臺灣博碩士論文加值系統

由於近年來能源問題，逐漸受到各國所重視，而太陽能是一種免費、無污染且又取之不盡、用之不竭，是一種可以利用來發電的一種相當好的能源。而目前的太陽能發電效率普遍都不高，所以如何增加太陽光電能發電系統的發電效率是值得研究的。本研究以獨立型太陽光電能負載研究與分析為主，分析負載與系統匹配的問題，以及負載諧波對太陽光電能發電系統的影響。並對負載消費電力、蓄電池容量的設計與太陽光電池模組串、併聯數，做整個獨立型太陽光電能發電系統一完整規劃。及分析獨立型太陽光電能發電系統的規劃與設置時應考慮的非技術性障礙，瞭解這些系統規劃與設置將有助於獨立型太陽光電能電力的發展。根據本研究分析太陽能板的輸出端電壓隨負載因素變化最大。因此為了穩定太陽能板的輸出電壓，本研究設計一降昇壓轉換器將不穩定的直流電源轉換為穩定直流50V電壓輸出給於後級換流器轉換為交流形式使用。建立出一最完整穩定的獨立型系統，並經由實驗之結果及測試數據證明所預期之效果確實可達成。

Due to the energy crisis, renewable energy sources have been suggested as the possible solution. Among these sources, solar energy is free and without pollution, and the supply is inexhaustible. Therefore it is a fairly good energy to generate electric power. But up to now the efficiency of solar cell is still very low, for that matter how to make the photovoltaic array works in maximum power point is worthy of research.
This study focuses on the analyzing of load matching and harmonic problems of stand-alone photovoltaic power system. We propose a stand-alone system design, including the series and parallel numbers of photovoltaic modules, battery capacity and converter design, discuss the tackling of untechnical problems, and measure the performance.

目 錄

中文摘要………………………………………………………………..Ⅰ
英文摘要………………………………………………………………..Ⅱ
誌謝……………………………………………………………………..Ⅲ
目錄……………………………………………………………………..Ⅳ
表目錄…………………………………………………………………..Ⅶ
圖目錄…………………………………………………………………..Ⅷ

第一章 緒 論…………………………………………………………....1
1.1 研究背景…………………………………………………...1
1.2 研究動機…………………………………………………...3
1.3 相關研究…………………………………………………...4
1.4 論文架構…………………………………………………...4

第二章 太陽光電池特性………………………………………………..6
2.1 前言………………………………………………………...6
2.2 太陽光電池的原理………………………………………...6
2.3 太陽光電池的種類………………………………………..10
2.3.1單結晶矽太陽光電池………………………………11
2.3.2多結晶矽太陽光電池………………………………12
2.3.3 Ⅲ-V族化合物半導體……………………………..13
2.3.4薄膜型太陽光電池…………………………………15
2.4 太陽光電池的電氣特性…………………………………..18

第三章 太陽光發電系統……………………………………………….32
3.1 前言………………………………………………………..32
3.2 充放電控制器……………………………………………..32
3.3 最大功率點追蹤（MPPT）演算法……………………....36
3.3.1 電壓迴授法…………………………………………36
3.3.2 功率迴授法………………………………………….37
3.3.3 擾動觀察法………………………………………….37
3.3.4 三點權位比較法…………………………………….39
3.3.5 增量電導法………………………………………….42
3.3.6 直線近似法………………………………………….44
3.3.7 實際量測法………………………………………….47
3.3.8各種最大功率點追蹤法（MPPT）之比較…………48
3.4 連接方式之分類…………………………………………….49
3.4.1 獨立型系統（Stand-Alone System）……………….49
3.4.2 市電併聯型（Grid-Connection System）…………..50
3.4.3 混合型系統（Hybrid System）……………………..53
3.5 連接系統保護裝置………………………………………….57
3.6 孤島運轉…………………………………………………….59

第四章 獨立型太陽光電能負載分析……………………………………61
4.1獨立型太陽光電能系統架構………………………………..61 4.2負載對獨立型太陽光電能發電系統的影響………………..64
4.3諧波對獨立型太陽光電能發電系統的影響………………..79
4.3.1 諧波的來源與影響……………………………………79
4.3.2太陽光電能發電系統諧波的影響…………………….81
4.3.3太陽光電能發電系統諧波量測……………………….82

