TW201306290A - 多透鏡陣列之集光模組 - Google Patents

Abstract

一種可有效收集太陽光之集光模組，其包括一導光單元、一第一多透鏡陣列以及一第二多透鏡陣列。導光單元具有一中心。第一多透鏡陣列設置於導光單元之上方，包括複數第一透鏡排列呈一半圓弧狀結構，第一透鏡之第一光軸之延伸方向交會於導光單元之中心。第二多透鏡陣列設置於導光單元與第一多透鏡陣列之間，包括複數第二透鏡，第二透鏡之第二光軸之延伸方向交會於導光單元之中心，且每一第二光軸位於每兩相鄰之第一光軸之間。藉由雙層多透鏡陣列之排列設計，本發明可更有效地增加光集中率，以將環境光匯聚為點光源並作有效利用。

Description

多透鏡陣列之集光模組

本發明係與一種集光模組有關，特別係與一種可以有效收集太陽光的具有多透鏡陣列之集光模組有關。

近年來，隨著科技進步發展，能源需求量逐漸增加，使得能源供不應求之外，環保議題亦逐漸受到人類所重視，使得綠色能源成為新興產業的趨勢，因此，如何將可再生能源能夠高效率的利用，係為一門重要的課題。特別地是，如何將綠色能源應用於營建業中，以提供自然光的健康照明，並且有效節約能源，來降低建築能耗，實現永續發展。

目前於營建業中，提供照明節能的方式大致有兩種：一種是利用太陽能能源轉換技術，藉由進行光電轉換而提供電力，然而其轉換效率及其成本考量是一大問題；另一種是藉由設計而將太陽光直接導入室內做為綠色照明的技術，其可以大幅提高太陽光的利用效率。藉由採集並利用太陽光的綠色照明，能夠把白天的太陽光有效地傳遞到室內陰暗的房間，而可以有效地減少電能消耗，並且可以將其應用於辦公大樓、公寓等建築物的地下室或走廊的自然採光或作為輔助照明。

綠色照明技術中習知之集光裝置是在採集光線後，藉由導光器的引導，而傳導進入建築物中原先無法被直接照射到的空間中，以做為室內照明。此外，亦可應用於太陽能能源轉換裝置上，以增加太陽光的收集效能，來提升太陽能能源轉換裝置的生產效率。

為了應付由太陽所發射之不同角度下的入射光線，習知之集光裝置係藉由將多個透鏡嵌設於集光罩上之設計，來收集具有不同入射角度的光線。請參照第一圖，其係為習知之集光裝置100之剖面示意圖。一種集光裝置100，包括一第一集光透鏡1、一傘狀弧面之集光罩2及一配光器3。集光罩2係設置於第一集光透鏡1之上方位置，而配光器3係設置於第一集光透鏡1之下方。

集光罩2之表面設置有複數開孔21以及複數第二集光透鏡22，而複數第二集光透鏡22係各別地嵌固於複數開孔21中。其中，集光罩2上第二集光透鏡22係包括不同口徑大小的第一雙凸透鏡22a及第二雙凸透鏡22b，第一雙凸透鏡22a之口徑係大於第二雙凸透鏡22b之口徑，第二雙凸透鏡22b係排列設置於兩相鄰之第一雙凸透鏡22a的間隙，以充分利用集光罩2的表面空間。此外，由於集光罩2之形狀係為傘狀，因此第二集光透鏡22並未位於同一平面上，藉此無論太陽位於任何方位，皆可使其接收到最大的正面光源。

藉由將集光罩2上的複數第二集光透鏡22所分別聚集之光線，聚集於第一集光透鏡1上；接著，由集光罩2所聚集之光線再經由第一集光透鏡1進行再匯集。由於集光罩2之中心線與第一集光透鏡1及配光器3之中心具有相同軸心線位置，藉此光線可藉集光罩2並經由第一集光透鏡1而匯聚至配光器3，進而有效地收集來自四面八方之光源。最後，藉由配光器3將所收集之光線均勻傳送至光纖，透過光纖傳輸以將光源導入室內，並產生照明效果。

