TWI578024B

TWI578024B - 集光模組

Info

Publication number: TWI578024B
Application number: TW104139902A
Authority: TW
Inventors: 劉宗鑫; 許富銓; 潘正堂; 孫彥博; 顏仲崑; 劉文鈞; 劉軒誠
Original assignee: 財團法人金屬工業研究發展中心
Priority date: 2015-11-30
Filing date: 2015-11-30
Publication date: 2017-04-11
Also published as: TW201719198A

Description

集光模組

本發明是有關於一種光學模組，且特別是有關於一種集光模組。

太陽能發電有太陽光電（photovoltaics）及聚熱型太陽能發電兩種，聚熱型太陽能發電可與同步發電機連結，發電機組與石化燃料發電及核能發電相同，故可與現有電網相容，其容量因素（Capacity Factor）可達85%（即一年中有85%的時間從事發電），成為基載發電。此外，將其電力轉換成高壓直流電，可從事遠距離傳輸。西班牙評估，其電力傳輸2,000公里，僅損耗8.1%，而美國評估，其電力傳輸3,000公里，僅損耗11.5%。

相較之下，太陽光電發電之安裝地點有其靈便性，然而無法在夜間及陰天發電。此外，其與現有電網連接，必需安裝升壓器及交直流轉換器，其穩定度及電力分配較困難。由於氣候之陰晴不定，為求得穩定的電力供應，必須於陽光強時儲存電能或熱能，太陽光電發電係使用電池儲電，聚熱型太陽能發電則使用儲熱槽儲存熱能，以便於夜間及陰天發電。

無論是採用太陽光電或聚熱型太陽能發電的任一種發電方法，均會採用集光方法來收集太陽能。一般集光方法，都是利用單一反射鏡或者聚焦透鏡以達到聚焦的特性，其光軌跡雖然簡單就能達到聚焦效果，卻不是最有效的集光方式。因為，單靠反射鏡只要光線有一點偏折，聚焦點就會馬上跑掉。雖然可以採用主動式追日系統來追蹤太陽光的方向，但主動式追日系統的成本過於昂貴。此外，單靠聚焦透鏡卻會在透鏡的邊角部分會使光線散失，造成無法完美聚焦。

本發明提供一種集光系統，其能夠有效匯集各種角度入射的光。

本發明的一實施例提出一種集光模組，其包括至少一集光單元、至少一準直單元及一聚焦面鏡。集光單元具有相對的一入光端與一出光端，集光單元用以藉由入光端來收集各種入射角的光，並將光匯集於出光端。準直單元將來自集光單元的出光端的光準直化。聚焦面鏡將來自準直單元之被準直化的光聚焦於聚焦面鏡的焦點。

在本發明的一實施例中，集光單元為一複合拋物面聚光器。

在本發明的一實施例中，準直單元包括一第一入光面、一第一出光面及一反射面。第一入光面朝向集光單元，而第一出光面相對於第一入光面。反射面連接於第一入光面與第一出光面之間，其中來自集光單元的光的一第一部分光束依序被第一入光面與第一出光面折射而準直化，而來自集光單元的光的一第二部分光束被反射面反射。

在本發明的一實施例中，第二部分光束依序被第一入光面折射與被反射面反射而準直化。

在本發明的一實施例中，第一入光面為彎曲凹面，且第一出光面為彎曲凸面。

在本發明的一實施例中，每一準直單元更包括一第二入光面及一第二出光面。第二入光面環繞第一入光面，而第二出光面環繞第一出光面。第二部分光束依序被第二入光面折射、被反射面反射及被第一出光面折射而準直化，來自集光單元的光的一第三部分光束依序被第二入光面與第二出光面折射而準直化。

在本發明的一實施例中，第一入光面為彎曲凸面，第二入光面為彎曲凹面，第一出光面為彎曲凹面，且第二出光面為彎曲凸面。

在本發明的一實施例中，反射面將來自集光單元的第二部分光束全反射。

在本發明的一實施例中，反射面為自由曲面。

在本發明的一實施例中，聚焦面鏡為一拋物面鏡。

在本發明的一實施例中，集光單元與聚焦面鏡的反射面上鍍有反射紅外光的鍍膜。

在本發明的一實施例中，集光單元與聚焦面鏡的反射面上鍍有反射可見光的鍍膜。

在本發明的一實施例中，集光單元具有一光軸，且集光單元用以將入射方向相對於集光單元的光軸的傾斜角小於90度的光匯集於出光端。

在本發明的一實施例中，每一集光單元具有一光軸，且能夠被每一集光單元匯集於出光端的光的入射方向相對於光軸的最大角度小於等於60度。

在本發明的實施例的集光模組中，由於先採用集光單元來集光，再採用準直單元來使光準直，之後再採用聚焦面鏡來使準直化的光聚焦，而集光單元用以藉由入光端來收集各種入射角的光，因此集光模組可以有效地將各種角度入射的光都匯集於聚焦面鏡的焦點。如此一來，可實現有效率且低成本的集光模組，而可以不採用成本昂貴的主動式追日系統。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

