KR960016875B1 - 태양 에너지 집중장치 및 그의 얇은 가요성 프레넬(Fresnel) 렌즈 - Google Patents

태양 에너지 집중장치 및 그의 얇은 가요성 프레넬(Fresnel) 렌즈 Download PDF

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미네소타 마이닝 앤드 매뉴팩츄어링 컴패니
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Abstract

요약없음.

Description

태양 에너지 집중장치 및 그의 얇은 가요성 프레넬(Fresnel) 렌즈
제1도는 본 발명에 따라 구성된 태양 에너지 집중장치의 사시도.
제2도는 제1도의 태양 에너지 집중장치의 측면도.
제3도는 제1도의 화살표 3-3방향에서 취한 태양 에너지 집중장치의 수직 단면도.
제4도는 태양 에너지 집중장치의 목표 지역 또는 흡수기를 도시하는 수직 단면도.
제5도는 태양 에너지 집중장치의 얇은 가요성 프레넬 렌즈의 도식도.
제5A도 및 제5B도는 제5도의 렌즈의 두 지점에서 취한 제5도 렌즈의 확대 단면도.
제6도는 본 발명의 태양 에너지 집중장치의 구성 요소에 의한 굴절을 나타내기 위해 상기 집중장치를 통과하는 광선들의 관계를 도시한 도식도.
제7A도는 +2°휨(실선)과 +1휨(점선)에서의 프리즘 위치(400nm~1000nm의 색수차를 포함)에 대한 태양광상(像)의 폭을 나타내는 도표.
제7B도는 -2°휨(실선)과 +0°휨(점선)에서의 프리즘 위치(400nm~1000nm의 색수차를 포함)에 대한 태양광상의 폭을 나타내는 도표.
제8도는 입사 태양 방사선을 집중시키는 위한 본 발명의 교차 선형 에셜론식(echelon) 굴절 렌즈를 나타내는 사시도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
20 : 태양 에너지 집중장치,22 : 지지 구조물(프레임),
24 : 프레넬 렌즈,26 : 목표 지역 또는 흡수기,
32 : 프레넬 프리즘,40,42,46,48 : 단부판,
48 : 중앙지주,50 : 중간 절곡부 지주,
52 : 가장자리 지주,56 : 외측 파이프,
57 : 열전달 유체,58 : 내측 공급 파이프.
본 발명은 경량의 태양 에너지 집중장치에 관한 것이며 또한, 렌즈의 외측 표면에 입사하는 태양 방사선(solar radiation)을 굴절에 의해 표적 지역에 집중시키기 위한 얇고 가요성이 있는 프레넬(Fresnel)형 렌즈에 관한 것이다.
태양 에너지를 이용하는 개념은 새로운 것이 아니다. 태양 에너지의 사용에 대한 문헌에서의 최초 언급중 하나는 B.C.434년에 공연된 “아리스토파네스”의 “구름의 희곡(The Comedy of the Clouds)”이 있다. 이 연극에서, 등장 인물들중 하나인 “스트레프시아데스”는 태양과 유리 렌즈를 이용하여 부채(負債)의 왁스제서판 기록을 파괴하여 증서를 녹여버리겠다고 선언하고 있다. 이러한 선언이 관중에 인식되기 위해서는 태양광선이 집중되면 열이 발생한다는 것이 주지의 사실이어야 했다. 또한, A.D.303년에“락탄티우스”는 물로 채워진 유리구체를 태양광내에 놓으면 흐린날에도 불을 일으킨다고 언급하였다. 또한, 1388년자 웨스트 민스터 대수도원의 비품 목록에는, “볼록 렌즈”로된 부활절 전야의 불쏘시개가 기록되어 있고, 1745년 프랑스 과학자 “부폰”은 태양 광선을 집중시켜 고온을 발생시키는 실험들을 행하였다.
대기 오염에 대한 대중의 자각과 핵 에너지원에 대한 염려가 대체 에너지원의 개발을 촉진하고 있는 화석연료 감소 시대에 있어서는 태양 에너지가 매우 관심을 끌고 있다. 대체 에너지로서 태양 에너지는 무진장하고 오염을 발생시키지 않는다. 발달된 태양 에너지의 현재 이용예로는 미국 특허 제4,204,881호의 명세서에 설명된 바와 같은 광전지에 의한 발전, 미국 특허 제4,270,981호의 명세서에 설명된 바와 같은 물의 중류, 미국 특허 제4,297,000호의 명세서의 설명된 바와 같은 건물의 “냉”조명(cold lighting) 및 이하에 인용되는 열 축적 및 저장이 있다. 그러나, 이러한 풍부한 태양 에너지를 집중시키는 효과적이고 경제적이며 실용적인 수단을 고안하는 시도에 있어서 많은 문제들이 발생하였다.
수년에 걸쳐, 실용적인 대체 에너지로서 태양 에너지를 다른 형태의 에너지로 집중 또는 수집하는 시도에 있어서 여러가지 시스템들이 고안 또는 제안되어 왔다. 일반적으로, 거울을 이용하는 것, 렌즈를 이용하는 것 또는 그들의 조합을 이용한 3가지 형식의 태양광 집중장치 또는 수집장치가 제안되었다.
