臺灣博碩士論文加值系統

本論文提出太陽能與燃料電池之智慧型複合潔淨能源充電控制器設計，依據潔淨能源操作特性不同，分別整合太陽能光電板、燃料電池及鉛酸、鋰鐵之複合電池，其中太陽能光電板是用來作為主要電源; 燃料電池則用來輔助儲備系統，提供太陽能不足之穩態功率和短期供應不足瞬態功率；同時採用降壓轉換器，避免太陽能模組電壓對電池過充及提升整體轉換器效率。當陽光照度強時，除供應負載用電之外，剩餘電力先對鋰鐵電池進行快速大電流充電，再對鉛酸電池進行充電；可獲得極高充放電效率；當陰天鋰鐵電池儲量不足時，則切換至鉛酸電池供電，可有效延長陰天供電時間。
此外，本文也提出燃料電池氫氣回收循環機制，有效提高以最小氫氣量輸入獲得最大效率輸出。本系統控制電路採用Microchip PIC18系列微控制器為基礎，大幅縮小硬體電路體積，採用智慧型脈波寬度調變充電控制法針對智慧型潔淨複合電池來進行數位控制及實現控制策略，使其具有高充放電效率、維修成本低、延長陰天照明時間及環保效益等優點，也使用最大功率點追蹤法控制太陽能與燃料電池的輸出功率，使其能在各種不同工作環境下，均可使太陽能與燃料電池輸出最大功率。

This thesis proposed the design and implement of intelligent charging controller with combing PV modules and fuel cells. According to the operating characteristics of the clean energy, PV modules, fuel cell, compound battery, lead-acid, and lithium-iron battery are integrated. PV modules are used as the primary source of power, however fuel cell is used to assist the reserve system for PV modules steady-state power and short-term supply transient power. The buck converter is employed to avoid over charging for battery and improve the over all efficiency. When the sunlight is strong illumination, it not only supply load electricity, but also surplus electricity first lithium-iron battery for fast current charging and re-charging of lead-acid batteries; obtain high charging and discharging efficiency; When the weather is cloudy, lithium-iron battery reserves insufficient, and it is switched to lead-acid battery-powered and effectively extending cloudy supply time.
In addition, the Microchip PIC18F series microprocessor has been used as the control unit in the systems which reduce the hardware circuit dimension. The intelligent pulse with PWM battery charging control method is used for digital composite control strategy. It has a high charge-discharge efficiency, low maintenance cost, extended cloudy lighting time and the environmental benefits, etc., it also use the maximum power point tracking (MPPT) method to control the output of the PV modules to enable them to work in a variety of different circumstances, and to make PV modules work at maximum power output.

碩士學位論文審定書
誌 謝 iii
摘 要 iv
Abstract v
目 錄 vi
圖目錄 ix
表目錄 xiii
第一章 簡介 1
1.1研究背景 1
1.2相關研究 2
1.3 文獻探討 4
1.3.1 國內相關文獻探討 4
1.3.2 國外相關文獻探討 6
1.4 論文架構 8
第二章 太陽能與燃料電池特性簡介 10
2.1 前言 10
2.2 太陽能電池種類 11
2.3 太陽能電池原理 14
2.4 實現最大功率追蹤方法分析 25
2.5 最大功率點追蹤法 27
2.6 燃料電池種類 28
2.7 燃料電池原理 30
第三章 元件及系統介紹 32
3.1 前言 32
3.2元件介紹 32
3.3 常用之充電方法 39
3.4 系統方塊圖 41
3.4.1太陽能電池模組 41
3.4.2 燃料電池 42
3.4.3 複合電池 42
3.4.4 PIC18F微控制器 51
3.4.5 降壓轉換器 53
3.4.6負載LED 61
第四章 系統架構與實測分析 64
4.1 電源轉換電路 65
4.1.1 5V電源轉換電路 65
4.1.2 LC震盪轉換電路 66
4.2本論文所提系統架構 67
4.2.1 系統架構流程圖 72
4.2.2 電池電壓狀態顯示 77
4.2.3 PWM電路 77
4.2.4 降壓電路 79
4.2.5 電驛切換電路 79
4.2.6 電流放大電路 80
4.2.7 電池電量警示燈號 81
4.2.8 電磁閥控制電路 82
4.3 實測分析 83
4.3.1 複合電池充電分析 85
4.3.2 複合電池放電分析 98
4.3.3 複合電池充放電曲線分析 104
4.3.4 燃料電池負載量測 114
第五章 結論與未來研究方向 124
5.1結論 124
5.2未來研究方向 125
參考文獻 127

[1]黃秉鈞，《我國太陽光電能發展前景》，太陽能學刊，民國85年。
[2]黃秉鈞，《我國太陽能發展的現況與展望》，光訊，68，民國86年10 月。
[3]唐宗賓，《市電並聯型光伏系統之研製》，國立清華大學碩士論文，民國90年。
[4]T. C. J. van der Weiden and A. J. Kil, “ Calculated effect of central DC/AC power conversion from PV generators with different orientations,” in Proc. IEEE on WCPEC Conf., pp.844-845, 1994.
