

/

)이다.

상기 도 9에 도시되어 있듯이, 본 발명에 따른 반사부재내 반사부의 원뿔 또는 다각형 뿔의 중심각(2θ)이 커질수록 입사광과 반사광 사이의 반사각(2β)이 작아지게 된다. 즉, θ가 커질수록 태양전지판의 위치는 반사부로부터 멀어지고, θ가 작아질수록 태양전지판의 위치는 반사부에 가까워지게 된다. 즉, 태양전지와 반사부의 거리는 반사부의 원뿔 꼭지점의 각에 따라 결정된다.

참고로 본 발명에 따른 반사부재내 반사부의 원뿔의 중심각(2θ)은 최소 90도 이상이어야 한다. 만약 원뿔 꼭지점의 각이 90도일 경우 반사부에 단면에 수직으로 입사되는 태양광은 반사부 중심방향을 향해 90도 반사각으로 갖고 반사되며, 만약 원뿔 꼭지점의 각이 90도 이하일 경우에는 반사부에 단면에 수직으로 입사되는 태양광은 반사부 바깥방향을 반사되지 않고 반사부 중앙부를 향해 반사부 내부에서 재반사되기 때문에 반사광을 집광하도록 태양전지판을 설치할 수 없게 된다.

본 발명에서 바람직하게는 상기 중심각의 반(θ)은 53도 이상이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 55도 이상이, 더욱 바람직하게는 57도 이상을, 더욱 바람직하게는 59도 이상의 각도를 형성할 수 있다.

또한 본 발명에서의 일 실시예로서, 상기 도 9에 따른 관계에 있어, R = 0.5인 경우 θ, W, R + W, 그리고 에너지 비 값은 하기 표 1과 같이 계산된다. (여기서 a = W/R 임)

즉, R = W인 경우에서의 도 7에 따른 상기 반사영역에서 반사되는 반사광을 모두 태양전지면에 손실없이 반사시기 위한 반사조건은 중심각의 반(θ)이 60도(θ=60도)가 되어야 하고, 이때 반사영역을 통해 태양전지판이 모으는 태양에너지는 태양전지판에 직접 조사되는 에너지의 3배가 될 수 있어, 통상의 태양전지판 1개가 직사광으로부터 얻는 에너지의 3배만큼의 효율로서 빛의 손실없이 모을 수 있다.

본 발명에 따른 상기 계산에 의하면, 오목거울이 반경이 커질수록 평면판에 가까워지며 태양전지판이 손실없이 태양에너지를 다 모으려면 거울로부터 더 높은 위치로 올라가야 하게 되며 이론적으로 a가 1.95이고, 거울각도가 83.58도인 경우 에너지를 7.70배만큼 집중시킬 수 있다.

도 8은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 태양광 집광용 반사부재에 따른 태양전지판의 크기 및 위치에 대해 설명하기 위한 그림으로서, 상기 W가 2R보다 조금 작은 경우에 해당하는 극단적인 경우에서의 반사부재내 반사영역에서의 반사광이 태양전지판에 반사되는 그림을 도시한 것이다.

한편, 본 발명은 상기 태양광 집광용 반사부재가 태양전지판 1개당 하나로 형성될 수 있으며, 이러한 태양광 집광용 반사부재를 1개 또는 복수로 포함하도록 모듈화하여 많은 전력량을 생산할 수 있는 태양광 집광 장치를 구성할 수 있다.

또한, 상기 태양광 집광용 반사부재는 사방으로 회전가능한 구조로 설계함으로써, 태양의 방위각 및 고도각 변화에 따라 태양의 위치를 추종할 수 있도록 반사부 위치 조절장치(미도시)를 추가적으로 구비할 수 있다

예컨대, 상기 반사부 위치조절장치는 태양의 위치변화를 감지하는 태양감지센서와, 상기 태양감지센서로부터 감지된 신호를 바탕으로 상기 반사부를 포함하는 태양광 집광용 반사부재의 자세를 제어하는 제어부 및 상기 제어부로부터의 제어신호에 따라 태양광 집광용 반사부재를 유압 도는 공압 구동장치 등을 이용하여 사방으로 회전가능하게 하는 자세제어용 지지체를 포함하여 구성될 수 있고, 이를 통해 태양광이 태양전지판에 수직으로 입사할 수 있도록 최적의 입사조건을 형성하며, 시간에 따라 태양의 변화를 감지하여 반사부의 자세제어를 실시간 조절할 수 있다.

