立方体感应之主动式追日系统及其方法

1、立方体感应之主动式追日系统及其方法cubic sensor of active tracking system and methods2010黄宜豊952853郑博仁、952826赖建成2010/1/9摘要太阳能追日系统是提升太阳能板电能转换率的有效方法之一，而主动式追日系统是目前追日系统的研发主流，研发一稳定、高效率、容易操作的主动式追日系统，将对太阳能发电有极大帮助。本文利用光线直线运动特性所产生的光遮蔽效应，我们研发出一个相当简单有效的太阳光感应控制单元，称为正立方体感应控制单元，透过正立方体各面对太阳光照射之不同有效吸收面积比值关系与各面实际因吸收光能而产生之电流比值关系，我们可以很容

2、易、正确地求出当时太阳光的入射方位角与仰角，进而转动太阳能板使其有最佳的电能转换率。关键词：主动式追日系统(active tracking system)、正立方体感应控制单元(cubic sensor control unit)、方位角(orientation angle)、仰角(elevation angle)。 abstract solar tracking system is one of the most effective methods to promote the electricity conversion efficiency of solar panels. beside

3、s, the active tracking system is the main stream of current research. to develop a stable, highly efficient, and easy operating active tracking system will contribute tremendously to solar electricity. this thesis utilizes the feature of sunlight straight movement to produce the shadow effect. we de

4、velop a simply workable solar sensor control unit called cubic sensor control unit. each side of the cubic has different effective area under the sunlight radiation. through the effective area ratio relations of each side and the ratio relations of the real electric current generated by each side, w

5、e are able to calculate the orientation and elevation angles so that we can make solar panels turn with the best electricity conversion efficiency.keyword：active tracking system、cubic sensor control unit、 (orientation angle、 elevation angle。目录中文摘要1英文摘要2目录3图目录5第一章 绪论7研究动机7发展背景9太阳能11太阳能光电发电13硅太阳能电池18三

6、伍族太阳能电池20第二章 太阳(光)追踪器23太阳(光)追踪器工作原理23被动式追踪系统26主动式追踪系统31第三章 立方体感应模块33核心控制参数33外型设计34方位角计算35仰角计算38第四章 立方体感应模块追日系统41架构图41立方体感应模块42处理单元45被动式追日系统程序47转动单元48太阳能板单元48系统运作流程图49第五章 结论与展望 51结论51材料特性讨论52reference54图目录图1-1石油的形成11图1-2光电效应示意图13图1-3光伏特效应示意图15图1-4硅太阳电池随着温度升高，效率降低19图1-5三五族三接面太阳能电池20图1-6能隙示意图22图2-1东-西方

7、向移动单轴追踪器23图2-2方位角转动单轴追踪器24图2-3东-西与南-北转动双轴追踪器24图2-4仰角与方位角转动双轴追踪器25图2-5黄道示意图28图2-6天体示意图28图2-7入射角和方位角示意图29图2-8光传感器示意图31图3-1方位角与仰角示意图33图3-2太阳能板与立方体感应单元34图3-3立方体感应单元34图3-4立方体感应与太阳光入射光之有效分量35图3-5俯视立方体入射光有效分量方位角计算36图3-6俯视立方体0o360o方位角计算37图3-7顶面a与太阳入射光38图3-8俯视立方体示意图及侧视立方体仰角示意图39图3-9侧视立方体0o360o仰角计算40图4-1系统架构图

8、41图4-2被动追日程序执行图48图4-3系统流程图49图5-1固定温度(250)太阳能板日照强度特性曲线52图5-2在固定日照强度太阳能板温度特性曲线53第一章 绪论研究动机因为现今科技产业的蓬勃发展，以及世界各国之间的科技竞争，能源耗竭已成为一个不容忽视的问题。现今能源的使用，是以石化材料为主，对于替代性能源的开发还不够完善，以致我们想到提升太阳能这种新兴能源效率的方法。尽管太阳能已有许多学者积极的研究和发展，但还是无法将其普及化，主要是因为太阳能板的价格过于昂贵，所花费的成本跟带来的效率有一定的差异，其次，就是太阳能板的光电转换效率低，目前只有20%30%的转换效率，如果想要更进一步的提

