TWI679841B - 太陽能集光器 - Google Patents
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Abstract
一種太陽能集光器,由透明玻璃、太陽能板、稜鏡片與光學薄膜所形成,其中太陽能板設置於透明玻璃側面,稜鏡片設置於透明玻璃上方,以導引入射太陽光至太陽能板,而光學薄膜設置於透明玻璃下方,可使太陽光的部分波段範圍被反射再回到透明玻璃中進行傳遞,來提升太陽能板的收光效率,以達到較高的太陽能發電電流,也可使太陽光的部分波段範圍穿透光學薄膜,控制離開此太陽能集光器的太陽光之顏色及量。另外,可將螢光膠層設置於光學薄膜下方,以將太陽光轉換成太陽能板響應較佳的波段區域,可進一步提高太陽能板的發電電流。
Description
本發明係關於一種太陽能集光器,特別是有關於一種使用稜鏡片與光學薄膜來提升發電效率的太陽能集光器。
太陽能集光器(solar concentrator)可將太陽光收集起來,並聚焦到較小面積的太陽能電池接受面上,以增加太陽光的收集效能,來提高太陽能電池之光電轉換效率,並降低太陽能電池材料的使用量,如此一來,可解決太陽能電池材料昂貴的價格問題。
然而,傳統的太陽能集光器不論是反射式(reflective)或者折射式(refractive),依照性能、價格及製造等因素考量都仍有極大改進空間;例如,必須使用數目不等的透鏡或反射鏡來收集足夠的陽光,導致整個鏡組的體積往往十分龐大及笨重,成本昂貴,有需要予以尺寸精簡化,並達到較高的集光效率。
進一步改良的太陽能集光器中,也幾乎都使用幾何形狀的面鏡或透鏡之集光系統,來提高太陽能集光器的導光能力。例如,中華民國專利第200937655號揭露一種薄膜太陽能集光器/收集器,乃在光導表面形成有棱鏡特徵,入射於光導上之環境光藉由棱鏡特徵轉向至光導中,且藉由全內反射導引透過光導;使用光導來將光收集、集中並定向至光電池,以提高將光能轉換成熱量及電力之效率及降低光電裝置之成本。又,中華民國專利第M373472號揭露一種集光器表面結構改良,改良方法為以電解拋光於一金屬基材結構表面而成,有效增加集光器耐侵蝕耐候性能並保有亮面特性。再者,中華民國專利第I540744號揭露一種寬頻反射器、集光式太陽能系統及其使用方法,將一個紫外反射的多層光學薄膜堆疊在一個可見/紅外反射的金屬層上,可得到從紫外光到紅外光反射的寬頻反射器。另外,中華民國專利第I473279號揭露一種太陽能集光器,其利用光線匯聚元件,減少太陽能集光器的材料成本,達到薄型化的優點。此外,中華民國專利第I473279號揭露一種集光方法、集光系統以及光能轉換裝置,集光系統包括一聚光元件以及一反射曲面元件,可使得集光系統將大量的入射光收集後,以較密集的較小光區域出射。而中華民國專利第484702號揭露一種穿透式全像太陽能集光器,改良傳統的太陽能集光器之聚焦透鏡,以全像光學元件取代,減少厚透鏡的研磨,減輕重量。
隨著各種集光系統的開發,加上太陽能電池效率的提高,使得太陽能集光器具發展潛力。因此,如何提供一種改良的太陽能集光器,能有效的利用太陽能,同時減低其體積和重量,將成本大幅降低,仍是目前研究人員亟需克服及解決的重要課題之一。
有鑑於此,本發明的主要目的在於提供一種太陽能集光器,結合稜鏡片、光學薄膜、透明玻璃與太陽能板,除了可降低太陽能板的用量與成本,還能提升太陽能板的收光效率,以達到較高的太陽能發電電流與發電效率。
本發明的另一目的在於提供一種太陽能集光器,是於太陽能集光器中進一步設置螢光膠層,可將太陽光轉換成太陽能板響應較佳的波段區域,可再提高太陽能板的發電電流。
