I-Shou University Institutional Repository:Item 987654321/11555

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(1)義守大學機械與自動化工程學系碩士論文. 用於聚光型太陽能電池之 Fresnel Lens 模擬與加工 Study on the simulation and Machining of a Fresnel-Lens Concentrator for Solar Cells. 研究生：陳德文指導教授：林志龍博士中華民國九十九年七月.

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(3) 中文摘要近年來，菲涅耳透鏡已經應用於太陽能電池領域，透鏡的目的用於收集和集中太陽到陽能電池上。如此，相較於傳統太陽能電池，太陽能電池面積將可以大大減少；當然，由於物料消耗大量減少，將降低預算的開支。本研究中，我們利用ASAP模擬軟體發展菲涅耳透鏡，達到集中陽光以提高太陽能電池的轉換效率。首先，本論文將透過數值分析菲涅耳透鏡幾何形狀，亦即，間距、焦距，斜面和入射角，當然數值的計算將用來作最佳化的設計。計算的結果顯示較小斜面表現出更高的性能，但是，很難利用傳統加工方式製造。其次，使用數值分析結果於CNC來製造菲涅耳透鏡。菲涅耳透鏡有 100 mm焦距長度、有效大小直徑 100 mm、 20 小斜面和折射率為1.49。最後，本論文成功的設計並且製造出一個可以將太陽光聚到電池接受面上，而且可以達到20倍的聚光鏡，而且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。這些研究結果將進一步改進菲滅涅耳透鏡，達到最高的捕捉光效率。關鍵字: 菲涅耳透鏡，太陽能電池，聚焦效率. I.

(4) Abstract Recently, Fresnel lenses are becoming prevalent in the field of solar energy, where the lens is applied for the purpose of collecting and concentrating sunlight onto solar cells. As a result, the active solar cell area can be dramatically reduced, compared to conventional solar cells, which, in turn, will provide a significant reduction of budget spending due to lowered material consumption. In this study, we are going to present the development of the Fresnel lens based on ASAP software techniques to concentrate the sunlight to enhance the conversion efficiency of solar cell. First, we advance the design of Fresnel lens surface geometries, i.e., pitch, focal length, facet, and incident angle through computer simulations. Certainly, this study also aims to be facilitated to optimize the surface structure layouts through numerical analysis. The calculated results demonstrated the small facet to exhibit higher performance than the larger ones, however, it is difficult to fabricate by traditional machining approach. Secondly, the results are then used to fabricate the Fresnel lens by CNC machine. It has a 100mm focal length, 100mm effective size diameter, 20 facets, and an index of refraction of 1.49. Final, the investment of the simulation and experiment exhibit a good agreement for the 20X concentration efficiency. These findings will allow improving the performance of Fresnel lens achieving the highest trapping sunlight effect.. Keywords: Fresnel lens, solar cell, concentration efficiency. II.

(5) 致謝忙碌的研究所生活即將告一段落，感謝許多協助我、教導我、支持我的伙伴們，也因為你們使我在這二年有了充實的學習過程，讓我有了一次充實且豐富的探索之旅，有了這些磨綀後，再面對新的挑戰時，將會有更多的思考方向。在這二年的日子裡，首先要誠摯的感謝指導教授林志龍博士，由於老師的悉心教導，並且不時的討論及指點我正確的方向，老師除了在學識領域上的知識值得學習外，為人處世更是我生活上的導師，在他指導下，使的本篇論文更加完善。其次亦得感謝同事鍾崎、喬筑、偉風的大力幫助以及對 ASAP 的指導，有你們的熱心的幫助及指導，以及同事建成不厭其煩的指出我研究中缺失，且總能在我迷惘時為我解惑，使這份研究可以順利的進行，也感謝同學的幫忙，恭喜我們可以順利的完成這二年的學業。要說感謝的人太多太多，因為有了你們，帶給我的學習和成長更札實的座落於心中，也為研究的過程更添加了不同的色彩，將本文獻給你們，以表達出我最誠摯的謝意. III.

(6) 總目錄中文摘要....................................................................................................Ⅰ 英文摘要.....................................................................................................Ⅱ 致謝.............................................................................................................Ⅲ 總目錄.........................................................................................................Ⅳ 圖目錄..........................................................................................................Ⅵ 表目錄..........................................................................................................Ⅷ 第一章緒論.................................................................................................1 1-1 前言....................................................................................................1 1-2 太陽能電池與聚光鏡之介紹...............................................................2 1-3 文獻回顧.............................................................................................6 1-4 研究方法.............................................................................................7 1-5 論文架構.............................................................................................8. 第二章相關理論介紹................................................................................ 10 2-1 幾何光學原理....................................................................................10 2-2 光線追跡法.......................................................................................13 2-3 菲涅耳透鏡介紹...............................................................................16 2-4 非成像學光學(Nonimaging Optics) ....................................................17 2-5 太陽能聚光鏡用詞介紹......................................................................18. 第三章太陽能聚光鏡片設計原理.............................................................20 3-1 光學軟體介紹....................................................................................20 3-2 初始設計和模擬結果.........................................................................22 IV.

