TWI797774B - 太陽能集熱裝置 - Google Patents

Abstract

一種太陽能集熱裝置，係包含一本體，該本體為一幾何形體，且該本體的內部為中空狀，該本體具有複數個開孔供一光線進入該本體內，該等複數個開孔繞著Y軸呈間隔排列設置，且各該複數個開孔沿著Z軸分布而分別位於不同的高度位置，如此一來，便能夠減少光線外露以及將大部分熱能分散吸收於本體內，光線會經由一光路機構聚光及反射後進入該本體內部，當光線進入集熱裝置的本體內部後，會在本體內部不斷反射直到被吸收為止，藉此讓光線的利用率達最大化。

Description

太陽能集熱裝置

本發明係與聚光太陽能集熱裝置有關，特別是一種能夠使陽光利用率提高的太陽能集熱裝置。

聚光太陽能發電的發展已有數十年，但是始終沒有被普遍使用，原因之一就是太陽光的集收與轉換的利用率並不高，陽光的收集除反射鏡至接收器之間的散射散失之外，還有接收器接收光能於轉換中或飽和時的反射都造成光能的損失，且暴露於大氣的接收器也會有相當高的對流熱損，而開放的集光路徑也會產生高溫光害傷及鳥類與環境，所以難以被市場接受。

基於上述缺失，本發明目的在於提供一種集熱裝置，特別是能夠使陽光利用率提高的太陽能集熱裝置。

基於上述目的，本發明提供一種太陽能集熱裝置，係包含一本體，該本體為一幾何形體，且該本體的內部為中空狀，該本體具有至少一開孔用以供一光線進入該本體內、一傳熱槽設置於該本體上以及一傳熱裝置設置於該傳熱槽。

其中，還具有一熱電晶片模組設置於該傳熱槽與該傳熱裝置之間，該傳熱槽內部填充有一導熱介質，以確保能高溫傳導及增加傳熱接觸面積。

其中，該本體具有複數個開孔，等複數個開孔繞著一Y軸呈間隔排列設置，且各該複數個開孔沿著一Z軸分布而分別位於不同的高度位置，並具有複數個隔熱襯套設置於該複數個開孔。

其中，該光線經由一光路機構聚光及反射後進入該本體內部，該本體及該光路機構設置於一真空箱體內，且該本體與該光路機構間隔設置。

較佳的，該光路機構為一導光鏡組，包含至少一聚光透鏡、至少一反射鏡及/或至少一聚焦透鏡及/或至少一焦距轉換透鏡。

較佳的，該光路機構為一導光管組，該導光管組由複數個導光管組成，每一該導光管的一端設置該本體的該複數個開孔，另一端與一聚光透鏡間隔一距離。

較佳的，該本體的內表面呈球狀或六角狀或對稱的幾何形狀。

較佳的，具有至少一吸光層設置於該本體的內表面，及至少一隔熱層設置於該本體的外表面。

較佳的，該至少一吸光層的材料係選自石墨、碳化鎢、奈米碳管或奈米材料所組成之群組的其中一種或多種的任意組合。

較佳的，該至少一隔熱層的材料係選自氧化鋯、矽藻土、陶瓷棉、多孔性混合物或奈米材料所組成之群組的其中一種或多種的任意組合。

較佳的，該本體的材料係選自鉿-碳-氮化物、石墨、碳化鎢、碳化矽、氮化鋁、碳化物複合材料、合金鋼所組成之群組的其中一種或多種的任意組合。

為了清楚說明本發明之具體實施方式、構造及所達成之效果，配合圖式說明如下：

請參閱圖1至圖3，繪示一種太陽能集熱裝置，係包含一本體20，該本體20為一幾何形體，且該本體20的內部為中空狀，該本體20具有至少一開孔供一光線進入該本體20內，於本實施態樣中，該本體20為一中空球狀，即該本體的內表面呈球狀，於其他實施例中，該本體20可以是但不限於六角狀的中空腔體(請參閱圖3)或是其他對稱的幾何形狀，即該本體的內表面呈六角狀或其他對稱的幾何形狀。

