TWI690147B - 兼具分光發電及農作物需求之集光裝置與方法 - Google Patents

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Abstract

本發明揭露一種兼具分光發電及農作物需求之集光裝置。集光裝置包括一架體、一分光單元、以及一太陽能板單元。分光單元設置於架體上，並將太陽光線中的紅外光波段反射，且讓太陽光線中的可見光波段穿透過，其中紅外光波段範圍介於700至2500奈米之間，可見光波段範圍介於400至700奈米之間。太陽能板單元設置於分光單元背向架體的一側，並與分光單元對應設置，紅外光波段光線照射在太陽能板單元，且穿過分光單元的可見光波段光線照射在農作物上。

Description

兼具分光發電及農作物需求之集光裝置與方法
本發明係關於一種集光裝置與方法，特別關於一種兼具分光發電及農作生長需求之集光裝置與方法。
太陽能發電系統是未來能源的趨勢，主要功能是將源源不絕之太陽光能轉換成電能。然而，台灣的面積狹小，很難有完整大面積鋪設太陽能板的空間，因此，利用農地來鋪設大面積的太陽能板，便成為解決空間不足的方式之一。但是，利用農地空間來鋪設太陽能板，卻犧牲農作物的生產效率，過多的太陽光遮蔽，甚至會造成農業生產停擺。
有鑑於上述，本發明之目的為提供一種可兼具太陽能發電與農作物生長需求的集光裝置與集光方法。
本發明提出一種兼具分光發電及農作物需求之集光裝置。集光裝置包括一架體、一分光單元、以及一太陽能板單元。分光單元設置於架體上，並將太陽光線中的紅外光波段反射，且讓太陽光線中的可見光波段穿透過，其中紅外光波段範圍介於700至2500奈米之間，可見光波段範圍介於400至700奈米之間。太陽能板單元設置於分光單元背向架體的一側，並與分光單元對應設置，紅外光波段光線照射在太陽能板單元，且穿過分光單元的可見光波段光線照射在農作物上。
本發明更提出一種兼具分光發電及農作物需求之集光方法，其應用一集光裝置以收集太陽能全光譜，集光裝置包含一架體、一分光單元及一太陽能板單元，分光單元設置於架體上，太陽能板單元設置於分光單元背向架體的一側，該方法包括：透過分光單元將太陽光線中的紅外光波段反射，且讓太陽光線中的可見光波段穿透過，其中紅外光波段範圍介於700至2500奈米之間，可見光波段範圍介於400至700奈米之間；以及使紅外光波段光線照射在太陽能板單元，並使可見光波段光線照射在農作物上。
在一實施例中，分光單元具有拋物面外形，且包含縱向延伸之拋物面分光鏡。
在一實施例中，分光單元具有一分光鏡，太陽能板單元具有一太陽能板，分光鏡的曲率半徑與太陽能板的高度比值介於0.5與1.5之間。
在一實施例中，太陽能板單元與農作物位於分光單元的相反兩側。
在一實施例中，太陽能板單元具有一太陽能板，太陽能板設置於分光單元的一側。
在一實施例中，太陽能板單元具有多個太陽能板，該些太陽能板分別設置於分光單元的兩側。
在一實施例中，集光裝置更包括一支持結構，其設置於架體上，且太陽能板單元設置於支持結構上。
承上所述，在本發明之一種兼具分光發電及農作物生長需求的集光裝置與方法中，是透過分光單元收集太陽全光譜進行分光，以將紅外光波段的光線（波長範圍介於700至2500奈米之間）反射聚焦在太陽能單元上，藉此進行高效率的光電轉換；另外，同時穿過分光單元之可見光波段的光線（波長範圍介於400至700奈米之間）可提供給農作物的生長所需，以同時解決太陽能發電及農作物生長需求等問題。
以下將參照相關圖式，說明依本發明較佳實施例之兼具分光發電及農作物需求之集光裝置與方法，其中相同的元件將以相同的參照符號加以說明。
