聚焦型太陽能導光模塊的製作方法

2023-08-07 05:54:56 1

專利名稱：聚焦型太陽能導光模塊的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種聚焦型太陽能導光模塊，特別是一種導光板具有微結構的設計， 令太陽光通過微結構的設計形成二次反射的聚焦型太陽能導光模塊。
背景技術：
由於工業的快速發展，石化燃料逐漸耗竭與溫室效應氣體排放的問題日益受到全球關切，能源的穩定供應儼然成為全球性的重大課題。相較於傳統燃煤、燃氣式或核能發電，太陽能電池(solar cell)利用光電或熱電轉換效應，直接將太陽能轉換為電能，因而不會伴隨產生二氧化碳、氮氧化物以及硫氧化物等溫室效應氣體及汙染性氣體，並可用以降低對石化燃料的依賴，而提供安全自主的電力來源。
現今已知有許多太陽能電池的技術，利用太陽輻射光透過太陽能電池材料的轉換後，成為可利用的電力來源。以矽晶圓太陽能電池為例，其具有12%至20%的光電轉換效率，而其中不同的晶體材料所設計出的太陽能電池，其光電特性也會有所不同。一般而言， 單晶矽與多晶矽太陽能電池的轉換效率可接近14% 16%，使用年限也較長，但因為發電成本昂貴，因此多需要政府的補助，並僅用於發電廠或交通照明標誌等場所。
其次，太陽能電池除了可以選用前述的矽材料外，還可以採用其他的材料，例如 碲化鎘、砷化鎵銦、砷化鎵等化合物半導體的材料來製作。不同於矽晶圓太陽能技術，利用半導體材料製作的太陽能電池，可吸收較寬廣的太陽光譜能量，因而具有最高的光電轉換效率，幾乎可達30%至40%以上。
然而，利用半導體材料製作的太陽能電池，其製作成本與價格也是最高的，因此， 為了降低太陽能電池的使用率與發電成本，遂有搭配太陽能集光器以降低吸光面積的做法。然而，集光器需要大範圍區域的安裝才敷成本，因此造成應用上的不便，也使得太陽能電池的應用受限。故如何有效降低太陽能電池的發電成本，成為相關技術領域目前迫切需要解決的課題之一。發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種聚焦型太陽能導光模塊，適於將一太陽光導光至一能量轉換組件，以解決現有技術所存在的問題。
為了實現上述目的，本發明提供了一種聚焦型太陽能導光模塊，適於將一太陽光導光至一能量轉換元件。聚焦型太陽能導光模組，包括一透鏡陣列與一導光板。透鏡陣列包括至少一透鏡組件，且各個透鏡組件具有一上曲面與一下底面。透鏡陣列接收並聚焦太陽光。
導光板具有一上平面與一微結構底面，上平面平行配置於透鏡陣列的下底面，微結構底面包括至少一凹陷部與一連接部。其中連接部平行於導光板的上平面，且連接部連接於各個凹陷部之間。
凹陷部包括一凹陷尖端、一第一斜面與一第二斜面，其中第一斜面與第二斜面分別位於凹陷尖端的相異二側，並各自連接於凹陷尖端與其各自相鄰的連接部之間。
太陽光經由透鏡陣列聚焦後，相繼通過凹陷部與連接部形成二次反射，並於導光板中以全反射傳遞，使太陽光穿透出導光板的至少一側面。
能量轉換組件配置於該側面，以接收自導光板穿透出的太陽光，並將其轉換為一電力來源。
為了更好地實現上述目的，本發明還提出了一種聚焦型太陽能導光模塊，適於將一太陽光導光至一能量轉換組件。
聚焦型太陽能導光模塊包括一導光板與一透鏡陣列。導光板具有一微結構頂面與一下平面，其中微結構頂面包括至少一凹陷部與一連接部。連接部平行於導光板的下平面， 且連接部連接於各個凹陷部之間。
凹陷部包括一凹陷尖端、一第一斜面與一第二斜面，其中第一斜面與第二斜面分別位於凹陷尖端的相異二側，並各自連接於凹陷尖端與其各自相鄰的連接部之間。
透鏡陣列包括至少一透鏡組件，其中各透鏡組件具有一上頂面與一下曲面。上頂面平行配置於導光板的下平面。
當太陽光穿透導光板並通過透鏡陣列中每一透鏡組件的下曲面反射至導光板的微結構頂面時，太陽光相繼通過凹陷部與連接部形成二次反射，並於導光板中以全反射傳遞，使太陽光穿透出導光板的至少一側面。
能量轉換組件配置於該側面，以接收自導光板穿透出的太陽光，並將其轉換為一電力來源。
為了更好地實現上述目的，本發明還提出了一種聚焦型太陽能導光模塊，適於將一太陽光導光至一能量轉換組件。
聚焦型太陽能導光模塊包括一透鏡導光板，具有一透鏡陣列與多個微結構，透鏡陣列與微結構分別設置於透鏡導光板的相對二表面。
透鏡陣列，包括至少一透鏡組件，各透鏡組件具有一曲面，透鏡陣列接收並聚焦太陽光，微結構包括至少一凹陷部與一連接部。
連接部連接於各凹陷部之間，凹陷部包括一凹陷尖端、一第一斜面與一第二斜面， 其中第一斜面與第二斜面分別位於凹陷尖端的相異二側，並各自連接於凹陷尖端與其各自相鄰的連接部之間。
當太陽光經由透鏡陣列聚焦後，相繼通過凹陷部與連接部形成二次反射，並於透鏡導光板中以全反射傳遞，使太陽光穿透出透鏡導光板的至少一側面，能量轉換組件配置於側面，以接收自透鏡導光板穿透出的太陽光，並將其轉換為一電力來源。
