用Arduino來製作太陽能最大功率追蹤控制器
化石燃料產生的空污問題、氣候變遷讓東南亞異常乾旱，及近年印尼及巴西亞馬遜雨林大火，加速碳存量高的森林以每年250萬公頃的速度消失，澳洲大堡礁也面臨空前浩劫，主因是全球氣候變遷。科學家估計，多達93%珊瑚白化。大氣、陸地與海洋，是地球系統中最重要的三個碳儲存庫。海洋吸收巨量人類活動製造的碳排放，造成海水酸化，對海洋生態環境有全面性的影響。海平面上升、冰川融化、海洋酸化，直接影響人類賴以生存的整個生態系統。長久下去，臺灣也無法倖免。連年出現超大颱風，即與海水溫度上升有關，據研究，過去近40年內，東亞與東南亞的颱風增強了約12%至15%。
《紐約時報》國際事務專欄作家湯馬斯．佛里曼（Thomas L. Friedman）說此刻的世界還面對全球暖化（hot）、能源耗竭（flat）、人口爆炸（crowded）三箭齊發的衝擊。熱、平、擠同步衝擊後，又衍生世界的五大病症：
一. 能源及天然資源供需問題。世界變平了後，全球將新增20億～30億新興中產階級，想要過美式生活，導致能源和資源將嚴重不足。
二. 石油獨裁主義，如沙烏地阿拉伯、伊朗……，因為享有高油價，這些產油國保守政權，可以用大筆資金繼續統治合法性，而不需傾聽人民，更不需理會外國批評。
三. 氣候變遷，全球氣候詭譎難測，更長的乾旱、雨季、更強的颶風等。
四. 生物多樣性喪失，物種消失速度比正常快了1000倍，將是人類文明有史以來第一個必須學諾亞造方舟，挑選生物最後配對的時代。
五. 能源匱乏，全球仍有16億人口，過著連電器開關都沒有，從沒用過電的生活，顯示能源分配極度不均。
佛里曼分析，三大面向、五大問題，讓人類自千禧年後進入一個截然不同的新時代──「能源氣候年代」（Energy Climate Era）。公元2000年，人類歷史正式進入這個E.C.E。他也一語點破，要解決熱、平、擠最大的癥結，就在「能源」。
因此，如何有效並廣泛的使用乾淨的再生能源是目前各國努力的目標。再生能源簡單的說就是生生不息的天然能源，如水力、風力、太陽能、地熱等都是自然中可利用來產生能量的天然能源。再生能源有取之不盡、用之不竭及不會污染環境等優點。
目前台灣有推動節能減碳及發展新兆元能源產業，再生能源包含太陽光電、風力發電、生質能、氫能與燃料電池;節約能源包含LED照明光電、冷凍空調、能源資通訊、能源技術服務、電動機車。
湯馬斯．佛里曼（Thomas L. Friedman）說政府是綠色創新的推手，要做好必須從下列幾個面向著手：
一. 產業綠化：進行清潔生產相關技術之研發與推廣，提升產業資源利用效率。
二. 綠色產業：獎勵補助綠能與環保產業發展，達到振興經濟、創造就業與減少污染三贏目標。
三. 稅制改革：推動將環境成本內化之賦稅制度，訂定完善法規與政策。
四. 綠色研發創新：針對新能源、節能減碳產品與高附加價值產品進行技術研發與投資補助。
五. 強化資源與廢棄物管理：推動跨區域能源資源管理，建構完備資源循環體系。
台灣雖然四面環海，海洋是最大的寶藏，但是說到能源，目前有98%都得從國外進口，且幾乎都為石油、燃煤和天然氣等石化能源，為使能源朝向多元化、提高能源安全度並減少溫室氣體，政府和企業應積極發展再生能源，克服各種再生能源應用之環保、安全、技術成熟度、環境限制及攜帶性等面向，針對台灣之特殊地理環境，找到最適合的再生能源去研究發展並實際應用、普及在民眾生活中。因此相對來說太陽光電的應具有較大的優勢，尤其在人口稠密的都會區，早期各式再生能源模組價格昂貴以致安裝數量無法提高，如今因技術門檻降低且競爭者眾，太陽能模組價格已大幅降低，未來若能有效提高模組的轉換效率，普及率將更高。
而太陽能電池轉換效率的提升一般可從太陽能板本身的材料及太陽能充電控制器去提升，我們可嘗試從新一代的微控制晶片Arduino來製作MPPT太陽能充放電控制器，它是普遍傳統PWM太陽能充放電控制器的升級替代品，兩者相較之下，MPPT太陽能充放電控制器效能有顯著提升，但目前市售的MPPT太陽能充電控制器價格高出許多，且無法由使用者調控參數或程式，Arduino它本身秉持著具多樣性、簡易使用的精神，可設計出結合軟硬體且開放式原始碼的電腦控制平台，讓我們可以進行各項實驗，編撰最佳參數或條件來進行程式運算，即時追蹤太陽能發電系統的最大的功率點，來發揮出太陽能發電系統的最大功效。該控制器應用於太陽能光伏系統中，將可協調太陽能電池板、蓄電池、負載的工作，是太陽能發電系統的大腦。
基於太陽能電池的輸出特性，會隨太陽光強度等自然環境條件的改變，最大輸出功率點也相應改變，如圖1-1。
圖1-1 不同照度下的太陽能電池最大功率點
因此，將以單晶片Arduino Uno作為微控制器，IR2104作為控制PWM的驅動IC，用來改變MOSFET的占空比(Duty Cycle) ，而太陽能板的輸入電壓也隨之改變，將提升或降低後的輸出電壓及量測到的電流相乘計算，追蹤最大功率點，實驗方法透過程式運算及擾動觀察法，依據太陽能電池在最大功率點時 =0的理論特色，進行最大功率點追蹤控制，相較於傳統充電控制器，太陽能發電系統的整體效能將有顯著的提升，如圖1-2。
圖1-2傳統充電控制器與MPPT充電控制器的比較
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