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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:陳仕軒
研究生(外文):CHEN,SHR-HSUAN
論文名稱:應用於自然光照明系統 之高效率耦合器
論文名稱(外文):High-efficiency optical couplers for Natural Light Illumination System
指導教授:黃忠偉黃忠偉引用關係
指導教授(外文):Jong-Woei Whang
口試委員:黃忠偉林瑞珠阮聖彰葉世川
口試日期:2018-07-27
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺灣科技大學
系所名稱:電子工程系
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2018
畢業學年度:106
語文別:中文
論文頁數:55
中文關鍵詞:自然光照明系統光學耦合器日光照明拋物面
外文關鍵詞:Natural Light Illumination SystemOptical couplerdaylighting illuminationParaboloid
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由於近年來全球暖化現象日益嚴重,為了人類未來的永續發展,除了目前能源減少浪費外,更需要尋找新的能源已減少對環境的汙染,而太陽能正是其中之一的可再生能源,目前有許多人都加入對太陽光的開發,其中有研究將自然光引入室內進行做為照明並提出自然光照明系統之設計,其有利於減少人造照明的使用和照明舒適性的要求,自然光照明系統藉由集光、傳光、放光子系統組合而成,集光子系統將收集的太陽光藉由傳光子系統傳遞至室內的放光子系統用於綠色照明,其過程中不需額外的能量轉換,能有效降低室內的用電量。
在傳統自然光系統中,其藉由光纖將光磚模組出口光線進行傳輸,然而一光磚模組擁有四個出光口,其需八根光纖才能進行耦合,其架設上難以將大量的光纖引導至同處,且易造成光纖彎折導致效率下降,本研究為自然導光系統(NLIS)提出一種新的光學耦合器設計,它採用全反射定理與雙拋物面共焦將光線二次壓縮,並針對出光口進行合併,藉由此概念減少光纖的使用,間接提升整體效率,而本研究的模擬結果顯示在理想光源的情況下串接五個耦合器時,仍達到65%的效率,且新式耦合器有效提升容忍角,在經過自然光系統目前2度發散角的準直器光源時比舊式耦合器效率高27%,相比舊式耦合器效率有顯卓的提升。
Due to the increasing global warming phenomenon in recent years, We need to reduce energy waste at present and find new energy sources to reduce the pollution to the environment for the sustainable development of mankind in the future, and solar energy is one of renewable energy. Many scholars have joined the development of sunlight. Among them, research has introduced natural light into the interior as a lighting and proposed the design of a Natural Light Illumination System(NLIS), which is beneficial to reduce the use of artificial lighting and lighting comfort requirements. The NLIS is composed of a light collecting, light transmitting, and light emitting subsystem. The collecting light system transmits the collected sunlight to the indoor light emitting subsystem through the light transmitting subsystem for green lighting. The system does not require additional energy conversion. It can effectively reduce the electricity consumption in the room.
In the traditional Natural Light Illumination System, the light brick module light is transmitted by the optical fiber. However, the light brick module has four light exit ports, which require eight fibers to be coupled, and it is difficult to guide a large number of fibers to the erection. At the same time, it is easy to bend the fiber, which will cause the efficiency to drop. This study proposes an optical coupler that would improves the couple efficiency of the daylight collecting module in the Natural Light Illumination System. It uses the law of total reflection and double paraboloid confocal to compress the light twice and combine it for the light exit. We use this concept to reduce the use of fiber and indirectly improve the overall efficiency. Our simulation results show that the multi-stage series connection still has 66% efficiency at the 5th stage, and the new coupler effectively raises the tolerance angle. The coupler which used Natural Light Illumination System light source maintain 76%, it is 27% more efficient than the old coupler, and has an outstanding efficiency compared to the old coupler.
目次
中文摘要 i
ABSTRACT ii
目次 iv
圖次 vi
表次 viii
第一章 緒論 1
1.1 研究背景 1
1.2 研究動機與目的 2
1.3 論文架構 2
第二章 光學基礎理論 3
2.1 幾何光學基本定律 3
2.1.1 光的直線傳播 3
2.1.2 折射定律 4
2.1.3 反射定律 5
2.1.4 全反射定律 6
2.1.5 光展量定理 6
2.2 光度學單位簡介 7
2.2.1 光通量 ( Luminous Flux, Φ ) 8
2.2.2 光強度 ( Luminous Intensity, I ) 9
2.2.3 照度 ( Illuminance, E ) 10
2.2.4 照度均勻度 ( Uniformity, U ) 12
2.2.5 輝度 ( Luminance, L ) 12
第三章 自然光照明系統介紹 14
3.1 常見日照系統 14
3.1.1 主動式日照系統 14
3.1.2 被動式日照系統 15
3.2 自然光照明系統 16
3.2.1 前集光系統 17
3.2.2 集光子系統 18
3.2.3 傳光子系統 20
3.2.4 放光子系統 22
第四章 耦合器模組設計 23
4.1 自然光照系統耦合探討 23
4.2 解決方法 24
4.3 舊式耦合器問題探討 25
4.4 耦合器設計流程 26
4.4.1拋物面設計理論 27
4.4.2耦合器-收光結構 28
4.4.3 耦合器-整合結構 30
4.4.4 耦合器-傳輸通道 31
4.5 耦合器模型 33
第五章 模擬結果分析與討論 34
5.1 在理想光源情況下新舊耦合器效率分析 36
5.2 在NLIS光源新舊耦合器效率及其容忍角 39
5.4光纖減少數量分析 42
第六章 結論與未來展望 43
6.1 結論 .........................................................43
6.2 未來展望 43
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