CN101983434A - 高散热效率太阳能电池装置 - Google Patents

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Abstract

提供一种高散热效率太阳能电池装置，它包含一导热组件、一散热组件以及一能量转换组件。该导热组件包含一平坦部以及一接触部。该散热组件与该接触部接触并且包含数个鳍片。该能量转换组件设置于该平坦部上并包含一半导体结构，用以将光转换为电。在能量转换运作中，该半导体结构吸收的热可经该平坦部传导至该导热组件及该散热组件，再由这些鳍片散逸出去。借此，避免该半导体结构过热而影响能量转换效率。

Description

高散热效率太阳能电池装置 技术领域 本发明涉及一种太阳能电池转换装置，特别涉及一种具有散热结构的太 阳能电池转换装置。
不 Γ^
随着石油能源日渐耗竭， 对各种替代能源的需求急速成长，, 在同时顾及 对生态环境的冲击， 以太阳能、 风力、 水力为发展主轴。 其中又以太阳能最 为持续且丰沛不绝。从太阳表面所放射出来的能量，换算成电力约 3.8 X 1023 kW， 太阳光经过一亿五千万公里的距离， 穿过大气层到达地球的表面仍约 有 1.8 X 1014 kW， 这个数值大约为全球平均电力的十万倍大。 若我们能够有 效地运用此能源， 则不仅能解决消耗性能源的问题， 连环保问题也可一并获 得解决。
在光电转换的过程中， 事实上， 并非所有的入射光谱都能被太阳能电池 所吸收， 并完全转成电流。 有一半左右的光谱因能量太低 (小于半导体的能 隙)， 对电池的输出没有贡献， 而再另一半被吸收的光子中， 除了产生电子 电洞对所需的能量外， 约有一半左右的能量以热的形式释放掉， 所以以目前 常见的太阳能电池材料中， 单一电池的最高效率约在 20〜30%左右。 因此， 有一半以上输入的太阳能皆以热的形式影响着太阳能电池，而过高的工作温 度将使太阳能电池的光电转换效率下降， 如此将恶性循环， 使得有更多的输 入的太阳能以热的形式消耗， 再进一步恶化太阳能电池的光电转换效率。
此外， 为有效撷取足够的电能， 常使用总面积较大的太阳能电池模块。 使用大面积的太阳能电池模块也代表着将有更多、更集中的热会产生以及散 热难度的提升， 使得前述的恶性循环将更形严重。 从转换效率来看， 此种大 面积的太阳能电池模块的总转换效益往往因此而下降，进而使得太阳能电池 不易实现于较高功率消耗的应用上。 并且， 传统的太阳能电池模块通常固定 不动， 其所能吸收的太阳能将因太阳能辐射方向不同而有所不同， 亦即其能 量转换功率将因时间而有所不同， 也就是说不能充分利用太阳能。 以上种种原因使得太阳能电池无法有效提升能量转换效率及功率， 因此 有需要提供一种具有能有效散热的散热结构的太能阳电池转换装置， 以解决 上述问题。
发明概要
本发明的目的是提供一种太阳能电池装置， 具有高散热效率的散热结 构。
本发明的太阳能电池装置包含一导热组件、一散热组件以及一能量转换 组件。该导热组件包含一平坦部以及一接触部。该散热组件与该导热组件的 该接触部接触， 并且包含数个鳍片。该能量转换组件设置于该导热组件的该 平坦部上， 并且包含一半导体结构， 用以将光转换为电。 其中， 该半导体结 构为一硅基半导体太阳能电池、一化合物半导体太阳能电池、 一有机半导体 太阳能电池或其它可将光转换为电的半导体结构； 该导热组件包含一热导 管、 一热导柱或其它具有高导热效率的材料。 此外， 当该导热组件包含一热 导管或一热导柱时，该导热组件的该平坦部可位于该热导管或该热导柱的一 顺°
由于有一半以上输入的太阳能将以热的形式被该半导体结构吸收，借助 本发明的配置，该半导体结构于能量转换运作中所产生的热即可经由与该能 量转换组件相接触的该导热组件的该平坦部， 传导进入该导热组件中。 该导 热组件再利用其结构本身的热传递机制将该传导的热再传递至该导热组件 的该接触部。例如， 一般热导管即利用管内液体蒸发以吸收汽化热而成为气 体， 该气体并以对流的方式流动至其它较冷的地方， 亦即当该气体触及较冷 的管壁时，将因热交换以释放其所吸收的汽化热而又凝结为液体，重复循环。 而与该气体接触的管壁则因此获得汽化热而升高温度，亦即将该气体所带的 热储存于该管壁上， 因此本发明的该导热组件的该接触部即可位于此等管壁 上。 传递至该接触部的热可再传导至与该接触部接触的该散热组件。 最后， 该热即可经由该散热组件的这些鳍片散逸出去， 进而达到散热目的。
为加强太阳能利用效率，本发明的太阳能电池装置进一步包含一集光组 件， 设置于该能量转换组件附近， 用以集中该光于该半导体结构上。 最简单 的集中方式之一便是利用杯状反射曲面以集中进入杯状反射曲面的光线， 因 此该集光组件可包含一杯状反射面，用以反射并集中该光以照射该半导体结 构上。此外， 可能基于实体配置的限制无法将该杯状反射面所反射的该光一 次集中于该半导体结构上。 因此， 本发明的该集光组件可进一步包含一反射 平面或一反射曲面， 用以反射由该杯状反射面反射的该光于该半导体结构 上。该反射平面具有改变该杯状反射面的将该光的集中方向， 而该反射曲面 除具有该反射平面所具有的功能外，更进一步将该杯状反射面所反射的该光 再集中。借此， 本发明的该集光组件可使得该半导体结构可获取远较传统太 阳电池所能获取更高的光能量， 并且利用该反射平面或该反射曲面， 形成多 次反射、 甚至是多次集中效果， 可突破该集光组件的几何设置的限制。
