TW201015733A - Enhanced solar collector - Google Patents

Description

201015733 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明涉及一種太陽能聚光系統，特別是有關於一種增 強型太陽能聚光系統與太陽能發電系統。 【先前技術】 使用太陽能電池來獲得能源，相較於其他的能源，例如 石化能源、核能、水利等，是目前認為較環保的方式。尤其是 在原油的價格持續飆高的時候，更顯得太陽能發電的許多優 點。再者’原油總有用盡的一天，而太陽能發電，相對於原油 而&是取之不盡’用之不竭的能源。因此目前各國政府，研究 單位與許多的私人企業都將許多的研究資源投入在太陽能產 業上。 現今，由於太陽能發電的材料成本是高單價的，為了降 低成本讓太陽能發電可以商業化並且普及成為民生用品，一種 解決方式係使用光學的聚光系統以降低使用太陽能發電的材 料。最簡單的方式是直接使用大面積的透鏡聚光，讓大面積的 光線可以集中到小塊面積的光伏電池(ph〇t〇v〇itaic ceu)上以增 強發電效果。然而，由於透鏡有體積，而且重量相當的重，這 種方式會造成笨重的太陽能發電系統。並且，透鏡的像差，色 差，焦距#專，一般在光學上會遇到的問題在這裡也會遇到。 因此’許多的研究方向轉到使用其他的光學聚光系統以解決上 述的問題。 目前，由Fork與Maeda提供的使用蓋赛格林式(Cassegrain) 系統作為聚縣線的太雜聚光系統，可靖決±述的問題。 Fork與Maeda提供的方式，可以參見美國專土 US2006/0231133，主要 # 用了 ± g μ # Λ 2 (secondary mirror)將光線聚集到光伏電池上。另外，在主反射 201015733 鏡與輔助鏡之間可加入透光的介電材料，例如玻璃或是樹脂， 以增進光伏電池的發光效能。詳細的技術内容請同時參閱由 Antonio Luque 與 Viacheslav Andreev 所編輯，Springer ^版的 ConcentratorPhotovoltaics。這樣的設計方式，可以提供較為小 型的太陽能發電系統，同時提供較高的發電效能。^ 另外，Solfocus 與 Pal〇 Alto Research Center 有一系列研究 係針對蓋賽格林式的太陽能聚光系統的改善，例如 W02006/130520 S爿將小型的太陽能發電系、统組成陣列的形 式’並且使用光感測器以追縱太陽光使得整個陣列可以追縱太 ❹ ^此的方位以付到最佳的發電效能，·在W02007/130794中提 到使用厚的銅片將太陽能發電系統散熱，這對於太陽能發電系 統長時間在陽光下曝曬可以有效的降低操作溫度，尤其是光伏 電池是半導體元件’獅溫度的增加將會降低光轉換電的效 率j在W02007/130795中提到使用真空層化技術(vacuum lamination technology)將印刷電路直接形成在光學元件上，因 此不需要使用其他的印刷電路板而降低整個系統的體積；以 及在WO2007/130796中提到使用有彈性的(resment)光伏電 池封裝結構。 〇 上述的各種技術，皆未解決在蓋赛格林式中一定會發生 的缺點，即輔助鏡(secondaiy mirr〇r)一定會遮住部分的光線。 這在天文望遠鏡中’因為只要天體可以成相，並不會認真的考 慮到鋪助鏡遮住的光線是否重要。