专利名称：聚光型太阳能电池模组的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种广角度聚光的聚光型太阳能电池模组，特别是有关于一种使用透 明球体做为聚光元件的光电元件，可以应用于聚集太阳光或室内光线并用来产生电力。
背景技术：
使用太阳能电池来获得能源，相较于其他的能源，例如石化能源、核能、水利等，是 目前认为较环保的方式。尤其是在原油的价格持续飙高的时候，更显得太阳能发电的的许 多优点。再者，原油总有用尽的一天，而太阳能发电，相对于原油而言是取之不尽，用之不竭 的能源。因此目前各国政府，研究单位与许多的私人企业都将许多的研究资源投入在太阳 能产业上。现今，由于太阳能发电的材料成本是高单价的，为了降低成本让太阳能发电可以 商业化并且普及成为民生用品，一种解决方式为使用光学的聚光系统以降低使用太阳能发 电的材料。最简单的方式是直接使用大面积的透镜聚光，让大面积的光线可以集中到小块 面积的光伏电池(photovoltaic cell)上以增强发电效果。然而，由于透镜有体积，而且重 量相当的重，这种方式会造成笨重的太阳能发电系统。并且，透镜的像差，色差，焦距等等， 一般在光学上会遇到的问题在这里也会遇到。因此，许多的研究方向转到使用其他的光学 聚光系统以解决上述的问题。一种简单的解决方式，是采用Fresnel透镜来取代传统的透镜。如第一图所示， Fresnel透镜10将光线聚焦到一光伏电池(photovoltaic cell) 13上，其中Fresnel透 镜相对于传统的凸透镜可以降低聚光透镜的厚度，因此可以降低传统透镜较大的体积与 重量。另一种方式，是由i^ork与Maeda提供的使用盖赛格林式(Cassegrain)系统作 为聚集光线的太阳能聚光系统。！^ork与Maeda提供的方式，可以参见美国专利公告号 US2006/0231133，主要使用了一主反射镜与一次反射镜(secondary mirror)将光线聚集到 光伏电池上。请参阅图2所示，主反射镜11的底部配置一光伏电池13，而在主反射镜11上 配置一次反射镜12。当光线照射到主反射镜11之后会被反射到次反射镜12上，然后经过 次反射镜12的二次反射到光伏电池13上。上述的两种传统的聚光型太阳电池模组的设计，其限制在于必须搭配准确度很高 的追日系统，将镜面保持与太阳垂直，才能将太阳光集中投射到晶粒上，藉晶粒将太阳光转 换成电力。一般，追日系统的成本约占整个聚光型太阳电池模组成本的五分之一左右。当 聚光元件的倍率愈高，追踪太阳的精密度也愈高，对于误差容忍的范围也愈低。例如，以一 天M小时，地球自转一天计算，太阳相对地球是以每小时15度的速度移动，每分钟0. 25度 或是每分钟15分(这里的分是角度的单位)的速度移动。当聚光元件的倍率在1000倍左 右时，每分钟的精密度约在0. 9秒(这里的秒是角度的单位)左右。因此，对于倍率愈高的聚光元件，愈需要更高精密度的追踪太阳的系统。这会大幅 提高整个聚光型太阳能电池模组的成本，因而使得聚光型太阳电池模组不易商品化。
发明内容
鉴于上述的发明背景中，为了符合产业利益的需求，本发明提供一种简易或是不 需要复杂追日机构的聚光型太阳能电池模组，主要的特征在于使用透明球体做为聚光元 件。本发明的一目的在于提供一种不需要高成本，高精密度的光源追踪系统或是太阳 追踪系统。本发明的另一目的在于为可以提供简易的太阳追踪系统应用在本发明的聚光型 太阳电池模组。本发明在此所探讨的方向为一种不需要高精密度的追日系统的聚光型太阳电池 模组。为了能彻底地了解本发明，将在下列的描述中提出详尽的步骤及其组成。