由於透鏡式集光裝置100具有高聚光比的特性，使得透鏡的太陽光入射角度的容忍度範圍很小，若是入射光線相對於每一第二集光透鏡之光軸具有一傾斜角度，則上述習知之集光裝置所利用之複數第二集光透鏡之聚焦光點，將會偏移原先之平行直接入射之焦點，因而使得光線無法有效集中至配光器3並有效利用。

請參考第二圖，其係為根據習知之集光裝置100進行改良之集光裝置200，相較於習知之集光裝置100，其可省去第一集光透鏡1的設置。一種集光裝置200可以包括一例如為光纖之配光器210及一多透鏡陣列(未標示)。多透鏡陣列係設置於配光器210之上方，其包括依序排列呈一半圓弧狀之複數透鏡220。

配合太陽S由東E向西W轉動，其光線L直接入射至集光裝置200的角度，會隨之由-θ度至正上方之0度，再由0度改變至θ度。太陽S所發出之光線L經位於圖中正中央之透鏡220折射後，會被引導至配光器210上，並且其所匯聚之焦點將隨著太陽S的轉動，而由配光器210之中心逐漸移動至邊緣P，當太陽S所發出之光線L入射至集光裝置200的角度超過θ時，則下一片透鏡220會將收斂光線L折射至配光器210之另一邊緣Q，同時光線L所匯聚之焦點亦會逐漸往配光器210之中心移動。據此，隨著太陽S由東E向西W的位置變化，經集光裝置200所匯聚之光線L的焦點位置，亦將隨之不停地在配光器210上左右移動。

然而，即使上述集光裝置200可有效增加太陽光入射至配光器210的入射角度，而提高透鏡對於太陽光入射角度的容忍度範圍，匯聚於配光器210之邊緣P及Q的光線L，依然容易產生溢散，而使得光線L無法有效集中至配光器210並有效利用。因此，如何有效增加集光裝置之入射角度的容忍度範圍，是本技術領域亟欲解決之問題。

本發明之一目的係在於提供一種藉由多透鏡陣列之排列設計，以將來自環境的光線匯聚為一點光源，而作有效利用之集光模組。

本發明的其他目的和優點可以從本發明所揭露的技術特徵中得到進一步的了解。

為了達到上述之一或部份或全部目的或是其他目的，本發明之一實施例的一種多透鏡陣列之集光模組，其包括一導光單元、一第一多透鏡陣列及一第二多透鏡陣列。導光單元具有一中心及一收光半徑。第一多透鏡陣列係設置於導光單元之上方，其包括複數個第一透鏡，且該等第一透鏡係排列成一第一半圓弧狀結構。每一第一透鏡均具有一第一光軸，且第一光軸之延伸方向係交會於導光單元之中心。其中，每一第一透鏡均具有一第一焦距，並且每一第一透鏡與該中心之間的距離係為第一焦距。

第二多透鏡陣列係設置於導光單元與第一多透鏡陣列之間，其包括複數個第二透鏡，且該等第二透鏡係排列成一第二半圓弧狀結構。每一第二透鏡均具有一第二光軸，第二光軸之延伸方向係交會於導光單元之中心，且第二光軸係位於每兩相鄰之第一光軸之間。其中，每一第二透鏡均具有一第二焦距，且每一第二透鏡與中心之間的距離係為第二焦距。此外，每一第二透鏡之邊緣係位於每兩相鄰之第一透鏡的中心之間的下方，且第一半圓弧狀結構之半徑係大於第二半圓弧狀結構之半徑。

在一實施例中，第一半圓弧狀結構係以一收光角度向外劃分為複數間隔，每一第一透鏡係依序位於每一間隔中，其中收光角度係被定義為一日照時段下太陽所移動之一角度範圍。其中，第一焦距係可根據收光半徑及收光角度而加以調整。

在一實施例中，導光單元具有一收光口徑，其係定義為收光半徑之兩倍，並且第一透鏡之口徑係大於或等於收光口徑，第二透鏡之口徑係大於或等於收光口徑。其中，每一第一透鏡以及每一第二透鏡係為一圓對稱透鏡。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。以下實施例中所提到的方向用語，例如：上、下、左、右、前或後等，僅是用於參照隨附圖式的方向。因此，該等方向用語僅是用於說明並非是用於限制本發明。

