TWI707536B - 螢光太陽能集光器 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種螢光太陽能集光器，係包括繞射光學層設於第一透明基板與第二透明基板之間，繞射光學層的表面具有微結構，且微結構之結構尺度相當於光波長；第一透明基板上層覆蓋有一螢光材料層，太陽能板模組設於第一透明基板與第二透明基板之側邊；入射光進入螢光材料層被螢光物質吸收後，以各向機率均等方式幅射波長較長的螢光；所產生部分螢光會透過第一透明基板螢光層的上表面與第二透明基板的下表面，以全反射將光能量導向側面太陽能板產生集光效果；光在經由該中間繞射光學夾層時會產生方向偏轉，減少到達側邊太陽能板所需全反射次數，降低再吸收的損失，該裝置有較多光能並轉換成電能，極具市場競爭優勢。

Description

螢光太陽能集光器

本發明係有關一種螢光太陽能集光器，指一種利用一光學繞射夾層可使穿透光方向產生偏轉，減少光導向側邊時所需全反射次數，降低再吸收效應，減少集光器能量損失之技術領域。

近年來，自然能源的利用備受矚目，太陽能具有取之不盡，用之不竭以及清潔無汙染的環保優勢，無論在人類生活、工業生產、商業附加、或國防軍事上都具有相當廣大的應用範疇。由於太陽與地球恆久持續進行著相對的運動，因此有效的太陽能之擷取皆須進行追日，以期能隨時取得最大的日照，使太陽能的接收量可以達到最高。然而，習知的太陽能擷取之技術、裝置或系統之中所設置的追日裝置多為機械結構，藉由機構部件的旋轉或移動來達成追日與指向太陽。惟，追日裝置難免體積龐大以致建置成本高，尚且又需使用額外的電能來驅動，必然的導致實際太陽能擷取之效率降低的缺點；以太陽能發電的應用來說，追日裝置的機械結構就需耗用一大部份轉換自太陽能的電能，而使剩下可資使用的電能大幅減少。再者，現有的太陽能板體積大，且只能放在屋頂或地上，不僅佔空間且也不美觀。

有鑒於此，螢光太陽能集光器(LSC)之研發因應而生，螢光太陽能集光器包含有一玻璃或塑膠波導，其界定了表面有一層摻雜有通常被稱為螢光團之高度受激發光元件的集光器本體，螢光團會吸收日光(散射與入射日光兩者)，並且在較長的波長下以螢光或磷光而再次發射，所發射的光會藉由內全反射，被導引至波導的邊緣，沿著波導之側面或周邊表面上的狹長形小面積型光伏電池來轉換成電能。藉著適當地選擇在螢光層內之螢光團的濃度以及光學性質，就可以設計出所需的透明度與色彩；因為螢光團能將不同方向入射光轉換成以各向機率均等方式幅射波長較長的螢光，所以不需要追日裝置，可以與建築物玻璃結合；因此，螢光太陽能集光器比已知需要追蹤光源，並藉由幾何構型來聚集太陽輻射為基礎來運作之系統，更為實用的設備。

續就現有的螢光太陽能集光器而言，如第1圖所示，發光太陽能集光器包括一玻璃10，其上設有一螢光層12，玻璃10的側邊設有一太陽能電池模組14。當螢光層12中的螢光團吸收太陽光後轉換波長，光到達集光器本體邊緣的太陽能電池模組14之前，光於玻璃10內需要經過多次全反射將光導向太陽能電池模組14中進行光能轉換電能。然而，光的行進過程中會被螢光層12中螢光團再吸收而導致產生光損耗，如圖中標示a的範圍，這是因為通常螢光層12中的螢光團在吸收和發射頻譜之間具有重疊區段，因而導致所發出之光回到螢光層12時會有機會被再吸收。再吸收現象會導致光損耗而造成集光效率低，且面積越大的螢光太陽能集光器，光損耗會越嚴重。故如何降低光再吸收所造成的光損耗是亟待解決的問題。

有鑑於此，本發明遂針對上述先前技術之缺失，提出一種螢光太陽能集光器，以有效克服上述之該等問題。

本發明之主要目的在提供一種螢光太陽能集光器，其特徵在於利用光波繞射夾層減少光到達側邊所需全反射次數，減少再吸收效應的損失，提升太陽能電池發電的效能。

本發明之次要目的在提供一種螢光太陽能集光器，其利用繞射光學產生光偏折效應來增加導光入射角度，以減少光源到達側邊的太陽能板模組所需的全反射次數，可以減少再吸收的光損失問題，增加集光效能。

