臺灣博碩士論文加值系統

過去聚光型太陽能電池的光學菲涅爾透鏡是使用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚碳酸酯(Polycarbonate)等材料為主製作而成，但是耐熱性和耐候性受到限制，影嚮發電效率和使用壽命，所以必需找尋適合的材料代替。矽膠(Silicone Gel)材料憑藉耐UV，耐高溫、耐環境等特性，能夠長時間的在嚴苛的環境下使用。
本論文利用光學設計軟體CODE V設計光學非球面菲涅爾透鏡(Fresnel Lens)，利用非成像光學模擬軟體LightTools進行光線追跡和光能量分析。光學軟體有優化功能，可以進行最佳化光學非球面菲涅爾透鏡設計，透過光學系統的研究分析和模擬評估，可以降低設計誤差及失敗風險，並可以與實驗結果進行驗證。利用押出成形的方式將玻璃(Glass)和矽膠結合在一起，並對此種複合(Hybrid)的光學菲涅爾透鏡進行研究開發。在實驗當中發現以白板玻璃為基板製成的和矽膠菲涅爾透鏡在紅外光的波長範圍有92%的平均穿透率，而PC材質的平均穿透率只有76%。矽膠菲涅爾透鏡的使用壽命也比一般的塑膠材質高出很多，所以矽膠材料使用在聚光型太陽能集光器上勢必成為未來之最佳選擇。

In the past, the solar cells with optical concentrator always made use of Fresnel lens with polymethyl methacrylate(PMMA) or polycarbonate, but the heat resistance and climax resistance properties are so limited, normally resulting in lower power generation efficiency and shorter lifespan. So finding suitable materials instead is a must. Silicone Gel, with resistance capabilities to UV and high temperature, can be situated in harsh environments for a long time.
By using software, CODE V, in optical design of non-spherical Fresnel lens and non-imaging optics simulation software LightTools for ray tracing and analysis of light energy are the focus of this thesis. We can optimize the design of the aspherical Fresnel lens using the preceding software, and the design errors and failures can be reduced/prevented by analysis, simulation, and finally verification through experiment. Extrusion forming fuses glass and silicone gel together, and makes use of this compound Fresnel lens for optical research and development. Whiteboard in the experiment were found to be made of glass substrate and the silicone Fresnel lens in the infrared wavelength range; the average of transmittance is 92%, while the PC material is only 76%. The lifetime of silicone Fresnel lens is longer than that of plastic material, so silicone materials used in solar concentrator is undoubtedly the best choice.

目錄
中文摘要...................................................i
Abstract..................................................ii
誌謝.....................................................iii
目錄......................................................iv
表目錄....................................................vi
圖目錄...................................................vii
第一章 緒 論...............................................1
1.1 前言...................................................1
1.2 文獻回顧...............................................1
1.3 研究動機與目的.........................................4
1.4 論文架構...............................................7
第二章 原理................................................8
2.1 光電效應與太陽電池.....................................8
2.2 菲涅爾透鏡(Fresnel Lens)..............................10
2.2.1非球面的定義公式.....................................12
2.3 砷化鎵(GaAs)太陽能晶片................................16
2.4 聚光型太陽能電池......................................18
第三章 研究方法...........................................25
3.1 材料的選用............................................26
3.2 光學設計..............................................33
3.3 光線追跡..............................................36
3.4 模具設計..............................................41
3.5 模仁加工方法..........................................43
3.6 押出成形方法..........................................51
3.7 輪廓檢測..............................................57
3.8 光學效率測試..........................................59
3.9 發電效率測試..........................................60
3.10 信賴性測試...........................................63
3.10.1 熱循環試驗(Thermal Cycling Test)...................63
3.10.2 濕冷試驗(Humidity Freeze Test).....................63
第四章 實驗結果...........................................68
4.1 光學設計結果比較......................................68
4.2 押出成型結果分析......................................72
4.3 表面輪廓與發電效率分析................................73
4.4 光學效率測試結果與分析................................76
第五章 結論...............................................81
5.1 結論..................................................81
5.2 開發瓶頸..............................................82
參考文獻..................................................84
Extended Abstract
簡歷