(7) 3-3 設定目標規格與結果.........................................................................24 3-3-1 不同PITCH比較........................................................................26 3-3-2 不同焦距比較............................................................................27 3-4 光源入射角度公差分析......................................................................31. 第四章太陽能聚光鏡片製作與量測結果.................................................33 4-1 製作流程.................................................................................................33 4-2 Fresnel聚光鏡量測...................................................................................37 4-2-1 聚光鏡間距量測........................................................................37 4-2-2 聚光鏡高度量測........................................................................39 4-2-3 光強量測...................................................................................40 4-3 聚光鏡片模組製造...................................................................................47 4-4 聚光鏡片模組量測...................................................................................50. 第五章結論與未來展望.............................................................................51 參考文獻.......................................................................................................52. V.

(8) 圖目錄圖 1-1 反射式太陽能聚光鏡示意圖..................................................................4 圖 1-2 Fresnel Lens 折射式太陽能聚光鏡示意圖..............................................5 圖1-3 複合式太陽能聚光鏡示意圖..................................................................5 圖 1-4 論文流程圖...........................................................................................8 圖 2-1 光的反射定律.......................................................................................11 圖 2-2 折射定律..............................................................................................12 圖 2-3 近軸光線追跡參數的描述....................................................................13 圖 2-4 折射過程.............................................................................................15 圖 2-5 傳遞過程...............................................................................................16 圖 2-6 Fresnel 於西元 1821 年所設計的菲涅耳透鏡.........................................17 圖 3-1 ASAP 在單一、全域、三維坐標系統的圖式............................................20 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...............................................22 圖 3-3 聚光鏡之幾何結構..............................................................................23 圖 3-4 模愱結果 (a)2D 聚光圖示...............................................................................................23 (b) 3D 聚光圖示..............................................................................................24 圖 3-10 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...............................29 (c)表示其聚光點尺寸約為 5mm……………………………………..............30 圖 4-1 聚光鏡片的製作流程示意.....................................................................34 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................................................35 圖 4-3 PMMA 加工前圖示..............................................................................35. VI.

(9) 圖 4-4 加工用治具圖.......................................................................................36 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..............................................................36 圖 4-6 照相量測機台圖示(TF-290 漢磊 AIXON Taiwan) .............................37 圖 4-7 量測位置.............................................................................................38 圖 4-8 高度規圖示(543-461B Mitutoyo Japan) ...........................................39 圖 4-9 配光機台示意圖.................................................................................41 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..........................................................42 (c)操控測光頭及機器平台...........................................................................43 圖4-11測試前示意圖 (a)未放置聚光鏡示意圖.................................................................................43 (b)未放置聚光鏡測試照片.............................................................................44 圖4-12測試示意圖 (a)放置聚光鏡示意圖.....................................................................................44 (b)放置聚光鏡測試照片.................................................................................45 圖 4-13 聚光點光照圖...................................................................................46 圖 4-14 聚光型鏡片組製作流程圖..................................................................48 圖 4-15 模組化製作示意圖............................................................................48 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....................49 圖 5-1 追光示意圖.........................................................................................51. VII.

(10) 表目錄表1-1 各種不同材料太陽能電池分類表..........................................................3 表 3-1 厚度 0.3 模擬結果................................................................................25 表 3-2 焦距 100 模擬結果...............................................................................26 表 3-3 焦距 110 模擬結果...............................................................................27 表 3-4 焦距 90 模擬結果................................................................................28 表 3-5 製作規格表..........................................................................................30 表 3-6 光源入射角分析表………..................................................................31 表 4-1 量測間距…………………………………………….........................38 表 4-2 不同位置測量高度………………………………………..…............40 表 4-3 抛光前後表面刀具加工痕跡...............................................................46 表 4-4 有無拋光量度量測之數據...................................................................46 表 4-5 太陽能電池規格..................................................................................47 表 4-6 放置聚光鏡前後電流值.......................................................................50. VIII.

