TWI623191B - Concentrating solar power receiving light adjustment device - Google Patents

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hong-ying Chen
yong-tai Chen
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Chen hong ying
Chen Yong Tai
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Abstract

一種聚光式太陽能發電受光調節裝置，主要係包含太陽能電池及聚光裝置、擋光單元及控制該擋光單元之控制單元。其中，該控制單元係可依據陽光強度或太陽能電池之工作電流，控制該擋光單元遮蔽太陽能電池，或不遮蔽而使太陽能電池完全曝露於陽光，以調節太陽能電池之受光強度，從而得以依照陽光強弱之變化調節太陽能電池受光量的高低，達到控制太陽能電池受光量，使太陽能電池得以保持在最大工作發電電流區間，進而使單一之聚光式太陽能電池的發電量得以達到最大化。

Description

聚光式太陽能發電受光調節裝置
本發明係有關一種聚光式太陽能發電受光調節裝置，尤指一種可依據陽光強弱之變化或太陽能發電單元之發電量，調節太陽能電池受光的比例，進而使單一之太陽能電池的發電量得以達到最大化之聚光式太陽能發電受光調節裝置。
按；由於地球能源之持續消耗，使得溫室效應日益嚴重，亦使得能源日益缺乏，因此各國皆努力開發以自然方式產生電能之計劃，綜觀目前以自然方式產生電能的發電方式，其中不外水力、風力、太陽能及核能等，以水力發電而論，由於需製造大型之水車，不但成本高且需於適當之區域裝設，故而較難以推廣。以風力發電而論，則需製造高聳之塔架，於塔架之頂端設置大型之葉片，其成本亦高且需於長年有風之區域裝設，對於風力較小之區域則無所適用。以核能發電論之，其雖為乾淨之能源，但其安全性以及對地球之污染，卻一直為環保人士所質疑且爭議不斷。
而就太陽能發電而論，一般的聚光式太陽能電池系統設計之受光發電量，係以太陽能電池得以承受最大的額定工作電流，據以設計為聚光系統最大之聚光量得產生之發電量，通常係以DNI(Direct Normal Iradiation-直接日射輻照度)及太陽能電池額定發電量，進而計算所需之聚光裝置所需產生之聚光照射度，例如：以一10mm×10mm的砷化鎵三節面電 池為例，當該電池設計DNI為1000W/m2為最大之受光輻照度時，發電電壓輸出為3V、電流輸出為15A、最大輸出電量功率即為45W，亦為該電池最大的受光強度、及可承受最大的發電量，其所需之聚光裝置(以拋物面反射聚光鏡為例)則須為400mm×400mm面積的拋物面反射聚光鏡，而該聚光裝置所能最大聚光照射於太陽能電池的最大受光輻照度DNI，於正常日照之環境，即係為正午時段陽光直射之時間，且正午陽光直射之受光輻照度DNI，亦即為該太陽能電池得以產生最大發電工作電流之時間。但因陽光條件的變化影響，除正午陽光直射之最大受光期間外，其餘如非正午陽光直射之早晨或傍晚，或受雲、霧霾等大自然或人為之因素，該等時段或期間之受光輻照度DNI，並非全日皆可達最高之DNI設計值(DNI=1000W/m2)；如第1-A圖為習知之全天日照之DNI強弱與發電量之對比圖，第2圖則為一地區統計一段期間之日照DNI強弱機率之常態分布圖所示，平均DNI達850W/m2屬於陽光條件極佳地區；而平均DNI為550W/m2屬一般地區，台灣地區多屬於這類。
