1、立方體感應之主動式追日系統及其方法cubic sensor of active tracking system and methods2010黃宜豊952853鄭博仁、952826賴建成2010/1/9摘要太陽能追日系統是提升太陽能板電能轉換率的有效方法之一，而主動式追日系統是目前追日系統的研發主流，研發一穩定、高效率、容易操作的主動式追日系統，將對太陽能發電有極大幫助。本文利用光線直線運動特性所產生的光遮蔽效應，我們研發出一個相當簡單有效的太陽光感應控制單元，稱為正立方體感應控制單元，透過正立方體各面對太陽光照射之不同有效吸收面積比值關系與各面實際因吸收光能而產生之電流比值關系，我們可以很容

2、易、正確地求出當時太陽光的入射方位角與仰角，進而轉動太陽能板使其有最佳的電能轉換率。關鍵詞：主動式追日系統(active tracking system)、正立方體感應控制單元(cubic sensor control unit)、方位角(orientation angle)、仰角(elevation angle)。 abstract solar tracking system is one of the most effective methods to promote the electricity conversion efficiency of solar panels. beside

3、s, the active tracking system is the main stream of current research. to develop a stable, highly efficient, and easy operating active tracking system will contribute tremendously to solar electricity. this thesis utilizes the feature of sunlight straight movement to produce the shadow effect. we de

4、velop a simply workable solar sensor control unit called cubic sensor control unit. each side of the cubic has different effective area under the sunlight radiation. through the effective area ratio relations of each side and the ratio relations of the real electric current generated by each side, w

5、e are able to calculate the orientation and elevation angles so that we can make solar panels turn with the best electricity conversion efficiency.keyword：active tracking system、cubic sensor control unit、 (orientation angle、 elevation angle。目錄中文摘要1英文摘要2目錄3圖目錄5第一章 緒論7研究動機7發展背景9太陽能11太陽能光電發電13硅太陽能電池18三

6、伍族太陽能電池20第二章 太陽(光)追蹤器23太陽(光)追蹤器工作原理23被動式追蹤系統26主動式追蹤系統31第三章 立方體感應模塊33核心控制參數33外型設計34方位角計算35仰角計算38第四章 立方體感應模塊追日系統41架構圖41立方體感應模塊42處理單元45被動式追日系統程序47轉動單元48太陽能板單元48系統運作流程圖49第五章 結論與展望 51結論51材料特性討論52reference54圖目錄圖1-1石油的形成11圖1-2光電效應示意圖13圖1-3光伏特效應示意圖15圖1-4硅太陽電池隨著溫度升高，效率降低19圖1-5三五族三接面太陽能電池20圖1-6能隙示意圖22圖2-1東-西方

7、向移動單軸追蹤器23圖2-2方位角轉動單軸追蹤器24圖2-3東-西與南-北轉動雙軸追蹤器24圖2-4仰角與方位角轉動雙軸追蹤器25圖2-5黃道示意圖28圖2-6天體示意圖28圖2-7入射角和方位角示意圖29圖2-8光傳感器示意圖31圖3-1方位角與仰角示意圖33圖3-2太陽能板與立方體感應單元34圖3-3立方體感應單元34圖3-4立方體感應與太陽光入射光之有效分量35圖3-5俯視立方體入射光有效分量方位角計算36圖3-6俯視立方體0o360o方位角計算37圖3-7頂面a與太陽入射光38圖3-8俯視立方體示意圖及側視立方體仰角示意圖39圖3-9側視立方體0o360o仰角計算40圖4-1系統架構圖

8、41圖4-2被動追日程序執行圖48圖4-3系統流程圖49圖5-1固定溫度(250)太陽能板日照強度特性曲線52圖5-2在固定日照強度太陽能板溫度特性曲線53第一章 緒論研究動機因為現今科技產業的蓬勃發展，以及世界各國之間的科技競爭，能源耗竭已成為一個不容忽視的問題。現今能源的使用，是以石化材料為主，對于替代性能源的開發還不夠完善，以致我們想到提升太陽能這種新興能源效率的方法。盡管太陽能已有許多學者積極的研究和發展，但還是無法將其普及化，主要是因為太陽能板的價格過于昂貴，所花費的成本跟帶來的效率有一定的差異，其次，就是太陽能板的光電轉換效率低，目前只有20%30%的轉換效率，如果想要更進一步的提