(11) 第一章緒論 1-1 前言能源是現今人類所急需面對且深入探討的重要課題，而能源最主要可分成兩大類:再生能源與非再生能源。非再生能源，如石油、天然氣、煤礦等等，為現今人類所能利用的能源主流，但其皆為有限的資源，隨著人類工業科技之進步與發達，其蘊藏量正在大幅減少中。根據報導，我們所能使用石化材料的極限，煤礦，大約剩下 9742 億噸，約可再使用 220 年；而石油大概剩下 1 兆 328 億桶，約可再使用 35 年；天然氣則大概剩下 140 兆立方公尺，也只約可再使用 60 年。而再生能源，如風力，水力，太陽能等天然能源，其可隨著大自然運轉而自動循環，是取之不盡，用之不竭的能源來源，且也不會產生其他的不良副產物，所以也被稱為綠色能源。在我們國家最主要的能源來源還是以非再生能源為主，而且大多數還是需仰賴國外進口，所以在現今能源極為短缺的時刻，我們對於發展再生能源為主要能源來源，有著急切的需要。而太陽能為當前積極開發的目標。太陽，其直徑約 1,390,000 km，質量 1.98920kg，表面溫度 500k，核心溫度高達 15,600,000 K，質量中含有約 75％氫和 25％的氦。根據統計，太陽核融合反應的能量輸出相當於 38,6×1021 千瓦，且每秒鐘大約會有 700,000,000. 噸. 的氫被轉換為 6 億 9 千 5 百萬噸的氦，並以伽瑪射線的形式發射出來。根據美國航空太空總署（NASA）統計資料，在赤道附近的日射量平均每年 850 cal/cm2-day，其中 500 cal/ cm2-day 落在海面，以熱電效率 30％來算，每平方公里面積，日光持續照射 12 小時的話，將可產生二十萬千瓦的電力。若是建造寬及長為 2 公里× 3.5 公里的太陽能集熱板 50 座，在整年晴朗無風雨情形下，此一太陽能發電設備所產生的電力，可供給全日本一整年的用電需求。所以在現今能源短缺的時代，怎樣能夠好好利用開發太陽這個巨大能源體，是當前人們急需討論的課題。. 1.

(12) 根據不同的太陽能電池製程技術，太陽能電池的發電效率是在 6~15%[1]。所以太陽能電池從太陽輻射所吸收的能量，約 85~94%的部份均以熱能的形式又散失在大氣中，效率既低且發電成本高。此外，太陽能電池的特性是會隨著陽光日照強度而變化，強度越強，其輸出功率也隨之放大。因此，為了提升太陽能電池發電效率，利用集光系統將太陽光聚光，提升日照強度，再照射到太陽能電池上，藉此可提高太陽能電池的輸出功率。. 1-2 太陽能電池與聚光鏡之介紹當前太陽能電池的種類可分為堆積型和薄膜型二大類，而其中堆積型可細分為： 1.. 單晶矽(Single Crystalline)太陽能電池. 2. 多晶矽(Polycry stalline Silicon)太陽能電池 3.. III-V 族化合物太陽能電池. 薄膜型又可細分為 1. 非晶矽(Amorphous Silicon)太陽能電池 2. Ⅱ-Ⅵ族化合物太陽能電池就堆積型而言，單晶矽太陽能電池光電轉換效率已高達了 14%以上，而多晶矽太陽能電池也有 12%~14%左右的光電轉換效率。在實驗室研究的單晶矽和多晶矽太陽能電池也分別有 23.4%和 17.8%之光電轉換效率。由效率和模組化的立場來看，一般單晶矽太陽能電池較多晶矽太陽能電池被採用。而 III-V 族化合物太陽能電池為第二代太陽光電池，其可獲得 30~40%的超高光電轉換效率。薄膜型太陽能電池由於使用了較少的材料，所以模組的成本較堆積型太陽能電池低，且由於其本身具有整合型模組之特性，故可節省單一模組所固定和連接的成本。目前不同材料的太陽能電池分類(如表 1-1)，而由於台灣的半導體產業發達，矽材料方面的製程技術已非常成熟，所以現今大部分的電池都是以矽當作基底材料為主，所以單晶矽與多晶矽太陽能電池的優點是較為便宜，但是. 2.

(13) 由於矽是間接能隙材料，所以轉換效率不高，無法當主要的發電來源。而 III-V 族化合物半導體則為一直接能隙之材料，故 III-V 族太陽能電池的光電轉換效率較高，但是相對材料成本昂貴，大多用於國防用途，所以要能利用到一般生活所需，需要有一聚光鏡來輔助，以能將大面積的光聚集到小面積的的太陽能電池上。表 1-1 各種不同材料太陽能電池分類表[1] 材料. 理論效率. 實際效率. 耐用性. 成本. 用途太空發電. 單晶矽. 25~30%. 佳. 24%. 高. 中央發電系統獨立發電. 堆疊型獨立用電多晶矽 III-V 族. 20%. 17.7%. 佳. 中. 35%. 27.8%. 佳. 很高. 15%. 13.5%. 普通. 低. 17~18%. 15.8%. 佳. 少數民生用電太空發電獨立用電. 非晶矽. 少數民生用電. 薄膜型獨立用電 Ⅱ-Ⅵ族. 低少數民生用電. 太陽能聚光鏡可分為繞射式、折射式、反射式和複合式，其中繞射式的聚光鏡由於對色散容忍度不佳，且太陽光又為一寬頻光源，所以有些波段效率不佳，而由於繞射式光學元件製作精度甚細，製作不易，成本較高，故較不常見。反射式的太陽能聚光鏡，如圖(1-1)所示，因色散對其無任何的影響，而且光學設計容易，又可摺疊光路，且能有效的使系統輕薄化，而且通常為一對稱系統，製作技術成熟，成本也較低，故為最常使用的聚光鏡系統。但反射式聚光鏡系統對角度的敏感度甚低，且太陽又是一個隨時在變化角度的光源，故需伴隨另一個自動追跡機械系統來使用，這樣子反而會又多造成了能源的損耗。. 3.

