針對太陽電池模板、太陽電池陣列、昇壓型直流/直流轉換器以及電 壓源型三相換流器建立數學模型，運用此數學模型作為控制架構的 基礎。
第四章 併網型太陽光電能轉換器控制：
利用第三章的數學模型，延伸推導併網型太陽光電能系統之控制架 構，使太陽光電能轉換器在運作時，得以穩定的操作並輸出低諧波 成分的交流電流以併聯市電。
第五章 MATLAB/Simulink 使用 MATLAB/Simulink
的模擬，從太陽電池陣列所發出之電力 併聯市電，
第六章 結論與未來研究方向 綜合以上章節做總結 方向做討論
最後將第二章至第四章所做的說明與分析架構
圖 1
MATLAB/Simulink 模擬分析：
MATLAB/Simulink 模擬軟體，對併網型太陽光電能系統 從太陽電池陣列所發出之電力，聯接太陽光電能轉換器再
，經過一連串的控制架構，分析其輸出波形 結論與未來研究方向：
綜合以上章節做總結，並針對本論文尚未完成以及未來值得研究之 方向做討論。
最後將第二章至第四章所做的說明與分析架構，顯示於圖 1-1。
1-1 第二章至第四章之分析架構圖
併網型太陽光電能系統做各式 聯接太陽光電能轉換器再
波形。
以及未來值得研究之
。
第二章 第二章 第二章
第二章 太陽光電能系統 太陽光電能系統 太陽光電能系統簡介 太陽光電能系統 簡介 簡介 簡介
太陽光電能系統可分為獨立(Stand-alone)型、併聯(Grid-connected)型與混合 (Hybrid)型。
獨立型太陽光電能系統：如圖 2-1(a)所示，獨立型太陽光電能系統僅由太陽電 池提供電力，由於每日的陽光照度及大氣溫度不固定，故其發電量並不穩定，加 上陰雨天與夜間供電不足，故獨立型太陽光電能系統需搭配蓄電池組，在陽光充 足時將其電力儲存，其所發出之電力經最大功率追蹤後，藉由直流/直流轉換器 (DC/DC Converter)，提供能量給直流負載，而交流負載所需的能量，則由直流/交 流換流器(DC/AC Inverter)轉換成定壓定頻的電力提供，獨立型之太陽光電能系統 主要設置在高山、離島或是偏遠地區，其市電不易到達但陽光充足的區域。
併聯型太陽光電能系統：如圖 2-1(b)所示，太陽電池所發出的電力經最大功率 追蹤後，透過直流/直流轉換器與直流/交流換流器，將電力輸送至輸電網路或是配 電網路，此時太陽電池類似一個發電廠，供應負載所需，當太陽電池所發出的電 力不足以提供負載時，則由市電網路提供電力給負載。而當市電網路因故障造成 斷電時，亦需偵測出其故障狀況，使太陽光電能系統與市電網路解聯，以避免孤 島現象(Islanding Phenomenon)的發生。
混合型太陽光電能系統：如圖 2-1(c)所示，混合型太陽光電能系統的電力來源 來自三個部份，太陽電池、市電及蓄電池組，當陽光充足時，太陽電池所發出之 電力提供負載使用，以及對蓄電池充電當作儲備電力(auxiliary power)，剩餘的電 力則輸送至市電中。在陰雨天或是夜間時則使用市電之電力。當市電因故障斷電 時，由蓄電池組提供電力所需，具有獨立型與併聯型之特點。
(a)
(b)
(c)
圖 2-1 太陽光電能系統類型 (a) 獨立型 (b) 併聯型 (c) 混合型
圖 2-2 太陽光電能系統方塊圖
本文所探討之系統為併聯型太陽光電能系統，其詳細的分析可由圖 2-2 說明，
太陽電池陣列(Solar Array或 Photovoltaic Array)受太陽照射時，將光能轉變為電能，
此為電力來源。太陽電池陣列所產生的能量進入昇壓型直流/直流轉換器(Boost DC/DC converter)的過程中，會不斷的計算此時太陽電池陣列輸出的電壓值(Vpv)與 電流值(Ipv)乘積，即輸出功率(Ppv)，並與前一刻的輸出功率值作比較後，改變陣列 輸出電流參考命令值(Iref)，對昇壓型直流/直流轉換器做定電流控制，其轉換器開 關做脈衝寬度調變(Pulse Width Modulation, PWM)調整電感電流，以期在輻射照度
及溫度變化下，太陽電池陣列得以輸出最佳功率。接著能量送入直流/交流換流器，
此時直流/交流換流器將輸出與市電電壓同相之交流電流，將能量送入市電中。
