KR101059759B1 - 프리즘 하이브리드 태양광 집광기 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 프리즘 하이브리드 태양광 집광기는 입사되는 태양광을 1차 집속하도록 길이방향으로 연속 배열되고 중실체 또는 중공체로 이루어진 다수의 단위 집광모듈과, 상기 단위 집광모듈의 각 하부에 일대일 대응되게 돌출 또는 요입되어 1차 집속광을 유도하는 선형 배면 광 안내부로 이루어진 집광부와, 상기 단위 집광모듈과 일대일 대응되며, 상기 단위 집광모듈을 통해 집속된 1차 집속광을 좌우로 수평하게 전반사하는 수평 반사부와, 상하로 수직하게 전반사하는 수직 반사부를 각각 구비하고, 상기 집광부를 사이에 두고 상하에 설치된 상ㆍ하단 프리즘 시트로 구성되어, 입사된 태양광을 2쌍 혹은 4쌍의 단위 집광모듈별 혹은 점진적으로 효율 높게 집광한다.

Description

프리즘 하이브리드 태양광 집광기{Prism Hybrid Solar Concentrator}

본 발명은 태양광 집광기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 평판 형이고 넓은 면적의 전면으로 입사된 태양광을 전반사 프리즘이 다수 형성된 두 장의 프리즘 시트로 집광하여 태양에너지의 집광효율을 극대화시킴과 동시에, 제작원가도 획기적으로 줄일 수 있는 프리즘 하이브리드 태양광 집광기(이하 간략히 “프리즘 집광기”라 칭하고 병용하기로 한다.)에 관한 것이다.

일반적으로, 태양에너지를 이용하는 방법으로는 태양전지를 이용하여 전기를 생산하도록 하는 태양광 발전, 태양열 집열관 또는 집열판을 이용하여 태양열을 흡수하고 이를 온수 생산이나 난방에 이용하는 태양열 집열, 조명이나 식물생장 또는 광촉매에 활용하기 위해 태양광 자연채광 모듈 또는 반사판을 이용하여 자연 채광하는 태양광 자연채광 등이 있다.

주지하다시피, 태양에너지를 최대로 활용하기 위해서는 효율적으로 태양광을 집광하여야 하며 이를 위해 다양한 태양광 집광장치가 사용되는데, 집광장치의 광 집적도는 태양광발전, 태양열 집열, 태양광 자연채광 등 이용방법이 무엇이든지 간에 태양 에너지 효율과 직결된다.

태양광 집광장치는, 포인트 집중 디쉬 타입(point-focus dish type), 포인트 집중 프레넬 렌즈 타입(point-focus Fresnel lens type), 선형 집중 프레넬 렌즈 타입(linear-focus Fresnel lens type), 그리고 헬리오스테트 타입(heliostat type), 그레고리안 / 카세그레인 집광계, 홀로그래픽 프리즘시트를 이용한 집광 등으로 구분이 되며 여타 무수히 다양한 방법이 공지되어 있다.

전술한 종래 태양광 집광장치는 통상적으로 태양광 발전설비의 발전량/ 태양열 집열/태양광 자연채광 양의 증가를 위해서 태양광 집광장치 구조의 대형화가 불가피한데, 대형으로 제조함에 있어 비용이나 구조적인 면에서 많은 제약이 발생되므로 투자대비 경제성을 기대하기가 매우 곤란한 문제점도 있었다.

예컨대, 이러한 문제를 극복하기 위해서는 태양 에너지 효율을 높이는 한편, 무엇보다도 중요한 투자 대비 경제성을 확보하는 기술적인 대안이 매우 필요하다고 할 수 있다.

본 출원인은 이러한 문제점을 개선하는 대안의 하나로 전술한 단위 태양광 집광장치를 소형으로 제작하되 다수를 배열로 하고 태양의 방위각과 고도각을 동시에 추미 구동하여 입사 태양광을 평행하게 하는 블라인드와 태양광 발전에 응용하는“2축 태양추미기능을 겸한 블라인드(10-2009-0129310, 선출원1)“ 및 “2축 태양추미구동 버티칼 유로블라인드(10-2009-0129310, 선출원2)”, 그리고 “측면 태양광 집광기(10-2010-0004153, 선출원3)”를 특허출원한 바 있다.

그러나 선출원 1 및 2는 태양광 집광장치의 집광 효율을 높일 수 있는 기반에 대한 개선으로써 태양광이 평행하게 입사되도록 하는 2축 태양추미장치일 뿐이며, 선출원 3은 2축 태양 추미장치를 이용하고 전면으로 입사되는 평행한 태양광을 측면으로 집광하도록 하여 태양광 집광장치의 집광 효율을 높일 수 있는 개선 대안이었으나 측면으로 반사하는 반사부가 다단으로 다수 형성됨으로 인하여 태양광 집광장치의 두께가 증가할 수 있는 문제점이 있었다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술상의 제반 문제점들을 감안하여 이를 해결하고자 창출된 것으로, 태양광을 효과적으로 집광하여 태양에너지의 집광효율을 극대화시킴과 동시에 제작원가를 획기적으로 줄일 수 있어 범용성을 증대시킨 프리즘 집광기를 제공하는데 목적이 있다.

상기 목적은 본 발명 제 1측면에 따른 입사되는 태양광을 1차 집속하도록 길이방향으로 연속 배열되고 중실체로 이루어진 다수의 단위 집광모듈과, 상기 단위 집광모듈의 각 하부에 일대일 대응되게 돌출 또는 요입되어 1차 집속광을 유도하는 선형 배면 광 안내부로 이루어진 집광부와, 상기 단위 집광모듈과 일대일 대응되며, 상기 단위 집광모듈을 통해 집속된 1차 집속광을 좌우로 수평하게 전반사하는 수평 반사부와, 상하로 수직하게 전반사하는 수직 반사부를 각각 구비하고, 상기 집광부를 사이에 두고 상하에 설치된 상ㆍ하단 프리즘 시트로 구성되어, 입사된 태양광을 2쌍 혹은 4쌍의 단위 집광모듈별 혹은 점진적으로 효율 높게 집광하도록 구성된 것을 특징으로 하는 프리즘 하이브리드 태양광 집광기와,

본 발명 제 2측면에 따른 입사되는 태양광을 1차 집속하도록 길이방향으로 연속 배열되고 중공체로 이루어진 다수의 단위 집광모듈을 갖는 집광부와, 상기 단위 집광모듈과 일대일 대응되며, 상기 단위 집광모듈을 통해 집속된 1차 집속광을 좌우로 수평하게 전반사하는 수평 반사부와, 상하로 수직하게 전반사하는 수직 반사부를 각각 구비하고, 상기 집광부를 사이에 두고 상하에 설치된 상ㆍ하단 프리즘 시트로 구성되어, 입사된 태양광을 2쌍 혹은 4쌍의 단위 집광모듈별 혹은 점진적으로 효율 높게 집광하도록 구성된 것을 특징으로 하는 프리즘 하이브리드 태양광 집광기에 의해 달성된다.

상기 집광부를 구성하는 단위 집광모듈은 상부로 볼록한 형태를 갖는 단위 선형 볼록 집광 렌즈(이하 간략히“볼록 집광 렌즈”라 한다.) 또는 점초점 볼록 집광렌즈의 선형배열, 하부로 오목하고 배면에는 거울 반사층이 형성되되 경계에는 거울 반사층이 없는 단위 선형 집광 오목 거울(이하 간략히 “집광 오목 거울”라 한다.) 또는 점초점 집광 오목 거울의 선형배열, 단위 선형 프뢰넬 렌즈(이하 “선형 프뢰넬 렌즈”라 한다) 또는 점초점 프뢰넬 렌즈의 선형배열, 카세그레인 주 반사거울과 카세그레인 부 반사거울을 통해 2차 반사를 통한 태양광 집속이 가능한 단위 선형 카세그레인 집광모듈(이하 “카세그레인 집광모듈”이라 한다.) 또는 점초점 카세그레인 집광모듈의 선형배열, 그레고리안 주 반사거울과 그레고리안 부 반사거울을 통한 태양광 집속이 가능한 단위 선형 그레고리안 집광모듈(이하 간략히“그레고리안 집광모듈”이라 한다.) 또는 점초점 고리안 집광모듈의 선형배열 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하며, 상기 하단 프리즘 시트의 상단에는 선형 배면 광 안내부와 일대일 대응되거나 또는 단위 집광모듈과 일대일 대응되고 단위 집광모듈의 초점을 지난 집속광을 수평반사부에 평행한 광으로 전달하는 돌출된 선형 시준기(콜리메이터) 또는 선형 시준기(콜리메이터)가 내부 하단에 형성된 시준 요홈 중에서 선택된 어느 한 가지가 더 형성되며, 상기 상단 프리즘 시트에 형성된 수직반사부 하단에도 형성될 수 있다.