显然地，本 发明的施行并未限定于聚光型太阳电池模组的技艺者所熟习的特殊细节。另一方面，众所 周知的组成或步骤并未描述于细节中，以避免造成本发明不必要的限制。本发明的较佳实 施例会详细描述如下，然而除了这些详细描述之外，本发明还可以广泛地施行在其他的实 施例中，且本发明的范围不受限定，其以之后的专利范围为准。本发明利用一透明球体做为一聚光元件。当光源与透明球体之间的相对方位改变 时，不需要移动聚光元件，光源仍然可以在透明球体的相对另一侧聚焦。利用本发明的手段 可以让光源跟透明球体的相对方位的重要性大幅降低。当光源移动的时候，可以在光源未 来行进的轨迹上安装数个光伏电池，或是将光伏电池对着光源进行追踪。由于目前一般的追日系统因需要精密的追踪精度而造成较高的成本。利用本发明 的手段可以解决此问题，以有效的降低成本。从本发明的手段中，提供一种光电元件，更明确地，提供一种聚光型太阳能电池模 组，包含一聚光元件，与一第一光伏电池，用以接收聚光元件所聚集的光源。前述的聚光元 件为一透明球体，用以聚集光线。所述聚光元件的材料可为玻璃，石英，塑胶，压克力(丙烯酸酯)，聚乙烯对苯二甲 酸酯(PET)，聚氨酯(PU)，环烯烃高分子(mCOC)，环氧树脂(印oxy)，硅氧烷(Silicone)，聚 甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，聚碳酸酯(PC)，CaF晶体(萤石)，或MgF晶体等。聚光元件的制 造方式可为射出成型。另外，所述聚光元件可为中空壳体，内填入液体或是固体以改变聚光 元件的折射系数。本发明更包含一凹透镜，位于聚光元件与光伏电池之间，用以将透明球体所聚集 的光源的方向，转向成垂直于光伏电池的表面。本发明更包含一基座用以支撑聚光元件与光伏电池。一种追踪光源或是太阳轨迹 的方式包含一第二光伏电池位于第一光伏电池旁，以及一第三光伏电池位于第二光伏电池 旁，使得第一光伏电池、第二光伏电池、与第三光伏电池的位置位于太阳移动的轨迹。本发 明更包含一 C型臂，与一第一转轴位于C型臂的两个端点，所述第一转轴通过透明球体的直 径。所述第一光伏电池，第二光伏电池与第三光伏电池位于C型臂上。所述第一转轴与地 球自转轴平行，而C型臂以第一转轴为中心进行旋转，其中C型臂的旋转方向与地球自转方 向相反，用以抵销地球自转所造成的太阳的移动。所述第一转轴与基座之间具有一第二转 轴，使得第一转轴可以以任一角度相对于基座。另一种追踪光源或是太阳轨迹的方式包含一 C型臂，与一第一转轴位于C型臂的两个端点，所述第一转轴通过透明球体的直径。所述第一光伏电池位于C型臂上。所述C 型臂具有一移动装置使得第一光伏电池可位于C型臂的任一位置上。所述第一转轴与地球 自转轴平行，而C型臂以第一转轴为中心进行旋转，其中C型臂的旋转方向与地球自转方向 相反，用以抵销地球自转所造成的太阳的移动。所述第一转轴与基座之间具有一第二转轴， 使得第一转轴可以以任一角度相对于基座。所述第一转轴与基座之间具有一第三转轴，使 得C型臂可以朝向任一方向。本发明同时提供一种聚光型太阳能电池模组，包含一用以聚光的透明球体，一用 以接收透明球体所聚集的光源的光伏电池，以及一凸透镜，位于透明球体与光伏电池之间， 用以将透明球体所聚集的光源的方向，转向成垂直于光伏电池的表面。本发明更包含一种 追踪太阳的装置，使得光伏电池可以沿着太阳行进的轨迹移动。接下来，请参阅图式详细解释本发明的内容，技术特征，与各种的实施方式。
