改善逆变器/电池/监控平台配置 太阳能系统转换效率再升级

太阳能(Photovoltaic, PV)发电系统转换效率再升级。在相同建置面积下，太阳能发电系统整合商应选用高光电转换效率的电池板，并采纳具备最大功率追踪功能的逆变器，同时做好电力监控与管理，方能最大化系统产出的电能并减少异常损坏造成的电力损失。在相同地理环境与占地面积下，若要使太阳能发电系统产出电能增加，须掌握多项因素，包含要注意系统配置的方式，找出如何提高太阳能板转换效率的方法，另外还有一项关键因素，就是如何提升逆变器的转换效率。  因此，各家逆变器制造商在器材设计上，不仅要挑选高效率元件，以增加转换效能，同时还有许多地方须注意。本文针对逆变器设计再进化的主题进行剖析，并提供太阳能系统选用逆变器的重点方向。  地理/技术条件兼具　台湾太阳能发展前景看好 台湾为海岛型国家，初级能源极少，国内能源供给有99%以上仰赖进口，且石化能源依存度高，因而造成温室气体二氧化碳(CO2)排放量逐年升高，驱使政府积极发展再生能源，以降低温室气体CO2的排放量，期望能提高台湾能源自主性，并促进能源永续发展。  太阳能是一种取之不尽用之不竭的再生能源。台湾因有北回归线经过，纬度偏低接近赤道，日照量充足，且从太阳能板、逆变器至土木工程与安装，在国内已有良好供应链，因此非常适合发展太阳能发电系统。经济部能源局所推广的阳光屋顶百万座计划，现阶段以鼓励屋顶型太阳光电系统为主，并结合趸购费率机制(表1)，规画于2030年推广太阳能光电发电系统设置容量达到6.2GW。  一般晶矽(Silicon)太阳能板有提供10年90%及20年80%输出效能保固，目前多晶矽与单晶矽太阳能板产品在标准测试条件下(照度1,000W/m2、空气大气光程AM1.5、温度25℃)，其光电转换效率已分别提升至13.6%与14.36%以上，而太阳能板价钱会随光电转换效率越高而越贵，但高转换效率的太阳能板，于相同面积下可产出更多电能。  太阳能发电系统在相同建置面积中，若要使系统效能倍增产出更多洁净电能，须注意以下几点，包含太阳能发电系统的配置、太阳能板之光电转换效率、逆变器控制技术和电能转换效率。  分散式系统配置稳定度高 国家发展太阳能发电是为了产生更多洁净能源，并降低石化燃料使用，以减少CO2之排放量；而业主装设太阳能系统，是为产生更多电能以增加营收。  在太阳能发电系统配置上，要减少太阳能板至逆变器的距离，以降低线路损失；线路配置时，须有良好包覆，防止电线长时间受风吹、日晒及雨淋造成绝缘劣化，使之产生接地阻抗过低与漏电等危险，造成逆变器功能受损；如设于落雷地区，应加装避雷装置，防止雷击损坏太阳能板与逆变器，使之无法发电。  目前许多国内太阳能发电厂装置容量在100k?500kW区间中，若案厂装置容量为499kW，可安装较集中型的大功率逆变器100kW共五台，或采用分散式较小功率的逆变器10kW共五十台来组成。当集中型大功率逆变器一台解联时，将会损失约20%的发电量；反之，当分散式较小功率的逆变器一台解联时，只损失约2%的发电量。因此，分散式具有稳定度高与降低损失风险之优点。  选择逆变器时，除注意电能转换效率之外，也须了解逆变器之运转电压、最大功率追踪(Maximum Power Point Tracking, MPPT)之范围、MPPT之追踪效率、操作温度以及控制技术等，其目的不外乎根据太阳能板特性，将太阳能板产生之电能，竭尽的萃取出来并馈入电网中，以达最高效益。  多阶式设计助力　逆变器提升转换效率 以市售12kW三相逆变器为例，内部由两组直流对直流(DC-DC)转换器，与一组三相直流对交流(DC-AC)转换器所组成(图1)。三相DC-AC转换器采用三相多阶式DC-AC转换器，多阶式DC-AC转换器与一般DC-AC转换器相比较，其多阶式DC-AC转换器具有功率开关切换应力较小、导通损失较小等优点，故可提高整体逆变器之转换效率。  图1　逆变器电路架构逆变器控制方式左右发电效能 环境是影响太阳能发电的主因，但逆变器结构同时左右太阳能板的光电转换效率。本段介绍DC-DC及DC-AC两种转换器，其在太阳能发电效能上的影响。  ．DC-DC转换器 太阳能板上的照度会随日照角度持续变化，而天气、悬浮物与云层的影响也会改变照度，逆变器须具备MPPT功能，其追踪效率的高低也是影响总输出功率一大关键。  