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題 目太陽能電源轉換管理系統與應用
研 究 生廖振榮
學 號96868819
日期中華民國九十七年六月七日
內容大綱1前言
11太陽光發電(Photovoltaic)原理
太陽光發電背景
bull 太陽光發電原理
bull 太陽光發電應用之基本概念
bull 大型(gt1 kWp)太陽光發電系統應用
bull 10~20 kWp太陽光發電系統範例12太陽電池之串並聯使用13太陽電池組列仰角與間隔設計例
2零交越偵測電路分析
3系統電路架構與動作模式3 1 直流至直流切換式轉換器32 直流至交流切換式反流器33 最大功率追蹤
4軟體規劃
5實驗
6實務應用系統61市電相關規定62太陽光電發電系統運轉規範63大型(商用)太陽光發電系統應用64獨立型太陽光發電系統應用例
7結論8參考資料9附錄
1前言能源之種類bull 傳統能源
ndash 石化燃料(煤(230)石油(45)天然氣(60))
ndash 水力ndash 核能(鈾75) 註( )為預估使用年限單位--年
bull 再生能源ndash 太陽能(太陽光發電太陽熱能)
ndash 風力發電ndash 生質能(廢棄物發電沼氣發電生質物轉化生質物汽化發
電hellip)
ndash 地熱發電ndash 小水力發電ndash 海洋能(波浪發電潮汐發電海洋溫差)
再生能源再生能源再生能源再生能源
bull瑞典瑞典瑞典瑞典宣布將在宣布將在宣布將在宣布將在2020年停止使用石油與核能年停止使用石油與核能年停止使用石油與核能年停止使用石油與核能將將將將全面使用再生能源全面使用再生能源全面使用再生能源全面使用再生能源
bull美國美國美國美國規劃在規劃在規劃在規劃在2030年時年時年時年時50的使用能源由生質的使用能源由生質的使用能源由生質的使用能源由生質物物物物(Biomass)所提供所提供所提供所提供
bull考量配合現有的石油使用設備考量配合現有的石油使用設備考量配合現有的石油使用設備考量配合現有的石油使用設備如何將如何將如何將如何將生質物生質物生質物生質物轉化為石油替代物轉化為石油替代物轉化為石油替代物轉化為石油替代物是目前各國正在研發的方向是目前各國正在研發的方向是目前各國正在研發的方向是目前各國正在研發的方向之一之一之一之一
bull在發展出成熟的能源替代物之前在發展出成熟的能源替代物之前在發展出成熟的能源替代物之前在發展出成熟的能源替代物之前油價油價油價油價肯定會肯定會肯定會肯定會持續上揚持續上揚持續上揚持續上揚
bull由於日益嚴重的溫室效應與環境污染由於日益嚴重的溫室效應與環境污染由於日益嚴重的溫室效應與環境污染由於日益嚴重的溫室效應與環境污染再生能再生能再生能再生能源終將取代石化能源源終將取代石化能源源終將取代石化能源源終將取代石化能源
太陽光發電系統之效益
總體效益
bull 經濟效益（偏遠離島緊急發電成本投資回收效益）
bull 環保效益（降低石化燃料發電之CO2NOxSOx污
染）
bull 節能效益（以自然能源替代石化燃料建立自主能
源）
bull 社會效益（疏解尖峰緊急救災用電之社會效益）
bull 產業效益（創造高科技產業及就業機會）
太陽光發電(光伏發電 Photovoltaic PV)之特點
1太陽電池通常為一種固態半導體元件將光能直接
轉換為(直流)電能但本身不儲存能量
2太陽電池使用方便無廢棄物無污染無轉動部
份無噪音可阻隔輻射熱或可設計為半透光
3太陽電池模板壽命長久可達二十年以上
4太陽電池外型尺寸可隨意變化應用廣泛(小至消費
性產品--如計算機大至發電廠皆實用)
5發電量大小隨日光強度而變可以輔助尖峰電力之
不足(併聯型)
6太陽電池未來與建築物結合將可普及化
太陽光發電之重要歷史
bull 1956年第一個太陽電池製作成功
bull 1958年開始太空應用(GaAs)
bull 1970年開始太陽光發電系統地面應用(Si) (能源危
機)
bull 1980年消費性薄膜太陽電池應用(a-Si CdSCdTe)
bull 1990年與公用電力併聯之太陽光發電系統技術成
熟(Grid-Connected PV System Si) (電力電子技術)
bull 1992年起歐美日各國推動太陽光發電系統之
補助獎勵政策
bull 2000年建材一體型太陽電池應用(BIPV)
全世界太陽電池市場量
0
50
100
150
200
250
300
350
400
Shipment (Pmp MW)
1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001
Year
US
JAPAN
EUROPE
ROW
國內太陽光發電發展狀況(IMRL)
bull非晶矽太陽電池研製
1980
bull高效率非晶矽太陽電池
bull低溫 ploy 薄膜太陽電池
19851990
19952000 bull建材一體化模板研製
bull商品化非晶矽太陽電池
bull可撓式非晶矽太陽電池
bull結晶矽太陽電池
bull結晶矽太陽電池模板
bull量產非晶矽太陽電池(光華科技 1988年)
bull架設獨立型太陽光發電系統
bull太陽光發電示範系統設置
bull量產結晶矽太陽電池(士林電機 2000年)
bull架設實驗型與市電併聯型太陽光發電系統及監測分析
2005
bull示範推廣獎勵補助辦法實施
bull晶矽太陽電池研製(核研所)
bull奈米(Nano)太陽電池
國內太陽光發電發展狀況(II其他單位)bull 1980~1990
ndash 清大呂助增教授--MS太陽電池ndash 中科院核研所核儀組-- 2 吋單多晶矽太陽電池模板原型(可商業運轉)
ndash 清大黃惠良教授--非晶矽(amorphous-Si)CuInS2太陽電池ndash 台大李嗣岑教授--非晶矽太陽電池ndash 成大張俊彥教授--非晶矽太陽電池ndash 中原熊慎幹教授--非晶矽太陽電池ndash 交大蔡中教授--太陽光發電系統研究ndash helliphellip
bull 1990~目前ndash 清大黃惠良教授--CuInS2太陽電池ndash 清大徐永珍教授--Porous Si
ndash 交大李威儀教授--GaAs太陽電池ndash 中興江雨龍教授--非晶矽太陽電池ndash 中正吳財福教授--直交流電力轉換器(Inverter)
ndash 台大黃秉鈞教授--太陽光發電系統研究ndash 清雲技術學院電機系--太陽光發電系統研究ndash 士林電機--太空用太陽電池封裝(中華衛星計畫)(目前轉移至永炬光電)
ndash TiO2 Dye Sensitized太陽電池(有機材料)
ndash helliphellip
國內太陽光發電發展狀況(III)
產業狀況上游目前有永炬(士電)茂迪光華科技三家生產太
陽電池包括單晶矽多晶矽與非晶矽太陽電池
發電系統之電力直交轉換器(inverter)目前國內無廠商
生產全仰賴進口
中下游有數家廠商製作太陽電池燈充電器玩
具hellip及其他電子產品
太陽光發電系統安裝施工廠商約 10 餘家
bull住宅用電力系統
bull產業工商用電力系統
bull偏遠地區發電系統(山區離島hellip)
bull緊急防災用電力系統
bull消費性電子產品之電源(手錶時鐘電子計算機充電器燈玩具)
bull交通工具之電源(車船飛機飛行船hellip)
bull太空用發電系統
bull攜帶式電源
bull交通標誌號誌之電源
bull發電廠
太陽光發電之應用領域
學校避難所 醫療院所
政府機構 防災中心
救護站
消防隊
救援中心
警察局
救援機具用電
通訊用電 通氣用電
照明用電
供水用電供油用電
太陽光發電防災緊急電力應用示意圖
太陽電池材料種類說明太陽電池材料種類說明太陽電池材料種類說明太陽電池材料種類說明太陽電池材料種類說明太陽電池材料種類說明太陽電池材料種類說明太陽電池材料種類說明
1以下TiO2奈米及有機奈米及有機奈米及有機奈米及有機Nano amp Organic
應用於有機太陽電池屬研發階段
10~12CdSCdTeCuInse
多晶Poly Crystallin
18~30GaAsInP單晶Single Crystallin
多化合物多化合物多化合物多化合物Compound
應用於太空及聚光型太陽光電系統
6~9SiSiCSiGeSiHSiO
非晶矽Amorphous
10~18多晶矽Poly Crystallin
12~20單晶矽Single Crystallin
晶矽Crystalline
矽矽矽矽(硅硅硅硅) silicon
目前太陽光電系統中應用最為廣泛
市場模組發電轉換效率
半導體材料太陽電池種類
又稱為單結晶晶圓型製程貴發電量佳 礙於晶圓型式多半
截圓型或圓弧造型舖設時面積上無法達到最大利用及吸收
多結晶製程上較便宜發電量略遜單晶矽可截為正方形舖設時
可達到最大面積利用及吸收其晶狀分佈具有應N效果可為建築
物外觀加分另外雖其結理易造成碎裂但晶體可再利用做為項鍊
等裝飾品
非晶矽(可撓式)成本便宜發電率較差且容易造成裂質化但由
於可直接鍍在玻璃及塑膠上面與建築物可做最佳結合除可做太陽
光電系統發電用室內型民生消費品也常見其應用如電子計算
機搖頭娃娃玩具等
常見的太陽電池及模板外觀常見的太陽電池及模板外觀常見的太陽電池及模板外觀常見的太陽電池及模板外觀常見的太陽電池及模板外觀常見的太陽電池及模板外觀常見的太陽電池及模板外觀常見的太陽電池及模板外觀
單晶矽太陽電池外觀 單晶矽太陽電池典型結構
太陽電池外觀與構造(單晶矽)
1 清洗蝕刻
2 磷擴散
P-type wafer
單晶矽太陽電池製程步驟例(I)
3 鍍抗反
射層
4 網印
5 燒結
單晶矽太陽電池製程步驟例(II)
11太陽光發電(Photovoltaic)原理 (I)
太陽電池是以 P 型與 N 型半導
體材料接合構成正極與負極
當太陽光照射太陽電池時光
的能量會使半導體材料內的
正負電荷分離
正負電荷會分別往正負極
方向移動並且聚集
將太陽電池正負極接上負載
時將有電流流出可以對負
載作功(燈泡會亮馬達會轉)
正極P 型
負極N 型
P
N
P
N
P
N
-++
-
+
-+
-+
+ + + + +
- - - - -
--
+
-+
正負電荷
+
-
+
-
+
-
太陽光
太陽光
太陽光
電流
-+
PN(不照光平衡狀態)
EfEv
Ec
N P P
N
P
N
P
N
P
N
光子(Photon)
-+-+
-+
-+
-+
+ + + + +
- - - - -
-+
-+
-+
太陽光發電(Photovoltaic)原理 (II)
-
+
Photon
+
+
-
-
- -
++
Ef
Ev
Ec
PN(照光狀態)
++
-
- -
+
+
--
+
-
+
Photon
多數載子
多數載子
少數載子
少數載子
+
-
多數載子
多數載子
電子-電洞對(Electron-
hole pair)
EvN Type
SemiconductorP Type
Ef
Ec
Ef
Ev
Ec
電子位能
Ec conduction band
Ev valence band
Ef Fermi level
I=I0 (eVaVT-1)-Isc
Isc = -I (短路電流 V=0)
Voc = aVTln(Isc I0 +1) (開路電壓
I=0)
I0 (逆向漏電電流) prop ni prop e-Eg
RshID
Isc
+
----
v
I
RL
Rs
太陽電池等效電路與電氣特性
+I
+V
-V
Dark
VocV
Photo
Isc
I
Pm
I0
太陽電池等效電路 常用太陽電池電路符號
VocVm
Im
Isc
Pm
太陽電池 I-V 特性曲線分析
FF(Fill Factor) = (Vm x Im Voc x Isc) x 100 (越高越好)
ηηηη (Efficiency) = (Vm x Im Pin) x 100 (越高越貴)
bull Pin (Incident Power) = A (hc λ) bull N(λ) dλ
bullλ wavelength (microm)
bull N(λ) Number of photonm2 bull sec
bull A Area (m2)
bull h Plank constant c light speed
Voc開路電壓
Isc短路電流
Pm最大輸出功率值
Vm最大輸出功率時之電壓
Im最大輸出功率時之電流
太陽電池開路短路時皆不會燒毀
0
電壓源
電流源
利用串並聯組成模板與組列提供所需的工作電壓與電流
VocVm
Im
Isc
Pm
12太陽電池之串並聯使用
VocVm
Im
IscPm
VocVm
Im
Isc
Pm
太陽電池模板之構成
+
-
太陽電池模板結構太陽電池模板外觀太陽電池模板接線
正面
強化玻璃
EVA
TedlarTM (Dupont)
EVA
Polyester
TedlarTM (Dupont)
0125
0015
Cells0014
0015
00015
0002
00015
背面
單元太陽電池
太陽電池模板之規格範例
η (Efficiency) = (Vm x Im Pin) x 100
單晶矽模板效率 = (354 V x 495 A) ( 129 m2 x 1000 Wm2 ) x100
= 1358
單晶矽模板效率 = 1302
種類
項目單晶矽 多晶矽
額定輸出功率(Wp) 175 125
開路電壓(V) 444 323
短路電流(A) 555 546
最大輸出工作電壓(V) 354 260
最大輸出工作電流(A) 495 48
輸出最大功率(W) 175 125
尺寸(mm)W15736timesL826
timesH46
W1200timesL802
timesH46
重量(kg) 17 125
測定條件日照強度 AM151000Wm2Module 溫度 25
何謂AM0AM1AM15
Wavelength (microm)
Spec
tral
Irr
adia
nce
(Wm
-2micro
m-1) AM0
AM15
AM 即 Air Mass(不同 Air Mass 代表不同太陽光光譜)
bull AM0 (Air Mass 0) ~ 1400 W bullm-2
bull AM1 (Air Mass 1) ~ 1000 W bullm-2
bull AM15 (Air Mass 15) ~ 844 Wbullm-2
AM15 1000 Wbullm-2 (IEC 891 IEC 904-1)
Earth
AM0
AM1
AM15
大氣層
45o
太陽電池直接驅動負載如馬達等(應用於玩具車船馬達音樂卡片hellip)
bull 電力現買現賣
bull 負載匹配(容量與電壓)
bull 溫度效應
bull 搭配(超高)電容可以提高效能
太陽電池(直流)基礎應用範例(I)
I M
+
-
C
圖片資料來源httpshoppingyahoocom httpwwwsolar-icomSampYhtml
太陽電池先對電池充電再由電池供應負載(應用於玩具車船電動機械夜間燈光計算機鐘錶3C產品hellip)
bull 電力零存整付
bull 太陽電池電池電壓匹配
bull 溫度效應
bull 使用阻隔二極體
bull 電池過充放電保護
太陽電池(直流)基礎應用範例(II)
I負載
+
-
電池
圖片資料來源httpshoppingyahoocom httpwwwsolar-icomSampYhtml
FAQ1太陽電池應用效能不佳太陽電池之負載匹配(Load Matching)
RshID
IL
+
----
v
I
RL
Rs
bull Efficiency of a PV system is strongly affected by load matching
bull Measurement of I-V Characteristic curve is important
VocVm
Im
Isc
Pm
RL 1
RL 3
RL 2 Battery voltage
RL
----
+
不同日照強度下太陽電池 I-V 特性曲線
bull 最大輸出功率隨日照強度而改變並非永遠等於額定值
0
1
2
3
4
5
6
7
0 10 20 30 40 50
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
1000Wm2 (AM1)
500Wm2 (05AM1)
不同溫度下太陽電池 I-V 特性曲線
bull太陽電池溫度升高時輸出電壓與最大輸出功率降低
0
1
2
3
4
5
6
7
0 10 20 30 40 50
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
75oC 50oC 25oC 0oC
Battery voltage
0
1
2
3
4
5
6
7
0 10 20 30 40 50
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
500Wm2 (05AM1)
1000Wm2 (AM1)
太陽電池之動態負載匹配(日照變化)
RL(high)
RL(low)
bull Maximum power tracking is required in high efficiency PV system
太陽電池 I-V 特性曲線測量方法
VocVm
ImIsc Pm
C+
-
A
VR
A
V
A
V可程式負載
模擬陽光使用鎢絲燈氙燈Solar Simulator 或太陽光
Pm lt few10 W Pm lt few 100 W Pm lt 100 kW
Solar Simulator Array Tester
圖片資料來源httpwwwspiresolarcomSolarequipmenthtml
太陽於天球(Celestial Sphere)上運行之軌跡
冬至 春秋分 夏至 冬至 春秋分 夏至 春秋分 夏至
北緯 0o 北緯 45o 北緯 90o
(赤道) (北極)
天球
太陽運行軌跡與太陽電池仰角
冬至 夏至春秋分
所在緯度235o
235o47o0o
47o 235o
13太陽電池組列仰角與間隔設計例
bull組列仰角~235o (台灣地區)
bull h=組列總高度( lt 15 m)
bull L2=h tan(55o) = 057 L0
(55o可適用於冬至0900~1500)
bull水平角度=正南 plusmn5o
235o
55o
235o
夏至
冬至
春秋分
235o 235o
南
h = 04 L0
L1= 092 L0L2 = 057 L0
L0
L1 + L2 = 15 L0
2零交越偵測電路分析
bull 零交越偵測電路如圖1 所示主要目的在於檢測輸入弦波電壓之零交越點其電路輸出為ㄧ方波信號利用方波上緣信號觸發數位訊號處理器之外部中斷腳位進而進行相位同步之功能[4]零交越偵測電路輸入與輸出波形如圖2 所示相位同步控制當數位訊號處理器發生上緣觸發時此觸發訊號如同系統重置訊號將正弦表指標變數歸零一經重置後指標變數又開始計數藉由每週期ㄧ次的重置訊號迫使換流器輸出達到同步相位同步控制波形示意圖如圖3 所示圖4 為零交越偵測電路輸出實測圖[4]
3系統電路架構與動作模式
bull A
bull 本文所述之系統為一太陽光電能轉換系統方塊圖如圖5 所示主要部分包括太陽能板直流-直流轉換器全橋式換流器數位訊號處理器感測迴授電路與驅動電路此一系統之基本動作情況為一般情況下斷路器1 和斷路器2 均為導通狀態此時太陽光電能轉換系統與電力網路處於連結運轉模式而當電力網路供電中斷時斷路器2 將被斷路以避免孤島現象的發生反之若是太陽光電能轉換系統發生故障時斷路器1 將被斷路以避免電力網路受到其故障的影響
31系統電路架構與動作模式
bull B
bull 電路工作模式bull 此一太陽光電能轉換系統主要有兩種工
作模式以下為二種工作模式的操作說明
bull (1) 獨立運轉模式bull 如圖6 所示獨立運轉模式為當電力網
路供電中斷時斷路器2 將被斷路而此時太陽光電能轉換系統將操作在電壓控制模式下提供負載一穩定的輸出電壓
bull (2) 與電力網路連結運轉模式bull 如圖7 所示與電力網路連結運轉模式
將太陽光電能轉換系統與電力網路連結運轉也就是斷路器1 和斷路器2 同時導通此時系統將操作在電流控制模式下首先經由最大功率點追蹤程式運算出瞬時最大功率點的電流參考值再根據此一電流參考值輸出一與電力網路電壓同相位的電流至負載或甚至回送至電力網路
31直流至直流切換式轉換器
典型直流至直流轉換器系統之構造如圖21所示其輸入通常為由線電壓整
流而得之非調節直流電壓然後再利用切換式直流至直流轉換器將此變動之
直流電壓轉換成一調節之直流電壓
無控制之二極體橋式整流器
交流線電壓
(單相或三相)
直流電壓
(無調節性)
濾波電容 (無調節性)
直流至直流轉換器 (具調節性)
負載
蓄電池
直流電壓 直流電壓
控制訊號1降壓式(step-down buck)轉換器
2升壓式(step-up boost)轉換器
3升降壓式(step-downstep-up buck-boost)轉換器
4全橋式轉換器
上述四種轉換器中只有降壓式及升壓式是最基本的轉換器電路架構升
降壓式轉換器是此二基本轉換器之結合而全橋式轉換器則是由降壓式轉
換器衍生而來
直流至直流轉換器之控制
直流至直流轉換器的作用即是在輸入電壓與輸出負載變動的情況下能夠調
節輸出電壓為所設定的位準電壓位準轉換之原理可以圖22(a)所示之簡單
電路來說明由開關導通與截止可得圖22(b)之波形其中輸出電壓vo平均
值大小Vo與開關之導通及截止時間(ton及toff)有關平均輸出電壓大小調整
之最典型的方式是採用脈波寬度調變法(Pulse-Width ModulationPWM)
其切換週期Ts(= ton+toff)為固定由調整導通時間之大小來改變平均輸出電
壓之大小Vo
+
_
Vd
R
+
_
Vo
0Vd
Vo
vo
tton toff
Ts
脈波寬度調變切換控制的方塊圖如
圖23(a)所示開關之切換控制信號
由控制訊號vcontrol與週期為Ts之鋸齒
波vst比較而得控制信號則由Vo之
實際值與設定值之誤差放大而得
vcontrol與vst比較所得之切換控制信號
的波形如圖23(b)所示當控制訊號
vst較大時則為高準位信號即使
開關導通反之為低準位信號即使
開關截止故開關之切換週期亦為
Ts 由以上的原理可知開關切換
之責任週期 (Duty Ratio)為D=tonTs
=vcontrolVst 其中Vst為鋸齒波之振
幅
放大器
+
-Vo
(設定)
(實際)
Vo
比較器
週期性波形 stv
切換控制訊號
控制訊號
0 t
$Vst
=stv 鋸齒波電壓
controlv (放大誤差)
On On
Off Off
stcontrol vv gt
stcontrol vv ltton toff
Ts
切換控制訊號
(切換頻率 fT
s
s
=1
)
升壓式直流至直流轉換器
圖211為升壓式轉換器電路主要用途為直流電源供應器與直流馬達之
再生制動(Regenerative Breaking)顧名思義其輸出電壓高過於其輸入
電壓當開關導通時二極體反向偏壓輸入電能儲存於電感負載電
能則由電容提供當開關截止時負載吸收輸入及儲存電感中之電能
-
L
CRVd
Vo
vL
iL
io
+
-
++
_
t0
t0
vL
iL
I L
Ts
toffton
_++
_
+
_
+ _+
_
+
_
iL
vL
Vd Vo
iL
vL
Vd Vo
)( dV
)( od VV minus
圖212所示為電感電流為連續之
穩態工作波形由穩態下電感電
壓一週期之平均值為零可得
0)( =minus+ offodond tVVtV
等號兩側除以Ts重新整理可得
Dt
T
V
V
off
s
d
o
minus==
1
1
假設電路無損失輸入功率
Pd=VdId 等 於 輸 出 功 率
Po=VoIo 則
)1( DI
I
d
o minus=
非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器
bullBoost之設計假設輸入10V輸出30V頻率50kHz輸出10W
所以D＝23
( ) s
o
o TDDP
VL
22
12
minusge
=6667uH
取75uH
D
VV in
o minus=
1
L
Vi
n
S Vo
+
_
C
DiL
vds
升降壓式直流至直流轉換器
升降壓式轉換器的主要用途為輸入與輸出之極性相反輸出電壓可以高於
或低於輸入電壓之直流電源供應器升降壓式轉換器可以由降壓式轉換器
與升壓式轉換式串接而成穩態下輸入與輸出電壓轉換器之比值為二轉換
器個別比值之乘積
D
D
V
V
d
o
minus=
1
因此變化責任週期D可使輸出電壓高於或低於輸入電壓
+
_
+
_
_
+
RC Vo
L
Vd
io
iLvL
id
降壓式直流至直流轉換器
降壓式轉換器顧名思義其作用為將較高準位的輸入電壓換成較低
準位的輸出電壓主要用途為直流電源供應器及直流馬達速度控制
圖22(a)所示為提供純電阻性負載之降壓式轉換器由圖22(b)可知其輸
出電壓波形由開關位置決定平均輸出電壓為
dd
s
onT
t
t
d
s
T
o
s
o DVVT
tddV
Tdv
TV
s
on
ons ==+== intintint )0(1
)(1
00ττττ
+
_
Vd
R
+
_
Vo
0Vd
Vo
vo
tton toff
Ts
32直流至交流切換式反流器
切換式直流至交流(DCAC)反流器(Inveter)乃用以將直流電源轉換成振幅
與頻率均可調之正弦式交流電源主要用途為交流馬達驅動與交流不斷
電電源供應器圖31為典型交流馬達驅動之反流器方塊圖其直流輸入
電壓通常由線電壓整流及濾波而得接著再利用切換式反流器改變輸出
電壓之振幅與頻率以驅動交流馬達切換式反流器功率之流通通常是
由直流至交流稱為反流模式但亦可以從交流至直流稱為整流模
式
+
_
交流馬達
二極體整流器 濾波電容 切換式反流器
Vd
三相交流電源
反流器包括單相及三相其輸入為直流電壓源者稱為電壓源反流器
(Voltage Source InverterVSI)另外若輸入為直流電流源者稱為電流
反流器(Current Source InverterCSI)目前僅應用在高功率之交流馬達
驅動器
1脈波寬度調變(PWM)反流器其輸入電壓通常為固定反流器本身具備變
頻及變壓的功能而變頻及變壓乃利用開關之脈波寬度調變切換控制達成
有許多類型之脈波寬度變技術可以使輸出電壓近似弦波
2方波(Square-Wave)反流器此反流器輸出電壓振幅乃由其輸入電壓調
整
反流器本身只控制輸出頻率交流輸出電壓波形近似方波因此乃稱方波
反流器
3採用電壓消去法(Voltage Cancellation)之單相反流器單相反流器當輸入
電壓為定值時可以利用電壓消去法來變頻及變壓而不須採用脈波寬度
調變其輸出電壓波形近似方波因此其結合了前述兩種反流器的特色
值得注意的是電壓消去法並不適用於三相反流器
切換式反流器之基本觀念
考慮圖33(a)之單相反流器假設其正弦輸出電壓vo是經過濾波所得若
輸出之負載為電感性(如馬達)則輸出電流io將落後vo 如圖33(b)所示
在期間1及3中 vo與io同號瞬時功率Po=voio為正故功率由直流側送至
交流側稱之為反流模式在期間2及4中 vo與io異號瞬時功率Po為負
故功率由交流側送至直流側稱之為整流模式圖33(a)之切換式反流器
在每一週期內會經歷平面上四個象限中之所有象限
單相切
換式變
流器與
濾波器
o
o
+
-
+
-
Vd
vo
id
io
0t
4 1 2 3
voio
io
vo
1反流器
4整流器
3反流器
2整流器
0
為清楚解釋起見以單臂反流器來說明
+
_
+
_
+ +
__
Vd
Vd
2
Vd
2
A
N
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
vAN
oo
o
反流器電路之脈波寬度調變切換技術如圖35(a)所示由一正弦波形控
制訊號vcontrol與三角波形vtri作比較三角波(又稱載波)之振幅為Vtri頻率
為fs fs決定反流器開關之切換頻率正弦波控制電壓vcontrol(又稱調制訊
號)之基頻f1決定反流器之輸出頻率而其振幅則決定反流器輸出電壓之
大小定義振幅調變指數為ma=Vcontrol Vtri 其中Vcontrol為vcontrol之振幅
而頻率調變指數則定義為mf = fs f1
0 t
vcontrol vtri
sf
1
0 t
vAo
V d
2
minusVd
2
t=0
v v
T on T off
control tri
A A
lt
minus + v v
T on T off
control tri
A A
gt
+ minus
1)( AoAo vv =之基本波
0 t
vcontrol vtri
sf
1
圖34反流器之開關的控制方法與io方向無關為
dAoAtricontrol VvTvv2
1=gt +導通
dAoAtricontrol VvTvv2
1minus=lt minus導通
由於二開關之導通為互補因此輸出電壓只在Vd 2與-Vd 2二值間作變
動圖35(b)所示為ma=08與mf =15時輸出電壓vAo及其基本波(以虛線表示)
之波形
+
_
+
_
+ +
__
Vd
Vd
2
Vd
2
A
N
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
vAN
oo
o
單相全橋式反流器
單相全橋式反流器如圖311所示乃由兩個前述之半橋反流器所組成在
相同之輸入電壓下全橋式反流器之最大輸出電壓為半橋式之兩倍這代
表在相同之功率下全橋式反流器之輸出及開關電流僅為半橋式之一半
此對於高功率用途是一大優點因其可以降低使用並聯元件之需求
+
_
+
_
+
_
Vd
Vd
2
Vd
2
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
v v vo Ao Bo= minuso
A
B
TBminus
TB+
DBminus
DB+
+_
id
o
o
N
雙極性電壓切換之脈波寬度調變
0 t
vcontrolvtri
sf
1
0 t
ov1ov
dV
dVminus
單極性電壓切換之脈波寬度調變
onBT +
trivgttricontrol vv gt
trivcontrolv
t
)( controlvminus
)( controlvminusonAT +
t1ov
dV
dVminus
)( BNAN
o
vv
v
minus=
應用雙極性電壓切換之脈波寬度調
變全橋式反流器乃 (TA+TB-)與 (TA-
TB+)成對切換且二者互相反相
應用單極性電壓切換之脈波寬度調
變全橋式反流器乃A臂與B獨立切
換且同臂二開關互相反相
三相反流器
+
-
+
-
+
-
dV
2dV
2dV
+AT
minusAT
+AD
minusAD
o
BminusT
+BT
minusBD
+BD
di
minusCT
+CT
minusCD
+CD
N
A B C
o
0 t
triv Acontrolv Bcontrolv Ccontrolv
0
BNANAB vvv minus=
t
dV
之基本波1LLv
ANv
0 t
dV
t0
BNv
dV
三相電壓源反流器之脈波寬度調變切換的功能為在固定輸入直流電壓下用以調整三相輸出電壓之振幅及頻率三相脈波寬度調變方式由三相各差120度的控制電壓與三角波作比較其波形與單相全橋式反流器採用脈波寬度調變單極性切換者類似
最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法
33最大功率追蹤最大功率追蹤最大功率追蹤最大功率追蹤
為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點本文使用本文使用本文使用本文使用擾動觀察法擾動觀察法擾動觀察法擾動觀察法(Perturbation and Observation Method PampQ)進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功率追蹤率追蹤率追蹤率追蹤由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點下圖為擾動下圖為擾動下圖為擾動下圖為擾動觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖為利用為利用為利用為利用DCDC轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作時時時時其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為0之特性之特性之特性之特性使用使用使用使用DCDC轉換器控制太陽轉換器控制太陽轉換器控制太陽轉換器控制太陽能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動
擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖
最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法
左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖蹤示意圖蹤示意圖蹤示意圖太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分為兩個特性區域為兩個特性區域為兩個特性區域為兩個特性區域假設進行追蹤假設進行追蹤假設進行追蹤假設進行追蹤時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時電壓電壓電壓電壓的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率增加增加增加增加若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出功率減少功率減少功率減少功率減少經由經由經由經由DCDC轉換器調轉換器調轉換器調轉換器調節太陽能板與節太陽能板與節太陽能板與節太陽能板與DCDC轉換器的阻轉換器的阻轉換器的阻轉換器的阻抗相互匹配抗相互匹配抗相互匹配抗相互匹配進而得到太陽能板進而得到太陽能板進而得到太陽能板進而得到太陽能板的最大輸出功率的最大輸出功率的最大輸出功率的最大輸出功率
擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖
4軟體規劃
bull 系統控制程式主要分為主程式固定週期中斷副程式市電電壓零交越中斷副程式等三大部分以下將分別介紹各部分程式流程
bull 本系統主程式主要執行數位訊號處理器周邊暫存器的初始設定以及變數宣告其中除了變數宣告外周邊暫存器的初始設定包括有規畫中斷向量設定計數器之計數模式計數週期中斷的時間和PWM 輸出模式等相關參數設定
bull 如圖8 所示系統初始設定後必須先等待中斷發生才能決定系統是否執行固定週期中斷程式或零交越中斷副程式
bull 圖9 為固定週期中斷副程式流程圖固定週期中斷頻率與換流器開關之切換頻率相同為20kHz程式開始會先偵測太陽能板電壓及電流與直流鏈電壓當確定市電電壓零交越中斷發生時必須先將輸出弦波訊號之指標強制為原點重新送出單位弦波確保換流器輸出電流與市電電壓能維持同相位接著比較太陽能板輸入電壓VPV 是否大於最低工作電壓VPV_work如果確定大於最低工作電壓則致能太陽能最大功率追蹤反之則禁能系統動作程式返回圖9 中的正弦脈寬調變副程式主要功能在於決定換流器中開關的動作順序與責任週期大小以及輸波參考訊號
bull 圖10 為太陽能最大功率點追蹤副程式流程圖在文中對最大功率追蹤採用擾動與觀察法配合太陽能光電板的電壓mdash功率特性曲線即可瞭解程式如何完成太陽能光電板最大功率點追蹤
主程式流程圖
5實驗
bull 依據上述的分析採用DSP 2407A 建立一個500W 太陽光電池電能轉換系統依據圖11 之
bull 電路架構其規格與元件參數分別列於表一表二及表三系統實驗波形圖12圖13圖14 及
bull 圖15 為系統操作在獨立運轉模式下負載分別為120W240W360W 及480W 時之換流器輸出
bull 電壓及輸出電流之實測波形
系統規格與元件參數
實測波形
6實務應用系統實務應用系統實務應用系統實務應用系統
獨立系統示意圖獨立系統示意圖
考慮點
系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等安全係數最佳化設計複雜)
一般充電控制器無 MPPT搭配蓄電池使發電效能較差
蓄電池每日gt50DOD深度放電gt02C充電壽命短
太陽光發電量與負載需求量不搭配時太陽光之發電能量利用率偏低 (負載需求搭配與安全係數為互相矛盾之設計)
PV-柴油發電機PV-風力等混合系統為改善之方法
市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台
電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池
併聯系統示意圖併聯系統示意圖
緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析
1 系統設置成本高建議使用於邊際效益高之用電（防災緊急輔助電力）
2 總體經濟效益減少環境污染解決尖峰用電之不足與短缺能源多元化之風險分擔與開創自主能源
3 遮蔽陽光直曬降低建築物之熱效應（被動省能）同時轉換太陽光為電能供應建物自主能源（主動節能）一舉兩得
緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較
30萬元divide21900kWh＝137元度2萬元divide50kWh＝400元度每度電成本
日發電度數times365天times20年＝3hrtimes1kWtimes365天times20年＝21900kWh（度）
（年停電＋年測試運轉時數）times10年＝（20mintimes6次＋15mintimes12月）times10年＝5hrtimes1kWtimes10年＝50kWh
總發電度數（1kw計）
夜間不發電（可利用蓄電池設計供電年維運費02）
噪音空污油料運輸儲油危險維運成本高
缺點
利用露台屋頂牆面空間設備煙管隔音油槽需室內空間
設置空間
平時緊急時均可使用隨時可了解運轉狀況不須操作
加ATS停電時方可啟動需人員每月定期測試運轉
系統運作
太陽光潔淨能源（免費）柴油使用燃料
20年7~10年使用壽命
1kW=30萬元1kW=2~3萬元設置費用
太陽光發電系統柴油發電機
風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析
運用多元化能源分擔風險情況比較說明如下
1 市電--gt停電時風險極高
2 市電＋柴油發電機--gt發電機故障時風險高
市電＋柴油發電機＋太陽光發電系統--gt發揮三者優點互補同時故障機率小風險最低
案例
832kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide057＝317 m2
115kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide075＝332 m2
緊急時057平時065~08
綜合係數溫度變化污損線損Inverter效率＋蓄電池充放電補償
電力需求divide（日照強度times日照時間times模板效率times綜合係數）
模組面積估算
日照強度1kWm2
日照時間384hd
模板效率12
832kWhd500人用電量115kWhd770人用電量
緊急時平時
電力需求估算
緊急時40kWtimes384hdtimes057＝875 kWhd
平時40kWtimes384hdtimes075＝1152Whd
太陽發電系統發電量＝設置容量times日照時間times綜合係數
發電量計算
332m2times1kWm2times12＝398kW≒40kW
太陽發電系統設置容量＝設置面積times日照強度times模板效率
設置容量計算模板效率依太陽電池種類而異
進行模板陣列及蓄電池容量設計
40kWdivide18片串divide120W＝185列≒19
列
40kWdivide17片串divide120W＝196列≒20
列
陣列併列數＝設置容量divide單串功率
18片times120W＝2160W
17片times120W＝2040W
單串功率
300Vdivide169V＝1775片（取整數17 or 18）
陣列串聯數＝Inverter輸入電壓divide模板輸出電壓
模板陣列設計
1 模板功率120W
2 模板輸出電壓169V
3 直交流轉換器(Inverter)輸入電壓300V
120Wtimes17片串times20列＝40800W＝340片(最佳陣列)
120Wtimes18片串times19列＝41080W＝342片
最佳陣列較經濟之設置容量選擇最佳陣列
蓄電池數量＝144個times2列＝288個
120640Whdivide288Vdivide200Ah＝21列≒2列
併列數＝蓄電池需求容量divideInverter額定電壓
288Vdivide2V＝144個
串聯數＝Inverter額定電壓divide蓄電池電壓串併數設計
middot 蓄電池電壓2V個
middot 蓄電池容量200Ah個
Inverter電壓輸入電壓 額定電壓300V 288V200V 192V
蓄電池需求容量＝832kWhdtimes1dtimes145＝12064kWh
蓄電池需求容量＝緊急電力需求times無日照天數times補償係數補償係數蓄電池內阻抗放電停止電壓電壓降低補償
蓄電池需求容量設計
middot 補償係數145
無日照天數1日
61市電相關規定市電相關規定市電相關規定市電相關規定
1 發電設備併接於低壓系統者其總容量未滿100kW且技術無困難者得併接於單相三線110V220V三相三線220V之配電系統若總容量在100kW以上而未滿500kW得分別併接於3相4線220V380V之配電系統
2 發電設備總容量在500kW以上而未滿5000kW10000kW且技術無困難者得分別併接於114KV228KV之高壓配電系統
3 電設備總容量在10000kW以上而未滿40000kW者得併接於特高壓之系統
4 發電設備總容量在40000kW以上者依個案研討分類
併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類
發電系統經由發電系統經由發電系統經由發電系統經由110V220V110V220V110V220V110V220V併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者發電設發電設發電設發電設備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能
1 過電壓保護 低電壓保護
2 低頻保護 高頻保護
3 過電流保護 零相過電壓接地保護
4 發電設備為無逆送電力者須加裝逆電力保護
5 發電設備為有逆送電力者必須具備主動及被動防止單獨運轉保護
發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經110V220V110V220V110V220V110V220V系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者在電在電在電在電源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器
發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業114KV228KV114KV228KV114KV228KV114KV228KV之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者((((高高高高壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶))))發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Extremely Inverse特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Extremely Inverse特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過流電驛(67)須具Normal Inverse特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
發電設備併接於電業69KV特高壓輸電系統者發電設備之輸出端至少應具有下列同等保護功能並須與電業該轄區之保護設備協調
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Normal Inverse之特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Normal Inverse之特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過電流電驛(67)須具Normal Inverse之特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
8 快速及後衛保護電驛如系統保護需要時應裝設
9 匯流排電驛採用GIS斷路器者應裝設
62626262太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範
1 故障電流
太陽光電發電系統大於100kW以上須計算故障電流其送至電業系統之故障電流不得影響電業及其他用戶斷路器之起斷容量否則需裝置限流電抗器
太陽光電發電系統之隔離變壓器接地方式須與電業之系統配合
2 正常電壓變動率應維持在plusmn5以內
3 太陽光電發電系統與電業間之責任分界點的功率因數以維持85落後至100之間運轉為原則
4 諧波污染限制應依照「電力系統諧波管制暫行標準」辦理
分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性
適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯型之規範型之規範型之規範型之規範
電力轉換器電力轉換器電力轉換器電力轉換器(電力調節器電力調節器電力調節器電力調節器)(InverterConditioner)
蓄電池蓄電池蓄電池蓄電池(Battery))
63大型(商用)太陽光發電系統應用(gt1 kWp)
太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統
單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池(Unit Solar Cell)
太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板(PV Module)
太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列(PV Array)
太陽光發電系統應用獨立系統
(A) 獨立系統(Stand-Alone
System)
bull 蓄電池保護壽命
(B) 混合型交流獨立系統 (Hybrid
System)
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
直流負載PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
整流器
輔助發電機
PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載- ~PCU
直直直直交流轉換器交流轉換器交流轉換器交流轉換器
太陽光發電系統應用併聯系統
(D)併聯系統(Grid-
connected System)
特殊功能1 最佳效能2 防止獨立運轉(連線保護)
3 可自力運轉
(E) 防逆流型系統(Off-line System)
(F) 防災型併聯系統
充電控制器
蓄電池
直交流轉換器
PCU太陽電池組列
交流負載
ATS
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
獨立型系統
適用地點高山離島基地台hellip等市電無法到達處
工作方式白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
必須可以自給自足
缺點bull 系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等
安全係數設計很困難)
bull 蓄電池建置複雜成本很高壽命很短
bull 負載搭配不良時發電效能不佳利用率將偏低
bull 需由專人隨時維護
bull 混合系統為一種解決方法
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
PCU
併聯型系統
適用地點電力正常送達之任何地點工作方式 bull 白天 PV系統併聯發電夜間由台電供電bull 將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的蓄電池
優點bull 系統簡單不需安全係數設計(依預算設計)不需要專人維護bull 併聯發電效率高利用率高
缺點bull 停電時無電可用bull 受併聯法規限制尚未開放(但即將開放)
bull 有孤島效應之疑慮(目前技術上已解決)
改善型無電池自力運轉
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
市電併聯型住宅用太陽光發電系統
太陽光發電系統發電及負載用電對時間之關係
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
併聯型直交流轉換器之效能要求較高
1 最大功率追蹤(Maximum Power Tracking MPT)
2 高轉換效率 gt 90 (PWM+電力電子元件)
3 高次諧波功率 Distortion (lt5 total)
4 自動開關機(白天夜晚)
5 過負載保護過溫度保護
6 體積小重量輕室外防水防塵
7 電腦界面可遠端監控
8 防止獨立運轉(連線保護)
9 可自力運轉
太陽電池組列
交流負載
直交流轉換器MPT
Power Conditioner
併聯系統之獨立運轉(單獨運轉)
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull停電時單一併聯系統將會停止運作
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
bull 市電停電時多數併聯系統仍聯合運作將對電力公司人員產生嚴重危害
孤島效應之防止方法
停電偵測1 過電壓低電壓
2 過頻率低頻率
3 被動式偵測如
bull 電壓與頻率監視方式
bull 電壓相位跳躍監視方式
bull 高次諧波監視方式
bull 頻率變化監視方式
PV組列
直交流轉換器
自家負載
4 主動偵測如
bull 頻率Shift方式
bull 配電線負載變動方式
bull 有效電力變動方式
bull 無效電力變動方式
反應時間05~2秒
資料來源「日本電氣用品試驗所」分散型電源系統連系技術指針(1998)
併聯系統之自力運轉功能
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull 大停電後白天有陽光時以人工啟動 PV 系統進行自力運轉供自家負載使用(但夜間無法使用)
防災型併聯型系統
適用地點有防災需求(照明汲水通信hellip)之公共設施
工作方式
bull 平時PV併聯發電(電池浮充) 效率高利用率高夜間由台電供電
bull 視需要建置供防災用電池大停電時白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
缺點bull 含電池成本較高bull 系統較複雜需專人定期維護
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
FAQ1太陽光發電需要多少土地
效率 = (輸出功率W) (組列面積 m2 x 日照強度 Wm2 ) x 100
模板面積 m2 = 輸出功率W (效率 x日照強度Wm2 ) x100
bull 假設使用效率gt136 模板於1000 Wm2 (AM15)日照強度下
10 kWp 模板面積 (m2) = 10000 (0136 x 1000) ~ 735 m2
10 kWp PV系統土地面積需求約
~ 735 m2 x 15 x 11
~ 121m2 (~36坪)
(包括陰影面積及維修空間)
bull 假設使用效率~10 模板
則模板面積約 ~ 100 m2
土地面積需求約 ~ 165m2 (~50坪)
gt55o
夏至
冬至
春秋分
235o 235oh
L1 L2
FAQ2太陽電池一年能發多少電
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
10 kWm2
05 kWm2
日照強度
等效日照時數(Sun Hour)
組列單日發電量 = 組列額定輸出功率 x 等效日照時數
bull 預估1 kWp 組列單日發電量 = 1 (kW) x ex 4(Sun Hour)= 4 kWh
組列年發電量 = 組列額定輸出功率 x 年平均每日日照時數 x 365
bull 預估 1 kWp 組列年發電量 = 1 x 4 x 365 = 1460 kWh
時間時間時間時間
FAQ3太陽光發電的成本(簡易估算)
1 假設目前太陽光發電系統設置成本約為 NT$ 280000 kWp
2 假設年平均每日日照時數約為 25 Sun Hour (台灣中南部地區)
bull 1 kWp 組列單日發電量= 1 (kW) x 25 (Hour)= 25 kWh
bull 1 kWp 組列年發電量= 25 x 365 = 913 kWh (度)
3 假設太陽光發電系統使用壽命為 20 年
bull 1 kWp 太陽光發電系統總共可發電 20 x 913 = 18260 度
4 生產每度電之成本約為 280000 18260 ~ NT$ 153
5 未來發展趨勢
bull 太陽光發電系統設置成本將逐年降低
bull 市電電費將會升高(國內目前約 NT$ 3 度日本約NT$ 7 度)
bull 傳統能源限制再生能源獎勵利率降低
64獨立型太陽光發電系統應用例(一)
bull太陽電池時鐘-日本bull太陽電池路燈-日本千里住宅公園
獨立型太陽光發電系統應用例(二)
bull太陽電池交通標誌-日本北海道 bull高速公路緊急電話-日本
獨立型太陽光發電系統應用例(三)
bull800W無線通信中繼基地台韓國(1998)
獨立型太陽光發電系統應用例(四)
bull離島用90kW獨立型發電系統韓國Ho-Do島(1992)
併聯型太陽光發電系統應用例(一)
bull設置於屋頂之住宅用太陽光發電系統(建材一體型日本千里住宅公園內住宅設計之一)
併聯型太陽光發電系統應用例(二)
bull日本東海線新幹線京都車站之太陽光發電系統(100kWp)
併聯型太陽光發電系統應用例(三)
bull日本京瓷(Kyocera)京都總公司大樓之太陽電池發電系統(220kWp)
太陽光發電發電廠應用例
太陽電池發電廠
(PV Power Plant)
資料來源 ANIT
Srl Italy
建材一體型太陽電池模板應用例
bull資料來源 Pilkington Solar International GmbH 德國
太陽能車應用例
Honda Dream
bull資料來源 PV Special Research
Centre UNSW Australia
交大太陽能車
bull資料來源 National Chiao-Tung
University Taiwan
太陽光發電航太應用例(NASA Helios )
bull空中無線通訊平台應用
資料來源SkyOne Inc Taiwan
bull 飛行高度5-7 萬英呎(最高記錄 96000 英呎)
bull 時速60 mph (起飛 25 mph)
bull 翼展247 英呎bull 重量2000 磅bull 太陽電池效率要求gt22
資料來源httpwwwaerovironmentcomhomehtml
清雲技術學院 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
個人住宅 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
勤益技術學院 3kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
南台科技大學 10kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
總統府 10kWp 獨立型太陽光能發電系統 (9012)
海巡署南沙太平島 20kWp 混合型(柴油發電機)太陽光能發電系統 (9011)
90能源基金示範補助成果例
台電樹林 20kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
併聯型
台電台北市區處 20kWp 太陽光發電系統
(91能源基金示範補助成果)
併聯型
7結論
bull (1)提高電力轉換器效率
bull 轉換器的損失主要來自於開關切換時之損失為了可以降低濾波電路中電感和電容的體積可以提高切換頻率但是相對於開關的切換損失也因此而增加導致轉換器的效率降低因此發展零電壓或零電流切換技術應用於高切換頻率之轉換器將可以提高轉換器的效率
bull (2)提高太陽光發電系統之整體效率
bull 傳統之太陽光發電系統包含儲能系統和供電系統前級利用DCDC轉換器作最大功率追蹤後級則利用DCAC轉換器轉換能量供應給交流負載為了提高太陽光發電系統的整體效率在研究可提出了模組並聯控制技術以提昇各級電力轉換器的效率而在未來太陽光發電系統也將著重在單級電力轉換器的設計對於整體系統效率有較明顯的改善
8參考資料
1許國強ldquo太陽光發電原理與應用工研院材料所 薄膜技術組91年
2華志強黃崇倫ldquo智慧型能量控制於太陽光電能轉換系統國立雲林科技大學電機工程學系電力研討會97年
3林政達ldquo數位式市電並聯換流器與快速鎖相迴路控制器之研製國立雲林科技大學電機工程學系碩士論文92 年
4李思賢ldquo數位式單相低功率太陽光電能轉換系統國立中山大學電機工程學系碩士論文92 年
5洪世杰ldquo適用於再生能源之市電併聯型雙輸入供電系統國立中正大學電機工程研究所碩士論文93 年
6王廷興ldquo太陽能發電配電設計概要台北科技大學冷凍空調系 92年
7魏榮宗王文宏ldquo高效率太陽光電能源轉換系統 元智大學電機工程學系94年
[ ] 100)25(
)11
(exp
1)(exp
3
λminus+=
minus
=
+minus
minus+minus=
TKII
TTBk
qE
T
TII
where
R
IRVIRV
AkT
qIII
ISCRLG
r
GO
r
oros
sh
ssosLG
VI cell output current and voltagecell reverse saturation currentcell temperature in CBoltzmannrsquos constantelectronic chargeshort circuit current temperature coefficientsolar irradiation in Wmshort-circuit current at 25 Cand 1000 Wm
light-generated currentband gap for siliconideality factorsreference temperaturecell saturation current atshunt resistanceseries resistance
osI
T
kq
00170=IK
SCRIλ
LGI
GOE
921== ABKTr deg= 18301
orI
shR
sR
附錄附錄附錄附錄- 太陽能電池太陽能電池太陽能電池太陽能電池
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
(a) Equivalent circuit of a PV module and
(b) Typical PV module current-voltage and power-voltage characteristics
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
Characteristic of a PV module with temperature and irradiation (a) constant irradiation and varying temperature and (b) constant temperature and varying irradiation
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
系統範例系統範例系統範例系統範例
中途驛站電化PV離島用PV系統山岳地帶PV系統離島偏遠區
勤務指揮中心緊急避難所醫療院所公園學校地震觀測站森林嘹望台避難指示燈氣象觀測所水位警報PV系統河川安全燈防波堤安全PV燈
緊急防災
緊急供電系統管線電氣防蝕輸油管流量計PV系統市場廣告塔海上石油平台各種計測站PV系統發電廠情報指揮中心
產業用
住宅用供電系統緊急供電系統緊急照明系統帷幕牆遮陽棚採光罩屋瓦建築物
無線通信用中繼站基地台緊急電話中繼站電話通信PV系統Radio受信PV系統微波中繼站
通訊
農宅用電溫室栽培PV系統農業灌溉用自動灑水系統農牧電籬牛乳冷藏漁業養殖揚水通氣自動餵食器
農林漁牧
路燈交通號誌道路指示牌標誌燈太陽能電動車充電站高速公路緊急電話偏遠道路緊急電話停車計時器停車場控制門系統高速公路防音壁PV系統公路休息區PV系統太陽能車平交道指示燈候車亭PV系統車站屋頂型PV系統
道路交通
收音機測電表手錶計算機太陽能照相機手電筒電池充電器野營燈民生
應用領域
內容大綱1前言
11太陽光發電(Photovoltaic)原理
太陽光發電背景
bull 太陽光發電原理
bull 太陽光發電應用之基本概念
bull 大型(gt1 kWp)太陽光發電系統應用
bull 10~20 kWp太陽光發電系統範例12太陽電池之串並聯使用13太陽電池組列仰角與間隔設計例
2零交越偵測電路分析
3系統電路架構與動作模式3 1 直流至直流切換式轉換器32 直流至交流切換式反流器33 最大功率追蹤
4軟體規劃
5實驗
6實務應用系統61市電相關規定62太陽光電發電系統運轉規範63大型(商用)太陽光發電系統應用64獨立型太陽光發電系統應用例
7結論8參考資料9附錄
1前言能源之種類bull 傳統能源
ndash 石化燃料(煤(230)石油(45)天然氣(60))
ndash 水力ndash 核能(鈾75) 註( )為預估使用年限單位--年
bull 再生能源ndash 太陽能(太陽光發電太陽熱能)
ndash 風力發電ndash 生質能(廢棄物發電沼氣發電生質物轉化生質物汽化發
電hellip)
ndash 地熱發電ndash 小水力發電ndash 海洋能(波浪發電潮汐發電海洋溫差)
再生能源再生能源再生能源再生能源
bull瑞典瑞典瑞典瑞典宣布將在宣布將在宣布將在宣布將在2020年停止使用石油與核能年停止使用石油與核能年停止使用石油與核能年停止使用石油與核能將將將將全面使用再生能源全面使用再生能源全面使用再生能源全面使用再生能源
bull美國美國美國美國規劃在規劃在規劃在規劃在2030年時年時年時年時50的使用能源由生質的使用能源由生質的使用能源由生質的使用能源由生質物物物物(Biomass)所提供所提供所提供所提供
bull考量配合現有的石油使用設備考量配合現有的石油使用設備考量配合現有的石油使用設備考量配合現有的石油使用設備如何將如何將如何將如何將生質物生質物生質物生質物轉化為石油替代物轉化為石油替代物轉化為石油替代物轉化為石油替代物是目前各國正在研發的方向是目前各國正在研發的方向是目前各國正在研發的方向是目前各國正在研發的方向之一之一之一之一
bull在發展出成熟的能源替代物之前在發展出成熟的能源替代物之前在發展出成熟的能源替代物之前在發展出成熟的能源替代物之前油價油價油價油價肯定會肯定會肯定會肯定會持續上揚持續上揚持續上揚持續上揚
bull由於日益嚴重的溫室效應與環境污染由於日益嚴重的溫室效應與環境污染由於日益嚴重的溫室效應與環境污染由於日益嚴重的溫室效應與環境污染再生能再生能再生能再生能源終將取代石化能源源終將取代石化能源源終將取代石化能源源終將取代石化能源
太陽光發電系統之效益
總體效益
bull 經濟效益（偏遠離島緊急發電成本投資回收效益）
bull 環保效益（降低石化燃料發電之CO2NOxSOx污
染）
bull 節能效益（以自然能源替代石化燃料建立自主能
源）
bull 社會效益（疏解尖峰緊急救災用電之社會效益）
bull 產業效益（創造高科技產業及就業機會）
太陽光發電(光伏發電 Photovoltaic PV)之特點
1太陽電池通常為一種固態半導體元件將光能直接
轉換為(直流)電能但本身不儲存能量
2太陽電池使用方便無廢棄物無污染無轉動部
份無噪音可阻隔輻射熱或可設計為半透光
3太陽電池模板壽命長久可達二十年以上
4太陽電池外型尺寸可隨意變化應用廣泛(小至消費
性產品--如計算機大至發電廠皆實用)
5發電量大小隨日光強度而變可以輔助尖峰電力之
不足(併聯型)
6太陽電池未來與建築物結合將可普及化
太陽光發電之重要歷史
bull 1956年第一個太陽電池製作成功
bull 1958年開始太空應用(GaAs)
bull 1970年開始太陽光發電系統地面應用(Si) (能源危
機)
bull 1980年消費性薄膜太陽電池應用(a-Si CdSCdTe)
bull 1990年與公用電力併聯之太陽光發電系統技術成
熟(Grid-Connected PV System Si) (電力電子技術)
bull 1992年起歐美日各國推動太陽光發電系統之
補助獎勵政策
bull 2000年建材一體型太陽電池應用(BIPV)
全世界太陽電池市場量
0
50
100
150
200
250
300
350
400
Shipment (Pmp MW)
1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001
Year
US
JAPAN
EUROPE
ROW
國內太陽光發電發展狀況(IMRL)
bull非晶矽太陽電池研製
1980
bull高效率非晶矽太陽電池
bull低溫 ploy 薄膜太陽電池
19851990
19952000 bull建材一體化模板研製
bull商品化非晶矽太陽電池
bull可撓式非晶矽太陽電池
bull結晶矽太陽電池
bull結晶矽太陽電池模板
bull量產非晶矽太陽電池(光華科技 1988年)
bull架設獨立型太陽光發電系統
bull太陽光發電示範系統設置
bull量產結晶矽太陽電池(士林電機 2000年)
bull架設實驗型與市電併聯型太陽光發電系統及監測分析
2005
bull示範推廣獎勵補助辦法實施
bull晶矽太陽電池研製(核研所)
bull奈米(Nano)太陽電池
國內太陽光發電發展狀況(II其他單位)bull 1980~1990
ndash 清大呂助增教授--MS太陽電池ndash 中科院核研所核儀組-- 2 吋單多晶矽太陽電池模板原型(可商業運轉)
ndash 清大黃惠良教授--非晶矽(amorphous-Si)CuInS2太陽電池ndash 台大李嗣岑教授--非晶矽太陽電池ndash 成大張俊彥教授--非晶矽太陽電池ndash 中原熊慎幹教授--非晶矽太陽電池ndash 交大蔡中教授--太陽光發電系統研究ndash helliphellip
bull 1990~目前ndash 清大黃惠良教授--CuInS2太陽電池ndash 清大徐永珍教授--Porous Si
ndash 交大李威儀教授--GaAs太陽電池ndash 中興江雨龍教授--非晶矽太陽電池ndash 中正吳財福教授--直交流電力轉換器(Inverter)
ndash 台大黃秉鈞教授--太陽光發電系統研究ndash 清雲技術學院電機系--太陽光發電系統研究ndash 士林電機--太空用太陽電池封裝(中華衛星計畫)(目前轉移至永炬光電)
ndash TiO2 Dye Sensitized太陽電池(有機材料)
ndash helliphellip
國內太陽光發電發展狀況(III)
產業狀況上游目前有永炬(士電)茂迪光華科技三家生產太
陽電池包括單晶矽多晶矽與非晶矽太陽電池
發電系統之電力直交轉換器(inverter)目前國內無廠商
生產全仰賴進口
中下游有數家廠商製作太陽電池燈充電器玩
具hellip及其他電子產品
太陽光發電系統安裝施工廠商約 10 餘家
bull住宅用電力系統
bull產業工商用電力系統
bull偏遠地區發電系統(山區離島hellip)
bull緊急防災用電力系統
bull消費性電子產品之電源(手錶時鐘電子計算機充電器燈玩具)
bull交通工具之電源(車船飛機飛行船hellip)
bull太空用發電系統
bull攜帶式電源
bull交通標誌號誌之電源
bull發電廠
太陽光發電之應用領域
學校避難所 醫療院所
政府機構 防災中心
救護站
消防隊
救援中心
警察局
救援機具用電
通訊用電 通氣用電
照明用電
供水用電供油用電
太陽光發電防災緊急電力應用示意圖
太陽電池材料種類說明太陽電池材料種類說明太陽電池材料種類說明太陽電池材料種類說明太陽電池材料種類說明太陽電池材料種類說明太陽電池材料種類說明太陽電池材料種類說明
1以下TiO2奈米及有機奈米及有機奈米及有機奈米及有機Nano amp Organic
應用於有機太陽電池屬研發階段
10~12CdSCdTeCuInse
多晶Poly Crystallin
18~30GaAsInP單晶Single Crystallin
多化合物多化合物多化合物多化合物Compound
應用於太空及聚光型太陽光電系統
6~9SiSiCSiGeSiHSiO
非晶矽Amorphous
10~18多晶矽Poly Crystallin
12~20單晶矽Single Crystallin
晶矽Crystalline
矽矽矽矽(硅硅硅硅) silicon
目前太陽光電系統中應用最為廣泛
市場模組發電轉換效率
半導體材料太陽電池種類
又稱為單結晶晶圓型製程貴發電量佳 礙於晶圓型式多半
截圓型或圓弧造型舖設時面積上無法達到最大利用及吸收
多結晶製程上較便宜發電量略遜單晶矽可截為正方形舖設時
可達到最大面積利用及吸收其晶狀分佈具有應N效果可為建築
物外觀加分另外雖其結理易造成碎裂但晶體可再利用做為項鍊
等裝飾品
非晶矽(可撓式)成本便宜發電率較差且容易造成裂質化但由
於可直接鍍在玻璃及塑膠上面與建築物可做最佳結合除可做太陽
光電系統發電用室內型民生消費品也常見其應用如電子計算
機搖頭娃娃玩具等
常見的太陽電池及模板外觀常見的太陽電池及模板外觀常見的太陽電池及模板外觀常見的太陽電池及模板外觀常見的太陽電池及模板外觀常見的太陽電池及模板外觀常見的太陽電池及模板外觀常見的太陽電池及模板外觀
單晶矽太陽電池外觀 單晶矽太陽電池典型結構
太陽電池外觀與構造(單晶矽)
1 清洗蝕刻
2 磷擴散
P-type wafer
單晶矽太陽電池製程步驟例(I)
3 鍍抗反
射層
4 網印
5 燒結
單晶矽太陽電池製程步驟例(II)
11太陽光發電(Photovoltaic)原理 (I)
太陽電池是以 P 型與 N 型半導
體材料接合構成正極與負極
當太陽光照射太陽電池時光
的能量會使半導體材料內的
正負電荷分離
正負電荷會分別往正負極
方向移動並且聚集
將太陽電池正負極接上負載
時將有電流流出可以對負
載作功(燈泡會亮馬達會轉)
正極P 型
負極N 型
P
N
P
N
P
N
-++
-
+
-+
-+
+ + + + +
- - - - -
--
+
-+
正負電荷
+
-
+
-
+
-
太陽光
太陽光
太陽光
電流
-+
PN(不照光平衡狀態)
EfEv
Ec
N P P
N
P
N
P
N
P
N
光子(Photon)
-+-+
-+
-+
-+
+ + + + +
- - - - -
-+
-+
-+
太陽光發電(Photovoltaic)原理 (II)
-
+
Photon
+
+
-
-
- -
++
Ef
Ev
Ec
PN(照光狀態)
++
-
- -
+
+
--
+
-
+
Photon
多數載子
多數載子
少數載子
少數載子
+
-
多數載子
多數載子
電子-電洞對(Electron-
hole pair)
EvN Type
SemiconductorP Type
Ef
Ec
Ef
Ev
Ec
電子位能
Ec conduction band
Ev valence band
Ef Fermi level
I=I0 (eVaVT-1)-Isc
Isc = -I (短路電流 V=0)
Voc = aVTln(Isc I0 +1) (開路電壓
I=0)
I0 (逆向漏電電流) prop ni prop e-Eg
RshID
Isc
+
----
v
I
RL
Rs
太陽電池等效電路與電氣特性
+I
+V
-V
Dark
VocV
Photo
Isc
I
Pm
I0
太陽電池等效電路 常用太陽電池電路符號
VocVm
Im
Isc
Pm
太陽電池 I-V 特性曲線分析
FF(Fill Factor) = (Vm x Im Voc x Isc) x 100 (越高越好)
ηηηη (Efficiency) = (Vm x Im Pin) x 100 (越高越貴)
bull Pin (Incident Power) = A (hc λ) bull N(λ) dλ
bullλ wavelength (microm)
bull N(λ) Number of photonm2 bull sec
bull A Area (m2)
bull h Plank constant c light speed
Voc開路電壓
Isc短路電流
Pm最大輸出功率值
Vm最大輸出功率時之電壓
Im最大輸出功率時之電流
太陽電池開路短路時皆不會燒毀
0
電壓源
電流源
利用串並聯組成模板與組列提供所需的工作電壓與電流
VocVm
Im
Isc
Pm
12太陽電池之串並聯使用
VocVm
Im
IscPm
VocVm
Im
Isc
Pm
太陽電池模板之構成
+
-
太陽電池模板結構太陽電池模板外觀太陽電池模板接線
正面
強化玻璃
EVA
TedlarTM (Dupont)
EVA
Polyester
TedlarTM (Dupont)
0125
0015
Cells0014
0015
00015
0002
00015
背面
單元太陽電池
太陽電池模板之規格範例
η (Efficiency) = (Vm x Im Pin) x 100
單晶矽模板效率 = (354 V x 495 A) ( 129 m2 x 1000 Wm2 ) x100
= 1358
單晶矽模板效率 = 1302
種類
項目單晶矽 多晶矽
額定輸出功率(Wp) 175 125
開路電壓(V) 444 323
短路電流(A) 555 546
最大輸出工作電壓(V) 354 260
最大輸出工作電流(A) 495 48
輸出最大功率(W) 175 125
尺寸(mm)W15736timesL826
timesH46
W1200timesL802
timesH46
重量(kg) 17 125
測定條件日照強度 AM151000Wm2Module 溫度 25
何謂AM0AM1AM15
Wavelength (microm)
Spec
tral
Irr
adia
nce
(Wm
-2micro
m-1) AM0
AM15
AM 即 Air Mass(不同 Air Mass 代表不同太陽光光譜)
bull AM0 (Air Mass 0) ~ 1400 W bullm-2
bull AM1 (Air Mass 1) ~ 1000 W bullm-2
bull AM15 (Air Mass 15) ~ 844 Wbullm-2
AM15 1000 Wbullm-2 (IEC 891 IEC 904-1)
Earth
AM0
AM1
AM15
大氣層
45o
太陽電池直接驅動負載如馬達等(應用於玩具車船馬達音樂卡片hellip)
bull 電力現買現賣
bull 負載匹配(容量與電壓)
bull 溫度效應
bull 搭配(超高)電容可以提高效能
太陽電池(直流)基礎應用範例(I)
I M
+
-
C
圖片資料來源httpshoppingyahoocom httpwwwsolar-icomSampYhtml
太陽電池先對電池充電再由電池供應負載(應用於玩具車船電動機械夜間燈光計算機鐘錶3C產品hellip)
bull 電力零存整付
bull 太陽電池電池電壓匹配
bull 溫度效應
bull 使用阻隔二極體
bull 電池過充放電保護
太陽電池(直流)基礎應用範例(II)
I負載
+
-
電池
圖片資料來源httpshoppingyahoocom httpwwwsolar-icomSampYhtml
FAQ1太陽電池應用效能不佳太陽電池之負載匹配(Load Matching)
RshID
IL
+
----
v
I
RL
Rs
bull Efficiency of a PV system is strongly affected by load matching
bull Measurement of I-V Characteristic curve is important
VocVm
Im
Isc
Pm
RL 1
RL 3
RL 2 Battery voltage
RL
----
+
不同日照強度下太陽電池 I-V 特性曲線
bull 最大輸出功率隨日照強度而改變並非永遠等於額定值
0
1
2
3
4
5
6
7
0 10 20 30 40 50
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
1000Wm2 (AM1)
500Wm2 (05AM1)
不同溫度下太陽電池 I-V 特性曲線
bull太陽電池溫度升高時輸出電壓與最大輸出功率降低
0
1
2
3
4
5
6
7
0 10 20 30 40 50
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
75oC 50oC 25oC 0oC
Battery voltage
0
1
2
3
4
5
6
7
0 10 20 30 40 50
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
500Wm2 (05AM1)
1000Wm2 (AM1)
太陽電池之動態負載匹配(日照變化)
RL(high)
RL(low)
bull Maximum power tracking is required in high efficiency PV system
太陽電池 I-V 特性曲線測量方法
VocVm
ImIsc Pm
C+
-
A
VR
A
V
A
V可程式負載
模擬陽光使用鎢絲燈氙燈Solar Simulator 或太陽光
Pm lt few10 W Pm lt few 100 W Pm lt 100 kW
Solar Simulator Array Tester
圖片資料來源httpwwwspiresolarcomSolarequipmenthtml
太陽於天球(Celestial Sphere)上運行之軌跡
冬至 春秋分 夏至 冬至 春秋分 夏至 春秋分 夏至
北緯 0o 北緯 45o 北緯 90o
(赤道) (北極)
天球
太陽運行軌跡與太陽電池仰角
冬至 夏至春秋分
所在緯度235o
235o47o0o
47o 235o
13太陽電池組列仰角與間隔設計例
bull組列仰角~235o (台灣地區)
bull h=組列總高度( lt 15 m)
bull L2=h tan(55o) = 057 L0
(55o可適用於冬至0900~1500)
bull水平角度=正南 plusmn5o
235o
55o
235o
夏至
冬至
春秋分
235o 235o
南
h = 04 L0
L1= 092 L0L2 = 057 L0
L0
L1 + L2 = 15 L0
2零交越偵測電路分析
bull 零交越偵測電路如圖1 所示主要目的在於檢測輸入弦波電壓之零交越點其電路輸出為ㄧ方波信號利用方波上緣信號觸發數位訊號處理器之外部中斷腳位進而進行相位同步之功能[4]零交越偵測電路輸入與輸出波形如圖2 所示相位同步控制當數位訊號處理器發生上緣觸發時此觸發訊號如同系統重置訊號將正弦表指標變數歸零一經重置後指標變數又開始計數藉由每週期ㄧ次的重置訊號迫使換流器輸出達到同步相位同步控制波形示意圖如圖3 所示圖4 為零交越偵測電路輸出實測圖[4]
3系統電路架構與動作模式
bull A
bull 本文所述之系統為一太陽光電能轉換系統方塊圖如圖5 所示主要部分包括太陽能板直流-直流轉換器全橋式換流器數位訊號處理器感測迴授電路與驅動電路此一系統之基本動作情況為一般情況下斷路器1 和斷路器2 均為導通狀態此時太陽光電能轉換系統與電力網路處於連結運轉模式而當電力網路供電中斷時斷路器2 將被斷路以避免孤島現象的發生反之若是太陽光電能轉換系統發生故障時斷路器1 將被斷路以避免電力網路受到其故障的影響
31系統電路架構與動作模式
bull B
bull 電路工作模式bull 此一太陽光電能轉換系統主要有兩種工
作模式以下為二種工作模式的操作說明
bull (1) 獨立運轉模式bull 如圖6 所示獨立運轉模式為當電力網
路供電中斷時斷路器2 將被斷路而此時太陽光電能轉換系統將操作在電壓控制模式下提供負載一穩定的輸出電壓
bull (2) 與電力網路連結運轉模式bull 如圖7 所示與電力網路連結運轉模式
將太陽光電能轉換系統與電力網路連結運轉也就是斷路器1 和斷路器2 同時導通此時系統將操作在電流控制模式下首先經由最大功率點追蹤程式運算出瞬時最大功率點的電流參考值再根據此一電流參考值輸出一與電力網路電壓同相位的電流至負載或甚至回送至電力網路
31直流至直流切換式轉換器
典型直流至直流轉換器系統之構造如圖21所示其輸入通常為由線電壓整
流而得之非調節直流電壓然後再利用切換式直流至直流轉換器將此變動之
直流電壓轉換成一調節之直流電壓
無控制之二極體橋式整流器
交流線電壓
(單相或三相)
直流電壓
(無調節性)
濾波電容 (無調節性)
直流至直流轉換器 (具調節性)
負載
蓄電池
直流電壓 直流電壓
控制訊號1降壓式(step-down buck)轉換器
2升壓式(step-up boost)轉換器
3升降壓式(step-downstep-up buck-boost)轉換器
4全橋式轉換器
上述四種轉換器中只有降壓式及升壓式是最基本的轉換器電路架構升
降壓式轉換器是此二基本轉換器之結合而全橋式轉換器則是由降壓式轉
換器衍生而來
直流至直流轉換器之控制
直流至直流轉換器的作用即是在輸入電壓與輸出負載變動的情況下能夠調
節輸出電壓為所設定的位準電壓位準轉換之原理可以圖22(a)所示之簡單
電路來說明由開關導通與截止可得圖22(b)之波形其中輸出電壓vo平均
值大小Vo與開關之導通及截止時間(ton及toff)有關平均輸出電壓大小調整
之最典型的方式是採用脈波寬度調變法(Pulse-Width ModulationPWM)
其切換週期Ts(= ton+toff)為固定由調整導通時間之大小來改變平均輸出電
壓之大小Vo
+
_
Vd
R
+
_
Vo
0Vd
Vo
vo
tton toff
Ts
脈波寬度調變切換控制的方塊圖如
圖23(a)所示開關之切換控制信號
由控制訊號vcontrol與週期為Ts之鋸齒
波vst比較而得控制信號則由Vo之
實際值與設定值之誤差放大而得
vcontrol與vst比較所得之切換控制信號
的波形如圖23(b)所示當控制訊號
vst較大時則為高準位信號即使
開關導通反之為低準位信號即使
開關截止故開關之切換週期亦為
Ts 由以上的原理可知開關切換
之責任週期 (Duty Ratio)為D=tonTs
=vcontrolVst 其中Vst為鋸齒波之振
幅
放大器
+
-Vo
(設定)
(實際)
Vo
比較器
週期性波形 stv
切換控制訊號
控制訊號
0 t
$Vst
=stv 鋸齒波電壓
controlv (放大誤差)
On On
Off Off
stcontrol vv gt
stcontrol vv ltton toff
Ts
切換控制訊號
(切換頻率 fT
s
s
=1
)
升壓式直流至直流轉換器
圖211為升壓式轉換器電路主要用途為直流電源供應器與直流馬達之
再生制動(Regenerative Breaking)顧名思義其輸出電壓高過於其輸入
電壓當開關導通時二極體反向偏壓輸入電能儲存於電感負載電
能則由電容提供當開關截止時負載吸收輸入及儲存電感中之電能
-
L
CRVd
Vo
vL
iL
io
+
-
++
_
t0
t0
vL
iL
I L
Ts
toffton
_++
_
+
_
+ _+
_
+
_
iL
vL
Vd Vo
iL
vL
Vd Vo
)( dV
)( od VV minus
圖212所示為電感電流為連續之
穩態工作波形由穩態下電感電
壓一週期之平均值為零可得
0)( =minus+ offodond tVVtV
等號兩側除以Ts重新整理可得
Dt
T
V
V
off
s
d
o
minus==
1
1
假設電路無損失輸入功率
Pd=VdId 等 於 輸 出 功 率
Po=VoIo 則
)1( DI
I
d
o minus=
非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器
bullBoost之設計假設輸入10V輸出30V頻率50kHz輸出10W
所以D＝23
( ) s
o
o TDDP
VL
22
12
minusge
=6667uH
取75uH
D
VV in
o minus=
1
L
Vi
n
S Vo
+
_
C
DiL
vds
升降壓式直流至直流轉換器
升降壓式轉換器的主要用途為輸入與輸出之極性相反輸出電壓可以高於
或低於輸入電壓之直流電源供應器升降壓式轉換器可以由降壓式轉換器
與升壓式轉換式串接而成穩態下輸入與輸出電壓轉換器之比值為二轉換
器個別比值之乘積
D
D
V
V
d
o
minus=
1
因此變化責任週期D可使輸出電壓高於或低於輸入電壓
+
_
+
_
_
+
RC Vo
L
Vd
io
iLvL
id
降壓式直流至直流轉換器
降壓式轉換器顧名思義其作用為將較高準位的輸入電壓換成較低
準位的輸出電壓主要用途為直流電源供應器及直流馬達速度控制
圖22(a)所示為提供純電阻性負載之降壓式轉換器由圖22(b)可知其輸
出電壓波形由開關位置決定平均輸出電壓為
dd
s
onT
t
t
d
s
T
o
s
o DVVT
tddV
Tdv
TV
s
on
ons ==+== intintint )0(1
)(1
00ττττ
+
_
Vd
R
+
_
Vo
0Vd
Vo
vo
tton toff
Ts
32直流至交流切換式反流器
切換式直流至交流(DCAC)反流器(Inveter)乃用以將直流電源轉換成振幅
與頻率均可調之正弦式交流電源主要用途為交流馬達驅動與交流不斷
電電源供應器圖31為典型交流馬達驅動之反流器方塊圖其直流輸入
電壓通常由線電壓整流及濾波而得接著再利用切換式反流器改變輸出
電壓之振幅與頻率以驅動交流馬達切換式反流器功率之流通通常是
由直流至交流稱為反流模式但亦可以從交流至直流稱為整流模
式
+
_
交流馬達
二極體整流器 濾波電容 切換式反流器
Vd
三相交流電源
反流器包括單相及三相其輸入為直流電壓源者稱為電壓源反流器
(Voltage Source InverterVSI)另外若輸入為直流電流源者稱為電流
反流器(Current Source InverterCSI)目前僅應用在高功率之交流馬達
驅動器
1脈波寬度調變(PWM)反流器其輸入電壓通常為固定反流器本身具備變
頻及變壓的功能而變頻及變壓乃利用開關之脈波寬度調變切換控制達成
有許多類型之脈波寬度變技術可以使輸出電壓近似弦波
2方波(Square-Wave)反流器此反流器輸出電壓振幅乃由其輸入電壓調
整
反流器本身只控制輸出頻率交流輸出電壓波形近似方波因此乃稱方波
反流器
3採用電壓消去法(Voltage Cancellation)之單相反流器單相反流器當輸入
電壓為定值時可以利用電壓消去法來變頻及變壓而不須採用脈波寬度
調變其輸出電壓波形近似方波因此其結合了前述兩種反流器的特色
值得注意的是電壓消去法並不適用於三相反流器
切換式反流器之基本觀念
考慮圖33(a)之單相反流器假設其正弦輸出電壓vo是經過濾波所得若
輸出之負載為電感性(如馬達)則輸出電流io將落後vo 如圖33(b)所示
在期間1及3中 vo與io同號瞬時功率Po=voio為正故功率由直流側送至
交流側稱之為反流模式在期間2及4中 vo與io異號瞬時功率Po為負
故功率由交流側送至直流側稱之為整流模式圖33(a)之切換式反流器
在每一週期內會經歷平面上四個象限中之所有象限
單相切
換式變
流器與
濾波器
o
o
+
-
+
-
Vd
vo
id
io
0t
4 1 2 3
voio
io
vo
1反流器
4整流器
3反流器
2整流器
0
為清楚解釋起見以單臂反流器來說明
+
_
+
_
+ +
__
Vd
Vd
2
Vd
2
A
N
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
vAN
oo
o
反流器電路之脈波寬度調變切換技術如圖35(a)所示由一正弦波形控
制訊號vcontrol與三角波形vtri作比較三角波(又稱載波)之振幅為Vtri頻率
為fs fs決定反流器開關之切換頻率正弦波控制電壓vcontrol(又稱調制訊
號)之基頻f1決定反流器之輸出頻率而其振幅則決定反流器輸出電壓之
大小定義振幅調變指數為ma=Vcontrol Vtri 其中Vcontrol為vcontrol之振幅
而頻率調變指數則定義為mf = fs f1
0 t
vcontrol vtri
sf
1
0 t
vAo
V d
2
minusVd
2
t=0
v v
T on T off
control tri
A A
lt
minus + v v
T on T off
control tri
A A
gt
+ minus
1)( AoAo vv =之基本波
0 t
vcontrol vtri
sf
1
圖34反流器之開關的控制方法與io方向無關為
dAoAtricontrol VvTvv2
1=gt +導通
dAoAtricontrol VvTvv2
1minus=lt minus導通
由於二開關之導通為互補因此輸出電壓只在Vd 2與-Vd 2二值間作變
動圖35(b)所示為ma=08與mf =15時輸出電壓vAo及其基本波(以虛線表示)
之波形
+
_
+
_
+ +
__
Vd
Vd
2
Vd
2
A
N
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
vAN
oo
o
單相全橋式反流器
單相全橋式反流器如圖311所示乃由兩個前述之半橋反流器所組成在
相同之輸入電壓下全橋式反流器之最大輸出電壓為半橋式之兩倍這代
表在相同之功率下全橋式反流器之輸出及開關電流僅為半橋式之一半
此對於高功率用途是一大優點因其可以降低使用並聯元件之需求
+
_
+
_
+
_
Vd
Vd
2
Vd
2
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
v v vo Ao Bo= minuso
A
B
TBminus
TB+
DBminus
DB+
+_
id
o
o
N
雙極性電壓切換之脈波寬度調變
0 t
vcontrolvtri
sf
1
0 t
ov1ov
dV
dVminus
單極性電壓切換之脈波寬度調變
onBT +
trivgttricontrol vv gt
trivcontrolv
t
)( controlvminus
)( controlvminusonAT +
t1ov
dV
dVminus
)( BNAN
o
vv
v
minus=
應用雙極性電壓切換之脈波寬度調
變全橋式反流器乃 (TA+TB-)與 (TA-
TB+)成對切換且二者互相反相
應用單極性電壓切換之脈波寬度調
變全橋式反流器乃A臂與B獨立切
換且同臂二開關互相反相
三相反流器
+
-
+
-
+
-
dV
2dV
2dV
+AT
minusAT
+AD
minusAD
o
BminusT
+BT
minusBD
+BD
di
minusCT
+CT
minusCD
+CD
N
A B C
o
0 t
triv Acontrolv Bcontrolv Ccontrolv
0
BNANAB vvv minus=
t
dV
之基本波1LLv
ANv
0 t
dV
t0
BNv
dV
三相電壓源反流器之脈波寬度調變切換的功能為在固定輸入直流電壓下用以調整三相輸出電壓之振幅及頻率三相脈波寬度調變方式由三相各差120度的控制電壓與三角波作比較其波形與單相全橋式反流器採用脈波寬度調變單極性切換者類似
最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法
33最大功率追蹤最大功率追蹤最大功率追蹤最大功率追蹤
為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點本文使用本文使用本文使用本文使用擾動觀察法擾動觀察法擾動觀察法擾動觀察法(Perturbation and Observation Method PampQ)進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功率追蹤率追蹤率追蹤率追蹤由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點下圖為擾動下圖為擾動下圖為擾動下圖為擾動觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖為利用為利用為利用為利用DCDC轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作時時時時其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為0之特性之特性之特性之特性使用使用使用使用DCDC轉換器控制太陽轉換器控制太陽轉換器控制太陽轉換器控制太陽能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動
擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖
最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法
左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖蹤示意圖蹤示意圖蹤示意圖太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分為兩個特性區域為兩個特性區域為兩個特性區域為兩個特性區域假設進行追蹤假設進行追蹤假設進行追蹤假設進行追蹤時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時電壓電壓電壓電壓的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率增加增加增加增加若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出功率減少功率減少功率減少功率減少經由經由經由經由DCDC轉換器調轉換器調轉換器調轉換器調節太陽能板與節太陽能板與節太陽能板與節太陽能板與DCDC轉換器的阻轉換器的阻轉換器的阻轉換器的阻抗相互匹配抗相互匹配抗相互匹配抗相互匹配進而得到太陽能板進而得到太陽能板進而得到太陽能板進而得到太陽能板的最大輸出功率的最大輸出功率的最大輸出功率的最大輸出功率
擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖
4軟體規劃
bull 系統控制程式主要分為主程式固定週期中斷副程式市電電壓零交越中斷副程式等三大部分以下將分別介紹各部分程式流程
bull 本系統主程式主要執行數位訊號處理器周邊暫存器的初始設定以及變數宣告其中除了變數宣告外周邊暫存器的初始設定包括有規畫中斷向量設定計數器之計數模式計數週期中斷的時間和PWM 輸出模式等相關參數設定
bull 如圖8 所示系統初始設定後必須先等待中斷發生才能決定系統是否執行固定週期中斷程式或零交越中斷副程式
bull 圖9 為固定週期中斷副程式流程圖固定週期中斷頻率與換流器開關之切換頻率相同為20kHz程式開始會先偵測太陽能板電壓及電流與直流鏈電壓當確定市電電壓零交越中斷發生時必須先將輸出弦波訊號之指標強制為原點重新送出單位弦波確保換流器輸出電流與市電電壓能維持同相位接著比較太陽能板輸入電壓VPV 是否大於最低工作電壓VPV_work如果確定大於最低工作電壓則致能太陽能最大功率追蹤反之則禁能系統動作程式返回圖9 中的正弦脈寬調變副程式主要功能在於決定換流器中開關的動作順序與責任週期大小以及輸波參考訊號
bull 圖10 為太陽能最大功率點追蹤副程式流程圖在文中對最大功率追蹤採用擾動與觀察法配合太陽能光電板的電壓mdash功率特性曲線即可瞭解程式如何完成太陽能光電板最大功率點追蹤
主程式流程圖
5實驗
bull 依據上述的分析採用DSP 2407A 建立一個500W 太陽光電池電能轉換系統依據圖11 之
bull 電路架構其規格與元件參數分別列於表一表二及表三系統實驗波形圖12圖13圖14 及
bull 圖15 為系統操作在獨立運轉模式下負載分別為120W240W360W 及480W 時之換流器輸出
bull 電壓及輸出電流之實測波形
系統規格與元件參數
實測波形
6實務應用系統實務應用系統實務應用系統實務應用系統
獨立系統示意圖獨立系統示意圖
考慮點
系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等安全係數最佳化設計複雜)
一般充電控制器無 MPPT搭配蓄電池使發電效能較差
蓄電池每日gt50DOD深度放電gt02C充電壽命短
太陽光發電量與負載需求量不搭配時太陽光之發電能量利用率偏低 (負載需求搭配與安全係數為互相矛盾之設計)
PV-柴油發電機PV-風力等混合系統為改善之方法
市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台
電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池
併聯系統示意圖併聯系統示意圖
緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析
1 系統設置成本高建議使用於邊際效益高之用電（防災緊急輔助電力）
2 總體經濟效益減少環境污染解決尖峰用電之不足與短缺能源多元化之風險分擔與開創自主能源
3 遮蔽陽光直曬降低建築物之熱效應（被動省能）同時轉換太陽光為電能供應建物自主能源（主動節能）一舉兩得
緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較
30萬元divide21900kWh＝137元度2萬元divide50kWh＝400元度每度電成本
日發電度數times365天times20年＝3hrtimes1kWtimes365天times20年＝21900kWh（度）
（年停電＋年測試運轉時數）times10年＝（20mintimes6次＋15mintimes12月）times10年＝5hrtimes1kWtimes10年＝50kWh
總發電度數（1kw計）
夜間不發電（可利用蓄電池設計供電年維運費02）
噪音空污油料運輸儲油危險維運成本高
缺點
利用露台屋頂牆面空間設備煙管隔音油槽需室內空間
設置空間
平時緊急時均可使用隨時可了解運轉狀況不須操作
加ATS停電時方可啟動需人員每月定期測試運轉
系統運作
太陽光潔淨能源（免費）柴油使用燃料
20年7~10年使用壽命
1kW=30萬元1kW=2~3萬元設置費用
太陽光發電系統柴油發電機
風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析
運用多元化能源分擔風險情況比較說明如下
1 市電--gt停電時風險極高
2 市電＋柴油發電機--gt發電機故障時風險高
市電＋柴油發電機＋太陽光發電系統--gt發揮三者優點互補同時故障機率小風險最低
案例
832kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide057＝317 m2
115kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide075＝332 m2
緊急時057平時065~08
綜合係數溫度變化污損線損Inverter效率＋蓄電池充放電補償
電力需求divide（日照強度times日照時間times模板效率times綜合係數）
模組面積估算
日照強度1kWm2
日照時間384hd
模板效率12
832kWhd500人用電量115kWhd770人用電量
緊急時平時
電力需求估算
緊急時40kWtimes384hdtimes057＝875 kWhd
平時40kWtimes384hdtimes075＝1152Whd
太陽發電系統發電量＝設置容量times日照時間times綜合係數
發電量計算
332m2times1kWm2times12＝398kW≒40kW
太陽發電系統設置容量＝設置面積times日照強度times模板效率
設置容量計算模板效率依太陽電池種類而異
進行模板陣列及蓄電池容量設計
40kWdivide18片串divide120W＝185列≒19
列
40kWdivide17片串divide120W＝196列≒20
列
陣列併列數＝設置容量divide單串功率
18片times120W＝2160W
17片times120W＝2040W
單串功率
300Vdivide169V＝1775片（取整數17 or 18）
陣列串聯數＝Inverter輸入電壓divide模板輸出電壓
模板陣列設計
1 模板功率120W
2 模板輸出電壓169V
3 直交流轉換器(Inverter)輸入電壓300V
120Wtimes17片串times20列＝40800W＝340片(最佳陣列)
120Wtimes18片串times19列＝41080W＝342片
最佳陣列較經濟之設置容量選擇最佳陣列
蓄電池數量＝144個times2列＝288個
120640Whdivide288Vdivide200Ah＝21列≒2列
併列數＝蓄電池需求容量divideInverter額定電壓
288Vdivide2V＝144個
串聯數＝Inverter額定電壓divide蓄電池電壓串併數設計
middot 蓄電池電壓2V個
middot 蓄電池容量200Ah個
Inverter電壓輸入電壓 額定電壓300V 288V200V 192V
蓄電池需求容量＝832kWhdtimes1dtimes145＝12064kWh
蓄電池需求容量＝緊急電力需求times無日照天數times補償係數補償係數蓄電池內阻抗放電停止電壓電壓降低補償
蓄電池需求容量設計
middot 補償係數145
無日照天數1日
61市電相關規定市電相關規定市電相關規定市電相關規定
1 發電設備併接於低壓系統者其總容量未滿100kW且技術無困難者得併接於單相三線110V220V三相三線220V之配電系統若總容量在100kW以上而未滿500kW得分別併接於3相4線220V380V之配電系統
2 發電設備總容量在500kW以上而未滿5000kW10000kW且技術無困難者得分別併接於114KV228KV之高壓配電系統
3 電設備總容量在10000kW以上而未滿40000kW者得併接於特高壓之系統
4 發電設備總容量在40000kW以上者依個案研討分類
併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類
發電系統經由發電系統經由發電系統經由發電系統經由110V220V110V220V110V220V110V220V併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者發電設發電設發電設發電設備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能
1 過電壓保護 低電壓保護
2 低頻保護 高頻保護
3 過電流保護 零相過電壓接地保護
4 發電設備為無逆送電力者須加裝逆電力保護
5 發電設備為有逆送電力者必須具備主動及被動防止單獨運轉保護
發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經110V220V110V220V110V220V110V220V系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者在電在電在電在電源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器
發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業114KV228KV114KV228KV114KV228KV114KV228KV之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者((((高高高高壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶))))發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Extremely Inverse特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Extremely Inverse特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過流電驛(67)須具Normal Inverse特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
發電設備併接於電業69KV特高壓輸電系統者發電設備之輸出端至少應具有下列同等保護功能並須與電業該轄區之保護設備協調
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Normal Inverse之特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Normal Inverse之特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過電流電驛(67)須具Normal Inverse之特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
8 快速及後衛保護電驛如系統保護需要時應裝設
9 匯流排電驛採用GIS斷路器者應裝設
62626262太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範
1 故障電流
太陽光電發電系統大於100kW以上須計算故障電流其送至電業系統之故障電流不得影響電業及其他用戶斷路器之起斷容量否則需裝置限流電抗器
太陽光電發電系統之隔離變壓器接地方式須與電業之系統配合
2 正常電壓變動率應維持在plusmn5以內
3 太陽光電發電系統與電業間之責任分界點的功率因數以維持85落後至100之間運轉為原則
4 諧波污染限制應依照「電力系統諧波管制暫行標準」辦理
分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性
適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯型之規範型之規範型之規範型之規範
電力轉換器電力轉換器電力轉換器電力轉換器(電力調節器電力調節器電力調節器電力調節器)(InverterConditioner)
蓄電池蓄電池蓄電池蓄電池(Battery))
63大型(商用)太陽光發電系統應用(gt1 kWp)
太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統
單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池(Unit Solar Cell)
太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板(PV Module)
太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列(PV Array)
太陽光發電系統應用獨立系統
(A) 獨立系統(Stand-Alone
System)
bull 蓄電池保護壽命
(B) 混合型交流獨立系統 (Hybrid
System)
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
直流負載PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
整流器
輔助發電機
PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載- ~PCU
直直直直交流轉換器交流轉換器交流轉換器交流轉換器
太陽光發電系統應用併聯系統
(D)併聯系統(Grid-
connected System)
特殊功能1 最佳效能2 防止獨立運轉(連線保護)
3 可自力運轉
(E) 防逆流型系統(Off-line System)
(F) 防災型併聯系統
充電控制器
蓄電池
直交流轉換器
PCU太陽電池組列
交流負載
ATS
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
獨立型系統
適用地點高山離島基地台hellip等市電無法到達處
工作方式白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
必須可以自給自足
缺點bull 系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等
安全係數設計很困難)
bull 蓄電池建置複雜成本很高壽命很短
bull 負載搭配不良時發電效能不佳利用率將偏低
bull 需由專人隨時維護
bull 混合系統為一種解決方法
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
PCU
併聯型系統
適用地點電力正常送達之任何地點工作方式 bull 白天 PV系統併聯發電夜間由台電供電bull 將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的蓄電池
優點bull 系統簡單不需安全係數設計(依預算設計)不需要專人維護bull 併聯發電效率高利用率高
缺點bull 停電時無電可用bull 受併聯法規限制尚未開放(但即將開放)
bull 有孤島效應之疑慮(目前技術上已解決)
改善型無電池自力運轉
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
市電併聯型住宅用太陽光發電系統
太陽光發電系統發電及負載用電對時間之關係
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
併聯型直交流轉換器之效能要求較高
1 最大功率追蹤(Maximum Power Tracking MPT)
2 高轉換效率 gt 90 (PWM+電力電子元件)
3 高次諧波功率 Distortion (lt5 total)
4 自動開關機(白天夜晚)
5 過負載保護過溫度保護
6 體積小重量輕室外防水防塵
7 電腦界面可遠端監控
8 防止獨立運轉(連線保護)
9 可自力運轉
太陽電池組列
交流負載
直交流轉換器MPT
Power Conditioner
併聯系統之獨立運轉(單獨運轉)
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull停電時單一併聯系統將會停止運作
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
bull 市電停電時多數併聯系統仍聯合運作將對電力公司人員產生嚴重危害
孤島效應之防止方法
停電偵測1 過電壓低電壓
2 過頻率低頻率
3 被動式偵測如
bull 電壓與頻率監視方式
bull 電壓相位跳躍監視方式
bull 高次諧波監視方式
bull 頻率變化監視方式
PV組列
直交流轉換器
自家負載
4 主動偵測如
bull 頻率Shift方式
bull 配電線負載變動方式
bull 有效電力變動方式
bull 無效電力變動方式
反應時間05~2秒
資料來源「日本電氣用品試驗所」分散型電源系統連系技術指針(1998)
併聯系統之自力運轉功能
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull 大停電後白天有陽光時以人工啟動 PV 系統進行自力運轉供自家負載使用(但夜間無法使用)
防災型併聯型系統
適用地點有防災需求(照明汲水通信hellip)之公共設施
工作方式
bull 平時PV併聯發電(電池浮充) 效率高利用率高夜間由台電供電
bull 視需要建置供防災用電池大停電時白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
缺點bull 含電池成本較高bull 系統較複雜需專人定期維護
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
FAQ1太陽光發電需要多少土地
效率 = (輸出功率W) (組列面積 m2 x 日照強度 Wm2 ) x 100
模板面積 m2 = 輸出功率W (效率 x日照強度Wm2 ) x100
bull 假設使用效率gt136 模板於1000 Wm2 (AM15)日照強度下
10 kWp 模板面積 (m2) = 10000 (0136 x 1000) ~ 735 m2
10 kWp PV系統土地面積需求約
~ 735 m2 x 15 x 11
~ 121m2 (~36坪)
(包括陰影面積及維修空間)
bull 假設使用效率~10 模板
則模板面積約 ~ 100 m2
土地面積需求約 ~ 165m2 (~50坪)
gt55o
夏至
冬至
春秋分
235o 235oh
L1 L2
FAQ2太陽電池一年能發多少電
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
10 kWm2
05 kWm2
日照強度
等效日照時數(Sun Hour)
組列單日發電量 = 組列額定輸出功率 x 等效日照時數
bull 預估1 kWp 組列單日發電量 = 1 (kW) x ex 4(Sun Hour)= 4 kWh
組列年發電量 = 組列額定輸出功率 x 年平均每日日照時數 x 365
bull 預估 1 kWp 組列年發電量 = 1 x 4 x 365 = 1460 kWh
時間時間時間時間
FAQ3太陽光發電的成本(簡易估算)
1 假設目前太陽光發電系統設置成本約為 NT$ 280000 kWp
2 假設年平均每日日照時數約為 25 Sun Hour (台灣中南部地區)
bull 1 kWp 組列單日發電量= 1 (kW) x 25 (Hour)= 25 kWh
bull 1 kWp 組列年發電量= 25 x 365 = 913 kWh (度)
3 假設太陽光發電系統使用壽命為 20 年
bull 1 kWp 太陽光發電系統總共可發電 20 x 913 = 18260 度
4 生產每度電之成本約為 280000 18260 ~ NT$ 153
5 未來發展趨勢
bull 太陽光發電系統設置成本將逐年降低
bull 市電電費將會升高(國內目前約 NT$ 3 度日本約NT$ 7 度)
bull 傳統能源限制再生能源獎勵利率降低
64獨立型太陽光發電系統應用例(一)
bull太陽電池時鐘-日本bull太陽電池路燈-日本千里住宅公園
獨立型太陽光發電系統應用例(二)
bull太陽電池交通標誌-日本北海道 bull高速公路緊急電話-日本
獨立型太陽光發電系統應用例(三)
bull800W無線通信中繼基地台韓國(1998)
獨立型太陽光發電系統應用例(四)
bull離島用90kW獨立型發電系統韓國Ho-Do島(1992)
併聯型太陽光發電系統應用例(一)
bull設置於屋頂之住宅用太陽光發電系統(建材一體型日本千里住宅公園內住宅設計之一)
併聯型太陽光發電系統應用例(二)
bull日本東海線新幹線京都車站之太陽光發電系統(100kWp)
併聯型太陽光發電系統應用例(三)
bull日本京瓷(Kyocera)京都總公司大樓之太陽電池發電系統(220kWp)
太陽光發電發電廠應用例
太陽電池發電廠
(PV Power Plant)
資料來源 ANIT
Srl Italy
建材一體型太陽電池模板應用例
bull資料來源 Pilkington Solar International GmbH 德國
太陽能車應用例
Honda Dream
bull資料來源 PV Special Research
Centre UNSW Australia
交大太陽能車
bull資料來源 National Chiao-Tung
University Taiwan
太陽光發電航太應用例(NASA Helios )
bull空中無線通訊平台應用
資料來源SkyOne Inc Taiwan
bull 飛行高度5-7 萬英呎(最高記錄 96000 英呎)
bull 時速60 mph (起飛 25 mph)
bull 翼展247 英呎bull 重量2000 磅bull 太陽電池效率要求gt22
資料來源httpwwwaerovironmentcomhomehtml
清雲技術學院 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
個人住宅 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
勤益技術學院 3kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
南台科技大學 10kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
總統府 10kWp 獨立型太陽光能發電系統 (9012)
海巡署南沙太平島 20kWp 混合型(柴油發電機)太陽光能發電系統 (9011)
90能源基金示範補助成果例
台電樹林 20kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
併聯型
台電台北市區處 20kWp 太陽光發電系統
(91能源基金示範補助成果)
併聯型
7結論
bull (1)提高電力轉換器效率
bull 轉換器的損失主要來自於開關切換時之損失為了可以降低濾波電路中電感和電容的體積可以提高切換頻率但是相對於開關的切換損失也因此而增加導致轉換器的效率降低因此發展零電壓或零電流切換技術應用於高切換頻率之轉換器將可以提高轉換器的效率
bull (2)提高太陽光發電系統之整體效率
bull 傳統之太陽光發電系統包含儲能系統和供電系統前級利用DCDC轉換器作最大功率追蹤後級則利用DCAC轉換器轉換能量供應給交流負載為了提高太陽光發電系統的整體效率在研究可提出了模組並聯控制技術以提昇各級電力轉換器的效率而在未來太陽光發電系統也將著重在單級電力轉換器的設計對於整體系統效率有較明顯的改善
8參考資料
1許國強ldquo太陽光發電原理與應用工研院材料所 薄膜技術組91年
2華志強黃崇倫ldquo智慧型能量控制於太陽光電能轉換系統國立雲林科技大學電機工程學系電力研討會97年
3林政達ldquo數位式市電並聯換流器與快速鎖相迴路控制器之研製國立雲林科技大學電機工程學系碩士論文92 年
4李思賢ldquo數位式單相低功率太陽光電能轉換系統國立中山大學電機工程學系碩士論文92 年
5洪世杰ldquo適用於再生能源之市電併聯型雙輸入供電系統國立中正大學電機工程研究所碩士論文93 年
6王廷興ldquo太陽能發電配電設計概要台北科技大學冷凍空調系 92年
7魏榮宗王文宏ldquo高效率太陽光電能源轉換系統 元智大學電機工程學系94年
[ ] 100)25(
)11
(exp
1)(exp
3
λminus+=
minus
=
+minus
minus+minus=
TKII
TTBk
qE
T
TII
where
R
IRVIRV
AkT
qIII
ISCRLG
r
GO
r
oros
sh
ssosLG
VI cell output current and voltagecell reverse saturation currentcell temperature in CBoltzmannrsquos constantelectronic chargeshort circuit current temperature coefficientsolar irradiation in Wmshort-circuit current at 25 Cand 1000 Wm
light-generated currentband gap for siliconideality factorsreference temperaturecell saturation current atshunt resistanceseries resistance
osI
T
kq
00170=IK
SCRIλ
LGI
GOE
921== ABKTr deg= 18301
orI
shR
sR
附錄附錄附錄附錄- 太陽能電池太陽能電池太陽能電池太陽能電池
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
(a) Equivalent circuit of a PV module and
(b) Typical PV module current-voltage and power-voltage characteristics
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
Characteristic of a PV module with temperature and irradiation (a) constant irradiation and varying temperature and (b) constant temperature and varying irradiation
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
系統範例系統範例系統範例系統範例
中途驛站電化PV離島用PV系統山岳地帶PV系統離島偏遠區
勤務指揮中心緊急避難所醫療院所公園學校地震觀測站森林嘹望台避難指示燈氣象觀測所水位警報PV系統河川安全燈防波堤安全PV燈
緊急防災
緊急供電系統管線電氣防蝕輸油管流量計PV系統市場廣告塔海上石油平台各種計測站PV系統發電廠情報指揮中心
產業用
住宅用供電系統緊急供電系統緊急照明系統帷幕牆遮陽棚採光罩屋瓦建築物
無線通信用中繼站基地台緊急電話中繼站電話通信PV系統Radio受信PV系統微波中繼站
通訊
農宅用電溫室栽培PV系統農業灌溉用自動灑水系統農牧電籬牛乳冷藏漁業養殖揚水通氣自動餵食器
農林漁牧
路燈交通號誌道路指示牌標誌燈太陽能電動車充電站高速公路緊急電話偏遠道路緊急電話停車計時器停車場控制門系統高速公路防音壁PV系統公路休息區PV系統太陽能車平交道指示燈候車亭PV系統車站屋頂型PV系統
道路交通
收音機測電表手錶計算機太陽能照相機手電筒電池充電器野營燈民生
應用領域
1前言能源之種類bull 傳統能源
ndash 石化燃料(煤(230)石油(45)天然氣(60))
ndash 水力ndash 核能(鈾75) 註( )為預估使用年限單位--年
bull 再生能源ndash 太陽能(太陽光發電太陽熱能)
ndash 風力發電ndash 生質能(廢棄物發電沼氣發電生質物轉化生質物汽化發
電hellip)
ndash 地熱發電ndash 小水力發電ndash 海洋能(波浪發電潮汐發電海洋溫差)
再生能源再生能源再生能源再生能源
bull瑞典瑞典瑞典瑞典宣布將在宣布將在宣布將在宣布將在2020年停止使用石油與核能年停止使用石油與核能年停止使用石油與核能年停止使用石油與核能將將將將全面使用再生能源全面使用再生能源全面使用再生能源全面使用再生能源
bull美國美國美國美國規劃在規劃在規劃在規劃在2030年時年時年時年時50的使用能源由生質的使用能源由生質的使用能源由生質的使用能源由生質物物物物(Biomass)所提供所提供所提供所提供
bull考量配合現有的石油使用設備考量配合現有的石油使用設備考量配合現有的石油使用設備考量配合現有的石油使用設備如何將如何將如何將如何將生質物生質物生質物生質物轉化為石油替代物轉化為石油替代物轉化為石油替代物轉化為石油替代物是目前各國正在研發的方向是目前各國正在研發的方向是目前各國正在研發的方向是目前各國正在研發的方向之一之一之一之一
bull在發展出成熟的能源替代物之前在發展出成熟的能源替代物之前在發展出成熟的能源替代物之前在發展出成熟的能源替代物之前油價油價油價油價肯定會肯定會肯定會肯定會持續上揚持續上揚持續上揚持續上揚
bull由於日益嚴重的溫室效應與環境污染由於日益嚴重的溫室效應與環境污染由於日益嚴重的溫室效應與環境污染由於日益嚴重的溫室效應與環境污染再生能再生能再生能再生能源終將取代石化能源源終將取代石化能源源終將取代石化能源源終將取代石化能源
太陽光發電系統之效益
總體效益
bull 經濟效益（偏遠離島緊急發電成本投資回收效益）
bull 環保效益（降低石化燃料發電之CO2NOxSOx污
染）
bull 節能效益（以自然能源替代石化燃料建立自主能
源）
bull 社會效益（疏解尖峰緊急救災用電之社會效益）
bull 產業效益（創造高科技產業及就業機會）
太陽光發電(光伏發電 Photovoltaic PV)之特點
1太陽電池通常為一種固態半導體元件將光能直接
轉換為(直流)電能但本身不儲存能量
2太陽電池使用方便無廢棄物無污染無轉動部
份無噪音可阻隔輻射熱或可設計為半透光
3太陽電池模板壽命長久可達二十年以上
4太陽電池外型尺寸可隨意變化應用廣泛(小至消費
性產品--如計算機大至發電廠皆實用)
5發電量大小隨日光強度而變可以輔助尖峰電力之
不足(併聯型)
6太陽電池未來與建築物結合將可普及化
太陽光發電之重要歷史
bull 1956年第一個太陽電池製作成功
bull 1958年開始太空應用(GaAs)
bull 1970年開始太陽光發電系統地面應用(Si) (能源危
機)
bull 1980年消費性薄膜太陽電池應用(a-Si CdSCdTe)
bull 1990年與公用電力併聯之太陽光發電系統技術成
熟(Grid-Connected PV System Si) (電力電子技術)
bull 1992年起歐美日各國推動太陽光發電系統之
補助獎勵政策
bull 2000年建材一體型太陽電池應用(BIPV)
全世界太陽電池市場量
0
50
100
150
200
250
300
350
400
Shipment (Pmp MW)
1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001
Year
US
JAPAN
EUROPE
ROW
國內太陽光發電發展狀況(IMRL)
bull非晶矽太陽電池研製
1980
bull高效率非晶矽太陽電池
bull低溫 ploy 薄膜太陽電池
19851990
19952000 bull建材一體化模板研製
bull商品化非晶矽太陽電池
bull可撓式非晶矽太陽電池
bull結晶矽太陽電池
bull結晶矽太陽電池模板
bull量產非晶矽太陽電池(光華科技 1988年)
bull架設獨立型太陽光發電系統
bull太陽光發電示範系統設置
bull量產結晶矽太陽電池(士林電機 2000年)
bull架設實驗型與市電併聯型太陽光發電系統及監測分析
2005
bull示範推廣獎勵補助辦法實施
bull晶矽太陽電池研製(核研所)
bull奈米(Nano)太陽電池
國內太陽光發電發展狀況(II其他單位)bull 1980~1990
ndash 清大呂助增教授--MS太陽電池ndash 中科院核研所核儀組-- 2 吋單多晶矽太陽電池模板原型(可商業運轉)
ndash 清大黃惠良教授--非晶矽(amorphous-Si)CuInS2太陽電池ndash 台大李嗣岑教授--非晶矽太陽電池ndash 成大張俊彥教授--非晶矽太陽電池ndash 中原熊慎幹教授--非晶矽太陽電池ndash 交大蔡中教授--太陽光發電系統研究ndash helliphellip
bull 1990~目前ndash 清大黃惠良教授--CuInS2太陽電池ndash 清大徐永珍教授--Porous Si
ndash 交大李威儀教授--GaAs太陽電池ndash 中興江雨龍教授--非晶矽太陽電池ndash 中正吳財福教授--直交流電力轉換器(Inverter)
ndash 台大黃秉鈞教授--太陽光發電系統研究ndash 清雲技術學院電機系--太陽光發電系統研究ndash 士林電機--太空用太陽電池封裝(中華衛星計畫)(目前轉移至永炬光電)
ndash TiO2 Dye Sensitized太陽電池(有機材料)
ndash helliphellip
國內太陽光發電發展狀況(III)
產業狀況上游目前有永炬(士電)茂迪光華科技三家生產太
陽電池包括單晶矽多晶矽與非晶矽太陽電池
發電系統之電力直交轉換器(inverter)目前國內無廠商
生產全仰賴進口
中下游有數家廠商製作太陽電池燈充電器玩
具hellip及其他電子產品
太陽光發電系統安裝施工廠商約 10 餘家
bull住宅用電力系統
bull產業工商用電力系統
bull偏遠地區發電系統(山區離島hellip)
bull緊急防災用電力系統
bull消費性電子產品之電源(手錶時鐘電子計算機充電器燈玩具)
bull交通工具之電源(車船飛機飛行船hellip)
bull太空用發電系統
bull攜帶式電源
bull交通標誌號誌之電源
bull發電廠
太陽光發電之應用領域
學校避難所 醫療院所
政府機構 防災中心
救護站
消防隊
救援中心
警察局
救援機具用電
通訊用電 通氣用電
照明用電
供水用電供油用電
太陽光發電防災緊急電力應用示意圖
太陽電池材料種類說明太陽電池材料種類說明太陽電池材料種類說明太陽電池材料種類說明太陽電池材料種類說明太陽電池材料種類說明太陽電池材料種類說明太陽電池材料種類說明
1以下TiO2奈米及有機奈米及有機奈米及有機奈米及有機Nano amp Organic
應用於有機太陽電池屬研發階段
10~12CdSCdTeCuInse
多晶Poly Crystallin
18~30GaAsInP單晶Single Crystallin
多化合物多化合物多化合物多化合物Compound
應用於太空及聚光型太陽光電系統
6~9SiSiCSiGeSiHSiO
非晶矽Amorphous
10~18多晶矽Poly Crystallin
12~20單晶矽Single Crystallin
晶矽Crystalline
矽矽矽矽(硅硅硅硅) silicon
目前太陽光電系統中應用最為廣泛
市場模組發電轉換效率
半導體材料太陽電池種類
又稱為單結晶晶圓型製程貴發電量佳 礙於晶圓型式多半
截圓型或圓弧造型舖設時面積上無法達到最大利用及吸收
多結晶製程上較便宜發電量略遜單晶矽可截為正方形舖設時
可達到最大面積利用及吸收其晶狀分佈具有應N效果可為建築
物外觀加分另外雖其結理易造成碎裂但晶體可再利用做為項鍊
等裝飾品
非晶矽(可撓式)成本便宜發電率較差且容易造成裂質化但由
於可直接鍍在玻璃及塑膠上面與建築物可做最佳結合除可做太陽
光電系統發電用室內型民生消費品也常見其應用如電子計算
機搖頭娃娃玩具等
常見的太陽電池及模板外觀常見的太陽電池及模板外觀常見的太陽電池及模板外觀常見的太陽電池及模板外觀常見的太陽電池及模板外觀常見的太陽電池及模板外觀常見的太陽電池及模板外觀常見的太陽電池及模板外觀
單晶矽太陽電池外觀 單晶矽太陽電池典型結構
太陽電池外觀與構造(單晶矽)
1 清洗蝕刻
2 磷擴散
P-type wafer
單晶矽太陽電池製程步驟例(I)
3 鍍抗反
射層
4 網印
5 燒結
單晶矽太陽電池製程步驟例(II)
11太陽光發電(Photovoltaic)原理 (I)
太陽電池是以 P 型與 N 型半導
體材料接合構成正極與負極
當太陽光照射太陽電池時光
的能量會使半導體材料內的
正負電荷分離
正負電荷會分別往正負極
方向移動並且聚集
將太陽電池正負極接上負載
時將有電流流出可以對負
載作功(燈泡會亮馬達會轉)
正極P 型
負極N 型
P
N
P
N
P
N
-++
-
+
-+
-+
+ + + + +
- - - - -
--
+
-+
正負電荷
+
-
+
-
+
-
太陽光
太陽光
太陽光
電流
-+
PN(不照光平衡狀態)
EfEv
Ec
N P P
N
P
N
P
N
P
N
光子(Photon)
-+-+
-+
-+
-+
+ + + + +
- - - - -
-+
-+
-+
太陽光發電(Photovoltaic)原理 (II)
-
+
Photon
+
+
-
-
- -
++
Ef
Ev
Ec
PN(照光狀態)
++
-
- -
+
+
--
+
-
+
Photon
多數載子
多數載子
少數載子
少數載子
+
-
多數載子
多數載子
電子-電洞對(Electron-
hole pair)
EvN Type
SemiconductorP Type
Ef
Ec
Ef
Ev
Ec
電子位能
Ec conduction band
Ev valence band
Ef Fermi level
I=I0 (eVaVT-1)-Isc
Isc = -I (短路電流 V=0)
Voc = aVTln(Isc I0 +1) (開路電壓
I=0)
I0 (逆向漏電電流) prop ni prop e-Eg
RshID
Isc
+
----
v
I
RL
Rs
太陽電池等效電路與電氣特性
+I
+V
-V
Dark
VocV
Photo
Isc
I
Pm
I0
太陽電池等效電路 常用太陽電池電路符號
VocVm
Im
Isc
Pm
太陽電池 I-V 特性曲線分析
FF(Fill Factor) = (Vm x Im Voc x Isc) x 100 (越高越好)
ηηηη (Efficiency) = (Vm x Im Pin) x 100 (越高越貴)
bull Pin (Incident Power) = A (hc λ) bull N(λ) dλ
bullλ wavelength (microm)
bull N(λ) Number of photonm2 bull sec
bull A Area (m2)
bull h Plank constant c light speed
Voc開路電壓
Isc短路電流
Pm最大輸出功率值
Vm最大輸出功率時之電壓
Im最大輸出功率時之電流
太陽電池開路短路時皆不會燒毀
0
電壓源
電流源
利用串並聯組成模板與組列提供所需的工作電壓與電流
VocVm
Im
Isc
Pm
12太陽電池之串並聯使用
VocVm
Im
IscPm
VocVm
Im
Isc
Pm
太陽電池模板之構成
+
-
太陽電池模板結構太陽電池模板外觀太陽電池模板接線
正面
強化玻璃
EVA
TedlarTM (Dupont)
EVA
Polyester
TedlarTM (Dupont)
0125
0015
Cells0014
0015
00015
0002
00015
背面
單元太陽電池
太陽電池模板之規格範例
η (Efficiency) = (Vm x Im Pin) x 100
單晶矽模板效率 = (354 V x 495 A) ( 129 m2 x 1000 Wm2 ) x100
= 1358
單晶矽模板效率 = 1302
種類
項目單晶矽 多晶矽
額定輸出功率(Wp) 175 125
開路電壓(V) 444 323
短路電流(A) 555 546
最大輸出工作電壓(V) 354 260
最大輸出工作電流(A) 495 48
輸出最大功率(W) 175 125
尺寸(mm)W15736timesL826
timesH46
W1200timesL802
timesH46
重量(kg) 17 125
測定條件日照強度 AM151000Wm2Module 溫度 25
何謂AM0AM1AM15
Wavelength (microm)
Spec
tral
Irr
adia
nce
(Wm
-2micro
m-1) AM0
AM15
AM 即 Air Mass(不同 Air Mass 代表不同太陽光光譜)
bull AM0 (Air Mass 0) ~ 1400 W bullm-2
bull AM1 (Air Mass 1) ~ 1000 W bullm-2
bull AM15 (Air Mass 15) ~ 844 Wbullm-2
AM15 1000 Wbullm-2 (IEC 891 IEC 904-1)
Earth
AM0
AM1
AM15
大氣層
45o
太陽電池直接驅動負載如馬達等(應用於玩具車船馬達音樂卡片hellip)
bull 電力現買現賣
bull 負載匹配(容量與電壓)
bull 溫度效應
bull 搭配(超高)電容可以提高效能
太陽電池(直流)基礎應用範例(I)
I M
+
-
C
圖片資料來源httpshoppingyahoocom httpwwwsolar-icomSampYhtml
太陽電池先對電池充電再由電池供應負載(應用於玩具車船電動機械夜間燈光計算機鐘錶3C產品hellip)
bull 電力零存整付
bull 太陽電池電池電壓匹配
bull 溫度效應
bull 使用阻隔二極體
bull 電池過充放電保護
太陽電池(直流)基礎應用範例(II)
I負載
+
-
電池
圖片資料來源httpshoppingyahoocom httpwwwsolar-icomSampYhtml
FAQ1太陽電池應用效能不佳太陽電池之負載匹配(Load Matching)
RshID
IL
+
----
v
I
RL
Rs
bull Efficiency of a PV system is strongly affected by load matching
bull Measurement of I-V Characteristic curve is important
VocVm
Im
Isc
Pm
RL 1
RL 3
RL 2 Battery voltage
RL
----
+
不同日照強度下太陽電池 I-V 特性曲線
bull 最大輸出功率隨日照強度而改變並非永遠等於額定值
0
1
2
3
4
5
6
7
0 10 20 30 40 50
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
1000Wm2 (AM1)
500Wm2 (05AM1)
不同溫度下太陽電池 I-V 特性曲線
bull太陽電池溫度升高時輸出電壓與最大輸出功率降低
0
1
2
3
4
5
6
7
0 10 20 30 40 50
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
75oC 50oC 25oC 0oC
Battery voltage
0
1
2
3
4
5
6
7
0 10 20 30 40 50
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
500Wm2 (05AM1)
1000Wm2 (AM1)
太陽電池之動態負載匹配(日照變化)
RL(high)
RL(low)
bull Maximum power tracking is required in high efficiency PV system
太陽電池 I-V 特性曲線測量方法
VocVm
ImIsc Pm
C+
-
A
VR
A
V
A
V可程式負載
模擬陽光使用鎢絲燈氙燈Solar Simulator 或太陽光
Pm lt few10 W Pm lt few 100 W Pm lt 100 kW
Solar Simulator Array Tester
圖片資料來源httpwwwspiresolarcomSolarequipmenthtml
太陽於天球(Celestial Sphere)上運行之軌跡
冬至 春秋分 夏至 冬至 春秋分 夏至 春秋分 夏至
北緯 0o 北緯 45o 北緯 90o
(赤道) (北極)
天球
太陽運行軌跡與太陽電池仰角
冬至 夏至春秋分
所在緯度235o
235o47o0o
47o 235o
13太陽電池組列仰角與間隔設計例
bull組列仰角~235o (台灣地區)
bull h=組列總高度( lt 15 m)
bull L2=h tan(55o) = 057 L0
(55o可適用於冬至0900~1500)
bull水平角度=正南 plusmn5o
235o
55o
235o
夏至
冬至
春秋分
235o 235o
南
h = 04 L0
L1= 092 L0L2 = 057 L0
L0
L1 + L2 = 15 L0
2零交越偵測電路分析
bull 零交越偵測電路如圖1 所示主要目的在於檢測輸入弦波電壓之零交越點其電路輸出為ㄧ方波信號利用方波上緣信號觸發數位訊號處理器之外部中斷腳位進而進行相位同步之功能[4]零交越偵測電路輸入與輸出波形如圖2 所示相位同步控制當數位訊號處理器發生上緣觸發時此觸發訊號如同系統重置訊號將正弦表指標變數歸零一經重置後指標變數又開始計數藉由每週期ㄧ次的重置訊號迫使換流器輸出達到同步相位同步控制波形示意圖如圖3 所示圖4 為零交越偵測電路輸出實測圖[4]
3系統電路架構與動作模式
bull A
bull 本文所述之系統為一太陽光電能轉換系統方塊圖如圖5 所示主要部分包括太陽能板直流-直流轉換器全橋式換流器數位訊號處理器感測迴授電路與驅動電路此一系統之基本動作情況為一般情況下斷路器1 和斷路器2 均為導通狀態此時太陽光電能轉換系統與電力網路處於連結運轉模式而當電力網路供電中斷時斷路器2 將被斷路以避免孤島現象的發生反之若是太陽光電能轉換系統發生故障時斷路器1 將被斷路以避免電力網路受到其故障的影響
31系統電路架構與動作模式
bull B
bull 電路工作模式bull 此一太陽光電能轉換系統主要有兩種工
作模式以下為二種工作模式的操作說明
bull (1) 獨立運轉模式bull 如圖6 所示獨立運轉模式為當電力網
路供電中斷時斷路器2 將被斷路而此時太陽光電能轉換系統將操作在電壓控制模式下提供負載一穩定的輸出電壓
bull (2) 與電力網路連結運轉模式bull 如圖7 所示與電力網路連結運轉模式
將太陽光電能轉換系統與電力網路連結運轉也就是斷路器1 和斷路器2 同時導通此時系統將操作在電流控制模式下首先經由最大功率點追蹤程式運算出瞬時最大功率點的電流參考值再根據此一電流參考值輸出一與電力網路電壓同相位的電流至負載或甚至回送至電力網路
31直流至直流切換式轉換器
典型直流至直流轉換器系統之構造如圖21所示其輸入通常為由線電壓整
流而得之非調節直流電壓然後再利用切換式直流至直流轉換器將此變動之
直流電壓轉換成一調節之直流電壓
無控制之二極體橋式整流器
交流線電壓
(單相或三相)
直流電壓
(無調節性)
濾波電容 (無調節性)
直流至直流轉換器 (具調節性)
負載
蓄電池
直流電壓 直流電壓
控制訊號1降壓式(step-down buck)轉換器
2升壓式(step-up boost)轉換器
3升降壓式(step-downstep-up buck-boost)轉換器
4全橋式轉換器
上述四種轉換器中只有降壓式及升壓式是最基本的轉換器電路架構升
降壓式轉換器是此二基本轉換器之結合而全橋式轉換器則是由降壓式轉
換器衍生而來
直流至直流轉換器之控制
直流至直流轉換器的作用即是在輸入電壓與輸出負載變動的情況下能夠調
節輸出電壓為所設定的位準電壓位準轉換之原理可以圖22(a)所示之簡單
電路來說明由開關導通與截止可得圖22(b)之波形其中輸出電壓vo平均
值大小Vo與開關之導通及截止時間(ton及toff)有關平均輸出電壓大小調整
之最典型的方式是採用脈波寬度調變法(Pulse-Width ModulationPWM)
其切換週期Ts(= ton+toff)為固定由調整導通時間之大小來改變平均輸出電
壓之大小Vo
+
_
Vd
R
+
_
Vo
0Vd
Vo
vo
tton toff
Ts
脈波寬度調變切換控制的方塊圖如
圖23(a)所示開關之切換控制信號
由控制訊號vcontrol與週期為Ts之鋸齒
波vst比較而得控制信號則由Vo之
實際值與設定值之誤差放大而得
vcontrol與vst比較所得之切換控制信號
的波形如圖23(b)所示當控制訊號
vst較大時則為高準位信號即使
開關導通反之為低準位信號即使
開關截止故開關之切換週期亦為
Ts 由以上的原理可知開關切換
之責任週期 (Duty Ratio)為D=tonTs
=vcontrolVst 其中Vst為鋸齒波之振
幅
放大器
+
-Vo
(設定)
(實際)
Vo
比較器
週期性波形 stv
切換控制訊號
控制訊號
0 t
$Vst
=stv 鋸齒波電壓
controlv (放大誤差)
On On
Off Off
stcontrol vv gt
stcontrol vv ltton toff
Ts
切換控制訊號
(切換頻率 fT
s
s
=1
)
升壓式直流至直流轉換器
圖211為升壓式轉換器電路主要用途為直流電源供應器與直流馬達之
再生制動(Regenerative Breaking)顧名思義其輸出電壓高過於其輸入
電壓當開關導通時二極體反向偏壓輸入電能儲存於電感負載電
能則由電容提供當開關截止時負載吸收輸入及儲存電感中之電能
-
L
CRVd
Vo
vL
iL
io
+
-
++
_
t0
t0
vL
iL
I L
Ts
toffton
_++
_
+
_
+ _+
_
+
_
iL
vL
Vd Vo
iL
vL
Vd Vo
)( dV
)( od VV minus
圖212所示為電感電流為連續之
穩態工作波形由穩態下電感電
壓一週期之平均值為零可得
0)( =minus+ offodond tVVtV
等號兩側除以Ts重新整理可得
Dt
T
V
V
off
s
d
o
minus==
1
1
假設電路無損失輸入功率
Pd=VdId 等 於 輸 出 功 率
Po=VoIo 則
)1( DI
I
d
o minus=
非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器
bullBoost之設計假設輸入10V輸出30V頻率50kHz輸出10W
所以D＝23
( ) s
o
o TDDP
VL
22
12
minusge
=6667uH
取75uH
D
VV in
o minus=
1
L
Vi
n
S Vo
+
_
C
DiL
vds
升降壓式直流至直流轉換器
升降壓式轉換器的主要用途為輸入與輸出之極性相反輸出電壓可以高於
或低於輸入電壓之直流電源供應器升降壓式轉換器可以由降壓式轉換器
與升壓式轉換式串接而成穩態下輸入與輸出電壓轉換器之比值為二轉換
器個別比值之乘積
D
D
V
V
d
o
minus=
1
因此變化責任週期D可使輸出電壓高於或低於輸入電壓
+
_
+
_
_
+
RC Vo
L
Vd
io
iLvL
id
降壓式直流至直流轉換器
降壓式轉換器顧名思義其作用為將較高準位的輸入電壓換成較低
準位的輸出電壓主要用途為直流電源供應器及直流馬達速度控制
圖22(a)所示為提供純電阻性負載之降壓式轉換器由圖22(b)可知其輸
出電壓波形由開關位置決定平均輸出電壓為
dd
s
onT
t
t
d
s
T
o
s
o DVVT
tddV
Tdv
TV
s
on
ons ==+== intintint )0(1
)(1
00ττττ
+
_
Vd
R
+
_
Vo
0Vd
Vo
vo
tton toff
Ts
32直流至交流切換式反流器
切換式直流至交流(DCAC)反流器(Inveter)乃用以將直流電源轉換成振幅
與頻率均可調之正弦式交流電源主要用途為交流馬達驅動與交流不斷
電電源供應器圖31為典型交流馬達驅動之反流器方塊圖其直流輸入
電壓通常由線電壓整流及濾波而得接著再利用切換式反流器改變輸出
電壓之振幅與頻率以驅動交流馬達切換式反流器功率之流通通常是
由直流至交流稱為反流模式但亦可以從交流至直流稱為整流模
式
+
_
交流馬達
二極體整流器 濾波電容 切換式反流器
Vd
三相交流電源
反流器包括單相及三相其輸入為直流電壓源者稱為電壓源反流器
(Voltage Source InverterVSI)另外若輸入為直流電流源者稱為電流
反流器(Current Source InverterCSI)目前僅應用在高功率之交流馬達
驅動器
1脈波寬度調變(PWM)反流器其輸入電壓通常為固定反流器本身具備變
頻及變壓的功能而變頻及變壓乃利用開關之脈波寬度調變切換控制達成
有許多類型之脈波寬度變技術可以使輸出電壓近似弦波
2方波(Square-Wave)反流器此反流器輸出電壓振幅乃由其輸入電壓調
整
反流器本身只控制輸出頻率交流輸出電壓波形近似方波因此乃稱方波
反流器
3採用電壓消去法(Voltage Cancellation)之單相反流器單相反流器當輸入
電壓為定值時可以利用電壓消去法來變頻及變壓而不須採用脈波寬度
調變其輸出電壓波形近似方波因此其結合了前述兩種反流器的特色
值得注意的是電壓消去法並不適用於三相反流器
切換式反流器之基本觀念
考慮圖33(a)之單相反流器假設其正弦輸出電壓vo是經過濾波所得若
輸出之負載為電感性(如馬達)則輸出電流io將落後vo 如圖33(b)所示
在期間1及3中 vo與io同號瞬時功率Po=voio為正故功率由直流側送至
交流側稱之為反流模式在期間2及4中 vo與io異號瞬時功率Po為負
故功率由交流側送至直流側稱之為整流模式圖33(a)之切換式反流器
在每一週期內會經歷平面上四個象限中之所有象限
單相切
換式變
流器與
濾波器
o
o
+
-
+
-
Vd
vo
id
io
0t
4 1 2 3
voio
io
vo
1反流器
4整流器
3反流器
2整流器
0
為清楚解釋起見以單臂反流器來說明
+
_
+
_
+ +
__
Vd
Vd
2
Vd
2
A
N
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
vAN
oo
o
反流器電路之脈波寬度調變切換技術如圖35(a)所示由一正弦波形控
制訊號vcontrol與三角波形vtri作比較三角波(又稱載波)之振幅為Vtri頻率
為fs fs決定反流器開關之切換頻率正弦波控制電壓vcontrol(又稱調制訊
號)之基頻f1決定反流器之輸出頻率而其振幅則決定反流器輸出電壓之
大小定義振幅調變指數為ma=Vcontrol Vtri 其中Vcontrol為vcontrol之振幅
而頻率調變指數則定義為mf = fs f1
0 t
vcontrol vtri
sf
1
0 t
vAo
V d
2
minusVd
2
t=0
v v
T on T off
control tri
A A
lt
minus + v v
T on T off
control tri
A A
gt
+ minus
1)( AoAo vv =之基本波
0 t
vcontrol vtri
sf
1
圖34反流器之開關的控制方法與io方向無關為
dAoAtricontrol VvTvv2
1=gt +導通
dAoAtricontrol VvTvv2
1minus=lt minus導通
由於二開關之導通為互補因此輸出電壓只在Vd 2與-Vd 2二值間作變
動圖35(b)所示為ma=08與mf =15時輸出電壓vAo及其基本波(以虛線表示)
之波形
+
_
+
_
+ +
__
Vd
Vd
2
Vd
2
A
N
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
vAN
oo
o
單相全橋式反流器
單相全橋式反流器如圖311所示乃由兩個前述之半橋反流器所組成在
相同之輸入電壓下全橋式反流器之最大輸出電壓為半橋式之兩倍這代
表在相同之功率下全橋式反流器之輸出及開關電流僅為半橋式之一半
此對於高功率用途是一大優點因其可以降低使用並聯元件之需求
+
_
+
_
+
_
Vd
Vd
2
Vd
2
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
v v vo Ao Bo= minuso
A
B
TBminus
TB+
DBminus
DB+
+_
id
o
o
N
雙極性電壓切換之脈波寬度調變
0 t
vcontrolvtri
sf
1
0 t
ov1ov
dV
dVminus
單極性電壓切換之脈波寬度調變
onBT +
trivgttricontrol vv gt
trivcontrolv
t
)( controlvminus
)( controlvminusonAT +
t1ov
dV
dVminus
)( BNAN
o
vv
v
minus=
應用雙極性電壓切換之脈波寬度調
變全橋式反流器乃 (TA+TB-)與 (TA-
TB+)成對切換且二者互相反相
應用單極性電壓切換之脈波寬度調
變全橋式反流器乃A臂與B獨立切
換且同臂二開關互相反相
三相反流器
+
-
+
-
+
-
dV
2dV
2dV
+AT
minusAT
+AD
minusAD
o
BminusT
+BT
minusBD
+BD
di
minusCT
+CT
minusCD
+CD
N
A B C
o
0 t
triv Acontrolv Bcontrolv Ccontrolv
0
BNANAB vvv minus=
t
dV
之基本波1LLv
ANv
0 t
dV
t0
BNv
dV
三相電壓源反流器之脈波寬度調變切換的功能為在固定輸入直流電壓下用以調整三相輸出電壓之振幅及頻率三相脈波寬度調變方式由三相各差120度的控制電壓與三角波作比較其波形與單相全橋式反流器採用脈波寬度調變單極性切換者類似
最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法
33最大功率追蹤最大功率追蹤最大功率追蹤最大功率追蹤
為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點本文使用本文使用本文使用本文使用擾動觀察法擾動觀察法擾動觀察法擾動觀察法(Perturbation and Observation Method PampQ)進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功率追蹤率追蹤率追蹤率追蹤由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點下圖為擾動下圖為擾動下圖為擾動下圖為擾動觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖為利用為利用為利用為利用DCDC轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作時時時時其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為0之特性之特性之特性之特性使用使用使用使用DCDC轉換器控制太陽轉換器控制太陽轉換器控制太陽轉換器控制太陽能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動
擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖
最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法
左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖蹤示意圖蹤示意圖蹤示意圖太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分為兩個特性區域為兩個特性區域為兩個特性區域為兩個特性區域假設進行追蹤假設進行追蹤假設進行追蹤假設進行追蹤時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時電壓電壓電壓電壓的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率增加增加增加增加若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出功率減少功率減少功率減少功率減少經由經由經由經由DCDC轉換器調轉換器調轉換器調轉換器調節太陽能板與節太陽能板與節太陽能板與節太陽能板與DCDC轉換器的阻轉換器的阻轉換器的阻轉換器的阻抗相互匹配抗相互匹配抗相互匹配抗相互匹配進而得到太陽能板進而得到太陽能板進而得到太陽能板進而得到太陽能板的最大輸出功率的最大輸出功率的最大輸出功率的最大輸出功率
擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖
4軟體規劃
bull 系統控制程式主要分為主程式固定週期中斷副程式市電電壓零交越中斷副程式等三大部分以下將分別介紹各部分程式流程
bull 本系統主程式主要執行數位訊號處理器周邊暫存器的初始設定以及變數宣告其中除了變數宣告外周邊暫存器的初始設定包括有規畫中斷向量設定計數器之計數模式計數週期中斷的時間和PWM 輸出模式等相關參數設定
bull 如圖8 所示系統初始設定後必須先等待中斷發生才能決定系統是否執行固定週期中斷程式或零交越中斷副程式
bull 圖9 為固定週期中斷副程式流程圖固定週期中斷頻率與換流器開關之切換頻率相同為20kHz程式開始會先偵測太陽能板電壓及電流與直流鏈電壓當確定市電電壓零交越中斷發生時必須先將輸出弦波訊號之指標強制為原點重新送出單位弦波確保換流器輸出電流與市電電壓能維持同相位接著比較太陽能板輸入電壓VPV 是否大於最低工作電壓VPV_work如果確定大於最低工作電壓則致能太陽能最大功率追蹤反之則禁能系統動作程式返回圖9 中的正弦脈寬調變副程式主要功能在於決定換流器中開關的動作順序與責任週期大小以及輸波參考訊號
bull 圖10 為太陽能最大功率點追蹤副程式流程圖在文中對最大功率追蹤採用擾動與觀察法配合太陽能光電板的電壓mdash功率特性曲線即可瞭解程式如何完成太陽能光電板最大功率點追蹤
主程式流程圖
5實驗
bull 依據上述的分析採用DSP 2407A 建立一個500W 太陽光電池電能轉換系統依據圖11 之
bull 電路架構其規格與元件參數分別列於表一表二及表三系統實驗波形圖12圖13圖14 及
bull 圖15 為系統操作在獨立運轉模式下負載分別為120W240W360W 及480W 時之換流器輸出
bull 電壓及輸出電流之實測波形
系統規格與元件參數
實測波形
6實務應用系統實務應用系統實務應用系統實務應用系統
獨立系統示意圖獨立系統示意圖
考慮點
系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等安全係數最佳化設計複雜)
一般充電控制器無 MPPT搭配蓄電池使發電效能較差
蓄電池每日gt50DOD深度放電gt02C充電壽命短
太陽光發電量與負載需求量不搭配時太陽光之發電能量利用率偏低 (負載需求搭配與安全係數為互相矛盾之設計)
PV-柴油發電機PV-風力等混合系統為改善之方法
市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台
電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池
併聯系統示意圖併聯系統示意圖
緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析
1 系統設置成本高建議使用於邊際效益高之用電（防災緊急輔助電力）
2 總體經濟效益減少環境污染解決尖峰用電之不足與短缺能源多元化之風險分擔與開創自主能源
3 遮蔽陽光直曬降低建築物之熱效應（被動省能）同時轉換太陽光為電能供應建物自主能源（主動節能）一舉兩得
緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較
30萬元divide21900kWh＝137元度2萬元divide50kWh＝400元度每度電成本
日發電度數times365天times20年＝3hrtimes1kWtimes365天times20年＝21900kWh（度）
（年停電＋年測試運轉時數）times10年＝（20mintimes6次＋15mintimes12月）times10年＝5hrtimes1kWtimes10年＝50kWh
總發電度數（1kw計）
夜間不發電（可利用蓄電池設計供電年維運費02）
噪音空污油料運輸儲油危險維運成本高
缺點
利用露台屋頂牆面空間設備煙管隔音油槽需室內空間
設置空間
平時緊急時均可使用隨時可了解運轉狀況不須操作
加ATS停電時方可啟動需人員每月定期測試運轉
系統運作
太陽光潔淨能源（免費）柴油使用燃料
20年7~10年使用壽命
1kW=30萬元1kW=2~3萬元設置費用
太陽光發電系統柴油發電機
風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析
運用多元化能源分擔風險情況比較說明如下
1 市電--gt停電時風險極高
2 市電＋柴油發電機--gt發電機故障時風險高
市電＋柴油發電機＋太陽光發電系統--gt發揮三者優點互補同時故障機率小風險最低
案例
832kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide057＝317 m2
115kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide075＝332 m2
緊急時057平時065~08
綜合係數溫度變化污損線損Inverter效率＋蓄電池充放電補償
電力需求divide（日照強度times日照時間times模板效率times綜合係數）
模組面積估算
日照強度1kWm2
日照時間384hd
模板效率12
832kWhd500人用電量115kWhd770人用電量
緊急時平時
電力需求估算
緊急時40kWtimes384hdtimes057＝875 kWhd
平時40kWtimes384hdtimes075＝1152Whd
太陽發電系統發電量＝設置容量times日照時間times綜合係數
發電量計算
332m2times1kWm2times12＝398kW≒40kW
太陽發電系統設置容量＝設置面積times日照強度times模板效率
設置容量計算模板效率依太陽電池種類而異
進行模板陣列及蓄電池容量設計
40kWdivide18片串divide120W＝185列≒19
列
40kWdivide17片串divide120W＝196列≒20
列
陣列併列數＝設置容量divide單串功率
18片times120W＝2160W
17片times120W＝2040W
單串功率
300Vdivide169V＝1775片（取整數17 or 18）
陣列串聯數＝Inverter輸入電壓divide模板輸出電壓
模板陣列設計
1 模板功率120W
2 模板輸出電壓169V
3 直交流轉換器(Inverter)輸入電壓300V
120Wtimes17片串times20列＝40800W＝340片(最佳陣列)
120Wtimes18片串times19列＝41080W＝342片
最佳陣列較經濟之設置容量選擇最佳陣列
蓄電池數量＝144個times2列＝288個
120640Whdivide288Vdivide200Ah＝21列≒2列
併列數＝蓄電池需求容量divideInverter額定電壓
288Vdivide2V＝144個
串聯數＝Inverter額定電壓divide蓄電池電壓串併數設計
middot 蓄電池電壓2V個
middot 蓄電池容量200Ah個
Inverter電壓輸入電壓 額定電壓300V 288V200V 192V
蓄電池需求容量＝832kWhdtimes1dtimes145＝12064kWh
蓄電池需求容量＝緊急電力需求times無日照天數times補償係數補償係數蓄電池內阻抗放電停止電壓電壓降低補償
蓄電池需求容量設計
middot 補償係數145
無日照天數1日
61市電相關規定市電相關規定市電相關規定市電相關規定
1 發電設備併接於低壓系統者其總容量未滿100kW且技術無困難者得併接於單相三線110V220V三相三線220V之配電系統若總容量在100kW以上而未滿500kW得分別併接於3相4線220V380V之配電系統
2 發電設備總容量在500kW以上而未滿5000kW10000kW且技術無困難者得分別併接於114KV228KV之高壓配電系統
3 電設備總容量在10000kW以上而未滿40000kW者得併接於特高壓之系統
4 發電設備總容量在40000kW以上者依個案研討分類
併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類
發電系統經由發電系統經由發電系統經由發電系統經由110V220V110V220V110V220V110V220V併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者發電設發電設發電設發電設備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能
1 過電壓保護 低電壓保護
2 低頻保護 高頻保護
3 過電流保護 零相過電壓接地保護
4 發電設備為無逆送電力者須加裝逆電力保護
5 發電設備為有逆送電力者必須具備主動及被動防止單獨運轉保護
發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經110V220V110V220V110V220V110V220V系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者在電在電在電在電源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器
發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業114KV228KV114KV228KV114KV228KV114KV228KV之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者((((高高高高壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶))))發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Extremely Inverse特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Extremely Inverse特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過流電驛(67)須具Normal Inverse特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
發電設備併接於電業69KV特高壓輸電系統者發電設備之輸出端至少應具有下列同等保護功能並須與電業該轄區之保護設備協調
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Normal Inverse之特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Normal Inverse之特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過電流電驛(67)須具Normal Inverse之特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
8 快速及後衛保護電驛如系統保護需要時應裝設
9 匯流排電驛採用GIS斷路器者應裝設
62626262太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範
1 故障電流
太陽光電發電系統大於100kW以上須計算故障電流其送至電業系統之故障電流不得影響電業及其他用戶斷路器之起斷容量否則需裝置限流電抗器
太陽光電發電系統之隔離變壓器接地方式須與電業之系統配合
2 正常電壓變動率應維持在plusmn5以內
3 太陽光電發電系統與電業間之責任分界點的功率因數以維持85落後至100之間運轉為原則
4 諧波污染限制應依照「電力系統諧波管制暫行標準」辦理
分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性
適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯型之規範型之規範型之規範型之規範
電力轉換器電力轉換器電力轉換器電力轉換器(電力調節器電力調節器電力調節器電力調節器)(InverterConditioner)
蓄電池蓄電池蓄電池蓄電池(Battery))
63大型(商用)太陽光發電系統應用(gt1 kWp)
太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統
單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池(Unit Solar Cell)
太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板(PV Module)
太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列(PV Array)
太陽光發電系統應用獨立系統
(A) 獨立系統(Stand-Alone
System)
bull 蓄電池保護壽命
(B) 混合型交流獨立系統 (Hybrid
System)
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
直流負載PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
整流器
輔助發電機
PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載- ~PCU
直直直直交流轉換器交流轉換器交流轉換器交流轉換器
太陽光發電系統應用併聯系統
(D)併聯系統(Grid-
connected System)
特殊功能1 最佳效能2 防止獨立運轉(連線保護)
3 可自力運轉
(E) 防逆流型系統(Off-line System)
(F) 防災型併聯系統
充電控制器
蓄電池
直交流轉換器
PCU太陽電池組列
交流負載
ATS
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
獨立型系統
適用地點高山離島基地台hellip等市電無法到達處
工作方式白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
必須可以自給自足
缺點bull 系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等
安全係數設計很困難)
bull 蓄電池建置複雜成本很高壽命很短
bull 負載搭配不良時發電效能不佳利用率將偏低
bull 需由專人隨時維護
bull 混合系統為一種解決方法
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
PCU
併聯型系統
適用地點電力正常送達之任何地點工作方式 bull 白天 PV系統併聯發電夜間由台電供電bull 將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的蓄電池
優點bull 系統簡單不需安全係數設計(依預算設計)不需要專人維護bull 併聯發電效率高利用率高
缺點bull 停電時無電可用bull 受併聯法規限制尚未開放(但即將開放)
bull 有孤島效應之疑慮(目前技術上已解決)
改善型無電池自力運轉
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
市電併聯型住宅用太陽光發電系統
太陽光發電系統發電及負載用電對時間之關係
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
併聯型直交流轉換器之效能要求較高
1 最大功率追蹤(Maximum Power Tracking MPT)
2 高轉換效率 gt 90 (PWM+電力電子元件)
3 高次諧波功率 Distortion (lt5 total)
4 自動開關機(白天夜晚)
5 過負載保護過溫度保護
6 體積小重量輕室外防水防塵
7 電腦界面可遠端監控
8 防止獨立運轉(連線保護)
9 可自力運轉
太陽電池組列
交流負載
直交流轉換器MPT
Power Conditioner
併聯系統之獨立運轉(單獨運轉)
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull停電時單一併聯系統將會停止運作
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
bull 市電停電時多數併聯系統仍聯合運作將對電力公司人員產生嚴重危害
孤島效應之防止方法
停電偵測1 過電壓低電壓
2 過頻率低頻率
3 被動式偵測如
bull 電壓與頻率監視方式
bull 電壓相位跳躍監視方式
bull 高次諧波監視方式
bull 頻率變化監視方式
PV組列
直交流轉換器
自家負載
4 主動偵測如
bull 頻率Shift方式
bull 配電線負載變動方式
bull 有效電力變動方式
bull 無效電力變動方式
反應時間05~2秒
資料來源「日本電氣用品試驗所」分散型電源系統連系技術指針(1998)
併聯系統之自力運轉功能
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull 大停電後白天有陽光時以人工啟動 PV 系統進行自力運轉供自家負載使用(但夜間無法使用)
防災型併聯型系統
適用地點有防災需求(照明汲水通信hellip)之公共設施
工作方式
bull 平時PV併聯發電(電池浮充) 效率高利用率高夜間由台電供電
bull 視需要建置供防災用電池大停電時白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
缺點bull 含電池成本較高bull 系統較複雜需專人定期維護
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
FAQ1太陽光發電需要多少土地
效率 = (輸出功率W) (組列面積 m2 x 日照強度 Wm2 ) x 100
模板面積 m2 = 輸出功率W (效率 x日照強度Wm2 ) x100
bull 假設使用效率gt136 模板於1000 Wm2 (AM15)日照強度下
10 kWp 模板面積 (m2) = 10000 (0136 x 1000) ~ 735 m2
10 kWp PV系統土地面積需求約
~ 735 m2 x 15 x 11
~ 121m2 (~36坪)
(包括陰影面積及維修空間)
bull 假設使用效率~10 模板
則模板面積約 ~ 100 m2
土地面積需求約 ~ 165m2 (~50坪)
gt55o
夏至
冬至
春秋分
235o 235oh
L1 L2
FAQ2太陽電池一年能發多少電
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
10 kWm2
05 kWm2
日照強度
等效日照時數(Sun Hour)
組列單日發電量 = 組列額定輸出功率 x 等效日照時數
bull 預估1 kWp 組列單日發電量 = 1 (kW) x ex 4(Sun Hour)= 4 kWh
組列年發電量 = 組列額定輸出功率 x 年平均每日日照時數 x 365
bull 預估 1 kWp 組列年發電量 = 1 x 4 x 365 = 1460 kWh
時間時間時間時間
FAQ3太陽光發電的成本(簡易估算)
1 假設目前太陽光發電系統設置成本約為 NT$ 280000 kWp
2 假設年平均每日日照時數約為 25 Sun Hour (台灣中南部地區)
bull 1 kWp 組列單日發電量= 1 (kW) x 25 (Hour)= 25 kWh
bull 1 kWp 組列年發電量= 25 x 365 = 913 kWh (度)
3 假設太陽光發電系統使用壽命為 20 年
bull 1 kWp 太陽光發電系統總共可發電 20 x 913 = 18260 度
4 生產每度電之成本約為 280000 18260 ~ NT$ 153
5 未來發展趨勢
bull 太陽光發電系統設置成本將逐年降低
bull 市電電費將會升高(國內目前約 NT$ 3 度日本約NT$ 7 度)
bull 傳統能源限制再生能源獎勵利率降低
64獨立型太陽光發電系統應用例(一)
bull太陽電池時鐘-日本bull太陽電池路燈-日本千里住宅公園
獨立型太陽光發電系統應用例(二)
bull太陽電池交通標誌-日本北海道 bull高速公路緊急電話-日本
獨立型太陽光發電系統應用例(三)
bull800W無線通信中繼基地台韓國(1998)
獨立型太陽光發電系統應用例(四)
bull離島用90kW獨立型發電系統韓國Ho-Do島(1992)
併聯型太陽光發電系統應用例(一)
bull設置於屋頂之住宅用太陽光發電系統(建材一體型日本千里住宅公園內住宅設計之一)
併聯型太陽光發電系統應用例(二)
bull日本東海線新幹線京都車站之太陽光發電系統(100kWp)
併聯型太陽光發電系統應用例(三)
bull日本京瓷(Kyocera)京都總公司大樓之太陽電池發電系統(220kWp)
太陽光發電發電廠應用例
太陽電池發電廠
(PV Power Plant)
資料來源 ANIT
Srl Italy
建材一體型太陽電池模板應用例
bull資料來源 Pilkington Solar International GmbH 德國
太陽能車應用例
Honda Dream
bull資料來源 PV Special Research
Centre UNSW Australia
交大太陽能車
bull資料來源 National Chiao-Tung
University Taiwan
太陽光發電航太應用例(NASA Helios )
bull空中無線通訊平台應用
資料來源SkyOne Inc Taiwan
bull 飛行高度5-7 萬英呎(最高記錄 96000 英呎)
bull 時速60 mph (起飛 25 mph)
bull 翼展247 英呎bull 重量2000 磅bull 太陽電池效率要求gt22
資料來源httpwwwaerovironmentcomhomehtml
清雲技術學院 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
個人住宅 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
勤益技術學院 3kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
南台科技大學 10kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
總統府 10kWp 獨立型太陽光能發電系統 (9012)
海巡署南沙太平島 20kWp 混合型(柴油發電機)太陽光能發電系統 (9011)
90能源基金示範補助成果例
台電樹林 20kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
併聯型
台電台北市區處 20kWp 太陽光發電系統
(91能源基金示範補助成果)
併聯型
7結論
bull (1)提高電力轉換器效率
bull 轉換器的損失主要來自於開關切換時之損失為了可以降低濾波電路中電感和電容的體積可以提高切換頻率但是相對於開關的切換損失也因此而增加導致轉換器的效率降低因此發展零電壓或零電流切換技術應用於高切換頻率之轉換器將可以提高轉換器的效率
bull (2)提高太陽光發電系統之整體效率
bull 傳統之太陽光發電系統包含儲能系統和供電系統前級利用DCDC轉換器作最大功率追蹤後級則利用DCAC轉換器轉換能量供應給交流負載為了提高太陽光發電系統的整體效率在研究可提出了模組並聯控制技術以提昇各級電力轉換器的效率而在未來太陽光發電系統也將著重在單級電力轉換器的設計對於整體系統效率有較明顯的改善
8參考資料
1許國強ldquo太陽光發電原理與應用工研院材料所 薄膜技術組91年
2華志強黃崇倫ldquo智慧型能量控制於太陽光電能轉換系統國立雲林科技大學電機工程學系電力研討會97年
3林政達ldquo數位式市電並聯換流器與快速鎖相迴路控制器之研製國立雲林科技大學電機工程學系碩士論文92 年
4李思賢ldquo數位式單相低功率太陽光電能轉換系統國立中山大學電機工程學系碩士論文92 年
5洪世杰ldquo適用於再生能源之市電併聯型雙輸入供電系統國立中正大學電機工程研究所碩士論文93 年
6王廷興ldquo太陽能發電配電設計概要台北科技大學冷凍空調系 92年
7魏榮宗王文宏ldquo高效率太陽光電能源轉換系統 元智大學電機工程學系94年
[ ] 100)25(
)11
(exp
1)(exp
3
λminus+=
minus
=
+minus
minus+minus=
TKII
TTBk
qE
T
TII
where
R
IRVIRV
AkT
qIII
ISCRLG
r
GO
r
oros
sh
ssosLG
VI cell output current and voltagecell reverse saturation currentcell temperature in CBoltzmannrsquos constantelectronic chargeshort circuit current temperature coefficientsolar irradiation in Wmshort-circuit current at 25 Cand 1000 Wm
light-generated currentband gap for siliconideality factorsreference temperaturecell saturation current atshunt resistanceseries resistance
osI
T
kq
00170=IK
SCRIλ
LGI
GOE
921== ABKTr deg= 18301
orI
shR
sR
附錄附錄附錄附錄- 太陽能電池太陽能電池太陽能電池太陽能電池
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
(a) Equivalent circuit of a PV module and
(b) Typical PV module current-voltage and power-voltage characteristics
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
Characteristic of a PV module with temperature and irradiation (a) constant irradiation and varying temperature and (b) constant temperature and varying irradiation
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
系統範例系統範例系統範例系統範例
中途驛站電化PV離島用PV系統山岳地帶PV系統離島偏遠區
勤務指揮中心緊急避難所醫療院所公園學校地震觀測站森林嘹望台避難指示燈氣象觀測所水位警報PV系統河川安全燈防波堤安全PV燈
緊急防災
緊急供電系統管線電氣防蝕輸油管流量計PV系統市場廣告塔海上石油平台各種計測站PV系統發電廠情報指揮中心
產業用
住宅用供電系統緊急供電系統緊急照明系統帷幕牆遮陽棚採光罩屋瓦建築物
無線通信用中繼站基地台緊急電話中繼站電話通信PV系統Radio受信PV系統微波中繼站
通訊
農宅用電溫室栽培PV系統農業灌溉用自動灑水系統農牧電籬牛乳冷藏漁業養殖揚水通氣自動餵食器
農林漁牧
路燈交通號誌道路指示牌標誌燈太陽能電動車充電站高速公路緊急電話偏遠道路緊急電話停車計時器停車場控制門系統高速公路防音壁PV系統公路休息區PV系統太陽能車平交道指示燈候車亭PV系統車站屋頂型PV系統
道路交通
收音機測電表手錶計算機太陽能照相機手電筒電池充電器野營燈民生
應用領域
再生能源再生能源再生能源再生能源
bull瑞典瑞典瑞典瑞典宣布將在宣布將在宣布將在宣布將在2020年停止使用石油與核能年停止使用石油與核能年停止使用石油與核能年停止使用石油與核能將將將將全面使用再生能源全面使用再生能源全面使用再生能源全面使用再生能源
bull美國美國美國美國規劃在規劃在規劃在規劃在2030年時年時年時年時50的使用能源由生質的使用能源由生質的使用能源由生質的使用能源由生質物物物物(Biomass)所提供所提供所提供所提供
bull考量配合現有的石油使用設備考量配合現有的石油使用設備考量配合現有的石油使用設備考量配合現有的石油使用設備如何將如何將如何將如何將生質物生質物生質物生質物轉化為石油替代物轉化為石油替代物轉化為石油替代物轉化為石油替代物是目前各國正在研發的方向是目前各國正在研發的方向是目前各國正在研發的方向是目前各國正在研發的方向之一之一之一之一
bull在發展出成熟的能源替代物之前在發展出成熟的能源替代物之前在發展出成熟的能源替代物之前在發展出成熟的能源替代物之前油價油價油價油價肯定會肯定會肯定會肯定會持續上揚持續上揚持續上揚持續上揚
bull由於日益嚴重的溫室效應與環境污染由於日益嚴重的溫室效應與環境污染由於日益嚴重的溫室效應與環境污染由於日益嚴重的溫室效應與環境污染再生能再生能再生能再生能源終將取代石化能源源終將取代石化能源源終將取代石化能源源終將取代石化能源
太陽光發電系統之效益
總體效益
bull 經濟效益（偏遠離島緊急發電成本投資回收效益）
bull 環保效益（降低石化燃料發電之CO2NOxSOx污
染）
bull 節能效益（以自然能源替代石化燃料建立自主能
源）
bull 社會效益（疏解尖峰緊急救災用電之社會效益）
bull 產業效益（創造高科技產業及就業機會）
太陽光發電(光伏發電 Photovoltaic PV)之特點
1太陽電池通常為一種固態半導體元件將光能直接
轉換為(直流)電能但本身不儲存能量
2太陽電池使用方便無廢棄物無污染無轉動部
份無噪音可阻隔輻射熱或可設計為半透光
3太陽電池模板壽命長久可達二十年以上
4太陽電池外型尺寸可隨意變化應用廣泛(小至消費
性產品--如計算機大至發電廠皆實用)
5發電量大小隨日光強度而變可以輔助尖峰電力之
不足(併聯型)
6太陽電池未來與建築物結合將可普及化
太陽光發電之重要歷史
bull 1956年第一個太陽電池製作成功
bull 1958年開始太空應用(GaAs)
bull 1970年開始太陽光發電系統地面應用(Si) (能源危
機)
bull 1980年消費性薄膜太陽電池應用(a-Si CdSCdTe)
bull 1990年與公用電力併聯之太陽光發電系統技術成
熟(Grid-Connected PV System Si) (電力電子技術)
bull 1992年起歐美日各國推動太陽光發電系統之
補助獎勵政策
bull 2000年建材一體型太陽電池應用(BIPV)
全世界太陽電池市場量
0
50
100
150
200
250
300
350
400
Shipment (Pmp MW)
1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001
Year
US
JAPAN
EUROPE
ROW
國內太陽光發電發展狀況(IMRL)
bull非晶矽太陽電池研製
1980
bull高效率非晶矽太陽電池
bull低溫 ploy 薄膜太陽電池
19851990
19952000 bull建材一體化模板研製
bull商品化非晶矽太陽電池
bull可撓式非晶矽太陽電池
bull結晶矽太陽電池
bull結晶矽太陽電池模板
bull量產非晶矽太陽電池(光華科技 1988年)
bull架設獨立型太陽光發電系統
bull太陽光發電示範系統設置
bull量產結晶矽太陽電池(士林電機 2000年)
bull架設實驗型與市電併聯型太陽光發電系統及監測分析
2005
bull示範推廣獎勵補助辦法實施
bull晶矽太陽電池研製(核研所)
bull奈米(Nano)太陽電池
國內太陽光發電發展狀況(II其他單位)bull 1980~1990
ndash 清大呂助增教授--MS太陽電池ndash 中科院核研所核儀組-- 2 吋單多晶矽太陽電池模板原型(可商業運轉)
ndash 清大黃惠良教授--非晶矽(amorphous-Si)CuInS2太陽電池ndash 台大李嗣岑教授--非晶矽太陽電池ndash 成大張俊彥教授--非晶矽太陽電池ndash 中原熊慎幹教授--非晶矽太陽電池ndash 交大蔡中教授--太陽光發電系統研究ndash helliphellip
bull 1990~目前ndash 清大黃惠良教授--CuInS2太陽電池ndash 清大徐永珍教授--Porous Si
ndash 交大李威儀教授--GaAs太陽電池ndash 中興江雨龍教授--非晶矽太陽電池ndash 中正吳財福教授--直交流電力轉換器(Inverter)
ndash 台大黃秉鈞教授--太陽光發電系統研究ndash 清雲技術學院電機系--太陽光發電系統研究ndash 士林電機--太空用太陽電池封裝(中華衛星計畫)(目前轉移至永炬光電)
ndash TiO2 Dye Sensitized太陽電池(有機材料)
ndash helliphellip
國內太陽光發電發展狀況(III)
產業狀況上游目前有永炬(士電)茂迪光華科技三家生產太
陽電池包括單晶矽多晶矽與非晶矽太陽電池
發電系統之電力直交轉換器(inverter)目前國內無廠商
生產全仰賴進口
中下游有數家廠商製作太陽電池燈充電器玩
具hellip及其他電子產品
太陽光發電系統安裝施工廠商約 10 餘家
bull住宅用電力系統
bull產業工商用電力系統
bull偏遠地區發電系統(山區離島hellip)
bull緊急防災用電力系統
bull消費性電子產品之電源(手錶時鐘電子計算機充電器燈玩具)
bull交通工具之電源(車船飛機飛行船hellip)
bull太空用發電系統
bull攜帶式電源
bull交通標誌號誌之電源
bull發電廠
太陽光發電之應用領域
學校避難所 醫療院所
政府機構 防災中心
救護站
消防隊
救援中心
警察局
救援機具用電
通訊用電 通氣用電
照明用電
供水用電供油用電
太陽光發電防災緊急電力應用示意圖
太陽電池材料種類說明太陽電池材料種類說明太陽電池材料種類說明太陽電池材料種類說明太陽電池材料種類說明太陽電池材料種類說明太陽電池材料種類說明太陽電池材料種類說明
1以下TiO2奈米及有機奈米及有機奈米及有機奈米及有機Nano amp Organic
應用於有機太陽電池屬研發階段
10~12CdSCdTeCuInse
多晶Poly Crystallin
18~30GaAsInP單晶Single Crystallin
多化合物多化合物多化合物多化合物Compound
應用於太空及聚光型太陽光電系統
6~9SiSiCSiGeSiHSiO
非晶矽Amorphous
10~18多晶矽Poly Crystallin
12~20單晶矽Single Crystallin
晶矽Crystalline
矽矽矽矽(硅硅硅硅) silicon
目前太陽光電系統中應用最為廣泛
市場模組發電轉換效率
半導體材料太陽電池種類
又稱為單結晶晶圓型製程貴發電量佳 礙於晶圓型式多半
截圓型或圓弧造型舖設時面積上無法達到最大利用及吸收
多結晶製程上較便宜發電量略遜單晶矽可截為正方形舖設時
可達到最大面積利用及吸收其晶狀分佈具有應N效果可為建築
物外觀加分另外雖其結理易造成碎裂但晶體可再利用做為項鍊
等裝飾品
非晶矽(可撓式)成本便宜發電率較差且容易造成裂質化但由
於可直接鍍在玻璃及塑膠上面與建築物可做最佳結合除可做太陽
光電系統發電用室內型民生消費品也常見其應用如電子計算
機搖頭娃娃玩具等
常見的太陽電池及模板外觀常見的太陽電池及模板外觀常見的太陽電池及模板外觀常見的太陽電池及模板外觀常見的太陽電池及模板外觀常見的太陽電池及模板外觀常見的太陽電池及模板外觀常見的太陽電池及模板外觀
單晶矽太陽電池外觀 單晶矽太陽電池典型結構
太陽電池外觀與構造(單晶矽)
1 清洗蝕刻
2 磷擴散
P-type wafer
單晶矽太陽電池製程步驟例(I)
3 鍍抗反
射層
4 網印
5 燒結
單晶矽太陽電池製程步驟例(II)
11太陽光發電(Photovoltaic)原理 (I)
太陽電池是以 P 型與 N 型半導
體材料接合構成正極與負極
當太陽光照射太陽電池時光
的能量會使半導體材料內的
正負電荷分離
正負電荷會分別往正負極
方向移動並且聚集
將太陽電池正負極接上負載
時將有電流流出可以對負
載作功(燈泡會亮馬達會轉)
正極P 型
負極N 型
P
N
P
N
P
N
-++
-
+
-+
-+
+ + + + +
- - - - -
--
+
-+
正負電荷
+
-
+
-
+
-
太陽光
太陽光
太陽光
電流
-+
PN(不照光平衡狀態)
EfEv
Ec
N P P
N
P
N
P
N
P
N
光子(Photon)
-+-+
-+
-+
-+
+ + + + +
- - - - -
-+
-+
-+
太陽光發電(Photovoltaic)原理 (II)
-
+
Photon
+
+
-
-
- -
++
Ef
Ev
Ec
PN(照光狀態)
++
-
- -
+
+
--
+
-
+
Photon
多數載子
多數載子
少數載子
少數載子
+
-
多數載子
多數載子
電子-電洞對(Electron-
hole pair)
EvN Type
SemiconductorP Type
Ef
Ec
Ef
Ev
Ec
電子位能
Ec conduction band
Ev valence band
Ef Fermi level
I=I0 (eVaVT-1)-Isc
Isc = -I (短路電流 V=0)
Voc = aVTln(Isc I0 +1) (開路電壓
I=0)
I0 (逆向漏電電流) prop ni prop e-Eg
RshID
Isc
+
----
v
I
RL
Rs
太陽電池等效電路與電氣特性
+I
+V
-V
Dark
VocV
Photo
Isc
I
Pm
I0
太陽電池等效電路 常用太陽電池電路符號
VocVm
Im
Isc
Pm
太陽電池 I-V 特性曲線分析
FF(Fill Factor) = (Vm x Im Voc x Isc) x 100 (越高越好)
ηηηη (Efficiency) = (Vm x Im Pin) x 100 (越高越貴)
bull Pin (Incident Power) = A (hc λ) bull N(λ) dλ
bullλ wavelength (microm)
bull N(λ) Number of photonm2 bull sec
bull A Area (m2)
bull h Plank constant c light speed
Voc開路電壓
Isc短路電流
Pm最大輸出功率值
Vm最大輸出功率時之電壓
Im最大輸出功率時之電流
太陽電池開路短路時皆不會燒毀
0
電壓源
電流源
利用串並聯組成模板與組列提供所需的工作電壓與電流
VocVm
Im
Isc
Pm
12太陽電池之串並聯使用
VocVm
Im
IscPm
VocVm
Im
Isc
Pm
太陽電池模板之構成
+
-
太陽電池模板結構太陽電池模板外觀太陽電池模板接線
正面
強化玻璃
EVA
TedlarTM (Dupont)
EVA
Polyester
TedlarTM (Dupont)
0125
0015
Cells0014
0015
00015
0002
00015
背面
單元太陽電池
太陽電池模板之規格範例
η (Efficiency) = (Vm x Im Pin) x 100
單晶矽模板效率 = (354 V x 495 A) ( 129 m2 x 1000 Wm2 ) x100
= 1358
單晶矽模板效率 = 1302
種類
項目單晶矽 多晶矽
額定輸出功率(Wp) 175 125
開路電壓(V) 444 323
短路電流(A) 555 546
最大輸出工作電壓(V) 354 260
最大輸出工作電流(A) 495 48
輸出最大功率(W) 175 125
尺寸(mm)W15736timesL826
timesH46
W1200timesL802
timesH46
重量(kg) 17 125
測定條件日照強度 AM151000Wm2Module 溫度 25
何謂AM0AM1AM15
Wavelength (microm)
Spec
tral
Irr
adia
nce
(Wm
-2micro
m-1) AM0
AM15
AM 即 Air Mass(不同 Air Mass 代表不同太陽光光譜)
bull AM0 (Air Mass 0) ~ 1400 W bullm-2
bull AM1 (Air Mass 1) ~ 1000 W bullm-2
bull AM15 (Air Mass 15) ~ 844 Wbullm-2
AM15 1000 Wbullm-2 (IEC 891 IEC 904-1)
Earth
AM0
AM1
AM15
大氣層
45o
太陽電池直接驅動負載如馬達等(應用於玩具車船馬達音樂卡片hellip)
bull 電力現買現賣
bull 負載匹配(容量與電壓)
bull 溫度效應
bull 搭配(超高)電容可以提高效能
太陽電池(直流)基礎應用範例(I)
I M
+
-
C
圖片資料來源httpshoppingyahoocom httpwwwsolar-icomSampYhtml
太陽電池先對電池充電再由電池供應負載(應用於玩具車船電動機械夜間燈光計算機鐘錶3C產品hellip)
bull 電力零存整付
bull 太陽電池電池電壓匹配
bull 溫度效應
bull 使用阻隔二極體
bull 電池過充放電保護
太陽電池(直流)基礎應用範例(II)
I負載
+
-
電池
圖片資料來源httpshoppingyahoocom httpwwwsolar-icomSampYhtml
FAQ1太陽電池應用效能不佳太陽電池之負載匹配(Load Matching)
RshID
IL
+
----
v
I
RL
Rs
bull Efficiency of a PV system is strongly affected by load matching
bull Measurement of I-V Characteristic curve is important
VocVm
Im
Isc
Pm
RL 1
RL 3
RL 2 Battery voltage
RL
----
+
不同日照強度下太陽電池 I-V 特性曲線
bull 最大輸出功率隨日照強度而改變並非永遠等於額定值
0
1
2
3
4
5
6
7
0 10 20 30 40 50
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
1000Wm2 (AM1)
500Wm2 (05AM1)
不同溫度下太陽電池 I-V 特性曲線
bull太陽電池溫度升高時輸出電壓與最大輸出功率降低
0
1
2
3
4
5
6
7
0 10 20 30 40 50
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
75oC 50oC 25oC 0oC
Battery voltage
0
1
2
3
4
5
6
7
0 10 20 30 40 50
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
500Wm2 (05AM1)
1000Wm2 (AM1)
太陽電池之動態負載匹配(日照變化)
RL(high)
RL(low)
bull Maximum power tracking is required in high efficiency PV system
太陽電池 I-V 特性曲線測量方法
VocVm
ImIsc Pm
C+
-
A
VR
A
V
A
V可程式負載
模擬陽光使用鎢絲燈氙燈Solar Simulator 或太陽光
Pm lt few10 W Pm lt few 100 W Pm lt 100 kW
Solar Simulator Array Tester
圖片資料來源httpwwwspiresolarcomSolarequipmenthtml
太陽於天球(Celestial Sphere)上運行之軌跡
冬至 春秋分 夏至 冬至 春秋分 夏至 春秋分 夏至
北緯 0o 北緯 45o 北緯 90o
(赤道) (北極)
天球
太陽運行軌跡與太陽電池仰角
冬至 夏至春秋分
所在緯度235o
235o47o0o
47o 235o
13太陽電池組列仰角與間隔設計例
bull組列仰角~235o (台灣地區)
bull h=組列總高度( lt 15 m)
bull L2=h tan(55o) = 057 L0
(55o可適用於冬至0900~1500)
bull水平角度=正南 plusmn5o
235o
55o
235o
夏至
冬至
春秋分
235o 235o
南
h = 04 L0
L1= 092 L0L2 = 057 L0
L0
L1 + L2 = 15 L0
2零交越偵測電路分析
bull 零交越偵測電路如圖1 所示主要目的在於檢測輸入弦波電壓之零交越點其電路輸出為ㄧ方波信號利用方波上緣信號觸發數位訊號處理器之外部中斷腳位進而進行相位同步之功能[4]零交越偵測電路輸入與輸出波形如圖2 所示相位同步控制當數位訊號處理器發生上緣觸發時此觸發訊號如同系統重置訊號將正弦表指標變數歸零一經重置後指標變數又開始計數藉由每週期ㄧ次的重置訊號迫使換流器輸出達到同步相位同步控制波形示意圖如圖3 所示圖4 為零交越偵測電路輸出實測圖[4]
3系統電路架構與動作模式
bull A
bull 本文所述之系統為一太陽光電能轉換系統方塊圖如圖5 所示主要部分包括太陽能板直流-直流轉換器全橋式換流器數位訊號處理器感測迴授電路與驅動電路此一系統之基本動作情況為一般情況下斷路器1 和斷路器2 均為導通狀態此時太陽光電能轉換系統與電力網路處於連結運轉模式而當電力網路供電中斷時斷路器2 將被斷路以避免孤島現象的發生反之若是太陽光電能轉換系統發生故障時斷路器1 將被斷路以避免電力網路受到其故障的影響
31系統電路架構與動作模式
bull B
bull 電路工作模式bull 此一太陽光電能轉換系統主要有兩種工
作模式以下為二種工作模式的操作說明
bull (1) 獨立運轉模式bull 如圖6 所示獨立運轉模式為當電力網
路供電中斷時斷路器2 將被斷路而此時太陽光電能轉換系統將操作在電壓控制模式下提供負載一穩定的輸出電壓
bull (2) 與電力網路連結運轉模式bull 如圖7 所示與電力網路連結運轉模式
將太陽光電能轉換系統與電力網路連結運轉也就是斷路器1 和斷路器2 同時導通此時系統將操作在電流控制模式下首先經由最大功率點追蹤程式運算出瞬時最大功率點的電流參考值再根據此一電流參考值輸出一與電力網路電壓同相位的電流至負載或甚至回送至電力網路
31直流至直流切換式轉換器
典型直流至直流轉換器系統之構造如圖21所示其輸入通常為由線電壓整
流而得之非調節直流電壓然後再利用切換式直流至直流轉換器將此變動之
直流電壓轉換成一調節之直流電壓
無控制之二極體橋式整流器
交流線電壓
(單相或三相)
直流電壓
(無調節性)
濾波電容 (無調節性)
直流至直流轉換器 (具調節性)
負載
蓄電池
直流電壓 直流電壓
控制訊號1降壓式(step-down buck)轉換器
2升壓式(step-up boost)轉換器
3升降壓式(step-downstep-up buck-boost)轉換器
4全橋式轉換器
上述四種轉換器中只有降壓式及升壓式是最基本的轉換器電路架構升
降壓式轉換器是此二基本轉換器之結合而全橋式轉換器則是由降壓式轉
換器衍生而來
直流至直流轉換器之控制
直流至直流轉換器的作用即是在輸入電壓與輸出負載變動的情況下能夠調
節輸出電壓為所設定的位準電壓位準轉換之原理可以圖22(a)所示之簡單
電路來說明由開關導通與截止可得圖22(b)之波形其中輸出電壓vo平均
值大小Vo與開關之導通及截止時間(ton及toff)有關平均輸出電壓大小調整
之最典型的方式是採用脈波寬度調變法(Pulse-Width ModulationPWM)
其切換週期Ts(= ton+toff)為固定由調整導通時間之大小來改變平均輸出電
壓之大小Vo
+
_
Vd
R
+
_
Vo
0Vd
Vo
vo
tton toff
Ts
脈波寬度調變切換控制的方塊圖如
圖23(a)所示開關之切換控制信號
由控制訊號vcontrol與週期為Ts之鋸齒
波vst比較而得控制信號則由Vo之
實際值與設定值之誤差放大而得
vcontrol與vst比較所得之切換控制信號
的波形如圖23(b)所示當控制訊號
vst較大時則為高準位信號即使
開關導通反之為低準位信號即使
開關截止故開關之切換週期亦為
Ts 由以上的原理可知開關切換
之責任週期 (Duty Ratio)為D=tonTs
=vcontrolVst 其中Vst為鋸齒波之振
幅
放大器
+
-Vo
(設定)
(實際)
Vo
比較器
週期性波形 stv
切換控制訊號
控制訊號
0 t
$Vst
=stv 鋸齒波電壓
controlv (放大誤差)
On On
Off Off
stcontrol vv gt
stcontrol vv ltton toff
Ts
切換控制訊號
(切換頻率 fT
s
s
=1
)
升壓式直流至直流轉換器
圖211為升壓式轉換器電路主要用途為直流電源供應器與直流馬達之
再生制動(Regenerative Breaking)顧名思義其輸出電壓高過於其輸入
電壓當開關導通時二極體反向偏壓輸入電能儲存於電感負載電
能則由電容提供當開關截止時負載吸收輸入及儲存電感中之電能
-
L
CRVd
Vo
vL
iL
io
+
-
++
_
t0
t0
vL
iL
I L
Ts
toffton
_++
_
+
_
+ _+
_
+
_
iL
vL
Vd Vo
iL
vL
Vd Vo
)( dV
)( od VV minus
圖212所示為電感電流為連續之
穩態工作波形由穩態下電感電
壓一週期之平均值為零可得
0)( =minus+ offodond tVVtV
等號兩側除以Ts重新整理可得
Dt
T
V
V
off
s
d
o
minus==
1
1
假設電路無損失輸入功率
Pd=VdId 等 於 輸 出 功 率
Po=VoIo 則
)1( DI
I
d
o minus=
非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器
bullBoost之設計假設輸入10V輸出30V頻率50kHz輸出10W
所以D＝23
( ) s
o
o TDDP
VL
22
12
minusge
=6667uH
取75uH
D
VV in
o minus=
1
L
Vi
n
S Vo
+
_
C
DiL
vds
升降壓式直流至直流轉換器
升降壓式轉換器的主要用途為輸入與輸出之極性相反輸出電壓可以高於
或低於輸入電壓之直流電源供應器升降壓式轉換器可以由降壓式轉換器
與升壓式轉換式串接而成穩態下輸入與輸出電壓轉換器之比值為二轉換
器個別比值之乘積
D
D
V
V
d
o
minus=
1
因此變化責任週期D可使輸出電壓高於或低於輸入電壓
+
_
+
_
_
+
RC Vo
L
Vd
io
iLvL
id
降壓式直流至直流轉換器
降壓式轉換器顧名思義其作用為將較高準位的輸入電壓換成較低
準位的輸出電壓主要用途為直流電源供應器及直流馬達速度控制
圖22(a)所示為提供純電阻性負載之降壓式轉換器由圖22(b)可知其輸
出電壓波形由開關位置決定平均輸出電壓為
dd
s
onT
t
t
d
s
T
o
s
o DVVT
tddV
Tdv
TV
s
on
ons ==+== intintint )0(1
)(1
00ττττ
+
_
Vd
R
+
_
Vo
0Vd
Vo
vo
tton toff
Ts
32直流至交流切換式反流器
切換式直流至交流(DCAC)反流器(Inveter)乃用以將直流電源轉換成振幅
與頻率均可調之正弦式交流電源主要用途為交流馬達驅動與交流不斷
電電源供應器圖31為典型交流馬達驅動之反流器方塊圖其直流輸入
電壓通常由線電壓整流及濾波而得接著再利用切換式反流器改變輸出
電壓之振幅與頻率以驅動交流馬達切換式反流器功率之流通通常是
由直流至交流稱為反流模式但亦可以從交流至直流稱為整流模
式
+
_
交流馬達
二極體整流器 濾波電容 切換式反流器
Vd
三相交流電源
反流器包括單相及三相其輸入為直流電壓源者稱為電壓源反流器
(Voltage Source InverterVSI)另外若輸入為直流電流源者稱為電流
反流器(Current Source InverterCSI)目前僅應用在高功率之交流馬達
驅動器
1脈波寬度調變(PWM)反流器其輸入電壓通常為固定反流器本身具備變
頻及變壓的功能而變頻及變壓乃利用開關之脈波寬度調變切換控制達成
有許多類型之脈波寬度變技術可以使輸出電壓近似弦波
2方波(Square-Wave)反流器此反流器輸出電壓振幅乃由其輸入電壓調
整
反流器本身只控制輸出頻率交流輸出電壓波形近似方波因此乃稱方波
反流器
3採用電壓消去法(Voltage Cancellation)之單相反流器單相反流器當輸入
電壓為定值時可以利用電壓消去法來變頻及變壓而不須採用脈波寬度
調變其輸出電壓波形近似方波因此其結合了前述兩種反流器的特色
值得注意的是電壓消去法並不適用於三相反流器
切換式反流器之基本觀念
考慮圖33(a)之單相反流器假設其正弦輸出電壓vo是經過濾波所得若
輸出之負載為電感性(如馬達)則輸出電流io將落後vo 如圖33(b)所示
在期間1及3中 vo與io同號瞬時功率Po=voio為正故功率由直流側送至
交流側稱之為反流模式在期間2及4中 vo與io異號瞬時功率Po為負
故功率由交流側送至直流側稱之為整流模式圖33(a)之切換式反流器
在每一週期內會經歷平面上四個象限中之所有象限
單相切
換式變
流器與
濾波器
o
o
+
-
+
-
Vd
vo
id
io
0t
4 1 2 3
voio
io
vo
1反流器
4整流器
3反流器
2整流器
0
為清楚解釋起見以單臂反流器來說明
+
_
+
_
+ +
__
Vd
Vd
2
Vd
2
A
N
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
vAN
oo
o
反流器電路之脈波寬度調變切換技術如圖35(a)所示由一正弦波形控
制訊號vcontrol與三角波形vtri作比較三角波(又稱載波)之振幅為Vtri頻率
為fs fs決定反流器開關之切換頻率正弦波控制電壓vcontrol(又稱調制訊
號)之基頻f1決定反流器之輸出頻率而其振幅則決定反流器輸出電壓之
大小定義振幅調變指數為ma=Vcontrol Vtri 其中Vcontrol為vcontrol之振幅
而頻率調變指數則定義為mf = fs f1
0 t
vcontrol vtri
sf
1
0 t
vAo
V d
2
minusVd
2
t=0
v v
T on T off
control tri
A A
lt
minus + v v
T on T off
control tri
A A
gt
+ minus
1)( AoAo vv =之基本波
0 t
vcontrol vtri
sf
1
圖34反流器之開關的控制方法與io方向無關為
dAoAtricontrol VvTvv2
1=gt +導通
dAoAtricontrol VvTvv2
1minus=lt minus導通
由於二開關之導通為互補因此輸出電壓只在Vd 2與-Vd 2二值間作變
動圖35(b)所示為ma=08與mf =15時輸出電壓vAo及其基本波(以虛線表示)
之波形
+
_
+
_
+ +
__
Vd
Vd
2
Vd
2
A
N
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
vAN
oo
o
單相全橋式反流器
單相全橋式反流器如圖311所示乃由兩個前述之半橋反流器所組成在
相同之輸入電壓下全橋式反流器之最大輸出電壓為半橋式之兩倍這代
表在相同之功率下全橋式反流器之輸出及開關電流僅為半橋式之一半
此對於高功率用途是一大優點因其可以降低使用並聯元件之需求
+
_
+
_
+
_
Vd
Vd
2
Vd
2
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
v v vo Ao Bo= minuso
A
B
TBminus
TB+
DBminus
DB+
+_
id
o
o
N
雙極性電壓切換之脈波寬度調變
0 t
vcontrolvtri
sf
1
0 t
ov1ov
dV
dVminus
單極性電壓切換之脈波寬度調變
onBT +
trivgttricontrol vv gt
trivcontrolv
t
)( controlvminus
)( controlvminusonAT +
t1ov
dV
dVminus
)( BNAN
o
vv
v
minus=
應用雙極性電壓切換之脈波寬度調
變全橋式反流器乃 (TA+TB-)與 (TA-
TB+)成對切換且二者互相反相
應用單極性電壓切換之脈波寬度調
變全橋式反流器乃A臂與B獨立切
換且同臂二開關互相反相
三相反流器
+
-
+
-
+
-
dV
2dV
2dV
+AT
minusAT
+AD
minusAD
o
BminusT
+BT
minusBD
+BD
di
minusCT
+CT
minusCD
+CD
N
A B C
o
0 t
triv Acontrolv Bcontrolv Ccontrolv
0
BNANAB vvv minus=
t
dV
之基本波1LLv
ANv
0 t
dV
t0
BNv
dV
三相電壓源反流器之脈波寬度調變切換的功能為在固定輸入直流電壓下用以調整三相輸出電壓之振幅及頻率三相脈波寬度調變方式由三相各差120度的控制電壓與三角波作比較其波形與單相全橋式反流器採用脈波寬度調變單極性切換者類似
最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法
33最大功率追蹤最大功率追蹤最大功率追蹤最大功率追蹤
為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點本文使用本文使用本文使用本文使用擾動觀察法擾動觀察法擾動觀察法擾動觀察法(Perturbation and Observation Method PampQ)進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功率追蹤率追蹤率追蹤率追蹤由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點下圖為擾動下圖為擾動下圖為擾動下圖為擾動觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖為利用為利用為利用為利用DCDC轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作時時時時其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為0之特性之特性之特性之特性使用使用使用使用DCDC轉換器控制太陽轉換器控制太陽轉換器控制太陽轉換器控制太陽能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動
擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖
最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法
左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖蹤示意圖蹤示意圖蹤示意圖太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分為兩個特性區域為兩個特性區域為兩個特性區域為兩個特性區域假設進行追蹤假設進行追蹤假設進行追蹤假設進行追蹤時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時電壓電壓電壓電壓的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率增加增加增加增加若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出功率減少功率減少功率減少功率減少經由經由經由經由DCDC轉換器調轉換器調轉換器調轉換器調節太陽能板與節太陽能板與節太陽能板與節太陽能板與DCDC轉換器的阻轉換器的阻轉換器的阻轉換器的阻抗相互匹配抗相互匹配抗相互匹配抗相互匹配進而得到太陽能板進而得到太陽能板進而得到太陽能板進而得到太陽能板的最大輸出功率的最大輸出功率的最大輸出功率的最大輸出功率
擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖
4軟體規劃
bull 系統控制程式主要分為主程式固定週期中斷副程式市電電壓零交越中斷副程式等三大部分以下將分別介紹各部分程式流程
bull 本系統主程式主要執行數位訊號處理器周邊暫存器的初始設定以及變數宣告其中除了變數宣告外周邊暫存器的初始設定包括有規畫中斷向量設定計數器之計數模式計數週期中斷的時間和PWM 輸出模式等相關參數設定
bull 如圖8 所示系統初始設定後必須先等待中斷發生才能決定系統是否執行固定週期中斷程式或零交越中斷副程式
bull 圖9 為固定週期中斷副程式流程圖固定週期中斷頻率與換流器開關之切換頻率相同為20kHz程式開始會先偵測太陽能板電壓及電流與直流鏈電壓當確定市電電壓零交越中斷發生時必須先將輸出弦波訊號之指標強制為原點重新送出單位弦波確保換流器輸出電流與市電電壓能維持同相位接著比較太陽能板輸入電壓VPV 是否大於最低工作電壓VPV_work如果確定大於最低工作電壓則致能太陽能最大功率追蹤反之則禁能系統動作程式返回圖9 中的正弦脈寬調變副程式主要功能在於決定換流器中開關的動作順序與責任週期大小以及輸波參考訊號
bull 圖10 為太陽能最大功率點追蹤副程式流程圖在文中對最大功率追蹤採用擾動與觀察法配合太陽能光電板的電壓mdash功率特性曲線即可瞭解程式如何完成太陽能光電板最大功率點追蹤
主程式流程圖
5實驗
bull 依據上述的分析採用DSP 2407A 建立一個500W 太陽光電池電能轉換系統依據圖11 之
bull 電路架構其規格與元件參數分別列於表一表二及表三系統實驗波形圖12圖13圖14 及
bull 圖15 為系統操作在獨立運轉模式下負載分別為120W240W360W 及480W 時之換流器輸出
bull 電壓及輸出電流之實測波形
系統規格與元件參數
實測波形
6實務應用系統實務應用系統實務應用系統實務應用系統
獨立系統示意圖獨立系統示意圖
考慮點
系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等安全係數最佳化設計複雜)
一般充電控制器無 MPPT搭配蓄電池使發電效能較差
蓄電池每日gt50DOD深度放電gt02C充電壽命短
太陽光發電量與負載需求量不搭配時太陽光之發電能量利用率偏低 (負載需求搭配與安全係數為互相矛盾之設計)
PV-柴油發電機PV-風力等混合系統為改善之方法
市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台
電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池
併聯系統示意圖併聯系統示意圖
緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析
1 系統設置成本高建議使用於邊際效益高之用電（防災緊急輔助電力）
2 總體經濟效益減少環境污染解決尖峰用電之不足與短缺能源多元化之風險分擔與開創自主能源
3 遮蔽陽光直曬降低建築物之熱效應（被動省能）同時轉換太陽光為電能供應建物自主能源（主動節能）一舉兩得
緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較
30萬元divide21900kWh＝137元度2萬元divide50kWh＝400元度每度電成本
日發電度數times365天times20年＝3hrtimes1kWtimes365天times20年＝21900kWh（度）
（年停電＋年測試運轉時數）times10年＝（20mintimes6次＋15mintimes12月）times10年＝5hrtimes1kWtimes10年＝50kWh
總發電度數（1kw計）
夜間不發電（可利用蓄電池設計供電年維運費02）
噪音空污油料運輸儲油危險維運成本高
缺點
利用露台屋頂牆面空間設備煙管隔音油槽需室內空間
設置空間
平時緊急時均可使用隨時可了解運轉狀況不須操作
加ATS停電時方可啟動需人員每月定期測試運轉
系統運作
太陽光潔淨能源（免費）柴油使用燃料
20年7~10年使用壽命
1kW=30萬元1kW=2~3萬元設置費用
太陽光發電系統柴油發電機
風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析
運用多元化能源分擔風險情況比較說明如下
1 市電--gt停電時風險極高
2 市電＋柴油發電機--gt發電機故障時風險高
市電＋柴油發電機＋太陽光發電系統--gt發揮三者優點互補同時故障機率小風險最低
案例
832kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide057＝317 m2
115kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide075＝332 m2
緊急時057平時065~08
綜合係數溫度變化污損線損Inverter效率＋蓄電池充放電補償
電力需求divide（日照強度times日照時間times模板效率times綜合係數）
模組面積估算
日照強度1kWm2
日照時間384hd
模板效率12
832kWhd500人用電量115kWhd770人用電量
緊急時平時
電力需求估算
緊急時40kWtimes384hdtimes057＝875 kWhd
平時40kWtimes384hdtimes075＝1152Whd
太陽發電系統發電量＝設置容量times日照時間times綜合係數
發電量計算
332m2times1kWm2times12＝398kW≒40kW
太陽發電系統設置容量＝設置面積times日照強度times模板效率
設置容量計算模板效率依太陽電池種類而異
進行模板陣列及蓄電池容量設計
40kWdivide18片串divide120W＝185列≒19
列
40kWdivide17片串divide120W＝196列≒20
列
陣列併列數＝設置容量divide單串功率
18片times120W＝2160W
17片times120W＝2040W
單串功率
300Vdivide169V＝1775片（取整數17 or 18）
陣列串聯數＝Inverter輸入電壓divide模板輸出電壓
模板陣列設計
1 模板功率120W
2 模板輸出電壓169V
3 直交流轉換器(Inverter)輸入電壓300V
120Wtimes17片串times20列＝40800W＝340片(最佳陣列)
120Wtimes18片串times19列＝41080W＝342片
最佳陣列較經濟之設置容量選擇最佳陣列
蓄電池數量＝144個times2列＝288個
120640Whdivide288Vdivide200Ah＝21列≒2列
併列數＝蓄電池需求容量divideInverter額定電壓
288Vdivide2V＝144個
串聯數＝Inverter額定電壓divide蓄電池電壓串併數設計
middot 蓄電池電壓2V個
middot 蓄電池容量200Ah個
Inverter電壓輸入電壓 額定電壓300V 288V200V 192V
蓄電池需求容量＝832kWhdtimes1dtimes145＝12064kWh
蓄電池需求容量＝緊急電力需求times無日照天數times補償係數補償係數蓄電池內阻抗放電停止電壓電壓降低補償
蓄電池需求容量設計
middot 補償係數145
無日照天數1日
61市電相關規定市電相關規定市電相關規定市電相關規定
1 發電設備併接於低壓系統者其總容量未滿100kW且技術無困難者得併接於單相三線110V220V三相三線220V之配電系統若總容量在100kW以上而未滿500kW得分別併接於3相4線220V380V之配電系統
2 發電設備總容量在500kW以上而未滿5000kW10000kW且技術無困難者得分別併接於114KV228KV之高壓配電系統
3 電設備總容量在10000kW以上而未滿40000kW者得併接於特高壓之系統
4 發電設備總容量在40000kW以上者依個案研討分類
併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類
發電系統經由發電系統經由發電系統經由發電系統經由110V220V110V220V110V220V110V220V併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者發電設發電設發電設發電設備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能
1 過電壓保護 低電壓保護
2 低頻保護 高頻保護
3 過電流保護 零相過電壓接地保護
4 發電設備為無逆送電力者須加裝逆電力保護
5 發電設備為有逆送電力者必須具備主動及被動防止單獨運轉保護
發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經110V220V110V220V110V220V110V220V系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者在電在電在電在電源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器
發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業114KV228KV114KV228KV114KV228KV114KV228KV之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者((((高高高高壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶))))發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Extremely Inverse特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Extremely Inverse特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過流電驛(67)須具Normal Inverse特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
發電設備併接於電業69KV特高壓輸電系統者發電設備之輸出端至少應具有下列同等保護功能並須與電業該轄區之保護設備協調
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Normal Inverse之特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Normal Inverse之特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過電流電驛(67)須具Normal Inverse之特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
8 快速及後衛保護電驛如系統保護需要時應裝設
9 匯流排電驛採用GIS斷路器者應裝設
62626262太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範
1 故障電流
太陽光電發電系統大於100kW以上須計算故障電流其送至電業系統之故障電流不得影響電業及其他用戶斷路器之起斷容量否則需裝置限流電抗器
太陽光電發電系統之隔離變壓器接地方式須與電業之系統配合
2 正常電壓變動率應維持在plusmn5以內
3 太陽光電發電系統與電業間之責任分界點的功率因數以維持85落後至100之間運轉為原則
4 諧波污染限制應依照「電力系統諧波管制暫行標準」辦理
分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性
適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯型之規範型之規範型之規範型之規範
電力轉換器電力轉換器電力轉換器電力轉換器(電力調節器電力調節器電力調節器電力調節器)(InverterConditioner)
蓄電池蓄電池蓄電池蓄電池(Battery))
63大型(商用)太陽光發電系統應用(gt1 kWp)
太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統
單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池(Unit Solar Cell)
太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板(PV Module)
太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列(PV Array)
太陽光發電系統應用獨立系統
(A) 獨立系統(Stand-Alone
System)
bull 蓄電池保護壽命
(B) 混合型交流獨立系統 (Hybrid
System)
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
直流負載PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
整流器
輔助發電機
PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載- ~PCU
直直直直交流轉換器交流轉換器交流轉換器交流轉換器
太陽光發電系統應用併聯系統
(D)併聯系統(Grid-
connected System)
特殊功能1 最佳效能2 防止獨立運轉(連線保護)
3 可自力運轉
(E) 防逆流型系統(Off-line System)
(F) 防災型併聯系統
充電控制器
蓄電池
直交流轉換器
PCU太陽電池組列
交流負載
ATS
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
獨立型系統
適用地點高山離島基地台hellip等市電無法到達處
工作方式白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
必須可以自給自足
缺點bull 系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等
安全係數設計很困難)
bull 蓄電池建置複雜成本很高壽命很短
bull 負載搭配不良時發電效能不佳利用率將偏低
bull 需由專人隨時維護
bull 混合系統為一種解決方法
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
PCU
併聯型系統
適用地點電力正常送達之任何地點工作方式 bull 白天 PV系統併聯發電夜間由台電供電bull 將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的蓄電池
優點bull 系統簡單不需安全係數設計(依預算設計)不需要專人維護bull 併聯發電效率高利用率高
缺點bull 停電時無電可用bull 受併聯法規限制尚未開放(但即將開放)
bull 有孤島效應之疑慮(目前技術上已解決)
改善型無電池自力運轉
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
市電併聯型住宅用太陽光發電系統
太陽光發電系統發電及負載用電對時間之關係
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
併聯型直交流轉換器之效能要求較高
1 最大功率追蹤(Maximum Power Tracking MPT)
2 高轉換效率 gt 90 (PWM+電力電子元件)
3 高次諧波功率 Distortion (lt5 total)
4 自動開關機(白天夜晚)
5 過負載保護過溫度保護
6 體積小重量輕室外防水防塵
7 電腦界面可遠端監控
8 防止獨立運轉(連線保護)
9 可自力運轉
太陽電池組列
交流負載
直交流轉換器MPT
Power Conditioner
併聯系統之獨立運轉(單獨運轉)
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull停電時單一併聯系統將會停止運作
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
bull 市電停電時多數併聯系統仍聯合運作將對電力公司人員產生嚴重危害
孤島效應之防止方法
停電偵測1 過電壓低電壓
2 過頻率低頻率
3 被動式偵測如
bull 電壓與頻率監視方式
bull 電壓相位跳躍監視方式
bull 高次諧波監視方式
bull 頻率變化監視方式
PV組列
直交流轉換器
自家負載
4 主動偵測如
bull 頻率Shift方式
bull 配電線負載變動方式
bull 有效電力變動方式
bull 無效電力變動方式
反應時間05~2秒
資料來源「日本電氣用品試驗所」分散型電源系統連系技術指針(1998)
併聯系統之自力運轉功能
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull 大停電後白天有陽光時以人工啟動 PV 系統進行自力運轉供自家負載使用(但夜間無法使用)
防災型併聯型系統
適用地點有防災需求(照明汲水通信hellip)之公共設施
工作方式
bull 平時PV併聯發電(電池浮充) 效率高利用率高夜間由台電供電
bull 視需要建置供防災用電池大停電時白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
缺點bull 含電池成本較高bull 系統較複雜需專人定期維護
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
FAQ1太陽光發電需要多少土地
效率 = (輸出功率W) (組列面積 m2 x 日照強度 Wm2 ) x 100
模板面積 m2 = 輸出功率W (效率 x日照強度Wm2 ) x100
bull 假設使用效率gt136 模板於1000 Wm2 (AM15)日照強度下
10 kWp 模板面積 (m2) = 10000 (0136 x 1000) ~ 735 m2
10 kWp PV系統土地面積需求約
~ 735 m2 x 15 x 11
~ 121m2 (~36坪)
(包括陰影面積及維修空間)
bull 假設使用效率~10 模板
則模板面積約 ~ 100 m2
土地面積需求約 ~ 165m2 (~50坪)
gt55o
夏至
冬至
春秋分
235o 235oh
L1 L2
FAQ2太陽電池一年能發多少電
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
10 kWm2
05 kWm2
日照強度
等效日照時數(Sun Hour)
組列單日發電量 = 組列額定輸出功率 x 等效日照時數
bull 預估1 kWp 組列單日發電量 = 1 (kW) x ex 4(Sun Hour)= 4 kWh
組列年發電量 = 組列額定輸出功率 x 年平均每日日照時數 x 365
bull 預估 1 kWp 組列年發電量 = 1 x 4 x 365 = 1460 kWh
時間時間時間時間
FAQ3太陽光發電的成本(簡易估算)
1 假設目前太陽光發電系統設置成本約為 NT$ 280000 kWp
2 假設年平均每日日照時數約為 25 Sun Hour (台灣中南部地區)
bull 1 kWp 組列單日發電量= 1 (kW) x 25 (Hour)= 25 kWh
bull 1 kWp 組列年發電量= 25 x 365 = 913 kWh (度)
3 假設太陽光發電系統使用壽命為 20 年
bull 1 kWp 太陽光發電系統總共可發電 20 x 913 = 18260 度
4 生產每度電之成本約為 280000 18260 ~ NT$ 153
5 未來發展趨勢
bull 太陽光發電系統設置成本將逐年降低
bull 市電電費將會升高(國內目前約 NT$ 3 度日本約NT$ 7 度)
bull 傳統能源限制再生能源獎勵利率降低
64獨立型太陽光發電系統應用例(一)
bull太陽電池時鐘-日本bull太陽電池路燈-日本千里住宅公園
獨立型太陽光發電系統應用例(二)
bull太陽電池交通標誌-日本北海道 bull高速公路緊急電話-日本
獨立型太陽光發電系統應用例(三)
bull800W無線通信中繼基地台韓國(1998)
獨立型太陽光發電系統應用例(四)
bull離島用90kW獨立型發電系統韓國Ho-Do島(1992)
併聯型太陽光發電系統應用例(一)
bull設置於屋頂之住宅用太陽光發電系統(建材一體型日本千里住宅公園內住宅設計之一)
併聯型太陽光發電系統應用例(二)
bull日本東海線新幹線京都車站之太陽光發電系統(100kWp)
併聯型太陽光發電系統應用例(三)
bull日本京瓷(Kyocera)京都總公司大樓之太陽電池發電系統(220kWp)
太陽光發電發電廠應用例
太陽電池發電廠
(PV Power Plant)
資料來源 ANIT
Srl Italy
建材一體型太陽電池模板應用例
bull資料來源 Pilkington Solar International GmbH 德國
太陽能車應用例
Honda Dream
bull資料來源 PV Special Research
Centre UNSW Australia
交大太陽能車
bull資料來源 National Chiao-Tung
University Taiwan
太陽光發電航太應用例(NASA Helios )
bull空中無線通訊平台應用
資料來源SkyOne Inc Taiwan
bull 飛行高度5-7 萬英呎(最高記錄 96000 英呎)
bull 時速60 mph (起飛 25 mph)
bull 翼展247 英呎bull 重量2000 磅bull 太陽電池效率要求gt22
資料來源httpwwwaerovironmentcomhomehtml
清雲技術學院 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
個人住宅 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
勤益技術學院 3kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
南台科技大學 10kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
總統府 10kWp 獨立型太陽光能發電系統 (9012)
海巡署南沙太平島 20kWp 混合型(柴油發電機)太陽光能發電系統 (9011)
90能源基金示範補助成果例
台電樹林 20kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
併聯型
台電台北市區處 20kWp 太陽光發電系統
(91能源基金示範補助成果)
併聯型
7結論
bull (1)提高電力轉換器效率
bull 轉換器的損失主要來自於開關切換時之損失為了可以降低濾波電路中電感和電容的體積可以提高切換頻率但是相對於開關的切換損失也因此而增加導致轉換器的效率降低因此發展零電壓或零電流切換技術應用於高切換頻率之轉換器將可以提高轉換器的效率
bull (2)提高太陽光發電系統之整體效率
bull 傳統之太陽光發電系統包含儲能系統和供電系統前級利用DCDC轉換器作最大功率追蹤後級則利用DCAC轉換器轉換能量供應給交流負載為了提高太陽光發電系統的整體效率在研究可提出了模組並聯控制技術以提昇各級電力轉換器的效率而在未來太陽光發電系統也將著重在單級電力轉換器的設計對於整體系統效率有較明顯的改善
8參考資料
1許國強ldquo太陽光發電原理與應用工研院材料所 薄膜技術組91年
2華志強黃崇倫ldquo智慧型能量控制於太陽光電能轉換系統國立雲林科技大學電機工程學系電力研討會97年
3林政達ldquo數位式市電並聯換流器與快速鎖相迴路控制器之研製國立雲林科技大學電機工程學系碩士論文92 年
4李思賢ldquo數位式單相低功率太陽光電能轉換系統國立中山大學電機工程學系碩士論文92 年
5洪世杰ldquo適用於再生能源之市電併聯型雙輸入供電系統國立中正大學電機工程研究所碩士論文93 年
6王廷興ldquo太陽能發電配電設計概要台北科技大學冷凍空調系 92年
7魏榮宗王文宏ldquo高效率太陽光電能源轉換系統 元智大學電機工程學系94年
[ ] 100)25(
)11
(exp
1)(exp
3
λminus+=
minus
=
+minus
minus+minus=
TKII
TTBk
qE
T
TII
where
R
IRVIRV
AkT
qIII
ISCRLG
r
GO
r
oros
sh
ssosLG
VI cell output current and voltagecell reverse saturation currentcell temperature in CBoltzmannrsquos constantelectronic chargeshort circuit current temperature coefficientsolar irradiation in Wmshort-circuit current at 25 Cand 1000 Wm
light-generated currentband gap for siliconideality factorsreference temperaturecell saturation current atshunt resistanceseries resistance
osI
T
kq
00170=IK
SCRIλ
LGI
GOE
921== ABKTr deg= 18301
orI
shR
sR
附錄附錄附錄附錄- 太陽能電池太陽能電池太陽能電池太陽能電池
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
(a) Equivalent circuit of a PV module and
(b) Typical PV module current-voltage and power-voltage characteristics
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
Characteristic of a PV module with temperature and irradiation (a) constant irradiation and varying temperature and (b) constant temperature and varying irradiation
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
系統範例系統範例系統範例系統範例
中途驛站電化PV離島用PV系統山岳地帶PV系統離島偏遠區
勤務指揮中心緊急避難所醫療院所公園學校地震觀測站森林嘹望台避難指示燈氣象觀測所水位警報PV系統河川安全燈防波堤安全PV燈
緊急防災
緊急供電系統管線電氣防蝕輸油管流量計PV系統市場廣告塔海上石油平台各種計測站PV系統發電廠情報指揮中心
產業用
住宅用供電系統緊急供電系統緊急照明系統帷幕牆遮陽棚採光罩屋瓦建築物
無線通信用中繼站基地台緊急電話中繼站電話通信PV系統Radio受信PV系統微波中繼站
通訊
農宅用電溫室栽培PV系統農業灌溉用自動灑水系統農牧電籬牛乳冷藏漁業養殖揚水通氣自動餵食器
農林漁牧
路燈交通號誌道路指示牌標誌燈太陽能電動車充電站高速公路緊急電話偏遠道路緊急電話停車計時器停車場控制門系統高速公路防音壁PV系統公路休息區PV系統太陽能車平交道指示燈候車亭PV系統車站屋頂型PV系統
道路交通
收音機測電表手錶計算機太陽能照相機手電筒電池充電器野營燈民生
應用領域
太陽光發電系統之效益
總體效益
bull 經濟效益（偏遠離島緊急發電成本投資回收效益）
bull 環保效益（降低石化燃料發電之CO2NOxSOx污
染）
bull 節能效益（以自然能源替代石化燃料建立自主能
源）
bull 社會效益（疏解尖峰緊急救災用電之社會效益）
bull 產業效益（創造高科技產業及就業機會）
太陽光發電(光伏發電 Photovoltaic PV)之特點
1太陽電池通常為一種固態半導體元件將光能直接
轉換為(直流)電能但本身不儲存能量
2太陽電池使用方便無廢棄物無污染無轉動部
份無噪音可阻隔輻射熱或可設計為半透光
3太陽電池模板壽命長久可達二十年以上
4太陽電池外型尺寸可隨意變化應用廣泛(小至消費
性產品--如計算機大至發電廠皆實用)
5發電量大小隨日光強度而變可以輔助尖峰電力之
不足(併聯型)
6太陽電池未來與建築物結合將可普及化
太陽光發電之重要歷史
bull 1956年第一個太陽電池製作成功
bull 1958年開始太空應用(GaAs)
bull 1970年開始太陽光發電系統地面應用(Si) (能源危
機)
bull 1980年消費性薄膜太陽電池應用(a-Si CdSCdTe)
bull 1990年與公用電力併聯之太陽光發電系統技術成
熟(Grid-Connected PV System Si) (電力電子技術)
bull 1992年起歐美日各國推動太陽光發電系統之
補助獎勵政策
bull 2000年建材一體型太陽電池應用(BIPV)
全世界太陽電池市場量
0
50
100
150
200
250
300
350
400
Shipment (Pmp MW)
1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001
Year
US
JAPAN
EUROPE
ROW
國內太陽光發電發展狀況(IMRL)
bull非晶矽太陽電池研製
1980
bull高效率非晶矽太陽電池
bull低溫 ploy 薄膜太陽電池
19851990
19952000 bull建材一體化模板研製
bull商品化非晶矽太陽電池
bull可撓式非晶矽太陽電池
bull結晶矽太陽電池
bull結晶矽太陽電池模板
bull量產非晶矽太陽電池(光華科技 1988年)
bull架設獨立型太陽光發電系統
bull太陽光發電示範系統設置
bull量產結晶矽太陽電池(士林電機 2000年)
bull架設實驗型與市電併聯型太陽光發電系統及監測分析
2005
bull示範推廣獎勵補助辦法實施
bull晶矽太陽電池研製(核研所)
bull奈米(Nano)太陽電池
國內太陽光發電發展狀況(II其他單位)bull 1980~1990
ndash 清大呂助增教授--MS太陽電池ndash 中科院核研所核儀組-- 2 吋單多晶矽太陽電池模板原型(可商業運轉)
ndash 清大黃惠良教授--非晶矽(amorphous-Si)CuInS2太陽電池ndash 台大李嗣岑教授--非晶矽太陽電池ndash 成大張俊彥教授--非晶矽太陽電池ndash 中原熊慎幹教授--非晶矽太陽電池ndash 交大蔡中教授--太陽光發電系統研究ndash helliphellip
bull 1990~目前ndash 清大黃惠良教授--CuInS2太陽電池ndash 清大徐永珍教授--Porous Si
ndash 交大李威儀教授--GaAs太陽電池ndash 中興江雨龍教授--非晶矽太陽電池ndash 中正吳財福教授--直交流電力轉換器(Inverter)
ndash 台大黃秉鈞教授--太陽光發電系統研究ndash 清雲技術學院電機系--太陽光發電系統研究ndash 士林電機--太空用太陽電池封裝(中華衛星計畫)(目前轉移至永炬光電)
ndash TiO2 Dye Sensitized太陽電池(有機材料)
ndash helliphellip
國內太陽光發電發展狀況(III)
產業狀況上游目前有永炬(士電)茂迪光華科技三家生產太
陽電池包括單晶矽多晶矽與非晶矽太陽電池
發電系統之電力直交轉換器(inverter)目前國內無廠商
生產全仰賴進口
中下游有數家廠商製作太陽電池燈充電器玩
具hellip及其他電子產品
太陽光發電系統安裝施工廠商約 10 餘家
bull住宅用電力系統
bull產業工商用電力系統
bull偏遠地區發電系統(山區離島hellip)
bull緊急防災用電力系統
bull消費性電子產品之電源(手錶時鐘電子計算機充電器燈玩具)
bull交通工具之電源(車船飛機飛行船hellip)
bull太空用發電系統
bull攜帶式電源
bull交通標誌號誌之電源
bull發電廠
太陽光發電之應用領域
學校避難所 醫療院所
政府機構 防災中心
救護站
消防隊
救援中心
警察局
救援機具用電
通訊用電 通氣用電
照明用電
供水用電供油用電
太陽光發電防災緊急電力應用示意圖
太陽電池材料種類說明太陽電池材料種類說明太陽電池材料種類說明太陽電池材料種類說明太陽電池材料種類說明太陽電池材料種類說明太陽電池材料種類說明太陽電池材料種類說明
1以下TiO2奈米及有機奈米及有機奈米及有機奈米及有機Nano amp Organic
應用於有機太陽電池屬研發階段
10~12CdSCdTeCuInse
多晶Poly Crystallin
18~30GaAsInP單晶Single Crystallin
多化合物多化合物多化合物多化合物Compound
應用於太空及聚光型太陽光電系統
6~9SiSiCSiGeSiHSiO
非晶矽Amorphous
10~18多晶矽Poly Crystallin
12~20單晶矽Single Crystallin
晶矽Crystalline
矽矽矽矽(硅硅硅硅) silicon
目前太陽光電系統中應用最為廣泛
市場模組發電轉換效率
半導體材料太陽電池種類
又稱為單結晶晶圓型製程貴發電量佳 礙於晶圓型式多半
截圓型或圓弧造型舖設時面積上無法達到最大利用及吸收
多結晶製程上較便宜發電量略遜單晶矽可截為正方形舖設時
可達到最大面積利用及吸收其晶狀分佈具有應N效果可為建築
物外觀加分另外雖其結理易造成碎裂但晶體可再利用做為項鍊
等裝飾品
非晶矽(可撓式)成本便宜發電率較差且容易造成裂質化但由
於可直接鍍在玻璃及塑膠上面與建築物可做最佳結合除可做太陽
光電系統發電用室內型民生消費品也常見其應用如電子計算
機搖頭娃娃玩具等
常見的太陽電池及模板外觀常見的太陽電池及模板外觀常見的太陽電池及模板外觀常見的太陽電池及模板外觀常見的太陽電池及模板外觀常見的太陽電池及模板外觀常見的太陽電池及模板外觀常見的太陽電池及模板外觀
單晶矽太陽電池外觀 單晶矽太陽電池典型結構
太陽電池外觀與構造(單晶矽)
1 清洗蝕刻
2 磷擴散
P-type wafer
單晶矽太陽電池製程步驟例(I)
3 鍍抗反
射層
4 網印
5 燒結
單晶矽太陽電池製程步驟例(II)
11太陽光發電(Photovoltaic)原理 (I)
太陽電池是以 P 型與 N 型半導
體材料接合構成正極與負極
當太陽光照射太陽電池時光
的能量會使半導體材料內的
正負電荷分離
正負電荷會分別往正負極
方向移動並且聚集
將太陽電池正負極接上負載
時將有電流流出可以對負
載作功(燈泡會亮馬達會轉)
正極P 型
負極N 型
P
N
P
N
P
N
-++
-
+
-+
-+
+ + + + +
- - - - -
--
+
-+
正負電荷
+
-
+
-
+
-
太陽光
太陽光
太陽光
電流
-+
PN(不照光平衡狀態)
EfEv
Ec
N P P
N
P
N
P
N
P
N
光子(Photon)
-+-+
-+
-+
-+
+ + + + +
- - - - -
-+
-+
-+
太陽光發電(Photovoltaic)原理 (II)
-
+
Photon
+
+
-
-
- -
++
Ef
Ev
Ec
PN(照光狀態)
++
-
- -
+
+
--
+
-
+
Photon
多數載子
多數載子
少數載子
少數載子
+
-
多數載子
多數載子
電子-電洞對(Electron-
hole pair)
EvN Type
SemiconductorP Type
Ef
Ec
Ef
Ev
Ec
電子位能
Ec conduction band
Ev valence band
Ef Fermi level
I=I0 (eVaVT-1)-Isc
Isc = -I (短路電流 V=0)
Voc = aVTln(Isc I0 +1) (開路電壓
I=0)
I0 (逆向漏電電流) prop ni prop e-Eg
RshID
Isc
+
----
v
I
RL
Rs
太陽電池等效電路與電氣特性
+I
+V
-V
Dark
VocV
Photo
Isc
I
Pm
I0
太陽電池等效電路 常用太陽電池電路符號
VocVm
Im
Isc
Pm
太陽電池 I-V 特性曲線分析
FF(Fill Factor) = (Vm x Im Voc x Isc) x 100 (越高越好)
ηηηη (Efficiency) = (Vm x Im Pin) x 100 (越高越貴)
bull Pin (Incident Power) = A (hc λ) bull N(λ) dλ
bullλ wavelength (microm)
bull N(λ) Number of photonm2 bull sec
bull A Area (m2)
bull h Plank constant c light speed
Voc開路電壓
Isc短路電流
Pm最大輸出功率值
Vm最大輸出功率時之電壓
Im最大輸出功率時之電流
太陽電池開路短路時皆不會燒毀
0
電壓源
電流源
利用串並聯組成模板與組列提供所需的工作電壓與電流
VocVm
Im
Isc
Pm
12太陽電池之串並聯使用
VocVm
Im
IscPm
VocVm
Im
Isc
Pm
太陽電池模板之構成
+
-
太陽電池模板結構太陽電池模板外觀太陽電池模板接線
正面
強化玻璃
EVA
TedlarTM (Dupont)
EVA
Polyester
TedlarTM (Dupont)
0125
0015
Cells0014
0015
00015
0002
00015
背面
單元太陽電池
太陽電池模板之規格範例
η (Efficiency) = (Vm x Im Pin) x 100
單晶矽模板效率 = (354 V x 495 A) ( 129 m2 x 1000 Wm2 ) x100
= 1358
單晶矽模板效率 = 1302
種類
項目單晶矽 多晶矽
額定輸出功率(Wp) 175 125
開路電壓(V) 444 323
短路電流(A) 555 546
最大輸出工作電壓(V) 354 260
最大輸出工作電流(A) 495 48
輸出最大功率(W) 175 125
尺寸(mm)W15736timesL826
timesH46
W1200timesL802
timesH46
重量(kg) 17 125
測定條件日照強度 AM151000Wm2Module 溫度 25
何謂AM0AM1AM15
Wavelength (microm)
Spec
tral
Irr
adia
nce
(Wm
-2micro
m-1) AM0
AM15
AM 即 Air Mass(不同 Air Mass 代表不同太陽光光譜)
bull AM0 (Air Mass 0) ~ 1400 W bullm-2
bull AM1 (Air Mass 1) ~ 1000 W bullm-2
bull AM15 (Air Mass 15) ~ 844 Wbullm-2
AM15 1000 Wbullm-2 (IEC 891 IEC 904-1)
Earth
AM0
AM1
AM15
大氣層
45o
太陽電池直接驅動負載如馬達等(應用於玩具車船馬達音樂卡片hellip)
bull 電力現買現賣
bull 負載匹配(容量與電壓)
bull 溫度效應
bull 搭配(超高)電容可以提高效能
太陽電池(直流)基礎應用範例(I)
I M
+
-
C
圖片資料來源httpshoppingyahoocom httpwwwsolar-icomSampYhtml
太陽電池先對電池充電再由電池供應負載(應用於玩具車船電動機械夜間燈光計算機鐘錶3C產品hellip)
bull 電力零存整付
bull 太陽電池電池電壓匹配
bull 溫度效應
bull 使用阻隔二極體
bull 電池過充放電保護
太陽電池(直流)基礎應用範例(II)
I負載
+
-
電池
圖片資料來源httpshoppingyahoocom httpwwwsolar-icomSampYhtml
FAQ1太陽電池應用效能不佳太陽電池之負載匹配(Load Matching)
RshID
IL
+
----
v
I
RL
Rs
bull Efficiency of a PV system is strongly affected by load matching
bull Measurement of I-V Characteristic curve is important
VocVm
Im
Isc
Pm
RL 1
RL 3
RL 2 Battery voltage
RL
----
+
不同日照強度下太陽電池 I-V 特性曲線
bull 最大輸出功率隨日照強度而改變並非永遠等於額定值
0
1
2
3
4
5
6
7
0 10 20 30 40 50
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
1000Wm2 (AM1)
500Wm2 (05AM1)
不同溫度下太陽電池 I-V 特性曲線
bull太陽電池溫度升高時輸出電壓與最大輸出功率降低
0
1
2
3
4
5
6
7
0 10 20 30 40 50
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
75oC 50oC 25oC 0oC
Battery voltage
0
1
2
3
4
5
6
7
0 10 20 30 40 50
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
500Wm2 (05AM1)
1000Wm2 (AM1)
太陽電池之動態負載匹配(日照變化)
RL(high)
RL(low)
bull Maximum power tracking is required in high efficiency PV system
太陽電池 I-V 特性曲線測量方法
VocVm
ImIsc Pm
C+
-
A
VR
A
V
A
V可程式負載
模擬陽光使用鎢絲燈氙燈Solar Simulator 或太陽光
Pm lt few10 W Pm lt few 100 W Pm lt 100 kW
Solar Simulator Array Tester
圖片資料來源httpwwwspiresolarcomSolarequipmenthtml
太陽於天球(Celestial Sphere)上運行之軌跡
冬至 春秋分 夏至 冬至 春秋分 夏至 春秋分 夏至
北緯 0o 北緯 45o 北緯 90o
(赤道) (北極)
天球
太陽運行軌跡與太陽電池仰角
冬至 夏至春秋分
所在緯度235o
235o47o0o
47o 235o
13太陽電池組列仰角與間隔設計例
bull組列仰角~235o (台灣地區)
bull h=組列總高度( lt 15 m)
bull L2=h tan(55o) = 057 L0
(55o可適用於冬至0900~1500)
bull水平角度=正南 plusmn5o
235o
55o
235o
夏至
冬至
春秋分
235o 235o
南
h = 04 L0
L1= 092 L0L2 = 057 L0
L0
L1 + L2 = 15 L0
2零交越偵測電路分析
bull 零交越偵測電路如圖1 所示主要目的在於檢測輸入弦波電壓之零交越點其電路輸出為ㄧ方波信號利用方波上緣信號觸發數位訊號處理器之外部中斷腳位進而進行相位同步之功能[4]零交越偵測電路輸入與輸出波形如圖2 所示相位同步控制當數位訊號處理器發生上緣觸發時此觸發訊號如同系統重置訊號將正弦表指標變數歸零一經重置後指標變數又開始計數藉由每週期ㄧ次的重置訊號迫使換流器輸出達到同步相位同步控制波形示意圖如圖3 所示圖4 為零交越偵測電路輸出實測圖[4]
3系統電路架構與動作模式
bull A
bull 本文所述之系統為一太陽光電能轉換系統方塊圖如圖5 所示主要部分包括太陽能板直流-直流轉換器全橋式換流器數位訊號處理器感測迴授電路與驅動電路此一系統之基本動作情況為一般情況下斷路器1 和斷路器2 均為導通狀態此時太陽光電能轉換系統與電力網路處於連結運轉模式而當電力網路供電中斷時斷路器2 將被斷路以避免孤島現象的發生反之若是太陽光電能轉換系統發生故障時斷路器1 將被斷路以避免電力網路受到其故障的影響
31系統電路架構與動作模式
bull B
bull 電路工作模式bull 此一太陽光電能轉換系統主要有兩種工
作模式以下為二種工作模式的操作說明
bull (1) 獨立運轉模式bull 如圖6 所示獨立運轉模式為當電力網
路供電中斷時斷路器2 將被斷路而此時太陽光電能轉換系統將操作在電壓控制模式下提供負載一穩定的輸出電壓
bull (2) 與電力網路連結運轉模式bull 如圖7 所示與電力網路連結運轉模式
將太陽光電能轉換系統與電力網路連結運轉也就是斷路器1 和斷路器2 同時導通此時系統將操作在電流控制模式下首先經由最大功率點追蹤程式運算出瞬時最大功率點的電流參考值再根據此一電流參考值輸出一與電力網路電壓同相位的電流至負載或甚至回送至電力網路
31直流至直流切換式轉換器
典型直流至直流轉換器系統之構造如圖21所示其輸入通常為由線電壓整
流而得之非調節直流電壓然後再利用切換式直流至直流轉換器將此變動之
直流電壓轉換成一調節之直流電壓
無控制之二極體橋式整流器
交流線電壓
(單相或三相)
直流電壓
(無調節性)
濾波電容 (無調節性)
直流至直流轉換器 (具調節性)
負載
蓄電池
直流電壓 直流電壓
控制訊號1降壓式(step-down buck)轉換器
2升壓式(step-up boost)轉換器
3升降壓式(step-downstep-up buck-boost)轉換器
4全橋式轉換器
上述四種轉換器中只有降壓式及升壓式是最基本的轉換器電路架構升
降壓式轉換器是此二基本轉換器之結合而全橋式轉換器則是由降壓式轉
換器衍生而來
直流至直流轉換器之控制
直流至直流轉換器的作用即是在輸入電壓與輸出負載變動的情況下能夠調
節輸出電壓為所設定的位準電壓位準轉換之原理可以圖22(a)所示之簡單
電路來說明由開關導通與截止可得圖22(b)之波形其中輸出電壓vo平均
值大小Vo與開關之導通及截止時間(ton及toff)有關平均輸出電壓大小調整
之最典型的方式是採用脈波寬度調變法(Pulse-Width ModulationPWM)
其切換週期Ts(= ton+toff)為固定由調整導通時間之大小來改變平均輸出電
壓之大小Vo
+
_
Vd
R
+
_
Vo
0Vd
Vo
vo
tton toff
Ts
脈波寬度調變切換控制的方塊圖如
圖23(a)所示開關之切換控制信號
由控制訊號vcontrol與週期為Ts之鋸齒
波vst比較而得控制信號則由Vo之
實際值與設定值之誤差放大而得
vcontrol與vst比較所得之切換控制信號
的波形如圖23(b)所示當控制訊號
vst較大時則為高準位信號即使
開關導通反之為低準位信號即使
開關截止故開關之切換週期亦為
Ts 由以上的原理可知開關切換
之責任週期 (Duty Ratio)為D=tonTs
=vcontrolVst 其中Vst為鋸齒波之振
幅
放大器
+
-Vo
(設定)
(實際)
Vo
比較器
週期性波形 stv
切換控制訊號
控制訊號
0 t
$Vst
=stv 鋸齒波電壓
controlv (放大誤差)
On On
Off Off
stcontrol vv gt
stcontrol vv ltton toff
Ts
切換控制訊號
(切換頻率 fT
s
s
=1
)
升壓式直流至直流轉換器
圖211為升壓式轉換器電路主要用途為直流電源供應器與直流馬達之
再生制動(Regenerative Breaking)顧名思義其輸出電壓高過於其輸入
電壓當開關導通時二極體反向偏壓輸入電能儲存於電感負載電
能則由電容提供當開關截止時負載吸收輸入及儲存電感中之電能
-
L
CRVd
Vo
vL
iL
io
+
-
++
_
t0
t0
vL
iL
I L
Ts
toffton
_++
_
+
_
+ _+
_
+
_
iL
vL
Vd Vo
iL
vL
Vd Vo
)( dV
)( od VV minus
圖212所示為電感電流為連續之
穩態工作波形由穩態下電感電
壓一週期之平均值為零可得
0)( =minus+ offodond tVVtV
等號兩側除以Ts重新整理可得
Dt
T
V
V
off
s
d
o
minus==
1
1
假設電路無損失輸入功率
Pd=VdId 等 於 輸 出 功 率
Po=VoIo 則
)1( DI
I
d
o minus=
非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器
bullBoost之設計假設輸入10V輸出30V頻率50kHz輸出10W
所以D＝23
( ) s
o
o TDDP
VL
22
12
minusge
=6667uH
取75uH
D
VV in
o minus=
1
L
Vi
n
S Vo
+
_
C
DiL
vds
升降壓式直流至直流轉換器
升降壓式轉換器的主要用途為輸入與輸出之極性相反輸出電壓可以高於
或低於輸入電壓之直流電源供應器升降壓式轉換器可以由降壓式轉換器
與升壓式轉換式串接而成穩態下輸入與輸出電壓轉換器之比值為二轉換
器個別比值之乘積
D
D
V
V
d
o
minus=
1
因此變化責任週期D可使輸出電壓高於或低於輸入電壓
+
_
+
_
_
+
RC Vo
L
Vd
io
iLvL
id
降壓式直流至直流轉換器
降壓式轉換器顧名思義其作用為將較高準位的輸入電壓換成較低
準位的輸出電壓主要用途為直流電源供應器及直流馬達速度控制
圖22(a)所示為提供純電阻性負載之降壓式轉換器由圖22(b)可知其輸
出電壓波形由開關位置決定平均輸出電壓為
dd
s
onT
t
t
d
s
T
o
s
o DVVT
tddV
Tdv
TV
s
on
ons ==+== intintint )0(1
)(1
00ττττ
+
_
Vd
R
+
_
Vo
0Vd
Vo
vo
tton toff
Ts
32直流至交流切換式反流器
切換式直流至交流(DCAC)反流器(Inveter)乃用以將直流電源轉換成振幅
與頻率均可調之正弦式交流電源主要用途為交流馬達驅動與交流不斷
電電源供應器圖31為典型交流馬達驅動之反流器方塊圖其直流輸入
電壓通常由線電壓整流及濾波而得接著再利用切換式反流器改變輸出
電壓之振幅與頻率以驅動交流馬達切換式反流器功率之流通通常是
由直流至交流稱為反流模式但亦可以從交流至直流稱為整流模
式
+
_
交流馬達
二極體整流器 濾波電容 切換式反流器
Vd
三相交流電源
反流器包括單相及三相其輸入為直流電壓源者稱為電壓源反流器
(Voltage Source InverterVSI)另外若輸入為直流電流源者稱為電流
反流器(Current Source InverterCSI)目前僅應用在高功率之交流馬達
驅動器
1脈波寬度調變(PWM)反流器其輸入電壓通常為固定反流器本身具備變
頻及變壓的功能而變頻及變壓乃利用開關之脈波寬度調變切換控制達成
有許多類型之脈波寬度變技術可以使輸出電壓近似弦波
2方波(Square-Wave)反流器此反流器輸出電壓振幅乃由其輸入電壓調
整
反流器本身只控制輸出頻率交流輸出電壓波形近似方波因此乃稱方波
反流器
3採用電壓消去法(Voltage Cancellation)之單相反流器單相反流器當輸入
電壓為定值時可以利用電壓消去法來變頻及變壓而不須採用脈波寬度
調變其輸出電壓波形近似方波因此其結合了前述兩種反流器的特色
值得注意的是電壓消去法並不適用於三相反流器
切換式反流器之基本觀念
考慮圖33(a)之單相反流器假設其正弦輸出電壓vo是經過濾波所得若
輸出之負載為電感性(如馬達)則輸出電流io將落後vo 如圖33(b)所示
在期間1及3中 vo與io同號瞬時功率Po=voio為正故功率由直流側送至
交流側稱之為反流模式在期間2及4中 vo與io異號瞬時功率Po為負
故功率由交流側送至直流側稱之為整流模式圖33(a)之切換式反流器
在每一週期內會經歷平面上四個象限中之所有象限
單相切
換式變
流器與
濾波器
o
o
+
-
+
-
Vd
vo
id
io
0t
4 1 2 3
voio
io
vo
1反流器
4整流器
3反流器
2整流器
0
為清楚解釋起見以單臂反流器來說明
+
_
+
_
+ +
__
Vd
Vd
2
Vd
2
A
N
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
vAN
oo
o
反流器電路之脈波寬度調變切換技術如圖35(a)所示由一正弦波形控
制訊號vcontrol與三角波形vtri作比較三角波(又稱載波)之振幅為Vtri頻率
為fs fs決定反流器開關之切換頻率正弦波控制電壓vcontrol(又稱調制訊
號)之基頻f1決定反流器之輸出頻率而其振幅則決定反流器輸出電壓之
大小定義振幅調變指數為ma=Vcontrol Vtri 其中Vcontrol為vcontrol之振幅
而頻率調變指數則定義為mf = fs f1
0 t
vcontrol vtri
sf
1
0 t
vAo
V d
2
minusVd
2
t=0
v v
T on T off
control tri
A A
lt
minus + v v
T on T off
control tri
A A
gt
+ minus
1)( AoAo vv =之基本波
0 t
vcontrol vtri
sf
1
圖34反流器之開關的控制方法與io方向無關為
dAoAtricontrol VvTvv2
1=gt +導通
dAoAtricontrol VvTvv2
1minus=lt minus導通
由於二開關之導通為互補因此輸出電壓只在Vd 2與-Vd 2二值間作變
動圖35(b)所示為ma=08與mf =15時輸出電壓vAo及其基本波(以虛線表示)
之波形
+
_
+
_
+ +
__
Vd
Vd
2
Vd
2
A
N
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
vAN
oo
o
單相全橋式反流器
單相全橋式反流器如圖311所示乃由兩個前述之半橋反流器所組成在
相同之輸入電壓下全橋式反流器之最大輸出電壓為半橋式之兩倍這代
表在相同之功率下全橋式反流器之輸出及開關電流僅為半橋式之一半
此對於高功率用途是一大優點因其可以降低使用並聯元件之需求
+
_
+
_
+
_
Vd
Vd
2
Vd
2
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
v v vo Ao Bo= minuso
A
B
TBminus
TB+
DBminus
DB+
+_
id
o
o
N
雙極性電壓切換之脈波寬度調變
0 t
vcontrolvtri
sf
1
0 t
ov1ov
dV
dVminus
單極性電壓切換之脈波寬度調變
onBT +
trivgttricontrol vv gt
trivcontrolv
t
)( controlvminus
)( controlvminusonAT +
t1ov
dV
dVminus
)( BNAN
o
vv
v
minus=
應用雙極性電壓切換之脈波寬度調
變全橋式反流器乃 (TA+TB-)與 (TA-
TB+)成對切換且二者互相反相
應用單極性電壓切換之脈波寬度調
變全橋式反流器乃A臂與B獨立切
換且同臂二開關互相反相
三相反流器
+
-
+
-
+
-
dV
2dV
2dV
+AT
minusAT
+AD
minusAD
o
BminusT
+BT
minusBD
+BD
di
minusCT
+CT
minusCD
+CD
N
A B C
o
0 t
triv Acontrolv Bcontrolv Ccontrolv
0
BNANAB vvv minus=
t
dV
之基本波1LLv
ANv
0 t
dV
t0
BNv
dV
三相電壓源反流器之脈波寬度調變切換的功能為在固定輸入直流電壓下用以調整三相輸出電壓之振幅及頻率三相脈波寬度調變方式由三相各差120度的控制電壓與三角波作比較其波形與單相全橋式反流器採用脈波寬度調變單極性切換者類似
最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法
33最大功率追蹤最大功率追蹤最大功率追蹤最大功率追蹤
為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點本文使用本文使用本文使用本文使用擾動觀察法擾動觀察法擾動觀察法擾動觀察法(Perturbation and Observation Method PampQ)進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功率追蹤率追蹤率追蹤率追蹤由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點下圖為擾動下圖為擾動下圖為擾動下圖為擾動觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖為利用為利用為利用為利用DCDC轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作時時時時其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為0之特性之特性之特性之特性使用使用使用使用DCDC轉換器控制太陽轉換器控制太陽轉換器控制太陽轉換器控制太陽能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動
擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖
最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法
左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖蹤示意圖蹤示意圖蹤示意圖太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分為兩個特性區域為兩個特性區域為兩個特性區域為兩個特性區域假設進行追蹤假設進行追蹤假設進行追蹤假設進行追蹤時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時電壓電壓電壓電壓的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率增加增加增加增加若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出功率減少功率減少功率減少功率減少經由經由經由經由DCDC轉換器調轉換器調轉換器調轉換器調節太陽能板與節太陽能板與節太陽能板與節太陽能板與DCDC轉換器的阻轉換器的阻轉換器的阻轉換器的阻抗相互匹配抗相互匹配抗相互匹配抗相互匹配進而得到太陽能板進而得到太陽能板進而得到太陽能板進而得到太陽能板的最大輸出功率的最大輸出功率的最大輸出功率的最大輸出功率
擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖
4軟體規劃
bull 系統控制程式主要分為主程式固定週期中斷副程式市電電壓零交越中斷副程式等三大部分以下將分別介紹各部分程式流程
bull 本系統主程式主要執行數位訊號處理器周邊暫存器的初始設定以及變數宣告其中除了變數宣告外周邊暫存器的初始設定包括有規畫中斷向量設定計數器之計數模式計數週期中斷的時間和PWM 輸出模式等相關參數設定
bull 如圖8 所示系統初始設定後必須先等待中斷發生才能決定系統是否執行固定週期中斷程式或零交越中斷副程式
bull 圖9 為固定週期中斷副程式流程圖固定週期中斷頻率與換流器開關之切換頻率相同為20kHz程式開始會先偵測太陽能板電壓及電流與直流鏈電壓當確定市電電壓零交越中斷發生時必須先將輸出弦波訊號之指標強制為原點重新送出單位弦波確保換流器輸出電流與市電電壓能維持同相位接著比較太陽能板輸入電壓VPV 是否大於最低工作電壓VPV_work如果確定大於最低工作電壓則致能太陽能最大功率追蹤反之則禁能系統動作程式返回圖9 中的正弦脈寬調變副程式主要功能在於決定換流器中開關的動作順序與責任週期大小以及輸波參考訊號
bull 圖10 為太陽能最大功率點追蹤副程式流程圖在文中對最大功率追蹤採用擾動與觀察法配合太陽能光電板的電壓mdash功率特性曲線即可瞭解程式如何完成太陽能光電板最大功率點追蹤
主程式流程圖
5實驗
bull 依據上述的分析採用DSP 2407A 建立一個500W 太陽光電池電能轉換系統依據圖11 之
bull 電路架構其規格與元件參數分別列於表一表二及表三系統實驗波形圖12圖13圖14 及
bull 圖15 為系統操作在獨立運轉模式下負載分別為120W240W360W 及480W 時之換流器輸出
bull 電壓及輸出電流之實測波形
系統規格與元件參數
實測波形
6實務應用系統實務應用系統實務應用系統實務應用系統
獨立系統示意圖獨立系統示意圖
考慮點
系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等安全係數最佳化設計複雜)
一般充電控制器無 MPPT搭配蓄電池使發電效能較差
蓄電池每日gt50DOD深度放電gt02C充電壽命短
太陽光發電量與負載需求量不搭配時太陽光之發電能量利用率偏低 (負載需求搭配與安全係數為互相矛盾之設計)
PV-柴油發電機PV-風力等混合系統為改善之方法
市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台
電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池
併聯系統示意圖併聯系統示意圖
緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析
1 系統設置成本高建議使用於邊際效益高之用電（防災緊急輔助電力）
2 總體經濟效益減少環境污染解決尖峰用電之不足與短缺能源多元化之風險分擔與開創自主能源
3 遮蔽陽光直曬降低建築物之熱效應（被動省能）同時轉換太陽光為電能供應建物自主能源（主動節能）一舉兩得
緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較
30萬元divide21900kWh＝137元度2萬元divide50kWh＝400元度每度電成本
日發電度數times365天times20年＝3hrtimes1kWtimes365天times20年＝21900kWh（度）
（年停電＋年測試運轉時數）times10年＝（20mintimes6次＋15mintimes12月）times10年＝5hrtimes1kWtimes10年＝50kWh
總發電度數（1kw計）
夜間不發電（可利用蓄電池設計供電年維運費02）
噪音空污油料運輸儲油危險維運成本高
缺點
利用露台屋頂牆面空間設備煙管隔音油槽需室內空間
設置空間
平時緊急時均可使用隨時可了解運轉狀況不須操作
加ATS停電時方可啟動需人員每月定期測試運轉
系統運作
太陽光潔淨能源（免費）柴油使用燃料
20年7~10年使用壽命
1kW=30萬元1kW=2~3萬元設置費用
太陽光發電系統柴油發電機
風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析
運用多元化能源分擔風險情況比較說明如下
1 市電--gt停電時風險極高
2 市電＋柴油發電機--gt發電機故障時風險高
市電＋柴油發電機＋太陽光發電系統--gt發揮三者優點互補同時故障機率小風險最低
案例
832kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide057＝317 m2
115kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide075＝332 m2
緊急時057平時065~08
綜合係數溫度變化污損線損Inverter效率＋蓄電池充放電補償
電力需求divide（日照強度times日照時間times模板效率times綜合係數）
模組面積估算
日照強度1kWm2
日照時間384hd
模板效率12
832kWhd500人用電量115kWhd770人用電量
緊急時平時
電力需求估算
緊急時40kWtimes384hdtimes057＝875 kWhd
平時40kWtimes384hdtimes075＝1152Whd
太陽發電系統發電量＝設置容量times日照時間times綜合係數
發電量計算
332m2times1kWm2times12＝398kW≒40kW
太陽發電系統設置容量＝設置面積times日照強度times模板效率
設置容量計算模板效率依太陽電池種類而異
進行模板陣列及蓄電池容量設計
40kWdivide18片串divide120W＝185列≒19
列
40kWdivide17片串divide120W＝196列≒20
列
陣列併列數＝設置容量divide單串功率
18片times120W＝2160W
17片times120W＝2040W
單串功率
300Vdivide169V＝1775片（取整數17 or 18）
陣列串聯數＝Inverter輸入電壓divide模板輸出電壓
模板陣列設計
1 模板功率120W
2 模板輸出電壓169V
3 直交流轉換器(Inverter)輸入電壓300V
120Wtimes17片串times20列＝40800W＝340片(最佳陣列)
120Wtimes18片串times19列＝41080W＝342片
最佳陣列較經濟之設置容量選擇最佳陣列
蓄電池數量＝144個times2列＝288個
120640Whdivide288Vdivide200Ah＝21列≒2列
併列數＝蓄電池需求容量divideInverter額定電壓
288Vdivide2V＝144個
串聯數＝Inverter額定電壓divide蓄電池電壓串併數設計
middot 蓄電池電壓2V個
middot 蓄電池容量200Ah個
Inverter電壓輸入電壓 額定電壓300V 288V200V 192V
蓄電池需求容量＝832kWhdtimes1dtimes145＝12064kWh
蓄電池需求容量＝緊急電力需求times無日照天數times補償係數補償係數蓄電池內阻抗放電停止電壓電壓降低補償
蓄電池需求容量設計
middot 補償係數145
無日照天數1日
61市電相關規定市電相關規定市電相關規定市電相關規定
1 發電設備併接於低壓系統者其總容量未滿100kW且技術無困難者得併接於單相三線110V220V三相三線220V之配電系統若總容量在100kW以上而未滿500kW得分別併接於3相4線220V380V之配電系統
2 發電設備總容量在500kW以上而未滿5000kW10000kW且技術無困難者得分別併接於114KV228KV之高壓配電系統
3 電設備總容量在10000kW以上而未滿40000kW者得併接於特高壓之系統
4 發電設備總容量在40000kW以上者依個案研討分類
併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類
發電系統經由發電系統經由發電系統經由發電系統經由110V220V110V220V110V220V110V220V併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者發電設發電設發電設發電設備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能
1 過電壓保護 低電壓保護
2 低頻保護 高頻保護
3 過電流保護 零相過電壓接地保護
4 發電設備為無逆送電力者須加裝逆電力保護
5 發電設備為有逆送電力者必須具備主動及被動防止單獨運轉保護
發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經110V220V110V220V110V220V110V220V系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者在電在電在電在電源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器
發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業114KV228KV114KV228KV114KV228KV114KV228KV之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者((((高高高高壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶))))發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Extremely Inverse特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Extremely Inverse特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過流電驛(67)須具Normal Inverse特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
發電設備併接於電業69KV特高壓輸電系統者發電設備之輸出端至少應具有下列同等保護功能並須與電業該轄區之保護設備協調
