KR101130765B1 - 측면 태양광 집광기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전면의 넓은 면적으로 입사되는 평행광 형태의 태양광을 집광하여 측면에 집광할 수 있는 측면 태양광 집광기에 관한 것이다.
본 발명에 따른 측면 태양광 집광기는 단위 집광모듈이 길이방향으로 복수 개 1차원 배열로 형성되는 집광부와 각각의 단위 집광모듈로부터 입사되는 복수의 집속된 태양광을 재차 측면으로 집광하는 반사부가 계단식으로 형성된 측면집광부재로 이루어진다.
상기 단위 집광모듈은 입사된 평행광 형태의 태양광을 집속하여 하단에 형성된 선형 배면 광안내부를 통해 측면집광부재의 반사부에 집속 태양광을 전달한다.
상기 반사부는 각각의 단위 집광모듈과 길이방향으로 일대일 대응되고 단위 집광모듈로부터 출사되는 태양광을 받아 소정 각도로 꺽어 측면으로 반사시키며, 반사된 태양광이 측면까지 전진하는 중간에 방해 받지 않도록 하방 계단식으로 다단 형성된다.
본 발명에 따르면, 집광부 전면으로 입사되는 평행광 형태의 태양광이 단위 집광모듈에 의해 1차로 집광되고, 측면집광부재에 다단으로 형성된 반사부가 모든 단위 집광 장치로부터 전달된 집속 태양광을 측면으로 유도 반사하여 재차 집광한다.
이에 따라, 넓은 면적으로 입사되는 태양광을 측면으로 모두 몰아서 집광하므로 태양에너지 이용효율을 극대화할 수 있고, 구조가 간단하여 제작과 설치가 용이하며, 평판 형이어서 부피가 크지 않아 태양광 발전 및 태양광 집광, 태양광 집열 모두에 다양하게 응용할 수 있고, 제조비용도 저렴한 효과를 얻을 수 있다.

Description

측면 태양광 집광기{Side solar concentrator}

본 발명은 태양광 집광기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 평판 형이고 넓은 면적의 전면으로 입사된 태양광을 최종적으로 평판의 측면으로 집광하여 태양에너지의 집광효율을 극대화시킴과 동시에 발전/집열/집광 모두에 활용 가능하고 공간 활용성을 높이며, 제작원가도 획기적으로 줄일 수 있는 측면 태양광 집광기에 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.

일반적으로 태양광 집광장치는, 전술한 각각의 이용방법에 따라 다양한 기본조건이 필요하게 되는데 이로 인하여 중복투자도 많이 발생하고 있다. 예를 들면, 태양전지의 발전효율을 높이고 태양전지의 소요면적을 줄이는데 있어 최근 유용한 기술적인 대안인 홀로그래픽 프리즘시트를 채택하면 좋지만 광케이블 자연채광에서는 곤란하다. 왜냐하면 입사되는 태양광이 평행이어야 한다는 제약조건 때문이다. 또 다른 예로써, 태양광 발전에서는 태양광에 포함된 적외선 즉, 열이 발전효율을 떨어뜨리는 요소이고 광케이블 자연채광도 전송수단으로 플라스틱 광케이블을 사용하는 경우 고도 집속에 따른 열이 문제가 되지만 반면에, 태양열 집열에서는 열이 앞의 두 예와는 달리 이득요건이 된다. 이처럼 상이한 응용방법에 따라 각기 다르게 집광장치를 설계하다보니 공통적으로 사용하기가 곤란한 측면이 있다. 따라서, 하나의 태양광 집광장치를 한꺼번에 여러 가지 응용분야로 활용하는 것은 곤란하며, 사실상 그러한 태양광 집광장치도 찾아보기 어려운 실정이었다.

또한, 전술한 종래 태양광 집광장치는 통상적으로 태양광 발전설비의 발전량/ 태양열 집열/태양광 자연채광 양의 증가를 위해서는 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 투자대비 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)”를 특허출원한 바 있다.

그러나 선출원은 테양광이 평행하게 입사되도록 하여 태양광 집광장치의 집광 효율을 높일 수 있는 기반을 위한 개선 대안이었으므로 이를 활용하여, 태양광 집광장치 부분에서도 여러 응용에 동시에 활용 가능하여야 하고, 이를 통해 원가는 대폭 줄이면서도, 대형화도 쉽고, 협소한 공간에 적용 가능하며, 무엇보다도 비용을 현저히 낮춰 많은 소비자가 구매할 수 있도록 투자대비 경제성을 높이는 기술적 대안이 아직도 절실하다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술상의 제반 문제점들을 감안하여 이를 해결하고자 창출된 것으로, 측면으로 광을 집광하여 태양에너지의 집광효율을 극대화시킴과 동시에 공간 활용성을 높일 수 있고, 여러 응용에 공동으로 사용 가능하며, 제작원가를 획기적으로 줄일 수 있어 범용성을 증대시킨 측면 태양광 집광기를 제공하는데 목적이 있다.

