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TWI436015B - 全向式太陽位置感測器與控制器及其追日之方法 - Google Patents

全向式太陽位置感測器與控制器及其追日之方法 Download PDF

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TWI436015B
TWI436015B TW100119346A TW100119346A TWI436015B TW I436015 B TWI436015 B TW I436015B TW 100119346 A TW100119346 A TW 100119346A TW 100119346 A TW100119346 A TW 100119346A TW I436015 B TWI436015 B TW I436015B
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TW100119346A
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Hong Yih Ye
Yen Wei Huang
Cheng Dar Lee
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Atomic Energy Council
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Priority to US13/454,208 priority patent/US8772689B2/en
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Description

全向式太陽位置感測器與控制器及其追日之方法
本發明係有關於一種全向式太陽位置感測器與控制器及其追日之方法，尤指涉及一種利用光感測元件及機構組成一具有等效照度、判斷太陽方位及高追蹤精度之全向式太陽位置感測器，特別係指將此一全向式太陽位置感測器配合控制器實現全向式太陽位置感測追日之方法以應用於太陽追蹤器者。
高聚光太陽電池系統之發電效率較傳統太陽電池更高，但需搭配一高精度之追日系統才能有效地發電，由於追日系統之精度會直接影響發電效率，而太陽位置感測器為追日系統中用以追蹤太陽位置之主要元件，所以提昇太陽位置感測器之精度係目前世界各國發展高聚光太陽電池之重點之一。
以目前現有之太陽位置感測器，如第6圖所示，其為中華民國發明專利公告第I300465號之具混合式追蹤控制裝置之光追蹤器，該技術最大問題係有限視角，即太陽位置不在太陽位置感測器之視角(一般視角為+/-45至+/-75度)之內，則無法偵測，將誤認為不用追蹤。另一問題為何時進行追蹤，若在視角內，但因每一個光感測器感測值不同且單一感測值範圍太大，係無法有效作為追蹤基準；若不在視角內，則無法得知感測值也無法追蹤。
鑑此，現有之方法係使用編碼器及計算太陽軌跡，使追蹤控制器知道太陽追蹤器之位置再比對現有即時時間之太陽位置，並使太陽追蹤器追蹤至太陽位置感測器視角範圍內，再依太陽位置感測器之光強度決定是否追蹤，若光強度大則追蹤至目標點；惟此一來，將得增加編碼器、提供精準時間之全球定位系統(Global Positioning System,GPS)組件、具有浮點運算功能之微處理器及演算複雜之太陽軌跡公式，如此迫使整體控制系統增加使用成本高且複雜之組件，不僅容易造成控制系統失效之風險，且其維護費用亦相對增加。故，一般習用者係無法符合使用者於實際使用時之所需。
面對競爭日益激烈之商業市場及嚴格之追蹤精度要求，目前使用之追日系統所宣稱之設計工藝已無法滿足技術及市場需求。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利用光感測元件及機構組成一具有等效照度、判斷太陽方位及高追蹤精度之全向式太陽位置感測器，將此一全向式太陽位置感測器配合控制器實現全向式太陽位置感測追日之方法而應用於太陽追蹤器。
