太陽能最大功率追蹤器之研究

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太陽能最大功率追蹤器之研究

A STUDY OF THE MAXIMUM PHOTOVOLTAIC POWER TRACKER FOR PV ARRAYS

研究生：振芫禎（Yuan-Chen Chen）

指導教授：李清元（Prof. Ching-Yuan Lee）

大同大學電機工程研究所

碩士論文

Thesis for Master of Science Department of Electrical Engineering

Tatung University

中華民國九十七年六月

June 2008

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I

摘要

本文主旨在研發一太陽能電池之最大功率追蹤器。當日照強度發生改變時，此追蹤器可追蹤至太陽能電池之最大功率點，並且在太陽能電池呈現部分被遮蔽情況下，亦可使太陽能電池輸出最大功率。

整個追蹤法則是以阻抗匹配為基礎觀念，並且配合擾動觀察法的技巧，根據太陽能電池的物理特性，擷取太陽能電池輸出的端電壓及端電流，改變追蹤器之工作週期，使追蹤器之輸入阻抗與太陽能電池之內阻互相匹配以獲得最大功率的輸出。同時在部分遮蔽扭曲原有 PV 特性曲線的情況下，仍然可以使太陽能電池藉由此阻抗匹配法追蹤到最大功率。

本系統中使用 Microchip PIC18F4520 單晶片微控制器，配合適切的周邊硬體及軟體來建構上述所提出的方法，以期達到最大功率輸出的追蹤，文中並以實作之軟硬體驗證所提出之理論。

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II

Abstract

The purpose of this thesis is to develop the maximum power tracker of solar cell. In order to react to the illumination condition changed, the tracker can track the maximum power point of solar cell. It can also track the maximum power point in the partial shade of solar cell.

The entire tracing principle is taked the impedance matching as the foundation idea, and coordinate perturbation observation method skill. According to the characteristics of the solar cell, this power tracker can get the output voltage and current of solar cell, while detecting the output power. It can also adjust the duty cycle of the tracker and to make its input impedance match the solar cell’s internal impedance, while obtaining the maximum power output. Under the condition that partial shade distorting original PV curve, the tracker is still able to keep the solar cell getting the maximum power by impedance match method.

A single-chip microprocessor, PIC18F4520, is used in the system, and an experimental hardware scheme with software algorithm is established to prove the proposed principle in the expectation to attain maximum power tracking.

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III

誌謝

本論文承蒙指導教授李清元老師的悉心指導與傾囊相授，俾得以順利完成。李教授治學之嚴謹及勤樸務實的處事態度，皆是學生欽佩與學習的典範，而老師在我的研究生涯中對生活與待人處事方面的指導，讓學生的視野更加開闊，學生在此謹致上最高的謝意。

研究過程中，感謝陳運煌老師與吳錦仁老師在儀器方面的提供。學長家豪、

偉銓的經驗傳授，宏群與宗修在課業上的討論，讓實驗能夠順利進行，許多問題得以解決。互相幫助扶持的日子，我會永遠記得、好好珍惜。

最後，更要感謝父親振鐘榮、母親吳麗蘋的辛勤養育栽培，提供良好的學習環境與機會，奶奶陳阿杏的關心，讓我充滿信心、無後顧之憂的取得碩士學位，在此真心謝謝你們。

要感謝的人太多了，僅以本論文獻給所有曾幫助過及關愛我的人。

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IV

目錄

摘要(中文)...ⅰ 摘要(英文)...ⅱ 致謝...ⅲ 目錄...ⅳ

圖目錄... vi

表目錄... ...ix

第一章緒論...1

1.1 研究動機...1

1.2 文獻回顧...2

1.3 內容大綱...3

第二章太陽能電池的物理性質...4

2.1 太陽能電池之原理...4

2.2 太陽能電池之等效電路...6

2.3 太陽能電池之種類...10

2.3.1 單晶矽太陽能電池...11

2.3.2 多晶矽太陽能電池...12

2.3.3 非晶矽太陽能電池...13

第三章最大功率追蹤法則介紹...14

3.1 系統結構

...

...14

3.2 常見太陽能最大功率追蹤法則...15

3.2.1 擾動觀察法...15

3.2.2 增量電導法...16

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V

3.2.3 開路電壓法...19

3.2.4 短路電流法...20

3.3 本文所提之追蹤法則...22

3.3.1 以阻抗匹配法進行太陽能電池最大功率追蹤...22

3.3.2 串聯部分遮蔽情況下之太陽能電池特性...27

3.3.3 本文使用之追蹤法則應用於串聯部分遮蔽情況...30

第四章系統軟硬體規劃設計...34

4.1 系統硬體架構...34

4.1.1 MOSFET 驅動電路...34

4.1.2 類比/數位電路...36

4.1.3 微處理器介紹...38

4.2 軟體架構...39

第五章實測結果...42

第六章結論與未來研究方向...58

參考文獻 ... 59

附錄 I PIC18F4520 晶片簡介... 61

附錄 II 最大功率追蹤程式介紹...63

附錄 III 不同照度下之太陽能電池測量數據...73

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VI

圖目錄

圖 2.1 光電半導體能帶結構示意圖...5

圖 2.2 太陽能電池原理圖...6

圖 2.3 太陽能電池等效電路...7

圖 2.4 功率對電壓曲線圖...9

圖 2.5 電流對電壓曲線圖...9

圖 2.6 太陽能電池分類圖...10

圖 2.7 (a)單晶矽原子排列方式(b)多晶矽原子排列方式(c)非晶矽原子排列方式 ...11

圖 3.1 系統功能方塊圖...14

圖 3.2 擾動觀察法之流程圖...16

圖 3.3 增量電導法流程圖...18

圖 3.4 開路電壓法流程圖...19

圖 3.5 短路電流法流程圖...20

圖 3.6 阻抗匹配調整最大功率傳輸示意圖...22

圖 3.7 太陽能電池與直流轉換器連接圖...23

圖 3.8 降壓-升壓轉換器...25

圖 3.9 模式 1 與模式 2 之等效電路...25

圖 3.10 串聯部份遮蔽示意圖...28

(9)

