具最大功率追蹤之可攜式太陽能電源轉換系統 A Mobile Solar Energy Conversion System
with Maximum Power Point Tracking
任才俊1,*, 葉志翔2, 烏聖雅1, 李家翔1, 陳信利1, 陳正穎1
1崑山科技大學 資訊工程系 台南 台灣
2崑山科技大學 數位生活科技研究所 台南 台灣 710 台灣台南縣大灣路 949 號
Tel: +886-6-2052139 Fax: +886-6-2050545 e-mail: cyrusren@mail.ksu.edu.tw
摘要
太陽能的應用愈來愈廣泛，但是難以融入日常 生活當中，其中的一項問題在於轉換的系統難以行 動化與功能化。因此，本文將開發一個可攜式之太 陽能電源轉換系統，擷取太陽能電池模組輸出的電 壓、電流，再經模糊最大功率追蹤控制器，調變直 流對直流轉換器，使得太陽能電池模組得以輸出最 大功率。將能量暫存於金電容後，再透過 UC3906 對電瓶充電，系統也將偵測電瓶電壓做電量顯示的 功能，以利使用者方便觀察。本系統將提供 USB 5V 及 24V 的直流電壓與 110V、60Hz 的交流電壓供如 手機、平板電腦、小電扇、電燈等一般電器或家電 使用，以達成小型化可攜式之功能。
關鍵詞：太陽能、最大功率追蹤、電池充電
Abstract
Nowadays, solar energy is widely applied in many fields. However, it is expensive, and the conversion system isn’t portable such that the solar energy don’t reach human’s life. In this paper, a mobile solar energy conversion system with maximum power point tracking is presented. The output voltage, current of the solar cells are sensing via A/D of dsPic30F4011.
Based on the output data of solar cells, a proposed fuzzy maximum power point tracking method generates the next duty variation to make the best output efficiency of solar cells. The generate power is temporarily stored in supercondenser. The Battery charge control is applied the IC UC3906, which makes the smooth and safety charge procedure. Moreover, the proposed system provides the power indication, USB 5V, DC 24V and AC 110V, 60Hz output. The proposed portable system can be used in charging cell phone, table PC, small power fan, lamp, etc.
Keywords: Solar Energy,MPPT,Charge control
1. 簡介
近年來太陽能發展越來越廣泛，大多都向高瓦 數方面發展，以大量的太陽能電池模組直接連接的 方式，設置大型的太陽能發電站，且朝向市電並聯 方式來研發；發電站所輸出的高瓦數之電力，不易 於日常生活中應用，需經由轉換才可進入市電供給 用電。發電效率會隨著負載的情況而變化，若是不 使用時，電能將無從儲存，以上種種因素顯現的太 陽能的重要性。
最大功率追蹤是太陽能最佳效率的一種控制 轉換。因為太陽日照不平均，太陽能電池模組會隨 者環境的溫度與照度的不同，所得到的電壓及電流 也就隨者不同。最大功率追蹤就是隨時追蹤太陽能 電池模組的最佳電壓及電流的組合所產生最大的 功率，如將太陽能以最大功率方式轉換，讓有效的 電能達到最好的效率，是值得研究探討的。
就目前文獻[1-3]中已提出的最大功率追蹤法 的各種法則，由於擾動觀察法的結構簡單，所以普 遍地應用在太陽能發電系統的最大功率追蹤上，以 此我們以擾動法跟我本文所提出的模糊最大功率 追蹤的方法做比較。其主要控制方法為先擾動輸出 電壓值，再量測其輸出功率之變化，與擾動之前的 功率做比較，若其輸出功率較之前的輸出功率大，
