专利名称：立体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光学设计及其对位的方式，特别是有关于一种使用 多个球状聚光元件相依排列成曲面的光电元件，可以应用于聚集太阳光或室内光线并用来 产生电力的立体聚光型太阳能电池系统。
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。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，本发明提供一种不需要复杂 追日机构的立体聚光型太阳能电池系统，主要的特征在于使用多个球状聚光元件相依排列 成曲面。据此，本发明揭露一种立体聚光型太阳能电池系统，包含多个球状聚光元件以及 多个光伏电池，其中，多个球状聚光元件相依排列成一曲面，每一个光伏电池用以接收一对 应球状聚光元件所聚集的光源以转换成电力。本发明揭露另一种立体聚光型太阳能电池系统，包含多个球状聚光元件以及多个 光伏电池，其中，多个球状聚光元件相依排列成一曲线序列，藉由排列多个曲线序列以形成 一曲面，每一个光伏电池用以接收一对应球状聚光元件所聚集的光源以转换成电力。本发明揭露又一种立体聚光型太阳能电池系统，包含多个球状聚光元件以及多个 光伏电池，其中，多个球状聚光元件相依排列成一直线序列，藉由并排多个直线序列以形成 一圆柱面的至少局部表面，每一个光伏电池用以接收一对应球状聚光元件所聚集的光源以 转换成电力。
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显示光源移动幅度较大时，对应球状聚光元件的光伏电池的受光面积减少示 意图；图4A显示切削面IOlA移除透明球体非聚光的周围区域所形成的示意图；图4B显示藉由切削面IOlA可以使球状聚光元件紧密排列成一曲面；图5显示切削面IOlB移除透明球体聚光区域所形成的示意图；图6A显示使用具有4个切削面的透明球体排列成曲面的示意图；图6B显示使用具有6个切削面的透明球体排列成曲面的示意图；图7根据本发明的第一实施例，显示多个球状聚光元件相依排列成不同曲面示意 图(a)圆柱面，(b)圆锥面，(c)球形面，(d)椭球形面，与(e)圆环面；图8A根据本发明的第一实施例，显示立体聚光型太阳能电池系统更包含设置一 球形壳体以使得多个球状聚光元件设置于球形壳体的内表面上的示意图；图8B根据本发明的第一实施例，显示多个球状聚光元件位于球形壳体的上半球 内，球形壳体的下半球充填载重物的示意图；图9A根据本发明的第一实施例，显示立体聚光型太阳能电池系统更包含设置一 圆环形壳体以使得多个球状聚光元件设置于圆环形壳体的内表面上的示意图；图9B根据本发明的第一实施例，显示多个球状聚光元件位于圆环形壳体的上半 部内，球形壳体的下半部充填载重物的示意图；图IOA根据本发明的第一实施例，显示立体聚光型太阳能电池系统更包含设置一 圆柱形壳体以使得多个球状聚光元件设置于圆柱形壳体的内表面上的示意图；图IOB根据本发明的第一实施例，显示多个球状聚光元件位于圆柱形壳体的上半部内，圆柱形壳体的下半部充填载重物的示意图；图11根据本发明的第二实施例，显示先排列多个球状聚光元件成一曲线序列，然 后藉由排列多个曲线序列以形成不同曲面(a)椭球形面，(b)圆环面，与(c)圆柱面；图12根据本发明的第二实施例，显示光伏电池130位于条状基材140与曲线序列 101-1之间的示意图；图13A根据本发明的第三实施例，显示先排列多个球状聚光元件成一直线序列 101-2，然后藉由并排多个直线序列101-2以形成一圆柱面的至少局部表面；图13B根据本发明的第三实施例，显示光伏电池130位于条状基材140与直线序 列101-2之间的示意图；图14A根据本发明的第三实施例，显示光伏电池的长轴方向P与直线序列的长轴 方向Q垂直的示意图；以及图14B根据本发明的第三实施例，显示光伏电池的长轴方向P与直线序列的长轴 方向Q平行的示意图。
