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系統識別號 U0002-0308201214121200
中文論文名稱 玻璃Fresnel透鏡之設計及製作
英文論文名稱 Design and Fabrication of Glass Fresnel Lens
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 機械與機電工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Mechanical and Electro-Mechanical Engineering
學年度 100
學期 2
出版年 101
研究生中文姓名 鄭凱文
研究生英文姓名 Kai-Wen Cheng
學號 699371083
學位類別 碩士
語文別 中文
第二語文別 英文
口試日期 2012-07-10
論文頁數 126頁
口試委員 指導教授-趙崇禮
委員-左培倫
委員-陳炤彰
委員-馬廣仁
委員-陳順同
中文關鍵字 玻璃模造技術  菲涅爾透鏡  高聚光型太陽能電池  光學模擬分析  模造模擬分析 
英文關鍵字 Precision Glass Molding Technique  Fresnel Lens  High Concentration Photovoltaic  Optic Simulation Analysis  Glass Molding Simulation Analysis 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要 由於人口不斷的成長,使得整體能源的需求量不斷的創下新高,因此,綠色能源將是未來的發展趨勢,其中太陽能為最具有發展潛力的綠色能源之一。現今,高聚光型太陽能電池所使用的聚光透鏡,因模具加工及成形上的問題以塑膠材料為主;但是,塑膠材料長期受到陽光照射會產生黃化現象,使得光電轉換效率降低。
本研究主要以玻璃模造方式設計、製作等高菲涅爾透鏡,使高聚光太陽能電池能在無二次透鏡下,達到均勻的接收光能量。設計改善了傳統高聚光菲涅爾透鏡以二次透鏡校正光學路徑於接收器上,導致光能量因多了一層透鏡而增加損耗以及尺寸的困難,由於玻璃模造被視為最有機會量產玻璃繞射光學元件的方法之一,因此製程採用玻璃模造進行加工菲涅爾透鏡,改善了玻璃菲涅爾微結構加工困難的缺點。
本論文成功的使用玻璃模造法設計、製作菲涅爾透鏡。透過分層概念設計ψ150mm等高菲涅爾透鏡,經光學模擬分析後光通率可達到74.5﹪。由於研究經費有限的緣故,將相同設計概念縮小尺寸至ψ15mm;再加以設計及加工此菲涅爾模具,接著使用開放式玻璃模造製程加工玻璃菲涅爾透鏡,以K-CSK120玻璃球面預形體,在最佳溫度600℃時,完成轉寫率約為99﹪之ψ15mm玻璃菲涅爾透鏡。此玻璃菲涅爾透鏡能夠廣泛地長期應用於高聚光型Ⅲ-Ⅴ族太陽能電池,使光能夠通過玻璃菲涅爾透鏡後均勻分佈於太陽能電池上增加光電轉換效率。
英文摘要 The ever-increasing human population growth and pursuing for economic development have made a great impact on natural resources. That includes natural resources for producing energy/electricity. Solar/PVs (Photovoltaics) systems can produce electricity directly from solar radiation and are becoming one of the major sources of electrical power. Amongst the PVs systems, concentrated photovoltaics (CPV) is currently leading the development of low-cost renewable energy sources. Owing to the technological difficulties and cost issues in the production of concentrator made of glass, plastic lenses are still the majority to be used in the CPV systems. However, plastic optics has the problem of degradation when subjected to long term UV exposure.
This research aimed to design and fabricate a Fresnel based glass concentrator for a CPV system without secondary. It began with optical design/simulation of the Fresnel, followed by mold fabrication, molding parameters/process simulation, glass molding process and performance verification. Owing to the very limited budget, a ψ15mm(instead of ψ150mm) Fresnel lens made of K-CSK120 glass was successfully designed and fabricated in the study.
