专利名称：太阳能电池追日装置的制作方法
技术领域：
本发明关于一种追日装置，特别关于一种太阳能电池追日装置。
背景技术：
回顾近五十年，地球气候的急遽变迁及生态系统的破坏污染终于使人类逐渐体会 到环境保护的重要，主张在经济发展的同时必须兼顾环保代价的概念也逐渐受到各国政府 与企业的重视，尤其是减少燃烧石油所排放的二氧化碳更被认为是必须达成的首要共识， 加上其它如石油蕴藏量的逐渐枯竭及国际原油价格不断攀高的因素，都促使人类积极地寻 找替代性能源，其中又以绿色能源为主要开发的方向。绿色能源，泛指对生态环境低污染或无污染的能源，而人类可以开发利用的绿色 能源包括风能、水能、潮汐能、地热能及太阳能等，比起其它能源有受特定地区影响的限制， 太阳能具有可以运作在太阳光照射下的世界任一角落的优势，因此自然成为备受期待的新 兴技术，可望取代石油成为继续推动人类文明前进的主要力量。利用太阳能发电的核心技 术在于将环境中的太阳光能转换为电能的光电转换效率，其不仅受限于所使用的半导体材 料或磊晶技术，整个太阳能电池模块及与其搭配的系统结构设计对于光电转换效率也具有 极大的影响，特别是当使光线接收环境发生变化时，系统结构是否能同步调整太阳能电池， 以随时保持最大的太阳能利用效率也是目前产学界关注的研究领域。造成太阳能利用效率 改变的外在因素很多，其中大部份都是因为影响太阳光照射到太阳能电池的量所产生的结 果，一般的外在影响因素例如天气变化、太阳能系统设置位置的地势结构、空气中的微粒 或湿气以及太阳运行轨迹等。太阳能电池搭载追日装置是现今新兴的太阳能系统技术，这种提供太阳能电池所 使用的追日装置可调整太阳能电池的角度以追踪太阳运行的轨迹及方位的变换，有助于太 阳能电池在最佳的光线入射角度下吸收最大量的太阳光，进而提升整组太阳能电池的光能 利用效率。此外，利用太阳能电池所产生的电力回馈追日装置，以作为追日装置的驱动动力 是目前普遍使用的方式，但由于太阳能电池中的太阳能接收单元本身总重量便已不轻，再 加上相应数目的导光透镜，使得追日装置负载极为沉重，不仅作动上极不灵巧，也造成耗费 在追日过程中的驱动电力高达太阳能电池本身发电功率的15%以上，实难称为一种经济的 发电方式，也变相造成增加约二成左右的太阳能发电成本。
发明内容
有鉴于上述课题，本发明的目的为提供一种太阳能电池追日装置，其可以低耗能 的方式追踪太阳运行轨迹。为达上述目的，依据本发明的一种太阳能电池追日装置包含承载单元、移动单元、 太阳能接收单元以及光感测单元。承载单元具有承载部与转动部，且转动部带动承载部旋 转。移动单元承载于承载单元的承载部，且移动单元可沿X轴-Y轴平面移动。太阳能接收 单元设置于移动单元上。光感测单元亦设置于移动单元上，且输出光感测信号。
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此外，本发明的太阳能电池追日装置可还包含控制单元以及驱动单元。控制单元 是与光感测单元电性连接，且控制单元可接收光感测信号以控制移动单元的移动距离或转 动部的转动角度。驱动单元分别与控制单元、移动单元及转动部电性连接，且驱动单元是依 据控制单元的控制而驱动移动单元移动或驱动转动部转动。另外，重要的是，移动单元沿X 轴移动，而转动部是带动承载部以X轴为轴心旋转。综上所述，因依据本发明的一种太阳能电池追日装置是利用移动单元与转动部调 整太阳能接收单元相对于太阳的位置与角度，使太阳能接收单元可跟随太阳运行的轨迹并 随时维持最佳的太阳光入射角度，提升太阳能接收单元的光能利用效率。更重要的是，在此 太阳能电池追日装置作动的过程中，移动单元仅需依照太阳光入射角度的变化而移动太阳 能接收单元即可，而非移动含有导光透镜的整组太阳能电池，更不需要耗费能量在移动承 载太阳能电池的承载结构与相关的构件上。与已知技术相较，本发明的太阳能电池追日装 置不需要虚耗无谓的能源来调整与接收太阳光能无关的构件的位置与角度，使得本身的太 阳能电池在进行发电时，能以消耗最少能源的状态产生最大的电力输出，提升太阳能光电 转换的效益与成本比。
