太阳能动力机械系统开发制作.docx

太陽能動力機械系統開發製作
許育銘 周怡松 鄧智豪 林勇志 屈書正 胡海平
摘要
本實驗主要是探討如何使用光能轉換成電能進而使機械模組運轉，進一步了解光能的強度與太陽能板所產生電能之效率與光線種類使得機械模組運行的關係，本實驗分兩個部份，第一部份是將太陽能板放置在強度不同的光源(本實驗是調整一般日光檯燈與太陽能板之距離來改變光源強度)底下，觀測太陽能板所產生的電壓值，再將光源強度的數值與太陽能板所產生的電壓繪圖觀察，測太陽能板的光電轉換的效率呈曲型，第二部份是進一步將太能板裝置在機械模組上且不能影響機械模組之運轉，並要使所有太陽能板都找到充足之光源，再將整個模組放置在不同的光源底下觀察他的運轉狀況是否正常，實驗發現動力模組在一般日光燈下無法正常的運行，需再充足的太陽光底下才能正常運行。
一. 緒論
1.1 太陽能原理
太陽能電池的元件是由半導體構成的，其發電的原理是當太陽光照射在太陽能板上，讓半導體吸收0.2~2.4μm波長的太陽光，產生電子和電洞對，此時電子和電洞對會因為p-n接面的電場分離成光電壓，再經由N極電極導線傳輸到負載如圖1。

圖1
1.2 太陽能電池的種類
太陽能電池通常是以矽作為材料，其中又可以分作三種：單結晶矽、多結晶矽以及非結晶矽。
1.2.1 單結晶矽太陽能電池
單晶矽是由多晶矽的在提煉出高純度結晶矽後，在經由加壓而製成的，單晶矽就如同是現在的半導體的長晶程序如圖2，使結晶的方向一致，因此他的光電轉換效率較高，其效率可達11~24%，現在已廣泛應用於太空和陸地上。

圖2
1.2.2 多結晶矽太陽能電池
多晶矽太陽能電池是本身含有雜質，雜質多半聚集在結晶的邊界，使自由電子和電洞移動不易如圖3，因此而造成光電轉換效率降低。
由於單晶矽太陽能電池具有較高的效率，但因價格昂貴，使得在市場上的發展受到阻礙，相反的多晶矽太陽能電池，雖然光電轉換效率沒有單晶矽的太陽能電池高，可是由於它的成本較低和製作程序較為簡單，而讓市場所考量

圖3
1.2.3 非結晶矽太陽能電池
非晶矽太陽能電池的材料是用矽甲烷(SiH4)，製作方式是利用氣體激發解離成薄膜如圖4，矽甲烷最大的優點為吸光和光導的能力較佳，可是電特性類似於絕緣體。
非晶矽太陽能電池的優點是成本比多晶矽的還要便宜，可是它會隨著時間而使光電轉換的效率降低。

圖4
二. 研究方法
2.1 研究設備
l 單晶矽太陽能電池五組
l 日光檯燈
l 三用電錶
l 照度計
l 遙控車
2.2 研究太陽能板
本實驗所使用的太陽能電池為單晶矽太陽能電池。利用日光檯燈來代替太陽光，將照度計放置檯燈下以測量照度，並將太陽能板置於檯燈下接上三用電錶，記錄所量測到的照度與電壓，然後再改變檯燈的高度，量測出各照度下太陽能板所產生的電壓，並將照度與電壓的關係繪製成曲線圖。
2.2 製作太陽能車
先將遙控車的電池拆下用太陽能板代替，設計如何將太陽能板放置在車上，並考慮以何種排列方式以得到充足的照光，將太陽能板串聯後接至電源輸入端，然後將完成的太陽能車放置在太陽光下，觀察太陽能車的活動情形。
三. 結果與討論
3.1太陽能板特性結果
由表1及表2的數據，製作出的數值曲線來看，很明顯的可以看得出來黑色的太陽能板(圖5)在發電的初期，較藍色的太陽能板(圖6)的效率高，較快可以達到趨近平穩的發電電壓，不過最終所測量出來的結果，不管是藍色或黑色的太陽能板，相同的吸收面積下，能產生的最高電壓幾乎一樣是3伏特，在日光燈下與太陽光下的電流安培相差甚多。

藍色太陽能板數據
照度(LUX)
電壓(V)
0
0
1121
1.27
1333
1.52
1674
1.72
1886
1.85
2100
1.97
2540
2.10
2710
2.19
2970
2.32
3650
2.49
4560
2.62
16580
3.02
表1

圖5
黑色太陽能板數據
照度(LUX)
電壓(V)
0
0
1121
1.27
1333
1.52
1674
1.72
1886
1.85
2100
1.97
2540
2.10
2710
2.19
2970
2.32
3650
2.49
4560
2.62
16580
3.02
表2

圖6
3.2 太陽能自走車之製作組裝結果
在測量前先測試若是使用8顆3號電池所需的電壓，提供我們確認所需使用的太陽能板片數，完全不使用輔助電力來源，以確定能完全以太陽光來驅動太陽能自走車，太陽能板最後擺放的結果並非以我們盡量接近水平為前提的目標位置，但是已達到盡量利用到車體上方的空間。
3.3 整車測試結果
測試結果發現了可行性其高，但是，在成功的實驗之下，必須要有幾個絕對的前提條件：
1. 天氣狀況必須“非常”良好。
2. 在仰角60度至90度的太陽光才能較輕易的使太陽能板產生足夠的電流量來驅動太陽能自走車。
3. 太陽能自走車的行駛路線不可經過照射不到太陽光的地方。
在此前提條件之下，其太陽能自走車能夠以正常良好的行駛狀態動作。
四. 結論
太陽能板的電壓與光度關係分成兩階段，第一階段是線性關係，第二階段類似指數的負次方關係。
太陽能板的工作效率與太陽能板的顏色有關係，越深的顏色，某個特定電壓值所需要的光度越小，也就是線性區的斜率越大。
足夠數量的太陽能板在陽光充足之下，串聯能發出穩定之直流電供給車體運作，接上車體以後不需任何改裝，只需要足夠的太陽能板產生足夠的電壓即可，車軸拉長更能穩定負重太陽能板。
五. 參考文獻
1. 蕭德仁(1995) “提升太陽能電池發電效率參數與機構之研究”，正修科技大學機電工程研究所碩士論文。
2. 魏祥輝(1996) “太陽能輔助電動車效益研究”，中華技術學院機電光研究所碩士學位論文。
3. 莊嘉琛(2005) “太陽能工程-太陽能電池篇”，全華科技。
4. 黃明朝，何信賢，蔡宗華，黃意哲，張育誠，王國烈(2005) “太陽能無線遙控車之研製”，太陽能及新能源學刊，第十卷第二期，2頁~24頁
5. 中華太陽能聯誼會http://www.solar-