改善逆變器/電池/監(jiān)控平臺配置 太陽能系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率再升級

太陽能(Photovoltaic, PV)發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率再升級。在相同建置面積下，太陽能發(fā)電系統(tǒng)整合商應(yīng)選用高光電轉(zhuǎn)換效率的電池板，并采納具備最大功率追蹤功能的逆變器，同時(shí)做好電力監(jiān)控與管理，方能最大化系統(tǒng)產(chǎn)出的電能并減少異常損壞造成的電力損失。在相同地理環(huán)境與占地面積下，若要使太陽能發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)出電能增加，須掌握多項(xiàng)因素，包含要注意系統(tǒng)配置的方式，找出如何提高太陽能板轉(zhuǎn)換效率的方法，另外還有一項(xiàng)關(guān)鍵因素，就是如何提升逆變器的轉(zhuǎn)換效率。  因此，各家逆變器制造商在器材設(shè)計(jì)上，不僅要挑選高效率元件，以增加轉(zhuǎn)換效能，同時(shí)還有許多地方須注意。本文針對逆變器設(shè)計(jì)再進(jìn)化的主題進(jìn)行剖析，并提供太陽能系統(tǒng)選用逆變器的重點(diǎn)方向。  地理/技術(shù)條件兼具　臺灣太陽能發(fā)展前景看好 臺灣為海島型國家，初級能源極少，國內(nèi)能源供給有99%以上仰賴進(jìn)口，且石化能源依存度高，因而造成溫室氣體二氧化碳(CO2)排放量逐年升高，驅(qū)使政府積極發(fā)展再生能源，以降低溫室氣體CO2的排放量，期望能提高臺灣能源自主性，并促進(jìn)能源永續(xù)發(fā)展。  太陽能是一種取之不盡用之不竭的再生能源。臺灣因有北回歸線經(jīng)過，緯度偏低接近赤道，日照量充足，且從太陽能板、逆變器至土木工程與安裝，在國內(nèi)已有良好供應(yīng)鏈，因此非常適合發(fā)展太陽能發(fā)電系統(tǒng)。經(jīng)濟(jì)部能源局所推廣的陽光屋頂百萬座計(jì)劃，現(xiàn)階段以鼓勵(lì)屋頂型太陽光電系統(tǒng)為主，并結(jié)合躉購費(fèi)率機(jī)制(表1)，規(guī)畫于2030年推廣太陽能光電發(fā)電系統(tǒng)設(shè)置容量達(dá)到6.2GW。  一般晶矽(Silicon)太陽能板有提供10年90%及20年80%輸出效能保固，目前多晶矽與單晶矽太陽能板產(chǎn)品在標(biāo)準(zhǔn)測試條件下(照度1,000W/m2、空氣大氣光程AM1.5、溫度25℃)，其光電轉(zhuǎn)換效率已分別提升至13.6%與14.36%以上，而太陽能板價(jià)錢會隨光電轉(zhuǎn)換效率越高而越貴，但高轉(zhuǎn)換效率的太陽能板，于相同面積下可產(chǎn)出更多電能。  太陽能發(fā)電系統(tǒng)在相同建置面積中，若要使系統(tǒng)效能倍增產(chǎn)出更多潔凈電能，須注意以下幾點(diǎn)，包含太陽能發(fā)電系統(tǒng)的配置、太陽能板之光電轉(zhuǎn)換效率、逆變器控制技術(shù)和電能轉(zhuǎn)換效率。  分散式系統(tǒng)配置穩(wěn)定度高 國家發(fā)展太陽能發(fā)電是為了產(chǎn)生更多潔凈能源，并降低石化燃料使用，以減少CO2之排放量；而業(yè)主裝設(shè)太陽能系統(tǒng)，是為產(chǎn)生更多電能以增加營收。  在太陽能發(fā)電系統(tǒng)配置上，要減少太陽能板至逆變器的距離，以降低線路損失；線路配置時(shí)，須有良好包覆，防止電線長時(shí)間受風(fēng)吹、日曬及雨淋造成絕緣劣化，使之產(chǎn)生接地阻抗過低與漏電等危險(xiǎn)，造成逆變器功能受損；如設(shè)于落雷地區(qū)，應(yīng)加裝避雷裝置，防止雷擊損壞太陽能板與逆變器，使之無法發(fā)電。  目前許多國內(nèi)太陽能發(fā)電廠裝置容量在100k?500kW區(qū)間中，若案廠裝置容量為499kW，可安裝較集中型的大功率逆變器100kW共五臺，或采用分散式較小功率的逆變器10kW共五十臺來組成。