9、升，則在成本的花費上將會大大超出其所帶來的利益。再者，為避免太陽入射光因為角度問題，而導致吸收率的降低，所以，如何有效擷取最大日光照射量，使太陽入射光垂直太陽能板，也是一大重點。目前太陽能電池在傳統上以硅材料為主，價格昂貴且轉換效率低，用來制造太陽能電池發電，其發電成本要比一般傳統上應用石化燃料來發電的成本貴出許多，因此太陽能電力在發電成本上難與傳統石化燃料能源電力相互競爭。所以如何提高太陽能的轉換效率為當務之急，有鑒于此，三五族太陽能電池將會取代多晶硅的太陽能電池，而三五族太陽能電池僅能吸收直射的太陽日照，因而如何使入射太陽光隨時皆垂直照射在太陽能板上是很重要的課題。在這課題上有許多的研究方

10、法被提出，其主要可分為兩大類，即主動式追日系統與被動式追日系統，被動式的追日系統幾乎發展成熟，而主動式追日系統正熱烈發展中，據文獻3計載，主動式追日系統和被動式追日系統各有其優缺點，但倘若我們能結合兩者的優點并減少其缺點的影響，理論上可以將整個系統效能有效提升。發展背景 能源可說是人類生活、經濟發展及社會進步的原動力，舉凡與工業發展、交通運輸及人民生活一切活動，均與能源需求有關。然而，隨著工業的發展及人類的經濟活動大量使用石化燃料，已造成大氣中二氧化碳等溫室氣體的濃度急速上升，產生越來越明顯的全球氣溫暖化、海平面上升、全球氣候變遷加劇等現象，對環境造成日益明顯的負面沖擊。此外國際原油價格攀升，

11、在未來亦有匱乏短缺用盡的時候。我國本身能源供應量不足，進口能源依存度高達95，再加上人口稠密，工商業高度發展，民生及工業用電愈來愈吃緊，故而開發新能源遠較他國更為迫切，新能源的開發務必以減少對自然環境污染為前提，因而再生能源的應用及推廣，實為當務之急。 再生能源是利用太陽、風力、地熱、生質、海洋等所產生的天然能源，此類能源與石化能源（煤、天然氣、石油）相較，具有低環境污染、可循環利用等優點。就臺灣目前的現況而言，風力和太陽能是最具潛力的新興能源，但風力因噪音問題只適合設在偏遠人口稀少地區，且一定要大規模的設立，否則經濟效益不高，如臺塑麥寮風力發電。因此，基于地理環境及大規模設立的條件下，太陽能

12、最為普及，不論高山或海邊，都市或鄉村到處都有陽光，而臺灣位居亞熱帶地區并且較靠近赤道，太陽的日射量非常的充足，太陽能之應用具有相當發展的潛力。以太陽能發展條件而言，遠比日本與美國大部份地區為佳，因此開發與利用潛力無窮的太陽能科技是我國近來能源發展的一項重要主要課題。太陽能自工業革命以來，人們大量的開采地球幾千萬年來所儲存的化石材料，造成了現代文明面臨化石能源消耗殆盡的威脅，為了解決這個問題，替代性能源的開發，便是全人類應該關注的議題。化石燃料包括石油、天然氣與煤炭，石油和天然氣是從有機物質而來，煤炭則是由數百萬年前沼澤地區的植物累積而成，這些草木分解變成泥炭，當沼澤消失后，泥炭被泥漿及沙地覆蓋

13、，再經數千年的地質與壓力作用下轉化成現今的煤層。但化石燃料并非取之不盡，用之不竭，由于他在世界各種能源中所占的比例高達85%，然而按照目前的使用方式，其中的石油和天然氣將耗損迅速。圖1-1 石油的形成因此開發可靠、對環境友善的再生能源已是刻不容緩的事，各種替代性能源也應運而生。在各替代性能源當中，尤以太陽能最具發展潛力。它主要的優點有：太陽能是人類可以利用的最豐富的能源，且今后數十億年的時間，太陽也不會產生明顯變化，所以太陽能可以做為人類永久性的能源。太陽能隨處可得，可就地開發利用，不存在運輸問題，尤其對偏遠地區更有利用價值。太陽能是一種潔凈的能源，對地球不會增加額外的熱負荷，相較于其它能源來

14、說是非常環保。但缺點為：太陽能量密度較低，若要收集大量的能源，則太陽能裝置需要有相當的面積，而這意味著系統的制作成本高昂。太陽日照受環境、氣候與晝夜的影響。這代表太陽能裝置無法穩定的輸出電力，因此需要電力或儲熱儲存裝置，這不僅增加了技術上的困難，也使成本提高。盡管有以上的缺點，但瑕不掩瑜，太陽能依然是未來的明日之星。太陽能光電發電光電效應圖1-2 光電效應示意圖要了解太陽能的發電原理，需要從光電效應開始。光電效應是于1887年由德國的物理學家海尼赫茲實驗發現的，但其理論一直到1905年，才由才華洋溢的愛因斯坦使用光子的觀念予以成功的解釋。光電效應主要是描述當光線照射到金屬表面，金屬內的電子受到

