TWI495822B - 被動式太陽光照明集光裝置 - Google Patents

Description

被動式太陽光照明集光裝置

本發明係有關於一種被動式太陽光照明集光裝置，尤指涉及一種可在太陽移動到任何可見角度下，皆有聚光元件正對太陽，可立即收集到平行光，特別係指不論在晴天之任何時段，皆無須轉動透鏡即可收集到太陽光，並聚光到光纖入口，再透過放光元件展現太陽光照明之裝置者。

目前市面上主動式追日型太陽光照明系統價格偏高，較難為一般大眾所能接受，且從技術層面探討其太陽位置感測器及轉動機構，需電力供應之外，尚有馬達故障需維修之可能。

有鑒於此，遂開啟了聚光型太陽光集光技術之研發，其首先係發源於美國，如1976年美國Ari Rabl提出複合式拋物面聚光器之研究與分析；1985年Gariou JM等人理論預測使用光纖建構太陽爐(Solar Furnaces)具可行性；1999年Gordon與Feuermann等人提出使用拋物面鏡及平面鏡作為聚光器結合光纖之構想，到2001年實際使用聚光器、光纖、三五(III-V)族太陽能電池搭配可使發電量提高，證實將太陽光聚光後可藉由光纖傳輸太陽光；2003年南韓Hyunku Joo等人提出可用塑膠光纖作為太陽光之傳輸介質；以及2009年C.Kandilli與K.Ulgen詳細說明使用聚光器 與光纖傳輸太陽光能量之研究。

而目前提出以主動式集光結合光纖傳輸之技術包括有日本之採光向日葵(Himawari)系統、美國之混合太陽能照明(Hybrid Solar Lighting,HSL)系統、德國之Solux系統、歐洲之阿斯里奧(Arthelio)系統、瑞士之日光巴士(Heliobus)系統及柏林與馬來西亞之定日鏡(Heliostats)系統。

然而，一般聚光設計僅能在正對太陽時有較佳之聚光效果，且查閱現有專利，得知現有專利之聚光倍率僅為50~500倍，並且僅能聚焦單一方向及小角度偏離之太陽光。故，一般習用者係無法符合使用者於實際使用時可接收各種角度下之太陽光之所需。

本發明之主要目的係在於，克服習知技藝所遭遇之上述問題並提供一種可在太陽移動到任何可見角度下，皆有聚光元件正對太陽，將可立即收集到平行光，不論在晴天之早上、中午或下午時段，皆無須轉動透鏡即可收集到太陽光，並聚光到光纖入口，再透過放光元件展現太陽光照明之被動式太陽光照明集光裝置。

本發明之次要目的係在於，提供一種當太陽光移動到面對透鏡時，其聚光倍率可從50到2500倍之結構簡約、成本低廉具高聚光之被動式太陽光照明集光裝置。

本發明之另一目的係在於，提供一種可提升被動式太陽光照明之使用效率，延長垂直日照時數，增加室內被太陽光照明時數之被動式太陽光照明集光裝置。

本發明之再一目的係在於，提供一種可使大樓內部房間及浴廁減 少用電照明時數，以達到節省電力及節能減碳、愛護地球等目標之被動式太陽光照明集光裝置。

本發明之再一目的係在於，提供一種使人們不用出門，即可接受到天然健康之太陽光照明，將可對行動不便之老人及患者提供強健身心助益之被動式太陽光照明集光裝置。

為達以上之目的，本發明係一種被動式太陽光照明集光裝置，係包括一集光元件，係包含一透鏡組、一透光防護罩及一樹狀結構，該透鏡組係將數片透鏡沿該透光防護罩曲率排列於該透光防護罩之內面，並由該樹狀結構支撐該透鏡組，用以接受各個面向之太陽光；一光纖，其一端係設於該集光元件之樹狀結構中，另一端則深入一建築物內部，用以傳導太陽光之光線；以及一放光元件，其經同心地定形並圍繞該光纖定位在該建築物內部，且經定向以將該太陽光之光線導向該建築物之一室內，使太陽光經過不斷交互反射而射出均勻之擴散光以增加室內照明之時數。

