TW201312065A - 太陽能集能裝置 - Google Patents

Abstract

本發明係一種太陽能集能裝置，包括有：一正對光源的聚光載體；一設於聚光載體之聚光側的接收體，一接收體具有一容置空間及設於其內的一反射件，以及一設於接收體一側的集光件所構成之裝置。本發明一經日照，聚光載體作初次熱吸收，光線經聚光載體折射或反射匯聚至接收體，於反射件外來自聚光載體之流體作第二次熱吸收，其餘未經熱吸收之光線經反射件投射至集光件可供光電轉換。本發明旨在高效地運用太陽輻射能，技巧地克服單獨「集光」或「集熱」所產生的兩難問題，主要能提升太陽輻射能的「光、熱總體使用率」，同時降低開發成本與生產的環境成本，具體落實環境保護、愛護地球的本意。

Description

太陽能集能裝置

　　本發明涉及一種太陽能集能裝置，尤指一種兼具有「聚光」與「集熱」之太陽能集能裝置。

　　按，太陽表面為一接近於溫度6000K的黑體；黑體是一種理想的吸收、輻射體，太陽表面溫度的黑體輻射，其波長由短而長，大致可分為紫外光、可見光及紅外光。黑體的光譜輻射功率遵循普朗克分佈(Plank distribution)。一般來說，能量波長約在1000n m以內可被半導體光電材料吸收轉換，其它較長的輻射波段，多以熱能的形式被物體吸收。一般太陽能電池能夠響應的最大波長被半導體材料的能隙(E_g：Energy gap)所限制，能隙約在1~1.6eV之間的入射陽光能量可以被最有效地利用，單考慮這個因素，就已將太陽電池的理論轉換效率限制在40%以下。並且，其餘的熱輻射吸收不但無法作為光電轉換，還會導致元件溫度上升，致使太陽能電池的開路電壓(V_oc)和填滿因子(FF：Fill Factor)下降，因而降低光電元件的輸出效能。

　　在太陽能應用技術中，為有效轉換陽光的輻射能量，目前可見的普遍作法，若不是單做「聚光」用於光電轉換，就是單做「集熱」以運用其熱能。目前，太陽能光電產品鮮少看到「聚光」型的實際應用，最主要受限於太陽能光電元件的溫度特性，容易因聚熱的高溫而降低其發電效率，甚至會縮短光電元件的使用壽命，致使光電元件在使用效能未能達到成本回收效益前即毀損，反而徒增製造過程所產生的環境成本，如此一來，實行環保的美意卻與綠能環保的本意相違。關於這點「太陽光電元件的溫度特性」，通常被一般「聚光」型的設計者所忽略、甚或不知，在相關設計中通常未被提出，因為在集光的同時，不可避免的也集中了熱量，「聚光」型的長處恰也變成了光電元件壽命的致命缺陷。

　　光電元件易受高溫的影響，聚光率(concentration ratio)因此不能設計太高，高聚光率表面上看似提高了單位面積內的照光度及光電轉換效率，然而，長時間日照帶來的高溫，卻導致填滿因子(FF)下降，整體來說，接受了相同的受光面積「並沒有提高總體發電功率」，這在聚光型的光電系統設計中，是可預見的問題。

　　至於太陽能「集熱」的應用，目前較普遍的應用是家庭用水的加熱，其設計存在普遍性的兩難問題，若需獲得更多的熱能，勢必要增加受熱面積，然而，「增加受熱面積的同時，也增加了其散熱面積」，致使一般太陽能集熱器的熱吸收效率不高，所能達到的溫度，容易受限。設置太陽光電元件面積的大小，恰也成了集熱、散熱的兩難問題。並且，加大面積同時也增加了開發成本及製造過程所附帶的環境成本，進而轉嫁在消費者的購置成本上，導致普遍消費者對太陽能的購買意願低落，綠能環保的實踐未能廣泛普及。

　　能源是人類文明發展之所必須，有形可開採之各式能源勢必會隨著時間日益遞減，燃燒式發電能源有排放廢氣及廢棄物產生的困擾，核能發電的廢料處理也是一個問題，並且，在2011年日本311大海嘯導致福島核電廠核安問題，已衝擊到人類對核能問題控制的信心。近年來全球暖化問題已不再只是議題，而是關乎到地球上的每個生命體，極端氣候在全球各地已造成難以估算的財產及寶貴生命的損失，這是人類必須嚴正重視、迫切解決的問題。可供永續使用且無污染的能源近年來日益受到關注－潮汐能、風力發電、水力發電、地熱、太陽能……，其中最天然乾淨且源源不絕之能源，仍以太陽能為首宗。