具体实施例方式本发明在此所探讨的方向为一种不需要复杂追日机构的立体聚光型太阳能电池 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。本发明使用球状聚光元件的优点为，当光源与球状聚光元件之间的相对方位改变 时，不需要移动聚光元件，光源仍然可以在球状聚光元件的相对另一侧聚焦。利用本发明的 手段可以让光源跟球状聚光元件的相对方位的重要性大幅降低。然而，光伏电池的实际受 光面积也是决定太阳能电池系统效率高低的重要因素，如第三图所示，当光源移动幅度较 大时(虚线部分)，对应球状聚光元件(例如透明球体100)的光伏电池130的受光面积 会减少。因此，本发明藉由多个球状聚光元件相依排列成曲面，以确保光源在不同角度移动 时，都有适合的球状聚光元件以及其对应的光伏电池可以使用。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。本发明所述球状聚光元件为透明球体100或具有至少有一切削面的透明球体 101。依据不同切削面的位置，具有至少有一切削面的透明球体有三种情形1.参考图4A， 切削面IOlA移除透明球体非聚光的周围区域所形成，藉由切削面IOlA可以使球状聚光元 件紧密排列(如图4B)；值得注意的是，切削面IOlA的倾斜度会决定排列出来的曲面曲率。 2.参考图5，切削面IOlB移除透明球体聚光区域所形成，藉由切削面IOlB可以使球状聚光 元件与立体聚光型太阳能电池系统的其他元件密合。3.切削面也可以同时移除透明球体非 聚光的周围区域与聚光区域所形成，视其实际应用而定。在情形1中，具有至少有一切削面的透明球体101从聚光方向来看可以有各种的 图案。参考图6A，例如可以移除透明球体的四边，使其紧密的结合。当使用多个透明球体并且用最密集的方式排列时，可以将透明球体阵列修正成类似苍蝇复眼的结构(如图6B)；也 就是移除每个透明球体的六边，使其接触其他六个聚光元件。本发明所述球状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。 球状聚光元件亦可以是中空的球体，里面填入液体或是固体以改变球状聚光元件的折射系 数。球状聚光元件的制作方式可以是射出成型，或是用研磨的方式制造。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。本发明的第一实施例揭露一种立体聚光型太阳能电池系统，其包含多个球状聚光 元件以及多个光伏电池，其中，多个球状聚光元件相依排列成一曲面，每一个光伏电池用以 接收一对应球状聚光元件所聚集的光源以转换成电力。参考第七图的(a)到(e)，上述的曲 面包含下列族群中一者的至少局部表面圆柱面、圆锥面、球形面、椭球形面、圆环面。本实施例藉由多个球状聚光元件相依排列成曲面，因此不需要针对光源进行追 踪。除此之外，本发明还有其他优点，例如，可取代目前使用的浮体(浮球、浮筒、其他造型 的浮体…)。以浮球为例，一般浮球可分为渔网用浮球、观测浮球、标志浮球、定位浮球…等， 仅具有提供浮力/保护内部装置功能，因此，若能提供具有太阳能电池功能的浮球，则可增 加其应用性与商业价值。此外，具有太阳能电池功能的浮球也可以进一步结合其他光源，例 如LED灯，形成漂浮于水面的标志灯。