TW201428363A - 供用於集中光學輻射之裝置 - Google Patents
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Abstract
本發明係揭露一種用來收集與集中光學輻射之全像攝影平面集中裝置(HPC)。全像攝影平面集中裝置包含有:一平面高度透明板;及至少一安置於板子表面之上的多路傳輸全像攝影光學底片。多路傳輸全像攝影光學底片其中記錄一多數之繞射結構,繞射結構具有一個或多個區域,其區域係為角度與光譜多路傳輸者。可以構造兩個或更多的區域,來提供空間之多路傳輸。HPC係藉著下列方式製造:(a)隨意地利用角度、光譜、與空間多路傳輸之技術,於多路傳輸全像攝影光學底片之中記錄多數之繞射結構;及(b)將多路傳輸全像攝影光學底片安置於高透明度板子之一表面上。多數繞射結構之記錄係使全像攝影平面集中裝置之預定方向與太陽能符合。將HPC安置於預定之方向,用來收集太陽能,且至少有一個太陽能收集裝置係沿著全像攝影平面集中裝置之至少一邊緣安置。適當之太陽能收集裝置的範例包括有:用來將收集之光線傳送進入一建築物,作為照明之用;及用來將收集之太陽輻射傳送進入一熱水櫃,作為加熱之用的光伏特電池與光學纖維光線導向裝置。HPC容許有效的收集太陽能,而無須昂貴之需求,同時使能量損失降到最低。
Description
本發明係關於一種光學領域,特別是關於一種用來收集光學輻射之光學集中裝置。
冷光日光集中裝置於此技藝中係為人所知,且用來從冷光中心捕捉與收集光線,該冷光中心配置於一平面板中。冷光集中裝置利用波導器中之整體內部反射來捕捉由冷光中心所發出之一部份光線。冷光中心以360度連續輻射出波長較長之光線,且如此對引導光線到達板子之邊緣以及到達邊緣之一個小區域而言係為不足者。
此技術領域中為人所知的一個範例係利用全像圖與棱鏡或板子。然而,此日光集中裝置必須對準太陽,且沒有具備任何的被動日光追蹤能力。
此技術領域中同樣為人所知者係為一光線集中裝置,該裝置包含有:全像圖;及整體反射表面,用來以某入射角度收集單色光。然而,利用單一入射角度以及單一波長,且因此需要追蹤機構,以及不能利用整個日光光譜。
此技術領域中尚有為人所知者,其係為電磁波集中裝置。電磁波集中裝置利用多重電介質導引板來集中電磁能量。導引板內之多重反射損失;及某些更為影響成本之具體實施例中的高吸收損失。此外,此方式具有困難的光學製造問題,且因此製造更為昂貴。
技術領域中的日光輻射之裝置,該裝置利用全像攝影平面集中裝置(HPC)來收集並集中光學輻射。HPC包含有:一平面高度透明板;及至少一個多路傳輸全像攝影光學底片,該底片安置於其表面之上。多路傳輸全像攝影光學底片其中紀錄一多數之折射結構,該折射結構具有一個或更多之區域,其係為多種角度或光譜之區域。兩個或更多的區域係構造來提供空間之多路傳輸。雖然該專利之教導對其預定之目的有些許之幫助,然而仍尋找有關於習知技術之改良,本發明即代表該一改良。
對於日光集中裝置於集中日光輻射時減少能源損失;以及利用大部分之日光光譜,同時降低或消除追蹤之需求仍有需要。
由本發明之主旨所製造之光學集中裝置可以使用於所有利用集中光學輻射之技術區域。可以將該集中裝置使用於紫外線到紅外線光譜之光學輻射。因此,本發明之目標係在於提供一可選擇光譜之日光集中裝置,其中可以集中日光之不同光譜成分,來作為不同形式的能源使用,諸如電力、光與熱能。
本發明進一步之目標係在於簡化日光集中裝置之設計與製造。
本發明之另一目標係在於降低或消除日光集中裝置之追蹤需求。
本發明更進一步之目標係在於提供一光線集中裝置,該集中裝置對所需的應用可以選擇性地設計其光譜,文中所敘述之各應用具有獨特的有效工作之光譜需求。
本發明更進一步之目標係在於提供一日光集中裝置,該集中裝置對光線收集發光系統中之紫外線(UV)與紅外線(IR)作為被動之過濾裝置。
本發明其他的目標與優點將由圖示之考慮與確定其描述而變得明顯。
依照本發明,其係提供用來收集並集中光學輻射之全像攝影平面集中裝置。全像攝影平面集中裝置包含有:(a)至少一個平面高度透明板;(b)至少一個多路傳輸全像攝影光學底片,該底片安置於其表面,來形成光線導引結構;及(c)至少一個光伏特電池,該電池固定於多路傳輸全像攝影光學底片之下方、與日光輻射入射於其上之相反側上,各光伏特電池係藉著至少一個該全像攝影光學底片加以橫向連接。此外,可以Z方向(垂直方向)形成多個(至少兩個)該等底片。
多路傳輸全像攝影光學底片其中具有一多數之折射結構,該折射結構具有兩個或更多之區域,該區域具有多路傳輸的角度與光譜。多路傳輸全像圖適合來將光學輻射耦合進入平面高度透明板,以至於使光學輻射沒有損失,且移動經過平面高度透明板與多路傳輸全像攝影底片。全像圖之多路傳輸用來降低全像攝影平面集中裝置內之再耦合損失。
