KR200499786Y1 - 프레넬 렌즈를 이용한 집열 장치 - Google Patents

Abstract

본 고안은 본 고안은 동일한 곡률을 갖는 소형의 렌즈를 단계적으로 설치하여 연속적인 표면을 형성하는 프레넬 렌즈를 이용해 집열하는 프레넬 렌즈를 이용한 집열 장치에 관한 것으로,
직경과 위치되는 높이가 다른 두 개의 원형 프레임 사이에서 복수의 경사살이 원형 둘레를 따라 배열되어 원뿔대의 형태를 형성하는 프레임부; 상기 두 개의 원형 프레임 중 태양과 가까운 원형 프레임에 구비되어 태양 빛을 집광하는 프레넬 렌즈; 상기 복수의 경사살 사이에서 열을 지어 구비되어 상기 프레넬 렌즈로 집광된 빛을 한 방향으로 반사시키는 복수의 반사판; 상기 복수의 반사판에서 반사되는 빛의 방향에 배치되어 태양열을 집열하는 집열부; 상기 프레임부을 지지함과 동시에 상기 프레넬 렌즈가 태양의 고도에 따라 맞춰지도록 상기 프레임부의 각도를 조절할 수 있게 구성되는 프레임 지지부를 포함한다.

Description

프레넬 렌즈를 이용한 집열 장치{Thermal collecting device using a Fresnel lens}

본 고안은 동일한 곡률을 갖는 소형의 렌즈를 단계적으로 설치하여 연속적인 표면을 형성하는 프레넬 렌즈를 이용해 집열하는 프레넬 렌즈를 이용한 집열 장치에 관한 것이다.

최근 10년간 우리나라의 에너지 소비는 매년 10%라는 세계 최고의 증가율을 기록하고 있으며, 온실가스배출량 증가율 역시 세계 1위를 기록하고 있다. 다행이 세계기후협약 이행이 늦춰지고는 있지만 머지않아 우리도 여기에 참여하지 않을 수 없는 형편이어서 대체에너지 개발의 필요성은 더욱 무게 중심을 더해가고 있는 실정이다.

이에 따라, 근래에 와서 무공해의 태양에너지를 이용한 기술이 활발히 개발되고 있는 바, 가정이나 회사에서 온수 및 난방시스템에 사용될 수 있도록 다양한 형태의 집열장치 개발과 열적 성능의 향상에 대한 기술이 연구되고 있다.

지금까지 사용되고 있는 평판형 태양열 시스템의 경우는, 겨울철에 효율이 떨어지고 온수생산에 그치는 등 수요자의 요구에 부합하지 못하였고, 또한 난방에 적용할 때 과다한 투자비와 설치 후 관리가 용이하지 않아 효율이 떨어지는 문제점이 있다.

또한, 집열 장치는 집열이 효과적이도록 태양광 고도에 따라 방향을 따라 가도록 구성되고 있는데, 종래의 집열 장치에 사용되던 단일 렌즈는 무게가 무겁고 특히, 렌즈의 직경이 커질수록 그 부피와 무게도 증가하기 때문에 각도조절에 부하가 많이 걸리고 태양광 고도에 맞추어 방향을 따라가는 것이 비효율적이었다.

한편, 프레넬 렌즈는 두꺼운 단일렌즈 대신에, 단일렌즈의 연속 표면을 동일한 곡률을 갖는 단계적인 불연속면의 분할 렌즈로 제작한 것으로, 단일 렌즈와 유사한 성능은 달성하면서도 매우 얇고 가볍게 제작될 수 있다.

이 때문에, 집열 장치의 점차 커지는 부피에 대응하여 프레넬 렌즈를 이용해 집열을 할 필요성이 요구되고 있다.

