太陽能電池及最大功率追蹤法

2.1 前言

在各種傳統能源逐漸枯竭的今日，發展新興的替代能源已是須臾不可緩的事 了，太陽能具有低污染及運作成本低的優點，因此很快地便成為日本與歐洲工業 界所青睞的新興能源。然而太陽能電池的成本高、效率低卻成為它發展的重大瓶 頸，因此如何在單位面積之內使太陽能電池發揮最大的發電量便成為太陽能發電 工業的一大研究重點。在本研究中謹提出一新型、簡單的最大功率追蹤法來改善 傳統擾動觀察法無法精確地工作在最大功率點上的缺點。

2.2 太陽能電池

本節先將太陽能電池的基本原理、構造及電氣特性做一簡單的介紹，作為後 續發展之基礎。

2.2.1 太陽能電池的基本原理與構造

太陽能電池的基本特性和二極體類似，可用簡單的 pn 接面二極體來說明，圖 2.1 為一理想的 pn 接面二極體電流－電壓特性圖，其所對應的方程式如下所示：

⎥⎦

⎢ ⎤

⎣

⎡ ⎟⎟−

⎠

⎜⎜ ⎞

⎝

= exp⎛ 1

kT I qV

I

_{pn o} ^pn (2.1)

其中，

, ：pn 接面二極體之電流及電壓

I

pn

V

_pn

k ：波茲曼常數 ( Boltzmann constant， 8 63 10. × ⁻⁵

eV

/

K )

q ：電子電荷量 (1.602×10⁻¹⁹庫侖)

T ：絕對溫度（凱氏溫度＝華氏溫度＋273 度）

太陽能電池將光能轉換為電能是依賴自然光中的量子--光子 ( photons )，而每 個光子所攜帶的能量為

E

_ph：

λ ^hc λ

E

_ph( )= (2.2)

其中，

h ：普郎克常數 ( Planck constant， 414 10. × ⁻¹⁵

eV S )

⋅ c ：光速

λ ：光子波長

圖 2.1 pn 接面二極體電流─電壓特性圖

但並非所有光子都能順利地藉由太陽能電池將光能轉為電能，因為在不同光 譜中光子所攜帶的能量不一樣，就如同 pn 接面二極體當外加能量大於能隙( band gap ) 時電子由價電帶 ( Valence band ) 躍遷至導電帶 ( conduction band ) 而產生 電流，所以當光子所攜帶的能量若大於能隙便可以藉由光電池轉為電能 ( 圖 2.2 )，若光子所攜帶的能量小於能隙時，對太陽能電池而言並沒有什麼作用。在 太陽光照射太陽電池而產生電子-電洞對的同時也有部份的能量以熱能的形式散 逸而不能被有效的利用。

太陽能電池的種類可分為堆積型 ( bulk type ) 太陽能電池和薄膜型 ( thin film type ) 太陽能電池兩類。堆積型太陽能電池又可分為：

• 單結晶矽太陽能電池。

• 多結晶矽太陽能電池。

• III-V 族化合物半導體太陽能電池。

薄膜型太陽能電池又可分為：

• 非晶矽（amorphous Si）薄膜型太陽能電池。

• 硒化銅銦（CuInSe₂）薄膜型太陽能電池。

• 鍗化鎘（CdTe）薄膜型太陽能電池。

E_g 熱

熱

導 電 帶 Conductuion

band

價 電 帶 Valence

band

光 照 射 電 子

圖 2.2 太陽光照射太陽能電池而產生電子─電洞對圖

就堆積型太陽能電池而言，單結晶矽太陽能電池模組化後效率已高達 14%以 上，目前單結晶矽太陽能電池的開發是朝著低成本和效率的再提高兩方面著手。

單結晶矽太陽能電池現階段的發展是以鑄造矽 ( cast Si ) 為主要材料，而鑄造矽 太陽能電池 的單元 ( cell ) 轉換效率已高達 17.2%，同時也邁入量產期。目 前世界上效率最高的單結晶矽太陽能電池是由澳洲的 Mr. Green 所發展出來的，