9、升，则在成本的花费上将会大大超出其所带来的利益。再者，为避免太阳入射光因为角度问题，而导致吸收率的降低，所以，如何有效撷取最大日光照射量，使太阳入射光垂直太阳能板，也是一大重点。目前太阳能电池在传统上以硅材料为主，价格昂贵且转换效率低，用来制造太阳能电池发电，其发电成本要比一般传统上应用石化燃料来发电的成本贵出许多，因此太阳能电力在发电成本上难与传统石化燃料能源电力相互竞争。所以如何提高太阳能的转换效率为当务之急，有鉴于此，三五族太阳能电池将会取代多晶硅的太阳能电池，而三五族太阳能电池仅能吸收直射的太阳日照，因而如何使入射太阳光随时皆垂直照射在太阳能板上是很重要的课题。在这课题上有许多的研究方

10、法被提出，其主要可分为两大类，即主动式追日系统与被动式追日系统，被动式的追日系统几乎发展成熟，而主动式追日系统正热烈发展中，据文献3计载，主动式追日系统和被动式追日系统各有其优缺点，但倘若我们能结合两者的优点并减少其缺点的影响，理论上可以将整个系统效能有效提升。发展背景 能源可说是人类生活、经济发展及社会进步的原动力，举凡与工业发展、交通运输及人民生活一切活动，均与能源需求有关。然而，随着工业的发展及人类的经济活动大量使用石化燃料，已造成大气中二氧化碳等温室气体的浓度急速上升，产生越来越明显的全球气温暖化、海平面上升、全球气候变迁加剧等现象，对环境造成日益明显的负面冲击。此外国际原油价格攀升，

11、在未来亦有匮乏短缺用尽的时候。我国本身能源供应量不足，进口能源依存度高达95，再加上人口稠密，工商业高度发展，民生及工业用电愈来愈吃紧，故而开发新能源远较他国更为迫切，新能源的开发务必以减少对自然环境污染为前提，因而再生能源的应用及推广，实为当务之急。 再生能源是利用太阳、风力、地热、生质、海洋等所产生的天然能源，此类能源与石化能源（煤、天然气、石油）相较，具有低环境污染、可循环利用等优点。就台湾目前的现况而言，风力和太阳能是最具潜力的新兴能源，但风力因噪音问题只适合设在偏远人口稀少地区，且一定要大规模的设立，否则经济效益不高，如台塑麦寮风力发电。因此，基于地理环境及大规模设立的条件下，太阳能

12、最为普及，不论高山或海边，都市或乡村到处都有阳光，而台湾位居亚热带地区并且较靠近赤道，太阳的日射量非常的充足，太阳能之应用具有相当发展的潜力。以太阳能发展条件而言，远比日本与美国大部份地区为佳，因此开发与利用潜力无穷的太阳能科技是我国近来能源发展的一项重要主要课题。太阳能自工业革命以来，人们大量的开采地球几千万年来所储存的化石材料，造成了现代文明面临化石能源消耗殆尽的威胁，为了解决这个问题，替代性能源的开发，便是全人类应该关注的议题。化石燃料包括石油、天然气与煤炭，石油和天然气是从有机物质而来，煤炭则是由数百万年前沼泽地区的植物累积而成，这些草木分解变成泥炭，当沼泽消失后，泥炭被泥浆及沙地覆盖

13、，再经数千年的地质与压力作用下转化成现今的煤层。但化石燃料并非取之不尽，用之不竭，由于他在世界各种能源中所占的比例高达85%，然而按照目前的使用方式，其中的石油和天然气将耗损迅速。图1-1 石油的形成因此开发可靠、对环境友善的再生能源已是刻不容缓的事，各种替代性能源也应运而生。在各替代性能源当中，尤以太阳能最具发展潜力。它主要的优点有：太阳能是人类可以利用的最丰富的能源，且今后数十亿年的时间，太阳也不会产生明显变化，所以太阳能可以做为人类永久性的能源。太阳能随处可得，可就地开发利用，不存在运输问题，尤其对偏远地区更有利用价值。太阳能是一种洁净的能源，对地球不会增加额外的热负荷，相较于其它能源来

14、说是非常环保。但缺点为：太阳能量密度较低，若要收集大量的能源，则太阳能装置需要有相当的面积，而这意味着系统的制作成本高昂。太阳日照受环境、气候与昼夜的影响。这代表太阳能装置无法稳定的输出电力，因此需要电力或储热储存装置，这不仅增加了技术上的困难，也使成本提高。尽管有以上的缺点，但瑕不掩瑜，太阳能依然是未来的明日之星。太阳能光电发电光电效应图1-2 光电效应示意图要了解太阳能的发电原理，需要从光电效应开始。光电效应是于1887年由德国的物理学家海尼赫兹实验发现的，但其理论一直到1905年，才由才华洋溢的爱因斯坦使用光子的观念予以成功的解释。光电效应主要是描述当光线照射到金属表面，金属内的电子受到

