专利名称：太阳能电池系统及其追日方法
技术领域：
本发明涉及一种太阳能电池系统及其追日方法，特别是涉及一种具有反馈机制的太阳能电池系统及其追日方法。
背景技术：
追日器(solar trackers)为用于使一昼光反射物、太阳能光伏(concentrating photovoltaic)平板或聚焦型太阳能反射物朝向太阳的一元件。太阳在天空中的位置会随着太阳移动跨过天空的日子的季节和时间而改变。当太阳能装置直接面朝太阳或尽可能接近于太阳设置时，其工作效率为最佳。因此，相较于保持固定位置的太阳能装置，追日器可增加太阳能装置的性能，然而追日器会增加太阳能装置的系统复杂度。现有的追日器包括主动追日器(active solar trackers)和被动追日器。主动追日器是使用马达和齿轮列 (gear train)使太阳能装置根据控制器朝向太阳方向。然而，因为自然原因造成的定位偏差，所以主动追日器的维护非常困难。被动追日器(passive solar trackers)是使用低沸点的压缩液化气体设于太阳能装置的一端或另一端，以使太阳能装置因太阳光下物质受热不均的原理随着太阳移动方向转动。然而，被动追日器无法非常准确地对准太阳。在此技术领域中，有需要一种太阳能电池系统及其追日方法，以改善上述缺点。
发明内容
有鉴于此，本发明一实施例提供一种太阳能电池系统，包括一基板，包括设置于其上的一太阳能电池阵列；一光学元件阵列，设置于上述基板的上方，以将太阳光聚焦到上述太阳能电池阵列上；一制动器，固定至上述基板上，其中上述制动器沿一轴方向位移上述基板；以及一反馈模块，电性耦接至上述基板和上述制动器，其中上述反馈模块分别测量对应至一第一位置、一第二位置和一第三位置的上述太阳能电池阵列的一第一电压、一第二电压和一第三电压，且得到上述第一电压、上述第二电压和上述第三电压之间的一电压最大值，从而定义出现上述电压最大值的一最大反馈位置。本发明另一实施例提供一种追日方法，其用于一太阳能电池系统，且上述太阳能电池系统具有一太阳能电池阵列于一基板上，包括下列步骤(a)测量在上述基板上的一第一位置的上述太阳能电池阵列的一第一电压；(b)沿正向于一轴方向以一第一距离位移上述基板；(c)测量在上述基板上的一第二位置的上述太阳能电池阵列的一第二电压；(d) 沿反向于上述轴方向以一第二距离位移上述基板；(e)测量在上述基板上的一第三位置的上述太阳能电池阵列的一第三电压；(f)得到上述第一电压、上述第二电压和上述第三电压之间的一电压最大值；(g)定义出现上述电压最大值的一最大反馈位置；以及(h)位移上述基板至上述最大反馈位置。相较于现有使用主动追日器(active solar trackers)的太阳能电池系统，本发明一实施例的太阳能电池系统可具有较低的维护成本，且相较于现有使用被动追日器 (passive solar trackers)的太阳能电池系统，本发明一实施例的太阳能电池系统可具有较高的精确度。
图1为本发明一实施例的太阳能电池系统的俯视图。图2为沿图1的A-A，切线的剖面图。图3a为本发明一实施例的太阳能电池系统的剖面图，其显示太阳光直接聚焦到太阳能电池阵列上。图: 和图3c为沿图3a的太阳能电池阵列的X轴方向和Y轴方向的反馈电压示意图。图3d为包括一太阳能电池的部分基板的俯视图，其显示图3a的太阳光聚焦位置。图如至图4h显示本发明一实施例的一种用于具有反馈机制的太阳能电池系统的
追日方法。图fe和图恥为沿图如至图4h的太阳能电池阵列的X轴方向和Y轴方向的反馈电压示意图。图6为包括一太阳能电池的部分基板的俯视图，其显示图如至图4h的太阳光聚
焦位置。图7为一流程图，其显示本发明一实施例的太阳能电池系统的反馈模块的反馈机制，其是取得太阳能电池阵列的反馈电压最大值。主要附图标记说明
500 太阳能电池系统；
200 基板；
202 太阳能电池；
204 光学元件；
206 第一制动器；
208 第二制动器；
210 反馈模块；
212 太阳能电池阵列；
