TWI395914B - 複合式集光系統 - Google Patents

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Yuan Hsiang Tsou
Chao Feng Tseng
Sheng Chih Shen
Jen Fin Lin
Shoou Jinn Chang
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Description

複合式集光系統
本發明係有關於一種複合式集光系統，尤其是指一種不僅在其整體結構設計上更為簡單，且能具有80%以上光學效率，而在其使用上更增實用價值功效特性的複合式集光系統創新設計者。
按，全球在一九七○年代發生兩次石油危機，嚴重導致油價暴漲及經濟重挫。為了避免石油問題再度衝擊經濟，各國曾積極尋求降低對石油的依賴度，但現在石油仍占全世界現有能源總消費量的四成，且二○二○年全球石油消費量預估將增加到每日一億一千九百萬桶，較一九九九年每日七千五百萬桶石油消費量，成長百分之五十九，由於至二○二○年能源總消費量也將成長百分之六十，所以石油在未來二十年可能持續占能源總消費量的四成以上。二十一世紀開始，各國依然無法找出任何一種足以替代石油的新能源，直到今日太陽能效率的提升，全世界將新能源的希望寄託在取之不盡用之不竭的太陽上面。目前的太陽能電池大多是以矽為基本材料，因為地球蘊藏含量豐之矽元素，不僅原料取得容易，且矽本身穩定而無害，因此半導體工業早期主要發展便以矽為主流，在太陽能電池的發展亦是如此。由於矽為間接能隙半導體材料，對光的吸收性不佳，因此其轉換效率不高，而III-V族化合物半導體太陽能電池，比起傳統矽太陽能電池，其光譜吸收範圍更寬，並具有高轉換效率、高輻射阻抗、可高溫操作與適合薄膜化等優點，已成為近年來太陽能電池發展的重點。目前III-V族多接面化合物半導體太陽能電池已發展至四或五個接面，在數百倍的聚光比之下可以達到40.7%的光電轉換效率。預期高聚光型太陽能發電系統〔High-Concentration Photovoltaic，HCPV〕在未來將成為能源發展上重要的研究重點。
由於III-V族多接面化合物半導體太陽能電池，具有耐熱性之優點，所以被廣泛應用於高聚光型太陽能發電系統〔High-Concentration Photovoltaic，HCPV〕。高聚光型太陽能發電系統藉由高聚光倍率得以創造出比傳統結晶矽太陽能發電系統，更低的發電成本。然而目前高聚光型太陽能發電系統所使用的光學聚光鏡片在高聚光倍率(>500X)條件的使用下皆有光學效率降低的問題。目前高聚光型太陽能發電系統模組的聚光鏡片大多採用Fresnel lens〔菲涅爾透鏡〕與TIR-R〔全反射-折射〕等兩種設計。Fresnel lens〔菲涅爾透鏡〕在高聚光倍率時，由於(1)長焦距設計使得模組建置硬體成本提高、(2)局部熱點效應嚴重造成晶片效能降低等兩個缺點，使得目前使用Fresnel lens〔菲涅爾透鏡〕的國際大廠僅能提供最高500X聚光倍率之高聚光型太陽能發電系統發電模組，在發電成本上與結晶矽太陽能電池相比較並不具有明顯的優勢。TIR-R〔全反射-折射〕則是目前高聚光型太陽能發電系統發電模組中唯一能提供超過1000X聚光倍率的聚光鏡片，而且其超短焦距的設計可以改善Fresnel[菲涅爾]焦距過長的缺點，節省硬體建置成本。但是TIR-R[全反射-折射]射出製程上，在其鋸齒狀之結構尖端由於氣泡所造成的圓角效應之缺陷，使得其實際光學效率可能僅介於50%~70%之間，導致模組整體發電成本相較於其他設計依然無法有效降低。
而高聚光型太陽能發電系統的集光和太陽能的集熱部分所應用之集光系統，其一般是用來將大量的入射光收集後，以較密集的較小光區域出射。
太陽能電池需要有效吸收入射光，然而由於光學的物理現象，入射光仍會有一部分會被反射。一個具折射係數n的透明層接收從空氣中入射的入射光，依照光學的折射現象，入射角的大小不同，會有一部分折射光進入透明層，也有一部分反射光被反射，一光線在介質外的反射情形，當入射角大於某一特定角度時，例如大於60度時，則反射率會大幅增加，反射光也因此愈來愈多。換言之，也就是進入透明層的折射光愈少，導致光使用率降低。
一般當入射角度大於50度時，其太陽能電池的吸收效率開始大幅度的下降，顯示不好的太陽能集光設計若有太多大角度的光線入射晶片，會因為太陽能電池的吸收效率不好而導致光電轉換效率降低。也就是說，太陽能聚光鏡片的光學設計至少要能達到大多數的太陽輻射光入射晶片的角度小於50度，才算是一種高效率的光學設計。