則擾動方向正確；反之若輸出功率小於之前的輸出 功率，則擾動方向錯誤，需更改其擾動方向。然而，
此方法是藉著不斷改變太陽能電池之輸出電壓來 追蹤最大功率點，當達到最大功率點時，擾動並不 會因此停止，而會在最大功率點附近震盪，造成能 量損失。本文所提出的應用模糊理論之太陽能最大 功率追蹤的方法，則是將太陽能電池模組之功率當 成模糊的輸入，而模糊的輸出則用來控制降壓式直 流對直流轉換器(Buck DC-DC Converter)的責任週 期(Duty Ratio)，藉由改變責任週期來調整太陽能電 池模組負載，進而達到最大功率點的追蹤。
本文所設計系統為「具最大功率追蹤之可攜式 太陽能電源轉換系統」來提供使用者的行動化、便 利化以及功能化，整合現有科技與需求來設計，並
可將太陽能轉換的能量做儲存，並將儲存的能量轉 換，並提供直流(USB 5V)或交流電(110V、60Hz)，
可供後端家電或電器使用。此外，本系統結合電源 管理系統，可成為可攜式的電源供應器，解決產品 與太陽能電池模組間結合不彈性的問題。平時只需 要透過太陽能發電窗戶，或者是戶外車載式太陽能 電池模組，使使用者不管是在家中或在戶外皆可隨 意使用，使用範圍如圖 1 所示。
圖 1 使用範圍
2. 太陽能最大功率追蹤法
太陽能電池模組的最大功率點，會隨者溫度與 照度的不同，最大功率點也會隨者不同。因此，本 文提出一個應用模糊理論之太陽能最大功率追蹤 的方法，將選取太陽能電池模組之功率當成模糊的 輸入，而模糊的輸出則用來控制降壓式直流對直流 轉換器(Buck DC-DC Converter)的責任週期(Duty Ratio)，藉由改變責任週期來調整太陽能電池模組 負載，進而達到最大功率點的追蹤。
本文的模糊最大功率追蹤法，是以 100 瓦的太 陽能電池模組去設計，依照此太陽能電池特性曲線 去定義模糊歸屬函數，根據當前的責任週期與功率 之變動量判別其最大功率點位置並輸出責任週期 進而達到最大功率點的追蹤。當前責任週期與功率 之變動量分別以 與∆P 表示，而輸出的責任週期 變動量以 o表示，太陽能電池的特性曲線，如圖 2、
圖 3 所示，其模糊架構圖如圖 4 所示。
當前功率的變動量之歸屬函數如圖 5 所示，依 照當前的功率分別定義為 N∆P(功率變動量為負)、
Z∆P(最大功率點)、P∆P(功率變動量為正)。而當前 責任週期的變動量之歸屬函數如圖 6 所示，分別定 義為 (當前責任週期減少)、 (當前責任週 期增加)。而輸出的責任週期變動量如
圖 7所示，分別定義為 o (責任週期減少)、
Z o (責任週期不變)、 o (責任週期增加)等狀 態。
本文模糊規則表的設計，根據 與∆P 的狀況 去判斷其最大功率點的位置，例如假設 = (當前責任週期減少)且∆P 為 N∆P(當前功率變小)則 代表點在最大功率點的左方，所以輸出的責任週期
應該為 o (責任週期增加)，如果∆P 為 Z∆P(代表 為最大功率點)，則輸出責任週期則不變以Z o表 示。若 = (當前責任週期增加)則結果會與 = 相反，其模糊規則表如表 1 所示。
圖 2 太陽能電池模組 P-V 特性曲線
圖 3 太陽能電池模組 P-I 特性曲線
圖 4 模糊最大功率點追蹤架構
圖 5 功率變動歸屬函數
節能 省炭
可攜式電源 能源
儲存
圖 6 當前的責任週期變動歸屬函數
圖 7 輸出之責任週期變動歸屬函數 表 1 模糊規則表
o o Z Z o Z o
o o
3. 硬體架構
本文系統主要由太陽能電池模組吸收光能進 行發電，並使用 dsPic30F4011 做 A/D 讀值進行模糊 最大功率追蹤法運算。並利用 UC3906 對電瓶做適
當的安全充電。另外，使用 I/O 做電量偵測與顯示，
以方便觀察電瓶殘存電量，後端則以電瓶輸出電壓，
供應直流電壓 5V、24V 之交流電壓 110V、60Hz，
以供使用者方便利用，系統架構圖，如圖 8 所示。
本文系統架構主要以 dsPIC30F4011 為核心[4]，
配合驅動電路、電壓電流偵測板、後端負載等，進 行太陽能最大功率追蹤系統研究。首先利用電壓電 流 偵 測 板 接 收 太 陽 能 電 池 之 電 壓 、 電 流 ， 透 過 dsPIC30F4011 的類比模組轉換後，再經由應用模糊 理論之太陽能最大功率追蹤法運算後，輸出相對應 的 PWM 週期以控制驅動板，本測試所採用之太陽 能電池模組規格表如表 2 所示。
本文所設計之太陽能驅動與電壓電流偵測電 路，其後端為一降壓式電路，將訊號透過 TLC272 將訊號放大傳送至 dsPic30F4011。需要注意的驅動 電路中隔離功能之光耦合 TLP250 的工作電壓為 15V，如果低於 15V 通道將無法全部開通，會造成 最大功率點無法達成，所以在此需要外加 15V 才能 確保正常作用。