상기 목적은 입사되는 태양광을 집속하고 측면방향으로 반사시켜 집광하도록 구성되는 측면 태양광 집광기에 있어서;, 수직 또는 소정각도로 입사되는 태양광을 1차 집속하도록 1차원 배열된 다수의 단위 집광모듈과, 상기 단위 집광모듈의 각 하부에 일대일 대응되게 돌출 또는 요입되어 1차 집속광을 유도 안내하는 광 안내부로 이루어진 집광부와;, 상기 집광부의 하부에 구비되고, 상기 단위 집광모듈과 일대일 대응되며, 입사된 1차 집속광을 수평하게 반사하는 반사부가 길이방향으로 단차를 두고 계단식으로 형성된 측면집광부재;로 구성되어, 큰 면적에 걸쳐 입사된 태양광을 상기 단위 집광모듈이 각각 집속한 1차 집속광을 상기 반사부가 수평으로 측면 반사시켜 작은 면적에서 고효율로 집광하되, 상기 집광부를 구성하는 단위 집광모듈은 단위 선형 집광 모듈과 “점 초점”소형 집광 모듈의 선형배열인 것을 특징으로 하는 측면 태양광 집광기에 의해 달성된다.

상기 집광부를 구성하는 단위 집광모듈은 상부로 볼록한 형태를 갖는 단위 선형 블록 집광 렌즈/태양광이 수직 입사되는 상측에서 바라 보았을 때 작은 원형면 혹은 사각형 면에 수직 입사되는 태양광을 하나의 초점에 집속하는 (이하 “점 초점”이라 칭함) 소형 볼록 집광 렌즈의 선형배열, 단위 선형 집광 오목 거울/“점 초점”소형 집광 오목렌즈의 선형배열, 단위 선형 프뢰넬 렌즈/“점 초점”소형 프뢰넬렌즈의 선형 배열, 단위 선형 카세그레인 집광모듈/“점 초점”소형 카세그레인 집광모듈의 선형배열, 단위 선형 그레고리안 집광모듈/“점 초점”소형 그레고리안 집광모듈의 선형배열 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 목적은 입사되는 태양광을 집속하고 측면방향으로 반사시켜 집광하도록 구성되는 측면 태양광 집광기에 있어서; 수직 또는 소정각도로 입사되는 태양광을 1차 집속하도록 1차원 배열된 다수의 단위 집광모듈과, 상기 단위 집광모듈의 각 하부에 일대일 대응되게 돌출 또는 요입되어 1차 집속광을 유도 안내하는 광 안내부로 이루어진 집광부와; 상기 집광부의 하부에 구비되고, 상기 단위 집광모듈과 일대일 대응되며, 입사된 1차 집속광을 수평하게 반사하는 반사부가 길이방향으로 단차를 두고 계단식으로 형성된 측면집광부재;로 구성되어, 큰 면적에 걸쳐 입사된 태양광을 상기 단위 집광모듈이 각각 집속한 1차 집속광을 상기 반사부가 수평으로 측면 반사시켜 작은 면적에서 고효율로 집광하되, 상기 측면집광부재는 투명한 소재로 제작되며, 2이상의 단위 집광모듈의 1차 집속된 집속광을 단일의 투명한 재질의 측면집광부재를 사용하여 동일한 방향으로 집광하며, 각 1차 집속된 집속광들은 투명한 재질의 측면집광부재 내에서 상호 평행하게 전달되어지는 고유의 채널을 통해 상호 간섭받지 않고 반사되어지며, 상기 반사부는 밀한 매질과 소한 매질 경계면에 형성되고 밀한 매질 측면으로 입사되는 태양광을 소한 매질 경계면에서 밀한 매질 내부의 수평측면으로 전반사시키도록 수광하는 부분이 비스듬히 형성되는 것을 특징으로 하는 측면 태양광 집광기에 의해 달성된다.
바람직하게는, 상기 반사부가 수광하는 면 또는 그 외면에는 알루미늄, 은, 금, 니켈 중에서 선택된 어느 하나의 반사물질이 더 코팅되는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 집광부를 구성하는 광 안내부의 입면 외주면에는 알루미늄, 은, 금, 니켈 중에서 선택된 어느 하나의 반사물질로 코팅된 것을 특징으로 하며, 상기 집광부의 하면에 구비되는 측면집광부재의 상단에는 광케이블 선형 어레이, 선형 화이버 옵틱, 선형 로드렌즈 중에서 선택된 어느 하나로 된 광 가이드가 상기 광 안내부와 일대일 대응되도록 설치되어 상기 광 안내부를 통과한 1차 집속광이 효율적으로 반사부로 유도되도록 구성되고, 1차 집속광을 더욱 집속시켜 반사부로 유도하는 제2 집광 어셈블리가 더 설치될 수 있다.