图1为本发明较佳实施例的一种太阳能电池追日装置的一示意图；图2为本发明较佳实施例的一种太阳能电池追日装置的另一示意图；图3A为本发明较佳实施例的一种太阳能电池追日装置的侧视示意图；图3B为本发明较佳实施例的一种太阳能电池追日装置的侧视旋转作动示意图；图3C为本发明较佳实施例的一种太阳能电池追日装置的侧视旋转作动示意图；图4A为本发明较佳实施例的一种太阳能电池追日装置的前视示意图；图4B为本发明较佳实施例的一种太阳能电池追日装置的前视移动作动示意图；图4C为本发明较佳实施例的一种太阳能电池追日装置的前视移动作动示意图；图5为本发明较佳实施例的一种太阳能电池追日装置的另一态样的示意图。
具体实施例方式本发明的太阳能电池追日装置是为追踪一日内太阳运行轨迹所设计者，由于地轴 与太阳间特殊的相对角度关系，使得各地上空的一日太阳运行轨迹并非是由正东方升起后 朝向正西方移动，最终落下而形成的标准弧形，而是会依时辰的变化略向南北方向偏移，以 台湾的春秋两季来说，每日太阳从早晨九点至午后十五点在天体运行的轨迹在地球的南北 向上会有约为7度的倾角变化，虽然相对于在地球东西向上一日太阳位置的变化而言，南 北向上7度的倾角变化较小，但仍足以造成太阳能电池的光能利用效率降低。为此以下将 揭露本发明的一种太阳能电池追日装置，并参照相关附图，说明依此太阳能电池追日装置 的较佳实施例，其中相同的组件将以相同的参照符号加以说明。图1为本发明较佳实施例的太阳能电池追日装置的一示意图，图2为此太阳能电 池追日装置的另一示意图。请参考图1及图2所示，本发明较佳实施例的一种太阳能电池追 日装置1包含一承载单元11、一移动单元12、一太阳能接收单元13以及一光感测单元14。 承载单元11具有一承载部111与一转动部112，且转动部112可带动承载部111旋转。承
4载单元11的承载部111承载移动单元12，且移动单元12可沿一 X轴-Y轴平面移动。太阳 能接收单元13设置于移动单元12。光感测单元14亦设置于移动单元12，且输出一光感测信号。承载单元11具有承载部111与转动部112，其中，承载部111可为任何适于承托 太阳能接收单元13的一构件或复数构件的组合，用以平稳地将太阳能接收单元13曝露在 太阳光下，并辅助移动单元12与转动部112调整太阳能接收单元13的角度与位置，可提供 太阳能接收单元13执行光电转换作用一个良好的平台。虽承载部111的形状并无特别限 制，但为配合较佳效率的太阳能接收单元13所具有的平面构型，承载部111以具有厚度的 一平面或一平板者为佳(如图1所示)。另外，承载部111具有一承载表面A，其中，承载表 面A是承载部111朝向太阳能接收单元13的一面，请参考图1及图2所示，在本实施例中， 承载表面A为承载部111上所具有平整光滑的一面，适于提供移动单元12于承载部111上 移动。太阳能接收单元13为本发明的太阳能电池追日装置1中接受太阳光照射的主要 组件，亦是执行光电转换的核心，请参考图1所示，在本实施例中，太阳能接收单元13是由 基板与太阳能芯片所组成一整体单元，再进而设置于移动单元12上。另外，为增加太阳能 接收单元13的光能利用效率，通常会于太阳能接收单元13上设置一透镜单元15来聚集环 境中的光线，用以增加太阳能接收单元13所接收到的光量，其中透镜单元15为多个透镜 组合而成的透镜阵列，将入射太阳光分别聚光至相对应的太阳能接收单元13上，此透镜单 元15可包含玻璃或树脂制成的传统透镜或菲涅尔透镜；据此，请参考图1所示，在本实施例 中，本发明的太阳能电池追日装置1可还包含一透镜单元15，且透镜单元15较佳是一聚光 型透镜单元，而透镜单元15是与太阳能接收单元13相对设置并设置于承载单元11上，其 中，透镜单元15可以直接架设或包覆承载部111的方式设置于承载单元11上。在本实施例中，本发明的太阳能电池追日装置1中所设的移动单元12与转动部 112皆是为使太阳能接收单元13能追踪一日内太阳运行的轨迹，以维持最大光接收量的状 态。