TWI451054B - Design and Control Method of Single Axis Fixed Rotation Angle Tracking Sun - Google Patents
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Description
本發明是涉及一種單軸固定轉動角度追蹤太陽的裝置與控制方法。
傳統太陽光發電系統之架設，其太陽電池主要是以一組固定型支架固定於地面進行發電，太陽電池的受光面面向正南方，與水平面的夾角通常設定與裝設地點的緯度相同。
由於太陽在一天之中會從東方的天空，移向西方，因此固定型的太陽光發電系統，一天之中只有正午一段時間，太陽光可正射在太陽電池上。
因此太陽電池只有在正射的時段，才能產生最大的發電量，其它時段則因為太陽斜射，發電量降低。
要提升太陽電池發電效率，有人採用追蹤太陽運動的裝置，來使太陽電池隨時正對太陽。
雖然透過此種應用方式，可以提高整體的發電量，但相對而言，也增加了系統的複雜度與成本，也會消耗一部份電力，要用於做為追蹤太陽的動力。
許多精密太陽追蹤裝置，為採雙軸式設計，將裝設太陽電池的轉動平台，分成南北向與東西向兩個轉軸，分別進行轉動，並藉由一太陽感測器，利用回授控制技術，控制其南北與東西兩個方向的轉動動作，可以精準追蹤太陽。
但是，此種雙軸追蹤機構非常複雜，故障率高、追蹤太陽時馬達耗電大、成本也很高，很難推廣。
為改善傳統固定式太陽光發電系統，以及雙軸式精密太陽追蹤裝置之缺失，本發明人創作出一種少數個固定轉動角度[簡稱：固定角度]的單軸追蹤太陽光發電裝置，如專利文獻1及圖1所示，為一種太陽能發電裝置(100)，包含：一太陽能電池支架(10)；一太陽能電池(20)，為固設於該太陽能電池支架(10)上；一驅動馬達(30)，為驅動該太陽能電池支架(10)用以旋轉調整該太陽能電池(20)之一定位方向；一可調角度平台(40)，為與該太陽能電池支架(10)固定設置、用以調整該太陽能電池(20)之一水平仰角角度；一太陽能電池支撐柱(50)，為用以支撐該太陽能電池支架(10)與該可調角度平台(40)，其中該太陽能電池支撐柱(50)更包含一套筒(501)固定於該太陽能電池支撐柱(50)上；以及一追蹤感測器(60)，為設置於該太陽能電池(20)上，其中該追蹤感測器(60)為包含一第一感光元件(601)、一第二感光元件(602)與一擋光板(603)設置於其間，且該擋光板(603)之高度約為該第一感光元件(601)與該第二感光元件(602)中心至該擋光板(603)之底部距離之cot25°倍。
而前述太陽電池支架(10)更包含有支架(101)；該可調角度平台(40)，則更包含一旋轉軸(401)；一配合驅動馬達(30)、用來帶動整個支架(101)轉動的傳動齒輪(402)；以及一刻度盤(403)。
關於的動作原理，請參照第二圖，追蹤感測器(60)安裝於太陽能電池(20)旁邊，並與太陽能電池(20)為同一平面，擋光板(603)將第一感光元件(601)與該第二感光元件(602)分隔開來，其中第一感光元件(601)安置在相對於擋光板(603)的東側，第二感光元件(602)則安置在擋光板(603)的西側。
當太陽從擋光板(603)的東側移向西側時，擋光板(603)的陰影將從西側移向東側。
直到擋光板(603)的陰影遮蔽到第一感光元件(601)，則啟動驅動馬達(30)，帶動傳動齒輪(402)轉動一固定角度，使太陽能電池支架(10)向西轉動到達下一個定位。
