CN101150149A - 集能系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种集能系统，该集能系统包括：一基板；一光感应层，该光感应层选择性地设置在该基板上；以及多个凸透镜，设置在该光感应层上。该凸透镜为半球形、薄球形、半圆柱状或薄半圆柱状。该凸透镜在基板上呈矩阵排列并涂覆有抗反射层。

Description

集能系统

技术领域

本发明有关于一种集能系统，特别是有关于一种收集太阳光且可促进光电转换效率的集能系统。

背景技术

太阳光收集装置是使用光伏特板收集太阳光的光能来产生电能。光伏特板一般可区分为单阶式以及多阶式的结构。

美国专利第6,399,874号公开一种单阶式光伏特板，该专利是使用菲涅耳(Fresnel)透镜来收集太阳光，并将收集的太阳光照射在7厘米见方的太阳能电池上。

利用多阶方式组合的各种太阳能电池，可获得较高的光电转换率。如美国专利第6,881,893号所公开的装置，该装置利用放大镜来聚焦光线，该放大镜设置在一环形板的中央且该环形板作为该装置的收集单元的上盖。该收集单元可将光线收集在具有对称抛物线的斗状单元中，该斗状单元的底部中央具有光感应器。

另外，如美国专利第6,700,054号公开的多阶式光收集装置，是由具有宽大进入孔的漏斗状光接收器所组成。进入的光线通过该漏斗壁、或经由从该漏斗壁反射进入具有凸面顶部的钠钙玻璃容器，且该钠钙玻璃容器中装有高反射指数的矿物油。借由在玻璃壁及矿物油之间的接口，该玻璃容器可全反射大部分的光，并借由容器外的高光谱反射器将漏出的光反射进入该玻璃容器中。因此，在该玻璃容器底部中央的光感应器可吸收大部分进入该收集装置的光线。此装置的缺点在于体积较为庞大、矩阵排列需较多空间且结构安装复杂。

传统技术另有如美国专利6,061,181号所公开的平面式非追踪型太阳能面板。该面板可在日照时间中可工作较长的时间。该面板是由光伏特电池单元所组成且具有较大孔径的光学透镜。该面板的棱镜矩阵作为光信道，将光导向光伏特电池。然而此种面板的结构脆弱且不易制造。

另一种平面太阳能板如美国专利第6,528,716号所公开，该太阳能板的结构简单且具有优选的转换效率。请参照图1所示的平面太阳能板100，基板101上设置有太阳能电池层102以及反射镜103。太阳能电池实际上位于基板上的面积因为反射镜的存在而得以减少。然而，阳光的入射角度会受限于两相邻倾斜的反射镜反射面，进而影响光的利用效率。

因此，本发明鉴于上述传统的缺失，公开一种集能系统。以下为本发明的简要说明。

发明内容

本发明的目的在于提供一种集能系统，该集能系统包括：一基板；一光感应层，该光感应层选择性地设置在该基板上；以及多个凸透镜，设置在该光感应层上。该凸透镜为半球形、薄球形、半圆柱状或薄半圆柱状。该凸透镜在基板上呈矩阵排列并涂覆有抗反射层。光线经由凸透镜的折射得以集中于光感应层上。因此，太阳光在经过较简化的折射路径可到达光感应层，因此太阳能的收集得以最佳化。

依据本发明的集能系统，其中该凸透镜的表面可进一步包括至少一突起。

依据本发明的集能系统，其中该凸透镜可为单层且材料可为玻璃或塑料。

依据本发明的集能系统，其中该凸透镜可为多层且材料可为相同或或相异的材料，该多层是由以下任选的材料所构成：玻璃、塑料、矿物油、凝胶、水、气体及真空。

从日升到日落的日照时间中，为了使各入射角度的光线能有效地捕捉至光感应层，故该集能系统的凸透镜与该光感应层之间还包括一光通接口，该光通接口为单一材料且具有渐进变化的折射指数。为了达到渐进变化折射指数的效果，该光通接口亦可由一多个薄膜层所组成。该薄膜为一介电材料且折射指数高于2.1。在本发明中，该介电材料优选为TiO₂、Nb₂O₃或ZrO₂。再者，同样是为了达到渐进变化折射指数的效果，该多层薄膜中与透镜层相邻的一层的介电材料，其折射指数介于该透镜层与其它薄膜的折射指数之间。

