KR-20260061703-A - Solar Power Generation Apparatus Using a Ball Lens and Optical Fiber

Abstract

볼렌즈 및 광섬유를 이용한 태양광 발전장치를 개시한다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 태양광 발전장치에 있어서, 외부에서 자신으로 진행하는 태양광을 입사받아 일 초점 혹은 일 영역으로 포커싱하는 하나 이상의 볼렌즈와 자신으로 전달되는 광을 입사받아 전달하는 하나 이상의 광섬유와 일 끝단으로는 각 볼렌즈와, 다른 일 끝단으로는 각 광섬유와 연결되어, 상기 볼렌즈로 입사한 광을 상기 광섬유로 유도하는 광 유도부와 각 볼렌즈를 지지하는 볼렌즈 지지부와 각 광섬유들을 지지하며, 연직방향에 수직인 평면상에서 이동하는 광섬유 지지부와 기 설정된 위치에 배치되어, 입사되는 광 에너지를 전기 에너지로 변환하는 태양전지와 상기 광섬유 지지부가 이동할 수 있도록 하는 동력을 제공하는 모터 및 상기 태양광 발전장치 내 각 구성의 동작을 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전장치를 제공한다.

Inventors

• 김효진
• 박광열

Assignees

• 한국광기술원

Dates

Publication Date

20260506

Application Date

20241028

Claims (13)

