TWI404975B - 集光方法、集光系統以及光能轉換裝置 - Google Patents

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Description

集光方法、集光系統以及光能轉換裝置
本發明是有關於一種集光系統與方法，例如可以應用在太陽電池模組(solar cell module)或是太陽能轉換的光能轉換機制。
集光系統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。集光系統的應用例如可以使用在太陽電池的集光和太陽能的集熱部分。
太陽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。圖1繪示光學的折射與反射現象示意圖。參閱圖1，一個具折射係數n的透明層100接收從空氣中入射的入射光102a。依照光學的折射現象，依照入射角θ的大小不同，會有一部分折射光102b進入透明層100，也有一部分反射光102c被反射。圖2繪示入射角與反射率的關係示意圖。參閱圖2，以玻璃與空氣的介面為例，一光線在介質外的反射情形，當入射角θ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102c也因此愈來愈多。換言之，也就是進入透明層100的折射光102b愈少，導致光使用率降低。
圖3繪示一光線的入射角度和太陽能電池的吸收響應關係示意圖。參閱圖3，以零度入射的響應為參考。當入射角度大於50度時，其太陽能晶片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，會因為太陽能晶片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。而這種缺點最常見的就是在短焦型的聚光型太陽能集光鏡。
針對短焦型的太陽電池集光器，先前技術已提出多種設計。圖4為短焦式太陽電池集光器結構示意圖。於圖4的設計，太陽電池的集光器400接收入射光401。入射光401進入第一集光器402後，由於此短焦式集光器400是以全反射的鋸齒狀結構403方式，將入射的光經由全反射(TIR)後，出射光404再往中心處折射至二次光學405均光後，再入射到太陽能晶片406，達到短焦及高聚光倍率的效果。
然而此類短焦式的集光器400，會有大多數的光線是以大角度入射404太陽能晶片406的，而這些光線大部份進入大的光學接收面積，例如全反射(TIR)光學元件的外部鋸齒結構。而且此集光器400也會在其TIR鋸齒狀結構403的設計上，必須要有尖銳的鋸齒407，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，這些鋸齒狀結構都會產生圓角，這二者都是導致此類光學集光器400光學效率不高的主要原因。
圖5繪示另一種折射-反射-全反射(RXI)短焦式的太陽能集光鏡片示意圖。入射光501進入實心的集光器500後，先經由底部鏡面502反射後，在經過集光器500的表面505 進行全反射後，將入射的光線射入太陽能電池504上。而較靠近內圍的光線，則是入射後先經過底面鏡面502反射後，再經過頂面鏡面503二次反射後入射太陽能電池504。
此種RXI短焦式太陽能集光器500可以達到高集光倍率和超短焦設計。然而，以太陽能晶片可高效率吸收的入射光的考慮點上，此設計有相當大部分的光是全反射後以極大的角度入射太陽能晶片，此現象也會導致太陽能晶片的光電效率無法提高。
圖6繪示傳統卡塞格林反射式的太陽能光學聚焦元件示意圖。於集光系統600，入射光601進入第一反射面602後，反射到第二反射面603往下聚焦至CPC色彩混合元件604上，經由內部折射至太陽能晶片605上。
這種卡塞格林(Cassegrain)集光系統600能達到密集和高聚光倍率，另外在晶片的入射角度和輻射照度上經由二次折射元件604後，也可以達到一個較小的入射角度和較均勻的照度。然而，這種聚光元件需要一次元件602和二次元件603之間的組裝的裕度(tolerance)不高。也就是說，晶片的照度的要求需要鏡組與色彩混合元件間有精確組合。
圖7繪示另一傳統Fresnel(菲涅耳)聚光系統示意圖。目前最常見的折射式集光系統700有主要集光系統，例如是Fresnel鏡片701，其將入射光聚集在焦點702後，用直射或經過二次光學703反射的方式，將光線收集在太陽能晶片704上。
圖8繪示晶片的橫截面積上接收到光照度的分佈分析示意圖。參閱圖8，從分析結果可以看出，接收的光亮度分佈極為不均勻，其中在中心區域會有很大的聚光效應。此種分佈，會導致晶片上的溫度和照度不均勻。導致晶片散熱不易及光電轉換效率不高等缺點。
傳統的技術中，集光系統仍有針對不同問題提出的多種不同設計。然而，傳統的集光系統仍有其不盡理想的地方，其中照度不均勻導致晶片效率無法提高、入射晶片的角度影響太陽能晶片的吸收及光電轉換效率、加工精度和組裝裕度對照度的影響和太陽入射光的可接受角等都是需要考慮的問題。集光系統的設計與研發仍在繼續進行中。
本發明是有關於一種集光元件的方法和裝置，包括聚光元件和反射曲面元件，該反射曲面元件的優選實施方法例如是以映射(mapping)而不是混光(mixer)的光學設計能達到以較小的角度和較適合的照度入射吸收體，藉以達到較高的光學效率，來提升吸收體吸收光和熱能量的效果。例如可以應用在太陽光電(solar photovoltaic)或太陽熱能(solar thermal)集光鏡片的均光和集熱，提高太陽能光學系統的光學效率。