論文目次 目錄
中文摘要 ..................................................................................................... I
英文摘要 .................................................................................................. III
目錄 ............................................................................................................ V
圖目錄 ..................................................................................................... VII
表目錄 ................................................................................................... XIV
第一章緒論................................................................................................. 1
1-1 前言 .................................................................................................. 1
1-2 研究背景 .......................................................................................... 4
1-3 動機與目的 .................................................................................... 10
第二章 文獻回顧及基礎理論 ................................................................ 13
2-1 菲涅爾透鏡 .................................................................................... 15
2-2 精密玻璃模造技術 ....................................................................... 19
2-3 表面保護層披覆之目的與特性 ................................................... 27
2-4 光學玻璃材料之相關特性 ............................................................ 30
2-5 有限元素法模擬分析 ................................................................... 44
第三章 研究方法與實驗設備 ................................................................ 46
3-1 實驗規劃 ........................................................................................ 46
3-2 實驗流程圖(一) ............................................................................. 48
3-3 設計等高菲涅爾透鏡 .................................................................... 50
3-4 實驗與模擬參數 ............................................................................ 54
3-5 實驗設備與材料............................................................................ 56
第四章 研究結果與討論 ........................................................................ 73
4-1 等高菲涅爾透鏡設計結果 ............................................................ 73
4-2 等高菲涅爾模仁設計與加工結果 ............................................... 79
4-3 熱壓球面玻璃預形體實驗與模擬結果 ....................................... 82
4-4 菲涅爾模仁表面量測 .................................................................... 98
4-5 菲涅爾模仁熱壓球面透鏡實驗與模擬結果 .............................. 101
4-6 菲涅爾透鏡光學檢測與模擬比對 .............................................. 107
第五章結論............................................................................................. 119
參考文獻 ................................................................................................. 121

VII
圖目錄
圖1- 1 2000 到2100 年全球主要能源需求預測【3】 ....................... 1
圖1- 2 位於高雄左營的臺灣國家體育場【4】 .................................. 2
圖1- 3 高聚光太陽能電池示意圖【5】 .............................................. 3
圖1- 4 太陽能種類圖【6】 .................................................................. 3
圖1- 5 為太陽能概念股【7】 .............................................................. 4
圖1- 6 為高聚光太陽能發電高雄路竹示範場【8】 .......................... 5
圖1- 7 2011 年第一季至2012 年第四季太陽能市場的需求變化
【10】............................................................................................. 5
圖1- 8 III-V 族聚光型太陽電池市場趨勢【11】 ............................... 6
圖1- 9 高聚光型太陽電池的主要元件【12】 .................................... 7
圖1- 10 TOSHIBA MACHINE 光學玻璃透鏡模壓成形機【14】 .... 9
圖1- 11 非球面繞射光學元件成品【17】 ........................................ 12
圖2- 1 非球面玻璃透鏡成品【21】 .................................................. 13
圖2- 2 1821 年菲涅爾的圓形靶心【23】 ......................................... 15
圖2- 3 點聚焦菲涅爾透鏡示意圖【24】 ......................................... 16
圖2- 4 線聚焦菲涅爾透鏡示意圖【24】 ......................................... 16
圖2- 5 菲涅爾透鏡二維聚光示意圖【25】 ..................................... 17
圖2- 6 傳統菲涅爾透鏡輻照度圖【25】 ......................................... 18
圖2- 7 菲涅爾透鏡均質化聚光概念圖【25】 ................................. 18
