TWI435459B - 多向式太陽能集光系統 - Google Patents

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Description

多向式太陽能集光系統
本發明係關於一種太陽能集光系統，尤關於一種多向式集光系統及應用此集光系統之太陽能電池系統。
太陽能電池的誕生提供人類一個解決再生能源的新方案。然而，受限於當前所使用的發電材料，如何提升整體發電裝置的光電轉換效能，成為一重要的課題，常見的解決方法主要是從日照量的提升著手。第1圖所示為目前常見的追日型太陽能發電裝置001。由於總體入射光01照射能量受平板狀的太陽能電池模組03與入射光源02之間的相對角度限制，通常會進一步安裝一驅動裝置04並與一外部電源連接，如此，太陽能板電池表面的角度可以適度的改變以配合入射光源(如太陽)的移動，進而提升總體入射光照能量。然而，此一外加之驅動裝置通常增加系統的建置與維護成本，並且消耗額外的電能以動態地改變太陽能電池模組表面的角度，提高此類追日型太陽能發電裝置的發電成本。因此，如何提供一種低成本的太陽能發電裝置是亟需改善的課題。
本發明提出一多向式的太陽能電池集光系統，包含一或複數個集光裝置及一太陽能電池。其中任一集光裝置包含一透鏡及一腔體。透過複數個集光裝置所包含的透鏡，可將來自不同方向的入射光線加以折射進入集光裝置所包含的腔體之中；而具有光線反射功能的腔體的反射內面進一步將折射進入的光線加以反射傳遞至腔體的第二開口。藉由在腔體的第二開口所安裝的太陽能電池，可將由集光裝置所收集的入射光轉換成電能。而在使用複數個腔體的情況下，可進一步組合成一具有弧面或球面的集光系統，在不需外加一額外的追日裝置下，收集到更多不同角度的入射光線。
本發明主要揭露一多向式太陽能集光系統，第2圖顯示本發明之一實施例，包含有：一第一集光裝置100，包含一腔體10及一聚光器20。此腔體10具有一圍繞壁18、一軸線方向11、一第一開口15與一第二開口25，其中圍繞壁18界定第一開口15與第二開口25。第一開口15的截面積大於或等於第二開口25的截面積。在本實施例中，較佳的情形為第一開口15的截面積為第二開口25的截面積的兩倍或兩倍以上。圍繞壁18具有一反射內面12，此反射內面12為一可將光反射之表面。所述之聚光器20置於第一開口15處，此聚光器為一具有聚光效果的光學鏡片，可為雙凸透鏡(biconvex)、單凸透鏡(positive meniscus lens)、Fresnel透鏡、平面凸透鏡(plano convex lens)、或上述選擇之任意組合。於本說明書之各說明圖中，以雙凸透鏡(biconvex)為代表例，但本發明並不限於只使用雙凸透鏡(biconvex)為聚光器。此聚光器20具有一焦點21，當如第2圖所示的一入射光線34穿過聚光器20後，將聚焦於焦點21。所述軸線方向11為一虛擬的方向線，此軸線方向11穿過焦點21並與腔體10的一底邊14垂直。
圖3a描述一入射光線30進入第一集光裝置100的情形。入射光線30透過聚光器20進入腔體10內部，入射光線30之行進方向經聚光器20加以折射，並照射到圍繞壁18之反射內面12；由於反射內面12為一可將光反射之表面，進入腔體10內部之入射光線會藉由反射內面12進行一次或多次的反射，最後抵達第二開口25。圖3b描述一入射光線31由不同於入射光線30的入射方向進入此一第一集光裝置100的情形：所示的入射光線31透過聚光器20進入腔體10，入射光線31之行進方向經聚光器20加以折射，並照射到圍繞壁18之反射內面12。由於反射內面12為一可將光反射之表面，照射到腔體10的反射內面12的入射光線會藉由反射內面12進行一次或多次的反射，最後抵達第二開口25。圖3c描述複數個來自不同入射方向的光線，包含一入射光線32、一入射光線33與一入射光線34由不同角度分別進入此一第一集光裝置100的情形，所示的入射光線32、入射光線33與入射光線34分別透過聚光器20進入腔體10內部，入射光線32與入射光線33之行進方向分別經聚光器20加以折射，並照射到圍繞壁18 之反射內面12。由於反射內面12為一可將光反射之表面，照射到腔體10內部之入射光線會藉由反射內面12進行一次或多次的反射，或如入射光線34，其行進方向經聚光器20加以折射，直接抵達第二開口25。