VII

圖 3.11 太陽能電池面板部分遮蔽之功率歧變圖...28

圖 3.12 串聯部分遮蔽之電流對電壓曲線圖...29

圖 3.13 具上下限之開路電壓法結構圖...30

圖 3.14 以三點定位鎖定最大功率點...32

圖 4.1 主要電路架構圖...35

圖 4.2 MOSFET 驅動電路...36

圖 4.3 類比/數位電路圖...37

圖 4.4 PIC18F4520 腳位圖...38

圖 4.5 最大功率追蹤主流程圖...40

圖 4.6a 工作週期上限副程式...41

圖 4.6b 工作週期下限副程式...41

圖 5.1 太陽能電池功率對電壓曲線圖...43

圖 5.2 太陽電池電流對電壓曲線圖...43

圖 5.3 工作週期與輸出功率之關係...44

圖 5.4 輸入阻抗與工作週期之關係...45

圖 5.5 固定負載 8ohm 之示意圖...46

圖 5.6 可變電阻為負載之示意圖...47

圖 5.7 使用最大功率追蹤器之示意圖...47

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...48

圖 5.9 串聯部分遮蔽情形下固定負載 20ohm 之示意圖...50

(10)

VIII

圖 5.10 串聯部分遮蔽情形下以可變電阻為負載之示意圖...50 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...51 圖 5.12 起始工作週期...52 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%...52 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...53 圖 5.15 日照強度為 22500Lux 時，最大功率追蹤器達到最大功率

的工作週期為 50% ...53 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...54 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% ...54 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...55 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 65%....55 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...56 圖 5.21 太陽能電池最大功率追蹤器與太陽能電池實體圖...57 圖 5.22 最大功率追蹤器實體圖...57

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IX

表目錄

表 3.1 最大功率追蹤法則比較表...21

表 5.1 太陽能電池規格...42

表 5.2 模擬光源規格圖...42

表 5.3 使用 MPPT 與使用可變電阻之輸出功率比較表...45

表 5.4 固定負載情況下，於負載端的電壓、電流與功率值...46

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...46

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...47

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...48

表 5.8 串聯部分遮蔽固定負載歐姆值情況下，於負載端的電壓、電流與功率值....49

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 49 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 49 表 III-1 在 16500Lux 時，太陽能電池之測量數據...73

表 III-2 在 22500Lux 時，太陽能電池之測量數據...73

表

III

-3 在 50000Lux 時，太陽能電池之測量數據...74

表

III

-4 在 80000Lux 時，太陽能電池之測量數據...74

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1

第一章緒論

1.1 研究動機

隨著人類經濟快速發展，地表內所蘊藏的各種石化燃料，舉凡石油、煤炭與天然氣等等，在人類的過度使用下已逐漸消耗殆盡。由於石化燃料的燃燒使用，大氣中的二氧化碳濃度逐年增加，二氧化碳對於太陽的短波輻射來說是透明的，可是卻會吸收來自地球發放的紅外線輻射，如同一座溫室一般，使得地球難以降溫，全球性的溫暖化使氣候產生大幅度地變化。暖化作用將會極大地影響全球動植物的生存環境，包含人類本身也受到傷害。故人類應該降低對溫室氣體的排放，以減緩全球暖化的趨勢。基於對抗全球暖化的目標之下，近年來有越來越多人投入再生能源的研究。其中又以太陽能發電最受到矚目，太陽產生的能量近乎無限，取之不盡，用之不竭；在加上太陽能電池運作時不會產生噪音、廢氣等環境污染，而其使用安全性亦遠高於其他發電方式，非常適合取代傳統燃燒石化燃料的發電方式。台灣地區地處亞熱帶，年平均日照量大，極為適合發展太陽能發電，且台灣為天然資源缺乏的國家，大多數的能源必須仰賴進口，自產能源所佔比例非常低，故發展太陽能發電可以減低台灣對於石化燃料的消耗及依賴程度。

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2

1.2 文獻回顧

為了提昇太陽能電池的工作效率，必須使用太陽能最大功率追蹤器來依據外在

環境變化調整太陽能電池功率輸出，由現今對太陽能電池的研究發現，日照強度和溫度是影響太陽能電池功率輸出的兩大因素[1]，因此能夠隨時偵測太陽能電池的端電壓和端電流的擾動觀察法，是最普遍使用的太陽能最大功率追蹤法則，其方法主要藉由增加或減少太陽能電池端電壓及端電流改變輸出功率，並比對擾動前後的功率大小，達到追蹤最大功率的目的[2]。但目前對擾動觀察法的研究皆在理想無遮蔽的情況下[3]，在實際運用於太陽能電池串聯時，單片或少部分太陽能電池發生遮蔽，舉凡雲層、建築物陰影以及塵土覆蓋等非理想情況，將會使太陽能電池的功率對電壓曲線發生歧變[4]，進而影響擾動觀察法追蹤最大功率的情況。因此為了研究部份遮蔽對串聯之太陽能電池的影響，使用兩塊相同的太陽能電池，其中一塊予以部分遮蔽，使其輸出功率小於無遮蔽太陽能電池，再將兩塊太陽能電池串聯形成不平衡發電來進行實驗，以了解其輸出功率之變化，並以此收集到的實驗數據來規劃設計合適之太陽能最大功率追蹤器。本論文使用阻抗匹配法為基礎，配合擾動觀察法的技巧來追蹤太陽能電池的最大功率，並且減少在串聯非理想情形太陽能電池運作的缺失，來做為本論文之研究方向。

(14)

3

1.3 論文大綱

本論文研究重點於以阻抗匹配為基礎，配合擾動觀察法的技巧，提出於非理想條件下，改善擾動觀察法的缺點。本論文研究內容依序分成六章，第一章說明本論文的研究動機與研究目的。第二章說明太陽能電池的基本特性以及發電原理，了解其性能表現和條件限制。第三章說明目前常見的太陽能最大功率追蹤法則與本文所提出之太陽能最大功率追蹤法則。第四章說明本文所提太陽能最大功率追蹤器各部份架構，其中包含主電路和周邊電路之設計。第五章實際量測電壓波形與電流波形，

完成最大功率追蹤器的實體電路。第六章為結論與未來研究方向。

(15)

4

第二章

太陽能電池之物理性質

2.1 太陽能電池之原理

由於矽於自然界中含量豐富且取得容易，故現在市面上使用之太陽能電池大多是以矽晶為材料製成，基本上可將太陽能電池視為一個由 N 型矽和 P 型矽上下堆疊而成的半導體材料，其藉由 PN 接面的光伏效應(Photovoltaic effect)來產生能量。

根據光電半導體基本定理，入射光子的能量若大於半導體能隙的能量時，此光子會被半導體所吸收[5]，價帶（Valence band）中之電子吸收光子能量之後，被激發至傳導帶（Conduction band），此時電子就可以在能帶（Band）間任意移動而導電。

