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研究生： 岳彤
Ton Yueh
論文名稱： 矽晶太陽能板之開口率與地面照度之分析
The study of aperture ratio of photovoltaic panel and illuminance analysis
指導教授： 孫慶成
Ching-Cherng Sun
楊宗勳
Tsung-Hsun Yang
口試委員:
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 理學院 - 光電科學與工程學系
Department of Optics and Photonics
論文出版年： 2024
畢業學年度： 112
語文別： 中文
論文頁數： 90
中文關鍵詞： 光學 、照度 、太陽能板
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    • 隨著時代的變遷，對於能源的需求，成為了世界各國關注的焦點，在地球資源日漸枯竭的情況下，尋找替代能源變成當務之急。綠色能源是指從自然界中取得的能源，例如風能、太陽能和水能等，這些能源具有可再生且對環境的影響相對較小的特點。在人類發展的脈絡下，綠色能源提供了一條實現可持續發展的途徑，因為它減少了我們對於化石燃料的依賴。
    太陽能，在所有綠色能源中擔當著重要角色，不僅因為它幾乎無窮無盡、普遍可獲得，還因為它具有轉換效率高、運維成本低和技術進步快的特點。太陽能技術的發展，特別是在太陽能板的效率和成本降低方面，使得太陽能成為許多地區和國家能源結構轉型的首選。
    本論文之主要目的，是研究光學擴散板之光學特性，並且在ASAP(Advanced System Analysis Program) 光學模擬軟體中建立太陽能板開口率與光學擴散片的光學模型。太陽能板以直線式排列（straight-line）置於溫室屋頂以用於地面照度之分析，不同屋頂高度及不同開口率之設計。
    將光學擴散片以及矽晶太陽能板置於屋頂形成溫室的主要目的是為一年四季和農作物創建一個封閉和可控制的照明系統。藉由分析不同的屋頂高度，以及不同的太陽能板開口率，有助於節省寶貴的土地資源。溫室屋頂上的傾斜角度，讓陽光以適合的入射角度到達光學擴散片。屋頂陽光將被用於太陽能發電，而通過光學擴散片的陽光進入溫室以促進作物生長。

    Finding alternative sources of energy is important.Green energy, derived from natural sources like wind, solar, and hydro, is renewable and has a smaller environmental footprint. In the context of human development, green energy offers a path to sustainable development by reducing our reliance on fossil fuels.
    Solar energy plays a pivotal role among green energies, not only due to its almost infinite availability and universality but also due to its high conversion efficiency, low operational costs, and rapid technological advancements. The evolution of solar technology, especially in terms of efficiency and cost reduction of solar panels, has made it the preferred choice for energy transformation in many regions and countries.
    The primary aim of this thesis is to study the optical characteristics of diffusion plates and to establish in the ASAP (Advanced System Analysis Program) optical simulation software, a model of solar panel aperture ratios and the optical diffusion plates. Solar panels are arranged in straight lines on greenhouse roofs for the analysis of ground illuminance, with designs varying in roof height and aperture ratio.
    The main purpose of placing optical diffusion plates and silicon solar panels on the roof to form a greenhouse is to create a closed and controllable lighting system for all seasons and crops. By analyzing different roof heights and solar panel aperture ratios, we can conserve valuable land resources. The sloped angle of the greenhouse roof allows sunlight to reach the optical diffusion plates at an ideal incidence angle. Sunlight on the roof is used for solar power generation, while sunlight passing through the optical diffusion plates enters the greenhouse to promote crop growth.