214 光学元件阵列；
216、216a 太阳光；
220 第一轴方向；
222 第二轴方向；
d 垂直距离；
Pl --第一列距；
P2 --第二列距；
a0、a” a2、> ^ > a5
V - vMX-X轴反馈电压最大值
V - vMY-Y轴反馈电压最大值
θ --角度；
Val、
dx、dy 单位距离；2对、2洸 边缘；Db 水平距离。
具体实施例方式以下以各实施例详细说明并伴随着
的范例，做为本发明的参考依据。在附图或说明书描述中，相似或相同的部分皆使用相同的附图标记。且在附图中，实施例的形状或是厚度可扩大，并以简化或是方便标示。再者，附图中各元件的部分将以分别描述说明之，值得注意的是，图中未示出或描述的元件，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，另外，特定的实施例仅为揭示本发明使用的特定方式，其并非用以限定本发明。图1为本发明一实施例的一太阳能电池系统500的俯视图。图2为沿图1的A-A’ 切线的剖面图。例如为聚焦型光伏(concentrating photovoltaic, CPV)系统500的太阳能电池系统500可包括一基板200，其包含一太阳能电池阵列212设置于其上，而太阳能电池阵列212包括多个太阳能电池202。在本发明一实施例中，基板200可视为太阳能电池阵列212的一载板及/或一散热元件，其可包括例如硅、陶瓷或类似材料的介电材料、例如铝或类似材料的金属材料。在本发明一实施例中，太阳能电池202是以已掺杂的一半导体产生运行，且掺杂的上述半导体形成用一 p-n接面隔开的两个区域。包括多个光学元件204的一光学元件阵列214设置于基板200的上方，用以将太阳光216导向太阳能电池阵列212。 在本发明一实施例中，太阳能电池阵列212和光学元件阵列214之间的一垂直距离d为固定。在本发明一实施例中，光学元件204可包括由玻璃或压克力(acryl)形成的透镜。在本发明其他实施例中，光学元件204可包括反射物。如图Ia和图Ib所示，在本发明一实施例中，太阳能电池阵列212的太阳能电池202可具有一第一列距P1，且光学元件阵列214的光学元件204可具有相同于第一列距Pl的一第二列距P2。一第一制动器206和一第二制动器208，固定于基板200上，以分别沿一第一轴方向220和一第二轴方向222位移基板200， 以改变基板200上的太阳能电池阵列212和光学元件阵列214之间的相对位置。一反馈模块210，电性耦接至基板200、第一制动器206和第二制动器208以用来持续追日。举例来说，反馈模块210会驱动第一制动器206和第二制动器208，以沿一轴方向位移基板200，且当太阳光216通过光学元件阵列214聚焦至基板200上的一第一位置、一第二位置和一第三位置时，反馈模块210会测量太阳能电池阵列212的一第一反馈电压、一第二反馈电压和一第三反馈电压。并且，反馈模块210会得到太阳能电池阵列212沿一轴方向的第一反馈电压、第二反馈电压和第三反馈电压中的一反馈电压最大值，从而定义出现反馈电压最大值的基板200上的一最大反馈位置，其中基板200会位移直到太阳光216聚焦至基板200 上的最大反馈位置为止，在此处太阳光216是直接聚焦至太阳能电池阵列212上，其中第一位置位于第二位置和第三位置之间。在本发明一实施例中，反馈模块210可与基板200整合以缩小太阳能电池系统500 的体积。在本发明一实施例中，第一轴方向220和不同于第一轴方向220的第二轴方向222 可为正交(orthogonal)。在本实施例中，第一轴方向220为一 X轴方向220，且第二轴方向 222为一 Y轴方向222，以使第一制动器206视为一 X轴制动器206，且第二制动器208视为一 Y轴制动器208。图3a为本发明一实施例的沿第一轴方向220的太阳能电池系统的剖面图，其显示太阳光216直接聚焦到太阳能电池阵列212上。图北和图3c为沿图3a的太阳能电池阵列212的X轴方向和Y轴方向的反馈电压示意图。