另外，欲突破前述因该杯状反射面反射该光而可能产生各组件实体配置 的困境， 亦可利用正透镜以缩短该杯状反射面的反射集中焦距。 因此， 本发 明的该集光组件包含一正透镜，用以汇聚由该杯状反射面反射的该光于该半 导体结构上，亦即本发明的该集光组件亦可不利用二次反射亦能达到突破前 述实体配置的困境。
此外， 本发明的该集光组件亦可不利用该杯状反射面来集光， 而包含一 正透镜， 用以汇聚该光于该半导体结构上。 当然， 前述具有该杯状反射面的 该集光组件亦得包含一正透镜， 置于该杯状反射面之外， 亦即该光在被该杯 状反射面反射之前即先被该正透镜汇聚，然后再被该杯状反射面反射。借此， 该杯状反射面可反射更多的光线，亦即最后照射至该半导体结构的该光所含 的能量将更高。 因本发明的太阳能电池装置已克服散热问题， 因此含高能量 的该光并不会造成对该能量转换组件的该半导体结构的热负担， 反而可提高 该能量转换组件的能量转换功率。
在一较佳实施例中，本发明的太阳能电池装置的该能量转换组件包含一 基板以及一底座，该基板包含一第一凹陷部以及与该第一凹陷部连通的一第 二凹陷部， 该底座设置于该第二凹陷部内并包含朝向该第一凹陷部的一表 面， 该半导体结构位于该表面上， 该底座接触该平坦部。 其中该第一凹陷部 的一口径可小于该第二凹陷部的一口径使得该第二凹陷部具有一顶部，该底 座的该表面与该顶部接触， 以使得该底座可更稳固地设置于该第二凹陷内。 此外， 该半导体结构可先与该底座打线， 该底座再直接经由该第二凹陷部的 该顶部与该基板电性连接， 以达到该半导体结构与该基板电性连接的目的。 借此， 该半导体结构与该底座可先电性连接、 封装， 不必与该基板打线后才 封装。 亦即该半导体结构的封装可提前实施， 且简化封装环境， 增加封装稳 定性， 提升制程良率。 此外， 该底座借助与该第二凹陷部的该顶部直接电性 接触以达到电性连接的目的， 可提高电性连接的稳定性， 避免以打线、 封装 来达到电性连接所带来的不稳定性。
此外， 在该较佳实施例中， 该导热组件可包含一支撑部， 使得该基板可 稳固地固定于该支撑部上。 其中该基板为一硅基板、 一陶瓷基板、 一印刷电 路板或一金属基板； 该底座为一硅底座、 一陶瓷底座、 一印刷电路板或一金 属质底座。另外，利用制程整合技术，该半导体结构可直接成形于该底座上， 增加该半导体结构与该底座之间连接强度，亦即改善该半导体结构与该底座 之间的接触关系， 增加该半导体结构与该底座之间的热传导效率， 进而使得 该散热组件能更有效散逸该半导体结构于运作中所产生的热。
本发明的另一目的是提供一种太阳能电池装置，具有数个能量转换组件 以提供能量转换功率。
在此一范畴， 本发明的太阳能电池装置包含数个导热组件、 数个散热组 件、 数个能量转换组件以及一支架构件。 每一个导热组件包含一平坦部以及 一接触部。每一个散热组件对应地与这些导热组件其中的一个导热组件的该 接触部接触， 并且包含数个鳍片。每一个能量转换组件对应地设置于这些导 热组件其中的一个导热组件的该平坦部上，每一个能量转换组件包含一半导 体结构，用以将光转换为电。该支架构件连接这些导热组件或这些散热组件。
就单一导热组件、 单一散热组件、 单一能量转换组件而言， 其作动及其 连接关系均与并述本发明于前一个范畴中的太阳能电池装置所描述的相同， 在此不再赘述。 例如， 在此范畴中， 该太阳能电池装置亦可进一步包含数个 集光组件，每一个集光组件对应地设置于这些能量转换组件其中的一个能量 转换组件附近， 用以集中该光于该对应的能量转换组件的该半导体结构上； 该集光组件可包含一杯状反射面，用以反射并集中该光以照射该半导体结构 上； 该集光组件包含一反射平面或一反射曲面， 用以反射由该杯状反射面反 射的该光于该半导体结构上等等。
在本范畴，本发明的太阳能电池装置尚进一步包含一光强度感测组件以 及一控制电路， 其中该集光组件其上定义一集光方向， 该光强度感测组件感 测一光强度，该控制电路根据该光强度，转动该集光组件以调整该集光方向。 该光强度感测组件可直接感测太阳光辐射方向，例如利用三个方向相异的光 感测芯片来估算太阳光辐射方向。 因此该光强度可指一方向参数， 亦可再包 含一强度值。该控制电路即根据该光强度以调整该集光组件使得该集光方向 可大致平行于太阳光辐射方向。
在一较佳实施例， 该光强度感测组件包含一转动组件， 该控制电路控制 该转动组件以二维自由度转动该光强度感测组件。此二维自由度可为该光强 度感测组件的一旋转角以及一仰角。借此， 该光强度感测组件可仅包含单一 光感测芯片，该控制电路控制该转动组件以转动该光强度感测组件以获取不 同方向的光强度值， 并进而估算、 甚至是确认太阳光辐射方向， 并据之以调 整该集光组件使得该集光方向可大致平行于太阳光辐射方向。
