[go: up one dir, main page]

TWI538239B - Light collection device and its light collection method - Google Patents

Light collection device and its light collection method Download PDF

Info

Publication number
TWI538239B
TWI538239B TW100104786A TW100104786A TWI538239B TW I538239 B TWI538239 B TW I538239B TW 100104786 A TW100104786 A TW 100104786A TW 100104786 A TW100104786 A TW 100104786A TW I538239 B TWI538239 B TW I538239B
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
light
concentrator
opening
order output
concentrating
Prior art date
Application number
TW100104786A
Other languages
English (en)
Other versions
TW201234631A (en
Inventor
Yuan-Xiang Zou
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed filed Critical
Priority to TW100104786A priority Critical patent/TWI538239B/zh
Priority to JP2011167086A priority patent/JP2012167921A/ja
Priority to US13/370,556 priority patent/US20120206826A1/en
Priority to EP12000871A priority patent/EP2487728A2/en
Publication of TW201234631A publication Critical patent/TW201234631A/zh
Application granted granted Critical
Publication of TWI538239B publication Critical patent/TWI538239B/zh

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B19/00—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics
    • G02B19/0004—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the optical means employed
    • G02B19/0028—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the optical means employed refractive and reflective surfaces, e.g. non-imaging catadioptric systems
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B19/00—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics
    • G02B19/0033—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the use
    • G02B19/0038—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the use for use with ambient light
    • G02B19/0042—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the use for use with ambient light for use with direct solar radiation
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F77/00—Constructional details of devices covered by this subclass
    • H10F77/40—Optical elements or arrangements
    • H10F77/42—Optical elements or arrangements directly associated or integrated with photovoltaic cells, e.g. light-reflecting means or light-concentrating means
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/52—PV systems with concentrators

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Toxicology (AREA)
  • Photovoltaic Devices (AREA)
  • Optical Elements Other Than Lenses (AREA)

