TW201918671A - 應用於太陽能板的雙軸追日機構 - Google Patents

Abstract

一種應用於太陽能板的雙軸追日機構，包含樞設於底座的旋轉台、驅動旋轉台的第一動力源、包含滑塊的升降裝置、驅動滑塊的第二動力源、軸樞、太陽能板固定架與四連桿，升降裝置設於旋轉台，軸樞樞設於升降裝置頂部，太陽能板固定架設於軸樞並供設置太陽能板，第一連桿的一端固定於滑塊，第二連桿的一端樞接第一連桿的另端，第三連桿的一端固定於軸樞而另端樞接第二連桿的另端；第一動力源驅動旋轉台轉動以調整太陽能板的方位角，第二動力源驅動導螺桿帶動滑塊升降移動以透過四連桿的連動機制轉動該軸樞，進而使太陽能板的仰角對應太陽的高度角。

Description

應用於太陽能板的雙軸追日機構

本創作是一種追日機構，特別是指應用於太陽能板的雙軸追日機構。

自1950年代發明太陽能電池以來，研究者持續在太陽能電池的研究開發上做出很大努力，但礙於半導體材料的限制，其光電轉換效率始終無法重大突破。在太陽能技術領域中，除了半導體材料的開發以外，為提高太陽能板整體光電轉換效能，現有許多研究係關於追日機構，追日機構供承載太陽能板，以讓太陽能板追隨太陽的方位角與高度角。

例如台灣專利公告第M540259號提出的太陽能追日裝置，其包含基座、第一驅動件、轉盤、平移板、第二驅動件及太陽能板架，第一驅動件包含第一轉動齒輪；轉盤具有外齒輪圈及設有軌道，外齒輪圈與第一轉動齒輪相互嚙合，從而帶動轉盤相對於基座旋轉；平移板容置於軌道；第二驅動件包含第二轉動齒輪，第二轉動齒輪安裝於平移板且與軌道相互嚙合，從而帶動平移板沿著軌道平移；太陽能板架包含主架體、第一連桿架及第二連桿架，主架體透過第一連桿架及第二連桿架之帶動而能相對於平移板調整仰角角度。

再例如台灣專利公告第I546977號提出的傾斜式追日裝置，包含下支撐架、上支撐架、十字接頭部、第一驅動機構以及第二驅動機構。第一驅動機構提供上支撐架南北向之旋轉動力，包括推桿、連接桿及第一驅動器。第二驅動機構提供上支撐架東西向之旋轉動力，其固設於下支撐架，包括轉向單元及第二驅動器。於初始狀態下，第一驅動機構頂推上支撐架，使得上支撐架與水平面具有與所在地之緯度相同之傾斜角，能使每日太陽軌跡所造成之角度改變量呈線性變化。

由此可見，追日機構的設計亦是太陽能技術領域的重點之一。

本創作之主要目的是提供一種應用於太陽能板的雙軸追日機構，可供承載太陽能板，以供太陽能板追隨太陽的方位角與高度角。

本創作應用於太陽能板的雙軸追日機構包含： 一底座； 一旋轉台，樞設於該底座的頂部； 一第一驅動裝置，包含連接該旋轉台的一第一動力源； 一升降裝置，設置於該旋轉台的頂面且包含可升降移動的一滑塊； 一第二驅動裝置，為設置在該升降裝置且供驅動該滑塊的一第二動力源； 一軸樞，橫向樞設於該升降裝置的頂部； 一太陽能板固定架，設置於該軸樞並供設置一太陽能板； 一第一連桿，為水平設置的直桿體且包含一固接端與一樞接端，該第一連桿的固接端固定於該滑塊； 一第二連桿，為直桿體且包含一第一樞接端與一第二樞接端，該第二連桿的第一樞接端樞接該第一連桿的樞接端； 一第三連桿，為垂直於該軸樞的直桿體且包含一固接端與一樞接端，該第三連桿的固接端固定於該軸樞，該第三連桿的樞接端樞接該第二連桿的第二樞接端；以及 一控制主機，電連接該第一動力源與該第二動力源，該控制主機儲存太陽在不同時間點的方位角與高度角的數值，以根據時間點將對應的方位角與高度角的數值分別產生驅動信號給該第一動力源與該第二動力源；該第一動力源驅動該旋轉台轉動以供該太陽能板對準太陽的方位角，該第二動力源驅動該滑塊升降移動，以供透過該第一連桿、該第二連桿與該第三連桿的連動機制轉動該軸樞，使該太陽能板對準太陽的高度角。

