TWI437273B - 可切換光聚焦位置之系統 - Google Patents

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Description

可切換光聚焦位置之系統
本發明係關於一種可切換光聚焦位置之系統，尤指一種利用外加電場與液晶分子傾斜角度的關係而可切換光線聚焦位置的系統。
現今地球有許多能源短缺，在供不應求的情況下，科學家與企業家無不馬不停蹄的找尋替代能源，以改善能源不足的情況。以現階段而言，在所有替代能源中，太陽能是一個最具有潛力的新興替代能源，除了取之不盡，用之不竭外，相較於風力發電與水力發電，太陽能還可以產生熱能。國內太陽能相關產業的有像之前的股王益通，還有其它如中美晶、新日光及昇陽科等，致力於發展太陽能電池，發展太陽能熱水器的有友荃、三久太陽能及大宇宙等；國外發展太陽能的有像美國能源部、美國最大的太陽能發電面板廠商First Solar、Solyndra、及Stion等，且美國現在有越來越多州規定一定比例的能量需來自可再生能源，源此，美國太陽能發電站在未來會不斷增加。
太陽能發展至今，科學家無非就是在想辦法提升太陽能的利用率。習知的技術大多係分別對熱能或是電能的部份做突破，鮮少有可同時將太陽能轉換成熱能及電能。以下將分別就相關習知技術提出並作解釋。
請參考第五圖，係為習知技術中華民國專利證書號M304644太陽能集光裝置之一代表圖式。該專利包括一支架單元1’、複數個太陽能板2’、複數個集光板3’、一均溫板4’、一電源轉換單元5’、電力蓄存單元6’及一架設裝置7’；該支架單元1’利用該架設裝置7’以固設於設定位置，來構成據高效率聚收太陽光能源於每一太陽能晶片之太陽能收集板，該太陽能板2’是由複數太陽能晶片21’排列組成，且另於太陽能板2’之一端面設置一均溫板4’，該集光板3’是由複數個可聚光之集光片31’排列組成，該可聚光之集光片31’係由玻璃或壓克力製成之聚光透鏡，且每一集光片31’是對應於該太陽能晶片21’，使每一太陽能晶片21’能透過各集光片31’以高效率聚收太陽光能源，該電源轉換單元5’，設於太陽能板2’下方，將吸收之光熱能轉換成電能，該電力蓄存單元6’，設於太陽能板2’之下方，與該電源轉換單元5’連結以蓄存經轉換之電能。本專利係改善以往集光透鏡不能使集聚之太陽光能投射於太陽能板之每一太陽能吸收晶片，故專利證書號M304644太陽能集光裝置將太陽能集光裝置及其太陽能集收板重新設計，讓每一個太陽能晶片都能具有高效率之太陽光能源聚收。
請參考第六圖，係為習知技術中華民國專利證書號M372536免追蹤器之太陽能聚焦系統之一代表圖式。該專利包括一太陽能晶片1”及一彎形光學聚焦系統2”；其中，該太陽能晶片1”可將照射到晶片表面之光線3”，利用光電效應將光子能量轉換成為電力以供使用，而該彎型光學聚焦系統2”可為小型傅涅爾(Fresnel)透鏡陣列，各陣列中小鏡片光軸分別對準各時段之太陽中心位置，其共同焦點位於太陽能晶片1”上，能將各角度入射之光線3”，皆聚焦於太陽能晶片1”表面，以加強光線之利用以及減少太陽能晶片1”鋪設面積，並且不必使用追蹤器便能有效地將各角度的光線集中至太陽能晶片1”。
