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研究生:周建仁
研究生(外文):Chein-ren Chou
論文名稱:太陽能電池短路電流法追日控制器之研發
論文名稱(外文):Research and Design of Sun Tracking Controller By Using Short-Circuit Current of PV
指導教授:董必正董必正引用關係
指導教授(外文):Pi-cheng Tung
學位類別:碩士
校院名稱:國立中央大學
系所名稱:機械工程研究所
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2011
畢業學年度:99
語文別:中文
論文頁數:133
中文關鍵詞:追日控制器短路電流太陽能電池高聚光型太陽能電池
外文關鍵詞:Short-circuit currentHCPVSolar cellPVSun tracking controller
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  太陽能電池之輸出功率隨著陽光的入射角度不同而有所變化,欲提昇輸出功率,就必須使太陽能板在任何時刻都正對著太陽。隨著高聚光型太陽能電池的發展,追日控制器的追蹤角度誤差要求也愈加嚴苛。一般追日控制器不外乎利用光感測器或太陽軌跡公式來進行追蹤,但前提是機構安裝誤差要小、定位必須精確,而且機構會因長時間使用而出現老化變形,需要時常校準、維護機台與追蹤器之間的整合狀況,即使能達到非常精準的追蹤效果,卻必須犧牲許多心力,造成發電成本昂貴。
  本研究初步利用小功率太陽能電池本身的發電量—短路電流作為追蹤的衡量基準,在直流-直流轉換器的運作過程當中,適時且迅速量測短路電流作為追蹤訊號,用以進行太陽追蹤。如此一來將可不必考慮機構安裝誤差及定位準確度,並且在機構老化變形時依然能夠找到最大功率輸出的位置,除了能省去光感測器的精密安裝與角度編碼器等硬體的使用,也減少許多不必要的維護、校準成本。實際將控制器使用在高聚光型太陽能板時,在微小角度誤差範圍以內的追蹤有不錯的性能表現。
  The output power of the solar cell varies with the varying incidence angle of the sun, so the PV panel must be kept facing the sun directly at any time if we want to rise its output power. Recently, the requirement of tracking error of angle is more and more strict with the development of High Concentrated PV. In general, either photo-sensor or sun trajectory formula is adopted in the controller for sun tracking, but the controllers works on the premises that, the error of mechanism set up should be small, the orientation should be fixed accurately, and the mechanism will be aging after using a long time, so the system should be calibrated and maintained usually. Even though the tracking results are precise, many things were then sacrificed, this will cause the cost of electric-power-generating to be more expensive.
  This thesis uses the short-circuit current of a solar cell which has a small output power to be the consideration in order to do tracking, the short-circuit current is then measured fast during the process of the operation of DC-DC converter. Thus, the error of mechanism set up and the orientation-fixing accuracy need not to be considered, and the tracking angle that the PV outputs maximum power will still be met. The exact fixing of photo-sensor and the using of encoders will then be left out and the unnecessary cost of calibration and maintenance will be reduced in this way. The tracking performance of the used controller is pretty good in a small range of angle when it is used for the High Concentrated PV system.
摘要 i
ABSTRACT ii
致謝 iii
目錄 iv
圖目錄 viii
表目錄 xvii
符號說明 xviii

一、緒論 1
 1-1 研究背景及動機 1
 1-2 文獻回顧 6
 1-3 文章架構 6

二、太陽能發電系統 8
 2-1 太陽能電池發電原理 8
 2-1-1 P-N接面二極體的結構 8
 2-1-2 太陽能電池的發電原理及數學模型 10
 2-2 太陽能電池種類 16
 2-3 太陽能發電系統與架構 22
 2-3-1 太陽能電池單元 22
 2-3-2 電力整流與轉換單元 25
 2-3-3 機台機構單元 29
 2-3-4 追蹤控制單元 34

三、短路電流法追日控制器 39
 3-1 系統介紹與短路電流量測架構 39
 3-1-1 脈波寬度調制技術 40
 3-1-2 升壓型轉換器之電路原理 41
 3-1-3 升壓型轉換器的運作模式 49
 3-1-4 以短路電流作為追蹤指標的可行性分析 50
 3-1-5 短路電流的量測架構 53
 3-2 硬體架構介紹 54
 3-2-1 太陽能電池 54
 3-2-2 機台支架機構 56
 3-2-3 驅動馬達與減速機構 57
 3-3 控制器設計 57
 3-3-1 永磁直流馬達基本原理、控制及驅動器之選用 58
 3-3-2 功率級半導體可控開關之選用 62
 3-3-3 電流訊號之處理 68
 3-3-4 微處理器dsPIC30F4011之介紹 74
 3-3-5 光感測器之設計 75
 3-4 緩衝器介紹 79
 3-5 第一代追日控制器之設計 82
 3-5-1 第一代追日控制器之電路板Layout 82
 3-5-2 第一代追日控制器之外部手動控制箱 85
 3-6 第二代追日控制器之設計 86
 3-6-1 第二代追日控制器之電路板Layout 86
 3-6-2 第二代追日控制器之手動控制配電設計 89
 3-7 極限開關問題 91

四、控制系統與控制策略演算法設計 92
 4-1 控制系統 92
 4-2 第一代控制器之控制策略及演算法 92
 4-2-1 第一代控制器主程式架構 92
 4-2-2 馬達運動曲線之開路驅動 93
 4-2-3 短路電流量測過程之暫態響應 96
 4-2-4 訊號之數位處理與低通濾波器之設計 99
 4-2-5 單軸追蹤之策略與演算流程 100
 4-2-6 雙軸追蹤策略與演算流程 104
 4-3 第二代控制器之控制策略及演算法 104
 4-3-1 第二代控制器主程式架構 104
 4-3-2 光感測器法與短路電流法之追蹤演算法整合 105
 4-3-3 自我校準光感測器的參數誤差 107

五、實驗與討論 108
 5-1 追蹤演算法之模擬 108
 5-1-1 軸對稱式連續曲面 109
 5-1-2 非軸對稱式連續曲面 110
 5-1-3 非軸對稱式不連續曲面 111
 5-2 第一代追日控制器之實驗結果 112
 5-2-1 小瓦數太陽能電池之短路電流變化狀況 112
 5-2-2 第一代控制器的測試方式說明 114
 5-2-3 第一代控制器單軸追蹤結果 115
 5-2-4 第一代控制器雙軸追蹤結果 117
 5-2-5 烏雲遮蔽之影響 118
 5-3 第二代控制器之性能測試 119
 5-3-1 HCPV的短路電流測試 119
 5-3-2 第二代控制器的功能測試 121

六、結論與未來展望 128
 6-1 結論 128
 6-2 未來展望 128

參考文獻 131
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