CN202307979U - 光电转换装置 - Google Patents

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Abstract

本实用新型提供一种光电转换装置,用以透过聚光透镜表面弧度的设计,改善聚光的效率和节省设置的成本,以进一步提升太阳能光电转换装置的实用价值。该光电转换装置设置一基板,基板上方设置聚光透镜,聚光透镜为长弧形的透镜,弧形内侧朝向基板。聚光透镜包括入光面及出光面,入光面位于聚光透镜的弧形外侧,出光面位于聚光透镜的弧形内侧。反射镜则设置于基板侧缘,反射镜上缘连接聚光透镜,反射镜具有凹状的反射面。该光电转换装置并设置光电转换单元,光电转换单元系将聚光透镜聚光之后的入射光线的光能转换成电能。该光电转换装置能改善入射光线的聚光效率,提升光线聚集的效率,降低设置光电转换单元成本,提升光电转换装置的实用价值。

Description

光电转换装置
技术领域
本实用新型有关于一种光电转换装置,尤其是指一种广角度受光的固定式光电转换装置。
背景技术
近年来环保意识抬头,各式的再生能源都受到高度的重视,例如太阳能、风能、水能及地热等等。太阳能是能源运用所关注的焦点之一。在光照充足的地区,太阳能的供应源源不绝,生产过程不会产生环境污染,又不会消耗其它地球资源导致温室效应,而因为有着上述的优点,太阳能的运用一直是大家所关注的焦点,也确实有着举足轻重的地位。
习知太阳能板有分为硅晶半导体、薄膜(thin film)及三五族(III-V group)化合物半导体等等。其中硅晶半导体与薄膜式的太阳能转换电能的模块,其转换的效率皆不高(仅约15%左右),且只限于太阳光直接照射的三小时之间,因此若要能实际运用,成本过于昂贵,不符合经济效益。
而三五族化合物半导体所制成的太阳能转换电能的模块,其有着抗高温的特性,因此后来便发展出了聚光型太阳能电池(concentrated photovoltaic,CPV)的技术,利用各式透镜进行光的聚集,并透过设置光传感器(light sensor)与追日系统(tracking system)增加日照时间,来提升转换效率,并降低太阳能电池的使用面积。
但在太阳能模块设置光传感器与追日系统仍会使成本过高,使得家用或其它小型用户无法负担,降低太阳能模块的实用价值。因此,如何改善太阳能转换的效率以及降低太阳能模块的设置成本,是现今太阳能使用上的最大课题。
实用新型内容
有鉴于此,本实用新型所要解决的技术问题在于,提供一种光电转换装置。本实用新型是透过聚光透镜表面弧度的设计,来改善聚光的效率和节省设置的成本,以进一步提升太阳能光电转换装置的实用价值。
本实用新型提供一种光电转换装置,其设置一基板,基板上方设置聚光透镜,该聚光透镜为长弧形的透镜,弧形内侧朝向该基板。聚光透镜包括入光面及出光面,入光面位于该聚光透镜的弧形外侧,出光面位于聚光透镜的弧形内侧。反射镜则设置于基板侧缘,反射镜上缘连接该聚光透镜,该反射镜具有凹状的反射面。该光电转换装置并设置光电转换单元,光电转换单元系将聚光透镜聚光之后的入射光线的光能转换成电能。
根据本实用新型的实施例,上述光电转换装置更可包含蓄电单元以及单向导通单元,其中蓄电单元连接于光电转换单元,且单向导通单元则是连接于光电转换单元和蓄电单元之间。蓄电单元用以储存光电转换单元产生的电力,而单向导通单元则用以防止蓄电单元的电力反馈至光电转换单元,藉此避免光电转换单元的损坏。
本实用新型实施例提供了一种光电转换装置,包括:
一基板;
一聚光透镜,该聚光透镜设置于该基板上方,该聚光透镜为长弧形的透镜,弧形内侧朝向该基板,该聚光透镜包括一入光面及一出光面,该入光面位于该聚光透镜的弧形外侧,该出光面位于该聚光透镜的弧形内侧;
