｜具高聚光比及高效率之平面型稜鏡陣列太陽能集光器設計

摘要：太陽能集光器可提供高的聚光比，將大面積的太陽光蒐集至小面積的光電池處，而可大幅地減少太陽能板陣列系統的製作成本。相較於繞、折射型的太陽能集光器，平面導光板型太陽能集光器輕、薄、可便宜製作，具有取代繞、折射型的太陽能集光器的潛力而被廣泛注意。本研究提出一新型的平面型太陽能集光器，在本設計中，太陽光經由透鏡陣列會聚至導光板底部微凹穴結構，藉由稜鏡陣列與微凹穴結構的搭配使用，成功地避免了導光板內光線經過多次反射的漏光能量損失，模擬結果顯示，所提出的平面稜鏡陣列型太陽能集光器在聚光比為300×時，可達到92 %的光學效率。

Abstract: Solar concentrators can provide high light concentration ratio by collecting sunlight of large area to a smaller light-receiving region of photovoltaic cell. Using solar concentrators can greatly reduce the solar array manufacturing costs. Planar lightguide solar concentrator has attracted many attentions for its promising for thin form-factor, lightweight, and inexpensive replacements for the current generation of refractive and reflective solar concentrators. This study proposes a new type of planar lightguide solar concentrator. In this design, sunlight is collected by a two-dimensional lens array and is coupled into a prism array planar lightguide using localized micro dimpled structure placed at the focus of each lens. The usage of the combination of the prism array and the dimple structure successfully prevents most leakage of guiding rays after multiple reflections in lightguide. Simulation results show that the proposed lightguide can achieve 92 % optical efficiency at 300× concentration.

關鍵詞：太陽能集光器、平面導光板、微凹穴

Keywords：Solar concentrators, Planar lightguide, Dimple

前言
在地球石化能源被開採殆竭的情況下，開發新能源是必要的途徑，其中利用太陽能發電是一個非常可行的方案。然而太陽能晶片上游材料缺乏，價格飛漲，太陽能電池所面臨的最大問題乃是材料成本太高。目前國內、外均有研究單位研發利用導光板的方式，將大面積的太陽光匯集到小面積的太陽能電池上發電以節省太陽能發電之成本。而針對建築或其他非追日的太陽能發電應用，則可採用可大角度收光之太陽能導光板結構。

CPV系統（Concentrator photovoltaic systems）使用大面積的光學元件將太陽光收集並傳遞到小面積、高效率的太陽能電池上。在CPV系統中所使用的平面型導光板之太陽能集光器，利用內全反射將太陽光集中會聚在太陽能電池上，使得太陽光能在最少損耗下被集中且有效率地使用，達到最大的經濟效益。又平面型導光板具有薄、輕的特性，並且可搭配壓印製程技術便宜地量產，相較於繞、折射式太陽能集光器具有一定的競爭力。本研究提出一新型的平面型稜鏡陣列太陽能集光器。在本設計中，太陽光經由透鏡陣列會聚至導光板底部微凹穴結構，藉由稜鏡陣列與微凹穴結構的搭配使用，成功地避免了導光板內光線經過多次反射的漏光能量損失，因此此類型太陽能集光器可在高聚光比的情況下仍維持高的光學效率。本研究的模擬結果顯示，所提出的平面型稜鏡陣列太陽能集光器在聚光比為300×時，可達到92 %的光學效率。