本发明的集能系统，该光感应层并不限于传统的光伏特板，亦可为光热转换器或其组合。

本发明的集能系统借由将光导入凸透镜与光感应层之间的光通接口，可得到优于传统光伏特板的能源转换效率，且在机构上较传统光伏特板简单，故成本较为低廉。

附图说明

图1显示传统的光伏特板；

图2显示依据本发明一优选实施例的集能系统；

图3显示图2所示的集能系统中，凸透镜沿X-X′切线的截面图；

图4A及图4B显示光经过凸透镜或未经凸透镜照射至光感应层的示意图；

图5A及图5B显示光进入半球状凸透镜以及半圆柱状凸透镜的透视图；

图6说明较薄的半圆柱状透镜覆盖于光感应层的光通量的变化；

图7显示各平行光通过单一凸透镜的截面图；

图8显示不同薄膜组成的光通接口其反射光谱的比较；

图9显示本发明另一实施例的凸透镜的截面图；

图10显示本发明又一实施例的凸透镜的截面图；以及

图11显示相邻二凸透镜的距离的示意图。

主要组件符号说明

100平面太阳能板             101基板

102太阳能电池层             103反射镜

200集能系统                 201基板

202光感应层                 b，d距离

204，304，404，504凸透镜    d1，d2宽度

303光通界面                 L长度

400半圆柱状凸透镜           N1，N2，N3，N4法线

410，430，440面积           O圆心

4041，4042，4043层          r半径

5041，5042，5043突起        α照射角

A1，A2，A3，A4，A5光路径    θ夹角

A6，A7，A8，A9，A10光路径

A01，A02，Ac1，Ac2截面积

B，B′，B″点

具体实施方式

以下参照相关附图，说明依据本发明优选实施例的一种集能系统，其中相同的组件将以相同的组件标号说明。

图2显示依据本发明优选实施例的一种集能系统200。该集能系统200包括一基板201、光感应层202以及多个凸透镜204。该光感应层202设置在该基板200上以及该凸透镜204设置在该光感应层202上。在本实施例中，该光感应层202选择性地设置在该基板201上，即该光感应层202不需完全地覆盖该基板201，只要凸透镜204与基板201之间具有该光感应层202即可。在本实施例中，该凸透镜204为一半圆柱状的凸透镜且呈矩阵排列。依据本发明大的概念，该凸透镜204亦可为多个呈矩阵排列的半球形、薄球形或薄圆柱状凸透镜。

图3显示图2的集能系统中，单一半圆柱状凸透镜204沿X-X′切线的截面图。需了解的是，无论是半圆柱状或是半球状的凸透镜，其截面均为如图3所示的半圆形。在图3中，光照射至该半圆状凸透镜与凸透镜底部的夹角，即光线的照射角为α。A1、A2、A3以及A4表示不同的平行光路径，N1、N2、N3以及N4分别表示光路径A1、A2、A3以及A4与该凸透镜表面的交点所形成的法线。因此，如图3所示各平行光路径A1、A2、A3以及A4对于该凸透镜表面所形成的入射角分别为α、0°、(90°-α)以及90°。

用于构成该凸透镜的大部分材料，如玻璃或塑料，其折射率大于空气的折射率，因此照射至该凸透镜表面的光线将通过该凸透镜到达该凸透镜下的光感应层。从日出到日落的时间，光线照射至该光感应层的照射角α介于0°至180°之间。