圖2- 8 菲涅爾透鏡均質化輻照度圖【25】 ...................................... 19
圖2- 9 玻璃模造示意圖【28】 .......................................................... 20
圖2- 10 溫度-壓力-模具位置關係圖【32】 ..................................... 21
圖2- 11 玻璃模造流程圖【33】 ........................................................ 22

圖2- 12 各種光學玻璃預形體【33】 ................................................ 23
圖2- 13 平板玻璃預形體【33】 ........................................................ 23
圖2- 14 球狀預形體【34】 ................................................................ 24
圖2- 15 痐l狀預形體【35】 ............................................................ 24
圖2- 16 玻璃球面預形體【34】 ........................................................ 24
圖2- 17 改良模仁結構圖【45】 ........................................................ 27
圖2- 18 擴散阻隔層示意圖【47】 .................................................... 29
圖2- 19 (a)犧牲型阻礙層(Sacrificial Barrier) (b)被動型阻礙層
(Passive Barrier)(c)填塞式阻礙層(Stuffed Barrier) (d)無晶界
阻礙層(Amorphous Barrier) 【43】 .......................................... 30
圖2- 20 SCHOTT 光學玻璃之分類【45】 ....................................... 31
圖2- 21 折射示意圖【48】 ................................................................ 34
圖2- 22 Schott 公司光學玻璃之Abbe number 分佈【53】 ............. 36
圖2- 23 玻璃材料 L-BAL42 體積變形曲線圖【31】 ...................... 41
圖2- 24 結晶二氧化矽空間結構【56】 ............................................ 43
圖2- 25 顯示網狀修飾劑對光學玻璃之影響【56】 ........................ 43
圖2- 26 碳化鎢材料模擬持溫(a)120 秒(b)180 秒(c)220 秒【32】 . 45
圖3- 1 熱壓後菲涅爾透鏡圖 .............................................................. 46
圖3- 2 光學模擬流程圖 ...................................................................... 48
圖3- 3 實驗與模擬玻璃模造流程圖 .................................................. 49
圖3- 4 ψ150mm 光學模擬凸透鏡內層接受能量圖 ......................... 50
圖3- 5 ψ150mm 光學模擬凸透鏡中間層接受能量圖 ..................... 51
圖3- 6 ψ150mm 光學模擬凸透鏡外層接受能量圖 ......................... 51
圖3- 7 ψ150mm 菲涅爾透鏡設計(一) .............................................. 51
圖3- 8 ψ15mm 光學模擬凸透鏡內層接收能量圖 ........................... 52
圖3- 9 ψ15mm 光學模擬凸透鏡中間層接收能量圖 ....................... 52
圖3- 10 ψ15mm 光學模擬凸透鏡外層接收能量圖 ......................... 53
圖3- 11 ψ15mm 菲涅爾透鏡設計(一) .............................................. 53
圖3- 12 熱壓升溫曲線及壓力圖 ........................................................ 55
圖3- 13 高溫玻璃成型(GP-0165) ....................................................... 56
圖3- 14 高溫玻璃成型機立體圖 ........................................................ 57
圖3- 15 預形體置入下模具示意圖 .................................................... 58
圖3- 16 通氮氣達到接近低含氧環境 ................................................ 58
圖3- 17 冷卻系統-冰水機(chiller) ...................................................... 59
圖3- 18 高溫玻璃成型機立體圖Toshiba(GMP-207HV) .................. 59
圖3- 19 玻璃預型體置入下模具圖 .................................................... 60
圖3- 20 NACHi ASP-MKE 精密加工機 ............................................ 61
圖3- 21 工具顯微鏡(profile projector) ............................................... 62
圖3- 22 工具顯微鏡(profile projector) 2D 工程圖 ............................ 63
圖3- 23 光學金相顯微鏡 .................................................................... 63
圖3- 24 雷射共軛焦顯微鏡 Keyence VK-9700 ................................ 64
圖3- 25 Pro-E 繪製玻璃Fresnel 透鏡匯入Trace Pro 模擬軟體 ..... 65
圖3- 26 Pro-E 繪製玻璃球面預形體匯入Deform 3D 模擬軟體 ..... 66
圖3- 27 光學模擬軟體(Trace Pro)模擬玻璃菲涅爾透鏡 .................. 66
圖3- 28 模擬熱壓球面玻璃圖 ............................................................ 67
圖3- 29 光學檢測圖 ............................................................................ 67
圖3- 30 光感測器(型號:SP620U) ....................................................... 68
圖3- 31 鹵素燈泡 ................................................................................ 68
圖3- 32 太陽能電池檢測設備 ........................................................... 69
圖3- 33 0.3cm2ⅢⅤ族太陽能電池 ..................................................... 70
圖3- 34 BRANSON 2510 超音波清潔機 ........................................... 72
圖4- 1 ψ150mm 菲涅爾透鏡設計(二) .............................................. 74