本發明提出一種集光系統包括聚光元件以及反射曲面元件。聚光元件接收入射光的至少一部分光，使聚集且通過第一焦區後順向出射，得到第一階輸出光。反射曲面元件有入口孔徑接收第一階輸出光。其中，反射曲面元件 包含反射內曲面。反射內曲面的至少一部分具有第二焦區。第一焦區與第二焦區是共焦或大致上是在一範圍內共焦設置，以使至少一部分的第一階輸出光，通過共焦轉換得到順向出射的第二階輸出光。
本發明又提供一種光能轉換裝置，包括聚光元件、反射曲面元件以及光能轉換元件。聚光元件接收入射光的至少一部分光，使聚集且通過第一焦區後順向出射，得到第一階輸出光。反射曲面元件有入口孔徑接收第一階輸出光。其中，反射曲面元件包含反射內曲面。反射內曲面的至少一部分具有第二焦區。第一焦區與第二焦區共焦或是在一範圍內大致上是共焦設置，以使至少一部分的第一階輸出光，通過共焦轉換得到順向出射的第二階輸出光。光能轉換元件接收第二階輸出光的至少一部分，將光能轉換成非光能形式的能量。
本發明又提供一種集光方法，包括接收入射光的至少一部分光，使聚集且通過第一焦區後順向出射，得到第一階輸出光。提供反射曲面元件。反射曲面元件有入口孔徑及反射內曲面。反射內曲面的至少一部分具有第二焦區。第二焦區與第一焦區設置成共焦或是在一範圍內大致上共焦，以接收第一階輸出光，使至少一部分的該第一階輸出光，通過共焦轉換得到順向出射的第二階輸出光。
本發明又提供一種集光系統，包括聚光元件和反射曲面元件。該聚光元件包含第一反射內曲面，該聚光元件接收入射光的至少一部分光，經由該第一反射曲面聚集且通 過第一焦區後順向出射，得到第一階輸出光；而該反射曲面元件包含入口孔徑、第二反射內曲面和出口孔徑。入口孔徑接收第一階輸出光，使至少一部分的第一階輸出光，被第二反射內曲面反射得到順向出射的第二階輸出光，經過出口孔徑順向出射。
為讓本發明的上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉優選實施例，並配合所附圖，作詳細說明如下。
本發明提供一種集光系統，一般而言例如包括聚光元件和反射曲面元件，該反射曲面元件的優選實施方法例如是以映射(mapping)而不是混光(mixer)的光學機制能達到較小的角度和較適合的照度入射吸收體，藉以達到較高的光學效率，來提升吸收體吸收光和熱能量的效果。若應用在太陽光電(solar photovoltaic)的集光器上，均勻的光照度分佈和入射光以小角度入射晶片，不但可以提升集光倍率，減少熱應力的產生，也能使晶片有較高的吸收和轉換效率；而在太陽熱能(solar thermal)集光器的應用上，也可以較小的角度和較集中的照度入射接收體上，提升其光學集光效率，且接收體在下方的設計，在光學系統和接收體長期面對大自然天氣的多變化時的維護、清潔和保養方面，提供了一個更有效率保養結構。
從另一角度而言，集光機制例如包括主要聚光元件，至少有第一焦點(焦區)，該第一焦點(區)下方有反射曲面元 件，有入口孔徑、反射內曲面、出口孔徑且至少有一部分該反射曲面元件的該反射內曲面有第二焦點(區)，而該第一焦區和該第二焦區是共焦或是在一範圍內大致上共焦。主要聚光元件收集入射光至該第一焦區和該第二焦區的共焦區域出射為第一階出射光，該第一階出射光通過該入口孔徑，至少有一部分的該第一階出射光經由該反射內曲面映射反射後出光為第二階出射光，也是映照出射光，經由出口孔徑出光。以下舉一些實施例來描述本發明，但是本發明不僅限於所舉實施例。又、所舉實施例的實施例之間也可以相互結合。
圖9繪示依據本發明實施例，集光系統結構剖面示意圖。參閱圖9，集光系統900例如是由二個具有聚光能力的聚光元件，以共焦或是在一範圍內大致上共焦方式所構成，例如聚光元件902與反射曲面元件904共焦方式所構成。聚光元件902包含具有第一焦點903的內凹反射曲面。於此，第一焦點903也代表一個焦區，焦區的大小例如是取決於曲面製作的精密度或是設計需求。又、反射曲面例如是金屬表面反射層或是其他材料構成反射效果的材料結構。聚光元件902的曲面，例如是拋物曲面，以第一焦點903為其幾何焦點。然而聚光元件902的曲面不限於拋物曲面。能達到聚焦的其他曲面結構也都可以使用，而其中拋物曲面僅是較佳的實施例。聚光元件902接收與聚集入射光901的一部分，其會被反射通過第一焦點903，從聚光元件902的出口孔徑906出射，例如是孔徑906，提供 第一階出射光907。
反射曲面元件904，也是光學反射映射元件904，例如也包含具有第二焦點905的反射內曲面909。反射曲面元件904也有入口孔徑，例如也是孔徑906，接收第一階出射光907。然而，本發明是將第一焦點903與第二焦點905以共焦或是約略共焦的方式設置。於此，基於製造的準度或是設計上的需要，第一焦點903與第二焦點905是在一範圍內大致上共焦即可。由於大致共焦的設置，由聚光元件902產生通過第一焦點903的第一階出射光907，也同時通過第二焦點905。反射曲面元件904的結構與聚光元件902類似但是相對設置，其曲面的結構例如較佳也是抛物面的設計。由於共焦設計，第一階出射光907也是通過反射曲面元件904的第二焦點905，而從反射內曲面909反射，再由出口孔徑910出射。由於反射內曲面是抛物面的設計，因此第二階出射光908仍維持原入射的方向，有助於後續例如應用在太陽電池上，控制成為入射角的效果。第二階出射光908是映照出射光908，不需要混光。又、聚光元件902與反射曲面元件904在結構上可以是個整合的結構體，或是如塑膠的射出成型的單體，其無需對準。