請參考第七圖，係為習知技術美國專利證書號US7612285之一代表圖式。該專利包括，一主要鏡10’’’以及一次要鏡14’’’，該主要鏡10’’’之一表面12’’’係呈凹形狀，且主要鏡10’’’置於一可接收光能的位置，並將該接收的光集中向一集中點；該次要鏡14’’’之一表面16’’’係呈凸形狀，並置於一可接收來自主要鏡10’’’之光能的位置，且將接收的光集中到一輪狀的接收器18’’’，而該接收器18’’’係置於主要鏡10’’’及次要鏡14’’’之間；其中，接收器18’’’內係包含一組能量轉換裝置，該能量轉換裝置係可運用從次要鏡14’’’來的光源，產生熱能或太陽能。請參考第八圖，係為習知技術美國專利證書號US7612285之一第一實施例圖式。其中，一熱交換器138’’’係一種對液體與液體之間進行熱交換的熱交換器，而一熱交換器140’’’則係一種對氣體與液體之間進行熱交換的熱交換器，另外還有一循環泵130’’’及一可選擇式二分閥136’’’。該第一實施例係將該光能收集系統與一熱能儲存裝置連接，其中，次要鏡14’’’因接收從主要鏡10’’’反射過來的光而產生熱能，當水經過次要鏡14’’’時會吸收該熱能，再經由接收器18’’’傳送到熱能儲存裝置，藉以儲存熱能。請參考第九圖，係為習知技術美國專利證書號US7612285之一第二實施例圖式。其中，一真空室內包括有一主要鏡10’’’、一金屬蒸鍍源72’’’、一玻璃蒸鍍源74’’’、一燈絲76’’’、一陽極78’’’、一第一平板82’’’、及一第二平板84’’’；該第一平板82’’’係被充電成高壓來加速離子蒸鍍，以給予更多蒸鍍流的能量，產生蒸鍍流後，該燈絲76’’’經加熱後釋放出的電子，由該陽極78’’’吸引而產生複數個電子流80’’’，如此，達到以光能來產生電能的功能。
請參考第十圖與第十一圖，係為習知技術美國專利證書號US6256153之一實施例圖式與該係為習知技術美國專利證書號US6256153之該實施例細部圖式。該專利係一光透鏡限定路線系統1””，用於集中及導引入射光，並包含一透鏡部2””及一透明平板3””，該透鏡部2””及該透明平板3””彼此間以並排的方式連在一起，而透鏡部2””係包括有一光接收面2a””、一透射光發射表面2b””及一總反射面2f””；其中，該光接收面2a””係一凸面應用於接收入射光，該總反射面2f””設置於光接收面2a””與該透射光發射表面2b””的中間，而透射光發射表面2b””還分為三個透射光發射表面，包括第一透射光發射表面2c””、第二透射光發射表面2d””及第三透射光發射表面2e””。透明平板3””係用於隔阻灰塵，並方便擦拭。本專利係揭露一種可有效利用太陽光，製造費用又低廉的組合式透鏡，該透鏡一面為傅涅爾(Fresnel)透鏡，另一面為複數個凸透鏡；請再參考第十一圖，太陽光在不同的時間，有不同的入射角度，然而，本專利皆可接收等量太陽光，不因時間的差別而影響所接收的量。
綜觀以上所提出之習知技術，尚未有一種技術可以同時有效率地將光能轉化為電能與熱能，或只將光能轉化為電能與熱能二者之一。
本發明之主要目的即在於提供一種可切換光聚焦位置之系統，以在相同的日照下，可同時產生熱能又可產生電能，增加在收集太陽能時的效率。
本發明之次要目的即在於提供一種可切換光聚焦位置之系統，以在需要的時候可以選擇收集太陽能時，可將其轉換為電能或熱能。
本發明之第三目的即在於提供一種可切換光聚焦位置之系統，以在需要的時候可以選擇暫時不收集太陽能，而令一空間呈現自然光的狀態。
一種可切換光聚焦位置之系統，係包括：複數個主動可變焦裝置，係可進行複數次的焦距改變；複數個被聚焦物件，複數個入射光線經通過該主動可變焦裝置後所成之複數個出射光線可聚焦於該複數個被聚焦物件；及至少一外接電源，係電性連接至主動可變焦裝置；其中，經由該外接電源通電或未通電至主動可變焦裝置，主動可變焦裝置可將複數個出射光線聚焦於複數個被聚焦物件，或令複數個入射光線在通過主動可變焦裝置後呈現複數個平行於入射光線的出射光線射出。
