臺灣博碩士論文加值系統

本文以提高太陽能電池發電量為前提，研究比較追蹤太陽發電系統與固定傾斜角度發電系統的發電功率差異。使用國外設計的雙軸式追日發電系統進行發電，於台南地區可獲得比固定傾斜角度發電系統多約23%~24%左右的發電量。然而國外所設計的發電系統，所考慮的地理因素以及氣候因素與台灣不同，並無法完全適用於台灣地區，因此，本論文提出一個雙軸式追日系統的架構，並設計一個不同於其他系統，利用感光二極體感測太陽的位置，且適合台灣地區使用的太陽位置感測器，並利用單晶片89C51設計控制電路，根據實驗觀察的經驗，設計控制軟體控制策略，在多變的天氣狀況下，能快速、正確搜尋太陽的位置。實際測試結果，太陽位置感測器能以晴天、陰天、晴時多雲三種狀態進行搜尋太陽位置的控制。所搜尋到的太陽位置與天文公式推算的相比較，方位角約有2~4度的誤差，高度仰角有約3度的誤差。

The goal of this paper is to increase the electrical power generated from solar cells. By experiments, the energy from sun tracking system increases by 23% to 25% more than the fixed angle solar system. However, experiments are conducted under a system which is designed in foreign country and is not suitable in Taiwan due to different geographical locations and whether conditions. In this paper, a new design of dual axis sun tracking system is proposed. This device uses optical sensors to detect the position of sun and is especially tested for use in Taiwan. Inside the device, the microcontroller 89C51 is programmed for the purpose of control. According to the experience, a fast and correct search for the position of sun is very important under changeable whether conditions. As the results of experiments, this device can search the position of sun in both sunny days and cloudy days. The device can also detect rainy days and keep tracking system unmoved without further consumption of energy. The light strength received from optical sensors is calculated in microcontroller for the decision of solar angles. The results are then compared with those derived from astronomical formula. It is found that the error of azimuth angle is nearly 2~4 degrees and the elevation angle has about 3 degrees of error in average. To the conclusion, the sensor in this paper can search the position of sun quickly and correctly.

第一章 序論 1
1.1 研究背景 1
1.2 研究動機 2
1.3研究內容 4
第二章 太陽能發電與追日系統 5
2.1 太陽能電池發電原理 5
2.2 追蹤太陽發電系統(tracking solar system)架構 13
第三章 太陽位置感測器 16
3.1太陽運行軌跡的探討 17
3.2 太陽位置感測器光電元件特性 20
3.2.1 光二極體特性 21
3.3太陽位置感測器設計 26
3.3.1 太陽位置感測器設計思維 26
3.3.2 太陽位置感測器元件配置設計與製作 28
3.4太陽位置感測器元件安裝與特性校正 34
3.4.1 太陽位置感測器元件安裝 34
3.4.2 太陽位置感測器特性校正 35
第四章 控制電路與程式設計 40
4.1 太陽位置感測器控制電路設計 40
4.2 太陽位置感測器決策邏輯與控制程式流程 50
第五章 結果與討論 62
第六章 結論 68
參考文獻 70
附錄A 72
A.1太陽位置感測器零件圖(1) 73
A.2太陽位置感測器零件圖(2) 74
A.3太陽位置感測器零件圖(3) 75
A.4太陽位置感測器零件圖(4) 76
A.5太陽位置感測器零件圖組合圖 77
附錄B 78
附錄B.1 太陽位置感測器控制控制電路圖 79
附錄B.2 太陽位置感測器控制控制電路PCB LAYOUT 80

