前言

為了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，其中以太陽能發電系統是最有效又最符合台灣這個陽光普照的島嶼，然而怎樣能使光源發電系統達到最高效率，是現在市場需求上最重要的技術之ㄧ。目前來說，可追日系統的發電效率比固定式的太陽能板高，追日系統又分自動光源追日系統、定時裝置加上推導出的方位角與仰角公式的追日系統、以及混合系統。

以路燈為例，台灣一般使用500W的路燈，一盞路燈一年所耗費的電費約5,400元，加上其製造安裝成本及埋管等設施以4萬計，以10年壽命計算，約需10萬元。若能大量採用太陽能路燈代替，不僅可防止傳統路燈需要埋設線路，只要電路一斷，整排路燈都不亮的問題；更可減少電廠的開發，節能減碳又環保，因此這種公共投資是非常值得的。

本系統的設計在照明的動力上採用太陽能光電板，將太陽能轉化為電力，且在發電量不足時，系統會自動切換到市電供電模式，以免下雨無足夠電力進行照明。點燈策略則以實際太陽能板的發電量配合系統時間來控制，以減少感測光源的複雜線路設計。照明設備以一般高亮度白光LED並配合各種排列的方式達到聚光照明的目的，最後加上以定電壓配合PWM的控制，達到更有效率的照明控制。

工作原理

本專題的工作原理是以HOLTEK HT46R24讀取以太陽能板作為感測元件之實際日照的輸出電壓，來判斷光源之方向，達到自動追日、自動追蹤最大發電角度，提高太陽能板進行光電轉換的效率。除此之外，本系統以實際太陽能板的發電量配合系統時間做為點燈的控制策略，並加上以定電壓配合微控器PWM的控制，來達到更有效率的照明控制。

作品結構

一、太陽能發電

太陽能發電技術主要有三種：第一種是利用特殊的半導體材料，製造出太陽能電池，太陽能電池經由光線照射後，把光能直接轉換成電能。一般太陽能電池的結構是在玻璃片上製造兩層半導體塗層，一層為N型半導體，另一層為P型半導體，形成P-N接面結構，並在兩半導體層分別引接出導線，P型半導體層引出端為正極，N型半導體層引出端為負極。當太陽光照射到這P - N結構時，P型和N型半導體因吸收太陽光的能量而產生電子－電洞對。由於空乏區所提供的內建電場，可以讓半導體內所產生的電子在電池內流動產生電位差，因此若經由電極把電流引出，就可以形成一個完整的太陽能電池，提供能量輸出，如圖一所示。而為了提高其發電量，將許多太陽能電池經串並聯組合封裝程序後做成模組，成為太陽能電池模組。將若干太陽能電池模組組合而成方陣或列陣，配合電子電路的充放電保護控制(controller)、蓄電池以及轉換器（DC-DC，DC-AC）合稱為太陽能電池供電系統。第二種方法是把太陽能轉換成熱能，然後再利用熱能發電。第三種方法是利用太陽能與化學能間的轉換把水分解成氫和氧，然後利用氫來發電。

《圖一 太陽能電池發電原理示意圖》

太陽能電池的主要材料是矽(silicon, Si)，其產品主要可分為單晶矽(singal crystal)、多晶矽(poly crystal)、非晶矽(amorphous)，以及化合物半導體(compound semiconductor)四種，如圖二所示。太陽能電池基本上是一種由半導體材料所製成的光電轉換元件，在成本及效率的雙重考量下，目前以結晶矽(Crystalline Silicon)使用較多，(包括單晶矽、多晶矽)，而在一些較低階的應用上，如太陽能計算機、太陽能手錶則使用效率較低而且較便宜的非晶矽太陽電池。本系統是以單晶矽太陽能電池做為發電的動力來源。

《圖二 太陽能電池的種類與外觀，由左到右分別為單晶矽太陽電池 多晶矽太陽電池 非晶矽太陽電池》

二、太陽光源追蹤控制

本作品的創意構想是直接以太陽能板當作光源感測元件，將其中五片的太陽能板鋪設成半立體蜂巢狀，其中最上面的感測太陽能板與主要太陽能發電板放置於同一水平面，作為X 軸追日與Y 軸追日的感測元件，以實際讀取每片感測用太陽能板所輸出之電壓電流值，經運算放大器比較電路的特性，判斷出相對應光源較強之方向，再由單晶片來控制馬達轉向，達到雙軸主動追日的功能。此設計不僅可以減少感光元件輸出信號的轉換誤差與系統硬體設計之複雜性，其軟體控制策略也趨於簡單。最後整合此項功能於LED照明路燈上，配上蓄電池，把所吸收的電能儲存在裡面，達到節能減碳的效果

《圖四 軟體控制設計流程圖》