图4A及图4B显示在相同的光感应层宽度时，光经过凸透镜或未经凸透镜照射至光感应层的示意图。在图4A中，该凸透镜的底面宽度与图4B的光感应层的宽度同样为2b，在照射角为α的情况下，图4A中光经过该凸面镜照射的宽度为d1；且图4B中，光不经过该凸面镜直接照射至该光感应层的宽度为d2，因此：

d1＝b(1+sinα)以及

d2＝2b sinα

α＝90°时，d1＝d2，若α≠90°时，d1＞d2。

由上式可知，从日出到日落的绝大部分时间(即照射角α≠90°时)，相较于不使用凸透镜的光感应层，本发明的光感应层透过该凸透镜可获得较大的光通量。

图5A及图5B分别显示照射角α的光进入半球状凸透镜以及半圆柱状凸透镜的透视图。如图5A所示，光照射于半球状凸透镜的投影面积A01为一半径b的半圆以及长短轴分别为b以及b(sinα)的半椭圆形的组合，即d1＝b(1+sinα)。在图5B中，半圆柱状透镜的一投影面积Ac1＝d2L，其中d2＝b(1+sinα)。在图5B中，2b为该半圆柱的圆的直径，L为该半圆柱状透镜的长度。因此，在太阳光入照角相对于天顶为-90度至+90度时，落入半球状凸透镜底部的光感应层的光通量为所有该截面积区域的总和。

同样地，在无半球状或半圆柱状凸透镜覆盖的光感应层，光照射的截面积可分别以AO2＝πb2sinα以及Ac2＝2bLsinα表示。

如以上参数的定义，在覆盖有半球状凸透镜或未覆盖半球状凸透镜时，照射在光感应层的总光通量的差异可由以下式(1)表示：

${\mathrm{\ρ}}_0=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{01}-{\mathrm{\ϵ}}_{02}}{{\mathrm{\ϵ}}_{02}}=\frac{2{\∫}_0^{\mathrm{\π}/2}(A_{01}-A_{02})\mathrm{d\α}}{2{\∫}_0^{\mathrm{\π}/2}{A}_{02}\mathrm{d\α}}=\frac{\mathrm{\π}{b}^2(\mathrm{\π}/2-1)}{2\mathrm{\π}{b}^2}=\frac{1}{2}(\frac{\mathrm{\π}}{2}-1)$

其中A₀₁＝πb²(1+sinα)/2，以及

A₀₂＝πb²sinα。

另外，在覆盖有半圆柱状透镜或未覆盖半圆柱状透镜时，照射在光感应层的总光通量的差异可由以下式(2)表示：

${\mathrm{\ρ}}_c=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{c1}-{\mathrm{\ϵ}}_{c2}}{{\mathrm{\ϵ}}_{c2}}=\frac{2{\∫}_0^{\mathrm{\π}/2}(A_{c1}-A_{c2})\mathrm{d\α}}{2{\∫}_0^{\mathrm{\π}/2}{A}_{c2}\mathrm{d\α}}=\frac{\mathrm{bL}(\mathrm{\π}/2-1)}{2\mathrm{bL}}=\frac{1}{2}(\frac{\mathrm{\π}}{2}-1)$

A_c1＝Lb(1+sinα)

A_c2＝2Lbsinα。

以下参照图6说明薄半圆柱状透镜400覆盖于光感应层的光通量的变化。在本发明的叙述中，薄半圆柱状凸透镜表示该透镜圆弧形成的圆心不落在该凸透镜的底面上而落在底面下。在图6中，该较薄的半圆柱状透镜的底面积的长为L，宽为2b。圆弧BB′构成的圆周的圆心为O，半径为r。线BB′的长为2b且中心点为B″。θ角是线OB以及线OB″形成的夹角。因此，该较薄的半圆柱状透镜400的矩形底面积2bL即为光感应层410的面积。d1以及d2为矩形截面430及矩形截面440的宽度。即，在该较薄的半圆柱状透镜400存在的情形下，平行光线的照射面为附图所示的面积430(即d1L)，以及在该较薄的半圆柱状透镜400不存在的情形下，平行光线的照射面为附图所示的面积440(d2L)。因此，光线射至光感应层的光通量差异如以下式(3)所示：