其中，請參閱第四圖現有之短焦式太陽能電池集光器結構示意圖所示，該短焦式集光器(2)接收入射光，令入射光進入短焦式集光器(2)後，由於此短焦式集光器(2)是以全反射[TIR]的鋸齒狀結構(21)方式，將入射光經由全反射[TIR]後，出射光再往中心處折射至二次光學結構(22)均光後，再入射到太陽能電池(23)，達到短焦及高聚光倍率的效果。然而，此類短焦式集光器(2)，會有大多數的光線是以大角度入射太陽能電池(23)，而這些光線又以偏外圍，面積較大的光學接收面積為主；而且此短焦式集光器(2)在其全反射[TIR]的鋸齒狀結構(21)設計上，必須要有尖銳的鋸齒，其設計才能達到高光學效率，但是在實際上的射出成型製作上，這些鋸齒狀結構(21)都會產生圓角效應，上述兩種缺點皆係為導致此類短焦式集光器(2)光學效率不高的主要原因。
另，請再參閱第五圖現有之另一種折射-反射-全反射[RXI]短焦式太陽能集光鏡片示意圖所示，其係當入射光進入實心的集光器(3)後，先經由該集光器(3)底部鏡面(31)反射後，再經過集光器(3)的表面(32)進行全反射，將入射之光線射入太陽能電池(33)上，而較靠近內圍的光線，則是入射後先經過底部鏡面(31)反射後，再經過集光器(3)頂面鏡面(34)二次反射後入射太陽能電池(33)，此種折射一反射-全反射[RXI]短焦式太陽能集光器(3)可以達到高集光倍率和超短焦設計。然而，以太陽能電池(33)可高效率吸收的入射光的考慮點上，此設計有相當大部份的光是全反射後以極大的角度入射太陽能電池(33)，此現象也會導致太陽能電池(33)的光電效率無法提高。
又，請再參閱第六圖現有之卡塞格林反射式太陽能光學聚焦元件示意圖所示，該卡塞格林集光系統(4)於入射光進入第一反射面(41)後，反射到第二反射面(42)再往下聚焦至CPC二次折射元件(43)上，經由內部折射至太陽能電池(44)上，這種卡塞格林集光系統(4)能達到短焦和高聚光倍率，另外在晶片的入射角度和輻射照度上經由二次折射元件(43)後，也可以達到一個較小的入射角度和較均勻的照度。然而，這種卡塞格林集光系統(4)於第一反射面(41)和第二反射面(42)之間的組裝的裕度﹝tolerance﹞不高，也就是說，晶片的照度相對於鏡面的加工粗糙度和鏡組間的組裝精度要求相當高。
緣是，發明人有鑑於此，秉持多年該相關行業之豐富設計開發及實際製作經驗，針對現有之結構及缺失再予以研究改良，因而發明出一種複合式集光系統，以期達到更佳實用價值性之目的者。
本發明之複合式集光系統，其主要係由折射式聚光元件、反射式聚光元件、二次光學元件及光電轉換元件組成該集光系統，該折射式聚光元件，接收入射光的至少一部份光，並使出射光聚集且通過二次光學元件；該反射式聚光元件，接收至少一部份的入射光，並使出射光聚集且通過二次光學元件；該二次光學元件，接收來自該折射式聚光元件與反射式聚光元件之出射光，並使接收之光線以小於50°之入射角度入射光電轉換元件；藉此，不僅在其整體結構設計上更為簡單，且能具有80%以上光學效率，而能在其整體施行使用上更增實用便利性者。
為令本發明所運用之技術內容、發明目的及其達成之功效有更完整且清楚的揭露，茲於下詳細說明之，並請一併參閱所揭之圖式及圖號：
首先，請參閱第一圖本發明之立體外觀結構圖及第二圖本發明之側視剖視結構圖所示，本發明之集光系統(1)包括有折射式聚光元件(11)、反射式聚光元件(12)、二次光學元件(13)及光電轉換元件(14)；其中：
該折射式聚光元件(11)設置於反射式聚光元件(12)上端中間位置處，其係為一具有聚光作用的透鏡結構，可為一單凸透鏡或雙凸透鏡；該反射式聚光元件(12)係為一能達到聚焦功能的幾何曲面，且其表面為具有反射效果之金屬表面或是其他具有反射效果的材料結構；該二次光學元件(13)為一具有均光效果的幾何曲面實體結構光學元件，並且具有以小於50°角度收斂入射於光電轉換元件(14)的光線角度的效果；該光電轉換元件(14)則對應設置於二次光學元件(13)底端，其能將光能轉換成非光能形式的能量，更可為將光能直接轉換為電能之半導體元件。
如此一來，請一併參閱第三圖本發明之使用狀態示意圖所示，當光線入射於該集光系統(1)時，入射於該折射式聚光元件(11)之光線，可經該折射式聚光元件(11)將光線集中於二次光學元件(13)處，而入射於該反射式聚光元件(12)之光線，則經反射式聚光元件(12)將光線反射同樣集中於二次光學元件(13)處，該折射式聚光元件(11)及反射式聚光元件(12)之出射光所構成的出射曲面是點狀區域或為中心線對稱之區域，再利用二次光學元件(13)收斂入射於光電轉換元件(14)的光線角度，以能提高其整體之光學效率者。
然而前述之實施例或圖式並非限定本發明之產品結構或使用方式，任何所屬技術領域中具有通常知識者之適當變化或修飾，皆應視為不脫離本發明之專利範疇。
