TW201320363A - 聚光透鏡及太陽能發電系統 - Google Patents
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Abstract
一種聚光透鏡包括一本體及一稜鏡結構。本體具有相對設置之一第一表面及一第二表面。稜鏡結構設置於本體之第二表面，並具有複數環形稜鏡單元。稜鏡結構依據環形稜鏡單元具有至少二焦點，且焦點分佈於與本體之該第一表面平行的一平面上。
Description
本發明係關於一種聚光透鏡及太陽能發電系統。
隨著經濟的快速發展，生活品質的提高，人類對於能源的需求也越趨嚴重，又因環保節能意識的提升，全世界目前都相當著重於再生能源技術的開發，尤其是太陽能發電系統更是一個重點發展的標的。其中，太陽能發電系統可區分為熱能發電系統與光能發電系統。針對以光能發電之太陽能發電系統而言，主要是由聚光透鏡與太陽能晶片(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，其係藉由聚光透鏡的設置，以使光能量聚集於太陽能晶片，進而達到發電的功效。其中，太陽光經過聚光透鏡，將數以百倍的光能量聚集於較小面積的太陽能晶片上，可減少太陽能晶片材料使用量。
近來已有一些文獻探討各種不同的聚光透鏡設計對於太陽光入射角度的敏感度。陳依伸與Winston以傳統聚焦式菲涅爾透鏡理論加上分段式曲線法最佳化設計技術，可以得到聚光效率67%(入射角正負1.5度下)，若晶片位置隨焦點移動測量，聚光效率則可以維持在90%。Pablo Bentez等人亦對菲涅爾透鏡搭配二次集光器作出許多不同形式之分析與研究。綜合前人的各種研究結果可知，透鏡加工上的誤差以及各零件組裝後的配合誤差等，都會直接影響發電效率。
請參照圖1所示，習知的太陽能發電系統1包括一聚光透鏡11及一太陽能晶片12。聚光透鏡11之第一表面111為一平坦表面，且多個環形凸狀結構112環設於相對於第一表面111之另一面，而就聚光透鏡11之剖示的視角而言，各環形凸狀結構112呈現一類似直角三角形的形狀，且各環形凸狀結構112之一環狀面S1的長度係皆相等。其中，環狀面S1為圓、橢圓或拋物線等單一次、二次曲線的設計，但因此種設計容易產生球面像差問題而無法精確地將平行光聚焦在同一點上，因此會嚴重影響到成像品質，而必須依靠多個透鏡組合，來提高聚焦效果，俾使整個系統變得複雜，成本也隨之提高。另外，太陽能晶片12設置於面對聚光透鏡11之環形凸狀結構112的一側，並接收通過聚光透鏡11的光線L，以進行光電轉換。
由於太陽光的角度會隨著時間的改變而產生角度的偏移，因而習知之聚光透鏡11在光線發生偏移時，將無法有效的將光線聚集至太陽能晶片12上，從而使得太陽能發電系統1的發電效能大幅的降低。
雖然，有學者及業者研發出追日系統，以自動地調整聚光透鏡11與太陽能晶片12，使其能夠朝向太陽光直射的方向，以維持光電轉換的效能，但由於習知之追日系統所使用的運轉電源皆是由太陽能發電系統1所提供，因而此種作法將造成能源額外的消耗，並影響太陽能發電系統1最終生成的電量。
因此，如何提供一種聚光透鏡及太陽能發電系統，使其能夠提高照度與聚焦效率，進而提升光電轉換效能，已成為重要課題之一。
有鑑於上述課題，本發明之目的為提供一種能夠提高照度與聚焦效率，進而提升光電轉換效能的聚光透鏡及太陽能發電系統。