圖目錄
圖2.1 矽太陽能電池內部結構 5
圖2.2 太陽能電池等效電路 6
圖2.3 太陽能電池輸出電流與電壓關係圖 8
圖2.4 太陽能電池輸出電壓與發電功率關係圖 8
圖2.5 陽光入射方向與太陽能電池示意圖 9
圖2.6 追日發電與固定傾斜角度發電功率比較示意圖 10
圖2.7 聚恆公司代理雙軸式追日發電系統 10
圖2.8 太陽能電池發電功率量測設備示意圖 10
圖2.9 台南地區冬季太陽能電池推測最佳傾斜角度與追日發電功率紀錄圖(單一天比較圖) 11
圖2.10 利用連桿機構調整太陽能電池傾斜角示意圖 14
圖2.11 雙軸式追日機構構想圖 14
圖2.12 雙軸式追日系統架構圖 15
圖3.1 太陽位置表示示意圖 17
圖3.2 太陽赤緯示意圖 17
圖3.3 ㄧ年四季太陽赤緯圖 18
圖3.4 台南地區全年度太陽日出日落方位 19
圖3.5 台南地區全年度每日最高仰角 20
圖3.6 光二極體內部結構圖 22
圖3.7 PN介面模型示意圖 22
圖3.8 光二極體電流訊號轉換成電壓訊號電路 23
圖3.9 採用之光二極體的分光特性 24
圖3.10 採用之光二極體受光強度所產生的電流反應特性 24
圖3.11 採用之光二極體的指向角度範圍特性 24
圖3.12 採用之光二極體與日照量變化反應關係圖 25
圖3.13 HP-3ML感光二極體實體圖 25
圖3.14 太陽位置感測器上視概念圖 27
圖3.15 太陽位置感測器前視概念圖 27
圖3.16 太陽高度仰角搜尋元件原理示意圖 28
圖3.17 電位計基本構造圖 29
圖3.18 電位計特性圖 29
圖3.19 仰角軸圓桿型偵測元件徑向圓孔深度設計示意圖 31
圖3.20 方位軸感測範圍示意圖 33
圖3.21 太陽位置感測器實體 33
圖3.22 方位軸感光元件校正量測試意圖 37
圖3.23 方位軸感光元件校正特性量測 38
圖3.24 仰角軸感光元件校正量測試意圖 39
圖3.25 仰角軸感光元件校正特性量測 39
圖4.1 太陽位置感測器控制電路配置 40
圖4.2 89C51的P0輸出端增加提升電阻 41
圖4.3 正相放大器電路 42
圖4.4 低通濾波器電路 42
圖4.5 ADC0809外觀 44
圖4.6 ADC0809轉換觸發時序圖 44
圖4.7 正反器產生的脈波訊號電路 45
圖4.8 六線式兩相步進馬達結構示意圖 46
圖4.9 步進馬達控制驅動示意圖 46
圖4.10 ULN2003A內部結構圖 47
圖4.11 ULN2003A與步進馬達搭配電路圖 47
圖4.12 穩壓IC電路 48
圖4.13 太陽位置測器控制電路實體1 49
圖4.14 太陽位置測器控制電路實體2 49
圖4.15 89C51控制系統程式流程圖 51
圖4.16 啟動模式判別流程圖 52
圖4.17 各種天氣情況實景參考 54
圖4.18 判斷模式程式流程圖 55
圖4.19 搜尋模式晴狀態程式流程圖 57
圖4.20 搜尋模式陰天狀態程式流程圖 58
圖4.21 搜尋模式晴時多雲程式流程圖 60
圖4.22 閒置模式程式流程圖 61
圖5.1 日照計實體 64
圖5.2 太陽感測器架設安裝戶外實體圖 64
圖5.3 2006年6月25日日照強度變化紀錄 64
圖5.4 6月25日太陽方位角運行軌跡與太陽定位紀錄 65
圖5.5 6月25日太陽高度仰角運行軌跡與太陽定位紀錄 66
圖5.6 2006年7月8日日照強度變化紀錄 66
圖5.7 7月8日太陽方位角運行軌跡與太陽定位紀錄 67
圖5.8 7月8日太陽高度仰角運行軌跡與太陽定位紀錄 67

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