TWM478161U

TWM478161U - 聚光器以及具有該聚光器之太陽能發電裝置

Info

Publication number: TWM478161U
Application number: TW103200646U
Authority: TW
Inventors: I-En Lin; Jyh-Cherng Yang
Original assignee: Protai Photonic Co Ltd
Priority date: 2011-11-04
Filing date: 2011-11-04
Publication date: 2014-05-11

Description

聚光器以及具有該聚光器之太陽能發電裝置

本創作係有關一種聚光器以及具有該聚光器之太陽能發電裝置，更特別有關一種上圓下方兩段式聚光器以及具有該聚光器之太陽能發電裝置。

全世界目前都相當看重再生能源技術，而太陽能聚焦發電系統被視為相當具有潛力的目標。太陽能發電可以分為熱能發電(CSP)與光能發電(HCPV)。前者主要組成為熱收集元件(heat collector element)及集光器(concentrator)兩部份，但是主要缺點是需要使用相當大面積的土地，對於某些國家有適用上困難。後者主要由聚光鏡片與晶片(例如單晶矽太陽能電池、多晶矽太陽能電池與利用III-V族化合物半導體等)所構成。聚焦式太陽能發電系統需搭配追日系統，土地較節省利用性高。

常見的聚光型太陽光能發電系統中，聚光模組必須仰賴追日系統以防止焦距偏移，為了防止過度消耗追日時所需電力，追日系統約每隔1度或1.5度追日一次。太陽光經過菲涅爾透鏡(Fresnel lens)的折射，將數百倍的光能量聚集於較小面積的III-V族太陽能電池上發電。為了解決追日系統非連續性移動，其間歇性移動時(1度或1.5度)產生的入射光偏角問題，就須搭配二次光學來讓容忍度提高，進而提高整體發電效率。Pablo Benítez等人對菲涅爾透鏡搭配二次光學作出許多不同形式之分析與研究，若是將焦點位置設計於二次光學上，其二次光學目的為均勻光線用。若是將焦點位置設計於太陽能晶片上，其二次光學則為了增加容忍角度。另外，二次光學型式可分為穿透式與反射式，其中穿透式二次光學會因為透光率與折射率損失小部分之光線，而反射式二次光學則不會造成此現象。

在各種圈數下，稜鏡式菲涅爾透鏡得到的照度值都優於傳統式菲涅爾透鏡。一般而言，長焦距的聚焦式系統(稜鏡式菲涅爾透鏡)照度值較高，但相對地的透鏡容忍度較差(請參見第1圖)，大約在0.5度偏差下效率就下降許多。

有鑑於此，便有需要提出一種方案，以解決上述問題。

本創作提供一種兩段式聚光器，能有效提高容忍度。

為達上述目的，本創作之聚光器係為中空結構，具有一前段與一後段，該前段係與該後段相通，該前段具有相對之第一開口與第二開口，其中該第二開口係位於該前段與該後段的交界處，該後段則具有一第三開口，其係與該第二開口相對，該第一開口與該第二開口係為圓形，而該第三開口係為方形，其中該第一開口係大於該第二開口，該第三開口則小於該第二開口。

本創作另提供一種太陽能發電裝置，包含有上述之聚光器以及一透鏡與一太陽能晶片。該聚光器係設置在透鏡與太陽能晶片之間，且聚光器的第一開口係面對透鏡，而第三開口則面對太陽能晶片。

為了讓本創作之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯，下文特舉本創作實施例，並配合所附圖示，作詳細說明如下。