以下針對太陽光電能系統，分為太陽電池、太陽能電力轉換器、孤島現象以 及併網法規四個部分逐一說明，而在本文中其模型的建立及模擬分析主要在前兩 個項目中。
2-1 太陽電池 太陽電池 太陽電池 太陽電池
將太陽光能直接轉換成電能的裝置統稱為太陽電池，其最小單位為太陽能電 池(Solar Cell 或 Photovoltaic Cell)，在此以茂迪公司，IS156 R200 系列的太陽能電 池為例，其產品規格(datasheet)顯示於附錄 A-1，將電池名稱為 IS156-S1 之太陽能 電池相關參數列於表 2-1。
表 2-1 IS156-S1 太陽能電池規格
參數 數值 參數 數值
開路電壓 Vocn 0.622V 短路電流 Iscn 8.35A 最大功率點電壓 Vmp 0.517V 最大功率點電流 Imp 7.57A~7.81A
最大功率輸出 Pmax 4.00W~4.06W 轉換效率η% 16.75%~16.99%
此太陽能電池輸出功率為 4.00W~4.06W、最大功率點電壓為 0.517V、轉換效 率為 16.75%~16.99%，對於大部分的電器用品來說其功率及電壓皆偏低，故使用 上會將數個太陽能電池串聯升高電壓、並聯提高電流，組裝成太陽電池模板(Solar Module、Photovoltaic Module、Solar Panel 或 Photovoltaic Panel)，最後將太陽電池 模板做適度的串並聯，裝置在屋頂上或是空地，便形成太陽電池陣列。其組合之 狀態顯示於圖 2-3。
圖 2-3 由太陽能電池組裝成模板再裝置為陣列 2-1-1 太陽能電池發電原理太陽能電池發電原理太陽能電池發電原理太陽能電池發電原理
圖 2-4 太陽能電池工作原理圖
太陽能電池是由半導體的製程方式製作而成的，其工作原理則是利用光伏效 應(Photovoltaic effect)來達到發電功效。所謂的光伏效應是指光子射到 p-n 二極體 後，p-n 二極體的兩端電極產生可輸出功率的電位差。其過程包括光子射到半導體 內產生電子電洞對(Electron Hole Pairs)，電子與電洞因半導體 p-n 接面形成的內建 電場作用而分離，電子與電洞往相反的方向各自傳輸至兩端電極，p-n 接面區的空 間電荷區的內建電場之功用，即是使入射光子被吸收所產生的電子電洞對在復合 (recombination)前被分開，進而產生光電流。光電流再經由 p-n 二極體兩端之電極，
連接導線形成迴路而傳輸至負載[15]，其過程如圖 2-4 所示。
2-1-2 太陽電池的量測太陽電池的量測太陽電池的量測太陽電池的量測
太陽電池的發電效率與電池工作溫度(operating cell temperature，單位：°C 或
°K)與輻射照度(irradiance，單位：W/m2)有關。頻譜強度(spectrum irradiance，單位：
W/m2nm)定義為每單位面積每單位波長的光照的功率(W/m2nm)，頻譜強度與量測 位置以及太陽相對於地表的角度有關。而輻射照度則是頻譜照度中所有波長之總 和。對於太陽能電池所在的位置及角度而言，則會利用空氣質量(air mass, AM)來 表示。
空氣質量意指太陽與水平面之間，那些會影響太陽光頻譜分佈及輻射照度的 空氣質量，而 AM x 的值則表示太陽光穿透大氣層厚度的比例，即太陽光穿過大氣 層的路徑長度，並以標準大氣壓(1013.23 百帕)與氣溫 0℃時，海平面上太陽光正射 的路徑為 1，如圖 2-5 所示，而公式則表示於式(2-1)，其中 為天頂角。
圖 2-5 太陽位置與空氣質量之定義圖 sec 1
z cos
z
x θ
= = θ
(2-1) AM 0 表示在外太空，太陽光正射的情況下，其輻射照度約為 1353W/m2，約 等同於溫度 5800°K 的黑體輻射(black body radiation)產生之光源。AM 1 表示在地 面上，太陽光正射的情況下，其輻射照度約為 925W/m2。AM 1.5 則表示在地面上，