Description

集光裝置及其集光方法
本發明係有關於一種集光系統和集光方法；特別是指一種應用在太陽電池模組(photovoltaic module)或太陽能轉換機制的集光系統之組裝結構複合設計，使光線在集光裝置之間產生更理想的路徑配置之手段者。
應用光學透鏡(例如Fresnel lens)和太陽電池模組或晶片組合，來大量收集入射光之集光系統或集光模組，係已為習知技藝。習知的集光統包括光學透鏡或一次光學元件(或稱聚光器)、二次光學元件、光學蓋板、和一底板等部分(或經一框架設置在底板和光學蓋板之間)，將上述組件固定組合的型態。例如，US 7473000 B2「SHIELD FOR SOLAR RADIATION COLLECTOR」、及US 2009/0320923「PHOTOVOLTAIC CONCENTRATING APPARATUS」專利案等，係提供了典型的實施例。
就像那些熟習此技藝的人所知悉，如果太陽光線的入射或光線路徑落在晶片(或電池模組)的中心區域，會使晶片局部區域產生熱應力集中的情形，這會降低晶片的使用壽命和影響光電轉換效能；因此，在習知技藝的集光結構設計均係傾向於獲得較大的可接受角和均光效果，來改善上述的問題。例如，US 6541694 B2「NONIMAGING LIGHT CONCENTRATOR WITH UNIFORM IRRADIANCE」專利案，係提供了一個可行的實施例。上述的可接受角係指：在沒有誤差的理想狀況下，太陽光線可100%入射集光系統。但是，當外在因素迫使入射光角度產生偏差，如果集光效率可達到90%時，該入射角度偏差係定義為可接受角。
一個有關這類集光裝置在應用方面的課題是，它們在獲得較大的可接受角和均光效果的作用下，通常也造成了光線入射接收元件或電池模組(或晶片)的角度增加，而損失了光線接收元件的集光效率。具體來說，例如使用TIR組成的聚光裝置可以達到高集光倍率和超短焦設計。然而，如果企圖以光線接收元件可高效率吸收入射光的條件考量，TIR聚光裝置有相當大部分的光係以大角度入射該接收元件(或晶片)，而造成接收元件的光電效率無法提高，而這種情形並不是我們所期望的。同樣的，卡塞格林(Cassegrain)、RXI短焦式集光裝置也存在了所述的情形。
代表性的來說，這些參考資料顯示了有關光源和光學組件或集光系統配合在應用方面的技藝；它們也反映出這些光學組件或集光裝置設計在某些應用的情形中，所存在的一些問題。如果重行設計考量集光模組的組織結構，使其構造不同於習用者，將可改變它的使用型態，而有別於舊法；實質上，也會增加它的應用範圍。因此，它的構造必需考量到下列幾個設計課題：
1.使它的製造組裝結構設計在符合一個簡單的條件下，包括降低集光裝置組裝的困難度，以減少製造成本；並且，提高聚光元件和光線接收元件的精確度，以進一步增加集光裝置的轉換效能和發電效率的穩定度等作用，來改善習知結構光學照度不均勻，影響光電轉換效能等情形。
2.在已知的習知技藝中均傾向於針對光線入射接收元件(或晶片)的均勻度(即，均光效果)或增大可接受角提出改良設計，而未討論光線入射接收元件(或晶片)的角度的課題。
例如，在US 7473000 B2、US 6541694 B2專利案中，係提供了一個結構成上寬、下窄型態的均光器(或稱集光器)，來增加集光系統的可接受角。不過如上述的，當光線進入這類上寬、下窄型態的均光器後，通常也造成了光線入射接收元件或電池模組(或晶片)的角度增加，而損失了光線接收元件的光電轉換效率。
因此，在本發明的集光裝置設計中，該光線入射接收元件(或晶片)的角度，係特別被加以考量的。
3.請參考第1圖，光線入射角度和接收元件(或晶片)響應的示意圖。當光線以角度0°入射(或定義為垂直入射)晶片時，晶片的效率響應係達到100%；當光線入射晶片的角度超過30°時，晶片的效率響應係低於87%。換言之，必須企圖使光線入射晶片的角度盡量被保持在小於30°的範圍內，才能降低晶片的效率損失(或提高晶片的吸收效率和光電轉換效能)。
4.如上述，為了獲得降低“晶片的效率損失”的作用，習知的一次光學元件和二次光學元件的組合結構和相關配置設計，應重新被安排和考量；以及，如何安排、設計才能使入射晶片的光線角度被保持在小於30°的範圍內，讓入射光線(或入射到晶片的太陽光線)的損失，被減到最小。
而這些課題在上述的參考資料中均未被教示或具體揭露。
爰是，本發明之主要目的即在於提供一種集光裝置及其集光方法，係提供一組裝簡單，以及使光線以較垂直的角度入射接收元件、增加光線接收元件的吸收效率和照度均勻性等作用者；包括一具有焦(點)區的聚光器和一組合有光線接收元件的全反射集光器。該集光器係定義有一入光孔徑和一出光孔徑；並且，使該集光器的入光孔徑接近或位在該聚光器焦區的位置。以及，該聚光器接收光源的至少一部分光線，使它們通過焦(點)區後，順向出射到該集光器；並且，經集光器之全反射光學作用將該光線入射接收元件，改善習知結構因光線入射角度太大或不理想，和光學照度不均勻、影響光電轉換效能等情形。
根據本發明之集光裝置，該集光器係以一參考軸為基準，形成一(圓)錐狀輪廓(斷面)的型態。所述集光器的入光孔徑係接近或位在該聚光器焦區的位置或範圍。以及，該接收元件係設置在集光器出光孔徑的位置上。因此，當該聚光器接收光源的至少一部分光線，使它們通過焦(點)區，順向出射到該集光器後，經集光器之全反射光學作用，係使上述光線入射接收元件的角度，被儘可能的保持在接近垂直(或小於30°)入射接收元件的角度範圍內。
