全內反射(Total Reflection)

又可稱全內反，當光線從折射率較大的光密介質入射到折射率較小的光 疏介質時，且在入射角比臨界角(𝜃_𝑐)大時(光線遠離法線)，光線則不進入另 一介面，這種現象稱為全內反射。

𝜃

_𝑐

= 𝑠𝑖𝑛

^{−1 𝑛2}

𝑛₁ (2-2)

2.3 反射定律(Reflection Law)

為光線入射至一介面，入射光與法線之夾角等同於出射光與法線之夾角，

即入射角(𝜃₁)等於反射角(𝜃₂)，稱為反射定律。

𝜃

₁

= 𝜃

₂ (2-3) 圖 2-1 折射定律

13

2.4 圓錐曲線光學性質

將一圓錐體，以不同傾斜的角度切開，其切面的圓周線稱為圓錐曲線。

圓錐曲線包含了圓形、橢圓形、拋物線、雙曲線，有著不同的光學特性，通 常都會與焦點相關，廣泛應用於光學系統之中。

2.4.1 圓錐曲線反射特性

若假設橢圓的邊緣是反射面，則光線由一焦點發出，碰撞至圓周的任何 一點上，皆會往另一個焦點匯聚，如圖 2-2 所示；若為拋物面，當光線由焦 點發出，碰撞至圓周邊緣後，會垂直於準線出射，如圖 2-3 所示；或若為雙 曲面，當光線由一焦點發出，碰撞至邊緣後，其傳遞方向會與另一焦點成一 直線，如圖 2-4 所示。

圖 2-2 橢圓面的反射特性

14

圖 2-3 拋物面的反射特性

圖 2-4 雙曲面的反射特性

15

2.4.2 圓錐曲線折射特性

光線從不同的介質進入了圓錐曲線，因為折射率的差異，會產生不同的 光學特性。當一點光源從焦點(O)發出，入射一雙曲面，光線的行進方向會 變成準直傳遞(當𝑛_𝑖>𝑛_𝑜)，如圖 2-5 所示；而相反地在橢圓面部分，當一點光 源從焦點(O)發出，出射橢圓面，其光線會變為準直傳遞(當𝑛_𝑖<𝑛_𝑜)(b)。且此 光線具有可逆性，即當光線從反方向以準直光線前進，穿過雙曲面及橢圓面 後，會聚焦於焦點(O)上，如圖 2-6 所示。

圖 2-5 雙曲面的折射特性

圖 2-6 橢圓面的折射特性

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Lux=Lumen/m² Watt/m² 強度

(Intensity)

Candela(cd)=Lumen/sr Watt/sr 輝度

(Luminance/Radiance)

Nit=Lumen/(sr‧m²) Watt/(sr‧m²)

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2.5.1 光通量( Luminance Flux)

光通量表示人眼所受到的能量強度，為輻射量與光度函數的乘積，單位 為流明(Lumen)，通常以Φ表示。

2.5.2 照度( Illuminance)

照度為每單位面積所收到的光通量，單位為勒克斯(lx)，通常以𝐸_𝑣表示。

2.5.3 發光強度( Luminous Intensity)

又稱為光度，發光強度為光源在一立體角的光通量大小，如圖 2-7 所示，

假設一光源向一方向張的一立體角為dΩ，光通量為 dΦ，則發光強度 I 為：

𝐼 =

^𝑑𝛷_𝑑𝛺 (2-4) 單位為燭光(cd)。

圖 2-7 發光強度示意圖

18

2.5.4 輝度( Luminance)

也稱為亮度，為一光源或一被照面在某一方向上單位面積的光強度，亦 可說是人眼所感測到此光源或此被照面的明亮程度。如圖 2-8 所示，沿 r 方 向觀測到的輝度𝐿_𝑣為：

𝐿 =

_𝑑𝑆′^𝑑𝐼

=

_{𝑑𝑆𝑐𝑜𝑠𝜃}^𝑑𝐼 (2-5)

其中θ 為 r 方向與水平方向之夾角。單位為尼特(nit)。

圖 2-8 輝度示意圖

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2.6 介面表面特性

2.6.1 透射( Transmission)

若當光線碰到一介面時，光線可穿過此介面，則此介面稱為透射介面。

2.6.2 反射( Reflection)

當光無法穿透一介面，回彈至原本介質，稱作為反射。反射又分為三種，

如圖 2-9(a)所示，完全遵守反射定理，出射光與法線的夾角與入射光與法線 的夾角相同，稱為鏡面反射；如圖 2-9 (b)所示，當光線打到表面，出射的光 線往四面八方散開，稱作漫反射；如圖 2-9 (c)所示，當光線打到表面，出射 的光線同時有鏡面反射和漫反射，稱作混合反射。

2.6.3 吸收( Absorption)

當光線入射介面之後，若被材料吸收並轉換為熱能，稱此介面為吸收介 面。

圖 2-9 反射示意圖(a)鏡面反射(b)漫反射(c)混合反射

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2.7 光效率(Luminous Efficacy)

