陳奇夆 呂理銘 葉茂勛

(1.國立中央大學(xué)機(jī)械系暨光機(jī)電工程研究所 副教授，臺(tái)灣 32001;2.國立中央大學(xué)機(jī)械學(xué)系，臺(tái)灣)

1 前言

地埋燈顧名思義為埋在地表下，只有頂部出光面露出，而所謂開口率是指地埋燈實(shí)際發(fā)光面積與地埋燈頂部總面積的比值，若頂部出光面積全部發(fā)光，開口率即為100%。

因?yàn)樘柲躄ED地埋燈，電能自給自足是其優(yōu)點(diǎn);但太陽電池收光面與發(fā)光面都在最上層，故太陽電池會(huì)占據(jù)地埋燈的發(fā)光面積，進(jìn)而降低開口率與發(fā)光效率。且若LED直接放置于出光面下方，LED一顆顆的光源非常明顯，均勻度較差，見圖1。故在本研究中，如何設(shè)計(jì)將太陽能地埋燈的太陽電池板放置于發(fā)光面下方且集光率與發(fā)光均勻度亦有不錯(cuò)的表現(xiàn)，將是技術(shù)研究重點(diǎn)。

圖1 傳統(tǒng)太陽能LED地埋燈拆解上視圖

原理架構(gòu)與方法

2 光分布調(diào)控技術(shù)

本研究著重在大開口率以及高均勻，發(fā)光面積不受限于太陽電池。我們加入發(fā)光面積與光均勻度這兩樣量化指標(biāo)來驗(yàn)證我們的設(shè)計(jì)。

2.1 提高LED出光效率

透過LED之燈罩設(shè)計(jì)［1-2］及調(diào)光元件之結(jié)構(gòu)出光設(shè)計(jì)［3］，利用光線的折射、反射及全反射等原理，減少光能量之浪費(fèi)，增加系統(tǒng)發(fā)光強(qiáng)度。

2.2 提升出光均勻度

透過調(diào)光元件之光學(xué)結(jié)構(gòu)，將出光角度的能量可以更均勻的射出［4］，使地埋燈在360度都可以有一向的出光效果。

3 太陽能收光技術(shù)

3.1 提升太陽能集光技術(shù)

透過地埋燈太陽能面板上增加集光光學(xué)與調(diào)光元件的設(shè)計(jì)，提升太陽能收光效率［5-6］。

3.2 收光與發(fā)光結(jié)合之技術(shù)

利用調(diào)光元件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)組合，及LED與太陽能模組的排列，達(dá)到地埋燈上方出光并收光之效果。

在此我們提出一種新的架構(gòu)，LED光源與太陽電池成條狀分布于地埋燈出光面的底部，見地埋燈底部之側(cè)視圖 (圖2)以及上視圖 (圖3)，可發(fā)現(xiàn)跟傳統(tǒng)地埋燈架構(gòu)最大不同在于太陽電池不再是分布于出光面上方而擋住發(fā)光面積。但因?yàn)樘栯姵胤旁诔龉饷娴撞?，勢必收光效果大為降低，故我們要在上方加置一個(gè)或數(shù)個(gè)調(diào)光元件之結(jié)構(gòu)，讓太陽光經(jīng)由此調(diào)光元件后，光線匯聚在太陽電池上，以增加它的光使用效率;且LED光源經(jīng)由此調(diào)光元件，亦能均勻散射于出光面上。

圖2 新架構(gòu)收發(fā)光模組結(jié)合之側(cè)視圖

圖3 地埋燈新架構(gòu)底部上視圖

調(diào)光組件設(shè)計(jì)

在此設(shè)計(jì)一調(diào)光元件結(jié)構(gòu)如圖4。主要架構(gòu)為一個(gè)上下具有微結(jié)構(gòu)與透鏡陣列的膜板，以改變不同光路時(shí)所需要的光分布。

圖4 調(diào)光元件結(jié)構(gòu)圖

調(diào)光元件上下都具有微結(jié)構(gòu)透鏡，下方結(jié)構(gòu)層較小，主要為倒三角形狀，目的要讓LED發(fā)光的光線打亂方向達(dá)到均勻效果。而上方結(jié)構(gòu)則是要配合底部光源與太陽能板位置:在光源上方放置一反對(duì)稱直角三角形微結(jié)構(gòu)，見圖5，目的是要讓發(fā)光源正上方之出光全反射，達(dá)到二次光學(xué)效果以降低光源上方太亮來提高均勻性。另外在太陽能板中間正上方結(jié)構(gòu)合并成等腰三角形，此目的讓太陽收光的使用效率增加。上下結(jié)構(gòu)層均分布于基膜 (PET)之上下表面。

圖5 調(diào)光元件之光路分布追跡圖

調(diào)光元件與燈箱結(jié)合之收光特性

調(diào)光元件高度35mm，僅有上部微結(jié)構(gòu)，間距為0.1mm，三角傾斜角度為30度;底部2排太陽電池，高度為7mm，3排 LED，每排5顆，凹槽傾斜角60度。接著用光學(xué)追機(jī)軟件仿真太陽光進(jìn)入此地埋燈后，太陽電池收光的強(qiáng)度通量情形。見圖6，為太陽光入射此具有調(diào)光組件地埋燈的光線追機(jī)圖，可明顯看出光線有集中在底部太陽能板之集光的情形。

圖6 新架構(gòu)地埋燈之太陽收光光路分布追跡圖

圖7(a)為沒加調(diào)光元件的收光照度分布圖，照度最大值約為0.0061(flux/mm2)。圖7(b)為經(jīng)由此調(diào)光元件后，照度最大值約為0.0096(flux/mm2)。