(14) 光源集中. 光源反射. 太陽能電池. 冷卻圖 1-1反射式太陽能聚光鏡示意圖 Fresnel Lens 折射式太陽能聚光鏡，如圖(1-2)所示，在光學設計上有更高的自由度，設計所要達成的目標也較能更多元化，也能藉由設計來解決對入射場角容忍度的問題，更可將其設計成 Fresnel lens 之型式[2][3]，來讓太陽能聚光鏡系統輕薄化，其製作方面也可由塑膠射出成形，製作難度不高，成本較低，深具研究開發的潛力。但其跟繞射式元件一樣，對色散容忍度不佳，所以後來亦發展出結合折射式和反射式的複合式聚光鏡系統。. 焦距. 圖 1-2 Fresnel Lens 折射式太陽能聚光鏡示意圖複合式的太陽能聚光鏡系統[4]，是將折射式和反射式的光學元件放在同一系統中，以利用這兩種系統的優點來作更優化的設計。如圖(1-3)所示，即為一利用折射和全反射的 TIR-R 聚光鏡系統。中間部分透鏡，是用來將其入射的太陽光，折射聚集到太陽能電池接受面上，而旁邊的小型鏡片，則是利用全反射，來將大角度入射的太陽光，也能反射匯聚到底下的太陽能電池接收點上，而不至有逸散浪費之情形發生，能大幅提升對入射角的容忍度，也對色散容忍度佳，為一優良聚光鏡系統。但此種複合式的聚光鏡系統由於外形較複雜，故製作不易，成本不 4.

(15) 易降低，故折射式聚光鏡系統還是為現今研究發展之主流。全反射. 非球狀. 全反射. 太陽能電池圖1-3 複合式太陽能聚光鏡示意圖 1-3 文獻回顧 1992 年王永仲[5]提出，菲涅爾透鏡光路的解析計算。為探討 Fresnel Lens 的光路解析計算，並且提出修正誤差和提高計算精度的方法。 1998 年桑濤等 3 人[6]提出，討論特殊曲面 Fresnel Lens 的設計與分析。對連續相位型 Fresnel Lens 的設計，採用簡單的線性面代替複雜的抛物面形有可能降低控制曲面的難度，並分析了這二種曲面的差異，通過數值分析，發現採用線性面形時，光學函數和點擴散函數十分接近理想函數，從而在理論上證明了這種代替的可行性。 2001 年駱志龍與張榮森[7]提出，利用 Fresnel Lens 的幾何原理及應用光學設計軟體 Zemax，對應用系統 3D 顯示器以及簡易變焦透鏡作一系列的設計與模擬，並探究 3D 顯示器中元件製作及效能分析，並且做出最佳之設計並提高其效能。 2005 年瞿貴蒙[8]提出，探討紅外線傳感器之 Fresnel Lens 應用。並經由研究探討利用 Fresnel Lens 後紅外線光束傳遞距離與成效。 2005 年李志成等 3 人[9]提出，對太陽光聚焦於光纖內傳輸之效能評估。利用 Fresnel Lens 之聚光特性，將太陽光有效的聚焦於光纖內傳輸，以提供遠端的室內照明，並且聚焦實作評估其可能性。 2007 年葉乃嘉[10]提出，將太陽光的光譜分光成 22 波段，再利用幾何光學 5.

(16) 之方程式，再結合透鏡材料之光學性質，導證出一曲面式 Fresnel Lens 折光模式，並依之計算 Fresnel Lens 之上每一菱鏡之稜鏡角及其個別折光角度，模擬其結果以及現有發表之數據做驗證，準確度較現有的數值模式有顯著提高，以這些的計算值來設計折射平行入射光束於某一焦點之曲面式 Fresnel Lens，可減少製程中的試誤過程。 2007 年葉上平等 3 人[11]提出，針對Ⅲ-Ⅴ族太陽能電池內，設計一個搭配集光器的二次光學元件，再利用光學模擬找出在高倍率集光之下擁有高傳輸效率和能量均勻化分佈的最佳設計，並且透過實驗的量測來探討二次光學元件之可行性。 2008 年湯丹英等 4 人[12]提出，比較曲面和平面 Fresnel Lens 的像差。通過一個大尺寸 Fresnel Lens 的設計，比較曲面 Fresnel Lens 和平面 Fresnel Lens 在光學像差方面的差異。 2008 莊榮翰與吳俊諆[13]提出，設計與測試太陽追蹤器。在太陽集光器部份，運用了凱薩格林式集光器與 Fresnel Lens 集光器二種不同形式的集光器形式在太陽追蹤器上。並且探討和比較二者效果。. 1-4 研究方法本篇論文主要結合光學設計、模擬、製作及光學檢測等產品設計開發技術的研究。光學部份，首先以光線追跡法設計一聚光型 Fresnel Lens，再配合 ASAP 進行透鏡模擬，並找出最適合加工的設計，且製作成品，並且加以驗證成品和模擬值是否相符，最後再將其製作成一模組。太陽能聚光鏡是一種能讓太陽光能聚集到電池表面上以達到更有效率應用之光學系統。傳統太陽能聚光鏡大多都主要用於讓太陽光能夠在經過透鏡折射或反射之後，能夠盡量的聚集到電池的接受面上，使其達到高傳輸效率，並有效的利用太陽光，可是並未考慮到電池接受面上能量均勻分布的效果，這樣很容易使得電池接受面可能有某處的能量過於集中而發生過熱等不好的效應。所以在本篇論. 6.

