TWI603117B - 太陽能熱光互補系統 - Google Patents

太陽能熱光互補系統 Download PDF

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Description

太陽能熱光互補系統
本發明係關於一種太陽能熱光互補系統，特別是關於一種可將太陽光分離出可見光與紅外光，並分別用於照明及產生電能或熱能的太陽能熱光互補系統。
近年來，為了地球環保及永續生存的期望，煤、石油、天然氣等會產生二氧化碳的化石燃料被認為須大幅減少使用。尤其建議擴充太陽能、風能等再生能源之普及，以取代化石燃料能源。
就太陽能之開發而言，若依能量轉換之形式來分類，大致可分為：光能轉電能、熱能轉電能、光能轉照明、熱能轉熱源共四大類。其中「光能轉電能」係依據光電效應(或稱光伏效應)，將太陽光能藉由光伏晶片(如太陽能電池)轉換成便於利用的電能，此法目前最佳晶片效率約46.7%，模組效率約36.7%。然而效率高之晶片十分昂貴，因此高效晶片尚無法普及。
「熱能轉電能」則一般使用熱電晶片；當太陽照射到晶片時，使得晶片受光面溫度上升，以致晶片有溫差，再藉由晶片的溫差及熱電材料特性產生電能，此法目前的效率約為5~7%。至於「光能轉照明」，即引導太陽光應用於照明，由於人眼所見的頻譜約在380nm~780nm之間，若以可見光佔太陽頻譜之比例約46%，乘上導光元件效率約0.9，照明應用之效率約為41.4%。「熱能轉熱源」之應用則如常見的太陽能熱水器，當太陽照在熱管時，熱管溫度會升高，再利用熱管加熱常溫水，達到太陽能熱水器之功效，太陽能熱水器之集熱效率目前約為75%。
有鑒於此，若能發展出一種擴充太陽能應用之太陽能熱光互補系統，將太陽能照明與太陽能熱電相結合，則可以達成開發綠色能源、減少照明耗電、以及提高太陽能利用率之優異功效。
本發明為太陽能熱光互補系統，太陽能熱光互補系統包括：一光學模組；一出光單元；以及一輸出裝置，或是一光學模組；以及一輸出裝置。光學模組包括：一分光元件；以及一導光元件，或是僅包括一分光元件。太陽能熱光互補系統為一種結合太陽能照明與太陽能發電，或是結合太陽能照明與太陽能發熱之裝置。光學模組則係將入射光調變分離為可見光及紅外光，並分別輸出。藉由本發明之實施，可提升太陽能利用率，達到節能、綠能之功效，且因光學模組可使用微光學元件，使整體系統架構更為輕薄，可以有效降低成本並拓展應用市場。
本發明提供一種太陽能熱光互補系統，其包括：一光學模組，其包含至少一分光元件及至少一導光元件，光學模組將一入射光調變分離為一可見光及一紅外光，並輸出可見光及紅外光；一出光單元，其接收可見光並輸出一照明光；以及一電輸出裝置，其輸入紅外光，並自一電輸出埠輸出電能。
本發明又提供一種太陽能熱光互補系統，其包括：一光學模組，其包含至少一分光元件及至少一導光元件，光學模組將一入射光調變分離為一可見光及一紅外光，並輸出可見光及紅外光；以及一電輸出裝置，其輸入紅外光，並自一電輸出埠輸出電能。
本發明又提供一種太陽能熱光互補系統，其包括：一光學模組，其包含至少一分光元件及至少一導光元件，光學模組將一入射光調變分離為一可見光及一紅外光，並輸出可見光及紅外光；一出光單元，其接收可見光並輸出一照明光；以及一熱輸出裝置，其輸入紅外光，並自一熱輸出埠輸出熱能。
本發明又提供一種太陽能熱光互補系統，其包括：一光學模組，其包含至少一分光元件及至少一導光元件，光學模組將一入射光調變分離為一可見光及一紅外光，並輸出可見光及紅外光；以及一熱輸出裝置，其輸入紅外光，並自一熱輸出埠輸出熱能。
本發明又提供一種光學模組，其包含：一分光元件，其受一入射光之一可見光穿透，並會聚入射光之一紅外光；以及一導光元件，其係受可見光穿透，且將紅外光導引到至少一輸出端。
本發明又提供一種光學模組，其包含：一分光元件，其受一入射光之一紅外光穿透，並會聚入射光之一可見光；以及一導光元件，其係受紅外光穿透，且將可見光導引到至少一輸出端。
本發明又提供一種光學模組，其包含：一分光元件，其係受一入射光穿透並將穿透之入射光分離為一紅外光及一可見光。