請參照圖1所示，其為本發明較佳實施例之一種兼具分光發電及農作物需求之集光裝置的示意圖。
集光裝置1可用以收集太陽能全光譜，以同時進行太陽能光電轉換與供應農作物的生長所需。本實施例之集光裝置1包括一架體11、至少一分光單元12以及至少一太陽能板單元13。
分光單元12設置於架體11上，分光單元12可收集太陽能全光譜，以充分應用太陽光的能量。於此，分光單元12可直接設置在架體11上；或是藉由其他支撐構件而間接設置在架體11，並不限制。分光單元12可將太陽光線中的紅外光波段的光線（圖1中標示為L1）反射，且讓太陽光線中的可見光波段光線（圖1中標示為L2）穿透過。其中，紅外光波段範圍可介於700至2500奈米之間，而可見光波段範圍可介於400至700奈米之間。本實施例是以多個分光單元12並排設置於架體11上，並面向太陽的方向為例。而農作物14可種植在分光單元12背向太陽的一側，即種植在分光單元12下方之處（例如土地），以接受可見光波段光線L2的照射。
分光單元12包含至少一個分光鏡121。在一些實施例中，分光鏡121可為球面或非球面。在一些實施例中，分光單元12可具有拋物面外形，並包含縱向延伸的分光鏡121。在一些實施例中，可一個分光鏡121組合成一個分光單元12，或多個分光鏡121組合成一個分光單元12，並不限定。於此，分光鏡121是一種具有特殊鍍膜的彎曲玻璃，其係使用不同介電材質在彎曲玻璃上鍍膜，藉此達到可見光波段光線L2穿透及紅外光波段光線L1反射之目的。在實際應用上，藉由特殊鍍膜的分光單元12（分光鏡121）同時讓可見光波段穿透及紅外光波段反射的特性，可收集太陽能全光譜，以將不同波段的光線分別提供給太陽能板單元13與農作物14生長使用。
太陽能板單元13設置於分光單元12背向架體11的一側。於此，太陽能板單元13可直接或間接設置於分光單元12上，或是直接或間接設置於架體11上，並不限制。本實施例之太陽能板單元13設置於分光單元12之上，並與分光單元12對應設置，而分光單元12反射之紅外光波段的光線L1可照射在太陽能板單元13上，藉以進行光電轉換而產生電能。本實施例之集光裝置1是以具有多個太陽能板單元13，各太陽能板單元13分別與各分光單元12對應設置為例。太陽能板單元13可分別具有至少一個太陽能板131，以接收分光單元12（分光鏡121）反射之紅外光波段的光線L1。在一些實施例中，太陽能板單元13（太陽能板131）可利用支撐構件支撐其結構（圖1未繪示），或設置於架體11或分光單元12上，本發明不限制。在一些實施例中，可以一個或多個太陽能板131組合成一個太陽能板單元13。本實施例是以三個縱向延伸之太陽能板131組合成一個太陽能板單元13為例。其中，太陽能板131與分光鏡121的延伸方向相同，且兩個太陽能板131面向分光鏡121的反射光方向，用以接收分光鏡121反射之紅外光波段的光線L1，而另一個太陽能板131正對太陽的方向，以直接接受太陽光的照射。在一些實施例中，接收光線L1之太陽能板131可位於分光鏡121的拋物面焦點上，使得反射之紅外光波段光線L1可聚焦在太陽能板131，藉此提高光電轉換效率。在一些實施例中，分光鏡121的曲率半徑與太陽能板131的高度比值可介於0.5與1.5之間。舉例來說，由側面來看，假如太陽能板131的豎直高度為1000毫米(mm)，則分光鏡121的曲率半徑介於500mm與1500mm之間時，可具有最高的收光效率（與發電效率）。