因此,為達上述目的,本發明揭露一種太陽能集光器,包含一透明玻璃、一太陽能板、一稜鏡片以及至少一光學薄膜;其中,太陽能板設置於透明玻璃之側面;稜鏡片設置於透明玻璃之頂面,可以將進入稜鏡片表面的太陽光產生偏折,使太陽光有更多機會導引至側向太陽能板;而光學薄膜設置於透明玻璃之底面,用以反射或透射太陽光的部分波段範圍,讓太陽光可再進入透明玻璃中進行傳遞,提高太陽光照射到太陽能板的機會,藉以達到較高的太陽能板發電電流,同時,可控制離開太陽能集光器的太陽光之量與顏色,使得此太陽能集光器具有顏色選擇與亮度的控制能力。
根據本發明的實施例,太陽能集光器的光學薄膜下方可設置一螢光膠層,以將太陽光轉換成太陽能板響應較佳的波段區域,進一步來提高太陽能板的發電電流。
底下藉由具體實施例配合所附的圖式詳加說明,當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。
請參照第1圖,其繪示本發明第一實施例所提供之太陽能集光器100的示意圖。
本實施例中,使用透明玻璃10、太陽能板20、稜鏡片30與光學薄膜40形成一種太陽能集光器100。其中,透明玻璃10具有一頂面11、一底面12和複數側面13,並將太陽能板20貼附於透明玻璃10的一個側面13,將稜鏡片30貼附於透明玻璃10的頂面11,將光學薄膜40貼附於透明玻璃10的底面12。當太陽光由稜鏡片30表面入射透明玻璃10,稜鏡片30可以將進入稜鏡片30表面的太陽光產生偏折,使太陽光有更多機會導引至側向的太陽能板20,而光學薄膜40可選擇反射或穿透太陽光的部分波段範圍,一方面當太陽光被光學薄膜40反射後,可再經稜鏡片30內面的反射,使得太陽光可多次進入透明玻璃10,並進行橫向傳遞,使太陽光有更多機會導引至側向的太陽能板20,另一方面,利用穿透光學薄膜40的太陽光,則不僅可控制離開太陽能集光器100的太陽光顏色,也可控制離開太陽能集光器100的太陽光之量的多寡,使得此太陽能集光器100具有顏色選擇與亮度的控制能力。
本實施例所使用的透明玻璃10材質較佳為B270,長寬大小為5公分(cm) × 5cm,厚度為5毫米(mm),並採用矽太陽能板20,矽太陽能板20的尺寸大小為5cm×0.5cm,而光學薄膜40可為至少一片或多片,光學薄膜40可選自可見光區穿透、藍光區穿透、綠光區穿透、藍光區與紅光區穿透、紅光區穿透的光學薄膜之一種或多種的組合,且光學薄膜40可結合於一片或多片的基板上,基板可例如塑膠或玻璃基板41。
請參照第2圖與第3圖,其顯示六種光學薄膜V1、V2、B、G、M和R的穿透率圖;其中,第2圖中的V1與V2為可見光區穿透、B為藍光區穿透,第3圖中的G為綠光區穿透,M為藍光區與紅光區穿透,R為紅光區穿透。此六種光學薄膜V1、V2、B、G、M和R均由高折射率薄膜與低折射率薄膜依序互相堆疊所組成,高折射率薄膜與低折射率薄膜分別可為二氧化鈦薄膜與二氧化矽薄膜,但實務上不限於此,也可分別為氧化物薄膜、氟化物薄膜氮化物薄膜或金屬薄膜。如第2圖所示,光學薄膜V1的可見光區穿透範圍從388奈米(nm)至644nm,近紅外光區高反射而不穿透範圍從691nm至1119nm,光學薄膜V2的可見光區穿透範圍從410nm至717nm,近紅外光區高反射而不穿透範圍從777nm至1169nm,光學薄膜B的可見光區穿透範圍從350nm至517nm,大部分屬於藍光範圍。如第3圖所示,光學薄膜G的可見光區穿透範圍從494nm至587nm,大部分屬於綠光範圍,光學薄膜M則是從387nm至529nm,再從598nm至近紅外光區都屬高穿透範圍,光學薄膜R是從596nm至近紅外光區都屬高穿透範圍,穿透光的顏色為紅色。由上述得知,光學薄膜B、G、M與R的近紅外光區都屬可穿透範圍,因此若再貼附光學薄膜V1或V2,會使得近紅外光區為高反射而不穿透區,且貼附一片或兩片玻璃基板,使得如表一所列示的六種光學薄膜組合之穿透率都在80%附近。表一為六種光學薄膜組合與玻璃基板組合之組成說明;此些光學薄膜組合是由上述光學薄膜V1、V2、B、G、M和R中的一種或多種與玻璃基板之組合。
