應用彈簧式追日系統改善太陽能系統之效能

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郭松村、黃文川、卓胡誼、黃昭明、伍先展：應用彈簧式追日裝置改善太陽能系統之效能 343

應用彈簧式追日裝置改善太陽能系統之效能

郭松村黃文川黃昭明伍先展

崑山科技大學電機系

卓胡誼

高雄應用科技大學電機系

摘

要

目前大部分的太陽能系統，都是採用固定式，所以無法隨時讓太陽能光電板與陽光保持垂直，因此，也無法使太陽能光電板隨時都發揮其最大效率，尤其在上午與下午太陽斜射時，效果最差。因為太陽能光電板的重量相當重，一片可發電100 W 的太陽能光電板約重達 10 公斤，1KW 的系統，再加上支架之後，其重量將超過 100 公斤，如果採用馬達驅動的方式，一來需要增加高昂的馬達購置成本，其次，馬達的耗電量太多，造成目前太陽光電能系統大多採用固定式，不具備追日功能，對太陽能的運用與推廣非常不利。本 M284856 號專利提出一種『彈簧式追日裝置』，不必使用馬達，只以廉價的定時器、電磁閥、彈簧、水槽與管路，就能以極為低廉的價格使太陽能系統達到追日的功能，可以大幅改善傳統太陽能系統的效能。 關鍵詞：太陽能光電板、太陽能追日裝置、彈簧式太陽能追日裝置。

SPRING-TYPE SOLAR TRACKER IMPROVING PERFORMANCE OF

SOLAR ENERGY SYSTEM

Sung-Chun Kuo Wen-Chwan Hwang Chao-Ming Huang Shian-Chan Wu Department of Electrical Engineering

Kun Shan University Tainan Taiwan 710, R.O.C.

Yi Jwo-Hwu

Department of Electrical Engineering National Kaohsiung Unversiy of Applied Sciences

Kaohsiung, Taiwan 807, R.O.C.

Key Words: photoelectric plates, solar tracker, spring-type solar tracker.

ABSTRACT

Currently available photoelectric plates or solar energy collecting de-vices are fixed and, thus, are unsatisfactory. In a conventional solar energy system capable of generating 1KW, its solar module has a weight of about 10Kg. The solar module and other cooperating components such as sup-porters may have a total weight more than 100 Kg. Also, a solar collector is quite heavy. Thus, the revolving of the solar energy system by motor may

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disadvantageously consume much energy and increase cost. This is not de-sired. Taiwan Utility Model No. M284856 discloses a spring type solar tracking device that allows the photoelectric plates or solar energy collect-ing devices to be at better angles faccollect-ing the sun to obtain better absorption of solar energy. As a result, the solar tracking device can allow the pho-toelectric plates or solar energy collecting devices to face the sun at any time and, thus, greatly enhance solar energy absorbing efficiency at low cost while consuming less energy.

一、前言

隨著京都議定書的生效，以及國際原油價格的飆漲，突顯出能源供應的重要性。為因應高油價時代的來臨及降低溫室氣體排放，各國均致力於推動綠色能源產業發展，太陽能被視為未來能源供應的重要選項。美國加州公用事業委員會於2006 年 1 月 12 日通過決議，未來十年內，將由州政府補助 30 億美元，鼓勵州民在屋頂上裝置太陽光電板，發電量盼達3,000 百萬瓦，約相當於可提供 2.2 百萬戶電力需求，減少不必要增建6 座大型現代化火力發電廠，台灣也持續對裝設太陽能系統予以補助。因此本文將以實測方式證實彈簧式太陽能追日系統的優越性能。

