CN101788708B - 集光方法、集光系统以及光能转换装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种集光方法、集光系统以及光能转换装置，其中该集光系统包括聚光元件以及反射曲面元件。聚光元件接收入射光的至少一部分光，使聚集且通过第一焦区后顺向出射，得到第一阶输出光。反射曲面元件有孔径接收第一阶输出光。其中，反射曲面元件包含反射内曲面，其至少一部分具有第二焦区。第一焦区与第二焦区是共焦或是在一范围内大致上共焦设置，以使至少一部分的第一阶输出光，通过共焦转换得到顺向出射的第二阶输出光。

Description

集光方法、集光系统以及光能转换装置
技术领域
本发明涉及一种集光系统与方法，例如可以应用在太阳电池模块(solarcell module)或是太阳能转换的光能转换机制。
背景技术
集光系统一般是用来将大量的入射光收集后，以较密集的较小光区域出射。集光系统的应用例如可以使用在太阳电池的集光和太阳能的集热部分。
太阳电池需要有效吸收入射光，然而由于光学的物理现象，入射光仍会有一部分会被反射。图1绘示光学的折射与反射现象示意图。参阅图1，一个具折射系数n的透明层100接收从空气中入射的入射光102a。依照光学的折射现象，依照入射角θ的大小不同，会有一部分折射光102b进入透明层100，也有一部分反射光102c被反射。图2绘示入射角与反射率的关系示意图。参阅图2，以玻璃与空气的界面为例，一光线在介质外的反射情形，当入射角θ大于某一特定角度时，例如大于60度时，则反射率会大幅增加，反射光102c也因此愈来愈多。换言之，也就是进入透明层100的折射光102b愈少，导致光使用率降低。
图3绘示一光线的入射角度和太阳能电池的吸收响应关系示意图。参阅图3，以零度入射的响应为参考。当入射角度大于50度时，其太阳能芯片的吸收效率开始大幅度的下降，显示不好的太阳能集光设计若有太多大角度的光线入射芯片，会因为太阳能芯片的吸收效率不好而导致光电转换效率降低。也就是说，太阳能聚光镜片的光学设计至少要能达到大多数的太阳辐射光入射芯片的角度小于50度，才算是一种高效率的光学设计。而这种缺点最常见的就是在短焦型的聚光型太阳能集光镜。
针对短焦型的太阳电池集光器，先前技术已提出多种设计。图4为短焦式太阳电池集光器结构示意图。于图4的设计，太阳电池的集光器400接收入射光401。入射光401进入第一集光器402后，由于此短焦式集光器400是以全反射的锯齿状结构403方式，将入射的光经由全反射(TIR)后，出射光404再往中心处折射至二次光学405均光后，再入射到太阳能芯片406，达到短焦及高聚光倍率的效果。
然而此类短焦式的集光器400，会有大多数的光线是以大角度入射404太阳能芯片406的，而这些光线大部分进入大的光学接收面积，例如全反射(TIR)光学元件的外部锯齿结构。而且此集光器400也会在其TIR锯齿状结构403的设计上，必须要有尖锐的锯齿407，其设计才能达到高光学效率。但是在实际上的射出成型制作上，这些锯齿状结构都会产生圆角，这二者都是导致此类光学集光器400光学效率不高的主要原因。
图5绘示另一种折射-反射-全反射(RXI)短焦式的太阳能集光镜片示意图。入射光501进入实心的集光器500后，先经由底部镜面502反射后，在经过集光器500的表面505进行全反射后，将入射的光线射入太阳能电池504上。而较靠近内围的光线，则是入射后先经过底面镜面502反射后，再经过顶面镜面503二次反射后入射太阳能电池504。
此种RXI短焦式太阳能集光器500可以达到高集光倍率和超短焦设计。然而，以太阳能芯片可高效率吸收的入射光的考虑点上，此设计有相当大部分的光是全反射后以极大的角度入射太阳能芯片，此现象也会导致太阳能芯片的光电效率无法提高。
图6绘示传统卡塞格林反射式的太阳能光学聚焦元件示意图。于集光系统600，入射光601进入第一反射面602后，反射到第二反射面603往下聚焦至CPC色彩混合元件604上，经由内部折射至太阳能芯片605上。
这种卡塞格林(Cassegrain)集光系统600能达到密集和高聚光倍率，另外在芯片的入射角度和辐射照度上经由二次折射元件604后，也可以达到一个较小的入射角度和较均匀的照度。然而，这种聚光元件需要一次元件602和二次元件603之间的组装的裕度(tolerance)不高。也就是说，芯片的照度的要求需要镜组与色彩混合组件间有精确组合。
图7绘示另一传统Fresnel(菲涅耳)聚光系统示意图。目前最常见的折射式集光系统700有主要集光系统，例如是Fresnel镜片701，其将入射光聚集在焦点702后，用直射或经过二次光学703反射的方式，将光线收集在太阳能芯片704上。
图8绘示芯片的横截面积上接收到光照度的分布分析示意图。参阅图8，从分析结果可以看出，接收的光亮度分布极为不均匀，其中在中心区域会有很大的聚光效应。此种分布，会导致芯片上的温度和照度不均匀。导致芯片散热不易及光电转换效率不高等缺点
传统的技术中，集光系统仍有针对不同问题提出的多种不同设计。然而，传统的集光系统仍有其不尽理想的地方，其中照度不均匀导致芯片效率无法提高、入射芯片的角度影响太阳能芯片的吸收及光电转换效率、加工精度和组装裕度对照度的影响和太阳入射光的可接受角等都是需要考虑的问题。集光系统的设计与研发仍在继续进行中。
发明内容
