TW201712281A - 線性聚焦之單軸追日裝置 - Google Patents

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Wen-Chu Chang
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Abstract

本發明係有關一種線性聚焦之單軸追日裝置，其包括一線性聚焦透鏡、一太陽能光電模組、一框架設置該線性聚焦透鏡以及該太陽能光電模組、一立架單軸樞接該框架以及一追日組件用以驅動該框架相對該立架於單軸樞轉，其中，該線性聚焦透鏡係繞一Y軸軸向彎曲呈弧狀，且該線性聚焦透鏡具有一聚焦區帶，使該聚焦區帶之延伸方向係實質上垂直該Y軸軸向，並使該太陽能光電模組設置於該聚焦區帶，藉此，透過弧狀凸出的該菲涅爾透鏡，以其弧形對應太陽東升西落之運行軌跡，以取代方位追日機構，並搭配單一轉軸以配合太陽南北向的高度角偏移量進行調整，可在單一轉軸的情況下，即可達到雙軸向的追日效果，提升發電效率。

Description

線性聚焦之單軸追日裝置
本發明係有關一種線性聚焦之單軸追日裝置，尤指一種以弧形聚焦透鏡取代於東西向追日轉軸的單軸追日裝置。
為提升太陽能電池的發電效率，目前常見有聚光型太陽能電池以及追日裝置，係可在現有的太陽能電池之基礎上，利用物理的裝置達到更高的發電效率。而其中之追日裝置，係為使太陽能板的受光面能隨時保持面向太陽，以求獲得最大的收光量，提高光電轉換效率。
參閱第七圖以及第八圖所示，一般聚光型太陽能電池採用菲涅爾透鏡進行聚光，第七圖為一習知之線性聚焦之弧形菲涅爾透鏡，其繞一X軸軸向(X1)彎曲呈弧狀，並具有一聚焦焦線(F1)平行該X軸軸向(X1)，第八圖為一習知之線性聚焦之平面菲涅爾透鏡，其具有一聚焦焦線(F2)平行一X軸軸向(X2)。
目前已知之追日裝置，可大致區分為單軸追日裝置以及雙軸追日裝置，其中之單軸追日裝置係可於東西向上改變仰角，以配合太陽之東升西落獲得較高的收光量，但是，因受地球自轉軸與公轉軌道不呈直角所致，隨著季節不同，太陽並不都是從正東方升起，正西方落下，且一天之中，太陽也未必會繞過天頂，因此，發展出雙軸追日系統，藉由南北向與東西向的兩個轉軸之搭配，使太陽能板可在3D空間下朝向任何角度，比起單軸追日裝置可以獲得更好的發電效率。
但是，為使能精準追蹤太陽，所需的追蹤機構不僅相當復雜，故障率高，追蹤時所需的動力來源亦耗電較大，因而成本較高，不易推廣。
爰此，本發明人致力於研究，藉由將習知平面的菲涅爾透鏡繞垂直於X軸軸向的一Y軸軸向彎曲呈弧狀，使彎曲後呈弧狀的該菲涅爾透鏡之聚焦區帶維持平行該X軸軸向，藉此機構設計，使得本發明之追日載具可採用單軸追日，並達到雙軸追日載具之功效。
本發明是一種線性聚焦之單軸追日裝置，其包括有一線性聚焦透鏡、一太陽能光電模組、一框架、一立架以及一追日組件，其中：
該線性聚焦透鏡繞一Y軸軸向彎曲呈弧狀，且該線性聚焦透鏡具有一聚焦區帶，該聚焦區帶之延伸方向係實質上垂直該Y軸軸向。
該太陽能光電模組係設置於該聚焦區帶；
該框架上設置有該線性聚焦透鏡以及該太陽能光電模組，該框架具有一樞軸，該樞軸實質上平行該聚焦區帶。
該立架係一端樞接該樞軸。
該追日組件包括一太陽光偵測單元、一動力單元以及一控制單元訊號連接該太陽光偵測單元以及該動力單元，藉由該太陽光偵測單元獲得一太陽位置訊號，該控制單元根據該太陽位置訊號令該動力單元產生對應之作動，使該動力單元控制該框架相對該立架樞轉一角度。
進一步，該線性聚焦透鏡係設置有菲涅爾透鏡之微結構。
進一步，該動力單元係為一液壓伸縮桿，並一端連接該立架，另一端連接該框架。
進一步，該太陽能光電模組係呈長桿狀，設置於該聚焦區帶，並朝該聚焦區帶之延伸方向延伸。
進一步，該太陽能光電模組包括一中空管體，以及複數二次光學元件設置於該中空管體，該中空管體為導熱材料，並於該中空管體內通入有冷卻循環液。
進一步，該中空管體連接至一熱能應用端。