상기 제2 집광 어셈블리는 하우징;과, 상기 하우징에 지지되고 입사되는 1차 태양 집속광을 더욱 집속시키는 선형 제 2 집광 렌즈;와, 상기 하우징에 지지되고 상기 선형 제 2 집광렌즈를 통과한 2차 집속광을 3차로 집광하는 선형 원형 로드 렌즈;와, 상기 하우징에 지지되고 상기 선형 원형 로드 렌즈에 의해 3차로 집광된 광을 반사부로 유도하는 광케이블 선형어레이 혹은 선형 광가이드;로 이루어진 선형 제2 집광 어셈블리; 또는, 하우징;과, 상기 하우징에 지지되고 입사되는 1차 태양 집속광을 더욱 집속시키는 “점 초점”소형 제 2 집광렌즈;와, 상기 하우징에 지지되고 상기 “점 초점”소형 제 2 집광렌즈를 통과한 2차 집속광을 3차로 집광하는 볼렌즈;와, 상기 하우징에 지지되고 상기 볼렌즈에 의해 3차로 집광된 광을 반사부로 유도하는 막대 광가이드 또는 광케이블;로 이루어진 “점 초점”소형 제 2 집광 어셈블리의 선형 배열; 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 넓은 면적으로 입사되는 태양광을 측면으로 모두 모아서 집광하므로 태양에너지 이용효율을 극대화할 수 있고, 구조가 간단하여 제작과 설치가 용이하며, 평판 형이어서 얇고 부피가 크지 않아 태양광 발전 및 태양광 집광, 태양광 집열 모두에 다양하게 응용할 수 있고, 제조비용도 저렴한 효과를 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 측면 태양광 집광기의 기본 개념을 설명하기 위한 예시도.
도 2는 투명한 소재를 사용하는 측면집광부재와 단위 선형 볼록 집광 렌즈 배열을 사용하는 집광부로 이루어지는 본 발명 제1 실시예에 따른 측면 태양광 집광기의 구조를 나타내는 단면도.
도 3은 측면집광부재와 단위 선형 집광 오목 거울의 배열로 이루어지는 본 발명 제2 실시예에 따른 측면 태양광 집광기의 구조를 나타내는 단면도.
도 4는 측면집광부재와 단위 선형 프뢰넬 렌즈의 배열로 이루어지는 본 발명 제3 실시예에 따른 측면 태양광 집광기의 구조를 나타내는 단면도.
도 5는 측면집광부재와 단위 선형 카세그레인 집광모듈의 배열로 이루어지는 본 발명 제4 실시예에 따른 측면 태양광 집광기의 구조를 나타내는 단면도.
도 6은 측면집광부재와 단위 선형 그레고리안 집광모듈의 배열로 이루어지는 본 발명 제5 실시예에 따른 측면 태양광 집광기의 구조를 나타내는 단면도.
도 7과 도8은 불투명 소재를 사용하는 측면집광부재로 이루어지는 본 발명 제 6실시예에 따른 측면 태양광 집광기의 구조를 나타내는 단면도.
도 9는 정교한 집광을 위해 제 2 집광 어셈블리를 더 포함하여 구성된 본 발명 제 7실시예에 따른 측면 태양광 집광기의 단면도.

이하 본 발명에 따른 측면 태양광 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 측면 태양광 집광기의 기본 개념을 설명하기 위한 예시도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 측면 태양광 집광기(10)는, 단위 집광모듈(21)이 복수 개 1차원 배열로 형성되는 집광부(20)와, 각각의 단위 집광모듈(21)로부터 입사되는 복수의 집속된 태양광을 재차 측면으로 모아서 집광하는 반사부(31)가 계단식으로 형성된 측면집광부재(30)로 이루어진다.

이때, 상기 단위 집광모듈(21)은 입사된 평행광 형태의 태양광(11)을 1차로 집속하여 하단에 형성된 선형 배면 광 안내부(22)(보다 상세한 구조는 도 2 참조)를 통해 측면집광부재(30)의 반사부(31)로 1차 집속된 태양광(집속광, 12)을 전달한다.

그리고 상기 반사부(31)는 각각의 단위 집광모듈(21)과 길이방향으로 일대일 대응되고, 상기 단위 집광모듈(21)로부터 출사되는 태양광을 받아 소정 각도로 꺽어 측면으로 반사시키며, 반사된 태양광이 측면까지 전진하는 중간에 방해 받지 않도록 계단식으로 다단 형성된다.

본 발명에 따르면, 넓은 면적의 집광부(20) 전면으로 입사되는 평행광 형태의 태양광(11)이 각각의 단위 집광모듈(21)에 의해 1차로 집광되고, 측면집광부재(30)에 다단으로 형성된 다수의 반사부(31)가 모든 단위 집광모듈(21)로부터 전달된 집속 태양광을 측면으로 유도 반사하여 재차 집광되도록 하기 때문에, 집광되는 측면집광부재(30)의 측면에 태양전지(미도시)를 설치할 경우 소요되는 태양전지의 면적을 현저하게 줄일 수 있으며, 태양광을 최종적으로 광케이블에 입사시키는 태양광 자연채광 모듈(미도시)을 집광되는 측면에 설치할 경우에도 선형 집광 광학계를 사용할 수 있어 제작단가를 줄이고 작동 공간을 현저하게 줄일 수 있게 된다.