15、光子的撞离使其脱离了金属的束缚而成为自由电子产生光电流的现象。光电(photoelectric)效应是在1887 年由 heinrich hertz 实验发现的。而在1905年，爱因斯坦使用光子(photon)的概念，在理论上予以成功的解释。光电效应一般而言是描述光子射到金属表面，金属内的电子吸收足够的光子能量，离开金属，成为真空中的自由电子。在实验设置上的，通常是用二个金属和一个电压电源连接起来，照光的金属当阴极放射器(cathode emitter)，不照光的金属当阳极接收器 (anode collector)，外加电压让照光后逃离金属的束缚的电子从阴极跑到阳极，形成光电流 (photoc

16、urrent)。光电效应最直接的应用就是用来侦测光的光倍增器(photomultiplier)。我们知道，金属的电子能带结构和半导体或绝缘体不一样，因为电子可以自由运动的导带和电子参与键结的价带是重迭的，也就是说，金属内参与键结的电子是可以自由运动的导电电子。而金属内的电子能带结构有二个重要的物理参数，费米能 (fermi energy)和真空能阶 (vacuum level)，真空能阶和费米能的能量差就是所谓的功函数 (work function) 能量。简单的说，在温度0k 时，费米能是指金属内的电子占据的最高能阶。也就是说，在温度0k 时，费米能以下，填满电子，费米能以上，没有电子。功函

17、数则是金属内的正电背景离子对电子的净束缚能，若电子脱离金属的束缚而跃升至真空能阶，自然是变成真空中的自由电子。通常有二种方式可以让电子获得额外的能量，脱离金属的束缚，而跃升至真空能阶。一是加热，电子吸收声子的能量，产生热离子放射(thermoionic emission)，或是照光，电子吸收光子的能量，产生光电效应。光伏特效应图1-3 光伏特效应示意图如果纯粹是望文生义的话，任何器件只要能转换入射光子的能量而直接产生输出电压，就可称为光伏特效应 (photovoltaic effect) 。当然这样的定义不是很精确。譬如说，半导体的dember 效应 (或称为photodiffusion 效应

18、) 也能转换入射光子的能量而直接产生输出电压。dember 效应是描述当光照到半导体表面，光子被吸收产生电子-电洞对，半导体表面的载子浓度增加因而向半导体内扩散，但因电子和电洞的扩散系数不一样，电子和电洞在空间的分布就不相等，也因此会在分布不均的电子和电洞间产生内建电场，这内建电场产生的总和效应，就成为实验所量测到的dember 电压。也就是说，光照到半导体被吸收也会因dember 效应产生dember 电压。但一般而言，半导体的dember 效应不是很显著，如果器件的金属接触不是良好的奥姆接触(ohmic contact)，则金属-半导体形成的schottky 接触之光伏特效应会远超过纯粹半

19、导体的dember 效应。也就是说，量测到的输出电压会是金属-半导体二极管的光伏特效应，而非纯粹半导体的dember 效应。光伏特效应一般而言是指光子射到半导体p-n 二极管后，p-n 二极管的二端电极，产生可输出功率的电压伏特值。这详细的过程包括光子射到半导体内产生电子-电洞对，电子和电洞因半导体p-n 接面形成的内建电场作用而分离，电子和电洞往相反的方向各自传输至二端电极来输出。所以光伏特效应一般是跟p-n 二极管有关的。若以硅晶体为例，n-型硅是指加入v 族的元素(如磷)做为施体(donor)，提供导带电子。p-型硅则是指加入iii 族的元素(如硼)做为受体(donor)，提供价带电洞。

20、如此半导体便可以有四种带电荷的粒子：带负电荷的电子，带正电荷的电洞，带负电荷的受体离子，和带正电荷的施体。前二者是可动的，而后二者是不可动的。尚未接触前，n-型或是p- 型半导体都是维持各自的电中性 (charge neutrality)，也就是说，n-型半导体中，施体离子所带正电荷，约等于电子(n-型之多数载子) 所带负电荷。p-型半导体中，受体离子所带负电荷，约等于电洞(p-型之多数载子) 所带正电荷。n-型和p-型半导体接触，形成p-n 接面 (junction)。在接面附近，电子会从浓度高的n-型区扩散至浓度低的p-型区，而相对地，电洞会从浓度高的p-型区扩散至浓度低的n-型区。如此一

