TWI524542B - 太陽能應用裝置及太陽能應用方法 - Google Patents
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Description
本發明涉及太陽能應用裝置及太陽能應用方法，尤其涉及產生電能的太陽能應用裝置及太陽能發電方法。
傳統技術中之太陽能系統大多利用矽晶太陽能電池等太陽能電池板來進行光電轉換，並用於路燈等各種照明設施。然，由於太陽能電池板通常設置在用電裝置上，因此太陽能轉換得到的電能僅供附近的用電裝置使用，富余的電量只能被儲存起來，從而造成電能閑置；另一方面，單個的太陽能系統其發電量通常較低，而且發電情況受自然條件限制(例如陰天、夜晚等)而很不穩定，如果接入市電系統發揮的作用有限，而且增加市電系統的復雜度，因此會帶來較高的用電成本。
有鑒於此，提供一種能使太陽能在用戶端轉換為電能的太陽能應用裝置及太陽能應用方法實為必要。
一種太陽能應用裝置，包括一個聚光器和光電轉換單元，該聚光器用於會聚光線，該太陽能應用裝置還包括一個導光元件以及至少一根光纖，該光纖具有第一端及第二端，該導光元件用於將會聚後的光線自該第一端導入該至少一根光纖，該光電轉換單元位
於該第二端以將光能轉換為電力輸出。
一種太陽能應用方法，包括以下步驟：利用一個聚光器會聚太陽光；利用一個導光元件將會聚後的太陽光引導至至少一根光纖內；利用一個光電轉換單元接收自該至少一根光纖內出射的光線並將光能轉換為電力。
相對於先前技術，本發明利用光纖將光線傳輸到遠近不同的用戶端然後進行光電轉換形成電力，可以有效解決太陽能電力不能在大範圍內使用以及避免接入市電網路等復雜問題，有利於降低太陽能電力的使用成本，推廣太陽能電力的應用。
100，200‧‧‧太陽能應用裝置
10‧‧‧聚光器
11‧‧‧菲涅爾帶
20‧‧‧導光元件
30‧‧‧光纖
301‧‧‧第一端
302‧‧‧第二端
40‧‧‧電源終端
400‧‧‧光電轉換單元
401‧‧‧中央區域
402‧‧‧第二表面
403‧‧‧導柱
404‧‧‧導電結構
50‧‧‧第一光纖耦合器
500‧‧‧本體
501‧‧‧第一表面
502‧‧‧插槽
503‧‧‧第一耦合透鏡
60‧‧‧逆變器
70‧‧‧第二光纖耦合器
700‧‧‧第一表面
701‧‧‧插槽
圖1係本發明第一實施例提供的太陽能應用裝置的工作原理示意圖。
圖2係本發明第一實施例提供的太陽能應用裝置的柱狀透鏡的立體結構意圖。
圖3係本發明第二實施例提供的太陽能應用裝置的工作原理示意圖。
以下將結合圖式對本發明作進一步詳細說明。
請參閱圖1，本發明第一實施例提供一種太陽能應用裝置100，該太陽能應用裝置100包括一個聚光器10，一個導光元件20，至少一根光纖30以及一個電源終端40。該電源終端40包括至少一個光電轉換單元400。
該聚光器10將太陽光會聚至該導光元件20，該導光元件20將會聚
後的光線引導至該光纖30，該光纖30具有第一端301及第二端302。光線從該第一端301進入後從該第二端302出射。該電源終端40位於該第二端302。該光電轉換單元400接收自該光纖30出射的光線，然後進行光到電的轉換，產生電力。
該聚光器10可以是聚光透鏡，例如凸透鏡、菲涅爾透鏡等，還可以是各種形狀的復合型拋物面鏡(compound parabolic concentrator,CPC)。總之，該聚光器10能夠將平行光(太陽光)會聚到一個小區域內。在本實施例中，該聚光器10為菲涅爾透鏡。菲涅爾透鏡大致呈較薄的圓形結構，入光面或出光面或者入光面和出光面均設有菲涅爾帶(同心圓紋路)，在本實施例中，只在入光面設有菲涅爾帶11。
該導光元件20位於該聚光器10所聚光線範圍內，例如可以是聚光透鏡的焦點附近或者是復合型拋物面鏡的焦點附近等。該導光元件20用於將光線導入該光纖30。導光元件20可以是各種光學器件，例如反光鏡，可以通過反射的方式將光線反射入光纖30；還可以是如圖1和圖2所示的柱狀透鏡(lenticular lens)；還可以是具有會聚功能的微透鏡(microlens)，微透鏡一般是指陣列式排列的薄透鏡。總之，導光元件20的作用在於將會聚後的太陽光分配至相對應的光纖30內，該“分配”兼顧對準和會聚功能。