進一步，該些二次光學元件係各自透過一導熱金屬塊連接該中空管體。
進一步，該太陽光偵測單元設有一直立部連接該框架，以及一橫向部連接該直立部，該橫向部平行該Y軸軸向，該橫向部於兩端各自傾斜下彎有一傾斜部，該二傾斜部上各設有一光強度感測器，藉由以該二光強度偵測器各自偵測獲得一太陽光強度，該控制單元根據該二光強度偵測器獲得之太陽光強度的差值運算得到該太陽位置訊號。
進一步，該太陽能光電模組係一端延伸穿過該線性聚焦透鏡，並有至少一成組之另一立架、另一框架、另一線性聚焦透鏡、另一動力單元以及另一控制單元並列於成組之前述立架、前述框架、前述線性聚焦透鏡、前述動力單元以及前述控制單元，並共用該太陽能光電模組，以及該太陽光偵測單元。
本發明亦提出一種弧狀之線性聚焦透鏡，其包括：
一線性聚焦透鏡，該線性聚焦透鏡繞一Y軸軸向彎曲呈弧狀，該線性聚焦透鏡設置有菲涅爾透鏡之微結構，該線性聚焦透鏡具有一聚焦區帶，該聚焦區帶之延伸方向係實質上垂直該Y軸軸向。
根據上述技術特徵，能達成之功效有：
1.藉由弧狀凸出的該菲涅爾透鏡，以其弧形配合太陽東升西落之運行軌跡，並使該菲涅爾透鏡的聚焦區帶垂直於該菲涅爾透鏡的弧凹方向，藉此可搭配單一轉軸配合太陽南北向的高度角偏移量進行調整，可在單一轉軸的情況下，即可達到雙軸向的追日效果，提升發電效率。
2.透過菲涅爾透鏡聚光，增加原有太陽能電池的收光量，可提升其發電效率，並降低太陽能電池的成本。
3.太陽能光電模組設置有集熱管，藉通以冷卻循環液散熱，避免影響太陽能電池之光電轉換效率及壽命。
4.收集導出產生的熱能進行後端運用，達到熱電共生的功效。
5.機構簡單，成本較低，並且便於組合以擴增或縮減裝置的數量，不同場地之適用性佳。
本發明的技術特徵以及其主要功效將可於下述實施例中清楚呈現。
請併參閱第一圖以及第二圖所示，本發明實施例之線性聚焦之單軸追日裝置包括有一線性聚焦透鏡(1)、一太陽能光電模組(2)、一框架(3)、一立架(4)以及一追日組件(5)，其中：
該線性聚焦透鏡(1)設置有菲涅爾透鏡之微結構，其與習知之弧形菲涅爾透鏡不同的是，該線性聚焦透鏡(1)繞一Y軸軸向(10)彎曲呈弧狀，且該線性聚焦透鏡(1)具有一聚焦區帶(11)，該聚焦區帶(11)之延伸方向係實質上垂直該Y軸軸向(10)。
並搭配參閱第三圖所示，該太陽能光電模組(2)包括一長桿狀之中空管體(21)，以及複數二次光學元件(22)各自透過一導熱金屬塊(23)設置於該中空管體(21)，使該太陽能光電模組(2)設置於前述聚焦區帶(10)，並朝該聚焦區帶(10)之延伸方向延伸，以使二次光學元件(22)設置於該聚焦區帶(10)，該中空管體(10)為導熱材料，並於該中空管體(10)內通入有冷卻循環液，該中空管體(10)並連接至一熱能應用端(6)。
該框架(3)設置有間隔並列之二底桿(31)，以及一井字形架(32)設置於該二底桿(31)，該立架(4)具有一頂部(41)，該頂部(41)設於該二底桿(31)之間，以一樞軸(33)穿過該二底桿(31)以及該頂部(41)，使該二底桿(31)樞接該頂部(41)，使該框架(3)樞接該立架(4)，其中，該井字形架(32)上設置有該線性聚焦透鏡(1)以及該太陽能光電模組(2)，該樞軸(33)實質上平行該聚焦區帶(10)(聚焦區帶請參閱如第一圖所示)。
並搭配參閱第四圖所示，該追日組件(5)包括一太陽光偵測單元(51)、一動力單元(52)以及一控制單元(53)訊號連接該太陽光偵測單元(51)以及該動力單元(52)，該太陽光偵測單元(51)設有一直立部(511)連接該框架(3)，以及一橫向部(512)連接該直立部(511)，該橫向部(512)平行前述Y軸軸向(10) (Y軸軸向請參閱如第一圖所示)，該橫向部(512)於兩端各自傾斜下彎有一傾斜部(513)，該二傾斜部(513)上各設有一光強度感測器(514)，該動力單元(52)係為一液壓伸縮桿，但不以此為限，並一端連接該立架(4)，另一端連接該框架(3)，藉由以該二光強度感測器(514)各自偵測獲得一太陽光強度，該控制單元(53)根據該二光強度感測器(514)獲得之太陽光強度的差值運算得到一太陽位置訊號，該控制單元(53)根據該太陽位置訊號令該動力單元(52)產生對應之伸縮作動，使該動力單元(52)控制該框架(3)相對該立架(4)樞轉一角度。