為達上述目的，依據本發明之一種聚光透鏡包括一本體及一稜鏡結構。本體具有相對設置之一第一表面及一第二表面。稜鏡結構設置於本體之第二表面，並具有複數環形稜鏡單元。稜鏡結構依據環形稜鏡單元具有至少二焦點，且焦點分佈於與本體之第一表面平行的一平面上。
在本發明之一實施例中，本體及稜鏡結構具有相同之材質。
在本發明之一實施例中，本體及稜鏡結構具有不相同之材質。
在本發明之一實施例中，各環形稜鏡單元之一環狀面與本體之第二表面之一夾角滿足下列方程式：，其中c表示夾角，r表示環形稜鏡單元至本體之一中心點的距離，n表示環形稜鏡單元之折射率，D表示環形稜鏡單元之焦距。
在本發明之一實施例中，本體之第一表面接收複數個光線，再由環形稜鏡單元之各環狀面射出，並聚集於焦點。
為達上述目的，依據本發明之一種太陽能發電系統包括一聚光透鏡及一太陽能晶片。聚光透鏡具有一本體及一稜鏡結構。本體具有相對設置之一第一表面及一第二表面。稜鏡結構設置於本體之第二表面，並具有複數環形稜鏡單元。太陽能晶片設置於面對聚光透鏡之稜鏡結構的一側。稜鏡結構依據環形稜鏡單元具有至少二焦點，且焦點分佈於與本體之第一表面平行的一平面上，平面係位於太陽能晶片與環形稜鏡單元之間。
在本發明之一實施例中，本體及稜鏡結構具有相同之材質。
在本發明之一實施例中，本體及稜鏡結構具有不相同之材質。
在本發明之一實施例中，太陽能晶片為一單晶矽太陽能電池、一多晶矽太陽能電池、一非晶矽矽太陽能電池、一化合物型太陽能電池或一有機半導體型太陽能電池。
在本發明之一實施例中，太陽能發電系統更包括一光收集裝置。光收集裝置設置於聚光透鏡與太陽能晶片之間，接收由各環形稜鏡單元之一環狀面射出之光線。
在本發明之一實施例中，太陽能發電系統更包括一散熱裝置。散熱裝置設置於太陽能晶片與稜鏡結構相對之另一側。
在本發明之一實施例中，環形稜鏡單元之一環狀面與本體之第二表面之一夾角滿足下列方程式：，其中c表示夾角，r表示環形稜鏡單元至本體之一中心點的距離，n表示環形稜鏡單元之折射率，D表示環形稜鏡單元之焦距。
在本發明之一實施例中，本體之第一表面接收複數個光線，再由環形稜鏡單元之各環狀面射出，並聚集於焦點。
承上所述，依據本發明之一種聚光透鏡及太陽能發電系統是藉由稜鏡結構之複數環形稜鏡單元，以使得稜鏡結構依據環形稜鏡單元而具有至少二焦點，且焦點分佈於與本體平行的一平面上，從而實現能夠提高照度與聚焦效率，進而提升光電轉換效能。
以下將參照相關圖式，說明依本發明較佳實施例之聚光透鏡及太陽能發電系統，其中相同的元件將以相同的參照符號加以說明。
首先，請參照圖2A與圖2B，其中圖2A為依據本發明較佳實施例之一種聚光透鏡的俯視圖，而圖2B則為依據圖2A之割面線C1-C2之剖示圖。聚光透鏡2包括一本體21及一稜鏡結構22。本體21具有相對設置之一第一表面211及一第二表面212。其中，第一表面211為一平坦表面，並用以接收外部光源，例如是太陽光，所發出之光線。在實施上，本體21的材質為一透光材質，其係可為玻璃或一透光高分子物質，例如是聚甲基丙烯酸甲脂(Polymethly Methacrylate,PMMA)、聚苯乙烯(Polystyrene,PS)、甲基丙烯酸甲酯-苯乙烯(Methly-methacrylate-Styrene,MS)或聚碳酸酯(Polycarbonate,PC)等等。
稜鏡結構22設置於本體21之第二表面212，並具有複數個環形稜鏡單元221。其中，環形稜鏡單元221設置於第二表面212，且稜鏡結構22依據環形稜鏡單元221而具有至少二焦點F，且前述之焦點F係分佈於與本體21之第一表面211平行的一平面P上。需特別注意的是，本實施例是以稜鏡結構22具有五個環形稜鏡單元221為例，然並非以此為限。
