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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:徐嘉良
研究生(外文):Jia-Liang Hsu
論文名稱:獨立型太陽能路燈系統設計與研製
論文名稱(外文):Design and Implementation of a Stand-Alone Photovoltaic Street Lighting System
指導教授:何金滿何金滿引用關係
指導教授(外文):Jin-Maun Ho
學位類別:碩士
校院名稱:中原大學
系所名稱:電機工程研究所
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2009
畢業學年度:97
語文別:中文
論文頁數:204
中文關鍵詞:太陽能路燈設計
外文關鍵詞:street lightingdesignSolar cell
相關次數:
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摘 要

因應太陽能為最被看好的再生能源之一以及高亮度發光二極體是未來環保照明的主流,本論文提出以獨立型太陽能發電系統並以高亮度發光二極體作為路燈照明之設計。

本論文以獨立型太陽能路燈系統最佳利用為研究目的,具有兩大目標:其一是獨立型太陽能路燈系統需要蓄電池提供電力作為照明來源,但是所處地方環境,如氣候、緯度、平地或山區之設置地點不同,造成每個設置地點得到的太陽能發電量也是不相同的情況。所以若是以相同路燈規格,設置於不同地方,可能有太陽能發電量不足情況產生,造成蓄電池的電力無法有效作為照明設備的電力來源,進而燈具不亮的問題發生。故本論文從燈具瓦數及最長照明時數之要求,作為設計蓄電池容量與所需太陽能發電量之依據,並利用台灣標準日射量,做到系統的最佳容量設計與規劃,達到整體系統有效運作於不同地方。其二是在路燈裝設地點,受到地形影響,如路燈設置地點可能有遮蔽情況發生,造成其路燈系統未能有效儲存電力。而提出設計一組獨立型太陽能發電系統驅動兩組路燈照明燈具之設計,以避免受遮蔽影響,而使路燈未能有效運作。

最後為驗證路燈系統之可行性,本論文作一假設裝置地點如南投偏遠山區與實際利用中原大學太陽能發電系統,設計出一組獨立型太陽能路燈系統,當作設計案例。並對實際設計的路燈系統做一實驗驗證與系統探討。
Abstract


The solar energy is one of the most promising renewable energy and the using of high brightness Light Emitting Diode (LED) for lighting system has become a trend recently. This thesis presents a stand-alone solar electrical power system which supply power to LED for street lighting.

This thesis proposes an optimal design of a stand-alone photovoltaic (PV) street lighting system. It has two purpose:the first , to calculate the optimal solar energy and battery capacities under different environmental conditions, such as climate, latitude, plain or mountain area for effective lighting. The second, to design of a solar power generation system for supplying two sets of LED lighting system, which can avoid the affection of shade and make the street lighting operating effectively.