本發明之又一目的在提供一種螢光太陽能集光器，其可整合在建築物的窗戶、屋頂天窗、任何可照射到太陽光的牆面上、具透明表面的戶外裝置上等，不需使用追日裝置，又可與建物玻璃結合，極具市場競爭優勢。因為再吸收效應的減少，我們所提出的螢光太陽能集光器相對於傳統螢光太陽能集光器可應用於較大面積的建物玻璃。

為達以上之目的，本發明提供一種螢光太陽能集光器，包括一第一透明基板、一第二透明基板、一螢光層、一繞射光學層以及一太陽能板模組。第一透明基板設於第二透明基板上，螢光層設於第一透明基板上，係接收太陽光之入射光轉換成波長較長的螢光以均向輻射，也就是將不同方向入射光轉換成以各向機率均等方式幅射波長較長的螢光；繞射光學層設於第一透明基板與第二透明基板之間，係將穿過繞射光學層的螢光方向偏折，繞射光學層的表面具有與尺寸光波波長相當的微結構，且微結構之結構尺度約微米尺度，係使導光方向偏離法線方向以進行空間相位調製，能減少光導向側邊所需經過全反射次數，減少光在進入螢光層被再次吸收的機會；太陽能板模組設於第一透明基板與第二透明基板之側邊，根據繞射光學層的螢光方向偏折後之光源導向側邊並收集光能以轉換成電能。

其中，微結構係為一維（條狀刻痕）或二維相位調製的光柵微結構，包含二元凹凸微結構或階梯狀微結構，利用微結構得尺度相當於光波長的設計，能夠改變光出射光偏轉方向，以達到預設的光行進方向目的。

其中，繞射光學層可整合於第一透明基板或第二透明基板為一體，微結構係以雷射雕刻、感光材料（如光阻）成像或熱成型技術製造而成，並以雷射雕刻或化學蝕刻微結構於第一透明基板的下表面或第二透明基板的上表面，不論是將繞射光學層整合於第一透明基板的下表面，或是整合於第二透明基板的上表面，由於繞射光學層係位於第一透明基板與第二透明基板之間，皆可以達到集光的效能。

其中，繞射光學層係為一薄膜片或塑膠片，設於第一透明基板與第二透明基板之間。

其中，螢光層之材料係為有機螢光粉或無機螢光粉，利用螢光層吸收太陽光中特定波長的不可見光轉換成較長波長的光，由於螢光層的材料不會吸收所有可見光光譜，故透過螢光層可以維持基板在某些色彩且具有透明度。

其中，螢光太陽能集光器更包括一反射層，設於第二透明基板的底部，該反射層扮演反射式光柵角色，其設計可使反射角大於入射角，能更進一步減少全反射次數，提升集光效率。

其中，透明基板係為透明玻璃基板、透明塑膠基板或透明壓克力基板。

針對「節能減碳」的環保訴求，本發明乃亟思加以改良創新，並經多年苦心孤詣潛心研究後，研發出一種螢光太陽能集光器。由於太陽光集光器商業化的主要困難之一在於其具有高的自吸收率（Rates of Self-absorption），也就是集光器本身吸收了太陽光譜中大部分的光，卻沒有將所有由全反射引導的光能傳送到太陽電池中。因此，本發明利用繞射光學元件的特殊微結構設計可以減少導光的自吸收的損耗，實為採集太陽光技術的一項重要突破，藉由本發明之螢光太陽能集光器能夠依據需求製作出較大面積建築用的太陽能窗戶上，不僅使能源使用效率提高，在促進開發綠色能源的同時，亦能善盡拯救人類賴以維生的地球之責任，實能成為新世代最佳節能訴求者。