根據本發明之集光裝置，該集光器係設置在一基部上；該基部係形成有一開孔，以組合該集光器。以及，使該基部開孔係接近或位在該聚光器焦區的位置上。該基部的開孔係以該參考軸為參考方向，定義有一上區和一下區；並且，形成該上區較寬，下區較窄的輪廓(斷面)型態。因此，該聚光器焦區係接近或位在 基部開孔上區的位置；以及，使集光器的(入光)孔徑位在該基部開孔上區的位置。
可行的是，以該參考軸為參考方向，該基部係形成在聚光器的底部。並且，該基部(或底部)開孔係形成一錐狀輪廓(或梯形斷面)的型態；上區的內徑係大於該下區的內徑。以及，該下區的內徑約等於該集光器出光孔徑的外徑；因此，集光器的結構型態特別適於操作者直接對準該聚光器開孔的下區，同時獲得垂直方向對位和左、右(或中心)方向對位的作用，使集光器簡便組合在該聚光器的底部(或基部)上。
較佳的是，該底部開孔或基部開孔係包含一(內)表面；並且，該表面係鍍有一層反射膜，而形成一反射面。
根據本發明之集光裝置，該底部開孔或基部開孔的下區內徑約等於該接收元件的外徑或約等於該接收元件的對角線長度。
根據本發明集光裝置之集光方法，係使光線的光學設計輸入，包括：(a)使該聚光器接收光源的至少一部分光(線)；使所述光(線)通過該焦(點)區後，順向出射到集光器上，而得到第一階輸出光；以及(b)該第一階輸出光到達集光器後，係經該集光器之一全反射光學作用，出光為第二階輸出光；所述第二階輸出光在到達該集光器的出光孔徑後，係入射到該(光線)接收元件。
根據本發明集光裝置之集光方法，係包括另一集光方法；所 述的集光方法係使光線的光學設計輸入包括：(a)使該聚光器接收光源的至少一部分光(線)；所述光(線)在偏離該焦(點)區後，順向出射到基部(或底部)開孔的表面；(b)上述光線係經基部(或底部)開孔的表面反射出光，而得到第一階輸出光；以及(c)該第一階輸出光到達集光器後，係經該集光器之折射及/或一(內)全反射光學作用，出光為第二階輸出光；所述第二階輸出光在到達該集光器的出光孔徑後，係入射到該(光線)接收元件。
對於本發明所具有之新穎性、特點，及其他目的與功效，將在下文中配合所附圖式的詳加說明，而趨於了解；如圖所示：
10‧‧‧聚光器
11‧‧‧反射面
12、22‧‧‧(入光)孔徑
13‧‧‧底部
14、31‧‧‧開孔
14a、31a‧‧‧上區
14b、31b‧‧‧下區
14c、31c‧‧‧(內)表面
15‧‧‧焦(點)區
20‧‧‧集光器
23‧‧‧彎曲面
24‧‧‧(出光)孔徑
30‧‧‧基部
40‧‧‧次級光學元件
50‧‧‧(光線)接收元件
60‧‧‧基板
71、72‧‧‧光線
71a、72a‧‧‧光線
71b、72b‧‧‧光線
χ‧‧‧參考軸
第1圖係光線入射角度和接收元件響應之示意圖。
第2圖係本發明聚光器和集光器之結構示意圖。
第3圖係本發明聚光器、集光器和基部之結構組合示意圖。
第4圖係本發明之聚光器選擇一全反射式聚焦光學元件之結構組合示意圖。
第5圖係光線經聚光器和集光器的一、二次光學作用後之照度分佈示意圖。
第6圖係光線經聚光器和集光器的一、二次光學作用後之光強度 分佈示意圖。
第7圖係本發明聚光器和集光器之結構分解示意圖。
第8圖係本發明聚光器和集光器之結構組合透視示意圖。
第9圖係第8圖之結構剖視示意圖；其中，該假想線部份係描繪了集光器上部形成一彎曲面型態的情形。
第10圖係第9圖之局部結構放大示意圖。
第11圖係本發明集光裝置導引光線行進之示意圖；係描繪了光線經聚光器一次光學和集光器二次光學之情形。
第12圖係第11圖之局部結構放大示意圖。
第13圖係本發明集光裝置之集光方法方塊示意圖。
第14圖係光線產生偏角入射集光裝置之光線行進示意圖。
第15圖係第14圖之局部結構放大示意圖。
第16圖係本發明集光裝置之另一集光方法方塊示意圖。
第17圖係本發明集光裝置之又一集光方法方塊示意圖。
請參閱第2圖，本發明之集光裝置，係包括一聚光器和一集光器的組合，概分別以參考編號10、20表示之。該聚光器10又被定義為一次光學元件，具有一焦(點)區15。因此，該聚光器10接收光源的至少一部分光線後，係使它們通過焦(點)區15，順向出射到該集光器20；並且，經集光器20之一全反射光學作用或程序，將該光線入射一(光線)接收元件50 。
請參考第2圖，該集光器20係一“全反射”的光學設計，又被定義為二次光學元件；在所採的實施例中，係以一參考軸χ為基準，形成一幾何形輪廓的透光實心體的型態；圖中顯示了該集光器20係形成一(圓)錐狀輪廓(斷面)的型態。錐狀輪廓的型態在斷面上的曲線是曲率為0的傾斜直線。該集光器20係定義有一入光孔徑22和一出光孔徑24；並且，使該集光器20的入光孔徑22接近或位在該聚光器焦區15的位置或範圍。該接收元件50係設置在集光器出光孔徑24的位置上。詳細來說，該接收元件50係配置在一陶瓷、銅或其類似材料製成的基板60上；例如，第2圖所描繪的情形。實務上，接收元件50和基板60之間可塗置錫膏來固定；並且，集光器20可直接包覆或封裝在該接收元件50上。
依據上述，從第2圖的剖視來看，該集光器入光孔徑22的寬度(或直徑)係小於出光孔徑24的寬度(或直徑)；簡言之，集光器20具有上部和位在上部下方的下部，係形成一上部較窄、下部較寬的幾何形輪廓型態。該集光器20形成上部窄、下部寬的結構型態，係使入射到該集光器20的光線，被儘可能的保持在接近垂直(或小於30°)入射接收元件50的角度範圍內，而獲得提高接收元件50的吸收效率和接收元件50上的照度均勻性等作用；此部分在下文中還會予以敘述。