参考图8A所示，于本实施例的一范例中，立体聚光型太阳能电池系统更包含设置 一球形壳体以使得多个球状聚光元件设置于球形壳体的内表面上，其中，多个光伏电池亦 位于球形壳体内部，每一球状聚光元件与球形壳体的中心X距离相同。上述的球形壳体用 以保护内部球状聚光元件与光伏电池，其材质为透明材质方便光线进入。当作为海面浮球 使用时，由于整个球形壳体内表面上已经布满球状聚光元件，不论海浪如何翻滚，都有适合 当时阳光照射角度的球状聚光元件以及其对应的光伏电池可以聚光并产生电力。值得注意的是，为了使多个球状聚光元件与球形壳体能够密接，可以使用第2种 情形的具有至少有一切削面的透明球体；当然，也可以同时使用第1种情形与第2种情形， 使球状聚光元件彼此紧密排列成一个大球面，同时与球形外壳密合。参考图8B所示，另一个范例为，上述多个球状聚光元件位于球形壳体的上半球 内，球形壳体的下半球充填载重物。藉由载重物使整体重心偏低，即使强浪袭击，仍可使海 面浮球平稳漂浮于水面上，维持具有球状聚光元件的上半球面永远向上。因此，可以减少球 状聚光元件与光伏电池的用量，降低制造成本。当然，也可以设计仅使用局部上半球面，藉 此进一步降低成本。参考图9A所示，另一个类似的范例为，立体聚光型太阳能电池系统更包含一个圆 环形壳体，使得多个球状聚光元件设置于圆环形壳体的内表面上，其中，多个光伏电池亦位 于圆环形壳体内部，于圆环形壳体的纵切面上，每一球状聚光元件与圆环形壳体的中心轴Y 距离相同。上述的圆环形壳体用以保护内部球状聚光元件与光伏电池，其材质为透明材质 方便光线进入，还可兼具救生泳圈功能。于另一范例进一步结合其他光源，例如LED灯，形 成白天藉由太阳能充电、夜间发光的救生泳圈，特别适合夜间海上救援。参考图9B所示，本范例亦可将多个球状聚光元件设置于圆环形壳体的上半部内，圆环形壳体的下半部充填载重物，使其维持具有球状聚光元件的上半部永远向上。藉此减 少球状聚光元件与光伏电池的用量，降低制造成本。参考图IOA与图IOB所示，又一个类似的范例为，立体聚光型太阳能电池系统更包 含一个圆柱形壳体使得多个球状聚光元件设置于圆柱形壳体的内表面上，其中，多个光伏 电池亦位于圆柱形壳体内部，每一球状聚光元件与圆柱形壳体的中心轴Z距离相同。此外， 本范例亦可将多个球状聚光元件设置于圆柱形壳体的上半部内，圆柱形壳体的下半部充填 载重物。本发明的第二实施例揭露一种立体聚光型太阳能电池系统，其包含多个球状聚光 元件以及多个光伏电池，其中，多个球状聚光元件相依排列成一曲线序列，藉由排列多个曲 线序列以形成一曲面。再者，每一个光伏电池用以接收一对应球状聚光元件所聚集的光源 以转换成电力。上述的曲面包含下列族群中一者的至少局部表面圆柱面、圆锥面、球形面、 椭球形面、圆环面。本实施例与第一实施例相似，目的都是要使多个球状聚光元件相依排列成曲面， 也可以外加球形壳体、圆环形壳体以及圆柱形壳体，以使得多个球状聚光元件设置于壳体 的整个内表面上；或是设置于壳体的上半部中，使壳体下半部充填载重物。第一实施例与本 实施例差别在于，本实施例首先排列多个球状聚光元件成一曲线序列，然后藉由排列多个 曲线序列以形成一曲面。参考图11(a)至(c)所示，其显示曲线序列排列成椭球形面、圆环 面、与圆柱面的示意图。先排列成曲线序列的优点为容易调整曲率、容易组合成特定曲面、 方便后续组合。于本实施例的一范例中，参考图12所示，每一曲线序列101-1位于一条状基材140 上方，且光伏电池130位于条状基材140与曲线序列101-1之间。使用条状基材140的优 点为可以先将光伏电池130排列固定于其上，方便球状聚光元件的后续对位组合。