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Normal Inverse之特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Normal Inverse之特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過電流電驛(67)須具Normal Inverse之特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
8 快速及後衛保護電驛如系統保護需要時應裝設
9 匯流排電驛採用GIS斷路器者應裝設
62626262太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範
1 故障電流
太陽光電發電系統大於100kW以上須計算故障電流其送至電業系統之故障電流不得影響電業及其他用戶斷路器之起斷容量否則需裝置限流電抗器
太陽光電發電系統之隔離變壓器接地方式須與電業之系統配合
2 正常電壓變動率應維持在plusmn5以內
3 太陽光電發電系統與電業間之責任分界點的功率因數以維持85落後至100之間運轉為原則
4 諧波污染限制應依照「電力系統諧波管制暫行標準」辦理
分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性
適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯型之規範型之規範型之規範型之規範
電力轉換器電力轉換器電力轉換器電力轉換器(電力調節器電力調節器電力調節器電力調節器)(InverterConditioner)
蓄電池蓄電池蓄電池蓄電池(Battery))
63大型(商用)太陽光發電系統應用(gt1 kWp)
太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統
單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池(Unit Solar Cell)
太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板(PV Module)
太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列(PV Array)
太陽光發電系統應用獨立系統
(A) 獨立系統(Stand-Alone
System)
bull 蓄電池保護壽命
(B) 混合型交流獨立系統 (Hybrid
System)
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
直流負載PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
整流器
輔助發電機
PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載- ~PCU
直直直直交流轉換器交流轉換器交流轉換器交流轉換器
太陽光發電系統應用併聯系統
(D)併聯系統(Grid-
connected System)
特殊功能1 最佳效能2 防止獨立運轉(連線保護)
3 可自力運轉
(E) 防逆流型系統(Off-line System)
(F) 防災型併聯系統
充電控制器
蓄電池
直交流轉換器
PCU太陽電池組列
交流負載
ATS
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
獨立型系統
適用地點高山離島基地台hellip等市電無法到達處
工作方式白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
必須可以自給自足
缺點bull 系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等
安全係數設計很困難)
bull 蓄電池建置複雜成本很高壽命很短
bull 負載搭配不良時發電效能不佳利用率將偏低
bull 需由專人隨時維護
bull 混合系統為一種解決方法
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
PCU
併聯型系統
適用地點電力正常送達之任何地點工作方式 bull 白天 PV系統併聯發電夜間由台電供電bull 將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的蓄電池
優點bull 系統簡單不需安全係數設計(依預算設計)不需要專人維護bull 併聯發電效率高利用率高
缺點bull 停電時無電可用bull 受併聯法規限制尚未開放(但即將開放)
bull 有孤島效應之疑慮(目前技術上已解決)
改善型無電池自力運轉
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
市電併聯型住宅用太陽光發電系統
太陽光發電系統發電及負載用電對時間之關係
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
併聯型直交流轉換器之效能要求較高
1 最大功率追蹤(Maximum Power Tracking MPT)
2 高轉換效率 gt 90 (PWM+電力電子元件)
3 高次諧波功率 Distortion (lt5 total)
4 自動開關機(白天夜晚)
5 過負載保護過溫度保護
6 體積小重量輕室外防水防塵
7 電腦界面可遠端監控
8 防止獨立運轉(連線保護)
9 可自力運轉
太陽電池組列
交流負載
直交流轉換器MPT
Power Conditioner
併聯系統之獨立運轉(單獨運轉)
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull停電時單一併聯系統將會停止運作
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
bull 市電停電時多數併聯系統仍聯合運作將對電力公司人員產生嚴重危害
孤島效應之防止方法
停電偵測1 過電壓低電壓
2 過頻率低頻率
3 被動式偵測如
bull 電壓與頻率監視方式
bull 電壓相位跳躍監視方式
bull 高次諧波監視方式
bull 頻率變化監視方式
PV組列
直交流轉換器
自家負載
4 主動偵測如
bull 頻率Shift方式
bull 配電線負載變動方式
bull 有效電力變動方式
bull 無效電力變動方式
反應時間05~2秒
資料來源「日本電氣用品試驗所」分散型電源系統連系技術指針(1998)
併聯系統之自力運轉功能
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull 大停電後白天有陽光時以人工啟動 PV 系統進行自力運轉供自家負載使用(但夜間無法使用)
防災型併聯型系統
適用地點有防災需求(照明汲水通信hellip)之公共設施
工作方式
bull 平時PV併聯發電(電池浮充) 效率高利用率高夜間由台電供電
bull 視需要建置供防災用電池大停電時白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
缺點bull 含電池成本較高bull 系統較複雜需專人定期維護
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
FAQ1太陽光發電需要多少土地
效率 = (輸出功率W) (組列面積 m2 x 日照強度 Wm2 ) x 100
模板面積 m2 = 輸出功率W (效率 x日照強度Wm2 ) x100
bull 假設使用效率gt136 模板於1000 Wm2 (AM15)日照強度下
10 kWp 模板面積 (m2) = 10000 (0136 x 1000) ~ 735 m2
10 kWp PV系統土地面積需求約
~ 735 m2 x 15 x 11
~ 121m2 (~36坪)
(包括陰影面積及維修空間)
bull 假設使用效率~10 模板
則模板面積約 ~ 100 m2
土地面積需求約 ~ 165m2 (~50坪)
gt55o
夏至
冬至
春秋分
235o 235oh
L1 L2
FAQ2太陽電池一年能發多少電
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
10 kWm2
05 kWm2
日照強度
等效日照時數(Sun Hour)
組列單日發電量 = 組列額定輸出功率 x 等效日照時數
bull 預估1 kWp 組列單日發電量 = 1 (kW) x ex 4(Sun Hour)= 4 kWh
組列年發電量 = 組列額定輸出功率 x 年平均每日日照時數 x 365
bull 預估 1 kWp 組列年發電量 = 1 x 4 x 365 = 1460 kWh
時間時間時間時間
FAQ3太陽光發電的成本(簡易估算)
1 假設目前太陽光發電系統設置成本約為 NT$ 280000 kWp
2 假設年平均每日日照時數約為 25 Sun Hour (台灣中南部地區)
bull 1 kWp 組列單日發電量= 1 (kW) x 25 (Hour)= 25 kWh
bull 1 kWp 組列年發電量= 25 x 365 = 913 kWh (度)
3 假設太陽光發電系統使用壽命為 20 年
bull 1 kWp 太陽光發電系統總共可發電 20 x 913 = 18260 度
4 生產每度電之成本約為 280000 18260 ~ NT$ 153
5 未來發展趨勢
bull 太陽光發電系統設置成本將逐年降低
bull 市電電費將會升高(國內目前約 NT$ 3 度日本約NT$ 7 度)
bull 傳統能源限制再生能源獎勵利率降低
64獨立型太陽光發電系統應用例(一)
bull太陽電池時鐘-日本bull太陽電池路燈-日本千里住宅公園
獨立型太陽光發電系統應用例(二)
bull太陽電池交通標誌-日本北海道 bull高速公路緊急電話-日本
獨立型太陽光發電系統應用例(三)
bull800W無線通信中繼基地台韓國(1998)
獨立型太陽光發電系統應用例(四)
bull離島用90kW獨立型發電系統韓國Ho-Do島(1992)
併聯型太陽光發電系統應用例(一)
bull設置於屋頂之住宅用太陽光發電系統(建材一體型日本千里住宅公園內住宅設計之一)
併聯型太陽光發電系統應用例(二)
bull日本東海線新幹線京都車站之太陽光發電系統(100kWp)
併聯型太陽光發電系統應用例(三)
bull日本京瓷(Kyocera)京都總公司大樓之太陽電池發電系統(220kWp)
太陽光發電發電廠應用例
太陽電池發電廠
(PV Power Plant)
資料來源 ANIT
Srl Italy
建材一體型太陽電池模板應用例
bull資料來源 Pilkington Solar International GmbH 德國
太陽能車應用例
Honda Dream
bull資料來源 PV Special Research
Centre UNSW Australia
交大太陽能車
bull資料來源 National Chiao-Tung
University Taiwan
太陽光發電航太應用例(NASA Helios )
bull空中無線通訊平台應用
資料來源SkyOne Inc Taiwan
bull 飛行高度5-7 萬英呎(最高記錄 96000 英呎)
bull 時速60 mph (起飛 25 mph)
bull 翼展247 英呎bull 重量2000 磅bull 太陽電池效率要求gt22
資料來源httpwwwaerovironmentcomhomehtml
清雲技術學院 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
個人住宅 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
勤益技術學院 3kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
南台科技大學 10kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
總統府 10kWp 獨立型太陽光能發電系統 (9012)
海巡署南沙太平島 20kWp 混合型(柴油發電機)太陽光能發電系統 (9011)
90能源基金示範補助成果例
台電樹林 20kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
併聯型
台電台北市區處 20kWp 太陽光發電系統
(91能源基金示範補助成果)
併聯型
7結論
bull (1)提高電力轉換器效率
bull 轉換器的損失主要來自於開關切換時之損失為了可以降低濾波電路中電感和電容的體積可以提高切換頻率但是相對於開關的切換損失也因此而增加導致轉換器的效率降低因此發展零電壓或零電流切換技術應用於高切換頻率之轉換器將可以提高轉換器的效率
bull (2)提高太陽光發電系統之整體效率
bull 傳統之太陽光發電系統包含儲能系統和供電系統前級利用DCDC轉換器作最大功率追蹤後級則利用DCAC轉換器轉換能量供應給交流負載為了提高太陽光發電系統的整體效率在研究可提出了模組並聯控制技術以提昇各級電力轉換器的效率而在未來太陽光發電系統也將著重在單級電力轉換器的設計對於整體系統效率有較明顯的改善
8參考資料
1許國強ldquo太陽光發電原理與應用工研院材料所 薄膜技術組91年
2華志強黃崇倫ldquo智慧型能量控制於太陽光電能轉換系統國立雲林科技大學電機工程學系電力研討會97年
3林政達ldquo數位式市電並聯換流器與快速鎖相迴路控制器之研製國立雲林科技大學電機工程學系碩士論文92 年
4李思賢ldquo數位式單相低功率太陽光電能轉換系統國立中山大學電機工程學系碩士論文92 年
5洪世杰ldquo適用於再生能源之市電併聯型雙輸入供電系統國立中正大學電機工程研究所碩士論文93 年
6王廷興ldquo太陽能發電配電設計概要台北科技大學冷凍空調系 92年
7魏榮宗王文宏ldquo高效率太陽光電能源轉換系統 元智大學電機工程學系94年
[ ] 100)25(
)11
(exp
1)(exp
3
λminus+=
minus
=
+minus
minus+minus=
TKII
TTBk
qE
T
TII
where
R
IRVIRV
AkT
qIII
ISCRLG
r
GO
r
oros
sh
ssosLG
VI cell output current and voltagecell reverse saturation currentcell temperature in CBoltzmannrsquos constantelectronic chargeshort circuit current temperature coefficientsolar irradiation in Wmshort-circuit current at 25 Cand 1000 Wm
light-generated currentband gap for siliconideality factorsreference temperaturecell saturation current atshunt resistanceseries resistance
osI
T
kq
00170=IK
SCRIλ
LGI
GOE
921== ABKTr deg= 18301
orI
shR
sR
附錄附錄附錄附錄- 太陽能電池太陽能電池太陽能電池太陽能電池
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
(a) Equivalent circuit of a PV module and
(b) Typical PV module current-voltage and power-voltage characteristics
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
Characteristic of a PV module with temperature and irradiation (a) constant irradiation and varying temperature and (b) constant temperature and varying irradiation
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
系統範例系統範例系統範例系統範例
中途驛站電化PV離島用PV系統山岳地帶PV系統離島偏遠區
勤務指揮中心緊急避難所醫療院所公園學校地震觀測站森林嘹望台避難指示燈氣象觀測所水位警報PV系統河川安全燈防波堤安全PV燈
緊急防災
緊急供電系統管線電氣防蝕輸油管流量計PV系統市場廣告塔海上石油平台各種計測站PV系統發電廠情報指揮中心
產業用
住宅用供電系統緊急供電系統緊急照明系統帷幕牆遮陽棚採光罩屋瓦建築物
無線通信用中繼站基地台緊急電話中繼站電話通信PV系統Radio受信PV系統微波中繼站
通訊
農宅用電溫室栽培PV系統農業灌溉用自動灑水系統農牧電籬牛乳冷藏漁業養殖揚水通氣自動餵食器
農林漁牧
路燈交通號誌道路指示牌標誌燈太陽能電動車充電站高速公路緊急電話偏遠道路緊急電話停車計時器停車場控制門系統高速公路防音壁PV系統公路休息區PV系統太陽能車平交道指示燈候車亭PV系統車站屋頂型PV系統
道路交通
收音機測電表手錶計算機太陽能照相機手電筒電池充電器野營燈民生
應用領域
太陽光發電(光伏發電 Photovoltaic PV)之特點
1太陽電池通常為一種固態半導體元件將光能直接
轉換為(直流)電能但本身不儲存能量
2太陽電池使用方便無廢棄物無污染無轉動部
份無噪音可阻隔輻射熱或可設計為半透光
3太陽電池模板壽命長久可達二十年以上
4太陽電池外型尺寸可隨意變化應用廣泛(小至消費
性產品--如計算機大至發電廠皆實用)
5發電量大小隨日光強度而變可以輔助尖峰電力之
不足(併聯型)
6太陽電池未來與建築物結合將可普及化
太陽光發電之重要歷史
bull 1956年第一個太陽電池製作成功
bull 1958年開始太空應用(GaAs)
bull 1970年開始太陽光發電系統地面應用(Si) (能源危
機)
bull 1980年消費性薄膜太陽電池應用(a-Si CdSCdTe)
bull 1990年與公用電力併聯之太陽光發電系統技術成
熟(Grid-Connected PV System Si) (電力電子技術)
bull 1992年起歐美日各國推動太陽光發電系統之
補助獎勵政策
bull 2000年建材一體型太陽電池應用(BIPV)
全世界太陽電池市場量
0
50
100
150
200
250
300
350
400
Shipment (Pmp MW)
1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001
Year
US
JAPAN
EUROPE
ROW
國內太陽光發電發展狀況(IMRL)
bull非晶矽太陽電池研製
1980
bull高效率非晶矽太陽電池
bull低溫 ploy 薄膜太陽電池
19851990
19952000 bull建材一體化模板研製
bull商品化非晶矽太陽電池
bull可撓式非晶矽太陽電池
bull結晶矽太陽電池
bull結晶矽太陽電池模板
bull量產非晶矽太陽電池(光華科技 1988年)
bull架設獨立型太陽光發電系統
bull太陽光發電示範系統設置
bull量產結晶矽太陽電池(士林電機 2000年)
bull架設實驗型與市電併聯型太陽光發電系統及監測分析
2005
bull示範推廣獎勵補助辦法實施
bull晶矽太陽電池研製(核研所)
bull奈米(Nano)太陽電池
國內太陽光發電發展狀況(II其他單位)bull 1980~1990
ndash 清大呂助增教授--MS太陽電池ndash 中科院核研所核儀組-- 2 吋單多晶矽太陽電池模板原型(可商業運轉)
ndash 清大黃惠良教授--非晶矽(amorphous-Si)CuInS2太陽電池ndash 台大李嗣岑教授--非晶矽太陽電池ndash 成大張俊彥教授--非晶矽太陽電池ndash 中原熊慎幹教授--非晶矽太陽電池ndash 交大蔡中教授--太陽光發電系統研究ndash helliphellip
bull 1990~目前ndash 清大黃惠良教授--CuInS2太陽電池ndash 清大徐永珍教授--Porous Si
ndash 交大李威儀教授--GaAs太陽電池ndash 中興江雨龍教授--非晶矽太陽電池ndash 中正吳財福教授--直交流電力轉換器(Inverter)
ndash 台大黃秉鈞教授--太陽光發電系統研究ndash 清雲技術學院電機系--太陽光發電系統研究ndash 士林電機--太空用太陽電池封裝(中華衛星計畫)(目前轉移至永炬光電)
ndash TiO2 Dye Sensitized太陽電池(有機材料)
ndash helliphellip
國內太陽光發電發展狀況(III)
產業狀況上游目前有永炬(士電)茂迪光華科技三家生產太
陽電池包括單晶矽多晶矽與非晶矽太陽電池
發電系統之電力直交轉換器(inverter)目前國內無廠商
生產全仰賴進口
中下游有數家廠商製作太陽電池燈充電器玩
具hellip及其他電子產品
太陽光發電系統安裝施工廠商約 10 餘家
bull住宅用電力系統
bull產業工商用電力系統
bull偏遠地區發電系統(山區離島hellip)
bull緊急防災用電力系統
bull消費性電子產品之電源(手錶時鐘電子計算機充電器燈玩具)
bull交通工具之電源(車船飛機飛行船hellip)
bull太空用發電系統
bull攜帶式電源
bull交通標誌號誌之電源
bull發電廠
太陽光發電之應用領域
學校避難所 醫療院所
政府機構 防災中心
救護站
消防隊
救援中心
警察局
救援機具用電
通訊用電 通氣用電
照明用電
供水用電供油用電
太陽光發電防災緊急電力應用示意圖
太陽電池材料種類說明太陽電池材料種類說明太陽電池材料種類說明太陽電池材料種類說明太陽電池材料種類說明太陽電池材料種類說明太陽電池材料種類說明太陽電池材料種類說明
1以下TiO2奈米及有機奈米及有機奈米及有機奈米及有機Nano amp Organic
應用於有機太陽電池屬研發階段
10~12CdSCdTeCuInse
多晶Poly Crystallin
18~30GaAsInP單晶Single Crystallin
多化合物多化合物多化合物多化合物Compound
應用於太空及聚光型太陽光電系統
6~9SiSiCSiGeSiHSiO
非晶矽Amorphous
10~18多晶矽Poly Crystallin
12~20單晶矽Single Crystallin
晶矽Crystalline
矽矽矽矽(硅硅硅硅) silicon
目前太陽光電系統中應用最為廣泛
市場模組發電轉換效率
半導體材料太陽電池種類
又稱為單結晶晶圓型製程貴發電量佳 礙於晶圓型式多半
截圓型或圓弧造型舖設時面積上無法達到最大利用及吸收
多結晶製程上較便宜發電量略遜單晶矽可截為正方形舖設時
可達到最大面積利用及吸收其晶狀分佈具有應N效果可為建築
物外觀加分另外雖其結理易造成碎裂但晶體可再利用做為項鍊
等裝飾品
非晶矽(可撓式)成本便宜發電率較差且容易造成裂質化但由
於可直接鍍在玻璃及塑膠上面與建築物可做最佳結合除可做太陽
光電系統發電用室內型民生消費品也常見其應用如電子計算
機搖頭娃娃玩具等
常見的太陽電池及模板外觀常見的太陽電池及模板外觀常見的太陽電池及模板外觀常見的太陽電池及模板外觀常見的太陽電池及模板外觀常見的太陽電池及模板外觀常見的太陽電池及模板外觀常見的太陽電池及模板外觀
單晶矽太陽電池外觀 單晶矽太陽電池典型結構
太陽電池外觀與構造(單晶矽)
1 清洗蝕刻
2 磷擴散
P-type wafer
單晶矽太陽電池製程步驟例(I)
3 鍍抗反
射層
4 網印
5 燒結
單晶矽太陽電池製程步驟例(II)
11太陽光發電(Photovoltaic)原理 (I)
太陽電池是以 P 型與 N 型半導
體材料接合構成正極與負極
當太陽光照射太陽電池時光
的能量會使半導體材料內的
正負電荷分離
正負電荷會分別往正負極
方向移動並且聚集
將太陽電池正負極接上負載
時將有電流流出可以對負
載作功(燈泡會亮馬達會轉)
正極P 型
負極N 型
P
N
P
N
P
N
-++
-
+
-+
-+
+ + + + +
- - - - -
--
+
-+
正負電荷
+
-
+
-
+
-
太陽光
太陽光
太陽光
電流
-+
PN(不照光平衡狀態)
EfEv
Ec
N P P
N
P
N
P
N
P
N
光子(Photon)
-+-+
-+
-+
-+
+ + + + +
- - - - -
-+
-+
-+
太陽光發電(Photovoltaic)原理 (II)
-
+
Photon
+
+
-
-
- -
++
Ef
Ev
Ec
PN(照光狀態)
++
-
- -
+
+
--
+
-
+
Photon
多數載子
多數載子
少數載子
少數載子
+
-
多數載子
多數載子
電子-電洞對(Electron-
hole pair)
EvN Type
SemiconductorP Type
Ef
Ec
Ef
Ev
Ec
電子位能
Ec conduction band
Ev valence band
Ef Fermi level
I=I0 (eVaVT-1)-Isc
Isc = -I (短路電流 V=0)
Voc = aVTln(Isc I0 +1) (開路電壓
I=0)
I0 (逆向漏電電流) prop ni prop e-Eg
RshID
Isc
+
----
v
I
RL
Rs
太陽電池等效電路與電氣特性
+I
+V
-V
Dark
VocV
Photo
Isc
I
Pm
I0
太陽電池等效電路 常用太陽電池電路符號
VocVm
Im
Isc
Pm
太陽電池 I-V 特性曲線分析
FF(Fill Factor) = (Vm x Im Voc x Isc) x 100 (越高越好)
ηηηη (Efficiency) = (Vm x Im Pin) x 100 (越高越貴)
bull Pin (Incident Power) = A (hc λ) bull N(λ) dλ
bullλ wavelength (microm)
bull N(λ) Number of photonm2 bull sec
bull A Area (m2)
bull h Plank constant c light speed
Voc開路電壓
Isc短路電流
Pm最大輸出功率值
Vm最大輸出功率時之電壓
Im最大輸出功率時之電流
太陽電池開路短路時皆不會燒毀
0
電壓源
電流源
利用串並聯組成模板與組列提供所需的工作電壓與電流
VocVm
Im
Isc
Pm
12太陽電池之串並聯使用
VocVm
Im
IscPm
VocVm
Im
Isc
Pm
太陽電池模板之構成
+
-
太陽電池模板結構太陽電池模板外觀太陽電池模板接線
正面
強化玻璃
EVA
TedlarTM (Dupont)
EVA
Polyester
TedlarTM (Dupont)
0125
0015
Cells0014
0015
00015
0002
00015
背面
單元太陽電池
太陽電池模板之規格範例
η (Efficiency) = (Vm x Im Pin) x 100
單晶矽模板效率 = (354 V x 495 A) ( 129 m2 x 1000 Wm2 ) x100
= 1358
單晶矽模板效率 = 1302
種類
項目單晶矽 多晶矽
額定輸出功率(Wp) 175 125
開路電壓(V) 444 323
短路電流(A) 555 546
最大輸出工作電壓(V) 354 260
最大輸出工作電流(A) 495 48
輸出最大功率(W) 175 125
尺寸(mm)W15736timesL826
timesH46
W1200timesL802
timesH46
重量(kg) 17 125
測定條件日照強度 AM151000Wm2Module 溫度 25
何謂AM0AM1AM15
Wavelength (microm)
Spec
tral
Irr
adia
nce
(Wm
-2micro
m-1) AM0
AM15
AM 即 Air Mass(不同 Air Mass 代表不同太陽光光譜)
bull AM0 (Air Mass 0) ~ 1400 W bullm-2
bull AM1 (Air Mass 1) ~ 1000 W bullm-2
bull AM15 (Air Mass 15) ~ 844 Wbullm-2
AM15 1000 Wbullm-2 (IEC 891 IEC 904-1)
Earth
AM0
AM1
AM15
大氣層
45o
太陽電池直接驅動負載如馬達等(應用於玩具車船馬達音樂卡片hellip)
bull 電力現買現賣
bull 負載匹配(容量與電壓)
bull 溫度效應
bull 搭配(超高)電容可以提高效能
太陽電池(直流)基礎應用範例(I)
I M
+
-
C
圖片資料來源httpshoppingyahoocom httpwwwsolar-icomSampYhtml
太陽電池先對電池充電再由電池供應負載(應用於玩具車船電動機械夜間燈光計算機鐘錶3C產品hellip)
bull 電力零存整付
bull 太陽電池電池電壓匹配
bull 溫度效應
bull 使用阻隔二極體
bull 電池過充放電保護
太陽電池(直流)基礎應用範例(II)
I負載
+
-
電池
圖片資料來源httpshoppingyahoocom httpwwwsolar-icomSampYhtml
FAQ1太陽電池應用效能不佳太陽電池之負載匹配(Load Matching)
RshID
IL
+
----
v
I
RL
Rs
bull Efficiency of a PV system is strongly affected by load matching
bull Measurement of I-V Characteristic curve is important
VocVm
Im
Isc
Pm
RL 1
RL 3
RL 2 Battery voltage
RL
----
+
不同日照強度下太陽電池 I-V 特性曲線
bull 最大輸出功率隨日照強度而改變並非永遠等於額定值
0
1
2
3
4
5
6
7
0 10 20 30 40 50
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
1000Wm2 (AM1)
500Wm2 (05AM1)
不同溫度下太陽電池 I-V 特性曲線
bull太陽電池溫度升高時輸出電壓與最大輸出功率降低
0
1
2
3
4
5
6
7
0 10 20 30 40 50
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
75oC 50oC 25oC 0oC
Battery voltage
0
1
2
3
4
5
6
7
0 10 20 30 40 50
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
500Wm2 (05AM1)
1000Wm2 (AM1)
太陽電池之動態負載匹配(日照變化)
RL(high)
RL(low)
bull Maximum power tracking is required in high efficiency PV system
太陽電池 I-V 特性曲線測量方法
VocVm
ImIsc Pm
C+
-
A
VR
A
V
A
V可程式負載
模擬陽光使用鎢絲燈氙燈Solar Simulator 或太陽光
Pm lt few10 W Pm lt few 100 W Pm lt 100 kW
Solar Simulator Array Tester
圖片資料來源httpwwwspiresolarcomSolarequipmenthtml
太陽於天球(Celestial Sphere)上運行之軌跡
冬至 春秋分 夏至 冬至 春秋分 夏至 春秋分 夏至
北緯 0o 北緯 45o 北緯 90o
(赤道) (北極)
天球
太陽運行軌跡與太陽電池仰角
冬至 夏至春秋分
所在緯度235o
235o47o0o
47o 235o
13太陽電池組列仰角與間隔設計例
bull組列仰角~235o (台灣地區)
bull h=組列總高度( lt 15 m)
bull L2=h tan(55o) = 057 L0
(55o可適用於冬至0900~1500)
bull水平角度=正南 plusmn5o
235o
55o
235o
夏至
冬至
春秋分
235o 235o
南
h = 04 L0
L1= 092 L0L2 = 057 L0
L0
L1 + L2 = 15 L0
2零交越偵測電路分析
bull 零交越偵測電路如圖1 所示主要目的在於檢測輸入弦波電壓之零交越點其電路輸出為ㄧ方波信號利用方波上緣信號觸發數位訊號處理器之外部中斷腳位進而進行相位同步之功能[4]零交越偵測電路輸入與輸出波形如圖2 所示相位同步控制當數位訊號處理器發生上緣觸發時此觸發訊號如同系統重置訊號將正弦表指標變數歸零一經重置後指標變數又開始計數藉由每週期ㄧ次的重置訊號迫使換流器輸出達到同步相位同步控制波形示意圖如圖3 所示圖4 為零交越偵測電路輸出實測圖[4]
3系統電路架構與動作模式
bull A
bull 本文所述之系統為一太陽光電能轉換系統方塊圖如圖5 所示主要部分包括太陽能板直流-直流轉換器全橋式換流器數位訊號處理器感測迴授電路與驅動電路此一系統之基本動作情況為一般情況下斷路器1 和斷路器2 均為導通狀態此時太陽光電能轉換系統與電力網路處於連結運轉模式而當電力網路供電中斷時斷路器2 將被斷路以避免孤島現象的發生反之若是太陽光電能轉換系統發生故障時斷路器1 將被斷路以避免電力網路受到其故障的影響
31系統電路架構與動作模式
bull B
bull 電路工作模式bull 此一太陽光電能轉換系統主要有兩種工
作模式以下為二種工作模式的操作說明
bull (1) 獨立運轉模式bull 如圖6 所示獨立運轉模式為當電力網
路供電中斷時斷路器2 將被斷路而此時太陽光電能轉換系統將操作在電壓控制模式下提供負載一穩定的輸出電壓
bull (2) 與電力網路連結運轉模式bull 如圖7 所示與電力網路連結運轉模式
將太陽光電能轉換系統與電力網路連結運轉也就是斷路器1 和斷路器2 同時導通此時系統將操作在電流控制模式下首先經由最大功率點追蹤程式運算出瞬時最大功率點的電流參考值再根據此一電流參考值輸出一與電力網路電壓同相位的電流至負載或甚至回送至電力網路
31直流至直流切換式轉換器
典型直流至直流轉換器系統之構造如圖21所示其輸入通常為由線電壓整
流而得之非調節直流電壓然後再利用切換式直流至直流轉換器將此變動之
直流電壓轉換成一調節之直流電壓
無控制之二極體橋式整流器
交流線電壓
(單相或三相)
直流電壓
(無調節性)
濾波電容 (無調節性)
直流至直流轉換器 (具調節性)
負載
蓄電池
直流電壓 直流電壓
控制訊號1降壓式(step-down buck)轉換器
2升壓式(step-up boost)轉換器
3升降壓式(step-downstep-up buck-boost)轉換器
4全橋式轉換器
上述四種轉換器中只有降壓式及升壓式是最基本的轉換器電路架構升
降壓式轉換器是此二基本轉換器之結合而全橋式轉換器則是由降壓式轉
換器衍生而來
直流至直流轉換器之控制
直流至直流轉換器的作用即是在輸入電壓與輸出負載變動的情況下能夠調
節輸出電壓為所設定的位準電壓位準轉換之原理可以圖22(a)所示之簡單
電路來說明由開關導通與截止可得圖22(b)之波形其中輸出電壓vo平均
值大小Vo與開關之導通及截止時間(ton及toff)有關平均輸出電壓大小調整
之最典型的方式是採用脈波寬度調變法(Pulse-Width ModulationPWM)
其切換週期Ts(= ton+toff)為固定由調整導通時間之大小來改變平均輸出電
壓之大小Vo
+
_
Vd
R
+
_
Vo
0Vd
Vo
vo
tton toff
Ts
脈波寬度調變切換控制的方塊圖如
圖23(a)所示開關之切換控制信號
由控制訊號vcontrol與週期為Ts之鋸齒
波vst比較而得控制信號則由Vo之
實際值與設定值之誤差放大而得
vcontrol與vst比較所得之切換控制信號
的波形如圖23(b)所示當控制訊號
vst較大時則為高準位信號即使
開關導通反之為低準位信號即使
開關截止故開關之切換週期亦為
Ts 由以上的原理可知開關切換
之責任週期 (Duty Ratio)為D=tonTs
=vcontrolVst 其中Vst為鋸齒波之振
幅
放大器
+
-Vo
(設定)
(實際)
Vo
比較器
週期性波形 stv
切換控制訊號
控制訊號
0 t
$Vst
=stv 鋸齒波電壓
controlv (放大誤差)
On On
Off Off
stcontrol vv gt
stcontrol vv ltton toff
Ts
切換控制訊號
(切換頻率 fT
s
s
=1
)
升壓式直流至直流轉換器
圖211為升壓式轉換器電路主要用途為直流電源供應器與直流馬達之
再生制動(Regenerative Breaking)顧名思義其輸出電壓高過於其輸入
電壓當開關導通時二極體反向偏壓輸入電能儲存於電感負載電
能則由電容提供當開關截止時負載吸收輸入及儲存電感中之電能
-
L
CRVd
Vo
vL
iL
io
+
-
++
_
t0
t0
vL
iL
I L
Ts
toffton
_++
_
+
_
+ _+
_
+
_
iL
vL
Vd Vo
iL
vL
Vd Vo
)( dV
)( od VV minus
圖212所示為電感電流為連續之
穩態工作波形由穩態下電感電
壓一週期之平均值為零可得
0)( =minus+ offodond tVVtV
等號兩側除以Ts重新整理可得
Dt
T
V
V
off
s
d
o
minus==
1
1
假設電路無損失輸入功率
Pd=VdId 等 於 輸 出 功 率
Po=VoIo 則
)1( DI
I
d
o minus=
非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器
bullBoost之設計假設輸入10V輸出30V頻率50kHz輸出10W
所以D＝23
( ) s
o
o TDDP
VL
22
12
minusge
=6667uH
取75uH
D
VV in
o minus=
1
L
Vi
n
S Vo
+
_
C
DiL
vds
升降壓式直流至直流轉換器
升降壓式轉換器的主要用途為輸入與輸出之極性相反輸出電壓可以高於
或低於輸入電壓之直流電源供應器升降壓式轉換器可以由降壓式轉換器
與升壓式轉換式串接而成穩態下輸入與輸出電壓轉換器之比值為二轉換
器個別比值之乘積
D
D
V
V
d
o
minus=
1
因此變化責任週期D可使輸出電壓高於或低於輸入電壓
+
_
+
_
_
+
RC Vo
L
Vd
io
iLvL
id
降壓式直流至直流轉換器
降壓式轉換器顧名思義其作用為將較高準位的輸入電壓換成較低
準位的輸出電壓主要用途為直流電源供應器及直流馬達速度控制
圖22(a)所示為提供純電阻性負載之降壓式轉換器由圖22(b)可知其輸
出電壓波形由開關位置決定平均輸出電壓為
dd
s
onT
t
t
d
s
T
o
s
o DVVT
tddV
Tdv
TV
s
on
ons ==+== intintint )0(1
)(1
00ττττ
+
_
Vd
R
+
_
Vo
0Vd
Vo
vo
tton toff
Ts
32直流至交流切換式反流器
切換式直流至交流(DCAC)反流器(Inveter)乃用以將直流電源轉換成振幅
與頻率均可調之正弦式交流電源主要用途為交流馬達驅動與交流不斷
電電源供應器圖31為典型交流馬達驅動之反流器方塊圖其直流輸入
電壓通常由線電壓整流及濾波而得接著再利用切換式反流器改變輸出
電壓之振幅與頻率以驅動交流馬達切換式反流器功率之流通通常是
由直流至交流稱為反流模式但亦可以從交流至直流稱為整流模
式
+
_
交流馬達
二極體整流器 濾波電容 切換式反流器
Vd
三相交流電源
反流器包括單相及三相其輸入為直流電壓源者稱為電壓源反流器
(Voltage Source InverterVSI)另外若輸入為直流電流源者稱為電流
反流器(Current Source InverterCSI)目前僅應用在高功率之交流馬達
驅動器
1脈波寬度調變(PWM)反流器其輸入電壓通常為固定反流器本身具備變
頻及變壓的功能而變頻及變壓乃利用開關之脈波寬度調變切換控制達成
有許多類型之脈波寬度變技術可以使輸出電壓近似弦波
2方波(Square-Wave)反流器此反流器輸出電壓振幅乃由其輸入電壓調
整
反流器本身只控制輸出頻率交流輸出電壓波形近似方波因此乃稱方波
反流器
3採用電壓消去法(Voltage Cancellation)之單相反流器單相反流器當輸入
電壓為定值時可以利用電壓消去法來變頻及變壓而不須採用脈波寬度
調變其輸出電壓波形近似方波因此其結合了前述兩種反流器的特色
值得注意的是電壓消去法並不適用於三相反流器
切換式反流器之基本觀念
考慮圖33(a)之單相反流器假設其正弦輸出電壓vo是經過濾波所得若
輸出之負載為電感性(如馬達)則輸出電流io將落後vo 如圖33(b)所示
在期間1及3中 vo與io同號瞬時功率Po=voio為正故功率由直流側送至
交流側稱之為反流模式在期間2及4中 vo與io異號瞬時功率Po為負
故功率由交流側送至直流側稱之為整流模式圖33(a)之切換式反流器
在每一週期內會經歷平面上四個象限中之所有象限
單相切
換式變
流器與
濾波器
o
o
+
-
+
-
Vd
vo
id
io
0t
4 1 2 3
voio
io
vo
1反流器
4整流器
3反流器
2整流器
0
為清楚解釋起見以單臂反流器來說明
+
_
+
_
+ +
__
Vd
Vd
2
Vd
2
A
N
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
vAN
oo
o
反流器電路之脈波寬度調變切換技術如圖35(a)所示由一正弦波形控
制訊號vcontrol與三角波形vtri作比較三角波(又稱載波)之振幅為Vtri頻率
為fs fs決定反流器開關之切換頻率正弦波控制電壓vcontrol(又稱調制訊
號)之基頻f1決定反流器之輸出頻率而其振幅則決定反流器輸出電壓之
大小定義振幅調變指數為ma=Vcontrol Vtri 其中Vcontrol為vcontrol之振幅
而頻率調變指數則定義為mf = fs f1
0 t
vcontrol vtri
sf
1
0 t
vAo
V d
2
minusVd
2
t=0
v v
T on T off
control tri
A A
lt
minus + v v
T on T off
control tri
A A
gt
+ minus
1)( AoAo vv =之基本波
0 t
vcontrol vtri
sf
1
圖34反流器之開關的控制方法與io方向無關為
dAoAtricontrol VvTvv2
1=gt +導通
dAoAtricontrol VvTvv2
1minus=lt minus導通
由於二開關之導通為互補因此輸出電壓只在Vd 2與-Vd 2二值間作變
動圖35(b)所示為ma=08與mf =15時輸出電壓vAo及其基本波(以虛線表示)
之波形
+
_
+
_
+ +
__
Vd
Vd
2
Vd
2
A
N
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
vAN
oo
o
單相全橋式反流器
單相全橋式反流器如圖311所示乃由兩個前述之半橋反流器所組成在
相同之輸入電壓下全橋式反流器之最大輸出電壓為半橋式之兩倍這代
表在相同之功率下全橋式反流器之輸出及開關電流僅為半橋式之一半
此對於高功率用途是一大優點因其可以降低使用並聯元件之需求
+
_
+
_
+
_
Vd
Vd
2
Vd
2
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
v v vo Ao Bo= minuso
A
B
TBminus
TB+
DBminus
DB+
+_
id
o
o
N
雙極性電壓切換之脈波寬度調變
0 t
vcontrolvtri
sf
1
0 t
ov1ov
dV
dVminus
單極性電壓切換之脈波寬度調變
onBT +
trivgttricontrol vv gt
trivcontrolv
t
)( controlvminus
)( controlvminusonAT +
t1ov
dV
dVminus
)( BNAN
o
vv
v
minus=
應用雙極性電壓切換之脈波寬度調
變全橋式反流器乃 (TA+TB-)與 (TA-
TB+)成對切換且二者互相反相
應用單極性電壓切換之脈波寬度調
變全橋式反流器乃A臂與B獨立切
換且同臂二開關互相反相
三相反流器
+
-
+
-
+
-
dV
2dV
2dV
+AT
minusAT
+AD
minusAD
o
BminusT
+BT
minusBD
+BD
di
minusCT
+CT
minusCD
+CD
N
A B C
o
0 t
triv Acontrolv Bcontrolv Ccontrolv
0
BNANAB vvv minus=
t
dV
之基本波1LLv
ANv
0 t
dV
t0
BNv
dV
三相電壓源反流器之脈波寬度調變切換的功能為在固定輸入直流電壓下用以調整三相輸出電壓之振幅及頻率三相脈波寬度調變方式由三相各差120度的控制電壓與三角波作比較其波形與單相全橋式反流器採用脈波寬度調變單極性切換者類似
最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法
33最大功率追蹤最大功率追蹤最大功率追蹤最大功率追蹤
為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點本文使用本文使用本文使用本文使用擾動觀察法擾動觀察法擾動觀察法擾動觀察法(Perturbation and Observation Method PampQ)進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功率追蹤率追蹤率追蹤率追蹤由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點下圖為擾動下圖為擾動下圖為擾動下圖為擾動觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖為利用為利用為利用為利用DCDC轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作時時時時其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為0之特性之特性之特性之特性使用使用使用使用DCDC轉換器控制太陽轉換器控制太陽轉換器控制太陽轉換器控制太陽能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動
擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖
最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法
左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖蹤示意圖蹤示意圖蹤示意圖太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分為兩個特性區域為兩個特性區域為兩個特性區域為兩個特性區域假設進行追蹤假設進行追蹤假設進行追蹤假設進行追蹤時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時電壓電壓電壓電壓的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率增加增加增加增加若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出功率減少功率減少功率減少功率減少經由經由經由經由DCDC轉換器調轉換器調轉換器調轉換器調節太陽能板與節太陽能板與節太陽能板與節太陽能板與DCDC轉換器的阻轉換器的阻轉換器的阻轉換器的阻抗相互匹配抗相互匹配抗相互匹配抗相互匹配進而得到太陽能板進而得到太陽能板進而得到太陽能板進而得到太陽能板的最大輸出功率的最大輸出功率的最大輸出功率的最大輸出功率
擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖
4軟體規劃
bull 系統控制程式主要分為主程式固定週期中斷副程式市電電壓零交越中斷副程式等三大部分以下將分別介紹各部分程式流程
bull 本系統主程式主要執行數位訊號處理器周邊暫存器的初始設定以及變數宣告其中除了變數宣告外周邊暫存器的初始設定包括有規畫中斷向量設定計數器之計數模式計數週期中斷的時間和PWM 輸出模式等相關參數設定
bull 如圖8 所示系統初始設定後必須先等待中斷發生才能決定系統是否執行固定週期中斷程式或零交越中斷副程式
bull 圖9 為固定週期中斷副程式流程圖固定週期中斷頻率與換流器開關之切換頻率相同為20kHz程式開始會先偵測太陽能板電壓及電流與直流鏈電壓當確定市電電壓零交越中斷發生時必須先將輸出弦波訊號之指標強制為原點重新送出單位弦波確保換流器輸出電流與市電電壓能維持同相位接著比較太陽能板輸入電壓VPV 是否大於最低工作電壓VPV_work如果確定大於最低工作電壓則致能太陽能最大功率追蹤反之則禁能系統動作程式返回圖9 中的正弦脈寬調變副程式主要功能在於決定換流器中開關的動作順序與責任週期大小以及輸波參考訊號
bull 圖10 為太陽能最大功率點追蹤副程式流程圖在文中對最大功率追蹤採用擾動與觀察法配合太陽能光電板的電壓mdash功率特性曲線即可瞭解程式如何完成太陽能光電板最大功率點追蹤
主程式流程圖
5實驗
bull 依據上述的分析採用DSP 2407A 建立一個500W 太陽光電池電能轉換系統依據圖11 之
bull 電路架構其規格與元件參數分別列於表一表二及表三系統實驗波形圖12圖13圖14 及
bull 圖15 為系統操作在獨立運轉模式下負載分別為120W240W360W 及480W 時之換流器輸出
bull 電壓及輸出電流之實測波形
系統規格與元件參數
實測波形
6實務應用系統實務應用系統實務應用系統實務應用系統
獨立系統示意圖獨立系統示意圖
考慮點
系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等安全係數最佳化設計複雜)
一般充電控制器無 MPPT搭配蓄電池使發電效能較差
蓄電池每日gt50DOD深度放電gt02C充電壽命短
太陽光發電量與負載需求量不搭配時太陽光之發電能量利用率偏低 (負載需求搭配與安全係數為互相矛盾之設計)
PV-柴油發電機PV-風力等混合系統為改善之方法
市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台
電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池
併聯系統示意圖併聯系統示意圖
緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析
1 系統設置成本高建議使用於邊際效益高之用電（防災緊急輔助電力）
2 總體經濟效益減少環境污染解決尖峰用電之不足與短缺能源多元化之風險分擔與開創自主能源
3 遮蔽陽光直曬降低建築物之熱效應（被動省能）同時轉換太陽光為電能供應建物自主能源（主動節能）一舉兩得
緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較
30萬元divide21900kWh＝137元度2萬元divide50kWh＝400元度每度電成本
日發電度數times365天times20年＝3hrtimes1kWtimes365天times20年＝21900kWh（度）
（年停電＋年測試運轉時數）times10年＝（20mintimes6次＋15mintimes12月）times10年＝5hrtimes1kWtimes10年＝50kWh
總發電度數（1kw計）
夜間不發電（可利用蓄電池設計供電年維運費02）
噪音空污油料運輸儲油危險維運成本高
缺點
利用露台屋頂牆面空間設備煙管隔音油槽需室內空間
設置空間
平時緊急時均可使用隨時可了解運轉狀況不須操作
加ATS停電時方可啟動需人員每月定期測試運轉
系統運作
太陽光潔淨能源（免費）柴油使用燃料
20年7~10年使用壽命
1kW=30萬元1kW=2~3萬元設置費用
太陽光發電系統柴油發電機
風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析
運用多元化能源分擔風險情況比較說明如下
1 市電--gt停電時風險極高
2 市電＋柴油發電機--gt發電機故障時風險高
市電＋柴油發電機＋太陽光發電系統--gt發揮三者優點互補同時故障機率小風險最低
案例
832kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide057＝317 m2
115kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide075＝332 m2
緊急時057平時065~08
綜合係數溫度變化污損線損Inverter效率＋蓄電池充放電補償
電力需求divide（日照強度times日照時間times模板效率times綜合係數）
模組面積估算
日照強度1kWm2
日照時間384hd
模板效率12
832kWhd500人用電量115kWhd770人用電量
緊急時平時
電力需求估算
緊急時40kWtimes384hdtimes057＝875 kWhd
平時40kWtimes384hdtimes075＝1152Whd
太陽發電系統發電量＝設置容量times日照時間times綜合係數
發電量計算
332m2times1kWm2times12＝398kW≒40kW
太陽發電系統設置容量＝設置面積times日照強度times模板效率
設置容量計算模板效率依太陽電池種類而異
進行模板陣列及蓄電池容量設計
40kWdivide18片串divide120W＝185列≒19
列
40kWdivide17片串divide120W＝196列≒20
列
陣列併列數＝設置容量divide單串功率
18片times120W＝2160W
17片times120W＝2040W
單串功率
300Vdivide169V＝1775片（取整數17 or 18）
陣列串聯數＝Inverter輸入電壓divide模板輸出電壓
模板陣列設計
1 模板功率120W
2 模板輸出電壓169V
3 直交流轉換器(Inverter)輸入電壓300V
120Wtimes17片串times20列＝40800W＝340片(最佳陣列)
120Wtimes18片串times19列＝41080W＝342片
最佳陣列較經濟之設置容量選擇最佳陣列
蓄電池數量＝144個times2列＝288個
120640Whdivide288Vdivide200Ah＝21列≒2列
併列數＝蓄電池需求容量divideInverter額定電壓
288Vdivide2V＝144個
串聯數＝Inverter額定電壓divide蓄電池電壓串併數設計
middot 蓄電池電壓2V個
middot 蓄電池容量200Ah個
Inverter電壓輸入電壓 額定電壓300V 288V200V 192V
蓄電池需求容量＝832kWhdtimes1dtimes145＝12064kWh
蓄電池需求容量＝緊急電力需求times無日照天數times補償係數補償係數蓄電池內阻抗放電停止電壓電壓降低補償
蓄電池需求容量設計
middot 補償係數145
無日照天數1日
61市電相關規定市電相關規定市電相關規定市電相關規定
1 發電設備併接於低壓系統者其總容量未滿100kW且技術無困難者得併接於單相三線110V220V三相三線220V之配電系統若總容量在100kW以上而未滿500kW得分別併接於3相4線220V380V之配電系統
2 發電設備總容量在500kW以上而未滿5000kW10000kW且技術無困難者得分別併接於114KV228KV之高壓配電系統
3 電設備總容量在10000kW以上而未滿40000kW者得併接於特高壓之系統
4 發電設備總容量在40000kW以上者依個案研討分類
併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類
發電系統經由發電系統經由發電系統經由發電系統經由110V220V110V220V110V220V110V220V併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者發電設發電設發電設發電設備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能
1 過電壓保護 低電壓保護
2 低頻保護 高頻保護
3 過電流保護 零相過電壓接地保護
4 發電設備為無逆送電力者須加裝逆電力保護
5 發電設備為有逆送電力者必須具備主動及被動防止單獨運轉保護
發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經110V220V110V220V110V220V110V220V系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者在電在電在電在電源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器
發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業114KV228KV114KV228KV114KV228KV114KV228KV之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者((((高高高高壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶))))發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Extremely Inverse特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Extremely Inverse特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過流電驛(67)須具Normal Inverse特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
發電設備併接於電業69KV特高壓輸電系統者發電設備之輸出端至少應具有下列同等保護功能並須與電業該轄區之保護設備協調
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Normal Inverse之特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Normal Inverse之特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過電流電驛(67)須具Normal Inverse之特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
8 快速及後衛保護電驛如系統保護需要時應裝設
9 匯流排電驛採用GIS斷路器者應裝設
62626262太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範
1 故障電流
太陽光電發電系統大於100kW以上須計算故障電流其送至電業系統之故障電流不得影響電業及其他用戶斷路器之起斷容量否則需裝置限流電抗器
太陽光電發電系統之隔離變壓器接地方式須與電業之系統配合
2 正常電壓變動率應維持在plusmn5以內
3 太陽光電發電系統與電業間之責任分界點的功率因數以維持85落後至100之間運轉為原則
4 諧波污染限制應依照「電力系統諧波管制暫行標準」辦理
分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性
適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯型之規範型之規範型之規範型之規範
電力轉換器電力轉換器電力轉換器電力轉換器(電力調節器電力調節器電力調節器電力調節器)(InverterConditioner)
蓄電池蓄電池蓄電池蓄電池(Battery))
63大型(商用)太陽光發電系統應用(gt1 kWp)
太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統
單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池(Unit Solar Cell)
太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板(PV Module)
太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列(PV Array)
太陽光發電系統應用獨立系統
(A) 獨立系統(Stand-Alone
System)
bull 蓄電池保護壽命
(B) 混合型交流獨立系統 (Hybrid
System)
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
直流負載PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
整流器
輔助發電機
PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載- ~PCU
直直直直交流轉換器交流轉換器交流轉換器交流轉換器
太陽光發電系統應用併聯系統
(D)併聯系統(Grid-
connected System)
特殊功能1 最佳效能2 防止獨立運轉(連線保護)
3 可自力運轉
(E) 防逆流型系統(Off-line System)
(F) 防災型併聯系統
充電控制器
蓄電池
直交流轉換器
PCU太陽電池組列
交流負載
ATS
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
獨立型系統
適用地點高山離島基地台hellip等市電無法到達處
工作方式白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
必須可以自給自足
缺點bull 系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等
安全係數設計很困難)
bull 蓄電池建置複雜成本很高壽命很短
bull 負載搭配不良時發電效能不佳利用率將偏低
bull 需由專人隨時維護
bull 混合系統為一種解決方法
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
PCU
併聯型系統
適用地點電力正常送達之任何地點工作方式 bull 白天 PV系統併聯發電夜間由台電供電bull 將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的蓄電池
優點bull 系統簡單不需安全係數設計(依預算設計)不需要專人維護bull 併聯發電效率高利用率高
缺點bull 停電時無電可用bull 受併聯法規限制尚未開放(但即將開放)
bull 有孤島效應之疑慮(目前技術上已解決)
改善型無電池自力運轉
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
市電併聯型住宅用太陽光發電系統
太陽光發電系統發電及負載用電對時間之關係
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
併聯型直交流轉換器之效能要求較高
1 最大功率追蹤(Maximum Power Tracking MPT)
2 高轉換效率 gt 90 (PWM+電力電子元件)
3 高次諧波功率 Distortion (lt5 total)
4 自動開關機(白天夜晚)
5 過負載保護過溫度保護
6 體積小重量輕室外防水防塵
7 電腦界面可遠端監控
8 防止獨立運轉(連線保護)
9 可自力運轉
太陽電池組列
交流負載
直交流轉換器MPT
Power Conditioner
併聯系統之獨立運轉(單獨運轉)
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull停電時單一併聯系統將會停止運作
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
bull 市電停電時多數併聯系統仍聯合運作將對電力公司人員產生嚴重危害
孤島效應之防止方法
停電偵測1 過電壓低電壓
2 過頻率低頻率
3 被動式偵測如
bull 電壓與頻率監視方式
bull 電壓相位跳躍監視方式
bull 高次諧波監視方式
bull 頻率變化監視方式
PV組列
直交流轉換器
自家負載
4 主動偵測如
bull 頻率Shift方式
bull 配電線負載變動方式
bull 有效電力變動方式
bull 無效電力變動方式
反應時間05~2秒
資料來源「日本電氣用品試驗所」分散型電源系統連系技術指針(1998)
併聯系統之自力運轉功能
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull 大停電後白天有陽光時以人工啟動 PV 系統進行自力運轉供自家負載使用(但夜間無法使用)
防災型併聯型系統
適用地點有防災需求(照明汲水通信hellip)之公共設施
工作方式
bull 平時PV併聯發電(電池浮充) 效率高利用率高夜間由台電供電
bull 視需要建置供防災用電池大停電時白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
缺點bull 含電池成本較高bull 系統較複雜需專人定期維護
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
FAQ1太陽光發電需要多少土地
效率 = (輸出功率W) (組列面積 m2 x 日照強度 Wm2 ) x 100
模板面積 m2 = 輸出功率W (效率 x日照強度Wm2 ) x100
bull 假設使用效率gt136 模板於1000 Wm2 (AM15)日照強度下
10 kWp 模板面積 (m2) = 10000 (0136 x 1000) ~ 735 m2
10 kWp PV系統土地面積需求約
~ 735 m2 x 15 x 11
~ 121m2 (~36坪)
(包括陰影面積及維修空間)
bull 假設使用效率~10 模板
則模板面積約 ~ 100 m2
土地面積需求約 ~ 165m2 (~50坪)
gt55o
夏至
冬至
春秋分
235o 235oh
L1 L2
FAQ2太陽電池一年能發多少電
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
10 kWm2
05 kWm2
日照強度
等效日照時數(Sun Hour)
組列單日發電量 = 組列額定輸出功率 x 等效日照時數
bull 預估1 kWp 組列單日發電量 = 1 (kW) x ex 4(Sun Hour)= 4 kWh
組列年發電量 = 組列額定輸出功率 x 年平均每日日照時數 x 365
bull 預估 1 kWp 組列年發電量 = 1 x 4 x 365 = 1460 kWh
時間時間時間時間
FAQ3太陽光發電的成本(簡易估算)
1 假設目前太陽光發電系統設置成本約為 NT$ 280000 kWp
2 假設年平均每日日照時數約為 25 Sun Hour (台灣中南部地區)
bull 1 kWp 組列單日發電量= 1 (kW) x 25 (Hour)= 25 kWh
bull 1 kWp 組列年發電量= 25 x 365 = 913 kWh (度)
3 假設太陽光發電系統使用壽命為 20 年
bull 1 kWp 太陽光發電系統總共可發電 20 x 913 = 18260 度
4 生產每度電之成本約為 280000 18260 ~ NT$ 153
5 未來發展趨勢
bull 太陽光發電系統設置成本將逐年降低
bull 市電電費將會升高(國內目前約 NT$ 3 度日本約NT$ 7 度)
bull 傳統能源限制再生能源獎勵利率降低
64獨立型太陽光發電系統應用例(一)
bull太陽電池時鐘-日本bull太陽電池路燈-日本千里住宅公園
獨立型太陽光發電系統應用例(二)
bull太陽電池交通標誌-日本北海道 bull高速公路緊急電話-日本
獨立型太陽光發電系統應用例(三)
bull800W無線通信中繼基地台韓國(1998)
獨立型太陽光發電系統應用例(四)
bull離島用90kW獨立型發電系統韓國Ho-Do島(1992)
併聯型太陽光發電系統應用例(一)
bull設置於屋頂之住宅用太陽光發電系統(建材一體型日本千里住宅公園內住宅設計之一)
併聯型太陽光發電系統應用例(二)
bull日本東海線新幹線京都車站之太陽光發電系統(100kWp)
併聯型太陽光發電系統應用例(三)
bull日本京瓷(Kyocera)京都總公司大樓之太陽電池發電系統(220kWp)
太陽光發電發電廠應用例
太陽電池發電廠
(PV Power Plant)
資料來源 ANIT
Srl Italy
建材一體型太陽電池模板應用例
bull資料來源 Pilkington Solar International GmbH 德國
太陽能車應用例
Honda Dream
bull資料來源 PV Special Research
Centre UNSW Australia
交大太陽能車
bull資料來源 National Chiao-Tung
University Taiwan
太陽光發電航太應用例(NASA Helios )
bull空中無線通訊平台應用
資料來源SkyOne Inc Taiwan
bull 飛行高度5-7 萬英呎(最高記錄 96000 英呎)
bull 時速60 mph (起飛 25 mph)
bull 翼展247 英呎bull 重量2000 磅bull 太陽電池效率要求gt22
資料來源httpwwwaerovironmentcomhomehtml
清雲技術學院 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
個人住宅 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
勤益技術學院 3kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
南台科技大學 10kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
總統府 10kWp 獨立型太陽光能發電系統 (9012)
海巡署南沙太平島 20kWp 混合型(柴油發電機)太陽光能發電系統 (9011)
90能源基金示範補助成果例
台電樹林 20kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
併聯型
台電台北市區處 20kWp 太陽光發電系統
(91能源基金示範補助成果)
併聯型
7結論
bull (1)提高電力轉換器效率
bull 轉換器的損失主要來自於開關切換時之損失為了可以降低濾波電路中電感和電容的體積可以提高切換頻率但是相對於開關的切換損失也因此而增加導致轉換器的效率降低因此發展零電壓或零電流切換技術應用於高切換頻率之轉換器將可以提高轉換器的效率
bull (2)提高太陽光發電系統之整體效率
bull 傳統之太陽光發電系統包含儲能系統和供電系統前級利用DCDC轉換器作最大功率追蹤後級則利用DCAC轉換器轉換能量供應給交流負載為了提高太陽光發電系統的整體效率在研究可提出了模組並聯控制技術以提昇各級電力轉換器的效率而在未來太陽光發電系統也將著重在單級電力轉換器的設計對於整體系統效率有較明顯的改善
8參考資料
1許國強ldquo太陽光發電原理與應用工研院材料所 薄膜技術組91年
2華志強黃崇倫ldquo智慧型能量控制於太陽光電能轉換系統國立雲林科技大學電機工程學系電力研討會97年
3林政達ldquo數位式市電並聯換流器與快速鎖相迴路控制器之研製國立雲林科技大學電機工程學系碩士論文92 年
4李思賢ldquo數位式單相低功率太陽光電能轉換系統國立中山大學電機工程學系碩士論文92 年
5洪世杰ldquo適用於再生能源之市電併聯型雙輸入供電系統國立中正大學電機工程研究所碩士論文93 年
6王廷興ldquo太陽能發電配電設計概要台北科技大學冷凍空調系 92年
7魏榮宗王文宏ldquo高效率太陽光電能源轉換系統 元智大學電機工程學系94年
[ ] 100)25(
)11
(exp
1)(exp
3
λminus+=
minus
=
+minus
minus+minus=
TKII
TTBk
qE
T
TII
where
R
IRVIRV
AkT
qIII
ISCRLG
r
GO
r
oros
sh
ssosLG
VI cell output current and voltagecell reverse saturation currentcell temperature in CBoltzmannrsquos constantelectronic chargeshort circuit current temperature coefficientsolar irradiation in Wmshort-circuit current at 25 Cand 1000 Wm
light-generated currentband gap for siliconideality factorsreference temperaturecell saturation current atshunt resistanceseries resistance
osI
T
kq
00170=IK
SCRIλ
LGI
GOE
921== ABKTr deg= 18301
orI
shR
sR
附錄附錄附錄附錄- 太陽能電池太陽能電池太陽能電池太陽能電池
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
(a) Equivalent circuit of a PV module and
(b) Typical PV module current-voltage and power-voltage characteristics
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
Characteristic of a PV module with temperature and irradiation (a) constant irradiation and varying temperature and (b) constant temperature and varying irradiation
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
系統範例系統範例系統範例系統範例
中途驛站電化PV離島用PV系統山岳地帶PV系統離島偏遠區
勤務指揮中心緊急避難所醫療院所公園學校地震觀測站森林嘹望台避難指示燈氣象觀測所水位警報PV系統河川安全燈防波堤安全PV燈
緊急防災
緊急供電系統管線電氣防蝕輸油管流量計PV系統市場廣告塔海上石油平台各種計測站PV系統發電廠情報指揮中心
產業用
住宅用供電系統緊急供電系統緊急照明系統帷幕牆遮陽棚採光罩屋瓦建築物
無線通信用中繼站基地台緊急電話中繼站電話通信PV系統Radio受信PV系統微波中繼站
通訊
農宅用電溫室栽培PV系統農業灌溉用自動灑水系統農牧電籬牛乳冷藏漁業養殖揚水通氣自動餵食器
農林漁牧
路燈交通號誌道路指示牌標誌燈太陽能電動車充電站高速公路緊急電話偏遠道路緊急電話停車計時器停車場控制門系統高速公路防音壁PV系統公路休息區PV系統太陽能車平交道指示燈候車亭PV系統車站屋頂型PV系統
道路交通
收音機測電表手錶計算機太陽能照相機手電筒電池充電器野營燈民生
應用領域
太陽光發電之重要歷史
bull 1956年第一個太陽電池製作成功
bull 1958年開始太空應用(GaAs)
bull 1970年開始太陽光發電系統地面應用(Si) (能源危
機)
bull 1980年消費性薄膜太陽電池應用(a-Si CdSCdTe)
bull 1990年與公用電力併聯之太陽光發電系統技術成
熟(Grid-Connected PV System Si) (電力電子技術)
bull 1992年起歐美日各國推動太陽光發電系統之
補助獎勵政策
bull 2000年建材一體型太陽電池應用(BIPV)
全世界太陽電池市場量
0
50
100
150
200
250
300
350
400
Shipment (Pmp MW)
1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001
Year
US
JAPAN
EUROPE
ROW
國內太陽光發電發展狀況(IMRL)
bull非晶矽太陽電池研製
1980
bull高效率非晶矽太陽電池
bull低溫 ploy 薄膜太陽電池
19851990
19952000 bull建材一體化模板研製
bull商品化非晶矽太陽電池
bull可撓式非晶矽太陽電池
bull結晶矽太陽電池
bull結晶矽太陽電池模板
bull量產非晶矽太陽電池(光華科技 1988年)
bull架設獨立型太陽光發電系統
bull太陽光發電示範系統設置
bull量產結晶矽太陽電池(士林電機 2000年)
bull架設實驗型與市電併聯型太陽光發電系統及監測分析
2005
bull示範推廣獎勵補助辦法實施
bull晶矽太陽電池研製(核研所)
bull奈米(Nano)太陽電池
國內太陽光發電發展狀況(II其他單位)bull 1980~1990
ndash 清大呂助增教授--MS太陽電池ndash 中科院核研所核儀組-- 2 吋單多晶矽太陽電池模板原型(可商業運轉)
ndash 清大黃惠良教授--非晶矽(amorphous-Si)CuInS2太陽電池ndash 台大李嗣岑教授--非晶矽太陽電池ndash 成大張俊彥教授--非晶矽太陽電池ndash 中原熊慎幹教授--非晶矽太陽電池ndash 交大蔡中教授--太陽光發電系統研究ndash helliphellip
bull 1990~目前ndash 清大黃惠良教授--CuInS2太陽電池ndash 清大徐永珍教授--Porous Si
ndash 交大李威儀教授--GaAs太陽電池ndash 中興江雨龍教授--非晶矽太陽電池ndash 中正吳財福教授--直交流電力轉換器(Inverter)
ndash 台大黃秉鈞教授--太陽光發電系統研究ndash 清雲技術學院電機系--太陽光發電系統研究ndash 士林電機--太空用太陽電池封裝(中華衛星計畫)(目前轉移至永炬光電)
ndash TiO2 Dye Sensitized太陽電池(有機材料)
ndash helliphellip
國內太陽光發電發展狀況(III)
產業狀況上游目前有永炬(士電)茂迪光華科技三家生產太
陽電池包括單晶矽多晶矽與非晶矽太陽電池
發電系統之電力直交轉換器(inverter)目前國內無廠商
生產全仰賴進口
中下游有數家廠商製作太陽電池燈充電器玩
具hellip及其他電子產品
太陽光發電系統安裝施工廠商約 10 餘家
bull住宅用電力系統
bull產業工商用電力系統
bull偏遠地區發電系統(山區離島hellip)
bull緊急防災用電力系統
bull消費性電子產品之電源(手錶時鐘電子計算機充電器燈玩具)
bull交通工具之電源(車船飛機飛行船hellip)
bull太空用發電系統
bull攜帶式電源
bull交通標誌號誌之電源
bull發電廠
太陽光發電之應用領域
學校避難所 醫療院所
政府機構 防災中心
救護站
消防隊
救援中心
警察局
救援機具用電
通訊用電 通氣用電
照明用電
供水用電供油用電
太陽光發電防災緊急電力應用示意圖
太陽電池材料種類說明太陽電池材料種類說明太陽電池材料種類說明太陽電池材料種類說明太陽電池材料種類說明太陽電池材料種類說明太陽電池材料種類說明太陽電池材料種類說明
1以下TiO2奈米及有機奈米及有機奈米及有機奈米及有機Nano amp Organic
應用於有機太陽電池屬研發階段
10~12CdSCdTeCuInse
多晶Poly Crystallin
18~30GaAsInP單晶Single Crystallin
多化合物多化合物多化合物多化合物Compound
應用於太空及聚光型太陽光電系統
6~9SiSiCSiGeSiHSiO
非晶矽Amorphous
10~18多晶矽Poly Crystallin
12~20單晶矽Single Crystallin
晶矽Crystalline
矽矽矽矽(硅硅硅硅) silicon
目前太陽光電系統中應用最為廣泛
市場模組發電轉換效率
半導體材料太陽電池種類
又稱為單結晶晶圓型製程貴發電量佳 礙於晶圓型式多半
截圓型或圓弧造型舖設時面積上無法達到最大利用及吸收
多結晶製程上較便宜發電量略遜單晶矽可截為正方形舖設時
可達到最大面積利用及吸收其晶狀分佈具有應N效果可為建築
物外觀加分另外雖其結理易造成碎裂但晶體可再利用做為項鍊
等裝飾品
非晶矽(可撓式)成本便宜發電率較差且容易造成裂質化但由
於可直接鍍在玻璃及塑膠上面與建築物可做最佳結合除可做太陽
光電系統發電用室內型民生消費品也常見其應用如電子計算
機搖頭娃娃玩具等
常見的太陽電池及模板外觀常見的太陽電池及模板外觀常見的太陽電池及模板外觀常見的太陽電池及模板外觀常見的太陽電池及模板外觀常見的太陽電池及模板外觀常見的太陽電池及模板外觀常見的太陽電池及模板外觀
單晶矽太陽電池外觀 單晶矽太陽電池典型結構
太陽電池外觀與構造(單晶矽)
1 清洗蝕刻
2 磷擴散
P-type wafer
單晶矽太陽電池製程步驟例(I)
3 鍍抗反
射層
4 網印
5 燒結
單晶矽太陽電池製程步驟例(II)
11太陽光發電(Photovoltaic)原理 (I)
太陽電池是以 P 型與 N 型半導
體材料接合構成正極與負極
當太陽光照射太陽電池時光
的能量會使半導體材料內的
正負電荷分離
正負電荷會分別往正負極
方向移動並且聚集
將太陽電池正負極接上負載
時將有電流流出可以對負
載作功(燈泡會亮馬達會轉)
正極P 型
負極N 型
P
N
P
N
P
N
-++
-
+
-+
-+
+ + + + +
- - - - -
--
+
-+
正負電荷
+
-
+
-
+
-
太陽光
太陽光
太陽光
電流
-+
PN(不照光平衡狀態)
EfEv
Ec
N P P
N
P
N
P
N
P
N
光子(Photon)
-+-+
-+
-+
-+
+ + + + +
- - - - -
-+
-+
-+
太陽光發電(Photovoltaic)原理 (II)
-
+
Photon
+
+
-
-
- -
++
Ef
Ev
Ec
PN(照光狀態)
++
-
- -
+
+
--
+
-
+
Photon
多數載子
多數載子
少數載子
少數載子
+
-
多數載子
多數載子
電子-電洞對(Electron-
hole pair)
EvN Type
SemiconductorP Type
Ef
Ec
Ef
Ev
Ec
電子位能
Ec conduction band
Ev valence band
Ef Fermi level
I=I0 (eVaVT-1)-Isc
Isc = -I (短路電流 V=0)
Voc = aVTln(Isc I0 +1) (開路電壓
I=0)
I0 (逆向漏電電流) prop ni prop e-Eg
RshID
Isc
+
----
v
I
RL
Rs
太陽電池等效電路與電氣特性
+I
+V
-V
Dark
VocV
Photo
Isc
I
Pm
I0
太陽電池等效電路 常用太陽電池電路符號
VocVm
Im
Isc
Pm
太陽電池 I-V 特性曲線分析
FF(Fill Factor) = (Vm x Im Voc x Isc) x 100 (越高越好)
ηηηη (Efficiency) = (Vm x Im Pin) x 100 (越高越貴)
bull Pin (Incident Power) = A (hc λ) bull N(λ) dλ
bullλ wavelength (microm)
bull N(λ) Number of photonm2 bull sec
bull A Area (m2)
bull h Plank constant c light speed
Voc開路電壓
Isc短路電流
Pm最大輸出功率值
Vm最大輸出功率時之電壓
Im最大輸出功率時之電流
太陽電池開路短路時皆不會燒毀
0
電壓源
電流源
利用串並聯組成模板與組列提供所需的工作電壓與電流
VocVm
Im
Isc
Pm
12太陽電池之串並聯使用
VocVm
Im
IscPm
VocVm
Im
Isc
Pm
太陽電池模板之構成
+
-
太陽電池模板結構太陽電池模板外觀太陽電池模板接線
正面
強化玻璃
EVA
TedlarTM (Dupont)
EVA
Polyester
TedlarTM (Dupont)
0125
0015
Cells0014
0015
00015
0002
00015
背面
單元太陽電池
太陽電池模板之規格範例
η (Efficiency) = (Vm x Im Pin) x 100
單晶矽模板效率 = (354 V x 495 A) ( 129 m2 x 1000 Wm2 ) x100
= 1358
單晶矽模板效率 = 1302
種類
項目單晶矽 多晶矽
額定輸出功率(Wp) 175 125
開路電壓(V) 444 323
短路電流(A) 555 546
最大輸出工作電壓(V) 354 260
最大輸出工作電流(A) 495 48
輸出最大功率(W) 175 125
尺寸(mm)W15736timesL826
timesH46
W1200timesL802
timesH46
重量(kg) 17 125
測定條件日照強度 AM151000Wm2Module 溫度 25
何謂AM0AM1AM15
Wavelength (microm)
Spec
tral
Irr
adia
nce
(Wm
-2micro
m-1) AM0
AM15
AM 即 Air Mass(不同 Air Mass 代表不同太陽光光譜)
bull AM0 (Air Mass 0) ~ 1400 W bullm-2
bull AM1 (Air Mass 1) ~ 1000 W bullm-2
bull AM15 (Air Mass 15) ~ 844 Wbullm-2
AM15 1000 Wbullm-2 (IEC 891 IEC 904-1)
Earth
AM0
AM1
AM15
大氣層
45o
太陽電池直接驅動負載如馬達等(應用於玩具車船馬達音樂卡片hellip)
bull 電力現買現賣
bull 負載匹配(容量與電壓)
bull 溫度效應
bull 搭配(超高)電容可以提高效能
太陽電池(直流)基礎應用範例(I)
I M
+
-
C
圖片資料來源httpshoppingyahoocom httpwwwsolar-icomSampYhtml
太陽電池先對電池充電再由電池供應負載(應用於玩具車船電動機械夜間燈光計算機鐘錶3C產品hellip)
bull 電力零存整付
bull 太陽電池電池電壓匹配
bull 溫度效應
bull 使用阻隔二極體
bull 電池過充放電保護
太陽電池(直流)基礎應用範例(II)
I負載
+
-
電池
圖片資料來源httpshoppingyahoocom httpwwwsolar-icomSampYhtml
FAQ1太陽電池應用效能不佳太陽電池之負載匹配(Load Matching)
RshID
IL
+
----
v
I
RL
Rs
bull Efficiency of a PV system is strongly affected by load matching
bull Measurement of I-V Characteristic curve is important
VocVm
Im
Isc
Pm
RL 1
RL 3
RL 2 Battery voltage
RL
----
+
不同日照強度下太陽電池 I-V 特性曲線
bull 最大輸出功率隨日照強度而改變並非永遠等於額定值
0
1
2
3
4
5
6
7
0 10 20 30 40 50
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
1000Wm2 (AM1)
500Wm2 (05AM1)
不同溫度下太陽電池 I-V 特性曲線
bull太陽電池溫度升高時輸出電壓與最大輸出功率降低
0
1
2
3
4
5
6
7
0 10 20 30 40 50
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
75oC 50oC 25oC 0oC
Battery voltage
0
1
2
3
4
5
6
7
0 10 20 30 40 50
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
500Wm2 (05AM1)
1000Wm2 (AM1)
太陽電池之動態負載匹配(日照變化)
RL(high)
RL(low)
bull Maximum power tracking is required in high efficiency PV system
太陽電池 I-V 特性曲線測量方法
VocVm
ImIsc Pm
C+
-
A
VR
A
V
A
V可程式負載
模擬陽光使用鎢絲燈氙燈Solar Simulator 或太陽光
Pm lt few10 W Pm lt few 100 W Pm lt 100 kW
Solar Simulator Array Tester
圖片資料來源httpwwwspiresolarcomSolarequipmenthtml
太陽於天球(Celestial Sphere)上運行之軌跡
冬至 春秋分 夏至 冬至 春秋分 夏至 春秋分 夏至
北緯 0o 北緯 45o 北緯 90o
(赤道) (北極)
天球
太陽運行軌跡與太陽電池仰角
冬至 夏至春秋分
所在緯度235o
235o47o0o
47o 235o
13太陽電池組列仰角與間隔設計例
bull組列仰角~235o (台灣地區)
bull h=組列總高度( lt 15 m)
bull L2=h tan(55o) = 057 L0
(55o可適用於冬至0900~1500)
bull水平角度=正南 plusmn5o
235o
55o
235o
夏至
冬至
春秋分
235o 235o
南
h = 04 L0
L1= 092 L0L2 = 057 L0
L0
L1 + L2 = 15 L0
2零交越偵測電路分析
bull 零交越偵測電路如圖1 所示主要目的在於檢測輸入弦波電壓之零交越點其電路輸出為ㄧ方波信號利用方波上緣信號觸發數位訊號處理器之外部中斷腳位進而進行相位同步之功能[4]零交越偵測電路輸入與輸出波形如圖2 所示相位同步控制當數位訊號處理器發生上緣觸發時此觸發訊號如同系統重置訊號將正弦表指標變數歸零一經重置後指標變數又開始計數藉由每週期ㄧ次的重置訊號迫使換流器輸出達到同步相位同步控制波形示意圖如圖3 所示圖4 為零交越偵測電路輸出實測圖[4]
3系統電路架構與動作模式
bull A
bull 本文所述之系統為一太陽光電能轉換系統方塊圖如圖5 所示主要部分包括太陽能板直流-直流轉換器全橋式換流器數位訊號處理器感測迴授電路與驅動電路此一系統之基本動作情況為一般情況下斷路器1 和斷路器2 均為導通狀態此時太陽光電能轉換系統與電力網路處於連結運轉模式而當電力網路供電中斷時斷路器2 將被斷路以避免孤島現象的發生反之若是太陽光電能轉換系統發生故障時斷路器1 將被斷路以避免電力網路受到其故障的影響
31系統電路架構與動作模式
bull B
bull 電路工作模式bull 此一太陽光電能轉換系統主要有兩種工
作模式以下為二種工作模式的操作說明
bull (1) 獨立運轉模式bull 如圖6 所示獨立運轉模式為當電力網
路供電中斷時斷路器2 將被斷路而此時太陽光電能轉換系統將操作在電壓控制模式下提供負載一穩定的輸出電壓
bull (2) 與電力網路連結運轉模式bull 如圖7 所示與電力網路連結運轉模式
將太陽光電能轉換系統與電力網路連結運轉也就是斷路器1 和斷路器2 同時導通此時系統將操作在電流控制模式下首先經由最大功率點追蹤程式運算出瞬時最大功率點的電流參考值再根據此一電流參考值輸出一與電力網路電壓同相位的電流至負載或甚至回送至電力網路
31直流至直流切換式轉換器
典型直流至直流轉換器系統之構造如圖21所示其輸入通常為由線電壓整
流而得之非調節直流電壓然後再利用切換式直流至直流轉換器將此變動之
直流電壓轉換成一調節之直流電壓
無控制之二極體橋式整流器
交流線電壓
(單相或三相)
直流電壓
(無調節性)
濾波電容 (無調節性)
直流至直流轉換器 (具調節性)
負載
蓄電池
直流電壓 直流電壓
控制訊號1降壓式(step-down buck)轉換器
2升壓式(step-up boost)轉換器
3升降壓式(step-downstep-up buck-boost)轉換器
4全橋式轉換器
上述四種轉換器中只有降壓式及升壓式是最基本的轉換器電路架構升
降壓式轉換器是此二基本轉換器之結合而全橋式轉換器則是由降壓式轉
換器衍生而來
直流至直流轉換器之控制
直流至直流轉換器的作用即是在輸入電壓與輸出負載變動的情況下能夠調
節輸出電壓為所設定的位準電壓位準轉換之原理可以圖22(a)所示之簡單
電路來說明由開關導通與截止可得圖22(b)之波形其中輸出電壓vo平均
值大小Vo與開關之導通及截止時間(ton及toff)有關平均輸出電壓大小調整
之最典型的方式是採用脈波寬度調變法(Pulse-Width ModulationPWM)
其切換週期Ts(= ton+toff)為固定由調整導通時間之大小來改變平均輸出電
壓之大小Vo
+
_
Vd
R
+
_
Vo
0Vd
Vo
vo
tton toff
Ts
脈波寬度調變切換控制的方塊圖如
圖23(a)所示開關之切換控制信號
由控制訊號vcontrol與週期為Ts之鋸齒
波vst比較而得控制信號則由Vo之
實際值與設定值之誤差放大而得
vcontrol與vst比較所得之切換控制信號
的波形如圖23(b)所示當控制訊號
vst較大時則為高準位信號即使
開關導通反之為低準位信號即使
開關截止故開關之切換週期亦為
Ts 由以上的原理可知開關切換
之責任週期 (Duty Ratio)為D=tonTs
=vcontrolVst 其中Vst為鋸齒波之振
幅
放大器
+
-Vo
(設定)
(實際)
Vo
比較器
週期性波形 stv
切換控制訊號
控制訊號
0 t
$Vst
=stv 鋸齒波電壓
controlv (放大誤差)
On On
Off Off
stcontrol vv gt
stcontrol vv ltton toff
Ts
切換控制訊號
(切換頻率 fT
s
s
=1
)
升壓式直流至直流轉換器
圖211為升壓式轉換器電路主要用途為直流電源供應器與直流馬達之
再生制動(Regenerative Breaking)顧名思義其輸出電壓高過於其輸入
電壓當開關導通時二極體反向偏壓輸入電能儲存於電感負載電
能則由電容提供當開關截止時負載吸收輸入及儲存電感中之電能
-
L
CRVd
Vo
vL
iL
io
+
-
++
_
t0
t0
vL
iL
I L
Ts
toffton
_++
_
+
_
+ _+
_
+
_
iL
vL
Vd Vo
iL
vL
Vd Vo
)( dV
)( od VV minus
圖212所示為電感電流為連續之
穩態工作波形由穩態下電感電
壓一週期之平均值為零可得
0)( =minus+ offodond tVVtV
等號兩側除以Ts重新整理可得
Dt
T
V
V
off
s
d
o
minus==
1
1
假設電路無損失輸入功率
Pd=VdId 等 於 輸 出 功 率
Po=VoIo 則
)1( DI
I
d
o minus=
非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器
bullBoost之設計假設輸入10V輸出30V頻率50kHz輸出10W
所以D＝23
( ) s
o
o TDDP
VL
22
12
minusge
=6667uH
取75uH
D
VV in
o minus=
1
L
Vi
n
S Vo
+
_
C
DiL
vds
升降壓式直流至直流轉換器
升降壓式轉換器的主要用途為輸入與輸出之極性相反輸出電壓可以高於
或低於輸入電壓之直流電源供應器升降壓式轉換器可以由降壓式轉換器
與升壓式轉換式串接而成穩態下輸入與輸出電壓轉換器之比值為二轉換
器個別比值之乘積
D
D
V
V
d
o
minus=
1
因此變化責任週期D可使輸出電壓高於或低於輸入電壓
+
_
+
_
_
+
RC Vo
L
Vd
io
iLvL
id
降壓式直流至直流轉換器
降壓式轉換器顧名思義其作用為將較高準位的輸入電壓換成較低
準位的輸出電壓主要用途為直流電源供應器及直流馬達速度控制
圖22(a)所示為提供純電阻性負載之降壓式轉換器由圖22(b)可知其輸
出電壓波形由開關位置決定平均輸出電壓為
dd
s
onT
t
t
d
s
T
o
s
o DVVT
tddV
Tdv
TV
s
on
ons ==+== intintint )0(1
)(1
00ττττ
+
_
Vd
R
+
_
Vo
0Vd
Vo
vo
tton toff
Ts
32直流至交流切換式反流器
切換式直流至交流(DCAC)反流器(Inveter)乃用以將直流電源轉換成振幅
與頻率均可調之正弦式交流電源主要用途為交流馬達驅動與交流不斷
電電源供應器圖31為典型交流馬達驅動之反流器方塊圖其直流輸入
電壓通常由線電壓整流及濾波而得接著再利用切換式反流器改變輸出
電壓之振幅與頻率以驅動交流馬達切換式反流器功率之流通通常是
由直流至交流稱為反流模式但亦可以從交流至直流稱為整流模
式
+
_
交流馬達
二極體整流器 濾波電容 切換式反流器
Vd
三相交流電源
反流器包括單相及三相其輸入為直流電壓源者稱為電壓源反流器
(Voltage Source InverterVSI)另外若輸入為直流電流源者稱為電流
反流器(Current Source InverterCSI)目前僅應用在高功率之交流馬達
驅動器
1脈波寬度調變(PWM)反流器其輸入電壓通常為固定反流器本身具備變
頻及變壓的功能而變頻及變壓乃利用開關之脈波寬度調變切換控制達成
有許多類型之脈波寬度變技術可以使輸出電壓近似弦波
2方波(Square-Wave)反流器此反流器輸出電壓振幅乃由其輸入電壓調
整
反流器本身只控制輸出頻率交流輸出電壓波形近似方波因此乃稱方波
反流器
3採用電壓消去法(Voltage Cancellation)之單相反流器單相反流器當輸入
電壓為定值時可以利用電壓消去法來變頻及變壓而不須採用脈波寬度
調變其輸出電壓波形近似方波因此其結合了前述兩種反流器的特色
值得注意的是電壓消去法並不適用於三相反流器
切換式反流器之基本觀念
考慮圖33(a)之單相反流器假設其正弦輸出電壓vo是經過濾波所得若
輸出之負載為電感性(如馬達)則輸出電流io將落後vo 如圖33(b)所示
在期間1及3中 vo與io同號瞬時功率Po=voio為正故功率由直流側送至
交流側稱之為反流模式在期間2及4中 vo與io異號瞬時功率Po為負
故功率由交流側送至直流側稱之為整流模式圖33(a)之切換式反流器
在每一週期內會經歷平面上四個象限中之所有象限
單相切
換式變
流器與
濾波器
o
o
+
-
+
-
Vd
vo
id
io
0t
4 1 2 3
voio
io
vo
1反流器
4整流器
3反流器
2整流器
0
為清楚解釋起見以單臂反流器來說明
+
_
+
_
+ +
__
Vd
Vd
2
Vd
2
A
N
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
vAN
oo
o
反流器電路之脈波寬度調變切換技術如圖35(a)所示由一正弦波形控
制訊號vcontrol與三角波形vtri作比較三角波(又稱載波)之振幅為Vtri頻率
為fs fs決定反流器開關之切換頻率正弦波控制電壓vcontrol(又稱調制訊
號)之基頻f1決定反流器之輸出頻率而其振幅則決定反流器輸出電壓之
大小定義振幅調變指數為ma=Vcontrol Vtri 其中Vcontrol為vcontrol之振幅
而頻率調變指數則定義為mf = fs f1
0 t
vcontrol vtri
sf
1
0 t
vAo
V d
2
minusVd
2
t=0
v v
T on T off
control tri
A A
lt
minus + v v
T on T off
control tri
A A
gt
+ minus
1)( AoAo vv =之基本波
0 t
vcontrol vtri
sf
1
圖34反流器之開關的控制方法與io方向無關為
dAoAtricontrol VvTvv2
1=gt +導通
dAoAtricontrol VvTvv2
1minus=lt minus導通
由於二開關之導通為互補因此輸出電壓只在Vd 2與-Vd 2二值間作變
動圖35(b)所示為ma=08與mf =15時輸出電壓vAo及其基本波(以虛線表示)
之波形
+
_
+
_
+ +
__
Vd
Vd
2
Vd
2
A
N
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
vAN
oo
o
單相全橋式反流器
單相全橋式反流器如圖311所示乃由兩個前述之半橋反流器所組成在
相同之輸入電壓下全橋式反流器之最大輸出電壓為半橋式之兩倍這代
表在相同之功率下全橋式反流器之輸出及開關電流僅為半橋式之一半
此對於高功率用途是一大優點因其可以降低使用並聯元件之需求
+
_
+
_
+
_
Vd
Vd
2
Vd
2
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
v v vo Ao Bo= minuso
A
B
TBminus
TB+
DBminus
DB+
+_
id
o
o
N
雙極性電壓切換之脈波寬度調變
0 t
vcontrolvtri
sf
1
0 t
ov1ov
dV
dVminus
單極性電壓切換之脈波寬度調變
onBT +
trivgttricontrol vv gt
trivcontrolv
t
)( controlvminus
)( controlvminusonAT +
t1ov
dV
dVminus
)( BNAN
o
vv
v
minus=
應用雙極性電壓切換之脈波寬度調
變全橋式反流器乃 (TA+TB-)與 (TA-
TB+)成對切換且二者互相反相
應用單極性電壓切換之脈波寬度調
變全橋式反流器乃A臂與B獨立切
換且同臂二開關互相反相
三相反流器
+
-
+
-
+
-
dV
2dV
2dV
+AT
minusAT
+AD
minusAD
o
BminusT
+BT
minusBD
+BD
di
minusCT
+CT
minusCD
+CD
N
A B C
o
0 t
triv Acontrolv Bcontrolv Ccontrolv
0
BNANAB vvv minus=
t
dV
之基本波1LLv
ANv
0 t
dV
t0
BNv
dV
三相電壓源反流器之脈波寬度調變切換的功能為在固定輸入直流電壓下用以調整三相輸出電壓之振幅及頻率三相脈波寬度調變方式由三相各差120度的控制電壓與三角波作比較其波形與單相全橋式反流器採用脈波寬度調變單極性切換者類似
最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法
33最大功率追蹤最大功率追蹤最大功率追蹤最大功率追蹤
為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點本文使用本文使用本文使用本文使用擾動觀察法擾動觀察法擾動觀察法擾動觀察法(Perturbation and Observation Method PampQ)進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功率追蹤率追蹤率追蹤率追蹤由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點下圖為擾動下圖為擾動下圖為擾動下圖為擾動觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖為利用為利用為利用為利用DCDC轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作時時時時其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為0之特性之特性之特性之特性使用使用使用使用DCDC轉換器控制太陽轉換器控制太陽轉換器控制太陽轉換器控制太陽能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動
擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖
最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法
左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖蹤示意圖蹤示意圖蹤示意圖太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分為兩個特性區域為兩個特性區域為兩個特性區域為兩個特性區域假設進行追蹤假設進行追蹤假設進行追蹤假設進行追蹤時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時電壓電壓電壓電壓的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率增加增加增加增加若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出功率減少功率減少功率減少功率減少經由經由經由經由DCDC轉換器調轉換器調轉換器調轉換器調節太陽能板與節太陽能板與節太陽能板與節太陽能板與DCDC轉換器的阻轉換器的阻轉換器的阻轉換器的阻抗相互匹配抗相互匹配抗相互匹配抗相互匹配進而得到太陽能板進而得到太陽能板進而得到太陽能板進而得到太陽能板的最大輸出功率的最大輸出功率的最大輸出功率的最大輸出功率
擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖
4軟體規劃
bull 系統控制程式主要分為主程式固定週期中斷副程式市電電壓零交越中斷副程式等三大部分以下將分別介紹各部分程式流程
bull 本系統主程式主要執行數位訊號處理器周邊暫存器的初始設定以及變數宣告其中除了變數宣告外周邊暫存器的初始設定包括有規畫中斷向量設定計數器之計數模式計數週期中斷的時間和PWM 輸出模式等相關參數設定
bull 如圖8 所示系統初始設定後必須先等待中斷發生才能決定系統是否執行固定週期中斷程式或零交越中斷副程式
bull 圖9 為固定週期中斷副程式流程圖固定週期中斷頻率與換流器開關之切換頻率相同為20kHz程式開始會先偵測太陽能板電壓及電流與直流鏈電壓當確定市電電壓零交越中斷發生時必須先將輸出弦波訊號之指標強制為原點重新送出單位弦波確保換流器輸出電流與市電電壓能維持同相位接著比較太陽能板輸入電壓VPV 是否大於最低工作電壓VPV_work如果確定大於最低工作電壓則致能太陽能最大功率追蹤反之則禁能系統動作程式返回圖9 中的正弦脈寬調變副程式主要功能在於決定換流器中開關的動作順序與責任週期大小以及輸波參考訊號
bull 圖10 為太陽能最大功率點追蹤副程式流程圖在文中對最大功率追蹤採用擾動與觀察法配合太陽能光電板的電壓mdash功率特性曲線即可瞭解程式如何完成太陽能光電板最大功率點追蹤
主程式流程圖
5實驗
bull 依據上述的分析採用DSP 2407A 建立一個500W 太陽光電池電能轉換系統依據圖11 之
bull 電路架構其規格與元件參數分別列於表一表二及表三系統實驗波形圖12圖13圖14 及
bull 圖15 為系統操作在獨立運轉模式下負載分別為120W240W360W 及480W 時之換流器輸出
bull 電壓及輸出電流之實測波形
系統規格與元件參數
實測波形
6實務應用系統實務應用系統實務應用系統實務應用系統
獨立系統示意圖獨立系統示意圖
考慮點
系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等安全係數最佳化設計複雜)
一般充電控制器無 MPPT搭配蓄電池使發電效能較差
蓄電池每日gt50DOD深度放電gt02C充電壽命短
太陽光發電量與負載需求量不搭配時太陽光之發電能量利用率偏低 (負載需求搭配與安全係數為互相矛盾之設計)
PV-柴油發電機PV-風力等混合系統為改善之方法
市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台
電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池
併聯系統示意圖併聯系統示意圖
緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析
1 系統設置成本高建議使用於邊際效益高之用電（防災緊急輔助電力）
2 總體經濟效益減少環境污染解決尖峰用電之不足與短缺能源多元化之風險分擔與開創自主能源
3 遮蔽陽光直曬降低建築物之熱效應（被動省能）同時轉換太陽光為電能供應建物自主能源（主動節能）一舉兩得
緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較
30萬元divide21900kWh＝137元度2萬元divide50kWh＝400元度每度電成本
日發電度數times365天times20年＝3hrtimes1kWtimes365天times20年＝21900kWh（度）
（年停電＋年測試運轉時數）times10年＝（20mintimes6次＋15mintimes12月）times10年＝5hrtimes1kWtimes10年＝50kWh
總發電度數（1kw計）
夜間不發電（可利用蓄電池設計供電年維運費02）
噪音空污油料運輸儲油危險維運成本高
缺點
利用露台屋頂牆面空間設備煙管隔音油槽需室內空間
設置空間
平時緊急時均可使用隨時可了解運轉狀況不須操作
加ATS停電時方可啟動需人員每月定期測試運轉
系統運作
太陽光潔淨能源（免費）柴油使用燃料
20年7~10年使用壽命
1kW=30萬元1kW=2~3萬元設置費用
太陽光發電系統柴油發電機
風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析
運用多元化能源分擔風險情況比較說明如下
1 市電--gt停電時風險極高
2 市電＋柴油發電機--gt發電機故障時風險高
市電＋柴油發電機＋太陽光發電系統--gt發揮三者優點互補同時故障機率小風險最低
案例
832kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide057＝317 m2
115kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide075＝332 m2
緊急時057平時065~08
綜合係數溫度變化污損線損Inverter效率＋蓄電池充放電補償
電力需求divide（日照強度times日照時間times模板效率times綜合係數）
模組面積估算
日照強度1kWm2
日照時間384hd
模板效率12
832kWhd500人用電量115kWhd770人用電量
緊急時平時
電力需求估算
緊急時40kWtimes384hdtimes057＝875 kWhd
平時40kWtimes384hdtimes075＝1152Whd
太陽發電系統發電量＝設置容量times日照時間times綜合係數
發電量計算
332m2times1kWm2times12＝398kW≒40kW
太陽發電系統設置容量＝設置面積times日照強度times模板效率
設置容量計算模板效率依太陽電池種類而異
進行模板陣列及蓄電池容量設計
40kWdivide18片串divide120W＝185列≒19
列
40kWdivide17片串divide120W＝196列≒20
列
陣列併列數＝設置容量divide單串功率
18片times120W＝2160W
17片times120W＝2040W
單串功率
300Vdivide169V＝1775片（取整數17 or 18）
陣列串聯數＝Inverter輸入電壓divide模板輸出電壓
模板陣列設計
1 模板功率120W
2 模板輸出電壓169V
3 直交流轉換器(Inverter)輸入電壓300V
120Wtimes17片串times20列＝40800W＝340片(最佳陣列)
120Wtimes18片串times19列＝41080W＝342片
最佳陣列較經濟之設置容量選擇最佳陣列
蓄電池數量＝144個times2列＝288個
120640Whdivide288Vdivide200Ah＝21列≒2列
併列數＝蓄電池需求容量divideInverter額定電壓
288Vdivide2V＝144個
串聯數＝Inverter額定電壓divide蓄電池電壓串併數設計
middot 蓄電池電壓2V個
middot 蓄電池容量200Ah個
Inverter電壓輸入電壓 額定電壓300V 288V200V 192V
蓄電池需求容量＝832kWhdtimes1dtimes145＝12064kWh
蓄電池需求容量＝緊急電力需求times無日照天數times補償係數補償係數蓄電池內阻抗放電停止電壓電壓降低補償
蓄電池需求容量設計
middot 補償係數145
無日照天數1日
61市電相關規定市電相關規定市電相關規定市電相關規定
1 發電設備併接於低壓系統者其總容量未滿100kW且技術無困難者得併接於單相三線110V220V三相三線220V之配電系統若總容量在100kW以上而未滿500kW得分別併接於3相4線220V380V之配電系統
2 發電設備總容量在500kW以上而未滿5000kW10000kW且技術無困難者得分別併接於114KV228KV之高壓配電系統
3 電設備總容量在10000kW以上而未滿40000kW者得併接於特高壓之系統
4 發電設備總容量在40000kW以上者依個案研討分類
併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類
發電系統經由發電系統經由發電系統經由發電系統經由110V220V110V220V110V220V110V220V併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者發電設發電設發電設發電設備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能
1 過電壓保護 低電壓保護
2 低頻保護 高頻保護
3 過電流保護 零相過電壓接地保護
4 發電設備為無逆送電力者須加裝逆電力保護
5 發電設備為有逆送電力者必須具備主動及被動防止單獨運轉保護
發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經110V220V110V220V110V220V110V220V系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者在電在電在電在電源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器
發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業114KV228KV114KV228KV114KV228KV114KV228KV之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者((((高高高高壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶))))發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Extremely Inverse特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Extremely Inverse特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過流電驛(67)須具Normal Inverse特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
發電設備併接於電業69KV特高壓輸電系統者發電設備之輸出端至少應具有下列同等保護功能並須與電業該轄區之保護設備協調
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Normal Inverse之特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Normal Inverse之特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過電流電驛(67)須具Normal Inverse之特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
8 快速及後衛保護電驛如系統保護需要時應裝設
9 匯流排電驛採用GIS斷路器者應裝設
62626262太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範
1 故障電流
太陽光電發電系統大於100kW以上須計算故障電流其送至電業系統之故障電流不得影響電業及其他用戶斷路器之起斷容量否則需裝置限流電抗器
太陽光電發電系統之隔離變壓器接地方式須與電業之系統配合
2 正常電壓變動率應維持在plusmn5以內
3 太陽光電發電系統與電業間之責任分界點的功率因數以維持85落後至100之間運轉為原則
4 諧波污染限制應依照「電力系統諧波管制暫行標準」辦理
分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性
適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯型之規範型之規範型之規範型之規範
電力轉換器電力轉換器電力轉換器電力轉換器(電力調節器電力調節器電力調節器電力調節器)(InverterConditioner)
蓄電池蓄電池蓄電池蓄電池(Battery))
63大型(商用)太陽光發電系統應用(gt1 kWp)
太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統
單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池(Unit Solar Cell)
太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板(PV Module)
太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列(PV Array)
太陽光發電系統應用獨立系統
(A) 獨立系統(Stand-Alone
System)
bull 蓄電池保護壽命
(B) 混合型交流獨立系統 (Hybrid
System)
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
直流負載PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
整流器
輔助發電機
PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載- ~PCU
直直直直交流轉換器交流轉換器交流轉換器交流轉換器
太陽光發電系統應用併聯系統
(D)併聯系統(Grid-
connected System)
特殊功能1 最佳效能2 防止獨立運轉(連線保護)
3 可自力運轉
(E) 防逆流型系統(Off-line System)
(F) 防災型併聯系統
充電控制器
蓄電池
直交流轉換器
PCU太陽電池組列
交流負載
ATS
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
獨立型系統
適用地點高山離島基地台hellip等市電無法到達處
工作方式白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
必須可以自給自足
缺點bull 系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等
安全係數設計很困難)
bull 蓄電池建置複雜成本很高壽命很短
bull 負載搭配不良時發電效能不佳利用率將偏低
bull 需由專人隨時維護
bull 混合系統為一種解決方法
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
PCU
併聯型系統
適用地點電力正常送達之任何地點工作方式 bull 白天 PV系統併聯發電夜間由台電供電bull 將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的蓄電池
優點bull 系統簡單不需安全係數設計(依預算設計)不需要專人維護bull 併聯發電效率高利用率高
缺點bull 停電時無電可用bull 受併聯法規限制尚未開放(但即將開放)
bull 有孤島效應之疑慮(目前技術上已解決)
改善型無電池自力運轉
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
市電併聯型住宅用太陽光發電系統
太陽光發電系統發電及負載用電對時間之關係
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
併聯型直交流轉換器之效能要求較高
1 最大功率追蹤(Maximum Power Tracking MPT)
2 高轉換效率 gt 90 (PWM+電力電子元件)
3 高次諧波功率 Distortion (lt5 total)
4 自動開關機(白天夜晚)
5 過負載保護過溫度保護
6 體積小重量輕室外防水防塵
7 電腦界面可遠端監控
8 防止獨立運轉(連線保護)
9 可自力運轉
太陽電池組列
交流負載
直交流轉換器MPT
Power Conditioner
併聯系統之獨立運轉(單獨運轉)
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull停電時單一併聯系統將會停止運作
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
bull 市電停電時多數併聯系統仍聯合運作將對電力公司人員產生嚴重危害
孤島效應之防止方法
停電偵測1 過電壓低電壓
2 過頻率低頻率
3 被動式偵測如
bull 電壓與頻率監視方式
bull 電壓相位跳躍監視方式
bull 高次諧波監視方式
bull 頻率變化監視方式
PV組列
直交流轉換器
自家負載
4 主動偵測如
bull 頻率Shift方式
bull 配電線負載變動方式
bull 有效電力變動方式
bull 無效電力變動方式
反應時間05~2秒
資料來源「日本電氣用品試驗所」分散型電源系統連系技術指針(1998)
併聯系統之自力運轉功能
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull 大停電後白天有陽光時以人工啟動 PV 系統進行自力運轉供自家負載使用(但夜間無法使用)
防災型併聯型系統
適用地點有防災需求(照明汲水通信hellip)之公共設施
工作方式
bull 平時PV併聯發電(電池浮充) 效率高利用率高夜間由台電供電
bull 視需要建置供防災用電池大停電時白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
缺點bull 含電池成本較高bull 系統較複雜需專人定期維護
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
FAQ1太陽光發電需要多少土地
效率 = (輸出功率W) (組列面積 m2 x 日照強度 Wm2 ) x 100
模板面積 m2 = 輸出功率W (效率 x日照強度Wm2 ) x100
bull 假設使用效率gt136 模板於1000 Wm2 (AM15)日照強度下
10 kWp 模板面積 (m2) = 10000 (0136 x 1000) ~ 735 m2
10 kWp PV系統土地面積需求約
~ 735 m2 x 15 x 11
~ 121m2 (~36坪)
(包括陰影面積及維修空間)
bull 假設使用效率~10 模板
則模板面積約 ~ 100 m2
土地面積需求約 ~ 165m2 (~50坪)
gt55o
夏至
冬至
春秋分
235o 235oh
L1 L2
FAQ2太陽電池一年能發多少電
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
10 kWm2
05 kWm2
日照強度
等效日照時數(Sun Hour)
組列單日發電量 = 組列額定輸出功率 x 等效日照時數
bull 預估1 kWp 組列單日發電量 = 1 (kW) x ex 4(Sun Hour)= 4 kWh
組列年發電量 = 組列額定輸出功率 x 年平均每日日照時數 x 365
bull 預估 1 kWp 組列年發電量 = 1 x 4 x 365 = 1460 kWh
時間時間時間時間
FAQ3太陽光發電的成本(簡易估算)
1 假設目前太陽光發電系統設置成本約為 NT$ 280000 kWp
2 假設年平均每日日照時數約為 25 Sun Hour (台灣中南部地區)
bull 1 kWp 組列單日發電量= 1 (kW) x 25 (Hour)= 25 kWh
bull 1 kWp 組列年發電量= 25 x 365 = 913 kWh (度)
3 假設太陽光發電系統使用壽命為 20 年
bull 1 kWp 太陽光發電系統總共可發電 20 x 913 = 18260 度
4 生產每度電之成本約為 280000 18260 ~ NT$ 153
5 未來發展趨勢
bull 太陽光發電系統設置成本將逐年降低
bull 市電電費將會升高(國內目前約 NT$ 3 度日本約NT$ 7 度)
bull 傳統能源限制再生能源獎勵利率降低
64獨立型太陽光發電系統應用例(一)
bull太陽電池時鐘-日本bull太陽電池路燈-日本千里住宅公園
獨立型太陽光發電系統應用例(二)
bull太陽電池交通標誌-日本北海道 bull高速公路緊急電話-日本
獨立型太陽光發電系統應用例(三)
bull800W無線通信中繼基地台韓國(1998)
獨立型太陽光發電系統應用例(四)
bull離島用90kW獨立型發電系統韓國Ho-Do島(1992)
併聯型太陽光發電系統應用例(一)
bull設置於屋頂之住宅用太陽光發電系統(建材一體型日本千里住宅公園內住宅設計之一)
併聯型太陽光發電系統應用例(二)
bull日本東海線新幹線京都車站之太陽光發電系統(100kWp)
併聯型太陽光發電系統應用例(三)
bull日本京瓷(Kyocera)京都總公司大樓之太陽電池發電系統(220kWp)
太陽光發電發電廠應用例
太陽電池發電廠
(PV Power Plant)
資料來源 ANIT
Srl Italy
建材一體型太陽電池模板應用例
bull資料來源 Pilkington Solar International GmbH 德國
太陽能車應用例
Honda Dream
bull資料來源 PV Special Research
Centre UNSW Australia
交大太陽能車
bull資料來源 National Chiao-Tung
University Taiwan
太陽光發電航太應用例(NASA Helios )
bull空中無線通訊平台應用
資料來源SkyOne Inc Taiwan
bull 飛行高度5-7 萬英呎(最高記錄 96000 英呎)
bull 時速60 mph (起飛 25 mph)
bull 翼展247 英呎bull 重量2000 磅bull 太陽電池效率要求gt22
資料來源httpwwwaerovironmentcomhomehtml
清雲技術學院 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
個人住宅 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
勤益技術學院 3kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
南台科技大學 10kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
總統府 10kWp 獨立型太陽光能發電系統 (9012)
海巡署南沙太平島 20kWp 混合型(柴油發電機)太陽光能發電系統 (9011)
90能源基金示範補助成果例
台電樹林 20kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
併聯型
台電台北市區處 20kWp 太陽光發電系統
(91能源基金示範補助成果)
併聯型
7結論
bull (1)提高電力轉換器效率
bull 轉換器的損失主要來自於開關切換時之損失為了可以降低濾波電路中電感和電容的體積可以提高切換頻率但是相對於開關的切換損失也因此而增加導致轉換器的效率降低因此發展零電壓或零電流切換技術應用於高切換頻率之轉換器將可以提高轉換器的效率
bull (2)提高太陽光發電系統之整體效率
bull 傳統之太陽光發電系統包含儲能系統和供電系統前級利用DCDC轉換器作最大功率追蹤後級則利用DCAC轉換器轉換能量供應給交流負載為了提高太陽光發電系統的整體效率在研究可提出了模組並聯控制技術以提昇各級電力轉換器的效率而在未來太陽光發電系統也將著重在單級電力轉換器的設計對於整體系統效率有較明顯的改善
8參考資料
1許國強ldquo太陽光發電原理與應用工研院材料所 薄膜技術組91年
2華志強黃崇倫ldquo智慧型能量控制於太陽光電能轉換系統國立雲林科技大學電機工程學系電力研討會97年
3林政達ldquo數位式市電並聯換流器與快速鎖相迴路控制器之研製國立雲林科技大學電機工程學系碩士論文92 年
4李思賢ldquo數位式單相低功率太陽光電能轉換系統國立中山大學電機工程學系碩士論文92 年
5洪世杰ldquo適用於再生能源之市電併聯型雙輸入供電系統國立中正大學電機工程研究所碩士論文93 年
6王廷興ldquo太陽能發電配電設計概要台北科技大學冷凍空調系 92年
7魏榮宗王文宏ldquo高效率太陽光電能源轉換系統 元智大學電機工程學系94年
[ ] 100)25(
)11
(exp
1)(exp
3
λminus+=
minus
=
+minus
minus+minus=
TKII
TTBk
qE
T
TII
where
R
IRVIRV
AkT
qIII
ISCRLG
r
GO
r
oros
sh
ssosLG
VI cell output current and voltagecell reverse saturation currentcell temperature in CBoltzmannrsquos constantelectronic chargeshort circuit current temperature coefficientsolar irradiation in Wmshort-circuit current at 25 Cand 1000 Wm
light-generated currentband gap for siliconideality factorsreference temperaturecell saturation current atshunt resistanceseries resistance
osI
T
kq
00170=IK
SCRIλ
LGI
GOE
921== ABKTr deg= 18301
orI
shR
sR
附錄附錄附錄附錄- 太陽能電池太陽能電池太陽能電池太陽能電池
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
(a) Equivalent circuit of a PV module and
(b) Typical PV module current-voltage and power-voltage characteristics
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
Characteristic of a PV module with temperature and irradiation (a) constant irradiation and varying temperature and (b) constant temperature and varying irradiation
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
系統範例系統範例系統範例系統範例
中途驛站電化PV離島用PV系統山岳地帶PV系統離島偏遠區
勤務指揮中心緊急避難所醫療院所公園學校地震觀測站森林嘹望台避難指示燈氣象觀測所水位警報PV系統河川安全燈防波堤安全PV燈
緊急防災
緊急供電系統管線電氣防蝕輸油管流量計PV系統市場廣告塔海上石油平台各種計測站PV系統發電廠情報指揮中心
產業用
住宅用供電系統緊急供電系統緊急照明系統帷幕牆遮陽棚採光罩屋瓦建築物
無線通信用中繼站基地台緊急電話中繼站電話通信PV系統Radio受信PV系統微波中繼站
通訊
農宅用電溫室栽培PV系統農業灌溉用自動灑水系統農牧電籬牛乳冷藏漁業養殖揚水通氣自動餵食器
農林漁牧
路燈交通號誌道路指示牌標誌燈太陽能電動車充電站高速公路緊急電話偏遠道路緊急電話停車計時器停車場控制門系統高速公路防音壁PV系統公路休息區PV系統太陽能車平交道指示燈候車亭PV系統車站屋頂型PV系統
道路交通
收音機測電表手錶計算機太陽能照相機手電筒電池充電器野營燈民生
應用領域
全世界太陽電池市場量
0
50
100
150
200
250
300
350
400
Shipment (Pmp MW)
1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001
Year
US
JAPAN
EUROPE
ROW
國內太陽光發電發展狀況(IMRL)
bull非晶矽太陽電池研製
1980
bull高效率非晶矽太陽電池
bull低溫 ploy 薄膜太陽電池
19851990
19952000 bull建材一體化模板研製
bull商品化非晶矽太陽電池
bull可撓式非晶矽太陽電池
bull結晶矽太陽電池
bull結晶矽太陽電池模板
bull量產非晶矽太陽電池(光華科技 1988年)
bull架設獨立型太陽光發電系統
bull太陽光發電示範系統設置
bull量產結晶矽太陽電池(士林電機 2000年)
bull架設實驗型與市電併聯型太陽光發電系統及監測分析
2005
bull示範推廣獎勵補助辦法實施
bull晶矽太陽電池研製(核研所)
bull奈米(Nano)太陽電池
國內太陽光發電發展狀況(II其他單位)bull 1980~1990
ndash 清大呂助增教授--MS太陽電池ndash 中科院核研所核儀組-- 2 吋單多晶矽太陽電池模板原型(可商業運轉)
ndash 清大黃惠良教授--非晶矽(amorphous-Si)CuInS2太陽電池ndash 台大李嗣岑教授--非晶矽太陽電池ndash 成大張俊彥教授--非晶矽太陽電池ndash 中原熊慎幹教授--非晶矽太陽電池ndash 交大蔡中教授--太陽光發電系統研究ndash helliphellip
bull 1990~目前ndash 清大黃惠良教授--CuInS2太陽電池ndash 清大徐永珍教授--Porous Si
ndash 交大李威儀教授--GaAs太陽電池ndash 中興江雨龍教授--非晶矽太陽電池ndash 中正吳財福教授--直交流電力轉換器(Inverter)
ndash 台大黃秉鈞教授--太陽光發電系統研究ndash 清雲技術學院電機系--太陽光發電系統研究ndash 士林電機--太空用太陽電池封裝(中華衛星計畫)(目前轉移至永炬光電)
ndash TiO2 Dye Sensitized太陽電池(有機材料)
ndash helliphellip
國內太陽光發電發展狀況(III)
產業狀況上游目前有永炬(士電)茂迪光華科技三家生產太
陽電池包括單晶矽多晶矽與非晶矽太陽電池
發電系統之電力直交轉換器(inverter)目前國內無廠商
生產全仰賴進口
中下游有數家廠商製作太陽電池燈充電器玩
具hellip及其他電子產品
太陽光發電系統安裝施工廠商約 10 餘家
bull住宅用電力系統
bull產業工商用電力系統
bull偏遠地區發電系統(山區離島hellip)
bull緊急防災用電力系統
bull消費性電子產品之電源(手錶時鐘電子計算機充電器燈玩具)
bull交通工具之電源(車船飛機飛行船hellip)
bull太空用發電系統
bull攜帶式電源
bull交通標誌號誌之電源
bull發電廠
太陽光發電之應用領域
學校避難所 醫療院所
政府機構 防災中心
救護站
消防隊
救援中心
警察局
救援機具用電
通訊用電 通氣用電
照明用電
供水用電供油用電
太陽光發電防災緊急電力應用示意圖
太陽電池材料種類說明太陽電池材料種類說明太陽電池材料種類說明太陽電池材料種類說明太陽電池材料種類說明太陽電池材料種類說明太陽電池材料種類說明太陽電池材料種類說明
1以下TiO2奈米及有機奈米及有機奈米及有機奈米及有機Nano amp Organic
應用於有機太陽電池屬研發階段
10~12CdSCdTeCuInse
多晶Poly Crystallin
18~30GaAsInP單晶Single Crystallin
多化合物多化合物多化合物多化合物Compound
應用於太空及聚光型太陽光電系統
6~9SiSiCSiGeSiHSiO
非晶矽Amorphous
10~18多晶矽Poly Crystallin
12~20單晶矽Single Crystallin
晶矽Crystalline
矽矽矽矽(硅硅硅硅) silicon
目前太陽光電系統中應用最為廣泛
市場模組發電轉換效率
半導體材料太陽電池種類
又稱為單結晶晶圓型製程貴發電量佳 礙於晶圓型式多半
截圓型或圓弧造型舖設時面積上無法達到最大利用及吸收
多結晶製程上較便宜發電量略遜單晶矽可截為正方形舖設時
可達到最大面積利用及吸收其晶狀分佈具有應N效果可為建築
物外觀加分另外雖其結理易造成碎裂但晶體可再利用做為項鍊
等裝飾品
非晶矽(可撓式)成本便宜發電率較差且容易造成裂質化但由
於可直接鍍在玻璃及塑膠上面與建築物可做最佳結合除可做太陽
光電系統發電用室內型民生消費品也常見其應用如電子計算
機搖頭娃娃玩具等
常見的太陽電池及模板外觀常見的太陽電池及模板外觀常見的太陽電池及模板外觀常見的太陽電池及模板外觀常見的太陽電池及模板外觀常見的太陽電池及模板外觀常見的太陽電池及模板外觀常見的太陽電池及模板外觀
單晶矽太陽電池外觀 單晶矽太陽電池典型結構
太陽電池外觀與構造(單晶矽)
1 清洗蝕刻
2 磷擴散
P-type wafer
單晶矽太陽電池製程步驟例(I)
3 鍍抗反
射層
4 網印
5 燒結
單晶矽太陽電池製程步驟例(II)
11太陽光發電(Photovoltaic)原理 (I)
太陽電池是以 P 型與 N 型半導
體材料接合構成正極與負極
當太陽光照射太陽電池時光
的能量會使半導體材料內的
正負電荷分離
正負電荷會分別往正負極
方向移動並且聚集
將太陽電池正負極接上負載
時將有電流流出可以對負
載作功(燈泡會亮馬達會轉)
正極P 型
負極N 型
P
N
P
N
P
N
-++
-
+
-+
-+
+ + + + +
- - - - -
--
+
-+
正負電荷
+
-
+
-
+
-
太陽光
太陽光
太陽光
電流
-+
PN(不照光平衡狀態)
EfEv
Ec
N P P
N
P
N
P
N
P
N
光子(Photon)
-+-+
-+
-+
-+
+ + + + +
- - - - -
-+
-+
-+
太陽光發電(Photovoltaic)原理 (II)
-
+
Photon
+
+
-
-
- -
++
Ef
Ev
Ec
PN(照光狀態)
++
-
- -
+
+
--
+
-
+
Photon
多數載子
多數載子
少數載子
少數載子
+
-
多數載子
多數載子
電子-電洞對(Electron-
hole pair)
EvN Type
SemiconductorP Type
Ef
Ec
Ef
Ev
Ec
電子位能
Ec conduction band
Ev valence band
Ef Fermi level
I=I0 (eVaVT-1)-Isc
Isc = -I (短路電流 V=0)
Voc = aVTln(Isc I0 +1) (開路電壓
I=0)
I0 (逆向漏電電流) prop ni prop e-Eg
RshID
Isc
+
----
v
I
RL
Rs
太陽電池等效電路與電氣特性
+I
+V
-V
Dark
VocV
Photo
Isc
I
Pm
I0
太陽電池等效電路 常用太陽電池電路符號
VocVm
Im
Isc
Pm
太陽電池 I-V 特性曲線分析
FF(Fill Factor) = (Vm x Im Voc x Isc) x 100 (越高越好)
ηηηη (Efficiency) = (Vm x Im Pin) x 100 (越高越貴)
bull Pin (Incident Power) = A (hc λ) bull N(λ) dλ
bullλ wavelength (microm)
bull N(λ) Number of photonm2 bull sec
bull A Area (m2)
bull h Plank constant c light speed
Voc開路電壓
Isc短路電流
Pm最大輸出功率值
Vm最大輸出功率時之電壓
Im最大輸出功率時之電流
太陽電池開路短路時皆不會燒毀
0
電壓源
電流源
利用串並聯組成模板與組列提供所需的工作電壓與電流
VocVm
Im
Isc
Pm
12太陽電池之串並聯使用
VocVm
Im
IscPm
VocVm
Im
Isc
Pm
太陽電池模板之構成
+
-
太陽電池模板結構太陽電池模板外觀太陽電池模板接線
正面
強化玻璃
EVA
TedlarTM (Dupont)
EVA
Polyester
TedlarTM (Dupont)
0125
0015
Cells0014
0015
00015
0002
00015
背面
單元太陽電池
太陽電池模板之規格範例
η (Efficiency) = (Vm x Im Pin) x 100
單晶矽模板效率 = (354 V x 495 A) ( 129 m2 x 1000 Wm2 ) x100
= 1358
單晶矽模板效率 = 1302
種類
項目單晶矽 多晶矽
額定輸出功率(Wp) 175 125
開路電壓(V) 444 323
短路電流(A) 555 546
最大輸出工作電壓(V) 354 260
最大輸出工作電流(A) 495 48
輸出最大功率(W) 175 125
尺寸(mm)W15736timesL826
timesH46
W1200timesL802
timesH46
重量(kg) 17 125
測定條件日照強度 AM151000Wm2Module 溫度 25
何謂AM0AM1AM15
Wavelength (microm)
Spec
tral
Irr
adia
nce
(Wm
-2micro
m-1) AM0
AM15
AM 即 Air Mass(不同 Air Mass 代表不同太陽光光譜)
bull AM0 (Air Mass 0) ~ 1400 W bullm-2
bull AM1 (Air Mass 1) ~ 1000 W bullm-2
bull AM15 (Air Mass 15) ~ 844 Wbullm-2
AM15 1000 Wbullm-2 (IEC 891 IEC 904-1)
Earth
AM0
AM1
AM15
大氣層
45o
太陽電池直接驅動負載如馬達等(應用於玩具車船馬達音樂卡片hellip)
bull 電力現買現賣
bull 負載匹配(容量與電壓)
bull 溫度效應
bull 搭配(超高)電容可以提高效能
太陽電池(直流)基礎應用範例(I)
I M
+
-
C
圖片資料來源httpshoppingyahoocom httpwwwsolar-icomSampYhtml
太陽電池先對電池充電再由電池供應負載(應用於玩具車船電動機械夜間燈光計算機鐘錶3C產品hellip)
bull 電力零存整付
bull 太陽電池電池電壓匹配
bull 溫度效應
bull 使用阻隔二極體
bull 電池過充放電保護
太陽電池(直流)基礎應用範例(II)
I負載
+
-
電池
圖片資料來源httpshoppingyahoocom httpwwwsolar-icomSampYhtml
FAQ1太陽電池應用效能不佳太陽電池之負載匹配(Load Matching)
RshID
IL
+
----
v
I
RL
Rs
bull Efficiency of a PV system is strongly affected by load matching
bull Measurement of I-V Characteristic curve is important
VocVm
Im
Isc
Pm
RL 1
RL 3
RL 2 Battery voltage
RL
----
+
不同日照強度下太陽電池 I-V 特性曲線
bull 最大輸出功率隨日照強度而改變並非永遠等於額定值
0
1
2
3
4
5
6
7
0 10 20 30 40 50
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
1000Wm2 (AM1)
500Wm2 (05AM1)
不同溫度下太陽電池 I-V 特性曲線
bull太陽電池溫度升高時輸出電壓與最大輸出功率降低
0
1
2
3
4
5
6
7
0 10 20 30 40 50
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
75oC 50oC 25oC 0oC
Battery voltage
0
1
2
3
4
5
6
7
0 10 20 30 40 50
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
500Wm2 (05AM1)
1000Wm2 (AM1)
太陽電池之動態負載匹配(日照變化)
RL(high)
RL(low)
bull Maximum power tracking is required in high efficiency PV system
太陽電池 I-V 特性曲線測量方法
VocVm
ImIsc Pm
C+
-
A
VR
A
V
A
V可程式負載
模擬陽光使用鎢絲燈氙燈Solar Simulator 或太陽光
Pm lt few10 W Pm lt few 100 W Pm lt 100 kW
Solar Simulator Array Tester
圖片資料來源httpwwwspiresolarcomSolarequipmenthtml
太陽於天球(Celestial Sphere)上運行之軌跡
冬至 春秋分 夏至 冬至 春秋分 夏至 春秋分 夏至
北緯 0o 北緯 45o 北緯 90o
(赤道) (北極)
天球
太陽運行軌跡與太陽電池仰角
冬至 夏至春秋分
所在緯度235o
235o47o0o
47o 235o
13太陽電池組列仰角與間隔設計例
bull組列仰角~235o (台灣地區)
bull h=組列總高度( lt 15 m)
bull L2=h tan(55o) = 057 L0
(55o可適用於冬至0900~1500)
bull水平角度=正南 plusmn5o
235o
55o
235o
夏至
冬至
春秋分
235o 235o
南
h = 04 L0
L1= 092 L0L2 = 057 L0
L0
L1 + L2 = 15 L0
2零交越偵測電路分析
bull 零交越偵測電路如圖1 所示主要目的在於檢測輸入弦波電壓之零交越點其電路輸出為ㄧ方波信號利用方波上緣信號觸發數位訊號處理器之外部中斷腳位進而進行相位同步之功能[4]零交越偵測電路輸入與輸出波形如圖2 所示相位同步控制當數位訊號處理器發生上緣觸發時此觸發訊號如同系統重置訊號將正弦表指標變數歸零一經重置後指標變數又開始計數藉由每週期ㄧ次的重置訊號迫使換流器輸出達到同步相位同步控制波形示意圖如圖3 所示圖4 為零交越偵測電路輸出實測圖[4]
3系統電路架構與動作模式
bull A
bull 本文所述之系統為一太陽光電能轉換系統方塊圖如圖5 所示主要部分包括太陽能板直流-直流轉換器全橋式換流器數位訊號處理器感測迴授電路與驅動電路此一系統之基本動作情況為一般情況下斷路器1 和斷路器2 均為導通狀態此時太陽光電能轉換系統與電力網路處於連結運轉模式而當電力網路供電中斷時斷路器2 將被斷路以避免孤島現象的發生反之若是太陽光電能轉換系統發生故障時斷路器1 將被斷路以避免電力網路受到其故障的影響
31系統電路架構與動作模式
bull B
bull 電路工作模式bull 此一太陽光電能轉換系統主要有兩種工
作模式以下為二種工作模式的操作說明
bull (1) 獨立運轉模式bull 如圖6 所示獨立運轉模式為當電力網
路供電中斷時斷路器2 將被斷路而此時太陽光電能轉換系統將操作在電壓控制模式下提供負載一穩定的輸出電壓
bull (2) 與電力網路連結運轉模式bull 如圖7 所示與電力網路連結運轉模式
將太陽光電能轉換系統與電力網路連結運轉也就是斷路器1 和斷路器2 同時導通此時系統將操作在電流控制模式下首先經由最大功率點追蹤程式運算出瞬時最大功率點的電流參考值再根據此一電流參考值輸出一與電力網路電壓同相位的電流至負載或甚至回送至電力網路
31直流至直流切換式轉換器
典型直流至直流轉換器系統之構造如圖21所示其輸入通常為由線電壓整
流而得之非調節直流電壓然後再利用切換式直流至直流轉換器將此變動之
直流電壓轉換成一調節之直流電壓
無控制之二極體橋式整流器
交流線電壓
(單相或三相)
直流電壓
(無調節性)
濾波電容 (無調節性)
直流至直流轉換器 (具調節性)
負載
蓄電池
直流電壓 直流電壓
控制訊號1降壓式(step-down buck)轉換器
2升壓式(step-up boost)轉換器
3升降壓式(step-downstep-up buck-boost)轉換器
4全橋式轉換器
上述四種轉換器中只有降壓式及升壓式是最基本的轉換器電路架構升
降壓式轉換器是此二基本轉換器之結合而全橋式轉換器則是由降壓式轉
換器衍生而來
直流至直流轉換器之控制
直流至直流轉換器的作用即是在輸入電壓與輸出負載變動的情況下能夠調
節輸出電壓為所設定的位準電壓位準轉換之原理可以圖22(a)所示之簡單
電路來說明由開關導通與截止可得圖22(b)之波形其中輸出電壓vo平均
值大小Vo與開關之導通及截止時間(ton及toff)有關平均輸出電壓大小調整
之最典型的方式是採用脈波寬度調變法(Pulse-Width ModulationPWM)
其切換週期Ts(= ton+toff)為固定由調整導通時間之大小來改變平均輸出電
壓之大小Vo
+
_
Vd
R
+
_
Vo
0Vd
Vo
vo
tton toff
Ts
脈波寬度調變切換控制的方塊圖如
圖23(a)所示開關之切換控制信號
由控制訊號vcontrol與週期為Ts之鋸齒
波vst比較而得控制信號則由Vo之
實際值與設定值之誤差放大而得
vcontrol與vst比較所得之切換控制信號
的波形如圖23(b)所示當控制訊號
vst較大時則為高準位信號即使
開關導通反之為低準位信號即使
開關截止故開關之切換週期亦為
Ts 由以上的原理可知開關切換
之責任週期 (Duty Ratio)為D=tonTs
=vcontrolVst 其中Vst為鋸齒波之振
幅
放大器
+
-Vo
(設定)
(實際)
Vo
比較器
週期性波形 stv
切換控制訊號
控制訊號
0 t
$Vst
=stv 鋸齒波電壓
controlv (放大誤差)
On On
Off Off
stcontrol vv gt
stcontrol vv ltton toff
Ts
切換控制訊號
(切換頻率 fT
s
s
=1
)
升壓式直流至直流轉換器
圖211為升壓式轉換器電路主要用途為直流電源供應器與直流馬達之
再生制動(Regenerative Breaking)顧名思義其輸出電壓高過於其輸入
電壓當開關導通時二極體反向偏壓輸入電能儲存於電感負載電
能則由電容提供當開關截止時負載吸收輸入及儲存電感中之電能
-
L
CRVd
Vo
vL
iL
io
+
-
++
_
t0
t0
vL
iL
I L
Ts
toffton
_++
_
+
_
+ _+
_
+
_
iL
vL
Vd Vo
iL
vL
Vd Vo
)( dV
)( od VV minus
圖212所示為電感電流為連續之
穩態工作波形由穩態下電感電
壓一週期之平均值為零可得
0)( =minus+ offodond tVVtV
等號兩側除以Ts重新整理可得
Dt
T
V
V
off
s
d
o
minus==
1
1
假設電路無損失輸入功率
Pd=VdId 等 於 輸 出 功 率
Po=VoIo 則
)1( DI
I
d
o minus=
非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器
bullBoost之設計假設輸入10V輸出30V頻率50kHz輸出10W
所以D＝23
( ) s
o
o TDDP
VL
22
12
minusge
=6667uH
取75uH
D
VV in
o minus=
1
L
Vi
n
S Vo
+
_
C
DiL
vds
升降壓式直流至直流轉換器
升降壓式轉換器的主要用途為輸入與輸出之極性相反輸出電壓可以高於
或低於輸入電壓之直流電源供應器升降壓式轉換器可以由降壓式轉換器
與升壓式轉換式串接而成穩態下輸入與輸出電壓轉換器之比值為二轉換
器個別比值之乘積
D
D
V
V
d
o
minus=
1
因此變化責任週期D可使輸出電壓高於或低於輸入電壓
+
_
+
_
_
+
RC Vo
L
Vd
io
iLvL
id
降壓式直流至直流轉換器
降壓式轉換器顧名思義其作用為將較高準位的輸入電壓換成較低
準位的輸出電壓主要用途為直流電源供應器及直流馬達速度控制
圖22(a)所示為提供純電阻性負載之降壓式轉換器由圖22(b)可知其輸
出電壓波形由開關位置決定平均輸出電壓為
dd
s
onT
t
t
d
s
T
o
s
o DVVT
tddV
Tdv
TV
s
on
ons ==+== intintint )0(1
)(1
00ττττ
+
_
Vd
R
+
_
Vo
0Vd
Vo
vo
tton toff
Ts
32直流至交流切換式反流器
切換式直流至交流(DCAC)反流器(Inveter)乃用以將直流電源轉換成振幅
與頻率均可調之正弦式交流電源主要用途為交流馬達驅動與交流不斷
電電源供應器圖31為典型交流馬達驅動之反流器方塊圖其直流輸入
電壓通常由線電壓整流及濾波而得接著再利用切換式反流器改變輸出
電壓之振幅與頻率以驅動交流馬達切換式反流器功率之流通通常是
由直流至交流稱為反流模式但亦可以從交流至直流稱為整流模
式
+
_
交流馬達
二極體整流器 濾波電容 切換式反流器
Vd
三相交流電源
反流器包括單相及三相其輸入為直流電壓源者稱為電壓源反流器
(Voltage Source InverterVSI)另外若輸入為直流電流源者稱為電流
反流器(Current Source InverterCSI)目前僅應用在高功率之交流馬達
驅動器
1脈波寬度調變(PWM)反流器其輸入電壓通常為固定反流器本身具備變
頻及變壓的功能而變頻及變壓乃利用開關之脈波寬度調變切換控制達成
有許多類型之脈波寬度變技術可以使輸出電壓近似弦波
2方波(Square-Wave)反流器此反流器輸出電壓振幅乃由其輸入電壓調
整
反流器本身只控制輸出頻率交流輸出電壓波形近似方波因此乃稱方波
反流器
3採用電壓消去法(Voltage Cancellation)之單相反流器單相反流器當輸入
電壓為定值時可以利用電壓消去法來變頻及變壓而不須採用脈波寬度
調變其輸出電壓波形近似方波因此其結合了前述兩種反流器的特色
值得注意的是電壓消去法並不適用於三相反流器
切換式反流器之基本觀念
考慮圖33(a)之單相反流器假設其正弦輸出電壓vo是經過濾波所得若
輸出之負載為電感性(如馬達)則輸出電流io將落後vo 如圖33(b)所示
在期間1及3中 vo與io同號瞬時功率Po=voio為正故功率由直流側送至
交流側稱之為反流模式在期間2及4中 vo與io異號瞬時功率Po為負
故功率由交流側送至直流側稱之為整流模式圖33(a)之切換式反流器
在每一週期內會經歷平面上四個象限中之所有象限
單相切
換式變
流器與
濾波器
o
o
+
-
+
-
Vd
vo
id
io
0t
4 1 2 3
voio
io
vo
1反流器
4整流器
3反流器
2整流器
0
為清楚解釋起見以單臂反流器來說明
+
_
+
_
+ +
__
Vd
Vd
2
Vd
2
A
N
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
vAN
oo
o
反流器電路之脈波寬度調變切換技術如圖35(a)所示由一正弦波形控
制訊號vcontrol與三角波形vtri作比較三角波(又稱載波)之振幅為Vtri頻率
為fs fs決定反流器開關之切換頻率正弦波控制電壓vcontrol(又稱調制訊
號)之基頻f1決定反流器之輸出頻率而其振幅則決定反流器輸出電壓之
大小定義振幅調變指數為ma=Vcontrol Vtri 其中Vcontrol為vcontrol之振幅
而頻率調變指數則定義為mf = fs f1
0 t
vcontrol vtri
sf
1
0 t
vAo
V d
2
minusVd
2
t=0
v v
T on T off
control tri
A A
lt
minus + v v
T on T off
control tri
A A
gt
+ minus
1)( AoAo vv =之基本波
0 t
vcontrol vtri
sf
1
圖34反流器之開關的控制方法與io方向無關為
dAoAtricontrol VvTvv2
1=gt +導通
dAoAtricontrol VvTvv2
1minus=lt minus導通
由於二開關之導通為互補因此輸出電壓只在Vd 2與-Vd 2二值間作變
動圖35(b)所示為ma=08與mf =15時輸出電壓vAo及其基本波(以虛線表示)
之波形
+
_
+
_
+ +
__
Vd
Vd
2
Vd
2
A
N
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
vAN
oo
o
單相全橋式反流器
單相全橋式反流器如圖311所示乃由兩個前述之半橋反流器所組成在
相同之輸入電壓下全橋式反流器之最大輸出電壓為半橋式之兩倍這代
表在相同之功率下全橋式反流器之輸出及開關電流僅為半橋式之一半
此對於高功率用途是一大優點因其可以降低使用並聯元件之需求
+
_
+
_
+
_
Vd
Vd
2
Vd
2
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
v v vo Ao Bo= minuso
A
B
TBminus
TB+
DBminus
DB+
+_
id
o
o
N
雙極性電壓切換之脈波寬度調變
0 t
vcontrolvtri
sf
1
0 t
ov1ov
dV
dVminus
單極性電壓切換之脈波寬度調變
onBT +
trivgttricontrol vv gt
trivcontrolv
t
)( controlvminus
)( controlvminusonAT +
t1ov
dV
dVminus
)( BNAN
o
vv
v
minus=
應用雙極性電壓切換之脈波寬度調
變全橋式反流器乃 (TA+TB-)與 (TA-
TB+)成對切換且二者互相反相
應用單極性電壓切換之脈波寬度調
變全橋式反流器乃A臂與B獨立切
換且同臂二開關互相反相
三相反流器
+
-
+
-
+
-
dV
2dV
2dV
+AT
minusAT
+AD
minusAD
o
BminusT
+BT
minusBD
+BD
di
minusCT
+CT
minusCD
+CD
N
A B C
o
0 t
triv Acontrolv Bcontrolv Ccontrolv
0
BNANAB vvv minus=
t
dV
之基本波1LLv
ANv
0 t
dV
t0
BNv
dV
三相電壓源反流器之脈波寬度調變切換的功能為在固定輸入直流電壓下用以調整三相輸出電壓之振幅及頻率三相脈波寬度調變方式由三相各差120度的控制電壓與三角波作比較其波形與單相全橋式反流器採用脈波寬度調變單極性切換者類似
最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法
33最大功率追蹤最大功率追蹤最大功率追蹤最大功率追蹤
為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點本文使用本文使用本文使用本文使用擾動觀察法擾動觀察法擾動觀察法擾動觀察法(Perturbation and Observation Method PampQ)進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功率追蹤率追蹤率追蹤率追蹤由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點下圖為擾動下圖為擾動下圖為擾動下圖為擾動觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖為利用為利用為利用為利用DCDC轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作時時時時其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為0之特性之特性之特性之特性使用使用使用使用DCDC轉換器控制太陽轉換器控制太陽轉換器控制太陽轉換器控制太陽能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動
擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖
最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法
左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖蹤示意圖蹤示意圖蹤示意圖太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分為兩個特性區域為兩個特性區域為兩個特性區域為兩個特性區域假設進行追蹤假設進行追蹤假設進行追蹤假設進行追蹤時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時電壓電壓電壓電壓的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率增加增加增加增加若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出功率減少功率減少功率減少功率減少經由經由經由經由DCDC轉換器調轉換器調轉換器調轉換器調節太陽能板與節太陽能板與節太陽能板與節太陽能板與DCDC轉換器的阻轉換器的阻轉換器的阻轉換器的阻抗相互匹配抗相互匹配抗相互匹配抗相互匹配進而得到太陽能板進而得到太陽能板進而得到太陽能板進而得到太陽能板的最大輸出功率的最大輸出功率的最大輸出功率的最大輸出功率
擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖
4軟體規劃
bull 系統控制程式主要分為主程式固定週期中斷副程式市電電壓零交越中斷副程式等三大部分以下將分別介紹各部分程式流程
bull 本系統主程式主要執行數位訊號處理器周邊暫存器的初始設定以及變數宣告其中除了變數宣告外周邊暫存器的初始設定包括有規畫中斷向量設定計數器之計數模式計數週期中斷的時間和PWM 輸出模式等相關參數設定
bull 如圖8 所示系統初始設定後必須先等待中斷發生才能決定系統是否執行固定週期中斷程式或零交越中斷副程式
bull 圖9 為固定週期中斷副程式流程圖固定週期中斷頻率與換流器開關之切換頻率相同為20kHz程式開始會先偵測太陽能板電壓及電流與直流鏈電壓當確定市電電壓零交越中斷發生時必須先將輸出弦波訊號之指標強制為原點重新送出單位弦波確保換流器輸出電流與市電電壓能維持同相位接著比較太陽能板輸入電壓VPV 是否大於最低工作電壓VPV_work如果確定大於最低工作電壓則致能太陽能最大功率追蹤反之則禁能系統動作程式返回圖9 中的正弦脈寬調變副程式主要功能在於決定換流器中開關的動作順序與責任週期大小以及輸波參考訊號
bull 圖10 為太陽能最大功率點追蹤副程式流程圖在文中對最大功率追蹤採用擾動與觀察法配合太陽能光電板的電壓mdash功率特性曲線即可瞭解程式如何完成太陽能光電板最大功率點追蹤
主程式流程圖
5實驗
bull 依據上述的分析採用DSP 2407A 建立一個500W 太陽光電池電能轉換系統依據圖11 之
bull 電路架構其規格與元件參數分別列於表一表二及表三系統實驗波形圖12圖13圖14 及
bull 圖15 為系統操作在獨立運轉模式下負載分別為120W240W360W 及480W 時之換流器輸出
bull 電壓及輸出電流之實測波形
系統規格與元件參數
實測波形
6實務應用系統實務應用系統實務應用系統實務應用系統
獨立系統示意圖獨立系統示意圖
考慮點
系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等安全係數最佳化設計複雜)
一般充電控制器無 MPPT搭配蓄電池使發電效能較差
蓄電池每日gt50DOD深度放電gt02C充電壽命短
太陽光發電量與負載需求量不搭配時太陽光之發電能量利用率偏低 (負載需求搭配與安全係數為互相矛盾之設計)
PV-柴油發電機PV-風力等混合系統為改善之方法
市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台
電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池
併聯系統示意圖併聯系統示意圖
緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析
1 系統設置成本高建議使用於邊際效益高之用電（防災緊急輔助電力）
2 總體經濟效益減少環境污染解決尖峰用電之不足與短缺能源多元化之風險分擔與開創自主能源
3 遮蔽陽光直曬降低建築物之熱效應（被動省能）同時轉換太陽光為電能供應建物自主能源（主動節能）一舉兩得
緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較
30萬元divide21900kWh＝137元度2萬元divide50kWh＝400元度每度電成本
日發電度數times365天times20年＝3hrtimes1kWtimes365天times20年＝21900kWh（度）
（年停電＋年測試運轉時數）times10年＝（20mintimes6次＋15mintimes12月）times10年＝5hrtimes1kWtimes10年＝50kWh
總發電度數（1kw計）
夜間不發電（可利用蓄電池設計供電年維運費02）
噪音空污油料運輸儲油危險維運成本高
缺點
利用露台屋頂牆面空間設備煙管隔音油槽需室內空間
設置空間
平時緊急時均可使用隨時可了解運轉狀況不須操作
加ATS停電時方可啟動需人員每月定期測試運轉
系統運作
太陽光潔淨能源（免費）柴油使用燃料
20年7~10年使用壽命
1kW=30萬元1kW=2~3萬元設置費用
太陽光發電系統柴油發電機
風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析
運用多元化能源分擔風險情況比較說明如下
1 市電--gt停電時風險極高
2 市電＋柴油發電機--gt發電機故障時風險高
市電＋柴油發電機＋太陽光發電系統--gt發揮三者優點互補同時故障機率小風險最低
案例
832kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide057＝317 m2
115kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide075＝332 m2
緊急時057平時065~08
綜合係數溫度變化污損線損Inverter效率＋蓄電池充放電補償
電力需求divide（日照強度times日照時間times模板效率times綜合係數）
模組面積估算
日照強度1kWm2
日照時間384hd
模板效率12
832kWhd500人用電量115kWhd770人用電量
緊急時平時
電力需求估算
緊急時40kWtimes384hdtimes057＝875 kWhd
平時40kWtimes384hdtimes075＝1152Whd
太陽發電系統發電量＝設置容量times日照時間times綜合係數
發電量計算
332m2times1kWm2times12＝398kW≒40kW
太陽發電系統設置容量＝設置面積times日照強度times模板效率
設置容量計算模板效率依太陽電池種類而異
進行模板陣列及蓄電池容量設計
40kWdivide18片串divide120W＝185列≒19
列
40kWdivide17片串divide120W＝196列≒20
列
陣列併列數＝設置容量divide單串功率
18片times120W＝2160W
17片times120W＝2040W
單串功率
300Vdivide169V＝1775片（取整數17 or 18）
陣列串聯數＝Inverter輸入電壓divide模板輸出電壓
模板陣列設計
1 模板功率120W
2 模板輸出電壓169V
3 直交流轉換器(Inverter)輸入電壓300V
120Wtimes17片串times20列＝40800W＝340片(最佳陣列)
120Wtimes18片串times19列＝41080W＝342片
最佳陣列較經濟之設置容量選擇最佳陣列
蓄電池數量＝144個times2列＝288個
120640Whdivide288Vdivide200Ah＝21列≒2列
併列數＝蓄電池需求容量divideInverter額定電壓
288Vdivide2V＝144個
串聯數＝Inverter額定電壓divide蓄電池電壓串併數設計
middot 蓄電池電壓2V個
middot 蓄電池容量200Ah個
Inverter電壓輸入電壓 額定電壓300V 288V200V 192V
蓄電池需求容量＝832kWhdtimes1dtimes145＝12064kWh
蓄電池需求容量＝緊急電力需求times無日照天數times補償係數補償係數蓄電池內阻抗放電停止電壓電壓降低補償
蓄電池需求容量設計
middot 補償係數145
無日照天數1日
61市電相關規定市電相關規定市電相關規定市電相關規定
1 發電設備併接於低壓系統者其總容量未滿100kW且技術無困難者得併接於單相三線110V220V三相三線220V之配電系統若總容量在100kW以上而未滿500kW得分別併接於3相4線220V380V之配電系統
2 發電設備總容量在500kW以上而未滿5000kW10000kW且技術無困難者得分別併接於114KV228KV之高壓配電系統
3 電設備總容量在10000kW以上而未滿40000kW者得併接於特高壓之系統
4 發電設備總容量在40000kW以上者依個案研討分類
併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類
發電系統經由發電系統經由發電系統經由發電系統經由110V220V110V220V110V220V110V220V併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者發電設發電設發電設發電設備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能
1 過電壓保護 低電壓保護
2 低頻保護 高頻保護
3 過電流保護 零相過電壓接地保護
4 發電設備為無逆送電力者須加裝逆電力保護
5 發電設備為有逆送電力者必須具備主動及被動防止單獨運轉保護
發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經110V220V110V220V110V220V110V220V系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者在電在電在電在電源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器
發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業114KV228KV114KV228KV114KV228KV114KV228KV之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者((((高高高高壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶))))發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Extremely Inverse特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Extremely Inverse特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過流電驛(67)須具Normal Inverse特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
發電設備併接於電業69KV特高壓輸電系統者發電設備之輸出端至少應具有下列同等保護功能並須與電業該轄區之保護設備協調
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Normal Inverse之特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Normal Inverse之特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過電流電驛(67)須具Normal Inverse之特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
8 快速及後衛保護電驛如系統保護需要時應裝設
9 匯流排電驛採用GIS斷路器者應裝設
62626262太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範
1 故障電流
太陽光電發電系統大於100kW以上須計算故障電流其送至電業系統之故障電流不得影響電業及其他用戶斷路器之起斷容量否則需裝置限流電抗器
太陽光電發電系統之隔離變壓器接地方式須與電業之系統配合
2 正常電壓變動率應維持在plusmn5以內
3 太陽光電發電系統與電業間之責任分界點的功率因數以維持85落後至100之間運轉為原則
4 諧波污染限制應依照「電力系統諧波管制暫行標準」辦理
分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性
適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯型之規範型之規範型之規範型之規範
電力轉換器電力轉換器電力轉換器電力轉換器(電力調節器電力調節器電力調節器電力調節器)(InverterConditioner)
蓄電池蓄電池蓄電池蓄電池(Battery))
63大型(商用)太陽光發電系統應用(gt1 kWp)
太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統
單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池(Unit Solar Cell)
太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板(PV Module)
太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列(PV Array)
太陽光發電系統應用獨立系統
(A) 獨立系統(Stand-Alone
System)
bull 蓄電池保護壽命
(B) 混合型交流獨立系統 (Hybrid
System)
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
直流負載PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
整流器
輔助發電機
PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載- ~PCU
直直直直交流轉換器交流轉換器交流轉換器交流轉換器
太陽光發電系統應用併聯系統
(D)併聯系統(Grid-
connected System)
特殊功能1 最佳效能2 防止獨立運轉(連線保護)
3 可自力運轉
(E) 防逆流型系統(Off-line System)
(F) 防災型併聯系統
充電控制器
蓄電池
直交流轉換器
PCU太陽電池組列
交流負載
ATS
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
獨立型系統
適用地點高山離島基地台hellip等市電無法到達處
工作方式白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
必須可以自給自足
缺點bull 系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等
安全係數設計很困難)
bull 蓄電池建置複雜成本很高壽命很短
bull 負載搭配不良時發電效能不佳利用率將偏低
bull 需由專人隨時維護
bull 混合系統為一種解決方法
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
PCU
併聯型系統
適用地點電力正常送達之任何地點工作方式 bull 白天 PV系統併聯發電夜間由台電供電bull 將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的蓄電池
優點bull 系統簡單不需安全係數設計(依預算設計)不需要專人維護bull 併聯發電效率高利用率高
缺點bull 停電時無電可用bull 受併聯法規限制尚未開放(但即將開放)
bull 有孤島效應之疑慮(目前技術上已解決)
改善型無電池自力運轉
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
市電併聯型住宅用太陽光發電系統
太陽光發電系統發電及負載用電對時間之關係
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
併聯型直交流轉換器之效能要求較高
1 最大功率追蹤(Maximum Power Tracking MPT)
2 高轉換效率 gt 90 (PWM+電力電子元件)
3 高次諧波功率 Distortion (lt5 total)
4 自動開關機(白天夜晚)
5 過負載保護過溫度保護
6 體積小重量輕室外防水防塵
7 電腦界面可遠端監控
8 防止獨立運轉(連線保護)
9 可自力運轉
太陽電池組列
交流負載
直交流轉換器MPT
Power Conditioner
併聯系統之獨立運轉(單獨運轉)
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull停電時單一併聯系統將會停止運作
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
bull 市電停電時多數併聯系統仍聯合運作將對電力公司人員產生嚴重危害
孤島效應之防止方法
停電偵測1 過電壓低電壓
2 過頻率低頻率
3 被動式偵測如
bull 電壓與頻率監視方式
bull 電壓相位跳躍監視方式
bull 高次諧波監視方式
bull 頻率變化監視方式
PV組列
直交流轉換器
自家負載
4 主動偵測如
bull 頻率Shift方式
bull 配電線負載變動方式
bull 有效電力變動方式
bull 無效電力變動方式
反應時間05~2秒
資料來源「日本電氣用品試驗所」分散型電源系統連系技術指針(1998)
併聯系統之自力運轉功能
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull 大停電後白天有陽光時以人工啟動 PV 系統進行自力運轉供自家負載使用(但夜間無法使用)
防災型併聯型系統
適用地點有防災需求(照明汲水通信hellip)之公共設施
工作方式
bull 平時PV併聯發電(電池浮充) 效率高利用率高夜間由台電供電
bull 視需要建置供防災用電池大停電時白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
缺點bull 含電池成本較高bull 系統較複雜需專人定期維護
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
FAQ1太陽光發電需要多少土地
效率 = (輸出功率W) (組列面積 m2 x 日照強度 Wm2 ) x 100
模板面積 m2 = 輸出功率W (效率 x日照強度Wm2 ) x100
bull 假設使用效率gt136 模板於1000 Wm2 (AM15)日照強度下
10 kWp 模板面積 (m2) = 10000 (0136 x 1000) ~ 735 m2
10 kWp PV系統土地面積需求約
~ 735 m2 x 15 x 11
~ 121m2 (~36坪)
(包括陰影面積及維修空間)
bull 假設使用效率~10 模板
則模板面積約 ~ 100 m2
土地面積需求約 ~ 165m2 (~50坪)
gt55o
夏至
冬至
春秋分
235o 235oh
L1 L2
FAQ2太陽電池一年能發多少電
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
10 kWm2
05 kWm2
日照強度
等效日照時數(Sun Hour)
組列單日發電量 = 組列額定輸出功率 x 等效日照時數
bull 預估1 kWp 組列單日發電量 = 1 (kW) x ex 4(Sun Hour)= 4 kWh
組列年發電量 = 組列額定輸出功率 x 年平均每日日照時數 x 365
bull 預估 1 kWp 組列年發電量 = 1 x 4 x 365 = 1460 kWh
時間時間時間時間
FAQ3太陽光發電的成本(簡易估算)
1 假設目前太陽光發電系統設置成本約為 NT$ 280000 kWp
2 假設年平均每日日照時數約為 25 Sun Hour (台灣中南部地區)
bull 1 kWp 組列單日發電量= 1 (kW) x 25 (Hour)= 25 kWh
bull 1 kWp 組列年發電量= 25 x 365 = 913 kWh (度)
3 假設太陽光發電系統使用壽命為 20 年
bull 1 kWp 太陽光發電系統總共可發電 20 x 913 = 18260 度
4 生產每度電之成本約為 280000 18260 ~ NT$ 153
5 未來發展趨勢
bull 太陽光發電系統設置成本將逐年降低
bull 市電電費將會升高(國內目前約 NT$ 3 度日本約NT$ 7 度)
bull 傳統能源限制再生能源獎勵利率降低
64獨立型太陽光發電系統應用例(一)
bull太陽電池時鐘-日本bull太陽電池路燈-日本千里住宅公園
獨立型太陽光發電系統應用例(二)
bull太陽電池交通標誌-日本北海道 bull高速公路緊急電話-日本
獨立型太陽光發電系統應用例(三)
bull800W無線通信中繼基地台韓國(1998)
獨立型太陽光發電系統應用例(四)
bull離島用90kW獨立型發電系統韓國Ho-Do島(1992)
併聯型太陽光發電系統應用例(一)
bull設置於屋頂之住宅用太陽光發電系統(建材一體型日本千里住宅公園內住宅設計之一)
併聯型太陽光發電系統應用例(二)
bull日本東海線新幹線京都車站之太陽光發電系統(100kWp)
併聯型太陽光發電系統應用例(三)
bull日本京瓷(Kyocera)京都總公司大樓之太陽電池發電系統(220kWp)
太陽光發電發電廠應用例
太陽電池發電廠
(PV Power Plant)
資料來源 ANIT
Srl Italy
建材一體型太陽電池模板應用例
bull資料來源 Pilkington Solar International GmbH 德國
太陽能車應用例
Honda Dream
bull資料來源 PV Special Research
Centre UNSW Australia
交大太陽能車
bull資料來源 National Chiao-Tung
University Taiwan
太陽光發電航太應用例(NASA Helios )
bull空中無線通訊平台應用
資料來源SkyOne Inc Taiwan
bull 飛行高度5-7 萬英呎(最高記錄 96000 英呎)
bull 時速60 mph (起飛 25 mph)
bull 翼展247 英呎bull 重量2000 磅bull 太陽電池效率要求gt22
資料來源httpwwwaerovironmentcomhomehtml
清雲技術學院 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
個人住宅 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
勤益技術學院 3kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
南台科技大學 10kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
總統府 10kWp 獨立型太陽光能發電系統 (9012)
海巡署南沙太平島 20kWp 混合型(柴油發電機)太陽光能發電系統 (9011)
90能源基金示範補助成果例
台電樹林 20kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
併聯型
台電台北市區處 20kWp 太陽光發電系統
(91能源基金示範補助成果)
併聯型
7結論
bull (1)提高電力轉換器效率
bull 轉換器的損失主要來自於開關切換時之損失為了可以降低濾波電路中電感和電容的體積可以提高切換頻率但是相對於開關的切換損失也因此而增加導致轉換器的效率降低因此發展零電壓或零電流切換技術應用於高切換頻率之轉換器將可以提高轉換器的效率
bull (2)提高太陽光發電系統之整體效率
bull 傳統之太陽光發電系統包含儲能系統和供電系統前級利用DCDC轉換器作最大功率追蹤後級則利用DCAC轉換器轉換能量供應給交流負載為了提高太陽光發電系統的整體效率在研究可提出了模組並聯控制技術以提昇各級電力轉換器的效率而在未來太陽光發電系統也將著重在單級電力轉換器的設計對於整體系統效率有較明顯的改善
8參考資料
1許國強ldquo太陽光發電原理與應用工研院材料所 薄膜技術組91年
2華志強黃崇倫ldquo智慧型能量控制於太陽光電能轉換系統國立雲林科技大學電機工程學系電力研討會97年
3林政達ldquo數位式市電並聯換流器與快速鎖相迴路控制器之研製國立雲林科技大學電機工程學系碩士論文92 年
4李思賢ldquo數位式單相低功率太陽光電能轉換系統國立中山大學電機工程學系碩士論文92 年
5洪世杰ldquo適用於再生能源之市電併聯型雙輸入供電系統國立中正大學電機工程研究所碩士論文93 年
6王廷興ldquo太陽能發電配電設計概要台北科技大學冷凍空調系 92年
7魏榮宗王文宏ldquo高效率太陽光電能源轉換系統 元智大學電機工程學系94年
[ ] 100)25(
)11
(exp
1)(exp
3
λminus+=
minus
=
+minus
minus+minus=
TKII
TTBk
qE
T
TII
where
R
IRVIRV
AkT
qIII
ISCRLG
r
GO
r
oros
sh
ssosLG
VI cell output current and voltagecell reverse saturation currentcell temperature in CBoltzmannrsquos constantelectronic chargeshort circuit current temperature coefficientsolar irradiation in Wmshort-circuit current at 25 Cand 1000 Wm
light-generated currentband gap for siliconideality factorsreference temperaturecell saturation current atshunt resistanceseries resistance
osI
T
kq
00170=IK
SCRIλ
LGI
GOE
921== ABKTr deg= 18301
orI
shR
sR
附錄附錄附錄附錄- 太陽能電池太陽能電池太陽能電池太陽能電池
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
(a) Equivalent circuit of a PV module and
(b) Typical PV module current-voltage and power-voltage characteristics
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
Characteristic of a PV module with temperature and irradiation (a) constant irradiation and varying temperature and (b) constant temperature and varying irradiation
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
系統範例系統範例系統範例系統範例
中途驛站電化PV離島用PV系統山岳地帶PV系統離島偏遠區
勤務指揮中心緊急避難所醫療院所公園學校地震觀測站森林嘹望台避難指示燈氣象觀測所水位警報PV系統河川安全燈防波堤安全PV燈
緊急防災
緊急供電系統管線電氣防蝕輸油管流量計PV系統市場廣告塔海上石油平台各種計測站PV系統發電廠情報指揮中心
產業用
住宅用供電系統緊急供電系統緊急照明系統帷幕牆遮陽棚採光罩屋瓦建築物
無線通信用中繼站基地台緊急電話中繼站電話通信PV系統Radio受信PV系統微波中繼站
通訊
農宅用電溫室栽培PV系統農業灌溉用自動灑水系統農牧電籬牛乳冷藏漁業養殖揚水通氣自動餵食器
農林漁牧
路燈交通號誌道路指示牌標誌燈太陽能電動車充電站高速公路緊急電話偏遠道路緊急電話停車計時器停車場控制門系統高速公路防音壁PV系統公路休息區PV系統太陽能車平交道指示燈候車亭PV系統車站屋頂型PV系統
道路交通
收音機測電表手錶計算機太陽能照相機手電筒電池充電器野營燈民生
應用領域
國內太陽光發電發展狀況(IMRL)
bull非晶矽太陽電池研製
1980
bull高效率非晶矽太陽電池
bull低溫 ploy 薄膜太陽電池
19851990
19952000 bull建材一體化模板研製
bull商品化非晶矽太陽電池
bull可撓式非晶矽太陽電池
bull結晶矽太陽電池
bull結晶矽太陽電池模板
bull量產非晶矽太陽電池(光華科技 1988年)
bull架設獨立型太陽光發電系統
bull太陽光發電示範系統設置
bull量產結晶矽太陽電池(士林電機 2000年)
bull架設實驗型與市電併聯型太陽光發電系統及監測分析
2005
bull示範推廣獎勵補助辦法實施
bull晶矽太陽電池研製(核研所)
bull奈米(Nano)太陽電池
國內太陽光發電發展狀況(II其他單位)bull 1980~1990
ndash 清大呂助增教授--MS太陽電池ndash 中科院核研所核儀組-- 2 吋單多晶矽太陽電池模板原型(可商業運轉)
ndash 清大黃惠良教授--非晶矽(amorphous-Si)CuInS2太陽電池ndash 台大李嗣岑教授--非晶矽太陽電池ndash 成大張俊彥教授--非晶矽太陽電池ndash 中原熊慎幹教授--非晶矽太陽電池ndash 交大蔡中教授--太陽光發電系統研究ndash helliphellip
bull 1990~目前ndash 清大黃惠良教授--CuInS2太陽電池ndash 清大徐永珍教授--Porous Si
ndash 交大李威儀教授--GaAs太陽電池ndash 中興江雨龍教授--非晶矽太陽電池ndash 中正吳財福教授--直交流電力轉換器(Inverter)
ndash 台大黃秉鈞教授--太陽光發電系統研究ndash 清雲技術學院電機系--太陽光發電系統研究ndash 士林電機--太空用太陽電池封裝(中華衛星計畫)(目前轉移至永炬光電)
ndash TiO2 Dye Sensitized太陽電池(有機材料)
ndash helliphellip
國內太陽光發電發展狀況(III)
產業狀況上游目前有永炬(士電)茂迪光華科技三家生產太
陽電池包括單晶矽多晶矽與非晶矽太陽電池
發電系統之電力直交轉換器(inverter)目前國內無廠商
生產全仰賴進口
中下游有數家廠商製作太陽電池燈充電器玩
具hellip及其他電子產品
太陽光發電系統安裝施工廠商約 10 餘家
bull住宅用電力系統
bull產業工商用電力系統
bull偏遠地區發電系統(山區離島hellip)
bull緊急防災用電力系統
bull消費性電子產品之電源(手錶時鐘電子計算機充電器燈玩具)
bull交通工具之電源(車船飛機飛行船hellip)
bull太空用發電系統
bull攜帶式電源
bull交通標誌號誌之電源
bull發電廠
太陽光發電之應用領域
學校避難所 醫療院所
政府機構 防災中心
救護站
消防隊
救援中心
警察局
救援機具用電
通訊用電 通氣用電
照明用電
供水用電供油用電
太陽光發電防災緊急電力應用示意圖
太陽電池材料種類說明太陽電池材料種類說明太陽電池材料種類說明太陽電池材料種類說明太陽電池材料種類說明太陽電池材料種類說明太陽電池材料種類說明太陽電池材料種類說明
1以下TiO2奈米及有機奈米及有機奈米及有機奈米及有機Nano amp Organic
應用於有機太陽電池屬研發階段
10~12CdSCdTeCuInse
多晶Poly Crystallin
18~30GaAsInP單晶Single Crystallin
多化合物多化合物多化合物多化合物Compound
應用於太空及聚光型太陽光電系統
6~9SiSiCSiGeSiHSiO
非晶矽Amorphous
10~18多晶矽Poly Crystallin
12~20單晶矽Single Crystallin
晶矽Crystalline
矽矽矽矽(硅硅硅硅) silicon
目前太陽光電系統中應用最為廣泛
市場模組發電轉換效率
半導體材料太陽電池種類
又稱為單結晶晶圓型製程貴發電量佳 礙於晶圓型式多半
截圓型或圓弧造型舖設時面積上無法達到最大利用及吸收
多結晶製程上較便宜發電量略遜單晶矽可截為正方形舖設時
可達到最大面積利用及吸收其晶狀分佈具有應N效果可為建築
物外觀加分另外雖其結理易造成碎裂但晶體可再利用做為項鍊
等裝飾品
非晶矽(可撓式)成本便宜發電率較差且容易造成裂質化但由
於可直接鍍在玻璃及塑膠上面與建築物可做最佳結合除可做太陽
光電系統發電用室內型民生消費品也常見其應用如電子計算
機搖頭娃娃玩具等
常見的太陽電池及模板外觀常見的太陽電池及模板外觀常見的太陽電池及模板外觀常見的太陽電池及模板外觀常見的太陽電池及模板外觀常見的太陽電池及模板外觀常見的太陽電池及模板外觀常見的太陽電池及模板外觀
單晶矽太陽電池外觀 單晶矽太陽電池典型結構
太陽電池外觀與構造(單晶矽)
1 清洗蝕刻
2 磷擴散
P-type wafer
單晶矽太陽電池製程步驟例(I)
3 鍍抗反
射層
4 網印
5 燒結
單晶矽太陽電池製程步驟例(II)
11太陽光發電(Photovoltaic)原理 (I)
太陽電池是以 P 型與 N 型半導
體材料接合構成正極與負極
當太陽光照射太陽電池時光
的能量會使半導體材料內的
正負電荷分離
正負電荷會分別往正負極
方向移動並且聚集
將太陽電池正負極接上負載
時將有電流流出可以對負
載作功(燈泡會亮馬達會轉)
正極P 型
負極N 型
P
N
P
N
P
N
-++
-
+
-+
-+
+ + + + +
- - - - -
--
+
-+
正負電荷
+
-
+
-
+
-
太陽光
太陽光
太陽光
電流
-+
PN(不照光平衡狀態)
EfEv
Ec
N P P
N
P
N
P
N
P
N
光子(Photon)
-+-+
-+
-+
-+
+ + + + +
- - - - -
-+
-+
-+
太陽光發電(Photovoltaic)原理 (II)
-
+
Photon
+
+
-
-
- -
++
Ef
Ev
Ec
PN(照光狀態)
++
-
- -
+
+
--
+
-
+
Photon
多數載子
多數載子
少數載子
少數載子
+
-
多數載子
多數載子
電子-電洞對(Electron-
hole pair)
EvN Type
SemiconductorP Type
Ef
Ec
Ef
Ev
Ec
電子位能
Ec conduction band
Ev valence band
Ef Fermi level
I=I0 (eVaVT-1)-Isc
Isc = -I (短路電流 V=0)
Voc = aVTln(Isc I0 +1) (開路電壓
I=0)
I0 (逆向漏電電流) prop ni prop e-Eg
RshID
Isc
+
----
v
I
RL
Rs
太陽電池等效電路與電氣特性
+I
+V
-V
Dark
VocV
Photo
Isc
I
Pm
I0
太陽電池等效電路 常用太陽電池電路符號
VocVm
Im
Isc
Pm
太陽電池 I-V 特性曲線分析
FF(Fill Factor) = (Vm x Im Voc x Isc) x 100 (越高越好)
ηηηη (Efficiency) = (Vm x Im Pin) x 100 (越高越貴)
bull Pin (Incident Power) = A (hc λ) bull N(λ) dλ
bullλ wavelength (microm)
bull N(λ) Number of photonm2 bull sec
bull A Area (m2)
bull h Plank constant c light speed
Voc開路電壓
Isc短路電流
Pm最大輸出功率值
Vm最大輸出功率時之電壓
Im最大輸出功率時之電流
太陽電池開路短路時皆不會燒毀
0
電壓源
電流源
利用串並聯組成模板與組列提供所需的工作電壓與電流
VocVm
Im
Isc
Pm
12太陽電池之串並聯使用
VocVm
Im
IscPm
VocVm
Im
Isc
Pm
太陽電池模板之構成
+
-
太陽電池模板結構太陽電池模板外觀太陽電池模板接線
正面
強化玻璃
EVA
TedlarTM (Dupont)
EVA
Polyester
TedlarTM (Dupont)
0125
0015
Cells0014
0015
00015
0002
00015
背面
單元太陽電池
太陽電池模板之規格範例
η (Efficiency) = (Vm x Im Pin) x 100
單晶矽模板效率 = (354 V x 495 A) ( 129 m2 x 1000 Wm2 ) x100
= 1358
單晶矽模板效率 = 1302
種類
項目單晶矽 多晶矽
額定輸出功率(Wp) 175 125
開路電壓(V) 444 323
短路電流(A) 555 546
最大輸出工作電壓(V) 354 260
最大輸出工作電流(A) 495 48
輸出最大功率(W) 175 125
尺寸(mm)W15736timesL826
timesH46
W1200timesL802
timesH46
重量(kg) 17 125
測定條件日照強度 AM151000Wm2Module 溫度 25
何謂AM0AM1AM15
Wavelength (microm)
Spec
tral
Irr
adia
nce
(Wm
-2micro
m-1) AM0
AM15
AM 即 Air Mass(不同 Air Mass 代表不同太陽光光譜)
bull AM0 (Air Mass 0) ~ 1400 W bullm-2
bull AM1 (Air Mass 1) ~ 1000 W bullm-2
bull AM15 (Air Mass 15) ~ 844 Wbullm-2
AM15 1000 Wbullm-2 (IEC 891 IEC 904-1)
Earth
AM0
AM1
AM15
大氣層
45o
太陽電池直接驅動負載如馬達等(應用於玩具車船馬達音樂卡片hellip)
bull 電力現買現賣
bull 負載匹配(容量與電壓)
bull 溫度效應
bull 搭配(超高)電容可以提高效能
太陽電池(直流)基礎應用範例(I)
I M
+
-
C
圖片資料來源httpshoppingyahoocom httpwwwsolar-icomSampYhtml
太陽電池先對電池充電再由電池供應負載(應用於玩具車船電動機械夜間燈光計算機鐘錶3C產品hellip)
bull 電力零存整付
bull 太陽電池電池電壓匹配
bull 溫度效應
bull 使用阻隔二極體
bull 電池過充放電保護
太陽電池(直流)基礎應用範例(II)
I負載
+
-
電池
圖片資料來源httpshoppingyahoocom httpwwwsolar-icomSampYhtml
FAQ1太陽電池應用效能不佳太陽電池之負載匹配(Load Matching)
RshID
IL
+
----
v
I
RL
Rs
bull Efficiency of a PV system is strongly affected by load matching
bull Measurement of I-V Characteristic curve is important
VocVm
Im
Isc
Pm
RL 1
RL 3
RL 2 Battery voltage
RL
----
+
不同日照強度下太陽電池 I-V 特性曲線
bull 最大輸出功率隨日照強度而改變並非永遠等於額定值
0
1
2
3
4
5
6
7
0 10 20 30 40 50
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
1000Wm2 (AM1)
500Wm2 (05AM1)
不同溫度下太陽電池 I-V 特性曲線
bull太陽電池溫度升高時輸出電壓與最大輸出功率降低
0
1
2
3
4
5
6
7
0 10 20 30 40 50
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
75oC 50oC 25oC 0oC
Battery voltage
0
1
2
3
4
5
6
7
0 10 20 30 40 50
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
500Wm2 (05AM1)
1000Wm2 (AM1)
太陽電池之動態負載匹配(日照變化)
RL(high)
RL(low)
bull Maximum power tracking is required in high efficiency PV system
太陽電池 I-V 特性曲線測量方法
VocVm
ImIsc Pm
C+
-
A
VR
A
V
A
V可程式負載
模擬陽光使用鎢絲燈氙燈Solar Simulator 或太陽光
Pm lt few10 W Pm lt few 100 W Pm lt 100 kW
Solar Simulator Array Tester
圖片資料來源httpwwwspiresolarcomSolarequipmenthtml
太陽於天球(Celestial Sphere)上運行之軌跡
冬至 春秋分 夏至 冬至 春秋分 夏至 春秋分 夏至
北緯 0o 北緯 45o 北緯 90o
(赤道) (北極)
天球
太陽運行軌跡與太陽電池仰角
冬至 夏至春秋分
所在緯度235o
235o47o0o
47o 235o
13太陽電池組列仰角與間隔設計例
bull組列仰角~235o (台灣地區)
bull h=組列總高度( lt 15 m)
bull L2=h tan(55o) = 057 L0
(55o可適用於冬至0900~1500)
bull水平角度=正南 plusmn5o
235o
55o
235o
夏至
冬至
春秋分
235o 235o
南
h = 04 L0
L1= 092 L0L2 = 057 L0
L0
L1 + L2 = 15 L0
2零交越偵測電路分析
bull 零交越偵測電路如圖1 所示主要目的在於檢測輸入弦波電壓之零交越點其電路輸出為ㄧ方波信號利用方波上緣信號觸發數位訊號處理器之外部中斷腳位進而進行相位同步之功能[4]零交越偵測電路輸入與輸出波形如圖2 所示相位同步控制當數位訊號處理器發生上緣觸發時此觸發訊號如同系統重置訊號將正弦表指標變數歸零一經重置後指標變數又開始計數藉由每週期ㄧ次的重置訊號迫使換流器輸出達到同步相位同步控制波形示意圖如圖3 所示圖4 為零交越偵測電路輸出實測圖[4]
3系統電路架構與動作模式
bull A
bull 本文所述之系統為一太陽光電能轉換系統方塊圖如圖5 所示主要部分包括太陽能板直流-直流轉換器全橋式換流器數位訊號處理器感測迴授電路與驅動電路此一系統之基本動作情況為一般情況下斷路器1 和斷路器2 均為導通狀態此時太陽光電能轉換系統與電力網路處於連結運轉模式而當電力網路供電中斷時斷路器2 將被斷路以避免孤島現象的發生反之若是太陽光電能轉換系統發生故障時斷路器1 將被斷路以避免電力網路受到其故障的影響
31系統電路架構與動作模式
bull B
bull 電路工作模式bull 此一太陽光電能轉換系統主要有兩種工
作模式以下為二種工作模式的操作說明
bull (1) 獨立運轉模式bull 如圖6 所示獨立運轉模式為當電力網
路供電中斷時斷路器2 將被斷路而此時太陽光電能轉換系統將操作在電壓控制模式下提供負載一穩定的輸出電壓
bull (2) 與電力網路連結運轉模式bull 如圖7 所示與電力網路連結運轉模式
將太陽光電能轉換系統與電力網路連結運轉也就是斷路器1 和斷路器2 同時導通此時系統將操作在電流控制模式下首先經由最大功率點追蹤程式運算出瞬時最大功率點的電流參考值再根據此一電流參考值輸出一與電力網路電壓同相位的電流至負載或甚至回送至電力網路
31直流至直流切換式轉換器
典型直流至直流轉換器系統之構造如圖21所示其輸入通常為由線電壓整
流而得之非調節直流電壓然後再利用切換式直流至直流轉換器將此變動之
直流電壓轉換成一調節之直流電壓
無控制之二極體橋式整流器
交流線電壓
(單相或三相)
直流電壓
(無調節性)
濾波電容 (無調節性)
直流至直流轉換器 (具調節性)
負載
蓄電池
直流電壓 直流電壓
控制訊號1降壓式(step-down buck)轉換器
2升壓式(step-up boost)轉換器
3升降壓式(step-downstep-up buck-boost)轉換器
4全橋式轉換器
上述四種轉換器中只有降壓式及升壓式是最基本的轉換器電路架構升
降壓式轉換器是此二基本轉換器之結合而全橋式轉換器則是由降壓式轉
換器衍生而來
直流至直流轉換器之控制
直流至直流轉換器的作用即是在輸入電壓與輸出負載變動的情況下能夠調
節輸出電壓為所設定的位準電壓位準轉換之原理可以圖22(a)所示之簡單
電路來說明由開關導通與截止可得圖22(b)之波形其中輸出電壓vo平均
值大小Vo與開關之導通及截止時間(ton及toff)有關平均輸出電壓大小調整
之最典型的方式是採用脈波寬度調變法(Pulse-Width ModulationPWM)
其切換週期Ts(= ton+toff)為固定由調整導通時間之大小來改變平均輸出電
壓之大小Vo
+
_
Vd
R
+
_
Vo
0Vd
Vo
vo
tton toff
Ts
脈波寬度調變切換控制的方塊圖如
圖23(a)所示開關之切換控制信號
由控制訊號vcontrol與週期為Ts之鋸齒
波vst比較而得控制信號則由Vo之
實際值與設定值之誤差放大而得
vcontrol與vst比較所得之切換控制信號
的波形如圖23(b)所示當控制訊號
vst較大時則為高準位信號即使
開關導通反之為低準位信號即使
開關截止故開關之切換週期亦為
Ts 由以上的原理可知開關切換
之責任週期 (Duty Ratio)為D=tonTs
=vcontrolVst 其中Vst為鋸齒波之振
幅
放大器
+
-Vo
(設定)
(實際)
Vo
比較器
週期性波形 stv
切換控制訊號
控制訊號
0 t
$Vst
=stv 鋸齒波電壓
controlv (放大誤差)
On On
Off Off
stcontrol vv gt
stcontrol vv ltton toff
Ts
切換控制訊號
(切換頻率 fT
s
s
=1
)
升壓式直流至直流轉換器
圖211為升壓式轉換器電路主要用途為直流電源供應器與直流馬達之
再生制動(Regenerative Breaking)顧名思義其輸出電壓高過於其輸入
電壓當開關導通時二極體反向偏壓輸入電能儲存於電感負載電
能則由電容提供當開關截止時負載吸收輸入及儲存電感中之電能
-
L
CRVd
Vo
vL
iL
io
+
-
++
_
t0
t0
vL
iL
I L
Ts
toffton
_++
_
+
_
+ _+
_
+
_
iL
vL
Vd Vo
iL
vL
Vd Vo
)( dV
)( od VV minus
圖212所示為電感電流為連續之
穩態工作波形由穩態下電感電
壓一週期之平均值為零可得
0)( =minus+ offodond tVVtV
等號兩側除以Ts重新整理可得
Dt
T
V
V
off
s
d
o
minus==
1
1
假設電路無損失輸入功率
Pd=VdId 等 於 輸 出 功 率
Po=VoIo 則
)1( DI
I
d
o minus=
非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器
bullBoost之設計假設輸入10V輸出30V頻率50kHz輸出10W
所以D＝23
( ) s
o
o TDDP
VL
22
12
minusge
=6667uH
取75uH
D
VV in
o minus=
1
L
Vi
n
S Vo
+
_
C
DiL
vds
升降壓式直流至直流轉換器
升降壓式轉換器的主要用途為輸入與輸出之極性相反輸出電壓可以高於
或低於輸入電壓之直流電源供應器升降壓式轉換器可以由降壓式轉換器
與升壓式轉換式串接而成穩態下輸入與輸出電壓轉換器之比值為二轉換
器個別比值之乘積
D
D
V
V
d
o
minus=
1
因此變化責任週期D可使輸出電壓高於或低於輸入電壓
+
_
+
_
_
+
RC Vo
L
Vd
io
iLvL
id
降壓式直流至直流轉換器
降壓式轉換器顧名思義其作用為將較高準位的輸入電壓換成較低
準位的輸出電壓主要用途為直流電源供應器及直流馬達速度控制
圖22(a)所示為提供純電阻性負載之降壓式轉換器由圖22(b)可知其輸
出電壓波形由開關位置決定平均輸出電壓為
dd
s
onT
t
t
d
s
T
o
s
o DVVT
tddV
Tdv
TV
s
on
ons ==+== intintint )0(1
)(1
00ττττ
+
_
Vd
R
+
_
Vo
0Vd
Vo
vo
tton toff
Ts
32直流至交流切換式反流器
切換式直流至交流(DCAC)反流器(Inveter)乃用以將直流電源轉換成振幅
與頻率均可調之正弦式交流電源主要用途為交流馬達驅動與交流不斷
電電源供應器圖31為典型交流馬達驅動之反流器方塊圖其直流輸入
電壓通常由線電壓整流及濾波而得接著再利用切換式反流器改變輸出
電壓之振幅與頻率以驅動交流馬達切換式反流器功率之流通通常是
由直流至交流稱為反流模式但亦可以從交流至直流稱為整流模
式
+
_
交流馬達
二極體整流器 濾波電容 切換式反流器
Vd
三相交流電源
反流器包括單相及三相其輸入為直流電壓源者稱為電壓源反流器
(Voltage Source InverterVSI)另外若輸入為直流電流源者稱為電流
反流器(Current Source InverterCSI)目前僅應用在高功率之交流馬達
驅動器
1脈波寬度調變(PWM)反流器其輸入電壓通常為固定反流器本身具備變
頻及變壓的功能而變頻及變壓乃利用開關之脈波寬度調變切換控制達成
有許多類型之脈波寬度變技術可以使輸出電壓近似弦波
2方波(Square-Wave)反流器此反流器輸出電壓振幅乃由其輸入電壓調
整
反流器本身只控制輸出頻率交流輸出電壓波形近似方波因此乃稱方波
反流器
3採用電壓消去法(Voltage Cancellation)之單相反流器單相反流器當輸入
電壓為定值時可以利用電壓消去法來變頻及變壓而不須採用脈波寬度
調變其輸出電壓波形近似方波因此其結合了前述兩種反流器的特色
值得注意的是電壓消去法並不適用於三相反流器
切換式反流器之基本觀念
考慮圖33(a)之單相反流器假設其正弦輸出電壓vo是經過濾波所得若
輸出之負載為電感性(如馬達)則輸出電流io將落後vo 如圖33(b)所示
在期間1及3中 vo與io同號瞬時功率Po=voio為正故功率由直流側送至
交流側稱之為反流模式在期間2及4中 vo與io異號瞬時功率Po為負
故功率由交流側送至直流側稱之為整流模式圖33(a)之切換式反流器
在每一週期內會經歷平面上四個象限中之所有象限
單相切
換式變
流器與
濾波器
o
o
+
-
+
-
Vd
vo
id
io
0t
4 1 2 3
voio
io
vo
1反流器
4整流器
3反流器
2整流器
0
為清楚解釋起見以單臂反流器來說明
+
_
+
_
+ +
__
Vd
Vd
2
Vd
2
A
N
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
vAN
oo
o
反流器電路之脈波寬度調變切換技術如圖35(a)所示由一正弦波形控
制訊號vcontrol與三角波形vtri作比較三角波(又稱載波)之振幅為Vtri頻率
為fs fs決定反流器開關之切換頻率正弦波控制電壓vcontrol(又稱調制訊
號)之基頻f1決定反流器之輸出頻率而其振幅則決定反流器輸出電壓之
大小定義振幅調變指數為ma=Vcontrol Vtri 其中Vcontrol為vcontrol之振幅
而頻率調變指數則定義為mf = fs f1
0 t
vcontrol vtri
sf
1
0 t
vAo
V d
2
minusVd
2
t=0
v v
T on T off
control tri
A A
lt
minus + v v
T on T off
control tri
A A
gt
+ minus
1)( AoAo vv =之基本波
0 t
vcontrol vtri
sf
1
圖34反流器之開關的控制方法與io方向無關為
dAoAtricontrol VvTvv2
1=gt +導通
dAoAtricontrol VvTvv2
1minus=lt minus導通
由於二開關之導通為互補因此輸出電壓只在Vd 2與-Vd 2二值間作變
動圖35(b)所示為ma=08與mf =15時輸出電壓vAo及其基本波(以虛線表示)
之波形
+
_
+
_
+ +
__
Vd
Vd
2
Vd
2
A
N
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
vAN
oo
o
單相全橋式反流器
單相全橋式反流器如圖311所示乃由兩個前述之半橋反流器所組成在
相同之輸入電壓下全橋式反流器之最大輸出電壓為半橋式之兩倍這代
表在相同之功率下全橋式反流器之輸出及開關電流僅為半橋式之一半
此對於高功率用途是一大優點因其可以降低使用並聯元件之需求
+
_
+
_
+
_
Vd
Vd
2
Vd
2
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
v v vo Ao Bo= minuso
A
B
TBminus
TB+
DBminus
DB+
+_
id
o
o
N
雙極性電壓切換之脈波寬度調變
0 t
vcontrolvtri
sf
1
0 t
ov1ov
dV
dVminus
單極性電壓切換之脈波寬度調變
onBT +
trivgttricontrol vv gt
trivcontrolv
t
)( controlvminus
)( controlvminusonAT +
t1ov
dV
dVminus
)( BNAN
o
vv
v
minus=
應用雙極性電壓切換之脈波寬度調
變全橋式反流器乃 (TA+TB-)與 (TA-
TB+)成對切換且二者互相反相
應用單極性電壓切換之脈波寬度調
變全橋式反流器乃A臂與B獨立切
換且同臂二開關互相反相
三相反流器
+
-
+
-
+
-
dV
2dV
2dV
+AT
minusAT
+AD
minusAD
o
BminusT
+BT
minusBD
+BD
di
minusCT
+CT
minusCD
+CD
N
A B C
o
0 t
triv Acontrolv Bcontrolv Ccontrolv
0
BNANAB vvv minus=
t
dV
之基本波1LLv
ANv
0 t
dV
t0
BNv
dV
三相電壓源反流器之脈波寬度調變切換的功能為在固定輸入直流電壓下用以調整三相輸出電壓之振幅及頻率三相脈波寬度調變方式由三相各差120度的控制電壓與三角波作比較其波形與單相全橋式反流器採用脈波寬度調變單極性切換者類似
最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法
33最大功率追蹤最大功率追蹤最大功率追蹤最大功率追蹤
為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點本文使用本文使用本文使用本文使用擾動觀察法擾動觀察法擾動觀察法擾動觀察法(Perturbation and Observation Method PampQ)進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功率追蹤率追蹤率追蹤率追蹤由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點下圖為擾動下圖為擾動下圖為擾動下圖為擾動觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖為利用為利用為利用為利用DCDC轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作時時時時其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為0之特性之特性之特性之特性使用使用使用使用DCDC轉換器控制太陽轉換器控制太陽轉換器控制太陽轉換器控制太陽能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動
擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖
最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法
左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖蹤示意圖蹤示意圖蹤示意圖太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分為兩個特性區域為兩個特性區域為兩個特性區域為兩個特性區域假設進行追蹤假設進行追蹤假設進行追蹤假設進行追蹤時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時電壓電壓電壓電壓的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率增加增加增加增加若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出功率減少功率減少功率減少功率減少經由經由經由經由DCDC轉換器調轉換器調轉換器調轉換器調節太陽能板與節太陽能板與節太陽能板與節太陽能板與DCDC轉換器的阻轉換器的阻轉換器的阻轉換器的阻抗相互匹配抗相互匹配抗相互匹配抗相互匹配進而得到太陽能板進而得到太陽能板進而得到太陽能板進而得到太陽能板的最大輸出功率的最大輸出功率的最大輸出功率的最大輸出功率
擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖
4軟體規劃
bull 系統控制程式主要分為主程式固定週期中斷副程式市電電壓零交越中斷副程式等三大部分以下將分別介紹各部分程式流程
bull 本系統主程式主要執行數位訊號處理器周邊暫存器的初始設定以及變數宣告其中除了變數宣告外周邊暫存器的初始設定包括有規畫中斷向量設定計數器之計數模式計數週期中斷的時間和PWM 輸出模式等相關參數設定
bull 如圖8 所示系統初始設定後必須先等待中斷發生才能決定系統是否執行固定週期中斷程式或零交越中斷副程式
bull 圖9 為固定週期中斷副程式流程圖固定週期中斷頻率與換流器開關之切換頻率相同為20kHz程式開始會先偵測太陽能板電壓及電流與直流鏈電壓當確定市電電壓零交越中斷發生時必須先將輸出弦波訊號之指標強制為原點重新送出單位弦波確保換流器輸出電流與市電電壓能維持同相位接著比較太陽能板輸入電壓VPV 是否大於最低工作電壓VPV_work如果確定大於最低工作電壓則致能太陽能最大功率追蹤反之則禁能系統動作程式返回圖9 中的正弦脈寬調變副程式主要功能在於決定換流器中開關的動作順序與責任週期大小以及輸波參考訊號
bull 圖10 為太陽能最大功率點追蹤副程式流程圖在文中對最大功率追蹤採用擾動與觀察法配合太陽能光電板的電壓mdash功率特性曲線即可瞭解程式如何完成太陽能光電板最大功率點追蹤
主程式流程圖
5實驗
bull 依據上述的分析採用DSP 2407A 建立一個500W 太陽光電池電能轉換系統依據圖11 之
bull 電路架構其規格與元件參數分別列於表一表二及表三系統實驗波形圖12圖13圖14 及
bull 圖15 為系統操作在獨立運轉模式下負載分別為120W240W360W 及480W 時之換流器輸出
bull 電壓及輸出電流之實測波形
系統規格與元件參數
實測波形
6實務應用系統實務應用系統實務應用系統實務應用系統
獨立系統示意圖獨立系統示意圖
考慮點
系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等安全係數最佳化設計複雜)
一般充電控制器無 MPPT搭配蓄電池使發電效能較差
蓄電池每日gt50DOD深度放電gt02C充電壽命短
太陽光發電量與負載需求量不搭配時太陽光之發電能量利用率偏低 (負載需求搭配與安全係數為互相矛盾之設計)
PV-柴油發電機PV-風力等混合系統為改善之方法
市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台
電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池
併聯系統示意圖併聯系統示意圖
緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析
1 系統設置成本高建議使用於邊際效益高之用電（防災緊急輔助電力）
2 總體經濟效益減少環境污染解決尖峰用電之不足與短缺能源多元化之風險分擔與開創自主能源
3 遮蔽陽光直曬降低建築物之熱效應（被動省能）同時轉換太陽光為電能供應建物自主能源（主動節能）一舉兩得
緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較
30萬元divide21900kWh＝137元度2萬元divide50kWh＝400元度每度電成本
日發電度數times365天times20年＝3hrtimes1kWtimes365天times20年＝21900kWh（度）
（年停電＋年測試運轉時數）times10年＝（20mintimes6次＋15mintimes12月）times10年＝5hrtimes1kWtimes10年＝50kWh
總發電度數（1kw計）
夜間不發電（可利用蓄電池設計供電年維運費02）
噪音空污油料運輸儲油危險維運成本高
缺點
利用露台屋頂牆面空間設備煙管隔音油槽需室內空間
設置空間
平時緊急時均可使用隨時可了解運轉狀況不須操作
加ATS停電時方可啟動需人員每月定期測試運轉
系統運作
太陽光潔淨能源（免費）柴油使用燃料
20年7~10年使用壽命
1kW=30萬元1kW=2~3萬元設置費用
太陽光發電系統柴油發電機
風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析
運用多元化能源分擔風險情況比較說明如下
1 市電--gt停電時風險極高
2 市電＋柴油發電機--gt發電機故障時風險高
市電＋柴油發電機＋太陽光發電系統--gt發揮三者優點互補同時故障機率小風險最低
案例
832kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide057＝317 m2
115kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide075＝332 m2
緊急時057平時065~08
綜合係數溫度變化污損線損Inverter效率＋蓄電池充放電補償
電力需求divide（日照強度times日照時間times模板效率times綜合係數）
模組面積估算
日照強度1kWm2
日照時間384hd
模板效率12
832kWhd500人用電量115kWhd770人用電量
緊急時平時
電力需求估算
緊急時40kWtimes384hdtimes057＝875 kWhd
平時40kWtimes384hdtimes075＝1152Whd
太陽發電系統發電量＝設置容量times日照時間times綜合係數
發電量計算
332m2times1kWm2times12＝398kW≒40kW
太陽發電系統設置容量＝設置面積times日照強度times模板效率
設置容量計算模板效率依太陽電池種類而異
進行模板陣列及蓄電池容量設計
40kWdivide18片串divide120W＝185列≒19
列
40kWdivide17片串divide120W＝196列≒20
列
陣列併列數＝設置容量divide單串功率
18片times120W＝2160W
17片times120W＝2040W
單串功率
300Vdivide169V＝1775片（取整數17 or 18）
陣列串聯數＝Inverter輸入電壓divide模板輸出電壓
模板陣列設計
1 模板功率120W
2 模板輸出電壓169V
3 直交流轉換器(Inverter)輸入電壓300V
120Wtimes17片串times20列＝40800W＝340片(最佳陣列)
120Wtimes18片串times19列＝41080W＝342片
最佳陣列較經濟之設置容量選擇最佳陣列
蓄電池數量＝144個times2列＝288個
120640Whdivide288Vdivide200Ah＝21列≒2列
併列數＝蓄電池需求容量divideInverter額定電壓
288Vdivide2V＝144個
串聯數＝Inverter額定電壓divide蓄電池電壓串併數設計
middot 蓄電池電壓2V個
middot 蓄電池容量200Ah個
Inverter電壓輸入電壓 額定電壓300V 288V200V 192V
蓄電池需求容量＝832kWhdtimes1dtimes145＝12064kWh
蓄電池需求容量＝緊急電力需求times無日照天數times補償係數補償係數蓄電池內阻抗放電停止電壓電壓降低補償
蓄電池需求容量設計
middot 補償係數145
無日照天數1日
61市電相關規定市電相關規定市電相關規定市電相關規定
1 發電設備併接於低壓系統者其總容量未滿100kW且技術無困難者得併接於單相三線110V220V三相三線220V之配電系統若總容量在100kW以上而未滿500kW得分別併接於3相4線220V380V之配電系統
2 發電設備總容量在500kW以上而未滿5000kW10000kW且技術無困難者得分別併接於114KV228KV之高壓配電系統
3 電設備總容量在10000kW以上而未滿40000kW者得併接於特高壓之系統
4 發電設備總容量在40000kW以上者依個案研討分類
併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類
發電系統經由發電系統經由發電系統經由發電系統經由110V220V110V220V110V220V110V220V併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者發電設發電設發電設發電設備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能
1 過電壓保護 低電壓保護
2 低頻保護 高頻保護
3 過電流保護 零相過電壓接地保護
4 發電設備為無逆送電力者須加裝逆電力保護
5 發電設備為有逆送電力者必須具備主動及被動防止單獨運轉保護
發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經110V220V110V220V110V220V110V220V系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者在電在電在電在電源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器
發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業114KV228KV114KV228KV114KV228KV114KV228KV之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者((((高高高高壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶))))發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Extremely Inverse特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Extremely Inverse特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過流電驛(67)須具Normal Inverse特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
發電設備併接於電業69KV特高壓輸電系統者發電設備之輸出端至少應具有下列同等保護功能並須與電業該轄區之保護設備協調
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Normal Inverse之特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Normal Inverse之特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過電流電驛(67)須具Normal Inverse之特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
8 快速及後衛保護電驛如系統保護需要時應裝設
9 匯流排電驛採用GIS斷路器者應裝設
62626262太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範
1 故障電流
太陽光電發電系統大於100kW以上須計算故障電流其送至電業系統之故障電流不得影響電業及其他用戶斷路器之起斷容量否則需裝置限流電抗器
太陽光電發電系統之隔離變壓器接地方式須與電業之系統配合
2 正常電壓變動率應維持在plusmn5以內
3 太陽光電發電系統與電業間之責任分界點的功率因數以維持85落後至100之間運轉為原則
4 諧波污染限制應依照「電力系統諧波管制暫行標準」辦理
分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性
適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯型之規範型之規範型之規範型之規範
電力轉換器電力轉換器電力轉換器電力轉換器(電力調節器電力調節器電力調節器電力調節器)(InverterConditioner)
蓄電池蓄電池蓄電池蓄電池(Battery))
63大型(商用)太陽光發電系統應用(gt1 kWp)
太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統
單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池(Unit Solar Cell)
太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板(PV Module)
太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列(PV Array)
太陽光發電系統應用獨立系統
(A) 獨立系統(Stand-Alone
System)
bull 蓄電池保護壽命
(B) 混合型交流獨立系統 (Hybrid
System)
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
直流負載PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
整流器
輔助發電機
PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載- ~PCU
直直直直交流轉換器交流轉換器交流轉換器交流轉換器
太陽光發電系統應用併聯系統
(D)併聯系統(Grid-
connected System)
特殊功能1 最佳效能2 防止獨立運轉(連線保護)
3 可自力運轉
(E) 防逆流型系統(Off-line System)
(F) 防災型併聯系統
充電控制器
蓄電池
直交流轉換器
PCU太陽電池組列
交流負載
ATS
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
獨立型系統
適用地點高山離島基地台hellip等市電無法到達處
工作方式白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
必須可以自給自足
缺點bull 系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等
安全係數設計很困難)
bull 蓄電池建置複雜成本很高壽命很短
bull 負載搭配不良時發電效能不佳利用率將偏低
bull 需由專人隨時維護
bull 混合系統為一種解決方法
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
PCU
併聯型系統
適用地點電力正常送達之任何地點工作方式 bull 白天 PV系統併聯發電夜間由台電供電bull 將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的蓄電池
優點bull 系統簡單不需安全係數設計(依預算設計)不需要專人維護bull 併聯發電效率高利用率高
缺點bull 停電時無電可用bull 受併聯法規限制尚未開放(但即將開放)
bull 有孤島效應之疑慮(目前技術上已解決)
改善型無電池自力運轉
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
市電併聯型住宅用太陽光發電系統
太陽光發電系統發電及負載用電對時間之關係
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
併聯型直交流轉換器之效能要求較高
1 最大功率追蹤(Maximum Power Tracking MPT)
2 高轉換效率 gt 90 (PWM+電力電子元件)
3 高次諧波功率 Distortion (lt5 total)
4 自動開關機(白天夜晚)
5 過負載保護過溫度保護
6 體積小重量輕室外防水防塵
7 電腦界面可遠端監控
8 防止獨立運轉(連線保護)
9 可自力運轉
太陽電池組列
交流負載
直交流轉換器MPT
Power Conditioner
併聯系統之獨立運轉(單獨運轉)
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull停電時單一併聯系統將會停止運作
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
bull 市電停電時多數併聯系統仍聯合運作將對電力公司人員產生嚴重危害
孤島效應之防止方法
停電偵測1 過電壓低電壓
2 過頻率低頻率
3 被動式偵測如
bull 電壓與頻率監視方式
bull 電壓相位跳躍監視方式
bull 高次諧波監視方式
bull 頻率變化監視方式
PV組列
直交流轉換器
自家負載
4 主動偵測如
bull 頻率Shift方式
bull 配電線負載變動方式
bull 有效電力變動方式
bull 無效電力變動方式
反應時間05~2秒
資料來源「日本電氣用品試驗所」分散型電源系統連系技術指針(1998)
併聯系統之自力運轉功能
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull 大停電後白天有陽光時以人工啟動 PV 系統進行自力運轉供自家負載使用(但夜間無法使用)
防災型併聯型系統
適用地點有防災需求(照明汲水通信hellip)之公共設施
工作方式
bull 平時PV併聯發電(電池浮充) 效率高利用率高夜間由台電供電
bull 視需要建置供防災用電池大停電時白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
缺點bull 含電池成本較高bull 系統較複雜需專人定期維護
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
FAQ1太陽光發電需要多少土地
效率 = (輸出功率W) (組列面積 m2 x 日照強度 Wm2 ) x 100
模板面積 m2 = 輸出功率W (效率 x日照強度Wm2 ) x100
bull 假設使用效率gt136 模板於1000 Wm2 (AM15)日照強度下
10 kWp 模板面積 (m2) = 10000 (0136 x 1000) ~ 735 m2
10 kWp PV系統土地面積需求約
~ 735 m2 x 15 x 11
~ 121m2 (~36坪)
(包括陰影面積及維修空間)
bull 假設使用效率~10 模板
則模板面積約 ~ 100 m2
土地面積需求約 ~ 165m2 (~50坪)
gt55o
夏至
冬至
春秋分
235o 235oh
L1 L2
FAQ2太陽電池一年能發多少電
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
10 kWm2
05 kWm2
日照強度
等效日照時數(Sun Hour)
組列單日發電量 = 組列額定輸出功率 x 等效日照時數
bull 預估1 kWp 組列單日發電量 = 1 (kW) x ex 4(Sun Hour)= 4 kWh
組列年發電量 = 組列額定輸出功率 x 年平均每日日照時數 x 365
bull 預估 1 kWp 組列年發電量 = 1 x 4 x 365 = 1460 kWh
時間時間時間時間
FAQ3太陽光發電的成本(簡易估算)
1 假設目前太陽光發電系統設置成本約為 NT$ 280000 kWp
2 假設年平均每日日照時數約為 25 Sun Hour (台灣中南部地區)
bull 1 kWp 組列單日發電量= 1 (kW) x 25 (Hour)= 25 kWh
bull 1 kWp 組列年發電量= 25 x 365 = 913 kWh (度)
3 假設太陽光發電系統使用壽命為 20 年
bull 1 kWp 太陽光發電系統總共可發電 20 x 913 = 18260 度
4 生產每度電之成本約為 280000 18260 ~ NT$ 153
5 未來發展趨勢
bull 太陽光發電系統設置成本將逐年降低
bull 市電電費將會升高(國內目前約 NT$ 3 度日本約NT$ 7 度)
bull 傳統能源限制再生能源獎勵利率降低
64獨立型太陽光發電系統應用例(一)
bull太陽電池時鐘-日本bull太陽電池路燈-日本千里住宅公園
獨立型太陽光發電系統應用例(二)
bull太陽電池交通標誌-日本北海道 bull高速公路緊急電話-日本
獨立型太陽光發電系統應用例(三)
bull800W無線通信中繼基地台韓國(1998)
獨立型太陽光發電系統應用例(四)
bull離島用90kW獨立型發電系統韓國Ho-Do島(1992)
併聯型太陽光發電系統應用例(一)
bull設置於屋頂之住宅用太陽光發電系統(建材一體型日本千里住宅公園內住宅設計之一)
併聯型太陽光發電系統應用例(二)
bull日本東海線新幹線京都車站之太陽光發電系統(100kWp)
併聯型太陽光發電系統應用例(三)
bull日本京瓷(Kyocera)京都總公司大樓之太陽電池發電系統(220kWp)
太陽光發電發電廠應用例
太陽電池發電廠
(PV Power Plant)
資料來源 ANIT
Srl Italy
建材一體型太陽電池模板應用例
bull資料來源 Pilkington Solar International GmbH 德國
太陽能車應用例
Honda Dream
bull資料來源 PV Special Research
Centre UNSW Australia
交大太陽能車
bull資料來源 National Chiao-Tung
University Taiwan
太陽光發電航太應用例(NASA Helios )
bull空中無線通訊平台應用
資料來源SkyOne Inc Taiwan
bull 飛行高度5-7 萬英呎(最高記錄 96000 英呎)
bull 時速60 mph (起飛 25 mph)
bull 翼展247 英呎bull 重量2000 磅bull 太陽電池效率要求gt22
資料來源httpwwwaerovironmentcomhomehtml
清雲技術學院 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
個人住宅 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
勤益技術學院 3kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
南台科技大學 10kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
總統府 10kWp 獨立型太陽光能發電系統 (9012)
海巡署南沙太平島 20kWp 混合型(柴油發電機)太陽光能發電系統 (9011)
90能源基金示範補助成果例
台電樹林 20kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
併聯型
台電台北市區處 20kWp 太陽光發電系統
(91能源基金示範補助成果)
併聯型
7結論
bull (1)提高電力轉換器效率
bull 轉換器的損失主要來自於開關切換時之損失為了可以降低濾波電路中電感和電容的體積可以提高切換頻率但是相對於開關的切換損失也因此而增加導致轉換器的效率降低因此發展零電壓或零電流切換技術應用於高切換頻率之轉換器將可以提高轉換器的效率
bull (2)提高太陽光發電系統之整體效率
bull 傳統之太陽光發電系統包含儲能系統和供電系統前級利用DCDC轉換器作最大功率追蹤後級則利用DCAC轉換器轉換能量供應給交流負載為了提高太陽光發電系統的整體效率在研究可提出了模組並聯控制技術以提昇各級電力轉換器的效率而在未來太陽光發電系統也將著重在單級電力轉換器的設計對於整體系統效率有較明顯的改善
8參考資料
1許國強ldquo太陽光發電原理與應用工研院材料所 薄膜技術組91年
2華志強黃崇倫ldquo智慧型能量控制於太陽光電能轉換系統國立雲林科技大學電機工程學系電力研討會97年
3林政達ldquo數位式市電並聯換流器與快速鎖相迴路控制器之研製國立雲林科技大學電機工程學系碩士論文92 年
4李思賢ldquo數位式單相低功率太陽光電能轉換系統國立中山大學電機工程學系碩士論文92 年
5洪世杰ldquo適用於再生能源之市電併聯型雙輸入供電系統國立中正大學電機工程研究所碩士論文93 年
6王廷興ldquo太陽能發電配電設計概要台北科技大學冷凍空調系 92年
7魏榮宗王文宏ldquo高效率太陽光電能源轉換系統 元智大學電機工程學系94年
[ ] 100)25(
)11
(exp
1)(exp
3
λminus+=
minus
=
+minus
minus+minus=
TKII
TTBk
qE
T
TII
where
R
IRVIRV
AkT
qIII
ISCRLG
r
GO
r
oros
sh
ssosLG
VI cell output current and voltagecell reverse saturation currentcell temperature in CBoltzmannrsquos constantelectronic chargeshort circuit current temperature coefficientsolar irradiation in Wmshort-circuit current at 25 Cand 1000 Wm
light-generated currentband gap for siliconideality factorsreference temperaturecell saturation current atshunt resistanceseries resistance
osI
T
kq
00170=IK
SCRIλ
LGI
GOE
921== ABKTr deg= 18301
orI
shR
sR
附錄附錄附錄附錄- 太陽能電池太陽能電池太陽能電池太陽能電池
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
(a) Equivalent circuit of a PV module and
(b) Typical PV module current-voltage and power-voltage characteristics
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
Characteristic of a PV module with temperature and irradiation (a) constant irradiation and varying temperature and (b) constant temperature and varying irradiation
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
系統範例系統範例系統範例系統範例
中途驛站電化PV離島用PV系統山岳地帶PV系統離島偏遠區
勤務指揮中心緊急避難所醫療院所公園學校地震觀測站森林嘹望台避難指示燈氣象觀測所水位警報PV系統河川安全燈防波堤安全PV燈
緊急防災
緊急供電系統管線電氣防蝕輸油管流量計PV系統市場廣告塔海上石油平台各種計測站PV系統發電廠情報指揮中心
產業用
住宅用供電系統緊急供電系統緊急照明系統帷幕牆遮陽棚採光罩屋瓦建築物
無線通信用中繼站基地台緊急電話中繼站電話通信PV系統Radio受信PV系統微波中繼站
通訊
農宅用電溫室栽培PV系統農業灌溉用自動灑水系統農牧電籬牛乳冷藏漁業養殖揚水通氣自動餵食器
農林漁牧
路燈交通號誌道路指示牌標誌燈太陽能電動車充電站高速公路緊急電話偏遠道路緊急電話停車計時器停車場控制門系統高速公路防音壁PV系統公路休息區PV系統太陽能車平交道指示燈候車亭PV系統車站屋頂型PV系統
道路交通
收音機測電表手錶計算機太陽能照相機手電筒電池充電器野營燈民生
應用領域
國內太陽光發電發展狀況(II其他單位)bull 1980~1990
ndash 清大呂助增教授--MS太陽電池ndash 中科院核研所核儀組-- 2 吋單多晶矽太陽電池模板原型(可商業運轉)
ndash 清大黃惠良教授--非晶矽(amorphous-Si)CuInS2太陽電池ndash 台大李嗣岑教授--非晶矽太陽電池ndash 成大張俊彥教授--非晶矽太陽電池ndash 中原熊慎幹教授--非晶矽太陽電池ndash 交大蔡中教授--太陽光發電系統研究ndash helliphellip
bull 1990~目前ndash 清大黃惠良教授--CuInS2太陽電池ndash 清大徐永珍教授--Porous Si
ndash 交大李威儀教授--GaAs太陽電池ndash 中興江雨龍教授--非晶矽太陽電池ndash 中正吳財福教授--直交流電力轉換器(Inverter)
ndash 台大黃秉鈞教授--太陽光發電系統研究ndash 清雲技術學院電機系--太陽光發電系統研究ndash 士林電機--太空用太陽電池封裝(中華衛星計畫)(目前轉移至永炬光電)
ndash TiO2 Dye Sensitized太陽電池(有機材料)
ndash helliphellip
國內太陽光發電發展狀況(III)
產業狀況上游目前有永炬(士電)茂迪光華科技三家生產太
陽電池包括單晶矽多晶矽與非晶矽太陽電池
發電系統之電力直交轉換器(inverter)目前國內無廠商
生產全仰賴進口
中下游有數家廠商製作太陽電池燈充電器玩
具hellip及其他電子產品
太陽光發電系統安裝施工廠商約 10 餘家
bull住宅用電力系統
bull產業工商用電力系統
bull偏遠地區發電系統(山區離島hellip)
bull緊急防災用電力系統
bull消費性電子產品之電源(手錶時鐘電子計算機充電器燈玩具)
bull交通工具之電源(車船飛機飛行船hellip)
bull太空用發電系統
bull攜帶式電源
bull交通標誌號誌之電源
bull發電廠
太陽光發電之應用領域
學校避難所 醫療院所
政府機構 防災中心
救護站
消防隊
救援中心
警察局
救援機具用電
通訊用電 通氣用電
照明用電
供水用電供油用電
太陽光發電防災緊急電力應用示意圖
太陽電池材料種類說明太陽電池材料種類說明太陽電池材料種類說明太陽電池材料種類說明太陽電池材料種類說明太陽電池材料種類說明太陽電池材料種類說明太陽電池材料種類說明
1以下TiO2奈米及有機奈米及有機奈米及有機奈米及有機Nano amp Organic
應用於有機太陽電池屬研發階段
10~12CdSCdTeCuInse
多晶Poly Crystallin
18~30GaAsInP單晶Single Crystallin
多化合物多化合物多化合物多化合物Compound
應用於太空及聚光型太陽光電系統
6~9SiSiCSiGeSiHSiO
非晶矽Amorphous
10~18多晶矽Poly Crystallin
12~20單晶矽Single Crystallin
晶矽Crystalline
矽矽矽矽(硅硅硅硅) silicon
目前太陽光電系統中應用最為廣泛
市場模組發電轉換效率
半導體材料太陽電池種類
又稱為單結晶晶圓型製程貴發電量佳 礙於晶圓型式多半
截圓型或圓弧造型舖設時面積上無法達到最大利用及吸收
多結晶製程上較便宜發電量略遜單晶矽可截為正方形舖設時
可達到最大面積利用及吸收其晶狀分佈具有應N效果可為建築
物外觀加分另外雖其結理易造成碎裂但晶體可再利用做為項鍊
等裝飾品
非晶矽(可撓式)成本便宜發電率較差且容易造成裂質化但由
於可直接鍍在玻璃及塑膠上面與建築物可做最佳結合除可做太陽
光電系統發電用室內型民生消費品也常見其應用如電子計算
機搖頭娃娃玩具等
常見的太陽電池及模板外觀常見的太陽電池及模板外觀常見的太陽電池及模板外觀常見的太陽電池及模板外觀常見的太陽電池及模板外觀常見的太陽電池及模板外觀常見的太陽電池及模板外觀常見的太陽電池及模板外觀
單晶矽太陽電池外觀 單晶矽太陽電池典型結構
太陽電池外觀與構造(單晶矽)
1 清洗蝕刻
2 磷擴散
P-type wafer
單晶矽太陽電池製程步驟例(I)
3 鍍抗反
射層
4 網印
5 燒結
單晶矽太陽電池製程步驟例(II)
11太陽光發電(Photovoltaic)原理 (I)
太陽電池是以 P 型與 N 型半導
體材料接合構成正極與負極
當太陽光照射太陽電池時光
的能量會使半導體材料內的
正負電荷分離
正負電荷會分別往正負極
方向移動並且聚集
將太陽電池正負極接上負載
時將有電流流出可以對負
載作功(燈泡會亮馬達會轉)
正極P 型
負極N 型
P
N
P
N
P
N
-++
-
+
-+
-+
+ + + + +
- - - - -
--
+
-+
正負電荷
+
-
+
-
+
-
太陽光
太陽光
太陽光
電流
-+
PN(不照光平衡狀態)
EfEv
Ec
N P P
N
P
N
P
N
P
N
光子(Photon)
-+-+
-+
-+
-+
+ + + + +
- - - - -
-+
-+
-+
太陽光發電(Photovoltaic)原理 (II)
-
+
Photon
+
+
-
-
- -
++
Ef
Ev
Ec
PN(照光狀態)
++
-
- -
+
+
--
+
-
+
Photon
多數載子
多數載子
少數載子
少數載子
+
-
多數載子
多數載子
電子-電洞對(Electron-
hole pair)
EvN Type
SemiconductorP Type
Ef
Ec
Ef
Ev
Ec
電子位能
Ec conduction band
Ev valence band
Ef Fermi level
I=I0 (eVaVT-1)-Isc
Isc = -I (短路電流 V=0)
Voc = aVTln(Isc I0 +1) (開路電壓
I=0)
I0 (逆向漏電電流) prop ni prop e-Eg
RshID
Isc
+
----
v
I
RL
Rs
太陽電池等效電路與電氣特性
+I
+V
-V
Dark
VocV
Photo
Isc
I
Pm
I0
太陽電池等效電路 常用太陽電池電路符號
VocVm
Im
Isc
Pm
太陽電池 I-V 特性曲線分析
FF(Fill Factor) = (Vm x Im Voc x Isc) x 100 (越高越好)
ηηηη (Efficiency) = (Vm x Im Pin) x 100 (越高越貴)
bull Pin (Incident Power) = A (hc λ) bull N(λ) dλ
bullλ wavelength (microm)
bull N(λ) Number of photonm2 bull sec
bull A Area (m2)
bull h Plank constant c light speed
Voc開路電壓
Isc短路電流
Pm最大輸出功率值
Vm最大輸出功率時之電壓
Im最大輸出功率時之電流
太陽電池開路短路時皆不會燒毀
0
電壓源
電流源
利用串並聯組成模板與組列提供所需的工作電壓與電流
VocVm
Im
Isc
Pm
12太陽電池之串並聯使用
VocVm
Im
IscPm
VocVm
Im
Isc
Pm
太陽電池模板之構成
+
-
太陽電池模板結構太陽電池模板外觀太陽電池模板接線
正面
強化玻璃
EVA
TedlarTM (Dupont)
EVA
Polyester
TedlarTM (Dupont)
0125
0015
Cells0014
0015
00015
0002
00015
背面
單元太陽電池
太陽電池模板之規格範例
η (Efficiency) = (Vm x Im Pin) x 100
單晶矽模板效率 = (354 V x 495 A) ( 129 m2 x 1000 Wm2 ) x100
= 1358
單晶矽模板效率 = 1302
種類
項目單晶矽 多晶矽
額定輸出功率(Wp) 175 125
開路電壓(V) 444 323
短路電流(A) 555 546
最大輸出工作電壓(V) 354 260
最大輸出工作電流(A) 495 48
輸出最大功率(W) 175 125
尺寸(mm)W15736timesL826
timesH46
W1200timesL802
timesH46
重量(kg) 17 125
測定條件日照強度 AM151000Wm2Module 溫度 25
何謂AM0AM1AM15
Wavelength (microm)
Spec
tral
Irr
adia
nce
(Wm
-2micro
m-1) AM0
AM15
AM 即 Air Mass(不同 Air Mass 代表不同太陽光光譜)
bull AM0 (Air Mass 0) ~ 1400 W bullm-2
bull AM1 (Air Mass 1) ~ 1000 W bullm-2
bull AM15 (Air Mass 15) ~ 844 Wbullm-2
AM15 1000 Wbullm-2 (IEC 891 IEC 904-1)
Earth
AM0
AM1
AM15
大氣層
45o
太陽電池直接驅動負載如馬達等(應用於玩具車船馬達音樂卡片hellip)
bull 電力現買現賣
bull 負載匹配(容量與電壓)
bull 溫度效應
bull 搭配(超高)電容可以提高效能
太陽電池(直流)基礎應用範例(I)
I M
+
-
C
圖片資料來源httpshoppingyahoocom httpwwwsolar-icomSampYhtml
太陽電池先對電池充電再由電池供應負載(應用於玩具車船電動機械夜間燈光計算機鐘錶3C產品hellip)
bull 電力零存整付
bull 太陽電池電池電壓匹配
bull 溫度效應
bull 使用阻隔二極體
bull 電池過充放電保護
太陽電池(直流)基礎應用範例(II)
I負載
+
-
電池
圖片資料來源httpshoppingyahoocom httpwwwsolar-icomSampYhtml
FAQ1太陽電池應用效能不佳太陽電池之負載匹配(Load Matching)
RshID
IL
+
----
v
I
RL
Rs
bull Efficiency of a PV system is strongly affected by load matching
bull Measurement of I-V Characteristic curve is important
VocVm
Im
Isc
Pm
RL 1
RL 3
RL 2 Battery voltage
RL
----
+
不同日照強度下太陽電池 I-V 特性曲線
bull 最大輸出功率隨日照強度而改變並非永遠等於額定值
0
1
2
3
4
5
6
7
0 10 20 30 40 50
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
1000Wm2 (AM1)
500Wm2 (05AM1)
不同溫度下太陽電池 I-V 特性曲線
bull太陽電池溫度升高時輸出電壓與最大輸出功率降低
0
1
2
3
4
5
6
7
0 10 20 30 40 50
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
75oC 50oC 25oC 0oC
Battery voltage
0
1
2
3
4
5
6
7
0 10 20 30 40 50
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
500Wm2 (05AM1)
1000Wm2 (AM1)
太陽電池之動態負載匹配(日照變化)
RL(high)
RL(low)
bull Maximum power tracking is required in high efficiency PV system
太陽電池 I-V 特性曲線測量方法
VocVm
ImIsc Pm
C+
-
A
VR
A
V
A
V可程式負載
模擬陽光使用鎢絲燈氙燈Solar Simulator 或太陽光
Pm lt few10 W Pm lt few 100 W Pm lt 100 kW
Solar Simulator Array Tester
圖片資料來源httpwwwspiresolarcomSolarequipmenthtml
太陽於天球(Celestial Sphere)上運行之軌跡
冬至 春秋分 夏至 冬至 春秋分 夏至 春秋分 夏至
北緯 0o 北緯 45o 北緯 90o
(赤道) (北極)
天球
太陽運行軌跡與太陽電池仰角
冬至 夏至春秋分
所在緯度235o
235o47o0o
47o 235o
13太陽電池組列仰角與間隔設計例
bull組列仰角~235o (台灣地區)
bull h=組列總高度( lt 15 m)
bull L2=h tan(55o) = 057 L0
(55o可適用於冬至0900~1500)
bull水平角度=正南 plusmn5o
235o
55o
235o
夏至
冬至
春秋分
235o 235o
南
h = 04 L0
L1= 092 L0L2 = 057 L0
L0
L1 + L2 = 15 L0
2零交越偵測電路分析
bull 零交越偵測電路如圖1 所示主要目的在於檢測輸入弦波電壓之零交越點其電路輸出為ㄧ方波信號利用方波上緣信號觸發數位訊號處理器之外部中斷腳位進而進行相位同步之功能[4]零交越偵測電路輸入與輸出波形如圖2 所示相位同步控制當數位訊號處理器發生上緣觸發時此觸發訊號如同系統重置訊號將正弦表指標變數歸零一經重置後指標變數又開始計數藉由每週期ㄧ次的重置訊號迫使換流器輸出達到同步相位同步控制波形示意圖如圖3 所示圖4 為零交越偵測電路輸出實測圖[4]
3系統電路架構與動作模式
bull A
bull 本文所述之系統為一太陽光電能轉換系統方塊圖如圖5 所示主要部分包括太陽能板直流-直流轉換器全橋式換流器數位訊號處理器感測迴授電路與驅動電路此一系統之基本動作情況為一般情況下斷路器1 和斷路器2 均為導通狀態此時太陽光電能轉換系統與電力網路處於連結運轉模式而當電力網路供電中斷時斷路器2 將被斷路以避免孤島現象的發生反之若是太陽光電能轉換系統發生故障時斷路器1 將被斷路以避免電力網路受到其故障的影響
31系統電路架構與動作模式
bull B
bull 電路工作模式bull 此一太陽光電能轉換系統主要有兩種工
作模式以下為二種工作模式的操作說明
bull (1) 獨立運轉模式bull 如圖6 所示獨立運轉模式為當電力網
路供電中斷時斷路器2 將被斷路而此時太陽光電能轉換系統將操作在電壓控制模式下提供負載一穩定的輸出電壓
bull (2) 與電力網路連結運轉模式bull 如圖7 所示與電力網路連結運轉模式
將太陽光電能轉換系統與電力網路連結運轉也就是斷路器1 和斷路器2 同時導通此時系統將操作在電流控制模式下首先經由最大功率點追蹤程式運算出瞬時最大功率點的電流參考值再根據此一電流參考值輸出一與電力網路電壓同相位的電流至負載或甚至回送至電力網路
31直流至直流切換式轉換器
典型直流至直流轉換器系統之構造如圖21所示其輸入通常為由線電壓整
流而得之非調節直流電壓然後再利用切換式直流至直流轉換器將此變動之
直流電壓轉換成一調節之直流電壓
無控制之二極體橋式整流器
交流線電壓
(單相或三相)
直流電壓
(無調節性)
濾波電容 (無調節性)
直流至直流轉換器 (具調節性)
負載
蓄電池
直流電壓 直流電壓
控制訊號1降壓式(step-down buck)轉換器
2升壓式(step-up boost)轉換器
3升降壓式(step-downstep-up buck-boost)轉換器
4全橋式轉換器
上述四種轉換器中只有降壓式及升壓式是最基本的轉換器電路架構升
降壓式轉換器是此二基本轉換器之結合而全橋式轉換器則是由降壓式轉
換器衍生而來
直流至直流轉換器之控制
直流至直流轉換器的作用即是在輸入電壓與輸出負載變動的情況下能夠調
節輸出電壓為所設定的位準電壓位準轉換之原理可以圖22(a)所示之簡單
電路來說明由開關導通與截止可得圖22(b)之波形其中輸出電壓vo平均
值大小Vo與開關之導通及截止時間(ton及toff)有關平均輸出電壓大小調整
之最典型的方式是採用脈波寬度調變法(Pulse-Width ModulationPWM)
其切換週期Ts(= ton+toff)為固定由調整導通時間之大小來改變平均輸出電
壓之大小Vo
+
_
Vd
R
+
_
Vo
0Vd
Vo
vo
tton toff
Ts
脈波寬度調變切換控制的方塊圖如
圖23(a)所示開關之切換控制信號
由控制訊號vcontrol與週期為Ts之鋸齒
波vst比較而得控制信號則由Vo之
實際值與設定值之誤差放大而得
vcontrol與vst比較所得之切換控制信號
的波形如圖23(b)所示當控制訊號
vst較大時則為高準位信號即使
開關導通反之為低準位信號即使
開關截止故開關之切換週期亦為
Ts 由以上的原理可知開關切換
之責任週期 (Duty Ratio)為D=tonTs
=vcontrolVst 其中Vst為鋸齒波之振
幅
放大器
+
-Vo
(設定)
(實際)
Vo
比較器
週期性波形 stv
切換控制訊號
控制訊號
0 t
$Vst
=stv 鋸齒波電壓
controlv (放大誤差)
On On
Off Off
stcontrol vv gt
stcontrol vv ltton toff
Ts
切換控制訊號
(切換頻率 fT
s
s
=1
)
升壓式直流至直流轉換器
圖211為升壓式轉換器電路主要用途為直流電源供應器與直流馬達之
再生制動(Regenerative Breaking)顧名思義其輸出電壓高過於其輸入
電壓當開關導通時二極體反向偏壓輸入電能儲存於電感負載電
能則由電容提供當開關截止時負載吸收輸入及儲存電感中之電能
-
L
CRVd
Vo
vL
iL
io
+
-
++
_
t0
t0
vL
iL
I L
Ts
toffton
_++
_
+
_
+ _+
_
+
_
iL
vL
Vd Vo
iL
vL
Vd Vo
)( dV
)( od VV minus
圖212所示為電感電流為連續之
穩態工作波形由穩態下電感電
壓一週期之平均值為零可得
0)( =minus+ offodond tVVtV
等號兩側除以Ts重新整理可得
Dt
T
V
V
off
s
d
o
minus==
1
1
假設電路無損失輸入功率
Pd=VdId 等 於 輸 出 功 率
Po=VoIo 則
)1( DI
I
d
o minus=
非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器
bullBoost之設計假設輸入10V輸出30V頻率50kHz輸出10W
所以D＝23
( ) s
o
o TDDP
VL
22
12
minusge
=6667uH
取75uH
D
VV in
o minus=
1
L
Vi
n
S Vo
+
_
C
DiL
vds
升降壓式直流至直流轉換器
升降壓式轉換器的主要用途為輸入與輸出之極性相反輸出電壓可以高於
或低於輸入電壓之直流電源供應器升降壓式轉換器可以由降壓式轉換器
與升壓式轉換式串接而成穩態下輸入與輸出電壓轉換器之比值為二轉換
器個別比值之乘積
D
D
V
V
d
o
minus=
1
因此變化責任週期D可使輸出電壓高於或低於輸入電壓
+
_
+
_
_
+
RC Vo
L
Vd
io
iLvL
id
降壓式直流至直流轉換器
降壓式轉換器顧名思義其作用為將較高準位的輸入電壓換成較低
準位的輸出電壓主要用途為直流電源供應器及直流馬達速度控制
圖22(a)所示為提供純電阻性負載之降壓式轉換器由圖22(b)可知其輸
出電壓波形由開關位置決定平均輸出電壓為
dd
s
onT
t
t
d
s
T
o
s
o DVVT
tddV
Tdv
TV
s
on
ons ==+== intintint )0(1
)(1
00ττττ
+
_
Vd
R
+
_
Vo
0Vd
Vo
vo
tton toff
Ts
32直流至交流切換式反流器
切換式直流至交流(DCAC)反流器(Inveter)乃用以將直流電源轉換成振幅
與頻率均可調之正弦式交流電源主要用途為交流馬達驅動與交流不斷
電電源供應器圖31為典型交流馬達驅動之反流器方塊圖其直流輸入
電壓通常由線電壓整流及濾波而得接著再利用切換式反流器改變輸出
電壓之振幅與頻率以驅動交流馬達切換式反流器功率之流通通常是
由直流至交流稱為反流模式但亦可以從交流至直流稱為整流模
式
+
_
交流馬達
二極體整流器 濾波電容 切換式反流器
Vd
三相交流電源
反流器包括單相及三相其輸入為直流電壓源者稱為電壓源反流器
(Voltage Source InverterVSI)另外若輸入為直流電流源者稱為電流
反流器(Current Source InverterCSI)目前僅應用在高功率之交流馬達
驅動器
1脈波寬度調變(PWM)反流器其輸入電壓通常為固定反流器本身具備變
頻及變壓的功能而變頻及變壓乃利用開關之脈波寬度調變切換控制達成
有許多類型之脈波寬度變技術可以使輸出電壓近似弦波
2方波(Square-Wave)反流器此反流器輸出電壓振幅乃由其輸入電壓調
整
反流器本身只控制輸出頻率交流輸出電壓波形近似方波因此乃稱方波
反流器
3採用電壓消去法(Voltage Cancellation)之單相反流器單相反流器當輸入
電壓為定值時可以利用電壓消去法來變頻及變壓而不須採用脈波寬度
調變其輸出電壓波形近似方波因此其結合了前述兩種反流器的特色
值得注意的是電壓消去法並不適用於三相反流器
切換式反流器之基本觀念
考慮圖33(a)之單相反流器假設其正弦輸出電壓vo是經過濾波所得若
輸出之負載為電感性(如馬達)則輸出電流io將落後vo 如圖33(b)所示
在期間1及3中 vo與io同號瞬時功率Po=voio為正故功率由直流側送至
交流側稱之為反流模式在期間2及4中 vo與io異號瞬時功率Po為負
故功率由交流側送至直流側稱之為整流模式圖33(a)之切換式反流器
在每一週期內會經歷平面上四個象限中之所有象限
單相切
換式變
流器與
濾波器
o
o
+
-
+
-
Vd
vo
id
io
0t
4 1 2 3
voio
io
vo
1反流器
4整流器
3反流器
2整流器
0
為清楚解釋起見以單臂反流器來說明
+
_
+
_
+ +
__
Vd
Vd
2
Vd
2
A
N
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
vAN
oo
o
反流器電路之脈波寬度調變切換技術如圖35(a)所示由一正弦波形控
制訊號vcontrol與三角波形vtri作比較三角波(又稱載波)之振幅為Vtri頻率
為fs fs決定反流器開關之切換頻率正弦波控制電壓vcontrol(又稱調制訊
號)之基頻f1決定反流器之輸出頻率而其振幅則決定反流器輸出電壓之
大小定義振幅調變指數為ma=Vcontrol Vtri 其中Vcontrol為vcontrol之振幅
而頻率調變指數則定義為mf = fs f1
0 t
vcontrol vtri
sf
1
0 t
vAo
V d
2
minusVd
2
t=0
v v
T on T off
control tri
A A
lt
minus + v v
T on T off
control tri
A A
gt
+ minus
1)( AoAo vv =之基本波
0 t
vcontrol vtri
sf
1
圖34反流器之開關的控制方法與io方向無關為
dAoAtricontrol VvTvv2
1=gt +導通
dAoAtricontrol VvTvv2
1minus=lt minus導通
由於二開關之導通為互補因此輸出電壓只在Vd 2與-Vd 2二值間作變
動圖35(b)所示為ma=08與mf =15時輸出電壓vAo及其基本波(以虛線表示)
之波形
+
_
+
_
+ +
__
Vd
Vd
2
Vd
2
A
N
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
vAN
oo
o
單相全橋式反流器
單相全橋式反流器如圖311所示乃由兩個前述之半橋反流器所組成在
相同之輸入電壓下全橋式反流器之最大輸出電壓為半橋式之兩倍這代
表在相同之功率下全橋式反流器之輸出及開關電流僅為半橋式之一半
此對於高功率用途是一大優點因其可以降低使用並聯元件之需求
+
_
+
_
+
_
Vd
Vd
2
Vd
2
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
v v vo Ao Bo= minuso
A
B
TBminus
TB+
DBminus
DB+
+_
id
o
o
N
雙極性電壓切換之脈波寬度調變
0 t
vcontrolvtri
sf
1
0 t
ov1ov
dV
dVminus
單極性電壓切換之脈波寬度調變
onBT +
trivgttricontrol vv gt
trivcontrolv
t
)( controlvminus
)( controlvminusonAT +
t1ov
dV
dVminus
)( BNAN
o
vv
v
minus=
應用雙極性電壓切換之脈波寬度調
變全橋式反流器乃 (TA+TB-)與 (TA-
TB+)成對切換且二者互相反相
應用單極性電壓切換之脈波寬度調
變全橋式反流器乃A臂與B獨立切
換且同臂二開關互相反相
三相反流器
+
-
+
-
+
-
dV
2dV
2dV
+AT
minusAT
+AD
minusAD
o
BminusT
+BT
minusBD
+BD
di
minusCT
+CT
minusCD
+CD
N
A B C
o
0 t
triv Acontrolv Bcontrolv Ccontrolv
0
BNANAB vvv minus=
t
dV
之基本波1LLv
ANv
0 t
dV
t0
BNv
dV
三相電壓源反流器之脈波寬度調變切換的功能為在固定輸入直流電壓下用以調整三相輸出電壓之振幅及頻率三相脈波寬度調變方式由三相各差120度的控制電壓與三角波作比較其波形與單相全橋式反流器採用脈波寬度調變單極性切換者類似
最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法
33最大功率追蹤最大功率追蹤最大功率追蹤最大功率追蹤
為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點本文使用本文使用本文使用本文使用擾動觀察法擾動觀察法擾動觀察法擾動觀察法(Perturbation and Observation Method PampQ)進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功率追蹤率追蹤率追蹤率追蹤由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點下圖為擾動下圖為擾動下圖為擾動下圖為擾動觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖為利用為利用為利用為利用DCDC轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作時時時時其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為0之特性之特性之特性之特性使用使用使用使用DCDC轉換器控制太陽轉換器控制太陽轉換器控制太陽轉換器控制太陽能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動
擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖
最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法
左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖蹤示意圖蹤示意圖蹤示意圖太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分為兩個特性區域為兩個特性區域為兩個特性區域為兩個特性區域假設進行追蹤假設進行追蹤假設進行追蹤假設進行追蹤時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時電壓電壓電壓電壓的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率增加增加增加增加若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出功率減少功率減少功率減少功率減少經由經由經由經由DCDC轉換器調轉換器調轉換器調轉換器調節太陽能板與節太陽能板與節太陽能板與節太陽能板與DCDC轉換器的阻轉換器的阻轉換器的阻轉換器的阻抗相互匹配抗相互匹配抗相互匹配抗相互匹配進而得到太陽能板進而得到太陽能板進而得到太陽能板進而得到太陽能板的最大輸出功率的最大輸出功率的最大輸出功率的最大輸出功率
擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖
4軟體規劃
bull 系統控制程式主要分為主程式固定週期中斷副程式市電電壓零交越中斷副程式等三大部分以下將分別介紹各部分程式流程
bull 本系統主程式主要執行數位訊號處理器周邊暫存器的初始設定以及變數宣告其中除了變數宣告外周邊暫存器的初始設定包括有規畫中斷向量設定計數器之計數模式計數週期中斷的時間和PWM 輸出模式等相關參數設定
bull 如圖8 所示系統初始設定後必須先等待中斷發生才能決定系統是否執行固定週期中斷程式或零交越中斷副程式
bull 圖9 為固定週期中斷副程式流程圖固定週期中斷頻率與換流器開關之切換頻率相同為20kHz程式開始會先偵測太陽能板電壓及電流與直流鏈電壓當確定市電電壓零交越中斷發生時必須先將輸出弦波訊號之指標強制為原點重新送出單位弦波確保換流器輸出電流與市電電壓能維持同相位接著比較太陽能板輸入電壓VPV 是否大於最低工作電壓VPV_work如果確定大於最低工作電壓則致能太陽能最大功率追蹤反之則禁能系統動作程式返回圖9 中的正弦脈寬調變副程式主要功能在於決定換流器中開關的動作順序與責任週期大小以及輸波參考訊號
bull 圖10 為太陽能最大功率點追蹤副程式流程圖在文中對最大功率追蹤採用擾動與觀察法配合太陽能光電板的電壓mdash功率特性曲線即可瞭解程式如何完成太陽能光電板最大功率點追蹤
主程式流程圖
5實驗
bull 依據上述的分析採用DSP 2407A 建立一個500W 太陽光電池電能轉換系統依據圖11 之
bull 電路架構其規格與元件參數分別列於表一表二及表三系統實驗波形圖12圖13圖14 及
bull 圖15 為系統操作在獨立運轉模式下負載分別為120W240W360W 及480W 時之換流器輸出
bull 電壓及輸出電流之實測波形
系統規格與元件參數
實測波形
6實務應用系統實務應用系統實務應用系統實務應用系統
獨立系統示意圖獨立系統示意圖
考慮點
系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等安全係數最佳化設計複雜)
一般充電控制器無 MPPT搭配蓄電池使發電效能較差
蓄電池每日gt50DOD深度放電gt02C充電壽命短
太陽光發電量與負載需求量不搭配時太陽光之發電能量利用率偏低 (負載需求搭配與安全係數為互相矛盾之設計)
PV-柴油發電機PV-風力等混合系統為改善之方法
市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台
電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池
併聯系統示意圖併聯系統示意圖
緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析
1 系統設置成本高建議使用於邊際效益高之用電（防災緊急輔助電力）
2 總體經濟效益減少環境污染解決尖峰用電之不足與短缺能源多元化之風險分擔與開創自主能源
3 遮蔽陽光直曬降低建築物之熱效應（被動省能）同時轉換太陽光為電能供應建物自主能源（主動節能）一舉兩得
緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較
30萬元divide21900kWh＝137元度2萬元divide50kWh＝400元度每度電成本
日發電度數times365天times20年＝3hrtimes1kWtimes365天times20年＝21900kWh（度）
（年停電＋年測試運轉時數）times10年＝（20mintimes6次＋15mintimes12月）times10年＝5hrtimes1kWtimes10年＝50kWh
總發電度數（1kw計）
夜間不發電（可利用蓄電池設計供電年維運費02）
噪音空污油料運輸儲油危險維運成本高
缺點
利用露台屋頂牆面空間設備煙管隔音油槽需室內空間
設置空間
平時緊急時均可使用隨時可了解運轉狀況不須操作
加ATS停電時方可啟動需人員每月定期測試運轉
系統運作
太陽光潔淨能源（免費）柴油使用燃料
20年7~10年使用壽命
1kW=30萬元1kW=2~3萬元設置費用
太陽光發電系統柴油發電機
風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析
運用多元化能源分擔風險情況比較說明如下
1 市電--gt停電時風險極高
2 市電＋柴油發電機--gt發電機故障時風險高
市電＋柴油發電機＋太陽光發電系統--gt發揮三者優點互補同時故障機率小風險最低
案例
832kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide057＝317 m2
115kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide075＝332 m2
緊急時057平時065~08
綜合係數溫度變化污損線損Inverter效率＋蓄電池充放電補償
電力需求divide（日照強度times日照時間times模板效率times綜合係數）
模組面積估算
日照強度1kWm2
日照時間384hd
模板效率12
832kWhd500人用電量115kWhd770人用電量
緊急時平時
電力需求估算
緊急時40kWtimes384hdtimes057＝875 kWhd
平時40kWtimes384hdtimes075＝1152Whd
太陽發電系統發電量＝設置容量times日照時間times綜合係數
發電量計算
332m2times1kWm2times12＝398kW≒40kW
太陽發電系統設置容量＝設置面積times日照強度times模板效率
設置容量計算模板效率依太陽電池種類而異
進行模板陣列及蓄電池容量設計
40kWdivide18片串divide120W＝185列≒19
列
40kWdivide17片串divide120W＝196列≒20
列
陣列併列數＝設置容量divide單串功率
18片times120W＝2160W
17片times120W＝2040W
單串功率
300Vdivide169V＝1775片（取整數17 or 18）
陣列串聯數＝Inverter輸入電壓divide模板輸出電壓
模板陣列設計
1 模板功率120W
2 模板輸出電壓169V
3 直交流轉換器(Inverter)輸入電壓300V
120Wtimes17片串times20列＝40800W＝340片(最佳陣列)
120Wtimes18片串times19列＝41080W＝342片
最佳陣列較經濟之設置容量選擇最佳陣列
蓄電池數量＝144個times2列＝288個
120640Whdivide288Vdivide200Ah＝21列≒2列
併列數＝蓄電池需求容量divideInverter額定電壓
288Vdivide2V＝144個
串聯數＝Inverter額定電壓divide蓄電池電壓串併數設計
middot 蓄電池電壓2V個
middot 蓄電池容量200Ah個
Inverter電壓輸入電壓 額定電壓300V 288V200V 192V
蓄電池需求容量＝832kWhdtimes1dtimes145＝12064kWh
蓄電池需求容量＝緊急電力需求times無日照天數times補償係數補償係數蓄電池內阻抗放電停止電壓電壓降低補償
蓄電池需求容量設計
middot 補償係數145
無日照天數1日
61市電相關規定市電相關規定市電相關規定市電相關規定
1 發電設備併接於低壓系統者其總容量未滿100kW且技術無困難者得併接於單相三線110V220V三相三線220V之配電系統若總容量在100kW以上而未滿500kW得分別併接於3相4線220V380V之配電系統
2 發電設備總容量在500kW以上而未滿5000kW10000kW且技術無困難者得分別併接於114KV228KV之高壓配電系統
3 電設備總容量在10000kW以上而未滿40000kW者得併接於特高壓之系統
4 發電設備總容量在40000kW以上者依個案研討分類
併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類
發電系統經由發電系統經由發電系統經由發電系統經由110V220V110V220V110V220V110V220V併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者發電設發電設發電設發電設備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能
1 過電壓保護 低電壓保護
2 低頻保護 高頻保護
3 過電流保護 零相過電壓接地保護
4 發電設備為無逆送電力者須加裝逆電力保護
5 發電設備為有逆送電力者必須具備主動及被動防止單獨運轉保護