此種結構的單結晶矽太陽能電池其面積 可得到轉換效率高達 23.4%。而多結 晶矽太陽能電池上在工業運用上目前已達到 的單元轉換效率為 15.8%

( Sharp 公 司 ) ， 在 實 驗 室 中 也 能 作 到 面 積 的 單 元 轉 換 效 率 為 17.8%

( UNSW )，多結晶矽太陽能電池在商業運用上約為 12-14% [11,12]。故由效率和 模組化的觀點，我們不難發現為什麼目前單結晶矽太陽能電池較多結晶矽太陽能 電池常被採用的原因。

10cm2

4cm2

100cm2

4cm2

另一種堆積型太陽能電池，III-V 族化合物半導體太陽能電池，此種太陽能電

池也可以得到 30-40%的超高效率，這種太陽能電池的第二代其較小面積，但擁有 超高效率的特性已在實驗室獲得證實，如磷化鎵銦 ( GaInP ) /砷化鎵 ( GaAs ) 已 可得到接近 30%的高轉換效率，我們知道使用聚光的方法可使太陽能電池轉換的 效率再向上提升，如砷化鎵 ( GaAs ) /錫化鎵 ( GaSn )疊層太陽能電池在聚光下轉 換效率可高達 35.8%，這也是目前世界上所得到最高轉換效率的太陽能電池 [11]。

薄膜型太陽能電池由於使用較少的材料，在每一模組的成本比起堆積型太陽 能電池有明顯的降低，在製造程序上所須的能量也較堆積型太陽能電池來的小，

它同時也擁有整合型連接模組，如此便省下了獨立模組所須在固定和內部連接的 成本，而未來薄膜型太陽能電池將可能取代現今一般矽太陽能電池成為市場的主 流。

非晶矽 ( amorphous Si ) 薄膜型太陽能電池其結構不同於一般矽太陽能電 池，如圖 2.3 所示，

玻璃基座(Glass substrate)

純質(intrinsic) 純質(intrinsic)

金屬接觸(back contact) 透明傳導膜

p⁺ p⁺

n

n

圖 2.3 非晶矽薄膜型太陽電池之結構圖

非晶矽薄膜型太陽能電池主要可分為三層，上層為非常薄 ( 約 0.008 微米 ) 且具有高摻雜濃度的

P ，中間一層則是較厚的 ( 0.5-1 微米 ) 的純質層 ( Intrinsic

⁺ layer )

，

但純質層一般通常不會是完全的純質 ( intrinsic )

，

而是摻雜濃度較低的 n 型材料，最下面一層則是較薄的 ( 0.02 微米 ) n，這種

p

⁺ − − n

i

的結構較傳統

p

− 結構有較大的電場，在效率及性能上也有相當大的改善。在

n

上一層薄的 氧化物膜為透明導電膜 TCO ( transparent conducting oxide )，它是為防止太陽光反

P

⁺

射以有效吸收陽光，通常是使用二氧化矽 (

SnO

₂ )。

CuInSe₂ CuInSe₂

2.2.2 太陽能電池的電氣特性

太陽能電池的等效電路可用圖 2.4 來近似，電路中包含有等效線路串聯電阻

（series resistance）、與日照量有關的電流源及二極體，由圖 2.4 中可看出電流源 所產生的電流有一部份會在太陽能電池中的二極體消耗掉，因此太陽能電池端電

exp

mkT

R

I

_l；當處於開路情況時 （ =0），光照下所產生的電流完全流經二極體，此時 開路電壓

I

_PV

V

_oc為

⎟⎟ ⎠

⎜⎜ ⎞

⎝

⎛ +

= ln 1

PVo

oc I

I q

V mkT ^l (2.4)