图3d为包括一太阳能电池202的部分基板200的俯视图，其显示图3a的太阳光聚焦位置。如图3a至图3c所示，当太阳光216 通过光学元件阵列214直接聚焦到太阳能电池阵列212的太阳能电池202上时，太阳光216 会聚焦至太阳能电池202正上方的一位置彻。此时，反馈模块210测量到太阳能电池阵列 212的一反馈电压最大值，其包括沿X轴方向的一 X轴反馈电压最大值Vmx和沿Y轴方向的一 Y轴反馈电压最大值V 。以下叙述是说明太阳能电池系统500如何使用如图Ia和图Ib所示的反馈模块 210以决定基板200和光学元件阵列214之间的位移方向和位移距离，以用来追日。图如至图4h显示本发明一实施例的一种用于具有反馈机制的太阳能电池系统 500的追日方法。图fe和图恥为沿图如至图4h的太阳能电池阵列的X轴方向和Y轴方向的反馈电压示意图。图6为包括一太阳能电池的部分基板的俯视图，其显示图如至图4h 的太阳光聚焦位置。使用具有反馈机制的太阳能电池系统500的追日方法会先得到太阳能电池阵列212的一 X轴反馈电压最大值Vmx，之后得到太阳能电池阵列212的一 Y轴反馈电压最大值Vmy，以定义出X轴反馈电压最大值Vmx和Y轴反馈电压最大值Vmy两者的反馈电压最大值。并且定义出现反馈电压最大值的基板200的最大反馈位置。在本发明其他实施例中，得到X轴反馈电压最大值Vmx和Y轴反馈电压最大值Vmy两者的顺序可以互换，但不限于本实施例。图如至图4d、图fe和图6显示利用反馈模块210，沿例如一 X轴方向220的第一轴方向220进行，以得到X轴反馈电压最大值Vmx的一追日方法。请参考图如和图6，当太阳光216a以一角度θ入射至光学元件阵列214上时，太阳光216a聚焦到基板200的位置 B1上。此时，反馈模块210测量到太阳能电池阵列212沿例如一 X轴方向220的第一轴方向220的一反馈电压Val。接着，请参考图4b和图6，利用反馈模块210，沿正向于例如一 X 轴方向220的第一轴方向220，以一单位距离dx位移基板200，以使太阳光216a聚焦到基板200的位置 上。此时，如图如所示，反馈模块210测量到太阳能电池阵列212的一反馈电压Va2。在本发明一实施例中，单位距离dx可小于或等于太阳能电池阵列212的第一列距Pl。单位距离dx也可小于或等于光学元件阵列214的第二列距P2。如图fe所示，因为测量得到的反馈电压Val小于反馈电压Va2，所以反馈模块210进行如图4c和图6所示的沿正向于例如一 X轴方向220的第一轴方向220，以一单位距离dx 位移基板200的一步骤，以及当太阳光216a通过光学元件阵列214聚焦到基板200的位置 a3上时测量到如图fe所示的太阳能电池阵列212的一反馈电压Va3的一步骤，其中位置 和位置 之间的一距离大于位置 和位置 之间的一距离。如图fe所示，测量得到的反馈电压Va2大于反馈电压Va3。如图fe所示，因为测量得到的反馈电压Va2大于反馈电压Va3，所以反馈模块210进行如图4d和图6所示的沿反向于例如一 X轴方向220的第一轴方向220，以使太阳光216a 聚焦到基板200的位置 上的一步骤。此时，如图fe所示的反馈电压Va2可被定义为反馈电压Val、Va2、Va3中的X轴反馈电压最大值VMX。如图仙、图如和图4d所示的位移基板200之前，反馈模块210可判断基板200 的一边缘2 和光学元件阵列214的一边缘2M之间的一水平距离Db，且其中光学元件阵列214的边缘2M邻近且平行于基板200的边缘226，其中水平距离Db需满足Db ( Pl和 Db ( P2的边界条件。当水平距离Db不满足上述边界条件时，基板200不会沿着第一轴方向220位移。水平距离Db的边界条件限制基板200的边缘2 和光学元件阵列214的边缘2 之间的水平距离，以保证太阳光会聚焦至太阳能电池阵列212的所有的太阳能电池。