圖 2.1 為光電半導體能帶示意圖，當光子入射至半導體時，半導體吸收光子能量之後，位於價帶中的電子便因此躍遷至傳導帶，如圖 2.1 中(a)所示；而後在傳導帶中，因為與原子晶格相互碰撞之後，躍遷至傳導帶的電子便逐漸釋出能量，如圖 2.1 中(b)所示；在能量逐漸釋放完畢之後，此電子因能量過低，最終回到價帶，導致復合，如圖 2.1 中(c)所示。但是在此階段期間，也會有少部分能量以熱能的形式散溢掉而無法有效使用。太陽能電池乃根據上述原理，當光子入射至太陽能電池時，

這些光子的能量被轉移 N 型區，使 N 型區價帶中的電子躍遷至傳導帶而產生自由電子，其餘剩下大部分的光子在空乏區和 P 型區被吸收，並且產生電子-電洞對(EHP)。

(16)

圖 2.1 光電半導體能帶結構示意圖

在空乏區中所產生的電子-電洞對立刻被半導體的內建電場分離，將電子飄移到達 N 型區，電洞則飄移到達 P 型區，於是 N 型區便充滿了大量的負電荷，使 N 型區形成負極；P 型區則是充滿了大量的正電荷，因而形成正極，在正負兩端產生了電位差。此時在外部接上負載，形成一個迴路，使 N 型區中超額的電子流經外部負載而到達 P 型區，與此區中超額的電洞複合，太陽能電池便產生了功率輸出，以上為太陽能電池之基本發電原理，其示意圖如圖 2.2 所示。

5

(17)

圖 2.2 太陽能電池原理圖

2.2 太陽能電池之等效電路

如前節所示，太陽能電池是應用 PN 接面的光伏效應來產生能量，當太陽能電池受光子照射而產生光伏效應時，其產生之電流以一個固定電流產生器

I

ph來表示，

此電流正比於光照強度，而越過 PN 接面之電子流動則形成一個跨在接面上的光伏電壓差 V，使其內部相當於有一個跨接於正負兩極的二極體，並且產生一個順向的二極體電流

I

d。根據二極體特性，可得出以下方程式[6]:

[ e x p ( ) 1 ]

d o

B

I I e V

n K T

= −

O

(2.1)

式中:

I : 逆向飽和電流

6

(18)

n

: 常數，決定於半導體材料和製程特性，多半介於 1~2 之間

e : 電子電荷量，其值為

1 .6 0 2 1 8 × 1 0

⁻^{1 9}

C K

B : 波茲曼常數，其值為1.3807 10× ⁻²³

JK

⁻¹

T

: 太陽能電池表面溫度，以凱式溫度(Kelvin temperature)表示之

由光伏效應所產生的電子必須穿過表面的半導體區到達最靠近的電極，而經由 N 型區到達電極的電子路徑產生一個等效串聯電阻 (Effective series resistance)，以 Rs 表示之，若交叉指電極製作的很薄，Rs 會進一步的增加；此外，

光伏效應產生的電子中，很小的一部份會流過晶矽元件的晶粒邊界，而不流過外部負載，可視為一個內部分流電阻(Shunt resistance)，以 Rp 表示之，，依據上述說明可得到圖 2.3 所示之太陽能電池等效電路。一般來說 Rs 的值很小，約0. ，Rp 的值很大，所以可加以忽略以簡化計算。

5Ω

圖 2.3 太陽能電池等效電路

7

(19)

由式(2-1)以及圖 2.3 可以推得太陽能電池輸出的總電流

I

為:

{exp[ ( )] 1}

^S

ph O S

B P

V R I

I I I e V R I

nK T R

= − + − − +

(2.2)

為了計算上的方便，Rp 與 Rs 可予以忽略，故式(2-2)可以簡化為下式:

[exp( ) 1]

ph O

B

I I I eV

= − nK T −

(2.3) 式(2-3)表示太陽能電池等效電路之電流關係，由於太陽能電池之功率輸出為電流與電壓乘積，所以可得:

[exp( ) 1]

ph O

B

P IV I V I V eV

= = − nK T −

(2.4) 式(2.4)可以得出輸出功率對電壓間之關係以及輸出電流對電壓之關係，兩者皆為非線性曲線，藉由式(2.4)與式(2.3)可以經由計算來繪出圖 2.4 與圖 2.5，其表現出功率對電壓曲線圖以及電流對電壓曲線圖。

8

(20)

圖 2.4 功率對電壓曲線圖

圖 2.5 電流對電壓曲線圖

9

(21)

2.3 太陽能電池之種類[7][8]

目前的太陽能電池種類分類可主要分為矽基材料與多化合物兩類，其主要分類方式如圖 2.6 所示。一般而言，理想的太陽能電池材料必須具備有以下條件:

1. 能隙處在 1.1 電子伏特到 1.7 電子伏特之間 2. 其組成材質不具有毒性

3. 材料取得容易且製造成本低

4. 可利用薄膜沉積之技術製造，用以開發大面積之太陽能電池 5. 良好之光電轉換效率

6. 穩定性佳

圖 2.6 太陽能電池分類圖

10

(22)

圖 2.7 (a)單晶矽原子排列方式(b)多晶矽原子排列方式(c)非晶矽原子排列方式雖然以化合物為原料之太陽能電池效率較高，但是其製造成本仍居高不下，所以多使用於軍事與衛星領域，尚難以大規模使用於商業市場，故目前量產之太陽能電池大多仍然以矽基為主要原料。常見的太陽能電池以矽的結晶構造不同可分為單晶矽太陽能電池、多晶矽太陽能電池以及非晶矽太陽能電池等三種，其分類方式如圖 2.7 所示。目前在市場上所量產的太陽能電池中，單晶矽電池的最高轉換效率為 24%，多晶矽電池為 18%，非晶矽為 13%。此三種太陽能電池的光電轉換原理和上述介紹的轉換原理大致相同，但因為考量因素的不同而發展出不同的太陽能電池。以下將對單晶矽、多晶矽和非晶矽太陽能電池作一簡單介紹。

2.3.1 單晶矽太陽能電池

單晶矽所指的是以單一的結晶構成太陽能電池的細胞元，其內部的矽原子排列之週期性延續了一定的大小，是全部朝向同一方向的，單晶結構具有比較少的晶格缺陷且結晶所含雜質極少，故使得製造成本較高。單晶矽太陽能電池的結晶十分完整，電子和電洞在晶體內部的移動不會受到阻礙，因此不容易發生電子和電洞復合的情形，由於其原子間的化學鍵非常堅固，不會因為紫外線照射而破壞化學鍵，因

11

(23)

