本文架構

本文共有五個章節，各章節之大綱內容概述如下 第一章：說明本論文之研究目的以及相關文獻參考。

第二章：介紹太陽能電池、電路原理、種類、特性及最大功率追蹤技術。

第三章：介紹本文所使用三階層升壓電路控制策略，說明本文提出之電壓平衡控 制。

第四章：介紹本文所使用太陽能供電之直流微電網系統架構，說明工作原理，最 後進行電腦模擬驗證。

第五章：對實際電路做逐一簡介，並將實作量測結果進行討論與分析。

第六章：總結本論文之研究成果以及主要貢獻。

第二章

太陽能電池介紹

2.1 太陽能電池簡介

太陽能電池是一種能量轉換的光電元件，它是經由太陽光照射後，把光的能 量轉換成電能，此種光電元件稱為太陽電池(Solar Cell)。從物理學的角度來看，

有人稱之為光伏電池(Photovoltaic，簡稱 PV)， photo 就是光(light)，而 voltaic 就是伏特(voltage)。太陽能電池的發展最早開始追溯於西元 1839 年法國物理學 家 A.E.Bequerel 發現了當光照射在導電材質時會產生電壓差的光伏特效應 (Photovoltaic Effect)。西元 1849 年「光伏」(photovoltaic)才出現在英語字串，意 指由光產生電動勢，即光產生電壓。西元 1876 年就已經由 W.G.Adams 與 R.E.Day 在硒(Se)的全固態元件中觀察到類似的光電流現象。到了西元 1883 年美國科學 家 Fritts 利用硒半導體研製出第一個太陽能電池，然而轉換效率僅有 1%。西元 1946 年美國科學家 Ohl 發現矽半導體也具有光伏特效應，使得矽(Si)逐漸被廣泛 的使用於太陽能電池材料。到了西元 1950 年，隨著半導體物理特性逐漸瞭解以 及製程技術的進步，西元 1954 年在 Bell 實驗室的科學家研製出光電轉換效率為 6%的單晶矽太陽能電池，而早期的發展希望能夠應用於太空船及人造衛星上，

然而製造太陽能電池價格相當昂貴造成太陽能發展受到限制。雖然太陽能電池價 格昂貴，但對當時太空發展歷史更邁向一大步，功不可沒。到了西元 1970 年的 能源(石油)危機造成全球經濟衰退，使世界各國發展更多能源的重要性以及人們 環保意識的提升，目的希望減少石化能源，開始逐漸往綠能產業開發，造就現今 太陽能、風能、潮汐能、地熱等等再生能源蓬勃發展。

太陽光的能量是取之不盡，用之不竭，從太陽表面所放射的能量換算成電力 約為3.8×10²³kW，而太陽光經過一億五千萬公里的距離穿過大氣到達地球表面 剩下1.8×10¹⁴kW，雖然減少但足以供給地球現今的電力，所以若能廣泛使用龐 大的能源，對目前能源衰竭及地球環保等問題皆順利解決。

現今各國致力於發展太陽能產業，尤其以歐洲國家最為興盛，在 2011 年全

球太陽能發電安裝量達到歷史新高 27.4GW，且於太陽能周邊設備產業鏈 中，目前台灣廠商在此領域活耀成長。

2.2 太陽能電池發電原理

太陽能電池發電原理，利用太陽電池吸收 0.4μm～1.1μm 波長(矽半導體)的 太陽光，將光能直接轉變成電能輸出的一種發電方式。太陽能電池其基本構造是 運用 P 型與 N 型半導體接合而成如圖 2.1 所示。半導體材料為矽，在半導體中摻 入不同的雜質，做成 P 型與 N 型半導體，利用 P 型半導體有個電洞及 N 型半導 體多了一個自由電子的電位差來產生電流。所以當太陽光照射時，光能將矽原子 中的電子激發出來，而產生電子-電洞對，電子和電洞會受到內建電場的影響，

分別被 N 型及 P 型半導體吸引(電洞往電場方向移動，而電子則往相反的方向移 動)，而聚集在兩端。外部負載用電極連接起來，形成電流迴路。

負 載 n型層

p型層 pn接合部

(空乏區) 表面電極

背面電極

電 流 太陽能光

圖 2.1 太陽能電池構造圖

2.3 太陽能電池種類

目前太陽能電池材料種類繁多，依製作材質可分為矽基材料、多化合物及有 機半導體型三種。矽基材質又可以分為結晶矽型與非晶矽型，而結晶矽依據其製 程不同有可分為單晶矽晶、多晶矽晶與多晶矽薄膜，而目前太陽能光電系統應用 最為廣泛;化合物型材質依據其化學性質不同可分為 III-V 族(砷化鎵(GaAs) 、磷 化銦(InP)、磷化鎵銦(InGaP))及 II-VI 族(碲化鎘(CdTe)、硒化銦銅(CuInSe ))，₂ 目前應用於太空及聚光型太陽能光電系統居多;有機半導體型為製程中導入有機 物和奈米科技可分為有機染料型及有機薄膜型，現階段因有機材料較少及成本 高，為屬於研發階段。太陽能電池的分類如圖 2.2 所示。