本發明的技術效果在於根據本發明提出的聚焦型太陽能導光模塊，透過在導光板的一面設計透鏡陣列的結構，並於其另一面設計具有凹陷部的微結構，以將太陽光匯聚到多個微小的區域，且進一步通過凹陷部的反射與偏轉，使得太陽光在導光板中傳遞。根據本發明提出的聚焦型太陽能導光模塊，只需要在導光板的側面設置光電或熱電等能量轉換組件，即可將自導光板輸出的太陽光轉換為電力來源，藉此大幅節省太陽能電池材料的使用率，並且進而降低太陽能電池模塊的成本。
以下結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細描述，但不作為對本發明的限定。


圖IA為根據本發明第一實施例的聚焦型太陽能導光模塊的結構示意圖
圖IB為根據圖IA的側視圖IC為根據圖IB的局部放大圖ID為根據本發明第二實施例的聚焦型太陽能導光模塊的結構示意圖
圖2A為根據本發明第三實施例的聚焦型太陽能導光模塊的結構側視圖
圖2B為根據本發明第四實施例的聚焦型太陽能導光模塊的結構示意圖
圖3A為根據本發明第五實施例的聚焦型太陽能導光模塊的結構示意圖
圖;3B為根據圖3A的側視圖3C為根據圖:3B的局部放大圖4A為根據本發明第六實施例的聚焦型太陽能導光模塊的結構示意圖4B為根據圖4A的側視圖4C為根據圖4B的局部放大圖4D為根據本發明第七實施例的聚焦型太陽能導光模塊的結構示意圖5A為根據本發明第八實施例的聚焦型太陽能導光模塊的結構示意圖5B為根據圖5A的側視圖5C為根據圖5B的局部放大圖6A為根據本發明第九實施例的聚焦型太陽能導光模塊的結構側視圖6B為圖6A的微結構放大示意圖7A為根據本發明第十實施例的聚焦型太陽能導光模塊的結構側視圖7B為圖7A的微結構放大示意圖8A為根據圖ID的結構示意圖8B與圖8C為根據圖8A的導光效率標準化強度圖8D為根據圖8A設計透鏡組件為可動透鏡組件以達到季節追日導光效果的結構示意圖。
其中，附圖標記
12第一側面
1 第二側面
110、110，、220、310 透鏡組件
110a、110a，上曲面
110b、110b，下底面
IlOc 連接面
120、210 導光板
120a 上平面
120b微結構底面
121高反射材質
130、230、332、432 凹陷部
130a、230a 凹陷尖端
130b、230b 第一斜面
130cJ30c 第二斜面132、232、334、434 連接部140、140，、240能量轉換組件150介質層160聚光透鏡180、280 太陽光210a微結構頂面210b 下平面220a 上頂面220b 下曲面281反射層302、402、1100、2200 透鏡陣列310a、410a 曲面320、420透鏡導光板330、4；30 微結構510、710 上表面520、720 下表面1000,2000,3000聚焦型太陽能導光模塊4000,5000,6000聚焦型太陽能導光模塊
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的結構原理和工作原理作具體的描述以下在實施方式中詳細敘述本發明的詳細特徵以及優點，其內容足以使本領域技術人員了解本發明的技術內容並據以實施，且根據本說明書所公開的內容、申請專利範圍及附圖，本領域技術人員可輕易地理解本發明相關的目的及優點。圖IA為根據本發明第一實施例的聚焦型太陽能導光模塊的結構示意圖。圖IB為根據圖IA的側視圖。圖IC為根據圖IB的局部放大圖。以下的說明，請ー並參閱圖IA至圖1C。第一實施例聚焦型太陽能導光模塊1000包括一透鏡陣列1100與一導光板120，導光板120的第一側面12上配置有一能量轉換組件140。其中，能量轉換組件140可以是但不限於光電轉換或熱電轉換組件。聚焦型太陽能導光模塊1000適於將太陽光180導光至能量轉換組件140，其中太陽光180可視為ー理想的平行光。透鏡陣列1100接收並聚焦太陽光180。透鏡陣列1100包括至少一透鏡組件110， 其中各個透鏡組件110皆具有一上曲面IlOa與一下底面110b。舉例而言，透鏡組件110可以是但不限於經由微納米滾筒翻膜エ藝(Roll-to Roll, R2R)所製作的柱狀透鏡膜片。其中，透鏡組件110的下底面IlOb定義為上曲面IlOa兩端點間的徑向距離，且單一透鏡組件110的下底面IlOb的長度為W。各個透鏡組件110大致呈長條的柱狀結構，且各上曲面 IlOa與各下底面IlOb之間皆相互連接，以並列成為一透鏡陣列1100。
導光板120具有一上平面120a與一微結構底面120b，其中上平面120a與微結構底面120b之間形成導光板120的厚度h，且上平面120a平行配置於透鏡陣列1100的下底面110b。根據本發明第一實施例的聚焦型太陽能導光模塊，以導光板120的上平面120a平行並緊密接合於透鏡組件110的下底面110b，作為以下的說明。然而，導光板120的上平面 120a也可以ー固定間隙，平行相距於透鏡組件110的下底面110b，但二者的連接關係並非用以限定本發明的範疇。微結構底面120b包括至少ー凹陷部130與一連接部132，其中連接部132平行於導光板120的上平面120a，且連接部132連接於各個凹陷部130之間。