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1、全自動全自動太太陽追蹤陽追蹤系統設計系統設計與研發與研發-提高太陽電池發電效率提高太陽電池發電效率黃俊翔1曾正揚1林哲群1李平安1楊東翰1*連水養1,21明道大學材料科學與工程學系2明道大學太陽光電研究中心(P0960106)在台灣，目前太陽能電池發電模組大部分以固定角度(朝南 23.5 )安裝，但隨著季節與每日 太陽運動軌跡不同，固定角度安裝之太陽電池模組發電效率無法發揮最大效益。本論文設計及研 發一全自動太陽追蹤系統 ， 可減少太陽能電池受到季節與時間太陽光入射角度因素而影響發電效 率，此太陽能追蹤裝置可以隨著季節與時間變化，使太陽能電池發電模組能對準陽光直射位置以 達到最大發電效率，我們
2、建立了不同季節與時間之太陽位置座標數據庫，並利用電腦軟體控制裝 置準確搜尋太陽位置。最後我們比較固定式與追蹤式之太陽電池模組發電功率，本論文研發之全 自動太陽追蹤系統之發電功率為傳統固定式太陽電池模組的 1.6 倍。 關鍵字: 太陽電池、太陽追蹤器、雙環系統1. 前言前言隨著國際油價逐年上升及地球石油含量的日益減少 ， 所以環保意識逐漸抬頭 並且帶動了綠色能源如風、水、太陽能等相關研究話題。在眾多綠色能源研究中，太陽能電池發電模組是最受矚目的研究項目之 ， 因為太陽能是個普遍的能源且較不受地方區域的限制 ， 只要陽光能照射的地方即可產生電力。不過，因為地球上的太陽能日照不平均，加上現在大都是固
3、定式的太陽能發電模組 ， 其發電效率都會受到時間因素造成太陽光入射太陽電池模組角度的影響 ， 以致於無法持續產生最大的輸出功率 ， 所以若要維持太陽能電池長時間能保持在最大發電功率下 ， 就必須隨著季節與時間調整太陽能模組角度，使其正對著太陽入射光。在目前太陽能產業所追求低成本、大面積、高轉換率之太陽能電池話題下，本論文以製作全自動太陽追蹤系統 ， 有效的利用太陽光直射太陽電池發電模組所產生最大發電效率 ， 減少太陽電池模組成本，也同時解決矽原料短缺等問題。由於地球繞太陽公轉和地軸傾斜造就了現在的春、夏、秋、冬及晝夜長短的現象。圖 1 顯示台灣四季與太陽位置之示意圖，由於台灣位於地球北回歸線上
4、，造成了夏季日照時間長，冬季日照時間短的現象。春秋分時，太陽直射在赤道，南北半球白天晚上長短一樣 ， 這些現象造就了春夏秋冬的四季變化。由圖 2 可知太陽在台灣的相對運轉軌域及角度(日出、正午及日落)，太陽運行軌道與台灣角度在不同季節時有不同的角度 ， 分別是冬至為 47 度 、 春秋至為 23.5度及夏至為 0 度。其中夏至日出日落偏北，春秋至接由正東日出正西日落，冬天太陽則是都在南邊。由圖中也可以發現，太陽每天運行位置隨時間不同會出現 180度的變化， 圖上標示由早上 8 點到下午 4 點太陽的位置圖，由以上結果得知，要使太陽追蹤系統能準確尋找太陽位置並正對太陽，須轉動雙軸，除了依季節變化
5、調整模組南北角度外， 更需依每天時間不同調整模組東西向角度。2. 實驗設計與方法實驗設計與方法2.1 太陽追蹤器硬體設計本研究之太陽追蹤儀是以雙環結構設計， 整體材質為不鏽鋼，設計構想來自於地球儀，以台灣當作球體中心，兩個雙環個代表經度及緯度兩相位，儀器硬體高為 20 公分，寬為 15 公分，儀器雙環搭載市售之 0.4 瓦單晶太陽能電池模組，重量約為 400 公克，雙環分別使用驅動精度為 3.75 度的 2 相 4 線式步進馬達控制，驅動介面為雙軸式 RS232 介面的步進馬達的驅動器，使用控制軟體為 VB 控制軟體，驅3 月 台灣春天9 月 台灣秋天6 月 台灣夏天12 月 台灣冬天圖 1.