　　綠能政策，目前先進國家無不投入國家資源做系統性的解決，以期降低未來子孫所要面臨的環境負擔。然，綜觀目前太陽能裝置，仍普遍存在以下問題待解決：

　1.一般太陽能板僅做光電轉換，並未能充分有效地利用其餘將近50%的熱幅射能。

　2.傳統式太陽能熱的集熱效率低，吸熱材質的鋪設已佔據所有的受光面，所以更沒有可供光電轉換裝置的容置空間。

　3.聚光型太陽能板伴隨聚熱的高溫，不但會使光電元件的填滿因子(FF：Fill Facor)降低，並縮短元件的有效使用年限甚至損壞元件，導致太陽能裝置使用年限未達回收成本。

　4.非聚光型太陽能裝置不論是單獨「光電轉換」或單獨做「熱吸收」，運作效率都偏低，需大面積的設置才能達到一定的轉換能量。大面積設置導致「成本居高不下」，製造過程產生的環境成本也隨之提升，製造越多造成環境負擔越大。

　　有鑑於上述傳統式太陽能裝置之問題，發明人長年潛心思索、研讀，並結合過去從事相關領域之經驗，針對上述問題，提出了一種太陽能集能裝置的解決方式，旨在全面性提升太陽能之「光、熱總體使用率」。

　　本發明的目的在於提供一種太陽能集能裝置，該裝置可高效地運用太陽光輻射能，技巧地克服單獨「集光」或單獨「集熱」所產生的兩難問題，透過提升太陽輻射能的「光、熱總體使用率」，降低開發成本，同時降低生產的環境成本，屬一種全面性的解決方案，具體落實環境保護、愛護地球的本意。

　　本發明係包括一聚光載體、一接收體、一反射件及一集光件。

　　該聚光載體具有一第三容置空間並面向太陽，該聚光載體將入射之太陽光線匯聚並導引至接收體處，於該接收體之一側設有至少一集光件。該聚光載體更可設有一透鏡，該聚光載體若為長條型結構，其兩側邊更可設置至少一反射側板，該反射側板可將沿軸斜向入射之光線反射回接收體上。陽光經聚光載體折射或反射，於光線匯聚處設有至少一接收體；該接收體具有一第一容置空間，該第一容置空間更可設置至少一反射件，該第一容置空間外圍更環設有一第二容置空間，該第一容置空間可於該聚光載體內部一處與第三容置空間相連接。

　　本發明更提供另一太陽能集能裝置，包含有一聚光載體、一接收體、一反射件及一集光件。

　　該聚光載體具有一第六容置空間並可調整面向太陽，主要將入射之太陽光線匯聚並導引至接收體上，於該接收體之一側設有至少一集光件。該聚光載體更可設有一透鏡。該聚光載體若為長條型結構，其兩端更可設置反射側板，該反射側板可將沿軸斜向入射之光線反射回接收體上。陽光經聚光載體折射或反射，於光線匯集處設有至少一接收體，該接收體具有一第四容置空間，該第四容置空間更可設置至少一反射件，該第四容置空間外圍更環設有一第五容置空間，該第四容置空間可於該聚光載體內部一處與第六容置空間相連接。

　　通過上述技術方案，本發明之太陽能集能裝置，相較於現有技術，至少具有下述優點：

　1.本發明除設有太陽熱輻射能之吸收，尚設有光電轉換機制，本發明相較傳統太陽能裝置，可全面性地運用並轉換太陽輻射能在不同波段範圍之能量使用。

　2.本發明採聚光機制，提升聚光率的同時也提高集熱度。集中的熱由流體帶走，可降低熱輻射對光電元件的升溫，並且集中性的熱吸收可降低流體的熱散問題，流體溫度可有效率的提升，如此可大幅減少熱吸收體(如玻璃管)的設置數量。另外，光電板的設置面積也可大幅減少，藉光通量密度提升促使相同單位面積的光電板轉換效率大幅提升。

　3.匯聚的太陽光線其熱幅射可被反射件吸收，其餘未吸收之可見光與紫外光波段經反射件反射至集光件，作為光電轉換之來源。如此一來，熱輻射被反射件吸收並由內設之各容置空間之流體帶走熱量，光電元件接收到的大多已是可見光與紫外光波段，這些波段都極度地有利於光電轉換之運作。光電元件因聚熱升溫而破壞元件的問題，在此技術性地獲得解決。