15、光子的撞離使其脫離了金屬的束縛而成為自由電子產生光電流的現象。光電(photoelectric)效應是在1887 年由 heinrich hertz 實驗發現的。而在1905年，愛因斯坦使用光子(photon)的概念，在理論上予以成功的解釋。光電效應一般而言是描述光子射到金屬表面，金屬內的電子吸收足夠的光子能量，離開金屬，成為真空中的自由電子。在實驗設置上的，通常是用二個金屬和一個電壓電源連接起來，照光的金屬當陰極放射器(cathode emitter)，不照光的金屬當陽極接收器 (anode collector)，外加電壓讓照光后逃離金屬的束縛的電子從陰極跑到陽極，形成光電流 (photoc

16、urrent)。光電效應最直接的應用就是用來偵測光的光倍增器(photomultiplier)。我們知道，金屬的電子能帶結構和半導體或絕緣體不一樣，因為電子可以自由運動的導帶和電子參與鍵結的價帶是重迭的，也就是說，金屬內參與鍵結的電子是可以自由運動的導電電子。而金屬內的電子能帶結構有二個重要的物理參數，費米能 (fermi energy)和真空能階 (vacuum level)，真空能階和費米能的能量差就是所謂的功函數 (work function) 能量。簡單的說，在溫度0k 時，費米能是指金屬內的電子占據的最高能階。也就是說，在溫度0k 時，費米能以下，填滿電子，費米能以上，沒有電子。功函

17、數則是金屬內的正電背景離子對電子的凈束縛能，若電子脫離金屬的束縛而躍升至真空能階，自然是變成真空中的自由電子。通常有二種方式可以讓電子獲得額外的能量，脫離金屬的束縛，而躍升至真空能階。一是加熱，電子吸收聲子的能量，產生熱離子放射(thermoionic emission)，或是照光，電子吸收光子的能量，產生光電效應。光伏特效應圖1-3 光伏特效應示意圖如果純粹是望文生義的話，任何器件只要能轉換入射光子的能量而直接產生輸出電壓，就可稱為光伏特效應 (photovoltaic effect) 。當然這樣的定義不是很精確。譬如說，半導體的dember 效應 (或稱為photodiffusion 效應

18、) 也能轉換入射光子的能量而直接產生輸出電壓。dember 效應是描述當光照到半導體表面，光子被吸收產生電子-電洞對，半導體表面的載子濃度增加因而向半導體內擴散，但因電子和電洞的擴散系數不一樣，電子和電洞在空間的分布就不相等，也因此會在分布不均的電子和電洞間產生內建電場，這內建電場產生的總和效應，就成為實驗所量測到的dember 電壓。也就是說，光照到半導體被吸收也會因dember 效應產生dember 電壓。但一般而言，半導體的dember 效應不是很顯著，如果器件的金屬接觸不是良好的奧姆接觸(ohmic contact)，則金屬-半導體形成的schottky 接觸之光伏特效應會遠超過純粹半

19、導體的dember 效應。也就是說，量測到的輸出電壓會是金屬-半導體二極管的光伏特效應，而非純粹半導體的dember 效應。光伏特效應一般而言是指光子射到半導體p-n 二極管后，p-n 二極管的二端電極，產生可輸出功率的電壓伏特值。這詳細的過程包括光子射到半導體內產生電子-電洞對，電子和電洞因半導體p-n 接面形成的內建電場作用而分離，電子和電洞往相反的方向各自傳輸至二端電極來輸出。所以光伏特效應一般是跟p-n 二極管有關的。若以硅晶體為例，n-型硅是指加入v 族的元素(如磷)做為施體(donor)，提供導帶電子。p-型硅則是指加入iii 族的元素(如硼)做為受體(donor)，提供價帶電洞。

20、如此半導體便可以有四種帶電荷的粒子：帶負電荷的電子，帶正電荷的電洞，帶負電荷的受體離子，和帶正電荷的施體。前二者是可動的，而后二者是不可動的。尚未接觸前，n-型或是p- 型半導體都是維持各自的電中性 (charge neutrality)，也就是說，n-型半導體中，施體離子所帶正電荷，約等于電子(n-型之多數載子) 所帶負電荷。p-型半導體中，受體離子所帶負電荷，約等于電洞(p-型之多數載子) 所帶正電荷。n-型和p-型半導體接觸，形成p-n 接面 (junction)。在接面附近，電子會從濃度高的n-型區擴散至濃度低的p-型區，而相對地，電洞會從濃度高的p-型區擴散至濃度低的n-型區。如此一