그리고 상기 선형 시준기(콜리메이터)는 선형 볼록렌즈; 선형 비구면 볼록렌즈; 선형 그린렌즈; 선형 프뢰넬렌즈; 다수의 그린렌즈 선형배열; 다수의 점초점 볼록렌즈의 선형배열; 다수의 점초점 비구면 볼록렌즈의 선형배열; 다수의 점초점 프뢰넬렌즈의 선형배열; 막대렌즈, 광섬유의 1차원 배열, 일렬로 광섬유가 삽입된 1차원 선형 허니콤, 광섬유 또는 광섬유 삽입된 선형 허니콤을 압착한 화이버 옵틱 테이퍼, 다수의 볼렌즈 선형배열 중 어느 하나로 제작된 광 가이드; 중 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하며, 상기 시준 요홈의 상부에는 선형 로드렌즈가 더 포함된 것을 특징으로 한다.

한편, 상기 상ㆍ하단 프리즘 시트는 공기보다 큰 광 굴절률을 갖는 투명소재로써 자외선 차단층이 형성된 플라스틱, 강화유리, 파이렉스, 석영유리 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하고, 상기 하단 프리즘 시트의 하부에는 프리즘 시트가 계단식으로 더 설치되어 집속된 광을 다시 수평으로 반사하고, 반사된 광을 측면에서 다단으로 집속할 수 있도록 구성되고, 상기 상단 프리즘 시트에 형성된 수직 반사부는 상기 단위 집광모듈의 경계면에 대응하게 형성되어 입사된 광을 하방으로 전반사하거나 또는 최초 태양광 입사부위에 대응되게 형성되어 집속된 태양광이 최초 태양광과 함께 단위 집광모듈에 의해 다시 집속할 수 있으며, 수평반사부 및 수직반사부의 외측면에는 전반사율을 높이도록 반사층이 형성되되, 상기 반사층은 알루미늄, 은, 금, 니켈, 스테인레스 스틸 중에서 선택된 어느 하나로 코팅 형성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 단위 집광모듈이 선형 볼록 집광렌즈, 점초점 볼록 집광렌즈의 선형배열, 선형 프뢰넬 렌즈, 점초점 프뢰넬 렌즈의 선형배열인 경우, 단위 집광모듈의 경계에는 상기 단위 집광모듈이 볼록 집광렌즈인 경우에는 단위 선형 차일드 볼록 집광 렌즈(이하 “차일드 볼록 집광 렌즈”라 한다.)가, 점초점 볼록 집광렌즈의 선형배열인 경우에는 차일드 점초점 볼록 렌즈의 선형배열이, 프뢰넬 렌즈인 경우에는 차일드 프뢰넬 렌즈가, 점초점 프뢰넬 렌즈의 선형배열인 경우에는 차일드 점초점 프뢰넬 렌즈의 선형배열이 더 형성되되, 하단 프리즘 시트의 수직반사부에서 전달되는 광을 집속하여 상단 프리즘 시트의 수평반사부로 집광되는 광폭을 더욱 줄인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 집광부를 구성하는 선형 배면 광 안내부는 내부로 입사될 가능성이 있는 굴절된 떠돌이 태양광을 차단하고 집속된 집속광이 하단을 제외한 입면으로 출사되는 것을 방지하도록 하향 돌출된 형태로 형성되되, 입면에는 입면 반사층이 형성되고, 하면을 제외한 집광부에는 하면 반사층이 형성되며, 배면 하부는 투명하게 형성된 것을 특징으로 한다.

또한 바람직하게는, 상기 하단 프리즘 시트의 상부에는 단위 집광모듈과 일대일 대응되게 설치되어 정교한 집광을 유도하거나 또는 상기 상단 프리즘 시트의 수평반사부 하단에 설치되어 정교한 집광을 유도하거나 제2집광 어셈블리가 구비되되, 상기 제2집광 어셈블리는 하우징, 하우징에 내장된 선형 제2 집광렌즈, 선형 제2 집광렌즈를 통과한 광을 수평반사부에 평행한 광으로 전달하는 선형 시준기, 상기 선형 시준기에 구비되는 선형 로드렌즈로 이루어지되, 상기 선형 시준기는 선형 볼록렌즈; 선형 비구면 볼록렌즈; 선형 그린렌즈; 선형 프뢰넬렌즈; 다수의 그린렌즈 선형배열; 다수의 점초점 볼록렌즈의 선형배열; 다수의 점초점 비구면 볼록렌즈의 선형배열; 다수의 점초점 프뢰넬렌즈의 선형배열; 막대렌즈, 광섬유의 1차원 배열, 일렬로 광섬유가 삽입된 1차원 선형 허니콤, 광섬유 또는 광섬유 삽입된 선형 허니콤을 압착한 화이버 옵틱 테이퍼, 다수의 볼렌즈 선형배열 중 어느 하나로 제작된 광 가이드; 중 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 한다.

한편, 상기 단위 집광모듈이 하부로 오목하고 배면에는 거울 반사층이 형성되되 경계에는 거울 반사층이 없는 선형 집광 오목 거울 또는 점초점 집광 오목 거울의 선형배열, 카세그레인 주 반사거울과 카세그레인 부 반사거울을 통해 2차 반사를 통한 태양광 집속이 가능한 선형 카세그레인 집광모듈 또는 점초점 카세그레인 집광모듈의 선형배열, 그레고리안 주 반사거울과 그레고리안 부 반사거울을 통한 태양광 집속이 가능한 선형 그레고리안 집광모듈 또는 점초점 고리안 집광모듈의 선형배열인 경우, 집광 오목 거울 또는 점초점 집광 오목 거울의 선형배열, 카세그레인 주 반사거울, 그레고리안 주 반사거울은 알루미늄 사출성형 혹은 표면을 거울과 같이 폴리싱 처리한 스테인레스 박판을 금형 프레싱하여 형성되고, 집광 오목 거울 또는 점초점 집광 오목 거울의 선형배열, 카세그레인 주 반사거울, 그레고리안 주 반사거울의 경계에는 광이 통과하도록 광 안내구가 형성된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 넓은 면적으로 입사되는 태양광을 효과적으로 집광하여 태양에너지 이용효율을 극대화할 수 있고, 구조가 간단하여 제작과 설치가 용이하며, 평판 형이어서 얇고 부피가 크지 않고, 제조비용도 저렴한 효과를 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 프리즘 집광기의 기본 개념을 설명하기 위한 예시도.
도 2는 상ㆍ하단 프리즘 시트와 볼록 집광 렌즈를 사용하는 집광부로 이루어지는 본 발명 제1 실시예에 따른 프리즘 집광기의 구조를 나타내는 단면도.
도 3은 수직 반사부에 의해 커진 광폭을 다시 집광하는 차일드 볼록 집광 렌즈가 더 포함된 프리즘 집광기의 단면도.
도 4는 상ㆍ하단 프리즘 시트와 다수의 볼록 집광 렌즈를 사용하는 집광부로 이루어지는 본 발명 제1 실시예에 따른 프리즘 집광기의 분해 단면도.
도 5는 상ㆍ하단 프리즘 시트와 집광 오목 거울을 사용하는 집광부로 이루어지는 본 발명 제2 실시예에 따른 프리즘 집광기의 구조를 나타내는 단면도.
도 6은 상ㆍ하단 프리즘 시트와 프뢰넬 렌즈를 사용하는 집광부로 이루어지는 본 발명 제3 실시예에 따른 프리즘 집광기의 구조를 나타내는 단면도.
도 7은 상ㆍ하단 프리즘 시트와 카세그레인 집광모듈을 사용하는 집광부로 이루어지는 본 발명 제4 실시예에 따른 프리즘 집광기의 구조를 나타내는 단면도.
도 8은 상ㆍ하단 프리즘 시트와 그레고리안 집광모듈을 사용하는 집광부로 이루어지는 본 발명 제5 실시예에 따른 프리즘 집광기의 구조를 나타내는 단면도.
도 9는 정교한 집광을 위해 제 2 집광 어셈블리를 더 포함하여 구성된 본 발명 제6 실시예에 따른 프리즘 집광기의 단면도.

이하 본 발명에 따른 프리즘 집광기에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다. 다만, 첨부된 도면은 본 발명의 내용을 보다 쉽게 개시하기 위하여 설명되는 것일 뿐, 본 발명의 범위가 첨부된 도면의 범위로 한정되는 것이 아님은 당해 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 용이하게 알 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 프리즘 집광기의 기본 개념을 설명하기 위한 예시도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 프리즘 집광기(1)는, 단위 집광모듈(21)이 소정 간격을 두고 복수 개 1차원 배열로 형성되어 입사되는 태양광(11a)을 1차로 집속하는 집광부(20)와, 각각의 단위 집광모듈(21)과 일대일 대응되고 단위 집광모듈(21)로부터 1차 집속된 태양광(11b)을 전달 받아 재차 좌우측의 수평으로 반사하는 수평 반사부(보다 상세한 구조는 도 2 참조)와 상하로 태양광을 반사시키는 수직 반사부(보다 상세한 구조는 도 2 참조)가 형성되어 있고, 상기 집광부(20)를 사이에 두고 상하면에 위치하는 상단 프리즘 시트(30a), 하단 프리즘 시트(30b)로 이루어진다.