21、来，在接面附近的区域，其电中性便会被打破。n-型区在接面附近会有施体正离子裸露而产生正电荷区，而p-型区在接面附近会有受体负离子裸露而产生负电荷区。n-型区正电荷区和p-型区负电荷区就总称为空间电荷区 (space charge region)。因为施体正离子和受体负离子都是固定于晶格中，因此n-型区正电荷区和p-型区负电荷区就会形成一个内建(built-in)电场，这空间电荷区的内建电场其方向是从n-型区指向p-型区。如果入射光子在空间电荷区被吸收产生电子-电洞对，电子会因为内建电场的影响而向n-型区漂移 (drift)，而相对地，电洞会因为内建电场的影响而向p-型区漂移。也就是说，入射光子

22、在空间电荷区被吸收产生电子和电洞，因为内建电场的影响而产生从n-型区向p-型区的漂移电流，就是所谓的光电流 (photocurrent)。光伏特效应中的光电流，其流向是从n-型区向p-型区，这对p-n 二极管而言，这刚好是反向偏压 (reverse bias)的电流方向。光伏特效应中，p-n 接面区的空间电荷区的内建电场之功用就是使入射光子被吸收产生电子-电洞对在复合 (recombination) 前被分开，而产生光电流。硅太阳电池此太阳能电池的材质以硅为主，包括单晶硅(mono crystalline silicon)、多晶硅(multi crystalline silicon)与非晶硅(

23、amorphous silicon)，故称为硅太阳电池。自1954年美国贝尔研究室研制出 6%光-电转换效率的实用型单晶硅开启的太阳能电池的发展，硅太阳能电池成为目前最为普遍、应用最广的太阳能电池(占所有太阳能电池约85%)。目前实验室制造的硅太阳能电池效率为25%，而量产型的效率也接近20%。日本三洋电机公司发表新的单晶型hetero-junction with intrinsic thin-layer(hit)太阳能电池，该公司利用独自的技术已经达成世界最高的转换效率(23)，这是藉由单晶硅(c-si)与非晶硅(a-si)的异种接合界面技术改良，以及其它数种重要技术的高效率化而得以实现。该

24、公司计划23年内能够达到量产化，今后将朝更效率化、低成本化及省资源化的技术开发。但硅太阳能电池仍存在几个缺点，限制了未来的发展：硅的产能不足，导致硅太阳能电池的原物料价格上涨，让成本提高使竞争力下降硅太阳能电池的效率受限于材料的物理性质，降低发展的潜力。硅太阳能电池的光电转换效率易受温度上升的影响而下降。图1-4 硅太阳电池随着温度升高，效率降低太阳入射光角度对硅太阳电池的影响较小，故可同时接收太阳光的直接日照和漫射日照，因此模块的安装可采固定式或移动式。硅太能电池之后的发展的方向是利用新的制程技术来降低电池的生产成本，如此才能在未来的太阳电池市场中具有竞争力。三五族太阳能电池三五族太阳能电池

25、最初使用于太空计划与人造卫星上，他的材料为半导体三族元素(氮、磷、砷、锑、铋)和五族元素(硼、铝、钾、铟、铊)的化合物，制造技术门坎与成本都很高。但它所拥有的高效率与耐热(约每上升1oc光电转换效率降低0.3%)的特性，也是硅太阳电池所不及的。它的主要原理为利用不同的材料去吸收不同波段的太阳辐射，提高太阳能的吸收率，也藉此提高光-电的专换效率。图1-5三五族三接面太阳能电池(钾铟铊/钾砷/锗三接(gainp/gaas/ge)(a)显示三接面电池各自接收不同太阳光谱 (b)为由上到下的三个接面由于三五族太阳电池的成本高，但是它的特性是要搭配大面积的聚光透镜或是反射镜将太阳光聚光到小面积的电池，因

26、此可大幅缩减电池的使用面积达到降低发电成本的目的。此外，它只能吸收太阳光的直接日照，因此太阳电池需要时时刻刻的精准正对太阳，所以需要搭配太阳追踪器，详细说明见第二章早期制作太阳能电池的主要材料皆以硅基材为主，但约在1980年开始，iii-v半导体组件基于砷化镓的磊晶成长技术的提升，因此开始应用在太阳能电池的发展。此外，由于iii-v系列的太阳能电池在效率远远超过硅基材的太阳能电池，也因此该电池渐渐地被应用在太空卫星上。经过几年的研发，较复杂的异质接面太阳能电池的诞生，其异质接面主要是由砷化物与磷化物所组成，且其效率大大地提升至20以上。为了突破20效率的瓶颈，约在2000年左右发展出了三接面的

