TWI549419B - 導光發電裝置與方法 - Google Patents

Description

導光發電裝置與方法

本揭露是有關於一種導光裝置，且特別是有關於一種導光發電技術。

陽光是一種天然能源，而在綠能產業的發展趨勢下，陽光的利用更是需要考慮，其中例如在溫室上的利用也是在研發中。

以溫室上的利用為例，既有的溫室系統可分為封閉式與半開放式。封閉式溫室係採用層架式垂直立體栽培架構搭配全人工光源(如日光燈或LED燈)與空調系統進行環境控制，因此栽種農作物時需消耗大量能源。而半開放式溫室係以太陽光為主而人工光源為輔，利用溫室設施進行環境控制(遮陰、通風、降溫等)，較封閉式溫室可大幅減少能源消耗。

近年來，半開放式溫室已由單層平面式架構改為垂直式立體栽培架構以增加單位面積產量。然而隨著太陽每日與四季移動角度，使得多層堆疊的垂直式架構會於中下層產生遮光與收光不均的問題。若如封閉式溫室採用人工光源補足日光，亦將消耗大量能源。因此立體栽培趨勢亦由垂直式改為A型立體栽培架構，可改善前述垂直式立體栽培架構之過度密集使用人工光源的問題，但A型立體栽培架構隨太陽每日照射角度有照射面與背光面的光照現象，即上午為照射面而下午轉為背光面。因此，這種方式有背光面缺光與收光不均，而影響農作物生長品質的問題。

對於傳統A型立體栽培架構的收光機制，當A型立體的栽培架50為南北走向設置時，農作物設置即為朝向東面與西面，因太陽由東邊升起西邊落下，A型栽培架相對於陽光會有照射面(illuminating surface)以及背光面(shady surface)。例如下午陽光由西南方照射時，栽培架朝向西邊的一方的即為照射面，而朝向東方的一方即為背光面。能接收到陽光的照射面的有效面積大，而高低的層的照射量較為均勻。然而，當照射面接收陽光時，背光面自然處於背光，無法有效吸收陽光。另外太陽在中午直射栽培架，有可能會對在栽培架的農作物過度照射。

如何適當對栽培架進行較有效的陽光利用，是需要考慮以進一步研發與設計。

本揭露提供導光發電裝置與方法，可以使受光物件，更有效接收例如是陽光的入射光，同時也能產生電能。

本揭露的一實施例提供一種導光裝置，包括至少二個相鄰的受光物件，包括第一受光物件與第二受光物件，其中每一個該受光物件依照入射光的位置具有照射面與背光面。一支撐構件設置在對應的該第一受光物件上。一導光物件設置於該支撐構件上，位於該第一受光物件上方，其中該導光物件具有反射曲面以及旋轉機制，利用該旋轉機制將該入射光反射導向相鄰的該第二受光物件的該背光面，或是對該第一受光物件遮光。一驅動控制裝置控制該旋轉機制以旋轉該導光物件。

本揭露的一實施例提供一種導光發電方法，一種導光發電方法，包括:在第一受光物件的上方設置一導光發電物件，該導光發電物件具有反射曲面以及背對的太陽電池，且具有旋轉機制; 利用驅動控制裝置控制該旋轉機制使該反射曲面將入射光反射導向相鄰於該第一受光物件的一第二受光物件的背光面;利用該驅動控制裝置控制該旋轉機制使該太陽電池接收該入射光，同時也藉以對該第一受光物件遮光。

基於上述，本揭露的導光發電裝置與方法，藉由旋轉控制，可以導引入射光照射受光物件的背光面，提高背光面之光照量與維持光照均勻程度，解決現有例如A型立體栽培架背光面缺光與收光不均，而影響農作物生長品質的問題，並且也可以在光照強度過大(如正午時)對受光物件遮光避免農作物曝曬，並利用太陽電池發電。