(17) 文中，利用幾何光學中的光線追跡法來讓設計出一個聚光鏡，可以使太陽光在經過聚光鏡之後，能夠完全的聚到太陽能電池面上之外，如此一來，即可以避免一些預期之外的問題，如熱效應等，也可提升光電轉換效率，而更能將太陽能有效的利用。之外，也針對在聚光鏡不同焦距，作了相關研究和設計，以期能夠更符合現實生活之所需。(圖 1-4 論文流程圖). 光學設計 Step 1. . 初始設計和模擬結果. Design. . 設定目標規格與結果. . 光源入射角度分析. 誤差比較. 加工製作 Step 2 Molding. Step 3 Measure. . 加工治具製作. . 加工刀具製作. . 加工程式設計. 光學量測 . 尺寸量測 . 光強量測. 聚光鏡間距量測聚光鏡高度量測. 模組製作模組製作 Step 4 Application. 誤差比較. . 電腦模擬設計. . 電流量測. 圖 1-4 論文流程圖. 7.

(18) 1-5 論文架構第一章緒論介紹 Fresnel Lens 不同的種類，進一步說明研究的方法、動機和相關的文獻回顧。第二章理論介紹說明基礎的光學理論及Fresnel Lens設計的方法和名詞解釋第三章光學軟體介紹及初始和最終設計的設計規格訂立第四章本章為針對成品和設計值的各種比較，包含實物和設計值的各種量測第五章歸納本文所做的相關研究，並且探討未來方向. 8.

(19) 第二章相關理論介紹 2- 1. 幾何光學原理當陽光進入透鏡時，首先會在透鏡內產生第一次折射，光線進入透鏡時，因. 為折射率變大，折射光線偏向法線，當光線穿出透鏡時，會產生第二次折射，此時因折射率變小，光線會偏離法線光學的基礎理論可以分為幾何光學、物理光學、量子光學等，其中幾何光學 (Geometrical Optic)是將光束視為光學和光線的集合，光線條、物點以及像點的概念來說明光粒子的本質及應用的光學。而本文中所設計的 Fresnel 聚光鏡主要是應用幾何光學理論中的折射定律。在光學中，折射率是一個非常重要的量，通常習慣上使用 n 來表示。光的速度為 3ｘ108m/s，介質折射率的大小則是定義成光在真空中的速度與光在介質中速度的比值。然而對於任一介質而言，折射率也可說是一種光學密度(optical density)，因此對於介質的折射率較大者，可以說這個介質具有較高的光學密度，一般稱之為光密介質(optical dense medium)，相反的如果介質的折射率較小者，就會說這個介質具有較低的光學密度，一般稱之為光疏材料(less dense medium)，但光密介質與光疏介質都只是一個相對的量而不是絕對值。折射率公式如下: n(折射率) =. c(真空中的光速) v(介質中的光速). (2-1). 空氣的折射率 n=1.0003 一般視為 n=1，而水的折射率 n=1.333,一般的光學玻璃折射率 n 約 1.5。幾何光學三大定律[14] [15]，包括光線在均勻介質中沿著直線傳播的穿透定律，光透過不同折射率的介質界面時之折射定律與反射定律。 (1). 光的穿透定律穿透定律:指光線在一均勻介質內傳遞時，會沿著直線前進。此為簡單但重. 9.

(20) 要的現象，現今許多光學儀器的應用也依照此定律為基礎。 (2). 光的反射定律當光在一介質內行進時，遇到不同材質(折射率不同)的界面時，光會折返回原介質。如圖 2-1 所示。反射光的位置是在入射光與法線的同側平面上，與入射光分別位於法線二邊，並且入射光與法線的夾角會相等於反射光與法線的夾角。光的反射遵循下列法則: 1.入射光、法線與反射光共平面。 2.入射角與反射角相等。稱為反射定律入射光. 法線 θ1. 反射光 θ1 介質1,n1 介質2,n2. 圖 2-1 光的反射定律. (3). 光的折射定律當光線行進至不同介質界面時，光會穿過界面，產生行進方向的改變。當. 光線從介質 1 到介質 2(折射率分別為 n1 與 n2)進行傳播時，入射角度 θ1 與折射角. 10.