發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經110V220V110V220V110V220V110V220V系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者在電在電在電在電源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器
發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業114KV228KV114KV228KV114KV228KV114KV228KV之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者((((高高高高壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶))))發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Extremely Inverse特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Extremely Inverse特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過流電驛(67)須具Normal Inverse特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
發電設備併接於電業69KV特高壓輸電系統者發電設備之輸出端至少應具有下列同等保護功能並須與電業該轄區之保護設備協調
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Normal Inverse之特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Normal Inverse之特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過電流電驛(67)須具Normal Inverse之特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
8 快速及後衛保護電驛如系統保護需要時應裝設
9 匯流排電驛採用GIS斷路器者應裝設
62626262太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範
1 故障電流
太陽光電發電系統大於100kW以上須計算故障電流其送至電業系統之故障電流不得影響電業及其他用戶斷路器之起斷容量否則需裝置限流電抗器
太陽光電發電系統之隔離變壓器接地方式須與電業之系統配合
2 正常電壓變動率應維持在plusmn5以內
3 太陽光電發電系統與電業間之責任分界點的功率因數以維持85落後至100之間運轉為原則
4 諧波污染限制應依照「電力系統諧波管制暫行標準」辦理
分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性
適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯型之規範型之規範型之規範型之規範
電力轉換器電力轉換器電力轉換器電力轉換器(電力調節器電力調節器電力調節器電力調節器)(InverterConditioner)
蓄電池蓄電池蓄電池蓄電池(Battery))
63大型(商用)太陽光發電系統應用(gt1 kWp)
太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統
單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池(Unit Solar Cell)
太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板(PV Module)
太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列(PV Array)
太陽光發電系統應用獨立系統
(A) 獨立系統(Stand-Alone
System)
bull 蓄電池保護壽命
(B) 混合型交流獨立系統 (Hybrid
System)
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
直流負載PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
整流器
輔助發電機
PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載- ~PCU
直直直直交流轉換器交流轉換器交流轉換器交流轉換器
太陽光發電系統應用併聯系統
(D)併聯系統(Grid-
connected System)
特殊功能1 最佳效能2 防止獨立運轉(連線保護)
3 可自力運轉
(E) 防逆流型系統(Off-line System)
(F) 防災型併聯系統
充電控制器
蓄電池
直交流轉換器
PCU太陽電池組列
交流負載
ATS
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
獨立型系統
適用地點高山離島基地台hellip等市電無法到達處
工作方式白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
必須可以自給自足
缺點bull 系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等
安全係數設計很困難)
bull 蓄電池建置複雜成本很高壽命很短
bull 負載搭配不良時發電效能不佳利用率將偏低
bull 需由專人隨時維護
bull 混合系統為一種解決方法
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
PCU
併聯型系統
適用地點電力正常送達之任何地點工作方式 bull 白天 PV系統併聯發電夜間由台電供電bull 將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的蓄電池
優點bull 系統簡單不需安全係數設計(依預算設計)不需要專人維護bull 併聯發電效率高利用率高
缺點bull 停電時無電可用bull 受併聯法規限制尚未開放(但即將開放)
bull 有孤島效應之疑慮(目前技術上已解決)
改善型無電池自力運轉
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
市電併聯型住宅用太陽光發電系統
太陽光發電系統發電及負載用電對時間之關係
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
併聯型直交流轉換器之效能要求較高
1 最大功率追蹤(Maximum Power Tracking MPT)
2 高轉換效率 gt 90 (PWM+電力電子元件)
3 高次諧波功率 Distortion (lt5 total)
4 自動開關機(白天夜晚)
5 過負載保護過溫度保護
6 體積小重量輕室外防水防塵
7 電腦界面可遠端監控
8 防止獨立運轉(連線保護)
9 可自力運轉
太陽電池組列
交流負載
直交流轉換器MPT
Power Conditioner
併聯系統之獨立運轉(單獨運轉)
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull停電時單一併聯系統將會停止運作
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
bull 市電停電時多數併聯系統仍聯合運作將對電力公司人員產生嚴重危害
孤島效應之防止方法
停電偵測1 過電壓低電壓
2 過頻率低頻率
3 被動式偵測如
bull 電壓與頻率監視方式
bull 電壓相位跳躍監視方式
bull 高次諧波監視方式
bull 頻率變化監視方式
PV組列
直交流轉換器
自家負載
4 主動偵測如
bull 頻率Shift方式
bull 配電線負載變動方式
bull 有效電力變動方式
bull 無效電力變動方式
反應時間05~2秒
資料來源「日本電氣用品試驗所」分散型電源系統連系技術指針(1998)
併聯系統之自力運轉功能
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull 大停電後白天有陽光時以人工啟動 PV 系統進行自力運轉供自家負載使用(但夜間無法使用)
防災型併聯型系統
適用地點有防災需求(照明汲水通信hellip)之公共設施
工作方式
bull 平時PV併聯發電(電池浮充) 效率高利用率高夜間由台電供電
bull 視需要建置供防災用電池大停電時白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
缺點bull 含電池成本較高bull 系統較複雜需專人定期維護
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
FAQ1太陽光發電需要多少土地
效率 = (輸出功率W) (組列面積 m2 x 日照強度 Wm2 ) x 100
模板面積 m2 = 輸出功率W (效率 x日照強度Wm2 ) x100
bull 假設使用效率gt136 模板於1000 Wm2 (AM15)日照強度下
10 kWp 模板面積 (m2) = 10000 (0136 x 1000) ~ 735 m2
10 kWp PV系統土地面積需求約
~ 735 m2 x 15 x 11
~ 121m2 (~36坪)
(包括陰影面積及維修空間)
bull 假設使用效率~10 模板
則模板面積約 ~ 100 m2
土地面積需求約 ~ 165m2 (~50坪)
gt55o
夏至
冬至
春秋分
235o 235oh
L1 L2
FAQ2太陽電池一年能發多少電
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
10 kWm2
05 kWm2
日照強度
等效日照時數(Sun Hour)
組列單日發電量 = 組列額定輸出功率 x 等效日照時數
bull 預估1 kWp 組列單日發電量 = 1 (kW) x ex 4(Sun Hour)= 4 kWh
組列年發電量 = 組列額定輸出功率 x 年平均每日日照時數 x 365
bull 預估 1 kWp 組列年發電量 = 1 x 4 x 365 = 1460 kWh
時間時間時間時間
FAQ3太陽光發電的成本(簡易估算)
1 假設目前太陽光發電系統設置成本約為 NT$ 280000 kWp
2 假設年平均每日日照時數約為 25 Sun Hour (台灣中南部地區)
bull 1 kWp 組列單日發電量= 1 (kW) x 25 (Hour)= 25 kWh
bull 1 kWp 組列年發電量= 25 x 365 = 913 kWh (度)
3 假設太陽光發電系統使用壽命為 20 年
bull 1 kWp 太陽光發電系統總共可發電 20 x 913 = 18260 度
4 生產每度電之成本約為 280000 18260 ~ NT$ 153
5 未來發展趨勢
bull 太陽光發電系統設置成本將逐年降低
bull 市電電費將會升高(國內目前約 NT$ 3 度日本約NT$ 7 度)
bull 傳統能源限制再生能源獎勵利率降低
64獨立型太陽光發電系統應用例(一)
bull太陽電池時鐘-日本bull太陽電池路燈-日本千里住宅公園
獨立型太陽光發電系統應用例(二)
bull太陽電池交通標誌-日本北海道 bull高速公路緊急電話-日本
獨立型太陽光發電系統應用例(三)
bull800W無線通信中繼基地台韓國(1998)
獨立型太陽光發電系統應用例(四)
bull離島用90kW獨立型發電系統韓國Ho-Do島(1992)
併聯型太陽光發電系統應用例(一)
bull設置於屋頂之住宅用太陽光發電系統(建材一體型日本千里住宅公園內住宅設計之一)
併聯型太陽光發電系統應用例(二)
bull日本東海線新幹線京都車站之太陽光發電系統(100kWp)
併聯型太陽光發電系統應用例(三)
bull日本京瓷(Kyocera)京都總公司大樓之太陽電池發電系統(220kWp)
太陽光發電發電廠應用例
太陽電池發電廠
(PV Power Plant)
資料來源 ANIT
Srl Italy
建材一體型太陽電池模板應用例
bull資料來源 Pilkington Solar International GmbH 德國
太陽能車應用例
Honda Dream
bull資料來源 PV Special Research
Centre UNSW Australia
交大太陽能車
bull資料來源 National Chiao-Tung
University Taiwan
太陽光發電航太應用例(NASA Helios )
bull空中無線通訊平台應用
資料來源SkyOne Inc Taiwan
bull 飛行高度5-7 萬英呎(最高記錄 96000 英呎)
bull 時速60 mph (起飛 25 mph)
bull 翼展247 英呎bull 重量2000 磅bull 太陽電池效率要求gt22
資料來源httpwwwaerovironmentcomhomehtml
清雲技術學院 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
個人住宅 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
勤益技術學院 3kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
南台科技大學 10kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
總統府 10kWp 獨立型太陽光能發電系統 (9012)
海巡署南沙太平島 20kWp 混合型(柴油發電機)太陽光能發電系統 (9011)
90能源基金示範補助成果例
台電樹林 20kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
併聯型
台電台北市區處 20kWp 太陽光發電系統
(91能源基金示範補助成果)
併聯型
7結論
bull (1)提高電力轉換器效率
bull 轉換器的損失主要來自於開關切換時之損失為了可以降低濾波電路中電感和電容的體積可以提高切換頻率但是相對於開關的切換損失也因此而增加導致轉換器的效率降低因此發展零電壓或零電流切換技術應用於高切換頻率之轉換器將可以提高轉換器的效率
bull (2)提高太陽光發電系統之整體效率
bull 傳統之太陽光發電系統包含儲能系統和供電系統前級利用DCDC轉換器作最大功率追蹤後級則利用DCAC轉換器轉換能量供應給交流負載為了提高太陽光發電系統的整體效率在研究可提出了模組並聯控制技術以提昇各級電力轉換器的效率而在未來太陽光發電系統也將著重在單級電力轉換器的設計對於整體系統效率有較明顯的改善
8參考資料
1許國強ldquo太陽光發電原理與應用工研院材料所 薄膜技術組91年
2華志強黃崇倫ldquo智慧型能量控制於太陽光電能轉換系統國立雲林科技大學電機工程學系電力研討會97年
3林政達ldquo數位式市電並聯換流器與快速鎖相迴路控制器之研製國立雲林科技大學電機工程學系碩士論文92 年
4李思賢ldquo數位式單相低功率太陽光電能轉換系統國立中山大學電機工程學系碩士論文92 年
5洪世杰ldquo適用於再生能源之市電併聯型雙輸入供電系統國立中正大學電機工程研究所碩士論文93 年
6王廷興ldquo太陽能發電配電設計概要台北科技大學冷凍空調系 92年
7魏榮宗王文宏ldquo高效率太陽光電能源轉換系統 元智大學電機工程學系94年
[ ] 100)25(
)11
(exp
1)(exp
3
λminus+=
minus
=
+minus
minus+minus=
TKII
TTBk
qE
T
TII
where
R
IRVIRV
AkT
qIII
ISCRLG
r
GO
r
oros
sh
ssosLG
VI cell output current and voltagecell reverse saturation currentcell temperature in CBoltzmannrsquos constantelectronic chargeshort circuit current temperature coefficientsolar irradiation in Wmshort-circuit current at 25 Cand 1000 Wm
light-generated currentband gap for siliconideality factorsreference temperaturecell saturation current atshunt resistanceseries resistance
osI
T
kq
00170=IK
SCRIλ
LGI
GOE
921== ABKTr deg= 18301
orI
shR
sR
附錄附錄附錄附錄- 太陽能電池太陽能電池太陽能電池太陽能電池
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
(a) Equivalent circuit of a PV module and
(b) Typical PV module current-voltage and power-voltage characteristics
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
Characteristic of a PV module with temperature and irradiation (a) constant irradiation and varying temperature and (b) constant temperature and varying irradiation
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
系統範例系統範例系統範例系統範例
中途驛站電化PV離島用PV系統山岳地帶PV系統離島偏遠區
勤務指揮中心緊急避難所醫療院所公園學校地震觀測站森林嘹望台避難指示燈氣象觀測所水位警報PV系統河川安全燈防波堤安全PV燈
緊急防災
緊急供電系統管線電氣防蝕輸油管流量計PV系統市場廣告塔海上石油平台各種計測站PV系統發電廠情報指揮中心
產業用
住宅用供電系統緊急供電系統緊急照明系統帷幕牆遮陽棚採光罩屋瓦建築物
無線通信用中繼站基地台緊急電話中繼站電話通信PV系統Radio受信PV系統微波中繼站
通訊
農宅用電溫室栽培PV系統農業灌溉用自動灑水系統農牧電籬牛乳冷藏漁業養殖揚水通氣自動餵食器
農林漁牧
路燈交通號誌道路指示牌標誌燈太陽能電動車充電站高速公路緊急電話偏遠道路緊急電話停車計時器停車場控制門系統高速公路防音壁PV系統公路休息區PV系統太陽能車平交道指示燈候車亭PV系統車站屋頂型PV系統
道路交通
收音機測電表手錶計算機太陽能照相機手電筒電池充電器野營燈民生
應用領域
國內太陽光發電發展狀況(III)
產業狀況上游目前有永炬(士電)茂迪光華科技三家生產太
陽電池包括單晶矽多晶矽與非晶矽太陽電池
發電系統之電力直交轉換器(inverter)目前國內無廠商
生產全仰賴進口
中下游有數家廠商製作太陽電池燈充電器玩
具hellip及其他電子產品
太陽光發電系統安裝施工廠商約 10 餘家
bull住宅用電力系統
bull產業工商用電力系統
bull偏遠地區發電系統(山區離島hellip)
bull緊急防災用電力系統
bull消費性電子產品之電源(手錶時鐘電子計算機充電器燈玩具)
bull交通工具之電源(車船飛機飛行船hellip)
bull太空用發電系統
bull攜帶式電源
bull交通標誌號誌之電源
bull發電廠
太陽光發電之應用領域
學校避難所 醫療院所
政府機構 防災中心
救護站
消防隊
救援中心
警察局
救援機具用電
通訊用電 通氣用電
照明用電
供水用電供油用電
太陽光發電防災緊急電力應用示意圖
太陽電池材料種類說明太陽電池材料種類說明太陽電池材料種類說明太陽電池材料種類說明太陽電池材料種類說明太陽電池材料種類說明太陽電池材料種類說明太陽電池材料種類說明
1以下TiO2奈米及有機奈米及有機奈米及有機奈米及有機Nano amp Organic
應用於有機太陽電池屬研發階段
10~12CdSCdTeCuInse
多晶Poly Crystallin
18~30GaAsInP單晶Single Crystallin
多化合物多化合物多化合物多化合物Compound
應用於太空及聚光型太陽光電系統
6~9SiSiCSiGeSiHSiO
非晶矽Amorphous
10~18多晶矽Poly Crystallin
12~20單晶矽Single Crystallin
晶矽Crystalline
矽矽矽矽(硅硅硅硅) silicon
目前太陽光電系統中應用最為廣泛
市場模組發電轉換效率
半導體材料太陽電池種類
又稱為單結晶晶圓型製程貴發電量佳 礙於晶圓型式多半
截圓型或圓弧造型舖設時面積上無法達到最大利用及吸收
多結晶製程上較便宜發電量略遜單晶矽可截為正方形舖設時
可達到最大面積利用及吸收其晶狀分佈具有應N效果可為建築
物外觀加分另外雖其結理易造成碎裂但晶體可再利用做為項鍊
等裝飾品
非晶矽(可撓式)成本便宜發電率較差且容易造成裂質化但由
於可直接鍍在玻璃及塑膠上面與建築物可做最佳結合除可做太陽
光電系統發電用室內型民生消費品也常見其應用如電子計算
機搖頭娃娃玩具等
常見的太陽電池及模板外觀常見的太陽電池及模板外觀常見的太陽電池及模板外觀常見的太陽電池及模板外觀常見的太陽電池及模板外觀常見的太陽電池及模板外觀常見的太陽電池及模板外觀常見的太陽電池及模板外觀
單晶矽太陽電池外觀 單晶矽太陽電池典型結構
太陽電池外觀與構造(單晶矽)
1 清洗蝕刻
2 磷擴散
P-type wafer
單晶矽太陽電池製程步驟例(I)
3 鍍抗反
射層
4 網印
5 燒結
單晶矽太陽電池製程步驟例(II)
11太陽光發電(Photovoltaic)原理 (I)
太陽電池是以 P 型與 N 型半導
體材料接合構成正極與負極
當太陽光照射太陽電池時光
的能量會使半導體材料內的
正負電荷分離
正負電荷會分別往正負極
方向移動並且聚集
將太陽電池正負極接上負載
時將有電流流出可以對負
載作功(燈泡會亮馬達會轉)
正極P 型
負極N 型
P
N
P
N
P
N
-++
-
+
-+
-+
+ + + + +
- - - - -
--
+
-+
正負電荷
+
-
+
-
+
-
太陽光
太陽光
太陽光
電流
-+
PN(不照光平衡狀態)
EfEv
Ec
N P P
N
P
N
P
N
P
N
光子(Photon)
-+-+
-+
-+
-+
+ + + + +
- - - - -
-+
-+
-+
太陽光發電(Photovoltaic)原理 (II)
-
+
Photon
+
+
-
-
- -
++
Ef
Ev
Ec
PN(照光狀態)
++
-
- -
+
+
--
+
-
+
Photon
多數載子
多數載子
少數載子
少數載子
+
-
多數載子
多數載子
電子-電洞對(Electron-
hole pair)
EvN Type
SemiconductorP Type
Ef
Ec
Ef
Ev
Ec
電子位能
Ec conduction band
Ev valence band
Ef Fermi level
I=I0 (eVaVT-1)-Isc
Isc = -I (短路電流 V=0)
Voc = aVTln(Isc I0 +1) (開路電壓
I=0)
I0 (逆向漏電電流) prop ni prop e-Eg
RshID
Isc
+
----
v
I
RL
Rs
太陽電池等效電路與電氣特性
+I
+V
-V
Dark
VocV
Photo
Isc
I
Pm
I0
太陽電池等效電路 常用太陽電池電路符號
VocVm
Im
Isc
Pm
太陽電池 I-V 特性曲線分析
FF(Fill Factor) = (Vm x Im Voc x Isc) x 100 (越高越好)
ηηηη (Efficiency) = (Vm x Im Pin) x 100 (越高越貴)
bull Pin (Incident Power) = A (hc λ) bull N(λ) dλ
bullλ wavelength (microm)
bull N(λ) Number of photonm2 bull sec
bull A Area (m2)
bull h Plank constant c light speed
Voc開路電壓
Isc短路電流
Pm最大輸出功率值
Vm最大輸出功率時之電壓
Im最大輸出功率時之電流
太陽電池開路短路時皆不會燒毀
0
電壓源
電流源
利用串並聯組成模板與組列提供所需的工作電壓與電流
VocVm
Im
Isc
Pm
12太陽電池之串並聯使用
VocVm
Im
IscPm
VocVm
Im
Isc
Pm
太陽電池模板之構成
+
-
太陽電池模板結構太陽電池模板外觀太陽電池模板接線
正面
強化玻璃
EVA
TedlarTM (Dupont)
EVA
Polyester
TedlarTM (Dupont)
0125
0015
Cells0014
0015
00015
0002
00015
背面
單元太陽電池
太陽電池模板之規格範例
η (Efficiency) = (Vm x Im Pin) x 100
單晶矽模板效率 = (354 V x 495 A) ( 129 m2 x 1000 Wm2 ) x100
= 1358
單晶矽模板效率 = 1302
種類
項目單晶矽 多晶矽
額定輸出功率(Wp) 175 125
開路電壓(V) 444 323
短路電流(A) 555 546
最大輸出工作電壓(V) 354 260
最大輸出工作電流(A) 495 48
輸出最大功率(W) 175 125
尺寸(mm)W15736timesL826
timesH46
W1200timesL802
timesH46
重量(kg) 17 125
測定條件日照強度 AM151000Wm2Module 溫度 25
何謂AM0AM1AM15
Wavelength (microm)
Spec
tral
Irr
adia
nce
(Wm
-2micro
m-1) AM0
AM15
AM 即 Air Mass(不同 Air Mass 代表不同太陽光光譜)
bull AM0 (Air Mass 0) ~ 1400 W bullm-2
bull AM1 (Air Mass 1) ~ 1000 W bullm-2
bull AM15 (Air Mass 15) ~ 844 Wbullm-2
AM15 1000 Wbullm-2 (IEC 891 IEC 904-1)
Earth
AM0
AM1
AM15
大氣層
45o
太陽電池直接驅動負載如馬達等(應用於玩具車船馬達音樂卡片hellip)
bull 電力現買現賣
bull 負載匹配(容量與電壓)
bull 溫度效應
bull 搭配(超高)電容可以提高效能
太陽電池(直流)基礎應用範例(I)
I M
+
-
C
圖片資料來源httpshoppingyahoocom httpwwwsolar-icomSampYhtml
太陽電池先對電池充電再由電池供應負載(應用於玩具車船電動機械夜間燈光計算機鐘錶3C產品hellip)
bull 電力零存整付
bull 太陽電池電池電壓匹配
bull 溫度效應
bull 使用阻隔二極體
bull 電池過充放電保護
太陽電池(直流)基礎應用範例(II)
I負載
+
-
電池
圖片資料來源httpshoppingyahoocom httpwwwsolar-icomSampYhtml
FAQ1太陽電池應用效能不佳太陽電池之負載匹配(Load Matching)
RshID
IL
+
----
v
I
RL
Rs
bull Efficiency of a PV system is strongly affected by load matching
bull Measurement of I-V Characteristic curve is important
VocVm
Im
Isc
Pm
RL 1
RL 3
RL 2 Battery voltage
RL
----
+
不同日照強度下太陽電池 I-V 特性曲線
bull 最大輸出功率隨日照強度而改變並非永遠等於額定值
0
1
2
3
4
5
6
7
0 10 20 30 40 50
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
1000Wm2 (AM1)
500Wm2 (05AM1)
不同溫度下太陽電池 I-V 特性曲線
bull太陽電池溫度升高時輸出電壓與最大輸出功率降低
0
1
2
3
4
5
6
7
0 10 20 30 40 50
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
75oC 50oC 25oC 0oC
Battery voltage
0
1
2
3
4
5
6
7
0 10 20 30 40 50
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
500Wm2 (05AM1)
1000Wm2 (AM1)
太陽電池之動態負載匹配(日照變化)
RL(high)
RL(low)
bull Maximum power tracking is required in high efficiency PV system
太陽電池 I-V 特性曲線測量方法
VocVm
ImIsc Pm
C+
-
A
VR
A
V
A
V可程式負載
模擬陽光使用鎢絲燈氙燈Solar Simulator 或太陽光
Pm lt few10 W Pm lt few 100 W Pm lt 100 kW
Solar Simulator Array Tester
圖片資料來源httpwwwspiresolarcomSolarequipmenthtml
太陽於天球(Celestial Sphere)上運行之軌跡
冬至 春秋分 夏至 冬至 春秋分 夏至 春秋分 夏至
北緯 0o 北緯 45o 北緯 90o
(赤道) (北極)
天球
太陽運行軌跡與太陽電池仰角
冬至 夏至春秋分
所在緯度235o
235o47o0o
47o 235o
13太陽電池組列仰角與間隔設計例
bull組列仰角~235o (台灣地區)
bull h=組列總高度( lt 15 m)
bull L2=h tan(55o) = 057 L0
(55o可適用於冬至0900~1500)
bull水平角度=正南 plusmn5o
235o
55o
235o
夏至
冬至
春秋分
235o 235o
南
h = 04 L0
L1= 092 L0L2 = 057 L0
L0
L1 + L2 = 15 L0
2零交越偵測電路分析
bull 零交越偵測電路如圖1 所示主要目的在於檢測輸入弦波電壓之零交越點其電路輸出為ㄧ方波信號利用方波上緣信號觸發數位訊號處理器之外部中斷腳位進而進行相位同步之功能[4]零交越偵測電路輸入與輸出波形如圖2 所示相位同步控制當數位訊號處理器發生上緣觸發時此觸發訊號如同系統重置訊號將正弦表指標變數歸零一經重置後指標變數又開始計數藉由每週期ㄧ次的重置訊號迫使換流器輸出達到同步相位同步控制波形示意圖如圖3 所示圖4 為零交越偵測電路輸出實測圖[4]
3系統電路架構與動作模式
bull A
bull 本文所述之系統為一太陽光電能轉換系統方塊圖如圖5 所示主要部分包括太陽能板直流-直流轉換器全橋式換流器數位訊號處理器感測迴授電路與驅動電路此一系統之基本動作情況為一般情況下斷路器1 和斷路器2 均為導通狀態此時太陽光電能轉換系統與電力網路處於連結運轉模式而當電力網路供電中斷時斷路器2 將被斷路以避免孤島現象的發生反之若是太陽光電能轉換系統發生故障時斷路器1 將被斷路以避免電力網路受到其故障的影響
31系統電路架構與動作模式
bull B
bull 電路工作模式bull 此一太陽光電能轉換系統主要有兩種工
作模式以下為二種工作模式的操作說明
bull (1) 獨立運轉模式bull 如圖6 所示獨立運轉模式為當電力網
路供電中斷時斷路器2 將被斷路而此時太陽光電能轉換系統將操作在電壓控制模式下提供負載一穩定的輸出電壓
bull (2) 與電力網路連結運轉模式bull 如圖7 所示與電力網路連結運轉模式
將太陽光電能轉換系統與電力網路連結運轉也就是斷路器1 和斷路器2 同時導通此時系統將操作在電流控制模式下首先經由最大功率點追蹤程式運算出瞬時最大功率點的電流參考值再根據此一電流參考值輸出一與電力網路電壓同相位的電流至負載或甚至回送至電力網路
31直流至直流切換式轉換器
典型直流至直流轉換器系統之構造如圖21所示其輸入通常為由線電壓整
流而得之非調節直流電壓然後再利用切換式直流至直流轉換器將此變動之
直流電壓轉換成一調節之直流電壓
無控制之二極體橋式整流器
交流線電壓
(單相或三相)
直流電壓
(無調節性)
濾波電容 (無調節性)
直流至直流轉換器 (具調節性)
負載
蓄電池
直流電壓 直流電壓
控制訊號1降壓式(step-down buck)轉換器
2升壓式(step-up boost)轉換器
3升降壓式(step-downstep-up buck-boost)轉換器
4全橋式轉換器
上述四種轉換器中只有降壓式及升壓式是最基本的轉換器電路架構升
降壓式轉換器是此二基本轉換器之結合而全橋式轉換器則是由降壓式轉
換器衍生而來
直流至直流轉換器之控制
直流至直流轉換器的作用即是在輸入電壓與輸出負載變動的情況下能夠調
節輸出電壓為所設定的位準電壓位準轉換之原理可以圖22(a)所示之簡單
電路來說明由開關導通與截止可得圖22(b)之波形其中輸出電壓vo平均
值大小Vo與開關之導通及截止時間(ton及toff)有關平均輸出電壓大小調整
之最典型的方式是採用脈波寬度調變法(Pulse-Width ModulationPWM)
其切換週期Ts(= ton+toff)為固定由調整導通時間之大小來改變平均輸出電
壓之大小Vo
+
_
Vd
R
+
_
Vo
0Vd
Vo
vo
tton toff
Ts
脈波寬度調變切換控制的方塊圖如
圖23(a)所示開關之切換控制信號
由控制訊號vcontrol與週期為Ts之鋸齒
波vst比較而得控制信號則由Vo之
實際值與設定值之誤差放大而得
vcontrol與vst比較所得之切換控制信號
的波形如圖23(b)所示當控制訊號
vst較大時則為高準位信號即使
開關導通反之為低準位信號即使
開關截止故開關之切換週期亦為
Ts 由以上的原理可知開關切換
之責任週期 (Duty Ratio)為D=tonTs
=vcontrolVst 其中Vst為鋸齒波之振
幅
放大器
+
-Vo
(設定)
(實際)
Vo
比較器
週期性波形 stv
切換控制訊號
控制訊號
0 t
$Vst
=stv 鋸齒波電壓
controlv (放大誤差)
On On
Off Off
stcontrol vv gt
stcontrol vv ltton toff
Ts
切換控制訊號
(切換頻率 fT
s
s
=1
)
升壓式直流至直流轉換器
圖211為升壓式轉換器電路主要用途為直流電源供應器與直流馬達之
再生制動(Regenerative Breaking)顧名思義其輸出電壓高過於其輸入
電壓當開關導通時二極體反向偏壓輸入電能儲存於電感負載電
能則由電容提供當開關截止時負載吸收輸入及儲存電感中之電能
-
L
CRVd
Vo
vL
iL
io
+
-
++
_
t0
t0
vL
iL
I L
Ts
toffton
_++
_
+
_
+ _+
_
+
_
iL
vL
Vd Vo
iL
vL
Vd Vo
)( dV
)( od VV minus
圖212所示為電感電流為連續之
穩態工作波形由穩態下電感電
壓一週期之平均值為零可得
0)( =minus+ offodond tVVtV
等號兩側除以Ts重新整理可得
Dt
T
V
V
off
s
d
o
minus==
1
1
假設電路無損失輸入功率
Pd=VdId 等 於 輸 出 功 率
Po=VoIo 則
)1( DI
I
d
o minus=
非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器
bullBoost之設計假設輸入10V輸出30V頻率50kHz輸出10W
所以D＝23
( ) s
o
o TDDP
VL
22
12
minusge
=6667uH
取75uH
D
VV in
o minus=
1
L
Vi
n
S Vo
+
_
C
DiL
vds
升降壓式直流至直流轉換器
升降壓式轉換器的主要用途為輸入與輸出之極性相反輸出電壓可以高於
或低於輸入電壓之直流電源供應器升降壓式轉換器可以由降壓式轉換器
與升壓式轉換式串接而成穩態下輸入與輸出電壓轉換器之比值為二轉換
器個別比值之乘積
D
D
V
V
d
o
minus=
1
因此變化責任週期D可使輸出電壓高於或低於輸入電壓
+
_
+
_
_
+
RC Vo
L
Vd
io
iLvL
id
降壓式直流至直流轉換器
降壓式轉換器顧名思義其作用為將較高準位的輸入電壓換成較低
準位的輸出電壓主要用途為直流電源供應器及直流馬達速度控制
圖22(a)所示為提供純電阻性負載之降壓式轉換器由圖22(b)可知其輸
出電壓波形由開關位置決定平均輸出電壓為
dd
s
onT
t
t
d
s
T
o
s
o DVVT
tddV
Tdv
TV
s
on
ons ==+== intintint )0(1
)(1
00ττττ
+
_
Vd
R
+
_
Vo
0Vd
Vo
vo
tton toff
Ts
32直流至交流切換式反流器
切換式直流至交流(DCAC)反流器(Inveter)乃用以將直流電源轉換成振幅
與頻率均可調之正弦式交流電源主要用途為交流馬達驅動與交流不斷
電電源供應器圖31為典型交流馬達驅動之反流器方塊圖其直流輸入
電壓通常由線電壓整流及濾波而得接著再利用切換式反流器改變輸出
電壓之振幅與頻率以驅動交流馬達切換式反流器功率之流通通常是
由直流至交流稱為反流模式但亦可以從交流至直流稱為整流模
式
+
_
交流馬達
二極體整流器 濾波電容 切換式反流器
Vd
三相交流電源
反流器包括單相及三相其輸入為直流電壓源者稱為電壓源反流器
(Voltage Source InverterVSI)另外若輸入為直流電流源者稱為電流
反流器(Current Source InverterCSI)目前僅應用在高功率之交流馬達
驅動器
1脈波寬度調變(PWM)反流器其輸入電壓通常為固定反流器本身具備變
頻及變壓的功能而變頻及變壓乃利用開關之脈波寬度調變切換控制達成
有許多類型之脈波寬度變技術可以使輸出電壓近似弦波
2方波(Square-Wave)反流器此反流器輸出電壓振幅乃由其輸入電壓調
整
反流器本身只控制輸出頻率交流輸出電壓波形近似方波因此乃稱方波
反流器
3採用電壓消去法(Voltage Cancellation)之單相反流器單相反流器當輸入
電壓為定值時可以利用電壓消去法來變頻及變壓而不須採用脈波寬度
調變其輸出電壓波形近似方波因此其結合了前述兩種反流器的特色
值得注意的是電壓消去法並不適用於三相反流器
切換式反流器之基本觀念
考慮圖33(a)之單相反流器假設其正弦輸出電壓vo是經過濾波所得若
輸出之負載為電感性(如馬達)則輸出電流io將落後vo 如圖33(b)所示
在期間1及3中 vo與io同號瞬時功率Po=voio為正故功率由直流側送至
交流側稱之為反流模式在期間2及4中 vo與io異號瞬時功率Po為負
故功率由交流側送至直流側稱之為整流模式圖33(a)之切換式反流器
在每一週期內會經歷平面上四個象限中之所有象限
單相切
換式變
流器與
濾波器
o
o
+
-
+
-
Vd
vo
id
io
0t
4 1 2 3
voio
io
vo
1反流器
4整流器
3反流器
2整流器
0
為清楚解釋起見以單臂反流器來說明
+
_
+
_
+ +
__
Vd
Vd
2
Vd
2
A
N
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
vAN
oo
o
反流器電路之脈波寬度調變切換技術如圖35(a)所示由一正弦波形控
制訊號vcontrol與三角波形vtri作比較三角波(又稱載波)之振幅為Vtri頻率
為fs fs決定反流器開關之切換頻率正弦波控制電壓vcontrol(又稱調制訊
號)之基頻f1決定反流器之輸出頻率而其振幅則決定反流器輸出電壓之
大小定義振幅調變指數為ma=Vcontrol Vtri 其中Vcontrol為vcontrol之振幅
而頻率調變指數則定義為mf = fs f1
0 t
vcontrol vtri
sf
1
0 t
vAo
V d
2
minusVd
2
t=0
v v
T on T off
control tri
A A
lt
minus + v v
T on T off
control tri
A A
gt
+ minus
1)( AoAo vv =之基本波
0 t
vcontrol vtri
sf
1
圖34反流器之開關的控制方法與io方向無關為
dAoAtricontrol VvTvv2
1=gt +導通
dAoAtricontrol VvTvv2
1minus=lt minus導通
由於二開關之導通為互補因此輸出電壓只在Vd 2與-Vd 2二值間作變
動圖35(b)所示為ma=08與mf =15時輸出電壓vAo及其基本波(以虛線表示)
之波形
+
_
+
_
+ +
__
Vd
Vd
2
Vd
2
A
N
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
vAN
oo
o
單相全橋式反流器
單相全橋式反流器如圖311所示乃由兩個前述之半橋反流器所組成在
相同之輸入電壓下全橋式反流器之最大輸出電壓為半橋式之兩倍這代
表在相同之功率下全橋式反流器之輸出及開關電流僅為半橋式之一半
此對於高功率用途是一大優點因其可以降低使用並聯元件之需求
+
_
+
_
+
_
Vd
Vd
2
Vd
2
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
v v vo Ao Bo= minuso
A
B
TBminus
TB+
DBminus
DB+
+_
id
o
o
N
雙極性電壓切換之脈波寬度調變
0 t
vcontrolvtri
sf
1
0 t
ov1ov
dV
dVminus
單極性電壓切換之脈波寬度調變
onBT +
trivgttricontrol vv gt
trivcontrolv
t
)( controlvminus
)( controlvminusonAT +
t1ov
dV
dVminus
)( BNAN
o
vv
v
minus=
應用雙極性電壓切換之脈波寬度調
變全橋式反流器乃 (TA+TB-)與 (TA-
TB+)成對切換且二者互相反相
應用單極性電壓切換之脈波寬度調
變全橋式反流器乃A臂與B獨立切
換且同臂二開關互相反相
三相反流器
+
-
+
-
+
-
dV
2dV
2dV
+AT
minusAT
+AD
minusAD
o
BminusT
+BT
minusBD
+BD
di
minusCT
+CT
minusCD
+CD
N
A B C
o
0 t
triv Acontrolv Bcontrolv Ccontrolv
0
BNANAB vvv minus=
t
dV
之基本波1LLv
ANv
0 t
dV
t0
BNv
dV
三相電壓源反流器之脈波寬度調變切換的功能為在固定輸入直流電壓下用以調整三相輸出電壓之振幅及頻率三相脈波寬度調變方式由三相各差120度的控制電壓與三角波作比較其波形與單相全橋式反流器採用脈波寬度調變單極性切換者類似
最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法
33最大功率追蹤最大功率追蹤最大功率追蹤最大功率追蹤
為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點本文使用本文使用本文使用本文使用擾動觀察法擾動觀察法擾動觀察法擾動觀察法(Perturbation and Observation Method PampQ)進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功率追蹤率追蹤率追蹤率追蹤由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點下圖為擾動下圖為擾動下圖為擾動下圖為擾動觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖為利用為利用為利用為利用DCDC轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作時時時時其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為0之特性之特性之特性之特性使用使用使用使用DCDC轉換器控制太陽轉換器控制太陽轉換器控制太陽轉換器控制太陽能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動
擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖
最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法
左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖蹤示意圖蹤示意圖蹤示意圖太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分為兩個特性區域為兩個特性區域為兩個特性區域為兩個特性區域假設進行追蹤假設進行追蹤假設進行追蹤假設進行追蹤時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時電壓電壓電壓電壓的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率增加增加增加增加若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出功率減少功率減少功率減少功率減少經由經由經由經由DCDC轉換器調轉換器調轉換器調轉換器調節太陽能板與節太陽能板與節太陽能板與節太陽能板與DCDC轉換器的阻轉換器的阻轉換器的阻轉換器的阻抗相互匹配抗相互匹配抗相互匹配抗相互匹配進而得到太陽能板進而得到太陽能板進而得到太陽能板進而得到太陽能板的最大輸出功率的最大輸出功率的最大輸出功率的最大輸出功率
擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖
4軟體規劃
bull 系統控制程式主要分為主程式固定週期中斷副程式市電電壓零交越中斷副程式等三大部分以下將分別介紹各部分程式流程
bull 本系統主程式主要執行數位訊號處理器周邊暫存器的初始設定以及變數宣告其中除了變數宣告外周邊暫存器的初始設定包括有規畫中斷向量設定計數器之計數模式計數週期中斷的時間和PWM 輸出模式等相關參數設定
bull 如圖8 所示系統初始設定後必須先等待中斷發生才能決定系統是否執行固定週期中斷程式或零交越中斷副程式
bull 圖9 為固定週期中斷副程式流程圖固定週期中斷頻率與換流器開關之切換頻率相同為20kHz程式開始會先偵測太陽能板電壓及電流與直流鏈電壓當確定市電電壓零交越中斷發生時必須先將輸出弦波訊號之指標強制為原點重新送出單位弦波確保換流器輸出電流與市電電壓能維持同相位接著比較太陽能板輸入電壓VPV 是否大於最低工作電壓VPV_work如果確定大於最低工作電壓則致能太陽能最大功率追蹤反之則禁能系統動作程式返回圖9 中的正弦脈寬調變副程式主要功能在於決定換流器中開關的動作順序與責任週期大小以及輸波參考訊號
bull 圖10 為太陽能最大功率點追蹤副程式流程圖在文中對最大功率追蹤採用擾動與觀察法配合太陽能光電板的電壓mdash功率特性曲線即可瞭解程式如何完成太陽能光電板最大功率點追蹤
主程式流程圖
5實驗
bull 依據上述的分析採用DSP 2407A 建立一個500W 太陽光電池電能轉換系統依據圖11 之
bull 電路架構其規格與元件參數分別列於表一表二及表三系統實驗波形圖12圖13圖14 及
bull 圖15 為系統操作在獨立運轉模式下負載分別為120W240W360W 及480W 時之換流器輸出
bull 電壓及輸出電流之實測波形
系統規格與元件參數
實測波形
6實務應用系統實務應用系統實務應用系統實務應用系統
獨立系統示意圖獨立系統示意圖
考慮點
系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等安全係數最佳化設計複雜)
一般充電控制器無 MPPT搭配蓄電池使發電效能較差
蓄電池每日gt50DOD深度放電gt02C充電壽命短
太陽光發電量與負載需求量不搭配時太陽光之發電能量利用率偏低 (負載需求搭配與安全係數為互相矛盾之設計)
PV-柴油發電機PV-風力等混合系統為改善之方法
市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台
電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池
併聯系統示意圖併聯系統示意圖
緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析
1 系統設置成本高建議使用於邊際效益高之用電（防災緊急輔助電力）
2 總體經濟效益減少環境污染解決尖峰用電之不足與短缺能源多元化之風險分擔與開創自主能源
3 遮蔽陽光直曬降低建築物之熱效應（被動省能）同時轉換太陽光為電能供應建物自主能源（主動節能）一舉兩得
緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較
30萬元divide21900kWh＝137元度2萬元divide50kWh＝400元度每度電成本
日發電度數times365天times20年＝3hrtimes1kWtimes365天times20年＝21900kWh（度）
（年停電＋年測試運轉時數）times10年＝（20mintimes6次＋15mintimes12月）times10年＝5hrtimes1kWtimes10年＝50kWh
總發電度數（1kw計）
夜間不發電（可利用蓄電池設計供電年維運費02）
噪音空污油料運輸儲油危險維運成本高
缺點
利用露台屋頂牆面空間設備煙管隔音油槽需室內空間
設置空間
平時緊急時均可使用隨時可了解運轉狀況不須操作
加ATS停電時方可啟動需人員每月定期測試運轉
系統運作
太陽光潔淨能源（免費）柴油使用燃料
20年7~10年使用壽命
1kW=30萬元1kW=2~3萬元設置費用
太陽光發電系統柴油發電機
風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析
運用多元化能源分擔風險情況比較說明如下
1 市電--gt停電時風險極高
2 市電＋柴油發電機--gt發電機故障時風險高
市電＋柴油發電機＋太陽光發電系統--gt發揮三者優點互補同時故障機率小風險最低
案例
832kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide057＝317 m2
115kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide075＝332 m2
緊急時057平時065~08
綜合係數溫度變化污損線損Inverter效率＋蓄電池充放電補償
電力需求divide（日照強度times日照時間times模板效率times綜合係數）
模組面積估算
日照強度1kWm2
日照時間384hd
模板效率12
832kWhd500人用電量115kWhd770人用電量
緊急時平時
電力需求估算
緊急時40kWtimes384hdtimes057＝875 kWhd
平時40kWtimes384hdtimes075＝1152Whd
太陽發電系統發電量＝設置容量times日照時間times綜合係數
發電量計算
332m2times1kWm2times12＝398kW≒40kW
太陽發電系統設置容量＝設置面積times日照強度times模板效率
設置容量計算模板效率依太陽電池種類而異
進行模板陣列及蓄電池容量設計
40kWdivide18片串divide120W＝185列≒19
列
40kWdivide17片串divide120W＝196列≒20
列
陣列併列數＝設置容量divide單串功率
18片times120W＝2160W
17片times120W＝2040W
單串功率
300Vdivide169V＝1775片（取整數17 or 18）
陣列串聯數＝Inverter輸入電壓divide模板輸出電壓
模板陣列設計
1 模板功率120W
2 模板輸出電壓169V
3 直交流轉換器(Inverter)輸入電壓300V
120Wtimes17片串times20列＝40800W＝340片(最佳陣列)
120Wtimes18片串times19列＝41080W＝342片
最佳陣列較經濟之設置容量選擇最佳陣列
蓄電池數量＝144個times2列＝288個
120640Whdivide288Vdivide200Ah＝21列≒2列
併列數＝蓄電池需求容量divideInverter額定電壓
288Vdivide2V＝144個
串聯數＝Inverter額定電壓divide蓄電池電壓串併數設計
middot 蓄電池電壓2V個
middot 蓄電池容量200Ah個
Inverter電壓輸入電壓 額定電壓300V 288V200V 192V
蓄電池需求容量＝832kWhdtimes1dtimes145＝12064kWh
蓄電池需求容量＝緊急電力需求times無日照天數times補償係數補償係數蓄電池內阻抗放電停止電壓電壓降低補償
蓄電池需求容量設計
middot 補償係數145
無日照天數1日
61市電相關規定市電相關規定市電相關規定市電相關規定
1 發電設備併接於低壓系統者其總容量未滿100kW且技術無困難者得併接於單相三線110V220V三相三線220V之配電系統若總容量在100kW以上而未滿500kW得分別併接於3相4線220V380V之配電系統
2 發電設備總容量在500kW以上而未滿5000kW10000kW且技術無困難者得分別併接於114KV228KV之高壓配電系統
3 電設備總容量在10000kW以上而未滿40000kW者得併接於特高壓之系統
4 發電設備總容量在40000kW以上者依個案研討分類
併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類
發電系統經由發電系統經由發電系統經由發電系統經由110V220V110V220V110V220V110V220V併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者發電設發電設發電設發電設備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能
1 過電壓保護 低電壓保護
2 低頻保護 高頻保護
3 過電流保護 零相過電壓接地保護
4 發電設備為無逆送電力者須加裝逆電力保護
5 發電設備為有逆送電力者必須具備主動及被動防止單獨運轉保護
發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經110V220V110V220V110V220V110V220V系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者在電在電在電在電源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器
發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業114KV228KV114KV228KV114KV228KV114KV228KV之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者((((高高高高壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶))))發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Extremely Inverse特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Extremely Inverse特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過流電驛(67)須具Normal Inverse特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
發電設備併接於電業69KV特高壓輸電系統者發電設備之輸出端至少應具有下列同等保護功能並須與電業該轄區之保護設備協調
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Normal Inverse之特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Normal Inverse之特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過電流電驛(67)須具Normal Inverse之特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
8 快速及後衛保護電驛如系統保護需要時應裝設
9 匯流排電驛採用GIS斷路器者應裝設
62626262太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範
1 故障電流
太陽光電發電系統大於100kW以上須計算故障電流其送至電業系統之故障電流不得影響電業及其他用戶斷路器之起斷容量否則需裝置限流電抗器
太陽光電發電系統之隔離變壓器接地方式須與電業之系統配合
2 正常電壓變動率應維持在plusmn5以內
3 太陽光電發電系統與電業間之責任分界點的功率因數以維持85落後至100之間運轉為原則
4 諧波污染限制應依照「電力系統諧波管制暫行標準」辦理
分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性
適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯型之規範型之規範型之規範型之規範
電力轉換器電力轉換器電力轉換器電力轉換器(電力調節器電力調節器電力調節器電力調節器)(InverterConditioner)
蓄電池蓄電池蓄電池蓄電池(Battery))
63大型(商用)太陽光發電系統應用(gt1 kWp)
太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統
單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池(Unit Solar Cell)
太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板(PV Module)
太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列(PV Array)
太陽光發電系統應用獨立系統
(A) 獨立系統(Stand-Alone
System)
bull 蓄電池保護壽命
(B) 混合型交流獨立系統 (Hybrid
System)
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
直流負載PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
整流器
輔助發電機
PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載- ~PCU
直直直直交流轉換器交流轉換器交流轉換器交流轉換器
太陽光發電系統應用併聯系統
(D)併聯系統(Grid-
connected System)
特殊功能1 最佳效能2 防止獨立運轉(連線保護)
3 可自力運轉
(E) 防逆流型系統(Off-line System)
(F) 防災型併聯系統
充電控制器
蓄電池
直交流轉換器
PCU太陽電池組列
交流負載
ATS
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
獨立型系統
適用地點高山離島基地台hellip等市電無法到達處
工作方式白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
必須可以自給自足
缺點bull 系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等
安全係數設計很困難)
bull 蓄電池建置複雜成本很高壽命很短
bull 負載搭配不良時發電效能不佳利用率將偏低
bull 需由專人隨時維護
bull 混合系統為一種解決方法
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
PCU
併聯型系統
適用地點電力正常送達之任何地點工作方式 bull 白天 PV系統併聯發電夜間由台電供電bull 將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的蓄電池
優點bull 系統簡單不需安全係數設計(依預算設計)不需要專人維護bull 併聯發電效率高利用率高
缺點bull 停電時無電可用bull 受併聯法規限制尚未開放(但即將開放)
bull 有孤島效應之疑慮(目前技術上已解決)
改善型無電池自力運轉
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
市電併聯型住宅用太陽光發電系統
太陽光發電系統發電及負載用電對時間之關係
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
併聯型直交流轉換器之效能要求較高
1 最大功率追蹤(Maximum Power Tracking MPT)
2 高轉換效率 gt 90 (PWM+電力電子元件)
3 高次諧波功率 Distortion (lt5 total)
4 自動開關機(白天夜晚)
5 過負載保護過溫度保護
6 體積小重量輕室外防水防塵
7 電腦界面可遠端監控
8 防止獨立運轉(連線保護)
9 可自力運轉
太陽電池組列
交流負載
直交流轉換器MPT
Power Conditioner
併聯系統之獨立運轉(單獨運轉)
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull停電時單一併聯系統將會停止運作
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
bull 市電停電時多數併聯系統仍聯合運作將對電力公司人員產生嚴重危害
孤島效應之防止方法
停電偵測1 過電壓低電壓
2 過頻率低頻率
3 被動式偵測如
bull 電壓與頻率監視方式
bull 電壓相位跳躍監視方式
bull 高次諧波監視方式
bull 頻率變化監視方式
PV組列
直交流轉換器
自家負載
4 主動偵測如
bull 頻率Shift方式
bull 配電線負載變動方式
bull 有效電力變動方式
bull 無效電力變動方式
反應時間05~2秒
資料來源「日本電氣用品試驗所」分散型電源系統連系技術指針(1998)
併聯系統之自力運轉功能
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull 大停電後白天有陽光時以人工啟動 PV 系統進行自力運轉供自家負載使用(但夜間無法使用)
防災型併聯型系統
適用地點有防災需求(照明汲水通信hellip)之公共設施
工作方式
bull 平時PV併聯發電(電池浮充) 效率高利用率高夜間由台電供電
bull 視需要建置供防災用電池大停電時白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
缺點bull 含電池成本較高bull 系統較複雜需專人定期維護
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
FAQ1太陽光發電需要多少土地
效率 = (輸出功率W) (組列面積 m2 x 日照強度 Wm2 ) x 100
模板面積 m2 = 輸出功率W (效率 x日照強度Wm2 ) x100
bull 假設使用效率gt136 模板於1000 Wm2 (AM15)日照強度下
10 kWp 模板面積 (m2) = 10000 (0136 x 1000) ~ 735 m2
10 kWp PV系統土地面積需求約
~ 735 m2 x 15 x 11
~ 121m2 (~36坪)
(包括陰影面積及維修空間)
bull 假設使用效率~10 模板
則模板面積約 ~ 100 m2
土地面積需求約 ~ 165m2 (~50坪)
gt55o
夏至
冬至
春秋分
235o 235oh
L1 L2
FAQ2太陽電池一年能發多少電
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
10 kWm2
05 kWm2
日照強度
等效日照時數(Sun Hour)
組列單日發電量 = 組列額定輸出功率 x 等效日照時數
bull 預估1 kWp 組列單日發電量 = 1 (kW) x ex 4(Sun Hour)= 4 kWh
組列年發電量 = 組列額定輸出功率 x 年平均每日日照時數 x 365
bull 預估 1 kWp 組列年發電量 = 1 x 4 x 365 = 1460 kWh
時間時間時間時間
FAQ3太陽光發電的成本(簡易估算)
1 假設目前太陽光發電系統設置成本約為 NT$ 280000 kWp
2 假設年平均每日日照時數約為 25 Sun Hour (台灣中南部地區)
bull 1 kWp 組列單日發電量= 1 (kW) x 25 (Hour)= 25 kWh
bull 1 kWp 組列年發電量= 25 x 365 = 913 kWh (度)
3 假設太陽光發電系統使用壽命為 20 年
bull 1 kWp 太陽光發電系統總共可發電 20 x 913 = 18260 度
4 生產每度電之成本約為 280000 18260 ~ NT$ 153
5 未來發展趨勢
bull 太陽光發電系統設置成本將逐年降低
bull 市電電費將會升高(國內目前約 NT$ 3 度日本約NT$ 7 度)
bull 傳統能源限制再生能源獎勵利率降低
64獨立型太陽光發電系統應用例(一)
bull太陽電池時鐘-日本bull太陽電池路燈-日本千里住宅公園
獨立型太陽光發電系統應用例(二)
bull太陽電池交通標誌-日本北海道 bull高速公路緊急電話-日本
獨立型太陽光發電系統應用例(三)
bull800W無線通信中繼基地台韓國(1998)
獨立型太陽光發電系統應用例(四)
bull離島用90kW獨立型發電系統韓國Ho-Do島(1992)
併聯型太陽光發電系統應用例(一)
bull設置於屋頂之住宅用太陽光發電系統(建材一體型日本千里住宅公園內住宅設計之一)
併聯型太陽光發電系統應用例(二)
bull日本東海線新幹線京都車站之太陽光發電系統(100kWp)
併聯型太陽光發電系統應用例(三)
bull日本京瓷(Kyocera)京都總公司大樓之太陽電池發電系統(220kWp)
太陽光發電發電廠應用例
太陽電池發電廠
(PV Power Plant)
資料來源 ANIT
Srl Italy
建材一體型太陽電池模板應用例
bull資料來源 Pilkington Solar International GmbH 德國
太陽能車應用例
Honda Dream
bull資料來源 PV Special Research
Centre UNSW Australia
交大太陽能車
bull資料來源 National Chiao-Tung
University Taiwan
太陽光發電航太應用例(NASA Helios )
bull空中無線通訊平台應用
資料來源SkyOne Inc Taiwan
bull 飛行高度5-7 萬英呎(最高記錄 96000 英呎)
bull 時速60 mph (起飛 25 mph)
bull 翼展247 英呎bull 重量2000 磅bull 太陽電池效率要求gt22
資料來源httpwwwaerovironmentcomhomehtml
清雲技術學院 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
個人住宅 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
勤益技術學院 3kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
南台科技大學 10kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
總統府 10kWp 獨立型太陽光能發電系統 (9012)
海巡署南沙太平島 20kWp 混合型(柴油發電機)太陽光能發電系統 (9011)
90能源基金示範補助成果例
台電樹林 20kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
併聯型
台電台北市區處 20kWp 太陽光發電系統
(91能源基金示範補助成果)
併聯型
7結論
bull (1)提高電力轉換器效率
bull 轉換器的損失主要來自於開關切換時之損失為了可以降低濾波電路中電感和電容的體積可以提高切換頻率但是相對於開關的切換損失也因此而增加導致轉換器的效率降低因此發展零電壓或零電流切換技術應用於高切換頻率之轉換器將可以提高轉換器的效率
bull (2)提高太陽光發電系統之整體效率
bull 傳統之太陽光發電系統包含儲能系統和供電系統前級利用DCDC轉換器作最大功率追蹤後級則利用DCAC轉換器轉換能量供應給交流負載為了提高太陽光發電系統的整體效率在研究可提出了模組並聯控制技術以提昇各級電力轉換器的效率而在未來太陽光發電系統也將著重在單級電力轉換器的設計對於整體系統效率有較明顯的改善
8參考資料
1許國強ldquo太陽光發電原理與應用工研院材料所 薄膜技術組91年
2華志強黃崇倫ldquo智慧型能量控制於太陽光電能轉換系統國立雲林科技大學電機工程學系電力研討會97年
3林政達ldquo數位式市電並聯換流器與快速鎖相迴路控制器之研製國立雲林科技大學電機工程學系碩士論文92 年
4李思賢ldquo數位式單相低功率太陽光電能轉換系統國立中山大學電機工程學系碩士論文92 年
5洪世杰ldquo適用於再生能源之市電併聯型雙輸入供電系統國立中正大學電機工程研究所碩士論文93 年
6王廷興ldquo太陽能發電配電設計概要台北科技大學冷凍空調系 92年
7魏榮宗王文宏ldquo高效率太陽光電能源轉換系統 元智大學電機工程學系94年
[ ] 100)25(
)11
(exp
1)(exp
3
λminus+=
minus
=
+minus
minus+minus=
TKII
TTBk
qE
T
TII
where
R
IRVIRV
AkT
qIII
ISCRLG
r
GO
r
oros
sh
ssosLG
VI cell output current and voltagecell reverse saturation currentcell temperature in CBoltzmannrsquos constantelectronic chargeshort circuit current temperature coefficientsolar irradiation in Wmshort-circuit current at 25 Cand 1000 Wm
light-generated currentband gap for siliconideality factorsreference temperaturecell saturation current atshunt resistanceseries resistance
osI
T
kq
00170=IK
SCRIλ
LGI
GOE
921== ABKTr deg= 18301
orI
shR
sR
附錄附錄附錄附錄- 太陽能電池太陽能電池太陽能電池太陽能電池
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
(a) Equivalent circuit of a PV module and
(b) Typical PV module current-voltage and power-voltage characteristics
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
Characteristic of a PV module with temperature and irradiation (a) constant irradiation and varying temperature and (b) constant temperature and varying irradiation
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
系統範例系統範例系統範例系統範例
中途驛站電化PV離島用PV系統山岳地帶PV系統離島偏遠區
勤務指揮中心緊急避難所醫療院所公園學校地震觀測站森林嘹望台避難指示燈氣象觀測所水位警報PV系統河川安全燈防波堤安全PV燈
緊急防災
緊急供電系統管線電氣防蝕輸油管流量計PV系統市場廣告塔海上石油平台各種計測站PV系統發電廠情報指揮中心
產業用
住宅用供電系統緊急供電系統緊急照明系統帷幕牆遮陽棚採光罩屋瓦建築物
無線通信用中繼站基地台緊急電話中繼站電話通信PV系統Radio受信PV系統微波中繼站
通訊
農宅用電溫室栽培PV系統農業灌溉用自動灑水系統農牧電籬牛乳冷藏漁業養殖揚水通氣自動餵食器
農林漁牧
路燈交通號誌道路指示牌標誌燈太陽能電動車充電站高速公路緊急電話偏遠道路緊急電話停車計時器停車場控制門系統高速公路防音壁PV系統公路休息區PV系統太陽能車平交道指示燈候車亭PV系統車站屋頂型PV系統
道路交通
收音機測電表手錶計算機太陽能照相機手電筒電池充電器野營燈民生
應用領域
bull住宅用電力系統
bull產業工商用電力系統
bull偏遠地區發電系統(山區離島hellip)
bull緊急防災用電力系統
bull消費性電子產品之電源(手錶時鐘電子計算機充電器燈玩具)
bull交通工具之電源(車船飛機飛行船hellip)
bull太空用發電系統
bull攜帶式電源
bull交通標誌號誌之電源
bull發電廠
太陽光發電之應用領域
學校避難所 醫療院所
政府機構 防災中心
救護站
消防隊
救援中心
警察局
救援機具用電
通訊用電 通氣用電
照明用電
供水用電供油用電
太陽光發電防災緊急電力應用示意圖
太陽電池材料種類說明太陽電池材料種類說明太陽電池材料種類說明太陽電池材料種類說明太陽電池材料種類說明太陽電池材料種類說明太陽電池材料種類說明太陽電池材料種類說明
1以下TiO2奈米及有機奈米及有機奈米及有機奈米及有機Nano amp Organic
應用於有機太陽電池屬研發階段
10~12CdSCdTeCuInse
多晶Poly Crystallin
18~30GaAsInP單晶Single Crystallin
多化合物多化合物多化合物多化合物Compound
應用於太空及聚光型太陽光電系統
6~9SiSiCSiGeSiHSiO
非晶矽Amorphous
10~18多晶矽Poly Crystallin
12~20單晶矽Single Crystallin
晶矽Crystalline
矽矽矽矽(硅硅硅硅) silicon
目前太陽光電系統中應用最為廣泛
市場模組發電轉換效率
半導體材料太陽電池種類
又稱為單結晶晶圓型製程貴發電量佳 礙於晶圓型式多半
截圓型或圓弧造型舖設時面積上無法達到最大利用及吸收
多結晶製程上較便宜發電量略遜單晶矽可截為正方形舖設時
可達到最大面積利用及吸收其晶狀分佈具有應N效果可為建築
物外觀加分另外雖其結理易造成碎裂但晶體可再利用做為項鍊
等裝飾品
非晶矽(可撓式)成本便宜發電率較差且容易造成裂質化但由
於可直接鍍在玻璃及塑膠上面與建築物可做最佳結合除可做太陽
光電系統發電用室內型民生消費品也常見其應用如電子計算
機搖頭娃娃玩具等
常見的太陽電池及模板外觀常見的太陽電池及模板外觀常見的太陽電池及模板外觀常見的太陽電池及模板外觀常見的太陽電池及模板外觀常見的太陽電池及模板外觀常見的太陽電池及模板外觀常見的太陽電池及模板外觀
單晶矽太陽電池外觀 單晶矽太陽電池典型結構
太陽電池外觀與構造(單晶矽)
1 清洗蝕刻
2 磷擴散
P-type wafer
單晶矽太陽電池製程步驟例(I)
3 鍍抗反
射層
4 網印
5 燒結
單晶矽太陽電池製程步驟例(II)
11太陽光發電(Photovoltaic)原理 (I)
太陽電池是以 P 型與 N 型半導
體材料接合構成正極與負極
當太陽光照射太陽電池時光
的能量會使半導體材料內的
正負電荷分離
正負電荷會分別往正負極
方向移動並且聚集
將太陽電池正負極接上負載
時將有電流流出可以對負
載作功(燈泡會亮馬達會轉)
正極P 型
負極N 型
P
N
P
N
P
N
-++
-
+
-+
-+
+ + + + +
- - - - -
--
+
-+
正負電荷
+
-
+
-
+
-
太陽光
太陽光
太陽光
電流
-+
PN(不照光平衡狀態)
EfEv
Ec
N P P
N
P
N
P
N
P
N
光子(Photon)
-+-+
-+
-+
-+
+ + + + +
- - - - -
-+
-+
-+
太陽光發電(Photovoltaic)原理 (II)
-
+
Photon
+
+
-
-
- -
++
Ef
Ev
Ec
PN(照光狀態)
++
-
- -
+
+
--
+
-
+
Photon
多數載子
多數載子
少數載子
少數載子
+
-
多數載子
多數載子
電子-電洞對(Electron-
hole pair)
EvN Type
SemiconductorP Type
Ef
Ec
Ef
Ev
Ec
電子位能
Ec conduction band
Ev valence band
Ef Fermi level
I=I0 (eVaVT-1)-Isc
Isc = -I (短路電流 V=0)
Voc = aVTln(Isc I0 +1) (開路電壓
I=0)
I0 (逆向漏電電流) prop ni prop e-Eg
RshID
Isc
+
----
v
I
RL
Rs
太陽電池等效電路與電氣特性
+I
+V
-V
Dark
VocV
Photo
Isc
I
Pm
I0
太陽電池等效電路 常用太陽電池電路符號
VocVm
Im
Isc
Pm
太陽電池 I-V 特性曲線分析
FF(Fill Factor) = (Vm x Im Voc x Isc) x 100 (越高越好)
ηηηη (Efficiency) = (Vm x Im Pin) x 100 (越高越貴)
bull Pin (Incident Power) = A (hc λ) bull N(λ) dλ
bullλ wavelength (microm)
bull N(λ) Number of photonm2 bull sec
bull A Area (m2)
bull h Plank constant c light speed
Voc開路電壓
Isc短路電流
Pm最大輸出功率值
Vm最大輸出功率時之電壓
Im最大輸出功率時之電流
太陽電池開路短路時皆不會燒毀
0
電壓源
電流源
利用串並聯組成模板與組列提供所需的工作電壓與電流
VocVm
Im
Isc
Pm
12太陽電池之串並聯使用
VocVm
Im
IscPm
VocVm
Im
Isc
Pm
太陽電池模板之構成
+
-
太陽電池模板結構太陽電池模板外觀太陽電池模板接線
正面
強化玻璃
EVA
TedlarTM (Dupont)
EVA
Polyester
TedlarTM (Dupont)
0125
0015
Cells0014
0015
00015
0002
00015
背面
單元太陽電池
太陽電池模板之規格範例
η (Efficiency) = (Vm x Im Pin) x 100
單晶矽模板效率 = (354 V x 495 A) ( 129 m2 x 1000 Wm2 ) x100
= 1358
單晶矽模板效率 = 1302
種類
項目單晶矽 多晶矽
額定輸出功率(Wp) 175 125
開路電壓(V) 444 323
短路電流(A) 555 546
最大輸出工作電壓(V) 354 260
最大輸出工作電流(A) 495 48
輸出最大功率(W) 175 125
尺寸(mm)W15736timesL826
timesH46
W1200timesL802
timesH46
重量(kg) 17 125
測定條件日照強度 AM151000Wm2Module 溫度 25
何謂AM0AM1AM15
Wavelength (microm)
Spec
tral
Irr
adia
nce
(Wm
-2micro
m-1) AM0
AM15
AM 即 Air Mass(不同 Air Mass 代表不同太陽光光譜)
bull AM0 (Air Mass 0) ~ 1400 W bullm-2
bull AM1 (Air Mass 1) ~ 1000 W bullm-2
bull AM15 (Air Mass 15) ~ 844 Wbullm-2
AM15 1000 Wbullm-2 (IEC 891 IEC 904-1)
Earth
AM0
AM1
AM15
大氣層
45o
太陽電池直接驅動負載如馬達等(應用於玩具車船馬達音樂卡片hellip)
bull 電力現買現賣
bull 負載匹配(容量與電壓)
bull 溫度效應
bull 搭配(超高)電容可以提高效能
太陽電池(直流)基礎應用範例(I)
I M
+
-
C
圖片資料來源httpshoppingyahoocom httpwwwsolar-icomSampYhtml
太陽電池先對電池充電再由電池供應負載(應用於玩具車船電動機械夜間燈光計算機鐘錶3C產品hellip)
bull 電力零存整付
bull 太陽電池電池電壓匹配
bull 溫度效應
bull 使用阻隔二極體
bull 電池過充放電保護
太陽電池(直流)基礎應用範例(II)
I負載
+
-
電池
圖片資料來源httpshoppingyahoocom httpwwwsolar-icomSampYhtml
FAQ1太陽電池應用效能不佳太陽電池之負載匹配(Load Matching)
RshID
IL
+
----
v
I
RL
Rs
bull Efficiency of a PV system is strongly affected by load matching
bull Measurement of I-V Characteristic curve is important
VocVm
Im
Isc
Pm
RL 1
RL 3
RL 2 Battery voltage
RL
----
+
不同日照強度下太陽電池 I-V 特性曲線
bull 最大輸出功率隨日照強度而改變並非永遠等於額定值
0
1
2
3
4
5
6
7
0 10 20 30 40 50
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
1000Wm2 (AM1)
500Wm2 (05AM1)
不同溫度下太陽電池 I-V 特性曲線
bull太陽電池溫度升高時輸出電壓與最大輸出功率降低
0
1
2
3
4
5
6
7
0 10 20 30 40 50
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
75oC 50oC 25oC 0oC
Battery voltage
0
1
2
3
4
5
6
7
0 10 20 30 40 50
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
500Wm2 (05AM1)
1000Wm2 (AM1)
太陽電池之動態負載匹配(日照變化)
RL(high)
RL(low)
bull Maximum power tracking is required in high efficiency PV system
太陽電池 I-V 特性曲線測量方法
VocVm
ImIsc Pm
C+
-
A
VR
A
V
A
V可程式負載
模擬陽光使用鎢絲燈氙燈Solar Simulator 或太陽光
Pm lt few10 W Pm lt few 100 W Pm lt 100 kW
Solar Simulator Array Tester
圖片資料來源httpwwwspiresolarcomSolarequipmenthtml
太陽於天球(Celestial Sphere)上運行之軌跡
冬至 春秋分 夏至 冬至 春秋分 夏至 春秋分 夏至
北緯 0o 北緯 45o 北緯 90o
(赤道) (北極)
天球
太陽運行軌跡與太陽電池仰角
冬至 夏至春秋分
所在緯度235o
235o47o0o
47o 235o
13太陽電池組列仰角與間隔設計例
bull組列仰角~235o (台灣地區)
bull h=組列總高度( lt 15 m)
bull L2=h tan(55o) = 057 L0
(55o可適用於冬至0900~1500)
bull水平角度=正南 plusmn5o
235o
55o
235o
夏至
冬至
春秋分
235o 235o
南
h = 04 L0
L1= 092 L0L2 = 057 L0
L0
L1 + L2 = 15 L0
2零交越偵測電路分析
bull 零交越偵測電路如圖1 所示主要目的在於檢測輸入弦波電壓之零交越點其電路輸出為ㄧ方波信號利用方波上緣信號觸發數位訊號處理器之外部中斷腳位進而進行相位同步之功能[4]零交越偵測電路輸入與輸出波形如圖2 所示相位同步控制當數位訊號處理器發生上緣觸發時此觸發訊號如同系統重置訊號將正弦表指標變數歸零一經重置後指標變數又開始計數藉由每週期ㄧ次的重置訊號迫使換流器輸出達到同步相位同步控制波形示意圖如圖3 所示圖4 為零交越偵測電路輸出實測圖[4]
3系統電路架構與動作模式
bull A
bull 本文所述之系統為一太陽光電能轉換系統方塊圖如圖5 所示主要部分包括太陽能板直流-直流轉換器全橋式換流器數位訊號處理器感測迴授電路與驅動電路此一系統之基本動作情況為一般情況下斷路器1 和斷路器2 均為導通狀態此時太陽光電能轉換系統與電力網路處於連結運轉模式而當電力網路供電中斷時斷路器2 將被斷路以避免孤島現象的發生反之若是太陽光電能轉換系統發生故障時斷路器1 將被斷路以避免電力網路受到其故障的影響
31系統電路架構與動作模式
bull B
bull 電路工作模式bull 此一太陽光電能轉換系統主要有兩種工
作模式以下為二種工作模式的操作說明
bull (1) 獨立運轉模式bull 如圖6 所示獨立運轉模式為當電力網
路供電中斷時斷路器2 將被斷路而此時太陽光電能轉換系統將操作在電壓控制模式下提供負載一穩定的輸出電壓
bull (2) 與電力網路連結運轉模式bull 如圖7 所示與電力網路連結運轉模式
將太陽光電能轉換系統與電力網路連結運轉也就是斷路器1 和斷路器2 同時導通此時系統將操作在電流控制模式下首先經由最大功率點追蹤程式運算出瞬時最大功率點的電流參考值再根據此一電流參考值輸出一與電力網路電壓同相位的電流至負載或甚至回送至電力網路
31直流至直流切換式轉換器
典型直流至直流轉換器系統之構造如圖21所示其輸入通常為由線電壓整
流而得之非調節直流電壓然後再利用切換式直流至直流轉換器將此變動之
直流電壓轉換成一調節之直流電壓
無控制之二極體橋式整流器
交流線電壓
(單相或三相)
直流電壓
(無調節性)
濾波電容 (無調節性)
直流至直流轉換器 (具調節性)
負載
蓄電池
直流電壓 直流電壓
控制訊號1降壓式(step-down buck)轉換器
2升壓式(step-up boost)轉換器
3升降壓式(step-downstep-up buck-boost)轉換器
4全橋式轉換器
上述四種轉換器中只有降壓式及升壓式是最基本的轉換器電路架構升
降壓式轉換器是此二基本轉換器之結合而全橋式轉換器則是由降壓式轉
換器衍生而來
直流至直流轉換器之控制
直流至直流轉換器的作用即是在輸入電壓與輸出負載變動的情況下能夠調
節輸出電壓為所設定的位準電壓位準轉換之原理可以圖22(a)所示之簡單
電路來說明由開關導通與截止可得圖22(b)之波形其中輸出電壓vo平均
值大小Vo與開關之導通及截止時間(ton及toff)有關平均輸出電壓大小調整
之最典型的方式是採用脈波寬度調變法(Pulse-Width ModulationPWM)
其切換週期Ts(= ton+toff)為固定由調整導通時間之大小來改變平均輸出電
壓之大小Vo
+
_
Vd
R
+
_
Vo
0Vd
Vo
vo
tton toff
Ts
脈波寬度調變切換控制的方塊圖如
圖23(a)所示開關之切換控制信號
由控制訊號vcontrol與週期為Ts之鋸齒
波vst比較而得控制信號則由Vo之
實際值與設定值之誤差放大而得
vcontrol與vst比較所得之切換控制信號
的波形如圖23(b)所示當控制訊號
vst較大時則為高準位信號即使
開關導通反之為低準位信號即使
開關截止故開關之切換週期亦為
Ts 由以上的原理可知開關切換
之責任週期 (Duty Ratio)為D=tonTs
=vcontrolVst 其中Vst為鋸齒波之振
幅
放大器
+
-Vo
(設定)
(實際)
Vo
比較器
週期性波形 stv
切換控制訊號
控制訊號
0 t
$Vst
=stv 鋸齒波電壓
controlv (放大誤差)
On On
Off Off
stcontrol vv gt
stcontrol vv ltton toff
Ts
切換控制訊號
(切換頻率 fT
s
s
=1
)
升壓式直流至直流轉換器
圖211為升壓式轉換器電路主要用途為直流電源供應器與直流馬達之
再生制動(Regenerative Breaking)顧名思義其輸出電壓高過於其輸入
電壓當開關導通時二極體反向偏壓輸入電能儲存於電感負載電
能則由電容提供當開關截止時負載吸收輸入及儲存電感中之電能
-
L
CRVd
Vo
vL
iL
io
+
-
++
_
t0
t0
vL
iL
I L
Ts
toffton
_++
_
+
_
+ _+
_
+
_
iL
vL
Vd Vo
iL
vL
Vd Vo
)( dV
)( od VV minus
圖212所示為電感電流為連續之
穩態工作波形由穩態下電感電
壓一週期之平均值為零可得
0)( =minus+ offodond tVVtV
等號兩側除以Ts重新整理可得
Dt
T
V
V
off
s
d
o
minus==
1
1
假設電路無損失輸入功率
Pd=VdId 等 於 輸 出 功 率
Po=VoIo 則
)1( DI
I
d
o minus=
非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器
bullBoost之設計假設輸入10V輸出30V頻率50kHz輸出10W
所以D＝23
( ) s
o
o TDDP
VL
22
12
minusge
=6667uH
取75uH
D
VV in
o minus=
1
L
Vi
n
S Vo
+
_
C
DiL
vds
升降壓式直流至直流轉換器
升降壓式轉換器的主要用途為輸入與輸出之極性相反輸出電壓可以高於
或低於輸入電壓之直流電源供應器升降壓式轉換器可以由降壓式轉換器
與升壓式轉換式串接而成穩態下輸入與輸出電壓轉換器之比值為二轉換
器個別比值之乘積
D
D
V
V
d
o
minus=
1
因此變化責任週期D可使輸出電壓高於或低於輸入電壓
+
_
+
_
_
+
RC Vo
L
Vd
io
iLvL
id
降壓式直流至直流轉換器
降壓式轉換器顧名思義其作用為將較高準位的輸入電壓換成較低
準位的輸出電壓主要用途為直流電源供應器及直流馬達速度控制
圖22(a)所示為提供純電阻性負載之降壓式轉換器由圖22(b)可知其輸
出電壓波形由開關位置決定平均輸出電壓為
dd
s
onT
t
t
d
s
T
o
s
o DVVT
tddV
Tdv
TV
s
on
ons ==+== intintint )0(1
)(1
00ττττ
+
_
Vd
R
+
_
Vo
0Vd
Vo
vo
tton toff
Ts
32直流至交流切換式反流器
切換式直流至交流(DCAC)反流器(Inveter)乃用以將直流電源轉換成振幅
與頻率均可調之正弦式交流電源主要用途為交流馬達驅動與交流不斷
電電源供應器圖31為典型交流馬達驅動之反流器方塊圖其直流輸入
電壓通常由線電壓整流及濾波而得接著再利用切換式反流器改變輸出
電壓之振幅與頻率以驅動交流馬達切換式反流器功率之流通通常是
由直流至交流稱為反流模式但亦可以從交流至直流稱為整流模
式
+
_
交流馬達
二極體整流器 濾波電容 切換式反流器
Vd
三相交流電源
反流器包括單相及三相其輸入為直流電壓源者稱為電壓源反流器
(Voltage Source InverterVSI)另外若輸入為直流電流源者稱為電流
反流器(Current Source InverterCSI)目前僅應用在高功率之交流馬達
驅動器
1脈波寬度調變(PWM)反流器其輸入電壓通常為固定反流器本身具備變
頻及變壓的功能而變頻及變壓乃利用開關之脈波寬度調變切換控制達成
有許多類型之脈波寬度變技術可以使輸出電壓近似弦波
2方波(Square-Wave)反流器此反流器輸出電壓振幅乃由其輸入電壓調
整
反流器本身只控制輸出頻率交流輸出電壓波形近似方波因此乃稱方波
反流器
3採用電壓消去法(Voltage Cancellation)之單相反流器單相反流器當輸入
電壓為定值時可以利用電壓消去法來變頻及變壓而不須採用脈波寬度
調變其輸出電壓波形近似方波因此其結合了前述兩種反流器的特色
值得注意的是電壓消去法並不適用於三相反流器
切換式反流器之基本觀念
考慮圖33(a)之單相反流器假設其正弦輸出電壓vo是經過濾波所得若
輸出之負載為電感性(如馬達)則輸出電流io將落後vo 如圖33(b)所示
在期間1及3中 vo與io同號瞬時功率Po=voio為正故功率由直流側送至
交流側稱之為反流模式在期間2及4中 vo與io異號瞬時功率Po為負
故功率由交流側送至直流側稱之為整流模式圖33(a)之切換式反流器
在每一週期內會經歷平面上四個象限中之所有象限
單相切
換式變
流器與
濾波器
o
o
+
-
+
-
Vd
vo
id
io
0t
4 1 2 3
voio
io
vo
1反流器
4整流器
3反流器
2整流器
0
為清楚解釋起見以單臂反流器來說明
+
_
+
_
+ +
__
Vd
Vd
2
Vd
2
A
N
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
vAN
oo
o
反流器電路之脈波寬度調變切換技術如圖35(a)所示由一正弦波形控
制訊號vcontrol與三角波形vtri作比較三角波(又稱載波)之振幅為Vtri頻率
為fs fs決定反流器開關之切換頻率正弦波控制電壓vcontrol(又稱調制訊
號)之基頻f1決定反流器之輸出頻率而其振幅則決定反流器輸出電壓之
大小定義振幅調變指數為ma=Vcontrol Vtri 其中Vcontrol為vcontrol之振幅
而頻率調變指數則定義為mf = fs f1
0 t
vcontrol vtri
sf
1
0 t
vAo
V d
2
minusVd
2
t=0
v v
T on T off
control tri
A A
lt
minus + v v
T on T off
control tri
A A
gt
+ minus
1)( AoAo vv =之基本波
0 t
vcontrol vtri
sf
1
圖34反流器之開關的控制方法與io方向無關為
dAoAtricontrol VvTvv2
1=gt +導通
dAoAtricontrol VvTvv2
1minus=lt minus導通
由於二開關之導通為互補因此輸出電壓只在Vd 2與-Vd 2二值間作變
動圖35(b)所示為ma=08與mf =15時輸出電壓vAo及其基本波(以虛線表示)
之波形
+
_
+
_
+ +
__
Vd
Vd
2
Vd
2
A
N
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
vAN
oo
o
單相全橋式反流器
單相全橋式反流器如圖311所示乃由兩個前述之半橋反流器所組成在
相同之輸入電壓下全橋式反流器之最大輸出電壓為半橋式之兩倍這代
表在相同之功率下全橋式反流器之輸出及開關電流僅為半橋式之一半
此對於高功率用途是一大優點因其可以降低使用並聯元件之需求
+
_
+
_
+
_
Vd
Vd
2
Vd
2
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
v v vo Ao Bo= minuso
A
B
TBminus
TB+
DBminus
DB+
+_
id
o
o
N
雙極性電壓切換之脈波寬度調變
0 t
vcontrolvtri
sf
1
0 t
ov1ov
dV
dVminus
單極性電壓切換之脈波寬度調變
onBT +
trivgttricontrol vv gt
trivcontrolv
t
)( controlvminus
)( controlvminusonAT +
t1ov
dV
dVminus
)( BNAN
o
vv
v
minus=
應用雙極性電壓切換之脈波寬度調
變全橋式反流器乃 (TA+TB-)與 (TA-
TB+)成對切換且二者互相反相
應用單極性電壓切換之脈波寬度調
變全橋式反流器乃A臂與B獨立切
換且同臂二開關互相反相
三相反流器
+
-
+
-
+
-
dV
2dV
2dV
+AT
minusAT
+AD
minusAD
o
BminusT
+BT
minusBD
+BD
di
minusCT
+CT
minusCD
+CD
N
A B C
o
0 t
triv Acontrolv Bcontrolv Ccontrolv
0
BNANAB vvv minus=
t
dV
之基本波1LLv
ANv
0 t
dV
t0
BNv
dV
三相電壓源反流器之脈波寬度調變切換的功能為在固定輸入直流電壓下用以調整三相輸出電壓之振幅及頻率三相脈波寬度調變方式由三相各差120度的控制電壓與三角波作比較其波形與單相全橋式反流器採用脈波寬度調變單極性切換者類似
最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法
33最大功率追蹤最大功率追蹤最大功率追蹤最大功率追蹤
為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點本文使用本文使用本文使用本文使用擾動觀察法擾動觀察法擾動觀察法擾動觀察法(Perturbation and Observation Method PampQ)進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功率追蹤率追蹤率追蹤率追蹤由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點下圖為擾動下圖為擾動下圖為擾動下圖為擾動觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖為利用為利用為利用為利用DCDC轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作時時時時其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為0之特性之特性之特性之特性使用使用使用使用DCDC轉換器控制太陽轉換器控制太陽轉換器控制太陽轉換器控制太陽能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動
擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖
最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法
左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖蹤示意圖蹤示意圖蹤示意圖太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分為兩個特性區域為兩個特性區域為兩個特性區域為兩個特性區域假設進行追蹤假設進行追蹤假設進行追蹤假設進行追蹤時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時電壓電壓電壓電壓的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率增加增加增加增加若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出功率減少功率減少功率減少功率減少經由經由經由經由DCDC轉換器調轉換器調轉換器調轉換器調節太陽能板與節太陽能板與節太陽能板與節太陽能板與DCDC轉換器的阻轉換器的阻轉換器的阻轉換器的阻抗相互匹配抗相互匹配抗相互匹配抗相互匹配進而得到太陽能板進而得到太陽能板進而得到太陽能板進而得到太陽能板的最大輸出功率的最大輸出功率的最大輸出功率的最大輸出功率
擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖
4軟體規劃
bull 系統控制程式主要分為主程式固定週期中斷副程式市電電壓零交越中斷副程式等三大部分以下將分別介紹各部分程式流程
bull 本系統主程式主要執行數位訊號處理器周邊暫存器的初始設定以及變數宣告其中除了變數宣告外周邊暫存器的初始設定包括有規畫中斷向量設定計數器之計數模式計數週期中斷的時間和PWM 輸出模式等相關參數設定
bull 如圖8 所示系統初始設定後必須先等待中斷發生才能決定系統是否執行固定週期中斷程式或零交越中斷副程式
bull 圖9 為固定週期中斷副程式流程圖固定週期中斷頻率與換流器開關之切換頻率相同為20kHz程式開始會先偵測太陽能板電壓及電流與直流鏈電壓當確定市電電壓零交越中斷發生時必須先將輸出弦波訊號之指標強制為原點重新送出單位弦波確保換流器輸出電流與市電電壓能維持同相位接著比較太陽能板輸入電壓VPV 是否大於最低工作電壓VPV_work如果確定大於最低工作電壓則致能太陽能最大功率追蹤反之則禁能系統動作程式返回圖9 中的正弦脈寬調變副程式主要功能在於決定換流器中開關的動作順序與責任週期大小以及輸波參考訊號
bull 圖10 為太陽能最大功率點追蹤副程式流程圖在文中對最大功率追蹤採用擾動與觀察法配合太陽能光電板的電壓mdash功率特性曲線即可瞭解程式如何完成太陽能光電板最大功率點追蹤
主程式流程圖
5實驗
bull 依據上述的分析採用DSP 2407A 建立一個500W 太陽光電池電能轉換系統依據圖11 之
bull 電路架構其規格與元件參數分別列於表一表二及表三系統實驗波形圖12圖13圖14 及
bull 圖15 為系統操作在獨立運轉模式下負載分別為120W240W360W 及480W 時之換流器輸出
bull 電壓及輸出電流之實測波形
系統規格與元件參數
實測波形
6實務應用系統實務應用系統實務應用系統實務應用系統
獨立系統示意圖獨立系統示意圖
考慮點
系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等安全係數最佳化設計複雜)
一般充電控制器無 MPPT搭配蓄電池使發電效能較差
蓄電池每日gt50DOD深度放電gt02C充電壽命短
太陽光發電量與負載需求量不搭配時太陽光之發電能量利用率偏低 (負載需求搭配與安全係數為互相矛盾之設計)
PV-柴油發電機PV-風力等混合系統為改善之方法
市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台
電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池
併聯系統示意圖併聯系統示意圖
緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析
1 系統設置成本高建議使用於邊際效益高之用電（防災緊急輔助電力）
2 總體經濟效益減少環境污染解決尖峰用電之不足與短缺能源多元化之風險分擔與開創自主能源
3 遮蔽陽光直曬降低建築物之熱效應（被動省能）同時轉換太陽光為電能供應建物自主能源（主動節能）一舉兩得
緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較
30萬元divide21900kWh＝137元度2萬元divide50kWh＝400元度每度電成本
日發電度數times365天times20年＝3hrtimes1kWtimes365天times20年＝21900kWh（度）
（年停電＋年測試運轉時數）times10年＝（20mintimes6次＋15mintimes12月）times10年＝5hrtimes1kWtimes10年＝50kWh
總發電度數（1kw計）
夜間不發電（可利用蓄電池設計供電年維運費02）
噪音空污油料運輸儲油危險維運成本高
缺點
利用露台屋頂牆面空間設備煙管隔音油槽需室內空間
設置空間
平時緊急時均可使用隨時可了解運轉狀況不須操作
加ATS停電時方可啟動需人員每月定期測試運轉
系統運作
太陽光潔淨能源（免費）柴油使用燃料
20年7~10年使用壽命
1kW=30萬元1kW=2~3萬元設置費用
太陽光發電系統柴油發電機
風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析
運用多元化能源分擔風險情況比較說明如下
1 市電--gt停電時風險極高
2 市電＋柴油發電機--gt發電機故障時風險高
市電＋柴油發電機＋太陽光發電系統--gt發揮三者優點互補同時故障機率小風險最低
案例
832kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide057＝317 m2
115kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide075＝332 m2
緊急時057平時065~08
綜合係數溫度變化污損線損Inverter效率＋蓄電池充放電補償
電力需求divide（日照強度times日照時間times模板效率times綜合係數）
模組面積估算
日照強度1kWm2
日照時間384hd
模板效率12
832kWhd500人用電量115kWhd770人用電量
緊急時平時
電力需求估算
緊急時40kWtimes384hdtimes057＝875 kWhd
平時40kWtimes384hdtimes075＝1152Whd
太陽發電系統發電量＝設置容量times日照時間times綜合係數
發電量計算
332m2times1kWm2times12＝398kW≒40kW
太陽發電系統設置容量＝設置面積times日照強度times模板效率
設置容量計算模板效率依太陽電池種類而異
進行模板陣列及蓄電池容量設計
40kWdivide18片串divide120W＝185列≒19
列
40kWdivide17片串divide120W＝196列≒20
列
陣列併列數＝設置容量divide單串功率
18片times120W＝2160W
17片times120W＝2040W
單串功率
300Vdivide169V＝1775片（取整數17 or 18）
陣列串聯數＝Inverter輸入電壓divide模板輸出電壓
模板陣列設計
1 模板功率120W
2 模板輸出電壓169V
3 直交流轉換器(Inverter)輸入電壓300V
120Wtimes17片串times20列＝40800W＝340片(最佳陣列)
120Wtimes18片串times19列＝41080W＝342片
最佳陣列較經濟之設置容量選擇最佳陣列
蓄電池數量＝144個times2列＝288個
120640Whdivide288Vdivide200Ah＝21列≒2列
併列數＝蓄電池需求容量divideInverter額定電壓
288Vdivide2V＝144個
串聯數＝Inverter額定電壓divide蓄電池電壓串併數設計
middot 蓄電池電壓2V個
middot 蓄電池容量200Ah個
Inverter電壓輸入電壓 額定電壓300V 288V200V 192V
蓄電池需求容量＝832kWhdtimes1dtimes145＝12064kWh
蓄電池需求容量＝緊急電力需求times無日照天數times補償係數補償係數蓄電池內阻抗放電停止電壓電壓降低補償
蓄電池需求容量設計
middot 補償係數145
無日照天數1日
61市電相關規定市電相關規定市電相關規定市電相關規定
1 發電設備併接於低壓系統者其總容量未滿100kW且技術無困難者得併接於單相三線110V220V三相三線220V之配電系統若總容量在100kW以上而未滿500kW得分別併接於3相4線220V380V之配電系統
2 發電設備總容量在500kW以上而未滿5000kW10000kW且技術無困難者得分別併接於114KV228KV之高壓配電系統
3 電設備總容量在10000kW以上而未滿40000kW者得併接於特高壓之系統
4 發電設備總容量在40000kW以上者依個案研討分類
併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類
發電系統經由發電系統經由發電系統經由發電系統經由110V220V110V220V110V220V110V220V併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者發電設發電設發電設發電設備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能
1 過電壓保護 低電壓保護
2 低頻保護 高頻保護
3 過電流保護 零相過電壓接地保護
4 發電設備為無逆送電力者須加裝逆電力保護
5 發電設備為有逆送電力者必須具備主動及被動防止單獨運轉保護
發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經110V220V110V220V110V220V110V220V系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者在電在電在電在電源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器
發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業114KV228KV114KV228KV114KV228KV114KV228KV之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者((((高高高高壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶))))發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Extremely Inverse特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Extremely Inverse特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過流電驛(67)須具Normal Inverse特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
發電設備併接於電業69KV特高壓輸電系統者發電設備之輸出端至少應具有下列同等保護功能並須與電業該轄區之保護設備協調
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Normal Inverse之特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Normal Inverse之特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過電流電驛(67)須具Normal Inverse之特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
8 快速及後衛保護電驛如系統保護需要時應裝設
9 匯流排電驛採用GIS斷路器者應裝設
62626262太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範
1 故障電流
太陽光電發電系統大於100kW以上須計算故障電流其送至電業系統之故障電流不得影響電業及其他用戶斷路器之起斷容量否則需裝置限流電抗器
太陽光電發電系統之隔離變壓器接地方式須與電業之系統配合
2 正常電壓變動率應維持在plusmn5以內
3 太陽光電發電系統與電業間之責任分界點的功率因數以維持85落後至100之間運轉為原則
4 諧波污染限制應依照「電力系統諧波管制暫行標準」辦理
分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性
適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯型之規範型之規範型之規範型之規範
電力轉換器電力轉換器電力轉換器電力轉換器(電力調節器電力調節器電力調節器電力調節器)(InverterConditioner)
蓄電池蓄電池蓄電池蓄電池(Battery))
63大型(商用)太陽光發電系統應用(gt1 kWp)
太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統
單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池(Unit Solar Cell)
太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板(PV Module)
太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列(PV Array)
太陽光發電系統應用獨立系統
(A) 獨立系統(Stand-Alone
System)
bull 蓄電池保護壽命
(B) 混合型交流獨立系統 (Hybrid
System)
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
直流負載PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
整流器
輔助發電機
PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載- ~PCU
直直直直交流轉換器交流轉換器交流轉換器交流轉換器
太陽光發電系統應用併聯系統
(D)併聯系統(Grid-
connected System)
特殊功能1 最佳效能2 防止獨立運轉(連線保護)
3 可自力運轉
(E) 防逆流型系統(Off-line System)
(F) 防災型併聯系統
充電控制器
蓄電池
直交流轉換器
PCU太陽電池組列
交流負載
ATS
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
獨立型系統
適用地點高山離島基地台hellip等市電無法到達處
工作方式白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
必須可以自給自足
缺點bull 系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等
安全係數設計很困難)
bull 蓄電池建置複雜成本很高壽命很短
bull 負載搭配不良時發電效能不佳利用率將偏低
bull 需由專人隨時維護
bull 混合系統為一種解決方法
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
PCU
併聯型系統
適用地點電力正常送達之任何地點工作方式 bull 白天 PV系統併聯發電夜間由台電供電bull 將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的蓄電池
優點bull 系統簡單不需安全係數設計(依預算設計)不需要專人維護bull 併聯發電效率高利用率高
缺點bull 停電時無電可用bull 受併聯法規限制尚未開放(但即將開放)
bull 有孤島效應之疑慮(目前技術上已解決)
改善型無電池自力運轉
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
市電併聯型住宅用太陽光發電系統
太陽光發電系統發電及負載用電對時間之關係
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
併聯型直交流轉換器之效能要求較高
1 最大功率追蹤(Maximum Power Tracking MPT)
2 高轉換效率 gt 90 (PWM+電力電子元件)
3 高次諧波功率 Distortion (lt5 total)
4 自動開關機(白天夜晚)
5 過負載保護過溫度保護
6 體積小重量輕室外防水防塵
7 電腦界面可遠端監控
8 防止獨立運轉(連線保護)
9 可自力運轉
太陽電池組列
交流負載
直交流轉換器MPT
Power Conditioner
併聯系統之獨立運轉(單獨運轉)
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull停電時單一併聯系統將會停止運作
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
bull 市電停電時多數併聯系統仍聯合運作將對電力公司人員產生嚴重危害
孤島效應之防止方法
停電偵測1 過電壓低電壓
2 過頻率低頻率
3 被動式偵測如
bull 電壓與頻率監視方式
bull 電壓相位跳躍監視方式
bull 高次諧波監視方式
bull 頻率變化監視方式
PV組列
直交流轉換器
自家負載
4 主動偵測如
bull 頻率Shift方式
bull 配電線負載變動方式
bull 有效電力變動方式
bull 無效電力變動方式
反應時間05~2秒
資料來源「日本電氣用品試驗所」分散型電源系統連系技術指針(1998)
併聯系統之自力運轉功能
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull 大停電後白天有陽光時以人工啟動 PV 系統進行自力運轉供自家負載使用(但夜間無法使用)
防災型併聯型系統
適用地點有防災需求(照明汲水通信hellip)之公共設施
工作方式
bull 平時PV併聯發電(電池浮充) 效率高利用率高夜間由台電供電
bull 視需要建置供防災用電池大停電時白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
缺點bull 含電池成本較高bull 系統較複雜需專人定期維護
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
FAQ1太陽光發電需要多少土地
效率 = (輸出功率W) (組列面積 m2 x 日照強度 Wm2 ) x 100
模板面積 m2 = 輸出功率W (效率 x日照強度Wm2 ) x100
bull 假設使用效率gt136 模板於1000 Wm2 (AM15)日照強度下
10 kWp 模板面積 (m2) = 10000 (0136 x 1000) ~ 735 m2
10 kWp PV系統土地面積需求約
~ 735 m2 x 15 x 11
~ 121m2 (~36坪)
(包括陰影面積及維修空間)
bull 假設使用效率~10 模板
則模板面積約 ~ 100 m2
土地面積需求約 ~ 165m2 (~50坪)
gt55o
夏至
冬至
春秋分
235o 235oh
L1 L2
FAQ2太陽電池一年能發多少電
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
10 kWm2
05 kWm2
日照強度
等效日照時數(Sun Hour)
組列單日發電量 = 組列額定輸出功率 x 等效日照時數
bull 預估1 kWp 組列單日發電量 = 1 (kW) x ex 4(Sun Hour)= 4 kWh
組列年發電量 = 組列額定輸出功率 x 年平均每日日照時數 x 365
bull 預估 1 kWp 組列年發電量 = 1 x 4 x 365 = 1460 kWh
時間時間時間時間
FAQ3太陽光發電的成本(簡易估算)
1 假設目前太陽光發電系統設置成本約為 NT$ 280000 kWp
2 假設年平均每日日照時數約為 25 Sun Hour (台灣中南部地區)
bull 1 kWp 組列單日發電量= 1 (kW) x 25 (Hour)= 25 kWh
bull 1 kWp 組列年發電量= 25 x 365 = 913 kWh (度)
3 假設太陽光發電系統使用壽命為 20 年
bull 1 kWp 太陽光發電系統總共可發電 20 x 913 = 18260 度
4 生產每度電之成本約為 280000 18260 ~ NT$ 153
5 未來發展趨勢
bull 太陽光發電系統設置成本將逐年降低
bull 市電電費將會升高(國內目前約 NT$ 3 度日本約NT$ 7 度)
bull 傳統能源限制再生能源獎勵利率降低
64獨立型太陽光發電系統應用例(一)
bull太陽電池時鐘-日本bull太陽電池路燈-日本千里住宅公園
獨立型太陽光發電系統應用例(二)
bull太陽電池交通標誌-日本北海道 bull高速公路緊急電話-日本
獨立型太陽光發電系統應用例(三)
bull800W無線通信中繼基地台韓國(1998)
獨立型太陽光發電系統應用例(四)
bull離島用90kW獨立型發電系統韓國Ho-Do島(1992)
併聯型太陽光發電系統應用例(一)
bull設置於屋頂之住宅用太陽光發電系統(建材一體型日本千里住宅公園內住宅設計之一)
併聯型太陽光發電系統應用例(二)
bull日本東海線新幹線京都車站之太陽光發電系統(100kWp)
併聯型太陽光發電系統應用例(三)
bull日本京瓷(Kyocera)京都總公司大樓之太陽電池發電系統(220kWp)
太陽光發電發電廠應用例
太陽電池發電廠
(PV Power Plant)
資料來源 ANIT
Srl Italy
建材一體型太陽電池模板應用例
bull資料來源 Pilkington Solar International GmbH 德國
太陽能車應用例
Honda Dream
bull資料來源 PV Special Research
Centre UNSW Australia
交大太陽能車
bull資料來源 National Chiao-Tung
University Taiwan
太陽光發電航太應用例(NASA Helios )
bull空中無線通訊平台應用
資料來源SkyOne Inc Taiwan
bull 飛行高度5-7 萬英呎(最高記錄 96000 英呎)
bull 時速60 mph (起飛 25 mph)
bull 翼展247 英呎bull 重量2000 磅bull 太陽電池效率要求gt22
資料來源httpwwwaerovironmentcomhomehtml
清雲技術學院 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
個人住宅 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
勤益技術學院 3kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
南台科技大學 10kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
總統府 10kWp 獨立型太陽光能發電系統 (9012)
海巡署南沙太平島 20kWp 混合型(柴油發電機)太陽光能發電系統 (9011)
90能源基金示範補助成果例
台電樹林 20kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
併聯型
台電台北市區處 20kWp 太陽光發電系統
(91能源基金示範補助成果)
併聯型
7結論
bull (1)提高電力轉換器效率
bull 轉換器的損失主要來自於開關切換時之損失為了可以降低濾波電路中電感和電容的體積可以提高切換頻率但是相對於開關的切換損失也因此而增加導致轉換器的效率降低因此發展零電壓或零電流切換技術應用於高切換頻率之轉換器將可以提高轉換器的效率
bull (2)提高太陽光發電系統之整體效率
bull 傳統之太陽光發電系統包含儲能系統和供電系統前級利用DCDC轉換器作最大功率追蹤後級則利用DCAC轉換器轉換能量供應給交流負載為了提高太陽光發電系統的整體效率在研究可提出了模組並聯控制技術以提昇各級電力轉換器的效率而在未來太陽光發電系統也將著重在單級電力轉換器的設計對於整體系統效率有較明顯的改善
8參考資料
1許國強ldquo太陽光發電原理與應用工研院材料所 薄膜技術組91年
2華志強黃崇倫ldquo智慧型能量控制於太陽光電能轉換系統國立雲林科技大學電機工程學系電力研討會97年
3林政達ldquo數位式市電並聯換流器與快速鎖相迴路控制器之研製國立雲林科技大學電機工程學系碩士論文92 年
4李思賢ldquo數位式單相低功率太陽光電能轉換系統國立中山大學電機工程學系碩士論文92 年
5洪世杰ldquo適用於再生能源之市電併聯型雙輸入供電系統國立中正大學電機工程研究所碩士論文93 年
6王廷興ldquo太陽能發電配電設計概要台北科技大學冷凍空調系 92年
7魏榮宗王文宏ldquo高效率太陽光電能源轉換系統 元智大學電機工程學系94年
[ ] 100)25(
)11
(exp
1)(exp
3
λminus+=
minus
=
+minus
minus+minus=
TKII
TTBk
qE
T
TII
where
R
IRVIRV
AkT
qIII
ISCRLG
r
GO
r
oros
sh
ssosLG
VI cell output current and voltagecell reverse saturation currentcell temperature in CBoltzmannrsquos constantelectronic chargeshort circuit current temperature coefficientsolar irradiation in Wmshort-circuit current at 25 Cand 1000 Wm
light-generated currentband gap for siliconideality factorsreference temperaturecell saturation current atshunt resistanceseries resistance
osI
T
kq
00170=IK
SCRIλ
LGI
GOE
921== ABKTr deg= 18301
orI
shR
sR
附錄附錄附錄附錄- 太陽能電池太陽能電池太陽能電池太陽能電池
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
(a) Equivalent circuit of a PV module and
(b) Typical PV module current-voltage and power-voltage characteristics
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
Characteristic of a PV module with temperature and irradiation (a) constant irradiation and varying temperature and (b) constant temperature and varying irradiation
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
系統範例系統範例系統範例系統範例
中途驛站電化PV離島用PV系統山岳地帶PV系統離島偏遠區
勤務指揮中心緊急避難所醫療院所公園學校地震觀測站森林嘹望台避難指示燈氣象觀測所水位警報PV系統河川安全燈防波堤安全PV燈
緊急防災
緊急供電系統管線電氣防蝕輸油管流量計PV系統市場廣告塔海上石油平台各種計測站PV系統發電廠情報指揮中心
產業用
住宅用供電系統緊急供電系統緊急照明系統帷幕牆遮陽棚採光罩屋瓦建築物
無線通信用中繼站基地台緊急電話中繼站電話通信PV系統Radio受信PV系統微波中繼站
通訊
農宅用電溫室栽培PV系統農業灌溉用自動灑水系統農牧電籬牛乳冷藏漁業養殖揚水通氣自動餵食器
農林漁牧
路燈交通號誌道路指示牌標誌燈太陽能電動車充電站高速公路緊急電話偏遠道路緊急電話停車計時器停車場控制門系統高速公路防音壁PV系統公路休息區PV系統太陽能車平交道指示燈候車亭PV系統車站屋頂型PV系統
道路交通
收音機測電表手錶計算機太陽能照相機手電筒電池充電器野營燈民生
應用領域
學校避難所 醫療院所
政府機構 防災中心
救護站
消防隊
救援中心
警察局
救援機具用電
通訊用電 通氣用電
照明用電
供水用電供油用電
太陽光發電防災緊急電力應用示意圖
太陽電池材料種類說明太陽電池材料種類說明太陽電池材料種類說明太陽電池材料種類說明太陽電池材料種類說明太陽電池材料種類說明太陽電池材料種類說明太陽電池材料種類說明
1以下TiO2奈米及有機奈米及有機奈米及有機奈米及有機Nano amp Organic
應用於有機太陽電池屬研發階段
10~12CdSCdTeCuInse
多晶Poly Crystallin
18~30GaAsInP單晶Single Crystallin
多化合物多化合物多化合物多化合物Compound
應用於太空及聚光型太陽光電系統
6~9SiSiCSiGeSiHSiO
非晶矽Amorphous
10~18多晶矽Poly Crystallin
12~20單晶矽Single Crystallin
晶矽Crystalline
矽矽矽矽(硅硅硅硅) silicon
目前太陽光電系統中應用最為廣泛
市場模組發電轉換效率
半導體材料太陽電池種類
又稱為單結晶晶圓型製程貴發電量佳 礙於晶圓型式多半
截圓型或圓弧造型舖設時面積上無法達到最大利用及吸收
多結晶製程上較便宜發電量略遜單晶矽可截為正方形舖設時
可達到最大面積利用及吸收其晶狀分佈具有應N效果可為建築
物外觀加分另外雖其結理易造成碎裂但晶體可再利用做為項鍊
等裝飾品
非晶矽(可撓式)成本便宜發電率較差且容易造成裂質化但由
於可直接鍍在玻璃及塑膠上面與建築物可做最佳結合除可做太陽
光電系統發電用室內型民生消費品也常見其應用如電子計算
機搖頭娃娃玩具等
常見的太陽電池及模板外觀常見的太陽電池及模板外觀常見的太陽電池及模板外觀常見的太陽電池及模板外觀常見的太陽電池及模板外觀常見的太陽電池及模板外觀常見的太陽電池及模板外觀常見的太陽電池及模板外觀
單晶矽太陽電池外觀 單晶矽太陽電池典型結構
太陽電池外觀與構造(單晶矽)
1 清洗蝕刻
2 磷擴散
P-type wafer
單晶矽太陽電池製程步驟例(I)
3 鍍抗反
射層
4 網印
5 燒結
單晶矽太陽電池製程步驟例(II)
11太陽光發電(Photovoltaic)原理 (I)
太陽電池是以 P 型與 N 型半導
體材料接合構成正極與負極
當太陽光照射太陽電池時光
的能量會使半導體材料內的
正負電荷分離
正負電荷會分別往正負極
方向移動並且聚集
將太陽電池正負極接上負載
時將有電流流出可以對負
載作功(燈泡會亮馬達會轉)
正極P 型
負極N 型
P
N
P
N
P
N
-++
-
+
-+
-+
+ + + + +
- - - - -
--
+
-+
正負電荷
+
-
+
-
+
-
太陽光
太陽光
太陽光
電流
-+
PN(不照光平衡狀態)
EfEv
Ec
N P P
N
P
N
P
N
P
N
光子(Photon)
-+-+
-+
-+
-+
+ + + + +
- - - - -
-+
-+
-+
太陽光發電(Photovoltaic)原理 (II)
-
+
Photon
+
+
-
-
- -
++
Ef
Ev
Ec
PN(照光狀態)
++
-
- -
+
+
--
+
-
+
Photon
多數載子
多數載子
少數載子
少數載子
+
-
多數載子
多數載子
電子-電洞對(Electron-
hole pair)
EvN Type
SemiconductorP Type
Ef
Ec
Ef
Ev
Ec
電子位能
Ec conduction band
Ev valence band
Ef Fermi level
I=I0 (eVaVT-1)-Isc
Isc = -I (短路電流 V=0)
Voc = aVTln(Isc I0 +1) (開路電壓
I=0)
I0 (逆向漏電電流) prop ni prop e-Eg
RshID
Isc
+
----
v
I
RL
Rs
太陽電池等效電路與電氣特性
+I
+V
-V
Dark
VocV
Photo
Isc
I
Pm
I0
太陽電池等效電路 常用太陽電池電路符號
VocVm
Im
Isc
Pm
太陽電池 I-V 特性曲線分析
FF(Fill Factor) = (Vm x Im Voc x Isc) x 100 (越高越好)
ηηηη (Efficiency) = (Vm x Im Pin) x 100 (越高越貴)
bull Pin (Incident Power) = A (hc λ) bull N(λ) dλ
bullλ wavelength (microm)
bull N(λ) Number of photonm2 bull sec
bull A Area (m2)
bull h Plank constant c light speed
Voc開路電壓
Isc短路電流
Pm最大輸出功率值
Vm最大輸出功率時之電壓
Im最大輸出功率時之電流
太陽電池開路短路時皆不會燒毀
0
電壓源
電流源
利用串並聯組成模板與組列提供所需的工作電壓與電流
VocVm
Im
Isc
Pm
12太陽電池之串並聯使用
VocVm
Im
IscPm
VocVm
Im
Isc
Pm
太陽電池模板之構成
+
-
太陽電池模板結構太陽電池模板外觀太陽電池模板接線
正面
強化玻璃
EVA
TedlarTM (Dupont)
EVA
Polyester
TedlarTM (Dupont)
0125
0015
Cells0014
0015
00015
0002
00015
背面
單元太陽電池
太陽電池模板之規格範例
η (Efficiency) = (Vm x Im Pin) x 100
單晶矽模板效率 = (354 V x 495 A) ( 129 m2 x 1000 Wm2 ) x100
= 1358
單晶矽模板效率 = 1302
種類
項目單晶矽 多晶矽
額定輸出功率(Wp) 175 125
開路電壓(V) 444 323
短路電流(A) 555 546
最大輸出工作電壓(V) 354 260
最大輸出工作電流(A) 495 48
輸出最大功率(W) 175 125
尺寸(mm)W15736timesL826
timesH46
W1200timesL802
timesH46
重量(kg) 17 125
測定條件日照強度 AM151000Wm2Module 溫度 25
何謂AM0AM1AM15
Wavelength (microm)
Spec
tral
Irr
adia
nce
(Wm
-2micro
m-1) AM0
AM15
AM 即 Air Mass(不同 Air Mass 代表不同太陽光光譜)
bull AM0 (Air Mass 0) ~ 1400 W bullm-2
bull AM1 (Air Mass 1) ~ 1000 W bullm-2
bull AM15 (Air Mass 15) ~ 844 Wbullm-2
AM15 1000 Wbullm-2 (IEC 891 IEC 904-1)
Earth
AM0
AM1
AM15
大氣層
45o
太陽電池直接驅動負載如馬達等(應用於玩具車船馬達音樂卡片hellip)
bull 電力現買現賣
bull 負載匹配(容量與電壓)
bull 溫度效應
bull 搭配(超高)電容可以提高效能
太陽電池(直流)基礎應用範例(I)
I M
+
-
C
圖片資料來源httpshoppingyahoocom httpwwwsolar-icomSampYhtml
太陽電池先對電池充電再由電池供應負載(應用於玩具車船電動機械夜間燈光計算機鐘錶3C產品hellip)
bull 電力零存整付
bull 太陽電池電池電壓匹配
bull 溫度效應
bull 使用阻隔二極體
bull 電池過充放電保護
太陽電池(直流)基礎應用範例(II)
I負載
+
-
電池
圖片資料來源httpshoppingyahoocom httpwwwsolar-icomSampYhtml
FAQ1太陽電池應用效能不佳太陽電池之負載匹配(Load Matching)
RshID
IL
+
----
v
I
RL
Rs
bull Efficiency of a PV system is strongly affected by load matching
bull Measurement of I-V Characteristic curve is important
VocVm
Im
Isc
Pm
RL 1
RL 3
RL 2 Battery voltage
RL
----
+
不同日照強度下太陽電池 I-V 特性曲線
bull 最大輸出功率隨日照強度而改變並非永遠等於額定值
0
1
2
3
4
5
6
7
0 10 20 30 40 50
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
1000Wm2 (AM1)
500Wm2 (05AM1)
不同溫度下太陽電池 I-V 特性曲線
bull太陽電池溫度升高時輸出電壓與最大輸出功率降低
0
1
2
3
4
5
6
7
0 10 20 30 40 50
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
75oC 50oC 25oC 0oC
Battery voltage
0
1
2
3
4
5
6
7
0 10 20 30 40 50
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
500Wm2 (05AM1)
1000Wm2 (AM1)
太陽電池之動態負載匹配(日照變化)
RL(high)
RL(low)
bull Maximum power tracking is required in high efficiency PV system
太陽電池 I-V 特性曲線測量方法
VocVm
ImIsc Pm
C+
-
A
VR
A
V
A
V可程式負載
模擬陽光使用鎢絲燈氙燈Solar Simulator 或太陽光
Pm lt few10 W Pm lt few 100 W Pm lt 100 kW
Solar Simulator Array Tester
圖片資料來源httpwwwspiresolarcomSolarequipmenthtml
太陽於天球(Celestial Sphere)上運行之軌跡
冬至 春秋分 夏至 冬至 春秋分 夏至 春秋分 夏至
北緯 0o 北緯 45o 北緯 90o
(赤道) (北極)
天球
太陽運行軌跡與太陽電池仰角
冬至 夏至春秋分
所在緯度235o
235o47o0o
47o 235o
13太陽電池組列仰角與間隔設計例
bull組列仰角~235o (台灣地區)
bull h=組列總高度( lt 15 m)
bull L2=h tan(55o) = 057 L0
(55o可適用於冬至0900~1500)
bull水平角度=正南 plusmn5o
235o
55o
235o
夏至
冬至
春秋分
235o 235o
南
h = 04 L0
L1= 092 L0L2 = 057 L0
L0
L1 + L2 = 15 L0
2零交越偵測電路分析
bull 零交越偵測電路如圖1 所示主要目的在於檢測輸入弦波電壓之零交越點其電路輸出為ㄧ方波信號利用方波上緣信號觸發數位訊號處理器之外部中斷腳位進而進行相位同步之功能[4]零交越偵測電路輸入與輸出波形如圖2 所示相位同步控制當數位訊號處理器發生上緣觸發時此觸發訊號如同系統重置訊號將正弦表指標變數歸零一經重置後指標變數又開始計數藉由每週期ㄧ次的重置訊號迫使換流器輸出達到同步相位同步控制波形示意圖如圖3 所示圖4 為零交越偵測電路輸出實測圖[4]
3系統電路架構與動作模式
bull A
bull 本文所述之系統為一太陽光電能轉換系統方塊圖如圖5 所示主要部分包括太陽能板直流-直流轉換器全橋式換流器數位訊號處理器感測迴授電路與驅動電路此一系統之基本動作情況為一般情況下斷路器1 和斷路器2 均為導通狀態此時太陽光電能轉換系統與電力網路處於連結運轉模式而當電力網路供電中斷時斷路器2 將被斷路以避免孤島現象的發生反之若是太陽光電能轉換系統發生故障時斷路器1 將被斷路以避免電力網路受到其故障的影響
31系統電路架構與動作模式
bull B
bull 電路工作模式bull 此一太陽光電能轉換系統主要有兩種工
作模式以下為二種工作模式的操作說明
bull (1) 獨立運轉模式bull 如圖6 所示獨立運轉模式為當電力網
路供電中斷時斷路器2 將被斷路而此時太陽光電能轉換系統將操作在電壓控制模式下提供負載一穩定的輸出電壓
bull (2) 與電力網路連結運轉模式bull 如圖7 所示與電力網路連結運轉模式
將太陽光電能轉換系統與電力網路連結運轉也就是斷路器1 和斷路器2 同時導通此時系統將操作在電流控制模式下首先經由最大功率點追蹤程式運算出瞬時最大功率點的電流參考值再根據此一電流參考值輸出一與電力網路電壓同相位的電流至負載或甚至回送至電力網路
31直流至直流切換式轉換器
典型直流至直流轉換器系統之構造如圖21所示其輸入通常為由線電壓整
流而得之非調節直流電壓然後再利用切換式直流至直流轉換器將此變動之
直流電壓轉換成一調節之直流電壓
無控制之二極體橋式整流器
交流線電壓
(單相或三相)
直流電壓
(無調節性)
濾波電容 (無調節性)
直流至直流轉換器 (具調節性)
負載
蓄電池
直流電壓 直流電壓
控制訊號1降壓式(step-down buck)轉換器
2升壓式(step-up boost)轉換器
3升降壓式(step-downstep-up buck-boost)轉換器
4全橋式轉換器
上述四種轉換器中只有降壓式及升壓式是最基本的轉換器電路架構升
降壓式轉換器是此二基本轉換器之結合而全橋式轉換器則是由降壓式轉
換器衍生而來
直流至直流轉換器之控制
直流至直流轉換器的作用即是在輸入電壓與輸出負載變動的情況下能夠調
節輸出電壓為所設定的位準電壓位準轉換之原理可以圖22(a)所示之簡單
電路來說明由開關導通與截止可得圖22(b)之波形其中輸出電壓vo平均
值大小Vo與開關之導通及截止時間(ton及toff)有關平均輸出電壓大小調整
之最典型的方式是採用脈波寬度調變法(Pulse-Width ModulationPWM)
其切換週期Ts(= ton+toff)為固定由調整導通時間之大小來改變平均輸出電
壓之大小Vo
+
_
Vd
R
+
_
Vo
0Vd
Vo
vo
tton toff
Ts
脈波寬度調變切換控制的方塊圖如
圖23(a)所示開關之切換控制信號
由控制訊號vcontrol與週期為Ts之鋸齒
波vst比較而得控制信號則由Vo之
實際值與設定值之誤差放大而得
vcontrol與vst比較所得之切換控制信號
的波形如圖23(b)所示當控制訊號
vst較大時則為高準位信號即使
開關導通反之為低準位信號即使
開關截止故開關之切換週期亦為
Ts 由以上的原理可知開關切換
之責任週期 (Duty Ratio)為D=tonTs
=vcontrolVst 其中Vst為鋸齒波之振
幅
放大器
+
-Vo
(設定)
(實際)
Vo
比較器
週期性波形 stv
切換控制訊號
控制訊號
0 t
$Vst
=stv 鋸齒波電壓
controlv (放大誤差)
On On
Off Off
stcontrol vv gt
stcontrol vv ltton toff
Ts
切換控制訊號
(切換頻率 fT
s
s
=1
)
升壓式直流至直流轉換器
圖211為升壓式轉換器電路主要用途為直流電源供應器與直流馬達之
再生制動(Regenerative Breaking)顧名思義其輸出電壓高過於其輸入
電壓當開關導通時二極體反向偏壓輸入電能儲存於電感負載電
能則由電容提供當開關截止時負載吸收輸入及儲存電感中之電能
-
L
CRVd
Vo
vL
iL
io
+
-
++
_
t0
t0
vL
iL
I L
Ts
toffton
_++
_
+
_
+ _+
_
+
_
iL
vL
Vd Vo
iL
vL
Vd Vo
)( dV
)( od VV minus
圖212所示為電感電流為連續之
穩態工作波形由穩態下電感電
壓一週期之平均值為零可得
0)( =minus+ offodond tVVtV
等號兩側除以Ts重新整理可得
Dt
T
V
V
off
s
d
o
minus==
1
1
假設電路無損失輸入功率
Pd=VdId 等 於 輸 出 功 率
Po=VoIo 則
)1( DI
I
d
o minus=
非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器
bullBoost之設計假設輸入10V輸出30V頻率50kHz輸出10W
所以D＝23
( ) s
o
o TDDP
VL
22
12
minusge
=6667uH
取75uH
D
VV in
o minus=
1
L
Vi
n
S Vo
+
_
C
DiL
vds
升降壓式直流至直流轉換器
升降壓式轉換器的主要用途為輸入與輸出之極性相反輸出電壓可以高於
或低於輸入電壓之直流電源供應器升降壓式轉換器可以由降壓式轉換器
與升壓式轉換式串接而成穩態下輸入與輸出電壓轉換器之比值為二轉換
器個別比值之乘積
D
D
V
V
d
o
minus=
1
因此變化責任週期D可使輸出電壓高於或低於輸入電壓
+
_
+
_
_
+
RC Vo
L
Vd
io
iLvL
id
降壓式直流至直流轉換器
降壓式轉換器顧名思義其作用為將較高準位的輸入電壓換成較低
準位的輸出電壓主要用途為直流電源供應器及直流馬達速度控制
圖22(a)所示為提供純電阻性負載之降壓式轉換器由圖22(b)可知其輸
出電壓波形由開關位置決定平均輸出電壓為
dd
s
onT
t
t
d
s
T
o
s
o DVVT
tddV
Tdv
TV
s
on
ons ==+== intintint )0(1
)(1
00ττττ
+
_
Vd
R
+
_
Vo
0Vd
Vo
vo
tton toff
Ts
32直流至交流切換式反流器
切換式直流至交流(DCAC)反流器(Inveter)乃用以將直流電源轉換成振幅
與頻率均可調之正弦式交流電源主要用途為交流馬達驅動與交流不斷
電電源供應器圖31為典型交流馬達驅動之反流器方塊圖其直流輸入
電壓通常由線電壓整流及濾波而得接著再利用切換式反流器改變輸出
電壓之振幅與頻率以驅動交流馬達切換式反流器功率之流通通常是
由直流至交流稱為反流模式但亦可以從交流至直流稱為整流模
式
+
_
交流馬達
二極體整流器 濾波電容 切換式反流器
Vd
三相交流電源
反流器包括單相及三相其輸入為直流電壓源者稱為電壓源反流器
(Voltage Source InverterVSI)另外若輸入為直流電流源者稱為電流
反流器(Current Source InverterCSI)目前僅應用在高功率之交流馬達
驅動器
1脈波寬度調變(PWM)反流器其輸入電壓通常為固定反流器本身具備變
頻及變壓的功能而變頻及變壓乃利用開關之脈波寬度調變切換控制達成
有許多類型之脈波寬度變技術可以使輸出電壓近似弦波
2方波(Square-Wave)反流器此反流器輸出電壓振幅乃由其輸入電壓調
整
反流器本身只控制輸出頻率交流輸出電壓波形近似方波因此乃稱方波
反流器
3採用電壓消去法(Voltage Cancellation)之單相反流器單相反流器當輸入
電壓為定值時可以利用電壓消去法來變頻及變壓而不須採用脈波寬度
調變其輸出電壓波形近似方波因此其結合了前述兩種反流器的特色
值得注意的是電壓消去法並不適用於三相反流器
切換式反流器之基本觀念
考慮圖33(a)之單相反流器假設其正弦輸出電壓vo是經過濾波所得若
輸出之負載為電感性(如馬達)則輸出電流io將落後vo 如圖33(b)所示
在期間1及3中 vo與io同號瞬時功率Po=voio為正故功率由直流側送至
交流側稱之為反流模式在期間2及4中 vo與io異號瞬時功率Po為負
故功率由交流側送至直流側稱之為整流模式圖33(a)之切換式反流器
在每一週期內會經歷平面上四個象限中之所有象限
單相切
換式變
流器與
濾波器
o
o
+
-
+
-
Vd
vo
id
io
0t
4 1 2 3
voio
io
vo
1反流器
4整流器
3反流器
2整流器
0
為清楚解釋起見以單臂反流器來說明
+
_
+
_
+ +
__
Vd
Vd
2
Vd
2
A
N
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
vAN
oo
o
反流器電路之脈波寬度調變切換技術如圖35(a)所示由一正弦波形控
制訊號vcontrol與三角波形vtri作比較三角波(又稱載波)之振幅為Vtri頻率
為fs fs決定反流器開關之切換頻率正弦波控制電壓vcontrol(又稱調制訊
號)之基頻f1決定反流器之輸出頻率而其振幅則決定反流器輸出電壓之
大小定義振幅調變指數為ma=Vcontrol Vtri 其中Vcontrol為vcontrol之振幅
而頻率調變指數則定義為mf = fs f1
0 t
vcontrol vtri
sf
1
0 t
vAo
V d
2
minusVd
2
t=0
v v
T on T off
control tri
A A
lt
minus + v v
T on T off
control tri
A A
gt
+ minus
1)( AoAo vv =之基本波
0 t
vcontrol vtri
sf
1
圖34反流器之開關的控制方法與io方向無關為
dAoAtricontrol VvTvv2
1=gt +導通
dAoAtricontrol VvTvv2
1minus=lt minus導通
由於二開關之導通為互補因此輸出電壓只在Vd 2與-Vd 2二值間作變
動圖35(b)所示為ma=08與mf =15時輸出電壓vAo及其基本波(以虛線表示)
之波形
+
_
+
_
+ +
__
Vd
Vd
2
Vd
2
A
N
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
vAN
oo
o
單相全橋式反流器
單相全橋式反流器如圖311所示乃由兩個前述之半橋反流器所組成在
相同之輸入電壓下全橋式反流器之最大輸出電壓為半橋式之兩倍這代
表在相同之功率下全橋式反流器之輸出及開關電流僅為半橋式之一半
此對於高功率用途是一大優點因其可以降低使用並聯元件之需求
+
_
+
_
+
_
Vd
Vd
2
Vd
2
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
v v vo Ao Bo= minuso
A
B
TBminus
TB+
DBminus
DB+
+_
id
o
o
N
雙極性電壓切換之脈波寬度調變
0 t
vcontrolvtri
sf
1
0 t
ov1ov
dV
dVminus
單極性電壓切換之脈波寬度調變
onBT +
trivgttricontrol vv gt
trivcontrolv
t
)( controlvminus
)( controlvminusonAT +
t1ov
dV
dVminus
)( BNAN
o
vv
v
minus=
應用雙極性電壓切換之脈波寬度調
變全橋式反流器乃 (TA+TB-)與 (TA-
TB+)成對切換且二者互相反相
應用單極性電壓切換之脈波寬度調
變全橋式反流器乃A臂與B獨立切
換且同臂二開關互相反相
三相反流器
+
-
+
-
+
-
dV
2dV
2dV
+AT
minusAT
+AD
minusAD
o
BminusT
+BT
minusBD
+BD
di
minusCT
+CT
minusCD
+CD
N
A B C
o
0 t
triv Acontrolv Bcontrolv Ccontrolv
0
BNANAB vvv minus=
t
dV
之基本波1LLv
ANv
0 t
dV
t0
BNv
dV
三相電壓源反流器之脈波寬度調變切換的功能為在固定輸入直流電壓下用以調整三相輸出電壓之振幅及頻率三相脈波寬度調變方式由三相各差120度的控制電壓與三角波作比較其波形與單相全橋式反流器採用脈波寬度調變單極性切換者類似
最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法
33最大功率追蹤最大功率追蹤最大功率追蹤最大功率追蹤
為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點本文使用本文使用本文使用本文使用擾動觀察法擾動觀察法擾動觀察法擾動觀察法(Perturbation and Observation Method PampQ)進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功率追蹤率追蹤率追蹤率追蹤由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點下圖為擾動下圖為擾動下圖為擾動下圖為擾動觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖為利用為利用為利用為利用DCDC轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作時時時時其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為0之特性之特性之特性之特性使用使用使用使用DCDC轉換器控制太陽轉換器控制太陽轉換器控制太陽轉換器控制太陽能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動
擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖
最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法
左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖蹤示意圖蹤示意圖蹤示意圖太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分為兩個特性區域為兩個特性區域為兩個特性區域為兩個特性區域假設進行追蹤假設進行追蹤假設進行追蹤假設進行追蹤時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時電壓電壓電壓電壓的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率增加增加增加增加若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出功率減少功率減少功率減少功率減少經由經由經由經由DCDC轉換器調轉換器調轉換器調轉換器調節太陽能板與節太陽能板與節太陽能板與節太陽能板與DCDC轉換器的阻轉換器的阻轉換器的阻轉換器的阻抗相互匹配抗相互匹配抗相互匹配抗相互匹配進而得到太陽能板進而得到太陽能板進而得到太陽能板進而得到太陽能板的最大輸出功率的最大輸出功率的最大輸出功率的最大輸出功率
擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖
4軟體規劃
bull 系統控制程式主要分為主程式固定週期中斷副程式市電電壓零交越中斷副程式等三大部分以下將分別介紹各部分程式流程
bull 本系統主程式主要執行數位訊號處理器周邊暫存器的初始設定以及變數宣告其中除了變數宣告外周邊暫存器的初始設定包括有規畫中斷向量設定計數器之計數模式計數週期中斷的時間和PWM 輸出模式等相關參數設定
bull 如圖8 所示系統初始設定後必須先等待中斷發生才能決定系統是否執行固定週期中斷程式或零交越中斷副程式
bull 圖9 為固定週期中斷副程式流程圖固定週期中斷頻率與換流器開關之切換頻率相同為20kHz程式開始會先偵測太陽能板電壓及電流與直流鏈電壓當確定市電電壓零交越中斷發生時必須先將輸出弦波訊號之指標強制為原點重新送出單位弦波確保換流器輸出電流與市電電壓能維持同相位接著比較太陽能板輸入電壓VPV 是否大於最低工作電壓VPV_work如果確定大於最低工作電壓則致能太陽能最大功率追蹤反之則禁能系統動作程式返回圖9 中的正弦脈寬調變副程式主要功能在於決定換流器中開關的動作順序與責任週期大小以及輸波參考訊號
bull 圖10 為太陽能最大功率點追蹤副程式流程圖在文中對最大功率追蹤採用擾動與觀察法配合太陽能光電板的電壓mdash功率特性曲線即可瞭解程式如何完成太陽能光電板最大功率點追蹤
主程式流程圖
5實驗
bull 依據上述的分析採用DSP 2407A 建立一個500W 太陽光電池電能轉換系統依據圖11 之
bull 電路架構其規格與元件參數分別列於表一表二及表三系統實驗波形圖12圖13圖14 及
bull 圖15 為系統操作在獨立運轉模式下負載分別為120W240W360W 及480W 時之換流器輸出
bull 電壓及輸出電流之實測波形
系統規格與元件參數
實測波形
6實務應用系統實務應用系統實務應用系統實務應用系統
獨立系統示意圖獨立系統示意圖
考慮點
系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等安全係數最佳化設計複雜)
一般充電控制器無 MPPT搭配蓄電池使發電效能較差
蓄電池每日gt50DOD深度放電gt02C充電壽命短
太陽光發電量與負載需求量不搭配時太陽光之發電能量利用率偏低 (負載需求搭配與安全係數為互相矛盾之設計)
PV-柴油發電機PV-風力等混合系統為改善之方法
市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台
電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池
併聯系統示意圖併聯系統示意圖
緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析
1 系統設置成本高建議使用於邊際效益高之用電（防災緊急輔助電力）
2 總體經濟效益減少環境污染解決尖峰用電之不足與短缺能源多元化之風險分擔與開創自主能源
3 遮蔽陽光直曬降低建築物之熱效應（被動省能）同時轉換太陽光為電能供應建物自主能源（主動節能）一舉兩得
緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較
30萬元divide21900kWh＝137元度2萬元divide50kWh＝400元度每度電成本
日發電度數times365天times20年＝3hrtimes1kWtimes365天times20年＝21900kWh（度）
（年停電＋年測試運轉時數）times10年＝（20mintimes6次＋15mintimes12月）times10年＝5hrtimes1kWtimes10年＝50kWh
總發電度數（1kw計）
夜間不發電（可利用蓄電池設計供電年維運費02）
噪音空污油料運輸儲油危險維運成本高
缺點
利用露台屋頂牆面空間設備煙管隔音油槽需室內空間
設置空間
平時緊急時均可使用隨時可了解運轉狀況不須操作
加ATS停電時方可啟動需人員每月定期測試運轉
系統運作
太陽光潔淨能源（免費）柴油使用燃料
20年7~10年使用壽命
1kW=30萬元1kW=2~3萬元設置費用
太陽光發電系統柴油發電機
風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析
運用多元化能源分擔風險情況比較說明如下
1 市電--gt停電時風險極高
2 市電＋柴油發電機--gt發電機故障時風險高
市電＋柴油發電機＋太陽光發電系統--gt發揮三者優點互補同時故障機率小風險最低
案例
832kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide057＝317 m2
115kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide075＝332 m2
緊急時057平時065~08
綜合係數溫度變化污損線損Inverter效率＋蓄電池充放電補償
電力需求divide（日照強度times日照時間times模板效率times綜合係數）
模組面積估算
日照強度1kWm2
日照時間384hd
模板效率12
832kWhd500人用電量115kWhd770人用電量
緊急時平時
電力需求估算
緊急時40kWtimes384hdtimes057＝875 kWhd
平時40kWtimes384hdtimes075＝1152Whd
太陽發電系統發電量＝設置容量times日照時間times綜合係數
發電量計算
332m2times1kWm2times12＝398kW≒40kW
太陽發電系統設置容量＝設置面積times日照強度times模板效率
設置容量計算模板效率依太陽電池種類而異
進行模板陣列及蓄電池容量設計
40kWdivide18片串divide120W＝185列≒19
列
40kWdivide17片串divide120W＝196列≒20
列
陣列併列數＝設置容量divide單串功率
18片times120W＝2160W
17片times120W＝2040W
單串功率
300Vdivide169V＝1775片（取整數17 or 18）
陣列串聯數＝Inverter輸入電壓divide模板輸出電壓
模板陣列設計
1 模板功率120W
2 模板輸出電壓169V
3 直交流轉換器(Inverter)輸入電壓300V
120Wtimes17片串times20列＝40800W＝340片(最佳陣列)
120Wtimes18片串times19列＝41080W＝342片
最佳陣列較經濟之設置容量選擇最佳陣列
蓄電池數量＝144個times2列＝288個
120640Whdivide288Vdivide200Ah＝21列≒2列
併列數＝蓄電池需求容量divideInverter額定電壓
288Vdivide2V＝144個
串聯數＝Inverter額定電壓divide蓄電池電壓串併數設計
middot 蓄電池電壓2V個
middot 蓄電池容量200Ah個
Inverter電壓輸入電壓 額定電壓300V 288V200V 192V
蓄電池需求容量＝832kWhdtimes1dtimes145＝12064kWh
蓄電池需求容量＝緊急電力需求times無日照天數times補償係數補償係數蓄電池內阻抗放電停止電壓電壓降低補償
蓄電池需求容量設計
middot 補償係數145
無日照天數1日
61市電相關規定市電相關規定市電相關規定市電相關規定
1 發電設備併接於低壓系統者其總容量未滿100kW且技術無困難者得併接於單相三線110V220V三相三線220V之配電系統若總容量在100kW以上而未滿500kW得分別併接於3相4線220V380V之配電系統
2 發電設備總容量在500kW以上而未滿5000kW10000kW且技術無困難者得分別併接於114KV228KV之高壓配電系統
3 電設備總容量在10000kW以上而未滿40000kW者得併接於特高壓之系統
4 發電設備總容量在40000kW以上者依個案研討分類
併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類
發電系統經由發電系統經由發電系統經由發電系統經由110V220V110V220V110V220V110V220V併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者發電設發電設發電設發電設備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能
1 過電壓保護 低電壓保護
2 低頻保護 高頻保護
3 過電流保護 零相過電壓接地保護
4 發電設備為無逆送電力者須加裝逆電力保護
5 發電設備為有逆送電力者必須具備主動及被動防止單獨運轉保護
發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經110V220V110V220V110V220V110V220V系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者在電在電在電在電源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器
發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業114KV228KV114KV228KV114KV228KV114KV228KV之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者((((高高高高壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶))))發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Extremely Inverse特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Extremely Inverse特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過流電驛(67)須具Normal Inverse特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
發電設備併接於電業69KV特高壓輸電系統者發電設備之輸出端至少應具有下列同等保護功能並須與電業該轄區之保護設備協調
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Normal Inverse之特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Normal Inverse之特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過電流電驛(67)須具Normal Inverse之特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
8 快速及後衛保護電驛如系統保護需要時應裝設
9 匯流排電驛採用GIS斷路器者應裝設
62626262太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範
1 故障電流
太陽光電發電系統大於100kW以上須計算故障電流其送至電業系統之故障電流不得影響電業及其他用戶斷路器之起斷容量否則需裝置限流電抗器
太陽光電發電系統之隔離變壓器接地方式須與電業之系統配合
2 正常電壓變動率應維持在plusmn5以內
3 太陽光電發電系統與電業間之責任分界點的功率因數以維持85落後至100之間運轉為原則
4 諧波污染限制應依照「電力系統諧波管制暫行標準」辦理
分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性
適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯型之規範型之規範型之規範型之規範
電力轉換器電力轉換器電力轉換器電力轉換器(電力調節器電力調節器電力調節器電力調節器)(InverterConditioner)
蓄電池蓄電池蓄電池蓄電池(Battery))
63大型(商用)太陽光發電系統應用(gt1 kWp)
太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統
單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池(Unit Solar Cell)
太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板(PV Module)
太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列(PV Array)
太陽光發電系統應用獨立系統
(A) 獨立系統(Stand-Alone
System)
bull 蓄電池保護壽命
(B) 混合型交流獨立系統 (Hybrid
System)
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
直流負載PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
整流器
輔助發電機
PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載- ~PCU
直直直直交流轉換器交流轉換器交流轉換器交流轉換器
太陽光發電系統應用併聯系統
(D)併聯系統(Grid-
connected System)
特殊功能1 最佳效能2 防止獨立運轉(連線保護)
3 可自力運轉
(E) 防逆流型系統(Off-line System)
(F) 防災型併聯系統
充電控制器
蓄電池
直交流轉換器
PCU太陽電池組列
交流負載
ATS
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
獨立型系統
適用地點高山離島基地台hellip等市電無法到達處
工作方式白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
必須可以自給自足
缺點bull 系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等
安全係數設計很困難)
bull 蓄電池建置複雜成本很高壽命很短
bull 負載搭配不良時發電效能不佳利用率將偏低
bull 需由專人隨時維護
bull 混合系統為一種解決方法
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
PCU
併聯型系統
適用地點電力正常送達之任何地點工作方式 bull 白天 PV系統併聯發電夜間由台電供電bull 將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的蓄電池
優點bull 系統簡單不需安全係數設計(依預算設計)不需要專人維護bull 併聯發電效率高利用率高
缺點bull 停電時無電可用bull 受併聯法規限制尚未開放(但即將開放)
bull 有孤島效應之疑慮(目前技術上已解決)
改善型無電池自力運轉
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
市電併聯型住宅用太陽光發電系統
太陽光發電系統發電及負載用電對時間之關係
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
併聯型直交流轉換器之效能要求較高
1 最大功率追蹤(Maximum Power Tracking MPT)
2 高轉換效率 gt 90 (PWM+電力電子元件)
3 高次諧波功率 Distortion (lt5 total)
4 自動開關機(白天夜晚)
5 過負載保護過溫度保護
6 體積小重量輕室外防水防塵
7 電腦界面可遠端監控
8 防止獨立運轉(連線保護)
9 可自力運轉
太陽電池組列
交流負載
直交流轉換器MPT
Power Conditioner
併聯系統之獨立運轉(單獨運轉)
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull停電時單一併聯系統將會停止運作
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
bull 市電停電時多數併聯系統仍聯合運作將對電力公司人員產生嚴重危害
孤島效應之防止方法
停電偵測1 過電壓低電壓
2 過頻率低頻率
3 被動式偵測如
bull 電壓與頻率監視方式
bull 電壓相位跳躍監視方式
bull 高次諧波監視方式
bull 頻率變化監視方式
PV組列
直交流轉換器
自家負載
4 主動偵測如
bull 頻率Shift方式
bull 配電線負載變動方式
bull 有效電力變動方式
bull 無效電力變動方式
反應時間05~2秒
資料來源「日本電氣用品試驗所」分散型電源系統連系技術指針(1998)
併聯系統之自力運轉功能
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull 大停電後白天有陽光時以人工啟動 PV 系統進行自力運轉供自家負載使用(但夜間無法使用)
防災型併聯型系統
適用地點有防災需求(照明汲水通信hellip)之公共設施
工作方式
bull 平時PV併聯發電(電池浮充) 效率高利用率高夜間由台電供電
bull 視需要建置供防災用電池大停電時白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
缺點bull 含電池成本較高bull 系統較複雜需專人定期維護
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
FAQ1太陽光發電需要多少土地
效率 = (輸出功率W) (組列面積 m2 x 日照強度 Wm2 ) x 100
模板面積 m2 = 輸出功率W (效率 x日照強度Wm2 ) x100
bull 假設使用效率gt136 模板於1000 Wm2 (AM15)日照強度下
10 kWp 模板面積 (m2) = 10000 (0136 x 1000) ~ 735 m2
10 kWp PV系統土地面積需求約
~ 735 m2 x 15 x 11
~ 121m2 (~36坪)
(包括陰影面積及維修空間)
bull 假設使用效率~10 模板
則模板面積約 ~ 100 m2
土地面積需求約 ~ 165m2 (~50坪)
gt55o
夏至
冬至
春秋分
235o 235oh
L1 L2
FAQ2太陽電池一年能發多少電
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
10 kWm2
05 kWm2
日照強度
等效日照時數(Sun Hour)
組列單日發電量 = 組列額定輸出功率 x 等效日照時數
bull 預估1 kWp 組列單日發電量 = 1 (kW) x ex 4(Sun Hour)= 4 kWh
組列年發電量 = 組列額定輸出功率 x 年平均每日日照時數 x 365
bull 預估 1 kWp 組列年發電量 = 1 x 4 x 365 = 1460 kWh
時間時間時間時間
FAQ3太陽光發電的成本(簡易估算)
1 假設目前太陽光發電系統設置成本約為 NT$ 280000 kWp
2 假設年平均每日日照時數約為 25 Sun Hour (台灣中南部地區)
bull 1 kWp 組列單日發電量= 1 (kW) x 25 (Hour)= 25 kWh
bull 1 kWp 組列年發電量= 25 x 365 = 913 kWh (度)
3 假設太陽光發電系統使用壽命為 20 年
bull 1 kWp 太陽光發電系統總共可發電 20 x 913 = 18260 度
4 生產每度電之成本約為 280000 18260 ~ NT$ 153
5 未來發展趨勢
bull 太陽光發電系統設置成本將逐年降低
bull 市電電費將會升高(國內目前約 NT$ 3 度日本約NT$ 7 度)
bull 傳統能源限制再生能源獎勵利率降低
64獨立型太陽光發電系統應用例(一)
bull太陽電池時鐘-日本bull太陽電池路燈-日本千里住宅公園
獨立型太陽光發電系統應用例(二)
bull太陽電池交通標誌-日本北海道 bull高速公路緊急電話-日本
獨立型太陽光發電系統應用例(三)
bull800W無線通信中繼基地台韓國(1998)
獨立型太陽光發電系統應用例(四)
bull離島用90kW獨立型發電系統韓國Ho-Do島(1992)
併聯型太陽光發電系統應用例(一)
bull設置於屋頂之住宅用太陽光發電系統(建材一體型日本千里住宅公園內住宅設計之一)
併聯型太陽光發電系統應用例(二)
bull日本東海線新幹線京都車站之太陽光發電系統(100kWp)
併聯型太陽光發電系統應用例(三)
bull日本京瓷(Kyocera)京都總公司大樓之太陽電池發電系統(220kWp)
太陽光發電發電廠應用例
太陽電池發電廠
(PV Power Plant)
資料來源 ANIT
Srl Italy
建材一體型太陽電池模板應用例
bull資料來源 Pilkington Solar International GmbH 德國
太陽能車應用例
Honda Dream
bull資料來源 PV Special Research
Centre UNSW Australia
交大太陽能車
bull資料來源 National Chiao-Tung
University Taiwan
太陽光發電航太應用例(NASA Helios )
bull空中無線通訊平台應用
資料來源SkyOne Inc Taiwan
bull 飛行高度5-7 萬英呎(最高記錄 96000 英呎)
bull 時速60 mph (起飛 25 mph)
bull 翼展247 英呎bull 重量2000 磅bull 太陽電池效率要求gt22
資料來源httpwwwaerovironmentcomhomehtml
清雲技術學院 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
個人住宅 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
勤益技術學院 3kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
南台科技大學 10kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
總統府 10kWp 獨立型太陽光能發電系統 (9012)
海巡署南沙太平島 20kWp 混合型(柴油發電機)太陽光能發電系統 (9011)
90能源基金示範補助成果例
台電樹林 20kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
併聯型
台電台北市區處 20kWp 太陽光發電系統
(91能源基金示範補助成果)
併聯型
7結論
bull (1)提高電力轉換器效率
bull 轉換器的損失主要來自於開關切換時之損失為了可以降低濾波電路中電感和電容的體積可以提高切換頻率但是相對於開關的切換損失也因此而增加導致轉換器的效率降低因此發展零電壓或零電流切換技術應用於高切換頻率之轉換器將可以提高轉換器的效率
bull (2)提高太陽光發電系統之整體效率
bull 傳統之太陽光發電系統包含儲能系統和供電系統前級利用DCDC轉換器作最大功率追蹤後級則利用DCAC轉換器轉換能量供應給交流負載為了提高太陽光發電系統的整體效率在研究可提出了模組並聯控制技術以提昇各級電力轉換器的效率而在未來太陽光發電系統也將著重在單級電力轉換器的設計對於整體系統效率有較明顯的改善
8參考資料
1許國強ldquo太陽光發電原理與應用工研院材料所 薄膜技術組91年
2華志強黃崇倫ldquo智慧型能量控制於太陽光電能轉換系統國立雲林科技大學電機工程學系電力研討會97年
3林政達ldquo數位式市電並聯換流器與快速鎖相迴路控制器之研製國立雲林科技大學電機工程學系碩士論文92 年
4李思賢ldquo數位式單相低功率太陽光電能轉換系統國立中山大學電機工程學系碩士論文92 年
5洪世杰ldquo適用於再生能源之市電併聯型雙輸入供電系統國立中正大學電機工程研究所碩士論文93 年
6王廷興ldquo太陽能發電配電設計概要台北科技大學冷凍空調系 92年
7魏榮宗王文宏ldquo高效率太陽光電能源轉換系統 元智大學電機工程學系94年
[ ] 100)25(
)11
(exp
1)(exp
3
λminus+=
minus
=
+minus
minus+minus=
TKII
TTBk
qE
T
TII
where
R
IRVIRV
AkT
qIII
ISCRLG
r
GO
r
oros
sh
ssosLG
VI cell output current and voltagecell reverse saturation currentcell temperature in CBoltzmannrsquos constantelectronic chargeshort circuit current temperature coefficientsolar irradiation in Wmshort-circuit current at 25 Cand 1000 Wm
light-generated currentband gap for siliconideality factorsreference temperaturecell saturation current atshunt resistanceseries resistance
osI
T
kq
00170=IK
SCRIλ
LGI
GOE
921== ABKTr deg= 18301
orI
shR
sR
附錄附錄附錄附錄- 太陽能電池太陽能電池太陽能電池太陽能電池
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
(a) Equivalent circuit of a PV module and
(b) Typical PV module current-voltage and power-voltage characteristics
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
Characteristic of a PV module with temperature and irradiation (a) constant irradiation and varying temperature and (b) constant temperature and varying irradiation
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
系統範例系統範例系統範例系統範例
中途驛站電化PV離島用PV系統山岳地帶PV系統離島偏遠區
勤務指揮中心緊急避難所醫療院所公園學校地震觀測站森林嘹望台避難指示燈氣象觀測所水位警報PV系統河川安全燈防波堤安全PV燈
緊急防災
緊急供電系統管線電氣防蝕輸油管流量計PV系統市場廣告塔海上石油平台各種計測站PV系統發電廠情報指揮中心
產業用
住宅用供電系統緊急供電系統緊急照明系統帷幕牆遮陽棚採光罩屋瓦建築物
無線通信用中繼站基地台緊急電話中繼站電話通信PV系統Radio受信PV系統微波中繼站
通訊
農宅用電溫室栽培PV系統農業灌溉用自動灑水系統農牧電籬牛乳冷藏漁業養殖揚水通氣自動餵食器
農林漁牧
路燈交通號誌道路指示牌標誌燈太陽能電動車充電站高速公路緊急電話偏遠道路緊急電話停車計時器停車場控制門系統高速公路防音壁PV系統公路休息區PV系統太陽能車平交道指示燈候車亭PV系統車站屋頂型PV系統
道路交通
收音機測電表手錶計算機太陽能照相機手電筒電池充電器野營燈民生
應用領域
太陽電池材料種類說明太陽電池材料種類說明太陽電池材料種類說明太陽電池材料種類說明太陽電池材料種類說明太陽電池材料種類說明太陽電池材料種類說明太陽電池材料種類說明
1以下TiO2奈米及有機奈米及有機奈米及有機奈米及有機Nano amp Organic
應用於有機太陽電池屬研發階段
10~12CdSCdTeCuInse
多晶Poly Crystallin
18~30GaAsInP單晶Single Crystallin
多化合物多化合物多化合物多化合物Compound
應用於太空及聚光型太陽光電系統
6~9SiSiCSiGeSiHSiO
非晶矽Amorphous
10~18多晶矽Poly Crystallin
12~20單晶矽Single Crystallin
晶矽Crystalline
矽矽矽矽(硅硅硅硅) silicon
目前太陽光電系統中應用最為廣泛
市場模組發電轉換效率
半導體材料太陽電池種類
又稱為單結晶晶圓型製程貴發電量佳 礙於晶圓型式多半
截圓型或圓弧造型舖設時面積上無法達到最大利用及吸收
多結晶製程上較便宜發電量略遜單晶矽可截為正方形舖設時
可達到最大面積利用及吸收其晶狀分佈具有應N效果可為建築
物外觀加分另外雖其結理易造成碎裂但晶體可再利用做為項鍊
等裝飾品
非晶矽(可撓式)成本便宜發電率較差且容易造成裂質化但由
於可直接鍍在玻璃及塑膠上面與建築物可做最佳結合除可做太陽
光電系統發電用室內型民生消費品也常見其應用如電子計算
機搖頭娃娃玩具等
常見的太陽電池及模板外觀常見的太陽電池及模板外觀常見的太陽電池及模板外觀常見的太陽電池及模板外觀常見的太陽電池及模板外觀常見的太陽電池及模板外觀常見的太陽電池及模板外觀常見的太陽電池及模板外觀
單晶矽太陽電池外觀 單晶矽太陽電池典型結構
太陽電池外觀與構造(單晶矽)
1 清洗蝕刻
2 磷擴散
P-type wafer
單晶矽太陽電池製程步驟例(I)
3 鍍抗反
射層
4 網印
5 燒結
單晶矽太陽電池製程步驟例(II)
11太陽光發電(Photovoltaic)原理 (I)
太陽電池是以 P 型與 N 型半導
體材料接合構成正極與負極
當太陽光照射太陽電池時光
的能量會使半導體材料內的
正負電荷分離
正負電荷會分別往正負極
方向移動並且聚集
將太陽電池正負極接上負載
時將有電流流出可以對負
載作功(燈泡會亮馬達會轉)
正極P 型
負極N 型
P
N
P
N
P
N
-++
-
+
-+
-+
+ + + + +
- - - - -
--
+
-+
正負電荷
+
-
+
-
+
-
太陽光
太陽光
太陽光
電流
-+
PN(不照光平衡狀態)
EfEv
Ec
N P P
N
P
N
P
N
P
N
光子(Photon)
-+-+
-+
-+
-+
+ + + + +
- - - - -
-+
-+
-+
太陽光發電(Photovoltaic)原理 (II)
-
+
Photon
+
+
-
-
- -
++
Ef
Ev
Ec
PN(照光狀態)
++
-
- -
+
+
--
+
-
+
Photon
多數載子
多數載子
少數載子
少數載子
+
-
多數載子
多數載子
電子-電洞對(Electron-
hole pair)
EvN Type
SemiconductorP Type
Ef
Ec
Ef
Ev
Ec
電子位能
Ec conduction band
Ev valence band
Ef Fermi level
I=I0 (eVaVT-1)-Isc
Isc = -I (短路電流 V=0)
Voc = aVTln(Isc I0 +1) (開路電壓
I=0)
I0 (逆向漏電電流) prop ni prop e-Eg
RshID
Isc
+
----
v
I
RL
Rs
太陽電池等效電路與電氣特性
+I
+V
-V
Dark
VocV
Photo
Isc
I
Pm
I0
太陽電池等效電路 常用太陽電池電路符號
VocVm
Im
Isc
Pm
太陽電池 I-V 特性曲線分析
FF(Fill Factor) = (Vm x Im Voc x Isc) x 100 (越高越好)
ηηηη (Efficiency) = (Vm x Im Pin) x 100 (越高越貴)
bull Pin (Incident Power) = A (hc λ) bull N(λ) dλ
bullλ wavelength (microm)
bull N(λ) Number of photonm2 bull sec
bull A Area (m2)
bull h Plank constant c light speed
Voc開路電壓
Isc短路電流
Pm最大輸出功率值
Vm最大輸出功率時之電壓
Im最大輸出功率時之電流
太陽電池開路短路時皆不會燒毀
0
電壓源
電流源
利用串並聯組成模板與組列提供所需的工作電壓與電流
VocVm
Im
Isc
Pm
12太陽電池之串並聯使用
VocVm
Im
IscPm
VocVm
Im
Isc
Pm
太陽電池模板之構成
+
-
太陽電池模板結構太陽電池模板外觀太陽電池模板接線
正面
強化玻璃
EVA
TedlarTM (Dupont)
EVA
Polyester
TedlarTM (Dupont)
0125
0015
Cells0014
0015
00015
0002
00015
背面
單元太陽電池
太陽電池模板之規格範例
η (Efficiency) = (Vm x Im Pin) x 100
單晶矽模板效率 = (354 V x 495 A) ( 129 m2 x 1000 Wm2 ) x100
= 1358
單晶矽模板效率 = 1302
種類
項目單晶矽 多晶矽
額定輸出功率(Wp) 175 125
開路電壓(V) 444 323
短路電流(A) 555 546
最大輸出工作電壓(V) 354 260
最大輸出工作電流(A) 495 48
輸出最大功率(W) 175 125
尺寸(mm)W15736timesL826
timesH46
W1200timesL802
timesH46
重量(kg) 17 125
測定條件日照強度 AM151000Wm2Module 溫度 25
何謂AM0AM1AM15
Wavelength (microm)
Spec
tral
Irr
adia
nce
(Wm
-2micro
m-1) AM0
AM15
AM 即 Air Mass(不同 Air Mass 代表不同太陽光光譜)
bull AM0 (Air Mass 0) ~ 1400 W bullm-2
bull AM1 (Air Mass 1) ~ 1000 W bullm-2
bull AM15 (Air Mass 15) ~ 844 Wbullm-2
AM15 1000 Wbullm-2 (IEC 891 IEC 904-1)
Earth
AM0
AM1
AM15
大氣層
45o
太陽電池直接驅動負載如馬達等(應用於玩具車船馬達音樂卡片hellip)
bull 電力現買現賣
bull 負載匹配(容量與電壓)
bull 溫度效應
bull 搭配(超高)電容可以提高效能
太陽電池(直流)基礎應用範例(I)
I M
+
-
C
圖片資料來源httpshoppingyahoocom httpwwwsolar-icomSampYhtml
太陽電池先對電池充電再由電池供應負載(應用於玩具車船電動機械夜間燈光計算機鐘錶3C產品hellip)
bull 電力零存整付
bull 太陽電池電池電壓匹配
bull 溫度效應
bull 使用阻隔二極體
bull 電池過充放電保護
太陽電池(直流)基礎應用範例(II)
I負載
+
-
電池
圖片資料來源httpshoppingyahoocom httpwwwsolar-icomSampYhtml
FAQ1太陽電池應用效能不佳太陽電池之負載匹配(Load Matching)
RshID
IL
+
----
v
I
RL
Rs
bull Efficiency of a PV system is strongly affected by load matching
bull Measurement of I-V Characteristic curve is important
VocVm
Im
Isc
Pm
RL 1
RL 3
RL 2 Battery voltage
RL
----
+
不同日照強度下太陽電池 I-V 特性曲線
bull 最大輸出功率隨日照強度而改變並非永遠等於額定值
0
1
2
3
4
5
6
7
0 10 20 30 40 50
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
1000Wm2 (AM1)
500Wm2 (05AM1)
不同溫度下太陽電池 I-V 特性曲線
bull太陽電池溫度升高時輸出電壓與最大輸出功率降低
0
1
2
3
4
5
6
7
0 10 20 30 40 50
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
75oC 50oC 25oC 0oC
Battery voltage
0
1
2
3
4
5
6
7
0 10 20 30 40 50
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
500Wm2 (05AM1)
1000Wm2 (AM1)
太陽電池之動態負載匹配(日照變化)
RL(high)
RL(low)
bull Maximum power tracking is required in high efficiency PV system
太陽電池 I-V 特性曲線測量方法
VocVm
ImIsc Pm
C+
-
A
VR
A
V
A
V可程式負載
模擬陽光使用鎢絲燈氙燈Solar Simulator 或太陽光
Pm lt few10 W Pm lt few 100 W Pm lt 100 kW
Solar Simulator Array Tester
圖片資料來源httpwwwspiresolarcomSolarequipmenthtml
太陽於天球(Celestial Sphere)上運行之軌跡
冬至 春秋分 夏至 冬至 春秋分 夏至 春秋分 夏至
北緯 0o 北緯 45o 北緯 90o
(赤道) (北極)
天球
太陽運行軌跡與太陽電池仰角
冬至 夏至春秋分
所在緯度235o
235o47o0o
47o 235o
13太陽電池組列仰角與間隔設計例
bull組列仰角~235o (台灣地區)
bull h=組列總高度( lt 15 m)
bull L2=h tan(55o) = 057 L0
(55o可適用於冬至0900~1500)
bull水平角度=正南 plusmn5o
235o
55o
235o
夏至
冬至
春秋分
235o 235o
南
h = 04 L0
L1= 092 L0L2 = 057 L0
L0
L1 + L2 = 15 L0
2零交越偵測電路分析
bull 零交越偵測電路如圖1 所示主要目的在於檢測輸入弦波電壓之零交越點其電路輸出為ㄧ方波信號利用方波上緣信號觸發數位訊號處理器之外部中斷腳位進而進行相位同步之功能[4]零交越偵測電路輸入與輸出波形如圖2 所示相位同步控制當數位訊號處理器發生上緣觸發時此觸發訊號如同系統重置訊號將正弦表指標變數歸零一經重置後指標變數又開始計數藉由每週期ㄧ次的重置訊號迫使換流器輸出達到同步相位同步控制波形示意圖如圖3 所示圖4 為零交越偵測電路輸出實測圖[4]
3系統電路架構與動作模式
bull A
bull 本文所述之系統為一太陽光電能轉換系統方塊圖如圖5 所示主要部分包括太陽能板直流-直流轉換器全橋式換流器數位訊號處理器感測迴授電路與驅動電路此一系統之基本動作情況為一般情況下斷路器1 和斷路器2 均為導通狀態此時太陽光電能轉換系統與電力網路處於連結運轉模式而當電力網路供電中斷時斷路器2 將被斷路以避免孤島現象的發生反之若是太陽光電能轉換系統發生故障時斷路器1 將被斷路以避免電力網路受到其故障的影響
31系統電路架構與動作模式
bull B
bull 電路工作模式bull 此一太陽光電能轉換系統主要有兩種工
作模式以下為二種工作模式的操作說明
bull (1) 獨立運轉模式bull 如圖6 所示獨立運轉模式為當電力網
路供電中斷時斷路器2 將被斷路而此時太陽光電能轉換系統將操作在電壓控制模式下提供負載一穩定的輸出電壓
bull (2) 與電力網路連結運轉模式bull 如圖7 所示與電力網路連結運轉模式
將太陽光電能轉換系統與電力網路連結運轉也就是斷路器1 和斷路器2 同時導通此時系統將操作在電流控制模式下首先經由最大功率點追蹤程式運算出瞬時最大功率點的電流參考值再根據此一電流參考值輸出一與電力網路電壓同相位的電流至負載或甚至回送至電力網路
31直流至直流切換式轉換器
典型直流至直流轉換器系統之構造如圖21所示其輸入通常為由線電壓整
流而得之非調節直流電壓然後再利用切換式直流至直流轉換器將此變動之
直流電壓轉換成一調節之直流電壓
無控制之二極體橋式整流器
交流線電壓
(單相或三相)
直流電壓
(無調節性)
濾波電容 (無調節性)
直流至直流轉換器 (具調節性)
負載
蓄電池
直流電壓 直流電壓
控制訊號1降壓式(step-down buck)轉換器
2升壓式(step-up boost)轉換器
3升降壓式(step-downstep-up buck-boost)轉換器
4全橋式轉換器
上述四種轉換器中只有降壓式及升壓式是最基本的轉換器電路架構升
降壓式轉換器是此二基本轉換器之結合而全橋式轉換器則是由降壓式轉
換器衍生而來
直流至直流轉換器之控制
直流至直流轉換器的作用即是在輸入電壓與輸出負載變動的情況下能夠調
節輸出電壓為所設定的位準電壓位準轉換之原理可以圖22(a)所示之簡單
電路來說明由開關導通與截止可得圖22(b)之波形其中輸出電壓vo平均
值大小Vo與開關之導通及截止時間(ton及toff)有關平均輸出電壓大小調整
之最典型的方式是採用脈波寬度調變法(Pulse-Width ModulationPWM)
其切換週期Ts(= ton+toff)為固定由調整導通時間之大小來改變平均輸出電
壓之大小Vo
+
_
Vd
R
+
_
Vo
0Vd
Vo
vo
tton toff
Ts
脈波寬度調變切換控制的方塊圖如
圖23(a)所示開關之切換控制信號
由控制訊號vcontrol與週期為Ts之鋸齒
波vst比較而得控制信號則由Vo之
實際值與設定值之誤差放大而得
vcontrol與vst比較所得之切換控制信號
的波形如圖23(b)所示當控制訊號
vst較大時則為高準位信號即使
開關導通反之為低準位信號即使
開關截止故開關之切換週期亦為
Ts 由以上的原理可知開關切換
之責任週期 (Duty Ratio)為D=tonTs
=vcontrolVst 其中Vst為鋸齒波之振
幅
放大器
+
-Vo
(設定)
(實際)
Vo
比較器
週期性波形 stv
切換控制訊號
控制訊號
0 t
$Vst
=stv 鋸齒波電壓
controlv (放大誤差)
On On
Off Off
stcontrol vv gt
stcontrol vv ltton toff
Ts
切換控制訊號
(切換頻率 fT
s
s
=1
)
升壓式直流至直流轉換器
圖211為升壓式轉換器電路主要用途為直流電源供應器與直流馬達之
再生制動(Regenerative Breaking)顧名思義其輸出電壓高過於其輸入
電壓當開關導通時二極體反向偏壓輸入電能儲存於電感負載電
能則由電容提供當開關截止時負載吸收輸入及儲存電感中之電能
-
L
CRVd
Vo
vL
iL
io
+
-
++
_
t0
t0
vL
iL
I L
Ts
toffton
_++
_
+
_
+ _+
_
+
_
iL
vL
Vd Vo
iL
vL
Vd Vo
)( dV
)( od VV minus
圖212所示為電感電流為連續之
穩態工作波形由穩態下電感電
壓一週期之平均值為零可得
0)( =minus+ offodond tVVtV
等號兩側除以Ts重新整理可得
Dt
T
V
V
off
s
d
o
minus==
1
1
假設電路無損失輸入功率
Pd=VdId 等 於 輸 出 功 率
Po=VoIo 則
)1( DI
I
d
o minus=
非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器
bullBoost之設計假設輸入10V輸出30V頻率50kHz輸出10W
所以D＝23
( ) s
o
o TDDP
VL
22
12
minusge
=6667uH
取75uH
D
VV in
o minus=
1
L
Vi
n
S Vo
+
_
C
DiL
vds
升降壓式直流至直流轉換器
升降壓式轉換器的主要用途為輸入與輸出之極性相反輸出電壓可以高於
或低於輸入電壓之直流電源供應器升降壓式轉換器可以由降壓式轉換器
與升壓式轉換式串接而成穩態下輸入與輸出電壓轉換器之比值為二轉換
器個別比值之乘積
D
D
V
V
d
o
minus=
1
因此變化責任週期D可使輸出電壓高於或低於輸入電壓
+
_
+
_
_
+
RC Vo
L
Vd
io
iLvL
id
降壓式直流至直流轉換器
降壓式轉換器顧名思義其作用為將較高準位的輸入電壓換成較低
準位的輸出電壓主要用途為直流電源供應器及直流馬達速度控制
圖22(a)所示為提供純電阻性負載之降壓式轉換器由圖22(b)可知其輸
出電壓波形由開關位置決定平均輸出電壓為
dd
s
onT
t
t
d
s
T
o
s
o DVVT
tddV
Tdv
TV
s
on
ons ==+== intintint )0(1
)(1
00ττττ
+
_
Vd
R
+
_
Vo
0Vd
Vo
vo
tton toff
Ts
32直流至交流切換式反流器
切換式直流至交流(DCAC)反流器(Inveter)乃用以將直流電源轉換成振幅
與頻率均可調之正弦式交流電源主要用途為交流馬達驅動與交流不斷
電電源供應器圖31為典型交流馬達驅動之反流器方塊圖其直流輸入
電壓通常由線電壓整流及濾波而得接著再利用切換式反流器改變輸出
電壓之振幅與頻率以驅動交流馬達切換式反流器功率之流通通常是
由直流至交流稱為反流模式但亦可以從交流至直流稱為整流模
式
+
_
交流馬達
二極體整流器 濾波電容 切換式反流器
Vd
三相交流電源
反流器包括單相及三相其輸入為直流電壓源者稱為電壓源反流器
(Voltage Source InverterVSI)另外若輸入為直流電流源者稱為電流
反流器(Current Source InverterCSI)目前僅應用在高功率之交流馬達
驅動器
1脈波寬度調變(PWM)反流器其輸入電壓通常為固定反流器本身具備變
頻及變壓的功能而變頻及變壓乃利用開關之脈波寬度調變切換控制達成
有許多類型之脈波寬度變技術可以使輸出電壓近似弦波
2方波(Square-Wave)反流器此反流器輸出電壓振幅乃由其輸入電壓調
整
反流器本身只控制輸出頻率交流輸出電壓波形近似方波因此乃稱方波
反流器
3採用電壓消去法(Voltage Cancellation)之單相反流器單相反流器當輸入
電壓為定值時可以利用電壓消去法來變頻及變壓而不須採用脈波寬度
調變其輸出電壓波形近似方波因此其結合了前述兩種反流器的特色
值得注意的是電壓消去法並不適用於三相反流器
切換式反流器之基本觀念
考慮圖33(a)之單相反流器假設其正弦輸出電壓vo是經過濾波所得若
輸出之負載為電感性(如馬達)則輸出電流io將落後vo 如圖33(b)所示
在期間1及3中 vo與io同號瞬時功率Po=voio為正故功率由直流側送至
交流側稱之為反流模式在期間2及4中 vo與io異號瞬時功率Po為負
故功率由交流側送至直流側稱之為整流模式圖33(a)之切換式反流器
在每一週期內會經歷平面上四個象限中之所有象限
單相切
換式變
流器與
濾波器
o
o
+
-
+
-
Vd
vo
id
io
0t
4 1 2 3
voio
io
vo
1反流器
4整流器
3反流器
2整流器
0
為清楚解釋起見以單臂反流器來說明
+
_
+
_
+ +
__
Vd
Vd
2
Vd
2
A
N
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
vAN
oo
o
反流器電路之脈波寬度調變切換技術如圖35(a)所示由一正弦波形控
制訊號vcontrol與三角波形vtri作比較三角波(又稱載波)之振幅為Vtri頻率
為fs fs決定反流器開關之切換頻率正弦波控制電壓vcontrol(又稱調制訊
號)之基頻f1決定反流器之輸出頻率而其振幅則決定反流器輸出電壓之
大小定義振幅調變指數為ma=Vcontrol Vtri 其中Vcontrol為vcontrol之振幅
而頻率調變指數則定義為mf = fs f1
0 t
vcontrol vtri
sf
1
0 t
vAo
V d
2
minusVd
2
t=0
v v
T on T off
control tri
A A
lt
minus + v v
T on T off
control tri
A A
gt
+ minus
1)( AoAo vv =之基本波
0 t
vcontrol vtri
sf
1
圖34反流器之開關的控制方法與io方向無關為
dAoAtricontrol VvTvv2
1=gt +導通
dAoAtricontrol VvTvv2
1minus=lt minus導通
由於二開關之導通為互補因此輸出電壓只在Vd 2與-Vd 2二值間作變
動圖35(b)所示為ma=08與mf =15時輸出電壓vAo及其基本波(以虛線表示)
之波形
+
_
+
_
+ +
__
Vd
Vd
2
Vd
2
A
N
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
vAN
oo
o
單相全橋式反流器
單相全橋式反流器如圖311所示乃由兩個前述之半橋反流器所組成在
相同之輸入電壓下全橋式反流器之最大輸出電壓為半橋式之兩倍這代
表在相同之功率下全橋式反流器之輸出及開關電流僅為半橋式之一半
此對於高功率用途是一大優點因其可以降低使用並聯元件之需求
+
_
+
_
+
_
Vd
Vd
2
Vd
2
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
v v vo Ao Bo= minuso
A
B
TBminus
TB+
DBminus
DB+
+_
id
o
o
N
雙極性電壓切換之脈波寬度調變
0 t
vcontrolvtri
sf
1
0 t
ov1ov
dV
dVminus
單極性電壓切換之脈波寬度調變
onBT +
trivgttricontrol vv gt
trivcontrolv
t
)( controlvminus
)( controlvminusonAT +
t1ov
dV
dVminus
)( BNAN
o
vv
v
minus=
應用雙極性電壓切換之脈波寬度調
變全橋式反流器乃 (TA+TB-)與 (TA-
TB+)成對切換且二者互相反相
應用單極性電壓切換之脈波寬度調
變全橋式反流器乃A臂與B獨立切
換且同臂二開關互相反相
三相反流器
+
-
+
-
+
-
dV
2dV
2dV
+AT
minusAT
+AD
minusAD
o
BminusT
+BT
minusBD
+BD
di
minusCT
+CT
minusCD
+CD
N
A B C
o
0 t
triv Acontrolv Bcontrolv Ccontrolv
0
BNANAB vvv minus=
t
dV
之基本波1LLv
ANv
0 t
dV
t0
BNv
dV
三相電壓源反流器之脈波寬度調變切換的功能為在固定輸入直流電壓下用以調整三相輸出電壓之振幅及頻率三相脈波寬度調變方式由三相各差120度的控制電壓與三角波作比較其波形與單相全橋式反流器採用脈波寬度調變單極性切換者類似
最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法
33最大功率追蹤最大功率追蹤最大功率追蹤最大功率追蹤
為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點本文使用本文使用本文使用本文使用擾動觀察法擾動觀察法擾動觀察法擾動觀察法(Perturbation and Observation Method PampQ)進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功率追蹤率追蹤率追蹤率追蹤由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點下圖為擾動下圖為擾動下圖為擾動下圖為擾動觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖為利用為利用為利用為利用DCDC轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作時時時時其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為0之特性之特性之特性之特性使用使用使用使用DCDC轉換器控制太陽轉換器控制太陽轉換器控制太陽轉換器控制太陽能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動
擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖
最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法
左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖蹤示意圖蹤示意圖蹤示意圖太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分為兩個特性區域為兩個特性區域為兩個特性區域為兩個特性區域假設進行追蹤假設進行追蹤假設進行追蹤假設進行追蹤時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時電壓電壓電壓電壓的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率增加增加增加增加若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出功率減少功率減少功率減少功率減少經由經由經由經由DCDC轉換器調轉換器調轉換器調轉換器調節太陽能板與節太陽能板與節太陽能板與節太陽能板與DCDC轉換器的阻轉換器的阻轉換器的阻轉換器的阻抗相互匹配抗相互匹配抗相互匹配抗相互匹配進而得到太陽能板進而得到太陽能板進而得到太陽能板進而得到太陽能板的最大輸出功率的最大輸出功率的最大輸出功率的最大輸出功率
擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖
4軟體規劃
bull 系統控制程式主要分為主程式固定週期中斷副程式市電電壓零交越中斷副程式等三大部分以下將分別介紹各部分程式流程
bull 本系統主程式主要執行數位訊號處理器周邊暫存器的初始設定以及變數宣告其中除了變數宣告外周邊暫存器的初始設定包括有規畫中斷向量設定計數器之計數模式計數週期中斷的時間和PWM 輸出模式等相關參數設定
bull 如圖8 所示系統初始設定後必須先等待中斷發生才能決定系統是否執行固定週期中斷程式或零交越中斷副程式
bull 圖9 為固定週期中斷副程式流程圖固定週期中斷頻率與換流器開關之切換頻率相同為20kHz程式開始會先偵測太陽能板電壓及電流與直流鏈電壓當確定市電電壓零交越中斷發生時必須先將輸出弦波訊號之指標強制為原點重新送出單位弦波確保換流器輸出電流與市電電壓能維持同相位接著比較太陽能板輸入電壓VPV 是否大於最低工作電壓VPV_work如果確定大於最低工作電壓則致能太陽能最大功率追蹤反之則禁能系統動作程式返回圖9 中的正弦脈寬調變副程式主要功能在於決定換流器中開關的動作順序與責任週期大小以及輸波參考訊號
bull 圖10 為太陽能最大功率點追蹤副程式流程圖在文中對最大功率追蹤採用擾動與觀察法配合太陽能光電板的電壓mdash功率特性曲線即可瞭解程式如何完成太陽能光電板最大功率點追蹤
主程式流程圖
5實驗
bull 依據上述的分析採用DSP 2407A 建立一個500W 太陽光電池電能轉換系統依據圖11 之
bull 電路架構其規格與元件參數分別列於表一表二及表三系統實驗波形圖12圖13圖14 及
bull 圖15 為系統操作在獨立運轉模式下負載分別為120W240W360W 及480W 時之換流器輸出
bull 電壓及輸出電流之實測波形
系統規格與元件參數
實測波形
6實務應用系統實務應用系統實務應用系統實務應用系統
獨立系統示意圖獨立系統示意圖
考慮點
系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等安全係數最佳化設計複雜)
一般充電控制器無 MPPT搭配蓄電池使發電效能較差
蓄電池每日gt50DOD深度放電gt02C充電壽命短
太陽光發電量與負載需求量不搭配時太陽光之發電能量利用率偏低 (負載需求搭配與安全係數為互相矛盾之設計)
PV-柴油發電機PV-風力等混合系統為改善之方法
市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台
電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池
併聯系統示意圖併聯系統示意圖
緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析
1 系統設置成本高建議使用於邊際效益高之用電（防災緊急輔助電力）
2 總體經濟效益減少環境污染解決尖峰用電之不足與短缺能源多元化之風險分擔與開創自主能源
3 遮蔽陽光直曬降低建築物之熱效應（被動省能）同時轉換太陽光為電能供應建物自主能源（主動節能）一舉兩得
緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較
30萬元divide21900kWh＝137元度2萬元divide50kWh＝400元度每度電成本
日發電度數times365天times20年＝3hrtimes1kWtimes365天times20年＝21900kWh（度）
（年停電＋年測試運轉時數）times10年＝（20mintimes6次＋15mintimes12月）times10年＝5hrtimes1kWtimes10年＝50kWh
總發電度數（1kw計）
夜間不發電（可利用蓄電池設計供電年維運費02）
噪音空污油料運輸儲油危險維運成本高
缺點
利用露台屋頂牆面空間設備煙管隔音油槽需室內空間
設置空間
平時緊急時均可使用隨時可了解運轉狀況不須操作
加ATS停電時方可啟動需人員每月定期測試運轉
系統運作
太陽光潔淨能源（免費）柴油使用燃料
20年7~10年使用壽命
1kW=30萬元1kW=2~3萬元設置費用
太陽光發電系統柴油發電機
風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析
運用多元化能源分擔風險情況比較說明如下
1 市電--gt停電時風險極高
2 市電＋柴油發電機--gt發電機故障時風險高
市電＋柴油發電機＋太陽光發電系統--gt發揮三者優點互補同時故障機率小風險最低
案例
832kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide057＝317 m2
115kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide075＝332 m2
緊急時057平時065~08
綜合係數溫度變化污損線損Inverter效率＋蓄電池充放電補償
電力需求divide（日照強度times日照時間times模板效率times綜合係數）
模組面積估算
日照強度1kWm2
日照時間384hd
模板效率12
832kWhd500人用電量115kWhd770人用電量
緊急時平時
電力需求估算
緊急時40kWtimes384hdtimes057＝875 kWhd
平時40kWtimes384hdtimes075＝1152Whd
太陽發電系統發電量＝設置容量times日照時間times綜合係數
發電量計算
332m2times1kWm2times12＝398kW≒40kW
太陽發電系統設置容量＝設置面積times日照強度times模板效率
設置容量計算模板效率依太陽電池種類而異
進行模板陣列及蓄電池容量設計
40kWdivide18片串divide120W＝185列≒19
列
40kWdivide17片串divide120W＝196列≒20
列
陣列併列數＝設置容量divide單串功率
18片times120W＝2160W
17片times120W＝2040W
單串功率
300Vdivide169V＝1775片（取整數17 or 18）
陣列串聯數＝Inverter輸入電壓divide模板輸出電壓
模板陣列設計
1 模板功率120W
2 模板輸出電壓169V
3 直交流轉換器(Inverter)輸入電壓300V
120Wtimes17片串times20列＝40800W＝340片(最佳陣列)
120Wtimes18片串times19列＝41080W＝342片
最佳陣列較經濟之設置容量選擇最佳陣列
蓄電池數量＝144個times2列＝288個
120640Whdivide288Vdivide200Ah＝21列≒2列
併列數＝蓄電池需求容量divideInverter額定電壓
288Vdivide2V＝144個
串聯數＝Inverter額定電壓divide蓄電池電壓串併數設計
middot 蓄電池電壓2V個
middot 蓄電池容量200Ah個
Inverter電壓輸入電壓 額定電壓300V 288V200V 192V
蓄電池需求容量＝832kWhdtimes1dtimes145＝12064kWh
蓄電池需求容量＝緊急電力需求times無日照天數times補償係數補償係數蓄電池內阻抗放電停止電壓電壓降低補償
蓄電池需求容量設計
middot 補償係數145
無日照天數1日
61市電相關規定市電相關規定市電相關規定市電相關規定
1 發電設備併接於低壓系統者其總容量未滿100kW且技術無困難者得併接於單相三線110V220V三相三線220V之配電系統若總容量在100kW以上而未滿500kW得分別併接於3相4線220V380V之配電系統
2 發電設備總容量在500kW以上而未滿5000kW10000kW且技術無困難者得分別併接於114KV228KV之高壓配電系統
3 電設備總容量在10000kW以上而未滿40000kW者得併接於特高壓之系統
4 發電設備總容量在40000kW以上者依個案研討分類
併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類
發電系統經由發電系統經由發電系統經由發電系統經由110V220V110V220V110V220V110V220V併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者發電設發電設發電設發電設備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能
1 過電壓保護 低電壓保護
2 低頻保護 高頻保護
3 過電流保護 零相過電壓接地保護
4 發電設備為無逆送電力者須加裝逆電力保護
5 發電設備為有逆送電力者必須具備主動及被動防止單獨運轉保護
發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經110V220V110V220V110V220V110V220V系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者在電在電在電在電源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器
發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業114KV228KV114KV228KV114KV228KV114KV228KV之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者((((高高高高壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶))))發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Extremely Inverse特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Extremely Inverse特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過流電驛(67)須具Normal Inverse特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
發電設備併接於電業69KV特高壓輸電系統者發電設備之輸出端至少應具有下列同等保護功能並須與電業該轄區之保護設備協調
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Normal Inverse之特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Normal Inverse之特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過電流電驛(67)須具Normal Inverse之特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
8 快速及後衛保護電驛如系統保護需要時應裝設
9 匯流排電驛採用GIS斷路器者應裝設
62626262太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範
1 故障電流
太陽光電發電系統大於100kW以上須計算故障電流其送至電業系統之故障電流不得影響電業及其他用戶斷路器之起斷容量否則需裝置限流電抗器
太陽光電發電系統之隔離變壓器接地方式須與電業之系統配合
2 正常電壓變動率應維持在plusmn5以內
3 太陽光電發電系統與電業間之責任分界點的功率因數以維持85落後至100之間運轉為原則
4 諧波污染限制應依照「電力系統諧波管制暫行標準」辦理
分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性
適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯型之規範型之規範型之規範型之規範
電力轉換器電力轉換器電力轉換器電力轉換器(電力調節器電力調節器電力調節器電力調節器)(InverterConditioner)
蓄電池蓄電池蓄電池蓄電池(Battery))
63大型(商用)太陽光發電系統應用(gt1 kWp)
太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統
單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池(Unit Solar Cell)
太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板(PV Module)
太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列(PV Array)
太陽光發電系統應用獨立系統
(A) 獨立系統(Stand-Alone
System)
bull 蓄電池保護壽命
(B) 混合型交流獨立系統 (Hybrid
System)
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
直流負載PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
整流器
輔助發電機
PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載- ~PCU
直直直直交流轉換器交流轉換器交流轉換器交流轉換器
太陽光發電系統應用併聯系統
(D)併聯系統(Grid-
connected System)
特殊功能1 最佳效能2 防止獨立運轉(連線保護)
3 可自力運轉
(E) 防逆流型系統(Off-line System)
(F) 防災型併聯系統
充電控制器
蓄電池
直交流轉換器
PCU太陽電池組列
交流負載
ATS
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
獨立型系統
適用地點高山離島基地台hellip等市電無法到達處
工作方式白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
必須可以自給自足
缺點bull 系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等
安全係數設計很困難)
bull 蓄電池建置複雜成本很高壽命很短
bull 負載搭配不良時發電效能不佳利用率將偏低
bull 需由專人隨時維護
bull 混合系統為一種解決方法
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
PCU
併聯型系統
適用地點電力正常送達之任何地點工作方式 bull 白天 PV系統併聯發電夜間由台電供電bull 將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的蓄電池
優點bull 系統簡單不需安全係數設計(依預算設計)不需要專人維護bull 併聯發電效率高利用率高
缺點bull 停電時無電可用bull 受併聯法規限制尚未開放(但即將開放)
bull 有孤島效應之疑慮(目前技術上已解決)
改善型無電池自力運轉
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
市電併聯型住宅用太陽光發電系統
太陽光發電系統發電及負載用電對時間之關係
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
併聯型直交流轉換器之效能要求較高
1 最大功率追蹤(Maximum Power Tracking MPT)
2 高轉換效率 gt 90 (PWM+電力電子元件)
3 高次諧波功率 Distortion (lt5 total)
4 自動開關機(白天夜晚)
5 過負載保護過溫度保護
6 體積小重量輕室外防水防塵
7 電腦界面可遠端監控
8 防止獨立運轉(連線保護)
9 可自力運轉
太陽電池組列
交流負載
直交流轉換器MPT
Power Conditioner
併聯系統之獨立運轉(單獨運轉)
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull停電時單一併聯系統將會停止運作
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
bull 市電停電時多數併聯系統仍聯合運作將對電力公司人員產生嚴重危害
孤島效應之防止方法
停電偵測1 過電壓低電壓
2 過頻率低頻率
3 被動式偵測如
bull 電壓與頻率監視方式
bull 電壓相位跳躍監視方式
bull 高次諧波監視方式
bull 頻率變化監視方式
PV組列
直交流轉換器
自家負載
4 主動偵測如
bull 頻率Shift方式
bull 配電線負載變動方式
bull 有效電力變動方式
bull 無效電力變動方式
反應時間05~2秒
資料來源「日本電氣用品試驗所」分散型電源系統連系技術指針(1998)
併聯系統之自力運轉功能
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull 大停電後白天有陽光時以人工啟動 PV 系統進行自力運轉供自家負載使用(但夜間無法使用)
防災型併聯型系統
適用地點有防災需求(照明汲水通信hellip)之公共設施
工作方式
bull 平時PV併聯發電(電池浮充) 效率高利用率高夜間由台電供電
bull 視需要建置供防災用電池大停電時白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
缺點bull 含電池成本較高bull 系統較複雜需專人定期維護
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
FAQ1太陽光發電需要多少土地
效率 = (輸出功率W) (組列面積 m2 x 日照強度 Wm2 ) x 100
模板面積 m2 = 輸出功率W (效率 x日照強度Wm2 ) x100
bull 假設使用效率gt136 模板於1000 Wm2 (AM15)日照強度下
10 kWp 模板面積 (m2) = 10000 (0136 x 1000) ~ 735 m2
10 kWp PV系統土地面積需求約
~ 735 m2 x 15 x 11
~ 121m2 (~36坪)
(包括陰影面積及維修空間)
bull 假設使用效率~10 模板
則模板面積約 ~ 100 m2
土地面積需求約 ~ 165m2 (~50坪)
gt55o
夏至
冬至
春秋分
235o 235oh
L1 L2
FAQ2太陽電池一年能發多少電
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
10 kWm2
05 kWm2
日照強度
等效日照時數(Sun Hour)
組列單日發電量 = 組列額定輸出功率 x 等效日照時數
bull 預估1 kWp 組列單日發電量 = 1 (kW) x ex 4(Sun Hour)= 4 kWh
組列年發電量 = 組列額定輸出功率 x 年平均每日日照時數 x 365
bull 預估 1 kWp 組列年發電量 = 1 x 4 x 365 = 1460 kWh
時間時間時間時間
FAQ3太陽光發電的成本(簡易估算)
1 假設目前太陽光發電系統設置成本約為 NT$ 280000 kWp
2 假設年平均每日日照時數約為 25 Sun Hour (台灣中南部地區)
bull 1 kWp 組列單日發電量= 1 (kW) x 25 (Hour)= 25 kWh
bull 1 kWp 組列年發電量= 25 x 365 = 913 kWh (度)
3 假設太陽光發電系統使用壽命為 20 年
bull 1 kWp 太陽光發電系統總共可發電 20 x 913 = 18260 度
4 生產每度電之成本約為 280000 18260 ~ NT$ 153
5 未來發展趨勢
bull 太陽光發電系統設置成本將逐年降低
bull 市電電費將會升高(國內目前約 NT$ 3 度日本約NT$ 7 度)
bull 傳統能源限制再生能源獎勵利率降低
64獨立型太陽光發電系統應用例(一)
bull太陽電池時鐘-日本bull太陽電池路燈-日本千里住宅公園
獨立型太陽光發電系統應用例(二)
bull太陽電池交通標誌-日本北海道 bull高速公路緊急電話-日本
獨立型太陽光發電系統應用例(三)
bull800W無線通信中繼基地台韓國(1998)
獨立型太陽光發電系統應用例(四)
bull離島用90kW獨立型發電系統韓國Ho-Do島(1992)
併聯型太陽光發電系統應用例(一)
bull設置於屋頂之住宅用太陽光發電系統(建材一體型日本千里住宅公園內住宅設計之一)
併聯型太陽光發電系統應用例(二)
bull日本東海線新幹線京都車站之太陽光發電系統(100kWp)
併聯型太陽光發電系統應用例(三)
bull日本京瓷(Kyocera)京都總公司大樓之太陽電池發電系統(220kWp)
太陽光發電發電廠應用例
太陽電池發電廠
(PV Power Plant)
資料來源 ANIT
Srl Italy
建材一體型太陽電池模板應用例
bull資料來源 Pilkington Solar International GmbH 德國
太陽能車應用例
Honda Dream
bull資料來源 PV Special Research
Centre UNSW Australia
交大太陽能車
bull資料來源 National Chiao-Tung
University Taiwan
太陽光發電航太應用例(NASA Helios )
bull空中無線通訊平台應用
資料來源SkyOne Inc Taiwan
bull 飛行高度5-7 萬英呎(最高記錄 96000 英呎)
bull 時速60 mph (起飛 25 mph)
bull 翼展247 英呎bull 重量2000 磅bull 太陽電池效率要求gt22
資料來源httpwwwaerovironmentcomhomehtml
清雲技術學院 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
個人住宅 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
勤益技術學院 3kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
南台科技大學 10kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
總統府 10kWp 獨立型太陽光能發電系統 (9012)
海巡署南沙太平島 20kWp 混合型(柴油發電機)太陽光能發電系統 (9011)
90能源基金示範補助成果例
台電樹林 20kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
併聯型
台電台北市區處 20kWp 太陽光發電系統
(91能源基金示範補助成果)
併聯型
7結論
bull (1)提高電力轉換器效率
bull 轉換器的損失主要來自於開關切換時之損失為了可以降低濾波電路中電感和電容的體積可以提高切換頻率但是相對於開關的切換損失也因此而增加導致轉換器的效率降低因此發展零電壓或零電流切換技術應用於高切換頻率之轉換器將可以提高轉換器的效率
bull (2)提高太陽光發電系統之整體效率
bull 傳統之太陽光發電系統包含儲能系統和供電系統前級利用DCDC轉換器作最大功率追蹤後級則利用DCAC轉換器轉換能量供應給交流負載為了提高太陽光發電系統的整體效率在研究可提出了模組並聯控制技術以提昇各級電力轉換器的效率而在未來太陽光發電系統也將著重在單級電力轉換器的設計對於整體系統效率有較明顯的改善
8參考資料
1許國強ldquo太陽光發電原理與應用工研院材料所 薄膜技術組91年
2華志強黃崇倫ldquo智慧型能量控制於太陽光電能轉換系統國立雲林科技大學電機工程學系電力研討會97年
3林政達ldquo數位式市電並聯換流器與快速鎖相迴路控制器之研製國立雲林科技大學電機工程學系碩士論文92 年
4李思賢ldquo數位式單相低功率太陽光電能轉換系統國立中山大學電機工程學系碩士論文92 年
5洪世杰ldquo適用於再生能源之市電併聯型雙輸入供電系統國立中正大學電機工程研究所碩士論文93 年
6王廷興ldquo太陽能發電配電設計概要台北科技大學冷凍空調系 92年
7魏榮宗王文宏ldquo高效率太陽光電能源轉換系統 元智大學電機工程學系94年
[ ] 100)25(
)11
(exp
1)(exp
3
λminus+=
minus
=
+minus
minus+minus=
TKII
TTBk
qE
T
TII
where
R
IRVIRV
AkT
qIII
ISCRLG
r
GO
r
oros
sh
ssosLG
VI cell output current and voltagecell reverse saturation currentcell temperature in CBoltzmannrsquos constantelectronic chargeshort circuit current temperature coefficientsolar irradiation in Wmshort-circuit current at 25 Cand 1000 Wm
light-generated currentband gap for siliconideality factorsreference temperaturecell saturation current atshunt resistanceseries resistance
osI
T
kq
00170=IK
SCRIλ
LGI
GOE
921== ABKTr deg= 18301
orI
shR
sR
附錄附錄附錄附錄- 太陽能電池太陽能電池太陽能電池太陽能電池
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
(a) Equivalent circuit of a PV module and
(b) Typical PV module current-voltage and power-voltage characteristics
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
Characteristic of a PV module with temperature and irradiation (a) constant irradiation and varying temperature and (b) constant temperature and varying irradiation
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
系統範例系統範例系統範例系統範例
中途驛站電化PV離島用PV系統山岳地帶PV系統離島偏遠區
勤務指揮中心緊急避難所醫療院所公園學校地震觀測站森林嘹望台避難指示燈氣象觀測所水位警報PV系統河川安全燈防波堤安全PV燈
緊急防災
緊急供電系統管線電氣防蝕輸油管流量計PV系統市場廣告塔海上石油平台各種計測站PV系統發電廠情報指揮中心
產業用
住宅用供電系統緊急供電系統緊急照明系統帷幕牆遮陽棚採光罩屋瓦建築物
無線通信用中繼站基地台緊急電話中繼站電話通信PV系統Radio受信PV系統微波中繼站
通訊
農宅用電溫室栽培PV系統農業灌溉用自動灑水系統農牧電籬牛乳冷藏漁業養殖揚水通氣自動餵食器
農林漁牧
路燈交通號誌道路指示牌標誌燈太陽能電動車充電站高速公路緊急電話偏遠道路緊急電話停車計時器停車場控制門系統高速公路防音壁PV系統公路休息區PV系統太陽能車平交道指示燈候車亭PV系統車站屋頂型PV系統
道路交通
收音機測電表手錶計算機太陽能照相機手電筒電池充電器野營燈民生
應用領域
又稱為單結晶晶圓型製程貴發電量佳 礙於晶圓型式多半
截圓型或圓弧造型舖設時面積上無法達到最大利用及吸收
多結晶製程上較便宜發電量略遜單晶矽可截為正方形舖設時
可達到最大面積利用及吸收其晶狀分佈具有應N效果可為建築
物外觀加分另外雖其結理易造成碎裂但晶體可再利用做為項鍊
等裝飾品
非晶矽(可撓式)成本便宜發電率較差且容易造成裂質化但由
於可直接鍍在玻璃及塑膠上面與建築物可做最佳結合除可做太陽
光電系統發電用室內型民生消費品也常見其應用如電子計算
機搖頭娃娃玩具等
常見的太陽電池及模板外觀常見的太陽電池及模板外觀常見的太陽電池及模板外觀常見的太陽電池及模板外觀常見的太陽電池及模板外觀常見的太陽電池及模板外觀常見的太陽電池及模板外觀常見的太陽電池及模板外觀
單晶矽太陽電池外觀 單晶矽太陽電池典型結構
太陽電池外觀與構造(單晶矽)
1 清洗蝕刻
2 磷擴散
P-type wafer
單晶矽太陽電池製程步驟例(I)
3 鍍抗反
射層
4 網印
5 燒結
單晶矽太陽電池製程步驟例(II)
11太陽光發電(Photovoltaic)原理 (I)
太陽電池是以 P 型與 N 型半導
體材料接合構成正極與負極
當太陽光照射太陽電池時光
的能量會使半導體材料內的
正負電荷分離
正負電荷會分別往正負極
方向移動並且聚集
將太陽電池正負極接上負載
時將有電流流出可以對負
載作功(燈泡會亮馬達會轉)
正極P 型
負極N 型
P
N
P
N
P
N
-++
-
+
-+
-+
+ + + + +
- - - - -
--
+
-+
正負電荷
+
-
+
-
+
-
太陽光
太陽光
太陽光
電流
-+
PN(不照光平衡狀態)
EfEv
Ec
N P P
N
P
N
P
N
P
N
光子(Photon)
-+-+
-+
-+
-+
+ + + + +
- - - - -
-+
-+
-+
太陽光發電(Photovoltaic)原理 (II)
-
+
Photon
+
+
-
-
- -
++
Ef
Ev
Ec
PN(照光狀態)
++
-
- -
+
+
--
+
-
+
Photon
多數載子
多數載子
少數載子
少數載子
+
-
多數載子
多數載子
電子-電洞對(Electron-
hole pair)
EvN Type
SemiconductorP Type
Ef
Ec
Ef
Ev
Ec
電子位能
Ec conduction band
Ev valence band
Ef Fermi level
I=I0 (eVaVT-1)-Isc
Isc = -I (短路電流 V=0)
Voc = aVTln(Isc I0 +1) (開路電壓
I=0)
I0 (逆向漏電電流) prop ni prop e-Eg
RshID
Isc
+
----
v
I
RL
Rs
太陽電池等效電路與電氣特性
+I
+V
-V
Dark
VocV
Photo
Isc
I
Pm
I0
太陽電池等效電路 常用太陽電池電路符號
VocVm
Im
Isc
Pm
太陽電池 I-V 特性曲線分析
FF(Fill Factor) = (Vm x Im Voc x Isc) x 100 (越高越好)
ηηηη (Efficiency) = (Vm x Im Pin) x 100 (越高越貴)
bull Pin (Incident Power) = A (hc λ) bull N(λ) dλ
bullλ wavelength (microm)
bull N(λ) Number of photonm2 bull sec
bull A Area (m2)
bull h Plank constant c light speed
Voc開路電壓
Isc短路電流
Pm最大輸出功率值
Vm最大輸出功率時之電壓
Im最大輸出功率時之電流
太陽電池開路短路時皆不會燒毀
0
電壓源
電流源
利用串並聯組成模板與組列提供所需的工作電壓與電流
VocVm
Im
Isc
Pm
12太陽電池之串並聯使用
VocVm
Im
IscPm
VocVm
Im
Isc
Pm
太陽電池模板之構成
+
-
太陽電池模板結構太陽電池模板外觀太陽電池模板接線
正面
強化玻璃
EVA
TedlarTM (Dupont)
EVA
Polyester
TedlarTM (Dupont)
0125
0015
Cells0014
0015
00015
0002
00015
背面
單元太陽電池
太陽電池模板之規格範例
η (Efficiency) = (Vm x Im Pin) x 100
單晶矽模板效率 = (354 V x 495 A) ( 129 m2 x 1000 Wm2 ) x100
= 1358
單晶矽模板效率 = 1302
種類
項目單晶矽 多晶矽
額定輸出功率(Wp) 175 125
開路電壓(V) 444 323
短路電流(A) 555 546
最大輸出工作電壓(V) 354 260
最大輸出工作電流(A) 495 48
輸出最大功率(W) 175 125
尺寸(mm)W15736timesL826
timesH46
W1200timesL802
timesH46
重量(kg) 17 125
測定條件日照強度 AM151000Wm2Module 溫度 25
何謂AM0AM1AM15
Wavelength (microm)
Spec
tral
Irr
adia
nce
(Wm
-2micro
m-1) AM0
AM15
AM 即 Air Mass(不同 Air Mass 代表不同太陽光光譜)
bull AM0 (Air Mass 0) ~ 1400 W bullm-2
bull AM1 (Air Mass 1) ~ 1000 W bullm-2
bull AM15 (Air Mass 15) ~ 844 Wbullm-2
AM15 1000 Wbullm-2 (IEC 891 IEC 904-1)
Earth
AM0
AM1
AM15
大氣層
45o
太陽電池直接驅動負載如馬達等(應用於玩具車船馬達音樂卡片hellip)
bull 電力現買現賣
bull 負載匹配(容量與電壓)
bull 溫度效應
bull 搭配(超高)電容可以提高效能
太陽電池(直流)基礎應用範例(I)
I M
+
-
C
圖片資料來源httpshoppingyahoocom httpwwwsolar-icomSampYhtml
太陽電池先對電池充電再由電池供應負載(應用於玩具車船電動機械夜間燈光計算機鐘錶3C產品hellip)
bull 電力零存整付
bull 太陽電池電池電壓匹配
bull 溫度效應
bull 使用阻隔二極體
bull 電池過充放電保護
太陽電池(直流)基礎應用範例(II)
I負載
+
-
電池
圖片資料來源httpshoppingyahoocom httpwwwsolar-icomSampYhtml
FAQ1太陽電池應用效能不佳太陽電池之負載匹配(Load Matching)
RshID
IL
+
----
v
I
RL
Rs
bull Efficiency of a PV system is strongly affected by load matching
bull Measurement of I-V Characteristic curve is important
VocVm
Im
Isc
Pm
RL 1
RL 3
RL 2 Battery voltage
RL
----
+
不同日照強度下太陽電池 I-V 特性曲線
bull 最大輸出功率隨日照強度而改變並非永遠等於額定值
0
1
2
3
4
5
6
7
0 10 20 30 40 50
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
1000Wm2 (AM1)
500Wm2 (05AM1)
不同溫度下太陽電池 I-V 特性曲線
bull太陽電池溫度升高時輸出電壓與最大輸出功率降低
0
1
2
3
4
5
6
7
0 10 20 30 40 50
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
75oC 50oC 25oC 0oC
Battery voltage
0
1
2
3
4
5
6
7
0 10 20 30 40 50
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
500Wm2 (05AM1)
1000Wm2 (AM1)
太陽電池之動態負載匹配(日照變化)
RL(high)
RL(low)
bull Maximum power tracking is required in high efficiency PV system
太陽電池 I-V 特性曲線測量方法
VocVm
ImIsc Pm
C+
-
A
VR
A
V
A
V可程式負載
模擬陽光使用鎢絲燈氙燈Solar Simulator 或太陽光
Pm lt few10 W Pm lt few 100 W Pm lt 100 kW
Solar Simulator Array Tester
圖片資料來源httpwwwspiresolarcomSolarequipmenthtml
太陽於天球(Celestial Sphere)上運行之軌跡
冬至 春秋分 夏至 冬至 春秋分 夏至 春秋分 夏至
北緯 0o 北緯 45o 北緯 90o
(赤道) (北極)
天球
太陽運行軌跡與太陽電池仰角
冬至 夏至春秋分
所在緯度235o
235o47o0o
47o 235o
13太陽電池組列仰角與間隔設計例
bull組列仰角~235o (台灣地區)
bull h=組列總高度( lt 15 m)
bull L2=h tan(55o) = 057 L0
(55o可適用於冬至0900~1500)
bull水平角度=正南 plusmn5o
235o
55o
235o
夏至
冬至
春秋分
235o 235o
南
h = 04 L0
L1= 092 L0L2 = 057 L0
L0
L1 + L2 = 15 L0
2零交越偵測電路分析
bull 零交越偵測電路如圖1 所示主要目的在於檢測輸入弦波電壓之零交越點其電路輸出為ㄧ方波信號利用方波上緣信號觸發數位訊號處理器之外部中斷腳位進而進行相位同步之功能[4]零交越偵測電路輸入與輸出波形如圖2 所示相位同步控制當數位訊號處理器發生上緣觸發時此觸發訊號如同系統重置訊號將正弦表指標變數歸零一經重置後指標變數又開始計數藉由每週期ㄧ次的重置訊號迫使換流器輸出達到同步相位同步控制波形示意圖如圖3 所示圖4 為零交越偵測電路輸出實測圖[4]
3系統電路架構與動作模式
bull A
bull 本文所述之系統為一太陽光電能轉換系統方塊圖如圖5 所示主要部分包括太陽能板直流-直流轉換器全橋式換流器數位訊號處理器感測迴授電路與驅動電路此一系統之基本動作情況為一般情況下斷路器1 和斷路器2 均為導通狀態此時太陽光電能轉換系統與電力網路處於連結運轉模式而當電力網路供電中斷時斷路器2 將被斷路以避免孤島現象的發生反之若是太陽光電能轉換系統發生故障時斷路器1 將被斷路以避免電力網路受到其故障的影響
31系統電路架構與動作模式
bull B
bull 電路工作模式bull 此一太陽光電能轉換系統主要有兩種工
作模式以下為二種工作模式的操作說明
bull (1) 獨立運轉模式bull 如圖6 所示獨立運轉模式為當電力網
路供電中斷時斷路器2 將被斷路而此時太陽光電能轉換系統將操作在電壓控制模式下提供負載一穩定的輸出電壓
bull (2) 與電力網路連結運轉模式bull 如圖7 所示與電力網路連結運轉模式
將太陽光電能轉換系統與電力網路連結運轉也就是斷路器1 和斷路器2 同時導通此時系統將操作在電流控制模式下首先經由最大功率點追蹤程式運算出瞬時最大功率點的電流參考值再根據此一電流參考值輸出一與電力網路電壓同相位的電流至負載或甚至回送至電力網路
31直流至直流切換式轉換器
典型直流至直流轉換器系統之構造如圖21所示其輸入通常為由線電壓整
流而得之非調節直流電壓然後再利用切換式直流至直流轉換器將此變動之
直流電壓轉換成一調節之直流電壓
無控制之二極體橋式整流器
交流線電壓
(單相或三相)
直流電壓
(無調節性)
濾波電容 (無調節性)
直流至直流轉換器 (具調節性)
負載
蓄電池
直流電壓 直流電壓
控制訊號1降壓式(step-down buck)轉換器
2升壓式(step-up boost)轉換器
3升降壓式(step-downstep-up buck-boost)轉換器
4全橋式轉換器
上述四種轉換器中只有降壓式及升壓式是最基本的轉換器電路架構升
降壓式轉換器是此二基本轉換器之結合而全橋式轉換器則是由降壓式轉
換器衍生而來
直流至直流轉換器之控制
直流至直流轉換器的作用即是在輸入電壓與輸出負載變動的情況下能夠調
節輸出電壓為所設定的位準電壓位準轉換之原理可以圖22(a)所示之簡單
電路來說明由開關導通與截止可得圖22(b)之波形其中輸出電壓vo平均
值大小Vo與開關之導通及截止時間(ton及toff)有關平均輸出電壓大小調整
之最典型的方式是採用脈波寬度調變法(Pulse-Width ModulationPWM)
其切換週期Ts(= ton+toff)為固定由調整導通時間之大小來改變平均輸出電
壓之大小Vo
+
_
Vd
R
+
_
Vo
0Vd
Vo
vo
tton toff
Ts
脈波寬度調變切換控制的方塊圖如
圖23(a)所示開關之切換控制信號
由控制訊號vcontrol與週期為Ts之鋸齒
波vst比較而得控制信號則由Vo之
實際值與設定值之誤差放大而得
vcontrol與vst比較所得之切換控制信號
的波形如圖23(b)所示當控制訊號
vst較大時則為高準位信號即使
開關導通反之為低準位信號即使
開關截止故開關之切換週期亦為
Ts 由以上的原理可知開關切換
之責任週期 (Duty Ratio)為D=tonTs
=vcontrolVst 其中Vst為鋸齒波之振
幅
放大器
+
-Vo
(設定)
(實際)
Vo
比較器
週期性波形 stv
切換控制訊號
控制訊號
0 t
$Vst
=stv 鋸齒波電壓
controlv (放大誤差)
On On
Off Off
stcontrol vv gt
stcontrol vv ltton toff
Ts
切換控制訊號
(切換頻率 fT
s
s
=1
)
升壓式直流至直流轉換器
圖211為升壓式轉換器電路主要用途為直流電源供應器與直流馬達之
再生制動(Regenerative Breaking)顧名思義其輸出電壓高過於其輸入
電壓當開關導通時二極體反向偏壓輸入電能儲存於電感負載電
能則由電容提供當開關截止時負載吸收輸入及儲存電感中之電能
-
L
CRVd
Vo
vL
iL
io
+
-
++
_
t0
t0
vL
iL
I L
Ts
toffton
_++
_
+
_
+ _+
_
+
_
iL
vL
Vd Vo
iL
vL
Vd Vo
)( dV
)( od VV minus
圖212所示為電感電流為連續之
穩態工作波形由穩態下電感電
壓一週期之平均值為零可得
0)( =minus+ offodond tVVtV
等號兩側除以Ts重新整理可得
Dt
T
V
V
off
s
d
o
minus==
1
1
假設電路無損失輸入功率
Pd=VdId 等 於 輸 出 功 率
Po=VoIo 則
)1( DI
I
d
o minus=
非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器
bullBoost之設計假設輸入10V輸出30V頻率50kHz輸出10W
所以D＝23
( ) s
o
o TDDP
VL
22
12
minusge
=6667uH
取75uH
D
VV in
o minus=
1
L
Vi
n
S Vo
+
_
C
DiL
vds
升降壓式直流至直流轉換器
升降壓式轉換器的主要用途為輸入與輸出之極性相反輸出電壓可以高於
或低於輸入電壓之直流電源供應器升降壓式轉換器可以由降壓式轉換器
與升壓式轉換式串接而成穩態下輸入與輸出電壓轉換器之比值為二轉換
器個別比值之乘積
D
D
V
V
d
o
minus=
1
因此變化責任週期D可使輸出電壓高於或低於輸入電壓
+
_
+
_
_
+
RC Vo
L
Vd
io
iLvL
id
降壓式直流至直流轉換器
降壓式轉換器顧名思義其作用為將較高準位的輸入電壓換成較低
準位的輸出電壓主要用途為直流電源供應器及直流馬達速度控制
圖22(a)所示為提供純電阻性負載之降壓式轉換器由圖22(b)可知其輸
出電壓波形由開關位置決定平均輸出電壓為
dd
s
onT
t
t
d
s
T
o
s
o DVVT
tddV
Tdv
TV
s
on
ons ==+== intintint )0(1
)(1
00ττττ
+
_
Vd
R
+
_
Vo
0Vd
Vo
vo
tton toff
Ts
32直流至交流切換式反流器
切換式直流至交流(DCAC)反流器(Inveter)乃用以將直流電源轉換成振幅
與頻率均可調之正弦式交流電源主要用途為交流馬達驅動與交流不斷
電電源供應器圖31為典型交流馬達驅動之反流器方塊圖其直流輸入
電壓通常由線電壓整流及濾波而得接著再利用切換式反流器改變輸出
電壓之振幅與頻率以驅動交流馬達切換式反流器功率之流通通常是
由直流至交流稱為反流模式但亦可以從交流至直流稱為整流模
式
+
_
交流馬達
二極體整流器 濾波電容 切換式反流器
Vd
三相交流電源
反流器包括單相及三相其輸入為直流電壓源者稱為電壓源反流器
(Voltage Source InverterVSI)另外若輸入為直流電流源者稱為電流
反流器(Current Source InverterCSI)目前僅應用在高功率之交流馬達
驅動器
1脈波寬度調變(PWM)反流器其輸入電壓通常為固定反流器本身具備變
頻及變壓的功能而變頻及變壓乃利用開關之脈波寬度調變切換控制達成
有許多類型之脈波寬度變技術可以使輸出電壓近似弦波
2方波(Square-Wave)反流器此反流器輸出電壓振幅乃由其輸入電壓調
整
反流器本身只控制輸出頻率交流輸出電壓波形近似方波因此乃稱方波
反流器
3採用電壓消去法(Voltage Cancellation)之單相反流器單相反流器當輸入
電壓為定值時可以利用電壓消去法來變頻及變壓而不須採用脈波寬度
調變其輸出電壓波形近似方波因此其結合了前述兩種反流器的特色
值得注意的是電壓消去法並不適用於三相反流器
切換式反流器之基本觀念
考慮圖33(a)之單相反流器假設其正弦輸出電壓vo是經過濾波所得若
輸出之負載為電感性(如馬達)則輸出電流io將落後vo 如圖33(b)所示
在期間1及3中 vo與io同號瞬時功率Po=voio為正故功率由直流側送至
交流側稱之為反流模式在期間2及4中 vo與io異號瞬時功率Po為負
故功率由交流側送至直流側稱之為整流模式圖33(a)之切換式反流器
在每一週期內會經歷平面上四個象限中之所有象限
單相切
換式變
流器與
濾波器
o
o
+
-
+
-
Vd
vo
id
io
0t
4 1 2 3
voio
io
vo
1反流器
4整流器
3反流器
2整流器
0
為清楚解釋起見以單臂反流器來說明
+
_
+
_
+ +
__
Vd
Vd
2
Vd
2
A
N
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
vAN
oo
o
反流器電路之脈波寬度調變切換技術如圖35(a)所示由一正弦波形控
制訊號vcontrol與三角波形vtri作比較三角波(又稱載波)之振幅為Vtri頻率
為fs fs決定反流器開關之切換頻率正弦波控制電壓vcontrol(又稱調制訊
號)之基頻f1決定反流器之輸出頻率而其振幅則決定反流器輸出電壓之
大小定義振幅調變指數為ma=Vcontrol Vtri 其中Vcontrol為vcontrol之振幅
而頻率調變指數則定義為mf = fs f1
0 t
vcontrol vtri
sf
1
0 t
vAo
V d
2
minusVd
2
t=0
v v
T on T off
control tri
A A
lt
minus + v v
T on T off
control tri
A A
gt
+ minus
1)( AoAo vv =之基本波
0 t
vcontrol vtri
sf
1
圖34反流器之開關的控制方法與io方向無關為
dAoAtricontrol VvTvv2
1=gt +導通
dAoAtricontrol VvTvv2
1minus=lt minus導通
由於二開關之導通為互補因此輸出電壓只在Vd 2與-Vd 2二值間作變
動圖35(b)所示為ma=08與mf =15時輸出電壓vAo及其基本波(以虛線表示)
之波形
+
_
+
_
+ +
__
Vd
Vd
2
Vd
2
A
N
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
vAN
oo
o
單相全橋式反流器
單相全橋式反流器如圖311所示乃由兩個前述之半橋反流器所組成在
相同之輸入電壓下全橋式反流器之最大輸出電壓為半橋式之兩倍這代
表在相同之功率下全橋式反流器之輸出及開關電流僅為半橋式之一半
此對於高功率用途是一大優點因其可以降低使用並聯元件之需求
+
_
+
_
+
_
Vd
Vd
2
Vd
2
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
v v vo Ao Bo= minuso
A
B
TBminus
TB+
DBminus
DB+
+_
id
o
o
N
雙極性電壓切換之脈波寬度調變
0 t
vcontrolvtri
sf
1
0 t
ov1ov
dV
dVminus
單極性電壓切換之脈波寬度調變
onBT +
trivgttricontrol vv gt
trivcontrolv
t
)( controlvminus
)( controlvminusonAT +
t1ov
dV
dVminus
)( BNAN
o
vv
v
minus=
應用雙極性電壓切換之脈波寬度調
變全橋式反流器乃 (TA+TB-)與 (TA-
TB+)成對切換且二者互相反相
應用單極性電壓切換之脈波寬度調
變全橋式反流器乃A臂與B獨立切
換且同臂二開關互相反相
三相反流器
+
-
+
-
+
-
dV
2dV
2dV
+AT
minusAT
+AD
minusAD
o
BminusT
+BT
minusBD
+BD
di
minusCT
+CT
minusCD
+CD
N
A B C
o
0 t
triv Acontrolv Bcontrolv Ccontrolv
0
BNANAB vvv minus=
t
dV
之基本波1LLv
ANv
0 t
dV
t0
BNv
dV
三相電壓源反流器之脈波寬度調變切換的功能為在固定輸入直流電壓下用以調整三相輸出電壓之振幅及頻率三相脈波寬度調變方式由三相各差120度的控制電壓與三角波作比較其波形與單相全橋式反流器採用脈波寬度調變單極性切換者類似
最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法
33最大功率追蹤最大功率追蹤最大功率追蹤最大功率追蹤
為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點本文使用本文使用本文使用本文使用擾動觀察法擾動觀察法擾動觀察法擾動觀察法(Perturbation and Observation Method PampQ)進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功率追蹤率追蹤率追蹤率追蹤由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點下圖為擾動下圖為擾動下圖為擾動下圖為擾動觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖為利用為利用為利用為利用DCDC轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作時時時時其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為0之特性之特性之特性之特性使用使用使用使用DCDC轉換器控制太陽轉換器控制太陽轉換器控制太陽轉換器控制太陽能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動
擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖
最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法
左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖蹤示意圖蹤示意圖蹤示意圖太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分為兩個特性區域為兩個特性區域為兩個特性區域為兩個特性區域假設進行追蹤假設進行追蹤假設進行追蹤假設進行追蹤時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時電壓電壓電壓電壓的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率增加增加增加增加若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出功率減少功率減少功率減少功率減少經由經由經由經由DCDC轉換器調轉換器調轉換器調轉換器調節太陽能板與節太陽能板與節太陽能板與節太陽能板與DCDC轉換器的阻轉換器的阻轉換器的阻轉換器的阻抗相互匹配抗相互匹配抗相互匹配抗相互匹配進而得到太陽能板進而得到太陽能板進而得到太陽能板進而得到太陽能板的最大輸出功率的最大輸出功率的最大輸出功率的最大輸出功率
擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖
4軟體規劃
bull 系統控制程式主要分為主程式固定週期中斷副程式市電電壓零交越中斷副程式等三大部分以下將分別介紹各部分程式流程
bull 本系統主程式主要執行數位訊號處理器周邊暫存器的初始設定以及變數宣告其中除了變數宣告外周邊暫存器的初始設定包括有規畫中斷向量設定計數器之計數模式計數週期中斷的時間和PWM 輸出模式等相關參數設定
bull 如圖8 所示系統初始設定後必須先等待中斷發生才能決定系統是否執行固定週期中斷程式或零交越中斷副程式
bull 圖9 為固定週期中斷副程式流程圖固定週期中斷頻率與換流器開關之切換頻率相同為20kHz程式開始會先偵測太陽能板電壓及電流與直流鏈電壓當確定市電電壓零交越中斷發生時必須先將輸出弦波訊號之指標強制為原點重新送出單位弦波確保換流器輸出電流與市電電壓能維持同相位接著比較太陽能板輸入電壓VPV 是否大於最低工作電壓VPV_work如果確定大於最低工作電壓則致能太陽能最大功率追蹤反之則禁能系統動作程式返回圖9 中的正弦脈寬調變副程式主要功能在於決定換流器中開關的動作順序與責任週期大小以及輸波參考訊號
bull 圖10 為太陽能最大功率點追蹤副程式流程圖在文中對最大功率追蹤採用擾動與觀察法配合太陽能光電板的電壓mdash功率特性曲線即可瞭解程式如何完成太陽能光電板最大功率點追蹤
主程式流程圖
5實驗
bull 依據上述的分析採用DSP 2407A 建立一個500W 太陽光電池電能轉換系統依據圖11 之
bull 電路架構其規格與元件參數分別列於表一表二及表三系統實驗波形圖12圖13圖14 及
bull 圖15 為系統操作在獨立運轉模式下負載分別為120W240W360W 及480W 時之換流器輸出
bull 電壓及輸出電流之實測波形
系統規格與元件參數
實測波形
6實務應用系統實務應用系統實務應用系統實務應用系統
獨立系統示意圖獨立系統示意圖
考慮點
系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等安全係數最佳化設計複雜)
一般充電控制器無 MPPT搭配蓄電池使發電效能較差
蓄電池每日gt50DOD深度放電gt02C充電壽命短
太陽光發電量與負載需求量不搭配時太陽光之發電能量利用率偏低 (負載需求搭配與安全係數為互相矛盾之設計)
PV-柴油發電機PV-風力等混合系統為改善之方法
市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台
電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池
併聯系統示意圖併聯系統示意圖
緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析
1 系統設置成本高建議使用於邊際效益高之用電（防災緊急輔助電力）
2 總體經濟效益減少環境污染解決尖峰用電之不足與短缺能源多元化之風險分擔與開創自主能源
3 遮蔽陽光直曬降低建築物之熱效應（被動省能）同時轉換太陽光為電能供應建物自主能源（主動節能）一舉兩得
緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較
30萬元divide21900kWh＝137元度2萬元divide50kWh＝400元度每度電成本
日發電度數times365天times20年＝3hrtimes1kWtimes365天times20年＝21900kWh（度）
（年停電＋年測試運轉時數）times10年＝（20mintimes6次＋15mintimes12月）times10年＝5hrtimes1kWtimes10年＝50kWh
總發電度數（1kw計）
夜間不發電（可利用蓄電池設計供電年維運費02）
噪音空污油料運輸儲油危險維運成本高
缺點
利用露台屋頂牆面空間設備煙管隔音油槽需室內空間
設置空間
平時緊急時均可使用隨時可了解運轉狀況不須操作
加ATS停電時方可啟動需人員每月定期測試運轉
系統運作
太陽光潔淨能源（免費）柴油使用燃料
20年7~10年使用壽命
1kW=30萬元1kW=2~3萬元設置費用
太陽光發電系統柴油發電機
風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析
運用多元化能源分擔風險情況比較說明如下
1 市電--gt停電時風險極高
2 市電＋柴油發電機--gt發電機故障時風險高
市電＋柴油發電機＋太陽光發電系統--gt發揮三者優點互補同時故障機率小風險最低
案例
832kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide057＝317 m2
115kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide075＝332 m2
緊急時057平時065~08
綜合係數溫度變化污損線損Inverter效率＋蓄電池充放電補償
電力需求divide（日照強度times日照時間times模板效率times綜合係數）
模組面積估算
日照強度1kWm2
日照時間384hd
模板效率12
832kWhd500人用電量115kWhd770人用電量
緊急時平時
電力需求估算
緊急時40kWtimes384hdtimes057＝875 kWhd
平時40kWtimes384hdtimes075＝1152Whd
太陽發電系統發電量＝設置容量times日照時間times綜合係數
發電量計算
332m2times1kWm2times12＝398kW≒40kW
太陽發電系統設置容量＝設置面積times日照強度times模板效率
設置容量計算模板效率依太陽電池種類而異
進行模板陣列及蓄電池容量設計
40kWdivide18片串divide120W＝185列≒19
列
40kWdivide17片串divide120W＝196列≒20
列
陣列併列數＝設置容量divide單串功率
18片times120W＝2160W
17片times120W＝2040W
單串功率
300Vdivide169V＝1775片（取整數17 or 18）
陣列串聯數＝Inverter輸入電壓divide模板輸出電壓
模板陣列設計
1 模板功率120W
2 模板輸出電壓169V
3 直交流轉換器(Inverter)輸入電壓300V
120Wtimes17片串times20列＝40800W＝340片(最佳陣列)
120Wtimes18片串times19列＝41080W＝342片
最佳陣列較經濟之設置容量選擇最佳陣列
蓄電池數量＝144個times2列＝288個
120640Whdivide288Vdivide200Ah＝21列≒2列
併列數＝蓄電池需求容量divideInverter額定電壓
288Vdivide2V＝144個
串聯數＝Inverter額定電壓divide蓄電池電壓串併數設計
middot 蓄電池電壓2V個
middot 蓄電池容量200Ah個
Inverter電壓輸入電壓 額定電壓300V 288V200V 192V
蓄電池需求容量＝832kWhdtimes1dtimes145＝12064kWh
蓄電池需求容量＝緊急電力需求times無日照天數times補償係數補償係數蓄電池內阻抗放電停止電壓電壓降低補償
蓄電池需求容量設計
middot 補償係數145
無日照天數1日
61市電相關規定市電相關規定市電相關規定市電相關規定
1 發電設備併接於低壓系統者其總容量未滿100kW且技術無困難者得併接於單相三線110V220V三相三線220V之配電系統若總容量在100kW以上而未滿500kW得分別併接於3相4線220V380V之配電系統
2 發電設備總容量在500kW以上而未滿5000kW10000kW且技術無困難者得分別併接於114KV228KV之高壓配電系統
3 電設備總容量在10000kW以上而未滿40000kW者得併接於特高壓之系統
4 發電設備總容量在40000kW以上者依個案研討分類
併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類
發電系統經由發電系統經由發電系統經由發電系統經由110V220V110V220V110V220V110V220V併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者發電設發電設發電設發電設備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能
1 過電壓保護 低電壓保護
2 低頻保護 高頻保護
3 過電流保護 零相過電壓接地保護
4 發電設備為無逆送電力者須加裝逆電力保護
5 發電設備為有逆送電力者必須具備主動及被動防止單獨運轉保護
發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經110V220V110V220V110V220V110V220V系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者在電在電在電在電源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器
發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業114KV228KV114KV228KV114KV228KV114KV228KV之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者((((高高高高壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶))))發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Extremely Inverse特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Extremely Inverse特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過流電驛(67)須具Normal Inverse特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
發電設備併接於電業69KV特高壓輸電系統者發電設備之輸出端至少應具有下列同等保護功能並須與電業該轄區之保護設備協調
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Normal Inverse之特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Normal Inverse之特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過電流電驛(67)須具Normal Inverse之特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
8 快速及後衛保護電驛如系統保護需要時應裝設
9 匯流排電驛採用GIS斷路器者應裝設
62626262太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範
1 故障電流
太陽光電發電系統大於100kW以上須計算故障電流其送至電業系統之故障電流不得影響電業及其他用戶斷路器之起斷容量否則需裝置限流電抗器
太陽光電發電系統之隔離變壓器接地方式須與電業之系統配合
2 正常電壓變動率應維持在plusmn5以內
3 太陽光電發電系統與電業間之責任分界點的功率因數以維持85落後至100之間運轉為原則
4 諧波污染限制應依照「電力系統諧波管制暫行標準」辦理
分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性
適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯型之規範型之規範型之規範型之規範
電力轉換器電力轉換器電力轉換器電力轉換器(電力調節器電力調節器電力調節器電力調節器)(InverterConditioner)
蓄電池蓄電池蓄電池蓄電池(Battery))
63大型(商用)太陽光發電系統應用(gt1 kWp)
太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統
單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池(Unit Solar Cell)
太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板(PV Module)
太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列(PV Array)
太陽光發電系統應用獨立系統
(A) 獨立系統(Stand-Alone
System)
bull 蓄電池保護壽命
(B) 混合型交流獨立系統 (Hybrid
System)
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
直流負載PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
整流器
輔助發電機
PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載- ~PCU
直直直直交流轉換器交流轉換器交流轉換器交流轉換器
太陽光發電系統應用併聯系統
(D)併聯系統(Grid-
connected System)
特殊功能1 最佳效能2 防止獨立運轉(連線保護)
3 可自力運轉
(E) 防逆流型系統(Off-line System)
(F) 防災型併聯系統
充電控制器
蓄電池
直交流轉換器
PCU太陽電池組列
交流負載
ATS
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
獨立型系統
適用地點高山離島基地台hellip等市電無法到達處
工作方式白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
必須可以自給自足
缺點bull 系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等
安全係數設計很困難)
bull 蓄電池建置複雜成本很高壽命很短
bull 負載搭配不良時發電效能不佳利用率將偏低
bull 需由專人隨時維護
bull 混合系統為一種解決方法
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
PCU
併聯型系統
適用地點電力正常送達之任何地點工作方式 bull 白天 PV系統併聯發電夜間由台電供電bull 將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的蓄電池
優點bull 系統簡單不需安全係數設計(依預算設計)不需要專人維護bull 併聯發電效率高利用率高
缺點bull 停電時無電可用bull 受併聯法規限制尚未開放(但即將開放)
bull 有孤島效應之疑慮(目前技術上已解決)
改善型無電池自力運轉
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
市電併聯型住宅用太陽光發電系統
太陽光發電系統發電及負載用電對時間之關係
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
併聯型直交流轉換器之效能要求較高
1 最大功率追蹤(Maximum Power Tracking MPT)
2 高轉換效率 gt 90 (PWM+電力電子元件)
3 高次諧波功率 Distortion (lt5 total)
4 自動開關機(白天夜晚)
5 過負載保護過溫度保護
6 體積小重量輕室外防水防塵
7 電腦界面可遠端監控
8 防止獨立運轉(連線保護)
9 可自力運轉
太陽電池組列
交流負載
直交流轉換器MPT
Power Conditioner
併聯系統之獨立運轉(單獨運轉)
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull停電時單一併聯系統將會停止運作
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
bull 市電停電時多數併聯系統仍聯合運作將對電力公司人員產生嚴重危害
孤島效應之防止方法
停電偵測1 過電壓低電壓
2 過頻率低頻率
3 被動式偵測如
bull 電壓與頻率監視方式
bull 電壓相位跳躍監視方式
bull 高次諧波監視方式
bull 頻率變化監視方式
PV組列
直交流轉換器
自家負載
4 主動偵測如
bull 頻率Shift方式
bull 配電線負載變動方式
bull 有效電力變動方式
bull 無效電力變動方式
反應時間05~2秒
資料來源「日本電氣用品試驗所」分散型電源系統連系技術指針(1998)
併聯系統之自力運轉功能
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull 大停電後白天有陽光時以人工啟動 PV 系統進行自力運轉供自家負載使用(但夜間無法使用)
防災型併聯型系統
適用地點有防災需求(照明汲水通信hellip)之公共設施
工作方式
bull 平時PV併聯發電(電池浮充) 效率高利用率高夜間由台電供電
bull 視需要建置供防災用電池大停電時白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
缺點bull 含電池成本較高bull 系統較複雜需專人定期維護
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
FAQ1太陽光發電需要多少土地
效率 = (輸出功率W) (組列面積 m2 x 日照強度 Wm2 ) x 100
模板面積 m2 = 輸出功率W (效率 x日照強度Wm2 ) x100
bull 假設使用效率gt136 模板於1000 Wm2 (AM15)日照強度下
10 kWp 模板面積 (m2) = 10000 (0136 x 1000) ~ 735 m2
10 kWp PV系統土地面積需求約
~ 735 m2 x 15 x 11
~ 121m2 (~36坪)
(包括陰影面積及維修空間)
bull 假設使用效率~10 模板
則模板面積約 ~ 100 m2
土地面積需求約 ~ 165m2 (~50坪)
gt55o
夏至
冬至
春秋分
235o 235oh
L1 L2
FAQ2太陽電池一年能發多少電
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
10 kWm2
05 kWm2
日照強度
等效日照時數(Sun Hour)
組列單日發電量 = 組列額定輸出功率 x 等效日照時數
bull 預估1 kWp 組列單日發電量 = 1 (kW) x ex 4(Sun Hour)= 4 kWh
組列年發電量 = 組列額定輸出功率 x 年平均每日日照時數 x 365
bull 預估 1 kWp 組列年發電量 = 1 x 4 x 365 = 1460 kWh
時間時間時間時間
FAQ3太陽光發電的成本(簡易估算)
1 假設目前太陽光發電系統設置成本約為 NT$ 280000 kWp
2 假設年平均每日日照時數約為 25 Sun Hour (台灣中南部地區)
bull 1 kWp 組列單日發電量= 1 (kW) x 25 (Hour)= 25 kWh
bull 1 kWp 組列年發電量= 25 x 365 = 913 kWh (度)
3 假設太陽光發電系統使用壽命為 20 年
bull 1 kWp 太陽光發電系統總共可發電 20 x 913 = 18260 度
4 生產每度電之成本約為 280000 18260 ~ NT$ 153
5 未來發展趨勢
bull 太陽光發電系統設置成本將逐年降低
bull 市電電費將會升高(國內目前約 NT$ 3 度日本約NT$ 7 度)
bull 傳統能源限制再生能源獎勵利率降低
64獨立型太陽光發電系統應用例(一)
bull太陽電池時鐘-日本bull太陽電池路燈-日本千里住宅公園
獨立型太陽光發電系統應用例(二)
bull太陽電池交通標誌-日本北海道 bull高速公路緊急電話-日本
獨立型太陽光發電系統應用例(三)
bull800W無線通信中繼基地台韓國(1998)
獨立型太陽光發電系統應用例(四)
bull離島用90kW獨立型發電系統韓國Ho-Do島(1992)
併聯型太陽光發電系統應用例(一)
bull設置於屋頂之住宅用太陽光發電系統(建材一體型日本千里住宅公園內住宅設計之一)
併聯型太陽光發電系統應用例(二)
bull日本東海線新幹線京都車站之太陽光發電系統(100kWp)
併聯型太陽光發電系統應用例(三)
bull日本京瓷(Kyocera)京都總公司大樓之太陽電池發電系統(220kWp)
太陽光發電發電廠應用例
太陽電池發電廠
(PV Power Plant)
資料來源 ANIT
Srl Italy
建材一體型太陽電池模板應用例
bull資料來源 Pilkington Solar International GmbH 德國
太陽能車應用例
Honda Dream
bull資料來源 PV Special Research
Centre UNSW Australia
交大太陽能車
bull資料來源 National Chiao-Tung
University Taiwan
太陽光發電航太應用例(NASA Helios )
bull空中無線通訊平台應用
資料來源SkyOne Inc Taiwan
bull 飛行高度5-7 萬英呎(最高記錄 96000 英呎)
bull 時速60 mph (起飛 25 mph)
bull 翼展247 英呎bull 重量2000 磅bull 太陽電池效率要求gt22
資料來源httpwwwaerovironmentcomhomehtml
清雲技術學院 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
個人住宅 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
勤益技術學院 3kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
南台科技大學 10kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
總統府 10kWp 獨立型太陽光能發電系統 (9012)
海巡署南沙太平島 20kWp 混合型(柴油發電機)太陽光能發電系統 (9011)
90能源基金示範補助成果例