也就是說，根據本發明第一實施例的聚焦型太陽能導光模塊，各個凹陷部130相互分離(即非連續)設置於微結構底面120b上，並且兩兩之間以連接部132相間隔，於此，導光板120形成ー不連續的微結構底面設計。其中，各個凹陷部130 —對一地對應於透鏡組件110的上曲面110a，在本實施例中，對應於透鏡組件110為長條的柱狀結構，凹陷部130呈條狀設置。詳細來說，透鏡組件110的柱狀結構的一長軸向與凹陷部130的條狀的一長軸向夾角為0度(即平行)。請參閱圖1C，凹陷部130包括ー凹陷尖端130a、一第一斜面130b與一第二斜面 130c，其中第一斜面130b與第二斜面130c分別位於凹陷尖端130a的相異ニ側，並且各自連接於凹陷尖端130a與其各自相鄰的連接部132之間，其中，第一斜面130b面向第一側面 12的方向。於此，凹陷部130大致呈一倒V型的凹陷設計，其具有凹陷尖端130a與ニ斜面 (第一斜面130b與第二斜面130c)。由凹陷尖端130a形成ー垂線垂直於連接部132，則第一斜面130b與該垂線之間形成一第一夾角θ ρ第二斜面130c與該垂線之間形成一第二夾角θ 2，該垂線與相鄰的連接部132之間分別具有一第一徑向距離Cl1與一第二徑向距離d2。根據本發明的第一實施例，其中第一夾角Q1與第二夾角θ2皆介於15度至60度之間，且透鏡組件110的下底面IlOb具有ー長度W大於或等於2倍的第一徑向距離Cl1與第二徑向距離d2的和，BPff ^ 2 (Cl^d2)。太陽光180經由透鏡陣列1100聚焦後，相繼通過凹陷部130與連接部132形成ニ 次反射，並於導光板120中以全反射傳遞，使太陽光180穿透出導光板120的第一側面12， 能量轉換組件140配置於第一側面12，以接收自導光板120穿透出的太陽光180，並將其轉換為ー電カ來源。詳細而言，請ー並參閱圖IB與圖1C，太陽光180經透鏡陣列1100聚焦所產生的一焦點位於第一斜面130b的上方。當太陽光180穿透透鏡陣列1100，並且經由透鏡陣列1100的聚焦後，其聚焦後的太陽光180的焦點落於第一斜面130b的上方。接著，被聚焦的太陽光180首先投射至凹陷部130的第一斜面130b上，並且被第一斜面130b所反射 (於此，形成第一次反射)至相鄰的連接部132上。要注意的是，在本實施例中雖列舉透鏡陣列1100的焦點位於第一斜面130b的上方，但是，透鏡陣列1100的焦點也可位於第一斜面130b或是第一斜面130b的下方，並不以此為限。爾後，太陽光180接著被連接部132所反射(於此，形成第二次反射)，使光線偏轉更大的角度，接著再通過導光板120的上平面120a與微結構底面120b進行全反射，太陽光180即於導光板120間朝向第一側面12傳遞。因此，太陽光180最終穿透出導光板120 的第一側面12。配置於第一側面12上的能量轉換組件140即可接收自導光板120穿透出的太陽光180，並據以轉換為電カ來源。其中，導光板120具有一導光板折射率n。，當太陽光180入射於連接部132，以形成第二次反射吋，該光線入射的角度必需大於導光板120與空氣之間的臨界角(意即sin—1 ;)，令該光線足夠形成全反射，以來回反射於導光板120之間。根據本發明第一實施例的聚焦型太陽能導光模塊，其中導光板120的厚度h、透鏡組件110的下底面IlOb的長度W滿足關係式h ^ W。其次，若透鏡陣列1100包括N個透鏡組件110，且各透鏡組件110的下底面IlOb的長度為W時，則NXWS 50h。一般而言，導光板120的厚度h大致可設計為10釐米，且透鏡組件110的下底面IlOb的長度W大致可為 3000 微米(micro-meter)。為了確保太陽光180行進至透鏡陣列1100與導光板120的界面吋，不致形成全反射，而會完全入射至導光板120中。因此，透鏡陣列1100的透鏡組件折射率Ii1小於導光板 120的導光板折射率η。。第二實施例圖ID為根據本發明第二實施例的聚焦型太陽能導光模塊的結構示意圖。其中聚焦型太陽能導光模塊包括透鏡陣列1100、導光板120與一介質層150。介質層150配置於透鏡陣列1100(透鏡組件110)與導光板120之間，且為確保太陽光180行進至介質層150 與導光板120的界面時，不致形成全反射，而會完全入射於導光板120中，因此，介質層150 的介質層折射率Iii小於導光板120的導光板折射率n。，且介質層150的介質層折射率Iii也小於透鏡陣列1100的透鏡組件折射率叫。第三實施例其次，為增加反射光的強度，圖2A為根據本發明第三實施例的聚焦型太陽能導光模塊的結構側視圖。其中透鏡組件110』可為扇形的透鏡，其中透鏡組件110』包括上曲面 110a』、下底面110b』與連接面110c。連接面IlOc連接相鄰的兩上曲面110a』。在本實施例中，上曲面110a』面向相對應於第一側面12的方向，使太陽光180進入透鏡組件110』時會聚焦在導光板120上，且對應上曲面110a』中心偏向第一側面12的方向，於此，入射的太陽光180即可通過扇形的透鏡組件110』而形成較大的入射角度，並進而增加導光板120反射光的強度。需說明的是，在本實施例中，連接面IlOc為ー垂直面，然而在其他實施例中， 連接面IlOc也可以為ー斜面，並不以此為限。