上述習知技術為以一個馬達，控制裝置對太陽作東西方向的追蹤，配合太陽位置，使太陽電池固定機構，由東向西轉動，分別停駐於少數個特定的固定角度。
經由發明人的太陽能光學仔細分析計算，如果採用三個固定角度的話，最佳的三個特定角度分別是：
[1]上午時段太陽能電池(20)停駐於面向東方50度的位置；
[2]中午時段太陽能電池(20)停駐於面向垂直正上方的0度位置；
[3]下午時段則太陽能電池(20)停駐於面向西方50度的位置。
如圖3所示，當太陽移動時，追蹤感測器(60)的擋光板(603)，其所產生的陰影，會隨太陽入射角度改變，當陰影遮蔽靠東側的第一感光元件(601)時，表示太陽位置偏西方，此時會透過一控制電路，觸動追蹤機構，往西方下一個定位轉動，並利用一裝設於特定位置的定位開關，停止轉動達到固定停駐角度目的。
反之亦然，當當陰影遮蔽靠西側的第二感光元件(602)時，表示太陽位置偏東方，此時會透過一控制電路，觸動追蹤機構，往東方下一個定位轉動。
專利文獻1：國內專利公告I304657號「具三角度追蹤陽光之太陽能發電裝置/PHOTOVOLTAIC POWER GENERATING APPARATUS THREE-POSITION TRACKING」，2008/年12月21日公告。
由於太陽光發電系統需求的使用壽命，在戶外環境下，至少要有25年，可靠度要求極為嚴苛，因此前述專利文獻1，仍然存在著下列問題點：
1.採用追蹤感測器(60)來感測是否對準太陽，其必須安裝於太陽能電池(20)旁邊，此種設置方式，會增加結構設計與安裝複雜度。
2.追蹤感測器(60)採用光感測元件、以及附設的電子偵測電路，在戶外使用的故障率很高，成本也高。
3.採用一裝設於特定位置的定位開關，來停止驅動馬達(30)轉動，達到固定停駐角度，使得暴露於戶外的定位開關，容易老化與故障，或信號傳輸不良而控制失靈。
4.採用驅動馬達(30)與傳動齒輪(402)配合的傳動機構，在戶外使用時容易故障。
有鑑於此，如何在避免掉故障率高、容易控制失靈等問題的前提下，同時降低結構設計與安裝的複雜度，以降低成本，便於推廣應用，便成為本發明欲改進的目的。
本發明目的在於提供一種低故障率、成本低、使用壽命長之單軸固定轉動角度追蹤太陽的裝置與控制方法。
為解決前述問題及達到本發明的目的，本發明的技術手段，關於裝置方面，是這樣實現的：為一種單軸固定轉動角度追蹤太陽裝置，其特徵在於包括：一由直桿(11)和橫桿(12)組成的支撐柱(1)；一中央與該橫桿(12)樞接、可調轉動角度的固定架(2)；一設於該固定架(2)頂表面處的太陽電池(3)；一由馬達(41)、伸縮桿(42)、和傳動齒輪組(43)所組成的電動式伸縮推桿(4)；及一與該電動式伸縮推桿(4)電連接的微處理控制裝置(5)；該橫桿(12)為以中央部，呈一角度設置於該直桿(11)頂端處；該馬達(41)為設於該伸縮桿(42)的一側、其轉軸透過傳動齒輪組(43)與該伸縮桿(42)底端連接、以供驅使該伸縮桿(42)伸縮作動，而該伸縮桿(42)的頂端、為與該固定架(2)對應側樞連接，又該傳動齒輪組(43)的底端、為與該直桿(11)對應側樞接；利用馬達(41)通電來使傳動齒輪組(43)作動，帶動伸縮桿(42)產生伸縮動作，進而轉動固定架(2)、來調整其角度，使得固定架(2)上的太陽電池(3)，可以面向太陽。
根據上述的單軸固定轉動角度追蹤太陽裝置，所述微處理控制裝置(5)，其內含有一電子時鐘(51)，而該電子時鐘(51)的原始設定為標準時間(tstd