在另一较佳实施例， 本发明的太阳能电池装置包含该控制电路， 但可不 包含该光强度感测组件。 该控制电路可根据一太阳方位数据库， 转动该集光 组件以调整该集光方向。因此该集光组件可随时维持获取较高的太阳能辐射 补充说明的是，该控制电路转动该集光组件的机构亦可如同该控制电路 转动该光强度感测组件的机构，以二维自由度来控制转动。由于该控制电路、 该光强度感测组件主要用以感测太阳光辐射方向以调整该集光组件以获取 最大的太阳能， 因此关于该控制电路、 该光强度感测组件的描述与应用， 于 前一个范畴亦有适用。 综上所述， 本发明的太阳能电池装置具有高散热效率的散热结构， 即前 述的导热组件及散热组件， 该散热组件且包含数个鳍片以加强散热， 并且该 导热组件可包含热导管，可有效地将该能量转换组件的该半导体结构于运作 中所产生的热传递至该散热组件，克服现有技术无法有效排热的问题。此外， 本发明的太阳能电池装置包含集光组件， 可有效集中太阳光， 提高该半导体 结构的能量转换功率。 并且进一步地， 本发明的太阳能电池装置包含该光强 度感测组件以及该控制电路， 以感测太阳能辐射方向， 并据以调的该集光组 件的该集光方向， 进而提升该半导体结构所吸收的该光的强度， 有助于该半 导体结构的能量转换功率。
附图说明
为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂， 下面将结 合附图对本发明的较佳实施例详细说明：
图 1是根据一较佳实施例的太阳能电池装置的正视图。
图 2是太阳能电池装置沿图 1中 X-X线的剖面图。
图 3是太阳能电池装置沿图 2中 Y-Y线的剖面图。
图 4是集光组件与能量转换组件的局部放大图。
图 5是图 4中杯状反射面的完整抛物面剖面轨迹。
图 6是根据另一较佳实施例的集光组件与能量转换组件的局部放大图。 图 7是根据一较佳实施例的集光组件与能量转换组件的局部放大图。 图 8是根据另一较佳实施例的集光组件与能量转换组件的局部放大图。 图 9是根据另一较佳实施例的集光组件与能量转换组件的局部放大图。 图 10A是图 2中能量转换组件与部分导热组件的放大图。
图 10B至 F是能量转换组件的各种结构变化的示意图。
图 11是半导体结构于运作中所产生的热的热传递路径的示意图。
图 12是根据一较佳实施例的太阳能电池装置的剖面图。
图 13A是根据另一较佳实施例的太阳能电池装置的示意图。
图 13B是根据一较佳实施例的太阳能电池装置的示意图。
图 14是根据一较佳实施例的太阳能电池装置的示意图。
图 15是该太阳能电池装置的该控制电路的控制功能方块图。
图 16是该太阳能电池装置的该集光组件转动工作原理的示意图。 图 17是根据一较佳实施例的该太阳能电池装置的该光强度感测组件转 动工作原理的示意图。
发明内容
请参阅图 1、 图 2以及图 3。 图 1是根据一较佳实施例的太阳能电池装 置 1的正视图。 图 2是太阳能电池装置 1沿图 1中 X-X线的剖面图。 图 3 是太阳能电池装置 1沿图 2中 Y-Y线的剖面图。根据该较佳实施例，本发明 的太阳能电池装置 1包含一导热组件 12、 一散热组件 14、 一能量转换组件 16、 一集光组件 18、 一后盖 20、 一隔板 22、 一通道 24、 数个 0型环 26a、 26b、 26c以及数个螺丝 28a、 28b 0 散热组件 14包含一管体 142、 数个鳍片 144以及连接管体 142与鳍片 144的肋 146。 请留意的是， 为表达能量转换 组件 16的几何关系， 因此图 1中未绘示出集光组件 18的透明隔板 184。 其中， 导热组件 12包含一热导管 122以及一支撑部 124。 热导管 122 亦得替换为热导柱， 或其它具有高导热效率的材料。 热导管 122插入散热组 件 14的管体 142内， 亦即热导管 122以其上的接触部与散热组件 14接触。 原则上， 热导管 122除了与支撑部 124及能量转换组件 16衔接处之外， 均 可做为接触部， 散热组件 14均可选择地与之接触。 能量转换组件 16则以螺 丝 28b固定于支撑部 124上，并且接触热导管 122。集光组件 18包含一壳体 182， 并以螺丝 28a固定于散热组件 14上， 并且包含一杯状反射面 186， 围 绕在能量转换组件 16旁。 为避免外部杂物碰损能量转换组件 16， 壳体 182 上得在设置透明隔板 184, 在不过度减损穿透后光线的能量而仍保有保护能 量转换组件 16的功能。 后盖 20以螺丝 28a与散热组件 14衔接， 隔板 22设 置于其间。 后盖 20与隔板 22可形成一容置空间 Sl， 可容置一些电路及其 电子组件等等。隔板 22亦同时与集光组件 18、散热组件 14的肋 146形成多 个容置空间 S2， 可供前述电路与能量转换组件 16电性连接的通道。通道 24 位于后盖 20上， 提供前述电路与外异电性连接的通道。通道 24主要借助两 个螺帽 242固定于后盖 20上， 并具有另一螺帽 244可供外部连接使用。 另 外， 各容置空间 Sl、 S2亦可借助使用 0形环 26a、 26b、 26c以达到密封的 效果， 并且该通道 24亦得使用防水设计， 以达到密封的效果。