이하, 후술되는 본 발명에 따른 다양한 실시 예에서는, 프리즘 집광기(1)가 도시하지 않은 태양 추미장치(Sun Tracker)에 의해 태양의 위치변화에 따른 태양의 방위각 및 고도각을 자동으로 조절하도록 구성될 수 있는데, 이는 본 발명 이전에 해당 분야에서 개시된 회전구동수단, 경사각조절수단 등을 통해 당업자가 용이하게 실시 가능한 것이고, 또 선출원 1, 2 에도 자세하게 설명되어 있으므로 이에 대한 설명은 생략하기로 한다.

또한, 이하 설명되는 본 발명에 따른 다양한 실시 예에서는 프리즘 집광기(1)의 상면으로 입사되는 태양광이 평행광 형태의 직사광선이고 단위 집광모듈(21)이 연속하여 1차원 배열되는 것을 전제로 하되, 단위 집광모듈(21)의 전면에는 도시하지 않은 집광수단이 설치되어 입사되는 태양광을 소정 각도로 굴절시켜 입사되게 구성할 수 있다. 아울러, 입사되는 태양광에 대하여 집광부(20)와 상ㆍ하단 프리즘 시트(30a)(30b)에 각각 사용되는 물질의 굴절률이 일정하다는 것을 전제로 한다.

(제 1실시 예)

도 2는 상ㆍ하단 프리즘 시트와 볼록 집광 렌즈를 사용하는 집광부로 이루어지는 본 발명 제1 실시예에 따른 프리즘 집광기의 구조를 나타내는 단면도이고, 도 3은 수직 반사부에 의해 커진 광폭을 다시 집광하는 차일드 볼록렌즈가 더 포함된 프리즘 집광기의 단면도이고, 도 4는 다수의 볼록 집광 렌즈를 사용하는 집광부와 상ㆍ하단 프리즘 시트로 이루어지는 본 발명 제1 실시예에 따른 프리즘 집광기의 분해 단면도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명 제 1 실시예에 따른 프리즘 집광기(1a)는 집광부(20a)와, 상기 집광부(20a)의 상ㆍ하단에 각각 위치하고 상기 집광부(20a)로부터 광을 전달받아 집광하는 투명한 소재로 제작된 상ㆍ하단 프리즘 시트(30a)(30b)로 구성된다.

이때, 상기 집광부(20a)의 상면에는 볼록한 라운드 형상의 단면을 가지는 볼록 집광 렌즈(21a)가 복수 개 배열되고, 하면에는 볼록 집광 렌즈(21a)에 대응되게 선형 배면 광 안내부(22)가 형성된다.

그리고, 상기 집광부(20a)를 구성하는 단위 집광모듈(21, 도 1 참조, 여기서는 볼록 집광 렌즈임)은 중실체 혹은 중공체로 형성될 수 있는데, 중공체일 경우에는 내부가 비어 있기 때문에 별도의 선형 배면 광 안내부(22)를 형성할 필요가 없다.

또한, 선형 배면 광 안내부(22)는 내부 또는 배면 하부(220, 도 4의 (b) 참조)에 볼록 집광 렌즈(21a)의 광학적 초점(F1)이 위치하도록 형성되며, 볼록 집광 렌즈(21a)에 입사된 태양광은 길이방향으로 형성된 선형 배면 광 안내부(22) 내부에 길이방향으로 하나의 기다란 선형 초점선을 형성한다.

따라서 넓은 면적의 집광부(20a)로 입사된 태양광은 각각의 볼록 집광 렌즈(21a)에 의해 분할되어 각각 집광되며 볼록 집광 렌즈(21a) 하나당 대응 형성된 초점선에 1차로 집속된다.

그리고 하단 프리즘 시트(30b)에 형성되는 수평 반사부(41h)는 볼록 집광 렌즈(21a)의 선형 배면 광 안내부(22)와 일대일 대응되도록 형성되고 입사되는 1차 집속 태양광(11b)을 좌/우 측면으로 전반사시킨다.

한편, 상단 프리즘 시트(30a)에 형성되는 수평 반사부(41h‘)는 하단 프리즘 시트(30b)에 형성된 수직 반사부(41v)에 의해 하단 프리즘 시트(30b)에서 상단 프리즘 시트(30a)쪽으로 반사되는 위치 즉, 볼록 집광 렌즈(21a)의 경계(23a)에 형성되며, 입사되는 1차 집속 태양광(11b)을 좌/우 측면으로 반사시킨다.

이러한 수평 반사부(41h)(41h') 및 수직 반사부(41v)(41v')는 밀한 매질에서 소한매질로의 빛이 진행할 때 경계면에서 전반사가 일어나도록 소정각도로 비스듬히 형성되되, 본 발명 제 1실시 예에서는 45° 각도로 형성된다.

따라서 볼록 집광 렌즈(21a)에 최초로 입사된 태양광(11a)은, 볼록 집광 렌즈(21a)에 의하여 형성된 초점(F1)에 모여 하단 프리즘 시트(30b)의 수평 반사부(41h)에 도달한 후에 밀한 매질에서 소한 매질사이의 전반사 원리에 의해 도 2의 (a)와 같이 90° 방향 전환되어 하단 프리즘 시트(30b)의 내부 수평방향으로 전진한다.

여기에서, 전반사(total reflection)란 빛이 밀한 매질에서 소한 매질로 입사할 때 빛이 굴절되지 않고 반사되어 진행하는 현상을 말하며, 특히 굴절각이 90°가 될 때의 입사각을 임계각(θ)이라 하면 이 입사각이 임계각보다 클 때 전반사가 일어나며 이를 굴절률(n)과 비교하면 n=1/sinθ과 같은 관계를 갖는다.

그리고 하단 프리즘 시트(30b)의 수평 반사부(41h)는 입사된 1차 집속 태양광(11b)을 측면으로 반사하되, 인접한 볼록 집광 렌즈(21a) 끼리는 반사된 1차 집속 태양광(11b)이 좌우로 수평 반사되어 경계(23a) 부위로 모이도록 대략 역사다리꼴 형태로 경사 형성된다.

또한, 하단 프리즘 시트(30b)에는 인접한 볼록 집광 렌즈(21a)의 경계(23a) 부위에 대응되는 위치에 ‘∧’형상의 수직 반사부(41v)가 형성되는데, ‘∧’형상의 요홈에 의해 양단이 직각이등변 삼각형을 형성하게 되면서, 밀한 매질(하단 프리즘 시트)과 소한 매질(공기)의 경계면이 형성되는 것이며, 양쪽의 수평 반사부(41h)로부터 각각 전달된 1차 집속 태양광은 전반사 원리에 의해 모두 상단으로 90° 방향 전환하게 되고, 상단으로 90° 방향 전환된 1차 집광된 태양광(11b)은 그 폭(t)이 하단 프리즘 시트(30b) 두께(t)의 두 배가 되는 것이며, 상기 볼록 집광 렌즈(21a)의 경계(23a) 부위를 통해 상단 프리즘 시트(30a)에 형성된 수평 반사부(41h')로 전반사하게 된다(도 2의 (c)의 하단 참조).

이때, 상단 프리즘 시트(30a)에 위치한 수평 반사부(41h')는 도 2의 (a)에 도시한 바와 같이, 전달된 1차 집광된 태양광(11b)을 우측에 인접한 수직 반사부(41v')에 다시 전달하며, 수직 반사부(41v') 우측에 인접한 또 다른 한 쌍의 볼록 집광 렌즈(21a)도 동일하게 1차로 집광되어 상단 프리즘 시트(30a)의 수평 반사부(41h')로 집속한 태양광(11b)을 전달하되, 상단 프리즘 시트(30a)의 수평 반사부(41h')가 이번에는 좌측 즉, 상단 프리즘 시트(30a)의 수직 반사부(41v')쪽으로 전반사하여 전달하므로 인접한 4개의 볼록 집광 렌즈(21a)에서 1차로 집속한 태양광(11b) 모두가 수직 반사부(41v‘)에 모이게 되고, 90° 방향 전환되어 하단 프리즘 시트(30b)쪽으로 수직하게 전반사된다.

이에 따라, 도 2의 (c)에 도시한 바와 같이, 하단 프리즘 시트(30b)에 형성되는 수직 반사부(41v)는 ‘∧’형상의 요홈에 의해 결과적으로 90° 전반사 프리즘이 양쪽에서 입사되는 태양광을 굴절이나 난반사 손실이 최소화 되도록 전반사하기 위해 나란히 배열되므로, 2개의 프리즘에서 반사되는 폭은 각각의 볼록 집광 렌즈(21a) 하단에 형성된 선형 배면 광 안내부(22)를 통과한 1차 집속 태양광 폭(t)의 두 배(2t)가 되는 것이며, 상단 프리즘 시트(30a)의 두께는 두 개의 볼록 집광 렌즈(21a)로부터 입사되는 1차 집속 태양광(11b)을 좌우에서 동시에 전달 받아 수평으로 90° 손실 없이 방향전환 하여야 하므로 하단 프리즘 시트(30b)보다 2배 더 두꺼운 두께를 갖는 것이 바람직하다.

그리고 동일한 원리로 상단 프리즘 시트(30a)의 수직 반사부(41v‘)에 의해 하단 프리즘 시트(30b)쪽으로 수직하게 전반사되는 1차 집속 태양광의 폭은 볼록 집광 렌즈(21a)의 선형 배면 광 안내부(22)를 통과한 1차집속 태양광(11b) 폭의 4배가 된다.