又、如果反射曲面元件904在光軸方向上的深度較淺，其會導致第一階出射光907的邊緣部分的入射光被反射通過焦點905後，沒有被反射曲面元件904接收反射回到原行進方向，而從側邊射出。然而，此沒有被映射的部 分不大，且例如可以調整反射曲面元件904的深度解決。本發明可以應用在成像光學或是非成像光學。
圖10-15繪示依據本發明多個實施例，集光系統的結構剖面示意圖。參閱圖10，本實施例的二個曲面的結構如圖9的結構，有聚光元件1000與反射曲面元件1002，通過接合結構1004組合而成，例如可以是一體的結構。一部分的入射光1006，其光路徑如圖9所示，可以以接近垂直的小入射角條件，均勻且聚集入射於接收元件1010，例如是太陽晶片上。另外一部分的入射光可通過另外次級聚光元件1008來接收。次級聚光元件1008例如是凸透鏡，也具有焦點，將一部分入射光聚焦，但是焦點一般例如設置在接收元件1010之上方，以允許由次級聚光元件1008接收的光通過孔徑，而入射到接收元件1010。由於次級聚光元件1008的焦點不是在接收元件1010上，可以避免在接收元件1010上造成光強度分佈不均勻產生熱點(hot spot)。於本實施例，次級聚光元件1008是凸透鏡，且凸透鏡的焦點與其他焦點也大致上重疊，然而透鏡的焦點位置可依實際需要調整。
於此，次級聚光元件1008的設置，可以有多種支撐方式，例如支架支撐，又或是將次級聚光元件1008直接製作或是粘置在透明板1005或支架上後，再將透明板1005架置或是覆蓋在聚光元件1000的入光面之上。
參閱圖11A，在此實施例，根據光學的設計可以將圖10的次級聚光元件1008的透鏡結構改為Fresnel鏡片 1012。Fresnel鏡片1012也可以達到聚焦的效果。參閱圖11B，類似地，次級聚光元件1008也可以採用尖鋸齒狀全反射透鏡(TIR)1014，以得到高光學密集度。
前述的一些實施例是根據圖9的機制所做的設計變化，其聚光元件902例如以反射的方式達成。而一些較常見的反射式集光元件，例如是RXI或是Cassegrain的設計，如圖12A與圖12B，也可在這些集光元件的第一焦區設置反向共焦的反射曲面元件，來達到出光區域有較均勻照度的目的。
圖12A繪示依據本發明實施例，為RXI聚光元件和反射曲面元件共焦的結構剖面示意圖。圖12B繪示依據本發明實施例，為Cassegrain聚光元件和反射曲面元件共焦的結構剖面示意圖。參閱圖12A，本發明的集光系統1500的聚光元件例如與圖5的聚光機制相似，通過實心的集光器於聚光後仍維持順向進入本發明的二次光學元件506。本發明的二次光學元件506例如是在實體元件中挖空，通過曲面的調整達到反射聚光的效果。如圖12A所示的一種方式，可以例如鍍上反射層，達到聚光的反射曲面。
參閱圖12B，其聚光元件與圖6的集光機制相似，然而二次光學元件606例如是在實體元件中挖空，通過曲面的調整達到反射聚光的效果。如圖12B所示的一種方式，可以例如鍍上反射層，達到聚光的反射曲面。換句話說，本發明利用反射曲面的方式設計二次光學元件，以使光較均勻且以較小的入射角進入太陽能晶片。
然而聚光元件902也可以通過折射的方式達成。參閱圖13，另一種設計是將聚光元件902例如以折射式聚焦元件1016取代，其還例如可為單片的全反射式折射鏡(TIR lens)，其在大面積下接收入射光，但是將其焦點設置成與反射曲面元件1018的焦點共焦，如此入射光通過孔徑1019，被聚集轉換到反射曲面元件1018而出射到接收元件1010。
前述的一些實施例，聚光元件與反射曲面元件例如是空心的結構，通過內凹的反射曲面機制來達成聚焦的功能。然而，要達到所要反射曲面也有其他方式達成。從所要的光學特性來看，整個集光系統也例如可以由實體的透光材料體，例如玻璃來達成。通過透光材料體的折射係數與空氣的差異，在介面上產生內全反射，再配合介面的曲率產生反射曲面。
參閱圖14，集光元件1020例如可以是實體的透光材料，其包含上部聚光元件1020a與下部的反射曲面元件1020b所構成。聚光元件1020a與空氣的介面，配合其折射係數的大小，構成內全反射曲面1021a。反射曲面元件1020b與空氣的介面，配合其折射係數的大小，構成另一個內全反射曲面1021b。經反射通過焦區的對應部分入射光，可以再被內全反射曲面1021b反射，以小角度入射到接收元件1022。
參閱圖15，配合實體的結構以及考慮到中心部分的入射光，可以依需要在入射面上設計出次級聚光元件1026。 例如是凸透鏡效果的聚光元件。集光元件1024的其他結構與圖14相似，通過內全反射達成反射曲面的效果。另外，次級聚光元件1026有可以不是凸透鏡的結構，而例如以鋸齒狀形狀或是Fresnel lens等聚光結構來達成。
圖16繪示依據本發明實施例，集光系統的結構剖面示意圖。參閱圖16，本實施例是採用空心設計的聚光元件1030與反射曲面元件1032所組合的集光元件，另外在中央部位再配置例如是Fresnel鏡片的次級聚光元件1012。聚光元件1030與反射曲面元件1032之間有共用的孔徑，使入射光通過後到達接收元件1022。由次級聚光元件1012產生的光不經過反射曲面元件1032的作用，直接入射到接收元件1022，然而其入射角仍維持在小角度。
以圖16的結構為例，分析通過二次光學前和後的輻射強度(radiant intensity,W/sr)和輻射照度(Irradiance，W/m2 )的差別。二次光學元件例如是反射曲面元件。由輻射強度分析可以知道入射光的角度分佈；而輻射照度分析則可知道在接收元件上的空間分佈。例如，分析條件例如是將聚光倍率設定為800倍，太陽入射能量設定為1,000W/m2 ，模擬用的完美吸收體設定於該反射曲面元件的上方。此分析的情形是在反射曲面元件的入口處。