이하, 후술되는 본 발명에 따른 다양한 실시 예에서는, 측면 태양광 집광기(10)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 설명을 생략하기로 한다.

또한, 이하 설명되는 본 발명에 따른 다양한 실시 예에서는 측면 태양광 집광기(10)의 상면으로 입사되는 태양광이 평행광 형태의 직사광선이고 단위 집광모듈(21)이 연속하여 1차원 배열되는 것을 전제로 하되, 단위 집광모듈(21)에는 전면에 도시하지 않은 집광수단에 의해 소정의 각도로 굴절되어 입사될 수 있고, 이때는 일직선으로 배열된 단위 집광모듈(21)들의 사이에는 일정한 간격이 형성될 수 있다. 아울러, 입사되는 태양광에 대하여 집광부(20)와 측면집광부재(30)에 각각 사용되는 물질의 굴절률이 일정하다는 것을 전제로 한다.

(제 1실시 예)

도 2는 투명한 소재를 사용하는 측면집광부재와 단위 선형 볼록 집광 렌즈를 사용하는 집광부로 이루어지는 본 발명 제1 실시예에 따른 측면 태양광 집광기의 구조를 나타내는 단면도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명 제 1 실시예에 따른 태양광 집광기(10a')는 집광부(20a)와, 상기 집광부(20a)로부터 광을 전달받아 측면으로 집광하는 투명한 소재로 제작된 측면집광부재(30‘)로 구성된다.

이때, 상기 집광부(20a)는 상면에 볼록한 라운드 형상의 단면을 가지는 단위 선형 볼록 집광 렌즈(21a)가 복수 개가 배열로 형성되고, 하면에 단위 선형 볼록 집광 렌즈(21a)에 대응되는 소정 위치에는 선형 배면 광 안내부(22)가 형성되는데, 상기 선형 배면 광 안내부(22)는 돌출된 형태이거나 혹은 요입된 홈 형태로 형성될 수 있다. 이때 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 코팅할 수 있으므로 광 손실을 최소화 할 수 있다.

여기서, 본 제 1 실시예는 태양광(11)이 단위 선형 볼록 집광 렌즈(21a)의 상면에 대하여 수직으로 입사(11)된다. 또한, 선형 배면 광 안내부(22)는 도 2의 (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 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 크기로 형성됨이 바람직하다.

또한, 선형 배면 광 안내부(22)는 내부 또는 배면 하부(220)에 단위 선형 볼록 집광 렌즈(21a)의 광학적 초점(F1)이 위치하도록 형성되며, 단위 선형 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 단위 선형 볼록 집광 렌즈(21a)에 의해 분할되어 각각 집광되며 단위 선형 볼록 집광 렌즈(21a) 하나당 형성된 초점선에 집속된다.

그리고 측면집광부재(30‘)는 투명한 소재로 제작하되, 반사부(31)가 계단이 거꾸로 공간상에 위치한 형태로 다단 형성되며 반사부(31)는 소정각도로 비스듬히 표면이 형성되고 반사층이 형성될 수 있으며 본 제 1실시 예에서는 45° 각도로 형성된다.

또한, 측면집광부재(30')의 상단에는 광이 입사되는 부위를 제외하고 부재 상면 반사층(33) 및 부재 하면 반사층(34)이 형성될 수 있으며 재질로는 광 굴절률이 공기보다 크고 플라스틱, 강화유리, 파이렉스, 석영유리와 같이 광학적으로 투명한 소재가 바람직하며 본 발명에 따른 측면 태양광 집광기의 집광용도에 따라 소재를 선택적하는 것이 바람직하다. 본 발명 제 1실시 예에서는 자외선 차단 플라스틱 렌즈용 모노머를 사용한 UV-400 아크릴계 시트이고, 통상적으로 자외선에 의해 플라스틱은 황변현상이 발생하므로, 태양 UV에 의해 발생하는 황변문제를 해결하기 위해 UV액을 코팅 또는 전술한 바와 같은 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.

따라서 단위 선형 볼록 집광 렌즈(21a)에 입사된 태양광(11)은, 단위 선형 볼록 집광 렌즈(21a)에 의하여 형성된 초점(F1)에 모여 반사부(31)에 도달한 후에 밀한 매질(UV-400 아크릴계 시트)에서 소한 매질(공기)사이의 전반사 원리에 의해 도 2의 (a)와 같이 측면집광부재(30)의 측면으로 방향 전환한다.

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.

이때, 각각의 단위 선형 볼록 집광 렌즈(21a)로부터 집속되어 측면으로 방향 전환된 각각의 태양광은 측면집광부재(30')의 내부에서 다단으로 형성된 반사부(31)에 의해 대부분 평행광 형태로 반사되므로써 타 반사부(31)에 의해 방해를 받지 않고 측면까지 평행하게 전진할 수 있으며, 방향 전환된 집속광(12) 중 직각으로 평행하게 전환되지 않은 굴절광도 측면에 도달할 때까지 밀한 매질에서 소한 매질로의 동일한 전반사 원리에 의해 효율적으로 측면에 집광된다.