本发明是有关于一种集光元件的方法和装置，包括聚光元件和反射曲面元件，该反射曲面元件的优选实施方法例如是以映射(mapping)而不是混光(mixer)的光学设计能达到以较小的角度和较适合的照度入射吸收体，藉以达到较高的光学效率，来提升吸收体吸收光和热能量的效果。例如可以应用在太阳光电(solar photovoltaic)或太阳热能(solar thermal)集光镜片的均光和集热，提高太阳能光学系统的光学效率。
本发明提出一种集光系统包括聚光元件以及反射曲面元件。聚光元件接收入射光的至少一部分光，使聚集且通过第一焦区后顺向出射，得到第一阶输出光。反射曲面元件有入口孔径接收第一阶输出光。其中，反射曲面元件包含反射内曲面。反射内曲面的至少一部分具有第二焦区。第一焦区与第二焦区是共焦或大致上是在一范围内共焦设置，以使至少一部分的第一阶输出光，通过共焦转换得到顺向出射的第二阶输出光。本发明又提供一种光能转换装置，包括聚光元件、反射曲面元件以及光能转换元件。聚光元件接收入射光的至少一部分光，使聚集且通过第一焦区后顺向出射，得到第一阶输出光。反射曲面元件有入口孔径接收第一阶输出光。其中，反射曲面元件包含反射内曲面。反射内曲面的至少一部分具有第二焦区。第一焦区与第二焦区共焦或是在一范围内大致上是共焦设置，以使至少一部分的第一阶输出光，通过共焦转换得到顺向出射的第二阶输出光。光能转换元件接收第二阶输出光的至少一部分，将光能转换成非光能形式的能量。本发明又提供一种集光方法，包括接收入射光的至少一部分光，使聚集且通过第一焦区后顺向出射，得到第一阶输出光。提供反射曲面元件。反射曲面元件有入口孔径及反射内曲面。反射内曲面的至少一部分具有第二焦区。第二焦区与第一焦区设置成共焦或是在一范围内大致上共焦，以接收第一阶输出光，使至少一部分的该第一阶输出光，通过共焦转换得到顺向出射的第二阶输出光。本发明又提供一种集光系统，包括聚光元件和反射曲面元件。该聚光元件包含第一反射内曲面，该聚光元件接收入射光的至少一部分光，经由该第一反射曲面聚集且通过第一焦区后顺向出射，得到第一阶输出光；而该反射曲面元件包含入口孔径、第二反射内曲面和出口孔径。入口孔径接收第一阶输出光，使至少一部分的第一阶输出光，被第二反射内曲面反射得到顺向出射的第二阶输出光，经过出口孔径顺向出射。
为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举优选实施例，并配合所附图，作详细说明如下。
附图说明
图1绘示光学的折射与反射现象示意图。
图2绘示入射角与反射率的关系示意图。
图3绘示光线的入射角度和太阳能电池的吸收响应关系示意图。
图4绘示短焦式太阳电池集光器结构示意图。
图5绘示另一种传统折射-反射-全反射(RXI)短焦式的太阳能集光镜片示意图。
图6绘示传统卡塞格林(Cassegrain)反射式的太阳能光学聚焦元件示意图。
图7绘示另一传统Fresnel聚光系统示意图。
图8绘示芯片的横截面积上接收到光照度的分布分析示意图。
图9绘示依据本发明实施例，集光系统结构剖面示意图。
图10～图15绘示依据本发明多个实施例，集光系统的结构剖面示意图。
图16绘示依据本发明实施例，集光系统的结构剖面示意图。
图17绘示在图16中的孔径上的强度分析图。
图18绘示反射曲面元件1032上方的辐射照度分析图。
图19绘示反射曲面元件下方，在接收元件上的强度分析图。
图20绘示在反射曲面元件下方的接收元件上的照度分析示意图。
图21绘示本发明实施例，抛物面-椭圆面共焦的剖面结构示意图。
图22～图23绘示依据本发明实施例，分别为在反射曲面元件前的照度和强度分析示意图。
图24～图25绘示依据本发明实施例，分别在反射曲面元件后的照度和强度分析图。
图26～图27绘示依据本发明一些实施例，集光系统的结构透视示意图。
图28绘示依据本发明另一实施例，集光系统的结构剖面示意图。
图29A-图29C绘示依据本发明另一些实施例，在图28的集光系统中二次光学结构的剖面示意图。
图30～图31绘示依据本发明另一实施例，集光系统的结构剖面示意图。
图32～图34绘示依据本发明另一些实施例，集光系统是大致上共焦设置的结构剖面示意图。
图35绘示依据本发明一集光系统的照射示意图。
图36绘示依据本发明另一些实施例，一集光系统的剖面示意图。
附图标记说明
100：透明层            1000：聚光元件
102a：入射光           1002：反射曲面元件
102b：折射光           1004：接合结构
102c：反射光           1005：透明板
400：集光器            1006：入射光
401：入射光            1008：次级聚光元件
402：第一集光器        1010：接收元件
403：锯齿状结构        1012：Fresnel镜片
404：出射光            1014：全反射透镜
405：二次光学          1016：聚焦元件
406：太阳能芯片        1018：反射曲面元件
407：锯齿              1019：孔径
500：集光器            1020：集光元件
501：入射光            1022：接收元件
502：底部镜面          1024：集光元件
503：顶面镜面          1026：次级聚光元件
504：太阳能电池            1030：聚光元件
505：表面                  1032：反射曲面元件
506：二次光学元件          1034：聚光元件
