KR20170075460A - 자연채광 조명시스템 - Google Patents

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KR20170075460A KR1020150185144A KR20150185144A KR20170075460A KR 20170075460 A KR20170075460 A KR 20170075460A KR 1020150185144 A KR1020150185144 A KR 1020150185144A KR 20150185144 A KR20150185144 A KR 20150185144A KR 20170075460 A KR20170075460 A KR 20170075460A
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정호준
구창규
정광태
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한국기술교육대학교 산학협력단
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Abstract

자연채광 조명시스템이 개시된다. 본 발명의 자연채광 조명시스템은, 실외에 구비되어 태양광을 집광하는 집광장치; 집광장치를 태양과 직면하도록 회전시키는 태양광추적장치; 집광장치가 집광한 태양광을 실내로 산란시키는 산광장치; 및 집광장치에서 집광한 빛을 산광장치로 전달하는 광전달부재를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 태양광을 높은 효율로서 집광한 후 실내의 전반확산조명으로 사용하도록 이루어지는 자연채광 조명시스템을 제공할 수 있게 된다.

Description

자연채광 조명시스템{NATURAL LIGHTING SYSTEM}
본 발명은 자연채광 조명시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 태양광을 높은 효율로서 집광한 후 실내의 전반확산조명으로 사용하도록 이루어지는 자연채광 조명시스템에 관한 것이다.
자연채광(natural lighitng)은 인공적인 조명을 사용하지 않고 채광하는 것으로 태양을 광원으로 해 주광조명이라고도 한다. 자연채광은 건축물의 설계시 창문의 방향, 크기 및 높이를 결정하는 중요한 요소로 작용한다.
자연채광기술 중에는 태양광을 집광한 후 반사판을 통해 반사하거나 광섬유를 통해 태양광이 직접 유입될 수 없는 건축물의 내부로 유입시키는 기술이 있다.
이와 관련하여 대한민국 공개특허공보 제2014-0040901호의 태양광 장치와 태양전지를 이용한 자연 채광 시스템이 개시되어 있으며, 공개특허공보 제2014-0040901호는 태양의 방위각 변화에 대응하여 구부릴 수 있는 재질로 되어있는 광섬유와, 태양광의 고도 변화에 대응하여 전송부의 각도를 조절하는 태양 추적 장치로 이루어져 입사된 태양광을 반사시켜 집광하는 집광부에서는 여러 개의 볼록 거울로 집광한 후 광섬유 파이프로 되어있는 광섬유 전송부를 통하여 빛이 지나가며, 집광된 태양광을 실내로 전달하고 내측면에는 실내의 균일 조도 확산을 위한 필터가 부착된 실내조명장치가 설치된 것을 특징으로 한다.
그러나 공개특허공보 제2014-0040901호와 같은 종래의 기술에서는 태양광을 집광한 후 반사판이나 광섬유를 통해 실내로 전달하여 단순히 실내 특정 공간을 직접 비추는 용도로만 사용하고 있다. 따라서, 종래 태양광을 광섬유를 통해 실내로 전달하는 자연채광기술은 특정 공간과 그 이외 공간의 조도차이가 확연히 구분되는 단점이 있었다. 본 출원인은 태양광을 높은 효율로 전달한 후 전반확산조명으로 사용하는 기술을 연구하게 되었다.
(0001) 대한민국 공개특허공보 제2014-0040901호 (공개일: 2014.04.04)
본 발명의 목적은, 태양광을 높은 효율로서 집광한 후 실내의 전반확산조명으로 사용하도록 이루어지는 자연채광 조명시스템을 제공하는 것이다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 실외에 구비되어 태양광을 집광하는 집광장치; 상기 집광장치를 태양과 직면하도록 회전시키는 태양광추적장치; 상기 집광장치가 집광한 태양광을 실내로 산란시키는 산광장치; 및 상기 집광장치에서 집광한 빛을 상기 산광장치로 전달하는 광전달부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 자연채광 조명시스템에 의하여 달성된다.
