KR101313723B1 - 태양광 집광 구조와 다중집광 방법 및 태양광 송광장치 - Google Patents

태양광 집광 구조와 다중집광 방법 및 태양광 송광장치 Download PDF

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Abstract

접시형 집광기나 포물면형 집광기를 활용하여 태양을 추적하면서 상광학(像光學)적 방법으로 햇빛을 고밀도로 집광하는 방법과 태양광을 집광한 고밀도광(高密度光)을 원거리의 응용처에 전송(傳送)하고 다수의 집광기를 통해 얻어진 고밀도광을 다단결합하여 초고밀도광(超高密度光)을 생성하는 방법과 수단에 관한 것이다.
상기의 1차 포물면반사경은 포물면경의 내측 지점의 입사각이 법선면과 이루는 각도가 임계각보다 크게 되는 각을 이루도록 포물면의 경사가 협폭을 이루도록 형성하고 중심축의 하측에 개구부를 형성한 1차 포물면경과, 상기 1차포물면경의 초점을 공유하면서 초점부위에 1차포물면경의 축소형태이나 중심축에 개구부가 없는 소구경 2차포물면반사경을 결합한 포풀면반사경 세트와,
1차 포물면경의 하측에 형성된 개구부에 외부로 광유도관을 결합하고, 방향 전환용 3단엘보를 결합하여 방향전환과 송광관에 연결되며, 전송로 지점마다 다수개의 3단엘보를 결합하여서 완충관절을 형성하고 원거리로 전송할 수 있게하며, 중간중간에 송광벨브를 형성하여, 광량을 검출하고 개폐할 수 있으며 특정 파장대역을 필터링 함으로써 원하는 파장대역만 통과시키거나 차단 할 수 있게 하여 응용장치에서 효율적이고 정량적인 사용환경을 제공할 수 있게 한 것이다.

Description

태양광 집광 구조와 다중집광 방법 및 태양광 송광장치{structure for condensing sunlight and Apparatus for transmitting sunlight}
본 발명은 자연상태의 태양광을 포물면 반사경을 이용하여 고밀도로 집광하여 빔을 만드는 집광방법과 구조 및 다단 결합하여 초고밀도로 농축하며, 초고밀도로 집광된 태양광을 원거리로 송광하는 송광기술과 초고밀도 태양광의 양을 체크하여 선택적으로 조절하여 차단.분리.결합하면서 고효율로 송광 하는 기술에 관한 것이다.
광섬유를 이용하여 단일 집광기에서 집광된 광원을 필요한 곳으로 전송하는 장치가 국내[특허출원]1994-13158은, 고정식 집광장치로서 태양광을 열매체 없이 석영,규사,은분 등에 직접조사하여 빛을 내거나 열을 발생시키는 개념의 시스템이 있고,
[미국공개특허]제2008-0092877호 의 경우 프레넬렌즈를 활용하여 초점으로 모아 이를 평면 반사경으로 재반사하여 중앙의 깔대기형 반사경으로 하향 반사시켜 집광하여 전송관으로 전송하는 방식이나, 이는 깔대기형(원뿔형) 하향 반사경에 평면반사광이 들어오게 되었을 때는 빛이 방사형으로 반사되므로 평행광이 되지도 않을 뿐만 아니라 모아지지도 않게 되어 파이프에 귀속되더라도 난반사광이 될 수 밖에 없어 관절부위나 꺾임 부위를 통과할 때 많은 손실이 발생되므로, 이 방식은 전송효율이 매우 좋지 않고, 의도한 빛을 전송할 수 없는 많은 하자가 있는 개념이고,
국내[특허공개번호]1983-0009444와
[특허공개]1989-000905와 [특허공개]1988-058282도 집광된 광을 볼록렌즈응 이용하여 집광하고 광섬유로 전송하는 방식들인데 역시 색수차가 발생하면서 렌즈의 제작이 용이하지 않아 효율성과 실효성이 떨어지며,
[특허공개]10-2003-0027529의 경우 다수의 소형 접시형 반사기들과 각 반사기의 초점 부근에 구비된 2차 반사기 및 각 2차 반사기 및 각2차 반사기의 직하에 집광된 태양광이 입사되는 광섬유들이 모여 이루어진 광섬유 다발을 함께 소형 모듈화한 후 광섬유로 멀리 떨어진 흡수기에 전송하고 열변환 하는 것이 있는데, 이 또한 광섬유에 의해 자외선과 원적외선 영역의 파장들이 광섬유에 흡수 되버려 열 효율이 졸지 않고, 전송중 굴절부위에서 난반사에 의한 손실이 발생하여 전송효율 또한 좋지 않다.

