TWI583124B

TWI583124B - 集光模組

Info

Publication number: TWI583124B
Application number: TW105131886A
Authority: TW
Inventors: 劉宗鑫; 許富銓; 劉文鈞; 劉軒誠; 潘正堂; 孫彥博
Original assignee: 財團法人金屬工業研究發展中心
Priority date: 2016-10-03
Filing date: 2016-10-03
Publication date: 2017-05-11
Also published as: TW201815055A

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。

本發明提供一種集光模組，能夠有效率得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，包括至少一集光單元與至少一準直單元。集光單元具有相對的第一入光端與第一出光端。集光單元藉由第一入光端來收集光，並將光引導至第一出光端。準直單元包括第二入光端、相對於第二入光端的第一出光面及連接於第二入光端的反射面。第二入光端為平面。來自集光單元的光的第一部分光束依序通過平面的第二入光端及被第一出光面折射而準直化。來自集光單元的光的第二部分光束依序通過平面的第二入光端且被反射面反射。

本發明的一實施例提出一種集光模組，包括至少一集光單元與至少一準直單元。集光單元具有相對的第一入光端與第一出光端。集光單元藉由第一入光端來收集光，並將光引導至第一出光端。準直單元包括朝向集光單元之第一出光端的第二入光端、相對於第二入光端的第一出光面、連接於第二入光端的反射面以及第二出光面。第二出光面環繞第一出光面、連接於第一出光面與反射面之間且為彎曲凹面。來自集光單元的光的第一部分光束依序通過平面的第二入光端及被第一出光面折射而準直化。來自集光單元的光的第二部分光束依序通過平面的第二入光端、被反射面反射且被第二出光面折射而準直化。

在本發明的一實施例中，上述的準直單元更包括第二出光面。第二出光面環繞第一出光面且連接於第一出光面與反射面之間。第二部分光束依序通過平面的第二入光端、被反射面反射及被第二出光面折射而準直化。

在本發明的一實施例中，上述的準直單元的第二出光面為彎曲凹面。

在本發明的一實施例中，上述的彎曲凹面與反射面直接連接。

在本發明的一實施例中，上述的準直單元的第二出光面為自由曲面。

在本發明的一實施例中，上述的準直單元的第一出光面為彎曲凸面，而反射面為彎曲凸面。

在本發明的一實施例中，上述的準直單元的第一出光面為自由曲面，而準直單元的反射面為自由曲面。

在本發明的一實施例中，上述的集光單元為複合拋物面聚光器。

在本發明的一實施例中，上述的集光單元的折射率實質上等於準直單元的折射率。

在本發明的一實施例中，上述的集光單元的外徑實質上等於準直單元的外徑。

在本發明的一實施例中，上述的集光單元將光匯聚於準直單元之平面的第二入光端。

在本發明的一實施例中，上述的集光單元將光匯聚於集光單元的第一出光端外。集光模組更包括中繼單元。中繼單元連接於集光單元的第一出光端與準直單元的第二入光端之間。來自集光單元的光在通過中繼單元後傳遞至準直單元的平面的第二入光端。

在本發明的一實施例中，上述的中繼單元的折射率與集光單元的折射率實質上相同。

基於上述，本發明一實施例的集光模組先利用集光單元收集將各種角度入射的光，再利用準直單元使光準直化，以使與集光模組搭配使用的裝置（例如：光伏電池）能夠有效率地接收光。如此一來，可實現高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。更重要的是，藉由將準直單元的第二入光端設計為平面及/或將準直單元的第二出光端設置為彎曲凹面，光在集光模組中傳遞而產生的損失會減少，而有助於提升集光模組的集光效能。

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1為本發明一實施例之集光模組的立體示意圖。圖2為本發明一實施例的光學單元的剖面示意圖。請參照圖1及圖2，集光模組100包括至少一個光學單元U。每一光學單元U包括相對應的一個集光單元110與一個準直單元120。請參照圖1，在本實施例中，集光模組100包括多個光學單元U。多個光學單元U可以排成陣列，或以各種可能的形式分佈成一面，以增加收集的光量。但本發明不限於此，集光模組100所包括的光學單元U的數量及光學單元U的排列方式均可視實際的需求而定。

請參照圖1，在本實施例中，集光模組100可與另外的裝置搭配使用，以便將收集的光轉換為其他形式的能量。舉例而言，集光模組100可與光伏電池P搭配使用，以將收集的光L轉換為電能。更進一步地說，集光模組100可直接配置光伏電池P上，集光模組100收集光L後能使光L準直化，以利光伏電池P有效率地接收光L。然而，本發明不限於此，在其他實施例中，集光模組100也可與其他裝置（例如：聚熱器）搭配使用，集光模組100也不一定要直接配置於所述其他裝置上，集光模組100與所述其他裝置之間也可設有適當的光學元件（例如：聚焦面鏡）。

