高倍率聚光型太陽能模組之熱傳及轉換效率分析與聚光鏡設計

  • 鄒 淵翔

學生論文: Doctoral Thesis

摘要

高倍率的聚光型太陽能模組設計雖然解決了三五族多接面晶片成本昂貴的問題,卻因為使用高倍率的透鏡而造成晶片發熱及表面照度不均勻的問題,進而造成晶片效率降低。本研究利用適當簡化的熱傳導及光電轉換效率理論模型,以解析的方法探討晶片表面不均勻照度對其轉換效率的影響,並且提出一個可以提供晶片表面均勻照度的聚光鏡設計,以解決高倍率聚光型太陽能模組目前所面臨的技術瓶頸。 有關前述理論模型,我們將模組背板視作一無窮大薄板,而太陽能晶片則為其中心位置上之一圓形區域,且晶片表面照?以軸對稱形式分布。我們再假設晶片上局部之光電轉換效?隨該點溫?上升而線性遞減(或晶片局部光電轉換效?之 “溫?係?” 為常?),?可以解析方法推得此晶片與背板共構模組在穩態時之溫?分布,進而計算晶片之整體 (亦即空間平均)光電轉換效?。接著將晶片表面照?設為內外?區分布,並且採用可在實際系統上實現之??設定,我們有系統地檢視個別??對於光電轉換效?的影響。結果顯示,晶片表面照??均會導致其效??低,但?能提升模組之散熱能?,同時選用溫?係?較低之太陽能晶片,則仍可將其轉換效?提升至?接近其?想 (最大) 值。 而為了得到均勻的晶片表面照度,我們也提出一項創新的聚光鏡設計。該設計以雙拋共焦反射鏡為主體,搭配適當焦距的Fresnel透鏡,入射的陽光經過二次光學後,可在晶片上得到相當均勻的照度分佈。因此該設計可有效降低因照度不均勻所引起的晶片效率損失,並且可以降低晶片的最高溫度,使晶片效率盡可能接近理論值。為了評估聚光鏡的各項特性,本文以數值模擬的方式探討局部最高聚光倍率、光學效率以及可接受角。此外,本文也針對幾何聚光倍率與寬高比深入討論,以決定如何透過調整兩者的設計值來求得較均勻的晶片照度,使晶片發揮較高的轉換效率。 為了確認雙拋反射式設計可有效降低晶片表面照度不均勻度,我們委託聚陽光能股份有限公司開發聚光倍率1040X之聚光型太陽能模組,並建立一套符合國際太陽能量測規範建議的測試平台。透過長時間的發電效能追蹤監控,當直射日照度高於800 W/m2時,其轉換效率常高於30%,由此足以證明該光學設計可有效解決晶片表面照度不均勻之問題。再搭配本文所建立之解析方法,預期本文之研究成果將可協助高倍率聚光型太陽能光電系統工程師優化其模組設計,應對其頗有助?。
獎項日期2015 七月 29
原文Chinese
監督員Tian-Shiang Yang (Supervisor)

引用此文

高倍率聚光型太陽能模組之熱傳及轉換效率分析與聚光鏡設計
淵翔, 鄒. (Author). 2015 七月 29

學生論文: Doctoral Thesis