TWI394923B - 光源追蹤之方法與裝置 - Google Patents

Description

光源追蹤之方法與裝置

本發明係關於一種光源監測，尤指一種光源追蹤之方法與裝置。

隨著科技日益進步，人們生活水準提高，環境保護的問題益加受到重視，而對於能源的使用主要考慮其經濟效益及公害防制。在世界各國，太陽能發電已廣泛運用在無人燈塔、公路照明系統、家用電力，甚至人造衛星。太陽能發電之低污染，無公害性乃為其優勢，然經濟效益仍有其提升空間。其中，太陽光的入射角度由於緯度、四季變化、一天內因時間不同而有所差異。因此固定型之太陽能發電系統僅有少數時間太陽光直射在太陽能板上，而太陽光的入射角度影響太陽能板上的光照強度，進而影響整體發電量。因此欲有效運用太陽能，必須使太陽能板板面與太陽光束保持垂直角度。

一般之設計上為有效運用太陽能，常需藉助一追蹤太陽運動的裝置使其板面隨時正對太陽。圖1顯示一用於對正東西方向之太陽追蹤裝置10。隨著陽光入射角度的變化，其感光元件11、12之訊號強度變化曲線如圖2所示。理想上，當陽光正對太陽追蹤裝置10時，感光元件11、12之感測訊號強度值相等。然而，因為散射光及感光元件11、12因製程關係造成靈敏度的不同，使得陽光正對太陽追蹤裝置10時感光元件11、12訊號強度值不相等。其可能情況如圖3A 或圖3B所示。在此情況下，如僅根據兩感光元件之訊號值是否相等來調整太陽追蹤裝置10之方向將有可能造成追蹤誤差。因此，如何降低追蹤誤差及有效正對太陽已成為相關產業努力的方向。

本發明提供一種光源追蹤之方法與裝置，其根據參考準位值與感測器之量測訊號強度值而控制追蹤方向，使太陽能板可正對光源垂直入射之光線。

本發明之一實施範例揭示一種光源追蹤方法，用以調整一感測器之方向，包含下列步驟：使用一第一感光元件量測一光源之一第一感測訊號；使用一第二感光元件量測該光源之一第二感測訊號，其中該第一感光元件和該第二感光元件位於第一量測方向之兩端；取得該第一感測訊號和該第二感測訊號之一可接受之最小值；以及根據該第一感測訊號、該第二感測訊號和其最小值而調整該感測器對準該光源之角度。

本發明之另一實施範例揭示一種光源追蹤裝置，包含一感測單元、一擷取單元、一比較單元及一追蹤單元。該感測單元包含複數個感光元件。該擷取單元透過該複數個感光元件取得複數個感測訊號值。該比較單元比較該複數個感測訊號大小且獲得該複數個感光元件之複數個參考準位值，其中該複數個參考準位值為該複數個感測訊號在不同方位之可接受最小值。該追蹤單元根據該複數個參考準位值、該擷取單元取得之該複數個感測訊號值及該比較單元 之比較結果調整該感測裝置之感測方向。

圖4係根據本發明一實施範例之光源追蹤裝置40。本實施例以追蹤太陽為例。隨著陽光入射角度的變化，其感光元件41、42之訊號強度變化曲線如圖5所示。理想上，當陽光正對光源追蹤裝置40時，感光元件41、42被遮罩完全遮蔽，因此無任何感測訊號。然而，因為散射光及感光元件41、42因製程關係所造成靈敏度的不同，使得陽光正對光源追蹤裝置40時感光元件41、42訊號強度值不為0。其可能情況如圖6A或圖6B所示。在此情況下，如僅判斷兩感光元件之訊號值是否為0或根據其差值來調整光源追蹤裝置40之方向將可能造成追蹤誤差。

