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系統識別號 U0026-0912201413474600
論文名稱(中文) 太陽能動力無人飛機之電源管理研究
論文名稱(英文) Power Management on Solar Powered Unmanned Aircraft
校院名稱 成功大學
系所名稱(中) 航空太空工程學系碩士在職專班
系所名稱(英) Department of Aeronautics & Astronautics (on the job class)
學年度 103
學期 1
出版年 104
研究生(中文) 陳建銘
研究生(英文) Chien-Ming Chen
學號 P47001147
學位類別 碩士
語文別 中文
論文頁數 54頁
口試委員 指導教授-賴維祥
口試委員-陳建富
口試委員-尤芳忞
口試委員-林喆
中文關鍵字 太陽能  無人飛行載具  電源管理  Arduino 
英文關鍵字 Solar energy  unmanned aerial vehicles  power management  Arduino 
學科別分類
中文摘要 本論文的目的為應用太陽能電池發電作為無人飛行載具之電力來源。其主要的原理是利用升壓轉換器(Boost Converter),將太陽能板輸出固定電壓轉換成定電壓輸出,用以驅動無人飛機上之負載:包括Arduino控制板、電壓電流檢測模組、鋰聚電池及馬達。將太陽能板所提供的非固定電壓,轉換成各控制模組及飛機飛行馬達及鋰聚電池維持運轉所需之電壓值。
本研究選用6塊太陽能板面積各為156x156 mm2,以電子負載機於定功率量測下,手動調整電子負載機增加其負載功率值;測得當時照度下之太陽能板可產生之最大功率值並記錄之。再以Arduino單片機根據電壓及電流感測器回授經由擾動觀察法及增量電導法之程式計算,配合所製作之升壓電路進行PWM(Pulsed width Modulation)控制及最大功率追踪及記錄回傳的值於記憶卡模組內。經實驗可知太陽能板可有效地發電並供給下游負載正常運作,前述兩種方法所得之MPPT(Max Power Point Tracking)效率分別為99.6%及99.9%。雖然已能提供定電壓輸出,但由於太陽能板的輸出電池受電池材料、太陽日照條件與環境溫度所影響。因此吾人必須將所設計的太陽能系統作適當改進後,以鋰聚電池作為主電源,太陽能為輔助電源。如此才可穩定供應於下端負載。本論文將在最後討論有些未如預期實驗結果的原因,並探求未來可以改進的方向。
英文摘要 In this thesis, the application of solar cells is utilized for power generation as a source of unmanned aerial vehicles. Maximum power point tracking (MPPT) is the control technique that maintains the PV modules operating point at its maximum power condition. The main principle is to use a booster circuit (boost converter), the non-linear voltage and current output of the solar panels is converted into a constant voltage output to the load on the drive unmanned aircraft, including Arduino control board, voltage and current detection module, Li-poly battery and power motor. The solar panels provide a non-linear voltage output, converted into a motor control module and the flight of each aircraft and lithium-poly battery to maintain operation of the voltage level.
Obtained in the experiment, the solar panels can effectively generate electricity and supply the proper functioning of the downstream load, but still some issues need to be improved. Although this device is able to provide constant voltage output, but because of the solar panel's output batteries and battery by battery materials, sunlight conditions and the influence of the ambient temperature, the conversation efficiency is not so high. In the future, it must be designed so the solar system to make appropriate improvements to lithium-poly battery as the primary power source, solar energy for secondary power. And it will give a steady supply to the lower end of the load.
論文目次 摘要 I
Extended Abstract II
誌謝 VI
目錄 VII
表目錄 IX
圖目錄 X
第1章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 研究動機 2
1.3 研究目的 2
第2章 文獻回顧與基本原理 4
2.1 太陽能電池基本原理 4
2.2 太陽能電池之種類 7
2.2.1 單晶矽太陽能電池 8
2.2.2 多晶矽太陽光電池 8
2.2.3 非晶矽太陽光電池 8
2.3 太陽能電池等效電路 8
2.4 最大功率追踨法則 11
2.4.1 擾動觀察法(Perturbation and Observation Algorithm) 12
2.4.2 增量電導法(Incremental Conductance Algorithm) 13
第3章 硬體架構 17
3.1 最大功率轉換原理 17
3.2 設計升壓直流轉換器 23
3.3 脈波寬度調變電路 25
3.4 MPPT控制系統 26
3.4.1 電壓數位類比sensor 29
3.4.2 電流數位類比sensor 29
3.4.3 Data logger shield 30
第4章 結果與討論 32
4.1 小型太陽能板-模擬光源MPPT測試 32
4.1.1 擾動觀察法MPPT 33
4.1.2 增量電導MPPT 36
4.2 小型太陽能板-真實光源MPPT測試 39
4.2.1 擾動觀察法MPPT 40
4.2.2 增量電導法MPPT 43
4.3 UAV太陽能板-真實光源MPPT 46
4.3.1 擾動觀察法MPPT 47
4.3.2 增量電導MPPT 50
第5章 結論與建議 53
5.1 結論 53
5.2 未來研究建議 54
參考文獻 55
附錄 Arduino 程式碼 A-1
附錄I - POA algorithm A-1
附錄II - ICA algorithm code A-6
參考文獻 [1] 維基百科,“溫室效應”,http://zh.wikInedia.org/wiki/%E6%B8%A9%E5%AE%A4%E6%95%88%E5%BA%94#.E5.8E.86.E5.8F.B2
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[23] Arduino, Arduino Leonardo, 取自網址:http://arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardLeonardo
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