Finally, in order to verify the street lighting system feasibility, this thesis presents a pseudo place like remote mountainous areas in Nantou and an actual place in Chung Yuan Christian University to design a stand-alone PV street lighting system each for comparison. The experimental results verify the feasibility of this design.
目 錄
摘要 Ⅰ
Abstract Ⅱ
誌謝 Ⅲ
目錄 Ⅳ
圖目錄 Ⅷ
表目錄 XⅦ
第一章 緒 論
1.1 研究背景 1
1.2 研究動機 2
1.3 文獻回顧 3
1.4 論文貢獻 6
1.5 論文架構 7
第二章 太陽光電電池的種類、特性及發電系統簡介
2.1 太陽光電電池的原理 8
2.2 太陽光電電池的種類和轉換效率 11
2.2.1 單結晶矽太陽光電池 14
2.2.2 多結晶矽太陽光電池 15
2.2.3 Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體 16
2.2.4 薄膜型太陽光電池 19
2.2.5 有機太陽光電池 21
2.3 太陽光電池的電氣特性 23
2.4 太陽能發電系統連接分類方式 37
2.4.1 獨立型系統 38
2.4.2 市電並聯型 39
2.4.3 混合型系統 42
第三章 太陽能最大功率點之各項追蹤法則介紹
3.1最大功率點追蹤(MPPT)演算法 45
3.1.1 電壓回授法 46
3.1.2 功率回授法 46
3.1.3 擾動觀察法 47
3.1.4 三點權位比較法 50
3.1.5 增量電導法 53
3.1.6 直線近似法 55
3.1.7 實際量測法 58
3.1.8 短路電流法 59
3.1.9 阻抗匹配法 60
3.1.10 各種最大功率點追蹤法(MPPT)之比較 62
3.2 MPPT採用MicrochipPIC18F452微處理器介紹 63
第四章 獨立型太陽能路燈系統設計
4.1 台灣太陽能設計用標準日射量分析 65
4.2 日射量地理分布與發電量解析 71
4.3 太陽光電系統容量設計 82
4.3.1 獨立型太陽能光電系統容量設計的基本原則 82
4.3.2 負載計算設計 83
4.3.3 蓄電池容量設計 83
4.3.4 太陽光電池模組設計 91
4.3.5 蓄電池和太陽光電模組的設計核對 95
4.3.6 太陽光電池的方位角與傾斜角的選擇 97
4.4 假定案例設計 99
第五章 實驗路燈系統電路架構設計
5.1 系統架構 110
5.2 實驗用太陽能發電系統設備介紹 111
5.3 回授控制電路設計 112
5.3.1 太陽能輸入電壓和蓄電池端電壓回授電路設計 112
5.3.2 太陽能輸入電流和蓄電池充放電電流回授電路設計 113
5.4 光耦合隔離電路設計 114
5.5 微處理器(PIC18F452)控制電路 116
5.5.1 微處理器(PIC18F452)控制流程設計 117
5.6 直流轉換器設計 121
5.7 升壓與恆流IC驅動電路設計 124
5.8 充放電蓄電池組 128
5.9 LED模組 129
5.10 硬體電路實體圖 131
第六章 實驗結果與討論
6.1 中壢地區之容量設計 133
6.2 實驗量測充電模式 134
6.3 實驗量測放電模式 139
第七章 結論與未來展望
7.1 結論 147
7.2 未來展望 148
參考文獻 149
附錄 154