請參閱第3圖，在一個可行的實施例中，該集光器20係設置在一基部30上；基部30可和該基板60形成一體成型的型態，或在基部30和基板60之間佈置黏膠，使它們相互接合固 定。該基部30係包括或界定有一開孔31，以收容該集光器20。以及，使該基部開孔31係位在該聚光器焦區15的位置或一範圍內。該基部30的開孔31係以該參考軸χ為參考方向，定義有一上區31a和一下區31b；並且，形成該上區31a較寬，下區31b較窄的輪廓(斷面)型態。換言之，從第3圖的剖視來看，該上區31a的寬度(或直徑)係大於該下區31b的寬度(或直徑)。該聚光器焦區15係接近或位在基部開孔上區31a的位置；以及，使集光器20的(入光)孔徑22位在該基部開孔上區31a的位置。
較佳的是，該基部30的開孔31係包含一(內)表面31c；並且，該表面31c係鍍有一層反射膜，而形成一反射面。須加以說明的是依據上述，該基部開孔31形成上區31a較寬，下區31b較窄的結構型態，係可增加光學系統的可接受角。因此，聚光器10和集光器20的組合結構係可讓入射的光線以較小角度(如上述30°的範圍內)入射接收元件50；以及配合該開孔上區31a、下區31b和表面31c的結構，同時達到增加光學系統的可接受角之作用。
請參閱第4圖，係描繪了一個具體的實施例。該聚光器10係選擇了一全反射式(TIR)聚焦光學元件，而具有該焦區15，來與該集光器20、基部30和開孔31配合的結構型態；即，該集光器20的入光孔徑22係設置在聚光器焦區15的位置上。所述的聚焦光學元件也可以選擇Fresnel(菲涅耳)、全反射折射透鏡(TIR lens)…或其類似的聚光系統。
第4圖係顯示了入射光線或太陽光線以直射型態進入聚光器 10的一次光學和集光器20的二次光學作用的集光行進情形。在所採的實施例中，係將通過該聚光器10中間部份的入射光線以參考編號71表示之；將通過該聚光器10周邊部分的入射光線以參考編號72表示之。
圖中顯示了光線71係經過該聚光器10直接導引到該聚光器10的焦區15，然後從集光器20的入光孔徑22進入集光器20，均勻和聚集的入射到該光線接收元件50上。即，光線71未經過集光器20的全反射作用，而是直接折射後進入光線接收元件50。而入射光線72進入聚光器10，經聚光器10的鋸齒狀結構導引通過焦區15後，係從集光器20的入光孔徑22出射，提供第一階輸出光；然後，所述第一階輸出光係被集光器20之(內)全反射光學作用，均勻的入射到該光線接收元件50上。
須加以說明的是，第4圖特別顯示出該光線71、72經聚光器10的反射光學作用和集光器20的全反射光學作用後，該光線71、72入射接收元件50的角度範圍係被保持在0°~30°(或大約0°~40°)之間；簡言之，該光線71、72係以較垂直或小於30°的角度範圍入射該接收元件50。因此，其入射接收元件50的角度較小、光照度的均勻性和光強度的分布都較習知技藝理想，例如第5、6圖實驗模擬所描繪的情形。
請參閱第7、8圖，係描繪了另一個具體的實施例。該聚光器10係一“反射式”的光學設計或光學反射映射元件，而具有一反射(曲)面11；反射面11係一具有反射材料的反射層； 例如，可選擇金屬表面反射層或其他材料構成反射效果的組織結構。
第9圖特別顯示出，該聚光器10的體積明顯大於該集光器20的體積。在所採的實施例中，該集光器20係配置在圖中聚光器10的底部13，或經接合結構組合，或是採一體成型的結構。具體來說，該聚光器10係包含一入光孔徑12、和一形成在底部13上的開孔14(或稱為出光孔徑)。所述的開孔14係被定義在入光孔徑12的另一端或相對邊，以容許光線從該開孔14輸出。實質上，該集光器20係被收容或設置在聚光器開孔14的位置或區域內。因此，在較佳的考量中，集光器20的高度約等於該底部13的厚度；例如，第9圖所顯示的情形。
請參考第9圖，該聚光器10或其反射面11係以一參考軸χ為基準，形成一碗狀輪廓、拋物線輪廓或其他幾何形輪廓的型態；在所採的實施例中，聚光器10係選擇一拋物線(斷面)輪廓的型態；因此，該反射面11係一彎曲面的型態，而界定出該焦(點)區15；並且，該開孔14係鄰近該焦(點)區15。因此，集光器20的入光孔徑22係接近或位在該焦區15的位置上。
在一個可行的實施例中，該聚光器入光孔徑12上係配置有一次級聚光元件40；次級聚光元件40可選擇一凸透鏡、Fresnel鏡片、鋸齒狀全反射透鏡(TIR)或其他型態的光學鏡片，以導引光線通過該焦區15輸出。
相較於第4圖和第9圖的實施例來說，可明顯比對出，該聚 光器底部13係代表或取代了該基部30的結構。更具體的說，該底部13的開孔14係以該參考軸χ為參考方向，形成一錐狀輪廓(或梯形斷面)的型態；相同於基部30的開孔31，開孔14也定義有一上區14a和一下區14b；並且，形成該上區14a較寬，下區14b較窄的輪廓(斷面)型態。也就是說，從第9或10圖的剖視來看，聚光器上區14a的寬度(或內徑)係大於該下區14b的寬度(或內徑)。以及，該下區14b(或31b)的寬度(或內徑)約等於或微大於該集光器出光孔徑24的寬度(或外徑)；因此，集光器20上部窄、下部寬的錐狀結構型態，係形成一類似導引柱的作用，特別適於操作者簡便的使集光器20對準該聚光器開孔14的下區14b，同時獲得垂直方向對位和左、右(或中心)方向對位的作用，直接插入聚光器底部13，使集光器20和聚光器10組合在一起；例如，第10圖所描繪的情形。