圖7係根據本發明一實施範例之光源追蹤方法之步驟流程圖。本實施例首先調整感測器東西方向方位角，使太陽入射光線垂直正對感測器。在步驟S701中啟動系統，開始進行光源追蹤。在步驟S702中，將東邊及西邊之參考準位值歸零。在步驟S703中，判斷是否進行取得參考準位值或進行目標追蹤之動作。若符合其一，則進入步驟S705判斷是否進行取得參考準位值之動作。若是，則進入步驟S706進行參考準位值取得流程。圖8顯示步驟S706之詳細步驟。在步驟S801中，將東邊及西邊之參考準位值歸零。假設由圖6B中θ=θ_A 處開始進行光源追蹤動作，一般可利用太陽運動方程式將感測器之方向調整到使其θ在0度附近，例如θ=θ_A 處。在步驟S802中，比較東邊感測器之A'點訊號及 西邊感測器之A點訊號強度大小。此情況A點訊號強度大於A'點訊號強度。在步驟S803中，將A'點之強度訊號值設定為東邊感測器之參考準位值E_min 。此參考準位值E_min 為東邊感測器在目前陽光照度不變情況下之可接受最小值。接下來，在步驟S804中，調整感測器方向，直到東邊感測器訊號大於參考準位值E_min 且西邊感測器訊號小於原A點訊號強度。例如，θ=θ_B 處之B點及B'點位置之訊號強度即符合前述之條件。在步驟S805中，將B點之強度訊號值設定為西邊感測器之參考準位值W_min 。此參考準位值W_min 為西邊感測器在目前陽光照度不變情況下之可接受最小值。取得參考準位值E_min 及W_min 後，則進入圖7中之步驟S707。在步驟S707中，判斷是否進行目標追蹤。若此時東邊感測器訊號強度值及西邊感測器訊號強度值沒有同時等於其參考準位值E_min 及W_min ，則進入步驟S708中進行目標追蹤流程。圖9顯示步驟S708之詳細步驟。在步驟S901中，判斷此時東邊感測器訊號強度值或西邊感測器訊號強度是否大於其參考準位值E_min 及W_min 。若其一大於其參考準位值，則進入步驟S903，調整感測器方向。假設此時東邊感測器訊號強度值大於其參考準位值E_min ，則調整感測器方向往使其東邊感測器訊號強度值接近或等於其參考準位值E_min 之方向調整。在步驟S904中，判斷此時東邊感測器訊號強度值及西邊感測器訊號強度是否同時大於其參考準位值E_min 及W_min 或其一小於其參考準位值。若是，在步驟S709中設定系統再次進入參考準位值取得流程。若否，則回到步驟S707中，判斷 是否再次進入目標追蹤流程S708。在步驟S901中若判斷結果為否，則進入步驟S902中，判斷此時東邊感測器訊號強度值及西邊感測器訊號強度值是否同時等於其參考準位值E_min 及W_min ，或其差距在可容許之範圍內。若是，表示感測器已正對太陽入射光線。此時θ=0°，其C點及C'點之訊號強度值分別等於W_min 及E_min 。若否，則再次進入目標追蹤流程S708。若此時兩參考準位值E_min 及W_min 皆已取得且感測器已正對太陽入射光線(東邊感測器訊號強度值及西邊感測器訊號強度值同時等於其參考準位值E_min 及W_min )，則經過步驟S703判斷後將會進入追蹤判斷流程S704。圖10顯示步驟S704之詳細步驟。在步驟S101中，判斷此時東邊感測器之訊號強度值及西邊感測器之訊號強度值是否同時大於或同時小於其參考準位值E_min 及W_min 。若是，表示此時陽光照度已改變，則在步驟S103中設定此時之東邊感測器之訊號強度值及西邊感測器之訊號強度值分別為新的參考準位值E'_min 及W'_min 。在步驟S102中，判斷此時東邊感測器訊號強度值或西邊感測器訊號強度值是否大於其參考準位值。若否，則再次進入步驟S101做判斷。若是，則將再次進入參考準位值取得流程S706或再次進入目標追蹤流程S708。簡言之，在步驟S706之參考準位值取得流程中分別取得東邊感測器及西邊感測器之參考準位值。得到該參考準位值後，在步驟S708之追蹤流程中，根據該參考準位值進行光源追蹤。待太陽入射光線垂直正對感測器後，將進入步驟S704，此時太陽入射光線已垂直正對感測器，系統保持監 測狀態，等待再次進入參考準位值取得流程S706及追蹤流程S708。如上所述，感測器南北方向方位角亦依步驟S702至步驟S709進行目標追蹤動作，使其太陽之入射光線垂直正對感測器。

本發明之前述演算法均可使用一處理器或控制器予以執行。此外，為了使本領域通常知識者可以透過本實施範例的教導實施本發明，以下搭配上述光源追蹤之方法，另提出一實施範例。

圖11繪示本發明實施範例之光源追蹤裝置方塊圖。光源追蹤裝置包含一感測單元111，該感測單元111包含複數個感光元件，該複數個感光元件之靈敏度可全部相同、部分相同或全部不同，且分別電性連接於複數個放大電路。一擷取單元112，透過該複數個感光元件取得複數個感測訊號。一比較單元113，比較該複數個感測訊號大小及獲得複數個參考準位值。一追蹤單元114，根據該複數個參考準位值、擷取單元112取得之該複數個感測訊號及比較單元113之比較結果調整該感測裝置之感測方向。該追蹤單元可利用一步進馬達調整該感測裝置之感測方向，而步進馬達的間距可依需要予以調整。該感測單元111可為卍字形結構或井字形結構。該些結構包含一立體柱及一感測底座且有複數個感光元件置於感測底座上。該立體柱鏤空部分在垂直方向可完全遮蔽或部分遮蔽該複數個感光元件，而其中鏤空高度可經由使用者決定。