[문헌5] 광학 (Eugene Hecht) 비구면 거울 p223-224 [인터넷 검색] blog.naver.com/ehdrmfwkfl/10032836499 [문헌6]광학 (Eugene Hecht) 광섬유광학 p239~p241
이에 본 발명은 상기와 바와 같은 문제점을 해결하고 , 태양빛의 전파장영역을 빛과 열적 특질을 그대로 살려서 고농축하고는 방법과 초장거리로 전송하는 기술을 발명하기 위하여 집광기술과 전송기술을 개발함에 목적이 있는데, 상기 포물면 반사경을 이용하여 태양광을 집광할 시에 태양광이 닿는 부품에 열이 발생되지 않도록 하면서, 태양광의 손실을 최소화함은 물론, 전파장 영역의 태양광을 초장거리로 고효율로 송광 할 수 있도록 전송효율을 개선할 과제가 있고, 또한 양산성과 유지보수를 용이하게 하기 위해서는 제품의 구성을 간략화와 내후성을 좋게 할 과제가 있다.
상기의 전송율의 고효율화를 위해서는 광 손실을 줄이고, 집광효율을 좋게 개선하는 구조적 발명과 함께 , 태양광을 다단 결합하여 초고농축 함으로써 집광과 전송효율을 개선하는 효과를 발명해야 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 태양광이 닿아 반사되는 부품에는 전반사가 일어나도록 입사각이 임계각보다 크도록 반사경의 경사도를 변경하고, 비구면 반사경을 특수하게 2중 겹으로 형성하며, 하측에 통공을 형성하여 반사로를 형성한 것이다.
고온의 태양광을 장시간 받는 부품들은 전반사가 일어나도록 하여 부품에는 광의 흡수열이 전달되지 않도록 하고 또한 1차 반사경의 입구에 이물질이 쌓이지 않도록 투명 보호막으로 차폐하여 막을 수 있도록 발명한 것이다.
또한 태양광을 집광하면서부터 굴곡구간을 최소화 하는 관절을 발명하여 굴곡구간도 평행광으로 전송할 수 있게 하였으며, 일정 거리 이상에서는 다시 전송광을 평행광으로 정렬하는 정렬장치를 설치 함으로써 초장거리를 전송하더라도 태양광의 손실을 최소화함으로써 전송효율을 극대화 하고,
필요구간에서 필터링 벨브 시스템으로 태양광의 광량을 검출하여 투과량을 조절하고, 파장대별로 필터링 벨브로 분광할 수 있게 함으로써, 흡수기나 반응로에서의 사용량을 조절할 수 있게 한 것이다.
본 발명의 핵심 원리를 설명하자면,
도 9를 참조하여 1차 포물면 반사경(100)과 초점F를 공유하는 2차 포물면 반사경(200)이 있고, 이 포물면 반사경에 수직으로 입사하는 두 입사광을 각각 AB, DC라 하고 그 투과선을 BA`와 CD`라 할 때 이 두 입사광선과 투과선을 평행이라면,포물면의 광학적 원리에 의해서,
1차 포물면 반사경에 입사하는 입사광 AB는 F로 반사하고,
2차 포물면 반사경에 입사하는 입사광 DC도 F로 반사하고,
이때,
①---- ∠ABF = ∠DCF =k 가 되고
또한 F의 허상 초점 F`라면, AA`//DD`가 평행이므로,
②---- ∠D`CF`=∠A`BF`=k 가 되어,
식 ①과 ②에 의해서
AB//CD`가 되는 것이다.
즉, 1차 포물면 반사경(100)에 수직으로 입사하는 입사광(AB)는 2차 포물면반사경(200)에 반사된 광선(CD`)도 평행광이 되는 것이다
또한 B점에서의 외접면에 수직인 선MM`라면 입사각은 ∠ABM=k/2 가 되는데, 이때 각도 k/2가 임계각보다 커야 전반사가 되며,
실질 집광면적인 1차포물면반사경의 외곽구간을 W라면 2차포물면반사경에 의해 가려지는 내부구간V라 하고 1차포물면반사경의 하측 개구부를 S라 할 때 ,
S=V가 되고 W>>V인 것이 가장 집광면적비를 크게 하는 것이다.
본 발명의 실시예로써,
도 9에 의해 ∠ABM이 임계각보다 작게 입사되는 1차포물면 반사경일 때는 반사광이 하향을 이루기 위해서 2차 포물면 반사경을 상측으로 볼록한 형태의를 이루도록 한 것을 특징으로 한, 태양광 집광 구조와 다중집광 방법 및 태양광 송광장치
이상 설명한 바와 같이 본 발명은 상기 포물면 반사경를 이용하여 태양광을 집광하고 송광관을 이용하여 태양광을 이송할 시에 입사각이 임계각보다 크게 하여 전반사가 일어날 수 있도록 하므로 태양광이 닿는 부품에 열이 발생되지 않음은 물론 태양광의 손실을 없애므로 태양광을 효과적으로 집광하고 송광할 수 있도록 발명한 것이다.
도 1은 전반사 임계각 광학 원리 설명서
도 2는 본 발명의 완성세트 조립 사시도
도 3은 본 제품 다중 군집 실시예의 구성도