图1显示一种传统的聚光型太阳电池的截面结构示意图；图2显示另一种传统的聚光型太阳电池的截面结构示意图；图3显示根据本发明的透明球体作为聚光元件的聚光型太阳电池的截面结构示 意图；图4显示依据本发明的特征将聚光型太阳电池安置在基座的截面结构示意图；图5显示依据本发明的特征将聚光型太阳电池安置在另一种基座的截面结构示 意图；图6A与图6B显示依据本发明的特征使用多个光伏电池的截面结构示意图；图7显示依据本发明的特征将的聚光型太阳电池安置在可追踪太阳的C型臂的截 面结构示意图；图8显示依据本发明的特征将聚光型太阳电池安置在可追踪太阳的基座的截面 结构示意图；图9显示在图8中C型臂的转轴在基座上可以调整方位与角度的截面结构示意 图；以及图10显示使用一凹透镜增加光伏电池的发电效果的截面结构示意图。
具体实施例方式请参阅图3，一圆型的透明球体100做为本发明的聚光元件。透明球体100的材料 可为玻璃，石英，塑胶，压克力(丙烯酸酯)，聚乙烯对苯二甲酸酯(PET)，聚氨酯(PU)，环烯 烃高分子(mCOC)，环氧树脂(印oxy)，硅氧烷(Silicone)，聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，聚碳 酸酯(PC)，CaF晶体(萤石)，或MgF晶体等。透明球体100亦可以是中空的球体，里面填 入液体或是固体以改变透明球体100的折射系数。透明球体100的制作方式可以是射出成 型，或是用研磨的方式制造。由于透明球体100是一个完全对称的透镜，因此任何角度的光线皆可以透过透镜 将光集中在相对应于光源的一个焦点上。而不需要转动此一聚光元件及可以达到聚焦的作 用。使用时只要将光伏电池130放置在焦点上方即可以将收集的光线转换成电力。
图4显示依据本发明的特征将聚光型太阳电池安置在一基座110的截面结构示意 图。透明球体100安装在一转轴140上使得光伏电池130可以依转轴140的方向进行旋转。 另一实施的方式是让转轴140本身可以水平方向的旋转，则光伏电池130可以以任一角度 对着光源。在图4中的实施例中，主要是应用在室内具有固定的光源的环境，因此只需要简 单的一个到两个可活动的转向装置即可让光伏电池130对着任何方向的光源。转向装置的 设计，最简单的方式就是设计两组相互独立垂直的齿轮即可。另一种应用本发明的实施例，请参阅图5。在一 C型臂120的两个端点上有一转轴 141通过。在C型臂120上安装了光伏电池130，其中光伏电池130与C型臂120之间可以 有齿轮或是其他的装置可以让光伏电池130位于C型臂120的任一位置。设计一倾斜式的 转轴141的目的是要用来追踪太阳。转轴141的倾斜角度即为使用者所在的纬度，使得转 轴141与地球自转轴平行。当太阳在移动的时候，对于球体透镜100而言，只会有一相对于 转轴141垂直的移动轨迹。一支柱111-2位于一底座111-1的上方，用以支撑C型臂120。 支柱111-2可以设计让C型臂120相对底座111-1旋转，以及让转轴141以任何的角度相 对于水平面，由此，使得C型臂120上的光伏电池130能追踪太阳。如果要追踪太阳，一种简单的方式，如图6A与图6B所示，在球体透镜100的太阳 轨迹上安光数个光伏电池130即可。另一实施方式，是以半球壳体121来取代C型臂120， 使得所有的光伏电池130可以安装在半球壳体121上，如图6B所示。在本实施例中，使用 者可以针对需要使用太阳能发电的时数，决定使用的光伏电池130的数目。例如，使用者打 算使用太阳能电池产生电力约2个小时，则这2个小时太阳行经的角度约为30度。因此只 需要在半球壳体121上安装数个光伏电池130到等于或是超过30度角的数量即可。整个 系统也就不需要任何额外的追踪的转动系统。另一种追踪太阳的方式，请参阅图7。一转轴141平行于地球自转轴，让C型臂120 可以旋转，从而C型臂120上的光伏电池130随之旋转，以抵销地球自转。