臺灣博碩士論文加值系統

地球能源是我們不可缺少的重要物資，幾乎所有的工業發展及人類生活都是仰賴地球能源做為發展基礎，但地球能源在人類數百年來的耗損之下，我們賴以維生的資源已所剩無幾。在此能源與地球污染的雙重壓力之下，人們開始大量運用太陽能源，也使的太陽能技術由直接受光照快速發展到高轉換效率的聚光發電。本研究設計一線型菲涅爾聚光透鏡，將可接受較大入光角度誤差的拱型菲涅爾聚光透鏡，進行砷化鎵太陽能電池的聚光發電，研究包含聚光透鏡之光學模擬與實作、太陽能電池聚光發電效率量測，並從實驗中證明，提高輻射照度雖能增加太陽能電池轉換效率，但若無法有效控制太陽能電池的溫升，反而會讓太陽能電池的轉換效率下降。本論文希望透過此拱型菲涅爾聚光透鏡將提太陽光密度提高再與砷化鎵太陽能電池結合，能有效提高光電轉換效率並降低發電成本。

The energy resources of earth are major goods and materials to humanity, almost the develop of industry and human life is by the natural resources, but the energy resources of earth will be exhaust by the human being, under the multiple’s pressure, The solar energy was abundant application, because of that, the solar energy technology has a advance by leaps and bounds. The purpose of this thesis is to design a linear non-image Fresnel lens,use the Fresnel lens with larger incidence angles to proceed the solar concentrator to generate electric power of GaAs solar cell,in the research include the optical simulate & manufacture of arched Fresnel lens、efficiency measure of GaAs solar cell. We get a attestation in the experiment, if the illumination are ampilifide with the efficiency of solar cell augment too, but if the temperature of solar cell are raised, the efficiency of solar cell will go down. Through the combine of solar concentrator with GaAs solar cell, to heighten the efficiency of High concentration PV system and cost down.

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致謝
摘 要 1
Abstract 2
第一章 緒論 3
1.1 研究背景 3
1.2 文獻回顧 4
1.3 研究內容 6
1.4 論文架構 7
第二章 基本原理 8
2.1 太陽能源 8
2.2 太陽運行軌道 10
2.3 太陽電池基本原理 11
2.4 聚光光伏系統 14
2.4.1 反射式聚光光伏系統 15
2.4.2 折射式聚光光伏系統 16
2.5 斯涅爾定律 17
2.6 非成像光學 18
2.6.1 平面與拱型非成像聚光鏡片 20