1. 태양광 발전장치에 있어서, 외부에서 자신으로 진행하는 태양광을 입사받아 일 초점 혹은 일 영역으로 포커싱하는 하나 이상의 볼렌즈; 자신으로 전달되는 광을 입사받아 전달하는 하나 이상의 광섬유; 일 끝단으로는 각 볼렌즈와, 다른 일 끝단으로는 각 광섬유와 연결되어, 상기 볼렌즈로 입사한 광을 상기 광섬유로 유도하는 광 유도부; 각 볼렌즈를 지지하는 볼렌즈 지지부; 각 광섬유들을 지지하며, 연직방향에 수직인 평면상에서 이동하는 광섬유 지지부; 기 설정된 위치에 배치되어, 입사되는 광 에너지를 전기 에너지로 변환하는 태양전지; 상기 광섬유 지지부가 이동할 수 있도록 하는 동력을 제공하는 모터; 및 상기 태양광 발전장치 내 각 구성의 동작을 제어하는 제어부 를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 광 유도부의 일 끝단은, 상대적으로 넓은 단면적을 가지며 각 볼렌즈와 연결되는 것을 특징으로 하는 태양광 발전장치.
3. 제2항에 있어서, 상기 광 유도부의 다른 일 끝단은, 상기 광 섬유의 직경과 동일한 직경을 가지며 각 광섬유와 연결되는 것을 특징으로 하는 태양광 발전장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 광 유도부는, 상기 볼렌즈와 동일한 소재로 구현되는 것을 특징으로 하는 태양광 발전장치.
5. 제1항에 있어서, 상기 광 유도부는, 상기 볼렌즈와 굴절률 차이가 기 설정된 기준치 이하의 소재로 구현되는 것을 특징으로 하는 태양광 발전장치.
6. 제1항에 있어서, 상기 기 설정된 위치는, 각 광섬유를 거쳐 전달되는 태양광을 입사받을 수 있는 위치인 것을 특징으로 하는 태양광 발전장치.
7. 태양광 발전장치에 있어서, 외부에서 자신으로 진행하는 태양광을 입사받아 일 초점 혹은 일 영역으로 포커싱하는 하나 이상의 볼렌즈; 자신으로 전달되는 광을 입사받아 전달하는 하나 이상의 광섬유; 일 끝단으로는 각 볼렌즈와, 다른 일 끝단으로는 각 광섬유와 연결되어, 상기 볼렌즈로 입사한 광을 상기 광섬유로 유도하는 광 유도부; 각 볼렌즈를 지지하는 볼렌즈 지지부; 각 광섬유들을 지지하며, 연직방향에 수직인 평면상에서 이동하는 광섬유 지지부; 일 볼렌즈의 하단에 배치되어, 태양의 연직하방을 추적하는 추적센서; 기 설정된 위치에 배치되어, 입사되는 광 에너지를 전기 에너지로 변환하는 태양전지; 상기 광섬유 지지부가 이동할 수 있도록 하는 동력을 제공하는 모터; 및 상기 태양광 발전장치 내 각 구성의 동작을 제어하고, 상기 추적센서의 센싱값을 수신하여 상기 광섬유 지지부의 이동을 제어하는 제어부 를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전장치.
8. 제7항에 있어서, 상기 추적센서가 배치되는 볼렌즈는, 별도로 광 유도부 및 광섬유가 연결되지 않는 것을 특징으로 하는 태양광 발전장치.
9. 제7항에 있어서, 상기 볼렌즈 지지부는, 각 볼렌즈를 지지하여 각 볼렌즈들이 정위치에서 이동하지 않도록 하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전장치.
10. 제9항에 있어서, 상기 볼렌즈 지지부는, 각 볼렌즈들이 이동은 하지 않도록 하되, 정위치에서 회전은 수행할 수 있도록 각 볼렌즈를 지지하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전장치.
11. 제7항에 있어서, 상기 광 유도부의 일 끝단은, 상대적으로 넓은 단면적을 가지며 각 볼렌즈와 연결되는 것을 특징으로 하는 태양광 발전장치.
12. 제11항에 있어서, 상기 광 유도부의 다른 일 끝단은, 상기 광 섬유의 직경과 동일한 직경을 가지며 각 광섬유와 연결되는 것을 특징으로 하는 태양광 발전장치.
13. 태양광 발전장치에 있어서, 외부에서 자신으로 진행하는 태양광을 입사받아 일 초점 혹은 일 영역으로 포커싱하는 하나 이상의 볼렌즈; 자신으로 전달되는 광을 입사받아 전달하는 하나 이상의 광섬유; 일 끝단으로는 각 볼렌즈와, 다른 일 끝단으로는 각 광섬유와 연결되어, 상기 볼렌즈로 입사한 광을 상기 광섬유로 유도하는 광 유도부; 각 볼렌즈를 지지하는 볼렌즈 지지부; 각 광섬유들을 지지하며, 연직방향에 수직인 평면상에서 이동하는 광섬유 지지부; 일 볼렌즈의 하단에 배치되어, 태양의 연직하방을 추적하는 추적센서; 기 설정된 위치에 배치되어, 입사되는 광 에너지를 전기 에너지로 변환하는 태양전지; 상기 광섬유 지지부가 이동할 수 있도록 하는 동력을 제공하는 모터; 및 상기 태양광 발전장치 내 각 구성의 동작을 제어하고, 상기 추적센서의 센싱값을 수신하여 상기 광섬유 지지부의 이동을 제어하는 제어부를 포함하며, 상기 추적센서는, 기판; 상기 기판으로부터 기 설정된 높이만큼 연직 상방으로 돌출되어, 입사되는 태양광을 받아 그림자를 생성하는 막대; 및 자신으로 입사하는 태양광의 세기를 센싱하는 광센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전장치.