请参阅图 4。 图 4是集光组件 18与能量转换组件 16的局部放大图。 图 4中带有箭头的细实线代表光的行进路径。图 4即绘示光在穿过透明隔板 184 后， 部分的光将被杯状反射面 186反射而改变行进方向， 而杯状反射面 186 可经由曲面设计以使得反射后的光可朝向能量转换组件 16行进。 借此， 本 发明的太阳能电池装置 1可扩大集光区域， 亦即增加吸收太阳能的总量。 一般而言， 当曲面为一拋物面时， 其反射焦点将在抛物面内。 请参阅图
5。 图 5是图 4中杯状反射面 186的完整抛物面剖面轨迹， 并以粗虚线表示。 当拋物线曲率越小， 代表其焦点越远离拋物线的顶点， 亦即代表图 5所示的 结构将无法直接适用， 换句话说就是在图 5 中的结构配置中的杯状反射面 186的开口无法扩大。 因此， 本发明的集光组件 18提供二次反射的设计， 使 得杯状反射面 186的焦点可以被反向而落于能量转换组件 16上， 并节省各 组件配置空间，使得本发明的太阳能电池装置 1整个体积不致过大而不实用。 请参阅图 6。 图 6是根据另一较佳实施例的集光组件 18与能量转换组件 16 的局部放大图。不同于图 4所示的较佳实施例，图 6显示尚包一反射平面 188， 用以反射由杯状反射面 186反射的光线，并使之集中照射于能量转换组件 16 上。
如图 6所示， 反射平面 188并非全部都会被使用到， 例如反射平面 188 的中央部分因杯状反射面 186中间部分未反射光线 (空间被集光组件 18配置 使用)而无使用的必要， 因此反射平面 188 的中央部分可镂空或是形成可逶 光部分， 以容许光线直接照射能量转换组件 16。 补充说明的是， 因为图 6 的反射平面 188因反射距离的关系， 因此透明隔板 184'略较图 4的透明隔板 184突出些， 以容纳反射平面 188。 当然， 反射平面 188亦得直接整合制作 于透明隔板 184'上， 例如在透明隔板 184'朝向能量转换组件 16的表面上涂 布反射材料于所需反射的区域， 如此透明隔板 184'即可不必过度突出。
另外， 图 6的反射平面 188亦得以一反射曲面 190代替， 如图 7所示。 图 7是根据一较佳实施例的集光组件 18与能量转换组件 16的局部放大图。 与图 6不同之处在于图 7以反射曲面 190代替反射平面 188。 由杯状反射面 186反射的光线将可由反射曲面 190进一步地反射且集中， 再照射至能量转 换组件 16上。如此可縮短反射曲面 190与能量转换组件 16间的距离， 亦即 图 6中的突出的透明隔板 184'无使用的需要， 同时可将光线更为集中在能量 转换组件 16的工作区域上。 当然， 反射曲面 190亦得整合在透明隔板 184 制程中，并且前述关于反射平面 188的制作方式、镂空设计，于此亦有适用。
请参阅图 8。图 8是根据另一较佳实施例的集光组件 18与能量转换组件 16的局部放大图。与图 6不同之处在在图 8中， 光线经反射后， 尚经一正透 镜 192聚光之后， 才照射能量转换组件 16。 应注意的是，' 图 8中正透镜 192 未绘示剖面线以使光线行进方向得以清楚显示。借此， 此正透镜 192亦有缩 短距离功用。 同理， 此与透镜 192的配置亦可适用于图 7所示的情形。
请参阅图 9。图 9是根据另一较佳实施例的集光组件 18与能量转换组件 16的局部放大图。 与之前的实施例不同之处在于， 集光组件 18直接使用一 正透镜 194聚光于能量转换组件 16上。 应注意的是， 图 8中正透镜 192未 绘示剖面线以使光线行进方向得以清楚显示。 因此， 透明隔板 184、 杯状反 射面 186、 反射平面 188及反射曲面 190均可不使用。 当然， 交互使用亦可 达到本明发所具备的功用。
补充说明的是， 前述各较佳实施例中的杯状反射面 186、 反射平面 188 及反射曲面 190的曲度、 光线行进路径均为示意， 非实体上的真实尺寸和真 实路径。 此外， 正透镜 192、 194亦不以双凸透镜为限， 甚至以平面数组排 列的透镜组亦可。