表 2 實驗採用之太陽能電池模組規格
電氣特性 規格
最大輸出功率Pmax 100(w) 最大電流Ipm 2.73(A) 最大電壓Vpm 36.72(V)
短路電流Isc 3.691(A) 開路電壓Voc 43.99(V) 模組效率η >16(%)
放射照度 1000W m2 模組溫度 25C 尺寸大小 1250x670x35(mm) 模組重量 9.2(K.g)
圖 8 系統架構圖
太陽能 I-V(電流、電壓)偵測板之電路圖，
由於太陽能電池模組所發出的電流相當的大，
最高可達 3A，因此選擇電流的阻抗需謹慎。
阻抗過大，經過的電壓就會越大，相對的就會 耗損過多的功率在阻抗上面，造成不必要的浪 費。所以經過計算後發現 0.1 歐姆為最佳值，
但導致電壓輸出過小，因此後端需要加上一組 放大器。而本文所使用之太陽能電池模組最高 電壓可達 44V，所以在輸入端只要縮小 11 倍，
即不會超過可輸出範圍，而得以測量電壓和電 流。
本設計充電電瓶特性，採用之電瓶為湯淺 密封鉛酸充電電池 12V, 4Ah，使用時須將電池 串接兩顆 12V, 4Ah 達到 24V, 4Ah 的規格，以 方便後端電路設計做使用。電瓶充電特性，如 圖 9 所示[5]，由圖中可看出當電瓶沒電時約 為 10V，當電壓低於 14.6V 時，這時為快速充 電，當電壓高於 14.6V 時，就會進入浮充狀態，
當充電充至 15.1V，代表電池充飽電。
充電電路設計參考 UC3906 Datasheet 做 為基礎[6]。為匹配電路必須先了解電瓶特性與 容量。接著需透過計算而訂定出 VOC、VF、
VT、IT 等值，充電流程，如圖 10 所示。經 了解本文所使用之電瓶特性，因此可由電瓶充 電特性圖看出，單顆 12V 電瓶的過充電壓可 達 15V，浮充電壓達 13.7V 左右，起始電壓設 置為 11V，而本文所使用兩顆 12V 電瓶，因兩 顆電瓶串接做使用，經過計算後為了保護電瓶，
所以過充電壓設為 29V、浮充電壓設為 27V、
起始電壓設為 22V，在充電電路中，因避免電 流量過大而導致電瓶以及硬體燒毀的情形，故 將電流設計為 0.7A 做為充電電流。
UC3906 充電電路設計，在開始充電時，
由 VT 作為判斷接著開始以 Imax 進行充電。
而當充電電壓達 V12 即是達到充電電量的 95%，這時充電的時間會拉長，而電流由 Imax 逐漸往下掉至 IOCT，接著進入浮充狀態時電 流會明顯的下降，基本上電流極小不會造成原 件的負擔。本系統重量為 6kg，本系統成品圖，
如圖 11 所示，室外測試充電實景圖，如圖 12 所示。
圖 9 電瓶充電特性圖
圖 10 UC3906 充電流程
圖 11 作品成品圖
圖 12 室外測試充電實景
4. 實驗結果
如圖 13 所示，經過太陽能電池性質測試 分析後，將最大功率點追蹤系統模糊化作測試，
將 PWM 接上 RC 濾波器做測試(R=2kΩ，
C=20uF)，測試是否真的有達到最大功率點，
另外也測試擺設方向的不同是否有影響。以下 為實際測試數據如圖(a)所示，在 6 月 18 日約 14 時 09 分，將太陽能電池模組平放面向天頂，
此時照度為 Lux 92986.08 下進行最大功率點 追蹤測試，追蹤所需時間約為 1 秒，輸出電壓 為 28.9V，電流為 2.45A，其功率為 70.805W。
另一組實測數據如圖(b)所示，時間為 6 月 18 日 14 點 11 分，太陽能電池模組長軸朝 南北向方位擺設，面板朝南仰角 23.5 度，此 時照度為 Lux 88759.44 下進行最大功率追蹤 測試，追蹤所需時間約為 1 秒，輸出電壓為 28.8V ， 輸 出 電 流 為 2.33A ， 輸 出 功 率 為
67.104W。
實測數據如圖(c)所示，時間為 6 月 18 日 14 點 15 分，太陽能電池模組長軸朝南北向方 位擺設，面板朝南仰角 23.5 度，此時照度為 Lux 86096.76 下進行最大功率追蹤測試，追蹤 所需時間約為 1 秒，輸出電壓為 28.3V，輸出 電流為 2.23A，輸出功率為 63.109W。
(a)
(b)
(c)
圖 13 最大功率點追蹤系統模糊化測試數據 (a) Lux 92986.08 功率 70.805W，(b) Lux 88759.44 功率 67.104W，(c) Lux 86096.76 功率
63.109W
圖 14 所示，在變頻器的實測方面，利用 燈泡(旭光 25W/ AC 115V)當負載進行實測成 果 如 圖 (a) 所 示 。 以 及 省 電 燈 泡 (OSRAM DULUXSTAR TWIST 23W/ AC 120V)與小 型風扇(東銘家電 45W/AC 110V)當負載進行 實測，省電燈泡實驗結果如圖(b)所示。小型風 扇實驗結果如(c)所示。