　4.聚光機制將大幅減少所需之熱吸收材料與太陽能板的設置面積，因此可大幅地降低開發成本，及最重要的環境成本。在相同的照光面積下，因光通量密度的提升，可達到更高的光電轉換效率。一來一回的換算，其總體之「成本效益比率」，相較於傳統單獨作「光電」或單獨作「熱吸收」系統而言，可獲得較高之效益。

　　底下藉由具體實施例配合所附圖式詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。

　　請參閱第1、2圖，為本發明太陽能集能裝置之第一實施例，其包含一正對陽光的聚光載體1、一透鏡10、一設於該聚光載體1聚光側之接收體2、至少一反射件20、一集光件3、一第一容置空間21、一第二容置空間22、一第三容置空間11以及反射側板12。

　　該聚光載體1可將平行入射之陽光匯聚於聚光焦點a，該接收體2設置於聚光焦點a上，於接收體2之一側更可設有至少一集光件3。該聚光載體1上蓋合一透鏡10，該透鏡10至少一面可鍍有選擇性吸收膜、反射膜或多層膜之材料，其材料選擇、折射係數與膜厚度經適當搭配，可避免或減少光線經反射再回大氣中，該透鏡10具有防塵、保溫及減反射之作用。該聚光載體1具有一第三容置空間11並藉由一管路(圖中未示)與第一容置空間21連通。

　　該聚光載體1為反射式曲面鏡。聚光載體1之形狀可為拋物線、圓弧、雙曲線或菲涅耳(Fresnel)式，其主要可使達到匯聚光線之光學裝置，本實施例以線聚焦拋物面鏡作為範例。該聚光載體1為立體長條型結構，其兩端更可設置反射側板12，反射側板12可將沿主軸斜向入射之光線反射回接收體2上。該聚光載體1中更設有一第三容置空間11可供如液體之介質流經其中，液體可經聚光載體1藉傳導的熱能達到初次升溫。此外，聚光載體1非聚焦側更可連接一追日裝置(圖中未示)，使聚光載體1主軸恆正對太陽，用以提高本發明之聚光率(Concentration Ratio)。

　　該接收體2設置於聚光焦點a處，接收體2具有一第一容置空間21。該接收體2為透明材，其可為玻璃、琉璃、陶瓷、石英，本實施例以玻璃管做為範例。第一容置空間21內設有一反射件20，該第一容置空間21可供液體流經其中，可將匯聚的光線作熱能吸收，藉此也降低集光件3之熱輻射吸收，達到降溫並延長光電元件壽命效果，且未經熱吸收之光線經反射件20反射至集光件3中可供光電轉換使用。該第一容置空間21外圍更可環設有一第二容置空間22，第二容置空間22內可為真空、氣體或液體。

　　該反射件20為熱吸收良導體，可為金屬、玻璃或鍍有選擇性吸收膜、反射膜或多層膜之材料，該反射件20具有至少一反射面，更可由前述複數反射件20形成，本實施例之反射件20以金屬片做為範例，該反射件20可吸收匯聚之熱能並將未吸收的光線反射至集光件3。

　　該集光件3設於接收體2之一側，該集光件3可為如光電板之太陽能板或光電轉換元件所組成，本發明集光件3以太陽能板做為範例。太陽能板接收經聚光載體1匯聚至反射件20之陽光後，將太陽光能做光電轉換。並且未經太陽能板吸收之反射光線，經多次反射、終可被太陽能板吸收使用，不致浪費未利用之光能。該集光件3更可加設散熱鰭片(圖中未示)，做為降溫之用。

　　請參閱第3、4圖，為本發明第二實施例，包含一聚光載體1、一透鏡10、一接收體2、一反射件20、一集光件3、第一容置空間21、第二容置空間22以及第三容置空間11。

　　該聚光載體1為碟形曲面鏡，本實施例以碟形拋物面鏡作為範例，該聚光載體1上蓋合一透鏡10，該透鏡10至少一面可鍍有選擇性吸收膜、反射膜或多層膜之材料。相較於第一實施例線聚焦之形式，該碟狀聚光載體1為點聚焦形式，光學上可達到更高的聚光率。該接收體2垂直設立於聚光載體1之中心，第一容置空間21可與第三容置空間11相互連通，且至少一集光件3設於接收體2之一側。陽光進入該透鏡10經該聚光載體1反射至反射件20作熱吸收，未經熱吸收之光線經反射件20反射至集光件3中可供光電轉換使用。

