TWI468737B - 漸層型集光圓盤 - Google Patents

Description

漸層型集光圓盤

本發明係與一種集光圓盤有關，特別是與一種具有漸層型底盤的集光圓盤有關。

由於工業的快速發展，石化燃料逐步耗竭與溫室效應氣體排放問題日益受到全球關切，能源的穩定供應已成為全球性的重大課題。其中，太陽能是一種豐富、安全、零無染之可再生能源，其之能量產生過程並不會造成環境污染，也不會消耗其它地球資源，亦無導致地球溫室效應等等問題。故其對於目前資源已日漸缺乏的地球而言，是一種絕佳的能源來源。特別地是針對於如何將太陽能應用於營建業中，以提供更健康的自然光照明，並同時有效節約能源以實現永續發展來說，更是目前極力發展之目標。

目前於營建業中，提供節能照明的方式大致有兩種：一種是利用太陽能能源轉換技術，藉由進行光電轉換來提供電力，然而其之轉換效率及其成本考量是一大問題；另一種是利用包含適當光學設計的集光器及導光裝置的自然導光系統，以將太陽光導引至室內來增加室內亮度，進而達到降低照明電力的目的。

然而，自然導光系統在集光、傳光、放光的過程中，光能量必定會發生損耗，因此，如何增加集光器的光集中率，以及提高光壓縮比例，是本技術領域亟欲解決之問題。

本發明之一目的在於提供一種漸層型集光圓盤，來增加 光集中率，以及提高光壓縮比例，以有效利用來自週遭環境的光線。

本發明的其他目的和優點可以從本發明所揭露的技術特徵中得到進一步的了解。

為了達到上述之一或部份或全部目的或是其他目的，本發明之一實施例的一種漸層型集光圓盤，包括至少一第一環形透鏡、一第二環形透鏡、一底盤及一圓形導光單元。第一環形透鏡係具有一環心位置，並且具有一第一入光曲面及一第一出光曲面。第一出光曲面係面向環心，第一入光曲面係位於第一出光曲面的相反側。第二環形透鏡環繞於第一環形透鏡外側，並與第一環形透鏡形成同心環狀排列。第二環形透鏡具有一第二入光曲面及一第二出光曲面，第二出光曲面係面向第一入光曲面，第二入光曲面係位於第二出光曲面的相反側。底盤連接於第一環形透鏡、第二環形透鏡以及該圓形導光單元之下方，並提供一第一水平面、一低於第一水平面的第二水平面及一低於第二水平面的第三水平面。第一水平面連接於第一出光曲面，第二水平面連接於第一入光曲面與第二出光曲面之間，並且第三水平面連接於第二入光曲面。圓形導光單元其係設置於第二環形透鏡內側之環心處，其中圓形導光單元係具有一倒錐形中空部及一外側曲面，其中外側曲面係連接於第一水平面，倒錐形中空部係具有一內側壁，內側壁係相對於外側曲面。

在一實施例中，圓形導光單元具有一插槽，插槽位於倒錐形中空部之下方，並且具有一朝下的開口部，以供插接光纖之用。在一實施例中，圓形導光單元另具有一第二倒錐形 中空部，第二倒錐形中空部係設置於倒錐形中空部之正下方，且位於插槽之正上方。

在以上實施例中，每一環形透鏡包括一傾斜的反射面，其與底盤之一底平面的夾角為45度，而適合於將環境周遭中的光線反射，使其朝向環心的方向前進。第一環形透鏡之第一出光曲面及第二環形透鏡之第二出光曲面皆可為凹陷的球型自由曲面。圓形導光單元之外側曲面、第一環形透鏡之第一入光曲面及第二環形透鏡之第二入光曲面皆可為凸出的球型自由曲面。

相較於現有的集光透鏡，在本發明實施例中，較外圈的環形透鏡所收集之光線在進入內圈的環形透鏡後，因為各自匹配的底盤厚度差異，光線在底盤中以類似導光板的方式進行光源傳輸，因此可減少在不同環形透鏡之間的光線偏折次數，可顯著改善不同環形透鏡之間的漏光問題。藉此，亦可以有效增加其光集中率，並且提高光利用率以及光的壓縮比。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。以下實施例中所提到的方向用語，例如：上、下、左、右、前或後等，僅是用於參照隨附圖式的方向。因此，該等方向用語僅是用於說明並非是用於限制本發明。

請參照第一圖，其係為本發明的第一實施例之漸層型集光圓盤的立體示意圖。漸層型集光圓盤10包括一位於環心C的圓形導光單元11，以及複數個環形透鏡100、200，其等係用以匯聚環境中的光線而形成點光源。環形透鏡100、200 的半徑皆不相同，並且每一環形透鏡100、200皆係以同一環心C為中心，並依據其等之半徑大小而依序由小至大向外排列，進而形成一漸層型集光圓盤10。