圖12顯示一卍字形結構立體柱120之外觀。圖13顯示其剖 面。圖14顯示一卍字形結構之感測底座140，其中包含第一感光元件141、第一感光元件142、第一感光元件143及第四感光元件144，該4個感光元件分別電性連接於所屬之放大電路(圖未示)。圖15顯示卍字形結構的整體外觀，其中立體柱鏤空部分在垂直方向完全遮蔽該些感光元件。

圖16顯示一井字形結構立體柱160之外觀。圖17顯示其剖面。圖18顯示一井字形結構之感測底座180，其中包含4個感光元件181~184，該4個感光元件分別電性連接於所屬之放大電路(圖未示)。圖19顯示井字形結構的整體外觀，其中立體柱鏤空部分在垂直方向完全遮蔽該些感光元件。

擷取單元112經由在感測單元111上之4個感光元件取得感測訊號，並由比較單元113比較該些訊號之強度大小且分別得到此4個感光元件之參考準位值。追蹤單元114根據該參考準位值、該擷取單元112取得之感測訊號及比較單元113之比較結果調整該感測單元111之感測方向。經由擷取單元112持續取得感測訊號以及追蹤單元114持續調整感測單元111之感測方向使其光源光線在東西方向及南北方向皆垂直正對感測單元111。

對比於習知技術，本發明實施例提供另一光源追蹤方法與裝置，可降低感光元件由於製程關係所造成靈敏度不同之影響，亦可同時降低散射光及放大電路無法完全匹配所造成之影響。本發明除了運用在太陽光源追蹤之外，亦可用在任何可見光或不可見光光源追蹤系統中。

本發明之技術內容及技術特點已揭示如上，然而熟悉本 項技術之人士仍可能基於本發明之教示及揭示而作種種不背離本發明精神之替換及修飾。因此，本發明之保護範圍應不限於實施範例所揭示者，而應包括各種不背離本發明之替換及修飾，並為以下之申請專利範圍所涵蓋。

10‧‧‧光源追蹤裝置

40‧‧‧太陽追蹤裝置

11、12、41、42‧‧‧感光元件

141-144‧‧‧感光元件

181-184‧‧‧感光元件

S701-S709‧‧‧步驟

S801-S805‧‧‧步驟

S901-S904‧‧‧步驟

S101-S103‧‧‧步驟

111‧‧‧感測單元

112‧‧‧擷取單元

113‧‧‧比較單元

114‧‧‧追蹤單元

120、160‧‧‧立體柱

140、180‧‧‧底座

圖1顯示一用於對正東西方向之太陽追蹤裝置；圖2顯示感光元件之訊號強度隨著陽光入射角度的變化曲線；圖3A顯示非理想情況下感光元件之訊號強度隨著陽光入射角度的變化曲線；圖3B顯示另一非理想情況下感光元件之訊號強度隨著陽光入射角度的變化曲線；圖4顯示本發明實施範例之對正東西方向之光源追蹤裝置；圖5顯示本發明實施範例之感光元件訊號強度隨著陽光入射角度的變化曲線；圖6A顯示本發明實施範例之非理想情況下感光元件之訊號強度隨著陽光入射角度的變化曲線；圖6B顯示本發明實施範例之另一非理想情況下感光元件之訊號強度隨著陽光入射角度的變化曲線；圖7顯示本發明實施範例之光源追蹤方法步驟流程圖；圖8顯示參考準位值取得流程之詳細步驟；圖9顯示追蹤流程之詳細步驟；圖10顯示追蹤判斷流程之詳細步驟； 圖11繪示本發明實施範例之光源追蹤裝置方塊圖；圖12顯示一卍字形結構立體柱之外觀；圖13顯示一卍字形結構立體柱之剖面圖；圖14顯示一卍字形結構之感測底座；圖15顯示一卍字形結構之整體外觀；圖16顯示一井字形結構立體柱之外觀；圖17顯示一井字形結構立體柱之剖面圖；圖18顯示一井字形結構之感測底座；及圖19顯示一井字形結構之整體外觀。

S701-S709‧‧‧步驟

Claims (19)