12

此單晶矽太陽光電池能夠達到高效率以及高壽命，但是售價高昂是其缺點。

2.3.2 多晶矽太陽能電池

多晶矽太陽能電池和單晶矽太陽能電池的差別在於，多晶矽此種結構是由許多不同排列方向的單晶粒所組成，在晶粒與晶粒之間便會存在著原子排列不規則的界面，受此缺陷影響而使其轉換效率下降。多晶矽太陽能電池為了簡化製造程序，所以在純化的過程中沒有將雜質完去去除；同時採用較快速的方式讓矽結晶，來減少製造時間，所以多晶矽太陽能電池是以降低製作成本為第一考量，不同於單晶矽太陽能電池以性能表現為第一考量。多晶矽太陽能電池由於本身含有雜質且結晶時間短，矽原子因此形成許多結晶顆粒，顆粒之間存在著許多懸浮鍵，容易與自由電子複合而使光電效率下降；而且矽原子鍵結情形較差，易受紫外線破壞而降低壽命，

使其光電效率隨著使用時間增加而衰退。然而商業化的多晶矽太陽能電池成本低，

所以廣泛的應用在太陽能電池製造上。

(24)

13

2.3.3 非晶矽太陽能電池

非晶矽太陽能電池的原料以 SiH⁴為主，SiH⁴的光吸收和光導電效果相當好，

但因其本身原子排列非常鬆散且沒有規則，結晶構造比較差，為一種非平衡太結構，

造成自由電子和電洞復合的速度很快，加上 SiH⁴的晶體構造會阻礙電子擴散，使得擴散電流很小。所以為了要降低自由電子和電洞復合的速度，非晶矽太陽能電池製作的很薄，來加速自由電子和電洞的分離，以產生有效的光電效應。非晶矽太陽能電池的生產成本很低，適合應用於小功率產品使用，但是發電效率低以及壽命較短的問題使非晶矽太陽能電池難以應用於大規模的發電站上。

(25)

第三章

最大功率追蹤法則介紹

3.1 系統結構

在本章中將會介紹太陽能最大功率追蹤器的結構，並且討論相關的追蹤法則和本文所提之追蹤法則。整個系統的功能方塊圖如圖 3.1 所示，系統包含太陽能電池、

直流-直流轉換器以及電阻性負載。經由擷取太陽能電池的輸出電壓信號與電流信號，由微控制器進行控制最大功率追蹤的演算，再將控制信號輸出給直流直流轉換器，使太陽能電池能夠工作在最大功率點。

太陽能電池直流-直流

轉換器

負載

擷取電壓電流信號

開關驅動電路

微處理器 PIC 18F4520

圖 3.1 系統功能方塊圖

14

(26)

15

3.2 常見太陽能最大功率追蹤法則

根據第二章所推導的太陽能電池功率對電壓方程式可知，太陽能電池之輸出功率對電壓曲線並非為線性曲線，而是一條近似拋物線之非線性曲線，並且具有一個最大功率峰值。為了使太陽能電池工作在當時的最大功率點，需要使用最大功率追蹤法則加以控制。本節將目前常見的方法歸類為(1) 擾動觀察法，(2) 增量電導法，

(3) 開路電壓法，(4) 短路電流法，分別解說其運作方式。

3.2.1 擾動觀察法

擾動觀察法是目前最多人所使用的太陽能最大功率追蹤法則，其具備了結構簡單和參數較少的優點[9]，所以被廣泛的運用。擾動觀察法的原理是先擾動輸出電壓值，再由太陽能電池之端點擷取電壓和電流信號，經由乘法器得出功率值，再比對擾動前後功率值大小，若功率值增加，則表示擾動方向正確，可朝同一方向擾動，

若功率值減少，則往相反方向擾動。藉由不斷的擾動端點電壓電流和比對功率值來追蹤太陽能最大功率點。其運作流程圖如圖 3.2 所示。

(27)

圖 3.2 擾動觀察法之流程圖

3.2.2 增量電導法

增量電導法是另外一種普遍使用的太陽能電池最大功率追蹤法則[10]，其追蹤方式是利用太陽能電池的功率對電壓曲線(PV curve)斜率值來運作，此方法之目的是達到太陽能電池之最大功率點電壓V_MPP，來得到最大功率輸出，由功率對電壓曲

16

(28)

17

線可以知道，而最大功率P_MAX之斜率為零。此法可利用以下推導:

( )

dP d IV dI I

I V I V

dV dV dV V

= = + ≅ + Δ

(3.1)

Δ

當 dP/dV 大於 0 的時候，代表現在功率位於最大功率點的左邊；當 dP/dV 小於 0 的時候，代表位於最大功率點的右邊；唯有當 dP/dV 等於 0 的時候，表示功率處在最大功率點上。當 dP/dV 等於 0 時，式(3.1)可整理如下式:

d I I

d V = − V

(3.2)

藉由計算(dI/dV)與太陽能電池之電導值(I/V)決定下一次的變動，當(dI/dV)與電導值符合式(2-6)之條件時，即表示到達最大功率點，不在進行下次擾動。若電導變化量大於負電導值，則表示功率曲線斜率為正，必需要增加工作週期來達到最大功率;

若電導變化量小於負電導值，則表示功率曲線斜率為負，必需要減少工作週期來達到最大功率。以上為增量電導法之工作原理。圖 3.3 為增量電導法之流程圖。

(29)

圖 3.3 增量電導法流程圖

18

(30)

3.2.3 開路電壓法

開路電壓法主要是利用太陽能電池的開路電壓與最大功率點電壓之間的關係來運作，其具有如式(3.3)之關係[11]:

1

MPP OC

V ≈ K × V

(3.3) 其中 K¹為一比例常數。依據文獻記載以及實驗所得資料，K¹大小會依據日照強度及太陽能電池表面溫度而改變，其值大約介於 0.71 至 0.78 之間作調整。ㄧ但決定 K¹ 便可依式(3.3)來設定最大功率追蹤器之工作週期，根據文獻記載，K¹設定在 0.75 時可以接近大部份情況下之最大功率點[12]，開路電壓法為結構簡單之最大功率法則，並且具有一定的準確性，然而最大問題在於週期性的測量開路電壓對系統造成功率損失，使系統穩定度降低。

圖 3.4 開路電壓法流程圖

19

(31)

3.2.4 短路電流法

太陽能電池之短路電流會依據日照強度不同而大幅度改變，發現最大功率點電流與短路電流存在一比值關係，其關係如下式:

2

M PP SC

I ≈ K × I

(3.4)

K2 為一比例常數，依據文獻紀錄與實驗數據，其值介於 0.78 至 0.92 之間[13]，利用比值快速接近最大功率點，但是如何測量短路電流是一大問題，尤其是大型系統之短路電流相當大，測量上具有問題，此外過大之短路電流亦有可能造成系統損壞，

雖然此法具有簡單以及高準確度，但是仍然具有很大的改善空間。

圖 3.5 短路電流法流程圖

20

(32)