예를들어, 이러한 종류의 한가지 시스템은 미국 특허 제4,111,184호에 명세서에 나타난 바와 같은 대형 접시 형태의 오목한 파라볼라 거울을 이용하였다. 또한, 다른 시스템은 미국 특허 제4,385,430호 및 제4,211,211호의 명세서에 설명된 바와 같이 반사성 V자 형통, 또는 미국 특허 제4,347,834의 명세서에 설명된 바와 같이 일련의 동심을 이루는 환형 절두 원추대를 이용하였다. 또한, 미국 특허 제4,344,417호의 명세서 설명된 바와 같이 평면 거울은 물론, 미국 특허 제3,058,394호의 명세서의 설명된 바와 같이 편평한 프레넬 거울을 사용하는 시스템들도 있다.
반사성 V자 형통(reflective trough)은 태양 에너지의 높은 집중을 위한 가장 양호한 가능성을 제공하는 것으로 생각되지만 저장된 표면으로부터 임의의 지점에서의 임의의 각 변화의 결과로서 반사된 태양 방사선의 2절곡 편향이 발생하는 반사 표면의 곡률이 정밀하여야 하기 때문에, 그러한 가능성은 설령 달성된다 하더라도 매우 드문 일이다. 또한, 반사 표면의 진동은 허용되지 않는다. 장시간에 걸쳐 반사 표면의 정밀도와 안정성을 유지할 필요성 때문에, 반사기는 매우 강성이 있는 재료로 만들어져야 하고, 주의깊게 정렬될 필요가 있다. 따라서, 무섭고 육중한 지지 구조물이 요구되었다. 또한, 이런 육중한 구조물은 일주운동중에 태양을 추적하는 동안 진동이 없이 유지되도록 설치되어야 한다. 또한, 이러한 구조물은 중량 감소가 특히 중요한 우주 공간내에서 사용하는데 적합하지 않은 것으로 입증되었다.
상기 반사성 구조물의 제한중 일부를 극복하는 시도로서 굴절 렌즈가 이용되었다. 태양 에너지를 집중시키는데 사용된 프레넬 렌즈의 예가 미국 특허 제4,289,118호, 제4,194,949호 및 제44,011,857호의 명세서에 설명되어 있다. 상기 이외에 이러한 렌즈는 미국 특허 제3,985,118호 및 제3,203,306호의 명세서에 설명된 바와 같은 편평한 프레넬 렌즈 형태, 미국 특허 제4,116,223호의 명세서에 설명된 바와 같은 볼록한 프레넬 렌즈 형태, 미국 특허 제4,299,201호 및 제3,125,091호의 명세서에 설명된 바와 같은 반원통형 또는 관형, 또는 미국 특허 제4,069,812호의 명세서에 설명된 바와 같은 프레넬 요소의 선형 어레이 형태로 이용되었다.
여러가지 제한점을 이러한 종류의 렌즈 이용과 관련이 있다. 편평한 프레넬 렌즈가 사용되는 경우, 이러한 렌즈는 렌즈의 가장자리에 인접한 곳에서의 색수차가 과도하기 때문에 구경이 제한된다. 원호형 렌즈가 이러한 제한점을 해결하기 위하여 시도되었으나, 소망의 형태를 유지할 필요성 때문에 이러한 렌즈는 단단한 재료를 만들어지거나 또는 복잡한 지지시스템을 요하여야 했다. 어느 경우에도, 상기 렌즈 구조는 정밀한 정렬을 필요로 하고 경량의 구조와 전개의 용이성이 매우 중요한 우주 공간에서 사용하는데 적합하지 않은 것으로 입증되었다.
마지막으로, 상기 제한점을 극복하기 위한 시도로서 태양 에너지를 집중시키기 위하여 굴절 렌즈와 반사 거울의 조합체를 이용하였다. 이러한 예가 미국 특허 제4,337,759호, 제4,238,246호 및 제4,022,186호의 명세서에 설명되어 있다. 또한, 굴절 렌즈 및 반사 V 형통의 조합체가 미국 특허 제4,323,052호 및 제4,230,094호의 명세서에 설명된 바와 같이 이용되었다. 그러나, 이러한 구조체는 외형 또는 형상을 유지하기 위한 시도로 강고하게 되어 있다.
본 발명은 최소의 중량과 상당히 저렴한 제조비로 높은 작동 효율을 달성 및 유지하는 개량된 경량의 굴절식 태양 에너지 집중장치와 얇은 가요성 프레넬형 렌즈를 제공한다. 또한, 구조가 간단하기 때문에 우주공간에서도 용이하게 전개될 수 있다. 또한,이러한 구조의 간단함과 소형화에도 불구하고, 굴절 표면의 왜곡이 집중장치의 효율에 크게 영향을 끼치지 않아, 집중장치를 우주 공간에서 특히 유리하게 사용할 수 있다.