600：集光系统              1036：反射曲面元件
601：入射光                1040：聚光元件
602：反射面                1042：反射曲面元件
603：反射面                1044：内部
604：二次折射元件          1046：次级聚光元件
605：太阳能芯片            2000：集光系统
606：二次光学元件          2001：聚光元件
700：集光系统              2002：第一反射曲面
701：Fresnel镜片           2003：入射光
702：焦点                  2004：第一焦区
703：二次光学              2005：反射曲面元件
704：太阳能芯片            2006：入口孔径
900：集光系统              2007：第二反射曲面
901：入射光                2008：出口孔径
902：聚光元件              2009：第一阶出射光
903：第一焦点              2010：第二阶出射光
904：反射曲面元件          2011：次级聚光元件
905：第二焦区              2012：工作元件
906：入口孔径              905′：焦点
907：第一阶出射光
908：第二阶出射光
909：内层反射曲面
910：出口孔径
具体实施方式
本发明提供一种集光系统，一般而言例如包括聚光元件和反射曲面元件，该反射曲面元件的优选实施方法例如是以映射(mapping)而不是混光(mixer)的光学机制能达到较小的角度和较适合的照度入射吸收体，藉以达到较高的光学效率，来提升吸收体吸收光和热能量的效果。若应用在太阳光电(solar photovoltaic)的集光器上，均匀的光照度分布和入射光以小角度入射芯片，不但可以提升集光倍率，减少热应力的产生，也能使芯片有较高的吸收和转换效率；而在太阳热能(solar thermal)集光器的应用上，也可以较小的角度和较集中的照度入射接收体上，提升其光学集光效率，且接收体在下方的设计，在光学系统和接收体长期面对大自然天气的多变化时的维护、清洁和保养方面，提供了一个更有效率保养结构。
从另一角度而言，集光机制例如包括主要聚光元件，至少有第一焦点(焦区)，该第一焦点(区)下方有反射曲面元件，有入口孔径、反射内曲面、出口孔径且至少有一部分该反射曲面元件的该反射内曲面有第二焦点(区)，而该第一焦区和该第二焦区是共焦或是在一范围内大致上共焦。主要聚光元件收集入射光至该第一焦区和该第二焦区的共焦区域出射为第一阶出射光，该第一阶出射光通过该入口孔径，至少有一部分的该第一阶出射光经由该反射内曲面映射反射后出光为第二阶出射光，也是映照出射光，经由出口孔径出光。以下举一些实施例来描述本发明，但是本发明不仅限于所举实施例。又、所举实施例的实施例之间也可以相互结合。
图9绘示依据本发明实施例，集光系统结构剖面示意图。参阅图9，集光系统900例如是由二个具有聚光能力的聚光元件，以共焦或是在一范围内大致上共焦方式所构成，例如聚光元件902与反射曲面元件904共焦方式所构成。聚光元件902包含具有第一焦点903的内凹反射曲面。于此，第一焦点903也代表一个焦区，焦区的大小例如是取决于曲面制作的精密度或是设计需求。又、反射曲面例如是金属表面反射层或是其他材料构成反射效果的材料结构。聚光元件902的曲面，例如是抛物曲面，以第一焦点903为其几何焦点。然而聚光元件902的曲面不限于抛物曲面。能达到聚焦的其他曲面结构也都可以使用，而其中抛物曲面仅是较佳的实施例。聚光元件902接收与聚集入射光901的一部分，其会被反射通过第一焦点903，从聚光元件902的出口孔径906出射，例如是孔径906，提供第一阶出射光907。
反射曲面元件904，也是光学反射映射元件904，例如也包含具有第二焦点905的反射内曲面909。反射曲面元件904也有入口孔径，例如也是孔径906，接收第一阶出射光907。然而，本发明是将第一焦点903与第二焦点905以共焦或是约略共焦的方式设置。于此，基于制造的准度或是设计上的需要，第一焦点903与第二焦点905是在一范围内大致上共焦即可，无需绝对共焦。由于共焦的设置，由聚光元件902产生通过第一焦点903的第一阶出射光907，也同时通过第二焦点905。反射曲面元件904的结构与聚光元件902类似但是相对设置，其曲面的结构例如较佳也是抛物面的设计。由于共焦设计，第一阶出射光907也是通过反射曲面元件904的第二焦点905，而从内层反射曲面909反射，再由出口孔径910出射。由于反射内曲面是抛物面的设计，因此第二阶出射光908仍维持原入射的方向，有助于后续例如应用在太阳电池上，控制成为入射角的效果。第二阶出射光908是映照出射光908，不需要混光。又、聚光元件902与反射曲面元件904在结构上可以是个整合的结构体，或是如塑料的注塑成型的单体，其无需对准。
又、如果反射曲面元件904在光轴方向上的深度较浅，其会导致第一阶出射光907的边缘部分的入射光被反射通过焦点905后，没有被反射曲面元件904接收反射回到原行进方向，而从侧边射出。然而，此没有被映射的部分不大，且例如可以调整反射曲面元件904的深度解决。本发明可以应用在影像光学或是非影像光学。
