TWI497112B - 集光裝置 - Google Patents

Description

集光裝置

本發明係與一種集光裝置有關，特別係與一種利用稜鏡結構來增加自然光集光效率的集光裝置有關。

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，並達成高效率光線 收集與傳輸並進的效果，是本技術領域亟欲解決之問題。

本發明之一目的係在於提供一種利用簡單稜鏡結構來增加集光效率的集光裝置。

本發明之另一目的係在於提供一種同時高效率的收集與傳輸光線的集光裝置。

為了達成上述之一或全部或其他目的，本發明提供一種集光裝置，其包括至少兩集光單元及一導光單元。第一集光單元具有相互鄰接的一第一入光面、一第一反射面及一第一出光面。第一入光面與第一出光面形成一第一頂角，而第一入光面與第一反光面形成一第二頂角。第二集光單元設置於第一集光單元之第一出光面的一側。第二集光單元具有相互鄰接的一第二入光面、一第二反射面及一第二出光面，第二反射面係面對該第一出光面且平行於第一反射面。第二入光面與第二出光面形成一第三頂角，而第二入光面與該第二反光面形成一第四頂角，第一頂角的角度係等於第三頂角的角度，第四頂角的角度係等於第二頂角的角度。導光單元設置於第一集光單元之第一出光面與第二集光單元之第二反射面之間。導光單元具有相互鄰接的一第三入光面、一第三出光面及一底面，底面係位於該第一入光面與第二入光面的對面且平行於第一入光面與第二入光面，第三入光面係面對第一出光面，第三出光面係面對第二反射面。第三入光面與底面形成一第五頂角，而第三出光面與底面形成一第六頂角，第五頂角的角度係等於第一頂角的角度，第六頂角的角度係大於第二頂角的角度。