第4a圖揭露本發明之另一實施例，包含複數個第一集光裝置100，此複數個第一集光裝置100可如第4a圖所示，每一相鄰腔體10的軸線方向11彼此不平行。較佳情況為此複數個第一集光裝置100中的複數個聚光器20形成一弧面、一曲面或一球面。來自不同方向的入射光線經由置於複數個第一開口15的複數個聚光器20，進入複數個腔體10內部，再經由複數個圍繞壁18的反射內面12抵達複數個腔體10的第二開口25。第4b圖顯示為另一實施例，將複數個第一集光裝置100以複數排方式形成一曲面或一球面，以提高入射光的收集量。
第5a圖揭露本發明之又一實施例，包含複數個第一集光裝置100，其中每一腔體10之間，個別的軸線方向11彼此不平行；以及一太陽能電池40。太陽能電池40之材料可為單晶矽、多晶矽、非晶矽(amorphous Si)、III-V族半導體、II-VI族半導體、有機材料、或上述材料之任意組合。太陽能電池40位於複數個腔體10之下方。來自不同方向的入射光線分別經複數個第一集光裝置100的複數個聚光器20，進入各聚光器20所對應的腔體10內部，再經由複數個圍繞壁18的反射內面12抵達複數個腔體10的第二開口25，接著照射在太陽能電池40。此一實施例也可如 第5b圖所示選擇性地放置一散熱基板50於太陽能電池40的下方以有效地散逸蓄積在太陽能電池40的熱量進而提高光電轉換效率。又此一實施例也可選擇性地將複數個第一集光裝置100擴展至如第4b圖顯示的複數排結構。
第6a圖揭露本發明之又一實施例，包含複數個第一集光裝置100；其中每一腔體10之間，個別的軸線方向11彼此不平行，複數個太陽能電池45以一弧線方式置於複數個腔體10的複數個第二開口25下方，其中複數個太陽能電池45可以串聯或並聯形式相接。複數個太陽能電池45之材料可為單晶矽、多晶矽、非晶矽(amorphous Si)、III-V族半導體、II-VI族半導體、有機材料、或上述材料之任意組合。來自不同方向的入射光線分別經此複數個第一集光裝置100的複數個聚光器20，進入所對應的腔體10內部，經由複數個圍繞壁18的反射內面12反射後抵達至第二開口25，接著照射在太陽能電池45。此一實施例也可如第6b圖所示選擇性地放置一弧形散熱基板55於該太陽能電池45之下方以有效地散逸蓄積在太陽能電池45的熱量進而提高光電轉換效率。又此一實施例也可選擇性地將複數個第一集光裝置100擴展至如第4b圖顯示的複數排結構。
第7圖揭露本發明之又一實施例，包含複數個第一集光裝置100；其中每一第一集光裝置100的腔體10之間，其個別的軸線方向11彼此不平行，一第二集光裝置200。第二集光裝置200包含一第二腔體60，一第二聚光器70。此第二腔體具有一第二圍繞壁68、一前端開口62與一後 端開口63，其中圍繞壁68界定前端開口62與後端開口63。前端開口62與後端開口63分別位於第二腔體之相異側。前端開口62的截面積大於或等於後端開口63的截面積。在本實施例中，較佳的情形為前端開口62的截面積為後端開口63的截面積的兩倍或兩倍以上。第二圍繞壁68具有一第二反射內面64，此第二反射內面64為一可將光反射之表面。第二聚光器70座落於前端開口62處，第二聚光器70為一具有聚光效果的光學鏡片，可為雙凸透鏡(biconvex)、單凸透鏡(positive meniscus lens)、Fresnel透鏡、平面凸透鏡(plano convex)、或上述選擇之任意組合。複數個第一集光裝置100位於第二集光裝置200的上方。來自不同方向的入射光線分別經過複數個第一集光裝置100的複數個聚光器20，進入複數個腔體10內部，再經由複數個腔體10抵達至第二集光裝置200之前端開口62。抵達前端開口62的入射光線接著穿過第二集光裝置200的第二聚光器70。抵達前端開口62的入射光線經第二聚光器70折射，並照射到第二腔體60之第二反射內面64。由於第二反射內面64為一可將光反射之表面，照射到第二腔體60內部之入射光線會藉由第二反射內面64進行一次或多次的反射，最後抵達至後端開口63。照射到第二腔體60內部之入射光線也可因第二腔體60的長度變化而不經反射，直接抵達至後端開口63。又此一實施例也可選擇性地將複數個第一集光裝置100擴展至如第4b圖顯示的複數排結構。