　　其餘之結構、運作機制及功效皆與本發明之第一實施例相同，故不加贅述。

　　請參閱第5圖至第7圖，為本發明第三實施例，包含一聚光載體1、一透鏡10A、一接收體2、一反射件20、一集光件3、第一容置空間21、第二容置空間22、第三容置空間11以及反射側板12。

　　本發明相較於第一實施例，該聚光載體1為反射式面鏡搭配透鏡10A(本實施例為凸透鏡)，達到導引並匯聚光線之作用，該聚光載體1可呈長方體或圓柱體。該折射式透鏡至少一面可鍍有選擇性吸收膜、反射膜或多層膜，其具有減反射作用，鍍膜材料的選擇，其折射係數與膜厚度經適當搭配，可避免或減少光線經反射再回大氣中，本實施例以一凸透鏡搭配一立體平面鏡作為範例。

　　接收體2垂直設置於聚光載體1之中心，該聚光載體內具有一第三容置空間11並可與第一容置空間21相互連通，且至少一集光件3設於接收體2之一側或可與該聚光載體一面連結。陽光經該聚光載體1投射至反射件20作熱吸收，未經熱吸收之光線經反射件20反射至集光件3中可供光電轉換使用。

　　其餘之結構、運作機制及功效皆與本發明之第一實施例相同，故不加贅述。

　　請參閱第8、9圖，為本發明第四實施例，包含一聚光載體1、一透鏡10、一接收體2、一反射件20、一集光件3、第一容置空間21、第二容置空間22、第三容置空間11以及反射側板12。

　　相較於第一實施例，本實施例之聚光載體1為一長方體結構，該聚光載體更具有一透鏡10，該透鏡10為平透鏡，陽光進入透鏡10後，經聚光載體1反射可達到導引並匯聚光線之作用；該透鏡10至少一面可鍍有選擇性吸收膜、反射膜或多層膜，其具有減反射作用，亦可避免或減少光線經反射再返回大氣中，本實施例透鏡10以平透鏡作為範例，聚光載體1為三角形狀作為範例。

　　請參閱第8、9圖，該接收體2設於聚光載體1至少一側面，接收體2設於光線匯集處，該接收體2外側連接至少一集光件3，該集光件3可為如光電板之太陽能板，該聚光載體1於第8圖所揭示之最佳實施例中，其中兩側可設有反射側板12，或四面皆為太陽能板。該聚光載體1內可具有一第三容置空間11並可與第一容置空間21相互連通。

　　其餘結構之運作機制及功效皆與本發明第一實施例相同，故不加贅述。

　　請參閱第10、11圖，本發明提供另一種太陽能集能裝置之第五實施例，包含一聚光載體1、一透鏡10B、一接收體2、一反射件20、一集光件3、第一容置空間21、第二容置空間22、第三容置空間11以及反射側板12。

　　相較於第四實施例，本實施例透鏡10B為凹透鏡，陽光經透鏡10B折射，再由聚光載體1反射可達到導引並匯聚光線之作用；該透鏡10B至少一面可鍍有選擇性吸收膜、反射膜或多層膜，其具有減反射作用，亦可避免或減少光線經反射再返回大氣中，本實施例透鏡10B以凹透鏡作為範例，聚光載體1以呈山字形之凹面鏡作為範例。

　　相較於第四實施例，本實施例其餘結構之運作機制及功效皆與本發明第四實施例相同，故不加贅述。

　　請參閱第12、13圖，為本發明第六實施例，包含一聚光載體4、一透鏡40、一接收體5、一反射件50、一集光件6、第四容置空間51、第五容置空間52、第六容置空間41以及反射側板42。

　　該聚光載體4具有一廣口開口；該聚光載體4可將太陽光線導引並匯聚至聚光載體4內側，以本圖實施例中，光線之路徑諸如b點或c點，接收體5設置於聚光載體4之內側中心處，於接收體5之一側更可設有至少一集光件6。該聚光載體4上蓋合一透鏡40，該透鏡40至少一面可鍍有選擇性吸收膜、反射膜或多層膜之材料。該聚光載體4更設有一第六容置空間41並可與第四容置空間51連通。第六容置空間41可供如液體之介質流經其中，該液體可因聚光載體4傳導的熱能達到初次升溫。