)；而所述微處理控制裝置(5)為與該太陽電池(3)電連接，以接受太陽電池(3)端電壓信號變化，並依照絕對電壓法，來判斷日出時間(tsunrise
)與日落時間(tsunset
)，並換算成太陽午時(tsol，n
)，然後定期進行前述電子時鐘(51)之當前時間(tclk
)的修正。
根據上述的單軸固定轉動角度追蹤太陽裝置，所述微處理控制裝置(5)中、更包含有一位置控制器(52)；而所述馬達(41)之轉軸處、更裝置有一能供感測轉動角度用的轉動位置感測器(6)；前述位置控制器(52)，其能依據內部所設定的三角度轉動時間(tR
)，開始啟動電動式伸縮推桿(4)，控制轉動，並依照其內部所設定的轉動位置設定值(VR
)，與前述轉動位置感測器(6)所回授實際轉動位置，進行比較後，該位置控制器(52)能根據誤差量，來改變對電動式伸縮推桿(4)的驅動大小，直到精準控制為止。
根據上述的單軸固定轉動角度追蹤太陽裝置，所述位置控制器(52)，其是為一PID控制器；所述轉動位置感測器(6)，其是為一轉動式電阻。
根據上述的單軸固定轉動角度追蹤太陽裝置，所述微處理控制裝置(5)，其內含有一電子時鐘(51)，而該電子時鐘(51)的原始設定為標準時間(tstd
)；而所述微處理控制裝置(5)，其能將當地天文及/或氣象台所提供的每日真太陽時偏差量(EST)，輸入微處理控制裝置(5)內，以進行電子時鐘(51)之當前時間(tclk
)修正，使其成為真太陽時(ttst
)，修正公式如下：真太陽時(ttst
)=標準時間(tstd
)+每日真太陽時偏差量(EST)。
根據上述的單軸固定轉動角度追蹤太陽裝置，所述微處理控制裝置(5)，其內含有一電子時鐘(51)，而該電子時鐘(51)的原始設定為標準時間(tstd
)；而所述微處理控制裝置(5)，其能以太陽時差公式取得一太陽時差值(V)，定期進行電子時鐘(51)之當前時間(tclk
)修正，使其成為真太陽時(ttst
)，修正公式如下：真太陽時(ttst
)=標準時間(tstd
)+太陽時差值(V)+4[標準時間之經度(Lst
)-當地之經度(Lloc
)]。
關於方法方面，是這樣實現的：為一種單軸固定轉動角度追蹤太陽的控制方法，其特徵在於：所述微處理控制裝置(5)之絕對電壓法的運作流程步驟，如下所示為：第一步驟：設定一基本電壓值(Vo
)；第二步驟：偵測太陽電池(3)端電壓變化值(Vpv
)；第三步驟：日出時間判斷，當端電壓變化值(Vpv
)由低值[<基本電壓值(Vo
)]升高至超過基本電壓值(Vo
)時，即為日出時間(tsunrise)，記錄下電子時鐘(51)當前所顯示的當前時間(tclk
)；第四步驟：日落時間判斷，當端電壓變化值(Vpv
)由高值(>Vo
值)降至小於基本電壓值(Vo
)時，即為日落時間(tsunset
)，記錄下電子時鐘(51)當前所顯示的時間；第五步驟：計算太陽午時(tsol，n
)，公式為：太陽午時(tsol，n
)=[日出時間(tsunrise
)+日落時間(tsunset
)]/2；第六步驟：比較太陽午時(tsol，n
)與時鐘午時(tclk，n
)，求得誤差值(△terr
)，公式為：誤差值(△terr
)=太陽午時(tsol，n
)-時鐘午時(tclk，n
)；第七步驟：當誤差值(△terr
)之絕對值，大於至少一容許值時，立即進行電子時鐘(51)之當前時間(tclk
)的更正，公式為：當前時間(tclk
)轉為當前太陽午時(tsol
)=當前時間(tclk
)+誤差值(△terr
)。