(21) 度 θ2 會遵守下列關係式：. θ1 小於臨界角 θ1 等於臨界角 θ1 大於臨界角. 法線入射光 θ1. 介質 n1. 介面 Θ2 介質 n2 圖 2-2 折射定律. n1sinθ1=n2sinθ2. (2-2). 其入射角正弦值 sinθ1 與反射角正弦值 sinθ2 之比值為一常數，稱為相對折射率 (n2)，此為 Snell 定律： ni =. sin θ 2 n1 = sin θ1 n2. (2-3). 當折射角比入射角小時，ni 會小於 1，表示入射部分介質折射率小於折射部份的介質折射率。當光從折射率大的介質往折射率小的介質行進時，根據 Snell 定律，我們可. 11.

(22) 以想像在某個臨界入射角(θ1=θc)下，會使得折射角為 900(即 sinθ2 為 1)，因此由式 (2-1)可得 sin θc =. n2 n1. 或.  n2  n1. θc = sin −1 .   . (2-4). 此時 θ2 為 900，也就是光線入射以後，將會沿著兩介質的界面平行方向前進，此時入射角 θ1 即等於臨界角(Critical Angle, θc) 而在入射角 θ1 比 θc 還大時，此時光線將全部反射回入射介質中，此現象稱為全反射(Total Internal Reflectino)，光纖便是利用此原理來做訊號的傳輸。見圖 2-2 折射定律示意圖所示。. 2- 2. 光線追跡法當我們在做一光學系統設計或評估光學系統像值時，我們常常需要了解光線. 在系統的軌跡如何，研究這個問題的方法稱為光線追跡(Ray Tracing)，光線追跡技術出自 Snell 定律，及是由 Cosby(1977 年)所出，為了數學化計算方式，經過光學系統的光線傳遞，採用習慣性的命名及變數符號是必要的。當分辨鏡面二邊參量時，物空間的鏡面代表是不加撇號，像空間的鏡面代表量是加撇號。像如:n 是空間的鏡面折射率，n,是空間的鏡面折射率。圖 2-3 為近軸光線追跡參數的描述. u, X u, X. , X-1. u uX-1. nX - 1. yX. t,X-1=tx. n,X-1=nx. nX - 1 第 x-1 面. nX 第x面. 圖 2-3 近軸光線追跡參數的描述. 12.

(23) 常見的三種光線追跡法是 y-nu、y-ui 和矩陣法。然而 y-un 是屬於近軸光線的追跡法，也就是高斯光學的範圍內，討論光線在系統中的行進路線，是三種中最有效的方法，且在手算工作中廣泛被使用。光線在光學系統中傳播行為，大致可分為二種方式，一為折射過程，另一種為傳遞。藉著不斷的重複這二個過程的結果，光線可以從物點經中系統而入射到像點上，以下針對這二個過程討論. 2-2-1 折射過程(refracted procedure) 折射過程圖 2-4 為單一球面，二邊介質折射率分別為 n 及 n,，一條和光軸夾 u 角度的光線入射至球面上，光線在面上高度為 y，此光線經過球面折射後，與光軸夾 u,角度從球面射出。且入射，出射光線和光軸的焦點分別為 M、M,(共軛點)，因此滿足 n n, n, − n − = g g, r,. (2-5). 將上式每一項乘 y 可得  n, − n  y y  − n n , = y g g  r  ,. (2-6). 利用近軸光的條件，上式可改寫為 n,u,=nu+yc(n,-n). (2-7). 注意:上式符號變化的改變是因為(1)的結果。且由於計算上的需求，習慣用曲率 c 來取代曲率半徑 r(c 與 r 亙為倒數)。. 13.

(24) i n,. n M. i,. y. u. y,. M,. u, s,. s. 圖 2-4 折射過程. 2-2-2 傳遞過程(transfer procedure) 傳遞過程傳遞過程是在討論光線球面後，進行到下一個球面間的關係，如圖 2-5。假設二球面間距離為 t，光線在第一球面上的高度為 y1，第二球面上的高度 y2，二者間的關係如下式:. y2=y1-u,1t. (2-8). 為了直接利用(3)式得出的結果，習慣將(4)式改寫成:  -t  y 2 = y 1 + n'1 u'1    n'1 . (5). (2-9). 由(3)及(5)式可分別求出光線的方向(nu)及高度(y)，因此稱為 y-nu 方法. 14.

(25) ,. n1,=n2. n2,=n3. n1. ,. tu1,. u1 y1. y2. t T. T 圖 2-5 傳遞過程. 2-3 菲涅耳透鏡介紹菲涅耳透鏡介紹菲涅耳透鏡是由法國物理學家(Augustin-Jean Fresnel)所發明，當時的想法是將凸透鏡中央厚度部份除去後，依然可以依照表面曲率聚光，後人稱之菲涅耳透鏡。從第一片 Fresnel 透鏡所使用的材料為玻璃，但因為當時玻璃加工技術限制，所以應用例子不多。現今由於加工技術進步，要得到高精度、高光學品質的 Fresnel 透鏡非難事，再加上光學級塑膠材料的進步，更使得大量生產容易、成本低廉。目前 Fresnel 透鏡已大多改為塑膠材料，因而應用能更加廣泛。圖 2-6 為 Fresnel 於西元 1821 年所設計的菲涅耳透鏡[16] 初期發展的菲涅耳透鏡為應用於海岸邊的燈塔探照燈上[17]，對以前缺乏高功率光源時期為相當重要的一項優點，可使燈塔即使距離相當遠仍可看見。菲尼爾透鏡的表面就像排列了許多小稜鏡，每個稜鏡的角度經過設計後使其可以將光源聚集在某範圍之內，表面就像鋸齒形狀的同心圓一般。其原理是將傳統的凸透鏡或是非球面透鏡的曲面進行切割，將其平移至同一平面上，以減少厚度。效果與凸透鏡的聚光效果一樣，雖然其沒有凸透鏡可以聚集成像的優點，但可以將聚光. 15.