한국등록특허 제10-1097530호 한국등록특허 제10-1776565호

본 고안은 상기의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 집열 장치에 프레넬 렌즈를 적용하여 프레넬 렌즈로 집광하고, 이에 맞추어 집광과 집열 구조를 조성함으로써 종래 대비 각도 조절에 대한 부하가 적고, 태양광 집광을 효과적으로 수행하여 높은 효율을 나타낼 수 있는 프레넬 렌즈를 이용한 집열 장치를 제공함에 일 목적이 있다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 고안은, 직경과 위치되는 높이가 다른 두 개의 원형 프레임 사이에서 복수의 경사살이 원형 둘레를 따라 배열되어 원뿔대의 형태를 형성하는 프레임부; 상기 두 개의 원형 프레임 중 태양과 가까운 원형 프레임에 구비되어 태양 빛을 집광하는 프레넬 렌즈; 상기 복수의 경사살 사이에서 열을 지어 구비되어 상기 프레넬 렌즈로 집광된 빛을 한 방향으로 반사시키는 복수의 반사판; 상기 복수의 반사판에서 반사되는 빛의 방향에 배치되어 태양열을 집열하는 집열부; 상기 프레임부을 지지함과 동시에 상기 프레넬 렌즈가 태양의 고도에 따라 맞춰지도록 상기 프레임부의 각도를 조절할 수 있게 구성되는 프레임 지지부를 포함하는 프레넬 렌즈를 이용한 집열 장치를 제공할 수 있다.

여기서, 상기 집열부는, 구형의 집열침으로 집열하여 상기 프레임부의 각도 변화와 무관하게 다방면으로 집열할 수 있다.

또한, 상기 집열부에서 집열된 열은 열매체가 유동하는 열매체 유동관으로 전달되고, 열매체 유동관을 순환하면서 상기 집열부의 열을 흡수하는 열매체는 열교환기에서 열을 교환하도록 구성되며, 열교환기에서 교환된 열은 사용처로 공급되어 사용될 수 있다.

본 고안의 실시 예에 따른 프레넬 렌즈를 이용한 집열 장치는, 단일렌즈의 연속 표면을 동일한 곡률을 갖는 단계적인 불연속면의 분할 렌즈로 제작한 프레넬 렌즈를 이용함으로써, 단일 렌즈와 유사한 성능은 달성하면서도 매우 얇고 가볍게 제작될 수 있어, 무게를 줄이고 각도 조절에 대한 부하를 줄여 태양광 집광이 효율적일 수 있다.

또한, 프레넬 렌즈가 매우 얇고 가볍기 때문에 집광 장치의 부피를 보다 확장시킬 수 있어 태양광 집광 효율이 향상될 수 있고, 고용량의 집열도 가능할 수 있다.

한편, 본 고안에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 고안이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 고안의 실시 예에 따른 프레넬 렌즈를 이용한 집열 장치의 개략도이다.
도 2는 본 고안의 실시 예에 따른 프레넬 렌즈를 이용한 집열 장치의 프레임부와 프레넬 렌즈 및 반사판을 상세히 보여주는 도면이다.
도 3은 본 고안의 실시 예에 따른 프레넬 렌즈를 이용한 집열 장치의 집열부와 프레임 지지부를 상세히 보여주는 도면이다.

본 고안에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있는데 이 경우에는 단순한 용어의 명칭이 아닌 고안의 상세한 설명 부분에 기재되거나 사용된 의미를 고려하여 그 의미가 파악되어야 할 것이다.

이하, 첨부한 도면에 도시된 바람직한 실시예들을 참조하여 본 고안의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.

그러나 본 고안은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.

도 1은 본 고안의 실시 예에 따른 프레넬 렌즈를 이용한 집열 장치의 개략도이며, 도 2는 본 고안의 실시 예에 따른 프레넬 렌즈를 이용한 집열 장치의 프레임부와 프레넬 렌즈 및 반사판을 상세히 보여주는 도면이고, 도 3은 본 고안의 실시 예에 따른 프레넬 렌즈를 이용한 집열 장치의 집열부와 프레임 지지부를 상세히 보여주는 도면이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 고안의 일 실시예에 따른 프레넬 렌즈를 이용한 집열 장치는, 프레임부(110), 프레넬 렌즈(120), 반사판(130), 집열부(140), 프레임 지지부(150)를 포함한다.