27、太阳能电池，其组成主要是由三组pn接面所组成，分别为磷化物、砷化物与锗基板。由于iii-v半导体电池的高效率、低重量以及更好的耐辐射特性，已使得iii-v半导体几乎取代了硅半导体在高效率太阳能电池的市场。 增加三五族太阳电池的接面数是增加光电转换效率的方式之一。太阳光是一种连续的光谱，但由于地球中水分子吸收的关系导致有些波长的光谱被吸收，使得太阳光光谱形成非连续续性的光谱。 由于太阳光光谱包含每个波段，大多的入射光能量并非完全地符合该太阳能电池所吸收的能隙范围，导致许多的光能量无法有效地反应在电池的输出上。若当入射光能量约大于等于半导体能隙时，则半导体将会有效地产生电子电洞

28、对而形成光电流。当入射光远大于半导体能隙时，则会使得大部分的能量会以热的形式释放掉。所以未来在太阳能电池能隙的设计上，需要更有效率的将光能量能够完整的被电池吸收，而不要以热的形式销耗掉。 图1-6 能隙示意图第二章 太阳(光)追踪器太阳(光)追纵器太阳光追踪器有效的让太阳入射光与太阳能板受光面垂直，提高系统的吸收量，增进发电。太阳追踪器可分为单轴式和双轴式两种。单轴式主要是指依东-西方向移动或是方位角转动来追踪太阳，主要应用于不需高度精度追踪(因为使用单轴式追踪器一定会有南北向的误差且无法改善)、低制造成本等因素，所以经常和硅太阳电池(silicon-base solar cells

29、)系统搭配。图2-1 东-西方向移动单轴追踪器图2-2 方位角转动单轴追踪器双轴追踪器是指东-西与南-北两个方向(两旋转轴均与地面平行)转动，或是仰角与方位角(两个旋转轴一个与地平面垂直，另一个与地平面平行)转动来追踪太阳，其主要应用于要求高精度追踪及高聚光型系统。图2-3 东-西与南-北转动双轴追踪器图2-4 仰角与方位角转动双轴追踪器被动式追日系统被动式追日系统的工作原理以计算太阳仰角及方位角角度，根据带入的经度、纬度、时间等数据的不同，产生太阳追踪器需旋转及倾斜的度数，透过度数去驱动太阳能板来进行追日。由于目前已知的太阳位置公式已发展的相当成熟，所以求得之太阳位置信息的精确度高。地球自转

30、以及绕太阳公转的现象已为人类所了解，在地球上任何一个时间与地点，天文学家已能准确的预测太阳与地面所夹的仰角以及东西向的方位。地球在黄道面上以近乎圆形的轨道绕太阳公转，而地球自转轴与黄道面的夹角恒维持着23.45°的关系。每年的夏至，地球在公转轨道的一端，正午时太阳直射北回归线。冬至的中午，地球在公转轨道呈180°的另一端，太阳直射南回归线。每年太阳直射的位置随着地球的公转在南北回归线间来回摆动，造成春夏秋冬的气候，也造成不同季节时分太阳与地面仰角的变化。地球除了绕太阳公转外也同时在自转，一天自转约一周，从地球每天可看到日出与日落。每天不同的时间，地球自转可影响到太阳的仰角以

31、及东西向的方位。以台湾地区而言，夏至时节早上从东北东方升起而傍晚在西北西方落下。冬至时分，太阳从东南东方升起在西南西方落下。仰角及方位角随着时间在慢速的变化，它的轨迹在天空中划一个非平面的弧形。以下透过些简单公式来探讨。磁偏角地球绕太阳公转的平面(黄道面)与地球自转的平面并非平行，其间有23.45的差异，再加上地球绕太阳公转的轨道(黄道)是椭圆形而非正圆形，因此会产生磁偏角(solar declination)也有人称为赤纬角。虽然实际上是地球绕着太阳公转，但是以人的立场看，却习惯将自己所站的地球视为固定不动，而看成是太阳绕着地球转动的方式，这样比较容易理解与接受。因此，我们将图2-5改画成图

32、2-6，并将整个天空视为一个天体圆。由图二中可看出，全年之中，每一天太阳和地球的联机与天体圆赤道之间所形成的夹角，也就是所谓的磁偏角 都不相同，会在+23.450 与-23.450 之间变化，其计算公式为=23.45°sin360284+n365其中n 为自1 月1 日算起的第几天。图2-5 黄道示意图图2-6 天体示意图入射角图2-6改画成图2-7，则可看出入射角就是以站在地球上的观看者，其头顶正上方与天体圆的交点为p 点，即所谓的天顶，观看者所看到太阳(s 点)与天顶(p 点)之间的夹角z 就是入射角，也称为天顶角。图2-7 入射角和方位角示意图而太阳的入射角z可由下式求出：z=