(a)
(b)
(c)
圖 14 變頻器測試結果 (a)負載為 25W 之實驗 結果，(b)負載為 23W 之實驗結果，(c)負載為
45W 之實驗結果
由於擾動觀察法的結構簡單，以此本文以 擾動動法跟本文所提出的模糊最大功率追蹤 的方法做比較，擾動觀察法在追到最大功率點 時擾動並不會因此停止，會在最大功率點左右 震盪，造成能量的損耗而降低效率，如圖 13
所示。本文所提出的模糊最大功率追蹤法，透 過 控 制 降 壓 式 直 流 對 直 流 轉 換 器 (Buck DC-DC Converter)的責任週期(Duty Ratio)，藉 由改變責任週期來調整太陽能電池模組負載，
在最大功率點時不會產生較大的震盪而造成 損耗，如圖 15 所示。
圖 15 擾動觀察法測試數據
系統儲能裝置設計為 2 顆 12V ,4Ah 之電 瓶串聯。由上述之系統硬體設定，於日照強度 約 35000 Lux 下測試，電瓶由放電後(約 22V) 至充飽(約 26.4V)大約需要 6 小時之時間，性 能測試如表 3 所示。
系統放電之測試過程，由 2 顆 12V，4Ah 之充飽電瓶所串聯(約 26.4V)，對於不同負載 測試之情況如表 4 所示。
本文所使用之電池為鉛酸電池，一般深度 放電平均為 50%，最高可到 70%，而本文所使 用的電瓶為 24V, 4Ah，理論上本文使用之電瓶 最高可供應 96W，但實測後卻發現，僅僅釋出 45～54W 左右，而電壓已降至 22V，其原因便 是電池放電特性問題。如上所述，一般鉛酸電 池最優良的放電效率為 70%，而普遍平均為 50%，因此理想值為 96W 的輸出功率削減 50%
後，便得到 48W 左右的輸出瓦數，這也是交 流 輸 出 為什 麼 只能 供 應小瓦 數 之 電器 的原 因。
表 3 系統充電性能
太陽能電池模組 43.99V, 3.691A, 100W 電瓶 2 顆 12V ,4Ah 串聯 充電時間
(至少 35000 Lux) 約 6 小時 表 4 直流與交流輸出測試結果
DC 輸出測試 手機(HTC Sensation)
電池
(1520mAh,5.62Whr)
約 4 小時
AC 輸出測試
小風扇(東銘家電 45W) 約 59 分 電燈(旭光 25W) 約 1 小時 48 分
5. 結論
太陽能一直會隨著外在環境的改變，照度 和溫度等因素，都會造成太陽能系統無法穩定 的輸出最大功率。所以能穩定的輸出最大功率 就變的很重要，而應用模糊理論之太陽能最大 功率追蹤，是本文所提出來的方法之一。
本文所提出來的應用模糊理論之太陽能 最大功率追蹤法，配合本文所設計之太陽能電 源轉換系統能讓使用者在使用時，能隨時進行 太陽能的追蹤，與充電，讓使用者能夠將系統 方便攜帶，隨時能夠結合身邊的太陽能電池模 組，提供現有產品較大的彈性與結合太陽能電 池模組，讓太陽能的應用能夠行動化、便利化，
也讓太陽能發電設備不再跟以往需要伴隨太 陽能電池模組在環境中遭受日曬、雨淋，造成 電子元件的損壞。另外本設計前端使用降壓式 電路，方便於後端應用，但其缺點卻是在低電 壓時無法進行運作，而太陽能發電時間越長對 發電量越有幫助，因此為使發電時間延長，本 文在未來將改用升壓式電路，以延長發電總時 數，進而獲取更多的能源。
6. 參考文獻
[1] 戴伯凱，在線式智慧型太陽能最大功率追 蹤之研究，碩士論文，崑山科技大學，
2010。
[2] 周柏璁，太陽能最大功率追蹤蓄電池儲能 系統之研製，碩士論文，崑山科技大學，
2009
[3] R. LEYVA, “MPPT of Photovoltaic Systems using Extremum–Seeking Control,” IEEE Trans. on Aerospace and Electronic Systems vol. 42, no. 1 January 2006.
[4] “dsPic30F4011DataSheet”，
http://ww1.microchip.com/downloads/en/d evicedoc/70135c.pdf
[5] “NP SERIES - NP4-12DataSheet” ， http://www.yuasabatteries.com/pdfs/NP_4 _12_DataSheet.pdf
[6] "德州儀器 TI UC3906N datasheet "，
http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/
texasinstruments/uc3906.pdf
7. 致謝
在此感謝崑山科技大學 100 學年度跨院系 科技整合專案補助計畫。
