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研究生:游典翔
研究生(外文):You, Dian-Siang
論文名稱:具有環狀微結構之平面式日光集光器
論文名稱(外文):Planar solar concentrator with circular microstructures
指導教授:鄧敦建
指導教授(外文):Teng, Tun-Chien
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺灣師範大學
系所名稱:機電工程學系
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2017
畢業學年度:106
語文別:中文
論文頁數:83
中文關鍵詞:太陽能集光器
外文關鍵詞:Solar concentrator
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本論文設計的環狀微結構平面式太陽能集光器,利用具有拋物線截面輪廓的環狀微結構作為集光結構,能夠利用內部全反射將入射太陽光匯聚並且耦合到下方的導光板,再由下方導光板將光線導引到導光板中心處匯集,得到更高的照度集中度,本論文提出兩種架構,一種模型是效率可達八成以上,但容忍角達正負兩度,一種是能讓容忍角到達12度,效率四成以上,再搭配上本論文百葉設計,能夠讓容忍角提升到60度。
This study is to design a Planar solar concentrator with circular microstructures. We utilized a parabolic structure, which can concentrate the incident onto a light guide plate(LGP) by total internal reflection (TIR), get a higher of illumination concentration. There are two architectures, one is keep 80% but tolerance ± 2 °, another is keep 40% but tolerance + 12°, with blinds design can achieve + 60°.
摘要 I
Abstract II
致謝 III
目錄 IV
圖目錄 VIII
表目錄 XIII

第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 太陽能應用 1
1.2.1 日光室內照明 1
1.2.2光電轉換 2
1.3 集光器(concentrator) 2
1.3.1 碟型集光器(Dish-based concentrator) 3
1.3.2 平板式集光器(Planar concentrator) 4
1.4 追跡系統(tracker) 4
1.5 研究動機與目的 6
1.6 論文架構 7

第二章 基本理論與文獻回顧 8
2.1 折射定律 (Snell’s law) 8
2.2 反射定律 8
2.3 圓錐曲線光學性質 9
2.3.1 圓錐曲線反射特性 9
2.3.2 圓錐曲線折射特性 11
2.4 光度學簡介 12
2.4.1 光通量( Luminance Flux ) 12
2.4.2 照度(Illuminance ) 12
2.4.3 發光強度 ( Luminous Intensity ) 13
2.4.4 輝度 ( Luminance ) 14
2.5 介面表面特性 15
2.5.1 透射 ( Transmission ) 15
2.5.2 反射 ( Reflection ) 15
2.5.3 吸收 (Absorption) 15
2.6 光效率 16
2.7 集中度 16
2.8 集光比率 16
2.9 透鏡式平板集光器 17
2.10 粒子式平板集光器 20
2.11 碟式集光器 21
2.12 拋物面微結構平面集光器 22
2.13 環狀稜形陣列集光器 23
2.14 模擬軟體LightTools 簡介 24
2.14.1 參數靈敏度分析(Parameter Sensitivity Utility) 24

第三章 設計原理與模型架構 25
3.1 初步構想 25
3.2 太陽之仰角與方位角 25
3.3 環狀微結構聚光元件設計(Case A) 26
3.3.1 環狀微結構聚光元件布林差集 27
3.3.2 導光板建模 29
3.3.3 環狀微結構陣列 31
3.4 環狀微結構聚光元件設計(Case B) 32
3.4.1 導光板之建模 33
3.4.2 環狀微結構陣列 34
3.5 追跡系統設置 35
3.6 百葉模型設計 36
3.7 光源設計 41
3.7.1 太陽光譜AM 1.5 41

第四章 模擬結果與討論 42
4.1 性能參數 42
4.1.1 光效率 42
4.1.2 集中度 42
4.1.3 集光比率 42
4.1.4 計算集光比率的範圍 43
4.1.5 模擬接收面範圍 43
4.2 集光效率模擬 44
4.2.1 開口及板厚影響(Case A) 44
4.2.2 堆疊完之效率及集光比率(Case A) 49
4.2.3 堆疊完分層之效率及集光比率(Case A) 54
4.2.4 集光效率及集光比率(Case B) 59
4.2.5 百葉系統之集光效率 68
4.2.5.1 加百葉系統之集光效率及集光比率(Case B) 69
4.2.5.2 太陽方位角追跡誤差對系統集光效率影響 73
4.3 光源光譜對效率的影響(Case A及Case B) 76
4.4 導光板材質對效率的影響(Case A及Case B) 77
4.5 PV Cell設計 79

第五章 結論與未來展望 81
5.1 結論 81
5.2 未來展望 81

參考文獻 82
[1] http://uonlineblog.blogspot.com/2012/10/blog-post_5316.html

[2] http://archive.eettaiwan.com/www.eettaiwan.com/

[3] S. C. Chu*, H. Y. Wu, and H. H. Lin “Planar lightguide solar concentrator” SPIE 8438, 843810-1- 843810-17 (2012).

[4] F. Duerr, P. Ben´ıtez, J. C. Mi˜ nano, Y. Meuret, and H. Thienpont “spie newsroom Compact high-efficiency sunlight harvesting” SPIE Newsroom, (2012).

[5] J. H. Karp, E. J. T. and J. E. Ford “ Radial Coupling Method for Orthogonal Concentration within Planar Micro-Optic Solar Collectors” OSA / SOLAR, (2010).

[6] W. C. Shieh*, and G. D. Su “Compact Solar Concentrator Designed by Minilens and Slab waveguide” Proc. of SPIE 8108, 81080H-1- 81080H-9, (2011).

[7] V. Zagolla and C. Moser “Trackfree Planar Solar Concentrator System” Proc. of SPIE 8256, 825618-1- 825618-6 (2012).

[8] B. M. Coughenour, T. Stalcup, B. Wheelwright, A. Geary, K. Hammer, and R. Angel” Dish-based high concentration PV system with Köhler optics” OSA , 22(S2), A211-A224 (2014).

[9] T. C. Teng* and W. C. Lai.”Planar solar concentrator featuring alignment-free total-internal-reflection collectors and an innovative compound tracker” Optics Express, 22(S7), A1818-A1834 (2014).

[10] J. H. Huang, W. C. Fei, W. C. Hsu, J. C. Tsai* ”Solar concentrator constructed with a circular prism array” APPLIED OPTIC 49 (23) (2010).

[11] M. C. Tsai,* Allen Jong-Woei Whang, and T. X. Lee ”Design of a high-efficiency collection structure for daylight illumination applications” APPLIED OPTICS, 52(36), 8789-8794 (2013).

[12] J. M. Hallas, J. H. Karp, E. J. Tremblay, K. A. Baker and J. E. Ford “Novel tracking of a planar micro-optic solar concentrator” C3P Presentation (2010).
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