JP5921489B2 - 発電窓セット及びその発電モジュール - Google Patents

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Description

本発明は発電窓セット及びその発電モジュールに関し、特に微細構造を備えた発電窓セット及びその発電モジュールに関する。
従来の発電ガラスは、複数個のソーラーウェハーがガラスの光入射面または光出射面に貼り付けられて、太陽光を収集し発電する。しかし、ソーラーウェハーの透過率が低いため発電ガラス全体の透過率も低くなり、実際に窓に使用する場合、視覚阻害を引き起こし、室内の採光が悪くなる問題を生じる。
したがって、上記課題を解決するために、革新的且つ進歩性に富んだ発電窓セット及びその発電モジュールを提供する必要がある。
本発明は導光基板及び少なくとも１つの光電変換素子を含む発電モジュールを提供する。該導光基板が第１の表面、第２の表面及び複数個の微細構造を備え、前記第１の表面が前記第２の表面に近接または対向する。前記少なくとも１つの光電変換素子が前記導光基板に近接して設置され、光線が前記導光基板に入射する時、それらの微細構造が一部の前記光線を前記少なくとも１つの光電変換素子に案内して、一部の前記光線のエネルギーを電気エネルギーに変換する。同時に、前記光線の他の部分は前記導光基板を直接透過する。従って、前記発電モジュールを実際に窓に使用する場合、視覚阻害を引き起こしにくく、且つ一部の前記光線が前記発電モジュールを通過し得るので室内の採光に影響する問題を低減する。また、それらの微細構造はレーザー加工により作製することができ、且つ製造工程が簡単である。
本発明は第１の透光板、第２の透光板及び少なくとも１つの上記の発電モジュールを含む発電窓セットを更に提供する。該第２の透光板が前記第１の透光板と対向し、前記導光基板が前記第２の透光板と前記第１の透光板の間に位置する。前記第１の透光板と前記第２の透光板は前記導光基板を支持するために用いられ、且つ前記導光基板を保護することができる。
本発明の発電モジュールを実際に窓に使用する場合、視覚阻害を引き起こしにくく、且つ一部の光線が発電モジュールを通過し得るので室内の採光に影響する問題を低減する。また、微細構造はレーザー加工により作製することができ、且つ製造工程が簡単である。
本発明の発電モジュールの一実施例の立体図である。 本発明の発電モジュールの一実施例の正面図である。 図２における線３−３に沿った断面図である。 図３の微細構造の他の態様を示す。 図２における線５−５に沿った断面図である。 本発明の発電モジュールの他の一実施例の立体図である。 本発明の発電モジュールの他の一実施例の立体図である。 本発明の発電モジュールの他の一実施例の立体図である。 本発明の発電モジュールの第１測定を示す図である。 図９の第１測定方法により異なる垂直距離で測定した照度を示す。 図９の第１測定方法により異なる水平距離で測定した照度を示す。 本発明の発電モジュールの第２測定を示す図である。 図１２の第２測定方法により水平方向において異なる入射角で測定した照度を示す。 図１２の第２測定方法により垂直方向において異なる入射角で測定した照度を示す。 本発明の発電窓セットの一実施例の側面図である。 本発明の発電窓セットの他の実施例の側面図である。 本発明の発電窓セットの他の実施例の正面図である。 本発明の発電モジュールの他の実施例の立体図である。 図１８の発電モジュールの断面部分拡大図である。 図１８の発電モジュールの部分光経路を示す図である。 本発明の発電モジュールの他の実施例の立体図である。 本発明の発電モジュールの他の実施例の断面図である。 本発明の発電モジュールの他の実施例の立体図である。 図２３の発電モジュールの断面部分拡大図である。 図２３の発電モジュールの部分光経路を示す図である。 本発明の発電モジュールの他の実施例の立体図である。 本発明の発電モジュールの他の実施例の断面図である。 測定機器を用いて本発明の集光発電モジュールの使用をシミュレーションする説明図である。 異なる態様の透明基板に対して図２８の測定機器を用いてシミュレーションした結果を示す。 本発明の発電モジュールの他の実施例の立体図である。 本発明の発電モジュールの他の実施例の立体図である。 図３１の発電モジュールの正面図である。 図３２における線３３−３３に沿った断面図である。 図３３の微細構造の他の態様を示す。 図３３の微細構造の他の態様を示す。 本発明の発電モジュールの他の実施例の正面図である。 本発明の発電モジュールの他の実施例の正面図である。 本発明の発電モジュールの他の実施例の正面図である。 本発明の発電モジュールの他の実施例の正面図である。 本発明の発電モジュールの他の実施例の正面図である。 本発明の発電モジュールの測定環境を示す図である。 図３６の導光基板の異なる微細構造の密度での測定結果の曲線図である。 微細構造の密度は同様に１９．５％であるが、分布形態が異なる導光基板の測定結果の曲線図である。 異なる入射角の入射光を照射して、異なる微細構造の密度を有する導光基板に対する光学シミュレーション結果を示す曲線図である。 本発明の発電モジュールの他の実施例の立体図である。 本発明の発電モジュールの他の実施例の正面図である。 本発明の発電窓セットの他の実施例の側面図である。
図１及び図２を参照すると、それぞれ本発明の発電モジュールの一実施例の立体図及び正面図を示す。該発電モジュール１が導光基板１１及び少なくとも１つの光電変換素子１４を含む。前記導光基板１１が第１の表面１１１、第２の表面１１２、第５の表面１１３、第６の表面１１４、第３の表面１１５、第４の表面１１６及び複数個の微細構造１２を備える。前記導光基板１１が例えばガラスまたは光透過性のプラスチックフィルム板のような光透過性材質であることが好ましい。