本发明的第三实施例揭露一种立体聚光型太阳能电池系统，其包含多个球状聚光 元件以及多个光伏电池，其中，多个球状聚光元件相依排列成一直线序列，藉由并排多个直 线序列以形成一圆柱面的至少局部表面，每一个光伏电池用以接收一对应球状聚光元件所 聚集的光源以转换成电力。本实施例与第二实施例相似，差别在于本实施例首先排列多个球状聚光元件成一 直线序列101-2，然后藉由并排多个直线序列101-2以形成一圆柱面的至少局部表面。(如 图13A所示)于本实施例的一范例中，参考图13B所示，每一直线序列101-2位于一条状基材 140上方，且光伏电池130位于条状基材140与直线序列101-2之间。使用条状基材140的 优点为可以先将光伏电池130排列固定于其上，方便球状聚光元件的后续对位组合。于本实施例的另一范例中，光源为太阳，依据使用地点的纬度，并排多个直线序列 以形成一圆柱面的至少局部表面，其中，每一直线序列可能涵盖一季中太阳每日行进至少4 小时的轨迹，使用4个直线序列即可涵盖整年太阳行进的轨迹，当然，也可以使用其他数目 的直线序列来涵盖整年太阳行进的轨迹。如前所述，光伏电池的实际受光面积是决定太阳能电池系统效率高低的重要因 素，当光源移动幅度较大时，对应球状聚光元件的光伏电池所接受到的聚光面积会减少 (如图3所示)，因此，参考图14A与图14B所示，本实施例调整光伏电池的长轴方向P与直线序列的长轴方向Q平行(也就是使光伏电池的长轴方向P与光源行进方向平行)，藉此增 加光伏电池的受光面积。类似地，增加光伏电池的长轴长度也可以增加光伏电池的受光面 积。当光源为太阳时，可以延长光伏电池有效受光时间。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。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
1.一种立体聚光型太阳能电池系统，包含多个球状聚光元件，其中，多个该球状聚光元件相依排列成一曲面；以及多个光伏电池，每一个该光伏电池用以接收一对应球状聚光元件所聚集的光源以转换 成电力。
2.根据权利要求1的立体聚光型太阳能电池系统，其特征在于，上述的球状聚光元件 包含下列族群之一透明球体与具有至少有一切削面的透明球体。
3.根据权利要求1的立体聚光型太阳能电池系统，其特征在于，上述的曲面包含下列 族群中一者的至少局部表面圆柱面、圆锥面、球形面、椭球形面、圆环面。
4.根据权利要求1的立体聚光型太阳能电池系统，其特征在于，更包含一个球形壳体 使得多个该球状聚光元件设置于该球形壳体的内表面上，其中，多个该光伏电池亦位于该 球形壳体内部，每一该球状聚光元件与该球形壳体的中心距离相同。
5.根据权利要求4的立体聚光型太阳能电池系统，其特征在于，多个该球状聚光元件 位于该球形壳体的上半球内，该球形壳体的下半球充填载重物。
6.根据权利要求1的立体聚光型太阳能电池系统，其特征在于，更包含一个圆环形壳 体使得多个该球状聚光元件设置于该圆环形壳体的内表面上，其中，多个该光伏电池亦位 于该圆环形壳体内部，于该圆环形壳体的纵切面上，每一该球状聚光元件与该圆环形壳体 的中心轴距离相同。
7.根据权利要求6的立体聚光型太阳能电池系统，其特征在于，多个该球状聚光元件 位于该圆环形壳体的上半部内，该圆环形壳体的下半部充填载重物。
8.根据权利要求1的立体聚光型太阳能电池系统，其特征在于，更包含一个圆柱形壳 体使得多个该球状聚光元件设置于该圆柱形壳体的内表面上，其中，多个该光伏电池亦位 于该圆柱形壳体内部，每一该球状聚光元件与该圆柱形壳体的中心轴距离相同。