請參閱第一圖，係本發明之一種可切換光聚焦位置之系統示意圖。該可切換光聚焦位置之系統包括：一主動可變焦裝置1，係可進行複數次的焦距改變，該主動可變焦裝置包括一液晶層(圖中未示)及一微結構層(圖中未示)，該液晶層係覆蓋於該微結構層上；複數個被聚焦物件2、3，複數個入射光線A經通過該主動可變焦裝置1後所成之複數個出射光線B可聚焦於該複數個複數個被聚焦物件2、3；及至少一外接電源Z，係電性連接至主動可變焦裝置1；其中，經由該外接電源Z通電或未通電至主動可變焦裝置1，主動可變焦裝置1可將複數個出射光線B聚焦於複數個被聚焦物件2、3，或令複數個入射光線A在通過主動可變焦裝置1後呈現複數個平行於入射光線A的出射光線B’射出。
更具體地說明，請參考第二A圖與第二B圖，係本發明之可切換光聚焦位置之系統之主動可變焦裝置之一聚焦模式原理示意圖與本發明之可切換光聚焦位置之系統之主動可變焦裝置之一透光模式原理示意圖。本發明之主動可變焦裝置1Z’係將液晶材料以塗佈(可為平塗或roll-to-roll滾輪塗佈)或灌注製程覆蓋於一微結構透鏡上，透過外加電場的調變，控制液晶分子排列方向性與微結構透鏡間之折射率匹配度，可為原本並無動態調變光學特性自由度之微結構透鏡增加更具適應多元化應用之動態控制性能。如第二A圖所示，當無外加電場存在時，液晶層(高分子分散液晶層、雙穩態型液晶層或具有光雙折性之液晶層)14Z’的等效折射率與微結構透鏡(傅涅爾透鏡)15Z’的折射率不同，因此複數個入射光線A’被液晶層14Z’散射後，又遇到微結構透鏡15Z’時，會受到影響而折射出複數個射出光線B”，而聚焦於一被聚焦物件2Z’。如第二B圖所示，當開啟外加電場時，液晶層14Z’之液晶分子P受到電場影響而呈現定向排列，此時液晶層14Z’的等效折射率與微結構透鏡15Z’的折射率相同，複數個入射光線A’入射時無法察覺折射界面的存在，因此可未受到微結構透鏡15Z’的作用而直接穿透主動可變焦裝置1Z’，致使複數個平行的出射光線B”’射出。於是，主動可變焦裝置1Z’則具有聚焦與不聚焦的功用。
請參閱第三A圖至第三D圖所示，係本發明之可切換光聚焦位置之系統之一第一較佳實施例圖式、本發明之可切換光聚焦位置之系統之該第一較佳實施例一第一態樣圖式、本發明之可切換光聚焦位置之系統之第一較佳實施例一第二態樣圖式、及本發明之可切換光聚焦位置之系統之第一較佳實施例一第三態樣圖式。第三A圖所示，該系統包括：一主動可變焦裝置Q，係包括一第一主動式液晶變焦透鏡Q1與一第二主動式液晶變焦透鏡Q2，係進行至少三次的焦距改變，該第一主動式液晶變焦透鏡Q1包括一第一液晶層Q11及一第一微結構層Q12，該第一液晶層Q11係利用一般塗佈製程覆蓋於該第一微結構層Q12上，該第二主動式液晶變焦透鏡Q2包括一第二液晶層Q21及一第二微結構層Q22，該第二液晶層Q21係利用一般塗佈製程覆蓋於該第二微結構層Q22上，第一液晶層Q11與第二液晶層Q21係以下列任一種材料製成：高分子分散液晶(PDLC；polymer dispersed liquid crystal)與雙穩態型液晶，該第一微結構層Q12與第二微結構層Q22係以傅涅爾透鏡(Fresnel Lens)結構為主；一第一被聚焦物件Q3，複數個入射光線S1經通過該主動可變焦裝置Q後所成之複數個第一出射光線S2可聚焦於該第一被聚焦物件Q3，第一被聚焦物件Q3係一太陽能電池/光伏特裝置，以將太陽能轉換為電能；一第二被聚焦物件Q4，複數個入射光線S1經通過主動可變焦裝置Q後所成之複數個第二出射光線S3可聚焦於該第二被聚焦物件Q4，第二被聚焦物件Q4係一加熱管，以將太陽能轉換為熱能；及二外接電源，係一第一外接電源B1與一第二外接電源B2，該第一外接電源B1與該第二外接電源B2可電性連接至主動可變焦裝置Q之第一主動式液晶變焦透鏡Q1與一第二主動式液晶變焦透鏡Q2；其中，經由第一外接電源B1與第二外接電源B2通電或未通電至主動可變焦裝置Q之第一主動式液晶變焦透鏡Q1與第二主動式液晶變焦透鏡Q2，主動可變焦裝置Q可將複數個第一出射光線S2聚焦於第一被聚焦物件Q3，或將複數個第二出射光線S3聚焦於第二被聚焦物件Q4，或令複數個入射光線S1在通過主動可變焦裝置Q後呈現複數個平行於入射光線S1的第三出射光線S4射出。