33、cos-1sin sin+cos cos cosw再求出仰角=900-z方位角方位角a 为观看者所看到太阳(s点)和天顶(p点)之间的联机，与自天顶(p点)往天体球赤道(正南方)延伸线之间的夹角。太阳之方位角a则为：a=cos-1sinsin-sincoscos以上的时间称为太阳时间，事实上地球绕行太阳的轨道并非完全圆形，而且地球依各地区经度之不同仅划分成有限个时区，要更精确的计算个别地点之仰角与方位角。利用以上的方法，同一追日系统无论架设于地球上任一地点，在任何时刻均可准确的计算太阳的仰角及方位角。主动式追日系统根据参考文献1、3，主动式追日系统的工作原理是利用光传感器来感测太阳的位置，光传

34、感器可以量测目前方位是否正确，并启动追踪机构来修正，来达到追踪的目的。 图2-8 光传感器示意图主动式系统的目的就是要求任何时刻皆能接收最大的日照强度，进而提升发电效率。目前已有的主动式系统设计，有利用太阳能板两端架设由光感组件所组成的光量感测装置，透过感测回授量的不同进行移动1，以及低耗能式主动型追日系统4，利用光谱分析原理所研发出主动型追日系统。可以有效的拉长日照能源运用时间，再配合聚光核心技术，有效提高转换效率、并降低成本。由于主动式追日系统目前仍有很大的发展空间，学者们正努力地发展追求更高效率的主动式追日系统，很高兴地，我们在此亦提出一相当简单有效率地主动式追日系统核心设计，我们称其为

35、“正立方体感应主动式追日系统核心设计”。第三章 立方体感应模块核心控制参数a.方位角(z)方位角又称地平经度，是在平面上度量物体之间的角度差的方法。在此处我们以正南方为0度，逆时针转一圈之后的角度为360度。因此正东方、正北方、正西方分别为90度、180度、270度。b.入射角令观测者的头顶正上方与天体圆的交点为天顶点，则观测者所看到天顶点与太阳之间的夹角即为入射角。c.仰角()也称为太阳高度角，即为某地的太阳光线与当地地平面所交的线面角，如图3-1所示。图3-1方位角与仰角示意图外型设计如图3-2所示，将太阳能板与正立方体感应单元控制结构分别独立开来，独立的感应单元控制结构是固定不动的，而太

36、阳能板将随时对准入射的阳光。图3-2太阳能板与立方体感应单元图3-3 立方体感应单元如图3-3所示，我们的正立方体感应单元控制结构是一个边常为p的正立方体，除底面不是太阳能板外其余五面，分别标示为a(顶面)、b、c、d、e(侧面)均为太阳能板。利用此正立方体来接收太阳能，并将a、b、c、d、e 等5面太阳能板所收集到的瞬间电流，进行计算求得太阳目前所在位置的方位角和仰角，以利我们调整太阳能板，达到最佳接收光能效果。计算方位角图3-4 立方体感应与太阳光入射光之有效分量如图3-4所示，取b面-c面、c面-d面、d面-e面、e面-b面来计算方位角，当太阳光以仰角照射到侧面b、c、d、e时，其垂直于

37、此四个侧面的有效分量为icos，其中i为入射太阳光强度。图3-5 俯视立方体入射光有效分量方位角计算在方位角位于00到900为范围时，如图3-5所示，对c面而言，有效分量为icossinz，对b面而言，有效分量为icoscosz，令ib、ic为b面、c面太阳能板所接收到的实时电流，由于a、b、c、d、e五面太阳能板是相同的材质结构，故可以合理假设这五面太阳能板将接收光能转换为电流的比例因子皆相同，则我们可以推导出以下公式依此类推，如图3-6所示，进一步导出其它方位角角度范围的公式图3-6俯视立方体0o360o方位角计算.00z<900z=tan-1(ic/ib)-(1).900z<

38、1800z=tan-1(id/ic)+900 -(2).1800z<2700z=tan-1(ie/id)+1800 -(3).2700z<360z=tan-1(ib/ie)+2700-(4)计算仰角图3-7 顶面a与太阳入射光如图3-7所示，取a面-b面-c面、a面-c面-d面、a面-d面-e面、a面-e面-b面来计算仰角，在00到900方位角的范围，如图3-7所示，对a面而言，阳光的垂直有效分量为isin，对b面而言，垂直有效分量为icoscosz，对c面而言，垂直有效分量为icossinz，因而对b面+c面(b+c面)而言，阳光的垂直有效分量为 icos(cosz+sinz)，