於本發明上述實施例中，該些透鏡係為平凸透鏡，其直徑係介於40~60mm之間。

於本發明上述實施例中，該透光防護罩係為壓克力透光半球殼，其直徑係介於120~180mm之間。

於本發明上述實施例中，該集光元件更包括一支撐台，用以固定支撐該透鏡組之樹狀結構。

於本發明上述實施例中，該樹狀結構係為內部中空之構造，供該光纖通過。

於本發明上述實施例中，該透鏡組係以數片透鏡作幾何排列組成錐狀拋物透鏡陣列。

於本發明上述實施例中，該光纖係為塑膠光纖。

於本發明上述實施例中，該放光元件係圍繞該光纖而呈圓錐狀之圓錐體反射鏡，包含一底座，並具有圍繞該光纖之一第一直徑開口與在該底座處之一第二直徑開口，且該第二直徑開口係小於該第一直徑開口。

於本發明上述實施例中，該光纖之另一端係設於該放光元件之底座中間圓孔處。

於本發明上述實施例中，該第一直徑開口係介於65~95m之間。

於本發明上述實施例中，該第二直徑開口係介於55~85m之間。

1‧‧‧集光元件

11‧‧‧透鏡組

111‧‧‧透鏡

12‧‧‧透光防護罩

13‧‧‧樹狀結構

14‧‧‧支撐台

2‧‧‧光纖

3‧‧‧放光元件

31‧‧‧底座

311‧‧‧圓孔

32‧‧‧第一直徑開口

33‧‧‧第二直徑開口

第1圖，係本發明之被動式太陽光照明集光裝置示意圖。

第2圖，係本發明之集光元件上視示意圖。

第3圖，係本發明之集光元件剖視示意圖。

第4圖，係本發明之輻照度分析示意圖。

請參閱『第1圖~第4圖』所示，係分別為本發明之被動式太陽光照明集光裝置示意圖、本發明之集光元件上視示意圖、本發明之集光元件剖視示意圖、及本發明之輻照度分析示意圖。如圖所示：本發明係一種被動式太陽光照明集光裝置，係包括一集光元件1、一光纖2及一放光元件3所構成。

上述所提之集光元件1係包含一透鏡組11、一透光防護罩12、一樹狀結構13及一支撐台14，該透鏡組11係將數片透鏡111沿該透光防護罩12曲率作幾何排列於該透光防護罩12之內面組成錐狀拋物透鏡陣列，並由該樹狀結構13支撐該透鏡組11，而該支撐台14固定支撐該透鏡組11之樹狀結構13，透過內部為中空構造之樹狀結構13，可便於該光纖2通過，藉由支撐該些透鏡111面向特定方向，使得太陽平行光線在早上、中午及晚上均能直射該些透鏡111，以接受各個面向之太陽光。其中，該些透鏡111係為平凸透鏡，其直徑係介於40~60mm之間，且該透光防護罩12係為壓克力透光半球殼，其直徑係介於120~180mm之間。

該光纖2係為塑膠光纖，其一端係設於該集光元件1之樹狀結構13中，另一端則深入一建築物內部，用以傳導太陽光之光線。

該放光元件3係經同心地定形並圍繞該光纖2定位在該建築物內部，且經定向以將該太陽光之光線導向該建築物之一室內，其包含一底座31，並具有圍繞該光纖2之一第一直徑開口32與在該底座31處之一第二直徑開口33，且該第二直徑開口33係小於該第一直徑開口32，而該底座31中間圓孔311處係承接該光纖2之另一端。其中，該第一直徑開口32係介於65~95m之間；而該第二直徑開口係介於55~85m之間。如是，藉由上述揭露之結構構成一全新之被動式太陽光照明集光裝置。

於一具體實施例中，本發明係事先使用光學模擬追跡軟體TracePro^®來模擬，其中太陽光之集光元件1為將數片直徑50mm透鏡111(如平凸透鏡)適當排列於直徑150mm透光防護罩1 2(如壓克力透光半球殼)內面，太陽光經該些透鏡111聚光後藉由10m塑膠光纖2傳輸到該放光元件3，該放光元件3係圍繞該光纖2而呈圓錐狀之圓錐體反射鏡，其底座31光線出口之第二直徑開口33為70mm，第一直徑開口為80mm，且該光纖2出口係置於該底座31中間圓孔311處，俾使太陽光經過不斷交互反射而射出均勻之擴散光以增加室內照明之時數。

當運用時，在上午及下午可見視角下，太陽光垂直射向側面透鏡；當正午時刻，太陽光垂直射向中間上方透鏡，然後經由光纖傳光到光纖出口，透過以圓錐體反射鏡模擬之放光元件其內面不斷交互反射，放出均勻光線，提供照明，如第4圖所示，即便最弱光強度情況減為1,400lux，亦符合室內照明閱讀標準750lux。