6、 台灣四季與太陽位置之示意圖14:00 12:0008:0010:0016:00東北南西冬 春秋夏圖 2. 四季太陽對於台灣相對之運轉軌域動電源為 12 伏特 1 安培，本裝置雙環上裝有可調式之配重裝置，變更不同重量之步進馬達以及太陽電池模組，可以改變配重裝置達到平衡，藉以減少馬達之負擔，儀器校正方面，在太陽能板後方設有儀器校正盤，當追蹤角度偏準時，可由觀察此盤之影子位置手動調整儀器數據來達到精準的追蹤角度。2.2 驅動電路板及軟體設計本裝置之馬達驅動面板設計及實物如圖 3 所示 ，驅動電路板上有控制步進馬達晶片(A) 、 RS-232 晶片(B)及負責接收控制碼和回傳控制碼的晶片(C)(B、
7、C 在面板後方)，一開始都是由(B)晶片接收轉換後才做輸出及輸入至(C)晶片回傳控制碼，確認控制碼並按下確認鍵後才會再傳到(A)晶片來控制馬達作動 ， 作動完畢之後再由(A)告訴(C)然後(C)就會回傳給使用者。在裝置運作之前，需要開啟電腦使用軟體來操作裝置，軟體開始作動後、裝置依現況運作(馬達回到預設位置)、軟體輸入控制碼、透過控制晶片驅使馬達帶動雙環裝置作動，馬達轉置固定角度點時，軟體同時會抓取功率量測值並記錄，待馬達轉完 180 度後，軟體依馬達轉的角度及各功率量測值判斷功率最大值並回傳給控制晶片 ， 使得馬達轉至功率最大值之角度定點 。 經過兩個馬達控制雙環得到最佳點及可正確搜尋到太陽
8、位置，完成作動，並進入待機。2.3 系統作動設計圖 5 顯示太陽追蹤系統動作流程圖， 圖中步驟 1 是由軟體傳遞控制碼給步進馬達，讓其以固定單位角度旋轉 180度，步驟 2 是在定點以電表量測太陽能發電模組之功率，步驟 3 是將固定點電表量測之太陽能發電模組之功率值傳輸給軟體並存檔，步驟 4 為軟體判斷功率值之最大點後，發出指令讓步進馬達轉到功率之最大點之角度 。 步驟 58 為重複14 之步驟控制另外一軸，使雙軸都達到功率之最大點，來達到自動追蹤產生最大功率之功效。2.3 系統作動設計圖 68 顯示太陽追蹤系統不同季節及時間之模擬作動圖，由圖中可以看出我們設計的裝置可以順利追蹤太陽位置，讓太
9、陽電池發電模組可以正對太陽達到最大發電效率。(A)(A)(B)(B)(C)(C)圖 3 驅動雙環馬達之控制電路板實物圖軟體動作開始控制晶片支配馬達動作步進馬達轉至定點功率量測與 數據截取馬達轉至功率最大點， 完成太陽追蹤對位圖 4 軟體控制回路設計流程圖軟體電表12346758圖 5 太陽追蹤系統作動設計08:0010:0012:0014:0016:00圖 6 太陽追蹤系統作動模擬示意圖(夏至)16:0014:0012:0010:0008:00圖 7 太陽追蹤系統作動模擬示意圖(春秋至)圖 8 太陽追蹤系統作動模擬示意圖(冬至)08:0010:0012:0014:0016:003. 結果與討論
10、結果與討論圖 9 展示我們研發設計之全自動太陽追蹤系統實際照片，本系統組成主要單元有一部筆記型電腦、驅動軟體、馬達控制電路板、功率量測器及雙環式太陽追蹤器主體。圖10 展示我們所設計的太陽追蹤系統實際動作圖。圖 11 為我們在 7 月 24 日當天以固定角度方式及自動追蹤系統分別量測早上6點到下午6點太陽電池發電模組之功率圖，當天天氣良好，我們以可見光功率計量測當天太陽功率超過額定標準 100 mW/cm2，由於早上太陽位置由東邊升起，但固定式太陽電池發電模組均設定朝南正上方 23 度方向，所以電池模組與太陽光角度很大，光利用率很低。而追蹤式太陽電池模組可以將電池模組轉向太陽入射方向 ，所以可
11、以提供發電功率為同時間的 5 倍，隨著時間越接近中午，太陽光功率增強，固定式與追蹤式太陽電池模組發電功率都相對提高 ，但追蹤式太陽電池模組因可正向太陽光入射方向，所以發電功率都高於固定式模組。而在中午 11 點所量到的發電功率非常接近是因為此時兩個模組系統的角度很接近的緣故。圖 12 為將每個時間發電功率累計比較，我們發現在固定式太陽電池模組發電功率一天所發電的功率為 2.67 W，而採用本研究我們設計的全自動太陽追蹤系統太陽電池發電模組可以提供發電功率為 4.26 W，一天的發電量是固定式太陽發電模組的 1.6 倍。這個結果給予我們很大的鼓舞，因為在這個矽材料短缺的時代 ， 我們可以藉由太陽
12、追蹤系統的設計，將太陽電池發電模組之發電效率提高 1.6 倍，可以解決矽原料的耗竭，更有效率的利用太陽光能源。我們接下來的目標為製作更大型之全自動太陽追蹤模組 ， 評估其價格及量產可行性 ， 如果硬體結構可以低於太陽電池發電模組的一半價格 ， 則這種不藉由增加太陽電池模組面積或增加製造成本來提升轉換效率的作法値得推廣與研究。4. 結論結論本研究自行成功研製全自動太陽追蹤系統，改善傳統固定式太陽電池發電模組設計，藉由創新之雙環設計，搭配開發全自動控制軟體驅動步進馬達使得能將所承載之太陽電池模組轉向，正確搜尋太陽入射角度，提高太陽電池發電模組之發電效率。 由我們實際測試固定式及追蹤式太陽電池發電模
13、組， 結果發現我們設計的太陽追蹤系統之全天發電功率為固定式太陽電池發電模組發電功率的 1.6 倍，這個結果可以提高太陽電池模組之發電效率， 減少因太陽電池大量投產造成另一能源消耗， 為目前火熱但原料短缺之太陽能電池工業提供一個有效的選擇方案。誌謝誌謝特別感謝明道大學校內主導型計畫經費補助:(P0960106)圖 9 全自動太陽追蹤系統實際照片圖 10 全自動太陽追蹤系統動作實際照片單位時間發電功率 (mW)當地測量時間(Hr)050100150200250300350400450678910 11 12 13 1415 1617 18追蹤 固定圖 11固定式與追蹤式太陽電池模組單位時間發電功 率比較050010001500200025003000350040004500678910 11 12 13 14 15 16 17 18追蹤 固定累計發電功率 (mW)當地測量時間(Hr)圖 12固定式與追蹤式太陽電池模組累計時間發電功 率比較