然而，需注意的是，移动单元12可沿一 X轴-Y轴平面移动，并由此带动设置于移动单 元12上的太阳能接收单元13移动，请参考图1及图3A所示，图3A为本发明较佳实施例的 一种太阳能电池追日装置的侧视示意图；移动单元12沿X轴-Y轴平面移动，且移动单元12 是在承载部111上移动；另外，在本实施例中，转动部112则是连接于承载部111，进一步来 看，转动部112是连接于相对于承载部111的承载表面A的背面B上，当转动部112带动承 载部111旋转时，便可同时由此带动太阳能接收单元13旋转，如图4A所示，图4A为本发明 较佳实施例的一种太阳能电池追日装置的前视示意图。在本实施例中，移动单元12是沿X轴移动，而转动部112则是带动承载部111以X 轴为轴心而于Y轴上旋转，请参考图1所示，若加以考虑太阳运行轨迹与地球方位的关系， 则设置本发明的太阳能电池追日装置1时，图标中的X轴是约与地球的南北向平行，而Y轴 则是约与地球的东西向平行。综上所述，此双轴向的设计乃是以同时兼顾准确执行追日作动与节省耗能为目 的，由于一日内太阳运行轨迹在地球的南北向上倾角变化并不大，故当太阳随时间改变而 移动时，太阳光照射在太阳能接收单元13上并不会由于太阳位置南北倾角变化而偏移原 本设定的中心位置太远，故仅需以移动单元12沿X轴(也就是本实施例中地球的南北向)依偏移的距离略微移动太阳能接收单元13，便可使太阳能接收单元13重新以较佳的角度 接收太阳光能，而不需要大费周章地调整包含承载部111、移动单元12以及太阳能接收单 元13等所有结构。依此概念，移动单元12可为一个或一个以上的任何适于带动太阳能接收单元13 移动的构件，至于移动单元12的大小与形状则无特别的限制，但若考虑适于提供太阳能接 收单元13连接者，则移动单元12仍是以具有与太阳能接收单元13面积接近或相同的一 平面或一平板结构者为佳，且移动单元12是利用此平面或平板与太阳能接收单元13连接 (如图1所示)；除此之外，在本实施例中，由于承载部111上设置有透镜单元15，且移动单 元12所具有的与太阳能接收单元13连接的平面要在承载单元11上移动，因此，移动单元 12所具有的平面沿X轴的长度要小于承载单元11沿X轴的长度(如图3A所示)。在本实 施例中，移动单元12是滑设于承载部111的承载表面A上，而为达成此目的所使用的滑设 组件在结构与设计上并无特别的限制，可例如分别设置在承载部111与移动单元12上可互 相搭配的滑轨、滑槽、滑轮及其组合，或是分别设置在承载部111与移动单元12上可互相搭 配的滚珠与凹槽或是凸部结构与凹部结构。为追踪一日内太阳的运行轨迹在东西向上显著的变化，承载单元11具有一转动 部112以带动太阳能接收单元13、移动单元12以及承载部111三者一起以X轴为轴心一起 旋转(如图4A所示)，据此，请参考图2或图4A所示，在本实施例中，转动部112具有至少 一转轴112a与连接件112b，其中，此转轴112a的轴心是约与X轴平行，而连接件112b是用 以连接转轴112a与承载部111 ；当然，在本实施例的另一态样中，承载单元11可具有两个 转动部112，分别位于承载单元11的两侧，且每一转动部112具有各自的转轴112a与连接 件 112b。光感测单元14是设置于移动单元12上，而光感测单元设置的位置则可位于移动 单元12用以连接太阳能接收单元13的表面上的任一位置，但若考虑侦测的准确性及减少 与太阳能接收单元13接收太阳光的实际情况的差异，请参考图1所示，在本实施例中，光感 测单元14是设置于移动单元12上的中央区域，且此光感测单元14较佳是为一四象限光线 传感器；再者，光感测单元14会感测太阳光入射角度的变化并依据感测的结果输出一光感 测信号，此光感测信号可被一控制单元(图未示)所接收，而再由控制单元依据光感测信号 控制移动单元12的移动距离或转动部112的转动角度，调整太阳能接收单元13的位置与 角度以进行追日动作。