21、來，在接面附近的區域，其電中性便會被打破。n-型區在接面附近會有施體正離子裸露而產生正電荷區，而p-型區在接面附近會有受體負離子裸露而產生負電荷區。n-型區正電荷區和p-型區負電荷區就總稱為空間電荷區 (space charge region)。因為施體正離子和受體負離子都是固定于晶格中，因此n-型區正電荷區和p-型區負電荷區就會形成一個內建(built-in)電場，這空間電荷區的內建電場其方向是從n-型區指向p-型區。如果入射光子在空間電荷區被吸收產生電子-電洞對，電子會因為內建電場的影響而向n-型區漂移 (drift)，而相對地，電洞會因為內建電場的影響而向p-型區漂移。也就是說，入射光子

22、在空間電荷區被吸收產生電子和電洞，因為內建電場的影響而產生從n-型區向p-型區的漂移電流，就是所謂的光電流 (photocurrent)。光伏特效應中的光電流，其流向是從n-型區向p-型區，這對p-n 二極管而言，這剛好是反向偏壓 (reverse bias)的電流方向。光伏特效應中，p-n 接面區的空間電荷區的內建電場之功用就是使入射光子被吸收產生電子-電洞對在復合 (recombination) 前被分開，而產生光電流。硅太陽電池此太陽能電池的材質以硅為主，包括單晶硅(mono crystalline silicon)、多晶硅(multi crystalline silicon)與非晶硅(

23、amorphous silicon)，故稱為硅太陽電池。自1954年美國貝爾研究室研制出 6%光-電轉換效率的實用型單晶硅開啟的太陽能電池的發展，硅太陽能電池成為目前最為普遍、應用最廣的太陽能電池(占所有太陽能電池約85%)。目前實驗室制造的硅太陽能電池效率為25%，而量產型的效率也接近20%。日本三洋電機公司發表新的單晶型hetero-junction with intrinsic thin-layer(hit)太陽能電池，該公司利用獨自的技術已經達成世界最高的轉換效率(23)，這是藉由單晶硅(c-si)與非晶硅(a-si)的異種接合界面技術改良，以及其它數種重要技術的高效率化而得以實現。該

24、公司計劃23年內能夠達到量產化，今后將朝更效率化、低成本化及省資源化的技術開發。但硅太陽能電池仍存在幾個缺點，限制了未來的發展：硅的產能不足，導致硅太陽能電池的原物料價格上漲，讓成本提高使競爭力下降硅太陽能電池的效率受限于材料的物理性質，降低發展的潛力。硅太陽能電池的光電轉換效率易受溫度上升的影響而下降。圖1-4 硅太陽電池隨著溫度升高，效率降低太陽入射光角度對硅太陽電池的影響較小，故可同時接收太陽光的直接日照和漫射日照，因此模塊的安裝可采固定式或移動式。硅太能電池之后的發展的方向是利用新的制程技術來降低電池的生產成本，如此才能在未來的太陽電池市場中具有競爭力。三五族太陽能電池三五族太陽能電池

25、最初使用于太空計劃與人造衛星上，他的材料為半導體三族元素(氮、磷、砷、銻、鉍)和五族元素(硼、鋁、鉀、銦、鉈)的化合物，制造技術門坎與成本都很高。但它所擁有的高效率與耐熱(約每上升1oc光電轉換效率降低0.3%)的特性，也是硅太陽電池所不及的。它的主要原理為利用不同的材料去吸收不同波段的太陽輻射，提高太陽能的吸收率，也藉此提高光-電的專換效率。圖1-5三五族三接面太陽能電池(鉀銦鉈/鉀砷/鍺三接(gainp/gaas/ge)(a)顯示三接面電池各自接收不同太陽光譜 (b)為由上到下的三個接面由于三五族太陽電池的成本高，但是它的特性是要搭配大面積的聚光透鏡或是反射鏡將太陽光聚光到小面積的電池，因

26、此可大幅縮減電池的使用面積達到降低發電成本的目的。此外，它只能吸收太陽光的直接日照，因此太陽電池需要時時刻刻的精準正對太陽，所以需要搭配太陽追蹤器，詳細說明見第二章早期制作太陽能電池的主要材料皆以硅基材為主，但約在1980年開始，iii-v半導體組件基于砷化鎵的磊晶成長技術的提升，因此開始應用在太陽能電池的發展。此外，由于iii-v系列的太陽能電池在效率遠遠超過硅基材的太陽能電池，也因此該電池漸漸地被應用在太空衛星上。經過幾年的研發，較復雜的異質接面太陽能電池的誕生，其異質接面主要是由砷化物與磷化物所組成，且其效率大大地提升至20以上。為了突破20效率的瓶頸，約在2000年左右發展出了三接面的

