专利名称：阵列式聚光型太阳能电池系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种广角度聚光的阵列式聚光型太阳能电池系统，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 光系统以解决所述的问题。一种简单的解决方式，是采用Fresnel透镜来取代传统的透镜。如图1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。所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
鉴于所述发明背景中，为了符合产业利益的需求，本发明提供一种简易或是不需 要复杂追日机构的阵列式聚光型太阳能电池系统，主要的特征在于使用多个透明球体做为 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可以提供充足的电力来源。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阵列式聚光型太 阳电池系统。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阵列式聚光型太阳电池系统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。本发明利用多个透明球体做为一聚光元件。当光源与多个透明球体之间的相对方 位改变时，不需要移动聚光元件，光源仍然可以在多个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多个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多个光伏电池，或是将多个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，提供一种阵列式聚光型太阳能 电池系统，包含一聚光元件，与多个光伏电池，用以接收聚光元件所聚集的光源以转换成电 力。前述的聚光元件为由多个透明球体排列而成。本发明更包含一种追踪太阳的手段，使 得该光伏电池可以沿着太阳行进的轨迹移动。所述聚光元件可由两个透明球体串接排列组成，其中在本发明的阵列式聚光型太 阳能电池系统中，更包含一赤经轴穿过前述两个透明球体的直径，以及一 C形臂使得前述 两个透明球体位于C形臂上，且C形臂的两个端点均位于赤经轴上，其中所述多个光伏电池 位于C形臂上。所述聚光元件可包含四个透明球体，为正方排列组成或是对角排列，或是可由六 个透明球体紧密排列组成。所述多个透明球体的中每个透明球体分别具有多个光伏电池依 序位于相对于太阳运行的轨道上。本发明的阵列式聚光型太阳能电池系统，更包含多个C 形臂使得前述多个透明球体分别位于多个C形臂上，其中所述每个透明球体分别具有多个 光伏电池位于多个C形臂上。另外，本发明的阵列式聚光型太阳能电池系统，可包含多个半 球壳体使得前述多个透明球体位于多个半球壳体上，其中所述多个光伏电池分别位于多个 半球壳体上。本发明的阵列式聚光型太阳能电池系统，更包含多个C形臂使得前述多个透明球 体分别位于多个C形臂上，其中所述多个光伏电池分别位于该多个C形臂上。本发明的阵 列式聚光型太阳能电池系统，亦包含多个赤经轴分别穿过前述多个透明球体的直径，以及分别位于多个C形臂的两个端点上，使得多个光伏电池得以分别绕着多个赤经轴对太阳进 行追踪。本发明亦提供一种阵列式聚光型太阳能电池系统，其包含一个聚光元件，以及多 个光伏电池。所述聚光元件，由多个外形近似球体的透明体相依排列而成，而所述多个光伏 电池，用以接收该聚光元件所聚集的光源以转换成电力。所述多个外形近似球体的透明体 分别由一透明球体移除非聚光的周围区域所形成。本发明的阵列式聚光型太阳能电池系 统，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。本发明同时提供一种阵列式聚光型太阳能电池系统，其包含多个透明球体，以及 多个光伏电池。所述多个透明球体用以聚光，且排列成阵列形式，而所述多个光伏电池，用 以接收多个透明球体所聚集的光源以转换成电力。本发明的阵列式聚光型太阳能电池系 统，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。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。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显示以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使用两个透明球体做为聚光元件的截面结构示意图；图5显示依图4的实施例将聚光元件安置在可追踪太阳装置的截面结构示意图；图6A与体6B显示依据本发明的特征使用四个光伏电池作为聚光元件的一种实施 例示意图；图7A与图7B显示依据本发明的特征使用四个光伏电池作为聚光元件的另一种实 施例示意图；图8显示依据本发明的特征将多个的透明球体以最密集排列的方式的示意图；图9A与图9B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10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形臂的 截面结构示意图；图11显示透明球体可利用的太阳光线作为发电的截面示意图；以及图12显示将透明球体的周围移除的截面结构示意图。