21

表 3.1 最大功率追蹤法則比較表

優點缺點

擾動觀察法結構簡單會在最大功率點附近震盪

增量電導法可減少在最大功率點的震

盪

需要精密的感測器，否則誤差難以避免

開路電壓法簡單且具有一定的準確性量測開路電壓會造成系統不穩定

短路電流法簡單且具有一定的準確性量測短路電流可能造成系統不穩定

(33)

3.3 本文所提之追蹤法則

3.3.1 以阻抗匹配法為基礎獲得太陽能電池最大功率

本節討論由最大功率傳輸定理中所提到之阻抗匹配概念，來研究太陽能電池的功率特性。根據最大功率傳輸定理，一電壓源若要傳輸最大功率至負載端，則負載之電阻值必須與電壓源之內阻相等，符合阻抗匹配之條件來傳遞最大功率，在圖 3.6 中，令內部電壓源為 Eth，內阻為 Rth，可變電阻為 R。當 R=Rth 時可得到電源端輸出最大功率轉移至負載端的結果。太陽能電池測試時僅能量測其輸出電壓與輸出電流，所以將太陽能電池視為一個含有內阻之電壓源以及具有內阻的等效電路來應用最大功率轉移定律，在其外部連接一可變電阻作為負載，藉由調整負載端之可變電阻歐姆值使其符合內阻歐姆值，來達成引出太陽能電池最大功率的目的。

圖 3.6 阻抗匹配調整最大功率傳輸示意圖

22

(34)

圖 3.7 太陽能電池與直流轉換器連接圖

使用直流-直流轉換器來連結太陽能電池與負載，藉由調整直流-直流轉換器的工作週期來改變轉換器輸入阻抗，以達到與太陽能電池內阻匹配的目的，圖 3.7 為示意圖。

直流轉換器之工作原理可由圖 3.7 來加以說明，其輸出電壓之平均值為[14]

0 0

1

ton

on

Vo v dt t Vs ft Vs kVs

T T

= ∫ = = =

(3.5)

式中: T 為週期

k = t^on/T 為轉換器之工作週期 f 為頻率

v⁰為初始電壓負載端之平均電流為

Vo kVs

Io = R = R

(3.6)

23

(35)

輸出電壓之均方根值可由下式求得

2 1/ 2 0 0

( 1

^T

)

Vo v dt kVs

= T ∫ =

(3.7) 故由太陽能電池端所看入之有效輸入電阻為

i

/

V s V s R

R = Is = kV s R = k

(3.8)

經由(3.8)式可以得到有效輸入電阻與工作週期之間的關係式，調整直流轉換器的工作週期來改變輸入電阻歐姆值，使其如同可變電阻一般。依照此直流轉換器的原理，

並且考量到太陽能電池之電壓調整需具備升降壓功能，所以使用降壓-升壓轉換器 (Buck-boost converter)來做為所選用之直流轉換器。降壓-升壓轉換器能夠提供一個小於或者是大於輸入電壓之輸出電壓，可以符合太陽能電池於電壓過高時，將其電壓調低以維持最大功率；當電壓過低時，亦可進行升壓調整來追蹤最大功率，唯獨其輸出電壓之極性與輸入電壓相反，量測輸出電壓時必須注意正負極性位置。本次測試所使用之降壓-升壓轉換器如圖 3.8 所示，假設轉換器所使用的 MOSFET 開關與其餘元件皆是無損失元件。降壓-升壓轉換器的電路操作可以分為兩種模式[14]，

如圖 3.9 所示，於模式 1 中，電晶體 Q1 導通，而二極體 Dm 受到反向偏壓，輸入電流流經電感 L 與電晶體 Q1 而逐漸增加。於模式 2 中，電晶體 Q1 被截止，而原本流經電感 L 之電流改為流經 L、C、Dm 與負載，儲存於電感 L 中之能量將轉移至負載，

電感電流同時下降，直到電晶體 Q1 於下一週期再度導通為止。

24

(36)

圖 3.8 降壓-升壓轉換器

圖 3.9 模式 1 與模式 2 之等效電路

25

(37)

電晶體 Q1 於模式 1 之期間內導通，電感電流在工作週期 t¹期間內由 I¹線性增加到 I²，則

2 1

1 1

I I I

V s L L

t t

− Δ

= = (3.9)

電感電流於模式 2 期間因電晶體 Q1 截止的情況下，其值由 I²降低至 I¹，則

2

V o L I

t

= − Δ (3.10)

將 t¹=kT 與 t²=(1-k)T 代入式(3.9)與式(3.10)，k 為工作週期(Duty)，並將兩式合併可得

1

V o V s k

= −

k

− (3.11)

假設此一電路無損失，則

1 Vs Is Vo Io Vs Io k

× = − × = × k

−

(3.12) 由式(3.17)可得輸入電流與負載平均電流之間的關係為

1

I s I o k

=

k

− (3.13)

由電源端所看入之有效輸入電阻為

2

(1 )

(1 ) 1

i

Vo k

Vs k k

R R

Io k

Is k

k

− −

= = × = ×

−

(3.14)

式(3.14)中 R 為負載之歐姆值。

由式(3.14)可以了解調整工作週期便可以改變降壓-升壓轉換器的有效輸入阻抗，使其與太陽能電池內阻匹配。應用以上觀念，改變工作週期使其在 0%到 100%

26

(38)

27

之間變動，除了可控制其有效輸入電阻之外，亦可控制太陽能電池之輸出功率，使太陽能電池達到最大功率。

3.3.2 串聯部分遮蔽情況下之太陽能電池特性

太陽能電池發電應用於小型發電系統以及大型發電系統中都是十分具有彈性的發電方式，只要日照所及之處，皆能鋪設太陽能電池進行發電，而發電量多寡乃取決於鋪設面積所能容納之太陽能電池模組數目，其發電容量可由小於 3KVA 到大於 100KVA 之範圍。就是因為具有此種應用彈性，所以舉凡大樓樓頂、牆壁以及屋簷等小面積都可以做為太陽能發電，特別是在城市中，類似的發電應用格外重要。然而，

由於城市中建物的擁擠，使得鋪設於樓頂、屋簷等處之太陽能發電系統容易受到由鄰近建物造成的陰影而被遮蔽，產生不平衡發電(Unbalanced generation)現象 [17]。在實際的應用中，除了受到建築物的陰影遮蔽之外，也會受到雲層的遮蔽以及塵土的覆蓋，造成太陽能電池功率輸出不同於理想光照條件下，尤其對鋪設範圍較廣之太陽能電池發電模組影響甚巨，因為其鋪設面積大，不容易完全被陰影遮蔽，