台電樹林 20kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
併聯型
台電台北市區處 20kWp 太陽光發電系統
(91能源基金示範補助成果)
併聯型
7結論
bull (1)提高電力轉換器效率
bull 轉換器的損失主要來自於開關切換時之損失為了可以降低濾波電路中電感和電容的體積可以提高切換頻率但是相對於開關的切換損失也因此而增加導致轉換器的效率降低因此發展零電壓或零電流切換技術應用於高切換頻率之轉換器將可以提高轉換器的效率
bull (2)提高太陽光發電系統之整體效率
bull 傳統之太陽光發電系統包含儲能系統和供電系統前級利用DCDC轉換器作最大功率追蹤後級則利用DCAC轉換器轉換能量供應給交流負載為了提高太陽光發電系統的整體效率在研究可提出了模組並聯控制技術以提昇各級電力轉換器的效率而在未來太陽光發電系統也將著重在單級電力轉換器的設計對於整體系統效率有較明顯的改善
8參考資料
1許國強ldquo太陽光發電原理與應用工研院材料所 薄膜技術組91年
2華志強黃崇倫ldquo智慧型能量控制於太陽光電能轉換系統國立雲林科技大學電機工程學系電力研討會97年
3林政達ldquo數位式市電並聯換流器與快速鎖相迴路控制器之研製國立雲林科技大學電機工程學系碩士論文92 年
4李思賢ldquo數位式單相低功率太陽光電能轉換系統國立中山大學電機工程學系碩士論文92 年
5洪世杰ldquo適用於再生能源之市電併聯型雙輸入供電系統國立中正大學電機工程研究所碩士論文93 年
6王廷興ldquo太陽能發電配電設計概要台北科技大學冷凍空調系 92年
7魏榮宗王文宏ldquo高效率太陽光電能源轉換系統 元智大學電機工程學系94年
[ ] 100)25(
)11
(exp
1)(exp
3
λminus+=
minus
=
+minus
minus+minus=
TKII
TTBk
qE
T
TII
where
R
IRVIRV
AkT
qIII
ISCRLG
r
GO
r
oros
sh
ssosLG
VI cell output current and voltagecell reverse saturation currentcell temperature in CBoltzmannrsquos constantelectronic chargeshort circuit current temperature coefficientsolar irradiation in Wmshort-circuit current at 25 Cand 1000 Wm
light-generated currentband gap for siliconideality factorsreference temperaturecell saturation current atshunt resistanceseries resistance
osI
T
kq
00170=IK
SCRIλ
LGI
GOE
921== ABKTr deg= 18301
orI
shR
sR
附錄附錄附錄附錄- 太陽能電池太陽能電池太陽能電池太陽能電池
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
(a) Equivalent circuit of a PV module and
(b) Typical PV module current-voltage and power-voltage characteristics
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
Characteristic of a PV module with temperature and irradiation (a) constant irradiation and varying temperature and (b) constant temperature and varying irradiation
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
系統範例系統範例系統範例系統範例
中途驛站電化PV離島用PV系統山岳地帶PV系統離島偏遠區
勤務指揮中心緊急避難所醫療院所公園學校地震觀測站森林嘹望台避難指示燈氣象觀測所水位警報PV系統河川安全燈防波堤安全PV燈
緊急防災
緊急供電系統管線電氣防蝕輸油管流量計PV系統市場廣告塔海上石油平台各種計測站PV系統發電廠情報指揮中心
產業用
住宅用供電系統緊急供電系統緊急照明系統帷幕牆遮陽棚採光罩屋瓦建築物
無線通信用中繼站基地台緊急電話中繼站電話通信PV系統Radio受信PV系統微波中繼站
通訊
農宅用電溫室栽培PV系統農業灌溉用自動灑水系統農牧電籬牛乳冷藏漁業養殖揚水通氣自動餵食器
農林漁牧
路燈交通號誌道路指示牌標誌燈太陽能電動車充電站高速公路緊急電話偏遠道路緊急電話停車計時器停車場控制門系統高速公路防音壁PV系統公路休息區PV系統太陽能車平交道指示燈候車亭PV系統車站屋頂型PV系統
道路交通
收音機測電表手錶計算機太陽能照相機手電筒電池充電器野營燈民生
應用領域
常見的太陽電池及模板外觀常見的太陽電池及模板外觀常見的太陽電池及模板外觀常見的太陽電池及模板外觀常見的太陽電池及模板外觀常見的太陽電池及模板外觀常見的太陽電池及模板外觀常見的太陽電池及模板外觀
單晶矽太陽電池外觀 單晶矽太陽電池典型結構
太陽電池外觀與構造(單晶矽)
1 清洗蝕刻
2 磷擴散
P-type wafer
單晶矽太陽電池製程步驟例(I)
3 鍍抗反
射層
4 網印
5 燒結
單晶矽太陽電池製程步驟例(II)
11太陽光發電(Photovoltaic)原理 (I)
太陽電池是以 P 型與 N 型半導
體材料接合構成正極與負極
當太陽光照射太陽電池時光
的能量會使半導體材料內的
正負電荷分離
正負電荷會分別往正負極
方向移動並且聚集
將太陽電池正負極接上負載
時將有電流流出可以對負
載作功(燈泡會亮馬達會轉)
正極P 型
負極N 型
P
N
P
N
P
N
-++
-
+
-+
-+
+ + + + +
- - - - -
--
+
-+
正負電荷
+
-
+
-
+
-
太陽光
太陽光
太陽光
電流
-+
PN(不照光平衡狀態)
EfEv
Ec
N P P
N
P
N
P
N
P
N
光子(Photon)
-+-+
-+
-+
-+
+ + + + +
- - - - -
-+
-+
-+
太陽光發電(Photovoltaic)原理 (II)
-
+
Photon
+
+
-
-
- -
++
Ef
Ev
Ec
PN(照光狀態)
++
-
- -
+
+
--
+
-
+
Photon
多數載子
多數載子
少數載子
少數載子
+
-
多數載子
多數載子
電子-電洞對(Electron-
hole pair)
EvN Type
SemiconductorP Type
Ef
Ec
Ef
Ev
Ec
電子位能
Ec conduction band
Ev valence band
Ef Fermi level
I=I0 (eVaVT-1)-Isc
Isc = -I (短路電流 V=0)
Voc = aVTln(Isc I0 +1) (開路電壓
I=0)
I0 (逆向漏電電流) prop ni prop e-Eg
RshID
Isc
+
----
v
I
RL
Rs
太陽電池等效電路與電氣特性
+I
+V
-V
Dark
VocV
Photo
Isc
I
Pm
I0
太陽電池等效電路 常用太陽電池電路符號
VocVm
Im
Isc
Pm
太陽電池 I-V 特性曲線分析
FF(Fill Factor) = (Vm x Im Voc x Isc) x 100 (越高越好)
ηηηη (Efficiency) = (Vm x Im Pin) x 100 (越高越貴)
bull Pin (Incident Power) = A (hc λ) bull N(λ) dλ
bullλ wavelength (microm)
bull N(λ) Number of photonm2 bull sec
bull A Area (m2)
bull h Plank constant c light speed
Voc開路電壓
Isc短路電流
Pm最大輸出功率值
Vm最大輸出功率時之電壓
Im最大輸出功率時之電流
太陽電池開路短路時皆不會燒毀
0
電壓源
電流源
利用串並聯組成模板與組列提供所需的工作電壓與電流
VocVm
Im
Isc
Pm
12太陽電池之串並聯使用
VocVm
Im
IscPm
VocVm
Im
Isc
Pm
太陽電池模板之構成
+
-
太陽電池模板結構太陽電池模板外觀太陽電池模板接線
正面
強化玻璃
EVA
TedlarTM (Dupont)
EVA
Polyester
TedlarTM (Dupont)
0125
0015
Cells0014
0015
00015
0002
00015
背面
單元太陽電池
太陽電池模板之規格範例
η (Efficiency) = (Vm x Im Pin) x 100
單晶矽模板效率 = (354 V x 495 A) ( 129 m2 x 1000 Wm2 ) x100
= 1358
單晶矽模板效率 = 1302
種類
項目單晶矽 多晶矽
額定輸出功率(Wp) 175 125
開路電壓(V) 444 323
短路電流(A) 555 546
最大輸出工作電壓(V) 354 260
最大輸出工作電流(A) 495 48
輸出最大功率(W) 175 125
尺寸(mm)W15736timesL826
timesH46
W1200timesL802
timesH46
重量(kg) 17 125
測定條件日照強度 AM151000Wm2Module 溫度 25
何謂AM0AM1AM15
Wavelength (microm)
Spec
tral
Irr
adia
nce
(Wm
-2micro
m-1) AM0
AM15
AM 即 Air Mass(不同 Air Mass 代表不同太陽光光譜)
bull AM0 (Air Mass 0) ~ 1400 W bullm-2
bull AM1 (Air Mass 1) ~ 1000 W bullm-2
bull AM15 (Air Mass 15) ~ 844 Wbullm-2
AM15 1000 Wbullm-2 (IEC 891 IEC 904-1)
Earth
AM0
AM1
AM15
大氣層
45o
太陽電池直接驅動負載如馬達等(應用於玩具車船馬達音樂卡片hellip)
bull 電力現買現賣
bull 負載匹配(容量與電壓)
bull 溫度效應
bull 搭配(超高)電容可以提高效能
太陽電池(直流)基礎應用範例(I)
I M
+
-
C
圖片資料來源httpshoppingyahoocom httpwwwsolar-icomSampYhtml
太陽電池先對電池充電再由電池供應負載(應用於玩具車船電動機械夜間燈光計算機鐘錶3C產品hellip)
bull 電力零存整付
bull 太陽電池電池電壓匹配
bull 溫度效應
bull 使用阻隔二極體
bull 電池過充放電保護
太陽電池(直流)基礎應用範例(II)
I負載
+
-
電池
圖片資料來源httpshoppingyahoocom httpwwwsolar-icomSampYhtml
FAQ1太陽電池應用效能不佳太陽電池之負載匹配(Load Matching)
RshID
IL
+
----
v
I
RL
Rs
bull Efficiency of a PV system is strongly affected by load matching
bull Measurement of I-V Characteristic curve is important
VocVm
Im
Isc
Pm
RL 1
RL 3
RL 2 Battery voltage
RL
----
+
不同日照強度下太陽電池 I-V 特性曲線
bull 最大輸出功率隨日照強度而改變並非永遠等於額定值
0
1
2
3
4
5
6
7
0 10 20 30 40 50
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
1000Wm2 (AM1)
500Wm2 (05AM1)
不同溫度下太陽電池 I-V 特性曲線
bull太陽電池溫度升高時輸出電壓與最大輸出功率降低
0
1
2
3
4
5
6
7
0 10 20 30 40 50
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
75oC 50oC 25oC 0oC
Battery voltage
0
1
2
3
4
5
6
7
0 10 20 30 40 50
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
500Wm2 (05AM1)
1000Wm2 (AM1)
太陽電池之動態負載匹配(日照變化)
RL(high)
RL(low)
bull Maximum power tracking is required in high efficiency PV system
太陽電池 I-V 特性曲線測量方法
VocVm
ImIsc Pm
C+
-
A
VR
A
V
A
V可程式負載
模擬陽光使用鎢絲燈氙燈Solar Simulator 或太陽光
Pm lt few10 W Pm lt few 100 W Pm lt 100 kW
Solar Simulator Array Tester
圖片資料來源httpwwwspiresolarcomSolarequipmenthtml
太陽於天球(Celestial Sphere)上運行之軌跡
冬至 春秋分 夏至 冬至 春秋分 夏至 春秋分 夏至
北緯 0o 北緯 45o 北緯 90o
(赤道) (北極)
天球
太陽運行軌跡與太陽電池仰角
冬至 夏至春秋分
所在緯度235o
235o47o0o
47o 235o
13太陽電池組列仰角與間隔設計例
bull組列仰角~235o (台灣地區)
bull h=組列總高度( lt 15 m)
bull L2=h tan(55o) = 057 L0
(55o可適用於冬至0900~1500)
bull水平角度=正南 plusmn5o
235o
55o
235o
夏至
冬至
春秋分
235o 235o
南
h = 04 L0
L1= 092 L0L2 = 057 L0
L0
L1 + L2 = 15 L0
2零交越偵測電路分析
bull 零交越偵測電路如圖1 所示主要目的在於檢測輸入弦波電壓之零交越點其電路輸出為ㄧ方波信號利用方波上緣信號觸發數位訊號處理器之外部中斷腳位進而進行相位同步之功能[4]零交越偵測電路輸入與輸出波形如圖2 所示相位同步控制當數位訊號處理器發生上緣觸發時此觸發訊號如同系統重置訊號將正弦表指標變數歸零一經重置後指標變數又開始計數藉由每週期ㄧ次的重置訊號迫使換流器輸出達到同步相位同步控制波形示意圖如圖3 所示圖4 為零交越偵測電路輸出實測圖[4]
3系統電路架構與動作模式
bull A
bull 本文所述之系統為一太陽光電能轉換系統方塊圖如圖5 所示主要部分包括太陽能板直流-直流轉換器全橋式換流器數位訊號處理器感測迴授電路與驅動電路此一系統之基本動作情況為一般情況下斷路器1 和斷路器2 均為導通狀態此時太陽光電能轉換系統與電力網路處於連結運轉模式而當電力網路供電中斷時斷路器2 將被斷路以避免孤島現象的發生反之若是太陽光電能轉換系統發生故障時斷路器1 將被斷路以避免電力網路受到其故障的影響
31系統電路架構與動作模式
bull B
bull 電路工作模式bull 此一太陽光電能轉換系統主要有兩種工
作模式以下為二種工作模式的操作說明
bull (1) 獨立運轉模式bull 如圖6 所示獨立運轉模式為當電力網
路供電中斷時斷路器2 將被斷路而此時太陽光電能轉換系統將操作在電壓控制模式下提供負載一穩定的輸出電壓
bull (2) 與電力網路連結運轉模式bull 如圖7 所示與電力網路連結運轉模式
將太陽光電能轉換系統與電力網路連結運轉也就是斷路器1 和斷路器2 同時導通此時系統將操作在電流控制模式下首先經由最大功率點追蹤程式運算出瞬時最大功率點的電流參考值再根據此一電流參考值輸出一與電力網路電壓同相位的電流至負載或甚至回送至電力網路
31直流至直流切換式轉換器
典型直流至直流轉換器系統之構造如圖21所示其輸入通常為由線電壓整
流而得之非調節直流電壓然後再利用切換式直流至直流轉換器將此變動之
直流電壓轉換成一調節之直流電壓
無控制之二極體橋式整流器
交流線電壓
(單相或三相)
直流電壓
(無調節性)
濾波電容 (無調節性)
直流至直流轉換器 (具調節性)
負載
蓄電池
直流電壓 直流電壓
控制訊號1降壓式(step-down buck)轉換器
2升壓式(step-up boost)轉換器
3升降壓式(step-downstep-up buck-boost)轉換器
4全橋式轉換器
上述四種轉換器中只有降壓式及升壓式是最基本的轉換器電路架構升
降壓式轉換器是此二基本轉換器之結合而全橋式轉換器則是由降壓式轉
換器衍生而來
直流至直流轉換器之控制
直流至直流轉換器的作用即是在輸入電壓與輸出負載變動的情況下能夠調
節輸出電壓為所設定的位準電壓位準轉換之原理可以圖22(a)所示之簡單
電路來說明由開關導通與截止可得圖22(b)之波形其中輸出電壓vo平均
值大小Vo與開關之導通及截止時間(ton及toff)有關平均輸出電壓大小調整
之最典型的方式是採用脈波寬度調變法(Pulse-Width ModulationPWM)
其切換週期Ts(= ton+toff)為固定由調整導通時間之大小來改變平均輸出電
壓之大小Vo
+
_
Vd
R
+
_
Vo
0Vd
Vo
vo
tton toff
Ts
脈波寬度調變切換控制的方塊圖如
圖23(a)所示開關之切換控制信號
由控制訊號vcontrol與週期為Ts之鋸齒
波vst比較而得控制信號則由Vo之
實際值與設定值之誤差放大而得
vcontrol與vst比較所得之切換控制信號
的波形如圖23(b)所示當控制訊號
vst較大時則為高準位信號即使
開關導通反之為低準位信號即使
開關截止故開關之切換週期亦為
Ts 由以上的原理可知開關切換
之責任週期 (Duty Ratio)為D=tonTs
=vcontrolVst 其中Vst為鋸齒波之振
幅
放大器
+
-Vo
(設定)
(實際)
Vo
比較器
週期性波形 stv
切換控制訊號
控制訊號
0 t
$Vst
=stv 鋸齒波電壓
controlv (放大誤差)
On On
Off Off
stcontrol vv gt
stcontrol vv ltton toff
Ts
切換控制訊號
(切換頻率 fT
s
s
=1
)
升壓式直流至直流轉換器
圖211為升壓式轉換器電路主要用途為直流電源供應器與直流馬達之
再生制動(Regenerative Breaking)顧名思義其輸出電壓高過於其輸入
電壓當開關導通時二極體反向偏壓輸入電能儲存於電感負載電
能則由電容提供當開關截止時負載吸收輸入及儲存電感中之電能
-
L
CRVd
Vo
vL
iL
io
+
-
++
_
t0
t0
vL
iL
I L
Ts
toffton
_++
_
+
_
+ _+
_
+
_
iL
vL
Vd Vo
iL
vL
Vd Vo
)( dV
)( od VV minus
圖212所示為電感電流為連續之
穩態工作波形由穩態下電感電
壓一週期之平均值為零可得
0)( =minus+ offodond tVVtV
等號兩側除以Ts重新整理可得
Dt
T
V
V
off
s
d
o
minus==
1
1
假設電路無損失輸入功率
Pd=VdId 等 於 輸 出 功 率
Po=VoIo 則
)1( DI
I
d
o minus=
非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器
bullBoost之設計假設輸入10V輸出30V頻率50kHz輸出10W
所以D＝23
( ) s
o
o TDDP
VL
22
12
minusge
=6667uH
取75uH
D
VV in
o minus=
1
L
Vi
n
S Vo
+
_
C
DiL
vds
升降壓式直流至直流轉換器
升降壓式轉換器的主要用途為輸入與輸出之極性相反輸出電壓可以高於
或低於輸入電壓之直流電源供應器升降壓式轉換器可以由降壓式轉換器
與升壓式轉換式串接而成穩態下輸入與輸出電壓轉換器之比值為二轉換
器個別比值之乘積
D
D
V
V
d
o
minus=
1
因此變化責任週期D可使輸出電壓高於或低於輸入電壓
+
_
+
_
_
+
RC Vo
L
Vd
io
iLvL
id
降壓式直流至直流轉換器
降壓式轉換器顧名思義其作用為將較高準位的輸入電壓換成較低
準位的輸出電壓主要用途為直流電源供應器及直流馬達速度控制
圖22(a)所示為提供純電阻性負載之降壓式轉換器由圖22(b)可知其輸
出電壓波形由開關位置決定平均輸出電壓為
dd
s
onT
t
t
d
s
T
o
s
o DVVT
tddV
Tdv
TV
s
on
ons ==+== intintint )0(1
)(1
00ττττ
+
_
Vd
R
+
_
Vo
0Vd
Vo
vo
tton toff
Ts
32直流至交流切換式反流器
切換式直流至交流(DCAC)反流器(Inveter)乃用以將直流電源轉換成振幅
與頻率均可調之正弦式交流電源主要用途為交流馬達驅動與交流不斷
電電源供應器圖31為典型交流馬達驅動之反流器方塊圖其直流輸入
電壓通常由線電壓整流及濾波而得接著再利用切換式反流器改變輸出
電壓之振幅與頻率以驅動交流馬達切換式反流器功率之流通通常是
由直流至交流稱為反流模式但亦可以從交流至直流稱為整流模
式
+
_
交流馬達
二極體整流器 濾波電容 切換式反流器
Vd
三相交流電源
反流器包括單相及三相其輸入為直流電壓源者稱為電壓源反流器
(Voltage Source InverterVSI)另外若輸入為直流電流源者稱為電流
反流器(Current Source InverterCSI)目前僅應用在高功率之交流馬達
驅動器
1脈波寬度調變(PWM)反流器其輸入電壓通常為固定反流器本身具備變
頻及變壓的功能而變頻及變壓乃利用開關之脈波寬度調變切換控制達成
有許多類型之脈波寬度變技術可以使輸出電壓近似弦波
2方波(Square-Wave)反流器此反流器輸出電壓振幅乃由其輸入電壓調
整
反流器本身只控制輸出頻率交流輸出電壓波形近似方波因此乃稱方波
反流器
3採用電壓消去法(Voltage Cancellation)之單相反流器單相反流器當輸入
電壓為定值時可以利用電壓消去法來變頻及變壓而不須採用脈波寬度
調變其輸出電壓波形近似方波因此其結合了前述兩種反流器的特色
值得注意的是電壓消去法並不適用於三相反流器
切換式反流器之基本觀念
考慮圖33(a)之單相反流器假設其正弦輸出電壓vo是經過濾波所得若
輸出之負載為電感性(如馬達)則輸出電流io將落後vo 如圖33(b)所示
在期間1及3中 vo與io同號瞬時功率Po=voio為正故功率由直流側送至
交流側稱之為反流模式在期間2及4中 vo與io異號瞬時功率Po為負
故功率由交流側送至直流側稱之為整流模式圖33(a)之切換式反流器
在每一週期內會經歷平面上四個象限中之所有象限
單相切
換式變
流器與
濾波器
o
o
+
-
+
-
Vd
vo
id
io
0t
4 1 2 3
voio
io
vo
1反流器
4整流器
3反流器
2整流器
0
為清楚解釋起見以單臂反流器來說明
+
_
+
_
+ +
__
Vd
Vd
2
Vd
2
A
N
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
vAN
oo
o
反流器電路之脈波寬度調變切換技術如圖35(a)所示由一正弦波形控
制訊號vcontrol與三角波形vtri作比較三角波(又稱載波)之振幅為Vtri頻率
為fs fs決定反流器開關之切換頻率正弦波控制電壓vcontrol(又稱調制訊
號)之基頻f1決定反流器之輸出頻率而其振幅則決定反流器輸出電壓之
大小定義振幅調變指數為ma=Vcontrol Vtri 其中Vcontrol為vcontrol之振幅
而頻率調變指數則定義為mf = fs f1
0 t
vcontrol vtri
sf
1
0 t
vAo
V d
2
minusVd
2
t=0
v v
T on T off
control tri
A A
lt
minus + v v
T on T off
control tri
A A
gt
+ minus
1)( AoAo vv =之基本波
0 t
vcontrol vtri
sf
1
圖34反流器之開關的控制方法與io方向無關為
dAoAtricontrol VvTvv2
1=gt +導通
dAoAtricontrol VvTvv2
1minus=lt minus導通
由於二開關之導通為互補因此輸出電壓只在Vd 2與-Vd 2二值間作變
動圖35(b)所示為ma=08與mf =15時輸出電壓vAo及其基本波(以虛線表示)
之波形
+
_
+
_
+ +
__
Vd
Vd
2
Vd
2
A
N
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
vAN
oo
o
單相全橋式反流器
單相全橋式反流器如圖311所示乃由兩個前述之半橋反流器所組成在
相同之輸入電壓下全橋式反流器之最大輸出電壓為半橋式之兩倍這代
表在相同之功率下全橋式反流器之輸出及開關電流僅為半橋式之一半
此對於高功率用途是一大優點因其可以降低使用並聯元件之需求
+
_
+
_
+
_
Vd
Vd
2
Vd
2
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
v v vo Ao Bo= minuso
A
B
TBminus
TB+
DBminus
DB+
+_
id
o
o
N
雙極性電壓切換之脈波寬度調變
0 t
vcontrolvtri
sf
1
0 t
ov1ov
dV
dVminus
單極性電壓切換之脈波寬度調變
onBT +
trivgttricontrol vv gt
trivcontrolv
t
)( controlvminus
)( controlvminusonAT +
t1ov
dV
dVminus
)( BNAN
o
vv
v
minus=
應用雙極性電壓切換之脈波寬度調
變全橋式反流器乃 (TA+TB-)與 (TA-
TB+)成對切換且二者互相反相
應用單極性電壓切換之脈波寬度調
變全橋式反流器乃A臂與B獨立切
換且同臂二開關互相反相
三相反流器
+
-
+
-
+
-
dV
2dV
2dV
+AT
minusAT
+AD
minusAD
o
BminusT
+BT
minusBD
+BD
di
minusCT
+CT
minusCD
+CD
N
A B C
o
0 t
triv Acontrolv Bcontrolv Ccontrolv
0
BNANAB vvv minus=
t
dV
之基本波1LLv
ANv
0 t
dV
t0
BNv
dV
三相電壓源反流器之脈波寬度調變切換的功能為在固定輸入直流電壓下用以調整三相輸出電壓之振幅及頻率三相脈波寬度調變方式由三相各差120度的控制電壓與三角波作比較其波形與單相全橋式反流器採用脈波寬度調變單極性切換者類似
最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法
33最大功率追蹤最大功率追蹤最大功率追蹤最大功率追蹤
為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點本文使用本文使用本文使用本文使用擾動觀察法擾動觀察法擾動觀察法擾動觀察法(Perturbation and Observation Method PampQ)進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功率追蹤率追蹤率追蹤率追蹤由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點下圖為擾動下圖為擾動下圖為擾動下圖為擾動觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖為利用為利用為利用為利用DCDC轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作時時時時其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為0之特性之特性之特性之特性使用使用使用使用DCDC轉換器控制太陽轉換器控制太陽轉換器控制太陽轉換器控制太陽能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動
擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖
最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法
左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖蹤示意圖蹤示意圖蹤示意圖太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分為兩個特性區域為兩個特性區域為兩個特性區域為兩個特性區域假設進行追蹤假設進行追蹤假設進行追蹤假設進行追蹤時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時電壓電壓電壓電壓的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率增加增加增加增加若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出功率減少功率減少功率減少功率減少經由經由經由經由DCDC轉換器調轉換器調轉換器調轉換器調節太陽能板與節太陽能板與節太陽能板與節太陽能板與DCDC轉換器的阻轉換器的阻轉換器的阻轉換器的阻抗相互匹配抗相互匹配抗相互匹配抗相互匹配進而得到太陽能板進而得到太陽能板進而得到太陽能板進而得到太陽能板的最大輸出功率的最大輸出功率的最大輸出功率的最大輸出功率
擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖
4軟體規劃
bull 系統控制程式主要分為主程式固定週期中斷副程式市電電壓零交越中斷副程式等三大部分以下將分別介紹各部分程式流程
bull 本系統主程式主要執行數位訊號處理器周邊暫存器的初始設定以及變數宣告其中除了變數宣告外周邊暫存器的初始設定包括有規畫中斷向量設定計數器之計數模式計數週期中斷的時間和PWM 輸出模式等相關參數設定
bull 如圖8 所示系統初始設定後必須先等待中斷發生才能決定系統是否執行固定週期中斷程式或零交越中斷副程式
bull 圖9 為固定週期中斷副程式流程圖固定週期中斷頻率與換流器開關之切換頻率相同為20kHz程式開始會先偵測太陽能板電壓及電流與直流鏈電壓當確定市電電壓零交越中斷發生時必須先將輸出弦波訊號之指標強制為原點重新送出單位弦波確保換流器輸出電流與市電電壓能維持同相位接著比較太陽能板輸入電壓VPV 是否大於最低工作電壓VPV_work如果確定大於最低工作電壓則致能太陽能最大功率追蹤反之則禁能系統動作程式返回圖9 中的正弦脈寬調變副程式主要功能在於決定換流器中開關的動作順序與責任週期大小以及輸波參考訊號
bull 圖10 為太陽能最大功率點追蹤副程式流程圖在文中對最大功率追蹤採用擾動與觀察法配合太陽能光電板的電壓mdash功率特性曲線即可瞭解程式如何完成太陽能光電板最大功率點追蹤
主程式流程圖
5實驗
bull 依據上述的分析採用DSP 2407A 建立一個500W 太陽光電池電能轉換系統依據圖11 之
bull 電路架構其規格與元件參數分別列於表一表二及表三系統實驗波形圖12圖13圖14 及
bull 圖15 為系統操作在獨立運轉模式下負載分別為120W240W360W 及480W 時之換流器輸出
bull 電壓及輸出電流之實測波形
系統規格與元件參數
實測波形
6實務應用系統實務應用系統實務應用系統實務應用系統
獨立系統示意圖獨立系統示意圖
考慮點
系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等安全係數最佳化設計複雜)
一般充電控制器無 MPPT搭配蓄電池使發電效能較差
蓄電池每日gt50DOD深度放電gt02C充電壽命短
太陽光發電量與負載需求量不搭配時太陽光之發電能量利用率偏低 (負載需求搭配與安全係數為互相矛盾之設計)
PV-柴油發電機PV-風力等混合系統為改善之方法
市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台
電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池
併聯系統示意圖併聯系統示意圖
緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析
1 系統設置成本高建議使用於邊際效益高之用電（防災緊急輔助電力）
2 總體經濟效益減少環境污染解決尖峰用電之不足與短缺能源多元化之風險分擔與開創自主能源
3 遮蔽陽光直曬降低建築物之熱效應（被動省能）同時轉換太陽光為電能供應建物自主能源（主動節能）一舉兩得
緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較
30萬元divide21900kWh＝137元度2萬元divide50kWh＝400元度每度電成本
日發電度數times365天times20年＝3hrtimes1kWtimes365天times20年＝21900kWh（度）
（年停電＋年測試運轉時數）times10年＝（20mintimes6次＋15mintimes12月）times10年＝5hrtimes1kWtimes10年＝50kWh
總發電度數（1kw計）
夜間不發電（可利用蓄電池設計供電年維運費02）
噪音空污油料運輸儲油危險維運成本高
缺點
利用露台屋頂牆面空間設備煙管隔音油槽需室內空間
設置空間
平時緊急時均可使用隨時可了解運轉狀況不須操作
加ATS停電時方可啟動需人員每月定期測試運轉
系統運作
太陽光潔淨能源（免費）柴油使用燃料
20年7~10年使用壽命
1kW=30萬元1kW=2~3萬元設置費用
太陽光發電系統柴油發電機
風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析
運用多元化能源分擔風險情況比較說明如下
1 市電--gt停電時風險極高
2 市電＋柴油發電機--gt發電機故障時風險高
市電＋柴油發電機＋太陽光發電系統--gt發揮三者優點互補同時故障機率小風險最低
案例
832kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide057＝317 m2
115kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide075＝332 m2
緊急時057平時065~08
綜合係數溫度變化污損線損Inverter效率＋蓄電池充放電補償
電力需求divide（日照強度times日照時間times模板效率times綜合係數）
模組面積估算
日照強度1kWm2
日照時間384hd
模板效率12
832kWhd500人用電量115kWhd770人用電量
緊急時平時
電力需求估算
緊急時40kWtimes384hdtimes057＝875 kWhd
平時40kWtimes384hdtimes075＝1152Whd
太陽發電系統發電量＝設置容量times日照時間times綜合係數
發電量計算
332m2times1kWm2times12＝398kW≒40kW
太陽發電系統設置容量＝設置面積times日照強度times模板效率
設置容量計算模板效率依太陽電池種類而異
進行模板陣列及蓄電池容量設計
40kWdivide18片串divide120W＝185列≒19
列
40kWdivide17片串divide120W＝196列≒20
列
陣列併列數＝設置容量divide單串功率
18片times120W＝2160W
17片times120W＝2040W
單串功率
300Vdivide169V＝1775片（取整數17 or 18）
陣列串聯數＝Inverter輸入電壓divide模板輸出電壓
模板陣列設計
1 模板功率120W
2 模板輸出電壓169V
3 直交流轉換器(Inverter)輸入電壓300V
120Wtimes17片串times20列＝40800W＝340片(最佳陣列)
120Wtimes18片串times19列＝41080W＝342片
最佳陣列較經濟之設置容量選擇最佳陣列
蓄電池數量＝144個times2列＝288個
120640Whdivide288Vdivide200Ah＝21列≒2列
併列數＝蓄電池需求容量divideInverter額定電壓
288Vdivide2V＝144個
串聯數＝Inverter額定電壓divide蓄電池電壓串併數設計
middot 蓄電池電壓2V個
middot 蓄電池容量200Ah個
Inverter電壓輸入電壓 額定電壓300V 288V200V 192V
蓄電池需求容量＝832kWhdtimes1dtimes145＝12064kWh
蓄電池需求容量＝緊急電力需求times無日照天數times補償係數補償係數蓄電池內阻抗放電停止電壓電壓降低補償
蓄電池需求容量設計
middot 補償係數145
無日照天數1日
61市電相關規定市電相關規定市電相關規定市電相關規定
1 發電設備併接於低壓系統者其總容量未滿100kW且技術無困難者得併接於單相三線110V220V三相三線220V之配電系統若總容量在100kW以上而未滿500kW得分別併接於3相4線220V380V之配電系統
2 發電設備總容量在500kW以上而未滿5000kW10000kW且技術無困難者得分別併接於114KV228KV之高壓配電系統
3 電設備總容量在10000kW以上而未滿40000kW者得併接於特高壓之系統
4 發電設備總容量在40000kW以上者依個案研討分類
併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類
發電系統經由發電系統經由發電系統經由發電系統經由110V220V110V220V110V220V110V220V併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者發電設發電設發電設發電設備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能
1 過電壓保護 低電壓保護
2 低頻保護 高頻保護
3 過電流保護 零相過電壓接地保護
4 發電設備為無逆送電力者須加裝逆電力保護
5 發電設備為有逆送電力者必須具備主動及被動防止單獨運轉保護
發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經110V220V110V220V110V220V110V220V系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者在電在電在電在電源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器
發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業114KV228KV114KV228KV114KV228KV114KV228KV之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者((((高高高高壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶))))發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Extremely Inverse特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Extremely Inverse特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過流電驛(67)須具Normal Inverse特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
發電設備併接於電業69KV特高壓輸電系統者發電設備之輸出端至少應具有下列同等保護功能並須與電業該轄區之保護設備協調
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Normal Inverse之特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Normal Inverse之特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過電流電驛(67)須具Normal Inverse之特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
8 快速及後衛保護電驛如系統保護需要時應裝設
9 匯流排電驛採用GIS斷路器者應裝設
62626262太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範
1 故障電流
太陽光電發電系統大於100kW以上須計算故障電流其送至電業系統之故障電流不得影響電業及其他用戶斷路器之起斷容量否則需裝置限流電抗器
太陽光電發電系統之隔離變壓器接地方式須與電業之系統配合
2 正常電壓變動率應維持在plusmn5以內
3 太陽光電發電系統與電業間之責任分界點的功率因數以維持85落後至100之間運轉為原則
4 諧波污染限制應依照「電力系統諧波管制暫行標準」辦理
分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性
適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯型之規範型之規範型之規範型之規範
電力轉換器電力轉換器電力轉換器電力轉換器(電力調節器電力調節器電力調節器電力調節器)(InverterConditioner)
蓄電池蓄電池蓄電池蓄電池(Battery))
63大型(商用)太陽光發電系統應用(gt1 kWp)
太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統
單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池(Unit Solar Cell)
太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板(PV Module)
太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列(PV Array)
太陽光發電系統應用獨立系統
(A) 獨立系統(Stand-Alone
System)
bull 蓄電池保護壽命
(B) 混合型交流獨立系統 (Hybrid
System)
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
直流負載PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
整流器
輔助發電機
PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載- ~PCU
直直直直交流轉換器交流轉換器交流轉換器交流轉換器
太陽光發電系統應用併聯系統
(D)併聯系統(Grid-
connected System)
特殊功能1 最佳效能2 防止獨立運轉(連線保護)
3 可自力運轉
(E) 防逆流型系統(Off-line System)
(F) 防災型併聯系統
充電控制器
蓄電池
直交流轉換器
PCU太陽電池組列
交流負載
ATS
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
獨立型系統
適用地點高山離島基地台hellip等市電無法到達處
工作方式白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
必須可以自給自足
缺點bull 系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等
安全係數設計很困難)
bull 蓄電池建置複雜成本很高壽命很短
bull 負載搭配不良時發電效能不佳利用率將偏低
bull 需由專人隨時維護
bull 混合系統為一種解決方法
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
PCU
併聯型系統
適用地點電力正常送達之任何地點工作方式 bull 白天 PV系統併聯發電夜間由台電供電bull 將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的蓄電池
優點bull 系統簡單不需安全係數設計(依預算設計)不需要專人維護bull 併聯發電效率高利用率高
缺點bull 停電時無電可用bull 受併聯法規限制尚未開放(但即將開放)
bull 有孤島效應之疑慮(目前技術上已解決)
改善型無電池自力運轉
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
市電併聯型住宅用太陽光發電系統
太陽光發電系統發電及負載用電對時間之關係
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
併聯型直交流轉換器之效能要求較高
1 最大功率追蹤(Maximum Power Tracking MPT)
2 高轉換效率 gt 90 (PWM+電力電子元件)
3 高次諧波功率 Distortion (lt5 total)
4 自動開關機(白天夜晚)
5 過負載保護過溫度保護
6 體積小重量輕室外防水防塵
7 電腦界面可遠端監控
8 防止獨立運轉(連線保護)
9 可自力運轉
太陽電池組列
交流負載
直交流轉換器MPT
Power Conditioner
併聯系統之獨立運轉(單獨運轉)
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull停電時單一併聯系統將會停止運作
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
bull 市電停電時多數併聯系統仍聯合運作將對電力公司人員產生嚴重危害
孤島效應之防止方法
停電偵測1 過電壓低電壓
2 過頻率低頻率
3 被動式偵測如
bull 電壓與頻率監視方式
bull 電壓相位跳躍監視方式
bull 高次諧波監視方式
bull 頻率變化監視方式
PV組列
直交流轉換器
自家負載
4 主動偵測如
bull 頻率Shift方式
bull 配電線負載變動方式
bull 有效電力變動方式
bull 無效電力變動方式
反應時間05~2秒
資料來源「日本電氣用品試驗所」分散型電源系統連系技術指針(1998)
併聯系統之自力運轉功能
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull 大停電後白天有陽光時以人工啟動 PV 系統進行自力運轉供自家負載使用(但夜間無法使用)
防災型併聯型系統
適用地點有防災需求(照明汲水通信hellip)之公共設施
工作方式
bull 平時PV併聯發電(電池浮充) 效率高利用率高夜間由台電供電
bull 視需要建置供防災用電池大停電時白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
缺點bull 含電池成本較高bull 系統較複雜需專人定期維護
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
FAQ1太陽光發電需要多少土地
效率 = (輸出功率W) (組列面積 m2 x 日照強度 Wm2 ) x 100
模板面積 m2 = 輸出功率W (效率 x日照強度Wm2 ) x100
bull 假設使用效率gt136 模板於1000 Wm2 (AM15)日照強度下
10 kWp 模板面積 (m2) = 10000 (0136 x 1000) ~ 735 m2
10 kWp PV系統土地面積需求約
~ 735 m2 x 15 x 11
~ 121m2 (~36坪)
(包括陰影面積及維修空間)
bull 假設使用效率~10 模板
則模板面積約 ~ 100 m2
土地面積需求約 ~ 165m2 (~50坪)
gt55o
夏至
冬至
春秋分
235o 235oh
L1 L2
FAQ2太陽電池一年能發多少電
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
10 kWm2
05 kWm2
日照強度
等效日照時數(Sun Hour)
組列單日發電量 = 組列額定輸出功率 x 等效日照時數
bull 預估1 kWp 組列單日發電量 = 1 (kW) x ex 4(Sun Hour)= 4 kWh
組列年發電量 = 組列額定輸出功率 x 年平均每日日照時數 x 365
bull 預估 1 kWp 組列年發電量 = 1 x 4 x 365 = 1460 kWh
時間時間時間時間
FAQ3太陽光發電的成本(簡易估算)
1 假設目前太陽光發電系統設置成本約為 NT$ 280000 kWp
2 假設年平均每日日照時數約為 25 Sun Hour (台灣中南部地區)
bull 1 kWp 組列單日發電量= 1 (kW) x 25 (Hour)= 25 kWh
bull 1 kWp 組列年發電量= 25 x 365 = 913 kWh (度)
3 假設太陽光發電系統使用壽命為 20 年
bull 1 kWp 太陽光發電系統總共可發電 20 x 913 = 18260 度
4 生產每度電之成本約為 280000 18260 ~ NT$ 153
5 未來發展趨勢
bull 太陽光發電系統設置成本將逐年降低
bull 市電電費將會升高(國內目前約 NT$ 3 度日本約NT$ 7 度)
bull 傳統能源限制再生能源獎勵利率降低
64獨立型太陽光發電系統應用例(一)
bull太陽電池時鐘-日本bull太陽電池路燈-日本千里住宅公園
獨立型太陽光發電系統應用例(二)
bull太陽電池交通標誌-日本北海道 bull高速公路緊急電話-日本
獨立型太陽光發電系統應用例(三)
bull800W無線通信中繼基地台韓國(1998)
獨立型太陽光發電系統應用例(四)
bull離島用90kW獨立型發電系統韓國Ho-Do島(1992)
併聯型太陽光發電系統應用例(一)
bull設置於屋頂之住宅用太陽光發電系統(建材一體型日本千里住宅公園內住宅設計之一)
併聯型太陽光發電系統應用例(二)
bull日本東海線新幹線京都車站之太陽光發電系統(100kWp)
併聯型太陽光發電系統應用例(三)
bull日本京瓷(Kyocera)京都總公司大樓之太陽電池發電系統(220kWp)
太陽光發電發電廠應用例
太陽電池發電廠
(PV Power Plant)
資料來源 ANIT
Srl Italy
建材一體型太陽電池模板應用例
bull資料來源 Pilkington Solar International GmbH 德國
太陽能車應用例
Honda Dream
bull資料來源 PV Special Research
Centre UNSW Australia
交大太陽能車
bull資料來源 National Chiao-Tung
University Taiwan
太陽光發電航太應用例(NASA Helios )
bull空中無線通訊平台應用
資料來源SkyOne Inc Taiwan
bull 飛行高度5-7 萬英呎(最高記錄 96000 英呎)
bull 時速60 mph (起飛 25 mph)
bull 翼展247 英呎bull 重量2000 磅bull 太陽電池效率要求gt22
資料來源httpwwwaerovironmentcomhomehtml
清雲技術學院 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
個人住宅 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
勤益技術學院 3kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
南台科技大學 10kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
總統府 10kWp 獨立型太陽光能發電系統 (9012)
海巡署南沙太平島 20kWp 混合型(柴油發電機)太陽光能發電系統 (9011)
90能源基金示範補助成果例
台電樹林 20kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
併聯型
台電台北市區處 20kWp 太陽光發電系統
(91能源基金示範補助成果)
併聯型
7結論
bull (1)提高電力轉換器效率
bull 轉換器的損失主要來自於開關切換時之損失為了可以降低濾波電路中電感和電容的體積可以提高切換頻率但是相對於開關的切換損失也因此而增加導致轉換器的效率降低因此發展零電壓或零電流切換技術應用於高切換頻率之轉換器將可以提高轉換器的效率
bull (2)提高太陽光發電系統之整體效率
bull 傳統之太陽光發電系統包含儲能系統和供電系統前級利用DCDC轉換器作最大功率追蹤後級則利用DCAC轉換器轉換能量供應給交流負載為了提高太陽光發電系統的整體效率在研究可提出了模組並聯控制技術以提昇各級電力轉換器的效率而在未來太陽光發電系統也將著重在單級電力轉換器的設計對於整體系統效率有較明顯的改善
8參考資料
1許國強ldquo太陽光發電原理與應用工研院材料所 薄膜技術組91年
2華志強黃崇倫ldquo智慧型能量控制於太陽光電能轉換系統國立雲林科技大學電機工程學系電力研討會97年
3林政達ldquo數位式市電並聯換流器與快速鎖相迴路控制器之研製國立雲林科技大學電機工程學系碩士論文92 年
4李思賢ldquo數位式單相低功率太陽光電能轉換系統國立中山大學電機工程學系碩士論文92 年
5洪世杰ldquo適用於再生能源之市電併聯型雙輸入供電系統國立中正大學電機工程研究所碩士論文93 年
6王廷興ldquo太陽能發電配電設計概要台北科技大學冷凍空調系 92年
7魏榮宗王文宏ldquo高效率太陽光電能源轉換系統 元智大學電機工程學系94年
[ ] 100)25(
)11
(exp
1)(exp
3
λminus+=
minus
=
+minus
minus+minus=
TKII
TTBk
qE
T
TII
where
R
IRVIRV
AkT
qIII
ISCRLG
r
GO
r
oros
sh
ssosLG
VI cell output current and voltagecell reverse saturation currentcell temperature in CBoltzmannrsquos constantelectronic chargeshort circuit current temperature coefficientsolar irradiation in Wmshort-circuit current at 25 Cand 1000 Wm
light-generated currentband gap for siliconideality factorsreference temperaturecell saturation current atshunt resistanceseries resistance
osI
T
kq
00170=IK
SCRIλ
LGI
GOE
921== ABKTr deg= 18301
orI
shR
sR
附錄附錄附錄附錄- 太陽能電池太陽能電池太陽能電池太陽能電池
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
(a) Equivalent circuit of a PV module and
(b) Typical PV module current-voltage and power-voltage characteristics
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
Characteristic of a PV module with temperature and irradiation (a) constant irradiation and varying temperature and (b) constant temperature and varying irradiation
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
系統範例系統範例系統範例系統範例
中途驛站電化PV離島用PV系統山岳地帶PV系統離島偏遠區
勤務指揮中心緊急避難所醫療院所公園學校地震觀測站森林嘹望台避難指示燈氣象觀測所水位警報PV系統河川安全燈防波堤安全PV燈
緊急防災
緊急供電系統管線電氣防蝕輸油管流量計PV系統市場廣告塔海上石油平台各種計測站PV系統發電廠情報指揮中心
產業用
住宅用供電系統緊急供電系統緊急照明系統帷幕牆遮陽棚採光罩屋瓦建築物
無線通信用中繼站基地台緊急電話中繼站電話通信PV系統Radio受信PV系統微波中繼站
通訊
農宅用電溫室栽培PV系統農業灌溉用自動灑水系統農牧電籬牛乳冷藏漁業養殖揚水通氣自動餵食器
農林漁牧
路燈交通號誌道路指示牌標誌燈太陽能電動車充電站高速公路緊急電話偏遠道路緊急電話停車計時器停車場控制門系統高速公路防音壁PV系統公路休息區PV系統太陽能車平交道指示燈候車亭PV系統車站屋頂型PV系統
道路交通
收音機測電表手錶計算機太陽能照相機手電筒電池充電器野營燈民生
應用領域
單晶矽太陽電池外觀 單晶矽太陽電池典型結構
太陽電池外觀與構造(單晶矽)
1 清洗蝕刻
2 磷擴散
P-type wafer
單晶矽太陽電池製程步驟例(I)
3 鍍抗反
射層
4 網印
5 燒結
單晶矽太陽電池製程步驟例(II)
11太陽光發電(Photovoltaic)原理 (I)
太陽電池是以 P 型與 N 型半導
體材料接合構成正極與負極
當太陽光照射太陽電池時光
的能量會使半導體材料內的
正負電荷分離
正負電荷會分別往正負極
方向移動並且聚集
將太陽電池正負極接上負載
時將有電流流出可以對負
載作功(燈泡會亮馬達會轉)
正極P 型
負極N 型
P
N
P
N
P
N
-++
-
+
-+
-+
+ + + + +
- - - - -
--
+
-+
正負電荷
+
-
+
-
+
-
太陽光
太陽光
太陽光
電流
-+
PN(不照光平衡狀態)
EfEv
Ec
N P P
N
P
N
P
N
P
N
光子(Photon)
-+-+
-+
-+
-+
+ + + + +
- - - - -
-+
-+
-+
太陽光發電(Photovoltaic)原理 (II)
-
+
Photon
+
+
-
-
- -
++
Ef
Ev
Ec
PN(照光狀態)
++
-
- -
+
+
--
+
-
+
Photon
多數載子
多數載子
少數載子
少數載子
+
-
多數載子
多數載子
電子-電洞對(Electron-
hole pair)
EvN Type
SemiconductorP Type
Ef
Ec
Ef
Ev
Ec
電子位能
Ec conduction band
Ev valence band
Ef Fermi level
I=I0 (eVaVT-1)-Isc
Isc = -I (短路電流 V=0)
Voc = aVTln(Isc I0 +1) (開路電壓
I=0)
I0 (逆向漏電電流) prop ni prop e-Eg
RshID
Isc
+
----
v
I
RL
Rs
太陽電池等效電路與電氣特性
+I
+V
-V
Dark
VocV
Photo
Isc
I
Pm
I0
太陽電池等效電路 常用太陽電池電路符號
VocVm
Im
Isc
Pm
太陽電池 I-V 特性曲線分析
FF(Fill Factor) = (Vm x Im Voc x Isc) x 100 (越高越好)
ηηηη (Efficiency) = (Vm x Im Pin) x 100 (越高越貴)
bull Pin (Incident Power) = A (hc λ) bull N(λ) dλ
bullλ wavelength (microm)
bull N(λ) Number of photonm2 bull sec
bull A Area (m2)
bull h Plank constant c light speed
Voc開路電壓
Isc短路電流
Pm最大輸出功率值
Vm最大輸出功率時之電壓
Im最大輸出功率時之電流
太陽電池開路短路時皆不會燒毀
0
電壓源
電流源
利用串並聯組成模板與組列提供所需的工作電壓與電流
VocVm
Im
Isc
Pm
12太陽電池之串並聯使用
VocVm
Im
IscPm
VocVm
Im
Isc
Pm
太陽電池模板之構成
+
-
太陽電池模板結構太陽電池模板外觀太陽電池模板接線
正面
強化玻璃
EVA
TedlarTM (Dupont)
EVA
Polyester
TedlarTM (Dupont)
0125
0015
Cells0014
0015
00015
0002
00015
背面
單元太陽電池
太陽電池模板之規格範例
η (Efficiency) = (Vm x Im Pin) x 100
單晶矽模板效率 = (354 V x 495 A) ( 129 m2 x 1000 Wm2 ) x100
= 1358
單晶矽模板效率 = 1302
種類
項目單晶矽 多晶矽
額定輸出功率(Wp) 175 125
開路電壓(V) 444 323
短路電流(A) 555 546
最大輸出工作電壓(V) 354 260
最大輸出工作電流(A) 495 48
輸出最大功率(W) 175 125
尺寸(mm)W15736timesL826
timesH46
W1200timesL802
timesH46
重量(kg) 17 125
測定條件日照強度 AM151000Wm2Module 溫度 25
何謂AM0AM1AM15
Wavelength (microm)
Spec
tral
Irr
adia
nce
(Wm
-2micro
m-1) AM0
AM15
AM 即 Air Mass(不同 Air Mass 代表不同太陽光光譜)
bull AM0 (Air Mass 0) ~ 1400 W bullm-2
bull AM1 (Air Mass 1) ~ 1000 W bullm-2
bull AM15 (Air Mass 15) ~ 844 Wbullm-2
AM15 1000 Wbullm-2 (IEC 891 IEC 904-1)
Earth
AM0
AM1
AM15
大氣層
45o
太陽電池直接驅動負載如馬達等(應用於玩具車船馬達音樂卡片hellip)
bull 電力現買現賣
bull 負載匹配(容量與電壓)
bull 溫度效應
bull 搭配(超高)電容可以提高效能
太陽電池(直流)基礎應用範例(I)
I M
+
-
C
圖片資料來源httpshoppingyahoocom httpwwwsolar-icomSampYhtml
太陽電池先對電池充電再由電池供應負載(應用於玩具車船電動機械夜間燈光計算機鐘錶3C產品hellip)
bull 電力零存整付
bull 太陽電池電池電壓匹配
bull 溫度效應
bull 使用阻隔二極體
bull 電池過充放電保護
太陽電池(直流)基礎應用範例(II)
I負載
+
-
電池
圖片資料來源httpshoppingyahoocom httpwwwsolar-icomSampYhtml
FAQ1太陽電池應用效能不佳太陽電池之負載匹配(Load Matching)
RshID
IL
+
----
v
I
RL
Rs
bull Efficiency of a PV system is strongly affected by load matching
bull Measurement of I-V Characteristic curve is important
VocVm
Im
Isc
Pm
RL 1
RL 3
RL 2 Battery voltage
RL
----
+
不同日照強度下太陽電池 I-V 特性曲線
bull 最大輸出功率隨日照強度而改變並非永遠等於額定值
0
1
2
3
4
5
6
7
0 10 20 30 40 50
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
1000Wm2 (AM1)
500Wm2 (05AM1)
不同溫度下太陽電池 I-V 特性曲線
bull太陽電池溫度升高時輸出電壓與最大輸出功率降低
0
1
2
3
4
5
6
7
0 10 20 30 40 50
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
75oC 50oC 25oC 0oC
Battery voltage
0
1
2
3
4
5
6
7
0 10 20 30 40 50
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
500Wm2 (05AM1)
1000Wm2 (AM1)
太陽電池之動態負載匹配(日照變化)
RL(high)
RL(low)
bull Maximum power tracking is required in high efficiency PV system
太陽電池 I-V 特性曲線測量方法
VocVm
ImIsc Pm
C+
-
A
VR
A
V
A
V可程式負載
模擬陽光使用鎢絲燈氙燈Solar Simulator 或太陽光
Pm lt few10 W Pm lt few 100 W Pm lt 100 kW
Solar Simulator Array Tester
圖片資料來源httpwwwspiresolarcomSolarequipmenthtml
太陽於天球(Celestial Sphere)上運行之軌跡
冬至 春秋分 夏至 冬至 春秋分 夏至 春秋分 夏至
北緯 0o 北緯 45o 北緯 90o
(赤道) (北極)
天球
太陽運行軌跡與太陽電池仰角
冬至 夏至春秋分
所在緯度235o
235o47o0o
47o 235o
13太陽電池組列仰角與間隔設計例
bull組列仰角~235o (台灣地區)
bull h=組列總高度( lt 15 m)
bull L2=h tan(55o) = 057 L0
(55o可適用於冬至0900~1500)
bull水平角度=正南 plusmn5o
235o
55o
235o
夏至
冬至
春秋分
235o 235o
南
h = 04 L0
L1= 092 L0L2 = 057 L0
L0
L1 + L2 = 15 L0
2零交越偵測電路分析
bull 零交越偵測電路如圖1 所示主要目的在於檢測輸入弦波電壓之零交越點其電路輸出為ㄧ方波信號利用方波上緣信號觸發數位訊號處理器之外部中斷腳位進而進行相位同步之功能[4]零交越偵測電路輸入與輸出波形如圖2 所示相位同步控制當數位訊號處理器發生上緣觸發時此觸發訊號如同系統重置訊號將正弦表指標變數歸零一經重置後指標變數又開始計數藉由每週期ㄧ次的重置訊號迫使換流器輸出達到同步相位同步控制波形示意圖如圖3 所示圖4 為零交越偵測電路輸出實測圖[4]
3系統電路架構與動作模式
bull A
bull 本文所述之系統為一太陽光電能轉換系統方塊圖如圖5 所示主要部分包括太陽能板直流-直流轉換器全橋式換流器數位訊號處理器感測迴授電路與驅動電路此一系統之基本動作情況為一般情況下斷路器1 和斷路器2 均為導通狀態此時太陽光電能轉換系統與電力網路處於連結運轉模式而當電力網路供電中斷時斷路器2 將被斷路以避免孤島現象的發生反之若是太陽光電能轉換系統發生故障時斷路器1 將被斷路以避免電力網路受到其故障的影響
31系統電路架構與動作模式
bull B
bull 電路工作模式bull 此一太陽光電能轉換系統主要有兩種工
作模式以下為二種工作模式的操作說明
bull (1) 獨立運轉模式bull 如圖6 所示獨立運轉模式為當電力網
路供電中斷時斷路器2 將被斷路而此時太陽光電能轉換系統將操作在電壓控制模式下提供負載一穩定的輸出電壓
bull (2) 與電力網路連結運轉模式bull 如圖7 所示與電力網路連結運轉模式
將太陽光電能轉換系統與電力網路連結運轉也就是斷路器1 和斷路器2 同時導通此時系統將操作在電流控制模式下首先經由最大功率點追蹤程式運算出瞬時最大功率點的電流參考值再根據此一電流參考值輸出一與電力網路電壓同相位的電流至負載或甚至回送至電力網路
31直流至直流切換式轉換器
典型直流至直流轉換器系統之構造如圖21所示其輸入通常為由線電壓整
流而得之非調節直流電壓然後再利用切換式直流至直流轉換器將此變動之
直流電壓轉換成一調節之直流電壓
無控制之二極體橋式整流器
交流線電壓
(單相或三相)
直流電壓
(無調節性)
濾波電容 (無調節性)
直流至直流轉換器 (具調節性)
負載
蓄電池
直流電壓 直流電壓
控制訊號1降壓式(step-down buck)轉換器
2升壓式(step-up boost)轉換器
3升降壓式(step-downstep-up buck-boost)轉換器
4全橋式轉換器
上述四種轉換器中只有降壓式及升壓式是最基本的轉換器電路架構升
降壓式轉換器是此二基本轉換器之結合而全橋式轉換器則是由降壓式轉
換器衍生而來
直流至直流轉換器之控制
直流至直流轉換器的作用即是在輸入電壓與輸出負載變動的情況下能夠調
節輸出電壓為所設定的位準電壓位準轉換之原理可以圖22(a)所示之簡單
電路來說明由開關導通與截止可得圖22(b)之波形其中輸出電壓vo平均
值大小Vo與開關之導通及截止時間(ton及toff)有關平均輸出電壓大小調整
之最典型的方式是採用脈波寬度調變法(Pulse-Width ModulationPWM)
其切換週期Ts(= ton+toff)為固定由調整導通時間之大小來改變平均輸出電
壓之大小Vo
+
_
Vd
R
+
_
Vo
0Vd
Vo
vo
tton toff
Ts
脈波寬度調變切換控制的方塊圖如
圖23(a)所示開關之切換控制信號
由控制訊號vcontrol與週期為Ts之鋸齒
波vst比較而得控制信號則由Vo之
實際值與設定值之誤差放大而得
vcontrol與vst比較所得之切換控制信號
的波形如圖23(b)所示當控制訊號
vst較大時則為高準位信號即使
開關導通反之為低準位信號即使
開關截止故開關之切換週期亦為
Ts 由以上的原理可知開關切換
之責任週期 (Duty Ratio)為D=tonTs
=vcontrolVst 其中Vst為鋸齒波之振
幅
放大器
+
-Vo
(設定)
(實際)
Vo
比較器
週期性波形 stv
切換控制訊號
控制訊號
0 t
$Vst
=stv 鋸齒波電壓
controlv (放大誤差)
On On
Off Off
stcontrol vv gt
stcontrol vv ltton toff
Ts
切換控制訊號
(切換頻率 fT
s
s
=1
)
升壓式直流至直流轉換器
圖211為升壓式轉換器電路主要用途為直流電源供應器與直流馬達之
再生制動(Regenerative Breaking)顧名思義其輸出電壓高過於其輸入
電壓當開關導通時二極體反向偏壓輸入電能儲存於電感負載電
能則由電容提供當開關截止時負載吸收輸入及儲存電感中之電能
-
L
CRVd
Vo
vL
iL
io
+
-
++
_
t0
t0
vL
iL
I L
Ts
toffton
_++
_
+
_
+ _+
_
+
_
iL
vL
Vd Vo
iL
vL
Vd Vo
)( dV
)( od VV minus
圖212所示為電感電流為連續之
穩態工作波形由穩態下電感電
壓一週期之平均值為零可得
0)( =minus+ offodond tVVtV
等號兩側除以Ts重新整理可得
Dt
T
V
V
off
s
d
o
minus==
1
1
假設電路無損失輸入功率
Pd=VdId 等 於 輸 出 功 率
Po=VoIo 則
)1( DI
I
d
o minus=
非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器
bullBoost之設計假設輸入10V輸出30V頻率50kHz輸出10W
所以D＝23
( ) s
o
o TDDP
VL
22
12
minusge
=6667uH
取75uH
D
VV in
o minus=
1
L
Vi
n
S Vo
+
_
C
DiL
vds
升降壓式直流至直流轉換器
升降壓式轉換器的主要用途為輸入與輸出之極性相反輸出電壓可以高於
或低於輸入電壓之直流電源供應器升降壓式轉換器可以由降壓式轉換器
與升壓式轉換式串接而成穩態下輸入與輸出電壓轉換器之比值為二轉換
器個別比值之乘積
D
D
V
V
d
o
minus=
1
因此變化責任週期D可使輸出電壓高於或低於輸入電壓
+
_
+
_
_
+
RC Vo
L
Vd
io
iLvL
id
降壓式直流至直流轉換器
降壓式轉換器顧名思義其作用為將較高準位的輸入電壓換成較低
準位的輸出電壓主要用途為直流電源供應器及直流馬達速度控制
圖22(a)所示為提供純電阻性負載之降壓式轉換器由圖22(b)可知其輸
出電壓波形由開關位置決定平均輸出電壓為
dd
s
onT
t
t
d
s
T
o
s
o DVVT
tddV
Tdv
TV
s
on
ons ==+== intintint )0(1
)(1
00ττττ
+
_
Vd
R
+
_
Vo
0Vd
Vo
vo
tton toff
Ts
32直流至交流切換式反流器
切換式直流至交流(DCAC)反流器(Inveter)乃用以將直流電源轉換成振幅
與頻率均可調之正弦式交流電源主要用途為交流馬達驅動與交流不斷
電電源供應器圖31為典型交流馬達驅動之反流器方塊圖其直流輸入
電壓通常由線電壓整流及濾波而得接著再利用切換式反流器改變輸出
電壓之振幅與頻率以驅動交流馬達切換式反流器功率之流通通常是
由直流至交流稱為反流模式但亦可以從交流至直流稱為整流模
式
+
_
交流馬達
二極體整流器 濾波電容 切換式反流器
Vd
三相交流電源
反流器包括單相及三相其輸入為直流電壓源者稱為電壓源反流器
(Voltage Source InverterVSI)另外若輸入為直流電流源者稱為電流
反流器(Current Source InverterCSI)目前僅應用在高功率之交流馬達
驅動器
1脈波寬度調變(PWM)反流器其輸入電壓通常為固定反流器本身具備變
頻及變壓的功能而變頻及變壓乃利用開關之脈波寬度調變切換控制達成
有許多類型之脈波寬度變技術可以使輸出電壓近似弦波
2方波(Square-Wave)反流器此反流器輸出電壓振幅乃由其輸入電壓調
整
反流器本身只控制輸出頻率交流輸出電壓波形近似方波因此乃稱方波
反流器
3採用電壓消去法(Voltage Cancellation)之單相反流器單相反流器當輸入
電壓為定值時可以利用電壓消去法來變頻及變壓而不須採用脈波寬度
調變其輸出電壓波形近似方波因此其結合了前述兩種反流器的特色
值得注意的是電壓消去法並不適用於三相反流器
切換式反流器之基本觀念
考慮圖33(a)之單相反流器假設其正弦輸出電壓vo是經過濾波所得若
輸出之負載為電感性(如馬達)則輸出電流io將落後vo 如圖33(b)所示
在期間1及3中 vo與io同號瞬時功率Po=voio為正故功率由直流側送至
交流側稱之為反流模式在期間2及4中 vo與io異號瞬時功率Po為負
故功率由交流側送至直流側稱之為整流模式圖33(a)之切換式反流器
在每一週期內會經歷平面上四個象限中之所有象限
單相切
換式變
流器與
濾波器
o
o
+
-
+
-
Vd
vo
id
io
0t
4 1 2 3
voio
io
vo
1反流器
4整流器
3反流器
2整流器
0
為清楚解釋起見以單臂反流器來說明
+
_
+
_
+ +
__
Vd
Vd
2
Vd
2
A
N
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
vAN
oo
o
反流器電路之脈波寬度調變切換技術如圖35(a)所示由一正弦波形控
制訊號vcontrol與三角波形vtri作比較三角波(又稱載波)之振幅為Vtri頻率
為fs fs決定反流器開關之切換頻率正弦波控制電壓vcontrol(又稱調制訊
號)之基頻f1決定反流器之輸出頻率而其振幅則決定反流器輸出電壓之
大小定義振幅調變指數為ma=Vcontrol Vtri 其中Vcontrol為vcontrol之振幅
而頻率調變指數則定義為mf = fs f1
0 t
vcontrol vtri
sf
1
0 t
vAo
V d
2
minusVd
2
t=0
v v
T on T off
control tri
A A
lt
minus + v v
T on T off
control tri
A A
gt
+ minus
1)( AoAo vv =之基本波
0 t
vcontrol vtri
sf
1
圖34反流器之開關的控制方法與io方向無關為
dAoAtricontrol VvTvv2
1=gt +導通
dAoAtricontrol VvTvv2
1minus=lt minus導通
由於二開關之導通為互補因此輸出電壓只在Vd 2與-Vd 2二值間作變
動圖35(b)所示為ma=08與mf =15時輸出電壓vAo及其基本波(以虛線表示)
之波形
+
_
+
_
+ +
__
Vd
Vd
2
Vd
2
A
N
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
vAN
oo
o
單相全橋式反流器
單相全橋式反流器如圖311所示乃由兩個前述之半橋反流器所組成在
相同之輸入電壓下全橋式反流器之最大輸出電壓為半橋式之兩倍這代
表在相同之功率下全橋式反流器之輸出及開關電流僅為半橋式之一半
此對於高功率用途是一大優點因其可以降低使用並聯元件之需求
+
_
+
_
+
_
Vd
Vd
2
Vd
2
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
v v vo Ao Bo= minuso
A
B
TBminus
TB+
DBminus
DB+
+_
id
o
o
N
雙極性電壓切換之脈波寬度調變
0 t
vcontrolvtri
sf
1
0 t
ov1ov
dV
dVminus
單極性電壓切換之脈波寬度調變
onBT +
trivgttricontrol vv gt
trivcontrolv
t
)( controlvminus
)( controlvminusonAT +
t1ov
dV
dVminus
)( BNAN
o
vv
v
minus=
應用雙極性電壓切換之脈波寬度調
變全橋式反流器乃 (TA+TB-)與 (TA-
TB+)成對切換且二者互相反相
應用單極性電壓切換之脈波寬度調
變全橋式反流器乃A臂與B獨立切
換且同臂二開關互相反相
三相反流器
+
-
+
-
+
-
dV
2dV
2dV
+AT
minusAT
+AD
minusAD
o
BminusT
+BT
minusBD
+BD
di
minusCT
+CT
minusCD
+CD
N
A B C
o
0 t
triv Acontrolv Bcontrolv Ccontrolv
0
BNANAB vvv minus=
t
dV
之基本波1LLv
ANv
0 t
dV
t0
BNv
dV
三相電壓源反流器之脈波寬度調變切換的功能為在固定輸入直流電壓下用以調整三相輸出電壓之振幅及頻率三相脈波寬度調變方式由三相各差120度的控制電壓與三角波作比較其波形與單相全橋式反流器採用脈波寬度調變單極性切換者類似
最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法
33最大功率追蹤最大功率追蹤最大功率追蹤最大功率追蹤
為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點本文使用本文使用本文使用本文使用擾動觀察法擾動觀察法擾動觀察法擾動觀察法(Perturbation and Observation Method PampQ)進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功率追蹤率追蹤率追蹤率追蹤由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點下圖為擾動下圖為擾動下圖為擾動下圖為擾動觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖為利用為利用為利用為利用DCDC轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作時時時時其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為0之特性之特性之特性之特性使用使用使用使用DCDC轉換器控制太陽轉換器控制太陽轉換器控制太陽轉換器控制太陽能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動
擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖
最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法
左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖蹤示意圖蹤示意圖蹤示意圖太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分為兩個特性區域為兩個特性區域為兩個特性區域為兩個特性區域假設進行追蹤假設進行追蹤假設進行追蹤假設進行追蹤時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時電壓電壓電壓電壓的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率增加增加增加增加若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出功率減少功率減少功率減少功率減少經由經由經由經由DCDC轉換器調轉換器調轉換器調轉換器調節太陽能板與節太陽能板與節太陽能板與節太陽能板與DCDC轉換器的阻轉換器的阻轉換器的阻轉換器的阻抗相互匹配抗相互匹配抗相互匹配抗相互匹配進而得到太陽能板進而得到太陽能板進而得到太陽能板進而得到太陽能板的最大輸出功率的最大輸出功率的最大輸出功率的最大輸出功率
擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖
4軟體規劃
bull 系統控制程式主要分為主程式固定週期中斷副程式市電電壓零交越中斷副程式等三大部分以下將分別介紹各部分程式流程
bull 本系統主程式主要執行數位訊號處理器周邊暫存器的初始設定以及變數宣告其中除了變數宣告外周邊暫存器的初始設定包括有規畫中斷向量設定計數器之計數模式計數週期中斷的時間和PWM 輸出模式等相關參數設定
bull 如圖8 所示系統初始設定後必須先等待中斷發生才能決定系統是否執行固定週期中斷程式或零交越中斷副程式
bull 圖9 為固定週期中斷副程式流程圖固定週期中斷頻率與換流器開關之切換頻率相同為20kHz程式開始會先偵測太陽能板電壓及電流與直流鏈電壓當確定市電電壓零交越中斷發生時必須先將輸出弦波訊號之指標強制為原點重新送出單位弦波確保換流器輸出電流與市電電壓能維持同相位接著比較太陽能板輸入電壓VPV 是否大於最低工作電壓VPV_work如果確定大於最低工作電壓則致能太陽能最大功率追蹤反之則禁能系統動作程式返回圖9 中的正弦脈寬調變副程式主要功能在於決定換流器中開關的動作順序與責任週期大小以及輸波參考訊號
bull 圖10 為太陽能最大功率點追蹤副程式流程圖在文中對最大功率追蹤採用擾動與觀察法配合太陽能光電板的電壓mdash功率特性曲線即可瞭解程式如何完成太陽能光電板最大功率點追蹤
主程式流程圖
5實驗
bull 依據上述的分析採用DSP 2407A 建立一個500W 太陽光電池電能轉換系統依據圖11 之
bull 電路架構其規格與元件參數分別列於表一表二及表三系統實驗波形圖12圖13圖14 及
bull 圖15 為系統操作在獨立運轉模式下負載分別為120W240W360W 及480W 時之換流器輸出
bull 電壓及輸出電流之實測波形
系統規格與元件參數
實測波形
6實務應用系統實務應用系統實務應用系統實務應用系統
獨立系統示意圖獨立系統示意圖
考慮點
系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等安全係數最佳化設計複雜)
一般充電控制器無 MPPT搭配蓄電池使發電效能較差
蓄電池每日gt50DOD深度放電gt02C充電壽命短
太陽光發電量與負載需求量不搭配時太陽光之發電能量利用率偏低 (負載需求搭配與安全係數為互相矛盾之設計)
PV-柴油發電機PV-風力等混合系統為改善之方法
市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台
電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池
併聯系統示意圖併聯系統示意圖
緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析
1 系統設置成本高建議使用於邊際效益高之用電（防災緊急輔助電力）
2 總體經濟效益減少環境污染解決尖峰用電之不足與短缺能源多元化之風險分擔與開創自主能源
3 遮蔽陽光直曬降低建築物之熱效應（被動省能）同時轉換太陽光為電能供應建物自主能源（主動節能）一舉兩得
緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較
30萬元divide21900kWh＝137元度2萬元divide50kWh＝400元度每度電成本
日發電度數times365天times20年＝3hrtimes1kWtimes365天times20年＝21900kWh（度）
（年停電＋年測試運轉時數）times10年＝（20mintimes6次＋15mintimes12月）times10年＝5hrtimes1kWtimes10年＝50kWh
總發電度數（1kw計）
夜間不發電（可利用蓄電池設計供電年維運費02）
噪音空污油料運輸儲油危險維運成本高
缺點
利用露台屋頂牆面空間設備煙管隔音油槽需室內空間
設置空間
平時緊急時均可使用隨時可了解運轉狀況不須操作
加ATS停電時方可啟動需人員每月定期測試運轉
系統運作
太陽光潔淨能源（免費）柴油使用燃料
20年7~10年使用壽命
1kW=30萬元1kW=2~3萬元設置費用
太陽光發電系統柴油發電機
風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析
運用多元化能源分擔風險情況比較說明如下
1 市電--gt停電時風險極高
2 市電＋柴油發電機--gt發電機故障時風險高
市電＋柴油發電機＋太陽光發電系統--gt發揮三者優點互補同時故障機率小風險最低
案例
832kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide057＝317 m2
115kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide075＝332 m2
緊急時057平時065~08
綜合係數溫度變化污損線損Inverter效率＋蓄電池充放電補償
電力需求divide（日照強度times日照時間times模板效率times綜合係數）
模組面積估算
日照強度1kWm2
日照時間384hd
模板效率12
832kWhd500人用電量115kWhd770人用電量
緊急時平時
電力需求估算
緊急時40kWtimes384hdtimes057＝875 kWhd
平時40kWtimes384hdtimes075＝1152Whd
太陽發電系統發電量＝設置容量times日照時間times綜合係數
發電量計算
332m2times1kWm2times12＝398kW≒40kW
太陽發電系統設置容量＝設置面積times日照強度times模板效率
設置容量計算模板效率依太陽電池種類而異
進行模板陣列及蓄電池容量設計
40kWdivide18片串divide120W＝185列≒19
列
40kWdivide17片串divide120W＝196列≒20
列
陣列併列數＝設置容量divide單串功率
18片times120W＝2160W
17片times120W＝2040W
單串功率
300Vdivide169V＝1775片（取整數17 or 18）
陣列串聯數＝Inverter輸入電壓divide模板輸出電壓
模板陣列設計
1 模板功率120W
2 模板輸出電壓169V
3 直交流轉換器(Inverter)輸入電壓300V
120Wtimes17片串times20列＝40800W＝340片(最佳陣列)
120Wtimes18片串times19列＝41080W＝342片
最佳陣列較經濟之設置容量選擇最佳陣列
蓄電池數量＝144個times2列＝288個
120640Whdivide288Vdivide200Ah＝21列≒2列
併列數＝蓄電池需求容量divideInverter額定電壓
288Vdivide2V＝144個
串聯數＝Inverter額定電壓divide蓄電池電壓串併數設計
middot 蓄電池電壓2V個
middot 蓄電池容量200Ah個
Inverter電壓輸入電壓 額定電壓300V 288V200V 192V
蓄電池需求容量＝832kWhdtimes1dtimes145＝12064kWh
蓄電池需求容量＝緊急電力需求times無日照天數times補償係數補償係數蓄電池內阻抗放電停止電壓電壓降低補償
蓄電池需求容量設計
middot 補償係數145
無日照天數1日
61市電相關規定市電相關規定市電相關規定市電相關規定
1 發電設備併接於低壓系統者其總容量未滿100kW且技術無困難者得併接於單相三線110V220V三相三線220V之配電系統若總容量在100kW以上而未滿500kW得分別併接於3相4線220V380V之配電系統
2 發電設備總容量在500kW以上而未滿5000kW10000kW且技術無困難者得分別併接於114KV228KV之高壓配電系統
3 電設備總容量在10000kW以上而未滿40000kW者得併接於特高壓之系統
4 發電設備總容量在40000kW以上者依個案研討分類
併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類
發電系統經由發電系統經由發電系統經由發電系統經由110V220V110V220V110V220V110V220V併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者發電設發電設發電設發電設備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能
1 過電壓保護 低電壓保護
2 低頻保護 高頻保護
3 過電流保護 零相過電壓接地保護
4 發電設備為無逆送電力者須加裝逆電力保護
5 發電設備為有逆送電力者必須具備主動及被動防止單獨運轉保護
發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經110V220V110V220V110V220V110V220V系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者在電在電在電在電源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器
發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業114KV228KV114KV228KV114KV228KV114KV228KV之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者((((高高高高壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶))))發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Extremely Inverse特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Extremely Inverse特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過流電驛(67)須具Normal Inverse特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
發電設備併接於電業69KV特高壓輸電系統者發電設備之輸出端至少應具有下列同等保護功能並須與電業該轄區之保護設備協調
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Normal Inverse之特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Normal Inverse之特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過電流電驛(67)須具Normal Inverse之特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
8 快速及後衛保護電驛如系統保護需要時應裝設
9 匯流排電驛採用GIS斷路器者應裝設
62626262太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範
1 故障電流
太陽光電發電系統大於100kW以上須計算故障電流其送至電業系統之故障電流不得影響電業及其他用戶斷路器之起斷容量否則需裝置限流電抗器
太陽光電發電系統之隔離變壓器接地方式須與電業之系統配合
2 正常電壓變動率應維持在plusmn5以內
3 太陽光電發電系統與電業間之責任分界點的功率因數以維持85落後至100之間運轉為原則
4 諧波污染限制應依照「電力系統諧波管制暫行標準」辦理
分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性
適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯型之規範型之規範型之規範型之規範
電力轉換器電力轉換器電力轉換器電力轉換器(電力調節器電力調節器電力調節器電力調節器)(InverterConditioner)
蓄電池蓄電池蓄電池蓄電池(Battery))
63大型(商用)太陽光發電系統應用(gt1 kWp)
太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統
單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池(Unit Solar Cell)
太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板(PV Module)
太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列(PV Array)
太陽光發電系統應用獨立系統
(A) 獨立系統(Stand-Alone
System)
bull 蓄電池保護壽命
(B) 混合型交流獨立系統 (Hybrid
System)
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
直流負載PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
整流器
輔助發電機
PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載- ~PCU
直直直直交流轉換器交流轉換器交流轉換器交流轉換器
太陽光發電系統應用併聯系統
(D)併聯系統(Grid-
connected System)
特殊功能1 最佳效能2 防止獨立運轉(連線保護)
3 可自力運轉
(E) 防逆流型系統(Off-line System)
(F) 防災型併聯系統
充電控制器
蓄電池
直交流轉換器
PCU太陽電池組列
交流負載
ATS
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
獨立型系統
適用地點高山離島基地台hellip等市電無法到達處
工作方式白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
必須可以自給自足
缺點bull 系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等
安全係數設計很困難)
bull 蓄電池建置複雜成本很高壽命很短
bull 負載搭配不良時發電效能不佳利用率將偏低
bull 需由專人隨時維護
bull 混合系統為一種解決方法
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
PCU
併聯型系統
適用地點電力正常送達之任何地點工作方式 bull 白天 PV系統併聯發電夜間由台電供電bull 將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的蓄電池
優點bull 系統簡單不需安全係數設計(依預算設計)不需要專人維護bull 併聯發電效率高利用率高
缺點bull 停電時無電可用bull 受併聯法規限制尚未開放(但即將開放)
bull 有孤島效應之疑慮(目前技術上已解決)
改善型無電池自力運轉
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
市電併聯型住宅用太陽光發電系統
太陽光發電系統發電及負載用電對時間之關係
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
併聯型直交流轉換器之效能要求較高
1 最大功率追蹤(Maximum Power Tracking MPT)
2 高轉換效率 gt 90 (PWM+電力電子元件)
3 高次諧波功率 Distortion (lt5 total)
4 自動開關機(白天夜晚)
5 過負載保護過溫度保護
6 體積小重量輕室外防水防塵
7 電腦界面可遠端監控
8 防止獨立運轉(連線保護)
9 可自力運轉
太陽電池組列
交流負載
直交流轉換器MPT
Power Conditioner
併聯系統之獨立運轉(單獨運轉)
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull停電時單一併聯系統將會停止運作
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
bull 市電停電時多數併聯系統仍聯合運作將對電力公司人員產生嚴重危害
孤島效應之防止方法
停電偵測1 過電壓低電壓
2 過頻率低頻率
3 被動式偵測如
bull 電壓與頻率監視方式
bull 電壓相位跳躍監視方式
bull 高次諧波監視方式
bull 頻率變化監視方式
PV組列
直交流轉換器
自家負載
4 主動偵測如
bull 頻率Shift方式
bull 配電線負載變動方式
bull 有效電力變動方式
bull 無效電力變動方式
反應時間05~2秒
資料來源「日本電氣用品試驗所」分散型電源系統連系技術指針(1998)
併聯系統之自力運轉功能
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull 大停電後白天有陽光時以人工啟動 PV 系統進行自力運轉供自家負載使用(但夜間無法使用)
防災型併聯型系統
適用地點有防災需求(照明汲水通信hellip)之公共設施
工作方式
bull 平時PV併聯發電(電池浮充) 效率高利用率高夜間由台電供電
bull 視需要建置供防災用電池大停電時白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
缺點bull 含電池成本較高bull 系統較複雜需專人定期維護
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
FAQ1太陽光發電需要多少土地
效率 = (輸出功率W) (組列面積 m2 x 日照強度 Wm2 ) x 100
模板面積 m2 = 輸出功率W (效率 x日照強度Wm2 ) x100
bull 假設使用效率gt136 模板於1000 Wm2 (AM15)日照強度下
10 kWp 模板面積 (m2) = 10000 (0136 x 1000) ~ 735 m2
10 kWp PV系統土地面積需求約
~ 735 m2 x 15 x 11
~ 121m2 (~36坪)
(包括陰影面積及維修空間)
bull 假設使用效率~10 模板
則模板面積約 ~ 100 m2
土地面積需求約 ~ 165m2 (~50坪)
gt55o
夏至
冬至
春秋分
235o 235oh
L1 L2
FAQ2太陽電池一年能發多少電
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
10 kWm2
05 kWm2
日照強度
等效日照時數(Sun Hour)
組列單日發電量 = 組列額定輸出功率 x 等效日照時數
bull 預估1 kWp 組列單日發電量 = 1 (kW) x ex 4(Sun Hour)= 4 kWh
組列年發電量 = 組列額定輸出功率 x 年平均每日日照時數 x 365
bull 預估 1 kWp 組列年發電量 = 1 x 4 x 365 = 1460 kWh
時間時間時間時間
FAQ3太陽光發電的成本(簡易估算)
1 假設目前太陽光發電系統設置成本約為 NT$ 280000 kWp
2 假設年平均每日日照時數約為 25 Sun Hour (台灣中南部地區)
bull 1 kWp 組列單日發電量= 1 (kW) x 25 (Hour)= 25 kWh
bull 1 kWp 組列年發電量= 25 x 365 = 913 kWh (度)
3 假設太陽光發電系統使用壽命為 20 年
bull 1 kWp 太陽光發電系統總共可發電 20 x 913 = 18260 度
4 生產每度電之成本約為 280000 18260 ~ NT$ 153
5 未來發展趨勢
bull 太陽光發電系統設置成本將逐年降低
bull 市電電費將會升高(國內目前約 NT$ 3 度日本約NT$ 7 度)
bull 傳統能源限制再生能源獎勵利率降低
64獨立型太陽光發電系統應用例(一)
bull太陽電池時鐘-日本bull太陽電池路燈-日本千里住宅公園
獨立型太陽光發電系統應用例(二)
bull太陽電池交通標誌-日本北海道 bull高速公路緊急電話-日本
獨立型太陽光發電系統應用例(三)
bull800W無線通信中繼基地台韓國(1998)
獨立型太陽光發電系統應用例(四)
bull離島用90kW獨立型發電系統韓國Ho-Do島(1992)
併聯型太陽光發電系統應用例(一)
bull設置於屋頂之住宅用太陽光發電系統(建材一體型日本千里住宅公園內住宅設計之一)
併聯型太陽光發電系統應用例(二)
bull日本東海線新幹線京都車站之太陽光發電系統(100kWp)
併聯型太陽光發電系統應用例(三)
bull日本京瓷(Kyocera)京都總公司大樓之太陽電池發電系統(220kWp)
太陽光發電發電廠應用例
太陽電池發電廠
(PV Power Plant)
資料來源 ANIT
Srl Italy
建材一體型太陽電池模板應用例
bull資料來源 Pilkington Solar International GmbH 德國
太陽能車應用例
Honda Dream
bull資料來源 PV Special Research
Centre UNSW Australia
交大太陽能車
bull資料來源 National Chiao-Tung
University Taiwan
太陽光發電航太應用例(NASA Helios )
bull空中無線通訊平台應用
資料來源SkyOne Inc Taiwan
bull 飛行高度5-7 萬英呎(最高記錄 96000 英呎)
bull 時速60 mph (起飛 25 mph)
bull 翼展247 英呎bull 重量2000 磅bull 太陽電池效率要求gt22
資料來源httpwwwaerovironmentcomhomehtml
清雲技術學院 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
個人住宅 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
勤益技術學院 3kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
南台科技大學 10kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
總統府 10kWp 獨立型太陽光能發電系統 (9012)
海巡署南沙太平島 20kWp 混合型(柴油發電機)太陽光能發電系統 (9011)
90能源基金示範補助成果例
台電樹林 20kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
併聯型
台電台北市區處 20kWp 太陽光發電系統
(91能源基金示範補助成果)
併聯型
7結論
bull (1)提高電力轉換器效率
bull 轉換器的損失主要來自於開關切換時之損失為了可以降低濾波電路中電感和電容的體積可以提高切換頻率但是相對於開關的切換損失也因此而增加導致轉換器的效率降低因此發展零電壓或零電流切換技術應用於高切換頻率之轉換器將可以提高轉換器的效率
bull (2)提高太陽光發電系統之整體效率
bull 傳統之太陽光發電系統包含儲能系統和供電系統前級利用DCDC轉換器作最大功率追蹤後級則利用DCAC轉換器轉換能量供應給交流負載為了提高太陽光發電系統的整體效率在研究可提出了模組並聯控制技術以提昇各級電力轉換器的效率而在未來太陽光發電系統也將著重在單級電力轉換器的設計對於整體系統效率有較明顯的改善
8參考資料
1許國強ldquo太陽光發電原理與應用工研院材料所 薄膜技術組91年
2華志強黃崇倫ldquo智慧型能量控制於太陽光電能轉換系統國立雲林科技大學電機工程學系電力研討會97年
3林政達ldquo數位式市電並聯換流器與快速鎖相迴路控制器之研製國立雲林科技大學電機工程學系碩士論文92 年
4李思賢ldquo數位式單相低功率太陽光電能轉換系統國立中山大學電機工程學系碩士論文92 年
5洪世杰ldquo適用於再生能源之市電併聯型雙輸入供電系統國立中正大學電機工程研究所碩士論文93 年
6王廷興ldquo太陽能發電配電設計概要台北科技大學冷凍空調系 92年
7魏榮宗王文宏ldquo高效率太陽光電能源轉換系統 元智大學電機工程學系94年
[ ] 100)25(
)11
(exp
1)(exp
3
λminus+=
minus
=
+minus
minus+minus=
TKII
TTBk
qE
T
TII
where
R
IRVIRV
AkT
qIII
ISCRLG
r
GO
r
oros
sh
ssosLG
VI cell output current and voltagecell reverse saturation currentcell temperature in CBoltzmannrsquos constantelectronic chargeshort circuit current temperature coefficientsolar irradiation in Wmshort-circuit current at 25 Cand 1000 Wm
light-generated currentband gap for siliconideality factorsreference temperaturecell saturation current atshunt resistanceseries resistance
osI
T
kq
00170=IK
SCRIλ
LGI
GOE
921== ABKTr deg= 18301
orI
shR
sR
附錄附錄附錄附錄- 太陽能電池太陽能電池太陽能電池太陽能電池
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
(a) Equivalent circuit of a PV module and
(b) Typical PV module current-voltage and power-voltage characteristics
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
Characteristic of a PV module with temperature and irradiation (a) constant irradiation and varying temperature and (b) constant temperature and varying irradiation
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
系統範例系統範例系統範例系統範例
中途驛站電化PV離島用PV系統山岳地帶PV系統離島偏遠區
勤務指揮中心緊急避難所醫療院所公園學校地震觀測站森林嘹望台避難指示燈氣象觀測所水位警報PV系統河川安全燈防波堤安全PV燈
緊急防災
緊急供電系統管線電氣防蝕輸油管流量計PV系統市場廣告塔海上石油平台各種計測站PV系統發電廠情報指揮中心
產業用
住宅用供電系統緊急供電系統緊急照明系統帷幕牆遮陽棚採光罩屋瓦建築物
無線通信用中繼站基地台緊急電話中繼站電話通信PV系統Radio受信PV系統微波中繼站
通訊
農宅用電溫室栽培PV系統農業灌溉用自動灑水系統農牧電籬牛乳冷藏漁業養殖揚水通氣自動餵食器
農林漁牧
路燈交通號誌道路指示牌標誌燈太陽能電動車充電站高速公路緊急電話偏遠道路緊急電話停車計時器停車場控制門系統高速公路防音壁PV系統公路休息區PV系統太陽能車平交道指示燈候車亭PV系統車站屋頂型PV系統
道路交通
收音機測電表手錶計算機太陽能照相機手電筒電池充電器野營燈民生
應用領域
1 清洗蝕刻
2 磷擴散
P-type wafer
單晶矽太陽電池製程步驟例(I)
3 鍍抗反
射層
4 網印
5 燒結
單晶矽太陽電池製程步驟例(II)
11太陽光發電(Photovoltaic)原理 (I)
太陽電池是以 P 型與 N 型半導
體材料接合構成正極與負極
當太陽光照射太陽電池時光
的能量會使半導體材料內的
正負電荷分離
正負電荷會分別往正負極
方向移動並且聚集
將太陽電池正負極接上負載
時將有電流流出可以對負
載作功(燈泡會亮馬達會轉)
正極P 型
負極N 型
P
N
P
N
P
N
-++
-
+
-+
-+
+ + + + +
- - - - -
--
+
-+
正負電荷
+
-
+
-
+
-
太陽光
太陽光
太陽光
電流
-+
PN(不照光平衡狀態)
EfEv
Ec
N P P
N
P
N
P
N
P
N
光子(Photon)
-+-+
-+
-+
-+
+ + + + +
- - - - -
-+
-+
-+
太陽光發電(Photovoltaic)原理 (II)
-
+
Photon
+
+
-
-
- -
++
Ef
Ev
Ec
PN(照光狀態)
++
-
- -
+
+
--
+
-
+
Photon
多數載子
多數載子
少數載子
少數載子
+
-
多數載子
多數載子
電子-電洞對(Electron-
hole pair)
EvN Type
SemiconductorP Type
Ef
Ec
Ef
Ev
Ec
電子位能
Ec conduction band
Ev valence band
Ef Fermi level
I=I0 (eVaVT-1)-Isc
Isc = -I (短路電流 V=0)
Voc = aVTln(Isc I0 +1) (開路電壓
I=0)
I0 (逆向漏電電流) prop ni prop e-Eg
RshID
Isc
+
----
v
I
RL
Rs
太陽電池等效電路與電氣特性
+I
+V
-V
Dark
VocV
Photo
Isc
I
Pm
I0
太陽電池等效電路 常用太陽電池電路符號
VocVm
Im
Isc
Pm
太陽電池 I-V 特性曲線分析
FF(Fill Factor) = (Vm x Im Voc x Isc) x 100 (越高越好)
ηηηη (Efficiency) = (Vm x Im Pin) x 100 (越高越貴)
bull Pin (Incident Power) = A (hc λ) bull N(λ) dλ
bullλ wavelength (microm)
bull N(λ) Number of photonm2 bull sec
bull A Area (m2)
bull h Plank constant c light speed
Voc開路電壓
Isc短路電流
Pm最大輸出功率值
Vm最大輸出功率時之電壓
Im最大輸出功率時之電流
太陽電池開路短路時皆不會燒毀
0
電壓源
電流源
利用串並聯組成模板與組列提供所需的工作電壓與電流
VocVm
Im
Isc
Pm
12太陽電池之串並聯使用
VocVm
Im
IscPm
VocVm
Im
Isc
Pm
太陽電池模板之構成
+
-
太陽電池模板結構太陽電池模板外觀太陽電池模板接線
正面
強化玻璃
EVA
TedlarTM (Dupont)
EVA
Polyester
TedlarTM (Dupont)
0125
0015
Cells0014
0015
00015
0002
00015
背面
單元太陽電池
太陽電池模板之規格範例
η (Efficiency) = (Vm x Im Pin) x 100
單晶矽模板效率 = (354 V x 495 A) ( 129 m2 x 1000 Wm2 ) x100
= 1358
單晶矽模板效率 = 1302
種類
項目單晶矽 多晶矽
額定輸出功率(Wp) 175 125
開路電壓(V) 444 323
短路電流(A) 555 546
最大輸出工作電壓(V) 354 260
最大輸出工作電流(A) 495 48
輸出最大功率(W) 175 125
尺寸(mm)W15736timesL826
timesH46
W1200timesL802
timesH46
重量(kg) 17 125
測定條件日照強度 AM151000Wm2Module 溫度 25
何謂AM0AM1AM15
Wavelength (microm)
Spec
tral
Irr
adia
nce
(Wm
-2micro
m-1) AM0
AM15
AM 即 Air Mass(不同 Air Mass 代表不同太陽光光譜)
bull AM0 (Air Mass 0) ~ 1400 W bullm-2
bull AM1 (Air Mass 1) ~ 1000 W bullm-2
bull AM15 (Air Mass 15) ~ 844 Wbullm-2
AM15 1000 Wbullm-2 (IEC 891 IEC 904-1)
Earth
AM0
AM1
AM15
大氣層
45o
太陽電池直接驅動負載如馬達等(應用於玩具車船馬達音樂卡片hellip)
bull 電力現買現賣
bull 負載匹配(容量與電壓)
bull 溫度效應
bull 搭配(超高)電容可以提高效能
太陽電池(直流)基礎應用範例(I)
I M
+
-
C
圖片資料來源httpshoppingyahoocom httpwwwsolar-icomSampYhtml
太陽電池先對電池充電再由電池供應負載(應用於玩具車船電動機械夜間燈光計算機鐘錶3C產品hellip)
bull 電力零存整付
bull 太陽電池電池電壓匹配
bull 溫度效應
bull 使用阻隔二極體
bull 電池過充放電保護
太陽電池(直流)基礎應用範例(II)
I負載
+
-
電池
圖片資料來源httpshoppingyahoocom httpwwwsolar-icomSampYhtml
FAQ1太陽電池應用效能不佳太陽電池之負載匹配(Load Matching)
RshID
IL
+
----
v
I
RL
Rs
bull Efficiency of a PV system is strongly affected by load matching
bull Measurement of I-V Characteristic curve is important
VocVm
Im
Isc
Pm
RL 1
RL 3
RL 2 Battery voltage
RL
----
+
不同日照強度下太陽電池 I-V 特性曲線
bull 最大輸出功率隨日照強度而改變並非永遠等於額定值
0
1
2
3
4
5
6
7
0 10 20 30 40 50
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
1000Wm2 (AM1)
500Wm2 (05AM1)
不同溫度下太陽電池 I-V 特性曲線
bull太陽電池溫度升高時輸出電壓與最大輸出功率降低
0
1
2
3
4
5
6
7
0 10 20 30 40 50
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
75oC 50oC 25oC 0oC
Battery voltage
0
1
2
3
4
5
6
7
0 10 20 30 40 50
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
500Wm2 (05AM1)
1000Wm2 (AM1)
太陽電池之動態負載匹配(日照變化)
RL(high)
RL(low)
bull Maximum power tracking is required in high efficiency PV system
太陽電池 I-V 特性曲線測量方法
VocVm
ImIsc Pm
C+
-
A
VR
A
V
A
V可程式負載
模擬陽光使用鎢絲燈氙燈Solar Simulator 或太陽光
Pm lt few10 W Pm lt few 100 W Pm lt 100 kW
Solar Simulator Array Tester
圖片資料來源httpwwwspiresolarcomSolarequipmenthtml
太陽於天球(Celestial Sphere)上運行之軌跡
冬至 春秋分 夏至 冬至 春秋分 夏至 春秋分 夏至
北緯 0o 北緯 45o 北緯 90o
(赤道) (北極)
天球
太陽運行軌跡與太陽電池仰角
冬至 夏至春秋分
所在緯度235o
235o47o0o
47o 235o
13太陽電池組列仰角與間隔設計例
bull組列仰角~235o (台灣地區)
bull h=組列總高度( lt 15 m)
bull L2=h tan(55o) = 057 L0
(55o可適用於冬至0900~1500)
bull水平角度=正南 plusmn5o
235o
55o
235o
夏至
冬至
春秋分
235o 235o
南
h = 04 L0
L1= 092 L0L2 = 057 L0
L0
L1 + L2 = 15 L0
2零交越偵測電路分析
bull 零交越偵測電路如圖1 所示主要目的在於檢測輸入弦波電壓之零交越點其電路輸出為ㄧ方波信號利用方波上緣信號觸發數位訊號處理器之外部中斷腳位進而進行相位同步之功能[4]零交越偵測電路輸入與輸出波形如圖2 所示相位同步控制當數位訊號處理器發生上緣觸發時此觸發訊號如同系統重置訊號將正弦表指標變數歸零一經重置後指標變數又開始計數藉由每週期ㄧ次的重置訊號迫使換流器輸出達到同步相位同步控制波形示意圖如圖3 所示圖4 為零交越偵測電路輸出實測圖[4]
3系統電路架構與動作模式
bull A
bull 本文所述之系統為一太陽光電能轉換系統方塊圖如圖5 所示主要部分包括太陽能板直流-直流轉換器全橋式換流器數位訊號處理器感測迴授電路與驅動電路此一系統之基本動作情況為一般情況下斷路器1 和斷路器2 均為導通狀態此時太陽光電能轉換系統與電力網路處於連結運轉模式而當電力網路供電中斷時斷路器2 將被斷路以避免孤島現象的發生反之若是太陽光電能轉換系統發生故障時斷路器1 將被斷路以避免電力網路受到其故障的影響
31系統電路架構與動作模式
bull B
bull 電路工作模式bull 此一太陽光電能轉換系統主要有兩種工
作模式以下為二種工作模式的操作說明
bull (1) 獨立運轉模式bull 如圖6 所示獨立運轉模式為當電力網
路供電中斷時斷路器2 將被斷路而此時太陽光電能轉換系統將操作在電壓控制模式下提供負載一穩定的輸出電壓
bull (2) 與電力網路連結運轉模式bull 如圖7 所示與電力網路連結運轉模式
將太陽光電能轉換系統與電力網路連結運轉也就是斷路器1 和斷路器2 同時導通此時系統將操作在電流控制模式下首先經由最大功率點追蹤程式運算出瞬時最大功率點的電流參考值再根據此一電流參考值輸出一與電力網路電壓同相位的電流至負載或甚至回送至電力網路
31直流至直流切換式轉換器
典型直流至直流轉換器系統之構造如圖21所示其輸入通常為由線電壓整
流而得之非調節直流電壓然後再利用切換式直流至直流轉換器將此變動之
直流電壓轉換成一調節之直流電壓
無控制之二極體橋式整流器
交流線電壓
(單相或三相)
直流電壓
(無調節性)
濾波電容 (無調節性)
直流至直流轉換器 (具調節性)
負載
蓄電池
直流電壓 直流電壓
控制訊號1降壓式(step-down buck)轉換器
2升壓式(step-up boost)轉換器
3升降壓式(step-downstep-up buck-boost)轉換器
4全橋式轉換器
上述四種轉換器中只有降壓式及升壓式是最基本的轉換器電路架構升
降壓式轉換器是此二基本轉換器之結合而全橋式轉換器則是由降壓式轉
換器衍生而來
直流至直流轉換器之控制
直流至直流轉換器的作用即是在輸入電壓與輸出負載變動的情況下能夠調
節輸出電壓為所設定的位準電壓位準轉換之原理可以圖22(a)所示之簡單
電路來說明由開關導通與截止可得圖22(b)之波形其中輸出電壓vo平均
值大小Vo與開關之導通及截止時間(ton及toff)有關平均輸出電壓大小調整
之最典型的方式是採用脈波寬度調變法(Pulse-Width ModulationPWM)
其切換週期Ts(= ton+toff)為固定由調整導通時間之大小來改變平均輸出電
壓之大小Vo
+
_
Vd
R
+
_
Vo
0Vd
Vo
vo
tton toff
Ts
脈波寬度調變切換控制的方塊圖如
圖23(a)所示開關之切換控制信號
由控制訊號vcontrol與週期為Ts之鋸齒
波vst比較而得控制信號則由Vo之
實際值與設定值之誤差放大而得
vcontrol與vst比較所得之切換控制信號
的波形如圖23(b)所示當控制訊號
vst較大時則為高準位信號即使
開關導通反之為低準位信號即使
開關截止故開關之切換週期亦為
Ts 由以上的原理可知開關切換
之責任週期 (Duty Ratio)為D=tonTs
=vcontrolVst 其中Vst為鋸齒波之振
幅
放大器
+
-Vo
(設定)
(實際)
Vo
比較器
週期性波形 stv
切換控制訊號
控制訊號
0 t
$Vst
=stv 鋸齒波電壓
controlv (放大誤差)
On On
Off Off
stcontrol vv gt
stcontrol vv ltton toff
Ts
切換控制訊號
(切換頻率 fT
s
s
=1
)
升壓式直流至直流轉換器
圖211為升壓式轉換器電路主要用途為直流電源供應器與直流馬達之
再生制動(Regenerative Breaking)顧名思義其輸出電壓高過於其輸入
電壓當開關導通時二極體反向偏壓輸入電能儲存於電感負載電
能則由電容提供當開關截止時負載吸收輸入及儲存電感中之電能
-
L
CRVd
Vo
vL
iL
io
+
-
++
_
t0
t0
vL
iL
I L
Ts
toffton
_++
_
+
_
+ _+
_
+
_
iL
vL
Vd Vo
iL
vL
Vd Vo
)( dV
)( od VV minus
圖212所示為電感電流為連續之
穩態工作波形由穩態下電感電
壓一週期之平均值為零可得
0)( =minus+ offodond tVVtV
等號兩側除以Ts重新整理可得
Dt
T
V
V
off
s
d
o
minus==
1
1
假設電路無損失輸入功率
Pd=VdId 等 於 輸 出 功 率
Po=VoIo 則
)1( DI
I
d
o minus=
非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器
bullBoost之設計假設輸入10V輸出30V頻率50kHz輸出10W
所以D＝23
( ) s
o
o TDDP
VL
22
12
minusge
=6667uH
取75uH
D
VV in
o minus=
1
L
Vi
n
S Vo
+
_
C
DiL
vds
升降壓式直流至直流轉換器
升降壓式轉換器的主要用途為輸入與輸出之極性相反輸出電壓可以高於
或低於輸入電壓之直流電源供應器升降壓式轉換器可以由降壓式轉換器
與升壓式轉換式串接而成穩態下輸入與輸出電壓轉換器之比值為二轉換
器個別比值之乘積
D
D
V
V
d
o
minus=
1
因此變化責任週期D可使輸出電壓高於或低於輸入電壓
+
_
+
_
_
+
RC Vo
L
Vd
io
iLvL
id
降壓式直流至直流轉換器
降壓式轉換器顧名思義其作用為將較高準位的輸入電壓換成較低
準位的輸出電壓主要用途為直流電源供應器及直流馬達速度控制
圖22(a)所示為提供純電阻性負載之降壓式轉換器由圖22(b)可知其輸
出電壓波形由開關位置決定平均輸出電壓為
dd
s
onT
t
t
d
s
T
o
s
o DVVT
tddV
Tdv
TV
s
on
ons ==+== intintint )0(1
)(1
00ττττ
+
_
Vd
R
+
_
Vo
0Vd
Vo
vo
tton toff
Ts
32直流至交流切換式反流器
切換式直流至交流(DCAC)反流器(Inveter)乃用以將直流電源轉換成振幅
與頻率均可調之正弦式交流電源主要用途為交流馬達驅動與交流不斷
電電源供應器圖31為典型交流馬達驅動之反流器方塊圖其直流輸入
電壓通常由線電壓整流及濾波而得接著再利用切換式反流器改變輸出
電壓之振幅與頻率以驅動交流馬達切換式反流器功率之流通通常是
由直流至交流稱為反流模式但亦可以從交流至直流稱為整流模
式
+
_
交流馬達
二極體整流器 濾波電容 切換式反流器
Vd
三相交流電源
反流器包括單相及三相其輸入為直流電壓源者稱為電壓源反流器
(Voltage Source InverterVSI)另外若輸入為直流電流源者稱為電流
反流器(Current Source InverterCSI)目前僅應用在高功率之交流馬達
驅動器
1脈波寬度調變(PWM)反流器其輸入電壓通常為固定反流器本身具備變
頻及變壓的功能而變頻及變壓乃利用開關之脈波寬度調變切換控制達成
有許多類型之脈波寬度變技術可以使輸出電壓近似弦波
2方波(Square-Wave)反流器此反流器輸出電壓振幅乃由其輸入電壓調
整
反流器本身只控制輸出頻率交流輸出電壓波形近似方波因此乃稱方波
反流器
3採用電壓消去法(Voltage Cancellation)之單相反流器單相反流器當輸入
電壓為定值時可以利用電壓消去法來變頻及變壓而不須採用脈波寬度
調變其輸出電壓波形近似方波因此其結合了前述兩種反流器的特色
值得注意的是電壓消去法並不適用於三相反流器
切換式反流器之基本觀念
考慮圖33(a)之單相反流器假設其正弦輸出電壓vo是經過濾波所得若
輸出之負載為電感性(如馬達)則輸出電流io將落後vo 如圖33(b)所示
在期間1及3中 vo與io同號瞬時功率Po=voio為正故功率由直流側送至
交流側稱之為反流模式在期間2及4中 vo與io異號瞬時功率Po為負
故功率由交流側送至直流側稱之為整流模式圖33(a)之切換式反流器
在每一週期內會經歷平面上四個象限中之所有象限
單相切
換式變
流器與
濾波器
o
o
+
-
+
-
Vd
vo
id
io
0t
4 1 2 3
voio
io
vo
1反流器
4整流器
3反流器
2整流器
0
為清楚解釋起見以單臂反流器來說明
+
_
+
_
+ +
__
Vd
Vd
2
Vd
2
A
N
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
vAN
oo
o
反流器電路之脈波寬度調變切換技術如圖35(a)所示由一正弦波形控
制訊號vcontrol與三角波形vtri作比較三角波(又稱載波)之振幅為Vtri頻率
為fs fs決定反流器開關之切換頻率正弦波控制電壓vcontrol(又稱調制訊
號)之基頻f1決定反流器之輸出頻率而其振幅則決定反流器輸出電壓之
大小定義振幅調變指數為ma=Vcontrol Vtri 其中Vcontrol為vcontrol之振幅
而頻率調變指數則定義為mf = fs f1
0 t
vcontrol vtri
sf
1
0 t
vAo
V d
2
minusVd
2
t=0
v v
T on T off
control tri
A A
lt
minus + v v
T on T off
control tri
A A
gt
+ minus
1)( AoAo vv =之基本波
0 t
vcontrol vtri
sf
1
圖34反流器之開關的控制方法與io方向無關為
dAoAtricontrol VvTvv2
1=gt +導通
dAoAtricontrol VvTvv2
1minus=lt minus導通
由於二開關之導通為互補因此輸出電壓只在Vd 2與-Vd 2二值間作變
動圖35(b)所示為ma=08與mf =15時輸出電壓vAo及其基本波(以虛線表示)
之波形
+
_
+
_
+ +
__
Vd
Vd
2
Vd
2
A
N
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
vAN
oo
o
單相全橋式反流器
單相全橋式反流器如圖311所示乃由兩個前述之半橋反流器所組成在
相同之輸入電壓下全橋式反流器之最大輸出電壓為半橋式之兩倍這代
表在相同之功率下全橋式反流器之輸出及開關電流僅為半橋式之一半
此對於高功率用途是一大優點因其可以降低使用並聯元件之需求
+
_
+
_
+
_
Vd
Vd
2
Vd
2
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
v v vo Ao Bo= minuso
A
B
TBminus
TB+
DBminus
DB+
+_
id
o
o
N
雙極性電壓切換之脈波寬度調變
0 t
vcontrolvtri
sf
1
0 t
ov1ov
dV
dVminus
單極性電壓切換之脈波寬度調變
onBT +
trivgttricontrol vv gt
trivcontrolv
t
)( controlvminus
)( controlvminusonAT +
t1ov
dV
dVminus
)( BNAN
o
vv
v
minus=
應用雙極性電壓切換之脈波寬度調
變全橋式反流器乃 (TA+TB-)與 (TA-
TB+)成對切換且二者互相反相
應用單極性電壓切換之脈波寬度調
變全橋式反流器乃A臂與B獨立切
換且同臂二開關互相反相
三相反流器
+
-
+
-
+
-
dV
2dV
2dV
+AT
minusAT
+AD
minusAD
o
BminusT
+BT
minusBD
+BD
di
minusCT
+CT
minusCD
+CD
N
A B C
o
0 t
triv Acontrolv Bcontrolv Ccontrolv
0
BNANAB vvv minus=
t
dV
之基本波1LLv
ANv
0 t
dV
t0
BNv
dV
三相電壓源反流器之脈波寬度調變切換的功能為在固定輸入直流電壓下用以調整三相輸出電壓之振幅及頻率三相脈波寬度調變方式由三相各差120度的控制電壓與三角波作比較其波形與單相全橋式反流器採用脈波寬度調變單極性切換者類似
最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法
33最大功率追蹤最大功率追蹤最大功率追蹤最大功率追蹤
為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點本文使用本文使用本文使用本文使用擾動觀察法擾動觀察法擾動觀察法擾動觀察法(Perturbation and Observation Method PampQ)進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功率追蹤率追蹤率追蹤率追蹤由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點下圖為擾動下圖為擾動下圖為擾動下圖為擾動觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖為利用為利用為利用為利用DCDC轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作時時時時其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為0之特性之特性之特性之特性使用使用使用使用DCDC轉換器控制太陽轉換器控制太陽轉換器控制太陽轉換器控制太陽能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動
擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖
最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法
左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖蹤示意圖蹤示意圖蹤示意圖太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分為兩個特性區域為兩個特性區域為兩個特性區域為兩個特性區域假設進行追蹤假設進行追蹤假設進行追蹤假設進行追蹤時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時電壓電壓電壓電壓的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率增加增加增加增加若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出功率減少功率減少功率減少功率減少經由經由經由經由DCDC轉換器調轉換器調轉換器調轉換器調節太陽能板與節太陽能板與節太陽能板與節太陽能板與DCDC轉換器的阻轉換器的阻轉換器的阻轉換器的阻抗相互匹配抗相互匹配抗相互匹配抗相互匹配進而得到太陽能板進而得到太陽能板進而得到太陽能板進而得到太陽能板的最大輸出功率的最大輸出功率的最大輸出功率的最大輸出功率
擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖
4軟體規劃
bull 系統控制程式主要分為主程式固定週期中斷副程式市電電壓零交越中斷副程式等三大部分以下將分別介紹各部分程式流程
bull 本系統主程式主要執行數位訊號處理器周邊暫存器的初始設定以及變數宣告其中除了變數宣告外周邊暫存器的初始設定包括有規畫中斷向量設定計數器之計數模式計數週期中斷的時間和PWM 輸出模式等相關參數設定
bull 如圖8 所示系統初始設定後必須先等待中斷發生才能決定系統是否執行固定週期中斷程式或零交越中斷副程式
bull 圖9 為固定週期中斷副程式流程圖固定週期中斷頻率與換流器開關之切換頻率相同為20kHz程式開始會先偵測太陽能板電壓及電流與直流鏈電壓當確定市電電壓零交越中斷發生時必須先將輸出弦波訊號之指標強制為原點重新送出單位弦波確保換流器輸出電流與市電電壓能維持同相位接著比較太陽能板輸入電壓VPV 是否大於最低工作電壓VPV_work如果確定大於最低工作電壓則致能太陽能最大功率追蹤反之則禁能系統動作程式返回圖9 中的正弦脈寬調變副程式主要功能在於決定換流器中開關的動作順序與責任週期大小以及輸波參考訊號
bull 圖10 為太陽能最大功率點追蹤副程式流程圖在文中對最大功率追蹤採用擾動與觀察法配合太陽能光電板的電壓mdash功率特性曲線即可瞭解程式如何完成太陽能光電板最大功率點追蹤
主程式流程圖
5實驗
bull 依據上述的分析採用DSP 2407A 建立一個500W 太陽光電池電能轉換系統依據圖11 之
bull 電路架構其規格與元件參數分別列於表一表二及表三系統實驗波形圖12圖13圖14 及
bull 圖15 為系統操作在獨立運轉模式下負載分別為120W240W360W 及480W 時之換流器輸出
bull 電壓及輸出電流之實測波形
系統規格與元件參數
實測波形
6實務應用系統實務應用系統實務應用系統實務應用系統
獨立系統示意圖獨立系統示意圖
考慮點
系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等安全係數最佳化設計複雜)
一般充電控制器無 MPPT搭配蓄電池使發電效能較差
蓄電池每日gt50DOD深度放電gt02C充電壽命短
太陽光發電量與負載需求量不搭配時太陽光之發電能量利用率偏低 (負載需求搭配與安全係數為互相矛盾之設計)
PV-柴油發電機PV-風力等混合系統為改善之方法
市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台
電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池
併聯系統示意圖併聯系統示意圖
緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析
1 系統設置成本高建議使用於邊際效益高之用電（防災緊急輔助電力）
2 總體經濟效益減少環境污染解決尖峰用電之不足與短缺能源多元化之風險分擔與開創自主能源
3 遮蔽陽光直曬降低建築物之熱效應（被動省能）同時轉換太陽光為電能供應建物自主能源（主動節能）一舉兩得
緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較
30萬元divide21900kWh＝137元度2萬元divide50kWh＝400元度每度電成本
日發電度數times365天times20年＝3hrtimes1kWtimes365天times20年＝21900kWh（度）
（年停電＋年測試運轉時數）times10年＝（20mintimes6次＋15mintimes12月）times10年＝5hrtimes1kWtimes10年＝50kWh
總發電度數（1kw計）
夜間不發電（可利用蓄電池設計供電年維運費02）
噪音空污油料運輸儲油危險維運成本高
缺點
利用露台屋頂牆面空間設備煙管隔音油槽需室內空間
設置空間
平時緊急時均可使用隨時可了解運轉狀況不須操作
加ATS停電時方可啟動需人員每月定期測試運轉
系統運作
太陽光潔淨能源（免費）柴油使用燃料
20年7~10年使用壽命
1kW=30萬元1kW=2~3萬元設置費用
太陽光發電系統柴油發電機
風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析
運用多元化能源分擔風險情況比較說明如下
1 市電--gt停電時風險極高
2 市電＋柴油發電機--gt發電機故障時風險高
市電＋柴油發電機＋太陽光發電系統--gt發揮三者優點互補同時故障機率小風險最低
案例
832kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide057＝317 m2
115kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide075＝332 m2
緊急時057平時065~08
綜合係數溫度變化污損線損Inverter效率＋蓄電池充放電補償
電力需求divide（日照強度times日照時間times模板效率times綜合係數）
模組面積估算
日照強度1kWm2
日照時間384hd
模板效率12
832kWhd500人用電量115kWhd770人用電量
緊急時平時
電力需求估算
緊急時40kWtimes384hdtimes057＝875 kWhd
平時40kWtimes384hdtimes075＝1152Whd
太陽發電系統發電量＝設置容量times日照時間times綜合係數
發電量計算
332m2times1kWm2times12＝398kW≒40kW
太陽發電系統設置容量＝設置面積times日照強度times模板效率
設置容量計算模板效率依太陽電池種類而異
進行模板陣列及蓄電池容量設計
40kWdivide18片串divide120W＝185列≒19
列
40kWdivide17片串divide120W＝196列≒20
列
陣列併列數＝設置容量divide單串功率
18片times120W＝2160W
17片times120W＝2040W
單串功率
300Vdivide169V＝1775片（取整數17 or 18）
陣列串聯數＝Inverter輸入電壓divide模板輸出電壓
模板陣列設計
1 模板功率120W
2 模板輸出電壓169V
3 直交流轉換器(Inverter)輸入電壓300V
120Wtimes17片串times20列＝40800W＝340片(最佳陣列)
120Wtimes18片串times19列＝41080W＝342片
最佳陣列較經濟之設置容量選擇最佳陣列
蓄電池數量＝144個times2列＝288個
120640Whdivide288Vdivide200Ah＝21列≒2列
併列數＝蓄電池需求容量divideInverter額定電壓
288Vdivide2V＝144個
串聯數＝Inverter額定電壓divide蓄電池電壓串併數設計
middot 蓄電池電壓2V個
middot 蓄電池容量200Ah個
Inverter電壓輸入電壓 額定電壓300V 288V200V 192V
蓄電池需求容量＝832kWhdtimes1dtimes145＝12064kWh
蓄電池需求容量＝緊急電力需求times無日照天數times補償係數補償係數蓄電池內阻抗放電停止電壓電壓降低補償
蓄電池需求容量設計
middot 補償係數145
無日照天數1日
61市電相關規定市電相關規定市電相關規定市電相關規定
1 發電設備併接於低壓系統者其總容量未滿100kW且技術無困難者得併接於單相三線110V220V三相三線220V之配電系統若總容量在100kW以上而未滿500kW得分別併接於3相4線220V380V之配電系統
2 發電設備總容量在500kW以上而未滿5000kW10000kW且技術無困難者得分別併接於114KV228KV之高壓配電系統
3 電設備總容量在10000kW以上而未滿40000kW者得併接於特高壓之系統
4 發電設備總容量在40000kW以上者依個案研討分類
併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類
發電系統經由發電系統經由發電系統經由發電系統經由110V220V110V220V110V220V110V220V併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者發電設發電設發電設發電設備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能
1 過電壓保護 低電壓保護
2 低頻保護 高頻保護
3 過電流保護 零相過電壓接地保護
4 發電設備為無逆送電力者須加裝逆電力保護
5 發電設備為有逆送電力者必須具備主動及被動防止單獨運轉保護
發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經110V220V110V220V110V220V110V220V系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者在電在電在電在電源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器
發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業114KV228KV114KV228KV114KV228KV114KV228KV之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者((((高高高高壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶))))發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Extremely Inverse特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Extremely Inverse特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過流電驛(67)須具Normal Inverse特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
發電設備併接於電業69KV特高壓輸電系統者發電設備之輸出端至少應具有下列同等保護功能並須與電業該轄區之保護設備協調
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Normal Inverse之特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Normal Inverse之特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過電流電驛(67)須具Normal Inverse之特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
8 快速及後衛保護電驛如系統保護需要時應裝設
9 匯流排電驛採用GIS斷路器者應裝設
62626262太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範
1 故障電流
太陽光電發電系統大於100kW以上須計算故障電流其送至電業系統之故障電流不得影響電業及其他用戶斷路器之起斷容量否則需裝置限流電抗器
太陽光電發電系統之隔離變壓器接地方式須與電業之系統配合
2 正常電壓變動率應維持在plusmn5以內
3 太陽光電發電系統與電業間之責任分界點的功率因數以維持85落後至100之間運轉為原則
4 諧波污染限制應依照「電力系統諧波管制暫行標準」辦理
分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性
適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯型之規範型之規範型之規範型之規範
電力轉換器電力轉換器電力轉換器電力轉換器(電力調節器電力調節器電力調節器電力調節器)(InverterConditioner)
蓄電池蓄電池蓄電池蓄電池(Battery))
63大型(商用)太陽光發電系統應用(gt1 kWp)
太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統
單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池(Unit Solar Cell)
太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板(PV Module)
太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列(PV Array)
太陽光發電系統應用獨立系統
(A) 獨立系統(Stand-Alone
System)
bull 蓄電池保護壽命
(B) 混合型交流獨立系統 (Hybrid
System)
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
直流負載PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
整流器
輔助發電機
PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載- ~PCU
直直直直交流轉換器交流轉換器交流轉換器交流轉換器
太陽光發電系統應用併聯系統
(D)併聯系統(Grid-
connected System)
特殊功能1 最佳效能2 防止獨立運轉(連線保護)
3 可自力運轉
(E) 防逆流型系統(Off-line System)
(F) 防災型併聯系統
充電控制器
蓄電池
直交流轉換器
PCU太陽電池組列
交流負載
ATS
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
獨立型系統
適用地點高山離島基地台hellip等市電無法到達處
工作方式白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
必須可以自給自足
缺點bull 系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等
安全係數設計很困難)
bull 蓄電池建置複雜成本很高壽命很短
bull 負載搭配不良時發電效能不佳利用率將偏低
bull 需由專人隨時維護
bull 混合系統為一種解決方法
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
PCU
併聯型系統
適用地點電力正常送達之任何地點工作方式 bull 白天 PV系統併聯發電夜間由台電供電bull 將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的蓄電池
優點bull 系統簡單不需安全係數設計(依預算設計)不需要專人維護bull 併聯發電效率高利用率高
缺點bull 停電時無電可用bull 受併聯法規限制尚未開放(但即將開放)
bull 有孤島效應之疑慮(目前技術上已解決)
改善型無電池自力運轉
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
市電併聯型住宅用太陽光發電系統
太陽光發電系統發電及負載用電對時間之關係
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
併聯型直交流轉換器之效能要求較高
1 最大功率追蹤(Maximum Power Tracking MPT)
2 高轉換效率 gt 90 (PWM+電力電子元件)
3 高次諧波功率 Distortion (lt5 total)
4 自動開關機(白天夜晚)
5 過負載保護過溫度保護
6 體積小重量輕室外防水防塵
7 電腦界面可遠端監控
8 防止獨立運轉(連線保護)
9 可自力運轉
太陽電池組列
交流負載
直交流轉換器MPT
Power Conditioner
併聯系統之獨立運轉(單獨運轉)
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull停電時單一併聯系統將會停止運作
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
bull 市電停電時多數併聯系統仍聯合運作將對電力公司人員產生嚴重危害
孤島效應之防止方法
停電偵測1 過電壓低電壓
2 過頻率低頻率
3 被動式偵測如
bull 電壓與頻率監視方式
bull 電壓相位跳躍監視方式
bull 高次諧波監視方式
bull 頻率變化監視方式
PV組列
直交流轉換器
自家負載
4 主動偵測如
bull 頻率Shift方式
bull 配電線負載變動方式
bull 有效電力變動方式
bull 無效電力變動方式
反應時間05~2秒
資料來源「日本電氣用品試驗所」分散型電源系統連系技術指針(1998)
併聯系統之自力運轉功能
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull 大停電後白天有陽光時以人工啟動 PV 系統進行自力運轉供自家負載使用(但夜間無法使用)
防災型併聯型系統
適用地點有防災需求(照明汲水通信hellip)之公共設施
工作方式
bull 平時PV併聯發電(電池浮充) 效率高利用率高夜間由台電供電
bull 視需要建置供防災用電池大停電時白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
缺點bull 含電池成本較高bull 系統較複雜需專人定期維護
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
FAQ1太陽光發電需要多少土地
效率 = (輸出功率W) (組列面積 m2 x 日照強度 Wm2 ) x 100
模板面積 m2 = 輸出功率W (效率 x日照強度Wm2 ) x100
bull 假設使用效率gt136 模板於1000 Wm2 (AM15)日照強度下
10 kWp 模板面積 (m2) = 10000 (0136 x 1000) ~ 735 m2
10 kWp PV系統土地面積需求約
~ 735 m2 x 15 x 11
~ 121m2 (~36坪)
(包括陰影面積及維修空間)
bull 假設使用效率~10 模板
則模板面積約 ~ 100 m2
土地面積需求約 ~ 165m2 (~50坪)
gt55o
夏至
冬至
春秋分
235o 235oh
L1 L2
FAQ2太陽電池一年能發多少電
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
10 kWm2
05 kWm2
日照強度
等效日照時數(Sun Hour)
組列單日發電量 = 組列額定輸出功率 x 等效日照時數
bull 預估1 kWp 組列單日發電量 = 1 (kW) x ex 4(Sun Hour)= 4 kWh
組列年發電量 = 組列額定輸出功率 x 年平均每日日照時數 x 365
bull 預估 1 kWp 組列年發電量 = 1 x 4 x 365 = 1460 kWh
時間時間時間時間
FAQ3太陽光發電的成本(簡易估算)
1 假設目前太陽光發電系統設置成本約為 NT$ 280000 kWp
2 假設年平均每日日照時數約為 25 Sun Hour (台灣中南部地區)
bull 1 kWp 組列單日發電量= 1 (kW) x 25 (Hour)= 25 kWh
bull 1 kWp 組列年發電量= 25 x 365 = 913 kWh (度)
3 假設太陽光發電系統使用壽命為 20 年
bull 1 kWp 太陽光發電系統總共可發電 20 x 913 = 18260 度
4 生產每度電之成本約為 280000 18260 ~ NT$ 153
5 未來發展趨勢
bull 太陽光發電系統設置成本將逐年降低
bull 市電電費將會升高(國內目前約 NT$ 3 度日本約NT$ 7 度)
bull 傳統能源限制再生能源獎勵利率降低
64獨立型太陽光發電系統應用例(一)
bull太陽電池時鐘-日本bull太陽電池路燈-日本千里住宅公園
獨立型太陽光發電系統應用例(二)
bull太陽電池交通標誌-日本北海道 bull高速公路緊急電話-日本
獨立型太陽光發電系統應用例(三)
bull800W無線通信中繼基地台韓國(1998)
獨立型太陽光發電系統應用例(四)
bull離島用90kW獨立型發電系統韓國Ho-Do島(1992)
併聯型太陽光發電系統應用例(一)
bull設置於屋頂之住宅用太陽光發電系統(建材一體型日本千里住宅公園內住宅設計之一)
併聯型太陽光發電系統應用例(二)
bull日本東海線新幹線京都車站之太陽光發電系統(100kWp)
併聯型太陽光發電系統應用例(三)
bull日本京瓷(Kyocera)京都總公司大樓之太陽電池發電系統(220kWp)
太陽光發電發電廠應用例
太陽電池發電廠
(PV Power Plant)
資料來源 ANIT
Srl Italy
建材一體型太陽電池模板應用例
bull資料來源 Pilkington Solar International GmbH 德國
太陽能車應用例
Honda Dream
bull資料來源 PV Special Research
Centre UNSW Australia
交大太陽能車
bull資料來源 National Chiao-Tung
University Taiwan
太陽光發電航太應用例(NASA Helios )
bull空中無線通訊平台應用
資料來源SkyOne Inc Taiwan
bull 飛行高度5-7 萬英呎(最高記錄 96000 英呎)
bull 時速60 mph (起飛 25 mph)
bull 翼展247 英呎bull 重量2000 磅bull 太陽電池效率要求gt22
資料來源httpwwwaerovironmentcomhomehtml
清雲技術學院 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
個人住宅 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
勤益技術學院 3kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
南台科技大學 10kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
總統府 10kWp 獨立型太陽光能發電系統 (9012)
海巡署南沙太平島 20kWp 混合型(柴油發電機)太陽光能發電系統 (9011)
90能源基金示範補助成果例
台電樹林 20kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
併聯型
台電台北市區處 20kWp 太陽光發電系統
(91能源基金示範補助成果)
併聯型
7結論
bull (1)提高電力轉換器效率
bull 轉換器的損失主要來自於開關切換時之損失為了可以降低濾波電路中電感和電容的體積可以提高切換頻率但是相對於開關的切換損失也因此而增加導致轉換器的效率降低因此發展零電壓或零電流切換技術應用於高切換頻率之轉換器將可以提高轉換器的效率
bull (2)提高太陽光發電系統之整體效率
bull 傳統之太陽光發電系統包含儲能系統和供電系統前級利用DCDC轉換器作最大功率追蹤後級則利用DCAC轉換器轉換能量供應給交流負載為了提高太陽光發電系統的整體效率在研究可提出了模組並聯控制技術以提昇各級電力轉換器的效率而在未來太陽光發電系統也將著重在單級電力轉換器的設計對於整體系統效率有較明顯的改善
8參考資料
1許國強ldquo太陽光發電原理與應用工研院材料所 薄膜技術組91年
2華志強黃崇倫ldquo智慧型能量控制於太陽光電能轉換系統國立雲林科技大學電機工程學系電力研討會97年
3林政達ldquo數位式市電並聯換流器與快速鎖相迴路控制器之研製國立雲林科技大學電機工程學系碩士論文92 年
4李思賢ldquo數位式單相低功率太陽光電能轉換系統國立中山大學電機工程學系碩士論文92 年
5洪世杰ldquo適用於再生能源之市電併聯型雙輸入供電系統國立中正大學電機工程研究所碩士論文93 年
6王廷興ldquo太陽能發電配電設計概要台北科技大學冷凍空調系 92年
7魏榮宗王文宏ldquo高效率太陽光電能源轉換系統 元智大學電機工程學系94年
[ ] 100)25(
)11
(exp
1)(exp
3
λminus+=
minus
=
+minus
minus+minus=
TKII
TTBk
qE
T
TII
where
R
IRVIRV
AkT
qIII
ISCRLG
r
GO
r
oros
sh
ssosLG
VI cell output current and voltagecell reverse saturation currentcell temperature in CBoltzmannrsquos constantelectronic chargeshort circuit current temperature coefficientsolar irradiation in Wmshort-circuit current at 25 Cand 1000 Wm
light-generated currentband gap for siliconideality factorsreference temperaturecell saturation current atshunt resistanceseries resistance
osI
T
kq
00170=IK
SCRIλ
LGI
GOE
921== ABKTr deg= 18301
orI
shR
sR
附錄附錄附錄附錄- 太陽能電池太陽能電池太陽能電池太陽能電池
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
(a) Equivalent circuit of a PV module and
(b) Typical PV module current-voltage and power-voltage characteristics
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
Characteristic of a PV module with temperature and irradiation (a) constant irradiation and varying temperature and (b) constant temperature and varying irradiation
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
系統範例系統範例系統範例系統範例
中途驛站電化PV離島用PV系統山岳地帶PV系統離島偏遠區
勤務指揮中心緊急避難所醫療院所公園學校地震觀測站森林嘹望台避難指示燈氣象觀測所水位警報PV系統河川安全燈防波堤安全PV燈
緊急防災
緊急供電系統管線電氣防蝕輸油管流量計PV系統市場廣告塔海上石油平台各種計測站PV系統發電廠情報指揮中心
產業用
住宅用供電系統緊急供電系統緊急照明系統帷幕牆遮陽棚採光罩屋瓦建築物
無線通信用中繼站基地台緊急電話中繼站電話通信PV系統Radio受信PV系統微波中繼站
通訊
農宅用電溫室栽培PV系統農業灌溉用自動灑水系統農牧電籬牛乳冷藏漁業養殖揚水通氣自動餵食器
農林漁牧
路燈交通號誌道路指示牌標誌燈太陽能電動車充電站高速公路緊急電話偏遠道路緊急電話停車計時器停車場控制門系統高速公路防音壁PV系統公路休息區PV系統太陽能車平交道指示燈候車亭PV系統車站屋頂型PV系統
道路交通
收音機測電表手錶計算機太陽能照相機手電筒電池充電器野營燈民生
應用領域
3 鍍抗反
射層
4 網印
5 燒結
單晶矽太陽電池製程步驟例(II)
11太陽光發電(Photovoltaic)原理 (I)
太陽電池是以 P 型與 N 型半導
體材料接合構成正極與負極
當太陽光照射太陽電池時光
的能量會使半導體材料內的
正負電荷分離
正負電荷會分別往正負極
方向移動並且聚集
將太陽電池正負極接上負載
時將有電流流出可以對負
載作功(燈泡會亮馬達會轉)
正極P 型
負極N 型
P
N
P
N
P
N
-++
-
+
-+
-+
+ + + + +
- - - - -
--
+
-+
正負電荷
+
-
+
-
+
-
太陽光
太陽光
太陽光
電流
-+
PN(不照光平衡狀態)
EfEv
Ec
N P P
N
P
N
P
N
P
N
光子(Photon)
-+-+
-+
-+
-+
+ + + + +
- - - - -
-+
-+
-+
太陽光發電(Photovoltaic)原理 (II)
-
+
Photon
+
+
-
-
- -
++
Ef
Ev
Ec
PN(照光狀態)
++
-
- -
+
+
--
+
-
+
Photon
多數載子
多數載子
少數載子
少數載子
+
-
多數載子
多數載子
電子-電洞對(Electron-
hole pair)
EvN Type
SemiconductorP Type
Ef
Ec
Ef
Ev
Ec
電子位能
Ec conduction band
Ev valence band
Ef Fermi level
I=I0 (eVaVT-1)-Isc
Isc = -I (短路電流 V=0)
Voc = aVTln(Isc I0 +1) (開路電壓
I=0)
I0 (逆向漏電電流) prop ni prop e-Eg
RshID
Isc
+
----
v
I
RL
Rs
太陽電池等效電路與電氣特性
+I
+V
-V
Dark
VocV
Photo
Isc
I
Pm
I0
太陽電池等效電路 常用太陽電池電路符號
VocVm
Im
Isc
Pm
太陽電池 I-V 特性曲線分析
FF(Fill Factor) = (Vm x Im Voc x Isc) x 100 (越高越好)
ηηηη (Efficiency) = (Vm x Im Pin) x 100 (越高越貴)
bull Pin (Incident Power) = A (hc λ) bull N(λ) dλ
bullλ wavelength (microm)
bull N(λ) Number of photonm2 bull sec
bull A Area (m2)
bull h Plank constant c light speed
Voc開路電壓
Isc短路電流
Pm最大輸出功率值
Vm最大輸出功率時之電壓
Im最大輸出功率時之電流
太陽電池開路短路時皆不會燒毀
0
電壓源
電流源
利用串並聯組成模板與組列提供所需的工作電壓與電流
VocVm
Im
Isc
Pm
12太陽電池之串並聯使用
VocVm
Im
IscPm
VocVm
Im
Isc
Pm
太陽電池模板之構成
+
-
太陽電池模板結構太陽電池模板外觀太陽電池模板接線
正面
強化玻璃
EVA
TedlarTM (Dupont)
EVA
Polyester
TedlarTM (Dupont)
0125
0015
Cells0014
0015
00015
0002
00015
背面
單元太陽電池
太陽電池模板之規格範例
η (Efficiency) = (Vm x Im Pin) x 100
單晶矽模板效率 = (354 V x 495 A) ( 129 m2 x 1000 Wm2 ) x100
= 1358
單晶矽模板效率 = 1302
種類
項目單晶矽 多晶矽
額定輸出功率(Wp) 175 125
開路電壓(V) 444 323
短路電流(A) 555 546
最大輸出工作電壓(V) 354 260
最大輸出工作電流(A) 495 48
輸出最大功率(W) 175 125
尺寸(mm)W15736timesL826
timesH46
W1200timesL802
timesH46
重量(kg) 17 125
測定條件日照強度 AM151000Wm2Module 溫度 25
何謂AM0AM1AM15
Wavelength (microm)
Spec
tral
Irr
adia
nce
(Wm
-2micro
m-1) AM0
AM15
AM 即 Air Mass(不同 Air Mass 代表不同太陽光光譜)
bull AM0 (Air Mass 0) ~ 1400 W bullm-2
bull AM1 (Air Mass 1) ~ 1000 W bullm-2
bull AM15 (Air Mass 15) ~ 844 Wbullm-2
AM15 1000 Wbullm-2 (IEC 891 IEC 904-1)
Earth
AM0
AM1
AM15
大氣層
45o
太陽電池直接驅動負載如馬達等(應用於玩具車船馬達音樂卡片hellip)
bull 電力現買現賣
bull 負載匹配(容量與電壓)
bull 溫度效應
bull 搭配(超高)電容可以提高效能
太陽電池(直流)基礎應用範例(I)
I M
+
-
C
圖片資料來源httpshoppingyahoocom httpwwwsolar-icomSampYhtml
太陽電池先對電池充電再由電池供應負載(應用於玩具車船電動機械夜間燈光計算機鐘錶3C產品hellip)
bull 電力零存整付
bull 太陽電池電池電壓匹配
bull 溫度效應
bull 使用阻隔二極體
bull 電池過充放電保護
太陽電池(直流)基礎應用範例(II)
I負載
+
-
電池
圖片資料來源httpshoppingyahoocom httpwwwsolar-icomSampYhtml
FAQ1太陽電池應用效能不佳太陽電池之負載匹配(Load Matching)
RshID
IL
+
----
v
I
RL
Rs
bull Efficiency of a PV system is strongly affected by load matching
bull Measurement of I-V Characteristic curve is important
VocVm
Im
Isc
Pm
RL 1
RL 3
RL 2 Battery voltage
RL
----
+
不同日照強度下太陽電池 I-V 特性曲線
bull 最大輸出功率隨日照強度而改變並非永遠等於額定值
0
1
2
3
4
5
6
7
0 10 20 30 40 50
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
1000Wm2 (AM1)
500Wm2 (05AM1)
不同溫度下太陽電池 I-V 特性曲線
bull太陽電池溫度升高時輸出電壓與最大輸出功率降低
0
1
2
3
4
5
6
7
0 10 20 30 40 50
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
75oC 50oC 25oC 0oC
Battery voltage
0
1
2
3
4
5
6
7
0 10 20 30 40 50
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
500Wm2 (05AM1)
1000Wm2 (AM1)
太陽電池之動態負載匹配(日照變化)
RL(high)
RL(low)
bull Maximum power tracking is required in high efficiency PV system
太陽電池 I-V 特性曲線測量方法
VocVm
ImIsc Pm
C+
-
A
VR
A
V
A
V可程式負載
模擬陽光使用鎢絲燈氙燈Solar Simulator 或太陽光
Pm lt few10 W Pm lt few 100 W Pm lt 100 kW
Solar Simulator Array Tester
圖片資料來源httpwwwspiresolarcomSolarequipmenthtml
太陽於天球(Celestial Sphere)上運行之軌跡
冬至 春秋分 夏至 冬至 春秋分 夏至 春秋分 夏至
北緯 0o 北緯 45o 北緯 90o
(赤道) (北極)
天球
太陽運行軌跡與太陽電池仰角
冬至 夏至春秋分
所在緯度235o
235o47o0o
47o 235o
13太陽電池組列仰角與間隔設計例
bull組列仰角~235o (台灣地區)
bull h=組列總高度( lt 15 m)
bull L2=h tan(55o) = 057 L0
(55o可適用於冬至0900~1500)
bull水平角度=正南 plusmn5o
235o
55o
235o
夏至
冬至
春秋分
235o 235o
南
h = 04 L0
L1= 092 L0L2 = 057 L0
L0
L1 + L2 = 15 L0
2零交越偵測電路分析
bull 零交越偵測電路如圖1 所示主要目的在於檢測輸入弦波電壓之零交越點其電路輸出為ㄧ方波信號利用方波上緣信號觸發數位訊號處理器之外部中斷腳位進而進行相位同步之功能[4]零交越偵測電路輸入與輸出波形如圖2 所示相位同步控制當數位訊號處理器發生上緣觸發時此觸發訊號如同系統重置訊號將正弦表指標變數歸零一經重置後指標變數又開始計數藉由每週期ㄧ次的重置訊號迫使換流器輸出達到同步相位同步控制波形示意圖如圖3 所示圖4 為零交越偵測電路輸出實測圖[4]
3系統電路架構與動作模式
bull A
bull 本文所述之系統為一太陽光電能轉換系統方塊圖如圖5 所示主要部分包括太陽能板直流-直流轉換器全橋式換流器數位訊號處理器感測迴授電路與驅動電路此一系統之基本動作情況為一般情況下斷路器1 和斷路器2 均為導通狀態此時太陽光電能轉換系統與電力網路處於連結運轉模式而當電力網路供電中斷時斷路器2 將被斷路以避免孤島現象的發生反之若是太陽光電能轉換系統發生故障時斷路器1 將被斷路以避免電力網路受到其故障的影響
31系統電路架構與動作模式
bull B
bull 電路工作模式bull 此一太陽光電能轉換系統主要有兩種工
作模式以下為二種工作模式的操作說明
bull (1) 獨立運轉模式bull 如圖6 所示獨立運轉模式為當電力網
路供電中斷時斷路器2 將被斷路而此時太陽光電能轉換系統將操作在電壓控制模式下提供負載一穩定的輸出電壓
bull (2) 與電力網路連結運轉模式bull 如圖7 所示與電力網路連結運轉模式
將太陽光電能轉換系統與電力網路連結運轉也就是斷路器1 和斷路器2 同時導通此時系統將操作在電流控制模式下首先經由最大功率點追蹤程式運算出瞬時最大功率點的電流參考值再根據此一電流參考值輸出一與電力網路電壓同相位的電流至負載或甚至回送至電力網路
31直流至直流切換式轉換器
典型直流至直流轉換器系統之構造如圖21所示其輸入通常為由線電壓整
流而得之非調節直流電壓然後再利用切換式直流至直流轉換器將此變動之
直流電壓轉換成一調節之直流電壓
無控制之二極體橋式整流器
交流線電壓
(單相或三相)
直流電壓
(無調節性)
濾波電容 (無調節性)
直流至直流轉換器 (具調節性)
負載
蓄電池
直流電壓 直流電壓
控制訊號1降壓式(step-down buck)轉換器
2升壓式(step-up boost)轉換器
3升降壓式(step-downstep-up buck-boost)轉換器
4全橋式轉換器
上述四種轉換器中只有降壓式及升壓式是最基本的轉換器電路架構升
降壓式轉換器是此二基本轉換器之結合而全橋式轉換器則是由降壓式轉
換器衍生而來
直流至直流轉換器之控制
直流至直流轉換器的作用即是在輸入電壓與輸出負載變動的情況下能夠調
節輸出電壓為所設定的位準電壓位準轉換之原理可以圖22(a)所示之簡單
電路來說明由開關導通與截止可得圖22(b)之波形其中輸出電壓vo平均
值大小Vo與開關之導通及截止時間(ton及toff)有關平均輸出電壓大小調整
之最典型的方式是採用脈波寬度調變法(Pulse-Width ModulationPWM)
其切換週期Ts(= ton+toff)為固定由調整導通時間之大小來改變平均輸出電
壓之大小Vo
+
_
Vd
R
+
_
Vo
0Vd
Vo
vo
tton toff
Ts
脈波寬度調變切換控制的方塊圖如
圖23(a)所示開關之切換控制信號
由控制訊號vcontrol與週期為Ts之鋸齒
波vst比較而得控制信號則由Vo之
實際值與設定值之誤差放大而得
vcontrol與vst比較所得之切換控制信號
的波形如圖23(b)所示當控制訊號
vst較大時則為高準位信號即使
開關導通反之為低準位信號即使
開關截止故開關之切換週期亦為
Ts 由以上的原理可知開關切換
之責任週期 (Duty Ratio)為D=tonTs
=vcontrolVst 其中Vst為鋸齒波之振
幅
放大器
+
-Vo
(設定)
(實際)
Vo
比較器
週期性波形 stv
切換控制訊號
控制訊號
0 t
$Vst
=stv 鋸齒波電壓
controlv (放大誤差)
On On
Off Off
stcontrol vv gt
stcontrol vv ltton toff
Ts
切換控制訊號
(切換頻率 fT
s
s
=1
)
升壓式直流至直流轉換器
圖211為升壓式轉換器電路主要用途為直流電源供應器與直流馬達之
再生制動(Regenerative Breaking)顧名思義其輸出電壓高過於其輸入
電壓當開關導通時二極體反向偏壓輸入電能儲存於電感負載電
能則由電容提供當開關截止時負載吸收輸入及儲存電感中之電能
-
L
CRVd
Vo
vL
iL
io
+
-
++
_
t0
t0
vL
iL
I L
Ts
toffton
_++
_
+
_
+ _+
_
+
_
iL
vL
Vd Vo
iL
vL
Vd Vo
)( dV
)( od VV minus
圖212所示為電感電流為連續之
穩態工作波形由穩態下電感電
壓一週期之平均值為零可得
0)( =minus+ offodond tVVtV
等號兩側除以Ts重新整理可得
Dt
T
V
V
off
s
d
o
minus==
1
1
假設電路無損失輸入功率
Pd=VdId 等 於 輸 出 功 率
Po=VoIo 則
)1( DI
I
d
o minus=
非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器
bullBoost之設計假設輸入10V輸出30V頻率50kHz輸出10W
所以D＝23
( ) s
o
o TDDP
VL
22
12
minusge
=6667uH
取75uH
D
VV in
o minus=
1
L
Vi
n
S Vo
+
_
C
DiL
vds
升降壓式直流至直流轉換器
升降壓式轉換器的主要用途為輸入與輸出之極性相反輸出電壓可以高於
或低於輸入電壓之直流電源供應器升降壓式轉換器可以由降壓式轉換器
與升壓式轉換式串接而成穩態下輸入與輸出電壓轉換器之比值為二轉換
器個別比值之乘積
D
D
V
V
d
o
minus=
1
因此變化責任週期D可使輸出電壓高於或低於輸入電壓
+
_
+
_
_
+
RC Vo
L
Vd
io
iLvL
id
降壓式直流至直流轉換器
降壓式轉換器顧名思義其作用為將較高準位的輸入電壓換成較低
準位的輸出電壓主要用途為直流電源供應器及直流馬達速度控制
圖22(a)所示為提供純電阻性負載之降壓式轉換器由圖22(b)可知其輸
出電壓波形由開關位置決定平均輸出電壓為
dd
s
onT
t
t
d
s
T
o
s
o DVVT
tddV
Tdv
TV
s
on
ons ==+== intintint )0(1
)(1
00ττττ
+
_
Vd
R
+
_
Vo
0Vd
Vo
vo
tton toff
Ts
32直流至交流切換式反流器
切換式直流至交流(DCAC)反流器(Inveter)乃用以將直流電源轉換成振幅
與頻率均可調之正弦式交流電源主要用途為交流馬達驅動與交流不斷
電電源供應器圖31為典型交流馬達驅動之反流器方塊圖其直流輸入
電壓通常由線電壓整流及濾波而得接著再利用切換式反流器改變輸出
電壓之振幅與頻率以驅動交流馬達切換式反流器功率之流通通常是
由直流至交流稱為反流模式但亦可以從交流至直流稱為整流模
式
+
_
交流馬達
二極體整流器 濾波電容 切換式反流器
Vd
三相交流電源
反流器包括單相及三相其輸入為直流電壓源者稱為電壓源反流器
(Voltage Source InverterVSI)另外若輸入為直流電流源者稱為電流
反流器(Current Source InverterCSI)目前僅應用在高功率之交流馬達
驅動器
1脈波寬度調變(PWM)反流器其輸入電壓通常為固定反流器本身具備變
頻及變壓的功能而變頻及變壓乃利用開關之脈波寬度調變切換控制達成
有許多類型之脈波寬度變技術可以使輸出電壓近似弦波
2方波(Square-Wave)反流器此反流器輸出電壓振幅乃由其輸入電壓調
整
反流器本身只控制輸出頻率交流輸出電壓波形近似方波因此乃稱方波
反流器
3採用電壓消去法(Voltage Cancellation)之單相反流器單相反流器當輸入
電壓為定值時可以利用電壓消去法來變頻及變壓而不須採用脈波寬度
調變其輸出電壓波形近似方波因此其結合了前述兩種反流器的特色
值得注意的是電壓消去法並不適用於三相反流器
切換式反流器之基本觀念
考慮圖33(a)之單相反流器假設其正弦輸出電壓vo是經過濾波所得若
輸出之負載為電感性(如馬達)則輸出電流io將落後vo 如圖33(b)所示
在期間1及3中 vo與io同號瞬時功率Po=voio為正故功率由直流側送至
交流側稱之為反流模式在期間2及4中 vo與io異號瞬時功率Po為負
故功率由交流側送至直流側稱之為整流模式圖33(a)之切換式反流器
在每一週期內會經歷平面上四個象限中之所有象限
單相切
換式變
流器與
濾波器
o
o
+
-
+
-
Vd
vo
id
io
0t
4 1 2 3
voio
io
vo
1反流器
4整流器
3反流器
2整流器
0
為清楚解釋起見以單臂反流器來說明
+
_
+
_
+ +
__
Vd
Vd
2
Vd
2
A
N
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
vAN
oo
o
反流器電路之脈波寬度調變切換技術如圖35(a)所示由一正弦波形控
制訊號vcontrol與三角波形vtri作比較三角波(又稱載波)之振幅為Vtri頻率
為fs fs決定反流器開關之切換頻率正弦波控制電壓vcontrol(又稱調制訊
號)之基頻f1決定反流器之輸出頻率而其振幅則決定反流器輸出電壓之
大小定義振幅調變指數為ma=Vcontrol Vtri 其中Vcontrol為vcontrol之振幅
而頻率調變指數則定義為mf = fs f1
0 t
vcontrol vtri
sf
1
0 t
vAo
V d
2
minusVd
2
t=0
v v
T on T off
control tri
A A
lt
minus + v v
T on T off
control tri
A A
gt
+ minus
1)( AoAo vv =之基本波
0 t
vcontrol vtri
sf
1
圖34反流器之開關的控制方法與io方向無關為
dAoAtricontrol VvTvv2
1=gt +導通
dAoAtricontrol VvTvv2
1minus=lt minus導通
由於二開關之導通為互補因此輸出電壓只在Vd 2與-Vd 2二值間作變
動圖35(b)所示為ma=08與mf =15時輸出電壓vAo及其基本波(以虛線表示)
之波形
+
_
+
_
+ +
__
Vd
Vd
2
Vd
2
A
N
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
vAN
oo
o
單相全橋式反流器
單相全橋式反流器如圖311所示乃由兩個前述之半橋反流器所組成在
相同之輸入電壓下全橋式反流器之最大輸出電壓為半橋式之兩倍這代
表在相同之功率下全橋式反流器之輸出及開關電流僅為半橋式之一半
此對於高功率用途是一大優點因其可以降低使用並聯元件之需求
+
_
+
_
+
_
Vd
Vd
2
Vd
2
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
v v vo Ao Bo= minuso
A
B
TBminus
TB+
DBminus
DB+
+_
id
o
o
N
雙極性電壓切換之脈波寬度調變
0 t
vcontrolvtri
sf
1
0 t
ov1ov
dV
dVminus
單極性電壓切換之脈波寬度調變
onBT +
trivgttricontrol vv gt
trivcontrolv
t
)( controlvminus
)( controlvminusonAT +
t1ov
dV
dVminus
)( BNAN
o
vv
v
minus=
應用雙極性電壓切換之脈波寬度調
變全橋式反流器乃 (TA+TB-)與 (TA-
TB+)成對切換且二者互相反相
應用單極性電壓切換之脈波寬度調
變全橋式反流器乃A臂與B獨立切
換且同臂二開關互相反相
三相反流器
+
-
+
-
+
-
dV
2dV
2dV
+AT
minusAT
+AD
minusAD
o
BminusT
+BT
minusBD
+BD
di
minusCT
+CT
minusCD
+CD
N
A B C
o
0 t
triv Acontrolv Bcontrolv Ccontrolv
0
BNANAB vvv minus=
t
dV
之基本波1LLv
ANv
0 t
dV
t0
BNv
dV
三相電壓源反流器之脈波寬度調變切換的功能為在固定輸入直流電壓下用以調整三相輸出電壓之振幅及頻率三相脈波寬度調變方式由三相各差120度的控制電壓與三角波作比較其波形與單相全橋式反流器採用脈波寬度調變單極性切換者類似
最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法
33最大功率追蹤最大功率追蹤最大功率追蹤最大功率追蹤
為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點本文使用本文使用本文使用本文使用擾動觀察法擾動觀察法擾動觀察法擾動觀察法(Perturbation and Observation Method PampQ)進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功率追蹤率追蹤率追蹤率追蹤由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點下圖為擾動下圖為擾動下圖為擾動下圖為擾動觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖為利用為利用為利用為利用DCDC轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作時時時時其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為0之特性之特性之特性之特性使用使用使用使用DCDC轉換器控制太陽轉換器控制太陽轉換器控制太陽轉換器控制太陽能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動
擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖
最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法
左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖蹤示意圖蹤示意圖蹤示意圖太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分為兩個特性區域為兩個特性區域為兩個特性區域為兩個特性區域假設進行追蹤假設進行追蹤假設進行追蹤假設進行追蹤時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時電壓電壓電壓電壓的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率增加增加增加增加若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出功率減少功率減少功率減少功率減少經由經由經由經由DCDC轉換器調轉換器調轉換器調轉換器調節太陽能板與節太陽能板與節太陽能板與節太陽能板與DCDC轉換器的阻轉換器的阻轉換器的阻轉換器的阻抗相互匹配抗相互匹配抗相互匹配抗相互匹配進而得到太陽能板進而得到太陽能板進而得到太陽能板進而得到太陽能板的最大輸出功率的最大輸出功率的最大輸出功率的最大輸出功率
擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖
4軟體規劃
bull 系統控制程式主要分為主程式固定週期中斷副程式市電電壓零交越中斷副程式等三大部分以下將分別介紹各部分程式流程
bull 本系統主程式主要執行數位訊號處理器周邊暫存器的初始設定以及變數宣告其中除了變數宣告外周邊暫存器的初始設定包括有規畫中斷向量設定計數器之計數模式計數週期中斷的時間和PWM 輸出模式等相關參數設定
bull 如圖8 所示系統初始設定後必須先等待中斷發生才能決定系統是否執行固定週期中斷程式或零交越中斷副程式
bull 圖9 為固定週期中斷副程式流程圖固定週期中斷頻率與換流器開關之切換頻率相同為20kHz程式開始會先偵測太陽能板電壓及電流與直流鏈電壓當確定市電電壓零交越中斷發生時必須先將輸出弦波訊號之指標強制為原點重新送出單位弦波確保換流器輸出電流與市電電壓能維持同相位接著比較太陽能板輸入電壓VPV 是否大於最低工作電壓VPV_work如果確定大於最低工作電壓則致能太陽能最大功率追蹤反之則禁能系統動作程式返回圖9 中的正弦脈寬調變副程式主要功能在於決定換流器中開關的動作順序與責任週期大小以及輸波參考訊號
bull 圖10 為太陽能最大功率點追蹤副程式流程圖在文中對最大功率追蹤採用擾動與觀察法配合太陽能光電板的電壓mdash功率特性曲線即可瞭解程式如何完成太陽能光電板最大功率點追蹤
主程式流程圖
5實驗
bull 依據上述的分析採用DSP 2407A 建立一個500W 太陽光電池電能轉換系統依據圖11 之
bull 電路架構其規格與元件參數分別列於表一表二及表三系統實驗波形圖12圖13圖14 及
bull 圖15 為系統操作在獨立運轉模式下負載分別為120W240W360W 及480W 時之換流器輸出
bull 電壓及輸出電流之實測波形
系統規格與元件參數
實測波形
6實務應用系統實務應用系統實務應用系統實務應用系統
獨立系統示意圖獨立系統示意圖
考慮點
系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等安全係數最佳化設計複雜)
一般充電控制器無 MPPT搭配蓄電池使發電效能較差
蓄電池每日gt50DOD深度放電gt02C充電壽命短
太陽光發電量與負載需求量不搭配時太陽光之發電能量利用率偏低 (負載需求搭配與安全係數為互相矛盾之設計)
PV-柴油發電機PV-風力等混合系統為改善之方法
市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台
電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池
併聯系統示意圖併聯系統示意圖
緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析
1 系統設置成本高建議使用於邊際效益高之用電（防災緊急輔助電力）
2 總體經濟效益減少環境污染解決尖峰用電之不足與短缺能源多元化之風險分擔與開創自主能源
3 遮蔽陽光直曬降低建築物之熱效應（被動省能）同時轉換太陽光為電能供應建物自主能源（主動節能）一舉兩得
緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較
30萬元divide21900kWh＝137元度2萬元divide50kWh＝400元度每度電成本
日發電度數times365天times20年＝3hrtimes1kWtimes365天times20年＝21900kWh（度）
（年停電＋年測試運轉時數）times10年＝（20mintimes6次＋15mintimes12月）times10年＝5hrtimes1kWtimes10年＝50kWh
總發電度數（1kw計）
夜間不發電（可利用蓄電池設計供電年維運費02）
噪音空污油料運輸儲油危險維運成本高
缺點
利用露台屋頂牆面空間設備煙管隔音油槽需室內空間
設置空間
平時緊急時均可使用隨時可了解運轉狀況不須操作
加ATS停電時方可啟動需人員每月定期測試運轉
系統運作
太陽光潔淨能源（免費）柴油使用燃料
20年7~10年使用壽命
1kW=30萬元1kW=2~3萬元設置費用
太陽光發電系統柴油發電機
風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析
運用多元化能源分擔風險情況比較說明如下
1 市電--gt停電時風險極高
2 市電＋柴油發電機--gt發電機故障時風險高
市電＋柴油發電機＋太陽光發電系統--gt發揮三者優點互補同時故障機率小風險最低
案例
832kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide057＝317 m2
115kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide075＝332 m2
緊急時057平時065~08
綜合係數溫度變化污損線損Inverter效率＋蓄電池充放電補償
電力需求divide（日照強度times日照時間times模板效率times綜合係數）
模組面積估算
日照強度1kWm2
日照時間384hd
模板效率12
832kWhd500人用電量115kWhd770人用電量
緊急時平時
電力需求估算
緊急時40kWtimes384hdtimes057＝875 kWhd
平時40kWtimes384hdtimes075＝1152Whd
太陽發電系統發電量＝設置容量times日照時間times綜合係數
發電量計算
332m2times1kWm2times12＝398kW≒40kW
太陽發電系統設置容量＝設置面積times日照強度times模板效率
設置容量計算模板效率依太陽電池種類而異
進行模板陣列及蓄電池容量設計
40kWdivide18片串divide120W＝185列≒19
列
40kWdivide17片串divide120W＝196列≒20
列
陣列併列數＝設置容量divide單串功率
18片times120W＝2160W
17片times120W＝2040W
單串功率
300Vdivide169V＝1775片（取整數17 or 18）
陣列串聯數＝Inverter輸入電壓divide模板輸出電壓
模板陣列設計
1 模板功率120W
2 模板輸出電壓169V
3 直交流轉換器(Inverter)輸入電壓300V
120Wtimes17片串times20列＝40800W＝340片(最佳陣列)
120Wtimes18片串times19列＝41080W＝342片
最佳陣列較經濟之設置容量選擇最佳陣列
蓄電池數量＝144個times2列＝288個
120640Whdivide288Vdivide200Ah＝21列≒2列
併列數＝蓄電池需求容量divideInverter額定電壓
288Vdivide2V＝144個
串聯數＝Inverter額定電壓divide蓄電池電壓串併數設計
middot 蓄電池電壓2V個
middot 蓄電池容量200Ah個
Inverter電壓輸入電壓 額定電壓300V 288V200V 192V
蓄電池需求容量＝832kWhdtimes1dtimes145＝12064kWh
蓄電池需求容量＝緊急電力需求times無日照天數times補償係數補償係數蓄電池內阻抗放電停止電壓電壓降低補償
蓄電池需求容量設計
middot 補償係數145
無日照天數1日
61市電相關規定市電相關規定市電相關規定市電相關規定
1 發電設備併接於低壓系統者其總容量未滿100kW且技術無困難者得併接於單相三線110V220V三相三線220V之配電系統若總容量在100kW以上而未滿500kW得分別併接於3相4線220V380V之配電系統
2 發電設備總容量在500kW以上而未滿5000kW10000kW且技術無困難者得分別併接於114KV228KV之高壓配電系統
3 電設備總容量在10000kW以上而未滿40000kW者得併接於特高壓之系統
4 發電設備總容量在40000kW以上者依個案研討分類
併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類
發電系統經由發電系統經由發電系統經由發電系統經由110V220V110V220V110V220V110V220V併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者發電設發電設發電設發電設備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能
1 過電壓保護 低電壓保護
2 低頻保護 高頻保護
3 過電流保護 零相過電壓接地保護
4 發電設備為無逆送電力者須加裝逆電力保護
5 發電設備為有逆送電力者必須具備主動及被動防止單獨運轉保護
發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經110V220V110V220V110V220V110V220V系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者在電在電在電在電源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器
發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業114KV228KV114KV228KV114KV228KV114KV228KV之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者((((高高高高壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶))))發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Extremely Inverse特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Extremely Inverse特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過流電驛(67)須具Normal Inverse特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
發電設備併接於電業69KV特高壓輸電系統者發電設備之輸出端至少應具有下列同等保護功能並須與電業該轄區之保護設備協調
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Normal Inverse之特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Normal Inverse之特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過電流電驛(67)須具Normal Inverse之特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
8 快速及後衛保護電驛如系統保護需要時應裝設
9 匯流排電驛採用GIS斷路器者應裝設
62626262太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範
1 故障電流
太陽光電發電系統大於100kW以上須計算故障電流其送至電業系統之故障電流不得影響電業及其他用戶斷路器之起斷容量否則需裝置限流電抗器
太陽光電發電系統之隔離變壓器接地方式須與電業之系統配合
2 正常電壓變動率應維持在plusmn5以內
3 太陽光電發電系統與電業間之責任分界點的功率因數以維持85落後至100之間運轉為原則
4 諧波污染限制應依照「電力系統諧波管制暫行標準」辦理
分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性
適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯型之規範型之規範型之規範型之規範
電力轉換器電力轉換器電力轉換器電力轉換器(電力調節器電力調節器電力調節器電力調節器)(InverterConditioner)
蓄電池蓄電池蓄電池蓄電池(Battery))
63大型(商用)太陽光發電系統應用(gt1 kWp)
太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統
單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池(Unit Solar Cell)
太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板(PV Module)
太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列(PV Array)
太陽光發電系統應用獨立系統
(A) 獨立系統(Stand-Alone
System)
bull 蓄電池保護壽命
(B) 混合型交流獨立系統 (Hybrid
System)
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
直流負載PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
整流器
輔助發電機
PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載- ~PCU
直直直直交流轉換器交流轉換器交流轉換器交流轉換器
太陽光發電系統應用併聯系統
(D)併聯系統(Grid-
connected System)
特殊功能1 最佳效能2 防止獨立運轉(連線保護)
3 可自力運轉
(E) 防逆流型系統(Off-line System)
(F) 防災型併聯系統
充電控制器
蓄電池
直交流轉換器
PCU太陽電池組列
交流負載
ATS
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
獨立型系統
適用地點高山離島基地台hellip等市電無法到達處
工作方式白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
必須可以自給自足
缺點bull 系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等
安全係數設計很困難)
bull 蓄電池建置複雜成本很高壽命很短
bull 負載搭配不良時發電效能不佳利用率將偏低
bull 需由專人隨時維護
bull 混合系統為一種解決方法
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
PCU
併聯型系統
適用地點電力正常送達之任何地點工作方式 bull 白天 PV系統併聯發電夜間由台電供電bull 將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的蓄電池
優點bull 系統簡單不需安全係數設計(依預算設計)不需要專人維護bull 併聯發電效率高利用率高
缺點bull 停電時無電可用bull 受併聯法規限制尚未開放(但即將開放)
bull 有孤島效應之疑慮(目前技術上已解決)
改善型無電池自力運轉
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
市電併聯型住宅用太陽光發電系統
太陽光發電系統發電及負載用電對時間之關係
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
併聯型直交流轉換器之效能要求較高
1 最大功率追蹤(Maximum Power Tracking MPT)
2 高轉換效率 gt 90 (PWM+電力電子元件)
3 高次諧波功率 Distortion (lt5 total)
4 自動開關機(白天夜晚)
5 過負載保護過溫度保護
6 體積小重量輕室外防水防塵
7 電腦界面可遠端監控
8 防止獨立運轉(連線保護)
9 可自力運轉
太陽電池組列
交流負載
直交流轉換器MPT
Power Conditioner
併聯系統之獨立運轉(單獨運轉)
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull停電時單一併聯系統將會停止運作
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
bull 市電停電時多數併聯系統仍聯合運作將對電力公司人員產生嚴重危害
孤島效應之防止方法
停電偵測1 過電壓低電壓
2 過頻率低頻率
3 被動式偵測如
bull 電壓與頻率監視方式
bull 電壓相位跳躍監視方式
bull 高次諧波監視方式
bull 頻率變化監視方式
PV組列
直交流轉換器
自家負載
4 主動偵測如
bull 頻率Shift方式
bull 配電線負載變動方式
bull 有效電力變動方式
bull 無效電力變動方式
反應時間05~2秒
資料來源「日本電氣用品試驗所」分散型電源系統連系技術指針(1998)
併聯系統之自力運轉功能
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull 大停電後白天有陽光時以人工啟動 PV 系統進行自力運轉供自家負載使用(但夜間無法使用)
防災型併聯型系統
適用地點有防災需求(照明汲水通信hellip)之公共設施
工作方式
bull 平時PV併聯發電(電池浮充) 效率高利用率高夜間由台電供電
bull 視需要建置供防災用電池大停電時白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
缺點bull 含電池成本較高bull 系統較複雜需專人定期維護
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
FAQ1太陽光發電需要多少土地
效率 = (輸出功率W) (組列面積 m2 x 日照強度 Wm2 ) x 100
模板面積 m2 = 輸出功率W (效率 x日照強度Wm2 ) x100
bull 假設使用效率gt136 模板於1000 Wm2 (AM15)日照強度下
10 kWp 模板面積 (m2) = 10000 (0136 x 1000) ~ 735 m2
10 kWp PV系統土地面積需求約
~ 735 m2 x 15 x 11
~ 121m2 (~36坪)
(包括陰影面積及維修空間)
bull 假設使用效率~10 模板
則模板面積約 ~ 100 m2
土地面積需求約 ~ 165m2 (~50坪)
gt55o
夏至
冬至
春秋分
235o 235oh
L1 L2
FAQ2太陽電池一年能發多少電
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
10 kWm2
05 kWm2
日照強度
等效日照時數(Sun Hour)
組列單日發電量 = 組列額定輸出功率 x 等效日照時數
bull 預估1 kWp 組列單日發電量 = 1 (kW) x ex 4(Sun Hour)= 4 kWh
組列年發電量 = 組列額定輸出功率 x 年平均每日日照時數 x 365
bull 預估 1 kWp 組列年發電量 = 1 x 4 x 365 = 1460 kWh
時間時間時間時間
FAQ3太陽光發電的成本(簡易估算)
1 假設目前太陽光發電系統設置成本約為 NT$ 280000 kWp
2 假設年平均每日日照時數約為 25 Sun Hour (台灣中南部地區)
bull 1 kWp 組列單日發電量= 1 (kW) x 25 (Hour)= 25 kWh
bull 1 kWp 組列年發電量= 25 x 365 = 913 kWh (度)
3 假設太陽光發電系統使用壽命為 20 年
bull 1 kWp 太陽光發電系統總共可發電 20 x 913 = 18260 度
4 生產每度電之成本約為 280000 18260 ~ NT$ 153
5 未來發展趨勢
bull 太陽光發電系統設置成本將逐年降低
bull 市電電費將會升高(國內目前約 NT$ 3 度日本約NT$ 7 度)
bull 傳統能源限制再生能源獎勵利率降低
64獨立型太陽光發電系統應用例(一)
bull太陽電池時鐘-日本bull太陽電池路燈-日本千里住宅公園
獨立型太陽光發電系統應用例(二)
bull太陽電池交通標誌-日本北海道 bull高速公路緊急電話-日本
獨立型太陽光發電系統應用例(三)
bull800W無線通信中繼基地台韓國(1998)
獨立型太陽光發電系統應用例(四)
bull離島用90kW獨立型發電系統韓國Ho-Do島(1992)
併聯型太陽光發電系統應用例(一)
bull設置於屋頂之住宅用太陽光發電系統(建材一體型日本千里住宅公園內住宅設計之一)
併聯型太陽光發電系統應用例(二)
bull日本東海線新幹線京都車站之太陽光發電系統(100kWp)
併聯型太陽光發電系統應用例(三)
bull日本京瓷(Kyocera)京都總公司大樓之太陽電池發電系統(220kWp)
太陽光發電發電廠應用例
太陽電池發電廠
(PV Power Plant)
資料來源 ANIT
Srl Italy
建材一體型太陽電池模板應用例
bull資料來源 Pilkington Solar International GmbH 德國
太陽能車應用例
Honda Dream
bull資料來源 PV Special Research
Centre UNSW Australia
交大太陽能車
bull資料來源 National Chiao-Tung
University Taiwan
太陽光發電航太應用例(NASA Helios )
bull空中無線通訊平台應用
資料來源SkyOne Inc Taiwan
bull 飛行高度5-7 萬英呎(最高記錄 96000 英呎)
bull 時速60 mph (起飛 25 mph)
bull 翼展247 英呎bull 重量2000 磅bull 太陽電池效率要求gt22
資料來源httpwwwaerovironmentcomhomehtml
清雲技術學院 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
個人住宅 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
勤益技術學院 3kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
南台科技大學 10kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
總統府 10kWp 獨立型太陽光能發電系統 (9012)
海巡署南沙太平島 20kWp 混合型(柴油發電機)太陽光能發電系統 (9011)
90能源基金示範補助成果例
台電樹林 20kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
併聯型
台電台北市區處 20kWp 太陽光發電系統
(91能源基金示範補助成果)
併聯型
7結論
bull (1)提高電力轉換器效率
bull 轉換器的損失主要來自於開關切換時之損失為了可以降低濾波電路中電感和電容的體積可以提高切換頻率但是相對於開關的切換損失也因此而增加導致轉換器的效率降低因此發展零電壓或零電流切換技術應用於高切換頻率之轉換器將可以提高轉換器的效率
bull (2)提高太陽光發電系統之整體效率
bull 傳統之太陽光發電系統包含儲能系統和供電系統前級利用DCDC轉換器作最大功率追蹤後級則利用DCAC轉換器轉換能量供應給交流負載為了提高太陽光發電系統的整體效率在研究可提出了模組並聯控制技術以提昇各級電力轉換器的效率而在未來太陽光發電系統也將著重在單級電力轉換器的設計對於整體系統效率有較明顯的改善
8參考資料
1許國強ldquo太陽光發電原理與應用工研院材料所 薄膜技術組91年
2華志強黃崇倫ldquo智慧型能量控制於太陽光電能轉換系統國立雲林科技大學電機工程學系電力研討會97年
3林政達ldquo數位式市電並聯換流器與快速鎖相迴路控制器之研製國立雲林科技大學電機工程學系碩士論文92 年
4李思賢ldquo數位式單相低功率太陽光電能轉換系統國立中山大學電機工程學系碩士論文92 年
5洪世杰ldquo適用於再生能源之市電併聯型雙輸入供電系統國立中正大學電機工程研究所碩士論文93 年
6王廷興ldquo太陽能發電配電設計概要台北科技大學冷凍空調系 92年
7魏榮宗王文宏ldquo高效率太陽光電能源轉換系統 元智大學電機工程學系94年
[ ] 100)25(
)11
(exp
1)(exp
3
λminus+=
minus
=
+minus
minus+minus=
TKII
TTBk
qE
T
TII
where
R
IRVIRV
AkT
qIII
ISCRLG
r
GO
r
oros
sh
ssosLG
VI cell output current and voltagecell reverse saturation currentcell temperature in CBoltzmannrsquos constantelectronic chargeshort circuit current temperature coefficientsolar irradiation in Wmshort-circuit current at 25 Cand 1000 Wm
light-generated currentband gap for siliconideality factorsreference temperaturecell saturation current atshunt resistanceseries resistance
osI
T
kq
00170=IK
SCRIλ
LGI
GOE
921== ABKTr deg= 18301
orI
shR
sR
附錄附錄附錄附錄- 太陽能電池太陽能電池太陽能電池太陽能電池
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
(a) Equivalent circuit of a PV module and
(b) Typical PV module current-voltage and power-voltage characteristics
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
Characteristic of a PV module with temperature and irradiation (a) constant irradiation and varying temperature and (b) constant temperature and varying irradiation
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
系統範例系統範例系統範例系統範例
中途驛站電化PV離島用PV系統山岳地帶PV系統離島偏遠區
勤務指揮中心緊急避難所醫療院所公園學校地震觀測站森林嘹望台避難指示燈氣象觀測所水位警報PV系統河川安全燈防波堤安全PV燈
緊急防災
緊急供電系統管線電氣防蝕輸油管流量計PV系統市場廣告塔海上石油平台各種計測站PV系統發電廠情報指揮中心
產業用
住宅用供電系統緊急供電系統緊急照明系統帷幕牆遮陽棚採光罩屋瓦建築物
無線通信用中繼站基地台緊急電話中繼站電話通信PV系統Radio受信PV系統微波中繼站
通訊
農宅用電溫室栽培PV系統農業灌溉用自動灑水系統農牧電籬牛乳冷藏漁業養殖揚水通氣自動餵食器
農林漁牧
路燈交通號誌道路指示牌標誌燈太陽能電動車充電站高速公路緊急電話偏遠道路緊急電話停車計時器停車場控制門系統高速公路防音壁PV系統公路休息區PV系統太陽能車平交道指示燈候車亭PV系統車站屋頂型PV系統
道路交通
收音機測電表手錶計算機太陽能照相機手電筒電池充電器野營燈民生
應用領域
11太陽光發電(Photovoltaic)原理 (I)
太陽電池是以 P 型與 N 型半導
體材料接合構成正極與負極
當太陽光照射太陽電池時光
的能量會使半導體材料內的
正負電荷分離
正負電荷會分別往正負極
方向移動並且聚集
將太陽電池正負極接上負載
時將有電流流出可以對負
載作功(燈泡會亮馬達會轉)
正極P 型
負極N 型
P
N
P
N
P
N
-++
-
+
-+
-+
+ + + + +
- - - - -
--
+
-+
正負電荷
+
-
+
-
+
-
太陽光
太陽光
太陽光
電流
-+
PN(不照光平衡狀態)
EfEv
Ec
N P P
N
P
N
P
N
P
N
光子(Photon)
-+-+
-+
-+
-+
+ + + + +
- - - - -
-+
-+
-+
太陽光發電(Photovoltaic)原理 (II)
-
+
Photon
+
+
-
-
- -
++
Ef
Ev
Ec
PN(照光狀態)
++
-
- -
+
+
--
+
-
+
Photon
多數載子
多數載子
少數載子
少數載子
+
-
多數載子
多數載子
電子-電洞對(Electron-
hole pair)
EvN Type
SemiconductorP Type
Ef
Ec
Ef
Ev
Ec
電子位能
Ec conduction band
Ev valence band
Ef Fermi level
I=I0 (eVaVT-1)-Isc
Isc = -I (短路電流 V=0)
Voc = aVTln(Isc I0 +1) (開路電壓
I=0)
I0 (逆向漏電電流) prop ni prop e-Eg
RshID
Isc
+
----
v
I
RL
Rs
太陽電池等效電路與電氣特性
+I
+V
-V
Dark
VocV
Photo
Isc
I
Pm
I0
太陽電池等效電路 常用太陽電池電路符號
VocVm
Im
Isc
Pm
太陽電池 I-V 特性曲線分析
FF(Fill Factor) = (Vm x Im Voc x Isc) x 100 (越高越好)
ηηηη (Efficiency) = (Vm x Im Pin) x 100 (越高越貴)
bull Pin (Incident Power) = A (hc λ) bull N(λ) dλ
bullλ wavelength (microm)
bull N(λ) Number of photonm2 bull sec
bull A Area (m2)
bull h Plank constant c light speed
Voc開路電壓
Isc短路電流
Pm最大輸出功率值
Vm最大輸出功率時之電壓
Im最大輸出功率時之電流
太陽電池開路短路時皆不會燒毀
0
電壓源
電流源
利用串並聯組成模板與組列提供所需的工作電壓與電流
VocVm
Im
Isc
Pm
12太陽電池之串並聯使用
VocVm
Im
IscPm
VocVm
Im
Isc
Pm
太陽電池模板之構成
+
-
太陽電池模板結構太陽電池模板外觀太陽電池模板接線
正面
強化玻璃
EVA
TedlarTM (Dupont)
EVA
Polyester
TedlarTM (Dupont)
0125
0015
Cells0014
0015
00015
0002
00015
背面
單元太陽電池
太陽電池模板之規格範例
η (Efficiency) = (Vm x Im Pin) x 100
單晶矽模板效率 = (354 V x 495 A) ( 129 m2 x 1000 Wm2 ) x100
= 1358
單晶矽模板效率 = 1302
種類
項目單晶矽 多晶矽
額定輸出功率(Wp) 175 125
開路電壓(V) 444 323
短路電流(A) 555 546
最大輸出工作電壓(V) 354 260
最大輸出工作電流(A) 495 48
輸出最大功率(W) 175 125
尺寸(mm)W15736timesL826
timesH46
W1200timesL802
timesH46
重量(kg) 17 125
測定條件日照強度 AM151000Wm2Module 溫度 25
何謂AM0AM1AM15
Wavelength (microm)
Spec
tral
Irr
adia
nce
(Wm
-2micro
m-1) AM0
AM15
AM 即 Air Mass(不同 Air Mass 代表不同太陽光光譜)
bull AM0 (Air Mass 0) ~ 1400 W bullm-2
bull AM1 (Air Mass 1) ~ 1000 W bullm-2
bull AM15 (Air Mass 15) ~ 844 Wbullm-2
AM15 1000 Wbullm-2 (IEC 891 IEC 904-1)
Earth
AM0
AM1
AM15
大氣層
45o
太陽電池直接驅動負載如馬達等(應用於玩具車船馬達音樂卡片hellip)
bull 電力現買現賣
bull 負載匹配(容量與電壓)
bull 溫度效應
bull 搭配(超高)電容可以提高效能
太陽電池(直流)基礎應用範例(I)
I M
+
-
C
圖片資料來源httpshoppingyahoocom httpwwwsolar-icomSampYhtml
太陽電池先對電池充電再由電池供應負載(應用於玩具車船電動機械夜間燈光計算機鐘錶3C產品hellip)
bull 電力零存整付
bull 太陽電池電池電壓匹配
bull 溫度效應
bull 使用阻隔二極體
bull 電池過充放電保護
太陽電池(直流)基礎應用範例(II)
I負載
+
-
電池
圖片資料來源httpshoppingyahoocom httpwwwsolar-icomSampYhtml
FAQ1太陽電池應用效能不佳太陽電池之負載匹配(Load Matching)
RshID
IL
+
----
v
I
RL
Rs
bull Efficiency of a PV system is strongly affected by load matching
bull Measurement of I-V Characteristic curve is important
VocVm
Im
Isc
Pm
RL 1
RL 3
RL 2 Battery voltage
RL
----
+
不同日照強度下太陽電池 I-V 特性曲線
bull 最大輸出功率隨日照強度而改變並非永遠等於額定值
0
1
2
3
4
5
6
7
0 10 20 30 40 50
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
1000Wm2 (AM1)
500Wm2 (05AM1)
不同溫度下太陽電池 I-V 特性曲線
bull太陽電池溫度升高時輸出電壓與最大輸出功率降低
0
1
2
3
4
5
6
7
0 10 20 30 40 50
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
75oC 50oC 25oC 0oC
Battery voltage
0
1
2
3
4
5
6
7
0 10 20 30 40 50
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
500Wm2 (05AM1)
1000Wm2 (AM1)
太陽電池之動態負載匹配(日照變化)
RL(high)
RL(low)
bull Maximum power tracking is required in high efficiency PV system
太陽電池 I-V 特性曲線測量方法
VocVm
ImIsc Pm
C+
-
A
VR
A
V
A
V可程式負載
模擬陽光使用鎢絲燈氙燈Solar Simulator 或太陽光
Pm lt few10 W Pm lt few 100 W Pm lt 100 kW
Solar Simulator Array Tester
圖片資料來源httpwwwspiresolarcomSolarequipmenthtml
太陽於天球(Celestial Sphere)上運行之軌跡
冬至 春秋分 夏至 冬至 春秋分 夏至 春秋分 夏至
北緯 0o 北緯 45o 北緯 90o
(赤道) (北極)
天球
太陽運行軌跡與太陽電池仰角
冬至 夏至春秋分
所在緯度235o
235o47o0o
47o 235o
13太陽電池組列仰角與間隔設計例
bull組列仰角~235o (台灣地區)
bull h=組列總高度( lt 15 m)
bull L2=h tan(55o) = 057 L0
(55o可適用於冬至0900~1500)
bull水平角度=正南 plusmn5o
235o
55o
235o
夏至
冬至
春秋分
235o 235o
南
h = 04 L0
L1= 092 L0L2 = 057 L0
L0
L1 + L2 = 15 L0
2零交越偵測電路分析
bull 零交越偵測電路如圖1 所示主要目的在於檢測輸入弦波電壓之零交越點其電路輸出為ㄧ方波信號利用方波上緣信號觸發數位訊號處理器之外部中斷腳位進而進行相位同步之功能[4]零交越偵測電路輸入與輸出波形如圖2 所示相位同步控制當數位訊號處理器發生上緣觸發時此觸發訊號如同系統重置訊號將正弦表指標變數歸零一經重置後指標變數又開始計數藉由每週期ㄧ次的重置訊號迫使換流器輸出達到同步相位同步控制波形示意圖如圖3 所示圖4 為零交越偵測電路輸出實測圖[4]
3系統電路架構與動作模式
bull A
bull 本文所述之系統為一太陽光電能轉換系統方塊圖如圖5 所示主要部分包括太陽能板直流-直流轉換器全橋式換流器數位訊號處理器感測迴授電路與驅動電路此一系統之基本動作情況為一般情況下斷路器1 和斷路器2 均為導通狀態此時太陽光電能轉換系統與電力網路處於連結運轉模式而當電力網路供電中斷時斷路器2 將被斷路以避免孤島現象的發生反之若是太陽光電能轉換系統發生故障時斷路器1 將被斷路以避免電力網路受到其故障的影響
31系統電路架構與動作模式
bull B
bull 電路工作模式bull 此一太陽光電能轉換系統主要有兩種工
作模式以下為二種工作模式的操作說明
bull (1) 獨立運轉模式bull 如圖6 所示獨立運轉模式為當電力網
路供電中斷時斷路器2 將被斷路而此時太陽光電能轉換系統將操作在電壓控制模式下提供負載一穩定的輸出電壓
bull (2) 與電力網路連結運轉模式bull 如圖7 所示與電力網路連結運轉模式
將太陽光電能轉換系統與電力網路連結運轉也就是斷路器1 和斷路器2 同時導通此時系統將操作在電流控制模式下首先經由最大功率點追蹤程式運算出瞬時最大功率點的電流參考值再根據此一電流參考值輸出一與電力網路電壓同相位的電流至負載或甚至回送至電力網路
31直流至直流切換式轉換器
典型直流至直流轉換器系統之構造如圖21所示其輸入通常為由線電壓整
流而得之非調節直流電壓然後再利用切換式直流至直流轉換器將此變動之
直流電壓轉換成一調節之直流電壓
無控制之二極體橋式整流器
交流線電壓
(單相或三相)
直流電壓
(無調節性)
濾波電容 (無調節性)
直流至直流轉換器 (具調節性)
負載
蓄電池
直流電壓 直流電壓
控制訊號1降壓式(step-down buck)轉換器
2升壓式(step-up boost)轉換器
3升降壓式(step-downstep-up buck-boost)轉換器
4全橋式轉換器
上述四種轉換器中只有降壓式及升壓式是最基本的轉換器電路架構升
降壓式轉換器是此二基本轉換器之結合而全橋式轉換器則是由降壓式轉
換器衍生而來
直流至直流轉換器之控制
直流至直流轉換器的作用即是在輸入電壓與輸出負載變動的情況下能夠調
節輸出電壓為所設定的位準電壓位準轉換之原理可以圖22(a)所示之簡單
電路來說明由開關導通與截止可得圖22(b)之波形其中輸出電壓vo平均
值大小Vo與開關之導通及截止時間(ton及toff)有關平均輸出電壓大小調整
之最典型的方式是採用脈波寬度調變法(Pulse-Width ModulationPWM)
其切換週期Ts(= ton+toff)為固定由調整導通時間之大小來改變平均輸出電
壓之大小Vo
+
_
Vd
R
+
_
Vo
0Vd
Vo
vo
tton toff
Ts
脈波寬度調變切換控制的方塊圖如
圖23(a)所示開關之切換控制信號
由控制訊號vcontrol與週期為Ts之鋸齒
波vst比較而得控制信號則由Vo之
實際值與設定值之誤差放大而得
vcontrol與vst比較所得之切換控制信號
的波形如圖23(b)所示當控制訊號
vst較大時則為高準位信號即使
開關導通反之為低準位信號即使
開關截止故開關之切換週期亦為
Ts 由以上的原理可知開關切換
之責任週期 (Duty Ratio)為D=tonTs
=vcontrolVst 其中Vst為鋸齒波之振
幅
放大器
+
-Vo
(設定)
(實際)
Vo
比較器
週期性波形 stv
切換控制訊號
控制訊號
0 t
$Vst
=stv 鋸齒波電壓
controlv (放大誤差)
On On
Off Off
stcontrol vv gt
stcontrol vv ltton toff
Ts
切換控制訊號
(切換頻率 fT
s
s
=1
)
升壓式直流至直流轉換器
圖211為升壓式轉換器電路主要用途為直流電源供應器與直流馬達之
再生制動(Regenerative Breaking)顧名思義其輸出電壓高過於其輸入
電壓當開關導通時二極體反向偏壓輸入電能儲存於電感負載電
能則由電容提供當開關截止時負載吸收輸入及儲存電感中之電能
-
L
CRVd
Vo
vL
iL
io
+
-
++
_
t0
t0
vL
iL
I L
Ts
toffton
_++
_
+
_
+ _+
_
+
_
iL
vL
Vd Vo
iL
vL
Vd Vo
)( dV
)( od VV minus
圖212所示為電感電流為連續之
穩態工作波形由穩態下電感電
壓一週期之平均值為零可得
0)( =minus+ offodond tVVtV
等號兩側除以Ts重新整理可得
Dt
T
V
V
off
s
d
o
minus==
1
1
假設電路無損失輸入功率
Pd=VdId 等 於 輸 出 功 率
Po=VoIo 則
)1( DI
I
d
o minus=
非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器
bullBoost之設計假設輸入10V輸出30V頻率50kHz輸出10W
所以D＝23
( ) s
o
o TDDP
VL
22
12
minusge
=6667uH
取75uH
D
VV in
o minus=
1
L
Vi
n
S Vo
+
_
C
DiL
vds
升降壓式直流至直流轉換器
升降壓式轉換器的主要用途為輸入與輸出之極性相反輸出電壓可以高於
或低於輸入電壓之直流電源供應器升降壓式轉換器可以由降壓式轉換器
與升壓式轉換式串接而成穩態下輸入與輸出電壓轉換器之比值為二轉換
器個別比值之乘積
D
D
V
V
d
o
minus=
1
因此變化責任週期D可使輸出電壓高於或低於輸入電壓
+
_
+
_
_
+
RC Vo
L
Vd
io
iLvL
id
降壓式直流至直流轉換器
降壓式轉換器顧名思義其作用為將較高準位的輸入電壓換成較低
準位的輸出電壓主要用途為直流電源供應器及直流馬達速度控制
圖22(a)所示為提供純電阻性負載之降壓式轉換器由圖22(b)可知其輸
出電壓波形由開關位置決定平均輸出電壓為
dd
s
onT
t
t
d
s
T
o
s
o DVVT
tddV
Tdv
TV
s
on
ons ==+== intintint )0(1
)(1
00ττττ
+
_
Vd
R
+
_
Vo
0Vd
Vo
vo
tton toff
Ts
32直流至交流切換式反流器
切換式直流至交流(DCAC)反流器(Inveter)乃用以將直流電源轉換成振幅
與頻率均可調之正弦式交流電源主要用途為交流馬達驅動與交流不斷
電電源供應器圖31為典型交流馬達驅動之反流器方塊圖其直流輸入
電壓通常由線電壓整流及濾波而得接著再利用切換式反流器改變輸出
電壓之振幅與頻率以驅動交流馬達切換式反流器功率之流通通常是
由直流至交流稱為反流模式但亦可以從交流至直流稱為整流模
式
+
_
交流馬達
二極體整流器 濾波電容 切換式反流器
Vd
三相交流電源
反流器包括單相及三相其輸入為直流電壓源者稱為電壓源反流器
(Voltage Source InverterVSI)另外若輸入為直流電流源者稱為電流
反流器(Current Source InverterCSI)目前僅應用在高功率之交流馬達
驅動器
1脈波寬度調變(PWM)反流器其輸入電壓通常為固定反流器本身具備變
頻及變壓的功能而變頻及變壓乃利用開關之脈波寬度調變切換控制達成
有許多類型之脈波寬度變技術可以使輸出電壓近似弦波
2方波(Square-Wave)反流器此反流器輸出電壓振幅乃由其輸入電壓調
整
反流器本身只控制輸出頻率交流輸出電壓波形近似方波因此乃稱方波
反流器
3採用電壓消去法(Voltage Cancellation)之單相反流器單相反流器當輸入
電壓為定值時可以利用電壓消去法來變頻及變壓而不須採用脈波寬度
調變其輸出電壓波形近似方波因此其結合了前述兩種反流器的特色
值得注意的是電壓消去法並不適用於三相反流器
切換式反流器之基本觀念
考慮圖33(a)之單相反流器假設其正弦輸出電壓vo是經過濾波所得若
輸出之負載為電感性(如馬達)則輸出電流io將落後vo 如圖33(b)所示
在期間1及3中 vo與io同號瞬時功率Po=voio為正故功率由直流側送至
交流側稱之為反流模式在期間2及4中 vo與io異號瞬時功率Po為負
故功率由交流側送至直流側稱之為整流模式圖33(a)之切換式反流器
在每一週期內會經歷平面上四個象限中之所有象限
單相切
換式變
流器與
濾波器
o
o
+
-
+
-
Vd
vo
id
io
0t
4 1 2 3
voio
io
vo
1反流器
4整流器
3反流器
2整流器
0
為清楚解釋起見以單臂反流器來說明
+
_
+
_
+ +
__
Vd
Vd
2
Vd
2
A
N
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
vAN
oo
o
反流器電路之脈波寬度調變切換技術如圖35(a)所示由一正弦波形控
制訊號vcontrol與三角波形vtri作比較三角波(又稱載波)之振幅為Vtri頻率
為fs fs決定反流器開關之切換頻率正弦波控制電壓vcontrol(又稱調制訊
號)之基頻f1決定反流器之輸出頻率而其振幅則決定反流器輸出電壓之
大小定義振幅調變指數為ma=Vcontrol Vtri 其中Vcontrol為vcontrol之振幅
而頻率調變指數則定義為mf = fs f1
0 t
vcontrol vtri
sf
1
0 t
vAo
V d
2
minusVd
2
t=0
v v
T on T off
control tri
A A
lt
minus + v v
T on T off
control tri
A A
gt
+ minus
1)( AoAo vv =之基本波
0 t
vcontrol vtri
sf
1
圖34反流器之開關的控制方法與io方向無關為
dAoAtricontrol VvTvv2
1=gt +導通
dAoAtricontrol VvTvv2
1minus=lt minus導通
由於二開關之導通為互補因此輸出電壓只在Vd 2與-Vd 2二值間作變
動圖35(b)所示為ma=08與mf =15時輸出電壓vAo及其基本波(以虛線表示)
之波形
+
_
+
_
+ +
__
Vd
Vd
2
Vd
2
A
N
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
vAN
oo
o
單相全橋式反流器
單相全橋式反流器如圖311所示乃由兩個前述之半橋反流器所組成在
相同之輸入電壓下全橋式反流器之最大輸出電壓為半橋式之兩倍這代
表在相同之功率下全橋式反流器之輸出及開關電流僅為半橋式之一半
此對於高功率用途是一大優點因其可以降低使用並聯元件之需求
+
_
+
_
+
_
Vd
Vd
2
Vd
2
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
v v vo Ao Bo= minuso
A
B
TBminus
TB+
DBminus
DB+
+_
id
o
o
N
雙極性電壓切換之脈波寬度調變
0 t
vcontrolvtri
sf
1
0 t
ov1ov
dV
dVminus
單極性電壓切換之脈波寬度調變
onBT +
trivgttricontrol vv gt
trivcontrolv
t
)( controlvminus
)( controlvminusonAT +
t1ov
dV
dVminus
)( BNAN
o
vv
v
minus=
應用雙極性電壓切換之脈波寬度調
變全橋式反流器乃 (TA+TB-)與 (TA-
TB+)成對切換且二者互相反相
應用單極性電壓切換之脈波寬度調
變全橋式反流器乃A臂與B獨立切
換且同臂二開關互相反相
三相反流器
+
-
+
-
+
-
dV
2dV
2dV
+AT
minusAT
+AD
minusAD
o
BminusT
+BT
minusBD
+BD
di
minusCT
+CT
minusCD
+CD
N
A B C
o
0 t
triv Acontrolv Bcontrolv Ccontrolv
0
BNANAB vvv minus=
t
dV
之基本波1LLv
ANv
0 t
dV
t0
BNv
dV
三相電壓源反流器之脈波寬度調變切換的功能為在固定輸入直流電壓下用以調整三相輸出電壓之振幅及頻率三相脈波寬度調變方式由三相各差120度的控制電壓與三角波作比較其波形與單相全橋式反流器採用脈波寬度調變單極性切換者類似
最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法
33最大功率追蹤最大功率追蹤最大功率追蹤最大功率追蹤
為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點本文使用本文使用本文使用本文使用擾動觀察法擾動觀察法擾動觀察法擾動觀察法(Perturbation and Observation Method PampQ)進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功率追蹤率追蹤率追蹤率追蹤由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點下圖為擾動下圖為擾動下圖為擾動下圖為擾動觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖為利用為利用為利用為利用DCDC轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作時時時時其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為0之特性之特性之特性之特性使用使用使用使用DCDC轉換器控制太陽轉換器控制太陽轉換器控制太陽轉換器控制太陽能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動
擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖
最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法
左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖蹤示意圖蹤示意圖蹤示意圖太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分為兩個特性區域為兩個特性區域為兩個特性區域為兩個特性區域假設進行追蹤假設進行追蹤假設進行追蹤假設進行追蹤時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時電壓電壓電壓電壓的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率增加增加增加增加若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出功率減少功率減少功率減少功率減少經由經由經由經由DCDC轉換器調轉換器調轉換器調轉換器調節太陽能板與節太陽能板與節太陽能板與節太陽能板與DCDC轉換器的阻轉換器的阻轉換器的阻轉換器的阻抗相互匹配抗相互匹配抗相互匹配抗相互匹配進而得到太陽能板進而得到太陽能板進而得到太陽能板進而得到太陽能板的最大輸出功率的最大輸出功率的最大輸出功率的最大輸出功率
擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖
4軟體規劃
bull 系統控制程式主要分為主程式固定週期中斷副程式市電電壓零交越中斷副程式等三大部分以下將分別介紹各部分程式流程
bull 本系統主程式主要執行數位訊號處理器周邊暫存器的初始設定以及變數宣告其中除了變數宣告外周邊暫存器的初始設定包括有規畫中斷向量設定計數器之計數模式計數週期中斷的時間和PWM 輸出模式等相關參數設定
bull 如圖8 所示系統初始設定後必須先等待中斷發生才能決定系統是否執行固定週期中斷程式或零交越中斷副程式
bull 圖9 為固定週期中斷副程式流程圖固定週期中斷頻率與換流器開關之切換頻率相同為20kHz程式開始會先偵測太陽能板電壓及電流與直流鏈電壓當確定市電電壓零交越中斷發生時必須先將輸出弦波訊號之指標強制為原點重新送出單位弦波確保換流器輸出電流與市電電壓能維持同相位接著比較太陽能板輸入電壓VPV 是否大於最低工作電壓VPV_work如果確定大於最低工作電壓則致能太陽能最大功率追蹤反之則禁能系統動作程式返回圖9 中的正弦脈寬調變副程式主要功能在於決定換流器中開關的動作順序與責任週期大小以及輸波參考訊號
bull 圖10 為太陽能最大功率點追蹤副程式流程圖在文中對最大功率追蹤採用擾動與觀察法配合太陽能光電板的電壓mdash功率特性曲線即可瞭解程式如何完成太陽能光電板最大功率點追蹤
主程式流程圖
5實驗
bull 依據上述的分析採用DSP 2407A 建立一個500W 太陽光電池電能轉換系統依據圖11 之
bull 電路架構其規格與元件參數分別列於表一表二及表三系統實驗波形圖12圖13圖14 及
bull 圖15 為系統操作在獨立運轉模式下負載分別為120W240W360W 及480W 時之換流器輸出
bull 電壓及輸出電流之實測波形
系統規格與元件參數
實測波形
6實務應用系統實務應用系統實務應用系統實務應用系統
獨立系統示意圖獨立系統示意圖
考慮點
系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等安全係數最佳化設計複雜)
一般充電控制器無 MPPT搭配蓄電池使發電效能較差
蓄電池每日gt50DOD深度放電gt02C充電壽命短
太陽光發電量與負載需求量不搭配時太陽光之發電能量利用率偏低 (負載需求搭配與安全係數為互相矛盾之設計)
PV-柴油發電機PV-風力等混合系統為改善之方法
市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台
電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池
併聯系統示意圖併聯系統示意圖
緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析
1 系統設置成本高建議使用於邊際效益高之用電（防災緊急輔助電力）
2 總體經濟效益減少環境污染解決尖峰用電之不足與短缺能源多元化之風險分擔與開創自主能源
3 遮蔽陽光直曬降低建築物之熱效應（被動省能）同時轉換太陽光為電能供應建物自主能源（主動節能）一舉兩得
緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較
30萬元divide21900kWh＝137元度2萬元divide50kWh＝400元度每度電成本
日發電度數times365天times20年＝3hrtimes1kWtimes365天times20年＝21900kWh（度）
（年停電＋年測試運轉時數）times10年＝（20mintimes6次＋15mintimes12月）times10年＝5hrtimes1kWtimes10年＝50kWh
總發電度數（1kw計）
夜間不發電（可利用蓄電池設計供電年維運費02）
噪音空污油料運輸儲油危險維運成本高
缺點
利用露台屋頂牆面空間設備煙管隔音油槽需室內空間
設置空間
平時緊急時均可使用隨時可了解運轉狀況不須操作
加ATS停電時方可啟動需人員每月定期測試運轉
系統運作
太陽光潔淨能源（免費）柴油使用燃料
20年7~10年使用壽命
1kW=30萬元1kW=2~3萬元設置費用
太陽光發電系統柴油發電機
風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析
運用多元化能源分擔風險情況比較說明如下
1 市電--gt停電時風險極高
2 市電＋柴油發電機--gt發電機故障時風險高
市電＋柴油發電機＋太陽光發電系統--gt發揮三者優點互補同時故障機率小風險最低
案例
832kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide057＝317 m2
115kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide075＝332 m2
緊急時057平時065~08
綜合係數溫度變化污損線損Inverter效率＋蓄電池充放電補償
電力需求divide（日照強度times日照時間times模板效率times綜合係數）
模組面積估算
日照強度1kWm2
日照時間384hd
模板效率12
832kWhd500人用電量115kWhd770人用電量
緊急時平時
電力需求估算
緊急時40kWtimes384hdtimes057＝875 kWhd
平時40kWtimes384hdtimes075＝1152Whd
太陽發電系統發電量＝設置容量times日照時間times綜合係數
發電量計算
332m2times1kWm2times12＝398kW≒40kW
太陽發電系統設置容量＝設置面積times日照強度times模板效率
設置容量計算模板效率依太陽電池種類而異
進行模板陣列及蓄電池容量設計
40kWdivide18片串divide120W＝185列≒19
列
40kWdivide17片串divide120W＝196列≒20
列
陣列併列數＝設置容量divide單串功率
18片times120W＝2160W
17片times120W＝2040W
單串功率
300Vdivide169V＝1775片（取整數17 or 18）
陣列串聯數＝Inverter輸入電壓divide模板輸出電壓
模板陣列設計
1 模板功率120W
2 模板輸出電壓169V
3 直交流轉換器(Inverter)輸入電壓300V
120Wtimes17片串times20列＝40800W＝340片(最佳陣列)
120Wtimes18片串times19列＝41080W＝342片
最佳陣列較經濟之設置容量選擇最佳陣列
蓄電池數量＝144個times2列＝288個
120640Whdivide288Vdivide200Ah＝21列≒2列
併列數＝蓄電池需求容量divideInverter額定電壓
288Vdivide2V＝144個
串聯數＝Inverter額定電壓divide蓄電池電壓串併數設計
middot 蓄電池電壓2V個
middot 蓄電池容量200Ah個
Inverter電壓輸入電壓 額定電壓300V 288V200V 192V
蓄電池需求容量＝832kWhdtimes1dtimes145＝12064kWh
蓄電池需求容量＝緊急電力需求times無日照天數times補償係數補償係數蓄電池內阻抗放電停止電壓電壓降低補償
蓄電池需求容量設計
middot 補償係數145
無日照天數1日
61市電相關規定市電相關規定市電相關規定市電相關規定
1 發電設備併接於低壓系統者其總容量未滿100kW且技術無困難者得併接於單相三線110V220V三相三線220V之配電系統若總容量在100kW以上而未滿500kW得分別併接於3相4線220V380V之配電系統
2 發電設備總容量在500kW以上而未滿5000kW10000kW且技術無困難者得分別併接於114KV228KV之高壓配電系統
3 電設備總容量在10000kW以上而未滿40000kW者得併接於特高壓之系統
4 發電設備總容量在40000kW以上者依個案研討分類
併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類
發電系統經由發電系統經由發電系統經由發電系統經由110V220V110V220V110V220V110V220V併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者發電設發電設發電設發電設備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能
1 過電壓保護 低電壓保護
2 低頻保護 高頻保護
3 過電流保護 零相過電壓接地保護
4 發電設備為無逆送電力者須加裝逆電力保護
5 發電設備為有逆送電力者必須具備主動及被動防止單獨運轉保護
發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經110V220V110V220V110V220V110V220V系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者在電在電在電在電源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器
發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業114KV228KV114KV228KV114KV228KV114KV228KV之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者((((高高高高壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶))))發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Extremely Inverse特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Extremely Inverse特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過流電驛(67)須具Normal Inverse特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
發電設備併接於電業69KV特高壓輸電系統者發電設備之輸出端至少應具有下列同等保護功能並須與電業該轄區之保護設備協調
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Normal Inverse之特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Normal Inverse之特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過電流電驛(67)須具Normal Inverse之特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
8 快速及後衛保護電驛如系統保護需要時應裝設
9 匯流排電驛採用GIS斷路器者應裝設
62626262太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範
1 故障電流
太陽光電發電系統大於100kW以上須計算故障電流其送至電業系統之故障電流不得影響電業及其他用戶斷路器之起斷容量否則需裝置限流電抗器
太陽光電發電系統之隔離變壓器接地方式須與電業之系統配合
2 正常電壓變動率應維持在plusmn5以內
3 太陽光電發電系統與電業間之責任分界點的功率因數以維持85落後至100之間運轉為原則
4 諧波污染限制應依照「電力系統諧波管制暫行標準」辦理
分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性
適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯型之規範型之規範型之規範型之規範
電力轉換器電力轉換器電力轉換器電力轉換器(電力調節器電力調節器電力調節器電力調節器)(InverterConditioner)
蓄電池蓄電池蓄電池蓄電池(Battery))
63大型(商用)太陽光發電系統應用(gt1 kWp)
太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統
單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池(Unit Solar Cell)
太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板(PV Module)
太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列(PV Array)
太陽光發電系統應用獨立系統
(A) 獨立系統(Stand-Alone
System)
bull 蓄電池保護壽命
(B) 混合型交流獨立系統 (Hybrid
System)
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
直流負載PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
整流器
輔助發電機
PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載- ~PCU
直直直直交流轉換器交流轉換器交流轉換器交流轉換器
太陽光發電系統應用併聯系統
(D)併聯系統(Grid-
connected System)
特殊功能1 最佳效能2 防止獨立運轉(連線保護)
3 可自力運轉
(E) 防逆流型系統(Off-line System)
(F) 防災型併聯系統
充電控制器
蓄電池
直交流轉換器
PCU太陽電池組列
交流負載
ATS
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
獨立型系統
適用地點高山離島基地台hellip等市電無法到達處
工作方式白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
必須可以自給自足
缺點bull 系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等
安全係數設計很困難)
bull 蓄電池建置複雜成本很高壽命很短
bull 負載搭配不良時發電效能不佳利用率將偏低
bull 需由專人隨時維護
bull 混合系統為一種解決方法
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
PCU
併聯型系統
適用地點電力正常送達之任何地點工作方式 bull 白天 PV系統併聯發電夜間由台電供電bull 將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的蓄電池
優點bull 系統簡單不需安全係數設計(依預算設計)不需要專人維護bull 併聯發電效率高利用率高
缺點bull 停電時無電可用bull 受併聯法規限制尚未開放(但即將開放)
bull 有孤島效應之疑慮(目前技術上已解決)
改善型無電池自力運轉
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
市電併聯型住宅用太陽光發電系統
太陽光發電系統發電及負載用電對時間之關係
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
併聯型直交流轉換器之效能要求較高
1 最大功率追蹤(Maximum Power Tracking MPT)
2 高轉換效率 gt 90 (PWM+電力電子元件)
3 高次諧波功率 Distortion (lt5 total)
4 自動開關機(白天夜晚)
5 過負載保護過溫度保護
6 體積小重量輕室外防水防塵
7 電腦界面可遠端監控
8 防止獨立運轉(連線保護)
9 可自力運轉
太陽電池組列
交流負載
直交流轉換器MPT
Power Conditioner
併聯系統之獨立運轉(單獨運轉)
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull停電時單一併聯系統將會停止運作
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
bull 市電停電時多數併聯系統仍聯合運作將對電力公司人員產生嚴重危害
孤島效應之防止方法
停電偵測1 過電壓低電壓
2 過頻率低頻率
3 被動式偵測如
bull 電壓與頻率監視方式
bull 電壓相位跳躍監視方式
bull 高次諧波監視方式
bull 頻率變化監視方式
PV組列
直交流轉換器
自家負載
4 主動偵測如
bull 頻率Shift方式
bull 配電線負載變動方式
bull 有效電力變動方式
bull 無效電力變動方式
反應時間05~2秒
資料來源「日本電氣用品試驗所」分散型電源系統連系技術指針(1998)
併聯系統之自力運轉功能
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull 大停電後白天有陽光時以人工啟動 PV 系統進行自力運轉供自家負載使用(但夜間無法使用)
防災型併聯型系統
適用地點有防災需求(照明汲水通信hellip)之公共設施
工作方式
bull 平時PV併聯發電(電池浮充) 效率高利用率高夜間由台電供電
bull 視需要建置供防災用電池大停電時白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
缺點bull 含電池成本較高bull 系統較複雜需專人定期維護
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
FAQ1太陽光發電需要多少土地
效率 = (輸出功率W) (組列面積 m2 x 日照強度 Wm2 ) x 100
模板面積 m2 = 輸出功率W (效率 x日照強度Wm2 ) x100
bull 假設使用效率gt136 模板於1000 Wm2 (AM15)日照強度下
10 kWp 模板面積 (m2) = 10000 (0136 x 1000) ~ 735 m2
10 kWp PV系統土地面積需求約
~ 735 m2 x 15 x 11
~ 121m2 (~36坪)
(包括陰影面積及維修空間)
bull 假設使用效率~10 模板
則模板面積約 ~ 100 m2
土地面積需求約 ~ 165m2 (~50坪)
gt55o
夏至
冬至
春秋分
235o 235oh
L1 L2
FAQ2太陽電池一年能發多少電
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
10 kWm2
05 kWm2
日照強度
等效日照時數(Sun Hour)
組列單日發電量 = 組列額定輸出功率 x 等效日照時數
bull 預估1 kWp 組列單日發電量 = 1 (kW) x ex 4(Sun Hour)= 4 kWh
組列年發電量 = 組列額定輸出功率 x 年平均每日日照時數 x 365
bull 預估 1 kWp 組列年發電量 = 1 x 4 x 365 = 1460 kWh
時間時間時間時間
FAQ3太陽光發電的成本(簡易估算)
1 假設目前太陽光發電系統設置成本約為 NT$ 280000 kWp
2 假設年平均每日日照時數約為 25 Sun Hour (台灣中南部地區)
bull 1 kWp 組列單日發電量= 1 (kW) x 25 (Hour)= 25 kWh
bull 1 kWp 組列年發電量= 25 x 365 = 913 kWh (度)
3 假設太陽光發電系統使用壽命為 20 年
bull 1 kWp 太陽光發電系統總共可發電 20 x 913 = 18260 度
4 生產每度電之成本約為 280000 18260 ~ NT$ 153
5 未來發展趨勢
bull 太陽光發電系統設置成本將逐年降低
bull 市電電費將會升高(國內目前約 NT$ 3 度日本約NT$ 7 度)
bull 傳統能源限制再生能源獎勵利率降低
64獨立型太陽光發電系統應用例(一)
bull太陽電池時鐘-日本bull太陽電池路燈-日本千里住宅公園
獨立型太陽光發電系統應用例(二)
bull太陽電池交通標誌-日本北海道 bull高速公路緊急電話-日本
獨立型太陽光發電系統應用例(三)
bull800W無線通信中繼基地台韓國(1998)
獨立型太陽光發電系統應用例(四)
bull離島用90kW獨立型發電系統韓國Ho-Do島(1992)
併聯型太陽光發電系統應用例(一)
bull設置於屋頂之住宅用太陽光發電系統(建材一體型日本千里住宅公園內住宅設計之一)
併聯型太陽光發電系統應用例(二)
bull日本東海線新幹線京都車站之太陽光發電系統(100kWp)
併聯型太陽光發電系統應用例(三)
bull日本京瓷(Kyocera)京都總公司大樓之太陽電池發電系統(220kWp)
太陽光發電發電廠應用例
太陽電池發電廠
(PV Power Plant)
資料來源 ANIT
Srl Italy
建材一體型太陽電池模板應用例
bull資料來源 Pilkington Solar International GmbH 德國
太陽能車應用例
Honda Dream
bull資料來源 PV Special Research
Centre UNSW Australia
交大太陽能車
bull資料來源 National Chiao-Tung
University Taiwan
太陽光發電航太應用例(NASA Helios )
bull空中無線通訊平台應用
資料來源SkyOne Inc Taiwan
bull 飛行高度5-7 萬英呎(最高記錄 96000 英呎)
bull 時速60 mph (起飛 25 mph)
bull 翼展247 英呎bull 重量2000 磅bull 太陽電池效率要求gt22
資料來源httpwwwaerovironmentcomhomehtml
清雲技術學院 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
個人住宅 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
勤益技術學院 3kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
南台科技大學 10kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
總統府 10kWp 獨立型太陽光能發電系統 (9012)
海巡署南沙太平島 20kWp 混合型(柴油發電機)太陽光能發電系統 (9011)
90能源基金示範補助成果例
台電樹林 20kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
併聯型
台電台北市區處 20kWp 太陽光發電系統
(91能源基金示範補助成果)
併聯型
7結論
bull (1)提高電力轉換器效率
bull 轉換器的損失主要來自於開關切換時之損失為了可以降低濾波電路中電感和電容的體積可以提高切換頻率但是相對於開關的切換損失也因此而增加導致轉換器的效率降低因此發展零電壓或零電流切換技術應用於高切換頻率之轉換器將可以提高轉換器的效率
bull (2)提高太陽光發電系統之整體效率
bull 傳統之太陽光發電系統包含儲能系統和供電系統前級利用DCDC轉換器作最大功率追蹤後級則利用DCAC轉換器轉換能量供應給交流負載為了提高太陽光發電系統的整體效率在研究可提出了模組並聯控制技術以提昇各級電力轉換器的效率而在未來太陽光發電系統也將著重在單級電力轉換器的設計對於整體系統效率有較明顯的改善
8參考資料
1許國強ldquo太陽光發電原理與應用工研院材料所 薄膜技術組91年
2華志強黃崇倫ldquo智慧型能量控制於太陽光電能轉換系統國立雲林科技大學電機工程學系電力研討會97年
3林政達ldquo數位式市電並聯換流器與快速鎖相迴路控制器之研製國立雲林科技大學電機工程學系碩士論文92 年
4李思賢ldquo數位式單相低功率太陽光電能轉換系統國立中山大學電機工程學系碩士論文92 年
5洪世杰ldquo適用於再生能源之市電併聯型雙輸入供電系統國立中正大學電機工程研究所碩士論文93 年
6王廷興ldquo太陽能發電配電設計概要台北科技大學冷凍空調系 92年
7魏榮宗王文宏ldquo高效率太陽光電能源轉換系統 元智大學電機工程學系94年
[ ] 100)25(
)11
(exp
1)(exp
3
λminus+=
minus
=
+minus
minus+minus=
TKII
TTBk
qE
T
TII
where
R
IRVIRV
AkT
qIII
ISCRLG
r
GO
r
oros
sh
ssosLG
VI cell output current and voltagecell reverse saturation currentcell temperature in CBoltzmannrsquos constantelectronic chargeshort circuit current temperature coefficientsolar irradiation in Wmshort-circuit current at 25 Cand 1000 Wm
light-generated currentband gap for siliconideality factorsreference temperaturecell saturation current atshunt resistanceseries resistance
osI
T
kq
00170=IK
SCRIλ
LGI
GOE
921== ABKTr deg= 18301
orI
shR
sR
附錄附錄附錄附錄- 太陽能電池太陽能電池太陽能電池太陽能電池
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
(a) Equivalent circuit of a PV module and
(b) Typical PV module current-voltage and power-voltage characteristics
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
Characteristic of a PV module with temperature and irradiation (a) constant irradiation and varying temperature and (b) constant temperature and varying irradiation
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
系統範例系統範例系統範例系統範例
中途驛站電化PV離島用PV系統山岳地帶PV系統離島偏遠區
勤務指揮中心緊急避難所醫療院所公園學校地震觀測站森林嘹望台避難指示燈氣象觀測所水位警報PV系統河川安全燈防波堤安全PV燈
緊急防災
緊急供電系統管線電氣防蝕輸油管流量計PV系統市場廣告塔海上石油平台各種計測站PV系統發電廠情報指揮中心
產業用
住宅用供電系統緊急供電系統緊急照明系統帷幕牆遮陽棚採光罩屋瓦建築物
無線通信用中繼站基地台緊急電話中繼站電話通信PV系統Radio受信PV系統微波中繼站
通訊
農宅用電溫室栽培PV系統農業灌溉用自動灑水系統農牧電籬牛乳冷藏漁業養殖揚水通氣自動餵食器
農林漁牧
路燈交通號誌道路指示牌標誌燈太陽能電動車充電站高速公路緊急電話偏遠道路緊急電話停車計時器停車場控制門系統高速公路防音壁PV系統公路休息區PV系統太陽能車平交道指示燈候車亭PV系統車站屋頂型PV系統
道路交通
收音機測電表手錶計算機太陽能照相機手電筒電池充電器野營燈民生
應用領域
PN(不照光平衡狀態)
EfEv
Ec
N P P
N
P
N
P
N
P
N
光子(Photon)
-+-+
-+
-+
-+
+ + + + +
- - - - -
-+
-+
-+
太陽光發電(Photovoltaic)原理 (II)
-
+
Photon
+
+
-
-
- -
++
Ef
Ev
Ec
PN(照光狀態)
++
-
- -
+
+
--
+
-
+
Photon
多數載子
多數載子
少數載子
少數載子
+
-
多數載子
多數載子
電子-電洞對(Electron-
hole pair)
EvN Type
SemiconductorP Type
Ef
Ec
Ef
Ev
Ec
電子位能
Ec conduction band
Ev valence band
Ef Fermi level
I=I0 (eVaVT-1)-Isc
Isc = -I (短路電流 V=0)
Voc = aVTln(Isc I0 +1) (開路電壓
I=0)
I0 (逆向漏電電流) prop ni prop e-Eg
RshID
Isc
+
----
v
I
RL
Rs
太陽電池等效電路與電氣特性
+I
+V
-V
Dark
VocV
Photo
Isc
I
Pm
I0
太陽電池等效電路 常用太陽電池電路符號
VocVm
Im
Isc
Pm
太陽電池 I-V 特性曲線分析
FF(Fill Factor) = (Vm x Im Voc x Isc) x 100 (越高越好)
ηηηη (Efficiency) = (Vm x Im Pin) x 100 (越高越貴)
bull Pin (Incident Power) = A (hc λ) bull N(λ) dλ
bullλ wavelength (microm)
bull N(λ) Number of photonm2 bull sec
bull A Area (m2)
bull h Plank constant c light speed
Voc開路電壓
Isc短路電流
Pm最大輸出功率值
Vm最大輸出功率時之電壓
Im最大輸出功率時之電流
太陽電池開路短路時皆不會燒毀
0
電壓源
電流源
利用串並聯組成模板與組列提供所需的工作電壓與電流
VocVm
Im
Isc
Pm
12太陽電池之串並聯使用
VocVm
Im
IscPm
VocVm
Im
Isc
Pm
太陽電池模板之構成
+
-
太陽電池模板結構太陽電池模板外觀太陽電池模板接線
正面
強化玻璃
EVA
TedlarTM (Dupont)
EVA
Polyester
TedlarTM (Dupont)
0125
0015
Cells0014
0015
00015
0002
00015
背面
單元太陽電池
太陽電池模板之規格範例
η (Efficiency) = (Vm x Im Pin) x 100
單晶矽模板效率 = (354 V x 495 A) ( 129 m2 x 1000 Wm2 ) x100
= 1358
單晶矽模板效率 = 1302
種類
項目單晶矽 多晶矽
額定輸出功率(Wp) 175 125
開路電壓(V) 444 323
短路電流(A) 555 546
最大輸出工作電壓(V) 354 260
最大輸出工作電流(A) 495 48
輸出最大功率(W) 175 125
尺寸(mm)W15736timesL826
timesH46
W1200timesL802
timesH46
重量(kg) 17 125
測定條件日照強度 AM151000Wm2Module 溫度 25
何謂AM0AM1AM15
Wavelength (microm)
Spec
tral
Irr
adia
nce
(Wm
-2micro
m-1) AM0
AM15
AM 即 Air Mass(不同 Air Mass 代表不同太陽光光譜)
bull AM0 (Air Mass 0) ~ 1400 W bullm-2
bull AM1 (Air Mass 1) ~ 1000 W bullm-2
bull AM15 (Air Mass 15) ~ 844 Wbullm-2
AM15 1000 Wbullm-2 (IEC 891 IEC 904-1)
Earth
AM0
AM1
AM15
大氣層
45o
太陽電池直接驅動負載如馬達等(應用於玩具車船馬達音樂卡片hellip)
bull 電力現買現賣
bull 負載匹配(容量與電壓)
bull 溫度效應
bull 搭配(超高)電容可以提高效能
太陽電池(直流)基礎應用範例(I)
I M
+
-
C
圖片資料來源httpshoppingyahoocom httpwwwsolar-icomSampYhtml
太陽電池先對電池充電再由電池供應負載(應用於玩具車船電動機械夜間燈光計算機鐘錶3C產品hellip)
bull 電力零存整付
bull 太陽電池電池電壓匹配
bull 溫度效應
bull 使用阻隔二極體
bull 電池過充放電保護
太陽電池(直流)基礎應用範例(II)
I負載
+
-
電池
圖片資料來源httpshoppingyahoocom httpwwwsolar-icomSampYhtml
FAQ1太陽電池應用效能不佳太陽電池之負載匹配(Load Matching)
RshID
IL
+
----
v
I
RL
Rs
bull Efficiency of a PV system is strongly affected by load matching
bull Measurement of I-V Characteristic curve is important
VocVm
Im
Isc
Pm
RL 1
RL 3
RL 2 Battery voltage
RL
----
+
不同日照強度下太陽電池 I-V 特性曲線
bull 最大輸出功率隨日照強度而改變並非永遠等於額定值
0
1
2
3
4
5
6
7
0 10 20 30 40 50
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
1000Wm2 (AM1)
500Wm2 (05AM1)
不同溫度下太陽電池 I-V 特性曲線
bull太陽電池溫度升高時輸出電壓與最大輸出功率降低
0
1
2
3
4
5
6
7
0 10 20 30 40 50
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
75oC 50oC 25oC 0oC
Battery voltage
0
1
2
3
4
5
6
7
0 10 20 30 40 50
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
500Wm2 (05AM1)
1000Wm2 (AM1)
太陽電池之動態負載匹配(日照變化)
RL(high)
RL(low)
bull Maximum power tracking is required in high efficiency PV system
太陽電池 I-V 特性曲線測量方法
VocVm
ImIsc Pm
C+
-
A
VR
A
V
A
V可程式負載
模擬陽光使用鎢絲燈氙燈Solar Simulator 或太陽光
Pm lt few10 W Pm lt few 100 W Pm lt 100 kW
Solar Simulator Array Tester
圖片資料來源httpwwwspiresolarcomSolarequipmenthtml
太陽於天球(Celestial Sphere)上運行之軌跡
冬至 春秋分 夏至 冬至 春秋分 夏至 春秋分 夏至
北緯 0o 北緯 45o 北緯 90o
(赤道) (北極)
天球
太陽運行軌跡與太陽電池仰角
冬至 夏至春秋分
所在緯度235o
235o47o0o
47o 235o
13太陽電池組列仰角與間隔設計例
bull組列仰角~235o (台灣地區)
bull h=組列總高度( lt 15 m)
bull L2=h tan(55o) = 057 L0
(55o可適用於冬至0900~1500)
bull水平角度=正南 plusmn5o
235o
55o
235o
夏至
冬至
春秋分
235o 235o
南
h = 04 L0
L1= 092 L0L2 = 057 L0
L0
L1 + L2 = 15 L0
2零交越偵測電路分析
bull 零交越偵測電路如圖1 所示主要目的在於檢測輸入弦波電壓之零交越點其電路輸出為ㄧ方波信號利用方波上緣信號觸發數位訊號處理器之外部中斷腳位進而進行相位同步之功能[4]零交越偵測電路輸入與輸出波形如圖2 所示相位同步控制當數位訊號處理器發生上緣觸發時此觸發訊號如同系統重置訊號將正弦表指標變數歸零一經重置後指標變數又開始計數藉由每週期ㄧ次的重置訊號迫使換流器輸出達到同步相位同步控制波形示意圖如圖3 所示圖4 為零交越偵測電路輸出實測圖[4]
3系統電路架構與動作模式
bull A
bull 本文所述之系統為一太陽光電能轉換系統方塊圖如圖5 所示主要部分包括太陽能板直流-直流轉換器全橋式換流器數位訊號處理器感測迴授電路與驅動電路此一系統之基本動作情況為一般情況下斷路器1 和斷路器2 均為導通狀態此時太陽光電能轉換系統與電力網路處於連結運轉模式而當電力網路供電中斷時斷路器2 將被斷路以避免孤島現象的發生反之若是太陽光電能轉換系統發生故障時斷路器1 將被斷路以避免電力網路受到其故障的影響
31系統電路架構與動作模式
bull B
bull 電路工作模式bull 此一太陽光電能轉換系統主要有兩種工
作模式以下為二種工作模式的操作說明
bull (1) 獨立運轉模式bull 如圖6 所示獨立運轉模式為當電力網
路供電中斷時斷路器2 將被斷路而此時太陽光電能轉換系統將操作在電壓控制模式下提供負載一穩定的輸出電壓
bull (2) 與電力網路連結運轉模式bull 如圖7 所示與電力網路連結運轉模式
將太陽光電能轉換系統與電力網路連結運轉也就是斷路器1 和斷路器2 同時導通此時系統將操作在電流控制模式下首先經由最大功率點追蹤程式運算出瞬時最大功率點的電流參考值再根據此一電流參考值輸出一與電力網路電壓同相位的電流至負載或甚至回送至電力網路
31直流至直流切換式轉換器
典型直流至直流轉換器系統之構造如圖21所示其輸入通常為由線電壓整
流而得之非調節直流電壓然後再利用切換式直流至直流轉換器將此變動之
直流電壓轉換成一調節之直流電壓
無控制之二極體橋式整流器
交流線電壓
(單相或三相)
直流電壓
(無調節性)
濾波電容 (無調節性)
直流至直流轉換器 (具調節性)
負載
蓄電池
直流電壓 直流電壓
控制訊號1降壓式(step-down buck)轉換器
2升壓式(step-up boost)轉換器
3升降壓式(step-downstep-up buck-boost)轉換器
4全橋式轉換器
上述四種轉換器中只有降壓式及升壓式是最基本的轉換器電路架構升
降壓式轉換器是此二基本轉換器之結合而全橋式轉換器則是由降壓式轉
換器衍生而來
直流至直流轉換器之控制
直流至直流轉換器的作用即是在輸入電壓與輸出負載變動的情況下能夠調
節輸出電壓為所設定的位準電壓位準轉換之原理可以圖22(a)所示之簡單
電路來說明由開關導通與截止可得圖22(b)之波形其中輸出電壓vo平均
值大小Vo與開關之導通及截止時間(ton及toff)有關平均輸出電壓大小調整
之最典型的方式是採用脈波寬度調變法(Pulse-Width ModulationPWM)
其切換週期Ts(= ton+toff)為固定由調整導通時間之大小來改變平均輸出電
壓之大小Vo
+
_
Vd
R
+
_
Vo
0Vd
Vo
vo
tton toff
Ts
脈波寬度調變切換控制的方塊圖如
圖23(a)所示開關之切換控制信號
由控制訊號vcontrol與週期為Ts之鋸齒
波vst比較而得控制信號則由Vo之
實際值與設定值之誤差放大而得
vcontrol與vst比較所得之切換控制信號
的波形如圖23(b)所示當控制訊號
vst較大時則為高準位信號即使
開關導通反之為低準位信號即使
開關截止故開關之切換週期亦為
Ts 由以上的原理可知開關切換
之責任週期 (Duty Ratio)為D=tonTs
=vcontrolVst 其中Vst為鋸齒波之振
幅
放大器
+
-Vo
(設定)
(實際)
Vo
比較器
週期性波形 stv
切換控制訊號
控制訊號
0 t
$Vst
=stv 鋸齒波電壓
controlv (放大誤差)
On On
Off Off
stcontrol vv gt
stcontrol vv ltton toff
Ts
切換控制訊號
(切換頻率 fT
s
s
=1
)
升壓式直流至直流轉換器
圖211為升壓式轉換器電路主要用途為直流電源供應器與直流馬達之
再生制動(Regenerative Breaking)顧名思義其輸出電壓高過於其輸入
電壓當開關導通時二極體反向偏壓輸入電能儲存於電感負載電
能則由電容提供當開關截止時負載吸收輸入及儲存電感中之電能
-
L
CRVd
Vo
vL
iL
io
+
-
++
_
t0
t0
vL
iL
I L
Ts
toffton
_++
_
+
_
+ _+
_
+
_
iL
vL
Vd Vo
iL
vL
Vd Vo
)( dV
)( od VV minus
圖212所示為電感電流為連續之
穩態工作波形由穩態下電感電
壓一週期之平均值為零可得
0)( =minus+ offodond tVVtV
等號兩側除以Ts重新整理可得
Dt
T
V
V
off
s
d
o
minus==
1
1
假設電路無損失輸入功率
Pd=VdId 等 於 輸 出 功 率
Po=VoIo 則
)1( DI
I
d
o minus=
非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器
bullBoost之設計假設輸入10V輸出30V頻率50kHz輸出10W
所以D＝23
( ) s
o
o TDDP
VL
22
12
minusge
=6667uH
取75uH
D
VV in
o minus=
1
L
Vi
n
S Vo
+
_
C
DiL
vds
升降壓式直流至直流轉換器
升降壓式轉換器的主要用途為輸入與輸出之極性相反輸出電壓可以高於
或低於輸入電壓之直流電源供應器升降壓式轉換器可以由降壓式轉換器
與升壓式轉換式串接而成穩態下輸入與輸出電壓轉換器之比值為二轉換
器個別比值之乘積
D
D
V
V
d
o
minus=
1
因此變化責任週期D可使輸出電壓高於或低於輸入電壓
+
_
+
_
_
+
RC Vo
L
Vd
io
iLvL
id
降壓式直流至直流轉換器
降壓式轉換器顧名思義其作用為將較高準位的輸入電壓換成較低
準位的輸出電壓主要用途為直流電源供應器及直流馬達速度控制
圖22(a)所示為提供純電阻性負載之降壓式轉換器由圖22(b)可知其輸
出電壓波形由開關位置決定平均輸出電壓為
dd
s
onT
t
t
d
s
T
o
s
o DVVT
tddV
Tdv
TV
s
on
ons ==+== intintint )0(1
)(1
00ττττ
+
_
Vd
R
+
_
Vo
0Vd
Vo
vo
tton toff
Ts
32直流至交流切換式反流器
切換式直流至交流(DCAC)反流器(Inveter)乃用以將直流電源轉換成振幅
與頻率均可調之正弦式交流電源主要用途為交流馬達驅動與交流不斷
電電源供應器圖31為典型交流馬達驅動之反流器方塊圖其直流輸入
電壓通常由線電壓整流及濾波而得接著再利用切換式反流器改變輸出
電壓之振幅與頻率以驅動交流馬達切換式反流器功率之流通通常是
由直流至交流稱為反流模式但亦可以從交流至直流稱為整流模
式
+
_
交流馬達
二極體整流器 濾波電容 切換式反流器
Vd
三相交流電源
反流器包括單相及三相其輸入為直流電壓源者稱為電壓源反流器
(Voltage Source InverterVSI)另外若輸入為直流電流源者稱為電流
反流器(Current Source InverterCSI)目前僅應用在高功率之交流馬達
驅動器
1脈波寬度調變(PWM)反流器其輸入電壓通常為固定反流器本身具備變
頻及變壓的功能而變頻及變壓乃利用開關之脈波寬度調變切換控制達成
有許多類型之脈波寬度變技術可以使輸出電壓近似弦波
2方波(Square-Wave)反流器此反流器輸出電壓振幅乃由其輸入電壓調
整
反流器本身只控制輸出頻率交流輸出電壓波形近似方波因此乃稱方波
反流器
3採用電壓消去法(Voltage Cancellation)之單相反流器單相反流器當輸入
電壓為定值時可以利用電壓消去法來變頻及變壓而不須採用脈波寬度
調變其輸出電壓波形近似方波因此其結合了前述兩種反流器的特色
值得注意的是電壓消去法並不適用於三相反流器
切換式反流器之基本觀念
考慮圖33(a)之單相反流器假設其正弦輸出電壓vo是經過濾波所得若
輸出之負載為電感性(如馬達)則輸出電流io將落後vo 如圖33(b)所示
在期間1及3中 vo與io同號瞬時功率Po=voio為正故功率由直流側送至
交流側稱之為反流模式在期間2及4中 vo與io異號瞬時功率Po為負
故功率由交流側送至直流側稱之為整流模式圖33(a)之切換式反流器
在每一週期內會經歷平面上四個象限中之所有象限
單相切
換式變
流器與
濾波器
o
o
+
-
+
-
Vd
vo
id
io
0t
4 1 2 3
voio
io
vo
1反流器
4整流器
3反流器
2整流器
0
為清楚解釋起見以單臂反流器來說明
+
_
+
_
+ +
__
Vd
Vd
2
Vd
2
A
N
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
vAN
oo
o
反流器電路之脈波寬度調變切換技術如圖35(a)所示由一正弦波形控
制訊號vcontrol與三角波形vtri作比較三角波(又稱載波)之振幅為Vtri頻率
為fs fs決定反流器開關之切換頻率正弦波控制電壓vcontrol(又稱調制訊
號)之基頻f1決定反流器之輸出頻率而其振幅則決定反流器輸出電壓之
大小定義振幅調變指數為ma=Vcontrol Vtri 其中Vcontrol為vcontrol之振幅
而頻率調變指數則定義為mf = fs f1
0 t
vcontrol vtri
sf
1
0 t
vAo
V d
2
minusVd
2
t=0
v v
T on T off
control tri
A A
lt
minus + v v
T on T off
control tri
A A
gt
+ minus
1)( AoAo vv =之基本波
0 t
vcontrol vtri
sf
1
圖34反流器之開關的控制方法與io方向無關為
dAoAtricontrol VvTvv2
1=gt +導通
dAoAtricontrol VvTvv2
1minus=lt minus導通
由於二開關之導通為互補因此輸出電壓只在Vd 2與-Vd 2二值間作變