또한, 본 발명의 응용으로서, 본 발명에 따른 반사부재를 컨테이너선 같은 선박에 설치하거나, 또는 드론처럼 전지를 사용하며 속도가 빠르지 않은 소형항공기에서도 설치하여 사용할 수 있다.

이상으로 본 발명은 첨부된 도면에 도시된 실시예를 참조하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술에 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 것을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.

Claims (11)

1. 태양광을 집광하여 태양전지판으로 반사하는 반사부;
   상기 반사부와 마주하며, 반사부로부터 반사된 태양광을 집광하여 전기 에너지로 변환하는 태양전지판; 및
   상기 태양전지판을 지지하며 고정하는 지지대;를 포함하는 태양광 집광용 반사부재에 있어서,
   상기 반사부는 태양광을 반사시키기 위하여 오목거울의 형태를 가지되, 상기 오목거울의 오목부는 오목거울의 중심부쪽으로 갈수록, 초점거리가 짧은 오목거울이 복수로 조합되어 연속된 형태의 반사영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 집광용 반사부재.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 반사부는 거울을 포함하는 상기 반사영역 및 거울을 포함하지 않는 비반사 영역으로 구분되며,
   상기 비반사 영역은 반사부의 중심부에 형성되고, 상기 태양전지판에 의해 태양광이 가려짐으로써 태양광이 태양전지판에 반사되지 않는 것을 특징으로 하는 태양광 집광용 반사부재.
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 비반사 영역은 상기 태양전지판의 면적보다 작거나 같은 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 태양광 집광용 반사부재.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 태양전지판은 반사부의 최상단부로부터의 거리가 상기 반사부내 반사영역의 최하단부에서 형성되는 구의 초점보다 더 먼 거리에 위치하는 것을 특징으로 하는 태양광 집광용 반사부재.
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 태양전지판은 반사된 태양광을 받아들이기 위해 태양전지판의 한쪽면 만이 반사부에서 반사되는 반사광을 전기에너지로 변환하는 태양전지를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 집광용 반사부재.
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 태양전지판은 양면이 모두 태양광을 전기에너지로 변환하는 태양전지를 포함하되, 상부는 태양으로부터 직접 태양광을 받아들이며, 하부는 상기 반사부로부터 집광된 반사광을 받아들이는 것을 특징으로 하는 태양광 집광용 반사부재.
7. 청구항 1에 있어서,
   상기 반사부내 반사영역은 외부환경으로부터 반사면을 보호하기 위해 반사면이 유리 또는 고분자 수지의 투명한 보호층으로 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 태양광 집광용 반사부재.
8. 청구항 1에 있어서,
   상기 반사부내 반사영역의 최상단부의 반사광은 태양전지판의 어느 한쪽 말단에 반사되고, 또한 상기 반사영역의 최하단부의 반사광은 상기 태양전지판의 대향하는 타 말단에 반사되는 것을 특징으로 하는 태양광 집광용 반사부재.
9. 청구항 1에 있어서,
   상기 태양전지판은 원형 또는 다각형의 형태를 가지며,
   상기 태양광 집광용 반사부재는 태양전지판의 원형 또는 다각형의 말단을 지지하기 위한 홀더를 포함하며, 상기 홀더가 상기 지지대와 결합되는 것을 특징으로 하는 태양광 집광용 반사부재.
10. 청구항 1에 있어서,
    상기 반사부는 원뿔, 다각형 뿔 또는 이들이 조합된 구조로 이루어지는 외면을 포함하는 오목거울 형태인 것을 특징으로 하는 태양광 집광용 반사부재.
11. 청구항 1 내지 청구항 10항 중 어느 한 항에 기재된 태양광 집광용 반사부재를 적어도 하나이상 포함하는 태양광 집광 장치.

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