配合參照第二圖，其係為沿著第一圖中C-A及C-B延伸線所剖開的部面示意圖。於第一實施例中，漸層型集光圓盤10的剖面可以包含一圓形導光單元之剖面111、一第一環形透鏡之剖面100a、一第二環形透鏡之剖面200a及一底盤的剖面12a。

參照第三圖，其係為第一圖中沿C-B延伸線所剖開的剖面示意圖。圓形導光單元11係具有一外側曲面11a，第一環形透鏡100係環繞於圓形導光單元11之外側。第一環形透鏡100的表面包括一第一入光曲面110a、一第一出光曲面120a以及一第一反射面140a。第一入光曲面110a係位於第一環形透鏡100的外側，且背對環心C。第一出光曲面120a係背對第一入光曲面110a，並位於第一環形透鏡100的內側，且面向環心C。在本實施例中，第一入光曲面110a係為一凸出的表面，而第一出光曲面120a係為一凹陷的表面。第一反射面140a係與第一入光曲面110a之一端及第一環形透鏡100之頂部相連接。第一入光曲面110a及第一出光曲面120a皆可為球型自由曲面。

第二環形透鏡200的半徑係大於第一環形透鏡100的半徑，並係環繞於第一環形透鏡100之外圍。第二環形透鏡200的表面包括一第二入光曲面210a、一第二出光曲面220a以及一第二反射面240a。第二入光曲面210a係位於第二環形透鏡200的外側，且背對環心C。第二出光曲面220a係背對 第二入光曲面210a，並位於第二環形透鏡200的內側，且面向環心C。在本實施例中，第二入光曲面210a係為一凸出的表面。第二出光曲面220a係為一凹陷的表面。第二反射面240a係與第二入光曲面210a之一端及第二環形透鏡200之頂部相連接。第二入光曲面210a及第二出光曲面220a皆可為球型自由曲面。依此類推，第三環形透鏡300的形狀與第二環形透鏡300相似，其半徑係大於第二環形透鏡200的半徑，並係環繞於第二環形透鏡200之外圍。第三環形透鏡300的表面包括一第三入光曲面310a、一第三出光曲面320a以及一第三反射面340a。

在本實施例中，反射面140a、240a及340a皆為傾斜面，反射面140a、240a及340a與底盤12之一底平面12b的夾角θ為45度，係適合於將環境中的光線反射，而使其朝向環心C的方向前進。

底盤12係連接於第一環形透鏡100、第二環形透鏡200及第三環形透鏡300之下方。值得一提的是，在第一出光曲面120a、第二出光曲面220a及第三出光曲面320a下方所匹配的底盤12之厚度均不同。如第三圖所示，底盤12提供一第一水平面121、一低於第一水平面121的第二水平面122及一低於第二水平面122的第三水平面123。第一水平面121係連接於第一出光曲面120a，第二水平面122係連接於第一入光曲面110a與第二出光曲面220a之間，並且第三水平面123係連接於第二入光曲面210a與第三出光曲面320a之間。

換句話說，對同一環狀透鏡而言，其入光曲面下方的底盤厚度係小於其出光曲面下方的底盤厚度。例如，對第一環 狀透鏡100而言，第一入光曲面110a下方的底盤厚度T2係小於第一出光曲面120a下方的底盤厚度T1。依此類推，對於其他每一環狀透鏡200、300而言均是如此，因而愈靠近環心C的第一水平面121，其對應的底盤厚度愈大，故第一水平面121的位置係高於較遠離環心C的第二水平面122。

參照第四圖，其係為第一圖中沿C-A延伸線所剖開的剖面及光跡示意圖。在匯聚周遭環境中的光線之過程中，外圍的第三環形透鏡300的第三反射面340a會將來自上方的光線L3反射至第二入光曲面210a。入射至第二入光曲面210a的光線L3，會經由第二入光曲面210a折射，而前進至第二出光曲面220a，並在經由第二出光曲面220a折射出第二環形透鏡200後，平行入射至第一入光曲面110a後再射向一通過環心C的軸線上。此時，第二反射面240a亦會將來自上方的光線L2反射至第一入光曲面110a上。入射至第一入光曲面110a的光線L2，會經由第一入光曲面110a折射，而前進至第一出光曲面120a，再經由第一出光曲面120a折射後，使得光線L2平行入射向一通過環心C的軸線上。

