TWI425378B

TWI425378B - 高聚光型太陽光發電系統部署方法

Info

Publication number: TWI425378B
Application number: TW100112909A
Authority: TW
Inventors: Wan Li Hsu; Shang Lee Chyou; I Tao Lung
Original assignee: Atomic Energy Council
Priority date: 2011-04-14
Filing date: 2011-04-14
Publication date: 2014-02-01
Also published as: TW201241654A

Description

高聚光型太陽光發電系統部署方法

本發明係有關於一種高聚光型太陽光發電系統部署方法，尤指涉及一種針對高聚光型太陽光發電廠提出適宜之建置模式，特別係指可因應不同模擬目的，設計出適合之模擬結果，且即時回覆影像訊息之高聚光型太陽光發電系統部署方法。

電已為人類生活中不可缺少之必需品，在享受舒適生活之同時，我們也必須想到環境因發電受到之衝擊有多少。現今全球都在提倡環保概念，及有關環境保護解決方案等相關議題，所以各國政府莫不積極地推廣替代能源之開發，要如何節約能源、如何解決燃燒化石燃料所排放出之溫室氣體(二氧化碳)，及如何防止能源逐漸耗竭，所帶來之全球暖化後果。目前使用之發電方式，或多或少都會對環境造成傷害，為了解決這些問題，於是，發展出許多有關替代能源之技術，如太陽能、風能、生質能及海洋能等等。而其中對生態環境影響最小之天然資源即為太陽光能源，因為太陽光之供應係滔滔不絕，且屬於潔淨能源，更不會引起環境污染或導致溫室效應之發生，作為自給自足之能源供應係最為適合的。有鑑於此，為了提供源源不斷之電力，興建太陽光發電廠已如火如荼地展開。

建置大型高聚光型太陽光(High Concentration Photovoltaic,HCPV)發電廠係一個未來能源之新興工程，目前已完成建置者屈指可數。所以要讓業者及投資人瞭解建置一座高聚光型太陽光發電廠之利益，及可能遭遇之問題，無論對資方或設計人員都係一項重大之挑戰。高聚光型太陽光發電廠從初期規劃到後期製造，要考慮到之因素有很多，除了一般要考慮之因素，包括建置之土地、金錢及人力等之外，找尋適合之地點、充沛之陽光與建置之成本考量，都需要經過專業知識判斷。

傳統發電廠之規劃方法，不論係火力電廠或核能電廠等，大多係利用傳統以紙本為主之平面藍圖規劃設計，一有錯誤，往往需要很長時間進行修改，並且浪費紙張。此外，也有使用3D動畫之方式來呈現發電廠之設計，然而3D動畫之設計彈性不足，並無法與設計者即時互動與修改。

由此可知，目前建置高聚光型太陽光發電廠之現行設計方法，係以2D平面藍圖與3D動畫這兩種方法來表達，惟此兩種設計方法對於在不同之需求時，如建置容量或太陽光追蹤系統建置間距等，都需要重新進行設計與繪製，不但耗時且耗力。故，一般習用者係無法符合使用者於實際使用時之所需。

職是之故，鑑於習知技術中所產生之缺失弊端，實有急待改進之必要，針對既有之缺失加以改良，發展一種能避免已知技術之方法與設備之缺點並且能夠進行符合實用進步性與產業利用性之方法與設備有其必要。

本發明之主要目的係在於，克服習知技藝所遭遇之上述問題並提供一種針對高聚光型太陽光發電廠提出適宜之建置模式，在初期規劃時，協助預先找出最有效率之設計流程，減少建置時不必要之錯誤，並縮短設計時間、提高建置效率與減少金錢之浪費之高聚光型太陽光發電系統部署方法。

本發明之次要目的係在於，提供一種針對不同模擬目的，設計出適合之模擬結果，且即時回覆影像訊息之高聚光型太陽光發電系統部署方法，可提供相關訊息給設計人員，以輔助決策，減少不必要之錯誤，進而得到縮短設計時間並提高建置效率之目標之高聚光型太陽光發電系統。