圖17為在圖16中的入口孔徑上的強度分析圖。也就是說入射光尚未經過反射曲面元件1032的作用所到的角度分佈。於此，反射曲面元件1032是提供光學反射映射的作用。在中間±180 的範圍為中央Fresnel鏡片1012所造成 的入射角度，而在±400 到900 的角度範圍為聚光元件1030的反射內曲面所產生。由此分析圖可發現大角度入射角的強度較低。如果直接將晶片直接設置在孔徑上，會導致晶片吸收的能量較低和不易吸收等現象，其是因為很多大角度的反射光發生在空氣與晶片表面之間，這也和太陽能晶片可吸收的入射光角度有關。
圖18則是反射曲面元件1032上方的輻射照度分析圖。太陽能入射能量為1,000W/m2 ，而此時的照度分析可看出其局部聚光倍率已高達1.7*109 W/m2 ，相當於是1.7*106 倍的太陽光。此高聚光倍率的照度分佈，若應用在太陽光電聚光器上，不但會照成太陽能晶片強烈的熱應力集中，導致晶片的損壞，而此不平均的照度，也會照成晶片光電轉換效率的降低等缺點。
圖19A為以平行光模擬，在反射曲面元件下方，接收元件上的強度分析圖。由放大的強度分析圖可以看出，雖然還是有為中央Fresnel鏡片所造成的00 到180 入射角度，但是幾乎大部分的出射光都以相當大的光強度，以0度的角度入射晶片。又、假如考慮以太陽光的發射半角0.265度來模擬，仍可以得到低於±100 的角度分佈，如圖19B。
圖20是在反射曲面元件下方的接收元件上的照度分析示意圖。由圖20可以看出，其中間局部的最高聚光照度為1.2*106 W/m2 ，在對應800聚光比下，約相當於1,200倍的太陽照度，而周圍被光學映射(mapped)的區域則是呈 現一個相當均勻的照度分佈。又、中間的照度可以被設計成如反射映射光照度的均勻程度。
由圖19和圖20的輻射強度和照度分析後，可得知經過本發明的集光系統，在太陽能晶片接收端不但可得到較小較垂直的角度入射晶片，使得太陽能晶片的吸收率和光電轉換效率大為提升；其平均的照度分析也可使晶片的使用率高而提升其晶片的光電轉換效率；而其平均的照度也不會有熱點(hot spot)效應，此優點不但在封裝及散熱的工程上不會有較高的技術門檻需要去克服，且也對於設計更進一步高倍率(~2,000X)的太陽能聚光模組其可行性提高。
圖21繪示本發明實施例，抛物面一橢圓面共焦的剖面結構示意圖。參閱圖21，反射曲面的設計多種設計。由於二次函數曲線自然就有其焦點的存在，因此是優選可以直接利用的一種曲面。本實施例中的聚光元件1034仍例如維持是抛物面，而反射曲面元件1036例如是橢圓曲面。橢圓的數學特性為具有雙焦點的曲面，經過第一焦點的光線經過橢圓的內層反射後，會改變光的入射角度進入第二焦點。
圖22~圖23繪示依據本發明實施例，分別為在反射曲面元件1036入口的照度和強度分析示意圖。圖24~圖25繪示依據本發明實施例，分別在反射曲面元件1036出口孔徑或是接收體上的照度和強度分析圖。
參閱圖23和圖25，二個空間分佈並無太大的改變。參閱圖22和圖24，角度分佈由原先的大角度分佈，其是 中央的00 ~到±180 及週邊的±400 ~900 改變為較小的角度分佈，例如約集中在00 ~±400 。而由光強度和照度的分析可得到一個結論。此拋橢共焦的機制，在中間還搭配集光鏡的發明，可以在不改變照度的情況下，達到以較小的角度入射接收體。較小的入射角會有較高的光學效率。又在本發明中，於接收體的入射角可以設計成收斂在20度內。針對曲面的設計，除了採用抛物面與橢圓面的設計與組合外，其也可以是多種曲面的組合，又當應用在大的太陽能集光系統時，曲面也可以例如利用多部分小平面組合成的所要的曲面。例如，其是以不同半徑的多個小平面環所構成，以適當的斜角來反射光，且以一個接一個連接組合或是同心裝置的方式組合，如此由每一個環的平面所反射的光會被聚集在一焦區。
又、前述所舉的一些實施例是剖面結構。依照一般的設計，其例如是中心對稱的結構。換句話說，例如在與入射光垂直方向的橫截面結構，其邊緣例如是圓形。然而，當接收元件的面積形狀是矩形時，其結構也做適當的變化。
圖26~圖27依據本發明一些實施例，集光系統的結構透視示意圖。參閱圖26，例如以圖14的剖面結構為例，其聚光元件1040與反射曲面元件1042在另一個方向的橫截面是四方形，其還例如是正四方形或是矩形，其中矩形依實際需要會較有效率。如果聚光元件1040與反射曲面元件1042是實體結構，其內部1044是相同材料或是折射係數接近的二個材料所組成。然而，若是以圖9的設計為基 礎，則內部1044例如是空心的設計。
參閱圖27，依照相同原則，次級聚光元件1046可以再配置在中心部位，以調整中心區域入射光的入射角度。次級聚光元件1046例如是凸透鏡的結構或是鋸齒狀結構或是線形Fresnel聚光的結構。而如圖26所述，其內部1044可以是實心或是空心的設計。
在前述的實施例中，雖然在底部的二次光學(secondary optical)元件是以能產生焦區的曲面來構成，其在橫截面上曲線是曲率不為零的曲線。然而，反射面元件可以有兩種可能的結構，其一是截面曲線的曲率也可以為零，即是直線的設計；其二是反射表面元件是由多個平面所組成，例如是四個階梯狀的平面或是四個四方平面所構成的完整反射面。圖28繪示依據本發明另一實施例，集光系統的結構剖面示意圖。參閱圖28，本實施例的集光系統2000，包括聚光元件2001，該聚光元件擁有第一反射曲面2002，該聚光元件2001接收入射光2003的至少一部分光，經過第一反射曲面2002反射後聚集且通過第一焦區2004後順向出射，得到第一階輸出光2009。反射面元件2005，擁有入口孔徑2006，第二反射面2007，出口孔徑2008。該反射面元件2005，其例如是錐狀的形狀，錐狀的形狀在橫剖面上的曲線是曲率為零的傾斜直線，基本上無需構成有焦區的聚光能力。該入口孔徑2006接收該第一階輸出光2009，使至少一部分的該第一階輸出光，通過該第二反射面2007反射得到順向出射的第二階輸出光2010。
