3333----1111 光學軟體介紹光學軟體介紹 光學軟體介紹光學軟體介紹
ASAP 其基本上是一種具有彈性及效率之光學系統模擬的工具，可以利用 蒙地卡羅光線追跡的技術做光和機結構間的模擬，它可以不必假設系統之對稱 性，做單軸、全域、三維坐標模擬(圖 3-1) 當光束穿越整個光學系統，光束可以 自動地分為反射，折射，繞射，偏振光及散射的分量，當這曙光穿過整個系統，
光束可以包含物體任意次序，獨立的根據物理可實施路徑行進。這類的光線追跡 一般稱為“無限制的”或“非序列的”。所以 ASAP 所做就是一個仿真模擬。根據真 實光線在真實世界裡的路徑。[21]
圖 3-1 ASAP 在單一、全域、三維坐標系統的圖式。使用者可選擇在系統中的任 何一處放置坐標原點和相對於傳統的卡氏坐標系來確立坐標系的方向。在這個投 影機的模型中，紅色、綠色、藍色的箭頭分別代表 x、y、z 坐標軸坐標系統的 原點是被放置在科爾(Kohler) 透鏡陣列的中心。
3-1-1 操作操作流程圖操作操作流程圖流程圖 流程圖
操作流程圖如圖 3-2 所示，以下簡述之：
計算能量、照度、光強度及其他光學系統特性是最關鍵地方。ASAP 提供許多的 鏡面均分為m等份,也就是為m環的Fresnel lens,然後利用ASAP模擬通過聚光鏡的 每一等份能經由折射後集中光源到太陽能電池上,即可模擬出光學效果。
(b)
圖3-2聚光示意圖，(a)光線路徑圖(b)聚光鏡單一環光線示意圖
步驟如下：我們先在ASAP中建立對於太陽能聚光鏡之設計結果，其中包括不同 的Pitc，在ASAP中建立該Fresnel lens之幾何結構如圖(3-3)所示。
圖3-3 聚光鏡之幾何結構
接下來,我們依據所設定的參數，在ASAP光學模擬軟體中所模擬的光線軌跡行 進及外觀，得到結果如圖(3-4所示)，(圖a)為二維平面上光線經過聚光鏡折射傳遞 的情形，(圖b)為三維立體方向光線傳遞的情形，可以看到有達到我
們設計的要求，通過聚光鏡的光線，全部聚集在電池接受面上，達到高傳輸效率 的目的。
焦距 間距
厚度 尺寸大小
溝槽深度
(a)
(b)
圖3-4 模愱結果，(a)2D聚光圖示(b) 3D聚光圖示
再者，我們也針對不同圈數的Fresnel lens進行模擬，如表(3-1)所示，可看到對應 不同圈數的Fresnel lens時其電池表面光亮度的分佈情形，故間距越小亮度越強。
3-3 設定目標規格與結果設定目標規格與結果設定目標規格與結果設定目標規格與結果
由上節的模擬結果可以看出，我們所設計的Fresnel lens聚光鏡當間距越小
時其亮度越明顯，但是為符合可加工原則，於是又更進一步分析當間距和焦距的 改變時，對強度所造成的改變又是如何，故進行了不同焦距及間距的模擬分析。
表 3-1 厚度 0.3 模擬結果
間距(mm) 0.2 0.3
強度
聚光圖
光點大小
間距(mm) 0.2 0.3 圈數 250 167 焦距(mm) 100 100 強度(unit) 226352 205968
由上節的模擬結果可以看出，我們所設計的Fresnel lens聚光鏡當間距越小時 其亮度越明顯，但是為了更進一步了解當間距和焦距的改變時，對強度所造成的 改變又是如何，故又進行不同的模擬分析。
3-3-1 不同不同不同間距不同間距間距效應間距效應效應 效應
如下表3-2所示，針對間距分別為2、1.5、0.5 mm進行模擬，結果發現當 相同厚度和焦距時，其間距最少時其強度最強。
表3-2焦距100mm模擬結果
Pitch(mm) 2 1.5 0.5
強度
聚光圖
間距(mm) 2 1.5 0.5
圈數 25 34 100
焦距(mm) 100 100 100 強度(unit) 24063 24541 25397
光點大小
3-3-2 不同焦距不同焦距不同焦距效應不同焦距效應效應 效應
如下表3-3及3-4所示，為針對焦距為110及90時進行模擬，發現當焦距改變 後其強度降低，其原因為聚光的焦距並非原先設定，故強度降低。
表3-3焦距110mm模擬結果
間距(mm) 2 1.5 0.5
強度
間距(mm) 2 1.5 0.5
圈數 25 34 100
焦距(mm) 110 110 110 強度(unit) 20949 21012 22077
聚光圖
光點大小
表3-4表焦距90模擬結果
間距(mm) 2 1.5 0.5
強度
間距(mm) 2 1.5 0.5
圈數 25 34 100
焦距(mm) 90 90 90 強度(unit) 21989 22047 23205
聚光圖
光點大小
由以上各表中得知，間距最小強度最佳,但是為符合可加工精度,所以決定採用間 距為2mm，焦距100mm為最後設計及製作規格如表(3-5)，由圖(3-5)，中顯示可看 出光線追跡圖為全部聚在太陽能電池，圖(3-5c)表示聚光點尺寸約為5mm，則可 由此數據來選用太陽能鏡片尺寸，此設計則符合我們所要達到的目的。
(a)
(b)
(c)
圖3-5 模擬結果(a) 2D時其聚光為集中一單點，(b)則為其3D時聚光圖示，(c)表示 其聚光點尺寸約為5mm2。
表3-5 製作規格表 材質 光學壓克力 尺寸大小 50mm
折射率 1.49
焦距 100mm
間距 2mm 溝槽深度 <1.3mm 最大角度 <44.3度
3-4 光源入射角度光源入射角度光源入射角度光源入射角度分析分析分析分析
聚光型太陽能電池最佳的效率為正對著太陽，然而對於實際上的應用卻可能 會有些角度的偏差，若在設計上忽略此偏差角度，將會影響到太陽能的轉換效 率。因此，接下來我們利用ASAP光學模擬軟體，來對我們最後設定之聚光鏡片 做光源入射角分析，模擬在不同入射角的情形下所表現的強度及聚光效果(如表 3-6)。光偏斜效率定意為：
光偏斜效率=入射角度之光強度/正入射之光強度×100%
結果發現當光角度偏斜1度內則效率還有96%光角度偏斜，偏斜2度時則效率 為95%，但是3度時，其效率將即開始明顯下降到只有86%。這說明光偏斜角度以 不超過2度為佳。
表3-6 光源入射角分析表 偏斜角度 效率 強度(au)
1度 96% 23212
2度 95% 23006
3度 86% 20923