動圖35(b)所示為ma=08與mf =15時輸出電壓vAo及其基本波(以虛線表示)
之波形
+
_
+
_
+ +
__
Vd
Vd
2
Vd
2
A
N
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
vAN
oo
o
單相全橋式反流器
單相全橋式反流器如圖311所示乃由兩個前述之半橋反流器所組成在
相同之輸入電壓下全橋式反流器之最大輸出電壓為半橋式之兩倍這代
表在相同之功率下全橋式反流器之輸出及開關電流僅為半橋式之一半
此對於高功率用途是一大優點因其可以降低使用並聯元件之需求
+
_
+
_
+
_
Vd
Vd
2
Vd
2
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
v v vo Ao Bo= minuso
A
B
TBminus
TB+
DBminus
DB+
+_
id
o
o
N
雙極性電壓切換之脈波寬度調變
0 t
vcontrolvtri
sf
1
0 t
ov1ov
dV
dVminus
單極性電壓切換之脈波寬度調變
onBT +
trivgttricontrol vv gt
trivcontrolv
t
)( controlvminus
)( controlvminusonAT +
t1ov
dV
dVminus
)( BNAN
o
vv
v
minus=
應用雙極性電壓切換之脈波寬度調
變全橋式反流器乃 (TA+TB-)與 (TA-
TB+)成對切換且二者互相反相
應用單極性電壓切換之脈波寬度調
變全橋式反流器乃A臂與B獨立切
換且同臂二開關互相反相
三相反流器
+
-
+
-
+
-
dV
2dV
2dV
+AT
minusAT
+AD
minusAD
o
BminusT
+BT
minusBD
+BD
di
minusCT
+CT
minusCD
+CD
N
A B C
o
0 t
triv Acontrolv Bcontrolv Ccontrolv
0
BNANAB vvv minus=
t
dV
之基本波1LLv
ANv
0 t
dV
t0
BNv
dV
三相電壓源反流器之脈波寬度調變切換的功能為在固定輸入直流電壓下用以調整三相輸出電壓之振幅及頻率三相脈波寬度調變方式由三相各差120度的控制電壓與三角波作比較其波形與單相全橋式反流器採用脈波寬度調變單極性切換者類似
最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法
33最大功率追蹤最大功率追蹤最大功率追蹤最大功率追蹤
為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點本文使用本文使用本文使用本文使用擾動觀察法擾動觀察法擾動觀察法擾動觀察法(Perturbation and Observation Method PampQ)進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功率追蹤率追蹤率追蹤率追蹤由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點下圖為擾動下圖為擾動下圖為擾動下圖為擾動觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖為利用為利用為利用為利用DCDC轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作時時時時其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為0之特性之特性之特性之特性使用使用使用使用DCDC轉換器控制太陽轉換器控制太陽轉換器控制太陽轉換器控制太陽能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動
擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖
最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法
左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖蹤示意圖蹤示意圖蹤示意圖太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分為兩個特性區域為兩個特性區域為兩個特性區域為兩個特性區域假設進行追蹤假設進行追蹤假設進行追蹤假設進行追蹤時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時電壓電壓電壓電壓的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率增加增加增加增加若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出功率減少功率減少功率減少功率減少經由經由經由經由DCDC轉換器調轉換器調轉換器調轉換器調節太陽能板與節太陽能板與節太陽能板與節太陽能板與DCDC轉換器的阻轉換器的阻轉換器的阻轉換器的阻抗相互匹配抗相互匹配抗相互匹配抗相互匹配進而得到太陽能板進而得到太陽能板進而得到太陽能板進而得到太陽能板的最大輸出功率的最大輸出功率的最大輸出功率的最大輸出功率
擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖
4軟體規劃
bull 系統控制程式主要分為主程式固定週期中斷副程式市電電壓零交越中斷副程式等三大部分以下將分別介紹各部分程式流程
bull 本系統主程式主要執行數位訊號處理器周邊暫存器的初始設定以及變數宣告其中除了變數宣告外周邊暫存器的初始設定包括有規畫中斷向量設定計數器之計數模式計數週期中斷的時間和PWM 輸出模式等相關參數設定
bull 如圖8 所示系統初始設定後必須先等待中斷發生才能決定系統是否執行固定週期中斷程式或零交越中斷副程式
bull 圖9 為固定週期中斷副程式流程圖固定週期中斷頻率與換流器開關之切換頻率相同為20kHz程式開始會先偵測太陽能板電壓及電流與直流鏈電壓當確定市電電壓零交越中斷發生時必須先將輸出弦波訊號之指標強制為原點重新送出單位弦波確保換流器輸出電流與市電電壓能維持同相位接著比較太陽能板輸入電壓VPV 是否大於最低工作電壓VPV_work如果確定大於最低工作電壓則致能太陽能最大功率追蹤反之則禁能系統動作程式返回圖9 中的正弦脈寬調變副程式主要功能在於決定換流器中開關的動作順序與責任週期大小以及輸波參考訊號
bull 圖10 為太陽能最大功率點追蹤副程式流程圖在文中對最大功率追蹤採用擾動與觀察法配合太陽能光電板的電壓mdash功率特性曲線即可瞭解程式如何完成太陽能光電板最大功率點追蹤
主程式流程圖
5實驗
bull 依據上述的分析採用DSP 2407A 建立一個500W 太陽光電池電能轉換系統依據圖11 之
bull 電路架構其規格與元件參數分別列於表一表二及表三系統實驗波形圖12圖13圖14 及
bull 圖15 為系統操作在獨立運轉模式下負載分別為120W240W360W 及480W 時之換流器輸出
bull 電壓及輸出電流之實測波形
系統規格與元件參數
實測波形
6實務應用系統實務應用系統實務應用系統實務應用系統
獨立系統示意圖獨立系統示意圖
考慮點
系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等安全係數最佳化設計複雜)
一般充電控制器無 MPPT搭配蓄電池使發電效能較差
蓄電池每日gt50DOD深度放電gt02C充電壽命短
太陽光發電量與負載需求量不搭配時太陽光之發電能量利用率偏低 (負載需求搭配與安全係數為互相矛盾之設計)
PV-柴油發電機PV-風力等混合系統為改善之方法
市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台
電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池
併聯系統示意圖併聯系統示意圖
緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析
1 系統設置成本高建議使用於邊際效益高之用電（防災緊急輔助電力）
2 總體經濟效益減少環境污染解決尖峰用電之不足與短缺能源多元化之風險分擔與開創自主能源
3 遮蔽陽光直曬降低建築物之熱效應（被動省能）同時轉換太陽光為電能供應建物自主能源（主動節能）一舉兩得
緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較
30萬元divide21900kWh＝137元度2萬元divide50kWh＝400元度每度電成本
日發電度數times365天times20年＝3hrtimes1kWtimes365天times20年＝21900kWh（度）
（年停電＋年測試運轉時數）times10年＝（20mintimes6次＋15mintimes12月）times10年＝5hrtimes1kWtimes10年＝50kWh
總發電度數（1kw計）
夜間不發電（可利用蓄電池設計供電年維運費02）
噪音空污油料運輸儲油危險維運成本高
缺點
利用露台屋頂牆面空間設備煙管隔音油槽需室內空間
設置空間
平時緊急時均可使用隨時可了解運轉狀況不須操作
加ATS停電時方可啟動需人員每月定期測試運轉
系統運作
太陽光潔淨能源（免費）柴油使用燃料
20年7~10年使用壽命
1kW=30萬元1kW=2~3萬元設置費用
太陽光發電系統柴油發電機
風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析
運用多元化能源分擔風險情況比較說明如下
1 市電--gt停電時風險極高
2 市電＋柴油發電機--gt發電機故障時風險高
市電＋柴油發電機＋太陽光發電系統--gt發揮三者優點互補同時故障機率小風險最低
案例
832kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide057＝317 m2
115kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide075＝332 m2
緊急時057平時065~08
綜合係數溫度變化污損線損Inverter效率＋蓄電池充放電補償
電力需求divide（日照強度times日照時間times模板效率times綜合係數）
模組面積估算
日照強度1kWm2
日照時間384hd
模板效率12
832kWhd500人用電量115kWhd770人用電量
緊急時平時
電力需求估算
緊急時40kWtimes384hdtimes057＝875 kWhd
平時40kWtimes384hdtimes075＝1152Whd
太陽發電系統發電量＝設置容量times日照時間times綜合係數
發電量計算
332m2times1kWm2times12＝398kW≒40kW
太陽發電系統設置容量＝設置面積times日照強度times模板效率
設置容量計算模板效率依太陽電池種類而異
進行模板陣列及蓄電池容量設計
40kWdivide18片串divide120W＝185列≒19
列
40kWdivide17片串divide120W＝196列≒20
列
陣列併列數＝設置容量divide單串功率
18片times120W＝2160W
17片times120W＝2040W
單串功率
300Vdivide169V＝1775片（取整數17 or 18）
陣列串聯數＝Inverter輸入電壓divide模板輸出電壓
模板陣列設計
1 模板功率120W
2 模板輸出電壓169V
3 直交流轉換器(Inverter)輸入電壓300V
120Wtimes17片串times20列＝40800W＝340片(最佳陣列)
120Wtimes18片串times19列＝41080W＝342片
最佳陣列較經濟之設置容量選擇最佳陣列
蓄電池數量＝144個times2列＝288個
120640Whdivide288Vdivide200Ah＝21列≒2列
併列數＝蓄電池需求容量divideInverter額定電壓
288Vdivide2V＝144個
串聯數＝Inverter額定電壓divide蓄電池電壓串併數設計
middot 蓄電池電壓2V個
middot 蓄電池容量200Ah個
Inverter電壓輸入電壓 額定電壓300V 288V200V 192V
蓄電池需求容量＝832kWhdtimes1dtimes145＝12064kWh
蓄電池需求容量＝緊急電力需求times無日照天數times補償係數補償係數蓄電池內阻抗放電停止電壓電壓降低補償
蓄電池需求容量設計
middot 補償係數145
無日照天數1日
61市電相關規定市電相關規定市電相關規定市電相關規定
1 發電設備併接於低壓系統者其總容量未滿100kW且技術無困難者得併接於單相三線110V220V三相三線220V之配電系統若總容量在100kW以上而未滿500kW得分別併接於3相4線220V380V之配電系統
2 發電設備總容量在500kW以上而未滿5000kW10000kW且技術無困難者得分別併接於114KV228KV之高壓配電系統
3 電設備總容量在10000kW以上而未滿40000kW者得併接於特高壓之系統
4 發電設備總容量在40000kW以上者依個案研討分類
併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類
發電系統經由發電系統經由發電系統經由發電系統經由110V220V110V220V110V220V110V220V併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者發電設發電設發電設發電設備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能
1 過電壓保護 低電壓保護
2 低頻保護 高頻保護
3 過電流保護 零相過電壓接地保護
4 發電設備為無逆送電力者須加裝逆電力保護
5 發電設備為有逆送電力者必須具備主動及被動防止單獨運轉保護
發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經110V220V110V220V110V220V110V220V系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者在電在電在電在電源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器
發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業114KV228KV114KV228KV114KV228KV114KV228KV之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者((((高高高高壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶))))發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Extremely Inverse特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Extremely Inverse特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過流電驛(67)須具Normal Inverse特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
發電設備併接於電業69KV特高壓輸電系統者發電設備之輸出端至少應具有下列同等保護功能並須與電業該轄區之保護設備協調
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Normal Inverse之特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Normal Inverse之特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過電流電驛(67)須具Normal Inverse之特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
8 快速及後衛保護電驛如系統保護需要時應裝設
9 匯流排電驛採用GIS斷路器者應裝設
62626262太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範
1 故障電流
太陽光電發電系統大於100kW以上須計算故障電流其送至電業系統之故障電流不得影響電業及其他用戶斷路器之起斷容量否則需裝置限流電抗器
太陽光電發電系統之隔離變壓器接地方式須與電業之系統配合
2 正常電壓變動率應維持在plusmn5以內
3 太陽光電發電系統與電業間之責任分界點的功率因數以維持85落後至100之間運轉為原則
4 諧波污染限制應依照「電力系統諧波管制暫行標準」辦理
分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性
適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯型之規範型之規範型之規範型之規範
電力轉換器電力轉換器電力轉換器電力轉換器(電力調節器電力調節器電力調節器電力調節器)(InverterConditioner)
蓄電池蓄電池蓄電池蓄電池(Battery))
63大型(商用)太陽光發電系統應用(gt1 kWp)
太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統
單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池(Unit Solar Cell)
太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板(PV Module)
太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列(PV Array)
太陽光發電系統應用獨立系統
(A) 獨立系統(Stand-Alone
System)
bull 蓄電池保護壽命
(B) 混合型交流獨立系統 (Hybrid
System)
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
直流負載PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
整流器
輔助發電機
PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載- ~PCU
直直直直交流轉換器交流轉換器交流轉換器交流轉換器
太陽光發電系統應用併聯系統
(D)併聯系統(Grid-
connected System)
特殊功能1 最佳效能2 防止獨立運轉(連線保護)
3 可自力運轉
(E) 防逆流型系統(Off-line System)
(F) 防災型併聯系統
充電控制器
蓄電池
直交流轉換器
PCU太陽電池組列
交流負載
ATS
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
獨立型系統
適用地點高山離島基地台hellip等市電無法到達處
工作方式白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
必須可以自給自足
缺點bull 系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等
安全係數設計很困難)
bull 蓄電池建置複雜成本很高壽命很短
bull 負載搭配不良時發電效能不佳利用率將偏低
bull 需由專人隨時維護
bull 混合系統為一種解決方法
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
PCU
併聯型系統
適用地點電力正常送達之任何地點工作方式 bull 白天 PV系統併聯發電夜間由台電供電bull 將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的蓄電池
優點bull 系統簡單不需安全係數設計(依預算設計)不需要專人維護bull 併聯發電效率高利用率高
缺點bull 停電時無電可用bull 受併聯法規限制尚未開放(但即將開放)
bull 有孤島效應之疑慮(目前技術上已解決)
改善型無電池自力運轉
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
市電併聯型住宅用太陽光發電系統
太陽光發電系統發電及負載用電對時間之關係
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
併聯型直交流轉換器之效能要求較高
1 最大功率追蹤(Maximum Power Tracking MPT)
2 高轉換效率 gt 90 (PWM+電力電子元件)
3 高次諧波功率 Distortion (lt5 total)
4 自動開關機(白天夜晚)
5 過負載保護過溫度保護
6 體積小重量輕室外防水防塵
7 電腦界面可遠端監控
8 防止獨立運轉(連線保護)
9 可自力運轉
太陽電池組列
交流負載
直交流轉換器MPT
Power Conditioner
併聯系統之獨立運轉(單獨運轉)
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull停電時單一併聯系統將會停止運作
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
bull 市電停電時多數併聯系統仍聯合運作將對電力公司人員產生嚴重危害
孤島效應之防止方法
停電偵測1 過電壓低電壓
2 過頻率低頻率
3 被動式偵測如
bull 電壓與頻率監視方式
bull 電壓相位跳躍監視方式
bull 高次諧波監視方式
bull 頻率變化監視方式
PV組列
直交流轉換器
自家負載
4 主動偵測如
bull 頻率Shift方式
bull 配電線負載變動方式
bull 有效電力變動方式
bull 無效電力變動方式
反應時間05~2秒
資料來源「日本電氣用品試驗所」分散型電源系統連系技術指針(1998)
併聯系統之自力運轉功能
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull 大停電後白天有陽光時以人工啟動 PV 系統進行自力運轉供自家負載使用(但夜間無法使用)
防災型併聯型系統
適用地點有防災需求(照明汲水通信hellip)之公共設施
工作方式
bull 平時PV併聯發電(電池浮充) 效率高利用率高夜間由台電供電
bull 視需要建置供防災用電池大停電時白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
缺點bull 含電池成本較高bull 系統較複雜需專人定期維護
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
FAQ1太陽光發電需要多少土地
效率 = (輸出功率W) (組列面積 m2 x 日照強度 Wm2 ) x 100
模板面積 m2 = 輸出功率W (效率 x日照強度Wm2 ) x100
bull 假設使用效率gt136 模板於1000 Wm2 (AM15)日照強度下
10 kWp 模板面積 (m2) = 10000 (0136 x 1000) ~ 735 m2
10 kWp PV系統土地面積需求約
~ 735 m2 x 15 x 11
~ 121m2 (~36坪)
(包括陰影面積及維修空間)
bull 假設使用效率~10 模板
則模板面積約 ~ 100 m2
土地面積需求約 ~ 165m2 (~50坪)
gt55o
夏至
冬至
春秋分
235o 235oh
L1 L2
FAQ2太陽電池一年能發多少電
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
10 kWm2
05 kWm2
日照強度
等效日照時數(Sun Hour)
組列單日發電量 = 組列額定輸出功率 x 等效日照時數
bull 預估1 kWp 組列單日發電量 = 1 (kW) x ex 4(Sun Hour)= 4 kWh
組列年發電量 = 組列額定輸出功率 x 年平均每日日照時數 x 365
bull 預估 1 kWp 組列年發電量 = 1 x 4 x 365 = 1460 kWh
時間時間時間時間
FAQ3太陽光發電的成本(簡易估算)
1 假設目前太陽光發電系統設置成本約為 NT$ 280000 kWp
2 假設年平均每日日照時數約為 25 Sun Hour (台灣中南部地區)
bull 1 kWp 組列單日發電量= 1 (kW) x 25 (Hour)= 25 kWh
bull 1 kWp 組列年發電量= 25 x 365 = 913 kWh (度)
3 假設太陽光發電系統使用壽命為 20 年
bull 1 kWp 太陽光發電系統總共可發電 20 x 913 = 18260 度
4 生產每度電之成本約為 280000 18260 ~ NT$ 153
5 未來發展趨勢
bull 太陽光發電系統設置成本將逐年降低
bull 市電電費將會升高(國內目前約 NT$ 3 度日本約NT$ 7 度)
bull 傳統能源限制再生能源獎勵利率降低
64獨立型太陽光發電系統應用例(一)
bull太陽電池時鐘-日本bull太陽電池路燈-日本千里住宅公園
獨立型太陽光發電系統應用例(二)
bull太陽電池交通標誌-日本北海道 bull高速公路緊急電話-日本
獨立型太陽光發電系統應用例(三)
bull800W無線通信中繼基地台韓國(1998)
獨立型太陽光發電系統應用例(四)
bull離島用90kW獨立型發電系統韓國Ho-Do島(1992)
併聯型太陽光發電系統應用例(一)
bull設置於屋頂之住宅用太陽光發電系統(建材一體型日本千里住宅公園內住宅設計之一)
併聯型太陽光發電系統應用例(二)
bull日本東海線新幹線京都車站之太陽光發電系統(100kWp)
併聯型太陽光發電系統應用例(三)
bull日本京瓷(Kyocera)京都總公司大樓之太陽電池發電系統(220kWp)
太陽光發電發電廠應用例
太陽電池發電廠
(PV Power Plant)
資料來源 ANIT
Srl Italy
建材一體型太陽電池模板應用例
bull資料來源 Pilkington Solar International GmbH 德國
太陽能車應用例
Honda Dream
bull資料來源 PV Special Research
Centre UNSW Australia
交大太陽能車
bull資料來源 National Chiao-Tung
University Taiwan
太陽光發電航太應用例(NASA Helios )
bull空中無線通訊平台應用
資料來源SkyOne Inc Taiwan
bull 飛行高度5-7 萬英呎(最高記錄 96000 英呎)
bull 時速60 mph (起飛 25 mph)
bull 翼展247 英呎bull 重量2000 磅bull 太陽電池效率要求gt22
資料來源httpwwwaerovironmentcomhomehtml
清雲技術學院 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
個人住宅 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
勤益技術學院 3kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
南台科技大學 10kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
總統府 10kWp 獨立型太陽光能發電系統 (9012)
海巡署南沙太平島 20kWp 混合型(柴油發電機)太陽光能發電系統 (9011)
90能源基金示範補助成果例
台電樹林 20kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
併聯型
台電台北市區處 20kWp 太陽光發電系統
(91能源基金示範補助成果)
併聯型
7結論
bull (1)提高電力轉換器效率
bull 轉換器的損失主要來自於開關切換時之損失為了可以降低濾波電路中電感和電容的體積可以提高切換頻率但是相對於開關的切換損失也因此而增加導致轉換器的效率降低因此發展零電壓或零電流切換技術應用於高切換頻率之轉換器將可以提高轉換器的效率
bull (2)提高太陽光發電系統之整體效率
bull 傳統之太陽光發電系統包含儲能系統和供電系統前級利用DCDC轉換器作最大功率追蹤後級則利用DCAC轉換器轉換能量供應給交流負載為了提高太陽光發電系統的整體效率在研究可提出了模組並聯控制技術以提昇各級電力轉換器的效率而在未來太陽光發電系統也將著重在單級電力轉換器的設計對於整體系統效率有較明顯的改善
8參考資料
1許國強ldquo太陽光發電原理與應用工研院材料所 薄膜技術組91年
2華志強黃崇倫ldquo智慧型能量控制於太陽光電能轉換系統國立雲林科技大學電機工程學系電力研討會97年
3林政達ldquo數位式市電並聯換流器與快速鎖相迴路控制器之研製國立雲林科技大學電機工程學系碩士論文92 年
4李思賢ldquo數位式單相低功率太陽光電能轉換系統國立中山大學電機工程學系碩士論文92 年
5洪世杰ldquo適用於再生能源之市電併聯型雙輸入供電系統國立中正大學電機工程研究所碩士論文93 年
6王廷興ldquo太陽能發電配電設計概要台北科技大學冷凍空調系 92年
7魏榮宗王文宏ldquo高效率太陽光電能源轉換系統 元智大學電機工程學系94年
[ ] 100)25(
)11
(exp
1)(exp
3
λminus+=
minus
=
+minus
minus+minus=
TKII
TTBk
qE
T
TII
where
R
IRVIRV
AkT
qIII
ISCRLG
r
GO
r
oros
sh
ssosLG
VI cell output current and voltagecell reverse saturation currentcell temperature in CBoltzmannrsquos constantelectronic chargeshort circuit current temperature coefficientsolar irradiation in Wmshort-circuit current at 25 Cand 1000 Wm
light-generated currentband gap for siliconideality factorsreference temperaturecell saturation current atshunt resistanceseries resistance
osI
T
kq
00170=IK
SCRIλ
LGI
GOE
921== ABKTr deg= 18301
orI
shR
sR
附錄附錄附錄附錄- 太陽能電池太陽能電池太陽能電池太陽能電池
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
(a) Equivalent circuit of a PV module and
(b) Typical PV module current-voltage and power-voltage characteristics
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
Characteristic of a PV module with temperature and irradiation (a) constant irradiation and varying temperature and (b) constant temperature and varying irradiation
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
系統範例系統範例系統範例系統範例
中途驛站電化PV離島用PV系統山岳地帶PV系統離島偏遠區
勤務指揮中心緊急避難所醫療院所公園學校地震觀測站森林嘹望台避難指示燈氣象觀測所水位警報PV系統河川安全燈防波堤安全PV燈
緊急防災
緊急供電系統管線電氣防蝕輸油管流量計PV系統市場廣告塔海上石油平台各種計測站PV系統發電廠情報指揮中心
產業用
住宅用供電系統緊急供電系統緊急照明系統帷幕牆遮陽棚採光罩屋瓦建築物
無線通信用中繼站基地台緊急電話中繼站電話通信PV系統Radio受信PV系統微波中繼站
通訊
農宅用電溫室栽培PV系統農業灌溉用自動灑水系統農牧電籬牛乳冷藏漁業養殖揚水通氣自動餵食器
農林漁牧
路燈交通號誌道路指示牌標誌燈太陽能電動車充電站高速公路緊急電話偏遠道路緊急電話停車計時器停車場控制門系統高速公路防音壁PV系統公路休息區PV系統太陽能車平交道指示燈候車亭PV系統車站屋頂型PV系統
道路交通
收音機測電表手錶計算機太陽能照相機手電筒電池充電器野營燈民生
應用領域
I=I0 (eVaVT-1)-Isc
Isc = -I (短路電流 V=0)
Voc = aVTln(Isc I0 +1) (開路電壓
I=0)
I0 (逆向漏電電流) prop ni prop e-Eg
RshID
Isc
+
----
v
I
RL
Rs
太陽電池等效電路與電氣特性
+I
+V
-V
Dark
VocV
Photo
Isc
I
Pm
I0
太陽電池等效電路 常用太陽電池電路符號
VocVm
Im
Isc
Pm
太陽電池 I-V 特性曲線分析
FF(Fill Factor) = (Vm x Im Voc x Isc) x 100 (越高越好)
ηηηη (Efficiency) = (Vm x Im Pin) x 100 (越高越貴)
bull Pin (Incident Power) = A (hc λ) bull N(λ) dλ
bullλ wavelength (microm)
bull N(λ) Number of photonm2 bull sec
bull A Area (m2)
bull h Plank constant c light speed
Voc開路電壓
Isc短路電流
Pm最大輸出功率值
Vm最大輸出功率時之電壓
Im最大輸出功率時之電流
太陽電池開路短路時皆不會燒毀
0
電壓源
電流源
利用串並聯組成模板與組列提供所需的工作電壓與電流
VocVm
Im
Isc
Pm
12太陽電池之串並聯使用
VocVm
Im
IscPm
VocVm
Im
Isc
Pm
太陽電池模板之構成
+
-
太陽電池模板結構太陽電池模板外觀太陽電池模板接線
正面
強化玻璃
EVA
TedlarTM (Dupont)
EVA
Polyester
TedlarTM (Dupont)
0125
0015
Cells0014
0015
00015
0002
00015
背面
單元太陽電池
太陽電池模板之規格範例
η (Efficiency) = (Vm x Im Pin) x 100
單晶矽模板效率 = (354 V x 495 A) ( 129 m2 x 1000 Wm2 ) x100
= 1358
單晶矽模板效率 = 1302
種類
項目單晶矽 多晶矽
額定輸出功率(Wp) 175 125
開路電壓(V) 444 323
短路電流(A) 555 546
最大輸出工作電壓(V) 354 260
最大輸出工作電流(A) 495 48
輸出最大功率(W) 175 125
尺寸(mm)W15736timesL826
timesH46
W1200timesL802
timesH46
重量(kg) 17 125
測定條件日照強度 AM151000Wm2Module 溫度 25
何謂AM0AM1AM15
Wavelength (microm)
Spec
tral
Irr
adia
nce
(Wm
-2micro
m-1) AM0
AM15
AM 即 Air Mass(不同 Air Mass 代表不同太陽光光譜)
bull AM0 (Air Mass 0) ~ 1400 W bullm-2
bull AM1 (Air Mass 1) ~ 1000 W bullm-2
bull AM15 (Air Mass 15) ~ 844 Wbullm-2
AM15 1000 Wbullm-2 (IEC 891 IEC 904-1)
Earth
AM0
AM1
AM15
大氣層
45o
太陽電池直接驅動負載如馬達等(應用於玩具車船馬達音樂卡片hellip)
bull 電力現買現賣
bull 負載匹配(容量與電壓)
bull 溫度效應
bull 搭配(超高)電容可以提高效能
太陽電池(直流)基礎應用範例(I)
I M
+
-
C
圖片資料來源httpshoppingyahoocom httpwwwsolar-icomSampYhtml
太陽電池先對電池充電再由電池供應負載(應用於玩具車船電動機械夜間燈光計算機鐘錶3C產品hellip)
bull 電力零存整付
bull 太陽電池電池電壓匹配
bull 溫度效應
bull 使用阻隔二極體
bull 電池過充放電保護
太陽電池(直流)基礎應用範例(II)
I負載
+
-
電池
圖片資料來源httpshoppingyahoocom httpwwwsolar-icomSampYhtml
FAQ1太陽電池應用效能不佳太陽電池之負載匹配(Load Matching)
RshID
IL
+
----
v
I
RL
Rs
bull Efficiency of a PV system is strongly affected by load matching
bull Measurement of I-V Characteristic curve is important
VocVm
Im
Isc
Pm
RL 1
RL 3
RL 2 Battery voltage
RL
----
+
不同日照強度下太陽電池 I-V 特性曲線
bull 最大輸出功率隨日照強度而改變並非永遠等於額定值
0
1
2
3
4
5
6
7
0 10 20 30 40 50
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
1000Wm2 (AM1)
500Wm2 (05AM1)
不同溫度下太陽電池 I-V 特性曲線
bull太陽電池溫度升高時輸出電壓與最大輸出功率降低
0
1
2
3
4
5
6
7
0 10 20 30 40 50
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
75oC 50oC 25oC 0oC
Battery voltage
0
1
2
3
4
5
6
7
0 10 20 30 40 50
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
500Wm2 (05AM1)
1000Wm2 (AM1)
太陽電池之動態負載匹配(日照變化)
RL(high)
RL(low)
bull Maximum power tracking is required in high efficiency PV system
太陽電池 I-V 特性曲線測量方法
VocVm
ImIsc Pm
C+
-
A
VR
A
V
A
V可程式負載
模擬陽光使用鎢絲燈氙燈Solar Simulator 或太陽光
Pm lt few10 W Pm lt few 100 W Pm lt 100 kW
Solar Simulator Array Tester
圖片資料來源httpwwwspiresolarcomSolarequipmenthtml
太陽於天球(Celestial Sphere)上運行之軌跡
冬至 春秋分 夏至 冬至 春秋分 夏至 春秋分 夏至
北緯 0o 北緯 45o 北緯 90o
(赤道) (北極)
天球
太陽運行軌跡與太陽電池仰角
冬至 夏至春秋分
所在緯度235o
235o47o0o
47o 235o
13太陽電池組列仰角與間隔設計例
bull組列仰角~235o (台灣地區)
bull h=組列總高度( lt 15 m)
bull L2=h tan(55o) = 057 L0
(55o可適用於冬至0900~1500)
bull水平角度=正南 plusmn5o
235o
55o
235o
夏至
冬至
春秋分
235o 235o
南
h = 04 L0
L1= 092 L0L2 = 057 L0
L0
L1 + L2 = 15 L0
2零交越偵測電路分析
bull 零交越偵測電路如圖1 所示主要目的在於檢測輸入弦波電壓之零交越點其電路輸出為ㄧ方波信號利用方波上緣信號觸發數位訊號處理器之外部中斷腳位進而進行相位同步之功能[4]零交越偵測電路輸入與輸出波形如圖2 所示相位同步控制當數位訊號處理器發生上緣觸發時此觸發訊號如同系統重置訊號將正弦表指標變數歸零一經重置後指標變數又開始計數藉由每週期ㄧ次的重置訊號迫使換流器輸出達到同步相位同步控制波形示意圖如圖3 所示圖4 為零交越偵測電路輸出實測圖[4]
3系統電路架構與動作模式
bull A
bull 本文所述之系統為一太陽光電能轉換系統方塊圖如圖5 所示主要部分包括太陽能板直流-直流轉換器全橋式換流器數位訊號處理器感測迴授電路與驅動電路此一系統之基本動作情況為一般情況下斷路器1 和斷路器2 均為導通狀態此時太陽光電能轉換系統與電力網路處於連結運轉模式而當電力網路供電中斷時斷路器2 將被斷路以避免孤島現象的發生反之若是太陽光電能轉換系統發生故障時斷路器1 將被斷路以避免電力網路受到其故障的影響
31系統電路架構與動作模式
bull B
bull 電路工作模式bull 此一太陽光電能轉換系統主要有兩種工
作模式以下為二種工作模式的操作說明
bull (1) 獨立運轉模式bull 如圖6 所示獨立運轉模式為當電力網
路供電中斷時斷路器2 將被斷路而此時太陽光電能轉換系統將操作在電壓控制模式下提供負載一穩定的輸出電壓
bull (2) 與電力網路連結運轉模式bull 如圖7 所示與電力網路連結運轉模式
將太陽光電能轉換系統與電力網路連結運轉也就是斷路器1 和斷路器2 同時導通此時系統將操作在電流控制模式下首先經由最大功率點追蹤程式運算出瞬時最大功率點的電流參考值再根據此一電流參考值輸出一與電力網路電壓同相位的電流至負載或甚至回送至電力網路
31直流至直流切換式轉換器
典型直流至直流轉換器系統之構造如圖21所示其輸入通常為由線電壓整
流而得之非調節直流電壓然後再利用切換式直流至直流轉換器將此變動之
直流電壓轉換成一調節之直流電壓
無控制之二極體橋式整流器
交流線電壓
(單相或三相)
直流電壓
(無調節性)
濾波電容 (無調節性)
直流至直流轉換器 (具調節性)
負載
蓄電池
直流電壓 直流電壓
控制訊號1降壓式(step-down buck)轉換器
2升壓式(step-up boost)轉換器
3升降壓式(step-downstep-up buck-boost)轉換器
4全橋式轉換器
上述四種轉換器中只有降壓式及升壓式是最基本的轉換器電路架構升
降壓式轉換器是此二基本轉換器之結合而全橋式轉換器則是由降壓式轉
換器衍生而來
直流至直流轉換器之控制
直流至直流轉換器的作用即是在輸入電壓與輸出負載變動的情況下能夠調
節輸出電壓為所設定的位準電壓位準轉換之原理可以圖22(a)所示之簡單
電路來說明由開關導通與截止可得圖22(b)之波形其中輸出電壓vo平均
值大小Vo與開關之導通及截止時間(ton及toff)有關平均輸出電壓大小調整
之最典型的方式是採用脈波寬度調變法(Pulse-Width ModulationPWM)
其切換週期Ts(= ton+toff)為固定由調整導通時間之大小來改變平均輸出電
壓之大小Vo
+
_
Vd
R
+
_
Vo
0Vd
Vo
vo
tton toff
Ts
脈波寬度調變切換控制的方塊圖如
圖23(a)所示開關之切換控制信號
由控制訊號vcontrol與週期為Ts之鋸齒
波vst比較而得控制信號則由Vo之
實際值與設定值之誤差放大而得
vcontrol與vst比較所得之切換控制信號
的波形如圖23(b)所示當控制訊號
vst較大時則為高準位信號即使
開關導通反之為低準位信號即使
開關截止故開關之切換週期亦為
Ts 由以上的原理可知開關切換
之責任週期 (Duty Ratio)為D=tonTs
=vcontrolVst 其中Vst為鋸齒波之振
幅
放大器
+
-Vo
(設定)
(實際)
Vo
比較器
週期性波形 stv
切換控制訊號
控制訊號
0 t
$Vst
=stv 鋸齒波電壓
controlv (放大誤差)
On On
Off Off
stcontrol vv gt
stcontrol vv ltton toff
Ts
切換控制訊號
(切換頻率 fT
s
s
=1
)
升壓式直流至直流轉換器
圖211為升壓式轉換器電路主要用途為直流電源供應器與直流馬達之
再生制動(Regenerative Breaking)顧名思義其輸出電壓高過於其輸入
電壓當開關導通時二極體反向偏壓輸入電能儲存於電感負載電
能則由電容提供當開關截止時負載吸收輸入及儲存電感中之電能
-
L
CRVd
Vo
vL
iL
io
+
-
++
_
t0
t0
vL
iL
I L
Ts
toffton
_++
_
+
_
+ _+
_
+
_
iL
vL
Vd Vo
iL
vL
Vd Vo
)( dV
)( od VV minus
圖212所示為電感電流為連續之
穩態工作波形由穩態下電感電
壓一週期之平均值為零可得
0)( =minus+ offodond tVVtV
等號兩側除以Ts重新整理可得
Dt
T
V
V
off
s
d
o
minus==
1
1
假設電路無損失輸入功率
Pd=VdId 等 於 輸 出 功 率
Po=VoIo 則
)1( DI
I
d
o minus=
非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器
bullBoost之設計假設輸入10V輸出30V頻率50kHz輸出10W
所以D＝23
( ) s
o
o TDDP
VL
22
12
minusge
=6667uH
取75uH
D
VV in
o minus=
1
L
Vi
n
S Vo
+
_
C
DiL
vds
升降壓式直流至直流轉換器
升降壓式轉換器的主要用途為輸入與輸出之極性相反輸出電壓可以高於
或低於輸入電壓之直流電源供應器升降壓式轉換器可以由降壓式轉換器
與升壓式轉換式串接而成穩態下輸入與輸出電壓轉換器之比值為二轉換
器個別比值之乘積
D
D
V
V
d
o
minus=
1
因此變化責任週期D可使輸出電壓高於或低於輸入電壓
+
_
+
_
_
+
RC Vo
L
Vd
io
iLvL
id
降壓式直流至直流轉換器
降壓式轉換器顧名思義其作用為將較高準位的輸入電壓換成較低
準位的輸出電壓主要用途為直流電源供應器及直流馬達速度控制
圖22(a)所示為提供純電阻性負載之降壓式轉換器由圖22(b)可知其輸
出電壓波形由開關位置決定平均輸出電壓為
dd
s
onT
t
t
d
s
T
o
s
o DVVT
tddV
Tdv
TV
s
on
ons ==+== intintint )0(1
)(1
00ττττ
+
_
Vd
R
+
_
Vo
0Vd
Vo
vo
tton toff
Ts
32直流至交流切換式反流器
切換式直流至交流(DCAC)反流器(Inveter)乃用以將直流電源轉換成振幅
與頻率均可調之正弦式交流電源主要用途為交流馬達驅動與交流不斷
電電源供應器圖31為典型交流馬達驅動之反流器方塊圖其直流輸入
電壓通常由線電壓整流及濾波而得接著再利用切換式反流器改變輸出
電壓之振幅與頻率以驅動交流馬達切換式反流器功率之流通通常是
由直流至交流稱為反流模式但亦可以從交流至直流稱為整流模
式
+
_
交流馬達
二極體整流器 濾波電容 切換式反流器
Vd
三相交流電源
反流器包括單相及三相其輸入為直流電壓源者稱為電壓源反流器
(Voltage Source InverterVSI)另外若輸入為直流電流源者稱為電流
反流器(Current Source InverterCSI)目前僅應用在高功率之交流馬達
驅動器
1脈波寬度調變(PWM)反流器其輸入電壓通常為固定反流器本身具備變
頻及變壓的功能而變頻及變壓乃利用開關之脈波寬度調變切換控制達成
有許多類型之脈波寬度變技術可以使輸出電壓近似弦波
2方波(Square-Wave)反流器此反流器輸出電壓振幅乃由其輸入電壓調
整
反流器本身只控制輸出頻率交流輸出電壓波形近似方波因此乃稱方波
反流器
3採用電壓消去法(Voltage Cancellation)之單相反流器單相反流器當輸入
電壓為定值時可以利用電壓消去法來變頻及變壓而不須採用脈波寬度
調變其輸出電壓波形近似方波因此其結合了前述兩種反流器的特色
值得注意的是電壓消去法並不適用於三相反流器
切換式反流器之基本觀念
考慮圖33(a)之單相反流器假設其正弦輸出電壓vo是經過濾波所得若
輸出之負載為電感性(如馬達)則輸出電流io將落後vo 如圖33(b)所示
在期間1及3中 vo與io同號瞬時功率Po=voio為正故功率由直流側送至
交流側稱之為反流模式在期間2及4中 vo與io異號瞬時功率Po為負
故功率由交流側送至直流側稱之為整流模式圖33(a)之切換式反流器
在每一週期內會經歷平面上四個象限中之所有象限
單相切
換式變
流器與
濾波器
o
o
+
-
+
-
Vd
vo
id
io
0t
4 1 2 3
voio
io
vo
1反流器
4整流器
3反流器
2整流器
0
為清楚解釋起見以單臂反流器來說明
+
_
+
_
+ +
__
Vd
Vd
2
Vd
2
A
N
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
vAN
oo
o
反流器電路之脈波寬度調變切換技術如圖35(a)所示由一正弦波形控
制訊號vcontrol與三角波形vtri作比較三角波(又稱載波)之振幅為Vtri頻率
為fs fs決定反流器開關之切換頻率正弦波控制電壓vcontrol(又稱調制訊
號)之基頻f1決定反流器之輸出頻率而其振幅則決定反流器輸出電壓之
大小定義振幅調變指數為ma=Vcontrol Vtri 其中Vcontrol為vcontrol之振幅
而頻率調變指數則定義為mf = fs f1
0 t
vcontrol vtri
sf
1
0 t
vAo
V d
2
minusVd
2
t=0
v v
T on T off
control tri
A A
lt
minus + v v
T on T off
control tri
A A
gt
+ minus
1)( AoAo vv =之基本波
0 t
vcontrol vtri
sf
1
圖34反流器之開關的控制方法與io方向無關為
dAoAtricontrol VvTvv2
1=gt +導通
dAoAtricontrol VvTvv2
1minus=lt minus導通
由於二開關之導通為互補因此輸出電壓只在Vd 2與-Vd 2二值間作變
動圖35(b)所示為ma=08與mf =15時輸出電壓vAo及其基本波(以虛線表示)
之波形
+
_
+
_
+ +
__
Vd
Vd
2
Vd
2
A
N
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
vAN
oo
o
單相全橋式反流器
單相全橋式反流器如圖311所示乃由兩個前述之半橋反流器所組成在
相同之輸入電壓下全橋式反流器之最大輸出電壓為半橋式之兩倍這代
表在相同之功率下全橋式反流器之輸出及開關電流僅為半橋式之一半
此對於高功率用途是一大優點因其可以降低使用並聯元件之需求
+
_
+
_
+
_
Vd
Vd
2
Vd
2
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
v v vo Ao Bo= minuso
A
B
TBminus
TB+
DBminus
DB+
+_
id
o
o
N
雙極性電壓切換之脈波寬度調變
0 t
vcontrolvtri
sf
1
0 t
ov1ov
dV
dVminus
單極性電壓切換之脈波寬度調變
onBT +
trivgttricontrol vv gt
trivcontrolv
t
)( controlvminus
)( controlvminusonAT +
t1ov
dV
dVminus
)( BNAN
o
vv
v
minus=
應用雙極性電壓切換之脈波寬度調
變全橋式反流器乃 (TA+TB-)與 (TA-
TB+)成對切換且二者互相反相
應用單極性電壓切換之脈波寬度調
變全橋式反流器乃A臂與B獨立切
換且同臂二開關互相反相
三相反流器
+
-
+
-
+
-
dV
2dV
2dV
+AT
minusAT
+AD
minusAD
o
BminusT
+BT
minusBD
+BD
di
minusCT
+CT
minusCD
+CD
N
A B C
o
0 t
triv Acontrolv Bcontrolv Ccontrolv
0
BNANAB vvv minus=
t
dV
之基本波1LLv
ANv
0 t
dV
t0
BNv
dV
三相電壓源反流器之脈波寬度調變切換的功能為在固定輸入直流電壓下用以調整三相輸出電壓之振幅及頻率三相脈波寬度調變方式由三相各差120度的控制電壓與三角波作比較其波形與單相全橋式反流器採用脈波寬度調變單極性切換者類似
最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法
33最大功率追蹤最大功率追蹤最大功率追蹤最大功率追蹤
為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點本文使用本文使用本文使用本文使用擾動觀察法擾動觀察法擾動觀察法擾動觀察法(Perturbation and Observation Method PampQ)進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功率追蹤率追蹤率追蹤率追蹤由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點下圖為擾動下圖為擾動下圖為擾動下圖為擾動觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖為利用為利用為利用為利用DCDC轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作時時時時其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為0之特性之特性之特性之特性使用使用使用使用DCDC轉換器控制太陽轉換器控制太陽轉換器控制太陽轉換器控制太陽能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動
擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖
最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法
左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖蹤示意圖蹤示意圖蹤示意圖太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分為兩個特性區域為兩個特性區域為兩個特性區域為兩個特性區域假設進行追蹤假設進行追蹤假設進行追蹤假設進行追蹤時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時電壓電壓電壓電壓的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率增加增加增加增加若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出功率減少功率減少功率減少功率減少經由經由經由經由DCDC轉換器調轉換器調轉換器調轉換器調節太陽能板與節太陽能板與節太陽能板與節太陽能板與DCDC轉換器的阻轉換器的阻轉換器的阻轉換器的阻抗相互匹配抗相互匹配抗相互匹配抗相互匹配進而得到太陽能板進而得到太陽能板進而得到太陽能板進而得到太陽能板的最大輸出功率的最大輸出功率的最大輸出功率的最大輸出功率
擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖
4軟體規劃
bull 系統控制程式主要分為主程式固定週期中斷副程式市電電壓零交越中斷副程式等三大部分以下將分別介紹各部分程式流程
bull 本系統主程式主要執行數位訊號處理器周邊暫存器的初始設定以及變數宣告其中除了變數宣告外周邊暫存器的初始設定包括有規畫中斷向量設定計數器之計數模式計數週期中斷的時間和PWM 輸出模式等相關參數設定
bull 如圖8 所示系統初始設定後必須先等待中斷發生才能決定系統是否執行固定週期中斷程式或零交越中斷副程式
bull 圖9 為固定週期中斷副程式流程圖固定週期中斷頻率與換流器開關之切換頻率相同為20kHz程式開始會先偵測太陽能板電壓及電流與直流鏈電壓當確定市電電壓零交越中斷發生時必須先將輸出弦波訊號之指標強制為原點重新送出單位弦波確保換流器輸出電流與市電電壓能維持同相位接著比較太陽能板輸入電壓VPV 是否大於最低工作電壓VPV_work如果確定大於最低工作電壓則致能太陽能最大功率追蹤反之則禁能系統動作程式返回圖9 中的正弦脈寬調變副程式主要功能在於決定換流器中開關的動作順序與責任週期大小以及輸波參考訊號
bull 圖10 為太陽能最大功率點追蹤副程式流程圖在文中對最大功率追蹤採用擾動與觀察法配合太陽能光電板的電壓mdash功率特性曲線即可瞭解程式如何完成太陽能光電板最大功率點追蹤
主程式流程圖
5實驗
bull 依據上述的分析採用DSP 2407A 建立一個500W 太陽光電池電能轉換系統依據圖11 之
bull 電路架構其規格與元件參數分別列於表一表二及表三系統實驗波形圖12圖13圖14 及
bull 圖15 為系統操作在獨立運轉模式下負載分別為120W240W360W 及480W 時之換流器輸出
bull 電壓及輸出電流之實測波形
系統規格與元件參數
實測波形
6實務應用系統實務應用系統實務應用系統實務應用系統
獨立系統示意圖獨立系統示意圖
考慮點
系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等安全係數最佳化設計複雜)
一般充電控制器無 MPPT搭配蓄電池使發電效能較差
蓄電池每日gt50DOD深度放電gt02C充電壽命短
太陽光發電量與負載需求量不搭配時太陽光之發電能量利用率偏低 (負載需求搭配與安全係數為互相矛盾之設計)
PV-柴油發電機PV-風力等混合系統為改善之方法
市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台
電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池
併聯系統示意圖併聯系統示意圖
緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析
1 系統設置成本高建議使用於邊際效益高之用電（防災緊急輔助電力）
2 總體經濟效益減少環境污染解決尖峰用電之不足與短缺能源多元化之風險分擔與開創自主能源
3 遮蔽陽光直曬降低建築物之熱效應（被動省能）同時轉換太陽光為電能供應建物自主能源（主動節能）一舉兩得
緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較
30萬元divide21900kWh＝137元度2萬元divide50kWh＝400元度每度電成本
日發電度數times365天times20年＝3hrtimes1kWtimes365天times20年＝21900kWh（度）
（年停電＋年測試運轉時數）times10年＝（20mintimes6次＋15mintimes12月）times10年＝5hrtimes1kWtimes10年＝50kWh
總發電度數（1kw計）
夜間不發電（可利用蓄電池設計供電年維運費02）
噪音空污油料運輸儲油危險維運成本高
缺點
利用露台屋頂牆面空間設備煙管隔音油槽需室內空間
設置空間
平時緊急時均可使用隨時可了解運轉狀況不須操作
加ATS停電時方可啟動需人員每月定期測試運轉
系統運作
太陽光潔淨能源（免費）柴油使用燃料
20年7~10年使用壽命
1kW=30萬元1kW=2~3萬元設置費用
太陽光發電系統柴油發電機
風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析
運用多元化能源分擔風險情況比較說明如下
1 市電--gt停電時風險極高
2 市電＋柴油發電機--gt發電機故障時風險高
市電＋柴油發電機＋太陽光發電系統--gt發揮三者優點互補同時故障機率小風險最低
案例
832kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide057＝317 m2
115kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide075＝332 m2
緊急時057平時065~08
綜合係數溫度變化污損線損Inverter效率＋蓄電池充放電補償
電力需求divide（日照強度times日照時間times模板效率times綜合係數）
模組面積估算
日照強度1kWm2
日照時間384hd
模板效率12
832kWhd500人用電量115kWhd770人用電量
緊急時平時
電力需求估算
緊急時40kWtimes384hdtimes057＝875 kWhd
平時40kWtimes384hdtimes075＝1152Whd
太陽發電系統發電量＝設置容量times日照時間times綜合係數
發電量計算
332m2times1kWm2times12＝398kW≒40kW
太陽發電系統設置容量＝設置面積times日照強度times模板效率
設置容量計算模板效率依太陽電池種類而異
進行模板陣列及蓄電池容量設計
40kWdivide18片串divide120W＝185列≒19
列
40kWdivide17片串divide120W＝196列≒20
列
陣列併列數＝設置容量divide單串功率
18片times120W＝2160W
17片times120W＝2040W
單串功率
300Vdivide169V＝1775片（取整數17 or 18）
陣列串聯數＝Inverter輸入電壓divide模板輸出電壓
模板陣列設計
1 模板功率120W
2 模板輸出電壓169V
3 直交流轉換器(Inverter)輸入電壓300V
120Wtimes17片串times20列＝40800W＝340片(最佳陣列)
120Wtimes18片串times19列＝41080W＝342片
最佳陣列較經濟之設置容量選擇最佳陣列
蓄電池數量＝144個times2列＝288個
120640Whdivide288Vdivide200Ah＝21列≒2列
併列數＝蓄電池需求容量divideInverter額定電壓
288Vdivide2V＝144個
串聯數＝Inverter額定電壓divide蓄電池電壓串併數設計
middot 蓄電池電壓2V個
middot 蓄電池容量200Ah個
Inverter電壓輸入電壓 額定電壓300V 288V200V 192V
蓄電池需求容量＝832kWhdtimes1dtimes145＝12064kWh
蓄電池需求容量＝緊急電力需求times無日照天數times補償係數補償係數蓄電池內阻抗放電停止電壓電壓降低補償
蓄電池需求容量設計
middot 補償係數145
無日照天數1日
61市電相關規定市電相關規定市電相關規定市電相關規定
1 發電設備併接於低壓系統者其總容量未滿100kW且技術無困難者得併接於單相三線110V220V三相三線220V之配電系統若總容量在100kW以上而未滿500kW得分別併接於3相4線220V380V之配電系統
2 發電設備總容量在500kW以上而未滿5000kW10000kW且技術無困難者得分別併接於114KV228KV之高壓配電系統
3 電設備總容量在10000kW以上而未滿40000kW者得併接於特高壓之系統
4 發電設備總容量在40000kW以上者依個案研討分類
併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類
發電系統經由發電系統經由發電系統經由發電系統經由110V220V110V220V110V220V110V220V併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者發電設發電設發電設發電設備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能
1 過電壓保護 低電壓保護
2 低頻保護 高頻保護
3 過電流保護 零相過電壓接地保護
4 發電設備為無逆送電力者須加裝逆電力保護
5 發電設備為有逆送電力者必須具備主動及被動防止單獨運轉保護
發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經110V220V110V220V110V220V110V220V系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者在電在電在電在電源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器
發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業114KV228KV114KV228KV114KV228KV114KV228KV之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者((((高高高高壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶))))發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Extremely Inverse特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Extremely Inverse特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過流電驛(67)須具Normal Inverse特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
發電設備併接於電業69KV特高壓輸電系統者發電設備之輸出端至少應具有下列同等保護功能並須與電業該轄區之保護設備協調
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Normal Inverse之特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Normal Inverse之特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過電流電驛(67)須具Normal Inverse之特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
8 快速及後衛保護電驛如系統保護需要時應裝設
9 匯流排電驛採用GIS斷路器者應裝設
62626262太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範
1 故障電流
太陽光電發電系統大於100kW以上須計算故障電流其送至電業系統之故障電流不得影響電業及其他用戶斷路器之起斷容量否則需裝置限流電抗器
太陽光電發電系統之隔離變壓器接地方式須與電業之系統配合
2 正常電壓變動率應維持在plusmn5以內
3 太陽光電發電系統與電業間之責任分界點的功率因數以維持85落後至100之間運轉為原則
4 諧波污染限制應依照「電力系統諧波管制暫行標準」辦理
分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性
適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯型之規範型之規範型之規範型之規範
電力轉換器電力轉換器電力轉換器電力轉換器(電力調節器電力調節器電力調節器電力調節器)(InverterConditioner)
蓄電池蓄電池蓄電池蓄電池(Battery))
63大型(商用)太陽光發電系統應用(gt1 kWp)
太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統
單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池(Unit Solar Cell)
太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板(PV Module)
太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列(PV Array)
太陽光發電系統應用獨立系統
(A) 獨立系統(Stand-Alone
System)
bull 蓄電池保護壽命
(B) 混合型交流獨立系統 (Hybrid
System)
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
直流負載PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
整流器
輔助發電機
PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載- ~PCU
直直直直交流轉換器交流轉換器交流轉換器交流轉換器
太陽光發電系統應用併聯系統
(D)併聯系統(Grid-
connected System)
特殊功能1 最佳效能2 防止獨立運轉(連線保護)
3 可自力運轉
(E) 防逆流型系統(Off-line System)
(F) 防災型併聯系統
充電控制器
蓄電池
直交流轉換器
PCU太陽電池組列
交流負載
ATS
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
獨立型系統
適用地點高山離島基地台hellip等市電無法到達處
工作方式白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
必須可以自給自足
缺點bull 系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等
安全係數設計很困難)
bull 蓄電池建置複雜成本很高壽命很短
bull 負載搭配不良時發電效能不佳利用率將偏低
bull 需由專人隨時維護
bull 混合系統為一種解決方法
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
PCU
併聯型系統
適用地點電力正常送達之任何地點工作方式 bull 白天 PV系統併聯發電夜間由台電供電bull 將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的蓄電池
優點bull 系統簡單不需安全係數設計(依預算設計)不需要專人維護bull 併聯發電效率高利用率高
缺點bull 停電時無電可用bull 受併聯法規限制尚未開放(但即將開放)
bull 有孤島效應之疑慮(目前技術上已解決)
改善型無電池自力運轉
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
市電併聯型住宅用太陽光發電系統
太陽光發電系統發電及負載用電對時間之關係
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
併聯型直交流轉換器之效能要求較高
1 最大功率追蹤(Maximum Power Tracking MPT)
2 高轉換效率 gt 90 (PWM+電力電子元件)
3 高次諧波功率 Distortion (lt5 total)
4 自動開關機(白天夜晚)
5 過負載保護過溫度保護
6 體積小重量輕室外防水防塵
7 電腦界面可遠端監控
8 防止獨立運轉(連線保護)
9 可自力運轉
太陽電池組列
交流負載
直交流轉換器MPT
Power Conditioner
併聯系統之獨立運轉(單獨運轉)
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull停電時單一併聯系統將會停止運作
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
bull 市電停電時多數併聯系統仍聯合運作將對電力公司人員產生嚴重危害
孤島效應之防止方法
停電偵測1 過電壓低電壓
2 過頻率低頻率
3 被動式偵測如
bull 電壓與頻率監視方式
bull 電壓相位跳躍監視方式
bull 高次諧波監視方式
bull 頻率變化監視方式
PV組列
直交流轉換器
自家負載
4 主動偵測如
bull 頻率Shift方式
bull 配電線負載變動方式
bull 有效電力變動方式
bull 無效電力變動方式
反應時間05~2秒
資料來源「日本電氣用品試驗所」分散型電源系統連系技術指針(1998)
併聯系統之自力運轉功能
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull 大停電後白天有陽光時以人工啟動 PV 系統進行自力運轉供自家負載使用(但夜間無法使用)
防災型併聯型系統
適用地點有防災需求(照明汲水通信hellip)之公共設施
工作方式
bull 平時PV併聯發電(電池浮充) 效率高利用率高夜間由台電供電
bull 視需要建置供防災用電池大停電時白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
缺點bull 含電池成本較高bull 系統較複雜需專人定期維護
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
FAQ1太陽光發電需要多少土地
效率 = (輸出功率W) (組列面積 m2 x 日照強度 Wm2 ) x 100
模板面積 m2 = 輸出功率W (效率 x日照強度Wm2 ) x100
bull 假設使用效率gt136 模板於1000 Wm2 (AM15)日照強度下
10 kWp 模板面積 (m2) = 10000 (0136 x 1000) ~ 735 m2
10 kWp PV系統土地面積需求約
~ 735 m2 x 15 x 11
~ 121m2 (~36坪)
(包括陰影面積及維修空間)
bull 假設使用效率~10 模板
則模板面積約 ~ 100 m2
土地面積需求約 ~ 165m2 (~50坪)
gt55o
夏至
冬至
春秋分
235o 235oh
L1 L2
FAQ2太陽電池一年能發多少電
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
10 kWm2
05 kWm2
日照強度
等效日照時數(Sun Hour)
組列單日發電量 = 組列額定輸出功率 x 等效日照時數
bull 預估1 kWp 組列單日發電量 = 1 (kW) x ex 4(Sun Hour)= 4 kWh
組列年發電量 = 組列額定輸出功率 x 年平均每日日照時數 x 365
bull 預估 1 kWp 組列年發電量 = 1 x 4 x 365 = 1460 kWh
時間時間時間時間
FAQ3太陽光發電的成本(簡易估算)
1 假設目前太陽光發電系統設置成本約為 NT$ 280000 kWp
2 假設年平均每日日照時數約為 25 Sun Hour (台灣中南部地區)
bull 1 kWp 組列單日發電量= 1 (kW) x 25 (Hour)= 25 kWh
bull 1 kWp 組列年發電量= 25 x 365 = 913 kWh (度)
3 假設太陽光發電系統使用壽命為 20 年
bull 1 kWp 太陽光發電系統總共可發電 20 x 913 = 18260 度
4 生產每度電之成本約為 280000 18260 ~ NT$ 153
5 未來發展趨勢
bull 太陽光發電系統設置成本將逐年降低
bull 市電電費將會升高(國內目前約 NT$ 3 度日本約NT$ 7 度)
bull 傳統能源限制再生能源獎勵利率降低
64獨立型太陽光發電系統應用例(一)
bull太陽電池時鐘-日本bull太陽電池路燈-日本千里住宅公園
獨立型太陽光發電系統應用例(二)
bull太陽電池交通標誌-日本北海道 bull高速公路緊急電話-日本
獨立型太陽光發電系統應用例(三)
bull800W無線通信中繼基地台韓國(1998)
獨立型太陽光發電系統應用例(四)
bull離島用90kW獨立型發電系統韓國Ho-Do島(1992)
併聯型太陽光發電系統應用例(一)
bull設置於屋頂之住宅用太陽光發電系統(建材一體型日本千里住宅公園內住宅設計之一)
併聯型太陽光發電系統應用例(二)
bull日本東海線新幹線京都車站之太陽光發電系統(100kWp)
併聯型太陽光發電系統應用例(三)
bull日本京瓷(Kyocera)京都總公司大樓之太陽電池發電系統(220kWp)
太陽光發電發電廠應用例
太陽電池發電廠
(PV Power Plant)
資料來源 ANIT
Srl Italy
建材一體型太陽電池模板應用例
bull資料來源 Pilkington Solar International GmbH 德國
太陽能車應用例
Honda Dream
bull資料來源 PV Special Research
Centre UNSW Australia
交大太陽能車
bull資料來源 National Chiao-Tung
University Taiwan
太陽光發電航太應用例(NASA Helios )
bull空中無線通訊平台應用
資料來源SkyOne Inc Taiwan
bull 飛行高度5-7 萬英呎(最高記錄 96000 英呎)
bull 時速60 mph (起飛 25 mph)
bull 翼展247 英呎bull 重量2000 磅bull 太陽電池效率要求gt22
資料來源httpwwwaerovironmentcomhomehtml
清雲技術學院 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
個人住宅 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
勤益技術學院 3kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
南台科技大學 10kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
總統府 10kWp 獨立型太陽光能發電系統 (9012)
海巡署南沙太平島 20kWp 混合型(柴油發電機)太陽光能發電系統 (9011)
90能源基金示範補助成果例
台電樹林 20kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
併聯型
台電台北市區處 20kWp 太陽光發電系統
(91能源基金示範補助成果)
併聯型
7結論
bull (1)提高電力轉換器效率
bull 轉換器的損失主要來自於開關切換時之損失為了可以降低濾波電路中電感和電容的體積可以提高切換頻率但是相對於開關的切換損失也因此而增加導致轉換器的效率降低因此發展零電壓或零電流切換技術應用於高切換頻率之轉換器將可以提高轉換器的效率
bull (2)提高太陽光發電系統之整體效率
bull 傳統之太陽光發電系統包含儲能系統和供電系統前級利用DCDC轉換器作最大功率追蹤後級則利用DCAC轉換器轉換能量供應給交流負載為了提高太陽光發電系統的整體效率在研究可提出了模組並聯控制技術以提昇各級電力轉換器的效率而在未來太陽光發電系統也將著重在單級電力轉換器的設計對於整體系統效率有較明顯的改善
8參考資料
1許國強ldquo太陽光發電原理與應用工研院材料所 薄膜技術組91年
2華志強黃崇倫ldquo智慧型能量控制於太陽光電能轉換系統國立雲林科技大學電機工程學系電力研討會97年
3林政達ldquo數位式市電並聯換流器與快速鎖相迴路控制器之研製國立雲林科技大學電機工程學系碩士論文92 年
4李思賢ldquo數位式單相低功率太陽光電能轉換系統國立中山大學電機工程學系碩士論文92 年
5洪世杰ldquo適用於再生能源之市電併聯型雙輸入供電系統國立中正大學電機工程研究所碩士論文93 年
6王廷興ldquo太陽能發電配電設計概要台北科技大學冷凍空調系 92年
7魏榮宗王文宏ldquo高效率太陽光電能源轉換系統 元智大學電機工程學系94年
[ ] 100)25(
)11
(exp
1)(exp
3
λminus+=
minus
=
+minus
minus+minus=
TKII
TTBk
qE
T
TII
where
R
IRVIRV
AkT
qIII
ISCRLG
r
GO
r
oros
sh
ssosLG
VI cell output current and voltagecell reverse saturation currentcell temperature in CBoltzmannrsquos constantelectronic chargeshort circuit current temperature coefficientsolar irradiation in Wmshort-circuit current at 25 Cand 1000 Wm
light-generated currentband gap for siliconideality factorsreference temperaturecell saturation current atshunt resistanceseries resistance
osI
T
kq
00170=IK
SCRIλ
LGI
GOE
921== ABKTr deg= 18301
orI
shR
sR
附錄附錄附錄附錄- 太陽能電池太陽能電池太陽能電池太陽能電池
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
(a) Equivalent circuit of a PV module and
(b) Typical PV module current-voltage and power-voltage characteristics
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
Characteristic of a PV module with temperature and irradiation (a) constant irradiation and varying temperature and (b) constant temperature and varying irradiation
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
系統範例系統範例系統範例系統範例
中途驛站電化PV離島用PV系統山岳地帶PV系統離島偏遠區
勤務指揮中心緊急避難所醫療院所公園學校地震觀測站森林嘹望台避難指示燈氣象觀測所水位警報PV系統河川安全燈防波堤安全PV燈
緊急防災
緊急供電系統管線電氣防蝕輸油管流量計PV系統市場廣告塔海上石油平台各種計測站PV系統發電廠情報指揮中心
產業用
住宅用供電系統緊急供電系統緊急照明系統帷幕牆遮陽棚採光罩屋瓦建築物
無線通信用中繼站基地台緊急電話中繼站電話通信PV系統Radio受信PV系統微波中繼站
通訊
農宅用電溫室栽培PV系統農業灌溉用自動灑水系統農牧電籬牛乳冷藏漁業養殖揚水通氣自動餵食器
農林漁牧
路燈交通號誌道路指示牌標誌燈太陽能電動車充電站高速公路緊急電話偏遠道路緊急電話停車計時器停車場控制門系統高速公路防音壁PV系統公路休息區PV系統太陽能車平交道指示燈候車亭PV系統車站屋頂型PV系統
道路交通
收音機測電表手錶計算機太陽能照相機手電筒電池充電器野營燈民生
應用領域
VocVm
Im
Isc
Pm
太陽電池 I-V 特性曲線分析
FF(Fill Factor) = (Vm x Im Voc x Isc) x 100 (越高越好)
ηηηη (Efficiency) = (Vm x Im Pin) x 100 (越高越貴)
bull Pin (Incident Power) = A (hc λ) bull N(λ) dλ
bullλ wavelength (microm)
bull N(λ) Number of photonm2 bull sec
bull A Area (m2)
bull h Plank constant c light speed
Voc開路電壓
Isc短路電流
Pm最大輸出功率值
Vm最大輸出功率時之電壓
Im最大輸出功率時之電流
太陽電池開路短路時皆不會燒毀
0
電壓源
電流源
利用串並聯組成模板與組列提供所需的工作電壓與電流
VocVm
Im
Isc
Pm
12太陽電池之串並聯使用
VocVm
Im
IscPm
VocVm
Im
Isc
Pm
太陽電池模板之構成
+
-
太陽電池模板結構太陽電池模板外觀太陽電池模板接線
正面
強化玻璃
EVA
TedlarTM (Dupont)
EVA
Polyester
TedlarTM (Dupont)
0125
0015
Cells0014
0015
00015
0002
00015
背面
單元太陽電池
太陽電池模板之規格範例
η (Efficiency) = (Vm x Im Pin) x 100
單晶矽模板效率 = (354 V x 495 A) ( 129 m2 x 1000 Wm2 ) x100
= 1358
單晶矽模板效率 = 1302
種類
項目單晶矽 多晶矽
額定輸出功率(Wp) 175 125
開路電壓(V) 444 323
短路電流(A) 555 546
最大輸出工作電壓(V) 354 260
最大輸出工作電流(A) 495 48
輸出最大功率(W) 175 125
尺寸(mm)W15736timesL826
timesH46
W1200timesL802
timesH46
重量(kg) 17 125
測定條件日照強度 AM151000Wm2Module 溫度 25
何謂AM0AM1AM15
Wavelength (microm)
Spec
tral
Irr
adia
nce
(Wm
-2micro
m-1) AM0
AM15
AM 即 Air Mass(不同 Air Mass 代表不同太陽光光譜)
bull AM0 (Air Mass 0) ~ 1400 W bullm-2
bull AM1 (Air Mass 1) ~ 1000 W bullm-2
bull AM15 (Air Mass 15) ~ 844 Wbullm-2
AM15 1000 Wbullm-2 (IEC 891 IEC 904-1)
Earth
AM0
AM1
AM15
大氣層
45o
太陽電池直接驅動負載如馬達等(應用於玩具車船馬達音樂卡片hellip)
bull 電力現買現賣
bull 負載匹配(容量與電壓)
bull 溫度效應
bull 搭配(超高)電容可以提高效能
太陽電池(直流)基礎應用範例(I)
I M
+
-
C
圖片資料來源httpshoppingyahoocom httpwwwsolar-icomSampYhtml
太陽電池先對電池充電再由電池供應負載(應用於玩具車船電動機械夜間燈光計算機鐘錶3C產品hellip)
bull 電力零存整付
bull 太陽電池電池電壓匹配
bull 溫度效應
bull 使用阻隔二極體
bull 電池過充放電保護
太陽電池(直流)基礎應用範例(II)
I負載
+
-
電池
圖片資料來源httpshoppingyahoocom httpwwwsolar-icomSampYhtml
FAQ1太陽電池應用效能不佳太陽電池之負載匹配(Load Matching)
RshID
IL
+
----
v
I
RL
Rs
bull Efficiency of a PV system is strongly affected by load matching
bull Measurement of I-V Characteristic curve is important
VocVm
Im
Isc
Pm
RL 1
RL 3
RL 2 Battery voltage
RL
----
+
不同日照強度下太陽電池 I-V 特性曲線
bull 最大輸出功率隨日照強度而改變並非永遠等於額定值
0
1
2
3
4
5
6
7
0 10 20 30 40 50
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
1000Wm2 (AM1)
500Wm2 (05AM1)
不同溫度下太陽電池 I-V 特性曲線
bull太陽電池溫度升高時輸出電壓與最大輸出功率降低
0
1
2
3
4
5
6
7
0 10 20 30 40 50
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
75oC 50oC 25oC 0oC
Battery voltage
0
1
2
3
4
5
6
7
0 10 20 30 40 50
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
500Wm2 (05AM1)
1000Wm2 (AM1)
太陽電池之動態負載匹配(日照變化)
RL(high)
RL(low)
bull Maximum power tracking is required in high efficiency PV system
太陽電池 I-V 特性曲線測量方法
VocVm
ImIsc Pm
C+
-
A
VR
A
V
A
V可程式負載
模擬陽光使用鎢絲燈氙燈Solar Simulator 或太陽光
Pm lt few10 W Pm lt few 100 W Pm lt 100 kW
Solar Simulator Array Tester
圖片資料來源httpwwwspiresolarcomSolarequipmenthtml
太陽於天球(Celestial Sphere)上運行之軌跡
冬至 春秋分 夏至 冬至 春秋分 夏至 春秋分 夏至
北緯 0o 北緯 45o 北緯 90o
(赤道) (北極)
天球
太陽運行軌跡與太陽電池仰角
冬至 夏至春秋分
所在緯度235o
235o47o0o
47o 235o
13太陽電池組列仰角與間隔設計例
bull組列仰角~235o (台灣地區)
bull h=組列總高度( lt 15 m)
bull L2=h tan(55o) = 057 L0
(55o可適用於冬至0900~1500)
bull水平角度=正南 plusmn5o
235o
55o
235o
夏至
冬至
春秋分
235o 235o
南
h = 04 L0
L1= 092 L0L2 = 057 L0
L0
L1 + L2 = 15 L0
2零交越偵測電路分析
bull 零交越偵測電路如圖1 所示主要目的在於檢測輸入弦波電壓之零交越點其電路輸出為ㄧ方波信號利用方波上緣信號觸發數位訊號處理器之外部中斷腳位進而進行相位同步之功能[4]零交越偵測電路輸入與輸出波形如圖2 所示相位同步控制當數位訊號處理器發生上緣觸發時此觸發訊號如同系統重置訊號將正弦表指標變數歸零一經重置後指標變數又開始計數藉由每週期ㄧ次的重置訊號迫使換流器輸出達到同步相位同步控制波形示意圖如圖3 所示圖4 為零交越偵測電路輸出實測圖[4]
3系統電路架構與動作模式
bull A
bull 本文所述之系統為一太陽光電能轉換系統方塊圖如圖5 所示主要部分包括太陽能板直流-直流轉換器全橋式換流器數位訊號處理器感測迴授電路與驅動電路此一系統之基本動作情況為一般情況下斷路器1 和斷路器2 均為導通狀態此時太陽光電能轉換系統與電力網路處於連結運轉模式而當電力網路供電中斷時斷路器2 將被斷路以避免孤島現象的發生反之若是太陽光電能轉換系統發生故障時斷路器1 將被斷路以避免電力網路受到其故障的影響
31系統電路架構與動作模式
bull B
bull 電路工作模式bull 此一太陽光電能轉換系統主要有兩種工
作模式以下為二種工作模式的操作說明
bull (1) 獨立運轉模式bull 如圖6 所示獨立運轉模式為當電力網
路供電中斷時斷路器2 將被斷路而此時太陽光電能轉換系統將操作在電壓控制模式下提供負載一穩定的輸出電壓
bull (2) 與電力網路連結運轉模式bull 如圖7 所示與電力網路連結運轉模式
將太陽光電能轉換系統與電力網路連結運轉也就是斷路器1 和斷路器2 同時導通此時系統將操作在電流控制模式下首先經由最大功率點追蹤程式運算出瞬時最大功率點的電流參考值再根據此一電流參考值輸出一與電力網路電壓同相位的電流至負載或甚至回送至電力網路
31直流至直流切換式轉換器
典型直流至直流轉換器系統之構造如圖21所示其輸入通常為由線電壓整
流而得之非調節直流電壓然後再利用切換式直流至直流轉換器將此變動之
直流電壓轉換成一調節之直流電壓
無控制之二極體橋式整流器
交流線電壓
(單相或三相)
直流電壓
(無調節性)
濾波電容 (無調節性)
直流至直流轉換器 (具調節性)
負載
蓄電池
直流電壓 直流電壓
控制訊號1降壓式(step-down buck)轉換器
2升壓式(step-up boost)轉換器
3升降壓式(step-downstep-up buck-boost)轉換器
4全橋式轉換器
上述四種轉換器中只有降壓式及升壓式是最基本的轉換器電路架構升
降壓式轉換器是此二基本轉換器之結合而全橋式轉換器則是由降壓式轉
換器衍生而來
直流至直流轉換器之控制
直流至直流轉換器的作用即是在輸入電壓與輸出負載變動的情況下能夠調
節輸出電壓為所設定的位準電壓位準轉換之原理可以圖22(a)所示之簡單
電路來說明由開關導通與截止可得圖22(b)之波形其中輸出電壓vo平均
值大小Vo與開關之導通及截止時間(ton及toff)有關平均輸出電壓大小調整
之最典型的方式是採用脈波寬度調變法(Pulse-Width ModulationPWM)
其切換週期Ts(= ton+toff)為固定由調整導通時間之大小來改變平均輸出電
壓之大小Vo
+
_
Vd
R
+
_
Vo
0Vd
Vo
vo
tton toff
Ts
脈波寬度調變切換控制的方塊圖如
圖23(a)所示開關之切換控制信號
由控制訊號vcontrol與週期為Ts之鋸齒
波vst比較而得控制信號則由Vo之
實際值與設定值之誤差放大而得
vcontrol與vst比較所得之切換控制信號
的波形如圖23(b)所示當控制訊號
vst較大時則為高準位信號即使
開關導通反之為低準位信號即使
開關截止故開關之切換週期亦為
Ts 由以上的原理可知開關切換
之責任週期 (Duty Ratio)為D=tonTs
=vcontrolVst 其中Vst為鋸齒波之振
幅
放大器
+
-Vo
(設定)
(實際)
Vo
比較器
週期性波形 stv
切換控制訊號
控制訊號
0 t
$Vst
=stv 鋸齒波電壓
controlv (放大誤差)
On On
Off Off
stcontrol vv gt
stcontrol vv ltton toff
Ts
切換控制訊號
(切換頻率 fT
s
s
=1
)
升壓式直流至直流轉換器
圖211為升壓式轉換器電路主要用途為直流電源供應器與直流馬達之
再生制動(Regenerative Breaking)顧名思義其輸出電壓高過於其輸入
電壓當開關導通時二極體反向偏壓輸入電能儲存於電感負載電
能則由電容提供當開關截止時負載吸收輸入及儲存電感中之電能
-
L
CRVd
Vo
vL
iL
io
+
-
++
_
t0
t0
vL
iL
I L
Ts
toffton
_++
_
+
_
+ _+
_
+
_
iL
vL
Vd Vo
iL
vL
Vd Vo
)( dV
)( od VV minus
圖212所示為電感電流為連續之
穩態工作波形由穩態下電感電
壓一週期之平均值為零可得
0)( =minus+ offodond tVVtV
等號兩側除以Ts重新整理可得
Dt
T
V
V
off
s
d
o
minus==
1
1
假設電路無損失輸入功率
Pd=VdId 等 於 輸 出 功 率
Po=VoIo 則
)1( DI
I
d
o minus=
非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器
bullBoost之設計假設輸入10V輸出30V頻率50kHz輸出10W
所以D＝23
( ) s
o
o TDDP
VL
22
12
minusge
=6667uH
取75uH
D
VV in
o minus=
1
L
Vi
n
S Vo
+
_
C
DiL
vds
升降壓式直流至直流轉換器
升降壓式轉換器的主要用途為輸入與輸出之極性相反輸出電壓可以高於
或低於輸入電壓之直流電源供應器升降壓式轉換器可以由降壓式轉換器
與升壓式轉換式串接而成穩態下輸入與輸出電壓轉換器之比值為二轉換
器個別比值之乘積
D
D
V
V
d
o
minus=
1
因此變化責任週期D可使輸出電壓高於或低於輸入電壓
+
_
+
_
_
+
RC Vo
L
Vd
io
iLvL
id
降壓式直流至直流轉換器
降壓式轉換器顧名思義其作用為將較高準位的輸入電壓換成較低
準位的輸出電壓主要用途為直流電源供應器及直流馬達速度控制
圖22(a)所示為提供純電阻性負載之降壓式轉換器由圖22(b)可知其輸
出電壓波形由開關位置決定平均輸出電壓為
dd
s
onT
t
t
d
s
T
o
s
o DVVT
tddV
Tdv
TV
s
on
ons ==+== intintint )0(1
)(1
00ττττ
+
_
Vd
R
+
_
Vo
0Vd
Vo
vo
tton toff
Ts
32直流至交流切換式反流器
切換式直流至交流(DCAC)反流器(Inveter)乃用以將直流電源轉換成振幅
與頻率均可調之正弦式交流電源主要用途為交流馬達驅動與交流不斷
電電源供應器圖31為典型交流馬達驅動之反流器方塊圖其直流輸入
電壓通常由線電壓整流及濾波而得接著再利用切換式反流器改變輸出
電壓之振幅與頻率以驅動交流馬達切換式反流器功率之流通通常是
由直流至交流稱為反流模式但亦可以從交流至直流稱為整流模
式
+
_
交流馬達
二極體整流器 濾波電容 切換式反流器
Vd
三相交流電源
反流器包括單相及三相其輸入為直流電壓源者稱為電壓源反流器
(Voltage Source InverterVSI)另外若輸入為直流電流源者稱為電流
反流器(Current Source InverterCSI)目前僅應用在高功率之交流馬達
驅動器
1脈波寬度調變(PWM)反流器其輸入電壓通常為固定反流器本身具備變
頻及變壓的功能而變頻及變壓乃利用開關之脈波寬度調變切換控制達成
有許多類型之脈波寬度變技術可以使輸出電壓近似弦波
2方波(Square-Wave)反流器此反流器輸出電壓振幅乃由其輸入電壓調
整
反流器本身只控制輸出頻率交流輸出電壓波形近似方波因此乃稱方波
反流器
3採用電壓消去法(Voltage Cancellation)之單相反流器單相反流器當輸入
電壓為定值時可以利用電壓消去法來變頻及變壓而不須採用脈波寬度
調變其輸出電壓波形近似方波因此其結合了前述兩種反流器的特色
值得注意的是電壓消去法並不適用於三相反流器
切換式反流器之基本觀念
考慮圖33(a)之單相反流器假設其正弦輸出電壓vo是經過濾波所得若
輸出之負載為電感性(如馬達)則輸出電流io將落後vo 如圖33(b)所示
在期間1及3中 vo與io同號瞬時功率Po=voio為正故功率由直流側送至
交流側稱之為反流模式在期間2及4中 vo與io異號瞬時功率Po為負
故功率由交流側送至直流側稱之為整流模式圖33(a)之切換式反流器
在每一週期內會經歷平面上四個象限中之所有象限
單相切
換式變
流器與
濾波器
o
o
+
-
+
-
Vd
vo
id
io
0t
4 1 2 3
voio
io
vo
1反流器
4整流器
3反流器
2整流器
0
為清楚解釋起見以單臂反流器來說明
+
_
+
_
+ +
__
Vd
Vd
2
Vd
2
A
N
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
vAN
oo
o
反流器電路之脈波寬度調變切換技術如圖35(a)所示由一正弦波形控
制訊號vcontrol與三角波形vtri作比較三角波(又稱載波)之振幅為Vtri頻率
為fs fs決定反流器開關之切換頻率正弦波控制電壓vcontrol(又稱調制訊
號)之基頻f1決定反流器之輸出頻率而其振幅則決定反流器輸出電壓之
大小定義振幅調變指數為ma=Vcontrol Vtri 其中Vcontrol為vcontrol之振幅
而頻率調變指數則定義為mf = fs f1
0 t
vcontrol vtri
sf
1
0 t
vAo
V d
2
minusVd
2
t=0
v v
T on T off
control tri
A A
lt
minus + v v
T on T off
control tri
A A
gt
+ minus
1)( AoAo vv =之基本波
0 t
vcontrol vtri
sf
1
圖34反流器之開關的控制方法與io方向無關為
dAoAtricontrol VvTvv2
1=gt +導通
dAoAtricontrol VvTvv2
1minus=lt minus導通
由於二開關之導通為互補因此輸出電壓只在Vd 2與-Vd 2二值間作變
動圖35(b)所示為ma=08與mf =15時輸出電壓vAo及其基本波(以虛線表示)
之波形
+
_
+
_
+ +
__
Vd
Vd
2
Vd
2
A
N
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
vAN
oo
o
單相全橋式反流器
單相全橋式反流器如圖311所示乃由兩個前述之半橋反流器所組成在
相同之輸入電壓下全橋式反流器之最大輸出電壓為半橋式之兩倍這代
表在相同之功率下全橋式反流器之輸出及開關電流僅為半橋式之一半
此對於高功率用途是一大優點因其可以降低使用並聯元件之需求
+
_
+
_
+
_
Vd
Vd
2
Vd
2
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
v v vo Ao Bo= minuso
A
B
TBminus
TB+
DBminus
DB+
+_
id
o
o
N
雙極性電壓切換之脈波寬度調變
0 t
vcontrolvtri
sf
1
0 t
ov1ov
dV
dVminus
單極性電壓切換之脈波寬度調變
onBT +
trivgttricontrol vv gt
trivcontrolv
t
)( controlvminus
)( controlvminusonAT +
t1ov
dV
dVminus
)( BNAN
o
vv
v
minus=
應用雙極性電壓切換之脈波寬度調
變全橋式反流器乃 (TA+TB-)與 (TA-
TB+)成對切換且二者互相反相
應用單極性電壓切換之脈波寬度調
變全橋式反流器乃A臂與B獨立切
換且同臂二開關互相反相
三相反流器
+
-
+
-
+
-
dV
2dV
2dV
+AT
minusAT
+AD
minusAD
o
BminusT
+BT
minusBD
+BD
di
minusCT
+CT
minusCD
+CD
N
A B C
o
0 t
triv Acontrolv Bcontrolv Ccontrolv
0
BNANAB vvv minus=
t
dV
之基本波1LLv
ANv
0 t
dV
t0
BNv
dV
三相電壓源反流器之脈波寬度調變切換的功能為在固定輸入直流電壓下用以調整三相輸出電壓之振幅及頻率三相脈波寬度調變方式由三相各差120度的控制電壓與三角波作比較其波形與單相全橋式反流器採用脈波寬度調變單極性切換者類似
最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法
33最大功率追蹤最大功率追蹤最大功率追蹤最大功率追蹤
為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點本文使用本文使用本文使用本文使用擾動觀察法擾動觀察法擾動觀察法擾動觀察法(Perturbation and Observation Method PampQ)進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功率追蹤率追蹤率追蹤率追蹤由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點下圖為擾動下圖為擾動下圖為擾動下圖為擾動觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖為利用為利用為利用為利用DCDC轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作時時時時其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為0之特性之特性之特性之特性使用使用使用使用DCDC轉換器控制太陽轉換器控制太陽轉換器控制太陽轉換器控制太陽能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動
擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖
最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法
左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖蹤示意圖蹤示意圖蹤示意圖太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分為兩個特性區域為兩個特性區域為兩個特性區域為兩個特性區域假設進行追蹤假設進行追蹤假設進行追蹤假設進行追蹤時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時電壓電壓電壓電壓的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率增加增加增加增加若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出功率減少功率減少功率減少功率減少經由經由經由經由DCDC轉換器調轉換器調轉換器調轉換器調節太陽能板與節太陽能板與節太陽能板與節太陽能板與DCDC轉換器的阻轉換器的阻轉換器的阻轉換器的阻抗相互匹配抗相互匹配抗相互匹配抗相互匹配進而得到太陽能板進而得到太陽能板進而得到太陽能板進而得到太陽能板的最大輸出功率的最大輸出功率的最大輸出功率的最大輸出功率
擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖
4軟體規劃
bull 系統控制程式主要分為主程式固定週期中斷副程式市電電壓零交越中斷副程式等三大部分以下將分別介紹各部分程式流程
bull 本系統主程式主要執行數位訊號處理器周邊暫存器的初始設定以及變數宣告其中除了變數宣告外周邊暫存器的初始設定包括有規畫中斷向量設定計數器之計數模式計數週期中斷的時間和PWM 輸出模式等相關參數設定
bull 如圖8 所示系統初始設定後必須先等待中斷發生才能決定系統是否執行固定週期中斷程式或零交越中斷副程式
bull 圖9 為固定週期中斷副程式流程圖固定週期中斷頻率與換流器開關之切換頻率相同為20kHz程式開始會先偵測太陽能板電壓及電流與直流鏈電壓當確定市電電壓零交越中斷發生時必須先將輸出弦波訊號之指標強制為原點重新送出單位弦波確保換流器輸出電流與市電電壓能維持同相位接著比較太陽能板輸入電壓VPV 是否大於最低工作電壓VPV_work如果確定大於最低工作電壓則致能太陽能最大功率追蹤反之則禁能系統動作程式返回圖9 中的正弦脈寬調變副程式主要功能在於決定換流器中開關的動作順序與責任週期大小以及輸波參考訊號
bull 圖10 為太陽能最大功率點追蹤副程式流程圖在文中對最大功率追蹤採用擾動與觀察法配合太陽能光電板的電壓mdash功率特性曲線即可瞭解程式如何完成太陽能光電板最大功率點追蹤
主程式流程圖
5實驗
bull 依據上述的分析採用DSP 2407A 建立一個500W 太陽光電池電能轉換系統依據圖11 之
bull 電路架構其規格與元件參數分別列於表一表二及表三系統實驗波形圖12圖13圖14 及
bull 圖15 為系統操作在獨立運轉模式下負載分別為120W240W360W 及480W 時之換流器輸出
bull 電壓及輸出電流之實測波形
系統規格與元件參數
實測波形
6實務應用系統實務應用系統實務應用系統實務應用系統
獨立系統示意圖獨立系統示意圖
考慮點
系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等安全係數最佳化設計複雜)
一般充電控制器無 MPPT搭配蓄電池使發電效能較差
蓄電池每日gt50DOD深度放電gt02C充電壽命短
太陽光發電量與負載需求量不搭配時太陽光之發電能量利用率偏低 (負載需求搭配與安全係數為互相矛盾之設計)
PV-柴油發電機PV-風力等混合系統為改善之方法
市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台
電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池
併聯系統示意圖併聯系統示意圖
緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析
1 系統設置成本高建議使用於邊際效益高之用電（防災緊急輔助電力）
2 總體經濟效益減少環境污染解決尖峰用電之不足與短缺能源多元化之風險分擔與開創自主能源
3 遮蔽陽光直曬降低建築物之熱效應（被動省能）同時轉換太陽光為電能供應建物自主能源（主動節能）一舉兩得
緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較
30萬元divide21900kWh＝137元度2萬元divide50kWh＝400元度每度電成本
日發電度數times365天times20年＝3hrtimes1kWtimes365天times20年＝21900kWh（度）
（年停電＋年測試運轉時數）times10年＝（20mintimes6次＋15mintimes12月）times10年＝5hrtimes1kWtimes10年＝50kWh
總發電度數（1kw計）
夜間不發電（可利用蓄電池設計供電年維運費02）
噪音空污油料運輸儲油危險維運成本高
缺點
利用露台屋頂牆面空間設備煙管隔音油槽需室內空間
設置空間
平時緊急時均可使用隨時可了解運轉狀況不須操作
加ATS停電時方可啟動需人員每月定期測試運轉
系統運作
太陽光潔淨能源（免費）柴油使用燃料
20年7~10年使用壽命
1kW=30萬元1kW=2~3萬元設置費用
太陽光發電系統柴油發電機
風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析
運用多元化能源分擔風險情況比較說明如下
1 市電--gt停電時風險極高
2 市電＋柴油發電機--gt發電機故障時風險高
市電＋柴油發電機＋太陽光發電系統--gt發揮三者優點互補同時故障機率小風險最低
案例
832kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide057＝317 m2
115kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide075＝332 m2
緊急時057平時065~08
綜合係數溫度變化污損線損Inverter效率＋蓄電池充放電補償
電力需求divide（日照強度times日照時間times模板效率times綜合係數）
模組面積估算
日照強度1kWm2
日照時間384hd
模板效率12
832kWhd500人用電量115kWhd770人用電量
緊急時平時
電力需求估算
緊急時40kWtimes384hdtimes057＝875 kWhd
平時40kWtimes384hdtimes075＝1152Whd
太陽發電系統發電量＝設置容量times日照時間times綜合係數
發電量計算
332m2times1kWm2times12＝398kW≒40kW
太陽發電系統設置容量＝設置面積times日照強度times模板效率
設置容量計算模板效率依太陽電池種類而異
進行模板陣列及蓄電池容量設計
40kWdivide18片串divide120W＝185列≒19
列
40kWdivide17片串divide120W＝196列≒20
列
陣列併列數＝設置容量divide單串功率
18片times120W＝2160W
17片times120W＝2040W
單串功率
300Vdivide169V＝1775片（取整數17 or 18）
陣列串聯數＝Inverter輸入電壓divide模板輸出電壓
模板陣列設計
1 模板功率120W
2 模板輸出電壓169V
3 直交流轉換器(Inverter)輸入電壓300V
120Wtimes17片串times20列＝40800W＝340片(最佳陣列)
120Wtimes18片串times19列＝41080W＝342片
最佳陣列較經濟之設置容量選擇最佳陣列
蓄電池數量＝144個times2列＝288個
120640Whdivide288Vdivide200Ah＝21列≒2列
併列數＝蓄電池需求容量divideInverter額定電壓
288Vdivide2V＝144個
串聯數＝Inverter額定電壓divide蓄電池電壓串併數設計
middot 蓄電池電壓2V個
middot 蓄電池容量200Ah個
Inverter電壓輸入電壓 額定電壓300V 288V200V 192V
蓄電池需求容量＝832kWhdtimes1dtimes145＝12064kWh
蓄電池需求容量＝緊急電力需求times無日照天數times補償係數補償係數蓄電池內阻抗放電停止電壓電壓降低補償
蓄電池需求容量設計
middot 補償係數145
無日照天數1日
61市電相關規定市電相關規定市電相關規定市電相關規定
1 發電設備併接於低壓系統者其總容量未滿100kW且技術無困難者得併接於單相三線110V220V三相三線220V之配電系統若總容量在100kW以上而未滿500kW得分別併接於3相4線220V380V之配電系統
2 發電設備總容量在500kW以上而未滿5000kW10000kW且技術無困難者得分別併接於114KV228KV之高壓配電系統
3 電設備總容量在10000kW以上而未滿40000kW者得併接於特高壓之系統
4 發電設備總容量在40000kW以上者依個案研討分類
併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類
發電系統經由發電系統經由發電系統經由發電系統經由110V220V110V220V110V220V110V220V併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者發電設發電設發電設發電設備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能
1 過電壓保護 低電壓保護
2 低頻保護 高頻保護
3 過電流保護 零相過電壓接地保護
4 發電設備為無逆送電力者須加裝逆電力保護
5 發電設備為有逆送電力者必須具備主動及被動防止單獨運轉保護
發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經110V220V110V220V110V220V110V220V系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者在電在電在電在電源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器
發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業114KV228KV114KV228KV114KV228KV114KV228KV之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者((((高高高高壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶))))發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Extremely Inverse特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Extremely Inverse特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過流電驛(67)須具Normal Inverse特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
發電設備併接於電業69KV特高壓輸電系統者發電設備之輸出端至少應具有下列同等保護功能並須與電業該轄區之保護設備協調
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Normal Inverse之特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Normal Inverse之特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過電流電驛(67)須具Normal Inverse之特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
8 快速及後衛保護電驛如系統保護需要時應裝設
9 匯流排電驛採用GIS斷路器者應裝設
62626262太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範
1 故障電流
太陽光電發電系統大於100kW以上須計算故障電流其送至電業系統之故障電流不得影響電業及其他用戶斷路器之起斷容量否則需裝置限流電抗器
太陽光電發電系統之隔離變壓器接地方式須與電業之系統配合
2 正常電壓變動率應維持在plusmn5以內
3 太陽光電發電系統與電業間之責任分界點的功率因數以維持85落後至100之間運轉為原則
4 諧波污染限制應依照「電力系統諧波管制暫行標準」辦理
分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性
適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯型之規範型之規範型之規範型之規範
電力轉換器電力轉換器電力轉換器電力轉換器(電力調節器電力調節器電力調節器電力調節器)(InverterConditioner)
蓄電池蓄電池蓄電池蓄電池(Battery))
63大型(商用)太陽光發電系統應用(gt1 kWp)
太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統
單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池(Unit Solar Cell)
太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板(PV Module)
太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列(PV Array)
太陽光發電系統應用獨立系統
(A) 獨立系統(Stand-Alone
System)
bull 蓄電池保護壽命
(B) 混合型交流獨立系統 (Hybrid
System)
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
直流負載PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
整流器
輔助發電機
PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載- ~PCU
直直直直交流轉換器交流轉換器交流轉換器交流轉換器
太陽光發電系統應用併聯系統
(D)併聯系統(Grid-
connected System)
特殊功能1 最佳效能2 防止獨立運轉(連線保護)
3 可自力運轉
(E) 防逆流型系統(Off-line System)
(F) 防災型併聯系統
充電控制器
蓄電池
直交流轉換器
PCU太陽電池組列
交流負載
ATS
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
獨立型系統
適用地點高山離島基地台hellip等市電無法到達處
工作方式白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
必須可以自給自足
缺點bull 系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等
安全係數設計很困難)
bull 蓄電池建置複雜成本很高壽命很短
bull 負載搭配不良時發電效能不佳利用率將偏低
bull 需由專人隨時維護
bull 混合系統為一種解決方法
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
PCU
併聯型系統
適用地點電力正常送達之任何地點工作方式 bull 白天 PV系統併聯發電夜間由台電供電bull 將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的蓄電池
優點bull 系統簡單不需安全係數設計(依預算設計)不需要專人維護bull 併聯發電效率高利用率高
缺點bull 停電時無電可用bull 受併聯法規限制尚未開放(但即將開放)
bull 有孤島效應之疑慮(目前技術上已解決)
改善型無電池自力運轉
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
市電併聯型住宅用太陽光發電系統
太陽光發電系統發電及負載用電對時間之關係
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
併聯型直交流轉換器之效能要求較高
1 最大功率追蹤(Maximum Power Tracking MPT)
2 高轉換效率 gt 90 (PWM+電力電子元件)
3 高次諧波功率 Distortion (lt5 total)
4 自動開關機(白天夜晚)
5 過負載保護過溫度保護
6 體積小重量輕室外防水防塵
7 電腦界面可遠端監控
8 防止獨立運轉(連線保護)
9 可自力運轉
太陽電池組列
交流負載
直交流轉換器MPT
Power Conditioner
併聯系統之獨立運轉(單獨運轉)
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull停電時單一併聯系統將會停止運作
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
bull 市電停電時多數併聯系統仍聯合運作將對電力公司人員產生嚴重危害
孤島效應之防止方法
停電偵測1 過電壓低電壓
2 過頻率低頻率
3 被動式偵測如
bull 電壓與頻率監視方式
bull 電壓相位跳躍監視方式
bull 高次諧波監視方式
bull 頻率變化監視方式
PV組列
直交流轉換器
自家負載
4 主動偵測如
bull 頻率Shift方式
bull 配電線負載變動方式
bull 有效電力變動方式
bull 無效電力變動方式
反應時間05~2秒
資料來源「日本電氣用品試驗所」分散型電源系統連系技術指針(1998)
併聯系統之自力運轉功能
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull 大停電後白天有陽光時以人工啟動 PV 系統進行自力運轉供自家負載使用(但夜間無法使用)
防災型併聯型系統
適用地點有防災需求(照明汲水通信hellip)之公共設施
工作方式
bull 平時PV併聯發電(電池浮充) 效率高利用率高夜間由台電供電
bull 視需要建置供防災用電池大停電時白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
缺點bull 含電池成本較高bull 系統較複雜需專人定期維護
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
FAQ1太陽光發電需要多少土地
效率 = (輸出功率W) (組列面積 m2 x 日照強度 Wm2 ) x 100
模板面積 m2 = 輸出功率W (效率 x日照強度Wm2 ) x100
bull 假設使用效率gt136 模板於1000 Wm2 (AM15)日照強度下
10 kWp 模板面積 (m2) = 10000 (0136 x 1000) ~ 735 m2
10 kWp PV系統土地面積需求約
~ 735 m2 x 15 x 11
~ 121m2 (~36坪)
(包括陰影面積及維修空間)
bull 假設使用效率~10 模板
則模板面積約 ~ 100 m2
土地面積需求約 ~ 165m2 (~50坪)
gt55o
夏至
冬至
春秋分
235o 235oh
L1 L2
FAQ2太陽電池一年能發多少電
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
10 kWm2
05 kWm2
日照強度
等效日照時數(Sun Hour)
組列單日發電量 = 組列額定輸出功率 x 等效日照時數
bull 預估1 kWp 組列單日發電量 = 1 (kW) x ex 4(Sun Hour)= 4 kWh
組列年發電量 = 組列額定輸出功率 x 年平均每日日照時數 x 365
bull 預估 1 kWp 組列年發電量 = 1 x 4 x 365 = 1460 kWh
時間時間時間時間
FAQ3太陽光發電的成本(簡易估算)
1 假設目前太陽光發電系統設置成本約為 NT$ 280000 kWp
2 假設年平均每日日照時數約為 25 Sun Hour (台灣中南部地區)
bull 1 kWp 組列單日發電量= 1 (kW) x 25 (Hour)= 25 kWh
bull 1 kWp 組列年發電量= 25 x 365 = 913 kWh (度)
3 假設太陽光發電系統使用壽命為 20 年
bull 1 kWp 太陽光發電系統總共可發電 20 x 913 = 18260 度
4 生產每度電之成本約為 280000 18260 ~ NT$ 153
5 未來發展趨勢
bull 太陽光發電系統設置成本將逐年降低
bull 市電電費將會升高(國內目前約 NT$ 3 度日本約NT$ 7 度)
bull 傳統能源限制再生能源獎勵利率降低
64獨立型太陽光發電系統應用例(一)
bull太陽電池時鐘-日本bull太陽電池路燈-日本千里住宅公園
獨立型太陽光發電系統應用例(二)
bull太陽電池交通標誌-日本北海道 bull高速公路緊急電話-日本
獨立型太陽光發電系統應用例(三)
bull800W無線通信中繼基地台韓國(1998)
獨立型太陽光發電系統應用例(四)
bull離島用90kW獨立型發電系統韓國Ho-Do島(1992)
併聯型太陽光發電系統應用例(一)
bull設置於屋頂之住宅用太陽光發電系統(建材一體型日本千里住宅公園內住宅設計之一)
併聯型太陽光發電系統應用例(二)
bull日本東海線新幹線京都車站之太陽光發電系統(100kWp)
併聯型太陽光發電系統應用例(三)
bull日本京瓷(Kyocera)京都總公司大樓之太陽電池發電系統(220kWp)
太陽光發電發電廠應用例
太陽電池發電廠
(PV Power Plant)
資料來源 ANIT
Srl Italy
建材一體型太陽電池模板應用例
bull資料來源 Pilkington Solar International GmbH 德國
太陽能車應用例
Honda Dream
bull資料來源 PV Special Research
Centre UNSW Australia
交大太陽能車
bull資料來源 National Chiao-Tung
University Taiwan
太陽光發電航太應用例(NASA Helios )
bull空中無線通訊平台應用
資料來源SkyOne Inc Taiwan
bull 飛行高度5-7 萬英呎(最高記錄 96000 英呎)
bull 時速60 mph (起飛 25 mph)
bull 翼展247 英呎bull 重量2000 磅bull 太陽電池效率要求gt22
資料來源httpwwwaerovironmentcomhomehtml
清雲技術學院 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
個人住宅 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
勤益技術學院 3kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
南台科技大學 10kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
總統府 10kWp 獨立型太陽光能發電系統 (9012)
海巡署南沙太平島 20kWp 混合型(柴油發電機)太陽光能發電系統 (9011)
90能源基金示範補助成果例
台電樹林 20kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
併聯型
台電台北市區處 20kWp 太陽光發電系統
(91能源基金示範補助成果)
併聯型
7結論
bull (1)提高電力轉換器效率
bull 轉換器的損失主要來自於開關切換時之損失為了可以降低濾波電路中電感和電容的體積可以提高切換頻率但是相對於開關的切換損失也因此而增加導致轉換器的效率降低因此發展零電壓或零電流切換技術應用於高切換頻率之轉換器將可以提高轉換器的效率
bull (2)提高太陽光發電系統之整體效率
bull 傳統之太陽光發電系統包含儲能系統和供電系統前級利用DCDC轉換器作最大功率追蹤後級則利用DCAC轉換器轉換能量供應給交流負載為了提高太陽光發電系統的整體效率在研究可提出了模組並聯控制技術以提昇各級電力轉換器的效率而在未來太陽光發電系統也將著重在單級電力轉換器的設計對於整體系統效率有較明顯的改善
8參考資料
1許國強ldquo太陽光發電原理與應用工研院材料所 薄膜技術組91年
2華志強黃崇倫ldquo智慧型能量控制於太陽光電能轉換系統國立雲林科技大學電機工程學系電力研討會97年
3林政達ldquo數位式市電並聯換流器與快速鎖相迴路控制器之研製國立雲林科技大學電機工程學系碩士論文92 年
4李思賢ldquo數位式單相低功率太陽光電能轉換系統國立中山大學電機工程學系碩士論文92 年
5洪世杰ldquo適用於再生能源之市電併聯型雙輸入供電系統國立中正大學電機工程研究所碩士論文93 年
6王廷興ldquo太陽能發電配電設計概要台北科技大學冷凍空調系 92年
7魏榮宗王文宏ldquo高效率太陽光電能源轉換系統 元智大學電機工程學系94年
[ ] 100)25(
)11
(exp
1)(exp
3
λminus+=
minus
=
+minus
minus+minus=
TKII
TTBk
qE
T
TII
where
R
IRVIRV
AkT
qIII
ISCRLG
r
GO
r
oros
sh
ssosLG
VI cell output current and voltagecell reverse saturation currentcell temperature in CBoltzmannrsquos constantelectronic chargeshort circuit current temperature coefficientsolar irradiation in Wmshort-circuit current at 25 Cand 1000 Wm
light-generated currentband gap for siliconideality factorsreference temperaturecell saturation current atshunt resistanceseries resistance
osI
T
kq
00170=IK
SCRIλ
LGI
GOE
921== ABKTr deg= 18301
orI
shR
sR
附錄附錄附錄附錄- 太陽能電池太陽能電池太陽能電池太陽能電池
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
(a) Equivalent circuit of a PV module and
(b) Typical PV module current-voltage and power-voltage characteristics
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
Characteristic of a PV module with temperature and irradiation (a) constant irradiation and varying temperature and (b) constant temperature and varying irradiation
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
系統範例系統範例系統範例系統範例
中途驛站電化PV離島用PV系統山岳地帶PV系統離島偏遠區
勤務指揮中心緊急避難所醫療院所公園學校地震觀測站森林嘹望台避難指示燈氣象觀測所水位警報PV系統河川安全燈防波堤安全PV燈
緊急防災
緊急供電系統管線電氣防蝕輸油管流量計PV系統市場廣告塔海上石油平台各種計測站PV系統發電廠情報指揮中心
產業用
住宅用供電系統緊急供電系統緊急照明系統帷幕牆遮陽棚採光罩屋瓦建築物
無線通信用中繼站基地台緊急電話中繼站電話通信PV系統Radio受信PV系統微波中繼站
通訊
農宅用電溫室栽培PV系統農業灌溉用自動灑水系統農牧電籬牛乳冷藏漁業養殖揚水通氣自動餵食器
農林漁牧
路燈交通號誌道路指示牌標誌燈太陽能電動車充電站高速公路緊急電話偏遠道路緊急電話停車計時器停車場控制門系統高速公路防音壁PV系統公路休息區PV系統太陽能車平交道指示燈候車亭PV系統車站屋頂型PV系統
道路交通
收音機測電表手錶計算機太陽能照相機手電筒電池充電器野營燈民生
應用領域
利用串並聯組成模板與組列提供所需的工作電壓與電流
VocVm
Im
Isc
Pm
12太陽電池之串並聯使用
VocVm
Im
IscPm
VocVm
Im
Isc
Pm
太陽電池模板之構成
+
-
太陽電池模板結構太陽電池模板外觀太陽電池模板接線
正面
強化玻璃
EVA
TedlarTM (Dupont)
EVA
Polyester
TedlarTM (Dupont)
0125
0015
Cells0014
0015
00015
0002
00015
背面
單元太陽電池
太陽電池模板之規格範例
η (Efficiency) = (Vm x Im Pin) x 100
單晶矽模板效率 = (354 V x 495 A) ( 129 m2 x 1000 Wm2 ) x100
= 1358
單晶矽模板效率 = 1302
種類
項目單晶矽 多晶矽
額定輸出功率(Wp) 175 125
開路電壓(V) 444 323
短路電流(A) 555 546
最大輸出工作電壓(V) 354 260
最大輸出工作電流(A) 495 48
輸出最大功率(W) 175 125
尺寸(mm)W15736timesL826
timesH46
W1200timesL802
timesH46
重量(kg) 17 125
測定條件日照強度 AM151000Wm2Module 溫度 25
何謂AM0AM1AM15
Wavelength (microm)
Spec
tral
Irr
adia
nce
(Wm
-2micro
m-1) AM0
AM15
AM 即 Air Mass(不同 Air Mass 代表不同太陽光光譜)
bull AM0 (Air Mass 0) ~ 1400 W bullm-2
bull AM1 (Air Mass 1) ~ 1000 W bullm-2
bull AM15 (Air Mass 15) ~ 844 Wbullm-2
AM15 1000 Wbullm-2 (IEC 891 IEC 904-1)
Earth
AM0
AM1
AM15
大氣層
45o
太陽電池直接驅動負載如馬達等(應用於玩具車船馬達音樂卡片hellip)
bull 電力現買現賣
bull 負載匹配(容量與電壓)
bull 溫度效應
bull 搭配(超高)電容可以提高效能
太陽電池(直流)基礎應用範例(I)
I M
+
-
C
圖片資料來源httpshoppingyahoocom httpwwwsolar-icomSampYhtml
太陽電池先對電池充電再由電池供應負載(應用於玩具車船電動機械夜間燈光計算機鐘錶3C產品hellip)
bull 電力零存整付
bull 太陽電池電池電壓匹配
bull 溫度效應
bull 使用阻隔二極體
bull 電池過充放電保護
太陽電池(直流)基礎應用範例(II)
I負載
+
-
電池
圖片資料來源httpshoppingyahoocom httpwwwsolar-icomSampYhtml
FAQ1太陽電池應用效能不佳太陽電池之負載匹配(Load Matching)
RshID
IL
+
----
v
I
RL
Rs
bull Efficiency of a PV system is strongly affected by load matching
bull Measurement of I-V Characteristic curve is important
VocVm
Im
Isc
Pm
RL 1
RL 3
RL 2 Battery voltage
RL
----
+
不同日照強度下太陽電池 I-V 特性曲線
bull 最大輸出功率隨日照強度而改變並非永遠等於額定值
0
1
2
3
4
5
6
7
0 10 20 30 40 50
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
1000Wm2 (AM1)
500Wm2 (05AM1)
不同溫度下太陽電池 I-V 特性曲線
bull太陽電池溫度升高時輸出電壓與最大輸出功率降低
0
1
2
3
4
5
6
7
0 10 20 30 40 50
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
75oC 50oC 25oC 0oC
Battery voltage
0
1
2
3
4
5
6
7
0 10 20 30 40 50
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
500Wm2 (05AM1)
1000Wm2 (AM1)
太陽電池之動態負載匹配(日照變化)
RL(high)
RL(low)
bull Maximum power tracking is required in high efficiency PV system
太陽電池 I-V 特性曲線測量方法
VocVm
ImIsc Pm
C+
-
A
VR
A
V
A
V可程式負載
模擬陽光使用鎢絲燈氙燈Solar Simulator 或太陽光
Pm lt few10 W Pm lt few 100 W Pm lt 100 kW
Solar Simulator Array Tester
圖片資料來源httpwwwspiresolarcomSolarequipmenthtml
太陽於天球(Celestial Sphere)上運行之軌跡
冬至 春秋分 夏至 冬至 春秋分 夏至 春秋分 夏至
北緯 0o 北緯 45o 北緯 90o
(赤道) (北極)
天球
太陽運行軌跡與太陽電池仰角
冬至 夏至春秋分
所在緯度235o
235o47o0o
47o 235o
13太陽電池組列仰角與間隔設計例
bull組列仰角~235o (台灣地區)
bull h=組列總高度( lt 15 m)
bull L2=h tan(55o) = 057 L0
(55o可適用於冬至0900~1500)
bull水平角度=正南 plusmn5o
235o
55o
235o
夏至
冬至
春秋分
235o 235o
南
h = 04 L0
L1= 092 L0L2 = 057 L0
L0
L1 + L2 = 15 L0
2零交越偵測電路分析
bull 零交越偵測電路如圖1 所示主要目的在於檢測輸入弦波電壓之零交越點其電路輸出為ㄧ方波信號利用方波上緣信號觸發數位訊號處理器之外部中斷腳位進而進行相位同步之功能[4]零交越偵測電路輸入與輸出波形如圖2 所示相位同步控制當數位訊號處理器發生上緣觸發時此觸發訊號如同系統重置訊號將正弦表指標變數歸零一經重置後指標變數又開始計數藉由每週期ㄧ次的重置訊號迫使換流器輸出達到同步相位同步控制波形示意圖如圖3 所示圖4 為零交越偵測電路輸出實測圖[4]
3系統電路架構與動作模式
bull A
bull 本文所述之系統為一太陽光電能轉換系統方塊圖如圖5 所示主要部分包括太陽能板直流-直流轉換器全橋式換流器數位訊號處理器感測迴授電路與驅動電路此一系統之基本動作情況為一般情況下斷路器1 和斷路器2 均為導通狀態此時太陽光電能轉換系統與電力網路處於連結運轉模式而當電力網路供電中斷時斷路器2 將被斷路以避免孤島現象的發生反之若是太陽光電能轉換系統發生故障時斷路器1 將被斷路以避免電力網路受到其故障的影響
31系統電路架構與動作模式
bull B
bull 電路工作模式bull 此一太陽光電能轉換系統主要有兩種工
作模式以下為二種工作模式的操作說明
bull (1) 獨立運轉模式bull 如圖6 所示獨立運轉模式為當電力網
路供電中斷時斷路器2 將被斷路而此時太陽光電能轉換系統將操作在電壓控制模式下提供負載一穩定的輸出電壓
bull (2) 與電力網路連結運轉模式bull 如圖7 所示與電力網路連結運轉模式
將太陽光電能轉換系統與電力網路連結運轉也就是斷路器1 和斷路器2 同時導通此時系統將操作在電流控制模式下首先經由最大功率點追蹤程式運算出瞬時最大功率點的電流參考值再根據此一電流參考值輸出一與電力網路電壓同相位的電流至負載或甚至回送至電力網路
31直流至直流切換式轉換器
典型直流至直流轉換器系統之構造如圖21所示其輸入通常為由線電壓整
流而得之非調節直流電壓然後再利用切換式直流至直流轉換器將此變動之
直流電壓轉換成一調節之直流電壓
無控制之二極體橋式整流器
交流線電壓
(單相或三相)
直流電壓
(無調節性)
濾波電容 (無調節性)
直流至直流轉換器 (具調節性)
負載
蓄電池
直流電壓 直流電壓
控制訊號1降壓式(step-down buck)轉換器
2升壓式(step-up boost)轉換器
3升降壓式(step-downstep-up buck-boost)轉換器
4全橋式轉換器
上述四種轉換器中只有降壓式及升壓式是最基本的轉換器電路架構升
降壓式轉換器是此二基本轉換器之結合而全橋式轉換器則是由降壓式轉
換器衍生而來
直流至直流轉換器之控制
直流至直流轉換器的作用即是在輸入電壓與輸出負載變動的情況下能夠調
節輸出電壓為所設定的位準電壓位準轉換之原理可以圖22(a)所示之簡單
電路來說明由開關導通與截止可得圖22(b)之波形其中輸出電壓vo平均
值大小Vo與開關之導通及截止時間(ton及toff)有關平均輸出電壓大小調整
之最典型的方式是採用脈波寬度調變法(Pulse-Width ModulationPWM)
其切換週期Ts(= ton+toff)為固定由調整導通時間之大小來改變平均輸出電
壓之大小Vo
+
_
Vd
R
+
_
Vo
0Vd
Vo
vo
tton toff
Ts
脈波寬度調變切換控制的方塊圖如
圖23(a)所示開關之切換控制信號
由控制訊號vcontrol與週期為Ts之鋸齒
波vst比較而得控制信號則由Vo之
實際值與設定值之誤差放大而得
vcontrol與vst比較所得之切換控制信號
的波形如圖23(b)所示當控制訊號
vst較大時則為高準位信號即使
開關導通反之為低準位信號即使
開關截止故開關之切換週期亦為
Ts 由以上的原理可知開關切換
之責任週期 (Duty Ratio)為D=tonTs
=vcontrolVst 其中Vst為鋸齒波之振
幅
放大器
+
-Vo
(設定)
(實際)
Vo
比較器
週期性波形 stv
切換控制訊號
控制訊號
0 t
$Vst
=stv 鋸齒波電壓
controlv (放大誤差)
On On
Off Off
stcontrol vv gt
stcontrol vv ltton toff
Ts
切換控制訊號
(切換頻率 fT
s
s
=1
)
升壓式直流至直流轉換器
圖211為升壓式轉換器電路主要用途為直流電源供應器與直流馬達之
再生制動(Regenerative Breaking)顧名思義其輸出電壓高過於其輸入
電壓當開關導通時二極體反向偏壓輸入電能儲存於電感負載電
能則由電容提供當開關截止時負載吸收輸入及儲存電感中之電能
-
L
CRVd
Vo
vL
iL
io
+
-
++
_
t0
t0
vL
iL
I L
Ts
toffton
_++
_
+
_
+ _+
_
+
_
iL
vL
Vd Vo
iL
vL
Vd Vo
)( dV
)( od VV minus
圖212所示為電感電流為連續之
穩態工作波形由穩態下電感電
壓一週期之平均值為零可得
0)( =minus+ offodond tVVtV
等號兩側除以Ts重新整理可得
Dt
T
V
V
off
s
d
o
minus==
1
1
假設電路無損失輸入功率
Pd=VdId 等 於 輸 出 功 率
Po=VoIo 則
)1( DI
I
d
o minus=
非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器
bullBoost之設計假設輸入10V輸出30V頻率50kHz輸出10W
所以D＝23
( ) s
o
o TDDP
VL
22
12
minusge
=6667uH
取75uH
D
VV in
o minus=
1
L
Vi
n
S Vo
+
_
C
DiL
vds
升降壓式直流至直流轉換器
升降壓式轉換器的主要用途為輸入與輸出之極性相反輸出電壓可以高於
或低於輸入電壓之直流電源供應器升降壓式轉換器可以由降壓式轉換器
與升壓式轉換式串接而成穩態下輸入與輸出電壓轉換器之比值為二轉換
器個別比值之乘積
D
D
V
V
d
o
minus=
1
因此變化責任週期D可使輸出電壓高於或低於輸入電壓
+
_
+
_
_
+
RC Vo
L
Vd
io
iLvL
id
降壓式直流至直流轉換器
降壓式轉換器顧名思義其作用為將較高準位的輸入電壓換成較低
準位的輸出電壓主要用途為直流電源供應器及直流馬達速度控制
圖22(a)所示為提供純電阻性負載之降壓式轉換器由圖22(b)可知其輸
出電壓波形由開關位置決定平均輸出電壓為
dd
s
onT
t
t
d
s
T
o
s
o DVVT
tddV
Tdv
TV
s
on
ons ==+== intintint )0(1
)(1
00ττττ
+
_
Vd
R
+
_
Vo
0Vd
Vo
vo
tton toff
Ts
32直流至交流切換式反流器
切換式直流至交流(DCAC)反流器(Inveter)乃用以將直流電源轉換成振幅
與頻率均可調之正弦式交流電源主要用途為交流馬達驅動與交流不斷
電電源供應器圖31為典型交流馬達驅動之反流器方塊圖其直流輸入
電壓通常由線電壓整流及濾波而得接著再利用切換式反流器改變輸出
電壓之振幅與頻率以驅動交流馬達切換式反流器功率之流通通常是
由直流至交流稱為反流模式但亦可以從交流至直流稱為整流模
式
+
_
交流馬達
二極體整流器 濾波電容 切換式反流器
Vd
三相交流電源
反流器包括單相及三相其輸入為直流電壓源者稱為電壓源反流器
(Voltage Source InverterVSI)另外若輸入為直流電流源者稱為電流
反流器(Current Source InverterCSI)目前僅應用在高功率之交流馬達
驅動器
1脈波寬度調變(PWM)反流器其輸入電壓通常為固定反流器本身具備變
頻及變壓的功能而變頻及變壓乃利用開關之脈波寬度調變切換控制達成
有許多類型之脈波寬度變技術可以使輸出電壓近似弦波
2方波(Square-Wave)反流器此反流器輸出電壓振幅乃由其輸入電壓調
整
反流器本身只控制輸出頻率交流輸出電壓波形近似方波因此乃稱方波
反流器
3採用電壓消去法(Voltage Cancellation)之單相反流器單相反流器當輸入
電壓為定值時可以利用電壓消去法來變頻及變壓而不須採用脈波寬度
調變其輸出電壓波形近似方波因此其結合了前述兩種反流器的特色
值得注意的是電壓消去法並不適用於三相反流器
切換式反流器之基本觀念
考慮圖33(a)之單相反流器假設其正弦輸出電壓vo是經過濾波所得若
輸出之負載為電感性(如馬達)則輸出電流io將落後vo 如圖33(b)所示
在期間1及3中 vo與io同號瞬時功率Po=voio為正故功率由直流側送至
交流側稱之為反流模式在期間2及4中 vo與io異號瞬時功率Po為負
故功率由交流側送至直流側稱之為整流模式圖33(a)之切換式反流器
在每一週期內會經歷平面上四個象限中之所有象限
單相切
換式變
流器與
濾波器
o
o
+
-
+
-
Vd
vo
id
io
0t
4 1 2 3
voio
io
vo
1反流器
4整流器
3反流器
2整流器
0
為清楚解釋起見以單臂反流器來說明
+
_
+
_
+ +
__
Vd
Vd
2
Vd
2
A
N
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
vAN
oo
o
反流器電路之脈波寬度調變切換技術如圖35(a)所示由一正弦波形控
制訊號vcontrol與三角波形vtri作比較三角波(又稱載波)之振幅為Vtri頻率
為fs fs決定反流器開關之切換頻率正弦波控制電壓vcontrol(又稱調制訊
號)之基頻f1決定反流器之輸出頻率而其振幅則決定反流器輸出電壓之
大小定義振幅調變指數為ma=Vcontrol Vtri 其中Vcontrol為vcontrol之振幅
而頻率調變指數則定義為mf = fs f1
0 t
vcontrol vtri
sf
1
0 t
vAo
V d
2
minusVd
2
t=0
v v
T on T off
control tri
A A
lt
minus + v v
T on T off
control tri
A A
gt
+ minus
1)( AoAo vv =之基本波
0 t
vcontrol vtri
sf
1
圖34反流器之開關的控制方法與io方向無關為
dAoAtricontrol VvTvv2
1=gt +導通
dAoAtricontrol VvTvv2
1minus=lt minus導通
由於二開關之導通為互補因此輸出電壓只在Vd 2與-Vd 2二值間作變
動圖35(b)所示為ma=08與mf =15時輸出電壓vAo及其基本波(以虛線表示)
之波形
+
_
+
_
+ +
__
Vd
Vd
2
Vd
2
A
N
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
vAN
oo
o
單相全橋式反流器
單相全橋式反流器如圖311所示乃由兩個前述之半橋反流器所組成在
相同之輸入電壓下全橋式反流器之最大輸出電壓為半橋式之兩倍這代
表在相同之功率下全橋式反流器之輸出及開關電流僅為半橋式之一半
此對於高功率用途是一大優點因其可以降低使用並聯元件之需求
+
_
+
_
+
_
Vd
Vd
2
Vd
2
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
v v vo Ao Bo= minuso
A
B
TBminus
TB+
DBminus
DB+
+_
id
o
o
N
雙極性電壓切換之脈波寬度調變
0 t
vcontrolvtri
sf
1
0 t
ov1ov
dV
dVminus
單極性電壓切換之脈波寬度調變
onBT +
trivgttricontrol vv gt
trivcontrolv
t
)( controlvminus
)( controlvminusonAT +
t1ov
dV
dVminus
)( BNAN
o
vv
v
minus=
應用雙極性電壓切換之脈波寬度調
變全橋式反流器乃 (TA+TB-)與 (TA-
TB+)成對切換且二者互相反相
應用單極性電壓切換之脈波寬度調
變全橋式反流器乃A臂與B獨立切
換且同臂二開關互相反相
三相反流器
+
-
+
-
+
-
dV
2dV
2dV
+AT
minusAT
+AD
minusAD
o
BminusT
+BT
minusBD
+BD
di
minusCT
+CT
minusCD
+CD
N
A B C
o
0 t
triv Acontrolv Bcontrolv Ccontrolv
0
BNANAB vvv minus=
t
dV
之基本波1LLv
ANv
0 t
dV
t0
BNv
dV
三相電壓源反流器之脈波寬度調變切換的功能為在固定輸入直流電壓下用以調整三相輸出電壓之振幅及頻率三相脈波寬度調變方式由三相各差120度的控制電壓與三角波作比較其波形與單相全橋式反流器採用脈波寬度調變單極性切換者類似
最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法
33最大功率追蹤最大功率追蹤最大功率追蹤最大功率追蹤
為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點本文使用本文使用本文使用本文使用擾動觀察法擾動觀察法擾動觀察法擾動觀察法(Perturbation and Observation Method PampQ)進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功率追蹤率追蹤率追蹤率追蹤由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點下圖為擾動下圖為擾動下圖為擾動下圖為擾動觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖為利用為利用為利用為利用DCDC轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作時時時時其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為0之特性之特性之特性之特性使用使用使用使用DCDC轉換器控制太陽轉換器控制太陽轉換器控制太陽轉換器控制太陽能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動
擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖
最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法
左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖蹤示意圖蹤示意圖蹤示意圖太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分為兩個特性區域為兩個特性區域為兩個特性區域為兩個特性區域假設進行追蹤假設進行追蹤假設進行追蹤假設進行追蹤時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時電壓電壓電壓電壓的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率增加增加增加增加若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出功率減少功率減少功率減少功率減少經由經由經由經由DCDC轉換器調轉換器調轉換器調轉換器調節太陽能板與節太陽能板與節太陽能板與節太陽能板與DCDC轉換器的阻轉換器的阻轉換器的阻轉換器的阻抗相互匹配抗相互匹配抗相互匹配抗相互匹配進而得到太陽能板進而得到太陽能板進而得到太陽能板進而得到太陽能板的最大輸出功率的最大輸出功率的最大輸出功率的最大輸出功率
擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖
4軟體規劃
bull 系統控制程式主要分為主程式固定週期中斷副程式市電電壓零交越中斷副程式等三大部分以下將分別介紹各部分程式流程
bull 本系統主程式主要執行數位訊號處理器周邊暫存器的初始設定以及變數宣告其中除了變數宣告外周邊暫存器的初始設定包括有規畫中斷向量設定計數器之計數模式計數週期中斷的時間和PWM 輸出模式等相關參數設定
bull 如圖8 所示系統初始設定後必須先等待中斷發生才能決定系統是否執行固定週期中斷程式或零交越中斷副程式
bull 圖9 為固定週期中斷副程式流程圖固定週期中斷頻率與換流器開關之切換頻率相同為20kHz程式開始會先偵測太陽能板電壓及電流與直流鏈電壓當確定市電電壓零交越中斷發生時必須先將輸出弦波訊號之指標強制為原點重新送出單位弦波確保換流器輸出電流與市電電壓能維持同相位接著比較太陽能板輸入電壓VPV 是否大於最低工作電壓VPV_work如果確定大於最低工作電壓則致能太陽能最大功率追蹤反之則禁能系統動作程式返回圖9 中的正弦脈寬調變副程式主要功能在於決定換流器中開關的動作順序與責任週期大小以及輸波參考訊號
bull 圖10 為太陽能最大功率點追蹤副程式流程圖在文中對最大功率追蹤採用擾動與觀察法配合太陽能光電板的電壓mdash功率特性曲線即可瞭解程式如何完成太陽能光電板最大功率點追蹤
主程式流程圖
5實驗
bull 依據上述的分析採用DSP 2407A 建立一個500W 太陽光電池電能轉換系統依據圖11 之
bull 電路架構其規格與元件參數分別列於表一表二及表三系統實驗波形圖12圖13圖14 及
bull 圖15 為系統操作在獨立運轉模式下負載分別為120W240W360W 及480W 時之換流器輸出
bull 電壓及輸出電流之實測波形
系統規格與元件參數
實測波形
6實務應用系統實務應用系統實務應用系統實務應用系統
獨立系統示意圖獨立系統示意圖
考慮點
系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等安全係數最佳化設計複雜)
一般充電控制器無 MPPT搭配蓄電池使發電效能較差
蓄電池每日gt50DOD深度放電gt02C充電壽命短
太陽光發電量與負載需求量不搭配時太陽光之發電能量利用率偏低 (負載需求搭配與安全係數為互相矛盾之設計)
PV-柴油發電機PV-風力等混合系統為改善之方法
市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台
電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池
併聯系統示意圖併聯系統示意圖
緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析
1 系統設置成本高建議使用於邊際效益高之用電（防災緊急輔助電力）
2 總體經濟效益減少環境污染解決尖峰用電之不足與短缺能源多元化之風險分擔與開創自主能源
3 遮蔽陽光直曬降低建築物之熱效應（被動省能）同時轉換太陽光為電能供應建物自主能源（主動節能）一舉兩得
緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較
30萬元divide21900kWh＝137元度2萬元divide50kWh＝400元度每度電成本
日發電度數times365天times20年＝3hrtimes1kWtimes365天times20年＝21900kWh（度）
（年停電＋年測試運轉時數）times10年＝（20mintimes6次＋15mintimes12月）times10年＝5hrtimes1kWtimes10年＝50kWh
總發電度數（1kw計）
夜間不發電（可利用蓄電池設計供電年維運費02）
噪音空污油料運輸儲油危險維運成本高
缺點
利用露台屋頂牆面空間設備煙管隔音油槽需室內空間
設置空間
平時緊急時均可使用隨時可了解運轉狀況不須操作
加ATS停電時方可啟動需人員每月定期測試運轉
系統運作
太陽光潔淨能源（免費）柴油使用燃料
20年7~10年使用壽命
1kW=30萬元1kW=2~3萬元設置費用
太陽光發電系統柴油發電機
風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析
運用多元化能源分擔風險情況比較說明如下
1 市電--gt停電時風險極高
2 市電＋柴油發電機--gt發電機故障時風險高
市電＋柴油發電機＋太陽光發電系統--gt發揮三者優點互補同時故障機率小風險最低
案例
832kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide057＝317 m2
115kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide075＝332 m2
緊急時057平時065~08
綜合係數溫度變化污損線損Inverter效率＋蓄電池充放電補償
電力需求divide（日照強度times日照時間times模板效率times綜合係數）
模組面積估算
日照強度1kWm2
日照時間384hd
模板效率12
832kWhd500人用電量115kWhd770人用電量
緊急時平時
電力需求估算
緊急時40kWtimes384hdtimes057＝875 kWhd
平時40kWtimes384hdtimes075＝1152Whd
太陽發電系統發電量＝設置容量times日照時間times綜合係數
發電量計算
332m2times1kWm2times12＝398kW≒40kW
太陽發電系統設置容量＝設置面積times日照強度times模板效率
設置容量計算模板效率依太陽電池種類而異
進行模板陣列及蓄電池容量設計
40kWdivide18片串divide120W＝185列≒19
列
40kWdivide17片串divide120W＝196列≒20
列
陣列併列數＝設置容量divide單串功率
18片times120W＝2160W
17片times120W＝2040W
單串功率
300Vdivide169V＝1775片（取整數17 or 18）
陣列串聯數＝Inverter輸入電壓divide模板輸出電壓
模板陣列設計
1 模板功率120W
2 模板輸出電壓169V
3 直交流轉換器(Inverter)輸入電壓300V
120Wtimes17片串times20列＝40800W＝340片(最佳陣列)
120Wtimes18片串times19列＝41080W＝342片
最佳陣列較經濟之設置容量選擇最佳陣列
蓄電池數量＝144個times2列＝288個
120640Whdivide288Vdivide200Ah＝21列≒2列
併列數＝蓄電池需求容量divideInverter額定電壓
288Vdivide2V＝144個
串聯數＝Inverter額定電壓divide蓄電池電壓串併數設計
middot 蓄電池電壓2V個
middot 蓄電池容量200Ah個
Inverter電壓輸入電壓 額定電壓300V 288V200V 192V
蓄電池需求容量＝832kWhdtimes1dtimes145＝12064kWh
蓄電池需求容量＝緊急電力需求times無日照天數times補償係數補償係數蓄電池內阻抗放電停止電壓電壓降低補償
蓄電池需求容量設計
middot 補償係數145
無日照天數1日
61市電相關規定市電相關規定市電相關規定市電相關規定
1 發電設備併接於低壓系統者其總容量未滿100kW且技術無困難者得併接於單相三線110V220V三相三線220V之配電系統若總容量在100kW以上而未滿500kW得分別併接於3相4線220V380V之配電系統
2 發電設備總容量在500kW以上而未滿5000kW10000kW且技術無困難者得分別併接於114KV228KV之高壓配電系統
3 電設備總容量在10000kW以上而未滿40000kW者得併接於特高壓之系統
4 發電設備總容量在40000kW以上者依個案研討分類
併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類
發電系統經由發電系統經由發電系統經由發電系統經由110V220V110V220V110V220V110V220V併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者發電設發電設發電設發電設備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能
1 過電壓保護 低電壓保護
2 低頻保護 高頻保護
3 過電流保護 零相過電壓接地保護
4 發電設備為無逆送電力者須加裝逆電力保護
5 發電設備為有逆送電力者必須具備主動及被動防止單獨運轉保護
發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經110V220V110V220V110V220V110V220V系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者在電在電在電在電源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器
發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業114KV228KV114KV228KV114KV228KV114KV228KV之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者((((高高高高壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶))))發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Extremely Inverse特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Extremely Inverse特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過流電驛(67)須具Normal Inverse特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
發電設備併接於電業69KV特高壓輸電系統者發電設備之輸出端至少應具有下列同等保護功能並須與電業該轄區之保護設備協調
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Normal Inverse之特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Normal Inverse之特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過電流電驛(67)須具Normal Inverse之特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
8 快速及後衛保護電驛如系統保護需要時應裝設
9 匯流排電驛採用GIS斷路器者應裝設
62626262太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範
1 故障電流
太陽光電發電系統大於100kW以上須計算故障電流其送至電業系統之故障電流不得影響電業及其他用戶斷路器之起斷容量否則需裝置限流電抗器
太陽光電發電系統之隔離變壓器接地方式須與電業之系統配合
2 正常電壓變動率應維持在plusmn5以內
3 太陽光電發電系統與電業間之責任分界點的功率因數以維持85落後至100之間運轉為原則
4 諧波污染限制應依照「電力系統諧波管制暫行標準」辦理
分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性
適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯型之規範型之規範型之規範型之規範
電力轉換器電力轉換器電力轉換器電力轉換器(電力調節器電力調節器電力調節器電力調節器)(InverterConditioner)
蓄電池蓄電池蓄電池蓄電池(Battery))
63大型(商用)太陽光發電系統應用(gt1 kWp)
太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統
單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池(Unit Solar Cell)
太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板(PV Module)
太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列(PV Array)
太陽光發電系統應用獨立系統
(A) 獨立系統(Stand-Alone
System)
bull 蓄電池保護壽命
(B) 混合型交流獨立系統 (Hybrid
System)
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
直流負載PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
整流器
輔助發電機
PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載- ~PCU
直直直直交流轉換器交流轉換器交流轉換器交流轉換器
太陽光發電系統應用併聯系統
(D)併聯系統(Grid-
connected System)
特殊功能1 最佳效能2 防止獨立運轉(連線保護)
3 可自力運轉
(E) 防逆流型系統(Off-line System)
(F) 防災型併聯系統
充電控制器
蓄電池
直交流轉換器
PCU太陽電池組列
交流負載
ATS
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
獨立型系統
適用地點高山離島基地台hellip等市電無法到達處
工作方式白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
必須可以自給自足
缺點bull 系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等
安全係數設計很困難)
bull 蓄電池建置複雜成本很高壽命很短
bull 負載搭配不良時發電效能不佳利用率將偏低
bull 需由專人隨時維護
bull 混合系統為一種解決方法
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
PCU
併聯型系統
適用地點電力正常送達之任何地點工作方式 bull 白天 PV系統併聯發電夜間由台電供電bull 將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的蓄電池
優點bull 系統簡單不需安全係數設計(依預算設計)不需要專人維護bull 併聯發電效率高利用率高
缺點bull 停電時無電可用bull 受併聯法規限制尚未開放(但即將開放)
bull 有孤島效應之疑慮(目前技術上已解決)
改善型無電池自力運轉
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
市電併聯型住宅用太陽光發電系統
太陽光發電系統發電及負載用電對時間之關係
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
併聯型直交流轉換器之效能要求較高
1 最大功率追蹤(Maximum Power Tracking MPT)
2 高轉換效率 gt 90 (PWM+電力電子元件)
3 高次諧波功率 Distortion (lt5 total)
4 自動開關機(白天夜晚)
5 過負載保護過溫度保護
6 體積小重量輕室外防水防塵
7 電腦界面可遠端監控
8 防止獨立運轉(連線保護)
9 可自力運轉
太陽電池組列
交流負載
直交流轉換器MPT
Power Conditioner
併聯系統之獨立運轉(單獨運轉)
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull停電時單一併聯系統將會停止運作
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
bull 市電停電時多數併聯系統仍聯合運作將對電力公司人員產生嚴重危害
孤島效應之防止方法
停電偵測1 過電壓低電壓
2 過頻率低頻率
3 被動式偵測如
bull 電壓與頻率監視方式
bull 電壓相位跳躍監視方式
bull 高次諧波監視方式
bull 頻率變化監視方式
PV組列
直交流轉換器
自家負載
4 主動偵測如
bull 頻率Shift方式
bull 配電線負載變動方式
bull 有效電力變動方式
bull 無效電力變動方式
反應時間05~2秒
資料來源「日本電氣用品試驗所」分散型電源系統連系技術指針(1998)
併聯系統之自力運轉功能
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull 大停電後白天有陽光時以人工啟動 PV 系統進行自力運轉供自家負載使用(但夜間無法使用)
防災型併聯型系統
適用地點有防災需求(照明汲水通信hellip)之公共設施
工作方式
bull 平時PV併聯發電(電池浮充) 效率高利用率高夜間由台電供電
bull 視需要建置供防災用電池大停電時白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
缺點bull 含電池成本較高bull 系統較複雜需專人定期維護
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
FAQ1太陽光發電需要多少土地
效率 = (輸出功率W) (組列面積 m2 x 日照強度 Wm2 ) x 100
模板面積 m2 = 輸出功率W (效率 x日照強度Wm2 ) x100
bull 假設使用效率gt136 模板於1000 Wm2 (AM15)日照強度下
10 kWp 模板面積 (m2) = 10000 (0136 x 1000) ~ 735 m2
10 kWp PV系統土地面積需求約
~ 735 m2 x 15 x 11
~ 121m2 (~36坪)
(包括陰影面積及維修空間)
bull 假設使用效率~10 模板
則模板面積約 ~ 100 m2
土地面積需求約 ~ 165m2 (~50坪)
gt55o
夏至
冬至
春秋分
235o 235oh
L1 L2
FAQ2太陽電池一年能發多少電
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
10 kWm2
05 kWm2
日照強度
等效日照時數(Sun Hour)
組列單日發電量 = 組列額定輸出功率 x 等效日照時數
bull 預估1 kWp 組列單日發電量 = 1 (kW) x ex 4(Sun Hour)= 4 kWh
組列年發電量 = 組列額定輸出功率 x 年平均每日日照時數 x 365
bull 預估 1 kWp 組列年發電量 = 1 x 4 x 365 = 1460 kWh
時間時間時間時間
FAQ3太陽光發電的成本(簡易估算)
1 假設目前太陽光發電系統設置成本約為 NT$ 280000 kWp
2 假設年平均每日日照時數約為 25 Sun Hour (台灣中南部地區)
bull 1 kWp 組列單日發電量= 1 (kW) x 25 (Hour)= 25 kWh
bull 1 kWp 組列年發電量= 25 x 365 = 913 kWh (度)
3 假設太陽光發電系統使用壽命為 20 年
bull 1 kWp 太陽光發電系統總共可發電 20 x 913 = 18260 度
4 生產每度電之成本約為 280000 18260 ~ NT$ 153
5 未來發展趨勢
bull 太陽光發電系統設置成本將逐年降低
bull 市電電費將會升高(國內目前約 NT$ 3 度日本約NT$ 7 度)
bull 傳統能源限制再生能源獎勵利率降低
64獨立型太陽光發電系統應用例(一)
bull太陽電池時鐘-日本bull太陽電池路燈-日本千里住宅公園
獨立型太陽光發電系統應用例(二)
bull太陽電池交通標誌-日本北海道 bull高速公路緊急電話-日本
獨立型太陽光發電系統應用例(三)
bull800W無線通信中繼基地台韓國(1998)
獨立型太陽光發電系統應用例(四)
bull離島用90kW獨立型發電系統韓國Ho-Do島(1992)
併聯型太陽光發電系統應用例(一)
bull設置於屋頂之住宅用太陽光發電系統(建材一體型日本千里住宅公園內住宅設計之一)
併聯型太陽光發電系統應用例(二)
bull日本東海線新幹線京都車站之太陽光發電系統(100kWp)
併聯型太陽光發電系統應用例(三)
bull日本京瓷(Kyocera)京都總公司大樓之太陽電池發電系統(220kWp)
太陽光發電發電廠應用例
太陽電池發電廠
(PV Power Plant)
資料來源 ANIT
Srl Italy
建材一體型太陽電池模板應用例
bull資料來源 Pilkington Solar International GmbH 德國
太陽能車應用例
Honda Dream
bull資料來源 PV Special Research
Centre UNSW Australia
交大太陽能車
bull資料來源 National Chiao-Tung
University Taiwan
太陽光發電航太應用例(NASA Helios )
bull空中無線通訊平台應用
資料來源SkyOne Inc Taiwan
bull 飛行高度5-7 萬英呎(最高記錄 96000 英呎)
bull 時速60 mph (起飛 25 mph)
bull 翼展247 英呎bull 重量2000 磅bull 太陽電池效率要求gt22
資料來源httpwwwaerovironmentcomhomehtml
清雲技術學院 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
個人住宅 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
勤益技術學院 3kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
南台科技大學 10kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
總統府 10kWp 獨立型太陽光能發電系統 (9012)
海巡署南沙太平島 20kWp 混合型(柴油發電機)太陽光能發電系統 (9011)
90能源基金示範補助成果例
台電樹林 20kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
併聯型
台電台北市區處 20kWp 太陽光發電系統
(91能源基金示範補助成果)
併聯型
7結論
bull (1)提高電力轉換器效率
bull 轉換器的損失主要來自於開關切換時之損失為了可以降低濾波電路中電感和電容的體積可以提高切換頻率但是相對於開關的切換損失也因此而增加導致轉換器的效率降低因此發展零電壓或零電流切換技術應用於高切換頻率之轉換器將可以提高轉換器的效率
bull (2)提高太陽光發電系統之整體效率
bull 傳統之太陽光發電系統包含儲能系統和供電系統前級利用DCDC轉換器作最大功率追蹤後級則利用DCAC轉換器轉換能量供應給交流負載為了提高太陽光發電系統的整體效率在研究可提出了模組並聯控制技術以提昇各級電力轉換器的效率而在未來太陽光發電系統也將著重在單級電力轉換器的設計對於整體系統效率有較明顯的改善
8參考資料
1許國強ldquo太陽光發電原理與應用工研院材料所 薄膜技術組91年
2華志強黃崇倫ldquo智慧型能量控制於太陽光電能轉換系統國立雲林科技大學電機工程學系電力研討會97年
3林政達ldquo數位式市電並聯換流器與快速鎖相迴路控制器之研製國立雲林科技大學電機工程學系碩士論文92 年
4李思賢ldquo數位式單相低功率太陽光電能轉換系統國立中山大學電機工程學系碩士論文92 年
5洪世杰ldquo適用於再生能源之市電併聯型雙輸入供電系統國立中正大學電機工程研究所碩士論文93 年
6王廷興ldquo太陽能發電配電設計概要台北科技大學冷凍空調系 92年
7魏榮宗王文宏ldquo高效率太陽光電能源轉換系統 元智大學電機工程學系94年
[ ] 100)25(
)11
(exp
1)(exp
3
λminus+=
minus
=
+minus
minus+minus=
TKII
TTBk
qE
T
TII
where
R
IRVIRV
AkT
qIII
ISCRLG
r
GO
r
oros
sh
ssosLG
VI cell output current and voltagecell reverse saturation currentcell temperature in CBoltzmannrsquos constantelectronic chargeshort circuit current temperature coefficientsolar irradiation in Wmshort-circuit current at 25 Cand 1000 Wm
light-generated currentband gap for siliconideality factorsreference temperaturecell saturation current atshunt resistanceseries resistance
osI
T
kq
00170=IK
SCRIλ
LGI
GOE
921== ABKTr deg= 18301
orI
shR
sR
附錄附錄附錄附錄- 太陽能電池太陽能電池太陽能電池太陽能電池
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
(a) Equivalent circuit of a PV module and
(b) Typical PV module current-voltage and power-voltage characteristics
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
Characteristic of a PV module with temperature and irradiation (a) constant irradiation and varying temperature and (b) constant temperature and varying irradiation
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
系統範例系統範例系統範例系統範例
中途驛站電化PV離島用PV系統山岳地帶PV系統離島偏遠區
勤務指揮中心緊急避難所醫療院所公園學校地震觀測站森林嘹望台避難指示燈氣象觀測所水位警報PV系統河川安全燈防波堤安全PV燈
緊急防災
緊急供電系統管線電氣防蝕輸油管流量計PV系統市場廣告塔海上石油平台各種計測站PV系統發電廠情報指揮中心
產業用
住宅用供電系統緊急供電系統緊急照明系統帷幕牆遮陽棚採光罩屋瓦建築物
無線通信用中繼站基地台緊急電話中繼站電話通信PV系統Radio受信PV系統微波中繼站
通訊
農宅用電溫室栽培PV系統農業灌溉用自動灑水系統農牧電籬牛乳冷藏漁業養殖揚水通氣自動餵食器
農林漁牧
路燈交通號誌道路指示牌標誌燈太陽能電動車充電站高速公路緊急電話偏遠道路緊急電話停車計時器停車場控制門系統高速公路防音壁PV系統公路休息區PV系統太陽能車平交道指示燈候車亭PV系統車站屋頂型PV系統
道路交通
收音機測電表手錶計算機太陽能照相機手電筒電池充電器野營燈民生
應用領域
太陽電池模板之構成
+
-
太陽電池模板結構太陽電池模板外觀太陽電池模板接線
正面
強化玻璃
EVA
TedlarTM (Dupont)
EVA
Polyester
TedlarTM (Dupont)
0125
0015
Cells0014
0015
00015
0002
00015
背面
單元太陽電池
太陽電池模板之規格範例
η (Efficiency) = (Vm x Im Pin) x 100
單晶矽模板效率 = (354 V x 495 A) ( 129 m2 x 1000 Wm2 ) x100
= 1358
單晶矽模板效率 = 1302
種類
項目單晶矽 多晶矽
額定輸出功率(Wp) 175 125
開路電壓(V) 444 323
短路電流(A) 555 546
最大輸出工作電壓(V) 354 260
最大輸出工作電流(A) 495 48
輸出最大功率(W) 175 125
尺寸(mm)W15736timesL826
timesH46
W1200timesL802
timesH46
重量(kg) 17 125
測定條件日照強度 AM151000Wm2Module 溫度 25
何謂AM0AM1AM15
Wavelength (microm)
Spec
tral
Irr
adia
nce
(Wm
-2micro
m-1) AM0
AM15
AM 即 Air Mass(不同 Air Mass 代表不同太陽光光譜)
bull AM0 (Air Mass 0) ~ 1400 W bullm-2
bull AM1 (Air Mass 1) ~ 1000 W bullm-2
bull AM15 (Air Mass 15) ~ 844 Wbullm-2
AM15 1000 Wbullm-2 (IEC 891 IEC 904-1)
Earth
AM0
AM1
AM15
大氣層
45o
太陽電池直接驅動負載如馬達等(應用於玩具車船馬達音樂卡片hellip)
bull 電力現買現賣
bull 負載匹配(容量與電壓)
bull 溫度效應
bull 搭配(超高)電容可以提高效能
太陽電池(直流)基礎應用範例(I)
I M
+
-
C
圖片資料來源httpshoppingyahoocom httpwwwsolar-icomSampYhtml
太陽電池先對電池充電再由電池供應負載(應用於玩具車船電動機械夜間燈光計算機鐘錶3C產品hellip)
bull 電力零存整付
bull 太陽電池電池電壓匹配
bull 溫度效應
bull 使用阻隔二極體
bull 電池過充放電保護
太陽電池(直流)基礎應用範例(II)
I負載
+
-
電池
圖片資料來源httpshoppingyahoocom httpwwwsolar-icomSampYhtml
FAQ1太陽電池應用效能不佳太陽電池之負載匹配(Load Matching)
RshID
IL
+
----
v
I
RL
Rs
bull Efficiency of a PV system is strongly affected by load matching
bull Measurement of I-V Characteristic curve is important
VocVm
Im
Isc
Pm
RL 1
RL 3
RL 2 Battery voltage
RL
----
+
不同日照強度下太陽電池 I-V 特性曲線
bull 最大輸出功率隨日照強度而改變並非永遠等於額定值
0
1
2
3
4
5
6
7
0 10 20 30 40 50
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
1000Wm2 (AM1)
500Wm2 (05AM1)
不同溫度下太陽電池 I-V 特性曲線
bull太陽電池溫度升高時輸出電壓與最大輸出功率降低
0
1
2
3
4
5
6
7
0 10 20 30 40 50
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
75oC 50oC 25oC 0oC
Battery voltage
0
1
2
3
4
5
6
7
0 10 20 30 40 50
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
500Wm2 (05AM1)
1000Wm2 (AM1)
太陽電池之動態負載匹配(日照變化)
RL(high)
RL(low)
bull Maximum power tracking is required in high efficiency PV system
太陽電池 I-V 特性曲線測量方法
VocVm
ImIsc Pm
C+
-
A
VR
A
V
A
V可程式負載
模擬陽光使用鎢絲燈氙燈Solar Simulator 或太陽光
Pm lt few10 W Pm lt few 100 W Pm lt 100 kW
Solar Simulator Array Tester
圖片資料來源httpwwwspiresolarcomSolarequipmenthtml
太陽於天球(Celestial Sphere)上運行之軌跡
冬至 春秋分 夏至 冬至 春秋分 夏至 春秋分 夏至
北緯 0o 北緯 45o 北緯 90o
(赤道) (北極)
天球
太陽運行軌跡與太陽電池仰角
冬至 夏至春秋分
所在緯度235o
235o47o0o
47o 235o
13太陽電池組列仰角與間隔設計例
bull組列仰角~235o (台灣地區)
bull h=組列總高度( lt 15 m)
bull L2=h tan(55o) = 057 L0
(55o可適用於冬至0900~1500)
bull水平角度=正南 plusmn5o
235o
55o
235o
夏至
冬至
春秋分
235o 235o
南
h = 04 L0
L1= 092 L0L2 = 057 L0
L0
L1 + L2 = 15 L0
2零交越偵測電路分析
bull 零交越偵測電路如圖1 所示主要目的在於檢測輸入弦波電壓之零交越點其電路輸出為ㄧ方波信號利用方波上緣信號觸發數位訊號處理器之外部中斷腳位進而進行相位同步之功能[4]零交越偵測電路輸入與輸出波形如圖2 所示相位同步控制當數位訊號處理器發生上緣觸發時此觸發訊號如同系統重置訊號將正弦表指標變數歸零一經重置後指標變數又開始計數藉由每週期ㄧ次的重置訊號迫使換流器輸出達到同步相位同步控制波形示意圖如圖3 所示圖4 為零交越偵測電路輸出實測圖[4]
3系統電路架構與動作模式
bull A
bull 本文所述之系統為一太陽光電能轉換系統方塊圖如圖5 所示主要部分包括太陽能板直流-直流轉換器全橋式換流器數位訊號處理器感測迴授電路與驅動電路此一系統之基本動作情況為一般情況下斷路器1 和斷路器2 均為導通狀態此時太陽光電能轉換系統與電力網路處於連結運轉模式而當電力網路供電中斷時斷路器2 將被斷路以避免孤島現象的發生反之若是太陽光電能轉換系統發生故障時斷路器1 將被斷路以避免電力網路受到其故障的影響
31系統電路架構與動作模式
bull B
bull 電路工作模式bull 此一太陽光電能轉換系統主要有兩種工
作模式以下為二種工作模式的操作說明
bull (1) 獨立運轉模式bull 如圖6 所示獨立運轉模式為當電力網
路供電中斷時斷路器2 將被斷路而此時太陽光電能轉換系統將操作在電壓控制模式下提供負載一穩定的輸出電壓
bull (2) 與電力網路連結運轉模式bull 如圖7 所示與電力網路連結運轉模式
將太陽光電能轉換系統與電力網路連結運轉也就是斷路器1 和斷路器2 同時導通此時系統將操作在電流控制模式下首先經由最大功率點追蹤程式運算出瞬時最大功率點的電流參考值再根據此一電流參考值輸出一與電力網路電壓同相位的電流至負載或甚至回送至電力網路
31直流至直流切換式轉換器
典型直流至直流轉換器系統之構造如圖21所示其輸入通常為由線電壓整
流而得之非調節直流電壓然後再利用切換式直流至直流轉換器將此變動之
直流電壓轉換成一調節之直流電壓
無控制之二極體橋式整流器
交流線電壓
(單相或三相)
直流電壓
(無調節性)
濾波電容 (無調節性)
直流至直流轉換器 (具調節性)
負載
蓄電池
直流電壓 直流電壓
控制訊號1降壓式(step-down buck)轉換器
2升壓式(step-up boost)轉換器
3升降壓式(step-downstep-up buck-boost)轉換器
4全橋式轉換器
上述四種轉換器中只有降壓式及升壓式是最基本的轉換器電路架構升
降壓式轉換器是此二基本轉換器之結合而全橋式轉換器則是由降壓式轉
換器衍生而來
直流至直流轉換器之控制
直流至直流轉換器的作用即是在輸入電壓與輸出負載變動的情況下能夠調
節輸出電壓為所設定的位準電壓位準轉換之原理可以圖22(a)所示之簡單
電路來說明由開關導通與截止可得圖22(b)之波形其中輸出電壓vo平均
值大小Vo與開關之導通及截止時間(ton及toff)有關平均輸出電壓大小調整
之最典型的方式是採用脈波寬度調變法(Pulse-Width ModulationPWM)
其切換週期Ts(= ton+toff)為固定由調整導通時間之大小來改變平均輸出電
壓之大小Vo
+
_
Vd
R
+
_
Vo
0Vd
Vo
vo
tton toff
Ts
脈波寬度調變切換控制的方塊圖如
圖23(a)所示開關之切換控制信號
由控制訊號vcontrol與週期為Ts之鋸齒
波vst比較而得控制信號則由Vo之
實際值與設定值之誤差放大而得
vcontrol與vst比較所得之切換控制信號
的波形如圖23(b)所示當控制訊號
vst較大時則為高準位信號即使
開關導通反之為低準位信號即使
開關截止故開關之切換週期亦為
Ts 由以上的原理可知開關切換
之責任週期 (Duty Ratio)為D=tonTs
=vcontrolVst 其中Vst為鋸齒波之振
幅
放大器
+
-Vo
(設定)
(實際)
Vo
比較器
週期性波形 stv
切換控制訊號
控制訊號
0 t
$Vst
=stv 鋸齒波電壓
controlv (放大誤差)
On On
Off Off
stcontrol vv gt
stcontrol vv ltton toff
Ts
切換控制訊號
(切換頻率 fT
s
s
=1
)
升壓式直流至直流轉換器
圖211為升壓式轉換器電路主要用途為直流電源供應器與直流馬達之
再生制動(Regenerative Breaking)顧名思義其輸出電壓高過於其輸入
電壓當開關導通時二極體反向偏壓輸入電能儲存於電感負載電
能則由電容提供當開關截止時負載吸收輸入及儲存電感中之電能
-
L
CRVd
Vo
vL
iL
io
+
-
++
_
t0
t0
vL
iL
I L
Ts
toffton
_++
_
+
_
+ _+
_
+
_
iL
vL
Vd Vo
iL
vL
Vd Vo
)( dV
)( od VV minus
圖212所示為電感電流為連續之
穩態工作波形由穩態下電感電
壓一週期之平均值為零可得
0)( =minus+ offodond tVVtV
等號兩側除以Ts重新整理可得
Dt
T
V
V
off
s
d
o
minus==
1
1
假設電路無損失輸入功率
Pd=VdId 等 於 輸 出 功 率
Po=VoIo 則
)1( DI
I
d
o minus=
非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器
bullBoost之設計假設輸入10V輸出30V頻率50kHz輸出10W
所以D＝23
( ) s
o
o TDDP
VL
22
12
minusge
=6667uH
取75uH
D
VV in
o minus=
1
L
Vi
n
S Vo
+
_
C
DiL
vds
升降壓式直流至直流轉換器
升降壓式轉換器的主要用途為輸入與輸出之極性相反輸出電壓可以高於
或低於輸入電壓之直流電源供應器升降壓式轉換器可以由降壓式轉換器
與升壓式轉換式串接而成穩態下輸入與輸出電壓轉換器之比值為二轉換
器個別比值之乘積
D
D
V
V
d
o
minus=
1
因此變化責任週期D可使輸出電壓高於或低於輸入電壓
+
_
+
_
_
+
RC Vo
L
Vd
io
iLvL
id
降壓式直流至直流轉換器
降壓式轉換器顧名思義其作用為將較高準位的輸入電壓換成較低
準位的輸出電壓主要用途為直流電源供應器及直流馬達速度控制
圖22(a)所示為提供純電阻性負載之降壓式轉換器由圖22(b)可知其輸
出電壓波形由開關位置決定平均輸出電壓為
dd
s
onT
t
t
d
s
T
o
s
o DVVT
tddV
Tdv
TV
s
on
ons ==+== intintint )0(1
)(1
00ττττ
+
_
Vd
R
+
_
Vo
0Vd
Vo
vo
tton toff
Ts
32直流至交流切換式反流器
切換式直流至交流(DCAC)反流器(Inveter)乃用以將直流電源轉換成振幅
與頻率均可調之正弦式交流電源主要用途為交流馬達驅動與交流不斷
電電源供應器圖31為典型交流馬達驅動之反流器方塊圖其直流輸入
電壓通常由線電壓整流及濾波而得接著再利用切換式反流器改變輸出
電壓之振幅與頻率以驅動交流馬達切換式反流器功率之流通通常是
由直流至交流稱為反流模式但亦可以從交流至直流稱為整流模
式
+
_
交流馬達
二極體整流器 濾波電容 切換式反流器
Vd
三相交流電源
反流器包括單相及三相其輸入為直流電壓源者稱為電壓源反流器
(Voltage Source InverterVSI)另外若輸入為直流電流源者稱為電流
反流器(Current Source InverterCSI)目前僅應用在高功率之交流馬達
驅動器
1脈波寬度調變(PWM)反流器其輸入電壓通常為固定反流器本身具備變
頻及變壓的功能而變頻及變壓乃利用開關之脈波寬度調變切換控制達成
有許多類型之脈波寬度變技術可以使輸出電壓近似弦波
2方波(Square-Wave)反流器此反流器輸出電壓振幅乃由其輸入電壓調
整
反流器本身只控制輸出頻率交流輸出電壓波形近似方波因此乃稱方波
反流器
3採用電壓消去法(Voltage Cancellation)之單相反流器單相反流器當輸入
電壓為定值時可以利用電壓消去法來變頻及變壓而不須採用脈波寬度
調變其輸出電壓波形近似方波因此其結合了前述兩種反流器的特色
值得注意的是電壓消去法並不適用於三相反流器
切換式反流器之基本觀念
考慮圖33(a)之單相反流器假設其正弦輸出電壓vo是經過濾波所得若
輸出之負載為電感性(如馬達)則輸出電流io將落後vo 如圖33(b)所示
在期間1及3中 vo與io同號瞬時功率Po=voio為正故功率由直流側送至
交流側稱之為反流模式在期間2及4中 vo與io異號瞬時功率Po為負
故功率由交流側送至直流側稱之為整流模式圖33(a)之切換式反流器
在每一週期內會經歷平面上四個象限中之所有象限
單相切
換式變
流器與
濾波器
o
o
+
-
+
-
Vd
vo
id
io
0t
4 1 2 3
voio
io
vo
1反流器
4整流器
3反流器
2整流器
0
為清楚解釋起見以單臂反流器來說明
+
_
+
_
+ +
__
Vd
Vd
2
Vd
2
A
N
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
vAN
oo
o
反流器電路之脈波寬度調變切換技術如圖35(a)所示由一正弦波形控
制訊號vcontrol與三角波形vtri作比較三角波(又稱載波)之振幅為Vtri頻率
為fs fs決定反流器開關之切換頻率正弦波控制電壓vcontrol(又稱調制訊
號)之基頻f1決定反流器之輸出頻率而其振幅則決定反流器輸出電壓之
大小定義振幅調變指數為ma=Vcontrol Vtri 其中Vcontrol為vcontrol之振幅
而頻率調變指數則定義為mf = fs f1
0 t
vcontrol vtri
sf
1
0 t
vAo
V d
2
minusVd
2
t=0
v v
T on T off
control tri
A A
lt
minus + v v
T on T off
control tri
A A
gt
+ minus
1)( AoAo vv =之基本波
0 t
vcontrol vtri
sf
1
圖34反流器之開關的控制方法與io方向無關為
dAoAtricontrol VvTvv2
1=gt +導通
dAoAtricontrol VvTvv2
1minus=lt minus導通
由於二開關之導通為互補因此輸出電壓只在Vd 2與-Vd 2二值間作變
動圖35(b)所示為ma=08與mf =15時輸出電壓vAo及其基本波(以虛線表示)
之波形
+
_
+
_
+ +
__
Vd
Vd
2
Vd
2
A
N
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
vAN
oo
o
單相全橋式反流器
單相全橋式反流器如圖311所示乃由兩個前述之半橋反流器所組成在
相同之輸入電壓下全橋式反流器之最大輸出電壓為半橋式之兩倍這代
表在相同之功率下全橋式反流器之輸出及開關電流僅為半橋式之一半
此對於高功率用途是一大優點因其可以降低使用並聯元件之需求
+
_
+
_
+
_
Vd
Vd
2
Vd
2
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
v v vo Ao Bo= minuso
A
B
TBminus
TB+
DBminus
DB+
+_
id
o
o
N
雙極性電壓切換之脈波寬度調變
0 t
vcontrolvtri
sf
1
0 t
ov1ov
dV
dVminus
單極性電壓切換之脈波寬度調變
onBT +
trivgttricontrol vv gt
trivcontrolv
t
)( controlvminus
)( controlvminusonAT +
t1ov
dV
dVminus
)( BNAN
o
vv
v
minus=
應用雙極性電壓切換之脈波寬度調
變全橋式反流器乃 (TA+TB-)與 (TA-
TB+)成對切換且二者互相反相
應用單極性電壓切換之脈波寬度調
變全橋式反流器乃A臂與B獨立切
換且同臂二開關互相反相
三相反流器
+
-
+
-
+
-
dV
2dV
2dV
+AT
minusAT
+AD
minusAD
o
BminusT
+BT
minusBD
+BD
di
minusCT
+CT
minusCD
+CD
N
A B C
o
0 t
triv Acontrolv Bcontrolv Ccontrolv
0
BNANAB vvv minus=
t
dV
之基本波1LLv
ANv
0 t
dV
t0
BNv
dV
三相電壓源反流器之脈波寬度調變切換的功能為在固定輸入直流電壓下用以調整三相輸出電壓之振幅及頻率三相脈波寬度調變方式由三相各差120度的控制電壓與三角波作比較其波形與單相全橋式反流器採用脈波寬度調變單極性切換者類似
最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法
33最大功率追蹤最大功率追蹤最大功率追蹤最大功率追蹤
為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點本文使用本文使用本文使用本文使用擾動觀察法擾動觀察法擾動觀察法擾動觀察法(Perturbation and Observation Method PampQ)進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功率追蹤率追蹤率追蹤率追蹤由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點下圖為擾動下圖為擾動下圖為擾動下圖為擾動觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖為利用為利用為利用為利用DCDC轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作時時時時其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為0之特性之特性之特性之特性使用使用使用使用DCDC轉換器控制太陽轉換器控制太陽轉換器控制太陽轉換器控制太陽能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動
擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖
最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法
左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖蹤示意圖蹤示意圖蹤示意圖太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分為兩個特性區域為兩個特性區域為兩個特性區域為兩個特性區域假設進行追蹤假設進行追蹤假設進行追蹤假設進行追蹤時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時電壓電壓電壓電壓的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率增加增加增加增加若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出功率減少功率減少功率減少功率減少經由經由經由經由DCDC轉換器調轉換器調轉換器調轉換器調節太陽能板與節太陽能板與節太陽能板與節太陽能板與DCDC轉換器的阻轉換器的阻轉換器的阻轉換器的阻抗相互匹配抗相互匹配抗相互匹配抗相互匹配進而得到太陽能板進而得到太陽能板進而得到太陽能板進而得到太陽能板的最大輸出功率的最大輸出功率的最大輸出功率的最大輸出功率
擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖
4軟體規劃
bull 系統控制程式主要分為主程式固定週期中斷副程式市電電壓零交越中斷副程式等三大部分以下將分別介紹各部分程式流程
bull 本系統主程式主要執行數位訊號處理器周邊暫存器的初始設定以及變數宣告其中除了變數宣告外周邊暫存器的初始設定包括有規畫中斷向量設定計數器之計數模式計數週期中斷的時間和PWM 輸出模式等相關參數設定
bull 如圖8 所示系統初始設定後必須先等待中斷發生才能決定系統是否執行固定週期中斷程式或零交越中斷副程式
bull 圖9 為固定週期中斷副程式流程圖固定週期中斷頻率與換流器開關之切換頻率相同為20kHz程式開始會先偵測太陽能板電壓及電流與直流鏈電壓當確定市電電壓零交越中斷發生時必須先將輸出弦波訊號之指標強制為原點重新送出單位弦波確保換流器輸出電流與市電電壓能維持同相位接著比較太陽能板輸入電壓VPV 是否大於最低工作電壓VPV_work如果確定大於最低工作電壓則致能太陽能最大功率追蹤反之則禁能系統動作程式返回圖9 中的正弦脈寬調變副程式主要功能在於決定換流器中開關的動作順序與責任週期大小以及輸波參考訊號
bull 圖10 為太陽能最大功率點追蹤副程式流程圖在文中對最大功率追蹤採用擾動與觀察法配合太陽能光電板的電壓mdash功率特性曲線即可瞭解程式如何完成太陽能光電板最大功率點追蹤
主程式流程圖
5實驗
bull 依據上述的分析採用DSP 2407A 建立一個500W 太陽光電池電能轉換系統依據圖11 之
bull 電路架構其規格與元件參數分別列於表一表二及表三系統實驗波形圖12圖13圖14 及
bull 圖15 為系統操作在獨立運轉模式下負載分別為120W240W360W 及480W 時之換流器輸出
bull 電壓及輸出電流之實測波形
系統規格與元件參數
實測波形
6實務應用系統實務應用系統實務應用系統實務應用系統
獨立系統示意圖獨立系統示意圖
考慮點
系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等安全係數最佳化設計複雜)
一般充電控制器無 MPPT搭配蓄電池使發電效能較差
蓄電池每日gt50DOD深度放電gt02C充電壽命短
太陽光發電量與負載需求量不搭配時太陽光之發電能量利用率偏低 (負載需求搭配與安全係數為互相矛盾之設計)
PV-柴油發電機PV-風力等混合系統為改善之方法
市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台
電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池
併聯系統示意圖併聯系統示意圖
緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析
1 系統設置成本高建議使用於邊際效益高之用電（防災緊急輔助電力）
2 總體經濟效益減少環境污染解決尖峰用電之不足與短缺能源多元化之風險分擔與開創自主能源
3 遮蔽陽光直曬降低建築物之熱效應（被動省能）同時轉換太陽光為電能供應建物自主能源（主動節能）一舉兩得
緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較
30萬元divide21900kWh＝137元度2萬元divide50kWh＝400元度每度電成本
日發電度數times365天times20年＝3hrtimes1kWtimes365天times20年＝21900kWh（度）
（年停電＋年測試運轉時數）times10年＝（20mintimes6次＋15mintimes12月）times10年＝5hrtimes1kWtimes10年＝50kWh
總發電度數（1kw計）
夜間不發電（可利用蓄電池設計供電年維運費02）
噪音空污油料運輸儲油危險維運成本高
缺點
利用露台屋頂牆面空間設備煙管隔音油槽需室內空間
設置空間
平時緊急時均可使用隨時可了解運轉狀況不須操作
加ATS停電時方可啟動需人員每月定期測試運轉
系統運作
太陽光潔淨能源（免費）柴油使用燃料
20年7~10年使用壽命
1kW=30萬元1kW=2~3萬元設置費用
太陽光發電系統柴油發電機
風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析
運用多元化能源分擔風險情況比較說明如下
1 市電--gt停電時風險極高
2 市電＋柴油發電機--gt發電機故障時風險高
市電＋柴油發電機＋太陽光發電系統--gt發揮三者優點互補同時故障機率小風險最低
案例
832kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide057＝317 m2
115kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide075＝332 m2
緊急時057平時065~08
綜合係數溫度變化污損線損Inverter效率＋蓄電池充放電補償
電力需求divide（日照強度times日照時間times模板效率times綜合係數）
模組面積估算
日照強度1kWm2
日照時間384hd
模板效率12
832kWhd500人用電量115kWhd770人用電量
緊急時平時
電力需求估算
緊急時40kWtimes384hdtimes057＝875 kWhd
平時40kWtimes384hdtimes075＝1152Whd
太陽發電系統發電量＝設置容量times日照時間times綜合係數
發電量計算
332m2times1kWm2times12＝398kW≒40kW
太陽發電系統設置容量＝設置面積times日照強度times模板效率
設置容量計算模板效率依太陽電池種類而異
進行模板陣列及蓄電池容量設計
40kWdivide18片串divide120W＝185列≒19
列
40kWdivide17片串divide120W＝196列≒20
列
陣列併列數＝設置容量divide單串功率
18片times120W＝2160W
17片times120W＝2040W
單串功率
300Vdivide169V＝1775片（取整數17 or 18）
陣列串聯數＝Inverter輸入電壓divide模板輸出電壓
模板陣列設計
1 模板功率120W
2 模板輸出電壓169V
3 直交流轉換器(Inverter)輸入電壓300V
120Wtimes17片串times20列＝40800W＝340片(最佳陣列)
120Wtimes18片串times19列＝41080W＝342片
最佳陣列較經濟之設置容量選擇最佳陣列
蓄電池數量＝144個times2列＝288個
120640Whdivide288Vdivide200Ah＝21列≒2列
併列數＝蓄電池需求容量divideInverter額定電壓
288Vdivide2V＝144個
串聯數＝Inverter額定電壓divide蓄電池電壓串併數設計
middot 蓄電池電壓2V個
middot 蓄電池容量200Ah個
Inverter電壓輸入電壓 額定電壓300V 288V200V 192V
蓄電池需求容量＝832kWhdtimes1dtimes145＝12064kWh
蓄電池需求容量＝緊急電力需求times無日照天數times補償係數補償係數蓄電池內阻抗放電停止電壓電壓降低補償
蓄電池需求容量設計
middot 補償係數145
無日照天數1日
61市電相關規定市電相關規定市電相關規定市電相關規定
1 發電設備併接於低壓系統者其總容量未滿100kW且技術無困難者得併接於單相三線110V220V三相三線220V之配電系統若總容量在100kW以上而未滿500kW得分別併接於3相4線220V380V之配電系統
2 發電設備總容量在500kW以上而未滿5000kW10000kW且技術無困難者得分別併接於114KV228KV之高壓配電系統
3 電設備總容量在10000kW以上而未滿40000kW者得併接於特高壓之系統
4 發電設備總容量在40000kW以上者依個案研討分類
併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類
發電系統經由發電系統經由發電系統經由發電系統經由110V220V110V220V110V220V110V220V併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者發電設發電設發電設發電設備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能
1 過電壓保護 低電壓保護
2 低頻保護 高頻保護
3 過電流保護 零相過電壓接地保護
4 發電設備為無逆送電力者須加裝逆電力保護
5 發電設備為有逆送電力者必須具備主動及被動防止單獨運轉保護
發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經110V220V110V220V110V220V110V220V系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者在電在電在電在電源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器
發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業114KV228KV114KV228KV114KV228KV114KV228KV之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者((((高高高高壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶))))發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Extremely Inverse特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Extremely Inverse特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過流電驛(67)須具Normal Inverse特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
發電設備併接於電業69KV特高壓輸電系統者發電設備之輸出端至少應具有下列同等保護功能並須與電業該轄區之保護設備協調
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Normal Inverse之特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Normal Inverse之特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過電流電驛(67)須具Normal Inverse之特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
8 快速及後衛保護電驛如系統保護需要時應裝設
9 匯流排電驛採用GIS斷路器者應裝設
62626262太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範
1 故障電流
太陽光電發電系統大於100kW以上須計算故障電流其送至電業系統之故障電流不得影響電業及其他用戶斷路器之起斷容量否則需裝置限流電抗器
太陽光電發電系統之隔離變壓器接地方式須與電業之系統配合
2 正常電壓變動率應維持在plusmn5以內
3 太陽光電發電系統與電業間之責任分界點的功率因數以維持85落後至100之間運轉為原則
4 諧波污染限制應依照「電力系統諧波管制暫行標準」辦理
分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性
適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯型之規範型之規範型之規範型之規範
電力轉換器電力轉換器電力轉換器電力轉換器(電力調節器電力調節器電力調節器電力調節器)(InverterConditioner)
蓄電池蓄電池蓄電池蓄電池(Battery))
63大型(商用)太陽光發電系統應用(gt1 kWp)
太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統
單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池(Unit Solar Cell)
太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板(PV Module)
太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列(PV Array)
太陽光發電系統應用獨立系統
(A) 獨立系統(Stand-Alone
System)
bull 蓄電池保護壽命
(B) 混合型交流獨立系統 (Hybrid
System)
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
直流負載PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
整流器
輔助發電機
PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載- ~PCU
直直直直交流轉換器交流轉換器交流轉換器交流轉換器
太陽光發電系統應用併聯系統
(D)併聯系統(Grid-
connected System)
特殊功能1 最佳效能2 防止獨立運轉(連線保護)
3 可自力運轉
(E) 防逆流型系統(Off-line System)
(F) 防災型併聯系統
充電控制器
蓄電池
直交流轉換器
PCU太陽電池組列
交流負載
ATS
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
獨立型系統
適用地點高山離島基地台hellip等市電無法到達處
工作方式白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
必須可以自給自足
缺點bull 系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等
安全係數設計很困難)
bull 蓄電池建置複雜成本很高壽命很短
bull 負載搭配不良時發電效能不佳利用率將偏低
bull 需由專人隨時維護
bull 混合系統為一種解決方法
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
PCU
併聯型系統
適用地點電力正常送達之任何地點工作方式 bull 白天 PV系統併聯發電夜間由台電供電bull 將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的蓄電池
優點bull 系統簡單不需安全係數設計(依預算設計)不需要專人維護bull 併聯發電效率高利用率高
缺點bull 停電時無電可用bull 受併聯法規限制尚未開放(但即將開放)
bull 有孤島效應之疑慮(目前技術上已解決)
改善型無電池自力運轉
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
市電併聯型住宅用太陽光發電系統
太陽光發電系統發電及負載用電對時間之關係
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
併聯型直交流轉換器之效能要求較高
1 最大功率追蹤(Maximum Power Tracking MPT)
2 高轉換效率 gt 90 (PWM+電力電子元件)
3 高次諧波功率 Distortion (lt5 total)
4 自動開關機(白天夜晚)
5 過負載保護過溫度保護
6 體積小重量輕室外防水防塵
7 電腦界面可遠端監控
8 防止獨立運轉(連線保護)
9 可自力運轉
太陽電池組列
交流負載
直交流轉換器MPT
Power Conditioner
併聯系統之獨立運轉(單獨運轉)
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull停電時單一併聯系統將會停止運作
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
bull 市電停電時多數併聯系統仍聯合運作將對電力公司人員產生嚴重危害
孤島效應之防止方法
停電偵測1 過電壓低電壓
2 過頻率低頻率
3 被動式偵測如
bull 電壓與頻率監視方式
bull 電壓相位跳躍監視方式
bull 高次諧波監視方式
bull 頻率變化監視方式
PV組列
直交流轉換器
自家負載
4 主動偵測如
bull 頻率Shift方式
bull 配電線負載變動方式
bull 有效電力變動方式
bull 無效電力變動方式
反應時間05~2秒
資料來源「日本電氣用品試驗所」分散型電源系統連系技術指針(1998)
併聯系統之自力運轉功能
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull 大停電後白天有陽光時以人工啟動 PV 系統進行自力運轉供自家負載使用(但夜間無法使用)
防災型併聯型系統
適用地點有防災需求(照明汲水通信hellip)之公共設施
工作方式
bull 平時PV併聯發電(電池浮充) 效率高利用率高夜間由台電供電
bull 視需要建置供防災用電池大停電時白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
缺點bull 含電池成本較高bull 系統較複雜需專人定期維護
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
FAQ1太陽光發電需要多少土地
效率 = (輸出功率W) (組列面積 m2 x 日照強度 Wm2 ) x 100
模板面積 m2 = 輸出功率W (效率 x日照強度Wm2 ) x100
bull 假設使用效率gt136 模板於1000 Wm2 (AM15)日照強度下
10 kWp 模板面積 (m2) = 10000 (0136 x 1000) ~ 735 m2
10 kWp PV系統土地面積需求約
~ 735 m2 x 15 x 11
~ 121m2 (~36坪)
(包括陰影面積及維修空間)
bull 假設使用效率~10 模板
則模板面積約 ~ 100 m2
土地面積需求約 ~ 165m2 (~50坪)
gt55o
夏至
冬至
春秋分
235o 235oh
L1 L2
FAQ2太陽電池一年能發多少電
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
10 kWm2
05 kWm2
日照強度
等效日照時數(Sun Hour)
組列單日發電量 = 組列額定輸出功率 x 等效日照時數
bull 預估1 kWp 組列單日發電量 = 1 (kW) x ex 4(Sun Hour)= 4 kWh
組列年發電量 = 組列額定輸出功率 x 年平均每日日照時數 x 365
bull 預估 1 kWp 組列年發電量 = 1 x 4 x 365 = 1460 kWh
時間時間時間時間
FAQ3太陽光發電的成本(簡易估算)
1 假設目前太陽光發電系統設置成本約為 NT$ 280000 kWp
2 假設年平均每日日照時數約為 25 Sun Hour (台灣中南部地區)
bull 1 kWp 組列單日發電量= 1 (kW) x 25 (Hour)= 25 kWh
bull 1 kWp 組列年發電量= 25 x 365 = 913 kWh (度)
3 假設太陽光發電系統使用壽命為 20 年
bull 1 kWp 太陽光發電系統總共可發電 20 x 913 = 18260 度
4 生產每度電之成本約為 280000 18260 ~ NT$ 153
5 未來發展趨勢
bull 太陽光發電系統設置成本將逐年降低
bull 市電電費將會升高(國內目前約 NT$ 3 度日本約NT$ 7 度)
bull 傳統能源限制再生能源獎勵利率降低
64獨立型太陽光發電系統應用例(一)
bull太陽電池時鐘-日本bull太陽電池路燈-日本千里住宅公園
獨立型太陽光發電系統應用例(二)
bull太陽電池交通標誌-日本北海道 bull高速公路緊急電話-日本
獨立型太陽光發電系統應用例(三)
bull800W無線通信中繼基地台韓國(1998)
獨立型太陽光發電系統應用例(四)
bull離島用90kW獨立型發電系統韓國Ho-Do島(1992)
併聯型太陽光發電系統應用例(一)
bull設置於屋頂之住宅用太陽光發電系統(建材一體型日本千里住宅公園內住宅設計之一)
併聯型太陽光發電系統應用例(二)
bull日本東海線新幹線京都車站之太陽光發電系統(100kWp)
併聯型太陽光發電系統應用例(三)
bull日本京瓷(Kyocera)京都總公司大樓之太陽電池發電系統(220kWp)
太陽光發電發電廠應用例
太陽電池發電廠
(PV Power Plant)
資料來源 ANIT
Srl Italy
建材一體型太陽電池模板應用例
bull資料來源 Pilkington Solar International GmbH 德國
太陽能車應用例
Honda Dream
bull資料來源 PV Special Research
Centre UNSW Australia
交大太陽能車
bull資料來源 National Chiao-Tung
University Taiwan
太陽光發電航太應用例(NASA Helios )
bull空中無線通訊平台應用
資料來源SkyOne Inc Taiwan
bull 飛行高度5-7 萬英呎(最高記錄 96000 英呎)
bull 時速60 mph (起飛 25 mph)
bull 翼展247 英呎bull 重量2000 磅bull 太陽電池效率要求gt22
資料來源httpwwwaerovironmentcomhomehtml
清雲技術學院 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
個人住宅 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
勤益技術學院 3kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
南台科技大學 10kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
總統府 10kWp 獨立型太陽光能發電系統 (9012)
海巡署南沙太平島 20kWp 混合型(柴油發電機)太陽光能發電系統 (9011)
90能源基金示範補助成果例
台電樹林 20kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
併聯型
台電台北市區處 20kWp 太陽光發電系統
(91能源基金示範補助成果)
併聯型
7結論
bull (1)提高電力轉換器效率
bull 轉換器的損失主要來自於開關切換時之損失為了可以降低濾波電路中電感和電容的體積可以提高切換頻率但是相對於開關的切換損失也因此而增加導致轉換器的效率降低因此發展零電壓或零電流切換技術應用於高切換頻率之轉換器將可以提高轉換器的效率
bull (2)提高太陽光發電系統之整體效率
bull 傳統之太陽光發電系統包含儲能系統和供電系統前級利用DCDC轉換器作最大功率追蹤後級則利用DCAC轉換器轉換能量供應給交流負載為了提高太陽光發電系統的整體效率在研究可提出了模組並聯控制技術以提昇各級電力轉換器的效率而在未來太陽光發電系統也將著重在單級電力轉換器的設計對於整體系統效率有較明顯的改善
8參考資料
1許國強ldquo太陽光發電原理與應用工研院材料所 薄膜技術組91年
2華志強黃崇倫ldquo智慧型能量控制於太陽光電能轉換系統國立雲林科技大學電機工程學系電力研討會97年
3林政達ldquo數位式市電並聯換流器與快速鎖相迴路控制器之研製國立雲林科技大學電機工程學系碩士論文92 年
4李思賢ldquo數位式單相低功率太陽光電能轉換系統國立中山大學電機工程學系碩士論文92 年
5洪世杰ldquo適用於再生能源之市電併聯型雙輸入供電系統國立中正大學電機工程研究所碩士論文93 年
6王廷興ldquo太陽能發電配電設計概要台北科技大學冷凍空調系 92年
7魏榮宗王文宏ldquo高效率太陽光電能源轉換系統 元智大學電機工程學系94年
[ ] 100)25(
)11
(exp
1)(exp
3
λminus+=
minus
=
+minus
minus+minus=
TKII
TTBk
qE
T
TII
where
R
IRVIRV
AkT
qIII
ISCRLG
r
GO
r
oros
sh
ssosLG
VI cell output current and voltagecell reverse saturation currentcell temperature in CBoltzmannrsquos constantelectronic chargeshort circuit current temperature coefficientsolar irradiation in Wmshort-circuit current at 25 Cand 1000 Wm
light-generated currentband gap for siliconideality factorsreference temperaturecell saturation current atshunt resistanceseries resistance
osI
T
kq
00170=IK
SCRIλ
LGI
GOE
921== ABKTr deg= 18301
orI
shR
sR
附錄附錄附錄附錄- 太陽能電池太陽能電池太陽能電池太陽能電池
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
(a) Equivalent circuit of a PV module and
(b) Typical PV module current-voltage and power-voltage characteristics
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
Characteristic of a PV module with temperature and irradiation (a) constant irradiation and varying temperature and (b) constant temperature and varying irradiation
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
系統範例系統範例系統範例系統範例
中途驛站電化PV離島用PV系統山岳地帶PV系統離島偏遠區
勤務指揮中心緊急避難所醫療院所公園學校地震觀測站森林嘹望台避難指示燈氣象觀測所水位警報PV系統河川安全燈防波堤安全PV燈
緊急防災
緊急供電系統管線電氣防蝕輸油管流量計PV系統市場廣告塔海上石油平台各種計測站PV系統發電廠情報指揮中心
產業用
住宅用供電系統緊急供電系統緊急照明系統帷幕牆遮陽棚採光罩屋瓦建築物
無線通信用中繼站基地台緊急電話中繼站電話通信PV系統Radio受信PV系統微波中繼站
通訊
農宅用電溫室栽培PV系統農業灌溉用自動灑水系統農牧電籬牛乳冷藏漁業養殖揚水通氣自動餵食器
農林漁牧
路燈交通號誌道路指示牌標誌燈太陽能電動車充電站高速公路緊急電話偏遠道路緊急電話停車計時器停車場控制門系統高速公路防音壁PV系統公路休息區PV系統太陽能車平交道指示燈候車亭PV系統車站屋頂型PV系統
道路交通
收音機測電表手錶計算機太陽能照相機手電筒電池充電器野營燈民生
應用領域
太陽電池模板之規格範例
η (Efficiency) = (Vm x Im Pin) x 100
單晶矽模板效率 = (354 V x 495 A) ( 129 m2 x 1000 Wm2 ) x100
= 1358
單晶矽模板效率 = 1302
種類
項目單晶矽 多晶矽
額定輸出功率(Wp) 175 125
開路電壓(V) 444 323
短路電流(A) 555 546
最大輸出工作電壓(V) 354 260
最大輸出工作電流(A) 495 48
輸出最大功率(W) 175 125
尺寸(mm)W15736timesL826
timesH46
W1200timesL802
timesH46
重量(kg) 17 125
測定條件日照強度 AM151000Wm2Module 溫度 25
何謂AM0AM1AM15
Wavelength (microm)
Spec
tral
Irr
adia
nce
(Wm
-2micro
m-1) AM0
AM15
AM 即 Air Mass(不同 Air Mass 代表不同太陽光光譜)
bull AM0 (Air Mass 0) ~ 1400 W bullm-2
bull AM1 (Air Mass 1) ~ 1000 W bullm-2
bull AM15 (Air Mass 15) ~ 844 Wbullm-2
AM15 1000 Wbullm-2 (IEC 891 IEC 904-1)
Earth
AM0
AM1
AM15
大氣層
45o
太陽電池直接驅動負載如馬達等(應用於玩具車船馬達音樂卡片hellip)
bull 電力現買現賣
bull 負載匹配(容量與電壓)
bull 溫度效應
bull 搭配(超高)電容可以提高效能
太陽電池(直流)基礎應用範例(I)
I M
+
-
C
圖片資料來源httpshoppingyahoocom httpwwwsolar-icomSampYhtml
太陽電池先對電池充電再由電池供應負載(應用於玩具車船電動機械夜間燈光計算機鐘錶3C產品hellip)
bull 電力零存整付
bull 太陽電池電池電壓匹配
bull 溫度效應
bull 使用阻隔二極體
bull 電池過充放電保護
太陽電池(直流)基礎應用範例(II)
I負載
+
-
電池
圖片資料來源httpshoppingyahoocom httpwwwsolar-icomSampYhtml
FAQ1太陽電池應用效能不佳太陽電池之負載匹配(Load Matching)
RshID
IL
+
----
v
I
RL
Rs
bull Efficiency of a PV system is strongly affected by load matching
bull Measurement of I-V Characteristic curve is important
VocVm
Im
Isc
Pm
RL 1
RL 3
RL 2 Battery voltage
RL
----
+
不同日照強度下太陽電池 I-V 特性曲線
bull 最大輸出功率隨日照強度而改變並非永遠等於額定值
0
1
2
3
4
5
6
7
0 10 20 30 40 50
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
1000Wm2 (AM1)
500Wm2 (05AM1)
不同溫度下太陽電池 I-V 特性曲線
bull太陽電池溫度升高時輸出電壓與最大輸出功率降低
0
1
2
3
4
5
6
7
0 10 20 30 40 50
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
75oC 50oC 25oC 0oC
Battery voltage
0
1
2
3
4
5
6
7
0 10 20 30 40 50
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
500Wm2 (05AM1)
1000Wm2 (AM1)
太陽電池之動態負載匹配(日照變化)
RL(high)
RL(low)
bull Maximum power tracking is required in high efficiency PV system
太陽電池 I-V 特性曲線測量方法
VocVm
ImIsc Pm
C+
-
A
VR
A
V
A
V可程式負載
模擬陽光使用鎢絲燈氙燈Solar Simulator 或太陽光
Pm lt few10 W Pm lt few 100 W Pm lt 100 kW
Solar Simulator Array Tester
圖片資料來源httpwwwspiresolarcomSolarequipmenthtml
太陽於天球(Celestial Sphere)上運行之軌跡
冬至 春秋分 夏至 冬至 春秋分 夏至 春秋分 夏至
北緯 0o 北緯 45o 北緯 90o
(赤道) (北極)
天球
太陽運行軌跡與太陽電池仰角
冬至 夏至春秋分
所在緯度235o
235o47o0o
47o 235o
13太陽電池組列仰角與間隔設計例
bull組列仰角~235o (台灣地區)
bull h=組列總高度( lt 15 m)
bull L2=h tan(55o) = 057 L0
(55o可適用於冬至0900~1500)
bull水平角度=正南 plusmn5o
235o
55o
235o
夏至
冬至
春秋分
235o 235o
南
h = 04 L0
L1= 092 L0L2 = 057 L0
L0
L1 + L2 = 15 L0
2零交越偵測電路分析
bull 零交越偵測電路如圖1 所示主要目的在於檢測輸入弦波電壓之零交越點其電路輸出為ㄧ方波信號利用方波上緣信號觸發數位訊號處理器之外部中斷腳位進而進行相位同步之功能[4]零交越偵測電路輸入與輸出波形如圖2 所示相位同步控制當數位訊號處理器發生上緣觸發時此觸發訊號如同系統重置訊號將正弦表指標變數歸零一經重置後指標變數又開始計數藉由每週期ㄧ次的重置訊號迫使換流器輸出達到同步相位同步控制波形示意圖如圖3 所示圖4 為零交越偵測電路輸出實測圖[4]
3系統電路架構與動作模式
bull A
bull 本文所述之系統為一太陽光電能轉換系統方塊圖如圖5 所示主要部分包括太陽能板直流-直流轉換器全橋式換流器數位訊號處理器感測迴授電路與驅動電路此一系統之基本動作情況為一般情況下斷路器1 和斷路器2 均為導通狀態此時太陽光電能轉換系統與電力網路處於連結運轉模式而當電力網路供電中斷時斷路器2 將被斷路以避免孤島現象的發生反之若是太陽光電能轉換系統發生故障時斷路器1 將被斷路以避免電力網路受到其故障的影響
31系統電路架構與動作模式
bull B
bull 電路工作模式bull 此一太陽光電能轉換系統主要有兩種工
作模式以下為二種工作模式的操作說明
bull (1) 獨立運轉模式bull 如圖6 所示獨立運轉模式為當電力網
路供電中斷時斷路器2 將被斷路而此時太陽光電能轉換系統將操作在電壓控制模式下提供負載一穩定的輸出電壓
bull (2) 與電力網路連結運轉模式bull 如圖7 所示與電力網路連結運轉模式
將太陽光電能轉換系統與電力網路連結運轉也就是斷路器1 和斷路器2 同時導通此時系統將操作在電流控制模式下首先經由最大功率點追蹤程式運算出瞬時最大功率點的電流參考值再根據此一電流參考值輸出一與電力網路電壓同相位的電流至負載或甚至回送至電力網路
31直流至直流切換式轉換器
典型直流至直流轉換器系統之構造如圖21所示其輸入通常為由線電壓整
流而得之非調節直流電壓然後再利用切換式直流至直流轉換器將此變動之
直流電壓轉換成一調節之直流電壓
無控制之二極體橋式整流器
交流線電壓
(單相或三相)
直流電壓
(無調節性)
濾波電容 (無調節性)
直流至直流轉換器 (具調節性)
負載
蓄電池
直流電壓 直流電壓
控制訊號1降壓式(step-down buck)轉換器
2升壓式(step-up boost)轉換器
3升降壓式(step-downstep-up buck-boost)轉換器
4全橋式轉換器
上述四種轉換器中只有降壓式及升壓式是最基本的轉換器電路架構升
降壓式轉換器是此二基本轉換器之結合而全橋式轉換器則是由降壓式轉
換器衍生而來
直流至直流轉換器之控制
直流至直流轉換器的作用即是在輸入電壓與輸出負載變動的情況下能夠調
節輸出電壓為所設定的位準電壓位準轉換之原理可以圖22(a)所示之簡單
電路來說明由開關導通與截止可得圖22(b)之波形其中輸出電壓vo平均
值大小Vo與開關之導通及截止時間(ton及toff)有關平均輸出電壓大小調整
之最典型的方式是採用脈波寬度調變法(Pulse-Width ModulationPWM)
其切換週期Ts(= ton+toff)為固定由調整導通時間之大小來改變平均輸出電
壓之大小Vo
+
_
Vd
R
+
_
Vo
0Vd
Vo
vo
tton toff
Ts
脈波寬度調變切換控制的方塊圖如
圖23(a)所示開關之切換控制信號
由控制訊號vcontrol與週期為Ts之鋸齒
波vst比較而得控制信號則由Vo之
實際值與設定值之誤差放大而得
vcontrol與vst比較所得之切換控制信號
的波形如圖23(b)所示當控制訊號
vst較大時則為高準位信號即使
開關導通反之為低準位信號即使
開關截止故開關之切換週期亦為
Ts 由以上的原理可知開關切換
之責任週期 (Duty Ratio)為D=tonTs
=vcontrolVst 其中Vst為鋸齒波之振
幅
放大器
+
-Vo
(設定)
(實際)
Vo
比較器
週期性波形 stv
切換控制訊號
控制訊號
0 t
$Vst
=stv 鋸齒波電壓
controlv (放大誤差)
On On
Off Off
stcontrol vv gt
stcontrol vv ltton toff
Ts
切換控制訊號
(切換頻率 fT
s
s
=1
)
升壓式直流至直流轉換器
圖211為升壓式轉換器電路主要用途為直流電源供應器與直流馬達之
再生制動(Regenerative Breaking)顧名思義其輸出電壓高過於其輸入
電壓當開關導通時二極體反向偏壓輸入電能儲存於電感負載電
能則由電容提供當開關截止時負載吸收輸入及儲存電感中之電能
-
L
CRVd
Vo
vL
iL
io
+
-
++
_
t0
t0
vL
iL
I L
Ts
toffton
_++
_
+
_
+ _+
_
+
_
iL
vL
Vd Vo
iL
vL
Vd Vo
)( dV
)( od VV minus
圖212所示為電感電流為連續之
穩態工作波形由穩態下電感電
壓一週期之平均值為零可得
0)( =minus+ offodond tVVtV
等號兩側除以Ts重新整理可得
Dt
T
V
V
off
s
d
o
minus==
1
1
假設電路無損失輸入功率
Pd=VdId 等 於 輸 出 功 率
Po=VoIo 則
)1( DI
I
d
o minus=
非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器
bullBoost之設計假設輸入10V輸出30V頻率50kHz輸出10W
所以D＝23
( ) s
o
o TDDP
VL
22
12
minusge
=6667uH
取75uH
D
VV in
o minus=
1
L
Vi
n
S Vo
+
_
C
DiL
vds
升降壓式直流至直流轉換器
升降壓式轉換器的主要用途為輸入與輸出之極性相反輸出電壓可以高於
或低於輸入電壓之直流電源供應器升降壓式轉換器可以由降壓式轉換器
與升壓式轉換式串接而成穩態下輸入與輸出電壓轉換器之比值為二轉換
器個別比值之乘積
D
D
V
V
d
o
minus=
1
因此變化責任週期D可使輸出電壓高於或低於輸入電壓
+
_
+
_
_
+
RC Vo
L
Vd
io
iLvL
id
降壓式直流至直流轉換器
降壓式轉換器顧名思義其作用為將較高準位的輸入電壓換成較低
準位的輸出電壓主要用途為直流電源供應器及直流馬達速度控制
圖22(a)所示為提供純電阻性負載之降壓式轉換器由圖22(b)可知其輸
出電壓波形由開關位置決定平均輸出電壓為
dd
s
onT
t
t
d
s
T
o
s
o DVVT
tddV
Tdv
TV
s
on
ons ==+== intintint )0(1
)(1
00ττττ
+
_
Vd
R
+
_
Vo
0Vd
Vo
vo
tton toff
Ts
32直流至交流切換式反流器
切換式直流至交流(DCAC)反流器(Inveter)乃用以將直流電源轉換成振幅
與頻率均可調之正弦式交流電源主要用途為交流馬達驅動與交流不斷
電電源供應器圖31為典型交流馬達驅動之反流器方塊圖其直流輸入
電壓通常由線電壓整流及濾波而得接著再利用切換式反流器改變輸出
電壓之振幅與頻率以驅動交流馬達切換式反流器功率之流通通常是
由直流至交流稱為反流模式但亦可以從交流至直流稱為整流模
式
+
_
交流馬達
二極體整流器 濾波電容 切換式反流器
Vd
三相交流電源
反流器包括單相及三相其輸入為直流電壓源者稱為電壓源反流器
(Voltage Source InverterVSI)另外若輸入為直流電流源者稱為電流
反流器(Current Source InverterCSI)目前僅應用在高功率之交流馬達
驅動器
1脈波寬度調變(PWM)反流器其輸入電壓通常為固定反流器本身具備變
頻及變壓的功能而變頻及變壓乃利用開關之脈波寬度調變切換控制達成
有許多類型之脈波寬度變技術可以使輸出電壓近似弦波
2方波(Square-Wave)反流器此反流器輸出電壓振幅乃由其輸入電壓調
整
反流器本身只控制輸出頻率交流輸出電壓波形近似方波因此乃稱方波
反流器
3採用電壓消去法(Voltage Cancellation)之單相反流器單相反流器當輸入
電壓為定值時可以利用電壓消去法來變頻及變壓而不須採用脈波寬度
調變其輸出電壓波形近似方波因此其結合了前述兩種反流器的特色
值得注意的是電壓消去法並不適用於三相反流器
切換式反流器之基本觀念
考慮圖33(a)之單相反流器假設其正弦輸出電壓vo是經過濾波所得若
輸出之負載為電感性(如馬達)則輸出電流io將落後vo 如圖33(b)所示
在期間1及3中 vo與io同號瞬時功率Po=voio為正故功率由直流側送至
交流側稱之為反流模式在期間2及4中 vo與io異號瞬時功率Po為負
故功率由交流側送至直流側稱之為整流模式圖33(a)之切換式反流器
在每一週期內會經歷平面上四個象限中之所有象限
單相切
換式變
流器與
濾波器
o
o
+
-
+
-
Vd
vo
id
io
0t
4 1 2 3
voio
io
vo
1反流器
4整流器
3反流器
2整流器
0
為清楚解釋起見以單臂反流器來說明
+
_
+
_
+ +
__
Vd
Vd
2
Vd
2
A
N
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
vAN
oo
o
反流器電路之脈波寬度調變切換技術如圖35(a)所示由一正弦波形控
制訊號vcontrol與三角波形vtri作比較三角波(又稱載波)之振幅為Vtri頻率
為fs fs決定反流器開關之切換頻率正弦波控制電壓vcontrol(又稱調制訊
號)之基頻f1決定反流器之輸出頻率而其振幅則決定反流器輸出電壓之
大小定義振幅調變指數為ma=Vcontrol Vtri 其中Vcontrol為vcontrol之振幅
而頻率調變指數則定義為mf = fs f1
0 t
vcontrol vtri
sf
1
0 t
vAo
V d
2
minusVd
2
t=0
v v
T on T off
control tri
A A
lt
minus + v v
T on T off
control tri
A A
gt
+ minus
1)( AoAo vv =之基本波
0 t
vcontrol vtri
sf
1
圖34反流器之開關的控制方法與io方向無關為
dAoAtricontrol VvTvv2
1=gt +導通
dAoAtricontrol VvTvv2
1minus=lt minus導通
由於二開關之導通為互補因此輸出電壓只在Vd 2與-Vd 2二值間作變
動圖35(b)所示為ma=08與mf =15時輸出電壓vAo及其基本波(以虛線表示)
之波形
+
_
+
_
+ +
__
Vd
Vd
2
Vd
2
A
N
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
vAN
oo
o
單相全橋式反流器
單相全橋式反流器如圖311所示乃由兩個前述之半橋反流器所組成在
相同之輸入電壓下全橋式反流器之最大輸出電壓為半橋式之兩倍這代
表在相同之功率下全橋式反流器之輸出及開關電流僅為半橋式之一半
此對於高功率用途是一大優點因其可以降低使用並聯元件之需求
+
_
+
_
+
_
Vd
Vd
2
Vd
2
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
v v vo Ao Bo= minuso
A
B
TBminus
TB+
DBminus
DB+
+_
id
o
o
N
雙極性電壓切換之脈波寬度調變
0 t
vcontrolvtri
sf
1
0 t
ov1ov
dV
dVminus
單極性電壓切換之脈波寬度調變
onBT +
trivgttricontrol vv gt
trivcontrolv
t
)( controlvminus
)( controlvminusonAT +
t1ov
dV
dVminus
)( BNAN
o
vv
v
minus=
應用雙極性電壓切換之脈波寬度調
變全橋式反流器乃 (TA+TB-)與 (TA-
TB+)成對切換且二者互相反相
應用單極性電壓切換之脈波寬度調
變全橋式反流器乃A臂與B獨立切
換且同臂二開關互相反相
三相反流器
+
-
+
-
+
-
dV
2dV
2dV
+AT
minusAT
+AD
minusAD
o
BminusT
+BT
minusBD
+BD
di
minusCT
+CT
minusCD
+CD
N
A B C
o
0 t
triv Acontrolv Bcontrolv Ccontrolv
0
BNANAB vvv minus=
t
dV
之基本波1LLv
ANv
0 t
dV
t0
BNv
dV
三相電壓源反流器之脈波寬度調變切換的功能為在固定輸入直流電壓下用以調整三相輸出電壓之振幅及頻率三相脈波寬度調變方式由三相各差120度的控制電壓與三角波作比較其波形與單相全橋式反流器採用脈波寬度調變單極性切換者類似
最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法
33最大功率追蹤最大功率追蹤最大功率追蹤最大功率追蹤
為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點本文使用本文使用本文使用本文使用擾動觀察法擾動觀察法擾動觀察法擾動觀察法(Perturbation and Observation Method PampQ)進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功率追蹤率追蹤率追蹤率追蹤由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點下圖為擾動下圖為擾動下圖為擾動下圖為擾動觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖為利用為利用為利用為利用DCDC轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作時時時時其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為0之特性之特性之特性之特性使用使用使用使用DCDC轉換器控制太陽轉換器控制太陽轉換器控制太陽轉換器控制太陽能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動
擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖
最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法
左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖蹤示意圖蹤示意圖蹤示意圖太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分為兩個特性區域為兩個特性區域為兩個特性區域為兩個特性區域假設進行追蹤假設進行追蹤假設進行追蹤假設進行追蹤時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時電壓電壓電壓電壓的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率增加增加增加增加若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出功率減少功率減少功率減少功率減少經由經由經由經由DCDC轉換器調轉換器調轉換器調轉換器調節太陽能板與節太陽能板與節太陽能板與節太陽能板與DCDC轉換器的阻轉換器的阻轉換器的阻轉換器的阻抗相互匹配抗相互匹配抗相互匹配抗相互匹配進而得到太陽能板進而得到太陽能板進而得到太陽能板進而得到太陽能板的最大輸出功率的最大輸出功率的最大輸出功率的最大輸出功率
擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖
4軟體規劃
bull 系統控制程式主要分為主程式固定週期中斷副程式市電電壓零交越中斷副程式等三大部分以下將分別介紹各部分程式流程
bull 本系統主程式主要執行數位訊號處理器周邊暫存器的初始設定以及變數宣告其中除了變數宣告外周邊暫存器的初始設定包括有規畫中斷向量設定計數器之計數模式計數週期中斷的時間和PWM 輸出模式等相關參數設定
bull 如圖8 所示系統初始設定後必須先等待中斷發生才能決定系統是否執行固定週期中斷程式或零交越中斷副程式
bull 圖9 為固定週期中斷副程式流程圖固定週期中斷頻率與換流器開關之切換頻率相同為20kHz程式開始會先偵測太陽能板電壓及電流與直流鏈電壓當確定市電電壓零交越中斷發生時必須先將輸出弦波訊號之指標強制為原點重新送出單位弦波確保換流器輸出電流與市電電壓能維持同相位接著比較太陽能板輸入電壓VPV 是否大於最低工作電壓VPV_work如果確定大於最低工作電壓則致能太陽能最大功率追蹤反之則禁能系統動作程式返回圖9 中的正弦脈寬調變副程式主要功能在於決定換流器中開關的動作順序與責任週期大小以及輸波參考訊號
bull 圖10 為太陽能最大功率點追蹤副程式流程圖在文中對最大功率追蹤採用擾動與觀察法配合太陽能光電板的電壓mdash功率特性曲線即可瞭解程式如何完成太陽能光電板最大功率點追蹤
主程式流程圖
5實驗
bull 依據上述的分析採用DSP 2407A 建立一個500W 太陽光電池電能轉換系統依據圖11 之
bull 電路架構其規格與元件參數分別列於表一表二及表三系統實驗波形圖12圖13圖14 及
bull 圖15 為系統操作在獨立運轉模式下負載分別為120W240W360W 及480W 時之換流器輸出
bull 電壓及輸出電流之實測波形
系統規格與元件參數
實測波形
6實務應用系統實務應用系統實務應用系統實務應用系統
獨立系統示意圖獨立系統示意圖
考慮點
系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等安全係數最佳化設計複雜)
一般充電控制器無 MPPT搭配蓄電池使發電效能較差
蓄電池每日gt50DOD深度放電gt02C充電壽命短
太陽光發電量與負載需求量不搭配時太陽光之發電能量利用率偏低 (負載需求搭配與安全係數為互相矛盾之設計)
PV-柴油發電機PV-風力等混合系統為改善之方法
市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台
電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池
併聯系統示意圖併聯系統示意圖
緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析
1 系統設置成本高建議使用於邊際效益高之用電（防災緊急輔助電力）
2 總體經濟效益減少環境污染解決尖峰用電之不足與短缺能源多元化之風險分擔與開創自主能源
3 遮蔽陽光直曬降低建築物之熱效應（被動省能）同時轉換太陽光為電能供應建物自主能源（主動節能）一舉兩得
緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較
30萬元divide21900kWh＝137元度2萬元divide50kWh＝400元度每度電成本
日發電度數times365天times20年＝3hrtimes1kWtimes365天times20年＝21900kWh（度）
（年停電＋年測試運轉時數）times10年＝（20mintimes6次＋15mintimes12月）times10年＝5hrtimes1kWtimes10年＝50kWh
總發電度數（1kw計）
夜間不發電（可利用蓄電池設計供電年維運費02）
噪音空污油料運輸儲油危險維運成本高
缺點
利用露台屋頂牆面空間設備煙管隔音油槽需室內空間
設置空間
平時緊急時均可使用隨時可了解運轉狀況不須操作
加ATS停電時方可啟動需人員每月定期測試運轉
系統運作
太陽光潔淨能源（免費）柴油使用燃料
20年7~10年使用壽命
1kW=30萬元1kW=2~3萬元設置費用
太陽光發電系統柴油發電機
風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析
運用多元化能源分擔風險情況比較說明如下
1 市電--gt停電時風險極高
2 市電＋柴油發電機--gt發電機故障時風險高
市電＋柴油發電機＋太陽光發電系統--gt發揮三者優點互補同時故障機率小風險最低
案例
832kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide057＝317 m2
115kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide075＝332 m2
緊急時057平時065~08
綜合係數溫度變化污損線損Inverter效率＋蓄電池充放電補償
電力需求divide（日照強度times日照時間times模板效率times綜合係數）
模組面積估算
日照強度1kWm2
日照時間384hd
模板效率12
832kWhd500人用電量115kWhd770人用電量
緊急時平時
電力需求估算
緊急時40kWtimes384hdtimes057＝875 kWhd
平時40kWtimes384hdtimes075＝1152Whd
太陽發電系統發電量＝設置容量times日照時間times綜合係數
發電量計算
332m2times1kWm2times12＝398kW≒40kW
太陽發電系統設置容量＝設置面積times日照強度times模板效率
設置容量計算模板效率依太陽電池種類而異
進行模板陣列及蓄電池容量設計
40kWdivide18片串divide120W＝185列≒19
列
40kWdivide17片串divide120W＝196列≒20
列
陣列併列數＝設置容量divide單串功率
18片times120W＝2160W
17片times120W＝2040W
單串功率
300Vdivide169V＝1775片（取整數17 or 18）
陣列串聯數＝Inverter輸入電壓divide模板輸出電壓
模板陣列設計
1 模板功率120W
2 模板輸出電壓169V
3 直交流轉換器(Inverter)輸入電壓300V
120Wtimes17片串times20列＝40800W＝340片(最佳陣列)
120Wtimes18片串times19列＝41080W＝342片
最佳陣列較經濟之設置容量選擇最佳陣列
蓄電池數量＝144個times2列＝288個
120640Whdivide288Vdivide200Ah＝21列≒2列
併列數＝蓄電池需求容量divideInverter額定電壓
288Vdivide2V＝144個
串聯數＝Inverter額定電壓divide蓄電池電壓串併數設計
middot 蓄電池電壓2V個
middot 蓄電池容量200Ah個
Inverter電壓輸入電壓 額定電壓300V 288V200V 192V
蓄電池需求容量＝832kWhdtimes1dtimes145＝12064kWh
蓄電池需求容量＝緊急電力需求times無日照天數times補償係數補償係數蓄電池內阻抗放電停止電壓電壓降低補償
蓄電池需求容量設計
middot 補償係數145
無日照天數1日
61市電相關規定市電相關規定市電相關規定市電相關規定
1 發電設備併接於低壓系統者其總容量未滿100kW且技術無困難者得併接於單相三線110V220V三相三線220V之配電系統若總容量在100kW以上而未滿500kW得分別併接於3相4線220V380V之配電系統
2 發電設備總容量在500kW以上而未滿5000kW10000kW且技術無困難者得分別併接於114KV228KV之高壓配電系統
3 電設備總容量在10000kW以上而未滿40000kW者得併接於特高壓之系統
4 發電設備總容量在40000kW以上者依個案研討分類
併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類
發電系統經由發電系統經由發電系統經由發電系統經由110V220V110V220V110V220V110V220V併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者發電設發電設發電設發電設備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能
1 過電壓保護 低電壓保護
2 低頻保護 高頻保護
3 過電流保護 零相過電壓接地保護
4 發電設備為無逆送電力者須加裝逆電力保護
5 發電設備為有逆送電力者必須具備主動及被動防止單獨運轉保護
發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經110V220V110V220V110V220V110V220V系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者在電在電在電在電源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器
發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業114KV228KV114KV228KV114KV228KV114KV228KV之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者((((高高高高壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶))))發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Extremely Inverse特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Extremely Inverse特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過流電驛(67)須具Normal Inverse特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
發電設備併接於電業69KV特高壓輸電系統者發電設備之輸出端至少應具有下列同等保護功能並須與電業該轄區之保護設備協調
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Normal Inverse之特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Normal Inverse之特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過電流電驛(67)須具Normal Inverse之特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
8 快速及後衛保護電驛如系統保護需要時應裝設
9 匯流排電驛採用GIS斷路器者應裝設
62626262太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範
1 故障電流
太陽光電發電系統大於100kW以上須計算故障電流其送至電業系統之故障電流不得影響電業及其他用戶斷路器之起斷容量否則需裝置限流電抗器
太陽光電發電系統之隔離變壓器接地方式須與電業之系統配合
2 正常電壓變動率應維持在plusmn5以內
3 太陽光電發電系統與電業間之責任分界點的功率因數以維持85落後至100之間運轉為原則
4 諧波污染限制應依照「電力系統諧波管制暫行標準」辦理
分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性
適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯型之規範型之規範型之規範型之規範
電力轉換器電力轉換器電力轉換器電力轉換器(電力調節器電力調節器電力調節器電力調節器)(InverterConditioner)
蓄電池蓄電池蓄電池蓄電池(Battery))
63大型(商用)太陽光發電系統應用(gt1 kWp)
太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統
單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池(Unit Solar Cell)
太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板(PV Module)
太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列(PV Array)
太陽光發電系統應用獨立系統
(A) 獨立系統(Stand-Alone
System)
bull 蓄電池保護壽命
(B) 混合型交流獨立系統 (Hybrid
System)
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
直流負載PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
整流器
輔助發電機
PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載- ~PCU
直直直直交流轉換器交流轉換器交流轉換器交流轉換器
太陽光發電系統應用併聯系統
(D)併聯系統(Grid-
connected System)
特殊功能1 最佳效能2 防止獨立運轉(連線保護)
3 可自力運轉
(E) 防逆流型系統(Off-line System)
(F) 防災型併聯系統
充電控制器
蓄電池
直交流轉換器
PCU太陽電池組列
交流負載
ATS
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
獨立型系統
適用地點高山離島基地台hellip等市電無法到達處
工作方式白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
必須可以自給自足
缺點bull 系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等
安全係數設計很困難)
bull 蓄電池建置複雜成本很高壽命很短
bull 負載搭配不良時發電效能不佳利用率將偏低
bull 需由專人隨時維護
bull 混合系統為一種解決方法
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
PCU
併聯型系統
適用地點電力正常送達之任何地點工作方式 bull 白天 PV系統併聯發電夜間由台電供電bull 將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的蓄電池
優點bull 系統簡單不需安全係數設計(依預算設計)不需要專人維護bull 併聯發電效率高利用率高
缺點bull 停電時無電可用bull 受併聯法規限制尚未開放(但即將開放)
bull 有孤島效應之疑慮(目前技術上已解決)
改善型無電池自力運轉
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
市電併聯型住宅用太陽光發電系統
太陽光發電系統發電及負載用電對時間之關係
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
併聯型直交流轉換器之效能要求較高
1 最大功率追蹤(Maximum Power Tracking MPT)
2 高轉換效率 gt 90 (PWM+電力電子元件)
3 高次諧波功率 Distortion (lt5 total)
4 自動開關機(白天夜晚)
5 過負載保護過溫度保護
6 體積小重量輕室外防水防塵
7 電腦界面可遠端監控
8 防止獨立運轉(連線保護)
9 可自力運轉
太陽電池組列
交流負載
直交流轉換器MPT
Power Conditioner
併聯系統之獨立運轉(單獨運轉)
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull停電時單一併聯系統將會停止運作
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
bull 市電停電時多數併聯系統仍聯合運作將對電力公司人員產生嚴重危害
孤島效應之防止方法
停電偵測1 過電壓低電壓
2 過頻率低頻率
3 被動式偵測如
bull 電壓與頻率監視方式
bull 電壓相位跳躍監視方式
bull 高次諧波監視方式
bull 頻率變化監視方式
PV組列
直交流轉換器
自家負載
4 主動偵測如
bull 頻率Shift方式
bull 配電線負載變動方式
bull 有效電力變動方式
bull 無效電力變動方式
反應時間05~2秒
資料來源「日本電氣用品試驗所」分散型電源系統連系技術指針(1998)
併聯系統之自力運轉功能
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull 大停電後白天有陽光時以人工啟動 PV 系統進行自力運轉供自家負載使用(但夜間無法使用)
防災型併聯型系統
適用地點有防災需求(照明汲水通信hellip)之公共設施
工作方式
bull 平時PV併聯發電(電池浮充) 效率高利用率高夜間由台電供電
bull 視需要建置供防災用電池大停電時白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
缺點bull 含電池成本較高bull 系統較複雜需專人定期維護
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
FAQ1太陽光發電需要多少土地
效率 = (輸出功率W) (組列面積 m2 x 日照強度 Wm2 ) x 100
模板面積 m2 = 輸出功率W (效率 x日照強度Wm2 ) x100
bull 假設使用效率gt136 模板於1000 Wm2 (AM15)日照強度下
10 kWp 模板面積 (m2) = 10000 (0136 x 1000) ~ 735 m2
10 kWp PV系統土地面積需求約
~ 735 m2 x 15 x 11
~ 121m2 (~36坪)
(包括陰影面積及維修空間)
bull 假設使用效率~10 模板
則模板面積約 ~ 100 m2
土地面積需求約 ~ 165m2 (~50坪)
gt55o
夏至
冬至
春秋分
235o 235oh
L1 L2
FAQ2太陽電池一年能發多少電
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
10 kWm2
05 kWm2
日照強度
等效日照時數(Sun Hour)
組列單日發電量 = 組列額定輸出功率 x 等效日照時數
bull 預估1 kWp 組列單日發電量 = 1 (kW) x ex 4(Sun Hour)= 4 kWh
組列年發電量 = 組列額定輸出功率 x 年平均每日日照時數 x 365
bull 預估 1 kWp 組列年發電量 = 1 x 4 x 365 = 1460 kWh
時間時間時間時間
FAQ3太陽光發電的成本(簡易估算)
1 假設目前太陽光發電系統設置成本約為 NT$ 280000 kWp
2 假設年平均每日日照時數約為 25 Sun Hour (台灣中南部地區)
bull 1 kWp 組列單日發電量= 1 (kW) x 25 (Hour)= 25 kWh
bull 1 kWp 組列年發電量= 25 x 365 = 913 kWh (度)
3 假設太陽光發電系統使用壽命為 20 年
bull 1 kWp 太陽光發電系統總共可發電 20 x 913 = 18260 度
4 生產每度電之成本約為 280000 18260 ~ NT$ 153
5 未來發展趨勢
bull 太陽光發電系統設置成本將逐年降低
bull 市電電費將會升高(國內目前約 NT$ 3 度日本約NT$ 7 度)
bull 傳統能源限制再生能源獎勵利率降低
64獨立型太陽光發電系統應用例(一)
bull太陽電池時鐘-日本bull太陽電池路燈-日本千里住宅公園
獨立型太陽光發電系統應用例(二)
bull太陽電池交通標誌-日本北海道 bull高速公路緊急電話-日本
獨立型太陽光發電系統應用例(三)
bull800W無線通信中繼基地台韓國(1998)
獨立型太陽光發電系統應用例(四)
bull離島用90kW獨立型發電系統韓國Ho-Do島(1992)
併聯型太陽光發電系統應用例(一)
bull設置於屋頂之住宅用太陽光發電系統(建材一體型日本千里住宅公園內住宅設計之一)
併聯型太陽光發電系統應用例(二)
bull日本東海線新幹線京都車站之太陽光發電系統(100kWp)
併聯型太陽光發電系統應用例(三)
bull日本京瓷(Kyocera)京都總公司大樓之太陽電池發電系統(220kWp)
太陽光發電發電廠應用例
太陽電池發電廠
(PV Power Plant)
資料來源 ANIT
Srl Italy
建材一體型太陽電池模板應用例
bull資料來源 Pilkington Solar International GmbH 德國
太陽能車應用例
Honda Dream
bull資料來源 PV Special Research
Centre UNSW Australia
交大太陽能車
bull資料來源 National Chiao-Tung
University Taiwan
太陽光發電航太應用例(NASA Helios )
bull空中無線通訊平台應用
資料來源SkyOne Inc Taiwan
bull 飛行高度5-7 萬英呎(最高記錄 96000 英呎)
bull 時速60 mph (起飛 25 mph)
bull 翼展247 英呎bull 重量2000 磅bull 太陽電池效率要求gt22
資料來源httpwwwaerovironmentcomhomehtml
清雲技術學院 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
個人住宅 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
勤益技術學院 3kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
南台科技大學 10kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
總統府 10kWp 獨立型太陽光能發電系統 (9012)
海巡署南沙太平島 20kWp 混合型(柴油發電機)太陽光能發電系統 (9011)
90能源基金示範補助成果例
台電樹林 20kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
併聯型
台電台北市區處 20kWp 太陽光發電系統
(91能源基金示範補助成果)
併聯型
7結論
bull (1)提高電力轉換器效率
bull 轉換器的損失主要來自於開關切換時之損失為了可以降低濾波電路中電感和電容的體積可以提高切換頻率但是相對於開關的切換損失也因此而增加導致轉換器的效率降低因此發展零電壓或零電流切換技術應用於高切換頻率之轉換器將可以提高轉換器的效率
bull (2)提高太陽光發電系統之整體效率
bull 傳統之太陽光發電系統包含儲能系統和供電系統前級利用DCDC轉換器作最大功率追蹤後級則利用DCAC轉換器轉換能量供應給交流負載為了提高太陽光發電系統的整體效率在研究可提出了模組並聯控制技術以提昇各級電力轉換器的效率而在未來太陽光發電系統也將著重在單級電力轉換器的設計對於整體系統效率有較明顯的改善
8參考資料
1許國強ldquo太陽光發電原理與應用工研院材料所 薄膜技術組91年
2華志強黃崇倫ldquo智慧型能量控制於太陽光電能轉換系統國立雲林科技大學電機工程學系電力研討會97年
3林政達ldquo數位式市電並聯換流器與快速鎖相迴路控制器之研製國立雲林科技大學電機工程學系碩士論文92 年
4李思賢ldquo數位式單相低功率太陽光電能轉換系統國立中山大學電機工程學系碩士論文92 年
5洪世杰ldquo適用於再生能源之市電併聯型雙輸入供電系統國立中正大學電機工程研究所碩士論文93 年
6王廷興ldquo太陽能發電配電設計概要台北科技大學冷凍空調系 92年
7魏榮宗王文宏ldquo高效率太陽光電能源轉換系統 元智大學電機工程學系94年
[ ] 100)25(
)11
(exp
1)(exp
3
λminus+=
minus
=
+minus
minus+minus=
TKII
TTBk
qE
T
TII
where
R
IRVIRV
AkT
qIII
ISCRLG
r
GO
r
oros
sh
ssosLG
VI cell output current and voltagecell reverse saturation currentcell temperature in CBoltzmannrsquos constantelectronic chargeshort circuit current temperature coefficientsolar irradiation in Wmshort-circuit current at 25 Cand 1000 Wm
light-generated currentband gap for siliconideality factorsreference temperaturecell saturation current atshunt resistanceseries resistance
osI
T
kq
00170=IK
SCRIλ
LGI
GOE
921== ABKTr deg= 18301
orI
shR
sR
附錄附錄附錄附錄- 太陽能電池太陽能電池太陽能電池太陽能電池
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
(a) Equivalent circuit of a PV module and
(b) Typical PV module current-voltage and power-voltage characteristics
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
Characteristic of a PV module with temperature and irradiation (a) constant irradiation and varying temperature and (b) constant temperature and varying irradiation
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
系統範例系統範例系統範例系統範例
中途驛站電化PV離島用PV系統山岳地帶PV系統離島偏遠區
勤務指揮中心緊急避難所醫療院所公園學校地震觀測站森林嘹望台避難指示燈氣象觀測所水位警報PV系統河川安全燈防波堤安全PV燈
緊急防災
緊急供電系統管線電氣防蝕輸油管流量計PV系統市場廣告塔海上石油平台各種計測站PV系統發電廠情報指揮中心
產業用
住宅用供電系統緊急供電系統緊急照明系統帷幕牆遮陽棚採光罩屋瓦建築物
無線通信用中繼站基地台緊急電話中繼站電話通信PV系統Radio受信PV系統微波中繼站
通訊
農宅用電溫室栽培PV系統農業灌溉用自動灑水系統農牧電籬牛乳冷藏漁業養殖揚水通氣自動餵食器
農林漁牧
路燈交通號誌道路指示牌標誌燈太陽能電動車充電站高速公路緊急電話偏遠道路緊急電話停車計時器停車場控制門系統高速公路防音壁PV系統公路休息區PV系統太陽能車平交道指示燈候車亭PV系統車站屋頂型PV系統
道路交通
收音機測電表手錶計算機太陽能照相機手電筒電池充電器野營燈民生
應用領域
何謂AM0AM1AM15
Wavelength (microm)
Spec
tral
Irr
adia
nce
(Wm
-2micro
m-1) AM0
AM15
AM 即 Air Mass(不同 Air Mass 代表不同太陽光光譜)
bull AM0 (Air Mass 0) ~ 1400 W bullm-2
bull AM1 (Air Mass 1) ~ 1000 W bullm-2
bull AM15 (Air Mass 15) ~ 844 Wbullm-2
AM15 1000 Wbullm-2 (IEC 891 IEC 904-1)
Earth
AM0
AM1
AM15
大氣層
45o
太陽電池直接驅動負載如馬達等(應用於玩具車船馬達音樂卡片hellip)
bull 電力現買現賣
bull 負載匹配(容量與電壓)
bull 溫度效應
bull 搭配(超高)電容可以提高效能
太陽電池(直流)基礎應用範例(I)
I M
+
-
C
圖片資料來源httpshoppingyahoocom httpwwwsolar-icomSampYhtml
太陽電池先對電池充電再由電池供應負載(應用於玩具車船電動機械夜間燈光計算機鐘錶3C產品hellip)
bull 電力零存整付
bull 太陽電池電池電壓匹配
bull 溫度效應
bull 使用阻隔二極體
bull 電池過充放電保護
太陽電池(直流)基礎應用範例(II)
I負載
+
-
電池
圖片資料來源httpshoppingyahoocom httpwwwsolar-icomSampYhtml
FAQ1太陽電池應用效能不佳太陽電池之負載匹配(Load Matching)
RshID
IL
+
----
v
I
RL
Rs
bull Efficiency of a PV system is strongly affected by load matching
bull Measurement of I-V Characteristic curve is important
VocVm
Im
Isc
Pm
RL 1
RL 3
RL 2 Battery voltage
RL
----
+
不同日照強度下太陽電池 I-V 特性曲線
bull 最大輸出功率隨日照強度而改變並非永遠等於額定值
0
1
2
3
4
5
6
7
0 10 20 30 40 50
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
1000Wm2 (AM1)
500Wm2 (05AM1)
不同溫度下太陽電池 I-V 特性曲線
bull太陽電池溫度升高時輸出電壓與最大輸出功率降低
0
1
2
3
4
5
6
7
0 10 20 30 40 50
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
75oC 50oC 25oC 0oC
Battery voltage
0
1
2
3
4
5
6
7
0 10 20 30 40 50
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
500Wm2 (05AM1)
1000Wm2 (AM1)
太陽電池之動態負載匹配(日照變化)
RL(high)
RL(low)
bull Maximum power tracking is required in high efficiency PV system
太陽電池 I-V 特性曲線測量方法
VocVm
ImIsc Pm
C+
-
A
VR
A
V
A
V可程式負載
模擬陽光使用鎢絲燈氙燈Solar Simulator 或太陽光