1.本發明中，為解決專利文獻1的種種問題，在控制方面，摒棄外露之驅動馬達(30)與傳動齒輪(402)的傳動機構，改採一簡易式的電動式伸縮推桿(4)，並採附著於馬達(41)之轉軸上、為轉動式電阻的轉動位置感測器(6)，來偵測太陽電池(3)轉動角度[位置]。
2.本發明中，放棄採用光感測元件製成的追蹤感測器(60)，而採用一電子時鐘[IC timer](51)來提供時間，在固定時間進行轉動；利用回授控制轉動到預定位置。
3.本發明中，為使電子時鐘(51)所顯示的當前時間(tclk
)，代表實際太陽位置，透過運算，將當前時間(tclk
)修正為真太陽時(ttst
)；
4.本發明中，所有控制動作，皆經由一微處理控制裝置(5)與軟體來完成，能將整體的動作，更有效的精確控制。
以下依據圖面所示的實施例詳細說明如後：如圖4所示為本發明的立體示意圖，如圖5所示為本發明的立體分解示意圖，如圖6所示為實際所偵測的太陽電池端電壓變化圖，如圖7所示為本發明的控制流程方塊示意圖，如圖8所示為本發明的立體實施示意圖。
圖中揭示出，為一種單軸固定轉動角度追蹤太陽裝置，其特徵在於包括：一由直桿(11)和橫桿(12)組成的支撐柱(1)；一中央與該橫桿(12)樞接、可調轉動角度的固定架(2)；一設於該固定架(2)頂表面處的太陽電池(3)；一由馬達(41)、伸縮桿(42)、和傳動齒輪組(43)所組成的電動式伸縮推桿(4)；及一與該電動式伸縮推桿(4)電連接的微處理控制裝置(5)；該橫桿(12)為以中央部，呈一角度設置於該直桿(11)頂端處；該馬達(41)為設於該伸縮桿(42)的一側、其轉軸透過傳動齒輪組(43)與該伸縮桿(42)底端連接、以供驅使該伸縮桿(42)伸縮作動，而該伸縮桿(42)的頂端、為與該固定架(2)對應側樞連接，又該傳動齒輪組(43)的底端、為與該直桿(11)對應側樞接；利用馬達(41)通電來使傳動齒輪組(43)作動，帶動伸縮桿(42)產生伸縮動作，進而轉動固定架(2)、來調整其角度，使得固定架(2)上的太陽電池(3)，可以面向太陽。
其中，上述微處理控制裝置(5)是由一微處理器電路所製成，更能包括一接收太陽電池(3)端電壓信號的輸入埠[圖中未揭示]，一驅動電動式伸縮推桿(4)的電輸出埠[圖中未揭示]，一接收推桿內部馬達轉軸上之轉動位置感測器(6)的信號輸入埠[圖中未揭示]，及一附於微處理控制裝置(5)內的分析軟體(7)。
其次，透過此種設置，有別於專利文獻1，摒棄外露之驅動馬達(30)與傳動齒輪(402)的傳動機構，改採一簡易式的電動式伸縮推桿(4)，並採附著於馬達(41)之轉軸上、為轉動式電阻的轉動位置感測器(6)，來偵測太陽電池(3)轉動角度[位置]，能更精確的運作，讓太陽電池(3)發揮出最大的發電效率。
上述中，所述微處理控制裝置(5)，其內含有一電子時鐘(51)[IC timer]，而該電子時鐘(51)的原始設定為標準時間(tstd
)；而所述微處理控制裝置(5)為與該太陽電池(3)電連接，以接受太陽電池(3)端電壓信號變化，並依照絕對電壓法，來判斷日出時間(tsunrise
)與日落時間(tsunset
)，並換算成太陽午時(tsol，n
)，然後定期進行前述電子時鐘(51)之當前時間(tclk
)的修正。
其中，透過此種控制方式，能有效的解決電子時鐘(51)誤差的問題，讓本發明能更效率的運作。
其次，單軸固定轉動角度追蹤太陽的控制方法，其特徵在於：所述微處理控制裝置(5)之絕對電壓法的運作流程步驟，如下所示為：
第一步驟：設定一基本電壓值(Vo
)；
第二步驟：偵測太陽電池(3)端電壓變化值(Vpv
)；