圖3為本發明一實施例之集光單元的透視示意圖。請參照圖1、圖2及圖3，集光單元110具有相對的第一入光端112與第一出光端114。集光單元110藉由第一入光端112收集多種入射角的光L（例如：一天當中不同時刻的太陽光），並將光L引導至第一出光端114。舉例而言，在本實施例中，集光單元110可為複合拋物面聚光器（compound parabolic concentrator）。詳言之，集光單元110具有連接於第一入光端112與第一出光端114之間的側面116，而側面116為複合拋物面。請參照圖2，每一集光單元110具有光軸X1，側面116被光軸X1所在的平面（例如：圖2的紙面）剖出截線C1與截線C2，而截線C1與截線C2皆為拋物線。在本實施例中，截線C1（即拋物線）的焦點與截線C2（即拋物線）的焦點例如是位於準直單元120的第二入光端122。側面116為反射面，由第一入光端112入射的光L可被側面116反射，而被引導至集光單元110的第一出光端114。

在本實施例中，第一入光端112、第一出光端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），側面116上可鍍有反射層，以反射光L。換言之，本實施例的集光單元110可為實心物體。然而，本發明不限於此，在其他實施例中，第一入光端112、第一出光端114及側面116所圍繞的空間也可充滿氣體。意即，在其他實施例中，集光單元110也可以是空心物體，空心的集光單元110的側面116的內壁上可鍍有反射層，以反射光L；或者，集光單元110本身可以是利用反光材料（例如：金屬）製作的殻體，而集光單元110的側面116本身便能夠反射光L。無論集光單元110是實心或空心，上述反射層的選用以對太陽光的光譜具高反射率為佳，舉例而言，所述反射層的材質可為包括鋁（Al）、鎳（Ni）及釔（Y）的金屬薄膜，但本發明不以此為限。

請參照圖2，集光單元110用以將入射方向相對於集光單元110的光軸X1的傾斜角θ小於90 ^o的光L引導至第一出光端114。舉例而言，能夠被集光單元110引導至第一出光端114的光L的入射方向相對於光軸X1的最大角度為θmax。最大角度θmax即為集光單元110所能接受的光L的最大入射角。最大入射角θmax可以位於光軸X1的右方（如圖2所繪示），也可以是位於光軸X1的左方，或是位於以光軸X1為旋轉中心繞一圈中的任意方向上。在一實施例中，0 ^o≦θmax≦60 ^o，如此一來，集光單元110足以收集一天當中最強日照時段（例如：從早上9點至下午3點）的太陽光。但本發明不以此為限，在其他實施例中，最大入射角θmax也可以落在其他適當範圍，例如：0 ^o≦θmax≦75 ^o。

另外，請參照圖1及圖3，在本實施例中，每一集光單元110的第一入光端112的邊緣可設計為非圓形，以使多個集光單元110能更緊密地排列，進而提升集光單元110的單位面積填充率。舉例而言，在本實施例中，每一集光單元110的第一入光端112的邊緣可呈六邊形，而多個第一入光端112的多個邊緣可連接成蜂巢狀。更重要的是，如圖1及圖2所示，在本實施例中，集光單元110的外徑D1（例如：上述六邊形的相對兩邊的距離）實質上可等於準直單元120的外徑D2（例如：反射面126的最大直徑）。藉此，多個光學單元U能更緊密地排列，以提升光學單元U的單位面積填充率，進而提升集光模組100整體的集光能力。然而，本發明不限於此，在其他實施例中，集光單元110之第一入光端112的邊緣也可為設計為其他適當形狀，集光單元110的外徑D1也不一定要等於準直單元120的外徑D2。

圖4為本發明一實施例之中繼單元與準直單元的透視示意圖。請參照圖2及圖4，準直單元120用以將來自集光單元110的光L準直化。準直單元120包括朝向第一出光端114的第二入光端122、相對於第二入光端122的第一出光面124以及連接於第二入光端122的反射面126。特別是，第二入光端122為平面。

來自集光單元110的光L包括第一部分光束L1與第二部分光束L2。第一部分光束L1與平面的第二入光端122的夾角α大。第二部分光束L2與平面的第二入光端122的夾角β小。舉例而言，在本實施例中，α大於56 ^o度且小於或等於90 ^o，β小於56 ^o，但本發明不以此為限。來自集光單元110的第一部分光束L1依序通過平面的第二入光端122及被第一出光面124折射而準直化。由第一出光面124出射的第一部分光束L1的出射方向大致上與準直單元120的光軸X2平行。