Description

볼렌즈 및 광섬유를 이용한 태양광 발전장치{Solar Power Generation Apparatus Using a Ball Lens and Optical Fiber} 본 발명은 볼렌즈와 광섬유를 이용하여 설치장소에 자유롭게 태양광을 추적하며 발전할 수 있는 태양광 발전장치에 관한 것이다. 이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다. 일반적으로 태양광 발전은 태양광을 전기에너지로 변환시키는 기술로서, 광전효과를 통해 광기전력을 발생시키는 태양전지를 이용하는 것이며, 에너지원이 청정하고 유지보수가 용이함은 물론 무인화가 가능하다는 장점을 보유하고 있다. 종래의 태양광 발전장치의 구조는 도 6 및 7에 도시되어 있다. 도 6 및 7은 종래의 태양광 발전 장치의 구조를 도시한 도면이다. 도 6을 참조하면, 종래의 일반적인 태양광 발전장치는 건물 또는 기타 장소에 배치되어, 입사되는 태양광으로부터 전기 에너지를 생산했다. 다만, 해당 태양광 발전장치는 건물이나 기타 장소(주로, 건물)에 배치되는 상태이기 때문에, 태양광을 추적하기 위한 추적장치가 배치되기 곤란한 상태를 갖는다. 이에 따라, 도 6에 도시된 종래의 태양광 발전장치는 태양광의 입사각 변화에 따라 전기 에너지 생산 손실을 피할 수 없는 문제를 갖는다. 이러한 문제점을 인지하여, 도 7에 도시된 태양광 발전장치가 등장했다. 도 7에 도시된 태양광 발전장치는 추적장치를 포함하여, 태양광 패널이 태양광을 최대로 입사받을 수 있는 각도를 갖게 한다. 다만, 태양광 패널 전체의 각도를 조정해야 하기에 종래의 추적장치는 일정한 크기 이상을 가져야만 하고, 그로 인해 도 7에 도시된 태양광 발전장치는 설치 장소가 넓은 공터 등 지면으로 한정이 될 수밖에 없었다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전 장치의 구성을 도시한 도면이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전 장치의 동작예를 도시한 도면이다. 도 3 및 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 볼렌즈의 구조 및 볼렌즈 내로 입사되는 광의 경로를 도시한 도면이다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 추적센서의 구성을 도시한 도면이다. 도 6 및 7은 종래의 태양광 발전 장치의 구조를 도시한 도면이다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다. 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에서, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서 "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해서 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. 또한, 본 발명의 각 실시예에 포함된 각 구성, 과정, 공정 또는 방법 등은 기술적으로 상호간 모순되지 않는 범위 내에서 공유될 수 있다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전 장치의 구성을 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전 장치의 동작예를 도시한 도면이다. 도 1 및 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광 발전 장치(100)는 볼렌즈(110), 광 유도부(120), 광섬유(130), 추적센서(140), 볼렌즈 지지부(150), 광섬유 지지부(160), 태양전지(170), 모터(미도시) 및 제어부(미도시)를 포함한다. 태양광 발전 장치(100)는 태양전지(170)가 최대의 태양광을 입사받을 수 있도록 태양을 추적하는 한편, 추적장치를 포함하지 않아 장소에 무관하게 설치될 수 있다. 이에 따라, 종래의 태양광 발전 장치가 갖는 모든 이점을 구비할 수 있다. 볼렌즈(110)는 외부에서 자신으로 진행하는 태양광을 입사받아 일 초점 혹은 일 영역으로 포커싱한다. 볼렌즈(110)는 볼렌즈 지지부(150)에 복수 개가 나란히 혹은 기 설정된 간격을 가지며 배치되어, 전술한 동작을 수행한다. 