該聚光器10的開孔14也包含一(內)表面14c；並且，該表面14c係鍍有一層反射膜，而形成一反射面，其作用(增加這光學系統的可接受角)在下文中還會予以敘述。
在一個較佳的考量中，該底部開孔14或基部開孔31的下區14b、31b內徑約等於該接收元件50的外徑或約等於該接收元件50的對角線長度。
如上述在實務上，接收元件50和基板60之間可塗置錫膏來固定；並且，在聚光器底部13和基板60之間係佈置黏膠來接合聚光器10和基板60。所述基板60的面積或體積係可依據需求或現場條件來變更。
請參考第9、10圖，在一個修正的實施例中，該集光器20的上部表面(或稱界面)，或入光孔徑22上，係形成一彎曲面23的型態；例如，圖中假想線部份所顯示的情形。相較於平面而言，彎曲面23可讓較大角度的入射光線到達集光器20時，產生的反射損失被儘可能的降到最低。在一個可行的考量中，該集光器20在圖中(例如第3或9圖)的高度(或位置)係可略低或略高於該開孔14、31的高度(或位置)。
如上述的條件考量，也可以包括：
1.該聚光器開孔下區14b(或基部開孔下區31b)的寬度(或內徑)約等於或微大於該接收元件50的寬度(或外徑)。
2.該聚光器開孔下區14b(或基部開孔下區31b)的寬度(或內徑)約等於或微大於該接收元件50的對角線長度。
3.該集光器(出光)孔徑24的寬度(或內徑)約等於該接收元件50的寬度(或外徑)。
4.該集光器(出光)孔徑24的寬度(或內徑)約等於該接收元件50的對角線長度。
請參閱第11、12圖，係顯示了入射光線或太陽光線以直射型態進入聚光器10的一次光學和集光器20的二次光學作用的集光行進情形。在所採的實施例中，係將通過該次級光學元件40的入射光線以參考編號71表示之；將未經過該次級光學元件40，進入聚光器10的入射光線以參考編號72表示之。
圖中顯示了光線71係經過該次級光學元件40直接導引到 該聚光器10的焦區15，然後從聚光器10的開孔14(或集光器20的入光孔徑22)進入集光器20，以較垂直角度的均勻入射到該光線接收元件50上。入射光線72進入聚光器10後，係經聚光器反射面11反射通過焦區15，從聚光器10的開孔14(或集光器20的入光孔徑22)出射，提供第一階輸出光；然後，所述第一階輸出光係被集光器20之(內)全反射光學作用，均勻的入射到該光線接收元件50上。
須加以說明的是，第11、12圖分別顯示出該光線71、72經聚光器10的折射光學、反射光學作用和集光器20的全反射光學作用後，入射接收元件50的角度範圍係被保持在0°~30°(或大約0°~40°)之間；因此，其光照度的均勻性和光強度的分布都較習知技藝理想，例如上述第5、6圖實驗模擬所描繪的情形。
請參閱第13圖，依據上述，本發明集光裝置係包括一集光方法；所述的集光方法係使光線的光學設計輸入包括：(a)使該聚光器10接收光源的至少一部分光(線)；使所述光(線)通過該焦(點)區15後，順向出射到集光器20上，而得到第一階輸出光；以及(b)該第一階輸出光到達集光器20後，係經該集光器20之一(內)全反射光學作用，出光為第二階輸出光；所述第二階輸出光在到達該集光器20的出光孔徑24後，係入射到該(光線)接收元件50。
請參閱第14、15圖，上文曾提到該聚光器10的開孔1 4係包含一(內)表面14c；並且，該表面14c係鍍有一層反射膜，而形成一反射面的結構設計。第14、15圖特別顯示出當光線或太陽光入射集光裝置的角度是非直射型態時，會產生偏差(或偏角)現象。相較於上述的第11、12圖而言，光線71經過該次級光學元件40後，會有部分光線(在這實施例中，係以編號71a表示之)在通過聚光器10的開孔14後，越過集光器20(或偏離焦區15)出射到該聚光器開孔14的表面14c(或反射面)上；並且經表面14c反射出射，形成第一階輸出光。所述第一階輸出光到達集光器20後，係經該集光器20的折射或一(內)全反射光學作用，出光為第二階輸出光；第二階輸出光在到達該集光器20的出光孔徑24後，係入射到該(光線)接收元件50上。
圖中也描繪了部分光線71b經過該次級光學元件40後，係偏離焦區15的直接出射到集光器20上；然後，出光入射到該(光線)接收元件50上。
第14、15圖也描繪了光線72會有部分光線(在這實施例中，係以編號72a表示之)經聚光器反射面11反射，和通過聚光器10的開孔14後，越過集光器20(或偏離焦區15)出射到該聚光器開孔14的表面14c(或反射面)上；並且經表面14c反射出射，形成第一階輸出光。所述第一階輸出光到達集光器20後，係經該集光器20的折射或/及一(內)全反射光學作用，出光為第二階輸出光；第二階輸出光在到達該集光器20的出光孔徑24後，係入射到該(光線)接收元件50上。
圖中也描繪了部分光線72b經聚光器反射面11反射後，係偏離焦區15的直接出射到集光器20上；然後，經該集光器20的折射和(內)全反射光學作用，出光入射到該(光線)接收元件50上。
可了解的是在實際應用的情形中，雖然該越過集光器20的部分光線71a、71b、72a、72b相較於總體集光效率或集光比例而言，僅佔極微小的比例；但在所述的實施例中，該集光裝置因具有較大的可接受角，因此該光線71a、71b、72a、72b在經過聚光器10的反射面11或開孔(內)表面14c反射光學作用，以及再經過該集光器20的折射或/及(內)全反射光學作用後，也入射到該(光線)接收元件50上。也就是說，這集光裝置如上述在獲得入射接收元件50的角度小、光照度均勻、光強度分部較佳的作用下，也具有較大可接受角的光學作用。