如第三B圖所示，當第一外接電源B1未通電至該第一主動式液晶變焦透鏡Q1，且第二外接電源B2通電至該第二主動式液晶變焦透鏡Q2，如此，將具有長聚焦特性，故第二出射光線S3可聚焦於該第二被聚焦物件Q4。
如第三C圖所示，當第一外接電源B1通電至該第一主動式液晶變焦透鏡Q1，且第二外接電源B2未通電至該第二主動式液晶變焦透鏡Q2，如此，將具有短聚焦特性，該第一出射光線S2可聚焦於該第一被聚焦物件Q3。
如第三D圖所示，當第一外接電源B1與第二外接電源B2同時通電至第一主動式液晶變焦透鏡Q1與第二主動式液晶變焦透鏡Q2，則產生該複數個平行於該入射光線S1的第三出射光線S4射出。因此，不會有聚焦的狀況產生。
請參考第四A圖與第四B圖，係本發明之可切換光聚焦位置之系統之微結構透鏡之一第二實施態樣與一第三實施態樣。該微結構透鏡/微結構層係以傅涅爾透鏡(Fresnel Lens)結構為主，而該第一實施態樣已於第二A圖、第二B圖、第三A圖、第三B圖、第三C圖、第三D圖中揭露。該第二實施態樣與該第三實施態樣之微結構透鏡/微結構層，皆以連續式或多階式(Kinoform Fresnel)結構表示之。
再者，若能局部改變相關裝置/元件的物理結構，如曲率等，則可以同時聚焦於複數個被聚焦物件，如太陽能電池、加熱管等，則可增加能量轉換的效率。
綜合以上所述，本發明之可切換光聚焦位置之系統具有以下的優點：
1.在相同的光源環境(日照條件)下，本發明可以同時將光能轉化為電能與熱能。如此可以增進收集光能(太陽能)時的效率。
2.在相同的光源環境(日照條件)下，本發明可以依照需求而選擇性地只將光能(太陽能)轉化為電能或熱能。
3.在相同的光源環境(日照條件)下，本發明可以依照需求而不將光能(太陽能)轉化為電能或熱能，以維持一自然光的狀態。
有鑑於上述之優點與特性，本發明之可切換光聚焦位置之系統可以廣泛地應用於人類日常生活上，特別是現今綠能環保團體所大力提倡的節能減碳的各種措施。舉例說明，以美國的住家條件而言，每日的生活與電能、熱能皆有密切關係。於是，經由本發明，可以收集大自然所賦予的太陽能而轉換為生活所需的電能、熱能。再者，當不再需要收集時，也可以不再作動本發明，而令太陽光進入家中，維持一個自然光的狀態。如此，將大自然的能量轉化為人類可以利用的能量，實在是環保節能的最高法門。
於是，本發明專利申請案係利用發明人豐富的經驗，以極富創意的構思，設計出簡單卻能充分解決習知技術的問題。因此，本發明專利申請案的功能，確實符合具有新穎性與進步性的專利要件。
唯以上所述者，僅為本發明之較佳實施例，當不能以之限制本發明範圍。即大凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化及修飾，仍將不失本發明之要義所在，亦不脫離本發明之精神和範圍，故都應視為本發明的進一步實施狀況。
1、1Z’、Q．．．主動可變焦裝置
1’．．．支架單元
1”、21’．．．太陽能晶片
1””．．．光透鏡限定路線系統
10’’’．．．主要鏡
12’’’、16’’’．．．表面
130’’’．．．循環泵
136’’’．．．可選擇式二分閥
138’’’、140’’’．．．熱交換器
14’’’．．．次要鏡
14Z’．．．液晶層
15Z’．．．微結構透鏡
18’’’．．．接收器