參閱第四圖以及第五圖所示，本實施例以一北緯23.5度之地點，且為秋分之時節為例，將本實施例之線性聚焦之單軸追日裝置以其Y軸軸向(Y軸軸向(10)請參閱如第一圖所示)及該太陽光偵測器(51)之橫向部(512)朝向南北向，使其聚焦區帶(聚焦區帶(10)請參閱如第一圖所示)朝向東西向，於日出時，太陽(S)位於正東方，藉由弧形凸起的該線性聚焦透鏡(1)可擷取較多的光線，並且，使該些光線較為垂直地入射於該線性聚焦透鏡(1)，而可匯聚較多光線。接著，如第八圖所示，太陽(S)逐漸昇高並漸往南偏，該太陽光偵測器(51)之二光強度偵測器(514)(二光強度感測器請配合參閱第二圖所示)偵測到的光強度有差異，該控制單元(53)根據該差異令該動力單元(52)對應產生一伸縮作動，而改變該框架(3)於南北向的傾斜角，使弧形凸起的該線性聚焦透鏡(1)配合朝向往南偏移的太陽(S)，而達到南北向的追日之目的，其中，太陽(S)以弧形繞行該線性聚焦之單軸追日裝置時，其東西向的偏移，則恰好配合該線性聚焦透形的弧型曲面，使該線性聚焦之單軸追日裝置不必改變任何位置而能達到東西向的追日目的。
再參閱第二圖所示，該太陽能光電模組之中空管體(21)，係用以於管體內部容裝冷卻循環液，例如冷卻水或冷卻油，係因本實施例之線性聚焦之單軸追日裝置於聚焦太陽光線的同時，亦同時聚集了輻射熱能，因此，透過該冷卻循環液，導出該熱能，並且較佳的是，係導至該熱能應用端(6)進行各種應用，例如為中等溫度製程的各種產業：食品、造紙、化工、養殖、農業等，甚至是家庭生活用水的加熱，而達到熱電共生的目的，此外，導出該熱能也可避免高溫影響該些二次光學元件(22)之光電轉換效率及壽命。
參閱如第二圖所示，其中，該太陽能光電模組(2)係一端穿過該線性聚焦透鏡(1)並延伸，藉此，於未繪示的另一實施例中，可有至少一成組之另一立架、另一框架、另一線性聚焦透鏡、另一動力單元以及另一控制單元並列於成組之前述立架(4)、前述框架(3)、前述線性聚焦透鏡(1)、前述動力單元(52)以及前述控制單元(53)，並共用該太陽能光電模組(2)，以及該太陽光偵測單元(51)，而提高受光面積增加產電量，故具有易於擴增或縮減規模的優點。
綜合上述實施例之說明，當可充分瞭解本發明之操作、使用及本發明產生之功效，惟以上所述實施例僅係為本發明之較佳實施例，當不能以此限定本發明實施之範圍，即依本發明申請專利範圍及創作說明內容所作簡單的等效變化與修飾，皆屬本發明涵蓋之範圍內。
(1)‧‧‧線性聚焦透鏡
(10)、(Y1)、(Y2)‧‧‧Y軸軸向
(11)‧‧‧聚焦區帶
(2)‧‧‧太陽能光電模組
(21)‧‧‧中空管體
(22)‧‧‧二次光學元件
(23)‧‧‧導熱金屬塊
(3)‧‧‧框架
(31)‧‧‧底桿
(32)‧‧‧井字桁架
(33)‧‧‧樞軸
(4)‧‧‧立架
(41)‧‧‧頂部
(5)‧‧‧追日組件
(51)‧‧‧太陽光偵測器
(511)‧‧‧直立部
(512)‧‧‧橫向部
(513)‧‧‧傾斜部
(514)‧‧‧光強度感測器
(52)‧‧‧動力單元
(53)‧‧‧控制單元
(F1)、(F2)‧‧‧聚焦焦線
(S)‧‧‧太陽
[第一圖]係為本發明實施例之線性聚焦透鏡之聚焦區帶及其菲涅爾透鏡微結構陣列之示意圖。
[第二圖]係為本發明實施例之線性聚焦之單軸追日裝置之外觀示意圖。
[第三圖] 係為本發明實施例之太陽能光電模組之外觀放大示意圖。
[第四圖]係為本發明實施例之追日構件之系統架構圖。
[第五圖]係為本發明實施例之使用狀態示意圖(一)。
[第六圖]係為本發明實施例之使用狀態示意圖(二)。
[第七圖]係為習知之線性聚焦之弧形菲涅爾透鏡之聚焦焦線及其菲涅爾透鏡微結構陣列之示意圖。
[第八圖]係為習知之線性聚焦之平面菲涅爾透鏡之聚焦焦線及其菲涅爾透鏡微結構陣列之示意圖。
