TWI704764B

TWI704764B - 集光鏡片、集光模組、太陽能電池裝置以及太陽能電池系統

Info

Publication number: TWI704764B
Application number: TW108116306A
Authority: TW
Inventors: 黃培勛
Original assignee: 黃培勛
Priority date: 2019-05-10
Filing date: 2019-05-10
Publication date: 2020-09-11
Also published as: TW202042492A

Abstract

本發明公開一種集光鏡片、集光模組、太陽能電池裝置以及太陽能電池系統。集光鏡片包括一第一表面、一第二表面以及一從第二表面朝第一表面凹陷的球形面。球形面具有一中心點。中心點位於第一表面以及第二表面之間。集光鏡片的結構設計能有效蒐集低角度光線，提高集光效果。

Description

集光鏡片、集光模組、太陽能電池裝置以及太陽能電池系統

本發明涉及一種鏡片，特別是涉及一種集光鏡片及其模組以及應用其等的太陽能電池裝置及電池系統。

太陽能電池是一種將太陽能轉化為電能的裝置。因太陽能電池本身造價高昂，所以如何將太陽能電池做最大化的利用，已成為本技術領域中的重要議題。

為了要有效地利用太陽能電池並獲得大電力的輸出，現有技術是在太陽能電池上加裝集光透鏡。因集光透鏡能將光線聚焦，提高單位面積中的光通量，如此即可讓太陽能電池輸出較高的電能，有效地提升發電表現。

透過安裝集光透鏡已可增強太陽能電池的發電表現，但如果能夠提高捕獲環境光線的能力，即可更進一步地提高入射光線的數量。也就是說，太陽能電池的表現可再進一步地提高。然而，現有的太陽能電池裝置卻沒有此種設計，故有改善的需要。

本發明所要解決的技術問題在於，針對現有技術的不足提供一種集光鏡片。

為了解決上述的技術問題，本發明所採用的其中一技術方案是，提供一種集光鏡片。所述集光鏡片包括一第一表面、一第二表面以及一從所述第二表面朝所述第一表面凹陷的球形面。所述球形面具有一中心點。所述中心點位於所述第一表面以及所述第二表面之間。

優選地，所述集光鏡片還進一步包括一光軸。所述集光鏡片具有一沿所述光軸的鏡厚。所述第一表面向外凸出並呈弧形，且具有一曲率半徑。

優選地，所述第一表面向外凸出並呈弧形，且具有一曲率半徑。所述球形面具有一曲率半徑，且所述第一表面的曲率半徑的中心點與所述球形面的曲率半徑的中心點相異。

優選地，所述第一表面為一入光面，所述球形面為一出光面。所述第二表面呈平面，且所述球形面與所述第二表面之間的接角呈銳角。

為了解決上述的技術問題，本發明所採用的另外一技術方案是，提供一種集光模組。所述集光模組包括一集光鏡片以及一光整理鏡片組。所述集光鏡片包括一第一表面、一第二表面以及一從所述第二表面朝所述第一表面凹陷的球形面。所述球形面具有一中心點。所述中心點位於所述第一表面以及所述第二表面之間。所述光整理鏡片組配置在所述集光鏡片的所述第二表面的一側。

優選地，所述光整理鏡片組具有正屈光度，且包括至少一正屈光鏡片。所述正屈光鏡片選自雙凸透鏡、平凸透鏡、凹凸透鏡，或菲涅耳透鏡。

優選地，所述光整理鏡片組包括至少一功能鏡片。所述功能鏡片選自集光片或勻光片。

為了解決上述的技術問題，本發明所採用的另外再一技術方案是，提供一種太陽能電池裝置，其包括一集光模組以及一太陽能板。所述集光模組包括一集光鏡片以及一光整理鏡片組。所述集光鏡片包括一第一表面、一第二表面以及一從所述第二表面朝所述第一表面凹陷的球形面。所述球形面具有一中心點。所述中心點位於所述第一表面以及所述第二表面之間。所述光整理鏡片組配置在所述集光鏡片的所述第二表面的一側。所述太陽能板配置在所述集光模組的出光側。