二、先前技術探討

目前大部分的太陽能系統，都是採用固定式，所以無法隨時讓太陽能光電板與陽光保持垂直，因此，也無法使太陽能板可以長時間發揮其最大效率。如果以馬達帶動追日，一來需要增加高昂的馬達購置成本，其次，馬達的耗電量太多，以致於目前大部分的太陽能系統仍然是採用固定式。本文將提出一種簡單有效的彈簧式太陽能追日裝置，不必使用馬達，可以提升太陽能系統之太陽能收集能力。要使太陽能系統可以追日的先決條件是，要能夠掌握太陽的軌跡。茲將國內外對太陽軌跡的相關研究簡介如下：雲林科技大學王教授對於太陽磁偏角（赤緯角）有深入的研究[1]，並推演出逐時日射量機率模型，可以用來推估逐日或逐時的日射量，對於預估太陽能光電板於某一特定時段的發電量有相當大的幫助，可以使獨立型或併聯型太陽光電能系統做更適當的調度。中正大學陳教授針對固定式太陽能光電板最佳安裝角度進行研究[2]，得知嘉義地區每個月的最佳安裝角度，可供嘉義地區太陽光電板逐月調整仰角的重要參考。中原大學何教授的研究[3]，則提供中壢地區太陽能光電板調整仰角的重要參考，並突顯在不同日照強度下調整負載的效益。建國科技大學紀教授，則自製追日機構與控制電路[4] 進行實際測試，並將追日方法由太陽能光電板推廣到太陽能熱水器[5]。 Walraven 的研究[6]，首先提出太陽位置的計算公式，但是透過時區等各種換算，顯得較為麻煩，而且只適用於北半球。 Braun 和 Mitchell 的研究[7]，則著重於推導出不同追日模式的方位角及仰角，但卻不適用於熱帶地區。至於Cucumo 等人的研究[8]，則將以上兩篇的公式，修正成可以適用於任何緯度的公式。因為台灣位於北半球，而且屬於亞熱帶而非熱帶，故上述三篇論文的公式都適用於台灣，但是以上三篇論文，個別以不同符號提出部份計算公式，令有意研究者必須來回穿梭於不同論文與不同符號之間，顯得複雜又麻煩，卓胡誼教授先前的研究[9]，則整理歸納出計算太陽軌道的公式，並經由實際測量驗證公式的準確性，可提供太陽能追日系統，用於計算在台灣地區任意時刻的太陽入射角與方位角，以便適當調整追日系統，達到提升單位面積所能吸收太陽能的目的。當太陽的軌跡可掌握之後，我們便可以得知，在任何地點、任何瞬間、應該如何調整太陽能系統，使其對準太陽，發揮最高效能。依據國外的研究[10]，具追日功能的太陽能光電板，其輸出可比固定式的太陽能光電板增加約50%，可是，若想增加約 50%的輸出，就必須使用雙軸追日系統，需要兩個馬達，所以其成本與耗電量都較高。卓胡誼教授等人有做過單軸與雙軸追日[11]，以手動方式來調整 X、Y、Z 三軸來互相搭配做比較，其架構如圖 1 所示，共分析了十種雙軸與單軸追日模式，由實驗結果顯示，因為太陽在一天中最主要的變動是由東往西，所以，採用單軸東西向追日的太陽能光電板，其輸出可比固定式的太陽能光電板增加約27%，而且只要一個馬達，成本較低，並且因為不需要負擔整個系統的重量，所以較為省能。此外，因為太陽在一天中的移動，分為上午偏東，中午位於中間，下午則偏西，所以在一天調整三次追日模式，只在上午、中午、下午各調整一次，如此可以大幅降低耗電量，且由實驗結果顯示，以單軸東西向一天調整三次追日模式的太陽能光電板，其輸出仍然可比固定式的太陽能光電板增加約 22%，在大幅降低耗電量的前提下，效果依然相當不錯。顯示Y 軸一天三次追日模式

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348 技術學刊第二十二卷第四期民國九十六年 統的累計發電量，約比固定式太陽能系統的累計發電量多 31.33 %。第四、由表一的實驗數據可知，彈簧式太陽能追日系統在扣除電磁閥消耗電能之後的淨累計發電量，約比固定式太陽能系統的累計發電量多30.82 %。第五、彈簧式太陽能追日系統，電磁閥所消耗掉的電能，約為累計發電量的0.39 %，可知彈簧式太陽能追日系統因為利用水的重力，故耗費的電能極少。第六、固定式太陽能系統在上午十點以前，以及下午兩點以後，因為太陽能光電板沒有對準太陽，使其效能大為減退。反觀彈簧式太陽能追日系統在上午十點以前，以及下午兩點以後，仍能保持相當優越的性能。第七、馬達驅動的太陽能追日系統耗費的電能過多，彈簧式太陽能追日系統因為利用水的重力，故耗費的電能極少。而且彈簧式太陽能追日系統用過的水，仍可加以利用，符合環保要求。第八、冷媒驅動的太陽能追日系統，雖然不必另外輸入能量即可追日，但因每天日照強度不同，無法控制冷煤蒸發速度，以至於無法正確追日。彈簧式太陽能追日系統，雖然必須耗費少量電能驅動電磁閥，但卻能正確追日，較符合實際需求。綜上所述，彈簧式太陽能追日系統兼具成本低、耗能少、輸出高、追日準確等優點，非常值得推廣採用。彈簧式太陽能追日系統的相關技術，已經獲准中華民國新型專利，歡迎相關產業洽談合作授權等相關事宜。

誌謝

感謝國科會計畫編號NSC 95-2622-E-168-009-CC3 予以經費資助，特表謝忱。非常感謝 2006 台北國際發明暨技術交易展主辦單位與評審，頒發給予本研究發明競賽環保類銀牌獎，更感謝前來参觀 2006 台北國際發明暨技術交易展的專家、民眾與廠商給予本研究之高度肯定與鼓勵。特別感謝經濟部智慧財產局頒予本專利『96 年國家發明創作獎─創作銀牌獎』的殊榮。

參考文獻

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7. Braun, J. E., and Mitchell, J.C., “Solar Geometry for Fixed and Tracking Surfaces”, Solar Energy, Vol. 31, No. 5, pp. 439-444 (1983).

8. Cucuno, M., Kaliakatsos, D., and Marinelli, V., “General Calculation Methods for Solar Trajectories”, Renewable

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