图10-15绘示依据本发明多个实施例，集光系统的结构剖面示意图。参阅图10，本实施例的二个曲面的结构如图9的结构，有聚光元件1000与反射曲面元件1002，通过接合结构1004组合而成，例如可以是一体的结构。一部分的入射光1006，其光路径如图9所示，可以以几乎垂直的小入射角条件，均匀且聚集入射于接收元件1010，例如是太阳芯片上。另外一部分的入射光可通过另外次级聚光元件1008来接收。次级聚光元件1008例如是凸透镜，也具有焦点，将一部分入射光聚焦，但是焦点一般例如设置在接收元件1010之上方，以允许由次级聚光元件1008接收的光通过孔径，而入射到接收元件1010。由于次级聚光元件1008的焦点不是在接收元件1010上，可以避免在接收元件1010上造成光强度分布不均匀产生热点(hot spot)。于本实施例，次级聚光元件1008是凸透镜，且凸透镜的焦点与其他焦点也大致上重叠，然而透镜的焦点位置可依实际需要调整。
于此，次级聚光元件1008的设置，可以有多种支撑方式，例如支架支撑，又或是将次级聚光元件1008直接制作或是粘置在透明板1005或支架上后，再将透明板1005架置或是覆盖在聚光元件1000的入光面之上。
参阅图11A，在此实施例，根据光学的设计可以将图10的次级聚光元件1008的透镜结构改为Fresnel镜片1012。Fresnel镜片1012也可以达到聚焦的效果。参阅图11B，类似地，次级聚光元件1008也可以采用尖锯齿状全反射透镜(TIR)1014，以得到高光学密集度。
前述的一些实施例是根据图9的机制所做的设计变化，其聚光元件902例如以反射的方式达成。而一些较常见的反射式集光元件，例如是RXI或是Cassegrain的设计，如图12A与图12B，也可在这些集光元件的第一焦区设置反向共焦的反射曲面元件，来达到出光区域有较均匀照度的目的。
图12A绘示依据本发明实施例，为RXI聚光元件和反射曲面元件共焦的结构剖面示意图。图12B绘示依据本发明实施例，为Cassegrain聚光元件和反射曲面元件共焦的结构剖面示意图。参阅图12A，本发明的集光系统1500的聚光元件例如与图5的聚光机制相似，通过实心的集光器于聚光后仍维持顺向进入本发明的二次光学元件506。本发明的二次光学元件506例如是在实体元件中挖空，通过曲面的调整达到反射聚光的效果。如图12A所示的一种方式，可以例如镀上反射层，达到聚光的反射曲面。
参阅图12B，其聚光元件与图6的集光机制相似，然而二次光学元件606例如是在实体元件中挖空，通过曲面的调整达到反射聚光的效果。如图12B所示的一种方式，可以例如镀上反射层，达到聚光的反射曲面。换句话说，本发明利用反射曲面的方式设计二次光学元件，以使光较均匀且以较小的入射角进入太阳能芯片。
然而聚光元件902也可以通过折射的方式达成。参阅图13，另一种设计是将聚光元件902例如以折射式聚焦元件1016取代，其还例如可为单片的全反射式折射镜(TIR lens)，其在大面积下接收入射光，但是将其焦点设置成与反射曲面元件1018的焦点共焦，如此入射光通过孔径1019，被聚集转换到反射曲面元件1018而出射到接收元件1010。
前述的一些实施例，聚光元件与反射曲面元件例如是空心的结构，通过内凹的反射曲面机制来达成聚焦的功能。然而，要达到所要反射曲面也有其他方式达成。从所要的光学特性来看，整个集光系统也例如可以由实体的透光材料体，例如玻璃来达成。通过透光材料体的折射系数与空气的差异，在介面上产生内全反射，再配合介面的曲率产生反射曲面。
参阅图14，集光元件1020例如可以是实体的透光材料，其包含上部聚光元件1020a与下部的反射曲面元件1020b所构成。聚光元件1020a与空气的介面，配合其折射系数的大小，构成内全反射曲面1021a。反射曲面元件1020b与空气的介面，配合其折射系数的大小，构成另一个内全反射曲面1021b。经反射通过焦区的对应部分入射光，可以再被内全反射曲面1021b反射，以小角度入射到接收元件1022。
参阅图15，配合实体的结构以及考虑到中心部分的入射光，可以依需要在入射面上设计出次级聚光元件1026。例如是凸透镜效果的聚光元件。集光元件1024的其他结构与图14相似，通过内全反射达成反射曲面的效果。另外，次级聚光元件1026有可以不是凸透镜的结构，而例如以锯齿状形状或是Fresnel lens等聚光结构来达成。
图16绘示依据本发明实施例，集光系统的结构剖面示意图。参阅图16，本实施例是采用空心设计的聚光元件1030与反射曲面元件1032所组合的集光元件，另外在中央部位再配置例如是Fresnel镜片的次级聚光元件1012。聚光元件1030与反射曲面元件1032之间有共用的孔径，使入射光通过后到达接收元件1022。由次级聚光元件1012产生的光不经过反射曲面元件1032的作用，直接入射到接收元件1022，然而其入射角仍维持在小角度。
以图16的结构为例，分析通过二次光学前和后的辐射强度(radiantintensity，W/sr)和辐射照度(Irradiance，W/m2)的差别。二次光学元件例如是反射曲面元件。由辐射强度分析可以知道入射光的角度分布；而辐射照度分析则可知道在接收元件上的空间分布。例如，分析条件例如是将聚光倍率设定为800倍，太阳入射能量设定为1,000W/m2，模拟用的完美吸收体设定于该反射曲面元件的上方。此分析的情形是在反射曲面元件的入口处。