為了解決上述的技術問題，本發明所採用的另外再一技術方案是，提供一種太陽能電池系統，其包括一支撐架以及多個太陽能電池裝置。所述支撐架包括多個承載座。所述太陽能電池裝置分別設置在所述承載座。每一個太陽能電池裝置包括一集光模組以及一太陽能板。所述集光模組包括一集光鏡片以及一光整理鏡片組。所述集光鏡片包括一第一表面、一第二表面以及一從所述第二表面朝所述第一表面凹陷的球形面。所述球形面具有一中心點。所述中心點位於所述第一表面以及所述第二表面之間。所述光整理鏡片組配置在所述集光鏡片的所述第二表面的一側。所述太陽能板配置在所述集光模組的出光側。

優選地，所述支撐架還包括一用來設置在地表的支柱。所述承載座彼此平行地間隔設置在所述支柱。

本發明的其中一有益效果在於，集光鏡片的中心點位在第一表面及第二表面之間，此種結構設計使得集光鏡片能有效夠蒐集低角度光線，提高集光效果。

為使能更進一步瞭解本發明的特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明的詳細說明與圖式，然而所提供的圖式僅用於提供參考與說明，並非用來對本發明加以限制。

以下是通過特定的具體實施例來說明本發明所公開有關“集光鏡片、集光模組、太陽能電池裝置以及太陽能電池系統”的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所公開的內容瞭解本發明的優點與效果。本發明可通過其他不同的具體實施例加以施行或應用，本說明書中的各項細節也可基於不同觀點與應用，在不悖離本發明的構思下進行各種修改與變更。另外，本發明的附圖僅為簡單示意說明，並非依實際尺寸的描繪，事先聲明。以下的實施方式將進一步詳細說明本發明的相關技術內容，但所公開的內容並非用以限制本發明的保護範圍。

應當可以理解的是，雖然本文中可能會使用到 “第一”、“第二”、“第三”等術語來描述各種元件或者信號，但這些元件或者信號不應受這些術語的限制。這些術語主要是用以區分一元件與另一元件，或者一信號與另一信號。另外，本文中所使用的術語“或”，應視實際情況可能包括相關聯的列出項目中的任一個或者多個的組合。

本發明實施例提供一種集光鏡片1，請參閱圖1所示，集光鏡片1包括一光軸A、一第一表面11、一第二表面12以及一球形面13（亦可為弧形面，例如橢圓形面）。

第一表面11可用來作為入光面，第一表面11向外凸出呈弧形且具有一曲率半徑R1。第二表面12沿著光軸A的方向與第一表面11相間隔，第二表面12可以是向外凸出的弧形、向內凹陷的弧形或呈平面。在本實施例中，第二表面12是呈現平面。球形面13與第二表面12連接，且可作為出光面。球形面13是由第二表面12朝向第一表面11的方向凹陷形成。球形面13具有一曲率半徑R2以及一中心點F，中心點F位於光軸A上。中心點F位於第一表面11以及第二表面12之間，因此球形面13與第二表面12之間的接角θ呈銳角。

球形面13與第二表面12之間的接角θ呈銳角的結構設計，能夠有效蒐集環境中的低角度光線L1、L2，提高光線的利用率。此處所指的低角度光線是指：入射角度Φ1、Φ2與第二表面12之延伸面S之間夾負角的入射光線。當低角度光線L1、L2由第一表面11入射集光鏡片1後，會由球形面13偏折射出。因球形面13與第二表面12間的接角θ為銳角，低角度光線L1、L2會往球形面13鄰近第二表面12的側邊處偏折投射，達到彙整光線的效果。

本實施例的集光鏡片1的類別屬於凸凹透鏡，呈凹陷狀的球形面13的曲率大於第一表面11的曲率（即曲率半徑R2小於曲率半徑R1），使集光鏡片1具有集光的效果。

進一步來說，第一表面11的曲率半徑R1與球形面13的曲率半徑R2之間有一比值R1/R2，R1/R2介於4至8。較佳地，R1/R2介於5至7，更佳地是介於6至6.5。在本實施例中，R1/R2是以6.2為例子進行說明。並且，過半徑的球形面13大於半圓弧（即1/2圓的外圓周）。集光鏡片1沿光軸A的方向具有一鏡厚D，且滿足比值R1/D介於3至3.5，在本實施例中，R1/D是以3.16為例子進行說明。

