第四章 第四章
第四章 太陽能聚光鏡片製作與量測結 太陽能聚光鏡片製作與量測結 太陽能聚光鏡片製作與量測結果 太陽能聚光鏡片製作與量測結 果 果 果
4-1 製作製作製作製作流程流程流程流程
聚光鏡片的製作流程示意(如圖 4-1)，首先需先在電腦上建立 CAD，再使用 ASAP 進行模擬設計的 CAD 光線路徑是否為聚光鏡片，再取得一有機玻璃壓克 力，當作此次加工的材料。有機玻璃壓克力特性具有水晶一般的透明度，透明壓 克力板材具有可與玻璃比擬的透明光率，透光率達 92%以上，用染料著色的壓克 力又有很好的展色效果，但密度只有玻璃的一半。此外，壓克力板具有極佳的耐 候性，較高的表面硬度和表面光澤以及較好的高溫性能。同時，壓克力板有良好 的加工性能，既可採用熱成型（包括模壓、吹塑和真空吸塑），也可用機械加工 方式哪鑽、車、切割等。用微電腦控制的機械切刮和雕刻不僅使加工精度大提高，
而且還可製作出用傳統方式無法完成的圖案和造型。另外，壓克力板可採用鐳射 切割和鐳射雕刻，製作效果奇特的製品。經過特別改造的壓克力板材可以大量吸 收紫外光，另外陰燃(消防專用)壓克力仍能幫助克服特定場所的消防隱患，高抗 沖壓克力抗沖強度是壓克力的 6 到 10 倍，表面經過特殊處理的超耐磨壓克力板 能經受極為苛刻的考驗。此次加工母機是使用 NG 車床來進行加工，所以需製作 一加工治具，以利成品加工，而加工為成品為一圓型凹槽，所以需再另外製造一 加工用刀具，才可加工成品，最後還要再將建立好的 CAD 轉成 CAM 才能輸入 NC 車床(如圖 4-2)，再進行加工，工件完成後成品(如圖 4-3 所示)。
圖 4-1 聚光鏡片的製作流程示意
(a)CAD 建立 (b)ASAP 模擬 (c)壓克力原料取得
(d)加工治具製作 (e)治具和加件結合
(f)加工刀具製作
(g)加工程式設計及輸入 (h)工件加工 (i)成品取得及表面抛光
(a)
(b)
圖 4-2 CNC 車床圖(TXP100e, FANUC, Japan) (a) CNC 控製電腦圖(b)CNC 加工刀具區圖示
圖 4-3 PMMA 加工前圖示
圖 4-4 加工用治具圖
(a)
(b)
圖 4-5 Fresnel 聚光鏡成品圖(a)製作的成品圖，(b)聚光鏡放大圖示
4-2 Fresnel 聚光鏡聚光鏡聚光鏡聚光鏡量測量測量測量測
接下來將針對所製作出來的聚光鏡進行一些量測實驗，以印證 CAD 設計值 和實驗值的相符程度。
4-2-1 聚光鏡間距量測聚光鏡間距量測聚光鏡間距量測 聚光鏡間距量測
首先需得知加工後的聚光鏡尺寸和設計值是否有加工上的誤差，先使用照相 量測機台(圖 4-6 所示)以放大 180 倍進行量測各 Pitch 間的間距是否為 2mm。量測 三點位置(量測位置如圖 4-7)，先量測靠近中心點(位置 1 處)，所測得的數據為 2mm(如表 4-1)，接下來量測(位置 2 處) ，所測得的數據為 2mm，最後量測(位置 3 處)，所測得的數據為 2mm，所以可知實際加工之聚光鏡各 Pitch 間距為 2mm 和設計值相符。
圖 4-6 照相量測機台(TF-290, AIXON, Taiwan)
位置 1 位置 2
位置 3
圖 4-7 量測位置
表 4-1 量測間距
位置 1 間距 位置 2 間距 位置 3 間距 量測前
量測後
4-2-2 聚光鏡高度量測聚光鏡高度量測聚光鏡高度量測 聚光鏡高度量測
Fresnel 聚光鏡每一圈的高度並非固定，所以需再利用高度規(如圖 4-8 所示) 量測加工後所得的高度和 CAD 設計值的是否有所差異，量測的位置如圖(如圖 4-7 所示)。由表 4-2 中得知：第一點所得的實驗數據和 CAD 設計值相差 0.004mm，
第二點相差了 0.002mm，第三點位置相差 0.001mm，所以可得知加工後的誤差和 設計值並無相差。
圖 4-8 高度規(543-461B,Mitutoyo, Japan)
表 4-2 不同位置測量高度
位置 1 位置 2 位置 3
量測數據(0.086mm) 量測數據(0.594mm) 量測數據(1.219mm)
CAD 設計值(0.09mm) CAD 設計值(0.593mm) CAD 設計值(1.22mm)
4-2-3 聚光鏡聚光鏡聚光鏡光聚光鏡光光光強度強度強度強度量測量測量測量測
最後進行光強量測，用來驗證聚光鏡的聚光效果是否和設計值一樣(配光機台 示意圖如圖 4-9 所示，實際配光機台照片如圖 4-10 所示)，而量測結果是以取得 聚光倍數為目的，故量測方法是先以一 H4 燈泡光源照射 LMT 測光頭(如圖 4-9 所示)，以取得未放置聚光鏡時所測得之亮度為 204.8cd，再以相同條件(如圖 4-10 所示)，將聚光鏡放置於距離測光頭 100mm，即可測得聚光後所得之亮度為 1308cd，而量測前後之亮度值(如表 4-4)。
