軟體架構

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圖 4.5 最大功率追蹤主流程圖

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圖 4.6a 工作週期上限副程式

圖 4.6b 工作週期下限副程式

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第五章 實測結果

本實驗實測最大功率追蹤器在單一太陽能電池於理想狀況下以及兩片太陽能電 池串聯於部分遮蔽情況下，追蹤當時的太陽能最大功率。實驗所使用之太陽能電池 模組，在 25 ^oC 的溫度以及 120K LUX 的日照強度下，最大輸出功率為 23.06W，最大 開路電壓為 11.01V，相關參數如表 5.1 所列。進行實驗之模擬光源使用鹵素燈燈具 進行實驗，其相關參數如表 5.2 所列。首先以調整可變電阻來與太陽能電池內阻互 相匹配得到其最大功率，其實驗所得數據如附錄 III 所示。接下來再以實驗室原型 機來進行實測，並且展示所完成的太陽能最大功率追蹤器，以及其所得到的實驗結 果。

表 5.1 太陽能電池規格(120K LUX，25^oC)

模組編號 SM-25

材質 單晶矽

最大功率(Pmax) 23.06W

開路電壓(Voc) 11.01V

短路電流(Isc) 3.271A

最大功率點電壓(Vpmax) 8.292V 最大功率點電流(Ipmax) 2.781A

表 5.2 模擬光源規格圖

型號 HJW-1003A

額定電壓 110/220V

消耗電力 1000W

使用燈泡 J110/120V 1000W

適合廠所 屋外用

將附錄 III 繪圖之後，得到如圖 5.1 所示之功率對電壓曲線圖，由圖 5.1 中可 以發現照度低的時候，其曲線之最大功率點較不明顯， 曲線弧度平緩；照度提高時，

其最大功率點就變的相當明顯。圖 5.2 為由附錄 III 所繪製的太陽能電池之電流對 電壓曲線圖，當太陽能電池處於高照度的時候，其曲線經過轉折點之後較為陡峭，

輸出功率也隨之降低；當處於低照度情況下，其曲線轉折點較不明顯，使得輸出功 率降低較緩和。高照度下之最大功率點明顯可見，低照度下之最大功率點不明顯。

功率對電壓曲線圖

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 電壓

功率

16500Lux 22500Lux 50000Lux 80000Lux

圖 5.1 太陽能電池功率對電壓曲線圖

電流對電壓曲線圖

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5

0 2 4 6 8 10 12 輸出電壓(V)

輸出電流(A)

16500Lux 22500Lux 50000Lux 80000Lux

圖 5.2 太陽電池電流對電壓曲線圖

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接下來使用所設計的太陽能最大功率追蹤器進行實驗，相同條件下測試，其結 果可以繪成圖 5.3 所示之最大功率轉換器的工作週期與輸出功率關係圖，由於最大 功率追蹤器之工作週期的上限與下限分別設定為 80%與 30%，所以在此範圍中進行追 蹤。可以看出其最大功率會依照度不同而落在不同的工作週期上，低照度情況下之 最大功率落在工作週期為 40%到 50%附近，當位於高照度的情況下時，其最大功率點 約落在工作週期為 60%到 70%附近。而其輸入阻抗與工作週期的關係可繪成如圖 5.4 所示。在圖 5.4 中，A 點代表當照度為 80000LUX 的情形下，直流轉換器與太陽能電 池內阻匹配時的工作週期，B 點、C 點及 D 點依序是 50000LUX、22500LUX 及 16500LUX 的情形。可以發現照度越高，因為太陽能電池之內阻越小，所以直流轉換器必須降 低其輸入電阻，來匹配太陽能電池內阻，而工作週期也隨之增加。

圖 5.3 工作週期與輸出功率之關係

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0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

0 20 40 60 80 10

有效輸入電阻

工作週期%

0

圖 5.4 輸入阻抗與工作週期之關係

由圖 5.3 中可以看出將上下限分別設定在 80%與 30%可以有效滿足需求，在理想 狀態下追蹤到當時太陽能電池最大功率。 表 5.3 為使用最大功率追蹤器與使用可變 電阻所得到的太陽能電池輸出功率比較表，可以看出在照度較低的時候，誤差較大，