110‧‧‧菲涅爾透鏡

120‧‧‧太陽能晶片

130‧‧‧二次光學

210‧‧‧透鏡

220‧‧‧太陽能晶片

230‧‧‧二次光學

231‧‧‧前段

232‧‧‧開口

233‧‧‧後段

234‧‧‧開口

236‧‧‧開口

D₁ ‧‧‧直徑

D₂ ‧‧‧直徑

D₃ ‧‧‧直徑

L‧‧‧分段位置

S₁ ‧‧‧邊長

第1圖顯示傳統式菲涅爾透鏡與稜鏡式菲涅爾透鏡在不同入射角下的容忍度。

第2圖顯示聚光模組模擬架構與參數之示意圖。

第3圖顯示不同分段位置比較容忍度之影響(D₁ =31mm、 D₂ =10.5mm、D₃ =5.5mm)。

第4圖顯示全圓兩段式二次光學設計之上開口對容忍度之影響(L=7mm)。

第5圖顯示全圓兩段式二次光學設計之中開口對容忍度之影響(L=7mm)。

第6圖顯示全圓兩段式二次光學設計之下開口對容忍度之影響(L=7mm)。

第7圖為本創作之太陽能發電裝置之示意圖。

第8圖為本創作之聚光器之前視圖。

第9圖顯示不同分段位置比較容忍度之影響。

第10圖顯示上圓下方之二次光學設計之上開口對容忍度之影響。

第11圖顯示上圓下方之二次光學設計之中開口對容忍度之影響。

第12圖顯示上圓下方之二次光學設計之下開口對容忍度之影響。

第13圖顯示測量與模擬之容忍度的比較。

設計理論

光學容忍度(η)即是入射角0度時所得到的照度與不同入射角度之百分比，以公式表示為：η=(入射角度之照度值/入射角0度之照度值)×100%(1)

容忍度愈高則會愈接進入射角0度時之太陽光接收照度。本創作使用之菲涅爾透鏡為稜鏡式菲涅爾透鏡。二次光學的設計可以透過反射定律，即：反射光線與入射光線和法線在同一平面內、入射光線與反射光線分別位於法線的兩側，且與法線夾角大小相同。請參考第2圖，本創作係將二次光學結構分為直徑不同的兩段錐體，總高度不變的情況下，觀察在L長度下，每段開口錐體直徑大小，(亦即D₁ 、D₂ 、D₃ )相對於不同入射角提升之容忍度。根據本創作，上開口的直徑D₁ 需大於0度入射光經過之路線，以便收集所有入射光線。其次，使用光束追跡運算出入射角離軸開始偏斜(0到2度)時，分段位置(L)對於接收照度的影響。

結果與分析

由於太陽行走軌跡一年四季並非全然不變化，加上入射光線對於反射面之角度非常敏感，故本創作所設計的二次光學初始結構都是圓形開口的幾何。參考表1，在聚焦位置、菲涅爾透鏡110等因素固定情況下，分析偏斜光0至2度對於容忍度的影響。二次光學設計之參數，例如分段位置L、上開口直徑D₁ 、中開口直徑D₂ 以及下開口直徑D₃ 等，在偏斜入射光下所造成光學容忍度大小，都是本創作設計所探討的因素。

1、全圓兩段式聚光器設計

申請人先對不同分段位置L進行模擬比較分析，結果表示於第3圖。由圖中發現分段位置L對於入射角0-0.6度間影響不大。入射角0.6到1.6度時，分段位置L增長，容忍度可以提高。但當入射角為2度時，L增長容忍度卻下降。在幾何直徑為：D₁ =27mm、D₂ =14.5mm、D₃ =7mm時，在入射角為1度下，可以看出L=6mm時容忍度為60%，L=7mm時容忍度為71%，而L=8mm時容忍度為75%。在入射角為2度下，L=6mm時容忍度為43%，L=7mm時容忍度為38%，L=8mm時容忍度為33%。

在固定中開口與下開口的大小時，改變上開口直徑D₁ 觀察容忍度，第4圖顯示分段位置L=7mm時所得到的分析結果。當上開口直徑D₁ 加大後，由於進光量增加，所以對於容忍度整體有些許提昇(約2%)，但卻因為中開口與下開口大小沒有變化，影響容忍度因此沒有太大改變。