稜鏡結構22的材質為一透光材質，可為玻璃或一透光高分子物質，例如是聚甲基丙烯酸甲脂(Polymethly Methacrylate,PMMA)、聚苯乙烯(Polystyrene,PS)、甲基丙烯酸甲酯-苯乙烯(Methly-methacrylate-Styrene,MS)或聚碳酸酯(Polycarbonate,PC)等等。此外，值得一提的是，本體21與稜鏡結構22之材質的選用，係可依據產品的需求或設計的考量而選取相同的材質或是不相同的材質。另外，本體21與稜鏡結構22可以是一體成型或是藉由一黏著層(未顯示於圖中)相互接合於一起。
在本實施例中，如圖2B所示，在以剖示的視角中，環形稜鏡單元221係呈現一直角三角形，且各環形稜鏡單元221之一環狀面S2成為直角三角形的最長邊，且愈靠近本體21之中心點213之環形稜鏡單元221的最長邊的長度愈短。
接著，請參照圖3，以進一步說明本發明之聚光透鏡2之環形稜鏡單元221。在本實施例中，本體21之第一表面211係接收複數個光線L，而前述之光線L包含平行光L1與非平行光L2。於此，係以本體21及稜鏡結構22的材質不相同為例，且僅就非平行光L2進行說明。
非平行光L2係由第一表面211之一入射點X1射入，當非平行光L2行進至第二表面212與稜鏡結構22的交界面，由於兩者的材質不同，因而非平行光L2在進入稜鏡結構22後將發生折射，並在入射點X2以一入射角A1射入環形稜鏡單元221內，而以一出射角A2通過交界面。接著，非平行光L2將繼續行進至環狀面S2，並在入射點X3以一入射角A3進入外部介質中。又由於環形稜鏡單元221與外部介質的組成不同，因而非平行光L2以一出射角A4自環形稜鏡單元221之環狀面S2射出，並聚焦於焦點F上。因此，非平行光L2透過稜鏡結構22之環形稜鏡單元221進行多次折射，進而達成聚焦的效果。
在本實施中，各環形稜鏡單元221之環狀面S2與本體21之第二表面212之一夾角c係滿足下列方程式：，其中c表示夾角，r表示環形稜鏡單元221至本體之中心點213的距離，n表示環形稜鏡單元221之折射率，而D表示環形稜鏡單元221之焦距。
因此，依據上述之結構組成，將使得聚光透鏡2之各環形稜鏡單元221分別對應至少一焦點F，以使環形稜鏡單元221所對應之多個焦點F以一範圍而分佈於平面P上，例如是，多個焦點F在平面P上形成一環狀的焦點群。換句話說，聚光透鏡2將可對應外部光源(太陽光)所發出之光線的角度偏移，而維持多個焦點F仍落在平面P上的一極小範圍內。
接著，請參照圖4，其係為依據本發明較佳實施例之一種太陽能發電系統4的示意圖。太陽能發電系統4包括一聚光透鏡2及一太陽能晶片3。由於聚光透鏡2之結構及光學特徵已於上述之段落中說明，故於此不再贅述。
太陽能晶片3設置於面對聚光透鏡2之稜鏡結構22的一側，並接收自稜鏡結構22之環形稜鏡單元221所射出的光線，以進行光電轉換。在實施上，太陽能晶片3可為一單晶矽太陽能電池、一多晶矽太陽能電池、一非晶矽矽太陽能電池、一化合物型太陽能電池或一有機半導體型太陽能電池。
在本實施例中，稜鏡結構22之環形稜鏡單元221所對應之多個焦點F係分佈於太陽能晶片3之表面上。由於外部光源可經由聚光透鏡2之環形稜鏡單元221而在多個點聚焦成面，因此太陽能晶片3可因應太陽光線的偏移，仍使多數的焦點F落在太陽能晶片3的表面，而維持高效率的光電轉換。