상기 광전달부재는 복수의 광섬유를 포함하고, 상기 집광장치는, 복수의 프레넬렌즈; 상기 프레넬렌즈가 결합되는 프레임; 및 상기 프레넬렌즈와 상기 광섬유의 일단부를 각각 연결하는 복수의 콘형하우징을 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 태양광추적장치는, 상기 프레임에 설치되는 태양추적센서; 상기 프레임을 지면과 수평한 방향으로 회전시키는 제1 회전장치; 상기 제1 회전장치를 지면과 수직한 방향으로 회전시키는 제2 회전장치; 및 상기 태양추적센서의 신호를 수신하여, 상기 프레넬렌즈가 태양과 직면하도록 상기 제1 회전장치 및 상기 제2 회전장치를 회전시키는 제어부를 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 산광장치는, 상기 광섬유의 타단부가 가장자리를 따라 배치되는 도광판; 및 상기 도광판의 테두리를 따라 결합되는 액자틀을 포함하고, 상기 광섬유의 타단부에서 나온 태양광이 산란되어 실내를 향하도록, 상기 도광판의 양면에는 연속적인 그루브가 형성되도록 이루어질 수 있다.
본 발명에 의하면, 집광장치가 집광한 태양광을 실내에서 산광장치를 통해 산란시킴으로써, 태양광을 높은 효율로서 집광한 후 실내의 전반확산조명으로 사용하도록 이루어지는 자연채광 조명시스템을 제공할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자연채광 조명시스템의 도면.
도 2는 도 1의 자연채광 조명시스템의 집광장치 및 태양광추적장치를 나타내는 도면.
도 3은 도 1의 자연채광 조명시스템의 산광장치를 나타내는 도면.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세하게 설명하면 다음과 같다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 이미 공지된 기능 혹은 구성에 대한 설명은, 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.
본 발명의 자연채광 조명시스템은, 태양광을 높은 효율로서 집광한 후 실내의 전반확산조명으로 사용하도록 이루어진다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자연채광 조명시스템의 도면, 도 2는 도 1의 자연채광 조명시스템의 집광장치 및 태양광추적장치를 나타내는 도면, 도 3은 도 1의 자연채광 조명시스템의 산광장치를 나타내는 도면.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 자연채광 조명시스템(1)은, 태양광을 높은 효율로서 집광한 후 실내의 전반확산조명으로 사용하도록 이루어지며, 집광장치(10), 태양광추적장치(20), 산광장치(30) 및 광전달부재(40)를 포함하여 구성된다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 집광장치(10)는 실외에 구비되어 태양광을 집광하는 구성으로서, 프레넬렌즈(11), 프레임(12) 및 콘형하우징(13)을 포함하여 구성된다.
프레넬렌즈(11, Fresnel lens)는 집광(集光) 렌즈의 일종으로서, 두께를 줄이기 위하여 몇 개의 일정한 두께를 가진 고리 모양의 렌즈로 구성된 것을 말한다.
일반적인 집광용(集光用) 블록 렌즈로 많은 광속을 얻고자 하면 초점 거리가 짧아지므로 살이 두꺼워질 수밖에 없어 무거워지고 광의 흡수도 증가하므로, 프레넬렌즈(11)는 여러 개의 원환상(圓環狀)의 띠로 나누어 중심 주변의 부분을 얇게 제작한 렌즈이다. 프레넬렌즈(11)는 공지된 기술로서 더 이상의 자세한 설명은 생략하기로 한다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 프레임(12)은 복수의 프레넬렌즈(11)를 고정하는 구성으로서, 대략 원뿔형으로 제작되어 내부와 외부를 밀폐한다. 프레임(12)의 넓은 평면에는 프레넬렌즈(11)가 삽입되는 복수의 관통홀이 형성된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 콘형하우징(13)은 프레넬렌즈(11)와 광섬유(41)의 일단부를 연결하는 구성으로서, 콘형으로 제작된다.