根據本創作的雙軸追日機構，由該控制主機扮演時間、方位角與高度角的控管角色，當該控制主機驅動該第一動力源運作時，可驅動該旋轉台轉動，以調整該太陽能板的表面對準太陽的方位角。當該控制主機驅動該第二動力源運作時，係驅動導螺桿以帶動該滑塊及該第一連桿升降移動，進而透過該第一連桿、第二連桿與第三連桿的連動機制以轉動該軸樞，而調整該太陽能板固定架及太陽能板的仰角，藉以使太陽能板對應太陽的高度角。

請參考圖1至圖4，本創作應用於太陽能板的雙軸追日機構的實施例包含一底座10、一旋轉台20、一第一驅動裝置30、一升降裝置40、一第二驅動裝置50、一軸樞60、一太陽能板固定架70、一第一連桿81、一第二連桿82、一第三連桿83與一控制主機(圖中未示)。

該底座10可供固定在地面或平台上，該旋轉台20樞設於該底座10的頂部，且該旋轉台20可相對該底座10轉動；本創作實施例中，該旋轉台20的表面可設置在X-Y平面，該底座10可設有軸承座11，該旋轉台20的底面固設有一圓柱21，該圓柱21穿設軸承座11，使該旋轉台20可以Z軸為轉軸相對該底座10轉動。

該第一驅動裝置30包含連接該旋轉台20的一第一動力源31，由該第一動力源31驅動該旋轉台20轉動；本創作實施例中，請配合參考圖6，該第一動力源31可為設置在該底座10的一第一步進馬達，該第一步進馬達的軸心設有一第一皮帶輪32，該第一驅動裝置30可包含一第二皮帶輪33與一皮帶34，該第二皮帶輪33設置在該旋轉台20底面，例如該第二皮帶輪33可設置在該圓柱21，使該第二皮帶輪33的旋轉軸對應該旋轉台20的旋轉軸，該皮帶34連接在該第一皮帶輪32與該第二皮帶輪33之間。此外，一方位角偵測裝置可設置在該旋轉台20與該底座10，舉例來說，該方位角偵測裝置可包含複數感測器12與一發射器22，該等感測器12設置在該底座10的一側並沿著該旋轉台20外周並排分布，該發射器22設置於該旋轉台20，該等感測器12可感測該發射器22所輸出的信號，供判斷該旋轉台20的旋轉角度(即：方位角)。

該升降裝置40設置於該旋轉台20的頂面且包含可升降移動的一滑塊41；本創作實施例中，該升降裝置40可包含一殼體42與設置於該殼體42內的一滾珠導螺桿組件，該殼體42可為沿著Z軸延伸的長形中空機殼，該殼體42的底部固定在該旋轉台20的頂面，該殼體42的側面形成沿著Z軸延伸的一長槽420，該滾珠導螺桿組件包含直立設置(即：沿著Z軸設置)的一導螺桿43、結合於該導螺桿43的一螺帽44與設置在該導螺桿43與該螺帽44之間的滾珠(圖中未示)，其中，該滾珠導螺桿組件為眾所知悉的機構組件，其結構與工作原理在此不加詳述。該滑塊41位於該殼體42內並固定於該螺帽44，當該導螺桿43轉動時可驅動該螺帽44升降移動，使該滑塊41可隨著該螺帽44在該殼體42內升降移動。

該第二驅動裝置50可為設在該升降裝置40且供驅動該滑塊41的一第二動力源；本創作實施例中，該第二動力源為一第二步進馬達，該第二步進馬達的軸心51連接該導螺桿43的底端，該導螺桿43的頂端樞接該殼體42的頂部。