為讓本揭露的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

本揭露多個實施例，可以提升對受光物件的照射效率，且可以同時藉由太陽電池來發電。

例如在溫室內部的應用，可以設置導光與發電裝置，導光裝置可以直接將太陽光源導向A型立體塔架之背光面，其中A型立體塔架是屬於受光物件的其中一種，以下以受光物件作為統稱。隨日照移動角度調整以提高日光量，減少人工光源補光的耗能，解決現有立體塔架遮光與收光不均現象，並可由發電裝置進行發電，兼具補光與發電功效。

以下舉多個實施例來說明，但是本揭露不限於所舉的實施例，而多個實施例之間也允許有適當的相互結合。

圖1是依照本揭露的一實施例，導光裝置的示意圖。參閱圖1，本揭露的導光裝置包括多個並排的受光物件100，其例如是A型的物件。每一個受光物件100依照入射光108的位置具有照射面104與背光面102。於此入射光108例如是太陽光，其位置會隨時間變化而產生不是固定的照射面104與背光面102，例如受光物件100的其中一側於上午受入射光108照射而為照射面104，到下午時該側不受入射光108照射而會轉變為背光面102。又為了易於描述，相鄰的二個受光物件100可以稱為第一受光物件100a與第二受光物件100b。至少一個支撐構件120設置在對應的受光物件100上，如圖1所示，第一受光物件100a與第二受光物件100b分設有支撐構件120。以第一受光物件100a為例來說明，至少一個導光物件106設置於支撐構件120上，位於第一受光物件100a上方，其中導光物件106具有朝向第二受光物件100b的反射曲面以及雙軸向的旋轉機制112、116，該旋轉機制112稱為俯仰角，主要是對應太陽每日由東向西的移動而調整角度；該旋轉機制116稱為方位角，主要是對應太陽每年在南北回歸線間的移動而調整角度。前述導光物件106亦可僅具有單軸向之旋轉機制112，對應太陽每日移動角度即可。導光物件106的數量是至少一個，而本實施例是以一個為例，但是實際上可以針對多個受光區域而設置多個導光物件106，例如構成陣列。

圖2是圖1中導光物件的單軸或是雙軸旋轉機制示意圖。參閱圖2，就設置旋轉機制的實施例，如上部份的圖式可以是單軸的旋轉控制，主要是對應太陽的仰角進行控制。另外下部份的圖式是雙軸的控制，其可以進一步因應太陽隨季節在一天中的軌跡變化作調整，使達到更大的取光效率。

利用旋轉機制112、116將入射光108反射導向第二受光物件100b的背光面102。驅動控制裝置110，控制旋轉機制以旋轉導光物件106，而達到導光作用。其中，該驅動控制裝置110例如為電動馬達、電動制動器或液/氣壓缸等元件。

在一實施例，旋轉機制112例如是對應轉動軸114的一軸向轉動。然而為了更有效追蹤太陽隨一天以及一年的時間變化位置，可以採用多軸向轉動，例如再加上對應轉動軸115的另一個軸向轉動的旋轉機制116，該轉動軸114與轉動軸115為垂直相交(如X軸與Y軸)。旋轉機制112、116可以利用驅動控制裝置110達到旋轉控制，如此導光物件106可以有效依照太陽隨時間變化的位置而調整，配合日照計達到具有追日的效果。較詳細的結構會於後面多個實施例描述。

圖3是依照本揭露的一實施例，導光物件結構的剖面示意圖。參閱圖3，圖2的導光物件106是曲面的導光物件200a、200b。曲面的導光物件200a、200b例如是柱面的曲面，其例如是薄片狀凹曲的金屬板。曲面有聚焦點(F)。由曲面的導光物件200a、200b反射的光線通過聚焦點(F)後會在圖1的背光面102上產生均勻亮度在一程度範圍內的照射面202a、202b，其大小則取決於實際的距離以及聚焦點距離。導光物件200a、200b與照射面202a、202b的距離愈遠其擴散面積就愈大。聚焦點距離例如以圓柱面來對應，是對應曲率半徑。這些變化是可以根據光學特性設計反射面的形狀，如此導光物件200a、200b應用在圖1的導光物件106上，可以對受光物件100產生大面積的照射面，且可以達到較均勻亮度。本實施例應用時，導光物件200a、200b的曲率為半徑(R)500mm、1000mm或介於500~1000mm之間。