但是，在太陽能的聚光系 統的’被^住的光線就不能提供發電，這表示太陽能電池的發 電效率一定會有—部分被犧牲掉。請參閱第一圖所示，主反射 鏡110的底部配置-光伏電池130，而在主反射鏡11〇上配置 助鏡120。當光線照射到主反射鏡11〇之後會被反射到輔 助、兄12a〇上’然後經過辅助鏡120的二次反射到光伏電池130 士。但疋在輔助鏡12〇上，有一塊面積15〇是不會被任何的光 ’、、、射到關於這點，在 Concentrator Photovoltaics 的第 115 201015733 馳同的問題。因此，需要—種方式可以利用到 兄遮住的光線以解決太陽能電池被犧牲掉的發電 效平。 【發明内容】 ❹ ❹ 集裝置，將被獅鏡雜主反職的人光面的光線聚集 到透孔内。 、 的Β目的係解決蓋赛格林式光學祕中，輔助鏡 的遮先而降低太陽能電池的發電效益。 本發明之另一目的係增加光能的利用以提升發電的效 平〇 【實施方式】 在此所探討的方向Α—種太陽㈣光祕以及太 13 Ϊ ί。為了能徹底地瞭解本發明1在下列的描述中 太陽^ ^驟及其組成。_地，本發_施行並未限定於 細統以及太陽能發電系統之技#者所熟習的特殊 以面，S所周知的組成或步驟並未描述於細節中， ,ίίΐ ί發明不必要之限制。本發明的較佳實施例會詳細 :杆而除了这些詳細描述之外’本發明還可以廣泛地 的專施例中，且本發明的範圍不受限定，其以之後 本發明利用在輔助鏡或是凸面反射鏡上形成的透孔，藉 201015733 ㈣—絲餘制料錄遮住的光線產 由於被辅助鏡遮住的面積約有5 轉，財效的 争統，手^ ’發明人提供—種增強型太陽能聚光 ❹ ，或是第二反射鏡，以及-位於輔助鏡 中#ίίίϊί 輔助鏡位於主反射鏡的人光面上， ^M+Zr， 上述之光聚集裝置係用以將被輔助鏡遮住主 反射鏡的入先面的光線聚集到透孔内。 笋—上曰述之^集裝置可為一第一聚光透鏡，一 F職d透 ’兄或疋一上集光漏斗。另外，在透孔内可包含一二 二本發明之增強型太陽能聚光系統可包含一透明介;:$ ^則述之主反射鏡與辅助鏡之間，並且在透孔下方可包含一下 集光漏斗。 3 Γ 發明人同時提供一種增強型之太陽能聚光系統，包含一 ^有-向上凹面之第—反射鏡，—具有—向下凸面之第二反射 '兄，以及位於第二反射鏡上之光聚集之手段。在上述之第一反 射鏡1面底部具有—光伏電池。上述之第二反射鏡，位於第一 ^射銳上^係用以將第一反射鏡所聚之光線反射至光伏電池 ，且在第二反射鏡之反射面中間區域具有一透孔。上述之光 聚集之手段，制以收集被第二反射鏡遮住的光線，並且經過 透孔傳送到光伏電池。 上、述之透孔的面積’大約相當於第二反射鏡遮住第一反 射鏡的光線且經過第一反射鏡反射到第二反射鏡上的面積。上 201015733 f之透^具有-透鏡，用以將經過透孔之光線聚集到光伏電池 μ d日t增強型太陽能聚光系統可包含一光收集褒置位於 弟一兄下方，係用以將經過透孔之光線聚集到光伏電池 上，，、中上述之光收集裝置為一集光漏斗。 一發明人亦提供一種太陽能聚光系統，包含一固態可透光 之光學元件’-主反射鏡，一次反射鏡，以及一位於次反射 亡之光聚集裝置。上述之固態可透光之光學元件，具有一 較大ί凹面之第一部份，以及一第二部份。其中上述之第二部 份與第-部份相對，具有較平坦的入光面，且入光面中央具有 一相對較小之曲面。上述之主反射鏡係位於凹面上，而上&之 次反射鏡係於曲面上，且妓射鏡巾央财—透孔。