受到油價飆漲及石化能源可用年限有限等議題影響，再加上京都議定書（KyotoProtocol）諸多因素，使目前對於一些天然能源或再生能源的利用逐漸受到重視，而陽光照射地球40分鐘帶來的能量，相當於全球一年的能源總消耗量，所以太陽能的潛力無窮，而太陽能可經由太陽能電池直接轉換為電能，且不污染環境及生態，是一非常乾淨的能源。太陽能電池壽命長久，可達20年以上，但太陽能電池發電量大小隨日光強度而變化，因此本文提出應用人工智慧於太陽能電池追日系統，此一系統係利用模糊控制理論決定追日的狀態，並結合灰色關聯分析關聯太陽的運行角度，進而控制步進馬達改變太陽能電池角度，使太陽直射太陽能電池，增加太陽能電池發電量。

經由實驗結果得知，在相同的日照之下，太陽能電池固定角度的發電量，與本文所提追日系統的發電量，做比較後發現，追日系統能有效提昇23%以上。

Factors of very rapidly rising oil prices, the running out time limits on continued use of fossil fuels, as well as elements of the Kyoto Protocol, have greatly arouses the increasing emphasis on natural and renewable energy sources. 40 minutes of total solar radiation on earth could provide enough power to meet the energy needs of all human beings for approximately one year. The potential of solar energy is virtually limitedless. Moreover, by means of solar powered batteries, solar energy can be directly converted to electric power. Since it neither pollutes the environment or ecology, solar is an extremely clean source of energy. The life-span of solar cell is very long, possibly 20 years or more. The capability of solar batteries to provide energy is approximately proportional to the intensity of the sunlight. This thesis proposes the use of Artificial intelligence for "Sun Track Solar Energy System". This system employs Fuzzy Logic Control Theory, combined with Grey Relational Analysis, for tracking the angle of the sun, and further control the motor to adjust the angle for tracking, so direct sunlight could be acquired to increase power output.
As a result of the experiment, comparing the electricity generated from the fix angle solar battery with the AI-based Sun Track Solar Energy System, the latter one has an efficiency increase up to 23% for the same amount of sunlight.

目 錄
摘要……………………………………………………I
Abstract………………………………………………II
目錄……………………………………………………IV
圖目錄………………………………………………VIII
表目錄…………………………………………………X

第一章 緒論…………………………………………1

1-1 研究背景………………………………………1
1-2 研究動機………………………………………2
1-3 論文內容大綱…………………………………2

第二章 太陽日照……………………………………4

2-1 前言……………………………………………4
2-2 太陽運行模式…………………………………4
2-3 太陽位置………………………………………6
2-4 時差與日出日落時刻……………………………8
2-5 太陽輻射能量…………………………………10

第三章 太陽能發電系統原理………………………13

3-1 前言……………………………………………13
3-2 太陽能電池原理………………………………13
3-3 太陽能電池種類………………………………16
3-3-1 單晶矽太陽能電池…………………………………16
3-3-2多晶矽太陽能電池…………………………………17
3-3-3 Ⅲ-V 族化合物半導體……………………………18
3-3-4薄膜型太陽能電池………………………………19
3-4太陽能電池電氣特性……………………………21
3-5鉛酸電池特性及原理……………………………25
3-6太陽能發電系統原理……………………………26

第四章 模糊邏輯控制及灰色理論…………………28

4-1 前言……………………………………………28
4-2模糊控制理論…………………………………28
4-2-1明確集合與模糊集合……………………………………29
4-2-2歸屬函數…………………………………………………32
4-2-3模糊規則庫………………………………………………34
4-2-4模糊推論引擎……………………………………………34
4-2-5解模糊化…………………………………………………36
4-3灰色理論…………………………………………38
4-3-1灰色系統概論……………………………………………38
4-3-2灰關聯分析模型…………………………………………40
4-3-3改良式灰色關聯分析模型………………………………41
4-3-4四大公理證明……………………………………………44

第五章 人工智慧追日系統架構……………………46

5-1減速機……………………………………………46
5-2步進馬達…………………………………………48
5-2-1步進馬達種類……………………………………………49
5-2-2步進馬達動作原理………………………………………50
5-2-3步進馬達運轉特性………………………………………51
5-2-4步進馬達的激磁方式……………………………………55
5-2-5步進馬達的驅動電路……………………………………57
5-3並列埠……………………………………………58
5-4光偵測電路………………………………………60
5-5太陽能板雙軸角度控制…………………………61
5-6系統軟體規劃……………………………………63

第六章 實驗結果與討論……………………………66

6-1光偵測電路測試…………………………………66
6-2太陽能板雙軸角度控制測試………………………67
6-3人工智慧軟體測試………………………………69
6-4太陽能板校正實驗電路…………………………72
6-5太陽能板不同仰角發電量分析……………………74
6-6太陽能板不同水平角發電量分析…………………75
6-7人工智慧追日系統發電量分析……………………76
6-8步進馬達耗能分析………………………………81