請參閱圖1，該本體20具有複數個開孔，該等複數個開孔環繞著Y軸呈間隔排列設置，且各該複數個開孔沿著Z軸分布而分別位於不同的高度位置，即沿著該本體20外表面將該複數個開孔連線呈螺旋狀，如此一來，便能夠減少光線外露以及將大部分熱能分散吸收於本體20內，於本發明實施例中，將一光路機構及該本體20間隔設置於一真空箱體(圖未示)內，該光線L會經由一光路機構聚光及反射後進入該本體20內部，藉此減少光線L散失，請參閱圖2及圖3為光線於該本體20內的光線路徑圖，當光線L進入集熱裝置的本體20內部後，會在本體20內部不斷反射直到被吸收為止，藉此讓光線L的利用率達最大化。

進一步說明，本發明實施例中還具有複數個隔熱襯套21設置於該複數個開孔，該隔熱襯套21具有低導熱、低輻射散失及耐高溫的特性，該隔熱襯套21的材料可以是但不限於氧化鋯、陶瓷棉或奈米材料，該隔熱襯套21是用於避免連接該本體20的管體過熱而損壞及減少反射光線漏出。

該本體20具有高導熱及耐高溫的特性，該本體20的材料係選自鉿-碳-氮化物、石墨、碳化鎢、碳化矽、氮化鋁、合金鋼所組成之群組的其中一種或多種的任意組合。

至少一吸光層20a設置於該本體20的內表面，該吸光層20a具有光熱轉換及高吸收的特性，該吸光層20a可以吸收至少95%的熱能，該吸光層20a吸收光線L能量並轉換成熱能，該吸光層20a的材料可以是但不限於石墨、碳化鎢、奈米碳管或奈米材料或多種吸光物質之組合；至少一隔熱層20b設置於該本體20的外表面，該隔熱層20b具有低導熱、低輻射散失及耐高溫的特性，設置該隔熱層20b減少該本體20內的熱能流失，該隔熱層20b的材料可以是但不限於氧化鋯、矽藻土、陶瓷棉、多孔性混合物、奈米材料、空氣隔離層或真空隔離層。可選地，該隔熱層20b可以直接接觸該吸光層20a，或者，該隔熱層20b與該吸光層20a之間還有中間層。

請參閱圖4為本發明第二實施例，於第二實施例中，具有一傳熱槽30設置於該本體20的頂部以及一傳熱裝置31設置於該傳熱槽30用以將本體20內部產生的熱能傳導至外部。

請參閱圖5至圖6為本發明第三實施例，於第三實施例中，還具有一熱電晶片模組40設置於該傳熱槽30與該傳熱裝置31之間，該傳熱槽30內部填充有一導熱介質41，該導熱介質41可以是但不限於高溫相變之液態金屬，填充該導熱介質41用以將該本體20所產生的熱能導出，並確保能高溫傳導及增加傳熱接觸面積。

該熱電晶片模組40的正負極為高溫碳化金屬如碳化鎢，該正負極之間為一高溫隔離層(圖未示)，該高溫隔離層為一絕緣的中空陶瓷如氧化鋯或石英玻璃，而於受熱端的高溫碳化金屬上生成有鑽石電子槍(圖未示)，其中該正負極與該高溫隔離層連接的邊緣設置有一環狀砌口(圖未示)，用以利用此環狀砌口進行高能脈衝雷射熔接，藉由上述耐高溫材料及封裝方式使熱電晶片模組40能於約2000度之溫度工作，用以提高發電效益。

該本體20頂部之傳熱槽30透過填充導熱介質41與該熱電晶片模組40受熱端連接或與該傳熱裝置31連接，當設置有熱電晶片模組40時，傳熱裝置31連接於熱電晶片模組40之冷端，當光線L進入本體內時，光線L不斷在該本體20內反射且被吸收後產生熱能，該些熱能藉由導熱介質41傳遞至該熱電晶片模組40或傳熱裝置31，而該傳熱裝置31將熱能傳導至外部設施應用。如此一來，不僅可以有效利用熱電晶片模組40發電運用外，還能將熱電晶片模組40的廢熱能傳導至外部設施應用提高能源效率。