在一實施例中，配置於環心C的圓形導光單元11的外側曲面11a連接於第一水平面121，並且圓形導光單元11係具有一倒錐形中空部11b。倒錐形中空部11b係具有一內側壁，該內側壁係相對於外側曲面11a而形成一倒錐形反射面。第一反射面140a會將來自上方的光線L1反射至圓形集光單元11的外側曲面11a上，並經由外側曲面11a折射，而前進至出光曲面11d並經由出光曲面11d折射後，使得光線L1平行入射向倒錐形中空部11b的內側壁上，再由倒錐形中 空部11b的內側壁反射而向下射出至光纖30等元件中，以經由光纖30來導入室內作為照明等應用。在一實施例中，圓形導光單元11係具有一插槽11e，其係位於倒錐形中空部11c之下方。插槽11e係具有一朝下的開口部11g，以供光纖30插接於其中。

底盤12係具有傳光通道的功能。由於底盤12之第一水平面121係高於第二水平面122，光線L3在通過第二水平面122上方而平行入射至第一入光曲面110a之後，即會在底盤12內部直接傳導至環心C，同時於傳導期間不會曝露於其他傳導介質中，因此減少因多次折射而造成光能損耗的機會。同理，光線L2一旦被傳導至圓形導光單元11的外側曲面11a之後，亦會由底盤12內部直接傳導至環心C。

此外，若第三環形透鏡300的外圍配置一第四環形透鏡(未圖示)，則第四環形透鏡會將入射至其之第四反射面(未圖示)之光線導引進入第三入光曲面310a，而折射至第三出光曲面320a，並進而將光線折射出第三環形透鏡300，使得光線平行入射至第二入光曲面210a，而令漸層型集光圓盤10可收集更多光線。

藉由上述第一環形透鏡100、第二環形透鏡200以及第三環形透鏡300的排列設計以及底盤12的結構設計，周遭環境中的光線可以依序由最外層之第三環形透鏡300，經過第二環形透鏡200乃至於最內層之第一環形透鏡100而逐漸匯聚，並進一步匯聚至環心C，從而達到漸層型集光圓盤10可將來自周遭環境的光線，匯聚成為點光源之目的，藉以提高其之光線的壓縮比、減少光纖的使用數量，並增加光線的利 用效率。

參照第五圖，其係為本發明第二實施例之漸層型集光圓盤的圓形導光單元示意圖。本實施例的漸層型集光圓盤20與第一實施例漸層型集光圓盤10的不同之處在於，圓形導光單元21係具有一插槽21e及二個上下堆疊的倒錐形中空部21c及21f。插槽21e係位於倒錐形中空部21c及21f之下方。倒錐形中空部21f係設置於倒錐形中空部21c之正下方，且係位於插槽21e之正上方。

第六圖係為本發明第二實施例之漸層型集光圓盤20的部分示意圖。第七圖係為本發明之一實施例的漸層型集光圓盤10或20與光纖等等的導光管路結合之後的側視示意圖。詳細的結構說明如前所述。

如第八圖所示，其係為將本發明實施例應用於建築物H上的示意圖。漸層型集光圓盤10及20可直接搭配不同運用場合作建材式鋪設，例如鋪設於建築物H的屋頂、屋簷、外牆以及四周空地上，並藉由光纖30等導光管路的配置而將光導引至室內，並配合室內照明燈具40而作為智慧型照明選擇，或是應用於太陽能追日系統中，以加強收集太陽能電池所需之光能。

參照第九A圖及第九B圖，係為將本發明之具有底盤的漸層型集光圓盤與習知無底盤的環形集光器的集光效率(%)相比較。第九A圖的橫軸數字愈大代表愈外圈的環形透鏡，第九A圖顯示，較外圈的環形透鏡所收集之光線在進入內圈的環形透鏡後，因為各自匹配的底盤厚度差異，光線在底盤中係以類似導光板的方式進行光源傳輸，因此可減少在 不同環形透鏡之間的光線偏折次數，因此可顯著改善不同環形透鏡之間的漏光問題。以每一單圈的環狀透鏡來比較，雖然本發明之實施例的集光效率依然隨著環形透鏡的圈數增加與錐型中空部之距離加大而逐漸衰退，但集光效率衰退的現象在第六環之後趨於平緩，至最外圈(第七環)仍保有31%的優良集光效率。在各單圈均能有效集光的設計結構下，本發明在環繞更多圈的環狀透鏡後，可因集光圓盤面積的提升而增加收光的收集面積，因此第九B圖顯示整體之平均集光效率依然保持著相當優異的成果。相較之下，無底盤的環形集光器是單一第7環或環繞至第7環之後，其集光效率均降至幾近於零。

綜上所述，本發明實施例之漸層型集光圓盤的透鏡曲面設計以及其排列設計，可增加光線的光集中率，並且其圓盤狀模組結構可以改善光線的收光效率，並且提高光的壓縮比例以及其利用率，可作為室內照明、太陽能能源中集光系統等振興綠能的產業上，來達到有效利用環境中的光線，以有效節能減碳的目標。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。另外本發明的任一實施例或申請專利範圍不須達成本發明所揭露之全部目的或優點或特點。此外，摘要部分和標題僅是用來輔助專利文件搜尋之用，並非用來限制本發明之權利範圍。