在一實施例中，第一集光單元與第二集光單元的體積大小與 結構皆相同。

在一實施例中，第一頂角、第三頂角以及第五頂角皆為一鈍角。

在一實施例中，第二頂角、第四頂角以及第六頂角皆為一銳角。

在一實施例中，第一集光單元之第一出光面係與導光單元之第三入光面結合。

在一實施例中，第一集光單元之第一出光面係與導光單元之第三入光面之間具有一第一間隙。

在一實施例中，第一集光單元之第一入光面係平行於第二集光單元之第二入光面，且第一入光面與係與第二入光面位於同一水平面。

在一實施例中，導光單元與第二集光單元之間具有一第二間隙。

在一實施例中，第一集光單元之第一入光面係平行於第二集光單元之第二入光面，第二入光面與第一入光面之間具有一高度差，且第二入光面係位於第一入光面之上方。

在一實施例中，集光裝置更包括一第二導光單元，其設置於第二集光單元之第二出光面之一側，且第二導光單元之結構與第一導光單元相同。

在一實施例中，第一入光面及第二入光面皆為一曲面，且該等曲面具有相同的一第一曲率半徑。

在一實施例中，第一反射面及第二反射面皆為一曲面，且該 等曲面具有相同的一第二曲率半徑。

在一實施例中，第一出光面及第二出光面皆為一曲面，且該等曲面具有相同的一第三曲率半徑。

1、1a、1b、1c、1d‧‧‧集光裝置

100、200‧‧‧集光單元

110、110a‧‧‧第一入光面

120、120a‧‧‧第一反射面

130、130a‧‧‧第一出光面

210、210a‧‧‧第二入光面

220、220a‧‧‧第二反射面

230、230a‧‧‧第二出光面

300、300a‧‧‧導光單元

310、310a‧‧‧第三入光面

320‧‧‧底面

330、330a‧‧‧第三出光面

410‧‧‧第一間隙

420‧‧‧第二間隙

a‧‧‧第一頂角

b‧‧‧第二頂角

c‧‧‧第三頂角

d‧‧‧第四頂角

e‧‧‧第五頂角

f‧‧‧第六頂角

圖1A及1B係為本發明之第一實施例的集光裝置。

圖2係為本發明之第二實施例的集光裝置。

圖3係為本發明之第三實施例的集光裝置。

圖4A係為本發明之第四實施例的集光裝置。

圖4B係為本發明之第五實施例的集光裝置。

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。

請參閱圖1A及1B，其係為本發明之一實施例的集光裝置1。一種集光裝置，其包括至少兩集光單元100、200及一導光單元300。第一集光單元100具有相互鄰接的一第一入光面110、一第一反射面120及一第一出光面130。第一入光面110與第一出光面130形成一第一頂角a，而第一入光面110與第一反射面120形成一第二頂角b。第二集光單元200係設置於第一集光單元100之第一出光面130的一側。第二集光單元200具有相互鄰接的一第二入光面210、一第二反射面220及一第二出光面230。第二反射面220係 面對第一出光面130且平行於第一反射面120。第二入光面210係平行於第一入光面110。第二入光面210與第二出光面230形成一第三頂角c，並且與第二反射面220形成一第四頂角d。其中，第一頂角a的角度係等於第三頂角c的角度，且第四頂角d的角度係等於第二頂角b的角度。並且在本實施例中，第一集光單元100與第二集光單元200的體積大小及結構皆相同。

導光單元300係設置於第一集光單元100之第一出光面130與第二集光單元200之第二入光面210之間。導光單元300具有相互鄰接的一第三入光面310、一第三出光面330及一底面320。底面320係位於第一入光面110與第二入光面210的對面且平行於第一入光面110與第二入光面210，換句話說，底面320與第一入光面110位於集光裝置1相對的兩端，而第一入光面110與第二入光面210係位於集光裝置1相同的一端。第三入光面310係面對第一出光面130，而第三出光面330係面對第二反射面220。第三入光面310與底面320形成一第五頂角e，而第三出光面330與底面320形成一第六頂角f。第五頂角e的角度係等於第一頂角a的角度，第六頂角f的角度係大於第二頂角的角度。

在本實施例中，第一頂角a、第三頂角c以及第五頂角e皆為一鈍角。而第二頂角b、第四頂角d以及第六頂角e皆為一銳角。第一集光單元100之第一入光面110與第二集光單元200之第二入光面210係位於同一水平面。由於底面320平行於第一入光面110與第二入光面210，又，第五頂角e的角度等於第一頂角a的角度，因此當導光單元300與第一集光單元100結合時，第一出光面130與第三入光面310之間不會產生間隙。然而在另一實施例中，將導光單元300與第一集光單元100分離使得第一出光面130與第三入 光面310之間產生第一間隙410，導光單元300與第二集光單元之間亦具有一第二間隙420。此外，第六頂角f的角度需大於第二頂角b的角度，也就是說導光單元300的體積大小與結構係與第一集光單元100及第二集光單元200相異，傳遞光線時得以發揮最佳效果。在一較佳實施例中，第五頂角e的角度與第一頂角a的角度皆為108.45度，第二頂角的角度為42.15度，而第六頂角f的角度為42.7度，可得到較佳的集光效果。

請繼續參照圖1A，光線係藉由第一集光單元100的第一入光面110進入集光裝置1，由第一反射面120反射後由第一出光面130射出，光線在經過第一間隙410、導光單元300及第二間隙420修正後進入第二集光單元200。同時，光線亦會由第二集光單元200的第二入光面210進入集光裝置1，並經由第二反射面220反射後由第二出光面230射出。因此第二集光單元200會比第一集光單元100收集更多的光線來達到集光的效果。

如圖2，其係為本發明之一實施例的集光裝置1a。觀察圖1A及1B可發現，光線在集光裝置1內的傳遞有水平向上移動的趨勢，因此調整集光裝置1而得到圖2的集光裝置1a。在本實施例中，第二集光單元200之第二入光面210與第一集光單元100之第一入光面110具有一高度H，且第二入光面210係位於第一入光面110之上方，該高度H較佳為1毫米。導光單元300與第二集光單元200之間第二間隙420之較佳距離D為0.7毫米。集光裝置1a更包括一第二導光單元300a，其設置於第二集光單元200之第二出光面230之一側。上述該等集光單元與該等導光單元係為一稜鏡，其材質可為塑膠，玻璃，壓克力等。將本發明的集光裝置1作一序列性排列，利用光線由密介質到疏介質之特性，再定義出稜鏡的各個角度，將自然光或太陽光收集並 傳輸。而在稜鏡的表面上，例如第一出光面130、第二出光面230、第三入光面310及第三出光面330，鍍上抗反射的薄膜，來達到光線收集後還具有高效率傳光的效果。