圖29A-圖29C繪示依據本發明另一些實施例，在圖28的集光系統中二次光學結構的剖面示意圖。參閱圖29A，如果橫截面的形狀是矩形，則矩形的一對側邊線是平行的。因此，對於入射角為θg的光線，其入射於工作元件2006的入射角為θc，θg=θc。此設計可用在較小接收角度，如此則入口孔徑會增加。
參閱圖29B，又此對側邊線是漸大的錐形側邊線，其對於入射角為θg的光線，其入射於工作元件2012的入射角為θc，θg>θc。此設計可讓入射該工作元件的角度較小，達到較高的光學效率。
參閱圖29C，又此對側邊線是漸縮的錐形側邊線，其對於入射角為θg的光線，其入射於工作元件2012的入射角為θc，θg<θc，其中有一些大角度入射的光線，會被再度反射回去，不會進到工作元件2012，如圖中的光路所示。而此設計會達到較大的入口孔徑和較寬域的可接受角的目的，但是相對的，會犧牲一些光學效率。
雖然圖29A~圖29C的設計之間有一些差異，但是依照實際的設計需要都可以採用。
圖30~圖31繪示依據本發明另一實施例，集光系統的結構剖面示意圖。先參閱圖30，又配合先前描述的聚光元件2011，也可以將另一部分入射光接收、聚集以及出射到工作元件2012，達到光能的轉換應用，光路徑及結構示意圖如圖中所示。在本實施例中，二次光學的反射曲面元件2005無需有焦區的產生。
參閱圖31，依照相同的設計原則，例如採用實心體的具體實施例，其通過光學的內全反射達到反射曲面的效果。與圖15類似，可以更設計凸出外型3001的結構，將屬於中間區域的光聚集後一併輸出。依照二次光學的反射面元件2005機制，其也以有一些變化，且產生的效果也有一些差異，但是仍維持基本的設計原則。
本發明的光學設計若用在太陽熱能(solar-thermal)的集光系統上，則不但可以增加此集光系統的可接受角(acceptance angle)、可達到高照度的集光倍率、和達到小角度入射達到高吸收的光學效能。且接收體設置在聚光結構下方的設計，不但在能量轉換系統的設計上較容易實施；而上方的覆蓋層結構也可降低集光系統的維護清潔等費用，解決全部的集光鏡面暴露在外時，不穩定的天氣照成鏡面的刮傷、磨損、積水，和塵土、鳥糞等等異物造成鏡面的髒汙。
在上述實施例中，此二個聚焦區是共焦的組合。然而，此二個聚焦區也可以是大致上共焦的設置，其允許相互之間在入口孔徑的半徑範圍內有移位的情形。圖32~圖34繪示依據本發明另一些實施例，集光系統是大致上共焦設置的結構剖面示意圖。
參閱圖32，第一焦區903是對應主光學元件，焦區905’是對應二次光學元件，其例如是抛物面。假設二次光學元件的位置是從焦區位置向下移動，同時焦區905’如箭頭所示向下移動。經過光路模擬後，其結果，由二次光 學元件反射的光會較為發散。參閱圖33，二次光學元件如箭頭所示是向上移動。於此情形，由二次光學元件反射的光會較為收斂。一般而言，離焦的組態可依照實際設計需來設定。焦區905’相對於焦區903可以在入口孔徑半徑範圍內被移位。換句話說，依照照度均勻的考慮，二個焦區可以是共焦或是大致上共焦在一範圍內，其較佳例如是在入口孔徑的半徑範圍內。
參閱圖34，其是模擬結果。當焦區905’被往上移動到某一距離，反射光可能由足夠的收斂以全部覆蓋的接收元件1010。於此，入射光的中間部分可以被使用，也可以不被使用，其依據實際需要而定。然而於圖34的情形，當希望得到在接收元件1010的表面有較佳的均勻照度，則入射光的中間部可以被忽略。對接收元件1010的入射角仍能維持小角度。
圖35繪示依據本發明，一集光系統的照射示意圖。參閱圖35，其是在圖34的情形下在接收元件的照度分佈的模擬分佈。照度相當均勻。
在集中型太陽能光電(CPV)系統的應用上，照度均勻性與晶片的光電轉換效率相關。太陽晶片可以設計成有一理想集光倍率，例如是1000suns，假設其光電轉換效率為28%。然而，假如照度不均勻，其接收元件的局部區域僅有5%，且局部倍率會高達20,000suns，其晶片的填入因子(fill factor)為0.58，而晶片的效率為17%。然而對於太陽晶片是1000suns相同要求下，本發明可以在整個光區域都 大致上維持1000suns的倍率，因此填入因子例如可以達到85%。其結果，晶片的操作效率可以達到24%。
從另一個角度來看，本發明提出一設計參數，可稱為局部集光比r，其定義為：(1)r=局部最高聚倍率/幾何聚光倍率。
幾何聚光倍率定義為“光學面積/晶片面積”。局部最高聚倍率是照度分佈中的最大照度，一般是對應到局部高強度的區域，而這個局部最高倍率和光學效率及光學設計有很大的關聯性。以幾何聚光倍率為500X的菲涅耳透鏡為例，在不經過CPC等混光元件(mixer)時，其局部最高聚倍率約為2,500X，如此局部集光比r為5。本發明的局部集光比r可以減少到5或更少。本發明以提出的局部集光比r檢視一些傳統設計方式，其平均值約在8。這表示說傳統集光式太陽能光學設計在晶片的局部集光太強，導致低的轉換效率。