圖4- 2 ψ150mm 菲涅爾透鏡設計示意圖 ......................................... 74
圖4- 3 ψ150mm 菲涅爾透鏡設計(三) .............................................. 75
圖4- 4 ψ15mm 菲涅爾透鏡設計(二) ................................................ 77
圖4- 5 ψ15mm 菲涅爾透鏡設計示意圖 ........................................... 77
圖4- 6 ψ15mm 菲涅爾透鏡設計(三) ................................................ 77
圖4- 7 ψ15mm 菲涅爾模仁設計圖 ................................................... 79
圖4- 8 ψ15mm 菲涅爾模仁角度標示 ............................................... 79
圖4- 9 ψ15mm 菲涅爾模仁最大角度標示 ....................................... 80
圖4- 10 ψ15mm 菲涅爾模仁設計加工圖 ......................................... 80
圖4- 11 菲涅爾透鏡模仁加工示意圖 ............................................... 81
圖4- 12 菲涅爾模仁加工成品圖 ....................................................... 81
圖4- 13 球面玻璃預形體ψ10.360×7.1mm ..................................... 82
圖4- 14 球面玻璃預形體全貌 ........................................................... 82
圖4- 15 實驗升溫及壓力曲線圖 ....................................................... 83
圖4- 16 球面預形體熱壓後成品 ....................................................... 84
圖4- 17 熱壓後尺寸ψ16.05×2.1mm ............................................... 84
圖4- 18 預形體示意圖 ....................................................................... 86
圖4- 19 模擬軟體分析熱壓球面預形體試驗 ................................... 87
圖4- 20 0.1~1 摩擦係數對負載的影響趨勢圖 .................................. 88
圖4- 21 0.01~0.09 摩擦係數對負載的影響趨勢圖 ........................... 89
圖4- 22 模擬熱壓球面透鏡摩擦係數設定0.01 的結果 .................. 89
圖4- 23 熱壓預形體參數示意圖 ....................................................... 90
圖4- 24 以630℃進行熱壓球面預形體成品圖 ................................ 91
圖4- 25 熱壓造成輻射狀現象 ........................................................... 92
圖4- 26 模擬熱壓時預形體上表面與下表面速度的比較圖 ........... 92
圖4- 27 模擬630℃熱壓時預形體上表面與下表面在成形步驟10
的最大應力圖 .............................................................................. 93
圖4- 28 模擬630℃熱壓時預形體上表面與下表面在成形步驟
100 的最大應力圖 ....................................................................... 93
圖4- 29 在630℃熱壓成型過程應力值變化圖 ................................ 94
圖4- 30 以600℃進行熱壓球面預形體成品 .................................... 94
圖4- 31 以600℃進行熱壓球面預形體成品投影圖 ........................ 95
圖4- 32 模擬熱壓時預形體上表面與下表面速度的比較圖 ........... 95
圖4- 33 模擬600℃熱壓時預形體上表面與下表面在成形步驟10
的最大應力圖 .............................................................................. 96
圖4- 34 模擬600℃熱壓時預形體上表面與下表面在成形步驟
100 的最大應力圖 ....................................................................... 96
圖4- 35 在600℃下熱壓成型過程應力值變化圖 ............................ 96
圖4- 36 以560℃進行熱壓球面預形體成品與原始對照圖 ............ 97
圖4- 37 以560℃進行熱壓球面預形體成品與原始對照投影圖 .... 97
圖4- 38 菲涅爾模仁 ........................................................................... 98
圖4- 39 模仁第一道楔角 ................................................................... 98
圖4- 40 模仁表面局部形貌 ............................................................... 99
圖4- 41 模仁表面粗糙度量測圖Ra 為16nm .................................. 99
圖4- 42 模仁表面形貌 ....................................................................... 99
圖4- 43 模仁表面輪廓 ..................................................................... 100
圖4- 44 模仁側面輪廓圖 ................................................................. 100
圖4- 45 熱壓菲涅爾透鏡圖 ............................................................. 101
圖4- 46 熱壓菲涅爾透鏡實驗參數設計 ......................................... 102
圖4- 47 菲涅爾透鏡熱壓成品圖 ..................................................... 103
圖4- 48 菲涅爾微結構上裂開現象 ................................................. 103
圖4- 49 ψ15mm 菲涅爾透鏡成品 ................................................... 104
圖4- 50 ψ15mm 菲涅爾透鏡表面輪廓 ........................................... 104
圖4- 51 ψ15mm 菲涅爾透鏡側面圖 ............................................... 104
圖4- 52 熱壓後菲涅爾透鏡側面輪廓圖 ......................................... 105
圖4- 53 熱壓後菲涅爾模仁側面輪廓圖 ......................................... 105
圖4- 54 菲涅爾模仁共軛焦顯微鏡影像 ......................................... 106
圖4- 55 菲涅爾透鏡共軛焦顯微鏡影像 ......................................... 106