2．．．光能至電能轉換裝置
2’．．．太陽能板
2”．．．彎形光學聚焦系統
2””．．．透鏡部
2a””．．．光接收面
2b””．．．透射光發射表面
2c””．．．第一透射光發射表面
2d””．．．第二透射光發射表面
2e””．．．第三透射光發射表面
2f””．．．總反射面
2Z’．．．被聚焦物件
3．．．儲熱裝置
3’．．．集光板
3”．．．光線
3””．．．透明平板
31’．．．集光片
4’．．．均溫板
5’．．．電源轉換單元
6’．．．電力蓄存單元
7’．．．架設裝置
72’’’．．．金屬蒸鍍源
74’’’．．．玻璃蒸鍍源
76’’’．．．燈絲
78’’’．．．陽極
80’’’．．．電子流
82’’’．．．第一平板
84’’’．．．第二平板
A、A’、S1．．．入射光線
B、B’、B”、B’’’．．．出射光線
B1．．．第一外接電源
B2．．．第二外接電源
P．．．液晶分子
Q1．．．第一主動式液晶變焦透鏡
Q11．．．第一液晶層
Q12．．．第一微結構層
Q2．．．第二主動式液晶變焦透鏡
Q21．．．第二液晶層
Q22．．．第二微結構層
Q3．．．第一被聚焦物件
Q4．．．第二被聚焦物件
S2．．．第一出射光線
S4．．．第三出射光線
Z．．．外接電源
第一圖　係本發明之一種可切換光聚焦位置之系統示意圖；
第二A圖　係本發明之可切換光聚焦位置之系統之主動可變焦裝置之一聚焦模式原理示意圖；
第二B圖　係本發明之可切換光聚焦位置之系統之主動可變焦裝置之一透光模式原理示意圖；
第三A圖　係本發明之可切換光聚焦位置之系統之一第一較佳實施例圖式；
第三B圖　係本發明之可切換光聚焦位置之系統之該第一較佳實施例一第一態樣圖式；
第三C圖　係本發明之可切換光聚焦位置之系統之第一較佳實施例一第二態樣圖式；
第三D圖　係本發明之可切換光聚焦位置之系統之第一較佳實施例一第三態樣圖式；
第四A圖　係本發明之可切換光聚焦位置之系統之微結構透鏡之一第二實施態樣；
第四B圖　係本發明之可切換光聚焦位置之系統之微結構透鏡之一第三實施態樣；
第五圖　係為習知技術中華民國專利證書號M304644太陽能集光裝置之一代表圖式；
第六圖　係為習知技術中華民國專利證書號M372536免追蹤器之太陽能聚焦系統之一代表圖式；
第七圖　係為習知技術美國專利證書號US7612285之一代表圖式；
第八圖　係為習知技術美國專利證書號US7612285之一第一實施例圖式；
第九圖　係為習知技術美國專利證書號US7612285之一第二實施例圖式；
第十圖　係為習知技術美國專利證書號US6256153之一實施例圖式；及
第十一圖　係為習知技術美國專利證書號US6256153之實施例細部圖式。
1．．．主動可變焦裝置
2．．．光能至電能轉換裝置
3．．．儲熱裝置
A．．．入射光線
B．．．出射光線
B’．．．出射光線
Z．．．外接電源

Claims (13)

  1. 一種可切換光聚焦位置之系統，係包括：複數個主動可變焦裝置，係可進行複數次的焦距改變；複數個被聚焦物件，複數個入射光線經通過該主動可變焦裝置後所成之複數個出射光線可聚焦於該複數個被聚焦物件，其中，該複數個聚焦物件係選自於下列群組之中至少任一者：太陽能電池、及加熱管；及至少一外接電源，係電性連接至該主動可變焦裝置；其中，經由該外接電源通電或未通電至該主動可變焦裝置，該主動可變焦裝置可將該複數個出射光線聚焦於該複數個被聚焦物件，或令該複數個入射光線在通過該主動可變焦裝置後呈現複數個平行於入射光線的出射光線射出。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之可切換光聚焦位置之系統，其中，該主動可變焦裝置包括：至少一液晶層；及至少一微結構層，該液晶層係覆蓋於該微結構層上。