於本實施例中，集光鏡片1的折射率介於1.40至2.00，可以依據所需的折射率而進行選用材質，如：玻璃或光學塑膠。玻璃的折射率多介於1.50至2.00較佳是採用摻雜或未摻雜的冕牌玻璃、摻雜或未摻雜的燧石玻璃，或光學玻璃。光學塑膠的折射率多介於1.40至1.60，可選自但不限於環烯烴聚合物（cyclic olefin polymer）、環烯烴共聚物（cyclic olefin copolymer）、聚碸（polysulfone）、聚醯胺（polyamide）、聚苯乙烯（polystyrene）、聚甲基丙烯酸甲酯（poly（methyl methacrylate））、環氧樹脂（epoxy）、聚丙烯酸酯（polyacrylate）、聚碳酸酯（polycarbonate）、矽膠，或其等的混合。所採用的光學塑膠商用品列舉但不限於PANLITE®、Udel®P-1700、PEI-1010、OKP4、OKP4HT、OKP-1、TOPAS®8007、TOPAS®6013、TOPAS®6015、TOPAS®5013、TOPAS®6017、ZEONEX®480R、ZEONEX®E48R、ZEONEX®F52R、ZEONEX®330R、APELTM5014DP、APELTM5014CL、APELTM5014AL，及APELTM5014GH。

本發明實施例提供一種集光模組M，請參閱圖2所示，集光模組M包括一集光鏡片1和一光整理鏡片組2。

本實施例中的集光鏡片1與前述集光鏡片1相似。光整理鏡片組2配置在集光鏡片1鄰近於第二表面12的一側，用來接收並彙整穿射出球形面13的光線，並可進一步將彙整後的光線投射出去。因此，集光模組M中光整理鏡片組2所在的一側，為集光模組M的出光側。

另外，光整理鏡片組2可選擇性以聚焦或發散的方式將光線投射出去。也就是說，光整理鏡片組2的屈光度（diopter）可正可負，並可依需求混用各種凸透鏡和/或凹透鏡，以達到理想的屈光度。於本實施例中，光整理鏡片組2具有正屈光度，且包括至少一正屈光鏡片21。正屈光鏡片21選自但不限於雙凸透鏡、平凸透鏡、凹凸透鏡，或菲涅耳透鏡。

由於集光鏡片1能夠有效蒐集環境中的低角度光線L1、L2（如圖1所示），可提高光線的利用率。故本發明的集光模組M同樣具有高光線利用率的優點，並可通過光整理鏡片組2將蒐集到的光線彙整聚焦或發散出去。

本發明提供一種太陽能電池裝置C，請參閱圖3所示。太陽能電池裝置C包括一集光模組M、一太陽能板3和一鏡座4。即太陽能電池裝置C包括一集光鏡片1、一光整理鏡片組2、一太陽能板3和一鏡座4。

本實施例中的集光鏡片1與前述集光鏡片1相似。光整理鏡片組2配置在集光鏡片1鄰近於第二表面12的一側。本實施例中的光整理鏡片組2具有正屈光度，且包括至少一正屈光鏡片21以及至少一功能鏡片22。功能鏡片22選自集光片（condenser）或勻光片（diffuser）。值得一提的是，功能鏡片22是一種選配的元件，製造者可自行選擇安裝與否，並未有限制。

太陽能板3配置在集光模組M的出光側，可用來將光整理鏡片組2輸出的光能轉換為電能儲存。太陽能板3能採用單一個太陽能電池，亦可以採用多個太陽能電池並相互組配，且沒有一定的限制。此外，太陽能電池能夠採用任何現有的類型，可例舉但不限於：矽太陽能電池（silicon solar cell）、化合物半導體太陽能電池（compound semiconductor solar cell）、染料敏化太陽能電池（dye-sensitized solar cell），及高分子太陽能電池（polymer solar cell）。