本發明之另一目的係在於，提供一種使用虛擬實境技術開發之高度互動性與參與感之平台，進行虛擬實境場景之開發及影像動態模擬系統之設計，藉由模擬之方式，即時地將高聚光型太陽光發電廠運作之情況，以動態之方式更逼真且更人性化地呈現，可以觀看並瞭解不同時間、地點或條件之高聚光型太陽光發電廠建置須注意之事項，提供設計者以不同角度來思考，經由不斷地嘗試各種可能之設計方法，以找出最適合之樣式之高聚光型太陽光發電系統部署方法。

為達以上之目的，本發明係一種高聚光型太陽光發電系統部署方法，首先係輸入土地面積尺寸後，計算面積，並顯示於畫面上；接著輸入太陽光追蹤系統之座數與間距初始值後，計算其排列位置，並顯示於畫面上；並且輸入年、月、日、開始及結束時間、經度、以及緯度等資料後，依照太陽移動軌跡路徑演算法，計算太陽移動軌跡路徑值；再輸入高聚光型太陽光發電系統容許之遮蔭率初始值，而太陽光追蹤系統根據該太陽移動軌跡路徑值之計算，把其角度參數給予太陽光追蹤系統，促使太陽光追蹤系統執行動態運轉模擬；且在完成太陽光追蹤系統運轉模擬後，擷取每座太陽光追蹤系統之畫面，並儲存成影像檔；繼之，讀取太陽光追蹤系統之遮蔭影像檔，依照影像識別演算法，依序搜尋顯示晝面中之白及灰兩色彩，將兩色相加，除以灰色，即計算出太陽光追蹤系統之遮蔭率；當計算後之遮蔭率大於遮蔭率初始值時，係將太陽光追蹤系統之間距變更為間距初始值之-1公尺，再計算其排列位置，並顯示於畫面上。反覆計算直到遮蔭率小於遮蔭率初始值，即停止執行；以及根據最後一次計算出之遮蔭率，計算高聚光型太陽光發電系統之預估發電量。

請參閱『第1圖』所示，係本發明之操作流程示意圖。如圖所示：本發明係一種高聚光型太陽光發電系統部署方法，其至少包含下列步驟：

(A)計算土地面積11：輸入土地面積尺寸後，計算面積，並顯示於畫面上；

(B)計算太陽光追蹤系統位置排列12：輸入太陽光追蹤系統之座數與間距初始值後，計算其排列位置，並顯示於畫面上；

(C)計算太陽移動軌跡路徑值13：輸入年、月、日、開始及結束時間、經度、以及緯度等資料後，依照太陽移動軌跡路徑演算法，計算太陽移動軌跡路徑值；

(D)模擬太陽光追蹤系統運轉14：輸入高聚光型太陽光發電系統容許之遮蔭率初始值，而太陽光追蹤系統根據該太陽移動軌跡路徑值來運轉角度，執行太陽光追蹤系統動態運轉之模擬；

(E)擷取太陽光追蹤系統畫面15：在完成太陽光追蹤系統運轉模擬後，擷取每座太陽光追蹤系統之畫面，並儲存成影像檔；

(F)計算太陽光追蹤系統遮蔭率16：讀取太陽光追蹤系統之遮蔭影像檔，依照影像識別演算法，依序搜尋顯示晝面中之白及灰兩色彩，將兩色相加，除以灰色，計算出太陽光追蹤系統之遮蔭率；

(G)計算太陽光追蹤系統間距17：當計算後之遮蔭率大於遮蔭率初始值時，係將太陽光追蹤系統間距縮短1公尺，再回至步驟(B)計算其排列位置，並顯示於畫面上；反覆計算直到遮蔭率小於遮蔭率初始值，即停止執行；以及

(H)計算高聚光型太陽光發電系統發電量18：根據最後一次計算出之遮蔭率，計算高聚光型太陽光發電系統之預估發電量。

上述步驟(C)太陽移動軌跡路徑演算法，係用以讓太陽光追蹤系統根據計算出之太陽移動軌跡路徑值開始運轉。如太陽移動軌跡將會依不同之時間、地區等種種條件之不同，而有所改變。

上述畫面上顯示之土地及太陽光追蹤系統係以3D繪圖軟體建構，並可為3D Studio MAX。

上述各步驟之計算行為、畫面擷取行為及運轉模擬行為係以虛擬實境軟體建構，並可為Virtools。

在使用本發明之佈局方法時，將有兩種結果呈現，分別為立體與文字之方式。其中立體方式係在使用本方法時，使用者可觀看不同之時間、間距等條件之太陽光追蹤系統模擬運轉情形；而文字方式，為使用者在使用本方法後，系統會計算出最適宜之太陽光追蹤系統之排列位置，並將相關訊息以文字方式顯示於畫面上。

