大开口率高均匀太阳能LED地埋灯之设计*

陈奇夆 吕理铭 叶茂勋

(1.国立中央大学机械系暨光机电工程研究所 副教授，台湾 32001;2.国立中央大学机械学系，台湾)

1 前言

地埋灯顾名思义为埋在地表下，只有顶部出光面露出，而所谓开口率是指地埋灯实际发光面积与地埋灯顶部总面积的比值，若顶部出光面积全部发光，开口率即为100%。

因为太阳能LED地埋灯，电能自给自足是其优点;但太阳电池收光面与发光面都在最上层，故太阳电池会占据地埋灯的发光面积，进而降低开口率与发光效率。且若LED直接放置于出光面下方，LED一颗颗的光源非常明显，均匀度较差，见图1。故在本研究中，如何设计将太阳能地埋灯的太阳电池板放置于发光面下方且集光率与发光均匀度亦有不错的表现，将是技术研究重点。

图1 传统太阳能LED地埋灯拆解上视图

原理架构与方法

2 光分布调控技术

本研究著重在大开口率以及高均匀，发光面积不受限于太阳电池。我们加入发光面积与光均勻度这两样量化指标来验证我们的设计。

2.1 提高LED出光效率

透过LED之灯罩设计［1-2］及调光元件之结构出光设计［3］，利用光线的折射、反射及全反射等原理，減少光能量之浪费，增加系统发光强度。

2.2 提升出光均匀度

透过调光元件之光学结构，将出光角度的能量可以更均勻的射出［4］，使地埋灯在360度都可以有一向的出光效果。

3 太阳能收光技术

3.1 提升太阳能集光技术

透过地埋灯太阳能面板上增加集光光学与调光元件的设计，提升太阳能收光效率［5-6］。

3.2 收光与发光结合之技术

利用调光元件的结构设计组合，及LED与太阳能模组的排列，达到地埋灯上方出光并收光之效果。

在此我们提出一种新的架构，LED光源与太阳电池成条状分布于地埋灯出光面的底部，见地埋灯底部之侧视图 (图2)以及上视图 (图3)，可发现跟传统地埋灯架构最大不同在于太阳电池不再是分布于出光面上方而挡住发光面积。但因为太阳电池放在出光面底部，势必收光效果大为降低，故我们要在上方加置一个或数个调光元件之结构，让太阳光经由此调光元件后，光线汇聚在太阳电池上，以增加它的光使用效率;且LED光源经由此调光元件，亦能均勻散射于出光面上。

图2 新架构收发光模组结合之侧视图

图3 地埋灯新架构底部上视图

调光组件设计

在此设计一调光元件结构如图4。主要架构为一个上下具有微结构与透镜阵列的膜板，以改变不同光路时所需要的光分布。

图4 调光元件结构图

调光元件上下都具有微结构透镜，下方结构层较小，主要为倒三角形状，目的要让LED发光的光线打乱方向达到均勻效果。而上方结构则是要配合底部光源与太阳能板位置:在光源上方放置一反对称直角三角形微结构，见图5，目的是要让发光源正上方之出光全反射，达到二次光学效果以降低光源上方太亮来提高均勻性。另外在太阳能板中间正上方结构合并成等腰三角形，此目的让太阳收光的使用效率增加。上下结构层均分布于基膜 (PET)之上下表面。

图5 调光元件之光路分布追迹图

调光元件与灯箱结合之收光特性

调光元件高度35mm，仅有上部微结构，间距为0.1mm，三角倾斜角度为30度;底部2排太阳电池，高度为7mm，3排 LED，每排5颗，凹槽倾斜角60度。接着用光学追机软件仿真太阳光进入此地埋灯后，太阳电池收光的强度通量情形。见图6，为太阳光入射此具有调光组件地埋灯的光线追机图，可明显看出光线有集中在底部太阳能板之集光的情形。

图6 新架构地埋灯之太阳收光光路分布追迹图

图7(a)为沒加调光元件的收光照度分布图，照度最大值约为0.0061(flux/mm2)。图7(b)为经由此调光元件后，照度最大值约为0.0096(flux/mm2)。

然而实际上收光效益是看总光通量而定，接收到的光通量越高，在相同太阳能板下，光电转換电能也越多。图8为沒加调光元件的总光通量约33.3(lumens)，图9为加入此设计的调光元件，总光通量约为46.4(lumens)。故收光效益比46.3/33.3=1.393，约增加39.3%。