至少一反射镜,该反射镜上缘连接该聚光透镜,该反射镜下缘连接于该基板的侧缘,该反射镜具有一凹状的反射面;以及
一光电转换单元,该光电转换单元设置于该基板上。
其中,优选地,该聚光透镜的该入光面为圆弧状光滑表面,该出光面沿着长边的方向为波浪状,以形成数个凸状面。
其中,优选地,该入光面沿着长边的曲面弧度以及沿着短边的曲面弧度皆小于等于π,并且该入光面沿着长边的曲面弧度大于该入光面沿着短边的曲面弧度。
其中,优选地,该聚光透镜的入光面系涂抹有一防尘及防水保护层。
其中,优选地,该聚光透镜是以折射率大于空气的材质制成,该材质为压克力、塑料或玻璃。
其中,优选地,该反射镜的上缘为弧形,该反射面向内凹曲的弧度小于等于π。
其中,优选地,该反射镜是由可反射光线的物质所制成,该材质为金属、玻璃、压克力或是高分子聚合物。
其中,优选地,该光电转换单元为三五族化合物太阳能电池。
其中,优选地,该光电转换单元的面积是占该聚光透镜覆盖于该基板的面积的百分之二十五到百分之七十。
其中,优选地,该聚光透镜入光面为数个长条形的弧状曲面,该出光面沿着长边的方向设计为波浪状以形成数个凸状面。
其中,优选地,该入光面沿着长边的曲面弧度以及沿着短边的曲面弧度皆小于等于π,并且该入光面沿着长边的曲面弧度大于该入光面沿着短边的曲面弧度。
其中,优选地,该聚光透镜的该入光面系涂抹有一防尘及防水保护层。
其中,优选地,该聚光透镜是以折射率大于空气的材质制成,该材质为压克力、塑料或玻璃。
其中,优选地,该反射镜的上缘为水平状,该反射面向内凹曲的弧度小于等于π。
其中,优选地,该反射镜是由可反射光线的物质所制成,该材质为金属、玻璃、压克力或是高分子聚合物。
所述光电转换装置,还可包含有:
一蓄电单元,电性连接于该光电转换单元,以储存该光电转换单元所产生的电能。
其中,优选地,该蓄电单元系为充电电池。
其中,优选地,该光电转换单元与该蓄电单元之间更电性连接有一单向导通单元,系防止该蓄电单元的电力反馈至该光电转换单元。
其中,优选地,该单向导通单元为二极管。
其中,优选地,该光电转换单元所产生电力的一正极输出接脚与一负极输出接脚系分别设置于该基板边缘相对应的两侧。
综上所述,本实用新型透过聚光透镜的入光面及出光面的两次折射,以藉此让照射于光电转换装置的入射光线的聚光效率能够改善。除此之外,本实用新型透过出光面的波浪形弧度设计,使入射光线不会反射回入光面,如此更能进一步提升光线聚集的效率。总之,藉由本实用新型的聚光透镜的弧度及形状设计,可不需制作庞大的实心透镜于光电转换装置,便能让聚光透镜在其长边有广角度受光的功效,以藉此在改善聚光效率的同时也降低了设置光电转换单元成本,并进一步提升了光电转换装置的实用价值。
以上的概述与接下来的实施例,皆是为了进一步说明本实用新型的技术手段与达成功效,然所叙述的实施例与图式仅提供参考与说明用,并非用来对本实用新型加以限制者。
附图说明
图1为本实用新型光电转换装置实施例的立体示意图;
图2为本实用新型光电转换装置实施例的立体分解图;
图3为本实用新型光电转换装置的聚光透镜另一实施例的立体示意图;
图4为本实用新型光电转换装置的反射镜另一实施例的立体分解图;
图5A为本实用新型光电转换装置从侧面观测的光折射的实施例的示意图;
图5B为本实用新型光电转换装置从侧面观测的光折射的实施例的放大示意图;
图6为本实用新型光电转换装置的基板与光电转换单元的实施例的示意图。
【主要组件符号说明】
10  光电转换装置
11  聚光透镜
111 入光面
113 出光面
115 封闭层
117 遮蔽层
12  反射镜
121 反射面
13  光电转换单元
131 正极输出接脚
133 负极输出接脚
14  支撑架
15  基板
16  聚光透镜
161 入光面
163 出光面
165 封闭层
17  反射镜