2.6.2 稜鏡誤差角 24
2.6.3 稜鏡色散現象 26
2.6.4 稜鏡光路說明 29
2.6.5 稜鏡外反射率與內反射率 30
2.6.6 非成像菲涅洱透鏡 33
第三章 概念設計 34
3.1 線型非成像拱型菲涅洱透鏡設計 34
3.1.1 BK7 & PMMA比較(材料選定) 35
3.1.2 不同焦距2D聚光透鏡外型比較 36
第四章 模擬分析與討論 38
4.1 線型菲涅爾透鏡聚光模擬 38
4.1.1 焦距F120、F240、F360聚光透鏡 ASAP模擬 40
4.1.2 線型聚光透鏡入射光線誤差角模擬 77
4.2 模擬結果 110
4.2.1 一體成形聚光透鏡與多稜鏡組成聚光透鏡效率比較 110
4.2.2 不同焦距透鏡在同透鏡面積下之聚光強度比較 113
第五章 系統實作及驗證 115
5.1 系統實做 115
5.1.1 聚光透鏡 115
5.1.2 砷化鎵電池 118
5.1.3 光源 119
5.2 系統驗證 124
5.2.1 太陽能電池光電轉換效能監測系統 124
5.2.2 仿太陽光源設定 128
5.2.3 線型非成像菲涅爾透鏡 132
5.3 砷化鎵太陽能電池光電轉換效率量測 134
5.3.1 聚光下單顆電池之光電轉換效率 136
5.3.2 聚光下4顆電池串連之光電轉換效率 138
5.3.3 聚光下8顆電池串並連之光電轉換效率 140
5.4 輻射照度值固定下砷化鎵電池溫度改變對光電轉換效率的影響 143
5.4.1 電池溫度改變後之光電轉換效率量測 145
5.4.2 電池溫度對光電轉換效率的影響 148
第六章 結論 150
參考文獻 152











圖目錄
圖 2-1 太陽光譜圖 8
圖 2-2 地球運轉軌道圖 9
圖 2-3 固定式太陽能板裝置角度圖 10
圖 2-4 太陽能電池結構圖 11
圖 2-5 反射式太陽能電池光伏系統 14
圖 2-6 折射式太陽能電池光伏系統 15
圖 2-7 入射光與折射光 16
圖 2-8 全反射示意圖 17
圖 2-9 非成像聚光器示意圖 18
圖 2-10 F=100mm Rmax=100mm 稜鏡尺寸圖 19
圖 2-11 F=100mm Rmax=100mm 稜鏡立體圖 20
圖 2-12 F=100mm Rmax=100mm 3D稜鏡立體圖 20
圖 2-13 2D拱形稜鏡圖 21
圖 2-14 稜鏡聚焦幾何圖 23
圖 2-15 稜鏡光路誤差角示意圖 24
圖 2-16 光束折射示意圖 26
圖 2-17 光束偏向角幾何圖 27
圖 2-18 稜鏡色散示意圖 27
圖 2-19 稜鏡光路圖 28
圖 2-20 光線外反射率曲線圖 30
圖 2-21 光線內反射率曲線圖 31
圖 3-1 不同傾斜角之稜鏡入光面 33
圖 3-2 線形稜鏡平面示意圖 34
圖 3-3 波長300~2000 nm之間BK7與PMMA的折射率變化曲線 35
圖 3-4 不同焦距透鏡外型比較 36
圖4-1 太陽光譜圖形與ASAP光源光譜圖形比較 38
圖4-2 ASAP無聚光透鏡模擬狀況及吸收能量 39
圖4-3 組成聚光透鏡之不同幾何尺寸稜鏡比較 40
圖4-4 稜鏡面積計算 41
圖4-5 16片稜鏡組成焦距120mm聚光透鏡 ASAP模擬 42
圖4-6 18片稜鏡組成焦距120mm聚光透鏡 ASAP模擬 43
圖4-7 20片稜鏡組成焦距120mm聚光透鏡 ASAP模擬 44
圖4-8 24片稜鏡組成焦距120mm聚光透鏡 ASAP模擬 45
圖4-9 30片稜鏡組成焦距120mm聚光透鏡 ASAP模擬 46
圖4-10 34片稜鏡組成焦距120mm聚光透鏡 ASAP模擬 47
圖4-11 44片稜鏡組成焦距120mm聚光透鏡 ASAP模擬 48
圖4-12 58片稜鏡組成焦距120mm聚光透鏡 ASAP模擬 49
圖4-13 90片稜鏡組成焦距120mm聚光透鏡 ASAP模擬 50