第5圖顯示分段位置L=7mm時，固定上開口直徑D₁ =27mm與下開口直徑D₂ =7mm時，僅改變中開口大小，觀察其對容忍度影響。由圖可以看出，入射角在0-0.6度間對容忍度影響不大。而當入射角大於1度以後，若中開口較小(D₂ =14mm)，則容忍度會有約3%的增加。在實際模擬時，若是中開口直徑D₂ 小於14mm時，會導致上開口須配合入射角2度之容忍度提升跟著改變較小，這又導致整體之容忍度下降。

第6圖顯示分段位置L=7mm，固定上開口直徑D₁ =27mm與中開口直徑D₂ =14.5mm時，改變下開口直徑D₃ 大小所得到的容忍度變化。由圖可看出，D₃ =6.5mm在0.8度的入射角下，有著較好的容忍度，其可達到51%。但在1度至1.6度的入射角時，容忍度的提昇有限。當D₃ =7.5mm時，雖然0.8度的入射角容忍度僅有33%，但在1度至1.6度的入射角容忍度有顯著的提昇。下開口若是太大，在入射角為0.8度時，光線聚焦在太陽能晶片120(通常是矩形幾何)與二次光學130(本例為圓形)之間的無作用區域，因此容忍度難以提升。下開口若太小時，會遮擋到太陽能晶片120，效率則會下降。因此，下開口的大小有著先天上的幾何限制。

2、上圓下方兩段式聚光器設計

上一節說明二次光學(聚光器)130幾何結構下，容忍度在入射角為0.7度時，都會先下降然後才提昇，然而，上述情況在實際需求上都希望能夠避免，這是因為最關鍵的容忍度變化都是在小角度時，我們不希望容忍度變異過大。因此，申請人提出了改良的兩段式二次光學設計，希望在入射角在0.7度附近時，對容忍度可以有所提昇。參考第7圖，本創作之太陽能發電裝置200包含有一透鏡210、與一太陽能晶片220。透鏡210可以是菲涅爾透鏡，例如是稜鏡式菲涅爾透鏡。而在透鏡210與太陽能晶片220之間，設置有一個二次光學(聚光器)230。聚光器230係為中空的結構，包含有一前段231以及與該前段231相通的一後段233。前段231具有相對之第一開口232與第二開口234，其中第二開口234係位於前段231與後段233的交界處。後段233係具有一第三開口236，其係與第二開口234相對。參考第8圖，第一開口232與第二開口234皆係為圓形，而第三開口236則為方形，其中第二開口234係小於第一開口232，但大於第三開口236。當由透鏡210所射出的光線通過聚光器230的第一開口232後，會在聚光器前段231的內部反射。當光線通過第二開口234後，會繼續在聚光器後段233的內部反射，最後由第三開口236射出，並到達太陽能晶片220。

本創作之改良兩段式二次光學230變更的參數有：1、為配合太陽能晶片220之形狀，下開口232設計為方型；2、為達到入射偏角之接收光量增加之效果，設計二次光學230總高度增加至34mm，其它參數設定請參見下面的表2。

先固定設計之二次光學230之位置於195mm、高度為34mm，開口幾何大小為D₁ =31、D₂ =10.5、S₁ =5.5等，僅改變分段位置做比較，觀察其容忍度之變化，其結果如第9圖所示。當分段位置L=3mm、入射角為0.9度時，容忍度係為81%。但當入射角為1.5度時，容忍度則降為70%。在分段位置L=7mm、入射角為0.9度時，容忍度係可提升到87%。但當入射角為1.5度左右，容忍度則降至40%。因此，當分段位置L愈短時，可增加入射角1.4度，之後容忍度卻使1.4度之前容忍度下降。

第10圖顯示固定分段位置L=6mm之設計，並將二次光學位置固定於195mm、高度34mm、開口大小為D₂ =10.5mm、S₁ =5.5mm。由圖可清楚看出，D₁ =31mm較D₁ =37mm的容忍度下降較緩慢，平均容忍度約高6.7%。但若D₁ 過小時，則會擋住進光量，造成整體的效率下降。