太陽能電池

晶矽型

多化合物型

有機半導體型

結晶矽

非晶矽

單晶矽晶

多晶矽晶

多晶矽薄膜

III-V族

II-VI族

砷化鎵(GaAs) 磷化銦(InP) 磷化鎵銦(InGaP)

碲化鎘(CdTe) 硒化銦銅(CuInSe2)

有機薄膜型

有機染料型

圖 2.2 太陽能電池分類圖

依據各太陽能電池種類之特性及優缺點，如下說明:

(1) 晶矽型太陽能電池:

單晶矽型太陽能電池-其發電能力及電壓範圍較廣泛，光電轉換效率較高，

較其他晶矽型使用年限較長，年限壽命可達 20 年至 25 年左右。然而其製作時間 較為長且價格昂貴，目前市面產品其轉換效率為 12~20%。。

多晶矽型太陽能電池-其製程技術較簡單及價格較便宜，大幅應用於地面型 光電系統。然而其光電轉換效率較低，目前市面產品其轉換效率為 10~18%。

非晶矽型太陽能電池-其封裝成本可省略使生產成本較低及價格較便宜，且 應用範圍最為廣泛。然而其光電轉換效率為最低的且年限壽命較短，目前市面產 品其轉換效率為 6~9%。。

(2) 多化合物型太陽能電池:

III-V 族太陽能電池-光電轉換效率為目前最高的且抗輻射特性較高的，多泛 應用於太空及聚光型太陽能光電系統居多。然而生產成本高且複雜使價格昂貴，

目前市面產品其轉換效率為 18~30%。。

II-VI 族太陽能電池-大面積薄膜型製程較簡單且可作成多晶矽型薄膜元件。

相對的生產成本高，其化學性質較對環境有汙染影響，目前市面產品其轉換效率 為 10~12%。

(3) 有機半導體型太陽能電池:

有機薄膜型電池及有機染料型電池為目前新材料製程技術較簡易且可大面積化 及高均勻化，但現階段有機材料較少使材料成本高，使產品昂貴。目前有機染料 型電池其轉換效率為 12%，而有機薄膜型電池其轉換效率為 3-5%。

2.4 太陽能電池電路特性

太陽能電池不同於直流電源為固定電壓輸出，其電流-電壓關係輸出特性為 非線性。太陽能電池其等效電路[1]如圖 2.3 所示，太陽能電池輸出之電流電壓關 係如式(2.1)所示。

Isc Id R_sh V

RS

L O A D Sunlight

I

圖 2.3 太陽能電池等效電路

sh S k

S s

sc R

I R V nkT

I R V I q

I

I − + ×



 



 + × −

−

= ( )) 1

exp( (2.1)

式(2.1)其中參數定義為 I :太陽能電池輸出電流

I :太陽能電池最大光電轉換電流(短路電流) sc

I :二極體逆向飽和電流 s

I :二極體電流 d

V :太陽能電池輸出電壓 n :介電常數(通常為 1~2)

k:波茲曼常數(1.3806505×10⁻²³JK⁻¹) T :太陽能電池表面溫度(絕對溫度k ^°K) q:電子電荷量(1.6×10⁻¹⁹C)

R :太陽能電池等效串聯電阻 S

R :太陽能電池等效並聯電阻 sh

[

^{( )}

]



 



 + −

=

sc mpp sc

I K

I K K I

1 1 3

) 1

ln ( (2.9)

1 ) ln(

1 1

4 K

K = +K (2.10)

) ln(

) ln(

4 3

oc mpp

V V

K K

m= (2.11)