171 反射面
具体实施方式
请参考图1及图2,本实用新型的光电转换装置10包含聚光透镜11、反射镜12、光电转换单元13以及基板15,其中聚光透镜11包括有入光面111和出光面113,该反射镜12包括反射面121。
如图1及图2所示,于本实施例中,基板15的上方设置聚光透镜11,基板15的长边二侧相对应位置设置二反射镜12,反射镜12的上缘连接于聚光透镜11,反射镜12的下缘连接于基板15的两侧侧缘,基板15上则设置有光电转换单元13,但图1及图2仅为用以方便说明的实施举例,并非用以限制本实用新型。更详细地说,聚光透镜11的长边两侧与反射镜12的上缘连接,该聚光透镜11为长弧形的透镜,并且以其弧形内侧朝向基板15。聚光透镜11可以是用折射率大于空气的透光材质制成,如玻璃、塑料或是压克力等,且其形状设计为长弧形。
聚光透镜11包含入光面111以及出光面113,其中入光面111设置于聚光透镜11的弧形外侧,出光面113设置于聚光透镜11的弧形内侧。聚光透镜11的入光面111为圆弧状光滑表面,出光面113沿着长边的方向设计为波浪状,也就是说,出光面113会在聚光透镜11内侧形成数个凸状面。入光面111被设计为弧状曲面,以藉此接收光线进行折射聚光,入光面111的长边的方向及短边的方向皆为弧形设计,入光面111从侧面观测为圆弧状,以使光线能够确实聚集于该基板15上。出光面113在聚光透镜11内侧形成数个凸状面,如此设计的好处在于,出光面113将能够再次折射从入光面111入射的光线,使入射光二次聚光后再投射于基板15,并进一步提升聚光的效率。综上所述,入光面111的长边的弧度大于入光面111的短边的弧度,且入光面111的长边的弧度、入光面111与出光面113的短边的弧度皆小于等于π。
值得一提的是,根据司乃耳定律(Snell’s Law),光线通过两个物质的交界处时的入射角度与折射角度满足以下公式:n1*sinθ1=n2*sinθ2,其中n1和n2分别为两介质的折射率(Refractive Index),而θ1和θ2则为入射光和反射光与界面法线的夹角。由公式可知,光线通过两介质交界时,在两介质中行进路线与法线的夹角的正弦值比值反比于两介质的折射率比值。因为聚光透镜11相较于空气为光密介质(也就是聚光透镜11的制作材质的折射率较空气的折射率大),因此在入射光线要穿出聚光透镜11外时,若出光面113并未特别设计,便有可能会发生全反射(total internal reflection)的现象,而使入射光线反射回入光面111,大大降低聚光的效率。
本实用新型的出光面113被设计成波浪状的功效除了再次聚光外,也能够因为波浪凸面的弧度防止全反射的现象发生,而进一步提升聚光的效果。另外,聚光透镜11的入光面111可以更涂抹有透明的防尘及防水保护层,让聚光透镜11的入光面111不会有灰尘与水分聚集,以确保聚光的效率。
另外,聚光透镜11的短边更可设置封闭层115,封闭层115左右两侧连接反射镜12,封闭层115下端连接基板15,封闭层115的目的系将聚光透镜11未遮蔽基板15与反射镜12之处,透过封闭层115来加以连接封闭,使光电转换装置10的内部形成一密闭状态,达到保护光电转换单元13的目的。
本实用新型的该反射镜12上缘连接该聚光透镜11,反射镜12下缘连接于该基板15侧缘,反射镜12由支撑架14支撑固定。反射镜12的上缘为弧形,反射镜12则具有一凹状的反射面121,该反射面121向内凹曲的弧度小于等于π,其目的是用于将通过聚光透镜11的光线,透过反射面121全反射的功能,将光线反射于基板15上,达到能有效收集光线的效果。其中该反射镜12是由可反射光线的物质所制成,该材质为金属、玻璃、压克力或是高分子聚合物。