高度透明板係為多功能者,且以下列方式運作:首先,其作為全像攝影材料之支撐;第二,其提供全像攝影材料之環境保護;第三,其對350到1400毫微米內之波長範圍提供高光學傳播性,該波長範圍對全像攝影平面集中裝置之整體效率而言係為重要者;第四,玻璃相對於週遭空氣之較高折射率,其運作來將進入角度接受角由每天日光變化之完整角度(160度)壓縮到約為80度,如此降低了全像攝影結構上之角度性能需求;第五,高度透明板作為用於全像攝影平面集中裝置裝置之整體內部反射(TIR)第二集中裝置。
高度透明板相對於空氣之較高折射率將TIR限制於高度透明板之中,因此限制了收集於板厚度光線之分歧,且導致增加集中。高度透明板之厚度同樣可以調整來降低反射之數量,當受限制之光線藉著TIR沿著高度透明板傳播時產生該反射。此係為重要之特性,因為此光線可以於高度透明板內移動距離中之主要限制係為:光線藉著相同之全像攝影結構之再耦合或重新進行。當光線朝高度透明板之邊緣前進時,光學系統之可逆性產生作用,且需要使構成HPC之全像攝影光學元件於其表面上具有不同的光譜與角度性能。
除了光譜多路傳輸全像攝影光學元件之外,可以藉著由底片發射光學輻射,以少於約5度之小捕捉角度進入高度透明板來降低HPC中之再耦合損失。如文中所使用之捕捉角度係由全像攝影底片之平面加以量測,且認為係少於5度。小捕捉角度與高度透明板厚度之結合將更為降低再耦合之損失,且容許將HPC縮放到用來收集能源之實用大小。沒有那些來避免再連接之特性,無法使HPC有效率的運作。
本發明之全像攝影平面集中裝置係藉著以下步驟所製造:(a)將多路傳輸全像攝影光學底片安置於高度透明板之一個表面;及(b)於多路傳輸全像攝影光學底片中,使用多重角度與光譜技術紀錄一多數之折射結構。
本發明之全像攝影平面集中裝置中,對全像攝影平面集中裝置之預定日光方向執行多數折射結構之紀錄。(全像攝影平面集中裝置係以預定之方位安置,用來收集太陽能,且至少沿著全像攝影平面集中裝置之一邊緣至少安置一個太陽能電池。適當的太陽能收集裝置之範例包括有光伏特電池及纖維光學光線導引管,其用來將收集之光線傳送進入一建築物之內部作為照明之用,且將收集之太陽輻射傳送進入一熱水槽用來加熱。
全像攝影平面集中裝置容許有效地收集太陽能,而無昂貴之追蹤需求,同時使能量損失減到最少。全像攝影平面集中裝置之設計與製造簡單,且完成之集中裝置可以用來過濾UV與IR輻射,與如上所述之將太陽能分散到不同的太陽能收集裝置相同。
於光學連通工業中,光線之全像攝影耦合係用來將光能移動進入波導器。然而,如果欲使其正常運作,HPC對其全像攝影結構需要做的更多,亦即;為了使裝置運作,使全像攝影結構基本上具有多路傳輸之光譜,來避免再耦合。如此與波導應用中之波導器耦合器使用方法完全不同。一但光線折射進入波導器,使用於連通工業中之全像攝影波導器耦合器不需要處理隨後經過全像攝影結構之通道。克服HPC中之再耦合損失係為光譜多路傳輸之複雜性的主要原因,為了達成光譜之多路傳輸,其體現了角度與光譜之多路傳輸。
10...全像攝影平面集中裝置
10’...全像攝影平面集中裝置
12...高度透明板
12’...高度透明板
14...全像攝影底片
16...射線
16’...射線
16”...射線
30...光線接收裝置/光伏特電池
32...電子傳導路線
34、36...輸出端
38...箭號
40...光學黏著劑
42...散熱器
44...建築物
46...天窗
48...日光鑲板
第1圖 係為本發明之被動日光追蹤器的俯視平面圖。
第2圖 係為第1圖中之被動日光追蹤器的側面正視圖。
第3圖 係為與第2圖類似之側面正視圖,然其顯示本發明之其他具體實施例。
第4圖 係為與第2圖類似之側面正視圖,然其顯示本發明更為另外之具體實施例。
第5圖 係為橫截面圖,該圖顯示光線移動到太陽能電池以及電池之實體間隔。
第6圖係為一建築物之圖示,該建築物包含一多數之本發明的HPC窗戶。
第2圖 係為第1圖中之被動日光追蹤器的側面正視圖。
第3圖 係為與第2圖類似之側面正視圖,然其顯示本發明之其他具體實施例。
第4圖 係為與第2圖類似之側面正視圖,然其顯示本發明更為另外之具體實施例。
第5圖 係為橫截面圖,該圖顯示光線移動到太陽能電池以及電池之實體間隔。
第6圖係為一建築物之圖示,該建築物包含一多數之本發明的HPC窗戶。