[5]柯鈞嚴，《應用於太陽能照明之智慧型複合電池充電控制器研製》，南開科技大
學電機與資訊工程學系碩士論文，民國101年7月。
[6]Hideyuki Takakura, Kousaku Koujitani, 'Kholid Akhmad, Frank Belley, Akio Kitamura and Yoshihiro Hamakawa, “ Simulation calculation of solar array output connecting two sub-array with different azimuth angles,” in Proc. IEEE on WCPEC Conf., pp.840-843, 1994.
[7]沈仲晃，《太陽能電池安裝角度與電能輸出之研究》，技術學刊，20(1)， 15-20，民國94年3月。
[8]Yaow-Ming Chen, Chien-Hsing Lee and Hsu-Chin Wu, “ Calculation of the optimum installation angle for fixed solar-cell panels based on the genetic algorithm and the simulated-annealing method, ” IEEE Trans. on Energy Conversion, vol. 20, no. 2, June 2005.
[9]王榕朗，《以太陽能供電之LED照明系統之研製》，國立東華大學電機工程學系碩士論文，民國97年7月。
[10]曾創煒，《採阻抗匹配法之太陽光伏系統最大功率點追踪技術探討與研究》，中原大學電機工程學系碩士學位論文，民國94年6月。
[11]夏永富，《多用途節能LED照明系統》，國立高雄應用科技大學電子工程系碩士論文，民國99年。
[12]黃正樟，《具電流分配控制之複合式電池系統研製》，國立中央大學電機工程研究所論文，民國99年。
[13]吳財福、陳裕愷、張健軒，《太陽光電能供應與照明系統》，台北，全華圖書股份有限公司出版，第二版，民國96年。
[14]林原立，《粒子群式太陽能最大功率追蹤轉換器之研製》，國立彰化師範大學電機工程學系碩士論文，民國97年。
[15]羅光旭、蔡中，《太陽電池技術─現況與展望》，經濟部能源委員會，民國76年6月。
[16]莊嘉琛，《太陽能工程─太陽電池篇》，台北，全華書局出版，修訂版，民國97年。
[17]D. S. H Chan, J. R. Phillips and J. C. Phang, “ A comparative study of extraction methods for solar cell model parameters, ” Solid-State Electronics, vol. 29, no. 3, pp. 329-337, 1986.
[18]馮垛生、宋金蓮、趙慧、林珊、趙海波，《太陽能發電原理與應用》，台北，五南圖書出版股份有限公司，民國98年。
[19]K. H. Hussien, I. Muta, T. Hoshino and M. Osakada,“Maximum photovoltaic power tracking: an algorithon for rapidly changing atmospheric conditions, ”IEEE proc. Gener. Transm. Distrib, vol. 142, no. 1, pp. 59-64, Jan. 1995.
[20]H. J. Beukes and J. H. R. Enslin, “ Analysis of a new compound converter as MPPT, battery regulator and bus regulator for satellite power system,“ Proceedings of the IEEE Power Electronics Specialists Conf., pp. 846-852, June 1993.
[21]F. Harashima, H. Inaba and N. Takashima,“Microprocessor-controlled SIT inverter for solar energy systems, ”IEEE Trans. on Industrial Electronics, vol. IE-34, no. 1, pp. 50-55, Feb. 1987.
[22]K. Harada, G. Zhao,“ Controlled power interface between solar cells and AC source, ”IEEE Trans. on Power Electronics, vol. 8, no. 4, pp. 654-662, Oct. 1993.
[23]F. Harashima, H. Inaba,“ Micro-processor-controlled SIT inverter for solar engery system,”IEEE Trans. on Industrial Electronics, vol. IE-34, no. 1, pp. 50-55, Feb. 1985.
[24]Z. Salameh, F. Dagher and W. A. Lynch,“ Step-down maximum power point tracker for photovoltaic system, ”Solar Engery, vol. 46, no. 1, pp. 278-282, 1991.
[25]O. Wasynczuk,“ Dynamic behavior of a class of photovoltaic power system, ”IEEE Trans. on Power Apparatus and System, vol. RAS-102, no. 9, Sep. 1983.