27、太陽能電池，其組成主要是由三組pn接面所組成，分別為磷化物、砷化物與鍺基板。由于iii-v半導體電池的高效率、低重量以及更好的耐輻射特性，已使得iii-v半導體幾乎取代了硅半導體在高效率太陽能電池的市場。 增加三五族太陽電池的接面數是增加光電轉換效率的方式之一。太陽光是一種連續的光譜，但由于地球中水分子吸收的關系導致有些波長的光譜被吸收，使得太陽光光譜形成非連續續性的光譜。 由于太陽光光譜包含每個波段，大多的入射光能量并非完全地符合該太陽能電池所吸收的能隙范圍，導致許多的光能量無法有效地反應在電池的輸出上。若當入射光能量約大于等于半導體能隙時，則半導體將會有效地產生電子電洞

28、對而形成光電流。當入射光遠大于半導體能隙時，則會使得大部分的能量會以熱的形式釋放掉。所以未來在太陽能電池能隙的設計上，需要更有效率的將光能量能夠完整的被電池吸收，而不要以熱的形式銷耗掉。 圖1-6 能隙示意圖第二章 太陽(光)追蹤器太陽(光)追縱器太陽光追蹤器有效的讓太陽入射光與太陽能板受光面垂直，提高系統的吸收量，增進發電。太陽追蹤器可分為單軸式和雙軸式兩種。單軸式主要是指依東-西方向移動或是方位角轉動來追蹤太陽，主要應用于不需高度精度追蹤(因為使用單軸式追蹤器一定會有南北向的誤差且無法改善)、低制造成本等因素，所以經常和硅太陽電池(silicon-base solar cells

29、)系統搭配。圖2-1 東-西方向移動單軸追蹤器圖2-2 方位角轉動單軸追蹤器雙軸追蹤器是指東-西與南-北兩個方向(兩旋轉軸均與地面平行)轉動，或是仰角與方位角(兩個旋轉軸一個與地平面垂直，另一個與地平面平行)轉動來追蹤太陽，其主要應用于要求高精度追蹤及高聚光型系統。圖2-3 東-西與南-北轉動雙軸追蹤器圖2-4 仰角與方位角轉動雙軸追蹤器被動式追日系統被動式追日系統的工作原理以計算太陽仰角及方位角角度，根據帶入的經度、緯度、時間等數據的不同，產生太陽追蹤器需旋轉及傾斜的度數，透過度數去驅動太陽能板來進行追日。由于目前已知的太陽位置公式已發展的相當成熟，所以求得之太陽位置信息的精確度高。地球自轉

30、以及繞太陽公轉的現象已為人類所了解，在地球上任何一個時間與地點，天文學家已能準確的預測太陽與地面所夾的仰角以及東西向的方位。地球在黃道面上以近乎圓形的軌道繞太陽公轉，而地球自轉軸與黃道面的夾角恒維持著23.45°的關系。每年的夏至，地球在公轉軌道的一端，正午時太陽直射北回歸線。冬至的中午，地球在公轉軌道呈180°的另一端，太陽直射南回歸線。每年太陽直射的位置隨著地球的公轉在南北回歸線間來回擺動，造成春夏秋冬的氣候，也造成不同季節時分太陽與地面仰角的變化。地球除了繞太陽公轉外也同時在自轉，一天自轉約一周，從地球每天可看到日出與日落。每天不同的時間，地球自轉可影響到太陽的仰角以

31、及東西向的方位。以臺灣地區而言，夏至時節早上從東北東方升起而傍晚在西北西方落下。冬至時分，太陽從東南東方升起在西南西方落下。仰角及方位角隨著時間在慢速的變化，它的軌跡在天空中劃一個非平面的弧形。以下透過些簡單公式來探討。磁偏角地球繞太陽公轉的平面(黃道面)與地球自轉的平面并非平行，其間有23.45的差異，再加上地球繞太陽公轉的軌道(黃道)是橢圓形而非正圓形，因此會產生磁偏角(solar declination)也有人稱為赤緯角。雖然實際上是地球繞著太陽公轉，但是以人的立場看，卻習慣將自己所站的地球視為固定不動，而看成是太陽繞著地球轉動的方式，這樣比較容易理解與接受。因此，我們將圖2-5改畫成圖

32、2-6，并將整個天空視為一個天體圓。由圖二中可看出，全年之中，每一天太陽和地球的聯機與天體圓赤道之間所形成的夾角，也就是所謂的磁偏角 都不相同，會在+23.450 與-23.450 之間變化，其計算公式為=23.45°sin360284+n365其中n 為自1 月1 日算起的第幾天。圖2-5 黃道示意圖圖2-6 天體示意圖入射角圖2-6改畫成圖2-7，則可看出入射角就是以站在地球上的觀看者，其頭頂正上方與天體圓的交點為p 點，即所謂的天頂，觀看者所看到太陽(s 點)與天頂(p 點)之間的夾角z 就是入射角，也稱為天頂角。圖2-7 入射角和方位角示意圖而太陽的入射角z可由下式求出：z=