請參閱第2圖，為本發明之螢光太陽能集光器的結構示意圖。螢光太陽能集光器包括一第一透明基板20、一第二透明基板22、一螢光層24、一繞射光學層26以及一太陽能板模組28。第二透明基板22設於第一透明基板20，螢光層24設於第一透明基板2的一上表面，繞射光學層26設於第一透明基板20與第二透明基板22之間，太陽能板模組28設於第一透明基板20與第二透明基板22之側邊。其中，螢光層24係接收太陽光之一入射光源，螢光層24之材料係為有機螢光粉或無機螢光粉；當太陽光之入射光源照射到螢光層24時，螢光層24的螢光材料吸收了入射光子後會重新輻射出較長波長的光子，本發明的螢光材料讓可選擇紫外線與近紅外線吸收，並轉換成其他波長的紅外線。螢光層24將入射光源轉換波長波長較長的螢光以均向輻射，螢光散射至第一透明基板20中的繞射光學層26，繞射光學層26以穿透式將螢光入射至第二透明基板22中，同時繞射光學層26的表面具有與尺寸光波波長相當的微結構，且微結構之結構尺度約微米尺度，將穿過繞射光學層26的螢光方向偏折以進行空間相位調製，使光波繞射進行全反射，由於螢光散射經第一透明基板20中再穿過繞射光學層26表面上的微結構時，使光偏轉以偏離法線方向，也就是增加入射角的角度，並以大於入射角的角度出射光源，能減少導光到達側邊所需經過的全反射次數，減少光源被螢光層24再次吸收的光損失。最後，光經較少次數全反射會導向位於第一透明基板20與第二透明基板22之側邊的太陽能板模組28中集光，予以儲存光能並轉換成電能。

請同時參閱第3A圖至第3B圖，分別為本發明之繞射光學層上的凹凸微結構示意圖及階梯狀微結構示意圖，當然，微結構亦可為一維條狀相位調製光柵微結構（圖中未示）。基於光波繞射理論，可計算出微結構中的各點光程，使得繞射光學層26能夠改變入射光源的波前而產生預期的波前分布，值得注意的是繞射光學層26上的微結構尺度必須相當於光波長（約微米尺度），經過本發明新穎之繞射光學層26設計，對光相位進行一維或二維空間的調製，能夠實現使出射光方向偏轉。

其中，繞射光學層26可整合於第一透明基板20，並以雷射雕刻微結構於第一透明基板20的下表面，再將第二透明基板設於第一透明基板20；又或者繞射光學層26可整合於第二透明基板22，並以雷射雕刻微結構於第二透明基板22的上表面，再將第一透明基板設於第二透明基板20上，不論繞射光學層26以何種方式結合於第一透明基板20的下表面或第二透明基板22的上表面，皆位於第一透明基板20與第二透明基板22之間。因此，入射光源經螢光層散射後螢光的行走路經先入射至第一透明基板20，再穿過繞射光學層26的微結構以進行空間相位調製將螢光方向偏折，最後將偏折後螢光入射至第二透明基板22中，藉由繞射光學層26以穿透式將出射光方向進一步偏離法線方向，減少導光到達側邊所需經過的全反射次數，降低再吸收效應的損失，可有效提高集光的效率。其中，繞射光學層26亦可為一薄膜片或塑膠片，設於第一透明基板20與第二透明基板22之間。

除了利用繞射光學層26提升集光的效率之外，請再參閱第4圖，為本發明之螢光太陽能集光器的另一結構示意圖。螢光層24設於第一透明基板2的一上表面，繞射光學層26設於第一透明基板20與第二透明基板22之間，第二透明基板22的底面設有一反射層30，太陽能板模組28設於第一透明基板20與第二透明基板22之側邊。當太陽光之入射光源照射到螢光層24時，螢光層24將入射光源轉換波長較長的螢光以均向輻射後，同時將螢光散射後入射至第一透明基板20及第二透明基板22中的繞射光學層26，經由繞射光學層使光偏離法線以進行空間相位調製，螢光方向偏折後之光源導向第二透明基板22中，再利用反射層30作為反射式光柵以使光進一步偏離法線，以使光源的反射角大於入射角導向至太陽能板模組中；這樣可再次減少光導向至太陽能板模組28所需全反射次數，能更一步提升集光效率。其中，第一透明基板20及第二透明基板22係為透明玻璃基板、透明塑膠基板或透明壓克力基板，只要使用具有透光性材料皆屬於本專利保護之範疇。因此，繞射光學層26及反射層30產生雙重光偏折效應大幅增加全反射角度方式，使光偏轉以減少光源到達側邊的太陽能板模組28所需的全反射次數。繞射光學層26在光學上屬穿透式相位調製光柵，反射層30則為反射式相位調製光柵；其類比就如同凸透鏡與凹面鏡具有類似功能，但凸透鏡用於匯聚穿透光，而凹面鏡用於匯聚反射光。是以，本發明能應用於有很多窗戶的高樓大廈、房屋的天窗或汽車窗戶、不僅能採集太陽能，而不妨礙透明度而影響人眼觀看戶外的景象，使平凡無奇的窗戶搖身一變成了會發電的窗戶，極具有產業利用性。