도 4는 본 발명의 전송관 결합 집광기 구성과 입사광 집광 원리도
도 5는 본 발명의 광폭 결합 집광기의구성과 입사광 집광 원리도 부분
확대도
도 6은 본 발명의 전반사 관절 사시도
도 7은 본 발명의 전반사관절의 실시예
도 8은 본 발명의 전송관 결합집광기 세트
도 9는 본 발명의 광학 원리도
이하 본 발명의 실시예를 첨부된 예시도면을 참고로 상세히 설명한다.
본 발명은 태양광을 받아 집광 역활을 하는 1차포물면반사경(1):
태양광을 다른 장소로 이송할 때 사용되는 송광관(2):
다수의 송광관(2)을 한곳으로 모아 다시 하나의 빛으로 만드는 태양광 집광부(3)로 크게 나누어 진다.
도 4 및 도 9에 도시된 바와 같이, 상기 1차포물면반사경(1)에 태양광이 반사될 시에 입사각이 임계각보다 크게 유지할 수 있도록 하여 전반사가 될 수 있도록 포물면을 형성하고 상기 1차포물면반사경(1)의 하부에는 반사되는 태양광을 재반사하여 송광관(2)으로 이송하는 2차포물면반사경(4)를 형성하되:
상기 2차포물면반사경(4)는 상기 1차포물면반사경(1)과 초점을 공유하며 축소한 형태로 상기 1차포물면반사경(1)의 하측면에 태양광이 닿아 하측으로 반사되는 것으로, 입사각이 임계각보다 크게 형성되도록 하여 전반사가 이루어지도록 하므로 2차포물면반사경(4)에 열이 발생되지 않고 변형과 손실을 없도록 한다.
또한 1차포물면반사경(1)의 상단부에는 유리 또는 합성수지로 된 투명체(도시되지 않음)를 장착하여 빗물이나 먼지, 이물질이 내부에 유입되지 않도록 하여 태양광을 집광하는데 효과를 높이도록 한다.
도 5 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 1차포물면반사경(1)과 2차포물면반사경(4)로부터 집광된 태양광은 송광관(2)을 통하여 먼거리로 이송하게 되는데, 상기 송광관(2)의 꺽이는 부분의 관절부위에는 두개의 반사판(6,6')을 장착하여 태양광의 입사각이 임계각보다 크도록 하여 전반사가 이루어지도록 하므로 상기 반사판(6,6')에서 열이 발생되지 않고 열손실을 막을 수 있도록 한다.
송광관(2)은 관절부(7)가 형성되어 송광관(2)의 방향을 자유자재로 회동할 수 있는 것으로, 상기 관절부(7)에는 두개의 반사판(6,6')을 장착하여 입사각이 임계각보다 크게 형성하여 전반사가 되도록 하고 상기 관절부(7)는 회동을 할 수 있도록 하고 관절부(7)의 하측에는 연결관(10)을 형성하되:
상기 연결관(10)도 회전하면서 방향을 회전시킬 수 있다.
이와 같은 상기 관절부(7)를 다수 연결하면 상하좌우측방향으로 태양광을 이송할 수 있다.
상기 송광관(2)의 일측에는 태양광차단벨브(도시되지 않음)를 설치하여 태양광이 필요하지 않을 시에는 태양광차단벨브를 잠궈 태양광이 통과하지 않도록 한다.
상기 태양광차단벨브는 송광관(2)을 가로질러 장착하되 일측에 모터를 형성하고 이와 연설되게 관통관과 차단판을 형성하여 상기 모터에 의하여 좌우측으로 이동하면서 태양광을 통과시킴은 물론 차단할 수 있도록 한 것이다.
또한 태양광차단벨브의 일측에 태양광센서부(도시되지 않음)를 장착하여 태양광이 통과하는지 안하는지를 파악할 수 있도록 하여 작업을 할 시에 인식할 수 있도록 한다.
두 개 이상의 1차포물면반사경(1)에 의해 모아진 태양광은 상기 송광관(2)을 통하여 한곳에 모아지도록 중간에 태양광 집광부(도시되지 않음)를 장착하되:
상기 태양광 집광부는 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 태양광이 닿아 반사되는 부품에는 전반사가 일어나도록 입사각이 임계각보다 크도록 부품의 구조를 제작한 것으로,
고온의 태양광을 장시간 받는 부품들은 전반사가 일어나도록 하여 부품에는 열이 전달되지 않도록 하고 또한 열손실을 막을 수 있도록 입사각이 임계각이상을 유지할 수 있도록 포물면을 형성하고 초점을 공유하는 내측에는 2차포물면반사경을 장착하되 좁아지는 내부의 중심부측에 초점을 공유하게 장착되여 태양광을 일측방향으로 진행할 수 있도록 한다.
상기 태양광 집광부는 여러개로 분리된 태양광을 한 곳에 모아 하나의 빛으로 통합하는 기구로 여러개 설치할 수 있는 것이다.
상기 태양광 집광부는 1차포물면반사경(1)이 하나만 사용할 시에는 필요하지 않으며 두개 이상 사용할 시에 연결하여 태양광을 집광하도록 한다.