請參照第三圖，其係為本發明中第一實施例之多透鏡陣列之集光模組300的剖面示意圖。一種多透鏡陣列之集光模組300可以包括一導光單元310、一第一多透鏡陣列320以及一第二多透鏡陣列330。導光單元310，可以例如為光纖，其具有一中心C、一收光半徑R及一收光口徑(未標示)，且收光口徑係定義為收光半徑R之兩倍。

第一多透鏡陣列320係設置於導光單元310之上方，其包括複數個第一透鏡321，第一透鏡321係依序呈一第一半圓弧狀結構來排列，並以導光單元310之中心C作為半圓弧狀結構之圓心，進而形成第一多透鏡陣列320。其中，第一透鏡321係為一圓對稱透鏡，其具有一第一光軸A，第一光軸A之延伸方向係交會於導光單元310之中心C。

第二多透鏡陣列330係設置於導光單元310與第一多透鏡陣列320之間，其包括複數個第二透鏡331，其中第二透鏡331係為一圓對稱透鏡。第二透鏡331係具有一第二光軸A’，且每一第二光軸A’均係位於每兩相鄰之第一光軸A之間，而排列成一第二半圓弧狀結構。第二光軸A’之延伸方向係交會於導光單元310之中心C，並且第一多透鏡陣列320之第一半圓弧狀結構的半徑，係大於第二多透鏡陣列330之第二半圓弧狀結構的半徑。

特別地是，第一多透鏡陣列320之第一半圓弧狀結構係以導光單元310之中心C作為其圓心，並且以一收光角度4θ而將第一半圓弧狀結構之第一多透鏡陣列320劃分為複數間隔，因此其第一透鏡321係依序設置於每一間隔中。第二半圓弧狀結構之第二多透鏡陣列330亦係以導光單元310之中心C作為其圓心，同時第二透鏡331之邊緣係位於每兩相鄰之第一透鏡321之兩鏡心間的下方。其中，收光角度係被定義為一日照時段下太陽所移動之一角度範圍。以查詢台灣台北的夏至太陽資訊為例，日照時間係介於上午七點至下午四點之間時為較佳，將日照時間配合太陽由東向西轉動的角度而劃分為複數個日照時段，並且太陽光直接入射至多透鏡陣列之集光模組300的入射角度，係隨之由-θ度轉至正午時之零度，再由零度改變至θ度(未圖式)，並使得多透鏡陣列之集光模組300在此一天中的日照時間有較穩定的光通量，進而引進室內做照明相關應用。

此外，多透鏡陣列之集光模組300中的第一透鏡321之第一焦距f1，係可根據導光單元310之收光半徑R及收光角度4θ之數值而調整，因而可因應不同日照時段而有不同收光角度的情況，來設計第一多透鏡陣列320中每一第一透鏡321的第一焦距f1。藉由選定導光單元310的收光半徑R，以及用於間隔多透鏡陣列之集光模組300中的第一透鏡321之收光角度4θ，可決定第一焦距f1之關係式如下：

至於，第一透鏡321之口徑2r_f，以及第二透鏡331之口徑2r_s，係分別根據第一焦距f1以及第二焦距f2，並配合收光角度4θ之數值來進行調整，因而可因應不同日照時段而有不同收光角度的情況，並進一步設計第一透鏡421的第一焦距f1及其口徑2r_f，以及第二透鏡431的第二焦距f2及其口徑2r_s，其等關係式分別如下：

r_f=f1×tan(2θ)

r_s=f2×sin(2θ)

為了提升多透鏡陣列之集光模組300的集光比率，第一透鏡321之口徑2r_f係大於或等於導光單元310之收光口徑2R，並且第二透鏡331之口徑2r_s係大於或等於導光單元310之收光口徑2R，其中第一透鏡321之口徑2r_f係大於或等於第二透鏡331之口徑r_s。此外，第一透鏡321與導光單元310之中心C之間的距離係等於第一焦距f1，以使得第一多透鏡陣列320之第一半圓弧狀結構的半徑亦係等於第一焦距f1，第二透鏡321與導光單元310之中心C之間的距離係等於第二焦距f2，以使得第二多透鏡陣列330之第二半圓弧狀結構的半徑亦係等於第二焦距f2。

