TWI510748B - 太陽能百葉型反射板裝置追日方法及其機構 - Google Patents

Description

太陽能百葉型反射板裝置追日方法及其機構

本發明係關於一種太陽能追日技術，尤指以百葉型反射板裝置追日方式，使陽光經由反射板裝置反射，進而全天候垂直入射菲涅爾集光透鏡的一種技術範疇。

按，太陽光的照射範圍極大，且依日照時間可由不同的方向入射，其中以正午時垂直向下入射的太陽光線能量最強，為了提高單位面積太陽光的日照能量，並改善太陽光線入射角度變化之影響，須使用太陽能集光器以及太陽能追日系統才能提升接收日照的效率。

現今已發展出許多太陽能追日系統，且大部分直接應用在太陽能電池上，使太陽能電池的正面與太陽入射的光線成垂直，因而使接收的能量最強且具有最佳的發電效率。為了達到精準的追日，除須考量外在環境的使用外，太陽能追日系統之傳動模組亦應採用整體設計，使其結構可單一化而有助於組裝上的便利，此外還需將整個追日系統分段模組化以達到運輸、安裝及精準的產品需求。針對各種不同環境考量以及需求方面，包括安裝尺寸、空間約束、經緯度和當地的氣候因素等，目前太陽能追日型發電系統主要發展的兩種類型為單軸追日系統(single-axis tracker)與雙軸追日系統(dual-axis tracker)，其中單軸追日系統一般應用於大型分布式的發電系統，如第13圖所示者，為本國第M438074號「單軸式太陽能追日系統結構」案；而雙軸追日系統除可應用於大型分布式發電系統，也適用於較小空間分布的住宅設施，如 第14圖所示者，為本國新型專利第M371231號「太陽能追日改良構造」案。

然而不管是單軸追日系統或雙軸追日系統，係將整個太陽能電池模組(含太陽能電池、菲涅爾集光透鏡、散熱模組)及馬達或傳動機構一起轉動，以便進行追日，不僅該馬達的馬力要足夠，而且驅動機構體積龐大，致其結構複雜而笨重，且其建造成本高昂，因而該驅動機構運轉所需的耗電量也十分可觀。

鑑於前述傳統習式追日系統的問題點，本發明人進而用心研究開發解決，故本發明的主要目的在於：可節省追日機構的建造成本，以及降低運轉所需的耗電量，進而提出一個百葉型反射板裝置追日系統來進行追日，使其具高、低層的反射板裝置的偏轉角度會隨著日照時間而改變，進而使陽光經由該高、低層的反射板裝置反射，據以達到全天候垂直入射菲涅爾集光透鏡，單位時間內提升集光效率及其發電量。

為了可達到前述的目的，本發明所運用的技術手段如下：一種太陽能百葉型反射板裝置追日方法，係包含有：(a)一具高層、低層反射板設置步驟，係在一平台上設置至少一第一層板及至少一第二層板，其中該第一層板、第二層板具有一高度落差；(b)一追日步驟，係令前述的第一層板及第二層板作個別偏轉或連動偏轉；及(c)一反射步驟，係太陽光線經該第二層板反射至該第一層板後，垂直入射位於該反射板下方的一菲涅爾集光透鏡後，據以集光照射位於其內的一太陽能電池。

上述該步驟(b)的日照角度θ為75度至37.5度時，則僅偏轉該第一層板；若日照角度θ為37.5度至度0.5度時，則該第一層板及第二層板以一角度函式偏轉，若日照角度θ為零時，則令該第一層板及第二層板皆豎直。

上述該步驟(b)的角度函式係設為第二層板的傾斜角度θ2等於第一層板的傾斜角度θ1加1/2倍的日照角度θ。

上述該步驟(b)的第一層板及第二層板係設為複數個且互為交錯排列，又該菲涅爾集光透鏡的寬度設為X時，則該第一層板的寬度設為Y時，該，而該第二層板的寬度設為Z時，該，又各第一層板的最小間距係設為A，則A與Y的關係設為A=Ycosθ₁ tanθ-Ysinθ₁。

上述該步驟(b)的第一層板與第二層板的水平間距係設為B，其垂直間距則設為C，而B與A的關係式則為B=A/2，而C與B的關係式則為C=B×tan(2θ₂-θ-90°)。