雖若增加了聚光照射量即可增加發電量，然而，若僅單純利用增加或增大聚光裝置，使之於非陽光直射之時段，亦得將更多的陽光入射到太陽能電池，卻有其存在之風險；一般而言，設計太陽能聚光裝置時，其聚焦倍率受限於電池可接受的最大工作電流，如超過此限制時，將會導致電池的損壞，如第1-B圖所示；若該地區之陽光直射時段之DNI=1000W/m2時、單一電池最大發電量為45W，當加大(或增加)聚光裝置使聚光強度增加、更多的陽光入射到太陽能電池時，則，該加大(或增加)之聚光裝置於非正午陽光直射之早晨或傍晚，或受雲、霧霾等陽光弱射期間之該 DNI=640W/m2時，即因聚光增大增強之效果，將使太陽能電池之發電量即可達到上限之45W；而當太陽運行進入強光直射之時段(例如正午時段)該DNI=1000W/m2時，則太陽能電池之發電量即會超過上限之45W，而導致太陽能電池無法正常的工作甚至燒燬。申請人有鑑於此，經不斷研究、實驗，遂萌生設計一種聚光式太陽能發電受光調節裝置，可依據陽光強度或太陽能發電單元之發電量，以控制受光量的比例，進而使單一之太陽能電池的發電量得以達到最大化。
本發明之主要目的，即在提供一種聚光式太陽能發電受光調節裝置，使該裝置可依據陽光強弱之變化或太陽能電池發電量之高低，控制太陽能電池受光量比例，進而使單一之太陽能電池的發電量得以達到最大化，且不會使太陽能電池受損。
前述之聚光式太陽能發電受光調節裝置，係包含太陽能電池及置於該太陽能電池上方之聚光裝置、擋光單元及控制該擋光單元之控制單元。其中，該控制單元係可依據陽光強弱之變化或太陽能電池發電量之高低，控制該擋光單元遮蔽該太陽能電池，或使該太陽能電池完全曝露於陽光，以調節太陽能電池之受光量高低或受光強弱，從而得以依照陽光強弱之變化控制太陽能電池受光的比例，達到控制太陽能電池受光量之目的，使太陽能電池永遠處在最大工作電流區間，進而使單一之太陽能電池的發電量得以達到最大化。
前述之聚光式太陽能發電受光調節裝置，其中，該擋光單元係包含一傳動機構及與其連接之一個或二個以上之擋光板，該傳動機構係 控制及帶動該擋光板，使該擋光板得以遮蔽或不遮蔽該太陽能電池。
前述之聚光式太陽能發電受光調節裝置，其中，該擋光單元之擋光板，可由石英、玻璃或藍寶石等材料所製成之遮光片。
前述之聚光式太陽能發電受光調節裝置，其中，該擋光單元之擋光板，可由透明片加抗反射鍍膜所製成。
前述之太陽能發電受光調節裝置，其中，該擋光單元之擋光板，可為不透光材料或金屬材料開孔所製成開孔格點之擋光濾片。
前述之聚光式太陽能發電受光調節裝置，其中，該控制單元係可連結於一光強度測量單元，藉由該光強度測量單元偵測當下陽光照射之光強度(DNI、GHI/Global Horizontal Irradiance)，並將偵測結果回饋至控制單元，由控制單元依據偵測結果控制該擋光單元遮蔽或不遮蔽太陽能電池，以調節太陽能電池之受光強度。
前述之聚光式太陽能發電受光調節裝置，其中，控制單元係可連結於一電壓、電流偵測單元，該電壓、電流偵測單元連結並偵測太陽能電池之短路電流或工作電流亦或即時發電量，將偵測結果回饋至控制單元，由該控制單元依據偵測結果控制該擋光單元遮蔽或不遮蔽太陽能電池，以調節太陽能電池之受光強度。
1‧‧‧太陽能電池
10‧‧‧蓄電池
2‧‧‧擋光單元
21‧‧‧傳動機構
22‧‧‧擋光板
221‧‧‧不透光格點之擋光濾片
3‧‧‧控制單元
4‧‧‧聚光裝置
5‧‧‧光強度測量單元
6‧‧‧電壓、電流偵測單元
第1圖係DNI強弱與發電量之對比圖。
第2圖係不同地區受光輻照度DNI強弱機率之常態分佈曲線圖。
第3圖及第4圖係本發明之結構裝置圖。
第5圖係穿透式之聚光裝置示意圖。
第6圖係反射式之聚光裝置示意圖。
第7圖係不透光格點之擋光濾片示意圖。
第8圖係本發明之方塊圖。
第9圖係本發明之另一方塊圖。