本發明之全像攝影平面集中裝置(HPC)利用一多路傳輸之全像攝影結構(底片),來使光線折射進入一平面高度透明板,諸如無機玻璃或有機聚合物,其中光線係藉著整體內部反射(TIR)所限制。以「高度透明」表示該材料於350到1400毫微米之太陽光譜範圍中,每25毫米之厚度至少具有90%之內部傳播。此多路傳輸全像攝影底片容納角度與光譜多路傳輸結構之結合物,其係設計來收集並導引光學高度透明板之中的TIR光線。藉著於全像攝影底片中形成兩個或更多的區域,該區域係為多路傳輸之空間;或藉著將光線以小捕捉角度(少於5°)射入高度透明板;或是利用上述兩種技術之組合,而降低平面高度透明板之再耦合損失。本發明中之體積反射全像圖係夾於高度透明板之中,鄰接太陽能電池;或位於射入光線與太陽能電池之間。
藉著於單獨底片中生產許多光柵樣式,來形成獨特的全像攝影邊緣結構。如此稱之為角度之多路傳輸,且其係為一種技術,許多對的記錄光束藉其來產生全像攝影結構,該結構將接受來自於某輸入角度範圍之光線,且於高度透明板之內部,將光線輸出成不同角度之範圍,該高度透明板之折射率與底片類似。
除了角度多路傳輸之外,利用光譜之多路傳輸,其使用多重之波長。光譜多路傳輸作為增加HPC之光譜帶寬。
可以使用光譜多路傳輸來防止再耦合之損失由多路傳輸全像攝影光學結構(MHOS)隨後之反射離開。如此可以藉著製造一多數之MHOS的不明顯區域加以達成,該區域具有不同的格柵向量。MHOS之各區域將具有多重格柵以及一範圍之格柵向量,前進光線之前方區域與光線來源區域具有不同之折射特性。由於不同區域所具有之格柵向量範圍差異相當大,當限制於高度透明板中之光線前往高度透明板之邊緣,照射到MHOS之不同區域時,該光線不會再耦合出HPC之外。另外可以藉著構造全像圖,來將光學輻射以小捕捉角度(界定其少於5°)射入高度透明板,降低再耦合損失。如此降低了隨後與全像攝影底片互相影響之次數,且降低光學損失。
A.全像攝影材料
全像攝影材料可為任何已知種類之材料,該材料能夠形成一體積相位全像圖。數種現存底片材料種類包括有:杜邦(dupont)之奧尼黛(Omnidex)感光聚合物底片;寶麗萊(Polaroid)之幻影(Mirage)材料;重鉻酸鹽凝膠;聚乙烯咔唑為主(carbozole-based)感光聚合物;鹵化銀感光乳劑;以及任何其他全像攝影之材料。
此外,可以將這些底片堆積成層,各層具有不同之角度;光譜;與空間之多路傳輸特性,如此可以將兩層或更多層的全像攝影底片附裝於高度透明板。為了保持捕捉光線於薄底片層之中的面際反射,各附加層之折射率必須相配,該底片層較高度透明板更會吸收光線。
來自於杜邦(dupont)與寶麗萊(Polaroid)之商業上可使用的全像攝影材料具有現存之化學性質與程序,其容許形成不均勻之光柵結構。重鉻酸鹽凝膠底片亦具有現存之化學性質,來形成不均勻之光柵結構(不均勻之光柵結構係為一種結構,其從底片正面到背面具有變化之光柵間隔)。除了這些技術之外,利用光學黏著劑亦可以縮小或增大全像攝影結構。當製造多路傳輸全像攝影底片之堆疊;將全像攝影底片黏合到高度透明板;或對全像攝影底片提供保護層時,可以利用光學黏著劑。
本發明之HPC依靠角度、空間與光譜多路傳輸之結合技術來達成其集中光線之功能,藉著結合這些技術,完成獨特之MHOS產品。
l.光學損失
為使裝置正常運作,本發明之HPC需要使全像攝影結構具有多路傳輸之空間,以防止再耦合。此與波導引應用中之波導器耦合器運作方式完全不同,一旦光線折射進入波導器,連通工業中所使用的全像攝影波導器耦合器不需要處理隨後之通道,該通道經過全像攝影結構。克服HPC中之再耦合損失係為空間多路傳輸之複雜性的主要原因,為了達成空間之多路傳輸,其體現了角度與光譜之多路傳輸。
為了降低結構中的光線損失,使用新的技術來防止光學能量之損失。可以任意選擇高度透明板之厚度,但為實用之目的,其厚度範圍將為1到15毫米。較薄的高度透明板變的非常昂貴,且其對本文所公開之應用係為不實用者。對板厚給予這些限制,且對經過HPC之光線給予盡可能減少反射之目標,其需要使內部折射波之向量角夠小,以至於使光線更直接沿著HPC結構折射。通道長度與厚度之比率(PTR)為25到200之間的HPC結構係為較佳,通道長度係為由HPC所收集之光線於HPC中到達接收器位置所必須移動的長度。
B.高度透明板
HPC之高度透明板可由光學透明玻璃或聚合物製造。專有名詞「高度透明」係於先前所界定;以光學透明代表該玻璃或聚合物係如本文所界定,至少於約350到1400毫微米之波長範圍中為透明者。高度透明板可為任何厚度或大小,用於高度透明板之較佳材料係為低鐵浮動玻璃,其經過化學加強來增加日光傳遞。較佳之玻璃種類包括有:來自於PPG工業有限公司之索拉菲爾(Solarphire)玻璃與星火(Starfire)玻璃。這些玻璃具有約98%之內部透明度。
