TWI489135B - 靜態式集光裝置 - Google Patents

Description

靜態式集光裝置

本發明係與一種集光裝置有關，特別是與一種靜態式的集光裝置有關。

在地球能源逐漸枯竭、提倡二氧化碳排放減量的時代，各國應該積極研發環保的自產能源，以期能永續發展。善用取之不盡的太陽光是一種附加價值相當高的利用方法。

一般而言，將直接引導太陽光進入室內做照明應用的系統，稱為自然導光照明系統。在自然導光照明系統中，集光器是一重要組件，其係用來收集戶外大面積分散的太陽光線，並將其集合成小面積且相對強度更高的光線，以利後端傳輸應用。如圖1，其係為一種習知的集光器，其主要是由一上寬下窄的單層反射罩1所構成，以使得太陽光可先被收集於反射罩底端後，再導入室內進而擴大射出應用。

習知集光器的構造形態，雖能達到收集太陽光線之效果，但當光源的照射角度過於偏斜時(如早上及下午的陽光)，光線便必須在該集光器的反射罩內部進行多次反射，才能由底端出口處射出，此一現象會造成該時段所能收集之光能的大量耗損。為了改善上述集光器之缺失，現今之對策是將複數個光學透鏡架構在一光學導向機構上，例如圖1A所示之向日葵追日儀(Himawari)，使集光器能配合太陽方位而調整其迎光面角度 運作。然而此種儀器因需額外耗電成本居高不下，且又包含控制電路等電子元件，導致其容易故障及需時常進行維修保養的困擾。

因此，如何提供一種可以有效改善集光器構造所存在之問題，且結構精簡、易於製造實施利用之透光本體，為本技術領域之設計重點所在。

本發明的目的在於提供一種靜態式集光裝置，其成本低且集光效率佳。

本發明的另一目的在於提供一種靜態式集光裝置，其利用堆疊結構將能量累積，並等效提升集光面積。

為達成上述之目的，本發明之一實施例的靜態式集光裝置包括一透光本體。透光本體係為一約略形成截頂圓錐狀之結構，該截頂圓錐結構係具有一對稱軸。透光本體具有一第一入光面、一外側壁、一第一出光面以及一中空部。第一入光面係位於截頂圓錐結構之下底面，第一出光面係位於截頂圓錐結構之上底面，而外側壁係連接於第一入光面之一端及第一出光面之一端之間。中空部為一設置於透光本體中心之倒圓錐形。中空部具有一位於對稱軸上之第一頂端，且第一頂端位於第一出光面之中心點上。中空部具有一相對外側壁之另一側的內側壁，其連接於第一入光面之一端及第一出光面之一端之間。光線係由第一入光面進入透光本體，再經由外側壁進行第一次全 反射後射至內側壁，並由內側壁進行第二次全反射後遠離第一入光面之方向而從第一出光面射出。

在一實施例中，中空部具有一圓口徑，圓口徑係開設於第一入光面之中央區域。

在一實施例中，靜態式集光裝置更包括一倒圓錐體，倒圓錐體具有一圓底面及一頂端，其中圓底面連接於透光本體之第一出光面之下，頂端設置於該對稱軸上。

在一實施例中，靜態式集光裝置更包括一倒圓錐體，其係為一倒圓錐體，倒圓錐體具有一圓底面、一斜面及一頂端，圓底面連接於透光本體之該第一出光面。

在一實施例中，第一入光面係為一水平面，第一入光面與中空部之該內側壁之間構成一外夾角，第一出光面係為一水平面，第一出光面與該倒圓錐體之錐面構成一內夾角，其中外夾角及內夾角皆為銳角。

在一實施例中，靜態式集光裝置更包括一抗反射層，其覆蓋透光本體之第一入光面。

在一實施例中，靜態式集光裝置，包括複數個彼此堆疊的集光單元，該複數集光單元包括一第一集光單元以及一第二集光單元。第一集光單元包括上述的透光本體集倒圓錐體。第二集光單元裝設於該第一集光單元之下方包括上述的透光本體。當第一集光單元堆疊於第二集光單元之上時，第一倒圓錐體適合置入第二中空部之內，並且第一倒圓錐體與第二內側壁 之間具有一空隙。