그리하면, 집합된 1차 집속 태양광은 하단 프리즘 시트(30b)를 통과하여, 하단에 놓이게 되는 태양전지(미도시) 또는 도시하지 않은 태양에너지 이용기기에 도달하게 된다.

이와 같이 집광부(20a)를 구성하는 다수의 볼록 집광 렌즈(21a)에서 2쌍 또는 4쌍 단위 혹은 그 이상 단위로 동시에 이루어지며 입사하는 태양광(11a)은 도 2의 (a)와 같이 특정 위치로 집합되게 할 수 있다.

그리고 상ㆍ하단 프리즘 시트(30a)(30b)의 상ㆍ하단에 또 다른 상ㆍ하단 프리즘 시트(30a)(계단식이 바람직함)를 추가하거나 동일 매질의 상ㆍ하단 프리즘 시트(30a)(30b)의 두께를 높게 하여 특정 위치로 집합된 광을 다시 다단으로 측면에 집광하도록 할 수 있고, 계단식으로 구성될 경우, 상ㆍ하단 프리즘 시트(30a)(30b) 사이에 굴절률이 상ㆍ하단 프리즘 시트(30a)(30b)보다 작은 매질층을 두어 상ㆍ하단 프리즘 시트(30a)(30b) 각각을 진행한 태양광이 전반사되도록 구성할 수 있으며, 이러한 측면 집광방법은 선출원 3에 자세하게 설명되어 있으므로 생략하기로 하며 사용하는 태양전지의 경우에도 양면에 태양광이 조사되게 구성할 수도 있어 태양에너지의 활용에 매우 큰 효과가 있다.

한편, 도 2의 (b)에 도시한 바와 같이, 상단 프리즘 시트(30a)에 형성된 수직 반사부(41v‘)가 경계(23a) 위치 대신에 볼록 집광 렌즈(21a)의 집광 위치(볼록 렌즈의 정점)에 형성되면, 1차 집광된 태양광(11b)이 볼록 집광 렌즈(21a)에 의해 재차 집속되게 할 수 있어, 상단 프리즘 시트(30a)의 수직 반사부(41v’)의 넓어진 집속광의 폭을 볼록 집광 렌즈(21a)에 의해 집속하면서 그 폭을 다시 볼록 집광 렌즈(21a)가 집속하는 형태를 통해 광폭(t)을 더욱 줄일 수 있으며, 점진적으로 측면으로 집광하도록 할 수 있다.

이와는 다른 변형된 예로써, 상단에 전달되는 광폭을 줄이기 위해, 도 3에 도시한 바와 같이, 인접한 볼록 집광 렌즈(21a)의 경계(23a) 위치에 차일드 볼록렌즈(21a‘)를 더 구비하여 상단 프리즘 시트(30a)의 수평 반사부(41h’)로의 광폭을 줄일 수 있으며, 이때는 상ㆍ하단 프리즘 시트(30a)(30b)에 형성되는 수직 반사부(41v“)가 ‘∧’형상 대신 직각 이등변 삼각형 형태가 바람직하고, 또한 도 3의 (b)에 도시한 바와 같이, 볼록 집광 렌즈(21a‘) 2개와 차일드 볼록렌즈(21a‘) 1개를 번갈아 배치하되, 상단 프리즘 시트(30a)에 형성된 수직 반사부(41v‘)가 경계(23a) 위치 대신에 집광 위치(볼록 렌즈의 정점)에 형성되면, 볼록 집광 렌즈(21a)에 의해 재차 고도로 집속되게 할 수 있고, 정중앙에 입사시키기 때문에 광 손실이 거의 없이 점진적으로 광밀도가 증가하도록 측면으로 집광할 수 있어 매우 큰 집광효과를 가질 수 있게 되며, 이때 도시하지는 않았지만, 자세하게 아래에서 설명할 선형 시준기를 상단 프리즘 시트(30a)의 수평 반사부(41h’) 하단에 더 포함할 수 있으며, 차일드 볼록 렌즈(21a‘)를 두어 상단 프리즘 시트(30a)의 수평 반사부(41h’)로 입사되는 광폭을 줄이거나, 볼록 집광 렌즈(21a‘)의 집광 위치에 수직 반사부(41v“)를 배치하여 점진적으로 측면으로 집광하는 것은 본 발명의 특징 중 하나이다.

또한, 이러한 볼록 집광 렌즈(21a‘)와 차일드 볼록렌즈(21a‘)의 조합, 상단 프리즘 시트(30a)에 형성된 수직 반사부(41v‘)의 위치 선정, 다단으로 상ㆍ하단 프리즘 시트(30a)(30b)를 덧붙인다든가 또는 상ㆍ하단 프리즘 시트(30a)(30b)의 두께를 달리하는 것은 매우 다양할 수 있으며 당업자라면 쉽게 변형된 예를 개시할 수 있을 것이다.

덧붙여, ‘∧’형상의 요홈에 의해 형성되는 수직 반사부(41v)(41v‘) 전단에 광폭을 줄이는 제 2 집광 어셈블리(제 6 실시예 참조)를 전술한 차일드 볼록렌즈(21a‘) 대신에 더 포함하면 상단 프리즘 시트(30a)에 형성된 수평 반사부(41h‘)의 광폭을 줄일 수 있게 되는 것은 당업자가 쉽게 실시할 수 있는 것이므로 이에 대하여는 설명을 생략하기로 한다.

이와 같이 본 발명에 따르면, 넓은 면적의 집광부(20a) 전면으로 입사되는 평행광 형태의 태양광(11a)이 각각의 볼록 집광 렌즈(21a)와 상ㆍ하단 프리즘 시트(30a)(30b)에 의해 최종적으로 매우 작은 면적으로 집광되도록 하기 때문에, 그 위치에 태양전지(미도시)를 설치할 경우 소요되는 태양전지의 면적을 획기적으로 줄일 수 있으며, 태양광을 최종적으로 광케이블에 입사시키는 태양광 자연채광 모듈(미도시)을 설치할 경우에도 선형 집광 광학계를 사용할 수 있어 제작단가를 줄이고, 평판형으로 자연채광 모듈을 제작할 수 있기 때문에 작동 공간을 현저하게 줄일 수 있게 된다.

더욱이, 종래의 기술에 비하여 상ㆍ하단 프리즘 시트(30a)(30b)에 형성되는 수직 반사부(41v)(41v') 및 수평 반사부(41h)(41h')의 형성이 구조적으로 매우 간단하고 값싸게 제작할 수 있어 획기적인 원가 절감 효과가 예상된다.

한편, 상ㆍ하단 프리즘 시트(30a)(30b)의 재질로는 광 굴절률이 공기보다 크고 플라스틱, 강화유리, 파이렉스, 석영유리와 같이 광학적으로 투명한 소재가 바람직하며, 프리즘 집광기(1a)의 집광용도가 UV 태양광일 경우에는 UV 차단층이 형성되어 있다하더라도 플라스틱은 UV에 의해 장기간 노출되면 열화되므로 가급적 강화유리, 파이렉스, 석영유리 소재를 선택적하는 것이 바람직하고, 가시광선 태양광 자연채광 혹은 태양광에 의한 발전을 위해서는 UV 차단층이 형성된 플라스틱 소재가 경제적인 면에서 바람직하다.

그리고 하단 프리즘 시트(30b)는 최초 태양광(11a)이 입사하지 않아도 무방하므로 광이 입사되는 부위를 제외하고 불투명한 소재를 사용할 수 있으며 수평 반사부(41h) 및 수직 반사부(41v)에는 반사층이 형성될 수 있다.

본 발명 제 1실시 예에서는 자외선 차단 플라스틱 렌즈용 모노머를 사용한 UV-400 아크릴계 시트를 상,하단 프리즘 시트(30a)(30b)로 사용하는 것이 바람직하고, 통상적으로 자외선에 의해 플라스틱은 황변현상이 발생하므로, 태양 UV에 의해 발생하는 황변문제를 해결하기 위해 UV액을 코팅 또는 자외선 차단 모노머를 사용하여 내후성을 담보할 수 있으며, 이러한 태양광 UV에 의한 내후성 증진에 관한 사항은 당업자가 용이하게 실시 가능한 것이므로 이에 대한 설명을 생략하기로 한다.

그리고 수직 반사부(41v)(41v') 및 수평 반사부(41h)(41h')의 형성에는 글라스 몰딩 프레스, 플라스틱 사출성형, 레이저 가공, 유리에칭, 절삭/연마에 의한 방법뿐만 아니라 미소광학(Micro-optic) 소자 생산에 사용하는 리쏘그라피에 의한 형성, 원통 금형의 회전, 금속금형을 이용한 압축 성형 등 다양한 방법이 있고, 당업자에게 이미 공지된 기술이므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.

통상적으로 광학유리나 플라스틱 광케이블에 사용되는 아크릴계의 플라스틱은 미터 당 광 감쇄율이 2~ 5% 미만이어서 거의 모든 광이 측면으로 전달되어 집광된다고 볼 수 있으므로 집광효율의 극대화는 자명한 사실이라 하겠다.