Pm lt few10 W Pm lt few 100 W Pm lt 100 kW
Solar Simulator Array Tester
圖片資料來源httpwwwspiresolarcomSolarequipmenthtml
太陽於天球(Celestial Sphere)上運行之軌跡
冬至 春秋分 夏至 冬至 春秋分 夏至 春秋分 夏至
北緯 0o 北緯 45o 北緯 90o
(赤道) (北極)
天球
太陽運行軌跡與太陽電池仰角
冬至 夏至春秋分
所在緯度235o
235o47o0o
47o 235o
13太陽電池組列仰角與間隔設計例
bull組列仰角~235o (台灣地區)
bull h=組列總高度( lt 15 m)
bull L2=h tan(55o) = 057 L0
(55o可適用於冬至0900~1500)
bull水平角度=正南 plusmn5o
235o
55o
235o
夏至
冬至
春秋分
235o 235o
南
h = 04 L0
L1= 092 L0L2 = 057 L0
L0
L1 + L2 = 15 L0
2零交越偵測電路分析
bull 零交越偵測電路如圖1 所示主要目的在於檢測輸入弦波電壓之零交越點其電路輸出為ㄧ方波信號利用方波上緣信號觸發數位訊號處理器之外部中斷腳位進而進行相位同步之功能[4]零交越偵測電路輸入與輸出波形如圖2 所示相位同步控制當數位訊號處理器發生上緣觸發時此觸發訊號如同系統重置訊號將正弦表指標變數歸零一經重置後指標變數又開始計數藉由每週期ㄧ次的重置訊號迫使換流器輸出達到同步相位同步控制波形示意圖如圖3 所示圖4 為零交越偵測電路輸出實測圖[4]
3系統電路架構與動作模式
bull A
bull 本文所述之系統為一太陽光電能轉換系統方塊圖如圖5 所示主要部分包括太陽能板直流-直流轉換器全橋式換流器數位訊號處理器感測迴授電路與驅動電路此一系統之基本動作情況為一般情況下斷路器1 和斷路器2 均為導通狀態此時太陽光電能轉換系統與電力網路處於連結運轉模式而當電力網路供電中斷時斷路器2 將被斷路以避免孤島現象的發生反之若是太陽光電能轉換系統發生故障時斷路器1 將被斷路以避免電力網路受到其故障的影響
31系統電路架構與動作模式
bull B
bull 電路工作模式bull 此一太陽光電能轉換系統主要有兩種工
作模式以下為二種工作模式的操作說明
bull (1) 獨立運轉模式bull 如圖6 所示獨立運轉模式為當電力網
路供電中斷時斷路器2 將被斷路而此時太陽光電能轉換系統將操作在電壓控制模式下提供負載一穩定的輸出電壓
bull (2) 與電力網路連結運轉模式bull 如圖7 所示與電力網路連結運轉模式
將太陽光電能轉換系統與電力網路連結運轉也就是斷路器1 和斷路器2 同時導通此時系統將操作在電流控制模式下首先經由最大功率點追蹤程式運算出瞬時最大功率點的電流參考值再根據此一電流參考值輸出一與電力網路電壓同相位的電流至負載或甚至回送至電力網路
31直流至直流切換式轉換器
典型直流至直流轉換器系統之構造如圖21所示其輸入通常為由線電壓整
流而得之非調節直流電壓然後再利用切換式直流至直流轉換器將此變動之
直流電壓轉換成一調節之直流電壓
無控制之二極體橋式整流器
交流線電壓
(單相或三相)
直流電壓
(無調節性)
濾波電容 (無調節性)
直流至直流轉換器 (具調節性)
負載
蓄電池
直流電壓 直流電壓
控制訊號1降壓式(step-down buck)轉換器
2升壓式(step-up boost)轉換器
3升降壓式(step-downstep-up buck-boost)轉換器
4全橋式轉換器
上述四種轉換器中只有降壓式及升壓式是最基本的轉換器電路架構升
降壓式轉換器是此二基本轉換器之結合而全橋式轉換器則是由降壓式轉
換器衍生而來
直流至直流轉換器之控制
直流至直流轉換器的作用即是在輸入電壓與輸出負載變動的情況下能夠調
節輸出電壓為所設定的位準電壓位準轉換之原理可以圖22(a)所示之簡單
電路來說明由開關導通與截止可得圖22(b)之波形其中輸出電壓vo平均
值大小Vo與開關之導通及截止時間(ton及toff)有關平均輸出電壓大小調整
之最典型的方式是採用脈波寬度調變法(Pulse-Width ModulationPWM)
其切換週期Ts(= ton+toff)為固定由調整導通時間之大小來改變平均輸出電
壓之大小Vo
+
_
Vd
R
+
_
Vo
0Vd
Vo
vo
tton toff
Ts
脈波寬度調變切換控制的方塊圖如
圖23(a)所示開關之切換控制信號
由控制訊號vcontrol與週期為Ts之鋸齒
波vst比較而得控制信號則由Vo之
實際值與設定值之誤差放大而得
vcontrol與vst比較所得之切換控制信號
的波形如圖23(b)所示當控制訊號
vst較大時則為高準位信號即使
開關導通反之為低準位信號即使
開關截止故開關之切換週期亦為
Ts 由以上的原理可知開關切換
之責任週期 (Duty Ratio)為D=tonTs
=vcontrolVst 其中Vst為鋸齒波之振
幅
放大器
+
-Vo
(設定)
(實際)
Vo
比較器
週期性波形 stv
切換控制訊號
控制訊號
0 t
$Vst
=stv 鋸齒波電壓
controlv (放大誤差)
On On
Off Off
stcontrol vv gt
stcontrol vv ltton toff
Ts
切換控制訊號
(切換頻率 fT
s
s
=1
)
升壓式直流至直流轉換器
圖211為升壓式轉換器電路主要用途為直流電源供應器與直流馬達之
再生制動(Regenerative Breaking)顧名思義其輸出電壓高過於其輸入
電壓當開關導通時二極體反向偏壓輸入電能儲存於電感負載電
能則由電容提供當開關截止時負載吸收輸入及儲存電感中之電能
-
L
CRVd
Vo
vL
iL
io
+
-
++
_
t0
t0
vL
iL
I L
Ts
toffton
_++
_
+
_
+ _+
_
+
_
iL
vL
Vd Vo
iL
vL
Vd Vo
)( dV
)( od VV minus
圖212所示為電感電流為連續之
穩態工作波形由穩態下電感電
壓一週期之平均值為零可得
0)( =minus+ offodond tVVtV
等號兩側除以Ts重新整理可得
Dt
T
V
V
off
s
d
o
minus==
1
1
假設電路無損失輸入功率
Pd=VdId 等 於 輸 出 功 率
Po=VoIo 則
)1( DI
I
d
o minus=
非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器
bullBoost之設計假設輸入10V輸出30V頻率50kHz輸出10W
所以D＝23
( ) s
o
o TDDP
VL
22
12
minusge
=6667uH
取75uH
D
VV in
o minus=
1
L
Vi
n
S Vo
+
_
C
DiL
vds
升降壓式直流至直流轉換器
升降壓式轉換器的主要用途為輸入與輸出之極性相反輸出電壓可以高於
或低於輸入電壓之直流電源供應器升降壓式轉換器可以由降壓式轉換器
與升壓式轉換式串接而成穩態下輸入與輸出電壓轉換器之比值為二轉換
器個別比值之乘積
D
D
V
V
d
o
minus=
1
因此變化責任週期D可使輸出電壓高於或低於輸入電壓
+
_
+
_
_
+
RC Vo
L
Vd
io
iLvL
id
降壓式直流至直流轉換器
降壓式轉換器顧名思義其作用為將較高準位的輸入電壓換成較低
準位的輸出電壓主要用途為直流電源供應器及直流馬達速度控制
圖22(a)所示為提供純電阻性負載之降壓式轉換器由圖22(b)可知其輸
出電壓波形由開關位置決定平均輸出電壓為
dd
s
onT
t
t
d
s
T
o
s
o DVVT
tddV
Tdv
TV
s
on
ons ==+== intintint )0(1
)(1
00ττττ
+
_
Vd
R
+
_
Vo
0Vd
Vo
vo
tton toff
Ts
32直流至交流切換式反流器
切換式直流至交流(DCAC)反流器(Inveter)乃用以將直流電源轉換成振幅
與頻率均可調之正弦式交流電源主要用途為交流馬達驅動與交流不斷
電電源供應器圖31為典型交流馬達驅動之反流器方塊圖其直流輸入
電壓通常由線電壓整流及濾波而得接著再利用切換式反流器改變輸出
電壓之振幅與頻率以驅動交流馬達切換式反流器功率之流通通常是
由直流至交流稱為反流模式但亦可以從交流至直流稱為整流模
式
+
_
交流馬達
二極體整流器 濾波電容 切換式反流器
Vd
三相交流電源
反流器包括單相及三相其輸入為直流電壓源者稱為電壓源反流器
(Voltage Source InverterVSI)另外若輸入為直流電流源者稱為電流
反流器(Current Source InverterCSI)目前僅應用在高功率之交流馬達
驅動器
1脈波寬度調變(PWM)反流器其輸入電壓通常為固定反流器本身具備變
頻及變壓的功能而變頻及變壓乃利用開關之脈波寬度調變切換控制達成
有許多類型之脈波寬度變技術可以使輸出電壓近似弦波
2方波(Square-Wave)反流器此反流器輸出電壓振幅乃由其輸入電壓調
整
反流器本身只控制輸出頻率交流輸出電壓波形近似方波因此乃稱方波
反流器
3採用電壓消去法(Voltage Cancellation)之單相反流器單相反流器當輸入
電壓為定值時可以利用電壓消去法來變頻及變壓而不須採用脈波寬度
調變其輸出電壓波形近似方波因此其結合了前述兩種反流器的特色
值得注意的是電壓消去法並不適用於三相反流器
切換式反流器之基本觀念
考慮圖33(a)之單相反流器假設其正弦輸出電壓vo是經過濾波所得若
輸出之負載為電感性(如馬達)則輸出電流io將落後vo 如圖33(b)所示
在期間1及3中 vo與io同號瞬時功率Po=voio為正故功率由直流側送至
交流側稱之為反流模式在期間2及4中 vo與io異號瞬時功率Po為負
故功率由交流側送至直流側稱之為整流模式圖33(a)之切換式反流器
在每一週期內會經歷平面上四個象限中之所有象限
單相切
換式變
流器與
濾波器
o
o
+
-
+
-
Vd
vo
id
io
0t
4 1 2 3
voio
io
vo
1反流器
4整流器
3反流器
2整流器
0
為清楚解釋起見以單臂反流器來說明
+
_
+
_
+ +
__
Vd
Vd
2
Vd
2
A
N
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
vAN
oo
o
反流器電路之脈波寬度調變切換技術如圖35(a)所示由一正弦波形控
制訊號vcontrol與三角波形vtri作比較三角波(又稱載波)之振幅為Vtri頻率
為fs fs決定反流器開關之切換頻率正弦波控制電壓vcontrol(又稱調制訊
號)之基頻f1決定反流器之輸出頻率而其振幅則決定反流器輸出電壓之
大小定義振幅調變指數為ma=Vcontrol Vtri 其中Vcontrol為vcontrol之振幅
而頻率調變指數則定義為mf = fs f1
0 t
vcontrol vtri
sf
1
0 t
vAo
V d
2
minusVd
2
t=0
v v
T on T off
control tri
A A
lt
minus + v v
T on T off
control tri
A A
gt
+ minus
1)( AoAo vv =之基本波
0 t
vcontrol vtri
sf
1
圖34反流器之開關的控制方法與io方向無關為
dAoAtricontrol VvTvv2
1=gt +導通
dAoAtricontrol VvTvv2
1minus=lt minus導通
由於二開關之導通為互補因此輸出電壓只在Vd 2與-Vd 2二值間作變
動圖35(b)所示為ma=08與mf =15時輸出電壓vAo及其基本波(以虛線表示)
之波形
+
_
+
_
+ +
__
Vd
Vd
2
Vd
2
A
N
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
vAN
oo
o
單相全橋式反流器
單相全橋式反流器如圖311所示乃由兩個前述之半橋反流器所組成在
相同之輸入電壓下全橋式反流器之最大輸出電壓為半橋式之兩倍這代
表在相同之功率下全橋式反流器之輸出及開關電流僅為半橋式之一半
此對於高功率用途是一大優點因其可以降低使用並聯元件之需求
+
_
+
_
+
_
Vd
Vd
2
Vd
2
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
v v vo Ao Bo= minuso
A
B
TBminus
TB+
DBminus
DB+
+_
id
o
o
N
雙極性電壓切換之脈波寬度調變
0 t
vcontrolvtri
sf
1
0 t
ov1ov
dV
dVminus
單極性電壓切換之脈波寬度調變
onBT +
trivgttricontrol vv gt
trivcontrolv
t
)( controlvminus
)( controlvminusonAT +
t1ov
dV
dVminus
)( BNAN
o
vv
v
minus=
應用雙極性電壓切換之脈波寬度調
變全橋式反流器乃 (TA+TB-)與 (TA-
TB+)成對切換且二者互相反相
應用單極性電壓切換之脈波寬度調
變全橋式反流器乃A臂與B獨立切
換且同臂二開關互相反相
三相反流器
+
-
+
-
+
-
dV
2dV
2dV
+AT
minusAT
+AD
minusAD
o
BminusT
+BT
minusBD
+BD
di
minusCT
+CT
minusCD
+CD
N
A B C
o
0 t
triv Acontrolv Bcontrolv Ccontrolv
0
BNANAB vvv minus=
t
dV
之基本波1LLv
ANv
0 t
dV
t0
BNv
dV
三相電壓源反流器之脈波寬度調變切換的功能為在固定輸入直流電壓下用以調整三相輸出電壓之振幅及頻率三相脈波寬度調變方式由三相各差120度的控制電壓與三角波作比較其波形與單相全橋式反流器採用脈波寬度調變單極性切換者類似
最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法
33最大功率追蹤最大功率追蹤最大功率追蹤最大功率追蹤
為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點本文使用本文使用本文使用本文使用擾動觀察法擾動觀察法擾動觀察法擾動觀察法(Perturbation and Observation Method PampQ)進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功率追蹤率追蹤率追蹤率追蹤由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點下圖為擾動下圖為擾動下圖為擾動下圖為擾動觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖為利用為利用為利用為利用DCDC轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作時時時時其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為0之特性之特性之特性之特性使用使用使用使用DCDC轉換器控制太陽轉換器控制太陽轉換器控制太陽轉換器控制太陽能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動
擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖
最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法
左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖蹤示意圖蹤示意圖蹤示意圖太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分為兩個特性區域為兩個特性區域為兩個特性區域為兩個特性區域假設進行追蹤假設進行追蹤假設進行追蹤假設進行追蹤時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時電壓電壓電壓電壓的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率增加增加增加增加若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出功率減少功率減少功率減少功率減少經由經由經由經由DCDC轉換器調轉換器調轉換器調轉換器調節太陽能板與節太陽能板與節太陽能板與節太陽能板與DCDC轉換器的阻轉換器的阻轉換器的阻轉換器的阻抗相互匹配抗相互匹配抗相互匹配抗相互匹配進而得到太陽能板進而得到太陽能板進而得到太陽能板進而得到太陽能板的最大輸出功率的最大輸出功率的最大輸出功率的最大輸出功率
擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖
4軟體規劃
bull 系統控制程式主要分為主程式固定週期中斷副程式市電電壓零交越中斷副程式等三大部分以下將分別介紹各部分程式流程
bull 本系統主程式主要執行數位訊號處理器周邊暫存器的初始設定以及變數宣告其中除了變數宣告外周邊暫存器的初始設定包括有規畫中斷向量設定計數器之計數模式計數週期中斷的時間和PWM 輸出模式等相關參數設定
bull 如圖8 所示系統初始設定後必須先等待中斷發生才能決定系統是否執行固定週期中斷程式或零交越中斷副程式
bull 圖9 為固定週期中斷副程式流程圖固定週期中斷頻率與換流器開關之切換頻率相同為20kHz程式開始會先偵測太陽能板電壓及電流與直流鏈電壓當確定市電電壓零交越中斷發生時必須先將輸出弦波訊號之指標強制為原點重新送出單位弦波確保換流器輸出電流與市電電壓能維持同相位接著比較太陽能板輸入電壓VPV 是否大於最低工作電壓VPV_work如果確定大於最低工作電壓則致能太陽能最大功率追蹤反之則禁能系統動作程式返回圖9 中的正弦脈寬調變副程式主要功能在於決定換流器中開關的動作順序與責任週期大小以及輸波參考訊號
bull 圖10 為太陽能最大功率點追蹤副程式流程圖在文中對最大功率追蹤採用擾動與觀察法配合太陽能光電板的電壓mdash功率特性曲線即可瞭解程式如何完成太陽能光電板最大功率點追蹤
主程式流程圖
5實驗
bull 依據上述的分析採用DSP 2407A 建立一個500W 太陽光電池電能轉換系統依據圖11 之
bull 電路架構其規格與元件參數分別列於表一表二及表三系統實驗波形圖12圖13圖14 及
bull 圖15 為系統操作在獨立運轉模式下負載分別為120W240W360W 及480W 時之換流器輸出
bull 電壓及輸出電流之實測波形
系統規格與元件參數
實測波形
6實務應用系統實務應用系統實務應用系統實務應用系統
獨立系統示意圖獨立系統示意圖
考慮點
系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等安全係數最佳化設計複雜)
一般充電控制器無 MPPT搭配蓄電池使發電效能較差
蓄電池每日gt50DOD深度放電gt02C充電壽命短
太陽光發電量與負載需求量不搭配時太陽光之發電能量利用率偏低 (負載需求搭配與安全係數為互相矛盾之設計)
PV-柴油發電機PV-風力等混合系統為改善之方法
市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台
電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池
併聯系統示意圖併聯系統示意圖
緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析
1 系統設置成本高建議使用於邊際效益高之用電（防災緊急輔助電力）
2 總體經濟效益減少環境污染解決尖峰用電之不足與短缺能源多元化之風險分擔與開創自主能源
3 遮蔽陽光直曬降低建築物之熱效應（被動省能）同時轉換太陽光為電能供應建物自主能源（主動節能）一舉兩得
緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較
30萬元divide21900kWh＝137元度2萬元divide50kWh＝400元度每度電成本
日發電度數times365天times20年＝3hrtimes1kWtimes365天times20年＝21900kWh（度）
（年停電＋年測試運轉時數）times10年＝（20mintimes6次＋15mintimes12月）times10年＝5hrtimes1kWtimes10年＝50kWh
總發電度數（1kw計）
夜間不發電（可利用蓄電池設計供電年維運費02）
噪音空污油料運輸儲油危險維運成本高
缺點
利用露台屋頂牆面空間設備煙管隔音油槽需室內空間
設置空間
平時緊急時均可使用隨時可了解運轉狀況不須操作
加ATS停電時方可啟動需人員每月定期測試運轉
系統運作
太陽光潔淨能源（免費）柴油使用燃料
20年7~10年使用壽命
1kW=30萬元1kW=2~3萬元設置費用
太陽光發電系統柴油發電機
風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析
運用多元化能源分擔風險情況比較說明如下
1 市電--gt停電時風險極高
2 市電＋柴油發電機--gt發電機故障時風險高
市電＋柴油發電機＋太陽光發電系統--gt發揮三者優點互補同時故障機率小風險最低
案例
832kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide057＝317 m2
115kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide075＝332 m2
緊急時057平時065~08
綜合係數溫度變化污損線損Inverter效率＋蓄電池充放電補償
電力需求divide（日照強度times日照時間times模板效率times綜合係數）
模組面積估算
日照強度1kWm2
日照時間384hd
模板效率12
832kWhd500人用電量115kWhd770人用電量
緊急時平時
電力需求估算
緊急時40kWtimes384hdtimes057＝875 kWhd
平時40kWtimes384hdtimes075＝1152Whd
太陽發電系統發電量＝設置容量times日照時間times綜合係數
發電量計算
332m2times1kWm2times12＝398kW≒40kW
太陽發電系統設置容量＝設置面積times日照強度times模板效率
設置容量計算模板效率依太陽電池種類而異
進行模板陣列及蓄電池容量設計
40kWdivide18片串divide120W＝185列≒19
列
40kWdivide17片串divide120W＝196列≒20
列
陣列併列數＝設置容量divide單串功率
18片times120W＝2160W
17片times120W＝2040W
單串功率
300Vdivide169V＝1775片（取整數17 or 18）
陣列串聯數＝Inverter輸入電壓divide模板輸出電壓
模板陣列設計
1 模板功率120W
2 模板輸出電壓169V
3 直交流轉換器(Inverter)輸入電壓300V
120Wtimes17片串times20列＝40800W＝340片(最佳陣列)
120Wtimes18片串times19列＝41080W＝342片
最佳陣列較經濟之設置容量選擇最佳陣列
蓄電池數量＝144個times2列＝288個
120640Whdivide288Vdivide200Ah＝21列≒2列
併列數＝蓄電池需求容量divideInverter額定電壓
288Vdivide2V＝144個
串聯數＝Inverter額定電壓divide蓄電池電壓串併數設計
middot 蓄電池電壓2V個
middot 蓄電池容量200Ah個
Inverter電壓輸入電壓 額定電壓300V 288V200V 192V
蓄電池需求容量＝832kWhdtimes1dtimes145＝12064kWh
蓄電池需求容量＝緊急電力需求times無日照天數times補償係數補償係數蓄電池內阻抗放電停止電壓電壓降低補償
蓄電池需求容量設計
middot 補償係數145
無日照天數1日
61市電相關規定市電相關規定市電相關規定市電相關規定
1 發電設備併接於低壓系統者其總容量未滿100kW且技術無困難者得併接於單相三線110V220V三相三線220V之配電系統若總容量在100kW以上而未滿500kW得分別併接於3相4線220V380V之配電系統
2 發電設備總容量在500kW以上而未滿5000kW10000kW且技術無困難者得分別併接於114KV228KV之高壓配電系統
3 電設備總容量在10000kW以上而未滿40000kW者得併接於特高壓之系統
4 發電設備總容量在40000kW以上者依個案研討分類
併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類
發電系統經由發電系統經由發電系統經由發電系統經由110V220V110V220V110V220V110V220V併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者發電設發電設發電設發電設備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能
1 過電壓保護 低電壓保護
2 低頻保護 高頻保護
3 過電流保護 零相過電壓接地保護
4 發電設備為無逆送電力者須加裝逆電力保護
5 發電設備為有逆送電力者必須具備主動及被動防止單獨運轉保護
發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經110V220V110V220V110V220V110V220V系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者在電在電在電在電源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器
發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業114KV228KV114KV228KV114KV228KV114KV228KV之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者((((高高高高壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶))))發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Extremely Inverse特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Extremely Inverse特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過流電驛(67)須具Normal Inverse特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
發電設備併接於電業69KV特高壓輸電系統者發電設備之輸出端至少應具有下列同等保護功能並須與電業該轄區之保護設備協調
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Normal Inverse之特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Normal Inverse之特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過電流電驛(67)須具Normal Inverse之特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
8 快速及後衛保護電驛如系統保護需要時應裝設
9 匯流排電驛採用GIS斷路器者應裝設
62626262太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範
1 故障電流
太陽光電發電系統大於100kW以上須計算故障電流其送至電業系統之故障電流不得影響電業及其他用戶斷路器之起斷容量否則需裝置限流電抗器
太陽光電發電系統之隔離變壓器接地方式須與電業之系統配合
2 正常電壓變動率應維持在plusmn5以內
3 太陽光電發電系統與電業間之責任分界點的功率因數以維持85落後至100之間運轉為原則
4 諧波污染限制應依照「電力系統諧波管制暫行標準」辦理
分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性
適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯型之規範型之規範型之規範型之規範
電力轉換器電力轉換器電力轉換器電力轉換器(電力調節器電力調節器電力調節器電力調節器)(InverterConditioner)
蓄電池蓄電池蓄電池蓄電池(Battery))
63大型(商用)太陽光發電系統應用(gt1 kWp)
太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統
單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池(Unit Solar Cell)
太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板(PV Module)
太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列(PV Array)
太陽光發電系統應用獨立系統
(A) 獨立系統(Stand-Alone
System)
bull 蓄電池保護壽命
(B) 混合型交流獨立系統 (Hybrid
System)
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
直流負載PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
整流器
輔助發電機
PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載- ~PCU
直直直直交流轉換器交流轉換器交流轉換器交流轉換器
太陽光發電系統應用併聯系統
(D)併聯系統(Grid-
connected System)
特殊功能1 最佳效能2 防止獨立運轉(連線保護)
3 可自力運轉
(E) 防逆流型系統(Off-line System)
(F) 防災型併聯系統
充電控制器
蓄電池
直交流轉換器
PCU太陽電池組列
交流負載
ATS
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
獨立型系統
適用地點高山離島基地台hellip等市電無法到達處
工作方式白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
必須可以自給自足
缺點bull 系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等
安全係數設計很困難)
bull 蓄電池建置複雜成本很高壽命很短
bull 負載搭配不良時發電效能不佳利用率將偏低
bull 需由專人隨時維護
bull 混合系統為一種解決方法
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
PCU
併聯型系統
適用地點電力正常送達之任何地點工作方式 bull 白天 PV系統併聯發電夜間由台電供電bull 將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的蓄電池
優點bull 系統簡單不需安全係數設計(依預算設計)不需要專人維護bull 併聯發電效率高利用率高
缺點bull 停電時無電可用bull 受併聯法規限制尚未開放(但即將開放)
bull 有孤島效應之疑慮(目前技術上已解決)
改善型無電池自力運轉
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
市電併聯型住宅用太陽光發電系統
太陽光發電系統發電及負載用電對時間之關係
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
併聯型直交流轉換器之效能要求較高
1 最大功率追蹤(Maximum Power Tracking MPT)
2 高轉換效率 gt 90 (PWM+電力電子元件)
3 高次諧波功率 Distortion (lt5 total)
4 自動開關機(白天夜晚)
5 過負載保護過溫度保護
6 體積小重量輕室外防水防塵
7 電腦界面可遠端監控
8 防止獨立運轉(連線保護)
9 可自力運轉
太陽電池組列
交流負載
直交流轉換器MPT
Power Conditioner
併聯系統之獨立運轉(單獨運轉)
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull停電時單一併聯系統將會停止運作
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
bull 市電停電時多數併聯系統仍聯合運作將對電力公司人員產生嚴重危害
孤島效應之防止方法
停電偵測1 過電壓低電壓
2 過頻率低頻率
3 被動式偵測如
bull 電壓與頻率監視方式
bull 電壓相位跳躍監視方式
bull 高次諧波監視方式
bull 頻率變化監視方式
PV組列
直交流轉換器
自家負載
4 主動偵測如
bull 頻率Shift方式
bull 配電線負載變動方式
bull 有效電力變動方式
bull 無效電力變動方式
反應時間05~2秒
資料來源「日本電氣用品試驗所」分散型電源系統連系技術指針(1998)
併聯系統之自力運轉功能
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull 大停電後白天有陽光時以人工啟動 PV 系統進行自力運轉供自家負載使用(但夜間無法使用)
防災型併聯型系統
適用地點有防災需求(照明汲水通信hellip)之公共設施
工作方式
bull 平時PV併聯發電(電池浮充) 效率高利用率高夜間由台電供電
bull 視需要建置供防災用電池大停電時白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
缺點bull 含電池成本較高bull 系統較複雜需專人定期維護
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
FAQ1太陽光發電需要多少土地
效率 = (輸出功率W) (組列面積 m2 x 日照強度 Wm2 ) x 100
模板面積 m2 = 輸出功率W (效率 x日照強度Wm2 ) x100
bull 假設使用效率gt136 模板於1000 Wm2 (AM15)日照強度下
10 kWp 模板面積 (m2) = 10000 (0136 x 1000) ~ 735 m2
10 kWp PV系統土地面積需求約
~ 735 m2 x 15 x 11
~ 121m2 (~36坪)
(包括陰影面積及維修空間)
bull 假設使用效率~10 模板
則模板面積約 ~ 100 m2
土地面積需求約 ~ 165m2 (~50坪)
gt55o
夏至
冬至
春秋分
235o 235oh
L1 L2
FAQ2太陽電池一年能發多少電
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
10 kWm2
05 kWm2
日照強度
等效日照時數(Sun Hour)
組列單日發電量 = 組列額定輸出功率 x 等效日照時數
bull 預估1 kWp 組列單日發電量 = 1 (kW) x ex 4(Sun Hour)= 4 kWh
組列年發電量 = 組列額定輸出功率 x 年平均每日日照時數 x 365
bull 預估 1 kWp 組列年發電量 = 1 x 4 x 365 = 1460 kWh
時間時間時間時間
FAQ3太陽光發電的成本(簡易估算)
1 假設目前太陽光發電系統設置成本約為 NT$ 280000 kWp
2 假設年平均每日日照時數約為 25 Sun Hour (台灣中南部地區)
bull 1 kWp 組列單日發電量= 1 (kW) x 25 (Hour)= 25 kWh
bull 1 kWp 組列年發電量= 25 x 365 = 913 kWh (度)
3 假設太陽光發電系統使用壽命為 20 年
bull 1 kWp 太陽光發電系統總共可發電 20 x 913 = 18260 度
4 生產每度電之成本約為 280000 18260 ~ NT$ 153
5 未來發展趨勢
bull 太陽光發電系統設置成本將逐年降低
bull 市電電費將會升高(國內目前約 NT$ 3 度日本約NT$ 7 度)
bull 傳統能源限制再生能源獎勵利率降低
64獨立型太陽光發電系統應用例(一)
bull太陽電池時鐘-日本bull太陽電池路燈-日本千里住宅公園
獨立型太陽光發電系統應用例(二)
bull太陽電池交通標誌-日本北海道 bull高速公路緊急電話-日本
獨立型太陽光發電系統應用例(三)
bull800W無線通信中繼基地台韓國(1998)
獨立型太陽光發電系統應用例(四)
bull離島用90kW獨立型發電系統韓國Ho-Do島(1992)
併聯型太陽光發電系統應用例(一)
bull設置於屋頂之住宅用太陽光發電系統(建材一體型日本千里住宅公園內住宅設計之一)
併聯型太陽光發電系統應用例(二)
bull日本東海線新幹線京都車站之太陽光發電系統(100kWp)
併聯型太陽光發電系統應用例(三)
bull日本京瓷(Kyocera)京都總公司大樓之太陽電池發電系統(220kWp)
太陽光發電發電廠應用例
太陽電池發電廠
(PV Power Plant)
資料來源 ANIT
Srl Italy
建材一體型太陽電池模板應用例
bull資料來源 Pilkington Solar International GmbH 德國
太陽能車應用例
Honda Dream
bull資料來源 PV Special Research
Centre UNSW Australia
交大太陽能車
bull資料來源 National Chiao-Tung
University Taiwan
太陽光發電航太應用例(NASA Helios )
bull空中無線通訊平台應用
資料來源SkyOne Inc Taiwan
bull 飛行高度5-7 萬英呎(最高記錄 96000 英呎)
bull 時速60 mph (起飛 25 mph)
bull 翼展247 英呎bull 重量2000 磅bull 太陽電池效率要求gt22
資料來源httpwwwaerovironmentcomhomehtml
清雲技術學院 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
個人住宅 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
勤益技術學院 3kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
南台科技大學 10kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
總統府 10kWp 獨立型太陽光能發電系統 (9012)
海巡署南沙太平島 20kWp 混合型(柴油發電機)太陽光能發電系統 (9011)
90能源基金示範補助成果例
台電樹林 20kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
併聯型
台電台北市區處 20kWp 太陽光發電系統
(91能源基金示範補助成果)
併聯型
7結論
bull (1)提高電力轉換器效率
bull 轉換器的損失主要來自於開關切換時之損失為了可以降低濾波電路中電感和電容的體積可以提高切換頻率但是相對於開關的切換損失也因此而增加導致轉換器的效率降低因此發展零電壓或零電流切換技術應用於高切換頻率之轉換器將可以提高轉換器的效率
bull (2)提高太陽光發電系統之整體效率
bull 傳統之太陽光發電系統包含儲能系統和供電系統前級利用DCDC轉換器作最大功率追蹤後級則利用DCAC轉換器轉換能量供應給交流負載為了提高太陽光發電系統的整體效率在研究可提出了模組並聯控制技術以提昇各級電力轉換器的效率而在未來太陽光發電系統也將著重在單級電力轉換器的設計對於整體系統效率有較明顯的改善
8參考資料
1許國強ldquo太陽光發電原理與應用工研院材料所 薄膜技術組91年
2華志強黃崇倫ldquo智慧型能量控制於太陽光電能轉換系統國立雲林科技大學電機工程學系電力研討會97年
3林政達ldquo數位式市電並聯換流器與快速鎖相迴路控制器之研製國立雲林科技大學電機工程學系碩士論文92 年
4李思賢ldquo數位式單相低功率太陽光電能轉換系統國立中山大學電機工程學系碩士論文92 年
5洪世杰ldquo適用於再生能源之市電併聯型雙輸入供電系統國立中正大學電機工程研究所碩士論文93 年
6王廷興ldquo太陽能發電配電設計概要台北科技大學冷凍空調系 92年
7魏榮宗王文宏ldquo高效率太陽光電能源轉換系統 元智大學電機工程學系94年
[ ] 100)25(
)11
(exp
1)(exp
3
λminus+=
minus
=
+minus
minus+minus=
TKII
TTBk
qE
T
TII
where
R
IRVIRV
AkT
qIII
ISCRLG
r
GO
r
oros
sh
ssosLG
VI cell output current and voltagecell reverse saturation currentcell temperature in CBoltzmannrsquos constantelectronic chargeshort circuit current temperature coefficientsolar irradiation in Wmshort-circuit current at 25 Cand 1000 Wm
light-generated currentband gap for siliconideality factorsreference temperaturecell saturation current atshunt resistanceseries resistance
osI
T
kq
00170=IK
SCRIλ
LGI
GOE
921== ABKTr deg= 18301
orI
shR
sR
附錄附錄附錄附錄- 太陽能電池太陽能電池太陽能電池太陽能電池
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
(a) Equivalent circuit of a PV module and
(b) Typical PV module current-voltage and power-voltage characteristics
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
Characteristic of a PV module with temperature and irradiation (a) constant irradiation and varying temperature and (b) constant temperature and varying irradiation
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
系統範例系統範例系統範例系統範例
中途驛站電化PV離島用PV系統山岳地帶PV系統離島偏遠區
勤務指揮中心緊急避難所醫療院所公園學校地震觀測站森林嘹望台避難指示燈氣象觀測所水位警報PV系統河川安全燈防波堤安全PV燈
緊急防災
緊急供電系統管線電氣防蝕輸油管流量計PV系統市場廣告塔海上石油平台各種計測站PV系統發電廠情報指揮中心
產業用
住宅用供電系統緊急供電系統緊急照明系統帷幕牆遮陽棚採光罩屋瓦建築物
無線通信用中繼站基地台緊急電話中繼站電話通信PV系統Radio受信PV系統微波中繼站
通訊
農宅用電溫室栽培PV系統農業灌溉用自動灑水系統農牧電籬牛乳冷藏漁業養殖揚水通氣自動餵食器
農林漁牧
路燈交通號誌道路指示牌標誌燈太陽能電動車充電站高速公路緊急電話偏遠道路緊急電話停車計時器停車場控制門系統高速公路防音壁PV系統公路休息區PV系統太陽能車平交道指示燈候車亭PV系統車站屋頂型PV系統
道路交通
收音機測電表手錶計算機太陽能照相機手電筒電池充電器野營燈民生
應用領域
太陽電池直接驅動負載如馬達等(應用於玩具車船馬達音樂卡片hellip)
bull 電力現買現賣
bull 負載匹配(容量與電壓)
bull 溫度效應
bull 搭配(超高)電容可以提高效能
太陽電池(直流)基礎應用範例(I)
I M
+
-
C
圖片資料來源httpshoppingyahoocom httpwwwsolar-icomSampYhtml
太陽電池先對電池充電再由電池供應負載(應用於玩具車船電動機械夜間燈光計算機鐘錶3C產品hellip)
bull 電力零存整付
bull 太陽電池電池電壓匹配
bull 溫度效應
bull 使用阻隔二極體
bull 電池過充放電保護
太陽電池(直流)基礎應用範例(II)
I負載
+
-
電池
圖片資料來源httpshoppingyahoocom httpwwwsolar-icomSampYhtml
FAQ1太陽電池應用效能不佳太陽電池之負載匹配(Load Matching)
RshID
IL
+
----
v
I
RL
Rs
bull Efficiency of a PV system is strongly affected by load matching
bull Measurement of I-V Characteristic curve is important
VocVm
Im
Isc
Pm
RL 1
RL 3
RL 2 Battery voltage
RL
----
+
不同日照強度下太陽電池 I-V 特性曲線
bull 最大輸出功率隨日照強度而改變並非永遠等於額定值
0
1
2
3
4
5
6
7
0 10 20 30 40 50
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
1000Wm2 (AM1)
500Wm2 (05AM1)
不同溫度下太陽電池 I-V 特性曲線
bull太陽電池溫度升高時輸出電壓與最大輸出功率降低
0
1
2
3
4
5
6
7
0 10 20 30 40 50
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
75oC 50oC 25oC 0oC
Battery voltage
0
1
2
3
4
5
6
7
0 10 20 30 40 50
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
500Wm2 (05AM1)
1000Wm2 (AM1)
太陽電池之動態負載匹配(日照變化)
RL(high)
RL(low)
bull Maximum power tracking is required in high efficiency PV system
太陽電池 I-V 特性曲線測量方法
VocVm
ImIsc Pm
C+
-
A
VR
A
V
A
V可程式負載
模擬陽光使用鎢絲燈氙燈Solar Simulator 或太陽光
Pm lt few10 W Pm lt few 100 W Pm lt 100 kW
Solar Simulator Array Tester
圖片資料來源httpwwwspiresolarcomSolarequipmenthtml
太陽於天球(Celestial Sphere)上運行之軌跡
冬至 春秋分 夏至 冬至 春秋分 夏至 春秋分 夏至
北緯 0o 北緯 45o 北緯 90o
(赤道) (北極)
天球
太陽運行軌跡與太陽電池仰角
冬至 夏至春秋分
所在緯度235o
235o47o0o
47o 235o
13太陽電池組列仰角與間隔設計例
bull組列仰角~235o (台灣地區)
bull h=組列總高度( lt 15 m)
bull L2=h tan(55o) = 057 L0
(55o可適用於冬至0900~1500)
bull水平角度=正南 plusmn5o
235o
55o
235o
夏至
冬至
春秋分
235o 235o
南
h = 04 L0
L1= 092 L0L2 = 057 L0
L0
L1 + L2 = 15 L0
2零交越偵測電路分析
bull 零交越偵測電路如圖1 所示主要目的在於檢測輸入弦波電壓之零交越點其電路輸出為ㄧ方波信號利用方波上緣信號觸發數位訊號處理器之外部中斷腳位進而進行相位同步之功能[4]零交越偵測電路輸入與輸出波形如圖2 所示相位同步控制當數位訊號處理器發生上緣觸發時此觸發訊號如同系統重置訊號將正弦表指標變數歸零一經重置後指標變數又開始計數藉由每週期ㄧ次的重置訊號迫使換流器輸出達到同步相位同步控制波形示意圖如圖3 所示圖4 為零交越偵測電路輸出實測圖[4]
3系統電路架構與動作模式
bull A
bull 本文所述之系統為一太陽光電能轉換系統方塊圖如圖5 所示主要部分包括太陽能板直流-直流轉換器全橋式換流器數位訊號處理器感測迴授電路與驅動電路此一系統之基本動作情況為一般情況下斷路器1 和斷路器2 均為導通狀態此時太陽光電能轉換系統與電力網路處於連結運轉模式而當電力網路供電中斷時斷路器2 將被斷路以避免孤島現象的發生反之若是太陽光電能轉換系統發生故障時斷路器1 將被斷路以避免電力網路受到其故障的影響
31系統電路架構與動作模式
bull B
bull 電路工作模式bull 此一太陽光電能轉換系統主要有兩種工
作模式以下為二種工作模式的操作說明
bull (1) 獨立運轉模式bull 如圖6 所示獨立運轉模式為當電力網
路供電中斷時斷路器2 將被斷路而此時太陽光電能轉換系統將操作在電壓控制模式下提供負載一穩定的輸出電壓
bull (2) 與電力網路連結運轉模式bull 如圖7 所示與電力網路連結運轉模式
將太陽光電能轉換系統與電力網路連結運轉也就是斷路器1 和斷路器2 同時導通此時系統將操作在電流控制模式下首先經由最大功率點追蹤程式運算出瞬時最大功率點的電流參考值再根據此一電流參考值輸出一與電力網路電壓同相位的電流至負載或甚至回送至電力網路
31直流至直流切換式轉換器
典型直流至直流轉換器系統之構造如圖21所示其輸入通常為由線電壓整
流而得之非調節直流電壓然後再利用切換式直流至直流轉換器將此變動之
直流電壓轉換成一調節之直流電壓
無控制之二極體橋式整流器
交流線電壓
(單相或三相)
直流電壓
(無調節性)
濾波電容 (無調節性)
直流至直流轉換器 (具調節性)
負載
蓄電池
直流電壓 直流電壓
控制訊號1降壓式(step-down buck)轉換器
2升壓式(step-up boost)轉換器
3升降壓式(step-downstep-up buck-boost)轉換器
4全橋式轉換器
上述四種轉換器中只有降壓式及升壓式是最基本的轉換器電路架構升
降壓式轉換器是此二基本轉換器之結合而全橋式轉換器則是由降壓式轉
換器衍生而來
直流至直流轉換器之控制
直流至直流轉換器的作用即是在輸入電壓與輸出負載變動的情況下能夠調
節輸出電壓為所設定的位準電壓位準轉換之原理可以圖22(a)所示之簡單
電路來說明由開關導通與截止可得圖22(b)之波形其中輸出電壓vo平均
值大小Vo與開關之導通及截止時間(ton及toff)有關平均輸出電壓大小調整
之最典型的方式是採用脈波寬度調變法(Pulse-Width ModulationPWM)
其切換週期Ts(= ton+toff)為固定由調整導通時間之大小來改變平均輸出電
壓之大小Vo
+
_
Vd
R
+
_
Vo
0Vd
Vo
vo
tton toff
Ts
脈波寬度調變切換控制的方塊圖如
圖23(a)所示開關之切換控制信號
由控制訊號vcontrol與週期為Ts之鋸齒
波vst比較而得控制信號則由Vo之
實際值與設定值之誤差放大而得
vcontrol與vst比較所得之切換控制信號
的波形如圖23(b)所示當控制訊號
vst較大時則為高準位信號即使
開關導通反之為低準位信號即使
開關截止故開關之切換週期亦為
Ts 由以上的原理可知開關切換
之責任週期 (Duty Ratio)為D=tonTs
=vcontrolVst 其中Vst為鋸齒波之振
幅
放大器
+
-Vo
(設定)
(實際)
Vo
比較器
週期性波形 stv
切換控制訊號
控制訊號
0 t
$Vst
=stv 鋸齒波電壓
controlv (放大誤差)
On On
Off Off
stcontrol vv gt
stcontrol vv ltton toff
Ts
切換控制訊號
(切換頻率 fT
s
s
=1
)
升壓式直流至直流轉換器
圖211為升壓式轉換器電路主要用途為直流電源供應器與直流馬達之
再生制動(Regenerative Breaking)顧名思義其輸出電壓高過於其輸入
電壓當開關導通時二極體反向偏壓輸入電能儲存於電感負載電
能則由電容提供當開關截止時負載吸收輸入及儲存電感中之電能
-
L
CRVd
Vo
vL
iL
io
+
-
++
_
t0
t0
vL
iL
I L
Ts
toffton
_++
_
+
_
+ _+
_
+
_
iL
vL
Vd Vo
iL
vL
Vd Vo
)( dV
)( od VV minus
圖212所示為電感電流為連續之
穩態工作波形由穩態下電感電
壓一週期之平均值為零可得
0)( =minus+ offodond tVVtV
等號兩側除以Ts重新整理可得
Dt
T
V
V
off
s
d
o
minus==
1
1
假設電路無損失輸入功率
Pd=VdId 等 於 輸 出 功 率
Po=VoIo 則
)1( DI
I
d
o minus=
非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器
bullBoost之設計假設輸入10V輸出30V頻率50kHz輸出10W
所以D＝23
( ) s
o
o TDDP
VL
22
12
minusge
=6667uH
取75uH
D
VV in
o minus=
1
L
Vi
n
S Vo
+
_
C
DiL
vds
升降壓式直流至直流轉換器
升降壓式轉換器的主要用途為輸入與輸出之極性相反輸出電壓可以高於
或低於輸入電壓之直流電源供應器升降壓式轉換器可以由降壓式轉換器
與升壓式轉換式串接而成穩態下輸入與輸出電壓轉換器之比值為二轉換
器個別比值之乘積
D
D
V
V
d
o
minus=
1
因此變化責任週期D可使輸出電壓高於或低於輸入電壓
+
_
+
_
_
+
RC Vo
L
Vd
io
iLvL
id
降壓式直流至直流轉換器
降壓式轉換器顧名思義其作用為將較高準位的輸入電壓換成較低
準位的輸出電壓主要用途為直流電源供應器及直流馬達速度控制
圖22(a)所示為提供純電阻性負載之降壓式轉換器由圖22(b)可知其輸
出電壓波形由開關位置決定平均輸出電壓為
dd
s
onT
t
t
d
s
T
o
s
o DVVT
tddV
Tdv
TV
s
on
ons ==+== intintint )0(1
)(1
00ττττ
+
_
Vd
R
+
_
Vo
0Vd
Vo
vo
tton toff
Ts
32直流至交流切換式反流器
切換式直流至交流(DCAC)反流器(Inveter)乃用以將直流電源轉換成振幅
與頻率均可調之正弦式交流電源主要用途為交流馬達驅動與交流不斷
電電源供應器圖31為典型交流馬達驅動之反流器方塊圖其直流輸入
電壓通常由線電壓整流及濾波而得接著再利用切換式反流器改變輸出
電壓之振幅與頻率以驅動交流馬達切換式反流器功率之流通通常是
由直流至交流稱為反流模式但亦可以從交流至直流稱為整流模
式
+
_
交流馬達
二極體整流器 濾波電容 切換式反流器
Vd
三相交流電源
反流器包括單相及三相其輸入為直流電壓源者稱為電壓源反流器
(Voltage Source InverterVSI)另外若輸入為直流電流源者稱為電流
反流器(Current Source InverterCSI)目前僅應用在高功率之交流馬達
驅動器
1脈波寬度調變(PWM)反流器其輸入電壓通常為固定反流器本身具備變
頻及變壓的功能而變頻及變壓乃利用開關之脈波寬度調變切換控制達成
有許多類型之脈波寬度變技術可以使輸出電壓近似弦波
2方波(Square-Wave)反流器此反流器輸出電壓振幅乃由其輸入電壓調
整
反流器本身只控制輸出頻率交流輸出電壓波形近似方波因此乃稱方波
反流器
3採用電壓消去法(Voltage Cancellation)之單相反流器單相反流器當輸入
電壓為定值時可以利用電壓消去法來變頻及變壓而不須採用脈波寬度
調變其輸出電壓波形近似方波因此其結合了前述兩種反流器的特色
值得注意的是電壓消去法並不適用於三相反流器
切換式反流器之基本觀念
考慮圖33(a)之單相反流器假設其正弦輸出電壓vo是經過濾波所得若
輸出之負載為電感性(如馬達)則輸出電流io將落後vo 如圖33(b)所示
在期間1及3中 vo與io同號瞬時功率Po=voio為正故功率由直流側送至
交流側稱之為反流模式在期間2及4中 vo與io異號瞬時功率Po為負
故功率由交流側送至直流側稱之為整流模式圖33(a)之切換式反流器
在每一週期內會經歷平面上四個象限中之所有象限
單相切
換式變
流器與
濾波器
o
o
+
-
+
-
Vd
vo
id
io
0t
4 1 2 3
voio
io
vo
1反流器
4整流器
3反流器
2整流器
0
為清楚解釋起見以單臂反流器來說明
+
_
+
_
+ +
__
Vd
Vd
2
Vd
2
A
N
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
vAN
oo
o
反流器電路之脈波寬度調變切換技術如圖35(a)所示由一正弦波形控
制訊號vcontrol與三角波形vtri作比較三角波(又稱載波)之振幅為Vtri頻率
為fs fs決定反流器開關之切換頻率正弦波控制電壓vcontrol(又稱調制訊
號)之基頻f1決定反流器之輸出頻率而其振幅則決定反流器輸出電壓之
大小定義振幅調變指數為ma=Vcontrol Vtri 其中Vcontrol為vcontrol之振幅
而頻率調變指數則定義為mf = fs f1
0 t
vcontrol vtri
sf
1
0 t
vAo
V d
2
minusVd
2
t=0
v v
T on T off
control tri
A A
lt
minus + v v
T on T off
control tri
A A
gt
+ minus
1)( AoAo vv =之基本波
0 t
vcontrol vtri
sf
1
圖34反流器之開關的控制方法與io方向無關為
dAoAtricontrol VvTvv2
1=gt +導通
dAoAtricontrol VvTvv2
1minus=lt minus導通
由於二開關之導通為互補因此輸出電壓只在Vd 2與-Vd 2二值間作變
動圖35(b)所示為ma=08與mf =15時輸出電壓vAo及其基本波(以虛線表示)
之波形
+
_
+
_
+ +
__
Vd
Vd
2
Vd
2
A
N
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
vAN
oo
o
單相全橋式反流器
單相全橋式反流器如圖311所示乃由兩個前述之半橋反流器所組成在
相同之輸入電壓下全橋式反流器之最大輸出電壓為半橋式之兩倍這代
表在相同之功率下全橋式反流器之輸出及開關電流僅為半橋式之一半
此對於高功率用途是一大優點因其可以降低使用並聯元件之需求
+
_
+
_
+
_
Vd
Vd
2
Vd
2
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
v v vo Ao Bo= minuso
A
B
TBminus
TB+
DBminus
DB+
+_
id
o
o
N
雙極性電壓切換之脈波寬度調變
0 t
vcontrolvtri
sf
1
0 t
ov1ov
dV
dVminus
單極性電壓切換之脈波寬度調變
onBT +
trivgttricontrol vv gt
trivcontrolv
t
)( controlvminus
)( controlvminusonAT +
t1ov
dV
dVminus
)( BNAN
o
vv
v
minus=
應用雙極性電壓切換之脈波寬度調
變全橋式反流器乃 (TA+TB-)與 (TA-
TB+)成對切換且二者互相反相
應用單極性電壓切換之脈波寬度調
變全橋式反流器乃A臂與B獨立切
換且同臂二開關互相反相
三相反流器
+
-
+
-
+
-
dV
2dV
2dV
+AT
minusAT
+AD
minusAD
o
BminusT
+BT
minusBD
+BD
di
minusCT
+CT
minusCD
+CD
N
A B C
o
0 t
triv Acontrolv Bcontrolv Ccontrolv
0
BNANAB vvv minus=
t
dV
之基本波1LLv
ANv
0 t
dV
t0
BNv
dV
三相電壓源反流器之脈波寬度調變切換的功能為在固定輸入直流電壓下用以調整三相輸出電壓之振幅及頻率三相脈波寬度調變方式由三相各差120度的控制電壓與三角波作比較其波形與單相全橋式反流器採用脈波寬度調變單極性切換者類似
最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法
33最大功率追蹤最大功率追蹤最大功率追蹤最大功率追蹤
為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點本文使用本文使用本文使用本文使用擾動觀察法擾動觀察法擾動觀察法擾動觀察法(Perturbation and Observation Method PampQ)進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功率追蹤率追蹤率追蹤率追蹤由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點下圖為擾動下圖為擾動下圖為擾動下圖為擾動觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖為利用為利用為利用為利用DCDC轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作時時時時其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為0之特性之特性之特性之特性使用使用使用使用DCDC轉換器控制太陽轉換器控制太陽轉換器控制太陽轉換器控制太陽能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動
擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖
最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法
左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖蹤示意圖蹤示意圖蹤示意圖太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分為兩個特性區域為兩個特性區域為兩個特性區域為兩個特性區域假設進行追蹤假設進行追蹤假設進行追蹤假設進行追蹤時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時電壓電壓電壓電壓的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率增加增加增加增加若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出功率減少功率減少功率減少功率減少經由經由經由經由DCDC轉換器調轉換器調轉換器調轉換器調節太陽能板與節太陽能板與節太陽能板與節太陽能板與DCDC轉換器的阻轉換器的阻轉換器的阻轉換器的阻抗相互匹配抗相互匹配抗相互匹配抗相互匹配進而得到太陽能板進而得到太陽能板進而得到太陽能板進而得到太陽能板的最大輸出功率的最大輸出功率的最大輸出功率的最大輸出功率
擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖
4軟體規劃
bull 系統控制程式主要分為主程式固定週期中斷副程式市電電壓零交越中斷副程式等三大部分以下將分別介紹各部分程式流程
bull 本系統主程式主要執行數位訊號處理器周邊暫存器的初始設定以及變數宣告其中除了變數宣告外周邊暫存器的初始設定包括有規畫中斷向量設定計數器之計數模式計數週期中斷的時間和PWM 輸出模式等相關參數設定
bull 如圖8 所示系統初始設定後必須先等待中斷發生才能決定系統是否執行固定週期中斷程式或零交越中斷副程式
bull 圖9 為固定週期中斷副程式流程圖固定週期中斷頻率與換流器開關之切換頻率相同為20kHz程式開始會先偵測太陽能板電壓及電流與直流鏈電壓當確定市電電壓零交越中斷發生時必須先將輸出弦波訊號之指標強制為原點重新送出單位弦波確保換流器輸出電流與市電電壓能維持同相位接著比較太陽能板輸入電壓VPV 是否大於最低工作電壓VPV_work如果確定大於最低工作電壓則致能太陽能最大功率追蹤反之則禁能系統動作程式返回圖9 中的正弦脈寬調變副程式主要功能在於決定換流器中開關的動作順序與責任週期大小以及輸波參考訊號
bull 圖10 為太陽能最大功率點追蹤副程式流程圖在文中對最大功率追蹤採用擾動與觀察法配合太陽能光電板的電壓mdash功率特性曲線即可瞭解程式如何完成太陽能光電板最大功率點追蹤
主程式流程圖
5實驗
bull 依據上述的分析採用DSP 2407A 建立一個500W 太陽光電池電能轉換系統依據圖11 之
bull 電路架構其規格與元件參數分別列於表一表二及表三系統實驗波形圖12圖13圖14 及
bull 圖15 為系統操作在獨立運轉模式下負載分別為120W240W360W 及480W 時之換流器輸出
bull 電壓及輸出電流之實測波形
系統規格與元件參數
實測波形
6實務應用系統實務應用系統實務應用系統實務應用系統
獨立系統示意圖獨立系統示意圖
考慮點
系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等安全係數最佳化設計複雜)
一般充電控制器無 MPPT搭配蓄電池使發電效能較差
蓄電池每日gt50DOD深度放電gt02C充電壽命短
太陽光發電量與負載需求量不搭配時太陽光之發電能量利用率偏低 (負載需求搭配與安全係數為互相矛盾之設計)
PV-柴油發電機PV-風力等混合系統為改善之方法
市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台
電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池
併聯系統示意圖併聯系統示意圖
緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析
1 系統設置成本高建議使用於邊際效益高之用電（防災緊急輔助電力）
2 總體經濟效益減少環境污染解決尖峰用電之不足與短缺能源多元化之風險分擔與開創自主能源
3 遮蔽陽光直曬降低建築物之熱效應（被動省能）同時轉換太陽光為電能供應建物自主能源（主動節能）一舉兩得
緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較
30萬元divide21900kWh＝137元度2萬元divide50kWh＝400元度每度電成本
日發電度數times365天times20年＝3hrtimes1kWtimes365天times20年＝21900kWh（度）
（年停電＋年測試運轉時數）times10年＝（20mintimes6次＋15mintimes12月）times10年＝5hrtimes1kWtimes10年＝50kWh
總發電度數（1kw計）
夜間不發電（可利用蓄電池設計供電年維運費02）
噪音空污油料運輸儲油危險維運成本高
缺點
利用露台屋頂牆面空間設備煙管隔音油槽需室內空間
設置空間
平時緊急時均可使用隨時可了解運轉狀況不須操作
加ATS停電時方可啟動需人員每月定期測試運轉
系統運作
太陽光潔淨能源（免費）柴油使用燃料
20年7~10年使用壽命
1kW=30萬元1kW=2~3萬元設置費用
太陽光發電系統柴油發電機
風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析
運用多元化能源分擔風險情況比較說明如下
1 市電--gt停電時風險極高
2 市電＋柴油發電機--gt發電機故障時風險高
市電＋柴油發電機＋太陽光發電系統--gt發揮三者優點互補同時故障機率小風險最低
案例
832kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide057＝317 m2
115kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide075＝332 m2
緊急時057平時065~08
綜合係數溫度變化污損線損Inverter效率＋蓄電池充放電補償
電力需求divide（日照強度times日照時間times模板效率times綜合係數）
模組面積估算
日照強度1kWm2
日照時間384hd
模板效率12
832kWhd500人用電量115kWhd770人用電量
緊急時平時
電力需求估算
緊急時40kWtimes384hdtimes057＝875 kWhd
平時40kWtimes384hdtimes075＝1152Whd
太陽發電系統發電量＝設置容量times日照時間times綜合係數
發電量計算
332m2times1kWm2times12＝398kW≒40kW
太陽發電系統設置容量＝設置面積times日照強度times模板效率
設置容量計算模板效率依太陽電池種類而異
進行模板陣列及蓄電池容量設計
40kWdivide18片串divide120W＝185列≒19
列
40kWdivide17片串divide120W＝196列≒20
列
陣列併列數＝設置容量divide單串功率
18片times120W＝2160W
17片times120W＝2040W
單串功率
300Vdivide169V＝1775片（取整數17 or 18）
陣列串聯數＝Inverter輸入電壓divide模板輸出電壓
模板陣列設計
1 模板功率120W
2 模板輸出電壓169V
3 直交流轉換器(Inverter)輸入電壓300V
120Wtimes17片串times20列＝40800W＝340片(最佳陣列)
120Wtimes18片串times19列＝41080W＝342片
最佳陣列較經濟之設置容量選擇最佳陣列
蓄電池數量＝144個times2列＝288個
120640Whdivide288Vdivide200Ah＝21列≒2列
併列數＝蓄電池需求容量divideInverter額定電壓
288Vdivide2V＝144個
串聯數＝Inverter額定電壓divide蓄電池電壓串併數設計
middot 蓄電池電壓2V個
middot 蓄電池容量200Ah個
Inverter電壓輸入電壓 額定電壓300V 288V200V 192V
蓄電池需求容量＝832kWhdtimes1dtimes145＝12064kWh
蓄電池需求容量＝緊急電力需求times無日照天數times補償係數補償係數蓄電池內阻抗放電停止電壓電壓降低補償
蓄電池需求容量設計
middot 補償係數145
無日照天數1日
61市電相關規定市電相關規定市電相關規定市電相關規定
1 發電設備併接於低壓系統者其總容量未滿100kW且技術無困難者得併接於單相三線110V220V三相三線220V之配電系統若總容量在100kW以上而未滿500kW得分別併接於3相4線220V380V之配電系統
2 發電設備總容量在500kW以上而未滿5000kW10000kW且技術無困難者得分別併接於114KV228KV之高壓配電系統
3 電設備總容量在10000kW以上而未滿40000kW者得併接於特高壓之系統
4 發電設備總容量在40000kW以上者依個案研討分類
併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類
發電系統經由發電系統經由發電系統經由發電系統經由110V220V110V220V110V220V110V220V併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者發電設發電設發電設發電設備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能
1 過電壓保護 低電壓保護
2 低頻保護 高頻保護
3 過電流保護 零相過電壓接地保護
4 發電設備為無逆送電力者須加裝逆電力保護
5 發電設備為有逆送電力者必須具備主動及被動防止單獨運轉保護
發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經110V220V110V220V110V220V110V220V系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者在電在電在電在電源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器
發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業114KV228KV114KV228KV114KV228KV114KV228KV之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者((((高高高高壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶))))發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Extremely Inverse特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Extremely Inverse特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過流電驛(67)須具Normal Inverse特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
發電設備併接於電業69KV特高壓輸電系統者發電設備之輸出端至少應具有下列同等保護功能並須與電業該轄區之保護設備協調
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Normal Inverse之特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Normal Inverse之特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過電流電驛(67)須具Normal Inverse之特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
8 快速及後衛保護電驛如系統保護需要時應裝設
9 匯流排電驛採用GIS斷路器者應裝設
62626262太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範
1 故障電流
太陽光電發電系統大於100kW以上須計算故障電流其送至電業系統之故障電流不得影響電業及其他用戶斷路器之起斷容量否則需裝置限流電抗器
太陽光電發電系統之隔離變壓器接地方式須與電業之系統配合
2 正常電壓變動率應維持在plusmn5以內
3 太陽光電發電系統與電業間之責任分界點的功率因數以維持85落後至100之間運轉為原則
4 諧波污染限制應依照「電力系統諧波管制暫行標準」辦理
分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性
適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯型之規範型之規範型之規範型之規範
電力轉換器電力轉換器電力轉換器電力轉換器(電力調節器電力調節器電力調節器電力調節器)(InverterConditioner)
蓄電池蓄電池蓄電池蓄電池(Battery))
63大型(商用)太陽光發電系統應用(gt1 kWp)
太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統
單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池(Unit Solar Cell)
太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板(PV Module)
太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列(PV Array)
太陽光發電系統應用獨立系統
(A) 獨立系統(Stand-Alone
System)
bull 蓄電池保護壽命
(B) 混合型交流獨立系統 (Hybrid
System)
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
直流負載PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
整流器
輔助發電機
PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載- ~PCU
直直直直交流轉換器交流轉換器交流轉換器交流轉換器
太陽光發電系統應用併聯系統
(D)併聯系統(Grid-
connected System)
特殊功能1 最佳效能2 防止獨立運轉(連線保護)
3 可自力運轉
(E) 防逆流型系統(Off-line System)
(F) 防災型併聯系統
充電控制器
蓄電池
直交流轉換器
PCU太陽電池組列
交流負載
ATS
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
獨立型系統
適用地點高山離島基地台hellip等市電無法到達處
工作方式白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
必須可以自給自足
缺點bull 系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等
安全係數設計很困難)
bull 蓄電池建置複雜成本很高壽命很短
bull 負載搭配不良時發電效能不佳利用率將偏低
bull 需由專人隨時維護
bull 混合系統為一種解決方法
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
PCU
併聯型系統
適用地點電力正常送達之任何地點工作方式 bull 白天 PV系統併聯發電夜間由台電供電bull 將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的蓄電池
優點bull 系統簡單不需安全係數設計(依預算設計)不需要專人維護bull 併聯發電效率高利用率高
缺點bull 停電時無電可用bull 受併聯法規限制尚未開放(但即將開放)
bull 有孤島效應之疑慮(目前技術上已解決)
改善型無電池自力運轉
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
市電併聯型住宅用太陽光發電系統
太陽光發電系統發電及負載用電對時間之關係
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
併聯型直交流轉換器之效能要求較高
1 最大功率追蹤(Maximum Power Tracking MPT)
2 高轉換效率 gt 90 (PWM+電力電子元件)
3 高次諧波功率 Distortion (lt5 total)
4 自動開關機(白天夜晚)
5 過負載保護過溫度保護
6 體積小重量輕室外防水防塵
7 電腦界面可遠端監控
8 防止獨立運轉(連線保護)
9 可自力運轉
太陽電池組列
交流負載
直交流轉換器MPT
Power Conditioner
併聯系統之獨立運轉(單獨運轉)
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull停電時單一併聯系統將會停止運作
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
bull 市電停電時多數併聯系統仍聯合運作將對電力公司人員產生嚴重危害
孤島效應之防止方法
停電偵測1 過電壓低電壓
2 過頻率低頻率
3 被動式偵測如
bull 電壓與頻率監視方式
bull 電壓相位跳躍監視方式
bull 高次諧波監視方式
bull 頻率變化監視方式
PV組列
直交流轉換器
自家負載
4 主動偵測如
bull 頻率Shift方式
bull 配電線負載變動方式
bull 有效電力變動方式
bull 無效電力變動方式
反應時間05~2秒
資料來源「日本電氣用品試驗所」分散型電源系統連系技術指針(1998)
併聯系統之自力運轉功能
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull 大停電後白天有陽光時以人工啟動 PV 系統進行自力運轉供自家負載使用(但夜間無法使用)
防災型併聯型系統
適用地點有防災需求(照明汲水通信hellip)之公共設施
工作方式
bull 平時PV併聯發電(電池浮充) 效率高利用率高夜間由台電供電
bull 視需要建置供防災用電池大停電時白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
缺點bull 含電池成本較高bull 系統較複雜需專人定期維護
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
FAQ1太陽光發電需要多少土地
效率 = (輸出功率W) (組列面積 m2 x 日照強度 Wm2 ) x 100
模板面積 m2 = 輸出功率W (效率 x日照強度Wm2 ) x100
bull 假設使用效率gt136 模板於1000 Wm2 (AM15)日照強度下
10 kWp 模板面積 (m2) = 10000 (0136 x 1000) ~ 735 m2
10 kWp PV系統土地面積需求約
~ 735 m2 x 15 x 11
~ 121m2 (~36坪)
(包括陰影面積及維修空間)
bull 假設使用效率~10 模板
則模板面積約 ~ 100 m2
土地面積需求約 ~ 165m2 (~50坪)
gt55o
夏至
冬至
春秋分
235o 235oh
L1 L2
FAQ2太陽電池一年能發多少電
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
10 kWm2
05 kWm2
日照強度
等效日照時數(Sun Hour)
組列單日發電量 = 組列額定輸出功率 x 等效日照時數
bull 預估1 kWp 組列單日發電量 = 1 (kW) x ex 4(Sun Hour)= 4 kWh
組列年發電量 = 組列額定輸出功率 x 年平均每日日照時數 x 365
bull 預估 1 kWp 組列年發電量 = 1 x 4 x 365 = 1460 kWh
時間時間時間時間
FAQ3太陽光發電的成本(簡易估算)
1 假設目前太陽光發電系統設置成本約為 NT$ 280000 kWp
2 假設年平均每日日照時數約為 25 Sun Hour (台灣中南部地區)
bull 1 kWp 組列單日發電量= 1 (kW) x 25 (Hour)= 25 kWh
bull 1 kWp 組列年發電量= 25 x 365 = 913 kWh (度)
3 假設太陽光發電系統使用壽命為 20 年
bull 1 kWp 太陽光發電系統總共可發電 20 x 913 = 18260 度
4 生產每度電之成本約為 280000 18260 ~ NT$ 153
5 未來發展趨勢
bull 太陽光發電系統設置成本將逐年降低
bull 市電電費將會升高(國內目前約 NT$ 3 度日本約NT$ 7 度)
bull 傳統能源限制再生能源獎勵利率降低
64獨立型太陽光發電系統應用例(一)
bull太陽電池時鐘-日本bull太陽電池路燈-日本千里住宅公園
獨立型太陽光發電系統應用例(二)
bull太陽電池交通標誌-日本北海道 bull高速公路緊急電話-日本
獨立型太陽光發電系統應用例(三)
bull800W無線通信中繼基地台韓國(1998)
獨立型太陽光發電系統應用例(四)
bull離島用90kW獨立型發電系統韓國Ho-Do島(1992)
併聯型太陽光發電系統應用例(一)
bull設置於屋頂之住宅用太陽光發電系統(建材一體型日本千里住宅公園內住宅設計之一)
併聯型太陽光發電系統應用例(二)
bull日本東海線新幹線京都車站之太陽光發電系統(100kWp)
併聯型太陽光發電系統應用例(三)
bull日本京瓷(Kyocera)京都總公司大樓之太陽電池發電系統(220kWp)
太陽光發電發電廠應用例
太陽電池發電廠
(PV Power Plant)
資料來源 ANIT
Srl Italy
建材一體型太陽電池模板應用例
bull資料來源 Pilkington Solar International GmbH 德國
太陽能車應用例
Honda Dream
bull資料來源 PV Special Research
Centre UNSW Australia
交大太陽能車
bull資料來源 National Chiao-Tung
University Taiwan
太陽光發電航太應用例(NASA Helios )
bull空中無線通訊平台應用
資料來源SkyOne Inc Taiwan
bull 飛行高度5-7 萬英呎(最高記錄 96000 英呎)
bull 時速60 mph (起飛 25 mph)
bull 翼展247 英呎bull 重量2000 磅bull 太陽電池效率要求gt22
資料來源httpwwwaerovironmentcomhomehtml
清雲技術學院 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
個人住宅 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
勤益技術學院 3kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
南台科技大學 10kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
總統府 10kWp 獨立型太陽光能發電系統 (9012)
海巡署南沙太平島 20kWp 混合型(柴油發電機)太陽光能發電系統 (9011)
90能源基金示範補助成果例
台電樹林 20kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
併聯型
台電台北市區處 20kWp 太陽光發電系統
(91能源基金示範補助成果)
併聯型
7結論
bull (1)提高電力轉換器效率
bull 轉換器的損失主要來自於開關切換時之損失為了可以降低濾波電路中電感和電容的體積可以提高切換頻率但是相對於開關的切換損失也因此而增加導致轉換器的效率降低因此發展零電壓或零電流切換技術應用於高切換頻率之轉換器將可以提高轉換器的效率
bull (2)提高太陽光發電系統之整體效率
bull 傳統之太陽光發電系統包含儲能系統和供電系統前級利用DCDC轉換器作最大功率追蹤後級則利用DCAC轉換器轉換能量供應給交流負載為了提高太陽光發電系統的整體效率在研究可提出了模組並聯控制技術以提昇各級電力轉換器的效率而在未來太陽光發電系統也將著重在單級電力轉換器的設計對於整體系統效率有較明顯的改善
8參考資料
1許國強ldquo太陽光發電原理與應用工研院材料所 薄膜技術組91年
2華志強黃崇倫ldquo智慧型能量控制於太陽光電能轉換系統國立雲林科技大學電機工程學系電力研討會97年
3林政達ldquo數位式市電並聯換流器與快速鎖相迴路控制器之研製國立雲林科技大學電機工程學系碩士論文92 年
4李思賢ldquo數位式單相低功率太陽光電能轉換系統國立中山大學電機工程學系碩士論文92 年
5洪世杰ldquo適用於再生能源之市電併聯型雙輸入供電系統國立中正大學電機工程研究所碩士論文93 年
6王廷興ldquo太陽能發電配電設計概要台北科技大學冷凍空調系 92年
7魏榮宗王文宏ldquo高效率太陽光電能源轉換系統 元智大學電機工程學系94年
[ ] 100)25(
)11
(exp
1)(exp
3
λminus+=
minus
=
+minus
minus+minus=
TKII
TTBk
qE
T
TII
where
R
IRVIRV
AkT
qIII
ISCRLG
r
GO
r
oros
sh
ssosLG
VI cell output current and voltagecell reverse saturation currentcell temperature in CBoltzmannrsquos constantelectronic chargeshort circuit current temperature coefficientsolar irradiation in Wmshort-circuit current at 25 Cand 1000 Wm
light-generated currentband gap for siliconideality factorsreference temperaturecell saturation current atshunt resistanceseries resistance
osI
T
kq
00170=IK
SCRIλ
LGI
GOE
921== ABKTr deg= 18301
orI
shR
sR
附錄附錄附錄附錄- 太陽能電池太陽能電池太陽能電池太陽能電池
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
(a) Equivalent circuit of a PV module and
(b) Typical PV module current-voltage and power-voltage characteristics
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
Characteristic of a PV module with temperature and irradiation (a) constant irradiation and varying temperature and (b) constant temperature and varying irradiation
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
系統範例系統範例系統範例系統範例
中途驛站電化PV離島用PV系統山岳地帶PV系統離島偏遠區
勤務指揮中心緊急避難所醫療院所公園學校地震觀測站森林嘹望台避難指示燈氣象觀測所水位警報PV系統河川安全燈防波堤安全PV燈
緊急防災
緊急供電系統管線電氣防蝕輸油管流量計PV系統市場廣告塔海上石油平台各種計測站PV系統發電廠情報指揮中心
產業用
住宅用供電系統緊急供電系統緊急照明系統帷幕牆遮陽棚採光罩屋瓦建築物
無線通信用中繼站基地台緊急電話中繼站電話通信PV系統Radio受信PV系統微波中繼站
通訊
農宅用電溫室栽培PV系統農業灌溉用自動灑水系統農牧電籬牛乳冷藏漁業養殖揚水通氣自動餵食器
農林漁牧
路燈交通號誌道路指示牌標誌燈太陽能電動車充電站高速公路緊急電話偏遠道路緊急電話停車計時器停車場控制門系統高速公路防音壁PV系統公路休息區PV系統太陽能車平交道指示燈候車亭PV系統車站屋頂型PV系統
道路交通
收音機測電表手錶計算機太陽能照相機手電筒電池充電器野營燈民生
應用領域
太陽電池先對電池充電再由電池供應負載(應用於玩具車船電動機械夜間燈光計算機鐘錶3C產品hellip)
bull 電力零存整付
bull 太陽電池電池電壓匹配
bull 溫度效應
bull 使用阻隔二極體
bull 電池過充放電保護
太陽電池(直流)基礎應用範例(II)
I負載
+
-
電池
圖片資料來源httpshoppingyahoocom httpwwwsolar-icomSampYhtml
FAQ1太陽電池應用效能不佳太陽電池之負載匹配(Load Matching)
RshID
IL
+
----
v
I
RL
Rs
bull Efficiency of a PV system is strongly affected by load matching
bull Measurement of I-V Characteristic curve is important
VocVm
Im
Isc
Pm
RL 1
RL 3
RL 2 Battery voltage
RL
----
+
不同日照強度下太陽電池 I-V 特性曲線
bull 最大輸出功率隨日照強度而改變並非永遠等於額定值
0
1
2
3
4
5
6
7
0 10 20 30 40 50
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
1000Wm2 (AM1)
500Wm2 (05AM1)
不同溫度下太陽電池 I-V 特性曲線
bull太陽電池溫度升高時輸出電壓與最大輸出功率降低
0
1
2
3
4
5
6
7
0 10 20 30 40 50
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
75oC 50oC 25oC 0oC
Battery voltage
0
1
2
3
4
5
6
7
0 10 20 30 40 50
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
500Wm2 (05AM1)
1000Wm2 (AM1)
太陽電池之動態負載匹配(日照變化)
RL(high)
RL(low)
bull Maximum power tracking is required in high efficiency PV system
太陽電池 I-V 特性曲線測量方法
VocVm
ImIsc Pm
C+
-
A
VR
A
V
A
V可程式負載
模擬陽光使用鎢絲燈氙燈Solar Simulator 或太陽光
Pm lt few10 W Pm lt few 100 W Pm lt 100 kW
Solar Simulator Array Tester
圖片資料來源httpwwwspiresolarcomSolarequipmenthtml
太陽於天球(Celestial Sphere)上運行之軌跡
冬至 春秋分 夏至 冬至 春秋分 夏至 春秋分 夏至
北緯 0o 北緯 45o 北緯 90o
(赤道) (北極)
天球
太陽運行軌跡與太陽電池仰角
冬至 夏至春秋分
所在緯度235o
235o47o0o
47o 235o
13太陽電池組列仰角與間隔設計例
bull組列仰角~235o (台灣地區)
bull h=組列總高度( lt 15 m)
bull L2=h tan(55o) = 057 L0
(55o可適用於冬至0900~1500)
bull水平角度=正南 plusmn5o
235o
55o
235o
夏至
冬至
春秋分
235o 235o
南
h = 04 L0
L1= 092 L0L2 = 057 L0
L0
L1 + L2 = 15 L0
2零交越偵測電路分析
bull 零交越偵測電路如圖1 所示主要目的在於檢測輸入弦波電壓之零交越點其電路輸出為ㄧ方波信號利用方波上緣信號觸發數位訊號處理器之外部中斷腳位進而進行相位同步之功能[4]零交越偵測電路輸入與輸出波形如圖2 所示相位同步控制當數位訊號處理器發生上緣觸發時此觸發訊號如同系統重置訊號將正弦表指標變數歸零一經重置後指標變數又開始計數藉由每週期ㄧ次的重置訊號迫使換流器輸出達到同步相位同步控制波形示意圖如圖3 所示圖4 為零交越偵測電路輸出實測圖[4]
3系統電路架構與動作模式
bull A
bull 本文所述之系統為一太陽光電能轉換系統方塊圖如圖5 所示主要部分包括太陽能板直流-直流轉換器全橋式換流器數位訊號處理器感測迴授電路與驅動電路此一系統之基本動作情況為一般情況下斷路器1 和斷路器2 均為導通狀態此時太陽光電能轉換系統與電力網路處於連結運轉模式而當電力網路供電中斷時斷路器2 將被斷路以避免孤島現象的發生反之若是太陽光電能轉換系統發生故障時斷路器1 將被斷路以避免電力網路受到其故障的影響
31系統電路架構與動作模式
bull B
bull 電路工作模式bull 此一太陽光電能轉換系統主要有兩種工
作模式以下為二種工作模式的操作說明
bull (1) 獨立運轉模式bull 如圖6 所示獨立運轉模式為當電力網
路供電中斷時斷路器2 將被斷路而此時太陽光電能轉換系統將操作在電壓控制模式下提供負載一穩定的輸出電壓
bull (2) 與電力網路連結運轉模式bull 如圖7 所示與電力網路連結運轉模式
將太陽光電能轉換系統與電力網路連結運轉也就是斷路器1 和斷路器2 同時導通此時系統將操作在電流控制模式下首先經由最大功率點追蹤程式運算出瞬時最大功率點的電流參考值再根據此一電流參考值輸出一與電力網路電壓同相位的電流至負載或甚至回送至電力網路
31直流至直流切換式轉換器
典型直流至直流轉換器系統之構造如圖21所示其輸入通常為由線電壓整
流而得之非調節直流電壓然後再利用切換式直流至直流轉換器將此變動之
直流電壓轉換成一調節之直流電壓
無控制之二極體橋式整流器
交流線電壓
(單相或三相)
直流電壓
(無調節性)
濾波電容 (無調節性)
直流至直流轉換器 (具調節性)
負載
蓄電池
直流電壓 直流電壓
控制訊號1降壓式(step-down buck)轉換器
2升壓式(step-up boost)轉換器
3升降壓式(step-downstep-up buck-boost)轉換器
4全橋式轉換器
上述四種轉換器中只有降壓式及升壓式是最基本的轉換器電路架構升
降壓式轉換器是此二基本轉換器之結合而全橋式轉換器則是由降壓式轉
換器衍生而來
直流至直流轉換器之控制
直流至直流轉換器的作用即是在輸入電壓與輸出負載變動的情況下能夠調
節輸出電壓為所設定的位準電壓位準轉換之原理可以圖22(a)所示之簡單
電路來說明由開關導通與截止可得圖22(b)之波形其中輸出電壓vo平均
值大小Vo與開關之導通及截止時間(ton及toff)有關平均輸出電壓大小調整
之最典型的方式是採用脈波寬度調變法(Pulse-Width ModulationPWM)
其切換週期Ts(= ton+toff)為固定由調整導通時間之大小來改變平均輸出電
壓之大小Vo
+
_
Vd
R
+
_
Vo
0Vd
Vo
vo
tton toff
Ts
脈波寬度調變切換控制的方塊圖如
圖23(a)所示開關之切換控制信號
由控制訊號vcontrol與週期為Ts之鋸齒
波vst比較而得控制信號則由Vo之
實際值與設定值之誤差放大而得
vcontrol與vst比較所得之切換控制信號
的波形如圖23(b)所示當控制訊號
vst較大時則為高準位信號即使
開關導通反之為低準位信號即使
開關截止故開關之切換週期亦為
Ts 由以上的原理可知開關切換
之責任週期 (Duty Ratio)為D=tonTs
=vcontrolVst 其中Vst為鋸齒波之振
幅
放大器
+
-Vo
(設定)
(實際)
Vo
比較器
週期性波形 stv
切換控制訊號
控制訊號
0 t
$Vst
=stv 鋸齒波電壓
controlv (放大誤差)
On On
Off Off
stcontrol vv gt
stcontrol vv ltton toff
Ts
切換控制訊號
(切換頻率 fT
s
s
=1
)
升壓式直流至直流轉換器
圖211為升壓式轉換器電路主要用途為直流電源供應器與直流馬達之
再生制動(Regenerative Breaking)顧名思義其輸出電壓高過於其輸入
電壓當開關導通時二極體反向偏壓輸入電能儲存於電感負載電
能則由電容提供當開關截止時負載吸收輸入及儲存電感中之電能
-
L
CRVd
Vo
vL
iL
io
+
-
++
_
t0
t0
vL
iL
I L
Ts
toffton
_++
_
+
_
+ _+
_
+
_
iL
vL
Vd Vo
iL
vL
Vd Vo
)( dV
)( od VV minus
圖212所示為電感電流為連續之
穩態工作波形由穩態下電感電
壓一週期之平均值為零可得
0)( =minus+ offodond tVVtV
等號兩側除以Ts重新整理可得
Dt
T
V
V
off
s
d
o
minus==
1
1
假設電路無損失輸入功率
Pd=VdId 等 於 輸 出 功 率
Po=VoIo 則
)1( DI
I
d
o minus=
非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器
bullBoost之設計假設輸入10V輸出30V頻率50kHz輸出10W
所以D＝23
( ) s
o
o TDDP
VL
22
12
minusge
=6667uH
取75uH
D
VV in
o minus=
1
L
Vi
n
S Vo
+
_
C
DiL
vds
升降壓式直流至直流轉換器
升降壓式轉換器的主要用途為輸入與輸出之極性相反輸出電壓可以高於
或低於輸入電壓之直流電源供應器升降壓式轉換器可以由降壓式轉換器
與升壓式轉換式串接而成穩態下輸入與輸出電壓轉換器之比值為二轉換
器個別比值之乘積
D
D
V
V
d
o
minus=
1
因此變化責任週期D可使輸出電壓高於或低於輸入電壓
+
_
+
_
_
+
RC Vo
L
Vd
io
iLvL
id
降壓式直流至直流轉換器
降壓式轉換器顧名思義其作用為將較高準位的輸入電壓換成較低
準位的輸出電壓主要用途為直流電源供應器及直流馬達速度控制
圖22(a)所示為提供純電阻性負載之降壓式轉換器由圖22(b)可知其輸
出電壓波形由開關位置決定平均輸出電壓為
dd
s
onT
t
t
d
s
T
o
s
o DVVT
tddV
Tdv
TV
s
on
ons ==+== intintint )0(1
)(1
00ττττ
+
_
Vd
R
+
_
Vo
0Vd
Vo
vo
tton toff
Ts
32直流至交流切換式反流器
切換式直流至交流(DCAC)反流器(Inveter)乃用以將直流電源轉換成振幅
與頻率均可調之正弦式交流電源主要用途為交流馬達驅動與交流不斷
電電源供應器圖31為典型交流馬達驅動之反流器方塊圖其直流輸入
電壓通常由線電壓整流及濾波而得接著再利用切換式反流器改變輸出
電壓之振幅與頻率以驅動交流馬達切換式反流器功率之流通通常是
由直流至交流稱為反流模式但亦可以從交流至直流稱為整流模
式
+
_
交流馬達
二極體整流器 濾波電容 切換式反流器
Vd
三相交流電源
反流器包括單相及三相其輸入為直流電壓源者稱為電壓源反流器
(Voltage Source InverterVSI)另外若輸入為直流電流源者稱為電流
反流器(Current Source InverterCSI)目前僅應用在高功率之交流馬達
驅動器
1脈波寬度調變(PWM)反流器其輸入電壓通常為固定反流器本身具備變
頻及變壓的功能而變頻及變壓乃利用開關之脈波寬度調變切換控制達成
有許多類型之脈波寬度變技術可以使輸出電壓近似弦波
2方波(Square-Wave)反流器此反流器輸出電壓振幅乃由其輸入電壓調
整
反流器本身只控制輸出頻率交流輸出電壓波形近似方波因此乃稱方波
反流器
3採用電壓消去法(Voltage Cancellation)之單相反流器單相反流器當輸入
電壓為定值時可以利用電壓消去法來變頻及變壓而不須採用脈波寬度
調變其輸出電壓波形近似方波因此其結合了前述兩種反流器的特色
值得注意的是電壓消去法並不適用於三相反流器
切換式反流器之基本觀念
考慮圖33(a)之單相反流器假設其正弦輸出電壓vo是經過濾波所得若
輸出之負載為電感性(如馬達)則輸出電流io將落後vo 如圖33(b)所示
在期間1及3中 vo與io同號瞬時功率Po=voio為正故功率由直流側送至
交流側稱之為反流模式在期間2及4中 vo與io異號瞬時功率Po為負
故功率由交流側送至直流側稱之為整流模式圖33(a)之切換式反流器
在每一週期內會經歷平面上四個象限中之所有象限
單相切
換式變
流器與
濾波器
o
o
+
-
+
-
Vd
vo
id
io
0t
4 1 2 3
voio
io
vo
1反流器
4整流器
3反流器
2整流器
0
為清楚解釋起見以單臂反流器來說明
+
_
+
_
+ +
__
Vd
Vd
2
Vd
2
A
N
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
vAN
oo
o
反流器電路之脈波寬度調變切換技術如圖35(a)所示由一正弦波形控
制訊號vcontrol與三角波形vtri作比較三角波(又稱載波)之振幅為Vtri頻率
為fs fs決定反流器開關之切換頻率正弦波控制電壓vcontrol(又稱調制訊
號)之基頻f1決定反流器之輸出頻率而其振幅則決定反流器輸出電壓之
大小定義振幅調變指數為ma=Vcontrol Vtri 其中Vcontrol為vcontrol之振幅
而頻率調變指數則定義為mf = fs f1
0 t
vcontrol vtri
sf
1
0 t
vAo
V d
2
minusVd
2
t=0
v v
T on T off
control tri
A A
lt
minus + v v
T on T off
control tri
A A
gt
+ minus
1)( AoAo vv =之基本波
0 t
vcontrol vtri
sf
1
圖34反流器之開關的控制方法與io方向無關為
dAoAtricontrol VvTvv2
1=gt +導通
dAoAtricontrol VvTvv2
1minus=lt minus導通
由於二開關之導通為互補因此輸出電壓只在Vd 2與-Vd 2二值間作變
動圖35(b)所示為ma=08與mf =15時輸出電壓vAo及其基本波(以虛線表示)
之波形
+
_
+
_
+ +
__
Vd
Vd
2
Vd
2
A
N
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
vAN
oo
o
單相全橋式反流器
單相全橋式反流器如圖311所示乃由兩個前述之半橋反流器所組成在
相同之輸入電壓下全橋式反流器之最大輸出電壓為半橋式之兩倍這代
表在相同之功率下全橋式反流器之輸出及開關電流僅為半橋式之一半
此對於高功率用途是一大優點因其可以降低使用並聯元件之需求
+
_
+
_
+
_
Vd
Vd
2
Vd
2
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
v v vo Ao Bo= minuso
A
B
TBminus
TB+
DBminus
DB+
+_
id
o
o
N
雙極性電壓切換之脈波寬度調變
0 t
vcontrolvtri
sf
1
0 t
ov1ov
dV
dVminus
單極性電壓切換之脈波寬度調變
onBT +
trivgttricontrol vv gt
trivcontrolv
t
)( controlvminus
)( controlvminusonAT +
t1ov
dV
dVminus
)( BNAN
o
vv
v
minus=
應用雙極性電壓切換之脈波寬度調
變全橋式反流器乃 (TA+TB-)與 (TA-
TB+)成對切換且二者互相反相
應用單極性電壓切換之脈波寬度調
變全橋式反流器乃A臂與B獨立切
換且同臂二開關互相反相
三相反流器
+
-
+
-
+
-
dV
2dV
2dV
+AT
minusAT
+AD
minusAD
o
BminusT
+BT
minusBD
+BD
di
minusCT
+CT
minusCD
+CD
N
A B C
o
0 t
triv Acontrolv Bcontrolv Ccontrolv
0
BNANAB vvv minus=
t
dV
之基本波1LLv
ANv
0 t
dV
t0
BNv
dV
三相電壓源反流器之脈波寬度調變切換的功能為在固定輸入直流電壓下用以調整三相輸出電壓之振幅及頻率三相脈波寬度調變方式由三相各差120度的控制電壓與三角波作比較其波形與單相全橋式反流器採用脈波寬度調變單極性切換者類似
最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法
33最大功率追蹤最大功率追蹤最大功率追蹤最大功率追蹤
為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點本文使用本文使用本文使用本文使用擾動觀察法擾動觀察法擾動觀察法擾動觀察法(Perturbation and Observation Method PampQ)進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功率追蹤率追蹤率追蹤率追蹤由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點下圖為擾動下圖為擾動下圖為擾動下圖為擾動觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖為利用為利用為利用為利用DCDC轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作時時時時其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為0之特性之特性之特性之特性使用使用使用使用DCDC轉換器控制太陽轉換器控制太陽轉換器控制太陽轉換器控制太陽能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動
擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖
最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法
左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖蹤示意圖蹤示意圖蹤示意圖太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分為兩個特性區域為兩個特性區域為兩個特性區域為兩個特性區域假設進行追蹤假設進行追蹤假設進行追蹤假設進行追蹤時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時電壓電壓電壓電壓的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率增加增加增加增加若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出功率減少功率減少功率減少功率減少經由經由經由經由DCDC轉換器調轉換器調轉換器調轉換器調節太陽能板與節太陽能板與節太陽能板與節太陽能板與DCDC轉換器的阻轉換器的阻轉換器的阻轉換器的阻抗相互匹配抗相互匹配抗相互匹配抗相互匹配進而得到太陽能板進而得到太陽能板進而得到太陽能板進而得到太陽能板的最大輸出功率的最大輸出功率的最大輸出功率的最大輸出功率
擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖
4軟體規劃
bull 系統控制程式主要分為主程式固定週期中斷副程式市電電壓零交越中斷副程式等三大部分以下將分別介紹各部分程式流程
bull 本系統主程式主要執行數位訊號處理器周邊暫存器的初始設定以及變數宣告其中除了變數宣告外周邊暫存器的初始設定包括有規畫中斷向量設定計數器之計數模式計數週期中斷的時間和PWM 輸出模式等相關參數設定
bull 如圖8 所示系統初始設定後必須先等待中斷發生才能決定系統是否執行固定週期中斷程式或零交越中斷副程式
bull 圖9 為固定週期中斷副程式流程圖固定週期中斷頻率與換流器開關之切換頻率相同為20kHz程式開始會先偵測太陽能板電壓及電流與直流鏈電壓當確定市電電壓零交越中斷發生時必須先將輸出弦波訊號之指標強制為原點重新送出單位弦波確保換流器輸出電流與市電電壓能維持同相位接著比較太陽能板輸入電壓VPV 是否大於最低工作電壓VPV_work如果確定大於最低工作電壓則致能太陽能最大功率追蹤反之則禁能系統動作程式返回圖9 中的正弦脈寬調變副程式主要功能在於決定換流器中開關的動作順序與責任週期大小以及輸波參考訊號
bull 圖10 為太陽能最大功率點追蹤副程式流程圖在文中對最大功率追蹤採用擾動與觀察法配合太陽能光電板的電壓mdash功率特性曲線即可瞭解程式如何完成太陽能光電板最大功率點追蹤
主程式流程圖
5實驗
bull 依據上述的分析採用DSP 2407A 建立一個500W 太陽光電池電能轉換系統依據圖11 之
bull 電路架構其規格與元件參數分別列於表一表二及表三系統實驗波形圖12圖13圖14 及
bull 圖15 為系統操作在獨立運轉模式下負載分別為120W240W360W 及480W 時之換流器輸出
bull 電壓及輸出電流之實測波形
系統規格與元件參數
實測波形
6實務應用系統實務應用系統實務應用系統實務應用系統
獨立系統示意圖獨立系統示意圖
考慮點
系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等安全係數最佳化設計複雜)
一般充電控制器無 MPPT搭配蓄電池使發電效能較差
蓄電池每日gt50DOD深度放電gt02C充電壽命短
太陽光發電量與負載需求量不搭配時太陽光之發電能量利用率偏低 (負載需求搭配與安全係數為互相矛盾之設計)
PV-柴油發電機PV-風力等混合系統為改善之方法
市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台
電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池
併聯系統示意圖併聯系統示意圖
緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析
1 系統設置成本高建議使用於邊際效益高之用電（防災緊急輔助電力）
2 總體經濟效益減少環境污染解決尖峰用電之不足與短缺能源多元化之風險分擔與開創自主能源
3 遮蔽陽光直曬降低建築物之熱效應（被動省能）同時轉換太陽光為電能供應建物自主能源（主動節能）一舉兩得
緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較
30萬元divide21900kWh＝137元度2萬元divide50kWh＝400元度每度電成本
日發電度數times365天times20年＝3hrtimes1kWtimes365天times20年＝21900kWh（度）
（年停電＋年測試運轉時數）times10年＝（20mintimes6次＋15mintimes12月）times10年＝5hrtimes1kWtimes10年＝50kWh
總發電度數（1kw計）
夜間不發電（可利用蓄電池設計供電年維運費02）
噪音空污油料運輸儲油危險維運成本高
缺點
利用露台屋頂牆面空間設備煙管隔音油槽需室內空間
設置空間
平時緊急時均可使用隨時可了解運轉狀況不須操作
加ATS停電時方可啟動需人員每月定期測試運轉
系統運作
太陽光潔淨能源（免費）柴油使用燃料
20年7~10年使用壽命
1kW=30萬元1kW=2~3萬元設置費用
太陽光發電系統柴油發電機
風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析
運用多元化能源分擔風險情況比較說明如下
1 市電--gt停電時風險極高
2 市電＋柴油發電機--gt發電機故障時風險高
市電＋柴油發電機＋太陽光發電系統--gt發揮三者優點互補同時故障機率小風險最低
案例
832kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide057＝317 m2
115kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide075＝332 m2
緊急時057平時065~08
綜合係數溫度變化污損線損Inverter效率＋蓄電池充放電補償
電力需求divide（日照強度times日照時間times模板效率times綜合係數）
模組面積估算
日照強度1kWm2
日照時間384hd
模板效率12
832kWhd500人用電量115kWhd770人用電量
緊急時平時
電力需求估算
緊急時40kWtimes384hdtimes057＝875 kWhd
平時40kWtimes384hdtimes075＝1152Whd
太陽發電系統發電量＝設置容量times日照時間times綜合係數
發電量計算
332m2times1kWm2times12＝398kW≒40kW
太陽發電系統設置容量＝設置面積times日照強度times模板效率
設置容量計算模板效率依太陽電池種類而異
進行模板陣列及蓄電池容量設計
40kWdivide18片串divide120W＝185列≒19
列
40kWdivide17片串divide120W＝196列≒20
列
陣列併列數＝設置容量divide單串功率
18片times120W＝2160W
17片times120W＝2040W
單串功率
300Vdivide169V＝1775片（取整數17 or 18）
陣列串聯數＝Inverter輸入電壓divide模板輸出電壓
模板陣列設計
1 模板功率120W
2 模板輸出電壓169V
3 直交流轉換器(Inverter)輸入電壓300V
120Wtimes17片串times20列＝40800W＝340片(最佳陣列)
120Wtimes18片串times19列＝41080W＝342片
最佳陣列較經濟之設置容量選擇最佳陣列
蓄電池數量＝144個times2列＝288個
120640Whdivide288Vdivide200Ah＝21列≒2列
併列數＝蓄電池需求容量divideInverter額定電壓
288Vdivide2V＝144個
串聯數＝Inverter額定電壓divide蓄電池電壓串併數設計
middot 蓄電池電壓2V個
middot 蓄電池容量200Ah個
Inverter電壓輸入電壓 額定電壓300V 288V200V 192V
蓄電池需求容量＝832kWhdtimes1dtimes145＝12064kWh
蓄電池需求容量＝緊急電力需求times無日照天數times補償係數補償係數蓄電池內阻抗放電停止電壓電壓降低補償
蓄電池需求容量設計
middot 補償係數145
無日照天數1日
61市電相關規定市電相關規定市電相關規定市電相關規定
1 發電設備併接於低壓系統者其總容量未滿100kW且技術無困難者得併接於單相三線110V220V三相三線220V之配電系統若總容量在100kW以上而未滿500kW得分別併接於3相4線220V380V之配電系統
2 發電設備總容量在500kW以上而未滿5000kW10000kW且技術無困難者得分別併接於114KV228KV之高壓配電系統
3 電設備總容量在10000kW以上而未滿40000kW者得併接於特高壓之系統
4 發電設備總容量在40000kW以上者依個案研討分類
併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類
發電系統經由發電系統經由發電系統經由發電系統經由110V220V110V220V110V220V110V220V併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者發電設發電設發電設發電設備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能
1 過電壓保護 低電壓保護
2 低頻保護 高頻保護
3 過電流保護 零相過電壓接地保護
4 發電設備為無逆送電力者須加裝逆電力保護
5 發電設備為有逆送電力者必須具備主動及被動防止單獨運轉保護
發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經110V220V110V220V110V220V110V220V系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者在電在電在電在電源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器
發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業114KV228KV114KV228KV114KV228KV114KV228KV之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者((((高高高高壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶))))發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Extremely Inverse特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Extremely Inverse特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過流電驛(67)須具Normal Inverse特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
發電設備併接於電業69KV特高壓輸電系統者發電設備之輸出端至少應具有下列同等保護功能並須與電業該轄區之保護設備協調
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Normal Inverse之特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Normal Inverse之特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過電流電驛(67)須具Normal Inverse之特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
8 快速及後衛保護電驛如系統保護需要時應裝設
9 匯流排電驛採用GIS斷路器者應裝設
62626262太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範
1 故障電流
太陽光電發電系統大於100kW以上須計算故障電流其送至電業系統之故障電流不得影響電業及其他用戶斷路器之起斷容量否則需裝置限流電抗器
太陽光電發電系統之隔離變壓器接地方式須與電業之系統配合
2 正常電壓變動率應維持在plusmn5以內
3 太陽光電發電系統與電業間之責任分界點的功率因數以維持85落後至100之間運轉為原則
4 諧波污染限制應依照「電力系統諧波管制暫行標準」辦理
分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性
適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯型之規範型之規範型之規範型之規範
電力轉換器電力轉換器電力轉換器電力轉換器(電力調節器電力調節器電力調節器電力調節器)(InverterConditioner)
蓄電池蓄電池蓄電池蓄電池(Battery))
63大型(商用)太陽光發電系統應用(gt1 kWp)
太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統
單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池(Unit Solar Cell)
太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板(PV Module)
太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列(PV Array)
太陽光發電系統應用獨立系統
(A) 獨立系統(Stand-Alone
System)
bull 蓄電池保護壽命
(B) 混合型交流獨立系統 (Hybrid
System)
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
直流負載PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
整流器
輔助發電機
PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載- ~PCU
直直直直交流轉換器交流轉換器交流轉換器交流轉換器
太陽光發電系統應用併聯系統
(D)併聯系統(Grid-
connected System)
特殊功能1 最佳效能2 防止獨立運轉(連線保護)
3 可自力運轉
(E) 防逆流型系統(Off-line System)
(F) 防災型併聯系統
充電控制器
蓄電池
直交流轉換器
PCU太陽電池組列
交流負載
ATS
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
獨立型系統
適用地點高山離島基地台hellip等市電無法到達處
工作方式白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
必須可以自給自足
缺點bull 系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等
安全係數設計很困難)
bull 蓄電池建置複雜成本很高壽命很短
bull 負載搭配不良時發電效能不佳利用率將偏低
bull 需由專人隨時維護
bull 混合系統為一種解決方法
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
PCU
併聯型系統
適用地點電力正常送達之任何地點工作方式 bull 白天 PV系統併聯發電夜間由台電供電bull 將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的蓄電池
優點bull 系統簡單不需安全係數設計(依預算設計)不需要專人維護bull 併聯發電效率高利用率高
缺點bull 停電時無電可用bull 受併聯法規限制尚未開放(但即將開放)
bull 有孤島效應之疑慮(目前技術上已解決)
改善型無電池自力運轉
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
市電併聯型住宅用太陽光發電系統
太陽光發電系統發電及負載用電對時間之關係
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
併聯型直交流轉換器之效能要求較高
1 最大功率追蹤(Maximum Power Tracking MPT)
2 高轉換效率 gt 90 (PWM+電力電子元件)
3 高次諧波功率 Distortion (lt5 total)
4 自動開關機(白天夜晚)
5 過負載保護過溫度保護
6 體積小重量輕室外防水防塵
7 電腦界面可遠端監控
8 防止獨立運轉(連線保護)
9 可自力運轉
太陽電池組列
交流負載
直交流轉換器MPT
Power Conditioner
併聯系統之獨立運轉(單獨運轉)
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull停電時單一併聯系統將會停止運作
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
bull 市電停電時多數併聯系統仍聯合運作將對電力公司人員產生嚴重危害
孤島效應之防止方法
停電偵測1 過電壓低電壓
2 過頻率低頻率
3 被動式偵測如
bull 電壓與頻率監視方式
bull 電壓相位跳躍監視方式
bull 高次諧波監視方式
bull 頻率變化監視方式
PV組列
直交流轉換器
自家負載
4 主動偵測如
bull 頻率Shift方式
bull 配電線負載變動方式
bull 有效電力變動方式
bull 無效電力變動方式
反應時間05~2秒
資料來源「日本電氣用品試驗所」分散型電源系統連系技術指針(1998)
併聯系統之自力運轉功能
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull 大停電後白天有陽光時以人工啟動 PV 系統進行自力運轉供自家負載使用(但夜間無法使用)
防災型併聯型系統
適用地點有防災需求(照明汲水通信hellip)之公共設施
工作方式
bull 平時PV併聯發電(電池浮充) 效率高利用率高夜間由台電供電
bull 視需要建置供防災用電池大停電時白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
缺點bull 含電池成本較高bull 系統較複雜需專人定期維護
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
FAQ1太陽光發電需要多少土地
效率 = (輸出功率W) (組列面積 m2 x 日照強度 Wm2 ) x 100
模板面積 m2 = 輸出功率W (效率 x日照強度Wm2 ) x100
bull 假設使用效率gt136 模板於1000 Wm2 (AM15)日照強度下
10 kWp 模板面積 (m2) = 10000 (0136 x 1000) ~ 735 m2
10 kWp PV系統土地面積需求約
~ 735 m2 x 15 x 11
~ 121m2 (~36坪)
(包括陰影面積及維修空間)
bull 假設使用效率~10 模板
則模板面積約 ~ 100 m2
土地面積需求約 ~ 165m2 (~50坪)
gt55o
夏至
冬至
春秋分
235o 235oh
L1 L2
FAQ2太陽電池一年能發多少電
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
10 kWm2
05 kWm2
日照強度
等效日照時數(Sun Hour)
組列單日發電量 = 組列額定輸出功率 x 等效日照時數
bull 預估1 kWp 組列單日發電量 = 1 (kW) x ex 4(Sun Hour)= 4 kWh
組列年發電量 = 組列額定輸出功率 x 年平均每日日照時數 x 365
bull 預估 1 kWp 組列年發電量 = 1 x 4 x 365 = 1460 kWh
時間時間時間時間
FAQ3太陽光發電的成本(簡易估算)
1 假設目前太陽光發電系統設置成本約為 NT$ 280000 kWp
2 假設年平均每日日照時數約為 25 Sun Hour (台灣中南部地區)
bull 1 kWp 組列單日發電量= 1 (kW) x 25 (Hour)= 25 kWh
bull 1 kWp 組列年發電量= 25 x 365 = 913 kWh (度)
3 假設太陽光發電系統使用壽命為 20 年
bull 1 kWp 太陽光發電系統總共可發電 20 x 913 = 18260 度
4 生產每度電之成本約為 280000 18260 ~ NT$ 153
5 未來發展趨勢
bull 太陽光發電系統設置成本將逐年降低
bull 市電電費將會升高(國內目前約 NT$ 3 度日本約NT$ 7 度)
bull 傳統能源限制再生能源獎勵利率降低
64獨立型太陽光發電系統應用例(一)
bull太陽電池時鐘-日本bull太陽電池路燈-日本千里住宅公園
獨立型太陽光發電系統應用例(二)
bull太陽電池交通標誌-日本北海道 bull高速公路緊急電話-日本
獨立型太陽光發電系統應用例(三)
bull800W無線通信中繼基地台韓國(1998)
獨立型太陽光發電系統應用例(四)
bull離島用90kW獨立型發電系統韓國Ho-Do島(1992)
併聯型太陽光發電系統應用例(一)
bull設置於屋頂之住宅用太陽光發電系統(建材一體型日本千里住宅公園內住宅設計之一)
併聯型太陽光發電系統應用例(二)
bull日本東海線新幹線京都車站之太陽光發電系統(100kWp)
併聯型太陽光發電系統應用例(三)
bull日本京瓷(Kyocera)京都總公司大樓之太陽電池發電系統(220kWp)
太陽光發電發電廠應用例
太陽電池發電廠
(PV Power Plant)
資料來源 ANIT
Srl Italy
建材一體型太陽電池模板應用例
bull資料來源 Pilkington Solar International GmbH 德國
太陽能車應用例
Honda Dream
bull資料來源 PV Special Research
Centre UNSW Australia
交大太陽能車
bull資料來源 National Chiao-Tung
University Taiwan
太陽光發電航太應用例(NASA Helios )
bull空中無線通訊平台應用
資料來源SkyOne Inc Taiwan
bull 飛行高度5-7 萬英呎(最高記錄 96000 英呎)
bull 時速60 mph (起飛 25 mph)
bull 翼展247 英呎bull 重量2000 磅bull 太陽電池效率要求gt22
資料來源httpwwwaerovironmentcomhomehtml
清雲技術學院 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
個人住宅 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
勤益技術學院 3kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
南台科技大學 10kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
總統府 10kWp 獨立型太陽光能發電系統 (9012)
海巡署南沙太平島 20kWp 混合型(柴油發電機)太陽光能發電系統 (9011)
90能源基金示範補助成果例
台電樹林 20kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
併聯型
台電台北市區處 20kWp 太陽光發電系統
(91能源基金示範補助成果)
併聯型
7結論
bull (1)提高電力轉換器效率
bull 轉換器的損失主要來自於開關切換時之損失為了可以降低濾波電路中電感和電容的體積可以提高切換頻率但是相對於開關的切換損失也因此而增加導致轉換器的效率降低因此發展零電壓或零電流切換技術應用於高切換頻率之轉換器將可以提高轉換器的效率
bull (2)提高太陽光發電系統之整體效率
bull 傳統之太陽光發電系統包含儲能系統和供電系統前級利用DCDC轉換器作最大功率追蹤後級則利用DCAC轉換器轉換能量供應給交流負載為了提高太陽光發電系統的整體效率在研究可提出了模組並聯控制技術以提昇各級電力轉換器的效率而在未來太陽光發電系統也將著重在單級電力轉換器的設計對於整體系統效率有較明顯的改善
8參考資料
1許國強ldquo太陽光發電原理與應用工研院材料所 薄膜技術組91年
2華志強黃崇倫ldquo智慧型能量控制於太陽光電能轉換系統國立雲林科技大學電機工程學系電力研討會97年
3林政達ldquo數位式市電並聯換流器與快速鎖相迴路控制器之研製國立雲林科技大學電機工程學系碩士論文92 年
4李思賢ldquo數位式單相低功率太陽光電能轉換系統國立中山大學電機工程學系碩士論文92 年
5洪世杰ldquo適用於再生能源之市電併聯型雙輸入供電系統國立中正大學電機工程研究所碩士論文93 年
6王廷興ldquo太陽能發電配電設計概要台北科技大學冷凍空調系 92年
7魏榮宗王文宏ldquo高效率太陽光電能源轉換系統 元智大學電機工程學系94年
[ ] 100)25(
)11
(exp
1)(exp
3
λminus+=
minus
=
+minus
minus+minus=
TKII
TTBk
qE
T
TII
where
R
IRVIRV
AkT
qIII
ISCRLG
r
GO
r
oros
sh
ssosLG
VI cell output current and voltagecell reverse saturation currentcell temperature in CBoltzmannrsquos constantelectronic chargeshort circuit current temperature coefficientsolar irradiation in Wmshort-circuit current at 25 Cand 1000 Wm
light-generated currentband gap for siliconideality factorsreference temperaturecell saturation current atshunt resistanceseries resistance
osI
T
kq
00170=IK
SCRIλ
LGI
GOE
921== ABKTr deg= 18301
orI
shR
sR
附錄附錄附錄附錄- 太陽能電池太陽能電池太陽能電池太陽能電池
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
(a) Equivalent circuit of a PV module and
(b) Typical PV module current-voltage and power-voltage characteristics
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
Characteristic of a PV module with temperature and irradiation (a) constant irradiation and varying temperature and (b) constant temperature and varying irradiation
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
系統範例系統範例系統範例系統範例
中途驛站電化PV離島用PV系統山岳地帶PV系統離島偏遠區
勤務指揮中心緊急避難所醫療院所公園學校地震觀測站森林嘹望台避難指示燈氣象觀測所水位警報PV系統河川安全燈防波堤安全PV燈
緊急防災
緊急供電系統管線電氣防蝕輸油管流量計PV系統市場廣告塔海上石油平台各種計測站PV系統發電廠情報指揮中心
產業用
住宅用供電系統緊急供電系統緊急照明系統帷幕牆遮陽棚採光罩屋瓦建築物
無線通信用中繼站基地台緊急電話中繼站電話通信PV系統Radio受信PV系統微波中繼站
通訊
農宅用電溫室栽培PV系統農業灌溉用自動灑水系統農牧電籬牛乳冷藏漁業養殖揚水通氣自動餵食器
農林漁牧
路燈交通號誌道路指示牌標誌燈太陽能電動車充電站高速公路緊急電話偏遠道路緊急電話停車計時器停車場控制門系統高速公路防音壁PV系統公路休息區PV系統太陽能車平交道指示燈候車亭PV系統車站屋頂型PV系統
道路交通
收音機測電表手錶計算機太陽能照相機手電筒電池充電器野營燈民生
應用領域
FAQ1太陽電池應用效能不佳太陽電池之負載匹配(Load Matching)
RshID
IL
+
----
v
I
RL
Rs
bull Efficiency of a PV system is strongly affected by load matching
bull Measurement of I-V Characteristic curve is important
VocVm
Im
Isc
Pm
RL 1
RL 3
RL 2 Battery voltage
RL
----
+
不同日照強度下太陽電池 I-V 特性曲線
bull 最大輸出功率隨日照強度而改變並非永遠等於額定值
0
1
2
3
4
5
6
7
0 10 20 30 40 50
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
1000Wm2 (AM1)
500Wm2 (05AM1)
不同溫度下太陽電池 I-V 特性曲線
bull太陽電池溫度升高時輸出電壓與最大輸出功率降低
0
1
2
3
4
5
6
7
0 10 20 30 40 50
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
75oC 50oC 25oC 0oC
Battery voltage
0
1
2
3
4
5
6
7
0 10 20 30 40 50
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
500Wm2 (05AM1)
1000Wm2 (AM1)
太陽電池之動態負載匹配(日照變化)
RL(high)
RL(low)
bull Maximum power tracking is required in high efficiency PV system
太陽電池 I-V 特性曲線測量方法
VocVm
ImIsc Pm
C+
-
A
VR
A
V
A
V可程式負載
模擬陽光使用鎢絲燈氙燈Solar Simulator 或太陽光
Pm lt few10 W Pm lt few 100 W Pm lt 100 kW
Solar Simulator Array Tester
圖片資料來源httpwwwspiresolarcomSolarequipmenthtml
太陽於天球(Celestial Sphere)上運行之軌跡
冬至 春秋分 夏至 冬至 春秋分 夏至 春秋分 夏至
北緯 0o 北緯 45o 北緯 90o
(赤道) (北極)
天球
太陽運行軌跡與太陽電池仰角
冬至 夏至春秋分
所在緯度235o
235o47o0o
47o 235o
13太陽電池組列仰角與間隔設計例
bull組列仰角~235o (台灣地區)
bull h=組列總高度( lt 15 m)
bull L2=h tan(55o) = 057 L0
(55o可適用於冬至0900~1500)
bull水平角度=正南 plusmn5o
235o
55o
235o
夏至
冬至
春秋分
235o 235o
南
h = 04 L0
L1= 092 L0L2 = 057 L0
L0
L1 + L2 = 15 L0
2零交越偵測電路分析
bull 零交越偵測電路如圖1 所示主要目的在於檢測輸入弦波電壓之零交越點其電路輸出為ㄧ方波信號利用方波上緣信號觸發數位訊號處理器之外部中斷腳位進而進行相位同步之功能[4]零交越偵測電路輸入與輸出波形如圖2 所示相位同步控制當數位訊號處理器發生上緣觸發時此觸發訊號如同系統重置訊號將正弦表指標變數歸零一經重置後指標變數又開始計數藉由每週期ㄧ次的重置訊號迫使換流器輸出達到同步相位同步控制波形示意圖如圖3 所示圖4 為零交越偵測電路輸出實測圖[4]
3系統電路架構與動作模式
bull A
bull 本文所述之系統為一太陽光電能轉換系統方塊圖如圖5 所示主要部分包括太陽能板直流-直流轉換器全橋式換流器數位訊號處理器感測迴授電路與驅動電路此一系統之基本動作情況為一般情況下斷路器1 和斷路器2 均為導通狀態此時太陽光電能轉換系統與電力網路處於連結運轉模式而當電力網路供電中斷時斷路器2 將被斷路以避免孤島現象的發生反之若是太陽光電能轉換系統發生故障時斷路器1 將被斷路以避免電力網路受到其故障的影響
31系統電路架構與動作模式
bull B
bull 電路工作模式bull 此一太陽光電能轉換系統主要有兩種工
作模式以下為二種工作模式的操作說明
bull (1) 獨立運轉模式bull 如圖6 所示獨立運轉模式為當電力網
路供電中斷時斷路器2 將被斷路而此時太陽光電能轉換系統將操作在電壓控制模式下提供負載一穩定的輸出電壓
bull (2) 與電力網路連結運轉模式bull 如圖7 所示與電力網路連結運轉模式
將太陽光電能轉換系統與電力網路連結運轉也就是斷路器1 和斷路器2 同時導通此時系統將操作在電流控制模式下首先經由最大功率點追蹤程式運算出瞬時最大功率點的電流參考值再根據此一電流參考值輸出一與電力網路電壓同相位的電流至負載或甚至回送至電力網路
31直流至直流切換式轉換器
典型直流至直流轉換器系統之構造如圖21所示其輸入通常為由線電壓整
流而得之非調節直流電壓然後再利用切換式直流至直流轉換器將此變動之
直流電壓轉換成一調節之直流電壓
無控制之二極體橋式整流器
交流線電壓
(單相或三相)
直流電壓
(無調節性)
濾波電容 (無調節性)
直流至直流轉換器 (具調節性)
負載
蓄電池
直流電壓 直流電壓
控制訊號1降壓式(step-down buck)轉換器
2升壓式(step-up boost)轉換器
3升降壓式(step-downstep-up buck-boost)轉換器
4全橋式轉換器
上述四種轉換器中只有降壓式及升壓式是最基本的轉換器電路架構升
降壓式轉換器是此二基本轉換器之結合而全橋式轉換器則是由降壓式轉
換器衍生而來
直流至直流轉換器之控制
直流至直流轉換器的作用即是在輸入電壓與輸出負載變動的情況下能夠調
節輸出電壓為所設定的位準電壓位準轉換之原理可以圖22(a)所示之簡單
電路來說明由開關導通與截止可得圖22(b)之波形其中輸出電壓vo平均
值大小Vo與開關之導通及截止時間(ton及toff)有關平均輸出電壓大小調整
之最典型的方式是採用脈波寬度調變法(Pulse-Width ModulationPWM)
其切換週期Ts(= ton+toff)為固定由調整導通時間之大小來改變平均輸出電
壓之大小Vo
+
_
Vd
R
+
_
Vo
0Vd
Vo
vo
tton toff
Ts
脈波寬度調變切換控制的方塊圖如
圖23(a)所示開關之切換控制信號
由控制訊號vcontrol與週期為Ts之鋸齒
波vst比較而得控制信號則由Vo之
實際值與設定值之誤差放大而得
vcontrol與vst比較所得之切換控制信號
的波形如圖23(b)所示當控制訊號
vst較大時則為高準位信號即使
開關導通反之為低準位信號即使
開關截止故開關之切換週期亦為
Ts 由以上的原理可知開關切換
之責任週期 (Duty Ratio)為D=tonTs
=vcontrolVst 其中Vst為鋸齒波之振
幅
放大器
+
-Vo
(設定)
(實際)
Vo
比較器
週期性波形 stv
切換控制訊號
控制訊號
0 t
$Vst
=stv 鋸齒波電壓
controlv (放大誤差)
On On
Off Off
stcontrol vv gt
stcontrol vv ltton toff
Ts
切換控制訊號
(切換頻率 fT
s
s
=1
)
升壓式直流至直流轉換器
圖211為升壓式轉換器電路主要用途為直流電源供應器與直流馬達之
再生制動(Regenerative Breaking)顧名思義其輸出電壓高過於其輸入
電壓當開關導通時二極體反向偏壓輸入電能儲存於電感負載電
能則由電容提供當開關截止時負載吸收輸入及儲存電感中之電能
-
L
CRVd
Vo
vL
iL
io
+
-
++
_
t0
t0
vL
iL
I L
Ts
toffton
_++
_
+
_
+ _+
_
+
_
iL
vL
Vd Vo
iL
vL
Vd Vo
)( dV
)( od VV minus
圖212所示為電感電流為連續之
穩態工作波形由穩態下電感電
壓一週期之平均值為零可得
0)( =minus+ offodond tVVtV
等號兩側除以Ts重新整理可得
Dt
T
V
V
off
s
d
o
minus==
1
1
假設電路無損失輸入功率
Pd=VdId 等 於 輸 出 功 率
Po=VoIo 則
)1( DI
I
d
o minus=
非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器
bullBoost之設計假設輸入10V輸出30V頻率50kHz輸出10W
所以D＝23
( ) s
o
o TDDP
VL
22
12
minusge
=6667uH
取75uH
D
VV in
o minus=
1
L
Vi
n
S Vo
+
_
C
DiL
vds
升降壓式直流至直流轉換器
升降壓式轉換器的主要用途為輸入與輸出之極性相反輸出電壓可以高於
或低於輸入電壓之直流電源供應器升降壓式轉換器可以由降壓式轉換器
與升壓式轉換式串接而成穩態下輸入與輸出電壓轉換器之比值為二轉換
器個別比值之乘積
D
D
V
V
d
o
minus=
1
因此變化責任週期D可使輸出電壓高於或低於輸入電壓
+
_
+
_
_
+
RC Vo
L
Vd
io
iLvL
id
降壓式直流至直流轉換器
降壓式轉換器顧名思義其作用為將較高準位的輸入電壓換成較低
準位的輸出電壓主要用途為直流電源供應器及直流馬達速度控制
圖22(a)所示為提供純電阻性負載之降壓式轉換器由圖22(b)可知其輸
出電壓波形由開關位置決定平均輸出電壓為
dd
s
onT
t
t
d
s
T
o
s
o DVVT
tddV
Tdv
TV
s
on
ons ==+== intintint )0(1
)(1
00ττττ
+
_
Vd
R
+
_
Vo
0Vd
Vo
vo
tton toff
Ts
32直流至交流切換式反流器
切換式直流至交流(DCAC)反流器(Inveter)乃用以將直流電源轉換成振幅
與頻率均可調之正弦式交流電源主要用途為交流馬達驅動與交流不斷
電電源供應器圖31為典型交流馬達驅動之反流器方塊圖其直流輸入
電壓通常由線電壓整流及濾波而得接著再利用切換式反流器改變輸出
電壓之振幅與頻率以驅動交流馬達切換式反流器功率之流通通常是
由直流至交流稱為反流模式但亦可以從交流至直流稱為整流模
式
+
_
交流馬達
二極體整流器 濾波電容 切換式反流器
Vd
三相交流電源
反流器包括單相及三相其輸入為直流電壓源者稱為電壓源反流器
(Voltage Source InverterVSI)另外若輸入為直流電流源者稱為電流
反流器(Current Source InverterCSI)目前僅應用在高功率之交流馬達
驅動器
1脈波寬度調變(PWM)反流器其輸入電壓通常為固定反流器本身具備變
頻及變壓的功能而變頻及變壓乃利用開關之脈波寬度調變切換控制達成
有許多類型之脈波寬度變技術可以使輸出電壓近似弦波
2方波(Square-Wave)反流器此反流器輸出電壓振幅乃由其輸入電壓調
整
反流器本身只控制輸出頻率交流輸出電壓波形近似方波因此乃稱方波
反流器
3採用電壓消去法(Voltage Cancellation)之單相反流器單相反流器當輸入
電壓為定值時可以利用電壓消去法來變頻及變壓而不須採用脈波寬度
調變其輸出電壓波形近似方波因此其結合了前述兩種反流器的特色
值得注意的是電壓消去法並不適用於三相反流器
切換式反流器之基本觀念
考慮圖33(a)之單相反流器假設其正弦輸出電壓vo是經過濾波所得若
輸出之負載為電感性(如馬達)則輸出電流io將落後vo 如圖33(b)所示
在期間1及3中 vo與io同號瞬時功率Po=voio為正故功率由直流側送至
交流側稱之為反流模式在期間2及4中 vo與io異號瞬時功率Po為負
故功率由交流側送至直流側稱之為整流模式圖33(a)之切換式反流器
在每一週期內會經歷平面上四個象限中之所有象限
單相切
換式變
流器與
濾波器
o
o
+
-
+
-
Vd
vo
id
io
0t
4 1 2 3
voio
io
vo
1反流器
4整流器
3反流器
2整流器
0
為清楚解釋起見以單臂反流器來說明
+
_
+
_
+ +
__
Vd
Vd
2
Vd
2
A
N
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
vAN
oo
o
反流器電路之脈波寬度調變切換技術如圖35(a)所示由一正弦波形控
制訊號vcontrol與三角波形vtri作比較三角波(又稱載波)之振幅為Vtri頻率
為fs fs決定反流器開關之切換頻率正弦波控制電壓vcontrol(又稱調制訊
號)之基頻f1決定反流器之輸出頻率而其振幅則決定反流器輸出電壓之
大小定義振幅調變指數為ma=Vcontrol Vtri 其中Vcontrol為vcontrol之振幅
而頻率調變指數則定義為mf = fs f1
0 t
vcontrol vtri
sf
1
0 t
vAo
V d
2
minusVd
2
t=0
v v
T on T off
control tri
A A
lt
minus + v v
T on T off
control tri
A A
gt
+ minus
1)( AoAo vv =之基本波
0 t
vcontrol vtri
sf
1
圖34反流器之開關的控制方法與io方向無關為
dAoAtricontrol VvTvv2
1=gt +導通
dAoAtricontrol VvTvv2
1minus=lt minus導通
由於二開關之導通為互補因此輸出電壓只在Vd 2與-Vd 2二值間作變
動圖35(b)所示為ma=08與mf =15時輸出電壓vAo及其基本波(以虛線表示)
之波形
+
_
+
_
+ +
__
Vd
Vd
2
Vd
2
A
N
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
vAN
oo
o
單相全橋式反流器
單相全橋式反流器如圖311所示乃由兩個前述之半橋反流器所組成在
相同之輸入電壓下全橋式反流器之最大輸出電壓為半橋式之兩倍這代
表在相同之功率下全橋式反流器之輸出及開關電流僅為半橋式之一半
此對於高功率用途是一大優點因其可以降低使用並聯元件之需求
+
_
+
_
+
_
Vd
Vd
2
Vd
2
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
v v vo Ao Bo= minuso
A
B
TBminus
TB+
DBminus
DB+
+_
id
o
o
N
雙極性電壓切換之脈波寬度調變
0 t
vcontrolvtri
sf
1
0 t
ov1ov
dV
dVminus
單極性電壓切換之脈波寬度調變
onBT +
trivgttricontrol vv gt
trivcontrolv
t
)( controlvminus
)( controlvminusonAT +
t1ov
dV
dVminus
)( BNAN
o
vv
v
minus=
應用雙極性電壓切換之脈波寬度調
變全橋式反流器乃 (TA+TB-)與 (TA-
TB+)成對切換且二者互相反相
應用單極性電壓切換之脈波寬度調
變全橋式反流器乃A臂與B獨立切
換且同臂二開關互相反相
三相反流器
+
-
+
-
+
-
dV
2dV
2dV
+AT
minusAT
+AD
minusAD
o
BminusT
+BT
minusBD
+BD
di
minusCT
+CT
minusCD
+CD
N
A B C
o
0 t
triv Acontrolv Bcontrolv Ccontrolv
0
BNANAB vvv minus=
t
dV
之基本波1LLv
ANv
0 t
dV
t0
BNv
dV
三相電壓源反流器之脈波寬度調變切換的功能為在固定輸入直流電壓下用以調整三相輸出電壓之振幅及頻率三相脈波寬度調變方式由三相各差120度的控制電壓與三角波作比較其波形與單相全橋式反流器採用脈波寬度調變單極性切換者類似
最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法
33最大功率追蹤最大功率追蹤最大功率追蹤最大功率追蹤
為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點本文使用本文使用本文使用本文使用擾動觀察法擾動觀察法擾動觀察法擾動觀察法(Perturbation and Observation Method PampQ)進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功率追蹤率追蹤率追蹤率追蹤由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點下圖為擾動下圖為擾動下圖為擾動下圖為擾動觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖為利用為利用為利用為利用DCDC轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作時時時時其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為0之特性之特性之特性之特性使用使用使用使用DCDC轉換器控制太陽轉換器控制太陽轉換器控制太陽轉換器控制太陽能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動
擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖
最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法
左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖蹤示意圖蹤示意圖蹤示意圖太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分為兩個特性區域為兩個特性區域為兩個特性區域為兩個特性區域假設進行追蹤假設進行追蹤假設進行追蹤假設進行追蹤時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時電壓電壓電壓電壓的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率增加增加增加增加若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出功率減少功率減少功率減少功率減少經由經由經由經由DCDC轉換器調轉換器調轉換器調轉換器調節太陽能板與節太陽能板與節太陽能板與節太陽能板與DCDC轉換器的阻轉換器的阻轉換器的阻轉換器的阻抗相互匹配抗相互匹配抗相互匹配抗相互匹配進而得到太陽能板進而得到太陽能板進而得到太陽能板進而得到太陽能板的最大輸出功率的最大輸出功率的最大輸出功率的最大輸出功率
擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖
4軟體規劃
bull 系統控制程式主要分為主程式固定週期中斷副程式市電電壓零交越中斷副程式等三大部分以下將分別介紹各部分程式流程
bull 本系統主程式主要執行數位訊號處理器周邊暫存器的初始設定以及變數宣告其中除了變數宣告外周邊暫存器的初始設定包括有規畫中斷向量設定計數器之計數模式計數週期中斷的時間和PWM 輸出模式等相關參數設定
bull 如圖8 所示系統初始設定後必須先等待中斷發生才能決定系統是否執行固定週期中斷程式或零交越中斷副程式
bull 圖9 為固定週期中斷副程式流程圖固定週期中斷頻率與換流器開關之切換頻率相同為20kHz程式開始會先偵測太陽能板電壓及電流與直流鏈電壓當確定市電電壓零交越中斷發生時必須先將輸出弦波訊號之指標強制為原點重新送出單位弦波確保換流器輸出電流與市電電壓能維持同相位接著比較太陽能板輸入電壓VPV 是否大於最低工作電壓VPV_work如果確定大於最低工作電壓則致能太陽能最大功率追蹤反之則禁能系統動作程式返回圖9 中的正弦脈寬調變副程式主要功能在於決定換流器中開關的動作順序與責任週期大小以及輸波參考訊號
bull 圖10 為太陽能最大功率點追蹤副程式流程圖在文中對最大功率追蹤採用擾動與觀察法配合太陽能光電板的電壓mdash功率特性曲線即可瞭解程式如何完成太陽能光電板最大功率點追蹤
主程式流程圖
5實驗
bull 依據上述的分析採用DSP 2407A 建立一個500W 太陽光電池電能轉換系統依據圖11 之
bull 電路架構其規格與元件參數分別列於表一表二及表三系統實驗波形圖12圖13圖14 及
bull 圖15 為系統操作在獨立運轉模式下負載分別為120W240W360W 及480W 時之換流器輸出
bull 電壓及輸出電流之實測波形
系統規格與元件參數
實測波形
6實務應用系統實務應用系統實務應用系統實務應用系統
獨立系統示意圖獨立系統示意圖
考慮點
系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等安全係數最佳化設計複雜)
一般充電控制器無 MPPT搭配蓄電池使發電效能較差
蓄電池每日gt50DOD深度放電gt02C充電壽命短
太陽光發電量與負載需求量不搭配時太陽光之發電能量利用率偏低 (負載需求搭配與安全係數為互相矛盾之設計)
PV-柴油發電機PV-風力等混合系統為改善之方法
市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台
電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池
併聯系統示意圖併聯系統示意圖
緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析
1 系統設置成本高建議使用於邊際效益高之用電（防災緊急輔助電力）
2 總體經濟效益減少環境污染解決尖峰用電之不足與短缺能源多元化之風險分擔與開創自主能源
3 遮蔽陽光直曬降低建築物之熱效應（被動省能）同時轉換太陽光為電能供應建物自主能源（主動節能）一舉兩得
緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較
30萬元divide21900kWh＝137元度2萬元divide50kWh＝400元度每度電成本
日發電度數times365天times20年＝3hrtimes1kWtimes365天times20年＝21900kWh（度）
（年停電＋年測試運轉時數）times10年＝（20mintimes6次＋15mintimes12月）times10年＝5hrtimes1kWtimes10年＝50kWh
總發電度數（1kw計）
夜間不發電（可利用蓄電池設計供電年維運費02）
噪音空污油料運輸儲油危險維運成本高
缺點
利用露台屋頂牆面空間設備煙管隔音油槽需室內空間
設置空間
平時緊急時均可使用隨時可了解運轉狀況不須操作
加ATS停電時方可啟動需人員每月定期測試運轉
系統運作
太陽光潔淨能源（免費）柴油使用燃料
20年7~10年使用壽命
1kW=30萬元1kW=2~3萬元設置費用
太陽光發電系統柴油發電機
風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析
運用多元化能源分擔風險情況比較說明如下
1 市電--gt停電時風險極高
2 市電＋柴油發電機--gt發電機故障時風險高
市電＋柴油發電機＋太陽光發電系統--gt發揮三者優點互補同時故障機率小風險最低
案例
832kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide057＝317 m2
115kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide075＝332 m2
緊急時057平時065~08
綜合係數溫度變化污損線損Inverter效率＋蓄電池充放電補償
電力需求divide（日照強度times日照時間times模板效率times綜合係數）
模組面積估算
日照強度1kWm2
日照時間384hd
模板效率12
832kWhd500人用電量115kWhd770人用電量
緊急時平時
電力需求估算
緊急時40kWtimes384hdtimes057＝875 kWhd
平時40kWtimes384hdtimes075＝1152Whd
太陽發電系統發電量＝設置容量times日照時間times綜合係數
發電量計算
332m2times1kWm2times12＝398kW≒40kW
太陽發電系統設置容量＝設置面積times日照強度times模板效率
設置容量計算模板效率依太陽電池種類而異
進行模板陣列及蓄電池容量設計
40kWdivide18片串divide120W＝185列≒19
列
40kWdivide17片串divide120W＝196列≒20
列
陣列併列數＝設置容量divide單串功率
18片times120W＝2160W
17片times120W＝2040W
單串功率
300Vdivide169V＝1775片（取整數17 or 18）
陣列串聯數＝Inverter輸入電壓divide模板輸出電壓
模板陣列設計
1 模板功率120W
2 模板輸出電壓169V
3 直交流轉換器(Inverter)輸入電壓300V
120Wtimes17片串times20列＝40800W＝340片(最佳陣列)
120Wtimes18片串times19列＝41080W＝342片
最佳陣列較經濟之設置容量選擇最佳陣列
蓄電池數量＝144個times2列＝288個
120640Whdivide288Vdivide200Ah＝21列≒2列
併列數＝蓄電池需求容量divideInverter額定電壓
288Vdivide2V＝144個
串聯數＝Inverter額定電壓divide蓄電池電壓串併數設計
middot 蓄電池電壓2V個
middot 蓄電池容量200Ah個
Inverter電壓輸入電壓 額定電壓300V 288V200V 192V
蓄電池需求容量＝832kWhdtimes1dtimes145＝12064kWh
蓄電池需求容量＝緊急電力需求times無日照天數times補償係數補償係數蓄電池內阻抗放電停止電壓電壓降低補償
蓄電池需求容量設計
middot 補償係數145
無日照天數1日
61市電相關規定市電相關規定市電相關規定市電相關規定
1 發電設備併接於低壓系統者其總容量未滿100kW且技術無困難者得併接於單相三線110V220V三相三線220V之配電系統若總容量在100kW以上而未滿500kW得分別併接於3相4線220V380V之配電系統
2 發電設備總容量在500kW以上而未滿5000kW10000kW且技術無困難者得分別併接於114KV228KV之高壓配電系統
3 電設備總容量在10000kW以上而未滿40000kW者得併接於特高壓之系統
4 發電設備總容量在40000kW以上者依個案研討分類
併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類
發電系統經由發電系統經由發電系統經由發電系統經由110V220V110V220V110V220V110V220V併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者發電設發電設發電設發電設備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能
1 過電壓保護 低電壓保護
2 低頻保護 高頻保護
3 過電流保護 零相過電壓接地保護
4 發電設備為無逆送電力者須加裝逆電力保護
5 發電設備為有逆送電力者必須具備主動及被動防止單獨運轉保護
發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經110V220V110V220V110V220V110V220V系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者在電在電在電在電源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器
發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業114KV228KV114KV228KV114KV228KV114KV228KV之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者((((高高高高壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶))))發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Extremely Inverse特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Extremely Inverse特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過流電驛(67)須具Normal Inverse特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
發電設備併接於電業69KV特高壓輸電系統者發電設備之輸出端至少應具有下列同等保護功能並須與電業該轄區之保護設備協調
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Normal Inverse之特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Normal Inverse之特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過電流電驛(67)須具Normal Inverse之特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
8 快速及後衛保護電驛如系統保護需要時應裝設
9 匯流排電驛採用GIS斷路器者應裝設
62626262太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範
1 故障電流
太陽光電發電系統大於100kW以上須計算故障電流其送至電業系統之故障電流不得影響電業及其他用戶斷路器之起斷容量否則需裝置限流電抗器
太陽光電發電系統之隔離變壓器接地方式須與電業之系統配合
2 正常電壓變動率應維持在plusmn5以內
3 太陽光電發電系統與電業間之責任分界點的功率因數以維持85落後至100之間運轉為原則
4 諧波污染限制應依照「電力系統諧波管制暫行標準」辦理
分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性
適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯型之規範型之規範型之規範型之規範
電力轉換器電力轉換器電力轉換器電力轉換器(電力調節器電力調節器電力調節器電力調節器)(InverterConditioner)
蓄電池蓄電池蓄電池蓄電池(Battery))
63大型(商用)太陽光發電系統應用(gt1 kWp)
太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統
單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池(Unit Solar Cell)
太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板(PV Module)
太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列(PV Array)
太陽光發電系統應用獨立系統
(A) 獨立系統(Stand-Alone
System)
bull 蓄電池保護壽命
(B) 混合型交流獨立系統 (Hybrid
System)
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
直流負載PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
整流器
輔助發電機
PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載- ~PCU
直直直直交流轉換器交流轉換器交流轉換器交流轉換器
太陽光發電系統應用併聯系統
(D)併聯系統(Grid-
connected System)
特殊功能1 最佳效能2 防止獨立運轉(連線保護)
3 可自力運轉
(E) 防逆流型系統(Off-line System)
(F) 防災型併聯系統
充電控制器
蓄電池
直交流轉換器
PCU太陽電池組列
交流負載
ATS
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
獨立型系統
適用地點高山離島基地台hellip等市電無法到達處
工作方式白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
必須可以自給自足
缺點bull 系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等
安全係數設計很困難)
bull 蓄電池建置複雜成本很高壽命很短
bull 負載搭配不良時發電效能不佳利用率將偏低
bull 需由專人隨時維護
bull 混合系統為一種解決方法
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
PCU
併聯型系統
適用地點電力正常送達之任何地點工作方式 bull 白天 PV系統併聯發電夜間由台電供電bull 將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的蓄電池
優點bull 系統簡單不需安全係數設計(依預算設計)不需要專人維護bull 併聯發電效率高利用率高
缺點bull 停電時無電可用bull 受併聯法規限制尚未開放(但即將開放)
bull 有孤島效應之疑慮(目前技術上已解決)
改善型無電池自力運轉
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
市電併聯型住宅用太陽光發電系統
太陽光發電系統發電及負載用電對時間之關係
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
併聯型直交流轉換器之效能要求較高
1 最大功率追蹤(Maximum Power Tracking MPT)
2 高轉換效率 gt 90 (PWM+電力電子元件)
3 高次諧波功率 Distortion (lt5 total)
4 自動開關機(白天夜晚)
5 過負載保護過溫度保護
6 體積小重量輕室外防水防塵
7 電腦界面可遠端監控
8 防止獨立運轉(連線保護)
9 可自力運轉
太陽電池組列
交流負載
直交流轉換器MPT
Power Conditioner
併聯系統之獨立運轉(單獨運轉)
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull停電時單一併聯系統將會停止運作
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
bull 市電停電時多數併聯系統仍聯合運作將對電力公司人員產生嚴重危害
孤島效應之防止方法
停電偵測1 過電壓低電壓
2 過頻率低頻率
3 被動式偵測如
bull 電壓與頻率監視方式
bull 電壓相位跳躍監視方式
bull 高次諧波監視方式
bull 頻率變化監視方式
PV組列
直交流轉換器
自家負載
4 主動偵測如
bull 頻率Shift方式
bull 配電線負載變動方式
bull 有效電力變動方式
bull 無效電力變動方式
反應時間05~2秒
資料來源「日本電氣用品試驗所」分散型電源系統連系技術指針(1998)
併聯系統之自力運轉功能
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull 大停電後白天有陽光時以人工啟動 PV 系統進行自力運轉供自家負載使用(但夜間無法使用)
防災型併聯型系統
適用地點有防災需求(照明汲水通信hellip)之公共設施
工作方式
bull 平時PV併聯發電(電池浮充) 效率高利用率高夜間由台電供電
bull 視需要建置供防災用電池大停電時白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
缺點bull 含電池成本較高bull 系統較複雜需專人定期維護
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
FAQ1太陽光發電需要多少土地
效率 = (輸出功率W) (組列面積 m2 x 日照強度 Wm2 ) x 100
模板面積 m2 = 輸出功率W (效率 x日照強度Wm2 ) x100
bull 假設使用效率gt136 模板於1000 Wm2 (AM15)日照強度下
10 kWp 模板面積 (m2) = 10000 (0136 x 1000) ~ 735 m2
10 kWp PV系統土地面積需求約
~ 735 m2 x 15 x 11
~ 121m2 (~36坪)
(包括陰影面積及維修空間)
bull 假設使用效率~10 模板
則模板面積約 ~ 100 m2
土地面積需求約 ~ 165m2 (~50坪)
gt55o
夏至
冬至
春秋分
235o 235oh
L1 L2
FAQ2太陽電池一年能發多少電
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
10 kWm2
05 kWm2
日照強度
等效日照時數(Sun Hour)
組列單日發電量 = 組列額定輸出功率 x 等效日照時數
bull 預估1 kWp 組列單日發電量 = 1 (kW) x ex 4(Sun Hour)= 4 kWh
組列年發電量 = 組列額定輸出功率 x 年平均每日日照時數 x 365
bull 預估 1 kWp 組列年發電量 = 1 x 4 x 365 = 1460 kWh
時間時間時間時間
FAQ3太陽光發電的成本(簡易估算)
1 假設目前太陽光發電系統設置成本約為 NT$ 280000 kWp
2 假設年平均每日日照時數約為 25 Sun Hour (台灣中南部地區)
bull 1 kWp 組列單日發電量= 1 (kW) x 25 (Hour)= 25 kWh
bull 1 kWp 組列年發電量= 25 x 365 = 913 kWh (度)
3 假設太陽光發電系統使用壽命為 20 年
bull 1 kWp 太陽光發電系統總共可發電 20 x 913 = 18260 度
4 生產每度電之成本約為 280000 18260 ~ NT$ 153
5 未來發展趨勢
bull 太陽光發電系統設置成本將逐年降低
bull 市電電費將會升高(國內目前約 NT$ 3 度日本約NT$ 7 度)
bull 傳統能源限制再生能源獎勵利率降低
64獨立型太陽光發電系統應用例(一)
bull太陽電池時鐘-日本bull太陽電池路燈-日本千里住宅公園
獨立型太陽光發電系統應用例(二)
bull太陽電池交通標誌-日本北海道 bull高速公路緊急電話-日本
獨立型太陽光發電系統應用例(三)
bull800W無線通信中繼基地台韓國(1998)
獨立型太陽光發電系統應用例(四)
bull離島用90kW獨立型發電系統韓國Ho-Do島(1992)
併聯型太陽光發電系統應用例(一)
bull設置於屋頂之住宅用太陽光發電系統(建材一體型日本千里住宅公園內住宅設計之一)
併聯型太陽光發電系統應用例(二)
bull日本東海線新幹線京都車站之太陽光發電系統(100kWp)
併聯型太陽光發電系統應用例(三)
bull日本京瓷(Kyocera)京都總公司大樓之太陽電池發電系統(220kWp)
太陽光發電發電廠應用例
太陽電池發電廠
(PV Power Plant)
資料來源 ANIT
Srl Italy
建材一體型太陽電池模板應用例
bull資料來源 Pilkington Solar International GmbH 德國
太陽能車應用例
Honda Dream
bull資料來源 PV Special Research
Centre UNSW Australia
交大太陽能車
bull資料來源 National Chiao-Tung
University Taiwan
太陽光發電航太應用例(NASA Helios )
bull空中無線通訊平台應用
資料來源SkyOne Inc Taiwan
bull 飛行高度5-7 萬英呎(最高記錄 96000 英呎)
bull 時速60 mph (起飛 25 mph)
bull 翼展247 英呎bull 重量2000 磅bull 太陽電池效率要求gt22
資料來源httpwwwaerovironmentcomhomehtml
清雲技術學院 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
個人住宅 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
勤益技術學院 3kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
南台科技大學 10kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
總統府 10kWp 獨立型太陽光能發電系統 (9012)
海巡署南沙太平島 20kWp 混合型(柴油發電機)太陽光能發電系統 (9011)
90能源基金示範補助成果例
台電樹林 20kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
併聯型
台電台北市區處 20kWp 太陽光發電系統
(91能源基金示範補助成果)
併聯型
7結論
bull (1)提高電力轉換器效率
bull 轉換器的損失主要來自於開關切換時之損失為了可以降低濾波電路中電感和電容的體積可以提高切換頻率但是相對於開關的切換損失也因此而增加導致轉換器的效率降低因此發展零電壓或零電流切換技術應用於高切換頻率之轉換器將可以提高轉換器的效率
bull (2)提高太陽光發電系統之整體效率
bull 傳統之太陽光發電系統包含儲能系統和供電系統前級利用DCDC轉換器作最大功率追蹤後級則利用DCAC轉換器轉換能量供應給交流負載為了提高太陽光發電系統的整體效率在研究可提出了模組並聯控制技術以提昇各級電力轉換器的效率而在未來太陽光發電系統也將著重在單級電力轉換器的設計對於整體系統效率有較明顯的改善
8參考資料
1許國強ldquo太陽光發電原理與應用工研院材料所 薄膜技術組91年
2華志強黃崇倫ldquo智慧型能量控制於太陽光電能轉換系統國立雲林科技大學電機工程學系電力研討會97年
3林政達ldquo數位式市電並聯換流器與快速鎖相迴路控制器之研製國立雲林科技大學電機工程學系碩士論文92 年
4李思賢ldquo數位式單相低功率太陽光電能轉換系統國立中山大學電機工程學系碩士論文92 年
5洪世杰ldquo適用於再生能源之市電併聯型雙輸入供電系統國立中正大學電機工程研究所碩士論文93 年
6王廷興ldquo太陽能發電配電設計概要台北科技大學冷凍空調系 92年
7魏榮宗王文宏ldquo高效率太陽光電能源轉換系統 元智大學電機工程學系94年
[ ] 100)25(
)11
(exp
1)(exp
3
λminus+=
minus
=
+minus
minus+minus=
TKII
TTBk
qE
T
TII
where
R
IRVIRV
AkT
qIII
ISCRLG
r
GO
r
oros
sh
ssosLG
VI cell output current and voltagecell reverse saturation currentcell temperature in CBoltzmannrsquos constantelectronic chargeshort circuit current temperature coefficientsolar irradiation in Wmshort-circuit current at 25 Cand 1000 Wm
light-generated currentband gap for siliconideality factorsreference temperaturecell saturation current atshunt resistanceseries resistance
osI
T
kq
00170=IK
SCRIλ
LGI
GOE
921== ABKTr deg= 18301
orI
shR
sR
附錄附錄附錄附錄- 太陽能電池太陽能電池太陽能電池太陽能電池
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
(a) Equivalent circuit of a PV module and
(b) Typical PV module current-voltage and power-voltage characteristics
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
Characteristic of a PV module with temperature and irradiation (a) constant irradiation and varying temperature and (b) constant temperature and varying irradiation
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
系統範例系統範例系統範例系統範例
中途驛站電化PV離島用PV系統山岳地帶PV系統離島偏遠區
勤務指揮中心緊急避難所醫療院所公園學校地震觀測站森林嘹望台避難指示燈氣象觀測所水位警報PV系統河川安全燈防波堤安全PV燈
緊急防災
緊急供電系統管線電氣防蝕輸油管流量計PV系統市場廣告塔海上石油平台各種計測站PV系統發電廠情報指揮中心
產業用
住宅用供電系統緊急供電系統緊急照明系統帷幕牆遮陽棚採光罩屋瓦建築物
無線通信用中繼站基地台緊急電話中繼站電話通信PV系統Radio受信PV系統微波中繼站
通訊
農宅用電溫室栽培PV系統農業灌溉用自動灑水系統農牧電籬牛乳冷藏漁業養殖揚水通氣自動餵食器
農林漁牧
路燈交通號誌道路指示牌標誌燈太陽能電動車充電站高速公路緊急電話偏遠道路緊急電話停車計時器停車場控制門系統高速公路防音壁PV系統公路休息區PV系統太陽能車平交道指示燈候車亭PV系統車站屋頂型PV系統
道路交通
收音機測電表手錶計算機太陽能照相機手電筒電池充電器野營燈民生
應用領域
不同日照強度下太陽電池 I-V 特性曲線
bull 最大輸出功率隨日照強度而改變並非永遠等於額定值
0
1
2
3
4
5
6
7
0 10 20 30 40 50
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
1000Wm2 (AM1)
500Wm2 (05AM1)
不同溫度下太陽電池 I-V 特性曲線
bull太陽電池溫度升高時輸出電壓與最大輸出功率降低
0
1
2
3
4
5
6
7
0 10 20 30 40 50
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
75oC 50oC 25oC 0oC
Battery voltage
0
1
2
3
4
5
6
7
0 10 20 30 40 50
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
500Wm2 (05AM1)
1000Wm2 (AM1)
太陽電池之動態負載匹配(日照變化)
RL(high)
RL(low)
bull Maximum power tracking is required in high efficiency PV system
太陽電池 I-V 特性曲線測量方法
VocVm
ImIsc Pm
C+
-
A
VR
A
V
A
V可程式負載
模擬陽光使用鎢絲燈氙燈Solar Simulator 或太陽光
Pm lt few10 W Pm lt few 100 W Pm lt 100 kW
Solar Simulator Array Tester
圖片資料來源httpwwwspiresolarcomSolarequipmenthtml
太陽於天球(Celestial Sphere)上運行之軌跡
冬至 春秋分 夏至 冬至 春秋分 夏至 春秋分 夏至
北緯 0o 北緯 45o 北緯 90o
(赤道) (北極)
天球
太陽運行軌跡與太陽電池仰角
冬至 夏至春秋分
所在緯度235o
235o47o0o
47o 235o
13太陽電池組列仰角與間隔設計例
bull組列仰角~235o (台灣地區)
bull h=組列總高度( lt 15 m)
bull L2=h tan(55o) = 057 L0
(55o可適用於冬至0900~1500)
bull水平角度=正南 plusmn5o
235o
55o
235o
夏至
冬至
春秋分
235o 235o
南
h = 04 L0
L1= 092 L0L2 = 057 L0
L0
L1 + L2 = 15 L0
2零交越偵測電路分析
bull 零交越偵測電路如圖1 所示主要目的在於檢測輸入弦波電壓之零交越點其電路輸出為ㄧ方波信號利用方波上緣信號觸發數位訊號處理器之外部中斷腳位進而進行相位同步之功能[4]零交越偵測電路輸入與輸出波形如圖2 所示相位同步控制當數位訊號處理器發生上緣觸發時此觸發訊號如同系統重置訊號將正弦表指標變數歸零一經重置後指標變數又開始計數藉由每週期ㄧ次的重置訊號迫使換流器輸出達到同步相位同步控制波形示意圖如圖3 所示圖4 為零交越偵測電路輸出實測圖[4]
3系統電路架構與動作模式
bull A
bull 本文所述之系統為一太陽光電能轉換系統方塊圖如圖5 所示主要部分包括太陽能板直流-直流轉換器全橋式換流器數位訊號處理器感測迴授電路與驅動電路此一系統之基本動作情況為一般情況下斷路器1 和斷路器2 均為導通狀態此時太陽光電能轉換系統與電力網路處於連結運轉模式而當電力網路供電中斷時斷路器2 將被斷路以避免孤島現象的發生反之若是太陽光電能轉換系統發生故障時斷路器1 將被斷路以避免電力網路受到其故障的影響
31系統電路架構與動作模式
bull B
bull 電路工作模式bull 此一太陽光電能轉換系統主要有兩種工
作模式以下為二種工作模式的操作說明
bull (1) 獨立運轉模式bull 如圖6 所示獨立運轉模式為當電力網
路供電中斷時斷路器2 將被斷路而此時太陽光電能轉換系統將操作在電壓控制模式下提供負載一穩定的輸出電壓
bull (2) 與電力網路連結運轉模式bull 如圖7 所示與電力網路連結運轉模式
將太陽光電能轉換系統與電力網路連結運轉也就是斷路器1 和斷路器2 同時導通此時系統將操作在電流控制模式下首先經由最大功率點追蹤程式運算出瞬時最大功率點的電流參考值再根據此一電流參考值輸出一與電力網路電壓同相位的電流至負載或甚至回送至電力網路
31直流至直流切換式轉換器
典型直流至直流轉換器系統之構造如圖21所示其輸入通常為由線電壓整
流而得之非調節直流電壓然後再利用切換式直流至直流轉換器將此變動之
直流電壓轉換成一調節之直流電壓
無控制之二極體橋式整流器
交流線電壓
(單相或三相)
直流電壓
(無調節性)
濾波電容 (無調節性)
直流至直流轉換器 (具調節性)
負載
蓄電池
直流電壓 直流電壓
控制訊號1降壓式(step-down buck)轉換器
2升壓式(step-up boost)轉換器
3升降壓式(step-downstep-up buck-boost)轉換器
4全橋式轉換器
上述四種轉換器中只有降壓式及升壓式是最基本的轉換器電路架構升
降壓式轉換器是此二基本轉換器之結合而全橋式轉換器則是由降壓式轉
換器衍生而來
直流至直流轉換器之控制
直流至直流轉換器的作用即是在輸入電壓與輸出負載變動的情況下能夠調
節輸出電壓為所設定的位準電壓位準轉換之原理可以圖22(a)所示之簡單
電路來說明由開關導通與截止可得圖22(b)之波形其中輸出電壓vo平均
值大小Vo與開關之導通及截止時間(ton及toff)有關平均輸出電壓大小調整
之最典型的方式是採用脈波寬度調變法(Pulse-Width ModulationPWM)
其切換週期Ts(= ton+toff)為固定由調整導通時間之大小來改變平均輸出電
壓之大小Vo
+
_
Vd
R
+
_
Vo
0Vd
Vo
vo
tton toff
Ts
脈波寬度調變切換控制的方塊圖如
圖23(a)所示開關之切換控制信號
由控制訊號vcontrol與週期為Ts之鋸齒
波vst比較而得控制信號則由Vo之
實際值與設定值之誤差放大而得
vcontrol與vst比較所得之切換控制信號
的波形如圖23(b)所示當控制訊號
vst較大時則為高準位信號即使
開關導通反之為低準位信號即使
開關截止故開關之切換週期亦為
Ts 由以上的原理可知開關切換
之責任週期 (Duty Ratio)為D=tonTs
=vcontrolVst 其中Vst為鋸齒波之振
幅
放大器
+
-Vo
(設定)
(實際)
Vo
比較器
週期性波形 stv
切換控制訊號
控制訊號
0 t
$Vst
=stv 鋸齒波電壓
controlv (放大誤差)
On On
Off Off
stcontrol vv gt
stcontrol vv ltton toff
Ts
切換控制訊號
(切換頻率 fT
s
s
=1
)
升壓式直流至直流轉換器
圖211為升壓式轉換器電路主要用途為直流電源供應器與直流馬達之
再生制動(Regenerative Breaking)顧名思義其輸出電壓高過於其輸入
電壓當開關導通時二極體反向偏壓輸入電能儲存於電感負載電
能則由電容提供當開關截止時負載吸收輸入及儲存電感中之電能
-
L
CRVd
Vo
vL
iL
io
+
-
++
_
t0
t0
vL
iL
I L
Ts
toffton
_++
_
+
_
+ _+
_
+
_
iL
vL
Vd Vo
iL
vL
Vd Vo
)( dV
)( od VV minus
圖212所示為電感電流為連續之
穩態工作波形由穩態下電感電
壓一週期之平均值為零可得
0)( =minus+ offodond tVVtV
等號兩側除以Ts重新整理可得
Dt
T
V
V
off
s
d
o
minus==
1
1
假設電路無損失輸入功率
Pd=VdId 等 於 輸 出 功 率
Po=VoIo 則
)1( DI
I
d
o minus=
非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器
bullBoost之設計假設輸入10V輸出30V頻率50kHz輸出10W
所以D＝23
( ) s
o
o TDDP
VL
22
12
minusge
=6667uH
取75uH
D
VV in
o minus=
1
L
Vi
n
S Vo
+
_
C
DiL
vds
升降壓式直流至直流轉換器
升降壓式轉換器的主要用途為輸入與輸出之極性相反輸出電壓可以高於
或低於輸入電壓之直流電源供應器升降壓式轉換器可以由降壓式轉換器
與升壓式轉換式串接而成穩態下輸入與輸出電壓轉換器之比值為二轉換
器個別比值之乘積
D
D
V
V
d
o
minus=
1
因此變化責任週期D可使輸出電壓高於或低於輸入電壓
+
_
+
_
_
+
RC Vo
L
Vd
io
iLvL
id
降壓式直流至直流轉換器
降壓式轉換器顧名思義其作用為將較高準位的輸入電壓換成較低
準位的輸出電壓主要用途為直流電源供應器及直流馬達速度控制
圖22(a)所示為提供純電阻性負載之降壓式轉換器由圖22(b)可知其輸
出電壓波形由開關位置決定平均輸出電壓為
dd
s
onT
t
t
d
s
T
o
s
o DVVT
tddV
Tdv
TV
s
on
ons ==+== intintint )0(1
)(1
00ττττ
+
_
Vd
R
+
_
Vo
0Vd
Vo
vo
tton toff
Ts
32直流至交流切換式反流器
切換式直流至交流(DCAC)反流器(Inveter)乃用以將直流電源轉換成振幅
與頻率均可調之正弦式交流電源主要用途為交流馬達驅動與交流不斷
電電源供應器圖31為典型交流馬達驅動之反流器方塊圖其直流輸入
電壓通常由線電壓整流及濾波而得接著再利用切換式反流器改變輸出
電壓之振幅與頻率以驅動交流馬達切換式反流器功率之流通通常是
由直流至交流稱為反流模式但亦可以從交流至直流稱為整流模
式
+
_
交流馬達
二極體整流器 濾波電容 切換式反流器
Vd
三相交流電源
反流器包括單相及三相其輸入為直流電壓源者稱為電壓源反流器
(Voltage Source InverterVSI)另外若輸入為直流電流源者稱為電流
反流器(Current Source InverterCSI)目前僅應用在高功率之交流馬達
驅動器
1脈波寬度調變(PWM)反流器其輸入電壓通常為固定反流器本身具備變
頻及變壓的功能而變頻及變壓乃利用開關之脈波寬度調變切換控制達成
有許多類型之脈波寬度變技術可以使輸出電壓近似弦波
2方波(Square-Wave)反流器此反流器輸出電壓振幅乃由其輸入電壓調
整
反流器本身只控制輸出頻率交流輸出電壓波形近似方波因此乃稱方波
反流器
3採用電壓消去法(Voltage Cancellation)之單相反流器單相反流器當輸入
電壓為定值時可以利用電壓消去法來變頻及變壓而不須採用脈波寬度
調變其輸出電壓波形近似方波因此其結合了前述兩種反流器的特色
值得注意的是電壓消去法並不適用於三相反流器
切換式反流器之基本觀念
考慮圖33(a)之單相反流器假設其正弦輸出電壓vo是經過濾波所得若
輸出之負載為電感性(如馬達)則輸出電流io將落後vo 如圖33(b)所示
在期間1及3中 vo與io同號瞬時功率Po=voio為正故功率由直流側送至
交流側稱之為反流模式在期間2及4中 vo與io異號瞬時功率Po為負
故功率由交流側送至直流側稱之為整流模式圖33(a)之切換式反流器
在每一週期內會經歷平面上四個象限中之所有象限
單相切
換式變
流器與
濾波器
o
o
+
-
+
-
Vd
vo
id
io
0t
4 1 2 3
voio
io
vo
1反流器
4整流器
3反流器
2整流器
0
為清楚解釋起見以單臂反流器來說明
+
_
+
_
+ +
__
Vd
Vd
2
Vd
2
A
N
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
vAN
oo
o
反流器電路之脈波寬度調變切換技術如圖35(a)所示由一正弦波形控
制訊號vcontrol與三角波形vtri作比較三角波(又稱載波)之振幅為Vtri頻率
為fs fs決定反流器開關之切換頻率正弦波控制電壓vcontrol(又稱調制訊
號)之基頻f1決定反流器之輸出頻率而其振幅則決定反流器輸出電壓之
大小定義振幅調變指數為ma=Vcontrol Vtri 其中Vcontrol為vcontrol之振幅
而頻率調變指數則定義為mf = fs f1
0 t
vcontrol vtri
sf
1
0 t
vAo
V d
2
minusVd
2
t=0
v v
T on T off
control tri
A A
lt
minus + v v
T on T off
control tri
A A
gt
+ minus
1)( AoAo vv =之基本波
0 t
vcontrol vtri
sf
1
圖34反流器之開關的控制方法與io方向無關為
dAoAtricontrol VvTvv2
1=gt +導通
dAoAtricontrol VvTvv2
1minus=lt minus導通
由於二開關之導通為互補因此輸出電壓只在Vd 2與-Vd 2二值間作變
動圖35(b)所示為ma=08與mf =15時輸出電壓vAo及其基本波(以虛線表示)
之波形
+
_
+
_
+ +
__
Vd
Vd
2
Vd
2
A
N
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
vAN
oo
o
單相全橋式反流器
單相全橋式反流器如圖311所示乃由兩個前述之半橋反流器所組成在
相同之輸入電壓下全橋式反流器之最大輸出電壓為半橋式之兩倍這代
表在相同之功率下全橋式反流器之輸出及開關電流僅為半橋式之一半
此對於高功率用途是一大優點因其可以降低使用並聯元件之需求
+
_
+
_
+
_
Vd
Vd
2
Vd
2
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
v v vo Ao Bo= minuso
A
B
TBminus
TB+
DBminus
DB+
+_
id
o
o
N
雙極性電壓切換之脈波寬度調變
0 t
vcontrolvtri
sf
1
0 t
ov1ov
dV
dVminus
單極性電壓切換之脈波寬度調變
onBT +
trivgttricontrol vv gt
trivcontrolv
t
)( controlvminus
)( controlvminusonAT +
t1ov
dV
dVminus
)( BNAN
o
vv
v
minus=
應用雙極性電壓切換之脈波寬度調
變全橋式反流器乃 (TA+TB-)與 (TA-
TB+)成對切換且二者互相反相
應用單極性電壓切換之脈波寬度調
變全橋式反流器乃A臂與B獨立切
換且同臂二開關互相反相
三相反流器
+
-
+
-
+
-
dV
2dV
2dV
+AT
minusAT
+AD
minusAD
o
BminusT
+BT
minusBD
+BD
di
minusCT
+CT
minusCD
+CD
N
A B C
o
0 t
triv Acontrolv Bcontrolv Ccontrolv
0
BNANAB vvv minus=
t
dV
之基本波1LLv
ANv
0 t
dV
t0
BNv
dV
三相電壓源反流器之脈波寬度調變切換的功能為在固定輸入直流電壓下用以調整三相輸出電壓之振幅及頻率三相脈波寬度調變方式由三相各差120度的控制電壓與三角波作比較其波形與單相全橋式反流器採用脈波寬度調變單極性切換者類似
最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法
33最大功率追蹤最大功率追蹤最大功率追蹤最大功率追蹤
為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點本文使用本文使用本文使用本文使用擾動觀察法擾動觀察法擾動觀察法擾動觀察法(Perturbation and Observation Method PampQ)進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功率追蹤率追蹤率追蹤率追蹤由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點下圖為擾動下圖為擾動下圖為擾動下圖為擾動觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖為利用為利用為利用為利用DCDC轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作時時時時其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為0之特性之特性之特性之特性使用使用使用使用DCDC轉換器控制太陽轉換器控制太陽轉換器控制太陽轉換器控制太陽能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動
擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖
最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法
左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖蹤示意圖蹤示意圖蹤示意圖太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分為兩個特性區域為兩個特性區域為兩個特性區域為兩個特性區域假設進行追蹤假設進行追蹤假設進行追蹤假設進行追蹤時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時電壓電壓電壓電壓的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率增加增加增加增加若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出功率減少功率減少功率減少功率減少經由經由經由經由DCDC轉換器調轉換器調轉換器調轉換器調節太陽能板與節太陽能板與節太陽能板與節太陽能板與DCDC轉換器的阻轉換器的阻轉換器的阻轉換器的阻抗相互匹配抗相互匹配抗相互匹配抗相互匹配進而得到太陽能板進而得到太陽能板進而得到太陽能板進而得到太陽能板的最大輸出功率的最大輸出功率的最大輸出功率的最大輸出功率
擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖
4軟體規劃
bull 系統控制程式主要分為主程式固定週期中斷副程式市電電壓零交越中斷副程式等三大部分以下將分別介紹各部分程式流程
bull 本系統主程式主要執行數位訊號處理器周邊暫存器的初始設定以及變數宣告其中除了變數宣告外周邊暫存器的初始設定包括有規畫中斷向量設定計數器之計數模式計數週期中斷的時間和PWM 輸出模式等相關參數設定
bull 如圖8 所示系統初始設定後必須先等待中斷發生才能決定系統是否執行固定週期中斷程式或零交越中斷副程式
bull 圖9 為固定週期中斷副程式流程圖固定週期中斷頻率與換流器開關之切換頻率相同為20kHz程式開始會先偵測太陽能板電壓及電流與直流鏈電壓當確定市電電壓零交越中斷發生時必須先將輸出弦波訊號之指標強制為原點重新送出單位弦波確保換流器輸出電流與市電電壓能維持同相位接著比較太陽能板輸入電壓VPV 是否大於最低工作電壓VPV_work如果確定大於最低工作電壓則致能太陽能最大功率追蹤反之則禁能系統動作程式返回圖9 中的正弦脈寬調變副程式主要功能在於決定換流器中開關的動作順序與責任週期大小以及輸波參考訊號
bull 圖10 為太陽能最大功率點追蹤副程式流程圖在文中對最大功率追蹤採用擾動與觀察法配合太陽能光電板的電壓mdash功率特性曲線即可瞭解程式如何完成太陽能光電板最大功率點追蹤
主程式流程圖
5實驗
bull 依據上述的分析採用DSP 2407A 建立一個500W 太陽光電池電能轉換系統依據圖11 之
bull 電路架構其規格與元件參數分別列於表一表二及表三系統實驗波形圖12圖13圖14 及
bull 圖15 為系統操作在獨立運轉模式下負載分別為120W240W360W 及480W 時之換流器輸出
bull 電壓及輸出電流之實測波形
系統規格與元件參數
實測波形
6實務應用系統實務應用系統實務應用系統實務應用系統
獨立系統示意圖獨立系統示意圖
考慮點
系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等安全係數最佳化設計複雜)
一般充電控制器無 MPPT搭配蓄電池使發電效能較差
蓄電池每日gt50DOD深度放電gt02C充電壽命短
太陽光發電量與負載需求量不搭配時太陽光之發電能量利用率偏低 (負載需求搭配與安全係數為互相矛盾之設計)
PV-柴油發電機PV-風力等混合系統為改善之方法
市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台
電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池
併聯系統示意圖併聯系統示意圖
緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析
1 系統設置成本高建議使用於邊際效益高之用電（防災緊急輔助電力）
2 總體經濟效益減少環境污染解決尖峰用電之不足與短缺能源多元化之風險分擔與開創自主能源
3 遮蔽陽光直曬降低建築物之熱效應（被動省能）同時轉換太陽光為電能供應建物自主能源（主動節能）一舉兩得
緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較
30萬元divide21900kWh＝137元度2萬元divide50kWh＝400元度每度電成本
日發電度數times365天times20年＝3hrtimes1kWtimes365天times20年＝21900kWh（度）
（年停電＋年測試運轉時數）times10年＝（20mintimes6次＋15mintimes12月）times10年＝5hrtimes1kWtimes10年＝50kWh
總發電度數（1kw計）
夜間不發電（可利用蓄電池設計供電年維運費02）
噪音空污油料運輸儲油危險維運成本高
缺點
利用露台屋頂牆面空間設備煙管隔音油槽需室內空間
設置空間
平時緊急時均可使用隨時可了解運轉狀況不須操作
加ATS停電時方可啟動需人員每月定期測試運轉
系統運作
太陽光潔淨能源（免費）柴油使用燃料
20年7~10年使用壽命
1kW=30萬元1kW=2~3萬元設置費用
太陽光發電系統柴油發電機
風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析
運用多元化能源分擔風險情況比較說明如下
1 市電--gt停電時風險極高
2 市電＋柴油發電機--gt發電機故障時風險高
市電＋柴油發電機＋太陽光發電系統--gt發揮三者優點互補同時故障機率小風險最低
案例
832kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide057＝317 m2
115kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide075＝332 m2
緊急時057平時065~08
綜合係數溫度變化污損線損Inverter效率＋蓄電池充放電補償
電力需求divide（日照強度times日照時間times模板效率times綜合係數）
模組面積估算
日照強度1kWm2
日照時間384hd
模板效率12
832kWhd500人用電量115kWhd770人用電量
緊急時平時
電力需求估算
緊急時40kWtimes384hdtimes057＝875 kWhd
平時40kWtimes384hdtimes075＝1152Whd
太陽發電系統發電量＝設置容量times日照時間times綜合係數
發電量計算
332m2times1kWm2times12＝398kW≒40kW
太陽發電系統設置容量＝設置面積times日照強度times模板效率
設置容量計算模板效率依太陽電池種類而異
進行模板陣列及蓄電池容量設計
40kWdivide18片串divide120W＝185列≒19
列
40kWdivide17片串divide120W＝196列≒20
列
陣列併列數＝設置容量divide單串功率
18片times120W＝2160W
17片times120W＝2040W
單串功率
300Vdivide169V＝1775片（取整數17 or 18）
陣列串聯數＝Inverter輸入電壓divide模板輸出電壓
模板陣列設計
1 模板功率120W
2 模板輸出電壓169V
3 直交流轉換器(Inverter)輸入電壓300V
120Wtimes17片串times20列＝40800W＝340片(最佳陣列)
120Wtimes18片串times19列＝41080W＝342片
最佳陣列較經濟之設置容量選擇最佳陣列
蓄電池數量＝144個times2列＝288個
120640Whdivide288Vdivide200Ah＝21列≒2列
併列數＝蓄電池需求容量divideInverter額定電壓
288Vdivide2V＝144個
串聯數＝Inverter額定電壓divide蓄電池電壓串併數設計
middot 蓄電池電壓2V個
middot 蓄電池容量200Ah個
Inverter電壓輸入電壓 額定電壓300V 288V200V 192V
蓄電池需求容量＝832kWhdtimes1dtimes145＝12064kWh
蓄電池需求容量＝緊急電力需求times無日照天數times補償係數補償係數蓄電池內阻抗放電停止電壓電壓降低補償
蓄電池需求容量設計
middot 補償係數145
無日照天數1日
61市電相關規定市電相關規定市電相關規定市電相關規定
1 發電設備併接於低壓系統者其總容量未滿100kW且技術無困難者得併接於單相三線110V220V三相三線220V之配電系統若總容量在100kW以上而未滿500kW得分別併接於3相4線220V380V之配電系統
2 發電設備總容量在500kW以上而未滿5000kW10000kW且技術無困難者得分別併接於114KV228KV之高壓配電系統
3 電設備總容量在10000kW以上而未滿40000kW者得併接於特高壓之系統
4 發電設備總容量在40000kW以上者依個案研討分類
併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類
發電系統經由發電系統經由發電系統經由發電系統經由110V220V110V220V110V220V110V220V併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者發電設發電設發電設發電設備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能
1 過電壓保護 低電壓保護
2 低頻保護 高頻保護
3 過電流保護 零相過電壓接地保護
4 發電設備為無逆送電力者須加裝逆電力保護
5 發電設備為有逆送電力者必須具備主動及被動防止單獨運轉保護
發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經110V220V110V220V110V220V110V220V系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者在電在電在電在電源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器
發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業114KV228KV114KV228KV114KV228KV114KV228KV之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者((((高高高高壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶))))發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Extremely Inverse特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Extremely Inverse特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過流電驛(67)須具Normal Inverse特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
發電設備併接於電業69KV特高壓輸電系統者發電設備之輸出端至少應具有下列同等保護功能並須與電業該轄區之保護設備協調
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Normal Inverse之特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Normal Inverse之特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過電流電驛(67)須具Normal Inverse之特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
8 快速及後衛保護電驛如系統保護需要時應裝設
9 匯流排電驛採用GIS斷路器者應裝設
62626262太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範
1 故障電流
太陽光電發電系統大於100kW以上須計算故障電流其送至電業系統之故障電流不得影響電業及其他用戶斷路器之起斷容量否則需裝置限流電抗器
太陽光電發電系統之隔離變壓器接地方式須與電業之系統配合
2 正常電壓變動率應維持在plusmn5以內
3 太陽光電發電系統與電業間之責任分界點的功率因數以維持85落後至100之間運轉為原則
4 諧波污染限制應依照「電力系統諧波管制暫行標準」辦理
分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性
適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯型之規範型之規範型之規範型之規範
電力轉換器電力轉換器電力轉換器電力轉換器(電力調節器電力調節器電力調節器電力調節器)(InverterConditioner)
蓄電池蓄電池蓄電池蓄電池(Battery))
63大型(商用)太陽光發電系統應用(gt1 kWp)
太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統
單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池(Unit Solar Cell)
太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板(PV Module)
太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列(PV Array)
太陽光發電系統應用獨立系統
(A) 獨立系統(Stand-Alone
System)
bull 蓄電池保護壽命
(B) 混合型交流獨立系統 (Hybrid
System)
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
直流負載PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
整流器
輔助發電機
PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載- ~PCU
直直直直交流轉換器交流轉換器交流轉換器交流轉換器
太陽光發電系統應用併聯系統
(D)併聯系統(Grid-
connected System)
特殊功能1 最佳效能2 防止獨立運轉(連線保護)
3 可自力運轉
(E) 防逆流型系統(Off-line System)
(F) 防災型併聯系統
充電控制器
蓄電池
直交流轉換器
PCU太陽電池組列
交流負載
ATS
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
獨立型系統
適用地點高山離島基地台hellip等市電無法到達處
工作方式白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
必須可以自給自足
缺點bull 系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等
安全係數設計很困難)
bull 蓄電池建置複雜成本很高壽命很短
bull 負載搭配不良時發電效能不佳利用率將偏低
bull 需由專人隨時維護
bull 混合系統為一種解決方法
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
PCU
併聯型系統
適用地點電力正常送達之任何地點工作方式 bull 白天 PV系統併聯發電夜間由台電供電bull 將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的蓄電池
優點bull 系統簡單不需安全係數設計(依預算設計)不需要專人維護bull 併聯發電效率高利用率高
缺點bull 停電時無電可用bull 受併聯法規限制尚未開放(但即將開放)
bull 有孤島效應之疑慮(目前技術上已解決)
改善型無電池自力運轉
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
市電併聯型住宅用太陽光發電系統
太陽光發電系統發電及負載用電對時間之關係
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
併聯型直交流轉換器之效能要求較高
1 最大功率追蹤(Maximum Power Tracking MPT)
2 高轉換效率 gt 90 (PWM+電力電子元件)
3 高次諧波功率 Distortion (lt5 total)
4 自動開關機(白天夜晚)
5 過負載保護過溫度保護
6 體積小重量輕室外防水防塵
7 電腦界面可遠端監控
8 防止獨立運轉(連線保護)
9 可自力運轉
太陽電池組列
交流負載
直交流轉換器MPT
Power Conditioner
併聯系統之獨立運轉(單獨運轉)
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull停電時單一併聯系統將會停止運作
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
bull 市電停電時多數併聯系統仍聯合運作將對電力公司人員產生嚴重危害
孤島效應之防止方法
停電偵測1 過電壓低電壓
2 過頻率低頻率
3 被動式偵測如
bull 電壓與頻率監視方式
bull 電壓相位跳躍監視方式
bull 高次諧波監視方式
bull 頻率變化監視方式
PV組列
直交流轉換器
自家負載
4 主動偵測如
bull 頻率Shift方式
bull 配電線負載變動方式
bull 有效電力變動方式
bull 無效電力變動方式
反應時間05~2秒
資料來源「日本電氣用品試驗所」分散型電源系統連系技術指針(1998)
併聯系統之自力運轉功能
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull 大停電後白天有陽光時以人工啟動 PV 系統進行自力運轉供自家負載使用(但夜間無法使用)
防災型併聯型系統
適用地點有防災需求(照明汲水通信hellip)之公共設施
工作方式
bull 平時PV併聯發電(電池浮充) 效率高利用率高夜間由台電供電
bull 視需要建置供防災用電池大停電時白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
缺點bull 含電池成本較高bull 系統較複雜需專人定期維護
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
FAQ1太陽光發電需要多少土地
效率 = (輸出功率W) (組列面積 m2 x 日照強度 Wm2 ) x 100
模板面積 m2 = 輸出功率W (效率 x日照強度Wm2 ) x100
bull 假設使用效率gt136 模板於1000 Wm2 (AM15)日照強度下
10 kWp 模板面積 (m2) = 10000 (0136 x 1000) ~ 735 m2
10 kWp PV系統土地面積需求約
~ 735 m2 x 15 x 11
~ 121m2 (~36坪)
(包括陰影面積及維修空間)
bull 假設使用效率~10 模板
則模板面積約 ~ 100 m2
土地面積需求約 ~ 165m2 (~50坪)
gt55o
夏至
冬至
春秋分
235o 235oh
L1 L2
FAQ2太陽電池一年能發多少電
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
10 kWm2
05 kWm2
日照強度
等效日照時數(Sun Hour)
組列單日發電量 = 組列額定輸出功率 x 等效日照時數
bull 預估1 kWp 組列單日發電量 = 1 (kW) x ex 4(Sun Hour)= 4 kWh
組列年發電量 = 組列額定輸出功率 x 年平均每日日照時數 x 365
bull 預估 1 kWp 組列年發電量 = 1 x 4 x 365 = 1460 kWh
時間時間時間時間
FAQ3太陽光發電的成本(簡易估算)
1 假設目前太陽光發電系統設置成本約為 NT$ 280000 kWp
2 假設年平均每日日照時數約為 25 Sun Hour (台灣中南部地區)
bull 1 kWp 組列單日發電量= 1 (kW) x 25 (Hour)= 25 kWh
bull 1 kWp 組列年發電量= 25 x 365 = 913 kWh (度)
3 假設太陽光發電系統使用壽命為 20 年
bull 1 kWp 太陽光發電系統總共可發電 20 x 913 = 18260 度
4 生產每度電之成本約為 280000 18260 ~ NT$ 153
5 未來發展趨勢
bull 太陽光發電系統設置成本將逐年降低
bull 市電電費將會升高(國內目前約 NT$ 3 度日本約NT$ 7 度)
bull 傳統能源限制再生能源獎勵利率降低
64獨立型太陽光發電系統應用例(一)
bull太陽電池時鐘-日本bull太陽電池路燈-日本千里住宅公園
獨立型太陽光發電系統應用例(二)
bull太陽電池交通標誌-日本北海道 bull高速公路緊急電話-日本
獨立型太陽光發電系統應用例(三)
bull800W無線通信中繼基地台韓國(1998)
獨立型太陽光發電系統應用例(四)
bull離島用90kW獨立型發電系統韓國Ho-Do島(1992)
併聯型太陽光發電系統應用例(一)
bull設置於屋頂之住宅用太陽光發電系統(建材一體型日本千里住宅公園內住宅設計之一)
併聯型太陽光發電系統應用例(二)
bull日本東海線新幹線京都車站之太陽光發電系統(100kWp)
併聯型太陽光發電系統應用例(三)
bull日本京瓷(Kyocera)京都總公司大樓之太陽電池發電系統(220kWp)
太陽光發電發電廠應用例
太陽電池發電廠
(PV Power Plant)
資料來源 ANIT
Srl Italy
建材一體型太陽電池模板應用例
bull資料來源 Pilkington Solar International GmbH 德國
太陽能車應用例
Honda Dream
bull資料來源 PV Special Research
Centre UNSW Australia
交大太陽能車
bull資料來源 National Chiao-Tung
University Taiwan
太陽光發電航太應用例(NASA Helios )
bull空中無線通訊平台應用
資料來源SkyOne Inc Taiwan
bull 飛行高度5-7 萬英呎(最高記錄 96000 英呎)
bull 時速60 mph (起飛 25 mph)
bull 翼展247 英呎bull 重量2000 磅bull 太陽電池效率要求gt22
資料來源httpwwwaerovironmentcomhomehtml
清雲技術學院 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
個人住宅 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
勤益技術學院 3kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
南台科技大學 10kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
總統府 10kWp 獨立型太陽光能發電系統 (9012)
海巡署南沙太平島 20kWp 混合型(柴油發電機)太陽光能發電系統 (9011)
90能源基金示範補助成果例
台電樹林 20kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
併聯型
台電台北市區處 20kWp 太陽光發電系統
(91能源基金示範補助成果)
併聯型
7結論
bull (1)提高電力轉換器效率
bull 轉換器的損失主要來自於開關切換時之損失為了可以降低濾波電路中電感和電容的體積可以提高切換頻率但是相對於開關的切換損失也因此而增加導致轉換器的效率降低因此發展零電壓或零電流切換技術應用於高切換頻率之轉換器將可以提高轉換器的效率
bull (2)提高太陽光發電系統之整體效率
bull 傳統之太陽光發電系統包含儲能系統和供電系統前級利用DCDC轉換器作最大功率追蹤後級則利用DCAC轉換器轉換能量供應給交流負載為了提高太陽光發電系統的整體效率在研究可提出了模組並聯控制技術以提昇各級電力轉換器的效率而在未來太陽光發電系統也將著重在單級電力轉換器的設計對於整體系統效率有較明顯的改善
8參考資料
1許國強ldquo太陽光發電原理與應用工研院材料所 薄膜技術組91年
2華志強黃崇倫ldquo智慧型能量控制於太陽光電能轉換系統國立雲林科技大學電機工程學系電力研討會97年
3林政達ldquo數位式市電並聯換流器與快速鎖相迴路控制器之研製國立雲林科技大學電機工程學系碩士論文92 年
4李思賢ldquo數位式單相低功率太陽光電能轉換系統國立中山大學電機工程學系碩士論文92 年
5洪世杰ldquo適用於再生能源之市電併聯型雙輸入供電系統國立中正大學電機工程研究所碩士論文93 年
6王廷興ldquo太陽能發電配電設計概要台北科技大學冷凍空調系 92年
7魏榮宗王文宏ldquo高效率太陽光電能源轉換系統 元智大學電機工程學系94年
[ ] 100)25(
)11
(exp
1)(exp
3
λminus+=
minus
=
+minus
minus+minus=
TKII
TTBk
qE
T
TII
where
R
IRVIRV
AkT
qIII
ISCRLG
r
GO
r
oros
sh
ssosLG
VI cell output current and voltagecell reverse saturation currentcell temperature in CBoltzmannrsquos constantelectronic chargeshort circuit current temperature coefficientsolar irradiation in Wmshort-circuit current at 25 Cand 1000 Wm
light-generated currentband gap for siliconideality factorsreference temperaturecell saturation current atshunt resistanceseries resistance
osI
T
kq
00170=IK
SCRIλ
LGI
GOE
921== ABKTr deg= 18301
orI
shR
sR
附錄附錄附錄附錄- 太陽能電池太陽能電池太陽能電池太陽能電池
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
(a) Equivalent circuit of a PV module and
(b) Typical PV module current-voltage and power-voltage characteristics
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
Characteristic of a PV module with temperature and irradiation (a) constant irradiation and varying temperature and (b) constant temperature and varying irradiation
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
系統範例系統範例系統範例系統範例
中途驛站電化PV離島用PV系統山岳地帶PV系統離島偏遠區
勤務指揮中心緊急避難所醫療院所公園學校地震觀測站森林嘹望台避難指示燈氣象觀測所水位警報PV系統河川安全燈防波堤安全PV燈
緊急防災
緊急供電系統管線電氣防蝕輸油管流量計PV系統市場廣告塔海上石油平台各種計測站PV系統發電廠情報指揮中心
產業用
住宅用供電系統緊急供電系統緊急照明系統帷幕牆遮陽棚採光罩屋瓦建築物
無線通信用中繼站基地台緊急電話中繼站電話通信PV系統Radio受信PV系統微波中繼站
通訊
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應用領域
不同溫度下太陽電池 I-V 特性曲線
bull太陽電池溫度升高時輸出電壓與最大輸出功率降低
0
1
2
3
4
5
6
7
0 10 20 30 40 50
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
75oC 50oC 25oC 0oC
Battery voltage
0
1
2
3
4
5
6
7
0 10 20 30 40 50
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
500Wm2 (05AM1)
1000Wm2 (AM1)
太陽電池之動態負載匹配(日照變化)
RL(high)
RL(low)
bull Maximum power tracking is required in high efficiency PV system
太陽電池 I-V 特性曲線測量方法
VocVm
ImIsc Pm
C+
-
A
VR
A
V
A
V可程式負載
模擬陽光使用鎢絲燈氙燈Solar Simulator 或太陽光
Pm lt few10 W Pm lt few 100 W Pm lt 100 kW
Solar Simulator Array Tester
圖片資料來源httpwwwspiresolarcomSolarequipmenthtml
太陽於天球(Celestial Sphere)上運行之軌跡
冬至 春秋分 夏至 冬至 春秋分 夏至 春秋分 夏至
北緯 0o 北緯 45o 北緯 90o
(赤道) (北極)
天球
太陽運行軌跡與太陽電池仰角
冬至 夏至春秋分
所在緯度235o
235o47o0o
47o 235o
13太陽電池組列仰角與間隔設計例
bull組列仰角~235o (台灣地區)
bull h=組列總高度( lt 15 m)
bull L2=h tan(55o) = 057 L0
(55o可適用於冬至0900~1500)
bull水平角度=正南 plusmn5o
235o
55o
235o
夏至
冬至
春秋分
235o 235o
南
h = 04 L0
L1= 092 L0L2 = 057 L0
L0
L1 + L2 = 15 L0
2零交越偵測電路分析
bull 零交越偵測電路如圖1 所示主要目的在於檢測輸入弦波電壓之零交越點其電路輸出為ㄧ方波信號利用方波上緣信號觸發數位訊號處理器之外部中斷腳位進而進行相位同步之功能[4]零交越偵測電路輸入與輸出波形如圖2 所示相位同步控制當數位訊號處理器發生上緣觸發時此觸發訊號如同系統重置訊號將正弦表指標變數歸零一經重置後指標變數又開始計數藉由每週期ㄧ次的重置訊號迫使換流器輸出達到同步相位同步控制波形示意圖如圖3 所示圖4 為零交越偵測電路輸出實測圖[4]
3系統電路架構與動作模式
bull A
bull 本文所述之系統為一太陽光電能轉換系統方塊圖如圖5 所示主要部分包括太陽能板直流-直流轉換器全橋式換流器數位訊號處理器感測迴授電路與驅動電路此一系統之基本動作情況為一般情況下斷路器1 和斷路器2 均為導通狀態此時太陽光電能轉換系統與電力網路處於連結運轉模式而當電力網路供電中斷時斷路器2 將被斷路以避免孤島現象的發生反之若是太陽光電能轉換系統發生故障時斷路器1 將被斷路以避免電力網路受到其故障的影響
31系統電路架構與動作模式
bull B
bull 電路工作模式bull 此一太陽光電能轉換系統主要有兩種工
作模式以下為二種工作模式的操作說明
bull (1) 獨立運轉模式bull 如圖6 所示獨立運轉模式為當電力網
路供電中斷時斷路器2 將被斷路而此時太陽光電能轉換系統將操作在電壓控制模式下提供負載一穩定的輸出電壓
bull (2) 與電力網路連結運轉模式bull 如圖7 所示與電力網路連結運轉模式
將太陽光電能轉換系統與電力網路連結運轉也就是斷路器1 和斷路器2 同時導通此時系統將操作在電流控制模式下首先經由最大功率點追蹤程式運算出瞬時最大功率點的電流參考值再根據此一電流參考值輸出一與電力網路電壓同相位的電流至負載或甚至回送至電力網路
31直流至直流切換式轉換器
典型直流至直流轉換器系統之構造如圖21所示其輸入通常為由線電壓整
流而得之非調節直流電壓然後再利用切換式直流至直流轉換器將此變動之
直流電壓轉換成一調節之直流電壓
無控制之二極體橋式整流器
交流線電壓
(單相或三相)
直流電壓
(無調節性)
濾波電容 (無調節性)
直流至直流轉換器 (具調節性)
負載
蓄電池
直流電壓 直流電壓
控制訊號1降壓式(step-down buck)轉換器
2升壓式(step-up boost)轉換器
3升降壓式(step-downstep-up buck-boost)轉換器
4全橋式轉換器
上述四種轉換器中只有降壓式及升壓式是最基本的轉換器電路架構升
降壓式轉換器是此二基本轉換器之結合而全橋式轉換器則是由降壓式轉
換器衍生而來
直流至直流轉換器之控制
直流至直流轉換器的作用即是在輸入電壓與輸出負載變動的情況下能夠調
節輸出電壓為所設定的位準電壓位準轉換之原理可以圖22(a)所示之簡單
電路來說明由開關導通與截止可得圖22(b)之波形其中輸出電壓vo平均
值大小Vo與開關之導通及截止時間(ton及toff)有關平均輸出電壓大小調整
之最典型的方式是採用脈波寬度調變法(Pulse-Width ModulationPWM)
其切換週期Ts(= ton+toff)為固定由調整導通時間之大小來改變平均輸出電
壓之大小Vo
+
_
Vd
R
+
_
Vo
0Vd
Vo
vo
tton toff
Ts
脈波寬度調變切換控制的方塊圖如
圖23(a)所示開關之切換控制信號
由控制訊號vcontrol與週期為Ts之鋸齒
波vst比較而得控制信號則由Vo之
實際值與設定值之誤差放大而得
vcontrol與vst比較所得之切換控制信號
的波形如圖23(b)所示當控制訊號
vst較大時則為高準位信號即使
開關導通反之為低準位信號即使
開關截止故開關之切換週期亦為
Ts 由以上的原理可知開關切換
之責任週期 (Duty Ratio)為D=tonTs
=vcontrolVst 其中Vst為鋸齒波之振
幅
放大器
+
-Vo
(設定)
(實際)
Vo
比較器
週期性波形 stv
切換控制訊號
控制訊號
0 t
$Vst
=stv 鋸齒波電壓
controlv (放大誤差)
On On
Off Off
stcontrol vv gt
stcontrol vv ltton toff
Ts
切換控制訊號
(切換頻率 fT
s
s
=1
)
升壓式直流至直流轉換器
圖211為升壓式轉換器電路主要用途為直流電源供應器與直流馬達之
再生制動(Regenerative Breaking)顧名思義其輸出電壓高過於其輸入
電壓當開關導通時二極體反向偏壓輸入電能儲存於電感負載電
能則由電容提供當開關截止時負載吸收輸入及儲存電感中之電能
-
L
CRVd
Vo
vL
iL
io
+
-
++
_
t0
t0
vL
iL
I L
Ts
toffton
_++
_
+
_
+ _+
_
+
_
iL
vL
Vd Vo
iL
vL
Vd Vo
)( dV
)( od VV minus
圖212所示為電感電流為連續之
穩態工作波形由穩態下電感電
壓一週期之平均值為零可得
0)( =minus+ offodond tVVtV
等號兩側除以Ts重新整理可得
Dt
T
V
V
off
s
d
o
minus==
1
1
假設電路無損失輸入功率
Pd=VdId 等 於 輸 出 功 率
Po=VoIo 則
)1( DI
I
d
o minus=
非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器
bullBoost之設計假設輸入10V輸出30V頻率50kHz輸出10W
所以D＝23
( ) s
o
o TDDP
VL
22
12
minusge
=6667uH
取75uH
D
VV in
o minus=
1
L
Vi
n
S Vo
+
_
C
DiL
vds
升降壓式直流至直流轉換器
升降壓式轉換器的主要用途為輸入與輸出之極性相反輸出電壓可以高於
或低於輸入電壓之直流電源供應器升降壓式轉換器可以由降壓式轉換器
與升壓式轉換式串接而成穩態下輸入與輸出電壓轉換器之比值為二轉換
器個別比值之乘積
D
D
V
V
d
o
minus=
1
因此變化責任週期D可使輸出電壓高於或低於輸入電壓
+
_
+
_
_
+
RC Vo
L
Vd
io
iLvL
id
降壓式直流至直流轉換器
降壓式轉換器顧名思義其作用為將較高準位的輸入電壓換成較低
準位的輸出電壓主要用途為直流電源供應器及直流馬達速度控制
圖22(a)所示為提供純電阻性負載之降壓式轉換器由圖22(b)可知其輸
出電壓波形由開關位置決定平均輸出電壓為
dd
s
onT
t
t
d
s
T
o
s
o DVVT
tddV
Tdv
TV
s
on
ons ==+== intintint )0(1
)(1
00ττττ
+
_
Vd
R
+
_
Vo
0Vd
Vo
vo
tton toff
Ts
32直流至交流切換式反流器
切換式直流至交流(DCAC)反流器(Inveter)乃用以將直流電源轉換成振幅
與頻率均可調之正弦式交流電源主要用途為交流馬達驅動與交流不斷
電電源供應器圖31為典型交流馬達驅動之反流器方塊圖其直流輸入
電壓通常由線電壓整流及濾波而得接著再利用切換式反流器改變輸出
電壓之振幅與頻率以驅動交流馬達切換式反流器功率之流通通常是
由直流至交流稱為反流模式但亦可以從交流至直流稱為整流模
式
+
_
交流馬達
二極體整流器 濾波電容 切換式反流器
Vd
三相交流電源
反流器包括單相及三相其輸入為直流電壓源者稱為電壓源反流器
(Voltage Source InverterVSI)另外若輸入為直流電流源者稱為電流
反流器(Current Source InverterCSI)目前僅應用在高功率之交流馬達
驅動器
1脈波寬度調變(PWM)反流器其輸入電壓通常為固定反流器本身具備變
頻及變壓的功能而變頻及變壓乃利用開關之脈波寬度調變切換控制達成
有許多類型之脈波寬度變技術可以使輸出電壓近似弦波
2方波(Square-Wave)反流器此反流器輸出電壓振幅乃由其輸入電壓調
整
反流器本身只控制輸出頻率交流輸出電壓波形近似方波因此乃稱方波
反流器
3採用電壓消去法(Voltage Cancellation)之單相反流器單相反流器當輸入
電壓為定值時可以利用電壓消去法來變頻及變壓而不須採用脈波寬度
調變其輸出電壓波形近似方波因此其結合了前述兩種反流器的特色
值得注意的是電壓消去法並不適用於三相反流器
切換式反流器之基本觀念
考慮圖33(a)之單相反流器假設其正弦輸出電壓vo是經過濾波所得若
輸出之負載為電感性(如馬達)則輸出電流io將落後vo 如圖33(b)所示
在期間1及3中 vo與io同號瞬時功率Po=voio為正故功率由直流側送至
交流側稱之為反流模式在期間2及4中 vo與io異號瞬時功率Po為負
故功率由交流側送至直流側稱之為整流模式圖33(a)之切換式反流器
在每一週期內會經歷平面上四個象限中之所有象限
單相切
換式變
流器與
濾波器
o
o
+
-
+
-
Vd
vo
id
io
0t
4 1 2 3
voio
io
vo
1反流器
4整流器
3反流器
2整流器
0
為清楚解釋起見以單臂反流器來說明
+
_
+
_
+ +
__
Vd
Vd
2
Vd
2
A
N
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
vAN
oo
o
反流器電路之脈波寬度調變切換技術如圖35(a)所示由一正弦波形控
制訊號vcontrol與三角波形vtri作比較三角波(又稱載波)之振幅為Vtri頻率
為fs fs決定反流器開關之切換頻率正弦波控制電壓vcontrol(又稱調制訊
號)之基頻f1決定反流器之輸出頻率而其振幅則決定反流器輸出電壓之
大小定義振幅調變指數為ma=Vcontrol Vtri 其中Vcontrol為vcontrol之振幅
而頻率調變指數則定義為mf = fs f1
0 t
vcontrol vtri
sf
1
0 t
vAo
V d
2
minusVd
2
t=0
v v
T on T off
control tri
A A
lt
minus + v v
T on T off
control tri
A A
gt
+ minus
1)( AoAo vv =之基本波
0 t
vcontrol vtri
sf
1
圖34反流器之開關的控制方法與io方向無關為
dAoAtricontrol VvTvv2
1=gt +導通
dAoAtricontrol VvTvv2
1minus=lt minus導通
由於二開關之導通為互補因此輸出電壓只在Vd 2與-Vd 2二值間作變
動圖35(b)所示為ma=08與mf =15時輸出電壓vAo及其基本波(以虛線表示)
之波形
+
_
+
_
+ +
__
Vd
Vd
2
Vd
2
A
N
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
vAN
oo
o
單相全橋式反流器
單相全橋式反流器如圖311所示乃由兩個前述之半橋反流器所組成在
相同之輸入電壓下全橋式反流器之最大輸出電壓為半橋式之兩倍這代
表在相同之功率下全橋式反流器之輸出及開關電流僅為半橋式之一半
此對於高功率用途是一大優點因其可以降低使用並聯元件之需求
+
_
+
_
+
_
Vd
Vd
2
Vd
2
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
v v vo Ao Bo= minuso
A
B
TBminus
TB+
DBminus
DB+
+_
id
o
o
N
雙極性電壓切換之脈波寬度調變
0 t
vcontrolvtri
sf
1
0 t
ov1ov
dV
dVminus
單極性電壓切換之脈波寬度調變
onBT +
trivgttricontrol vv gt
trivcontrolv
t
)( controlvminus
)( controlvminusonAT +
t1ov
dV
dVminus
)( BNAN
o
vv
v
minus=
應用雙極性電壓切換之脈波寬度調
變全橋式反流器乃 (TA+TB-)與 (TA-
TB+)成對切換且二者互相反相
應用單極性電壓切換之脈波寬度調
變全橋式反流器乃A臂與B獨立切
換且同臂二開關互相反相
三相反流器
+
-
+
-
+
-
dV
2dV
2dV
+AT
minusAT
+AD
minusAD
o
BminusT
+BT
minusBD
+BD
di
minusCT
+CT
minusCD
+CD
N
A B C
o
0 t
triv Acontrolv Bcontrolv Ccontrolv
0
BNANAB vvv minus=
t
dV
之基本波1LLv
ANv
0 t
dV
t0
BNv
dV
三相電壓源反流器之脈波寬度調變切換的功能為在固定輸入直流電壓下用以調整三相輸出電壓之振幅及頻率三相脈波寬度調變方式由三相各差120度的控制電壓與三角波作比較其波形與單相全橋式反流器採用脈波寬度調變單極性切換者類似
最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法
33最大功率追蹤最大功率追蹤最大功率追蹤最大功率追蹤
為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點本文使用本文使用本文使用本文使用擾動觀察法擾動觀察法擾動觀察法擾動觀察法(Perturbation and Observation Method PampQ)進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功率追蹤率追蹤率追蹤率追蹤由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點下圖為擾動下圖為擾動下圖為擾動下圖為擾動觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖為利用為利用為利用為利用DCDC轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作時時時時其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為0之特性之特性之特性之特性使用使用使用使用DCDC轉換器控制太陽轉換器控制太陽轉換器控制太陽轉換器控制太陽能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動
擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖
最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法
左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖蹤示意圖蹤示意圖蹤示意圖太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分為兩個特性區域為兩個特性區域為兩個特性區域為兩個特性區域假設進行追蹤假設進行追蹤假設進行追蹤假設進行追蹤時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時電壓電壓電壓電壓的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率增加增加增加增加若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出功率減少功率減少功率減少功率減少經由經由經由經由DCDC轉換器調轉換器調轉換器調轉換器調節太陽能板與節太陽能板與節太陽能板與節太陽能板與DCDC轉換器的阻轉換器的阻轉換器的阻轉換器的阻抗相互匹配抗相互匹配抗相互匹配抗相互匹配進而得到太陽能板進而得到太陽能板進而得到太陽能板進而得到太陽能板的最大輸出功率的最大輸出功率的最大輸出功率的最大輸出功率
擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖
4軟體規劃
bull 系統控制程式主要分為主程式固定週期中斷副程式市電電壓零交越中斷副程式等三大部分以下將分別介紹各部分程式流程
bull 本系統主程式主要執行數位訊號處理器周邊暫存器的初始設定以及變數宣告其中除了變數宣告外周邊暫存器的初始設定包括有規畫中斷向量設定計數器之計數模式計數週期中斷的時間和PWM 輸出模式等相關參數設定
bull 如圖8 所示系統初始設定後必須先等待中斷發生才能決定系統是否執行固定週期中斷程式或零交越中斷副程式
bull 圖9 為固定週期中斷副程式流程圖固定週期中斷頻率與換流器開關之切換頻率相同為20kHz程式開始會先偵測太陽能板電壓及電流與直流鏈電壓當確定市電電壓零交越中斷發生時必須先將輸出弦波訊號之指標強制為原點重新送出單位弦波確保換流器輸出電流與市電電壓能維持同相位接著比較太陽能板輸入電壓VPV 是否大於最低工作電壓VPV_work如果確定大於最低工作電壓則致能太陽能最大功率追蹤反之則禁能系統動作程式返回圖9 中的正弦脈寬調變副程式主要功能在於決定換流器中開關的動作順序與責任週期大小以及輸波參考訊號
bull 圖10 為太陽能最大功率點追蹤副程式流程圖在文中對最大功率追蹤採用擾動與觀察法配合太陽能光電板的電壓mdash功率特性曲線即可瞭解程式如何完成太陽能光電板最大功率點追蹤
主程式流程圖
5實驗
bull 依據上述的分析採用DSP 2407A 建立一個500W 太陽光電池電能轉換系統依據圖11 之
bull 電路架構其規格與元件參數分別列於表一表二及表三系統實驗波形圖12圖13圖14 及
bull 圖15 為系統操作在獨立運轉模式下負載分別為120W240W360W 及480W 時之換流器輸出
bull 電壓及輸出電流之實測波形
系統規格與元件參數
實測波形
6實務應用系統實務應用系統實務應用系統實務應用系統
獨立系統示意圖獨立系統示意圖
考慮點
系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等安全係數最佳化設計複雜)
一般充電控制器無 MPPT搭配蓄電池使發電效能較差
蓄電池每日gt50DOD深度放電gt02C充電壽命短
太陽光發電量與負載需求量不搭配時太陽光之發電能量利用率偏低 (負載需求搭配與安全係數為互相矛盾之設計)
PV-柴油發電機PV-風力等混合系統為改善之方法
市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台
電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池
併聯系統示意圖併聯系統示意圖
緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析
1 系統設置成本高建議使用於邊際效益高之用電（防災緊急輔助電力）
2 總體經濟效益減少環境污染解決尖峰用電之不足與短缺能源多元化之風險分擔與開創自主能源
3 遮蔽陽光直曬降低建築物之熱效應（被動省能）同時轉換太陽光為電能供應建物自主能源（主動節能）一舉兩得
緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較
30萬元divide21900kWh＝137元度2萬元divide50kWh＝400元度每度電成本
日發電度數times365天times20年＝3hrtimes1kWtimes365天times20年＝21900kWh（度）
（年停電＋年測試運轉時數）times10年＝（20mintimes6次＋15mintimes12月）times10年＝5hrtimes1kWtimes10年＝50kWh
總發電度數（1kw計）
夜間不發電（可利用蓄電池設計供電年維運費02）
噪音空污油料運輸儲油危險維運成本高
缺點
利用露台屋頂牆面空間設備煙管隔音油槽需室內空間
設置空間
平時緊急時均可使用隨時可了解運轉狀況不須操作
加ATS停電時方可啟動需人員每月定期測試運轉
系統運作
太陽光潔淨能源（免費）柴油使用燃料
20年7~10年使用壽命
1kW=30萬元1kW=2~3萬元設置費用
太陽光發電系統柴油發電機
風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析
運用多元化能源分擔風險情況比較說明如下
1 市電--gt停電時風險極高
2 市電＋柴油發電機--gt發電機故障時風險高
市電＋柴油發電機＋太陽光發電系統--gt發揮三者優點互補同時故障機率小風險最低
案例
832kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide057＝317 m2
115kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide075＝332 m2
緊急時057平時065~08
綜合係數溫度變化污損線損Inverter效率＋蓄電池充放電補償
電力需求divide（日照強度times日照時間times模板效率times綜合係數）
模組面積估算
日照強度1kWm2
日照時間384hd
模板效率12
832kWhd500人用電量115kWhd770人用電量
緊急時平時
電力需求估算
緊急時40kWtimes384hdtimes057＝875 kWhd
平時40kWtimes384hdtimes075＝1152Whd
太陽發電系統發電量＝設置容量times日照時間times綜合係數
發電量計算
332m2times1kWm2times12＝398kW≒40kW
太陽發電系統設置容量＝設置面積times日照強度times模板效率
設置容量計算模板效率依太陽電池種類而異
進行模板陣列及蓄電池容量設計
40kWdivide18片串divide120W＝185列≒19
列
40kWdivide17片串divide120W＝196列≒20
列
陣列併列數＝設置容量divide單串功率
18片times120W＝2160W
17片times120W＝2040W
單串功率
300Vdivide169V＝1775片（取整數17 or 18）
陣列串聯數＝Inverter輸入電壓divide模板輸出電壓
模板陣列設計
1 模板功率120W
2 模板輸出電壓169V
3 直交流轉換器(Inverter)輸入電壓300V
120Wtimes17片串times20列＝40800W＝340片(最佳陣列)
120Wtimes18片串times19列＝41080W＝342片
最佳陣列較經濟之設置容量選擇最佳陣列
蓄電池數量＝144個times2列＝288個
120640Whdivide288Vdivide200Ah＝21列≒2列
併列數＝蓄電池需求容量divideInverter額定電壓
288Vdivide2V＝144個
串聯數＝Inverter額定電壓divide蓄電池電壓串併數設計
middot 蓄電池電壓2V個
middot 蓄電池容量200Ah個
Inverter電壓輸入電壓 額定電壓300V 288V200V 192V
蓄電池需求容量＝832kWhdtimes1dtimes145＝12064kWh
蓄電池需求容量＝緊急電力需求times無日照天數times補償係數補償係數蓄電池內阻抗放電停止電壓電壓降低補償
蓄電池需求容量設計
middot 補償係數145
無日照天數1日
61市電相關規定市電相關規定市電相關規定市電相關規定
1 發電設備併接於低壓系統者其總容量未滿100kW且技術無困難者得併接於單相三線110V220V三相三線220V之配電系統若總容量在100kW以上而未滿500kW得分別併接於3相4線220V380V之配電系統
2 發電設備總容量在500kW以上而未滿5000kW10000kW且技術無困難者得分別併接於114KV228KV之高壓配電系統
3 電設備總容量在10000kW以上而未滿40000kW者得併接於特高壓之系統
4 發電設備總容量在40000kW以上者依個案研討分類
併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類
發電系統經由發電系統經由發電系統經由發電系統經由110V220V110V220V110V220V110V220V併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者發電設發電設發電設發電設備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能
1 過電壓保護 低電壓保護
2 低頻保護 高頻保護
3 過電流保護 零相過電壓接地保護
4 發電設備為無逆送電力者須加裝逆電力保護
5 發電設備為有逆送電力者必須具備主動及被動防止單獨運轉保護
發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經110V220V110V220V110V220V110V220V系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者在電在電在電在電源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器
發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業114KV228KV114KV228KV114KV228KV114KV228KV之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者((((高高高高壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶))))發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Extremely Inverse特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Extremely Inverse特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過流電驛(67)須具Normal Inverse特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
發電設備併接於電業69KV特高壓輸電系統者發電設備之輸出端至少應具有下列同等保護功能並須與電業該轄區之保護設備協調
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Normal Inverse之特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Normal Inverse之特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過電流電驛(67)須具Normal Inverse之特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
8 快速及後衛保護電驛如系統保護需要時應裝設
9 匯流排電驛採用GIS斷路器者應裝設
62626262太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範
1 故障電流
太陽光電發電系統大於100kW以上須計算故障電流其送至電業系統之故障電流不得影響電業及其他用戶斷路器之起斷容量否則需裝置限流電抗器
太陽光電發電系統之隔離變壓器接地方式須與電業之系統配合
2 正常電壓變動率應維持在plusmn5以內
3 太陽光電發電系統與電業間之責任分界點的功率因數以維持85落後至100之間運轉為原則
4 諧波污染限制應依照「電力系統諧波管制暫行標準」辦理
分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性
適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯型之規範型之規範型之規範型之規範
電力轉換器電力轉換器電力轉換器電力轉換器(電力調節器電力調節器電力調節器電力調節器)(InverterConditioner)
蓄電池蓄電池蓄電池蓄電池(Battery))
63大型(商用)太陽光發電系統應用(gt1 kWp)
太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統
單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池(Unit Solar Cell)
太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板(PV Module)
太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列(PV Array)
太陽光發電系統應用獨立系統
(A) 獨立系統(Stand-Alone
System)
bull 蓄電池保護壽命
(B) 混合型交流獨立系統 (Hybrid
System)
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
直流負載PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
整流器
輔助發電機
PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載- ~PCU
直直直直交流轉換器交流轉換器交流轉換器交流轉換器
太陽光發電系統應用併聯系統
(D)併聯系統(Grid-
connected System)
特殊功能1 最佳效能2 防止獨立運轉(連線保護)
3 可自力運轉
(E) 防逆流型系統(Off-line System)
(F) 防災型併聯系統
充電控制器
蓄電池
直交流轉換器
PCU太陽電池組列
交流負載
ATS
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
獨立型系統
適用地點高山離島基地台hellip等市電無法到達處
工作方式白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
必須可以自給自足
缺點bull 系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等
安全係數設計很困難)
bull 蓄電池建置複雜成本很高壽命很短
bull 負載搭配不良時發電效能不佳利用率將偏低
bull 需由專人隨時維護
bull 混合系統為一種解決方法
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
PCU
併聯型系統
適用地點電力正常送達之任何地點工作方式 bull 白天 PV系統併聯發電夜間由台電供電bull 將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的蓄電池
優點bull 系統簡單不需安全係數設計(依預算設計)不需要專人維護bull 併聯發電效率高利用率高
缺點bull 停電時無電可用bull 受併聯法規限制尚未開放(但即將開放)
bull 有孤島效應之疑慮(目前技術上已解決)
改善型無電池自力運轉
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
市電併聯型住宅用太陽光發電系統
太陽光發電系統發電及負載用電對時間之關係
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
併聯型直交流轉換器之效能要求較高
1 最大功率追蹤(Maximum Power Tracking MPT)
2 高轉換效率 gt 90 (PWM+電力電子元件)
3 高次諧波功率 Distortion (lt5 total)
4 自動開關機(白天夜晚)
5 過負載保護過溫度保護
6 體積小重量輕室外防水防塵
7 電腦界面可遠端監控
8 防止獨立運轉(連線保護)
9 可自力運轉
太陽電池組列
交流負載
直交流轉換器MPT
Power Conditioner
併聯系統之獨立運轉(單獨運轉)
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull停電時單一併聯系統將會停止運作
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
bull 市電停電時多數併聯系統仍聯合運作將對電力公司人員產生嚴重危害
孤島效應之防止方法
停電偵測1 過電壓低電壓
2 過頻率低頻率
3 被動式偵測如
bull 電壓與頻率監視方式
bull 電壓相位跳躍監視方式
bull 高次諧波監視方式
bull 頻率變化監視方式
PV組列
直交流轉換器
自家負載
4 主動偵測如
bull 頻率Shift方式
bull 配電線負載變動方式
bull 有效電力變動方式
bull 無效電力變動方式
反應時間05~2秒
資料來源「日本電氣用品試驗所」分散型電源系統連系技術指針(1998)
併聯系統之自力運轉功能
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull 大停電後白天有陽光時以人工啟動 PV 系統進行自力運轉供自家負載使用(但夜間無法使用)
防災型併聯型系統
適用地點有防災需求(照明汲水通信hellip)之公共設施
工作方式
bull 平時PV併聯發電(電池浮充) 效率高利用率高夜間由台電供電
bull 視需要建置供防災用電池大停電時白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
缺點bull 含電池成本較高bull 系統較複雜需專人定期維護
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
FAQ1太陽光發電需要多少土地
效率 = (輸出功率W) (組列面積 m2 x 日照強度 Wm2 ) x 100
模板面積 m2 = 輸出功率W (效率 x日照強度Wm2 ) x100
bull 假設使用效率gt136 模板於1000 Wm2 (AM15)日照強度下
10 kWp 模板面積 (m2) = 10000 (0136 x 1000) ~ 735 m2
10 kWp PV系統土地面積需求約
~ 735 m2 x 15 x 11
~ 121m2 (~36坪)
(包括陰影面積及維修空間)
bull 假設使用效率~10 模板
則模板面積約 ~ 100 m2
土地面積需求約 ~ 165m2 (~50坪)
gt55o
夏至
冬至
春秋分
235o 235oh
L1 L2
FAQ2太陽電池一年能發多少電
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
10 kWm2
05 kWm2
日照強度
等效日照時數(Sun Hour)
組列單日發電量 = 組列額定輸出功率 x 等效日照時數
bull 預估1 kWp 組列單日發電量 = 1 (kW) x ex 4(Sun Hour)= 4 kWh
組列年發電量 = 組列額定輸出功率 x 年平均每日日照時數 x 365
bull 預估 1 kWp 組列年發電量 = 1 x 4 x 365 = 1460 kWh
時間時間時間時間
FAQ3太陽光發電的成本(簡易估算)
1 假設目前太陽光發電系統設置成本約為 NT$ 280000 kWp
2 假設年平均每日日照時數約為 25 Sun Hour (台灣中南部地區)
bull 1 kWp 組列單日發電量= 1 (kW) x 25 (Hour)= 25 kWh
bull 1 kWp 組列年發電量= 25 x 365 = 913 kWh (度)
3 假設太陽光發電系統使用壽命為 20 年
bull 1 kWp 太陽光發電系統總共可發電 20 x 913 = 18260 度
4 生產每度電之成本約為 280000 18260 ~ NT$ 153
5 未來發展趨勢
bull 太陽光發電系統設置成本將逐年降低
bull 市電電費將會升高(國內目前約 NT$ 3 度日本約NT$ 7 度)
bull 傳統能源限制再生能源獎勵利率降低
64獨立型太陽光發電系統應用例(一)
bull太陽電池時鐘-日本bull太陽電池路燈-日本千里住宅公園
獨立型太陽光發電系統應用例(二)
bull太陽電池交通標誌-日本北海道 bull高速公路緊急電話-日本
獨立型太陽光發電系統應用例(三)
bull800W無線通信中繼基地台韓國(1998)
獨立型太陽光發電系統應用例(四)
bull離島用90kW獨立型發電系統韓國Ho-Do島(1992)
併聯型太陽光發電系統應用例(一)
bull設置於屋頂之住宅用太陽光發電系統(建材一體型日本千里住宅公園內住宅設計之一)
併聯型太陽光發電系統應用例(二)
bull日本東海線新幹線京都車站之太陽光發電系統(100kWp)
併聯型太陽光發電系統應用例(三)
bull日本京瓷(Kyocera)京都總公司大樓之太陽電池發電系統(220kWp)
太陽光發電發電廠應用例
太陽電池發電廠
(PV Power Plant)
資料來源 ANIT
Srl Italy
建材一體型太陽電池模板應用例
bull資料來源 Pilkington Solar International GmbH 德國
太陽能車應用例
Honda Dream
bull資料來源 PV Special Research
Centre UNSW Australia
交大太陽能車
bull資料來源 National Chiao-Tung
University Taiwan
太陽光發電航太應用例(NASA Helios )
bull空中無線通訊平台應用
資料來源SkyOne Inc Taiwan
bull 飛行高度5-7 萬英呎(最高記錄 96000 英呎)
bull 時速60 mph (起飛 25 mph)
bull 翼展247 英呎bull 重量2000 磅bull 太陽電池效率要求gt22
資料來源httpwwwaerovironmentcomhomehtml
清雲技術學院 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
個人住宅 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
勤益技術學院 3kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
南台科技大學 10kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
總統府 10kWp 獨立型太陽光能發電系統 (9012)
海巡署南沙太平島 20kWp 混合型(柴油發電機)太陽光能發電系統 (9011)
90能源基金示範補助成果例
台電樹林 20kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
併聯型
台電台北市區處 20kWp 太陽光發電系統
(91能源基金示範補助成果)
併聯型
7結論
bull (1)提高電力轉換器效率
bull 轉換器的損失主要來自於開關切換時之損失為了可以降低濾波電路中電感和電容的體積可以提高切換頻率但是相對於開關的切換損失也因此而增加導致轉換器的效率降低因此發展零電壓或零電流切換技術應用於高切換頻率之轉換器將可以提高轉換器的效率
bull (2)提高太陽光發電系統之整體效率
bull 傳統之太陽光發電系統包含儲能系統和供電系統前級利用DCDC轉換器作最大功率追蹤後級則利用DCAC轉換器轉換能量供應給交流負載為了提高太陽光發電系統的整體效率在研究可提出了模組並聯控制技術以提昇各級電力轉換器的效率而在未來太陽光發電系統也將著重在單級電力轉換器的設計對於整體系統效率有較明顯的改善
8參考資料
1許國強ldquo太陽光發電原理與應用工研院材料所 薄膜技術組91年
2華志強黃崇倫ldquo智慧型能量控制於太陽光電能轉換系統國立雲林科技大學電機工程學系電力研討會97年
3林政達ldquo數位式市電並聯換流器與快速鎖相迴路控制器之研製國立雲林科技大學電機工程學系碩士論文92 年
4李思賢ldquo數位式單相低功率太陽光電能轉換系統國立中山大學電機工程學系碩士論文92 年
5洪世杰ldquo適用於再生能源之市電併聯型雙輸入供電系統國立中正大學電機工程研究所碩士論文93 年
6王廷興ldquo太陽能發電配電設計概要台北科技大學冷凍空調系 92年
7魏榮宗王文宏ldquo高效率太陽光電能源轉換系統 元智大學電機工程學系94年
[ ] 100)25(
)11
(exp
1)(exp
3
λminus+=
minus
=
+minus
minus+minus=
TKII
TTBk
qE
T
TII
where
R
IRVIRV
AkT
qIII
ISCRLG
r
GO
r
oros
sh
ssosLG
VI cell output current and voltagecell reverse saturation currentcell temperature in CBoltzmannrsquos constantelectronic chargeshort circuit current temperature coefficientsolar irradiation in Wmshort-circuit current at 25 Cand 1000 Wm
light-generated currentband gap for siliconideality factorsreference temperaturecell saturation current atshunt resistanceseries resistance
osI
T
kq
00170=IK
SCRIλ
LGI
GOE
921== ABKTr deg= 18301
orI
shR
sR
附錄附錄附錄附錄- 太陽能電池太陽能電池太陽能電池太陽能電池
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
(a) Equivalent circuit of a PV module and
(b) Typical PV module current-voltage and power-voltage characteristics
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
Characteristic of a PV module with temperature and irradiation (a) constant irradiation and varying temperature and (b) constant temperature and varying irradiation
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
系統範例系統範例系統範例系統範例
中途驛站電化PV離島用PV系統山岳地帶PV系統離島偏遠區
勤務指揮中心緊急避難所醫療院所公園學校地震觀測站森林嘹望台避難指示燈氣象觀測所水位警報PV系統河川安全燈防波堤安全PV燈
緊急防災
緊急供電系統管線電氣防蝕輸油管流量計PV系統市場廣告塔海上石油平台各種計測站PV系統發電廠情報指揮中心
產業用
住宅用供電系統緊急供電系統緊急照明系統帷幕牆遮陽棚採光罩屋瓦建築物
無線通信用中繼站基地台緊急電話中繼站電話通信PV系統Radio受信PV系統微波中繼站
通訊
農宅用電溫室栽培PV系統農業灌溉用自動灑水系統農牧電籬牛乳冷藏漁業養殖揚水通氣自動餵食器
農林漁牧
路燈交通號誌道路指示牌標誌燈太陽能電動車充電站高速公路緊急電話偏遠道路緊急電話停車計時器停車場控制門系統高速公路防音壁PV系統公路休息區PV系統太陽能車平交道指示燈候車亭PV系統車站屋頂型PV系統
道路交通
收音機測電表手錶計算機太陽能照相機手電筒電池充電器野營燈民生
應用領域
0
1
2
3
4
5
6
7
0 10 20 30 40 50
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
Curr
ent (A
)
Voltage (V)
500Wm2 (05AM1)
1000Wm2 (AM1)
太陽電池之動態負載匹配(日照變化)
RL(high)
RL(low)
bull Maximum power tracking is required in high efficiency PV system
太陽電池 I-V 特性曲線測量方法
VocVm
ImIsc Pm
C+
-
A
VR
A
V
A
V可程式負載
模擬陽光使用鎢絲燈氙燈Solar Simulator 或太陽光
Pm lt few10 W Pm lt few 100 W Pm lt 100 kW
Solar Simulator Array Tester
圖片資料來源httpwwwspiresolarcomSolarequipmenthtml
太陽於天球(Celestial Sphere)上運行之軌跡
冬至 春秋分 夏至 冬至 春秋分 夏至 春秋分 夏至
北緯 0o 北緯 45o 北緯 90o
(赤道) (北極)
天球
太陽運行軌跡與太陽電池仰角
冬至 夏至春秋分
所在緯度235o
235o47o0o
47o 235o
13太陽電池組列仰角與間隔設計例
bull組列仰角~235o (台灣地區)
bull h=組列總高度( lt 15 m)
bull L2=h tan(55o) = 057 L0
(55o可適用於冬至0900~1500)
bull水平角度=正南 plusmn5o
235o
55o
235o
夏至
冬至
春秋分
235o 235o
南
h = 04 L0
L1= 092 L0L2 = 057 L0
L0
L1 + L2 = 15 L0
2零交越偵測電路分析
bull 零交越偵測電路如圖1 所示主要目的在於檢測輸入弦波電壓之零交越點其電路輸出為ㄧ方波信號利用方波上緣信號觸發數位訊號處理器之外部中斷腳位進而進行相位同步之功能[4]零交越偵測電路輸入與輸出波形如圖2 所示相位同步控制當數位訊號處理器發生上緣觸發時此觸發訊號如同系統重置訊號將正弦表指標變數歸零一經重置後指標變數又開始計數藉由每週期ㄧ次的重置訊號迫使換流器輸出達到同步相位同步控制波形示意圖如圖3 所示圖4 為零交越偵測電路輸出實測圖[4]
3系統電路架構與動作模式
bull A
bull 本文所述之系統為一太陽光電能轉換系統方塊圖如圖5 所示主要部分包括太陽能板直流-直流轉換器全橋式換流器數位訊號處理器感測迴授電路與驅動電路此一系統之基本動作情況為一般情況下斷路器1 和斷路器2 均為導通狀態此時太陽光電能轉換系統與電力網路處於連結運轉模式而當電力網路供電中斷時斷路器2 將被斷路以避免孤島現象的發生反之若是太陽光電能轉換系統發生故障時斷路器1 將被斷路以避免電力網路受到其故障的影響
31系統電路架構與動作模式
bull B
bull 電路工作模式bull 此一太陽光電能轉換系統主要有兩種工
作模式以下為二種工作模式的操作說明
bull (1) 獨立運轉模式bull 如圖6 所示獨立運轉模式為當電力網
路供電中斷時斷路器2 將被斷路而此時太陽光電能轉換系統將操作在電壓控制模式下提供負載一穩定的輸出電壓
bull (2) 與電力網路連結運轉模式bull 如圖7 所示與電力網路連結運轉模式
將太陽光電能轉換系統與電力網路連結運轉也就是斷路器1 和斷路器2 同時導通此時系統將操作在電流控制模式下首先經由最大功率點追蹤程式運算出瞬時最大功率點的電流參考值再根據此一電流參考值輸出一與電力網路電壓同相位的電流至負載或甚至回送至電力網路
31直流至直流切換式轉換器
典型直流至直流轉換器系統之構造如圖21所示其輸入通常為由線電壓整
流而得之非調節直流電壓然後再利用切換式直流至直流轉換器將此變動之
直流電壓轉換成一調節之直流電壓
無控制之二極體橋式整流器
交流線電壓
(單相或三相)
直流電壓
(無調節性)
濾波電容 (無調節性)
直流至直流轉換器 (具調節性)
負載
蓄電池
直流電壓 直流電壓
控制訊號1降壓式(step-down buck)轉換器
2升壓式(step-up boost)轉換器
3升降壓式(step-downstep-up buck-boost)轉換器
4全橋式轉換器
上述四種轉換器中只有降壓式及升壓式是最基本的轉換器電路架構升
降壓式轉換器是此二基本轉換器之結合而全橋式轉換器則是由降壓式轉
換器衍生而來
直流至直流轉換器之控制
直流至直流轉換器的作用即是在輸入電壓與輸出負載變動的情況下能夠調
節輸出電壓為所設定的位準電壓位準轉換之原理可以圖22(a)所示之簡單
電路來說明由開關導通與截止可得圖22(b)之波形其中輸出電壓vo平均
值大小Vo與開關之導通及截止時間(ton及toff)有關平均輸出電壓大小調整
之最典型的方式是採用脈波寬度調變法(Pulse-Width ModulationPWM)
其切換週期Ts(= ton+toff)為固定由調整導通時間之大小來改變平均輸出電
壓之大小Vo
+
_
Vd
R
+
_
Vo
0Vd
Vo
vo
tton toff
Ts
脈波寬度調變切換控制的方塊圖如
圖23(a)所示開關之切換控制信號
由控制訊號vcontrol與週期為Ts之鋸齒
波vst比較而得控制信號則由Vo之
實際值與設定值之誤差放大而得
vcontrol與vst比較所得之切換控制信號
的波形如圖23(b)所示當控制訊號
vst較大時則為高準位信號即使
開關導通反之為低準位信號即使
開關截止故開關之切換週期亦為
Ts 由以上的原理可知開關切換
之責任週期 (Duty Ratio)為D=tonTs
=vcontrolVst 其中Vst為鋸齒波之振
幅
放大器
+
-Vo
(設定)
(實際)
Vo
比較器
週期性波形 stv
切換控制訊號
控制訊號
0 t
$Vst
=stv 鋸齒波電壓
controlv (放大誤差)
On On
Off Off
stcontrol vv gt
stcontrol vv ltton toff
Ts
切換控制訊號
(切換頻率 fT
s
s
=1
)
升壓式直流至直流轉換器
圖211為升壓式轉換器電路主要用途為直流電源供應器與直流馬達之
再生制動(Regenerative Breaking)顧名思義其輸出電壓高過於其輸入
電壓當開關導通時二極體反向偏壓輸入電能儲存於電感負載電
能則由電容提供當開關截止時負載吸收輸入及儲存電感中之電能
-
L
CRVd
Vo
vL
iL
io
+
-
++
_
t0
t0
vL
iL
I L
Ts
toffton
_++
_
+
_
+ _+
_
+
_
iL
vL
Vd Vo
iL
vL
Vd Vo
)( dV
)( od VV minus
圖212所示為電感電流為連續之
穩態工作波形由穩態下電感電
壓一週期之平均值為零可得
0)( =minus+ offodond tVVtV
等號兩側除以Ts重新整理可得
Dt
T
V
V
off
s
d
o
minus==
1
1
假設電路無損失輸入功率
Pd=VdId 等 於 輸 出 功 率
Po=VoIo 則
)1( DI
I
d
o minus=
非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器
bullBoost之設計假設輸入10V輸出30V頻率50kHz輸出10W
所以D＝23
( ) s
o
o TDDP
VL
22
12
minusge
=6667uH
取75uH
D
VV in
o minus=
1
L
Vi
n
S Vo
+
_
C
DiL
vds
升降壓式直流至直流轉換器
升降壓式轉換器的主要用途為輸入與輸出之極性相反輸出電壓可以高於
或低於輸入電壓之直流電源供應器升降壓式轉換器可以由降壓式轉換器
與升壓式轉換式串接而成穩態下輸入與輸出電壓轉換器之比值為二轉換
器個別比值之乘積
D
D
V
V
d
o
minus=
1
因此變化責任週期D可使輸出電壓高於或低於輸入電壓
+
_
+
_
_
+
RC Vo
L
Vd
io
iLvL
id
降壓式直流至直流轉換器
降壓式轉換器顧名思義其作用為將較高準位的輸入電壓換成較低
準位的輸出電壓主要用途為直流電源供應器及直流馬達速度控制
圖22(a)所示為提供純電阻性負載之降壓式轉換器由圖22(b)可知其輸
出電壓波形由開關位置決定平均輸出電壓為
dd
s
onT
t
t
d
s
T
o
s
o DVVT
tddV
Tdv
TV
s
on
ons ==+== intintint )0(1
)(1
00ττττ
+
_
Vd
R
+
_
Vo