請同時參閱第3圖及第4圖，係為本發明之結構圖。如圖所示，本發明係包含太陽能電池1、蓄電池10、擋光單元2及控制該擋光單元2之控制單元3，以及置於該太陽能電池1上方之聚光裝置4，藉由太陽能電池1吸收陽光後，將光能轉換為電能儲存於蓄電池10。其中，該控制單元3係可依據陽光強弱之變化或太陽能電池1之發電量高低，控制該擋光單元2遮蔽太陽能電池1，或使太陽能電池1完全曝露於陽光，以調節太陽能電池1之受光強度，從而得以依照陽光強弱之變化控制太陽能電池1受光量的比例，達到控制太陽能電池1永遠處在最大發電工作電流區間，進而使單一之太陽能電池1的發電量得以達到最大化。
前述本發明之聚光裝置4，對穿透式聚光系統而言，如第5圖所示，係為加大非涅耳透鏡(Fresnel lens)的數量或面積；對反射式聚光系統而言，如第6圖所示，係為加大雙曲面鏡的數量或面積。
前述本發明之擋光單元2，係包含一傳動機構21及連結有一個或一個以上之擋光板22，藉由該傳動機構21帶動擋光板22，使擋光板22遮蔽太陽能電池1，或使太陽能電池1完全曝露於陽光。於實施例中，該擋光單元2之擋光板22，係為由石英、玻璃或藍寶石等材料 所製成之遮光片、或由透明片加抗反射鍍膜所製成、或由不透光或金屬材料開孔所製成、或由不透光或金屬材料結合透明基板製成格點221之擋光濾片，如第7圖所示。
請參閱第8圖，係為本發明之方塊圖。配合第3圖及第4圖，如圖所示，本發明之控制單元3係可連結於一光強度測量單元5，藉由該光強度測量單元5偵測當下陽光照射之光強度(DNI、GHI)，並將偵測結果回饋至控制單元3，由控制單元3依據偵測結果控制所連結之該擋光單元2之擋光板22遮蔽太陽能電池1，或使太陽能電池1完全曝露於陽光，以調節太陽能電池1之受光強度。
請參閱第9圖，係為本發明之另一方塊圖。配合第3圖及第4圖，如圖所示，本發明之太陽能電池1係可連結於一電壓、電流偵測單元6，藉由該電壓、電流偵測單元6偵測太陽能電池1之短路電流或工作電流亦或即時發電量，將偵測結果回饋至所連結之控制單元3，由控制單元3依據偵測結果控制該擋光單元2之擋光板22遮蔽太陽能電池1，或使太陽能電池1完全曝露於陽光，以調節太陽能電池1之受光強度。
依習用設計例如第1-A圖所示，以一10mm×10mm的砷化鎵三節面電池、設計最大受光強度為DNI=1000W/m2、發電電壓輸出為3V、電流輸出為15A、輸出電量功率為45W，反射式之聚光裝置則須為一400mm×400mm的拋物面反射透鏡。
本發明受光調節裝置之受光強度實施例，請參閱第1-C圖所示，同樣以一10mm×10mm的砷化鎵三節面電池、設計最大受光強度為DNI=1000W/m2、發電電壓輸出為3V、電流輸出為15A、輸出電量功率為45W，聚光裝置4則以增大面積之500mm×500mm的拋物面反射鏡聚光， 使得當該地區之實際陽光之受光輻照度DNI達到640W/m2時，因該聚光裝置4增大了光反射面積，使聚光強度增加，亦使太陽能電池1同樣輸出發電電壓為3V、電流輸出為15A、及最大的輸出功率45W(進光量=DNI*面積；原先鏡面於DNI=1000W/m2時，收到的光量為1000W/m2×0.4m×0.4m=160W；新的鏡面於DNI=640W/m2時，收到的光量亦為640W/m2×0.5m×0.5m=160W)。本發明受光調節裝置之實施例，搭配擋光板22調節太陽能電池1之受光量，實際之控制狀態實施例為：
1、當實際之受光輻照度DNI<640W/m2時，擋光板22完全不遮蔽。
2、當實際之受光輻照度DNI>640W/m2時，控制第一個擋光板22遮蔽，第一個擋光板22設計實施例之透光率為80%(總減光率為1-80%=20%)。
3、當實際之受光輻照度DNI>800W/m2時，控制第二個擋光板22遮蔽，第二個擋光板22設計實施例之透光率為80%(總減光率為1-80%*80%=36%)。
如此，本發明即可達到控制太陽能電池受光分佈狀況如第1-c圖所示，對比於習用設計(第1-a圖)，絕大多數的陽光條件之下的發電量都有顯著提升。