藉由本發明之實施，至少可以達到下列進步功效：
一、提升太陽能利用率，達到節能、綠能之功效。
二、使用微光學元件，整體系統架構更為輕薄，並降低成本有利拓展應用市場。
為使任何熟習相關技藝者了解本發明之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易地理解本發明相關之目的及優點，因此將在實施方式中詳細敘述本發明之詳細特徵以及優點。
100‧‧‧太陽能熱光互補系統
200‧‧‧太陽能熱光互補系統
300‧‧‧太陽能熱光互補系統
400‧‧‧太陽能熱光互補系統
10‧‧‧光學模組
10’‧‧‧光學模組
11‧‧‧分光元件
11’‧‧‧分光元件
12‧‧‧導光元件
12’‧‧‧導光元件
13‧‧‧輸出端
13’‧‧‧輸出端
20‧‧‧出光單元
21‧‧‧光纖
30‧‧‧輸出裝置
31‧‧‧電輸出埠
32‧‧‧儲能元件
40‧‧‧輸出裝置
41‧‧‧熱輸出埠
80‧‧‧入射光
81‧‧‧可見光
82‧‧‧紅外光
83‧‧‧照明光
510‧‧‧光學模組
511‧‧‧分光元件
512‧‧‧導光元件
513‧‧‧輸出端
610‧‧‧光學模組
611‧‧‧分光元件
612‧‧‧導光元件
613‧‧‧輸出端
710‧‧‧光學模組
711‧‧‧分光元件
第1A圖係為本發明實施例之一種太陽能熱光互補系統之組成方塊圖。
第1B圖係為本發明實施例之另一種太陽能熱光互補系統之組成方塊圖。
第1C圖係為本發明實施例之一種光學模組之示意圖。
第1D圖係為本發明實施例之另一種光學模組之示意圖。
第2A圖係為第1A圖實施例進一步具有儲能元件之太陽能熱光互補系統之組成方塊圖。
第2B圖係為第1B圖實施例進一步具有儲能元件之太陽能熱光互補系統之組成方塊圖。
第3A圖係為本發明實施例之又一種太陽能熱光互補系統之組成方塊圖。
第3B圖係為本發明實施例之又再一種太陽能熱光互補系統之組成方塊圖。
第4A圖係為本發明實施例之一種包含至少一光纖模組的太陽能熱光互補系統之組成方塊圖。
第4B圖係為本發明實施例之另一種包含至少一光纖模組的太陽能熱光互補系統之組成方塊圖。
第5圖係為本發明實施例之一種光學模組之組成方塊圖。
第6圖係為本發明實施例之另一種光學模組之組成方塊圖。
第7圖係為本發明實施例之又一種光學模組之組成方塊圖。
請參考如第1A圖所示，為實施例之一種太陽能熱光互補系統100，其包括有：一光學模組10；一出光單元20；以及一電輸出裝置30。
請參考如第1B圖所示，為實施例之另一種太陽能熱光互補系統200，其包括有：一光學模組10；以及一電輸出裝置30。
如第1A圖至第1D圖所示，光學模組10，其包含至少一分光元件11及至少一導光元件12，藉由分光元件11及導光元件12，光學模組10將一入射光80調變分離為一可見光81及一紅外光82，並輸出可見光81及紅外光82。
如第1C圖所示之光學模組10，其係以分光元件11將入射光80調變分離為可見光81及紅外光82，然後再藉由導光元件12讓可見光81直接穿透並將紅外光82導引至輸出端13進行輸出。
如第1D圖所示之光學模組10'，則係以分光元件11'將入射光80調變分離為可見光81及紅外光82，然後再藉由導光元件12'讓紅外光82直接穿透並將可見光81導引至輸出端13'進行輸出。
如第1A圖或第1B圖所示之太陽能熱光互補系統100或太陽能熱光互補系統200，在應用上可以使用如第1C圖所示之光學模組10，或是以如第1D圖所示之光學模組10'取代如第1C圖所示之光學模組10，來進行將入射光80調變分離為可見光81及紅外光82，並使可見光81或紅外光82穿透或自輸出端13或輸出端13'輸出。
請參考如第1A圖所示，出光單元20，係自光學模組10接收可見光81，並輸出可直接應用於照明之一照明光83。當然，出光單元20也可以是一個以上的照明裝置，引入光學模組10之可見光81，經過處理後或不經過處理，直接進行照明。
而如第1B圖所示，太陽能熱光互補系統200亦可以不必經由如第1A圖所示之出光單元20，而是直接由光學模組10直接輸出可見光81，此直接輸出的可見光81當然也可以用來進行照明。