또한, 상ㆍ하단 프리즘 시트(30a)(30b)의 굴절률이 공기보다 큰 투명한 소재라고 하더라도 소재 특성에 따라 전술한 전반사의 원리를 적용하기 곤란한 경우에는 수직 반사부(41v)(41v') 및 수평 반사부(41h)(41h')의 외측에 소정의 반사층이 형성될 수도 있다. 여기서, 소정의 반사층은, 90% 이상의 반사율을 가지는 금속물질을 의미하는 것으로서, 알루미늄, 은, 금, 니켈, 스테인레스 스틸 등이 사용될 수 있다. 본 발명에서는 90% 이상의 반사율을 가지고, 가격이 저렴한 알루미늄을 반사물질로 사용하고, 입면 반사층(221), 하면 반사층(222)의 반사층 형성에도 적용된다.

한편, 볼록 집광 렌즈(21a)는 도시하지는 않았지만, 태양광이 수직 입사되는 상측에서 바라보았을 때 작은 원형면 혹은 사각형 면에 수직 입사되는 태양광을 하나의 초점에 집속하는 소형 볼록 집광 렌즈(미도시)가 길이 방향으로 일직선으로 배열되어 형성될 수 있고, 일직선으로 배열된 “점 초점”소형 볼록 집광 렌즈(미도시)들의 사이에는 간격이 형성될 수 있으며 이에 대응하는 선형 배면 광 안내부(22) 및 하단 프리즘 시트(30b)의 수평 반사부(41h)도 선형 대신 점으로 형성될 수 있고, 차일드 볼록렌즈(21a‘) 대신에 차일드 점초점 볼록렌즈(미도시)의 선형배열이 형성될 수 있다.

아울러 도 4의 (b)를 참조하면, 볼록 집광 렌즈(21a)의 선형 배면 광 안내부(22)는 돌출된 형태이거나 요입된 홈 형태로 형성될 수 있으며, 선형 배면 광 안내부(22)가 돌출되지 않고 안쪽으로 홈이 파져 형성될 때에는 수직으로 입사되지 않는 광선의 경우 밀한 매질에서 소한 매질로 광이 입사될 때 임계치 이상으로 입사되면 전반사됨으로써 집광한 광이 손실될 수 있으나, 선형 배면 광 안내부(22)가 돌출부로 형성될 경우에는 선형 배면 광 안내부(22) 입면에 반사층을 형성할 수 있으므로 광 손실을 최소화 할 수 있다.

여기서, 본 발명 제 1 실시예는 태양광(11a)이 볼록 집광 렌즈(21a)의 상면에 대하여 수직으로 입사된다. 또한, 선형 배면 광 안내부(22)는 도 4의 (b)에 도시한 바와 같이, 선형 배면 광 안내부(22)의 내부로 입사될 가능성이 있는 굴절된 떠돌이 태양광을 차단하고, 또 통과하는 집속광도 하단을 제외한 입면으로 출사되지 않도록 돌출된 형태이고, 입면 반사층(221)이 형성되며, 각각의 선형 배면 광 안내부(22) 하면을 제외한 집광부(20a)에는 하면 반사층(222)이 형성될 수 있는데, 반사층이 형성되면 하부로부터 광이 유입되지 않게 하며, 배면 하부(220)는 광이 통과하도록 투명하게 형성된다. 여기서, 선형 배면 광 안내부(22)는 마이크로스코픽(microscopic) 정도의 크기로도 형성될 수 있다.

그리고 하단 프리즘 시트(30b)의 상단에는 중실체 볼록 집광 렌즈(21a)의 선형 배면 광 안내부(22) 또는 중공체 볼록 집광 렌즈(21a)의 촛점선에 일대일 대응되는 선형 시준기(콜리메이터)가 더 형성될 수 있고, 돌출된 형태이거나 시준 요홈을 형성하고 그 하단에 선형 시준기(콜리메이터)가 형성될 수 있다.

본 제 1실시 예에서는 도 4의 (c)에 도시한 바와 같이, 시준 요홈(30b0)이 형성되고, 그 내부 하단에 선형 시준기(콜리메이터)로써 반구형으로 형성된 선형 볼록렌즈(30b1)가 형성되며, 통상적으로 볼록렌즈를 통과하여 초점선을 통과한 광은 다른 볼록렌즈에 의해 평행광을 형성하는 것은 주지의 사실이다.

이러한 선형 시준기(콜리메이터)로는 상기 반구형으로 형성된 선형 볼록렌즈(30b1)외에도 선형 비구면 볼록렌즈, 선형 그린렌즈; 선형 프뢰넬 렌즈, 다수의 그린렌즈 선형배열, 다수의 점초점 볼록렌즈의 선형배열, 다수의 점초점 비구면 볼록렌즈의 선형배열, 다수의 점초점 프뢰넬렌즈의 선형배열 ,광 가이드 중 어느 하나가 선택되어 사용될 수 있으며, 상기 광 가이드로는 막대렌즈, 광섬유의 1차원 배열, 일렬로 광섬유가 삽입된 1차원 선형 허니콤, 광섬유 또는 광섬유 삽입된 선형 허니콤을 압착한 화이버 옵틱 테이퍼, 다수의 볼렌즈 선형배열로 제작될 수 있다.

또한, 선형 로드렌즈(30b2)를 선형 볼록렌즈(30b1) 상단에 더 포함하면 초점거리를 더욱 줄일 수 있고, 이러한 선형 로드렌즈(30b2)는 막대렌즈(미도시), 광섬유의 1차원 배열(미도시), 일렬로 광섬유가 삽입된 1차원 선형 허니콤(미도시), 광섬유 또는 광섬유 삽입된 선형 허니콤을 압착한 화이버 옵틱 테이퍼(미도시), 다수의 볼렌즈 선형배열(미도시) 중 어느 하나로 제작될 수 있으며, 이는 통상적으로 광통신 및 미소광학(Micro-optics)에서 공지된 시준기(콜리메이터)에 관한 것으로 자세한 설명은 생략하기로 한다.

아울러, 태양광(11a)을 효율적으로 손실 없이 수직 반사부(41v)(41v') 및 수평 반사부(41h)(41h')에서 평행광 형태로 좌우측 수평으로 반사시키기 위해서는 하단 프리즘 시트(30b)의 상단에서 선형 배면 광 안내부(22) 끝단에 도달하는 1차 집속 태양광이 최대한 평행광이어야 하고 그 폭이 좁으면 좋을수록 효과적인데, 전술한 선형 배면 광 안내부(22) 또는 선형 시준기(콜리메이터)가 그 역할을 하는 것으로써, 1차 집속된 태양광이 평행하게 입사되고 동시에 하단 프리즘 시트(30b)의 수평 반사부(41h)에 접촉하는 면적을 줄이면 줄일수록 상ㆍ하단 프리즘 시트(30a)(30b)의 두께를 줄일 수 있게 되는 것이며, 접촉 면적이 줄어들면 줄어들수록 동일한 두께의 상ㆍ하단 프리즘 시트(30a)(30b)를 다단으로 형성할 수 있으므로 볼록 집광 렌즈(21a)의 배열 개수를 늘리게 되고 이는 볼록 집광 렌즈(21a)의 곡률반경을 줄이게 되어, 결과적으로 초점거리가 줄어 전체적으로 프리즘 집광기(1a)의 두께를 대폭 줄일 수 있게 되는데, 이 또한 본 발명의 특징 중 하나이다.

이러한, 평행광을 만드는 방법은 전술한 방법 외에도 매우 다양한 광학적 수단을 통해 구현할 수 있을 것이다.

(제 2 실시예)

도 5는 상ㆍ하단 프리즘 시트와 집광 오목 거울을 단위 집광모듈로 사용하는 집광부로 이루어진 본 발명 제2 실시예에 따른 프리즘 집광기의 구조를 나타내는 단면도이다.

도 5에 도시한 바와 같이, 본 발명 제2 실시예에 따른 프리즘 집광기(1b)는 외주면에 반사층이 형성된 집광 오목 거울(21b)이 일직선상에 다수 배열된 집광부(20b)와, 상기 집광 오목 거울(21b)에 의해 1차 집속된 태양광을 전달받아 집광하는 투명한 소재로 제작된 상ㆍ하단 프리즘 시트(30a)(30b)로 구성된다.

이 경우에는 태양광이 투명한 소재로 형성되는 상단 프리즘 시트(30a) 내부를 1차 통과하여 집광 오목 거울(21b)에 형성된 거울 반사층에 반사되어 상면에 거꾸로 위치한 선형 배면 광 안내부(22)로 태양광을 집속하며, 태양광이 재차 집광되는 과정은 본 발명 제 1실시 예와 동일하다.

한편, 집광 오목 거울(21b)은 도시하지는 않았지만 “점 초점”소형 집광 오목 거울(미도시)이 길이 방향으로 일직선으로 배열되어 형성될 수 있고, 일직선으로 배열된 “점 초점”소형 집광 오목 거울(미도시)들의 사이에는 간격이 형성될 수 있다.