鏡座4可用以固定集光鏡片1、光整理鏡片組2和太陽能板3的相對位置，光整理鏡片組2位於集光鏡片1和太陽能板3之間。於本實施例中，光軸A貫穿鏡座4的部分為可透光體，供光線通過以蒐集。集光鏡片1、光整理鏡片組2和太陽能板3沿著光軸A排列，藉此降低光能的損失。鏡座4包括相連接的一第一容置部41及一第二容置部42。第一容置部41用來承載集光模組M（即集光鏡片1和光整理鏡片組2）。第二容置部42供太陽能板3設置。鏡座4的設計上並沒有一定，亦可以採用可調式鏡座，以控制集光模組M與太陽能板3之間的距離，又或者控制集光鏡片1和光整理鏡片組2之間的距離。

如此一來，環境中的光線即可被集光模組M蒐集，並傳送到太陽能板3。由於本發明集光鏡片1能夠有效蒐集低角度光線L1、L2（如圖1所示），因此集光效率更為提升。因此，本發明的太陽能電池裝置C可具有較高的發電效率。

請參閱圖4所示，圖4示出本發明太陽能電池裝置C實行時的功能方塊圖。舉例來說，太陽能電池裝置C進一步還可包括一電池組5，其電性連接太陽能板3。因此，太陽能電池裝置C可通過集光模組M蒐集並彙整大量的光線，並可將蒐集的光線投射至太陽能板3，使太陽能板3將光能轉換為電能；並且，太陽能板3電性連接第一電子裝置E1，能直接供給電能給第一電子裝置E1使用。進一步地，太陽能板3也能將電能直接供給至電池組5進行儲存；並且，當需要時，電池組5可將電能提供給第二電子裝置E2使用。

本發明提供一種太陽能電池系統N，請參閱圖5所示。太陽能電池系統包括多個太陽能電池裝置C，並可與一支撐架6相結合。支撐架6包括一用來設置在地表的支柱61以及多個承載座62。支柱61斜設於地表上，可讓太陽能電池裝置C朝向特定方向擺放，以吸收其等朝向的範圍中的光線。多個承載座62由上至下彼此間隔地設置在支柱61上。多個太陽能電池裝置C分別設置在多個承載座62。

於本實施例中，太陽能電池裝置C和承載座62都設置於支柱61的同一側，然而，本發明並不限於上述。於其他實施例中，太陽能電池裝置C和承載座62可設置於支柱61的兩側，以增加可接收光線的面積。另外，當支柱61的兩側都設置有太陽能電池裝置C時，支柱61直立於地表上以維持平衡。

於本實施例中，多個承載座62彼此相互平行，且愈靠近地表的承載座62越向外延伸，可避免太陽能電池裝置C被上方的承載座62所遮擋。於其他實施例中，多個承載座62不一定相互平行，可依方便接收光線的角度進行調整。另外，一個承載座62上太陽能電池裝置C的設置數量不以一個為限。

因太陽能電池裝置C中的集光鏡片1能夠良好的蒐集低角度光線L1、L2（如圖1所示），所以就算多個承載座62彼此不平行，仍然有良好的集光效果。故太陽能電池系統N同樣有良好的發電效果。

通過以上說明，可再將本實施例的優點歸納如下：

一、因集光鏡片1的中心點F位在第一表面11及第二表面12之間，此種結構設計使得集光鏡片1能夠有效蒐集低角度光線L1、L2，提高集光效果。

二、從集光鏡片1射出的光線，能透過光整理鏡片組2進一步集中彙整，以照射到太陽能板3。此外，還能進一步透過其內的集光片或勻光片，使光線集中或均勻地照射在太陽能板3上，提高光使用效率。

三、因集光鏡片1具備良好的集光效果，可提高照射到太陽能板3的光線量，使太陽能電池裝置C的發電能力更為提升。

四、因太陽能電池裝置C能夠有效蒐集並利用環境中的光線，因此就算平行配置在支撐架6上，仍有良好的光電轉換效率。

以上所公開的內容僅為本發明的優選可行實施例，並非因此侷限本發明的申請專利範圍，所以凡是運用本發明說明書及圖式內容所做的等效技術變化，均包含於本發明的申請專利範圍內。