由上述各步驟可知，本發明之佈局方法除了符合使用者需求外，還可讓使用者瞭解在不同之時間、地區等，高聚光型太陽光發電系統之差異。

當運用時，本發明係使用3D Studio MAX繪圖軟體建構土地及太陽光追蹤系統(如一座為5kW發電容量單位之太陽光追蹤系統)兩種3D模型物件。此3D模型物件繪製完成後將提供給Virtools軟體設定使用，以Virtools軟體設計人機介面畫面，包括輸入土地面積、太陽光追蹤系統座數數量、太陽移動軌跡路徑(包括時間、經度、緯度…)及遮蔭率等輸入畫面。藉由運用Virtools軟體，前述各步驟之說明及流程設定分別為：

(A1)輸入土地之長度及寬度資料，計算土地面積；

(B1)輸入太陽光追蹤系統之縱向/橫向座數及間距初始值資料，計算太陽光追蹤系統排列順序及擺放位置；

(C1)輸入年、月、日、開始及結束時間、經度、以及緯度等基本資料後，使用太陽移動軌跡路徑演算法，計算太陽移動軌跡路徑值，包含計算太陽移動軌跡路徑單位時間之方位/高度角度移動值；

(D1)輸入高聚光型太陽光發電廠容許之遮蔭率初始值，而太陽光追蹤系統根據太陽移動軌跡路徑值之計算，把其角度參數給予太陽光追蹤系統，促使太陽光追蹤系統開始動態運轉模擬，並以每隔3秒顯示出其轉動狀態；

(E1)在完成太陽光追蹤系統運轉模擬後，擷取每座太陽光追蹤系統之畫面，並儲存成影像檔；

(F1)為知道太陽光追蹤系統是否被遮蔭，將讀取遮蔭影像檔，再使用影像識別演算法，找出白及灰兩色，將兩色相加，除以灰色，即計算出遮蔭率；

(G1)當判斷計算出之太陽光追蹤系統遮蔭率大於遮蔭率初始值時，係將太陽光追蹤系統之間距變更為間距初始值之-1公尺，再回至步驟(B1)計算其排列位置，並顯示於畫面上；反覆計算直到遮蔭率小於遮蔭率初始值，即停止執行；以及

(H1)根據最後一次計算出之太陽光追蹤系統遮蔭率，將總發電量扣除被遮蔭所損失之電量，即計算得到高聚光型太陽光發電廠之預估發電量，並將基本資料、遮蔭率及發電量等相關資料顯示於畫面中。

如是，即可將土地、太陽光追蹤系統之3D模型物件整合成高聚光型太陽光發電廠之場景，再根據不同之模擬條件代入，進行設定(如土地面積、太陽光追蹤系統座數數量及太陽移動軌跡路徑…等)，執行後，將可觀看高聚光型太陽光發電廠之動態運轉模擬。最後，根據輸出之結果，利用圖表方式，分析出在建置高聚光型太陽光發電廠時最適宜之結果。

請參閱『第2圖及第3圖』所示，係分別為本發明一較佳實施例之佈局場景示意圖、及本發明一較佳實施例之輸出結果示意圖。如圖所示：於一較佳實施例中，本發明係設定20kW建置容量之高聚光太陽光發電廠，與2010年4月20日早上6點之時間及16公尺之間距，與可容許之高聚光太陽光發電廠之遮蔭率為12%。首先設定高聚光型太陽光發電廠場景，在本佈局方法所設計之人機介面畫面3上，輸入以下數據設定：