形成部分遮蔽情況，此時部分太陽能電池處於正常無遮蔽狀態，可以輸出正常功率，

但卻有部分的太陽能電池因為被遮蔽而造成功率輸出下降，使整個太陽能發電模組產生不平衡的情況。根據太陽能電池的特性，在遮蔽情況下其輸出電流會大幅度的減少，但是其輸出電壓卻不會降低太多，所以不平衡發電現象對於串聯太陽能發電

(39)

圖 3.10 串聯部份遮蔽示意圖

圖 3.11 太陽能電池面板部分遮蔽之功率歧變圖

系統的影響相當大。圖 3.10 是串聯部分遮蔽示意圖，由圖中可以看出，串聯時候各個太陽能電池模組的電流是相同的，但是因為遮蔽的關係使輸出不平衡，而會產生如圖 3.11 之功率輸出歧變圖。圖 3.11 表示分別在兩塊、三塊、四塊以及五塊太陽能電池模組串聯使用時，其中各有一塊太陽能電池被遮蔽的功率輸出圖[4]，由圖中可以看出受到不平衡發電現象而導致其功率輸出曲線發生改變，無法像理想條件下的太陽能電池一般具有很平滑的曲線，取而代之的是曲折且不規則的曲線。此種現

28

(40)

象可以利用太陽能電池的電流對電壓曲線來加以解釋，在一個串聯系統中，被遮蔽的太陽能電池和無遮蔽太陽能電池所產生的電流必須一致，依照圖 3.12 來看，當輸出電流大小為 Ia 的時候，不論是遮蔽太陽能電池或無遮蔽太陽能電池皆能輸出電流 Ia，在慢慢的提高輸出電流後，遮蔽太陽能電池因為功率輸出的能力下降，使得其電壓逐步下降，當輸出電流到達 Ib 時，已經到達遮蔽太陽能電池功率輸出的最低點，幾乎無法在輸出功率供應負載，但是無遮蔽太陽能電池不受影響，持續正常的輸出功率。最後，當輸出電流大於遮蔽太陽能電池的最大輸出電流之後，遮蔽太陽能電池已經無法輸出功率，其輸出電壓亦轉變為負值，使得這個時候的遮蔽太陽能電池的特性不再是發電模組，而是轉變為負載一般，消耗著由無遮蔽太陽能電池所供應的功率。

圖 3.12 串聯部分遮蔽之電流對電壓曲線圖

29

(41)

3.3.3 本文使用之追蹤法則應用於串聯部分遮蔽情況

太陽能電池最大功率點電壓通常為開路電壓的 70%-82%，此比率根據日照強度而有所改變，這給定我們一個追蹤範圍的下限電壓和上限電壓，當太陽能電池被啟動時，所設計的最大功率追蹤器便可以將其限制在上限電壓和下限電壓中來進行追蹤[4]。圖 3.13 是以開路電壓法為設計方法的結構圖，最大功率追蹤器由太陽能電池模組測量端電壓和端電流，得到目前的開路電壓值，然後由此得到開路電壓值 70%

的下限電壓以及開路電壓值 82%的上限電壓，將其令為限制範圍，在限制範圍中來定位最大功率點電壓，然後控制器再將信號傳送至功率調節器，進行太陽能電池輸出功率的調整，來達到太陽能電池工作在最大功率點的目的，並且傳送能量至負載。

此方法可以順利的克服圖 3.11 中，太陽能電池功率對電壓曲線產生歧變的問題，根據圖 3.11 中兩片太陽能電池串聯之功率對電壓曲線，其開路電壓約為 42 V，故其下限電壓約為 30V，上限電壓為 34V，避開了因為串聯遮蔽造成的歧變點，以此順推，

三片串聯、四片串聯以及五片串聯皆可以順利達到其最大功率點。

圖 3.13 具上下限之開路電壓法結構圖

30

(42)

但是開路電壓法有一個無法避免的缺點在於每隔一段時間就必須量測太陽能電池開路電壓，來決定上限電壓以及下限電壓，這必然地形成系統震盪的問題。為得到開路電壓，太陽能電池模組必須要與後級電路與負載解聯，對於後級電路與負載將會造成不穩定的現象，嚴重影響供電可靠度與系統壽命。

應用前文所提出上下限範圍的觀念，配合提到之阻抗匹配方法，提出一個改良式最大功率追蹤法則應用於兩片串聯情形下，在一般狀況下，工作週期範圍約在 40%

到 70%之間，故可將其工作週期的上限設為 80%，使整個串聯系統總輸出電流不會過高，來避免圖 3.12 中所提到有遮蔽太陽能電池因為串聯電流過高形成無法輸出功率進而轉變為負載的情形。其工作週期下限則設為 30%，在此範圍中追蹤太陽能電池最大功率點，而為了減少追蹤的時間，令其起始工作週期為 50%，由中間開始進行追蹤。一開始太陽能最大功率追蹤器先由工作週期等於 50%的地方開始啟動，此時會先讀取到起始的太陽能電池輸出電壓信號與輸出電流信號，將兩者信號相乘得到起始的功率，令為 P0；接下來增加工作週期，並且讀取新的輸出電壓信號與輸出電流信號，相乘得到新的功率，令為 P1。此時判斷 P0 和 P1 間的大小關係，可得到下列關係:

(3.15)

0 1

P P

⎧ >

⎪ =

⎨ ⎪ <

⎩

, 減少工作週期 , 增加工作週期 , 增加工作週期

當 P0 大於 P1 的時候，可以推論此時的最大功率位於 P0 的左方，意即必須減少工作週期來應對；當 P0 等於 P1 的時候，並無法有效的判斷此時最大功率點是位於

31

(43)

左方或右方，或是因為日照強度變化導致太陽能電池內阻改變，進而使輸出功率增加或是減少，故為了加以判斷，所以再次的增加工作週期來偵知最大功率點落在左方或是右方；當 P0 小於 P1 的時候，可以知道最大功率應該是為在 P1 的右方，故繼續地增加工作週期來追蹤最大功率點。使用此邏輯運算，本追蹤法則是由最大功率點的左方進行追蹤，藉由增加工作週期，逐步由左向右接近最大功率點，而當到達最大功率點時，仍會確認最大功率點右方之功率小於最大功率以保證達到最大功率，其工作週期的變化會形成如圖 3.14 鎖定目前的最大功率點。按照圖 3.11 中所示，單片遮蔽太陽能電池造成的歧變點，會發生於整體系統之功率對電壓曲線的左邊，故使最大功率追蹤器由工作週期 50%的地方開始進行追蹤，逐步增加工作週期，

