用於III-V族太陽能電池之高效率且均勻化聚光鏡之研究

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姓名

葉上平(Shang-Ping Yeh) 查詢紙本館藏

畢業系所

光電科學與工程學系

論文名稱

用於III-V族太陽能電池之高效率且均勻化聚光鏡之研究
(The study of a high efficiency and uniformity solar concentrator for III-V solar cells)

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摘要(中)

利用聚光鏡來將大面積的太陽光，匯聚到小面積的太陽能電池接受面上，是現今對III-V族太陽能電池由於成本昂貴，故製作大面積不易的解決方法。然而由於現今市面上的聚光鏡，大多只著重於能高效率的匯聚太陽光，但卻忽略了太陽光在匯聚到太陽能電池上後，能量分布不均的現象，而其可能會導致某處光電轉換效果不彰，抑或是會有過熱的現象。
故在本篇論文中，我們對於現行的III-V族太陽能電池的聚光鏡，作了一系列對於低倍率和高倍率皆能有高傳輸效率和能量均勻化分布之聚光鏡設計，並對其可行性作量測實驗與探討。
我們將聚光鏡設計為一折射型的Fresnel lens，因折射式的聚光鏡能比反射式的對角度和色散有更高的容忍度。在此一Fresnel lens上有各種不同角度的稜鏡，用來將太陽光折射到電池上不同的位置，以達到均勻化分布的效果。在100倍聚光的情形下，光學上的理想傳輸效率可以達到99%以上。而在電池接收面上，也可達到均勻化分布之效果。此外在入射光角度達到2°時，其光學傳輸效率也還有62.4%。而在高倍率400倍時，理想的光學傳輸效率同也能達到99%以上。
在量測部分，我們利用雷射和探照燈對委外製作出的聚光鏡分別作單點對稱和廣域均勻度量測。在低倍率時可由量測結果看出設計結果之可行性，有達到高效率和均勻化分布的效果。但在高倍率時，可看出由於倍率增高的關係其對角度容忍度不大，所以在最後我們設計了第二個光學元件，能夠有效的提升其對2°角的效率。

摘要(英)

A high-efficiency and uniformity 100X solar concentrator is designed, fabricated and measured in this paper. This concentrator is adopted as refractive type of the Fresnel lens due to the larger angular tolerance than reflective type. This Fresnel lens is composed of several small micro prisms with pitch of 180 μm. Each micro prism has its own prism angle which can deflect the sun light to the corresponding place on the solar cell, resulting very high uniformity and high transmission efficiency more than 99 %. The diamond turning method is employed in the fabrication of this proposed concentrator with overall diameter of 10 cm. The corresponding measurement results show high uniformity and coincidence of the designed structure. In the final, we proposed a second optics for enlarging the angular tolerance to 2°.

關鍵字(中)

★ 聚光鏡
★ 太陽能
★ III-V族

關鍵字(英)

★ solar cell
★ concentrator
★ uniformnity

論文目次

中文摘要 II
Abstract IV
致謝 V
目錄 VI
圖目錄 VIII
表目錄 X
第一章 1
緒論 1
1.0 前言 1
1.1 太陽能電池與聚光鏡之介紹 3
1.2 研究動機 7
第二章 8
相關理論介紹 8
2.1光線追跡法(Ray Tracing) 8
2.2非成像光學(Nonimaging Optics) 12
2.3太陽能聚光鏡用詞介紹 13
第三章 15
100X太陽能聚光鏡之設計與模擬 15
3.1初階設計流程與模擬結果 15
3.2 設定目標規格與模擬結果 18
3.3 公差分析 20
第四章 21
太陽能聚光鏡製作與量測結果 21
4.1製作成果 21
4.2 雷射單點製作均勻度量測 22
4.3光強分布均勻度量測 24
4.4 公差分析 25
第五章 27
高倍率太陽能電池聚光鏡之設計與模擬 27
5.1 400X太陽能電池聚光鏡之初步設計 27
5.2 400X太陽能電池聚光鏡之模擬與量測結果 29
5.3 聚光鏡對寬頻光源之色散分析 33
5.4 增加接受角效率之二次光學元件設計 35
第六章 40
結論與未來展望 40
參考文獻 42

參考文獻

[1]莊嘉琛編譯, “太陽能工程-太陽電池篇”
[2] R. Leutz, A. Suzuki, A. Akisawa, T. Kashiwagi, “Design of a Nonimaging Fresnel Lens for Solar Concen-trators,” Solar Energy, 65, 6, 379-388 (1999).
[3] R. Leutz, A. Suzuki, A. Akisawa, T. Kashiwagi, “Shaped nonimaging Fresnel lenses,” Journal of Optics A: Pure and Applied Optics 2, pp.112-116 (2000)
[4] Terao, A. Mulligan, W.P. Daroczi, S.G. Pujol, O.C. Verlinden, P.J. Swanson, R.M. Minano, J.C. Benitz, P. Alvarez, J.L., “A mirror-less design for micro-concentrator modules,” Photovoltaic Specialists Conference, pp. 1416-1419 (2000)
[5] Frank L. Pedrotti, Leno S. Pedrotti, “Introduction to Optics, “ (Prentice-Hall, 1987)
[6] W. T. Welford, R. Winston, “High Collection Nonimaging Optics,” Academic Press (1989)
[7] R. Winston, Juan C. Minano, Pablo G. Benitez, “Nonimaging Optics,” Academic Press (2004)
[8] Ralf Leutz, A. Suzuki, “Nonimaging Fresnel Lenses: Design and Performance of Solar Concentrators,” Springer (2006)

指導教授

張正陽(Jenq-Yang Chang)

審核日期

2007-7-23

推文