${\mathrm{\ρ}}_e=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{e1}-{\mathrm{\ϵ}}_{e2}}{{\mathrm{\ϵ}}_{e2}}=\frac{2{\∫}_0^{\mathrm{\π}/2}(A_{e1}-A_{e2})\mathrm{d\α}}{2{\∫}_0^{\mathrm{\π}/2}{A}_{e2}\mathrm{d\α}}=\frac{2\mathrm{rL}(\mathrm{\θ}-\sin \mathrm{\θ})}{4\mathrm{rL}\sin \mathrm{\θ}}=\left(\frac{\mathrm{\θ}-\sin \mathrm{\θ}}{2\sin \mathrm{\θ}}\right)$

其中A_e1＝{r[1-cos(θ-α)]+2rsinθsinα}L，即表示加薄圆柱状透镜所投影出的面积；以及

A_e2＝L(2rsinθ)sinα，即未加薄圆柱所投影出的面积。

在半圆柱状透镜400存在的情形下，光感应层接收的光通量优于无透镜的的情况。在光线入射角小于180°的情形下，光感应层的增进效率如下表所示。

薄圆柱的圆周至圆心的夹角θ角(单位：度)	增进效率(％)
		10	0.25
20	1.03
		30	2.36
40	4.31
		50	6.96
60	10.46
		70	15.01

80	20.89
		90	28.54

上表的数据显示在薄圆柱状凸透镜具有不同的θ角时，覆盖有透镜层及未覆盖透镜层时，光感应层的效率差异。在θ角为90°时表示该薄圆柱状凸透镜为一半圆形凸透镜，故此时的增进效率最佳。

依据本发明的另一实施例如图7所示。图7显示各平行光A1、A2、A3以及A4通过单一凸透镜304的截面图。不同于图3的是，该凸透镜304表面涂覆有抗反射层，以及凸透镜304与光感应层302之间还包括一光通接口303。即各平行光A1、A2、A3以及A4经过该凸透镜304进入光感应层302之前，需通过该光通界面303。

该光通接口303可由至少一含空气的空腔以及至少一层薄膜所堆栈而成，如空气、氮化硅(Si3N4)、二氧化钛(TiO2)或其组合。

图8显示不同薄膜组成的光通接口的反射光谱的比较。在图8中，光通界面置于以多晶硅所组成的光感应层上，且其上的凸透镜的折射率n＝1.52，其中(a)表示该光通接口是由空气以及氮化硅所构成，(b)表示该光通界面依序由胶、氮化硅、二氧化钛以及氮化硅所构成，以及(c)表示该光通接口是由胶、氮化硅以及二氧化钛所构成。在以三层薄膜堆栈而成的光通接口中，若光感应层302为多晶硅光伏特板时，该光通界面303与该多晶硅光伏特板相邻的一层优选为一氮化硅膜。该氮化硅膜有助于避免该多晶硅光伏特板中，硅氢键的悬键(dangling bond)的形成。因此该氮化硅膜可使得该多晶硅光伏特板的表面的氢键稳定。在本实施例中，该氮化硅的厚度优选为10nm。

入射光经凸透镜进入光感应层之前先经过光通接口有助于光感应层的能源转换。在光感应层为光伏特板且凸透镜为成本低廉的塑料时，其能源转换率可增加约33％。

图9显示本发明另一实施例的单一凸透镜404的截面图。相较于图3，该凸透镜404可由二种以上的材料所构成。如(a)部分所示，层4041为玻璃时，层4042可为其它材料如玻璃、塑料、矿物油、凝胶、水、气体及真空。或如(b)部分所示，层4042以及层4043彼此为相异的塑料、矿物油、凝胶、水、气体或真空所组成。凸透镜404可为半圆柱形透镜或是半球形透镜。在本实施例中，如光伏特板或光热转换装置的光感应层202置于该凸透镜404的下方，该凸透镜404可为矩阵排列于基板上。