통상적으로 광학유리나 플라스틱 광케이블에 사용되는 아크릴계의 플라스틱은 미터 당 광 감쇄율이 2~ 5% 미만이므로 거의 모든 광이 측면으로 전달되어 집광되므로 집광효율이 극대화되게 된다.

또한, 측면집광부재(30')의 굴절율이 공기보다 큰 투명한 소재라고 하더라도 소재 특성에 따라 전술한 전반사의 원리를 적용하기 곤란한 경우에는 반사부(31)의 외측에 소정의 반사물질이 코팅될 수도 있다. 여기서, 소정의 반사물질은, 90% 이상의 반사율을 가지는 금속물질을 의미하는 것으로서, 알루미늄, 은, 금, 니켈 등이 사용될 수 있다. 본 발명에서는 90% 이상의 반사율을 가지고, 가격이 저렴한 알루미늄을 반사물질로 사용하는 것이 좋으며, 입면 반사층(221), 하면 반사층(222), 부재 상면 반사층(33),부재 하면 반사층(34)의 반사물질 코팅에도 적용된다.

한편, 단위 선형 볼록 집광 렌즈(21a)는 도시하지는 않았지만, 태양광이 수직 입사되는 상측에서 바라 보았을 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 있다.

또한, 본 제 1실시 예의 측면 태양광 집광기(10a')는 통상적인 리소그라피 공정을 이용하여 제작할 수 있으며 집광부(20a)와 측면집광부재(30')를 독립적으로 별도 제작하여 조립할 수 있다.

이때, 측면집광부재(30‘)의 상단에는 전술한 선형 배면 광 안내부(22)에 일대일 대응되는 광 가이드(미도시)를 더 포함할 수 있다. 광 가이드(미도시)는 독립적으로 제작되고 절단 형성된 광케이블 선형 어레이, 선형 화이버 옵틱, 기다란 로드렌즈를 선형 배면 광 안내부(22)에 결합하여 반사부(31)에 평행광이 조사되도록 하는 형태가 바람직하다.

아울러, 태양광(11)을 효율적으로 손실 없이 평행광 형태로 측면으로 반사시키기 위해서는 상기 반사부(31)에 도달하는 1차 집속 태양광이 최대한 평행광이어야 하고 그 폭이 좁으면 좋을수록 효과적인데, 전술한 선형 배면 광 안내부(22) 또는 광 가이드(미도시) 가 그 역할을 하는 것으로써, 1차 집속 된 태양광이 평행하게 입사되고 동시에 반사부(31)에 접촉하는 면적을 줄이면 줄일수록 측면집광부재(30')의 두께를 줄일 수 있게 되는 것이며, 접촉 면적이 줄어들면 줄어들수록 동일한 두께의 측면집광부재(30')에 더욱 많은 수의 평행광 반사부(31)를 다단으로 형성할 수 있으므로 단위 선형 볼록 집광 렌즈(21a)의 배열 개수를 늘리게 되고 이는 단위 선형 볼록 집광 렌즈(21a)의 곡률반경을 줄이게 되어, 결과적으로 초점거리가 줄어 전체적으로 측면 태양광 집광기(10a')의 두께를 대폭 줄일 수 있게 되는데, 이는 본 발명의 특징 중 하나이다.

(제 2 실시예)

도 3은 측면집광부재와 단위 선형 집광 오목 거울의 배열로 이루어지는 본 발명 제2 실시예에 따른 측면 태양광 집광기의 구조를 나타내는 단면도이다.

도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명 제2 실시예에 따른 측면 태양광 집광기(10b')는 단위 선형 집광 오목 거울(21b)이 일직선상에 다수 배열된 집광부(20b)와, 상기 집광부(20b)의 상면에 부착되어 상기 단위 선형 집광 오목 거울(21b)에 의해 1차 집속된 태양광을 측면으로 전달하는 측면집광부재(30’)로 구성된다.

이 경우에는 태양광이 투명한 소재로 형성되는 측면집광부재(30') 내부를 1차 통과하여 단위 선형 집광 오목 거울(21b)에 형성된 거울 반사층에 반사되어 상면에 거꾸로 위치한 선형 배면 광 안내부(22)로 태양광을 집속하며, 측면집광부재(30')에 의해 측면으로 태양광이 재차 집광되는 과정은 동일하다.

한편, 단위 선형 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.

(제 3 실시예)

도 4는 측면집광부재와 단위 선형 프뢰넬 렌즈의 배열로 이루어지는 본 발명 제3 실시예에 따른 측면 태양광 집광기의 구조를 나타내는 단면도이다.