图17为在图16中的入口孔径上的强度分析图。也就是说入射光尚未经过反射曲面元件1032的作用所到的角度分布。于此，反射曲面元件1032是提供光学反射映射的作用。在中间±18°的范围为中央Fresnel镜片1012所造成的入射角度，而在±40°到90°的角度范围为聚光元件1030的反射内曲面所产生。由此分析图可发现大角度入射角的强度较低。如果直接将芯片直接设置在孔径上，会导致芯片吸收的能量较低和不易吸收等现象，其是因为很多反射光发生在空气与晶片表面之间，其会在大入射角度饱和。
图18则是反射曲面元件1032上方的辐射照度分析图。太阳能入射能量为1,000W/m2，而此时的照度分析可看出其局部聚光倍率已高达1.7*109W/m2，相当于是1.7*106倍的太阳光。此高聚光倍率的照度分布，若应用在太阳光电聚光器上，不但会照成太阳能芯片强烈的热应力集中，导致芯片的损坏，而此不平均的照度，也会照成芯片光电转换效率的降低等缺点。
图19为反射曲面元件下方，在接收元件上的强度分析图。由放大的强度分析图可以看出，虽然还是有为中央Fresnel镜片所造成的0°到18°入射角度，但是几乎大部分的出射光都以相当大的光强度，以0度的角度入射芯片。又、假如考虑太阳光的正向角度，仍可以得到低于±10°的角度分布。
图20是在反射曲面元件下方的接收元件上的照度分析示意图。由图20可以看出，其中间局部的最高聚光照度为1.2*106W/m2，在对应800聚光比下，约相当于1,200倍的太阳照度，而周围被光学映射(mapped)的区域则是呈现一个相当均匀的照度分布。又、中间的照度可以被设计成如反射映像光照度的均匀程度。
由图19和图20的辐射强度和照度分析后，可得知经过本发明的集光系统，在太阳能芯片接收端不但可得到较小较垂直的角度入射芯片，使得太阳能芯片的吸收率大为提升；其平均的照度分析也可使芯片的使用率高而提升其芯片的光电转换效率；而其平均的照度也不会有热点(hot spot)效应，此优点不但在封装及散热的工程上不会有较高的技术门槛需要去克服，且也对于设计更进一步高倍率(～2,000X)的太阳能聚光模块其可行性提高。
图21绘示本发明实施例，抛物面-椭圆面共焦的剖面结构示意图。参阅图21，反射曲面的设计多种设计。由于二次函数曲线自然就有其焦点的存在，因此是优选可以直接利用的一种曲面。本实施例中的聚光元件1034仍例如维持是抛物面，而反射曲面元件1036例如是椭圆曲面。椭圆的数学特性为具有双焦点的曲面，经过第一焦点的光线经过椭圆的内层反射后，会改变光的入射角度进入第二焦点。
图22～图23绘示依据本发明实施例，分别为在反射曲面元件1036入口的照度和强度分析示意图。图24～图25绘示依据本发明实施例，分别在反射曲面元件1036出口孔径或是接收体上的照度和强度分析图。
参阅图23和图25，二个空间分布并无太大的改变。参阅图22和图24，角度分布由原先的大角度分布，其是中央的0°～到±18°及外围的±40°～90°改变为较小的角度分布0°～±40°。而由光强度和照度的分析可得到一个结论。此抛椭共焦的机制，在中间还搭配集光镜的发明，可以在不改变照度的情况下，达到以较小的角度入射接收体。其中，较小的入射角会有较高的光学效率。又在本发明中，在接收体的入射角可以设计成收敛在20度内。针对曲面的设计，除了采用抛物面与椭圆面的设计与组合外，其也可以是多种曲面的组合，又当应用在大的太阳能集光系统时，曲面也可以例如利用多部分小平面组合成的所要的曲面。例如，其是以不同半径的多个小平面环所构成，以适当的斜角来反射光，且以一个接一个连接组合或是同心迭置的方式组合，如此由每一个环的平面所反射的光会被聚集在一焦区。
又、前述所举的一些实施例是剖面结构。依照一般的设计，其例如是中心对称的结构。换句话说，例如在与入射光垂直方向的横截面结构，其边缘例如是圆形。然而，当接收元件的面积形状是矩形时，其结构也做适当的变化。
图26～图27依据本发明一些实施例，集光系统的结构透视示意图。参阅图26，例如以图14的剖面结构为例，其聚光元件1040与反射曲面元件1042在另一个方向的横截面是四方形，其还例如是正四方形或是矩形，其中矩形依实际需要会较有效率。如果聚光元件1040与反射曲面元件1042是实体结构，其内部1044是相同材料或是折射系数接近的二个材料所组成。然而，若是以图9的设计为基础，则内部1044例如是空心的设计。
参阅图27，依照相同原则，次级聚光元件1046可以再配置在中心部位，以调整中心区域入射光的入射角度。次级聚光元件1046例如是凸透镜的结构或是锯齿状结构或是线形Fresnel聚光的结构。而如图26所述，其内部1044可以是实心或是空心的设计。
在前述的实施例中，虽然在底部的二次光学(secondary optical)元件是以能产生焦区的曲面来构成，其在横截面上曲线是曲率不为零的曲线。然而，反射表面元件可以有两种可能的结构，其一是截面曲线的曲率也可以为零，即是直线的设计；其二是反射表面元件是由多个平面所组成，例如是四个阶梯状的平面或是四个四方平面所构成的完整反射面。图28绘示依据本发明另一实施例，集光系统的结构剖面示意图。参阅28，本实施例的集光系统2000，包括聚光元件2001，该聚光元件拥有第一反射曲面2002，该聚光元件2001接收入射光2003的至少一部分光，经过第一反射曲面2002反射后聚集且通过第一焦区2004后顺向出射，得到第一阶输出光2009。反射面元件2005，拥有入口孔径2006，第二反射面2007，出口孔径2008。该反射面元件2005，其例如是锥状的形状，锥状的形状在横剖面上的曲线是曲率为零的倾斜直线，基本上无需构成有焦区的聚光能力。该入口孔径2006接收该第一阶输出光2009，使至少一部分的该第一阶输出光，通过该第二反射面2007反射得到顺向出射的第二阶输出光2010。