但是照度變高之後，誤差就減小，這是因為照度變大之後，太陽能電池的最大功率 點變的明顯所致，使判斷上的誤差變小。

表 5.3 使用 MPPT 與使用可變電阻之輸出功率比較表

照度 使用 MPPT 得到之最大功率 以可變電阻得到之最大功率 誤差%

16500Lux 5.6W 6.2W 9.6%

22500Lux 9.2W 9.6W 4.2%

50000Lux 16.8W 17.3W 2.8%

80000Lux 19.5W 20W 2.5%

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表 5.4 與表 5.5 是說明使用固定負載與使用可變電阻為負載，於負載端的負載 電壓、負載電流與負載功率。在負載固定的情形下，由於負載的歐姆值與太陽能電 池內阻歐姆值差距過大，所以負載功率便小於以可變電阻調整負載歐姆值以匹配太 陽能電池內阻之情況。表 5.6 則是使用最大功率追蹤器於負載端的負載電壓、負載 電流與負載功率，雖然最大功率追蹤器可以使太陽能電池工作在當時的最大功率，

但是由於轉換效率的關係使得負載端會小於最大功率追蹤器輸入側的功率值。

圖 5.5 固定負載 8ohm 之示意圖

表 5.4 固定負載 8ohm 情況下，於負載端的電壓、電流與功率值 照度 負載電壓 Vo 負載電流 Io 負載功率 Po

16500LUX 6.8V 0.84A 5.7W 22500LUX 8.5V 1.05A 8.9W 50000LUX 9.2V 1.16A 10.7W 80000LUX 9.7V 1.2A 11.6W

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太陽能 電池

+

-Vo Io

可變電阻

圖 5.6 可變電阻為負載之示意圖

表 5.5 使用可變電阻為負載情況下，於負載端的電壓、電流與功率值 照度 負載電壓 Vo 負載電流 Io 負載功率 Po

16500LUX 8.3V 0.75A 6.2W 22500LUX 8V 1.2A 9.6W 50000LUX 8.25V 2.1A 17.3W 80000LUX 8.5V 2.4A 20W

圖 5.7 使用最大功率追蹤器之示意圖

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表 5.6 使用最大功率追蹤器情況下，於負載端的電壓、電流與功率值 照度 負載電壓 Vo 負載電流 Io 負載功率 Po

16500LUX 7V 0.66A 4.6W 22500LUX 7.2V 1.02A 7.34W 50000LUX 8.25V 1.6A 13.2W 80000LUX 8.5V 1.94A 16.5W

將此應用至串聯部分遮蔽情形下之太陽能電池，將兩塊相同的太陽能電池模組 串聯，並將其中一塊模組部分遮蔽來進行實驗。量測串聯部分遮蔽太陽能電池之最 大功率追蹤器於最大功率的工作週期，以及太陽能電池的輸出電壓、輸出電流與輸 出功率，比較當無使用最大功率追蹤器時，兩者間輸出功率的差距。

圖 5.8 兩片太陽能電池串聯，最大功率追蹤器之功率對工作週期曲線圖

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表 5.7 串聯部分遮蔽情形下，使用 MPPT 與使用可變電阻之輸出功率比較表 照度 使用 MPPT 得到之最大功率 以可變電阻得到之最大功率 誤差%

16500Lux 9.75W 10W 2.5%

22500Lux 15.8W 16.3W 3%

50000Lux 29.2W 30.4W 3.9%

80000Lux 33.4W 34.4W 2.9%

由圖 5.8 可以看出最大功率追蹤器在兩片太陽能電池串聯於部分遮蔽的情況 下，不同照度時，最大功率追蹤器的工作週期會漸增，其中，16500LUX 時，最大功 率之工作週期約為 45%，22500LUX 時約為 50%，50000LUX 時約為 60%，80000LUX 時 約為 65%，本最大功率追蹤器依然能夠追蹤到不同照度下的最大功率。由表 5.7 可 以看出最大功率追蹤器所得到的太陽能電池最大功率十分接近由調整可變電阻所得 到之最大功率。

表 5.8 與表 5.9 是說明在串聯部分遮蔽時，使用固定負載與使用可變電阻為負 載，於負載端的負載電壓、負載電流與負載功率。在負載固定的情形下，由於負載 的歐姆值與太陽能電池內阻歐姆值差距過大，所以負載功率便小於以可變電阻調整 負載歐姆值以匹配太陽能電池內阻之情況。表 5.10 則是使用最大功率追蹤器於負載 端的負載電壓、負載電流與負載功率。