該軸樞60橫向樞設於該升降裝置40的頂部；本創作實施例中，該升降裝置40的殼體42頂部設有軸承座45，該軸樞60可穿設於軸承座45，該軸樞60的旋轉軸係垂直於Z軸。需說明的是，該圓柱21與該軸樞60即為本創作所謂的"雙軸"。

該太陽能板固定架70設置於該軸樞60；本創作實施例中，該太陽能板固定架70可為H型架以供承載設置太陽能板90。請配合參考圖3與圖5，該第一連桿81為水平設置(即：垂直於導螺桿43)的直桿體且包含一固接端811與一樞接端812，該第一連桿81的固接端811穿過該長槽420而連接固定該滑塊41；該第二連桿82為直桿體且包含一第一樞接端821與一第二樞接端822，該第二連桿82的第一樞接端821樞接該第一連桿81的樞接端812；該第三連桿83為垂直於該軸樞60的直桿體且包含一固接端831與一樞接端832，該第三連桿83的固接端831固定於該軸樞60，該第三連桿83的樞接端832樞接該第二連桿82的第二樞接端822。

整體來看，該太陽能板90的表面(被陽光照射到的表面)應面向太陽的位置，太陽的位置可透過方位角(Azimuth)與高度角(Altitude angle)表示，當太陽從地平線升起後，太陽的方位角與高度角隨時間而改變，且太陽在不同時間點的方位角與高度角是可觀測及計算的，其為所屬技術領域中的通常知識(天體運動理論)，在此不加詳述。該第一動力源(第一步進馬達)與該第二動力源(第二步進馬達)可電連接該控制主機，該控制主機可為電腦並儲存太陽在不同時間點的方位角與高度角的數值，例如以每15分鐘為間隔儲存複數筆方位角與高度角的數值，該控制主機根據時間的推進，將對應的方位角與高度角的數值產生驅動信號給第一步進馬達與第二步進馬達。請參考圖6，當該第一動力源31(第一步進馬達)運作時，可藉由該第一皮帶輪32、該皮帶34與該第二皮帶輪33傳遞動能，以驅動該旋轉台20轉動，以調整該太陽能板90的表面對準太陽的方位角。請參考圖7，當該第二驅動裝置50(第二步進馬達)運作時，係驅動該導螺桿43旋轉，讓該螺帽44連同該滑塊41及該第一連桿81相對於該導螺桿43升降移動，當該滑塊41的位置下降，透過該第一連桿81、第二連桿82與第三連桿83的連動機制以轉動該軸樞60，而提升該太陽能板固定架70及太陽能板90的仰角(即：相對於水平面的夾角)；相對的，當該滑塊41的位置上升，可降低該太陽能板固定架70及太陽能板90的仰角，藉以對應太陽的高度角。

本創作可透過差分演算法最佳化該第一連桿81、該第二連桿82與該第三連桿83之尺寸(長度)，有效追蹤太陽方位角與高度角，降低步進馬達所需扭矩，進而達到節省成本，說明如下。

圖8為導螺桿43、滑塊41、第一連桿81、第二連桿82、第三連桿83與太陽能板90的示意圖，將圖8簡化成圖9之向量示意圖，如圖9所示，第一向量反映滑塊41位置，第二向量對應第一連桿81，第三向量對應第二連桿82，第四向量對應第三連桿83，故該第一至第三連桿81~83及該導螺桿43可視為四連桿以反映該四個向量、、、。A點是滑塊41位置，B點反映第一連桿81與第二連桿82的樞接點，C點反映第二連桿82與第三連桿83的樞接點，D點反映太陽能板90並與第三連桿83成同動關係，為與的夾角，為與的夾角為傳力角(Transmission angle)，反映第三連桿83或太陽能板90相較於Z軸的傾斜角度。將圖9簡化成圖10之示意圖，如圖10所示，設計需求為太陽光線垂直照射太陽能板，E角為對應時刻之理論太陽高度角，即太陽光線與地平線夾角，。因四邊形內角和為360°，可得知。

