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문제 정의
- Concave mirror를 이용한 대부분의 태양광 조명 시스템의 경우 concave mirror, convex mirror, convex lens 등 다단 구조를 가지는데, 제품 제작 상의 문제로 각각의 렌즈와 거울이 최적화된 위치에서 벗어날 때 효율이 급격히 떨어지는 문제가 있다. 본고에서는 이러한 문제를 해결하고자 concave mirror를 이용한 태양광 조명 시스템에서 실제 상용 제품 출시를 위한 최적 정렬 구조와 공차설계를 제안한다.
제안 방법
- Convex lens와 ball lens를 고정하고 광케이블 끝단을 ball lens에 밀착시켜 배치하고, concave mirror와 convex mirror간 거리의 최적값을 찾기 위해 Light Tools 7.2 이용한 시뮬레이션을 진행하였다. Convex mirror에 의해 태양광이 가려지거나, concave mirror에서 반사된 태양광이 convex lens에 의해 초점으로 진행하지 못하는 영역을 제외하고 25,000개의 평행 광선을 concave mirror에 입사시켜 optical fiber 끝단에서 검출되는 광선의 수를 측정하였다.
- 2 이용한 시뮬레이션을 진행하였다. Convex mirror에 의해 태양광이 가려지거나, concave mirror에서 반사된 태양광이 convex lens에 의해 초점으로 진행하지 못하는 영역을 제외하고 25,000개의 평행 광선을 concave mirror에 입사시켜 optical fiber 끝단에서 검출되는 광선의 수를 측정하였다.
- 광케이블 끝단에서 전송된 태양광을 그대로 방출할 경우 방출각이 약 60° 로 비교적 넓게 방출되므로, 방출각이 크지 않도록 광케이블 끝단에 반사갓 형태의 케이스를 씌워 down light의 형태로 발광하였다. Lux meter를 이용, 외부 조도를 측정하고, 최종 광케이블을 통해 전송되는 태양광의 조도를 측정하였다.
- 각 렌즈와 거울의 반사율, 투과율 데이터와 측정된 외부와 반사경의 데이터로 시뮬레이션 해본 결과, 광케이블 끝단 1 mm 지점에서 약 640,000lx의 조도가 나왔고, 시뮬레이션 결과를 검증하기 위해 태양광 조명 장치를 구성하고, 실험을 진행하였다. 실험 시, 장치 구성의 한계로 convex mirror의 X 및 α 방향으로 위치 및 각도를 정밀하게 설정하기 어려워 각각 최적화된 위치에 고정하고, Y 방향으로만 시뮬레이션 상 최대 효율을 보이는 지점과±1 mm 지점에서 실험을 진행하였다.
- 이 시뮬레이션 결과를 이용해 조명 장치를 구성하고, 실제 장치로 사용 가능 여부를 판단, 신뢰성을 확보하기 위해서는 본 조명장치가 설치된 암실을 구성하여, KS C7612에서 지정하는 조도 측정방법에 의거 실험을 진행할 필요가 있다. 또한, 신재생에너지 설비심사세부기준 - 태양광집광채광기(NR PV 601:2007)등에서 정하는 시험 방식대로 실험을 진행하여 효율 및 평균조도를 산출하여야 한다. 본고에서 다룬 태양광 조명 장치와 유사한 장치를 구성한 실험에서 약 22%의 효율로 평균 250lx 가량의 조명을 설치한 사례가 있는데2), 이는 일반 사무실, 학교 등에서 사용하기에 부족하지 않은 수치이다.
- 시뮬레이션 및 실험을 통하여 집광효율 향상에 관한 연구를 수행하였으며, 초점거리 150 mm의 concave mirror를 이용할 경우, 최대의 효율을 낼 수 있는 convex lens의 위치가 143.2±0.3 mm(vertical), 0±0.2 mm (horizontal), 0±0.4°(tilting)임을 도출하였다.