上述C型臂120， 如图6B所示，亦可以更换成半球壳体121。当地球自转被抵销之后，太阳的行经轨迹相对C 型臂120可以大致看为静止不动的天体。较具体的实施例，请参阅图8。转轴141位于一底座112上，其中转轴141的倾斜 角度与当地的纬度相同。转轴的指向方位在北半球为北方，在南半球为南方。另一种方式 是C型臂120的开口在北半球是朝南，在南半球是朝北。主要的目的均是让转轴141与地 球自转轴平行。光伏电池130可位于C型臂120上的任一位置，主要依照当地的纬度，季节 调整光伏电池130的位置。当整个系统设定完成时，太阳光可聚光在光伏电池130上，C型 臂120即可相对于转轴141进行旋转，旋转的方向与地球自转方向相反，速度约为每小时15 度。让C型臂120旋转的方式，可以设计成简单的发条式旋转，或是使用电子元件控制。另 外，亦可以搭配光感测器进行更精密的追踪。然而，当设计成发条式旋转时，C型臂的追踪 就不需要使用任何的电力进行太阳追踪。如果考虑的追踪精度需要再降低时，可以提供2 到3个左右的光伏电池130位于C型臂120上，使得太阳行经的轨迹可以全部落在光伏电 池130上。图9显示在图8中C型臂120的转轴141在基座112上可以调整方位与角度的截 面结构示意图。转轴141可以藉由角度调整装置112-1调整仰角。角度调整装置112-1可 以是两片支撑片中间以一个螺丝通过转轴141，使得转轴141可以调整仰角。另外，转轴141可以透过方向调整装置112-2调整C型臂120的方位。方向调整装置112-2可以是同心圆 式的一个内圆盘与一个可容纳该内圆盘的外圆环。内圆盘与外圆环之间可以任意相对的转 动，则C型臂120可以对着任何方向进行调整。本发明亦可以在光伏电池上加上一个光学透镜可以将光平均分布到太阳能电池 上。请参阅图10，一凹透镜102位于透明球体100与光伏电池130之间。凹透镜的主要目 的是让大部分光线以垂直光伏电池130的方向进入。因为光伏电池130的发电效率最佳的 状态为光线均以垂直的角度进入。使用透明球体100的一种效应就是让部分的光线以某一 倾斜的角度近入光伏电池130。凹透镜具有散光的效果，可以让被聚焦的光束散开，因此降 低了平行于光伏电池130表面的比例。本发明，可以是上述的各种图示与各种实施例可能的搭配与组合，任何的搭配与 组合应当视为本发明的各种实施例。在此不复赘言一一介绍各种的组合。利用本发明的手段，可以达成具有简易而低成本的追日系统的聚光型太阳电池模 组，其中占有较大体积的聚光系统并不需要移动以追踪太阳。当光源在移动的时候，可以在 相对于移动的光源的轨迹上安装数个光伏电池，使得光源在移动的时候可以依序的照在数 个光伏电池上。另一种方式，只需要移动体积较小，重量较轻的光伏电池；也就是将光伏电 池顺着光源的移动方向进行追踪。当光源是太阳的时候，由于太阳的轨迹是可预测的，可以 设计简单的转向机构进行追踪。因为本发明并不需要精密度极高的追踪系统，所以可以达 成简易而低成本的追日系统。因此，本发明可以提供低成本的聚光型太阳电池模组。另外，本发明可提供小型的太阳能发电装置。尤其是对于移动式的电子装置 (mobile electronics)，可以提供暂时性或是紧急使用的电力。显然地，依照上面实施例中的描述，本发明可能有许多的修正与差异。因此需要在 其附加的权利要求项的范围内加以理解，除了上述详细的描述外，本发明还可以广泛地在 其他的实施例中施行。上述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用以限定本发明的申请专 利范围；凡其它未脱离本发明所揭示的精神下所完成的等效改变或修饰，均应包含在下述 申请专利范围内。
