太阳自然光照明系统及其在绿能建筑设计的应用发展

　　0 引言

　　基于「全球能源短缺」以及「温室效应所带来的气候变迁」两大议题，各国开始重视「节能减碳」之倡导以及「再生能源」之研发。目前再生能源之应用正在快速地发展中，这不仅可减缓石油与煤炭之消耗，也是追求绿色生活环境之方式。再生能源包含太阳能、风力、水力、地热等不同种类之能源，其中太阳能拥有最丰富之蕴含量以及容易应用于生活中之优势，因此获得最大研发动能。目前太阳能之相关研究大多聚焦于太阳能电池，但其高成本与高维护费之缺点降低了太阳能之应用层面。为了扩大其应用层面，若可研发低成本、低维护费用、免电路系统、安装简易之相关系统，即可将太阳能之应用普及至社会大众之生活中。本计划拟研发「静态式多层棱镜集光器」、「具有光学结构之可转弯传光管」、以及「情境分光」等三大技术。搭配光纤传输系统后，可提供学校与办公室等区域日间稳定照明， 也可搭配太阳能板转换至电能储存功能。此技术之应用范围广大，除可提高光纤网络之应用范围外也可增加太阳能板供电效率，或提供照明给隧道、水族箱以及禁止电气灯源之空间等特殊区域。

　　1 自然光照明系统

　　根据研究，一般商业用电中约有 30 %以上之用电量为室内照明，为减少照明用电量，可节能减碳之自然光照明系统引貣各界重视。国外之经验指出，安装自然光照明系统之住宅，其室内光环境品质有显着改善，在晴朗白天完全可以不使用耗电光源之照明，所导入之自然光完全可以满足人们日常活动之照明和采光需求，而且对人们身体健康有利，可明显减少季节综合症的发病率。长期以来，人们一直对天然光存在一中误解，认为天然光进入室内所带来之热能要多于人造光源。事实上，如果提供相同之照度，天然光所带来之热能比绝大多数人造光源少，因此用天然光代替人造光源进行室内照明，可以大幅减少空调负荷，有利于降低建筑物之用电量。室内自然光照明系统应用方式如下图1所示。

　　图1. 室内自然光照明系统应用方式

　　透过光纤网络将如此照明生活使自然光带领人们情绪，展望未来光纤网络的新概念，光纤绝对不单纯是提供数据与数据传输的媒介，更是要把「阳光带进我们的居家生活裡」，使我们的环境更具有丰富的色彩，提升生活质量。示意图如下图2、图3所展示。

　　图2. 系統构想示意图-丰富色彩

　　图3. 系統构想示意图-静态图片

　　2 静态式多层棱镜集光器

　　自然光照明系统之主要概念是将原本为面光源之日光，透过光学组件将其降低一个维度而转为线光源，进一步以相同方式使日光转为点光源以利传导。本计划将设计一个高效能的自然光收集光学组件以利用于室内照明的光学结构，此结构必须可以像瓷砖般地铺设在建筑物的外表，以便大范围地回收照射于建筑物外墙的阳光。为了设计出能如磁砖般排在建筑物外墙的光学结构，计划将以相同单位的方式来组成此光学结构，如图4所示。当组件串联使用时会具更收集、压缩光线的效果，此组件可以收集太阳光，并将之传递至邻近的单位。

　　图4. 静态集光单元之架构

　　其设计方式采用了45度倾斜面全内反射原理，当入射角大于临界角，可将光线往中间汇聚用以达到高压缩之集光能量，接着我们利用二次全反射将光往导光管传递，如图5、图6所示，并考虑有效收光面积之问题，能量收集的多寡取决于于集光器效率的好坏以及有效收光面积的大小，因此我们将基本单元向外扩张并向上堆栈，以提升集光器的有效收光面积，如图7所示：

　　3 具有光学结构之可转弯传光管

　　在绿建筑技术领域，如自然导光系统均可应用本技术。提升自然导光之传输效率，并可有效减少光纤使用数量，可有效减少绿建筑之成本，搭配导光管转弯技术更可应用于各式建筑，提高产品之应用层面。现今绿建筑在利用太阳光时，通常是使用天井直接照明，这样使得绿建筑的结构受到限制;若使用导光系统将自然光进行传导，系使用光纤进行传导，但光纤有耦合不易及价格高昂之问题，使得在使用上受到许多限制。本专利主要为将传光管当中设立光学透镜，并利用光学透镜之特性，将光线平行传导或聚焦传导，让光传导于空气中而不与外围光管接触，近而大大提升传导效率。并将传光管模块化以适合不同之传输长度。

　　本创作以光学设计之方式提升传光管之效率如图8所示，将光学透镜设立于外围光管当中，透过光学透镜之特性，将自然光平行或聚焦于传光管当中，如图9所示：

　　将图8之传光管当成基本模块，将此基本模块转弯连结，可看到如图10所示连结状况。图11与图12为光管转弯光线之传导状况。

　　4 结论

　　自然光照明系统，包括集光，传光和放光的部分。收集的一部分，我们设计了一个静态式多层棱镜集光器来直接收集阳光，我们使用具有光学结构之可转弯传光管来传输。在传输的部分，我们设计了一个立方结构光开关。光开关可以改变的路径，以便收集太阳光的光可以照亮不同地区或储存的太阳能电池。虽然 静态的自然光照明系统不包括太阳追迹的装置，其优点是成本低，易于安装和维护。其缺点是它的效率，低于动态的太阳能集中器。我们设计了一个串联的直角棱镜结构。本浓缩器可以改变面源动用集合到一个点源面。为了方便我们的静态广泛传播太阳能聚光，我们保持了低成本优势，提高其效率。我们也可以使用这个系统对生态照明系统。为了提供一个稳定的照明，交通隧道，以达到健康的照明，节约能源和安全要求。

编辑：Cedar