- 실험 시, 장치 구성의 한계로 convex mirror의 X 및 α 방향으로 위치 및 각도를 정밀하게 설정하기 어려워 각각 최적화된 위치에 고정하고, Y 방향으로만 시뮬레이션 상 최대 효율을 보이는 지점과±1 mm 지점에서 실험을 진행하였다.
- 5에 나타내었다. 앞선 시뮬레이션 결과를 바탕으로 convex mirror를 concave mirror 표면으로부터 143.2 mm 지점에 위치한 후 0.1 mm 단위로 X 방향으로 어긋나게 하고, 25,000개의 평형 광선을 입사시켜 광케이블 끝단에서 검출되는 광선의 수를 측정하였다. Convex mirror의 위치가 중심축에서 ±0.
- 앞선 시뮬레이션에서 집광 효율 저하를 유발하는 각각의 요인들 중 하나의 요인만 변수로 두고 나머지는 최적화된 상태로 고정하여 진행했지만, 본 실험에서는 태양광 입사각도, concave mirror의 표면 결합 등 여러 가지 요인이 작용하면서 집광효율을 줄였을 수 있다. 실제로 상용화 되고, 사용되는 태양광 직접 조명 장치는 여러 요인이 복합적으로 작용할 수 있으므로 다수의 변수를 이용하여 보다 정교한 시뮬레이션 및 실험을 진행할 필요가 있다.
- 하지만 태양열, 바람 등 외부 요인에 의해 convex mirror의 위치가 어긋나서 발생하는 효율저하를 개선하기 위한 장치는 없는 실정이다. 외부 요인에 의해 convex mirror의 위치가 어긋나더라도 태양광 조명 장치의 효율저하를 최소화 할 수 있도록 적절한 공차를 가지는 convex mirror 선정에 대하여 시뮬레이션 및 실험을 진행하였다.
- Ball lens는 직경 10 mm이다. 위치의 오차에 대해 비교적 민감도가 크지 않은 convex lens와 ball lens는 concave mirror와의 거리를 각각 50 mm, 10 mm로 고정하고 진행하였다.
- 이어서, convex mirror의 tilting에 대한 시뮬레이션을 진행하였다. 최초 convex mirror와 concave mirror가 완전히 평행하게 놓인 상태에서 convex mirror를 0.
- 최초 convex mirror와 concave mirror가 완전히 평행하게 놓인 상태에서 convex mirror를 0.1° 씩 회전시키며 시뮬레이션을 진행하였다.
대상 데이터
- 21 mm이다. Convex lens는 직경 30 mm, 곡면 radius 23.54 mm, 두께 6.90 mm, 초점거리 30 mm이다. Ball lens는 직경 10 mm이다.
- 본고에서 다루는 태양광 조명 시스템은 각각 1개의 concave mirror, convex mirror, convex lens, ball lens를 이용한다. concave mirror에 수직으로 입사한 태양광은 초점을 향해 반사된다.
- 실험 및 시뮬레이션에 사용한 concave mirror는 초점거리 150 mm, 직경 250 mm이고, convex mirror는 직경 25 mm, 곡면 radius 25.95 mm, 두께 5.21 mm이다. Convex lens는 직경 30 mm, 곡면 radius 23.
- 실험 시, 장치 구성의 한계로 convex mirror의 X 및 α 방향으로 위치 및 각도를 정밀하게 설정하기 어려워 각각 최적화된 위치에 고정하고, Y 방향으로만 시뮬레이션 상 최대 효율을 보이는 지점과±1 mm 지점에서 실험을 진행하였다. 야외에서 태양광을 집광하고, 10 m의 광케이블을 통해 실내로 전송하였다. 실제 실험 장치를 구성해 측정한 결과에서는 최적화된 위치에서 336,000lx의 조도를 얻을 수 있었고, +1 mm 지점에서는 52,000lx, -1 mm 지점에서는 68,000lx로 조명량이 급격히 줄어들었다.
