TWI395915B - 太陽能收集系統 - Google Patents

Description

太陽能收集系統

本發明涉及一種太陽能收集系統，特別涉及一種能根據太陽之位置自動調整收集太陽能之太陽能收集系統。

隨著能源危機之惡化和環保意識之加強，人們對潔淨能源之關注日益增強，而太陽能做為目前較為成熟之潔淨能源運用已成為能源領域之研究熱點。

太陽能之收集主要係利用太陽能電池板將太陽輻射之光子通過半導體物質轉變為電能(請參見“Grown junction GaAs solar cell”,Shen,C.C.；Pearson,G.L.；Proceedings of the IEEE,Volume 64,Issue 3,March 1976 Page(s)：384-385)。太陽能電池板之光電轉換過程係指太陽輻射到太陽能電池板上之一部分光子與半導體之原子及價電子產生電子-空穴對。在該電子-空穴之作用下，半導體材料於P-N結附近形成光生伏打電動勢，只要在半導體材料之P型區和N型區焊上金屬導線便可利用該光生伏打電動勢對外供電。將該具有光生伏打電動勢之半導體材料串聯、並聯起來就形成了能輸出一定電壓和電流之太陽能電池板。

為了提高收集太陽能之效率，一般會令太陽能收集系統之受光面朝向太陽，並跟隨太陽位置之變化而不斷調整受光面之朝向。現有之跟蹤太陽位置之方法採用根據太陽能收集系統所在之地理位置和太陽高度角季節性變化之規律計算出當地太陽位置隨時間變化之軌跡從而驅動太陽能收集系統之 傳動機構按照所計算出來之軌跡跟蹤太陽。此種根據理論計算來預測太陽位置之跟蹤方法由於計算模型之缺陷和地理資料之誤差，所預測之太陽位置與實際情況存在差異從而會影響太陽能收集系統收集太陽能之效率。

有鑒於此，有必要提供一種可根據太陽之實際位置適時調整太陽能收集裝置受光面朝向之太陽能收集系統。

一種太陽能收集系統，其包括：抛物面反射器，具有一凹面；太陽能電池板，其包括一光接收面，該光接收面朝向該抛物面反射器之凹面；馬賽克狀光敏感測器，該馬賽克狀光敏感測器之光感測面包括複數馬賽克狀之方格感測區，每個方格感測區可根據其所受到之太陽光照射而輸出對應之感測訊號；標桿，垂直固設於該馬賽克狀光敏感測器之中心，以在太陽光之照射下於馬賽克狀光敏感測器上形成陰影；太陽位置計算模組，其與該馬賽克狀光敏感測器電性相連並根據該標桿投射於馬賽克狀光敏感測器上之陰影所產生之感測訊號計算出太陽所處之位置資訊；追蹤驅動裝置，其可根據太陽位置計算模組所計算出之太陽位置資訊調整該抛物面反射器，使其凹面正對太陽照射之最佳方位。

相對於先前技術，本發明所提供之太陽能收集系統可根據太陽之實際位置適時調整太陽能收集裝置之受光面朝向，使其朝向太陽所在位置從而高效 率地收集太陽能。

22‧‧‧抛物面反射器

23‧‧‧訊號線

24‧‧‧太陽能電池板

26‧‧‧固持裝置

28‧‧‧馬賽克狀光敏感測器

210‧‧‧標桿

212‧‧‧太陽位置計算模組

213‧‧‧追蹤驅動裝置

214‧‧‧方位角調整機構

216‧‧‧高度角調整機構

221‧‧‧凹面

241‧‧‧光接受面

242‧‧‧光伏太陽能電池

280‧‧‧光感測面

282‧‧‧方格感測區

283‧‧‧參照線

284‧‧‧馬賽克狀光敏感測器中心

2140‧‧‧轉動桿頂端

2141‧‧‧主動齒輪

2142‧‧‧從動齒輪

2143‧‧‧轉動桿

2144‧‧‧方位角調整馬達

2145‧‧‧方位角傳動裝置

2161‧‧‧動力齒輪

2162‧‧‧旋轉齒輪

2165‧‧‧高度角傳動裝置

2821‧‧‧陰影所在方格感測區

2822‧‧‧其他方格感測區

圖1為本發明實施方式所提供之太陽能收集系統結構示意圖。

圖2為本發明實施方式所提供之太陽高度角計算方法示意圖。

圖3為本發明實施方式所提供之太陽方位角計算方法示意圖。

圖4為圖1之太陽能收集系統之方位角調整機構之結構示意圖。

圖5為圖1之太陽能收集系統之高度角調整機構之結構示意圖。

如圖1所示，本發明所提供之太陽能收集系統2包括一抛物面反射器22、一太陽能電池板24、一馬賽克狀光敏感測器28、一標桿210、一太陽位置計算模組212和一追蹤驅動裝置213。