본문에 기재된 본 발명은 개량된 태양 에너지 집중장치, 특히 얇은 가요성 프레텔형 렌즈가 입사 태양 방사선을 굴절에 의해 목표 지역에 집중시키는 장치에 관한 것이다. 또한, 상기 프레넬 렌즈는 목표 지역의 상방에 지지되거나 현수되어 있고, 상기 렌즈가 목표 지역을 향하여 개방하도록 목표 지역의 축과 거의 평행한 렌즈의 굴절 프리즘에 평행한 적어도 하나의 선 또는 지역을 따라 절곡되어 있다. 또한, 이 집중장치의 효율은 얇은 필름에 의한 굴절이 본질적으로 최소의 편향(deviation)인 경우 프레넬 렌즈의 왜곡에 의해 크게 영향을 받지 않는다. 따라서, 프레넬 렌즈는 프레넬 렌즈의 표면이 5°또는 그 이상 평면 위치로부터 내외로 휘어지더라도 시스템의 효율에 현저한 악화를 야기함이 없이 절곡부 사이의 렌즈 부분 또는 섹션(section)이 풍하중, 중력, 및 기타 환경 인자들하에 휠 수 있도록 목표 지역위에 배치된다. 그러한 휨의 정도는 얇은 프레넬 렌즈가 배치되어야 하는 면과, 지지점에서 휨 곡선에 접선하는 선과의 사이 각도로 편리하게 측정된다.
프레넬 렌즈를 구성하는 재료는 본질적으로 평활하고 가요성이 있는 투명 중합체 재료로써, 평활한 표면과 상호 나란하게 배열된 다수의 미소 선형 프레넬 프리즘 또는 렌즈 요소로 구성된 반대측 표면을 구비하며, 상기 평활한 표면이 각각의 프리즘의 광학면중 하나를 효과적으로 형성한다. 또한, 각 프리즘은 광을 굴절시키는 광학면과, 입사된 태양 방사선을 차단 또는 간섭하지 않는 불활성 광학면 또는 스텝을 가지고 있다. 따라서, 프리즘에 의해 형성된 스탭이 입사 태양 방사선의 굴절을 방해하지 않도록 필름 내부에 프리즘이 배치된다. 또한, 바람직한 실시예에서, 프레넬 렌즈는 보다 박약한 프레넬 프리즘이 우박, 비 또는 기타 파괴적인 환경 요소에 직접 노출되지 않도록 배향된다.
프레넬 렌즈를 목표 지역 상방에 현수하는 지지 구조물은 태양광 집중장치의 개구를 한정하는 지주 또는 와이어로 이루어져 있고, 프레넬 렌즈는 약간의 장력하에 상기 지주 또는 와이어에 지지된다. 중앙 지지체는 프레넬 렌즈의 중앙을 따라 연장하고, 얇은 필름에 작은 힘을 부과하여 작지만 일정한 장력을 받게 하고 심한 반복적인 파동을 감쇠시키도록 스프링 바이어스식 완충기에 의해 탈착 가능하게 지지되는 것이 바람직하다. 이러한 구조에서, 프레넬 렌즈는 허용 가능한 동작을 유지하기 위하여 공기압하에 휘어질 수 있다.
태양 방사선이 표면상에 접속된 목표 지역은 흑색, 불투명, 또는 반투명하고, 흡수성 매체를 이송하기 위한 투명한 파이프, 또는 광전지 등이 제공될 수 있다.
본 발명의 각종 특징, 목적, 이점 및 장점은 첨부 도면과 관련한 하기의 상세한 설명으로부터 보다 명백하게 될 것이며, 도면에서, 상응하는 구성요소는 유사한 참조 부호로 지시되어 있다.
제1도, 제2도 및 제3도에서, 전체를 부호 20으로 지시한 본 발명의 태양 에너지 집중장치는 경량의 지지 구조물 또는 프레임(22)과 입사 태양 방사선을 목표 지역 또는 흡수기(26)상에 집중시키기 위한 선형 에셜론 프레넬형 렌즈(24)를 포함하다.
본 발명에 있어서, 얇은 가요성이 있는 투명한 필름인 렌즈(24)는 목표 지역(26)의 축과 거의 평행한 렌즈의 굴절 프리즘에 평행한 적어도 하나의 선 또는 지역(28)을 따라 입사 태양 방사선에 대하여 예각으로 절곡될 수 있으며, 상기 필름은 목표 지역(26)을 향하여 개방하도록 지지 구조물(22)상에 현수되거나, 걸쳐있거나 또는 장착되어 있는 것으로 의도된다. 태양 에너지 집중장치(20)의 효율은 렌즈(24)의 왜곡(distortion)에 의해 크게 영향을 받지 않는다. 단순히 예시의 목적으로, 렌즈(24)가 3개의 선(28)을 따라 절곡된 태양 에너지 집중장치(20)가 도시되어 있다. 따라서, 임의의 집중장치의 폭 및 높이(그에 대응하는 촛점 길이)는 주어진 상황에 따른 선택의 문제이고 절곡부의 수도 변경할 수 있음을 알아야 한다.