第三步驟：日出時間判斷，當端電壓變化值(Vpv
)由低值[<基本電壓值(Vo
)]升高至超過基本電壓值(Vo
)時，即為日出時間(tsunrise
)，記錄下電子時鐘(51)當前所顯示的當前時間(tclk
)；
第四步驟：日落時間判斷，當端電壓變化值(Vpv
)由高值(>Vo
值)降至小於基本電壓值(Vo
)時，即為日落時間(tsunset
)，記錄下電子時鐘(51)當前所顯示的時間；
第五步驟：計算太陽午時(tsol，n
)，公式為：太陽午時(tsol，n
)=[日出時間(tsunrise
)+日落時間(tsunset
)]/2；
第六步驟：比較太陽午時(tsol，n
)與時鐘午時(tclk，n
)，求得誤差值(△terr
)，公式為：誤差值(△terr
)=太陽午時(tsol，n
)-時鐘午時(tclk，n
)；第七步驟：當誤差值(△terr
)之絕對值，大於至少一容許值時，立即進行電子時鐘(51)之當前時間(tclk
)的更正，公式為：當前時間(tclk
)轉為當前太陽午時(tsol
)=當前時間(tclk
)+誤差值(△terr
)。
其中，本發明需求之使用壽命為至少25年[在戶外]，而一般電子時鐘(51)如IC時鐘，每天誤差量可達1秒以上，經長時期運轉後，十年會產生一小時以上的時間誤差，因此利用上述太陽時差運算結果來，將標準時間(tstd
)修正的方法，也會跟著產生一小時以上的時間誤差。
有鑑於此，為同時解決因電子時鐘所設定的地區標準時間[(standard time]與太陽時間[solar time]產生誤差，以及電子時鐘(51)年久失準的問題，本發明利用偵測太陽電池之端電壓變化值(Vpv
)以及一附於微處理控制裝置(5)內的分析軟體，於機器安裝完成並開始正常運轉時，將電子時鐘(51)所設定的當地之標準時間(tstd
)，定期修正成為真正反應太陽位置的太陽時間「真太陽時」，使得控制器可精準追蹤太陽。
本發明利用分析太陽電池之端電壓變化，來找出日出與日落時間進而推算當前太陽午時(tsol
)，並將時鐘修正為真太陽時(ttst
)。
太陽電池(3)受太陽輻射照射時，產生電壓並輸出電流，因此在日出時刻，太陽電池(3)的端電壓會有驟升之現象，而在日落時，太陽電池的端電壓會有驟降之現象。
利用此一現象，可用來偵測日出時間(tsunrise
)與日落時間(tsunset
)，其中間點便是太陽午時(tsol
)，將其與電子時鐘(51)的當前時間(tclk
)做比對，如果誤差量(△terr
)超過容許值範圍，便進行修正，使電子時鐘(51)顯現真太陽時(ttst
)。
參見圖7，此一變化形態普遍存在於太陽光發電系統，並不因有無採用追日裝置，或採獨立型或市電併聯型系統設計或
不同種類之太陽電池(3)而改變，此種利用太陽電池(3)之端電壓變化現象，來判斷日出與日落，並換算成太陽午時(tsol
)的方法，故稱為「絕對電壓法」。
上述中，所述微處理控制裝置(5)中、更包含有一位置控制器(52)；而所述馬達(41)之轉軸處、更裝置有一能供感測轉動角度用的轉動位置感測器(6)；前述位置控制器(52)，其能依據內部所設定的三角度轉動時間(tR
)，開始啟動電動式伸縮推桿(4)，控制轉動，並依照其內部所設定的轉動位置設定值(VR
)，與前述轉動位置感測器(6)所回授實際轉動位置，進行比較後，該位置控制器(52)能根據誤差量，來改變對電動式伸縮推桿(4)的驅動大小，直到精準控制為止。
其中，透過此種運用，降低角度調整時所產生的誤差，在更精密控制的同時，也更不容易發生故障的現象。