然而實(shí)際上收光效益是看總光通量而定，接收到的光通量越高，在相同太陽能板下，光電轉(zhuǎn)換電能也越多。圖8為沒加調(diào)光元件的總光通量約33.3(lumens)，圖9為加入此設(shè)計(jì)的調(diào)光元件，總光通量約為46.4(lumens)。故收光效益比46.3/33.3=1.393，約增加39.3%。

調(diào)光元件與燈箱結(jié)合之發(fā)光特性

圖7 未加調(diào)光元件照度圖與加此調(diào)光元件照度圖

圖8 未加調(diào)光元件配光曲線圖

圖9 加此參數(shù)調(diào)光元件配光曲線

調(diào)光元件高度35mm，微結(jié)構(gòu)面朝上，間距為0.1mm，三角傾斜角度為30度;底部2排太陽電池，高度為7mm，3排 LED，每排5顆，凹槽傾斜角60度。LED凹槽正上方放置條狀擴(kuò)散片，高度7mm。圖10為其LED太陽能地埋燈3D模擬示意圖。圖11為調(diào)光元件與燈箱結(jié)合之發(fā)光光路分布追跡圖。

偵測面放置距離最上放出光面 (含防滑點(diǎn))1mm，圖12為未加上設(shè)計(jì)后的調(diào)光組件頂部出光面照度分布，均勻性非常差，實(shí)際發(fā)光面積被太陽電池影響，開口率約為61%。圖13為加上設(shè)計(jì)后的調(diào)光組件頂部出光面照度分布，均勻度約為80%，因LED光源經(jīng)由調(diào)光組件分光后均勻散射至頂部出光面，故實(shí)際發(fā)光面積就等于頂部總面積，開口率約為理想值100%。

圖10 此LED太陽能地埋燈3D模擬示意圖

圖11 新架構(gòu)地埋燈之LED發(fā)光光路分布追跡圖

圖12 未加調(diào)光元件地埋燈出光面之照度分布圖

調(diào)光元件實(shí)際制作

調(diào)光元件之初步試制，以超精密加工之切削技術(shù)搭配壓印紫外光固化成型 (ROLL-TO-ROLL)復(fù)制成型技術(shù)，其主要加工制作方法為利用三軸自由曲面可視錐分析法來固定軸向銑削方式。圖14為其初步試制好的調(diào)光組件膜片之裁切情形。圖15為此調(diào)光組件在電子顯微鏡SEM下觀察的結(jié)構(gòu)圖。與當(dāng)初模擬設(shè)計(jì)的表面光學(xué)結(jié)構(gòu)參數(shù)符合。

圖13 加調(diào)光元件地埋燈出光面之照度分布圖

圖14 初次試制之調(diào)光組件膜片

圖15 電子顯微鏡觀察調(diào)光組件結(jié)構(gòu)圖

整體系統(tǒng)燈箱模塊之制作與性能測試驗(yàn)證

此大開口率高均勻地埋燈整體系統(tǒng)架構(gòu)必須先確定內(nèi)部組件尺寸列排列，其外部燈具與內(nèi)部零件目前有做初步實(shí)體測試，圖16(a)為初步試作LED地埋燈加入調(diào)狀擴(kuò)散片，但未加入調(diào)光組件的實(shí)體發(fā)光結(jié)果;圖16(b)則為加設(shè)計(jì)過后裁切好的調(diào)光組件結(jié)合之發(fā)光結(jié)果，其均勻性為71%。因?yàn)槠洚?dāng)初調(diào)光組件裁切與黏合于地埋燈內(nèi)有些微誤差，故可看到一些條狀光源偏差的現(xiàn)象。但實(shí)際結(jié)果與當(dāng)初經(jīng)由光學(xué)仿真之發(fā)光照度圖近乎相近，且此調(diào)光組件經(jīng)由簡易收光測試后實(shí)際約可增加太陽能板31%的發(fā)電效率， (見圖17)。故此大開口率高均勻度地埋燈搭配調(diào)光組件之設(shè)計(jì)概念經(jīng)由驗(yàn)證是正確可行的。

圖16 地埋燈實(shí)體制作之LED發(fā)光情形

圖17 加入調(diào)光組件膜片之收光測試實(shí)照?qǐng)D

4 結(jié)論

本研究欲改善傳統(tǒng)LED太陽能地埋燈之部分發(fā)光面積被太陽電池遮蔽之情形與提升發(fā)光均勻度，且不會(huì)影響太陽電池之收光效率。

故在此設(shè)計(jì)一個(gè)調(diào)光元件同時(shí)達(dá)到具有LED發(fā)光均勻性與太陽能集光2種光路之結(jié)合，并將太陽電池與LED放置地埋燈底部。達(dá)到地埋燈頂部表面均為發(fā)光面積，開口率為理想值100%。且經(jīng)由設(shè)計(jì)其調(diào)光組件內(nèi)部參數(shù)可得模擬結(jié)果地埋燈發(fā)光均勻性為80%，實(shí)際初步制作測試其均勻性為71%。

致謝:本篇文章為編 NSC98-2622-E-008-010-CC3之計(jì)劃，感謝本計(jì)劃的支持，使本文章得以順利進(jìn)行，特此致上感謝之意。

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［2］Chi-Feng Chen， Cheng-Chia Wu． Jhong-Hao Wu．“Modified wide radiating lenses of the power-chip light emitting diodes for a direct-lit backlight，”O(jiān)ptik 121，2010

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