進行滑塊位置分析，如圖9所示，的延伸線定義為Z軸，的延伸線定義為X軸，可知，故，進行如下內積運算及推導：

內積展開可得：

將上式化簡為下式一元二次方程式：

將、(是相對於Z軸的角度，故為0°)及(如圖9所示)代入P、Q，可得：

以公式解該一元二次方程式可得：

因導螺桿43驅動滑塊41移動，作為雙軸追日機構之輸入，故由導螺桿43之導程()關係，可求得驅動滑塊41移動位移()以追蹤太陽高度角之第二步進馬達所需旋轉角度，如下：

其中，導程()為導螺桿43旋轉一圈後滑塊41直線移動的距離，為設定基準長度(以太陽高度角在18度時，所反求得之作為基準長度，例如)，為移動量。本創作實施例選用之導程為5 (mm)，導程決定螺旋的機械利益，導程越小，則機械利益越大。

再來，進行滑塊輸入與輸出角分析，將之向量迴路關係，整理並運用"和角公式"展開整理成之關係式，如下：

化簡上式，並將及代入上式，可得：

將"半角公式"的及代入上式可得：

從上式求解，可得：

為了使滑塊與連桿能連續運動並追蹤太陽，必須計算雙軸追日機構之傳力角。傳力角大小隨著機構的運動而改變，當傳力角為90°時，傳力效果最好；而當傳力角為0°或180°即死點位置時，機械利益為零，力量無法傳遞。利用三角函數的第二餘弦定理可得：

故從上式可得：

請參考圖11，赤道座標系以地球100作為圓心，描繪出太陽101相對於地球100的運動軌跡稱之為黃道102(Ecliptic)，再從地球100向外投影出天球103，天球103直徑與黃道102直徑相同，以地球100北極、南極與赤道向外投影至天球103，稱之為天球北極(North Celestial pole)、天球南極(Sorth Celestial pole)與天球赤道(Celestial Equator)，天球赤道與黃道102相交於兩點，分別為春分點與秋分點。

計算太陽高度角及方位角，首先需計算赤緯角(Declination)，赤緯角定義為太陽光線與天球赤道面之間夾角，以下為赤緯角的計算方法。

上式中，R為積日，代表該日期在全年中的第n日。例如一月一日，n=1、三月二十日，n=80。赤緯角在春(秋)分時為0度，夏季為正，冬季為負。

太陽時角H定義為太陽光線與觀察者所在地理位置子午圈之間所夾角度。定義太陽在正午時的太陽時角為0度，則太陽時角H可表示為下式。

上式中，t為"真太陽時"，採用24小時制，時角在上午時段為負值，下午時段為正值。

請參考圖12，地平座標系是以觀察者O為中心，觀察者O所在地平面為基準，描繪出太陽101東升西落的運動軌跡，其中包含高度角、天頂角及方位角，高度角與天頂角成互餘關係。

高度角定義為太陽光線與觀察者O所在地平面之間的夾角，其計算式如下所式。

上式中，L為雙軸追日機構所在地理位置，為赤緯角，H為時角。

方位角定義為正南方(基準0度)與太陽光線投影至地平面投影線之間的夾角，表示如下，其中，若觀察點在赤道以北，計算所得結果需經由判別式進行判斷高度角、赤緯角及地理緯度的關係，假若判別式成立，結果經由轉換式轉換，即可得到正確的方位角。若則修正方位角為：

其中，請參考圖13，方位角以正南為0度、正東-90度、正北±180度、正西90度。

差分演算法最早由Storn和Price於1995年提出。最初用來求解Chebyshev polynomials擬合問題，透過一種在解空間隨機搜尋的演算法計算，由突變、交配、選擇等演化機制，經過多次疊代運算，藉由適應值(Fitness)進行適者生存、不適者淘汰，直到收斂獲得最佳解。差分演算法最佳化流程主要有以下四步驟，分別為初始化(Initialization)(S01)、突變(Mutation)(S02)、交配(Crossover)(S03)及選擇(Selection)(S04)，如圖14為差分演算法的最佳化流程。