圖4A、4B是依照本揭露的一實施例，導光裝置的導光機制示意圖。參閱圖4A，例如將曲面的導光物件200a應用在圖1的導光物件106時，其依照幾合光學，會有一些角度參數。參閱圖4A，受光物件100的高度為H ₁、寬度為W ₁，兩座受光物件100的距離為W ₂，導光物件200a設置的高度為H ₂、寬幅為L。導光物件200a上緣處的反射光與水平面的夾角為θ ₁，導光物件200a上緣處之太陽入射光與反射光之間為上反射線(曲面處的法線)，上反射線與水平面的夾角為θ ₂，太陽入射光與水平面之間的夾角是仰角θ _仰角。夾角θ ₁及夾角θ ₂與相關參數的關係如式(1)與式(2)表示。 (1) (2)

參閱圖4B，導光物件200a下緣處的反射光與水平面的夾角為θ ₃，導光物件200a下緣處之太陽入射光與反射光之間為下反射線(曲面處的法線)，下反射線與水平面的夾角為θ ₄。夾角θ ₃及夾角θ ₄與相關參數的關係如式(3)與式(4)表示。 (3) (4)

圖5A是依照本揭露的一實施例，導光物件的寬度與曲率半徑之間關係的示意圖。參閱圖5A，導光物件200a以導光板繪示，導光物件200a與垂直面的夾角是θ _導光板，曲面的導光物件200a兩邊緣通過聚焦點的上、下反射線線與通過聚焦點的水平面的夾角是θ ₄與θ ₂。在考慮這些角度參數，以及配合曲面導光物件200a與受光物件100的空間幾何位置，可以推算導光物件200a的     θ _導光板(俯仰角)，該旋轉角度θ _導光板為導光物件200a上下方的反射線交點與導光物件200a中心點連線向量及水平線的夾角，代表導光物件轉動的角度。θ _導光板可以用式(5)的方式表示。       θ _導光板=1/2(θ ₄+θ ₂)。        (5)

圖5B是依照本揭露的一實施例，導光物件200a的寬度與曲率半徑之間關係的示意圖。參閱圖5B，以圓柱面的曲面為例，如點線所標示的區域，導光物件200a上下反射線的焦點到導光物件200a的兩端可形成一等腰三角形。藉由三角函數公式可得寬幅L與導光物件200a曲率半徑R之間的關係式如式(6)所示: 。       (6) 前述的角度例如θ ₄與θ ₂等是具有符號，如一般定義，以水平面為0度，反時針方向旋轉角度為正，順時針方向旋轉角度為負。

在圖4A-4B、5A-5B的估算中，角度參數與導光物件的尺寸與位置等幾何參數是相關，以一個軸向轉動為例，一般需要太陽仰角θ _仰角、受光物件100的高度H ₁、受光物件100的寬度W ₁、導光物件200a架設位置高度H ₂、兩座受光物件100距離W ₂、導光物件200a寬幅L等等的參數。舉例說明，以受光物件100的高度為H ₁=1550mm、寬度為W ₁=1334mm，兩座受光物件100的距離為W ₂=2100mm，導光物件200a設置的高度為H ₂=1850mm、寬幅為L =240mm，帶入公式(1)~(6)可得到表一中關於導光物件的角度θ _仰角、θ _導光板與曲率半徑(R)之間的關係等的數值。   表一 <TABLE border="1" borderColor="#000000" width="_0005"><TBODY><tr><td> 導光物件的角度與曲率表 </td></tr><tr><td> θ_仰角(度) </td><td> θ_導光板(度) </td><td> 曲率半徑(R) (mm) </td></tr><tr><td> 10 </td><td> -8.49 </td><td> 547 </td></tr><tr><td> 20 </td><td> -3.49 </td><td> 547 </td></tr><tr><td> 30 </td><td> 1.51 </td><td> 547 </td></tr><tr><td> 40 </td><td> 6.51 </td><td> 547 </td></tr><tr><td> 50 </td><td> 11.51 </td><td> 547 </td></tr><tr><td> 60 </td><td> 16.51 </td><td> 547 </td></tr><tr><td> 70 </td><td> 21.51 </td><td> 547 </td></tr><tr><td> 80 </td><td> 26.51 </td><td> 547 </td></tr></TBODY></TABLE>由上述可知，當導光物件200對應前述受光物件100的尺寸時，曲率半徑(R)為547mm。若要調整照射面的面積大小，則如圖3所示，可調整曲率半徑(R)介於500~1000mm之間。