콘형하우징(13)은 갈수록 좁아지는 꼭지부위에 광섬유(41)의 일단부가 결합되고, 꼭지부위와 반대쪽은 개구되어 프레임(12) 내부에서 관통홀의 테두리를 따라 결합된다. 콘형하우징(13)의 내면은 은 또는 알루미늄으로 도금되어 반사면을 형성한다.
프레넬렌즈(11)는 태양광을 광섬유(41)의 일단부로 집광하게 되며, 프레넬렌즈(11)에서 굴절된 태양광의 일부가 광섬유(41)의 일단부 이외의 방향을 향하더라도 반사면에 반사되어 광섬유(41)의 일단부로 회수된다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 태양광추적장치(20)는 집광장치(10)를 태양과 직면하도록 회전시키는 구성으로서, 태양추적센서(21), 제1 회전장치(22), 제2 회전장치(23) 및 제어부(24)를 포함하여 구성된다.
태양추적센서(21, sun tracker)는 프레넬렌즈(11)가 항상 태양과 직면하도록 제어신호를 내는 센서로서, 4분할 포토다이오드를 포함하여 제작된다. 4분할 포토다이오드는 공지된 기술로서 자세한 설명은 생략하기로 한다.
제어부(24)는 태양추적센서(21)의 신호를 수신하여 프레넬렌즈(11)가 태양과 직면하도록 제1 회전장치(22) 및 제2 회전장치(23)를 회전시키는 구성으로서, 제1 회전장치(22)의 내부에 설치된다.
보다 자세하게는, 제어부(24)는 태양추적센서(21)의 4분할 포토다이오드에 입사된 태양광의 출력값을 각각 수신한 후 서로 비교하며, 4분할 포토다이오드 각각의 출력이 일정하도록 제1 회전장치(22) 및 제2 회전장치(23)를 회전제어하게 된다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 회전장치(22)는 프레임(12)을 지면과 수평한 방향으로 회전시키는 구성으로서, 'U'자 형태로 제작되어 양단부가 프레임(12)의 회전축을 회전가능하게 지지한다.
도시되지는 않았으나, 제1 회전장치(22)의 내부에는 제어부(24)의 회전신호에 의해 회전하는 서보모터 및 서보모터의 회전운동을 프레임(12)의 회전축에 전달하는 전달유닛이 설치된다. 전달유닛은 풀리 및 벨트로 구성될 수 있다.
제2 회전장치(23)는 제1 회전장치(22)를 지면과 수직한 방향으로 회전시키는 구성으로서, 'I'자 형태로 제작되어 상단부에서 제1 회전장치(22)의 회전축을 회전가능하게 지지한다. 제1 회전장치(22)의 하단부는 실외에서 채광이 가능한 장소에 고정된다.
도시되지는 않았으나, 제2 회전장치(23)의 내부에는 제어부(24)의 회전신호에 의해 회전하는 서보모터 및 서보모터의 회전운동을 제1 회전장치(22)의 회전축에 전달하는 전달유닛이 설치된다. 전달유닛은 풀리 및 벨트로 구성될 수 있다.
도 1 및 도 3에 도시된 바와 같이, 광전달부재(40)는 집광장치(10)에서 집광한 빛을 산광장치(30)로 전달하는 구성으로서, 복수의 광섬유(41)가 피복부재(42)로 싸인 형태로 형성된다.
광섬유(41)는 석영 유리나 플라스틱 등의 투명한 유전체(誘電體)를 가늘고 길게 뽑아서 만든 섬유로서, 그 중심 부분에 적당한 굴절률 분포를 갖도록 해서 빛이 전파되도록 한 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 광섬유(41)의 일단부는 콘형하우징(13)의 꼭지부위에 결합되고, 광섬유(41)의 타단부는 산광장치(30)에 결합된다.
복수의 광섬유(41)는 피복부재(42)로 보호된 상태에서 집광장치(10)와 산광장치(30)를 서로 연결하게 된다. 광전달부재(40)는 집광장치(10)와 산광장치(30) 사이의 거리를 변수로 수 미터에서 수백 미터까지 다양한 길이로 제작될 수 있다.