第11圖顯示分段位置L=6mm之設計，並將二次光學位置固定於195mm、高度34mm、開口大小為D₁ =31mm、S₁ =5.5mm。由圖可清楚看出，當D₂ 加大時(D₂ =13.5mm)，對於容忍度有整體的降低，可達89%，但在入射角為1.7度之後會有些許的提昇。而若是D₂ 太小時，會導致上開口須配合入射角2度之容忍度跟著改變較小，造成擋住整體進光量，反而降低容忍度。

第12圖顯示分段位置L=6mm之設計，並將二次光學位置固定於195mm、高度34mm、開口大小為D₁ =31mm、D₂ =10.5mm，下開口(S₁ )為方型設計。由圖可以看出，當S₁ 愈大時，會因為入射角0.7~0.9度之光線在二次光學與太陽能晶片之無作用區域間，導致效率降低。如S₁ =6mm、入射角為0.7度時，容忍度達85%，整體容忍度平均有些微提升(約0.6%)。當S₁ 過小時，則會遮擋太陽能晶片，故下開口(S₁ )為二次光學設計之重點，須先確定大小，再決定D₁ 與D₂ 。

3、測量結果與模擬比較

在進行模擬分析後，申請人選取二組二次光學進行加工，並且實際測量，實際測量參數如表1及表2所示。首先量測入射角度為0度時之功率，接著每隔30秒鐘記錄輸出功率，並且連續測量5分鐘，紀錄其結果(轉為偏斜角度後)，如第13圖所示。以全圓兩段式為例，模擬時發現入射角為0.6度時，由於光線會聚焦在無作用區域比較多，因此會讓容忍度下降很多(約達70%)。實際測量中容忍度比較高，達95%左右，這可能與太陽行徑路線(軌跡校正技術等)，測量與模擬時不一致有關。由於在模擬時聚焦在晶片的無作用區，就不會有功率獲得，但是實測時若太陽移動軌跡模擬不完全一致(例如移動是沿者晶片對角線或是邊緣而不是晶片中線)，照度就有差別。在另一方面，上圓下方兩段式二次光學設計下，在偏斜光0.6~0.7度時，容忍度模擬值變異就比較小(實測96%、模擬約92%)，這是因為無作用區減少許多之故。

在入射角為1.1度時，上圓下方兩段式二次光學模擬值約81%，比全圓兩段式48%高出許多。實際量測時，上圓下方兩段式二次光學約75%，比全圓兩段式55%仍高出許多，其與模擬的差異係在於軌跡校正誤差。因此，上圓下方兩段式二次光學的設計，的確能有效提高容忍度，特別是在0.6度入射光偏差以後。

結論

使用光學模擬能輔助聚光鏡設計，在整體聚光型太陽能發電設計不可或缺，本創作使用二段式二次光學設計，確貫能增加容忍角度，因此能使追日系統動作前的發電效率提升。在提高容忍度條件下，本研究有以下幾點結論：

1.分段位置(L)愈長時，容易影響入射角0到1.5度之容忍度，但是當入射角大於1.5度時，容忍度會愈難以提升。

2.對於兩段式二次光學之上開口，加大時由於進光量增加，所以對於容忍度整體有些許提昇約2%。下開口(D₃ )太大時，會因為入射角0.8度附近的光線聚焦在太陽能晶片與二次光學之間的無作用區域，太小時則會遮擋太陽能晶片的四個角。因此，下開口(S₁ )為二次光學設計時之重點，須先確定D₃ 、S₁ 大小，再決定D₁ 與 D₂ 。

3.實際量測顯示，上圓下方二次光學設計在1.1度以後的容忍度(75%)高於全圓式設計(55%)，但在0.7度入射光偏差時，兩種設計所得到的容忍度相異不大。

雖然本創作已以前述實施例揭示，然其並非用以限定本創作，任何本創作所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本創作之精神和範圍內，當可作各種之更動與修改。因此本創作之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。