第四實施例圖2B為根據本發明第四實施例的聚焦型太陽能導光模塊的結構示意圖。其中聚焦型太陽能導光模塊除了透鏡陣列1100與導光板120以外，還包括一聚光透鏡160。聚光透鏡160配置於導光板120的第一側面12與能量轉換組件140』之間。根據本發明第四實施例的聚焦型太陽能導光模塊，通過在第一側面12與能量轉換組件140』之間設置聚光透鏡160，使光線在進入能量轉換組件140』前先經過聚光透鏡160，以進一歩縮小自導光板 120穿透出的太陽光180的聚光範圍，因而省卻能量轉換組件140』的使用率與所佔面積，以達到精簡的設計。第五實施例圖3A為根據本發明第五實施例的聚焦型太陽能導光模塊的結構示意圖。圖IBB為根據圖3A的側視圖。圖3C為根據圖加的局部放大圖。以下的說明，請ー並參閱圖3A至圖3C。
聚焦型太陽能導光模塊2000包括一透鏡陣列1100與一導光板120，其中導光板 120具有兩相異側面，意即第一側面12與第二側面12a，且第一側面12與第二側面1 上各配置有一能量轉換組件140。聚焦型太陽能導光模塊2000適於將太陽光180導光至能量轉換組件140，其中太陽光180可視為ー理想的平行光。透鏡陣列1100接收並聚焦太陽光180。透鏡陣列1100包括至少一透鏡組件110、 導光板120具有一上平面120a與一微結構底面120b，其中各組件的相對配置與微結構設計，同於本發明的第一實施例，故在此不再重述。但根據本發明第五實施例的聚焦型太陽能導光模塊，如圖3C所示，太陽光180經透鏡陣列1100聚焦所產生的一焦點位於凹陷尖端 130a的上方。詳細來說，太陽光180經由該透鏡陣列1100聚焦後，其聚焦後的太陽光180 的焦點落於凹陷尖端130a的上方。因此，被聚焦後的太陽光180即會分別朝向凹陷尖端 130a相異兩側的斜面行進，於此投射至凹陷部130的第一斜面130b與第二斜面130c上， 並且通過第一斜面130b與第二斜面130c反射至與其各自相鄰的連接部132上。要注意的是，在本實施例中雖列舉透鏡陣列1100的焦點位於凹陷尖端130a的上方，但是，透鏡陣列 1100的焦點也可位於凹陷尖端130a或是凹陷尖端130a的下方，並不以此為限。爾後，太陽光180接著被連接部132所反射，使得光線偏轉更大的角度，接著再通過導光板120的上平面120a與微結構底面120b進行全反射，太陽光180即於導光板120 間向第一側面12與第二側面1 傳遞。因此，太陽光180最終朝向凹陷尖端130a的相異兩側穿透出導光板120的第一側面12與第二側面12a，其中，第一斜面130b面向第一側面 12的方向，第二斜面130c面向第二側面12a的方向。因此，配置於第一側面12與第二側面 1 上的能量轉換組件140即可接收自導光板120穿透出的太陽光180，並據以轉換為電カ 來源。第六實施例圖4A為根據本發明第六實施例的聚焦型太陽能導光模塊的結構示意圖。圖4B為根據圖4A的側視圖。圖4C為根據圖4B的局部放大圖。以下的說明，請ー並參閱圖4A至圖4C。聚焦型太陽能導光模塊3000包括一導光板210與一透鏡陣列2200，導光板210的第一側面12上配置有一能量轉換組件M0。其中，能量轉換組件240可以是但不限於光電轉換或熱電轉換組件。聚焦型太陽能導光模塊3000適於將太陽光280導光至能量轉換組件M0，其中太陽光280可視為ー理想的平行光。導光板210具有ー微結構頂面210a與一下平面210b，其中微結構頂面210a與下平面210b之間形成導光板210的厚度h』。微結構頂面210a包括至少ー凹陷部230與一連接部232，其中連接部232平行於導光板210的下平面210b，並且連接部232連接於各個凹陷部230之間。也就是說，根據本發明第六實施例的聚焦型太陽能導光模塊，各個凹陷部 230相互分離(即非連續)設置於微結構頂面210a上，並且兩兩之間以連接部232相間隔， 於此，導光板210形成一不連續的微結構頂面設計。請參閱圖4C，凹陷部230包括ー凹陷尖端230a、一第一斜面230b與一第二斜面 230c，其中第一斜面230b與第二斜面230c分別位於凹陷尖端230a的相異ニ側，並且各自連接於凹陷尖端230a與其各自相鄰的連接部232之間，其中，第一斜面230b面向第一側面12的方向。於此，凹陷部230大致呈一 V型的凹陷設計，其具有凹陷尖端230a與ニ斜面(第一斜面230b與第二斜面230c)。由凹陷尖端230a形成ー垂線垂直於連接部232，則第一斜面230b與該垂線之間形成一第一夾角θ /，第二斜面230c與該垂線之間形成一第二夾角θ 2』，該垂線與相鄰的連接部232之間分別具有一第一徑向距離d/與一第二徑向距