農作物14位於分光單元12之下，且農作物14與太陽能板單元13分別位於分光單元12的相反側，藉此接收穿過分光單元12的可見光波段的光線L2，以進行光合作用。於此，農作物14並不限定其品種、種類、數量，其為人類可食用作物（例如糧食作物、經濟作物），或是人類不可食用的作物（例如工業原料作物、飼料作物），只要照射太陽光時可行光合作物的作物皆可。
因此，在本實施例之一種兼具分光發電及農作物生長需求的集光裝置1中，是透過特殊鍍膜之分光單元12收集太陽全光譜進行分光，以將紅外光波段的光線L1（波長範圍介於700至2500奈米之間）反射聚焦在太陽能單元13上，藉此進行高效率的光電轉換；而，穿過分光單元12之可見光波段的光線L2（波長範圍介於400至700奈米之間）可提供給農作物14的生長所需，以同時解決太陽能發電及農作物生長需求等問題。
圖2至圖3分別為本發明較佳實施例之一種兼具分光發電及農作物需求之集光裝置的另一示意圖。
如圖2所示，本實施例的集光裝置1a與前述實施例的集光裝置1其元件組成及各元件的連接關係大致相同。不同之處在於，在本實施例的集光裝置1a中，太陽能板單元13雖然一樣位於分光單元12之上，但是，本實施例之分光單元12（分光鏡121）為傾斜設置，而且只有分光單元12（分光鏡121）的一側設置有太陽能板131，分光單元12（分光鏡121）的另一側並沒有設置太陽能板131。此外，有一部分的太陽光並沒有照射到分光單元12，而是通過分光鏡121的側邊且直接照射在農作物14上。
另外，如圖3所示，本實施例的集光裝置1b與前述實施例的集光裝置1其元件組成及各元件的連接關係大致相同。不同之處在於，在本實施例的集光裝置1b中，每個分光單元12（分光鏡121）的兩側分別設置有太陽能板131，使得曲面狀的分光鏡121所反射的光線L1可照射在兩側的太陽能板131板上。
圖4A至圖6B分別為本發明較佳實施例之一種兼具分光發電及農作物需求之集光裝置的又一示意圖。於此，圖4A、圖5A與圖6A顯示的是側視示意圖，而圖4B、圖5B與圖6B分別顯示圖4A、圖5A與圖6A是立體示意圖。另外，圖4A至圖6B未繪示農作物14。
如圖4A與圖4B所示，本實施例的集光裝置1c與前述實施例的集光裝置1其元件組成及各元件的連接關係大致相同。不同之處在於，本實施例的集光裝置1c更可包括一支持結構15，支持結構15設置於架體11上，且太陽能板單元13係藉由支持結構15設置於架體11上。於此，太陽能板單元13是藉由支持結構15設置於分光單元12之上，且是位於分光單元12（分光鏡121）的拋物面焦點上，使得分光鏡121反射之紅外光波段光線L1可聚焦在太陽能板131，藉此提高光電轉換效率。另外，本實施例之分光單元12是藉由支撐件16設置在架體11上。
如圖5A與圖5B所示，本實施例的集光裝置1d與前述實施例的集光裝置1c其元件組成及各元件的連接關係大致相同。不同之處在於，本實施例的集光裝置1d沒有支持結構15，而太陽能板131豎直地設置於分光單元12（分光鏡121）上，並且是位於分光單元12（分光鏡121）較低的一側。
另外，如圖6A與圖6B所示，本實施例的集光裝置1e與前述實施例的集光裝置1d其元件組成及各元件的連接關係大致相同。不同之處在於，本實施例之集光裝置1e的兩個太陽能板131設置於分光單元12（分光鏡121）的兩側。
此外，集光裝置1a～1e的其他技術內容可參照集光裝置1的相同元件，在此不再贅述。
本發明更提出一種兼具分光發電及農作物需求之集光方法，其應用於前述的集光裝置1、1a～1e的其中之一，該集光方法可包括：透過分光單元12將太陽光線中的紅外光波段反射，且讓太陽光線中的可見光波段穿透過，其中紅外光波段範圍介於700至2500奈米之間，可見光波段範圍介於400至700奈米之間；以及，使紅外光波段光線L1照射在太陽能板單元13，及使可見光波段光線L2照射在農作物14上，藉此同時進行太陽能光電轉換與供應農作物14的生長所需光線。此外，本發明集光方法的其他技術內容可已上述中詳述，在此不再多作說明。