表目錄
表1-1 一般光學鏡片材料特性比較表...........................5
表2-1 不同發電型式的能量轉換效率比較......................22
表2-2 III-V族太陽能電池發展過程...........................23
表3-1 製作菲涅爾透鏡所使用的各項設備......................26
表3-2 高性能光學塑膠材料物性表............................28
表3-3 矽膠材料與常用的光學鏡片材料物性比較................30
表3-4 不同型式太陽能聚光鏡片設計結果......................36
表3-5 熱循環試驗信賴性測試報告............................65
表3-6 濕冷試驗信賴性測試報告..............................67
表4-1 各種不同型式的光學透鏡設計結果比較表................69
表4-2 押出壓力對發電效率的影響............................72
表4-3 各種改善對策的分析值和實際效率比較..................76
表4-4 PC 材質的菲涅爾透鏡的平均穿透率(%).................77
表4-5 青板玻璃為基材的菲涅爾透鏡的平均穿透率(%)...........78
表4-6 白板玻璃為基材的菲涅爾透鏡平均穿透率(%).............79
表4-7 三種不同基材的菲涅爾透鏡加權計算後透過率比較值......80
表5-1 不同種類的菲涅爾透鏡發電效率比較表..................82

圖目錄
圖 1-1 PC材質與複合式菲涅爾透鏡使用成本比較...............6
圖 2-1 菲涅爾透鏡.........................................11
圖 2-2 菲涅爾透鏡示意圖...................................11
圖 2-3 二次圓錐曲線.......................................14
圖 2-4 球面像差...........................................15
圖 2-5 軸向色差...........................................15
圖 2-6 單層與三接面GaAs太陽能電池結構.....................17
圖 2-7 多接面聚光型太陽電池晶片...........................18
圖 2-8 聚光型太陽能電池示意圖.............................19
圖 2-9 台灣核能研究所在路竹所設置的聚光型太陽能電池.......19
圖 2-10 太陽能材料對光譜的吸收能力表......................20
圖 2-11 矽(Si)與砷化鎵(GaAs)對溫度的發電效率比較..........21
圖 3-1 菲涅爾透鏡開發流程圖...............................25
圖 3-2 塑膠材料的基本化學架構.............................29
圖 3-3 矽膠材料的基本化學架構.............................30
圖 3-4 將矽膠材料加熱放置不同時間的穿透率測試結果.........31
圖 3-5 將環氧樹脂加熱放置不同時間的穿透率測試結果.........31
圖 3-6 不同時間的UV照射矽膠材料穿透率變化量...............32
圖 3-7 不同時間的UV照射環氧樹脂穿透率變化量...............33
圖 3-8 使用CODE V光學設計軟體進行光學設計.................34
圖 3-9 菲涅爾透鏡圖形及光路圖.............................35
圖 3-10 LightTools光線追跡...............................37
圖 3-11 菲涅爾透鏡照度分析結果............................38
圖 3-12 菲涅爾透鏡的照度分析結果..........................38
圖 3-13 球面方鏡以陣列方式排列進行光線追跡................39
圖 3-14 球面透鏡的輻射度及光照度分析圖....................40
圖 3-15 菲涅爾透鏡以陣列方式排列進行光線追跡..............40
圖 3-16 菲涅爾透鏡的輻射度及光照度分析圖..................41
圖 3-17 菲涅爾鏡片押出模模具圖............................42
圖 3-18 菲涅爾模仁圖......................................42
圖 3-19 日本東芝機械公司所生產的非球面加工機..............43
圖 3-20 非球面加工機進行模仁鏡面車削......................44
圖 3-21 車刀規格設定刀：半R刀.............................46
圖 3-22 車刀規格設定刀：R刀...............................47
圖 3-23 等距型式菲涅爾加工設定............................48
圖 3-24 等高型式菲涅爾加工設定............................49
圖 3-25 超精密加工機非球面係數設定........................50
圖 3-26 菲涅爾模仁進行車削的狀況..........................50
圖 3-27 加工完成的菲涅爾模仁..............................51
圖 3-28 科基企業有限司所生產的模溫機......................52
圖 3-29 科基企業有限司所生產的模溫機......................54
圖 3-30 將矽膠注入可動側模仁的中心位置....................54
圖 3-31 合模時矽膠在模腔內均勻流動........................55
圖 3-32 合模後再進行上壓讓押出成形有更好的轉寫性..........55
圖 3-33 開模將完成的菲涅爾透鏡頂出........................56
圖 3-34 矽膠菲涅爾透鏡實物照片............................57
圖 3-35 Taylor Hobson表面輪廓儀..........................58
圖 3-36 菲涅爾透鏡表面輪廓量測結果........................59
圖 3-37 島津製作所所生產的UV-3600分光光度計...............60
圖 3-38 發電效率檢測治具設計圖............................62
圖 3-39 發電效率檢測治具實物照片..........................62
圖 3-40 熱循環試驗(Thermal Cycling Test)條件..............64
圖 3-41 熱循環試驗(Thermal Cycling Test)設備..............64
圖 3-42 濕冷試驗(Humidity Freeze Test)條件................65
圖 3-43 濕冷試驗(Humidity Freeze Test)設備................66
圖 4-1 球面雙凸透鏡設計結果...............................70
圖 4-2 非球面雙凸透鏡設計結果.............................70
圖 4-3 非球面半凸透鏡設計結果.............................71
圖 4-4 菲涅爾透鏡設計結果.................................71
圖 4-5 複合式矽膠菲涅爾透鏡與標準輪廓面形比較.............73
圖 4-6 表面輪廓量測結果分析圖表說明.......................74
圖 4-7 A版原條件效率分析值為50.6%........................75
圖 4-8 B版車刀R值變更效率分析值為57.04%..................75
圖 4-9 C版模仁拔模角變更效率分析值為60.14%...............75
圖 4-10 D版模仁非球面係數變更效率分析值為70.45%..........75
圖 4-11 PC 材質的菲涅爾透鏡穿透率測試....................77
圖 4-12 青板玻璃為基材的菲涅爾透鏡穿透率測試..............78
圖 4-13 白板玻璃為基材的菲涅爾透鏡穿透率測試..............79
圖 4-14 三種不同基材的菲涅爾透鏡穿透率比較................80