圖1A為本發明之一實施例之集光模組的立體透視圖，圖1B為圖1A之集光模組的剖面示意圖，圖2為圖1A之集光單元與準直單元的剖面示意圖，且圖3為圖1A之準直單元的剖面示意圖。請參照圖1A至圖3，本實施例的集光模組100包括多個集光單元110、多個準直單元120及一聚焦面鏡130。每一集光單元110具有相對的一入光端112與一出光端114，每一集光單元110用以藉由入光端112來收集各種入射角的光（例如是一天當中不同時刻的太陽光），並將光匯集於出光端114。

在本實施例中，每一集光單元110為一複合拋物面聚光器（compound parabolic concentrator）。具體而言，每一集光單元110具有一連接入光端112與出光端114的側面116，而側面116為複合拋物面。所謂的「複合拋物面」的形成方法如下所述：如圖2所示的集光單元110是沿著集光單元110的光軸A切開剖面，其中側面116在圖2左邊的截線C1與在圖2右邊的截線C2皆為拋物線，其中截線C1（即拋物線）的焦點位於截線C2之連接出光端114的一端點E2上，且截線C2（即拋物線）的焦點位於截線C1之連接出光端114的一端點E1上。將截線C1與截線C2繞光軸A旋轉出的曲面即為所謂的「複合拋物面」。側面116為一反射面，其上可鍍有反射層（例如整個側面116上都鍍有反射層），以將由入光端112入射的各種入射角的光反射至出光端114，例如是反射至側面116與出光端114的交界處附近。在本實施例中，入光端112、出光端114及側面116所圍繞的空間可填充有導光介質（例如透明介質），而側面116上再鍍上反射層。然而，在其他實施例中，入光端112、出光端114及側面116所圍繞的空間可以是氣體或空氣，亦即集光單元110亦可以是空心集光單元，而側面116是由反射片的反射面所形成。

在本實施例中，每一集光單元110用以將入射方向相對於集光單元110的光軸A的傾斜角θ小於90度的光匯集於出光端114。舉例而言，能夠被每一集光單元110匯集於出光端114的光的入射方向相對於光軸A的最大角度θ _max小於等於75度。此最大角度θ _max即為集光單元110所能接受的光的最大入射角。此最大入射角θ _max可以是位於光軸A的右方（如圖2所繪示），也可以是位於光軸A的左方，或是位於以光軸A為旋轉中心繞一圈中的任意方向上。在一實施例中，最大角度θ _max可以小於等於60度。在一實施例中，最大角度θ _max可以從大於等於0度至大於等於60度皆可。如此一來，集光單元110足以收集一天當中最強日照時段（如從早上9點至下午3點）的日光。在一實施例中，這些集光單元110可以排成陣列，或以各種可能的形式分佈成一面，以增加收集日光的量。

這些準直單元120分別將來自這些集光單元110的這些出光端114的光準直化。在本實施例中，這些準直單元120分別配置於這些集光單元110的這些出光端114旁，且每一準直單元120包括一第一入光面121、一第一出光面122及一反射面123。第一入光面121朝向對應的集光單元110，而第一出光面122相對於第一入光面121。反射面123連接於第一入光面121與第一出光面122之間。來自對應的集光單元110的光50的一第一部分光束52依序被第一入光面121與第一出光面122折射而準直化，而來自對應的集光單元110的光50的一第二部分光束54被反射面123反射。

在本實施例中，第二部分光束54依序被第一入光面121折射與被反射面123反射而準直化。在本實施例中，反射面123將來自對應的集光單元110的第二部分光束54全反射。換言之，反射面123例如為一全反射面。然而，在其他實施例中，反射面123上亦可以鍍有反射膜。

在本實施例中，第一入光面121例如為彎曲凹面，且第一出光面122例如為彎曲凸面。此外，在本實施例中，反射面123例如為自由曲面（freeform surface）。在本實施例中，準直單元120具有一光軸A1，且準直單元120的各表面以光軸A1為對稱軸而呈軸對稱。準直單元120的光軸A1可與集光單元110的光軸A重合。準直單元120可更具有一出光面124及一內壁面125，其中出光面124連接於反射面123與第一出光面122之間，且內壁面125連接出光面124與第一出光面122。被反射面123全反射的第二部分光束54可經由出光面124準直地離開準直單元120。在本實施例中，第一入光面121可以不是球面，而其被包含光軸A1的任一平面所切開而得的截線例如為橢圓的一部分。如此一來，搭配第一出光面122與反射面123後，第一入光面121可更有效地讓來自集光單元110的出光端114的光50準直化。