請參閱圖7至圖8為本發明之第四實施例，於第四實施例中，該光路機構為一導光鏡組，包含依序設置的至少一聚光透鏡64、至少一焦距轉換透鏡63、至少一反射鏡62以及至少一聚焦透鏡61，其中該焦距轉換透鏡63係相對靠近於該聚光透鏡64設置，該聚焦透鏡61相對靠近於該本體20設置，該反射鏡62設置於該焦距轉換透鏡63與該聚焦透鏡61之間。於本發明實施例中，該聚光透鏡64為菲涅爾透鏡，於其他實施例中該聚光透鏡64不限於菲涅爾透鏡。

請參閱圖8為光線L經由透鏡進入集熱裝置的光線路徑示意圖，當光線L經聚光透鏡64聚焦於焦點F，透過焦距轉換透鏡63將光線L反射至反射鏡62，再經由反射鏡62反射至聚焦透鏡61，藉由聚焦透鏡61使光線L進入本體20內，使光線L不斷在該集熱裝置內反射且被吸收，進而產生熱能。

太陽光線L平均每平方公尺可得到180瓦的太陽能，前述透鏡的光線吸收率小於5%，因此基於能量守恆定律，太陽光線L經由四次透鏡反射傳導至吸收率大於95%之本體20，可得： 180*0.95*0.95*0.95*0.95*0.95 = 139.28W 經由該本體20比熱容計算溫差，假設環溫30℃，該本體20質量為1kg，碳化鎢比熱390(J/kg℃)，集光面積為100m²，可得： 390=(139.28*60*100) / 1*(t2-30) t2 = (835680+11700) / 390 = 2172.77℃ 據此，該本體20可以產生2172.77℃的熱能，有效提升熱能的利用率。

請參閱圖9為本發明第五實施例，於第五實施例中，該導光鏡組只包含有至少一聚光透鏡64、至少一反射鏡62及至少一聚焦透鏡61，各該聚光透鏡64與本體20之間具有至少一反射鏡62及至少一聚焦透鏡61，該反射鏡62相對靠近該聚光透鏡64設置，該聚焦透鏡61相對靠近該本體20設置，形成該反射鏡62位於該聚光透鏡64與該聚焦透鏡61之間，先將聚光透鏡64聚焦的光線L經由反射鏡62反射至聚焦透鏡61聚焦縮小範圍後再進入本體20內而產生熱能。於其他實施態樣中，該導光鏡組也可以只包含有至少一聚光透鏡64、至少一反射鏡62及至少一焦距轉換透鏡63，使光線L經由反射鏡62反射直接使光線L進入本體20內，同樣可以達成前述效果。

請參閱圖10至圖11為本發明第六實施例，於第六實施例中，該光路機構為一導光管組，該導光管組具有複數個導光管70間隔設置，且該導光管70具有複數個管體間隔設置，該導光管組的一端設置於該隔熱襯套21，另一端與聚光透鏡64間隔一距離，前述距離略等於該聚光透鏡64的焦距，藉此縮小導光管的管內徑。於本發明實施例中，該聚光透鏡64為菲涅爾透鏡，於其他實施例中該聚光透鏡64不限於菲涅爾透鏡。

於第六實施例中，聚光透鏡64的數量與該導光管70的管體數量相同，每一個導光管70具有三個管體以Y型連接匯集光線，以將光線匯集至連接本體20的導光管70，即表示每一個導光管70具有三個管體間隔設置，且每一個管體皆對應一個聚光透鏡64且間隔相同的距離，藉以減少入光孔數量來縮小本體20的體積。在其他實施例中，聚光透鏡64的數量可以減少為一個。

於第六實施例中，一反射層70a設置於該導光管70的內表面，該反射層70a接收來自該聚光透鏡64反射的光線，以及一保溫層70b設置於該導光管70的外表面，該保溫層70b具有低導熱、低輻射散失及耐高溫的特性，該保溫層70b的材料可以是但不限於氧化鋯、矽藻土、陶瓷棉、多孔性混合物、奈米材料、空氣隔離層或真空隔離層。

光線L經由聚光透鏡64聚焦折射於導光管70內，並經過反射層70a多次反射後進入該本體20內部；此時，光線L接觸到該本體20的吸光層20a，光線L除了持續於該本體20內進行數次反射外，該吸光層20a亦會將光線L轉換成熱能。