第七章 結論與未來研究方向………………………82

7-1 結論……………………………………………82
7-2 未來研究方向……………………………………83

參考文獻………………………………………………84

附錄A 太陽運軌跡資料庫…………………………87
圖目錄
圖2-1 地球對太陽公轉………………………………………………4
圖2-2太陽高度示意圖………………………………………………6
圖2-3太陽方位角示意圖……………………………………………7
圖2-4赤緯示意圖……………………………………………………8
圖2-5 太陽輻射傳播示意圖…………………………………………11
圖3-1理想pn 接面二極體之電流-電壓特性曲線圖……………14
圖3-2 太陽能電池內部反應圖………………………………………15
圖3-3 太陽能電池等效電路…………………………………………21
圖3-4 不同溫度下對太陽光電池I-V 曲線的影響………………23
圖3-5 不同溫度下對太陽光電池P-V 曲線的影響………………23
圖3-6 不同日照量下對太陽光電池I-V 曲線的影響………………24
圖3-7 不同日照量下對太陽光電池P-V 曲線的影響………………24
圖3-8 鉛酸電池構造圖………………………………………………25
圖3-9 獨立運轉型太陽光電能轉換系統示意圖…………………27
圖3-10 市電併聯型太陽光電能轉換系統示意圖…………………27
圖4-1 明確集合之特性函數……………………………………30
圖4-2 模糊集合之特性函數…………………………………………31
圖4-3 模糊控制器的推論流程圖……………………………………32
圖4-4 歸屬函數(日照強度)…………………………………………33
圖4-5 歸屬函數(太陽能板電流)……………………………………33
圖4-6 歸屬函數(後件部)……………………………………………33
圖4-7 模糊推論過程…………………………………………………36
圖4-8 系統是否追日輸出圖…………………………………………37
圖4-9 改良式灰色關聯度之關係圖…………………………………43
圖5-1 蝸桿與蝸輪 ……………………………………………………46
圖5-2 蝸桿蝸輪減速機 ………………………………………………47
圖5-3 PM式與VR式步進馬達之結構………………………………49
圖5-4 三種馬達電壓訊號的電壓－時間圖…………………………50
圖5-5 步進馬達激磁原理……………………………………………51
圖5-6 步進馬達控制流程圖…………………………………………51
圖5-7 步進馬達特性曲線……………………………………………52
圖5-8達靈頓對電晶體驅動電路……………………………………57
圖5-9 D型25pin之接腳圖…………………………………………58
圖5-10 Print Port驅動電路圖……………………………………59
圖5-11 光電晶體等效電路……………………………………………60
圖5-12 光偵測電路……………………………………………………61
圖5-13仰角控制示意圖………………………………………………61
圖5-14水平角控制示意圖……………………………………………62
圖5-15 系統軟體規劃流程圖………………………………………65
圖6-1 光偵測電路……………………………………………………66
圖6-2 光偵測電路實驗圖……………………………………………67
圖6-3 灰關聯度輸出值……………………………………………71
圖6-4固定角度太陽能板……………………………………………72
圖6-5追日系統太陽能板……………………………………………72
圖6-6 校正實驗輸出曲線……………………………………………73
圖6-7 校正實驗實體圖………………………………………………73
圖6-8 仰角與太陽能板輸出電流關係曲線圖………………………74
圖6-9 不同水平角與太陽能板輸出電流關係曲線圖………………76
圖6-10 人工智慧追日系統發電量分析實體圖………………………77
圖6-11 4月10日固定角度太陽能系統輸出電流曲線圖…………77
圖6-12 4月10日人工智慧追日太陽能系統輸出電流曲線圖……78
圖6-13人工智慧雙軸追日太陽能系統發電量分析實體圖…………79
圖6-14 5月9日固定角度太陽能系統輸出電流曲線圖……………79
圖6-15 5月9日人工智慧雙軸追日太陽能系統輸出電流曲線圖…80
表目錄
表2-1 為台灣部分城市之參考緯度 …………………………………7
表2-2 為台灣24節氣之赤緯值………………………………………8
表3-1 太陽能電池材料與效率之比較………………………………20
表4-1 傳統集合與模糊集合基本精神的比較表……………………31
表4-2 模糊推論規則對照表…………………………………………34
表5-1 一相激磁順序表………………………………………………55
表5-2 二相激磁順序表………………………………………………56
表5-3 一、二相激磁順序表…………………………………………56
表6-1光偵測電路輸出電壓表………………………………………66
表6-2 仰角測試統計表………………………………………………68
表6-3 水平角測試統計表……………………………………………68
表6-4 Fuzzy程式測試結果…………………………………………70
表6-5 太陽能板規格表………………………………………………72
表6-6 仰角發電量分析………………………………………………74
表6-7 水平角發電量分析……………………………………………75
表6-8人工智慧單軸追日系統發電量分析…………………………77
表6-9人工智慧雙軸追日系統發電量分析…………………………79
表6-10人工智慧追日系統馬達耗能分析……………………………81
表7-1 各種太陽能追日系統比較表…………………………………82

參考文獻
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