表一
光學薄膜組合 | 組成 |
SUBT | 玻璃基板+玻璃基板+玻璃基板 |
V1T | V1+玻璃基板+玻璃基板 |
V2T | V2+玻璃基板+玻璃基板 |
BT | B+V1+玻璃基板 |
GT | G+V1+玻璃基板+玻璃基板 |
MT | M+V2+玻璃基板+玻璃基板 |
RT | R+V2+玻璃基板 |
請參照第4圖,其為三種光學薄膜組合V1T、V2T與BT的穿透率圖,以及請參照第5圖,其為三種光學薄膜組合GT、MT與RT的穿透率圖,均顯示六種光學薄膜組合V1T、V2T、BT、GT、MT與RT的近紅外光區為高反射而不穿透區,且穿透區的穿透率都在80%附近。如第4圖所示,光學薄膜組合V1T的可見光區穿透範圍從388nm至644nm,近紅外光區高反射而不穿透範圍從693nm至1119nm,光學薄膜組合V2T的可見光區穿透範圍從410nm至711nm,近紅外光區高反射而不穿透範圍從774nm至1162nm,光學薄膜組合BT的可見光區穿透範圍從392nm至517nm,大部分屬於藍光範圍,近紅外光區高反射而不穿透範圍從529nm至1130nm。如第5圖所示,光學薄膜組合GT的可見光區穿透範圍從494nm至586nm,大部分屬於綠光範圍,近紅外光區高反射而不穿透範圍從607nm至1119nm,光學薄膜組合MT的可見光區穿透範圍從410nm至529nm與從598nm至712nm,近紅外光區高反射而不穿透範圍從774nm至1164nm,光學薄膜組合RT的可見光區穿透範圍從596nm至712nm,大部分屬於紅光範圍,近紅外光區高反射而不穿透範圍從776nm至1167nm。由於人類視覺無法觀察近紅外光區,因此這六種光學薄膜組合V1T、V2T、BT、GT、MT與RT均將近紅外光區高反射,再經稜鏡片內面的反射,使得近紅外光區的太陽光可多次進入透明玻璃,並進行橫向傳遞,使近紅外光區太陽光有更多機會導引至側向太陽能板,提高太陽能板發電電流。
進一步地,本實施例利用陽光模擬器的太陽光來照射太陽能集光器,太陽能集光器分別採用如表一所示的六種光學薄膜組合V1T、V2T、BT、GT、MT、RT與玻璃基板組合SUBT,連續5次量測太陽能板的短路電流並加以平均,其量測結果如表二與第6圖之下方曲線所示;其中,不同組別的太陽能集光器以光學薄膜組合或玻璃基板組合的名稱來代表。
表二
組別 | 短路電流(mA) |
SUBT | 16.5 |
V1T | 24.38 |
V2T | 23.83 |
BT | 25.23 |
GT | 25.22 |
MT | 24.7 |
RT | 24.9 |
從表二與第6圖得知,不同光學薄膜組合均能提升太陽能板短路電流,且從第4圖與第5圖得知,會有不同顏色與不同亮度的太陽光穿透太陽能集光器。
另外,請參照第7圖,其繪示本發明第二實施例所提供之太陽能集光器200的示意圖。
本實施例中,乃將螢光膠層50貼附於第一實施例之太陽能集光器100(見第1圖)的光學薄膜40下方,以將太陽光轉換成太陽能板20響應較佳的波段區域,可再提高太陽能板20的短路電流。有關螢光膠層50的製作方式,是使用膠粉比10%的黃色無機螢光粉層,先將螢光粉末以重量百分比10%與矽膠進行混合,利用離心脫泡機進行均勻地攪拌,以及抽真空帶走混合溶液內的空氣,之後利用旋轉塗佈法的方式以旋轉速度900rpm、旋轉時間25秒,最後利用高溫烘箱,進行150℃兩個小時將試片烘乾,而製得螢光膠層50。
同樣地,本實施例利用陽光模擬器的太陽光來照射具有螢光膠層的太陽能集光器,且太陽能集光器也分別採用如表一所示的六種光學薄膜組合V1T、V2T、BT、GT、MT、RT與玻璃基板組合SUBT,連續5次量測太陽能板的短路電流並加以平均,其量測結果如表三與第6圖之上方曲線所示;其中,不同組別的太陽能集光器以光學薄膜組合或玻璃基板組合的名稱來代表