dg ο根據本發明的第六實施例，其中第一夾角θパ與第二夾角θ2』皆介於15度至60 度之間，且透鏡組件220的上頂面220a具有ー長度W』大於或等於2倍的第一徑向距離d/ 與第二徑向距離d2，的和，即W』 ^ 2((1/ +d/)·,請ー並參閱圖4A與圖4B，透鏡陣列2200包括至少一透鏡組件220，舉例而言，透鏡陣列2200包括N個透鏡組件220，且透鏡組件220可以是但不限於經由微納米滾筒翻膜 エ藝(Roll-to Roll，R2R)所製作的柱狀透鏡膜片。其中，各個透鏡組件220皆具有ー上頂面220a與一下曲面220b，且各個下曲面220b於其朝向上頂面220a的內側均鍍有一反射層觀1，太陽光280通過反射層281反射回導光板210，其中反射層281例如是金屬、全反射多層膜或白反射片等高反射材質。其中，透鏡組件220的上頂面220a定義為下曲面220b兩端點間的徑向距離，且單一透鏡組件220的上頂面220a的長度為W』。各個透鏡組件220大致呈長條的柱狀結構，且各上頂面220a與各下曲面220b之間皆相互連接，以並列成為一透鏡陣列2200。透鏡組件220的上頂面220a平行配置於導光板210的下平面210b。根據本發明第六實施例的聚焦型太陽能導光模塊，以透鏡組件220的上頂面220a平行並緊密接合於導光板210的下平面210b，作為以下的說明。然而，透鏡組件220的上頂面220a也可以ー固定間隙，平行相距於導光板210的下平面210b，但二者的連接關係並非用以限定本發明的範疇。太陽光280穿透導光板210並通過下曲面220b反射至微結構頂面210a吋，太陽光 280相繼通過凹陷部230與連接部232形成二次反射，並於導光板210中以全反射傳遞，使太陽光觀0穿透出導光板210的第一側面12，能量轉換組件240配置於第一側面12，以接收自導光板210穿透出的太陽光觀0，並將其轉換為一電カ來源。詳細而言，請ー並參閱圖 4B與圖4C，太陽光280經透鏡陣列2200聚焦所產生的一焦點位於第一斜面230b的下方。 當太陽光280穿透導光板210進入透鏡陣列2200後，太陽光280首先被鍍有反射層的下曲面220b所反射，並被聚焦至凹陷部230的第一斜面230b下方。接著，被聚焦的太陽光 280首先投射至凹陷部230的第一斜面230b上，並且被第一斜面230b所反射(於此，形成第一次反射)至相鄰的連接部232上。要注意的是，在本實施例中雖列舉透鏡陣列2200的焦點位於第一斜面230b的下方，但是，透鏡陣列2200的焦點也可位於第一斜面230b或是第一斜面230b的上方，並不以此為限。爾後，太陽光280接著被連接部232所反射(於此，形成第二次反射)，使光線偏轉更大的角度，接著再通過導光板210的微結構頂面210a與下平面210b進行全反射，太陽光觀0即於導光板210之間向第一側面12傳遞。因此，太陽光280最終穿透出導光板210 的第一側面12。配置於第一側面12上的能量轉換組件MO即可接收自導光板210穿透出的太陽光觀0，並據以轉換為電カ來源。其中，導光板210具有一導光板折射率n。，當太陽光280入射於連接部232，以形成第二次反射吋，該光線入射的角度必需大於導光板210與空氣之間的臨界角(意即sin一1 —)，令該光線足夠形成全反射，以來回反射於導光板210之
nC間。根據本發明第六實施例的聚焦型太陽能導光模塊，其中導光板210的厚度h』、透鏡組件220的上頂面220a具有ー長度W』滿足關係式h』 > W』。其次，當透鏡陣列2200包括N個透鏡組件220，且各透鏡組件220的上頂面220a的長度為W』時，則NX W』彡50h』。 一般而言，導光板210的厚度h』大致可設計為10釐米，且透鏡組件220的上頂面220a的長度W，大致可為3000微米(micro-meter)。其次，為了確保太陽光280行進至導光板210與透鏡陣列2200的界面時，不致形成全反射，而會完全入射至導光板210中。因此，透鏡陣列2200的透鏡組件折射率Ii1小於導光板210的導光板折射率η。。第七實施例圖4D為根據本發明第七實施例的聚焦型太陽能導光模塊的結構示意圖。其中導光板210與透鏡陣列2200(透鏡組件220)之間還具有一介質層150，為確保太陽光觀0行進至介質層150與透鏡陣列2200的界面時，不致形成全反射，而會完全入射於透鏡陣列2200 中，因此，介質層150的介質層折射率Iii小於透鏡陣列2200的透鏡組件折射率Ii1,且介質層150的介質層折射率Iii也小於導光板210的導光板折射率η。。第八實施例圖5Α為根據本發明第八實施例的聚焦型太陽能導光模塊的結構示意圖。圖5Β為根據圖5Α的側視圖。圖5C為根據圖5Β的局部放大圖。以下的說明，請ー並參閱圖5Α至圖5C。聚焦型太陽能導光模塊4000包括一導光板210與一透鏡陣列2200，其中導光板 210具有兩相異側面，意即第一側面12與第二側面12a，且第一側面12與第二側面1 上各配置有一能量轉換組件對0。聚焦型太陽能導光模塊4000適於將太陽光280導光至能量轉換組件對0，其中太陽光280可視為ー理想的平行光。透鏡陣列2200包括至少一透鏡組件220、導光板210具有ー微結構頂面210a與一下平面210b，其中各組件的相對配置與微結構設計，同於本發明的第六實施例，故在此不再重述。但根據本發明第八實施例的聚焦型太陽能導光模塊，如圖5C所示，太陽光280經透鏡陣列2200聚焦所產生的一焦點位於凹陷尖端230a的下方。經反射層281反射並聚焦後的太陽光觀0的焦點落於凹陷尖端230a的下方。