圖4-14 178片稜鏡組成焦距120mm聚光透鏡 ASAP模擬 51
圖4-15 焦距120mm 1~10組聚光透鏡聚光能量與效率比較 52
圖4-16 16片稜鏡組成焦距240mm聚光透鏡 ASAP模擬 53
圖4-17 18片稜鏡組成焦距240mm聚光透鏡 ASAP模擬 54
圖4-18 20片稜鏡組成焦距240mm聚光透鏡 ASAP模擬 55
圖4-19 22片稜鏡組成焦距240mm聚光透鏡 ASAP模擬 56
圖4-20 28片稜鏡組成焦距240mm聚光透鏡 ASAP模擬 57
圖4-21 32片稜鏡組成焦距240mm聚光透鏡 ASAP模擬 58
圖4-22 38片稜鏡組成焦距240mm聚光透鏡 ASAP模擬 59
圖4-23 50片稜鏡組成焦距240mm聚光透鏡 ASAP模擬 60
圖4-24 74片稜鏡組成焦距240mm聚光透鏡 ASAP模擬 61
圖4-25 134片稜鏡組成焦距240mm聚光透鏡 ASAP模擬 62
圖4-26 焦距240mm 1~10組聚光透鏡聚光能量與效率比較 63
圖4-27 16片稜鏡組成焦距360mm聚光透鏡 ASAP模擬 64
圖4-28 16片稜鏡組成焦距360mm聚光透鏡 ASAP模擬 65
圖4-29 22片稜鏡組成焦距360mm聚光透鏡 ASAP模擬 66
圖4-30 24片稜鏡組成焦距360mm聚光透鏡 ASAP模擬 67
圖4-31 26片稜鏡組成焦距360mm聚光透鏡 ASAP模擬 68
圖4-32 30片稜鏡組成焦距360mm聚光透鏡 ASAP模擬 69
圖4-33 36片稜鏡組成焦距360mm聚光透鏡 ASAP模擬 70
圖4-34 46片稜鏡組成焦距360mm聚光透鏡 ASAP模擬 71
圖4-35 70片稜鏡組成焦距360mm聚光透鏡 ASAP模擬 72
圖4-36 130片稜鏡組成焦距360mm聚光透鏡 ASAP模擬 73
圖4-37 焦距360mm 1~10組聚光透鏡聚光能量與效率比較 74
圖4-38 焦距120、焦距240、焦距360鏡組之聚光效率比較 75
圖4-39 聚光透鏡入射光角度變化示意 76
圖4-40 光源角度南北向偏轉0度ASAP模擬 77
圖4-41 光源角度南北向偏轉0.5度ASAP模擬 78
圖4-42 光源角度南北向偏轉1度ASAP模擬 79
圖4-43 光源角度南北向偏轉1.5度ASAP模擬 80
圖4-44 光源角度南北向偏轉2度ASAP模擬 81
圖4-45 光源角度南北向偏轉2.5度ASAP模擬 82
圖4-46 光源角度南北向偏轉3度ASAP模擬 83
圖4-47 光源角度南北向偏轉3.5度ASAP模擬 84
圖4-48 光源角度南北向偏轉4度ASAP模擬 85
圖4-49 光源角度南北向偏轉4.5度ASAP模擬 86
圖4-50 光源角度南北向偏轉5度ASAP模擬 87
圖4-51 光源角度南北向偏轉5.5度ASAP模擬 88
圖4-52 光源角度南北向偏轉6度ASAP模擬 89
圖4-53 光源角度南北向偏轉6.5度ASAP模擬 90
圖4-54 光源角度南北向偏轉7度ASAP模擬 91
圖4-55 南北向光源角度與光線聚集關係圖 92
圖4-56 光源角度東西向偏轉2度ASAP模擬 93
圖4-57 光源角度東西向偏轉4度ASAP模擬 94
圖4-58 光源角度東西向偏轉6度ASAP模擬 95
圖4-59 光源角度東西向偏轉8度ASAP模擬 96
圖4-60 光源角度東西向偏轉10度ASAP模擬 97
圖4-61 光源角度東西向偏轉12度ASAP模擬 98
圖4-62 光源角度東西向偏轉14度ASAP模擬 99
圖4-63 光源角度東西向偏轉16度ASAP模擬 100
圖4-64 光源角度東西向偏轉18度ASAP模擬 101
圖4-65 光源角度東西向偏轉20度ASAP模擬 102
圖4-66 光源角度東西向偏轉22度ASAP模擬 103
圖4-67 光源角度東西向偏轉24度ASAP模擬 104