图29A-图29C绘示依据本发明另一些实施例，在图28的集光系统中二次光学结构的剖面示意图。参阅图29A，如果横截面的形状是矩形，则矩形的一对侧边线是平行的。因此，对于入射角为θg的光线，其入射于工作元件2006的入射角为θc，θg＝θc。此设计可用在较小接收角度，如此则入口孔径会增加。
参阅图29B，又此对侧边线是渐大的锥形侧边线，其对于入射角为θg的光线，其入射于工作元件2012的入射角为θc，θg＞θc。此设计可让入射该工作元件的角度较小，达到较高的光学效率。
参阅图29C，又此对侧边线是渐缩的锥形侧边线，其对于入射角为θg的光线，其入射于工作元件2012的入射角为θc，θg＜θc，其中有一些大角度入射的光线，会被再度反射回去，不会进到工作元件2012，如图中的光路所示。而此设计会达到较大的入口孔径和较宽域的可接受角的目的，但是相对的，会牺牲一些光学效率。
虽然图29A～图29C的设计之间有一些差异，但是依照实际的设计需要都可以采用。
图30～图31绘示依据本发明另一实施例，集光系统的结构剖面示意图。先参阅图30，又配合先前描述的聚光元件2011，也可以将另一部分入射光接收、聚集以及出射到工作元件2012，达到光能的转换应用，光路径及结构示意图如图中所示。在本实施例中，二次光学的反射曲面元件2005无需有焦区的产生。
参阅图31，依照相同的设计原则，例如采用实心体的具体实施例，其通过光学的内全反射达到反射曲面的效果。与图15类似，可以更设计凸出外型3001的结构，将属于中间区域的光聚集后一并输出。依照二次光学的反射面元件2005机制，其也以有一些变化，且产生的效果也有一些差异，但是仍维持基本的设计原则。
本发明的光学设计若用在太阳热能(solar-thermal)的集光系统上，则不但可以增加此集光系统的可接受角(acceptance angle)、可达到高照度的集光倍率、和达到小角度入射达到高吸收的光学效能。且接收体设置在聚光结构下方的设计，不但在能量转换系统的设计上较容易实施；而上方的覆盖层结构也可降低集光系统的维护清洁等费用，解决全部的集光镜面暴露在外时，不稳定的天气照成镜面的刮伤、磨损、积水，和尘土、鸟粪等等异物造成镜面的脏污。
在上述实施例中，此二个聚焦区是共焦的组合。然而，此二个聚焦区也可以是大致上共焦的设置，其允许相互之间在入口孔径的半径范围内有移位的情形。图32～图34绘示依据本发明另一些实施例，集光系统是大致上共焦设置的结构剖面示意图。
参阅图32，第一焦区903是对应主光学元件，焦区905’是对应二次光学元件，其例如是抛物面。假设二次光学组件的位置是从焦区位置向下移动，同时焦区905’如箭头所示向下移动。光路径被仿真。其结果，由二次光学元件反射的光会较为发散。参阅图33，二次光学元件如箭头所示是向上移动。于此情形，由二次光学元件反射的光会较为收敛。一般而言，离焦的组态可依照实际设计需来设定。焦区905’相对于焦区903可以在入口孔径半径范围内被移位。换句话说，依照照度均匀的考虑，二个焦区可以是共焦或是大致上共焦在一范围内，其较佳例如是在入口孔径的半径范围内。
参阅图34，其是模拟结果。当焦区905’被往上移动到某一距离，反射光可能由足够的收敛以全部覆盖的接收元件1010。于此，入射光的中间部分可以被使用，也可以不被使用，其依据实际需要而定。然而于图34的情形，当希望得到在接收元件1010的表面有较佳的均匀照度，则入射光的中间部可以被忽略。对接收元件1010的入射角仍能维持小角度。
图35绘示依据本发明一集光系统的照射示意图。参阅图35，其是在图34的情形下在接收元件的照度分布的模拟分布。照度相当均匀。
在集中型太阳能光电(CPV)系统的应用上，照度均匀是与芯片效率相关。太阳芯片可以设计成有一理想集光倍率，例如是1000X。然而，假如照度不均匀，其接收元件的局部区域，有5％可能会达到20,000X。其芯片的实际光填入率(light fill factor)为0.58，而芯片的效率为17％。然而对于太阳芯片是1000X相同要求下，本发明可以在整个光区域都大致上维持1000X的倍率，因此光填入率例如可以达到85％。其结果，芯片的操作效率可以达到24％。
从另一个角度来看，本发明提出一设计参数，可称为局部集光比r，其定义为：
(1)r＝局部最高聚倍率/几何聚光倍率
(peak concentration)/(geometrical concentration)。
几何聚光倍率定义为“光学面积/芯片面积”。局部最高聚倍率是照度分布中的最大强度，其一般是对应到局部高强度的区域。以几何聚光倍率为500X的菲涅耳透镜为例，其局部最高聚倍率约为2,500X，如此局部集光值r为5。本发明的局部集光比值r可以减少到5或更少。本发明以提出的局部集光比r检视一些传统设计方式，其平均值约在8。这表示说传统太阳芯片的局部集光太强，导致低的转换效率。
更进一步在集热器的应用上，如在太阳热光电(thermophotovoltaics，TPV)或是太阳发电(concentrating solar power，CSP)系统中的太阳热能，其照度的均匀性不需要太大考虑。取代的是要考虑进入到接收元件的入射光总能量，其中小区域的热点可以被接受。就考虑小角度分布的需求，本发明的二个焦区可以是共焦或是在一范围内大致上共焦，其较佳方式例如是在入口孔径的直径范围或是更大。