前記第１の表面１１１が前記第２の表面１１２に近接または対向する。本実施例において、前記第１の表面１１１が前記第２の表面１１２と対向し、且つ前記第５の表面１１３、前記第６の表面１１４、前記第３の表面１１５及び前記第４の表面１１６に近接する。前記第５の表面１１３（例えば頂面）が前記第６の表面１１４（例えば底面）と対向し、前記第３の表面１１５が前記第４の表面１１６と対向する。それらの微細構造１２が前記導光基板１１の第１の表面１１１に陥入される。即ち、それらの微細構造１２が前記第１の表面１１１から前記導光基板１１に陥入される。
本実施例において、それらの微細構造１２が前記第１の表面１１１に位置し、前記第１の表面１１１に開口され、且つ前記第１の表面１１１から前記第２の表面１１２に向かって延在する。それらの微細構造１２の上から見た面が楕円状であり、且つ例えばレーザー加工により作製されるが、それらの微細構造１２の開口形状は楕円状に限られず、その他の製造方法により各種形状、例えば円形、四角形、多角形に形成されてもよい。それらの微細構造１２が互いに連結されず、即ちそれらの微細構造１２の第１の表面１１１における開口エッジが互いに連結されず、且つそれらの微細構造１２は不連続分布となってもよく、例えば開口幅の大きい微細構造と開口幅の小さい微細構造とが交互に配列されて分布され、または微細構造の配列は開口幅が大きいものから小さいものへ順に配列されて分布されてもよい。その配列の方向も限定されず、前記第３の表面１１５から前記第４の表面１１６への方向、または前記第５の表面１１３から前記第６の表面１１４への方向に配列され分布されてもよい。また、それらの微細構造１２相互間の距離全てが等しいのではなく、即ち、それらの微細構造１２の第１の表面１１１における開口エッジの間隔が等しくない。また、それらの微細構造１２の分布密度も全てが同様でなくてもよい。
また、それらの各微細構造１２が開口幅を有し、それらの開口幅の全てが同様ではない。例を挙げると、図２に示すように、前記第５の表面１１３に近接するそれらの各微細構造１２が開口幅Ｗ１を有し、前記第６の表面１１４に近接するそれらの各微細構造１２が開口幅Ｗ２を有し、且つ前記開口幅Ｗ１が前記開口幅Ｗ２より大きい。同時に、前記第５の表面１１３に近接するそれらの微細構造１２の間の間隔ｄ１が前記第６の表面１１４に近接するそれらの微細構造１２の間の間隔ｄ２より小さい。それらの微細構造１２の異なる密度設計により、光源（図示せず）から前記光電変換素子１４に案内される光線の明るさを調節することができる。
前記光電変換素子１４は前記導光基板１１に近接して設置されるか、または前記導光基板１１に設置される。前記光電変換素子１４がソーラーウェハーであることが好ましい。本実施例において、前記光電変換素子１４が前記第６の表面１１４、前記第３の表面１１５及び前記第４の表面１１６に直接貼合される。しかし、その他の実施例において、前記光電変換素子１４はその他の位置に設置されてもよく、前記光電変換素子１４の光線を受ける１面が前記第６の表面１１４、前記第３の表面１１５または前記第４の表面１１６と対向する。
実際に使用する場合、光線１６（例えば太陽光）が前記導光基板１１に入射する時、それらの微細構造１２が一部の前記光線を前記光電変換素子１４に案内して、一部の前記光線１６のエネルギーを電気エネルギーに変換する。本実施例において、前記光線１６（例えば太陽光）が前記第１の表面１１１に達する時、それらの微細構造１２が一部の前記光線１６を前記光電変換素子１４に案内して、一部の前記光線１６のエネルギーを電気エネルギーに変換する。同時に、前記光線１６の他の部分は前記導光基板１１を直接透過する。従って、前記発電モジュール１を実際に窓に使用する場合、視覚阻害を引き起こしにくく且つ前記光線１６が前記発電モジュール１を通過し得るので室内の採光に影響しにくい。また、レーザー加工によりそれらの微細構造１２を作製することができ、且つ製造工程が簡単である。本発明のそれらの微細構造１２は、例えばインプリント（Ｉｍｐｒｉｎｔ）、射出（Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ）、フライスプロセス（Ｍｉｌｌｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ）、エッチング（Ｅｔｃｈｉｎｇ）等のその他の製造方法により形成されてもよいが、上記の製造方法に限定されない。
図３を参照すると、図２における線３−３に沿った断面図を示す。図に示すように、それらの微細構造１２が弧状に陥入される。
図４を参照すると、図３の微細構造のほかの態様を示す。図に示すように、それらの微細構造１２ａが溝状に陥入される。
図５を参照すると、図２における線５−５に沿った断面図を示す。図に示すように、それらの微細構造１２ｂが柱状に陥入される。
図６を参照すると、本発明の発電モジュールのほかの実施例の立体図を示す。本実施例の発電モジュール１ａは図１に示す発電モジュール１とほぼ同じであるが、本実施例において前記発電モジュール１を１８０度回転したことが異なる。従って、前記発電モジュール１ａにおいて、前記導光基板１１の第２の表面１１２が前記光線１６と対向し、即ち、前記光線１６が前記第１の表面１１１に達する前にまず前記第２の表面１１２を通過する。同様に、前記光線１６が前記第１の表面１１１に達する時、それらの微細構造１２が一部の前記光線１６を前記光電変換素子１４に案内して、一部の前記光線１６のエネルギーを電気エネルギーに変換する。
図７を参照すると、本発明の発電モジュールのほかの実施例の立体図を示す。本実施例の発電モジュール１ｂは図１に示す発電モジュール１とほぼ同じであるが、本実施例において前記導光基板１１が隅角を備え、その側面視形状が五角形であり、且つ前記第２の表面１１２と前記第１の表面１１１が近接することが異なる。
