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[交流] 【转帖】太陽光集光器於綠色照明之應用與發展【已搜索无重复】

太陽光集光器於綠色照明之應用與發展 2008/10/23 [ [url=

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二十世紀後期，人�?開始意識到環境與資源問題將成為威脅人�?生存和發展的重要課題。尤其多次的能源危機及環保意識抬頭後，有關太陽能應用方面的相關研究便大幅增加。而在利用太陽能電池模組進行光電轉換方面，轉換效率低及成本高是其缺點，如果能將太陽光直接導入室內應用，則可以大幅提高太陽光能之利用效率。而使用太陽光集光器結合導光元件模組便是解決方法之一，其中如何發展出便宜、簡單且高效能的陽光集光器，是解決太陽光不易直接使用與�?現太陽光綠色照明的重要關鍵。
直接利用太陽光於綠色照明的優點
能源和環境是當前全球共同關注的焦點，因此如何降低建築能耗，�?現永續發展，是當前的唯一可行之路。建築能耗包括採暖、空調、熱水供應、照明、炊事和家用電器等方面，照明用電隨著社會的發展已?卓偘l電量的10~20% 。由此可見照明�?能將是建築�?能的重要發展項目之一。而如何發展出便宜、簡單且高效能的陽光集光器，則是解決太陽光不易直接使用與�?現太陽光綠色照明的重要關鍵。陽光是大自然賜予人�?的寶貴財富，可以說是取之不盡、用之不竭，相較其他能源具有清??、安全的特點，充分利用陽光可�?省大量照明用電，�?約照明用電又可間接減少自然資源的消耗及有害氣體的排放。目前國內的電力主要?碓词且揽坑扇紵腿剂现鹆Πl電，在取得電力的同時也向自然界排放了大量二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物等有害氣體，這些氣體是造成全球各種環境問題的重要原因。
自1983 年以?恚瑖H照明委員會先後召開了四次國際建築採光學術會議，而美國環境保護局(EPA)則於1991 年1 月率先提出“綠色照明計畫”，?K且開始積極推動“綠色照明(Green Lights)”的概念。因此，天然採光是綠色照明的重要發展方向。長期以?恚藗円恢睂μ柟獯嬖谝环N誤解，認為太陽光進入室內的同時，帶?淼臒崃恳囔度斯す庠吹陌l熱量。事�?上，如果提供相同的照度，天然光帶?淼臒崃勘冉^大多數人工光源的發熱量都少。也就是說，如果用天然光代替人工光源照明，可以大幅減少空調系統負荷，有利於降低建築物能耗。採集?K利用太陽光的綠色照明系統，能夠把白天的太陽光有效地傳遞到室內陰暗的房間，改變目前很多建築“戶外陽光燦爛，室內燈火輝煌”的局面，可以有效地減少電能消耗。採集太陽光綠色照明系統還可以用於辦公樓、住宅、商店、旅館等建築物的地下室或走廊的自然採光或輔助照明，?K能取得良好的採光照明效果，是太陽能光利用的一種有效方式。
太陽光集光器的組成構造與原理
照明用之太陽光集光器是將自然光藉由光學組件的引導，傳導進入建築物中原先無法被直接照射到的空間中，做為室內照明。同樣的，在太陽能能源轉換裝置上也會運用到�?似的集光器，以增加太陽光的收集效能，?硖嵘柲苣茉崔D換裝置的生產效率。因此兩者在集光器的原理與設計上都是一樣的，所差�?的只是收集之後是否進一步進行轉換或是直接利用的差�?而已。因此根據應用方式，照明用之太陽光集光器的基本組成，通常包含了自然光收集裝置與光傳導元件兩大部分，�?分述如下。
1. 自然光收集裝置(Sunlight Collector)
自然光收集裝置中，依其功能又包含了日光反射(Heliostat System)系統及集中系統(Concentration System)兩個子系統。隨著集光器不同，兩子系統兼具或僅含其中之一的設計都可以在文獻中被發現。日光反射系統是把原先散射至各處的光線藉由數個反射鏡(Reflecting Mirror)導引到一特定的位置上，如圖一(a)與圖一(b)所示。架設在屋頂的平面反射鏡 1 將入射的太陽光反射到平面反射鏡 3 上，再經由反射鏡 3 將光線導引至集中系統，或透過光纖直接導入室內。平面鏡傳導光線的基本原理就是反射定律，也就是入射角度將等於反射角度，因此反射鏡之間的相對擺設角度就會是設計重點，同時需考慮架設位置陽光的入射角度。另一種設計模式則是運用到�?物面鏡與凸面鏡，如圖一(c)所示。運用一個大型�?物面鏡收集光線，而在與�?物面鏡同軸的方向上，在焦點位置放置一個較小的曲面鏡，入射至�?物面鏡的光將集中到曲面鏡上，再藉由曲面鏡將光線傳到光纖之中。總而言之，各種鏡面的組合其最終目的就是將最大量的光線收集起?恚俳逵杉邢到y及傳導系統有效地傳送至室內。