렌즈(24)는 일측면에 평활한 표면(30)을 가지고 있고, 제5A도 및 제5B도에 도시된 바와같이 반대측 또는 제2표면(34)을 형성하도록 길이 방향으로 연장하고 상호 나란히 배열된 다수의 미소 선형 프레넬 프리즘(32)을 가지고 있는 중합체 재료(예를들면, 폴리메틸메타크릴레이트)로 이루어진 얇은 가요성이 있는 투명한 박판으로 되어 있다. 얇은 필름 렌즈(24)는 우수한 가요성을 가지며, 두께가 약 0.015인치(약 0.038㎝)이다. 바람직한 실시예에서, 상기 얇은 가요성이 있는 프레넬 렌즈(24)는 평활한 표면(39)이 태양을 향하고 반대측 표면(34)이 목표 지역(26)을 향하게 하여 프리즘(32)이 우박, 비, 및 다른 파괴적인 환경 요소에 직접 노출되지 않도록 배치된다. 또한, 상기 필름은 용이하게 설치될 수 있기 때문에, 대기와 상기 환경 요소들의 유해한 영향에 의해 오염 및 /또는 손상된 경우에 편리하게 대체될 수 있다. 프리즘(32)은 프리즘의 불활성면(nonactive face)에 의해 야기되는 스텝 간섭(step interference)에 기인한 손실이, 광선을 촛점을 향하여 굴곡시키고자 하는 프리즘의 광학적 활성면에 의해 굴절된 광통로내에 존재하지 않도록 하는 방식으로 상기 필름상에 배열된다.
렌즈(24)는 횡방향으로 축방향으로 또는 길이 방향으로 휘어져서 목표 지역(26)의 원근방향으로 이동 가능하도록 지지된다. 이러한 휨의 정도는 얇은 프레넬 렌즈가 배치되어야 하는 평면과 지지점에서의 휨 곡선에 대한 접선과의 사잇각으로 측정되는 것이 편리하며, 또한 상기 표면은 렌즈의 상징(image quality)에 크게 영향을 끼치지 않고 1°, 2°, 5° 또는 그 이상 내외측으로 휘어질 수 있다. 본문에 사용되는 “-1° 또는 -2°의 부(負)의 휨”이란 용어는 렌즈가 목표 지역으로부터 먼쪽으로 휘는 것을 의미하고, “+1° 또는 +2°의 정(正)의 휨”은 목표 지역쪽으로 휘는 것을 의미한다. 또한, 휭방향으로 배치된 지지체 사이에 위치하는 하나의 섹션 또는 다수의 섹션들의 태양 에너지 집중기로서 개별적으로 또는 조합하여 사용될 수 있다.
제3도에 도시된 실시예의 구조는 태양 에너지 집중장치 개구의 중앙절곡부(28)와 렌즈 가장자리로부터 내향하는 렌즈의 각 측부상의 또다른 절곡부(28')를 갖는 얇고 가요성이 있는 필름 박판인 프레넬 렌즈(24)를 이용한다. 이러한 중앙에서 절곡부(28)와, 2개의 부가적인 절곡부(28')는 얇고 가요성 프레넬 렌즈 필름내에서의 파동뿐만 아니라 휨의 유해한 효과를 최소화시키도록 작용한다. 또한, 굴절광의 일부가 인접한 프리즘들에 의해 방해되는 것에 기인한 스텝 손실(step loss)이 최소화되고, 또한 색수차(chromatic aberration)에 기안한 집중된 상의 확산이 최소화된다. 이러한 모든 영향들 때문에, 동일 구경의 편평한 프레넬 렌즈를 사용하는 것이 곤란하다. 또한 렌즈를 각 측부에서 절곡하므로써 렌즈 구조가 극히 소형화 된다. 입사 태양 방사선을 목표 지역 또는 흡수기(26)에 집중시키는데 있어서, 태양 에너지 집중장치의 외주부에 있는 광선이 최대로 굴곡된다. 따라서, 이러한 광선은 수차(aberration)에 의하여 최대로 영향을 받는다. 따라서, 선형 프레넬 프리즘의 불연속 정렬의 설계 패러미터(parameter)는 집중장치의 외주부에 인접한 또는 실질적으로 인접한 프레넬 프리즘이 태양 방사선의 입사각과 동일광선의 굴절후 배출(emergence)각이 같도록 설계된 점에 기초한다. 이러한 결과로서, 특정 프레넬 프리즘에서의 광선의 편차가 최소로 되어, 렌즈(24)의 성능이 휨, 회전 또는 왜곡에 영향을 받지 않게 된다. 따라서, 절곡부는 렌즈로부터의 배출 광선이 표면 패널상의 프레넬 프리즘의 광학면에 대하여 사실상 수직이 되는 지점에 위치한다. 절곡부로부터 중앙부로 연장하는 렌즈 부분은, 그 틀(boxing)이 집중장치의 효율에 현저한 영향을 끼치기에 충분할 만큼 단수 또는 복수의 주변 섹션 보다 크게 태양광상을 확대시키지 않도록 하는 각도로 배치되는 것이 바람직하다. 표면에서의 프레넬 반사에 기인한 손실이 높은 입사각에 의하여 10%를 초과할 수 있기 때문에 입사각 60°를 넘지않도록 렌즈의 평활한 입사 표면의 각도를 유지하는 것이 일반적으로 바람직하다.