図８を参照すると、本発明の発電モジュールのほかの実施例の立体図を示す。本実施例の発電モジュール１ｃは図１に示す発電モジュール１とほぼ同じであるが、本実施例において前記導光基板１１の側面視形状が三角形であり、且つ前記第２の表面１１２と前記第１の表面１１１が近接することが異なる。
図９を参照すると、本発明の発電モジュールの第１測定の図を示す。この測定において、図６に示す発電モジュール１ａの前記導光基板１１で測定を行い、且つ１つの３．５ＷのＬＥＤ２０を光源とする。微細構造の導光効果を確保するため、導光基板１１の第２の表面１１２に照射するようにスリーブでＬＥＤ光源２０を覆い、前記導光基板１１の前記第６の表面１１４及び前記第４の表面１１６にセンサを設置し測定する。前記導光基板１１の寸法が長さ３０ｃｍ、幅３０ｃｍ、厚さ０．６ｃｍである。測定環境の背景明るさ（Ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ Ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ）が４ルクス（Ｌｕｘ、ルーメン／平方メートル）未満であり、即ち前記ＬＥＤ２０が作動しない時、センサで測定される明るさは４ルクス未満である。
前記ＬＥＤ２０が作動後、前記導光基板１１の第２の表面１１２の中間より上のほうの位置に照射し、且つその入射角が４０度（前記入射角度は入射光線と前記第２の表面１１２の法線との夾角である）である。前記第４の表面１１６に位置する垂直方向のセンサが異なる垂直距離で測定した照度は図１０に示したとおりである。前記第６の表面１１４に位置する水平方向のセンサが異なる水平距離で測定した照度は図１１に示したとおりである。図１０及び図１１からわかるように、前記第４の表面１１６及び前記第６の表面１１４の照度は全て前記背景明るさより遥かに高く、それらの微細構造１２が効果的に入射光線を前記第４の表面１１６及び前記第６の表面１１４に案内し得ることがわかる。注意すべきことは、図９では前記第４の表面１１６、前記第６の表面１１４を測定例としているが、それらの微細構造１２が入射光線を前記第４の表面１１６、前記第６の表面１１４へのみ案内することができると限定されず、それらの微細構造１２は入射光線を前記第３の表面１１５にも案内することができる。
図１２を参照すると、本発明の発電モジュールの第２測定の図を示す。本測定条件及び環境は図９の測定方法とほぼ同じであるが、前記ＬＥＤ２０が作動後に前記導光基板１１の第２の表面１１２の真ん中の位置に照射し、且つ入射角度θが変更可能なパラメータ（前記入射角度θは入射光線と前記第２の表面１１２の法線との夾角である）であることのみ異なる。前記第６の表面１１４に位置するセンサが異なる入射角度で測定した照度は図１３に示したとおりである。前記第４の表面１１６に位置するセンサが異なる入射角度で測定した照度は図１４に示したとおりである。注意すべきことは、図１２が前記第４の表面１１６、前記第６の表面１１４を測定例としているが、それらの微細構造１２が入射光線を前記第４の表面１１６、前記第６の表面１１４へのみ案内することができると限定されず、それらの微細構造１２は入射光線を前記第３の表面１１５にも案内することができる。
図１３及び図１４からわかるように、前記第４の表面１１６及び前記第６の表面１１４の照度は全て前記背景明るさより遥かに高く、それらの微細構造１２が効果的に入射光線を前記第４の表面１１６及び前記第６の表面１１４に案内し得ることがわかる。特に、光線の入射角が４０〜６０度の間で最も顕著に明るさが上昇することから、本発明の構造は光線の入射角度が増加するに従い導光効果も上昇することがわかる。太陽が前記発電モジュールに照射する時、前記発電モジュールが太陽エネルギーの分布曲線に適い得るので、太陽の時間変化により、光線の入射角度が増えて集光効果が悪くなる課題を解決する。
図１５を参照すると、本発明の発電窓セットの一実施例の側面図を示す。前記発電窓セット２が、第１の透光板２１、第２の透光板２２及び発電モジュール１を含む。前記第２の透光板２２が前記第１の透光板２１と対向する。前記発電モジュール１が上記発電モジュール１（図１及び図２）と同様に、前記導光基板１１及び前記光電変換素子１４を含む。前記導光基板１１が前記第１の透光板２１または前記第２の透光板２２に近接し、本実施例において前記導光基板１１が前記第２の透光板２２と前記第１の透光板２１の間に位置する。前記第１の透光板２１及び前記第２の透光板２２が前記導光基板１１を支持するために用いられ、且つ前記導光基板１１を保護することができる。
図１６を参照すると、本発明の発電窓セットのほかの実施例の側面図を示す。本実施例の発電窓セット２ａが図１５に示す発電窓セット２とほぼ同じであるが、本実施例において前記発電窓セット２ａが２つの導光基板１１を含み、且つそれらの導光基板１１が平行に重なっていることが異なる。それらの導光基板１１の微細構造のパターンが異なるか、またはそのパターンは同じであるが微細構造の陥入方向が異なることが好ましい。
図１７を参照すると、本発明の発電窓セットのほかの実施例の正面図を示す。本実施例の発電窓セット２ｂが図１５に示す発電窓セット２とほぼ同じであるが、本実施例において前記発電窓セット２ａが１つの窓枠２３及び４個の導光基板１１を含むことが異なる。前記窓枠２３が田の字状であり、且つそれらの導光基板１１は前記窓枠２３に画定された４つの収容空間内にそれぞれ位置し、また同一平面に位置する。