第五章 獨立型太陽光電能系統規劃探討……………………………....88
5.1前言…………………………………………………………..88
5.2 獨立型太陽光電能系統規劃………………………………..88
5.2.1 獨立型太陽光電能系統非技術性障礙探討…………95
5.3 獨立型太陽光電能發電系統轉換器設計…………………..98
第六章 結論與未來展望………………………………………………...114
6.1 結論…………………………………………………………114
6.2 未來展望……………………………………………………116

參考文獻…………………………………………………………….........117

作者簡歷………………………………………………………………….122


表 目 錄
表2-1 Shell SP 75 的規格表………………………………………......26
表3-1 充放電控制器之操作模式……………………………………...35
表3-2 各種最大功率點追蹤法之比較………………………………...48
表3-3 保護電驛與事故現象對應表…………………………………...58
表4-1 太陽能板在不同直流負載及未加裝充放電控制器的發電量
(S=700 W/m2)…………………………………………………..65
表4-2 太陽能板在不同直流負載及未加裝充放電控制器的發電量 (S=600W/m2)…………………………………………………....65
表4-3 太陽能板在不同直流負載及加裝充放電控制器的發電量(S=700W/m2)…………………………………………………...66
表4-4 太陽能板在不同直流負載及加裝充放電控制器的發電量(S=600W/m2)…………………………………………………...66
表4-5 太陽能板在不同交流負載的發電量(S=695W/m2)………….....68
表4-6 太陽能板在不同交流負載的發電量(S=620W/m2)………….. ...68
表4-7 太陽能板在不同交流負載的發電量(S=550W/m2)…………….69
表4-8 太陽能板在不同交流負載的發電量(S=495W/m2)…………….69
表4-9 太陽能板在不同交流負載的發電量（電阻串聯電感） (S=513W/m2)…………………………………………………….70
表4-10太陽能板在不同交流負載的發電量（電阻串聯電感）(S=513W/m2)…………………………………………………….70
表4-11太陽能板在不同交流負載的發電量（電阻串聯電感） (S=695W/m2)…………………………………………………….72
表4-12太陽能板在不同交流負載的發電量（電阻串聯電感）
(S=620W/m2)……………………………………………………72
表5-1 常用設備及電器耗電量估算表……………………….......94
表5-2 降昇壓轉換器操作條件及其主要元件規格…………………....99

