概念設計與初始設計

3.1.1 概念設計

傳統之菲涅耳透鏡通常為一減重之凸透鏡，其折射面為一連續之曲面，

因此外圍稜鏡只能折射光線至太陽能電池的外圍，中心稜鏡只能折射光線 至太陽能電池的中心部分，如圖 3.1。換句話說，其折射光線至太陽能電 池表面之目標區域也是由外而內連續的。如此一來，匯聚至太陽能電池中 央部分的能量容易重複堆疊，出現能量過於集中的現象。且由於太陽光並 不是單一波長，菲涅耳透鏡之材料對於不同波長的光有不同的折射率，波 長越短的太陽光會越往太陽能電池中心匯聚，因此太陽能電池表面中央部 分能量重複堆疊的情形也會更加嚴重。

為了解決這個現象，本研究選定簡化平板型菲涅耳透鏡(以下簡稱菲涅 耳透鏡)進行設計。簡化平板型菲涅耳透鏡如圖 3.2 所示。其折射面為一平 面，且各稜鏡視為獨立，不必為一連續面。也就是外圍稜鏡可以折射光線 至太陽能電池中心，中心稜鏡可以折射光線至太陽能電池的外圍部分。稜 鏡折射光線的目標區域將較不受限制，預料應可以減緩太陽能電池表面能 量分佈不均勻的情況。

38 Solar Cell Fresnel

Lens

圖 3.1 傳統菲涅耳透鏡

Solar Cell Fresnel

Lens

圖 3.2 簡化平板型菲涅耳透鏡

39

3.1.2 初始設計

用於太陽能集光系統之集光元件最主要的目標為(1)在太陽能電池上 聚集最大的能量，以及(2)使太陽能電池表面獲得均勻之輻射通量分佈。

為了使太陽能電池能夠接受到最大的能量，本研究將取能夠穿透菲涅 耳透鏡材料之最長波長做為設計波長，使菲涅耳透鏡聚光的範圍剛好涵蓋 整個太陽能電池的邊緣。如此一來，其餘波長較短的太陽光，因折射率較 大，將可以保證完全匯聚在太陽能電池之上，如圖 3.3。

而考慮到越短的波長折射率越大，會造成太陽能電池中央部分出現能 量過於集中的現象，初始設計將使用簡化平板型菲涅耳透鏡，設計波長的 光線目標區域如圖 3.4 所示。其概念為將菲涅耳透鏡之稜鏡由內而外分成 5 等份，最外圍 1/5 稜鏡匯聚光線到太陽能電池的最外圍，其餘四等份的 稜鏡折射光線之目標區域依序往太陽能電池中心排列，但其目標區域可以 重疊，目標區域之相對距離也不必固定。如此的配置方法，可使能量分散 到太陽能電池的外圍，太陽能電池中心輻射通量過於集中的情形可以獲得 初步的舒緩。

40

最長波長之 邊緣光

最短波長之 邊緣光 較短波長之

邊緣光 Fresnel

Lens

Solar Cell

Fresnel Lens

Solar Cell

Fresnel Lens

Solar Cell

圖 3.3 最長波長之折射光線目標區域

41

圖 3.4 設計波長之光線目標區域分配

42

(Non-Sequential)兩種。

序列性光學軟體功能完整，通常用於分析成像系統，例如相機鏡頭、 軟體利用蒙地卡羅法(Monte Carlo Method)，隨機產生大量的光線進行追跡，

在一個表面計算不止一次。模擬的準確度取決於光線的數量，數量越多越 逼近於實際光線的行為，但執行的時間也就越長，這方面通常依目標形狀 的複雜程度和使用者的經驗來做判斷。雖然這類軟體已經受到廣泛應用，

但因為計算方式較序列性軟體複雜，程式的撰寫具有一定的挑戰性，因此 直到這幾年才推出完整的最佳化功能。商業化的非序列性光學軟體，包括