表三
組別 | 短路電流(mA) |
SUBT | 20.68 |
V1T | 25.07 |
V2T | 24.87 |
BT | 25.51 |
GT | 25.6 |
MT | 24.91 |
RT | 25.15 |
從表三與第6圖得知,不同光學薄膜組合均能提升太陽能板短路電流,且從第4圖與第5圖得知,會有不同顏色與不同亮度的太陽光穿透太陽能集光器。
本發明之多個實施例中,光學薄膜不僅可貼附於透明玻璃底面,也可鍍製於透明玻璃底面,可減少貼附用的基板,降低成本。同樣地,螢光膠層也可鍍製於光學薄膜下方,可減少貼附用的基板,降低成本。
綜合上述,根據本發明所揭露之太陽能集光器,乃藉由稜鏡片搭配光學薄膜的特殊設計,可在降低太陽能板的用量與成本下,仍能提升太陽能板的收光效率,以達到較高的太陽能發電電流。進一步地,將螢光膠層設置於光學薄膜下方,將太陽光轉換成太陽能板響應較佳的波段區域,可再提高太陽能板的發電電流。且上述太陽能集光器,透過使用不同的光學薄膜,不僅可控制離開太陽能集光器的太陽光之量與顏色,同時,可提升太陽能集光器的收光效率,並提高太陽能板發電電流與發電效率。
再者,根據本發明所揭露之太陽能集光器,可廣泛應用在如螢光太陽能集光器、發光層太陽能集光器等太陽能技術領域,以增加其收光效率與發電效率,達到較高的太陽能板發電電流。
以上所述之實施例僅係為說明本發明之技術思想及特點,其目的在使熟習此項技藝之人士能夠瞭解本發明之內容並據以實施,當不能以之限定本發明之專利範圍,即大凡依本發明所揭示之精神所作之均等變化或修飾,仍應涵蓋在本發明之專利範圍內。
100‧‧‧太陽能集光器
10‧‧‧透明玻璃
11‧‧‧頂面
12‧‧‧底面
13‧‧‧側面
200‧‧‧太陽能集光器
20‧‧‧太陽能板
30‧‧‧稜鏡片
40‧‧‧光學薄膜
41‧‧‧玻璃基板
50‧‧‧螢光膠層
V1、V2、B、G、M、R‧‧‧光學薄膜
V1T、V2T、BT、GT、MT、RT‧‧‧光學薄膜組合
第1圖為本發明第一實施例所提供之太陽能集光器的示意圖。 第2圖為本發明所使用的光學薄膜V1、V2和B的穿透率圖。 第3圖為本發明所使用的光學薄膜G、M和R的穿透率圖。 第4圖為本發明所使用的光學薄膜組合V1T、V2T與BT的穿透率圖。 第5圖為本發明所使用的光學薄膜組合GT、MT與RT的穿透率圖。 第6圖為本發明第一實施例與第二實施例之太陽能集光器使用不同光學薄膜組合的太陽能板短路電流之量測結果;其中,下方和上方的曲線分別代表一一實施例和第二實施例。 第7圖為本發明第二實施例所提供之太陽能集光器的示意圖。
Claims (7)
- 一種太陽能集光器,包含:一透明玻璃,具有一頂面、一底面與複數側面;一太陽能板,其係設置於該透明玻璃之一該側面;一稜鏡片,其係設置於該透明玻璃之該頂面;至少一光學薄膜,設置於該透明玻璃之該底面;以及一螢光膠層,設置於該光學薄膜下方。
- 如請求項1所述之太陽能集光器,其中該光學薄膜係由高折射率薄膜與低折射率薄膜依序互相堆疊所組成。
- 如請求項2所述之太陽能集光器,其中該高折射率薄膜與該低折射率薄膜係分別選自氧化物薄膜、氟化物薄膜、氮化物薄膜和金屬薄膜的其中一種。
- 如請求項1所述之太陽能集光器,其中該光學薄膜為可見光區穿透、藍光區穿透、綠光區穿透、藍光區與紅光區穿透、紅光區穿透的光學薄膜中的一種或多種的組合。
- 如請求項1所述之太陽能集光器,其中該光學薄膜係結合於至少一基板,該基板為塑膠或玻璃基板。
- 如請求項1所述之太陽能集光器,其中該光學薄膜係貼附或鍍製於該透明玻璃之該底面。
- 如請求項1所述之太陽能集光器,其中該螢光膠層係貼附或鍍製於該光學薄膜下方。
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