在本发明其他实施例中，当反馈电压Va2小于或等于反馈电压Va3时，反馈模块210 可进行沿反向于例如X轴方向220的第一轴方向220，以单位距离dx位移基板200的步骤， 以及测量到太阳能电池阵列212的一反馈电压的步骤，直到得到前述测量得到的(X轴)反馈电压中的X轴反馈电压最大值Vmx为止。得到X轴反馈电压最大值Vmx之后，如图如至图4h、图恥和图6所示，反馈模块 210可进行沿例如一 Y轴方向222的一第二轴方向222，以改变基板200和光学元件阵列 214之间的相对位置的步骤，以用来追日。接着，请参考图如和图6，反馈模块210可进行沿正向于例如一 Y轴方向222的一第二轴方向222，以一单位距离dy位移基板200的一步骤，以及如图恥所示的当太阳光通过光学元件阵列214聚焦到基板200的位置 上时测量到太阳能电池阵列212的一反馈电压Va4的一步骤。在本发明一实施例中，单位距离dy的大小可与单位距离dx相同。如图恥所示，因为测量得到的反馈电压Va2大于反馈电压Va4，所以反馈模块210接着进行如图4f和图6所示的沿反向于例如一 Y轴方向222的一第二轴方向222，以一单位距离dy位移基板200使其回到位置 上的一步骤。接着，请参考图4g和图6，反馈模块210可进行的沿反向于例如一 Y轴方向222的一第二轴方向222，以一单位距离dy位移基板200的一步骤，以及当太阳光216a通过光学元件阵列214聚焦到基板200的位置 上时测量到如图恥所示的太阳能电池阵列212的一反馈电压Va5的一步骤。如图恥所示，因为测量得到的反馈电压Va2大于反馈电压Va5，所以反馈模块210接着进行如图4h和图6所示的沿正向于例如一 Y轴方向222的一第二轴方向222，以一单位距离dy位移基板200使其回到位置 上的一步骤。此时，如图恥所示的反馈电压Va2也可被定义为反馈电压Va2、Va4, Va5中的Y轴反馈电压最大值V 。如图4e、图4f、图4g和图4h所示的位移基板200之前，反馈模块210可判断基板 200的一边缘2 和光学元件阵列214的一边缘2 之间的一水平距离Db，且其中光学元件阵列214的边缘2 邻近且平行于基板200的边缘226，其中水平距离Db需满足Db ( Pl 和Db ( P2的边界条件。当水平距离Db不满足上述边界条件时，基板200不会沿着第二轴方向222位移。在本发明其他实施例中，当反馈电压Va2小于或等于反馈电压Va4或Va5时，反馈模块210可进行沿正向或反向于例如一 Y轴方向222的第二轴方向222，以单位距离dy位移基板200的步骤，以及测量到太阳能电池阵列212的一反馈电压的步骤，直到得到前述测量得到的(Y轴)反馈电压中的Y轴反馈电压最大值Vmy为止。因为反馈电压Va2同时定义为X轴反馈电压最大值Vmx和Y轴反馈电压最大值Vmy， 所以反馈电压Va2定义为太阳能电池阵列212的反馈电压最大值。完成上述步骤之后，太阳光216a直接聚焦到太阳能电池阵列212上。在本发明其他实施例中，当X轴反馈电压最大值Vmx不同于Y轴反馈电压最大值Vmy时，较大的一个可被定义为反馈电压最大值。因此，位置 可被定义为最大反馈位置。
图7为一流程图，其显示本发明一实施例的太阳能电池系统500的反馈模块210 的反馈机制，其是取得太阳能电池阵列212的反馈电压最大值(如图1、图2所示)。首先， 反馈模块210设定两个位置，一位置i和一位置j，上述位置i和j位于基板200上且用以使太阳光聚焦于其上，其中i和j为轴座标值，i为一整数且j = i+1 (步骤701)。并且，反馈模块210需满足Db ( Pl和Db ( P2的边界条件，其中Db为基板200和光学元件阵列214 两者的相邻边缘之间的水平距离，Pl为太阳能电池阵列212的一列距，且P2为光学元件阵列214的一列距(步骤701)。接着，反馈模块210判断位置i和j之间的一距离Dij是否满足Dij ( Db的条件(步骤703)。当距离Dij满足Dij ( Db的条件时，反馈模块210测量位置i上的一反馈电压Vi以及位置j上的一反馈电压Vj (步骤705)。