上述中，所述位置控制器(52)，其是為一PID控制器；所述轉動位置感測器(6)，其是為一轉動式電阻。
其中，PID控制器，是為比例-積分-微分控制器，由比例單元P、積分單元I和微分單元D組成，通過Kp，Ki和Kd三個參數的設定，主要適用於基本線性和動態特性不隨時間變化的系統，是一個在工業控制應用中常見的反饋迴路部件，能降低裝置的成本。
其次，轉動式電阻的應用，除了能有效的感測轉動之外，最重要的是，不易故障、十分耐用，且成本低。
上述中，所述微處理控制裝置(5)，其內含有一電子時鐘(51)，而該電子時鐘(51)的原始設定為標準時間(tstd
)；而所述微處理控制裝置(5)，其能將當地天文及/或氣象台所提供的每日真太陽時偏差量(EST)，輸入微處理控制裝置(5)內，以進行電子時鐘(51)之當前時間(tclk
)修正，使其成為真太陽時(ttst
)，修正公式如下：真太陽時(ttst
)=標準時間(tstd
)+每日真太陽時偏差量(EST)。
其中，電子時鐘(51)通常設定為地區標準時間[standard time]，可是在天文學上，「太陽時間(solar time)」係對應於真正太陽位置的時間，又稱「真太陽時」。
例如太陽午時就是指太陽正射的時間，然而為了使居住於同一地區的人們生活方便，人類訂定了各個地區的標準時間[standard time]，以特定地球經度作為某一地區的標準時間，使得各地標準時間與太陽時間產生偏差，例如採用中原標準時間計時的新疆等中國邊疆地區，其太陽時間就比中原標準時間延後2小時，使得固定角度的單軸追蹤太陽光發電裝置如採用地區標準時間[standard time]計時來追蹤太陽，便會產生很大誤差。
為避免因電子時鐘所設定的地區標準時間[standard time]與太陽時間[solar time]產生誤差，故要透過上述的修正公式，來解決此問題。
上述中，所述微處理控制裝置(5)，其內含有一電子時鐘(51)，而該電子時鐘(51)的原始設定為標準時間(tstd
)；而所述微處理控制裝置(5)，其能以太陽時差公式取得一太陽時差值(V)，定期進行電子時鐘(51)之當前時間(tclk
)修正，使其成為真太陽時(ttst
)，修正公式如下：真太陽時(ttst
)=標準時間(tstd
)+太陽時差值(V)+4[標準時間之經度(Lst
)-當地之經度(Lloc
)]。
其中，由於地區標準時間[standard time]與太陽時間[solar time]的偏差量，隨季節變化，每日皆不同，為避免輸入大量每日真太陽時偏差量(EST)數據[365筆]於微處理控制裝置(5)中，造成不同地區應用上的不方便，也可利用經驗供式換算，例如：採用L.O.Lamm於1981年發表的太陽時的時差公式[equation of time/EQT](Solar Energy,Vol.26,p.465,1981)，來獲得太陽時差值(V)，來解決此問題。
其次，標準時間之經度(Lst
)的單位是[degree]；當地之經度(Lloc
)的單位是[degree]；太陽時差公式[equation of time/EQT]的單位是分鐘，每天不同，有正值也有負值；利用該公式計算的平均誤差為0.53秒，最大誤差3.6秒。
還有，只要將運算公式直接存於微處理控制裝置(5)中，使用時只要輸入標準時間之經度(Lst
)和當地之經度(Lloc
)於微處理控制裝置(5)之中，利用電子時鐘(51)提供的日期與時間，便可定期[每週、每月、或每季]透過前述公式的計算，獲得真太陽時(ttst
)，然後修正電子時鐘(51)。