구체적으로, 프레임부(110)는 직경이 다른 두 개의 원형 프레임(112a, 112b)과, 복수의 경사살(114)을 포함하며, 직경이 다른 두 개의 원형 프레임(112a, 112b)은 서로 다른 높이에 배치되고, 복수의 경사살(114)은 서로 다른 두 개의 원형 프레임(112a, 112b) 사이에서 원형 둘레를 따라 배열되어 프레임부(110)의 전체적인 형상이 원뿔대의 형태를 형성하도록 구성될 수 있다.

여기서, 바람직하게는 두 개의 원형 프레임(112a, 112b) 중 직경이 작은 원형 프레임(112a)이 태양과 더 가까운 상측에 배치될 수 있으며, 이로 인해 프레임부(110)는 상측에서 하방으로 갈수록 직경이 넓어지는 형태를 이룰 수 있다.

프레넬 렌즈(120)는 두 개의 원형 프레임(112a, 112b) 중 태양과 가까운 원형 프레임(112a)에 구비되어 태양 빛을 집광하도록 구성될 수 있다. 여기서, 프레넬 렌즈(120)는 복수의 분할 렌즈가 단계적으로 곡률을 이루어 하나의 단일 렌즈와 유사한 곡률과 면적을 형성하면서도 단일 렌즈보다 얇고 가볍게 제작될 수 있어, 본 고안에 따른 집열 장치의 무게를 절감하면서도 부피를 보다 크게 만들 수 있어 집광도를 높일 수도 있다.

또한, 후술하겠지만 프레임부(110)의 원형 프레임(112a)에 장착된 프레넬 렌즈(120)는 프레임 지지부(150)의 프레임부(110) 각도 제어에 따라 태양 고도를 향해 움직일 수 있는데, 얇고 가볍기 때문에 움직이는 프레임부(110)에 가해지는 부하도 적을 수가 있다.

반사판(130)은 복수로 마련되며, 복수의 경사살(114) 사이에서 열을 지어 구비될 수 있다. 이때, 복수의 반사판(130)은 태양 빛을 집광하는 프레넬 렌즈(120)의 후측에서 프레넬 렌즈(120)로 집광된 빛을 한 방향으로 반사시킬 수 있다. 구체적으로는, 후술할 집열부(140)로 빛을 반사시킬 수가 있다.

집열부(140)는 반사판(130)에 의해 한 방향으로 반사되는 빛의 방향에 배치되어 태양열을 집열하도록 구성될 수 있다. 태양열을 집열한 집열부(140)는 가열되고, 집열부의 가열된 열을 열매체로 이동시키면서 사용할 수가 있다.

구체적으로는, 집열부(140)는 열매체가 유동하는 열매체 유동관(미도시)과 연결되어 집열된 열을 열매체로 전달하고, 열매체 유동관을 순환하면서 집열부(140)의 열을 흡수하는 열매체는 열교환기에서 열을 교환하도록 구성된다. 열교환기(미도시)에서 교환된 열은 가정이나 발전소 등의 사용처로 공급되어 온수나 난방 시스템 등에 사용될 수 있다.

한편, 집열부(140)는 구형의 집열침(145)으로 태양열을 집열하도록 구성될 수 있다. 이는, 다방면으로 집열할 수 있어, 후술하는 프레임부(110)의 각도 변화에 무관하게 반사판(130)에 의해 반사되는 빛을 효율적으로 집열할 수 있다.

구형의 집열침(145)은 보다 효율적인 집열을 위해 프레임부(110)가 수직이 되었을 경우를 기준으로 프레임부(110) 하측 중심부에 위치하여 모든 부분에서 균일하게 집열하는 것이 바람직하다.