上述之光 聚集裝，係用以收集被次反射鏡遮住的光線，並且經過透孔傳 送到固態可透光之光學元件。上述之光聚集裝置可為一第一聚 ，透鏡^ 一 Fresnel透鏡，或是一上集光漏斗。本發明之太陽 能聚光系統可包含-位於透孔内之第二聚歧鏡，以及一位於 固態可透光之光學元件下方之下集光漏斗。 發明人又提供一種太陽能發電系統，包含一光伏電池， 以及一太陽能聚光器。上述之一太陽能聚光器，包含一具有一 向上凹面之主反射鏡，一具有一向下凸面之輔助鏡，以及一位 於辅助鏡上方之光聚集裝置。上述之光伏電池係位於主反射鏡 之凹面底部。上述之輔助鏡係位於主反射鏡上，且辅助鏡中央 具有一透孔。上述之光聚集裝置係用以將被輔助鏡遮住主反射 鏡的入光面的光線經由透孔内聚集到光伏電池上。 曰上述之光聚集裝置可為第一聚光透鏡，Fresnel透鏡，或 疋上集光漏斗。本發明之太陽能發電系統可包含一位於透孔内 之第二聚光透鏡’一位於主反射鏡與輔助鏡之間的透明介電材 料’以及一位於透孔下方之下集光漏斗。 接下來，請參閱圖式詳細解釋本發明的内容，技術特徵， 201015733 與各種的實施方式。 明參閱第二圖，一第一反射鏡10，亦為凹面之主反射鏡 ，底部配置一光伏電池30,而在主反射鏡10的上面配製一 第二反射鏡，或是輔助鏡、或凸面反射鏡。主反射鏡10與輔 f鏡20之間係兩相對應，使得光線經由主反射鏡1〇的孔徑照 =主反射鏡H)之後，第—次反賴輔助鏡2G上。之後再經 輔助鏡20的第二次的反射將光線照射到光伏電池3〇上。在 $明中，輔助鏡2〇上具有一透孔5〇，其中透孔的面積大約 冲目虽於輔賴2G遮餘反概1G的絲且親主反射鏡1〇 ❹ 助鏡2G上的面積。透孔5G的形成方式，可以使用機 械鑽孔的方式在輔助鏡2〇上形成。 要將被輔助鏡20遮住的光線聚集到透孔5〇内，需要在 =助上方配置—光聚錄置。—種實施方式請參閱第三 —透鏡42作私聚絲置，將被輔助鏡20遮住 U線聚集到透孔50内。另一種實施方式請參閱第四圖，係 it ΪΓ1透鏡40作為光聚集裝置，將被辅助鏡2〇遮住 %内°再—種實施方式’請參閱第五圖， i H ϋίΐ漏斗44作為光聚集裝置’將被辅助鏡20遮住 透孔50内。上f絲斗44是―種可以產生全 ==rrnalrefleetiGn)的光學元件，可轉相對大面積的 先線^集到小面積的區域中。—般的上集光漏斗4 ，用局折射係S的透光材料，以增力口内全反射的 且 後將進入集絲斗的规反射職部。目前，市^J 使用玻璃，石英等材質。 』見的有 由於透孔50相對於光聚集裝置在光學上是屬於孔 (aperture)，因此有可能㈣絲錄置收制的料入； 照射到下方的光伏電池30上。一種實雜方々，过:’、'、法王0P 係使用-透减鏡52配置在透孔5G内。 距調整後，可以將光線聚焦到光伏電池3G上。當與 201015733 可供產㈣應r 1秘配可財許多種的實施例 —敕在光伏電池3G上方再增加—集賴斗，可以 光ί-。請參财爛，制—下集光漏斗 光伏電池ί上。Μ、㈣伽鏡2()反_光線全部收集到