도시되지는 않았으나, 피복부재(42)의 내부에는 길이방향을 따라 강선이 구비될 수 있다. 강선은 그 자체 강성에 의해 외력에 견딤으로써 광전달부재(40)의 과도한 꺾임을 방지하게 된다.
도 1 및 도 3에 도시된 바와 같이, 산광장치(30)는 집광장치(10)가 집광한 태양광을 실내로 산란시키는 구성으로서, 실내의 천장면이나 벽면에 설치된다. 도 3은 산광장치(30)가 천장면에 와이어를 통해 매달린 형태로 설치된 상태를 나타낸다.
산광장치(30)는 도광판(31) 및 액자틀(32)을 포함하여 구성된다.
액자틀(32)은 도광판(31)의 테두리를 따라 결합되는 구성으로서, 도광판(31)의 테두리를 지지하게 된다. 자세하게 도시되지는 않았으나, 도광판(31)은 그 테두리를 따라 액자틀(32)의 안쪽을 따라 형성된 홈에 끼워져 지지된다.
액자틀(32)의 내부에는 광섬유(41)가 배치되는 중공부가 형성된다. 중공부에는 광섬유(41) 각각의 위치를 고정하는 삽입틀(33)이 형성된다. 삽입틀(33)에는 광섬유(41) 각각의 단부가 삽입되는 복수의 삽입홀(H)이 형성된다.
광전달부재(40)의 단부는 액자틀(32)의 결합부(34)에 결합되며, 복수의 광섬유(41)는 중공부에서 각각 연장되어 도광판(31)의 둘레를 따라 일정한 간격으로서 삽입홀(H)에 삽입된다. 광섬유(41) 각각의 단부는 삽입홀(H)에 삽입된 상태에서 도광판(31)을 향하게 된다.
도 3에 도시된 바와 같이, 도광판(31)은 광전달부재(40)를 통해 전달된 빛을 산란시키는 구성으로서, 천장면 또는 벽면으로부터 일정간격 이격된 형태로 설치된다.
도광판(31)은 양면에 연속적인 그루브(G1,G2)가 형성된 플레이트 형태로 형성된다. 그루브(G1,G2)는 수평면과 다른 각도를 갖는 경사면을 의미한다.
도광판(31)의 양면 중 실내 중앙을 향하는 면에는 제1 그루브(G1)가 형성되고, 도광판(31)의 양면 중 천장면 또는 벽면을 향하는 면에는 제2 그루브(G2)가 형성된다.
제1 그루브(G1)는 제2 그루브(G2)보다 큰 각도로 굴곡진 형태로 형성되며, 이에 따라 광섬유(41)의 단부로부터 도광판(31)을 향해 나온 빛은 제2 그루브(G2)보다 제1 그루브(G1)에서 더욱 큰 각도로 굴절된 후 실내를 비추게 된다.
또한, 제1 그루브(G1)가 제2 그루브(G2)보다 큰 각도로 굴곡진 형태로 형성됨에 따라, 도광판(31)과 공기 사이의 경계에서 빛의 반사율은 제2 그루브(G2) 쪽이 제1 그루브(G1) 쪽보다 높게 형성되며, 따라서 제2 그루브(G2) 쪽에서 반사된 빛은 제1 그루브(G1) 쪽에서 굴절된 후 실내를 비추게 된다.
따라서, 본 발명에서 산광장치(30)로부터 나온 빛은 실내 중앙을 향하는 면을 통해 50%~60% 사이의 광속을 가지며, 천장면 또는 벽면을 향하는 면을 통해 40%~50% 사이의 광속을 가지게 됨으로써, 전반확산조명(general diffuse lighting)으로 기능하게 된다.
전반확산조명은 조명 방식 중 하나로, 광원에서 나온 빛이 어느 특정 부분만 밝게 비추는 것이 아니라 실내 전체를 골고루 비출 수 있도록 만든 조명이다. 전반확산조명은 위쪽 40%~60%, 아래쪽 40%~60% 사이의 광속을 가지게 하여 눈부심이 거의 없고 그림자도 약하여, 실내 전체를 고루 조명하는 사무실 및 학교에서 이용된다.