承上，前述實施例所揭露的是一種穿透反射型的集光裝置，其可同時解決太陽能板發電及農作物生長需求等問題，並且具有以下的特點：1、可解決太陽能板遮蔽光線過多，犧牲農業生產效率，或是種類受限於低光照作物的問題。2、可解決太陽能板照光過少，發電效率過低的問題。3、本案的集光裝置可模組化，並可加以串聯以架設成光電農棚，藉此調控農棚溫度以控制農作物生長。4、本案的集光裝置可形成同時兼具發電功能及農作物栽培之溫室，滿足未來能源自給自足之目的，極具市場與綠能產業的應用潛力。
綜上所述，在本發明之一種兼具分光發電及農作物生長需求的集光裝置與方法中，是透過分光單元收集太陽全光譜進行分光，以將紅外光波段的光線（波長範圍介於700至2500奈米之間）反射聚焦在太陽能單元上，藉此進行高效率的光電轉換；另外，同時穿過分光單元之可見光波段的光線（波長範圍介於400至700奈米之間）可提供給農作物的生長所需，以同時解決太陽能發電及農作物生長需求等問題。
以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。
1、1a~1e:集光裝置
11:架體
12:分光單元
121:分光鏡
13:太陽能板單元
131:太陽能板
14:農作物
15:支持結構
16:支撐件
L1、L2:光線
圖1為本發明較佳實施例之一種兼具分光發電及農作物需求之集光裝置的示意圖。 圖2至圖3分別為本發明較佳實施例之一種兼具分光發電及農作物需求之集光裝置的另一示意圖。 圖4A至圖6B分別為本發明較佳實施例之一種兼具分光發電及農作物需求之集光裝置的又一示意圖。
1:集光裝置
11:架體
12:分光單元
121:分光鏡
13:太陽能板單元
131:太陽能板
14:農作物
L1、L2:光線

Claims (8)

  1. 一種兼具分光發電及農作物需求之集光裝置，用以收集太陽能全光譜，該集光裝置包括：一架體；一分光單元，設置於該架體上，該分光單元將太陽光線中的紅外光波段反射，且讓太陽光線中的可見光波段穿透過，其中該紅外光波段範圍介於700至2500奈米之間，該可見光波段範圍介於400至700奈米之間；以及一太陽能板單元，設置於該分光單元背向該架體的一側，並與該分光單元對應設置；其中，該紅外光波段光線照射在該太陽能板單元；穿過該分光單元的該可見光波段光線照射在農作物上；其中該分光單元具有拋物面外形，且包含縱向延伸之拋物面分光鏡。
  2. 一種兼具分光發電及農作物需求之集光裝置，用以收集太陽能全光譜，該集光裝置包括：一架體；一分光單元，設置於該架體上，該分光單元將太陽光線中的紅外光波段反射，且讓太陽光線中的可見光波段穿透過，其中該紅外光波段範圍介於700至2500奈米之間，該可見光波段範圍介於400至700奈米之間；以及一太陽能板單元，設置於該分光單元背向該架體的一側，並與該分光單元對應設置；其中，該紅外光波段光線照射在該太陽能板單元；穿過該分光單元的該可見光波段光線照射在農作物上；其中該分光單元具有一分光鏡，該太陽能板單元具有一太陽能板，該分光鏡的曲率半徑與該太陽能板的高度比值介於0.5與1.5之間。
  3. 一種兼具分光發電及農作物需求之集光裝置，用以收集太陽能全光譜，該集光裝置包括：一架體； 一分光單元，設置於該架體上，該分光單元將太陽光線中的紅外光波段反射，且讓太陽光線中的可見光波段穿透過，其中該紅外光波段範圍介於700至2500奈米之間，該可見光波段範圍介於400至700奈米之間；以及一太陽能板單元，設置於該分光單元背向該架體的一側，並與該分光單元對應設置；其中，該紅外光波段光線照射在該太陽能板單元；穿過該分光單元的該可見光波段光線照射在農作物上；其中該太陽能板單元與該農作物位於該分光單元的相反兩側。