도 4에 도시한 바와 같이, 본 발명 제3 실시예에 따른 측면 태양광 집광기(10c‘)는 단위 선형 프뢰넬 렌즈(21c)가 일직선상에 다수 배열된 집광부(20c)와, 상기 집광부(20c)의 하면에 부착되어 상기 단위 선형 프뢰넬 렌즈(21c)에 의해 1차 집속된 태양광을 측면으로 전달하는 측면집광부재(30’)로 구성된다.

또한, 도시하지는 않았지만 다수의 “점 초점”소형 프뢰넬 렌즈(미도시)를 일렬로 배열하여 하나의 단위 선형 프뢰넬 렌즈(21c)와 같이 측면집광부재(30’)의 반사부(31)에 입사된 태양광을 집속하여 전달하도록 구성할 수 있으며, 단위 선형 프뢰넬 렌즈(21c) 및 다수의 “점 초점”소형 프뢰넬 렌즈의 선형 배열은 당업자에게 이미 공지된 것이고, 본 발명 제 1실시예의 단위 선형 볼록 집광 렌즈(21a) 대신 단위 선형 프뢰넬 렌즈(21c) 또는 다수의 “점 초점”소형 프뢰넬 렌즈의 선형 배열을 사용하는 것을 제외하고는 측면 태양광 집광기(10a')와 구성 및 작동 관계는 동일하므로 제3 실시예의 측면 태양광 집광기(10c‘)에 대한 자세한 설명은 이하 생략하기로 한다.

(제 4 실시예)

도 5는 측면집광부재와 단위 선형 카세그레인 집광모듈의 배열로 이루어지는 본 발명 제4 실시예에 따른 측면 태양광 집광기의 구조를 나타내는 단면도이다.

도 5 에 도시한 바와 같이 본 발명 제 4 실시예에 따른 측면 태양광 집광기(10d‘)는 단위 선형 카세그레인 집광모듈(21d)이 일직선상에 다수 배열된 집광부(20d)와, 이를 통해 집광된 태양광을 측면으로 전달하는 측면집광부재(30’)로 구성된다.

상기 단위 선형 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 광 안내부(22)로 다시 반사시킨다.

한편, 단위 선형 카세그레인 집광모듈(21d)은 도시하지는 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, 단위 선형 카세그레인 집광모듈(21d) 및 “점 초점”소형 카세그레인 집광모듈(미도시)은 망원경이나 전파송수신기 분야에서 이미 당업자에게 이미 공지된 것이고, 본 발명 제 1 실시예의 단위 선형 볼록 집광 렌즈(21a) 대신 단위 선형 카세그레인 집광모듈(21d) 또는 “점 초점”소형 카세그레인 집광모듈(미도시)의 선형 배열을 사용하는 것을 제외하고는 측면 태양광 집광기(10a')와 구성 및 작동 관계는 동일하므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.

(제 5 실시예)

도 6은 측면집광부재와 단위 선형 그레고리안 집광모듈의 배열로 이루어지는 본 발명 제5 실시예에 따른 측면 태양광 집광기의 구조를 나타내는 단면도이다.

도 6에 도시한 바와 같이 본 발명 제 5 실시예에 따른 측면 태양광 집광기(10e‘)는 단위 선형 그레고리안 집광모듈(21e)이 일직선상에 다수 배열된 집광부(20e)와, 이를 통해 집광된 태양광을 측면으로 전달하는 측면집광부재(30’)로 구성된다.

상기 단위 선형 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 광 안내부(22)로 반사시킨다.

한편, 단위 선형 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, 단위 선형 그레고리안 집광모듈(21e) 및 “점 초점”소형 그레고리안 집광모듈(미도시)은 망원경이나 전파송수신기 분야에서 이미 당업자에게 이미 공지된 것이고, 본 발명 제 1 실시예의 단위 선형 볼록 집광 렌즈(21a) 대신 단위 선형 그레고리안 집광모듈(21e) 또는 “점 초점”소형 그레고리안 집광모듈(미도시)의 선형 배열을 사용하는 것을 제외하고는 측면 태양광 집광기(10a')와 구성 및 작동 관계는 동일하므로 이 또한 자세한 설명은 생략하기로 한다.

(제 6 실시예)

도 7과 도8은 불투명 소재를 사용하는 측면집광부재와 볼록렌즈를 사용하는 집광부로 이루어지는 본 발명 제6 실시예에 따른 측면 태양광 집광기의 구조를 나타내는 단면도이다.

도 7 및 도 8에 도시한 바와 같이, 본 발명 제6 실시예에 따른 측면 태양광 집광기(10a“)(10c”)(10d“)(10e”)의 측면집광부재(30“)를 제작할 때에 불투명소재로 제작된 측면집광부재(30”)를 사용할 수 있는데, 이 경우에는 태양광이 불투명 소재 내부를 통과하지 못하므로 계단식으로 형성된 반사부(31)가 집광부(20a)의 하면의 선형 배면 광 안내부(22)와 대응되도록 뒤집어서 대면하게 할 수 있다. 이 경우 반사부(31)에는 전술한 소정의 반사물질을 코팅하며, 측면 태양광 집광기(10a“) (10c”) (10d“) (10e”)의 작동 과정은 각각 대응되는 앞선 실시예들에 개시된 측면 태양광 집광기(10a‘) (10c‘) (10d‘) (10e‘)와 동일하므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.