圖 5.9 串聯部分遮蔽情形下固定負載 20ohm 之示意圖

表 5.8 串聯部分遮蔽固定負載 20ohm 情況下，於負載端的電壓、電流與功率值 照度 負載電壓 Vo 負載電流 Io 負載功率 Po

16500LUX 13.2V 0.56A 7.5W 22500LUX 14.5V 0.74A 10.7W 50000LUX 15.8V 1.16A 18.3W 80000LUX 16.5V 1.2A 19.8W

圖 5.10 串聯部分遮蔽情形下以可變電阻為負載之示意圖

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表 5.9 串聯部分遮蔽使用可變電阻為負載情況下，於負載端的電壓、電流與功率值 照度 負載電壓 Vo 負載電流 Io 負載功率 Po

16500LUX 16.2V 0.62A 10W 22500LUX 16.8V 0.98A 16.3W 50000LUX 17V 1.76A 30.4W 80000LUX 17.2V 2.1A 34.4W

圖 5.11 串聯部分遮蔽情形下使用最大功率追蹤器之示意圖

表 5.10 串聯部分遮蔽使用最大功率追蹤器情況下，於負載端的電壓、電流與功率 照度 負載電壓 Vo 負載電流 Io 負載功率 Po

16500LUX 10V 0.68A 6.8W 22500LUX 14.2V 0.82A 11.5W 50000LUX 20.25V 1.2A 24.2W 80000LUX 20.4V 1.4A 28.5W

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圖 5.12 起始工作週期

圖 5.12 是串聯部分遮蔽情形下，最大功率追蹤器啟動時的工作週期，依照設 定，起始工作週期為 50%，頻率為 40KHz。

圖 5.13 日照強度為 16500Lux 時，最大功率追蹤器達到最大功率的工作週期為 45%

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圖 5.14 日照強度為 16500Lux 時，使用最大功率追蹤器之太陽能電池的輸出電壓波 形、輸出電流波形與輸出功率波形

圖 5.15 日照強度為 22500Lux 時，最大功率追蹤器達到最大功率的的工作週期為 50%

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圖 5.16 日照強度為 22500Lux 時，使用最大功率追蹤器之太陽能電池的輸出電壓波 形、輸出電流波形與輸出功率波形

圖 5.17 日照強度為 50000Lux 時，最大功率追蹤器達到最大功率的工作週期為 60%

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圖 5.18 日照強度為 50000Lux 時，使用最大功率追蹤器之太陽能電池的輸出電壓波 形、輸出電流波形與輸出功率波形

圖 5.19 日照強度為 80000Lux 時，最大功率追蹤器達到最大功率的工作週期為 65%

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圖 5.20 日照強度為 80000Lux 時，使用最大功率追蹤器之太陽能電池的輸出電壓波 形、輸出電流波形與輸出功率波形

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圖 5.21 太陽能電池最大功率追蹤器與太陽能電池實體圖

圖 5.22 最大功率追蹤器實體圖

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第六章 結論

本論文所設計之太陽能電池最大功率追蹤器原型由一單晶片為控制核心，採用 單級式架構，調整太陽能電池輸出功率，操作於最大功率點。由實驗結果顯示此太 陽能電池最大功率追蹤法則可以在非理想狀態下應用阻抗匹配的基礎，配合擾動觀 察法的技巧來改善太陽能電池於不平衡發電情況，達成追蹤最大功率的目的。本實 驗之最大功率追蹤法則與追蹤器的特色為:

1. 可在不同日照強度下，包含無遮蔽與部分遮蔽的情形下，皆可追蹤到當時的太陽 能電池最大功率。

2. 設定工作週期的上限與下限可減少追蹤最大功率的時間，並且減少部分遮蔽對太 陽能電池之影響。

經由本論文的研究了解，最大功率追蹤器只是太陽能電池應用的基礎，接下來 要將追蹤到的能量轉換為實用的電壓型式以搭配第二級電路，未來的研究重點為設 計能夠與最大功率追蹤器相配合之後級電路，使其可以應用於電池充電與電網併聯 的領域，增加太陽能電池發電之應用範圍。

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參考文獻

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在文檔中 太陽能最大功率追蹤器之研究 (頁 50-85)