请参图 10A。图 10A是图 2中能量转换组件 16与部分导热组件 12的放 大图。本发明的太阳能电池装置 1的能量转换组件 16包含一基板 162、一底 座 164以及一半导体结构 166。 半导体结构 166用以将光转换为电。 其中， 半导体结构 166可为一硅基半导体太阳能电池、一化合物半导体太阳能电池、 一有机半导体太阳能电池或其它可将光转换为电的半导体结构；基板 162可 为一硅基板、 一陶瓷基板或一电路板； 底座 164可为一硅底座、 一陶瓷底座 或一金属质底座。 基板 162包含一第一凹陷部 1622以及与第一凹陷部 1622 连通的一第二凹陷部 1624， 底座 164设置于第二凹陷部 1624内并包含朝向 第一凹陷部 1622的一表面 1642， 半导体结构 166位于表面 1642上， 基板 162经由螺丝 28b固定于导热组件 12的支撑部 124上，底座 164接触导热组 件 12的平坦部 126。根据该较佳实施例，平坦部 126即位于热导管 122的一 另外，第一凹陷部 1622的一口径可小于第二凹陷部 1624的一口径使得 第二凹陷部 1624具有一顶部 16242， 底座 164的表面 1642与顶部 16242接 触， 以使得底座 164可更稳固地设置于第二凹陷 1624内。 其中， 前述口径 不限于圆孔形式，如图 1所示者，方形孔亦可。此外，所谓「第一凹陷部 1622 的口径可小于第二凹陷部 1624的口径」非仅指于第二凹陷部 1624的口径所 形成的截面完全遮盖住于第一凹陷部 1622的口径所形成的截面的情形， 仅 需可使得第二凹陷部 1624形成有顶部 16242， 底座 164的表面 1642得与之 接触即可。
补充说明的是， 图 10A实施例中， 所绘示的能量转换组件 16虽以一封 装材料 168同时封装基板 162及半导体结构 166。然而由于图 10A所示的结 构， 半导体结构 166可先与底座 164打线、 封装， 底座 164可再直接经由第 二凹陷部 1624的顶部 16242与基板 162电性连接， 以达到半导体结构 166 与基板 162电性连接的目的。 借此， 半导体结构 166的封装可提前实施， 且 简化封装环境， 增加封装稳定性， 提升制程良率。 此外， 虽然与半导体结构 166电性连接的底座 164亦可借助其与基板 162打线来达成电性连接的目的， 但是底座 164借助与第二凹陷部 1624的顶部 16242直接电性接触来完成电 性连接的目的， 可提高电性连接的稳定性， 并避免以打线、 封装以达成电性 连接所带来的制程不稳定性。
另外， 利用制程整合技术， 在一实施例中 (请参阅图 10B)， 底座 164可 以包含半导体结构 166， 即底座 164是 半导体芯片， 而半导体芯片包含半 导体结构 166，如此可以增加热传导效率，进而使得散热组件 14能更有效散 逸半导体结构 166于运作中所产生的热。并且整合的半导体结构 166与底座 164 (或半导体芯片） 可减少原来固晶制程的制程变量， 增加整个能量转换 组件 16的制程稳定性。 在图 10B中， 封装材料 168仍可省略或是保留以保 护半导体结构 166， 顺带一提的是， 图 10B所示突出的封装材料 168的轮廓 亦有助于汇聚入射的光射于半导体结构 166上。
在另一实施例中， 如图 10C所示， 能量转换组件 16可以包含基板 162 及半导体结构 166。 半导体结构 166则位于基板 162'的凹陷部 1622'的底部 16222上。 当然， 此时半导体结构 166亦得雷同图 10B所示者， 直接成形于 底部 16222， 如图 10D所示。 其中， 在图 10B中有关封装材料 168的说明， 于此亦有适用。 另外， 本发明的半导体结构 166亦得直接设置于一平面基板 上 162"， 而无需任何凹陷部的设计， 如图 10E所示。 同理， fc时半导体结构 166亦得直接成形于基板 162"上， 如图 10F所示。其中， 在图 10B中有关封 装材料 168的说明， 于此亦有适用。 此外， 在上述单一基板 162'、 162"上直 接形成半导体结构 166(如图 10D及 F所示)简化了图 10A所示的结构， 使能 量转换组件 16的主要组件能在制造半导结构 166的制程中完成， 大幅减少 制程变量， 并增加能量转换组件 .16的制程稳定性。
本发明中关于半导体结构 166于运作中所产生的热，其热传递路径的示 意图如图 11所示。 需注意的是， 为清楚表达热传递的路径， 因此简化图面， 并不依前述各图的比例绘示， 且亦不绘出剖面线， 并省略无关说明的组件。 半导体结构 166于运作中所产生的热直接以传导方式传递至底座 164， 再经 由平坦部 126传递至热导管 122。 位于平坦部' 126附近的热导管 122管壁即 吸收由底座 164传递而来的热。 热导管 122内含的液体 (未绘示出)接触到前 述管壁时， 吸收汽化热而成为气体， 在热导管 122的空腔内形成热对流。 该 热气体于接触到相对冷的管壁时， 即释放汽化热而回复成液体， 重复循环。 释放的汽化热及液体释放部分的热能即由与其接触的管壁吸收。当吸收热能 的管壁外部为与热导管 122接触的散热组件 14时， 储存于管壁的热即以传 导方式传递至散热组件 14。 此热在散热组件 14内部大部分以传导方式传递 至鳍片 144， 再由鰭片 144与外部空气以对流方式散热。
