光学系统探讨-专题周记系统.PDF

光學系統探討 一、中文摘要 這次所探討的光學系統使用 TracePro 光學模擬軟體，模擬各型聚光器的光軌跡，模 擬時使用內建之光照度分析功能分析其聚光效能，較能其聚集能量和攜帶方便性， 並挑選出適當使用的聚光器。 二、前言 現今世界面臨地球暖化 、石油短缺 、能源危機等問題，全世界都積極開發自然界能 量，例如:風力能 、太陽能、地熱能 、水力能 、燃料電池 、生質能等等的開發。這次 專題應用TracePro 軟體來模擬各型聚光器的聚光效能，如: 凸透鏡聚光器、反射鏡 聚光器 、菲涅爾透鏡聚光鏡，模擬其光軌跡和分析其聚焦能力。 三、研究目的 使用光學模擬軟體TracePro ，分析凸透鏡、菲涅爾透鏡 、反射鏡的光學特性，模擬 各型聚光器的光軌跡，且挑選較好其聚光能力，以聚集的能量多寡和攜帶方便性， 選出適合實際應用的聚光器。 四、研究方法 實驗模擬參照實物尺寸，將尺寸數值輸入TracePro 光學軟體後，利用內建的光跡模 擬功能，模擬光線通過透鏡組的光學軌跡。模擬後，在訂定的量側面，使用軟體中 的輻照度分析功能，分析反射鏡、菲涅爾透鏡、凸透鏡這三種聚光方式，比較其聚 集的能量及光線發散之多寡。 太陽能的能量： 一般未聚焦的太陽數是800W/㎡~1200 W/㎡ ，模擬使用 1000 W/㎡為實驗能量 標準，計算其透鏡供給的能量，使用公式 (1)轉換其單位。 A x Nos = W (1) 欲知光學軌跡， 必須使用TracePro光學軟體進行光學模擬，才可達到使用最少的成 本進行實驗， TracePro 光學軟體可模擬太陽能灶、透鏡 、菲涅爾透鏡等太陽能聚集 器等， 並且分析及選擇適用的聚集器。 首先，模擬應先訂定一基本的固定數據。光線來源部份，為直徑200mm的圓面，距 離聚光裝置550mm ，量測面為直徑150mm的圓面，將其置於焦點位置。在能量方面， 光線經過聚焦後，每平方公尺可聚集到1000瓦的能量，依等比例縮小，200mm的發 光面，經由公式 (1)計算。 0.2m × 0.2m × 3.14 × 1000 = 125.6 W 可得 125.6瓦的能量，故以此數值為光源的能量數值，如圖所示。1 因 為太陽與地球相聚甚遠，所以光線來源設為平行光，即把光源設定成垂直此發光 表面。 圖一 模擬光源設定 光線模擬之後，分析選定表面的聚集能量。使用TracePro 內建的輻照度分析功能量 測其特性，如圖2 所示。 圖二 輻照度分析圖表 實驗使用 三種常見的聚光方式，即菲涅爾透鏡、反射鏡與凸透鏡。 (1) 菲涅爾透鏡: 實驗應用TracePro內建的 功能，透鏡材質選用PMMA材質，尺寸依選定數值，環 距 0.1mm 、厚度0.05mm 、半徑200mm 、物距330mm 、像距330mm ，輸入各項設定的 數值以建立一菲涅爾透鏡，如圖 所示。3 圖三 菲涅爾透鏡設 定值 圖四 菲涅爾透鏡相對位置圖