0Vd
Vo
vo
tton toff
Ts
32直流至交流切換式反流器
切換式直流至交流(DCAC)反流器(Inveter)乃用以將直流電源轉換成振幅
與頻率均可調之正弦式交流電源主要用途為交流馬達驅動與交流不斷
電電源供應器圖31為典型交流馬達驅動之反流器方塊圖其直流輸入
電壓通常由線電壓整流及濾波而得接著再利用切換式反流器改變輸出
電壓之振幅與頻率以驅動交流馬達切換式反流器功率之流通通常是
由直流至交流稱為反流模式但亦可以從交流至直流稱為整流模
式
+
_
交流馬達
二極體整流器 濾波電容 切換式反流器
Vd
三相交流電源
反流器包括單相及三相其輸入為直流電壓源者稱為電壓源反流器
(Voltage Source InverterVSI)另外若輸入為直流電流源者稱為電流
反流器(Current Source InverterCSI)目前僅應用在高功率之交流馬達
驅動器
1脈波寬度調變(PWM)反流器其輸入電壓通常為固定反流器本身具備變
頻及變壓的功能而變頻及變壓乃利用開關之脈波寬度調變切換控制達成
有許多類型之脈波寬度變技術可以使輸出電壓近似弦波
2方波(Square-Wave)反流器此反流器輸出電壓振幅乃由其輸入電壓調
整
反流器本身只控制輸出頻率交流輸出電壓波形近似方波因此乃稱方波
反流器
3採用電壓消去法(Voltage Cancellation)之單相反流器單相反流器當輸入
電壓為定值時可以利用電壓消去法來變頻及變壓而不須採用脈波寬度
調變其輸出電壓波形近似方波因此其結合了前述兩種反流器的特色
值得注意的是電壓消去法並不適用於三相反流器
切換式反流器之基本觀念
考慮圖33(a)之單相反流器假設其正弦輸出電壓vo是經過濾波所得若
輸出之負載為電感性(如馬達)則輸出電流io將落後vo 如圖33(b)所示
在期間1及3中 vo與io同號瞬時功率Po=voio為正故功率由直流側送至
交流側稱之為反流模式在期間2及4中 vo與io異號瞬時功率Po為負
故功率由交流側送至直流側稱之為整流模式圖33(a)之切換式反流器
在每一週期內會經歷平面上四個象限中之所有象限
單相切
換式變
流器與
濾波器
o
o
+
-
+
-
Vd
vo
id
io
0t
4 1 2 3
voio
io
vo
1反流器
4整流器
3反流器
2整流器
0
為清楚解釋起見以單臂反流器來說明
+
_
+
_
+ +
__
Vd
Vd
2
Vd
2
A
N
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
vAN
oo
o
反流器電路之脈波寬度調變切換技術如圖35(a)所示由一正弦波形控
制訊號vcontrol與三角波形vtri作比較三角波(又稱載波)之振幅為Vtri頻率
為fs fs決定反流器開關之切換頻率正弦波控制電壓vcontrol(又稱調制訊
號)之基頻f1決定反流器之輸出頻率而其振幅則決定反流器輸出電壓之
大小定義振幅調變指數為ma=Vcontrol Vtri 其中Vcontrol為vcontrol之振幅
而頻率調變指數則定義為mf = fs f1
0 t
vcontrol vtri
sf
1
0 t
vAo
V d
2
minusVd
2
t=0
v v
T on T off
control tri
A A
lt
minus + v v
T on T off
control tri
A A
gt
+ minus
1)( AoAo vv =之基本波
0 t
vcontrol vtri
sf
1
圖34反流器之開關的控制方法與io方向無關為
dAoAtricontrol VvTvv2
1=gt +導通
dAoAtricontrol VvTvv2
1minus=lt minus導通
由於二開關之導通為互補因此輸出電壓只在Vd 2與-Vd 2二值間作變
動圖35(b)所示為ma=08與mf =15時輸出電壓vAo及其基本波(以虛線表示)
之波形
+
_
+
_
+ +
__
Vd
Vd
2
Vd
2
A
N
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
vAN
oo
o
單相全橋式反流器
單相全橋式反流器如圖311所示乃由兩個前述之半橋反流器所組成在
相同之輸入電壓下全橋式反流器之最大輸出電壓為半橋式之兩倍這代
表在相同之功率下全橋式反流器之輸出及開關電流僅為半橋式之一半
此對於高功率用途是一大優點因其可以降低使用並聯元件之需求
+
_
+
_
+
_
Vd
Vd
2
Vd
2
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
v v vo Ao Bo= minuso
A
B
TBminus
TB+
DBminus
DB+
+_
id
o
o
N
雙極性電壓切換之脈波寬度調變
0 t
vcontrolvtri
sf
1
0 t
ov1ov
dV
dVminus
單極性電壓切換之脈波寬度調變
onBT +
trivgttricontrol vv gt
trivcontrolv
t
)( controlvminus
)( controlvminusonAT +
t1ov
dV
dVminus
)( BNAN
o
vv
v
minus=
應用雙極性電壓切換之脈波寬度調
變全橋式反流器乃 (TA+TB-)與 (TA-
TB+)成對切換且二者互相反相
應用單極性電壓切換之脈波寬度調
變全橋式反流器乃A臂與B獨立切
換且同臂二開關互相反相
三相反流器
+
-
+
-
+
-
dV
2dV
2dV
+AT
minusAT
+AD
minusAD
o
BminusT
+BT
minusBD
+BD
di
minusCT
+CT
minusCD
+CD
N
A B C
o
0 t
triv Acontrolv Bcontrolv Ccontrolv
0
BNANAB vvv minus=
t
dV
之基本波1LLv
ANv
0 t
dV
t0
BNv
dV
三相電壓源反流器之脈波寬度調變切換的功能為在固定輸入直流電壓下用以調整三相輸出電壓之振幅及頻率三相脈波寬度調變方式由三相各差120度的控制電壓與三角波作比較其波形與單相全橋式反流器採用脈波寬度調變單極性切換者類似
最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法
33最大功率追蹤最大功率追蹤最大功率追蹤最大功率追蹤
為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點本文使用本文使用本文使用本文使用擾動觀察法擾動觀察法擾動觀察法擾動觀察法(Perturbation and Observation Method PampQ)進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功率追蹤率追蹤率追蹤率追蹤由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點下圖為擾動下圖為擾動下圖為擾動下圖為擾動觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖為利用為利用為利用為利用DCDC轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作時時時時其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為0之特性之特性之特性之特性使用使用使用使用DCDC轉換器控制太陽轉換器控制太陽轉換器控制太陽轉換器控制太陽能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動
擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖
最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法
左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖蹤示意圖蹤示意圖蹤示意圖太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分為兩個特性區域為兩個特性區域為兩個特性區域為兩個特性區域假設進行追蹤假設進行追蹤假設進行追蹤假設進行追蹤時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時電壓電壓電壓電壓的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率增加增加增加增加若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出功率減少功率減少功率減少功率減少經由經由經由經由DCDC轉換器調轉換器調轉換器調轉換器調節太陽能板與節太陽能板與節太陽能板與節太陽能板與DCDC轉換器的阻轉換器的阻轉換器的阻轉換器的阻抗相互匹配抗相互匹配抗相互匹配抗相互匹配進而得到太陽能板進而得到太陽能板進而得到太陽能板進而得到太陽能板的最大輸出功率的最大輸出功率的最大輸出功率的最大輸出功率
擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖
4軟體規劃
bull 系統控制程式主要分為主程式固定週期中斷副程式市電電壓零交越中斷副程式等三大部分以下將分別介紹各部分程式流程
bull 本系統主程式主要執行數位訊號處理器周邊暫存器的初始設定以及變數宣告其中除了變數宣告外周邊暫存器的初始設定包括有規畫中斷向量設定計數器之計數模式計數週期中斷的時間和PWM 輸出模式等相關參數設定
bull 如圖8 所示系統初始設定後必須先等待中斷發生才能決定系統是否執行固定週期中斷程式或零交越中斷副程式
bull 圖9 為固定週期中斷副程式流程圖固定週期中斷頻率與換流器開關之切換頻率相同為20kHz程式開始會先偵測太陽能板電壓及電流與直流鏈電壓當確定市電電壓零交越中斷發生時必須先將輸出弦波訊號之指標強制為原點重新送出單位弦波確保換流器輸出電流與市電電壓能維持同相位接著比較太陽能板輸入電壓VPV 是否大於最低工作電壓VPV_work如果確定大於最低工作電壓則致能太陽能最大功率追蹤反之則禁能系統動作程式返回圖9 中的正弦脈寬調變副程式主要功能在於決定換流器中開關的動作順序與責任週期大小以及輸波參考訊號
bull 圖10 為太陽能最大功率點追蹤副程式流程圖在文中對最大功率追蹤採用擾動與觀察法配合太陽能光電板的電壓mdash功率特性曲線即可瞭解程式如何完成太陽能光電板最大功率點追蹤
主程式流程圖
5實驗
bull 依據上述的分析採用DSP 2407A 建立一個500W 太陽光電池電能轉換系統依據圖11 之
bull 電路架構其規格與元件參數分別列於表一表二及表三系統實驗波形圖12圖13圖14 及
bull 圖15 為系統操作在獨立運轉模式下負載分別為120W240W360W 及480W 時之換流器輸出
bull 電壓及輸出電流之實測波形
系統規格與元件參數
實測波形
6實務應用系統實務應用系統實務應用系統實務應用系統
獨立系統示意圖獨立系統示意圖
考慮點
系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等安全係數最佳化設計複雜)
一般充電控制器無 MPPT搭配蓄電池使發電效能較差
蓄電池每日gt50DOD深度放電gt02C充電壽命短
太陽光發電量與負載需求量不搭配時太陽光之發電能量利用率偏低 (負載需求搭配與安全係數為互相矛盾之設計)
PV-柴油發電機PV-風力等混合系統為改善之方法
市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台
電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池
併聯系統示意圖併聯系統示意圖
緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析
1 系統設置成本高建議使用於邊際效益高之用電（防災緊急輔助電力）
2 總體經濟效益減少環境污染解決尖峰用電之不足與短缺能源多元化之風險分擔與開創自主能源
3 遮蔽陽光直曬降低建築物之熱效應（被動省能）同時轉換太陽光為電能供應建物自主能源（主動節能）一舉兩得
緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較
30萬元divide21900kWh＝137元度2萬元divide50kWh＝400元度每度電成本
日發電度數times365天times20年＝3hrtimes1kWtimes365天times20年＝21900kWh（度）
（年停電＋年測試運轉時數）times10年＝（20mintimes6次＋15mintimes12月）times10年＝5hrtimes1kWtimes10年＝50kWh
總發電度數（1kw計）
夜間不發電（可利用蓄電池設計供電年維運費02）
噪音空污油料運輸儲油危險維運成本高
缺點
利用露台屋頂牆面空間設備煙管隔音油槽需室內空間
設置空間
平時緊急時均可使用隨時可了解運轉狀況不須操作
加ATS停電時方可啟動需人員每月定期測試運轉
系統運作
太陽光潔淨能源（免費）柴油使用燃料
20年7~10年使用壽命
1kW=30萬元1kW=2~3萬元設置費用
太陽光發電系統柴油發電機
風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析
運用多元化能源分擔風險情況比較說明如下
1 市電--gt停電時風險極高
2 市電＋柴油發電機--gt發電機故障時風險高
市電＋柴油發電機＋太陽光發電系統--gt發揮三者優點互補同時故障機率小風險最低
案例
832kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide057＝317 m2
115kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide075＝332 m2
緊急時057平時065~08
綜合係數溫度變化污損線損Inverter效率＋蓄電池充放電補償
電力需求divide（日照強度times日照時間times模板效率times綜合係數）
模組面積估算
日照強度1kWm2
日照時間384hd
模板效率12
832kWhd500人用電量115kWhd770人用電量
緊急時平時
電力需求估算
緊急時40kWtimes384hdtimes057＝875 kWhd
平時40kWtimes384hdtimes075＝1152Whd
太陽發電系統發電量＝設置容量times日照時間times綜合係數
發電量計算
332m2times1kWm2times12＝398kW≒40kW
太陽發電系統設置容量＝設置面積times日照強度times模板效率
設置容量計算模板效率依太陽電池種類而異
進行模板陣列及蓄電池容量設計
40kWdivide18片串divide120W＝185列≒19
列
40kWdivide17片串divide120W＝196列≒20
列
陣列併列數＝設置容量divide單串功率
18片times120W＝2160W
17片times120W＝2040W
單串功率
300Vdivide169V＝1775片（取整數17 or 18）
陣列串聯數＝Inverter輸入電壓divide模板輸出電壓
模板陣列設計
1 模板功率120W
2 模板輸出電壓169V
3 直交流轉換器(Inverter)輸入電壓300V
120Wtimes17片串times20列＝40800W＝340片(最佳陣列)
120Wtimes18片串times19列＝41080W＝342片
最佳陣列較經濟之設置容量選擇最佳陣列
蓄電池數量＝144個times2列＝288個
120640Whdivide288Vdivide200Ah＝21列≒2列
併列數＝蓄電池需求容量divideInverter額定電壓
288Vdivide2V＝144個
串聯數＝Inverter額定電壓divide蓄電池電壓串併數設計
middot 蓄電池電壓2V個
middot 蓄電池容量200Ah個
Inverter電壓輸入電壓 額定電壓300V 288V200V 192V
蓄電池需求容量＝832kWhdtimes1dtimes145＝12064kWh
蓄電池需求容量＝緊急電力需求times無日照天數times補償係數補償係數蓄電池內阻抗放電停止電壓電壓降低補償
蓄電池需求容量設計
middot 補償係數145
無日照天數1日
61市電相關規定市電相關規定市電相關規定市電相關規定
1 發電設備併接於低壓系統者其總容量未滿100kW且技術無困難者得併接於單相三線110V220V三相三線220V之配電系統若總容量在100kW以上而未滿500kW得分別併接於3相4線220V380V之配電系統
2 發電設備總容量在500kW以上而未滿5000kW10000kW且技術無困難者得分別併接於114KV228KV之高壓配電系統
3 電設備總容量在10000kW以上而未滿40000kW者得併接於特高壓之系統
4 發電設備總容量在40000kW以上者依個案研討分類
併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類
發電系統經由發電系統經由發電系統經由發電系統經由110V220V110V220V110V220V110V220V併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者發電設發電設發電設發電設備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能
1 過電壓保護 低電壓保護
2 低頻保護 高頻保護
3 過電流保護 零相過電壓接地保護
4 發電設備為無逆送電力者須加裝逆電力保護
5 發電設備為有逆送電力者必須具備主動及被動防止單獨運轉保護
發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經110V220V110V220V110V220V110V220V系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者在電在電在電在電源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器
發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業114KV228KV114KV228KV114KV228KV114KV228KV之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者((((高高高高壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶))))發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Extremely Inverse特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Extremely Inverse特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過流電驛(67)須具Normal Inverse特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
發電設備併接於電業69KV特高壓輸電系統者發電設備之輸出端至少應具有下列同等保護功能並須與電業該轄區之保護設備協調
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Normal Inverse之特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Normal Inverse之特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過電流電驛(67)須具Normal Inverse之特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
8 快速及後衛保護電驛如系統保護需要時應裝設
9 匯流排電驛採用GIS斷路器者應裝設
62626262太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範
1 故障電流
太陽光電發電系統大於100kW以上須計算故障電流其送至電業系統之故障電流不得影響電業及其他用戶斷路器之起斷容量否則需裝置限流電抗器
太陽光電發電系統之隔離變壓器接地方式須與電業之系統配合
2 正常電壓變動率應維持在plusmn5以內
3 太陽光電發電系統與電業間之責任分界點的功率因數以維持85落後至100之間運轉為原則
4 諧波污染限制應依照「電力系統諧波管制暫行標準」辦理
分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性
適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯型之規範型之規範型之規範型之規範
電力轉換器電力轉換器電力轉換器電力轉換器(電力調節器電力調節器電力調節器電力調節器)(InverterConditioner)
蓄電池蓄電池蓄電池蓄電池(Battery))
63大型(商用)太陽光發電系統應用(gt1 kWp)
太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統
單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池(Unit Solar Cell)
太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板(PV Module)
太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列(PV Array)
太陽光發電系統應用獨立系統
(A) 獨立系統(Stand-Alone
System)
bull 蓄電池保護壽命
(B) 混合型交流獨立系統 (Hybrid
System)
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
直流負載PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
整流器
輔助發電機
PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載- ~PCU
直直直直交流轉換器交流轉換器交流轉換器交流轉換器
太陽光發電系統應用併聯系統
(D)併聯系統(Grid-
connected System)
特殊功能1 最佳效能2 防止獨立運轉(連線保護)
3 可自力運轉
(E) 防逆流型系統(Off-line System)
(F) 防災型併聯系統
充電控制器
蓄電池
直交流轉換器
PCU太陽電池組列
交流負載
ATS
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
獨立型系統
適用地點高山離島基地台hellip等市電無法到達處
工作方式白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
必須可以自給自足
缺點bull 系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等
安全係數設計很困難)
bull 蓄電池建置複雜成本很高壽命很短
bull 負載搭配不良時發電效能不佳利用率將偏低
bull 需由專人隨時維護
bull 混合系統為一種解決方法
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
PCU
併聯型系統
適用地點電力正常送達之任何地點工作方式 bull 白天 PV系統併聯發電夜間由台電供電bull 將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的蓄電池
優點bull 系統簡單不需安全係數設計(依預算設計)不需要專人維護bull 併聯發電效率高利用率高
缺點bull 停電時無電可用bull 受併聯法規限制尚未開放(但即將開放)
bull 有孤島效應之疑慮(目前技術上已解決)
改善型無電池自力運轉
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
市電併聯型住宅用太陽光發電系統
太陽光發電系統發電及負載用電對時間之關係
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
併聯型直交流轉換器之效能要求較高
1 最大功率追蹤(Maximum Power Tracking MPT)
2 高轉換效率 gt 90 (PWM+電力電子元件)
3 高次諧波功率 Distortion (lt5 total)
4 自動開關機(白天夜晚)
5 過負載保護過溫度保護
6 體積小重量輕室外防水防塵
7 電腦界面可遠端監控
8 防止獨立運轉(連線保護)
9 可自力運轉
太陽電池組列
交流負載
直交流轉換器MPT
Power Conditioner
併聯系統之獨立運轉(單獨運轉)
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull停電時單一併聯系統將會停止運作
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
bull 市電停電時多數併聯系統仍聯合運作將對電力公司人員產生嚴重危害
孤島效應之防止方法
停電偵測1 過電壓低電壓
2 過頻率低頻率
3 被動式偵測如
bull 電壓與頻率監視方式
bull 電壓相位跳躍監視方式
bull 高次諧波監視方式
bull 頻率變化監視方式
PV組列
直交流轉換器
自家負載
4 主動偵測如
bull 頻率Shift方式
bull 配電線負載變動方式
bull 有效電力變動方式
bull 無效電力變動方式
反應時間05~2秒
資料來源「日本電氣用品試驗所」分散型電源系統連系技術指針(1998)
併聯系統之自力運轉功能
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull 大停電後白天有陽光時以人工啟動 PV 系統進行自力運轉供自家負載使用(但夜間無法使用)
防災型併聯型系統
適用地點有防災需求(照明汲水通信hellip)之公共設施
工作方式
bull 平時PV併聯發電(電池浮充) 效率高利用率高夜間由台電供電
bull 視需要建置供防災用電池大停電時白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
缺點bull 含電池成本較高bull 系統較複雜需專人定期維護
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
FAQ1太陽光發電需要多少土地
效率 = (輸出功率W) (組列面積 m2 x 日照強度 Wm2 ) x 100
模板面積 m2 = 輸出功率W (效率 x日照強度Wm2 ) x100
bull 假設使用效率gt136 模板於1000 Wm2 (AM15)日照強度下
10 kWp 模板面積 (m2) = 10000 (0136 x 1000) ~ 735 m2
10 kWp PV系統土地面積需求約
~ 735 m2 x 15 x 11
~ 121m2 (~36坪)
(包括陰影面積及維修空間)
bull 假設使用效率~10 模板
則模板面積約 ~ 100 m2
土地面積需求約 ~ 165m2 (~50坪)
gt55o
夏至
冬至
春秋分
235o 235oh
L1 L2
FAQ2太陽電池一年能發多少電
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
10 kWm2
05 kWm2
日照強度
等效日照時數(Sun Hour)
組列單日發電量 = 組列額定輸出功率 x 等效日照時數
bull 預估1 kWp 組列單日發電量 = 1 (kW) x ex 4(Sun Hour)= 4 kWh
組列年發電量 = 組列額定輸出功率 x 年平均每日日照時數 x 365
bull 預估 1 kWp 組列年發電量 = 1 x 4 x 365 = 1460 kWh
時間時間時間時間
FAQ3太陽光發電的成本(簡易估算)
1 假設目前太陽光發電系統設置成本約為 NT$ 280000 kWp
2 假設年平均每日日照時數約為 25 Sun Hour (台灣中南部地區)
bull 1 kWp 組列單日發電量= 1 (kW) x 25 (Hour)= 25 kWh
bull 1 kWp 組列年發電量= 25 x 365 = 913 kWh (度)
3 假設太陽光發電系統使用壽命為 20 年
bull 1 kWp 太陽光發電系統總共可發電 20 x 913 = 18260 度
4 生產每度電之成本約為 280000 18260 ~ NT$ 153
5 未來發展趨勢
bull 太陽光發電系統設置成本將逐年降低
bull 市電電費將會升高(國內目前約 NT$ 3 度日本約NT$ 7 度)
bull 傳統能源限制再生能源獎勵利率降低
64獨立型太陽光發電系統應用例(一)
bull太陽電池時鐘-日本bull太陽電池路燈-日本千里住宅公園
獨立型太陽光發電系統應用例(二)
bull太陽電池交通標誌-日本北海道 bull高速公路緊急電話-日本
獨立型太陽光發電系統應用例(三)
bull800W無線通信中繼基地台韓國(1998)
獨立型太陽光發電系統應用例(四)
bull離島用90kW獨立型發電系統韓國Ho-Do島(1992)
併聯型太陽光發電系統應用例(一)
bull設置於屋頂之住宅用太陽光發電系統(建材一體型日本千里住宅公園內住宅設計之一)
併聯型太陽光發電系統應用例(二)
bull日本東海線新幹線京都車站之太陽光發電系統(100kWp)
併聯型太陽光發電系統應用例(三)
bull日本京瓷(Kyocera)京都總公司大樓之太陽電池發電系統(220kWp)
太陽光發電發電廠應用例
太陽電池發電廠
(PV Power Plant)
資料來源 ANIT
Srl Italy
建材一體型太陽電池模板應用例
bull資料來源 Pilkington Solar International GmbH 德國
太陽能車應用例
Honda Dream
bull資料來源 PV Special Research
Centre UNSW Australia
交大太陽能車
bull資料來源 National Chiao-Tung
University Taiwan
太陽光發電航太應用例(NASA Helios )
bull空中無線通訊平台應用
資料來源SkyOne Inc Taiwan
bull 飛行高度5-7 萬英呎(最高記錄 96000 英呎)
bull 時速60 mph (起飛 25 mph)
bull 翼展247 英呎bull 重量2000 磅bull 太陽電池效率要求gt22
資料來源httpwwwaerovironmentcomhomehtml
清雲技術學院 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
個人住宅 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
勤益技術學院 3kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
南台科技大學 10kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
總統府 10kWp 獨立型太陽光能發電系統 (9012)
海巡署南沙太平島 20kWp 混合型(柴油發電機)太陽光能發電系統 (9011)
90能源基金示範補助成果例
台電樹林 20kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
併聯型
台電台北市區處 20kWp 太陽光發電系統
(91能源基金示範補助成果)
併聯型
7結論
bull (1)提高電力轉換器效率
bull 轉換器的損失主要來自於開關切換時之損失為了可以降低濾波電路中電感和電容的體積可以提高切換頻率但是相對於開關的切換損失也因此而增加導致轉換器的效率降低因此發展零電壓或零電流切換技術應用於高切換頻率之轉換器將可以提高轉換器的效率
bull (2)提高太陽光發電系統之整體效率
bull 傳統之太陽光發電系統包含儲能系統和供電系統前級利用DCDC轉換器作最大功率追蹤後級則利用DCAC轉換器轉換能量供應給交流負載為了提高太陽光發電系統的整體效率在研究可提出了模組並聯控制技術以提昇各級電力轉換器的效率而在未來太陽光發電系統也將著重在單級電力轉換器的設計對於整體系統效率有較明顯的改善
8參考資料
1許國強ldquo太陽光發電原理與應用工研院材料所 薄膜技術組91年
2華志強黃崇倫ldquo智慧型能量控制於太陽光電能轉換系統國立雲林科技大學電機工程學系電力研討會97年
3林政達ldquo數位式市電並聯換流器與快速鎖相迴路控制器之研製國立雲林科技大學電機工程學系碩士論文92 年
4李思賢ldquo數位式單相低功率太陽光電能轉換系統國立中山大學電機工程學系碩士論文92 年
5洪世杰ldquo適用於再生能源之市電併聯型雙輸入供電系統國立中正大學電機工程研究所碩士論文93 年
6王廷興ldquo太陽能發電配電設計概要台北科技大學冷凍空調系 92年
7魏榮宗王文宏ldquo高效率太陽光電能源轉換系統 元智大學電機工程學系94年
[ ] 100)25(
)11
(exp
1)(exp
3
λminus+=
minus
=
+minus
minus+minus=
TKII
TTBk
qE
T
TII
where
R
IRVIRV
AkT
qIII
ISCRLG
r
GO
r
oros
sh
ssosLG
VI cell output current and voltagecell reverse saturation currentcell temperature in CBoltzmannrsquos constantelectronic chargeshort circuit current temperature coefficientsolar irradiation in Wmshort-circuit current at 25 Cand 1000 Wm
light-generated currentband gap for siliconideality factorsreference temperaturecell saturation current atshunt resistanceseries resistance
osI
T
kq
00170=IK
SCRIλ
LGI
GOE
921== ABKTr deg= 18301
orI
shR
sR
附錄附錄附錄附錄- 太陽能電池太陽能電池太陽能電池太陽能電池
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
(a) Equivalent circuit of a PV module and
(b) Typical PV module current-voltage and power-voltage characteristics
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
Characteristic of a PV module with temperature and irradiation (a) constant irradiation and varying temperature and (b) constant temperature and varying irradiation
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
系統範例系統範例系統範例系統範例
中途驛站電化PV離島用PV系統山岳地帶PV系統離島偏遠區
勤務指揮中心緊急避難所醫療院所公園學校地震觀測站森林嘹望台避難指示燈氣象觀測所水位警報PV系統河川安全燈防波堤安全PV燈
緊急防災
緊急供電系統管線電氣防蝕輸油管流量計PV系統市場廣告塔海上石油平台各種計測站PV系統發電廠情報指揮中心
產業用
住宅用供電系統緊急供電系統緊急照明系統帷幕牆遮陽棚採光罩屋瓦建築物
無線通信用中繼站基地台緊急電話中繼站電話通信PV系統Radio受信PV系統微波中繼站
通訊
農宅用電溫室栽培PV系統農業灌溉用自動灑水系統農牧電籬牛乳冷藏漁業養殖揚水通氣自動餵食器
農林漁牧
路燈交通號誌道路指示牌標誌燈太陽能電動車充電站高速公路緊急電話偏遠道路緊急電話停車計時器停車場控制門系統高速公路防音壁PV系統公路休息區PV系統太陽能車平交道指示燈候車亭PV系統車站屋頂型PV系統
道路交通
收音機測電表手錶計算機太陽能照相機手電筒電池充電器野營燈民生
應用領域
太陽電池 I-V 特性曲線測量方法
VocVm
ImIsc Pm
C+
-
A
VR
A
V
A
V可程式負載
模擬陽光使用鎢絲燈氙燈Solar Simulator 或太陽光
Pm lt few10 W Pm lt few 100 W Pm lt 100 kW
Solar Simulator Array Tester
圖片資料來源httpwwwspiresolarcomSolarequipmenthtml
太陽於天球(Celestial Sphere)上運行之軌跡
冬至 春秋分 夏至 冬至 春秋分 夏至 春秋分 夏至
北緯 0o 北緯 45o 北緯 90o
(赤道) (北極)
天球
太陽運行軌跡與太陽電池仰角
冬至 夏至春秋分
所在緯度235o
235o47o0o
47o 235o
13太陽電池組列仰角與間隔設計例
bull組列仰角~235o (台灣地區)
bull h=組列總高度( lt 15 m)
bull L2=h tan(55o) = 057 L0
(55o可適用於冬至0900~1500)
bull水平角度=正南 plusmn5o
235o
55o
235o
夏至
冬至
春秋分
235o 235o
南
h = 04 L0
L1= 092 L0L2 = 057 L0
L0
L1 + L2 = 15 L0
2零交越偵測電路分析
bull 零交越偵測電路如圖1 所示主要目的在於檢測輸入弦波電壓之零交越點其電路輸出為ㄧ方波信號利用方波上緣信號觸發數位訊號處理器之外部中斷腳位進而進行相位同步之功能[4]零交越偵測電路輸入與輸出波形如圖2 所示相位同步控制當數位訊號處理器發生上緣觸發時此觸發訊號如同系統重置訊號將正弦表指標變數歸零一經重置後指標變數又開始計數藉由每週期ㄧ次的重置訊號迫使換流器輸出達到同步相位同步控制波形示意圖如圖3 所示圖4 為零交越偵測電路輸出實測圖[4]
3系統電路架構與動作模式
bull A
bull 本文所述之系統為一太陽光電能轉換系統方塊圖如圖5 所示主要部分包括太陽能板直流-直流轉換器全橋式換流器數位訊號處理器感測迴授電路與驅動電路此一系統之基本動作情況為一般情況下斷路器1 和斷路器2 均為導通狀態此時太陽光電能轉換系統與電力網路處於連結運轉模式而當電力網路供電中斷時斷路器2 將被斷路以避免孤島現象的發生反之若是太陽光電能轉換系統發生故障時斷路器1 將被斷路以避免電力網路受到其故障的影響
31系統電路架構與動作模式
bull B
bull 電路工作模式bull 此一太陽光電能轉換系統主要有兩種工
作模式以下為二種工作模式的操作說明
bull (1) 獨立運轉模式bull 如圖6 所示獨立運轉模式為當電力網
路供電中斷時斷路器2 將被斷路而此時太陽光電能轉換系統將操作在電壓控制模式下提供負載一穩定的輸出電壓
bull (2) 與電力網路連結運轉模式bull 如圖7 所示與電力網路連結運轉模式
將太陽光電能轉換系統與電力網路連結運轉也就是斷路器1 和斷路器2 同時導通此時系統將操作在電流控制模式下首先經由最大功率點追蹤程式運算出瞬時最大功率點的電流參考值再根據此一電流參考值輸出一與電力網路電壓同相位的電流至負載或甚至回送至電力網路
31直流至直流切換式轉換器
典型直流至直流轉換器系統之構造如圖21所示其輸入通常為由線電壓整
流而得之非調節直流電壓然後再利用切換式直流至直流轉換器將此變動之
直流電壓轉換成一調節之直流電壓
無控制之二極體橋式整流器
交流線電壓
(單相或三相)
直流電壓
(無調節性)
濾波電容 (無調節性)
直流至直流轉換器 (具調節性)
負載
蓄電池
直流電壓 直流電壓
控制訊號1降壓式(step-down buck)轉換器
2升壓式(step-up boost)轉換器
3升降壓式(step-downstep-up buck-boost)轉換器
4全橋式轉換器
上述四種轉換器中只有降壓式及升壓式是最基本的轉換器電路架構升
降壓式轉換器是此二基本轉換器之結合而全橋式轉換器則是由降壓式轉
換器衍生而來
直流至直流轉換器之控制
直流至直流轉換器的作用即是在輸入電壓與輸出負載變動的情況下能夠調
節輸出電壓為所設定的位準電壓位準轉換之原理可以圖22(a)所示之簡單
電路來說明由開關導通與截止可得圖22(b)之波形其中輸出電壓vo平均
值大小Vo與開關之導通及截止時間(ton及toff)有關平均輸出電壓大小調整
之最典型的方式是採用脈波寬度調變法(Pulse-Width ModulationPWM)
其切換週期Ts(= ton+toff)為固定由調整導通時間之大小來改變平均輸出電
壓之大小Vo
+
_
Vd
R
+
_
Vo
0Vd
Vo
vo
tton toff
Ts
脈波寬度調變切換控制的方塊圖如
圖23(a)所示開關之切換控制信號
由控制訊號vcontrol與週期為Ts之鋸齒
波vst比較而得控制信號則由Vo之
實際值與設定值之誤差放大而得
vcontrol與vst比較所得之切換控制信號
的波形如圖23(b)所示當控制訊號
vst較大時則為高準位信號即使
開關導通反之為低準位信號即使
開關截止故開關之切換週期亦為
Ts 由以上的原理可知開關切換
之責任週期 (Duty Ratio)為D=tonTs
=vcontrolVst 其中Vst為鋸齒波之振
幅
放大器
+
-Vo
(設定)
(實際)
Vo
比較器
週期性波形 stv
切換控制訊號
控制訊號
0 t
$Vst
=stv 鋸齒波電壓
controlv (放大誤差)
On On
Off Off
stcontrol vv gt
stcontrol vv ltton toff
Ts
切換控制訊號
(切換頻率 fT
s
s
=1
)
升壓式直流至直流轉換器
圖211為升壓式轉換器電路主要用途為直流電源供應器與直流馬達之
再生制動(Regenerative Breaking)顧名思義其輸出電壓高過於其輸入
電壓當開關導通時二極體反向偏壓輸入電能儲存於電感負載電
能則由電容提供當開關截止時負載吸收輸入及儲存電感中之電能
-
L
CRVd
Vo
vL
iL
io
+
-
++
_
t0
t0
vL
iL
I L
Ts
toffton
_++
_
+
_
+ _+
_
+
_
iL
vL
Vd Vo
iL
vL
Vd Vo
)( dV
)( od VV minus
圖212所示為電感電流為連續之
穩態工作波形由穩態下電感電
壓一週期之平均值為零可得
0)( =minus+ offodond tVVtV
等號兩側除以Ts重新整理可得
Dt
T
V
V
off
s
d
o
minus==
1
1
假設電路無損失輸入功率
Pd=VdId 等 於 輸 出 功 率
Po=VoIo 則
)1( DI
I
d
o minus=
非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器
bullBoost之設計假設輸入10V輸出30V頻率50kHz輸出10W
所以D＝23
( ) s
o
o TDDP
VL
22
12
minusge
=6667uH
取75uH
D
VV in
o minus=
1
L
Vi
n
S Vo
+
_
C
DiL
vds
升降壓式直流至直流轉換器
升降壓式轉換器的主要用途為輸入與輸出之極性相反輸出電壓可以高於
或低於輸入電壓之直流電源供應器升降壓式轉換器可以由降壓式轉換器
與升壓式轉換式串接而成穩態下輸入與輸出電壓轉換器之比值為二轉換
器個別比值之乘積
D
D
V
V
d
o
minus=
1
因此變化責任週期D可使輸出電壓高於或低於輸入電壓
+
_
+
_
_
+
RC Vo
L
Vd
io
iLvL
id
降壓式直流至直流轉換器
降壓式轉換器顧名思義其作用為將較高準位的輸入電壓換成較低
準位的輸出電壓主要用途為直流電源供應器及直流馬達速度控制
圖22(a)所示為提供純電阻性負載之降壓式轉換器由圖22(b)可知其輸
出電壓波形由開關位置決定平均輸出電壓為
dd
s
onT
t
t
d
s
T
o
s
o DVVT
tddV
Tdv
TV
s
on
ons ==+== intintint )0(1
)(1
00ττττ
+
_
Vd
R
+
_
Vo
0Vd
Vo
vo
tton toff
Ts
32直流至交流切換式反流器
切換式直流至交流(DCAC)反流器(Inveter)乃用以將直流電源轉換成振幅
與頻率均可調之正弦式交流電源主要用途為交流馬達驅動與交流不斷
電電源供應器圖31為典型交流馬達驅動之反流器方塊圖其直流輸入
電壓通常由線電壓整流及濾波而得接著再利用切換式反流器改變輸出
電壓之振幅與頻率以驅動交流馬達切換式反流器功率之流通通常是
由直流至交流稱為反流模式但亦可以從交流至直流稱為整流模
式
+
_
交流馬達
二極體整流器 濾波電容 切換式反流器
Vd
三相交流電源
反流器包括單相及三相其輸入為直流電壓源者稱為電壓源反流器
(Voltage Source InverterVSI)另外若輸入為直流電流源者稱為電流
反流器(Current Source InverterCSI)目前僅應用在高功率之交流馬達
驅動器
1脈波寬度調變(PWM)反流器其輸入電壓通常為固定反流器本身具備變
頻及變壓的功能而變頻及變壓乃利用開關之脈波寬度調變切換控制達成
有許多類型之脈波寬度變技術可以使輸出電壓近似弦波
2方波(Square-Wave)反流器此反流器輸出電壓振幅乃由其輸入電壓調
整
反流器本身只控制輸出頻率交流輸出電壓波形近似方波因此乃稱方波
反流器
3採用電壓消去法(Voltage Cancellation)之單相反流器單相反流器當輸入
電壓為定值時可以利用電壓消去法來變頻及變壓而不須採用脈波寬度
調變其輸出電壓波形近似方波因此其結合了前述兩種反流器的特色
值得注意的是電壓消去法並不適用於三相反流器
切換式反流器之基本觀念
考慮圖33(a)之單相反流器假設其正弦輸出電壓vo是經過濾波所得若
輸出之負載為電感性(如馬達)則輸出電流io將落後vo 如圖33(b)所示
在期間1及3中 vo與io同號瞬時功率Po=voio為正故功率由直流側送至
交流側稱之為反流模式在期間2及4中 vo與io異號瞬時功率Po為負
故功率由交流側送至直流側稱之為整流模式圖33(a)之切換式反流器
在每一週期內會經歷平面上四個象限中之所有象限
單相切
換式變
流器與
濾波器
o
o
+
-
+
-
Vd
vo
id
io
0t
4 1 2 3
voio
io
vo
1反流器
4整流器
3反流器
2整流器
0
為清楚解釋起見以單臂反流器來說明
+
_
+
_
+ +
__
Vd
Vd
2
Vd
2
A
N
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
vAN
oo
o
反流器電路之脈波寬度調變切換技術如圖35(a)所示由一正弦波形控
制訊號vcontrol與三角波形vtri作比較三角波(又稱載波)之振幅為Vtri頻率
為fs fs決定反流器開關之切換頻率正弦波控制電壓vcontrol(又稱調制訊
號)之基頻f1決定反流器之輸出頻率而其振幅則決定反流器輸出電壓之
大小定義振幅調變指數為ma=Vcontrol Vtri 其中Vcontrol為vcontrol之振幅
而頻率調變指數則定義為mf = fs f1
0 t
vcontrol vtri
sf
1
0 t
vAo
V d
2
minusVd
2
t=0
v v
T on T off
control tri
A A
lt
minus + v v
T on T off
control tri
A A
gt
+ minus
1)( AoAo vv =之基本波
0 t
vcontrol vtri
sf
1
圖34反流器之開關的控制方法與io方向無關為
dAoAtricontrol VvTvv2
1=gt +導通
dAoAtricontrol VvTvv2
1minus=lt minus導通
由於二開關之導通為互補因此輸出電壓只在Vd 2與-Vd 2二值間作變
動圖35(b)所示為ma=08與mf =15時輸出電壓vAo及其基本波(以虛線表示)
之波形
+
_
+
_
+ +
__
Vd
Vd
2
Vd
2
A
N
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
vAN
oo
o
單相全橋式反流器
單相全橋式反流器如圖311所示乃由兩個前述之半橋反流器所組成在
相同之輸入電壓下全橋式反流器之最大輸出電壓為半橋式之兩倍這代
表在相同之功率下全橋式反流器之輸出及開關電流僅為半橋式之一半
此對於高功率用途是一大優點因其可以降低使用並聯元件之需求
+
_
+
_
+
_
Vd
Vd
2
Vd
2
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
v v vo Ao Bo= minuso
A
B
TBminus
TB+
DBminus
DB+
+_
id
o
o
N
雙極性電壓切換之脈波寬度調變
0 t
vcontrolvtri
sf
1
0 t
ov1ov
dV
dVminus
單極性電壓切換之脈波寬度調變
onBT +
trivgttricontrol vv gt
trivcontrolv
t
)( controlvminus
)( controlvminusonAT +
t1ov
dV
dVminus
)( BNAN
o
vv
v
minus=
應用雙極性電壓切換之脈波寬度調
變全橋式反流器乃 (TA+TB-)與 (TA-
TB+)成對切換且二者互相反相
應用單極性電壓切換之脈波寬度調
變全橋式反流器乃A臂與B獨立切
換且同臂二開關互相反相
三相反流器
+
-
+
-
+
-
dV
2dV
2dV
+AT
minusAT
+AD
minusAD
o
BminusT
+BT
minusBD
+BD
di
minusCT
+CT
minusCD
+CD
N
A B C
o
0 t
triv Acontrolv Bcontrolv Ccontrolv
0
BNANAB vvv minus=
t
dV
之基本波1LLv
ANv
0 t
dV
t0
BNv
dV
三相電壓源反流器之脈波寬度調變切換的功能為在固定輸入直流電壓下用以調整三相輸出電壓之振幅及頻率三相脈波寬度調變方式由三相各差120度的控制電壓與三角波作比較其波形與單相全橋式反流器採用脈波寬度調變單極性切換者類似
最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法
33最大功率追蹤最大功率追蹤最大功率追蹤最大功率追蹤
為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點本文使用本文使用本文使用本文使用擾動觀察法擾動觀察法擾動觀察法擾動觀察法(Perturbation and Observation Method PampQ)進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功率追蹤率追蹤率追蹤率追蹤由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點下圖為擾動下圖為擾動下圖為擾動下圖為擾動觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖為利用為利用為利用為利用DCDC轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作時時時時其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為0之特性之特性之特性之特性使用使用使用使用DCDC轉換器控制太陽轉換器控制太陽轉換器控制太陽轉換器控制太陽能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動
擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖
最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法
左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖蹤示意圖蹤示意圖蹤示意圖太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分為兩個特性區域為兩個特性區域為兩個特性區域為兩個特性區域假設進行追蹤假設進行追蹤假設進行追蹤假設進行追蹤時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時電壓電壓電壓電壓的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率增加增加增加增加若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出功率減少功率減少功率減少功率減少經由經由經由經由DCDC轉換器調轉換器調轉換器調轉換器調節太陽能板與節太陽能板與節太陽能板與節太陽能板與DCDC轉換器的阻轉換器的阻轉換器的阻轉換器的阻抗相互匹配抗相互匹配抗相互匹配抗相互匹配進而得到太陽能板進而得到太陽能板進而得到太陽能板進而得到太陽能板的最大輸出功率的最大輸出功率的最大輸出功率的最大輸出功率
擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖
4軟體規劃
bull 系統控制程式主要分為主程式固定週期中斷副程式市電電壓零交越中斷副程式等三大部分以下將分別介紹各部分程式流程
bull 本系統主程式主要執行數位訊號處理器周邊暫存器的初始設定以及變數宣告其中除了變數宣告外周邊暫存器的初始設定包括有規畫中斷向量設定計數器之計數模式計數週期中斷的時間和PWM 輸出模式等相關參數設定
bull 如圖8 所示系統初始設定後必須先等待中斷發生才能決定系統是否執行固定週期中斷程式或零交越中斷副程式
bull 圖9 為固定週期中斷副程式流程圖固定週期中斷頻率與換流器開關之切換頻率相同為20kHz程式開始會先偵測太陽能板電壓及電流與直流鏈電壓當確定市電電壓零交越中斷發生時必須先將輸出弦波訊號之指標強制為原點重新送出單位弦波確保換流器輸出電流與市電電壓能維持同相位接著比較太陽能板輸入電壓VPV 是否大於最低工作電壓VPV_work如果確定大於最低工作電壓則致能太陽能最大功率追蹤反之則禁能系統動作程式返回圖9 中的正弦脈寬調變副程式主要功能在於決定換流器中開關的動作順序與責任週期大小以及輸波參考訊號
bull 圖10 為太陽能最大功率點追蹤副程式流程圖在文中對最大功率追蹤採用擾動與觀察法配合太陽能光電板的電壓mdash功率特性曲線即可瞭解程式如何完成太陽能光電板最大功率點追蹤
主程式流程圖
5實驗
bull 依據上述的分析採用DSP 2407A 建立一個500W 太陽光電池電能轉換系統依據圖11 之
bull 電路架構其規格與元件參數分別列於表一表二及表三系統實驗波形圖12圖13圖14 及
bull 圖15 為系統操作在獨立運轉模式下負載分別為120W240W360W 及480W 時之換流器輸出
bull 電壓及輸出電流之實測波形
系統規格與元件參數
實測波形
6實務應用系統實務應用系統實務應用系統實務應用系統
獨立系統示意圖獨立系統示意圖
考慮點
系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等安全係數最佳化設計複雜)
一般充電控制器無 MPPT搭配蓄電池使發電效能較差
蓄電池每日gt50DOD深度放電gt02C充電壽命短
太陽光發電量與負載需求量不搭配時太陽光之發電能量利用率偏低 (負載需求搭配與安全係數為互相矛盾之設計)
PV-柴油發電機PV-風力等混合系統為改善之方法
市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台
電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池
併聯系統示意圖併聯系統示意圖
緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析
1 系統設置成本高建議使用於邊際效益高之用電（防災緊急輔助電力）
2 總體經濟效益減少環境污染解決尖峰用電之不足與短缺能源多元化之風險分擔與開創自主能源
3 遮蔽陽光直曬降低建築物之熱效應（被動省能）同時轉換太陽光為電能供應建物自主能源（主動節能）一舉兩得
緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較
30萬元divide21900kWh＝137元度2萬元divide50kWh＝400元度每度電成本
日發電度數times365天times20年＝3hrtimes1kWtimes365天times20年＝21900kWh（度）
（年停電＋年測試運轉時數）times10年＝（20mintimes6次＋15mintimes12月）times10年＝5hrtimes1kWtimes10年＝50kWh
總發電度數（1kw計）
夜間不發電（可利用蓄電池設計供電年維運費02）
噪音空污油料運輸儲油危險維運成本高
缺點
利用露台屋頂牆面空間設備煙管隔音油槽需室內空間
設置空間
平時緊急時均可使用隨時可了解運轉狀況不須操作
加ATS停電時方可啟動需人員每月定期測試運轉
系統運作
太陽光潔淨能源（免費）柴油使用燃料
20年7~10年使用壽命
1kW=30萬元1kW=2~3萬元設置費用
太陽光發電系統柴油發電機
風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析
運用多元化能源分擔風險情況比較說明如下
1 市電--gt停電時風險極高
2 市電＋柴油發電機--gt發電機故障時風險高
市電＋柴油發電機＋太陽光發電系統--gt發揮三者優點互補同時故障機率小風險最低
案例
832kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide057＝317 m2
115kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide075＝332 m2
緊急時057平時065~08
綜合係數溫度變化污損線損Inverter效率＋蓄電池充放電補償
電力需求divide（日照強度times日照時間times模板效率times綜合係數）
模組面積估算
日照強度1kWm2
日照時間384hd
模板效率12
832kWhd500人用電量115kWhd770人用電量
緊急時平時
電力需求估算
緊急時40kWtimes384hdtimes057＝875 kWhd
平時40kWtimes384hdtimes075＝1152Whd
太陽發電系統發電量＝設置容量times日照時間times綜合係數
發電量計算
332m2times1kWm2times12＝398kW≒40kW
太陽發電系統設置容量＝設置面積times日照強度times模板效率
設置容量計算模板效率依太陽電池種類而異
進行模板陣列及蓄電池容量設計
40kWdivide18片串divide120W＝185列≒19
列
40kWdivide17片串divide120W＝196列≒20
列
陣列併列數＝設置容量divide單串功率
18片times120W＝2160W
17片times120W＝2040W
單串功率
300Vdivide169V＝1775片（取整數17 or 18）
陣列串聯數＝Inverter輸入電壓divide模板輸出電壓
模板陣列設計
1 模板功率120W
2 模板輸出電壓169V
3 直交流轉換器(Inverter)輸入電壓300V
120Wtimes17片串times20列＝40800W＝340片(最佳陣列)
120Wtimes18片串times19列＝41080W＝342片
最佳陣列較經濟之設置容量選擇最佳陣列
蓄電池數量＝144個times2列＝288個
120640Whdivide288Vdivide200Ah＝21列≒2列
併列數＝蓄電池需求容量divideInverter額定電壓
288Vdivide2V＝144個
串聯數＝Inverter額定電壓divide蓄電池電壓串併數設計
middot 蓄電池電壓2V個
middot 蓄電池容量200Ah個
Inverter電壓輸入電壓 額定電壓300V 288V200V 192V
蓄電池需求容量＝832kWhdtimes1dtimes145＝12064kWh
蓄電池需求容量＝緊急電力需求times無日照天數times補償係數補償係數蓄電池內阻抗放電停止電壓電壓降低補償
蓄電池需求容量設計
middot 補償係數145
無日照天數1日
61市電相關規定市電相關規定市電相關規定市電相關規定
1 發電設備併接於低壓系統者其總容量未滿100kW且技術無困難者得併接於單相三線110V220V三相三線220V之配電系統若總容量在100kW以上而未滿500kW得分別併接於3相4線220V380V之配電系統
2 發電設備總容量在500kW以上而未滿5000kW10000kW且技術無困難者得分別併接於114KV228KV之高壓配電系統
3 電設備總容量在10000kW以上而未滿40000kW者得併接於特高壓之系統
4 發電設備總容量在40000kW以上者依個案研討分類
併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類
發電系統經由發電系統經由發電系統經由發電系統經由110V220V110V220V110V220V110V220V併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者發電設發電設發電設發電設備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能
1 過電壓保護 低電壓保護
2 低頻保護 高頻保護
3 過電流保護 零相過電壓接地保護
4 發電設備為無逆送電力者須加裝逆電力保護
5 發電設備為有逆送電力者必須具備主動及被動防止單獨運轉保護
發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經110V220V110V220V110V220V110V220V系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者在電在電在電在電源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器
發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業114KV228KV114KV228KV114KV228KV114KV228KV之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者((((高高高高壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶))))發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Extremely Inverse特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Extremely Inverse特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過流電驛(67)須具Normal Inverse特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
發電設備併接於電業69KV特高壓輸電系統者發電設備之輸出端至少應具有下列同等保護功能並須與電業該轄區之保護設備協調
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Normal Inverse之特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Normal Inverse之特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過電流電驛(67)須具Normal Inverse之特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
8 快速及後衛保護電驛如系統保護需要時應裝設
9 匯流排電驛採用GIS斷路器者應裝設
62626262太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範
1 故障電流
太陽光電發電系統大於100kW以上須計算故障電流其送至電業系統之故障電流不得影響電業及其他用戶斷路器之起斷容量否則需裝置限流電抗器
太陽光電發電系統之隔離變壓器接地方式須與電業之系統配合
2 正常電壓變動率應維持在plusmn5以內
3 太陽光電發電系統與電業間之責任分界點的功率因數以維持85落後至100之間運轉為原則
4 諧波污染限制應依照「電力系統諧波管制暫行標準」辦理
分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性
適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯型之規範型之規範型之規範型之規範
電力轉換器電力轉換器電力轉換器電力轉換器(電力調節器電力調節器電力調節器電力調節器)(InverterConditioner)
蓄電池蓄電池蓄電池蓄電池(Battery))
63大型(商用)太陽光發電系統應用(gt1 kWp)
太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統
單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池(Unit Solar Cell)
太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板(PV Module)
太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列(PV Array)
太陽光發電系統應用獨立系統
(A) 獨立系統(Stand-Alone
System)
bull 蓄電池保護壽命
(B) 混合型交流獨立系統 (Hybrid
System)
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
直流負載PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
整流器
輔助發電機
PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載- ~PCU
直直直直交流轉換器交流轉換器交流轉換器交流轉換器
太陽光發電系統應用併聯系統
(D)併聯系統(Grid-
connected System)
特殊功能1 最佳效能2 防止獨立運轉(連線保護)
3 可自力運轉
(E) 防逆流型系統(Off-line System)
(F) 防災型併聯系統
充電控制器
蓄電池
直交流轉換器
PCU太陽電池組列
交流負載
ATS
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
獨立型系統
適用地點高山離島基地台hellip等市電無法到達處
工作方式白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
必須可以自給自足
缺點bull 系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等
安全係數設計很困難)
bull 蓄電池建置複雜成本很高壽命很短
bull 負載搭配不良時發電效能不佳利用率將偏低
bull 需由專人隨時維護
bull 混合系統為一種解決方法
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
PCU
併聯型系統
適用地點電力正常送達之任何地點工作方式 bull 白天 PV系統併聯發電夜間由台電供電bull 將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的蓄電池
優點bull 系統簡單不需安全係數設計(依預算設計)不需要專人維護bull 併聯發電效率高利用率高
缺點bull 停電時無電可用bull 受併聯法規限制尚未開放(但即將開放)
bull 有孤島效應之疑慮(目前技術上已解決)
改善型無電池自力運轉
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
市電併聯型住宅用太陽光發電系統
太陽光發電系統發電及負載用電對時間之關係
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
併聯型直交流轉換器之效能要求較高
1 最大功率追蹤(Maximum Power Tracking MPT)
2 高轉換效率 gt 90 (PWM+電力電子元件)
3 高次諧波功率 Distortion (lt5 total)
4 自動開關機(白天夜晚)
5 過負載保護過溫度保護
6 體積小重量輕室外防水防塵
7 電腦界面可遠端監控
8 防止獨立運轉(連線保護)
9 可自力運轉
太陽電池組列
交流負載
直交流轉換器MPT
Power Conditioner
併聯系統之獨立運轉(單獨運轉)
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull停電時單一併聯系統將會停止運作
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
bull 市電停電時多數併聯系統仍聯合運作將對電力公司人員產生嚴重危害
孤島效應之防止方法
停電偵測1 過電壓低電壓
2 過頻率低頻率
3 被動式偵測如
bull 電壓與頻率監視方式
bull 電壓相位跳躍監視方式
bull 高次諧波監視方式
bull 頻率變化監視方式
PV組列
直交流轉換器
自家負載
4 主動偵測如
bull 頻率Shift方式
bull 配電線負載變動方式
bull 有效電力變動方式
bull 無效電力變動方式
反應時間05~2秒
資料來源「日本電氣用品試驗所」分散型電源系統連系技術指針(1998)
併聯系統之自力運轉功能
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull 大停電後白天有陽光時以人工啟動 PV 系統進行自力運轉供自家負載使用(但夜間無法使用)
防災型併聯型系統
適用地點有防災需求(照明汲水通信hellip)之公共設施
工作方式
bull 平時PV併聯發電(電池浮充) 效率高利用率高夜間由台電供電
bull 視需要建置供防災用電池大停電時白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
缺點bull 含電池成本較高bull 系統較複雜需專人定期維護
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
FAQ1太陽光發電需要多少土地
效率 = (輸出功率W) (組列面積 m2 x 日照強度 Wm2 ) x 100
模板面積 m2 = 輸出功率W (效率 x日照強度Wm2 ) x100
bull 假設使用效率gt136 模板於1000 Wm2 (AM15)日照強度下
10 kWp 模板面積 (m2) = 10000 (0136 x 1000) ~ 735 m2
10 kWp PV系統土地面積需求約
~ 735 m2 x 15 x 11
~ 121m2 (~36坪)
(包括陰影面積及維修空間)
bull 假設使用效率~10 模板
則模板面積約 ~ 100 m2
土地面積需求約 ~ 165m2 (~50坪)
gt55o
夏至
冬至
春秋分
235o 235oh
L1 L2
FAQ2太陽電池一年能發多少電
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
10 kWm2
05 kWm2
日照強度
等效日照時數(Sun Hour)
組列單日發電量 = 組列額定輸出功率 x 等效日照時數
bull 預估1 kWp 組列單日發電量 = 1 (kW) x ex 4(Sun Hour)= 4 kWh
組列年發電量 = 組列額定輸出功率 x 年平均每日日照時數 x 365
bull 預估 1 kWp 組列年發電量 = 1 x 4 x 365 = 1460 kWh
時間時間時間時間
FAQ3太陽光發電的成本(簡易估算)
1 假設目前太陽光發電系統設置成本約為 NT$ 280000 kWp
2 假設年平均每日日照時數約為 25 Sun Hour (台灣中南部地區)
bull 1 kWp 組列單日發電量= 1 (kW) x 25 (Hour)= 25 kWh
bull 1 kWp 組列年發電量= 25 x 365 = 913 kWh (度)
3 假設太陽光發電系統使用壽命為 20 年
bull 1 kWp 太陽光發電系統總共可發電 20 x 913 = 18260 度
4 生產每度電之成本約為 280000 18260 ~ NT$ 153
5 未來發展趨勢
bull 太陽光發電系統設置成本將逐年降低
bull 市電電費將會升高(國內目前約 NT$ 3 度日本約NT$ 7 度)
bull 傳統能源限制再生能源獎勵利率降低
64獨立型太陽光發電系統應用例(一)
bull太陽電池時鐘-日本bull太陽電池路燈-日本千里住宅公園
獨立型太陽光發電系統應用例(二)
bull太陽電池交通標誌-日本北海道 bull高速公路緊急電話-日本
獨立型太陽光發電系統應用例(三)
bull800W無線通信中繼基地台韓國(1998)
獨立型太陽光發電系統應用例(四)
bull離島用90kW獨立型發電系統韓國Ho-Do島(1992)
併聯型太陽光發電系統應用例(一)
bull設置於屋頂之住宅用太陽光發電系統(建材一體型日本千里住宅公園內住宅設計之一)
併聯型太陽光發電系統應用例(二)
bull日本東海線新幹線京都車站之太陽光發電系統(100kWp)
併聯型太陽光發電系統應用例(三)
bull日本京瓷(Kyocera)京都總公司大樓之太陽電池發電系統(220kWp)
太陽光發電發電廠應用例
太陽電池發電廠
(PV Power Plant)
資料來源 ANIT
Srl Italy
建材一體型太陽電池模板應用例
bull資料來源 Pilkington Solar International GmbH 德國
太陽能車應用例
Honda Dream
bull資料來源 PV Special Research
Centre UNSW Australia
交大太陽能車
bull資料來源 National Chiao-Tung
University Taiwan
太陽光發電航太應用例(NASA Helios )
bull空中無線通訊平台應用
資料來源SkyOne Inc Taiwan
bull 飛行高度5-7 萬英呎(最高記錄 96000 英呎)
bull 時速60 mph (起飛 25 mph)
bull 翼展247 英呎bull 重量2000 磅bull 太陽電池效率要求gt22
資料來源httpwwwaerovironmentcomhomehtml
清雲技術學院 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
個人住宅 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
勤益技術學院 3kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
南台科技大學 10kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
總統府 10kWp 獨立型太陽光能發電系統 (9012)
海巡署南沙太平島 20kWp 混合型(柴油發電機)太陽光能發電系統 (9011)
90能源基金示範補助成果例
台電樹林 20kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
併聯型
台電台北市區處 20kWp 太陽光發電系統
(91能源基金示範補助成果)
併聯型
7結論
bull (1)提高電力轉換器效率
bull 轉換器的損失主要來自於開關切換時之損失為了可以降低濾波電路中電感和電容的體積可以提高切換頻率但是相對於開關的切換損失也因此而增加導致轉換器的效率降低因此發展零電壓或零電流切換技術應用於高切換頻率之轉換器將可以提高轉換器的效率
bull (2)提高太陽光發電系統之整體效率
bull 傳統之太陽光發電系統包含儲能系統和供電系統前級利用DCDC轉換器作最大功率追蹤後級則利用DCAC轉換器轉換能量供應給交流負載為了提高太陽光發電系統的整體效率在研究可提出了模組並聯控制技術以提昇各級電力轉換器的效率而在未來太陽光發電系統也將著重在單級電力轉換器的設計對於整體系統效率有較明顯的改善
8參考資料
1許國強ldquo太陽光發電原理與應用工研院材料所 薄膜技術組91年
2華志強黃崇倫ldquo智慧型能量控制於太陽光電能轉換系統國立雲林科技大學電機工程學系電力研討會97年
3林政達ldquo數位式市電並聯換流器與快速鎖相迴路控制器之研製國立雲林科技大學電機工程學系碩士論文92 年
4李思賢ldquo數位式單相低功率太陽光電能轉換系統國立中山大學電機工程學系碩士論文92 年
5洪世杰ldquo適用於再生能源之市電併聯型雙輸入供電系統國立中正大學電機工程研究所碩士論文93 年
6王廷興ldquo太陽能發電配電設計概要台北科技大學冷凍空調系 92年
7魏榮宗王文宏ldquo高效率太陽光電能源轉換系統 元智大學電機工程學系94年
[ ] 100)25(
)11
(exp
1)(exp
3
λminus+=
minus
=
+minus
minus+minus=
TKII
TTBk
qE
T
TII
where
R
IRVIRV
AkT
qIII
ISCRLG
r
GO
r
oros
sh
ssosLG
VI cell output current and voltagecell reverse saturation currentcell temperature in CBoltzmannrsquos constantelectronic chargeshort circuit current temperature coefficientsolar irradiation in Wmshort-circuit current at 25 Cand 1000 Wm
light-generated currentband gap for siliconideality factorsreference temperaturecell saturation current atshunt resistanceseries resistance
osI
T
kq
00170=IK
SCRIλ
LGI
GOE
921== ABKTr deg= 18301
orI
shR
sR
附錄附錄附錄附錄- 太陽能電池太陽能電池太陽能電池太陽能電池
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
(a) Equivalent circuit of a PV module and
(b) Typical PV module current-voltage and power-voltage characteristics
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
Characteristic of a PV module with temperature and irradiation (a) constant irradiation and varying temperature and (b) constant temperature and varying irradiation
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
系統範例系統範例系統範例系統範例
中途驛站電化PV離島用PV系統山岳地帶PV系統離島偏遠區
勤務指揮中心緊急避難所醫療院所公園學校地震觀測站森林嘹望台避難指示燈氣象觀測所水位警報PV系統河川安全燈防波堤安全PV燈
緊急防災
緊急供電系統管線電氣防蝕輸油管流量計PV系統市場廣告塔海上石油平台各種計測站PV系統發電廠情報指揮中心
產業用
住宅用供電系統緊急供電系統緊急照明系統帷幕牆遮陽棚採光罩屋瓦建築物
無線通信用中繼站基地台緊急電話中繼站電話通信PV系統Radio受信PV系統微波中繼站
通訊
農宅用電溫室栽培PV系統農業灌溉用自動灑水系統農牧電籬牛乳冷藏漁業養殖揚水通氣自動餵食器
農林漁牧
路燈交通號誌道路指示牌標誌燈太陽能電動車充電站高速公路緊急電話偏遠道路緊急電話停車計時器停車場控制門系統高速公路防音壁PV系統公路休息區PV系統太陽能車平交道指示燈候車亭PV系統車站屋頂型PV系統
道路交通
收音機測電表手錶計算機太陽能照相機手電筒電池充電器野營燈民生
應用領域
太陽於天球(Celestial Sphere)上運行之軌跡
冬至 春秋分 夏至 冬至 春秋分 夏至 春秋分 夏至
北緯 0o 北緯 45o 北緯 90o
(赤道) (北極)
天球
太陽運行軌跡與太陽電池仰角
冬至 夏至春秋分
所在緯度235o
235o47o0o
47o 235o
13太陽電池組列仰角與間隔設計例
bull組列仰角~235o (台灣地區)
bull h=組列總高度( lt 15 m)
bull L2=h tan(55o) = 057 L0
(55o可適用於冬至0900~1500)
bull水平角度=正南 plusmn5o
235o
55o
235o
夏至
冬至
春秋分
235o 235o
南
h = 04 L0
L1= 092 L0L2 = 057 L0
L0
L1 + L2 = 15 L0
2零交越偵測電路分析
bull 零交越偵測電路如圖1 所示主要目的在於檢測輸入弦波電壓之零交越點其電路輸出為ㄧ方波信號利用方波上緣信號觸發數位訊號處理器之外部中斷腳位進而進行相位同步之功能[4]零交越偵測電路輸入與輸出波形如圖2 所示相位同步控制當數位訊號處理器發生上緣觸發時此觸發訊號如同系統重置訊號將正弦表指標變數歸零一經重置後指標變數又開始計數藉由每週期ㄧ次的重置訊號迫使換流器輸出達到同步相位同步控制波形示意圖如圖3 所示圖4 為零交越偵測電路輸出實測圖[4]
3系統電路架構與動作模式
bull A
bull 本文所述之系統為一太陽光電能轉換系統方塊圖如圖5 所示主要部分包括太陽能板直流-直流轉換器全橋式換流器數位訊號處理器感測迴授電路與驅動電路此一系統之基本動作情況為一般情況下斷路器1 和斷路器2 均為導通狀態此時太陽光電能轉換系統與電力網路處於連結運轉模式而當電力網路供電中斷時斷路器2 將被斷路以避免孤島現象的發生反之若是太陽光電能轉換系統發生故障時斷路器1 將被斷路以避免電力網路受到其故障的影響
31系統電路架構與動作模式
bull B
bull 電路工作模式bull 此一太陽光電能轉換系統主要有兩種工
作模式以下為二種工作模式的操作說明
bull (1) 獨立運轉模式bull 如圖6 所示獨立運轉模式為當電力網
路供電中斷時斷路器2 將被斷路而此時太陽光電能轉換系統將操作在電壓控制模式下提供負載一穩定的輸出電壓
bull (2) 與電力網路連結運轉模式bull 如圖7 所示與電力網路連結運轉模式
將太陽光電能轉換系統與電力網路連結運轉也就是斷路器1 和斷路器2 同時導通此時系統將操作在電流控制模式下首先經由最大功率點追蹤程式運算出瞬時最大功率點的電流參考值再根據此一電流參考值輸出一與電力網路電壓同相位的電流至負載或甚至回送至電力網路
31直流至直流切換式轉換器
典型直流至直流轉換器系統之構造如圖21所示其輸入通常為由線電壓整
流而得之非調節直流電壓然後再利用切換式直流至直流轉換器將此變動之
直流電壓轉換成一調節之直流電壓
無控制之二極體橋式整流器
交流線電壓
(單相或三相)
直流電壓
(無調節性)
濾波電容 (無調節性)
直流至直流轉換器 (具調節性)
負載
蓄電池
直流電壓 直流電壓
控制訊號1降壓式(step-down buck)轉換器
2升壓式(step-up boost)轉換器
3升降壓式(step-downstep-up buck-boost)轉換器
4全橋式轉換器
上述四種轉換器中只有降壓式及升壓式是最基本的轉換器電路架構升
降壓式轉換器是此二基本轉換器之結合而全橋式轉換器則是由降壓式轉
換器衍生而來
直流至直流轉換器之控制
直流至直流轉換器的作用即是在輸入電壓與輸出負載變動的情況下能夠調
節輸出電壓為所設定的位準電壓位準轉換之原理可以圖22(a)所示之簡單
電路來說明由開關導通與截止可得圖22(b)之波形其中輸出電壓vo平均
值大小Vo與開關之導通及截止時間(ton及toff)有關平均輸出電壓大小調整
之最典型的方式是採用脈波寬度調變法(Pulse-Width ModulationPWM)
其切換週期Ts(= ton+toff)為固定由調整導通時間之大小來改變平均輸出電
壓之大小Vo
+
_
Vd
R
+
_
Vo
0Vd
Vo
vo
tton toff
Ts
脈波寬度調變切換控制的方塊圖如
圖23(a)所示開關之切換控制信號
由控制訊號vcontrol與週期為Ts之鋸齒
波vst比較而得控制信號則由Vo之
實際值與設定值之誤差放大而得
vcontrol與vst比較所得之切換控制信號
的波形如圖23(b)所示當控制訊號
vst較大時則為高準位信號即使
開關導通反之為低準位信號即使
開關截止故開關之切換週期亦為
Ts 由以上的原理可知開關切換
之責任週期 (Duty Ratio)為D=tonTs
=vcontrolVst 其中Vst為鋸齒波之振
幅
放大器
+
-Vo
(設定)
(實際)
Vo
比較器
週期性波形 stv
切換控制訊號
控制訊號
0 t
$Vst
=stv 鋸齒波電壓
controlv (放大誤差)
On On
Off Off
stcontrol vv gt
stcontrol vv ltton toff
Ts
切換控制訊號
(切換頻率 fT
s
s
=1
)
升壓式直流至直流轉換器
圖211為升壓式轉換器電路主要用途為直流電源供應器與直流馬達之
再生制動(Regenerative Breaking)顧名思義其輸出電壓高過於其輸入
電壓當開關導通時二極體反向偏壓輸入電能儲存於電感負載電
能則由電容提供當開關截止時負載吸收輸入及儲存電感中之電能
-
L
CRVd
Vo
vL
iL
io
+
-
++
_
t0
t0
vL
iL
I L
Ts
toffton
_++
_
+
_
+ _+
_
+
_
iL
vL
Vd Vo
iL
vL
Vd Vo
)( dV
)( od VV minus
圖212所示為電感電流為連續之
穩態工作波形由穩態下電感電
壓一週期之平均值為零可得
0)( =minus+ offodond tVVtV
等號兩側除以Ts重新整理可得
Dt
T
V
V
off
s
d
o
minus==
1
1
假設電路無損失輸入功率
Pd=VdId 等 於 輸 出 功 率
Po=VoIo 則
)1( DI
I
d
o minus=
非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器
bullBoost之設計假設輸入10V輸出30V頻率50kHz輸出10W
所以D＝23
( ) s
o
o TDDP
VL
22
12
minusge
=6667uH
取75uH
D
VV in
o minus=
1
L
Vi
n
S Vo
+
_
C
DiL
vds
升降壓式直流至直流轉換器
升降壓式轉換器的主要用途為輸入與輸出之極性相反輸出電壓可以高於
或低於輸入電壓之直流電源供應器升降壓式轉換器可以由降壓式轉換器
與升壓式轉換式串接而成穩態下輸入與輸出電壓轉換器之比值為二轉換
器個別比值之乘積
D
D
V
V
d
o
minus=
1
因此變化責任週期D可使輸出電壓高於或低於輸入電壓
+
_
+
_
_
+
RC Vo
L
Vd
io
iLvL
id
降壓式直流至直流轉換器
降壓式轉換器顧名思義其作用為將較高準位的輸入電壓換成較低
準位的輸出電壓主要用途為直流電源供應器及直流馬達速度控制
圖22(a)所示為提供純電阻性負載之降壓式轉換器由圖22(b)可知其輸
出電壓波形由開關位置決定平均輸出電壓為
dd
s
onT
t
t
d
s
T
o
s
o DVVT
tddV
Tdv
TV
s
on
ons ==+== intintint )0(1
)(1
00ττττ
+
_
Vd
R
+
_
Vo
0Vd
Vo
vo
tton toff
Ts
32直流至交流切換式反流器
切換式直流至交流(DCAC)反流器(Inveter)乃用以將直流電源轉換成振幅
與頻率均可調之正弦式交流電源主要用途為交流馬達驅動與交流不斷
電電源供應器圖31為典型交流馬達驅動之反流器方塊圖其直流輸入
電壓通常由線電壓整流及濾波而得接著再利用切換式反流器改變輸出
電壓之振幅與頻率以驅動交流馬達切換式反流器功率之流通通常是
由直流至交流稱為反流模式但亦可以從交流至直流稱為整流模
式
+
_
交流馬達
二極體整流器 濾波電容 切換式反流器
Vd
三相交流電源
反流器包括單相及三相其輸入為直流電壓源者稱為電壓源反流器
(Voltage Source InverterVSI)另外若輸入為直流電流源者稱為電流
反流器(Current Source InverterCSI)目前僅應用在高功率之交流馬達
驅動器
1脈波寬度調變(PWM)反流器其輸入電壓通常為固定反流器本身具備變
頻及變壓的功能而變頻及變壓乃利用開關之脈波寬度調變切換控制達成
有許多類型之脈波寬度變技術可以使輸出電壓近似弦波
2方波(Square-Wave)反流器此反流器輸出電壓振幅乃由其輸入電壓調
整
反流器本身只控制輸出頻率交流輸出電壓波形近似方波因此乃稱方波
反流器
3採用電壓消去法(Voltage Cancellation)之單相反流器單相反流器當輸入
電壓為定值時可以利用電壓消去法來變頻及變壓而不須採用脈波寬度
調變其輸出電壓波形近似方波因此其結合了前述兩種反流器的特色
值得注意的是電壓消去法並不適用於三相反流器
切換式反流器之基本觀念
考慮圖33(a)之單相反流器假設其正弦輸出電壓vo是經過濾波所得若
輸出之負載為電感性(如馬達)則輸出電流io將落後vo 如圖33(b)所示
在期間1及3中 vo與io同號瞬時功率Po=voio為正故功率由直流側送至
交流側稱之為反流模式在期間2及4中 vo與io異號瞬時功率Po為負
故功率由交流側送至直流側稱之為整流模式圖33(a)之切換式反流器
在每一週期內會經歷平面上四個象限中之所有象限
單相切
換式變
流器與
濾波器
o
o
+
-
+
-
Vd
vo
id
io
0t
4 1 2 3
voio
io
vo
1反流器
4整流器
3反流器
2整流器
0
為清楚解釋起見以單臂反流器來說明
+
_
+
_
+ +
__
Vd
Vd
2
Vd
2
A
N
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
vAN
oo
o
反流器電路之脈波寬度調變切換技術如圖35(a)所示由一正弦波形控
制訊號vcontrol與三角波形vtri作比較三角波(又稱載波)之振幅為Vtri頻率
為fs fs決定反流器開關之切換頻率正弦波控制電壓vcontrol(又稱調制訊
號)之基頻f1決定反流器之輸出頻率而其振幅則決定反流器輸出電壓之
大小定義振幅調變指數為ma=Vcontrol Vtri 其中Vcontrol為vcontrol之振幅
而頻率調變指數則定義為mf = fs f1
0 t
vcontrol vtri
sf
1
0 t
vAo
V d
2
minusVd
2
t=0
v v
T on T off
control tri
A A
lt
minus + v v
T on T off
control tri
A A
gt
+ minus
1)( AoAo vv =之基本波
0 t
vcontrol vtri
sf
1
圖34反流器之開關的控制方法與io方向無關為
dAoAtricontrol VvTvv2
1=gt +導通
dAoAtricontrol VvTvv2
1minus=lt minus導通
由於二開關之導通為互補因此輸出電壓只在Vd 2與-Vd 2二值間作變
動圖35(b)所示為ma=08與mf =15時輸出電壓vAo及其基本波(以虛線表示)
之波形
+
_
+
_
+ +
__
Vd
Vd
2
Vd
2
A
N
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
vAN
oo
o
單相全橋式反流器
單相全橋式反流器如圖311所示乃由兩個前述之半橋反流器所組成在
相同之輸入電壓下全橋式反流器之最大輸出電壓為半橋式之兩倍這代
表在相同之功率下全橋式反流器之輸出及開關電流僅為半橋式之一半
此對於高功率用途是一大優點因其可以降低使用並聯元件之需求
+
_
+
_
+
_
Vd
Vd
2
Vd
2
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
v v vo Ao Bo= minuso
A
B
TBminus
TB+
DBminus
DB+
+_
id
o
o
N
雙極性電壓切換之脈波寬度調變
0 t
vcontrolvtri
sf
1
0 t
ov1ov
dV
dVminus
單極性電壓切換之脈波寬度調變
onBT +
trivgttricontrol vv gt
trivcontrolv
t
)( controlvminus
)( controlvminusonAT +
t1ov
dV
dVminus
)( BNAN
o
vv
v
minus=
應用雙極性電壓切換之脈波寬度調
變全橋式反流器乃 (TA+TB-)與 (TA-
TB+)成對切換且二者互相反相
應用單極性電壓切換之脈波寬度調
變全橋式反流器乃A臂與B獨立切
換且同臂二開關互相反相
三相反流器
+
-
+
-
+
-
dV
2dV
2dV
+AT
minusAT
+AD
minusAD
o
BminusT
+BT
minusBD
+BD
di
minusCT
+CT
minusCD
+CD
N
A B C
o
0 t
triv Acontrolv Bcontrolv Ccontrolv
0
BNANAB vvv minus=
t
dV
之基本波1LLv
ANv
0 t
dV
t0
BNv
dV
三相電壓源反流器之脈波寬度調變切換的功能為在固定輸入直流電壓下用以調整三相輸出電壓之振幅及頻率三相脈波寬度調變方式由三相各差120度的控制電壓與三角波作比較其波形與單相全橋式反流器採用脈波寬度調變單極性切換者類似
最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法
33最大功率追蹤最大功率追蹤最大功率追蹤最大功率追蹤
為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點本文使用本文使用本文使用本文使用擾動觀察法擾動觀察法擾動觀察法擾動觀察法(Perturbation and Observation Method PampQ)進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功率追蹤率追蹤率追蹤率追蹤由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點下圖為擾動下圖為擾動下圖為擾動下圖為擾動觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖為利用為利用為利用為利用DCDC轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作時時時時其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為0之特性之特性之特性之特性使用使用使用使用DCDC轉換器控制太陽轉換器控制太陽轉換器控制太陽轉換器控制太陽能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動
擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖
最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法
左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖蹤示意圖蹤示意圖蹤示意圖太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分為兩個特性區域為兩個特性區域為兩個特性區域為兩個特性區域假設進行追蹤假設進行追蹤假設進行追蹤假設進行追蹤時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時電壓電壓電壓電壓的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率增加增加增加增加若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出功率減少功率減少功率減少功率減少經由經由經由經由DCDC轉換器調轉換器調轉換器調轉換器調節太陽能板與節太陽能板與節太陽能板與節太陽能板與DCDC轉換器的阻轉換器的阻轉換器的阻轉換器的阻抗相互匹配抗相互匹配抗相互匹配抗相互匹配進而得到太陽能板進而得到太陽能板進而得到太陽能板進而得到太陽能板的最大輸出功率的最大輸出功率的最大輸出功率的最大輸出功率
擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖
4軟體規劃
bull 系統控制程式主要分為主程式固定週期中斷副程式市電電壓零交越中斷副程式等三大部分以下將分別介紹各部分程式流程
bull 本系統主程式主要執行數位訊號處理器周邊暫存器的初始設定以及變數宣告其中除了變數宣告外周邊暫存器的初始設定包括有規畫中斷向量設定計數器之計數模式計數週期中斷的時間和PWM 輸出模式等相關參數設定
bull 如圖8 所示系統初始設定後必須先等待中斷發生才能決定系統是否執行固定週期中斷程式或零交越中斷副程式
bull 圖9 為固定週期中斷副程式流程圖固定週期中斷頻率與換流器開關之切換頻率相同為20kHz程式開始會先偵測太陽能板電壓及電流與直流鏈電壓當確定市電電壓零交越中斷發生時必須先將輸出弦波訊號之指標強制為原點重新送出單位弦波確保換流器輸出電流與市電電壓能維持同相位接著比較太陽能板輸入電壓VPV 是否大於最低工作電壓VPV_work如果確定大於最低工作電壓則致能太陽能最大功率追蹤反之則禁能系統動作程式返回圖9 中的正弦脈寬調變副程式主要功能在於決定換流器中開關的動作順序與責任週期大小以及輸波參考訊號
bull 圖10 為太陽能最大功率點追蹤副程式流程圖在文中對最大功率追蹤採用擾動與觀察法配合太陽能光電板的電壓mdash功率特性曲線即可瞭解程式如何完成太陽能光電板最大功率點追蹤
主程式流程圖
5實驗
bull 依據上述的分析採用DSP 2407A 建立一個500W 太陽光電池電能轉換系統依據圖11 之
bull 電路架構其規格與元件參數分別列於表一表二及表三系統實驗波形圖12圖13圖14 及
bull 圖15 為系統操作在獨立運轉模式下負載分別為120W240W360W 及480W 時之換流器輸出
bull 電壓及輸出電流之實測波形
系統規格與元件參數
實測波形
6實務應用系統實務應用系統實務應用系統實務應用系統
獨立系統示意圖獨立系統示意圖
考慮點
系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等安全係數最佳化設計複雜)
一般充電控制器無 MPPT搭配蓄電池使發電效能較差
蓄電池每日gt50DOD深度放電gt02C充電壽命短
太陽光發電量與負載需求量不搭配時太陽光之發電能量利用率偏低 (負載需求搭配與安全係數為互相矛盾之設計)
PV-柴油發電機PV-風力等混合系統為改善之方法
市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台
電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池
併聯系統示意圖併聯系統示意圖
緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析
1 系統設置成本高建議使用於邊際效益高之用電（防災緊急輔助電力）
2 總體經濟效益減少環境污染解決尖峰用電之不足與短缺能源多元化之風險分擔與開創自主能源
3 遮蔽陽光直曬降低建築物之熱效應（被動省能）同時轉換太陽光為電能供應建物自主能源（主動節能）一舉兩得
緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較
30萬元divide21900kWh＝137元度2萬元divide50kWh＝400元度每度電成本
日發電度數times365天times20年＝3hrtimes1kWtimes365天times20年＝21900kWh（度）
（年停電＋年測試運轉時數）times10年＝（20mintimes6次＋15mintimes12月）times10年＝5hrtimes1kWtimes10年＝50kWh
總發電度數（1kw計）
夜間不發電（可利用蓄電池設計供電年維運費02）
噪音空污油料運輸儲油危險維運成本高
缺點
利用露台屋頂牆面空間設備煙管隔音油槽需室內空間
設置空間
平時緊急時均可使用隨時可了解運轉狀況不須操作
加ATS停電時方可啟動需人員每月定期測試運轉
系統運作
太陽光潔淨能源（免費）柴油使用燃料
20年7~10年使用壽命
1kW=30萬元1kW=2~3萬元設置費用
太陽光發電系統柴油發電機
風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析
運用多元化能源分擔風險情況比較說明如下
1 市電--gt停電時風險極高
2 市電＋柴油發電機--gt發電機故障時風險高
市電＋柴油發電機＋太陽光發電系統--gt發揮三者優點互補同時故障機率小風險最低
案例
832kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide057＝317 m2
115kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide075＝332 m2
緊急時057平時065~08
綜合係數溫度變化污損線損Inverter效率＋蓄電池充放電補償
電力需求divide（日照強度times日照時間times模板效率times綜合係數）
模組面積估算
日照強度1kWm2
日照時間384hd
模板效率12
832kWhd500人用電量115kWhd770人用電量
緊急時平時
電力需求估算
緊急時40kWtimes384hdtimes057＝875 kWhd
平時40kWtimes384hdtimes075＝1152Whd
太陽發電系統發電量＝設置容量times日照時間times綜合係數
發電量計算
332m2times1kWm2times12＝398kW≒40kW
太陽發電系統設置容量＝設置面積times日照強度times模板效率
設置容量計算模板效率依太陽電池種類而異
進行模板陣列及蓄電池容量設計
40kWdivide18片串divide120W＝185列≒19
列
40kWdivide17片串divide120W＝196列≒20
列
陣列併列數＝設置容量divide單串功率
18片times120W＝2160W
17片times120W＝2040W
單串功率
300Vdivide169V＝1775片（取整數17 or 18）
陣列串聯數＝Inverter輸入電壓divide模板輸出電壓
模板陣列設計
1 模板功率120W
2 模板輸出電壓169V
3 直交流轉換器(Inverter)輸入電壓300V
120Wtimes17片串times20列＝40800W＝340片(最佳陣列)
120Wtimes18片串times19列＝41080W＝342片
最佳陣列較經濟之設置容量選擇最佳陣列
蓄電池數量＝144個times2列＝288個
120640Whdivide288Vdivide200Ah＝21列≒2列
併列數＝蓄電池需求容量divideInverter額定電壓
288Vdivide2V＝144個
串聯數＝Inverter額定電壓divide蓄電池電壓串併數設計
middot 蓄電池電壓2V個
middot 蓄電池容量200Ah個
Inverter電壓輸入電壓 額定電壓300V 288V200V 192V
蓄電池需求容量＝832kWhdtimes1dtimes145＝12064kWh
蓄電池需求容量＝緊急電力需求times無日照天數times補償係數補償係數蓄電池內阻抗放電停止電壓電壓降低補償
蓄電池需求容量設計
middot 補償係數145
無日照天數1日
61市電相關規定市電相關規定市電相關規定市電相關規定
1 發電設備併接於低壓系統者其總容量未滿100kW且技術無困難者得併接於單相三線110V220V三相三線220V之配電系統若總容量在100kW以上而未滿500kW得分別併接於3相4線220V380V之配電系統
2 發電設備總容量在500kW以上而未滿5000kW10000kW且技術無困難者得分別併接於114KV228KV之高壓配電系統
3 電設備總容量在10000kW以上而未滿40000kW者得併接於特高壓之系統
4 發電設備總容量在40000kW以上者依個案研討分類
併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類
發電系統經由發電系統經由發電系統經由發電系統經由110V220V110V220V110V220V110V220V併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者發電設發電設發電設發電設備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能
1 過電壓保護 低電壓保護
2 低頻保護 高頻保護
3 過電流保護 零相過電壓接地保護
4 發電設備為無逆送電力者須加裝逆電力保護
5 發電設備為有逆送電力者必須具備主動及被動防止單獨運轉保護
發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經110V220V110V220V110V220V110V220V系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者在電在電在電在電源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器
發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業114KV228KV114KV228KV114KV228KV114KV228KV之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者((((高高高高壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶))))發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Extremely Inverse特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Extremely Inverse特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過流電驛(67)須具Normal Inverse特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
發電設備併接於電業69KV特高壓輸電系統者發電設備之輸出端至少應具有下列同等保護功能並須與電業該轄區之保護設備協調
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Normal Inverse之特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Normal Inverse之特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過電流電驛(67)須具Normal Inverse之特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
8 快速及後衛保護電驛如系統保護需要時應裝設
9 匯流排電驛採用GIS斷路器者應裝設
62626262太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範
1 故障電流
太陽光電發電系統大於100kW以上須計算故障電流其送至電業系統之故障電流不得影響電業及其他用戶斷路器之起斷容量否則需裝置限流電抗器
太陽光電發電系統之隔離變壓器接地方式須與電業之系統配合
2 正常電壓變動率應維持在plusmn5以內
3 太陽光電發電系統與電業間之責任分界點的功率因數以維持85落後至100之間運轉為原則
4 諧波污染限制應依照「電力系統諧波管制暫行標準」辦理
分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性
適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯型之規範型之規範型之規範型之規範
電力轉換器電力轉換器電力轉換器電力轉換器(電力調節器電力調節器電力調節器電力調節器)(InverterConditioner)
蓄電池蓄電池蓄電池蓄電池(Battery))
63大型(商用)太陽光發電系統應用(gt1 kWp)
太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統
單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池(Unit Solar Cell)
太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板(PV Module)
太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列(PV Array)
太陽光發電系統應用獨立系統
(A) 獨立系統(Stand-Alone
System)
bull 蓄電池保護壽命
(B) 混合型交流獨立系統 (Hybrid
System)
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
直流負載PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
整流器
輔助發電機
PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載- ~PCU
直直直直交流轉換器交流轉換器交流轉換器交流轉換器
太陽光發電系統應用併聯系統
(D)併聯系統(Grid-
connected System)
特殊功能1 最佳效能2 防止獨立運轉(連線保護)
3 可自力運轉
(E) 防逆流型系統(Off-line System)
(F) 防災型併聯系統
充電控制器
蓄電池
直交流轉換器
PCU太陽電池組列
交流負載
ATS
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
獨立型系統
適用地點高山離島基地台hellip等市電無法到達處
工作方式白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
必須可以自給自足
缺點bull 系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等
安全係數設計很困難)
bull 蓄電池建置複雜成本很高壽命很短
bull 負載搭配不良時發電效能不佳利用率將偏低
bull 需由專人隨時維護
bull 混合系統為一種解決方法
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
PCU
併聯型系統
適用地點電力正常送達之任何地點工作方式 bull 白天 PV系統併聯發電夜間由台電供電bull 將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的蓄電池
優點bull 系統簡單不需安全係數設計(依預算設計)不需要專人維護bull 併聯發電效率高利用率高
缺點bull 停電時無電可用bull 受併聯法規限制尚未開放(但即將開放)
bull 有孤島效應之疑慮(目前技術上已解決)
改善型無電池自力運轉
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
市電併聯型住宅用太陽光發電系統
太陽光發電系統發電及負載用電對時間之關係
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
併聯型直交流轉換器之效能要求較高
1 最大功率追蹤(Maximum Power Tracking MPT)
2 高轉換效率 gt 90 (PWM+電力電子元件)
3 高次諧波功率 Distortion (lt5 total)
4 自動開關機(白天夜晚)
5 過負載保護過溫度保護
6 體積小重量輕室外防水防塵
7 電腦界面可遠端監控
8 防止獨立運轉(連線保護)
9 可自力運轉
太陽電池組列
交流負載
直交流轉換器MPT
Power Conditioner
併聯系統之獨立運轉(單獨運轉)
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull停電時單一併聯系統將會停止運作
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
bull 市電停電時多數併聯系統仍聯合運作將對電力公司人員產生嚴重危害
孤島效應之防止方法
停電偵測1 過電壓低電壓
2 過頻率低頻率
3 被動式偵測如
bull 電壓與頻率監視方式
bull 電壓相位跳躍監視方式
bull 高次諧波監視方式
bull 頻率變化監視方式
PV組列
直交流轉換器
自家負載
4 主動偵測如
bull 頻率Shift方式
bull 配電線負載變動方式
bull 有效電力變動方式
bull 無效電力變動方式
反應時間05~2秒
資料來源「日本電氣用品試驗所」分散型電源系統連系技術指針(1998)
併聯系統之自力運轉功能
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull 大停電後白天有陽光時以人工啟動 PV 系統進行自力運轉供自家負載使用(但夜間無法使用)
防災型併聯型系統
適用地點有防災需求(照明汲水通信hellip)之公共設施
工作方式
bull 平時PV併聯發電(電池浮充) 效率高利用率高夜間由台電供電
bull 視需要建置供防災用電池大停電時白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
缺點bull 含電池成本較高bull 系統較複雜需專人定期維護
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
FAQ1太陽光發電需要多少土地
效率 = (輸出功率W) (組列面積 m2 x 日照強度 Wm2 ) x 100
模板面積 m2 = 輸出功率W (效率 x日照強度Wm2 ) x100
bull 假設使用效率gt136 模板於1000 Wm2 (AM15)日照強度下
10 kWp 模板面積 (m2) = 10000 (0136 x 1000) ~ 735 m2
10 kWp PV系統土地面積需求約
~ 735 m2 x 15 x 11
~ 121m2 (~36坪)
(包括陰影面積及維修空間)
bull 假設使用效率~10 模板
則模板面積約 ~ 100 m2
土地面積需求約 ~ 165m2 (~50坪)
gt55o
夏至
冬至
春秋分
235o 235oh
L1 L2
FAQ2太陽電池一年能發多少電
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
10 kWm2
05 kWm2
日照強度
等效日照時數(Sun Hour)
組列單日發電量 = 組列額定輸出功率 x 等效日照時數
bull 預估1 kWp 組列單日發電量 = 1 (kW) x ex 4(Sun Hour)= 4 kWh
組列年發電量 = 組列額定輸出功率 x 年平均每日日照時數 x 365
bull 預估 1 kWp 組列年發電量 = 1 x 4 x 365 = 1460 kWh
時間時間時間時間
FAQ3太陽光發電的成本(簡易估算)
1 假設目前太陽光發電系統設置成本約為 NT$ 280000 kWp
2 假設年平均每日日照時數約為 25 Sun Hour (台灣中南部地區)
bull 1 kWp 組列單日發電量= 1 (kW) x 25 (Hour)= 25 kWh
bull 1 kWp 組列年發電量= 25 x 365 = 913 kWh (度)
3 假設太陽光發電系統使用壽命為 20 年
bull 1 kWp 太陽光發電系統總共可發電 20 x 913 = 18260 度
4 生產每度電之成本約為 280000 18260 ~ NT$ 153
5 未來發展趨勢
bull 太陽光發電系統設置成本將逐年降低
bull 市電電費將會升高(國內目前約 NT$ 3 度日本約NT$ 7 度)
bull 傳統能源限制再生能源獎勵利率降低
64獨立型太陽光發電系統應用例(一)
bull太陽電池時鐘-日本bull太陽電池路燈-日本千里住宅公園
獨立型太陽光發電系統應用例(二)
bull太陽電池交通標誌-日本北海道 bull高速公路緊急電話-日本
獨立型太陽光發電系統應用例(三)
bull800W無線通信中繼基地台韓國(1998)
獨立型太陽光發電系統應用例(四)
bull離島用90kW獨立型發電系統韓國Ho-Do島(1992)
併聯型太陽光發電系統應用例(一)
bull設置於屋頂之住宅用太陽光發電系統(建材一體型日本千里住宅公園內住宅設計之一)
併聯型太陽光發電系統應用例(二)
bull日本東海線新幹線京都車站之太陽光發電系統(100kWp)
併聯型太陽光發電系統應用例(三)
bull日本京瓷(Kyocera)京都總公司大樓之太陽電池發電系統(220kWp)
太陽光發電發電廠應用例
太陽電池發電廠
(PV Power Plant)
資料來源 ANIT
Srl Italy
建材一體型太陽電池模板應用例
bull資料來源 Pilkington Solar International GmbH 德國
太陽能車應用例
Honda Dream
bull資料來源 PV Special Research
Centre UNSW Australia
交大太陽能車
bull資料來源 National Chiao-Tung
University Taiwan
太陽光發電航太應用例(NASA Helios )
bull空中無線通訊平台應用
資料來源SkyOne Inc Taiwan
bull 飛行高度5-7 萬英呎(最高記錄 96000 英呎)
bull 時速60 mph (起飛 25 mph)
bull 翼展247 英呎bull 重量2000 磅bull 太陽電池效率要求gt22
資料來源httpwwwaerovironmentcomhomehtml
清雲技術學院 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
個人住宅 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
勤益技術學院 3kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
南台科技大學 10kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
總統府 10kWp 獨立型太陽光能發電系統 (9012)
海巡署南沙太平島 20kWp 混合型(柴油發電機)太陽光能發電系統 (9011)
90能源基金示範補助成果例
台電樹林 20kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
併聯型
台電台北市區處 20kWp 太陽光發電系統
(91能源基金示範補助成果)
併聯型
7結論
bull (1)提高電力轉換器效率
bull 轉換器的損失主要來自於開關切換時之損失為了可以降低濾波電路中電感和電容的體積可以提高切換頻率但是相對於開關的切換損失也因此而增加導致轉換器的效率降低因此發展零電壓或零電流切換技術應用於高切換頻率之轉換器將可以提高轉換器的效率
bull (2)提高太陽光發電系統之整體效率
bull 傳統之太陽光發電系統包含儲能系統和供電系統前級利用DCDC轉換器作最大功率追蹤後級則利用DCAC轉換器轉換能量供應給交流負載為了提高太陽光發電系統的整體效率在研究可提出了模組並聯控制技術以提昇各級電力轉換器的效率而在未來太陽光發電系統也將著重在單級電力轉換器的設計對於整體系統效率有較明顯的改善
8參考資料
1許國強ldquo太陽光發電原理與應用工研院材料所 薄膜技術組91年
2華志強黃崇倫ldquo智慧型能量控制於太陽光電能轉換系統國立雲林科技大學電機工程學系電力研討會97年
3林政達ldquo數位式市電並聯換流器與快速鎖相迴路控制器之研製國立雲林科技大學電機工程學系碩士論文92 年
4李思賢ldquo數位式單相低功率太陽光電能轉換系統國立中山大學電機工程學系碩士論文92 年
5洪世杰ldquo適用於再生能源之市電併聯型雙輸入供電系統國立中正大學電機工程研究所碩士論文93 年
6王廷興ldquo太陽能發電配電設計概要台北科技大學冷凍空調系 92年
7魏榮宗王文宏ldquo高效率太陽光電能源轉換系統 元智大學電機工程學系94年
[ ] 100)25(
)11
(exp
1)(exp
3
λminus+=
minus
=
+minus
minus+minus=
TKII
TTBk
qE
T
TII
where
R
IRVIRV
AkT
qIII
ISCRLG
r
GO
r
oros
sh
ssosLG
VI cell output current and voltagecell reverse saturation currentcell temperature in CBoltzmannrsquos constantelectronic chargeshort circuit current temperature coefficientsolar irradiation in Wmshort-circuit current at 25 Cand 1000 Wm
light-generated currentband gap for siliconideality factorsreference temperaturecell saturation current atshunt resistanceseries resistance
osI
T
kq
00170=IK
SCRIλ
LGI
GOE
921== ABKTr deg= 18301
orI
shR
sR
附錄附錄附錄附錄- 太陽能電池太陽能電池太陽能電池太陽能電池
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
(a) Equivalent circuit of a PV module and
(b) Typical PV module current-voltage and power-voltage characteristics
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
Characteristic of a PV module with temperature and irradiation (a) constant irradiation and varying temperature and (b) constant temperature and varying irradiation
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
系統範例系統範例系統範例系統範例
中途驛站電化PV離島用PV系統山岳地帶PV系統離島偏遠區
勤務指揮中心緊急避難所醫療院所公園學校地震觀測站森林嘹望台避難指示燈氣象觀測所水位警報PV系統河川安全燈防波堤安全PV燈
緊急防災
緊急供電系統管線電氣防蝕輸油管流量計PV系統市場廣告塔海上石油平台各種計測站PV系統發電廠情報指揮中心
產業用
住宅用供電系統緊急供電系統緊急照明系統帷幕牆遮陽棚採光罩屋瓦建築物
無線通信用中繼站基地台緊急電話中繼站電話通信PV系統Radio受信PV系統微波中繼站
通訊
農宅用電溫室栽培PV系統農業灌溉用自動灑水系統農牧電籬牛乳冷藏漁業養殖揚水通氣自動餵食器
農林漁牧
路燈交通號誌道路指示牌標誌燈太陽能電動車充電站高速公路緊急電話偏遠道路緊急電話停車計時器停車場控制門系統高速公路防音壁PV系統公路休息區PV系統太陽能車平交道指示燈候車亭PV系統車站屋頂型PV系統
道路交通
收音機測電表手錶計算機太陽能照相機手電筒電池充電器野營燈民生
應用領域
太陽運行軌跡與太陽電池仰角
冬至 夏至春秋分
所在緯度235o
235o47o0o
47o 235o
13太陽電池組列仰角與間隔設計例
bull組列仰角~235o (台灣地區)
bull h=組列總高度( lt 15 m)
bull L2=h tan(55o) = 057 L0
(55o可適用於冬至0900~1500)
bull水平角度=正南 plusmn5o
235o
55o
235o
夏至
冬至
春秋分
235o 235o
南
h = 04 L0
L1= 092 L0L2 = 057 L0
L0
L1 + L2 = 15 L0
2零交越偵測電路分析
bull 零交越偵測電路如圖1 所示主要目的在於檢測輸入弦波電壓之零交越點其電路輸出為ㄧ方波信號利用方波上緣信號觸發數位訊號處理器之外部中斷腳位進而進行相位同步之功能[4]零交越偵測電路輸入與輸出波形如圖2 所示相位同步控制當數位訊號處理器發生上緣觸發時此觸發訊號如同系統重置訊號將正弦表指標變數歸零一經重置後指標變數又開始計數藉由每週期ㄧ次的重置訊號迫使換流器輸出達到同步相位同步控制波形示意圖如圖3 所示圖4 為零交越偵測電路輸出實測圖[4]
3系統電路架構與動作模式
bull A
bull 本文所述之系統為一太陽光電能轉換系統方塊圖如圖5 所示主要部分包括太陽能板直流-直流轉換器全橋式換流器數位訊號處理器感測迴授電路與驅動電路此一系統之基本動作情況為一般情況下斷路器1 和斷路器2 均為導通狀態此時太陽光電能轉換系統與電力網路處於連結運轉模式而當電力網路供電中斷時斷路器2 將被斷路以避免孤島現象的發生反之若是太陽光電能轉換系統發生故障時斷路器1 將被斷路以避免電力網路受到其故障的影響
31系統電路架構與動作模式
bull B
bull 電路工作模式bull 此一太陽光電能轉換系統主要有兩種工
作模式以下為二種工作模式的操作說明
bull (1) 獨立運轉模式bull 如圖6 所示獨立運轉模式為當電力網
路供電中斷時斷路器2 將被斷路而此時太陽光電能轉換系統將操作在電壓控制模式下提供負載一穩定的輸出電壓
bull (2) 與電力網路連結運轉模式bull 如圖7 所示與電力網路連結運轉模式
將太陽光電能轉換系統與電力網路連結運轉也就是斷路器1 和斷路器2 同時導通此時系統將操作在電流控制模式下首先經由最大功率點追蹤程式運算出瞬時最大功率點的電流參考值再根據此一電流參考值輸出一與電力網路電壓同相位的電流至負載或甚至回送至電力網路
31直流至直流切換式轉換器
典型直流至直流轉換器系統之構造如圖21所示其輸入通常為由線電壓整
流而得之非調節直流電壓然後再利用切換式直流至直流轉換器將此變動之
直流電壓轉換成一調節之直流電壓
無控制之二極體橋式整流器
交流線電壓
(單相或三相)
直流電壓
(無調節性)
濾波電容 (無調節性)
直流至直流轉換器 (具調節性)
負載
蓄電池
直流電壓 直流電壓
控制訊號1降壓式(step-down buck)轉換器
2升壓式(step-up boost)轉換器
3升降壓式(step-downstep-up buck-boost)轉換器
4全橋式轉換器
上述四種轉換器中只有降壓式及升壓式是最基本的轉換器電路架構升
降壓式轉換器是此二基本轉換器之結合而全橋式轉換器則是由降壓式轉
換器衍生而來
直流至直流轉換器之控制
直流至直流轉換器的作用即是在輸入電壓與輸出負載變動的情況下能夠調
節輸出電壓為所設定的位準電壓位準轉換之原理可以圖22(a)所示之簡單
電路來說明由開關導通與截止可得圖22(b)之波形其中輸出電壓vo平均
值大小Vo與開關之導通及截止時間(ton及toff)有關平均輸出電壓大小調整
之最典型的方式是採用脈波寬度調變法(Pulse-Width ModulationPWM)
其切換週期Ts(= ton+toff)為固定由調整導通時間之大小來改變平均輸出電
壓之大小Vo
+
_
Vd
R
+
_
Vo
0Vd
Vo
vo
tton toff
Ts
脈波寬度調變切換控制的方塊圖如
圖23(a)所示開關之切換控制信號
由控制訊號vcontrol與週期為Ts之鋸齒
波vst比較而得控制信號則由Vo之
實際值與設定值之誤差放大而得
vcontrol與vst比較所得之切換控制信號
的波形如圖23(b)所示當控制訊號
vst較大時則為高準位信號即使
開關導通反之為低準位信號即使
開關截止故開關之切換週期亦為
Ts 由以上的原理可知開關切換
之責任週期 (Duty Ratio)為D=tonTs
=vcontrolVst 其中Vst為鋸齒波之振
幅
放大器
+
-Vo
(設定)
(實際)
Vo
比較器
週期性波形 stv
切換控制訊號
控制訊號
0 t
$Vst
=stv 鋸齒波電壓
controlv (放大誤差)
On On
Off Off
stcontrol vv gt
stcontrol vv ltton toff
Ts
切換控制訊號
(切換頻率 fT
s
s
=1
)
升壓式直流至直流轉換器
圖211為升壓式轉換器電路主要用途為直流電源供應器與直流馬達之
再生制動(Regenerative Breaking)顧名思義其輸出電壓高過於其輸入
電壓當開關導通時二極體反向偏壓輸入電能儲存於電感負載電
能則由電容提供當開關截止時負載吸收輸入及儲存電感中之電能
-
L
CRVd
Vo
vL
iL
io
+
-
++
_
t0
t0
vL
iL
I L
Ts
toffton
_++
_
+
_
+ _+
_
+
_
iL
vL
Vd Vo
iL
vL
Vd Vo
)( dV
)( od VV minus
圖212所示為電感電流為連續之
穩態工作波形由穩態下電感電
壓一週期之平均值為零可得
0)( =minus+ offodond tVVtV
等號兩側除以Ts重新整理可得
Dt
T
V
V
off
s
d
o
minus==
1
1
假設電路無損失輸入功率
Pd=VdId 等 於 輸 出 功 率
Po=VoIo 則
)1( DI
I
d
o minus=
非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器
bullBoost之設計假設輸入10V輸出30V頻率50kHz輸出10W
所以D＝23
( ) s
o
o TDDP
VL
22
12
minusge
=6667uH
取75uH
D
VV in
o minus=
1
L
Vi
n
S Vo
+
_
C
DiL
vds
升降壓式直流至直流轉換器
升降壓式轉換器的主要用途為輸入與輸出之極性相反輸出電壓可以高於
或低於輸入電壓之直流電源供應器升降壓式轉換器可以由降壓式轉換器
與升壓式轉換式串接而成穩態下輸入與輸出電壓轉換器之比值為二轉換
器個別比值之乘積
D
D
V
V
d
o
minus=
1
因此變化責任週期D可使輸出電壓高於或低於輸入電壓
+
_
+
_
_
+
RC Vo
L
Vd
io
iLvL
id
降壓式直流至直流轉換器
降壓式轉換器顧名思義其作用為將較高準位的輸入電壓換成較低
準位的輸出電壓主要用途為直流電源供應器及直流馬達速度控制
圖22(a)所示為提供純電阻性負載之降壓式轉換器由圖22(b)可知其輸
出電壓波形由開關位置決定平均輸出電壓為
dd
s
onT
t
t
d
s
T
o
s
o DVVT
tddV
Tdv
TV
s
on
ons ==+== intintint )0(1
)(1
00ττττ
+
_
Vd
R
+
_
Vo
0Vd
Vo
vo
tton toff
Ts
32直流至交流切換式反流器
切換式直流至交流(DCAC)反流器(Inveter)乃用以將直流電源轉換成振幅
與頻率均可調之正弦式交流電源主要用途為交流馬達驅動與交流不斷
電電源供應器圖31為典型交流馬達驅動之反流器方塊圖其直流輸入
電壓通常由線電壓整流及濾波而得接著再利用切換式反流器改變輸出
電壓之振幅與頻率以驅動交流馬達切換式反流器功率之流通通常是
由直流至交流稱為反流模式但亦可以從交流至直流稱為整流模
式
+
_
交流馬達
二極體整流器 濾波電容 切換式反流器
Vd
三相交流電源
反流器包括單相及三相其輸入為直流電壓源者稱為電壓源反流器
(Voltage Source InverterVSI)另外若輸入為直流電流源者稱為電流
反流器(Current Source InverterCSI)目前僅應用在高功率之交流馬達
驅動器
1脈波寬度調變(PWM)反流器其輸入電壓通常為固定反流器本身具備變
頻及變壓的功能而變頻及變壓乃利用開關之脈波寬度調變切換控制達成
有許多類型之脈波寬度變技術可以使輸出電壓近似弦波
2方波(Square-Wave)反流器此反流器輸出電壓振幅乃由其輸入電壓調
整
反流器本身只控制輸出頻率交流輸出電壓波形近似方波因此乃稱方波
反流器
3採用電壓消去法(Voltage Cancellation)之單相反流器單相反流器當輸入
電壓為定值時可以利用電壓消去法來變頻及變壓而不須採用脈波寬度
調變其輸出電壓波形近似方波因此其結合了前述兩種反流器的特色
值得注意的是電壓消去法並不適用於三相反流器
切換式反流器之基本觀念
考慮圖33(a)之單相反流器假設其正弦輸出電壓vo是經過濾波所得若
輸出之負載為電感性(如馬達)則輸出電流io將落後vo 如圖33(b)所示
在期間1及3中 vo與io同號瞬時功率Po=voio為正故功率由直流側送至
交流側稱之為反流模式在期間2及4中 vo與io異號瞬時功率Po為負
故功率由交流側送至直流側稱之為整流模式圖33(a)之切換式反流器
在每一週期內會經歷平面上四個象限中之所有象限
單相切
換式變
流器與
濾波器
o
o
+
-
+
-
Vd
vo
id
io
0t
4 1 2 3
voio
io
vo
1反流器
4整流器
3反流器
2整流器
0
為清楚解釋起見以單臂反流器來說明
+
_
+
_
+ +
__
Vd
Vd
2
Vd
2
A
N
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
vAN
oo
o
反流器電路之脈波寬度調變切換技術如圖35(a)所示由一正弦波形控
制訊號vcontrol與三角波形vtri作比較三角波(又稱載波)之振幅為Vtri頻率
為fs fs決定反流器開關之切換頻率正弦波控制電壓vcontrol(又稱調制訊
號)之基頻f1決定反流器之輸出頻率而其振幅則決定反流器輸出電壓之
大小定義振幅調變指數為ma=Vcontrol Vtri 其中Vcontrol為vcontrol之振幅
而頻率調變指數則定義為mf = fs f1
0 t
vcontrol vtri
sf
1
0 t
vAo
V d
2
minusVd
2
t=0
v v
T on T off
control tri
A A
lt
minus + v v
T on T off
control tri
A A
gt
+ minus
1)( AoAo vv =之基本波
0 t
vcontrol vtri
sf
1
圖34反流器之開關的控制方法與io方向無關為
dAoAtricontrol VvTvv2
1=gt +導通
dAoAtricontrol VvTvv2
1minus=lt minus導通
由於二開關之導通為互補因此輸出電壓只在Vd 2與-Vd 2二值間作變
動圖35(b)所示為ma=08與mf =15時輸出電壓vAo及其基本波(以虛線表示)
之波形
+
_
+
_
+ +
__
Vd
Vd
2
Vd
2
A
N
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
vAN
oo
o
單相全橋式反流器
單相全橋式反流器如圖311所示乃由兩個前述之半橋反流器所組成在
相同之輸入電壓下全橋式反流器之最大輸出電壓為半橋式之兩倍這代
表在相同之功率下全橋式反流器之輸出及開關電流僅為半橋式之一半
此對於高功率用途是一大優點因其可以降低使用並聯元件之需求
+
_
+
_
+
_
Vd
Vd
2
Vd
2
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
v v vo Ao Bo= minuso
A
B
TBminus
TB+
DBminus
DB+
+_
id
o
o
N
雙極性電壓切換之脈波寬度調變
0 t
vcontrolvtri
sf
1
0 t
ov1ov
dV
dVminus
單極性電壓切換之脈波寬度調變
onBT +
trivgttricontrol vv gt
trivcontrolv
t
)( controlvminus
)( controlvminusonAT +
t1ov
dV
dVminus
)( BNAN
o
vv
v
minus=
應用雙極性電壓切換之脈波寬度調
變全橋式反流器乃 (TA+TB-)與 (TA-
TB+)成對切換且二者互相反相
應用單極性電壓切換之脈波寬度調
變全橋式反流器乃A臂與B獨立切
換且同臂二開關互相反相
三相反流器
+
-
+
-
+
-
dV
2dV
2dV
+AT
minusAT
+AD
minusAD
o
BminusT
+BT
minusBD
+BD
di
minusCT
+CT
minusCD
+CD
N
A B C
o
0 t
triv Acontrolv Bcontrolv Ccontrolv
0
BNANAB vvv minus=
t
dV
之基本波1LLv
ANv
0 t
dV
t0
BNv
dV
三相電壓源反流器之脈波寬度調變切換的功能為在固定輸入直流電壓下用以調整三相輸出電壓之振幅及頻率三相脈波寬度調變方式由三相各差120度的控制電壓與三角波作比較其波形與單相全橋式反流器採用脈波寬度調變單極性切換者類似
最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法
33最大功率追蹤最大功率追蹤最大功率追蹤最大功率追蹤
為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點本文使用本文使用本文使用本文使用擾動觀察法擾動觀察法擾動觀察法擾動觀察法(Perturbation and Observation Method PampQ)進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功率追蹤率追蹤率追蹤率追蹤由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點下圖為擾動下圖為擾動下圖為擾動下圖為擾動觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖為利用為利用為利用為利用DCDC轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作時時時時其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為0之特性之特性之特性之特性使用使用使用使用DCDC轉換器控制太陽轉換器控制太陽轉換器控制太陽轉換器控制太陽能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動
擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖
最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法
左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖蹤示意圖蹤示意圖蹤示意圖太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分為兩個特性區域為兩個特性區域為兩個特性區域為兩個特性區域假設進行追蹤假設進行追蹤假設進行追蹤假設進行追蹤時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時電壓電壓電壓電壓的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率增加增加增加增加若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出功率減少功率減少功率減少功率減少經由經由經由經由DCDC轉換器調轉換器調轉換器調轉換器調節太陽能板與節太陽能板與節太陽能板與節太陽能板與DCDC轉換器的阻轉換器的阻轉換器的阻轉換器的阻抗相互匹配抗相互匹配抗相互匹配抗相互匹配進而得到太陽能板進而得到太陽能板進而得到太陽能板進而得到太陽能板的最大輸出功率的最大輸出功率的最大輸出功率的最大輸出功率
擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖
4軟體規劃
bull 系統控制程式主要分為主程式固定週期中斷副程式市電電壓零交越中斷副程式等三大部分以下將分別介紹各部分程式流程
bull 本系統主程式主要執行數位訊號處理器周邊暫存器的初始設定以及變數宣告其中除了變數宣告外周邊暫存器的初始設定包括有規畫中斷向量設定計數器之計數模式計數週期中斷的時間和PWM 輸出模式等相關參數設定
bull 如圖8 所示系統初始設定後必須先等待中斷發生才能決定系統是否執行固定週期中斷程式或零交越中斷副程式
bull 圖9 為固定週期中斷副程式流程圖固定週期中斷頻率與換流器開關之切換頻率相同為20kHz程式開始會先偵測太陽能板電壓及電流與直流鏈電壓當確定市電電壓零交越中斷發生時必須先將輸出弦波訊號之指標強制為原點重新送出單位弦波確保換流器輸出電流與市電電壓能維持同相位接著比較太陽能板輸入電壓VPV 是否大於最低工作電壓VPV_work如果確定大於最低工作電壓則致能太陽能最大功率追蹤反之則禁能系統動作程式返回圖9 中的正弦脈寬調變副程式主要功能在於決定換流器中開關的動作順序與責任週期大小以及輸波參考訊號
bull 圖10 為太陽能最大功率點追蹤副程式流程圖在文中對最大功率追蹤採用擾動與觀察法配合太陽能光電板的電壓mdash功率特性曲線即可瞭解程式如何完成太陽能光電板最大功率點追蹤
主程式流程圖
5實驗
bull 依據上述的分析採用DSP 2407A 建立一個500W 太陽光電池電能轉換系統依據圖11 之
bull 電路架構其規格與元件參數分別列於表一表二及表三系統實驗波形圖12圖13圖14 及
bull 圖15 為系統操作在獨立運轉模式下負載分別為120W240W360W 及480W 時之換流器輸出
bull 電壓及輸出電流之實測波形
系統規格與元件參數
實測波形
6實務應用系統實務應用系統實務應用系統實務應用系統
獨立系統示意圖獨立系統示意圖
考慮點
系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等安全係數最佳化設計複雜)
一般充電控制器無 MPPT搭配蓄電池使發電效能較差
蓄電池每日gt50DOD深度放電gt02C充電壽命短
太陽光發電量與負載需求量不搭配時太陽光之發電能量利用率偏低 (負載需求搭配與安全係數為互相矛盾之設計)
PV-柴油發電機PV-風力等混合系統為改善之方法
市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台
電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池
併聯系統示意圖併聯系統示意圖
緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析
1 系統設置成本高建議使用於邊際效益高之用電（防災緊急輔助電力）
2 總體經濟效益減少環境污染解決尖峰用電之不足與短缺能源多元化之風險分擔與開創自主能源
3 遮蔽陽光直曬降低建築物之熱效應（被動省能）同時轉換太陽光為電能供應建物自主能源（主動節能）一舉兩得
緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較
30萬元divide21900kWh＝137元度2萬元divide50kWh＝400元度每度電成本
日發電度數times365天times20年＝3hrtimes1kWtimes365天times20年＝21900kWh（度）
（年停電＋年測試運轉時數）times10年＝（20mintimes6次＋15mintimes12月）times10年＝5hrtimes1kWtimes10年＝50kWh
總發電度數（1kw計）
夜間不發電（可利用蓄電池設計供電年維運費02）
噪音空污油料運輸儲油危險維運成本高
缺點
利用露台屋頂牆面空間設備煙管隔音油槽需室內空間
設置空間
平時緊急時均可使用隨時可了解運轉狀況不須操作
加ATS停電時方可啟動需人員每月定期測試運轉
系統運作
太陽光潔淨能源（免費）柴油使用燃料
20年7~10年使用壽命
1kW=30萬元1kW=2~3萬元設置費用
太陽光發電系統柴油發電機
風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析
運用多元化能源分擔風險情況比較說明如下
1 市電--gt停電時風險極高
2 市電＋柴油發電機--gt發電機故障時風險高
市電＋柴油發電機＋太陽光發電系統--gt發揮三者優點互補同時故障機率小風險最低
案例
832kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide057＝317 m2
115kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide075＝332 m2
緊急時057平時065~08
綜合係數溫度變化污損線損Inverter效率＋蓄電池充放電補償
電力需求divide（日照強度times日照時間times模板效率times綜合係數）
模組面積估算
日照強度1kWm2
日照時間384hd
模板效率12
832kWhd500人用電量115kWhd770人用電量
緊急時平時
電力需求估算
緊急時40kWtimes384hdtimes057＝875 kWhd
平時40kWtimes384hdtimes075＝1152Whd
太陽發電系統發電量＝設置容量times日照時間times綜合係數
發電量計算
332m2times1kWm2times12＝398kW≒40kW
太陽發電系統設置容量＝設置面積times日照強度times模板效率
設置容量計算模板效率依太陽電池種類而異
進行模板陣列及蓄電池容量設計
40kWdivide18片串divide120W＝185列≒19
列
40kWdivide17片串divide120W＝196列≒20
列
陣列併列數＝設置容量divide單串功率
18片times120W＝2160W
17片times120W＝2040W
單串功率
300Vdivide169V＝1775片（取整數17 or 18）
陣列串聯數＝Inverter輸入電壓divide模板輸出電壓
模板陣列設計
1 模板功率120W
2 模板輸出電壓169V
3 直交流轉換器(Inverter)輸入電壓300V
120Wtimes17片串times20列＝40800W＝340片(最佳陣列)
120Wtimes18片串times19列＝41080W＝342片
最佳陣列較經濟之設置容量選擇最佳陣列
蓄電池數量＝144個times2列＝288個
120640Whdivide288Vdivide200Ah＝21列≒2列
併列數＝蓄電池需求容量divideInverter額定電壓
288Vdivide2V＝144個
串聯數＝Inverter額定電壓divide蓄電池電壓串併數設計
middot 蓄電池電壓2V個
middot 蓄電池容量200Ah個
Inverter電壓輸入電壓 額定電壓300V 288V200V 192V
蓄電池需求容量＝832kWhdtimes1dtimes145＝12064kWh
蓄電池需求容量＝緊急電力需求times無日照天數times補償係數補償係數蓄電池內阻抗放電停止電壓電壓降低補償
蓄電池需求容量設計
middot 補償係數145
無日照天數1日
61市電相關規定市電相關規定市電相關規定市電相關規定
1 發電設備併接於低壓系統者其總容量未滿100kW且技術無困難者得併接於單相三線110V220V三相三線220V之配電系統若總容量在100kW以上而未滿500kW得分別併接於3相4線220V380V之配電系統
2 發電設備總容量在500kW以上而未滿5000kW10000kW且技術無困難者得分別併接於114KV228KV之高壓配電系統
3 電設備總容量在10000kW以上而未滿40000kW者得併接於特高壓之系統
4 發電設備總容量在40000kW以上者依個案研討分類
併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類
發電系統經由發電系統經由發電系統經由發電系統經由110V220V110V220V110V220V110V220V併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者發電設發電設發電設發電設備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能
1 過電壓保護 低電壓保護
2 低頻保護 高頻保護
3 過電流保護 零相過電壓接地保護
4 發電設備為無逆送電力者須加裝逆電力保護
5 發電設備為有逆送電力者必須具備主動及被動防止單獨運轉保護
發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經110V220V110V220V110V220V110V220V系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者在電在電在電在電源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器
發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業114KV228KV114KV228KV114KV228KV114KV228KV之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者((((高高高高壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶))))發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Extremely Inverse特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Extremely Inverse特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過流電驛(67)須具Normal Inverse特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
發電設備併接於電業69KV特高壓輸電系統者發電設備之輸出端至少應具有下列同等保護功能並須與電業該轄區之保護設備協調
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Normal Inverse之特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Normal Inverse之特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過電流電驛(67)須具Normal Inverse之特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
8 快速及後衛保護電驛如系統保護需要時應裝設
9 匯流排電驛採用GIS斷路器者應裝設
62626262太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範
1 故障電流
太陽光電發電系統大於100kW以上須計算故障電流其送至電業系統之故障電流不得影響電業及其他用戶斷路器之起斷容量否則需裝置限流電抗器
太陽光電發電系統之隔離變壓器接地方式須與電業之系統配合
2 正常電壓變動率應維持在plusmn5以內
3 太陽光電發電系統與電業間之責任分界點的功率因數以維持85落後至100之間運轉為原則
4 諧波污染限制應依照「電力系統諧波管制暫行標準」辦理
分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性
適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯型之規範型之規範型之規範型之規範
電力轉換器電力轉換器電力轉換器電力轉換器(電力調節器電力調節器電力調節器電力調節器)(InverterConditioner)
蓄電池蓄電池蓄電池蓄電池(Battery))
63大型(商用)太陽光發電系統應用(gt1 kWp)
太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統
單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池(Unit Solar Cell)
太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板(PV Module)
太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列(PV Array)
太陽光發電系統應用獨立系統
(A) 獨立系統(Stand-Alone
System)
bull 蓄電池保護壽命
(B) 混合型交流獨立系統 (Hybrid
System)
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
直流負載PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
整流器
輔助發電機
PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載- ~PCU
直直直直交流轉換器交流轉換器交流轉換器交流轉換器
太陽光發電系統應用併聯系統
(D)併聯系統(Grid-
connected System)
特殊功能1 最佳效能2 防止獨立運轉(連線保護)
3 可自力運轉
(E) 防逆流型系統(Off-line System)
(F) 防災型併聯系統
充電控制器
蓄電池
直交流轉換器
PCU太陽電池組列
交流負載
ATS
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
獨立型系統
適用地點高山離島基地台hellip等市電無法到達處
工作方式白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
必須可以自給自足
缺點bull 系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等
安全係數設計很困難)
bull 蓄電池建置複雜成本很高壽命很短
bull 負載搭配不良時發電效能不佳利用率將偏低
bull 需由專人隨時維護
bull 混合系統為一種解決方法
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
PCU
併聯型系統
適用地點電力正常送達之任何地點工作方式 bull 白天 PV系統併聯發電夜間由台電供電bull 將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的蓄電池
優點bull 系統簡單不需安全係數設計(依預算設計)不需要專人維護bull 併聯發電效率高利用率高
缺點bull 停電時無電可用bull 受併聯法規限制尚未開放(但即將開放)
bull 有孤島效應之疑慮(目前技術上已解決)
改善型無電池自力運轉
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
市電併聯型住宅用太陽光發電系統
太陽光發電系統發電及負載用電對時間之關係
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
併聯型直交流轉換器之效能要求較高
1 最大功率追蹤(Maximum Power Tracking MPT)
2 高轉換效率 gt 90 (PWM+電力電子元件)
3 高次諧波功率 Distortion (lt5 total)
4 自動開關機(白天夜晚)
5 過負載保護過溫度保護
6 體積小重量輕室外防水防塵
7 電腦界面可遠端監控
8 防止獨立運轉(連線保護)
9 可自力運轉
太陽電池組列
交流負載
直交流轉換器MPT
Power Conditioner
併聯系統之獨立運轉(單獨運轉)
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull停電時單一併聯系統將會停止運作
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
bull 市電停電時多數併聯系統仍聯合運作將對電力公司人員產生嚴重危害
孤島效應之防止方法
停電偵測1 過電壓低電壓
2 過頻率低頻率
3 被動式偵測如
bull 電壓與頻率監視方式
bull 電壓相位跳躍監視方式
bull 高次諧波監視方式
bull 頻率變化監視方式
PV組列
直交流轉換器
自家負載
4 主動偵測如
bull 頻率Shift方式
bull 配電線負載變動方式
bull 有效電力變動方式
bull 無效電力變動方式
反應時間05~2秒
資料來源「日本電氣用品試驗所」分散型電源系統連系技術指針(1998)
併聯系統之自力運轉功能
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull 大停電後白天有陽光時以人工啟動 PV 系統進行自力運轉供自家負載使用(但夜間無法使用)
防災型併聯型系統
適用地點有防災需求(照明汲水通信hellip)之公共設施
工作方式
bull 平時PV併聯發電(電池浮充) 效率高利用率高夜間由台電供電
bull 視需要建置供防災用電池大停電時白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
缺點bull 含電池成本較高bull 系統較複雜需專人定期維護
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
FAQ1太陽光發電需要多少土地
效率 = (輸出功率W) (組列面積 m2 x 日照強度 Wm2 ) x 100
模板面積 m2 = 輸出功率W (效率 x日照強度Wm2 ) x100
bull 假設使用效率gt136 模板於1000 Wm2 (AM15)日照強度下
10 kWp 模板面積 (m2) = 10000 (0136 x 1000) ~ 735 m2
10 kWp PV系統土地面積需求約
~ 735 m2 x 15 x 11
~ 121m2 (~36坪)
(包括陰影面積及維修空間)
bull 假設使用效率~10 模板
則模板面積約 ~ 100 m2
土地面積需求約 ~ 165m2 (~50坪)
gt55o
夏至
冬至
春秋分
235o 235oh
L1 L2
FAQ2太陽電池一年能發多少電
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
10 kWm2
05 kWm2
日照強度
等效日照時數(Sun Hour)
組列單日發電量 = 組列額定輸出功率 x 等效日照時數
bull 預估1 kWp 組列單日發電量 = 1 (kW) x ex 4(Sun Hour)= 4 kWh
組列年發電量 = 組列額定輸出功率 x 年平均每日日照時數 x 365
bull 預估 1 kWp 組列年發電量 = 1 x 4 x 365 = 1460 kWh
時間時間時間時間
FAQ3太陽光發電的成本(簡易估算)
1 假設目前太陽光發電系統設置成本約為 NT$ 280000 kWp
2 假設年平均每日日照時數約為 25 Sun Hour (台灣中南部地區)
bull 1 kWp 組列單日發電量= 1 (kW) x 25 (Hour)= 25 kWh
bull 1 kWp 組列年發電量= 25 x 365 = 913 kWh (度)
3 假設太陽光發電系統使用壽命為 20 年
bull 1 kWp 太陽光發電系統總共可發電 20 x 913 = 18260 度
4 生產每度電之成本約為 280000 18260 ~ NT$ 153
5 未來發展趨勢
bull 太陽光發電系統設置成本將逐年降低
bull 市電電費將會升高(國內目前約 NT$ 3 度日本約NT$ 7 度)
bull 傳統能源限制再生能源獎勵利率降低
64獨立型太陽光發電系統應用例(一)
bull太陽電池時鐘-日本bull太陽電池路燈-日本千里住宅公園
獨立型太陽光發電系統應用例(二)
bull太陽電池交通標誌-日本北海道 bull高速公路緊急電話-日本
獨立型太陽光發電系統應用例(三)
bull800W無線通信中繼基地台韓國(1998)
獨立型太陽光發電系統應用例(四)
bull離島用90kW獨立型發電系統韓國Ho-Do島(1992)
併聯型太陽光發電系統應用例(一)
bull設置於屋頂之住宅用太陽光發電系統(建材一體型日本千里住宅公園內住宅設計之一)
併聯型太陽光發電系統應用例(二)
bull日本東海線新幹線京都車站之太陽光發電系統(100kWp)
併聯型太陽光發電系統應用例(三)
bull日本京瓷(Kyocera)京都總公司大樓之太陽電池發電系統(220kWp)
太陽光發電發電廠應用例
太陽電池發電廠
(PV Power Plant)
資料來源 ANIT
Srl Italy
建材一體型太陽電池模板應用例
bull資料來源 Pilkington Solar International GmbH 德國
太陽能車應用例
Honda Dream
bull資料來源 PV Special Research
Centre UNSW Australia
交大太陽能車
bull資料來源 National Chiao-Tung
University Taiwan
太陽光發電航太應用例(NASA Helios )
bull空中無線通訊平台應用
資料來源SkyOne Inc Taiwan
bull 飛行高度5-7 萬英呎(最高記錄 96000 英呎)
bull 時速60 mph (起飛 25 mph)
bull 翼展247 英呎bull 重量2000 磅bull 太陽電池效率要求gt22
資料來源httpwwwaerovironmentcomhomehtml
清雲技術學院 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
個人住宅 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
勤益技術學院 3kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
南台科技大學 10kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
總統府 10kWp 獨立型太陽光能發電系統 (9012)
海巡署南沙太平島 20kWp 混合型(柴油發電機)太陽光能發電系統 (9011)
90能源基金示範補助成果例
台電樹林 20kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
併聯型
台電台北市區處 20kWp 太陽光發電系統
(91能源基金示範補助成果)
併聯型
7結論
bull (1)提高電力轉換器效率
bull 轉換器的損失主要來自於開關切換時之損失為了可以降低濾波電路中電感和電容的體積可以提高切換頻率但是相對於開關的切換損失也因此而增加導致轉換器的效率降低因此發展零電壓或零電流切換技術應用於高切換頻率之轉換器將可以提高轉換器的效率
bull (2)提高太陽光發電系統之整體效率
bull 傳統之太陽光發電系統包含儲能系統和供電系統前級利用DCDC轉換器作最大功率追蹤後級則利用DCAC轉換器轉換能量供應給交流負載為了提高太陽光發電系統的整體效率在研究可提出了模組並聯控制技術以提昇各級電力轉換器的效率而在未來太陽光發電系統也將著重在單級電力轉換器的設計對於整體系統效率有較明顯的改善
8參考資料
1許國強ldquo太陽光發電原理與應用工研院材料所 薄膜技術組91年
2華志強黃崇倫ldquo智慧型能量控制於太陽光電能轉換系統國立雲林科技大學電機工程學系電力研討會97年
3林政達ldquo數位式市電並聯換流器與快速鎖相迴路控制器之研製國立雲林科技大學電機工程學系碩士論文92 年
4李思賢ldquo數位式單相低功率太陽光電能轉換系統國立中山大學電機工程學系碩士論文92 年
5洪世杰ldquo適用於再生能源之市電併聯型雙輸入供電系統國立中正大學電機工程研究所碩士論文93 年
6王廷興ldquo太陽能發電配電設計概要台北科技大學冷凍空調系 92年
7魏榮宗王文宏ldquo高效率太陽光電能源轉換系統 元智大學電機工程學系94年
[ ] 100)25(
)11
(exp
1)(exp
3
λminus+=
minus
=
+minus
minus+minus=
TKII
TTBk
qE
T
TII
where
R
IRVIRV
AkT
qIII
ISCRLG
r
GO
r
oros
sh
ssosLG
VI cell output current and voltagecell reverse saturation currentcell temperature in CBoltzmannrsquos constantelectronic chargeshort circuit current temperature coefficientsolar irradiation in Wmshort-circuit current at 25 Cand 1000 Wm
light-generated currentband gap for siliconideality factorsreference temperaturecell saturation current atshunt resistanceseries resistance
osI
T
kq
00170=IK
SCRIλ
LGI
GOE
921== ABKTr deg= 18301
orI
shR
sR
附錄附錄附錄附錄- 太陽能電池太陽能電池太陽能電池太陽能電池
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
(a) Equivalent circuit of a PV module and
(b) Typical PV module current-voltage and power-voltage characteristics
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
Characteristic of a PV module with temperature and irradiation (a) constant irradiation and varying temperature and (b) constant temperature and varying irradiation
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
系統範例系統範例系統範例系統範例
中途驛站電化PV離島用PV系統山岳地帶PV系統離島偏遠區
勤務指揮中心緊急避難所醫療院所公園學校地震觀測站森林嘹望台避難指示燈氣象觀測所水位警報PV系統河川安全燈防波堤安全PV燈
緊急防災
緊急供電系統管線電氣防蝕輸油管流量計PV系統市場廣告塔海上石油平台各種計測站PV系統發電廠情報指揮中心
產業用
住宅用供電系統緊急供電系統緊急照明系統帷幕牆遮陽棚採光罩屋瓦建築物
無線通信用中繼站基地台緊急電話中繼站電話通信PV系統Radio受信PV系統微波中繼站
通訊
農宅用電溫室栽培PV系統農業灌溉用自動灑水系統農牧電籬牛乳冷藏漁業養殖揚水通氣自動餵食器
農林漁牧
路燈交通號誌道路指示牌標誌燈太陽能電動車充電站高速公路緊急電話偏遠道路緊急電話停車計時器停車場控制門系統高速公路防音壁PV系統公路休息區PV系統太陽能車平交道指示燈候車亭PV系統車站屋頂型PV系統
道路交通
收音機測電表手錶計算機太陽能照相機手電筒電池充電器野營燈民生
應用領域
13太陽電池組列仰角與間隔設計例
bull組列仰角~235o (台灣地區)
bull h=組列總高度( lt 15 m)
bull L2=h tan(55o) = 057 L0
(55o可適用於冬至0900~1500)
bull水平角度=正南 plusmn5o
235o
55o
235o
夏至
冬至
春秋分
235o 235o
南
h = 04 L0
L1= 092 L0L2 = 057 L0
L0
L1 + L2 = 15 L0
2零交越偵測電路分析
bull 零交越偵測電路如圖1 所示主要目的在於檢測輸入弦波電壓之零交越點其電路輸出為ㄧ方波信號利用方波上緣信號觸發數位訊號處理器之外部中斷腳位進而進行相位同步之功能[4]零交越偵測電路輸入與輸出波形如圖2 所示相位同步控制當數位訊號處理器發生上緣觸發時此觸發訊號如同系統重置訊號將正弦表指標變數歸零一經重置後指標變數又開始計數藉由每週期ㄧ次的重置訊號迫使換流器輸出達到同步相位同步控制波形示意圖如圖3 所示圖4 為零交越偵測電路輸出實測圖[4]
3系統電路架構與動作模式
bull A
bull 本文所述之系統為一太陽光電能轉換系統方塊圖如圖5 所示主要部分包括太陽能板直流-直流轉換器全橋式換流器數位訊號處理器感測迴授電路與驅動電路此一系統之基本動作情況為一般情況下斷路器1 和斷路器2 均為導通狀態此時太陽光電能轉換系統與電力網路處於連結運轉模式而當電力網路供電中斷時斷路器2 將被斷路以避免孤島現象的發生反之若是太陽光電能轉換系統發生故障時斷路器1 將被斷路以避免電力網路受到其故障的影響
31系統電路架構與動作模式
bull B
bull 電路工作模式bull 此一太陽光電能轉換系統主要有兩種工
作模式以下為二種工作模式的操作說明
bull (1) 獨立運轉模式bull 如圖6 所示獨立運轉模式為當電力網
路供電中斷時斷路器2 將被斷路而此時太陽光電能轉換系統將操作在電壓控制模式下提供負載一穩定的輸出電壓
bull (2) 與電力網路連結運轉模式bull 如圖7 所示與電力網路連結運轉模式
將太陽光電能轉換系統與電力網路連結運轉也就是斷路器1 和斷路器2 同時導通此時系統將操作在電流控制模式下首先經由最大功率點追蹤程式運算出瞬時最大功率點的電流參考值再根據此一電流參考值輸出一與電力網路電壓同相位的電流至負載或甚至回送至電力網路
31直流至直流切換式轉換器
典型直流至直流轉換器系統之構造如圖21所示其輸入通常為由線電壓整
流而得之非調節直流電壓然後再利用切換式直流至直流轉換器將此變動之
直流電壓轉換成一調節之直流電壓
無控制之二極體橋式整流器
交流線電壓
(單相或三相)
直流電壓
(無調節性)
濾波電容 (無調節性)
直流至直流轉換器 (具調節性)
負載
蓄電池
直流電壓 直流電壓
控制訊號1降壓式(step-down buck)轉換器
2升壓式(step-up boost)轉換器
3升降壓式(step-downstep-up buck-boost)轉換器
4全橋式轉換器
上述四種轉換器中只有降壓式及升壓式是最基本的轉換器電路架構升
降壓式轉換器是此二基本轉換器之結合而全橋式轉換器則是由降壓式轉
換器衍生而來
直流至直流轉換器之控制
直流至直流轉換器的作用即是在輸入電壓與輸出負載變動的情況下能夠調
節輸出電壓為所設定的位準電壓位準轉換之原理可以圖22(a)所示之簡單
電路來說明由開關導通與截止可得圖22(b)之波形其中輸出電壓vo平均
值大小Vo與開關之導通及截止時間(ton及toff)有關平均輸出電壓大小調整
之最典型的方式是採用脈波寬度調變法(Pulse-Width ModulationPWM)
其切換週期Ts(= ton+toff)為固定由調整導通時間之大小來改變平均輸出電
壓之大小Vo
+
_
Vd
R
+
_
Vo
0Vd
Vo
vo
tton toff
Ts
脈波寬度調變切換控制的方塊圖如
圖23(a)所示開關之切換控制信號
由控制訊號vcontrol與週期為Ts之鋸齒
波vst比較而得控制信號則由Vo之
實際值與設定值之誤差放大而得
vcontrol與vst比較所得之切換控制信號
的波形如圖23(b)所示當控制訊號
vst較大時則為高準位信號即使
開關導通反之為低準位信號即使
開關截止故開關之切換週期亦為
Ts 由以上的原理可知開關切換
之責任週期 (Duty Ratio)為D=tonTs
=vcontrolVst 其中Vst為鋸齒波之振
幅
放大器
+
-Vo
(設定)
(實際)
Vo
比較器
週期性波形 stv
切換控制訊號
控制訊號
0 t
$Vst
=stv 鋸齒波電壓
controlv (放大誤差)
On On
Off Off
stcontrol vv gt
stcontrol vv ltton toff
Ts
切換控制訊號
(切換頻率 fT
s
s
=1
)
升壓式直流至直流轉換器
圖211為升壓式轉換器電路主要用途為直流電源供應器與直流馬達之
再生制動(Regenerative Breaking)顧名思義其輸出電壓高過於其輸入
電壓當開關導通時二極體反向偏壓輸入電能儲存於電感負載電
能則由電容提供當開關截止時負載吸收輸入及儲存電感中之電能
-
L
CRVd
Vo
vL
iL
io
+
-
++
_
t0
t0
vL
iL
I L
Ts
toffton
_++
_
+
_
+ _+
_
+
_
iL
vL
Vd Vo
iL
vL
Vd Vo
)( dV
)( od VV minus
圖212所示為電感電流為連續之
穩態工作波形由穩態下電感電
壓一週期之平均值為零可得
0)( =minus+ offodond tVVtV
等號兩側除以Ts重新整理可得
Dt
T
V
V
off
s
d
o
minus==
1
1
假設電路無損失輸入功率
Pd=VdId 等 於 輸 出 功 率
Po=VoIo 則
)1( DI
I
d
o minus=
非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器
bullBoost之設計假設輸入10V輸出30V頻率50kHz輸出10W
所以D＝23
( ) s
o
o TDDP
VL
22
12
minusge
=6667uH
取75uH
D
VV in
o minus=
1
L
Vi
n
S Vo
+
_
C
DiL
vds
升降壓式直流至直流轉換器
升降壓式轉換器的主要用途為輸入與輸出之極性相反輸出電壓可以高於
或低於輸入電壓之直流電源供應器升降壓式轉換器可以由降壓式轉換器
與升壓式轉換式串接而成穩態下輸入與輸出電壓轉換器之比值為二轉換
器個別比值之乘積
D
D
V
V
d
o
minus=
1
因此變化責任週期D可使輸出電壓高於或低於輸入電壓
+
_
+
_
_
+
RC Vo
L
Vd
io
iLvL
id
降壓式直流至直流轉換器
降壓式轉換器顧名思義其作用為將較高準位的輸入電壓換成較低
準位的輸出電壓主要用途為直流電源供應器及直流馬達速度控制
圖22(a)所示為提供純電阻性負載之降壓式轉換器由圖22(b)可知其輸
出電壓波形由開關位置決定平均輸出電壓為
dd
s
onT
t
t
d
s
T
o
s
o DVVT
tddV
Tdv
TV
s
on
ons ==+== intintint )0(1
)(1
00ττττ
+
_
Vd
R
+
_
Vo
0Vd
Vo
vo
tton toff
Ts
32直流至交流切換式反流器
切換式直流至交流(DCAC)反流器(Inveter)乃用以將直流電源轉換成振幅
與頻率均可調之正弦式交流電源主要用途為交流馬達驅動與交流不斷
電電源供應器圖31為典型交流馬達驅動之反流器方塊圖其直流輸入
電壓通常由線電壓整流及濾波而得接著再利用切換式反流器改變輸出
電壓之振幅與頻率以驅動交流馬達切換式反流器功率之流通通常是
由直流至交流稱為反流模式但亦可以從交流至直流稱為整流模
式
+
_
交流馬達
二極體整流器 濾波電容 切換式反流器
Vd
三相交流電源
反流器包括單相及三相其輸入為直流電壓源者稱為電壓源反流器
(Voltage Source InverterVSI)另外若輸入為直流電流源者稱為電流
反流器(Current Source InverterCSI)目前僅應用在高功率之交流馬達
驅動器
1脈波寬度調變(PWM)反流器其輸入電壓通常為固定反流器本身具備變
頻及變壓的功能而變頻及變壓乃利用開關之脈波寬度調變切換控制達成
有許多類型之脈波寬度變技術可以使輸出電壓近似弦波
2方波(Square-Wave)反流器此反流器輸出電壓振幅乃由其輸入電壓調
整
反流器本身只控制輸出頻率交流輸出電壓波形近似方波因此乃稱方波
反流器
3採用電壓消去法(Voltage Cancellation)之單相反流器單相反流器當輸入
電壓為定值時可以利用電壓消去法來變頻及變壓而不須採用脈波寬度
調變其輸出電壓波形近似方波因此其結合了前述兩種反流器的特色
值得注意的是電壓消去法並不適用於三相反流器
切換式反流器之基本觀念
考慮圖33(a)之單相反流器假設其正弦輸出電壓vo是經過濾波所得若
輸出之負載為電感性(如馬達)則輸出電流io將落後vo 如圖33(b)所示
在期間1及3中 vo與io同號瞬時功率Po=voio為正故功率由直流側送至
交流側稱之為反流模式在期間2及4中 vo與io異號瞬時功率Po為負
故功率由交流側送至直流側稱之為整流模式圖33(a)之切換式反流器
在每一週期內會經歷平面上四個象限中之所有象限
單相切
換式變
流器與
濾波器
o
o
+
-
+
-
Vd
vo
id
io
0t
4 1 2 3
voio
io
vo
1反流器
4整流器
3反流器
2整流器
0
為清楚解釋起見以單臂反流器來說明
+
_
+
_
+ +
__
Vd
Vd
2
Vd
2
A
N
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
vAN
oo
o
反流器電路之脈波寬度調變切換技術如圖35(a)所示由一正弦波形控
制訊號vcontrol與三角波形vtri作比較三角波(又稱載波)之振幅為Vtri頻率
為fs fs決定反流器開關之切換頻率正弦波控制電壓vcontrol(又稱調制訊
號)之基頻f1決定反流器之輸出頻率而其振幅則決定反流器輸出電壓之
大小定義振幅調變指數為ma=Vcontrol Vtri 其中Vcontrol為vcontrol之振幅
而頻率調變指數則定義為mf = fs f1
0 t
vcontrol vtri
sf
1
0 t
vAo
V d
2
minusVd
2
t=0
v v
T on T off
control tri
A A
lt
minus + v v
T on T off
control tri
A A
gt
+ minus
1)( AoAo vv =之基本波
0 t
vcontrol vtri
sf
1
圖34反流器之開關的控制方法與io方向無關為
dAoAtricontrol VvTvv2
1=gt +導通
dAoAtricontrol VvTvv2
1minus=lt minus導通
由於二開關之導通為互補因此輸出電壓只在Vd 2與-Vd 2二值間作變
動圖35(b)所示為ma=08與mf =15時輸出電壓vAo及其基本波(以虛線表示)
之波形
+
_
+
_
+ +
__
Vd
Vd
2
Vd
2
A
N
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
vAN
oo
o
單相全橋式反流器
單相全橋式反流器如圖311所示乃由兩個前述之半橋反流器所組成在
相同之輸入電壓下全橋式反流器之最大輸出電壓為半橋式之兩倍這代
表在相同之功率下全橋式反流器之輸出及開關電流僅為半橋式之一半
此對於高功率用途是一大優點因其可以降低使用並聯元件之需求
+
_
+
_
+
_
Vd
Vd
2
Vd
2
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
v v vo Ao Bo= minuso
A
B
TBminus
TB+
DBminus
DB+
+_
id
o
o
N
雙極性電壓切換之脈波寬度調變
0 t
vcontrolvtri
sf
1
0 t
ov1ov
dV
dVminus
單極性電壓切換之脈波寬度調變
onBT +
trivgttricontrol vv gt
trivcontrolv
t
)( controlvminus
)( controlvminusonAT +
t1ov
dV
dVminus
)( BNAN
o
vv
v
minus=
應用雙極性電壓切換之脈波寬度調
變全橋式反流器乃 (TA+TB-)與 (TA-
TB+)成對切換且二者互相反相
應用單極性電壓切換之脈波寬度調
變全橋式反流器乃A臂與B獨立切
換且同臂二開關互相反相
三相反流器
+
-
+
-
+
-
dV
2dV
2dV
+AT
minusAT
+AD
minusAD
o
BminusT
+BT
minusBD
+BD
di
minusCT
+CT
minusCD
+CD
N
A B C
o
0 t
triv Acontrolv Bcontrolv Ccontrolv
0
BNANAB vvv minus=
t
dV
之基本波1LLv
ANv
0 t
dV
t0
BNv
dV
三相電壓源反流器之脈波寬度調變切換的功能為在固定輸入直流電壓下用以調整三相輸出電壓之振幅及頻率三相脈波寬度調變方式由三相各差120度的控制電壓與三角波作比較其波形與單相全橋式反流器採用脈波寬度調變單極性切換者類似
最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法
33最大功率追蹤最大功率追蹤最大功率追蹤最大功率追蹤
為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點本文使用本文使用本文使用本文使用擾動觀察法擾動觀察法擾動觀察法擾動觀察法(Perturbation and Observation Method PampQ)進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功率追蹤率追蹤率追蹤率追蹤由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點下圖為擾動下圖為擾動下圖為擾動下圖為擾動觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖為利用為利用為利用為利用DCDC轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作時時時時其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為0之特性之特性之特性之特性使用使用使用使用DCDC轉換器控制太陽轉換器控制太陽轉換器控制太陽轉換器控制太陽能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動
擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖
最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法
左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖蹤示意圖蹤示意圖蹤示意圖太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分為兩個特性區域為兩個特性區域為兩個特性區域為兩個特性區域假設進行追蹤假設進行追蹤假設進行追蹤假設進行追蹤時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時電壓電壓電壓電壓的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率增加增加增加增加若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出功率減少功率減少功率減少功率減少經由經由經由經由DCDC轉換器調轉換器調轉換器調轉換器調節太陽能板與節太陽能板與節太陽能板與節太陽能板與DCDC轉換器的阻轉換器的阻轉換器的阻轉換器的阻抗相互匹配抗相互匹配抗相互匹配抗相互匹配進而得到太陽能板進而得到太陽能板進而得到太陽能板進而得到太陽能板的最大輸出功率的最大輸出功率的最大輸出功率的最大輸出功率
擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖
4軟體規劃
bull 系統控制程式主要分為主程式固定週期中斷副程式市電電壓零交越中斷副程式等三大部分以下將分別介紹各部分程式流程
bull 本系統主程式主要執行數位訊號處理器周邊暫存器的初始設定以及變數宣告其中除了變數宣告外周邊暫存器的初始設定包括有規畫中斷向量設定計數器之計數模式計數週期中斷的時間和PWM 輸出模式等相關參數設定
bull 如圖8 所示系統初始設定後必須先等待中斷發生才能決定系統是否執行固定週期中斷程式或零交越中斷副程式
bull 圖9 為固定週期中斷副程式流程圖固定週期中斷頻率與換流器開關之切換頻率相同為20kHz程式開始會先偵測太陽能板電壓及電流與直流鏈電壓當確定市電電壓零交越中斷發生時必須先將輸出弦波訊號之指標強制為原點重新送出單位弦波確保換流器輸出電流與市電電壓能維持同相位接著比較太陽能板輸入電壓VPV 是否大於最低工作電壓VPV_work如果確定大於最低工作電壓則致能太陽能最大功率追蹤反之則禁能系統動作程式返回圖9 中的正弦脈寬調變副程式主要功能在於決定換流器中開關的動作順序與責任週期大小以及輸波參考訊號
bull 圖10 為太陽能最大功率點追蹤副程式流程圖在文中對最大功率追蹤採用擾動與觀察法配合太陽能光電板的電壓mdash功率特性曲線即可瞭解程式如何完成太陽能光電板最大功率點追蹤
主程式流程圖
5實驗
bull 依據上述的分析採用DSP 2407A 建立一個500W 太陽光電池電能轉換系統依據圖11 之
bull 電路架構其規格與元件參數分別列於表一表二及表三系統實驗波形圖12圖13圖14 及
bull 圖15 為系統操作在獨立運轉模式下負載分別為120W240W360W 及480W 時之換流器輸出
bull 電壓及輸出電流之實測波形
系統規格與元件參數
實測波形
6實務應用系統實務應用系統實務應用系統實務應用系統
獨立系統示意圖獨立系統示意圖
考慮點
系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等安全係數最佳化設計複雜)
一般充電控制器無 MPPT搭配蓄電池使發電效能較差
蓄電池每日gt50DOD深度放電gt02C充電壽命短
太陽光發電量與負載需求量不搭配時太陽光之發電能量利用率偏低 (負載需求搭配與安全係數為互相矛盾之設計)
PV-柴油發電機PV-風力等混合系統為改善之方法
市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台
電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池
併聯系統示意圖併聯系統示意圖
緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析
1 系統設置成本高建議使用於邊際效益高之用電（防災緊急輔助電力）
2 總體經濟效益減少環境污染解決尖峰用電之不足與短缺能源多元化之風險分擔與開創自主能源
3 遮蔽陽光直曬降低建築物之熱效應（被動省能）同時轉換太陽光為電能供應建物自主能源（主動節能）一舉兩得
緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較
30萬元divide21900kWh＝137元度2萬元divide50kWh＝400元度每度電成本
日發電度數times365天times20年＝3hrtimes1kWtimes365天times20年＝21900kWh（度）
（年停電＋年測試運轉時數）times10年＝（20mintimes6次＋15mintimes12月）times10年＝5hrtimes1kWtimes10年＝50kWh
總發電度數（1kw計）
夜間不發電（可利用蓄電池設計供電年維運費02）
噪音空污油料運輸儲油危險維運成本高
缺點
利用露台屋頂牆面空間設備煙管隔音油槽需室內空間
設置空間
平時緊急時均可使用隨時可了解運轉狀況不須操作
加ATS停電時方可啟動需人員每月定期測試運轉
系統運作
太陽光潔淨能源（免費）柴油使用燃料
20年7~10年使用壽命
1kW=30萬元1kW=2~3萬元設置費用
太陽光發電系統柴油發電機
風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析
運用多元化能源分擔風險情況比較說明如下
1 市電--gt停電時風險極高
2 市電＋柴油發電機--gt發電機故障時風險高
市電＋柴油發電機＋太陽光發電系統--gt發揮三者優點互補同時故障機率小風險最低
案例
832kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide057＝317 m2
115kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide075＝332 m2
緊急時057平時065~08
綜合係數溫度變化污損線損Inverter效率＋蓄電池充放電補償
電力需求divide（日照強度times日照時間times模板效率times綜合係數）
模組面積估算
日照強度1kWm2
日照時間384hd
模板效率12
832kWhd500人用電量115kWhd770人用電量
緊急時平時
電力需求估算
緊急時40kWtimes384hdtimes057＝875 kWhd
平時40kWtimes384hdtimes075＝1152Whd
太陽發電系統發電量＝設置容量times日照時間times綜合係數
發電量計算
332m2times1kWm2times12＝398kW≒40kW
太陽發電系統設置容量＝設置面積times日照強度times模板效率
設置容量計算模板效率依太陽電池種類而異
進行模板陣列及蓄電池容量設計
40kWdivide18片串divide120W＝185列≒19
列
40kWdivide17片串divide120W＝196列≒20
列
陣列併列數＝設置容量divide單串功率
18片times120W＝2160W
17片times120W＝2040W
單串功率
300Vdivide169V＝1775片（取整數17 or 18）
陣列串聯數＝Inverter輸入電壓divide模板輸出電壓
模板陣列設計
1 模板功率120W
2 模板輸出電壓169V
3 直交流轉換器(Inverter)輸入電壓300V
120Wtimes17片串times20列＝40800W＝340片(最佳陣列)
120Wtimes18片串times19列＝41080W＝342片
最佳陣列較經濟之設置容量選擇最佳陣列
蓄電池數量＝144個times2列＝288個
120640Whdivide288Vdivide200Ah＝21列≒2列
併列數＝蓄電池需求容量divideInverter額定電壓
288Vdivide2V＝144個
串聯數＝Inverter額定電壓divide蓄電池電壓串併數設計
middot 蓄電池電壓2V個
middot 蓄電池容量200Ah個
Inverter電壓輸入電壓 額定電壓300V 288V200V 192V
蓄電池需求容量＝832kWhdtimes1dtimes145＝12064kWh
蓄電池需求容量＝緊急電力需求times無日照天數times補償係數補償係數蓄電池內阻抗放電停止電壓電壓降低補償
蓄電池需求容量設計
middot 補償係數145
無日照天數1日
61市電相關規定市電相關規定市電相關規定市電相關規定
1 發電設備併接於低壓系統者其總容量未滿100kW且技術無困難者得併接於單相三線110V220V三相三線220V之配電系統若總容量在100kW以上而未滿500kW得分別併接於3相4線220V380V之配電系統
2 發電設備總容量在500kW以上而未滿5000kW10000kW且技術無困難者得分別併接於114KV228KV之高壓配電系統
3 電設備總容量在10000kW以上而未滿40000kW者得併接於特高壓之系統
4 發電設備總容量在40000kW以上者依個案研討分類
併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類
發電系統經由發電系統經由發電系統經由發電系統經由110V220V110V220V110V220V110V220V併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者發電設發電設發電設發電設備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能
1 過電壓保護 低電壓保護
2 低頻保護 高頻保護
3 過電流保護 零相過電壓接地保護
4 發電設備為無逆送電力者須加裝逆電力保護
5 發電設備為有逆送電力者必須具備主動及被動防止單獨運轉保護
發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經110V220V110V220V110V220V110V220V系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者在電在電在電在電源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器
發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業114KV228KV114KV228KV114KV228KV114KV228KV之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者((((高高高高壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶))))發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Extremely Inverse特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Extremely Inverse特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過流電驛(67)須具Normal Inverse特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
發電設備併接於電業69KV特高壓輸電系統者發電設備之輸出端至少應具有下列同等保護功能並須與電業該轄區之保護設備協調
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Normal Inverse之特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Normal Inverse之特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過電流電驛(67)須具Normal Inverse之特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
8 快速及後衛保護電驛如系統保護需要時應裝設
9 匯流排電驛採用GIS斷路器者應裝設
62626262太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範
1 故障電流
太陽光電發電系統大於100kW以上須計算故障電流其送至電業系統之故障電流不得影響電業及其他用戶斷路器之起斷容量否則需裝置限流電抗器
太陽光電發電系統之隔離變壓器接地方式須與電業之系統配合
2 正常電壓變動率應維持在plusmn5以內
3 太陽光電發電系統與電業間之責任分界點的功率因數以維持85落後至100之間運轉為原則
4 諧波污染限制應依照「電力系統諧波管制暫行標準」辦理
分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性
適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯型之規範型之規範型之規範型之規範
電力轉換器電力轉換器電力轉換器電力轉換器(電力調節器電力調節器電力調節器電力調節器)(InverterConditioner)
蓄電池蓄電池蓄電池蓄電池(Battery))
63大型(商用)太陽光發電系統應用(gt1 kWp)
太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統
單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池(Unit Solar Cell)
太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板(PV Module)
太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列(PV Array)
太陽光發電系統應用獨立系統
(A) 獨立系統(Stand-Alone
System)
bull 蓄電池保護壽命
(B) 混合型交流獨立系統 (Hybrid
System)
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
直流負載PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
整流器
輔助發電機
PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載- ~PCU
直直直直交流轉換器交流轉換器交流轉換器交流轉換器
太陽光發電系統應用併聯系統
(D)併聯系統(Grid-
connected System)
特殊功能1 最佳效能2 防止獨立運轉(連線保護)
3 可自力運轉
(E) 防逆流型系統(Off-line System)
(F) 防災型併聯系統
充電控制器
蓄電池
直交流轉換器
PCU太陽電池組列
交流負載
ATS
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
獨立型系統
適用地點高山離島基地台hellip等市電無法到達處
工作方式白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
必須可以自給自足
缺點bull 系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等
安全係數設計很困難)
bull 蓄電池建置複雜成本很高壽命很短
bull 負載搭配不良時發電效能不佳利用率將偏低
bull 需由專人隨時維護
bull 混合系統為一種解決方法
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
PCU
併聯型系統
適用地點電力正常送達之任何地點工作方式 bull 白天 PV系統併聯發電夜間由台電供電bull 將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的蓄電池
優點bull 系統簡單不需安全係數設計(依預算設計)不需要專人維護bull 併聯發電效率高利用率高
缺點bull 停電時無電可用bull 受併聯法規限制尚未開放(但即將開放)
bull 有孤島效應之疑慮(目前技術上已解決)
改善型無電池自力運轉
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
市電併聯型住宅用太陽光發電系統
太陽光發電系統發電及負載用電對時間之關係
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
併聯型直交流轉換器之效能要求較高
1 最大功率追蹤(Maximum Power Tracking MPT)
2 高轉換效率 gt 90 (PWM+電力電子元件)
3 高次諧波功率 Distortion (lt5 total)
4 自動開關機(白天夜晚)
5 過負載保護過溫度保護
6 體積小重量輕室外防水防塵
7 電腦界面可遠端監控
8 防止獨立運轉(連線保護)
9 可自力運轉
太陽電池組列
交流負載
直交流轉換器MPT
Power Conditioner
併聯系統之獨立運轉(單獨運轉)
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull停電時單一併聯系統將會停止運作
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
bull 市電停電時多數併聯系統仍聯合運作將對電力公司人員產生嚴重危害
孤島效應之防止方法
停電偵測1 過電壓低電壓
2 過頻率低頻率
3 被動式偵測如
bull 電壓與頻率監視方式
bull 電壓相位跳躍監視方式
bull 高次諧波監視方式
bull 頻率變化監視方式
PV組列
直交流轉換器
自家負載
4 主動偵測如
bull 頻率Shift方式
bull 配電線負載變動方式
bull 有效電力變動方式
bull 無效電力變動方式
反應時間05~2秒
資料來源「日本電氣用品試驗所」分散型電源系統連系技術指針(1998)
併聯系統之自力運轉功能
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull 大停電後白天有陽光時以人工啟動 PV 系統進行自力運轉供自家負載使用(但夜間無法使用)
防災型併聯型系統
適用地點有防災需求(照明汲水通信hellip)之公共設施
工作方式
bull 平時PV併聯發電(電池浮充) 效率高利用率高夜間由台電供電
bull 視需要建置供防災用電池大停電時白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
缺點bull 含電池成本較高bull 系統較複雜需專人定期維護
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
FAQ1太陽光發電需要多少土地
效率 = (輸出功率W) (組列面積 m2 x 日照強度 Wm2 ) x 100
模板面積 m2 = 輸出功率W (效率 x日照強度Wm2 ) x100
bull 假設使用效率gt136 模板於1000 Wm2 (AM15)日照強度下
10 kWp 模板面積 (m2) = 10000 (0136 x 1000) ~ 735 m2
10 kWp PV系統土地面積需求約
~ 735 m2 x 15 x 11
~ 121m2 (~36坪)
(包括陰影面積及維修空間)
bull 假設使用效率~10 模板
則模板面積約 ~ 100 m2
土地面積需求約 ~ 165m2 (~50坪)
gt55o
夏至
冬至
春秋分
235o 235oh
L1 L2
FAQ2太陽電池一年能發多少電
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
10 kWm2
05 kWm2
日照強度
等效日照時數(Sun Hour)
組列單日發電量 = 組列額定輸出功率 x 等效日照時數
bull 預估1 kWp 組列單日發電量 = 1 (kW) x ex 4(Sun Hour)= 4 kWh
組列年發電量 = 組列額定輸出功率 x 年平均每日日照時數 x 365
bull 預估 1 kWp 組列年發電量 = 1 x 4 x 365 = 1460 kWh
時間時間時間時間
FAQ3太陽光發電的成本(簡易估算)
1 假設目前太陽光發電系統設置成本約為 NT$ 280000 kWp
2 假設年平均每日日照時數約為 25 Sun Hour (台灣中南部地區)
bull 1 kWp 組列單日發電量= 1 (kW) x 25 (Hour)= 25 kWh
bull 1 kWp 組列年發電量= 25 x 365 = 913 kWh (度)
3 假設太陽光發電系統使用壽命為 20 年
bull 1 kWp 太陽光發電系統總共可發電 20 x 913 = 18260 度
4 生產每度電之成本約為 280000 18260 ~ NT$ 153
5 未來發展趨勢
bull 太陽光發電系統設置成本將逐年降低
bull 市電電費將會升高(國內目前約 NT$ 3 度日本約NT$ 7 度)
bull 傳統能源限制再生能源獎勵利率降低
64獨立型太陽光發電系統應用例(一)
bull太陽電池時鐘-日本bull太陽電池路燈-日本千里住宅公園
獨立型太陽光發電系統應用例(二)
bull太陽電池交通標誌-日本北海道 bull高速公路緊急電話-日本
獨立型太陽光發電系統應用例(三)
bull800W無線通信中繼基地台韓國(1998)
獨立型太陽光發電系統應用例(四)
bull離島用90kW獨立型發電系統韓國Ho-Do島(1992)
併聯型太陽光發電系統應用例(一)
bull設置於屋頂之住宅用太陽光發電系統(建材一體型日本千里住宅公園內住宅設計之一)
併聯型太陽光發電系統應用例(二)
bull日本東海線新幹線京都車站之太陽光發電系統(100kWp)
併聯型太陽光發電系統應用例(三)
bull日本京瓷(Kyocera)京都總公司大樓之太陽電池發電系統(220kWp)
太陽光發電發電廠應用例
太陽電池發電廠
(PV Power Plant)
資料來源 ANIT
Srl Italy
建材一體型太陽電池模板應用例
bull資料來源 Pilkington Solar International GmbH 德國
太陽能車應用例
Honda Dream
bull資料來源 PV Special Research
Centre UNSW Australia
交大太陽能車
bull資料來源 National Chiao-Tung
University Taiwan
太陽光發電航太應用例(NASA Helios )
bull空中無線通訊平台應用
資料來源SkyOne Inc Taiwan
bull 飛行高度5-7 萬英呎(最高記錄 96000 英呎)
bull 時速60 mph (起飛 25 mph)
bull 翼展247 英呎bull 重量2000 磅bull 太陽電池效率要求gt22
資料來源httpwwwaerovironmentcomhomehtml
清雲技術學院 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
個人住宅 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
勤益技術學院 3kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
南台科技大學 10kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
總統府 10kWp 獨立型太陽光能發電系統 (9012)
海巡署南沙太平島 20kWp 混合型(柴油發電機)太陽光能發電系統 (9011)
90能源基金示範補助成果例
台電樹林 20kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
併聯型
台電台北市區處 20kWp 太陽光發電系統
(91能源基金示範補助成果)
併聯型
7結論
bull (1)提高電力轉換器效率
bull 轉換器的損失主要來自於開關切換時之損失為了可以降低濾波電路中電感和電容的體積可以提高切換頻率但是相對於開關的切換損失也因此而增加導致轉換器的效率降低因此發展零電壓或零電流切換技術應用於高切換頻率之轉換器將可以提高轉換器的效率
bull (2)提高太陽光發電系統之整體效率
bull 傳統之太陽光發電系統包含儲能系統和供電系統前級利用DCDC轉換器作最大功率追蹤後級則利用DCAC轉換器轉換能量供應給交流負載為了提高太陽光發電系統的整體效率在研究可提出了模組並聯控制技術以提昇各級電力轉換器的效率而在未來太陽光發電系統也將著重在單級電力轉換器的設計對於整體系統效率有較明顯的改善
8參考資料
1許國強ldquo太陽光發電原理與應用工研院材料所 薄膜技術組91年
2華志強黃崇倫ldquo智慧型能量控制於太陽光電能轉換系統國立雲林科技大學電機工程學系電力研討會97年
3林政達ldquo數位式市電並聯換流器與快速鎖相迴路控制器之研製國立雲林科技大學電機工程學系碩士論文92 年
4李思賢ldquo數位式單相低功率太陽光電能轉換系統國立中山大學電機工程學系碩士論文92 年
5洪世杰ldquo適用於再生能源之市電併聯型雙輸入供電系統國立中正大學電機工程研究所碩士論文93 年
6王廷興ldquo太陽能發電配電設計概要台北科技大學冷凍空調系 92年
7魏榮宗王文宏ldquo高效率太陽光電能源轉換系統 元智大學電機工程學系94年
[ ] 100)25(
)11
(exp
1)(exp
3
λminus+=
minus
=
+minus
minus+minus=
TKII
TTBk
qE
T
TII
where
R
IRVIRV
AkT
qIII
ISCRLG
r
GO
r
oros
sh
ssosLG
VI cell output current and voltagecell reverse saturation currentcell temperature in CBoltzmannrsquos constantelectronic chargeshort circuit current temperature coefficientsolar irradiation in Wmshort-circuit current at 25 Cand 1000 Wm
light-generated currentband gap for siliconideality factorsreference temperaturecell saturation current atshunt resistanceseries resistance
osI
T
kq
00170=IK
SCRIλ
LGI
GOE
921== ABKTr deg= 18301
orI
shR
sR
附錄附錄附錄附錄- 太陽能電池太陽能電池太陽能電池太陽能電池
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
(a) Equivalent circuit of a PV module and
(b) Typical PV module current-voltage and power-voltage characteristics
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
Characteristic of a PV module with temperature and irradiation (a) constant irradiation and varying temperature and (b) constant temperature and varying irradiation
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
系統範例系統範例系統範例系統範例
中途驛站電化PV離島用PV系統山岳地帶PV系統離島偏遠區
勤務指揮中心緊急避難所醫療院所公園學校地震觀測站森林嘹望台避難指示燈氣象觀測所水位警報PV系統河川安全燈防波堤安全PV燈
緊急防災
緊急供電系統管線電氣防蝕輸油管流量計PV系統市場廣告塔海上石油平台各種計測站PV系統發電廠情報指揮中心
產業用
住宅用供電系統緊急供電系統緊急照明系統帷幕牆遮陽棚採光罩屋瓦建築物
無線通信用中繼站基地台緊急電話中繼站電話通信PV系統Radio受信PV系統微波中繼站
通訊
農宅用電溫室栽培PV系統農業灌溉用自動灑水系統農牧電籬牛乳冷藏漁業養殖揚水通氣自動餵食器
農林漁牧
路燈交通號誌道路指示牌標誌燈太陽能電動車充電站高速公路緊急電話偏遠道路緊急電話停車計時器停車場控制門系統高速公路防音壁PV系統公路休息區PV系統太陽能車平交道指示燈候車亭PV系統車站屋頂型PV系統
道路交通
收音機測電表手錶計算機太陽能照相機手電筒電池充電器野營燈民生
應用領域
2零交越偵測電路分析
bull 零交越偵測電路如圖1 所示主要目的在於檢測輸入弦波電壓之零交越點其電路輸出為ㄧ方波信號利用方波上緣信號觸發數位訊號處理器之外部中斷腳位進而進行相位同步之功能[4]零交越偵測電路輸入與輸出波形如圖2 所示相位同步控制當數位訊號處理器發生上緣觸發時此觸發訊號如同系統重置訊號將正弦表指標變數歸零一經重置後指標變數又開始計數藉由每週期ㄧ次的重置訊號迫使換流器輸出達到同步相位同步控制波形示意圖如圖3 所示圖4 為零交越偵測電路輸出實測圖[4]
3系統電路架構與動作模式
bull A
bull 本文所述之系統為一太陽光電能轉換系統方塊圖如圖5 所示主要部分包括太陽能板直流-直流轉換器全橋式換流器數位訊號處理器感測迴授電路與驅動電路此一系統之基本動作情況為一般情況下斷路器1 和斷路器2 均為導通狀態此時太陽光電能轉換系統與電力網路處於連結運轉模式而當電力網路供電中斷時斷路器2 將被斷路以避免孤島現象的發生反之若是太陽光電能轉換系統發生故障時斷路器1 將被斷路以避免電力網路受到其故障的影響
31系統電路架構與動作模式
bull B
bull 電路工作模式bull 此一太陽光電能轉換系統主要有兩種工
作模式以下為二種工作模式的操作說明
bull (1) 獨立運轉模式bull 如圖6 所示獨立運轉模式為當電力網
路供電中斷時斷路器2 將被斷路而此時太陽光電能轉換系統將操作在電壓控制模式下提供負載一穩定的輸出電壓
bull (2) 與電力網路連結運轉模式bull 如圖7 所示與電力網路連結運轉模式
將太陽光電能轉換系統與電力網路連結運轉也就是斷路器1 和斷路器2 同時導通此時系統將操作在電流控制模式下首先經由最大功率點追蹤程式運算出瞬時最大功率點的電流參考值再根據此一電流參考值輸出一與電力網路電壓同相位的電流至負載或甚至回送至電力網路
31直流至直流切換式轉換器
典型直流至直流轉換器系統之構造如圖21所示其輸入通常為由線電壓整
流而得之非調節直流電壓然後再利用切換式直流至直流轉換器將此變動之
直流電壓轉換成一調節之直流電壓
無控制之二極體橋式整流器
交流線電壓
(單相或三相)
直流電壓
(無調節性)
濾波電容 (無調節性)
直流至直流轉換器 (具調節性)
負載
蓄電池
直流電壓 直流電壓
控制訊號1降壓式(step-down buck)轉換器
2升壓式(step-up boost)轉換器
3升降壓式(step-downstep-up buck-boost)轉換器
4全橋式轉換器
上述四種轉換器中只有降壓式及升壓式是最基本的轉換器電路架構升
降壓式轉換器是此二基本轉換器之結合而全橋式轉換器則是由降壓式轉
換器衍生而來
直流至直流轉換器之控制
直流至直流轉換器的作用即是在輸入電壓與輸出負載變動的情況下能夠調
節輸出電壓為所設定的位準電壓位準轉換之原理可以圖22(a)所示之簡單
電路來說明由開關導通與截止可得圖22(b)之波形其中輸出電壓vo平均
值大小Vo與開關之導通及截止時間(ton及toff)有關平均輸出電壓大小調整
之最典型的方式是採用脈波寬度調變法(Pulse-Width ModulationPWM)
其切換週期Ts(= ton+toff)為固定由調整導通時間之大小來改變平均輸出電
壓之大小Vo
+
_
Vd
R
+
_
Vo
0Vd
Vo
vo
tton toff
Ts
脈波寬度調變切換控制的方塊圖如
圖23(a)所示開關之切換控制信號
由控制訊號vcontrol與週期為Ts之鋸齒
波vst比較而得控制信號則由Vo之
實際值與設定值之誤差放大而得
vcontrol與vst比較所得之切換控制信號
的波形如圖23(b)所示當控制訊號
vst較大時則為高準位信號即使
開關導通反之為低準位信號即使
開關截止故開關之切換週期亦為
Ts 由以上的原理可知開關切換
之責任週期 (Duty Ratio)為D=tonTs
=vcontrolVst 其中Vst為鋸齒波之振
幅
放大器
+
-Vo
(設定)
(實際)
Vo
比較器
週期性波形 stv
切換控制訊號
控制訊號
0 t
$Vst
=stv 鋸齒波電壓
controlv (放大誤差)
On On
Off Off
stcontrol vv gt
stcontrol vv ltton toff
Ts
切換控制訊號
(切換頻率 fT
s
s
=1
)
升壓式直流至直流轉換器
圖211為升壓式轉換器電路主要用途為直流電源供應器與直流馬達之
再生制動(Regenerative Breaking)顧名思義其輸出電壓高過於其輸入
電壓當開關導通時二極體反向偏壓輸入電能儲存於電感負載電
能則由電容提供當開關截止時負載吸收輸入及儲存電感中之電能
-
L
CRVd
Vo
vL
iL
io
+
-
++
_
t0
t0
vL
iL
I L
Ts
toffton
_++
_
+
_
+ _+
_
+
_
iL
vL
Vd Vo
iL
vL
Vd Vo
)( dV
)( od VV minus
圖212所示為電感電流為連續之
穩態工作波形由穩態下電感電
壓一週期之平均值為零可得
0)( =minus+ offodond tVVtV
等號兩側除以Ts重新整理可得
Dt
T
V
V
off
s
d
o
minus==
1
1
假設電路無損失輸入功率
Pd=VdId 等 於 輸 出 功 率
Po=VoIo 則
)1( DI
I
d
o minus=
非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器
bullBoost之設計假設輸入10V輸出30V頻率50kHz輸出10W
所以D＝23
( ) s
o
o TDDP
VL
22
12
minusge
=6667uH
取75uH
D
VV in
o minus=
1
L
Vi
n
S Vo
+
_
C
DiL
vds
升降壓式直流至直流轉換器
升降壓式轉換器的主要用途為輸入與輸出之極性相反輸出電壓可以高於
或低於輸入電壓之直流電源供應器升降壓式轉換器可以由降壓式轉換器
與升壓式轉換式串接而成穩態下輸入與輸出電壓轉換器之比值為二轉換
器個別比值之乘積
D
D
V
V
d
o
minus=
1
因此變化責任週期D可使輸出電壓高於或低於輸入電壓
+
_
+
_
_
+
RC Vo
L
Vd
io
iLvL
id
降壓式直流至直流轉換器
降壓式轉換器顧名思義其作用為將較高準位的輸入電壓換成較低
準位的輸出電壓主要用途為直流電源供應器及直流馬達速度控制
圖22(a)所示為提供純電阻性負載之降壓式轉換器由圖22(b)可知其輸
出電壓波形由開關位置決定平均輸出電壓為
dd
s
onT
t
t
d
s
T
o
s
o DVVT
tddV
Tdv
TV
s
on
ons ==+== intintint )0(1
)(1
00ττττ
+
_
Vd
R
+
_
Vo
0Vd
Vo
vo
tton toff
Ts
32直流至交流切換式反流器
切換式直流至交流(DCAC)反流器(Inveter)乃用以將直流電源轉換成振幅
與頻率均可調之正弦式交流電源主要用途為交流馬達驅動與交流不斷
電電源供應器圖31為典型交流馬達驅動之反流器方塊圖其直流輸入
電壓通常由線電壓整流及濾波而得接著再利用切換式反流器改變輸出
電壓之振幅與頻率以驅動交流馬達切換式反流器功率之流通通常是
由直流至交流稱為反流模式但亦可以從交流至直流稱為整流模
式
+
_
交流馬達
二極體整流器 濾波電容 切換式反流器
Vd
三相交流電源
反流器包括單相及三相其輸入為直流電壓源者稱為電壓源反流器
(Voltage Source InverterVSI)另外若輸入為直流電流源者稱為電流
反流器(Current Source InverterCSI)目前僅應用在高功率之交流馬達
驅動器
1脈波寬度調變(PWM)反流器其輸入電壓通常為固定反流器本身具備變
頻及變壓的功能而變頻及變壓乃利用開關之脈波寬度調變切換控制達成
有許多類型之脈波寬度變技術可以使輸出電壓近似弦波
2方波(Square-Wave)反流器此反流器輸出電壓振幅乃由其輸入電壓調
整
反流器本身只控制輸出頻率交流輸出電壓波形近似方波因此乃稱方波
反流器
3採用電壓消去法(Voltage Cancellation)之單相反流器單相反流器當輸入
電壓為定值時可以利用電壓消去法來變頻及變壓而不須採用脈波寬度
調變其輸出電壓波形近似方波因此其結合了前述兩種反流器的特色
值得注意的是電壓消去法並不適用於三相反流器
切換式反流器之基本觀念
考慮圖33(a)之單相反流器假設其正弦輸出電壓vo是經過濾波所得若
輸出之負載為電感性(如馬達)則輸出電流io將落後vo 如圖33(b)所示
在期間1及3中 vo與io同號瞬時功率Po=voio為正故功率由直流側送至
交流側稱之為反流模式在期間2及4中 vo與io異號瞬時功率Po為負
故功率由交流側送至直流側稱之為整流模式圖33(a)之切換式反流器
在每一週期內會經歷平面上四個象限中之所有象限
單相切
換式變
流器與
濾波器
o
o
+
-
+
-
Vd
vo
id
io
0t
4 1 2 3
voio
io
vo
1反流器
4整流器
3反流器
2整流器
0
為清楚解釋起見以單臂反流器來說明
+
_
+
_
+ +
__
Vd
Vd
2
Vd
2
A
N
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
vAN
oo
o
反流器電路之脈波寬度調變切換技術如圖35(a)所示由一正弦波形控
制訊號vcontrol與三角波形vtri作比較三角波(又稱載波)之振幅為Vtri頻率
為fs fs決定反流器開關之切換頻率正弦波控制電壓vcontrol(又稱調制訊
號)之基頻f1決定反流器之輸出頻率而其振幅則決定反流器輸出電壓之
大小定義振幅調變指數為ma=Vcontrol Vtri 其中Vcontrol為vcontrol之振幅
而頻率調變指數則定義為mf = fs f1
0 t
vcontrol vtri
sf
1
0 t
vAo
V d
2
minusVd
2
t=0
v v
T on T off
control tri
A A
lt
minus + v v
T on T off
control tri
A A
gt
+ minus
1)( AoAo vv =之基本波
0 t
vcontrol vtri
sf
1
圖34反流器之開關的控制方法與io方向無關為
dAoAtricontrol VvTvv2
1=gt +導通
dAoAtricontrol VvTvv2
1minus=lt minus導通
由於二開關之導通為互補因此輸出電壓只在Vd 2與-Vd 2二值間作變
動圖35(b)所示為ma=08與mf =15時輸出電壓vAo及其基本波(以虛線表示)
之波形
+
_
+
_
+ +
__
Vd
Vd
2
Vd
2
A
N
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
vAN
oo
o
單相全橋式反流器
單相全橋式反流器如圖311所示乃由兩個前述之半橋反流器所組成在
相同之輸入電壓下全橋式反流器之最大輸出電壓為半橋式之兩倍這代
表在相同之功率下全橋式反流器之輸出及開關電流僅為半橋式之一半
此對於高功率用途是一大優點因其可以降低使用並聯元件之需求
+
_
+
_
+
_
Vd
Vd
2
Vd
2
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
v v vo Ao Bo= minuso
A
B
TBminus
TB+
DBminus
DB+
+_
id
o
o
N
雙極性電壓切換之脈波寬度調變
0 t
vcontrolvtri
sf
1
0 t
ov1ov
dV
dVminus
單極性電壓切換之脈波寬度調變
onBT +
trivgttricontrol vv gt
trivcontrolv
t
)( controlvminus
)( controlvminusonAT +
t1ov
dV
dVminus
)( BNAN
o
vv
v
minus=
應用雙極性電壓切換之脈波寬度調
變全橋式反流器乃 (TA+TB-)與 (TA-
TB+)成對切換且二者互相反相
應用單極性電壓切換之脈波寬度調
變全橋式反流器乃A臂與B獨立切
換且同臂二開關互相反相
三相反流器
+
-
+
-
+
-
dV
2dV
2dV
+AT
minusAT
+AD
minusAD
o
BminusT
+BT
minusBD
+BD
di
minusCT
+CT
minusCD
+CD
N
A B C
o
0 t
triv Acontrolv Bcontrolv Ccontrolv
0
BNANAB vvv minus=
t
dV
之基本波1LLv
ANv
0 t
dV
t0
BNv
dV
三相電壓源反流器之脈波寬度調變切換的功能為在固定輸入直流電壓下用以調整三相輸出電壓之振幅及頻率三相脈波寬度調變方式由三相各差120度的控制電壓與三角波作比較其波形與單相全橋式反流器採用脈波寬度調變單極性切換者類似
最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法
33最大功率追蹤最大功率追蹤最大功率追蹤最大功率追蹤
為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點本文使用本文使用本文使用本文使用擾動觀察法擾動觀察法擾動觀察法擾動觀察法(Perturbation and Observation Method PampQ)進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功率追蹤率追蹤率追蹤率追蹤由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點下圖為擾動下圖為擾動下圖為擾動下圖為擾動觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖為利用為利用為利用為利用DCDC轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作時時時時其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為0之特性之特性之特性之特性使用使用使用使用DCDC轉換器控制太陽轉換器控制太陽轉換器控制太陽轉換器控制太陽能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動
擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖
最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法
左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖蹤示意圖蹤示意圖蹤示意圖太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分為兩個特性區域為兩個特性區域為兩個特性區域為兩個特性區域假設進行追蹤假設進行追蹤假設進行追蹤假設進行追蹤時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時電壓電壓電壓電壓的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率增加增加增加增加若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出功率減少功率減少功率減少功率減少經由經由經由經由DCDC轉換器調轉換器調轉換器調轉換器調節太陽能板與節太陽能板與節太陽能板與節太陽能板與DCDC轉換器的阻轉換器的阻轉換器的阻轉換器的阻抗相互匹配抗相互匹配抗相互匹配抗相互匹配進而得到太陽能板進而得到太陽能板進而得到太陽能板進而得到太陽能板的最大輸出功率的最大輸出功率的最大輸出功率的最大輸出功率
擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖
4軟體規劃
bull 系統控制程式主要分為主程式固定週期中斷副程式市電電壓零交越中斷副程式等三大部分以下將分別介紹各部分程式流程
bull 本系統主程式主要執行數位訊號處理器周邊暫存器的初始設定以及變數宣告其中除了變數宣告外周邊暫存器的初始設定包括有規畫中斷向量設定計數器之計數模式計數週期中斷的時間和PWM 輸出模式等相關參數設定
bull 如圖8 所示系統初始設定後必須先等待中斷發生才能決定系統是否執行固定週期中斷程式或零交越中斷副程式
bull 圖9 為固定週期中斷副程式流程圖固定週期中斷頻率與換流器開關之切換頻率相同為20kHz程式開始會先偵測太陽能板電壓及電流與直流鏈電壓當確定市電電壓零交越中斷發生時必須先將輸出弦波訊號之指標強制為原點重新送出單位弦波確保換流器輸出電流與市電電壓能維持同相位接著比較太陽能板輸入電壓VPV 是否大於最低工作電壓VPV_work如果確定大於最低工作電壓則致能太陽能最大功率追蹤反之則禁能系統動作程式返回圖9 中的正弦脈寬調變副程式主要功能在於決定換流器中開關的動作順序與責任週期大小以及輸波參考訊號
bull 圖10 為太陽能最大功率點追蹤副程式流程圖在文中對最大功率追蹤採用擾動與觀察法配合太陽能光電板的電壓mdash功率特性曲線即可瞭解程式如何完成太陽能光電板最大功率點追蹤
主程式流程圖
5實驗
bull 依據上述的分析採用DSP 2407A 建立一個500W 太陽光電池電能轉換系統依據圖11 之
bull 電路架構其規格與元件參數分別列於表一表二及表三系統實驗波形圖12圖13圖14 及
bull 圖15 為系統操作在獨立運轉模式下負載分別為120W240W360W 及480W 時之換流器輸出
bull 電壓及輸出電流之實測波形
系統規格與元件參數
實測波形
6實務應用系統實務應用系統實務應用系統實務應用系統
獨立系統示意圖獨立系統示意圖
考慮點
系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等安全係數最佳化設計複雜)
一般充電控制器無 MPPT搭配蓄電池使發電效能較差
蓄電池每日gt50DOD深度放電gt02C充電壽命短
太陽光發電量與負載需求量不搭配時太陽光之發電能量利用率偏低 (負載需求搭配與安全係數為互相矛盾之設計)
PV-柴油發電機PV-風力等混合系統為改善之方法
市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台
電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池
併聯系統示意圖併聯系統示意圖
緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析
1 系統設置成本高建議使用於邊際效益高之用電（防災緊急輔助電力）
2 總體經濟效益減少環境污染解決尖峰用電之不足與短缺能源多元化之風險分擔與開創自主能源
3 遮蔽陽光直曬降低建築物之熱效應（被動省能）同時轉換太陽光為電能供應建物自主能源（主動節能）一舉兩得
緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較
30萬元divide21900kWh＝137元度2萬元divide50kWh＝400元度每度電成本
日發電度數times365天times20年＝3hrtimes1kWtimes365天times20年＝21900kWh（度）
（年停電＋年測試運轉時數）times10年＝（20mintimes6次＋15mintimes12月）times10年＝5hrtimes1kWtimes10年＝50kWh
總發電度數（1kw計）
夜間不發電（可利用蓄電池設計供電年維運費02）
噪音空污油料運輸儲油危險維運成本高
缺點
利用露台屋頂牆面空間設備煙管隔音油槽需室內空間
設置空間
平時緊急時均可使用隨時可了解運轉狀況不須操作
加ATS停電時方可啟動需人員每月定期測試運轉
系統運作
太陽光潔淨能源（免費）柴油使用燃料
20年7~10年使用壽命
1kW=30萬元1kW=2~3萬元設置費用
太陽光發電系統柴油發電機
風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析
運用多元化能源分擔風險情況比較說明如下
1 市電--gt停電時風險極高
2 市電＋柴油發電機--gt發電機故障時風險高
市電＋柴油發電機＋太陽光發電系統--gt發揮三者優點互補同時故障機率小風險最低
案例
832kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide057＝317 m2
115kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide075＝332 m2
緊急時057平時065~08
綜合係數溫度變化污損線損Inverter效率＋蓄電池充放電補償
電力需求divide（日照強度times日照時間times模板效率times綜合係數）
模組面積估算
日照強度1kWm2
日照時間384hd
模板效率12
832kWhd500人用電量115kWhd770人用電量
緊急時平時
電力需求估算
緊急時40kWtimes384hdtimes057＝875 kWhd
平時40kWtimes384hdtimes075＝1152Whd
太陽發電系統發電量＝設置容量times日照時間times綜合係數
發電量計算
332m2times1kWm2times12＝398kW≒40kW
太陽發電系統設置容量＝設置面積times日照強度times模板效率
設置容量計算模板效率依太陽電池種類而異
進行模板陣列及蓄電池容量設計
40kWdivide18片串divide120W＝185列≒19
列
40kWdivide17片串divide120W＝196列≒20
列
陣列併列數＝設置容量divide單串功率
18片times120W＝2160W
17片times120W＝2040W
單串功率
300Vdivide169V＝1775片（取整數17 or 18）
陣列串聯數＝Inverter輸入電壓divide模板輸出電壓
模板陣列設計
1 模板功率120W
2 模板輸出電壓169V
3 直交流轉換器(Inverter)輸入電壓300V
120Wtimes17片串times20列＝40800W＝340片(最佳陣列)
120Wtimes18片串times19列＝41080W＝342片
最佳陣列較經濟之設置容量選擇最佳陣列
蓄電池數量＝144個times2列＝288個
120640Whdivide288Vdivide200Ah＝21列≒2列
併列數＝蓄電池需求容量divideInverter額定電壓
288Vdivide2V＝144個
串聯數＝Inverter額定電壓divide蓄電池電壓串併數設計
middot 蓄電池電壓2V個
middot 蓄電池容量200Ah個
Inverter電壓輸入電壓 額定電壓300V 288V200V 192V
蓄電池需求容量＝832kWhdtimes1dtimes145＝12064kWh
蓄電池需求容量＝緊急電力需求times無日照天數times補償係數補償係數蓄電池內阻抗放電停止電壓電壓降低補償
蓄電池需求容量設計
middot 補償係數145
無日照天數1日
61市電相關規定市電相關規定市電相關規定市電相關規定
1 發電設備併接於低壓系統者其總容量未滿100kW且技術無困難者得併接於單相三線110V220V三相三線220V之配電系統若總容量在100kW以上而未滿500kW得分別併接於3相4線220V380V之配電系統
2 發電設備總容量在500kW以上而未滿5000kW10000kW且技術無困難者得分別併接於114KV228KV之高壓配電系統
3 電設備總容量在10000kW以上而未滿40000kW者得併接於特高壓之系統
4 發電設備總容量在40000kW以上者依個案研討分類
併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類
發電系統經由發電系統經由發電系統經由發電系統經由110V220V110V220V110V220V110V220V併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者發電設發電設發電設發電設備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能
1 過電壓保護 低電壓保護
2 低頻保護 高頻保護
3 過電流保護 零相過電壓接地保護
4 發電設備為無逆送電力者須加裝逆電力保護
5 發電設備為有逆送電力者必須具備主動及被動防止單獨運轉保護
發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經110V220V110V220V110V220V110V220V系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者在電在電在電在電源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器
發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業114KV228KV114KV228KV114KV228KV114KV228KV之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者((((高高高高壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶))))發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Extremely Inverse特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Extremely Inverse特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過流電驛(67)須具Normal Inverse特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
發電設備併接於電業69KV特高壓輸電系統者發電設備之輸出端至少應具有下列同等保護功能並須與電業該轄區之保護設備協調
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Normal Inverse之特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Normal Inverse之特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過電流電驛(67)須具Normal Inverse之特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
8 快速及後衛保護電驛如系統保護需要時應裝設
9 匯流排電驛採用GIS斷路器者應裝設
62626262太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範
1 故障電流
太陽光電發電系統大於100kW以上須計算故障電流其送至電業系統之故障電流不得影響電業及其他用戶斷路器之起斷容量否則需裝置限流電抗器
太陽光電發電系統之隔離變壓器接地方式須與電業之系統配合
2 正常電壓變動率應維持在plusmn5以內
3 太陽光電發電系統與電業間之責任分界點的功率因數以維持85落後至100之間運轉為原則
4 諧波污染限制應依照「電力系統諧波管制暫行標準」辦理
分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性
適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯型之規範型之規範型之規範型之規範
電力轉換器電力轉換器電力轉換器電力轉換器(電力調節器電力調節器電力調節器電力調節器)(InverterConditioner)
蓄電池蓄電池蓄電池蓄電池(Battery))
63大型(商用)太陽光發電系統應用(gt1 kWp)
太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統
單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池(Unit Solar Cell)
太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板(PV Module)
太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列(PV Array)
太陽光發電系統應用獨立系統
(A) 獨立系統(Stand-Alone
System)
bull 蓄電池保護壽命
(B) 混合型交流獨立系統 (Hybrid
System)
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
直流負載PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
整流器
輔助發電機
PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載- ~PCU
直直直直交流轉換器交流轉換器交流轉換器交流轉換器
太陽光發電系統應用併聯系統
(D)併聯系統(Grid-
connected System)
特殊功能1 最佳效能2 防止獨立運轉(連線保護)
3 可自力運轉
(E) 防逆流型系統(Off-line System)
(F) 防災型併聯系統
充電控制器
蓄電池
直交流轉換器
PCU太陽電池組列
交流負載
ATS
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
獨立型系統
適用地點高山離島基地台hellip等市電無法到達處
工作方式白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
必須可以自給自足
缺點bull 系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等
安全係數設計很困難)
bull 蓄電池建置複雜成本很高壽命很短
bull 負載搭配不良時發電效能不佳利用率將偏低
bull 需由專人隨時維護
bull 混合系統為一種解決方法
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
PCU
併聯型系統
適用地點電力正常送達之任何地點工作方式 bull 白天 PV系統併聯發電夜間由台電供電bull 將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的蓄電池
優點bull 系統簡單不需安全係數設計(依預算設計)不需要專人維護bull 併聯發電效率高利用率高
缺點bull 停電時無電可用bull 受併聯法規限制尚未開放(但即將開放)
bull 有孤島效應之疑慮(目前技術上已解決)
改善型無電池自力運轉
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
市電併聯型住宅用太陽光發電系統
太陽光發電系統發電及負載用電對時間之關係
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
併聯型直交流轉換器之效能要求較高
1 最大功率追蹤(Maximum Power Tracking MPT)
2 高轉換效率 gt 90 (PWM+電力電子元件)
3 高次諧波功率 Distortion (lt5 total)
4 自動開關機(白天夜晚)
5 過負載保護過溫度保護
6 體積小重量輕室外防水防塵
7 電腦界面可遠端監控
8 防止獨立運轉(連線保護)
9 可自力運轉
太陽電池組列
交流負載
直交流轉換器MPT
Power Conditioner
併聯系統之獨立運轉(單獨運轉)
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull停電時單一併聯系統將會停止運作
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
bull 市電停電時多數併聯系統仍聯合運作將對電力公司人員產生嚴重危害
孤島效應之防止方法
停電偵測1 過電壓低電壓
2 過頻率低頻率
3 被動式偵測如
bull 電壓與頻率監視方式
bull 電壓相位跳躍監視方式
bull 高次諧波監視方式
bull 頻率變化監視方式
PV組列
直交流轉換器
自家負載
4 主動偵測如
bull 頻率Shift方式
bull 配電線負載變動方式
bull 有效電力變動方式
bull 無效電力變動方式
反應時間05~2秒
資料來源「日本電氣用品試驗所」分散型電源系統連系技術指針(1998)
併聯系統之自力運轉功能
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull 大停電後白天有陽光時以人工啟動 PV 系統進行自力運轉供自家負載使用(但夜間無法使用)
防災型併聯型系統
適用地點有防災需求(照明汲水通信hellip)之公共設施
工作方式
bull 平時PV併聯發電(電池浮充) 效率高利用率高夜間由台電供電
bull 視需要建置供防災用電池大停電時白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
缺點bull 含電池成本較高bull 系統較複雜需專人定期維護
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
FAQ1太陽光發電需要多少土地
效率 = (輸出功率W) (組列面積 m2 x 日照強度 Wm2 ) x 100
模板面積 m2 = 輸出功率W (效率 x日照強度Wm2 ) x100
bull 假設使用效率gt136 模板於1000 Wm2 (AM15)日照強度下
10 kWp 模板面積 (m2) = 10000 (0136 x 1000) ~ 735 m2
10 kWp PV系統土地面積需求約
~ 735 m2 x 15 x 11
~ 121m2 (~36坪)
(包括陰影面積及維修空間)
bull 假設使用效率~10 模板
則模板面積約 ~ 100 m2
土地面積需求約 ~ 165m2 (~50坪)
gt55o
夏至
冬至
春秋分
235o 235oh
L1 L2
FAQ2太陽電池一年能發多少電
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
10 kWm2
05 kWm2
日照強度
等效日照時數(Sun Hour)
組列單日發電量 = 組列額定輸出功率 x 等效日照時數
bull 預估1 kWp 組列單日發電量 = 1 (kW) x ex 4(Sun Hour)= 4 kWh
組列年發電量 = 組列額定輸出功率 x 年平均每日日照時數 x 365
bull 預估 1 kWp 組列年發電量 = 1 x 4 x 365 = 1460 kWh
時間時間時間時間
FAQ3太陽光發電的成本(簡易估算)
1 假設目前太陽光發電系統設置成本約為 NT$ 280000 kWp
2 假設年平均每日日照時數約為 25 Sun Hour (台灣中南部地區)
bull 1 kWp 組列單日發電量= 1 (kW) x 25 (Hour)= 25 kWh
bull 1 kWp 組列年發電量= 25 x 365 = 913 kWh (度)
3 假設太陽光發電系統使用壽命為 20 年
bull 1 kWp 太陽光發電系統總共可發電 20 x 913 = 18260 度
4 生產每度電之成本約為 280000 18260 ~ NT$ 153
5 未來發展趨勢
bull 太陽光發電系統設置成本將逐年降低
bull 市電電費將會升高(國內目前約 NT$ 3 度日本約NT$ 7 度)
bull 傳統能源限制再生能源獎勵利率降低
64獨立型太陽光發電系統應用例(一)
bull太陽電池時鐘-日本bull太陽電池路燈-日本千里住宅公園
獨立型太陽光發電系統應用例(二)
bull太陽電池交通標誌-日本北海道 bull高速公路緊急電話-日本
獨立型太陽光發電系統應用例(三)
bull800W無線通信中繼基地台韓國(1998)
獨立型太陽光發電系統應用例(四)
bull離島用90kW獨立型發電系統韓國Ho-Do島(1992)
併聯型太陽光發電系統應用例(一)
bull設置於屋頂之住宅用太陽光發電系統(建材一體型日本千里住宅公園內住宅設計之一)
併聯型太陽光發電系統應用例(二)
bull日本東海線新幹線京都車站之太陽光發電系統(100kWp)
併聯型太陽光發電系統應用例(三)
bull日本京瓷(Kyocera)京都總公司大樓之太陽電池發電系統(220kWp)
太陽光發電發電廠應用例
太陽電池發電廠
(PV Power Plant)
資料來源 ANIT
Srl Italy
建材一體型太陽電池模板應用例
bull資料來源 Pilkington Solar International GmbH 德國
太陽能車應用例
Honda Dream
bull資料來源 PV Special Research
Centre UNSW Australia
交大太陽能車
bull資料來源 National Chiao-Tung
University Taiwan
太陽光發電航太應用例(NASA Helios )
bull空中無線通訊平台應用
資料來源SkyOne Inc Taiwan
bull 飛行高度5-7 萬英呎(最高記錄 96000 英呎)
bull 時速60 mph (起飛 25 mph)
bull 翼展247 英呎bull 重量2000 磅bull 太陽電池效率要求gt22
資料來源httpwwwaerovironmentcomhomehtml
清雲技術學院 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
個人住宅 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
勤益技術學院 3kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
南台科技大學 10kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
總統府 10kWp 獨立型太陽光能發電系統 (9012)
海巡署南沙太平島 20kWp 混合型(柴油發電機)太陽光能發電系統 (9011)
90能源基金示範補助成果例
台電樹林 20kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
併聯型
台電台北市區處 20kWp 太陽光發電系統
(91能源基金示範補助成果)
併聯型
7結論
bull (1)提高電力轉換器效率
bull 轉換器的損失主要來自於開關切換時之損失為了可以降低濾波電路中電感和電容的體積可以提高切換頻率但是相對於開關的切換損失也因此而增加導致轉換器的效率降低因此發展零電壓或零電流切換技術應用於高切換頻率之轉換器將可以提高轉換器的效率
bull (2)提高太陽光發電系統之整體效率
bull 傳統之太陽光發電系統包含儲能系統和供電系統前級利用DCDC轉換器作最大功率追蹤後級則利用DCAC轉換器轉換能量供應給交流負載為了提高太陽光發電系統的整體效率在研究可提出了模組並聯控制技術以提昇各級電力轉換器的效率而在未來太陽光發電系統也將著重在單級電力轉換器的設計對於整體系統效率有較明顯的改善
8參考資料
1許國強ldquo太陽光發電原理與應用工研院材料所 薄膜技術組91年
2華志強黃崇倫ldquo智慧型能量控制於太陽光電能轉換系統國立雲林科技大學電機工程學系電力研討會97年
3林政達ldquo數位式市電並聯換流器與快速鎖相迴路控制器之研製國立雲林科技大學電機工程學系碩士論文92 年
4李思賢ldquo數位式單相低功率太陽光電能轉換系統國立中山大學電機工程學系碩士論文92 年
5洪世杰ldquo適用於再生能源之市電併聯型雙輸入供電系統國立中正大學電機工程研究所碩士論文93 年
6王廷興ldquo太陽能發電配電設計概要台北科技大學冷凍空調系 92年
7魏榮宗王文宏ldquo高效率太陽光電能源轉換系統 元智大學電機工程學系94年
[ ] 100)25(
)11
(exp
1)(exp
3
λminus+=
minus
=
+minus
minus+minus=
TKII
TTBk
qE
T
TII
where
R
IRVIRV
AkT
qIII
ISCRLG
r
GO
r
oros
sh
ssosLG
VI cell output current and voltagecell reverse saturation currentcell temperature in CBoltzmannrsquos constantelectronic chargeshort circuit current temperature coefficientsolar irradiation in Wmshort-circuit current at 25 Cand 1000 Wm
light-generated currentband gap for siliconideality factorsreference temperaturecell saturation current atshunt resistanceseries resistance
osI
T
kq
00170=IK
SCRIλ
LGI
GOE
921== ABKTr deg= 18301
orI
shR
sR
附錄附錄附錄附錄- 太陽能電池太陽能電池太陽能電池太陽能電池
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
(a) Equivalent circuit of a PV module and
(b) Typical PV module current-voltage and power-voltage characteristics
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
Characteristic of a PV module with temperature and irradiation (a) constant irradiation and varying temperature and (b) constant temperature and varying irradiation
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
系統範例系統範例系統範例系統範例
中途驛站電化PV離島用PV系統山岳地帶PV系統離島偏遠區
勤務指揮中心緊急避難所醫療院所公園學校地震觀測站森林嘹望台避難指示燈氣象觀測所水位警報PV系統河川安全燈防波堤安全PV燈
緊急防災
緊急供電系統管線電氣防蝕輸油管流量計PV系統市場廣告塔海上石油平台各種計測站PV系統發電廠情報指揮中心
產業用
住宅用供電系統緊急供電系統緊急照明系統帷幕牆遮陽棚採光罩屋瓦建築物
無線通信用中繼站基地台緊急電話中繼站電話通信PV系統Radio受信PV系統微波中繼站
通訊
農宅用電溫室栽培PV系統農業灌溉用自動灑水系統農牧電籬牛乳冷藏漁業養殖揚水通氣自動餵食器
農林漁牧
路燈交通號誌道路指示牌標誌燈太陽能電動車充電站高速公路緊急電話偏遠道路緊急電話停車計時器停車場控制門系統高速公路防音壁PV系統公路休息區PV系統太陽能車平交道指示燈候車亭PV系統車站屋頂型PV系統
道路交通
收音機測電表手錶計算機太陽能照相機手電筒電池充電器野營燈民生
應用領域
3系統電路架構與動作模式
bull A
bull 本文所述之系統為一太陽光電能轉換系統方塊圖如圖5 所示主要部分包括太陽能板直流-直流轉換器全橋式換流器數位訊號處理器感測迴授電路與驅動電路此一系統之基本動作情況為一般情況下斷路器1 和斷路器2 均為導通狀態此時太陽光電能轉換系統與電力網路處於連結運轉模式而當電力網路供電中斷時斷路器2 將被斷路以避免孤島現象的發生反之若是太陽光電能轉換系統發生故障時斷路器1 將被斷路以避免電力網路受到其故障的影響
31系統電路架構與動作模式
bull B
bull 電路工作模式bull 此一太陽光電能轉換系統主要有兩種工
作模式以下為二種工作模式的操作說明
bull (1) 獨立運轉模式bull 如圖6 所示獨立運轉模式為當電力網
路供電中斷時斷路器2 將被斷路而此時太陽光電能轉換系統將操作在電壓控制模式下提供負載一穩定的輸出電壓
bull (2) 與電力網路連結運轉模式bull 如圖7 所示與電力網路連結運轉模式
將太陽光電能轉換系統與電力網路連結運轉也就是斷路器1 和斷路器2 同時導通此時系統將操作在電流控制模式下首先經由最大功率點追蹤程式運算出瞬時最大功率點的電流參考值再根據此一電流參考值輸出一與電力網路電壓同相位的電流至負載或甚至回送至電力網路
31直流至直流切換式轉換器
典型直流至直流轉換器系統之構造如圖21所示其輸入通常為由線電壓整
流而得之非調節直流電壓然後再利用切換式直流至直流轉換器將此變動之
直流電壓轉換成一調節之直流電壓
無控制之二極體橋式整流器
交流線電壓
(單相或三相)
直流電壓
(無調節性)
濾波電容 (無調節性)
直流至直流轉換器 (具調節性)
負載
蓄電池
直流電壓 直流電壓
控制訊號1降壓式(step-down buck)轉換器
2升壓式(step-up boost)轉換器
3升降壓式(step-downstep-up buck-boost)轉換器
4全橋式轉換器
上述四種轉換器中只有降壓式及升壓式是最基本的轉換器電路架構升
降壓式轉換器是此二基本轉換器之結合而全橋式轉換器則是由降壓式轉
換器衍生而來
直流至直流轉換器之控制
直流至直流轉換器的作用即是在輸入電壓與輸出負載變動的情況下能夠調
節輸出電壓為所設定的位準電壓位準轉換之原理可以圖22(a)所示之簡單
電路來說明由開關導通與截止可得圖22(b)之波形其中輸出電壓vo平均
值大小Vo與開關之導通及截止時間(ton及toff)有關平均輸出電壓大小調整
之最典型的方式是採用脈波寬度調變法(Pulse-Width ModulationPWM)
其切換週期Ts(= ton+toff)為固定由調整導通時間之大小來改變平均輸出電
壓之大小Vo
+
_
Vd
R
+
_
Vo
0Vd
Vo
vo
tton toff
Ts
脈波寬度調變切換控制的方塊圖如
圖23(a)所示開關之切換控制信號
由控制訊號vcontrol與週期為Ts之鋸齒
波vst比較而得控制信號則由Vo之
實際值與設定值之誤差放大而得
vcontrol與vst比較所得之切換控制信號
的波形如圖23(b)所示當控制訊號
vst較大時則為高準位信號即使
開關導通反之為低準位信號即使
開關截止故開關之切換週期亦為
Ts 由以上的原理可知開關切換
之責任週期 (Duty Ratio)為D=tonTs
=vcontrolVst 其中Vst為鋸齒波之振
幅
放大器
+
-Vo
(設定)
(實際)
Vo
比較器
週期性波形 stv
切換控制訊號
控制訊號
0 t
$Vst
=stv 鋸齒波電壓
controlv (放大誤差)
On On
Off Off
stcontrol vv gt
stcontrol vv ltton toff
Ts
切換控制訊號
(切換頻率 fT
s
s
=1
)
升壓式直流至直流轉換器
圖211為升壓式轉換器電路主要用途為直流電源供應器與直流馬達之
再生制動(Regenerative Breaking)顧名思義其輸出電壓高過於其輸入
電壓當開關導通時二極體反向偏壓輸入電能儲存於電感負載電
能則由電容提供當開關截止時負載吸收輸入及儲存電感中之電能
-
L
CRVd
Vo
vL
iL
io
+
-
++
_
t0
t0
vL
iL
I L
Ts
toffton
_++
_
+
_
+ _+
_
+
_
iL
vL
Vd Vo
iL
vL
Vd Vo
)( dV
)( od VV minus
圖212所示為電感電流為連續之
穩態工作波形由穩態下電感電
壓一週期之平均值為零可得
0)( =minus+ offodond tVVtV
等號兩側除以Ts重新整理可得
Dt
T
V
V
off
s
d
o
minus==
1
1
假設電路無損失輸入功率
Pd=VdId 等 於 輸 出 功 率
Po=VoIo 則
)1( DI
I
d
o minus=
非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器
bullBoost之設計假設輸入10V輸出30V頻率50kHz輸出10W
所以D＝23
( ) s
o
o TDDP
VL
22
12
minusge
=6667uH
取75uH
D
VV in
o minus=
1
L
Vi
n
S Vo
+
_
C
DiL
vds
升降壓式直流至直流轉換器
升降壓式轉換器的主要用途為輸入與輸出之極性相反輸出電壓可以高於
或低於輸入電壓之直流電源供應器升降壓式轉換器可以由降壓式轉換器
與升壓式轉換式串接而成穩態下輸入與輸出電壓轉換器之比值為二轉換
器個別比值之乘積
D
D
V
V
d
o
minus=
1
因此變化責任週期D可使輸出電壓高於或低於輸入電壓
+
_
+
_
_
+
RC Vo
L
Vd
io
iLvL
id
降壓式直流至直流轉換器
降壓式轉換器顧名思義其作用為將較高準位的輸入電壓換成較低
準位的輸出電壓主要用途為直流電源供應器及直流馬達速度控制
圖22(a)所示為提供純電阻性負載之降壓式轉換器由圖22(b)可知其輸
出電壓波形由開關位置決定平均輸出電壓為
dd
s
onT
t
t
d
s
T
o
s
o DVVT
tddV
Tdv
TV
s
on
ons ==+== intintint )0(1
)(1
00ττττ
+
_
Vd
R
+
_
Vo
0Vd
Vo
vo
tton toff
Ts
32直流至交流切換式反流器
切換式直流至交流(DCAC)反流器(Inveter)乃用以將直流電源轉換成振幅
與頻率均可調之正弦式交流電源主要用途為交流馬達驅動與交流不斷
電電源供應器圖31為典型交流馬達驅動之反流器方塊圖其直流輸入
電壓通常由線電壓整流及濾波而得接著再利用切換式反流器改變輸出
電壓之振幅與頻率以驅動交流馬達切換式反流器功率之流通通常是
由直流至交流稱為反流模式但亦可以從交流至直流稱為整流模
式
+
_
交流馬達
二極體整流器 濾波電容 切換式反流器
Vd
三相交流電源
反流器包括單相及三相其輸入為直流電壓源者稱為電壓源反流器
(Voltage Source InverterVSI)另外若輸入為直流電流源者稱為電流
反流器(Current Source InverterCSI)目前僅應用在高功率之交流馬達
驅動器
1脈波寬度調變(PWM)反流器其輸入電壓通常為固定反流器本身具備變
頻及變壓的功能而變頻及變壓乃利用開關之脈波寬度調變切換控制達成
有許多類型之脈波寬度變技術可以使輸出電壓近似弦波
2方波(Square-Wave)反流器此反流器輸出電壓振幅乃由其輸入電壓調
整
反流器本身只控制輸出頻率交流輸出電壓波形近似方波因此乃稱方波
反流器
3採用電壓消去法(Voltage Cancellation)之單相反流器單相反流器當輸入
電壓為定值時可以利用電壓消去法來變頻及變壓而不須採用脈波寬度
調變其輸出電壓波形近似方波因此其結合了前述兩種反流器的特色
值得注意的是電壓消去法並不適用於三相反流器
切換式反流器之基本觀念
考慮圖33(a)之單相反流器假設其正弦輸出電壓vo是經過濾波所得若
輸出之負載為電感性(如馬達)則輸出電流io將落後vo 如圖33(b)所示
在期間1及3中 vo與io同號瞬時功率Po=voio為正故功率由直流側送至
交流側稱之為反流模式在期間2及4中 vo與io異號瞬時功率Po為負
故功率由交流側送至直流側稱之為整流模式圖33(a)之切換式反流器
在每一週期內會經歷平面上四個象限中之所有象限
單相切
換式變
流器與
濾波器
o
o
+
-
+
-
Vd
vo
id
io
0t
4 1 2 3
voio
io
vo
1反流器
4整流器
3反流器
2整流器
0
為清楚解釋起見以單臂反流器來說明
+
_
+
_
+ +
__
Vd
Vd
2
Vd
2
A
N
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
vAN
oo
o
反流器電路之脈波寬度調變切換技術如圖35(a)所示由一正弦波形控
制訊號vcontrol與三角波形vtri作比較三角波(又稱載波)之振幅為Vtri頻率
為fs fs決定反流器開關之切換頻率正弦波控制電壓vcontrol(又稱調制訊
號)之基頻f1決定反流器之輸出頻率而其振幅則決定反流器輸出電壓之
大小定義振幅調變指數為ma=Vcontrol Vtri 其中Vcontrol為vcontrol之振幅
而頻率調變指數則定義為mf = fs f1
0 t
vcontrol vtri
sf
1
0 t
vAo
V d
2
minusVd
2
t=0
v v
T on T off
control tri
A A
lt
minus + v v
T on T off
control tri
A A
gt
+ minus
1)( AoAo vv =之基本波
0 t
vcontrol vtri
sf
1
圖34反流器之開關的控制方法與io方向無關為
dAoAtricontrol VvTvv2
1=gt +導通
dAoAtricontrol VvTvv2
1minus=lt minus導通
由於二開關之導通為互補因此輸出電壓只在Vd 2與-Vd 2二值間作變
動圖35(b)所示為ma=08與mf =15時輸出電壓vAo及其基本波(以虛線表示)
之波形
+
_
+
_
+ +
__
Vd
Vd
2
Vd
2
A
N
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
vAN
oo
o
單相全橋式反流器
單相全橋式反流器如圖311所示乃由兩個前述之半橋反流器所組成在
相同之輸入電壓下全橋式反流器之最大輸出電壓為半橋式之兩倍這代
表在相同之功率下全橋式反流器之輸出及開關電流僅為半橋式之一半
此對於高功率用途是一大優點因其可以降低使用並聯元件之需求
+
_
+
_
+
_
Vd
Vd
2
Vd
2
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
v v vo Ao Bo= minuso
A
B
TBminus
TB+
DBminus
DB+
+_
id
o
o
N
雙極性電壓切換之脈波寬度調變
0 t
vcontrolvtri
sf
1
0 t
ov1ov
dV
dVminus
單極性電壓切換之脈波寬度調變
onBT +
trivgttricontrol vv gt
trivcontrolv
t
)( controlvminus
)( controlvminusonAT +
t1ov
dV
dVminus
)( BNAN
o
vv
v
minus=
應用雙極性電壓切換之脈波寬度調
變全橋式反流器乃 (TA+TB-)與 (TA-
TB+)成對切換且二者互相反相
應用單極性電壓切換之脈波寬度調
變全橋式反流器乃A臂與B獨立切
換且同臂二開關互相反相
三相反流器
+
-
+
-
+
-
dV
2dV
2dV
+AT
minusAT
+AD
minusAD
o
BminusT
+BT
minusBD
+BD
di
minusCT
+CT
minusCD
+CD
N
A B C
o
0 t
triv Acontrolv Bcontrolv Ccontrolv
0
BNANAB vvv minus=
t
dV
之基本波1LLv
ANv
0 t
dV
t0
BNv
dV
三相電壓源反流器之脈波寬度調變切換的功能為在固定輸入直流電壓下用以調整三相輸出電壓之振幅及頻率三相脈波寬度調變方式由三相各差120度的控制電壓與三角波作比較其波形與單相全橋式反流器採用脈波寬度調變單極性切換者類似
最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法
33最大功率追蹤最大功率追蹤最大功率追蹤最大功率追蹤
為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點本文使用本文使用本文使用本文使用擾動觀察法擾動觀察法擾動觀察法擾動觀察法(Perturbation and Observation Method PampQ)進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功率追蹤率追蹤率追蹤率追蹤由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點下圖為擾動下圖為擾動下圖為擾動下圖為擾動觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖為利用為利用為利用為利用DCDC轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作時時時時其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為0之特性之特性之特性之特性使用使用使用使用DCDC轉換器控制太陽轉換器控制太陽轉換器控制太陽轉換器控制太陽能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動
擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖
最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法
左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖蹤示意圖蹤示意圖蹤示意圖太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分為兩個特性區域為兩個特性區域為兩個特性區域為兩個特性區域假設進行追蹤假設進行追蹤假設進行追蹤假設進行追蹤時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時電壓電壓電壓電壓的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率增加增加增加增加若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出功率減少功率減少功率減少功率減少經由經由經由經由DCDC轉換器調轉換器調轉換器調轉換器調節太陽能板與節太陽能板與節太陽能板與節太陽能板與DCDC轉換器的阻轉換器的阻轉換器的阻轉換器的阻抗相互匹配抗相互匹配抗相互匹配抗相互匹配進而得到太陽能板進而得到太陽能板進而得到太陽能板進而得到太陽能板的最大輸出功率的最大輸出功率的最大輸出功率的最大輸出功率
擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖
4軟體規劃
bull 系統控制程式主要分為主程式固定週期中斷副程式市電電壓零交越中斷副程式等三大部分以下將分別介紹各部分程式流程
bull 本系統主程式主要執行數位訊號處理器周邊暫存器的初始設定以及變數宣告其中除了變數宣告外周邊暫存器的初始設定包括有規畫中斷向量設定計數器之計數模式計數週期中斷的時間和PWM 輸出模式等相關參數設定
bull 如圖8 所示系統初始設定後必須先等待中斷發生才能決定系統是否執行固定週期中斷程式或零交越中斷副程式
bull 圖9 為固定週期中斷副程式流程圖固定週期中斷頻率與換流器開關之切換頻率相同為20kHz程式開始會先偵測太陽能板電壓及電流與直流鏈電壓當確定市電電壓零交越中斷發生時必須先將輸出弦波訊號之指標強制為原點重新送出單位弦波確保換流器輸出電流與市電電壓能維持同相位接著比較太陽能板輸入電壓VPV 是否大於最低工作電壓VPV_work如果確定大於最低工作電壓則致能太陽能最大功率追蹤反之則禁能系統動作程式返回圖9 中的正弦脈寬調變副程式主要功能在於決定換流器中開關的動作順序與責任週期大小以及輸波參考訊號
bull 圖10 為太陽能最大功率點追蹤副程式流程圖在文中對最大功率追蹤採用擾動與觀察法配合太陽能光電板的電壓mdash功率特性曲線即可瞭解程式如何完成太陽能光電板最大功率點追蹤
主程式流程圖
5實驗
bull 依據上述的分析採用DSP 2407A 建立一個500W 太陽光電池電能轉換系統依據圖11 之
bull 電路架構其規格與元件參數分別列於表一表二及表三系統實驗波形圖12圖13圖14 及
bull 圖15 為系統操作在獨立運轉模式下負載分別為120W240W360W 及480W 時之換流器輸出
bull 電壓及輸出電流之實測波形
系統規格與元件參數
實測波形
6實務應用系統實務應用系統實務應用系統實務應用系統
獨立系統示意圖獨立系統示意圖
考慮點
系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等安全係數最佳化設計複雜)
一般充電控制器無 MPPT搭配蓄電池使發電效能較差
蓄電池每日gt50DOD深度放電gt02C充電壽命短
太陽光發電量與負載需求量不搭配時太陽光之發電能量利用率偏低 (負載需求搭配與安全係數為互相矛盾之設計)
PV-柴油發電機PV-風力等混合系統為改善之方法
市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台
電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池
併聯系統示意圖併聯系統示意圖
緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析
1 系統設置成本高建議使用於邊際效益高之用電（防災緊急輔助電力）
2 總體經濟效益減少環境污染解決尖峰用電之不足與短缺能源多元化之風險分擔與開創自主能源
3 遮蔽陽光直曬降低建築物之熱效應（被動省能）同時轉換太陽光為電能供應建物自主能源（主動節能）一舉兩得
緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較
30萬元divide21900kWh＝137元度2萬元divide50kWh＝400元度每度電成本
日發電度數times365天times20年＝3hrtimes1kWtimes365天times20年＝21900kWh（度）
（年停電＋年測試運轉時數）times10年＝（20mintimes6次＋15mintimes12月）times10年＝5hrtimes1kWtimes10年＝50kWh
總發電度數（1kw計）
夜間不發電（可利用蓄電池設計供電年維運費02）
噪音空污油料運輸儲油危險維運成本高
缺點
利用露台屋頂牆面空間設備煙管隔音油槽需室內空間
設置空間
平時緊急時均可使用隨時可了解運轉狀況不須操作
加ATS停電時方可啟動需人員每月定期測試運轉
系統運作
太陽光潔淨能源（免費）柴油使用燃料
20年7~10年使用壽命
1kW=30萬元1kW=2~3萬元設置費用
太陽光發電系統柴油發電機
風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析
運用多元化能源分擔風險情況比較說明如下
1 市電--gt停電時風險極高
2 市電＋柴油發電機--gt發電機故障時風險高
市電＋柴油發電機＋太陽光發電系統--gt發揮三者優點互補同時故障機率小風險最低
案例
832kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide057＝317 m2
115kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide075＝332 m2
緊急時057平時065~08
綜合係數溫度變化污損線損Inverter效率＋蓄電池充放電補償
電力需求divide（日照強度times日照時間times模板效率times綜合係數）
模組面積估算
日照強度1kWm2
日照時間384hd
模板效率12
832kWhd500人用電量115kWhd770人用電量
緊急時平時
電力需求估算
緊急時40kWtimes384hdtimes057＝875 kWhd
平時40kWtimes384hdtimes075＝1152Whd
太陽發電系統發電量＝設置容量times日照時間times綜合係數
發電量計算
332m2times1kWm2times12＝398kW≒40kW
太陽發電系統設置容量＝設置面積times日照強度times模板效率
設置容量計算模板效率依太陽電池種類而異
進行模板陣列及蓄電池容量設計
40kWdivide18片串divide120W＝185列≒19
列
40kWdivide17片串divide120W＝196列≒20
列
陣列併列數＝設置容量divide單串功率
18片times120W＝2160W
17片times120W＝2040W
單串功率
300Vdivide169V＝1775片（取整數17 or 18）
陣列串聯數＝Inverter輸入電壓divide模板輸出電壓
模板陣列設計
1 模板功率120W
2 模板輸出電壓169V
3 直交流轉換器(Inverter)輸入電壓300V
120Wtimes17片串times20列＝40800W＝340片(最佳陣列)
120Wtimes18片串times19列＝41080W＝342片
最佳陣列較經濟之設置容量選擇最佳陣列
蓄電池數量＝144個times2列＝288個
120640Whdivide288Vdivide200Ah＝21列≒2列
併列數＝蓄電池需求容量divideInverter額定電壓
288Vdivide2V＝144個
串聯數＝Inverter額定電壓divide蓄電池電壓串併數設計
middot 蓄電池電壓2V個
middot 蓄電池容量200Ah個
Inverter電壓輸入電壓 額定電壓300V 288V200V 192V
蓄電池需求容量＝832kWhdtimes1dtimes145＝12064kWh
蓄電池需求容量＝緊急電力需求times無日照天數times補償係數補償係數蓄電池內阻抗放電停止電壓電壓降低補償
蓄電池需求容量設計
middot 補償係數145
無日照天數1日
61市電相關規定市電相關規定市電相關規定市電相關規定
1 發電設備併接於低壓系統者其總容量未滿100kW且技術無困難者得併接於單相三線110V220V三相三線220V之配電系統若總容量在100kW以上而未滿500kW得分別併接於3相4線220V380V之配電系統
2 發電設備總容量在500kW以上而未滿5000kW10000kW且技術無困難者得分別併接於114KV228KV之高壓配電系統
3 電設備總容量在10000kW以上而未滿40000kW者得併接於特高壓之系統
4 發電設備總容量在40000kW以上者依個案研討分類
併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類
發電系統經由發電系統經由發電系統經由發電系統經由110V220V110V220V110V220V110V220V併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者發電設發電設發電設發電設備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能
1 過電壓保護 低電壓保護
2 低頻保護 高頻保護
3 過電流保護 零相過電壓接地保護
4 發電設備為無逆送電力者須加裝逆電力保護
5 發電設備為有逆送電力者必須具備主動及被動防止單獨運轉保護
發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經110V220V110V220V110V220V110V220V系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者在電在電在電在電源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器
發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業114KV228KV114KV228KV114KV228KV114KV228KV之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者((((高高高高壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶))))發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Extremely Inverse特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Extremely Inverse特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過流電驛(67)須具Normal Inverse特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
發電設備併接於電業69KV特高壓輸電系統者發電設備之輸出端至少應具有下列同等保護功能並須與電業該轄區之保護設備協調
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Normal Inverse之特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Normal Inverse之特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過電流電驛(67)須具Normal Inverse之特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
8 快速及後衛保護電驛如系統保護需要時應裝設
9 匯流排電驛採用GIS斷路器者應裝設
62626262太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範
1 故障電流
太陽光電發電系統大於100kW以上須計算故障電流其送至電業系統之故障電流不得影響電業及其他用戶斷路器之起斷容量否則需裝置限流電抗器
太陽光電發電系統之隔離變壓器接地方式須與電業之系統配合
2 正常電壓變動率應維持在plusmn5以內
3 太陽光電發電系統與電業間之責任分界點的功率因數以維持85落後至100之間運轉為原則
4 諧波污染限制應依照「電力系統諧波管制暫行標準」辦理
分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性
適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯型之規範型之規範型之規範型之規範
電力轉換器電力轉換器電力轉換器電力轉換器(電力調節器電力調節器電力調節器電力調節器)(InverterConditioner)
蓄電池蓄電池蓄電池蓄電池(Battery))
63大型(商用)太陽光發電系統應用(gt1 kWp)
太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統
單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池(Unit Solar Cell)
太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板(PV Module)
太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列(PV Array)
太陽光發電系統應用獨立系統
(A) 獨立系統(Stand-Alone
System)
bull 蓄電池保護壽命