光效率是入射光與出射光的比值，代表有多少比例的入射光可傳遞至出 射面。如圖，光效率可表示為：

𝐸 =

^𝐿_𝐿^𝑜𝑢𝑡

𝑖𝑛

× 100% (2-6)

2.8 幾何集中度比(Geometric Concentration Ratio)

幾何集中度比為入光面與出射面的比值，代表著收光面積的集光比率，

21

2.9 均齊度( Uniformity)

均勻度為量測終端表面或平面發光體表面上輝度變化的程度，用最大照 度(𝑀𝑎𝑥_𝐼)、最小照度(𝑀𝑖𝑛_𝐼)來量化，可表示為：

𝑈𝑛𝑖𝑓𝑜𝑟𝑚𝑖𝑡𝑦 = (

_𝑀𝑎𝑥^{𝑀𝑖𝑛𝑙}

𝑙

) × 100% (2-8)

2.10 集光倍率(Concentration Ratio)

集光倍率是光效率和幾何集中度比兩者相乘的值，表達式為：

集光倍率 = 𝐸 × 𝐶

_𝑔𝑒𝑜 (2-9)

22

2.11 菲涅耳損失(Fresnel Loss)

當光從折射率(𝑛₁)之介質進入到折射率(𝑛₂)之介質時，一般而言，折射

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2.12 參考文獻

2.12.1 靜止式非對稱拋物面太陽能集光器的微結構反射表面

本文獻提出三種不同結構的反射器，作為破壞對稱性，在特定情況下可 以產生出均勻的照明且增加集光倍率。並在太陽仰角方向以及方位角方向上 增加容忍度。[6]

圖 2-12 靜止式非對稱拋物面太陽能集光器

圖 2-13 靜止式非對稱拋物面太陽能集光器微結構示意圖 (a)開角為 120°、(b)角度為 60°、(c)為正弦形

圖 2-14xz 平面各個結構的光學效率

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2.12.2 用於正交集光器徑向耦合方法的平面式微光學太陽能收集器

本文獻利用透鏡陣列聚焦將入射光導入平板底部，在聚焦處擺放一耦合 結構將其耦合入板。使用此系統，搭配上改良式扇形光導可增加集光倍率，

達到集光倍率 375 倍，效率 82.2%。[7]

圖 2-15 用於正交集光器徑向耦合方法的平面式微光學太陽能收集器

圖 2-16 改良式扇形導光板

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2.12.3 環狀稜鏡陣列的太陽能集光器

本文獻提出環狀稜鏡陣列的太陽能集光器，光線能量匯聚於中心，光線 進入模組後會較快被集中，節省在集光器中的空間。當作為二次集光器時，

可增強總體幾何集中度比，與菲涅爾透鏡做組合，總效率可達到 92%(單波 長，0.87μm)，集光倍率比可達到 837 倍，容忍度±1.7°。[8]

圖 2-17 環狀稜鏡陣列的太陽能集光器二維橫截面掃略圖

圖 2-18 環狀稜鏡陣列的太陽能集光器與菲涅爾透鏡搭配

26

2.12.4 使用射線追跡的方法評估和優化低集中介電複合拋物面集光器

的光學性能

本文獻提出固定電介質非對稱複合拋物面集光器（DiACPCs）的設計概 念和光學性能評估。提出三個設計，接受半角分別為（0°和 55°、66°、77°）。

[9]

圖 2-19 介電複合拋物面集光器用於北緯 55°建築外牆

圖 2-20 介電複合拋物面集光器(a)光線入射圖(b)光線路徑圖

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2.12.5 具有對稱空氣稜鏡耦合器的全內反射平板波導太陽能集光器

本文獻提出基於全內反射的對稱空氣稜鏡用來當作耦合器，以增加耦合 器反射率並做出最好的使光學效率。集光器由平板波導上的線性聚焦圓柱透 鏡陣列所組成。光學效率的主要損失為菲涅爾反射、吸收、波導解耦合。波 導解耦合損耗發生在於波導內所引導的光撞到下方耦合器，由第二次全內反 射從波導內逃逸。[10]

圖 2-21 具有對稱空氣稜鏡耦合器的全內反射平板波導太陽 能集光器

圖 2-22 入射角與焦平面上能量分佈的散焦情形

28

2.12.6 具有免對準全內反射收集器和新穎複合追跡器的平面式太陽能

集光器

本文獻利用拋物面微結構當收光元件，使入射光聚焦於下方焦點附近的 入口，經由該入口光線耦合進入下方連結的導光板，然後藉由內部全內反射 傳遞，無色散之困擾。將微結構在導光板上做陣列分布，佈滿後最終可達 71.3%光效率及集光倍率 500 倍，而容忍角大約是±0.6°。[11]

圖 2-23 具有免對準全內反射收集器和新穎複合追跡器的平面式太陽能集光器

圖 2-24(a)軸對稱的拋物面(b)半切後的拋物面

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2.12.7 使用自由曲面集光器改善在高集光倍率太陽能電池的照度分佈