本发明因利用高导热效率的导热组件 12可迅速导散能量转换组件 16于 运作中产生的热， 使得能量转换组件 16可维持在较佳的工作温度下运作， 进而提升能量转换效率。 此外， 本发明使用的散热组件 14具有鳍片结构， 可加速该热散逸至空气中的速率， 使得导热组件 12可维持良好的热传导效 率。 根据该较佳实施例的太阳能电池装置 1， 鳍片 144沿热导管 122的轴向 延伸、 沿热导管 122的径向排列， 但本发明不以此为限。 导热组件 12的鳍 片 144'亦得沿热导管 122的径向延伸、 沿热导管 122的轴向排列， 其示意图 如图 12所示。补充说明的是， 图 12仅是示意图，细节部分可能与图 2不同， 并且仅标示主要几个组件编号以供识别。
请参阅图 13A。图 13A是根据另一较佳实施例的太阳能电池装置 3的示 意图。 与图 2的太阳能电池装置 1不同之处在于， 太阳能电池装置 3的集光 组件 18'非直接设置于能量转换组件 16旁， 而设置于能量转换组件 16的对 面。 如图 13A所示， 集光组件 18'的杯状反射面 186'朝向半导体结构 166， 集光组件 18'并以一支架 196与散热组件 14连接固定。 当然， 集光组件 18' 亦得以多个支架 196与散热组件 14更稳固地连接。 '图 13A中带箭头的细实 线即为光线行进路线。借此，相较于图 2的太阳能电池装置 1的集光组件 18， 太阳能电池装置 3的集光组件 18'可大幅扩大收集太阳能的面积， 并集中光 线于能量转换组件 16的半导体结构 166上。 图 13A所示的结构似较前各实 施例来的占空间。在一较佳实施例中， 可利用一正透镜 198来縮短杯状反射 面 186'与能量转换组件 16间的距离， 以改善配置空间， 如图 13B所示。 图 13B中的正透镜 198亦可借助支架 196来支撑。
在现有技术中，图 13A所示的结构产生的高热将会大幅降低太阳能电池 的能量转换效率， 甚至烧毁， 但在本发明中， 因为本发明的太阳能电池装置 3具有高散热效率的导热组件 12及散热组件 14所组成的散热结构， 因此半 导体结构 166仍能在适当的工作温度下运作， 以产生高功率的能量转换。补 充说明的是， 图 13A所示的结构， 原则上集光组件 18'将为整个装置的支撑 基础， 但因欲表达的重点不在此支撑基础上， 故未绘示于图 13A中。在实际 实现上， 应配合前述说明， 作必要的支撑基础设计。
本发明亦揭露一种整合式的太阳能电池装置，其将前述的太阳能电池装 置 1视为一个单元， 而将多个单元组合在一起以提供更高功率的能量转换。 请参阅图 14。 图 14是根据一较佳实施例的太阳能电池装置 5的示意图。 本 发明的太阳能电池装置 5包含数个导热组件 52、 数个散热组件 54、 数个能 量转换组件 56以及一支架构件 60。 除下述有特别描述或说明之外， 其余各 部件的说明或描述均与前述各实施例的说明或描述相同， 不再赘述。每一个 散热组件 54包含数个圆形鳍片。 每一个散热组件 54均固定在支架构件 60 上。 导热组件 52并且穿过支架构件 60， 使得对应每一个能量转换组件 56 的集光组件 58露出于支架构件 60外。
另外， 本发明的太阳能电池装置 5进一步包含一光强度感测组件 62以 及一控制电路。 该控制电路主要以一处理单元 64及连接光强度感测组件 62 及集光组件 58的线路。 该控制电路的控制功能方块图如图 15所示。光强度 感测组件 62可感测光线的光强度，处理单元 64即撷取该感测的光强度并根 据该光强转动集光组件 58的转动组件 582以控制集光组件 58的集光方向 Dl。 其工作原理请参阅图 16。 图 16仅绘示相关组件示意图块， 其中虚线代 表处理单元 64控制集光组件 58的结果。 如图 16所示， 光强度感测组件 62 感测到太阳能辐射方向 D2， 处理单元 64即根据该太阳能辐射方向 D2控制 集光组件 58的转动组件 582转动， 使得集光组件 58的集光方向 D1转向新 的集光方向 Dl'， 并且新的集光方向 D1'大致与太阳能辐射方向 D2平行。借 此， 集光组件 58可汇集更高的太阳能。
补充说明的是， 前述光强度并不限单一值， 其亦可能为一参数。 以图 16 为例， 该光强度可指一方向参数， 亦可再包含一强度值。 该方向参数即可据 之估算太阳能辐射方向 D2， 逻辑上， 其即可代表太阳能辐射方向 D2。 该强 度值则为光强度感测组件 62所感测的太阳能大小。太阳能辐射方向 D2感测 的实现可利用于三个方向相异的光感测芯片设置于光强度感测组件 62上， 处理单元 64分别撷取此三个光感测芯片的感测值， 并根据对应的感测方向 建立向量关系并求出太阳能辐射方向 D2。