39、令ia、ib、ic为太阳能板所接收到的实时电流，则我们可以推导出以下公式。 图3-8 俯视立方体示意图及侧视立方体仰角示意图如图3-8所示，我们利用接收面之有效面积来重做，则在00z<900，在a面之有效面积为p2下，b+c面之有效面积为 p2(cosz+sinz)推导后亦可得到相同结果因此，我们可以用同样方式来推出在不同的方位角范围下的仰角公式，如图3-9所示。图3-9侧视立方体0o360o仰角计算.00z<900 = z =tan-1 (ia/ib+ic)*(sin+cos) -(5).900z<1800 = z - 900 =tan-1 (ia/ic+id)*(sin+

40、cos) -(6).1800z<2700 = z - 1800 =tan-1 (ia/id+ie)*(sin+cos) -(7).2700z<3600 = z - 2700 =tan-1 (ia/ib+ie)*(sin+cos) -(8)第四章 立方体感应模块追日系统架构图图4-1 系统架构图系统是用来追踪侦测并计算出照射在感测单元表面的太阳光之方位角与仰角，其包含感应模块、处理单元、被动追日系统单元、转动单元与太阳能板。太阳能板接收太阳光之光强度，用以产生对应光强度之电能e_energy。感应模块系具有复数感测单元，且该等感测单元彼此相互形成立方体，用以根据太阳光入射于该等感测单

41、元之光强度，分别地产生对应光强度的感测讯号，例如感测单元可为太阳能板。举例而言，其中立方体可为边长相等之正立方体。处理单元与感应模块连接，且分别地根据自该等感测单元所接收与其对应之感测讯号，产生对应的控制讯号。其中，根据控制讯号，用以提供转动单元转动太阳能板所需之方位角讯号与仰角讯号。转动单元与太阳能板连接，且根据控制讯号，转动太阳能板，使得太阳能板垂直面向入射之太阳光。此外，应当可以了解到，转动单元藉由方位角讯号与仰角讯号转动太阳能板，将使得太阳光之光强度于太阳能板上产生最大的电能e_energy。值得注意的是，本发明之主动式追日系统更可包含一被动式追日单元，其根据太阳的运动轨迹，系可选择性

42、的提供太阳能板转动所需数据，并透过转动单元转动太阳能板。立方体感应模块正立方体感应模块具有复数感测单元(b、c、d与e)，其分别取感测单元b面与c面、感测单元c面与d面、感测单元d面与e面、感测单元e面与b面来计算方位角，当具有光强度之太阳光以仰角照射到正立方体感应模块之侧面的感测单元b、c、d、e时，其垂直于此四个侧面的有效分量为icos，其中感测单元b、c、d、e系可为太阳能板。接着参考图3-5，固定正立方体感应模块，使得正立方体感应模块之侧面(b)之感测单元系朝向以方位角定义为0度之正南方，当方位角位于到b面与c面（于此定义在00 900）之范围时，其感测单元b面的光强度之有效分量系为i

43、coscosz，而感测单元c面的光强度有效分量系为icossinz。此外，感测单元b面与感测单元c面系分别地产生对应的复数感测讯号ib与ic。由于感测单元b面、c面、d面与e面四面具有相同的材质结构，故可以合理假设感测单元b面、c面、d面与e面能将接收太阳光之光强度i转换为感测讯号的比例因子皆相同，则可以推导出以下公式：依此类推，可如同图3-6所示，进一步导出其它方位角角度范围，其系分别为：其中，ib、ic、id与ie系为立方体感应模块各侧面b、c、d与e所产生之该等感测讯号，以及z系表示照射在各感测单元表面的太阳光之方位角。参考图3-7到3-9，系说明第一图中正立方体感应模块用以获得仰角之示

44、意图。上述仰角系根据正立方体感应模块之顶面(a)之感测讯号与任两个邻近的正立方体感应模块之该等侧面(b、c、d与e)之该等感测讯号中获得。于图3-7中，正立方体感应模块10具有复数感测单元(a、b、c、d与e)，其系分别取感测单元a面-b面-c面、感测单元a面-c面-d面、感测单元a面-d面-e面、a面-e面-b面来计算仰角。参考图3-8，系太阳光照射在感测单元b面与c面（于此定义在00 900）之方位角的范围内，其于感测单元a面获得isin之太阳光的垂直有效分量、于感测单元b面获得icoscosz之太阳光的垂直有效分量、于感测单元c面获得icossinz之太阳光的垂直有效分量。故对于感测单元