또한, 집광부(20b)를 구성하는 집광 오목 거울(21b)이 중공체일 경우에는 내부가 비어 있기 때문에 별도의 선형 배면 광 안내부(22)를 형성할 필요가 없으며, 다수의 집광 오목 거울(21b)의 배열로 형성되는 집광부(20b)는 투명한 소재로 제작하고 반사층을 구비하여 거울을 형성할 수도 있으나, 알루미늄 사출성형 혹은 표면을 거울과 같이 폴리싱 처리한 스테인레스 박판을 금형 프레싱하여 형성할 수 있으며, 집광 오목 거울(21b)의 경계는 절단되어 광이 투과할 수 있도록 광안내구(미도시)가 형성되고, 폴리싱 처리한 스테인레스 박판이 더욱 바람직한데 그 이유는 알루미늄은 산화되므로 추가적인 보호코팅이 필요하여 제작비용이 많기 때문이고, 스테인레스 박판은 값싸며 내후성이 뛰어나고 견고하며, 얇은 박판은 가볍기 때문이다.

이때, 상기 집광 오목 거울(21b)들 사이의 경계(23b)에는 거울 반사층이 형성되지 않아야 하단 프리즘 시트(30b)로부터 반사된 1차 집속 태양광(11b)이 자유롭게 투과될 수 있다.

(제 3 실시예)

도 6은 상ㆍ하단 프리즘 시트와 선형 프뢰넬 렌즈를 단위 집광모듈로 사용하는 집광부로 이루어진 본 발명 제3 실시예에 따른 프리즘 집광기의 구조를 나타내는 단면도이다.

도 6에 도시한 바와 같이, 본 발명 제3 실시예에 따른 프리즘 집광기(1c)는 프뢰넬 렌즈(21c)가 일직선상에 다수 배열된 집광부(20c)와, 프뢰넬 렌즈(21c)에 의해 1차 집속된 태양광을 전달받아 집광하는 투명한 소재로 제작된 상ㆍ하단 프리즘 시트(30a)(30b)로 구성된다.

또한, 집광부(20c)를 구성하는 프뢰넬 렌즈(21c)가 중공체일 경우에는 내부가 비어 있기 때문에 별도의 선형 배면 광 안내부(22)를 형성할 필요가 없으며, 도시하지는 않았지만 다수의 “점 초점”소형 프뢰넬 렌즈(미도시)를 일렬로 배열하여, 하나의 프뢰넬 렌즈(21c)와 같이 입사된 태양광을 집속하여 하단 프리즘 시트(30b)에 전달하도록 구성할 수 있으며, 프뢰넬 렌즈(21c) 및 다수의 “점 초점”소형 프뢰넬 렌즈의 선형 배열은 당업자에게 이미 공지된 것이고, 본 발명 제 1실시예의 볼록 집광 렌즈(21a) 대신 프뢰넬 렌즈(21c) 또는 다수의 “점 초점”소형 프뢰넬 렌즈의 선형 배열을 사용하는 것을 제외하고는 프리즘 집광기(1a)와 작동 관계는 동일하므로 제3 실시예의 프리즘 집광기(1c)에 대한 자세한 설명은 이하 생략하기로 한다.

(제 4 실시예)

도 7은 상ㆍ하단 프리즘 시트와 카세그레인 집광모듈을 단위 집광모듈로 사용하는 집광부로 이루어진 본 발명 제4 실시예에 따른 프리즘 집광기의 구조를 나타내는 단면도이다.

도 7에 도시한 바와 같이, 본 발명 제 4 실시예에 따른 프리즘 집광기(1d)는 카세그레인 집광모듈(21d)이 일직선상에 다수 배열된 집광부(20d)와, 카세그레인 집광모듈(21d)에 의해 1차 집속된 태양광을 전달받아 집광하는 투명한 소재로 제작된 상ㆍ하단 프리즘 시트(30a)(30b)로 구성된다.

상기 카세그레인 집광모듈(21d)은 선형 카세그레인 주 반사거울(21d2)과 선형 카세그레인 부 반사거울(21d1)로 이루어지고, 선형 카세그레인 주 반사거울(21d2)에 평행하게 입사된 태양광이 선형 카세그레인 주 반사거울(21d2) 초점 전단에 구비된 선형 카세그레인 부 반사거울(21d1)로 집속하여 반사시키고, 선형 카세그레인 부 반사거울(21d1)은 선형 카세그레인 주 반사거울(21d2)의 중앙에 형성된 선형 배면 슬릿(21d3)로 다시 반사시키며, 선형 카세그레인 주 반사거울(21d2)의 외주면에는 반사층이 형성된다.

이후, 선형 배면 광 안내부(22)로 유입된 1차 집속 태양광은 하단 프리즘 시트(30b)와 상단 프리즘 시트(30a)를 통해 전반사되면서 특정 위치로 집중(속)되게 된다.

한편, 카세그레인 집광모듈(21d)은 도시하지 않았지만 “점 초점”소형 카세그레인 집광모듈(미도시)이 길이 방향으로 일직선으로 배열되어 형성될 수 있고, 일직선으로 배열된 “점 초점”소형 카세그레인 집광모듈(미도시)들의 사이에는 간격이 형성될 수 있다.

이와 같은, 카세그레인 집광모듈(21d) 및 “점 초점”소형 카세그레인 집광모듈(미도시)은 망원경이나 전파송수신기 분야에서 이미 당업자에게 이미 공지된 것이고, 본 발명 제 1 실시예의 볼록 집광 렌즈(21a) 대신 카세그레인 집광모듈(21d) 또는 “점 초점”소형 카세그레인 집광모듈(미도시)의 선형 배열을 사용하는 것을 제외하고는 프리즘 집광기(1a)와 작동 관계는 동일하므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.

다만, 집광부(20d)를 구성하는 카세그레인 집광모듈(21d)이 중공체일 경우에는 내부가 비어 있기 때문에 별도의 선형 배면 광 안내부(22)를 형성할 필요가 없으며, 다수의 카세그레인 집광모듈(21d)의 배열로 형성되는 집광부(20d)는 투명한 소재로 제작하고 내주면 또는 외주면에 반사층을 구비하여 오목 거울을 형성하거나, 알루미늄 사출성형 혹은 표면을 거울과 같이 폴리싱 처리한 스테인레스 박판을 금형 프레싱하여 형성할 수 있으며, 카세그레인 집광모듈(21d)의 경계는 절단되어 광이 투과할 수 있도록 광안내구(미도시)가 형성되고, 폴리싱 처리한 스테인레스 박판이 더욱 바람직한데 그 이유는 알루미늄은 산화되므로 추가적인 보호코팅이 필요하여 제작비용이 많기 때문이고, 스테인레스 박판은 값싸며 내후성이 뛰어나고 견고하며, 얇은 박판은 가볍기 때문이다.

(제 5 실시예)

도 8은 상ㆍ하단 프리즘 시트와 그레고리안 집광모듈을 단위 집광모듈로 사용하는 집광부로 이루어진 본 발명 제5 실시예에 따른 프리즘 집광기의 구조를 나타내는 단면도이다.

도 8에 도시한 바와 같이 본 발명 제 5 실시예에 따른 프리즘 집광기(1e)는 그레고리안 집광모듈(21e)이 일직선상에 다수 배열된 집광부(20e)와, 그레고리안 집광모듈(21e)에 의해 1차 집속된 태양광을 전달받아 집광하는 투명한 소재로 제작된 상ㆍ하단 프리즘 시트(30a)(30b)로 구성된다.

상기 그레고리안 집광모듈(21e)은 선형 그레고리안 주 반사거울(21e2)과 선형 그레고리안 부 반사거울(21e1)로 이루어지고, 선형 그레고리안 주 반사거울(21e2)에 평행하게 입사된 태양광이 선형 그레고리안 주 반사거울(21e2) 초점 후단에 구비된 선형 그레고리안 부 반사거울(21e1)로 집속하여 반사시키고, 선형 그레고리안 부 반사거울(21e1)은 선형 그레고리안 주 반사거울(21e2)의 중앙에 형성된 선형 배면 슬릿(21e3)로 다시 반사시키며, 선형 카세그레인 주 반사거울(21d2)의 외주면에는 반사층이 형성된다. 이후 태양광의 진행과 집속은 앞서 설명한 제4 실시예와 같다.

한편, 그레고리안 집광모듈(21e)은 도시하지는 않았지만 “점 초점”소형 그레고리안 집광모듈(미도시)이 길이 방향으로 일직선으로 배열되어 형성될 수 있고, 일직선으로 배열된 “점 초점”소형 그레고리안 집광모듈(미도시)들의 사이에는 간격이 형성될 수 있다.

이와 같은, 그레고리안 집광모듈(21e) 및 “점 초점”소형 그레고리안 집광모듈(미도시)은 망원경이나 전파송수신기 분야에서 이미 당업자에게 이미 공지된 것이고, 본 발명 제 1 실시예의 볼록 집광 렌즈(21a) 대신 그레고리안 집광모듈(21e) 또는 “점 초점”소형 그레고리안 집광모듈(미도시)의 선형 배열을 사용하는 것을 제외하고는 프리즘 집광기(1a)와 작동 관계는 동일하므로 이 또한 자세한 설명은 생략하기로 한다.