図１８を参照すると、本発明の発電モジュールのほかの実施例の立体図を示す。前記発電モジュール１ｄが導光基板１１及び少なくとも１つの光電変換素子１４を含む。前記導光基板１１が例えばガラスまたは透明なプラスチックフィルム板のような透明基板であり、第１の表面１１１、第２の表面１１２、第５の表面１１３、第６の表面１１４、第３の表面１１５、第４の表面１１６及び複数個の微細構造３を備える。前記第１の表面１１１が前記第２の表面１１２と対向し、且つ前記第５の表面１１３、前記第６の表面１１４、前記第３の表面１１５及び前記第４の表面１１６と近接する。前記第５の表面１１３が前記第１の表面１１１、前記第２の表面１１２及び前記第３の表面１１５に近接する。前記第５の表面１１３（例えば頂面）が前記第６の表面１１４（例えば底面）と対向し、前記第３の表面１１５が前記第４の表面１１６と対向する。本実施例において、前記第１の表面１１１が光入射面で、光源１０からの光線１６を受けるように前記光源１０と対向する。前記光源１０が太陽であることが好ましい。
それらの微細構造３が前記導光基板１１の内部に位置し、且つ前記第１の表面１１１と前記第２の表面１１２の間に位置する。本実施例において、それらの微細構造３が互いに連通しないかまたは接触しない。言い換えれば、微細構造３相互間が実質的に平行で距離を隔てている。それらの微細構造３が前記導光基板１１を貫通してそれぞれ前記第３の表面１１５及び前記第４の表面１１６に開口されている。
本実施例において、それらの各微細構造３の断面が三角形であるが、その他の実施例において、それらの各微細構造３の断面が円状、半円状、楕円状、扇状、矩形、三角形、多角形またはその他の形状であってもよい。また、それらの微細構造３内にいかなる材料も別途に充填されず、即ちそれらの微細構造３内が空気であり、その屈折率と前記導光基板１１の屈折率との差が０．３より大きい。
前記光電変換素子１４が前記導光基板１１に近接して設置されるか、または前記導光基板１１に設置される。前記光電変換素子１４がソーラーウェハーであることが好ましい。本実施例において、前記光電変換素子１４が前記導光基板１１の前記第６の表面１１４に直接貼合され、且つ前記光電変換素子１４の面積が前記第６の表面１１４の面積と等しいかまたはやや小さくてもよい。しかし、その他の実施例において、前記光電変換素子１４が前記導光基板１１の前記第５の表面１１３、前記第３の表面１１５または前記第４の表面１１６に設置されてもよい。
実際に使用する場合、それらの微細構造３の寸法がｕｍまで小さくしてもよく、その他の実施例においてｎｍ、ｃｍ等であってもよいが、これに限定されない。前記光線１６（例えば太陽光）が前記第１の表面１１１から前記導光基板１１に入射する時、それらの微細構造３が一部の前記光線１６を前記光電変換素子１４に案内して、一部の前記光線１６のエネルギーを電気エネルギーに変換する。同時に、前記光線１６の他の部分が前記導光基板１１を透過する。従って、前記発電モジュール１ｄを実際に窓に使用する場合、視覚阻害を引き起こしにくく、且つ一部の前記光線１６が前記発電モジュール１ｄを通過し得るので室内の採光に影響しにくい。
図１９を参照すると、図１８の発電モジュールの断面部分拡大図を示す。図に示すように、前記微細構造３が第１の側面３１、第２の側面３２、第３の側面３３、第１の角３４及び第３の角３５を備える。前記第１の側面３１と前記第２の側面３２が前記第１の角３４を形成し、且つ前記第１の側面３１と前記第３の側面３３が前記第３の角３５を形成する。前記第１の角３４が前記第５の表面１１３（図１８）に対向し、且つ前記第１の側面３１が前記第１の表面１１１と実質的に平行である。前記第２の側面３２が前記第１の側面３１と前記第２の表面１１２の間に位置する。前記第１の角３４の角度θ１が５〜３０度であり、且つ前記第３の角３５の角度θ２が５０〜９０度であることが好ましい。
図２０を参照すると、図１８の発電モジュールの部分光経路図を示す。本図では３本の光線１６ａ、１６ｂ、１６ｃのみ例として挙げられているが、実際の光線がこの３本に限らないことについて理解できる。また、注意すべきことは、光線が境界面を通過する時、全反射または屈折及び反射が発生するが、本図に示す光経路は光線の最も主要な部分の経路である。即ち、前記光線の大部分が屈折して一部が反射する場合、屈折経路のみを示し、前記光線の大部分が反射して一部が屈折する場合、反射経路のみを示す。図に示すように、前記光ビーム１６ａが前記第１の表面１１１から前記導光基板１１に進入し、更に前記第１の側面３１から前記微細構造３に進入し、更に前記第２の側面３２を介して前記微細構造３から射出され、最後に前記第２の表面１１２から射出される。前記光ビーム１６ｂが前記第１の表面１１１から前記導光基板１１に進入し、更に前記第１の側面３１から前記微細構造３に進入し、更に前記第３の側面３３を介して前記微細構造３から射出された後、前記第２の表面１１２で全反射され、更に前記第１の表面１１１で全反射され、前記光電変換素子１４に達する。前記光ビーム１６ｃが前記第１の表面１１１から前記導光基板１１に進入し、更に前記第１の側面３１から前記微細構造３に進入し、更に前記第３の側面３３を介して前記微細構造３から射出された後、下部の微細構造の第２の側面で全反射され、最後に前記第２の表面１１２から射出される。
図２１を参照すると、本発明の発電モジュールのほかの実施例の立体図を示す。本実施例の発電モジュール１ｅは図１８に示す発電モジュール１ｄとほぼ同じであるが、本実施例において前記発電モジュール１ｅのそれらの微細構造３が前記導光基板１１を貫通せず、前記導光基板１１の前記第３の表面１１５または前記第４の表面１１６に近接することが異なる。
図２２を参照すると、本発明の発電モジュールのほかの実施例の断面図を示す。本実施例の発電モジュール１ｅは図１８及び図１９に示す発電モジュール１ｄとほぼ同じであるが、本実施例において前記発電モジュール１ｅが更に内部材３７を含み、前記微細構造３が画定する空間内に位置し、前記内部材３７の屈折率と前記導光基板１１の屈折率の差が０．３より大きい。前記内部材３７の材質が液体、コロイド、ガラス、金属またはプラスチックであってもよい。