更進一步在集熱器的應用上，如在太陽熱光電(thermophotovoltaics，TPV)或是太陽發電(concentrating solar power,CSP)系統中的太陽熱能，其照度的均勻性不需要太大考慮。取代的是要考慮進入到接收元件的入射光總能量，其中小區域的熱點可以被接受。就考慮小角度分佈的需求，本發明的二個焦區可以是共焦或是在一範圍內大致上共焦，其較佳方式例如是在入口孔徑的直徑範圍或是 更大。
圖36繪示依據本發明另一些實施例，一集光系統的剖面示意圖。參閱圖36，二次光學元件1036產生聚集光束，以小入射角度入射到接收元件1022。如此，二次光學元件1036例如可以是橢圓的截面，具有二個焦區。此二個焦區其一是與聚光元件1034的焦區耦合，且此二個焦區的另其一焦區例如設置在接收元件1022上。其結果，被收集的光可以被聚焦在接收元件1022上。接收元件1022將光的熱能加以儲存或轉換成其他能量。本發明利用反射式的二次光學元件設計，在最佳化的設計上，其光線可以較小的角度入射晶片吸收面，有效地降低入射接收體吸收面角度過大而反射散失的光線，進而有效提升接收體的吸收效率。
就幾何結構來看，結構簡單、製造成本低且明顯地改善傳統微結構製造誤差所造成的光學效率降低問題。本發明的集光系統有利於產業的製造。
至於在實際應用上，經聚光後的光能可以通過多種方式轉換應用。光能轉換裝置的光能轉換元件例如是將光能直接轉換為電能的半導體元件。半導體元件元件可以是太陽能電池(PV cell)，包括例如是矽、III-V族化合物、銅銦硒(CIS)、銅銦鎵硒(CIGS)和鎘化碲(CdTe)等材料。
又從熱能儲存/轉換裝置的角度而言，熱能儲存/轉換元件，至少接收聚集的輸出光，將光的熱能儲存或轉換成其他形式的能量。熱能儲存/轉換元件也例如是將光的熱能 直接儲存的熱接收器。熱接收器例如包括直接受熱型接收器或是以液態鈉為媒介的熱接收器。又、熱接收器例如負責吸收光的熱能並轉換至引擎內的工作氣體。引擎包括例如是史特靈引擎(Stirling engine)或是佈雷頓引擎。
又、熱能儲存/轉換元件例如是將光的熱能用來熱解液體的產氫元件。液體包括例如是水或是甲醇。
又熱能儲存/轉換元件例如是用熱-電化學方法的產氫元件。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧透明層
102a‧‧‧入射光
102b‧‧‧折射光
102c‧‧‧反射光
400‧‧‧集光器
401‧‧‧入射光
402‧‧‧第一集光器
403‧‧‧鋸齒狀結構
404‧‧‧出射光
405‧‧‧二次光學
406‧‧‧太陽能晶片
407‧‧‧鋸齒
500‧‧‧集光器
501‧‧‧入射光
502‧‧‧底部鏡面
503‧‧‧頂面鏡面
504‧‧‧太陽能電池
505‧‧‧表面
506‧‧‧二次光學元件
1000‧‧‧聚光元件
1002‧‧‧反射曲面元件
1004‧‧‧接合結構
1005‧‧‧透明板
1006‧‧‧入射光
1008‧‧‧次級聚光元件
1010‧‧‧接收元件
1012‧‧‧Fresnel鏡片
1014‧‧‧全反射透鏡
1016‧‧‧聚焦元件
1018‧‧‧反射曲面元件
1019‧‧‧孔徑
1020‧‧‧集光元件
1022‧‧‧接收元件
1024‧‧‧集光元件
1026‧‧‧次級聚光元件
1030‧‧‧聚光元件
1032‧‧‧反射曲面元件
1034‧‧‧聚光元件
600‧‧‧集光系統
601‧‧‧入射光
602‧‧‧反射面
603‧‧‧反射面
604‧‧‧二次折射元件
605‧‧‧太陽能晶片
606‧‧‧二次光學元件
700‧‧‧集光系統
701‧‧‧Fresnel鏡片
702‧‧‧焦點
703‧‧‧二次光學
704‧‧‧太陽能晶片
900‧‧‧集光系統
901‧‧‧入射光
902‧‧‧聚光元件
903‧‧‧第一焦點
904‧‧‧反射曲面元件
905‧‧‧第二焦區
906‧‧‧入口孔徑
907‧‧‧第一階出射光
908‧‧‧第二階出射光
909‧‧‧內層反射曲面
910‧‧‧出口孔徑
1036‧‧‧反射曲面元件
1040‧‧‧聚光元件
1042‧‧‧反射曲面元件
1044‧‧‧內部
1046‧‧‧次級聚光元件
2000‧‧‧集光系統
2001‧‧‧聚光元件
2002‧‧‧第一反射曲面
2003‧‧‧入射光
2004‧‧‧第一焦區
2005‧‧‧反射曲面元件
2006‧‧‧入口孔徑
2007‧‧‧第二反射曲面
2008‧‧‧出口孔徑
2009‧‧‧第一階出射光
2010‧‧‧第二階出射光
2011‧‧‧次級聚光元件
2012‧‧‧工作元件
905'‧‧‧焦點
圖1繪示光學的折射與反射現象示意圖。
圖2繪示入射角與反射率的關係示意圖。
圖3繪示光線的入射角度和太陽能電池的吸收響應關係示意圖。
圖4繪示短焦式太陽電池集光器結構示意圖。
圖5繪示另一種傳統折射-反射-全反射(RXI)短焦式的太陽能集光鏡片示意圖。
圖6繪示傳統卡塞格林(Cassegrain)反射式的太陽能光學聚焦元件示意圖。
圖7繪示另一傳統Fresnel聚光系統示意圖。
圖8繪示晶片的橫截面積上接收到光照度的分佈分析 示意圖。
圖9繪示依據本發明實施例，集光系統結構剖面示意圖。
圖10~圖15繪示依據本發明多個實施例，集光系統的結構剖面示意圖。
圖16繪示依據本發明實施例，集光系統的結構剖面示意圖。
圖17繪示在圖16中的孔徑上的強度分析圖。
圖18繪示反射曲面元件1032上方的輻射照度分析圖。
圖19A~19B繪示反射曲面元件下方，在接收元件上的強度分析圖。
圖20繪示在反射曲面元件下方的接收元件上的照度分析示意圖。
圖21繪示本發明實施例，抛物面-橢圓面共焦的剖面結構示意圖。
