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光學模擬於綠能產業之應用
• 上課日期：大學部二年級生(光機電工程(一))
• 上課地點：忠勤B01
• 上課時間：10:00 ~12:00 AM
修平科技大學 電機工程系
電機工程系 歐崇仁 博士
0921-182917
[email protected]
中華民國102年9月24日
感謝
Why Simulations ?
• THERE IS A story about two friends, who were classmates in high
school, talking about their jobs.
• One of them became a statistician and was working on population
trends. He showed a reprint to his former classmate. The reprint
started, as usual, with the Gaussian distribution and the
statistician explained to his former classmate the meaning of the
symbols for the actual population, for the average population, and
so on.
• His classmate was a bit incredulous and was not quite sure whether
the statistician was pulling his leg. "How can you know that?" was
his query. "And what is this symbol here?"
• "Oh," said the statistician, "this is pi." "What is that?" "The
ratio of the circumference of the circle to its diameter.“
• "Well, now you are pushing your joke too far," said the classmate,
"surely the population has nothing to do with the circumference of
the circle."
Explore and Explain
the Nature !
CASE 1
太陽能
日能最佳輸出系統目的
 目前對於太陽能的應用研究，已有許多的研究報告及專利
著重於開發追蹤型的系統。然而對於具有廣大市場以及淨
源節能最重要的居家平台，相關太陽能系統的安裝以及維
修大多仍以固定式的為主要的考量，因此目前規範下的角
度是否有達到最大的效率值得討論。
 研究表明對於於最佳的情況下，對於舊金山、及京都等緯
度相近的地點，固定式的系統可以達到約70%的追日系統
的效率。台中部分也可達到69%。本文同時初步的探討目
前居家以及符合國內安裝法規的太陽能角度安裝的數據，
要如何進行最佳化的調整。
 本成果可提供針對如何開發設計新的安裝程序與對照表給
廠商，來完成最有效率的安裝方式加以說明。
 經由天文軟體SkyMap®來產出於特定地區於特徵日期下太陽軌
道的資料，同時與目前天文學所提供的計算數值互相搭配來完
成資料庫。
 下圖左為 SkyMap®的太陽軌道的計算圖示，圖右為本計畫所設
定的太陽能裝置的方位角(t)及仰角(t)。這兩個數值與
SkyMap®的太陽軌道的方位角(t)及天頂角(t)進行向量運算，
可以得到夾角(t)。
 在完成前面的太陽軌道的仰角與方位角的最佳化計算後，若要
編譯於低價的單晶片，則可利用曲線擬合的方式把完整的數據
轉換成為函數的控制參數(馬達控制也是相同的原理)。
 完成日照軌道與平面型太陽能元件的計算。完成了步驟1-2，就
可以根據之間的角度夾角(t)進行能量效率的計算。
 最基本的形式為如下的公式：(t)為裝置位置向量D=((t),(t))
與太陽位置向量S=((t),/2-(t))之間進行向量運算得到的結
果。
SD=|S||D|cos(t))
P(t )  P0 cos( (t ))
 以2011年8月10日的三個地點
(台灣台中，美國舊金山市以及
日本京都)的日出日落的結果進
行比較並驗證本計畫產出。
 圖中可看出舊金山與京都緯度
相近，因此太陽軌道相似。
 據此分別比較固定條件之下，
無遮蔽效應無大氣散射情況的
最佳的角度安裝條件。
 計算分析表明三者的最佳效率
接近65.8%，固定的仰角角度範
圍由78.6到89.15之間，與23
的角度設計的差異頗大。
23度
23度
0 度
發電量(無因次化)
遮蔽效應與太陽能量降低
時間 (單位分鐘)
CASE 2
光源設計分析的整體觀點
Principle 1/2
Intensity
I ( )
E  K ( )
2
 R ( ) 
Illumiance
Factors
Unit : cd/1000 lm
Distance
C ( )
I ( )  L 
1000
Principle 2/2
C ( )
I ( )  L 
1000
Layout
Y
L3
B
L2
(0,2)
C
X
L4
(-3,0)
L7
A
L1
(3,0)
(0,-2)
L5
L6