請參考第16圖，依據上述，本發明之集光裝置係包括另一集光方法；所述的集光方法係使光線的光學設計輸入包括：
(a)使該聚光器10接收光源的至少一部分光(線)；所述光(線)在偏離該焦(點)區15後，順向出射到聚光器開孔14的表面14c。
該聚光器10所接收的至少一部分光(線)係指：該光線係以該參考軸χ為基準線，形成偏角型態的進入該聚光器10；包括通過該次級光學元件40的光線71a，和經聚光器反射面11反射的光線72a。
(b)上述光線係經聚光器10的出光孔徑表面14c反射出光，而得到第一階輸出光；以及
(c)該第一階輸出光到達集光器20後，係經該集光器20之折射或/及一(內)全反射光學作用，出光為第二階輸出光；所述第二階輸出光在到達該集光器20的出光孔徑24後，係入射到該(光線)接收元件50。
請參考第17圖，依據上述，本發明之集光裝置係包括又一集光方法；所述的集光方法係使光線的光學設計輸入包括：
(a)使該聚光器10接收光源的至少一部分光(線)；所述光(線)在偏離該焦(點)區15後，順向出射到該集光器20；而得到第一階輸出光。
該聚光器10所接收的至少一部分光(線)係指：該光線係以該參考軸χ為基準線，形成偏角型態的進入該聚光器10；包括通過該次級光學元件40的光線71b，和經聚光器反射面11反射的光線72b。
(b)並且，該第一階輸出光經該集光器20之折射或/及一(內)全反射光學作用，形成第二階輸出光，入射到該(光線)接收元件50上。
在一個衍生的實施例中，該集光器20可考量以該參考軸χ形成一拋物線(斷面)輪廓的型態(圖未顯示)，而具有一焦(點)區和形成在焦(點)區那裏的一個入光孔徑22；並且，使所述的集光器焦(點)區與該聚光器10的焦(點)區15形成共焦(點)或在一範圍內大致共焦之型態。以及，使該集光器2 0的入光孔徑22大致係位在該聚光器開孔上區14a或其焦區15的位置。在這實施例中，相對於該集光器入光孔徑22的另一邊或相對邊，集光器20也定義有一出光孔徑24；實質上，該接收元件50係設置在集光器出光孔徑24的位置上。
可了解的是在這衍生的實施例中，它的光線運動情形係和上述第11、12、14、15圖描繪的光線路徑類似的。在這實施例中，係可定義該入射的光線通過的焦(點)區，也包括共焦或大致共焦(點)區的型態；所述共焦(點)區係指聚光器10的焦區15和集光器焦區的共焦區域或範圍。
代表性地來說，這集光裝置及其集光方法在提供一結構精簡的條件下，係包括了下列的設計考量：
1.使它的製造組裝結構設計在符合一個簡單的條件下，包括降低集光裝置組裝的困難度，以減少製造成本；並且，提高聚光元件和光線接收元件的精確度，以進一步增加集光裝置的轉換效能和發電效率的穩定度等作用，改善習知結構光學照度不均勻，影響光電轉換效能等情形。
上述作用的獲得，係使這集光裝置的結構設計包括：
(1)使該全反射集光器20的輪廓或斷面，形成上窄、下寬的結構型態；因此，相較於習知技藝而言，這集光裝置使光線入射接收元件50的角度會比較接近垂直(即0°)的型態、光照度分布也比較均勻。
(2)使聚光器開孔14的下區14b(或基部開孔31的下區31b)的直徑約等於或微大於集光器20 的外徑；或開孔下區14b、31b的直徑約等於或微大於接收元件50的外徑(或接收元件50對角線長度)；以及，集光器20係建立一類似導引柱的結構設計，係使聚光器10和集光器20的垂直方向、水平(或中心)方向的對準和組裝作業變得更簡便。
2.不同於集光器10的結構型態，該聚光器10的開孔14或基部開孔31係選擇一反射式光學元件；並且，較佳的係形成上寬、下窄的結構型態，使這集光裝置可獲得較大的“可接受角”的作用；即使在光線以偏角的情形入射集光裝置時，仍可被導入該接收元件50。
3.該聚光器10的開孔14形成上寬、下窄的結構型態的另一個考量和效益在於：開孔14的(內)表面14c形成反射面的作業，可在聚光器10實施鍍膜形成反射面11的同一作業程序中完成；而不會產生如習知技藝分次或分別執行鍍膜作業，效率較差、鍍膜均勻性不理想等情形。
4.這集光裝置聚光器10的一次光學作用和集光器20的二次光學作用的組織設計，特別加以考量該光線入射接收元件50(或晶片)的角度的課題；明顯相異於舊法中僅針對光線入射接收元件的均勻度(即，均光效果)或增大可接受角的設計等情形。
5.第11、12圖特別顯示了這集光裝置的光線入射接收元件50(或晶片)角度，係被保持在小於30°的範圍內，而明顯降低了接收元件50的效率損失(或提高晶片的吸收效率和光電轉換效能)。
6.如上述，這集光裝置獲得降低“晶片的效率損失”的作用，係使該一次光學元件(即，聚光器10)和二次光學元件(即，集光器10)的組合結構和相關配置設計，被重新安排和考量。
故，本發明係提供了一有效的集光裝置及其集光方法；其空間型態係不同於習知者，且具有舊法中所未有之機能，明顯展現了相當大之進步。
惟，以上所述者，僅為本發明之可行實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍，即凡依本發明申請專利範圍所作之均等變化與修飾，皆為本發明專利範圍所涵蓋。
10‧‧‧聚光器
15‧‧‧焦(點)區
20‧‧‧集光器
22‧‧‧(入光)孔徑
24‧‧‧(出光)孔徑
30‧‧‧基部
31‧‧‧開孔
31a‧‧‧上區
31b‧‧‧下區
50‧‧‧(光線)接收元件
60‧‧‧基板