성능/효과
- 4) 시스템의 유형은 크게 수동형과 능동형으로 구분할 수 있다. 수동형의 시스템은 설치가 간편하고, 그 비용이 저렴하지만, 효율이 떨어진다.
- 실제 실험 장치를 구성해 측정한 결과에서는 최적화된 위치에서 336,000lx의 조도를 얻을 수 있었고, +1 mm 지점에서는 52,000lx, -1 mm 지점에서는 68,000lx로 조명량이 급격히 줄어들었다. Convex mirror가 최적화된 위치에서 시뮬레이션 결과의 52.5%로 절반가량의 조도만 얻을 수 있었는데, 실험 시 여러 요인이 복합적으로 작용하여 조명 전송량을 줄였을 것으로 보인다. Concave mirror에 입사하는 태양광이 수직에서 어긋나면 다소 오차가 있을 수 있고, concave mirror의 표면 결함도 광케이블을 통해 전송되는 광량을 줄이는 원인이 되었을 것으로 보인다.
- 시뮬레이션 결과 concave mirror와 convex mirror 사이 거리가 143.2±0.3 mm에서 25,000개의 광선이 모두 광케이블 끝단에서 검출되었다.
- 야외에서 태양광을 집광하고, 10 m의 광케이블을 통해 실내로 전송하였다. 실제 실험 장치를 구성해 측정한 결과에서는 최적화된 위치에서 336,000lx의 조도를 얻을 수 있었고, +1 mm 지점에서는 52,000lx, -1 mm 지점에서는 68,000lx로 조명량이 급격히 줄어들었다. Convex mirror가 최적화된 위치에서 시뮬레이션 결과의 52.
- 이 시뮬레이션 결과에서 convex mirror와 concave mirror와의 적정 거리는 143.2±0.3 mm에서 최대 효율을 가질 수 있음을 확인했다.
후속연구
- 광 PCB 등에서 이용하기 위한 광 연결 및 패키징에 관한 연구가 진행되고 있는데, 그 중 광섬유 커넥터를 이용한 광 인터커넥션 연구는 태양광 조명 시스템에도 적용할 수 있을 것이다. 더불어, 광도파로와 광케이블 간의 분기 및 인터커넥션에 관한 연구를 통해9), 추후 태양광 조명 시스템 전체에 사용 되는 광케이블을 줄여, 설비 가격을 낮추는데 이용할 수 있을 것이다. 또한, 렌즈 일체형 광도파로를 이용한 고효율 수동 광 PCB 접속 구조 설계에서 제안한 concept를 이용하면10), 광케이블을 급격히 꺾을 수 없어, 광케이블 끝단 발광 장치 설치에서 천장 매립이나, 다양한 형태의 발광 소자 구성이 어려웠던 점을 해결할 수 있다.
- 용도 및 환경에 따라 concave mirror의 초점거리 및 지름은 많이 달라질 수 있다. 시뮬레이션을 통해 최대 효율을 낼 수 있는 convex mirror의 정렬 조건을 규명하였으며, 이는 향후 상용화에 활용될 수 있을 것이다.
- 실제로 상용화 되고, 사용되는 태양광 직접 조명 장치는 여러 요인이 복합적으로 작용할 수 있으므로 다수의 변수를 이용하여 보다 정교한 시뮬레이션 및 실험을 진행할 필요가 있다. 이 시뮬레이션 결과를 이용해 조명 장치를 구성하고, 실제 장치로 사용 가능 여부를 판단, 신뢰성을 확보하기 위해서는 본 조명장치가 설치된 암실을 구성하여, KS C7612에서 지정하는 조도 측정방법에 의거 실험을 진행할 필요가 있다. 또한, 신재생에너지 설비심사세부기준 - 태양광집광채광기(NR PV 601:2007)등에서 정하는 시험 방식대로 실험을 진행하여 효율 및 평균조도를 산출하여야 한다.
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