在本实施例中，此控制单元是与光感测单元14电性连接，可使用的 电性连接方式包括利用导线连接、无线遥控等等各种现行的电性连接方式，而并无特殊的 条件限制或需求。在本实施例中，本发明的太阳能电池追日装置1还可包含一驱动单元(图未示)， 其分别与控制单元、移动单元12及转动部112电性连接，可使用的电性连接方式包括利用 导线连接、无线遥控等等各种现行的电性连接方式，而并无特殊的条件限制或需求。基于此 电性连接所建立的关系，驱动单元可依据控制单元所输出的指令或信号而驱动移动单元12 在承载部111的承载表面A上沿X轴移动或驱动转动部112带动承载部111以X轴为轴心 旋转；本发明的太阳能电池追日装置1可使用的驱动单元并不需要特别的装置，而可为任 何适于持续稳定提供动力者即可，例如线性马达、步进马达、伺服马达以及超音波马达等， 当然，驱动装置亦可以直接提供电力作为驱动上述其它单元的动力来源。
为使本发明的太阳能电池追日装置1具有一定的空间以便于依循一日内太阳运 行的轨迹调整太阳能接收单元13的位置与角度，请参考图1及图2所示，在本实施例中，承 载单元11可更具有一支撑部113。支撑部113是连接于转动部112，而用以支撑整个太阳 能电池追日装置1的重量，并使承载部111及设置在承载部111上的各项结构和地面能维 持一定的距离，不至于在转动时碰触到地面，其中，支撑部113与转动部112间的连接方式 可为支撑部113内具有可配合转动部112所具有的转轴112a的一转轴套筒，并以此转轴套 筒固定连接转动部112的转轴112a ；但重要的是，支撑部113的整体设计目的要方便转动 部112带动承载部111、移动单元12以及太阳能接收 单元13三者一起旋转为主，使追日作 动的过程中，整个太阳能电池追日装置1不会无所凭依而偏离原本所在的地点，或是太接 近地面使转动角度有所限制，据此，适于使用的支撑部113可为一杆体、一柱体或一凹字型 结构，当然，可使用的支撑部113亦包括其它合适并可达成相似功能的结构。请参考图2所 示，在本实施例中，支撑部113为一柱体，然而，在本实施例的另一态样中，请参考图5所示， 图5为本发明较佳实施例的一种太阳能电池追日装置的另一态样的示意图；支撑部113则 可为凹字型结构。以上针对本发明所揭露的太阳能电池追日装置1的结构予以论述，接续以本实施 例的太阳能电池追日装置1使用在实际的应用为例，提出详细的说明以解释此太阳能电池 追日装置1的作动。当太阳于日升时，与地面所夹的仰角较小，因此，太阳能电池追日装置1的转动部 112必须带动承载部111、移动单元12及太阳能接收单元13以X轴为轴心(也就是约以地 球的南北向为轴心)而旋转，如图4B所示，图4B为本发明较佳实施例的一种太阳能电池追 日装置的前视旋转作动示意图；使太阳能接收单元13能维持在相对于地平面颇大的倾斜 角度，尽量使太阳光能直射太阳能接收单元13，甚至此倾斜的角度乃造成太阳能接收单元 13近乎与地面垂直；然而，随着太阳逐渐向西方移动，转动部112亦再带动承载部111、移动 单元12及太阳能接收单元13同样以X轴为轴心而朝向相反的另一方向持续旋转，如图4C 所示，图4C为本发明较佳实施例的一种太阳能电池追日装置的前视移动作动示意图；致使 承载部111、移动单元12及太阳能接收单元13三者都可以转动部112为轴心形成弧形运 动轨迹，最终在接近日落时，转动部112会使承载部111、移动单元12及太阳能接收单元13 三者以朝向西方并与地面近乎垂直的方式利用日落前最后的太阳光，完成一日内萃取太阳 光能的作动。然而，重要的是，一日内太阳在天体上的位置不仅会在东西方向上发生变化，从日 出后到正午间，太阳在天体上的位置亦会逐渐向南北方略微偏移，因此，当转动部112以X 轴为轴心依据太阳运行轨迹改变太阳能接收单元13与地平面所夹的倾斜角度时，移动单 元12亦同时依据太阳向南北方偏移的角度沿X轴移动，进而带动太阳能接收单元13使其 调整到接收太阳光较佳的位置，如图3B所示，图3B为本发明较佳实施例的一种太阳能电池 追日装置的侧视移动作动示意图；而当正午后到日落前，太阳在天体上的位置则会再逐渐 向原本的弧形轨道偏移回来，因此移动单元12则必须要再沿X轴移动同步调整太阳能接收 单元13的位置，如图3C所示，图3C为本发明较佳实施例的一种太阳能电池追日装置的侧 视移动作动示意图；俾使太阳能接收单元13与太阳光的入射角度能尽可能维持在最佳的 入射角度，以获取最大的太阳光量。