高度透明板可具有平坦或彎曲之表面,較佳之尺寸由應用與大小所指定。一較佳之具體實施例利用6毫米厚之低鐵浮動玻璃。此外,全像攝影底片與高度透明板之折射率必須密切配合係為重要者,折射率之差異約為3%為較佳,且少於3%為更佳者。折射率之密切配合容許高度透明板內部之陡峭耦合角度。
於某些情形中,如果折射率不協調,必須使底片之折射率稍微不同於高度透明板之折射率,因為使底片之折射率稍微大於玻璃之折射率有些許之優點。該優點顯示於界面處降低菲涅爾(Fresnel)反射損失,因而與高度透明板具有高於底片之折射率相較,前者增進了耦合之效率。然而,由於裝置仍然可以於兩種模式中運作,其不應構成本文所提出申請之限制因素。於選擇高度透明板與底片之折射率中,需要有一些重要的因素使HPC裝置有效地運作。HPC裝置之本質使其增添許多應用,且因而於裝置之具體實施例中增添許多變化,本專利之範圍預計來包括本文所描述之全像攝影結構的所有變化。
C.全像攝影程序
本發明之HPC係藉著將全像攝影底片附裝到高度透明板之一側加以製造。全像攝影底片係附裝到入射光線之相反側,主要MHOS之記錄係於指數配合之環境中實行;熟知此技藝之人士了解這些技術。以「指數配合之環境」表示適當的材料,該材料於記錄雷射波長係為非常透明者,且與底片的折射率配合,該底片使用於此一幾何形狀之中,來容許雷射光以非常陡峭的角度傳播進入底片。已經有許多方法將雷射光以陡峭角度帶入材料,且所有的方法都需要指數配合。不同之技術於槽中利用玻璃區塊;棱鏡與流體,製作主要全像圖需要這些技術,然而一但完成主要全像圖之後,僅需要使底片指數配合,該底片拷貝到主要板子。此複製同樣需要於主要與拷貝之間指數配合環境之中完成記錄,但其對大量製造係為較簡單之程序。
D.多路傳輸之全像攝影光學結構
1.角度多路傳輸
本發明之HPC利用角度多路傳輸,來於單獨底片中達成許多反射型體積相位全像圖。對熟知此技藝之人士而言,已知存在許多用於角度多路傳輸之技術。雖然同樣可以使用分叉波前,較佳之具體實施例利用視準與分叉之記錄波前。單一波長之角度多路傳輸可以於記錄波長導致角度性能,但於其他波長同樣導致不同之角度性能,使單一波長以增強之光譜特性進行記錄係為其淨效應。
本發明之HPC利用角度多路傳輸,來於單獨底片中達成許多反射型體積相位全像圖。對熟知此技藝之人士而言,已知存在許多用於角度多路傳輸之技術。雖然同樣可以使用分叉波前,較佳之具體實施例利用視準與分叉之記錄波前。單一波長之角度多路傳輸可以於記錄波長導致角度性能,但於其他波長同樣導致不同之角度性能,使單一波長以增強之光譜特性進行記錄係為其淨效應。
2.光譜多路傳輸
欲增加HPC裝置之光譜帶寬,可以使用此技藝熟知的技術增強MHOS之光譜敏感度。如同多重角度輸入一般,可以多重雷射波長記錄全像攝影結構。以多重波長記錄具有增加MHOS之光譜敏感度的優點。除了以多重波長記錄之外,亦可以使MHOS非線性縮小或膨脹;如此導致一系列之光柵,該光柵帶有變化之間距。帶有變化間距之光柵具有增加HPC裝置之光譜帶寬的效果。
欲增加HPC裝置之光譜帶寬,可以使用此技藝熟知的技術增強MHOS之光譜敏感度。如同多重角度輸入一般,可以多重雷射波長記錄全像攝影結構。以多重波長記錄具有增加MHOS之光譜敏感度的優點。除了以多重波長記錄之外,亦可以使MHOS非線性縮小或膨脹;如此導致一系列之光柵,該光柵帶有變化之間距。帶有變化間距之光柵具有增加HPC裝置之光譜帶寬的效果。
3.空間多路傳輸
MHOS之各區域具有多重光柵以及一範圍之光柵向量。不同區域所具有之光柵向量差異相當大,以至於當光線前往高度透明板12之邊緣,照射到MHOS之區域時,限制於高度透明板中之光線不會再耦合出HPC。欲避免來自於MHOS隨後反射之再耦合損失,使用空間多路傳輸之方法。於HPC之此具體實施例中,以前進光線前方之區域具有之布拉格(Bragg)角度與光線照射區域者不同的方式,將HPC劃分為許多不同之區域。由於對高度透明板所限制之光線,來自MHOS隨後之反射照射於全像攝影結構,該結構具有之光柵向量實質上與光線開始折射之空間區域不同,此技術防止了再耦合之損失。
MHOS之各區域具有多重光柵以及一範圍之光柵向量。不同區域所具有之光柵向量差異相當大,以至於當光線前往高度透明板12之邊緣,照射到MHOS之區域時,限制於高度透明板中之光線不會再耦合出HPC。欲避免來自於MHOS隨後反射之再耦合損失,使用空間多路傳輸之方法。於HPC之此具體實施例中,以前進光線前方之區域具有之布拉格(Bragg)角度與光線照射區域者不同的方式,將HPC劃分為許多不同之區域。由於對高度透明板所限制之光線,來自MHOS隨後之反射照射於全像攝影結構,該結構具有之光柵向量實質上與光線開始折射之空間區域不同,此技術防止了再耦合之損失。