此外，由於本發明之聚光透鏡2在運用於太陽能發電系統4時，是考量到太陽光線的偏移。因此，聚光透鏡2之環形稜鏡單元221是依據太陽光線的偏移狀況，以調整其設置於本體21之第二表面212的位置。換句話說，對多個焦點F來說，各環形稜鏡單元221並非是同心圓的設置。
請參照圖5，其係為依據本發明之聚光透鏡2與習知的聚光透鏡11，就多種不同數量之環形稜鏡單元221與環形凸狀結構113針對照度值的比較統計圖。如圖5所示，當環形稜鏡單元221及環形凸狀結構113皆為連續排列設置，且數量為100時，習知的聚光透鏡11的照度值約為0.708(W/mm2)，而聚光透鏡2的照度值約為0.893(W/mm2)。此外，隨著環形凸狀結構113設置的數量越多，習知之聚光透鏡11的照度值越低，而與本發明之環形稜鏡單元221的設置數量越多，則聚光透鏡2的照度值越高，有明顯的差異。
接著，參照下列表格並搭配圖6，其係為依據本發明之太陽能發電系統4與習知的太陽能發電系統1，就聚焦效率，即所謂容忍度的比較表及比較圖。
舉例來說，當時間為150秒時，其係表示經過150秒後太陽所偏移的角度，此時，習知之太陽能發電系統1可以輸出的功率與太陽未偏移時可輸出之功率的比值為43%，而本發明之太陽能發電系統4可以輸出的功率與太陽未偏移時可輸出之功率的比值則為53%。換句話說，採用聚光透鏡2之太陽能發電系統4確實具有較佳的聚焦效率。
接著，請參照圖7，其係為本發明之另一種太陽能發電系統5。太陽能發電系統5與太陽能發電系統4的區別在於，太陽能發電系統5更包括一光收集裝置51。在本實施例中，光收集裝置51設置於聚光透鏡2與太陽能晶片3之間，並接收由各環形稜鏡單元221之環狀面S2射出之光線。其中，光收集裝置51係為一種集光器，即俗稱之聚光杯，其係收環形稜鏡單元221所射出之光線，以更準確地聚焦於太陽能晶片3。
請參照圖8所示，其係為本發明之一種太陽能發電系統6。太陽能發電系統6與太陽能發電系統4的區別在於，太陽能發電系統6更包括一散熱裝置61。在本實施例中，散熱裝置61設置於太陽能晶片3與稜鏡結構22相對之另一側，以針對太陽能晶片3所產生之熱能進行散熱。在實施上，散熱裝置6可為一金屬材質所構成之散熱器，或一以金屬粒子與石墨粒子所構成之複合式散熱器。
另外，需特別注意的是，太陽能發電系統4係可與光收集裝置51與散熱裝置61同時搭配運用，以提升聚焦的精準度，並具有良好之散熱效能。
承上所述，因依據本發明之一種聚光透鏡及太陽能發電系統是藉由稜鏡結構之複數環形稜鏡單元，以使得稜鏡結構依據環形稜鏡單元具有至少二焦點，且焦點分佈於與本體平行的一平面上，從而實現能夠提高照度與聚焦效率，進而提升光電轉換效能。
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、4、5、6．．．太陽能發電系統
11、2．．．聚光透鏡
111、211．．．第一表面
112．．．環形凸狀結構
12、3．．．太陽能晶片
21．．．本體
212．．．第二表面
213．．．中心點
22．．．稜鏡結構
221．．．環形稜鏡單元
51．．．光收集裝置
61．．．散熱裝置
A1、A3．．．入射角
A2、A4．．．出射角
C1-C2．．．割面線
F．．．焦點
L．．．光線
L1．．．平行光
L2．．．非平行光
n．．．環形稜鏡單元之折射率
P．．．平面
S1、S2．．．環狀面
X1、X2、X3．．．入射點
圖1為一種習知之太陽能發電系統的示意圖；