另一种使用单一光感测芯片而实现感测太阳能辐射方向 D2的方式的示 意图如图 17所示。图 17仅绘示相关组件示意图块。其中光强度感测组件 62 包含一光感测芯片 622以及转动组件 624;光感测芯片 622的法向定义为 D3 ; A1 为水平参考方向； A2为垂直参考方向； Θ定义为水平方向角， 其为法向 D3于水平面的投影与水平参考方向 A1的夹角； φ定义为仰角，其为法向 D3 与垂直参考方向 A2的夹角。 转动组件 644可使光感测芯片 622产生相对垂 直参考方向 A2 的转动， 亦即在水平方向角 Θ有一个运动自由度。 转动组件 624亦可使光感测芯片 622产生偏离垂直参考方向 A2的转动，亦即在仰角 φ 有一个运动自由度。 因此， 转动组件 624亦可使光感测芯片 622产生二维自 由度的转动， 亦即该控制电路 (的处理单元 64)可控制转动组件 624以二维自 由度转动光强度感测组件 62。 借助上述机构， 光强度感测组件 62可感测不 相方向的强度值，并感测时的水平方向角 Θ及仰角 φ等组成光强度参数传予处 理单元 64计算。
补充说明， 一般情形， 三组光强度参数即可估算太阳能辐射方向， '但若 欲更精确的计算，可将估算的太阳能辐射方向作为下一次估算太阳能辐射方 向的基准， 再感测三组光强度参数， 重复估算， 直至前后估算的太阳能辐射 方向误差落于可容许的范围内。 后者方法虽较耗时， 但在实际应用上， 因为 控制集光组件 58转动的次数并不多， 其应仍可行。 另外， 因为每天太阳方 位变化不大， 因此若能建立太阳方位数据库， 则本发明的太阳能电池装置 5 亦可直接控制集光组件 58转动，而无需以光强度感测组件 62感测太阳能辐 射方向 前述说明虽在于调整进光方向 D1以获取最大太阳能为目的， 但本 发明不以此为限， 例如， 某一个能量转换组件 56因某种原因过热， 不宜再 运作下去， 此时即可针对该对应的集光组件 58， 调整其集光方向 Dl， 使得 该个能量转换组件 56不致接受到太高能的光线而毁坏。 从这个角度而言， 本发明的太阳能电池装置 5尚有保护能量转换组件 56的功能。
此外， 在图 1至图 13B的说明中， 有关该集光组件、 反射、 利用透镜聚 光、 光线行进方向等等说明及这些组件的配置、 变化型等等， 在图 14所示 的太阳能电池装置 5亦有适用， 在此不再赘述。 相对地， 在太阳能电池装置 5中，有关可转动的集光组件 58的说明及其相关互动的组件，例如光强度感 测组件 62， 在前述太阳能电池装置 1、 3中， 亦有适用， 在此亦不再赘述。
综上所述， 本发明的太阳能电池装置具有高散热效率的散热结构， 可有 效地将该能量转换组件的该半导体结构于运作中所产生的热散逸出去，克服 现有技术无法有效排热的问题。 并且， 本发明的太阳能电池装置包含集光组 件， 可有效集中太阳光， 提高该半导体结构的能量转换功率。 进一步地， 本 发明的太阳能电池装置包含该光强度感测组件以及该控制电路， 以感测太阳 能辐射方向， 并据以调之该集光组件的该集光方向， 进而提升该半导体结构 所吸收的太阳能强度， 有助于该半导体结构的能量转换功率。 因此， 本发明 的太阳能电池装置可有效提升能量转换效率， 提升能量转换功率， 进而应用 于高功率消耗的电子产品中， 或可单纯地用于储存电能的操作中。
以上已对本发明的较佳实施例进行了具体说明，但本发明并不限于所述 实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种 的等同的变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限 定的范围内。

Claims (31)

  1. 权利要求
    1、 一种太阳能电池装置， 其特征在于， 包含：
    一导热组件， 包含一平坦部以及一接触部；
    一散热组件， 与所述导热组件的所述接触部接触； 以及
    一能量转换组件， 设置于所述导热组件的所述平坦部上， 所述能量转换 组件包含一半导体结构， 用以将光转换为电。
  2. 2、 如权利要求 1所述的太阳能电池装置， 其特征在于： 所述散热组件 包含数个鳍片。
  3. 3、 如权利要求 1所述的太阳能电池装置， 其特征在于： 进一步包含一 集光组件， 设置于所述能量转换组件附近， 用以集中所述光于所述半导体结 构上。
  4. 4、 如权利要求 3所述的太阳能电池装置， 其特征在于： 所述集光组件 包含一杯状反射面， 用以反射并集中所述光以照射所述半导体结构上。
  5. 5、 如权利要求 4所述的太阳能电池装置， 其特征在于： 所述集光组件 包含一反射平面或一反射曲面，用以反射由所述杯状反射面反射的所述光于 所述半导体结构上。
  6. 6、 如权利要求 5所述的太阳能电池装置， 其特征在于： 所述集光组件 包含一正透镜，用以汇聚由所述反射平面或所述反射曲面反射的所述光于所 述半导体结构上。
  7. 7、 如权利要求 3所述的太阳能电池装置， 其特征在于： 所述集光组件 包含一正透镜， 用以汇聚所述光于所述半导体结构上。
  8. 8、 如权利要求 1所述的太阳能电池装置， 其特征在于： 所述半导体结 构为一硅基半导体太阳能电池、一化合物半导体太阳能电池或一有机半导体 太阳能电池。
  9. 9、 如权利要求 1所述的太阳能电池装置， 其特征在于： 所述导热组件 包含一热导管或一热导柱。 10、 如权利要求 9所述的太阳能电池装置， 其特征在于： 所述平坦部位 于所述热导管或所述热导柱的一端。