圖 目 錄
圖2-1 pn接面二極體I-V特性圖……………………………………........7
圖2-2 太陽光照射在太陽光電池上之架構圖……………………………8
圖2-3 太陽光電池之理想狀態等效電路…………………………………9
圖2-4 太陽電池種類……………………………………………………..10
圖2-5 各種太陽電池的市場佔有率……………………………………..10
圖2-6 串聯效率不同之太陽光電池……………………………………..12
圖2-7 Si及GaAs太陽電池理論轉換效率與膜厚，粒徑關係 ………...14
圖2-8 化合物半導體之光電池轉換效率………………………………..15
圖2-9 非晶矽薄膜型太陽光電池之結構圖……………………………..16
圖2-10 太陽光電池實際的等效電路…………………………………....20
圖2-11 太陽光電池之輸出特性………………………………………....21
圖2-12 太陽光電池模組的連接方式…………………………………....23
圖2-13 阻隔二極體之特性……………………………………………....23
圖2-14 單晶矽太陽光電池表面放大500倍…………………………....24
圖2-15 Shell之SP 75模組圖…………………………………………….24
圖2-16 太陽光電池模組（Shell SP 75）之等效電路…………………..25
圖2-17 太陽光電池模組（Shell SP 75）之簡化等效電路……………..25
圖2-18 Air Mass 的定義圖……………………………………………….26
圖2-19 不同日照量下對太陽光電池I-V曲線的影響………………….29
圖2-20 不同日照量下對太陽光電池I-V曲線的影響………………….30
圖2-21 不同溫度下對太陽光電池I-V曲線的影響…………………….31
圖2-22 不同溫度下對太陽光電池P-V曲線的影響…………………....31
圖3-1 充放電控制器示意圖……………………………………………..33
圖3-2 直流供電系統……………………………………………………..34
圖3-3 交直流供電系統…………………………………………………..34
圖3-4 擾動觀察法之控制流程圖………………………………………..38
圖3-5 三點權位比較法中最大功率點附近資料型態…………………..40
圖3-6 三點權位比較法中“三點”其他排列方式……………………..40
圖3-7 三點權位比較法控制流程圖…………………………………….41
圖3-8 增量電導法控制流程圖………………………………………….43
圖3-9 太陽光電池等效電路…………………………………………….44
圖3-10 太陽光電池之最大功率（P*）與輸出電流（I*）之關係圖….46
圖3-11 獨立型系統之連接圖…………………………………………...50
圖3-12 傳統多級式市電併聯型系統之架構圖………………………...52
圖3-13 無蓄電池組之多級系統架構圖………………………………...52
圖3-14 單級式市電併聯型系統之架構圖……………………………...52
圖3-15 市電併聯型之連接圖…………………………………………...53
圖3-16 混合型之連接圖………………………………………………...54
圖3-17 晴天的中午時之電力流動方向………………………………...55
圖3-18 早晚或陰天時之電力流動方向………………………………...55
圖3-19 雨天或夜間時之電力流動方向………………………………...56
圖3-20 停電時（有日照量時）之電力流動方向……………………...56
圖3-21 停電時（無日照量時）之電力流動方向……………………...56
圖3-22 孤島運轉………………………………………………………...59
圖4-1 充放電控制器直流負載接線圖………………………………… .62
圖4-2 充放電控制器交流負載接線圖………………………………….63
圖4-3 獨立型太陽能面板架設圖……………………………………….63
圖4-4 負載為(R=30Ω，L=42mH)時太陽能板輸出端電壓、電流
波形(S=620W/m2)……………………………………………….72
圖4-5 負載為(R=25Ω，L=42mH)時太陽能板輸出端電壓、電流
波形(S=620W/m2)……………………………………………….72
圖4-6 負載為(R=28Ω，L=42mH)時太陽能板輸出端電壓(51.8V)、
電流(8.9A)波形(S=513W/m2)………………………………….73
圖4-7 負載為(R=25Ω，L=52mH)時太陽能板輸出端電壓(51.2V)、
電流(8.9A)波形(S=513W/m2)………………………………….73
圖4-8 電池直接送電，負載為(R=30Ω，L=62mH)時電源端之電壓
(51.2V)、電流(5.2A)波形(S=695W/m2).……………………..75
圖4-9 電池直接送電，負載為(R=30Ω，L=42mH)時電源端之電壓
(51.2V)、電流(6A)波形(S=620W/m2)…..……………………..75
圖4-10負載為輸出88.2W的電風扇時太陽能板輸出端不穩定之電
壓、電流波形(S=620W/m2)………………………………….......76
圖4-11 負載為輸出189W低轉速的吹風機時太陽能板輸出端不
穩定之電壓、電流波形(S=620W/m2)…………………………..76
圖4-12負載為輸出627W高轉速的吹風機時太陽能板輸出端之電壓
(50.8V)、電流(10A)波形(S=620W/m2)……………………......77
圖4-13 負載為輸出630W的烤箱時太陽能板輸出端之電壓(50.8V)、
電流(10A)波形(S=620W/m2)…………………………………....77
圖4-14 電池直接送電，負載為輸出88.2W的電風扇時電源端之電壓
(50.2)、電流(0.8A)波形(S=620W/m2)…….……….................78
圖4-15 電池直接送電，負載為輸出189W低轉速的吹風機時電源端之
電壓(50.2V)、電流(1.7A)波形(S=620W/m2)…………………78
圖4-16 負載為627W高轉速的吹風機，太陽能板輸出端之電壓(50.8V)
、電流(10A)波形時，負載產生之第五次電壓諧波
(S=620W/m2)...…………………………………………………...83
圖4-17 負載為627W高轉速的吹風機，太陽能板輸出端之電壓(50.8V)
、電流(10A)波形時，負載產生之第五次電流諧波
(S=620W/m2)…………………………………………………...…83
圖4-18 負載為630W的烤箱，太陽能板輸出端之電壓(50.8V)、電流
(10A)波形時，負載產生之第五次電壓諧波(S=620W/m2)…….84
圖4-19 負載為630W的烤箱，太陽能板輸出端之電壓(50.8V)、電流
(10A)波形時，負載產生之第五次電流諧波(S=620W/m2)….....84
圖4-20 負載為(R=28Ω，L=42mH)，太陽能板輸出端電壓
(51.8V)、電流(8.9A)波形時，負載產生之第五次電壓諧波
(S=513W/m2)………………………………………………………85