因此，被聚焦後的太陽光280會分別朝向凹陷尖端230a相異兩側的斜面行迸，於此投射至凹陷部230的第一斜面230b與第二斜面 230c上，並且通過第一斜面230b與第二斜面230c反射至與其各自相鄰的連接部232上。 要注意的是，在本實施例中雖列舉透鏡陣列2200的焦點位於凹陷尖端230a的下方，但是， 透鏡陣列2200的焦點也可位於凹陷尖端230a或是凹陷尖端230a的上方，並不以此為限。爾後，太陽光280接著被連接部232所反射，使得光線偏轉更大的角度，接著再通過導光板210的微結構頂面210a與下平面210b進行全反射，太陽光洲0即於導光板210 之間向第一側面12與第二側面1 傳遞。因此，太陽光280最終朝向凹陷尖端230a的相異兩側穿透出導光板210的第一側面12與第二側面12a，其中，第一斜面230b面向第一側面12的方向，第二斜面230c面向第二側面12a的方向。因此，配置於第一側面12與第二側面1 上的能量轉換組件240即可接收自導光板210穿透出的太陽光觀0，並據以轉換為電カ來源。第九實施例圖6A為根據本發明第九實施例的聚焦型太陽能導光模塊的結構側視圖。以下的說明，請ー並參閱圖IB以及圖6A。聚焦型太陽能導光模塊5000與聚焦型太陽能導光模塊1000相仿，差異在於聚焦型太陽能導光模塊5000將聚焦型太陽能導光模塊1000中的透鏡陣列1100與導光板120 一體成形，形成一透鏡導光板。因此，聚焦型太陽能導光模塊5000包含一透鏡導光板320， 具有一透鏡陣列302與多個微結構330，透鏡陣列302與微結構330分別設置於透鏡導光板 320的相對ニ表面。在本實施例中，透鏡陣列302與微結構330分別設置於透鏡導光板320 的相對上表面510與下表面520。透鏡陣列302包括多個透鏡組件310，各透鏡組件310具有一曲面310a，透鏡陣列 302接收並聚焦太陽光180，微結構330包括凹陷部332與連接部334(如圖6B所示，圖6B 為圖6A的微結構放大示意圖)，凹陷部332與連接部334的設計與相對配置關係可同於本發明的第一實施例與第五實施例微結構底面120b的凹陷部130與連接部132，故在此不再重述。此外，微結構330的凹陷部332與透鏡組件310的焦點的相對位置關係可如圖IC 或圖3C，使太陽光180出光方向為ー側面或相對兩側面。第十實施例圖7A為根據本發明第十實施例的聚焦型太陽能導光模塊的結構側視圖。以下的說明，請ー並參閱圖4B以及圖7A。聚焦型太陽能導光模塊6000與聚焦型太陽能導光模塊3000相仿，差異在於聚焦型太陽能導光模塊6000將聚焦型太陽能導光模塊3000中的透鏡陣列2200與導光板210 一體成形，形成一透鏡導光板。因此，聚焦型太陽能導光模塊6000包含一透鏡導光板420， 具有一透鏡陣列402與多個微結構430，透鏡陣列402與微結構430分別設置於透鏡導光板 420的相對ニ表面。在本實施例中，微結構430與透鏡陣列402分別設置於透鏡導光板420 的相對上表面710與下表面720。透鏡陣列402包括多個透鏡組件410，各透鏡組件410具有一曲面410a，透鏡陣列接收並聚焦太陽光觀0。曲面410a鍍有一反射層觀1，太陽光280通過反射層反射回透鏡導光板420的微結構430。微結構430包括凹陷部432與連接部434(如圖7B所示，圖 7B為圖7A的微結構放大示意圖)，凹陷部432與連接部434的設計與相對配置關係可同於本發明的第六實施例與第八實施例微結構頂面210a的凹陷部230與連接部232，故在此不再重述。此外，微結構430的凹陷部432與透鏡組件410的焦點的相對位置關係可如圖4C 或圖5C，使太陽光觀0出光方向為ー側面或相對兩側面。綜上所言，根據本發明任一實施例的聚焦型太陽能導光模塊，皆可將其透鏡組件替換為，如圖2A中的扇形透鏡，以增加導光強度，或是如圖2B增設聚光透鏡160於導光板的側面與能量轉換組件之間，以進一歩縮小聚光範圍，並省卻太陽能電池的使用率。本領域技術人員可根據本發明的任一實施例與其欲導光的強度與範圍，而自行設計太陽能導光模塊的規格，以上的實施方式並非用以限定本發明的範圍。其次，圖8A為根據圖ID的結構示意圖，其將透鏡組件的柱狀軸向對準太陽升起落下的東西方向，其中透鏡組件110的柱狀軸向EW定義為透鏡組件110的長軸向。圖8B與圖8C為根據圖8A的導光效率標準化強度圖，其橫軸分別為白天時間點與季節性角度變化， 縱軸為所集到的太陽光標準化強度，模擬條件分別如透鏡組件的曲率半徑為4. 09mmrii = 1. 56rij = 1. 00nc = 1. 49h = IOmmW = 3. 46mmNXff = 210mmθ j = 40°θ2 = 20°Cl1 = 0. 302mmd2 = 0. 131mm考慮中午時太陽光180垂直入射(意即入射角度為0度)吋，由模擬結果得知，本發明提出的聚焦型太陽能導光模塊，其導光效率可接近60%。至於太陽光180入射角度為士30度時(意即白天時間點上午10時至下午2時之間)，根據本發明實施例的聚焦型太陽能導光模塊，其導光效率標準化後的相對強度仍可達到55%以上。