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，当使用两个透明球体做为聚光元件的结构示意图。 第一透明球体100-1与第二透明球体100-2并排，第一光伏电池130-1与第二光伏电池 130-2分别位于第一透明球体100-1与第二透明球体100-2的聚光处。请参阅图5，根据图4的实施例设计成可动态追踪太阳的一种示意图。一赤经轴 140同时穿过第一透明球体100-1与第二透明球体100-2的直径，而一 C形臂150的两个端 点位于赤经轴140上。第一光伏电池130-1与第二光伏电池130-2分别位于C形臂150上， 其中第一光伏电池130-1与第二光伏电池130-2的位置需要分别位在第一透明球体100-1 与第二透明球体100-2的聚光处。赤经轴140的倾斜角度为当地的纬度，方向与地球自转轴 平行。当光源，也就是太阳移动的时候，C形臂150可以相对于太阳进行的方向反向运行，使 得第一光伏电池130-1与第二光伏电池130-2的位置也相对于太阳进行的方向反向运行， 从而一直分别位在第一透明球体100-1与第二透明球体100-2的聚光处。当赤经轴140与 C形臂150等组成的追踪系统的精密度不需要太高的时候，可以使用较多的光伏电池位于 太阳移动的路径上，因而可以容忍较多的聚焦误差。当透明球体的数量超过两个以上时，可以将全部的透明球体串在赤经轴上。另一 种方式，如图6A与图6B所示，使用四个透明球体的一种实施例，其中图6A显示从光源方向 俯视的示意图而图6B显示从光源方向侧视的示意图。四个透明球体是正方形的排列，一转 轴142通过两个最邻近透明球体的中间切线。另一种方式，如图7A与图7B所示，转轴143通过两透明球体的对角位置，其中图 7A显示从光源方向俯视的示意图而图7B显示从光源方向侧视的示意图。除了可以使用四个透明球体做为聚光元件之外，亦可以使用四个以上的透明球 体。如图8所示，当考虑球体之间为最密集排列的方式，则每一中心透明球体的周围要有六 个透明球体。如果要追踪太阳，还有一种简单的静态追踪方式，如图9A与图9B所示，在球体透 镜100的太阳轨迹上安置数个光伏电池130即可。一实施方式，是以半球壳体160来取代C 形臂，使得所有的光伏电池130可以安装在半球壳体160上，如图9B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160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 个系统就不需要任何追踪的转动系统。当应用在多个透明球体时，可以在每个透明球体上分别设计半球壳体即可。所以， 可以应用在图6A，图6B，图7A，图7B以及图8等的实施例。也可以在多个透明球体后面设 计单一一个半球壳体，然后将所有透明球体上可能的光源移动的轨迹上分别安装多个光伏 电池。前一种设计可以有较佳的追踪效果。
另一种追踪太阳的装置，请参阅图10。一赤经轴140平行于地球自转轴，让C形臂 150可以旋转，用以抵销地球自转。所述C形臂150，如图9B所示，亦可以更换成半球壳体 160。当地球自转被抵销之后，太阳的行经轨迹可以大致看为静止不动的天体。图10显示单 一球体的追踪方式，当应用到阵列形式的透明球体时，可以在每个透明球体上分别设计追 踪系统，使得每个光伏电池可以追踪太阳的聚光区域。亦即在每个透明球体上分别安装一 赤经轴使得每个赤经轴各自穿过其对应透明球体的直径，另外以多个C形臂的两个端点分 别设计在每个赤经轴上，使得多个光伏电池得以分别绕着多个赤经轴对太阳进行追踪。或 是，在阵列的转轴上设计半球壳体，使得半球壳体上的光伏电池可以绕行于赤经轴，追踪太 阳运行的轨迹。所述多个赤经轴的设计亦可应用在图6A，图6B，图7A，图7B以及图8等的 实施例。在透明球体100中，并非每个部份都会用来作为聚光。请参阅图11，Φ为透明球 体的直径，而A表示有效的聚光长度。因此在设计透明球体100的时候可以将Φ-Α的部份 移除，而形成近似透明球体的聚光元件101 ；也就是将非聚光的部份给移除，以降低材料的 使用，如图12所示。由于图11与图12是截面示意图，透明球体100不需要聚光的部份，也 就是Φ-Α的部份，从聚光方向来看可以有各种的图案，例如可以移除单一一边使两个透明 球体可以更紧密的结合。