圖4-21 負載為(R=28Ω，L=42mH)，太陽能板輸出端電壓
(51.8V)、電流(8.9A)波形時，負載產生之第五次電流諧波
(S=513W/m2)….………………………………………………….85
圖4-22 負載為(R=25Ω，L=52mH)，太陽能板輸出端電壓
(51.8V)、電流(8.9A)波形時，負載產生之第五次電壓諧波 (S=513W/m2)……………………………………………………..86
圖4-23 負載為(R=25Ω，L=52mH)，太陽能板輸出端電壓
(51.8V)、電流(8.9A)波形時，負載產生之第五次電流諧波 (S=513W/m2)…………………………………………………….86
圖4-24 9.3kW混合型太陽光電發電系統負載諧波電流……………….87
圖5-1 降昇壓轉換器架構圖……………………………………………....99
圖5-2 降昇壓轉換器完整線路設計圖……………………………………100
圖5-3 buck-boost轉換器輸入為70V輸出為48V模擬波形……….....101
圖5-4 buck-boost轉換器輸入為70V輸出為48V時VDS和IL模擬波形……………………………….……………………………….....101
圖5-5 buck-boost轉換器輸入為60V輸出為48V模擬波形……….....102
圖5-6 buck-boost轉換器輸入為60V輸出為48V時VDS和IL模擬波形…………………………………………………………………..102
圖5-7 buck-boost轉換器輸入為50V輸出為48V模擬波形……….....103
圖5-8 buck-boost轉換器輸入為50V輸出為48V時VDS和IL模擬波形…………………………………………………………………...103
圖5-9 buck-boost轉換器輸入為40V輸出為48V模擬波形………......104
圖5-10 buck-boost轉換器輸入為40V輸出為48V時VDS和IL模擬波形…………………………………………………………………..104
圖5-11負載為(R=30Ω，L=62mH)時輸入為62V經buck-boost轉換器輸出
為50V之電壓波形(S=550W/m2)…………….……………………106
圖5-12負載為(R=30Ω，L=62mH)時buck-boost轉換器VDS和IL電壓、
電流波形(S=550W/m2).……………………………………………106

圖5-13負載為(R=30Ω，L=52mH)時輸入為46V經buck-boost轉換器
輸出為50V之電壓波形(S=450W/m2)…………………………….107
圖5-14負載為(R=30Ω，L=52mH)時buck-boost轉換器VDS和IL電壓、
電流波形(S=450W/m2)………………………………………….....107
圖5-15負載為輸出88.2W的電風扇時輸入為66V經buck-boost轉換器
輸出為50V之電壓波形(S=600W/m2)……………………………..108
圖5-16負載為輸出88.2W的電風扇時buck-boost轉換器VDS和IL
電壓、流波形(S=600W/m2)………………………………………..108
圖5-17負載為200Ω純電阻時輸入電壓(63.4V)、電流(6.5A) 波形….109
圖5-18負載為200Ω純電阻時輸出電壓(50.8V)、電流(5.8A) 波形….109
圖5-19負載為100Ω純電阻時輸入電壓(62.8V)、電流(7.1A) 波形….110
圖5-20負載為100Ω純電阻時輸出電壓(52.4V)、電流(6.6A) 波形….110
圖5-21負載為50Ω純電阻時輸入電壓(60.5V)、電流(8.6A) 波形…...111
圖5-22負載為50Ω純電阻時輸出電壓(51.8V)、電流(8.4A) 波形…...111
圖5-23負載為20Ω純電阻時輸入電壓(60.1V)、電流(8.8A) 波形..….112
圖5-24負載為20Ω純電阻時輸出電壓(51.8V)、電流(8.5A) 波形…...112
圖5-25降昇壓轉換器負載與效率關係圖………………………………….113

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