導光元件20和聚光器10之間的位置關系根據導光元件20和聚光器10的具體結構不同而不同。例如，如果聚光器10是凸透鏡，導光元件20是反光鏡，則可以將該反光鏡以相對會聚光纖的中心線45度角傾斜的方式放置，從而將會聚光線大致彎折90度後反射入光纖。本實施例中的聚光器10為菲涅爾透鏡，導光元件20是柱狀透
鏡，該柱狀透鏡由N個連續的柱狀凸透鏡形成，可以將入射光線分成N束光線進入N根光纖，此處的N束光線中的每一束可以是光束，也可以是會聚光束，主要根據光纖30以及光纖30和導光元件20之間的位置關系而定。
上述情況中，當N取1時，該柱狀透鏡可以不必設置，可以考慮直接將光線會聚進入一根光纖中。柱狀透鏡更適合於需要多根光纖傳輸光線的時候。
在本實施例中，該光纖30的數目為四根。每根光纖30的纖芯和其對應的柱狀透鏡中的每個透鏡的光軸基本重合以接收光線。
為便於固定光纖30以及提高進入光纖30的光通量，特別是當光纖數量較多的時候，可以利用一個第一光纖耦合器50來固定光纖。具體地，該第一光纖耦合器50包括一個本體500和N個第一耦合透鏡503。該本體500具有一個第一表面501，該第一表面501朝向該導光元件20。該本體500內部設有N個插槽502用於固定光纖30。該N個第一耦合透鏡503設置在該第一表面501，用於進一步會聚自該導光元件20反射或者折射的光線，並使其進入光纖30。該N根光纖30分別與該N個第一耦合透鏡503光學耦合，該光線被該柱狀透鏡分成N束後通過該多個第一耦合透鏡503進入該多根光纖30。光線最後從光纖30的第二端302輸出。
為保護光纖30的末端，本實施例提供的太陽能應用裝置100還包括一個第二光纖耦合器70，該第二光纖耦合器70的結構和該第一光纖耦合器50的結構以及使用方式類似，在此不再贅述。
如果要求結構緊湊，可以在第二光纖耦合器70靠近該電源終端40
的第一表面700設置至少一個插槽701，而在電源終端40靠近該第二光纖耦合器70的第二表面402設置與該至少一個插槽701數量相同位置相應的至少一個導柱403，該導柱403和該插槽701相匹配，從而使該第二光纖耦合器70和該電源終端40相互插合。調整該插槽701的深度可以控制該光線出射點和該光電轉換單元400的間距。該光電轉換單元400的具體位置依照光線出射位置設置。本實施例中，該光電轉換單元400設於該第二表面401之中間區域402。該光電轉換單元400通過引腳傳輸電流。
該電源終端40可以安裝在房屋的墻體內。該光電轉換單元400可以是各種類型的太陽能電池，例如單晶矽太陽能電池，多晶矽太陽能電池，化合物太陽能電池，染料高分子太陽能電池等。
電力最後通過導電結構404向外輸出。該導電結構404可以是采用導電金屬材料制成的各種形狀的導線、導電通路、插頭等結構。
本實施例所述的電源終端40可以是類似傳統的插座，也可以是其他形式的適合輸出直流電或者交流電的一個終端，形式不限。
總之，可以通過以下步驟應用太陽能：利用一個聚光器10會聚太陽光；利用一個導光元件20將會聚後的太陽光引導至至少一根光纖30內；提供一個電源終端40，該電源終端40設有一個光電轉換單元400，利用該光電轉換單元400接收自該至少一根光纖30內出射的光線並將光能轉換為電能。
利用光纖傳輸光線的特點是傳輸距離可長可短，視用戶和光線接收處的距離而定，因此可以將光線傳輸到遠近不同的各種用戶端，而不必囿於一個小的使用範圍；由於光線在光纖30的末端轉換
為電能，因此中間的傳輸過程相對於電力傳輸來說非常安全，不會產生用電事故；並且，由於電源終端40一般設置在用戶處，例如設置在墻壁上，因此可以像傳統的電源終端一樣方便用戶使用太陽能電力。通常，在室外環境下設置的光電轉換單元很容易老化、損壞等，然而，本實施例中的光電轉換單元400設置在用戶處，可以免受室外環境的侵害，從而可以延長使用壽命。
相對於傳統的交流電源，太陽能電力是直流電源，可以用在使用直流電的裝置上。
請參閱圖3，本發明第二實施例提供的太陽能應用裝置200也可以在電源終端40具體還包括一個逆變器60來進行直流-交流轉換，從而輸出交流電。