由於透鏡組件110的柱狀軸向EW平行東西向，一天內太陽的升起和落下所造成入射角度的變化較不敏感，因此，根據本發明提出的聚焦型太陽能導光模塊，可達到在接近中午時分不必搭配追日系統，仍具有以上的導光相對功效。其次，由圖8C中也可見，根據本發明的聚焦型太陽能導光模塊，其季節性角度變化可達士 1°。因此，若欲再降低導光模塊隨著季節變化的角度變化敏感性，則根據本發明的聚焦型太陽能導光模塊，如圖8D所示，也可將透鏡陣列往南北向移動(意即設計透鏡陣列為可動透鏡組件)，因為季節的變化會改變太陽光180的入射角度，將透鏡陣列往南北向移動，可使聚焦後的太陽光180同樣也可以落在導光板120的凹陷部130的附近，以達到季節追日的導光效果。除此之外，承前所述，當透鏡組件110的柱狀軸向EW對準東西向吋，如圖8A所示， 設計者也可通過在導光板120上朝向東西向的一面上鍍上高反射材質121(例如金屬、全反射多層膜或白反射片)，以降低東西向光線漏光的問題，於此，增加東西向角度誤差的容
也、be ο綜上所述，根據本發明提出的聚焦型太陽能導光模塊，透過柱狀結構的透鏡陣列與具有微結構設計的導光板，令入射的太陽光可通過透鏡組件的聚焦與微結構設計的反射，而偏轉至導光板導光的方向，並且最後入射至放置於導光板至少ー側面的能量轉換組件進行電力轉換。因此，根據本發明實施例的聚焦型太陽能導光模塊，不僅可降低太陽能電池的使用率，進而降低模塊的成本，還可達到無需追日的高導光功效。當然，本發明還可有其它多種實施例，在不背離本發明精神及其實質的情況下，熟悉本領域的技術人員當可根據本發明作出各種相應的改變和變形，但這些相應的改變和變形都應屬於本發明所附的權利要求的保護範圍。
權利要求
1.一種聚焦型太陽能導光模塊，適於將一太陽光導光至一能量轉換組件，其特徵在於， 該聚焦型太陽能導光模塊包括一透鏡陣列，包括至少一透鏡組件，其中各該透鏡組件具有一上曲面與一下底面，該透鏡陣列接收並聚焦該太陽光；以及一導光板，具有一上平面與一微結構底面，該上平面平行配置於該透鏡陣列的該下底面，該微結構底面包括至少一凹陷部與一連接部，其中該連接部平行於該導光板的該上平面，且該連接部連接於各該凹陷部之間，該凹陷部包括一凹陷尖端、一第一斜面與一第二斜面，其中該第一斜面與該第二斜面分別位於該凹陷尖端的相異二側，並各自連接於該凹陷尖端與其各自相鄰的該連接部之間，該太陽光經由該透鏡陣列聚焦後，相繼通過該凹陷部與該連接部形成二次反射，並於該導光板中以全反射傳遞，使該太陽光穿透出該導光板的至少一側面，該能量轉換組件配置於該側面，以接收自該導光板穿透出的該太陽光，並將其轉換為一電力來源。
2.如權利要求1所述的聚焦型太陽能導光模塊，其特徵在於，該太陽光經該透鏡陣列聚焦所產生的一焦點位於該第一斜面、該第一斜面的上方或該第一斜面的下方，且該第一斜面面向該側面的方向。
3.如權利要求1所述的聚焦型太陽能導光模塊，其特徵在於，該太陽光經該透鏡陣列聚焦所產生的一焦點位於該凹陷尖端、該凹陷尖端的上方或該凹陷尖端的下方。
4.如權利要求1所述的聚焦型太陽能導光模塊，其特徵在於，該導光板的該微結構底面的該凹陷尖端形成一垂線垂直於該連接部，則該第一斜面與該垂線之間形成一第一夾角 θ 」該第二斜面與該垂線之間形成一第二夾角θ 2，該第一夾角Q1與該第二夾角θ2的範圍介於15度至60度之間。
5.如權利要求1所述的聚焦型太陽能導光模塊，其特徵在於，該導光板的該微結構底面的該凹陷尖端形成一垂線垂直於該連接部，該垂線與相鄰的該連接部之間分別具有一第一徑向距離Cl1與一第二徑向距離d2，其中各該透鏡組件的該下底面具有一長度W，其中 W >= 2 (屯+屯)。
6.如權利要求1所述的聚焦型太陽能導光模塊，其特徵在於，該透鏡陣列包括N個該透鏡組件，各該透鏡組件的該下底面具有一長度W，該導光板具有一厚度h，其中h >= W，且 NXff <= 50h。
7.如權利要求1所述的聚焦型太陽能導光模塊，其特徵在於，該透鏡陣列的一透鏡組件折射率小於該導光板的一導光板折射率。
8.如權利要求1所述的聚焦型太陽能導光模塊，其特徵在於，還包括一介質層，配置於該透鏡陣列與該導光板之間，其中該介質層的一介質層折射率小於該導光板的一導光板折射率，且該介質層折射率也小於該透鏡陣列的一透鏡組件折射率。
9.如權利要求1所述的聚焦型太陽能導光模塊，其特徵在於，還包括一聚光透鏡，該聚光透鏡配置於該側面與該能量轉換組件之間，以縮小自該導光板穿透出的該太陽光的聚光範圍。
10.如權利要求1所述的聚焦型太陽能導光模塊，其特徵在於，該透鏡組件還包含一連接面，該連接面連接相鄰的兩該上曲面，且該上曲面面向相對應於該側面的方向。
11.如權利要求1所述的聚焦型太陽能導光模塊，其特徵在於，該透鏡陣列的該透鏡組件的一柱狀軸向對準東西方向。
12.如權利要求11所述的聚焦型太陽能導光模塊，其特徵在於，該透鏡陣列為可往南北向移動的可動組件，使聚焦後的該太陽光落在該導光板的該凹陷部的附近。
13.如權利要求11所述的聚焦型太陽能導光模塊，其特徵在於，該導光板朝向東西向的一面上鍍有一高反射材質。