(제 7 실시예)

도 9는 정교한 집광을 위해 제 2 집광 어셈블리를 더 포함하여 구성된 본 발명 제7 실시예에 따른 측면 태양광 집광기의 단면도이다.

도 9 에 도시한 바와 같이, 본 발명 제7 실시예에 따른 측면 태양광 집광기(10f")는 전술한 단위 선형 볼록 집광 렌즈(21a), 단위 선형 집광 오목 거울(21b), 단위 선형 프뢰넬 렌즈(21c), 단위 선형 카세그레인/그레고리안 집광모듈(21d)(21e)은 일대일 대응되는 제 2 집광 어셈블리(23)를 더 포함할 수 있는데, 이때는 전술한 단위 선형 볼록 집광 렌즈(21a), 단위 선형 집광 오목 거울(21b), 단위 선형 프뢰넬 렌즈(21c), 단위 선형 카세그레인/그레고리안 집광모듈(21d)(21e)은 투명한 소재를 이용하여 일체로 형성되지 않고, 내부에는 공간이 형성되게 할 수 있다.

상기 제 2 집광 어셈블리는 선형 제 2 집광렌즈(233), 선형 원형 로드 렌즈(232), 광케이블 선형어레이 혹은 선형 광가이드(234) 및 이들을 지지하는 하우징(231)으로 구성된다.

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

이러한 제 2 집광 어셈블리(23)를 더 포함하면, 전술한 광 가이드(미도시)와 동일한 역할을 하되 더욱더 정교하게 평행광과 집속광의 반사부(31) 입사면적을 줄일 수 있어, 1차 집속 된 태양광이 반사부(31)에 평행하게 입사되고 동시에 반사부(31)에 접촉하는 면적을 줄이면 줄일수록 측면집광부재(30)의 두께를 줄일 수 있는 효과를 위한 것이다. 이하, 제 2 집광 어셈블리(23)도 널리 공지된 것이므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.

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 측면으로 모두 모아서 집광하므로 태양에너지 이용효율을 극대화할 수 있고, 구조가 간단하여 제작과 설치가 용이하며, 평판 형이어서 얇고 부피가 크지 않아 태양광 발전 및 태양광 집광, 태양광 집열 모두에 다양하게 응용할 수 있고, 제조비용도 저렴한 효과를 얻을 수 있다.

10: 측면 태양광 집광기
11: 태양광
12: 1차 집속된 태양광(집속광)
20: 집광부
21: 단위 집광모듈
21a: 단위 선형 볼록 집광 렌즈
21b: 단위 선형 집광 오목 거울
21c: 단위 선형 프뢰넬 렌즈
21d: 단위 선형 카세그레인 집광모듈
21d1: 선형 카세그레인 부 반사거울 21d2: 선형 카세그레인 주 반사거울
21e: 단위 선형 그레고리안 집광모듈
21e2: 선형 그레고리안 주 반사거울 21e1: 선형 그레고리안 부 반사거울

30: 측면집광부재
31: 반사부 33: 부재 상면 반사층 34: 부재 하면 반사층
22: 선형 배면 광 안내부
220: 배면 하부 221: 입면 반사층 222: 하면 반사층
23: 제 2 집광 어셈블리
231: 하우징 232: 선형 원형 로드 렌즈
233: 선형 제 2 집광렌즈 234: 광케이블 선형어레이 혹은 선형 광가이드

Claims (8)