圖22~圖23繪示依據本發明實施例，分別為在反射曲面元件前的照度和強度分析示意圖。
圖24~圖25繪示依據本發明實施例，分別在反射曲面元件後的照度和強度分析圖。
圖26~圖27繪示依據本發明一些實施例，集光系統的結構透視示意圖。
圖28繪示依據本發明另一實施例，集光系統的結構剖面示意圖。
圖29A-圖29C繪示依據本發明另一些實施例，在圖28的集光系統中二次光學結構的剖面示意圖。
圖30~圖31繪示依據本發明另一實施例，集光系統的結構剖面示意圖。
圖32~圖34繪示依據本發明另一些實施例，集光系統是大致上共焦設置的結構剖面示意圖。
圖35繪示依據本發明，一集光系統的照射示意圖。
圖36繪示依據本發明另一些實施例，一集光系統的剖面示意圖。
900‧‧‧集光系統
901‧‧‧入射光
902‧‧‧聚光元件
903‧‧‧第一焦點
904‧‧‧曲面反射元件
905‧‧‧第二焦點
906‧‧‧入光孔徑
907‧‧‧出射光
908‧‧‧映照出射光
909‧‧‧內層反射曲面
910‧‧‧出光孔徑

Claims (49)

  1. 一種集光系統，包括：一聚光元件，接收一入射光的至少一部分光，使聚集且通過一第一焦區後順向出射，得到第一階輸出光，其中該聚光元件還包括位於中間區域的一次級聚光元件，也接收該入射光的一中間部分；一反射曲面元件，有一入口孔徑接收至少一部份該第一階輸出光，其中該反射曲面元件包含具有一第二焦區的一反射內曲面，該第一焦區與該第二焦區是共焦或是在一預設範圍內共焦，使至少一部分的該第一階輸出光，通過共焦轉換得到順向出射的一第二階輸出光；以及一出口孔徑，被用以傳送至少一部分的該第二階輸出光到一接收元件，使至少該第二階輸出光與該入射光的該中間部分被該接收元件接收。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的集光系統，其中該聚光元件包括鋸齒狀結構聚光元件、卡塞格林聚光元件，或是折射-反射-全反射聚光元件。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的集光系統，其中該反射內曲面為一至少二次方的多項式非球面曲面，例如包括是抛物面、雙曲面或橢圓曲面。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的集光系統，其中該聚光元件與該反射曲面元件是實體光學結構，該聚光元件包含具有該第一焦區的第一內全反射曲面，該反射曲面元件具有該二焦區的第二內全反射曲面當作該反射內曲面。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的集光系統，其中該次級聚光元件接收與聚集該入射光的該中間部分，如此得到一中間聚焦光，且該中間聚焦光通過該反射曲面元件的該入口孔徑後，與該第二階輸出光合併由該出口孔徑輸出。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的集光系統，其中該次級聚光元件接收該入射光的該中間部分光，如此得到一中間聚焦光，且該中間聚焦光通過該反射曲面元件的該入口孔徑後與該第二階輸出光合併由該出口孔徑輸出。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的集光系統，其中該次級聚光元件包括凸透鏡、菲涅耳透鏡或是鋸齒狀結構聚光元件。
  8. 如申請專利範圍第6項所述的集光系統，還包括支撐結構，以支撐該次級聚光元件。
  9. 如申請專利範圍第1項所述的集光系統，其中該反射曲面元件是金屬表面反射曲面。
  10. 如申請專利範圍第9項所述的集光系統，其中該反射曲面為一至少二次方的多項式非球面曲面，例如包括是抛物面、雙曲面或橢圓曲面。
  11. 如申請專利範圍第1項所述的集光系統，其中構成該第一焦區與/或該第二焦區的曲面結構是多個曲面的組合。
  12. 如申請專利範圍第1項所述的集光系統，其中構成該第一焦區與/或該第二焦區的曲面結構是由多部分平面所組合成的曲面。
  13. 如申請專利範圍第1項所述的集光系統，其中該聚光元件與該反射曲面元件是固定接合的結構單體或是一體成型的結構。
  14. 如申請專利範圍第1項所述的集光系統，其中該聚光元件除了該次級聚光元件以外的部分與該反射曲面元件是金屬表面反射元件。
  15. 如申請專利範圍第1項所述的集光系統，其中該反射曲面元件的該反射內曲面所構成的該第二焦區是聚焦點狀區域。
  16. 如申請專利範圍第15項所述的集光系統，其中該反射曲面元件的該反射內曲面是中心線圓形對稱。
  17. 如申請專利範圍第1項所述的集光系統，其中該反射曲面元件的一出射曲面所構成的該第二焦區是聚焦線狀區域。
  18. 如申請專利範圍第17項所述的集光系統，其中該反射曲面元件的該出射曲面，在接收該入射光的橫切方向上包含有矩形橫截面。
  19. 一種光能轉換裝置，包括：一聚光元件，接收一入射光的至少一部分光，使聚集且通過第一焦區後順向出射，得到一第一階輸出光，其中該聚光元件還包括位於中間區域的一次級聚光元件，也接收該入射光的一中間部分；一反射曲面元件，有一入口孔徑接收至少一部份該第一階輸出光，其中該反射曲面元件包含具有一第二焦區的 一反射內曲面，該第一焦區與該第二焦區是共焦或是在一預設範圍內共焦，使至少一部分的該第一階輸出光，通過共焦轉換得到順向出射的第二階輸出光；以及一出口孔徑，被用以傳送至少一部分的該第二階輸出光到一光能轉換元件，使至少該第二階輸出光被接收；其中該光能轉換元件，至少接收該第二階輸出光與該入射光的該中間部分，將光能轉換成其他形式的能量。