볼렌즈(110)가 외부에서 자신으로 진행하는 태양광을 포커싱하는 경로는 도 3 및 4에 도시되어 있다. 도 3 및 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 볼렌즈의 구조 및 볼렌즈 내로 입사되는 광의 경로를 도시한 도면이다. 도 3을 참조하면, 볼렌즈(110)로 입사하는 광은 다음과 같은 수식에 따라 적정한 유효 초점거리로 포커싱될 수 있다. 여기서, EFL은 유효초점거리를, n은 볼렌즈(110)의 굴절률을, D는 볼렌즈(110)의 직경을 각각 의미한다. 볼렌즈(110)로 입사되는 광은 볼렌즈(110)의 굴절률과 볼렌즈(110)의 직경에 영향을 받으며, 일정한 유효 초점거리로 포커싱된다. 즉, 볼렌즈(110)의 굴절률(n) 또는 직경(D)이 조정될 경우, 그에 따라 볼렌즈(110)로 입사되는 광의 유효 초점거리가 조정될 수 있다. 특히, 볼렌즈(110)의 굴절률이 2일 경우, 볼렌즈(110)로 입사되는 광의 유효 초점거리는 볼렌즈(110)의 직경의 절반이 된다. 즉, 볼렌즈(110)의 굴절률이 2로 구현될 경우, 볼렌즈(110)로 입사하는 광은 볼렌즈(110)의 표면으로 포커싱될 수 있다. 이처럼, 볼렌즈(110)의 직경 또는 굴절률을 조정하여 광의 유효 초점거리를 조정할 수 있다. 다시 도 1 및 2를 참조하면, 볼렌즈(110)는 직경 또는 굴절률을 조정하여 유효 초점거리를 조정하며, 자신으로 입사한 광을 광 유도부(120) 내로 포커싱한다. 볼렌즈(110)는 자신으로 입사한 광을 자신의 표면으로 포커싱하여 광 유도부(120) 내로 광을 진행시킬 수도 있고, 자신으로 입사한 광을 광 유도부(120) 내 일 영역으로 광을 포커싱하여 광 유도부(120) 내로 광을 진행시킬 수도 있다. 광 유도부(120)는 일 끝단으로 볼렌즈(110)와 다른 일 끝단으로 광섬유(130)와 연결되어, 볼렌즈(110)로 입사한 광을 광섬유(130)로 유도한다. 광 유도부(120)의 일 끝단은 상대적으로 넓은 단면적을 가지며 각 볼렌즈(110)와 연결되며, 다른 일 끝단은 상대적으로 좁은 단면적, 특히, 광섬유(130)의 직경과 동일한 직경을 가지며 각 광섬유(130)와 연결된다. 이에 따라, 광 유도부(120)는 볼렌즈(110)를 거쳐 자신 내부로 포커싱되는 광을 광섬유(130)로 진행시키며 광섬유(130)로 입사시킨다. 광 유도부(120)는 볼렌즈(110)와 동일한 소재로 구현되거나 굴절률 차이가 거의 나지않는(기 설정된 기준치 이하)소재로 구현되어, 볼렌즈(110)를 거쳐 포커싱되는 광을 입사받아 광섬유(130)로 진행시킨다. 이때, 광 유도부(120)의 표면은 반사 특성을 갖는 소재로 구현되거나 광 유도부(120)의 표면으로 반사 특성을 갖는 성분이 코팅됨에 따라, 자신 내부를 따라 진행하는 광을 자신의 외부로 배출시키지 않고 광섬유(130)로 유도할 수 있다. 광섬유(130)는 각 광 유도부(120)의 다른 일 끝단과 연결되어, 각 광 유도부(120)를 거쳐 전달되는 광을 입사받아 태양전지(170)로 전달한다. 추적센서(140)는 태양광 발전 장치(100) 내 일 볼렌즈의 하단에 배치되어, 태양광을 가장 많이 입사받을 수 있는 위치, 즉, 태양의 연직하방을 추적한다. 추적센서(140)는 태양광 발전 장치(100) 내 일 볼렌즈의 하단에 배치된다. 즉, 일 볼렌즈(110)는 별도로 광 유도부(120) 및 광섬유(130)가 연결되지 않고, 자신의 하단에 추적센서(140)가 배치된다. 추적센서(140)는 입사량을 센싱 및 분석하여, 입사량이 최대가 되는 위치를 파악한다. 추적센서(140)의 구성은 도 5에 도시되어 있다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 추적센서의 구성을 도시한 도면이다. 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 추적센서(140)는 기판(510), 막대(520) 및 복수의 광센서(530)를 포함한다. 기판(510)은 막대(520) 및 광센서(530)를 배치시키며, 광센서(530)의 센싱값을 제어부(미도시)로 전달한다. 막대(520)는 기판(510)으로부터 기 설정된 높이만큼 연직 상방으로 돌출되어, 입사되는 태양광을 받아 그림자를 생성한다. 막대(520)에 의해 생성되는 그림자는 태양의 위치(또는 방향)나 고도에 따