请再次参照图2,光电转换单元13可以是任意太阳能板,例如三五族(III-Vgroup)化合物太阳能电池或是其它能够将光能转换成电能的设备。光电转换单元13设置于基板15上,且光电转换单元13上方为聚光透镜11,以使聚光透镜11将入射光线聚集并投射至光电转换单元13。如此一来,光电转换单元13便能够有效地将入射光线的光能转换成电能。又,因为聚光透镜11的聚光效果,会使得入射光线投射于基板15的面积小于基板15被聚光透镜11所遮蔽的面积,所以,光电转换单元13所设置的大小不需要太大。于较佳实施例中,配合本实用新型聚光透镜11的聚光效果,光电转换单元13所设置的面积可以仅占基板15被聚光透镜11所覆盖的面积的百分之二十五到百分之七十左右即能够拥有足够的电能产出,如此便能节省设置光电转换单元13的成本。
另外,请参考图3,本实用新型另提供一种聚光透镜16的变化实施例,该聚光透镜16的长边两侧与反射镜12上缘连接,该聚光透镜16为弧形的长板状透镜,并且以其弧形内侧朝向基板15。该聚光透镜16包含入光面161以及出光面163,其中入光面161设置于聚光透镜16的弧形外侧,出光面163设置于聚光透镜16的弧形内侧,聚光透镜16的入光面161为数个长条形的弧状曲面,以藉此接收光线进行折射聚光。出光面163沿着长边的方向设计为波浪状,也就是说,出光面163会在聚光透镜16内侧形成数个凸状面。
聚光透镜16的该入光面161系涂抹有一防尘及防水保护层,让聚光透镜16的入光面161不会有灰尘与水分聚集,以确保聚光的效率。聚光透镜16可以是用折射率大于空气的透光材质制成,如玻璃、塑料或是压克力等。
入光面161被设计为数个长条形的弧状曲面,并且入光面161的长边的方向及短边的方向皆为弧形,入光面161沿着长边的曲面弧度以及沿着短边的曲面弧度皆小于等于π,并且该入光面161沿着长边的曲面弧度大于该入光面161沿着短边的曲面弧度,如此设计可使光线能够确实聚集于该基板15上。出光面163在聚光透镜16内侧形成数个凸状面,目的在于出光面163将能够再次折射从入光面161入射的光线,使入射光二次聚光后再投射于基板15,并进一步提升聚光的效率。
聚光透镜16的短边更可设置封闭层165,封闭层165左右两侧连接反射镜12,封闭层165下端连接基板15,封闭层165的目的系将聚光透镜16未遮蔽基板15与反射镜12之处,透过封闭层165来加以连接封闭,使光电转换装置10的内部形成一密闭状态,达到保护光电转换单元13的目的。
除此之外,请参考图4,本实用新型另提供一种反射镜的变化实施例,该反射镜17上缘经由聚光透镜11的遮蔽层117连接该聚光透镜11,该反射镜17下缘连接于该基板15侧缘,反射镜17由支撑架14支撑固定。反射镜17的上缘为水平状,反射镜17则具有一凹状的反射面171,该反射面171向内凹曲的弧度小于等于π,其目的是用于将通过聚光透镜11的光线,透过反射面171全反射的功能,将光线反射于基板15上,达到能有效收集光线的效果。其中该反射镜17是由可反射光线的物质所制成,该材质可为金属、玻璃、压克力或是高分子聚合物。
请复参考图1及图2,本实用新型的光电转换装置10可以是作为固定式的太阳能光电转换装置,依据各地区的需求,将聚光透镜11的长边沿着太阳运行的方向进行摆设。为了再更进一步增加光能运用的效率,聚光透镜11的长边的弧度设计需要尽量能够收集全时间的日照光线,聚光透镜11的短边的弧度设计只需要符合日照光线的偏移角度即可(太阳光线全年大约会有南北向共七度的偏移角度,当然,此数值会因为地区不同而有些许差异)。于本实施例中,入光面111的长边的弧度大于入光面111的短边的弧度,且入光面111的长边的弧度、入光面111与出光面113的短边的弧度皆小于等于π。