  4. 一種兼具分光發電及農作物需求之集光裝置，用以收集太陽能全光譜，該集光裝置包括：一架體；一分光單元，設置於該架體上，該分光單元將太陽光線中的紅外光波段反射，且讓太陽光線中的可見光波段穿透過，其中該紅外光波段範圍介於700至2500奈米之間，該可見光波段範圍介於400至700奈米之間；以及一太陽能板單元，設置於該分光單元背向該架體的一側，並與該分光單元對應設置；其中，該紅外光波段光線照射在該太陽能板單元；穿過該分光單元的該可見光波段光線照射在農作物上；其中該太陽能板單元具有一太陽能板，該太陽能板設置於該分光單元的一側。
  5. 一種兼具分光發電及農作物需求之集光裝置，用以收集太陽能全光譜，該集光裝置包括：一架體；一分光單元，設置於該架體上，該分光單元將太陽光線中的紅外光波段反射，且讓太陽光線中的可見光波段穿透過，其中該紅外光波段範圍介於700至2500奈米之間，該可見光波段範圍介於400至700奈米之間；以及一太陽能板單元，設置於該分光單元背向該架體的一側，並與該分光單元對應設置； 其中，該紅外光波段光線照射在該太陽能板單元；穿過該分光單元的該可見光波段光線照射在農作物上；其中該太陽能板單元具有多個太陽能板，該些太陽能板分別設置於該分光單元的兩側。
  6. 一種兼具分光發電及農作物需求之集光裝置，用以收集太陽能全光譜，該集光裝置包括：一架體；一分光單元，設置於該架體上，該分光單元將太陽光線中的紅外光波段反射，且讓太陽光線中的可見光波段穿透過，其中該紅外光波段範圍介於700至2500奈米之間，該可見光波段範圍介於400至700奈米之間；一太陽能板單元，設置於該分光單元背向該架體的一側，並與該分光單元對應設置；以及一支持結構，設置於該架體上，且該太陽能板單元設置於該支持結構上；其中，該紅外光波段光線照射在該太陽能板單元；穿過該分光單元的該可見光波段光線照射在農作物上。
  7. 一種兼具分光發電及農作物需求之集光方法，應用一集光裝置以收集太陽能全光譜，該集光裝置包含一架體、一分光單元及一太陽能板單元，該分光單元設置於該架體上，該太陽能板單元設置於該分光單元背向該架體的一側，該方法包括：透過該分光單元將太陽光線中的紅外光波段反射，且讓太陽光線中的可見光波段穿透過，其中該紅外光波段範圍介於700至2500奈米之間，該可見光波段範圍介於400至700奈米之間；以及使該紅外光波段光線照射在該太陽能板單元，及使該可見光波段光線照射在農作物上；其中該分光單元具有一分光鏡，該太陽能板單元具有一太陽能板，該分光鏡的曲率半徑與該太陽能板的高度比值介於0.5與1.5之間。
  8. 一種兼具分光發電及農作物需求之集光方法，應用一集光裝置以收集太陽能全光譜，該集光裝置包含一架體、一分光單元及一太陽能板單元，該分 光單元設置於該架體上，該太陽能板單元設置於該分光單元背向該架體的一側，該方法包括：透過該分光單元將太陽光線中的紅外光波段反射，且讓太陽光線中的可見光波段穿透過，其中該紅外光波段範圍介於700至2500奈米之間，該可見光波段範圍介於400至700奈米之間；以及使該紅外光波段光線照射在該太陽能板單元，及使該可見光波段光線照射在農作物上；其中該太陽能板單元具有至少一太陽能板，該太陽能板設置於該分光單元的一側或兩側。
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