9.根据权利要求8的立体聚光型太阳能电池系统，其特征在于，多个该球状聚光元件 位于该圆柱形壳体的上半部内，该圆柱形壳体的下半部充填载重物。
10.一种立体聚光型太阳能电池系统，包含多个球状聚光元件，其中，多个该球状聚光元件相依排列成一曲线序列，藉由排列多个 该曲线序列以形成一曲面；以及多个光伏电池，每一个该光伏电池用以接收一对应球状聚光元件所聚集的光源以转换 成电力。
11.根据权利要求10的立体聚光型太阳能电池系统，其特征在于，上述的球状聚光元 件包含下列族群之一透明球体与具有至少有一切削面的透明球体。
12.根据权利要求10的立体聚光型太阳能电池系统，其特征在于，上述的每一曲线序 列位于一条状基材上方，且该光伏电池位于该条状基材与该曲线序列之间。
13.根据权利要求10的立体聚光型太阳能电池系统，其特征在于，上述的曲面包含下 列族群中一者的至少局部表面圆柱面、圆锥面、球形面、椭球形面、圆环面。
14.根据权利要求10的立体聚光型太阳能电池系统，其特征在于，更包含一个球形壳 体使得多个该曲线序列设置于该球形壳体的内表面上，其中，多个该光伏电池亦位于该球 形壳体内部，于该曲线序列上每一该球状聚光元件与该球形壳体的中心距离相同。
15.根据权利要求14的立体聚光型太阳能电池系统，其特征在于，多个该曲线序列位于该球形壳体的上半球内，该球形壳体的下半球充填载重物。
16.根据权利要求10的立体聚光型太阳能电池系统，其特征在于，更包含一个圆环形 壳体使得多个该曲线序列设置于该圆环形壳体的内表面上，其中，多个该光伏电池亦位于 该圆环形壳体内部，于该圆环形壳体的纵切面上，每一该球状聚光元件与该圆环形壳体的 中心轴距离相同。
17.根据权利要求17的立体聚光型太阳能电池系统，其特征在于，多个该曲线序列位 于该圆环形壳体的上半部内，该圆环形壳体的下半部充填载重物。
18.根据权利要求10的立体聚光型太阳能电池系统，其特征在于，更包含一个圆柱形 壳体使得多个该曲线序列设置于该圆柱形壳体的内表面上，其中，多个该光伏电池亦位于 该圆柱形壳体内部，每一该球状聚光元件与该圆柱形壳体的中心轴距离相同。
19.根据权利要求18的立体聚光型太阳能电池系统，其特征在于，多个该曲线序列位 于该圆柱形壳体的上半部内，该圆柱形壳体的下半部充填载重物。
20.一种立体聚光型太阳能电池系统，包含多个球状聚光元件，其中，多个该球状聚光元件相依排列成一直线序列，藉由并排多个 该直线序列以形成一圆柱面的至少局部表面；以及多个光伏电池，每一个该光伏电池用以接收一对应球状聚光元件所聚集的光源以转换 成电力。
21.根据权利要求20的立体聚光型太阳能电池系统，其特征在于，上述的球状聚光元 件包含下列族群之一者透明球体与具有至少有一切削面的透明球体。
22.根据权利要求20的立体聚光型太阳能电池系统，其特征在于，上述的光伏电池为 近似长方形，每一该光伏电池的长轴方向与该直线序列的长轴方向平行。
23.根据权利要求20的立体聚光型太阳能电池系统，其特征在于，上述的每一直线序 列位于一条状基材上方，且该光伏电池位于该条状基材与该直线序列之间。
全文摘要
本发明提供一种不需要追日装置的立体聚光型太阳能电池系统，其中包含多个球状聚光元件与多个光伏电池，由于多个球状聚光元件相依排列成曲面，因此本系统并不需要针对光源，例如太阳，进行追踪，可以提供充足的电力供使用者应用。
文档编号H01L31/052GK102148269SQ20101010632
公开日2011年8月10日 申请日期2010年2月5日 优先权日2010年2月5日
发明者刘台徽 申请人:太聚能源股份有限公司