Claims (23)

  1. 一種集光裝置，係包括：一聚光器，係具有一焦區；一透光實心體型態的集光器，具有上部和位在上部下方的下部，係形成上部窄、下部寬的結構型態，配置在接近該聚光器焦區的位置上；該集光器係包含有一入光孔徑和一出光孔徑；以及一光線接收元件，係設置在鄰近該集光器出光孔徑的位置；並且，接收至少一部分光線；所述一部分光線係經過該集光器至少一次全反射光學作用。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之集光裝置；其中，該集光器的入光孔徑係設在接近該聚光器焦區的位置。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之集光裝置；其中，該集光器係包覆在該光線接收元件上。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之集光裝置；其中，該集光器係設置在一基部上；實質上，所述基部係包括有一開孔，收容該集光器；以及該開孔係位在接近聚光器焦區的位置，定義有一上區和一下區；並且，形成開孔上區寬、下區窄的結構型態。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之集光裝置；其中，該開孔上區係位在接近該聚光器焦區的位置；以及該集光器的入光孔徑係位在接近該開孔上區的位置。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之集光裝置；其中，該基部的開孔係包含一內表面；所述內表面係鍍有一層反射膜，而形成一反射面。
  7. 如申請專利範圍第1~6項之任一項所述之集光裝置；其中，該部分光線入射光線接收元件的角度範圍係0°~40°。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之集光裝置；其中，該聚光器係一形成幾何型輪廓型態的反射式光學元件；包括：一入光孔徑、一反射面、一底部、和一形成在底部上的開孔；該開孔係位在該入光孔徑的相對邊；該集光器係設置在該開孔的區域內；以及所述開孔係位在接近聚光器焦區的位置，定義有一上區和一下區；並且，形成開孔上區寬、下區窄的結構型態。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之集光裝置；其中，該開孔上區係位在接近該聚光器焦區的位置；以及該集光器的入光孔徑係位在接近該開孔上區的位置。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之集光裝置；其中，該開孔係包含一內表面；所述內表面係鍍有一層反射膜，而形成一反射面。
  11. 如申請專利範圍第8項所述之集光裝置；其中，該聚光器係形成一拋物線輪廓的型態。
  12. 如申請專利範圍第1或8或9或10或11項所述之集光裝置；其中，該集光器入光孔徑上係形成一彎曲面的型態。
  13. 如申請專利範圍第8或9或10或11項所述之集光裝置；其中，該聚光器入光孔徑係配置有一次級聚光元件。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之集光裝置；其中，該光線接收元 件係配置在一基板上；所述基板係與該聚光器底部形成結合型態。
  15. 如申請專利範圍第1或8項所述之集光裝置；其中，該集光器係形成一拋物線輪廓的型態，而具有一焦區；所述焦區係與該聚光器的焦區形成大致共焦的型態。
  16. 一種集光裝置之集光方法，係包括：(a)使一具有焦區的聚光器接收至少一部分光線；使所述光線通過該焦區後，順向出射到一成透光實心體型態的集光器上，而得到第一階輸出光；以及(b)該第一階輸出光到達集光器後，係經該集光器之一全反射光學作用，出光為第二階輸出光；所述第二階輸出光，係入射到一(光線)接收元件上。
  17. 一種集光裝置之集光方法，係包括：(a)使一具有焦區的聚光器接收至少一部分光線；該聚光器係包含一(入光)孔徑、一開孔和一形成在開孔上的表面；該光線在偏離該焦區後，順向出射到聚光器開孔的表面；(b)上述光線係經聚光器開孔的表面反射出光，而得到第一階輸出光；以及(c)該第一階輸出光到達一成透光實心體型態的集光器後，係經該集光器之折射及/或一全反射光學作用，出光為第二階輸出光；所述第二階輸出光係入射到一光線接收元件上。
  18. 如申請專利範圍第17項所述之集光方法；其中，該程序(a)之光線係通過一次級光學元件後，進入該聚光器。
  19. 如申請專利範圍第17或18項所述之集光方法；其中，該程序(a)之光線係經聚光器反射面反射後，偏離該焦區的順向出射到 聚光器開孔的表面上。
  20. 一種集光裝置之集光方法，係包括：(a)使一具有焦區的聚光器接收至少一部分光線；該光線在偏離該焦區後，順向出射到一開孔上；所述開孔係形成在一基部上；並且，開孔係具有一表面；(b)上述光線係經基部開孔的表面反射出光，而得到第一階輸出光；以及(c)該第一階輸出光到達一成透光實心體型態的集光器後，係經該集光器之折射及/或一全反射光學作用，出光為第二階輸出光；所述第二階輸出光係入射到一光線接收元件上。
  21. 一種集光裝置之集光方法，係包括：(a)使一具有焦區的聚光器接收光源的至少一部分光線；所述光線在偏離該焦區後，係順向出射到一成透光實心體型態的集光器，而得到第一階輸出光；(b)並且，該第一階輸出光經該集光器之折射及/或一全反射光學作用，形成第二階輸出光，入射到一光線接收元件上。
  22. 如申請專利範圍第21項所述之集光方法；其中，該程序(a)之光線係通過一次級光學元件後，進入該聚光器。
  23. 如申請專利範圍第21或22項所述之集光方法；其中，該程序(a)之聚光器係包含一反射面；使該光線經聚光器之反射面反射後，偏離該焦區的順向出射到該集光器上。
TW100104786A 2011-02-14 2011-02-14 Light collection device and its light collection method TWI538239B (zh)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
TW100104786A TWI538239B (zh) 2011-02-14 2011-02-14 Light collection device and its light collection method
JP2011167086A JP2012167921A (ja) 2011-02-14 2011-07-29 集光装置及びその集光方法
US13/370,556 US20120206826A1 (en) 2011-02-14 2012-02-10 Light-collecting device and light-collecting method thereof
EP12000871A EP2487728A2 (en) 2011-02-14 2012-02-10 Light-collecting device and light-collecting method thereof