4.額外考量
高度透明板12與全像攝影底片14區域之結合實際上形成了整體光線捕捉結構。於MHOS中需要空間多路傳輸之理由係因為:光線必須通過全像攝影底片,並反射離開空氣/底片界面,以藉著TIR持續將光線限制於結構之中。為了使光線傳送到接收器(未顯示),必須將光線18留在整體結構中。折射率需要密切配合,來將光線射入玻璃或聚合物高度透明板,確保使反射光線經過底片,到達底片/空氣界面。本發明需要相當大的面積,且因而長路徑通道係為良好之日光收集器。
高度透明板12與全像攝影底片14區域之結合實際上形成了整體光線捕捉結構。於MHOS中需要空間多路傳輸之理由係因為:光線必須通過全像攝影底片,並反射離開空氣/底片界面,以藉著TIR持續將光線限制於結構之中。為了使光線傳送到接收器(未顯示),必須將光線18留在整體結構中。折射率需要密切配合,來將光線射入玻璃或聚合物高度透明板,確保使反射光線經過底片,到達底片/空氣界面。本發明需要相當大的面積,且因而長路徑通道係為良好之日光收集器。
夾層全像攝影光學底片
依照本發明,以及如第1圖到第4圖中所顯示,全像攝影平面集中裝置10’,包含有:兩個高度透明板12、12’,各高度透明板至少提供一個全像攝影底片14、14’;至少一個光線接收裝置30(諸如光伏特電池),該裝置係與全像攝影底片14、14,配合。
第1圖顯示一俯視圖,該圖顯示兩個接收裝置30,各接收裝置配合一對全像攝影光學底片14。光伏特電池30係藉著電子傳導路線32(諸如電線)互相電子連接,且具有輸出端34、36輸出到外界。箭號38指出光線藉著全像攝影光學元件14’由日光輻射導引到光伏特電池30。當這些圖示中所顯示之HPC沿著東-西(E-W)方向定位,面對南方時,該HPC提供太陽之被動追蹤,電池本身可以朝向水平或垂直方向。亦可以隨意利用主動追蹤,來處理太陽之日間位置變化。此一構造同樣提供光伏特電池30大致上均勻之照明。
第2圖係為第1圖中所示裝置之側面正視圖,該圖顯示光伏特電池30,該電池夾於兩個全像攝影光學底片14、14,之間,各全像攝影光學底片各自形成於高度透明板12、12,之上。然而,將會體認到需要將光伏特電池30鄰接到一全像攝影光學底片。光伏特電池30係藉著光學黏著劑40固定到兩全像攝影光學底片14、14,,由於光伏特電池沒有突出板子12、12,之邊緣,該光學黏著劑同樣填滿光學底片之間所留下的任何間隙。光學黏著劑40可以包含任何光學成分,該光學成分對於藉由HPC10,接收之波長範圍係為透明者。該等光學黏著劑之範例包括有:光學環氧化物、光學UV固化環氧化物、乙烯乙烯基乙酸鹽(EVA)、聚氨酯;及其他成分。第2圖中所示之光伏特電池30係為雙面電池,亦即,光伏特電池30於其兩主要表面30a、30b上皆具有極板網柵。光線(日光輻射)係收集於兩側30a、30b之上,提供來減少電池之大小,且因而與僅使用一個全像攝影光學底片相較,前者降低了成本。
如第3圖中所示,光伏特電池30可另外置於最底部之透明板12’之上(該板子離日光輻射最遠)。光學黏著劑40將兩個全像攝影光學底片14、14,一起固定在其暴露表面。一單獨的光學黏著劑(未顯示)將光伏特電池30固定到透明板12,之底部。該單獨的光學黏著劑亦係為導熱材質,隨意將散熱器42置於光伏特電池30之一側,該側與透明板12相對,用來將熱傳導離開電池。散熱器42較佳包含有普遍使用於該等應用之金屬,諸如鋁或銅。於此構造中,其與本文所公開之所有構造相同,該構造亦可以排除其中一個全像攝影光學底片14、14’,因此,光伏特電池中至少使用一個全像攝影光學底片。
第3圖中所顯示之光伏特電池30係為單面電池,亦即,光伏特電池30於其一主要表面30a上具有極板網柵,另一個主要表面30b係隨意共定到散熱器40。第2圖與第3圖中,各透明板12、12’係為:例如;3毫米厚。透明板12、12,包含有合適的透明玻璃為較佳。於第4圖中,該圖顯示更為另外之具體實施例,其中係使用單獨透明板12(較佳為玻璃),其具有之厚度約為第2圖與第3圖中之透明玻璃板12、12,的兩倍。第4圖顯示一類似第2圖之結構,但其使用透明聚合物板12,,來代替玻璃板12,。包含有:丙烯酸酯;甲基丙烯酸酯;聚乙烯對苯二酸鹽(PET);聚碳酸酯;或類似者有助於透明聚合物12,,。與厚度為6毫米之較厚的玻璃透明板12相比,透明聚合物12”,之厚度係為0.004英吋(0.1毫米)左右。否則,可以使用薄玻璃板12”代替聚合物板。
第4圖中所顯示之光伏特電池30係為單面電池,亦即,光伏特電池30於其一主要表面30a上具有極板網柵。因為第4圖之光伏特電池係為單面電池,透明聚合物12”應儘可能薄,其範圍少於約2毫米。