10、20‧‧‧漸層型集光圓盤

100、200、300‧‧‧環形透鏡

11、21‧‧‧圓形導光單元

111‧‧‧圓形導光單元之剖面

11a‧‧‧外側曲面

100a、200a‧‧‧環形透鏡之剖面

12‧‧‧底盤

12a‧‧‧底盤的剖面

110a、210a、310a‧‧‧入光曲面

120a、220a、320a‧‧‧出光曲面

140a、240a、340a‧‧‧反射面

121、122、123‧‧‧水平面

11b、11c、21c、21f‧‧‧倒錐形中空部

11d‧‧‧出光曲面

11e、21e‧‧‧插槽

11g‧‧‧開口部

30‧‧‧光纖

40‧‧‧室內照明燈具

C‧‧‧環心

H‧‧‧建築物

T1、T2‧‧‧底盤厚度

L1、L2、L3‧‧‧光線

第一圖，係為本發明第一實施例之漸層型集光圓盤的立體示意圖。

第二圖，係為第一圖中沿C-A及C-B延伸線所剖開的部分之示意圖。

第三圖，係為第一圖中沿C-B延伸線所剖開的剖面示意圖。

第四圖，係為第一圖中沿C-A延伸線所剖開的剖面及光跡示意圖。

第五及六圖，係為第二實施例之漸層型集光圓盤的部分結構示意圖。

第七圖，係為本發明之一實施例之漸層型集光圓盤的側視示意圖。

第八圖，係為本發明實施例應用於建築物上的示意圖。

第九A及九B圖，係為本發明實施例與習知結構的集光效率比較圖。

10‧‧‧漸層型集光圓盤

100、200、300‧‧‧環形透鏡

11‧‧‧圓形導光單元

11a‧‧‧外側曲面

12‧‧‧底盤

110a、210a、310a‧‧‧入光曲面

120a、220a、320a‧‧‧出光曲面

140a、240a、340a‧‧‧反射面

121、122、123‧‧‧水平面

11c‧‧‧倒錐形中空部

T1、T2‧‧‧底盤厚度

Claims (7)

1. 一種漸層型集光圓盤，其包括複數個環形透鏡，該等複數環形透鏡包括：一第一環形透鏡，其係具有一環心位置，並且具有一第一入光曲面及一第一出光曲面，該第一出光曲面係面向該環心，該第一入光曲面係位於該第一出光曲面的相反側；一第二環形透鏡，其係環繞於該第一環形透鏡外側，並與該第一環形透鏡形成同心環狀排列，其中該第二環形透鏡係具有一第二入光曲面及一第二出光曲面，該第二出光曲面係面向該第一入光曲面，該第二入光曲面係位於該第二出光曲面的相反側；一底盤，其係連接於該第一環形透鏡、該第二環形透鏡以及該圓形導光單元之下方，並提供一第一水平面、一低於該第一水平面的第二水平面及一低於該第二水平面的第三水平面，其中該第一水平面連接於該第一出光曲面，該第二水平面連接於該第一入光曲面與該第二出光曲面之間，並且該第三水平面連接於該第二入光曲面；以及一圓形導光單元，其係設置於該第二環形透鏡內側之環心處，其中該圓形導光單元係具有一倒錐形中空部及一外側曲面，其中該外側曲面係連接於該第一水平面，該倒錐形中空部係具有一內側壁，該內側壁係相對於該外側曲面。
2. 如申請專利範圍第1項所述之漸層型集光圓盤，其中該圓形導光單元具有一插槽，該插槽係位於該倒錐形中空部之下方，並且具有一朝下的開口部。
3. 如申請專利範圍第2項所述之漸層型集光圓盤，其中該圓形導 光單元係具有一第二倒錐形中空部，該第二倒錐形的中空部係設置於該倒錐形中空部之正下方，且係位於該插槽之正上方。
4. 如申請專利範圍第1項所述之漸層型集光圓盤，其中每一該環形透鏡係包括一傾斜的反射面，其係適合於將周遭環境中的光線反射，而使其朝向該環心的方向前進。
5. 如申請專利範圍第4項所述之漸層型集光圓盤，其中每一該環形透鏡之該反射面與該底盤之一底平面的夾角為45度。
6. 如申請專利範圍第4項所述之漸層型集光圓盤，其中該第一環形透鏡之該第一出光曲面以及該第二環形透鏡之該第二出光曲面，皆係為凹陷的球型自由曲面。
7. 如申請專利範圍第6項所述之漸層型集光圓盤，其中該圓形導光單元之該外側曲面、該第一環形透鏡之該第一入光曲面以及該第二環形透鏡之該第二入光曲面，皆為凸出的球型自由曲面。