綜合以上所述，能得知本發明透過電動式伸縮推桿(4)與微處理控制裝置(5)的應用，並透過絕對電壓法的使用，解決專利文獻1的問題，同時產生更優於專利文獻1的運作效果，讓本發明更具有應用、實用、功效與產業之利用性。
以上依據圖式所示的實施例詳細說明瞭本發明的構造、特徵及作用效果，由於符合新穎及進步性要件，遂爰依法提出發明專利申請；惟以上所述僅為本發明之較佳實施例，但本發明不以圖面所示限定實施範圍，因此舉凡與本發明意旨相符的修飾性變化，只要在均等範圍內都應涵屬於本發明專利範圍內。
1‧‧‧支撐柱
401‧‧‧旋轉軸
11‧‧‧直桿
402‧‧‧傳動齒輪
12‧‧‧橫桿
403‧‧‧刻度盤
2‧‧‧固定架
50‧‧‧太陽能電池支撐柱
3‧‧‧太陽電池
501‧‧‧套筒
4‧‧‧電動式伸縮推桿
60‧‧‧追蹤感測器
41‧‧‧馬達
601‧‧‧第一感光元件
42‧‧‧伸縮桿
602‧‧‧第二感光元件
43‧‧‧傳動齒輪組
603‧‧‧擋光板
5‧‧‧微處理控制裝置
tstd
‧‧‧標準時間
51‧‧‧電子時鐘
tsunrise
‧‧‧日出時間
52‧‧‧位置控制器
tsunset
‧‧‧日落時間
6‧‧‧轉動位置感測器
tsol，n
‧‧‧太陽午時
7‧‧‧分析軟體
tsol
‧‧‧當前太陽午時
10‧‧‧太陽能電池支架
tR
‧‧‧三角度轉動時間
20‧‧‧太陽能電池
Vo
‧‧‧基本電壓值
30‧‧‧驅動馬達
Vpv
‧‧‧端電壓變化值
40‧‧‧可調角度平台
VR
‧‧‧轉動位置設定值
圖1：習知單軸追蹤太陽光發電裝置的立體示意圖。
圖2：習知單軸追蹤太陽光發電裝置之轉動位置感測器的部分放大立體示意圖。
圖3：習知單軸追蹤太陽光發電裝置的實施示意圖。
圖4：本發明的立體示意圖。
圖5：本發明的立體分解示意圖。
圖6：實際所偵測的太陽電池端電壓變化圖。
圖7：本發明的控制流程方塊示意圖。
圖8：本發明的立體實施示意圖。
1．．．支撐柱
11．．．直桿
12．．．橫桿
2．．．固定架
3．．．太陽電池
4．．．電動式伸縮推桿
41．．．馬達
42．．．伸縮桿
43．．．傳動齒輪組
5．．．微處理控制裝置
6．．．轉動位置感測器
Claims (6)
- 一種單軸固定轉動角度追蹤太陽裝置，其包括：一由直桿(11)和橫桿(12)組成的支撐柱(1)；一中央與該橫桿(12)樞接、可調轉動角度的固定架(2)；一設於該固定架(2)頂表面處的太陽電池(3)；一由馬達(41)、伸縮桿(42)、和傳動齒輪組(43)所組成的電動式伸縮推桿(4)；及一與該電動式伸縮推桿(4)電連接的微處理控制裝置(5)；該橫桿(12)為以中央部，呈一角度設置於該直桿(11)頂端處；該馬達(41)為設於該伸縮桿(42)的一側、其轉軸透過傳動齒輪組(43)與該伸縮桿(42)底端連接、以供驅使該伸縮桿(42)伸縮作動，而該伸縮桿(42)的頂端、為與該固定架(2)對應側樞連接，又該傳動齒輪組(43)的底端、為與該直桿(11)對應側樞接；上述微處理控制裝置(5)，其內含有一電子時鐘(51)，而該電子時鐘(51)的原始設定為標準時間(tstd )；又微處理控制裝置(5)是依據絕對電壓法的運作流程步驟來實施，以利用馬達(41)通電來使傳動齒輪組(43)作動，帶動伸縮桿(42)產生伸縮動作，進而轉動固定架(2)、來調整其角度，使得固定架(2)上的太陽電池(3)，可以面向太陽；所述微處理控制裝置(5)之絕對電壓法的運作步驟，如下列所示為：第一步驟：設定一基本電壓值(Vo )；第二步驟：偵測太陽電池(3)端電壓變化值(Vpv )；第三步驟：日出時間判斷，當端電壓變化值(Vpv )由低值[<基本電壓值(Vo )]升高至超過基本電壓值(Vo )時，即為日出時間(tsunrise )，記錄下電子時鐘(51)當前所顯示的當前時間(tclk )；第四步驟：日落時間判斷，當端電壓變化值(Vpv )由高值(>Vo 值)降至小於基本電壓值(Vo )時，即為日落時間(tsunset )，記錄下電子時鐘(51)當前所顯示的時間； 第五步驟：計算太陽午時(tsol，n )，公式為：太陽午時(tsol，n )=[日出時間(tsunrise )+日落時間(tsunset )]/2；第六步驟：比較太陽午時(tsol，n )與時鐘午時(tclk，n )，求得誤差值(△terr )，公式為：誤差值(△terr )=太陽午時(tsol，n )-時鐘午時(tclk，n )；第七步驟：當誤差值(△terr )之絕對值，大於至少一容許值時，立即進行電子時鐘(51)之當前時間(tclk )的更正，公式為：當前時間(tclk )轉為當前太陽午時(tsol )=當前時間(tclk )+誤差值(△terr )。
- 如請求項1所述的單軸固定轉動角度追蹤太陽裝置，其特徵在於：所述微處理控制裝置(5)為與該太陽電池(3)電連接，以接受太陽電池(3)端電壓信號變化，並依照絕對電壓法，來判斷日出時間(tsunrise )與日落時間(tsunset )，並換算成太陽午時(tsol，n )，然後定期進行前述電子時鐘(51)之當前時間(tclk )的修正。
- 如請求項1所述的單軸固定轉動角度追蹤太陽裝置，其特徵在於：所述微處理控制裝置(5)中、更包含有一位置控制器(52)；而所述馬達(41)之轉軸處、更裝置有一能供感測轉動角度用的轉動位置感測器(6)；前述位置控制器(52)，其能依據內部所設定的三角度轉動時間(tR )，開始啟動電動式伸縮推桿(4)，控制轉動，並依照其內部所設定的轉動位置設定值(VR )，與前述轉動位置感測器(6)所回授實際轉動位置，進行比較後，該位置控制器(52)能根據誤差量，來改變對電動式伸縮推桿(4)的驅動大小，直到精準控制為止。
- 如請求項3所述的單軸固定轉動角度追蹤太陽裝置，其特徵在於：所述位置控制器(52)，其是為一PID控制器；所述轉動位置感測器(6)，其是為一轉動式電阻。
- 如請求項1所述的單軸固定轉動角度追蹤太陽裝置，其特徵在於：所述微處理控制裝置(5)，其內含有一電子時鐘(51)， 而該電子時鐘(51)的原始設定為標準時間(tstd )；而所述微處理控制裝置(5)，其能將當地天文及/或氣象台所提供的每日真太陽時偏差量(EST)，輸入微處理控制裝置(5)內，以進行電子時鐘(51)之當前時間(tclk )修正，使其成為真太陽時(ttst )，修正公式如下：真太陽時(ttst )=標準時間(tstd )+每日真太陽時偏差量(EST)。
- 如請求項1所述的單軸固定轉動角度追蹤太陽裝置，其特徵在於：所述微處理控制裝置(5)，其內含有一電子時鐘(51)，而該電子時鐘(51)的原始設定為標準時間(tstd )；而所述微處理控制裝置(5)，其能以太陽時差公式取得一太陽時差值(V)，定期進行電子時鐘(51)之當前時間(tclk )修正，使其成為真太陽時(ttst )，修正公式如下：真太陽時(ttst )=標準時間(tstd )+太陽時差值(V)+4[標準時間之經度(Lst )-當地之經度(Lloc )]。
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