第1圖到第4圖中所顯示之HPC的優點在於:其提供低成本之結構。此外,該HPC適用任何需要之大小。一般而言,由電池所消耗之表面面積係為整體窗口面積之5到60%,然而該數值可較小或較大,視特定之應用而定。圍繞HPC10’之周圍可以使用邊緣封條(未顯示),來將光伏特電池30密封於其中。可以使用任何傳統之防水材料(諸如:聚氨酯;矽樹脂;類似者)作為邊緣封條。
裝置操作
本發明之全像攝影平面集中裝置的運作類似傳統之二階段集中裝置,該集中裝置已經摺疊進入收集裝置之平面。來自於接受角度範圍之入射光線通過光學高度透明板,且藉著多路傳輸全像攝影結構使光線反射/折射,該全像攝影結構將光線抑制於板子之中,且導引光線到板子之一邊緣;或板子邊緣上之焦點區域。此外,可以板子不同側上之多重焦點區域或聚焦於板子之角落,製造具有數個HPC全像攝影結構之較大板子。可以使用此操作之基本組合做為許多應用之基礎建構區塊。
第5圖係為橫截面圖,該圖顯示從太陽到太陽能電池與電池間隙之光線移動。如範例,光伏特電池30之寬度可為0.75到1英吋,電池之間的電池間隙約為0.75到4英吋。
與傳統之集中裝置相較,HPC裝置之一個主要優點係為:當將HPC裝置安置於固定(無法追蹤)構造時,其能夠從大範圍之輸入角範圍收集光線。為了達到此能力,HPC裝置利用多路傳輸之全像攝影結構以及高度透明板之TIR抑制。此兩階段集中裝置之方法與某些非影像光學集中裝置之運作類似,該非影像光學集中裝置依靠光線之TIR抑制。其係為單獨多路傳輸全像攝影結構以及TIR抑制之結合,其結合併入本發明之新光線集中裝置。就容易製造與低材料成本而論,HPC具有許多之優點。
另外,可以使用HPC來收集直接來自於太陽之光線,或是漫射之光線,諸如陰天之光線或環境反射之光線。預計使HPC收集大致上所有之太陽光譜,特別係在於350到1400毫微米範圍中者。
HPC產品之三個主要應用為:(1)太陽能發電;(2)以天然日光做為日間照明;及(3)窗戶,該窗戶隨意結合任何先前之應用,加上由陽光過濾出紫外線與紅外線。以下描述三種主要之應用。
1.HPC光伏特鑲板
第1圖到第4圖中顯示之裝置利用光伏特電池,來將集中之光線轉換成電流。可以使用任何數目之不同光伏特轉換裝置,且可設計HPC之輸出光譜,使輸出光譜更為密切配合轉換裝置之頻帶間隙,來降低光伏特電池所需之冷卻。
第1圖到第4圖中顯示之裝置利用光伏特電池,來將集中之光線轉換成電流。可以使用任何數目之不同光伏特轉換裝置,且可設計HPC之輸出光譜,使輸出光譜更為密切配合轉換裝置之頻帶間隙,來降低光伏特電池所需之冷卻。
HPC-PV鑲板包括有下列優點:
(1)被動追蹤集中裝置。
(2)兩階段光線抑制。
(3)實施多重鑲板,設計具有彈性。
(4)有選擇帶寬之能力,來使熱銷耗減到最少做為其設計功能。
(5)透明之HPC容許於PV鑲板後方增加額外之底片或收集裝置,因而使結構需求與場地需求相關之成本減到最低。
(6)整體PV陣列安置於焦點。
(7)由於收集區域之均勻照明,可利用串聯電池。
(1)被動追蹤集中裝置。
(2)兩階段光線抑制。
(3)實施多重鑲板,設計具有彈性。
(4)有選擇帶寬之能力,來使熱銷耗減到最少做為其設計功能。
(5)透明之HPC容許於PV鑲板後方增加額外之底片或收集裝置,因而使結構需求與場地需求相關之成本減到最低。
(6)整體PV陣列安置於焦點。
(7)由於收集區域之均勻照明,可利用串聯電池。
2.HPC天窗/窗戶
雖然可以獨立使用HPC來從太陽能產生電力,於HPC技術之其他應用中,亦可以使用其作為窗戶或天窗,來容許陽光進入建築物內。HPC天窗之優點包括有:
(1)被動追蹤集中裝置。
(2)產生電力時,同時照明建築物內部。
(3)結合前述特性之窗戶。
雖然可以獨立使用HPC來從太陽能產生電力,於HPC技術之其他應用中,亦可以使用其作為窗戶或天窗,來容許陽光進入建築物內。HPC天窗之優點包括有:
(1)被動追蹤集中裝置。
(2)產生電力時,同時照明建築物內部。
(3)結合前述特性之窗戶。
第6圖顯示一建築物44,該建築物利用一多數之HPC窗戶10’,該窗戶使用一個或更多先前描述之裝置。此外,天窗46或單獨之日光鑲板48包含有HPC窗戶,不論其為屋頂安置或為地面支撐(日光鑲板)皆可利用。日光鑲板48可利用完全被動追蹤或主動追蹤機構,該機構於此技藝中係為熟知者,因而此處不顯示。HPC窗戶10,可使用於建築物44之東、南、西側上,用來收集直接與間接之日光輻射;以及建築物之北側(北半球)或建築物之南側(南半球),用來收集間接之日光輻射。
範例1