33、cos-1sin sin+cos cos cosw再求出仰角=900-z方位角方位角a 為觀看者所看到太陽(s點)和天頂(p點)之間的聯機，與自天頂(p點)往天體球赤道(正南方)延伸線之間的夾角。太陽之方位角a則為：a=cos-1sinsin-sincoscos以上的時間稱為太陽時間，事實上地球繞行太陽的軌道并非完全圓形，而且地球依各地區經度之不同僅劃分成有限個時區，要更精確的計算個別地點之仰角與方位角。利用以上的方法，同一追日系統無論架設于地球上任一地點，在任何時刻均可準確的計算太陽的仰角及方位角。主動式追日系統根據參考文獻1、3，主動式追日系統的工作原理是利用光傳感器來感測太陽的位置，光傳

34、感器可以量測目前方位是否正確，并啟動追蹤機構來修正，來達到追蹤的目的。 圖2-8 光傳感器示意圖主動式系統的目的就是要求任何時刻皆能接收最大的日照強度，進而提升發電效率。目前已有的主動式系統設計，有利用太陽能板兩端架設由光感組件所組成的光量感測裝置，透過感測回授量的不同進行移動1，以及低耗能式主動型追日系統4，利用光譜分析原理所研發出主動型追日系統。可以有效的拉長日照能源運用時間，再配合聚光核心技術，有效提高轉換效率、并降低成本。由于主動式追日系統目前仍有很大的發展空間，學者們正努力地發展追求更高效率的主動式追日系統，很高興地，我們在此亦提出一相當簡單有效率地主動式追日系統核心設計，我們稱其為

35、“正立方體感應主動式追日系統核心設計”。第三章 立方體感應模塊核心控制參數a.方位角(z)方位角又稱地平經度，是在平面上度量物體之間的角度差的方法。在此處我們以正南方為0度，逆時針轉一圈之后的角度為360度。因此正東方、正北方、正西方分別為90度、180度、270度。b.入射角令觀測者的頭頂正上方與天體圓的交點為天頂點，則觀測者所看到天頂點與太陽之間的夾角即為入射角。c.仰角()也稱為太陽高度角，即為某地的太陽光線與當地地平面所交的線面角，如圖3-1所示。圖3-1方位角與仰角示意圖外型設計如圖3-2所示，將太陽能板與正立方體感應單元控制結構分別獨立開來，獨立的感應單元控制結構是固定不動的，而太

36、陽能板將隨時對準入射的陽光。圖3-2太陽能板與立方體感應單元圖3-3 立方體感應單元如圖3-3所示，我們的正立方體感應單元控制結構是一個邊常為p的正立方體，除底面不是太陽能板外其余五面，分別標示為a(頂面)、b、c、d、e(側面)均為太陽能板。利用此正立方體來接收太陽能，并將a、b、c、d、e 等5面太陽能板所收集到的瞬間電流，進行計算求得太陽目前所在位置的方位角和仰角，以利我們調整太陽能板，達到最佳接收光能效果。計算方位角圖3-4 立方體感應與太陽光入射光之有效分量如圖3-4所示，取b面-c面、c面-d面、d面-e面、e面-b面來計算方位角，當太陽光以仰角照射到側面b、c、d、e時，其垂直于

37、此四個側面的有效分量為icos，其中i為入射太陽光強度。圖3-5 俯視立方體入射光有效分量方位角計算在方位角位于00到900為范圍時，如圖3-5所示，對c面而言，有效分量為icossinz，對b面而言，有效分量為icoscosz，令ib、ic為b面、c面太陽能板所接收到的實時電流，由于a、b、c、d、e五面太陽能板是相同的材質結構，故可以合理假設這五面太陽能板將接收光能轉換為電流的比例因子皆相同，則我們可以推導出以下公式依此類推，如圖3-6所示，進一步導出其它方位角角度范圍的公式圖3-6俯視立方體0o360o方位角計算.00z<900z=tan-1(ic/ib)-(1).900z<

38、1800z=tan-1(id/ic)+900 -(2).1800z<2700z=tan-1(ie/id)+1800 -(3).2700z<360z=tan-1(ib/ie)+2700-(4)計算仰角圖3-7 頂面a與太陽入射光如圖3-7所示，取a面-b面-c面、a面-c面-d面、a面-d面-e面、a面-e面-b面來計算仰角，在00到900方位角的范圍，如圖3-7所示，對a面而言，陽光的垂直有效分量為isin，對b面而言，垂直有效分量為icoscosz，對c面而言，垂直有效分量為icossinz，因而對b面+c面(b+c面)而言，陽光的垂直有效分量為 icos(cosz+sinz)，