第8a圖揭露本發明之又一實施例，包含複數個第一集 光裝置100；其中每一腔體10之間，個別的軸線方向11彼此不平行，一第二集光裝置200，以及一太陽能電池40。太陽能電池40連接於該第二腔體60之後端開口63。來自不同方向的入射光線分別經此複數個第一集光裝置100，再經由第二集光裝置200，照射在太陽能電池40。此一實施例也可如第8b圖所示選擇性地放置一散熱基板50於太陽能電池40下方以有效地散逸蓄積在太陽能電池的熱能進而提高光電轉換效率。又此一實施例也可選擇性地將複數個第一集光裝置100擴展至如第4b圖顯示的複數排結構。
本發明所列舉之各實施例僅用以說明本發明，並非用以限制本發明之範圍。任何人對本發明所作之任何顯而易知之修飾或變更皆不脫離本發明之精神與範圍。
100‧‧‧第一集光裝置
200‧‧‧第二集光裝置
10‧‧‧腔體
11‧‧‧軸線方向
12‧‧‧反射內面
18‧‧‧圍繞壁
20‧‧‧聚光器
30-34‧‧‧入射光線
40‧‧‧太陽能電池
50‧‧‧散熱基板
60‧‧‧第二腔體
64‧‧‧第二反射內面
70‧‧‧第二聚光器
第1圖顯示為一常見的追日型太陽能發電系統；第2圖顯示為本發明所揭露之一實施例；第3a圖顯示本發明所揭露之一實施例與一方向進入之入射光；第3b圖顯示本發明所揭露之一實施例與另一方向進入之入射光；第3c圖顯示本發明所揭露之一實施例與複數個不同方向 進入之入射光；第4a圖顯示本發明所揭露之一實施例；第4b圖顯示本發明所揭露之一實施例；第5a圖顯示本發明所揭露之另一實施例；第5b圖顯示本發明所揭露之另一實施例；第6a圖顯示本發明所揭露之另一實施例；第6b圖顯示本發明所揭露之另一實施例；第7圖顯示本發明所揭露之又一實施例；第8a圖顯示本發明所揭露之又一實施例；第8b圖顯示本發明所揭露之又一實施例；
100‧‧‧第一集光裝置
10‧‧‧腔體
11‧‧‧軸線方向
20‧‧‧聚光器
25‧‧‧第二開口
200‧‧‧第二集光裝置
60‧‧‧第二腔體
62‧‧‧前端開口
63‧‧‧後端開口
64‧‧‧第二反射內面
68‧‧‧第二圍繞壁
70‧‧‧第二聚光器

Claims (6)

  1. 一多向式太陽能集光系統，包含：複數個集光裝置，其中每一個集光裝置包含：一腔體具有一第一開口、一第二開口、以及一圍繞壁界定該第一開口及該第二開口並具有一反射內面，其中，該第一開口的截面積大於或等於該第二開口的截面積；以及一聚光器位於該第一開口，以將入射光線導入該腔體，其中該複數個集光裝置所包含的該複數個聚光器共同形成一弧面、一曲面或一球面。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之多向式太陽能集光系統，其中該聚光器為一具有聚光效果的光學鏡片，可選自於由雙凸透鏡(biconvex)、單凸透鏡(positive menisus)、Fresnel透鏡及平面凸透鏡(plano convex)所組成之群組。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之多向式太陽能集光系統，又包含複數個太陽能電池與一散熱基板，該複數個太陽能電池位於複數個腔體下方，該散熱基板位於該複數個太陽能電池下方。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之多向式太陽能集光系統，其中該複數個太陽能電池之材料可為單晶矽、多晶矽、非晶矽(amorphous Si)、III-V族、II-VI族、有機材料、或上述選擇之 任意組合。
  5. 一多向式太陽能集光系統，包含：複數個第一集光裝置，其中每一第一集光裝置，包含：一腔體具有一第一開口、一第二開口、以及一圍繞壁界定該第一開口及該第二開口並具有一反射內面，其中，該第一開口的截面積大於或等於該第二開口的截面積；以及一聚光器位於該第一開口，以將入射光線導入該腔體；以及一第二集光裝置，包含：一第二腔體具有一前端開口、一後端開口，以及一第二圍繞壁界定該前端開口及該後端開口，該第二圍繞壁具有一第二反射內面；以及一第二聚光器接近該前端開口，以將入射光線導入該第二腔體，其中該複數個第一集光裝置的該複數個聚光器共同形成一弧面、一曲面或一球面。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之多向式太陽能集光系統，又包含一太陽能電池與一散熱基板，其中該後端開口連接於該太陽能電池，該散熱基板位於該太陽能電池下方。
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