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문제 정의
- 본 논문에서는 한 쌍의 파라볼릭 반사경을 적용한 집광부, SOF 광섬유와 매립형 사각 다운라이트 산광장치로 구성되는 추적식 집광시스템을 개발하고 이를 소개하고자 한다. 또한 시스템효율, 스펙트럼 및 연색성 측정을 통한 성능평가를 하고자 한다.
- 본 장에서는 금번 연구에서 개발한 다중 파라볼릭 반사경을 이용한 집광시스템의 주요 개발내용과 기술을 소개하고자 한다.
제안 방법
- 본 논문에서는 한 쌍의 파라볼릭 반사경을 적용한 집광부, SOF 광섬유와 매립형 사각 다운라이트 산광장치로 구성되는 추적식 집광시스템을 개발하고 이를 소개하고자 한다. 또한 시스템효율, 스펙트럼 및 연색성 측정을 통한 성능평가를 하고자 한다.
- 본 논문에서는 한 쌍의 파라볼릭 반사경과 중앙에 추적센서가 배치된 구조를 적용하고 실린더 타입으로 외부 마감한 집광부와 SOF 광섬유을 광전송부로 하여 개발된 추적식 집광시스템을 소개하고, 성능평가 결과를 제시하였다. 개발된 추적식 집광시스템의 평균 시스템효율 23.
- 본 장에서는 집광부, 광전송부 및 산광부를 통합한 집광시스템의 성능평가를 수행한다. 성능평가를 위한 측정조건 및 시스템 제원은 Table 3과 같으며 시스템효율, 스펙트럼 분석 및 연색성을 평가하였다.
- 본 장에서는 집광부, 광전송부 및 산광부를 통합한 집광시스템의 성능평가를 수행한다. 성능평가를 위한 측정조건 및 시스템 제원은 Table 3과 같으며 시스템효율, 스펙트럼 분석 및 연색성을 평가하였다.
- 스펙트럼과 연색성은 시감도에 영향을 미치므로 집광시스템을 실내에 적용하기 위해서는 태양 빛의 특성을 그대로 유입시키는 것이 중요하고 집광시스템을 통해 실내로 유입되는 빛과 태양 빛의 비교를 위해 연색성과 산광부의 스펙트럼을 측정하여 그 특성을 분석하였다. 성능평가를 위해 Fig. 15와 같이 암실동에 개발시스템을 설치하고, 1분 간격으로 데이터를 수집하여 분석하였다.
- 스펙트럼 분석 및 연색성 평가는 스펙트럼과 연색성의 동시 측정이 가능한 MCS-601계측장비를 이용하여 2012년 8월 30일에 측정하였다. 측정은 Fig.
- 스펙트럼 분석은 같은 시간대에 태양광과 집광시스템 산광부의 스펙트럼을 측정하고 연색성은 연색 평가수에 의해 비교하였다.
- 스펙트럼과 연색성은 시감도에 영향을 미치므로 집광시스템을 실내에 적용하기 위해서는 태양 빛의 특성을 그대로 유입시키는 것이 중요하고 집광시스템을 통해 실내로 유입되는 빛과 태양 빛의 비교를 위해 연색성과 산광부의 스펙트럼을 측정하여 그 특성을 분석하였다. 성능평가를 위해 Fig.
- 측정일은 2012년 8월 10일이며 측정시간은 08:00～16:30으로 1분 간격으로 측정하여 데이터를 정리하였다. 외부조도는 집광시스템이 태양광과 법선면을 이룰 수 있도록 설치하여 측정을 진행하였다.
- 제작된 1차 반사경은 표면 이물질 제거 및 세척 시 증착이 벗겨지는 문제점 보완을 위해 반사경 표면에 SiO2코팅처리를 통해 취급이용이하도록 하였다.
- 직접 조명 방식(Down lighting) 산광장치는 광섬유가 가지는 광원의 직진성 및 배광각의 특성을 토대로 광섬유 및 보조조명인 LED 광원이 실내를 직접 조명할 수 있는 방식으로 설계, 제작되었다. 산광장치의 기본 구성은 산광장치를 천정에 매입할 수 있는 산광장치 기구부와 광섬유를 고정하는 커넥터, LED 인공광원을 결합할 수 있는 커넥터 고정판, 광원의 내부 반사효과를 위한 상부 측면 반사시트, 광섬유의 배광각 및 확산성을 고려한 확산 시트로 구성하였다(Fig.
- 집광부는 태양광을 수집하는 대형 반사경(1차 반사경)과 집광된 빛을 반사시켜 광섬유로 입사시키는 반사경(2차 반사경)으로 구성된 2개의 집광판과 태양추적을 위한 추적제어부, 집광된 빛을 전송시키는 SOF광섬유, 매립형사각 다운트라이형 산광장치로 구성하여 제작하였으며, Fig. 2및 Fig. 3과 같다.