式(2.6)至(2.10)其中參數定義[13]為 V :太陽能電池開路電壓 oc

Impp:太陽能電池最大功率點電壓 Vmpp:太陽能電池最大功率點電流

由式(2.6)至(2.11)中可以觀察出太陽能電池輸出電壓、電流與最大功率點之 電壓、電流關係式。從式(2.5)中可以得知，不同的日照量強度或溫度條件下可以 得到不同的輸出電壓與電流曲線。表 2.1 為 PSIM 模擬之太陽能電池在表面溫度 為25^°C及日照量強度為1000W /m²單模組之參數值，而不同日照量強度與不同 溫度下的太陽能電池特性曲線，如圖 2.5 與圖 2.6 所示。從圖 2.5 可觀察出，當 日照量強度逐漸提高時，使太陽能電池所輸出之功率隨之增加；相反地，太陽能 電池所輸出之功率隨之減少。從圖 2.6 可觀察出，當表面溫度逐漸上升時，使太 陽能電池所輸出之功率隨之減少; 相反地，太陽能電池所輸出之功率隨之增加。

從輸出電流-電壓曲線及功率-電壓曲線可以得知功率與日照量強度為成正比，而 表面溫度為成反比。

0 5 10 15 20 25 / 2

1000W m

/ 2

800W m

/ 2

600W m

/ 2

400W m

/ 2

200W m / 2

100W m Voltage(V)

Current(A)

0.5 1 1.5

2 2.5

3 3.5

4 4.5

5

(a)

0 5 10 15 20 25

Voltage(V)

/ 2

1000W m

/ 2

800W m

/ 2

600W m

/ 2

400W m

/ 2

200W m / 2

100W m 8

16 24 32 40 48 56 64 72 80

Power(P)

(b)

圖 2.5 不同日照量強度下之太陽能電池特性曲線(表面溫度25^°C) (a)I-V 曲線(b)P-V 曲線

°C

表 2.1 太陽能電池單顆模組參數

太陽能電池最大功率P_mpp 71.7W

太陽能電池最大功率點電壓V_mpp 17.1V

太陽能電池最大功率點電流I_mpp 4.19A

太陽能電池開路電壓V _oc 21.2V

太陽能電池短路電流I _sc 4.5A

太陽能電池溫度 C^° 25^°C

太陽能電池日照量強度S 1000W /m²

2.5 太陽能最大功率追蹤技術

從圖 2.5(a),(b)及圖 2.6(a),(b)中可得知太陽能電池的輸出功率受限於表面溫 度、日照量強度、元件老化及光電材料等影響，且在太陽能電池特性上因電流(I)-電壓(V)為非線性關係，使得功率(P)-電壓(V)曲線上存在於最大功率點。為了使 太陽能電池發揮最大效能，因此必須控制太陽能電力端功率輸出。為了讓太陽能 電池可在不同工作環境下維持最大功率輸出下，許多文獻[1]-[21]提出多樣性的 最大功率追蹤控制技術(Maximum Power Point Tracking，MPPT)，不同所提出的 方法其複雜及效能程度各有差異，因此最大功率追蹤技術在太陽能電池發展中為 不可或缺的角色。以下本文介紹較為常見最大功率追蹤技術:擾動觀察法、增量 電導法、開路電壓法、短路電流法、實際量測法、直線近似法、模糊控制法、類 神經網路法。

2.5.1 擾動觀察法

擾動觀察法(Perturb & Observe Algorithm , P&O )[1]為目前大多數人應用最 大功率追蹤技術的方法之ㄧ，此方法藉由控制命令 (責任週期、電壓命令或電流 命令)進行擾動觀察回授之電壓、電流值，運算得知當前功率與前一刻功率進行 比較，判斷功率擾動值為正或為負時，決定控制命令的擾動量的增減，來達到追 蹤至最大功率點。從圖 2.5 可得知是依擾動電壓觀察功率增減的趨勢，當

0 /dV >

dP ， 可知在最大功率點(MPP)之左邊範圍; dP/dV <0，可知在最大功 率點(MPP)之右邊範圍; 若dP/dV =0， 可知位於在最大功率點(MPP)。使用較 小的擾動量則追蹤到最大功率點的時間較長，但相對在最大功率點附近的擾動相 對較小且較準確；使用較大的擾動量可加快速度追尋最大功率點，但也會造成系 統在最大功率點附近劇烈振盪，所以參數擾動量必須考慮之。圖 2.7 所示為擾動

dP ， 可知在最大功率點(MPP)之左邊範圍; dP/dV <0，可知在最大功 率點(MPP)之右邊範圍; 若dP/dV =0， 可知位於在最大功率點(MPP)。使用較 小的擾動量則追蹤到最大功率點的時間較長，但相對在最大功率點附近的擾動相 對較小且較準確；使用較大的擾動量可加快速度追尋最大功率點，但也會造成系 統在最大功率點附近劇烈振盪，所以參數擾動量必須考慮之。圖 2.7 所示為擾動

在文檔中 以三階層升壓電路實現太陽能供電之獨立直流微電網系統 (頁 14-0)