아울러, 프레임 지지부(150)는 프레임부(110)를 지지함과 동시에 프레넬 렌즈(120)가 태양의 고도에 따라 맞춰지도록 프레임부(110)의 각도를 조절할 수 있게 구성된다. 이를 위해, 프레임 지지부(150)는 지면에 세워지는 기초 지지대(152)와, 프레임부(110)에 연결되는 연결대(154)와, 상기 기초 지지대(152)와 연결대(154) 사이에 구비되어 지면에 고정된 기초 지지대(152)를 지지삼아 연결대(154)를 회전시키는 회전 플레이트(156)를 포함하도록 구성된다.

그리고, 연결대(154)의 끝단에는 프레임부(110)의 무게와 균형을 유지할 무게추(154a)가 구비될 수도 있다.

여기서, 회전 플레이트(156)는 태양의 현재 고도를 탐지하는 고도 측정 장치(미도시)로부터 전달되는 탐지 데이터를 이용하여 프레넬 렌즈(120)가 태양을 향할 수 있도록 프레임부(110)를 실시간으로 회전시켜, 프레넬 렌즈(120)의 태양 빛 집광 효율을 높일 수 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 고안은 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 고안의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 고안이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

110 : 프레임부
112a, 112b : 원형 프레임
114 : 경사살
120 : 프레넬 렌즈
130 : 반사판
140 : 집열부
145 : 집열침
150 : 프레임 지지부
152 : 기초 지지대
154 : 연결대
154a : 무게추
156 : 회전 플레이트

Claims (3)

1. 직경과 위치되는 높이가 다른 두 개의 원형 프레임 사이에서 복수의 경사살이 원형 둘레를 따라 배열되어 원뿔대의 형태를 형성하는 프레임부;
   상기 두 개의 원형 프레임 중 태양과 가까운 원형 프레임에 구비되며, 복수의 분할 렌즈가 단계적으로 곡률을 이루어 하나의 단일 렌즈와 유사한 곡률과 면적을 형성하며, 태양 빛을 집광하는 프레넬 렌즈;
   상기 프레넬 렌즈의 후측에서, 상기 두 개의 원형 프레임과 상기 복수의 경사살 사이에서 열을 지어 구비되어 상기 프레임부의 둘레를 구성하며, 상기 프레넬 렌즈로 집광된 빛을 한 방향으로 반사시키는 복수의 반사판;
   상기 프레임부의 후측에서 상기 복수의 반사판에서 반사되는 빛의 방향에 배치되어 태양열을 집열하는 집열부; 및
   상기 프레임부를 지지함과 동시에 상기 프레넬 렌즈가 태양의 고도에 따라 맞춰지도록 상기 프레임부의 각도를 조절할 수 있게 구성되는 프레임 지지부를 포함하며,
   상기 프레임 지지부는,
   지면에 세워지는 기초 지지대;
   상기 프레임부에 연결되는 연결대; 및
   상기 기초 지지대와 연결대 사이에 구비되어 지면에 고정된 상기 기초 지지대를 지지삼아 상기 연결대를 회전시키는 회전 플레이트를 포함하는 프레넬 렌즈를 이용한 집열 장치
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 집열부는,
   구형의 집열침으로 집열하여 상기 프레임부의 각도 변화와 무관하게 다방면으로 집열할 수 있는 것을 특징으로 하는 프레넬 렌즈를 이용한 집열 장치
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 집열부에서 집열된 열은 열매체가 유동하는 열매체 유동관으로 전달되고, 열매체 유동관을 순환하면서 상기 집열부의 열을 흡수하는 열매체는 열교환기에서 열을 교환하도록 구성되며, 열교환기에서 교환된 열은 사용처로 공급되어 사용되는 것을 특징으로 하는 프레넬 렌즈를 이용한 집열 장치