図２３を参照すると、本発明の発電モジュールのほかの実施例の立体図を示す。本実施例の発電モジュール１ｆは図１８に示す発電モジュール１ｄとほぼ同じであるが、本実施例において前記発電モジュール１ｆのそれらの微細構造３ａが逆三角形であることが異なる。
図２４を参照すると、図２３の発電モジュールの断面部分拡大図を示す。図に示すように、前記微細構造３ａが第１の側面３１、第２の側面３２、第３の側面３３及び第１の角３４を備える。前記第１の側面３１と前記第２の側面３２が前記第１の角３４を形成する。該第１の角３４が前記第６の表面１１４（図２３）と対向し、且つ前記第３の側面３３が前記第５の表面１１３（図２３）と実質的に平行である。前記微細構造３ａが更に仮想平面３６を含むことが好ましく、該仮想平面３６が前記第１の表面１１１と平行であり、且つ前記第１の角３４が第１の夾角θ３と第２の夾角θ４に分け、前記第１の側面３１と前記仮想平面３６が前記第１の夾角θ３を形成し、前記第２の側面３２と前記仮想平面３６が前記第２の夾角θ４を形成し、前記第１の夾角θ３が０〜２０度で、且つ前記第２の夾角θ４が０〜２０度であり、前記第１の夾角θ３と前記第２の夾角θ４が等しいかまたは等しくなく、前記第１の夾角θ３と前記第２の夾角θ４が同時に０度にはならない。
図２５を参照すると、図２３の発電モジュールの部分光経路図を示す。本図では３本の光線１６ｄ、１６ｅ、１６ｆのみ例として挙げられているが、実際の光線がこの３本に限らないことについて理解できる。また、注意すべきことは、光線が境界面を通過する時、全反射または屈折及び反射を起こすが、本図に示す光経路は光線の最も主要な部分の経路である。即ち、前記光線の大部分が屈折して一部が反射する場合、屈折経路のみを示し、前記光線の大部分が反射して一部が屈折する場合、反射経路のみを示す。図に示すように、前記光線１６ｄが前記第１の表面１１１から前記導光基板１１に進入した後、前記第３の側面３３で全反射され、最後に前記第２の表面１１２から射出される。前記光線１６ｅが前記第１の表面１１１から前記導光基板１１に進入した後、前記第１の側面３１で全反射され、前記第１の表面１１１で全反射され、前記第２の表面１１２で全反射され、下部の微細構造の第２の側面で全反射され、前記第２の表面１１２で全反射され、最後に前記第１の表面１１１で更に全反射されて、前記光電変換素子１４に達する。前記光線１６ｆが前記第１の表面１１１から前記導光基板１１に進入した後、前記第１の側面３１で全反射され、前記第１の表面１１１で全反射され、前記第２の表面１１２で全反射され、下部の微細構造の第２の側面で全反射され、前記第２の表面１１２で全反射された後、下部の微細構造の第３の側面から下部の微細構造に進入し、更に第１の側面を介して前記下部の微細構造から射出され、最後に前記第１の表面１１１から射出される。
図２６を参照すると、本発明の発電モジュールのほかの実施例の立体図を示す。本実施例の発電モジュール１ｇは図２３に示す発電モジュール１ｆとほぼ同じであるが、本実施例において前記発電モジュール１ｇのそれらの微細構造３ａが前記導光基板１１を貫通せず、前記導光基板１１の前記第３の表面１１５または前記第４の表面１１６に近接することが異なる。
図２７を参照すると、本発明の発電モジュールのほかの実施例の断面図を示す。本実施例の発電モジュール１ｈは図２３及び図２４に示す発電モジュール１ｆとほぼ同じであるが、本実施例において前記発電モジュール１ｈが更に内部材３７を含み、前記微細構造３ａが画定する空間内に位置し、前記内部材３７の屈折率と前記導光基板１１の屈折率の差が０．３より大きい。前記内部材３７の材質は液体、コロイド、ガラス、金属またはプラスチックであってもよい。
図２８を参照すると、測定機器を用いて本発明の発電モジュールの使用をシミュレーションする説明図を示す。該測定機器６が少なくとも光源６１とレシーバ６２１を含む。前記発電モジュール１ｄ（図１８及び図１９）が前記測定機器６の中心に位置し、前記光源６１が前記導光基板１１の右側に位置し、且つ前記レシーバ６２１が前記導光基板１１の下側に位置する。
前記光源６１は入射角度がθ度である入射ビームを発生するために用いられ、θが１０〜８０である。シミュレーション・パラメータは以下のとおりである。前記導光基板１１の屈折率が１．５１で、且つその寸法が２４０ミリメートル（ｍｍ）×１８０ミリメートル（ｍｍ）で、厚さが６ミリメートル（ｍｍ）である。前記光源６１が前記導光基板１１に投射される面積が２１６ミリメートル（ｍｍ）×１６２ミリメートル（ｍｍ）である。前記レシーバ６２１の寸法が２４０ミリメートル（ｍｍ）×６ミリメートル（ｍｍ）である。前記光源６１と前記導光基板１１との間隔が１０００ミリメートル（ｍｍ）である。前記レシーバ６２１と前記導光基板１１との間隔が０．１ミリメートル（ｍｍ）である。
本シミュレーションにおいて、以下のとおり３つの異なる態様の導光基板１１を測定した。第１の態様は図１８及び図１９の発電モジュール１ｄの導光基板１１であり、前記第１の角３４の角度θ１が１０度で、且つ前記第３の角３５の角度θ２が７０度である。第２の態様は図２３及び図２４の発電モジュール１ｆの導光基板１１であり、前記第１の夾角θ３が５度で、且つ前記第２の夾角θ４が５度である。第３の態様は図２３及び図２４の発電モジュール１ｆの導光基板１１であり、前記第１の夾角θ３が１０度で、且つ前記第２の夾角θ４が０度である。
図２９を参照すると、異なる態様の導光基板に対して図２８の測定機器を用いてシミュレーションした結果を示し、曲線７１が上記第１の態様の導光基板の場合を表し、曲線７２が上記第２の態様の導光基板の場合を表し、曲線７３が上記第３の態様の導光基板の場合を表す。図において、横座標は前記光源６１から発出した入射ビームの入射角θであり、縦座標の効率（％）はレシーバ６２１が測定された光束／前記光源６１が発出する入射ビームの光束を表し、即ち、前記レシーバ６２１の光束が前記入射ビームの全光束に占める割合である。