圖 目 錄
圖2-1 pn接面二極體I-V特性圖 9
圖2-2 太陽光照射在太陽光電池上之架構圖 10
圖2-3 太陽光電池之理想狀態等效電路 11
圖2-4 太陽電池種類 12
圖2-5 2008年各種太陽電池的市場佔有率 12
圖2-6 全球太陽電池市場產能 13
圖2-7 串聯效率不同之太陽光電池 15
圖2-8 Si及GaAs太陽電池理論轉換效率與膜厚,粒徑關係 18
圖2-9 化合物半導體不同溫度下之光電池轉換效率 18
圖2-10 非晶矽薄膜型太陽光電池之結構圖 20
圖2-11 色素增感太陽光電池之結構圖 21
圖2-12 實際狀態時之太陽電池等效電路 23
圖2-13 太陽光電池之輸出特性 27
圖2-14 太陽光電池模組的連接方式 28
圖2-15 阻隔二極體之特性 29
圖2-16 SP75單晶矽太陽光電池表面放大500倍 29
圖2-17 Shell之SP 75模組圖(中間者) 30
圖2-18 太陽光電池模組(Shell SP 75)之等效電路 30
圖2-19 太陽光電池模組(Shell SP 75)之簡化等效電路 30
圖2-20 Air Mass 的定義圖 31
圖2-21 不同日照量下對太陽光電池I-V曲線的影響(在固定的大氣溫度下25℃) 34
圖2-22 不同日照量下對太陽光電池P-V曲線的影響(在固定的大氣溫下25℃) 35
圖2-23 不同日照量下對太陽光電池P-V-I 3D曲線(在固定的大氣溫下25℃) 35
圖2-24 不同溫度下對太陽光電池I-V曲線的影響(在固定日照量在1000W/m2) 36
圖2-25 不同溫度下對太陽光電池P-V曲線的影響(在固定日照量在1000W/m2) 37
圖2-26 太陽光電能發電系統之連接方式 37
圖2-27 獨立型系統之示意圖 38
圖2-28 傳統多級式市電併聯行系統之架構圖 41
圖2-29 無蓄電池組之多級系統架構圖 41
圖2-30 單級式市電併聯型系統之架構圖 41
圖2-31 市電併聯型之連接圖 41
圖2-32 混合型之連接圖 42
圖2-33 晴天的中午時之電力流動方向 43
圖2-34 早晚或陰天時之電力流動方向 43
圖2-35 雨天或夜間時之電力流動方向 44
圖2-36 停電時(有日照量時)之電力流動方向 44
圖2-37 停電時(無日照量時)之電力流動方向 44
圖3-1 電壓回授法方塊圖 46
圖3-2 功率回授法方塊圖 47
圖3-3 擾動觀察法方塊圖 48
圖3-4 擾動觀察法之控制流程圖 49
圖3-5 三點權位比較法中最大功率點附近資料型態 51
圖3-6 三點權位比較法中“三點”其他排列方式 51
圖3-7 三點權位比較法的方塊圖 51
圖3-8 三點權位比較法控制流程圖 52
圖3-9 增量電導法的方塊圖 54
圖3-10 增量電導法控制流程圖 54
圖3-11 太陽光電池等效電路 55
圖3-12 太陽光電池之最大功率(P*)與輸出電流(I*)之關係圖 57
圖3-13 直線近似法的方塊圖 57
圖3-14 實際量測法的方塊圖 58
圖3-15 短路電流法最大功率點追蹤電路示意圖 59
圖3-16 阻抗匹配法方塊圖 60
圖3-17 阻抗匹配法控制流程圖 61
圖3-18 MicrochipPIC18F452 63
圖4-1 台灣全年日射量分布圖(單位:kWh/m2 日) 68
圖4-2 北部地區月平均日射量變化圖 78
圖4-3 北部地區四季月平均日射量變化圖 78
圖4-4 中部地區月平均日射量變化圖 78
圖4-5 中部地區四季月平均日射量變化圖 79
圖4-6 南部地區月平均日射量變化圖 79
圖4-7 南部地區四季月平均日射量變化圖 79
圖4-8 東部地區月平均日射量變化圖 80
圖4-9 東部地區四季月平均日射量變化圖 80
圖4-10 外島地區月平均日射量變化圖 80
圖4-11 外島地區四季月平均日射量變化圖 81
圖4-12 高海拔地區月平均日射量變化圖 81
圖4-13 高海拔地區四季月平均日射量變化圖 81
圖4-14 蓄電池容量設計流程圖 84
圖4-15 蓄電池溫度-放電率-容量曲線 85
圖4-16 鉛酸電池最大放電深度-溫度曲線 88
圖4-17 容量保持特性曲線 88
圖4-18 太陽光電池模組設計流程圖 91
圖4-19 嘉義緯度的太陽光照射於光電池模組之變化 98
圖4-20 日月潭全年月平均日射量分布圖(單位:kJ/m2 日) 99
圖4-21 日月潭全年日射量分布圖(單位:kWh/m2日) 99
圖4-20 日月潭全年月平均日射量分布圖(單位:kJ/m2 日) 100
圖5-1 系統架構方塊圖 110
圖5-2 實驗所用300W獨立型太陽能板 111
圖5-3 電壓回授電路設計圖 113
圖5-4 電流回授電路設計圖 114
圖5-5 輸出電壓與量測電流關係圖 114
圖5-6 TLP250內部結構圖 115
圖5-7 TLP250接線圖 115
圖5-8 PIC18F452實體圖 116
圖5-9 路燈系統控制主流程圖 118
圖5-10 最大功率點追蹤流程圖 119
圖5-11 利用PWM充電增加蓄電量示意圖 120
圖5-12 多段式電流充電曲線示意圖 120
圖5-13 太陽能充電控制電路 121
圖5-14 TL494內部方塊圖 123
圖5-15 TL494控制IC腳位圖 123
圖5-16 AMC3202典型應用電路 125
圖5-17 AMC3202內部方塊圖 126
圖5-18 AMC7140典型應用電路 127
圖5-19 放電控制電路圖 128
圖5-20 實驗所用LED實體圖 129
圖5-21 電壓電流回授實體圖 131
圖5-22 Buck實體圖 131
圖5-23 Buck-Boost實體圖 132
圖5-24 升壓與恆流IC驅動電路實體圖 132
圖6-1 該日逐時之日射量變化 136
圖6-2 該日太陽能電壓電流曲線圖 137
圖6-3 該日蓄電池電壓電流曲線圖 137
圖6-4 蓄電池充電電壓電流 137
圖6-5 多階段式電池充電電壓 138
圖6-6 多階段式電池充電電流 138
圖6-7 蓄電池充電電壓電流 139
圖6-8 本實驗所採用的89.6W LED模組 140
圖6-9 升壓IC的升壓值 141
圖6-10 升壓IC的升壓值 141
圖6-11 升壓IC啟動,恆流IC未啟動,LED模組輸出電壓、電流值 142
圖6-12 恆流IC啟動,升壓IC未啟動,LED模組輸出電壓、電流值 142
圖6-13 第一組LED模組輸出之電壓、電流、功率值 143
圖6-14 第一組LED模組照明實體圖 143
圖6-15 第二組LED模組輸出之電壓、電流、功率值 144
圖6-16 第二組LED模組照明實體圖 144
圖6-17 雙組LED模組輸出之電壓、電流、功率值 145
圖6-18 兩LED模組間,加入0.5毆姆之電壓、電流、功率值 145
圖6-19 雙組LED模組照明實體圖 146
附錄圖1 板橋全年月平均日射量分布圖 154
附錄圖2 淡水全年月平均日射量分布圖 155
附錄圖3 鞍部全年月平均日射量分布圖 156
附錄圖4 台北全年月平均日射量分布圖 157
附錄圖5 竹子湖全年月平均日射量分布圖 158
附錄圖6 基隆全年月平均日射量分布圖 159
附錄圖7 花蓮全年月平均日射量分布圖 160
附錄圖8 蘇澳全年月平均日射量分布圖 161
附錄圖9 宜蘭全年月平均日射量分布圖 162
附錄圖10 澎湖全年月平均日射量分布圖 163
附錄圖11 台南市全年月平均日射量分布圖 164
附錄圖12 永康全年月平均日射量分布圖 165
附錄圖13 高雄全年月平均日射量分布圖 166
附錄圖14 嘉義全年月平均日射量分布圖 167
附錄圖15 台中全年月平均日射量分布圖 168
附錄圖16 阿里山全年月平均日射量分布圖 169
附錄圖17 大武全年月平均日射量分布圖 170
附錄圖18 玉山全年月平均日射量分布圖 171
附錄圖19 新竹全年月平均日射量分布圖 172
附錄圖20 成功全年月平均日射量分布圖 173
附錄圖21 蘭嶼全年月平均日射量分布圖 174
附錄圖22 日月潭全年月平均日射量分布圖 175
附錄圖23 台東全年月平均日射量分布圖 176
附錄圖24 梧棲全年月平均日射量分布圖 177
附錄圖25 金門全年月平均日射量分布圖 178
附錄圖26 馬祖全年月平均日射量分布圖 179
附錄圖27 恆春全年月平均日射量分布圖 180
附錄圖28 各測站全年日射量分布圖 181
附錄圖29 各測站全年日射量分布圖 182
附錄圖30 各測站全年日射量分布圖 183
附錄圖31 各測站全年日射量分布圖 184
附錄圖32 各測站全年日射量分布圖 185
附錄圖33 中央氣象局測站分布圖 186