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
TW100104786A TWI538239B (zh) 2011-02-14 2011-02-14 Light collection device and its light collection method

Publications (2)

Publication Number Publication Date
TW201234631A TW201234631A (en) 2012-08-16
TWI538239B true TWI538239B (zh) 2016-06-11

Family

ID=45654944

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW100104786A TWI538239B (zh) 2011-02-14 2011-02-14 Light collection device and its light collection method

Country Status (4)

Country Link
US (1) US20120206826A1 (zh)
EP (1) EP2487728A2 (zh)
JP (1) JP2012167921A (zh)
TW (1) TWI538239B (zh)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112612014A (zh) * 2020-11-27 2021-04-06 西安知微传感技术有限公司 一种高效能mems激光雷达接收系统
AU2021445017B2 (en) 2021-05-14 2025-01-23 Bolymedia Holdings Co. Ltd. Solar energy utilization device and combined structure of solar energy utilization device
CN113295271A (zh) * 2021-05-26 2021-08-24 复旦大学 一种基于内全反射透镜的笔式集光器

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6541694B2 (en) 2001-03-16 2003-04-01 Solar Enterprises International, Llc Nonimaging light concentrator with uniform irradiance
US20080047605A1 (en) * 2005-07-28 2008-02-28 Regents Of The University Of California Multi-junction solar cells with a homogenizer system and coupled non-imaging light concentrator
TWI277772B (en) 2005-10-28 2007-04-01 Atomic Energy Council Photovoltaic concentrator apparatus
US7473000B2 (en) 2006-12-07 2009-01-06 Solfocus, Inc. Shield for solar radiation collector
US8412010B2 (en) * 2007-09-10 2013-04-02 Banyan Energy, Inc. Compact optics for concentration and illumination systems
US7980727B2 (en) * 2008-10-07 2011-07-19 Reflexite Corporation Monolithic tiring condensing arrays and methods thereof
GB0911514D0 (en) * 2009-07-02 2009-08-12 The Technology Partnership Plc Solar concentrator
US20120006382A1 (en) * 2010-06-07 2012-01-12 Hypersolar, Inc. Thin and flat solar collector-concentrator
CN103238091A (zh) * 2010-10-28 2013-08-07 榕树能量公司 用于聚集和照明系统的变向光学装置
US8885995B2 (en) * 2011-02-07 2014-11-11 Morgan Solar Inc. Light-guide solar energy concentrator

Also Published As

Publication number Publication date
JP2012167921A (ja) 2012-09-06
US20120206826A1 (en) 2012-08-16
TW201234631A (en) 2012-08-16
EP2487728A2 (en) 2012-08-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
TWI404975B (zh) 集光方法、集光系統以及光能轉換裝置
US7688525B2 (en) Hybrid primary optical component for optical concentrators
US20090159126A1 (en) Integrated optics for concentrator solar receivers
JP5778913B2 (ja) 線形型太陽光集中収集器
US20090000612A1 (en) Apparatuses and methods for shaping reflective surfaces of optical concentrators
US20120055552A1 (en) Light-guide solar module, method of fabrication thereof, and panel made therefrom
WO2009008996A2 (en) Design and fabrication of a local concentrator system
WO2009063416A2 (en) Thin and efficient collecting optics for solar system
KR20130130707A (ko) 집광 및 조명 시스템을 위한 방향전환 광소자
WO2012032462A1 (en) Photovoltaic system with double reflection solar concentrator
US20100307586A1 (en) Reflective free-form kohler concentrator
KR100933213B1 (ko) 태양광 발전용 집광 렌즈
TWI538239B (zh) Light collection device and its light collection method
JP2013211487A (ja) 二次レンズ、太陽電池実装体、集光型太陽光発電ユニット及び集光型太陽光発電モジュール
US20140048117A1 (en) Solar energy systems using external reflectors
KR101289341B1 (ko) 집광형 태양전지모듈
CN102654636B (zh) 集光装置及其集光方法
Terao MicroDish: a novel reflective optic for flat-plate micro-concentrator
US20110000538A1 (en) Non-imaging solar concentrator reflector for photovoltaic cells
WO2006039156A2 (en) Method and apparatus for illuminating a solar cell with indirect sunrays
KR101851138B1 (ko) 단일 광학계를 이용한 집광형 태양전지모듈
KR20200041012A (ko) 이중구조의 집광렌즈가 구비된 태양에너지의 집광장치
JP2002357702A (ja) 光路抑制レンズ
TWM453964U (zh) 用於集光裝置之二次光學結構
TW201304171A (zh) 可調式聚焦太陽能發電裝置

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A Annulment or lapse of patent due to non-payment of fees