最佳化參數條件設定包含"設計變數"、"目標函數"及"限制條件"。在"設計變數"時，選擇設計變數作為最佳化設計過程搜尋之參數，本創作以第一連桿81、第二連桿82及第三連桿83之桿長為設計變數，用向量X表示如下：

設定設計變數範圍如下：

在"目標函數"時，最佳化設計所求之目標，表示為一函數，稱為目標函數或適應函數，如下式：

上式中，N為所取高度角誤差值之總數，以每天13小時，每月取四天共12個月，故N=624，為雙軸追日機構實際產生之高度角，而為理論高度角，h(x)為懲罰函數，當限制條件成立h(x)=0，反之則h(x)=1，M為一極大值，當拘束條件未成立則對目標進行懲罰，本創作可設M=10000。

在"限制條件"時，在設計過程中設計變數需滿足某些限制條件，本創作實施例以限制條件為滑塊41行程範圍、最小滑塊位置、第三連桿83具最短桿長及傳力角範圍。將以上之拘束條件表示如下：

運用差分演算法進行雙軸追日機構最佳化尺寸設計，以每天取13小時(平均日照時間為6:00-18:00)，每月取4天(每月1日、9日、17日及25日)，總共一年期，共624個太陽高度角誤差值加總做為最小化目標函數，求得第一連桿81、第二連桿82及第三連桿83之最佳化尺寸(長度)，並運用上述三桿經由向量迴路求得滑塊位置與輸出角，得到雙軸追日機構實際高度角，並與理論高度角進行平方差運算，求得誤差量以進行驗證，確認本創作雙軸追日機構可達到預期之結果。其結果如下表，分別有高雄地區、嘉義地區及台北地區為例。

所以，通過上表所示結果，該等連桿81~83在不同緯度可分別有不同長度，全年高度角誤差小至10^-12 ，並且傳力角界於45°至135°之間，符合機構傳力效果最佳範圍，可有效降低第一步進馬達所需扭矩，且滑塊41位移範圍小於500 (mm)，能有效減少滑塊41與導螺桿43之間的磨耗。

100‧‧‧地球

101‧‧‧太陽

102‧‧‧黃道

103‧‧‧天球

10‧‧‧底座

11‧‧‧軸承座

12‧‧‧感測器

20‧‧‧旋轉台

21‧‧‧圓柱

22‧‧‧發射器

30‧‧‧第一驅動裝置

31‧‧‧第一動力源

32‧‧‧第一皮帶輪

33‧‧‧第二皮帶輪

34‧‧‧皮帶

40‧‧‧升降裝置

41‧‧‧滑塊

42‧‧‧殼體

420‧‧‧長槽

43‧‧‧導螺桿

44‧‧‧螺帽

45‧‧‧軸承座

50‧‧‧第二驅動裝置

51‧‧‧軸心

60‧‧‧軸樞

70‧‧‧太陽能板固定架

81‧‧‧第一連桿

811‧‧‧固接端

812‧‧‧樞接端

82‧‧‧第二連桿

821‧‧‧第一樞接端

822‧‧‧第二樞接端

83‧‧‧第三連桿

831‧‧‧固接端

832‧‧‧樞接端

90‧‧‧太陽能板

圖1：本創作雙軸追日機構之實施例的立體外觀示意圖(一)。 圖2：本創作雙軸追日機構之實施例的立體外觀示意圖(二)。 圖3：本創作雙軸追日機構之實施例的立體外觀示意圖(三)。 圖4：本創作雙軸追日機構之實施例的平面示意圖。 圖5：圖4中沿A-A的剖面示意圖。 圖6：圖4中沿B-B的剖面示意圖。 圖7：本創作雙軸追日機構之實施例的動作參考圖。 圖8：本創作雙軸追日機構之等效向量示意圖(一)。 圖9：本創作雙軸追日機構之等效向量示意圖(二)。 圖10：圖9的化簡示意圖。 圖11：說明地球、太陽與天球的示意圖。 圖12：說明方位角與高度角的示意圖。 圖13：說明方位角的示意圖。 圖14：差分演算法流程示意圖。