本發明提出一種簡約且具高聚光之被動式太陽光照明集光裝置，係針對太陽光照明所需之集光與放光技術進行光學設計，以數片低聚光倍率之平凸透鏡作特殊幾何排列成錐狀拋物透鏡陣列聚焦太陽光，可在太陽移動到任何可見角度下，皆有聚光元件正對太陽，使其不需追日系統即可立即收集到太陽於不同時段所發出之平行光，並透過透鏡聚焦到光纖作內部傳導，最後傳導至放光元件，其中當太陽光移動到面對透鏡時，其聚光倍率可從50到2500倍(50mmx50mm/(1mmx1mm))。使本裝置無論於晴天之早上、中午或下午時段，皆無須轉動透鏡即可收集到太陽光，進而可提供大樓內部房間及浴廁，使其獲得充足之太陽光照明。

因此，本裝置結構簡單，成本低廉，可達成之功效主要如下：

1.可提升被動式太陽光照明之使用效率，延長垂直日照時數，增 加室內被太陽光照明時數。

2.在使用本裝置後，將可使大樓內部房間及浴廁減少用電照明時數。

3.減少用電照明時數，亦可達到節省電力及節能減碳、愛護地球之崇高目標。

4.使人們不用出門，即可接受到天然健康之太陽光照明，將可對行動不便之老人及患者提供強健身心之助益。

綜上所述，本發明係一種被動式太陽光照明集光裝置，可有效改善習用之種種缺點，可在太陽移動到任何可見角度下，皆有聚光元件正對太陽，將可立即收集到平行光，不論在晴天之早上、中午或下午時段，皆無須轉動透鏡即可收集到太陽光，並聚光到光纖入口，再透過放光元件展現太陽光照明，進而使本發明之產生能更進步、更實用、更符合使用者之所須，確已符合發明專利申請之要件，爰依法提出專利申請。

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；故，凡依本發明申請專利範圍及發明說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

1‧‧‧集光元件

11‧‧‧透鏡組

111‧‧‧透鏡

12‧‧‧透光防護罩

2‧‧‧光纖

3‧‧‧放光元件

31‧‧‧底座

311‧‧‧圓孔

32‧‧‧第一直徑開口

33‧‧‧第二直徑開口

Claims (11)

1. 一種被動式太陽光照明集光裝置，係包括：一集光元件，係包含一透鏡組、一透光防護罩及一樹狀結構，該透鏡組係將數片透鏡沿該透光防護罩曲率排列於該透光防護罩之內面，並由該樹狀結構支撐該透鏡組，用以接受各個面向之太陽光；一光纖，其一端係設於該集光元件之該樹狀結構中，另一端則深入一建築物內部，用以傳導太陽光之光線；以及一放光元件，其經同心地定形並圍繞該光纖定位在該建築物內部，且經定向以將該太陽光之光線導向該建築物之一室內，使太陽光經過不斷交互反射而射出均勻之擴散光以增加室內照明之時數。
2. 依申請專利範圍第1項所述之被動式太陽光照明集光裝置，其中，該些透鏡係為平凸透鏡，其直徑係介於40~60mm之間。
3. 依申請專利範圍第1項所述之被動式太陽光照明集光裝置，其中，該透光防護罩係為壓克力透光半球殼，其直徑係介於120~180mm之間。
4. 依申請專利範圍第1項所述之被動式太陽光照明集光裝置，其中，該集光元件更包括一支撐台，用以固定支撐該透鏡組之該樹狀結構。
5. 依申請專利範圍第1項所述之被動式太陽光照明集光裝置，其中，該樹狀結構係為內部中空之構造，供該光纖通過。
6. 依申請專利範圍第1項所述之被動式太陽光照明集光裝置，其中，該透鏡組係以數片透鏡作幾何排列組成錐狀拋物透鏡陣列。
7. 依申請專利範圍第1項所述之被動式太陽光照明集光裝置，其中，該光纖係為塑膠光纖。
8. 依申請專利範圍第1項所述之被動式太陽光照明集光裝置，其中，該放光元件係圍繞該光纖而呈圓錐狀之圓錐體反射鏡，包含一底座，並具有圍繞該光纖之一第一直徑開口與在該底座處之一第二直徑開口，且該第二直徑開口係小於該第一直徑開口。
9. 依申請專利範圍第8項所述之被動式太陽光照明集光裝置，其中，該光纖之另一端係設於該放光元件之底座中間圓孔處。
10. 依申請專利範圍第8項所述之被動式太陽光照明集光裝置，其中，該第一直徑開口係介於65~95m之間。
11. 依申請專利範圍第8項所述之被動式太陽光照明集光裝置，其中，該第二直徑開口係介於55~85m之間。