當(dāng)集中型大功率逆變器一臺解聯(lián)時(shí)，將會損失約20%的發(fā)電量；反之，當(dāng)分散式較小功率的逆變器一臺解聯(lián)時(shí)，只損失約2%的發(fā)電量。因此，分散式具有穩(wěn)定度高與降低損失風(fēng)險(xiǎn)之優(yōu)點(diǎn)。  選擇逆變器時(shí)，除注意電能轉(zhuǎn)換效率之外，也須了解逆變器之運(yùn)轉(zhuǎn)電壓、最大功率追蹤(Maximum Power Point Tracking, MPPT)之范圍、MPPT之追蹤效率、操作溫度以及控制技術(shù)等，其目的不外乎根據(jù)太陽能板特性，將太陽能板產(chǎn)生之電能，竭盡的萃取出來并饋入電網(wǎng)中，以達(dá)最高效益。  多階式設(shè)計(jì)助力　逆變器提升轉(zhuǎn)換效率 以市售12kW三相逆變器為例，內(nèi)部由兩組直流對直流(DC-DC)轉(zhuǎn)換器，與一組三相直流對交流(DC-AC)轉(zhuǎn)換器所組成(圖1)。三相DC-AC轉(zhuǎn)換器采用三相多階式DC-AC轉(zhuǎn)換器，多階式DC-AC轉(zhuǎn)換器與一般DC-AC轉(zhuǎn)換器相比較，其多階式DC-AC轉(zhuǎn)換器具有功率開關(guān)切換應(yīng)力較小、導(dǎo)通損失較小等優(yōu)點(diǎn)，故可提高整體逆變器之轉(zhuǎn)換效率。  圖1　逆變器電路架構(gòu)逆變器控制方式左右發(fā)電效能 環(huán)境是影響太陽能發(fā)電的主因，但逆變器結(jié)構(gòu)同時(shí)左右太陽能板的光電轉(zhuǎn)換效率。本段介紹DC-DC及DC-AC兩種轉(zhuǎn)換器，其在太陽能發(fā)電效能上的影響。  ．DC-DC轉(zhuǎn)換器 太陽能板上的照度會隨日照角度持續(xù)變化，而天氣、懸浮物與云層的影響也會改變照度，逆變器須具備MPPT功能，其追蹤效率的高低也是影響總輸出功率一大關(guān)鍵。  DC-DC轉(zhuǎn)換器主要是將太陽能板輸出電壓提升至直流匯流排(DC Bus)電壓，此兩組DC-DC轉(zhuǎn)換器分別有兩組獨(dú)立MPPT功能，當(dāng)兩串太陽能板裝設(shè)方位與角度不同，或其中一串太陽能板受遮蔽時(shí)，不會因兩串太陽能板照度不同，使其無法運(yùn)轉(zhuǎn)在輸出最大功率點(diǎn)上，而降低發(fā)電量。  此外，一般逆變器會標(biāo)示運(yùn)轉(zhuǎn)電壓范圍，因照度較小時(shí)太陽能板輸出電壓較低，故此運(yùn)轉(zhuǎn)電壓范圍最小值越低越好，如此有利于逆變器在照度不足的清晨及黃昏時(shí)分亦能輸出電能，延長其工作時(shí)間。  值得注意的還有MPPT操作電壓范圍，若逆變器具較寬的MPPT操作電壓范圍，有利于與各種太陽能板組合搭配。  ．DC-AC轉(zhuǎn)換器 傳統(tǒng)逆變器之轉(zhuǎn)換器使用單階結(jié)構(gòu)，且操作于較高的直流匯流排電壓，但新一代的三相逆變器已改為多階式全橋DC-AC轉(zhuǎn)換器，并嵌入控制系統(tǒng)，以較低的直流匯流排電壓運(yùn)轉(zhuǎn)，則可減少功率開關(guān)切換損失，進(jìn)而提高逆變器之轉(zhuǎn)換效率。  效率轉(zhuǎn)換變數(shù)多　逆變器挑選須全盤考量 一般在選購逆變器時(shí)，優(yōu)劣判斷的依據(jù)往往是最大轉(zhuǎn)換效率數(shù)值，而此最大轉(zhuǎn)換效率系指逆變器運(yùn)轉(zhuǎn)于某特定輸入電壓與輸出功率下才會達(dá)成。但太陽能板隨著太陽照度與溫度，其輸出電壓與輸出功率一直在改變，因此，逆變器轉(zhuǎn)換效率并非為一定值。  為更明確了解逆變器在不同輸出功率的轉(zhuǎn)換效率，歐盟制定一個(gè)「歐洲能源效率(EU Energy Efficiency)」規(guī)范，在逆變器輸入某特定電壓，輸出功率分別為5%、10%、20%、30%、50%與100%時(shí)，量測其轉(zhuǎn)換效率，再依照不同輸出功率有相對的權(quán)重值以計(jì)算出歐洲能源效率。