当距离Dij不满足Di j < Db的条件时，反馈模块210会令j满足j = i-1 (步骤709)。在反馈模块210进行步骤705之后，反馈模块210判断反馈电压Vi以及反馈电压Vj是否满足Vi > Vj的条件(步骤707)。当反馈电压Vi以及反馈电压Vj满足Vi > Vj的条件时，反馈模块210会令j满足j = i-1 (步骤709)。当反馈电压Vi以及反馈电压Vj不满足Vi > Vj的条件时， 反馈模块210会令i =、j = j+1且Vi = Vj (步骤708)，以及之后再一次进行步骤703，直到反馈模块210会令j满足j = i-1 (步骤709)为止。另外，在进行步骤709之后，反馈模块210判断位置i和j之间的一距离Dij是否满足Dij ^ Db的条件(步骤711)。当距离Dij满足Dij ^ Db的条件时，反馈模块210测量位置i上的一反馈电压Vi以及位置j上的一反馈电压Vj (步骤713)。当距离Dij不满足Di j < Db的条件时，反馈模块210会判断位置i为最大反馈位置，且反馈电压Vi为反馈电压最大值(步骤717)。在进行步骤713之后，反馈模块210判断反馈电压Vi以及反馈电压Vj是否满足Vi > Vj的条件(步骤715)。当反馈电压Vi以及反馈电压Vj满足Vi > Vj的条件时，反馈模块210会判断位置i为最大反馈位置，且反馈电压Vi为反馈电压最大值(步骤717)。当反馈电压Vi以及反馈电压Vj不满足Vi > Vj的条件时，反馈模块210 会令i = j、j = j"l且Vi = Vj (步骤716)，以及之后再一次进行步骤711，直到反馈模块 210判断到位置i为最大反馈位置，且反馈电压Vi为反馈电压最大值(步骤717)为止。本发明一实施例提供一种用于具有反馈机制的太阳能电池系统，以用来持续追日。当太阳光随时间移动时，本发明一实施例的太阳能电池系统会依据设置于基板上的太阳能电池阵列的反馈电压，以改变太阳能电池系统的基板200和光学元件阵列214之间的相对位置(例如位移基板)，直到太阳光直接聚焦到太阳能电池阵列上为止。本发明一实施例的太阳能电池系统具有下列优点光学元件可包括不限制尺寸大小的透镜或反射物。反馈模块可与基板整合以缩小太阳能电池系统的体积。因此，相较于现有使用主动追日器(active solar trackers)的太阳能电池系统，本发明一实施例的太阳能电池系统可具有较低的维护成本，且相较于现有使用被动追日器(passive solar trackers)的太阳能电池系统，本发明一实施例的太阳能电池系统可具有较高的精确度。本发明一实施例的太阳能电池系统不需现有的追日器(solar trackers)，因而可应用于小型聚焦型光伏 (concentrating photovoltaic, CPV)系统。虽然本发明已以实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求所界定的范围为准。
权利要求
1.一种太阳能电池系统，包括一基板，包括设置于其上的一太阳能电池阵列；一光学元件阵列，设置于该基板的上方，以将太阳光聚焦到该太阳能电池阵列上；一制动器，固定至该基板上，其中该制动器沿一轴方向位移该基板；以及一反馈模块，电性耦接至该基板和该制动器，其中该反馈模块分别测量对应至一第一位置、一第二位置和一第三位置的该太阳能电池阵列的一第一电压、一第二电压和一第三电压，且得到该第一电压、该第二电压和该第三电压之间的一电压最大值，从而定义出现该电压最大值的一最大反馈位置。
2.如权利要求1所述的太阳能电池系统，其中该第一位置、该第二位置和该第三位置之间的距离为一单位距离的整数倍，且其中该单位距离小于或等于该太阳能电池阵列的一列距和该光学元件阵列的一列距，且其中该太阳能电池阵列的该列距等于该光学元件阵列的该列距，且其中该基板的一边缘和该光学元件阵列的一边缘之间的一水平距离小于或等于该太阳能电池阵列的一列距和该光学元件阵列的一列距，且其中该光学元件阵列的该边缘邻近且平行于该基板的该边缘。