舉例來說，多透鏡陣列之集光模組300所能收集之角度係為180度，以導光單元310之中心C作為其圓心，因此，可將多透鏡陣列之集光模組300所能用於收集光之180度的角度，以收光角度4θ來劃分，以將第一多透鏡陣列320劃分成N_f個間隔，進而於其中設置N_f個第一透鏡321；同上述方法，可將第一多透鏡陣列320下方的第二多透鏡陣列330劃分成Ns個間隔，進而於其中設置Ns個第二透鏡331，其等之關係式如下：

因此，在本實施例中，多透鏡陣列之集光模組300，主要係由具有三個第一透鏡321之第一多透鏡陣列320，以及具有兩個第二透鏡331之第二多透鏡陣列330所組成。

配合參照第四及五圖，係分別為第一實施例之多透鏡陣列之集光模組，於太陽光之入射角度為零度及θ度的光路徑示意圖。其中，多透鏡陣列之集光模組301係藉由一光學模擬軟體所繪製，並係根據多透鏡陣列之集光模組300中第一多透鏡陣列320及第二多透鏡陣列330的配置方式，來調整其中之第一透鏡321及第二透鏡331的形狀。

隨著不同時刻的太陽光變化而有具有不同入射角度θ之光線L，係入射至多透鏡陣列之集光模組301中，光線L會先經過第一多透鏡陣列320，進而進入第二多透鏡陣列330並產生偏折，而會聚焦至導光單元310上。藉由第二多透鏡陣列330之設計，當光線L經由第一多透鏡陣列320所匯聚之焦點，隨著太陽的轉動而由導光單元310之中心即將偏移至導光單元310之邊緣時，光線L經由第二多透鏡陣列330，而將其所匯聚之焦點由導光單元310之邊緣，轉向而偏折至導光單元310之中心，以加強進入導光單元310之光強度，進而有效地提升其光集中率。

請參照第五圖，其係為本發明中第二實施例之多透鏡陣列之集光模組400的剖面示意圖。在本實施例中，多透鏡陣列之集光模組400主要係由具有兩個第一透鏡421之第一多透鏡陣列420，以及具有三個第二透鏡431之第二多透鏡陣列430所組成。

配合參照第七及八圖，其等係分別為第二實施例之多透鏡陣列之集光模組，於太陽光入射角度為零度及θ度下的光路徑示意圖。其中，多透鏡陣列之集光模組401係藉由光學模擬軟體所繪製，並係根據多透鏡陣列之集光模組400中第一多透鏡陣列420及第二多透鏡陣列430的配置方式，來調整其中之第一透鏡421及第二透鏡431的形狀。

隨著不同時刻的太陽光變化，而有具有不同入射角度θ之光線L，入射至多透鏡陣列之集光模組401，光線L會先經過第一多透鏡陣列420，進而進入第二多透鏡陣列430而產生偏折，並會聚焦至導光單元410上。藉由第二多透鏡陣列430之設計，當光線L經由第一多透鏡陣列420所匯聚之焦點，隨著太陽的轉動而由導光單元410之中心而即將偏移至導光單元410之邊緣時，即將偏移至導光單元410之邊緣的光線L將經由第二多透鏡陣列430，而將其所匯聚之焦點由導光單元410之邊緣，轉向而偏折至導光單元410之中心，以加強進入導光單元410之光強度，而有效地提升其光集中率。

