光感測器追日控制器應用於太陽能聚光照明系統開發

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研究生：	陳柏豪 Bo-Hao Chen
論文名稱：	光感測器追日控制器應用於太陽能聚光照明系統開發 Light sensor tracking controller applied to the development of solar concentrator lighting systems.
指導教授：	董必正 Pi-Cheng Tung
口試委員:
學位類別：	碩士 Master
系所名稱：	工學院 - 機械工程學系 Department of Mechanical Engineering
論文出版年：	2025
畢業學年度：	113
語文別：	中文
論文頁數：	77
中文關鍵詞：	高聚光型太陽能照明系統、雙軸追蹤器、追日控制器
外文關鍵詞：	Highly concentrated solar lighting system, dual-axis tracker, sun tracking controller
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高聚光型太陽光導照明系統為目前極具潛力的自然採光技術，透過聚光模組將大面積的日照集中，並導入光纖系統以供室內照明使用，能有效提升光導效率並減少對人工照明的依賴。然而，聚光型光導系統對太陽入射光的角度極為敏感，當入射角產生偏差時，將嚴重影響聚光效率與導光表現。
為提升聚光導光效能並降低入射角偏差，本研究採用太陽軌跡追蹤法結合擾動法，控制雙軸追日系統以精確對準太陽位置，並透過光感測器即時回饋偏差訊號。實驗結果驗證，所提出之追日方法可有效提升追日精度，穩定維持聚光在最佳入射角度，進而增進光纖照明效能與日光利用率。

The high-concentration solar light-guiding system is a highly promising natural lighting technology. By utilizing a concentrator module to gather a large area of sunlight and channel it through an optical fiber system for indoor illumination, this approach effectively enhances light-guiding efficiency and reduces reliance on artificial lighting. However, such systems are highly sensitive to the incident angle of sunlight; even slight deviations can significantly degrade both concentration efficiency and light transmission performance.
To improve the effectiveness of light concentration and minimize incident angle deviation, this study adopts a dual-axis solar tracking system that integrates solar trajectory prediction with a perturbation-based correction method. The system uses solar position algorithms to estimate the sun’s path and employs light sensors to provide real-time feedback for fine adjustments. Experimental results demonstrate that the proposed tracking method significantly enhances tracking accuracy, maintains optimal incident angles for concentration, and thereby improves the overall performance and utilization efficiency of fiber-optic daylighting.

摘要    i
ABSTRACT    ii
致謝    iii
圖目錄    vii
表目錄    viii
符號說明    ix
第一章、緒論    1
1-1研究背景    1
1-2研究目的與動機    1
1-3 研究方法    2
1-4 文獻回顧    3
1-5 文章架構    6
第二章、太陽能追日照明系統    8
2-1 透鏡聚焦原理    8
2-2 光纖傳輸原理    9
2-3 追日軌跡公式    10
2-3-1計算儒略日（𝐽𝐷）    10
2-3-2計算太陽的平均黃經與均近點角    11
2-3-3計算太陽赤經 (α) 與赤緯 (δ)    13
2-3-4計算當地恆星時與座標轉換    14
2-4 追蹤控制方法    16
第三章、光感測器追日控制器    20
3-1 太陽能追蹤器機構介紹    20
3-2 控制器介紹    21
3-2-1 數位控制處理器 Arduino Nano    21
3-2-2 精定位光感測元件與環境光感測元件    22
3-2-3 馬達驅動與減速機構    25
3-2-4聚光效果量測感測器    30
3-2-5時間模組    31
3-2-6繼電器    33
3-2-7光限位開關    34
3-3 追日控制器之設計    35
3-3-1 控制器之電路板Layout    35
3-3-2 控制器之控制箱配置    36
第四章、馬達控制系統與控制策略演算法設計    39
4-1 馬達控制系統    39
4-2控制器之控制策略及演算法    41
4-2-1 光感測單軸追蹤之策略與演算流程    41
4-2-2 控制器主程式架構    43
第五章、實驗與討論    47
5-1 實驗環境與機構架設    47
5-2 實驗結果分析    49
5-2-1準直管材質追日表現比較    50
5-2-2準直管開口大小比較    56
第六章、結論與未來展望    61
6-1 結論    61
6-2 未來展望    62
參考文獻    65

                                

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