3.如权利要求1所述的太阳能电池系统，其中当该第一电压大于该第二电压时，利用该反馈模块沿反向于该轴方向位移该基板直到该太阳光聚焦到该第一位置上为止，且其中当该第一电压大于该第三电压时，该最大反馈位置为该第一位置。
4.如权利要求1所述的太阳能电池系统，其中当该第一电压小于或等于该第二电压时，利用该反馈模块沿正向于该轴方向以一第四距离位移该基板，以测量当该太阳光通过于该光学元件阵列聚焦到该一第四位置时的该太阳能电池阵列的一第四电压，其中该第一位置和该第四位置之间的一距离大于该第一位置和该第二位置之间的一距离。
5.如权利要求1所述的太阳能电池系统，其中当该第一电压小于或等于该第三电压时，利用该反馈模块沿反向于该轴方向以一第五距离位移该基板，以测量当该太阳光通过于该光学元件阵列聚焦到该一第五位置时的该太阳能电池阵列的一第五电压，其中该第一位置和该第五位置之间的一距离大于该第一位置和该第三位置之间的一距离。
6.一种追日方法，其用于一太阳能电池系统，且该太阳能电池系统具有一太阳能电池阵列于一基板上，包括下列步骤(a)测量在该基板上的一第一位置的该太阳能电池阵列的一第一电压；(b)沿正向于一轴方向以一第一距离位移该基板；(c)测量在该基板上的一第二位置的该太阳能电池阵列的一第二电压；(d)沿反向于该轴方向以一第二距离位移该基板；(e)测量在该基板上的一第三位置的该太阳能电池阵列的一第三电压；(f)得到该第一电压、该第二电压和该第三电压之间的一电压最大值；(g)定义出现该电压最大值的一最大反馈位置；以及(h)位移该基板至该最大反馈位置。
7.如权利要求6所述的追日方法，其中该第一位置、该第二位置和该第三位置之间的距离为一单位距离的整数倍，且其中该单位距离小于或等于该太阳能电池阵列的一列距和该光学元件阵列的一列距，且其中该基板的一边缘和该光学元件阵列的一边缘之间的一水平距离小于或等于该太阳能电池阵列的一列距和该光学元件阵列的一列距，且其中该光学元件阵列的该边缘邻近且平行于该基板的该边缘。
8.如权利要求6所述的追日方法，在进行步骤(c)之后且在进行步骤(d)之前还包括 (cl)当该第一电压大于该第二电压时，沿反向于该轴方向位移该基板至该第一位置上，其中当该第一电压大于该第三电压时，该最大反馈位置为该第一位置。。
9.如权利要求6所述的追日方法，在进行步骤(c)之后且在进行步骤(d)之前还包括 (c2)当该第一电压小于或等于该第二电压时，沿正向于该轴方向以一第四距离位移该基板；以及(c3)测量在该基板上的一第四位置的该太阳能电池阵列的一第四电压，其中该第一位置和该第四位置之间的一距离大于该第一位置和该第二位置之间的一距离。
10.如权利要求6所述的追日方法，在进行步骤(e)之后且在进行步骤(f)之前还包括(el)当该第一电压小于或等于该第三电压时，沿反向于该轴方向以一第五距离位移该基板；以及(e2)测量在该基板上的一第五位置的该太阳能电池阵列的一第五电压，其中该第一位置和该第五位置之间的一距离大于该第一位置和该第三位置之间的一距离。
全文摘要
本发明提供一种太阳能电池系统及其追日方法，上述太阳能电池系统包括一基板，包括设置于其上的一太阳能电池阵列；一光学元件阵列，设置于基板上方，以将太阳光聚焦到太阳能电池阵列上；一制动器，固定至基板上，其中制动器沿一轴方向位移基板；以及一反馈模块，电性耦接至基板和制动器，其中反馈模块分别测量对应至一第一位置、一第二位置和一第三位置的太阳能电池阵列的一第一电压、一第二电压和一第三电压，且得到第一电压、第二电压和第三电压之间的一电压最大值，从而定义出现电压最大值的一最大反馈位置。本发明一实施例的太阳能电池系统可具有较低的维护成本，且可具有较高的精确度。
文档编号H01L31/052GK102376810SQ201110006950
公开日2012年3月14日 申请日期2011年1月10日 优先权日2010年8月10日
发明者孙天相 申请人:采钰科技股份有限公司