다만, 집광부(20e)를 구성하는 그레고리안 집광모듈(21e)이 중공체일 경우에는 내부가 비어 있기 때문에 별도의 선형 배면 광 안내부(22)를 형성할 필요가 없으며, 다수의 그레고리안 집광모듈(21e)의 배열로 형성되는 집광부(20e)는 투명한 소재로 제작하고 내주면 또는 외주면에 반사층을 구비하여 오목 거울을 형성하거나, 알루미늄 사출성형 혹은 표면을 거울과 같이 폴리싱 처리한 스테인레스 박판을 금형 프레싱하여 형성할 수 있으며, 그레고리안 집광모듈(21e)의 경계는 절단되어 광이 투과할 수 있도록 광안내구(미도시)가 형성되고, 폴리싱 처리한 스테인레스 박판이 더욱 바람직한데 그 이유는 알루미늄은 산화되므로 추가적인 보호코팅이 필요하여 제작비용이 많기 때문이고, 스테인레스 박판은 값싸며 내후성이 뛰어나고 견고하며, 얇은 박판은 가볍기 때문이다.

(제 6 실시예)

도 8은 정교한 집광을 위해 제 2 집광 어셈블리를 더 포함하여 구성된 본 발명 제 6 실시예에 따른 프리즘 집광기의 단면도이다.

도 9에 도시한 바와 같이, 본 발명 제6 실시예에 따른 프리즘 집광기(1f)는 전술한 볼록 집광 렌즈(21a), 집광 오목 거울(21b), 프뢰넬 렌즈(21c), 카세그레인/그레고리안 집광모듈(21d)(21e)과 일대일 대응되는 제 2 집광 어셈블리(24)를 더 포함할 수 있다.

이때, 도 9의 (a)에 도시한바와 같이 상기 제 2 집광 어셈블리(24)는 선형 제 2 집광렌즈(241), 선형 제 2 집광렌즈(241)로부터 광을 전달받아 평행광을 출사시키는 선형 시준기(242) 및 이들을 지지하는 하우징(240)으로 구성되며, 본 제 9실시 예의 선형 시준기(242)는 선형 볼록렌즈(242a) 이다. 통상적으로 볼록렌즈를 통과하여 초점선을 통과한 광은 다른 볼록렌즈에 의해 평행광을 형성하는 것은 주지의 사실이다.

또한, 도 9의 (b)에 도시한 바와 같이, 선형 볼록렌즈(242a)의 상단에 선형 로드렌즈(242b)를 더 포함하여 선형 시준기(242)를 구성하면 초점거리를 더욱 줄일 수 있고, 이러한 선형 로드렌즈(242b)는 실리카 계열의 기다란 광섬유(미도시), 원통형 로드렌즈(미도시) 중에서 어느 하나를 선택하여 사용할 수 있다.

또한, 도 9의 (c)에 도시한 바와 같이 선형 볼록렌즈(242a) 대신에 선형 비구면 볼록렌즈(미도시), 선형 프뢰넬렌즈(미도시), 선형 그린렌즈(미도시), 다수의 그린렌즈 선형배열(미도시), 다수의 점초점 볼록렌즈의 선형배열(미도시), 다수의 점초점 비구면 볼록렌즈의 선형배열(미도시), 다수의 점초점 프뢰넬렌즈의 선형배열(미도시), 선형 광가이드(242c)중에서 어느 하나를 사용할 수 있다.

상기 선형 광가이드(242c)는 막대렌즈(미도시), 광섬유의 1차원 배열(미도시), 일렬로 광섬유가 삽입된 1차원 선형 허니콤(미도시), 광섬유 또는 광섬유 삽입된 선형 허니콤을 압착한 화이버 옵틱 테이퍼(미도시), 다수의 볼렌즈 선형배열(미도시) 중 어느 하나로 제작될 수 있으며, 이는 통상적으로 광통신 및 미소광학(Micro-optics)에서 공지된 시준기(콜리메이터)에 관한 것으로 자세한 설명은 생략하기로 한다.

또한 도시하지는 않았지만, 제 2 집광 어셈블리는 다수의 단위“점 초점”소형 제 2 집광 어셈블리를 선형으로 배열하여 구성 할 수 있고, 단위“점 초점”소형 제 2 집광 어셈블리는 통상적으로 소형 제 2 집광렌즈, “점 초점”시준기로 구성되며, 다수가 공지된 것으로 이 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 용이하게 실시 가능한 것이므로 자세한 설명은 생략하기 한다.

이와 같이, 평행광을 만드는 방법은 전술한 방법 외에도 매우 다양한 광학적 수단을 통해 구현할 수 있을 것이다.

이처럼, 앞에서 설명된 본 발명의 일실시 예는 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.

본 발명에 따르면, 넓은 면적으로 입사되는 태양광을 효과적으로 집광하여 태양에너지 이용효율을 극대화할 수 있고, 구조가 간단하여 제작과 설치가 용이하며, 평판 형이어서 얇고 부피가 크지 않고, 제조비용도 저렴한 효과를 얻을 수 있어 태양전지나 자연채광분야에 적용할 수 있다.

1: 프리즘 집광기 11b: 1차 집속 태양광
20: 집광부
21: 단위 집광모듈
21a: 볼록 집광 렌즈 21a‘: 차일드 볼록렌즈
21b: 집광 오목 거울
21c: 프뢰넬 렌즈
21d: 카세그레인 집광모듈
21d1: 선형 카세그레인 부 반사거울 21d2: 선형 카세그레인 주 반사거울 21d3: 선형 배면 슬릿
21e: 그레고리안 집광모듈
21e1: 선형 그레고리안 부 반사거울 21e2: 선형 그레고리안 주 반사거울 21e3: 선형 배면 슬릿
22: 선형 배면 광 안내부
220: 배면 하부 221: 입면 반사층 222: 하면 반사층
23a: 경계
30a: 상단 프리즘 시트
30b: 하단 프리즘 시트
30b0: 시준 요홈 30b1: 선형 볼록렌즈 30b2: 선형 로드렌즈
41h: 수평 반사부 41v: 수직 반사부
24: 제 2 집광 어셈블리 240: 하우징 241:선형 제 2 집광렌즈
242:선형 시준기
242a: 선형 볼록렌즈 242b: 선형 로드렌즈 242c: 선형 광가이드

Claims (16)

1. 입사되는 태양광을 집광하도록 구성되는 태양광 집광기에 있어서;
   입사되는 태양광을 1차 집속하도록 길이방향으로 연속 배열되고 중실체로 이루어진 다수의 단위 집광모듈과, 상기 단위 집광모듈의 각 하부에 일대일 대응되게 돌출 또는 요입되어 1차 집속광을 유도하는 선형 배면 광 안내부로 이루어진 집광부와;
   상기 단위 집광모듈과 일대일 대응되며, 상기 단위 집광모듈을 통해 집속된 1차 집속광을 좌우로 수평하게 전반사하는 수평 반사부와, 상하로 수직하게 전반사하는 수직 반사부를 각각 구비하고; 상기 집광부를 사이에 두고 상하에 설치된 상ㆍ하단 프리즘 시트로 구성되어, 입사된 태양광을 2쌍 혹은 4쌍의 단위 집광모듈별 혹은 점진적으로 효율 높게 집광하도록 구성된 것을 특징으로 하는 프리즘 하이브리드 태양광 집광기.
2. 입사되는 태양광을 집광하도록 구성되는 태양광 집광기에 있어서;
   입사되는 태양광을 1차 집속하도록 길이방향으로 연속 배열되고 중공체로 이루어진 다수의 단위 집광모듈을 갖는 집광부와;
   상기 단위 집광모듈과 일대일 대응되며, 상기 단위 집광모듈을 통해 집속된 1차 집속광을 좌우로 수평하게 전반사하는 수평 반사부와, 상하로 수직하게 전반사하는 수직 반사부를 각각 구비하고; 상기 집광부를 사이에 두고 상하에 설치된 상ㆍ하단 프리즘 시트로 구성되어, 입사된 태양광을 2쌍 혹은 4쌍의 단위 집광모듈별 혹은 점진적으로 효율 높게 집광하도록 구성된 것을 특징으로 하는 프리즘 하이브리드 태양광 집광기.
3. 청구항 1 또는 청구항 2 중 어느 한 항에 있어서;
   상기 집광부를 구성하는 단위 집광모듈은 상부로 볼록한 형태를 갖는 볼록 집광렌즈 또는 점초점 볼록 집광렌즈의 선형배열, 하부로 오목하고 배면에는 거울 반사층이 형성되되 경계에는 거울 반사층이 없는 집광 오목 거울 또는 점초점 집광 오목 거울의 선형배열, 프뢰넬 렌즈 또는 점초점 프뢰넬 렌즈의 선형배열, 카세그레인 주 반사거울과 카세그레인 부 반사거울을 통해 2차 반사를 통한 태양광 집속이 가능한 카세그레인 집광모듈 또는 점초점 카세그레인 집광모듈의 선형배열, 그레고리안 주 반사거울과 그레고리안 부 반사거울을 통한 태양광 집속이 가능한 그레고리안 집광모듈 또는 점초점 고리안 집광모듈의 선형배열 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 프리즘 하이브리드 태양광 집광기.
4. 청구항 1 에 있어서;
   상기 하단 프리즘 시트의 상단에는 선형 배면 광 안내부와 일대일 대응되게 돌출된 선형 시준기(콜리메이터) 또는 선형 시준기(콜리메이터)가 내부 하단에 형성된 시준 요홈 중에서 선택된 어느 한 가지가 더 형성된 것을 특징으로 하는 프리즘 하이브리드 태양광 집광기.
5. 청구항 2 에 있어서;
   상기 하단 프리즘 시트의 상단에는 단위 집광모듈과 일대일 대응되고 단위 집광모듈의 초점을 지난 집속광을 수평반사부에 평행한 광으로 전달하는 돌출된 선형 시준기(콜리메이터) 또는 선형 시준기(콜리메이터)가 내부 하단에 형성된 시준 요홈 중에서 선택된 어느 한 가지가 더 형성된 것을 특징으로 하는 프리즘 하이브리드 태양광 집광기.
6. 청구항 4, 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서;
   