如圖3，其係為本發明之一實施例的集光裝置1b。在本實施例中，集光裝置1b的集光單元及導光單元不限於是鈍角三角形，其亦可為銳角三角形或直角三角形或其它形狀。如圖4A，其係為本發明之一實施例的集光裝置1c，而圖4B，其係為本發明之一實施例的集光裝置1d。集光裝置1c的第一反射面120a、第二反射面220a及第三入光面310a係分別為一凸出的曲面，而第一出光面130a、第二出光面230a及第三出光面330a係分別為一凹陷的曲面。在另一實施例中，第一入光面110a及第二入光面210a係分別為一凸出的曲面，而上述的曲面係例如但不限於為圓面、橢圓面、雙曲面或拋物面。當太陽在不同時刻，會對應不同角度入射光線，在本實施例中，對稜鏡的表面分別設計曲率，針對不同時段的太陽光做有效率的收集，使本發明之集光裝置對於任何時段的太陽光有更高的容忍角，藉此提升集光裝置的整體集光效率。

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。

1‧‧‧集光裝置

100、200‧‧‧集光單元

110‧‧‧第一入光面

120‧‧‧第一反射面

130‧‧‧第一出光面

210‧‧‧第二入光面

220‧‧‧第二反射面

230‧‧‧第二出光面

300‧‧‧導光單元

310‧‧‧第三入光面

320‧‧‧底面

330‧‧‧第三出光面

410‧‧‧第一間隙

420‧‧‧第二間隙

a‧‧‧第一頂角

b‧‧‧第二頂角

c‧‧‧第三頂角

d‧‧‧第四頂角

e‧‧‧第五頂角

f‧‧‧第六頂角

Claims (10)

1. 一種集光裝置，其包括：一第一集光單元，其具有相互鄰接的一第一入光面、一第一反射面及一第一出光面，該第一入光面與該第一出光面形成一第一頂角，而該第一入光面與該第一反光面形成一第二頂角；一第二集光單元，其係設置於該第一集光單元之該第一出光面的一側，該第二集光單元具有相互鄰接的一第二入光面、一第二反射面及一第二出光面，該第二反射面係面對該第一出光面且平行於該第一反射面，該第二入光面與該第二出光面形成一第三頂角，而該第二入光面與該第二反光面形成一第四頂角，該第一頂角的角度係等於該第三頂角的角度，該第四頂角的角度係等於該第二頂角的角度；以及一導光單元，其係設置於該第一集光單元之該第一出光面與該第二集光單元之該第二反射面之間，該導光單元具有相互鄰接的一第三入光面、一第三出光面及一底面，該底面係位於該第一入光面與該第二入光面的對面且平行於該第一入光面與該第二入光面，該第三入光面係面對該第一出光面，該第三出光面係面對該第二反射面，該第三入光面與該底面形成一第五頂角，而該第三出光面與該底面形成一第六頂角，該第五頂角的角度係等於該第一頂角的角度，該第六頂角的角度係大於該第二頂角的角度。
2. 如申請專利範圍第1項所述之集光裝置，其中該第一集光單元之該第一出光面係與該導光單元之該第三入光面結合。
3. 如申請專利範圍第1項所述之集光裝置，其中該第一集光單元之該第一出 光面係與該導光單元之該第三入光面之間具有一第一間隙。
4. 如申請專利範圍第1項所述之集光裝置，其中該第一集光單元之該第一入光面係平行於該第二集光單元之該第二入光面，且該第一入光面與係與該第二入光面位於同一水平面。
5. 如申請專利範圍第3項所述之集光裝置，其中該導光單元與該第二集光單元之間具有一第二間隙。
6. 如申請專利範圍第5項所述之集光裝置，其中該第一集光單元之該第一入光面係平行於該第二集光單元之該第二入光面，該第二入光面與該第一入光面之間具有一高度差，且該第二入光面係位於該第一入光面之上方。
7. 如申請專利範圍第1項所述之集光裝置，更包括一第二導光單元，其設置於該第二集光單元之該第二出光面之一側，且該第二導光單元之結構與該第一導光單元相同。
8. 如申請專利範圍第1項所述之集光裝置，其中該第一入光面及該第二入光面皆為一曲面，且該等曲面具有相同的一第一曲率半徑。
9. 如申請專利範圍第1項所述之集光裝置，其中該第一反射面及該第二反射面皆為一曲面，且該等曲面具有相同的一第二曲率半徑。
10. 如申請專利範圍第1項所述之集光裝置，其中該第一出光面及該第二出光面皆為一曲面，且該等曲面具有相同的一第三曲率半徑。