再如第1A圖及第1B圖所示，電輸出裝置30，係自光學模組10輸入紅外光82，並在將紅外光82轉換為電能後自一電輸出埠31輸出轉換而來之電能。
所述之電輸出裝置30，可以包含至少一光伏電池晶片(photo-voltaic chip)或至少一熱電晶片，將輸入的紅外光82轉換為電能。
再者，如第2A圖及第2B圖所示，電輸出裝置30可以進一步包含一儲能元件32，與電輸出埠31電性相連接，進行電能之儲存。舉凡如電容儲能之元件或充電式電池等，皆可以做為與電輸出裝置30電性相連接之儲能元件32。
接著請參考如第3A圖所示，為實施例之又一種太陽能熱光互補系統300，其包括：一光學模組10；一出光單元20；以及一熱輸出裝置40。
而如第3B圖所示，為實施例之又再一種太陽能熱光互補系統400，其包括：一光學模組10；以及一熱輸出裝置40。
如第3A圖及第3B圖所示之光學模組10或出光單元20，其連接關係與技術特徵，皆與前述太陽能熱光互補系統100或太陽能熱光互補系統200之光學模組10或出光單元20相同，於此不再贅述。
如第3A圖及第3B圖所示之熱輸出裝置40，則係自光學模組10輸入紅外光82，在將紅外光82轉換為熱能後自一熱輸出埠41輸出轉換而來之熱能。
實施例所述之熱輸出裝置40，可以包含至少一太陽能集熱板或至少一熱管。
而如第1A圖至第3B圖所示之光學模組10或光學模組10'，其分光元件11或分光元件11'係可以為一繞射元件，而導光元件12或導光元件12'係可以為至少一微稜鏡導光板。
請繼續參考如第4A圖及第4B圖所示，出光單元20，可以進一步包含至少一光纖模組21，照明光83並可以由光纖模組21進行輸出，如此，照明之應用領域及可應用之距離可以受到較少之限制，應用的場合便相形的可以大幅增加。
接下來，如第5圖所示，為實施例之一種光學模組510，其包含：一分光元件511；以及一導光元件512，且分光元件511及導光元件512係並排設置。
如第5圖所示，分光元件511係使一入射光80中之可見光81穿透，並會聚入射光80中之紅外光82。導光元件512則受可見光81穿透，且將分光元件511所會聚的紅外光82導引到至少一輸出端513。
如第6圖所示，為實施例之另一種光學模組610，其包含：一分光元件611；以及一導光元件612，且分光元件611及導光元件612亦係並排設置。
如第6圖所示，分光元件611係使一入射光80中之紅外光82穿透，並會聚入射光80中之可見光81。導光元件612則受紅外光82穿透，且將分光元件611所會聚的可見光81導引到至少一輸出端613。
如第7圖所示，則為實施例之又一種光學模組710，其包含：一分光元件711，其係受一入射光80穿透並將穿透之入射光80分離為紅外光82及可見光81，且使紅外光82及可見光81分別會聚並以不同角度射出。
而所述的光學模組510、光學模組610或光學模組710之中，分光元件511、分光元件611或分光元件711係可以為一繞射元件。
又如第5圖及第6圖所示之光學模組510或光學模組610，其導光元件512或導光元件612，係可以為至少一微稜鏡導光板。
總而言之，光學模組10、光學模組10'、光學模組510、光學模組610或光學模組710，皆可以藉由分光元件11、分光元件11'、分光元件511、分光元件611或分光元件711，將入射光80中之可見光81及紅外光82分離，並直接以不同的方向或角度分別輸出可見光81及紅外光82。
或者是在分離可見光81及紅外光82之後，藉由導光元件12、導光元件12'、導光元件512、導光元件612或導光元件712，將可見光81及紅外光82分別輸出。
如此，當入射光80為太陽光時，太陽能熱光互補系統100、太陽能熱光互補系統200、太陽能熱光互補系統300或太陽能熱光互補系統400，可以同時進行照明並輸出電能或熱能，提升太陽能利用率，達到節能、綠能之功效，且因光學模組10、光學模組10'、光學模組510、光學模組610或光學模組710可以使用繞射元件或微稜鏡導光板等微光學元件，使整體系統架構更為輕薄，有利降低成本並拓展應用市場。