由左向右追蹤，可以減少追蹤到歧變點的機率，亦可減少追蹤的時間。一旦最大功率追蹤器因為輸入信號錯誤以及或是內部程式邏輯錯誤而造成其工作週期持續上升，將會發生太陽能電池串聯部分遮蔽的不平衡發電現象，

圖 3.14 達到最大功率點時的情形

32

(44)

33

若是因此使被遮蔽太陽能電池工作在負功率區，整體系統的發電量將會因此減少，亦會造成被遮蔽太陽能電池的損壞，故限制最大功率追蹤器之工作週期，令其不能超越工作週期 80%，減少以上問題發生的機率。另一方面，若工作週期持續減少，會使太陽能電池輸出電壓過高，因而減少功率輸出，所以設定工作週期 30%為下限，使系統不至於工作在低功率輸出區。

(45)

34

第四章

系統軟硬體規劃設計

4.1 系統硬體架構

本章將會對本實驗之硬體系統架構與軟體設計進行分析，太陽能最大功率追蹤器包含了太陽能電池模組、降壓-升壓直流轉換器以及單晶片微處理機，圖 4.1 為全系統之硬體結構圖，相關的控制電路將由下節介紹並且分析，軟體設計與軟體流程圖將於 4.2 節提出。

4.1.1 MOSFET 驅動電路

MOSFET(Metal-oxide-semiconductor field-effect transistor) 近年來被完善地利用於功率電子學設計方面，相對於其他開關元件，其切換速度快適合於高頻操作場合使用，在使用上必須考慮到額定耐壓與耐流等相關規格。光電耦合器是近幾年發展起來的一種半導體光電器件，由于它具有體積小、壽命長、抗干擾能力強、

工作溫度寬及無接觸點輸入與輸出在電氣上完全隔離等特點，被廣泛地應用在電子技術領域及工業自動控制領域中。

(46)

圖 4.1 主要電路架構圖

35

(47)

圖 4.2 MOSFET 驅動電路

對於開關電路，往往要求控制電路和開關電路之間要有很好的電隔離，這對於一般的電子開關來說是很難做到的，但採用光電耦合器就很容易實現了。本實驗所用驅動電路為 TLP-250 光耦合隔離電路，使單晶片微控制器與主要電路之 MOSFET 加以隔離，避免單晶片微控制器受到主要電路之高壓突波而損壞，亦可減少雜訊對單晶片微處理器的影響[18]。TLP-250 提供了足夠的電壓來驅動 MOSFET 開關，使 MOSFET 可以正常的工作，其驅動電路圖如圖 4.2 所示。

4.1.2 類比/數位電路

本實驗所使用的類比/ 數位電路是以 ADC 0804 來設計，將太陽能電池的輸出電壓信號和輸出電流信號由類比信號轉換為數位信號，並將信號傳入至 PIC18F4520 單晶片微處理器中進行運算。本晶片具有 8 位元解析能力，其類比數位轉換時間為 100 微秒，而最大誤差為一個 LSB 值(最小電壓刻度)[19]。圖 4.3 是本實驗所用之 ADC0804 線路圖。

36

(48)

圖 4.3 類比/數位電路圖

太陽能電池的輸入電壓信號經由電阻分壓之後，傳輸至 ADC0804 晶片中進行轉換在傳輸至微處理器中。太陽能電池的輸入電流信號藉由電流偵測器 HX-05P，將電流數值經由電壓訊號傳輸至 ADC0804 進行轉換。HX-05P 是由 LEM 公司所生產的電流偵測器，其具有極佳的測量精度以及線性度，亦具有很快的響應時間與不容易因為電流過載而損壞的特性，是一個優秀的電流偵測器[20]。

37

(49)

4.1.3 微處理器介紹

本實驗所使用的單晶片微處理器是由 Microchip 公司所生產的 PIC-18F 系列的 4520[21]，本處理器的架構是建立在改良式的精簡指令集(RISC)基礎上，提供使用者很高的應用彈性。其所採用的哈佛(Harvard)匯流排硬體設計，程式與資料是在不同的匯流排上傳輸，增加了整體性能表現並且可以避免運算處理時的瓶頸；而其指令擷取方式採用兩段式的方式，使處理器在執行一個指令的同時可以先行擷取下一個執行指令，得以節省時間提高運算速度。並且在電能管理方面擁有卓越的進步，為了縮短電源啟動或者是系統重置時微控制器應用程式啟動執行時間，增加了雙重速度的振盪器啟動模式，有效縮短開機時等待穩定時序脈波所需要的時間。圖 4.4 是 PIC18F4520 的 40PIN 腳位圖。圖 4.5 是 PIC18F4520 的硬體架構方塊示意圖。

圖 4.4 PIC18F4520 腳位圖

38

(50)

39

4.2 軟體架構

軟體架構包含兩個部分，分別是最大功率追蹤主流程圖以及工作週期上限與下限副程式。其流程圖如圖 4.5 與圖 4.6a、圖 4.6b 所示。最大功率追蹤主流程圖進行輸入信號的擷取，並且將輸入信號加以運算，產生 PWM 信號驅動降壓-升壓直流轉換器，以進行太陽能電池最大功率追蹤。工作週期上限與下限副程式則是判斷降壓- 升壓轉換器之工作週期是否進入上限與下限，一旦進入限制區域，則以軟體方式使其保持在安全區域之內。其程式內容附於附錄 II 中。

(51)

圖 4.5 最大功率追蹤主流程圖

40

(52)

圖 4.6a 工作週期上限副程式

圖 4.6b 工作週期下限副程式

41

(53)

42

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

(54)

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

43

(55)

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

44

(56)

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%

45

(57)

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

46

(58)

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

47

(59)

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

48

(60)

49

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。

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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

50

(62)

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

51

(63)

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 5.21 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。

(70)

59

參考文獻

[1] K. H. Hussein and I. Mota, “Maximum photovoltaic power tracking: An algorithm for rapidly changing atmospheric conditions , ” IEE Proc. Generation Transmiss.

Distrib., 1995, pp. 59–64.

[2] H. Koizumi and K. Kurokawa, “A novel maximum power point tracking method for PV module integrated converter,” in Proc . 36th Annu . IEEE Power Electron . Spec.

Conf., 2005, pp. 2081–2086.

[3] W. Xiao and W. G. Dunford , “A modified adaptive hill climbing MPPT method for photovoltaic power systems,” in Proc. 35th Annu. IEEE Power Electron. Spec.Conf., 2004, pp. 1957–1963.

[4] W. Xiao, Student Member, IEEE, Nathan Ozog, Student Member , IEEE, and William G. Dunford , Senior Member , IEEE , “ Topology Study of Photovoltaic - Interface for Maximum Power Point Tracking , ” IEEE Transactions On Industrial

Electronics, Vol. 54, No. 3, pp. 1458–1465 , June 2007.