本發明之次要目的係在於，提供一種可以偵測任何太陽位置之照度強弱，並可以全方位之視角偵測光源方向之全向式太陽位置感測器。
本發明之另一目的係在於，提供一種進行判斷太陽光照度及太陽位置作為追蹤基準，可不需編碼器及全向式照度計而降低成本，同時又能具有高追蹤精度之全向式太陽位置感測追日之方法。
為達以上之目的，本發明係一種全向式太陽位置感測器與控制器及其追日之方法，係利用全向式太陽位置感測器之照度強弱決定是否進行追蹤，在太陽照度弱時停止追蹤，照度強時則進行追蹤。當進行追蹤時，首先由該全向式太陽位置感測器判斷出太陽在太陽追蹤器之相對位置，並以微處理器控制驅動馬達模組，使太陽追蹤器轉至太陽之位置，再利用其高追蹤精度特性，精確追蹤太陽。
請參閱『第1圖～第3圖』所示，係分別為本發明之全向式太陽位置感測器之機構結構示意圖、本發明之單一光感測元件與鋁合金板穿孔之剖面結構示意圖、及本發明已灌膠之光感測元件與鋁合金板穿孔之剖面結構示意圖。如圖所示：本發明係一種全向式太陽位置感測器與控制器及其追日之方法，本發明之全向式太陽位置感測器係至少包括一機構1及數個光感測元件2所構成。
上述所提之機構1如第1圖所示，係包含五個正方形板體11、12、13、14、15與一個長方形板體16所組成，且該些板體係為鋁合金板。其中，該長方形板體16之面積係為正方形板體11～15之兩倍，使每一正方形板體11～15以東(E)、西(W)、南(S)、北(N)及中(C)立體組合置於以背(B)排列之長方形板體16上方位置，使各板體11～16間構成一立方六面體，且每一正方形板體11～15及該長方形板體16之上方位置，其中心點均設有一穿孔111、121、131、141、151、161，而該長方形板體16之下方位置則另設有至少二定位孔162，並在南向組合之正方形板體13之左下方設有作為導線出口之通孔132。
上述所提之數個光感測元件2如第2圖所示，每一光感測元件2之兩支腳上係各焊接有一細導線21為一組，再將各組細導線21穿過前述六面板體11～16之各穿孔111～161，由各穿孔111～161中之內凸部112～162卡住各光感測元件2，俾將每一光感測元件2分別設置在該機構1之東、西、南、北、中及背向之六面板體11～16上，並由南向之正方形板體13上之通孔132將每一組之細導線21引出再接上接頭。如第3圖所示，每一面板體11～16上光感測元件2之穿孔內凸部112～162係注入有一防水密封膠3，藉此組合成一具有防水、防濕、防撞鋁合金之全向式太陽位置感測器。
請參閱『第4圖及第5圖』所示，係分別為本發明之低耗電微處理控制器架構示意圖、及本發明之電流轉換電壓放大電路示意圖。如圖所示：本發明係將前述全向式太陽位置感測器連接至太陽追蹤器控制箱內之低耗電微處理控制器4，如第4圖所示。該低耗電微處理控制器4係由前端之電流轉換電壓放大電路41、微處理器42及直流馬達驅動電路43所組成。其中該電流轉換電壓放大電路41如第5圖所示，係由負載電阻411、差動放大器412及LOG放大器413組成，係將前述六個光感測元件2因受光而產生之電流分別流入該負載電阻411，由該負載電阻411分別輸出電壓至該差動放大器412及該LOG放大器413。
該差動放大器412及該LOG放大器413輸出至該微處理器42之類比數位轉換器(Analog to Digital Converter)421，由該微處理器42計算數值，並對應於每一光感測元件2之光通量作為追蹤之用。鑑於太陽光強度在光感測元件範圍約1微安培(uA)～10毫安培(mA)，相差達一萬倍，經過本發明之LOG放大器413後使其輸出值範圍將可降至約5倍，使該類比數位轉換器421不會飽和，經轉換參數計算出等效照度，以等效照度作為太陽追蹤器是否追蹤太陽之基準。其中，追蹤時，該微處理器將以該直流馬達驅動電路43控制驅動馬達模組，使太陽追蹤器轉至太陽之位置。
當運用時，本發明之全向式太陽位置感測追日之方法，係藉由前述之全向式太陽位置感測器配合低耗電微處理控制器，進行判斷太陽光照度及太陽位置作為追蹤基準，當開始追蹤後，係依據東向及西向光感測元件之感測差值作為向東或向西追蹤，以及北向及南向光感測元件之感測差值作為向北或向南追蹤。追蹤時，先以東西向追蹤為主，當東西向追蹤至對正太陽時，再追蹤南北向至對正太陽，俾令重複依序追蹤東西向及南北向至全部對正太陽。