(1)土地1：長為500公分、寬為500公分；

(2)太陽光追蹤系統2：橫列座數為2，縱向座數為2，且間距為16公尺；

(3)太陽光移動軌跡路徑：時間為2010年4月20日早上6點，地區為E121 15,N24 51；

(4)可容許之高聚光太陽光發電廠遮蔭率：12%；

(5)點選畫面3中『開始運轉』按鈕，即開始執行。將根據計算出之太陽光移動軌跡路徑值，把其角度參數給太陽光追蹤系統，並使太陽光追蹤系統開始動態運轉模擬；

(6)太陽光追蹤系統動態運轉模擬執行時，即自動計算太陽光追蹤系統遮蔭率，直到遮蔭率小於12%，即不再縮減間距之距離，此時間距為14公尺；及

(7)點選畫面3中『發電量預估』按鈕，將於畫面上顯示「20kW在4月20日6點時，以間距14公尺排列，遮蔭率約為10.8112，發電量預估為19.4594。」。

於上述實施例中，本發明係建構以不同之季節，不同之時間，及不同之間距，對高聚光太陽光發電廠之遮蔭率及發電量，將會產生何種影響。另外，就實際之高聚光太陽光發電廠運轉經驗來看，會產生遮蔭現象之時間，通常會出現在早晨與傍晚之時間。在高度角時段之關係，太陽之位置係處於頭頂或較高範圍，直射太陽光追蹤系統，出現之陰影不易對其它之太陽光追蹤系統造成遮蔭影響(如第2圖所示)。

由上述可知，本發明係使用3D Studio MAX與Virtools兩套軟體之組合搭配，發展出一套高聚光型太陽光發電系統部署方法。在現在講求快速、效率之年代，藉由虛擬實境技術之成熟，以3D視覺情境模擬之呈現方式，產生不同之高聚光型太陽光發電廠建置情形，在建置前，先觀看到建置成果，俾令使用者瞭解太陽光追蹤系統以太陽移動軌跡路徑追蹤過程，或最佳之高聚光型太陽光發電廠配置方案，或整廠之預估發電量，亦或在不同時間或地點之高聚光型太陽光發電廠建置須注意之事項。

因此，本方法之特性優點包括：

(一)根據設定條件，即時呈現模擬場景：本發明之高聚光型太陽光發電系統部署方法，能快速地把使用者輸入不同之數據情形，即時地呈現予大眾面前，達到使用者與系統之間之互動。例如：太陽光追蹤系統如何擺放、及太陽光追蹤系統會產生何種遮蔽效應等，都可以由使用者多次之輸入不同之數據，來觀看發電廠所呈現之場景畫面。

(二)以虛擬實境取代3D及2D設計方式：幫助使用者藉由影像模擬之視覺輔助效果，先行看到未來才建置之高聚光型太陽光發電廠實景，並提供整廠瀏覽及空間規劃等功能，以作為實際高聚光型太陽光發電廠設計之準則，可取代傳統之設計工具，節省時間、金錢及人力之浪費，以降低決策風險並發揮最佳經濟效益。

而本發明開發系統所使用之Virtools係一個創作平台，只提供設計工具。所以，本發明利用它來發展一套客製化、彈性之軟體。在新穎及難度兩方面說明如下：

(一)在新穎方面，目前市面上並沒有太陽能發電廠建置之規劃軟體，以提供業者或設計者使用。本發明為在太陽光電建廠虛擬實境之創舉，且本方法可依照專家需求，設計出具彈性且客製化之系統。

(二)在難度方面，本發明利用虛擬實境發展出一套太陽光發電建廠難度甚高之演算法，原因係必須對於系統熟悉，且又無前例可循。而本方法具有最佳化之機制，亦即以遮蔭率計算、太陽移動軌跡路徑模擬，並以Virtools工具來呈現。

藉此，本發明係可因應不同模擬目的，如太陽光追蹤系統建置間距、時間及地點…等，設計出適合之模擬結果，且即時回覆影像訊息之高聚光型太陽光發電系統部署方法，可重複、自由地直接與虛擬物體互動，讓設計者檢驗設計，以多種不同之方式來解決建廠問題，如參數改變，立刻呈現不同之狀態，或觀察遮蔭之樣式及原因，藉以提供相關訊息給設計人員，以輔助決策，減少不必要之錯誤，進而得到縮短設計時間並提高建置效率之目標。

綜上所述，本發明係一種高聚光型太陽光發電系統部署方法，可有效改善習用之種種缺點，係可因應不同模擬目的，設計出適合之模擬結果，且即時回覆影像訊息之高聚光型太陽光發電系統部署方法，可重複、自由地直接與虛擬物體互動，讓設計者檢驗設計，以多種不同之方式來解決建廠問題，如參數改變，立刻呈現不同之狀態，或觀察遮蔭之樣式及原因，藉以提供相關訊息給設計人員，以輔助決策，減少不必要之錯誤，進而得到縮短設計時間並提高建置效率之目標，進而使本發明之產生能更進步、更實用、更符合使用者之所須，確已符合發明專利申請之要件，爰依法提出專利申請。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍；故，凡依本發明申請專利範圍及發明說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