45、b面与感测单元c面之两面有效的分量组合而言，其为icos(cosz+sinz)。此外，感测单元a面、感测单元b面与感测单元c面系分别地产生对应的复数感测讯号ia、ib与ic，用以推导出以下的公式：亦或者可利用感测单元a面、感测单元b面与感测单元c面所接收太阳光之有效面积来计算，同样可获得与上述相同之公式。依此类推，可以用同样方式来推出在不同的方位角范围下的仰角公式，如同第七图所示，其系分别为： 其中ia、ib、ic、id与ie系为正立方体感应模块所产生之该等感测讯号、z系表示照射在各感测单元表面的太阳光之方位角、以及系表照射在各感测单元表面的太阳光之仰角。处理单元由于立方体感应模块有良好的光遮

46、蔽效应，故可利用光行进的直线性特性，而达成精准的感应，亦即当方位角位在00z<900之间时，其太阳之光强度作用于感测单元d面与e面的有效面积为0，而其所对应的感测讯号id与ie系为0。同样地，当方位角位在900z<1800之间时，其相对应的感测讯号ie与ib系为0；当方位角位在1800z<2700之间时，其相对应的感测讯号ib与ic系为0；当方位角位在2700z<3600之间时，其相对应的感测讯号ic与id系为0。藉由上述的特性，熟悉该项技术具有通常之事者，应当可以了解到可藉由ib、ic、id与ie的感测讯号，确定太阳之入射方位角z位于哪一区域范围，而正确地计算方位角z

47、，进而计算仰角，但若所有ib、ic、id与ie之有效感测讯号系为0或接近于0时，则可藉由启动一习之技术的被动式追日系统来辅助运作。然而，值得注意的是，若有任何一组判断讯号之电流值，例(ib、ic)、(ic、id)、(id、ie)或(ib、ie)跨越某一预定或使用者自订的一有效感测讯号的临界值时，本发明之具有立方体感应模块之主动式追日系统则可即刻启动。其中，ib、ic、id与ie之感测讯号之有效临界值，可视实际布建时太阳能板的面积大小与转换效率而定。本系统主要利用两项判断，一项是ia的感测讯号是否超过临界值及第二项是ib、ic、id与ie感测讯号的感测讯号是否超过临界值， 当ia<临界值1

48、 ，即日出时刻 。ib、ic、id、ie<临界值2，即正午时刻，当ia<临且界值1，ib、ic、id、ie<临界值2 ，即阴雨天。被动式追日单元选择性的透过被动式追日单元，计算出太阳之方位角与仰角，并经由处理单元，提供给转动单元转动该太阳能板。被动式追日系统程序由于地球绕日的天体运动其轨迹是固定，地球每年的公转与每日的自转是决定地表目标地与太阳联机关系的主要依据，亦是被动式追日系统设计要解决问题的所在，对此，已有许多的研究论文发表，更有学者对已发表的文献做进一步的分析评估2，然而因目标地的海拔高度、压力与温度，会影响到地球目标地的日出时间、日落时间、方位角与仰角，这些因素前述

49、文献并未考虑，而在”solar position algorithm for solar radiation application” 5文献中，所有会影响到被动式追日系统因子及其作用，均有纳入考虑计算，故其有较高的准确性，”她”更进一步提供高准确性程序，执行该程序，输入的变量有年、月、日、时、分、秒、时区、经度、纬度、海拔高度、压力、温度等，程序将迅速输出追日系统所需的各项数据，计有输出目标地当时的入射角(incidence), 方位角(azimuth), 天顶点(zenith), 太阳通过子午经线的时间(suntransit), 日出时间(sunrise), 日落时间(sunset)，有了

50、这些重要数据足够提供设计一良好的被动式追日系统。图4-2 被动追日程序执行图转动单元根据该控制讯号，转动该太阳能板，使得该太阳能板能及时垂直朝向该照射之太阳光。太阳能板单元太阳能板是由数个太阳能电池所组成，而我们系统主要使用的太阳能电池，主要是以三五族太阳能电池为主。是用来接收太阳之光强度，用以产生对应光强度之电能。系统运作流程图图4-3 系统流程图执行步骤 步骤一 系统自动开机(开机时间由昨日设定或手动开机)。 步骤二 由被动式追日系统5计算日出、日落时间、明日开机时间及日出方位角、仰角，并转动太阳能板。 步骤三 读取控制结构单元各面之瞬间电流。 步骤四 判断ia临界值1且ib、ic、id、ie临界值2。若是，则进入步骤五。若否，则进入步骤六。 步骤五 利用被动式追日系统程序5求出方位角、仰角后，进入步骤八。 步骤六 利用本文所提公式求出