도시된 실시예에서, 지지 구조물 또는 프레임(22)은 4개의 6각형 단부판(40,42,44,46)을 가자고 있다. 복수쌍의 단부판 사이에는 중앙 지주(支柱)(48), 중간 절곡부 지주(50) 및 가장자리 지주(52)가 연장하고 있다. 이러한 지주는 프레임(22)의 길이 방향으로 연장하고, 단부판(40,42,44,46)은 태양 에너지 집중장치(20)의 길이를 따라 연장하는 흡수기(26)상에 설치되어 있다.
목표 지역 또는 흡수기(26)는 특정 작용에 따라, 파이프, 열흡수 유체 매체, 광전지(photo-voltaic cell)등을 포함할 수 있다. 제3도 및 제4도에 도시된 실시예에서, 흡수기(26)는 외측 파이프(56)와 내측 공급 파이프(58)를 가지고 있는 것으로 도시되어 있다. 외측 파이프(56)는 흡수기내의 열전달 유체(57)를 태양광에 노출시키는 반투명 표면을 가질 수 있다. 열전달 유체는 내측 파이프(58)를 통과하여 흡수기 파이프(56)의 단부로 흐르고, 집중된 태양 방사선에의 노출에 의해 가열된 후 복수의 셋트의 태양 에너지 집중장치(20) 사이를 연장하는 메인 파이프(54)로 흐른다. 광전지를 이용하는 태양 동력 시스템이 미국 특허 제4,204,881호의 명세서에 개시되어 있다.
제5도, 제5A도 및 제5B도는 유니트(unit) 구경에 대한 소망의 특징을 갖는 태양 에너지 집중장치(20)의 특정 구조를 도시하며, 이 구조에서 부호 60 및 62로 나타낸 렌즈의 제1섹션은 각이진 급경사의 측부에 대한 입사각(I1')이 45°이고 가장자리(52)로부터 지지체(50)까지의 0.29유니트의 길이를 갖도록 배치된다. 상기 명칭 “유니트”는 단지 예시의 목적을 위해 임의적으로 선택된 것이고, 예를들면 미터, 피이트, 인치, 등의 어떠한 측정 단위로 이용될 수 있다. 이러한 렌즈상에서, 태양 에너지 집중장치(20)의 촛점으로부터 가장자리 지주(52)에 대한 지주(48)까지 이루어진 각도(
Figure kpo00001
)는 33.46°이고, 지주(48)로부터 제2지주(50)까지 각도(α)는 17.11°이다. 집중장치의 섹션(64,66)에 대한 광 입사각은 13.75°며, 제5B도에 있는 각도 I1"가 13.75°와 동일한 것으로 나타낸다. 집중장치의 촛점으로부터 중심까지의 거리(TH)는 1.03유니트이다. 제5B도에 도시된 바와같이, 섹션(64)에 상응하는 섹견(66)에서 집중장치(20)는 평활한 외측 표면(30)을 가지고 있고, 프레넬 프리즘(32)이 반대측면(34)을 형성한다. 상기 프레넬 프리즘(32)은 광학적 활성면(70)과 불활성면(72)을 가지고 있다. 광학적 활성면(70)과 평활한 면(30) 사이의 각도를 A"로 나타내고, 평활한 면(30)과 불광활성면(72) 사이의 각도를 RA"로 나타낸다. 면(70)에서 굴절되어 나온 광의 각도를 상기 섹션에 대하여 I2"로 나타내고, 편향각(D")을 제공한다. 제5A도에 도시된 바와같이, 섹션(60)에 대응하는 섹션(62)에서, 입사각을 I1'으로 나타내며, 여기서의 편향각은 D'로 나타나 있다. 광학적 활성면(80)의 각도를 A'로 나타내고, 불활성면(82)의 각도를 RA'로 나타낸다.
여기에 개시된 방정식은 단지 예시의 목적을 위한 것이고 본 발명에 필수적인 것은 아니다. 당업자에게는 다수의 대체될 수 있는 다른 방정식이 잘 알려져 있고, 그 방정식 또는 유사한 식들이 스넬(Snell)의 굴절법칙과 예를들면 미국 특허 제4,069,812호의 명세서에 개시된 바와같은 삼각함수의 원리로부터 당업자에 의해 쉽게 유도될 수 있다. 따라서 예시의 렌즈 구조를 결정하는데 이용되는 패러미터는 다음과 같다.
1) 광선(태양으로부터의)이 절곡된 프레넬 렌즈의 제1표면에 입사각(I)로 입사하는 경우, 최소 편향 조건으로부터 렌즈의 제2표면이 제1표면에 대하여 형성하여야 하는 각도 A를 결정하고, 최소 편향각(Dm)은
Dm=2(I-sin-1(sin(1/n)))
이다. 여기서, n은 물질의 굴절율이다.
2) 소정의 평향각(D)을 생성하는데 필요하고 최소 편향을 포함하는 렌즈의 광학적 활성면의 각도(A)는
Figure kpo00002
이다.