　　其餘結構之運作機制及功效皆與本發明第一實施例相同，故不加贅述。

　　該聚光載體4其立體結構為盆狀，或如第14圖所示多

　　面錐體之聚光載體4A，其內部裝設置有接收體5A及集光件6A。或如第15圖所示圓錐體之聚光載體4B，其內部裝設置有接收體5B及集光件6B。該聚光載體4、4A、4B非聚焦側更可連接一追日裝置(圖中未示)，使聚光載體4、4A、4B主軸恆正對太陽，以提高聚光率。

　　本發明所產生之電力可供電力公司合併電網使用、可為獨立之電力系統或轉儲至蓄電池中(圖中未示)。吸收之熱能可供作多方面的應用。例如：家庭熱水、工業用熱水、以熱鹽作儲熱用。由於聚熱效率佳，經設計可使流體作循環式加熱，形成之噴射蒸氣經熱動能轉換再帶動發電機可獲得電能。

　　綜合以上所述，本發明可全面性地運用太陽光輻射能，技巧地克服單獨「集光」或「集熱」所產生的兩難問題，發明者為實質利益環境，而長期潛心研讀、思索之創思，爰依法提出申請專利；雖本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此領域者，在不脫離本發明之精神和範圍內，所做各種等效更動與潤飾皆視為等同本發明範圍。

1．．．聚光載體

10、10A、10B．．．透鏡

11．．．第三容置空間

12．．．反射側板

a、b、c．．．聚光焦點

2．．．接收體

20．．．反射件

21．．．第一容置空間

22．．．第二容置空間

3．．．集光件

4、4A、4B．．．聚光載體

40．．．透鏡

41．．．第六容置空間

42．．．反射側板

5、5A、5B．．．接收體

50．．．反射件

51．．．第四容置空間

52．．．第五容置空間

6、6A、6B．．．集光件

第1圖：係本發明第一實施例之結構示意圖。

第2圖：係第1圖之之立體示意圖。

第3圖：係本發明第二實施例之結構示意圖。

第4圖：係第3圖之之立體示意圖。

第5圖：係本發明第三實施例之長條型立體示意圖。

第6圖：係第5圖之結構示意圖。

第7圖：係第6圖之另一立體示意圖。

第8圖：係本發明第四實施例之立體示意圖。

第9圖：係第8圖於A－A位置之剖視圖。

第10圖：係本發明第五實施例之立體示意圖。

第11圖：係第10圖於B－B位置之剖視圖。

第12圖：係本發明第六實施例之立體示意圖。

第13圖：係第12圖之結構示意圖。

第14圖：係第12圖之另一實施例立體示意圖。

第15圖：係第12圖之再一實施例立體示意圖。

1．．．聚光載體

10．．．透鏡

11．．．第三容置空間

12．．．反射側板

a．．．聚光焦點

2．．．接收體

20．．．反射件

21．．．第一容置空間

22．．．第二容置空間

3．．．集光件

Claims (11)

1. 一種太陽能集能裝置，包括：一聚光載體，該聚光載體 具有匯聚光線之功能並導引太陽光線至接收體處；一接收體，設於該聚光載體之 聚光側，該接收體具有一第一容置空間；以及至少一集光件，設於該接收體之一側。
2. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能集能裝置，其中，該第一容置空間 設有至少一反射件。
3. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之太陽能集能裝置，該第一容置空間外圍環設有一第二容置空間。
4. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之太陽能集能裝置， 該聚光載體更設有一第三容置空間。
5. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之太陽能集能裝置，該聚光載體可為反射式面鏡、折射式透鏡或為反射式面鏡及折射式透鏡之組合。
6. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之太陽能集能裝置，該聚光載體更設有一透鏡。
7. 一種太陽能集能裝置，包括：一聚光載體，該聚光載體具有一廣口開口並對應日照，其具有聚集光線之功能並導引太陽光線至接收體處；一接收體，設於該聚光載體之集光側，該接收體具有一第四容置空間；以及至少一集光件，設於該聚光載體且對應該接收體之一側。
8. 如申請專利範圍第7項所述之太陽能集能裝置，其中，該第四容置空間設有至少一反射件。
9. 如申請專利範圍第7項或第8項所述之太陽能集能裝置，該第四容置空間外圍環設有一第五容置空間。
10. 如申請專利範圍第7項或第8項所述之太陽能集能裝置，該聚光載體更設有一第六容置空間。
11. 如申請專利範圍第7項或第8項所述之太陽能集能裝置，該聚光載體更設有一透鏡。