前言

隨著科技的發展，能源議題越來越受到重視，石油等化石能源的過度使用，

使得油價逐年攀漲，2014年國際油價最高已來到每桶110美金，其影響不僅僅是 反映在油價上，燃燒化石能源所產生的溫室氣體，更是對全球氣候造成無以復加 的影響。2010年在北歐丹麥所舉行的全球氣候變遷會議中，為了讓地球氣溫增加 的幅度控制在2°C以內[1]，各國政府達成共識，在2020年全球所產生的碳排放量，

要下降到1990年的狀態，以減緩地球暖化速度。

在不考慮核廢料的前提下，發電效益最高的不外乎是核能發電，核能屬於低 碳能源的一種[2]，與風力和太陽能等再生能源一樣，在發電過程中不會排放CO2， 此外核能發電在2013年佔全台總發電量的18.8%，近十年來更是每年提供近400 億度的發電量。有得必有失，核廢料輻射汙染問題，使得核能的使用存在著許多 爭議。而在2011年3月11日，日本發生了芮氏規模9.0的超級大地震，地震引發的 海嘯，造成了福島核電廠的輻射外洩，核能安全問題再度成為全球的焦點。「福 島核災」再次喚醒世人，了解再生能源的重要性。再生能源無疑是人類能否永續 發展的關鍵所在，更是未來發展必須依賴的主要能源。

圖 1.1. 1 102 年各項發電比例

圖 1.1. 2 近 10 年核能發電量

我國屬於海島型國家，土地面積狹小與密集的工業發展，能源消耗量龐大， 用政府補助，要有兩個條件:系統安裝成本小於每千瓦(kW)台幣 90,000 元(3,000 美元)，以及石油漲價到每桶超過 120 美元或電價超過每度(kWh)台幣 4 元。2005

具備經濟效益，因此，以太陽光電取代核電出現一道曙光。

獨立型太陽能發電系統常應用於太陽能 LED 路燈或偏遠地區用電等，主要 硬體包含有太陽能板、蓄電池、充放電控制器與負載。在設計太陽能系統時需 考慮許多事項，諸如負載多寡、太陽能板的發電量、天氣條件以及蓄電池的續 航力等等，隨不同的系統設計和控制，太陽能發電系統的使用效率有很大的差 異，一般太陽能板的使用壽命約 20 年，但所搭配的蓄電池如鉛酸電池，其平均 壽命約 2~3 年，此差異無疑地增加了太陽能發電系統的成本，如何增加蓄電池 的續航力與可靠度，是重要的課題。

圖 1.1. 3 太陽光發電系統

一般市面上的太陽能充電控制器為了發揮太陽能板最大的發電功率，皆會 加入最大功率點追蹤(Maximum power point tracking, MPPT)控制器，此 MPPT 控制器在操作時會有能量損耗，目前最佳的 MPPT 控制器轉換效率約為 95%，

但你在全載運轉時才會發生，在實際使用時太陽輻射瞬息萬變，MPPT 控制器 無法任何時刻都在全載運轉，故實際上其轉換效率可能低於 95%且加入了 MPPT 控制器不僅增加發電成本，也降低了系統的可靠度。台大孫輔笙[3]利用

太陽能板的電壓-電流操作特性曲線，如圖 1.1. 4，和鉛酸電池操作電壓進行匹 配，發展了「近最大功率點操作(Maximum Power Point Operation, nMPPO)」設 計，並由實驗結果得知在良好的匹配下其操作可達到理想最大功率點追蹤率發 (Phase1、Phase2 和 Phase3) ，如圖 1.1. 5，一般蓄電池都會有規定的充電電壓，

當鉛酸電池在大於此電壓操作時，會造成蓄電池在充電過程中產生損壞，嚴重 可能導致蓄電池爆炸的危險，如使用鋰電池必須更加注意。有鑑於此，一般傳 統的控制器當蓄電池電壓到達規定電壓上限後會關閉充電，但此時蓄電池之充 電量狀況(State of Charge, SOC)可能只到達 90%以下，並未充飽。而三段式充電

在電池達到規定電壓點時，將利用脈波寬度調變(Pulse Width Modulation, PWM) 與回授控制來限制蓄電池的充電電壓，使電池在規定之安全的操電壓下繼續充 電。由實驗的結果得知，三段式充電較傳統的充電發式增加約 18%的充電量，

故在不影響電池壽命的操作下讓整體系統有更高的使用效率[5]。

圖 1.1. 5 三段式充電

由於蓄電池占整套太陽能發電系統的成本很高的比重，加上鉛酸電池的循環 次數少，為了改善蓄電池的循環次數，未來改採用有較大能量密度和功率密度，

在相同放電深度下，擁有較多循環次數的鋰電池來做為系統的蓄電池。

鋰電池的特性

1970 年代由 M.S.Whittingham[6]採用硫化鈦為正極材料，金屬鋰作為負極 材料，製成第一個鋰電池。1982 年 R.R.Agarwal 和 J.R.Selman 發現鋰離子具有 嵌入石墨的特性，過程快速，並且可逆，而且比原先安全。1983 年 M.Thackeray 和 J.Goodenough 等人發現錳尖晶石是優良的正極材料，具有低價、穩定和優良 的導電、導鋰性能。其分解溫度高，且氧化性遠低於鈷酸鋰，即使出現短路、

過充電，也能夠避免了燃燒、爆炸的危險。直到 1991 年才開始有公司推出商用

鋰電池等產品。到了 1996 年 Padhi 和 Goodenough 發現具有橄欖石架構的磷酸 Management System)

電池管理系統

電池管理系統(Battery Management System，簡稱 BMS)[7]，是電池與用戶 間的樞紐，其主要目的是為了防止電池出現過充電和過放電、延長電池使用壽

鋰電池的 BMS 影響太陽能系統充放電性能，其中電芯均衡控制(balance) 更與蓄電池壽命息息相關，此為本研究探討主題之一。

另外，採鋰電池的獨立型太陽能光電系統，因 BMS 隨時耗電，長久使用 後可能使鋰電池放光，並啟動 BMS 保護而斷電，導致太陽能系統因缺電而無 法運轉。本研究擬研發一個喚醒控制電路，藉由太陽光電板的供電來自動喚醒 太陽光電系統繼續操作。