為實施上述方法，本發明一種太陽能百葉型反射板追日機構係由如下元件所實現，其包含有：一平台，係該平台上設至少一第一反射裝置及至少一第二反射裝置，且該第一反射裝置、第二反射裝置具有一高度落差；該第一反射裝置，係由一組一支柱撐高一第一層板，又該第一層板具有一內反射面，並由其中一第一支柱上所設的一第一驅動裝置驅動該第一層板作旋轉；及該第二反射裝置，係由一組二支柱撐高一第二層板，又該第二層板具有一外反射面，並由其中一第二支柱上所設一第二驅動裝置驅動該第二層板作旋轉。

上述該第一反射裝置及第二反射裝置設為複數個且互為交錯排列，特別各第一層板的最小間距係設為A，且各第一層板的寬度係設為Y，則A與Y的關係設為A=Ycosθ₁ tanθ-Ysinθ₁，另該第一層板與第二層板的水平間距係設為B，其垂直間距則設為C，則B與A的關係式則為B=A/2， 且C與B的關係式則為C=B×tan(2θ₂-θ-90°)。

上述該太陽能百葉型反射板追日機構，另包含一控制器，且該控制器與該第一驅動裝置、第二驅動裝置作電性連接，又該控制器內含有一控制程式。又該控制程式的程序係設為當日照角度θ為75度至37.5度時，則令該第一驅動裝置偏轉該第一層板；當日照角度θ為37.5度至度0.5度時，則令該第一驅動、第二驅動裝置以一角度函式偏轉該第一層板、第二層板；當日照角度θ為零時，則令該第一驅動裝置、第二驅動裝置分別驅動該第一層板及第二層板皆豎直。

上述該角度函式係設為第二層板的傾斜角度θ2等於第一層板的傾斜角度θ1加1/2倍的日照角度θ。

因此，依據本發明運用上述技術手段，具有如下功效之增進：

1.本發明系統僅利用各第一驅動裝置、第二驅動裝置分別作動該第一層板、第二層板，而各太陽能電池模組(含晶片、散熱器、菲涅爾集光透鏡等)及其馬達傳動機構均固定不動，如此可以較能節省能源，且馬達傳動機構的體積可以較小。

2.隨日照時間而變的情況下，本發明系統藉由適當地安排百葉型反射板裝置，及驅動該反射板裝置至合適的傾角，使太陽光線重新定向並垂直向下入射，再搭配菲涅爾集光透鏡，將太陽光線可匯集一太陽能電池晶片上，則可將太陽能轉為電能，而且本發明系統在全日照時間內所得到的平均能量約為太陽光直接曝曬之平均能量的1.3倍。