3) 불활성면이 제1표면에서만 굴절되는 태양광의 일측부로부터의 말단광과, 렌즈의 양방의 표면에서 굴절되는 태양광의 타측부로부터의 말단광선과의 사이, 즉, 내측 광선과 외측 광선 사이에 위치하면, 렌즈의 광학적 활성면 사이의 불활성면은 어떤 광선도 차단하지 않는다. 이러한 광선은 평행하게 되므로, 내외측 광선이 제1표면에 대하여 다음과 같은 RA의 각도를 이루는 경우 렌즈상에 임계점을 형성한다.
RA=cos-1(sin(I-S)/n)
여기서, S는 렌즈에 마주 대하는 태양각도의 절반(대략 1/4도)이다.
4) 얇은 프레넬 렌즈에 비틀림이 발생하는 경우, 표면은 제6도에 도시된 바와같이 변위되어 회전된다. 이 경우, 실선 66과 입사각(Pt)은 비틀림이 발생하지 않은 상태를 나타내고, 점선 66'와 입사점(Pt')은 휜 상태를 나타낸다. 여기에 설명되는 종류의 실제적인 렌즈에 관하여 회전은 최대의 효과를 발생하고, 양 효과는 분석에 고려되지만 설계를 위해서도 고려된다. r이 렌즈의 일부분의 회전(휨(B)과 동일하거나 그보다 작은)이고, 제1표면에 대한 제2표면의 각도가 A이고 회전 부재(不在)의 경우 입사각 I이면, 그 결과에 의한 광선의 편향각 D는
D=-A+I+r+sin-1(n·sin(A-sin-1(sin(I+r)/n)))
이다.
상기 식들을 이용하면, 예시의 구조를 갖는 렌즈는 프레넬 프리즘(32)의 활성면(70,80)이 제7A도 및 제7B도의 그래프로 나타낸 바와같이 목표 지역(26)에 충분히 밀접한 광을 향하게 하고, 렌즈 표면을 휘게 하는 경향이 있는 바람에 의해서도 태양 에너지의 최소량만이 손실되므로 렌즈를 얇은 필름으로 만들 수 있게 하며, 또한 전체 태양 에너지 집중장치의 소요 중량이 경감되게 한다. 본 발명의 렌즈를 위한 몇몇 대표적인 스텝이 하기 표에 주어져 있다. 이 표에 있어서, S1및 S2아래의 숫자는 태양 에너지 집중장치의 중앙으로부터 프리즘까지의 거리를 나타내고, 1유니트는 전체 태양광 집중장치의 전체 구경이다. S1은 구경(T1)에서의 상기 거리를 나타내고, S2는 구경(T2)에서의 상기 거리를 나타낸다. T1은 섹션(60,62)의 구경이고, T2는 섹션(64,66)의 구경이다. 렌즈 구경 T2대 T1의 비는 1.45이고, 물질의 굴절율은 1.493이며, I1'=45°이고 I1"=13.75721°이다. RA'는 61.86545°인 이러한 렌즈 구조에 대한 최소의 불활성면 각도를 나타내며, RA"는 80.99957°이다. 그러나, 상기 불활성면 각도는 프레넬 프리즘에서 불활성면의 임계 각도로부터 증가될 수 있음을 이해해야 한다.
[표 T1]
Figure kpo00003
[표 T2]
Figure kpo00004
제7A도는 목표 지역 또는 흡수기에서 태양광 상(image)의 위치를 나타내며, 그 폭은 S1및 S2의 함수로서 0.028이다. 태양광 집중장치의 전체 구경의 절반만이 도시되어 있다. 그 절반은 1/2유니트와 동일하고, 그 절반 구경이 부분 T1및 T2로 분할되어 있다. 실선은 +2°휨에 기인한 색수차를 포함하는 상의 확산을 나타내고, 점선은 +1°휨에 기인한 색수차를 포함하는 상의 확산을 나타낸다. 제7B도는 -2°휨에 기인한 색수차를 포함하는 상의 확산(실선)을 나타내고, 점선은 얇은 가요성 프레넬 렌즈(24)가 휨없이 그 편평한 정상 위치에 있을때의 색수차를 포함하는 상의 확산을 나타낸다. 이러한 상의 악화는 허용될 수 있다.
본 발명의 태양 에너지 집중장치가 전체 일조시(日照時)에서 효율적으로 작동하게 하기 위해서는, 렌즈(24)를 항상 태양의 방향으로 지향하도록 하므로써, 하늘을 가로지르는 태양을 추적하는 것이 필요하다. 따라서, 예를들면 미국 특허 제4,352,350호, 제4,347,834호 및 제4,089,323호의 명세서에 개시된 형태의 추적수단(도시)을 집중장치(20)에 부착할 수 있다. 그러므로 상기 추적수단은 미국 특허 제4,069,812호 및 제4,011,857호의 명세서의 기술된 바와같은 적용 조건에 3가지 추적 계획에 따라 이용될 수 있다.