圖4- 56 光學檢測菲涅爾透鏡系統圖 ............................................. 107
圖4- 57 以鹵素燈光學檢測無透鏡3D 能量分析圖 ...................... 108
圖4- 58 以鹵素燈光學檢測無透鏡能量側視圖 ............................. 108
圖4- 59 以鹵素燈光學檢測無透鏡結果 ......................................... 108
圖4- 60 以鹵素燈光學檢測菲涅爾透鏡3D 能量分析圖 .............. 109
圖4- 61 以鹵素燈光學檢測菲涅爾透鏡能量側視圖 ..................... 109
圖4- 62 以鹵素燈光學檢測菲涅爾透鏡結果 ................................. 110
圖4- 63 以鹵素燈為平行光源對菲涅爾透鏡光學模擬圖 ............. 110
圖4- 64 以鹵素燈為平行光源光學模擬菲涅爾透鏡輻照圖 ......... 111
圖4- 65 以鹵素燈光學檢測菲涅爾透鏡偏轉1°3D 能量分析圖 .. 112
圖4- 66 以鹵素燈光學檢測菲涅爾透鏡偏轉1°側視圖 ................ 112
圖4- 67 以鹵素燈光學檢測菲涅爾透鏡偏轉1°結果 .................... 113
圖4- 68 以鹵素燈為平行光源對菲涅爾透鏡偏轉1°光學模擬圖 113
圖4- 69 以鹵素燈為平行光源對菲涅爾透鏡偏轉1°光學輻照圖 114
圖4- 70 ψ150mm 菲涅爾透鏡無偏轉角模擬結果 ......................... 116
圖4- 71 ψ150mm 菲涅爾透鏡偏轉角1°模擬結果 ........................ 116
圖4- 72 ψ150mm 菲涅爾透鏡偏轉角2°模擬結果 ........................ 116
圖4- 73 ψ150mm 菲涅爾透鏡偏轉角3°模擬結果 ........................ 117
圖4- 74 無菲涅爾透鏡光電轉換效率 ............................................. 118
圖4- 75 ψ15mm 菲涅爾透鏡光電轉換效率結果 ........................... 118

表目錄
表1- 1 非球面透鏡製作方法【13】 .................................................... 8
表1- 2 光學玻璃與光學塑膠之特性比較表【18】 .......................... 11
表2- 1 機械研磨拋光與玻璃模造加工比較【19】 .......................... 14
表2- 2 主要光學玻璃型號區分【49】 .............................................. 32
表2- 3 光學玻璃網狀修飾物優劣比較【59】【61】【62】 .............. 44
表3- 1 光學模擬參數表 ...................................................................... 54
表3- 2 實驗參數表 .............................................................................. 54
表3- 3 熱壓模擬參數表 ...................................................................... 55
表3- 4 高溫玻璃成型機(GP-0165)規格資料 ..................................... 57
表3- 5 高溫玻璃成形機Toshiba(GMP-207HV)規格表 .................... 60
表3- 6 NACHi ASP-MKE 精密加工機規格表 .................................. 61
表3- 7 雷射共軛焦顯微鏡 Keyence VK-9700 規格表 ..................... 65
表3- 8 太陽能光源規格表 ................................................................. 70
表3- 9 SUMITA K-CSK120 玻璃材料特性 ...................................... 71
表4- 1 設計ψ150mm 菲涅爾透鏡楔角個數與曲率 ....................... 74
表4- 2 ψ150mm 等高菲涅爾透鏡設計規格 ..................................... 75
表4- 3 ψ150mm 菲涅爾透鏡設計(三)的量測資料 .......................... 76
表4- 4 設計ψ15mm 菲涅爾透鏡楔角個數與曲率 ......................... 76
表4- 5 ψ15mm 菲涅爾透鏡設計規格 ............................................... 78
表4- 6 ψ15mm 菲涅爾透鏡設計(三)的量測資料 ............................ 78
表4- 7 加工菲涅爾模仁參數 ............................................................. 81
表4- 8 玻璃模造製程參數設定 ......................................................... 83
表4- 9 K-CSK120 在630℃下試驗尺寸(mm) ................................... 84
表4- 10 模擬狀態下的環境參數 ....................................................... 86
表4- 11 實驗與模擬分析結果尺寸之比較 ....................................... 87
表4- 12 實驗及模擬分析成形壓力之比較 ....................................... 87
表4- 13 模擬摩擦係數0.1~1 的成形應力值 .................................... 88
表4- 14 模擬摩擦係數0.01~0.09 的成形應力值 ............................. 88
表4- 15 熱壓球面預形體參數對照表 ............................................... 90
表4- 16 實驗參數表 ......................................................................... 101
表4- 17 熱壓球面預形體參數對照表 ............................................. 102
表4- 18 菲涅爾模仁與透鏡填充率 ................................................. 106
表4- 19 熱壓菲涅爾透鏡規格 ......................................................... 107
表4- 20 以鹵素燈為平行光源光學模擬結果 ................................. 111
表4- 21 以鹵素燈為平行光源光學檢測與光學模擬結果比對 ..... 111
表4- 22 以鹵素燈為平行光源進行光學模擬菲涅爾透鏡偏轉1°
結果 ............................................................................................. 114
表4- 23 以鹵素燈為平行光源光學檢測與光學模擬菲涅爾透鏡
偏轉1°結果比對 ........................................................................ 114
表4- 24 模擬菲涅爾透鏡偏轉角參數 ............................................. 115
表4- 25 ψ150mm 菲涅爾透鏡各偏轉角模擬結果 ......................... 117
表4- 26 光電轉換效率結果 ............................................................. 117
參考文獻 參考文獻
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