聚焦面鏡130將來自這些準直單元120之被準直化的光50聚焦於聚焦面鏡130的焦點F。在本實施例中，聚焦面鏡130為一拋物面鏡，亦即，聚焦面鏡130的內表面132可為拋物面，其上可鍍有反射膜（例如是整個內表面132上都鍍有反射膜），以將被準直化的光50反射而聚焦於此拋物面的焦點F。由於各種不同入射角的光50在經過集光單元110與準直單元120後都被準直化，因此聚焦面鏡130可以良好地將這些光50都聚焦於聚焦面鏡130的焦點F。如此一來，可實現有效率且低成本的集光模組100，而可以不採用成本昂貴的主動式追日系統。

本實施例之集光模組100可用來聚焦太陽能，聚焦面鏡130的焦點F處可設有聚熱器或光電池，以收集日光的熱能，或將光能轉換為電能。或者，焦點F處也可設有一開口，且耦合至一光纖，如此可藉由光纖將光50導引至聚焦面鏡130外，以供照明使用，或者將光纖耦合至聚焦面鏡130外的聚熱器或光電池，以收集日光的熱能，或將光能轉換為電能。

在一實施例中，集光單元110與聚焦面鏡130的反射面（例如集光單元110的側面116與聚焦面鏡130的內表面132）上鍍有反射紅外光的鍍膜，例如是對紅外光的反射率高的鍍膜，如此能夠有效率地把日光的熱能聚焦於焦點F上。在另一實施例中，這些集光單元110與聚焦面鏡130的反射面（例如集光單元110的側面116與聚焦面鏡130的內表面132）上鍍有反射可見光的鍍膜，例如是對可見光的反射率高的鍍膜，而紅外光可穿透這些鍍膜。在此實施例中，於紅外光穿透這些鍍膜後所傳遞到的位置上可設有熱電膜組，以將熱能轉換為電能。此外，可見光被這些鍍膜反射後，可聚焦於焦點F，以供光電池將光能轉換為電能，或作為照明使用。

在本實施例中，如圖1B所繪示，集光模組100更包括一上蓋140及一下蓋150（圖1A省略了下蓋150，而繪示出下蓋150中的聚焦面鏡130）。上蓋140的一端具有多個對位槽孔142，以分別容置且固定這些集光單元110。此外，上蓋140的另一端具有多個與該些對位槽孔142相對的容置空間162，以分別容置且固定這些準直單元120。下蓋150可與上蓋140卡合，且下蓋150用以固定聚焦面鏡130。在本實施例中，下蓋150具有一開孔152，用以連通聚焦面鏡130的焦點F。如此一來，光能便能夠透過開孔152被導引至外界，例如光纖可從焦點F經由開孔152延伸至外界。

圖4為本發明之另一實施例之集光模組的準直單元的剖面示意圖。請參照圖4，本實施例之集光模組與圖1A之集光模組100類似，而兩者的差異在於準直單元120a。準直單元120a與圖3的準直單元120類似，而兩者的差異如下所述。在本實施例中，除了第一入光面121a、第一出光面122a及反射面123a之外，每一準直單元120a更包括一第二入光面126a及一第二出光面127a。第二入光面126a環繞第一入光面121a，且第二出光面127a環繞第一出光面122a。第二部分光束54依序被第二入光面126a折射、被反射面123a反射及被第一出光面122a折射而準直化，而來自對應的集光單元110的光50的一第三部分光束56依序被第二入光面126a與第二出光面127a折射而準直化。

在本實施例中，第一入光面121a為彎曲凸面，第二入光面126a為彎曲凹面，第一出光面122a為彎曲凹面，且第二出光面127a為彎曲凸面。

圖5為本發明之又一實施例之集光模組的剖面示意圖。請參照圖5，本實施例的集光模組100b與圖1A之集光模組100類似，而兩者的主要差異在於本實施例之集光模組100b所包含的集光單元110的數量為1，且集光模組100b所包含的準直單元120的數量亦為1，而聚焦面鏡130將來自單一的準直單元120的光50聚焦於聚焦面鏡130的焦點F。本實施例之集光模組100b所能達成的功效與集光模組100所能達成的功效類似，在此不再重述。

綜上所述，在本發明的實施例的集光模組中，由於先採用集光單元來集光，再採用準直單元來使光準直，之後再採用聚焦面鏡來使準直化的光聚焦，而集光單元用以藉由入光端來收集各種入射角的光，因此集光模組可以有效地將各種角度入射的光都匯集於聚焦面鏡的焦點。如此一來，可實現有效率且低成本的集光模組，而可以不採用成本昂貴的主動式追日系統。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