在一實施例中，第一透光本體之該第一外側壁與該第二透光本體之該第二外側壁係相互銜接而形成一平滑面。

在一實施例中，靜態式集光裝置更包括複數個三角柱稜鏡，每一三角柱稜鏡具有一第三入光面、一底面及一側面，第三入光面、底面及側面係相互鄰接，側面平行於第一對稱軸，且底面設置於第一集光單元之第一入光面上，並且垂直於側面。

在一實施例中，該等三角柱稜鏡係以第一對稱軸為中心形成兩側對稱排列。

在一實施例中，該等透光本體之外側壁係相互連接形成一斜表面。

在一實施例中，第一集光單元之第一入光面係為一傾斜面，傾斜面與水平面夾一銳角。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。以下實施例中所提到的方向用語，例如：上、下、左、右、前或後等，僅是用於參照隨附圖式的方向。因此，該等方向用語僅是用於說明並非是用於限制本發明。

請參照圖2，其係為本發明之一實施例的靜態式集光裝置200的結構圖。本發明之靜態式集光裝置200可以包括一透光 本體300。透光本體300係為一約略形成截頂圓錐狀之結構300a，該截頂圓錐結構300a具有一虛擬的對稱軸210。透光本體300具有一第一入光面310、一外側壁330、一第一出光面320以及一中空部400。第一入光面310係位於第一出光面320的上方。外側壁330係為一傾斜面，其係連接於第一入光面310之一端及第一出光面320之一端之間。中空部400為一倒錐形且係設置於透光本體300中心。中空部400具有一位於對稱軸210上之第一頂端401，並且第一頂端401係位於第一出光面320之中心點上。中空部400具有一內側壁410，其係連接於第一入光面310之一端以及第一出光面320之一端之間，且內側壁410係設置於相對外側壁330之另一側，而構成中空部400之倒錐形的側壁部分。

如圖2A所示，其係為本發明之一實施例的靜態式集光裝置200沿對稱軸切割之剖面及光線路徑圖。光線路徑R1係朝向第一出光面320之方向由第一入光面310進入透光本體300，此一光線會由外側壁330進行第一次全反射後射至內側壁410，並由內側壁410進行第二次全反射後，朝向遠離第一入光面310之方向前進，最後自第一出光面320射出。其中，靜態式集光裝置200可以包括一抗反射層，其係覆蓋於透光本體300之第一入光面310上，以利於收集光線並增加集光效率。光線路徑R2則係為朝向第一出光面320之方向，而由內側壁410進入透光本體300之少部分的光線，此一光線經由透 光本體折射後會由第一出光面320射出。

如圖3所示，其係為本發明之另一實施例的靜態式集光裝置200a結構圖。本發明之靜態式集光裝置200a係為上述之靜態式集光裝置200結構，進一步包括有一倒圓錐體500。倒圓錐體500係具有一圓底面510及一頂端501。圓底面510係連接於透光本體300之第一出光面320之下，且其之頂端501係設置於對稱軸210上，其中為了減少光的損耗，該倒圓錐體500與該上述之靜態式集光裝置200結構，係較佳地為一體成型。中空部400具有一係為開設於該第一入光面之中央區域的圓形開口之圓口徑420。其中倒圓錐體500之圓底面510之面積係小於或等於中空部400之圓口徑420之面積。

如圖3A所示，其係為本發明之一實施例的集光稜鏡200a沿對稱軸切割之剖面及光線路徑圖。本發明之集光稜鏡200a具有一外夾角θ₁ 及一內夾角θ₂ 。第一入光面310及第一出光面320皆為一水平面。外夾角θ₁ 係為由透光本體300的第一入光面310與中空部400的內側壁410所構成的銳角，而內夾角θ₂ 係為由透光本體300的第一出光面320與倒圓錐體500的錐面530所構成的銳角。其中，內夾角θ₂ 之角度係小於外夾角θ₁ 之角度，換句話說，倒圓錐體500之體積係小於中空部400之容積。

