臺灣博碩士論文加值系統

近年來能源問題持續被重視，傳統化石燃料隨著不斷被開採不僅愈來愈少，價格攀升，後續造成的污染、溫室效應、乃至氣候異常現象愈來愈嚴重，更甚者，當資源減少到一定程度還可能引起戰爭造成慘重傷亡；幾年前日本311福島事件更引爆了一場廢核大戰，各種分析討論及抗議遊行不斷上演，除了核能安全問題之外，核廢料至今仍然沒有很好的處理方式，我們除了改變使用能源的習慣，減少不必要的浪費之外，替代能源的開發諸如太陽能、風力、地熱等等將有機會減緩能源枯竭的速度。台灣是天然資源匱乏的國家，在眾多的替代性能源中，太陽能對台灣相對較具發展優勢，若能以太陽能取代現有的煤、石油、天然氣、核能等不可再生能源，不僅可以大大改善環境污染，同時也是未來減少能源進口依賴，推動能源自主的關鍵。另外，太陽能電池生產技術與半導體產業製程技術相似，幾十年來台灣已建立了半導體產業的雄厚基礎，目前已有機會在全球太陽光電產業佔有一席之地。
本研究藉由市售之太陽能模組專用直流轉交流逆變器分析太陽能電池模組的特性，此逆變器可併網且具最大功率追蹤功能、直接輸入市電，搭配以LabView為基礎自行開發之監測程式、結合中央大學大氣系每日監測之氣象資料，進一步分析溫度和日照強度對太陽能電池發電效率的相對關係。

As the decreasing of energies such as fossil fuel, the energy price is getting higher herewith serious issues of pollution, the greenhouse effect, and climatic anomalies. On March, 2011, the Fukushima Daiichi nuclear disaster in Japan injured thousands of people to increase the safety concern of nuclear. Besides, the treatment of nuclear waste is still a big problem. Renewable energies such as solar power, wind power, and geothermal power, are good solutions to substitute those non-renewable resources. For the lack of natural resources in Taiwan, the renewable resources are more important. Solar power is the best solution since it exits everywhere. The fabrication technology of solar cells is similar with the one of semiconductors, which is mutual in Taiwan.
In this research, a mono-crystalline silicon photovoltaic system and a poly-crystalline silicon photovoltaic system were build to analyze their performances and connected to commercial DC-to-AC (D/A) inverters in real environment. These D/A inverters were developed with maximum power point tracking (MPPT) function. The AC power generated from the photovoltaic systems was transferred from DC powers to the on-grid system directly. A LabView program was developed to record the generated powers and the temperatures of solar modules. The final results were calculated including the data of solar irradiance provided by the Department of Atmospheric Science of National Central University. In the analysis we can understand the relationships between photovoltaic module temperature, solar irradiance, and efficiency.