1:集光鏡片 11:第一表面 12:第二表面 13:球形面 2:光整理鏡片組 21:正屈光鏡片 22:功能鏡片 3:太陽能板 4:鏡座 41:第一容置部 42:第二容置部 5:電池組 6:支撐架 61:支柱 62:承載座 A:光軸 C:太陽能電池裝置 D:鏡厚 E1:第一電子裝置 E2:第二電子裝置 F:中心點 L1、L2:低角度光線 M:集光模組 N:太陽能電池系統 R1、R2:曲率半徑 S:延伸面 θ:接角 Φ1、Φ2:入射角度

圖1為本發明集光鏡片的側視示意圖。

圖2為本發明集光模組的側視示意圖。

圖3為本發明太陽能電池裝置的側視剖面示意圖。

圖4為本發明太陽能電池裝置的功能方塊圖。

圖5為本發明太陽能電池系統的側視示意圖。

1:集光鏡片

11:第一表面

12:第二表面

13:球形面

A:光軸

D:鏡厚

F:中心點

L1、L2:低角度光線

R1、R2:曲率半徑

S:延伸面

θ:接角

Φ1、Φ2:入射角度

Claims

一種集光鏡片，其包括：一第一表面；一第二表面；以及一球形面，所述球形面具有一中心點；其中，所述球形面從所述第二表面朝所述第一表面凹陷，且所述球形面的所述中心點位於所述第一表面與所述第二表面之間；其中，所述第一表面為一入光面，所述球形面為一出光面；其中，所述第二表面呈平面，且所述球形面與所述第二表面之間的接角呈銳角。
如請求項1所述的集光鏡片，還進一步包括：一光軸，所述集光鏡片具有一沿所述光軸的鏡厚，所述第一表面具有一曲率半徑。
如請求項1所述的集光鏡片，其中，所述第一表面具有一曲率半徑，所述球形面具有一曲率半徑，且所述第一表面的曲率半徑的中心點與所述球形面的曲率半徑的中心點相異。
一種集光模組，其包括：一集光鏡片，其包括一第一表面、一第二表面以及一從所述第二表面朝所述第一表面凹陷的球形面，所述球形面具有一中心點，所述中心點位於所述第一表面以及所述第二表面之間；以及一光整理鏡片組，其配置在所述集光鏡片的所述第二表面的一側；其中，所述第一表面為一入光面，所述球形面為一出光面；其中，所述第二表面呈平面，且所述球形面與所述第二表面之間的接角呈銳角。
如請求項4所述的集光模組，其中，所述光整理鏡片組具有正屈光度，且包括至少一正屈光鏡片，所述正屈光鏡片選自雙凸透鏡、平凸透鏡、凹凸透鏡，或菲涅耳透鏡。
如請求項4所述的集光模組，其中，所述光整理鏡片組包括至少一功能鏡片，所述功能鏡片選自集光片或勻光片。
一種太陽能電池裝置，其包括：一集光模組，其包括一集光鏡片以及一光整理鏡片組，所述集光鏡片包括一第一表面、一第二表面以及一從所述第二表面朝所述第一表面凹陷的球形面，所述球形面具有一中心點，所述中心點位於所述第一表面以及所述第二表面之間，所述光整理鏡片組配置在所述集光鏡片的所述第二表面的一側；以及一太陽能板，配置在所述集光模組的出光側；其中，所述第一表面為一入光面，所述球形面為一出光面；其中，所述第二表面呈平面，且所述球形面與所述第二表面之間的接角呈銳角。
一種太陽能電池系統，其包括：一支撐架，其包括多個承載座；以及多個太陽能電池裝置，分別設置在所述承載座，每一個所述太陽能電池裝置包括一集光模組以及一太陽能板；其中，所述集光模組包括一集光鏡片以及一光整理鏡片組，所述集光鏡片包括一第一表面、一第二表面以及一從所述第二表面朝所述第一表面凹陷的球形面，所述球形面具有一中心點，所述中心點位於所述第一表面以及所述第二表面之間，所述光整理鏡片組配置在所述集光鏡片的所述第二表面的一側，所述太陽能板配置在所述集光模組的出光側；其中，所述第一表面為一入光面，所述球形面為一出光面；其中，所述第二表面呈平面，且所述球形面與所述第二表面之間的接角呈銳角。
如請求項8所述的太陽能電池系統，其中，所述支撐架還包括一支柱，所述承載座彼此平行地間隔設置在所述支柱。