当使用四个透明球体作为聚光元件的时候，可以在四个透明球体 接触的非聚光的部份给移除。当使用多个透明球体并且用最密集的方式排列时，如图8所 示，可以将透明球体阵列修正成类似蜜蜂巢状的图案；也就是每个近似透明球体的聚光元 件101的周围分别有六个聚光元件。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阵列式聚光型太阳 电池系统，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多个光伏电池，使得光源在移动的时候可以依序的 照在多个光伏电池上。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阵列式聚光型太阳电 池系统。另外，本发明可提供充足的电力需求，这是因为使用多个透明球体作为聚光元件。 当阵列式的太阳电池串接，并接，或是串接与并接之后，可以提供使用者适当而充足的电力需求。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
1.一种阵列式聚光型太阳能电池系统，包含一聚光元件，由多个透明球体排列而成；以及多个光伏电池，用以接收该聚光元件所聚集的光源以转换成电力。
2.根据权利要求1的阵列式聚光型太阳能电池系统，其中，所述聚光元件由两个透明 球体串接排列组成。
3.根据权利要求2的阵列式聚光型太阳能电池系统，其中，更包含一赤经轴穿过该两 个透明球体的直径。
4.根据权利要求3的阵列式聚光型太阳能电池系统，其中，更包含一C形臂使得该两个 透明球体位于该C形臂上，且该C形臂的两个端点均位于该赤经轴上，其中所述多个光伏电 池位于该C形臂上。
5.根据权利要求1的阵列式聚光型太阳能电池系统，其中，所述聚光元件包含四个正 方排列或是对角排列的透明球体。
6.根据权利要求1的阵列式聚光型太阳能电池系统，其中，所述聚光元件由一中心透 明球体和周围紧密排列的六个透明球体组成。
7.根据权利要求1的阵列式聚光型太阳能电池系统，其中，所述多个透明球体的中每 个透明球体分别具有多个光伏电池依序位于相对于太阳运行的轨道上。
8.根据权利要求7的阵列式聚光型太阳能电池系统，其中，更包含多个C形臂使得该多 个透明球体分别位于该多个C形臂上，其中所述每个透明球体分别具有多个光伏电池分别 位于该多个C形臂上。
9.根据权利要求7的阵列式聚光型太阳能电池系统，其中，更包含多个半球壳体使得 该多个透明球体分别位于该多个半球壳体上，其中所述每个透明球体分别具有多个光伏电 池分别位于该多个半球壳体上。
10.根据权利要求1的阵列式聚光型太阳能电池系统，其中，更包含多个C形臂使得该 多个透明球体分别位于该多个C形臂上，其中所述多个光伏电池分别位于该多个C形臂上。
11.根据权利要求10的阵列式聚光型太阳能电池系统，其中，更包含多个赤经轴分别 穿过该多个透明球体的直径，以及分别位于该多个C形臂的两个端点上，使得该多个光伏 电池得以分别绕着该多个赤经轴对太阳进行追踪。
12.根据权利要求1的阵列式聚光型太阳能电池系统，其中，更包含一种追踪太阳的装 置，使得该光伏电池沿着太阳行进的轨迹移动。
13.一种阵列式聚光型太阳能电池系统，包含一个聚光元件，由多个外形近似球体的透明体相依排列而成；以及多个光伏电池，用以接收该聚光元件所聚集的光源以转换成电力。
14.根据权利要求13的阵列式聚光型太阳能电池系统，其中，所述多个外形近似球体 的透明体分别由一透明球体移除非聚光的周围区域所形成。
15.根据权利要求13的阵列式聚光型太阳能电池系统，其中，更包含一种追踪太阳的 装置，使得该光伏电池沿着太阳行进的轨迹移动。
16.一种阵列式聚光型太阳能电池系统，包含多个透明球体用以聚光，该多个透明球体排列成阵列形式；以及多个光伏电池，用以接收该多个透明球体所聚集的光源以转换成电力。
17.根据权利要求16的阵列式聚光型太阳能电池系统，其中，所述透明球体的材料为 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。
18.根据权利要求17的阵列式聚光型太阳能电池系统，其中，所述透明球体的制造方 式为射出成型。
19.根据权利要求16的阵列式聚光型太阳能电池系统，其中，所述透明球体为中空壳 体，内填入液体或是固体以改变该透明球体的折射系数。
20.根据权利要求16的阵列式聚光型太阳能电池系统，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。
全文摘要
本发明提供一种不需要追日系统的阵列式聚光型太阳能电池系统，其中包含多个透明球体或近似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。多个球体做为聚光元件，可以提供充足的电力供使用者应用。
文档编号H01L31/052GK102110730SQ200910260020
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