大開口率高均勻太陽能LED地埋燈之設計*

陳奇夆 呂理銘 葉茂勛

(1.國立中央大學機械系暨光機電工程研究所 副教授，臺灣 32001;2.國立中央大學機械學系，臺灣)

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際發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光，開口率即為100%。

因為太陽能LED地埋燈，電能自給自足是其優點;但太陽電池收光面與發光面都在最上層，故太陽電池會占據地埋燈的發光面積，進而降低開口率與發光效率。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，如何設計將太陽能地埋燈的太陽電池板放置于發光面下方且集光率與發光均勻度亦有不錯的表現，將是技術研究重點。

圖1 傳統太陽能LED地埋燈拆解上視圖

原理架構與方法

2 光分布調控技術

本研究著重在大開口率以及高均勻，發光面積不受限于太陽電池。我們加入發光面積與光均勻度這兩樣量化指標來驗證我們的設計。

2.1 提高LED出光效率

透過LED之燈罩設計［1-2］及調光元件之結構出光設計［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，增加系統發光強度。

2.2 提升出光均勻度

透過調光元件之光學結構，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

3.1 提升太陽能集光技術

透過地埋燈太陽能面板上增加集光光學與調光元件的設計，提升太陽能收光效率［5-6］。

3.2 收光與發光結合之技術

利用調光元件的結構設計組合，及LED與太陽能模組的排列，達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，LED光源與太陽電池成條狀分布于地埋燈出光面的底部，見地埋燈底部之側視圖 (圖2)以及上視圖 (圖3)，可發現跟傳統地埋燈架構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光面積。但因為太陽電池放在出光面底部，勢必收光效果大為降低，故我們要在上方加置一個或數個調光元件之結構，讓太陽光經由此調光元件后，光線匯聚在太陽電池上，以增加它的光使用效率;且LED光源經由此調光元件，亦能均勻散射于出光面上。

圖2 新架構收發光模組結合之側視圖

圖3 地埋燈新架構底部上視圖

調光組件設計

在此設計一調光元件結構如圖4。主要架構為一個上下具有微結構與透鏡陣列的膜板，以改變不同光路時所需要的光分布。

圖4 調光元件結構圖

調光元件上下都具有微結構透鏡，下方結構層較小，主要為倒三角形狀，目的要讓LED發光的光線打亂方向達到均勻效果。而上方結構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稱直角三角形微結構，見圖5，目的是要讓發光源正上方之出光全反射，達到二次光學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構合并成等腰三角形，此目的讓太陽收光的使用效率增加。上下結構層均分布于基膜 (PET)之上下表面。

圖5 調光元件之光路分布追跡圖

調光元件與燈箱結合之收光特性

調光元件高度35mm，僅有上部微結構，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。接著用光學追機軟件仿真太陽光進入此地埋燈后，太陽電池收光的強度通量情形。見圖6，為太陽光入射此具有調光組件地埋燈的光線追機圖，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 新架構地埋燈之太陽收光光路分布追跡圖

圖7(a)為沒加調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)為經由此調光元件后，照度最大值約為0.0096(flux/mm2)。

然而實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，光電轉換電能也越多。圖8為沒加調光元件的總光通量約33.3(lumens)，圖9為加入此設計的調光元件，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%。

調光元件與燈箱結合之發光特性

圖7 未加調光元件照度圖與加此調光元件照度圖

圖8 未加調光元件配光曲線圖

圖9 加此參數調光元件配光曲線

調光元件高度35mm，微結構面朝上，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為調光元件與燈箱結合之發光光路分布追跡圖。

偵測面放置距離最上放出光面 (含防滑點)1mm，圖12為未加上設計后的調光組件頂部出光面照度分布，均勻性非常差，實際發光面積被太陽電池影響，開口率約為61%。圖13為加上設計后的調光組件頂部出光面照度分布，均勻度約為80%，因LED光源經由調光組件分光后均勻散射至頂部出光面，故實際發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 新架構地埋燈之LED發光光路分布追跡圖

圖12 未加調光元件地埋燈出光面之照度分布圖

調光元件實際制作

調光元件之初步試制，以超精密加工之切削技術搭配壓印紫外光固化成型 (ROLL-TO-ROLL)復制成型技術，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光組件膜片之裁切情形。圖15為此調光組件在電子顯微鏡SEM下觀察的結構圖。與當初模擬設計的表面光學結構參數符合。

圖13 加調光元件地埋燈出光面之照度分布圖

圖14 初次試制之調光組件膜片

圖15 電子顯微鏡觀察調光組件結構圖

整體系統燈箱模塊之制作與性能測試驗證

此大開口率高均勻地埋燈整體系統架構必須先確定內部組件尺寸列排列，其外部燈具與內部零件目前有做初步實體測試，圖16(a)為初步試作LED地埋燈加入調狀擴散片，但未加入調光組件的實體發光結果;圖16(b)則為加設計過后裁切好的調光組件結合之發光結果，其均勻性為71%。因為其當初調光組件裁切與黏合于地埋燈內有些微誤差，故可看到一些條狀光源偏差的現象。但實際結果與當初經由光學仿真之發光照度圖近乎相近，且此調光組件經由簡易收光測試后實際約可增加太陽能板31%的發電效率， (見圖17)。故此大開口率高均勻度地埋燈搭配調光組件之設計概念經由驗證是正確可行的。

圖16 地埋燈實體制作之LED發光情形

圖17 加入調光組件膜片之收光測試實照圖

4 結論

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

故在此設計一個調光元件同時達到具有LED發光均勻性與太陽能集光2種光路之結合，并將太陽電池與LED放置地埋燈底部。達到地埋燈頂部表面均為發光面積，開口率為理想值100%。且經由設計其調光組件內部參數可得模擬結果地埋燈發光均勻性為80%，實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之計劃，感謝本計劃的支持，使本文章得以順利進行，特此致上感謝之意。

［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