[26]劉志偉，《太陽光電能驅動之調光電子安定器設計與製作》，國立中正大學電機研究所碩士論文，民國86年。
[27]H. M. Mashaly, A. M. Sharaf, M. M. Mansour and A. A. El-Sattar,“ Fuzzy logic controller for maximum power point tracking in line-commutated photovoltaic inverter scheme, ”Proceedings of the Canadian Conference on Electrical & Computer Engineering, pp. 1287-1290, 1993.
[28]C. Y Won, D. H. Kim, S. C. Kim, W. S. Kim and H. S. Kim,“ A new maximum power point tracker of photovoltaic arrays using fuzzy controller, ”Proceedings of the IEEE Power Electronics Specialists conf., vol. 1, pp. 396-403, June 1994.
[29]潘晴財，《並聯於電力系統之住宅用太陽光發電系統之研製》，行政院國家科學委員會計畫研究計畫成果摘要報告，民國90年7月。
[30]華志強，《高效率低成本太陽能發電系統之研製》，行政院國家科學委員會研究計畫研究成果摘要報告，民國86年7月。
[31]華志強、林忠榮和沈志明，《太陽能電池特性之模擬與儲能系統之研製》，第十七屆電力研討會，民國85年。
[32] K.C. Lee, J. Zhang, H. Wang, D.P. Wilkinson, “ Progress in the synthesis of carbon nanotube and nanofiber-supported ptelectrocatalysts for PEM fuel cell catalysis, ” Journal of Applied Electrochemistry, vol. 36, pp. 507-522, 2006.
[33]黃永仁，《磷酸鋰鐵電池充放電特性之研究》，國立彰化師範大學電機工程研究所碩士論文，民國96年。
[34]陳志達，《鎳氫電池殘電量預估及分析研究》，大葉大學車輛工程研究所碩士論文，民國94年。
[35]古必廣，《數位式高性能太陽能路燈系統之研製》，雲林科技大學電機工程研究所碩士論文，民國95年。
[36]Z. Wen-xian, M. Jie and Z. Ying, “ Rapid charge system for lead-acid battery of solar energy sreet light based on single-chip microcomputer, ” International Conference on Computer Science and Information Technology, pp. 337-341, 2008.
[37]吳宇平，戴曉兵，馬軍旗，程預江，《鋰離子電池-應用與實踐》，化學工業出版社，第一版，民國93年3 月。
[38]曾百由著，《微控制器原理與應用》，台北，五南圖書出版股份有限公司，第二版一刷，民國98年11月。
[39]張天錫譯，《電力電子學》，台北，全華科技圖書股份有限公司，第三版二刷，民國93年6月。
[40]Steve Winder著，陸瑞強譯，《高功率LED驅動電路設計與應用》，台北，五南圖書出版股份有限公司，初版一刷，民國99年5月。
[41]陳進源，《鉛酸電池組之均勻充電器設計》，虎尾科技大學電機工程研究所碩士學位論文，民國100年9月
[42]林孟令，《磷酸鋰鐵與氧化鋰鐵磷電池充放電特性之研究》，國立彰化師範大學電機工程學系論文，民國101年。
[43]蔡育倫，《具升降壓功能的鉛酸電池充電器之研製》，國立彰化師範大學電機工程學系論文，民國99年。
[44] Taesic Kim and Wei Qiao,“ A hybrid battery model capable of capturing dynamic circuit characteristics and nonlinear capacity effects, ”IEEE Trans. on Energy Conversion, vol. 26, no. 4, p.p. 1172-1180, Dec. 2011.
[45] V. Agarwal, K. Uthaichana, R. A. DeCarlo and L.H. Tsoukalas,“ Development and validation of a battery model useful for discharging and charging power control and lifetime estimation, ”IEEE Trans. on Energy Conversion, vol. 25, no. 3, p.p. 821 – 835, Sep. 2010.
[46]M. Cugnet, J. Sabatier, S. Laruelle, S. Grugeon, B. Sahut, A. Oustaloup and J. M. Tarascon,“On lead-acid-battery resistance and cranking-capability estimation, ”IEEE Trans. on Industrial Electronics, vol. 57, no. 3, p.p. 909 -917, Mar. 2010.
[47]M. A. Roscher, O. S. Bohlen, Sauer and D. U. Energy, “Reliable state estimation of multicell lithium-ion battery systems, ” IEEE Trans. on Energy Conversion, vol. 26, p.p. 737-743, Sep. 2011.
[48]Chol-Ho Kim, Moon-Young Kim, Hong-Sun Park and Gun-Woo Moon,“ A modularized two-stage charge equalizer with cell selection switches for series-connected lithium-ion battery string in an HEV, ”IEEE Trans. on Power Electronics, vol. 27, no. 8, p.p. 3764- 3774 , Aug. 2012.