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之可切換光聚焦位置之系統，其中，該液晶層可以下列任一種材料製成：高分子分散液晶(PDLC；polymer dispersed liquid crystal)與 雙穩態型液晶。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之可切換光聚焦位置之系統，其中，該微結構層係以傅涅爾透鏡(Fresnel Lens)結構為主。
  5. 如申請專利範圍第2項所述之可切換光聚焦位置之系統，其中，該液晶層係利用塗佈或灌注製程覆蓋於該微結構層。
  6. 一種可切換光聚焦位置之系統，係包括：至少一主動可變焦裝置，係包括一第一主動式液晶變焦透鏡與一第二主動式液晶變焦透鏡，係進行至少三次的焦距改變；至少一第一被聚焦物件，複數個入射光線經通過該主動可變焦裝置後所成之複數個第一出射光線可聚焦於該第一被聚焦物件，其中，該第一被聚焦物件係一太陽能電池，以將太陽能轉換為電能；至少一第二被聚焦物件，複數個入射光線經通過該主動可變焦裝置後所成之複數個第二出射光線可聚焦於該第二被聚焦物件，其中，該第二被聚焦物件係一加熱管，以將太陽能轉換為熱能；及 至少一外接電源，係電性連接至該主動可變焦裝置；其中，經由該外接電源通電或未通電至該主動可變焦裝置，該主動可變焦裝置可將該複數個第一出射光線聚焦於該第一被聚焦物件，或將該複數個第二出射光線聚焦於該第二被聚焦物件，或令該複數個入射光線在通過主動可變焦裝置後呈現複數個平行於入射光線的第三出射光線射出。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之可切換光聚焦位置之系統，其中，該第一主動式液晶變焦透鏡至少包括一第一液晶層及一第一微結構層，該第一液晶層係覆蓋於該第一微結構層上，該第二主動式液晶變焦透鏡至少包括一第二液晶層；及一第二微結構層，該第二液晶層係覆蓋於該第二微結構層上。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之可切換光聚焦位置之系統，其中，該第一液晶層與第二液晶層可以下列任一種材料製成：高分子分散液晶(PDLC；polymer dispersed liquid crystal)與雙穩態型液晶。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之可切換光聚焦位置之系統，其中，該第一液晶層與該第二微結構層係以傅涅爾 透鏡(Fresnel Lens)結構為主。
  10. 如申請專利範圍第7項所述之可切換光聚焦位置之系統，其中，該第一液晶層與第二液晶層係利用塗佈或灌注製程覆蓋於該第一微結構層與該第二微結構層。
  11. 如申請專利範圍第7項所述之可切換光聚焦位置之系統，其中，當該外接電源未通電至該第一主動式液晶變焦透鏡，且通電至該第二主動式液晶變焦透鏡，該第二出射光線可聚焦於該第二被聚焦物件。
  12. 如申請專利範圍第7項所述之可切換光聚焦位置之系統，其中，當該外接電源通電至該第一主動式液晶變焦透鏡，且未通電至該第二主動式液晶變焦透鏡，該第一出射光線可聚焦於該第一被聚焦物件。
  13. 如申請專利範圍第7項所述之可切換光聚焦位置之系統，其中，當該外接電源同時通電至該第一主動式液晶變焦透鏡與該第二主動式液晶變焦透鏡，則產生該複數個平行於該入射光線的第三出射光線射出。
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