以下、表１に上記シミュレーション結果を示す。表１において、左側から右側へ順に第１の態様、第２の態様及び第３の態様である。
表１において、最も左側の第１の態様を例とすると、４０度〜８０度入射角度が台湾の夏の午前８時〜午後４時の時間帯の太陽光の平均入射角度である。シミュレーションの結果、かかる入射角度の場合、約６．３％の入射光が前記導光基板１１の第６の表面１１４（即ち前記光電変換素子１４の位置）に案内されることを示す。同様に、３０度〜７０度入射角度が台湾の春または秋の午前８時〜午後４時の時間帯の太陽光の平均入射角度である。シミュレーションの結果、かかる入射角度の場合、約５．７％の入射光が前記導光基板１１の第６の表面１１４（即ち前記光電変換素子１４の位置）に案内されることを示す。
したがって、前記導光基板１１は透過性を保つことができるだけでなく、同時に太陽光発電機能も兼ね備えることができる。また、図２９及び表１からわかるように、異なる態様の微細構造の導光基板１１は異なる入射角で異なる光学的性質を有するため、使用者は実際の太陽光の入射角によって必要な微細構造の態様の導光基板１１を選ぶことができる。
図３０を参照すると、本発明の発電モジュールのほかの実施例の立体図を示す。本実施例の発電モジュール１ｉは図１８に示す発電モジュール１ｄとほぼ同じであるが、本実施例において前記発電モジュール１ｉのそれらの微細構造３ｂが円柱状の形状であることが異なる。
図３１及び図３２を参照すると、それぞれ本発明の発電モジュールのほかの実施例の立体図及び正面図を示す。本実施例の発電モジュール１ｊは図１及び図２に示す発電モジュール１とほぼ同じであるが、本実施例において前記発電モジュール１ｊのそれらの各微細構造１２が開口幅Ｗを有し、且つそれらの開口幅Ｗが全て等しい。また、前記導光基板１１が第１の表面１１１、第２の表面１１２、第１の端部１１４（即ち第６の表面１１４）、第２の端部１１３（即ち第５の表面１１３）、第３の端部１１５（即ち第３の表面１１５）、第４の端部１１６（即ち第４の表面１１６）を備える。
本実施例において、前記第２の端部１１３に近接するそれらの微細構造１２同士の間隔ｄ１が前記第１の端部１１４に近接するそれらの微細構造１２同士の間隔ｄ２より小さい。即ち、前記第１の端部１１４に近接する微細構造１２から前記第２の端部１１３に近接する微細構造１２へその密度が次第に大きくなる。それらの微細構造１２の異なる密度設計により、前記光電変換素子１４に案内される光線の明るさを調節することができる。
図３３を参照すると、図３２における線３３−３３に沿った断面図を示す。図に示すように、それらの微細構造１２が弧状に陥入し、それらの各微細構造１２が前記第１の表面１１１に投影され、投影面積Ａを形成する。本実施例において、それらの微細構造１２の投影面積Ａの合計が前記第１の表面１１１の表面積の１５％〜５０％であり、即ちそれらの微細構造１２の密度が、それらの微細構造１２の投影面積Ａの合計と前記第１の表面１１１の表面積との比で定義される。本実施例において、それらの微細構造１２の投影面積Ａの合計が前記第１の表面１１１の表面積の１５％〜５０％であり、好ましくは２０％〜４０％である。
図３４を参照すると、図３３の微細構造のほかの態様を示す。図に示すように、それらの微細構造１２ｃが前記第１の表面１１１から突出される。同様に、それらの各微細構造１２ｃが前記第１の表面１１１に投影され、投影面積Ａを形成する。
図３５を参照すると、図３３の微細構造のほかの態様を示す。図に示すように、それらの微細構造１２ｄが前記導光基板１１の内部に位置し、且つ前記第１の表面１１１または前記第２の表面１１２まで連通しない。同様に、それらの各微細構造１２ｄが前記第１の表面１１１に投影され、投影面積Ａを形成する。
図３６を参照すると、本発明の発電モジュールのほかの実施例の正面図を示す。本実施例の発電モジュール１ｋは図３２に示す発電モジュール１ｊとほぼ同じであるが、本実施例において、それらの微細構造１２同士の間隔が全て等しいことが異なる。
図３７を参照すると、本発明の発電モジュールのほかの実施例の正面図を示す。本実施例の発電モジュール１ｍは図３２に示す発電モジュール１ｊとほぼ同じであるが、本実施例において、前記第２の端部１１３に近接するそれらの微細構造１２同士の間隔ｄ１が前記第１の端部１１４に近接するそれらの微細構造１２同士の間隔ｄ２より大きいことが異なる。即ち、前記第１の端部１１４に近接する微細構造１２から前記第２の端部１１３に近接する微細構造１２へその密度が次第に小さくなる。
図３８を参照すると、本発明の発電モジュールのほかの実施例の正面図を示す。本実施例の発電モジュール１ｎは図３２に示す発電モジュール１ｊとほぼ同じであるが、本実施例において、前記導光基板１１が更に中央部１７を備え、該中央部１７が前記第１の端部１１４と前記第２の端部１１３の間に位置することが異なる。前記第１の端部１１４に近接する微細構造１２の密度と前記第２の端部１１３に近接する微細構造の密度が等しく、且つ前記中央部１７に位置する微細構造１２の密度より大きい。
図３９を参照すると、本発明の発電モジュールのほかの実施例の正面図を示す。本実施例の発電モジュール１ｐは図３２に示す発電モジュール１ｊとほぼ同じであるが、本実施例において、前記導光基板１１が更に中央部１７を備え、前記中央部１７が前記第１の端部１１４と前記第２の端部１１３の間に位置することが異なる。前記第１の端部１１４に近接する微細構造１２の密度と前記第２の端部１１３に近接する微細構造の密度が等しく、且つ前記中央部１７に位置する微細構造１２の密度より小さい。
図４０を参照すると、本発明の発電モジュールのほかの実施例の正面図を示す。本実施例の発電モジュール１ｑは図３２に示す発電モジュール１ｊとほぼ同じであるが、本実施例において、前記第１の端部１１４に近接する微細構造１２から前記第２の端部１１３に近接する微細構造１２へその密度が大小交互に配列されることが異なる。