圖2A為依據本發明較佳實施例之一種聚光透鏡的俯視圖；
圖2B為依據本發明較佳實施例之一種聚光透鏡的剖示圖；
圖3為本發明較佳實施例之聚光透鏡的示意圖；
圖4為本發明較佳實施例之一種太陽能發電系統的示意圖；
圖5為依據本發明較佳實施例之聚光透鏡與習知之聚光透鏡的照度值比較圖；
圖6為依據本發明較佳實施例之太陽能發電系統與習知之太陽能發電系統的容忍度比較圖；
圖7為本發明較佳實施例之另一種太陽能發電系統的示意圖；以及
圖8為本發明較佳實施例之另一種太陽能發電系統的示意圖。
2．．．聚光透鏡
21．．．本體
211．．．第一表面
212．．．第二表面
213．．．中心點
22．．．稜鏡結構
221．．．環形稜鏡單元
F．．．焦點
P．．．平面
S2．．．環狀面
Claims (13)
- 一種聚光透鏡，包括：一本體，具有相對設置之一第一表面及一第二表面；一稜鏡結構，設置於該本體之該第二表面，並具有複數環形稜鏡單元，其中該稜鏡結構依據該些環形稜鏡單元具有至少二焦點，且該些焦點分佈於與該本體之該第一表面平行的一平面上。
- 如申請專利範圍第1項所述之聚光透鏡，其中該本體及該稜鏡結構具有相同之材質。
- 如申請專利範圍第1項所述之聚光透鏡，其中該本體及該稜鏡結構具有不相同之材質。
- 如申請專利範圍第1項所述之聚光透鏡，其中各該環形稜鏡單元之一環狀面與該本體之該第二表面之一夾角滿足下列方程式：，其中c表示該夾角，r表示該環形稜鏡單元至該本體之一中心點的距離，n表示該環形稜鏡單元之折射率，D表示該環形稜鏡單元之焦距。
- 如申請專利範圍第4項所述之聚光透鏡，其中該本體之該第一表面接收複數個光線，再由該些環形稜鏡單元之各該環狀面射出，並聚集於該些焦點。
- 一種太陽能發電系統，包括：一聚光透鏡，具有一本體及一稜鏡結構，該本體具有相對設置之一第一表面及一第二表面，該稜鏡結構設置於該本體之該第二表面，並具有複數環形稜鏡單元；以及一太陽能晶片，設置於面對該聚光透鏡之該稜鏡結構的一側，其中該稜鏡結構依據該些環形稜鏡單元具有至少二焦點，且該些焦點分佈於與該本體之該第一表面平行的一平面上，該平面係位於該太陽能晶片與該些環形稜鏡單元之間。
- 如申請專利範圍第6項所述之太陽能發電系統，其中該本體及該稜鏡結構具有相同之材質。
- 如申請專利範圍第6項所述之太陽能發電系統，其中該本體及該稜鏡結構具有不相同之材質。
- 如申請專利範圍第6項所述之太陽能發電系統，其中該太陽能晶片為一單晶矽太陽能電池、一多晶矽太陽能電池、一非晶矽矽太陽能電池、一化合物型太陽能電池或一有機半導體型太陽能電池。
- 如申請專利範圍第6項所述之太陽能發電系統，更包括：一光收集裝置，設置於該聚光透鏡與該太陽能晶片之間，接收由各該環形稜鏡單元之一環狀面射出之光線。
- 如申請專利範圍第6項所述之太陽能發電系統，更包括：一散熱裝置，設置於該太陽能晶片與該稜鏡結構相對之另一側。
- 如申請專利範圍第6項所述之太陽能發電系統，其中各該環形稜鏡單元之一環狀面與該本體之該第二表面之一夾角滿足下列方程式：，其中c表示該夾角，r表示該環形稜鏡單元至該本體之一中心點的距離，n表示該環形稜鏡單元之折射率，D表示該環形稜鏡單元之焦距。
- 如申請專利範圍第12項所述之太陽能發電系統，其中該本體之該第一表面接收複數個光線，再由該些環形稜鏡單元之各該環狀面射出，並聚集於該些焦點。
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