另外,光电转换装置10可以更包含有蓄电单元(图未示),例如充电电池,电性连接于光电转换单元13,用以储存光电转换单元13所产生的电力。为了防止蓄电单元中所储存的电力反馈至光电转换单元13,在光电转换单元13和蓄电单元之间可更包含有单向导通单元,如二极管、其它具有单向导通功能的半导体组件或电路,以确保电力不会由蓄电单元反馈至光电转换单元13而导致线路毁损。
请参考图5A,本实用新型的聚光透镜11从侧面观测的光折射示意图,其中透过入光面111和出光面113的两次折射,入射光线可以被聚焦至光电转换单元13上,以有效地将入射光线的光能转换成电能。值得一提的是,因为出光面113的波浪设计,聚光透镜11中央处的聚光焦距会与边缘处的聚光焦距不同,而为了让光电转换单元13能够设置于最适当的受光位置(例如将光电转换单元13设置于聚光透镜11中央处的聚光焦距位置),可以透过将聚光透镜11两端延长或缩短的方式,使光电转换单元13与聚光透镜11中央处之间的距离改变,以调整光电转换单元13的受光位置,进一步提升光电转换单元13将入射光线的光能转换成电能的效率。
请参考图5B,为本实用新型聚光透镜11二次聚焦的光折射示意图,图5B为图5A中A区块的放大图,其中入射光线在经过入光面111时会产生第一次折射,而在经过出光面113时又会产生第二次的折射,如此便能够提升聚光的效率。
请参考图6,为本实用新型光电转换装置10的光电转换单元13和基板15的示意图。需要注意的是,因为入射光线的聚集,光电转换单元13所设置的面积就不必太大,本实施例中光电转换单元13面积大约只占基板15被聚光透镜11所占面积的百分之五十,如此便能够减少设置光电转换单元13的成本。又,因为太阳光线全年会有大约七度左右的偏差,因此于较佳实施例中,光电转换单元13的窄边面积需要约略大于太阳光投射面积,使得因为太阳光入射角度向南或向北偏移三点五度之内所造成的投射光移动,也能够在光电转换单元13的接光范围内,如此,便能够使光电转换装置10的电能产出最大化。在不考虑使光电转换装置10的电能产出最大化的情况下,实际上因为光电转换装置10的聚光透镜11的聚光效果佳,所以光电转换单元13的面积可以是只占基板15被聚光透镜11所占面积的百分之二十五到百分之七十左右,便能够有足够的电能产出。
另外,如图6所示,本实用新型光电转换单元13所产生电力的正极输出接脚131和负极输出接脚133可以是设置于基板15相对应的两侧,如此设置的好处在于,若要连接复数个光电转换装置10,无论是串联或是并联都能够以很直观并且方便的方式进行复数个光电转换装置10的连接,而提升光电转换装置10的实用性与设置方便性。例如,若使用者需要串联复数个光电转换装置10,只需要用跳线将第一个光电转换装置10的正极输出接脚131连接于第二个光电转换装置10的负极输出接脚133,然后再将第二个光电转换装置10的正极输出接脚131连接于第三个光电转换装置10的负极输出接脚133,如此一直连接下去即可达到光电转换单元10的串联。又例如,若使用者需要并联复数光电转换装置10,只要并排复数个光电转换装置10,将复数光电转换装置10的正极输出接脚131相接,并将复数光电转换装置10的负极输出接脚133相接,就能够以直观的方式进行并联的操作。
综上所述,透过本实用新型聚光透镜的形状设计,本实用新型所提供的光电转换装置能够将入射光线以二次聚光以及去除全反射效应的方式,来提升聚光的效率并减少设置光电转换单元的成本,以进一步提升光电转换装置的应用价值。
以上所述为本实用新型的具体实施例的说明与图式,而本实用新型的所有权利范围应以下述的申请专利范围为准,任何在本实用新型的领域中熟悉该项技艺者,可轻易思及的变化或修饰皆可涵盖在本案所界定的专利范围之内。

Claims (20)

1.一种光电转换装置,其特征在于,包括:
一基板;