綜上所述，本發明利用新穎的繞射光學層設計，尤以微結構以微米尺度並經計算各光點的光程所設計的預先波前分佈，讓光波繞射進行光的全反射方式，可有效聚集太陽光、提升太陽能電池發電的效能。又或者搭配繞射光學層及反射層的雙重光波繞射及增加全反射角度方式，使光偏轉以減少光源到達側邊的太陽能板模組所需的全反射次數，不僅減少再吸收的光損失問題，又可增加集光效率。更進一步而言，本發明可整合在建築物的窗戶、屋頂天窗、任何可照射到太陽光的牆面上、具透明表面戶外裝置上等，透過光波繞射及增加反射角度方式能有效提高集光效率，由於太陽能板模組係以條狀設計並安裝於透明基板的側邊以轉換電能，可以讓人感受不到螢光太陽能集光器的存在，融合於現代建築、汽車業產品中，不佔空間又兼具美觀等優點，不僅可節省現有需要大面積的太陽能板額外的設備成本、所佔用的安裝空間需求以及設備造成的不美觀問題，又可增加應用彈性，極具市場競爭優勢。

唯以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍。故即凡依本發明申請範圍所述之特徵及精神所為之均等變化或修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。

10:玻璃12:螢光層14:太陽能電池模組20:第一透明基板22:第二透明基板24:螢光層26:繞射光學層28:太陽能板模組30:反射層

第1圖為先前技術之發光太陽能集光器的結構示意圖。 第2圖本發明之螢光太陽能集光器的結構示意圖。 第3A圖為本發明之繞射光學層上的凹凸微結構示意圖。 第3B圖為本發明之繞射光學層上的階梯狀微結構示意圖。 第4圖本發明之螢光太陽能集光器的另一結構示意圖。

20:第一透明基板

22:第二透明基板

24:螢光層

26:繞射光學層

28:太陽能板模組

Claims (8)

1. 一種螢光太陽能集光器，包括：一第一透明基板；一第二透明基板，設於該第一透明基板之下方；一螢光層，設於該第一透明基板上，係將入射光轉換成波長較長的螢光以均向輻射；一繞射光學層，設於該第一透明基板與該第二透明基板之間，係將穿過該繞射光學層的該螢光方向偏折，該繞射光學層表面具有與尺寸光波波長相當的微結構以進行空間相位調製；以及一太陽能板模組，設於該第一透明基板與該第二透明基板之側邊，係根據該繞射光學層的該螢光方向偏折後之光源導向該側邊並收集光能以轉換成電能。
2. 如請求項1所述之螢光太陽能集光器，更包括一反射層，設於該第二透明基板的底部，該反射層係作為反射式光柵，以使該光源的反射角大於入射角導向至該太陽能板模組中。
3. 如請求項1所述之螢光太陽能集光器，其中該微結構係為一維(條狀刻痕)或二維相位調製的光柵微結構，包含二元凹凸微結構或階梯狀微結構。
4. 如請求項1所述之螢光太陽能集光器，其該微結構係以雷射雕刻、感光材料成像或熱成型技術製造而成。
5. 如請求項1所述之螢光太陽能集光器，其中該繞射光學層整合於該第一透明基板或該第二透明基板為一體，並以雷射雕刻或化學蝕刻該微結構於該第一透明基板的下表面或該第二透明基板的上表面。
6. 如請求項1所述之螢光太陽能集光器，其中該繞射光學層係為一薄膜 片或塑膠片。
7. 如請求項1所述之螢光太陽能集光器，其中該螢光層之材料係為有機螢光粉或無機螢光粉。
8. 如請求項1所述之螢光太陽能集光器，其中該透明基板係為透明玻璃基板、透明塑膠基板或透明壓克力基板。

Images