   상기 선형 시준기(콜리메이터)는
   선형 볼록렌즈; 선형 비구면 볼록렌즈; 선형 그린렌즈; 선형 프뢰넬렌즈; 다수의 그린렌즈 선형배열; 다수의 점초점 볼록렌즈의 선형배열; 다수의 점초점 비구면 볼록렌즈의 선형배열; 다수의 점초점 프뢰넬렌즈의 선형배열; 막대렌즈, 광섬유의 1차원 배열, 일렬로 광섬유가 삽입된 1차원 선형 허니콤, 광섬유 또는 광섬유 삽입된 선형 허니콤을 압착한 화이버 옵틱 테이퍼, 다수의 볼렌즈 선형배열 중 어느 하나로 제작된 광 가이드; 중 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 프리즘 하이브리드 태양광 집광기.
7. 청구항 4 또는 청구항 5항 중 어느 한 항에 있어서;
   상기 시준 요홈의 상부에는 선형 로드렌즈가 더 포함된 것을 특징으로 하는 프리즘 하이브리드 태양광 집광기.
8. 청구항 1 또는 청구항 2항 중 어느 한 항에 있어서;
   상기 상ㆍ하단 프리즘 시트는 공기보다 큰 광 굴절률을 갖는 투명소재로써 자외선 차단층이 형성된 플라스틱, 강화유리, 파이렉스, 석영유리 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 프리즘 하이브리드 태양광 집광기.
9. 청구항 1 또는 청구항 2항 중 어느 한 항에 있어서;
   상기 하단 프리즘 시트의 하부에는 프리즘 시트가 계단식으로 더 설치되어 집속된 광을 다시 수평으로 반사하고, 반사된 광을 측면에서 다단으로 집속할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 프리즘 하이브리드 태양광 집광기.
10. 청구항 1 또는 청구항 2항 중 어느 한 항에 있어서;
    상기 상단 프리즘 시트에 형성된 수직 반사부는 상기 단위 집광모듈의 경계면에 대응하게 형성되어 입사된 광을 하방으로 전반사하거나 또는 최초 태양광 입사부위에 대응되게 형성되어 집속된 태양광이 최초 태양광과 함께 단위 집광모듈에 의해 다시 집속되는 것을 특징으로 하는 프리즘 하이브리드 태양광 집광기.
11. 청구항 1 또는 2항 중 어느 한 항에 있어서;
    상기 단위 집광모듈이 선형 볼록 집광렌즈, 점초점 볼록 집광렌즈의 선형배열, 선형 프뢰넬 렌즈, 점초점 프뢰넬 렌즈의 선형배열인 경우, 단위 집광모듈의 경계에는 상기 단위 집광모듈이 볼록 집광렌즈인 경우에는 차일드 볼록렌즈가, 점초점 볼록 집광렌즈의 선형배열인 경우에는 차일드 점초점 볼록렌즈의 선형배열이, 프뢰넬 렌즈인 경우에는 차일드 프뢰넬 렌즈가, 점초점 프뢰넬 렌즈의 선형배열인 경우에는 차일드 점초점 프뢰넬 렌즈의 선형배열이 더 형성되되, 하단 프리즘 시트의 수직반사부에서 전달되는 광을 집속하여 상단 프리즘 시트의 수평반사부로 집광되는 광폭을 더욱 줄인 것을 특징으로 하는 프리즘 하이브리드 태양광 집광기.
12. 청구항 1 또는 청구항 2항 중 어느 한 항에 있어서;
    상기 수평반사부 및 수직반사부의 외측면에는 전반사율을 높이도록 반사층이 형성되되, 상기 반사층은 알루미늄, 은, 금, 니켈, 스테인레스 스틸 중에서 선택된 어느 하나로 코팅 형성된 것을 특징으로 하는 프리즘 하이브리드 태양광 집광기.
13. 청구항 1에 있어서;
    상기 집광부를 구성하는 선형 배면 광 안내부는 내부로 입사될 가능성이 있는 굴절된 떠돌이 태양광을 차단하고 집속된 집속광이 하단을 제외한 입면으로 출사되는 것을 방지하도록 하향 돌출된 형태로 형성되되, 입면에는 입면 반사층이 형성되고, 하면을 제외한 집광부에는 하면 반사층이 형성되며, 배면 하부는 투명하게 형성된 것을 특징으로 하는 프리즘 하이브리드 태양광 집광기.
14. 청구항 1 또는 2항 중 어느 한 항에 있어서;
    상기 상단 프리즘 시트에 형성된 수직반사부 하단에 하방 돌출된 선형 시준기(콜리메이터) 또는 선형 시준기(콜리메이터)가 내부 하단에 형성된 시준 요홈 중에서 선택된 어느 한 가지가 더 형성되되,
    
    상기 선형 시준기(콜리메이터)는 선형 볼록렌즈; 선형 비구면 볼록렌즈; 선형 그린렌즈; 선형 프뢰넬렌즈; 다수의 그린렌즈 선형배열; 다수의 점초점 볼록렌즈의 선형배열; 다수의 점초점 비구면 볼록렌즈의 선형배열; 다수의 점초점 프뢰넬렌즈의 선형배열; 막대렌즈, 광섬유의 1차원 배열, 일렬로 광섬유가 삽입된 1차원 선형 허니콤, 광섬유 또는 광섬유 삽입된 선형 허니콤을 압착한 화이버 옵틱 테이퍼, 다수의 볼렌즈 선형배열 중 어느 하나로 제작된 광 가이드; 중 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 프리즘 하이브리드 태양광 집광기.
15. 청구항 1 또는 청구항 2 중 어느 한 항에 있어서;
    상기 하단 프리즘 시트의 상부에는 단위 집광모듈과 일대일 대응되게 설치되어 정교한 집광을 유도하거나 또는 상기 상단 프리즘 시트의 수평반사부 하단에 설치되어 정교한 집광을 유도하거나 제2집광 어셈블리가 구비되되, 상기 제2집광 어셈블리는 하우징, 하우징에 내장된 선형 제2 집광렌즈, 선형 제2 집광렌즈를 통과한 광을 수평반사부에 평행한 광으로 전달하는 선형 시준기, 상기 선형 시준기에 구비되는 선형 로드렌즈로 이루어지되,
    
    상기 선형 시준기는 선형 볼록렌즈; 선형 비구면 볼록렌즈; 선형 그린렌즈; 선형 프뢰넬렌즈; 다수의 그린렌즈 선형배열; 다수의 점초점 볼록렌즈의 선형배열; 다수의 점초점 비구면 볼록렌즈의 선형배열; 다수의 점초점 프뢰넬렌즈의 선형배열; 막대렌즈, 광섬유의 1차원 배열, 일렬로 광섬유가 삽입된 1차원 선형 허니콤, 광섬유 또는 광섬유 삽입된 선형 허니콤을 압착한 화이버 옵틱 테이퍼, 다수의 볼렌즈 선형배열 중 어느 하나로 제작된 광 가이드; 중 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 프리즘 하이브리드 태양광 집광기.
16. 청구항 2 항에 있어서;
    상기 단위 집광모듈이 하부로 오목하고 배면에는 거울 반사층이 형성되되 경계에는 거울 반사층이 없는 선형 집광 오목 거울, 카세그레인 주 반사거울과 카세그레인 부 반사거울을 통해 2차 반사를 통한 태양광 집속이 가능한 선형 카세그레인 집광모듈 또는 점초점 카세그레인 집광모듈의 선형배열, 그레고리안 주 반사거울과 그레고리안 부 반사거울을 통한 태양광 집속이 가능한 선형 그레고리안 집광모듈 또는 점초점 고리안 집광모듈의 선형배열인 경우, 집광 오목 거울, 카세그레인 주 반사거울, 그레고리안 주 반사거울은 알루미늄 사출성형 혹은 표면을 거울과 같이 폴리싱 처리한 스테인레스 박판을 금형 프레싱하여 형성되고, 집광 오목 거울, 카세그레인 주 반사거울, 그레고리안 주 반사거울의 경계에는 광이 통과하도록 광 안내구가 형성된 것을 특징으로 하는 프리즘 하이브리드 태양광 집광기.
    

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