本發明是利用讓光線L進入集熱裝置的本體20內部後，於本體20內部不斷進行反射及吸收直到轉化成熱能，藉此讓光線L的利用率達最大化並藉由裝設於一真空箱體內以降低空氣的熱對流熱損，以供應高溫熱能作為發電或是其他利用。

20:本體 20a:吸光層 20b:隔熱層 21:隔熱襯套 30:傳熱槽 31:傳熱裝置 40:熱電晶片模組 41:導熱介質 61:聚焦透鏡 62:反射鏡 63:焦距轉換透鏡 64:聚光透鏡 70:導光管 70a:反射層 70b:保溫層 L:光線 F:焦點

圖1是太陽能集熱裝置之本體的第一實施例示意圖。

圖2是光線進入本體的光線路徑圖。

圖3是太陽能集熱裝置之本體的第二實施例示意圖。

圖4是本發明第二實施例之示意圖。

圖5是本發明第三實施例之示意圖。

圖6是本發明第三實施例之A-A剖面圖。

圖7是本發明第四實施例之示意圖。

圖8是本發明第四實施例之光線路徑圖。

圖9是本發明第五實施例之光線路徑圖。

圖10是本發明第六實施例之示意圖。

圖11是本發明第六實施例之光線路徑圖。

無

20:本體

21:隔熱襯套

30:傳熱槽

31:傳熱裝置

Claims (15)

1. 一種太陽能集熱裝置，係包含：一本體，為一幾何形體，且該本體的內部為中空狀，具有複數個開孔用以供一光線進入該本體內，該複數個開孔繞著一Y軸呈間隔排列設置，且各該複數個開孔沿著一Z軸分布而分別位於不同的高度位置；一傳熱槽，設置於該本體上；以及一傳熱裝置，設置於該傳熱槽。
2. 如請求項1所述之太陽能集熱裝置，其中還具有一熱電晶片模組設置於該傳熱槽與該傳熱裝置之間。
3. 如請求項1所述之太陽能集熱裝置，其中該傳熱槽內部填充有一導熱介質。
4. 如請求項3所述之太陽能集熱裝置，其中還具有複數個隔熱襯套安裝於該複數個開孔。
5. 如請求項1所述之太陽能集熱裝置，其中該光線經由一光路機構聚光及反射後進入該本體內部。
6. 如請求項5所述之太陽能集熱裝置，其中該本體及該光路機構設置於一真空箱體內部，且該本體與該光路機構間隔設置。
7. 如請求項5所述之太陽能集熱裝置，其中該光路機構為一導光鏡組，包含至少一聚光透鏡或一至少反射鏡。
8. 如請求項7所述之太陽能集熱裝置，其中該導光鏡組還包含至少一聚焦透鏡。
9. 如請求項7所述之太陽能集熱裝置，其中該導光鏡組還包含至少一焦距轉換透鏡。
10. 如請求項5所述之太陽能集熱裝置，其中該光路機構為一導光管組，該導光管組由複數個導光管組成，每一該導光管的一端設置該本體的該複數個開孔，另一端與一聚光透鏡間隔一距離。
11. 如請求項1所述之太陽能集熱裝置，其中該本體的內表面呈球狀或六角狀或對稱的幾何形狀。
12. 如請求項1所述之太陽能集熱裝置，其中還具有至少一吸光層設置於該本體的內表面，及至少一隔熱層設置於該本體的外表面。
13. 如請求項12所述之太陽能集熱裝置，其中該至少一吸光層的材料係選自石墨、碳化鎢、奈米碳管或奈米材料所組成之群組的其中一種或多種的任意組合。
14. 如請求項12所述之太陽能集熱裝置，其中該至少一隔熱層的材料係選自氧化鋯、矽藻土、陶瓷棉、多孔性混合物或奈米材料所組成之群組的其中一種或多種的任意組合。
15. 如請求項1所述之太陽能集熱裝置，其中該本體的材料係選自鉿-碳-氮化物、石墨、碳化鎢、碳化矽、氮化鋁、碳化物複合材料、合金鋼所組成之群組的其中一種或多種的任意組合。

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