11．．．步驟(A)計算土地面積

12．．．步驟(B)計算太陽光追蹤系統位置排列

13．．．步驟(C)計算太陽移動軌跡路徑值

14．．．步驟(D)模擬太陽光追蹤系統運轉

15．．．步驟(E)擷取太陽光追蹤系統畫面

16．．．步驟(F)計算太陽光追蹤系統遮蔭率

17．．．步驟(G)計算太陽光追蹤系統間距

18．．．步驟(H)計算高聚光型太陽光發電系統發電量

1．．．土地

2．．．太陽光追蹤系統

3．．．人機介面畫面

第1圖，係本發明之操作流程示意圖。

第2圖，係本發明一較佳實施例之佈局場景示意圖。

第3圖，係本發明一較佳實施例之輸出結果示意圖。

11-18．．．步驟

Claims

一種高聚光型太陽光發電系統部署方法，其至少包含下列步驟：(A)計算土地面積：輸入土地面積尺寸後，計算面積，並顯示於畫面上；(B)計算太陽光追蹤系統位置排列：輸入太陽光追蹤系統之座數與間距初始值後，計算其排列位置，並顯示於畫面上；(C)計算太陽移動軌跡路徑值：輸入年、月、日、開始及結束時間、經度、以及緯度等資料後，依照太陽移動軌跡路徑演算法，計算太陽移動軌跡路徑值；(D)模擬太陽光追蹤系統運轉：輸入高聚光型太陽光發電系統容許之遮蔭率初始值，而太陽光追蹤系統根據該太陽移動軌跡路徑值之計算，把其角度參數給予太陽光追蹤系統，促使太陽光追蹤系統執行動態運轉模擬；(E)擷取太陽光追蹤系統畫面：在完成太陽光追蹤系統運轉模擬後，擷取每座太陽光追蹤系統之畫面，並儲存成影像檔；(F)計算太陽光追蹤系統遮蔭率：讀取太陽光追蹤系統之遮蔭影像檔，依照影像識別演算法，依序搜尋顯示晝面中之白及灰兩色彩，將兩色相加，除以灰色，即計算出太陽光追蹤系統之遮蔭率；(G)計算太陽光追蹤系統間距：當計算後之遮蔭率大於遮蔭率初始值時，係將太陽光追蹤系統之間距變更為間距初始值之-1公尺，再回至步驟(B)計算其排列位置，並顯示於畫面上；反覆計算直到遮蔭率小於遮蔭率初始值，即停止執行；以及(H)計算高聚光型太陽光發電系統發電量：根據最後一次計算出之遮蔭率，計算高聚光型太陽光發電系統之預估發電量。
依申請專利範圍第1項所述之高聚光型太陽光發電系統部署方法，其中，該太陽移動軌跡路徑演算法係使太陽光追蹤系統根據計算出之太陽移動軌跡路徑值開始運轉。
依申請專利範圍第1項所述之高聚光型太陽光發電系統部署方法，其中，該太陽移動軌跡路徑值係依不同之資料設定而隨之改變之值。
依申請專利範圍第1項所述之高聚光型太陽光發電系統部署方法，其中，該畫面上顯示之土地及太陽光追蹤系統係以3D繪圖軟體建構，並可為3D Studio MAX。
依申請專利範圍第1項所述之高聚光型太陽光發電系統部署方法，其中，各步驟之計算行為、畫面擷取行為及運轉模擬行為係以虛擬實境軟體建構，並可為Virtools。
依申請專利範圍第1項所述之高聚光型太陽光發電系統部署方法，係適用在高聚光型太陽光發電系統建置前，先行得知建置成果，俾令使用者瞭解太陽光追蹤系統以太陽移動軌跡路徑追蹤過程、或最佳之高聚光型太陽光發電系統配置方案、或整體系統之預估發電量、亦或在不同時間或地點之高聚光型太陽光發電系統建置須注意之事項。