圖4-68 光源角度東西向偏轉26度ASAP模擬 105
圖4-69 光源角度東西向偏轉28度ASAP模擬 106
圖4-70 光源角度東西向偏轉30度ASAP模擬 107
圖4-71 東西向光源角度與光線聚集關係圖 108
圖4-72 有間隙與無間隙透鏡 109
圖4-73 聚光效率比較曲線 110
圖4-74 兩組透鏡聚光效率差異原因 111
圖4-75 稜鏡面積比較 112
圖 5-1 聚光透鏡及砷化鎵電池示意圖 114
圖 5-2 2D聚光透鏡 115
圖 5-3 2D透鏡聚光情況 116
圖 5-4 禧通科技砷化鎵太陽能電池Chip 117
圖 5-5 砷化鎵太陽能電池組示意圖 118
圖 5-6 氙氣燈光譜圖 119
圖 5-7 平行光源示意圖 120
圖 5-8 1000W人造太陽光 121
圖 5-9 氙氣燈及拋物面玻璃反射罩 122
圖 5-10 仿太陽光源之控制電氣箱 122
圖 5-11 太陽能電池監測系統 123
圖 5-12 日射計 124
圖 5-13 以冰塊做Sensor低溫驗證 125
圖 5-14 Sensor溫度下降變化曲線 125
圖 5-15 以沸水做Sensor低溫驗證 126
圖 5-16 Sensor溫度上升變化曲線 127
圖 5-17 六月初中午日照值量測曲線 127
圖 5-18 日射計量測870W/m2及1000W/m2之人造光源能量曲線 128
圖 5-19 仿太陽光源光形陰影 128
圖 5-20 人造光源7點平均照度量測點(直徑30cm) 129
圖 5-21 7點平均照度值870W/m2之量測曲線 130
圖 5-22 7點平均照度值1000W/m2之量測曲線 130
圖 5-23 鏡組編號 131
圖 5-24 個別量測鏡片之遮光示意圖 131
圖 5-25 個別鏡片聚光能量曲線圖 132
圖 5-26 電池效率量測架構示意圖 133
圖 5-27 砷化鎵電池聚光發電模組 134
圖 5-28 單顆砷化鎵電池採低照度值量測數據 135
圖 5-29 單顆砷化鎵電池採高照度值量測數據 136
圖 5-30 4顆砷化鎵電池串聯採低照度值量測數據 137
圖 5-31 4顆砷化鎵電池串聯採高照度值量測數據 138
圖 5-32 8顆砷化鎵電池串並聯採低照度值量測數據 139
圖 5-33 8顆砷化鎵電池串並聯採高照度值量測數據 140
圖 5-34 電池溫度與轉換效率曲線 141
圖 5-35 實驗架構 142
圖 5-36 以電子式加溫器改變電池溫度 143
圖 5-37 照度值3835.3647W/m2之轉換效率數據 144
圖 5-38 照度值3835.3647W/m2電池溫度81.62℃之轉換效率數據 145
圖 5-39 照度值3835.3647W/m2電池溫度86.29℃之轉換效率數據 146
圖 5-40 照度值3835.3647W/m2電池溫度90.95℃之轉換效率數據 146
圖 5-41 照度值3835.3647W/m2電池溫度97.32℃之轉換效率數據 147
圖 5-42 電池溫度與光電轉換效率關係曲線 148








表目錄
表2-1 各類太陽能電池轉換效率發展狀況 12
表4-1 焦距120mm 1~10組聚光透鏡聚光能量與聚光效率統計 52
表4-2 焦距240mm 1~10組聚光透鏡聚光能量與聚光效率統計 63
表4-3 焦距360mm 1~10組聚光透鏡聚光能量與聚光效率統計 74
表4-4 聚光效率數據 110
表4-5 相同受光面積之聚光能量數據 113
表5-1 人造光源7點量測值及平均照度值 130
表5-2 各鏡片的聚光照度值及鏡組聚光照度疊加值(W/m2) 132
表5-3 電池溫度及轉換效率 141
表5-4 照度值3835.3647W/m2之電池溫度與轉換效率 147

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