請繼續參照圖3A，圖中顯示出光線路徑R3係朝向第一出光面320之方向由第一入光面310進入透光本體300，經由外 側壁330進行反射後，自倒圓錐體500的錐面530射出，此時經由倒圓錐體500折射後，光線之行進方向將更趨於朝向對稱軸210射出；而光線路徑R4係為少部分由中空部400之內側壁410進入透光本體300的光線，其係經由倒圓錐體500的錐面530射出，光線經過倒圓錐體500的折射後，將由原本路徑二R2之遠離對稱軸210之方向，轉變為趨近於對稱軸210之方向射出。因此，倒圓錐體500的設計將可使得光線不易於擴散而耗損能量，且能使靜態式集光裝置200a的集光效果更佳。

請同時參照圖4及圖4A。圖4為本發明之一實施例的靜態式集光裝置200b沿對稱軸切割之剖面及光線路徑圖，而圖4A為本發明之又一實施例的靜態式集光裝置200b之結構圖。圖4顯示出靜態式集光裝置200b包括有複數個複數個彼此堆疊的集光單元，該複數集光單元包括第一集光單元600及第二集光單元600a。第一集光單元600即為上述之透光本體300與倒圓錐體500之結合，而第二集光單元600a即為上述之透光本體300。當第一集光單元600堆疊於第二集光單元600a之上時，倒圓錐體500係適合於置入中空部400之內。承前所述，由於倒圓錐體500之體積係小於中空部400之容積，所以倒圓錐體500與內側壁410之間會具有一空隙610。圖4A顯示出複數個第一集光單元600堆疊於第二集光單元600a上，該等集光單元600、600a之外側壁330係相互銜接而形成一平滑面，並呈現為一漏斗狀。

如圖5，其係為本發明之再一實施例的靜態式集光裝置200c結構圖。第一集光單元600之第一入光面310係為一傾斜面310a，該傾斜面310a係與水平面310夾一銳角。同時參照圖5A，其係為本發明之一實施例的靜態式集光裝置200c之沿對稱軸切割之剖面及光線傳遞路徑圖。在本發明之靜態式集光裝置200c中，太陽光係由傾斜面310a進入靜態式集光裝置200c，並自最下方之第一出光面320射出。當太陽光同時具有方位角及仰角變化時，在靜態式集光裝置200b之第一集光單元600增加一內側高311，並使得第一入光面310由水平面成為傾斜面310a後，將可以使的太陽光在仰角較小(入射角較大)時，較不易在傾斜面形成全反射，且進入靜態式集光裝置200c之光線路徑會更趨近於對稱軸。因此，靜態式集光裝置200c不但能更有效的收集太陽光，亦可使光線更集中、集光效率更佳。

如圖5B，其為本發明之一實施例的靜態式集光裝置200c之集光效率圖表。我們取三組數據相比較，當太陽光的入射角度為0到15度、內側高311之高度比水平面310之長度比為0：20時，其係相當於本發明之靜態式集光裝置200b。靜態式集光裝置200b在入射角度為0度時效率最高，但隨著角度上升，效率也大幅下降，將入射角度0至15度內收集之總能量積分結果為350%。當太陽光的入射角度為0到15度、內側高311之高度比水平面310之長度比為2：20時，其隨著角度上 升，效率亦大幅下降，但已比原本緩慢，將其0至15度內收集之總能量積分結果為395%，其效率更佳。當太陽光的入射角度為0到15度、內側高311之高度比水平面310之長度比為6：20時，其在0度時其在三組數據中集光效率最低，但隨著角度上升，效率的下降速度相對較緩慢，將0至15度內收集之總能量積分結果為380%，同時其之能量收集相對較穩定。