调光元件与灯箱结合之发光特性

图7 未加调光元件照度图与加此调光元件照度图

图8 未加调光元件配光曲线图

图9 加此参数调光元件配光曲线

调光元件高度35mm，微结构面朝上，间距为0.1mm，三角倾斜角度为30度;底部2排太阳电池，高度为7mm，3排 LED，每排5颗，凹槽倾斜角60度。LED凹槽正上方放置条状扩散片，高度7mm。图10为其LED太阳能地埋灯3D模拟示意图。图11为调光元件与灯箱结合之发光光路分布追迹图。

侦测面放置距离最上放出光面 (含防滑点)1mm，图12为未加上设计后的调光组件顶部出光面照度分布，均匀性非常差，实际发光面积被太阳电池影响，开口率约为61%。图13为加上设计后的调光组件顶部出光面照度分布，均匀度约为80%，因LED光源经由调光组件分光后均匀散射至顶部出光面，故实际发光面积就等于顶部总面积，开口率约为理想值100%。

图10 此LED太阳能地埋灯3D模拟示意图

图11 新架构地埋灯之LED发光光路分布追迹图

图12 未加调光元件地埋灯出光面之照度分布图

调光元件实际制作

调光元件之初步试制，以超精密加工之切削技术搭配压印紫外光固化成型 (ROLL-TO-ROLL)复制成型技术，其主要加工制作方法为利用三轴自由曲面可视锥分析法来固定轴向铣削方式。图14为其初步试制好的调光组件膜片之裁切情形。图15为此调光组件在电子显微镜SEM下观察的结构图。与当初模拟设计的表面光学结构参数符合。

图13 加调光元件地埋灯出光面之照度分布图

图14 初次试制之调光组件膜片

图15 电子显微镜观察调光组件结构图

整体系统灯箱模块之制作与性能测试验证

此大开口率高均匀地埋灯整体系统架构必须先确定内部组件尺寸列排列，其外部灯具与内部零件目前有做初步实体测试，图16(a)为初步试作LED地埋灯加入调状扩散片，但未加入调光组件的实体发光结果;图16(b)则为加设计过后裁切好的调光组件结合之发光结果，其均匀性为71%。因为其当初调光组件裁切与黏合于地埋灯内有些微误差，故可看到一些条状光源偏差的现象。但实际结果与当初经由光学仿真之发光照度图近乎相近，且此调光组件经由简易收光测试后实际约可增加太阳能板31%的发电效率， (见图17)。故此大开口率高均匀度地埋灯搭配调光组件之设计概念经由验证是正确可行的。

图16 地埋灯实体制作之LED发光情形

图17 加入调光组件膜片之收光测试实照图

4 结论

本研究欲改善传统LED太阳能地埋灯之部分发光面积被太阳电池遮蔽之情形与提升发光均匀度，且不会影响太阳电池之收光效率。

故在此设计一个调光元件同时达到具有LED发光均匀性与太阳能集光2种光路之结合，并将太阳电池与LED放置地埋灯底部。达到地埋灯顶部表面均为发光面积，开口率为理想值100%。且经由设计其调光组件内部参数可得模拟结果地埋灯发光均匀性为80%，实际初步制作测试其均匀性为71%。

致谢:本篇文章为编 NSC98-2622-E-008-010-CC3之计划，感谢本计划的支持，使本文章得以顺利进行，特此致上感谢之意。

［1］Coushaine，CharlesM．“ReplaceableLED bulbwith interchangeable lens optic ”， United States Patent，6637921，2001

［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，”Optik 121，2010

［3］Green，David R，Russell，L．Brock．“Light assembly”，United States Patent，5782552，1998

［4］Di Feng，Yingbai Yan，Xingpeng Yang，Guofan Jin and Shoushan Fan．“Novel integrated light-guide plates for liquid crystal display backlight”，Journal of Optics A:Pure and Applied Optics，Vol 7，Nov．2005

［5］Ferng．Shing-Lai“Solar power-operated construction work warning lamp”．United States Patent，5052601，1992

［6］Kenji Araki，Hisafumi Uozumi1，Toshio Egami，Masao Hiramatsu， Yoshinori Miyazaki， Yoshishige Kemmoku，Atsushi Akisawa，N．J．Ekins-Daukes，H．S．Lee and Masafumi Yamaguchi．“Development of Concentrator Modules with Dome-shaped Fresnel Lenses and Triplejunction Concentrator Cells” (2005)Prog．Photovolt:Res．Appl．;13:513～527