3.本發明系統搭配菲涅爾集光透鏡，則在與地平面法線夾角為±75度內的任何太陽光入射角度，皆可垂直入射至菲涅爾集光透鏡，且在全日照時間的集光效率達92%以上。

4.本發明系統追日機構結構簡單相當，且製造成本低廉。

(a)、(b)、(c)‧‧‧方法步驟

(1)‧‧‧百葉型反射板追日機構

(10)‧‧‧平台

(20)‧‧‧反射板裝置

(21)‧‧‧第一反射裝置

(211)‧‧‧第一支柱

(212)‧‧‧第一驅動裝置

(213)‧‧‧第一層板

(214)‧‧‧內反射面

(22)‧‧‧第二反射裝置

(221)‧‧‧第二支柱

(222)‧‧‧第二驅動裝置

(223)‧‧‧第二層板

(224)‧‧‧外反射面

(30)‧‧‧菲涅爾集光透鏡

(40)‧‧‧太陽能電池

(50)‧‧‧控制程式

第1圖：係為本發明太陽能百葉型反射板裝置追日方法步驟圖。

第2圖：係為本發明太陽能百葉型反射板裝置追日方法之架構示意圖。

第3圖：係為本發明反射板裝置的第一層板、第二層板連動偏轉時的角度函式之幾何光學分析示意圖。

第4圖：係為本發明太陽於其日出時的反射板裝置僅偏擺第一層板之示意圖。

第5圖：係為本發明太陽於其日正當中時，反射板裝置的第一層板、第二層板皆豎直之示意圖。

第6圖：係為本發明複數個反射板裝置的交錯排列架構之示意圖。

第7圖：係為本發明複數個反射板裝置的交錯排列架構之另一示意圖。

第8圖：係為本發明追日機構與直接曝曬的實際量測之能量比較曲線圖。

第9圖：係為本發明追日機構與與直接曝曬的實際量測之能量差值曲線圖。

第10圖：係為本發明太陽能百葉型反射板追日機構之立體外觀圖。

第11圖：係為本發明太陽能百葉型反射板追日機構之平面圖。

第12圖：係為本發明太陽能百葉型反射板追日機構之控制程式的程序方塊圖。

第13圖：係為習式太陽能百葉型反射板追日機構之單軸追日系統。

第14圖：係為習式太陽能百葉型反射板追日機構之雙軸追日系統。

本發明係關於一種太陽能百葉型反射板裝置追日方法及其機構，如第l圖及第2圖所示，係包含有下述步驟：(a)一具高層、低層反射板設置步驟，係在一平台上設置至少一第一層板及至少一第二層板，其中該第一層板、 第二層板具有一高度落差；(b)一追日步驟，係令前述的第一層板及第二層板作個別偏轉或連動偏轉；及(c)一反射步驟，係太陽光線經該第二層板反射至該第一層板後，垂直入射位於該反射板下方的菲涅爾集光透鏡30，據以集光照射位於其內的太陽能電池。

其中，將本發明百葉型反射板追日機構1的反射板裝置20區分為高層、低層的反射板，其目的是使太陽光在不同的日照角度可經由高層或高層、低層兩層反射板裝置20偏轉反射後，垂直入射菲涅爾集光透鏡30，最後在集光照射該太陽能電池40。又該反射板裝置20的大小與位置須依據該菲涅爾集光透鏡30的大小與間距而定，且該反射板裝置20的傾角須隨著太陽光的入射角度變化而改變，透過幾何光學中的反射定理可計算高層、低層的反射板在不同時刻的傾角。因此，該百葉型反射板裝置20可應用於全日照時間使太陽光垂直入射太陽能集光器，且只需運轉簡單的反射板裝置20即可達到追日效果，因此本發明追日架構簡單輕穎且運轉能耗低，相較於傳統的追日系統，故本發明追日機構具有更節能的效果。

如第2圖所示，為了使不同日照角度(與天頂方向的夾角θ)的太陽光可垂直入射菲涅爾集光透鏡30，則須依照太陽光的日照角度調整第一層板213、第二層板223的夾角θ₁、θ₂，其中θ₁為第一層板213與天頂方向的夾角，而θ₂為第二層板223與天頂方向的夾角。太陽光線先經過第一、二層板213、223反射後垂直入射第三層的菲涅爾集光透鏡30並匯集於第四層太陽能電池40，以達到最佳的集光效率。

此百葉型反射板追日機構1之所以採取高層、低層的反射板的原因為若只採用單層反射板，則該單層反射板的投影寬度將因隨太陽光入射角度的增加而變窄，導致光線入射角度大於某一特定角度時，無法覆蓋整個菲涅 爾集光透鏡30，故採用高低兩層的反射板設計，而θ、θ₁與θ₂之間的關係可利用幾何光學分析得知。如第3圖之幾何光學分析圖，可求得下列數學式1的關係：【數學式1】(180°-2θ₁)+(2θ₂-θ-90°)=90°

由數學式1，可計算求得下列數學式2的關係：

若太陽光的日照角度θ為已知，則只要給定第一層板213與天頂方向夾角θ₁，即可根據數學式2求出第二層板223與天頂方向的夾角θ₂。若假設第一層板213的夾角θ₁維持30°固定不變，則在不同的日照角度θ所求得第二層板223的傾角θ₂如表1(日照角度θ與各反射板的傾角θ₁及θ₂之間的關係)所示。