細人以Λ上述的各種方式進行所有可能的搭配鱼 明型態搭配圖示做說明，但並非用以限。 施例僅限於圖示中的幾種組合。任何的搭配與粗： 所產生的實施例皆應屬於本發明的内容範圍。 口 第八® ’係將—Fresnd透鏡40與透孔透鏡52搭 配使用的實施紐。由於Ffesnd透鏡的聚光效果等同於 的聚光透鏡，因此就使用F職d透鏡表示可以使用 ^ 透鏡的實施例❶使用Fresnel透鏡的好處是可以讓光學元 厚度大幅降低。 ^ 請參閱第九圖，係將一聚光透鏡42，透孔透鏡52，與集 光漏斗46三者相互搭配使用的實施態樣。同樣的，在這個^ 施例中，可以將聚光透鏡42改用Fresnel透鏡以降低厚度。 請參閱第十圖，係將一上集光漏斗4令與透孔透鏡52搭 配使用的實施態樣。並且，請參閱第十一圖，係將一上集光漏 斗44 ’透孔透鏡52，與下集光漏斗46搭配使用的實施態樣。 在第十一圖所示的實施例中，可以同時使用兩個集光漏$將被 輔助鏡20遮住的光線充分利用。 再者，本發明可以在主反射鏡1〇與輔助鏡2〇之間可以 填入，明介電材料，其中介電材料可以是玻璃，透明樹脂，壓 克力專荨兩透光的材料。採用這種方式時，會先形成一個固態 可透光之光學元件，其具有一相對較大之凹面之第—部份，= 201015733 平坦^入=°其中上述之第二部份與第—部份相對，具有較 鏡H)會配晋人光面中央具有一相對較小之曲面。主反射 曲面上。麵一部份，而辅助鏡20會配置在第二部份的的 是因手段，可以達成提升發電效率的功效，這 ΐ本凸峨職㈣光射⑽利用來發 發電效率的優1有可轉驗獅鏡或是凸面鏡遮光而降低 ，，地，依照上面實施例中的描述，本發明可 理i，除、、=此需要在其附加的權利要求項之範圍内加以 眘始也了Λ·Ϊ述咩細的描述外，本發明還可以廣泛地在其他的 限定本發發^，並非用以 ，成的等=二凡;=== 【圖式簡單說明】 0 示意圖 第厂圖係為傳統蓋赛袼林式太陽能聚光彡統之截面 結構 ㈣Hi絲太陽能料系統的獅鏡上開-透孔之截 面結構不意圖； ^ ^三圖顯示在太陽能聚光系統的輔助鏡上配置一 鏡之截面結構示意圖； 也 第四圖顯示在太陽能聚光系統的辅助鏡上配置一細㈣ 透鏡之截面結構示意圖； 第五®顯示在太陽能聚光系統的辅助鏡上配置-集光漏 斗之截面結構示意圖； 201015733 第六圖顯示在太陽能聚光系統的辅助鏡的透孔上配置一 透孔透鏡之截面結構示意圖； 第七圖顯示在太陽能聚光系統的光伏電池上配置一集光 漏斗之截面結構示意圖； 第八圖顯示搭配Fresnel透鏡與透孔透鏡之實施例的截面 結構示意圖； 第九圖顯示搭配聚光透鏡，透孔透鏡，與集光漏斗之實 施例的截面結構示意圖； 、 〇 第十圖顯示搭配上集光漏斗，與透孔透鏡之實施例的截 面結構示意圖；以及 、第十一圖顯示搭配上集光漏斗，透孔透鏡，與下集光漏 斗之實施例的截面結構示意圖。 【主要元件符號說明】 ίο、ιιο 主反射鏡 20 ' 120 輔助鏡 ❹ 30 ' 130 光伏電池 40 Fresnel 透鏡 42 聚光透鏡 44 上集光漏斗 46 下集光漏斗 50 透孔 52 透孔透鏡 150輔助鏡上完全無光線從主反射鏡照射的區域

Claims (1)

1. «I «I 201015733 七、申請專利範圍： 1. 一 種增強型太1%能聚光系統，包含·. 一主反射鏡，具有一向上凹面； 古具ΐτ向下凸面’位於該主反射鏡上，該輔助 鏡中央具有一透孔；以及 位於該輔助鏡上方’用以將被該輔助鏡遮 住社反射鏡的入光面的光線聚集到該透孔内。 ❹ 2.，射請專利範圍第丨項之增強型之太陽能聚光系統，其 ^上述之光聚钱置可為—第―聚光透鏡，—F_d透 銃，或是一上集光漏斗。 3. ，據申請專利範圍第2項之增強型之太陽能聚光系統，更 匕含一第二聚光透鏡位於該透孔内。 4. 根據申請專利範圍第3項之增強型之太陽能聚光系統，更 包含一透明介電材料位於該主反射鏡與該輔助鏡之間。 5. 