包含多路傳輸(角度、光譜、與空間)全像攝影底片之裝置,該裝置連接到低鐵玻璃板,將該低鐵玻璃板製造成具有廣大之角度接受度,3毫米厚之低鐵玻璃板(索拉菲爾玻璃)之上塗佈凝膠全像攝影底片。使用波長設為488毫微米之氬離子雷射,將全像攝影元件紀錄到底片中。接著利用史匹靈波恩(Springborn)實驗室之EVA黏著劑,將底片板連接到另一個3毫米厚之低鐵玻璃板(索拉菲爾玻璃)。EVA係為光伏特模組構造中使用之普通黏著劑。接著利用NOA61光學黏著劑,將光伏特電池連接到玻璃之後表面。接著,藉著以傳統3M公司高黏著力雙面膠帶將電池之後表面連接到鋁板,保護電池之後表面。裝置之量測值為6英吋乘以9英吋。PV電池係為1英吋寬,4英吋長,全像攝影區域延伸過電池之邊緣,且具有1.5英吋之通道長度。括去圍繞板子周圍0.25英吋區域之凝膠底片,一旦將裝置製成薄板時,提供EVA黏著劑玻璃到玻璃之封條。此封條保護凝膠底片受潮,使用聚氨酯黏著劑將額外之封條放置於層壓板之外部。HOEs收集波長由400到900毫微米之正常入射光線,尖峰折射效率為60%,裝置量測到之電力轉換效率為5.1%。裝置由輸入角度160度之日間變化;與45度之季節性變化收集能源。
包含多路傳輸(角度、光譜、與空間)全像攝影底片之裝置,該裝置連接到低鐵玻璃板,將該低鐵玻璃板製造成具有廣大之角度接受度,3毫米厚之低鐵玻璃板(索拉菲爾玻璃)之上塗佈凝膠全像攝影底片。使用波長設為488毫微米之氬離子雷射,將全像攝影元件紀錄到底片中。接著利用史匹靈波恩(Springborn)實驗室之EVA黏著劑,將底片板連接到另一個3毫米厚之低鐵玻璃板(索拉菲爾玻璃)。EVA係為光伏特模組構造中使用之普通黏著劑。接著利用NOA61光學黏著劑,將光伏特電池連接到玻璃之後表面。接著,藉著以傳統3M公司高黏著力雙面膠帶將電池之後表面連接到鋁板,保護電池之後表面。裝置之量測值為6英吋乘以9英吋。PV電池係為1英吋寬,4英吋長,全像攝影區域延伸過電池之邊緣,且具有1.5英吋之通道長度。括去圍繞板子周圍0.25英吋區域之凝膠底片,一旦將裝置製成薄板時,提供EVA黏著劑玻璃到玻璃之封條。此封條保護凝膠底片受潮,使用聚氨酯黏著劑將額外之封條放置於層壓板之外部。HOEs收集波長由400到900毫微米之正常入射光線,尖峰折射效率為60%,裝置量測到之電力轉換效率為5.1%。裝置由輸入角度160度之日間變化;與45度之季節性變化收集能源。
範例2
以相同於範例1所描述之方式,構造雙全像攝影底片,唯一之不同係在於第二片玻璃增加額外之全像攝影底片。由於HOEs中之差異,兩層底片由太陽光譜中之不同部分收集能源。結合兩底片之堆疊形成角度與空間多路傳輸之裝置,用來收集寬廣輸入角度範圍之太陽能。第一底片收集光譜之可見光部分(波長約400到700毫微米),且第二全像圖收集紅外線能源(波長約700到1100毫微米)。尖峰折射效率係為65%,裝置量測到之電力轉換效率為6.1%。裝置由輸入角度160度之日間變化;與45度之季節性變化收集能源。
以相同於範例1所描述之方式,構造雙全像攝影底片,唯一之不同係在於第二片玻璃增加額外之全像攝影底片。由於HOEs中之差異,兩層底片由太陽光譜中之不同部分收集能源。結合兩底片之堆疊形成角度與空間多路傳輸之裝置,用來收集寬廣輸入角度範圍之太陽能。第一底片收集光譜之可見光部分(波長約400到700毫微米),且第二全像圖收集紅外線能源(波長約700到1100毫微米)。尖峰折射效率係為65%,裝置量測到之電力轉換效率為6.1%。裝置由輸入角度160度之日間變化;與45度之季節性變化收集能源。
以上所述僅為舉例性,而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇,而對其進行之等效修改或變更,均應包含於後附之申請專利範圍中。
10’...全像攝影平面集中裝置
12...高度透明板
14...全像攝影底片
30...光線接收裝置/光伏特電池
32...電子傳導路線
34、36...輸出端
38...箭號
Claims (10)
- 一種全像攝影平面集中裝置,該集中裝置用來收集與集中光學輻射,該全像攝影平面集中裝置包含有:
至少一個平面高度透明板;
至少一個多路傳輸全像攝影光學底片,該底片安置於其表面,來形成光線導引結構,上述之至少一個多路傳輸全像攝影光學底片其中記錄有一多數之折射結構,該折射結構具有兩個或更多之區域,該區域係為角度與光譜多路傳輸者,上述之多路傳輸全像圖適合來將該光學輻射耦合進入上述之平面高度透明板,以至於使上述之光學輻射不會損失,且移動經過上述之高度透明板以及該多路傳輸全像攝影光學底片,使該多路傳輸全像攝影光學底片多路傳輸,來降低該全像攝影平面集中裝置中之再耦合損失;及