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综上所述，本发明的一种太阳能电池追日装置是利用移动单元与转动部依据一日 内太阳运行轨迹所发生的变化，分别在地球的东西向与地球的南北向上同步调整太阳能接 收单元的位置与倾斜角度，使太阳能接收单元可准确追踪太阳运行的轨迹并维持最佳的太 阳光入射角度，提升太阳能接收单元的光能利用效率。更重要的是，在此太阳能电池追日装 置作动的过程中，一日内太阳位置在地球南北向上所产生的些微变化，仅需利用移动单元 移动太阳能接收单元作短距离的调整即可应付，而不需移动含有导光透镜或其它额外构件 的整组太阳能电池，更不需要耗费能量在移动承载太阳能电池的承载结构，使得太阳能电 池追日装置的在应用于太阳能发电时，能以消耗最少能源的情况产生最大的电力输出，提 升太阳能光电转换的效益与成本比。以上所述仅为举例性，而非为限制性者。任何未脱离本发明的精神与范畴，而对其 进行的等效修改或变更，均应包含于权利要求书中。
权利要求
一种太阳能电池追日装置，其特征是，包含承载单元，具有承载部与转动部，上述转动部带动上述承载部旋转；移动单元，承载于上述承载单元的上述承载部，上述移动单元可沿X轴 Y轴平面移动；太阳能接收单元，设置于上述移动单元；以及光感测单元，设置于上述移动单元，并输出光感测信号。
2.根据权利要求1所述的太阳能电池追日装置，其特征是，上述承载单元还具有支撑 部，连接于上述转动部。
3.根据权利要求2所述的太阳能电池追日装置，其特征是，上述支撑部为杆体、柱体或 凹字型结构。
4.根据权利要求1所述的太阳能电池追日装置，其特征是，上述移动单元以滑设方式 承载于上述承载单元的上述承载部。
5.根据权利要求1所述的太阳能电池追日装置，其特征是，上述移动单元沿X轴移动， 上述转动部带动上述承载部以X轴为轴心旋转。
6.根据权利要求1所述的太阳能电池追日装置，其特征是，上述光感测单元为四象限 光线传感器。
7.根据权利要求1所述的太阳能电池追日装置，其特征是，上述太阳能电池追日装置 还包含控制单元，与上述光感测单元电性连接，上述控制单元接收上述光感测信号，以控制上 述移动单元的移动距离或上述转动部的转动角度。
8.根据权利要求7所述的太阳能电池追日装置，其特征是，上述太阳能电池追日装置 还包含驱动单元，分别与上述控制单元、上述移动单元及上述转动部电性连接，上述驱动单元 依据上述控制单元的控制而驱动上述移动单元移动或驱动上述转动部转动。
9.根据权利要求1所述的太阳能电池追日装置，其特征是，上述太阳能电池追日装置 还包含透镜单元，与上述太阳能接收单元相对设置，且上述透镜单元设置于上述承载部上。
10.根据权利要求9所述的太阳能电池追日装置，其特征是，上述透镜单元包含透镜阵列。
11.根据权利要求9所述的太阳能电池追日装置，其特征是，上述透镜单元包含多个菲 涅尔透镜。
全文摘要
一种太阳能电池追日装置，包含承载单元、移动单元、太阳能接收单元以及光感测单元。承载单元具有承载部与转动部，转动部带动承载部旋转。移动单元承载于承载单元的承载部，且移动单元可沿X轴-Y轴平面移动。太阳能接收单元设置于移动单元。光感测单元设置于移动单元，并输出光感测信号。此太阳能电池追日装置在执行追日作动中能减少能量消耗，提高太阳能发电系统的输出效率。
文档编号H02N6/00GK101964604SQ20091016477
公开日2011年2月2日 申请日期2009年7月24日 优先权日2009年7月24日
发明者郑造时, 陈建安 申请人:和硕联合科技股份有限公司