惟上述各實施例係用以說明本發明之特點，其目的在使熟習該技術者能瞭解本發明之內容並據以實施，而非限定本發明之專利範圍，故凡其他未脫離本發明所揭示之精神而完成之等效修飾或修改，仍應包含在以下所述之申請專利範圍中。
100‧‧‧太陽能熱光互補系統
10‧‧‧光學模組
11‧‧‧分光元件
12‧‧‧導光元件
20‧‧‧出光單元
30‧‧‧輸出裝置
31‧‧‧電輸出埠
80‧‧‧入射光
81‧‧‧可見光
82‧‧‧紅外光
83‧‧‧照明光

Claims (10)

  1. 一種太陽能熱光互補系統，其包括：一光學模組，其包含至少一分光元件及至少一導光元件，該光學模組將一入射光調變分離為一可見光及一紅外光，並輸出該可見光及該紅外光，其中該分光元件會聚該紅外光及該導光元件將該紅外光導引到至少一輸出端且該分光元件及該導光元件讓該可見光穿透，該分光元件會聚該可見光及該導光元件將該可見光導引到至少一輸出端且該分光元件及該導光元件讓該紅外光穿透，或者該分光元件讓該紅外光及該可見光分別會聚並以不同角度射出；一出光單元，其接收該可見光並輸出一照明光；以及一電輸出裝置，其輸入該紅外光，並自一電輸出埠輸出電能。
  2. 一種太陽能熱光互補系統，其包括：一光學模組，其包含至少一分光元件及至少一導光元件，該光學模組將一入射光調變分離為一可見光及一紅外光，並輸出該可見光及該紅外光，其中該分光元件會聚該紅外光及該導光元件將該紅外光導引到至少一輸出端且該分光元件及該導光元件讓該可見光穿透，該分光元件會聚該可見光及該導光元件將該可見光導引到至少一輸出端且該分光元件及該導光元件讓該紅外光穿透，或者該分光元件讓該紅外光及該可見光分別會聚並以不同角度射出；以及一電輸出裝置，其輸入該紅外光，並自一電輸出埠輸出電能。
  3. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之太陽能熱光互補系統，其中該電輸出裝置包含至少一光伏電池晶片或至少一熱電晶片。
  4. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之太陽能熱光互補系統，其中該電輸出裝置進一步包含一儲能元件，與該電輸出埠電性相連接。
  5. 一種太陽能熱光互補系統，其包括：一光學模組，其包含至少一分光元件及至少一導光元件，該光學模組將一入射光調變分離為一可見光及一紅外光，並輸出該可見光及該紅外光，其中該分光元件會聚該紅外光及該導光元件將該紅外光導引到至少一輸出端且該分光元件及該導光元件讓該可見光穿透，該分光元件會聚該可見光及該導光元件將該可見光導引到至少一輸出端且該分光元件及該導光元件讓該紅外光穿透，或者該分光元件讓該紅外光及該可見光分別會聚並以不同角度射出；一出光單元，其接收該可見光並輸出一照明光；以及一熱輸出裝置，其輸入該紅外光，並自一熱輸出埠輸出熱能。
  6. 一種太陽能熱光互補系統，其包括：一光學模組，其包含至少一分光元件及至少一導光元件，該光學模組將一入射光調變分離為一可見光及一紅外光，並輸出該可見光及該紅外光，其中該分光元件會聚該紅外光及該導光元件將該紅外光導引到至少一輸出端且該分光元件及該導光元件讓該可見光穿透，該分光元件會聚該可見光及該導光元件將該可見光導引到至少一輸出端且該分光元件及該導光元件讓該紅外光穿透，或者該分光元件讓該紅外光及該可見光分別會聚並以不同角度射出；以及一熱輸出裝置，其輸入該紅外光，並自一熱輸出埠輸出熱能。
  7. 如申請專利範圍第5項或第6項所述之太陽能熱光互補系統，其中該熱輸出裝置包含至少一太陽能集熱板或至少一熱管。
  8. 如申請專利範圍第1項、第2項、第5項或第6項所述之太陽能熱光互補系統，其中該分光元件係為一繞射元件。
  9. 如申請專利範圍第1項、第2項、第5項或第6項所述之太陽能熱光互補系統，其中該導光元件係為至少一微稜鏡導光板。
  10. 如申請專利範圍第1項或第5項所述之太陽能熱光互補系統，其中該出光單元包含至少一光纖模組，該照明光並由該光纖模組進行輸出。
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