1. 一種光源追蹤方法，用以調整一感測器之方向，包含下列步驟：使用一第一感光元件量測一光源之一第一感測訊號；使用一第二感光元件量測該光源之一第二感測訊號，其中該第一感光元件和該第二感光元件位於第一量測方向之兩端；分別取得該第一感測訊號和該第二感測訊號之一可接受之最小值；以及根據該第一感測訊號、該第二感測訊號和其相對應之可接受最小值而調整該感測器對準該光源之角度。
2. 根據請求項1之方法，其另包含下列步驟：使用一第三感光元件量測一光源之一第三感測訊號；使用一第四感光元件量測該光源之一第四感測訊號，其中該第三感光元件和該第四感光元件位於第二量測方向之兩端，且該第二量測方向垂直於該第一量測方向；分別取得該第三感測訊號和該第四感測訊號之一可接受之最小值；以及根據該第三感測訊號、該第四感測訊號和其相對應之可接受最小值而調整該感測器對準該光源之角度。
3. 根據請求項1之方法，其中該調整步驟包含下列步驟：若該第一感測訊號大於該第一感測訊號之可接受最小值，則往趨向該第一感測訊號之可接受最小值之方向而調整該感測器；若該第二感測訊號大於該第二感測訊號之最小值，則往趨向該第二感測訊號之可接受最小值之方向而調整該感測器；以及若該第一感測訊號和該第二感測訊號分別等於其相對應可接受最小值，則視為調整完畢。
4. 根據請求項2之方法，其中該調整步驟包含下列步驟：若該第三感測訊號大於該第三感測訊號之可接受最小值，則往趨向該第三感測訊號之最小值之方向而調整該感測器；若該第四感測訊號大於該第四感測訊號之可接受最小值，則往趨向該第四感測訊號之最小值之方向而調整該感測器；以及若該第三感測訊號和該第四感測訊號分別等於其相對應可接受最小值，則視為調整完畢。
5. 根據請求項1之方法，其中該取得步驟包含下列步驟：同時量測取得第一感測訊號之可接受最小值及該第二感光元件在該角度的第二感測訊號；往趨向該第一感測訊號增大之方向而調整該感測器，直至該第一感測訊號大於該第一感測訊號之可接受最小值及該第二感測訊號小於調整前之該第二感測訊號；及設定調整後之該第二感測訊號為該第二感測訊號之可接受最小值。
6. 根據請求項1之方法，其另包含下列步驟：若該第一感測訊號及該第二感測訊號同時大於其相對應之可接受最小值，或該第一感測訊號及該第二感測訊號有一者小於其相對應之可接受最小值，則重新進行取得該第一感測訊號和該第二感測訊號之可接受最小值之步驟。
7. 根據請求項1之方法，其另包含下列步驟：在經過一給定時間後，重新進行取得該第一感測訊號和該第二感測訊號之可接受最小值之步驟。
8. 根據請求項1之方法，其另包含下列步驟：在經過一給定時間後，重新進行調整該感測器對準該光源之角度之步驟。
9. 一種光源追蹤裝置，用以調整一感測器之方向，包含：取得參考準位值手段，用於取得該感測器在不同方位之可接受感測訊號最小值；目標追踪手段，根據該可接受感測訊號最小值而調整該感測器對準該光源之角度；以及追踪判斷手段，用於判斷是否需重新取得參考準位值。
10. 根據請求項9之光源追蹤裝置，其中該取得參考準位值手段係先取得一方位之可接受感測訊號最小值，再以相反的方向調整該感測器以取得另一方位之可接受感測訊號最小值。
11. 根據請求項9之光源追蹤裝置，其中該目標追踪手段在該對準角度時之感測訊號約等於在該等不同方位之可接受感測訊號最小值。
12. 根據請求項9之光源追蹤裝置，其中該追踪判斷手段在同一方位之相對感測訊號同時大於其相對應之可接受最小值，或有一者小於其相對應之可接受最小值，則重新進行取得該方位之可接受最小值。
13. 一種光源追蹤裝置，包含：一感測單元，包含複數個感光元件；一擷取單元，透過該複數個感光元件取得複數個感測訊號值；一比較單元，比較該複數個感測訊號大小且獲得該複數個感光元件之複數個參考準位值，其中該複數個參考準位值為該複數個感測訊號在不同方位之可接受最小值；以及一追蹤單元，根據該複數個參考準位值、該擷取單元取得之該複數個感測訊號值及該比較單元之比較結果調整該感測裝置之感測方向。
14. 根據請求項13之光源追蹤裝置，其中該感測單元更包含一立體柱及一感測底座，且該複數個感光元件置於該感測底座上。
15. 根據請求項14之光源追蹤裝置，其中該立體柱鏤空部分在垂直方向完全遮蔽或部分遮蔽該複數個感光元件。
16. 根據請求項13之光源追蹤裝置，其中該感測單元可為卍字形結構或井字形結構。
17. 根據請求項13之光源追蹤裝置，其中該追蹤單元包含一步進馬達，其用於調整該感測裝置之對準角度。
18. 根據請求項13之光源追蹤裝置，其中該複數個感光元件分別電性連接於複數個放大電路。
19. 根據請求項13之光源追蹤裝置，其中該複數個感光元件之靈敏度一併適用於全部相同、部分相同及全部不同的情形。