實際作業時，不同時段入射角轉動第I層與第Ⅱ層反射板之關係如表2所示：

基於集光效率考量，此百葉型反射板追日機構1須依不同的日照時間分三個階段進行(取上午時間)，第一階段日照時間約為07：00~09：30之間，日照角度為75度~37.5度時，只需使用第一層板213使太陽光經一次反射即可垂直入射菲涅爾集光透鏡30；第二階段日照時間約為09：30~12：00之間，而日照角度為37.5度~0.5度時，此時須使用第一層板213與第二層板223使太陽光經由兩次反射後垂直入射菲涅爾集光透鏡30；而第三階段則為正中午時刻，日照角度為0°時，此時高低兩層反射板皆豎直，使太陽光與反射板裝置20平行而直接垂直入射菲涅爾集光透鏡30。在各個日照階段，太陽光經百葉型反射板裝置20反射而垂直入射該菲涅爾集光透鏡30的動作原理，以及各反射板寬度、傾角及日照角度的關係，分別詳細說明如下列：

(1)第一階段(日照角度為75度~37.5度)：當日照角度為75度~37.5度時，只需轉動第一層板213(如第4圖所示者)，此時即可使太陽光經由反射板裝置反射垂直入射該菲涅爾集光透鏡30，以獲取最大的集光量。若該第一層板213的寬度設為Y，由三角幾何關係求得數學式3及數學式4：

(2)第二階段(日照角度為37.5度~0.5度)：當日照角度為37.5度~0.5時，需連動偏轉該第一層板213及第二層板223，使太陽光經此該反射板裝置20反射後，垂直入射菲涅爾集光透鏡30(如第2圖所示)，以滿足最大的集光量。若該第二層板223的寬度為Z，且該菲涅爾集光透鏡30的口徑為X與第一層板213寬 度為Y，則由三角幾何關係可求得數學式5及數學式6：

第三階段(正中午時刻，日照角度為零)：此階段太陽光正向垂直入射，因此不需使用反射板裝置20反射，即可直接垂直入射該菲涅爾集光透鏡30，如第5圖所示。由於太陽光直接入射該菲涅爾集光透鏡30，因此不受反射板裝置20材質的吸收影響，故此時段的集光效果最佳。此外因太陽光的日照角度在上、下午時段呈對稱分布，且若百葉型的反射板具雙面反射特性，則下午時段反射板的傾角方向與上午時段的傾角方向呈相反方向(即由逆時針方向轉為順時針方向)。

由於本發明之太陽能集光系統使用百葉型反射板當作追日機構，為了讓不同日照角度的太陽光線不被相鄰的反射板裝置20阻擋，則相鄰兩個第一層板213的間距需大於或等於A，如第6圖所示。因該菲涅爾集光透鏡30的口徑為X，第一層板的寬度為Y，以及第二層板的寬度為Z，則由下列數學式可計算求得相鄰的兩個第一層板213的最小間距A。由第6圖的幾何關係得知下列數學式7：【數學式7】

由下列數學式8計算相鄰兩個第一層板213的最小間距為：【數學式8】A=Ycosθ₁ tanθ-Ysinθ₁

相鄰兩個第一層板213的間距決定後，第二層板223的位置以及相鄰兩個第二層板223的間距則可經由第7圖的幾何關係求得，但須同時考慮入射光線須經過第二層板223的中心點且到達第一層板213時也必須是中心點。如第7圖的幾何關係，第二層板223與第一層板213間的水平間距B及垂直間距C可經由下列數學式9及數學式10得知：

【數學式10】C=B×tan(2θ₂-θ-90°)

依照上述各數學式可讓此一百葉型反射板追日機構1模組化，針對不同的空間與位置需求，也可經過數學式7至數學式10調整各層反射板裝置20的大小、傾角與位置，以便達到本發明所要求的目標。

本發明的百葉型反射板追日機構1實際完成品如第10圖所示，在菲涅爾集光透鏡層上方放置一日照計，以顯示經由本發明追日機構的反射板裝置20垂直向下的太陽能量值，同時比較將日照計放置於空曠地面上太陽光直接曝曬的能量值(直接曝曬)，量測時間從上午十一點十五分至下午三點三十分，所量測得到的照度值如表3，而本發明追日機構與直接曝曬之太陽光實際量測能量比較曲線圖如第8圖，在上午十一點三十分至下午一點之間由於天氣不穩定，因 此量測值高低變化很大，而下午一點至下午三點之間天氣較為穩定，因此量測值也較穩定，故可看出搭配本發明追日機構確實比直接曝曬所接收的能量更高。第9圖為日照計搭配追日機構與直接曝曬之能量差值曲線圖，由該圖顯示，太陽不受雲層遮擋之差值約600W，顯然地，搭配本發明所提出之百葉型反射板追日機構確實可增加接收能量。