39、令ia、ib、ic為太陽能板所接收到的實時電流，則我們可以推導出以下公式。 圖3-8 俯視立方體示意圖及側視立方體仰角示意圖如圖3-8所示，我們利用接收面之有效面積來重做，則在00z<900，在a面之有效面積為p2下，b+c面之有效面積為 p2(cosz+sinz)推導后亦可得到相同結果因此，我們可以用同樣方式來推出在不同的方位角范圍下的仰角公式，如圖3-9所示。圖3-9側視立方體0o360o仰角計算.00z<900 = z =tan-1 (ia/ib+ic)*(sin+cos) -(5).900z<1800 = z - 900 =tan-1 (ia/ic+id)*(sin+

40、cos) -(6).1800z<2700 = z - 1800 =tan-1 (ia/id+ie)*(sin+cos) -(7).2700z<3600 = z - 2700 =tan-1 (ia/ib+ie)*(sin+cos) -(8)第四章 立方體感應模塊追日系統架構圖圖4-1 系統架構圖系統是用來追蹤偵測并計算出照射在感測單元表面的太陽光之方位角與仰角，其包含感應模塊、處理單元、被動追日系統單元、轉動單元與太陽能板。太陽能板接收太陽光之光強度，用以產生對應光強度之電能e_energy。感應模塊系具有復數感測單元，且該等感測單元彼此相互形成立方體，用以根據太陽光入射于該等感測單

41、元之光強度，分別地產生對應光強度的感測訊號，例如感測單元可為太陽能板。舉例而言，其中立方體可為邊長相等之正立方體。處理單元與感應模塊連接，且分別地根據自該等感測單元所接收與其對應之感測訊號，產生對應的控制訊號。其中，根據控制訊號，用以提供轉動單元轉動太陽能板所需之方位角訊號與仰角訊號。轉動單元與太陽能板連接，且根據控制訊號，轉動太陽能板，使得太陽能板垂直面向入射之太陽光。此外，應當可以了解到，轉動單元藉由方位角訊號與仰角訊號轉動太陽能板，將使得太陽光之光強度于太陽能板上產生最大的電能e_energy。值得注意的是，本發明之主動式追日系統更可包含一被動式追日單元，其根據太陽的運動軌跡，系可選擇性

42、的提供太陽能板轉動所需數據，并透過轉動單元轉動太陽能板。立方體感應模塊正立方體感應模塊具有復數感測單元(b、c、d與e)，其分別取感測單元b面與c面、感測單元c面與d面、感測單元d面與e面、感測單元e面與b面來計算方位角，當具有光強度之太陽光以仰角照射到正立方體感應模塊之側面的感測單元b、c、d、e時，其垂直于此四個側面的有效分量為icos，其中感測單元b、c、d、e系可為太陽能板。接著參考圖3-5，固定正立方體感應模塊，使得正立方體感應模塊之側面(b)之感測單元系朝向以方位角定義為0度之正南方，當方位角位于到b面與c面（于此定義在00 900）之范圍時，其感測單元b面的光強度之有效分量系為i

43、coscosz，而感測單元c面的光強度有效分量系為icossinz。此外，感測單元b面與感測單元c面系分別地產生對應的復數感測訊號ib與ic。由于感測單元b面、c面、d面與e面四面具有相同的材質結構，故可以合理假設感測單元b面、c面、d面與e面能將接收太陽光之光強度i轉換為感測訊號的比例因子皆相同，則可以推導出以下公式：依此類推，可如同圖3-6所示，進一步導出其它方位角角度范圍，其系分別為：其中，ib、ic、id與ie系為立方體感應模塊各側面b、c、d與e所產生之該等感測訊號，以及z系表示照射在各感測單元表面的太陽光之方位角。參考圖3-7到3-9，系說明第一圖中正立方體感應模塊用以獲得仰角之示

44、意圖。上述仰角系根據正立方體感應模塊之頂面(a)之感測訊號與任兩個鄰近的正立方體感應模塊之該等側面(b、c、d與e)之該等感測訊號中獲得。于圖3-7中，正立方體感應模塊10具有復數感測單元(a、b、c、d與e)，其系分別取感測單元a面-b面-c面、感測單元a面-c面-d面、感測單元a面-d面-e面、a面-e面-b面來計算仰角。參考圖3-8，系太陽光照射在感測單元b面與c面（于此定義在00 900）之方位角的范圍內，其于感測單元a面獲得isin之太陽光的垂直有效分量、于感測單元b面獲得icoscosz之太陽光的垂直有效分量、于感測單元c面獲得icossinz之太陽光的垂直有效分量。故對于感測單元