至少一光伏特電池,該電池固定於上述至少一個多路傳輸全像攝影光學底片之下方,與太陽輻射入射相反之側面上,藉著至少一個上述多路傳輸全像攝影光學元件將各個該光伏特電池橫向連接,該多路傳輸全像攝影光學元件係記錄於至少一個底片之中。 - 如申請專利範圍第1項所述之全像攝影平面集中裝置,其包含有:至少兩個光伏特電池,該電池固定於上述至少一個多路傳輸全像攝影光學底片之下方。
- 如申請專利範圍第1項所述之全像攝影平面集中裝置,其包含有:兩個平面透明板。
- 如申請專利範圍第3項所述之全像攝影平面集中裝置,其中各上述之平面透明板具有向其固定之該多路傳輸全像攝影光學底片,且該平面透明板係經由上述之多路傳輸全像攝影光學底片將其一起固定,一上述之平面透明板包含有頂板,上述之太陽輻射最初係入射於該頂板之上,且另一個上述平面透明板包含有底板,通過上述頂板之太陽輻射係入射於該底板之上。
- 如申請專利範圍第1項所述之全像攝影平面集中裝置,其中上述之全像攝影平面集中裝置係固定於固定位置,來提供太陽之被動追蹤。
- 如申請專利範圍第1項所述之全像攝影平面集中裝置,其中上述之全像攝影平面集中裝置係固定於追蹤器之上,該追蹤器適合:每日;或季節性;或兩者皆可來追蹤太陽。
- 如申請專利範圍第1項所述之全像攝影平面集中裝置,其中上述之平面高度透明板具有第一折射率,且上述之全像攝影光學底片具有第二折射率,上述第一折射率與第二折射率之間之差異不大於3%。
- 一種使用如申請專利範圍第1項所述之全像攝影平面集中裝置的方法,該方法包含有:
(a)於上述之多路傳輸全像攝影光學底片中,利用角度與光譜多路傳輸技術記錄該多數之折射結構,該記錄適合該全像攝影平面集中裝置之預定太陽能方位,上述之多路傳輸全像攝影光學底片適合以任一順序將該太陽能耦合進入上述之高度透明板,及
(b)將該全像攝影平面集中裝置安置於上述用來收集太陽能之預定方向;及
(c)至少將一個該光伏特電池安置於至少一個上述高度透明板;及至少一個上述多路傳輸全像攝影光學底片之下方。 - 如申請專利範圍第8項所述之方法,其中上述之記錄係為較佳者,以便:
(a)能夠使該底片將光學輻射發射進入上述之高度透明板;或
(b)來提供兩個或更多之區域,其係為不同之角度多路傳輸,如同空間之多路傳輸;
(c)兩者皆用,界其降低來自於上述平面高度透明板之再耦合損失。 - 如申請專利範圍第8項所述之方法,其中上述之高度透明板包含有:薄玻璃或光學透明聚合物,且其係垂直安置於建築物之側面,作為窗戶之用。
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
TW102101403A TW201428363A (zh) | 2013-01-14 | 2013-01-14 | 供用於集中光學輻射之裝置 |
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TW (1) | TW201428363A (zh) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
ES2563645A1 (es) * | 2014-09-15 | 2016-03-15 | Instituto Holografico Terrasun,S.L. | Sistema modular de concentración solar sin seguimiento mediante la combinación de ópticas convencionales y elementos ópticos holográficos (HOE's) |
-
2013
- 2013-01-14 TW TW102101403A patent/TW201428363A/zh unknown
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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ES2563645A1 (es) * | 2014-09-15 | 2016-03-15 | Instituto Holografico Terrasun,S.L. | Sistema modular de concentración solar sin seguimiento mediante la combinación de ópticas convencionales y elementos ópticos holográficos (HOE's) |
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