這些參數的配置，可以由幾何特性實際推算，因此可以決定導光物件所需要的尺寸與設置位置，但是這僅是一實施範例而不是唯一的考量方式，例如由實際實驗測量也可以得知這些關係。進一步有可以建立資料庫以供後續的查詢參考。實際上，在導光物件的曲率半徑與寬度尺寸的條件下，只要適當調整導光物件的中心法線的方向，就可以達到所需要導光方向的效果。

圖6是依照本揭露的一實施例，導光裝置的導光機制示意圖。參閱圖6，將圖2的導光裝置應用到A型立體栽培架構上，受光物件100的照射面104與背光面102上都會設置有多個種植盆(planting cup)。支撐構件220支撐導光物件106。驅動控制裝置110可以對導光物件106進行旋轉控制，如此入射光108會被導光物件106導引到相鄰的受光物件100的背光面102，而照射面104維持受入射光的照射。如此照射面104直接受光的同時，背光面102可以間接受光，而達到更有效的陽光利用。

圖7是依照本揭露的一實施例，導光發電物件的剖面示意圖。參閱圖7，根據導光物件106的其它設計方式，例如是導光發電物件210。導光發電物件210，除了具有如曲面的導光物件200a的結構的導光物件214，在導光物件214的背面也設置有太陽電池216。又導光發電物件210還設置有通風開口212，以降低風阻。於此需要注意，導光物件106也是可以設置類似的通風開口212。也就是在導光物件214的通風口與在太陽電池216的通風口是相對應設置，以降低風阻，另外通風開口212也允許一些陽光通過，仍提供少量的光線照射。

圖8是依照本揭露的一實施例，導光發電裝置的一操作模式示意圖。參閱圖8，利用導光發電物件210，在受光物件100上的應用，在導光的作用上如圖2與圖6所描述相同。於此實施例，導光發電物件210的數量例如是以三個為例，由支撐構件220支撐。多個導光發電物件210或是圖2的導光物件106，受驅動控制裝置的控制，是分別各自轉動或是整體轉動。當導光發電裝置需要向圖面右側受光物件100(圖中未示)進行導光時，是由圖面右側的兩個導光發電物件210作動(中間與右邊)，反之需要向圖面左側受光物件100(圖中未示)進行導光時，是由圖面左側的兩個導光發電物件210作動(中間與左側)，以對相鄰的受光物件100(圖中未示)之背光面補光。

在操作上，當需要對受光物件100的背光面提供照射時，反射曲面可以如前面描述的方式，對背光面間接照射。

圖9是依照本揭露的一實施例，導光發電裝置的一操作模式示意圖。參閱圖9，在另一操作模式，例如陽光在中午直射種植的農作物(crop)時，可能會造成過度照射，因此可以利用驅動控制裝置控制其旋轉機制，使導光發電物件210的太陽電池216旋轉向上以接收入射光，同時也藉以對受光物件100遮光。此時通風開口212仍會提供受光物件的一些照射量，通風開口212的大小、數量、密度與形狀可取決於實際的需要而設置。