图36绘示依据本发明另一些实施例，一集光系统的剖面示意图。参阅图36，二次光学组件1036产生聚集光束，以小入射角度入射到接收元件1022。如此，二次光学元件1036例如可以是椭圆的截面，具有二个焦区。此二个焦区其一是与聚光元件1034的焦区耦合，且此二个焦区的另其一焦区例如设置在接收元件1022上。其结果，被收集的光可以被聚焦在接收元件1022上。接收元件1022将光能转换成为热能。本发明利用反射式的二次光学元件设计，在最佳化的设计上，其光线可以较小的角度入射芯片吸收面，有效地降低入射芯片吸收面角度过大而反射散失的光线，进而有效提升芯片吸收效率。
就几何结构来看，结构简单、制造成本低且明显地改善传统微结构制造误差所造成的光学效率降低问题。本发明的集光系统有利于产业的制造。
至于在实际应用上，经聚光后的光能可以通过多种方式转换应用。光能转换装置的光能转换元件例如是将光能直接转换为电能的半导体元件。半导体元件元件可以是光电(PV)胞，包括例如是硅、III-V族化合物、铜铟硒(CIS)、铜铟镓硒(CIGS)和镉化碲(CdTe)等材料。
又从热能储存/转换装置的角度而言，热能储存/转换元件，至少接收聚集的输出光，将光的热能储存或转换成非光能形式的能量。热能储存/转换元件也例如是将光的热能直接储存的热接收器。热接收器例如包括直接受热型接收器或是以液态钠为媒介的热接收器。又、热接收器例如负责吸收光的热能并转换至引擎内的工作气体。引擎包括例如是史特灵引擎(Stirling engine)或是布雷顿引擎。
又、热能储存/转换元件例如是将光的热能用来热解液体的产氢元件。液体包括例如是水或是甲醇。
又热能储存/转换元件例如是用热-电化学方法的产氢元件。
虽然结合以上优选实施例披露了本发明，然而其并非用以限定本发明，任何本领域一般技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，可作一些的更动与润饰，因此本发明的保护范围应以附上的权利要求所界定的为准。

Claims (50)

1.一种集光系统，包括：
聚光元件，接收入射光的至少一部分光，使聚集且通过第一焦区后顺向出射，得到第一阶输出光；
反射曲面元件，有入口孔径接收至少该第一阶输出光，其中该反射曲面元件包含具有第二焦区的反射内曲面，该第一焦区与该第二焦区是共焦或是在一范围内大致上共焦，使至少一部分的该第一阶输出光，通过共焦转换得到顺向出射的第二阶输出光；以及
出口孔径，被用以传送至少一部分的该第二阶输出光到一目标区域，使至少该第二阶输出光被接收；
其中，该聚光元件还包括位于中央部位的聚光结构，接收该入射光的一中间部分光，如此得到一中间聚焦光，该中间聚焦光不经过该反射曲面元件的作用，直接入射到接收元件。
2.如权利要求1所述的集光系统，其中该聚光元件包括锯齿状结构聚光元件、卡塞格林聚光元件，或是折射-反射-全反射聚光元件。
3.如权利要求1所述的反射曲面元件，其中该反射内曲面包括抛物面、双曲面或是椭圆曲面。
4.如权利要求1所述的集光系统，其中该聚光元件与该反射曲面元件是实体光学结构，该聚光元件包含具有该第一焦区的第一内全反射曲面，该反射曲面元件具有该二焦区的第二内全反射曲面当作该反射内曲面。
5.如权利要求4所述的集光系统，其中该聚光结构为聚光曲面且该中间聚焦光通过该反射曲面组件的该入口孔径后，与该第二阶输出光合并由该出口孔径输出。
6.如权利要求1所述的集光系统，其中该聚光元件包含具有该第一焦区的集光反射曲面。
7.如权利要求6所述的集光系统，该聚光结构为位于中心的次级聚光元件且该中间聚焦光通过该反射曲面组件的该入口后与该第二阶输出光合并由该出口孔径输出。
8.如权利要求7所述的集光系统，其中该次级聚光元件包括凸透镜、菲涅耳透镜或是锯齿状结构聚光元件。
9.如权利要求7所述的集光系统，还包括支撑结构，以支撑该次级聚光元件。
10.如权利要求6所述的集光系统，其中该反射曲面元件是金属表面反射曲面。
11.如10所述的集光系统，其中该反射曲面例如包括是抛物面、双曲面或是椭圆曲面。
12.如权利要求1所述的集光系统，其中构成该第一焦区与/或该第二焦区的曲面结构是多种曲面的组合。
13.如权利要求1所述的集光系统，其中构成该第一焦区与/或该第二焦区的曲面结构是由多部分平面所组合成的曲面。
14.如权利要求1所述的集光系统，其中该第一聚光元件与该反射曲面元件是固定接合的结构单体或是一体成型的结构。
15.如权利要求1所述的集光系统，其中该聚光元件与该反射曲面元件是金属表面反射元件。
16.如权利要求1所述的集光系统，其中该反射曲面元件的该反射内曲面所构成的该第二焦区是点状区域。
17.如权利要求16所述的集光系统，其中该反射曲面元件的该反射内曲面是中心线圆形对称。
18.如权利要求1所述的集光系统，其中该反射曲面元件的该出射曲面所构成的该第二焦区是线状区域。
19.如权利要求18所述的集光系统，其中该反射曲面元件的该出射曲面，在接收该入射光的横切方向上包含有矩形横截面。
20.一种光能转换装置，包括：
聚光元件，接收入射光的至少一部分光，使聚集且通过第一焦区后顺向出射，得到第一阶输出光；
反射曲面元件，有入口孔径接收至少该第一阶输出光，其中该反射曲面元件包含具有第二焦区的反射内曲面，该第一焦区与该第二焦区是共焦或是在一范围内大致上共焦，使至少一部分的该第一阶输出光，通过共焦转换得到顺向出射的第二阶输出光；出口孔径，被用以传送至少一部分的该第二阶输出光到一目标区域，使至少该第二阶输出光被接收；以及