본 발명의 태양 에너지 집중장치는, 또한 방사 에너지를 매우 작은 면적을 가지는 스폿트 또는 점인 목표 또는 흡수기에 집중시키도록 설계될 수도 있다. 일측면상에 선형으로 정렬된 불연속 프레넬 프리즘(32)을 갖는 박판 또는 렌즈(24)는 역시 일측부에 특수한 불연속적인 선형 프레넬 프리즘(32')이 제1박판(24)에 대하여 수직 방향으로 배치된 다른 박판 또는 렌즈(24')와 밀접히 접촉 배치될 수 있다(제8도 참조). 또는 제1박판은 양면에 상기 구조를 가질 수도 있다. 또다른 형태로는 절두체로 형성된 박판으로 구성되고, 상기 절두체와 다른 각도를 갖는 원추로 형성된 다른 박판을 상부에 배치한 구성체가 있다. 이러한 박판 조립체도 태양 방사선을 매우 작은 면적(즉, 스폿트)상에 집중시킨다. 또한, 선형으로 배열된 프레넬 프리즘의 박판이 파이(pie) 형태의 3각형으로 절단된 다음, 서로 연결되어, 입사 태양 방사선을 스폿트 상에 집중시키는 구조의 피라밋을 형성할 수도 있다.
본 발명의 설명에서, 렌즈의 특수한 구조와 상기 렌즈를 지나는 광통로는 본 발명에서 벗어남이 없이 예상되는 렌즈의 스텝 각도에 의해 결정됨을 알 수 있다. 프레넬 렌즈에 대한 태양광의 입사각이 렌즈의 가장자리의 또는 그 가장자리에 인접한 프레넬의 활성면으로부터 배출되는 광의 배출각과 실제로 동일한 경우에, 매우 소형이고 효율적인 렌즈 구조를 얻을 수 있다. 이것은 항상 요구되는 것이 아니고, 몇몇 경우에는 오히려 바람직하지 않을 수 있음에 주목하여야 한다.
또다른 실시예에서는, 길고 협소한 목표(target)는 태양 방사선에 의해 가열된 액체가 이중 파이프로 흡수기의 중앙을 통과하여 배출되도록 구성된 흡수기 파이프이다. 상기 장치는 경량이기 때문에, 대부분의 위치에서 특히, 무겁고 육중한 장치가 적절하지 않은 장소에 이용될 수 있다. 일실시예에서, 이러한 장치는 작은 팩케이지(package)로 말려질 수 있기 때문에, 특히 우수공간에서의 이용에 적합하게 적용된다. 운반체가 발사되고, 궤도에 위치한 후, 본 발명의 태양 에너지 집중장치가 자동적으로 전개될 수 있다. 효율적인 작동을 위해 정밀한 정렬이 필요하지는 않다.
이상에 있어서, 본 발명의 바람직한 실시예가 당업자로 하여금 본 발명의 기술을 실시할 수 있도록 설명되어 있으나, 상기 설명은 예시를 위한 것이고 본 발명의 범위를 제한하는데 사용되어서는 안된다. 본 발명의 범위는 하기 청구범위들과 관련하여서만 결정되어야 한다.

Claims (15)

  1. 목표 지역을 포함하는 태양 에너지 집중장치에 있어서, 평활한 표면(30)과 반대측 표면(34)을 갖는 얇고 가요성이 있는 투명한 중합체 필름 박판을 포함하는 렌즈수단(24)과, 상기 렌즈수단(24)을 상기 목표 지역(26)상에 지지하기 위한 지지수단(22)을 포함하며, 상기 렌즈수단(24)은 렌즈수단(24)에 대하여 예각으로 상기 렌즈수단에 입사하는 태양 방사선을 굴절시키기 위해 상기 반대측 표면(34)을 형성하는 복수개의 렌즈모양의 광 굴절 프리즘(32)을 구비하고, 상기 렌즈수단(24)은 상기 목표 지역(26)을 향하여 개방되도록 상기 지지수단(22)상에 설치되고, 적어도 2개의 섹션(60,62,64,66)을 형성하기 위하여 상기 광 굴절 프리즘(32)과 평행한 적어도 하나의 선(28)에서 굴절되며, 상기 광 굴절 프리즘(32)은 광학적 활성면과 불활성 융기를 가지며, 집중장치의 효율이 렌즈수단(24)의 상기 섹션(60,62,64,66)의 휨에 의해 크게 영향을 받지 않도록 배열되는 것을 특징으로 하는 태양 에너지 집중장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 필름은 목표 지역(26)의 축과 평행한 적어도 하나의 선(28)을 따라 절곡되는 것을 특징으로 하는 태양 에너지 집중장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 목표 지역(26)은 흡수성 매체(57)를 이송하기 위한 적어도 하나의 파이프(56 또는 58)를 구비하는 것을 특징으로 하는 태양 에너지 집중장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 집중장치는 평활한 표면과 반대측 표면을 가지는 제2렌즈수단을 또한 포함하며, 상기 반대측 표면은 상기 필름에 입사하는 태양 방사선을 상기 목표 지역(26)에 집중시키기 위한 복수개의 렌즈형의 광 굴절수단으로 형성되고, 상기 지지수단(22)은 상기 렌즈수단(24)과 제2렌즈수단에 입사하는 광선이 상기 목표 지역(26)상에서 촛점을 이루도록 상기 제2렌즈수단을 목표 지역(26)상에 부가적으로 지지하는 것을 특징으로 하는 태양 에너지 집중장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 평활한 표면은 상기 필름에 입사하는 태양 방사선을 목표 지역(26)에 집중시켜 촛점을 이루게 하기 위해 복수개의 렌즈형 광 굴절 프리즘(32)을 구비하는 것을 특징으로 하는 태양 에너지 집중장치.