  20. 如申請專利範圍第19項所述的光能轉換裝置，其中該反射曲面元件的該反射內曲面所構成的該第二焦區是聚焦點狀區域。
  21. 如申請專利範圍第20項所述的光能轉換裝置，其中該反射曲面元件的該反射內曲面是中心線圓形對稱。
  22. 如申請專利範圍第19項所述的光能轉換裝置，其中該反射曲面元件的該反射內曲面所構成的該第二焦區是聚焦線狀區域。
  23. 如申請專利範圍第22項所述的光能轉換裝置，其中該反射曲面元件的該反射內曲面，在接收該入射光的橫切方向上包含有矩形橫截面。
  24. 如申請專利範圍第19項所述的光能轉換裝置，其中該光能轉換元件包括至少一太陽能電池或是熱能儲存/轉換元件。
  25. 一種集光方法，包括：接收一入射光的至少一部分光，使聚集且通過一第一焦區後順向出射，得到第一階輸出光； 接收該入射光的一中間部分光，以聚集且輸出；提供一反射曲面元件，該反射曲面元件有一入口孔徑以及具有一第二焦區的一反射內曲面；以及設置該反射內曲面的該第二焦區與該第一焦區為共焦或是在一預設範圍內共焦，以接收該第一階輸出光，使至少一部分的該第一階輸出光，通過共焦轉換得到順向出射的第二階輸出光，其中該第二階輸出光與該該入射光的該中間部分光一併輸出到一接收元件。
  26. 如申請專利範圍第25項所述的集光方法，其中接收該入射光的元件是使用鋸齒狀結構聚光元件、卡塞格林聚光元件，或是折射-反射-全反射聚光元件接收該入射光。
  27. 如申請專利範圍第25項所述的集光方法，該中間部分光通過該反射曲面元件的該入口孔徑，且與該第二輸出光合併輸出。
  28. 如申請專利範圍第25項所述的集光方法，其中所提供的該反射曲面元件的該第二焦區是聚焦點狀區域。
  29. 如申請專利範圍第28項所述的集光方法，其中所提供的該反射曲面元件的該反射內曲面是中心線圓形對稱。
  30. 如申請專利範圍第25項所述的集光方法，其中該反射曲面元件的該第二焦區是聚焦線狀區域。
  31. 如申請專利範圍第30項所述的集光方法，其中該反射曲面元件的該反射內曲面，在接收該入射光的橫切方向上包含有矩形橫截面。
  32. 一種集光系統，包括：一聚光元件，有一反射內曲面，該聚光元件接收一入射光的至少一部分光，經由該反射內曲面聚集且通過第一焦區後順向出射，得到一第一階輸出光，其中該聚光元件還包括一次級聚光元件，接收與聚集該入射光的一中間部分，以得到一中間聚集光；一反射面元件，有一入口孔徑接收該第一階輸出光，其中該反射面元件包含一內反射面，使至少一部分的該第一階輸出光，通過該內反射面得到順向出射的第二階輸出光；以及一出口孔徑，被用以傳送至少一部分的該第二階輸出光到一接收元件，使至少該第二階輸出光與該中間聚集光被該接收元件接收。
  33. 如申請專利範圍第32項所述的集光系統，其中該反射面元件的該內反射面的橫截面曲線是曲率不為零的曲線，具有第二焦區。
  34. 如申請專利範圍第33項所述的集光系統，其中該反射面元件的該內反射面的該第二焦區和該反射內曲面的該第一焦區的設置為共焦或是在一預設範圍內共焦。
  35. 如申請專利範圍第32項所述的集光系統，其中該反射面元件的該內反射面的橫截面上的一對側邊線是曲率為零的一對直線。
  36. 如申請專利範圍第35項所述的集光系統，其中該對直線是平行、錐形漸縮傾斜或是錐形漸大傾斜。
  37. 如申請專利範圍第32項所述的集光系統，其中該聚光元件與該反射面元件是實體光學結構，該聚光元件包含具有該第一焦區的第一內全反射曲面，該反射面元件有內反射或是第二內全反射曲面當作內反射面。
  38. 如申請專利範圍第37項所述的集光系統，其中該中間聚集光經通過該反射面元件的該入口孔徑後，與該第二階輸出光合併由該出口孔徑輸出。
  39. 如申請專利範圍第33項所述的集光系統，其中該中間聚集光通過該反射曲面元件的該入口孔徑，與該第二階輸出光合併由該出口孔徑輸出。
  40. 如申請專利範圍第39項所述的集光系統，其中該次級聚光元件包括凸透鏡、菲涅耳透鏡或是鋸齒狀結構聚光元件。
  41. 如申請專利範圍第39項所述的集光系統，還包括一支撐結構，以支撐該次級聚光元件。
  42. 如申請專利範圍第39項所述的集光系統，其中該反射面元件是金屬表面反射曲面。
  43. 如申請專利範圍第33項所述的集光系統，其中該內反射面為一至少二次方的多項式非球面曲面，例如包括是抛物面，雙曲面或是橢圓面。
  44. 如申請專利範圍第32項所述的集光系統，其中構成該第一焦區的該反射內曲面是多個曲面的組合。
  45. 如申請專利範圍第32項所述的集光系統，其中構成該第一焦區的該反射內曲面是由多部分平面所組合成的 曲面。
  46. 如申請專利範圍第32項所述的集光系統，其中該聚光元件與該反射面元件是固定接合的結構單體，或是一體成型結構。
  47. 如申請專利範圍第32項所述的集光系統，其中該聚光元件的該反射內曲面與該反射面元件是金屬表面反射元件。
  48. 如申請專利範圍第32項所述的集光系統，其中該反射面元件的該內反射面，在接收該入射光的橫切方向上包含有矩形橫截面。
  49. 如申請專利範圍第32項所述的集光系統，其中該反射面元件的該反射內曲面是橢圓面，具有一第二焦區與一第三焦區，其中該第二焦區與該第一反射內曲面的該第一焦區是設置為共焦或是在一預設範圍內共焦，且該第三焦區是安排在該接收元件。
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