當該全向式太陽位置感測器安裝於太陽追蹤器上時，太陽追蹤器與太陽位置對每一光感測元件感測值之關係，係包括：
(A)當太陽追蹤器水平且面向東邊時：當太陽在東邊，則南向光感測元件感測值最大、當太陽在天頂向南邊，則西向或中向光感測元件感測值最大、及當太陽在西邊，則北向光感測元件感測值最大；
(B)當太陽追蹤器垂直且面向東邊時：當太陽在東邊，則中向光感測元件感測值最大、當太陽在天頂向南邊，則西向或北向光感測元件感測值最大、及當太陽在西邊，則背向光感測元件感測值最大；
(B)當太陽追蹤器垂直且面向東邊時：當太陽在東邊，則中向光感測元件感測值最大、當太陽在天頂向南邊，則西向或北向光感測元件感測值最大、及當太陽在西邊，則背向光感測元件感測值最大；
(D)當太陽追蹤器垂直且面向南邊時：當太陽在東邊，則東向光感測元件感測值最大、當太陽在天頂向南邊，則中向或北向光感測元件感測值最大、及當太陽在西邊，則西向光感測元件感測值最大；
(E)當太陽追蹤器水平且面向西邊時：當太陽在東邊，則北向光感測元件感測值最大、當太陽在天頂向南邊，則東向或中向光感測元件感測值最大、及當太陽在西邊，則南向光感測元件感測值最大；以及
(F)當太陽追蹤器垂直且面向西邊時：當太陽在東邊，則背向光感測元件感測值最大、當太陽在天頂向南邊，則東向或北向光感測元件感測值最大、及當太陽在西邊，則中向光感測元件感測值最大。
由上述可知，本發明係一種應用於太陽追蹤器之全向式太陽位置感測器與控制器及其追日之方法，其特徵係利用光感測元件及機構組成一具有等效照度、判斷太陽方位及高追蹤精度之全向式太陽位置感測器，將此一全向式太陽位置感測器配合控制器實現全向式太陽位置感測追日之方法。該全向式太陽位置感測器可以偵測任何太陽位置之照度強弱，並可偵測光源之方向，其視角為全方位。藉由利用全向式太陽位置感測器之照度強弱決定是否進行追蹤，在太陽照度弱時停止追蹤，當照度強時則進行追蹤，首先由全向式太陽位置感測器判斷出太陽在太陽追蹤器之相對位置，由微處理器控制驅動馬達模組，使太陽追蹤器轉至太陽之位置，再利用其高追蹤精度特性，精確追蹤太陽。
藉此，使用本發明之全向式太陽位置感測追日之方法，進行判斷太陽光照度及太陽位置作為追蹤基準，可以不需計算位置之編碼器、全向式照度計、提供精準時間之全球定位系統(Global Positioning System,GPS)組件、具有浮點運算功能之微處理器及演算複雜之太陽軌跡公式，達到不僅能降低成本，同時又具有高追蹤精度之優點。
綜上所述，本發明係一種全向式太陽位置感測器與控制器及其追日之方法，可有效改善習用之種種缺點，係利用光感測元件及機構組成一具有等效照度、判斷太陽方位及高追蹤精度之全向式太陽位置感測器，將此一全向式太陽位置感測器配合控制器實現全向式太陽位置感測追日之方法以應用於太陽追蹤器，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。
1．．．機構
11．．．正方形板體
111．．．穿孔
12．．．正方形板體
121．．．穿孔
13．．．正方形板體
131．．．穿孔
132．．．通孔
14．．．正方形板體
141．．．穿孔
15．．．正方形板體
151．．．穿孔
16．．．長方形板體
161．．．穿孔
162．．．定位孔
2．．．光感測元件
21．．．細導線
3．．．防水密封膠
4．．．低耗電微處理控制器
41．．．電流轉換電壓放大電路
411．．．負載電阻
412．．．差動放大器
413．．．LOG放大器
42．．．微處理器
43．．．直流馬達驅動電路
第1圖，係本發明之全向式太陽位置感測器之機構結構示意圖。
第2圖，係本發明之單一光感測元件與鋁合金板穿孔之剖面結構示意圖。
第3圖，係本發明已灌膠之光感測元件與鋁合金板穿孔之剖面結構示意圖。
第4圖，係本發明之低耗電微處理控制器架構示意圖。
第5圖，係本發明之電流轉換電壓放大電路示意圖。
第6圖，係現有之太陽位置感測器示意圖。
1．．．機構
11．．．正方形板體
111．．．穿孔
12．．．正方形板體
121．．．穿孔
13．．．正方形板體
131．．．穿孔