表 目 錄
表2-1 各種太陽電池的轉換效率 13
表2-2 ShellSP75的規格表 31
表3-1 短路電流法實驗數據 59
表3-2 各種最大功率點追蹤法之比較 62
表3-3 PIC18F452微控制器基本功能表 64
表4-1 台灣日射量資料庫 67
表4-2 台灣各測站全年月平均日照時數(單位:小時) 69
表4-3 台灣各地每KW容量光電板發電量推估表 72
表4-4 設計範例比較表 108
表4-2 台灣各測站全年月平均日照時數(單位:小時) 69
表4-2 台灣各測站全年月平均日照時數(單位:小時) 69
表5-1 TLP250光耦合器的介紹 115
表5-2 TL494控制IC腳位功能說明 124
表5-3 AMC3202升壓IC腳位功能說明 126
表5-4 AMC7140LED恆流IC腳位功能說明 127
表5-5 LED規格表 130
表5-6 LED路燈之效率要求等級 130
表6-1 升降壓轉換器結合最大功率追踪的量測數據 135
參考文獻
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[48]LEM, LTS-25NP Datasheet, http://www.lem.com/
[49]吳民聖,獨立型太陽能路燈之高性能充放電控制技術研究,國立臺灣大學機械工程學研究所碩士論文,中華民國九十四年六月。
[50]TI, TL494 Datasheet, http://www.ti.com.tw/
[51]ADDtek, AMC3202、AMC7140 Datasheet, http://www.addmtek.com/
[52]Everlight, EHP-AX08LS Datasheet, http://www.everlight.com/
[53]包濬瑋,太陽光發電系統運轉性能評估,中原大學碩士論文,中華民國九十二年六月。
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