請參閱第10圖及第11圖所示，為實施前述本發明的追日方法，本發明的太陽能百葉型反射板追日機構1係由如下元件所實現，其包含有：一平台10，係該平台10上設至少一第一反射裝置21及至少一第二反射裝置22，且該第一反射裝置21、第二反射裝置22具有一高度落差；該第一反射裝置21，係由一組第一支柱211撐高一第一層板213，又該第一層板213具有一內反射面214，並由其中一第一支柱211上所設的一第一驅動裝置212驅動該第一層板213作旋轉；及該第二反射裝置22，係由一組第二支柱221撐高一第二層板223，又該第二層板223具有一外反射面224，並由其中一第二支柱221上所設一第二驅動裝置222驅動該第二層板223作旋轉。

進一步，本發明的第一反射裝置21及第二反射裝置22可設為複數個，並且互為交錯排列，特別將該菲涅爾集光透鏡30的寬度設為X時，且該第一層板213的寬度設為Y時，則該，而該第二層板223的寬度設 為Z時，則該，又各第一層板213的最小間距係設為A，則A與Y的關係設為A=Ycosθ₁ tanθ-Ysinθ₁，且該第一層板213與第二層板223的水平間距係設為B，其垂直間距則設為C，而B與A的關係式則為B=A/2，而C與B的關係式則為C=B×tan(2θ₂-θ-90°)。

特別一提，本發明太陽能百葉型反射板追日機構1，另包含一控制器(圖未示)，且該控制器與該第一驅動裝置212、第二驅動裝置222作電性連接，又該控制器內含有一控制程式50。又該控制程式50的程序係設為當日照角度θ為75度至37.5度時，則令該第一驅動裝置212偏轉該第一層板213；當日照角度θ為37.5度至度0.5度時，則令該第一驅動裝置212、第二驅動裝置222以一角度 函式偏轉該第一層板213、第二層板223；當日照角度θ為零時，則令該第一驅動裝置212、第二驅動裝置222分別驅動該第一層板213及第二層板223皆豎直。其中該角度函式係設為第二層板223的傾斜角度θ2等於第一層板213的傾斜角度θ1加1/2倍的日照角度θ。

綜合以上所述，本發明係關於一種「太陽能百葉型反射板裝置追日方法及其機構」，係運用非成像光學設計理念、光學幾何分析以及光學機構，所設計出一百葉型反射板追日機構，本發明追日機構的結構十分簡單且成本低廉，若在其表面鍍上高純度反射膜，使太陽光不被反射板裝置材質所吸收而影響集光效率。在考慮太陽光入射角度與隨日照時間而變的情況下，藉由適當地安排百葉型反射板裝置以及驅動反射板裝置至合適的傾角，使太陽光線重新定向並垂直向下入射，再使用菲涅爾集光透鏡，光線可匯聚置於太陽能電池上，並可將太陽能轉為電能並利用，且與地平面法線夾角為±75度內的任何太陽光入射角度，皆可垂直入射至該菲涅爾集光透鏡，而在全日照時間的集光效率達92%以上，因此本發明設計的百葉型反射板追日機構確實可應用於一般太陽能集光器系統，並達到機構簡便、成本低廉且運轉能耗低之功效者。又其構成機構均未曾見於諸書刊或公開使用，誠符合發明專利申請要件，懇請 鈞局明鑑，早日准予專利，至為感禱。

需陳明者，以上所述乃是本發明之具體實施例及所運用之技術原理，若依本發明之構想所作之簡易改變，其所產生之功能作用仍未超出說明書及圖式所涵蓋之精神時，均應在本發明之範圍內，合予陳明。

(a)、(b)、(c)‧‧‧步驟

Claims (10)