中文摘要 ……………………………………………………………………………… i
英文摘要 ……………………………………………………………………………… ii

誌謝 ……………………………………………………………………………… iv

目錄 ……………………………………………………………………………… v

圖目錄 ……………………………………………………………………………… viii

表目錄 ……………………………………………………………………………… x

1. 緒論……………………………………………………………………… 1
1-1 研究背景………………………………………………………………… 1
1-2 研究動機………………………………………………………………… 2
1-3 論文架構………………………………………………………………… 3
2. 太陽能電池的原理…………………………………………………… 4
2-1 太陽能電池的基本原理……………………………………………… 4
2-2 溫度及光對太陽能電池的影響…………………………………… 11
2-3 材料對太陽能電池的影響………………………………………… 17
2-3-1 單晶矽太陽能電池…………………………………………………… 18
2-3-2 多晶矽太陽能電池…………………………………………………… 19
3. 太陽能發電系統的介紹……………………………………………… 21
3-1 獨立型(Stand-Alone)太陽光電系統…………………………… 21
3-2 市電併聯型(Grid-Connected)太陽光電系統………………… 24
3-3 混合型系統……………………………………………………………… 26
4. 設備及實驗流程……………………………………………………… 30
4-1 硬體及設備……………………………………………………………… 30
4-1-1 硬體配線………………………………………………………………… 30
4-1-2 硬體及設備規格……………………………………………………… 31
4-1-3 太陽能模組輸出的量測及其限制………………………………… 33
4-1-4 太陽光照度量測……………………………………………………… 35
4-2 軟體架構………………………………………………………………… 36
4-3 氣象資料………………………………………………………………… 38
4-4 分析方法………………………………………………………………… 39
4-4-1 電壓、電流、溫度及衍生之計算………………………………… 39
4-4-2 結合天氣資料所產生的運算……………………………………… 40
4-4-3 調整方法：十分鐘平均之計算…………………………………… 40
4-4-4 溫度係數與光照係數………………………………………………… 42
5. 結果與分析……………………………………………………………… 43
5-1 初始量測資料的判讀………………………………………………… 43
5-1-1 模組輸出電壓、電流、瓦數，模組溫度，及照度對時間的關係………………………………………………………………………
43
5-1-2 模組溫度及日度強照度對效率關係……………………………… 45
5-1-3 模組溫度對日照強度的關係……………………………………… 48
5-2 固定日照強度，比較溫度對效率的影響………………………… 49
5-3 固定溫度，比較日照強度對效率的影響………………………… 53
5-4 比較單晶矽與多晶矽的照度及效率關係……………………… 58
5-5 比較單晶矽與多晶矽的溫度及效率關係……………………… 59
5-6 比較單晶矽與多晶矽在長時間累積能量的表現……………… 60
5-7 比較單晶矽與多晶矽太陽能模組在日照強度較強時的表現 63
5-8 比較單晶矽與多晶矽太陽能模組在日照強度較弱時的表現 64
5-9 不同太陽能模組對逆變器的差異………………………………… 65
6. 結論與未來展望……………………………………………………… 67
6-1 實驗結論………………………………………………………………… 67
6-2 未來展望………………………………………………………………… 68
參考文獻 ……………………………………………………………………………… 69