一聚光透镜,该聚光透镜设置于该基板上方,该聚光透镜为长弧形的透镜,弧形内侧朝向该基板,该聚光透镜包括一入光面及一出光面,该入光面位于该聚光透镜的弧形外侧,该出光面位于该聚光透镜的弧形内侧;
至少一反射镜,该反射镜上缘连接该聚光透镜,该反射镜下缘连接于该基板的侧缘,该反射镜具有一凹状的反射面;以及
一光电转换单元,该光电转换单元设置于该基板上。
2.如权利要求1所述的光电转换装置,其特征在于,该聚光透镜的该入光面为圆弧状光滑表面,该出光面沿着长边的方向为波浪状,以形成数个凸状面。
3.如权利要求2所述的光电转换装置,其特征在于,该入光面沿着长边的曲面弧度以及沿着短边的曲面弧度皆小于等于π,并且该入光面沿着长边的曲面弧度大于该入光面沿着短边的曲面弧度。
4.如权利要求2所述的光电转换装置,其特征在于,该聚光透镜的入光面系涂抹有一防尘及防水保护层。
5.如权利要求2所述的光电转换装置,其特征在于,该聚光透镜是以折射率大于空气的材质制成,该材质为压克力、塑料或玻璃。
6.如权利要求1所述的光电转换装置,其特征在于,该反射镜的上缘为弧形,该反射面向内凹曲的弧度小于等于π。
7.如权利要求6所述的光电转换装置,其特征在于,该反射镜是由可反射光线的物质所制成,该材质为金属、玻璃、压克力或是高分子聚合物。
8.如权利要求1所述的光电转换装置,其特征在于,该光电转换单元为三五族化合物太阳能电池。
9.如权利要求1所述的光电转换装置,其特征在于,该光电转换单元的面积是占该聚光透镜覆盖于该基板的面积的百分之二十五到百分之七十。
10.如权利要求1所述的光电转换装置,其特征在于,该聚光透镜入光面为数个长条形的弧状曲面,该出光面沿着长边的方向设计为波浪状以形成数个凸状面。
11.如权利要求10所述的光电转换装置,其特征在于,该入光面沿着长边的曲面弧度以及沿着短边的曲面弧度皆小于等于π,并且该入光面沿着长边的曲面弧度大于该入光面沿着短边的曲面弧度。
12.如权利要求10所述的光电转换装置,其特征在于,该聚光透镜的该入光面系涂抹有一防尘及防水保护层。
13.如权利要求10所述的光电转换装置,其特征在于,该聚光透镜是以折射率大于空气的材质制成,该材质为压克力、塑料或玻璃。
14.如权利要求1所述的光电转换装置,其特征在于,该反射镜的上缘为水平状,该反射面向内凹曲的弧度小于等于π。
15.如权利要求14所述的光电转换装置,其特征在于,该反射镜是由可反射光线的物质所制成,该材质为金属、玻璃、压克力或是高分子聚合物。
16.如权利要求1所述的光电转换装置,其特征在于,还包含有:
一蓄电单元,电性连接于该光电转换单元,以储存该光电转换单元所产生的电能。
17.如权利要求16所述的光电转换装置,其特征在于,该蓄电单元系为充电电池。
18.如权利要求16所述的光电转换装置,其特征在于,该光电转换单元与该蓄电单元之间更电性连接有一单向导通单元,系防止该蓄电单元的电力反馈至该光电转换单元。
19.如权利要求18所述的光电转换装置,其特征在于,该单向导通单元为二极管。
20.如权利要求1所述的光电转换装置,其特征在于,该光电转换单元所产生电力的一正极输出接脚与一负极输出接脚系分别设置于该基板边缘相对应的两侧。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN103644525A (zh) * 2013-12-05 2014-03-19 凌裕文 太阳能路灯
CN108172655A (zh) * 2018-01-30 2018-06-15 中国计量大学 一种实现大角度光吸收的太阳能电池
CN114303722A (zh) * 2021-12-20 2022-04-12 中国科学技术大学 一种智能型光伏玻璃温室及其运行方法和应用

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