藉由以上所述，本發明之元件組成與使用實施說明可知，本發明與現有結構相較之下，本發明具有下列優點：
1.本發明之入射光主要經由反射式聚光元件以反射幾何光學機制入射，不同於fresnel[菲涅爾]與全反射[TIR]等具有折射光學機制之透鏡設計，全波長光譜皆以反射幾何光學入射，僅中央一小部分面積[<15%總入光面積]以折射式光學入射光線，因此，可改善折射式光學因入射光波長不同所造成的色散問題。
2.本發明以反射式聚光元件為收光主體，其係為一幾何平滑曲面，不同於全反射[TIR]鋸齒狀微結構之設計，可避免因微結構加工誤差所導致的光學效率耗損。
3.本發明係以反射式聚光元件為收光主體，其係為一簡單之幾何平滑曲線反射面所構成，相較於全反射[TIR]等設計需要較精密且結構複雜之模具以及技術難度較高的射出製程，本發明不論是模具結構或是射出製程皆較為簡單。
4.本發明相較於fresnel之[菲涅爾]設計，在晶片上具有一較均勻之光照度分佈，可以避免晶片因光照度分佈不均勻所造成的local hot spot[局部熱點]問題，降低因local hot spot[局部熱點]所導致的晶片效率降低問題。
綜上所述，本發明實施例確能達到所預期之使用功效，又其所揭露之具體構造，不僅未曾見諸於同類產品中，亦未曾公開於申請前，誠已完全符合專利法之規定與要求，爰依法提出發明專利之申請，懇請惠予審查，並賜准專利，則實感德便。
(1)．．．集光系統
(11)．．．折射式聚光元件
(12)．．．反射式聚光元件
(13)．．．二次光學元件
(14)．．．光電轉換元件
(2)．．．短焦式集光器
(21)．．．鋸齒狀結構
(22)．．．二次光學結構
(23)．．．太陽能電池
(3)．．．集光器
(31)．．．底部鏡面
(32)．．．表面
(33)．．．太陽能電池
(34)．．．頂面鏡面
(4)．．．卡塞格林集光系統
(41)．．．第一反射面
(42)．．．第二反射面
(43)．．．二次折射元件
(44)．．．太陽能電池
第一圖：本發明之立體外觀結構圖
第二圖：本發明之側視剖視結構圖
第三圖：本發明之使用狀態示意圖
第四圖：現有之短焦式太陽能電池集光器結構示意圖
第五圖：現有之另一種折射-反射-全反射[RXI]短焦式太陽能集光鏡片示意圖
第六圖：現有之卡塞格林反射式太陽能光學聚焦元件示意圖
(1)．．．集光系統
(11)．．．折射式聚光元件
(12)．．．反射式聚光元件
(13)．．．二次光學元件
(14)．．．光電轉換元件

Claims (12)

  1. 一種複合式集光系統，該集光系統包括有折射式聚光元件、反射式聚光元件、二次光學元件及光電轉換元件；其中：該折射式聚光元件，接收入射光的至少一部份光，並使出射光聚集且通過二次光學元件；該反射式聚光元件，接收至少一部份的入射光，並使出射光聚集且通過二次光學元件；該二次光學元件，接收來自該折射式聚光元件與反射式聚光元件之出射光，並使接收之光線以小於50°角度入射光電轉換元件。
  2. 如申請專利範圍第1項所述複合式集光系統，其中，該折射式聚光元件為一具有聚光作用的透鏡結構。
  3. 如申請專利範圍第1項所述複合式集光系統，其中，該折射式聚光元件為一單凸透鏡。
  4. 如申請專利範圍第1項所述複合式集光系統，其中，該折射式聚光元件為一雙凸透鏡。
  5. 如申請專利範圍第1項所述複合式集光系統，其中，該反射式聚光元件為一能達到聚焦功能的幾何曲面，且其表面為具有反射效果之金屬表面。
  6. 如申請專利範圍第1項所述複合式集光系統，其中，該反射式聚光元件為一能達到聚焦功能的幾何曲面，且其表面為具有反射效果的材料結構。
  7. 如申請專利範圍第1項所述複合式集光系統，其中，該二次光學元件為一具有均光效果的幾何曲面實體結構光學元件。
  8. 如申請專利範圍第1項所述複合式集光系統，其中，該二次光學元件為一具有收斂入射的光線角度之幾何曲面。
  9. 如申請專利範圍第1項所述複合式集光系統，其中，該折射式聚光元件及反射式聚光元件之出射光所構成的出射曲面是點狀區域。
  10. 如申請專利範圍第1項所述複合式集光系統，其中，該折射式聚光元件及反射式聚光元件之出射光所構成的出射曲面是中心線對稱之區域。
  11. 如申請專利範圍第1項所述複合式集光系統，其中，該光電轉換元件接收二次光學元件之出射光，將光能轉換成非光能形式的能量。
  12. 如申請專利範圍第1項所述複合式集光系統，其中，該光電轉換元件為將光能直接轉換為電能之半導體元件。
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