根據申請專利範圍第1項之增強型之太陽能聚光系統，更 包含一透明介電材料位於該主反射鏡與該辅助鏡之間。 G 6·根據申請專利範圍第3項之增強型之太陽能聚光系統，更 包含一下集光漏斗位於該第二聚光透鏡下方。 7. 根據申請專利範圍第1項之增強型之太陽能聚光系統，更 包含一下集光漏斗位於該透孔下方。 8. —種增強型之太陽能聚光系統，包含： —第一反射鏡’具有一向上凹面，係用以聚光，該第—反 射鏡凹面底部具有一光伏電池； 一第二反射鏡，具有一向下凸面，位於該第一反射鏡上， 用以將該第一反射鏡所聚之光線反射至該光伏電池，該第 12 201015733 二反射面中間區域具有一透孔；以及 位於該第二反射鏡上’用以收集被該第二 反射鏡遮住的光線’並且經過該透孔傳送到該光伏電池。 9.，射請專職圍第8項之增強狀太魏聚光系統，其 中上述之透孔的面積，大約相當於該第二反射鏡遮住該第 一反射鏡的光線且經過該第一反射鏡反射到該第二反射鏡 上的面積。 1〇.，據申晴專利|&圍第8項之增強型之太陽能聚光系統，其 中上述之透孔置有-透鏡，用以將經過該透孔之 到該光伏電池。 11.根據中料概圍第8，9，1G項之增強型之太陽能聚光系 統、’更包含一光收集裝置位於該第二反射鏡下方 ，用以將 、、里過該透孔之光線聚集到該光伏電池。 12·，據t請專利範圍第u項之增強型之太陽麟光系統，其 中上述之光收集裝置為一集光漏斗。 13.—種太陽能聚光系統，包含：

   一固態可透光之光學元件，具有： -第-部份，具有一相對較大之凹面；以及 一第一部份，與該第一部份相對，具有較平坦的入光面， 該入光面巾央具有—相對較小之曲面； 一主反射鏡，位於該凹面上； 了次反射鏡’位於該曲面上，該次反射鏡中央具有一透孔； 以及 -光聚隸置，位於該次反射鏡上，_收雜該次鏡遮 住的光線，並且經過該透轉送到該固態可透光之光學元 201015733 Μ.根據申請專利範圍第13項之太陽能聚光系統，其中上 光取集襄置可為一第一聚光透鏡，一 Fresnel透鏡，七β 上集光漏斗。 或疋一 15. 根據申請專利範圍第14項之太陽能聚光系統，更包人— 二聚光透鏡位於該透孔内。 3第 16. 根據申請專利範圍第13項之太陽能聚光系統，更包含一 集光漏斗位於該固態可透光之光學元件下方。 3 一下 17·—種太陽能發電系統，包含··

   一光伏電池；以及 一太陽能聚光系統’包含： =反射鏡，具有—向上凹面，該凹面底部配置該光伏電 一補助鏡，具有一向下凸面，位於該主沒私 鏡中央具有-透孔；以及 亥主反她上，該辅助 該伽鏡上方，㈣職_助鏡遮 g主反射賴人絲的规經由树孔崎制該光伏 能其中上述之 上集光漏斗。$ u姚，- F_d透鏡，或是一 19. 根專利範圍第18項之太陽能發電系統，更包含-第 一聚光透鏡位於該透孔内。 弟 20. 根據申睛專利範圍第19項之太|^ 明介雷姑粑办於兮+ c ή太％此發電糸統，更包含一透 心電材#位_域射鏡__鏡之間。 通 21. 根據申請專利範圍第17項 明介雷;foKcUfr#兮士 太％此發電系統，更包含一透 電材枓位m反射鏡與_ 201015733 22. 根據申請專利範圍第19項之太陽能發電系統，更包含一下 集光漏斗位於該第二聚光透鏡下方。 23. 根據申請專利範圍第17項之太陽能發電系統，更包含一下 集光漏斗位於該透孔下方。

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