权利要求
1.一种聚光型太阳能电池模组，包含一聚光元件，为一用以聚光的透明球体；以及一第一光伏电池，用以接收该透明球体所聚集的光源。
2.根据权利要求1的聚光型太阳能电池模组，其中，所述聚光元件的材料为玻璃，石 英，塑胶，压克力，聚甲基丙烯酸甲酯，聚碳酸酯，CaF晶体，或MgF晶体。
3.根据权利要求2的聚光型太阳能电池模组，其中，所述聚光元件的制造方式为射出 成型。
4.根据权利要求1的聚光型太阳能电池模组，其中，所述聚光元件为中空壳体，内填入 液体或固体以改变该透明球体的折射系数。
5.根据权利要求1的聚光型太阳能电池模组，其中，更包含一支撑该聚光元件与该光 伏电池的基座。
6.根据权利要求5的聚光型太阳能电池模组，其中，更包含一位于该第一光伏电池旁 的第二光伏电池。
7.根据权利要求6的聚光型太阳能电池模组，其中，更包含一位于该第二光伏电池旁 的第三光伏电池，使得该第一光伏电池、该第二光伏电池与该第三光伏电池位于太阳移动 的轨迹上。
8.根据权利要求5的聚光型太阳能电池模组，其中，更包含一C型臂，一第一转轴连接 于该C型臂的两个端点，所述第一转轴通过该透明球体的直径。
9.根据权利要求8的聚光型太阳能电池模组，其中，所述第一光伏电池、该第二光伏电 池与该第三光伏电池位于该C型臂上。
10.根据权利要求9的聚光型太阳能电池模组，其中，所述第一转轴与地球自转轴平 行，而该C型臂以该第一转轴为中心进行旋转，该C型臂的旋转方向与地球自转方向相反， 用以抵销地球自转所造成的太阳的移动。
11.根据权利要求10的聚光型太阳能电池模组，其中，所述第一转轴与该基座之间具 有一第二转轴，使得该第一转轴可以以任一角度相对于该基座。
12.根据权利要求1的聚光型太阳能电池模组，其中，更包含一C型臂，一第一转轴位于 该C型臂的两个端点，所述第一转轴通过该透明球体的直径。
13.根据权利要求12的聚光型太阳能电池模组，其中，所述第一光伏电池位于该C型臂上。
14.根据权利要求13的聚光型太阳能电池模组，其中，所述C型臂具有一移动装置使得 该第一光伏电池可位于该C型臂的任一位置上。
15.根据权利要求12的聚光型太阳能电池模组，其中，所述第一转轴与地球自转轴平 行，而该C型臂以该第一转轴为中心进行旋转，该C型臂的旋转方向与地球自转方向相反， 用以抵销地球自转所造成的太阳的移动。
16.根据权利要求15的聚光型太阳能电池模组，其中，所述第一转轴与该基座之间具 有一第二转轴，使得该第一转轴可以以任一角度相对于该基座。
17.根据权利要求16的聚光型太阳能电池模组，其中，所述第一转轴与该基座之间具 有一第三转轴，使得该C型臂可以朝向任一方向。
18.一种聚光型太阳能电池模组，包含一透明球体，用以聚光；一光伏电池，用以接收该透明球体所聚集的光源；以及一凸透镜，位于该透明球体与该光伏电池之间，用以将该透明球体所聚集的光源的方 向转向成垂直于该光伏电池的表面。
19.根据权利要求18的聚光型太阳能电池模组，其中，更包含一种追踪太阳的装置，使 得该光伏电池可以沿着太阳行进的轨迹移动。
20.一种光电元件，包含 一透明球体，用以聚集光线；以及一光伏电池，用以接收该透明球体所聚集的光线用以产生电力。
全文摘要
本发明提供一种不需要追日系统的聚光型太阳能电池模组，其中包含一透明球体做为聚光元件，因此聚光元件并不需要针对光源，例如太阳，进行追踪。
文档编号H01L31/052GK102110729SQ200910260019
公开日2011年6月29日 申请日期2009年12月23日 优先权日2009年12月23日
发明者刘台徽 申请人:太聚能源股份有限公司