如圖6，其係為本發明之一實施例的靜態式集光裝置200d之結構圖。本發明之靜態式集光裝置200d包括複數個三角柱稜鏡700。並同時參照圖6A，其係為本發明之一實施例的三角柱稜鏡700結構圖。三角柱稜鏡700具有一第三入光面710、一底面730及一側面720，第三入光面710、底面730及側面720係相互鄰接。並且側面720係平行於對稱軸210，底面730係設置於第一集光單元600之第一入光面310上，並且係垂直於側面720，而底面730則係垂直於側面720。其中該等三角柱稜鏡700係以對稱軸210為中心，形成兩側對稱排列。一三角柱稜鏡700之側面720係面對另一三角柱稜鏡700a之側面720a，並且該等兩個側面720、720a係相互平行排列，且該等底面730係連接於第一集光單元600之第一入光面310上。太陽光由第三入光面710進入靜態式集光裝置200d，並自第二集光單元600a之第一出光面320射出。在本實施例中，當太陽光只有仰角變化(例如當位在赤道時)，將三角柱稜鏡依照單一方向排列，此時因光線無方位角的變化，靜態式集光裝置 200d將可更有效的收集太陽光。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。另外本發明的任一實施例或申請專利範圍不須達成本發明所揭露之全部目的或優點或特點。此外，摘要部分和標題僅是用來輔助專利文件搜尋之用，並非用來限制本發明之權利範圍。

1‧‧‧習知的單層反射罩

200、200a、200b、200c、200d‧‧‧靜態式集光裝置

210‧‧‧對稱軸

300‧‧‧透光本體

300a‧‧‧截頂圓錐

310、310a‧‧‧第一入光面

311‧‧‧內側高

320‧‧‧第一出光面

330‧‧‧外側壁

400‧‧‧中空部

401‧‧‧第一頂端

410‧‧‧內側壁

420‧‧‧圓口徑

500‧‧‧倒圓錐體

501‧‧‧頂端

510‧‧‧圓底面

530‧‧‧錐面

600‧‧‧第一集光單元

600a‧‧‧第二集光單元

610‧‧‧空隙

700‧‧‧三角柱稜鏡

710‧‧‧第三入光面

720‧‧‧側面

730‧‧‧底面

R1、R2、R3、R4‧‧‧光線路徑

θ₁ ‧‧‧外夾角

θ₂ ‧‧‧內夾角

圖1，為習知技術之集光器。

圖1A，為習知技術之向日葵追日儀。

圖2，為本發明之一實施例的靜態式集光裝置結構圖。

圖2A，為本發明之一實施例的靜態式集光裝置沿對稱軸切割之剖面及光線路徑圖。

圖3，為本發明之一實施例的靜態式集光裝置結構圖。

圖3A，為本發明之一實施例的集光稜鏡沿對稱軸切割之剖面及光線路徑圖。

圖4，為本發明之一實施例的靜態式集光裝置沿對稱軸切割之剖面及光線路徑圖。

圖4A，為本發明之一實施例的靜態式集光裝置結構圖。

圖5，為本發明之一實施例的靜態式集光裝置結構圖。

圖5A，為本發明之一實施例的靜態式集光裝置沿對稱軸 切割之剖面及光線傳遞路徑圖。

圖5B，為本發明之一實施例的靜態式集光裝置之集光效率圖表。

圖6，為本發明之一實施例包括三角柱稜鏡的靜態式集光裝置結構圖。

圖6A，為本發明之一實施例的三角柱稜鏡結構圖。

200‧‧‧靜態式集光裝置

210‧‧‧對稱軸

300‧‧‧透光本體

300a‧‧‧截頂圓錐結構

310‧‧‧第一入光面

320‧‧‧第一出光面

330‧‧‧外側壁

400‧‧‧中空部

401‧‧‧第一頂端

410‧‧‧內側壁

420‧‧‧圓口徑

Claims (11)