請一併參閱圖1和圖5，該抛物面反射器22具有一焦點A和一凹面221，該凹面221具有一中心點O，該凹面221上敷設有高反射率材料。該抛物面反射器22用於集中反射太陽光至太陽能電池板24上，以提高太陽能之收集效率。

該太陽能電池板24係由至少一個光伏太陽能電池242組成之平面陣列，其包括至少一個光接收面241。該光伏太陽能電池242由半導體器件構成，該半導體器件之結構可為PN雙重結構或PIN三重結構，該半導體結構之成分為鍺(Ge)、砷化鎵(GaAs)和鎵-銦-磷半導體材料。

該太陽能電池板24由一固持裝置26固設於一預定位置上。該太陽能電池板24之光接收面241朝向該抛物面反射器22之凹面221且垂直於通過該抛物面反射器22之焦點A和凹面221之中心點O之軸線OA。該太陽能電池板24與抛 物面反射器22之焦點A間隔一個預定之距離，使得太陽能電池板24可接收自該抛物面反射器22所反射之具有預定截面積之太陽能輻射。

該馬賽克狀光敏感測器28之光感測面280包括複數馬賽克狀之方格感測區282，每個方格感測區282可根據其是否受到太陽光照射而輸出對應之感測訊號。該標桿210垂直固設於馬賽克狀光敏感測器28之中央，以在太陽光照射下於馬賽克狀光敏感測器28上形成陰影。該標桿210和馬賽克狀光敏感測器28聯合使用以檢測出太陽所處之位置。

該太陽位置計算模組212通過訊號線23與馬賽克狀光敏感測器28電連接。該太陽位置計算模組212用於根據馬賽克狀光敏感測器28之感測訊號計算出太陽所處之方位角和高度角。如圖2所示，於太陽之照射下，該標桿210於馬賽克光敏感測器28上投射出陰影。陰影所在之方格感測區2821輸出與其他方格感測區2822不同之感測訊號，該太陽位置計算模組212根據感測訊號計算出該陰影之長度L1，因為該標桿210之長度L2已知，所以高度角之正切值，由此可計算出高度角。

如圖3所示，於馬賽克狀光敏感測器28光感測面280之東、南、西、北四個方向上設置參照線283。太陽位置計算模組212計算該標桿210陰影與其鄰近之參照線283之間之角度值。因為太陽所處之方位剛好與該陰影關於馬賽克狀光敏感測器28之中心284對稱，所以由該陰影與參照線283之角度值就可推算出太陽所處位置之方位角。例如：如果該陰影之方位為東偏北，則太陽所處方位為西偏南。

該追蹤驅動裝置213包括一方位角調整機構214和一高度角調整機構216。該高度角調整機構216和方位角調整機構214通過訊號線23分別與太陽位置計算模組212相連接。如圖4所示，該方位角調整機構214包括方位角調整馬達2144和方位角傳動裝置2145，該方位角傳動裝置2145包括主動齒輪 2141、從動齒輪2142和轉動桿2143。該轉動桿2143安裝於從動齒輪2142之中軸處，該主動齒輪2141與方位角調整馬達2144之轉軸相連接，該主動齒輪2141與從動齒輪2142相互嚙合。該轉動桿2143之頂端2140與高度角調整機構216相連接，而該高度角調整機構216直接與抛物面反射器22相連接，所以該方位角調整馬達2144根據太陽位置計算模組212所計算出之太陽方位角資料驅動主動齒輪2141和從動齒輪2142以帶動抛物面反射器22轉動至可接受最多太陽輻射之位置。

如圖5所示，該高度角調整機構216包括高度角調整馬達(圖未示)和高度角傳動裝置2165，該高度角傳動裝置2165包括動力齒輪2161、旋轉齒輪2162。該旋轉齒輪2162設置於抛物面反射器22與其凹面221中心點O對應之背面並與該動力齒輪2161相互嚙合，該動力齒輪2161與高度角調整馬達(圖未示)之轉軸相連接。該高度角調整馬達2164根據太陽位置計算模組212所計算出之太陽高度角資料驅動動力齒輪2161和旋轉齒輪2162以帶動抛物面反射器22轉動至太陽所處之高度角。

綜上該，該太陽能收集系統2通過標桿210於馬賽克狀光敏感測器28上形成之與太陽所在位置對應之陰影由太陽位置計算模組212計算出太陽所在位置之方位角和高度角，再由追蹤驅動裝置213根據太陽之位置資訊分別驅動高度角調整機構216和方位角調整機構214帶動抛物面反射器22對準太陽所處之位置以有效地獲取太陽輻射能量。