(1)‧‧‧線性聚焦透鏡
(2)‧‧‧太陽能光電模組
(21)‧‧‧中空管體
(22)‧‧‧二次光學元件
(23)‧‧‧導熱金屬塊
(3)‧‧‧框架
(31)‧‧‧底桿
(32)‧‧‧井字桁架
(33)‧‧‧樞軸
(4)‧‧‧立架
(41)‧‧‧頂部
(5)‧‧‧追日組件
(51)‧‧‧太陽光偵測器
(511)‧‧‧直立部
(512)‧‧‧橫向部
(513)‧‧‧傾斜部
(514)‧‧‧光強度感測器
(52)‧‧‧動力單元
(53)‧‧‧控制單元

Claims (10)

  1. 一種線性聚焦之單軸追日裝置，包括： 一線性聚焦透鏡，該線性聚焦透鏡繞一Y軸軸向彎曲呈弧狀，且該線性聚焦透鏡具有一聚焦區帶，該聚焦區帶之延伸方向係實質上垂直該Y軸軸向； 一太陽能光電模組，設置於該聚焦區帶； 一框架，其上設置有該線性聚焦透鏡以及該太陽能光電模組，該框架具有一樞軸，該樞軸實質上平行該聚焦區帶； 一立架，一端樞接該樞軸； 一追日組件，包括一太陽光偵測單元、一動力單元以及一控制單元訊號連接該太陽光偵測單元以及該動力單元，藉由該太陽光偵測單元獲得一太陽位置訊號，該控制單元根據該太陽位置訊號令該動力單元產生對應之作動，使該動力單元控制該框架相對該立架樞轉一角度。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之線性聚焦之單軸追日裝置，其中，該線性聚焦透鏡係設置有菲涅爾透鏡之微結構。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之線性聚焦之單軸追日裝置，其中，該動力單元係為一液壓伸縮桿，並一端連接該立架，另一端連接該框架。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之線性聚焦之單軸追日裝置，其中，該太陽能光電模組係呈長桿狀，設置於該聚焦區帶，並朝該聚焦區帶之延伸方向延伸。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之線性聚焦之單軸追日裝置，其中，該太陽能光電模組包括一中空管體，以及複數二次光學元件設置於該中空管體，該中空管體為導熱材料，並於該中空管體內通入有冷卻循環液。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之線性聚焦之單軸追日裝置，其中，該中空管體連接至一熱能應用端。
  7. 如申請專利範圍第5項及第6項之任一項所述之線性聚焦之單軸追日裝置，其中，該些二次光學元件係各自透過一導熱金屬塊連接該中空管體。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之線性聚焦之單軸追日裝置，其中，該太陽光偵測單元設有一直立部連接該框架，以及一橫向部連接該直立部，該橫向部平行該Y軸軸向，該橫向部於兩端各自傾斜下彎有一傾斜部，該二傾斜部上各設有一光強度感測器，藉由以該二光強度偵測器各自偵測獲得一太陽光強度，該控制單元根據該二光強度偵測器獲得之太陽光強度的差值運算得到該太陽位置訊號。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之線性聚焦之單軸追日裝置，其中，該太陽能光電模組係一端延伸穿過該線性聚焦透鏡，並有至少一成組之另一立架、另一框架、另一線性聚焦透鏡、另一動力單元以及另一控制單元並列於成組之前述立架、前述框架、前述線性聚焦透鏡、前述動力單元以及前述控制單元，並共用該太陽能光電模組，以及該太陽光偵測單元。
  10. 一種弧狀之線性聚焦透鏡，其包括： 一線性聚焦透鏡，該線性聚焦透鏡繞一Y軸軸向彎曲呈弧狀，該線性聚焦透鏡設置有菲涅爾透鏡之微結構，該線性聚焦透鏡具有一聚焦區帶，該聚焦區帶之延伸方向係實質上垂直該Y軸軸向。
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