1. 一種太陽能百葉型反射板裝置追日方法，係包含有下述步驟：(a)一具高層、低層反射板設置步驟，係在一平台上設置至少一第一層板及至少一第二層板，其中該第一層板、第二層板具有一高度落差；(b)一追日步驟，係令前述的第一層板及第二層板作個別偏轉或連動偏轉；及(c)一反射步驟，係太陽光線經該第二層板反射至該第一層板後，垂直入射位於該反射板下方的一菲涅爾集光透鏡，據以集光照射位其內的太陽能電池。
2. 依據申請專利範圍第1項所述太陽能百葉型反射板裝置追日方法，其中該步驟(b)的日照角度θ為75度至37.5度時，則僅偏轉該第一層板；若日照角度θ為37.5度至0.5度時，則該第一層板及第二層板以一角度函式偏轉；若日照角度θ為零時，則令該第一層板及第二層板皆豎直。
3. 依據申請專利範圍第2項所述太陽能百葉型反射板裝置追日方法，其中該步驟(b)的角度函式係設為第二層板的傾斜角度θ2等於第一層板的傾斜角度θ1加1/2倍的日照角度θ。
4. 依據申請專利範圍第3項所述太陽能百葉型反射板裝置追日方法，其中該步驟(b)的第一層板及第二層板係設為複數個且互為交錯排列，又該菲涅爾集光透鏡的寬度設為X時，則該第一層板的寬度設為Y時，該 ，而該第二層板的寬度設為Z時，該，又各第一層板的最小間距係設為A，則A與Y的關係設為A=Ycosθ₁ tanθ-Ysinθ₁。
5. 依據申請專利範圍第4項所述太陽能百葉型反射板裝置追日方法，其中該步驟(b)的第一層板與第二層板的水平間距係設為B，其垂直間距則設 為C，而B與A的關係式則為B=A/2，而C與B的關係式則為C=B×tan(2θ₂-θ-90°)。
6. 一種太陽能百葉型反射板追日機構，係包含有：一平台，係該平台上設至少一第一反射裝置及至少一第二反射裝置，且該第一反射裝置、第二反射裝置具有一高度落差；該第一反射裝置，係由一組第一支柱撐高一第一層板，又該第一層板具有一內反射面，並由其中一第一支柱上所設一第一驅動裝置驅動該第一層板作旋轉；該第二反射裝置，係由一組第二支柱撐高一第二層板，又該第二層板具有一外反射面，並由其中一第二支柱上所設一第二驅動裝置驅動該第二層板作旋轉；及一控制器，且該控制器與該第一驅動裝置、第二驅動裝置作電性連接，又該控制器內含有一控制程式。
7. 依據申請專利範圍第6項所述太陽能百葉型反射板追日機構，其中該第一反射裝置及第二反射裝置設為一模組化，進而形成複數個線性排列。
8. 依據申請專利範圍第6或7項所述太陽能百葉型反射板追日機構，其中該第一反射裝置及第二反射裝置設為複數個且互為交錯排列，又該菲涅爾集光透鏡的寬度設為X時，且該第一層板的寬度設為Y時，則該 ，而該第二層板的寬度設為Z時，則該，又各第一層板的最小間距係設為A，則A與Y的關係設為A=Ycosθ₁ tanθ-Ysinθ₁，且該第一層板與第二層板的水平間距係設為B，其垂直間距則設為C，而B與A的關係式則 為B=A/2，而C與B的關係式則為C=B×tan(2θ₂-θ-90°)。
9. 依據申請專利範圍第8項所述太陽能百葉型反射板追日機構，其中該控制程式的程序係設為當日照角度θ為75度至37.5度時，則令該第一驅動裝置偏轉該第一層板；當日照角度θ為37.5度至度0.5度時，則令該第一驅動、第二驅動裝置分別以一角度函式偏轉該第一層板、第二層板；當日照角度θ為零時，則令該第一驅動裝置、第二驅動裝置分別驅動該第一層板及第二層板皆豎直。
10. 依據申請專利範圍第9項所述太陽能百葉型反射板追日機構，其中該角度函式係設為第二層板的傾斜角度θ2等於第一層板的傾斜角度θ1加1/2倍的日照角度θ。