來自集光單元110的第二部分光束L2依序通過平面的第二入光端122及被反射面126反射。更進一步地說，在本實施例中，準直單元120更包括第二出光面128。第二出光面128環繞第一出光面124且連接於第一出光面124與反射面126之間。第二出光面128可直接與反射面126連接。第二部分光束L2依序通過平面的第二入光端122、被反射面126反射及被第二出光面128折射而準直化。由第二出光面128出射的第二部分光束L2的出射方向大致上與準直單元120的光軸X2平行。在本實施例中，反射面126可利用全反射的方式反射第二部分光束L2。換言之，反射面126可為全反射面。但本發明不限於此，在其他實施例中，反射面126上也可以鍍有反射層，而可利用鍍在反射面126上的反射層反射第二部分光束L2。

在本實施例中，第一出光面124例如為彎曲凸面，反射面126例如為彎曲凸面，而第二出光面128例如為彎曲凹面。第一出光面124、反射面126及/或第二出光面128也可是自由曲面（freeform surface）。反射面126被光軸X2所在的任一平面剖出的截線可包括部份的橢圓，但本發明不以此為限。準直單元120更具有內壁面129。內壁面129連接於第一出光面124與第二出光面128之間。準直單元120的各表面可以光軸X2為對稱軸而呈軸對稱，準直單元120的光軸X2可與集光單元110的光軸X1重合，但本發明不以此為限。

請參照圖2及圖4，在本實施例中，集光單元110可選擇性地將光L匯聚於集光單元110的第一出光端114外。換言之，側面116被光軸X1所在的平面（例如：圖2的紙面）剖出截線C1與截線C2，而截線C1（即拋物線）的焦點與截線C2（即拋物線）的焦點可位於集光單元110外。此時，每一光學單元U可進一步包括中繼單元130。中繼單元130連接於集光單元110的第一出光端114與準直單元120的第二入光端122之間，以使集光單元110的第一出光端114與準直單元120的第二入光端122維持適當的距離（例如但不限於0.3釐米），進而使光L匯聚於（focus on）準直單元120的第二入光端122。

值得一提的是，在本實施例中，集光單元110並非將光L準確地匯聚於集光單元110的第一出光端114，而是將光L匯聚於集光單元110外的第二入光端122，因此集光模組100整體的出光效率能顯著提升。此外，透過中繼單元130將光L由集光單元110的第一出光端114傳遞至準直單元120的第二入光端122，更可減少光L在第一出光端114與第二入光端122之間傳遞所造成的損失。更進一步說，在本實施例中，可令集光單元110的折射率、中繼單元130的折射率以及準直單元120的折射率實質上相同，以減少光L在集光單元110與中繼單元130的界面上、中繼單元130與準直單元120的界面上因界面反射所造成損失，而進一步提升集光模組100的出光效率。

需說明的是，本發明並不限制集光單元110一定要將光L匯聚於集光單元110的第一出光端114外，也不限制集光模組100一定要包括中繼單元130。在另一實施例中，集光單元110也可將光L匯聚於集光單元110的第一出光端114，集光單元110也可不包括中繼單元130；此時，集光單元110的第一出光端114與準直單元120的第二入光端122可直接連接，以使光L也匯聚於準直單元120的第二入光端122。另外，每一光學單元U可由分開的多個構件組合而成，也可以是一體成型的，本發明並不加以限制。若光學單元U是由多個構件組合而成，中繼單元130例如是連接集光單元110的第一出光端114與準直單元120的第二入光端122的透明光學膠，但本發明不以此為限。

綜上所述，本發明一實施例的集光模組先利用集光單元收集將各種角度入射的光，再利用準直單元使光準直化，以使與集光模組搭配使用的裝置（例如：光伏電池）能夠有效率地接收光。如此一來，可實現高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。更重要的是，藉由將準直單元的第二入光端設計為平面及/或將準直單元的第二出光端設置為彎曲凹面，光在集光模組中傳遞而產生的損失會減少，而有助於提升集光模組的集光效能。

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。

100‧‧‧集光模組
110‧‧‧集光單元
112‧‧‧第一入光端
114‧‧‧第一出光端
116‧‧‧側面
120‧‧‧準直單元
122‧‧‧第二入光端
124‧‧‧第一出光面
126‧‧‧反射面
128‧‧‧第二出光面
129‧‧‧內壁面
130‧‧‧中繼單元
C1、C2‧‧‧截線
D1、D2‧‧‧外徑
L‧‧‧光
L1‧‧‧第一部分光束
L2‧‧‧第二部分光束
P‧‧‧光伏電池
U‧‧‧光學單元
X1、X2‧‧‧光軸
θ‧‧‧傾斜角
θmax‧‧‧最大角度
α、β‧‧‧夾角