    目錄 目錄 3 圖目錄 5 表目錄 9 摘要 10 Abstract 12 誌謝 14 第一章 序論 - 1 - 1.1綠色能源 - 1 - 1.2 2025非核家園[11] - 2 - 1.3 增加土地利用率 - 3 - 1.4 太陽能板結合導光板之屋頂 - 5 - 1.5 太陽能板類型 - 7 - 1.6 光學擴散板 - 9 - 第二章 基本原理 - 11 - 2.1 光度學物理量 - 11 - 2.1.1光通量(Luminous Flux) - 11 - 2.1.2照度(Illuminance) - 11 - 2.1.3光強度(Luminous intensity) - 12 - 2.1.4輝度(luminance) - 13 - 2.1.5朗伯光源(Lambertian Source) - 13 - 2.1.6 Lambert’s cos law - 13 - 2.1.7 Lambert’s cos3 law - 14 - 2.1.8 Lambert’s cos4 law - 15 - 2.2 太陽能光電效應 - 16 - 2.3散射 - 17 - 2.3.1 瑞利散射 - 18 - 2.3.2米氏散射 - 19 - 2.4 雙向散射分佈函數 (Bidirectional Scattering Distribution Function, BSDF) - 21 - 第三章 特性參數量測 - 24 - 3.1 穿透率的量測 - 24 - 3.1穿透散射光場分佈量測 - 27 - 3.2.1 模擬陰天條件之太陽光源 - 28 - 3.2.2 模擬陰天條件之太陽光源 - 29 - 3.2.3 模擬晴天條件之太陽光源，0度入射 - 31 - 3.2.4 晴天條件下等效光源模型，不同角度入射 - 33 - 3.2.5 晴天條件下等效光源模型，0度入射 - 35 - 3.2.6 晴天條件下等效光源模型，不同角度入射 - 37 - 第四章 度模擬分析與討論 - 40 - 4.1 太陽能板與光學擴散板結合之屋頂 - 40 - 4.2 陰天環境下不同開口率與地面照度之分析 - 42 - 4.2.1 開口率60% 之屋頂 - 42 - 4.2.2 開口率40% 之屋頂 - 44 - 4.2.3 開口率33% 之屋頂 - 46 - 4.2.4 高度對地面照度之影響 - 48 - 4.3 晴天環境下不同開口率與地面照度之分析 - 49 - 4.3.1 開口率60%之屋頂 - 49 - 4.3.2 開口率40% 之屋頂 - 53 - 4.3.3 開口率33% 之屋頂 - 57 - 4.3.4不同高度對地面照度之影響 - 61 - 4.3.5不同角度照射下對地面的平均照度 - 63 - 第五章 結論 - 67 - 參考文獻 - 70 -   圖目錄 圖1-1 為2022年進出口能源比例。(圖片來源:經濟部能源局[8]) - 2 - 圖1-2 為彰化縣政府將不利於耕種之土地上興建太陽能板。(圖片來源:彰化縣政府) - 4 - 圖1-3 台南六甲一處廢棄光電場荒廢近十年，原本的光電板，被蔓生植物逐漸淹沒。(圖片來源:上下游新聞[20]) - 5 - 圖1-4 UCLA的Yang團隊使用穿透式有機太陽能板製造之溫室。(圖片來源:Yang團隊發表於nature的論文[24]) - 6 - 圖1-5 矽晶太陽能板分為三種，由左至右分別為非晶矽、多晶矽、單晶矽。(圖片來源:碩博士論文網[26]) - 8 - 圖2-3照度(Illuminance)示意圖。 - 12 - 圖2-4 立體角示意圖。 - 12 - 圖2-5 輝度(luminance)示意圖。 - 13 - 圖2-6為朗伯餘弦定理是意圖。dA為朗伯光源，dΩ為立體角。 - 14 - 圖2-7 Lambert’s cos3 law 示意圖。[47] - 14 - 圖2-8 為Lambert’s cos4law解說示意圖。[47] - 15 - 圖2-9矽晶太陽能電池運作原理。(圖片來源:IEEE Xplore [55]) - 17 - 圖2-10 (a)瑞利散射示意圖、圖2-10(b)米氏散射小粒子散射示意圖、圖2-10(c)米氏散射大粒子散射示意圖。(圖片來源:Science Direct[58]) - 17 - 圖2-11 瑞利散射示意圖(圖片來源:Science Direct[58])。 - 19 - 圖2-12 米氏散射示意圖(圖片來源:Science Direct[58])。 - 20 - 圖2-13 BSDF散射模型(圖片來源: [66]) - 22 - 圖2-14 為金屬鋁粗糙表面在光線入射角度33度時，所得到的BRDF散射[66]。 - 22 - 圖2-15 為圖2-8之各角度BRDF剖面圖。金屬鋁粗糙表面在光線入射角度分別為15、30、45、60、75、90度時，所得到的BRDF散射[66]。 - 23 - 圖3-1 為長10 cm直徑1 cm的細長黑管。 - 24 - 圖3-2 為光學擴散片穿透率量測實驗示意圖，(a)量測光源通過擴散片後進入積分球之光通量(b)量測光源直接進入積分球後之光通量。 - 26 - 圖3-3 為光學擴散片穿透率量測實驗架構，(a)量測光源通過擴散片後進入積分球之光通量(b)量測光源直接進入積分球後之光通量。 - 26 - 圖3-4 為兩片擴散散片，左圖為diffuser #1，其表面較光滑，厚度為0.2 mm；右圖為diffuser #2，其表面較粗糙，厚度為0.5 mm。 - 27 - 圖3-5 為OSRAM廠牌之型號為HWQP的白光LED光源，光通量為315~355 lm，發光面積為 3.75 x 3.75 mm2。 - 27 - 圖3-6 為陰天光源條件下，光通過擴散片之雙向穿透散射函數量測實驗圖。 - 28 - 圖3-7 雙向穿透散射函數之光場分佈 (a) diffuser 1； (b) diffuser 2 。 - 29 - 圖3-8 為陰天光源模擬示意圖。 - 29 - 圖3-9 為在陰天光源條件下，光源模擬示意圖。(a)diffuser #1(b) diffuser #2 - 30 - 圖3-10 為在陰天光源條件下，如圖3-9與光源距離5公尺處之偵測面(偵測面大小為3.4mx3.4m)所得之照度分佈。(a)diffuser #1(b) diffuser #2 - 30 - 圖3-11為晴天光源條件下雙向穿透散射函數量測之實驗示意圖。 - 32 - 圖3-12 雙向穿透散射函數之光場分佈 (a) diffuser #1； (b) diffuser #2 - 32 - 圖3-13 為45度角度的擴散板穿透散射光場分佈量測實驗圖。 - 33 - 圖3-14 為45度與0度入射穿透散射光場分佈量測結果。(a)diffuser#1(b)diffuser#2 - 34 - 圖3-15 光場分佈與入射角示意圖。 - 35 - 圖3-16 為晴天光源模擬示意圖。 - 35 - 圖3-17 為一道準直平行光0度入射至光學擴散片之雙向擴散函數分佈實驗與模擬圖。(a)diffuser#1(b)diffuser#2。 - 36 - 圖3-18 為光場分佈與不同入射角示意圖。 (a)0度入射(b)非0度入射 - 37 - 圖3-19 為diffiser#1在不同入射角度下，在圖3-18的模擬下偵測面的照度分布(a)0˚(b)30˚ - 39 - 圖3-20 為diffiser#1在0度及30度入射角度下，x=0的橫切線上的照度分佈。 - 39 - 圖4-1 溫室架設與地球環境示意圖。(示意圖非真實比例) - 40 - 圖4-2 為環境模擬示意圖。 - 41 - 圖4-3 為開口率60%之屋頂，其黑色的部分為太陽能板，太陽能板面積73m2，白色開口的部分為光學擴散片。 - 42 - 圖4-4 開口率60%太陽能板組合之地面照度分佈結果。與地面距離3公尺時，(a) diffuser #1; (b) diffuser #2。與地面距離5公尺時，(c) diffuser #1; (d) diffuser #2。 - 43 - 圖4-5 為開口率40%之屋頂，其黑色的部分為太陽能板，太陽能板面積109m2，白色開口的部分為光學擴散片。 - 44 - 圖4-6 開口率40%太陽能板組合之地面照度分佈結果。與地面距離3公尺時，(a) diffuser #1; (b) diffuser #2。與地面距離5公尺時，(c) diffuser #1; (d) diffuser #2。 - 45 - 圖4-7 為開口率33%之屋頂，其黑色的部分為太陽能板，太陽能板面積125 m2，白色開口的部分為光學擴散片。 - 46 - 圖4-8 開口率40%太陽能板組合之地面照度分佈結果。與地面距離3公尺時，(a) diffuser #1; (b) diffuser #2。與地面距離5公尺時，(c) diffuser #1; (d) diffuser #2。 - 47 - 圖4-9 為陰天光源條件下，各開口率屋頂與地面距離3公尺之地面照度關係圖。 - 48 - 圖4-10 為陰天光源條件下，各開口率屋頂與地面距離5公尺之地面照度關係圖。 - 48 - 圖4-11 為環境模擬示意圖。 - 49 - 圖4-12 為diffuser #1與太陽能板組合成之屋頂開口率60%與地面距離3公尺之地面照度分佈結果。