相對於傳統的太陽能電力輸電網路，本發明利用光纖傳輸光線到戶采用專用網路，從而不必和市電網路相通，系統的復雜程度降低，從而在一定程度上降低用電成本。
相對於先前技術，本發明利用光纖將光線傳輸到遠近不同的用戶端然後進行光電轉換形成電力，可以有效解決太陽能電力不能在大範圍內使用以及避免接入市電網路等復雜問題，有利於降低太陽能電力的使用成本，推廣太陽能電力的應用。
綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施方式，自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡熟悉本案技藝之人士爰依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。
100‧‧‧太陽能應用裝置
11‧‧‧菲涅爾帶
10‧‧‧聚光器
20‧‧‧導光元件
30‧‧‧光纖
301‧‧‧第一端
302‧‧‧第二端
40‧‧‧電源終端
400‧‧‧光電轉換單元
401‧‧‧中央區域
402‧‧‧第二表面
403‧‧‧導柱
404‧‧‧導電結構
50‧‧‧第一光纖耦合器
500‧‧‧本體
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503‧‧‧第一耦合透鏡
70‧‧‧第二光纖耦合器
700‧‧‧第一表面
701‧‧‧插槽
Claims (11)
- 一種太陽能應用裝置，包括一個聚光器和光電轉換單元，該聚光器用於會聚光線，其改良在於：該太陽能應用裝置還包括一個導光元件、以及至少一根光纖，該光纖具有第一端及第二端，該導光元件用於將會聚後的光線自該第一端導入該至少一根光纖，該光電轉換單元位於該第二端以將光能轉換為電力輸出，該聚光器是凸透鏡，該導光元件是反光鏡，將該反光鏡以相對會聚光纖的中心線45度角傾斜的方式放置，從而將會聚光線大致彎折90度後反射入光纖。
- 如申請專利範圍第1項所述之太陽能應用裝置，其中：該至少一根光纖包括多根光纖。
- 如申請專利範圍第2項所述之太陽能應用裝置，其中：該太陽能應用裝置包括一個第一光纖耦合器，該第一光纖耦合器包括多個第一耦合透鏡，該多根光纖分別與該多個第一耦合透鏡光學耦合。
- 如申請專利範圍第1項所述之太陽能應用裝置，其中：該太陽能應用裝置包括一個電源終端，該光電轉換單元位於該電源終端，該電源終端還包括一個用於對外輸出該電力的導電結構。
- 如申請專利範圍第4項所述之太陽能應用裝置，其中：該電源終端用於安裝於牆壁上。
- 如申請專利範圍第1-5項中任一項所述之太陽能應用裝置，其中：該太陽能應用裝置還包括一個第二光纖耦合器，該第二光纖耦合器包括與該至少一根光纖數量相等的至少一個第二耦合透鏡，該至少一根光纖於該第二端與該至少一個第二耦合透鏡光學耦合。
- 如申請專利範圍第4或第5項所述之太陽能應用裝置，其中：該電源終端還包括一個逆變器用於將該電力由直流電轉變為交流電。
- 如申請專利範圍第4或第5項所述之太陽能應用裝置，其中：該太陽能應用裝置還包括一個第二光纖耦合器，該第二光纖耦合器包括至少一個第二耦合透鏡，該至少一根光纖於該第二端與該至少一個第二耦合透鏡光學耦合，該第二光纖耦合器具有插槽或導柱中的一種，該電源終端相應地具有插槽或導柱中的另一種，從而將該第二光纖耦合器插接於該電源終端內。
- 一種太陽能應用方法，包括以下步驟：利用一個聚光器會聚太陽光；利用一個導光元件將會聚後的太陽光引導至至少一根光纖內，該聚光器是凸透鏡，該導光元件是反光鏡，將該反光鏡以相對會聚光纖的中心線45度角傾斜的方式放置，從而將會聚光線大致彎折90度後反射入光纖；利用一個光電轉換單元接收自該至少一根光纖內出射的光線並將光能轉換為電力。
- 如申請專利範圍第9項所述之太陽能應用方法，其中：該太陽能應用裝置還包括一個電源終端，該光電轉換單元位於該電源終端，該電源終端還包括一個用於對外輸出該電力的導電結構。
- 如申請專利範圍第9項所述之太陽能應用方法，其中：該至少一根光纖包括多根光纖。
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