I_PV

V_PV

Il I_D

V_l

R

s

I_PV

V_PV

Il I_D

V_l

R

s

圖 2.4 太陽能電池等效電路圖

利用式（2.3）可畫出太陽能電池的

I

_pv −

V

_pv特性曲線如圖 2.5 所示，而在特 性曲線中所能畫出的最大矩形面積則是 與 的最大乘積值稱為最大功率點

，如何使太陽能電池工作在此點便是我們所要研究和實作的目標。

I

pv

V

_pv

P

max

圖 2.5 太陽能電池I_pv−V_pv特性曲線和最大功率點圖

本研究所使用的太陽能電池板為 SOLAREX 公司所生產的 MSX-60 太陽能電 池，其規格如下 [16,17]：

短路電流 (

I

_sc )：3.8 A 開路電壓 (

V

_oc )：21.1 V 最大功率點電流：3.5 A 最大功率點電壓：17.1 V 最大功率輸出：60-58W

短路電流的溫度係數：-0.38

mA

/^°

C

開路電壓的溫度係數：-73

mV

/^°

C

NOCT ( Normal Operating Cell Temperature )：49 ^°

C

長寬規格為：110.78 cm* 46.68 cm

以上規格及特性的量測均為單一模組輸出端直接測量得到，不包括各裝置如二極 體、電纜線等的影響，在測量環境上採用標準測試條件 ( Standard Test Condition，

STC )，日照量為 1

kw

/

m

² ( 1 sun ) 在 AM1.5 ( air mass 1.5 )，且電池溫度為 25^°

C

時的情況。我們通常定義在一乾淨無污染的環境下，且太陽位於天頂時為 AM 1，

而 AM x 約略近似為1 / cos

θ

_z，其中

θ

_z為日光和天頂所夾的角度，其關係如圖 2.6。

海平面 AM 1

θz

AM 1 / cosθ_z 海平面 AM 1

θz

AM 1 / cosθ_z

圖 2.6 Air Mass 的定義圖

通常一般太陽能電池在使用時，其內部溫度往往遠高於周圍環境溫度，因此 NOCT

( Normal Operating Cell Temperature ) 便成為太陽能電池一個很重要的指標參 數，其標準測試環境條件如下 [11]：

日照量：0.8

kW

/

m

² AM1.5 周圍環境溫度：20^°

C

平均風速：大於 1 m/s

有了 NOCT 這規格參數，便可根據式 (2.6)來決定太陽能電池溫度 ( solar cell temperature，

T

_c )。

NOCT G T

T

_{c a} *

8 . 0

−20

=

− (2.5)

：太陽能電池溫度 ( solar cell temperature )

T

_c

：周圍環境溫度

T

_a

G ：為日照量 (

kW

/

m

² )

以下所有有關太陽能電池電器特性的探討均採用 SOLAREX 公司所生產的 MSX-60 太陽能電池板之規格來作說明。

由式（2.3）和等效電路可知溫度和日照量是影響太陽能電池輸出功率的最重 要的兩個參數，此外，太陽能電池的串聯電阻 所產生的歐姆損失（Ohmic Loss）

亦會對輸出功率產生影響。根據太陽能電池的特性及式（2.3）可知，溫度上升會 使得太陽能電池的開路電壓下降，而本研究所使用之太陽能電池的開路電壓溫度 係數為 ，因此可利用式（2.3）模擬出在各種溫度下的 、

關係曲線圖，如圖 2.7 和圖 2.8 所示。由圖 2.7 中可看到溫度與太陽能電池端電壓 成反比，從圖 2.8 中可知道溫度上升會造成太陽能電池的輸出功率下降。

R

s

C mV

/^o

−73

I

_pv −

V

_pv

P

_pv −

V

_pv

0C 0

oC 25

oC 50

oC 75

圖 2.7 不同溫度下的I_pv−V_pv特性曲線

oC

75

oC

50

oC

25

oC

0

oC

75

oC

50

oC

25

oC

0

圖 2.8 不同溫度下的P_pv−V_pv特性曲線

由太陽能特性及式（2.3）可知日照量會影響太陽能電池輸出的端電流，而日

照量與太陽能電池的短路電流關係如下：

(2.6)