圖10是依照本揭露的一實施例，導光發電物件210的單軸或是雙軸旋轉機制示意圖。參閱圖10，一面對導光發電物件210的曲面來看，其上可以看到多個通風開口212。在上部份的圖式是雙軸的旋轉控制機制，允許兩個方向的旋轉。在下部份的圖式是單軸的旋轉控制機制，僅具一個方向的旋轉。導光發電物件210的旋轉軸度，是取決於實際的需要與成本考量而設置。

圖11是依照本揭露的一實施例，導光發電裝置的一操作模式示意圖。參閱圖11，對於多個導光發電物件210的控制方式，再舉一實施例來說明。本實施例的導光發電物件210的旋轉是可以分別控制。如此在圖11左邊繪示的控制模式中，例如僅需要旋轉其中一個導光發電物件210對相鄰的受光物件100的背光面提供補光照射。而其他導光發電物件210可以旋轉，使太陽電池216接收入射光而進行發電。在圖10右邊繪示的另一個控制模式中，受光物件100例如在中午需要遮陰時，其例如全部的導光發電物件210可以旋轉，使太陽電池216面對陽光。

圖12是依照本揭露的一實施例，導光發電方法的步驟示意圖。參閱圖12，從操作的效果來看，導光發電方法包括步驟S100、S102、S104、S106。於步驟S100，例如在一受光物件的上方設置一導光發電裝置，該導光發電裝置包含有一導光發電物件，其具有反射曲面以及背對的太陽電池，且具有旋轉機制。於步驟S102，利用一驅動控制裝置控制該旋轉機制使該反射曲面將入射光反射導向相鄰之另一個受光物件的背光面或相鄰之另一個受光物件的特定區域。於步驟S104，判斷相鄰受光物件的背光面或特定區域是否接收到反射光，若無，繼續調整旋轉機制。於步驟S106，依照光照強度利用驅動控制裝置控制該旋轉機制使該太陽電池接收該入射光，若光照強度超過設定值，則旋轉導光發電物件，使太陽電池收光發電並受光物件遮光。

在前述的導光發電方法的一實施例，該導光發電物件還設置有通風開口，以降低風阻，其中當該導光物件對該受光物件遮光時，該太陽電池是接收該入射光且該通風開口仍提供對受光物件的照射量。

在前述的導光發電方法的一實施例，該旋轉機制是一軸向轉動、雙軸向或是多軸向轉動。

在前述的導光發電方法的一實施例，該導光發電物件的該反射曲面是金屬反射面，如不鏽鋼板、高反射鏡面鋼板等材質。

在前述的導光發電方法的一實施例，該導光發電物件的數量是多個，受該驅動控制裝置控制，是分別各自轉動或是整體轉動。

綜上所述，本揭露具有一個軸向以上的旋轉控制以將陽光導向受光物件100的背光面，並於導光發電物件的另面設有太陽電池。當導光發電物件不需要提供背光面的補光時，可以旋轉使太陽電池發電。

雖然本揭露已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本揭露，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本揭露的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本揭露的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

100、100a、100b‧‧‧受光物件
102‧‧‧背光面
104‧‧‧照射面
106‧‧‧導光物件
108‧‧‧入射光
110‧‧‧驅動控制裝置
112、116‧‧‧旋轉機制
114、115‧‧‧轉動軸
120‧‧‧支撐構件
200a、200b‧‧‧導光物件
202a、202b‧‧‧照射面
210‧‧‧導光發電物件
212‧‧‧通風開口
214‧‧‧導光物件
216‧‧‧太陽電池
220‧‧‧支撐構件