- 스펙트럼 분석 및 연색성 평가는 스펙트럼과 연색성의 동시 측정이 가능한 MCS-601계측장비를 이용하여 2012년 8월 30일에 측정하였다. 측정은 Fig.16과 같은 방법으로 산광부 방향으로 측정 장비의 수광부를 붙여 렌즈-광섬유형 집광시스템과 제안된 집광시스템의 스펙트럼 및 연색성을 비교 평가하였다.
- 측정실의 내부는 반사율 5% 이하의 암실로 크기는 6,000(W)×6,000(D)×2,500(H)㎜ 이다. 측정일은 2012년 8월 10일이며 측정시간은 08:00～16:30으로 1분 간격으로 측정하여 데이터를 정리하였다. 외부조도는 집광시스템이 태양광과 법선면을 이룰 수 있도록 설치하여 측정을 진행하였다.
대상 데이터
- 광섬유는 실리카 소재로 된 코어와 저굴절레진 소재의 클래드 및 버퍼로 구성된 SOF (Silica Optical Fiber) 7가닥을 1개의 번들로 구성하여 각각의 파라볼릭 반사경 집광장치에 적용하였으며 입사부 광섬유 끝단의 클래드와 버퍼를 제거하여 광전송시 손실면적(공극)을 줄일 수 있도록 하였으며 Fig. 9에는 개념을, Fig. 10에는 실제 적용된 형상을 보인다.
- 성능평가 측정데이터는 Table 4에 시간대별 입사광속, 출사광속 및 시스템효율을 나타내었다. 데이터는 오전 09:00시부터 17:30까지의 외부 수평면 조도를 30분 간격으로 실측한 데이터로 67,000～127,000㏓으로 측정되었으며, 평균 106,000㏓로 측정되었다.
- 직접 조명 방식(Down lighting) 산광장치는 광섬유가 가지는 광원의 직진성 및 배광각의 특성을 토대로 광섬유 및 보조조명인 LED 광원이 실내를 직접 조명할 수 있는 방식으로 설계, 제작되었다. 산광장치의 기본 구성은 산광장치를 천정에 매입할 수 있는 산광장치 기구부와 광섬유를 고정하는 커넥터, LED 인공광원을 결합할 수 있는 커넥터 고정판, 광원의 내부 반사효과를 위한 상부 측면 반사시트, 광섬유의 배광각 및 확산성을 고려한 확산 시트로 구성하였다(Fig. 11).
- 이에 따라 파라볼릭 1차 반사경은 Fig.3(a)와 같이 여러 개의 반사경 적용이 용이하고 손실공간이 작은 ∅320의 둥근모서리를 갖는 사각형상으로 전기 주조 도금방식으로 제작하였다.
성능/효과
- 1차 반사경 초점거리 및 2차 반사경 곡률 결정 시뮬레이션 결과, 2차 반사경의 종류에 따른 1차 반사경의 초점거리가 160㎜, 2차 반사경의 곡률반경 31.01㎜ 일 때 1,2차 반사경을 통해 광케이블로 유입되는 초점범위가 넓었으며 원활한 초점작업이 가능한 것으로 판단되었다.
- 개발된 추적식 집광시스템의 평균 시스템효율 23.77%로 「NRPV 601:2007, 신재생에너지 설비 심사세부기준 – 태양광집광 채광기」기준을 만족함을 확인하였다.
- 광학시뮬레이션 결과를 근거로 실 제작 후 3차원 형상측정기로 반사경의 곡률오차를 측정하였고 최대 오차범위가 0.034㎜로 높은 정밀도를 가짐을 확인하였다. 이에 따라 파라볼릭 1차 반사경은 Fig.
- 또한, 스펙트럼 및 연색성 측정 결과 제안된 반사경 집광시스템을 통해 실내 유입되는 빛이 태양 빛과 유사도가 높음을 확인하였다.
- 연색성(Ra) 측정 결과 연색 평가수는 제안된 집광시스템이 95, 렌즈-광섬유형 집광시스템이 65의 수치를 보여 제안된 시스템이 30만큼 높은 결과를 얻었으며 이는 제안 시스템을 통해 전송된 광이 태양광과 더욱 유사함을 의미한다.
- 이상과 같이 제안된 추적식 집광시스템은 건축물 옥상에 설치되는 기존의 추적식 시스템과는 달리 옥상은 물론 측벽에 부착이 가능한 형태로 제작이 되었으며, 광전송부도 POF 대신 SOF 광섬유를 적용하여 개발된 최초의 시도라는 점에서 의의가 있다.
후속연구
- 차후 연구과제로는 1)연색성을 보전하며 시스템효율 향상 방안연구, 2)집광부 전면 커버 적용에 따른 방수처리, 3)모터 및 감속기의 backlash저감, 4)광축정렬 방식의 개선을 통해 전체적인 제품의 성능향상 및 구조적 안정성을 확보할 수 있도록 하고자 한다.
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