本発明の上記微細構造１２の形状、寸法、間隔または密度等は、上述した様態に限定されず、微細構造の様々な異なる形状、寸法、間隔及び／または密度等を全て互いに組み合わせることができる。例えば、第１の表面１１１に様々な形状の微細構造を備えるか、または第１の表面１１１に異なる形状と寸法の微細構造を互いに組み合わせて備える。
図４１を参照すると、本発明の発電モジュールのほかの測定環境図を示す。本実施例の測定環境は図１２の測定環境とほぼ同じであるが、本実施例の測定環境において前記光源２０が前記導光基板１１の第１の表面１１１に照射し、前記導光基板１１の前記第１の端部１１４、前記第３の端部１１５及び前記第４の端部１１６にセンサを設置して測定することが異なる。
図４２を参照すると、図３６の導光基板の異なる微細構造の密度における測定結果の曲線図を示す。その中に、◆は微細構造の密度が７８％である導光基板に異なる入射角度の入射光を照射する際に、それらセンサにより測定された電流値を表し、黒い四角形は微細構造の密度が３９％である導光基板に異なる入射角度の入射光を照射する際に、それらセンサにより測定された電流値を表し、黒い三角形は微細構造の密度が１９．５％である導光基板に異なる入射角度の入射光を照射する際に、それらセンサにより測定された電流値を表す。図から、微細構造の密度を１９．５％に小さくしても、入射角が大きい時、むしろそれらセンサにより大きい電流値が測定され、微細構造の密度が高いほどより好ましいといえないことがわかる。
図４３を参照すると、微細構造の密度は同様に１９．５％であるが、分布形態の異なる導光基板の測定結果の曲線図を示す。その中に、黒い三角形は微細構造が均一に分布した導光基板１１（図３６）に異なる入射角度の入射光を照射する際に、それらセンサにより測定された電流値（この曲線は図４２と同じである）を表し、◆は微細構造の分布形態が図３２のような導光基板１１（前記第１の端部１１４に近接する微細構造１２から前記第２の端部１１３に近接する微細構造１２へその密度が次第に大きくなる）に異なる入射角度の入射光を照射する際に、それらセンサにより測定された電流値を表し、黒い四角形は微細構造の分布形態が図３９のような導光基板１１（前記第１の端部１１４に近接する微細構造１２の密度と前記第２の端部１１３に近接する微細構造の密度が等しく、且つ前記中央部１７に位置する微細構造１２の密度より小さい）に異なる入射角度の入射光を照射する際に、それらセンサにより測定された電流値を表し、●は微細構造の分布形態が図３８のような導光基板１１（前記第１の端部１１４に近接する微細構造１２の密度と前記第２の端部１１３に近接する微細構造の密度が等しく、且つ前記中央部１７に位置する微細構造１２の密度より大きい）に異なる入射角の入射光を照射する際に、それらセンサにより測定された電流値を表す。図からわかるように、微細構造の密度は同様に１９．５％であるが、微細構造の分布形態が異なる導光基板ではそれらセンサにより測定された電流値にあまり差がない。微細構造の分布形態が前記導光基板１１の導光効果に及ぼす影響は小さいことがわかる。
図４４を参照すると、異なる入射角度の入射光を照射して、異なる微細構造の密度を有する導光基板に対して光学シミュレーションを行った結果の曲線図を示す。その中に、●は入射光の入射角度θが８０度である場合を表し、黒い四角形は入射光の入射角度θが７０度である場合を表し、黒い三角形は入射光の入射角度θが６０度である場合を表し、×は入射光の入射角度θが５０度である場合を表し、＊は入射光の入射角度θが４０度である場合を表す。また、縦座標の導光効率は入射光エネルギーとそれらセンサにより測定されたエネルギーの比を表す。図から、微細構造の密度が導光効率に影響を及ぼし、且つ微細構造の密度が１５％〜５０％（好ましくは２０％〜４０％）である場合、特に大きい入射角度（例えば７０度または８０度）に対しても優れた導光効率を有することが分かる。
図４５及び図４６を参照すると、それぞれ本発明の発電モジュールのほかの実施例の立体図及び正面図を示す。本実施例の発電モジュール１ｒは図３１及び図３２に示す発電モジュール１ｊとほぼ同じであるが、本実施例において前記発電モジュール１ｒが少なくとも１つの照明素子１８を更に含むことが異なる。前記照明素子１８が前記導光基板１１の前記第５の表面１１３に近接して設置される。前記照明素子１８が例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）のような固体光源であることが好ましい。本実施例において、前記照明素子１８が前記第５の表面１１３に直接貼合される。
前記光電変換素子１４が導光基板１１の前記第６の表面１１４に近接して設置される。前記光電変換素子１４が前記第６の表面１１４、前記第３の表面１１５及び前記第４の表面１１６に直接貼合されることが好ましい。
実際に使用する場合、前記光線１６（例えば太陽光）が前記第１の表面１１１に入射する時、一部の前記光線１６のエネルギーを電気エネルギーに変換するように、それらの微細構造１２が前記光線１６の一部を前記光電変換素子１４に案内する。同時に、前記光線１６の他の部分は前記導光基板１１を直接透過する。
また、照射する前記光線１６がない時（例えば夜間）、前記照明素子１８が作動されて、照明光線（図示せず）を発射し、前記第５の表面１１３から前記導光基板１１に達する時、それらの微細構造１２が前記照明光線の一部を前記導光基板１１の前記第２の表面１１２に案内し射出するため、前記第２の表面１１２が発光面となる。その場合は、一部の前記照明光線が前記導光基板１１の前記第１の表面１１１から射出されるか、または、それらの微細構造１２により前記照明光線の一部が前記導光基板１１の前記光電変換素子１４に案内されて電気エネルギーに変換されることがわかる。従って、前記発電モジュール１ｒは発電機能だけでなく、同時に照明機能も有する。