圖 4-7 配光機台示意圖
(a)
操控測光頭及機器平台
LMT 機器操作平台
LMT 測光頭 操控測光頭及機器平台電腦
(b)
(c)
圖4-10 實際配光機台(GO-H 1300 LMT Germany)
(a) LMT測光頭， (b) LMT機器操作平台， (c)操控測光頭及機器平台
(b)
圖 4-11 測試前示意圖 (a)未放置聚光鏡示意圖， (b)未放置聚光鏡測試照片 LMT 測光頭 光源
(a)
(b)
圖 4-12 測試示意圖 (a)放置聚光鏡示意圖， (b)放置聚光鏡測試照片 (a)
光源 LMT 測光頭 聚光鏡
所得之數據只有放大 6 倍，和當初的初始設計值放大 20 倍相差了 14 倍，故 懷疑是否為加工後之鏡片表面加工刀痕未加以抛光去除，而造成亮度無法穿透鏡 片，進而使的聚焦效果不佳，所以將鏡片重新抛光後再以放大 180 倍觀看表面(如 表 4-3 所示)可得知抛光後的表面已無明顯的刀具加工痕跡，且透光率已大幅改 善，再用此鏡片進行一次光強測試，所得之效果為放大 20 倍(如表 4-4)，而聚光 後在聚光點所顯示的情形如圖 4-13 所示，所以可以得知當抛光後的聚光亮度和設 計值亮度(如表 4-4)相差不遠，進而可歸納當聚光不佳時其主要原因有：焦距問 題、光源入射角度、表面透光度問題等三個為其主要原因。
表 4-3 抛光前後表面刀具加工痕跡
抛光前 抛光後
表 4-4 有無拋光量度量測之數據
無聚光鏡 (無抛光亮 度)
有聚光鏡
(有抛光亮 度)
圖 4-13 聚光點光照圖
4-3 聚光鏡片聚光鏡片聚光鏡片模組製造聚光鏡片模組製造模組製造 模組製造
由於單一聚光型鏡片並無法發揮其效用，需再配合其他的元件，即可製作成 一個聚光型鏡片組，其製作流程如圖 4-14 所示。首先，需先在電腦上進行草圖繪 製及設計，再來購得一太陽能電池(規格如表 4-5)，，用來量測當太陽能電池受光 和未受光時的電流值，才可判定聚光聚片是否有達到聚光要求，下一步驟即為開
集中的聚光點
始製作放置太陽能電池平台，首先是原物料 PMMA 的取得，再依草圖中各元件 設計圖面進行加工製作，當底座製作完成後先將太陽能電池固定在底座上，待外 罩完成後，即可將其組合(圖 4-15 所示)。
表 4-5 太陽能電池規格
材質 非晶矽
尺寸(mm) L70xW35mm
工作電壓 4V
工作電流 18mA
開路電壓 5V
短路電流 25mA
厚度 2mm
以上值為最大輸出值，需在環境溫度 25
℃，光線強度:100m W/cm 達成
圖 4-14 聚光型鏡片組製作流程圖
圖 4-15 模組化製作示意圖
a.電腦草圖設計 b. 加工物料取得 c.鏡片平台製作
d.底座製作 e.底座和平台結合
f.外罩製作
(b)
(c)
(d)
圖 4-16 模組化製作成品圖(a) 成品圖， (b) 底座和太陽能電池結合圖，(c) 外罩 製作圖
4-4 聚光鏡片聚光鏡片聚光鏡片模組量測聚光鏡片模組量測模組量測 模組量測
將製作好的聚光鏡模組使用三用電錶，先量測其未聚光前的電壓及電流值，
再將之前製作好的聚光鏡放上，再量測其電壓及電流值(如表 4-6)，再將其量測前 後的電流值相比可知聚光鏡可以使其電流產生 0.56 倍的電流
表 4-6 放置聚光鏡前後電流值
測得電壓 1.68V 測得電流 0.21mA
未有聚光鏡有聚光鏡
測得電壓 1.67V 測得電流 0.36mA
第五章 第五章 第五章
第五章 結論與未來展望結論與未來展望結論與未來展望結論與未來展望
本文中，我們成功的設計並且製造出一個可以將太陽光聚到太陽能電池接受面 上，而且達到 20 倍聚光的集光鏡。也針對此聚光鏡進行光強度測試及聚光鏡尺 寸的量測，量測結果都和之前模擬的數值相符，印證了我們的設計是可行的。
有了此聚光鏡，便開始著手設計將其模組化，於是又製作了聚光平台。此平 台上放置一太陽能電池，將此聚光鏡設定高度後，使其太陽光能夠聚於同一焦點 上，以達到聚光的功用，接下來將此平台模組化，設計成更多的相同平台，並且 將其太陽能電池所產生的電力將以 崊。
在未來，我們可以再設計一個結合聚光鏡模組的追光系統(圖 5-1 追光示意 圖)，可以 義當太陽光未於正中照射時，聚光鏡模組所能產生的電能有限，若能 一直 持於太陽光正中照射時，則可以確 發電的效率，此時所能產生的電能更 為可觀。
圖 5-1 追光示意圖
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