本文用一市售逆變器為例，其歐洲能源效率為97.25%(表2)，最大效率發(fā)生在輸入電壓620伏特與輸出容量60%時(shí)(圖2)，效率為97.64%。  圖2　市售逆變器不同輸入電壓之效率曲線圖太陽能板輸出電壓會隨照度、溫度而變化，故系統(tǒng)設(shè)置時(shí)，應(yīng)考慮太陽能板的輸出電壓是否能提供逆變器運(yùn)轉(zhuǎn)在最佳效率點(diǎn)。圖2為逆變器范例輸入電壓在450伏特、620伏特與850伏特對輸出容量之效率曲線圖，可見當(dāng)設(shè)計(jì)此太陽能板輸出電壓時(shí)，最好大于并且接近620伏特，即可獲得最好的轉(zhuǎn)換效率與發(fā)電量。  目前逆變器都朝機(jī)身輕小方向設(shè)計(jì)，目的在減少單位體積以節(jié)省設(shè)置空間成本，但設(shè)計(jì)往往忽略散熱性能，造成散熱不佳等問題，結(jié)果在夏天日照充足時(shí)，機(jī)器因散熱不佳導(dǎo)致過溫，反而無法輸出太陽能板的最大功率，使發(fā)電量減少。  在太陽能發(fā)電廠中，當(dāng)逆變器裝設(shè)于太陽能板下方，裝設(shè)距離與太陽能板越近則線路損失越少，發(fā)電效益越大；但裝設(shè)于戶外時(shí)要盡量避免太陽直射，否則機(jī)溫會大幅上升。雖然逆變器有過溫保護(hù)功能，但易使機(jī)器過溫降載而減少發(fā)電量。因此，除了逆變器轉(zhuǎn)換效率外，操作溫度范圍也會嚴(yán)重影響發(fā)電量。  確保最大轉(zhuǎn)換效率　逆變器/太陽能板搭配成關(guān)鍵 正確搭配組合太陽能板與逆變器有助于產(chǎn)生最大發(fā)電效益。在此使用前述之逆變器范例，搭配市售太陽能板規(guī)格來做說明(表3、4)。范例中逆變器最大輸入耐壓為1,000伏特，若一地區(qū)最低氣溫不會低于0℃，可計(jì)算出太陽能板開路電壓在0℃時(shí)約為48.49伏特，若串聯(lián)二十片則整串太陽能板開路電壓約為969.8伏特，仍在逆變器最大輸入耐壓內(nèi)。當(dāng)整串二十片太陽能板在背板溫度60℃時(shí)輸出最大功率，其電壓約為627.62伏特，此電壓值大于并靠近此逆變器最佳運(yùn)轉(zhuǎn)電壓620伏特，故能獲得最佳發(fā)電效益。  此外，臺灣日照充足但雨季集中，長時(shí)間不下雨會造成太陽能板上沉積許多落塵，將嚴(yán)重影響太陽光進(jìn)入太陽能板晶片做光電轉(zhuǎn)換，因而降低發(fā)電量。所以太陽能板板面應(yīng)定期清洗，使太陽能板可持續(xù)接收完整陽光，以達(dá)到最高發(fā)電效益。  具主動通報(bào)功能　監(jiān)控系統(tǒng)降低電廠營運(yùn)風(fēng)險(xiǎn) 因太陽能裝置容量快速增加，電廠須有良好的管理與監(jiān)控系統(tǒng)，方便掌握裝置運(yùn)轉(zhuǎn)情形，以維護(hù)太陽能發(fā)電廠持續(xù)穩(wěn)定的輸出電能(圖3)。太陽能裝置業(yè)者已開發(fā)出監(jiān)控軟體，可顯示案廠即時(shí)發(fā)電情況，方便使用者管理發(fā)電資料的儲存、收支情況、寄發(fā)報(bào)表、系統(tǒng)狀況資訊、自我健康診斷與狀況主動通知等功能。管理人員只要透過網(wǎng)路，就能以云端方式查看目前所有案廠的發(fā)電資訊；當(dāng)逆變器損壞或系統(tǒng)異常時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)會透過云端、E-mail或簡訊通知業(yè)主，使業(yè)主當(dāng)下即可發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)故障以盡速排除，減少發(fā)電損失。  圖3　太陽能裝置監(jiān)控系統(tǒng)概念圖除太陽能板的選擇組合外，提升逆變器轉(zhuǎn)換效率還要考量操作溫度與散熱，才能發(fā)揮到最大電能產(chǎn)出。在管理方面，須有一套適合的監(jiān)控軟體，方便使用者管理所有案廠發(fā)電情況，以維持良好的發(fā)電效益。  (本文作者皆任職于盈正豫順)