光能转换元件，至少接收该第二阶输出光，将光能转换成非光能形式的能量；
其中，该聚光元件还包括位于中央部位的聚光结构，接收该入射光的一中间部分光，使聚集该入射光的该中间部分光成为第三输出光，该第三输出光不经过该反射曲面元件的作用，直接入射到接收元件。
21.如权利要求20所述的光能转换装置，其中该反射曲面元件的该反射内曲面所构成的该第二焦区是点状区域。
22.如权利要求21所述的光能转换装置，其中该反射曲面元件的该反射内曲面是中心线圆形对称。
23.如权利要求20所述的光能转换装置，其中该反射曲面元件的该反射内曲面所构成的该第二焦区是线状区域。
24.如权利要求23所述的光能转换装置，其中该反射曲面元件的该反射内曲面，在接收该入射光的横切方向上包含有矩形横截面。
25.如权利要求20所述的光能转换装置，其中该光能转换元件包括至少光电胞或是热能存储/转换元件。
26.一种集光方法，包括：
提供聚光元件，接收入射光的至少一部分光，使聚集且通过第一焦区后顺向出射，得到第一阶输出光；
提供反射曲面元件，该反射曲面元件有入口孔径以及具有第二焦区的反射内曲面；以及
设置该反射内曲面的该第二焦区与该第一焦区为共焦或是在一范围内大致上共焦，以接收该第一阶输出光，使至少一部分的该第一阶输出光，通过共焦转换得到顺向出射的第二阶输出光；
其中，该聚光元件还包括位于中央部位的聚光结构，接收该入射光的一中间部分光，使聚集该入射光的该中间部分光成为第三输出光，该第三输出光不经过该反射曲面元件的作用，直接入射到接收元件。
27.如权利要求26所述的集光方法，其中接收该入射光的步骤是使用锯齿状结构聚光元件、卡塞格林聚光元件，或是折射-反射-全反射聚光元件接收该入射光。
28.如权利要求26所述的集光方法，其中该第三输出光通过该反射曲面元件的该入口孔径，且与该第二输出光与该第三输出光合并输出。
29.如权利要求26所述的集光方法，其中所提供的该反射曲面元件的该第二焦区是点状区域。
30.如权利要求29所述的集光方法，其中所提供的该反射曲面元件的该反射内曲面是中心线圆形对称。
31.如权利要求26所述的集光方法，其中该反射曲面元件的该第二焦区是线状区域。
32.如权利要求31所述的集光方法，其中该反射曲面元件的该反射内曲面，在接收该入射光的横切方向上包含有矩形横截面。
33.一种集光系统，包括：
聚光元件，有第一反射内曲面，该聚光元件接收入射光的至少一部分光，经由该第一反射内曲面聚集且通过第一焦区后顺向出射，得到第一阶输出光；
反射面元件，有入口孔径接收该第一阶输出光，其中该反射面元件包含第二反射内曲面，使至少一部分的该第一阶输出光，通过该第二反射内曲面得到顺向出射的第二阶输出光；以及
出口孔径，被用以传送至少一部分的该第二阶输出光到一目标区域，使至少该第二阶输出光被接收；
其中，该聚光元件还包括位于中央部位的聚光结构，接收与聚集该入射光的一中间部分光，以得到一中间聚集光，该中间聚集光不经过该反射曲面元件的作用，直接入射到接收元件。
34.如权利要求33所述的集光系统，其中该反射面元件的该第二反射内曲面的侧截面曲线是曲率不为零的曲线，具有第二焦区。
35.如权利要求34所述的集光系统，其中该反射面元件的该第二反射内曲面的该第二焦区和该第一反射内曲面的该第一焦区的设置为共焦或是在一范围内约略共焦。
36.如权利要求33所述的集光系统，其中该反射曲面元件的该第二反射内曲面的侧截面上的一对侧边线是曲率为零的一对直线。
37.如权利要求36所述的集光系统，其中该对直线是平行、锥形渐缩倾斜或是锥形渐大倾斜。
38.如权利要求33所述的集光系统，其中该聚光元件与该反射面元件是实体光学结构，该聚光元件包含具有该焦区的第一内全反射曲面，该反射面元件有内反射或是第二内全反射曲面当作反射内曲面。
39.如权利要求38所述的集光系统，其中该聚光结构为聚光曲面，该中间聚集光经通过该反射面元件的该入口孔径后，与该第二阶输出光合并由该出口孔径输出。
40.如权利要求33所述的集光系统，其中该聚光结构为位于中心的次级聚光元件，该中间聚集光通过该反射曲面元件的该入口孔径，与该第二输出光合并由该出口孔径输出。
41.如权利要求40所述的集光系统，其中该次级聚光元件包括透镜、菲涅耳透镜或是锯齿状结构聚光元件。
42.如权利要求40所述的集光系统，还包括支撑结构，以支撑该次级聚光元件。
43.如权利要求40所述的集光系统，其中该反射面元件是金属表面反射曲面。
44.如权利要求34所述的集光系统，其中该第二反射内曲面是抛物面，双曲面或是椭圆面。
45.如权利要求33所述的集光系统，其中构成该第一焦区的该反射内曲面结构是多种曲面的组合。
46.如权利要求33所述的集光系统，其中构成该第一焦区的该反射内曲面结构是由多部分平面所组合成的曲面。
47.如权利要求33所述的集光系统，其中该聚光元件与该反射曲面元件是固定接合的结构单体，或是一体成型结构。
48.如权利要求33所述的集光系统，其中该聚光元件与该反射面元件是金属表面反射元件。
49.如权利要求33所述的集光系统，其中该反射面元件的出射反射曲面，在接收该入射光的横切方向上包含有矩形横截面。
50.如权利要求33所述的集光系统，其中该反射面元件的该第二反射内曲面是椭圆面，具有第二焦区与第三焦区，其中该第二焦区与该第一反射内曲面的第一焦区是设置为共焦或是在一范围内约略共焦，且该第三焦区是安排在该目标区域。
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