또한 전송관결합집광기와 일체로 연결부를 형성하되 상기 연결부는 전송관결합집광기와 연결되는 부분에 전반사를 할 수 있도록 포물면을 갖도록 한 것으로,
전송관결합집광기에 난반사가 유입될 시에 평행광선을 유지할 수 있도록 한 것이다.
또한 도11은 태양광을 집광하여 전 지역으로 보내 활용하는 전체 네트워크 구성도로서, 근거리는 물론 나라와 나라간에 태양광을 서로 교류할 수 있는 시스템이다.
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이상 설명한 바와같이 본 발명은 상기 포물면 반사경를 이용하여 태양광을 집광하고 송광관을 이용하여 태양광을 이송할 시에 입사각이 임계각보다 크게 하여 전반사가 일어날 수 있도록 하므로 태양광이 닿는 부품에 열이 발생되지 않음은 물론 태양광의 손실을 없애므로 태양광을 효과적으로 집광하고 송광할 수 있도록 발명한 것이다.
태양광을 임의로 집광하고 초고농축하여 원거리에 전송할 수 있으며, 바다.지하.건물내부등 어디든지 송광하여 응용함으로써, 태양이 필요한 광으로써나, 열에너지로 변환하여 에너지원으로써 사용될 수 있다.
화석연료를 대체하는 청정 무한 에너지로써 녹색경제를 일으킬 수 있는 중요한 기술이 될 것이다.
1:1차포물면반사경
2,2':송광관
4:2차포물면반사경
6,6':반사판
7:관절부
S:개구부