DC-DC转换器主要是将太阳能板输出电压提升至直流汇流排(DC Bus)电压，此两组DC-DC转换器分别有两组独立MPPT功能，当两串太阳能板装设方位与角度不同，或其中一串太阳能板受遮蔽时，不会因两串太阳能板照度不同，使其无法运转在输出最大功率点上，而降低发电量。  此外，一般逆变器会标示运转电压范围，因照度较小时太阳能板输出电压较低，故此运转电压范围最小值越低越好，如此有利于逆变器在照度不足的清晨及黄昏时分亦能输出电能，延长其工作时间。  值得注意的还有MPPT操作电压范围，若逆变器具较宽的MPPT操作电压范围，有利于与各种太阳能板组合搭配。  ．DC-AC转换器 传统逆变器之转换器使用单阶结构，且操作于较高的直流汇流排电压，但新一代的三相逆变器已改为多阶式全桥DC-AC转换器，并嵌入控制系统，以较低的直流汇流排电压运转，则可减少功率开关切换损失，进而提高逆变器之转换效率。  效率转换变数多　逆变器挑选须全盘考量 一般在选购逆变器时，优劣判断的依据往往是最大转换效率数值，而此最大转换效率系指逆变器运转于某特定输入电压与输出功率下才会达成。但太阳能板随着太阳照度与温度，其输出电压与输出功率一直在改变，因此，逆变器转换效率并非为一定值。  为更明确了解逆变器在不同输出功率的转换效率，欧盟制定一个「欧洲能源效率(EU Energy Efficiency)」规范，在逆变器输入某特定电压，输出功率分别为5%、10%、20%、30%、50%与100%时，量测其转换效率，再依照不同输出功率有相对的权重值以计算出欧洲能源效率。本文用一市售逆变器为例，其欧洲能源效率为97.25%(表2)，最大效率发生在输入电压620伏特与输出容量60%时(图2)，效率为97.64%。  图2　市售逆变器不同输入电压之效率曲线图太阳能板输出电压会随照度、温度而变化，故系统设置时，应考虑太阳能板的输出电压是否能提供逆变器运转在最佳效率点。图2为逆变器范例输入电压在450伏特、620伏特与850伏特对输出容量之效率曲线图，可见当设计此太阳能板输出电压时，最好大于并且接近620伏特，即可获得最好的转换效率与发电量。  目前逆变器都朝机身轻小方向设计，目的在减少单位体积以节省设置空间成本，但设计往往忽略散热性能，造成散热不佳等问题，结果在夏天日照充足时，机器因散热不佳导致过温，反而无法输出太阳能板的最大功率，使发电量减少。  在太阳能发电厂中，当逆变器装设于太阳能板下方，装设距离与太阳能板越近则线路损失越少，发电效益越大；但装设于户外时要尽量避免太阳直射，否则机温会大幅上升。虽然逆变器有过温保护功能，但易使机器过温降载而减少发电量。因此，除了逆变器转换效率外，操作温度范围也会严重影响发电量。  确保最大转换效率　逆变器/太阳能板搭配成关键 正确搭配组合太阳能板与逆变器有助于产生最大发电效益。在此使用前述之逆变器范例，搭配市售太阳能板规格来做说明(表3、4)。范例中逆变器最大输入耐压为1,000伏特，若一地区最低气温不会低于0℃，可计算出太阳能板开路电压在0℃时约为48.49伏特，若串联二十片则整串太阳能板开路电压约为969.8伏特，仍在逆变器最大输入耐压内。当整串二十片太阳能板在背板温度60℃时输出最大功率，其电压约为627.62伏特，此电压值大于并靠近此逆变器最佳运转电压620伏特，故能获得最佳发电效益。  此外，台湾日照充足但雨季集中，长时间不下雨会造成太阳能板上沉积许多落尘，将严重影响太阳光进入太阳能板晶片做光电转换，因而降低发电量。所以太阳能板板面应定期清洗，使太阳能板可持续接收完整阳光，以达到最高发电效益。  具主动通报功能　监控系统降低电厂营运风险 因太阳能装置容量快速增加，电厂须有良好的管理与监控系统，方便掌握装置运转情形，以维护太阳能发电厂持续稳定的输出电能(图3)。太阳能装置业者已开发出监控软体，可显示案厂即时发电情况，方便使用者管理发电资料的储存、收支情况、寄发报表、系统状况资讯、自我健康诊断与状况主动通知等功能。管理人员只要透过网路，就能以云端方式查看目前所有案厂的发电资讯；当逆变器损坏或系统异常时，监控系统会透过云端、E-mail或简讯通知业主，使业主当下即可发现系统故障以尽速排除，减少发电损失。  图3　太阳能装置监控系统概念图除太阳能板的选择组合外，提升逆变器转换效率还要考量操作温度与散热，才能发挥到最大电能产出。在管理方面，须有一套适合的监控软体，方便使用者管理所有案厂发电情况，以维持良好的发电效益。  (本文作者皆任职于盈正豫顺)