本文獻提出自由形式(free-form, FF)與表面創建(free-form surface

creation, FFSC)方法來優化太陽能集光器的輪廓，使每個入射光線照到太陽 能電池表面上指定的點。通過模擬，FF 集光器和 SP+FF 集光器的照度分佈 雖然比常規集光器均勻，但因為由於太陽能電池和二次反射器的遮蔽效應，

所以在電池的中心，沒辦法達到均勻的分佈。[12]

圖 2-25 自由形式集光器(a)FF 集光器(b)拋物線+FF 集光器

圖 2-27 入射至太陽能電池的太陽光百分比 圖 2-26 太陽能電池上照度分佈

30

2.12.8 探討在玻璃基板上具有微結構透鏡陣列的太陽能電池上弱光光

伏特性

本文獻在薄膜(thin-film, TF)太陽能電池的玻璃基板上使用深度

500~800μm 的微槽透鏡。目標是為了改善光伏(photovoltaic)在弱光照明下的 特性。在所有入射光，微槽透鏡表面的光學效率都會比傳統式高至少 3%。

在入射角大於 50°時會更明顯。[13]

圖 2-28 在玻璃基板內電池上微半球透鏡和微槽透鏡的入射光軌跡

圖 2-29 太陽能電池的光伏特性對上入射角與槽深

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2.12.9 用於準靜態微電池聚光光伏的廣角平面微追跡

本文獻藉由採用高效能微光伏崁入塑膠小透鏡陣列以展示出準靜態且 小於 1 公分厚的聚光光伏版，且可達到在小於 1 公分在固定緯度橫向平移傾 斜上全天 200 倍的集光倍率。然而，因為必須精準的定位著太陽，必須部屬 在大型且開放的土地，以平移的方式，容忍度可以達到±60°。使用折疊光的 方法，可以幾乎消除散焦的問題，顯著改善的結果。[14]

圖 2-30 用於準靜態微電池聚光光伏的廣角平面微追跡

圖 2-31 把光路折疊以消除散焦的問題

圖 2-32 圍繞焦平面功率 95％的光點尺寸的透鏡孔徑面積

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2.12.10 基於稜鏡複合拋物集光器組合的聚光光伏系統

本文獻主要結構有稜鏡、固體複合拋物面集光器和平板光導。在適當的 角度下，直射太陽光被稜鏡折射，分為兩道平行於複合拋物面集光器拋物面 主軸的光線，經過反射，會各別聚焦在拋物線的焦點，再通過平板波導內傳 播到達最終端。具有稜鏡的複合拋物面集光器幾何集中度比為 50 時，光學 效率可達到 89％。東西方向上的容忍角為±6°、在南北方向為±0.5°、均齊度 達到 92.5%。對於太陽入射高容忍角利用單追跡系統，取代昂貴的高精準雙 重太陽追跡系統。[15]

圖 2-33 基於稜鏡複合拋物集光器組合的聚光光伏系統

圖 2-34 將 10 個 P-CPC 構成的大型 CPV 系統

33

2.12.11 新型設計的衍射平板太陽能集光器

本文獻提出用於平板太陽能集光器新型設計，基於在頂部上應用繞射光 全內反射的光柵光導。通過組合幾何和繞射光學器件，根據非成像光學器件 的原理優化幾何聚光比，用全內反射使器件的厚度最小化。由於全內反射導 致與光柵的多次碰撞。通過適當形狀的光導，可以降低這些多次碰撞引起的 損失。[16]

圖 2-35 錐形光導圖，尺寸為β=7.67˚和 w/h=7.42

圖 2-36 光導的拋物面部分。陰影部分對應於組合集光器

圖 2-37 錐形光導、拋物面光導、平面光導、和複合拋物面集光器

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2.12.12 採用無色差混合集光器和創新二次光學元件的無漏光平板太陽

能集光器

本文獻提出無色差混光收集器和二次光學元件引入無漏光的平板式太 陽能集光器的設計。設計光線以傾斜角度進入光導，有助於增加光導中光線 的傳播距離；二次光學元件避免傳播光線從光導中漏出去。光導上使用鋸齒 狀邊界可避免傳播的光線多重反射而洩漏。結構可移除春秋分的色差，以提 高光學效率。 [17]

圖 2-38 採用無色差混合集光器和創新二次光學元件的無漏光平板太陽能集光器

圖 2-39 修改程序：(a)修改後的雙拋物面結構(b)外部和底部區 塊修剪得到的形狀

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圖 2-40 二次光學元件為耦合入口(半圓球形)和凹坑結構

圖 2-41 無漏光平板太陽能集光器光學效率對上入射光線接受角

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2.12.13 與建築南面牆整合的新型非對稱透鏡壁複合拋物面集光器設計

與光學評估

本文獻探討由複合拋物面集光器鏡面與透鏡壁結構所組成，可充分利用 全內反射與鏡面反射。非對稱透鏡壁複合拋物面集光器和其優化結構的最大

本文獻探討由複合拋物面集光器鏡面與透鏡壁結構所組成，可充分利用 全內反射與鏡面反射。非對稱透鏡壁複合拋物面集光器和其優化結構的最大

在文檔中 以單軸追跡的高效能平面式日光集光器 (頁 29-0)