132．．．通孔
14．．．正方形板體
141．．．穿孔
15．．．正方形板體
151．．．穿孔
16．．．長方形板體
161．．．穿孔
162．．．定位孔

Claims (5)

  1. 一種全向式太陽位置感測器，係應用於太陽追蹤器，係包括：一機構，係包含五個正方形板體與一個長方形板體所組成，該長方形板體之面積係為正方形板體之兩倍，使每一正方形板體以東(E)、西(W)、南(S)、北(N)及中(C)立體組合置於以背(B)排列之長方形板體上方位置，使各板體間構成一立方六面體，且每一正方形板體及該長方形板體之上方位置，其中心點均設有一穿孔，而該長方形板體之下方位置則另設有至少二定位孔，並在南向組合之正方形板體之左下方設有作為導線出口之通孔；數個光感測元件，每一光感測元件之兩支腳上係各焊接有一細導線為一組，再將各組細導線穿過前述六面板體之各穿孔，由各穿孔中之內凸部卡住各光感測元件，俾將每一光感測元件分別設置在該本體之東、西、南、北、中及背向之六面板體上，並由南向之正方形板體上之通孔將每一組之細導線引出再接上接頭；以及其中，每一面板體上光感測元件之穿孔內凸部係注入有一防水密封膠。
  2. 依申請專利範圍第1項所述之全向式太陽位置感測器，其中，該些板體係為鋁合金板。
  3. 一種控制器，係將申請專利範圍第1項所述之全向式太陽位置感測器連接至太陽追蹤器控制箱內之低耗電微處理控制器，其包括一電流轉換電壓放大電路、一微處理器及一直流馬達驅動電路，其中：該電流轉換電壓放大電路係由負載電阻、差動放大器及LOG放大器組成，係將每一光感測元件因受光而產生之電流分別流入該負載電阻，由該負載電阻分別輸出電壓至該差動放大器及該LOG放大器，再透過該差動放大器及該LOG放大器輸出至該微處理器之類比數位轉換器(Analog to Digital Converter)；該微處理器係用以計算數值，對應於每一光感測元件之光通量作為追蹤之用，經轉換參數計算出等效照度，以等效照度作為太陽追蹤器是否追蹤太陽之基準；以及該直流馬達驅動電路係由該微處理器控制驅動，使太陽追蹤器轉至太陽之位置。
  4. 一種全向式太陽位置感測追日之方法，係藉由申請專利範圍第1項所述之全向式太陽位置感測器配合申請專利範圍第3項所述之控制器，進行判斷太陽光照度及太陽位置作為追蹤基準，當開始追蹤後，係依據東向及西向光感測元件之感測差值作為向東或向西追蹤，北向及南向光感測元件之感測差值作為向北或向南追蹤，並且先以東西向追蹤為主，當東西向追蹤至對正太陽時，再追蹤南北向至對正太陽，俾令重複依序追蹤東西向及南北向至全部對正太陽。
  5. 依申請專利範圍第4項所述之全向式太陽位置感測追日之方法，其中，當該全向式太陽位置感測器安裝於太陽追蹤器上時，太陽追蹤器與太陽位置對該全向式太陽位置感測器中每一光感測元件感測值之關係，係包括：(A)當太陽追蹤器水平且面向東邊時：當太陽在東邊，則南向光感測元件感測值最大、當太陽在天頂向南邊，則西向或中向光感測元件感測值最大、及當太陽在西邊，則北向光感 測元件感測值最大；(B)當太陽追蹤器垂直且面向東邊時：當太陽在東邊，則中向光感測元件感測值最大、當太陽在天頂向南邊，則西向或北向光感測元件感測值最大、及當太陽在西邊，則背向光感測元件感測值最大；(C)當太陽追蹤器水平且面向南邊時：當太陽在東邊，則東向光感測元件感測值最大、當太陽在天頂向南邊，則南向或中向光感測元件感測值最大、及當太陽在西邊，則西向光感測元件感測值最大；(D)當太陽追蹤器垂直且面向南邊時：當太陽在東邊，則東向光感測元件感測值最大、當太陽在天頂向南邊，則中向或北向光感測元件感測值最大、及當太陽在西邊，則西向光感測元件感測值最大；(E)當太陽追蹤器水平且面向西邊時：當太陽在東邊，則北向光感測元件感測值最大、當太陽在天頂向南邊，則東向或中向光感測元件感測值最大、及當太陽在西邊，則南向光感測元件感測值最大；以及(F)當太陽追蹤器垂直且面向西邊時：當太陽在東邊，則背向光感測元件感測值最大、當太陽在天頂向南邊，則東向或北向光感測元件感測值最大、及當太陽在西邊，則中向光感測元件感測值最大。
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