﹝1﹞ BP p.l.c., “BP Statistical Review of World Energy June 2013”, BP p.l.c., 2013
﹝2﹞ 行政院經濟部能源局，再生能源發展條例，經濟部能源局，2009。
﹝3﹞ 中華人民共和國第十屆全國人民代表大會，中華人民共和國可再生能源法，中華人民共和國第十屆全國人民代表大會常務委員會第十四次會議，2005。
﹝4﹞ Australia Government, Department of Industry, Innovation, Climate Change, Science, Research and Tertiary Education, 取自http://www.climatechange.gov.au/energy-efficiency/solar-cities
﹝5﹞ Solar Power in Germany, 取自http://en.wikipedia.org/wiki/Solar_power_in_Germany
﹝6﹞ 德國駐法蘭克福辦事處商務組，德國太陽能光電政策及商機分析，2013年3月22日，取自http://www.trade.gov.tw/Pages/detail.aspx?nodeID=47&pid=428873
﹝7﹞ 莊嘉琛，太陽能工程-太陽電池篇，全華圖書，1996。
﹝8﹞ 吳財福，張健軒，陳裕愷，太陽能供電與照明系統綜論，全華圖書，2000。
﹝9﹞ 黃柏文，蕭德仁，「提升太陽電池發電效率參數與機構之研究」，私立正修科技大學，碩士論文，2007。
﹝10﹞ S. M. Sze, K. K. Ng, Physics of semiconductor, third edition, Wiley Interscience, 2007.
﹝11﹞ J. Millman, A. Grabel, Microelectronics, second edition, McGraw Hill Book Company, 1987.
﹝12﹞ M. R. Patel, Wind and solar power systems, CRC Press LLC, 1999.
﹝13﹞ 何金滿，李東嶽，「獨立型太陽光電能發電系統分析與研究」，私立中原大學，碩士論文，2006。
﹝14﹞ S. Premrudeepreechacharn, N. Patanapirom, “Solar-Array Modelling and maximum power point tracking using neural networks”, IEEE Bologna Power Tech Conference, IEEE, 2003.
﹝15﹞ A. Royne, C. J. Dey, D. R. Mills, “Cooling of photovoltaic cells under concentrated illumination: a critical review”, Solar Energy Materials & Solar Cells 86 (2005) 451-483, Elsevier B.V., 2004.
﹝16﹞ 李清元，振芫禎，，「太陽能最大功率追蹤器之研究」，私立大同大學，碩士論文，2008。
﹝17﹞ 吳財福，張健軒，陳裕愷，太陽能供電與照明系統綜論，全華科技圖書股份有限公司，2000。
﹝18﹞ 羅光旭，蔡中，，太陽電池技術-現況與展望，經濟部能源局，1987。
﹝19﹞ 工研院，太陽光電資訊網，取自http://solarpv.itri.org.tw/aboutus/sense/category.asp
﹝20﹞ 頂晶科技股份有限公司，取自http://www.tynsolar.com.tw/
﹝21﹞ INVENTEC Energy公司，取自http://www.inventecenergy.com/
﹝22﹞ 安捷倫公司，取自http://www.home.agilent.com/agilent/home.jspx?cmpid=4572&lc=cht&cc=TW
﹝23﹞ LI-COR公司，取自http://www.licor.com/env/products/light/pyranometers/
﹝24﹞ MIDC SOLPOS Calculator，取自www.nrel.gov/midc/solpos/solpos.html
﹝25﹞ J.J. Michalsky, “The astronomical almanac’s algorithm for approximate solar position (1095-2050)”, Solar Energy Vol. 40, No. 3, pp.227-235, 1988.
﹝26﹞ 管中閔，統計學：觀念與方法，華泰書局，2004。
﹝27﹞ 台灣電力公司，取自http://www.taipower.com.tw/
﹝28﹞ D. J. Mbewe, H. C. Card, D. C. Card, “A model of silicon solar cells for concentrator photovoltaic and photovoltaic/thermal system design”, Solar Energy Vol.35, No. 3, pp. 247-258, Pergamon Press Ltd.,1985.
﹝29﹞ 郭艷光，畢無量, 「 三接面串接式太陽能電池之模擬與分析」，國立彰化師範大學光電科技研究所，碩士論文，2009。
﹝30﹞ T. Huld, et al., “Mapping the performance of PV modules, effects of module type and data averaging”, Elsevier Ltd, Solar Energy 84 (2010) 324–338, 2010.
﹝31﹞ K. Akhmad, et al., “Outdoor performance of amorphous silicon and polycrystalline silicon PV modules”, Solar Energy Materials and Solar Cells 46 (1997) 209-218, Elsevier Science B.V., 1997.
﹝32﹞ R. Rüther, M. M. Dacoregio, “Performance Assessment of a 2 kWp Grid-connected, Building-integrated, Amorphous Silicon Photovoltaic Installation in Brazil”, Prog. Photovolt. Res. Appl. 2000; 8: 257-266, John Wiley & Sons Ltd., 2000.
﹝33﹞ K. Bücher, “Site dependence of the energy collection of PV modules”, Solar Energy Materials and Solar Cells 47 (1997) 85-94, Elsevier Science B.V., 1997.
﹝34﹞ H. P. Garg, R. S. Adhikari, “System performance studies on a photovoltaic/thermal (PV/T) air heating collector”, Renewable Energy 16 (1999) 725-730, Elsevier Science Ltd., 1999.
﹝35﹞ J. D. Mondol, Y. G. Yohanis, B. Norton, “The effect of low insolation conditions and Inverter oversizing on the long-term performance of a grid-connected photovoltaic system”, Prog. Photovolt: Res. Appl. 2007; 15:353–368, John Wiley & Sons Ltd., 2007.
﹝36﹞ 黃家華，楊鈞凱，「太陽能電池之效率量測系統與元件表現參數之分析」，國立東華大學，碩士論文，2005。
﹝37﹞ 蔡知達等編著，「矽基太陽電池之系統發電性能評估」，2008 第七屆台灣電力電子研討會暨展覽會(1620-1623)，2008。
﹝38﹞ 蕭瑛東，陳家宏，「太陽能電池最大功率追縱設計與製作」，第22屆電力研討會，2001。
﹝39﹞ 洪國強，「住宅用市電併聯型太陽能電力轉換器」，國立台灣大學，博士論文，2002。
﹝40﹞ N. Mutoh, et al., “Prediction-data based maximum-power-point-tracking method for photovoltaic power generation systems”, Pesc 02. 2002 IEEE 33rd Annual on Power Electronics Specialists Conference, Vol.3, pp. 1489-1494, 2002.
﹝41﹞ International Electrotechnical Commission, “Photovoltaic system performance monitoring – guidelines for measurement, data exchange, and analysis, IEC Standard 61724”, International Electrotechnical Commission, 1998.