[5] S.O.Kasap ,Optoelectronics and photonics principles and practice , Pearson Prentice Hall , 2006.

[6] N. Mutoh, Senior Member, IEEE, M. Ohno, and T. Inoue , “A Method for MPPT Control While Searching for Parameters Corresponding to Weather Conditions for PV Generation Systems”, IEEE Transactions On Industrial Electronics, Vol. 53, No. 4, pp. 732–742, August 2006.

[7] 林明獻,

太陽能電池技術入門

,全華出版社,2007.

[8] 吳財福,張健軒,陳裕愷,

太陽能供電與照明系統綜論

, 全華出版社,2003.

[9] N. Femia, G. Petrone, G. Spagnuolo, and M. Vitelli, “Optimization of perturb and observe maximum power point trackingmethod,” IEEE Trans.Power Electron., vol.

20 , no. 4, pp. 963–973 ,Jul. 2005.

(71)

60

[10] T.-Y. Kim, H.-G. Ahn, S. K. Park, and Y.-K. Lee, “A novel maximum power point tracking control for photovoltaic power system under rapidly changing solar radiation,” in IEEE Int. Symp. Ind. Electron., 2001,pp. 1011–1014.

[11] M. A. S. Masoum, H. Dehbonei, and E. F. Fuchs, “Theoretical and experimental analyses of photovoltaic systems with voltage and current-based maximum power-point tracking,” IEEE Trans. Energy Convers. vol. 17, no. 4, pp. 514–522, Dec. 2002.

[12] K. Kobayashi, H. Matsuo, and Y. Sekine, “A novel optimum operating point tracker of the solar cell power supply system,” in Proc. 35th Annu.IEEE Power

Electron. Spec. Conf., 2004, pp. 2147–2151.

[13] T. Noguchi, S. Togashi, and R. Nakamoto, “Short-current pulse based adaptive maximum-power-point tracking for photovoltaic power generation system,” in

Proc. 2000 IEEE Int. Symp. Ind. Electron., 2000, pp. 157–162.

[14] M.H.Rashid ,

Power Electronic Circuits Devices And AppliCations ,

東華書局 ,2004.

[15] A. I. Pressman, Switching Power Supply Design, Sep , 2005.

[16] M. Brown, Power Supply Cookbook, Newnes , 2001.

[17] T.Shimizu, O.Hashimoto, and G.Kimura, “A Novel High-Performance Utility-Interactive Photovoltaic Inverter System” , IEEE Transactions On

Power Electronics, VOL. 18, NO. 2, pp.635–648 , Mar, 2003.

[18] D.A. Williams, “Optocoupler selection for high frequency power supplies,” IEEE

APEC Conf, 1995., pp.90-95.

[19] ADC0804 datasheet, Aug , 1997.

[20] Current Transducer, LEM Co, 2000.

[21] PIC18F4520 microcontroller user manual. Microchip Co., 2006.

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附錄 I PIC18F4520 晶片簡介

PIC18F4520 是一個 40 隻腳位的八位元微處理器，其硬體特性如下所列:

可以在十種不同的振盪模式下工作。通過程式設計配置暫存器1H 中的配置位元 FOSC3:FOSC0，如果使用者希望使用低頻晶體振盪電路或通過晶體振盪將器件頻率調節至其最高額定頻率，可以選擇使用鎖相環（PLL）電路。HSPLL 模式使用HS 模式振盪器產生最高10MHz 的頻率。然後PLL 將振盪器輸出頻率乘以4，從而產生最高40 MHz 的內部時鐘頻率。HSPLL 振盪器模式下PLLEN 位不可用。當FOSC3:FOSC0 配置位元被程式設計為HSPLL 模式（=0110）時，晶振才可以使用PLL。

PIC18 微處理器具有21 位元程式計數器，可以對2MB的程序記憶體空間進行定址。PIC18F4520 具有32 KB 的快閃記憶體記憶體，能夠存儲多達16,384 條單字指令。PIC18 器件有兩個中斷向量。復位向量地址為0000h，中斷向量位址為0008h 和 0018h。

PIC18 器件均包含一個8 x 8 硬體乘法器（乘法器是ALU 的一部分）。該乘法器可執行無符號運算並產生一個16 位元運算結果，該結果儲存在一對乘積暫存器 PRODH:PRODL中。該乘法器執行的運算不會影響狀態暫存器中的任何旗標。通過硬體執行乘法運算只需要1 個指令運算時間。硬體乘法器具有更高的計算傳輸量並減少了乘法演算法的長度，而可在許多先前僅能使用數位訊號處理器的應用中使用PIC18 單晶片微處理機。

PIC18F4520 單晶片微處理器提供多個中斷源及一個中斷優先順序功能，可以給

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大多數中斷源分配高優先級或者低優先順序。高優先順序中斷向量位址為0008h，低優先順序中斷向量位址為0018h。高優先順序中斷事件將中斷所有可能正在進行的低優先順序中斷。

PIC18F4520 單晶片微處理器最多有5個埠可供使用。I/O 埠的一些引腳與單晶片上外設功能複用。通常，當外設致能時，其複用的引腳就無法作為通用I/O 引腳使用。每個埠都有3 個暫存器。分別是：

‧ TRIS 暫存器:設定TRISX=1可以將對應的PORTX引腳配置為輸入引腳，即將對應的輸出驅動器置於高阻。設定TRISX=0將使對應的PORTX引腳作為輸出引腳，即將輸出鎖存器的資料從所選擇的引腳上輸出。

‧ PORT 暫存器: PORTX是8位元的雙向埠，對應的資料方向暫存器是TRISX。

‧ LAT 暫存器: 對LATX暫存器執行讀-修改-寫操作將讀寫PORTX的輸出鎖存值。

Timer0模組:由軟體選擇，作為8位元或16位元計時器計數器。

Timer1計時器/ 計數器模組：作為16位元計時器或計數器。

Timer2 計時器模組:8位元計時器和週期暫存器。

Timer3 計時器/ 計數器模組：作為16位元計時器或計數器。

PIC18F4520 單晶片微處理器配有兩個CCP（捕捉/ 比較/PWM）模組。每個模組包含一個16 位元暫存器，它可以用作16 位捕捉暫存器、16 位比較暫存器或PWM暫存器。在PWM （Pulse Width Modulation）模式下，CCPx 引腳可輸出解析度高達10 位元的PWM輸出。由於CCP2 引腳與PORTB 或PORTC 複用，因此必須清除為零，相應的TRISX才能使CCP2 引腳成為輸出引腳。

太陽能最大功率追蹤器之研究