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研究生: 林昇融
論文名稱: 可變焦透鏡應用於綠建築自然光照明與太陽能發電之研究
指導教授: 陳政寰
口試委員: 陳政寰
黃光榮
陳金嘉
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 動力機械工程學系
Department of Power Mechanical Engineering
論文出版年: 2014
畢業學年度: 102
語文別: 中文
論文頁數: 72
中文關鍵詞: 聚焦光學元件照明光學菲涅爾透鏡阿基米德螺旋
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  • 這幾年隨著環保意識的興起,使用太陽能源的綠建築持續成長。本研究即是開發一可變焦功能之窗型模組(Focus adjustable window),除可提供自然光入射至室內之照明控制,還具有聚焦太陽能電池發電功能,提出「液體填充式切換模組」方法來達成切換聚焦與照明的光學功能模組。在「液體填充式切換模組」中,由折射率與菲涅爾透鏡(Fresnel lens)材料折射率匹配的液體是否填滿菲涅爾透鏡刻痕結構,來達成聚焦與照明的光學切換功能。
    為了使填充液的填充與回收更為便利,將菲涅爾透鏡同心圓刻痕結構改成螺旋紋刻痕結構。設計出尺寸125×125×10mm、聚光點直徑10mm、光學效率達92%的螺旋結構菲涅爾透鏡,並建置整個「液體填充式切換模組」系統,包括如何密封螺旋紋結構菲涅爾透鏡的螺旋結構面以產生流道系統,與如何設計液體填充與抽出的機制。且為了更加改善液體流道系統、也設計出尺寸125×125×5mm、聚光點直徑10mm、光學效率達93%的雙螺旋結構菲涅爾透鏡,並改善聚光能量分布不均的問題。
    而未來也將持續改善整個「液體填充式切換模組」,包括設計出聚光效率高、聚焦均勻的螺旋結構菲涅爾透鏡,尋找與菲涅爾透鏡材料匹配的填充液,以及如何加強密封螺旋結構菲涅爾透鏡的螺旋結構面與流道系統改善設計。


    摘要 I Abstarct II 致謝 III 目錄 IV 圖目錄 VII 表目錄 XI 第一章 緒論 1 1.1研究背景 1 1.2文獻回顧 1 1.2.1電致透光性調整窗模組 2 1.2.2太陽能窗模組 4 1.2.3光學導光窗模組 8 1.3研究動機 9 1.4論文架構 10 第二章 研究相關原理介紹 11 2.1太陽光的特性 11 2.1.1大氣質量 11 2.1.2太陽光譜 12 2.1.3太陽光源模擬器 13 2.2太陽能電池介紹 14 2.2.1太陽能電池原理 14 2.2.2太陽能電池分類 14 2.2.3太陽能電池相關名詞 15 2.3光學原理 16 2.3.1基本光學原理 16 2.3.2非成像光學 18 2.3.3輻射度學 20 第三章 傳統菲涅爾透鏡構想實驗驗證 21 3.1菲涅爾透鏡介紹 21 3.2液體填充式切換模組概念 22 3.3液體填充式切換模組構想驗證實驗 23 3.4液體填充式切換模組構想之擬解決的問題與設計方法 26 第四章 螺旋結構菲涅爾透鏡設計方法 28 4.1螺旋結構菲涅爾透鏡刻痕公式推導 28 4.2螺旋結構菲涅爾透鏡模型設計 30 4.3液體填充式切換模組系統設計 32 4.4小結 33 第五章 螺旋結構菲涅爾透鏡設計實驗結果與討論 34 5.1阿基米德螺旋結構菲涅爾透鏡量測 34 5.1.1阿基米德螺旋結構菲涅爾透鏡定性實驗 35 5.1.2阿基米德螺旋結構菲涅爾透鏡聚光點光型量測 36 5.1.3阿基米德螺旋結構菲涅爾透鏡光學效率量測 38 5.1.4阿基米德螺旋結構菲涅爾透鏡聚光型太陽電池量測 40 5.2液體填充式切換模組系統實行結果 43 5.3小結 45 第六章 液體填充式切換模組系統改良設計 46 6.1流道系統改良設計 46 6.2雙螺旋結構菲涅爾透鏡模型設計 47 6.3聚光能量分布改良化設計 50 6.4小結 53 第七章 雙螺旋結構菲涅爾透鏡設計實驗結果與討論 54 7.1雙螺旋結構菲涅爾透鏡量測 54 7.1.1雙螺旋結構菲涅爾透鏡定性實驗 54 7.1.2雙螺旋結構菲涅爾透鏡聚光點光型量測 55 7.1.3雙螺旋結構菲涅爾透鏡光學效率量測 57 7.1.4雙螺旋結構菲涅爾透鏡聚光型太陽電池量測 58 7.2液體填充式切換模組改良系統實行結果 60 7.3小結 62 第八章 結論與未來展望 64 8.1結論 64 8.2可變焦窗型模組應用 65 8.3未來展望 66 參考文獻 69

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