그러나 공개특허공보 제2014-0040901호와 같은 종래의 기술에서는 태양광을 집광한 후 반사판이나 광섬유를 통해 실내로 전달하여 단순히 실내 특정 공간을 직접 비추는 용도로만 사용하고 있다.
따라서, 종래 태양광을 광섬유를 통해 실내로 전달하는 자연채광기술은 특정 공간과 그 이외 공간의 조도차이가 확연히 구분되는 단점이 있었으며, 사무실 및 학교에 설치되는 전반확산조명으로 사용되지 못하고 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 산광장치(30)로부터 나온 빛이 실내 중앙을 향하는 면을 통해 50%~60% 사이의 광속을 형성하고 천장면 또는 벽면을 향하는 면을 통해 40%~50% 사이의 광속을 형성하도록 제작함으로써, 전반확산조명으로 사용할 수 있게 된다.
본 발명에 의하면, 집광장치가 집광한 태양광을 실내에서 산광장치를 통해 산란시킴으로써, 태양광을 높은 효율로서 집광한 후 실내의 전반확산조명으로 사용하도록 이루어지는 자연채광 조명시스템을 제공할 수 있게 된다.
앞에서, 본 발명의 특정한 실시예가 설명되고 도시되었지만 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 일이다. 따라서, 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 기술적 사상이나 관점으로부터 개별적으로 이해되어서는 안되며, 변형된 실시예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
1 : 조명시스템
10 : 집광장치 20 : 태양광추적장치
11 : 프레넬렌즈 21 : 태양추적센서
12 : 프레임 22 : 제1 회전장치
13 : 콘형하우징 23 : 제2 회전장치
30 : 산광장치 24 : 제어부
31 : 도광판 40 : 광전달부재
32 : 액자틀 41 : 광섬유
33 : 삽입틀 42 : 피복부재
34 : 결합부
H : 삽입홀
G1 : 제1 그루브
G2 : 제2 그루브

Claims (4)

  1. 실외에 구비되어 태양광을 집광하는 집광장치;
    상기 집광장치를 태양과 직면하도록 회전시키는 태양광추적장치;
    상기 집광장치가 집광한 태양광을 실내로 산란시키는 산광장치; 및
    상기 집광장치에서 집광한 빛을 상기 산광장치로 전달하는 광전달부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 자연채광 조명시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광전달부재는 복수의 광섬유를 포함하고,
    상기 집광장치는,
    복수의 프레넬렌즈;
    상기 프레넬렌즈가 결합되는 프레임; 및
    상기 프레넬렌즈와 상기 광섬유의 일단부를 각각 연결하는 복수의 콘형하우징을 포함하는 것을 특징으로 하는 자연채광 조명시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 태양광추적장치는,
    상기 프레임에 설치되는 태양추적센서;
    상기 프레임을 지면과 수평한 방향으로 회전시키는 제1 회전장치;
    상기 제1 회전장치를 지면과 수직한 방향으로 회전시키는 제2 회전장치; 및
    상기 태양추적센서의 신호를 수신하여, 상기 프레넬렌즈가 태양과 직면하도록 상기 제1 회전장치 및 상기 제2 회전장치를 회전시키는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 자연채광 조명시스템.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 산광장치는,
    상기 광섬유의 타단부가 가장자리를 따라 배치되는 도광판; 및
    상기 도광판의 테두리를 따라 결합되는 액자틀을 포함하고,
    상기 광섬유의 타단부에서 나온 태양광이 산란되어 실내를 향하도록, 상기 도광판의 양면에는 연속적인 그루브가 형성된 것을 특징으로 하는 자연채광 조명시스템.
KR1020150185144A 2015-12-23 2015-12-23 자연채광 조명시스템 KR20170075460A (ko)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN110388758A (zh) * 2019-06-25 2019-10-29 江苏大学 一种基于双焦点菲涅耳透镜的太阳光聚光系统

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CN110388758A (zh) * 2019-06-25 2019-10-29 江苏大学 一种基于双焦点菲涅耳透镜的太阳光聚光系统

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