1. 一種靜態式集光裝置，其包括：一透光本體，其係為一截頂圓錐狀之結構，該截頂圓錐結構係具有一對稱軸；該透光本體具有一第一入光面、一外側壁、一第一出光面及一中空部，其中該第一入光面係位於該截頂圓錐結構之下底面、該第一出光面係位於該截頂圓錐結構之上底面、而該外側壁則係連接於該第一入光面及該第一出光面之間，並且該中空部係為設置於該透光本體中心之圓錐形，該中空部具有一位於該對稱軸上之第一頂端，且係位於該第一出光面之中心點上；並且該中空部具有一相對該外側壁之另一側的內側壁，其係設置於該中空部之圓錐外形的側壁位置處；以及一倒圓錐體，該倒圓錐體具有一圓底面及一頂端，其中該圓底面連接於該透光本體之該第一出光面之下，該頂端設置於該對稱軸上，其中，光線係由該第一入光面進入該透光本體，再經由該外側壁進行第一次全反射後投射至該內側壁，並由該內側壁進行第二次全反射後，遠離該第一入光面之方向而從該第一出光面射出。
2. 如申請專利範圍第1項之靜態式集光裝置，其中該中空部具有一圓口徑，該圓口徑係開設於該第一入光面之中央區域。
3. 如申請專利範圍第1項之靜態式集光裝置，其中該第一入光 面係為一水平面，該第一入光面與該中空部之該內側壁之間構成一外夾角，該第一出光面係為一水平面，該第一出光面與該倒圓錐體之錐面構成一內夾角，其中該外夾角及該內夾角皆為銳角。
4. 如申請專利範圍第2項之靜態式集光裝置，其中該倒圓錐體之該圓底面的面積小於或等於該中空部之該圓口徑的面積。
5. 如申請專利範圍第1項之靜態式集光裝置，更包括一抗反射層，其覆蓋該透光本體之該第一入光面。
6. 一種靜態式集光裝置，包括複數個彼此堆疊的集光單元，該複數集光單元包括：一第一集光單元，其包括：一第一透光本體，係為一截頂圓錐狀之結構，該截頂圓錐結構係具有一第一對稱軸；該第一透光本體具有一第一入光面、一第一外側壁、一第一出光面及一第一中空部，該第一入光面係位於該截頂圓錐結構之下底面、該第一出光面係位於該截頂圓錐結構之上底面、而該第一外側壁連接於該第一入光面及該第一出光面之間，並且，該第一中空部係為設置於該第一透光本體的中心之圓錐形，該第一中空部具有一位於該第一對稱軸上之第一頂端，且係位於該第一出光面之中心點上；並且該第一中空部具有一相對該第一外側壁之另一側的第一內側壁，其係設置於該第一中空部之圓錐外形的側壁位置處；以及 一倒圓錐體，其具有一圓底面及一頂端，其中該圓底面連接於該第一透光本體之該第一出光面之下，該頂端設置於該第一對稱軸上；以及一第二集光單元，裝設於該第一集光單元之下方，其包括：一第二透光本體，係為一截頂圓錐狀之結構，該截頂圓錐係結構具有一第二對稱軸；該第二透光本體具有一第二入光面、一第二外側壁、一第二出光面及一第二中空部，該第二入光面係位於該截頂圓錐結構之下底面、該第二出光面係位於該截頂圓錐結構之上底面、而該第二外側壁連接於該第二入光面及該第二出光面之間，並且，該第二中空部係為設置於該第二透光本體的中心之圓錐形，該第二中空部具有一位於該第二對稱軸上之第二頂端，且係位於該第二出光面之中心點上；並且該第二中空部具有一相對該第二外側壁之另一側的第二內側壁，其係設置於該第二中空部之圓錐外形的側壁位置處，其中，當該第一集光單元堆疊於該第二集光單元之上時，該倒圓錐體適合置入該第二中空部之內，並且該倒圓錐體與該第二內側壁之間具有一空隙。
7. 如申請專利範圍第6項之靜態式集光裝置，其中該第一透光本體之該第一外側壁與該第二透光本體之該第二外側壁係相互銜接而形成一平滑面。
8. 如申請專利範圍第6項之靜態式集光裝置，其中該第一入光面係為一水平面，該第一入光面與該中空部之該內側壁之間構成一外夾角，該第一出光面係為一水平面，該第一出光面與該倒圓錐體之錐面構成一內夾角，其中該外夾角及該內夾角皆為銳角。
9. 如申請專利範圍第6項之靜態式集光裝置，更包括複數個三角柱稜鏡，每一三角柱稜鏡具有一第三入光面、一底面及一側面，該第三入光面、該底面及該側面係相互鄰接，該側面平行於該第一對稱軸，且該底面設置於該第一集光單元之該第一入光面上，並且垂直於該側面。
10. 如申請專利範圍第9項之靜態式集光裝置，其中該等三角柱稜鏡係以該第一對稱軸為中心形成兩側對稱排列。
11. 如申請專利範圍第6項之靜態式集光裝置，其中該第一集光單元之該第一入光面係為一傾斜面，該傾斜面與水平面夾一銳角。