(a)0˚入射(b)15˚入射(c)30˚入射(d)45˚入射(e)60˚入射(f)75˚入射 - 50 - 圖4-13 一天中地面之平均照度。為0˚入射、15˚入射、30˚入射、45˚入射、60˚入射、75˚入射diffuser #1與太陽能板組合成之屋頂開口率60%與地面距離3公尺之地面照度分佈平均之結果。 - 50 - 圖4-14 為diffuser #2與太陽能板組合成之屋頂開口率60%與地面距離3公尺之地面照度分佈結果。(a)0˚入射(b)15˚入射(c)30˚入射(d)45˚入射(e)60˚入射(f)75˚入射 - 51 - 圖4-15 一天中地面之平均照度。為0˚入射、15˚入射、30˚入射、45˚入射、60˚入射、75˚入射diffuser #2與太陽能板組合成之屋頂開口率60%與地面距離3公尺之地面照度分佈加總後再平均之結果。 - 51 - 圖4-16 為diffuser #1與太陽能板組合成之屋頂開口率60%與地面距離5公尺之地面照度分佈結果。(a)0˚入射(b)15˚入射(c)30˚入射(d)45˚入射(e)60˚入射(f)75˚入射 - 52 - 圖4-17 一天中地面之平均照度。為0˚入射、15˚入射、30˚入射、45˚入射、60˚入射、75˚入射diffuser #1與太陽能板組合成之屋頂開口率60%與地面距離5公尺之地面照度分佈加總後再平均之結果。 - 52 - 圖4-18 為diffuser #2與太陽能板組合成之屋頂開口率60%與地面距離5公尺之地面照度分佈結果。(a)0˚入射(b)15˚入射(c)30˚入射(d)45˚入射(e)60˚入射(f)75˚入射 - 53 - 圖4-19 一天中地面之平均照度。為0˚入射、15˚入射、30˚入射、45˚入射、60˚入射、75˚入射diffuser #2與太陽能板組合成之屋頂開口率60%與地面距離5公尺之地面照度分佈加總後再平均之結果。 - 53 - 圖4-20 為diffuser #1與太陽能板組合成之屋頂開口率40%與地面距離3公尺之地面照度分佈結果。(a)0˚入射(b)15˚入射(c)30˚入射(d)45˚入射(e)60˚入射(f)75˚入射 - 54 - 圖4-21 一天中地面之平均照度。為0˚入射、15˚入射、30˚入射、45˚入射、60˚入射、75˚入射diffuser #1與太陽能板組合成之屋頂開口率40%與地面距離3公尺之地面照度分佈平均之結果。 - 54 - 圖4-22 為diffuser #2與太陽能板組合成之屋頂開口率40%與地面距離3公尺之地面照度分佈結果。(a)0˚入射(b)15˚入射(c)30˚入射(d)45˚入射(e)60˚入射(f)75˚入射 - 55 - 圖4-23 一天中地面之平均照度。為0˚入射、15˚入射、30˚入射、45˚入射、60˚入射、75˚入射diffuser #2與太陽能板組合成之屋頂開口率40%與地面距離3公尺之地面照度分佈平均之結果。 - 55 - 圖4-24 為diffuser #1與太陽能板組合成之屋頂開口率40%與地面距離5公尺之地面照度分佈結果。(a)0˚入射(b)15˚入射(c)30˚入射(d)45˚入射(e)60˚入射(f)75˚入射 - 55 - 圖4-25 一天中地面之平均照度。為0˚入射、15˚入射、30˚入射、45˚入射、60˚入射、75˚入射diffuser #1與太陽能板組合成之屋頂開口率40%與地面距離5公尺之地面照度分佈加總後再平均之結果。 - 56 - 圖4-26 為diffuser #2與太陽能板組合成之屋頂開口率40%與地面距離5公尺之地面照度分佈結果。(a)0˚入射(b)15˚入射(c)30˚入射(d)45˚入射(e)60˚入射(f)75˚入射 - 56 - 圖4-27 一天中地面之平均照度。為0˚入射、15˚入射、30˚入射、45˚入射、60˚入射、75˚入射diffuser #2與太陽能板組合成之屋頂開口率40%與地面距離5公尺之地面照度分佈加總後再平均之結果。 - 57 - 圖4-28 為diffuser #1與太陽能板組合成之屋頂開口率33%與地面距離3公尺之地面照度分佈結果。(a)0˚入射(b)15˚入射(c)30˚入射(d)45˚入射(e)60˚入射(f)75˚入射 - 58 - 圖4-29 一天中地面之平均照度。為0˚入射、15˚入射、30˚入射、45˚入射、60˚入射、75˚入射diffuser #1與太陽能板組合成之屋頂開口率33%與地面距離3公尺之地面照度分佈平均之結果。 - 58 - 圖4-30 為diffuser #2與太陽能板組合成之屋頂開口率33%與地面距離3公尺之地面照度分佈結果。(a)0˚入射(b)15˚入射(c)30˚入射(d)45˚入射(e)60˚入射(f)75˚入射 - 58 - 圖4-31 一天中地面之平均照度。為0˚入射、15˚入射、30˚入射、45˚入射、60˚入射、75˚入射diffuser #2與太陽能板組合成之屋頂開口率33%與地面距離3公尺之地面照度分佈加總後再平均之結果。 - 59 - 圖4-32 為diffuser #1與太陽能板組合成之屋頂開口率33%與地面距離5公尺之地面照度分佈結果。(a)0˚入射(b)15˚入射(c)30˚入射(d)45˚入射(e)60˚入射(f)75˚入射 - 59 - 圖4-33 一天中地面之平均照度。為0˚入射、15˚入射、30˚入射、45˚入射、60˚入射、75˚入射diffuser #1與太陽能板組合成之屋頂開口率33%與地面距離5公尺之地面照度分佈加總後再平均之結果。 - 60 - 圖4-34 為diffuser #2與太陽能板組合成之屋頂開口率33%與地面距離5公尺之地面照度分佈結果。(a)0˚入射(b)15˚入射(c)30˚入射(d)45˚入射(e)60˚入射(f)75˚入射 - 60 - 圖4-35 一天中地面之平均照度。為0˚入射、15˚入射、30˚入射、45˚入射、60˚入射、75˚入射diffuser #2與太陽能板組合成之屋頂開口率33%與地面距離5公尺之地面照度分佈加總後再平均之結果。 - 61 - 圖4-36 為晴天光源條件下，0度入射，各開口率屋頂與地面距離3公尺之地面照度關係圖。縱軸上的切線為適合植物生長的照度需求1500 lx~6000 lx的範圍。 - 62 - 圖4-37 為晴天光源條件下，0度入射，各開口率屋頂與地面距離5公尺之地面照度關係圖。縱軸上的切線為適合植物生長的照度需求1500 lx~6000 lx的範圍。 - 62 - 圖4-38 為不同角度入射對地面照度分佈之總和再平均之結果。開口率60% (a)高度3m，diffuser#1；(b)高度3m，diffuser#2；(c)高度5m，diffuser#1；(d)高度5m，diffuser#2，開口率40% (e)高度3m，diffuser#1；(f)高度3m，diffuser#2；(g)高度5m，diffuser#1；(h)高度5m，diffuser#2，開口率33% (i)高度3m，diffuser#1；(j)高度3m，diffuser#2；(k)高度5m，diffuser#1；(l)高度5m，diffuser#2。 - 64 - 圖4-39 不同開口率下，太陽能板下同一位置在不同時間下之平均照度之對亮區及暗區對比度。 - 65 -   表目錄 表 1、 兩片擴散片穿透率量測結果 - 26 - 表 2、 兩片擴散片0度與45度量測NCC值 - 35 - 表 3、 兩片擴散片高斯函數擬合數值 - 36 - 表 4、 兩片擴散片模擬與量測NCC值 - 37 - 表 5、 15˚入射，兩片擴散片高斯函數數值 - 38 - 表 6、 30˚入射，兩片擴散片高斯函數數值 - 38 - 表 7、 45˚入射，兩片擴散片高斯函數數值 - 38 - 表 8、 60˚入射，兩片擴散片高斯函數數值 - 38 - 表 9、 75˚入射，兩片擴散片高斯函數數值 - 38 - 表 10、 開口率60%，各角度入射擴散片#1，高度3公尺 - 50 - 表 11、 開口率60%，各角度入射擴散片#2，高度3公尺 - 51 - 表 12、 開口率60%，各角度入射擴散片#1，高度5公尺 - 52 - 表 13、 開口率60%，各角度入射擴散片#2，高度5公尺 - 53 - 表 14、 開口率40%，各角度入射擴散片#1，高度3公尺 - 54 - 表 15、 開口率40%，各角度入射擴散片#2，高度3公尺 - 55 - 表 16、 開口率40%，各角度入射擴散片#1，高度5公尺 - 56 - 表 17、 開口率40%，各角度入射擴散片#2，高度5公尺 - 57 - 表 18、 開口率33%，各角度入射擴散片#1，高度3公尺 - 58 - 表 19、 開口率33%，各角度入射擴散片#2，高度3公尺 - 59 - 表 20、 開口率33%，各角度入射擴散片#1，高度5公尺 - 60 - 表 21、 開口率33%，各角度入射擴散片#2，高度5公尺 - 61 - 表 22、 不同開口率以及不同高度下地面一天之平均照度 - 65 -

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