▲圖一、(a)自然光收集裝置日光反射系統圖(2)；(b)自然光收集裝置日光反射系統原理圖(2)；(c)運用到�?物面鏡與凸面鏡之自然光收集裝置
而集中系統的功能主要便是將日光反射系統收集到的光線聚集，使具備相當?姸戎醾鲗С鋈ァＭ雇哥R是最被大家所熟知具有集中功能的元件。凸透鏡能把發射至鏡面各點的光線集中在焦點上，只要將光纖放置在焦點位置之上，光纖便可以將光傳遞至室內各個位置。就如同日本所研發的 HIMAWARI 系統（如圖四所示），便是使用數目不等的凸透鏡?硎占銐虻年柟狻５舱驗橐占銐虻年柟猓麄€透鏡組的體積將會十分巨大且笨重，而且大面積的玻璃透鏡製作程序繁複且成本昂貴，因此一種新的透鏡系統－ Fresnel 透鏡，逐?u被?V泛使用。

圖四、日本 HIMAWARI 集光導光系統
2. 光傳導元件
集光器搭配的光導管(Light Tube)為光纖，光線進入後，由於全反射(Total Internal Reflection)的發生，光線可沿著光纖繼續前進送達末端。光纖內部全反射所造成的損耗很低，而光纖優越的柔軟度使操作上更為方便。光纖按照其橫截面上折射率的分布，可分為兩�?：第一�?屬於Step Index Fibre ，是由折射率高的核心被包裹在玻璃纖維外殼內所製成的雙重構造物。內側的折射率大，而外側的折射率小，因此光纖折??時，由於全反射的發生，光線沿著光纖繼續前進。這�?光纖較細，直?郊s為125mm ，適合短距離的傳送，其折射率與光纖軸心的距離變化如圖六所示。第二�?屬於Graded Index Fibre ，可作長距離的�?息傳送，其折射率會隨著與光纖軸心的距離增加而減少。
光纖與集光器的搭配方式有許多種，如前面曾經敘述可直接將光纖放置在聚焦處接收光，或是在聚焦處放置第二個反射鏡如平面鏡、雙曲面鏡使改變光路，如此可方便光纖配置在別處。光纖的末端便連接到照明設備，為室內提供自然的光。

圖六、Step Index Fibre光傳導元件折射率與光纖軸心的距離變化
太陽光集光器的現況與未?戆l展方向
近年?硪呀浻幸恍┭芯繄F隊�?現，將太陽光直接導入室內應用的概念，主要以技術可行性、經?б妗⒐?省能源、元件是否容易替換、消費者接受度等為考量，例如希臘Athens 大學， Department of AppliedPhysics 的A. Tsangrassoulis 等所提出的UFO 系統， Fresnel 透鏡與追日器的結合，收集日光?K經由光纖導入室內的發光體提供室內照明，搭配兩個150W 的HID燈，同樣經由光纖導入發光體，藉以補償日照不穩定或是亮度不夠的情況。另外像日本HIMAWARI 配有太陽追蹤功能的向日葵集光導光系統、英國Sunpipe 及Olartube 利用金屬管?磔斔凸饩€的太陽光導管，以及美國Oak Ridge Hybrid Solar Lighting 是一種正在開發和測試階段的太陽光照明系統，這�?系統用人工照明?硌a充自然光線?姸炔▌又蛔悖ㄈ鐖D九），其中一些已經成為商品?K與建築結合，但可以看到這些系統集光部份的體積較大，或元件繁複，或是集光比率不高，由此可推斷市場的接受度有限。因此未?硇率教柟饧馄鏖_發需挑戰的目標大致可分為下列幾項：1.結構：輕薄且元件的深寬比(Aspect Ratio)至少需大於10；2.成本：便宜、易於加工製作且元件單純；3.效益：光損失低、均勻度高、集光率需大於50% 。

圖九、Hybrid Lighting 的集光系統架構圖
太陽光集光與光導管系統，為高效率的光能採集與傳輸提供了一種有效的途?剑壳皣鴥韧獾难芯窟€大多集中於集光系統本身的效能研究，未?淼陌l展趨勢將更偏重於集光導光系統和其他應用環境技術進行結合，?亩鵀榻êB�?能和改善室內環境品質發揮更大的作用。由於能源日?u短缺，人們對可再生能源(Renewable Energy)的興趣不斷增加，現代建築之天然採光和天然通風技術也越?碓绞苤匾暋５侵钡浇裉欤烊还庹彰骱吞烊煌L技術一直是處於各自發展的狀況。未?黹_發與自然通風相結合的集光導光系統，將可進一步拓展整體系統的應用範圍，對於建築�?能減碳和改善居家品質具有積極意義，一定會成為未?碜匀还饧鈱Ч饧夹g發展之趨勢。
開發應用採集太陽光的綠色照明技術的目的，就是要把利用天然光照明變成一種�?能減碳、保護環境的綠色產品。採集太陽光導入室內之綠色照明技術是綠色能源科技的一部分，屬於可持續發展之能源技術。由於國外太陽光集光導光之相關技術相對比較成熟，我們應該借取國外的先進技術和經驗，去開發我們自己的太陽光綠色照明技術和產品。
對於太陽光集光器於綠色照明之應用有興趣者，歡迎mail至[/url][url=mailto:materialsnet@itri.org.tw]materialsnet@itri.org.tw
作者：�?興華、李文錦 / 工研院材化所

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