(26) 的優點加以利用，也稱為非成像式透鏡. 圖 2-6 Fresnel 於西元 1821 年所設計的菲涅耳透鏡，本圖取自文獻[16]. 非成像學光學(Nonimaging Optics) 非成像學光學. 2-4. 在幾何光學中，所探討物體經過光學系統後成像之位置以及大小等物像關係，這種定義上的焦平面及著重在物像關係討論的光學系統就稱為成像光學。本篇論文中，所使用設計理論的雖然也都是幾何光學中的運算公式，但由於我們要看的光經折射傳遞後分布情形，而不是注重在有沒有成像之類的物像關係，所以我們用的並非上面所講的成像光學，而是非成像光學。非成像光學的發展可追溯到 1960 年代，當時是為了偵測核子反應爐中的契忍可夫輻射(Cerenkov radiation)；由於契忍可夫輻射是一微弱的訊號並且以一定限度的角度放射，故需要一個非成像集中器(non-imaging concentrator)來集中能量和量測。非成像光學這種光學系統是 60 年代初由 Baranov Ploke 和 Winston 在獨立設計混合拋物線型收集器時發展的[18]。其非成像光學系統沒有光學元件所定義的焦平面,設計為產生最大的輻射能量聚集。這些光學元件通常被稱為集中器(聚集器),其可以產生高於任何傳統成像系統的光強度增益。Winston 提出：太陽輻射強度增益的理論極限對這樣一個聚集器大約為 140000 倍，實驗得到強度的增. 16.

(27) 加為 85000 倍，芝加哥大學的屋頂上產生了超過太陽表面的光強度。非成像光學系統很適合用來太陽光聚集,並已得到實際上的應用。所以在本篇論文中，所使用來設計運算的光學系統就是非成像光學，重點是其光線到達聚光鏡和最後接受面上的輻射強度之比值。. 2-5. 太陽能聚光鏡用詞介紹. 現將一些在設計太陽能聚光鏡時常會用到非成像光學和光譜方面之專有名詞介紹如下[19] [ 20]：太陽:一般在講太陽能聚光鏡匯聚太陽光的能力時，都是以在太陽能電池接受面上的輻射量來說的，而單位為太陽。一個太陽是指太陽光在經過太陽能聚光鏡後，在接受面的 1000W/m2 的功率匯集。幾何聚光倍率(Geometrical Concentration Ration, GCR):就是指最初接收太陽光的面積和最後太陽光所傳遞到的接受面面積之比。光學效率(Optical Efficiency, OE):在作光學設計模擬時，都是用理想的傳輸效率來設計模擬，但是實際上光在傳遞過程中，都會有效率的損失。扣除掉這些實際上光傳輸時所造成的損耗，剩下來的實際可獲得的效率稱為光學效率。實際聚光效率(Actual Concentration Ratio, ACR):實際的聚光效率則為幾何聚光倍率和光學效率之乘積，亦即 ACR=QCR×OE。空氣質量（Air Mass, AM）: 透過地球大氣層光的行徑與地球大氣層垂直高度相同的標準狀況叫做 AM1。而空氣質量可用來定義太陽光的光譜分佈情形。但事實上大氣層的透明度會受空氣混濁的影響而減小，此時空氣質量則定義為光入射路徑與地球大氣層垂直方向所夾之角的正弦值倒數(即 AM=1/cosθ)，一般我們都以 AM1.5 為主來設計。光之波譜:波長在 380nm(10 m)至 760nm 範圍者，可刺激光覺神經引起「光視. 17.

(28) 覺」，稱為「可見光」 (Visible spectrum)。當光源將其光束投照於物體時，其光通量 (Flux)，即均布於該物體表面，形成照度(Illumination)。光通量以「流明」 (Lumen)為單位，照度則以「勒克斯」(Lux)為單位。. 光通量:單位為流明 (lumen, lm)由一光源所發射並被人眼感知之所有輻射能稱之為光通量。光強度 : 單位坎德拉 (candela, cd)光源在某一方向立體角內之光通量大小。一般而言，光源會向不同方向以不同之強度放射出其光通量。在特定方向所放出之可見光輻射強度稱為光強度。光照度:單位：勒克斯 (Lux, lx)照度是光通量與被照面之比值。1 lux 之照度為 1 lumen 之光通量均勻分佈在面積為一平方米之區域。1 勒克斯等於 1 流明/米 2，1. 坎德拉就是 1 燭光，1 勒克斯就是 1 米燭光。. 18.