[1] 駱志龍“FRESNEL透鏡設計與應用”，中央大學光電科學研究所，碩士論文，民國90年。
[2] 黃偉智“太陽能集光器中Fresnel透鏡設計之研究”，元智大學 光電所，碩士論文，民國94年。
[3] 葉上平“用於III-V族太陽能電池之高效率且均勻化聚光鏡之研究”中央大學光電科學研究所，碩士論文，民國96年。
[4] 陳依伸“太陽能聚焦用菲尼爾透鏡表面結構設計”成功大學航空太空工程研究所，碩士論文，民國98年。
[5] 胡家瑜“菲涅爾太陽能集光器之設計與分析”國立交通大學光電工程系所，碩士論文，民國95年9月。
[6] 廖建榮“適用於大範圍波段之太陽能菲涅爾元件設計”國立交通大學機械工程系所，碩士論文，民國98年。
[7] 蔡進譯“超高效率太陽電池-從愛因斯坦的光電效應談起”物理雙月刊廿七卷五期，pp.22~25，2005年10月。
[8] 顧鴻濤“太陽能電池元件導論”全威圖書有限公司，pp.28~42，民國97年6月。
[9] R.Leutz,A. Suzuki,“Nonimaging Fresnel Lenses:Design and Performance of Solar Concentrators”,Springer Verlag Heidelberg,2001.
[10] 鄧高生、王俊欽“非球面模造鏡片製造技術”光學工程第49 卷，pp.35~39，民國84年3月。
[11] 潘君驊“光學非球面的設計、加工與檢驗”科學出版社（中國大陸），1994年。
[12] 柯仕盈“大口徑非球面塑膠光學鏡片成型技術之研究”國立虎尾科技大學光電與材料科技研究所，碩士論文，民國96年。
[13] 耿繼業，何建娃“幾何光學”全華科技圖書股份有限公司，pp.267~289，2006年10月。
[14] 袁旭滄“光學設計”北京理工大學出版社（中國大陸），pp.255~261，1988年。
[15] 傅義耕“III-V多接面太陽能電池之特性研究”中原大學電子工程學系，碩士論文，民國95年。
[16] http://www.myblog.yahoo.com/jw!AP9wGuGRExx3Vx0bNh.
[17] Silicone Material for LED,Monentive Performance Materials Inc.
[18] F.L.Pedrotti,L.S.Pedrotti“Introduction to Optics”3th edition,Addison-Wesley,2006
[19] 王晴年“CODE V and LightTools 介紹”鈦思科技。
[20] 張煌昌“以非結晶性塑膠熱壓成型法製作微凸球面結構之研究”中央大學機械工程研究所，碩士論文，民國96年。
[21] 非球面加工機，日本東芝機械公司。
[22] Taylor Hobson表面輪廓儀，中美科學股份有限公司。
[23] 分光光度計，株式會社島島津製作所。
[24] 黃振隆“太陽光電模組封裝技術與檢測驗證”工業研究院，民國84年。