經由上述實施例之說明，同時參閱第2圖所示之地區常態分布〔高斯分布〕統計之受光輻照度DNI分布圖，依本發明之設計，對於選擇太陽能發電系統架設之地點，及考量該某一地區長年陽光照射強弱之條件，以之說明利用本發明根據該DNI強弱設計太陽能電池發電之實施例：例：假設該地區長年統計之DNI出現機率最強為550W/m2時，依據本發明之設計，增大或增加聚光裝置之聚光面積，使發電量如第1-C圖所示，所得增加 之總發電量計算為發電量*光強出現機率，採用本發明的配置得出更多的發電量，附圖中的面積，就正比於該統計時間內的總發電量，計算第1-C圖中的面積，可得到比第1-A圖的配置增加55%的發電量。
前述實施例，僅為說明本發明之較佳實施方式，而非限制本發明之範圍，凡經由些微修飾、變更，仍不失本發明之要義所在，亦不脫本發明之精神範疇。
綜上所述，本創作以增大或增加聚光裝置配合控制擋光單元遮蔽太陽能電池，以調節太陽能電池之受光強度，構成太陽能發電受光調節裝置。使太陽能發電裝置可依據陽光強弱之變化或太陽能電池之發電量高低，調節太陽能電池受光的比例，進而使單一之太陽能電池的發電量得以達到最大化，且不會使電池受損。為一實用之設計，誠屬一俱新穎性之創作，爰依法提出專利之申請，祈 鈞局予以審查，早日賜准專利，至感德便。

Claims (8)

  1. 一種聚光式太陽能發電受光調節裝置，係包含太陽能電池以及置於該太陽能電池上方之聚光裝置，藉由聚光裝置將陽光聚光照射於太陽能電池，使太陽能電池因受光將光能轉換為電能，其特徵在於：於該太陽能電池上方，設有擋光單元，該擋光單元連結一控制單元，該控制單元並連結一偵測單元，該偵測單元係偵測陽光之強弱變化或太陽能電池之發電量高低反饋訊號予該控制單元，該控制單元並控制該擋光單元遮蔽或不遮蔽太陽能電池，以調節太陽能電池之受光強度。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之聚光式太陽能發電受光調節裝置，其中，該擋光單元係包含一傳動機構及一個或一個以上之擋光板，藉由該傳動機構帶動該擋光板遮蔽或不遮蔽太陽能電池。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之太陽能發電受光調節裝置，其中，該擋光單元之擋光板，係為由石英、玻璃或藍寶石等材料所製成之透明片。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之太陽能發電受光調節裝置，其中，該擋光單元之擋光板，係為由透明片加抗反射鍍膜所製成。
  5. 如申請專利範圍第2項所述之太陽能發電受光調節裝置，其中，該擋光單元之擋光板，係為不透光材料開孔所製成。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能發電受光調節裝置，其中，該擋光單元係利用透明片製作不透明擋光格點所製成。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能發電受光調節裝置，其中，該控制單元係連接於一光強度測量單元，藉由該光強度測量單元偵測當下陽光照射之光強度(DNI、GHI)，並將偵測結果回饋至控制單元，由控制單元 依據偵測結果控制該擋光單元遮蔽或不遮蔽透鏡及太陽能電池，以調節太陽能電池之受光強度。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能發電受光調節裝置，其中，該控制單元係連接於一電壓、電流偵測單元，且使電壓、電流偵測單元連接於太陽能電池，藉由該電壓、電流偵測單元偵測太陽能電池之短路電流或工作電流亦或即時發電量，將偵測結果回饋至控制單元，由控制單元依據偵測結果控制該擋光單元遮蔽或不遮蔽透鏡及太陽能電池，以調節太陽能電池之受光強度。
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