以下將藉由一模擬軟體來驗證一實施例，以說明在不同入射角度下之太陽光，經由本發明的多透鏡陣列之集光模組的匯聚後，可有效提升集光效率的影響。於多透鏡陣列之集光模組，在搭配導光單元與僅具有導光單元的情況並在同一入射角度下，來模擬比較多透鏡陣列之集光模組搭配導光單元，與僅具有導光單元的集光效率。假設太陽光之入射角度於東西向係以5度作為間距，並且太陽光進入多透鏡陣列之集光模組的入射角度之範圍係為0到90度。而太陽光之模擬光源係採用一平面光源，並且模擬光源係採單一波長為0.5461 um，且其照度係為10,000 lux。其中，以直接入射至導光單元的光通量作為基準，也就是太陽光之入射角度為零時，直接進入導光單元的光通量，並定義為一入光效率，其值係為1。

如第九圖所示，其係為第一實施例之多透鏡陣列之集光模組301，與僅具有導光單元的效率比較曲線圖。其中，橫軸係表示太陽光之入射角度，而縱軸係表示入光效率，曲線M係為多透鏡陣列的集光模組301之效率曲線，而曲線N係為僅具有導光單元之效率曲線。由圖可知，曲線M於入射角度為0度時，也就是太陽光直接入射至多透鏡陣列之集光模組301時，多透鏡陣列之集光模組301具有最高的光通量，其之入光效率係為僅具有導光單元之入光效率的1.76倍。至於，曲線M於入射角度為30度時，多透鏡陣列之集光模組301具有最低的光通量，其入光效率係僅具有導光單元之入光效率的0.7倍，此是由於光線之入射角度在15至30度時，光線經過部分之第一透鏡及部分之第二透鏡而偏折至導光單元的收光面積較小，因此其入光效率較低。然而，藉由分別計算曲線M及曲線N所包覆之面積，其係定義為總入光效率所收集之光能量，多透鏡陣列之集光模組301所收集之光能量係僅具有導光單元所收集之光能量的1.29倍。

如第十圖所示，係為第二實施例之多透鏡陣列之集光模組401與僅具有導光單元的效率比較曲線圖。其中，橫軸係表示太陽光之入射角度，而縱軸係表示入光效率，曲線M係為多透鏡陣列之集光模組401之效率曲線，而曲線N係為僅具有導光單元之效率曲線。曲線M於入射角度為30度時，多透鏡陣列之集光模組401具有最高的光通量，其入光效率係僅具有導光單元之入光效率的1.74倍。由於多透鏡陣列之集光模組401中第一透鏡及第二透鏡排列位置，係將多透鏡陣列之集光模組301中第一透鏡及第二透鏡排列位置轉動30度，因此多透鏡陣列之集光模組401之入光效率與入光角度的關係，係與多透鏡陣列之集光模組301之入光效率與入光角度的關係具有約30度的差值。此外，藉由分別計算曲線M及曲線N所包覆之面積，其係定義為總入光效率所收集之光能量，多透鏡陣列之集光模組401所收集之光能量係僅具有導光單元所收集之光能量的1.22倍。

綜上所述，藉由提供一種多透鏡陣列之集光模組以及多透鏡陣列的排列設計，同時以導光單元之中心為圓心，並於其上方以一固定距離以及一固定角度將多個透鏡排列而形成一半圓弧狀結構，將可進一步把第一透鏡及第二透鏡由雙層透鏡優化為非球面透鏡，進而使每個第一透鏡與第二透鏡可匯集由不同時刻的太陽光所發出不同角度下之入射光，以使的不同角度的光線在通過第一多透鏡陣列及第二多透鏡陣列後，能夠有效地將光線偏折至導光單元上，進而將來自環境的平行面光源壓縮為點光源並進行有效利用。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。另外本發明的任一實施例或申請專利範圍不須達成本發明所揭露之全部目的或優點或特點。此外，摘要部分和標題僅是用來輔助專利文件搜尋之用，並非用來限制本發明之權利範圍。

100、200．．．習知之集光模組

1．．．第一集光透鏡

2．．．集光罩

3、210．．．配光器

21．．．開孔

22．．．第二集光透鏡

22a．．．第一雙凸透鏡

22b．．．第二雙凸透鏡

220．．．透鏡(多透鏡陣列)