50‧‧‧光
52‧‧‧第一部分光束
54‧‧‧第二部分光束
56‧‧‧第三部分光束
100、100b‧‧‧集光模組
110‧‧‧集光單元
112‧‧‧入光端
114‧‧‧出光端
116‧‧‧側面
120、120a‧‧‧準直單元
121、121a‧‧‧第一入光面
122、122a‧‧‧第一出光面
123、123a‧‧‧反射面
124‧‧‧出光面
125‧‧‧內壁面
126a‧‧‧第二入光面
127a‧‧‧第二出光面
130‧‧‧聚焦面鏡
132‧‧‧內表面
140‧‧‧上蓋
142‧‧‧對位槽孔
150‧‧‧下蓋
152‧‧‧開孔
162‧‧‧容置空間
A、A1‧‧‧光軸
C1‧‧‧截線
C2‧‧‧截線
E1‧‧‧端點
E2‧‧‧端點
F‧‧‧焦點
θ‧‧‧傾斜角
θ_max‧‧‧最大角度

圖1A為本發明之一實施例之集光模組的立體透視圖。圖1B為圖1A之集光模組的剖面示意圖。圖2為圖1A之集光單元與準直單元的剖面示意圖。圖3為圖1A之準直單元的剖面示意圖。圖4為本發明之另一實施例之集光模組的準直單元的剖面示意圖。圖5為本發明之又一實施例之集光模組的剖面示意圖。

50‧‧‧光

100‧‧‧集光模組

110‧‧‧集光單元

112‧‧‧入光端

114‧‧‧出光端

116‧‧‧側面

120‧‧‧準直單元

123‧‧‧反射面

130‧‧‧聚焦面鏡

132‧‧‧內表面

140‧‧‧上蓋

F‧‧‧焦點

Claims

一種集光模組，包括：至少一集光單元，具有相對的一入光端與一出光端，該集光單元用以藉由入光端來收集各種入射角的光，並將該光匯集於該出光端；至少一準直單元，將來自該集光單元的該出光端的光準直化；以及一聚焦面鏡，將來自該準直單元之被準直化的光聚焦於該聚焦面鏡的焦點。
如申請專利範圍第1項所述的集光模組，其中該集光單元為一複合拋物面聚光器。
如申請專利範圍第1項所述的集光模組，其中該準直單元包括：一第一入光面，朝向該集光單元；一第一出光面，相對於該第一入光面；以及一反射面，連接於該第一入光面與該第一出光面之間，其中來自該集光單元的光的一第一部分光束依序被該第一入光面與該第一出光面折射而準直化，而來自該集光單元的光的一第二部分光束被該反射面反射。
如申請專利範圍第3項所述的集光模組，其中該第二部分光束依序被該第一入光面折射與被該反射面反射而準直化。
如申請專利範圍第3項所述的集光模組，其中該第一入光面為彎曲凹面，且該第一出光面為彎曲凸面。
如申請專利範圍第3項所述的集光模組，其中每一該準直單元更包括：一第二入光面，環繞該第一入光面；以及一第二出光面，環繞該第一出光面，其中該第二部分光束依序被該第二入光面折射、被該反射面反射及被該第一出光面折射而準直化，來自該集光單元的光的一第三部分光束依序被該第二入光面與該第二出光面折射而準直化。
如申請專利範圍第6項所述的集光模組，其中該第一入光面為彎曲凸面，該第二入光面為彎曲凹面，該第一出光面為彎曲凹面，且該第二出光面為彎曲凸面。
如申請專利範圍第3項所述的集光模組，其中該反射面將來自該集光單元的該第二部分光束全反射。
如申請專利範圍第3項所述的集光模組，其中該反射面為自由曲面。
如申請專利範圍第1項所述的集光模組，其中該聚焦面鏡為一拋物面鏡。
如申請專利範圍第1項所述的集光模組，其中該集光單元與該聚焦面鏡的反射面上鍍有反射紅外光的鍍膜。
如申請專利範圍第1項所述的集光模組，其中該集光單元與該聚焦面鏡的反射面上鍍有反射可見光的鍍膜。
如申請專利範圍第1項所述的集光模組，其中該集光單元具有一光軸，且該集光單元用以將入射方向相對於該集光單元的該光軸的傾斜角小於90度的光匯集於該出光端。
如申請專利範圍第1項所述的集光模組，其中該集光單元具有一光軸，且能夠被該集光單元匯集於該出光端的光的入射方向相對於該光軸的最大角度小於等於60度。