また、上記図３１及び図３２の発電モジュール１ｊ、図３６の発電モジュール１ｋ、図３７の発電モジュール１ｍ、図３８の発電モジュール１ｎ、図３９の発電モジュール１ｐ、図４０の発電モジュール１ｑの全てが前記照明素子１８を更に含み、前記導光基板１１の前記第５の表面１１３に設置し得ることについて理解できる。
図４７を参照すると、本発明の発電窓セットのほかの実施例の側面図を示す。本実施例の発電窓セット２ｃは図１５に示す発電窓セット２とほぼ同じであるが、本実施例において前記発電窓セット２ｃが前記発電モジュール１ｒを含むことが異なる。
上記の実施例は本発明の原理およびその効果を説明するためのものであり、本発明を限定するものではない。したがって、当業者が上記の実施例に対して行う修正及び変更も本発明の構想から離脱するものではない。本発明の権利の範囲は後述する特許請求の範囲に記載されたとおりである。
１ 本発明の発電モジュールの一実施例
１１ 導光基板
１２ 微細構造
１４ 光電変換素子
１６ 光線
１１１ 第１の表面
１１２ 第２の表面
１１３ 第５の表面
１１４ 第６の表面
１１５ 第３の表面
１１６ 第４の表面

Claims (14)

  1. 窓用の発電モジュールであって、
    第１の表面、第２の表面及び複数個の微細構造を備え、前記第１の表面が前記第２の表面に近接または対向する導光基板；及び
    前記導光基板に近接して設置され、外部から光線が前記導光基板に入射する時、それらの前記微細構造により一部の前記光線が案内されて、一部の前記光線のエネルギーを電気エネルギーに変換する、少なくとも１つの光電変換素子；
    を含み、
    前記微細構造の間の間隔が等しくなく、
    前記導光基板が光透過性材質であり、
    前記微細構造の光入射面が、前記第１の表面と前記第２の表面のうち前記光線が入射する面に対して、平行であり、
    前記複数個の微細構造を前記第１の表面に投影した面積の合計が、前記第１の表面の表面積の１５％〜５０％であり、
    前記微細構造が前記導光基板における光線の入射側に設けられる、発電モジュール。
  2. それらの前記微細構造が前記第１の表面から前記導光基板に陥入されて、前記光線が前記第１の表面に達する時、それらの前記微細構造が一部の前記光線を前記少なくとも１つの光電変換素子に案内して、一部の前記光線のエネルギーを電気エネルギーに変換する請求項１に記載の発電モジュール。
  3. それらの前記微細構造がそれぞれ開口幅を有し、それらの該開口幅の全てが同様ではない請求項２に記載の発電モジュール。
  4. それらの前記微細構造の上から見た面が楕円状である請求項１に記載の発電モジュール。
  5. それらの前記微細構造が互いに連結されていない請求項１に記載の発電モジュール。
  6. 前記光線が太陽光であり、前記少なくとも１つの光電変換素子がソーラーウェハーである請求項１に記載の発電モジュール。
  7. それらの前記微細構造が互いに実質的に平行である請求項１に記載の発電モジュール。
  8. 前記導光基板が前記第１の表面に近接する第１の端部及び第２の端部を更に備え、前記第１の端部が前記第２の端部と対向し、前記第１の端部に近接する微細構造から前記第２の端部に近接する微細構造へ微細構造の密度が次第に大きくなる請求項１に記載の発電モジュール。
  9. 前記導光基板が前記第１の表面に近接する第１の端部及び第２の端部を更に備え、前記第１の端部が前記第２の端部と対向し、前記第１の端部に近接する微細構造から前記第２の端部に近接する微細構造へ微細構造の密度が大小交互に配列される請求項１に記載の発電モジュール。
  10. 前記導光基板が前記第１の表面に近接する第１の端部、第２の端部及び中央部を更に備え、前記第１の端部が前記第２の端部と対向し、前記中央部が前記第１の端部と前記第２の端部との間に位置し、前記第１の端部に近接する微細構造の密度と前記第２の端部に近接する微細構造の密度が前記中央部に位置する微細構造の密度より大きい請求項１に記載の発電モジュール。
  11. 前記導光基板が前記第１の表面に近接する第１の端部、第２の端部及び中央部を更に備え、前記第１の端部が前記第２の端部と対向し、前記中央部が前記第１の端部と前記第２の端部との間に位置し、前記第１の端部に近接する微細構造の密度と前記第２の端部に近接する微細構造の密度が前記中央部に位置する微細構造の密度より小さい請求項１に記載の発電モジュール。
  12. それらの前記微細構造が、前記第１の表面に入射する光線の一部を前記少なくとも１つの光電変換素子に案内し、前記発電モジュールが、前記導光基板の前記第１の表面及び前記第２の表面に隣接する第５の表面に近接して設置され且つ照明光線を前記導光基板に発射するための少なくとも１つの照明素子を更に含み、それらの前記微細構造が前記照明光線の一部を前記導光基板の前記第２の表面に案内し射出する請求項１に記載の発電モジュール。
  13. それらの前記微細構造が前記第１の表面に入射する光線の一部を前記少なくとも１つの光電変換素子に案内し、前記発電モジュールが、前記導光基板の前記第１の表面及び前記第２の表面に隣接する第５の表面に近接して設置され且つ照明光線を前記導光基板に発射するための少なくとも１つの照明素子を更に含み、それらの前記微細構造が前記照明光線の一部を前記光電変換素子に案内する請求項１に記載の発電モジュール。
  14. 第１の透光板；
    前記第１の透光板に対向する第２の透光板；及び
    請求項１に記載の少なくとも１つの発電モジュール；を含み、
    前記導光基板が前記第１の透光板と前記第２の透光板との間に位置する発電窓セット。
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