Claims (10)

1. 一種應用於太陽能板的雙軸追日機構，包含： 一底座； 一旋轉台，樞設於該底座的頂部； 一第一驅動裝置，包含連接該旋轉台的一第一動力源； 一升降裝置，設置於該旋轉台的頂面且包含可升降移動的一滑塊； 一第二驅動裝置，為設置在該升降裝置且供驅動該滑塊的一第二動力源； 一軸樞，橫向樞設於該升降裝置的頂部； 一太陽能板固定架，設置於該軸樞並供設置一太陽能板； 一第一連桿，為水平設置的直桿體且包含一固接端與一樞接端，該第一連桿的固接端固定於該滑塊； 一第二連桿，為直桿體且包含一第一樞接端與一第二樞接端，該第二連桿的第一樞接端樞接該第一連桿的樞接端； 一第三連桿，為垂直於該軸樞的直桿體且包含一固接端與一樞接端，該第三連桿的固接端固定於該軸樞，該第三連桿的樞接端樞接該第二連桿的第二樞接端；以及 一控制主機，電連接該第一動力源與該第二動力源，該控制主機儲存太陽在不同時間點的方位角與高度角的數值，以根據時間點將對應的方位角與高度角的數值分別產生驅動信號給該第一動力源與該第二動力源；該第一動力源驅動該旋轉台轉動以供該太陽能板對準太陽的方位角，該第二動力源驅動該滑塊升降移動，以供透過該第一連桿、該第二連桿與該第三連桿的連動機制轉動該軸樞，使該太陽能板對準太陽的高度角。
2. 如請求項1所述之應用於太陽能板的雙軸追日機構，該第一動力源為設置在該底座的步進馬達，其軸心設有一第一皮帶輪； 該第一驅動裝置包含一第二皮帶輪與一皮帶，該第二皮帶輪設置在該旋轉台底面，該第二皮帶輪的旋轉軸對應該旋轉台的旋轉軸，該皮帶連接在該第一皮帶輪與該第二皮帶輪之間。
3. 如請求項2所述之應用於太陽能板的雙軸追日機構，該底座設有一軸承座，該旋轉台的底面固設一圓柱，該圓柱穿設該軸承座； 該第二皮帶輪設置在該圓柱。
4. 如請求項1至3中任一項所述之應用於太陽能板的雙軸追日機構，該升降裝置包含一殼體與設置於該殼體內的一滾珠導螺桿組件，該滾珠導螺桿組件包含直立設置且垂直於該第一連桿的一導螺桿、結合於該導螺桿的一螺帽與設置在該導螺桿與該螺帽之間的滾珠； 該滑塊固定於該螺帽； 該第二動力源連接該導螺桿。
5. 如請求項4所述之應用於太陽能板的雙軸追日機構，該殼體為長形中空機殼，該殼體的底部固定在該旋轉台的頂面，該殼體的側面形成一長槽； 該第一連桿的固接端穿過該長槽而連接固定該滑塊。
6. 如請求項4所述之應用於太陽能板的雙軸追日機構，該導螺桿的頂端樞接該殼體的頂部，該第二動力源為設置在殼體的步進馬達，其軸心連接該導螺桿的底端。
7. 如請求項5所述之應用於太陽能板的雙軸追日機構，該導螺桿的頂端樞接該殼體的頂部，該第二動力源為設置在殼體的步進馬達，其軸心連接該導螺桿的底端。
8. 如請求項6所述之應用於太陽能板的雙軸追日機構，該軸樞穿設於設置在該升降裝置頂部的一軸承座。
9. 如請求項7所述之應用於太陽能板的雙軸追日機構，該軸樞穿設於設置在該升降裝置頂部的一軸承座。
10. 如請求項1至3中任一項所述之應用於太陽能板的雙軸追日機構，進一步包含一方位角偵測裝置，該方位角偵測裝置包含複數感測器與一發射器，該等感測器設置在該底座並沿著該旋轉台外周並排分布，該發射器設置於該旋轉台。