與先前技術相比，本發明提供之太陽能收集系統採用抛物面反射器集中光線，僅需要較小面積之太陽能電池板就可高效率地吸收太陽能，解決了太陽能收集之成本。其次，該太陽能收集系統還可根據太陽所處之實際位置來即時調整接受裝置之朝向，避免了根據理論計算來跟蹤太陽所帶來之誤差，從而能更有效地收集太陽輻射能量。

綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施方式，自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡熟悉本案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。

22‧‧‧抛物面反射器

23‧‧‧訊號線

24‧‧‧太陽能電池板

26‧‧‧固持裝置

28‧‧‧馬賽克狀光敏感測器

210‧‧‧標桿

212‧‧‧太陽位置計算模組

213‧‧‧追蹤驅動裝置

214‧‧‧方位角調整機構

216‧‧‧高度角調整機構

241‧‧‧光接受面

242‧‧‧光伏太陽能電池

280‧‧‧光感測面

282‧‧‧方格感測區

2140‧‧‧轉動桿頂端

Claims (13)

1. 一種太陽能收集系統，其包括：抛物面反射器，具有一凹面；太陽能電池板，其包括一光接收面，所述光接收面朝向該抛物面反射器之凹面；其中，所述太陽能收集系統還包括：馬賽克狀光敏感測器，所述馬賽克狀光敏感測器具有一光感測面，該光感測面包括複數馬賽克狀之方格感測區，每個方格感測區可根據其所受到太陽光照射而輸出對應之感測訊號；標桿，垂直固設於所述馬賽克狀光敏感測器之中心，以在太陽光照射下於馬賽克狀光敏感測器上形成陰影；太陽位置計算模組，其與所述馬賽克狀光敏感測器電性相連並根據標桿於馬賽克狀光敏感測器上投射之陰影所產生之感測訊號計算出太陽所處之位置資訊；追蹤驅動裝置，其可根據太陽位置計算模組所計算出之太陽位置資訊調整所述抛物面反射器，使其凹面正對太陽照射之最佳方位。
2. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能收集系統，其中：該追蹤驅動裝置包括一方位角調整機構，該方位角調整機構包括方位角調整馬達和方位角傳動裝置並與該太陽位置計算模組通過訊號線相連接，該方位角調整馬達根據太陽位置計算模組輸出之太陽方位角資料驅動該方位傳動裝置以調整該抛物面反射器之方位角。
3. 如申請專利範圍第2項所述之太陽能收集系統，其中：該方位角傳動裝置包括主動齒輪、從動齒輪、轉動桿，該轉動桿安裝於從動齒輪之中軸處 ，該主動齒輪與從動齒輪相互嚙合，該主動齒輪與方位角調整馬達之轉軸相連接。
4. 如申請專利範圍第3項所述之太陽能收集系統，其中：該追蹤驅動裝置包括一高度角調整機構，該高度角調整機構包括高度角調整馬達和高度角傳動裝置並與該太陽位置計算模組通過訊號線相連接，該高度調整馬達根據太陽位置計算模組輸出之太陽高度角資料驅動該高度角傳動裝置以調整該抛物面反射器之高度角。
5. 如申請專利範圍第4項所述之太陽能收集系統，其中：該高度角傳動裝置包括動力齒輪、旋轉齒輪，該旋轉齒輪設置於抛物面反射器與其凹面中心對應之背面上並與該動力齒輪相互嚙合，該動力齒輪與高度角調整馬達之轉軸相連接。
6. 如申請專利範圍第5項所述之太陽能收集系統，其中：該方位角傳動裝置之轉動桿頂部與該高度角調整機構相互連接。
7. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能收集系統，其中：該抛物面反射器具有一焦點，該凹面具有一中心點，該凹面上敷設有高反射率材料。
8. 如申請專利範圍第7項所述之太陽能收集系統，其中：該太陽能電池板之光接收面垂直於通過該抛物面反射器之凹面中心點和焦點之軸線。
9. 如申請專利範圍第7項所述之太陽能收集系統，其中：該太陽能電池板與抛物面反射器之焦點間隔一個預定距離，使太陽能電池板可接收自該抛物面反射器所反射之具有預定截面積之太陽能輻射。
10. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能收集系統，其中：在該馬賽克狀光敏感測器光感測面之東、南、西、北四個方向上設置有參照線。
11. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能收集系統，其中：該太陽能電池板係由至少一個光伏太陽能電池組成之平面陣列。
12. 如申請專利範圍第11項所述之太陽能收集系統，其中：該光伏太陽能電 池由半導體器件構成。
13. 如申請專利範圍第12項所述之太陽能收集系統，其中：該半導體器件為PN或PIN結構，其組成成分為鍺(Ge)、砷化鎵(GaAs)和鎵-銦-磷半導體材料。