图10表示本发明另一凸透镜的截面图。在本实施例中，该凸透镜可具有多个突起。如图10所示，凸透镜504的表面具有突起5041、5042以及5043。在本实施例中，突起5041、5042以及5043可分别视为一次球面透镜。故对于突起5042而言，光入射角的有效范围为光路径A5及光路径A8之间的角度范围，对于突起5041而言，光入射角的有效范围为光路径A5及光路径A6之间的角度范围，以及对于突起5043而言，光入射角的有效范围为光路径A7及光路径A8之间的角度范围。该等突起可增加进入凸透镜504的光通量。

图11显示相邻二凸透镜的示意图，说明相邻半圆柱状凸透镜204或半球形凸透镜在基板上形成矩阵时，各凸透镜间最小距离。在图11中，凸透镜截面形成的圆的直径为2r，相邻二凸透镜204在基板上的距离为d。为使各透镜的所获得的光通量得以最大，故光路径不应被相邻的凸透镜所阻挡，即如图11的光路径A9所示。光路径A9的照射角α＝tan-1(r/(r+d))。在此，相邻的凸透镜距离愈大(即d愈大)，光路径愈不易被凸透镜所阻挡，集能系统的总面积却加大，故相邻的凸透镜距离须视需求而定。

借由以上所述，利用本发明的集能系统，可有效增加集能效率，故在同样的电能或热能输出效果的要求的前提下，得以节省光感应层的面积，特别是价格昂贵的多晶硅光伏特板。

以上所述仅为举例性，而非为限制性者。任何未脱离本发明的精神与范畴，而对其进行的等效修改或变更，均应包括于本发明中。

Claims (20)

1.一种集能系统，包括：

一基板；

一光感应层，选择性地设置在该基板上；以及

至少一凸透镜，置于该光感应层上。

2.根据权利要求1所述的集能系统，其中该凸透镜为半球形、薄球形、半圆柱状或薄半圆柱状。

3.根据权利要求2所述的集能系统，其中该光感应层为一多晶硅光伏特板、一光热转换器或其组合。

4.根据权利要求3所述的集能系统，其中该凸透镜呈矩阵排列。

5.根据权利要求3所述的集能系统，其中该凸透镜与该光感应层之间还包括一光通接口。

6.根据权利要求5所述的集能系统，其中该光通接口为单一材料且具有渐进变化的折射指数。

7.根据权利要求5所述的集能系统，其中该光通接口是由至少一薄膜层所组成。

8.根据权利要求7所述的集能系统，其中该薄膜是由空气、胶、氮化硅、二氧化钛或其组合所构成。

9.根据权利要求7所述的集能系统，其中该薄膜为一介电材料。

10.根据权利要求9所述的集能系统，其中该介电材料为折射指数大于2.1的材料。

11.根据权利要求10所述的集能系统，其中该介电材料为TiO₂、Nb₂O₃或ZrO₂。

12.根据权利要求10所述的集能系统，其中与该凸透镜相邻的该薄膜的介电材料，其折射指数介于该凸透镜与其它该薄膜的折射指数之间。

13.根据权利要求10所述的集能系统，其中该光通接口以及该光感应层之间还包括一氮化硅膜。

14.根据权利要求13所述的集能系统，其中该氮化硅膜的厚度为10nm。

15.根据权利要求1或5所述的集能系统，其中该凸透镜涂覆有一抗反射层。

16.根据权利要求1或5所述的集能系统，其中该凸透镜的表面还包括至少一突起。

17.根据权利要求16所述的集能系统，其中该突起为一次球面透镜。

18.根据权利要求1所述的集能系统，其中该凸透镜为单层且由玻璃或塑料所构成。

19.根据权利要求1所述的集能系统，其中该凸透镜是以多层相同或相异的材料所构成。

20.根据权利要求19所述的集能系统，其中该凸透镜的多层是由以下任选的材料所构成：玻璃、塑料、矿物油、凝胶、水、气体及真空。

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