1. 입사되는 태양광을 집속하고 측면방향으로 반사시켜 집광하도록 구성되는 측면 태양광 집광기에 있어서;
   수직 또는 소정각도로 입사되는 태양광을 1차 집속하도록 1차원 배열된 다수의 단위 집광모듈과, 상기 단위 집광모듈의 각 하부에 일대일 대응되게 돌출 또는 요입되어 1차 집속광을 유도 안내하는 광 안내부로 이루어진 집광부와;
   상기 집광부의 하부에 구비되고, 상기 단위 집광모듈과 일대일 대응되며, 입사된 1차 집속광을 수평하게 반사하는 반사부가 길이방향으로 단차를 두고 계단식으로 형성된 측면집광부재;로 구성되어, 큰 면적에 걸쳐 입사된 태양광을 상기 단위 집광모듈이 각각 집속한 1차 집속광을 상기 반사부가 수평으로 측면 반사시켜 작은 면적에서 고효율로 집광하되,
   상기 집광부를 구성하는 단위 집광모듈은 단위 선형 집광 모듈과 “점 초점”소형 집광 모듈의 선형배열인 것을 특징으로 하는 측면 태양광 집광기.
2. 청구항 1에 있어서;
   상기 집광부를 구성하는 단위 집광모듈은 상부로 볼록한 형태를 갖는 단위 선형 볼록 집광 렌즈/“점 초점”소형 볼록 집광 렌즈의 선형배열, 단위 선형 집광 오목 거울/“점 초점”소형 집광 오목렌즈의 선형배열, 단위 선형 프뢰넬 렌즈/“점 초점”소형 프뢰넬렌즈의 선형 배열, 단위 선형 카세그레인 집광모듈/“점 초점”소형 카세그레인 집광모듈의 선형배열, 단위 선형 그레고리안 집광모듈/“점 초점”소형 그레고리안 집광모듈의 선형배열 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 측면 태양광 집광기.
3. 입사되는 태양광을 집속하고 측면방향으로 반사시켜 집광하도록 구성되는 측면 태양광 집광기에 있어서;
   수직 또는 소정각도로 입사되는 태양광을 1차 집속하도록 1차원 배열된 다수의 단위 집광모듈과, 상기 단위 집광모듈의 각 하부에 일대일 대응되게 돌출 또는 요입되어 1차 집속광을 유도 안내하는 광 안내부로 이루어진 집광부와;
   상기 집광부의 하부에 구비되고, 상기 단위 집광모듈과 일대일 대응되며, 입사된 1차 집속광을 수평하게 반사하는 반사부가 길이방향으로 단차를 두고 계단식으로 형성된 측면집광부재;로 구성되어, 큰 면적에 걸쳐 입사된 태양광을 상기 단위 집광모듈이 각각 집속한 1차 집속광을 상기 반사부가 수평으로 측면 반사시켜 작은 면적에서 고효율로 집광하되,
   상기 측면집광부재는 투명한 소재로 제작되며, 2이상의 단위 집광모듈의 1차 집속된 집속광을 단일의 투명한 재질의 측면집광부재를 사용하여 동일한 방향으로 집광하며,
   각 1차 집속된 집속광들은 투명한 재질의 측면집광부재 내에서 상호 평행하게 전달되어지는 고유의 채널을 통해 상호 간섭받지 않고 반사되어지며,
   상기 반사부는 밀한 매질과 소한 매질 경계면에 형성되고 밀한 매질 측면으로 입사되는 태양광을 소한 매질 경계면에서 밀한 매질 내부의 수평측면으로 전반사시키도록 수광하는 부분이 비스듬히 형성되는 것을 특징으로 하는 측면 태양광 집광기.
4. 청구항 3에 있어서;
   상기 반사부가 수광하는 면 또는 그 외면에는 알루미늄, 은, 금, 니켈 중에서 선택된 어느 하나의 반사물질이 더 코팅되는 것을 특징으로 하는 측면 태양광 집광기.
5. 청구항 1에 있어서;
   상기 집광부를 구성하는 광 안내부의 입면 외주면에는 알루미늄, 은, 금, 니켈 중에서 선택된 어느 하나의 반사물질로 코팅된 것을 특징으로 하는 측면 태양광 집광기.
6. 청구항 1에 있어서;
   상기 집광부의 하면에 구비되는 측면집광부재의 상단에는 광케이블 선형 어레이, 선형 화이버 옵틱, 선형 로드렌즈 중에서 선택된 어느 하나로 된 광 가이드가 상기 광 안내부와 일대일 대응되도록 설치되어 상기 광 안내부를 통과한 1차 집속광이 효율적으로 반사부로 유도되도록 구성된 것을 특징으로 하는 측면 태양광 집광기.
7. 청구항 1 또는 청구항 3에 있어서;
   상기 집광부를 구성하는 광 안내부에는 1차 집속광을 더욱 집속시켜 반사부로 유도하는 제2 집광 어셈블리가 더 설치된 것을 특징으로 하는 측면 태양광 집광기.
8. 청구항 7에 있어서;
   상기 제2 집광 어셈블리는,
   하우징과, 상기 하우징에 지지되고 입사되는 1차 태양 집속광을 더욱 집속시키는 선형 제 2 집광 렌즈;와 상기 하우징에 지지되고 상기 선형 제 2 집광렌즈를 통과한 2차 집속광을 3차로 집광하는 선형 원형 로드 렌즈와, 상기 하우징에 지지되고 상기 선형 원형 로드 렌즈에 의해 3차로 집광된 광을 반사부로 유도하는 광케이블 선형어레이 혹은 선형 광가이드로 이루어진 선형 제2 집광 어셈블리; 또는
   하우징과, 상기 하우징에 지지되고 입사되는 1차 태양 집속광을 더욱 집속시키는 “점 초점”소형 제 2 집광렌즈와, 상기 하우징에 지지되고 상기 “점 초점”소형 제 2 집광렌즈를 통과한 2차 집속광을 3차로 집광하는 볼렌즈와, 상기 하우징에 지지되고 상기 볼렌즈에 의해 3차로 집광된 광을 반사부로 유도하는 막대 광가이드 또는 광케이블로 이루어진 “점 초점”소형 제 2 집광 어셈블리의 선형 배열; 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 측면 태양광 집광기.
   

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