h
Distance r in 3-Dimension
Light Source

h

h
cos( ) 
r
h
r
cos 
r
Sensor

Improve the Metrics ?
 Lumens
 Position
 Apodizations
Definition of the Metric or
Merit Function is important
and sometimes misleads
Ave
U
Max
EXCEL XP Interface
Position of
Lamp
Lumens of
Lamp Module
Uniformity
Calculations
Results
APodizations
Position of
Sensors
Initials
90
75
60
45
30
15
0
Optimizations
Merits
Variables
Sensitivitie
s
Lamp
constrains
Targets
Changing the L 1/2
29%
Changing the L 2/2
63%
Changing the I 1/2
38%
Changing the I 2/2
Optimized
Changing Both L & I
65%
Changing L & Position 1/2
61%
Changing L & Position 2/2
Hyperbolic
Solutions
CASE 3
植物光譜匹配
Trend of LED
History of Light Sources
680 lm/W
PAR & Chlorophyll
PAR1
Chlorophyll A
PAR2
PAR1
Example : Plant Spectrum
Solar
Reflections
absorptions
Chrysanthemums
Burdock
http://www.wildmanstevebrill.com/Plants.Folder/Burdock.html
http://www.wildmanstevebrill.com/Plants.Folder/Burdock.html
LED&PAR Spectrum

PAR1
400
800
400

800
PAR2

400
800
400
800
Example 1 : WLED
 [S  PAR1  Ch  Plant ]d  2.66
PAR
LED
Chlorophyll
16 Sun Flower

Example 2 : BLUE+RED
 [S  PAR1  Ch  Plant ]d  0.81
PAR
LED
Chlorophyll
16 Sun Flower

Conclusions
• For general Purpose 
Phosphor Type LED
• PAR Effects (HVR)
• Photosynthesis
• Types of Plant

• light intensity
• light photoperiod
Degradations

Samsung XL20
Chlorophyll
PAR
Dual Phosphor
Mono Phosphor
Grapes
CASE 4
LED 光學設計
我體認的光學計算三大原則
0
光源  元件 檢測器
照明物體  關鍵物體  檢測器
1
2
•
司乃耳定律 (Snell Law)
n1sinθ1  n2sinθ2
…  LΩ
E
…
A1Ω1  A 2Ω2
EMITTING TYPE
Batwing
Lambertian
Side emitting
Collimator
Chip
Lens 44 Transparent material –
COC, PMMA, PC, silicones.
Index of refraction 1.35~1.7 preferably about 1.53
Volume 54
Gas (Vacuum, Air) or Material (Silicon, epoxy), Index 1.35~1.7
act as a filter for visible light spectrum
Side Emitting LED
package
Reflective Portion/ Funnel
(TIR)
Refraction Portion
Reflection portion:
1.Greater than critical angle (TIR)
2.AR coating, Al,
3.The light exits as close to 90 degree to the axis
Refraction portion:
1.A,B,C,D refract light 90 degree to the axis 53
2.F,G,H are parallel to the incident light
Funnel shaped
Linear Funnel shaped
Bent-Line shaped
Radiation Pattern
Applications
0.2mm
座標全部設為零, 厚度 0.1mm*1mm*1mm
25度
70度
Case 1
Case 2
表面完全不處理 (TIR)
PMMA
Alumni
挖空內表面塗反射
Case 3
表面塗反射 (對裡面有用
嗎?) 答案是有! 所以
各位接下來可以利用小光線追跡來體會這個光學結構的形式還有光學的特徵.
接下來我們使用 光學模擬來完成 500000調光線的追跡來觀察光形
500,000
10,000,000
BASIC STRUCTURES
COLOR MIXING
SPECTRUM
LED white color spectrum
Relative intensity v.s. Wavelength
30 nm
LIFE TIME
Conclusions ?
• 本文感謝國家科學委員會計畫編號NSC100-2622-E-164-003-CC3、
NSC100-2221-E-164-001- 於軟體硬體上的支援。本計畫同時也感
謝教育部補助修平科技大學全校典範特色計畫「校園節能淨源技術
之開發與教育推廣」的支持。
感謝您的聆聽 敬請指教
校園節能淨源技術之開發與教育推廣