45、b面與感測單元c面之兩面有效的分量組合而言，其為icos(cosz+sinz)。此外，感測單元a面、感測單元b面與感測單元c面系分別地產生對應的復數感測訊號ia、ib與ic，用以推導出以下的公式：亦或者可利用感測單元a面、感測單元b面與感測單元c面所接收太陽光之有效面積來計算，同樣可獲得與上述相同之公式。依此類推，可以用同樣方式來推出在不同的方位角范圍下的仰角公式，如同第七圖所示，其系分別為： 其中ia、ib、ic、id與ie系為正立方體感應模塊所產生之該等感測訊號、z系表示照射在各感測單元表面的太陽光之方位角、以及系表照射在各感測單元表面的太陽光之仰角。處理單元由于立方體感應模塊有良好的光遮

46、蔽效應，故可利用光行進的直線性特性，而達成精準的感應，亦即當方位角位在00z<900之間時，其太陽之光強度作用于感測單元d面與e面的有效面積為0，而其所對應的感測訊號id與ie系為0。同樣地，當方位角位在900z<1800之間時，其相對應的感測訊號ie與ib系為0；當方位角位在1800z<2700之間時，其相對應的感測訊號ib與ic系為0；當方位角位在2700z<3600之間時，其相對應的感測訊號ic與id系為0。藉由上述的特性，熟悉該項技術具有通常之事者，應當可以了解到可藉由ib、ic、id與ie的感測訊號，確定太陽之入射方位角z位于哪一區域范圍，而正確地計算方位角z

47、，進而計算仰角，但若所有ib、ic、id與ie之有效感測訊號系為0或接近于0時，則可藉由啟動一習之技術的被動式追日系統來輔助運作。然而，值得注意的是，若有任何一組判斷訊號之電流值，例(ib、ic)、(ic、id)、(id、ie)或(ib、ie)跨越某一預定或使用者自訂的一有效感測訊號的臨界值時，本發明之具有立方體感應模塊之主動式追日系統則可即刻啟動。其中，ib、ic、id與ie之感測訊號之有效臨界值，可視實際布建時太陽能板的面積大小與轉換效率而定。本系統主要利用兩項判斷，一項是ia的感測訊號是否超過臨界值及第二項是ib、ic、id與ie感測訊號的感測訊號是否超過臨界值， 當ia<臨界值1

48、 ，即日出時刻 。ib、ic、id、ie<臨界值2，即正午時刻，當ia<臨且界值1，ib、ic、id、ie<臨界值2 ，即陰雨天。被動式追日單元選擇性的透過被動式追日單元，計算出太陽之方位角與仰角，并經由處理單元，提供給轉動單元轉動該太陽能板。被動式追日系統程序由于地球繞日的天體運動其軌跡是固定，地球每年的公轉與每日的自轉是決定地表目標地與太陽聯機關系的主要依據，亦是被動式追日系統設計要解決問題的所在，對此，已有許多的研究論文發表，更有學者對已發表的文獻做進一步的分析評估2，然而因目標地的海拔高度、壓力與溫度，會影響到地球目標地的日出時間、日落時間、方位角與仰角，這些因素前述

49、文獻并未考慮，而在”solar position algorithm for solar radiation application” 5文獻中，所有會影響到被動式追日系統因子及其作用，均有納入考慮計算，故其有較高的準確性，”她”更進一步提供高準確性程序，執行該程序，輸入的變量有年、月、日、時、分、秒、時區、經度、緯度、海拔高度、壓力、溫度等，程序將迅速輸出追日系統所需的各項數據，計有輸出目標地當時的入射角(incidence), 方位角(azimuth), 天頂點(zenith), 太陽通過子午經線的時間(suntransit), 日出時間(sunrise), 日落時間(sunset)，有了

50、這些重要數據足夠提供設計一良好的被動式追日系統。圖4-2 被動追日程序執行圖轉動單元根據該控制訊號，轉動該太陽能板，使得該太陽能板能及時垂直朝向該照射之太陽光。太陽能板單元太陽能板是由數個太陽能電池所組成，而我們系統主要使用的太陽能電池，主要是以三五族太陽能電池為主。是用來接收太陽之光強度，用以產生對應光強度之電能。系統運作流程圖圖4-3 系統流程圖執行步驟 步驟一 系統自動開機(開機時間由昨日設定或手動開機)。 步驟二 由被動式追日系統5計算日出、日落時間、明日開機時間及日出方位角、仰角，并轉動太陽能板。 步驟三 讀取控制結構單元各面之瞬間電流。 步驟四 判斷ia臨界值1且ib、ic、id、ie臨界值2。若是，則進入步驟五。若否，則進入步驟六。 步驟五 利用被動式追日系統程序5求出方位角、仰角后，進入步驟八。 步驟六 利用本文所提公式求出