14.一種聚焦型太陽能導光模塊，適於將一太陽光導光至一能量轉換組件，其特徵在於，該聚焦型太陽能導光模塊包括一導光板，具有一微結構頂面與一下平面，該微結構頂面包括至少一凹陷部與一連接部，其中該連接部平行於該導光板的該下平面，且該連接部連接於各該凹陷部之間，該凹陷部包括一凹陷尖端、一第一斜面與一第二斜面，其中該第一斜面與該第二斜面分別位於該凹陷尖端的相異二側，並各自連接於該凹陷尖端與其各自相鄰的該連接部之間；以及一透鏡陣列，包括至少一透鏡組件，其中各該透鏡組件具有一上頂面與一下曲面，該上頂面平行配置於該導光板的該下平面，當該太陽光穿透該導光板並通過該下曲面反射至該微結構頂面時，該太陽光相繼通過該凹陷部與該連接部形成二次反射，並於該導光板中以全反射傳遞，使該太陽光穿透出該導光板的至少一側面，該能量轉換組件配置於該側面，以接收自該導光板穿透出的該太陽光，並將其轉換為一電力來源。
15.如權利要求14所述的聚焦型太陽能導光模塊，其特徵在於，該太陽光經該透鏡陣列聚焦所產生的一焦點位於該第一斜面、該第一斜面的上方或該第一斜面的下方，且該第一斜面面向該側面的方向。
16.如權利要求14所述的聚焦型太陽能導光模塊，其特徵在於，該太陽光經該透鏡陣列聚焦所產生的一焦點位於該凹陷尖端、該凹陷尖端的上方或該凹陷尖端的下方。
17.如權利要求14所述的聚焦型太陽能導光模塊，其特徵在於，該導光板的該微結構頂面的該凹陷尖端形成一垂線垂直於該連接部，則該第一斜面與該垂線之間形成一第一夾角θ/，該第二斜面與該垂線之間形成一第二夾角θ 2』，該第一夾角θ/與該第二夾角θ2』 的範圍介於15度至60度之間。
18.如權利要求14所述的聚焦型太陽能導光模塊，其特徵在於，該導光板的該微結構頂面的該凹陷尖端形成一垂線垂直於該連接部，該垂線與相鄰的該連接部之間分別具有一第一徑向距離d/與一第二徑向距離d2』，其中各該透鏡組件的該上頂面具有一長度W』，其中 W，^ 2((1/ +d2，)。
19.如權利要求14所述的聚焦型太陽能導光模塊，該透鏡陣列包括N個該透鏡組件，各該透鏡組件的該上頂面具有一長度W』，該導光板具有一厚度h』，其中h』 > W』，且 NXW，彡 50h，。
20.如權利要求14所述的聚焦型太陽能導光模塊，其特徵在於，各該透鏡組件的該下曲面鍍有一反射層，該太陽光通過該反射層反射回該導光板。
21.如權利要求14所述的聚焦型太陽能導光模塊，其特徵在於，該透鏡陣列的一透鏡組件折射率小於該導光板的一導光板折射率。
22.如權利要求14所述的聚焦型太陽能導光模塊，其特徵在於，還包括一介質層，配置於該導光板與該透鏡陣列之間，其中該介質層的一介質層折射率小於該導光板的一導光板折射率，且該介質層折射率也小於該透鏡陣列的一透鏡組件折射率。
23.如權利要求14所述的聚焦型太陽能導光模塊，其特徵在於，還包括一聚光透鏡，該聚光透鏡配置於該側面與該能量轉換組件之間，以縮小自該導光板穿透出的該太陽光的聚光範圍。
24.如權利要求14所述的聚焦型太陽能導光模塊，其特徵在於，該透鏡陣列的該透鏡組件的一柱狀軸向對準東西方向。
25.如權利要求M所述的聚焦型太陽能導光模塊，其特徵在於，該透鏡陣列為可往南北向移動的可動組件，使聚焦後的該太陽光落在該導光板的該凹陷部的附近。
26.如權利要求M所述的聚焦型太陽能導光模塊，其特徵在於，該導光板朝向東西向的面上鍍有一反射材質。
27.一種聚焦型太陽能導光模塊，適於將一太陽光導光至一能量轉換組件，其特徵在於，該聚焦型太陽能導光模塊包括一透鏡導光板，具有一透鏡陣列與多個微結構，該透鏡陣列與該些微結構分別設置於該透鏡導光板的相對二表面，該透鏡陣列包括至少一透鏡組件，各該透鏡組件具有一曲面， 該透鏡陣列接收並聚焦該太陽光，該些微結構包括至少一凹陷部與一連接部，其中該連接部連接於各該凹陷部之間，該凹陷部包括一凹陷尖端、一第一斜面與一第二斜面，該第一斜面與該第二斜面分別位於該凹陷尖端的相異二側，並各自連接於該凹陷尖端與其各自相鄰的該連接部之間，該太陽光經由該透鏡陣列聚焦後，相繼通過該凹陷部與該連接部形成二次反射，並於該透鏡導光板中以全反射傳遞，使該太陽光穿透出該透鏡導光板的至少一側面，該能量轉換組件配置於該側面，以接收自該透鏡導光板穿透出的該太陽光，並將其轉換為一電力來源。
28.如權利要求27所述的聚焦型太陽能導光模塊，其特徵在於，該透鏡組件的該曲面鍍有一反射層，該太陽光通過該反射層反射回該透鏡導光板的該些微結構。
全文摘要
一種聚焦型太陽能導光模塊，包括一透鏡陣列與一導光板，適於將太陽光導光至放置於導光板側面的能量轉換組件上。首先太陽光經由透鏡陣列而聚焦至導光板底面的附近，經由導光板的一微結構底面的反射與偏轉，太陽光最終被導光至導光板側面的能量轉換組件上進行光電或熱電轉換。此種聚焦型太陽能導光模塊不僅可降低能量轉換組件的使用率，還可以降低太陽能電池模塊的成本。
文檔編號H01L31/052GK102544172SQ20111042922
公開日2012年7月4日 申請日期2011年12月20日 優先權日2010年12月30日
發明者林俊廷, 林暉雄, 蔡禎輝, 許沁如, 鮑友南 申請人:財團法人工業技術研究院