(29) 第三章太陽能聚光鏡片設計原理 3- 1. 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 操作流程圖操作流程圖 19.

(30) 操作流程圖如圖 3-2 所示，以下簡述之：. ASAP 操作流程圖. 前處理. 建立系統模型建立系統模型. 設定材料性質. 求解. 產生光源. 定義光學特性. 後處理. 輸出模擬結果. 觀察數據. 追跡光束. 圖 3-2 ASAP 操作流程圖 1. 建立系統模型. 對系統中的每一元件定義、確定幾何形狀及給定光學特性。2.定義材質和特性對系統中的元件進行材質定義，設定其折射率、穿透率的方向為何。 3.產生光源(光束). 定義及確定一組光源，可以精確的模擬發光光源的光學特性(空間、角度、能量的分佈及同調性)。這個步驟也是一個精確光學模型的重要部份，有時候並未獲得它該有的重視。然而，光源模型正是 ASAP 所擅長，提共了許多不同的工具來實現真實的光源。 4. 追跡光束. 讓光束通過光學系統。現在這個任務，由 ASAP 來完成。它只需要使用者一點點的注意即可。事實上，可在短時間內就可完成你的光線追跡任務。 5. 評估分析 20.

(31) 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 提供許多的工具將這些模擬結果處理、操作及圖的形象可見化。. 3-2 初始設計和模擬結果在本篇論文中,我們希望太陽光在經過聚光鏡之後,能夠完全的聚到太陽能電池接受面上,還能夠均勻的分佈在電池的接受面上,所以我們利用光線追跡法來做初步的運算,使光線的運行軌跡能如我們所願(如圖3-2所示) 所示,我們先將聚光鏡面均分為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。入射光. 第n環. (a). 一次折射光線進入透鏡時，因折射率變大而產生折射，折射光線第n環偏向法線切線法線法線切線. 21. 二次折射光線透鏡射出時，因折射率變小而產生折射，折射光線偏離法線.

(32) (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。尺寸大小厚度溝槽深度間距焦距. 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。. 22.

(33) (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。. 23.

(34) 表 3-1 厚度 0.3 模擬結果. 間距(mm). 間距(mm). 0.2. 0.3. 圈數. 250. 167. 焦距(mm). 100. 100. 強度(unit). 226352. 205968. 0.2. 0.3. 強度. 聚光圖. 光點大小. 24.

(35) 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 不同間距不同間距效應間距效應如下表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). 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. 2. 1.5. 強度. 聚光圖. 25. 0.5.

(36) 光點大小. 3-3-2 不同焦距效應不同焦距效應如下表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). 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. 2. 1.5. 強度. 26. 0.5.

(37) 聚光圖. 光點大小. 表3-4表焦距90模擬結果. 間距(mm). 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. 2. 1.5. 強度. 27. 0.5.

(38) 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) 28.

(39) (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。. 29.

(40) 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 光源入射角度分析光源入射角度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。. 30.

(41) 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. 31.

(42) 第四章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 4-1 製作流程製作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)。. 32.

(43) (a)CAD 建立. (b)ASAP 模擬. (f)加工刀具製作. (c)壓克力原料取得. (e)治具和加件結合. (g)加工程式設計及輸入. (h)工件加工. (d)加工治具製作. (i)成品取得及表面抛光. 圖 4-1 聚光鏡片的製作流程示意. 33.

(44) (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. 34.

(45) 圖 4-3 PMMA 加工前圖示. 圖 4-4 加工用治具圖. (a) 35.

(46) (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 聚光鏡量測聚光鏡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。. 36.

(47) 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. 37.

(48) 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 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。. 38.

(49) 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. 39. 位置 3.

(50) 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 聚光鏡光聚光鏡光強度量測強度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)。. 40.

(51) 操控測光頭及機器平台. 操控測光頭及機器平台電腦. LMT 機器操作平台. LMT 測光頭. 圖 4-7 配光機台示意圖. (a) 41.

(52) (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. 42.

(53) LMT 測光頭. 光源. (a). (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. 43.

(54) LMT 測光頭. 聚光鏡. 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. 44.

(55) 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. 45.

(56) 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). 集中的聚光點. 圖 4-13 聚光點光照圖. 4-3 聚光鏡片模組製造聚光鏡片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. 46.

(57) 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. 47.

(58) a.電腦草圖設計. f.外罩製作. b. 加工物料取得. e.底座和平台結合. 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) 48. c.鏡片平台製作. d.底座製作.

(59) (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 聚光鏡片模組量測聚光鏡片模組量測 49.

(60) 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流 0.21mA. 測得電壓 1.67V. 測得電流 0.36mA. 未有聚光鏡. 測得電壓 1.68V. 有聚光鏡. 第五章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。. 50.

(61) 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. 51.

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