)

/ (

* )

( G I G kW m

²

I

_sc = _sc

：日照量 G 下的短路電流

I

_sc(

G

)

：日照量 1 時的短路電流

I

_sc

kW m /

²

G ：日照量

由式（2.6）可知，若欲求得某日照量下的短路電流 ，只須將當時的日照量 乘上太陽能電池在 1 日照量時的短路電流 即可。利用式（2.3）及式

（2.6），可求出不同日照量對

I

_sc (

G

) /

m

2

kW I

_sc

pv

pv

V

I −

、

P

_pv

− V

_pv特性曲線的影響，如圖 2.9 及 圖 2.10 所示。由圖 2.9 及圖 2.10 中可知日照量下降會使得太陽能電池的端電流下 降，並使得輸出功率也隨之下降。

1

kW /m2

75

2

0

. kW /m

5

2

0

. kW /m

1

kW /m2

75

2

0

. kW /m

5

2

0

. kW /m

圖 2.9 不同日照量下的I_pv−V_pv特性曲線

1

kW /m2

75

2

0

. kW /m

5

2

0

. kW /m

1

kW /m2

75

2

0

. kW /m

5

2

0

. kW /m

圖 2.10 不同日照量下的P_pv−V_pv特性曲線

串聯電阻 是指太陽能電池輸出端到最大功率追蹤器之間線路的等效電 阻，因此串聯電阻值越大則線路上的損失就越大，系統的效率就越低。利用式（2.3）

可求出三種不同串聯電阻下的

R

s

pv

pv

V

I

− 、

P

_pv −

V

_pv特性曲線圖，如圖 2.11 和圖 2.12 所示。由圖 2.11 及圖 2.12 中可知， 對於開路電壓及短路電流沒有影響但卻會 使得太陽能電池的輸出功率下降。

R

s

Ω

s

= 0

R

Ω

= 36 0.

Rs

Ω

= 8 1.

Rs

Ω

s

= 0

R

Ω

= 36 0.

Rs

Ω

= 8 1.

Rs

圖 2.11 不同串聯電阻下的I_pv−V_pv特性曲線圖

Ω

s

= 0

R

Ω

= 36 0.

Rs

Ω

= 8 1.

Rs

Ω

s

= 0

R

Ω

= 36 0.

Rs

Ω

= 8 1.

Rs

圖 2.12 不同串聯電阻下的P_pv−V_pv特性曲線

2.3 最大功率追蹤法

由圖 2.13 可知當太陽能電池工作電壓在最大功率點電壓

V

_max以下時，太陽能

電池的輸出功率隨太陽能電池端電壓 上升而增加，而當太陽能電池工作電壓在 最大功率點電壓 以上時，太陽能電池的輸出功率隨太陽能電池端電壓上升而 減少。根據上述之太陽能電池特性，我們設計一最大功率追蹤器（Maximum Power Point Tracker, MPPT）以電力電子的技術 [17-19]來控制太陽能電池之端電壓 ， 使其能在各種環境條件下皆能輸出最大功率。以下三小節將對本研究所使用之最 大功率追蹤法做一介紹。

V

pv

V

max

V

pv

Pmax

Vmax

Pmax

Vmax

圖 2.13 太陽能電池輸出功率特性曲線圖

2.3.1 擾動觀察法（Perturbation and Observation method）

擾動觀察法的基本原理為，在固定的週期內逐步增加或減少太陽能電池的端

擾動觀察法的基本原理為，在固定的週期內逐步增加或減少太陽能電池的端

在文檔中 再生能源發電系統之研製-子計畫二：具遠端監控與故障偵測功能之太陽光能發電系統之研製(III) (頁 11-33)