  10. 11、 如权利要求 1所述的太阳能电池装置， 其特征在于： 所述能量转换 组件包含一基板以及一半导体芯片，所述基板包含一第一凹陷部以及与所述 第一凹陷部连通的一第二凹陷部， 所述半导体芯片设置于所述第二凹陷部 内， 所述半导体芯片包含所述半导体结构， 且所述半导体芯片接触所述导热 组件的所述平坦部。
  11. 12、 如权利要求 1所述的太阳能电池装置， 其特征在于： 所述能量转换 组件包含一基板以及一底座，所述基板包含一第一凹陷部以及与所述第一凹 陷部连通的一第二凹陷部，所述底座设置于所述第二凹陷部内并包含朝向所 述第一凹陷部的一表面， 所述半导体结构位于所述表面上， 所述底座接触所 述导热组件的所述平坦部。
  12. 13、 如权利要求 12所述的太阳能电池装置， 其特征在于： 所述第一凹 陷部的一口径小于所述第二凹陷部的一口径使得所述第二凹陷部具有一顶 部， 所述底座的所述表面与所述顶部接触。
  13. 14、 如权利要求 13所述的太阳能电池装置， 其特征在于： 所述底座经 由所述第二凹陷部的所述顶部与所述基板电性连接。
  14. 15、 如权利要求 12所述的太阳能电池装置， 其特征在于： 所述导热组 件包含一支撑部， 所述基板固定于所述支撑部上。
  15. 16、 如权利要求 12所述的太阳能电池装置， 其特征在于： 所述基板为 一硅基板、 一陶瓷基板、 一印刷电路板或一金属基板。
  16. 17、 如权利要求 12所述的太阳能电池装置， 其特征在于： 所述底座为 一硅底座、 一陶瓷底座、 一印刷电路板或一金属质底座。
  17. 18、 如权利要求 12所述的太阳能电池装置， 其特征在于： 所述半导体 结构成形于所述底座上。
  18. 19、 如权利要求 1所述的太阳能电池装置， 其特征在于： 所述能量转换 组件包含一基板， 所述半导体结构位于所述基板上， 所述基板接触所述导热 组件的所述平坦部。
  19. 20、 如权利要求 19所述的太阳能电池装置， 其特征在于： 所述能量转 换组件的所述基板包含一凹陷部， 所述半导体结构位于所述凹陷部之上。
  20. 21、 如权利要求 19所述的太阳能电池装置， 其特征在于： 所述基板为 一硅基板、 一陶瓷基板、 一印刷电路板或一金属基板。
  21. 22、 如权利要求 19所述的太阳能电池装置， 其特征在于： 所述半导体 结构成形于所述基板上。
  22. 23、 一种太阳能电池装置， 其特征在于， 包含：
    数个导热组件， 每一个导热组件包含一平坦部以及一接触部； 数个散热组件，每一个散热组件对应地与所述这些导热组件其中的一个 导热组件的所述接触部接触；
    数个能量转换组件，每一个能量转换组件对应地设置于所述这些导热组 件其中的一个导热组件的所述平坦部上，每一个能量转换组件包含一半导体 结构， 用以将光转换为电； 以及
    一支架构件， 连接所述这些导热组件或所述这些散热组件。
  23. 24、 如权利要求 23所述的太阳能电池装置， 其特征在于： 每一个散热 组件包含数个鳍片。
  24. 25、 如权利要求 23所述的太阳能电池装置， 其特征在于： 进一步包含 数个集光组件，每一个集光组件对应地设置于所述这些能量转换组件其中的 一个能量转换组件附近，用以集中所述光于所述对应的能量转换组件的所述 半导体结构上。
  25. 26、 如权利要求 25所述的太阳能电池装置， 其特征在于： 进一步包含 一光强度感测组件以及一控制电路， 其中所述集光组件其上定义一集光方 向， 所述光强度感测组件感测一光强度， 所述控制电路根据所述光强度， 转 动所述集光组件以调整所述集光方向。
  26. 27、 如权利要求 26所述的太阳能电池装置， 其特征在于： 所述光强度 感测组件包含一转动组件，所述控制电路控制所述转动组件以二维自由度转 动所述光强度感测组件。
  27. 28、 如权利要求 25所述的太阳能电池装置， 其特征在于： 进一步包含 一控制电路， 其中所述集光组件其上定义一集光方向， 所述控制电路根据一 太阳方位数据库， 转动所述集光组件以调整所述集光方向。
  28. 29、 如权利要求 25所述的太阳能电池装置， 其特征在于： 所述集光组 件包含一杯状反射面， 用以反射并集中所述光以照射所述半导体结构上。
  29. 30、 如权利要求 29所述的太阳能电池装置， 其特征在于： 所述集光组 件包含一反射平面或一反射曲面，用以反射由所述杯状反射面反射的所述光 于所述半导体结构上。
  30. 31、 如权利要求 30所述的太阳能电池装置， 其特征在于： 所述集光组 件包含一正透镜，用以汇聚由所述反射平面或所述反射曲面反射的所述光于 所述半导体结构上。
  31. 32、 如权利要求 25所述的太阳能电池装置， 其特征在于： 所述集光组 件包含一正透镜， 用以汇聚所述光于所述半导体结构上。
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