Claims (14)

  1. 입사하는 태양광이 전반사되도록 각 점에서의 입사각이 임계각보다 크도록 내주면이 형성되는 1차포물면반사경과,
    상기 1차포물면반사경의 내부에 위치하여 상기 1차포물면반사경과 초점을 공유하고, 상기 1차포물면반사경에서 전반사된 태양광이 전반사하도록 각 점에서의 입사각이 임계각보다 크도록 외주면이 형성되는 2차포물면반사경을 포함하고,
    상기 1차포물면반사경의 중심축 하단에는 상기 2차포물면반사경에서 전반사된 태양광을 전송하기 위한 개구부가 형성되되,
    상기 개구부에는, 상기 1차포물면반사경과 2차포물면반사경을 통해 집광된 태양광을 전송하기 위한 송광관이 구비되고, 상기 송광관의 일측에는 태양광차단벨브가 구비되는 것을 특징으로 하는 태양광 집광 구조.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 송광관의 일측에는 적어도 하나의 관절부가 형성되고,
    상기 관절부에는 반사된 태양광이 전반사되도록 적어도 하나의 반사판이 구비됨을 특징으로 하는 태양광 집광 구조.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 송광관의 관절부는 회전가능하게 구비되는 것을 특징으로 하는 태양광 집광 구조.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 태양광차단벨브의 일측에는 태양광센서부가 구비되는 것을 특징으로 하는 태양광 집광 구조.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 1차포물면반사경의 상단부에는 투명체가 구비되는 것을 특징으로 하는 태양광 집광 구조.
  8. 입사하는 태양광이 전반사되도록 각 점에서의 입사각이 임계각보다 크도록 내주면이 형성되는 1차포물면반사경과, 상기 1차포물면반사경의 내부에 위치하고 상기 1차포물면반사경과 초점을 공유하며, 상기 1차포물면반사경에서 전반사된 태양광을 전반사하도록 각 점에서의 입사각이 임계각보다 크도록 외주면이 형성되는 2차포물면반사경을 포함하고, 상기 1차포물면반사경의 하단에는 상기 2차포물면반사경에서 전반사된 태양광을 전송하기 위한 개구부가 형성되는 다수의 태양광 집광 구조와,
    상기 각 개구부에는 상기 1차포물면반사경과 2차포물면반사경을 통해 집광된 태양광을 전송하기 위한 송광관, 그리고
    상기 각 송광관으로부터 전송된 태양광을 집광하기 위한 태양광 집광부를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 태양광 집광 구조.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 태양광 집광부는,
    상기 다수의 송광관으로부터 입사하는 태양광이 전반사되도록 각 점에서의 입사각이 임계각보다 크도록 내주면이 형성되는 1차포물면반사경과,
    상기 1차포물면반사경의 내부에 위치하고 상기 1차포물면반사경과 초점을 공유하며, 상기 1차포물면반사경에서 전반사된 태양광을 전반사하도록 각 점에서의 입사각이 임계각보다 크도록 외주면이 형성되는 형성되는 2차포물면반사경을 포함하고,
    상기 1차포물면반사경의 하단에는 상기 2차포물면반사경에서 전반사된 태양광을 전송하기 위한 제2개구부가 형성되는 것을 특징으로 하는 다중 태양광 집광 구조.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제2개구부에는, 상기 1차포물면반사경과 2차포물면반사경을 통해 집광된 태양광을 전송하기 위한 제2송광관이 구비되는 것을 특징으로 하는 다중 태양광 집광 구조.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제2송광관의 일측에는 적어도 하나의 관절부가 형성되고,
    상기 관절부에는 반사된 태양광이 전반사되도록 적어도 하나의 반사판이 구비됨을 특징으로 하는 다중 태양광 집광 구조.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제2송광관의 관절부는 회동가능하게 구비되는 것을 특징으로 하는 다중 태양광 집광 구조.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 제2송광관의 일측에는 태양광차단벨브가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 태양광 집광 구조.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 태양광차단벨브의 일측에는 태양광센서부가 구비되는 것을 특징으로 하는 태양광 집광 구조.

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