300、301、400、401．．．多透鏡陣列之集光模組

310、410．．．導光單元

320、420．．．第一多透鏡陣列

321、421．．．第一透鏡

330、430．．．第二多透鏡陣列

331、431．．．第二透鏡

A．．．第一光軸

A’．．．第二光軸

C．．．(導光單元)中心

L．．．光線

f1．．．第一焦距

f2．．．第二焦距

2r_f．．．第一透鏡之口徑

2r_s．．．第二透鏡之口徑

R．．．(導光單元)收光半徑

S．．．太陽

P、Q．．．(配光器)邊緣

第一及二圖，係為習知之集光模組之剖面示意圖。

第三圖，係為本發明之第一實施例之多透鏡陣列之集光模組的剖面示意圖。

第四及五圖，係分別為第一實施例之多透鏡陣列之集光模組於太陽光入射角度為零度及θ度的光路徑示意圖。

第六圖，係為本發明之第二實施例之多透鏡陣列之集光模組的剖面示意圖。

第七及八圖，係分別為第二實施例之多透鏡陣列之集光模組於太陽光入射角度為零度及θ度的光路徑示意圖。

第九圖，係為第一實施例之多透鏡陣列之集光模組的效率曲線圖。

第十圖，係為第二實施例之多透鏡陣列之集光模組的效率曲線圖。

300．．．多透鏡陣列之集光模組

310．．．導光單元

320．．．第一多透鏡陣列

321．．．第一透鏡

330．．．第二多透鏡陣列

331．．．第二透鏡

A．．．第一光軸

A’．．．第二光軸

C．．．中心

f1．．．第一焦距

f2．．．第二焦距

2r_f．．．第一透鏡之口徑

2r_s．．．第二透鏡之口徑

R．．．收光半徑

Claims (9)

1. 一種多透鏡陣列之集光模組，包括：一導光單元，具有一中心；一第一多透鏡陣列，其係設置於該導光單元之上方，其包括複數個第一透鏡，該等第一透鏡係排列成一第一半圓弧撞結構，每一該等第一透鏡均具有一第一光軸，且該第一光軸之延伸方向係交會於該導光單元之該中心；以及一第二多透鏡陣列，其係設置於該導光單元與該第一多透鏡陣列之間，其包括複數第二透鏡，每一該等第二透鏡均具有一第二光軸，且該第二光軸之延伸方向係交會於該導光單元之該中心，其中，每一該第二光軸均係位於每兩相鄰之該第一光軸之間，且該等第二透鏡係排列成一第二半圓弧狀結構。
2. 如申請專利範圍第1項所述之多透鏡陣列之集光模組，其中該第一半圓弧狀結構係以一收光角度而向外劃分為複數間隔，每一該等第一透鏡係依序位於每一該間隔中，其中該收光角度係被定義為一日照時段下太陽所移動之一角度範圍。
3. 如申請專利範圍第2項所述之多透鏡陣列之集光模組，其中該導光單元具有一收光半徑，每一該等第一透鏡均具有一第一焦距，且該第一焦距係可根據該收光半徑及該收光角度而加以調整。
4. 如申請專利範圍第3項所述之多透鏡陣列之集光模組，其中每一該等第一透鏡與該中心之間的距離係為該第一焦距。
5. 如申請專利範圍第1項所述之多透鏡陣列之集光模組，其中每一該等第二透鏡均具有一第二焦距，且每一該等第二透鏡與該中心之間的距離係為該第二焦距。
6. 如申請專利範圍第1項所述之多透鏡陣列之集光模組，其中每一該等第二透鏡之邊緣係位於每兩相鄰之該等第一透鏡之中心之間的下方。
7. 如申請專利範圍第1項所述之多透鏡陣列之集光模組，其中該導光單元具有一收光半徑及一收光口徑，該收光口徑係該收光半徑之兩倍，並且每一該等第一透鏡之口徑係大於或等於該收光口徑，每一該等第二透鏡之口徑係大於或等於該收光口徑。
8. 如申請專利範圍第1項所述之多透鏡陣列之集光模組，其中該第一半圓弧狀結構之半徑係大於該第二半圓弧狀結構之半徑。
9. 如申請專利範圍第1項所述之多透鏡陣列之集光模組，其中每一該等第一透鏡以及每一該等第二透鏡係為一圓對稱透鏡。