  6. 필름으로 구성되며 목표 지역상에 입사 태양 방사선을 집중시키기 위한 얇은 굴절 프레넬 렌즈에 있어서, 상기 필름은 평활한 표면(30)과 반대측 표면을 갖는 얇고 가요성이 있는 필름이고, 상기 반대측 표면에는 상기 필름에 대하여 예각으로 상기 필름에 입사하는 태양 방사선을 목표 지역(26)상에 집중시키도록 결합된 광 굴절수단(32)을 구비하며, 상기 광 굴절수단(32)은 광 굴절면(70,80)과, 인접한 불활성의 연결면(72)을 형성하는 프리즘형의 홈부와 융기부의 선형 배열을 포함하고, 상기 굴절면 (70,80)과 불활성면(72)은 상호 협력하여 상기 입사 태양 방사선을 집중시키는 것을 특징으로 하는 얇은 프레넬 렌즈.
  7. 제6항에 있어서, 상기 필름은 적어도 2개의 인접한 섹션으로 분할되고, 상기 섹션(60,62,64,66) 각각은 결합된 개별 광 굴절수단(32)을 구비하는 것을 특징으로 하는 얇은 프레넬 렌즈.
  8. 제7항에 있어서, 상기 인접한 섹션(60,62,64,66)은 상기 가요성 필름이 중간 지역(28,28')을 따라 목표 지역(26)을 향하여 절곡되도록 그리고 상기 렌즈의 광학적 효율이 상기 필름의 왜곡에 의해 크게 영향을 받지 않도록 중간 지역(28,28')에 의해 연결되는 것을 특징으로 하는 얇은 프레넬 렌즈.
  9. 제6항에 있어서, 상기 필름은 중합체 물질로 이루어진 유연한 가요성 박판으로 형성되는 것을 특징으로 하는 얇은 프레넬 렌즈.
  10. 제6항에 있어서, 상기 렌즈(24)는 장방향이고 종축에 대하여 대칭인 것을 특징으로 하는 얇은 프레넬 렌즈.
  11. 제10항에 있어서, 상기 렌즈(24)는 4개의 인접한 섹션(60,62,64,66)으로 횡방향으로 분할되는데, 각각의 가장자리 부분의 섹션(60,62)이 35°내지 60°로 상기 평활한 표면(30)에 부딧치는 태양 방사선의 입사각을 가지도록 배치되고, 상기 종축의 인접 측부의 내측 섹션(64,66)이 5°내지 20°의 태양 방사선 입사각을 가지도록 배치되는 것을 특징으로 하는 얇은 프레넬 렌즈.
  12. 제11항에 있어서, 상기 렌즈는 가장자리에 인접한 섹션(60,62)내의 프리즘(32)의 광학적 활성면(80)의 범위는 37°내지 68°이며, 내측 섹션(64,66)의 프리즘(32)의 활성면(70)의 각도 범위는 0°내지 42°인 것을 특징으로 하는 얇은 프레넬 렌즈.
  13. 제6항에 있어서, 입사 태양 방사선이 최초로 상기 가요성 필름의 평활한 표면(30)에 부딪치도록 배치되는 것을 특징으로 하는 얇은 프레넬 렌즈.
  14. 제6항에 있어서, 상기 필름은 입사 태양 방사선에 대하여 각도를 가지고 상기 목표 지역(26) 상방에서 경사진 하나의 섹션(60,62,64 또는 66)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 얇은 프레넬 렌즈.
  15. 대체로 선형인 프로파일을 갖는 목표 지역상에 입사 태양 방사선을 집중시키기 위한 시스템에서 렌즈를 배치하는 방법에 있어서, 장방형상의 개구를 갖는 프레임(22)을 상기 목표 지역(26)의 수평측을 따라 배치하는 단계와, 하나의 지주(48)가 종방향 중앙에 그리고 다른 지주(50)가 중앙의 상기 지주의 각 측부에 하나씩 위치하도록, 복수개의 평행한 지주(48,50)를 상기 장방형 개구에 배치하는 단계와, 외부로 노출되는 평활한 표면(30)과 상기 평활한 표면(30)에 부딪치는 태양 방사선을 상기 목표 지역(26)으로 향하게 하는 광 굴절 표면(70,80)을 형성하는 프리즘형 융기부 및 홈이 형성된 반대측 표면(34)을 가진 얇게 가요성이 있는 투명한 필름을, 상기 시스템의 광학적 효율이 상기 필름의 왜곡에 의해 크게 영향받지 않도록, 상기 지주(48,50)상에 덮어서 설치하는 단계와, 지주(48,50) 사이에서의 늘어짐을 최소화 시키기 위해 상기 필름을 장력하에 배치하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 방사선 집중장치에서의 렌즈 배치 방법.
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