圖1是依照本揭露的一實施例，導光裝置的示意圖。 圖2是圖1中導光物件的單軸或是雙軸旋轉機制示意圖。 圖3是依照本揭露的一實施例，導光物件結構的剖面示意圖。 圖4A、4B是依照本揭露的一實施例，導光裝置的導光機制示意圖。 圖5A、5B是依照本揭露的一實施例，導光物件的寬度與曲率半徑之間關係的示意圖。 圖6是依照本揭露的一實施例，導光裝置的導光機制示意圖。 圖7是依照本揭露的一實施例，導光發電物件的剖面示意圖。 圖8是依照本揭露的一實施例，導光發電裝置的一操作模式示意圖。 圖9是依照本揭露的一實施例，導光發電裝置的一操作模式示意圖。 圖10是依照本揭露的一實施例，導光發電物件的單軸或是雙軸旋轉機制示意圖。 圖11是依照本揭露的一實施例，導光發電裝置的一操作模式示意圖。 圖12是依照本揭露的一實施例，導光發電方法的步驟示意圖。

100、100a、100b‧‧‧受光物件

102‧‧‧背光面

104‧‧‧照射面

106‧‧‧導光物件

108‧‧‧入射光

110‧‧‧驅動控制裝置

112、116‧‧‧旋轉機制

114、115‧‧‧轉動軸

120‧‧‧支撐構件

Claims (13)

1. 一種導光裝置，包括： 至少二個相鄰的受光物件，包括第一受光物件與第二受光物件，其中每一個該受光物件依照入射光的位置具有照射面與背光面; 一支撐構件，設置在對應的該第一受光物件上; 一導光物件，設置於該支撐構件上，位於該第一受光物件上方，其中該導光物件具有反射曲面以及旋轉機制，利用該旋轉機制將該入射光反射導向相鄰的該第二受光物件的該背光面，或是對該第一受光物件遮光; 以及 一驅動控制裝置，控制該旋轉機制以旋轉該導光物件。
2. 如申請專利範圍第1項所述的導光裝置，其中該旋轉機制是一軸向轉動或是多軸向轉動。
3. 如申請專利範圍第1項所述的導光裝置，其中該導光物件還設置有一通風開口，以降低風阻，其中當該導光物件對該第一受光物件遮光時，該通風開口仍提供該第一受光物件的照射量。
4. 如申請專利範圍第1或3項所述的導光裝置，其中該導光物件還包括一太陽電池，設置於該導光物件背對該反射曲面的一面上。
5. 如申請專利範圍第4項所述的導光裝置，其中當該導光物件受該驅動控制裝置控制以對該第一受光物件遮光時，該太陽電池接收該入射光。
6. 如申請專利範圍第4項所述的導光裝置，其中該太陽電池還設置有一通風開口，以降低風阻，其中當該太陽電池對該第一受光物件遮光時，該太陽電池接收該入射光且該通風開口仍提供對該第一受光物件的照射量。
7. 如申請專利範圍第1項所述的導光裝置，其中該導光物件的數量包括多個導光物件，且該多個導光物件受該驅動控制裝置控制，是分別各自轉動或是整體轉動。
8. 如申請專利範圍第1項所述的導光裝置，其中該導光物件的該反射曲面是金屬反射面。
9. 一種導光發電方法，包括:     在第一受光物件的上方設置一導光發電物件，該導光發電物件具有反射曲面以及背對的太陽電池，且具有旋轉機制;     利用驅動控制裝置控制該旋轉機制使該反射曲面將入射光反射導向相鄰於該第一受光物件的一第二受光物件的背光面; 以及     利用該驅動控制裝置控制該旋轉機制使該太陽電池接收該入射光，同時也藉以對該第一受光物件遮光。
10. 如申請專利範圍第9項所述的導光發電方法，其中該導光發電物件還設置有通風開口，以降低風阻，其中當該導光物件對該第一受光物件遮光時，該太陽電池接收該入射光且該通風開口仍提供對第一受光物件的照射量。
11. 如申請專利範圍第9或10項所述的導光發電方法，其中該旋轉機制是一軸向轉動或是多軸向轉動。
12. 如申請專利範圍第11項所述的導光發電方法，其中該導光發電物件的該反射曲面是金屬反射面。
13. 如申請專利範圍第11項所述的導光發電方法，其中該導光發電物件的數量是多個，受該驅動控制裝置控制，是分別各自轉動或是整體轉動。