圖1為本發明一實施例之集光模組的立體示意圖。圖2為本發明一實施例的光學單元的剖面示意圖。圖3為本發明一實施例之集光單元的透視示意圖。圖4為本發明一實施例之中繼單元與準直單元的透視示意圖。

110‧‧‧集光單元

112‧‧‧第一入光端

114‧‧‧第一出光端

116‧‧‧側面

120‧‧‧準直單元

122‧‧‧第二入光端

124‧‧‧第一出光面

126‧‧‧反射面

128‧‧‧第二出光面

129‧‧‧內壁面

130‧‧‧中繼單元

C1、C2‧‧‧截線

D1、D2‧‧‧外徑

L‧‧‧光

L1‧‧‧第一部分光束

L2‧‧‧第二部分光束

U‧‧‧光學單元

X1、X2‧‧‧光軸

θ‧‧‧傾斜角

θ max‧‧‧最大角度

α、β‧‧‧夾角

Claims

一種集光模組，包括：至少一集光單元，具有相對的一第一入光端與一第一出光端，該集光單元藉由該第一入光端收集光，並將該光引導至該第一出光端；以及至少一準直單元，包括：一第二入光端，朝向該集光單元的該第一出光端且為一平面；一第一出光面，相對於該第二入光端；以及一反射面，連接於該第二入光端，其中來自該集光單元的光的一第一部分光束依序通過平面的該第二入光端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二部分光束依序通過平面的該第二入光端且被該反射面反射。
如申請專利範圍第1項所述的集光模組，其中該準直單元更包括：一第二出光面，環繞該第一出光面且連接於該第一出光面與該反射面之間，其中該第二部分光束依序通過平面的該第二入光端、被該反射面反射及被該第二出光面折射而準直化。
如申請專利範圍第2項所述的集光模組，其中該準直單元的該第二出光面為一彎曲凹面。
如申請專利範圍第3項所述的集光模組，其中該彎曲凹面與該反射面直接連接。
如申請專利範圍第2項所述的集光模組，其中該準直單元的該第二出光面為一自由曲面。
如申請專利範圍第1項所述的集光模組，其中該準直單元的該第一出光面為一彎曲凸面，而該反射面為一彎曲凸面。
如申請專利範圍第1項所述的集光模組，其中該準直單元的該第一出光面為一自由曲面，而該準直單元的該反射面為一自由曲面。
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，其中該集光單元的折射率實質上等於該準直單元的折射率。
如申請專利範圍第1項所述的集光模組，其中該集光單元的外徑實質上等於該準直單元的外徑。
如申請專利範圍第1項所述的集光模組，其中該集光單元將該光匯聚於該準直單元之平面的該第二入光端。
如申請專利範圍第1項所述的集光模組，其中該集光單元將該光匯聚於該第一出光端外，而該集光模組更包括：一中繼單元，連接於該集光單元的該第一出光端與該準直單元的該第二入光端之間，其中來自該集光單元的該光在通過該中繼單元後傳遞至該準直單元的平面的該第二入光端。
如申請專利範圍第12項所述的集光模組，其中該中繼單元的折射率與該集光單元的折射率實質上相同。
一種集光模組，包括：至少一集光單元，具有相對的一第一入光端與一第一出光端，該集光單元藉由該第一入光端收集光，並將該光引導至該第一出光端；以及至少一準直單元，包括：一第二入光端，朝向該集光單元的該第一出光端；一第一出光面，相對於該第二入光端；一反射面，連接於該第二入光端；一第二出光面，環繞該第一出光面、連接於該第一出光面與該反射面之間且為一彎曲凹面，其中來自該集光單元的光的一第一部分光束依序通過平面的該第二入光端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二部分光束依序通過平面的該第二入光端、被該反射面反射及被該第二出光面折射而準直化。
如申請專利範圍第14項所述的集光模組，其中該彎曲凹面與該反射面直接連接。
如申請專利範圍第14項所述的集光模組，其中該集光單元的折射率實質上等於該準直單元的折射率。
如申請專利範圍第14項所述的集光模組，其中該集光單元的最大外徑實質上等於該準直單元的最大外徑。
如申請專利範圍第14項所述的集光模組，其中該集光單元將該光匯聚於該準直單元的平面的該第二入光端。
如申請專利範圍第14項所述的集光模組，其中該集光單元將該光匯聚於該第一出光端外，而該集光模組更包括：一中繼單元，連接於該集光單元的該第一出光端與該準直單元的該第二入光端之間，其中來自該集光單元的該光在通過該中繼單元後傳遞至該準直單元的平面的該第二入光端。
如申請專利範圍第19項所述的集光模組，其中該中繼單元的折射率與該集光單元的折射率實質上相同。