其輻射照度約為 844W/m2，此時太陽光穿透大氣層的厚度為垂直厚度的 1.5 倍 (sec48.19°=1.5)。太陽光原來是連續的光譜(近似溫度 5800°K 的輻射體光譜)，進入 大氣層後由於空氣中氣體分子的影響，故光譜分佈的狀況會改變，圖 2-3 顯示部分 光譜受到 O3、O2、H2O、CO2…等氣體分子吸收的狀況，故輻射照度會偏低。目前
地球
大氣層
=48.19 θz ° z=60
θ ° AM 2.0
AM 1.5
AM 0 AM 1.0
θz
地面用太陽能電池的量測標準使用 AM 1.5 G，G 表示 global 因為在地表的太陽光 包含了直射光(direct light)以及散射光(diffused light)；而 AM 1.5 D，D 表示 direct 僅有地表的太陽光的直射光(direct light)，因此 AM 1.5 G 與 AM 1.5 D，在頻譜強 度上會有些差異，其兩者間之差異亦顯示於圖 2-6 中。
圖 2-6 AM 0、AM 1.5 G 與 AM 1.5 D 在各波長之頻譜強度分佈圖
太陽電池主要是由半導體所構成，由光能產生電能的原理即是利用半導體的 特性，故太陽電池輸出能量的多寡，主要受到輻射照度與溫度的影響。太陽電池 在進行光電特性的量測時，必須符合國際規範，一般來說太陽電池皆以陸地上的 應用為主，所以光源規範都依據 IEC-60904-9 或 ASTM927-05，而測試則採用 IEC-60904-1 的規範，或稱標準測試環境(Standard Test Conditions, STC)，其條件為：
測試溫度：25℃
輻射照度：1000W/m2
空氣質量：AM1.5G
但此實驗室測試之數據，較不切合實際。為了得到符合戶外使用時的狀態，
一般會提供額定工作電池溫度(Nominal Operating Cell Temperature, NOCT)的量測 數據，此時電池工作溫度為 45±2℃，輻射照度為 800W/m2而空氣質量為 AM1.5G，
雖說因電池工作溫度升高及輻射照度降低，造成太陽能電池的輸出功率下降，但 此數據卻更符合電池實際發電時之狀況。
0.00 0.50 1.00 1.50 2.00
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
波長(nm)
頻譜強度(W/m^2 nm)
AM0 AM1.5 Global AM1.5 Direct
H2O
H2O、CO2 H2O O2、H2O
O3
O3
對太陽電池模板進行量測時，無論以太陽光或是陽光模擬器所進行之電壓電 (monocrystalline silicon)、多晶矽(polycrystalline silicon) 與非晶矽(amorphous silicon) 這三大類；此外太陽能電池亦有化合物半導體，包含二元素與三元素；以及近年
GaAs、CdTe(晶圓型) 18~30%
CdS、CdTe(薄膜型) 7~10%
三元素 CuInSe2(薄膜型) 20~40%
有機薄膜太陽能電池 1~5%
2-2 太陽能電力轉換器 太陽能電力轉換器 太陽能電力轉換器 太陽能電力轉換器
如圖 2-2 中的虛線所示，太陽能電力轉換器由昇壓型直流/直流轉換器及直流/
交流換流器所組成，因輻射照度及溫度的影響，太陽電池陣列呈現不穩定的直流 電源輸出，故太陽能電力轉換器的功能是將其不穩定的直流電源經昇壓型直流/直 流轉換器昇壓穩壓後，再轉換成低諧波成份的 60Hz 交流電流以併聯市電[16]。
另一方面，太陽能電力轉換器亦需包含最大功率追蹤的功能，使得太陽電池 陣列的輸出電力得以隨著射照度及溫度，調整其輸出電壓與電流，以達到最佳發 電效率。
在控制架構的使用上，一般昇壓型直流/直流轉換器會使用定電流控制，其電 流參考命令值即為最大功率追蹤控制器輸出之電流參考命令值。而三相直流/交流 換流器可使用電流控制法中的定頻電流控制或交直軸控制，換流器的控制需穩定
在控制架構的使用上，一般昇壓型直流/直流轉換器會使用定電流控制，其電 流參考命令值即為最大功率追蹤控制器輸出之電流參考命令值。而三相直流/交流 換流器可使用電流控制法中的定頻電流控制或交直軸控制，換流器的控制需穩定