(B) 混合型交流獨立系統 (Hybrid
System)
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
直流負載PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
整流器
輔助發電機
PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載- ~PCU
直直直直交流轉換器交流轉換器交流轉換器交流轉換器
太陽光發電系統應用併聯系統
(D)併聯系統(Grid-
connected System)
特殊功能1 最佳效能2 防止獨立運轉(連線保護)
3 可自力運轉
(E) 防逆流型系統(Off-line System)
(F) 防災型併聯系統
充電控制器
蓄電池
直交流轉換器
PCU太陽電池組列
交流負載
ATS
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
獨立型系統
適用地點高山離島基地台hellip等市電無法到達處
工作方式白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
必須可以自給自足
缺點bull 系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等
安全係數設計很困難)
bull 蓄電池建置複雜成本很高壽命很短
bull 負載搭配不良時發電效能不佳利用率將偏低
bull 需由專人隨時維護
bull 混合系統為一種解決方法
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
PCU
併聯型系統
適用地點電力正常送達之任何地點工作方式 bull 白天 PV系統併聯發電夜間由台電供電bull 將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的蓄電池
優點bull 系統簡單不需安全係數設計(依預算設計)不需要專人維護bull 併聯發電效率高利用率高
缺點bull 停電時無電可用bull 受併聯法規限制尚未開放(但即將開放)
bull 有孤島效應之疑慮(目前技術上已解決)
改善型無電池自力運轉
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
市電併聯型住宅用太陽光發電系統
太陽光發電系統發電及負載用電對時間之關係
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
併聯型直交流轉換器之效能要求較高
1 最大功率追蹤(Maximum Power Tracking MPT)
2 高轉換效率 gt 90 (PWM+電力電子元件)
3 高次諧波功率 Distortion (lt5 total)
4 自動開關機(白天夜晚)
5 過負載保護過溫度保護
6 體積小重量輕室外防水防塵
7 電腦界面可遠端監控
8 防止獨立運轉(連線保護)
9 可自力運轉
太陽電池組列
交流負載
直交流轉換器MPT
Power Conditioner
併聯系統之獨立運轉(單獨運轉)
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull停電時單一併聯系統將會停止運作
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
bull 市電停電時多數併聯系統仍聯合運作將對電力公司人員產生嚴重危害
孤島效應之防止方法
停電偵測1 過電壓低電壓
2 過頻率低頻率
3 被動式偵測如
bull 電壓與頻率監視方式
bull 電壓相位跳躍監視方式
bull 高次諧波監視方式
bull 頻率變化監視方式
PV組列
直交流轉換器
自家負載
4 主動偵測如
bull 頻率Shift方式
bull 配電線負載變動方式
bull 有效電力變動方式
bull 無效電力變動方式
反應時間05~2秒
資料來源「日本電氣用品試驗所」分散型電源系統連系技術指針(1998)
併聯系統之自力運轉功能
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull 大停電後白天有陽光時以人工啟動 PV 系統進行自力運轉供自家負載使用(但夜間無法使用)
防災型併聯型系統
適用地點有防災需求(照明汲水通信hellip)之公共設施
工作方式
bull 平時PV併聯發電(電池浮充) 效率高利用率高夜間由台電供電
bull 視需要建置供防災用電池大停電時白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
缺點bull 含電池成本較高bull 系統較複雜需專人定期維護
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
FAQ1太陽光發電需要多少土地
效率 = (輸出功率W) (組列面積 m2 x 日照強度 Wm2 ) x 100
模板面積 m2 = 輸出功率W (效率 x日照強度Wm2 ) x100
bull 假設使用效率gt136 模板於1000 Wm2 (AM15)日照強度下
10 kWp 模板面積 (m2) = 10000 (0136 x 1000) ~ 735 m2
10 kWp PV系統土地面積需求約
~ 735 m2 x 15 x 11
~ 121m2 (~36坪)
(包括陰影面積及維修空間)
bull 假設使用效率~10 模板
則模板面積約 ~ 100 m2
土地面積需求約 ~ 165m2 (~50坪)
gt55o
夏至
冬至
春秋分
235o 235oh
L1 L2
FAQ2太陽電池一年能發多少電
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
10 kWm2
05 kWm2
日照強度
等效日照時數(Sun Hour)
組列單日發電量 = 組列額定輸出功率 x 等效日照時數
bull 預估1 kWp 組列單日發電量 = 1 (kW) x ex 4(Sun Hour)= 4 kWh
組列年發電量 = 組列額定輸出功率 x 年平均每日日照時數 x 365
bull 預估 1 kWp 組列年發電量 = 1 x 4 x 365 = 1460 kWh
時間時間時間時間
FAQ3太陽光發電的成本(簡易估算)
1 假設目前太陽光發電系統設置成本約為 NT$ 280000 kWp
2 假設年平均每日日照時數約為 25 Sun Hour (台灣中南部地區)
bull 1 kWp 組列單日發電量= 1 (kW) x 25 (Hour)= 25 kWh
bull 1 kWp 組列年發電量= 25 x 365 = 913 kWh (度)
3 假設太陽光發電系統使用壽命為 20 年
bull 1 kWp 太陽光發電系統總共可發電 20 x 913 = 18260 度
4 生產每度電之成本約為 280000 18260 ~ NT$ 153
5 未來發展趨勢
bull 太陽光發電系統設置成本將逐年降低
bull 市電電費將會升高(國內目前約 NT$ 3 度日本約NT$ 7 度)
bull 傳統能源限制再生能源獎勵利率降低
64獨立型太陽光發電系統應用例(一)
bull太陽電池時鐘-日本bull太陽電池路燈-日本千里住宅公園
獨立型太陽光發電系統應用例(二)
bull太陽電池交通標誌-日本北海道 bull高速公路緊急電話-日本
獨立型太陽光發電系統應用例(三)
bull800W無線通信中繼基地台韓國(1998)
獨立型太陽光發電系統應用例(四)
bull離島用90kW獨立型發電系統韓國Ho-Do島(1992)
併聯型太陽光發電系統應用例(一)
bull設置於屋頂之住宅用太陽光發電系統(建材一體型日本千里住宅公園內住宅設計之一)
併聯型太陽光發電系統應用例(二)
bull日本東海線新幹線京都車站之太陽光發電系統(100kWp)
併聯型太陽光發電系統應用例(三)
bull日本京瓷(Kyocera)京都總公司大樓之太陽電池發電系統(220kWp)
太陽光發電發電廠應用例
太陽電池發電廠
(PV Power Plant)
資料來源 ANIT
Srl Italy
建材一體型太陽電池模板應用例
bull資料來源 Pilkington Solar International GmbH 德國
太陽能車應用例
Honda Dream
bull資料來源 PV Special Research
Centre UNSW Australia
交大太陽能車
bull資料來源 National Chiao-Tung
University Taiwan
太陽光發電航太應用例(NASA Helios )
bull空中無線通訊平台應用
資料來源SkyOne Inc Taiwan
bull 飛行高度5-7 萬英呎(最高記錄 96000 英呎)
bull 時速60 mph (起飛 25 mph)
bull 翼展247 英呎bull 重量2000 磅bull 太陽電池效率要求gt22
資料來源httpwwwaerovironmentcomhomehtml
清雲技術學院 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
個人住宅 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
勤益技術學院 3kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
南台科技大學 10kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
總統府 10kWp 獨立型太陽光能發電系統 (9012)
海巡署南沙太平島 20kWp 混合型(柴油發電機)太陽光能發電系統 (9011)
90能源基金示範補助成果例
台電樹林 20kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
併聯型
台電台北市區處 20kWp 太陽光發電系統
(91能源基金示範補助成果)
併聯型
7結論
bull (1)提高電力轉換器效率
bull 轉換器的損失主要來自於開關切換時之損失為了可以降低濾波電路中電感和電容的體積可以提高切換頻率但是相對於開關的切換損失也因此而增加導致轉換器的效率降低因此發展零電壓或零電流切換技術應用於高切換頻率之轉換器將可以提高轉換器的效率
bull (2)提高太陽光發電系統之整體效率
bull 傳統之太陽光發電系統包含儲能系統和供電系統前級利用DCDC轉換器作最大功率追蹤後級則利用DCAC轉換器轉換能量供應給交流負載為了提高太陽光發電系統的整體效率在研究可提出了模組並聯控制技術以提昇各級電力轉換器的效率而在未來太陽光發電系統也將著重在單級電力轉換器的設計對於整體系統效率有較明顯的改善
8參考資料
1許國強ldquo太陽光發電原理與應用工研院材料所 薄膜技術組91年
2華志強黃崇倫ldquo智慧型能量控制於太陽光電能轉換系統國立雲林科技大學電機工程學系電力研討會97年
3林政達ldquo數位式市電並聯換流器與快速鎖相迴路控制器之研製國立雲林科技大學電機工程學系碩士論文92 年
4李思賢ldquo數位式單相低功率太陽光電能轉換系統國立中山大學電機工程學系碩士論文92 年
5洪世杰ldquo適用於再生能源之市電併聯型雙輸入供電系統國立中正大學電機工程研究所碩士論文93 年
6王廷興ldquo太陽能發電配電設計概要台北科技大學冷凍空調系 92年
7魏榮宗王文宏ldquo高效率太陽光電能源轉換系統 元智大學電機工程學系94年
[ ] 100)25(
)11
(exp
1)(exp
3
λminus+=
minus
=
+minus
minus+minus=
TKII
TTBk
qE
T
TII
where
R
IRVIRV
AkT
qIII
ISCRLG
r
GO
r
oros
sh
ssosLG
VI cell output current and voltagecell reverse saturation currentcell temperature in CBoltzmannrsquos constantelectronic chargeshort circuit current temperature coefficientsolar irradiation in Wmshort-circuit current at 25 Cand 1000 Wm
light-generated currentband gap for siliconideality factorsreference temperaturecell saturation current atshunt resistanceseries resistance
osI
T
kq
00170=IK
SCRIλ
LGI
GOE
921== ABKTr deg= 18301
orI
shR
sR
附錄附錄附錄附錄- 太陽能電池太陽能電池太陽能電池太陽能電池
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
(a) Equivalent circuit of a PV module and
(b) Typical PV module current-voltage and power-voltage characteristics
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
Characteristic of a PV module with temperature and irradiation (a) constant irradiation and varying temperature and (b) constant temperature and varying irradiation
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
系統範例系統範例系統範例系統範例
中途驛站電化PV離島用PV系統山岳地帶PV系統離島偏遠區
勤務指揮中心緊急避難所醫療院所公園學校地震觀測站森林嘹望台避難指示燈氣象觀測所水位警報PV系統河川安全燈防波堤安全PV燈
緊急防災
緊急供電系統管線電氣防蝕輸油管流量計PV系統市場廣告塔海上石油平台各種計測站PV系統發電廠情報指揮中心
產業用
住宅用供電系統緊急供電系統緊急照明系統帷幕牆遮陽棚採光罩屋瓦建築物
無線通信用中繼站基地台緊急電話中繼站電話通信PV系統Radio受信PV系統微波中繼站
通訊
農宅用電溫室栽培PV系統農業灌溉用自動灑水系統農牧電籬牛乳冷藏漁業養殖揚水通氣自動餵食器
農林漁牧
路燈交通號誌道路指示牌標誌燈太陽能電動車充電站高速公路緊急電話偏遠道路緊急電話停車計時器停車場控制門系統高速公路防音壁PV系統公路休息區PV系統太陽能車平交道指示燈候車亭PV系統車站屋頂型PV系統
道路交通
收音機測電表手錶計算機太陽能照相機手電筒電池充電器野營燈民生
應用領域
31系統電路架構與動作模式
bull B
bull 電路工作模式bull 此一太陽光電能轉換系統主要有兩種工
作模式以下為二種工作模式的操作說明
bull (1) 獨立運轉模式bull 如圖6 所示獨立運轉模式為當電力網
路供電中斷時斷路器2 將被斷路而此時太陽光電能轉換系統將操作在電壓控制模式下提供負載一穩定的輸出電壓
bull (2) 與電力網路連結運轉模式bull 如圖7 所示與電力網路連結運轉模式
將太陽光電能轉換系統與電力網路連結運轉也就是斷路器1 和斷路器2 同時導通此時系統將操作在電流控制模式下首先經由最大功率點追蹤程式運算出瞬時最大功率點的電流參考值再根據此一電流參考值輸出一與電力網路電壓同相位的電流至負載或甚至回送至電力網路
31直流至直流切換式轉換器
典型直流至直流轉換器系統之構造如圖21所示其輸入通常為由線電壓整
流而得之非調節直流電壓然後再利用切換式直流至直流轉換器將此變動之
直流電壓轉換成一調節之直流電壓
無控制之二極體橋式整流器
交流線電壓
(單相或三相)
直流電壓
(無調節性)
濾波電容 (無調節性)
直流至直流轉換器 (具調節性)
負載
蓄電池
直流電壓 直流電壓
控制訊號1降壓式(step-down buck)轉換器
2升壓式(step-up boost)轉換器
3升降壓式(step-downstep-up buck-boost)轉換器
4全橋式轉換器
上述四種轉換器中只有降壓式及升壓式是最基本的轉換器電路架構升
降壓式轉換器是此二基本轉換器之結合而全橋式轉換器則是由降壓式轉
換器衍生而來
直流至直流轉換器之控制
直流至直流轉換器的作用即是在輸入電壓與輸出負載變動的情況下能夠調
節輸出電壓為所設定的位準電壓位準轉換之原理可以圖22(a)所示之簡單
電路來說明由開關導通與截止可得圖22(b)之波形其中輸出電壓vo平均
值大小Vo與開關之導通及截止時間(ton及toff)有關平均輸出電壓大小調整
之最典型的方式是採用脈波寬度調變法(Pulse-Width ModulationPWM)
其切換週期Ts(= ton+toff)為固定由調整導通時間之大小來改變平均輸出電
壓之大小Vo
+
_
Vd
R
+
_
Vo
0Vd
Vo
vo
tton toff
Ts
脈波寬度調變切換控制的方塊圖如
圖23(a)所示開關之切換控制信號
由控制訊號vcontrol與週期為Ts之鋸齒
波vst比較而得控制信號則由Vo之
實際值與設定值之誤差放大而得
vcontrol與vst比較所得之切換控制信號
的波形如圖23(b)所示當控制訊號
vst較大時則為高準位信號即使
開關導通反之為低準位信號即使
開關截止故開關之切換週期亦為
Ts 由以上的原理可知開關切換
之責任週期 (Duty Ratio)為D=tonTs
=vcontrolVst 其中Vst為鋸齒波之振
幅
放大器
+
-Vo
(設定)
(實際)
Vo
比較器
週期性波形 stv
切換控制訊號
控制訊號
0 t
$Vst
=stv 鋸齒波電壓
controlv (放大誤差)
On On
Off Off
stcontrol vv gt
stcontrol vv ltton toff
Ts
切換控制訊號
(切換頻率 fT
s
s
=1
)
升壓式直流至直流轉換器
圖211為升壓式轉換器電路主要用途為直流電源供應器與直流馬達之
再生制動(Regenerative Breaking)顧名思義其輸出電壓高過於其輸入
電壓當開關導通時二極體反向偏壓輸入電能儲存於電感負載電
能則由電容提供當開關截止時負載吸收輸入及儲存電感中之電能
-
L
CRVd
Vo
vL
iL
io
+
-
++
_
t0
t0
vL
iL
I L
Ts
toffton
_++
_
+
_
+ _+
_
+
_
iL
vL
Vd Vo
iL
vL
Vd Vo
)( dV
)( od VV minus
圖212所示為電感電流為連續之
穩態工作波形由穩態下電感電
壓一週期之平均值為零可得
0)( =minus+ offodond tVVtV
等號兩側除以Ts重新整理可得
Dt
T
V
V
off
s
d
o
minus==
1
1
假設電路無損失輸入功率
Pd=VdId 等 於 輸 出 功 率
Po=VoIo 則
)1( DI
I
d
o minus=
非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器
bullBoost之設計假設輸入10V輸出30V頻率50kHz輸出10W
所以D＝23
( ) s
o
o TDDP
VL
22
12
minusge
=6667uH
取75uH
D
VV in
o minus=
1
L
Vi
n
S Vo
+
_
C
DiL
vds
升降壓式直流至直流轉換器
升降壓式轉換器的主要用途為輸入與輸出之極性相反輸出電壓可以高於
或低於輸入電壓之直流電源供應器升降壓式轉換器可以由降壓式轉換器
與升壓式轉換式串接而成穩態下輸入與輸出電壓轉換器之比值為二轉換
器個別比值之乘積
D
D
V
V
d
o
minus=
1
因此變化責任週期D可使輸出電壓高於或低於輸入電壓
+
_
+
_
_
+
RC Vo
L
Vd
io
iLvL
id
降壓式直流至直流轉換器
降壓式轉換器顧名思義其作用為將較高準位的輸入電壓換成較低
準位的輸出電壓主要用途為直流電源供應器及直流馬達速度控制
圖22(a)所示為提供純電阻性負載之降壓式轉換器由圖22(b)可知其輸
出電壓波形由開關位置決定平均輸出電壓為
dd
s
onT
t
t
d
s
T
o
s
o DVVT
tddV
Tdv
TV
s
on
ons ==+== intintint )0(1
)(1
00ττττ
+
_
Vd
R
+
_
Vo
0Vd
Vo
vo
tton toff
Ts
32直流至交流切換式反流器
切換式直流至交流(DCAC)反流器(Inveter)乃用以將直流電源轉換成振幅
與頻率均可調之正弦式交流電源主要用途為交流馬達驅動與交流不斷
電電源供應器圖31為典型交流馬達驅動之反流器方塊圖其直流輸入
電壓通常由線電壓整流及濾波而得接著再利用切換式反流器改變輸出
電壓之振幅與頻率以驅動交流馬達切換式反流器功率之流通通常是
由直流至交流稱為反流模式但亦可以從交流至直流稱為整流模
式
+
_
交流馬達
二極體整流器 濾波電容 切換式反流器
Vd
三相交流電源
反流器包括單相及三相其輸入為直流電壓源者稱為電壓源反流器
(Voltage Source InverterVSI)另外若輸入為直流電流源者稱為電流
反流器(Current Source InverterCSI)目前僅應用在高功率之交流馬達
驅動器
1脈波寬度調變(PWM)反流器其輸入電壓通常為固定反流器本身具備變
頻及變壓的功能而變頻及變壓乃利用開關之脈波寬度調變切換控制達成
有許多類型之脈波寬度變技術可以使輸出電壓近似弦波
2方波(Square-Wave)反流器此反流器輸出電壓振幅乃由其輸入電壓調
整
反流器本身只控制輸出頻率交流輸出電壓波形近似方波因此乃稱方波
反流器
3採用電壓消去法(Voltage Cancellation)之單相反流器單相反流器當輸入
電壓為定值時可以利用電壓消去法來變頻及變壓而不須採用脈波寬度
調變其輸出電壓波形近似方波因此其結合了前述兩種反流器的特色
值得注意的是電壓消去法並不適用於三相反流器
切換式反流器之基本觀念
考慮圖33(a)之單相反流器假設其正弦輸出電壓vo是經過濾波所得若
輸出之負載為電感性(如馬達)則輸出電流io將落後vo 如圖33(b)所示
在期間1及3中 vo與io同號瞬時功率Po=voio為正故功率由直流側送至
交流側稱之為反流模式在期間2及4中 vo與io異號瞬時功率Po為負
故功率由交流側送至直流側稱之為整流模式圖33(a)之切換式反流器
在每一週期內會經歷平面上四個象限中之所有象限
單相切
換式變
流器與
濾波器
o
o
+
-
+
-
Vd
vo
id
io
0t
4 1 2 3
voio
io
vo
1反流器
4整流器
3反流器
2整流器
0
為清楚解釋起見以單臂反流器來說明
+
_
+
_
+ +
__
Vd
Vd
2
Vd
2
A
N
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
vAN
oo
o
反流器電路之脈波寬度調變切換技術如圖35(a)所示由一正弦波形控
制訊號vcontrol與三角波形vtri作比較三角波(又稱載波)之振幅為Vtri頻率
為fs fs決定反流器開關之切換頻率正弦波控制電壓vcontrol(又稱調制訊
號)之基頻f1決定反流器之輸出頻率而其振幅則決定反流器輸出電壓之
大小定義振幅調變指數為ma=Vcontrol Vtri 其中Vcontrol為vcontrol之振幅
而頻率調變指數則定義為mf = fs f1
0 t
vcontrol vtri
sf
1
0 t
vAo
V d
2
minusVd
2
t=0
v v
T on T off
control tri
A A
lt
minus + v v
T on T off
control tri
A A
gt
+ minus
1)( AoAo vv =之基本波
0 t
vcontrol vtri
sf
1
圖34反流器之開關的控制方法與io方向無關為
dAoAtricontrol VvTvv2
1=gt +導通
dAoAtricontrol VvTvv2
1minus=lt minus導通
由於二開關之導通為互補因此輸出電壓只在Vd 2與-Vd 2二值間作變
動圖35(b)所示為ma=08與mf =15時輸出電壓vAo及其基本波(以虛線表示)
之波形
+
_
+
_
+ +
__
Vd
Vd
2
Vd
2
A
N
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
vAN
oo
o
單相全橋式反流器
單相全橋式反流器如圖311所示乃由兩個前述之半橋反流器所組成在
相同之輸入電壓下全橋式反流器之最大輸出電壓為半橋式之兩倍這代
表在相同之功率下全橋式反流器之輸出及開關電流僅為半橋式之一半
此對於高功率用途是一大優點因其可以降低使用並聯元件之需求
+
_
+
_
+
_
Vd
Vd
2
Vd
2
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
v v vo Ao Bo= minuso
A
B
TBminus
TB+
DBminus
DB+
+_
id
o
o
N
雙極性電壓切換之脈波寬度調變
0 t
vcontrolvtri
sf
1
0 t
ov1ov
dV
dVminus
單極性電壓切換之脈波寬度調變
onBT +
trivgttricontrol vv gt
trivcontrolv
t
)( controlvminus
)( controlvminusonAT +
t1ov
dV
dVminus
)( BNAN
o
vv
v
minus=
應用雙極性電壓切換之脈波寬度調
變全橋式反流器乃 (TA+TB-)與 (TA-
TB+)成對切換且二者互相反相
應用單極性電壓切換之脈波寬度調
變全橋式反流器乃A臂與B獨立切
換且同臂二開關互相反相
三相反流器
+
-
+
-
+
-
dV
2dV
2dV
+AT
minusAT
+AD
minusAD
o
BminusT
+BT
minusBD
+BD
di
minusCT
+CT
minusCD
+CD
N
A B C
o
0 t
triv Acontrolv Bcontrolv Ccontrolv
0
BNANAB vvv minus=
t
dV
之基本波1LLv
ANv
0 t
dV
t0
BNv
dV
三相電壓源反流器之脈波寬度調變切換的功能為在固定輸入直流電壓下用以調整三相輸出電壓之振幅及頻率三相脈波寬度調變方式由三相各差120度的控制電壓與三角波作比較其波形與單相全橋式反流器採用脈波寬度調變單極性切換者類似
最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法
33最大功率追蹤最大功率追蹤最大功率追蹤最大功率追蹤
為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點本文使用本文使用本文使用本文使用擾動觀察法擾動觀察法擾動觀察法擾動觀察法(Perturbation and Observation Method PampQ)進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功率追蹤率追蹤率追蹤率追蹤由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點下圖為擾動下圖為擾動下圖為擾動下圖為擾動觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖為利用為利用為利用為利用DCDC轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作時時時時其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為0之特性之特性之特性之特性使用使用使用使用DCDC轉換器控制太陽轉換器控制太陽轉換器控制太陽轉換器控制太陽能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動
擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖
最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法
左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖蹤示意圖蹤示意圖蹤示意圖太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分為兩個特性區域為兩個特性區域為兩個特性區域為兩個特性區域假設進行追蹤假設進行追蹤假設進行追蹤假設進行追蹤時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時電壓電壓電壓電壓的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率增加增加增加增加若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出功率減少功率減少功率減少功率減少經由經由經由經由DCDC轉換器調轉換器調轉換器調轉換器調節太陽能板與節太陽能板與節太陽能板與節太陽能板與DCDC轉換器的阻轉換器的阻轉換器的阻轉換器的阻抗相互匹配抗相互匹配抗相互匹配抗相互匹配進而得到太陽能板進而得到太陽能板進而得到太陽能板進而得到太陽能板的最大輸出功率的最大輸出功率的最大輸出功率的最大輸出功率
擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖
4軟體規劃
bull 系統控制程式主要分為主程式固定週期中斷副程式市電電壓零交越中斷副程式等三大部分以下將分別介紹各部分程式流程
bull 本系統主程式主要執行數位訊號處理器周邊暫存器的初始設定以及變數宣告其中除了變數宣告外周邊暫存器的初始設定包括有規畫中斷向量設定計數器之計數模式計數週期中斷的時間和PWM 輸出模式等相關參數設定
bull 如圖8 所示系統初始設定後必須先等待中斷發生才能決定系統是否執行固定週期中斷程式或零交越中斷副程式
bull 圖9 為固定週期中斷副程式流程圖固定週期中斷頻率與換流器開關之切換頻率相同為20kHz程式開始會先偵測太陽能板電壓及電流與直流鏈電壓當確定市電電壓零交越中斷發生時必須先將輸出弦波訊號之指標強制為原點重新送出單位弦波確保換流器輸出電流與市電電壓能維持同相位接著比較太陽能板輸入電壓VPV 是否大於最低工作電壓VPV_work如果確定大於最低工作電壓則致能太陽能最大功率追蹤反之則禁能系統動作程式返回圖9 中的正弦脈寬調變副程式主要功能在於決定換流器中開關的動作順序與責任週期大小以及輸波參考訊號
bull 圖10 為太陽能最大功率點追蹤副程式流程圖在文中對最大功率追蹤採用擾動與觀察法配合太陽能光電板的電壓mdash功率特性曲線即可瞭解程式如何完成太陽能光電板最大功率點追蹤
主程式流程圖
5實驗
bull 依據上述的分析採用DSP 2407A 建立一個500W 太陽光電池電能轉換系統依據圖11 之
bull 電路架構其規格與元件參數分別列於表一表二及表三系統實驗波形圖12圖13圖14 及
bull 圖15 為系統操作在獨立運轉模式下負載分別為120W240W360W 及480W 時之換流器輸出
bull 電壓及輸出電流之實測波形
系統規格與元件參數
實測波形
6實務應用系統實務應用系統實務應用系統實務應用系統
獨立系統示意圖獨立系統示意圖
考慮點
系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等安全係數最佳化設計複雜)
一般充電控制器無 MPPT搭配蓄電池使發電效能較差
蓄電池每日gt50DOD深度放電gt02C充電壽命短
太陽光發電量與負載需求量不搭配時太陽光之發電能量利用率偏低 (負載需求搭配與安全係數為互相矛盾之設計)
PV-柴油發電機PV-風力等混合系統為改善之方法
市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台
電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池
併聯系統示意圖併聯系統示意圖
緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析
1 系統設置成本高建議使用於邊際效益高之用電（防災緊急輔助電力）
2 總體經濟效益減少環境污染解決尖峰用電之不足與短缺能源多元化之風險分擔與開創自主能源
3 遮蔽陽光直曬降低建築物之熱效應（被動省能）同時轉換太陽光為電能供應建物自主能源（主動節能）一舉兩得
緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較
30萬元divide21900kWh＝137元度2萬元divide50kWh＝400元度每度電成本
日發電度數times365天times20年＝3hrtimes1kWtimes365天times20年＝21900kWh（度）
（年停電＋年測試運轉時數）times10年＝（20mintimes6次＋15mintimes12月）times10年＝5hrtimes1kWtimes10年＝50kWh
總發電度數（1kw計）
夜間不發電（可利用蓄電池設計供電年維運費02）
噪音空污油料運輸儲油危險維運成本高
缺點
利用露台屋頂牆面空間設備煙管隔音油槽需室內空間
設置空間
平時緊急時均可使用隨時可了解運轉狀況不須操作
加ATS停電時方可啟動需人員每月定期測試運轉
系統運作
太陽光潔淨能源（免費）柴油使用燃料
20年7~10年使用壽命
1kW=30萬元1kW=2~3萬元設置費用
太陽光發電系統柴油發電機
風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析
運用多元化能源分擔風險情況比較說明如下
1 市電--gt停電時風險極高
2 市電＋柴油發電機--gt發電機故障時風險高
市電＋柴油發電機＋太陽光發電系統--gt發揮三者優點互補同時故障機率小風險最低
案例
832kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide057＝317 m2
115kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide075＝332 m2
緊急時057平時065~08
綜合係數溫度變化污損線損Inverter效率＋蓄電池充放電補償
電力需求divide（日照強度times日照時間times模板效率times綜合係數）
模組面積估算
日照強度1kWm2
日照時間384hd
模板效率12
832kWhd500人用電量115kWhd770人用電量
緊急時平時
電力需求估算
緊急時40kWtimes384hdtimes057＝875 kWhd
平時40kWtimes384hdtimes075＝1152Whd
太陽發電系統發電量＝設置容量times日照時間times綜合係數
發電量計算
332m2times1kWm2times12＝398kW≒40kW
太陽發電系統設置容量＝設置面積times日照強度times模板效率
設置容量計算模板效率依太陽電池種類而異
進行模板陣列及蓄電池容量設計
40kWdivide18片串divide120W＝185列≒19
列
40kWdivide17片串divide120W＝196列≒20
列
陣列併列數＝設置容量divide單串功率
18片times120W＝2160W
17片times120W＝2040W
單串功率
300Vdivide169V＝1775片（取整數17 or 18）
陣列串聯數＝Inverter輸入電壓divide模板輸出電壓
模板陣列設計
1 模板功率120W
2 模板輸出電壓169V
3 直交流轉換器(Inverter)輸入電壓300V
120Wtimes17片串times20列＝40800W＝340片(最佳陣列)
120Wtimes18片串times19列＝41080W＝342片
最佳陣列較經濟之設置容量選擇最佳陣列
蓄電池數量＝144個times2列＝288個
120640Whdivide288Vdivide200Ah＝21列≒2列
併列數＝蓄電池需求容量divideInverter額定電壓
288Vdivide2V＝144個
串聯數＝Inverter額定電壓divide蓄電池電壓串併數設計
middot 蓄電池電壓2V個
middot 蓄電池容量200Ah個
Inverter電壓輸入電壓 額定電壓300V 288V200V 192V
蓄電池需求容量＝832kWhdtimes1dtimes145＝12064kWh
蓄電池需求容量＝緊急電力需求times無日照天數times補償係數補償係數蓄電池內阻抗放電停止電壓電壓降低補償
蓄電池需求容量設計
middot 補償係數145
無日照天數1日
61市電相關規定市電相關規定市電相關規定市電相關規定
1 發電設備併接於低壓系統者其總容量未滿100kW且技術無困難者得併接於單相三線110V220V三相三線220V之配電系統若總容量在100kW以上而未滿500kW得分別併接於3相4線220V380V之配電系統
2 發電設備總容量在500kW以上而未滿5000kW10000kW且技術無困難者得分別併接於114KV228KV之高壓配電系統
3 電設備總容量在10000kW以上而未滿40000kW者得併接於特高壓之系統
4 發電設備總容量在40000kW以上者依個案研討分類
併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類
發電系統經由發電系統經由發電系統經由發電系統經由110V220V110V220V110V220V110V220V併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者發電設發電設發電設發電設備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能
1 過電壓保護 低電壓保護
2 低頻保護 高頻保護
3 過電流保護 零相過電壓接地保護
4 發電設備為無逆送電力者須加裝逆電力保護
5 發電設備為有逆送電力者必須具備主動及被動防止單獨運轉保護
發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經110V220V110V220V110V220V110V220V系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者在電在電在電在電源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器
發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業114KV228KV114KV228KV114KV228KV114KV228KV之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者((((高高高高壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶))))發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Extremely Inverse特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Extremely Inverse特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過流電驛(67)須具Normal Inverse特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
發電設備併接於電業69KV特高壓輸電系統者發電設備之輸出端至少應具有下列同等保護功能並須與電業該轄區之保護設備協調
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Normal Inverse之特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Normal Inverse之特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過電流電驛(67)須具Normal Inverse之特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
8 快速及後衛保護電驛如系統保護需要時應裝設
9 匯流排電驛採用GIS斷路器者應裝設
62626262太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範
1 故障電流
太陽光電發電系統大於100kW以上須計算故障電流其送至電業系統之故障電流不得影響電業及其他用戶斷路器之起斷容量否則需裝置限流電抗器
太陽光電發電系統之隔離變壓器接地方式須與電業之系統配合
2 正常電壓變動率應維持在plusmn5以內
3 太陽光電發電系統與電業間之責任分界點的功率因數以維持85落後至100之間運轉為原則
4 諧波污染限制應依照「電力系統諧波管制暫行標準」辦理
分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性
適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯型之規範型之規範型之規範型之規範
電力轉換器電力轉換器電力轉換器電力轉換器(電力調節器電力調節器電力調節器電力調節器)(InverterConditioner)
蓄電池蓄電池蓄電池蓄電池(Battery))
63大型(商用)太陽光發電系統應用(gt1 kWp)
太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統
單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池(Unit Solar Cell)
太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板(PV Module)
太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列(PV Array)
太陽光發電系統應用獨立系統
(A) 獨立系統(Stand-Alone
System)
bull 蓄電池保護壽命
(B) 混合型交流獨立系統 (Hybrid
System)
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
直流負載PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
整流器
輔助發電機
PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載- ~PCU
直直直直交流轉換器交流轉換器交流轉換器交流轉換器
太陽光發電系統應用併聯系統
(D)併聯系統(Grid-
connected System)
特殊功能1 最佳效能2 防止獨立運轉(連線保護)
3 可自力運轉
(E) 防逆流型系統(Off-line System)
(F) 防災型併聯系統
充電控制器
蓄電池
直交流轉換器
PCU太陽電池組列
交流負載
ATS
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
獨立型系統
適用地點高山離島基地台hellip等市電無法到達處
工作方式白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
必須可以自給自足
缺點bull 系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等
安全係數設計很困難)
bull 蓄電池建置複雜成本很高壽命很短
bull 負載搭配不良時發電效能不佳利用率將偏低
bull 需由專人隨時維護
bull 混合系統為一種解決方法
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
PCU
併聯型系統
適用地點電力正常送達之任何地點工作方式 bull 白天 PV系統併聯發電夜間由台電供電bull 將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的蓄電池
優點bull 系統簡單不需安全係數設計(依預算設計)不需要專人維護bull 併聯發電效率高利用率高
缺點bull 停電時無電可用bull 受併聯法規限制尚未開放(但即將開放)
bull 有孤島效應之疑慮(目前技術上已解決)
改善型無電池自力運轉
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
市電併聯型住宅用太陽光發電系統
太陽光發電系統發電及負載用電對時間之關係
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
併聯型直交流轉換器之效能要求較高
1 最大功率追蹤(Maximum Power Tracking MPT)
2 高轉換效率 gt 90 (PWM+電力電子元件)
3 高次諧波功率 Distortion (lt5 total)
4 自動開關機(白天夜晚)
5 過負載保護過溫度保護
6 體積小重量輕室外防水防塵
7 電腦界面可遠端監控
8 防止獨立運轉(連線保護)
9 可自力運轉
太陽電池組列
交流負載
直交流轉換器MPT
Power Conditioner
併聯系統之獨立運轉(單獨運轉)
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull停電時單一併聯系統將會停止運作
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
bull 市電停電時多數併聯系統仍聯合運作將對電力公司人員產生嚴重危害
孤島效應之防止方法
停電偵測1 過電壓低電壓
2 過頻率低頻率
3 被動式偵測如
bull 電壓與頻率監視方式
bull 電壓相位跳躍監視方式
bull 高次諧波監視方式
bull 頻率變化監視方式
PV組列
直交流轉換器
自家負載
4 主動偵測如
bull 頻率Shift方式
bull 配電線負載變動方式
bull 有效電力變動方式
bull 無效電力變動方式
反應時間05~2秒
資料來源「日本電氣用品試驗所」分散型電源系統連系技術指針(1998)
併聯系統之自力運轉功能
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull 大停電後白天有陽光時以人工啟動 PV 系統進行自力運轉供自家負載使用(但夜間無法使用)
防災型併聯型系統
適用地點有防災需求(照明汲水通信hellip)之公共設施
工作方式
bull 平時PV併聯發電(電池浮充) 效率高利用率高夜間由台電供電
bull 視需要建置供防災用電池大停電時白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
缺點bull 含電池成本較高bull 系統較複雜需專人定期維護
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
FAQ1太陽光發電需要多少土地
效率 = (輸出功率W) (組列面積 m2 x 日照強度 Wm2 ) x 100
模板面積 m2 = 輸出功率W (效率 x日照強度Wm2 ) x100
bull 假設使用效率gt136 模板於1000 Wm2 (AM15)日照強度下
10 kWp 模板面積 (m2) = 10000 (0136 x 1000) ~ 735 m2
10 kWp PV系統土地面積需求約
~ 735 m2 x 15 x 11
~ 121m2 (~36坪)
(包括陰影面積及維修空間)
bull 假設使用效率~10 模板
則模板面積約 ~ 100 m2
土地面積需求約 ~ 165m2 (~50坪)
gt55o
夏至
冬至
春秋分
235o 235oh
L1 L2
FAQ2太陽電池一年能發多少電
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
10 kWm2
05 kWm2
日照強度
等效日照時數(Sun Hour)
組列單日發電量 = 組列額定輸出功率 x 等效日照時數
bull 預估1 kWp 組列單日發電量 = 1 (kW) x ex 4(Sun Hour)= 4 kWh
組列年發電量 = 組列額定輸出功率 x 年平均每日日照時數 x 365
bull 預估 1 kWp 組列年發電量 = 1 x 4 x 365 = 1460 kWh
時間時間時間時間
FAQ3太陽光發電的成本(簡易估算)
1 假設目前太陽光發電系統設置成本約為 NT$ 280000 kWp
2 假設年平均每日日照時數約為 25 Sun Hour (台灣中南部地區)
bull 1 kWp 組列單日發電量= 1 (kW) x 25 (Hour)= 25 kWh
bull 1 kWp 組列年發電量= 25 x 365 = 913 kWh (度)
3 假設太陽光發電系統使用壽命為 20 年
bull 1 kWp 太陽光發電系統總共可發電 20 x 913 = 18260 度
4 生產每度電之成本約為 280000 18260 ~ NT$ 153
5 未來發展趨勢
bull 太陽光發電系統設置成本將逐年降低
bull 市電電費將會升高(國內目前約 NT$ 3 度日本約NT$ 7 度)
bull 傳統能源限制再生能源獎勵利率降低
64獨立型太陽光發電系統應用例(一)
bull太陽電池時鐘-日本bull太陽電池路燈-日本千里住宅公園
獨立型太陽光發電系統應用例(二)
bull太陽電池交通標誌-日本北海道 bull高速公路緊急電話-日本
獨立型太陽光發電系統應用例(三)
bull800W無線通信中繼基地台韓國(1998)
獨立型太陽光發電系統應用例(四)
bull離島用90kW獨立型發電系統韓國Ho-Do島(1992)
併聯型太陽光發電系統應用例(一)
bull設置於屋頂之住宅用太陽光發電系統(建材一體型日本千里住宅公園內住宅設計之一)
併聯型太陽光發電系統應用例(二)
bull日本東海線新幹線京都車站之太陽光發電系統(100kWp)
併聯型太陽光發電系統應用例(三)
bull日本京瓷(Kyocera)京都總公司大樓之太陽電池發電系統(220kWp)
太陽光發電發電廠應用例
太陽電池發電廠
(PV Power Plant)
資料來源 ANIT
Srl Italy
建材一體型太陽電池模板應用例
bull資料來源 Pilkington Solar International GmbH 德國
太陽能車應用例
Honda Dream
bull資料來源 PV Special Research
Centre UNSW Australia
交大太陽能車
bull資料來源 National Chiao-Tung
University Taiwan
太陽光發電航太應用例(NASA Helios )
bull空中無線通訊平台應用
資料來源SkyOne Inc Taiwan
bull 飛行高度5-7 萬英呎(最高記錄 96000 英呎)
bull 時速60 mph (起飛 25 mph)
bull 翼展247 英呎bull 重量2000 磅bull 太陽電池效率要求gt22
資料來源httpwwwaerovironmentcomhomehtml
清雲技術學院 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
個人住宅 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
勤益技術學院 3kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
南台科技大學 10kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
總統府 10kWp 獨立型太陽光能發電系統 (9012)
海巡署南沙太平島 20kWp 混合型(柴油發電機)太陽光能發電系統 (9011)
90能源基金示範補助成果例
台電樹林 20kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
併聯型
台電台北市區處 20kWp 太陽光發電系統
(91能源基金示範補助成果)
併聯型
7結論
bull (1)提高電力轉換器效率
bull 轉換器的損失主要來自於開關切換時之損失為了可以降低濾波電路中電感和電容的體積可以提高切換頻率但是相對於開關的切換損失也因此而增加導致轉換器的效率降低因此發展零電壓或零電流切換技術應用於高切換頻率之轉換器將可以提高轉換器的效率
bull (2)提高太陽光發電系統之整體效率
bull 傳統之太陽光發電系統包含儲能系統和供電系統前級利用DCDC轉換器作最大功率追蹤後級則利用DCAC轉換器轉換能量供應給交流負載為了提高太陽光發電系統的整體效率在研究可提出了模組並聯控制技術以提昇各級電力轉換器的效率而在未來太陽光發電系統也將著重在單級電力轉換器的設計對於整體系統效率有較明顯的改善
8參考資料
1許國強ldquo太陽光發電原理與應用工研院材料所 薄膜技術組91年
2華志強黃崇倫ldquo智慧型能量控制於太陽光電能轉換系統國立雲林科技大學電機工程學系電力研討會97年
3林政達ldquo數位式市電並聯換流器與快速鎖相迴路控制器之研製國立雲林科技大學電機工程學系碩士論文92 年
4李思賢ldquo數位式單相低功率太陽光電能轉換系統國立中山大學電機工程學系碩士論文92 年
5洪世杰ldquo適用於再生能源之市電併聯型雙輸入供電系統國立中正大學電機工程研究所碩士論文93 年
6王廷興ldquo太陽能發電配電設計概要台北科技大學冷凍空調系 92年
7魏榮宗王文宏ldquo高效率太陽光電能源轉換系統 元智大學電機工程學系94年
[ ] 100)25(
)11
(exp
1)(exp
3
λminus+=
minus
=
+minus
minus+minus=
TKII
TTBk
qE
T
TII
where
R
IRVIRV
AkT
qIII
ISCRLG
r
GO
r
oros
sh
ssosLG
VI cell output current and voltagecell reverse saturation currentcell temperature in CBoltzmannrsquos constantelectronic chargeshort circuit current temperature coefficientsolar irradiation in Wmshort-circuit current at 25 Cand 1000 Wm
light-generated currentband gap for siliconideality factorsreference temperaturecell saturation current atshunt resistanceseries resistance
osI
T
kq
00170=IK
SCRIλ
LGI
GOE
921== ABKTr deg= 18301
orI
shR
sR
附錄附錄附錄附錄- 太陽能電池太陽能電池太陽能電池太陽能電池
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
(a) Equivalent circuit of a PV module and
(b) Typical PV module current-voltage and power-voltage characteristics
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
Characteristic of a PV module with temperature and irradiation (a) constant irradiation and varying temperature and (b) constant temperature and varying irradiation
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
系統範例系統範例系統範例系統範例
中途驛站電化PV離島用PV系統山岳地帶PV系統離島偏遠區
勤務指揮中心緊急避難所醫療院所公園學校地震觀測站森林嘹望台避難指示燈氣象觀測所水位警報PV系統河川安全燈防波堤安全PV燈
緊急防災
緊急供電系統管線電氣防蝕輸油管流量計PV系統市場廣告塔海上石油平台各種計測站PV系統發電廠情報指揮中心
產業用
住宅用供電系統緊急供電系統緊急照明系統帷幕牆遮陽棚採光罩屋瓦建築物
無線通信用中繼站基地台緊急電話中繼站電話通信PV系統Radio受信PV系統微波中繼站
通訊
農宅用電溫室栽培PV系統農業灌溉用自動灑水系統農牧電籬牛乳冷藏漁業養殖揚水通氣自動餵食器
農林漁牧
路燈交通號誌道路指示牌標誌燈太陽能電動車充電站高速公路緊急電話偏遠道路緊急電話停車計時器停車場控制門系統高速公路防音壁PV系統公路休息區PV系統太陽能車平交道指示燈候車亭PV系統車站屋頂型PV系統
道路交通
收音機測電表手錶計算機太陽能照相機手電筒電池充電器野營燈民生
應用領域
31直流至直流切換式轉換器
典型直流至直流轉換器系統之構造如圖21所示其輸入通常為由線電壓整
流而得之非調節直流電壓然後再利用切換式直流至直流轉換器將此變動之
直流電壓轉換成一調節之直流電壓
無控制之二極體橋式整流器
交流線電壓
(單相或三相)
直流電壓
(無調節性)
濾波電容 (無調節性)
直流至直流轉換器 (具調節性)
負載
蓄電池
直流電壓 直流電壓
控制訊號1降壓式(step-down buck)轉換器
2升壓式(step-up boost)轉換器
3升降壓式(step-downstep-up buck-boost)轉換器
4全橋式轉換器
上述四種轉換器中只有降壓式及升壓式是最基本的轉換器電路架構升
降壓式轉換器是此二基本轉換器之結合而全橋式轉換器則是由降壓式轉
換器衍生而來
直流至直流轉換器之控制
直流至直流轉換器的作用即是在輸入電壓與輸出負載變動的情況下能夠調
節輸出電壓為所設定的位準電壓位準轉換之原理可以圖22(a)所示之簡單
電路來說明由開關導通與截止可得圖22(b)之波形其中輸出電壓vo平均
值大小Vo與開關之導通及截止時間(ton及toff)有關平均輸出電壓大小調整
之最典型的方式是採用脈波寬度調變法(Pulse-Width ModulationPWM)
其切換週期Ts(= ton+toff)為固定由調整導通時間之大小來改變平均輸出電
壓之大小Vo
+
_
Vd
R
+
_
Vo
0Vd
Vo
vo
tton toff
Ts
脈波寬度調變切換控制的方塊圖如
圖23(a)所示開關之切換控制信號
由控制訊號vcontrol與週期為Ts之鋸齒
波vst比較而得控制信號則由Vo之
實際值與設定值之誤差放大而得
vcontrol與vst比較所得之切換控制信號
的波形如圖23(b)所示當控制訊號
vst較大時則為高準位信號即使
開關導通反之為低準位信號即使
開關截止故開關之切換週期亦為
Ts 由以上的原理可知開關切換
之責任週期 (Duty Ratio)為D=tonTs
=vcontrolVst 其中Vst為鋸齒波之振
幅
放大器
+
-Vo
(設定)
(實際)
Vo
比較器
週期性波形 stv
切換控制訊號
控制訊號
0 t
$Vst
=stv 鋸齒波電壓
controlv (放大誤差)
On On
Off Off
stcontrol vv gt
stcontrol vv ltton toff
Ts
切換控制訊號
(切換頻率 fT
s
s
=1
)
升壓式直流至直流轉換器
圖211為升壓式轉換器電路主要用途為直流電源供應器與直流馬達之
再生制動(Regenerative Breaking)顧名思義其輸出電壓高過於其輸入
電壓當開關導通時二極體反向偏壓輸入電能儲存於電感負載電
能則由電容提供當開關截止時負載吸收輸入及儲存電感中之電能
-
L
CRVd
Vo
vL
iL
io
+
-
++
_
t0
t0
vL
iL
I L
Ts
toffton
_++
_
+
_
+ _+
_
+
_
iL
vL
Vd Vo
iL
vL
Vd Vo
)( dV
)( od VV minus
圖212所示為電感電流為連續之
穩態工作波形由穩態下電感電
壓一週期之平均值為零可得
0)( =minus+ offodond tVVtV
等號兩側除以Ts重新整理可得
Dt
T
V
V
off
s
d
o
minus==
1
1
假設電路無損失輸入功率
Pd=VdId 等 於 輸 出 功 率
Po=VoIo 則
)1( DI
I
d
o minus=
非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器
bullBoost之設計假設輸入10V輸出30V頻率50kHz輸出10W
所以D＝23
( ) s
o
o TDDP
VL
22
12
minusge
=6667uH
取75uH
D
VV in
o minus=
1
L
Vi
n
S Vo
+
_
C
DiL
vds
升降壓式直流至直流轉換器
升降壓式轉換器的主要用途為輸入與輸出之極性相反輸出電壓可以高於
或低於輸入電壓之直流電源供應器升降壓式轉換器可以由降壓式轉換器
與升壓式轉換式串接而成穩態下輸入與輸出電壓轉換器之比值為二轉換
器個別比值之乘積
D
D
V
V
d
o
minus=
1
因此變化責任週期D可使輸出電壓高於或低於輸入電壓
+
_
+
_
_
+
RC Vo
L
Vd
io
iLvL
id
降壓式直流至直流轉換器
降壓式轉換器顧名思義其作用為將較高準位的輸入電壓換成較低
準位的輸出電壓主要用途為直流電源供應器及直流馬達速度控制
圖22(a)所示為提供純電阻性負載之降壓式轉換器由圖22(b)可知其輸
出電壓波形由開關位置決定平均輸出電壓為
dd
s
onT
t
t
d
s
T
o
s
o DVVT
tddV
Tdv
TV
s
on
ons ==+== intintint )0(1
)(1
00ττττ
+
_
Vd
R
+
_
Vo
0Vd
Vo
vo
tton toff
Ts
32直流至交流切換式反流器
切換式直流至交流(DCAC)反流器(Inveter)乃用以將直流電源轉換成振幅
與頻率均可調之正弦式交流電源主要用途為交流馬達驅動與交流不斷
電電源供應器圖31為典型交流馬達驅動之反流器方塊圖其直流輸入
電壓通常由線電壓整流及濾波而得接著再利用切換式反流器改變輸出
電壓之振幅與頻率以驅動交流馬達切換式反流器功率之流通通常是
由直流至交流稱為反流模式但亦可以從交流至直流稱為整流模
式
+
_
交流馬達
二極體整流器 濾波電容 切換式反流器
Vd
三相交流電源
反流器包括單相及三相其輸入為直流電壓源者稱為電壓源反流器
(Voltage Source InverterVSI)另外若輸入為直流電流源者稱為電流
反流器(Current Source InverterCSI)目前僅應用在高功率之交流馬達
驅動器
1脈波寬度調變(PWM)反流器其輸入電壓通常為固定反流器本身具備變
頻及變壓的功能而變頻及變壓乃利用開關之脈波寬度調變切換控制達成
有許多類型之脈波寬度變技術可以使輸出電壓近似弦波
2方波(Square-Wave)反流器此反流器輸出電壓振幅乃由其輸入電壓調
整
反流器本身只控制輸出頻率交流輸出電壓波形近似方波因此乃稱方波
反流器
3採用電壓消去法(Voltage Cancellation)之單相反流器單相反流器當輸入
電壓為定值時可以利用電壓消去法來變頻及變壓而不須採用脈波寬度
調變其輸出電壓波形近似方波因此其結合了前述兩種反流器的特色
值得注意的是電壓消去法並不適用於三相反流器
切換式反流器之基本觀念
考慮圖33(a)之單相反流器假設其正弦輸出電壓vo是經過濾波所得若
輸出之負載為電感性(如馬達)則輸出電流io將落後vo 如圖33(b)所示
在期間1及3中 vo與io同號瞬時功率Po=voio為正故功率由直流側送至
交流側稱之為反流模式在期間2及4中 vo與io異號瞬時功率Po為負
故功率由交流側送至直流側稱之為整流模式圖33(a)之切換式反流器
在每一週期內會經歷平面上四個象限中之所有象限
單相切
換式變
流器與
濾波器
o
o
+
-
+
-
Vd
vo
id
io
0t
4 1 2 3
voio
io
vo
1反流器
4整流器
3反流器
2整流器
0
為清楚解釋起見以單臂反流器來說明
+
_
+
_
+ +
__
Vd
Vd
2
Vd
2
A
N
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
vAN
oo
o
反流器電路之脈波寬度調變切換技術如圖35(a)所示由一正弦波形控
制訊號vcontrol與三角波形vtri作比較三角波(又稱載波)之振幅為Vtri頻率
為fs fs決定反流器開關之切換頻率正弦波控制電壓vcontrol(又稱調制訊
號)之基頻f1決定反流器之輸出頻率而其振幅則決定反流器輸出電壓之
大小定義振幅調變指數為ma=Vcontrol Vtri 其中Vcontrol為vcontrol之振幅
而頻率調變指數則定義為mf = fs f1
0 t
vcontrol vtri
sf
1
0 t
vAo
V d
2
minusVd
2
t=0
v v
T on T off
control tri
A A
lt
minus + v v
T on T off
control tri
A A
gt
+ minus
1)( AoAo vv =之基本波
0 t
vcontrol vtri
sf
1
圖34反流器之開關的控制方法與io方向無關為
dAoAtricontrol VvTvv2
1=gt +導通
dAoAtricontrol VvTvv2
1minus=lt minus導通
由於二開關之導通為互補因此輸出電壓只在Vd 2與-Vd 2二值間作變
動圖35(b)所示為ma=08與mf =15時輸出電壓vAo及其基本波(以虛線表示)
之波形
+
_
+
_
+ +
__
Vd
Vd
2
Vd
2
A
N
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
vAN
oo
o
單相全橋式反流器
單相全橋式反流器如圖311所示乃由兩個前述之半橋反流器所組成在
相同之輸入電壓下全橋式反流器之最大輸出電壓為半橋式之兩倍這代
表在相同之功率下全橋式反流器之輸出及開關電流僅為半橋式之一半
此對於高功率用途是一大優點因其可以降低使用並聯元件之需求
+
_
+
_
+
_
Vd
Vd
2
Vd
2
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
v v vo Ao Bo= minuso
A
B
TBminus
TB+
DBminus
DB+
+_
id
o
o
N
雙極性電壓切換之脈波寬度調變
0 t
vcontrolvtri
sf
1
0 t
ov1ov
dV
dVminus
單極性電壓切換之脈波寬度調變
onBT +
trivgttricontrol vv gt
trivcontrolv
t
)( controlvminus
)( controlvminusonAT +
t1ov
dV
dVminus
)( BNAN
o
vv
v
minus=
應用雙極性電壓切換之脈波寬度調
變全橋式反流器乃 (TA+TB-)與 (TA-
TB+)成對切換且二者互相反相
應用單極性電壓切換之脈波寬度調
變全橋式反流器乃A臂與B獨立切
換且同臂二開關互相反相
三相反流器
+
-
+
-
+
-
dV
2dV
2dV
+AT
minusAT
+AD
minusAD
o
BminusT
+BT
minusBD
+BD
di
minusCT
+CT
minusCD
+CD
N
A B C
o
0 t
triv Acontrolv Bcontrolv Ccontrolv
0
BNANAB vvv minus=
t
dV
之基本波1LLv
ANv
0 t
dV
t0
BNv
dV
三相電壓源反流器之脈波寬度調變切換的功能為在固定輸入直流電壓下用以調整三相輸出電壓之振幅及頻率三相脈波寬度調變方式由三相各差120度的控制電壓與三角波作比較其波形與單相全橋式反流器採用脈波寬度調變單極性切換者類似
最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法
33最大功率追蹤最大功率追蹤最大功率追蹤最大功率追蹤
為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點本文使用本文使用本文使用本文使用擾動觀察法擾動觀察法擾動觀察法擾動觀察法(Perturbation and Observation Method PampQ)進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功率追蹤率追蹤率追蹤率追蹤由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點下圖為擾動下圖為擾動下圖為擾動下圖為擾動觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖為利用為利用為利用為利用DCDC轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作時時時時其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為0之特性之特性之特性之特性使用使用使用使用DCDC轉換器控制太陽轉換器控制太陽轉換器控制太陽轉換器控制太陽能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動
擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖
最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法
左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖蹤示意圖蹤示意圖蹤示意圖太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分為兩個特性區域為兩個特性區域為兩個特性區域為兩個特性區域假設進行追蹤假設進行追蹤假設進行追蹤假設進行追蹤時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時電壓電壓電壓電壓的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率增加增加增加增加若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出功率減少功率減少功率減少功率減少經由經由經由經由DCDC轉換器調轉換器調轉換器調轉換器調節太陽能板與節太陽能板與節太陽能板與節太陽能板與DCDC轉換器的阻轉換器的阻轉換器的阻轉換器的阻抗相互匹配抗相互匹配抗相互匹配抗相互匹配進而得到太陽能板進而得到太陽能板進而得到太陽能板進而得到太陽能板的最大輸出功率的最大輸出功率的最大輸出功率的最大輸出功率
擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖
4軟體規劃
bull 系統控制程式主要分為主程式固定週期中斷副程式市電電壓零交越中斷副程式等三大部分以下將分別介紹各部分程式流程
bull 本系統主程式主要執行數位訊號處理器周邊暫存器的初始設定以及變數宣告其中除了變數宣告外周邊暫存器的初始設定包括有規畫中斷向量設定計數器之計數模式計數週期中斷的時間和PWM 輸出模式等相關參數設定
bull 如圖8 所示系統初始設定後必須先等待中斷發生才能決定系統是否執行固定週期中斷程式或零交越中斷副程式
bull 圖9 為固定週期中斷副程式流程圖固定週期中斷頻率與換流器開關之切換頻率相同為20kHz程式開始會先偵測太陽能板電壓及電流與直流鏈電壓當確定市電電壓零交越中斷發生時必須先將輸出弦波訊號之指標強制為原點重新送出單位弦波確保換流器輸出電流與市電電壓能維持同相位接著比較太陽能板輸入電壓VPV 是否大於最低工作電壓VPV_work如果確定大於最低工作電壓則致能太陽能最大功率追蹤反之則禁能系統動作程式返回圖9 中的正弦脈寬調變副程式主要功能在於決定換流器中開關的動作順序與責任週期大小以及輸波參考訊號
bull 圖10 為太陽能最大功率點追蹤副程式流程圖在文中對最大功率追蹤採用擾動與觀察法配合太陽能光電板的電壓mdash功率特性曲線即可瞭解程式如何完成太陽能光電板最大功率點追蹤
主程式流程圖
5實驗
bull 依據上述的分析採用DSP 2407A 建立一個500W 太陽光電池電能轉換系統依據圖11 之
bull 電路架構其規格與元件參數分別列於表一表二及表三系統實驗波形圖12圖13圖14 及
bull 圖15 為系統操作在獨立運轉模式下負載分別為120W240W360W 及480W 時之換流器輸出
bull 電壓及輸出電流之實測波形
系統規格與元件參數
實測波形
6實務應用系統實務應用系統實務應用系統實務應用系統
獨立系統示意圖獨立系統示意圖
考慮點
系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等安全係數最佳化設計複雜)
一般充電控制器無 MPPT搭配蓄電池使發電效能較差
蓄電池每日gt50DOD深度放電gt02C充電壽命短
太陽光發電量與負載需求量不搭配時太陽光之發電能量利用率偏低 (負載需求搭配與安全係數為互相矛盾之設計)
PV-柴油發電機PV-風力等混合系統為改善之方法
市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台
電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池
併聯系統示意圖併聯系統示意圖
緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析
1 系統設置成本高建議使用於邊際效益高之用電（防災緊急輔助電力）
2 總體經濟效益減少環境污染解決尖峰用電之不足與短缺能源多元化之風險分擔與開創自主能源
3 遮蔽陽光直曬降低建築物之熱效應（被動省能）同時轉換太陽光為電能供應建物自主能源（主動節能）一舉兩得
緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較
30萬元divide21900kWh＝137元度2萬元divide50kWh＝400元度每度電成本
日發電度數times365天times20年＝3hrtimes1kWtimes365天times20年＝21900kWh（度）
（年停電＋年測試運轉時數）times10年＝（20mintimes6次＋15mintimes12月）times10年＝5hrtimes1kWtimes10年＝50kWh
總發電度數（1kw計）
夜間不發電（可利用蓄電池設計供電年維運費02）
噪音空污油料運輸儲油危險維運成本高
缺點
利用露台屋頂牆面空間設備煙管隔音油槽需室內空間
設置空間
平時緊急時均可使用隨時可了解運轉狀況不須操作
加ATS停電時方可啟動需人員每月定期測試運轉
系統運作
太陽光潔淨能源（免費）柴油使用燃料
20年7~10年使用壽命
1kW=30萬元1kW=2~3萬元設置費用
太陽光發電系統柴油發電機
風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析
運用多元化能源分擔風險情況比較說明如下
1 市電--gt停電時風險極高
2 市電＋柴油發電機--gt發電機故障時風險高
市電＋柴油發電機＋太陽光發電系統--gt發揮三者優點互補同時故障機率小風險最低
案例
832kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide057＝317 m2
115kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide075＝332 m2
緊急時057平時065~08
綜合係數溫度變化污損線損Inverter效率＋蓄電池充放電補償
電力需求divide（日照強度times日照時間times模板效率times綜合係數）
模組面積估算
日照強度1kWm2
日照時間384hd
模板效率12
832kWhd500人用電量115kWhd770人用電量
緊急時平時
電力需求估算
緊急時40kWtimes384hdtimes057＝875 kWhd
平時40kWtimes384hdtimes075＝1152Whd
太陽發電系統發電量＝設置容量times日照時間times綜合係數
發電量計算
332m2times1kWm2times12＝398kW≒40kW
太陽發電系統設置容量＝設置面積times日照強度times模板效率
設置容量計算模板效率依太陽電池種類而異
進行模板陣列及蓄電池容量設計
40kWdivide18片串divide120W＝185列≒19
列
40kWdivide17片串divide120W＝196列≒20
列
陣列併列數＝設置容量divide單串功率
18片times120W＝2160W
17片times120W＝2040W
單串功率
300Vdivide169V＝1775片（取整數17 or 18）
陣列串聯數＝Inverter輸入電壓divide模板輸出電壓
模板陣列設計
1 模板功率120W
2 模板輸出電壓169V
3 直交流轉換器(Inverter)輸入電壓300V
120Wtimes17片串times20列＝40800W＝340片(最佳陣列)
120Wtimes18片串times19列＝41080W＝342片
最佳陣列較經濟之設置容量選擇最佳陣列
蓄電池數量＝144個times2列＝288個
120640Whdivide288Vdivide200Ah＝21列≒2列
併列數＝蓄電池需求容量divideInverter額定電壓
288Vdivide2V＝144個
串聯數＝Inverter額定電壓divide蓄電池電壓串併數設計
middot 蓄電池電壓2V個
middot 蓄電池容量200Ah個
Inverter電壓輸入電壓 額定電壓300V 288V200V 192V
蓄電池需求容量＝832kWhdtimes1dtimes145＝12064kWh
蓄電池需求容量＝緊急電力需求times無日照天數times補償係數補償係數蓄電池內阻抗放電停止電壓電壓降低補償
蓄電池需求容量設計
middot 補償係數145
無日照天數1日
61市電相關規定市電相關規定市電相關規定市電相關規定
1 發電設備併接於低壓系統者其總容量未滿100kW且技術無困難者得併接於單相三線110V220V三相三線220V之配電系統若總容量在100kW以上而未滿500kW得分別併接於3相4線220V380V之配電系統
2 發電設備總容量在500kW以上而未滿5000kW10000kW且技術無困難者得分別併接於114KV228KV之高壓配電系統
3 電設備總容量在10000kW以上而未滿40000kW者得併接於特高壓之系統
4 發電設備總容量在40000kW以上者依個案研討分類
併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類
發電系統經由發電系統經由發電系統經由發電系統經由110V220V110V220V110V220V110V220V併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者發電設發電設發電設發電設備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能
1 過電壓保護 低電壓保護
2 低頻保護 高頻保護
3 過電流保護 零相過電壓接地保護
4 發電設備為無逆送電力者須加裝逆電力保護
5 發電設備為有逆送電力者必須具備主動及被動防止單獨運轉保護
發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經110V220V110V220V110V220V110V220V系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者在電在電在電在電源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器
發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業114KV228KV114KV228KV114KV228KV114KV228KV之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者((((高高高高壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶))))發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Extremely Inverse特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Extremely Inverse特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過流電驛(67)須具Normal Inverse特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
發電設備併接於電業69KV特高壓輸電系統者發電設備之輸出端至少應具有下列同等保護功能並須與電業該轄區之保護設備協調
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Normal Inverse之特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Normal Inverse之特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過電流電驛(67)須具Normal Inverse之特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
8 快速及後衛保護電驛如系統保護需要時應裝設
9 匯流排電驛採用GIS斷路器者應裝設
62626262太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範
1 故障電流
太陽光電發電系統大於100kW以上須計算故障電流其送至電業系統之故障電流不得影響電業及其他用戶斷路器之起斷容量否則需裝置限流電抗器
太陽光電發電系統之隔離變壓器接地方式須與電業之系統配合
2 正常電壓變動率應維持在plusmn5以內
3 太陽光電發電系統與電業間之責任分界點的功率因數以維持85落後至100之間運轉為原則
4 諧波污染限制應依照「電力系統諧波管制暫行標準」辦理
分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性
適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯型之規範型之規範型之規範型之規範
電力轉換器電力轉換器電力轉換器電力轉換器(電力調節器電力調節器電力調節器電力調節器)(InverterConditioner)
蓄電池蓄電池蓄電池蓄電池(Battery))
63大型(商用)太陽光發電系統應用(gt1 kWp)
太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統
單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池(Unit Solar Cell)
太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板(PV Module)
太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列(PV Array)
太陽光發電系統應用獨立系統
(A) 獨立系統(Stand-Alone
System)
bull 蓄電池保護壽命
(B) 混合型交流獨立系統 (Hybrid
System)
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
直流負載PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
整流器
輔助發電機
PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載- ~PCU
直直直直交流轉換器交流轉換器交流轉換器交流轉換器
太陽光發電系統應用併聯系統
(D)併聯系統(Grid-
connected System)
特殊功能1 最佳效能2 防止獨立運轉(連線保護)
3 可自力運轉
(E) 防逆流型系統(Off-line System)
(F) 防災型併聯系統
充電控制器
蓄電池
直交流轉換器
PCU太陽電池組列
交流負載
ATS
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
獨立型系統
適用地點高山離島基地台hellip等市電無法到達處
工作方式白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
必須可以自給自足
缺點bull 系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等
安全係數設計很困難)
bull 蓄電池建置複雜成本很高壽命很短
bull 負載搭配不良時發電效能不佳利用率將偏低
bull 需由專人隨時維護
bull 混合系統為一種解決方法
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
PCU
併聯型系統
適用地點電力正常送達之任何地點工作方式 bull 白天 PV系統併聯發電夜間由台電供電bull 將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的蓄電池
優點bull 系統簡單不需安全係數設計(依預算設計)不需要專人維護bull 併聯發電效率高利用率高
缺點bull 停電時無電可用bull 受併聯法規限制尚未開放(但即將開放)
bull 有孤島效應之疑慮(目前技術上已解決)
改善型無電池自力運轉
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
市電併聯型住宅用太陽光發電系統
太陽光發電系統發電及負載用電對時間之關係
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
併聯型直交流轉換器之效能要求較高
1 最大功率追蹤(Maximum Power Tracking MPT)
2 高轉換效率 gt 90 (PWM+電力電子元件)
3 高次諧波功率 Distortion (lt5 total)
4 自動開關機(白天夜晚)
5 過負載保護過溫度保護
6 體積小重量輕室外防水防塵
7 電腦界面可遠端監控
8 防止獨立運轉(連線保護)
9 可自力運轉
太陽電池組列
交流負載
直交流轉換器MPT
Power Conditioner
併聯系統之獨立運轉(單獨運轉)
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull停電時單一併聯系統將會停止運作
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
bull 市電停電時多數併聯系統仍聯合運作將對電力公司人員產生嚴重危害
孤島效應之防止方法
停電偵測1 過電壓低電壓
2 過頻率低頻率
3 被動式偵測如
bull 電壓與頻率監視方式
bull 電壓相位跳躍監視方式
bull 高次諧波監視方式
bull 頻率變化監視方式
PV組列
直交流轉換器
自家負載
4 主動偵測如
bull 頻率Shift方式
bull 配電線負載變動方式
bull 有效電力變動方式
bull 無效電力變動方式
反應時間05~2秒
資料來源「日本電氣用品試驗所」分散型電源系統連系技術指針(1998)
併聯系統之自力運轉功能
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull 大停電後白天有陽光時以人工啟動 PV 系統進行自力運轉供自家負載使用(但夜間無法使用)
防災型併聯型系統
適用地點有防災需求(照明汲水通信hellip)之公共設施
工作方式
bull 平時PV併聯發電(電池浮充) 效率高利用率高夜間由台電供電
bull 視需要建置供防災用電池大停電時白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
缺點bull 含電池成本較高bull 系統較複雜需專人定期維護
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
FAQ1太陽光發電需要多少土地
效率 = (輸出功率W) (組列面積 m2 x 日照強度 Wm2 ) x 100
模板面積 m2 = 輸出功率W (效率 x日照強度Wm2 ) x100
bull 假設使用效率gt136 模板於1000 Wm2 (AM15)日照強度下
10 kWp 模板面積 (m2) = 10000 (0136 x 1000) ~ 735 m2
10 kWp PV系統土地面積需求約
~ 735 m2 x 15 x 11
~ 121m2 (~36坪)
(包括陰影面積及維修空間)
bull 假設使用效率~10 模板
則模板面積約 ~ 100 m2
土地面積需求約 ~ 165m2 (~50坪)
gt55o
夏至
冬至
春秋分
235o 235oh
L1 L2
FAQ2太陽電池一年能發多少電
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
10 kWm2
05 kWm2
日照強度
等效日照時數(Sun Hour)
組列單日發電量 = 組列額定輸出功率 x 等效日照時數
bull 預估1 kWp 組列單日發電量 = 1 (kW) x ex 4(Sun Hour)= 4 kWh
組列年發電量 = 組列額定輸出功率 x 年平均每日日照時數 x 365
bull 預估 1 kWp 組列年發電量 = 1 x 4 x 365 = 1460 kWh
時間時間時間時間
FAQ3太陽光發電的成本(簡易估算)
1 假設目前太陽光發電系統設置成本約為 NT$ 280000 kWp
2 假設年平均每日日照時數約為 25 Sun Hour (台灣中南部地區)
bull 1 kWp 組列單日發電量= 1 (kW) x 25 (Hour)= 25 kWh
bull 1 kWp 組列年發電量= 25 x 365 = 913 kWh (度)
3 假設太陽光發電系統使用壽命為 20 年
bull 1 kWp 太陽光發電系統總共可發電 20 x 913 = 18260 度
4 生產每度電之成本約為 280000 18260 ~ NT$ 153
5 未來發展趨勢
bull 太陽光發電系統設置成本將逐年降低
bull 市電電費將會升高(國內目前約 NT$ 3 度日本約NT$ 7 度)
bull 傳統能源限制再生能源獎勵利率降低
64獨立型太陽光發電系統應用例(一)
bull太陽電池時鐘-日本bull太陽電池路燈-日本千里住宅公園
獨立型太陽光發電系統應用例(二)
bull太陽電池交通標誌-日本北海道 bull高速公路緊急電話-日本
獨立型太陽光發電系統應用例(三)
bull800W無線通信中繼基地台韓國(1998)
獨立型太陽光發電系統應用例(四)
bull離島用90kW獨立型發電系統韓國Ho-Do島(1992)
併聯型太陽光發電系統應用例(一)
bull設置於屋頂之住宅用太陽光發電系統(建材一體型日本千里住宅公園內住宅設計之一)
併聯型太陽光發電系統應用例(二)
bull日本東海線新幹線京都車站之太陽光發電系統(100kWp)
併聯型太陽光發電系統應用例(三)
bull日本京瓷(Kyocera)京都總公司大樓之太陽電池發電系統(220kWp)
太陽光發電發電廠應用例
太陽電池發電廠
(PV Power Plant)
資料來源 ANIT
Srl Italy
建材一體型太陽電池模板應用例
bull資料來源 Pilkington Solar International GmbH 德國
太陽能車應用例
Honda Dream
bull資料來源 PV Special Research
Centre UNSW Australia
交大太陽能車
bull資料來源 National Chiao-Tung
University Taiwan
太陽光發電航太應用例(NASA Helios )
bull空中無線通訊平台應用
資料來源SkyOne Inc Taiwan
bull 飛行高度5-7 萬英呎(最高記錄 96000 英呎)
bull 時速60 mph (起飛 25 mph)
bull 翼展247 英呎bull 重量2000 磅bull 太陽電池效率要求gt22
資料來源httpwwwaerovironmentcomhomehtml
清雲技術學院 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
個人住宅 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
勤益技術學院 3kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
南台科技大學 10kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
總統府 10kWp 獨立型太陽光能發電系統 (9012)
海巡署南沙太平島 20kWp 混合型(柴油發電機)太陽光能發電系統 (9011)
90能源基金示範補助成果例
台電樹林 20kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
併聯型
台電台北市區處 20kWp 太陽光發電系統
(91能源基金示範補助成果)
併聯型
7結論
bull (1)提高電力轉換器效率
bull 轉換器的損失主要來自於開關切換時之損失為了可以降低濾波電路中電感和電容的體積可以提高切換頻率但是相對於開關的切換損失也因此而增加導致轉換器的效率降低因此發展零電壓或零電流切換技術應用於高切換頻率之轉換器將可以提高轉換器的效率
bull (2)提高太陽光發電系統之整體效率
bull 傳統之太陽光發電系統包含儲能系統和供電系統前級利用DCDC轉換器作最大功率追蹤後級則利用DCAC轉換器轉換能量供應給交流負載為了提高太陽光發電系統的整體效率在研究可提出了模組並聯控制技術以提昇各級電力轉換器的效率而在未來太陽光發電系統也將著重在單級電力轉換器的設計對於整體系統效率有較明顯的改善
8參考資料
1許國強ldquo太陽光發電原理與應用工研院材料所 薄膜技術組91年
2華志強黃崇倫ldquo智慧型能量控制於太陽光電能轉換系統國立雲林科技大學電機工程學系電力研討會97年
3林政達ldquo數位式市電並聯換流器與快速鎖相迴路控制器之研製國立雲林科技大學電機工程學系碩士論文92 年
4李思賢ldquo數位式單相低功率太陽光電能轉換系統國立中山大學電機工程學系碩士論文92 年
5洪世杰ldquo適用於再生能源之市電併聯型雙輸入供電系統國立中正大學電機工程研究所碩士論文93 年
6王廷興ldquo太陽能發電配電設計概要台北科技大學冷凍空調系 92年
7魏榮宗王文宏ldquo高效率太陽光電能源轉換系統 元智大學電機工程學系94年
[ ] 100)25(
)11
(exp
1)(exp
3
λminus+=
minus
=
+minus
minus+minus=
TKII
TTBk
qE
T
TII
where
R
IRVIRV
AkT
qIII
ISCRLG
r
GO
r
oros
sh
ssosLG
VI cell output current and voltagecell reverse saturation currentcell temperature in CBoltzmannrsquos constantelectronic chargeshort circuit current temperature coefficientsolar irradiation in Wmshort-circuit current at 25 Cand 1000 Wm
light-generated currentband gap for siliconideality factorsreference temperaturecell saturation current atshunt resistanceseries resistance
osI
T
kq
00170=IK
SCRIλ
LGI
GOE
921== ABKTr deg= 18301
orI
shR
sR
附錄附錄附錄附錄- 太陽能電池太陽能電池太陽能電池太陽能電池
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
(a) Equivalent circuit of a PV module and
(b) Typical PV module current-voltage and power-voltage characteristics
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
Characteristic of a PV module with temperature and irradiation (a) constant irradiation and varying temperature and (b) constant temperature and varying irradiation
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
系統範例系統範例系統範例系統範例
中途驛站電化PV離島用PV系統山岳地帶PV系統離島偏遠區
勤務指揮中心緊急避難所醫療院所公園學校地震觀測站森林嘹望台避難指示燈氣象觀測所水位警報PV系統河川安全燈防波堤安全PV燈
緊急防災
緊急供電系統管線電氣防蝕輸油管流量計PV系統市場廣告塔海上石油平台各種計測站PV系統發電廠情報指揮中心
產業用
住宅用供電系統緊急供電系統緊急照明系統帷幕牆遮陽棚採光罩屋瓦建築物
無線通信用中繼站基地台緊急電話中繼站電話通信PV系統Radio受信PV系統微波中繼站
通訊
農宅用電溫室栽培PV系統農業灌溉用自動灑水系統農牧電籬牛乳冷藏漁業養殖揚水通氣自動餵食器
農林漁牧
路燈交通號誌道路指示牌標誌燈太陽能電動車充電站高速公路緊急電話偏遠道路緊急電話停車計時器停車場控制門系統高速公路防音壁PV系統公路休息區PV系統太陽能車平交道指示燈候車亭PV系統車站屋頂型PV系統
道路交通
收音機測電表手錶計算機太陽能照相機手電筒電池充電器野營燈民生
應用領域
直流至直流轉換器之控制
直流至直流轉換器的作用即是在輸入電壓與輸出負載變動的情況下能夠調
節輸出電壓為所設定的位準電壓位準轉換之原理可以圖22(a)所示之簡單
電路來說明由開關導通與截止可得圖22(b)之波形其中輸出電壓vo平均
值大小Vo與開關之導通及截止時間(ton及toff)有關平均輸出電壓大小調整
之最典型的方式是採用脈波寬度調變法(Pulse-Width ModulationPWM)
其切換週期Ts(= ton+toff)為固定由調整導通時間之大小來改變平均輸出電
壓之大小Vo
+
_
Vd
R
+
_
Vo
0Vd
Vo
vo
tton toff
Ts
脈波寬度調變切換控制的方塊圖如
圖23(a)所示開關之切換控制信號
由控制訊號vcontrol與週期為Ts之鋸齒
波vst比較而得控制信號則由Vo之
實際值與設定值之誤差放大而得
vcontrol與vst比較所得之切換控制信號
的波形如圖23(b)所示當控制訊號
vst較大時則為高準位信號即使
開關導通反之為低準位信號即使
開關截止故開關之切換週期亦為
Ts 由以上的原理可知開關切換
之責任週期 (Duty Ratio)為D=tonTs
=vcontrolVst 其中Vst為鋸齒波之振
幅
放大器
+
-Vo
(設定)
(實際)
Vo
比較器
週期性波形 stv
切換控制訊號
控制訊號
0 t
$Vst
=stv 鋸齒波電壓
controlv (放大誤差)
On On
Off Off
stcontrol vv gt
stcontrol vv ltton toff
Ts
切換控制訊號
(切換頻率 fT
s
s
=1
)
升壓式直流至直流轉換器
圖211為升壓式轉換器電路主要用途為直流電源供應器與直流馬達之
再生制動(Regenerative Breaking)顧名思義其輸出電壓高過於其輸入
電壓當開關導通時二極體反向偏壓輸入電能儲存於電感負載電
能則由電容提供當開關截止時負載吸收輸入及儲存電感中之電能
-
L
CRVd
Vo
vL
iL
io
+
-
++
_
t0
t0
vL
iL
I L
Ts
toffton
_++
_
+
_
+ _+
_
+
_
iL
vL
Vd Vo
iL
vL
Vd Vo
)( dV
)( od VV minus
圖212所示為電感電流為連續之
穩態工作波形由穩態下電感電
壓一週期之平均值為零可得
0)( =minus+ offodond tVVtV
等號兩側除以Ts重新整理可得
Dt
T
V
V
off
s
d
o
minus==
1
1
假設電路無損失輸入功率
Pd=VdId 等 於 輸 出 功 率
Po=VoIo 則
)1( DI
I
d
o minus=
非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器
bullBoost之設計假設輸入10V輸出30V頻率50kHz輸出10W
所以D＝23
( ) s
o
o TDDP
VL
22
12
minusge
=6667uH
取75uH
D
VV in
o minus=
1
L
Vi
n
S Vo
+
_
C
DiL
vds
升降壓式直流至直流轉換器
升降壓式轉換器的主要用途為輸入與輸出之極性相反輸出電壓可以高於
或低於輸入電壓之直流電源供應器升降壓式轉換器可以由降壓式轉換器
與升壓式轉換式串接而成穩態下輸入與輸出電壓轉換器之比值為二轉換
器個別比值之乘積
D
D
V
V
d
o
minus=
1
因此變化責任週期D可使輸出電壓高於或低於輸入電壓
+
_
+
_
_
+
RC Vo
L
Vd
io
iLvL
id
降壓式直流至直流轉換器
降壓式轉換器顧名思義其作用為將較高準位的輸入電壓換成較低
準位的輸出電壓主要用途為直流電源供應器及直流馬達速度控制
圖22(a)所示為提供純電阻性負載之降壓式轉換器由圖22(b)可知其輸
出電壓波形由開關位置決定平均輸出電壓為
dd
s
onT
t
t
d
s
T
o
s
o DVVT
tddV
Tdv
TV
s
on
ons ==+== intintint )0(1
)(1
00ττττ
+
_
Vd
R
+
_
Vo
0Vd
Vo
vo
tton toff
Ts
32直流至交流切換式反流器
切換式直流至交流(DCAC)反流器(Inveter)乃用以將直流電源轉換成振幅
與頻率均可調之正弦式交流電源主要用途為交流馬達驅動與交流不斷
電電源供應器圖31為典型交流馬達驅動之反流器方塊圖其直流輸入
電壓通常由線電壓整流及濾波而得接著再利用切換式反流器改變輸出
電壓之振幅與頻率以驅動交流馬達切換式反流器功率之流通通常是
由直流至交流稱為反流模式但亦可以從交流至直流稱為整流模
式
+
_
交流馬達
二極體整流器 濾波電容 切換式反流器
Vd
三相交流電源
反流器包括單相及三相其輸入為直流電壓源者稱為電壓源反流器
(Voltage Source InverterVSI)另外若輸入為直流電流源者稱為電流
反流器(Current Source InverterCSI)目前僅應用在高功率之交流馬達
驅動器
1脈波寬度調變(PWM)反流器其輸入電壓通常為固定反流器本身具備變
頻及變壓的功能而變頻及變壓乃利用開關之脈波寬度調變切換控制達成
有許多類型之脈波寬度變技術可以使輸出電壓近似弦波
2方波(Square-Wave)反流器此反流器輸出電壓振幅乃由其輸入電壓調
整
反流器本身只控制輸出頻率交流輸出電壓波形近似方波因此乃稱方波
反流器
3採用電壓消去法(Voltage Cancellation)之單相反流器單相反流器當輸入
電壓為定值時可以利用電壓消去法來變頻及變壓而不須採用脈波寬度
調變其輸出電壓波形近似方波因此其結合了前述兩種反流器的特色
值得注意的是電壓消去法並不適用於三相反流器
切換式反流器之基本觀念
考慮圖33(a)之單相反流器假設其正弦輸出電壓vo是經過濾波所得若
輸出之負載為電感性(如馬達)則輸出電流io將落後vo 如圖33(b)所示
在期間1及3中 vo與io同號瞬時功率Po=voio為正故功率由直流側送至
交流側稱之為反流模式在期間2及4中 vo與io異號瞬時功率Po為負
故功率由交流側送至直流側稱之為整流模式圖33(a)之切換式反流器
在每一週期內會經歷平面上四個象限中之所有象限
單相切
換式變
流器與
濾波器
o
o
+
-
+
-
Vd
vo
id
io
0t
4 1 2 3
voio
io
vo
1反流器
4整流器
3反流器
2整流器
0
為清楚解釋起見以單臂反流器來說明
+
_
+
_
+ +
__
Vd
Vd
2
Vd
2
A
N
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
vAN
oo
o
反流器電路之脈波寬度調變切換技術如圖35(a)所示由一正弦波形控
制訊號vcontrol與三角波形vtri作比較三角波(又稱載波)之振幅為Vtri頻率
為fs fs決定反流器開關之切換頻率正弦波控制電壓vcontrol(又稱調制訊
號)之基頻f1決定反流器之輸出頻率而其振幅則決定反流器輸出電壓之
大小定義振幅調變指數為ma=Vcontrol Vtri 其中Vcontrol為vcontrol之振幅
而頻率調變指數則定義為mf = fs f1
0 t
vcontrol vtri
sf
1
0 t
vAo
V d
2
minusVd
2
t=0
v v
T on T off
control tri
A A
lt
minus + v v
T on T off
control tri
A A
gt
+ minus
1)( AoAo vv =之基本波
0 t
vcontrol vtri
sf
1
圖34反流器之開關的控制方法與io方向無關為
dAoAtricontrol VvTvv2
1=gt +導通
dAoAtricontrol VvTvv2
1minus=lt minus導通
由於二開關之導通為互補因此輸出電壓只在Vd 2與-Vd 2二值間作變
動圖35(b)所示為ma=08與mf =15時輸出電壓vAo及其基本波(以虛線表示)
之波形
+
_
+
_
+ +
__
Vd
Vd
2
Vd
2
A
N
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
vAN
oo
o
單相全橋式反流器
單相全橋式反流器如圖311所示乃由兩個前述之半橋反流器所組成在
相同之輸入電壓下全橋式反流器之最大輸出電壓為半橋式之兩倍這代
表在相同之功率下全橋式反流器之輸出及開關電流僅為半橋式之一半
此對於高功率用途是一大優點因其可以降低使用並聯元件之需求
+
_
+
_
+
_
Vd
Vd
2
Vd
2
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
v v vo Ao Bo= minuso
A
B
TBminus
TB+
DBminus
DB+
+_
id
o
o
N
雙極性電壓切換之脈波寬度調變
0 t
vcontrolvtri
sf
1
0 t
ov1ov
dV
dVminus
單極性電壓切換之脈波寬度調變
onBT +
trivgttricontrol vv gt
trivcontrolv
t
)( controlvminus
)( controlvminusonAT +
t1ov
dV
dVminus
)( BNAN
o
vv
v
minus=
應用雙極性電壓切換之脈波寬度調
變全橋式反流器乃 (TA+TB-)與 (TA-
TB+)成對切換且二者互相反相
應用單極性電壓切換之脈波寬度調
變全橋式反流器乃A臂與B獨立切
換且同臂二開關互相反相
三相反流器
+
-
+
-
+
-
dV
2dV
2dV
+AT
minusAT
+AD
minusAD
o
BminusT
+BT
minusBD
+BD
di
minusCT
+CT
minusCD
+CD
N
A B C
o
0 t
triv Acontrolv Bcontrolv Ccontrolv
0
BNANAB vvv minus=
t
dV
之基本波1LLv
ANv
0 t
dV
t0
BNv
dV
三相電壓源反流器之脈波寬度調變切換的功能為在固定輸入直流電壓下用以調整三相輸出電壓之振幅及頻率三相脈波寬度調變方式由三相各差120度的控制電壓與三角波作比較其波形與單相全橋式反流器採用脈波寬度調變單極性切換者類似
最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法
33最大功率追蹤最大功率追蹤最大功率追蹤最大功率追蹤
為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點本文使用本文使用本文使用本文使用擾動觀察法擾動觀察法擾動觀察法擾動觀察法(Perturbation and Observation Method PampQ)進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功率追蹤率追蹤率追蹤率追蹤由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點下圖為擾動下圖為擾動下圖為擾動下圖為擾動觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖為利用為利用為利用為利用DCDC轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作時時時時其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為0之特性之特性之特性之特性使用使用使用使用DCDC轉換器控制太陽轉換器控制太陽轉換器控制太陽轉換器控制太陽能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動
擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖
最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法
左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖蹤示意圖蹤示意圖蹤示意圖太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分為兩個特性區域為兩個特性區域為兩個特性區域為兩個特性區域假設進行追蹤假設進行追蹤假設進行追蹤假設進行追蹤時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時電壓電壓電壓電壓的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率增加增加增加增加若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出功率減少功率減少功率減少功率減少經由經由經由經由DCDC轉換器調轉換器調轉換器調轉換器調節太陽能板與節太陽能板與節太陽能板與節太陽能板與DCDC轉換器的阻轉換器的阻轉換器的阻轉換器的阻抗相互匹配抗相互匹配抗相互匹配抗相互匹配進而得到太陽能板進而得到太陽能板進而得到太陽能板進而得到太陽能板的最大輸出功率的最大輸出功率的最大輸出功率的最大輸出功率
擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖
4軟體規劃
bull 系統控制程式主要分為主程式固定週期中斷副程式市電電壓零交越中斷副程式等三大部分以下將分別介紹各部分程式流程
bull 本系統主程式主要執行數位訊號處理器周邊暫存器的初始設定以及變數宣告其中除了變數宣告外周邊暫存器的初始設定包括有規畫中斷向量設定計數器之計數模式計數週期中斷的時間和PWM 輸出模式等相關參數設定
bull 如圖8 所示系統初始設定後必須先等待中斷發生才能決定系統是否執行固定週期中斷程式或零交越中斷副程式
bull 圖9 為固定週期中斷副程式流程圖固定週期中斷頻率與換流器開關之切換頻率相同為20kHz程式開始會先偵測太陽能板電壓及電流與直流鏈電壓當確定市電電壓零交越中斷發生時必須先將輸出弦波訊號之指標強制為原點重新送出單位弦波確保換流器輸出電流與市電電壓能維持同相位接著比較太陽能板輸入電壓VPV 是否大於最低工作電壓VPV_work如果確定大於最低工作電壓則致能太陽能最大功率追蹤反之則禁能系統動作程式返回圖9 中的正弦脈寬調變副程式主要功能在於決定換流器中開關的動作順序與責任週期大小以及輸波參考訊號
bull 圖10 為太陽能最大功率點追蹤副程式流程圖在文中對最大功率追蹤採用擾動與觀察法配合太陽能光電板的電壓mdash功率特性曲線即可瞭解程式如何完成太陽能光電板最大功率點追蹤
主程式流程圖
5實驗
bull 依據上述的分析採用DSP 2407A 建立一個500W 太陽光電池電能轉換系統依據圖11 之
bull 電路架構其規格與元件參數分別列於表一表二及表三系統實驗波形圖12圖13圖14 及
bull 圖15 為系統操作在獨立運轉模式下負載分別為120W240W360W 及480W 時之換流器輸出
bull 電壓及輸出電流之實測波形
系統規格與元件參數
實測波形
6實務應用系統實務應用系統實務應用系統實務應用系統
獨立系統示意圖獨立系統示意圖
考慮點
系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等安全係數最佳化設計複雜)
一般充電控制器無 MPPT搭配蓄電池使發電效能較差
蓄電池每日gt50DOD深度放電gt02C充電壽命短
太陽光發電量與負載需求量不搭配時太陽光之發電能量利用率偏低 (負載需求搭配與安全係數為互相矛盾之設計)
PV-柴油發電機PV-風力等混合系統為改善之方法
市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台
電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池
併聯系統示意圖併聯系統示意圖
緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析
1 系統設置成本高建議使用於邊際效益高之用電（防災緊急輔助電力）
2 總體經濟效益減少環境污染解決尖峰用電之不足與短缺能源多元化之風險分擔與開創自主能源
3 遮蔽陽光直曬降低建築物之熱效應（被動省能）同時轉換太陽光為電能供應建物自主能源（主動節能）一舉兩得
緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較
30萬元divide21900kWh＝137元度2萬元divide50kWh＝400元度每度電成本
日發電度數times365天times20年＝3hrtimes1kWtimes365天times20年＝21900kWh（度）
（年停電＋年測試運轉時數）times10年＝（20mintimes6次＋15mintimes12月）times10年＝5hrtimes1kWtimes10年＝50kWh
總發電度數（1kw計）
夜間不發電（可利用蓄電池設計供電年維運費02）
噪音空污油料運輸儲油危險維運成本高
缺點
利用露台屋頂牆面空間設備煙管隔音油槽需室內空間
設置空間
平時緊急時均可使用隨時可了解運轉狀況不須操作
加ATS停電時方可啟動需人員每月定期測試運轉
系統運作
太陽光潔淨能源（免費）柴油使用燃料
20年7~10年使用壽命
1kW=30萬元1kW=2~3萬元設置費用
太陽光發電系統柴油發電機
風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析
運用多元化能源分擔風險情況比較說明如下
1 市電--gt停電時風險極高
2 市電＋柴油發電機--gt發電機故障時風險高
市電＋柴油發電機＋太陽光發電系統--gt發揮三者優點互補同時故障機率小風險最低
案例
832kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide057＝317 m2
115kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide075＝332 m2
緊急時057平時065~08
綜合係數溫度變化污損線損Inverter效率＋蓄電池充放電補償
電力需求divide（日照強度times日照時間times模板效率times綜合係數）
模組面積估算
日照強度1kWm2
日照時間384hd
模板效率12
832kWhd500人用電量115kWhd770人用電量
緊急時平時
電力需求估算
緊急時40kWtimes384hdtimes057＝875 kWhd
平時40kWtimes384hdtimes075＝1152Whd
太陽發電系統發電量＝設置容量times日照時間times綜合係數
發電量計算
332m2times1kWm2times12＝398kW≒40kW
太陽發電系統設置容量＝設置面積times日照強度times模板效率
設置容量計算模板效率依太陽電池種類而異
進行模板陣列及蓄電池容量設計
40kWdivide18片串divide120W＝185列≒19
列
40kWdivide17片串divide120W＝196列≒20
列
陣列併列數＝設置容量divide單串功率
18片times120W＝2160W
17片times120W＝2040W
單串功率
300Vdivide169V＝1775片（取整數17 or 18）
陣列串聯數＝Inverter輸入電壓divide模板輸出電壓
模板陣列設計
1 模板功率120W
2 模板輸出電壓169V
3 直交流轉換器(Inverter)輸入電壓300V
120Wtimes17片串times20列＝40800W＝340片(最佳陣列)
120Wtimes18片串times19列＝41080W＝342片
最佳陣列較經濟之設置容量選擇最佳陣列
蓄電池數量＝144個times2列＝288個
120640Whdivide288Vdivide200Ah＝21列≒2列
併列數＝蓄電池需求容量divideInverter額定電壓
288Vdivide2V＝144個
串聯數＝Inverter額定電壓divide蓄電池電壓串併數設計
middot 蓄電池電壓2V個
middot 蓄電池容量200Ah個
Inverter電壓輸入電壓 額定電壓300V 288V200V 192V
蓄電池需求容量＝832kWhdtimes1dtimes145＝12064kWh
蓄電池需求容量＝緊急電力需求times無日照天數times補償係數補償係數蓄電池內阻抗放電停止電壓電壓降低補償
蓄電池需求容量設計
middot 補償係數145
無日照天數1日
61市電相關規定市電相關規定市電相關規定市電相關規定
1 發電設備併接於低壓系統者其總容量未滿100kW且技術無困難者得併接於單相三線110V220V三相三線220V之配電系統若總容量在100kW以上而未滿500kW得分別併接於3相4線220V380V之配電系統
2 發電設備總容量在500kW以上而未滿5000kW10000kW且技術無困難者得分別併接於114KV228KV之高壓配電系統
3 電設備總容量在10000kW以上而未滿40000kW者得併接於特高壓之系統
4 發電設備總容量在40000kW以上者依個案研討分類
併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類
發電系統經由發電系統經由發電系統經由發電系統經由110V220V110V220V110V220V110V220V併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者發電設發電設發電設發電設備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能
1 過電壓保護 低電壓保護
2 低頻保護 高頻保護
3 過電流保護 零相過電壓接地保護
4 發電設備為無逆送電力者須加裝逆電力保護
5 發電設備為有逆送電力者必須具備主動及被動防止單獨運轉保護
發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經110V220V110V220V110V220V110V220V系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者在電在電在電在電源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器
發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業114KV228KV114KV228KV114KV228KV114KV228KV之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者((((高高高高壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶))))發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Extremely Inverse特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Extremely Inverse特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過流電驛(67)須具Normal Inverse特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
發電設備併接於電業69KV特高壓輸電系統者發電設備之輸出端至少應具有下列同等保護功能並須與電業該轄區之保護設備協調
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Normal Inverse之特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Normal Inverse之特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過電流電驛(67)須具Normal Inverse之特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
8 快速及後衛保護電驛如系統保護需要時應裝設
9 匯流排電驛採用GIS斷路器者應裝設
62626262太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範
1 故障電流
太陽光電發電系統大於100kW以上須計算故障電流其送至電業系統之故障電流不得影響電業及其他用戶斷路器之起斷容量否則需裝置限流電抗器
太陽光電發電系統之隔離變壓器接地方式須與電業之系統配合
2 正常電壓變動率應維持在plusmn5以內
3 太陽光電發電系統與電業間之責任分界點的功率因數以維持85落後至100之間運轉為原則
4 諧波污染限制應依照「電力系統諧波管制暫行標準」辦理
分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性
適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯型之規範型之規範型之規範型之規範
電力轉換器電力轉換器電力轉換器電力轉換器(電力調節器電力調節器電力調節器電力調節器)(InverterConditioner)
蓄電池蓄電池蓄電池蓄電池(Battery))
63大型(商用)太陽光發電系統應用(gt1 kWp)
太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統
單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池(Unit Solar Cell)
太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板(PV Module)
太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列(PV Array)
太陽光發電系統應用獨立系統
(A) 獨立系統(Stand-Alone
System)
bull 蓄電池保護壽命
(B) 混合型交流獨立系統 (Hybrid
System)
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
直流負載PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
整流器
輔助發電機
PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載- ~PCU
直直直直交流轉換器交流轉換器交流轉換器交流轉換器
太陽光發電系統應用併聯系統
(D)併聯系統(Grid-
connected System)
特殊功能1 最佳效能2 防止獨立運轉(連線保護)
3 可自力運轉
(E) 防逆流型系統(Off-line System)
(F) 防災型併聯系統
充電控制器
蓄電池
直交流轉換器
PCU太陽電池組列
交流負載
ATS
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
獨立型系統
適用地點高山離島基地台hellip等市電無法到達處
工作方式白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
必須可以自給自足
缺點bull 系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等
安全係數設計很困難)
bull 蓄電池建置複雜成本很高壽命很短
bull 負載搭配不良時發電效能不佳利用率將偏低
bull 需由專人隨時維護
bull 混合系統為一種解決方法
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
PCU
併聯型系統
適用地點電力正常送達之任何地點工作方式 bull 白天 PV系統併聯發電夜間由台電供電bull 將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的蓄電池
優點bull 系統簡單不需安全係數設計(依預算設計)不需要專人維護bull 併聯發電效率高利用率高
缺點bull 停電時無電可用bull 受併聯法規限制尚未開放(但即將開放)
bull 有孤島效應之疑慮(目前技術上已解決)
改善型無電池自力運轉
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
市電併聯型住宅用太陽光發電系統
太陽光發電系統發電及負載用電對時間之關係
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
併聯型直交流轉換器之效能要求較高
1 最大功率追蹤(Maximum Power Tracking MPT)
2 高轉換效率 gt 90 (PWM+電力電子元件)
3 高次諧波功率 Distortion (lt5 total)
4 自動開關機(白天夜晚)
5 過負載保護過溫度保護
6 體積小重量輕室外防水防塵
7 電腦界面可遠端監控
8 防止獨立運轉(連線保護)
9 可自力運轉
太陽電池組列
交流負載
直交流轉換器MPT
Power Conditioner
併聯系統之獨立運轉(單獨運轉)
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull停電時單一併聯系統將會停止運作
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
bull 市電停電時多數併聯系統仍聯合運作將對電力公司人員產生嚴重危害
孤島效應之防止方法
停電偵測1 過電壓低電壓
2 過頻率低頻率
3 被動式偵測如
bull 電壓與頻率監視方式
bull 電壓相位跳躍監視方式
bull 高次諧波監視方式
bull 頻率變化監視方式
PV組列
直交流轉換器
自家負載
4 主動偵測如
bull 頻率Shift方式
bull 配電線負載變動方式
bull 有效電力變動方式
bull 無效電力變動方式
反應時間05~2秒
資料來源「日本電氣用品試驗所」分散型電源系統連系技術指針(1998)
併聯系統之自力運轉功能
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull 大停電後白天有陽光時以人工啟動 PV 系統進行自力運轉供自家負載使用(但夜間無法使用)
防災型併聯型系統
適用地點有防災需求(照明汲水通信hellip)之公共設施
工作方式
bull 平時PV併聯發電(電池浮充) 效率高利用率高夜間由台電供電
bull 視需要建置供防災用電池大停電時白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
缺點bull 含電池成本較高bull 系統較複雜需專人定期維護
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
FAQ1太陽光發電需要多少土地
效率 = (輸出功率W) (組列面積 m2 x 日照強度 Wm2 ) x 100
模板面積 m2 = 輸出功率W (效率 x日照強度Wm2 ) x100
bull 假設使用效率gt136 模板於1000 Wm2 (AM15)日照強度下
10 kWp 模板面積 (m2) = 10000 (0136 x 1000) ~ 735 m2
10 kWp PV系統土地面積需求約
~ 735 m2 x 15 x 11
~ 121m2 (~36坪)
(包括陰影面積及維修空間)
bull 假設使用效率~10 模板
則模板面積約 ~ 100 m2
土地面積需求約 ~ 165m2 (~50坪)
gt55o
夏至
冬至
春秋分
235o 235oh
L1 L2
FAQ2太陽電池一年能發多少電
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
10 kWm2
05 kWm2
日照強度
等效日照時數(Sun Hour)
組列單日發電量 = 組列額定輸出功率 x 等效日照時數
bull 預估1 kWp 組列單日發電量 = 1 (kW) x ex 4(Sun Hour)= 4 kWh
組列年發電量 = 組列額定輸出功率 x 年平均每日日照時數 x 365
bull 預估 1 kWp 組列年發電量 = 1 x 4 x 365 = 1460 kWh
時間時間時間時間
FAQ3太陽光發電的成本(簡易估算)
1 假設目前太陽光發電系統設置成本約為 NT$ 280000 kWp
2 假設年平均每日日照時數約為 25 Sun Hour (台灣中南部地區)
bull 1 kWp 組列單日發電量= 1 (kW) x 25 (Hour)= 25 kWh
bull 1 kWp 組列年發電量= 25 x 365 = 913 kWh (度)
3 假設太陽光發電系統使用壽命為 20 年
bull 1 kWp 太陽光發電系統總共可發電 20 x 913 = 18260 度
4 生產每度電之成本約為 280000 18260 ~ NT$ 153
5 未來發展趨勢
bull 太陽光發電系統設置成本將逐年降低
bull 市電電費將會升高(國內目前約 NT$ 3 度日本約NT$ 7 度)
bull 傳統能源限制再生能源獎勵利率降低
64獨立型太陽光發電系統應用例(一)
bull太陽電池時鐘-日本bull太陽電池路燈-日本千里住宅公園
獨立型太陽光發電系統應用例(二)
bull太陽電池交通標誌-日本北海道 bull高速公路緊急電話-日本
獨立型太陽光發電系統應用例(三)
bull800W無線通信中繼基地台韓國(1998)
獨立型太陽光發電系統應用例(四)
bull離島用90kW獨立型發電系統韓國Ho-Do島(1992)
併聯型太陽光發電系統應用例(一)
bull設置於屋頂之住宅用太陽光發電系統(建材一體型日本千里住宅公園內住宅設計之一)
併聯型太陽光發電系統應用例(二)
bull日本東海線新幹線京都車站之太陽光發電系統(100kWp)
併聯型太陽光發電系統應用例(三)
bull日本京瓷(Kyocera)京都總公司大樓之太陽電池發電系統(220kWp)
太陽光發電發電廠應用例
太陽電池發電廠
(PV Power Plant)
資料來源 ANIT
Srl Italy
建材一體型太陽電池模板應用例
bull資料來源 Pilkington Solar International GmbH 德國
太陽能車應用例
Honda Dream
bull資料來源 PV Special Research
Centre UNSW Australia
交大太陽能車
bull資料來源 National Chiao-Tung
University Taiwan
太陽光發電航太應用例(NASA Helios )
bull空中無線通訊平台應用
資料來源SkyOne Inc Taiwan
bull 飛行高度5-7 萬英呎(最高記錄 96000 英呎)
bull 時速60 mph (起飛 25 mph)
bull 翼展247 英呎bull 重量2000 磅bull 太陽電池效率要求gt22
資料來源httpwwwaerovironmentcomhomehtml
清雲技術學院 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
個人住宅 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
勤益技術學院 3kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
南台科技大學 10kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
總統府 10kWp 獨立型太陽光能發電系統 (9012)
海巡署南沙太平島 20kWp 混合型(柴油發電機)太陽光能發電系統 (9011)
90能源基金示範補助成果例
台電樹林 20kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
併聯型
台電台北市區處 20kWp 太陽光發電系統
(91能源基金示範補助成果)
併聯型
7結論
bull (1)提高電力轉換器效率
bull 轉換器的損失主要來自於開關切換時之損失為了可以降低濾波電路中電感和電容的體積可以提高切換頻率但是相對於開關的切換損失也因此而增加導致轉換器的效率降低因此發展零電壓或零電流切換技術應用於高切換頻率之轉換器將可以提高轉換器的效率
bull (2)提高太陽光發電系統之整體效率
bull 傳統之太陽光發電系統包含儲能系統和供電系統前級利用DCDC轉換器作最大功率追蹤後級則利用DCAC轉換器轉換能量供應給交流負載為了提高太陽光發電系統的整體效率在研究可提出了模組並聯控制技術以提昇各級電力轉換器的效率而在未來太陽光發電系統也將著重在單級電力轉換器的設計對於整體系統效率有較明顯的改善
8參考資料
1許國強ldquo太陽光發電原理與應用工研院材料所 薄膜技術組91年
2華志強黃崇倫ldquo智慧型能量控制於太陽光電能轉換系統國立雲林科技大學電機工程學系電力研討會97年
3林政達ldquo數位式市電並聯換流器與快速鎖相迴路控制器之研製國立雲林科技大學電機工程學系碩士論文92 年
4李思賢ldquo數位式單相低功率太陽光電能轉換系統國立中山大學電機工程學系碩士論文92 年
5洪世杰ldquo適用於再生能源之市電併聯型雙輸入供電系統國立中正大學電機工程研究所碩士論文93 年
6王廷興ldquo太陽能發電配電設計概要台北科技大學冷凍空調系 92年
7魏榮宗王文宏ldquo高效率太陽光電能源轉換系統 元智大學電機工程學系94年
[ ] 100)25(
)11
(exp
1)(exp
3
λminus+=
minus
=
+minus
minus+minus=
TKII
TTBk
qE
T
TII
where
R
IRVIRV
AkT
qIII
ISCRLG
r
GO
r
oros
sh
ssosLG
VI cell output current and voltagecell reverse saturation currentcell temperature in CBoltzmannrsquos constantelectronic chargeshort circuit current temperature coefficientsolar irradiation in Wmshort-circuit current at 25 Cand 1000 Wm
light-generated currentband gap for siliconideality factorsreference temperaturecell saturation current atshunt resistanceseries resistance
osI
T
kq
00170=IK
SCRIλ
LGI
GOE
921== ABKTr deg= 18301
orI
shR
sR
附錄附錄附錄附錄- 太陽能電池太陽能電池太陽能電池太陽能電池
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
(a) Equivalent circuit of a PV module and
(b) Typical PV module current-voltage and power-voltage characteristics
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
Characteristic of a PV module with temperature and irradiation (a) constant irradiation and varying temperature and (b) constant temperature and varying irradiation
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
系統範例系統範例系統範例系統範例
中途驛站電化PV離島用PV系統山岳地帶PV系統離島偏遠區
勤務指揮中心緊急避難所醫療院所公園學校地震觀測站森林嘹望台避難指示燈氣象觀測所水位警報PV系統河川安全燈防波堤安全PV燈
緊急防災
緊急供電系統管線電氣防蝕輸油管流量計PV系統市場廣告塔海上石油平台各種計測站PV系統發電廠情報指揮中心
產業用
住宅用供電系統緊急供電系統緊急照明系統帷幕牆遮陽棚採光罩屋瓦建築物
無線通信用中繼站基地台緊急電話中繼站電話通信PV系統Radio受信PV系統微波中繼站
通訊
農宅用電溫室栽培PV系統農業灌溉用自動灑水系統農牧電籬牛乳冷藏漁業養殖揚水通氣自動餵食器
農林漁牧
路燈交通號誌道路指示牌標誌燈太陽能電動車充電站高速公路緊急電話偏遠道路緊急電話停車計時器停車場控制門系統高速公路防音壁PV系統公路休息區PV系統太陽能車平交道指示燈候車亭PV系統車站屋頂型PV系統
道路交通
收音機測電表手錶計算機太陽能照相機手電筒電池充電器野營燈民生
應用領域
脈波寬度調變切換控制的方塊圖如
圖23(a)所示開關之切換控制信號
由控制訊號vcontrol與週期為Ts之鋸齒
波vst比較而得控制信號則由Vo之
實際值與設定值之誤差放大而得
vcontrol與vst比較所得之切換控制信號
的波形如圖23(b)所示當控制訊號
vst較大時則為高準位信號即使
開關導通反之為低準位信號即使
開關截止故開關之切換週期亦為
Ts 由以上的原理可知開關切換
之責任週期 (Duty Ratio)為D=tonTs
=vcontrolVst 其中Vst為鋸齒波之振
幅
放大器
+
-Vo
(設定)
(實際)
Vo
比較器
週期性波形 stv
切換控制訊號
控制訊號
0 t
$Vst
=stv 鋸齒波電壓
controlv (放大誤差)
On On
Off Off
stcontrol vv gt
stcontrol vv ltton toff
Ts
切換控制訊號
(切換頻率 fT
s
s
=1
)
升壓式直流至直流轉換器
圖211為升壓式轉換器電路主要用途為直流電源供應器與直流馬達之
再生制動(Regenerative Breaking)顧名思義其輸出電壓高過於其輸入
電壓當開關導通時二極體反向偏壓輸入電能儲存於電感負載電
能則由電容提供當開關截止時負載吸收輸入及儲存電感中之電能
-
L
CRVd
Vo
vL
iL
io
+
-
++
_
t0
t0
vL
iL
I L
Ts
toffton
_++
_
+
_
+ _+
_
+
_
iL
vL
Vd Vo
iL
vL
Vd Vo
)( dV
)( od VV minus
圖212所示為電感電流為連續之
穩態工作波形由穩態下電感電
壓一週期之平均值為零可得
0)( =minus+ offodond tVVtV
等號兩側除以Ts重新整理可得
Dt
T
V
V
off
s
d
o
minus==
1
1
假設電路無損失輸入功率
Pd=VdId 等 於 輸 出 功 率
Po=VoIo 則
)1( DI
I
d
o minus=
非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器
bullBoost之設計假設輸入10V輸出30V頻率50kHz輸出10W
所以D＝23
( ) s
o
o TDDP
VL
22
12
minusge
=6667uH
取75uH
D
VV in
o minus=
1
L
Vi
n
S Vo
+
_
C
DiL
vds
升降壓式直流至直流轉換器
升降壓式轉換器的主要用途為輸入與輸出之極性相反輸出電壓可以高於
或低於輸入電壓之直流電源供應器升降壓式轉換器可以由降壓式轉換器
與升壓式轉換式串接而成穩態下輸入與輸出電壓轉換器之比值為二轉換
器個別比值之乘積
D
D
V
V
d
o
minus=
1
因此變化責任週期D可使輸出電壓高於或低於輸入電壓
+
_
+
_
_
+
RC Vo
L
Vd
io
iLvL
id
降壓式直流至直流轉換器
降壓式轉換器顧名思義其作用為將較高準位的輸入電壓換成較低
準位的輸出電壓主要用途為直流電源供應器及直流馬達速度控制
圖22(a)所示為提供純電阻性負載之降壓式轉換器由圖22(b)可知其輸
出電壓波形由開關位置決定平均輸出電壓為
dd
s
onT
t
t
d
s
T
o
s
o DVVT
tddV
Tdv
TV
s
on
ons ==+== intintint )0(1
)(1
00ττττ
+
_
Vd
R
+
_
Vo
0Vd
Vo
vo
tton toff
Ts
32直流至交流切換式反流器
切換式直流至交流(DCAC)反流器(Inveter)乃用以將直流電源轉換成振幅
與頻率均可調之正弦式交流電源主要用途為交流馬達驅動與交流不斷
電電源供應器圖31為典型交流馬達驅動之反流器方塊圖其直流輸入
電壓通常由線電壓整流及濾波而得接著再利用切換式反流器改變輸出
電壓之振幅與頻率以驅動交流馬達切換式反流器功率之流通通常是
由直流至交流稱為反流模式但亦可以從交流至直流稱為整流模
式
+
_
交流馬達
二極體整流器 濾波電容 切換式反流器
Vd
三相交流電源
反流器包括單相及三相其輸入為直流電壓源者稱為電壓源反流器
(Voltage Source InverterVSI)另外若輸入為直流電流源者稱為電流
反流器(Current Source InverterCSI)目前僅應用在高功率之交流馬達
驅動器
1脈波寬度調變(PWM)反流器其輸入電壓通常為固定反流器本身具備變
頻及變壓的功能而變頻及變壓乃利用開關之脈波寬度調變切換控制達成
有許多類型之脈波寬度變技術可以使輸出電壓近似弦波
2方波(Square-Wave)反流器此反流器輸出電壓振幅乃由其輸入電壓調
整
反流器本身只控制輸出頻率交流輸出電壓波形近似方波因此乃稱方波
反流器
3採用電壓消去法(Voltage Cancellation)之單相反流器單相反流器當輸入
電壓為定值時可以利用電壓消去法來變頻及變壓而不須採用脈波寬度
調變其輸出電壓波形近似方波因此其結合了前述兩種反流器的特色
值得注意的是電壓消去法並不適用於三相反流器
切換式反流器之基本觀念
考慮圖33(a)之單相反流器假設其正弦輸出電壓vo是經過濾波所得若
輸出之負載為電感性(如馬達)則輸出電流io將落後vo 如圖33(b)所示
在期間1及3中 vo與io同號瞬時功率Po=voio為正故功率由直流側送至
交流側稱之為反流模式在期間2及4中 vo與io異號瞬時功率Po為負
故功率由交流側送至直流側稱之為整流模式圖33(a)之切換式反流器
在每一週期內會經歷平面上四個象限中之所有象限
單相切
換式變
流器與
濾波器
o
o
+
-
+
-
Vd
vo
id
io
0t
4 1 2 3
voio
io
vo
1反流器
4整流器
3反流器
2整流器
0
為清楚解釋起見以單臂反流器來說明
+
_
+
_
+ +
__
Vd
Vd
2
Vd
2
A
N
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
vAN
oo
o
反流器電路之脈波寬度調變切換技術如圖35(a)所示由一正弦波形控
制訊號vcontrol與三角波形vtri作比較三角波(又稱載波)之振幅為Vtri頻率
為fs fs決定反流器開關之切換頻率正弦波控制電壓vcontrol(又稱調制訊
號)之基頻f1決定反流器之輸出頻率而其振幅則決定反流器輸出電壓之
大小定義振幅調變指數為ma=Vcontrol Vtri 其中Vcontrol為vcontrol之振幅
而頻率調變指數則定義為mf = fs f1
0 t
vcontrol vtri
sf
1
0 t
vAo
V d
2
minusVd
2
t=0
v v
T on T off
control tri
A A
lt
minus + v v
T on T off
control tri
A A
gt
+ minus
1)( AoAo vv =之基本波
0 t
vcontrol vtri
sf
1
圖34反流器之開關的控制方法與io方向無關為
dAoAtricontrol VvTvv2
1=gt +導通
dAoAtricontrol VvTvv2
1minus=lt minus導通
由於二開關之導通為互補因此輸出電壓只在Vd 2與-Vd 2二值間作變
動圖35(b)所示為ma=08與mf =15時輸出電壓vAo及其基本波(以虛線表示)
之波形
+
_
+
_
+ +
__
Vd
Vd
2
Vd
2
A
N
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
vAN
oo
o
單相全橋式反流器
單相全橋式反流器如圖311所示乃由兩個前述之半橋反流器所組成在
相同之輸入電壓下全橋式反流器之最大輸出電壓為半橋式之兩倍這代
表在相同之功率下全橋式反流器之輸出及開關電流僅為半橋式之一半
此對於高功率用途是一大優點因其可以降低使用並聯元件之需求
+
_
+
_
+
_
Vd
Vd
2
Vd
2
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
v v vo Ao Bo= minuso
A
B
TBminus
TB+
DBminus
DB+
+_
id
o
o
N
雙極性電壓切換之脈波寬度調變
0 t
vcontrolvtri
sf
1
0 t
ov1ov
dV
dVminus
單極性電壓切換之脈波寬度調變
onBT +
trivgttricontrol vv gt
trivcontrolv
t
)( controlvminus
)( controlvminusonAT +
t1ov
dV
dVminus
)( BNAN
o
vv
v
minus=
應用雙極性電壓切換之脈波寬度調
變全橋式反流器乃 (TA+TB-)與 (TA-
TB+)成對切換且二者互相反相
應用單極性電壓切換之脈波寬度調
變全橋式反流器乃A臂與B獨立切
換且同臂二開關互相反相
三相反流器
+
-
+
-
+
-
dV
2dV
2dV
+AT
minusAT
+AD
minusAD
o
BminusT
+BT
minusBD
+BD
di
minusCT
+CT
minusCD
+CD
N
A B C
o
0 t
triv Acontrolv Bcontrolv Ccontrolv
0
BNANAB vvv minus=
t
dV
之基本波1LLv
ANv
0 t
dV
t0
BNv
dV
三相電壓源反流器之脈波寬度調變切換的功能為在固定輸入直流電壓下用以調整三相輸出電壓之振幅及頻率三相脈波寬度調變方式由三相各差120度的控制電壓與三角波作比較其波形與單相全橋式反流器採用脈波寬度調變單極性切換者類似
最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法
33最大功率追蹤最大功率追蹤最大功率追蹤最大功率追蹤
為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點本文使用本文使用本文使用本文使用擾動觀察法擾動觀察法擾動觀察法擾動觀察法(Perturbation and Observation Method PampQ)進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功率追蹤率追蹤率追蹤率追蹤由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點下圖為擾動下圖為擾動下圖為擾動下圖為擾動觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖為利用為利用為利用為利用DCDC轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作時時時時其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為0之特性之特性之特性之特性使用使用使用使用DCDC轉換器控制太陽轉換器控制太陽轉換器控制太陽轉換器控制太陽能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動
擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖
最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法
左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖蹤示意圖蹤示意圖蹤示意圖太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分為兩個特性區域為兩個特性區域為兩個特性區域為兩個特性區域假設進行追蹤假設進行追蹤假設進行追蹤假設進行追蹤時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時電壓電壓電壓電壓的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率增加增加增加增加若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出功率減少功率減少功率減少功率減少經由經由經由經由DCDC轉換器調轉換器調轉換器調轉換器調節太陽能板與節太陽能板與節太陽能板與節太陽能板與DCDC轉換器的阻轉換器的阻轉換器的阻轉換器的阻抗相互匹配抗相互匹配抗相互匹配抗相互匹配進而得到太陽能板進而得到太陽能板進而得到太陽能板進而得到太陽能板的最大輸出功率的最大輸出功率的最大輸出功率的最大輸出功率
擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖
4軟體規劃
bull 系統控制程式主要分為主程式固定週期中斷副程式市電電壓零交越中斷副程式等三大部分以下將分別介紹各部分程式流程
bull 本系統主程式主要執行數位訊號處理器周邊暫存器的初始設定以及變數宣告其中除了變數宣告外周邊暫存器的初始設定包括有規畫中斷向量設定計數器之計數模式計數週期中斷的時間和PWM 輸出模式等相關參數設定
bull 如圖8 所示系統初始設定後必須先等待中斷發生才能決定系統是否執行固定週期中斷程式或零交越中斷副程式
bull 圖9 為固定週期中斷副程式流程圖固定週期中斷頻率與換流器開關之切換頻率相同為20kHz程式開始會先偵測太陽能板電壓及電流與直流鏈電壓當確定市電電壓零交越中斷發生時必須先將輸出弦波訊號之指標強制為原點重新送出單位弦波確保換流器輸出電流與市電電壓能維持同相位接著比較太陽能板輸入電壓VPV 是否大於最低工作電壓VPV_work如果確定大於最低工作電壓則致能太陽能最大功率追蹤反之則禁能系統動作程式返回圖9 中的正弦脈寬調變副程式主要功能在於決定換流器中開關的動作順序與責任週期大小以及輸波參考訊號
bull 圖10 為太陽能最大功率點追蹤副程式流程圖在文中對最大功率追蹤採用擾動與觀察法配合太陽能光電板的電壓mdash功率特性曲線即可瞭解程式如何完成太陽能光電板最大功率點追蹤
主程式流程圖
5實驗
bull 依據上述的分析採用DSP 2407A 建立一個500W 太陽光電池電能轉換系統依據圖11 之
bull 電路架構其規格與元件參數分別列於表一表二及表三系統實驗波形圖12圖13圖14 及
bull 圖15 為系統操作在獨立運轉模式下負載分別為120W240W360W 及480W 時之換流器輸出
bull 電壓及輸出電流之實測波形
系統規格與元件參數
實測波形
6實務應用系統實務應用系統實務應用系統實務應用系統
獨立系統示意圖獨立系統示意圖
考慮點
系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等安全係數最佳化設計複雜)
一般充電控制器無 MPPT搭配蓄電池使發電效能較差
蓄電池每日gt50DOD深度放電gt02C充電壽命短
太陽光發電量與負載需求量不搭配時太陽光之發電能量利用率偏低 (負載需求搭配與安全係數為互相矛盾之設計)
PV-柴油發電機PV-風力等混合系統為改善之方法
市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台
電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池
併聯系統示意圖併聯系統示意圖
緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析
1 系統設置成本高建議使用於邊際效益高之用電（防災緊急輔助電力）
2 總體經濟效益減少環境污染解決尖峰用電之不足與短缺能源多元化之風險分擔與開創自主能源
3 遮蔽陽光直曬降低建築物之熱效應（被動省能）同時轉換太陽光為電能供應建物自主能源（主動節能）一舉兩得
緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較
30萬元divide21900kWh＝137元度2萬元divide50kWh＝400元度每度電成本
日發電度數times365天times20年＝3hrtimes1kWtimes365天times20年＝21900kWh（度）
（年停電＋年測試運轉時數）times10年＝（20mintimes6次＋15mintimes12月）times10年＝5hrtimes1kWtimes10年＝50kWh
總發電度數（1kw計）
夜間不發電（可利用蓄電池設計供電年維運費02）
噪音空污油料運輸儲油危險維運成本高
缺點
利用露台屋頂牆面空間設備煙管隔音油槽需室內空間
設置空間
平時緊急時均可使用隨時可了解運轉狀況不須操作
加ATS停電時方可啟動需人員每月定期測試運轉
系統運作
太陽光潔淨能源（免費）柴油使用燃料
20年7~10年使用壽命
1kW=30萬元1kW=2~3萬元設置費用
太陽光發電系統柴油發電機
風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析
運用多元化能源分擔風險情況比較說明如下
1 市電--gt停電時風險極高
2 市電＋柴油發電機--gt發電機故障時風險高
市電＋柴油發電機＋太陽光發電系統--gt發揮三者優點互補同時故障機率小風險最低
案例
832kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide057＝317 m2
115kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide075＝332 m2
緊急時057平時065~08
綜合係數溫度變化污損線損Inverter效率＋蓄電池充放電補償
電力需求divide（日照強度times日照時間times模板效率times綜合係數）
模組面積估算
日照強度1kWm2
日照時間384hd
模板效率12
832kWhd500人用電量115kWhd770人用電量
緊急時平時
電力需求估算
緊急時40kWtimes384hdtimes057＝875 kWhd
平時40kWtimes384hdtimes075＝1152Whd
太陽發電系統發電量＝設置容量times日照時間times綜合係數
發電量計算
332m2times1kWm2times12＝398kW≒40kW
太陽發電系統設置容量＝設置面積times日照強度times模板效率
設置容量計算模板效率依太陽電池種類而異
進行模板陣列及蓄電池容量設計
40kWdivide18片串divide120W＝185列≒19
列
40kWdivide17片串divide120W＝196列≒20
列
陣列併列數＝設置容量divide單串功率
18片times120W＝2160W
17片times120W＝2040W
單串功率
300Vdivide169V＝1775片（取整數17 or 18）
陣列串聯數＝Inverter輸入電壓divide模板輸出電壓
模板陣列設計
1 模板功率120W
2 模板輸出電壓169V
3 直交流轉換器(Inverter)輸入電壓300V
120Wtimes17片串times20列＝40800W＝340片(最佳陣列)
120Wtimes18片串times19列＝41080W＝342片
最佳陣列較經濟之設置容量選擇最佳陣列
蓄電池數量＝144個times2列＝288個
120640Whdivide288Vdivide200Ah＝21列≒2列
併列數＝蓄電池需求容量divideInverter額定電壓
288Vdivide2V＝144個
串聯數＝Inverter額定電壓divide蓄電池電壓串併數設計
middot 蓄電池電壓2V個
middot 蓄電池容量200Ah個
Inverter電壓輸入電壓 額定電壓300V 288V200V 192V
蓄電池需求容量＝832kWhdtimes1dtimes145＝12064kWh
蓄電池需求容量＝緊急電力需求times無日照天數times補償係數補償係數蓄電池內阻抗放電停止電壓電壓降低補償
蓄電池需求容量設計
middot 補償係數145
無日照天數1日
61市電相關規定市電相關規定市電相關規定市電相關規定
1 發電設備併接於低壓系統者其總容量未滿100kW且技術無困難者得併接於單相三線110V220V三相三線220V之配電系統若總容量在100kW以上而未滿500kW得分別併接於3相4線220V380V之配電系統
2 發電設備總容量在500kW以上而未滿5000kW10000kW且技術無困難者得分別併接於114KV228KV之高壓配電系統
3 電設備總容量在10000kW以上而未滿40000kW者得併接於特高壓之系統
4 發電設備總容量在40000kW以上者依個案研討分類
併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類
發電系統經由發電系統經由發電系統經由發電系統經由110V220V110V220V110V220V110V220V併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者發電設發電設發電設發電設備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能
1 過電壓保護 低電壓保護
2 低頻保護 高頻保護
3 過電流保護 零相過電壓接地保護
4 發電設備為無逆送電力者須加裝逆電力保護
5 發電設備為有逆送電力者必須具備主動及被動防止單獨運轉保護
發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經110V220V110V220V110V220V110V220V系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者在電在電在電在電源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器
發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業114KV228KV114KV228KV114KV228KV114KV228KV之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者((((高高高高壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶))))發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Extremely Inverse特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Extremely Inverse特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過流電驛(67)須具Normal Inverse特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
發電設備併接於電業69KV特高壓輸電系統者發電設備之輸出端至少應具有下列同等保護功能並須與電業該轄區之保護設備協調
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Normal Inverse之特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Normal Inverse之特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過電流電驛(67)須具Normal Inverse之特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
8 快速及後衛保護電驛如系統保護需要時應裝設
9 匯流排電驛採用GIS斷路器者應裝設
62626262太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範
1 故障電流
太陽光電發電系統大於100kW以上須計算故障電流其送至電業系統之故障電流不得影響電業及其他用戶斷路器之起斷容量否則需裝置限流電抗器
太陽光電發電系統之隔離變壓器接地方式須與電業之系統配合
2 正常電壓變動率應維持在plusmn5以內
3 太陽光電發電系統與電業間之責任分界點的功率因數以維持85落後至100之間運轉為原則
4 諧波污染限制應依照「電力系統諧波管制暫行標準」辦理
分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性
適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯型之規範型之規範型之規範型之規範
電力轉換器電力轉換器電力轉換器電力轉換器(電力調節器電力調節器電力調節器電力調節器)(InverterConditioner)
蓄電池蓄電池蓄電池蓄電池(Battery))
63大型(商用)太陽光發電系統應用(gt1 kWp)
太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統
單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池(Unit Solar Cell)
太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板(PV Module)
太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列(PV Array)
太陽光發電系統應用獨立系統
(A) 獨立系統(Stand-Alone
System)
bull 蓄電池保護壽命
(B) 混合型交流獨立系統 (Hybrid
System)
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
直流負載PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
整流器
輔助發電機
PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載- ~PCU
直直直直交流轉換器交流轉換器交流轉換器交流轉換器
太陽光發電系統應用併聯系統
(D)併聯系統(Grid-
connected System)
特殊功能1 最佳效能2 防止獨立運轉(連線保護)
3 可自力運轉
(E) 防逆流型系統(Off-line System)
(F) 防災型併聯系統
充電控制器
蓄電池
直交流轉換器
PCU太陽電池組列
交流負載
ATS
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
獨立型系統
適用地點高山離島基地台hellip等市電無法到達處
工作方式白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
必須可以自給自足
缺點bull 系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等
安全係數設計很困難)
bull 蓄電池建置複雜成本很高壽命很短
bull 負載搭配不良時發電效能不佳利用率將偏低
bull 需由專人隨時維護
bull 混合系統為一種解決方法
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
PCU
併聯型系統
適用地點電力正常送達之任何地點工作方式 bull 白天 PV系統併聯發電夜間由台電供電bull 將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的蓄電池
優點bull 系統簡單不需安全係數設計(依預算設計)不需要專人維護bull 併聯發電效率高利用率高
缺點bull 停電時無電可用bull 受併聯法規限制尚未開放(但即將開放)
bull 有孤島效應之疑慮(目前技術上已解決)
改善型無電池自力運轉
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
市電併聯型住宅用太陽光發電系統
太陽光發電系統發電及負載用電對時間之關係
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
併聯型直交流轉換器之效能要求較高
1 最大功率追蹤(Maximum Power Tracking MPT)
2 高轉換效率 gt 90 (PWM+電力電子元件)
3 高次諧波功率 Distortion (lt5 total)
4 自動開關機(白天夜晚)
5 過負載保護過溫度保護
6 體積小重量輕室外防水防塵
7 電腦界面可遠端監控
8 防止獨立運轉(連線保護)
9 可自力運轉
太陽電池組列
交流負載
直交流轉換器MPT
Power Conditioner
併聯系統之獨立運轉(單獨運轉)
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull停電時單一併聯系統將會停止運作
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
bull 市電停電時多數併聯系統仍聯合運作將對電力公司人員產生嚴重危害
孤島效應之防止方法
停電偵測1 過電壓低電壓
2 過頻率低頻率
3 被動式偵測如
bull 電壓與頻率監視方式
bull 電壓相位跳躍監視方式
bull 高次諧波監視方式
bull 頻率變化監視方式
PV組列
直交流轉換器
自家負載
4 主動偵測如
bull 頻率Shift方式
bull 配電線負載變動方式
bull 有效電力變動方式
bull 無效電力變動方式
反應時間05~2秒
資料來源「日本電氣用品試驗所」分散型電源系統連系技術指針(1998)
併聯系統之自力運轉功能
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull 大停電後白天有陽光時以人工啟動 PV 系統進行自力運轉供自家負載使用(但夜間無法使用)
防災型併聯型系統
適用地點有防災需求(照明汲水通信hellip)之公共設施
工作方式
bull 平時PV併聯發電(電池浮充) 效率高利用率高夜間由台電供電
bull 視需要建置供防災用電池大停電時白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
缺點bull 含電池成本較高bull 系統較複雜需專人定期維護
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
FAQ1太陽光發電需要多少土地
效率 = (輸出功率W) (組列面積 m2 x 日照強度 Wm2 ) x 100
模板面積 m2 = 輸出功率W (效率 x日照強度Wm2 ) x100
bull 假設使用效率gt136 模板於1000 Wm2 (AM15)日照強度下
10 kWp 模板面積 (m2) = 10000 (0136 x 1000) ~ 735 m2
10 kWp PV系統土地面積需求約
~ 735 m2 x 15 x 11
~ 121m2 (~36坪)
(包括陰影面積及維修空間)
bull 假設使用效率~10 模板
則模板面積約 ~ 100 m2
土地面積需求約 ~ 165m2 (~50坪)
gt55o
夏至
冬至
春秋分
235o 235oh
L1 L2
FAQ2太陽電池一年能發多少電
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
10 kWm2
05 kWm2
日照強度
等效日照時數(Sun Hour)
組列單日發電量 = 組列額定輸出功率 x 等效日照時數
bull 預估1 kWp 組列單日發電量 = 1 (kW) x ex 4(Sun Hour)= 4 kWh
組列年發電量 = 組列額定輸出功率 x 年平均每日日照時數 x 365
bull 預估 1 kWp 組列年發電量 = 1 x 4 x 365 = 1460 kWh
時間時間時間時間
FAQ3太陽光發電的成本(簡易估算)
1 假設目前太陽光發電系統設置成本約為 NT$ 280000 kWp
2 假設年平均每日日照時數約為 25 Sun Hour (台灣中南部地區)
bull 1 kWp 組列單日發電量= 1 (kW) x 25 (Hour)= 25 kWh
bull 1 kWp 組列年發電量= 25 x 365 = 913 kWh (度)
3 假設太陽光發電系統使用壽命為 20 年
bull 1 kWp 太陽光發電系統總共可發電 20 x 913 = 18260 度
4 生產每度電之成本約為 280000 18260 ~ NT$ 153
5 未來發展趨勢
bull 太陽光發電系統設置成本將逐年降低
bull 市電電費將會升高(國內目前約 NT$ 3 度日本約NT$ 7 度)
bull 傳統能源限制再生能源獎勵利率降低
64獨立型太陽光發電系統應用例(一)
bull太陽電池時鐘-日本bull太陽電池路燈-日本千里住宅公園
獨立型太陽光發電系統應用例(二)
bull太陽電池交通標誌-日本北海道 bull高速公路緊急電話-日本
獨立型太陽光發電系統應用例(三)
bull800W無線通信中繼基地台韓國(1998)
獨立型太陽光發電系統應用例(四)
bull離島用90kW獨立型發電系統韓國Ho-Do島(1992)
併聯型太陽光發電系統應用例(一)
bull設置於屋頂之住宅用太陽光發電系統(建材一體型日本千里住宅公園內住宅設計之一)
併聯型太陽光發電系統應用例(二)
bull日本東海線新幹線京都車站之太陽光發電系統(100kWp)
併聯型太陽光發電系統應用例(三)
bull日本京瓷(Kyocera)京都總公司大樓之太陽電池發電系統(220kWp)
太陽光發電發電廠應用例
太陽電池發電廠
(PV Power Plant)
資料來源 ANIT
Srl Italy
建材一體型太陽電池模板應用例
bull資料來源 Pilkington Solar International GmbH 德國
太陽能車應用例
Honda Dream
bull資料來源 PV Special Research
Centre UNSW Australia
交大太陽能車
bull資料來源 National Chiao-Tung
University Taiwan
太陽光發電航太應用例(NASA Helios )
bull空中無線通訊平台應用
資料來源SkyOne Inc Taiwan
bull 飛行高度5-7 萬英呎(最高記錄 96000 英呎)
bull 時速60 mph (起飛 25 mph)
bull 翼展247 英呎bull 重量2000 磅bull 太陽電池效率要求gt22
資料來源httpwwwaerovironmentcomhomehtml
清雲技術學院 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
個人住宅 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
勤益技術學院 3kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
南台科技大學 10kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
總統府 10kWp 獨立型太陽光能發電系統 (9012)
海巡署南沙太平島 20kWp 混合型(柴油發電機)太陽光能發電系統 (9011)
90能源基金示範補助成果例
台電樹林 20kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
併聯型
台電台北市區處 20kWp 太陽光發電系統
(91能源基金示範補助成果)
併聯型
7結論
bull (1)提高電力轉換器效率
bull 轉換器的損失主要來自於開關切換時之損失為了可以降低濾波電路中電感和電容的體積可以提高切換頻率但是相對於開關的切換損失也因此而增加導致轉換器的效率降低因此發展零電壓或零電流切換技術應用於高切換頻率之轉換器將可以提高轉換器的效率
bull (2)提高太陽光發電系統之整體效率
bull 傳統之太陽光發電系統包含儲能系統和供電系統前級利用DCDC轉換器作最大功率追蹤後級則利用DCAC轉換器轉換能量供應給交流負載為了提高太陽光發電系統的整體效率在研究可提出了模組並聯控制技術以提昇各級電力轉換器的效率而在未來太陽光發電系統也將著重在單級電力轉換器的設計對於整體系統效率有較明顯的改善
8參考資料
1許國強ldquo太陽光發電原理與應用工研院材料所 薄膜技術組91年
2華志強黃崇倫ldquo智慧型能量控制於太陽光電能轉換系統國立雲林科技大學電機工程學系電力研討會97年
3林政達ldquo數位式市電並聯換流器與快速鎖相迴路控制器之研製國立雲林科技大學電機工程學系碩士論文92 年
4李思賢ldquo數位式單相低功率太陽光電能轉換系統國立中山大學電機工程學系碩士論文92 年
5洪世杰ldquo適用於再生能源之市電併聯型雙輸入供電系統國立中正大學電機工程研究所碩士論文93 年
6王廷興ldquo太陽能發電配電設計概要台北科技大學冷凍空調系 92年
7魏榮宗王文宏ldquo高效率太陽光電能源轉換系統 元智大學電機工程學系94年
[ ] 100)25(
)11
(exp
1)(exp
3
λminus+=
minus
=
+minus
minus+minus=
TKII
TTBk
qE
T
TII
where
R
IRVIRV
AkT
qIII
ISCRLG
r
GO
r
oros
sh
ssosLG
VI cell output current and voltagecell reverse saturation currentcell temperature in CBoltzmannrsquos constantelectronic chargeshort circuit current temperature coefficientsolar irradiation in Wmshort-circuit current at 25 Cand 1000 Wm
light-generated currentband gap for siliconideality factorsreference temperaturecell saturation current atshunt resistanceseries resistance
osI
T
kq
00170=IK
SCRIλ
LGI
GOE
921== ABKTr deg= 18301
orI
shR
sR
附錄附錄附錄附錄- 太陽能電池太陽能電池太陽能電池太陽能電池
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
(a) Equivalent circuit of a PV module and
(b) Typical PV module current-voltage and power-voltage characteristics
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
Characteristic of a PV module with temperature and irradiation (a) constant irradiation and varying temperature and (b) constant temperature and varying irradiation
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
系統範例系統範例系統範例系統範例
中途驛站電化PV離島用PV系統山岳地帶PV系統離島偏遠區
勤務指揮中心緊急避難所醫療院所公園學校地震觀測站森林嘹望台避難指示燈氣象觀測所水位警報PV系統河川安全燈防波堤安全PV燈
緊急防災
緊急供電系統管線電氣防蝕輸油管流量計PV系統市場廣告塔海上石油平台各種計測站PV系統發電廠情報指揮中心
產業用
住宅用供電系統緊急供電系統緊急照明系統帷幕牆遮陽棚採光罩屋瓦建築物
無線通信用中繼站基地台緊急電話中繼站電話通信PV系統Radio受信PV系統微波中繼站
通訊
農宅用電溫室栽培PV系統農業灌溉用自動灑水系統農牧電籬牛乳冷藏漁業養殖揚水通氣自動餵食器
農林漁牧
路燈交通號誌道路指示牌標誌燈太陽能電動車充電站高速公路緊急電話偏遠道路緊急電話停車計時器停車場控制門系統高速公路防音壁PV系統公路休息區PV系統太陽能車平交道指示燈候車亭PV系統車站屋頂型PV系統
道路交通
收音機測電表手錶計算機太陽能照相機手電筒電池充電器野營燈民生
應用領域
升壓式直流至直流轉換器
圖211為升壓式轉換器電路主要用途為直流電源供應器與直流馬達之
再生制動(Regenerative Breaking)顧名思義其輸出電壓高過於其輸入
電壓當開關導通時二極體反向偏壓輸入電能儲存於電感負載電
能則由電容提供當開關截止時負載吸收輸入及儲存電感中之電能
-
L
CRVd
Vo
vL
iL
io
+
-
++
_
t0
t0
vL
iL
I L
Ts
toffton
_++
_
+
_
+ _+
_
+
_
iL
vL
Vd Vo
iL
vL
Vd Vo
)( dV
)( od VV minus
圖212所示為電感電流為連續之
穩態工作波形由穩態下電感電
壓一週期之平均值為零可得
0)( =minus+ offodond tVVtV
等號兩側除以Ts重新整理可得
Dt
T
V
V
off
s
d
o
minus==
1
1
假設電路無損失輸入功率
Pd=VdId 等 於 輸 出 功 率
Po=VoIo 則
)1( DI
I
d
o minus=
非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器
bullBoost之設計假設輸入10V輸出30V頻率50kHz輸出10W
所以D＝23
( ) s
o
o TDDP
VL
22
12
minusge
=6667uH
取75uH
D
VV in
o minus=
1
L
Vi
n
S Vo
+
_
C
DiL
vds
升降壓式直流至直流轉換器
升降壓式轉換器的主要用途為輸入與輸出之極性相反輸出電壓可以高於
或低於輸入電壓之直流電源供應器升降壓式轉換器可以由降壓式轉換器
與升壓式轉換式串接而成穩態下輸入與輸出電壓轉換器之比值為二轉換
器個別比值之乘積
D
D
V
V
d
o
minus=
1
因此變化責任週期D可使輸出電壓高於或低於輸入電壓
+
_
+
_
_
+
RC Vo
L
Vd
io
iLvL
id
降壓式直流至直流轉換器
降壓式轉換器顧名思義其作用為將較高準位的輸入電壓換成較低
準位的輸出電壓主要用途為直流電源供應器及直流馬達速度控制
圖22(a)所示為提供純電阻性負載之降壓式轉換器由圖22(b)可知其輸
出電壓波形由開關位置決定平均輸出電壓為
dd
s
onT
t
t
d
s
T
o
s
o DVVT
tddV
Tdv
TV
s
on
ons ==+== intintint )0(1
)(1
00ττττ
+
_
Vd
R
+
_
Vo
0Vd
Vo
vo
tton toff
Ts
32直流至交流切換式反流器
切換式直流至交流(DCAC)反流器(Inveter)乃用以將直流電源轉換成振幅
與頻率均可調之正弦式交流電源主要用途為交流馬達驅動與交流不斷
電電源供應器圖31為典型交流馬達驅動之反流器方塊圖其直流輸入
電壓通常由線電壓整流及濾波而得接著再利用切換式反流器改變輸出
電壓之振幅與頻率以驅動交流馬達切換式反流器功率之流通通常是
由直流至交流稱為反流模式但亦可以從交流至直流稱為整流模
式
+
_
交流馬達
二極體整流器 濾波電容 切換式反流器
Vd
三相交流電源
反流器包括單相及三相其輸入為直流電壓源者稱為電壓源反流器
(Voltage Source InverterVSI)另外若輸入為直流電流源者稱為電流
反流器(Current Source InverterCSI)目前僅應用在高功率之交流馬達
驅動器
1脈波寬度調變(PWM)反流器其輸入電壓通常為固定反流器本身具備變
頻及變壓的功能而變頻及變壓乃利用開關之脈波寬度調變切換控制達成
有許多類型之脈波寬度變技術可以使輸出電壓近似弦波
2方波(Square-Wave)反流器此反流器輸出電壓振幅乃由其輸入電壓調
整
反流器本身只控制輸出頻率交流輸出電壓波形近似方波因此乃稱方波
反流器
3採用電壓消去法(Voltage Cancellation)之單相反流器單相反流器當輸入
電壓為定值時可以利用電壓消去法來變頻及變壓而不須採用脈波寬度
調變其輸出電壓波形近似方波因此其結合了前述兩種反流器的特色
值得注意的是電壓消去法並不適用於三相反流器
切換式反流器之基本觀念
考慮圖33(a)之單相反流器假設其正弦輸出電壓vo是經過濾波所得若
輸出之負載為電感性(如馬達)則輸出電流io將落後vo 如圖33(b)所示
在期間1及3中 vo與io同號瞬時功率Po=voio為正故功率由直流側送至
交流側稱之為反流模式在期間2及4中 vo與io異號瞬時功率Po為負
故功率由交流側送至直流側稱之為整流模式圖33(a)之切換式反流器
在每一週期內會經歷平面上四個象限中之所有象限
單相切
換式變
流器與
濾波器
o
o
+
-
+
-
Vd
vo
id
io
0t
4 1 2 3
voio
io
vo
1反流器
4整流器
3反流器
2整流器
0
為清楚解釋起見以單臂反流器來說明
+
_
+
_
+ +
__
Vd
Vd
2
Vd
2
A
N
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
vAN
oo
o
反流器電路之脈波寬度調變切換技術如圖35(a)所示由一正弦波形控
制訊號vcontrol與三角波形vtri作比較三角波(又稱載波)之振幅為Vtri頻率
為fs fs決定反流器開關之切換頻率正弦波控制電壓vcontrol(又稱調制訊
號)之基頻f1決定反流器之輸出頻率而其振幅則決定反流器輸出電壓之
大小定義振幅調變指數為ma=Vcontrol Vtri 其中Vcontrol為vcontrol之振幅
而頻率調變指數則定義為mf = fs f1
0 t
vcontrol vtri
sf
1
0 t
vAo
V d
2
minusVd
2
t=0
v v
T on T off
control tri
A A
lt
minus + v v
T on T off
control tri
A A
gt
+ minus
1)( AoAo vv =之基本波
0 t
vcontrol vtri
sf
1
圖34反流器之開關的控制方法與io方向無關為
dAoAtricontrol VvTvv2
1=gt +導通
dAoAtricontrol VvTvv2
1minus=lt minus導通
由於二開關之導通為互補因此輸出電壓只在Vd 2與-Vd 2二值間作變
動圖35(b)所示為ma=08與mf =15時輸出電壓vAo及其基本波(以虛線表示)
之波形
+
_
+
_
+ +
__
Vd
Vd
2
Vd
2
A
N
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
vAN
oo
o
單相全橋式反流器
單相全橋式反流器如圖311所示乃由兩個前述之半橋反流器所組成在
相同之輸入電壓下全橋式反流器之最大輸出電壓為半橋式之兩倍這代
表在相同之功率下全橋式反流器之輸出及開關電流僅為半橋式之一半
此對於高功率用途是一大優點因其可以降低使用並聯元件之需求
+
_
+
_
+
_
Vd
Vd
2
Vd
2
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
v v vo Ao Bo= minuso
A
B
TBminus
TB+
DBminus
DB+
+_
id
o
o
N
雙極性電壓切換之脈波寬度調變
0 t
vcontrolvtri
sf
1
0 t
ov1ov
dV
dVminus
單極性電壓切換之脈波寬度調變
onBT +
trivgttricontrol vv gt
trivcontrolv
t
)( controlvminus
)( controlvminusonAT +
t1ov
dV
dVminus
)( BNAN
o
vv
v
minus=
應用雙極性電壓切換之脈波寬度調
變全橋式反流器乃 (TA+TB-)與 (TA-
TB+)成對切換且二者互相反相
應用單極性電壓切換之脈波寬度調
變全橋式反流器乃A臂與B獨立切
換且同臂二開關互相反相
三相反流器
+
-
+
-
+
-
dV
2dV
2dV
+AT
minusAT
+AD
minusAD
o
BminusT
+BT
minusBD
+BD
di
minusCT
+CT
minusCD
+CD
N
A B C
o
0 t
triv Acontrolv Bcontrolv Ccontrolv
0
BNANAB vvv minus=
t
dV
之基本波1LLv
ANv
0 t
dV
t0
BNv
dV
三相電壓源反流器之脈波寬度調變切換的功能為在固定輸入直流電壓下用以調整三相輸出電壓之振幅及頻率三相脈波寬度調變方式由三相各差120度的控制電壓與三角波作比較其波形與單相全橋式反流器採用脈波寬度調變單極性切換者類似
最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法
33最大功率追蹤最大功率追蹤最大功率追蹤最大功率追蹤
為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點本文使用本文使用本文使用本文使用擾動觀察法擾動觀察法擾動觀察法擾動觀察法(Perturbation and Observation Method PampQ)進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功率追蹤率追蹤率追蹤率追蹤由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點下圖為擾動下圖為擾動下圖為擾動下圖為擾動觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖為利用為利用為利用為利用DCDC轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作時時時時其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為0之特性之特性之特性之特性使用使用使用使用DCDC轉換器控制太陽轉換器控制太陽轉換器控制太陽轉換器控制太陽能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動
擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖
最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法
左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖蹤示意圖蹤示意圖蹤示意圖太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分為兩個特性區域為兩個特性區域為兩個特性區域為兩個特性區域假設進行追蹤假設進行追蹤假設進行追蹤假設進行追蹤時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時電壓電壓電壓電壓的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率增加增加增加增加若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出功率減少功率減少功率減少功率減少經由經由經由經由DCDC轉換器調轉換器調轉換器調轉換器調節太陽能板與節太陽能板與節太陽能板與節太陽能板與DCDC轉換器的阻轉換器的阻轉換器的阻轉換器的阻抗相互匹配抗相互匹配抗相互匹配抗相互匹配進而得到太陽能板進而得到太陽能板進而得到太陽能板進而得到太陽能板的最大輸出功率的最大輸出功率的最大輸出功率的最大輸出功率
擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖
4軟體規劃
bull 系統控制程式主要分為主程式固定週期中斷副程式市電電壓零交越中斷副程式等三大部分以下將分別介紹各部分程式流程
bull 本系統主程式主要執行數位訊號處理器周邊暫存器的初始設定以及變數宣告其中除了變數宣告外周邊暫存器的初始設定包括有規畫中斷向量設定計數器之計數模式計數週期中斷的時間和PWM 輸出模式等相關參數設定
bull 如圖8 所示系統初始設定後必須先等待中斷發生才能決定系統是否執行固定週期中斷程式或零交越中斷副程式
bull 圖9 為固定週期中斷副程式流程圖固定週期中斷頻率與換流器開關之切換頻率相同為20kHz程式開始會先偵測太陽能板電壓及電流與直流鏈電壓當確定市電電壓零交越中斷發生時必須先將輸出弦波訊號之指標強制為原點重新送出單位弦波確保換流器輸出電流與市電電壓能維持同相位接著比較太陽能板輸入電壓VPV 是否大於最低工作電壓VPV_work如果確定大於最低工作電壓則致能太陽能最大功率追蹤反之則禁能系統動作程式返回圖9 中的正弦脈寬調變副程式主要功能在於決定換流器中開關的動作順序與責任週期大小以及輸波參考訊號
bull 圖10 為太陽能最大功率點追蹤副程式流程圖在文中對最大功率追蹤採用擾動與觀察法配合太陽能光電板的電壓mdash功率特性曲線即可瞭解程式如何完成太陽能光電板最大功率點追蹤
主程式流程圖
5實驗
bull 依據上述的分析採用DSP 2407A 建立一個500W 太陽光電池電能轉換系統依據圖11 之
bull 電路架構其規格與元件參數分別列於表一表二及表三系統實驗波形圖12圖13圖14 及
bull 圖15 為系統操作在獨立運轉模式下負載分別為120W240W360W 及480W 時之換流器輸出
bull 電壓及輸出電流之實測波形
系統規格與元件參數
實測波形
6實務應用系統實務應用系統實務應用系統實務應用系統
獨立系統示意圖獨立系統示意圖
考慮點
系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等安全係數最佳化設計複雜)
一般充電控制器無 MPPT搭配蓄電池使發電效能較差
蓄電池每日gt50DOD深度放電gt02C充電壽命短
太陽光發電量與負載需求量不搭配時太陽光之發電能量利用率偏低 (負載需求搭配與安全係數為互相矛盾之設計)
PV-柴油發電機PV-風力等混合系統為改善之方法
市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台
電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池
併聯系統示意圖併聯系統示意圖
緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析
1 系統設置成本高建議使用於邊際效益高之用電（防災緊急輔助電力）
2 總體經濟效益減少環境污染解決尖峰用電之不足與短缺能源多元化之風險分擔與開創自主能源
3 遮蔽陽光直曬降低建築物之熱效應（被動省能）同時轉換太陽光為電能供應建物自主能源（主動節能）一舉兩得
緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較
30萬元divide21900kWh＝137元度2萬元divide50kWh＝400元度每度電成本
日發電度數times365天times20年＝3hrtimes1kWtimes365天times20年＝21900kWh（度）
（年停電＋年測試運轉時數）times10年＝（20mintimes6次＋15mintimes12月）times10年＝5hrtimes1kWtimes10年＝50kWh
總發電度數（1kw計）
夜間不發電（可利用蓄電池設計供電年維運費02）
噪音空污油料運輸儲油危險維運成本高
缺點
利用露台屋頂牆面空間設備煙管隔音油槽需室內空間
設置空間
平時緊急時均可使用隨時可了解運轉狀況不須操作
加ATS停電時方可啟動需人員每月定期測試運轉
系統運作
太陽光潔淨能源（免費）柴油使用燃料
20年7~10年使用壽命
1kW=30萬元1kW=2~3萬元設置費用
太陽光發電系統柴油發電機
風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析
運用多元化能源分擔風險情況比較說明如下
1 市電--gt停電時風險極高
2 市電＋柴油發電機--gt發電機故障時風險高
市電＋柴油發電機＋太陽光發電系統--gt發揮三者優點互補同時故障機率小風險最低
案例
832kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide057＝317 m2
115kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide075＝332 m2
緊急時057平時065~08
綜合係數溫度變化污損線損Inverter效率＋蓄電池充放電補償
電力需求divide（日照強度times日照時間times模板效率times綜合係數）
模組面積估算
日照強度1kWm2
日照時間384hd
模板效率12
832kWhd500人用電量115kWhd770人用電量
緊急時平時
電力需求估算
緊急時40kWtimes384hdtimes057＝875 kWhd
平時40kWtimes384hdtimes075＝1152Whd
太陽發電系統發電量＝設置容量times日照時間times綜合係數
發電量計算
332m2times1kWm2times12＝398kW≒40kW
太陽發電系統設置容量＝設置面積times日照強度times模板效率
設置容量計算模板效率依太陽電池種類而異
進行模板陣列及蓄電池容量設計
40kWdivide18片串divide120W＝185列≒19
列
40kWdivide17片串divide120W＝196列≒20
列
陣列併列數＝設置容量divide單串功率
18片times120W＝2160W
17片times120W＝2040W
單串功率
300Vdivide169V＝1775片（取整數17 or 18）
陣列串聯數＝Inverter輸入電壓divide模板輸出電壓
模板陣列設計
1 模板功率120W
2 模板輸出電壓169V
3 直交流轉換器(Inverter)輸入電壓300V
120Wtimes17片串times20列＝40800W＝340片(最佳陣列)
120Wtimes18片串times19列＝41080W＝342片
最佳陣列較經濟之設置容量選擇最佳陣列
蓄電池數量＝144個times2列＝288個
120640Whdivide288Vdivide200Ah＝21列≒2列
併列數＝蓄電池需求容量divideInverter額定電壓
288Vdivide2V＝144個
串聯數＝Inverter額定電壓divide蓄電池電壓串併數設計
middot 蓄電池電壓2V個
middot 蓄電池容量200Ah個
Inverter電壓輸入電壓 額定電壓300V 288V200V 192V
蓄電池需求容量＝832kWhdtimes1dtimes145＝12064kWh
蓄電池需求容量＝緊急電力需求times無日照天數times補償係數補償係數蓄電池內阻抗放電停止電壓電壓降低補償
蓄電池需求容量設計
middot 補償係數145
無日照天數1日
61市電相關規定市電相關規定市電相關規定市電相關規定
1 發電設備併接於低壓系統者其總容量未滿100kW且技術無困難者得併接於單相三線110V220V三相三線220V之配電系統若總容量在100kW以上而未滿500kW得分別併接於3相4線220V380V之配電系統
2 發電設備總容量在500kW以上而未滿5000kW10000kW且技術無困難者得分別併接於114KV228KV之高壓配電系統
3 電設備總容量在10000kW以上而未滿40000kW者得併接於特高壓之系統
4 發電設備總容量在40000kW以上者依個案研討分類
併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類
發電系統經由發電系統經由發電系統經由發電系統經由110V220V110V220V110V220V110V220V併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者發電設發電設發電設發電設備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能
1 過電壓保護 低電壓保護
2 低頻保護 高頻保護
3 過電流保護 零相過電壓接地保護
4 發電設備為無逆送電力者須加裝逆電力保護
5 發電設備為有逆送電力者必須具備主動及被動防止單獨運轉保護
發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經110V220V110V220V110V220V110V220V系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者在電在電在電在電源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器
發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業114KV228KV114KV228KV114KV228KV114KV228KV之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者((((高高高高壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶))))發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Extremely Inverse特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Extremely Inverse特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過流電驛(67)須具Normal Inverse特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
發電設備併接於電業69KV特高壓輸電系統者發電設備之輸出端至少應具有下列同等保護功能並須與電業該轄區之保護設備協調
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Normal Inverse之特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Normal Inverse之特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過電流電驛(67)須具Normal Inverse之特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
8 快速及後衛保護電驛如系統保護需要時應裝設
9 匯流排電驛採用GIS斷路器者應裝設
62626262太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範
1 故障電流
太陽光電發電系統大於100kW以上須計算故障電流其送至電業系統之故障電流不得影響電業及其他用戶斷路器之起斷容量否則需裝置限流電抗器
太陽光電發電系統之隔離變壓器接地方式須與電業之系統配合
2 正常電壓變動率應維持在plusmn5以內
3 太陽光電發電系統與電業間之責任分界點的功率因數以維持85落後至100之間運轉為原則
4 諧波污染限制應依照「電力系統諧波管制暫行標準」辦理
分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性
適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯型之規範型之規範型之規範型之規範
電力轉換器電力轉換器電力轉換器電力轉換器(電力調節器電力調節器電力調節器電力調節器)(InverterConditioner)
蓄電池蓄電池蓄電池蓄電池(Battery))
63大型(商用)太陽光發電系統應用(gt1 kWp)
太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統
單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池(Unit Solar Cell)
太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板(PV Module)
太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列(PV Array)
太陽光發電系統應用獨立系統
(A) 獨立系統(Stand-Alone
System)
bull 蓄電池保護壽命
(B) 混合型交流獨立系統 (Hybrid
System)
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
直流負載PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
整流器
輔助發電機
PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載- ~PCU
直直直直交流轉換器交流轉換器交流轉換器交流轉換器
太陽光發電系統應用併聯系統
(D)併聯系統(Grid-
connected System)
特殊功能1 最佳效能2 防止獨立運轉(連線保護)
3 可自力運轉
(E) 防逆流型系統(Off-line System)
(F) 防災型併聯系統
充電控制器
蓄電池
直交流轉換器
PCU太陽電池組列
交流負載
ATS
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
獨立型系統
適用地點高山離島基地台hellip等市電無法到達處
工作方式白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
必須可以自給自足
缺點bull 系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等
安全係數設計很困難)
bull 蓄電池建置複雜成本很高壽命很短
bull 負載搭配不良時發電效能不佳利用率將偏低
bull 需由專人隨時維護
bull 混合系統為一種解決方法
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
PCU
併聯型系統
適用地點電力正常送達之任何地點工作方式 bull 白天 PV系統併聯發電夜間由台電供電bull 將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的蓄電池
優點bull 系統簡單不需安全係數設計(依預算設計)不需要專人維護bull 併聯發電效率高利用率高
缺點bull 停電時無電可用bull 受併聯法規限制尚未開放(但即將開放)
bull 有孤島效應之疑慮(目前技術上已解決)
改善型無電池自力運轉
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
市電併聯型住宅用太陽光發電系統
太陽光發電系統發電及負載用電對時間之關係
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
併聯型直交流轉換器之效能要求較高
1 最大功率追蹤(Maximum Power Tracking MPT)
2 高轉換效率 gt 90 (PWM+電力電子元件)
3 高次諧波功率 Distortion (lt5 total)
4 自動開關機(白天夜晚)
5 過負載保護過溫度保護
6 體積小重量輕室外防水防塵
7 電腦界面可遠端監控
8 防止獨立運轉(連線保護)
9 可自力運轉
太陽電池組列
交流負載
直交流轉換器MPT
Power Conditioner
併聯系統之獨立運轉(單獨運轉)
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull停電時單一併聯系統將會停止運作
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
bull 市電停電時多數併聯系統仍聯合運作將對電力公司人員產生嚴重危害
孤島效應之防止方法
停電偵測1 過電壓低電壓
2 過頻率低頻率
3 被動式偵測如
bull 電壓與頻率監視方式
bull 電壓相位跳躍監視方式
bull 高次諧波監視方式
bull 頻率變化監視方式
PV組列
直交流轉換器
自家負載
4 主動偵測如
bull 頻率Shift方式
bull 配電線負載變動方式
bull 有效電力變動方式
bull 無效電力變動方式
反應時間05~2秒
資料來源「日本電氣用品試驗所」分散型電源系統連系技術指針(1998)
併聯系統之自力運轉功能
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull 大停電後白天有陽光時以人工啟動 PV 系統進行自力運轉供自家負載使用(但夜間無法使用)
防災型併聯型系統
適用地點有防災需求(照明汲水通信hellip)之公共設施
工作方式
bull 平時PV併聯發電(電池浮充) 效率高利用率高夜間由台電供電
bull 視需要建置供防災用電池大停電時白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
缺點bull 含電池成本較高bull 系統較複雜需專人定期維護
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
FAQ1太陽光發電需要多少土地
效率 = (輸出功率W) (組列面積 m2 x 日照強度 Wm2 ) x 100
模板面積 m2 = 輸出功率W (效率 x日照強度Wm2 ) x100
bull 假設使用效率gt136 模板於1000 Wm2 (AM15)日照強度下
10 kWp 模板面積 (m2) = 10000 (0136 x 1000) ~ 735 m2
10 kWp PV系統土地面積需求約
~ 735 m2 x 15 x 11
~ 121m2 (~36坪)
(包括陰影面積及維修空間)
bull 假設使用效率~10 模板
則模板面積約 ~ 100 m2
土地面積需求約 ~ 165m2 (~50坪)
gt55o
夏至
冬至
春秋分
235o 235oh
L1 L2
FAQ2太陽電池一年能發多少電
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
10 kWm2
05 kWm2
日照強度
等效日照時數(Sun Hour)
組列單日發電量 = 組列額定輸出功率 x 等效日照時數
bull 預估1 kWp 組列單日發電量 = 1 (kW) x ex 4(Sun Hour)= 4 kWh
組列年發電量 = 組列額定輸出功率 x 年平均每日日照時數 x 365
bull 預估 1 kWp 組列年發電量 = 1 x 4 x 365 = 1460 kWh
時間時間時間時間
FAQ3太陽光發電的成本(簡易估算)
1 假設目前太陽光發電系統設置成本約為 NT$ 280000 kWp
2 假設年平均每日日照時數約為 25 Sun Hour (台灣中南部地區)
bull 1 kWp 組列單日發電量= 1 (kW) x 25 (Hour)= 25 kWh
bull 1 kWp 組列年發電量= 25 x 365 = 913 kWh (度)
3 假設太陽光發電系統使用壽命為 20 年
bull 1 kWp 太陽光發電系統總共可發電 20 x 913 = 18260 度
4 生產每度電之成本約為 280000 18260 ~ NT$ 153
5 未來發展趨勢
bull 太陽光發電系統設置成本將逐年降低
bull 市電電費將會升高(國內目前約 NT$ 3 度日本約NT$ 7 度)
bull 傳統能源限制再生能源獎勵利率降低
64獨立型太陽光發電系統應用例(一)
bull太陽電池時鐘-日本bull太陽電池路燈-日本千里住宅公園
獨立型太陽光發電系統應用例(二)
bull太陽電池交通標誌-日本北海道 bull高速公路緊急電話-日本
獨立型太陽光發電系統應用例(三)
bull800W無線通信中繼基地台韓國(1998)
獨立型太陽光發電系統應用例(四)
bull離島用90kW獨立型發電系統韓國Ho-Do島(1992)
併聯型太陽光發電系統應用例(一)
bull設置於屋頂之住宅用太陽光發電系統(建材一體型日本千里住宅公園內住宅設計之一)
併聯型太陽光發電系統應用例(二)
bull日本東海線新幹線京都車站之太陽光發電系統(100kWp)
併聯型太陽光發電系統應用例(三)
bull日本京瓷(Kyocera)京都總公司大樓之太陽電池發電系統(220kWp)
太陽光發電發電廠應用例
太陽電池發電廠
(PV Power Plant)
資料來源 ANIT
Srl Italy
建材一體型太陽電池模板應用例
bull資料來源 Pilkington Solar International GmbH 德國
太陽能車應用例
Honda Dream
bull資料來源 PV Special Research
Centre UNSW Australia
交大太陽能車
bull資料來源 National Chiao-Tung
University Taiwan
太陽光發電航太應用例(NASA Helios )
bull空中無線通訊平台應用
資料來源SkyOne Inc Taiwan
bull 飛行高度5-7 萬英呎(最高記錄 96000 英呎)
bull 時速60 mph (起飛 25 mph)
bull 翼展247 英呎bull 重量2000 磅bull 太陽電池效率要求gt22
資料來源httpwwwaerovironmentcomhomehtml
清雲技術學院 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
個人住宅 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
勤益技術學院 3kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
南台科技大學 10kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
總統府 10kWp 獨立型太陽光能發電系統 (9012)
海巡署南沙太平島 20kWp 混合型(柴油發電機)太陽光能發電系統 (9011)
90能源基金示範補助成果例
台電樹林 20kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
併聯型
台電台北市區處 20kWp 太陽光發電系統
(91能源基金示範補助成果)
併聯型
7結論
bull (1)提高電力轉換器效率
bull 轉換器的損失主要來自於開關切換時之損失為了可以降低濾波電路中電感和電容的體積可以提高切換頻率但是相對於開關的切換損失也因此而增加導致轉換器的效率降低因此發展零電壓或零電流切換技術應用於高切換頻率之轉換器將可以提高轉換器的效率
bull (2)提高太陽光發電系統之整體效率
bull 傳統之太陽光發電系統包含儲能系統和供電系統前級利用DCDC轉換器作最大功率追蹤後級則利用DCAC轉換器轉換能量供應給交流負載為了提高太陽光發電系統的整體效率在研究可提出了模組並聯控制技術以提昇各級電力轉換器的效率而在未來太陽光發電系統也將著重在單級電力轉換器的設計對於整體系統效率有較明顯的改善
8參考資料
1許國強ldquo太陽光發電原理與應用工研院材料所 薄膜技術組91年
2華志強黃崇倫ldquo智慧型能量控制於太陽光電能轉換系統國立雲林科技大學電機工程學系電力研討會97年
3林政達ldquo數位式市電並聯換流器與快速鎖相迴路控制器之研製國立雲林科技大學電機工程學系碩士論文92 年
4李思賢ldquo數位式單相低功率太陽光電能轉換系統國立中山大學電機工程學系碩士論文92 年
5洪世杰ldquo適用於再生能源之市電併聯型雙輸入供電系統國立中正大學電機工程研究所碩士論文93 年
6王廷興ldquo太陽能發電配電設計概要台北科技大學冷凍空調系 92年
7魏榮宗王文宏ldquo高效率太陽光電能源轉換系統 元智大學電機工程學系94年
[ ] 100)25(
)11
(exp
1)(exp
3
λminus+=
minus
=
+minus
minus+minus=
TKII
TTBk
qE
T
TII
where
R
IRVIRV
AkT
qIII
ISCRLG
r
GO
r
oros
sh
ssosLG
VI cell output current and voltagecell reverse saturation currentcell temperature in CBoltzmannrsquos constantelectronic chargeshort circuit current temperature coefficientsolar irradiation in Wmshort-circuit current at 25 Cand 1000 Wm
light-generated currentband gap for siliconideality factorsreference temperaturecell saturation current atshunt resistanceseries resistance
osI
T
kq
00170=IK
SCRIλ
LGI
GOE
921== ABKTr deg= 18301
orI
shR
sR
附錄附錄附錄附錄- 太陽能電池太陽能電池太陽能電池太陽能電池
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
(a) Equivalent circuit of a PV module and
(b) Typical PV module current-voltage and power-voltage characteristics
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
Characteristic of a PV module with temperature and irradiation (a) constant irradiation and varying temperature and (b) constant temperature and varying irradiation
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
系統範例系統範例系統範例系統範例
中途驛站電化PV離島用PV系統山岳地帶PV系統離島偏遠區
勤務指揮中心緊急避難所醫療院所公園學校地震觀測站森林嘹望台避難指示燈氣象觀測所水位警報PV系統河川安全燈防波堤安全PV燈
緊急防災
緊急供電系統管線電氣防蝕輸油管流量計PV系統市場廣告塔海上石油平台各種計測站PV系統發電廠情報指揮中心
產業用
住宅用供電系統緊急供電系統緊急照明系統帷幕牆遮陽棚採光罩屋瓦建築物
無線通信用中繼站基地台緊急電話中繼站電話通信PV系統Radio受信PV系統微波中繼站
通訊
農宅用電溫室栽培PV系統農業灌溉用自動灑水系統農牧電籬牛乳冷藏漁業養殖揚水通氣自動餵食器
農林漁牧
路燈交通號誌道路指示牌標誌燈太陽能電動車充電站高速公路緊急電話偏遠道路緊急電話停車計時器停車場控制門系統高速公路防音壁PV系統公路休息區PV系統太陽能車平交道指示燈候車亭PV系統車站屋頂型PV系統
道路交通
收音機測電表手錶計算機太陽能照相機手電筒電池充電器野營燈民生
應用領域
t0
t0
vL
iL
I L
Ts
toffton
_++
_
+
_
+ _+
_
+
_
iL
vL
Vd Vo
iL
vL
Vd Vo
)( dV
)( od VV minus
圖212所示為電感電流為連續之
穩態工作波形由穩態下電感電
壓一週期之平均值為零可得
0)( =minus+ offodond tVVtV
等號兩側除以Ts重新整理可得
Dt
T
V
V
off
s
d
o
minus==
1
1
假設電路無損失輸入功率
Pd=VdId 等 於 輸 出 功 率
Po=VoIo 則
)1( DI
I
d
o minus=
非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器
bullBoost之設計假設輸入10V輸出30V頻率50kHz輸出10W
所以D＝23
( ) s
o
o TDDP
VL
22
12
minusge
=6667uH
取75uH
D
VV in
o minus=
1
L
Vi
n
S Vo
+
_
C
DiL
vds
升降壓式直流至直流轉換器
升降壓式轉換器的主要用途為輸入與輸出之極性相反輸出電壓可以高於
或低於輸入電壓之直流電源供應器升降壓式轉換器可以由降壓式轉換器
與升壓式轉換式串接而成穩態下輸入與輸出電壓轉換器之比值為二轉換
器個別比值之乘積
D
D
V
V
d
o
minus=
1
因此變化責任週期D可使輸出電壓高於或低於輸入電壓
+
_
+
_
_
+
RC Vo
L
Vd
io
iLvL
id
降壓式直流至直流轉換器
降壓式轉換器顧名思義其作用為將較高準位的輸入電壓換成較低
準位的輸出電壓主要用途為直流電源供應器及直流馬達速度控制
圖22(a)所示為提供純電阻性負載之降壓式轉換器由圖22(b)可知其輸
出電壓波形由開關位置決定平均輸出電壓為
dd
s
onT
t
t
d
s
T
o
s
o DVVT
tddV
Tdv
TV
s
on
ons ==+== intintint )0(1
)(1
00ττττ
+
_
Vd
R
+
_
Vo
0Vd
Vo
vo
tton toff
Ts
32直流至交流切換式反流器
切換式直流至交流(DCAC)反流器(Inveter)乃用以將直流電源轉換成振幅
與頻率均可調之正弦式交流電源主要用途為交流馬達驅動與交流不斷
電電源供應器圖31為典型交流馬達驅動之反流器方塊圖其直流輸入
電壓通常由線電壓整流及濾波而得接著再利用切換式反流器改變輸出
電壓之振幅與頻率以驅動交流馬達切換式反流器功率之流通通常是
由直流至交流稱為反流模式但亦可以從交流至直流稱為整流模
式
+
_
交流馬達
二極體整流器 濾波電容 切換式反流器
Vd
三相交流電源
反流器包括單相及三相其輸入為直流電壓源者稱為電壓源反流器
(Voltage Source InverterVSI)另外若輸入為直流電流源者稱為電流
反流器(Current Source InverterCSI)目前僅應用在高功率之交流馬達
驅動器
1脈波寬度調變(PWM)反流器其輸入電壓通常為固定反流器本身具備變
頻及變壓的功能而變頻及變壓乃利用開關之脈波寬度調變切換控制達成
有許多類型之脈波寬度變技術可以使輸出電壓近似弦波
2方波(Square-Wave)反流器此反流器輸出電壓振幅乃由其輸入電壓調
整
反流器本身只控制輸出頻率交流輸出電壓波形近似方波因此乃稱方波
反流器
3採用電壓消去法(Voltage Cancellation)之單相反流器單相反流器當輸入
電壓為定值時可以利用電壓消去法來變頻及變壓而不須採用脈波寬度
調變其輸出電壓波形近似方波因此其結合了前述兩種反流器的特色
值得注意的是電壓消去法並不適用於三相反流器
切換式反流器之基本觀念
考慮圖33(a)之單相反流器假設其正弦輸出電壓vo是經過濾波所得若
輸出之負載為電感性(如馬達)則輸出電流io將落後vo 如圖33(b)所示
在期間1及3中 vo與io同號瞬時功率Po=voio為正故功率由直流側送至
交流側稱之為反流模式在期間2及4中 vo與io異號瞬時功率Po為負
故功率由交流側送至直流側稱之為整流模式圖33(a)之切換式反流器
在每一週期內會經歷平面上四個象限中之所有象限
單相切
換式變
流器與
濾波器
o
o
+
-
+
-
Vd
vo
id
io
0t
4 1 2 3
voio
io
vo
1反流器
4整流器
3反流器
2整流器
0
為清楚解釋起見以單臂反流器來說明
+
_
+
_
+ +
__
Vd
Vd
2
Vd
2
A
N
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
vAN
oo
o
反流器電路之脈波寬度調變切換技術如圖35(a)所示由一正弦波形控
制訊號vcontrol與三角波形vtri作比較三角波(又稱載波)之振幅為Vtri頻率
為fs fs決定反流器開關之切換頻率正弦波控制電壓vcontrol(又稱調制訊
號)之基頻f1決定反流器之輸出頻率而其振幅則決定反流器輸出電壓之
大小定義振幅調變指數為ma=Vcontrol Vtri 其中Vcontrol為vcontrol之振幅
而頻率調變指數則定義為mf = fs f1
0 t
vcontrol vtri
sf
1
0 t
vAo
V d
2
minusVd
2
t=0
v v
T on T off
control tri
A A
lt
minus + v v
T on T off
control tri
A A
gt
+ minus
1)( AoAo vv =之基本波
0 t
vcontrol vtri
sf
1
圖34反流器之開關的控制方法與io方向無關為
dAoAtricontrol VvTvv2
1=gt +導通
dAoAtricontrol VvTvv2
1minus=lt minus導通
由於二開關之導通為互補因此輸出電壓只在Vd 2與-Vd 2二值間作變
動圖35(b)所示為ma=08與mf =15時輸出電壓vAo及其基本波(以虛線表示)
之波形
+
_
+
_
+ +
__
Vd
Vd
2
Vd
2
A
N
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
vAN
oo
o
單相全橋式反流器
單相全橋式反流器如圖311所示乃由兩個前述之半橋反流器所組成在
相同之輸入電壓下全橋式反流器之最大輸出電壓為半橋式之兩倍這代
表在相同之功率下全橋式反流器之輸出及開關電流僅為半橋式之一半
此對於高功率用途是一大優點因其可以降低使用並聯元件之需求
+
_
+
_
+
_
Vd
Vd
2
Vd
2
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
v v vo Ao Bo= minuso
A
B
TBminus
TB+
DBminus
DB+
+_
id
o
o
N
雙極性電壓切換之脈波寬度調變
0 t
vcontrolvtri
sf
1
0 t
ov1ov
dV
dVminus
單極性電壓切換之脈波寬度調變
onBT +
trivgttricontrol vv gt
trivcontrolv
t
)( controlvminus
)( controlvminusonAT +
t1ov
dV
dVminus
)( BNAN
o
vv
v
minus=
應用雙極性電壓切換之脈波寬度調
變全橋式反流器乃 (TA+TB-)與 (TA-
TB+)成對切換且二者互相反相
應用單極性電壓切換之脈波寬度調
變全橋式反流器乃A臂與B獨立切
換且同臂二開關互相反相
三相反流器
+
-
+
-
+
-
dV
2dV
2dV
+AT
minusAT
+AD
minusAD
o
BminusT
+BT
minusBD
+BD
di
minusCT
+CT
minusCD
+CD
N
A B C
o
0 t
triv Acontrolv Bcontrolv Ccontrolv
0
BNANAB vvv minus=
t
dV
之基本波1LLv
ANv
0 t
dV
t0
BNv
dV
三相電壓源反流器之脈波寬度調變切換的功能為在固定輸入直流電壓下用以調整三相輸出電壓之振幅及頻率三相脈波寬度調變方式由三相各差120度的控制電壓與三角波作比較其波形與單相全橋式反流器採用脈波寬度調變單極性切換者類似
最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法
33最大功率追蹤最大功率追蹤最大功率追蹤最大功率追蹤
為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點本文使用本文使用本文使用本文使用擾動觀察法擾動觀察法擾動觀察法擾動觀察法(Perturbation and Observation Method PampQ)進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功率追蹤率追蹤率追蹤率追蹤由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點下圖為擾動下圖為擾動下圖為擾動下圖為擾動觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖為利用為利用為利用為利用DCDC轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作時時時時其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為0之特性之特性之特性之特性使用使用使用使用DCDC轉換器控制太陽轉換器控制太陽轉換器控制太陽轉換器控制太陽能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動
擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖
最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法
左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖蹤示意圖蹤示意圖蹤示意圖太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分為兩個特性區域為兩個特性區域為兩個特性區域為兩個特性區域假設進行追蹤假設進行追蹤假設進行追蹤假設進行追蹤時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時電壓電壓電壓電壓的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率增加增加增加增加若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出功率減少功率減少功率減少功率減少經由經由經由經由DCDC轉換器調轉換器調轉換器調轉換器調節太陽能板與節太陽能板與節太陽能板與節太陽能板與DCDC轉換器的阻轉換器的阻轉換器的阻轉換器的阻抗相互匹配抗相互匹配抗相互匹配抗相互匹配進而得到太陽能板進而得到太陽能板進而得到太陽能板進而得到太陽能板的最大輸出功率的最大輸出功率的最大輸出功率的最大輸出功率
擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖
4軟體規劃
bull 系統控制程式主要分為主程式固定週期中斷副程式市電電壓零交越中斷副程式等三大部分以下將分別介紹各部分程式流程
bull 本系統主程式主要執行數位訊號處理器周邊暫存器的初始設定以及變數宣告其中除了變數宣告外周邊暫存器的初始設定包括有規畫中斷向量設定計數器之計數模式計數週期中斷的時間和PWM 輸出模式等相關參數設定
bull 如圖8 所示系統初始設定後必須先等待中斷發生才能決定系統是否執行固定週期中斷程式或零交越中斷副程式
bull 圖9 為固定週期中斷副程式流程圖固定週期中斷頻率與換流器開關之切換頻率相同為20kHz程式開始會先偵測太陽能板電壓及電流與直流鏈電壓當確定市電電壓零交越中斷發生時必須先將輸出弦波訊號之指標強制為原點重新送出單位弦波確保換流器輸出電流與市電電壓能維持同相位接著比較太陽能板輸入電壓VPV 是否大於最低工作電壓VPV_work如果確定大於最低工作電壓則致能太陽能最大功率追蹤反之則禁能系統動作程式返回圖9 中的正弦脈寬調變副程式主要功能在於決定換流器中開關的動作順序與責任週期大小以及輸波參考訊號
bull 圖10 為太陽能最大功率點追蹤副程式流程圖在文中對最大功率追蹤採用擾動與觀察法配合太陽能光電板的電壓mdash功率特性曲線即可瞭解程式如何完成太陽能光電板最大功率點追蹤
主程式流程圖
5實驗
bull 依據上述的分析採用DSP 2407A 建立一個500W 太陽光電池電能轉換系統依據圖11 之
bull 電路架構其規格與元件參數分別列於表一表二及表三系統實驗波形圖12圖13圖14 及
bull 圖15 為系統操作在獨立運轉模式下負載分別為120W240W360W 及480W 時之換流器輸出
bull 電壓及輸出電流之實測波形
系統規格與元件參數
實測波形
6實務應用系統實務應用系統實務應用系統實務應用系統
獨立系統示意圖獨立系統示意圖
考慮點
系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等安全係數最佳化設計複雜)
一般充電控制器無 MPPT搭配蓄電池使發電效能較差
蓄電池每日gt50DOD深度放電gt02C充電壽命短
太陽光發電量與負載需求量不搭配時太陽光之發電能量利用率偏低 (負載需求搭配與安全係數為互相矛盾之設計)
PV-柴油發電機PV-風力等混合系統為改善之方法
市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台
電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池
併聯系統示意圖併聯系統示意圖
緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析
1 系統設置成本高建議使用於邊際效益高之用電（防災緊急輔助電力）
2 總體經濟效益減少環境污染解決尖峰用電之不足與短缺能源多元化之風險分擔與開創自主能源
3 遮蔽陽光直曬降低建築物之熱效應（被動省能）同時轉換太陽光為電能供應建物自主能源（主動節能）一舉兩得
緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較
30萬元divide21900kWh＝137元度2萬元divide50kWh＝400元度每度電成本
日發電度數times365天times20年＝3hrtimes1kWtimes365天times20年＝21900kWh（度）
（年停電＋年測試運轉時數）times10年＝（20mintimes6次＋15mintimes12月）times10年＝5hrtimes1kWtimes10年＝50kWh
總發電度數（1kw計）
夜間不發電（可利用蓄電池設計供電年維運費02）
噪音空污油料運輸儲油危險維運成本高
缺點
利用露台屋頂牆面空間設備煙管隔音油槽需室內空間
設置空間
平時緊急時均可使用隨時可了解運轉狀況不須操作
加ATS停電時方可啟動需人員每月定期測試運轉
系統運作
太陽光潔淨能源（免費）柴油使用燃料
20年7~10年使用壽命
1kW=30萬元1kW=2~3萬元設置費用
太陽光發電系統柴油發電機
風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析
運用多元化能源分擔風險情況比較說明如下
1 市電--gt停電時風險極高
2 市電＋柴油發電機--gt發電機故障時風險高
市電＋柴油發電機＋太陽光發電系統--gt發揮三者優點互補同時故障機率小風險最低
案例
832kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide057＝317 m2
115kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide075＝332 m2
緊急時057平時065~08
綜合係數溫度變化污損線損Inverter效率＋蓄電池充放電補償
電力需求divide（日照強度times日照時間times模板效率times綜合係數）
模組面積估算
日照強度1kWm2
日照時間384hd
模板效率12
832kWhd500人用電量115kWhd770人用電量
緊急時平時
電力需求估算
緊急時40kWtimes384hdtimes057＝875 kWhd
平時40kWtimes384hdtimes075＝1152Whd
太陽發電系統發電量＝設置容量times日照時間times綜合係數
發電量計算
332m2times1kWm2times12＝398kW≒40kW
太陽發電系統設置容量＝設置面積times日照強度times模板效率
設置容量計算模板效率依太陽電池種類而異
進行模板陣列及蓄電池容量設計
40kWdivide18片串divide120W＝185列≒19
列
40kWdivide17片串divide120W＝196列≒20
列
陣列併列數＝設置容量divide單串功率
18片times120W＝2160W
17片times120W＝2040W
單串功率
300Vdivide169V＝1775片（取整數17 or 18）
陣列串聯數＝Inverter輸入電壓divide模板輸出電壓
模板陣列設計
1 模板功率120W
2 模板輸出電壓169V
3 直交流轉換器(Inverter)輸入電壓300V
120Wtimes17片串times20列＝40800W＝340片(最佳陣列)
120Wtimes18片串times19列＝41080W＝342片
最佳陣列較經濟之設置容量選擇最佳陣列
蓄電池數量＝144個times2列＝288個
120640Whdivide288Vdivide200Ah＝21列≒2列
併列數＝蓄電池需求容量divideInverter額定電壓
288Vdivide2V＝144個
串聯數＝Inverter額定電壓divide蓄電池電壓串併數設計
middot 蓄電池電壓2V個
middot 蓄電池容量200Ah個
Inverter電壓輸入電壓 額定電壓300V 288V200V 192V
蓄電池需求容量＝832kWhdtimes1dtimes145＝12064kWh
蓄電池需求容量＝緊急電力需求times無日照天數times補償係數補償係數蓄電池內阻抗放電停止電壓電壓降低補償
蓄電池需求容量設計
middot 補償係數145
無日照天數1日
61市電相關規定市電相關規定市電相關規定市電相關規定
1 發電設備併接於低壓系統者其總容量未滿100kW且技術無困難者得併接於單相三線110V220V三相三線220V之配電系統若總容量在100kW以上而未滿500kW得分別併接於3相4線220V380V之配電系統
2 發電設備總容量在500kW以上而未滿5000kW10000kW且技術無困難者得分別併接於114KV228KV之高壓配電系統
3 電設備總容量在10000kW以上而未滿40000kW者得併接於特高壓之系統
4 發電設備總容量在40000kW以上者依個案研討分類
併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類
發電系統經由發電系統經由發電系統經由發電系統經由110V220V110V220V110V220V110V220V併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者發電設發電設發電設發電設備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能
1 過電壓保護 低電壓保護
2 低頻保護 高頻保護
3 過電流保護 零相過電壓接地保護
4 發電設備為無逆送電力者須加裝逆電力保護
5 發電設備為有逆送電力者必須具備主動及被動防止單獨運轉保護
發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經110V220V110V220V110V220V110V220V系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者在電在電在電在電源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器
發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業114KV228KV114KV228KV114KV228KV114KV228KV之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者((((高高高高壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶))))發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Extremely Inverse特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Extremely Inverse特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過流電驛(67)須具Normal Inverse特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
發電設備併接於電業69KV特高壓輸電系統者發電設備之輸出端至少應具有下列同等保護功能並須與電業該轄區之保護設備協調
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Normal Inverse之特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Normal Inverse之特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過電流電驛(67)須具Normal Inverse之特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
8 快速及後衛保護電驛如系統保護需要時應裝設
9 匯流排電驛採用GIS斷路器者應裝設
62626262太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範
1 故障電流
太陽光電發電系統大於100kW以上須計算故障電流其送至電業系統之故障電流不得影響電業及其他用戶斷路器之起斷容量否則需裝置限流電抗器
太陽光電發電系統之隔離變壓器接地方式須與電業之系統配合
2 正常電壓變動率應維持在plusmn5以內
3 太陽光電發電系統與電業間之責任分界點的功率因數以維持85落後至100之間運轉為原則
4 諧波污染限制應依照「電力系統諧波管制暫行標準」辦理
分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性
適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯型之規範型之規範型之規範型之規範
電力轉換器電力轉換器電力轉換器電力轉換器(電力調節器電力調節器電力調節器電力調節器)(InverterConditioner)
蓄電池蓄電池蓄電池蓄電池(Battery))
63大型(商用)太陽光發電系統應用(gt1 kWp)
太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統
單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池(Unit Solar Cell)
太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板(PV Module)
太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列(PV Array)
太陽光發電系統應用獨立系統
(A) 獨立系統(Stand-Alone
System)
bull 蓄電池保護壽命
(B) 混合型交流獨立系統 (Hybrid
System)
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
直流負載PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
整流器
輔助發電機
PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載- ~PCU
直直直直交流轉換器交流轉換器交流轉換器交流轉換器
太陽光發電系統應用併聯系統
(D)併聯系統(Grid-
connected System)
特殊功能1 最佳效能2 防止獨立運轉(連線保護)
3 可自力運轉
(E) 防逆流型系統(Off-line System)
(F) 防災型併聯系統
充電控制器
蓄電池
直交流轉換器
PCU太陽電池組列
交流負載
ATS
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
獨立型系統
適用地點高山離島基地台hellip等市電無法到達處
工作方式白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
必須可以自給自足
缺點bull 系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等
安全係數設計很困難)
bull 蓄電池建置複雜成本很高壽命很短
bull 負載搭配不良時發電效能不佳利用率將偏低
bull 需由專人隨時維護
bull 混合系統為一種解決方法
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
PCU
併聯型系統
適用地點電力正常送達之任何地點工作方式 bull 白天 PV系統併聯發電夜間由台電供電bull 將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的蓄電池
優點bull 系統簡單不需安全係數設計(依預算設計)不需要專人維護bull 併聯發電效率高利用率高
缺點bull 停電時無電可用bull 受併聯法規限制尚未開放(但即將開放)
bull 有孤島效應之疑慮(目前技術上已解決)
改善型無電池自力運轉
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
市電併聯型住宅用太陽光發電系統
太陽光發電系統發電及負載用電對時間之關係
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
併聯型直交流轉換器之效能要求較高
1 最大功率追蹤(Maximum Power Tracking MPT)
2 高轉換效率 gt 90 (PWM+電力電子元件)
3 高次諧波功率 Distortion (lt5 total)
4 自動開關機(白天夜晚)
5 過負載保護過溫度保護
6 體積小重量輕室外防水防塵
7 電腦界面可遠端監控
8 防止獨立運轉(連線保護)
9 可自力運轉
太陽電池組列
交流負載
直交流轉換器MPT
Power Conditioner
併聯系統之獨立運轉(單獨運轉)
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull停電時單一併聯系統將會停止運作
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
bull 市電停電時多數併聯系統仍聯合運作將對電力公司人員產生嚴重危害
孤島效應之防止方法
停電偵測1 過電壓低電壓
2 過頻率低頻率
3 被動式偵測如
bull 電壓與頻率監視方式
bull 電壓相位跳躍監視方式
bull 高次諧波監視方式
bull 頻率變化監視方式
PV組列
直交流轉換器
自家負載
4 主動偵測如
bull 頻率Shift方式
bull 配電線負載變動方式
bull 有效電力變動方式
bull 無效電力變動方式
反應時間05~2秒
資料來源「日本電氣用品試驗所」分散型電源系統連系技術指針(1998)
併聯系統之自力運轉功能
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull 大停電後白天有陽光時以人工啟動 PV 系統進行自力運轉供自家負載使用(但夜間無法使用)
防災型併聯型系統
適用地點有防災需求(照明汲水通信hellip)之公共設施
工作方式
bull 平時PV併聯發電(電池浮充) 效率高利用率高夜間由台電供電
bull 視需要建置供防災用電池大停電時白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
缺點bull 含電池成本較高bull 系統較複雜需專人定期維護
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
FAQ1太陽光發電需要多少土地
效率 = (輸出功率W) (組列面積 m2 x 日照強度 Wm2 ) x 100
模板面積 m2 = 輸出功率W (效率 x日照強度Wm2 ) x100
bull 假設使用效率gt136 模板於1000 Wm2 (AM15)日照強度下
10 kWp 模板面積 (m2) = 10000 (0136 x 1000) ~ 735 m2
10 kWp PV系統土地面積需求約
~ 735 m2 x 15 x 11
~ 121m2 (~36坪)
(包括陰影面積及維修空間)
bull 假設使用效率~10 模板
則模板面積約 ~ 100 m2
土地面積需求約 ~ 165m2 (~50坪)
gt55o
夏至
冬至
春秋分
235o 235oh
L1 L2
FAQ2太陽電池一年能發多少電
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
10 kWm2
05 kWm2
日照強度
等效日照時數(Sun Hour)
組列單日發電量 = 組列額定輸出功率 x 等效日照時數
bull 預估1 kWp 組列單日發電量 = 1 (kW) x ex 4(Sun Hour)= 4 kWh
組列年發電量 = 組列額定輸出功率 x 年平均每日日照時數 x 365
bull 預估 1 kWp 組列年發電量 = 1 x 4 x 365 = 1460 kWh
時間時間時間時間
FAQ3太陽光發電的成本(簡易估算)
1 假設目前太陽光發電系統設置成本約為 NT$ 280000 kWp
2 假設年平均每日日照時數約為 25 Sun Hour (台灣中南部地區)
bull 1 kWp 組列單日發電量= 1 (kW) x 25 (Hour)= 25 kWh
bull 1 kWp 組列年發電量= 25 x 365 = 913 kWh (度)
3 假設太陽光發電系統使用壽命為 20 年
bull 1 kWp 太陽光發電系統總共可發電 20 x 913 = 18260 度
4 生產每度電之成本約為 280000 18260 ~ NT$ 153
5 未來發展趨勢
bull 太陽光發電系統設置成本將逐年降低
bull 市電電費將會升高(國內目前約 NT$ 3 度日本約NT$ 7 度)
bull 傳統能源限制再生能源獎勵利率降低
64獨立型太陽光發電系統應用例(一)
bull太陽電池時鐘-日本bull太陽電池路燈-日本千里住宅公園
獨立型太陽光發電系統應用例(二)
bull太陽電池交通標誌-日本北海道 bull高速公路緊急電話-日本
獨立型太陽光發電系統應用例(三)
bull800W無線通信中繼基地台韓國(1998)
獨立型太陽光發電系統應用例(四)
bull離島用90kW獨立型發電系統韓國Ho-Do島(1992)
併聯型太陽光發電系統應用例(一)
bull設置於屋頂之住宅用太陽光發電系統(建材一體型日本千里住宅公園內住宅設計之一)
併聯型太陽光發電系統應用例(二)
bull日本東海線新幹線京都車站之太陽光發電系統(100kWp)
併聯型太陽光發電系統應用例(三)
bull日本京瓷(Kyocera)京都總公司大樓之太陽電池發電系統(220kWp)
太陽光發電發電廠應用例
太陽電池發電廠
(PV Power Plant)
資料來源 ANIT
Srl Italy
建材一體型太陽電池模板應用例
bull資料來源 Pilkington Solar International GmbH 德國
太陽能車應用例
Honda Dream
bull資料來源 PV Special Research
Centre UNSW Australia
交大太陽能車
bull資料來源 National Chiao-Tung
University Taiwan
太陽光發電航太應用例(NASA Helios )
bull空中無線通訊平台應用
資料來源SkyOne Inc Taiwan
bull 飛行高度5-7 萬英呎(最高記錄 96000 英呎)
bull 時速60 mph (起飛 25 mph)
bull 翼展247 英呎bull 重量2000 磅bull 太陽電池效率要求gt22
資料來源httpwwwaerovironmentcomhomehtml
清雲技術學院 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
個人住宅 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
勤益技術學院 3kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
南台科技大學 10kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
總統府 10kWp 獨立型太陽光能發電系統 (9012)
海巡署南沙太平島 20kWp 混合型(柴油發電機)太陽光能發電系統 (9011)
90能源基金示範補助成果例
台電樹林 20kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
併聯型
台電台北市區處 20kWp 太陽光發電系統
(91能源基金示範補助成果)
併聯型
7結論
bull (1)提高電力轉換器效率
bull 轉換器的損失主要來自於開關切換時之損失為了可以降低濾波電路中電感和電容的體積可以提高切換頻率但是相對於開關的切換損失也因此而增加導致轉換器的效率降低因此發展零電壓或零電流切換技術應用於高切換頻率之轉換器將可以提高轉換器的效率
bull (2)提高太陽光發電系統之整體效率
bull 傳統之太陽光發電系統包含儲能系統和供電系統前級利用DCDC轉換器作最大功率追蹤後級則利用DCAC轉換器轉換能量供應給交流負載為了提高太陽光發電系統的整體效率在研究可提出了模組並聯控制技術以提昇各級電力轉換器的效率而在未來太陽光發電系統也將著重在單級電力轉換器的設計對於整體系統效率有較明顯的改善
8參考資料
1許國強ldquo太陽光發電原理與應用工研院材料所 薄膜技術組91年
2華志強黃崇倫ldquo智慧型能量控制於太陽光電能轉換系統國立雲林科技大學電機工程學系電力研討會97年
3林政達ldquo數位式市電並聯換流器與快速鎖相迴路控制器之研製國立雲林科技大學電機工程學系碩士論文92 年
4李思賢ldquo數位式單相低功率太陽光電能轉換系統國立中山大學電機工程學系碩士論文92 年
5洪世杰ldquo適用於再生能源之市電併聯型雙輸入供電系統國立中正大學電機工程研究所碩士論文93 年
6王廷興ldquo太陽能發電配電設計概要台北科技大學冷凍空調系 92年
7魏榮宗王文宏ldquo高效率太陽光電能源轉換系統 元智大學電機工程學系94年
[ ] 100)25(
)11
(exp
1)(exp
3
λminus+=
minus
=
+minus
minus+minus=
TKII
TTBk
qE
T
TII
where
R
IRVIRV
AkT
qIII
ISCRLG
r
GO
r
oros
sh
ssosLG
VI cell output current and voltagecell reverse saturation currentcell temperature in CBoltzmannrsquos constantelectronic chargeshort circuit current temperature coefficientsolar irradiation in Wmshort-circuit current at 25 Cand 1000 Wm
light-generated currentband gap for siliconideality factorsreference temperaturecell saturation current atshunt resistanceseries resistance
osI
T
kq
00170=IK
SCRIλ
LGI
GOE
921== ABKTr deg= 18301
orI
shR
sR
附錄附錄附錄附錄- 太陽能電池太陽能電池太陽能電池太陽能電池
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
(a) Equivalent circuit of a PV module and
(b) Typical PV module current-voltage and power-voltage characteristics
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
Characteristic of a PV module with temperature and irradiation (a) constant irradiation and varying temperature and (b) constant temperature and varying irradiation
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
系統範例系統範例系統範例系統範例
中途驛站電化PV離島用PV系統山岳地帶PV系統離島偏遠區
勤務指揮中心緊急避難所醫療院所公園學校地震觀測站森林嘹望台避難指示燈氣象觀測所水位警報PV系統河川安全燈防波堤安全PV燈
緊急防災
緊急供電系統管線電氣防蝕輸油管流量計PV系統市場廣告塔海上石油平台各種計測站PV系統發電廠情報指揮中心
產業用
住宅用供電系統緊急供電系統緊急照明系統帷幕牆遮陽棚採光罩屋瓦建築物
無線通信用中繼站基地台緊急電話中繼站電話通信PV系統Radio受信PV系統微波中繼站
通訊
農宅用電溫室栽培PV系統農業灌溉用自動灑水系統農牧電籬牛乳冷藏漁業養殖揚水通氣自動餵食器
農林漁牧
路燈交通號誌道路指示牌標誌燈太陽能電動車充電站高速公路緊急電話偏遠道路緊急電話停車計時器停車場控制門系統高速公路防音壁PV系統公路休息區PV系統太陽能車平交道指示燈候車亭PV系統車站屋頂型PV系統
道路交通
收音機測電表手錶計算機太陽能照相機手電筒電池充電器野營燈民生
應用領域
非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器非隔離交換式電源供應器
bullBoost之設計假設輸入10V輸出30V頻率50kHz輸出10W
所以D＝23
( ) s
o
o TDDP
VL
22
12
minusge
=6667uH
取75uH
D
VV in
o minus=
1
L
Vi
n
S Vo
+
_
C
DiL
vds
升降壓式直流至直流轉換器
升降壓式轉換器的主要用途為輸入與輸出之極性相反輸出電壓可以高於
或低於輸入電壓之直流電源供應器升降壓式轉換器可以由降壓式轉換器
與升壓式轉換式串接而成穩態下輸入與輸出電壓轉換器之比值為二轉換
器個別比值之乘積
D
D
V
V
d
o
minus=
1
因此變化責任週期D可使輸出電壓高於或低於輸入電壓
+
_
+
_
_
+
RC Vo
L
Vd
io
iLvL
id
降壓式直流至直流轉換器
降壓式轉換器顧名思義其作用為將較高準位的輸入電壓換成較低
準位的輸出電壓主要用途為直流電源供應器及直流馬達速度控制
圖22(a)所示為提供純電阻性負載之降壓式轉換器由圖22(b)可知其輸
出電壓波形由開關位置決定平均輸出電壓為
dd
s
onT
t
t
d
s
T
o
s
o DVVT
tddV
Tdv
TV
s
on
ons ==+== intintint )0(1
)(1
00ττττ
+
_
Vd
R
+
_
Vo
0Vd
Vo
vo
tton toff
Ts
32直流至交流切換式反流器
切換式直流至交流(DCAC)反流器(Inveter)乃用以將直流電源轉換成振幅
與頻率均可調之正弦式交流電源主要用途為交流馬達驅動與交流不斷
電電源供應器圖31為典型交流馬達驅動之反流器方塊圖其直流輸入
電壓通常由線電壓整流及濾波而得接著再利用切換式反流器改變輸出
電壓之振幅與頻率以驅動交流馬達切換式反流器功率之流通通常是
由直流至交流稱為反流模式但亦可以從交流至直流稱為整流模
式
+
_
交流馬達
二極體整流器 濾波電容 切換式反流器
Vd
三相交流電源
反流器包括單相及三相其輸入為直流電壓源者稱為電壓源反流器
(Voltage Source InverterVSI)另外若輸入為直流電流源者稱為電流
反流器(Current Source InverterCSI)目前僅應用在高功率之交流馬達
驅動器
1脈波寬度調變(PWM)反流器其輸入電壓通常為固定反流器本身具備變
頻及變壓的功能而變頻及變壓乃利用開關之脈波寬度調變切換控制達成
有許多類型之脈波寬度變技術可以使輸出電壓近似弦波
2方波(Square-Wave)反流器此反流器輸出電壓振幅乃由其輸入電壓調
整
反流器本身只控制輸出頻率交流輸出電壓波形近似方波因此乃稱方波
反流器
3採用電壓消去法(Voltage Cancellation)之單相反流器單相反流器當輸入
電壓為定值時可以利用電壓消去法來變頻及變壓而不須採用脈波寬度
調變其輸出電壓波形近似方波因此其結合了前述兩種反流器的特色
值得注意的是電壓消去法並不適用於三相反流器
切換式反流器之基本觀念
考慮圖33(a)之單相反流器假設其正弦輸出電壓vo是經過濾波所得若
輸出之負載為電感性(如馬達)則輸出電流io將落後vo 如圖33(b)所示
在期間1及3中 vo與io同號瞬時功率Po=voio為正故功率由直流側送至
交流側稱之為反流模式在期間2及4中 vo與io異號瞬時功率Po為負
故功率由交流側送至直流側稱之為整流模式圖33(a)之切換式反流器
在每一週期內會經歷平面上四個象限中之所有象限
單相切
換式變
流器與
濾波器
o
o
+
-
+
-
Vd
vo
id
io
0t
4 1 2 3
voio
io
vo
1反流器
4整流器
3反流器
2整流器
0
為清楚解釋起見以單臂反流器來說明
+
_
+
_
+ +
__
Vd
Vd
2
Vd
2
A
N
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
vAN
oo
o
反流器電路之脈波寬度調變切換技術如圖35(a)所示由一正弦波形控
制訊號vcontrol與三角波形vtri作比較三角波(又稱載波)之振幅為Vtri頻率
為fs fs決定反流器開關之切換頻率正弦波控制電壓vcontrol(又稱調制訊
號)之基頻f1決定反流器之輸出頻率而其振幅則決定反流器輸出電壓之
大小定義振幅調變指數為ma=Vcontrol Vtri 其中Vcontrol為vcontrol之振幅
而頻率調變指數則定義為mf = fs f1
0 t
vcontrol vtri
sf
1
0 t
vAo
V d
2
minusVd
2
t=0
v v
T on T off
control tri
A A
lt
minus + v v
T on T off
control tri
A A
gt
+ minus
1)( AoAo vv =之基本波
0 t
vcontrol vtri
sf
1
圖34反流器之開關的控制方法與io方向無關為
dAoAtricontrol VvTvv2
1=gt +導通
dAoAtricontrol VvTvv2
1minus=lt minus導通
由於二開關之導通為互補因此輸出電壓只在Vd 2與-Vd 2二值間作變
動圖35(b)所示為ma=08與mf =15時輸出電壓vAo及其基本波(以虛線表示)
之波形
+
_
+
_
+ +
__
Vd
Vd
2
Vd
2
A
N
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
vAN
oo
o
單相全橋式反流器
單相全橋式反流器如圖311所示乃由兩個前述之半橋反流器所組成在
相同之輸入電壓下全橋式反流器之最大輸出電壓為半橋式之兩倍這代
表在相同之功率下全橋式反流器之輸出及開關電流僅為半橋式之一半
此對於高功率用途是一大優點因其可以降低使用並聯元件之需求
+
_
+
_
+
_
Vd
Vd
2
Vd
2
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
v v vo Ao Bo= minuso
A
B
TBminus
TB+
DBminus
DB+
+_
id
o
o
N
雙極性電壓切換之脈波寬度調變
0 t
vcontrolvtri
sf
1
0 t
ov1ov
dV
dVminus
單極性電壓切換之脈波寬度調變
onBT +
trivgttricontrol vv gt
trivcontrolv
t
)( controlvminus
)( controlvminusonAT +
t1ov
dV
dVminus
)( BNAN
o
vv
v
minus=
應用雙極性電壓切換之脈波寬度調
變全橋式反流器乃 (TA+TB-)與 (TA-
TB+)成對切換且二者互相反相
應用單極性電壓切換之脈波寬度調
變全橋式反流器乃A臂與B獨立切
換且同臂二開關互相反相
三相反流器
+
-
+
-
+
-
dV
2dV
2dV
+AT
minusAT
+AD
minusAD
o
BminusT
+BT
minusBD
+BD
di
minusCT
+CT
minusCD
+CD
N
A B C
o
0 t
triv Acontrolv Bcontrolv Ccontrolv
0
BNANAB vvv minus=
t
dV
之基本波1LLv
ANv
0 t
dV
t0
BNv
dV
三相電壓源反流器之脈波寬度調變切換的功能為在固定輸入直流電壓下用以調整三相輸出電壓之振幅及頻率三相脈波寬度調變方式由三相各差120度的控制電壓與三角波作比較其波形與單相全橋式反流器採用脈波寬度調變單極性切換者類似
最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法
33最大功率追蹤最大功率追蹤最大功率追蹤最大功率追蹤
為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點本文使用本文使用本文使用本文使用擾動觀察法擾動觀察法擾動觀察法擾動觀察法(Perturbation and Observation Method PampQ)進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功率追蹤率追蹤率追蹤率追蹤由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點下圖為擾動下圖為擾動下圖為擾動下圖為擾動觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖為利用為利用為利用為利用DCDC轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作時時時時其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為0之特性之特性之特性之特性使用使用使用使用DCDC轉換器控制太陽轉換器控制太陽轉換器控制太陽轉換器控制太陽能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動
擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖
最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法
左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖蹤示意圖蹤示意圖蹤示意圖太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分為兩個特性區域為兩個特性區域為兩個特性區域為兩個特性區域假設進行追蹤假設進行追蹤假設進行追蹤假設進行追蹤時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時電壓電壓電壓電壓的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率增加增加增加增加若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出功率減少功率減少功率減少功率減少經由經由經由經由DCDC轉換器調轉換器調轉換器調轉換器調節太陽能板與節太陽能板與節太陽能板與節太陽能板與DCDC轉換器的阻轉換器的阻轉換器的阻轉換器的阻抗相互匹配抗相互匹配抗相互匹配抗相互匹配進而得到太陽能板進而得到太陽能板進而得到太陽能板進而得到太陽能板的最大輸出功率的最大輸出功率的最大輸出功率的最大輸出功率
擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖
4軟體規劃
bull 系統控制程式主要分為主程式固定週期中斷副程式市電電壓零交越中斷副程式等三大部分以下將分別介紹各部分程式流程
bull 本系統主程式主要執行數位訊號處理器周邊暫存器的初始設定以及變數宣告其中除了變數宣告外周邊暫存器的初始設定包括有規畫中斷向量設定計數器之計數模式計數週期中斷的時間和PWM 輸出模式等相關參數設定
bull 如圖8 所示系統初始設定後必須先等待中斷發生才能決定系統是否執行固定週期中斷程式或零交越中斷副程式
bull 圖9 為固定週期中斷副程式流程圖固定週期中斷頻率與換流器開關之切換頻率相同為20kHz程式開始會先偵測太陽能板電壓及電流與直流鏈電壓當確定市電電壓零交越中斷發生時必須先將輸出弦波訊號之指標強制為原點重新送出單位弦波確保換流器輸出電流與市電電壓能維持同相位接著比較太陽能板輸入電壓VPV 是否大於最低工作電壓VPV_work如果確定大於最低工作電壓則致能太陽能最大功率追蹤反之則禁能系統動作程式返回圖9 中的正弦脈寬調變副程式主要功能在於決定換流器中開關的動作順序與責任週期大小以及輸波參考訊號
bull 圖10 為太陽能最大功率點追蹤副程式流程圖在文中對最大功率追蹤採用擾動與觀察法配合太陽能光電板的電壓mdash功率特性曲線即可瞭解程式如何完成太陽能光電板最大功率點追蹤
主程式流程圖
5實驗
bull 依據上述的分析採用DSP 2407A 建立一個500W 太陽光電池電能轉換系統依據圖11 之
bull 電路架構其規格與元件參數分別列於表一表二及表三系統實驗波形圖12圖13圖14 及
bull 圖15 為系統操作在獨立運轉模式下負載分別為120W240W360W 及480W 時之換流器輸出
bull 電壓及輸出電流之實測波形
系統規格與元件參數
實測波形
6實務應用系統實務應用系統實務應用系統實務應用系統
獨立系統示意圖獨立系統示意圖
考慮點
系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等安全係數最佳化設計複雜)
一般充電控制器無 MPPT搭配蓄電池使發電效能較差
蓄電池每日gt50DOD深度放電gt02C充電壽命短
太陽光發電量與負載需求量不搭配時太陽光之發電能量利用率偏低 (負載需求搭配與安全係數為互相矛盾之設計)
PV-柴油發電機PV-風力等混合系統為改善之方法
市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台
電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池
併聯系統示意圖併聯系統示意圖
緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析
1 系統設置成本高建議使用於邊際效益高之用電（防災緊急輔助電力）
2 總體經濟效益減少環境污染解決尖峰用電之不足與短缺能源多元化之風險分擔與開創自主能源
3 遮蔽陽光直曬降低建築物之熱效應（被動省能）同時轉換太陽光為電能供應建物自主能源（主動節能）一舉兩得
緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較
30萬元divide21900kWh＝137元度2萬元divide50kWh＝400元度每度電成本
日發電度數times365天times20年＝3hrtimes1kWtimes365天times20年＝21900kWh（度）
（年停電＋年測試運轉時數）times10年＝（20mintimes6次＋15mintimes12月）times10年＝5hrtimes1kWtimes10年＝50kWh
總發電度數（1kw計）
夜間不發電（可利用蓄電池設計供電年維運費02）
噪音空污油料運輸儲油危險維運成本高
缺點
利用露台屋頂牆面空間設備煙管隔音油槽需室內空間
設置空間
平時緊急時均可使用隨時可了解運轉狀況不須操作
加ATS停電時方可啟動需人員每月定期測試運轉
系統運作
太陽光潔淨能源（免費）柴油使用燃料
20年7~10年使用壽命
1kW=30萬元1kW=2~3萬元設置費用
太陽光發電系統柴油發電機
風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析
運用多元化能源分擔風險情況比較說明如下
1 市電--gt停電時風險極高
2 市電＋柴油發電機--gt發電機故障時風險高
市電＋柴油發電機＋太陽光發電系統--gt發揮三者優點互補同時故障機率小風險最低
案例
832kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide057＝317 m2
115kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide075＝332 m2
緊急時057平時065~08
綜合係數溫度變化污損線損Inverter效率＋蓄電池充放電補償
電力需求divide（日照強度times日照時間times模板效率times綜合係數）
模組面積估算
日照強度1kWm2
日照時間384hd
模板效率12
832kWhd500人用電量115kWhd770人用電量
緊急時平時
電力需求估算
緊急時40kWtimes384hdtimes057＝875 kWhd
平時40kWtimes384hdtimes075＝1152Whd
太陽發電系統發電量＝設置容量times日照時間times綜合係數
發電量計算
332m2times1kWm2times12＝398kW≒40kW
太陽發電系統設置容量＝設置面積times日照強度times模板效率
設置容量計算模板效率依太陽電池種類而異
進行模板陣列及蓄電池容量設計
40kWdivide18片串divide120W＝185列≒19
列
40kWdivide17片串divide120W＝196列≒20
列
陣列併列數＝設置容量divide單串功率
18片times120W＝2160W
17片times120W＝2040W
單串功率
300Vdivide169V＝1775片（取整數17 or 18）
陣列串聯數＝Inverter輸入電壓divide模板輸出電壓
模板陣列設計
1 模板功率120W
2 模板輸出電壓169V
3 直交流轉換器(Inverter)輸入電壓300V
120Wtimes17片串times20列＝40800W＝340片(最佳陣列)
120Wtimes18片串times19列＝41080W＝342片
最佳陣列較經濟之設置容量選擇最佳陣列
蓄電池數量＝144個times2列＝288個
120640Whdivide288Vdivide200Ah＝21列≒2列
併列數＝蓄電池需求容量divideInverter額定電壓
288Vdivide2V＝144個
串聯數＝Inverter額定電壓divide蓄電池電壓串併數設計
middot 蓄電池電壓2V個
middot 蓄電池容量200Ah個
Inverter電壓輸入電壓 額定電壓300V 288V200V 192V
蓄電池需求容量＝832kWhdtimes1dtimes145＝12064kWh
蓄電池需求容量＝緊急電力需求times無日照天數times補償係數補償係數蓄電池內阻抗放電停止電壓電壓降低補償
蓄電池需求容量設計
middot 補償係數145
無日照天數1日
61市電相關規定市電相關規定市電相關規定市電相關規定
1 發電設備併接於低壓系統者其總容量未滿100kW且技術無困難者得併接於單相三線110V220V三相三線220V之配電系統若總容量在100kW以上而未滿500kW得分別併接於3相4線220V380V之配電系統
2 發電設備總容量在500kW以上而未滿5000kW10000kW且技術無困難者得分別併接於114KV228KV之高壓配電系統
3 電設備總容量在10000kW以上而未滿40000kW者得併接於特高壓之系統
4 發電設備總容量在40000kW以上者依個案研討分類
併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類
發電系統經由發電系統經由發電系統經由發電系統經由110V220V110V220V110V220V110V220V併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者發電設發電設發電設發電設備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能
1 過電壓保護 低電壓保護
2 低頻保護 高頻保護
3 過電流保護 零相過電壓接地保護
4 發電設備為無逆送電力者須加裝逆電力保護
5 發電設備為有逆送電力者必須具備主動及被動防止單獨運轉保護
發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經110V220V110V220V110V220V110V220V系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者在電在電在電在電源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器
發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業114KV228KV114KV228KV114KV228KV114KV228KV之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者((((高高高高壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶))))發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Extremely Inverse特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Extremely Inverse特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過流電驛(67)須具Normal Inverse特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
發電設備併接於電業69KV特高壓輸電系統者發電設備之輸出端至少應具有下列同等保護功能並須與電業該轄區之保護設備協調
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Normal Inverse之特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Normal Inverse之特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過電流電驛(67)須具Normal Inverse之特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
8 快速及後衛保護電驛如系統保護需要時應裝設
9 匯流排電驛採用GIS斷路器者應裝設
62626262太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範
1 故障電流
太陽光電發電系統大於100kW以上須計算故障電流其送至電業系統之故障電流不得影響電業及其他用戶斷路器之起斷容量否則需裝置限流電抗器
太陽光電發電系統之隔離變壓器接地方式須與電業之系統配合
2 正常電壓變動率應維持在plusmn5以內
3 太陽光電發電系統與電業間之責任分界點的功率因數以維持85落後至100之間運轉為原則
4 諧波污染限制應依照「電力系統諧波管制暫行標準」辦理
分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性
適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯型之規範型之規範型之規範型之規範
電力轉換器電力轉換器電力轉換器電力轉換器(電力調節器電力調節器電力調節器電力調節器)(InverterConditioner)
蓄電池蓄電池蓄電池蓄電池(Battery))
63大型(商用)太陽光發電系統應用(gt1 kWp)
太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統
單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池(Unit Solar Cell)
太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板(PV Module)
太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列(PV Array)
太陽光發電系統應用獨立系統
(A) 獨立系統(Stand-Alone
System)
bull 蓄電池保護壽命
(B) 混合型交流獨立系統 (Hybrid
System)
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
直流負載PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
整流器
輔助發電機
PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載- ~PCU
直直直直交流轉換器交流轉換器交流轉換器交流轉換器
太陽光發電系統應用併聯系統
(D)併聯系統(Grid-
connected System)
特殊功能1 最佳效能2 防止獨立運轉(連線保護)
3 可自力運轉
(E) 防逆流型系統(Off-line System)
(F) 防災型併聯系統
充電控制器
蓄電池
直交流轉換器
PCU太陽電池組列
交流負載
ATS
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
獨立型系統
適用地點高山離島基地台hellip等市電無法到達處
工作方式白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
必須可以自給自足
缺點bull 系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等
安全係數設計很困難)
bull 蓄電池建置複雜成本很高壽命很短
bull 負載搭配不良時發電效能不佳利用率將偏低
bull 需由專人隨時維護
bull 混合系統為一種解決方法
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
PCU
併聯型系統
適用地點電力正常送達之任何地點工作方式 bull 白天 PV系統併聯發電夜間由台電供電bull 將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的蓄電池
優點bull 系統簡單不需安全係數設計(依預算設計)不需要專人維護bull 併聯發電效率高利用率高
缺點bull 停電時無電可用bull 受併聯法規限制尚未開放(但即將開放)
bull 有孤島效應之疑慮(目前技術上已解決)
改善型無電池自力運轉
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
市電併聯型住宅用太陽光發電系統
太陽光發電系統發電及負載用電對時間之關係
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
併聯型直交流轉換器之效能要求較高
1 最大功率追蹤(Maximum Power Tracking MPT)
2 高轉換效率 gt 90 (PWM+電力電子元件)
3 高次諧波功率 Distortion (lt5 total)
4 自動開關機(白天夜晚)
5 過負載保護過溫度保護
6 體積小重量輕室外防水防塵
7 電腦界面可遠端監控
8 防止獨立運轉(連線保護)
9 可自力運轉
太陽電池組列
交流負載
直交流轉換器MPT
Power Conditioner
併聯系統之獨立運轉(單獨運轉)
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull停電時單一併聯系統將會停止運作
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
bull 市電停電時多數併聯系統仍聯合運作將對電力公司人員產生嚴重危害
孤島效應之防止方法
停電偵測1 過電壓低電壓
2 過頻率低頻率
3 被動式偵測如
bull 電壓與頻率監視方式
bull 電壓相位跳躍監視方式
bull 高次諧波監視方式
bull 頻率變化監視方式
PV組列
直交流轉換器
自家負載
4 主動偵測如
bull 頻率Shift方式
bull 配電線負載變動方式
bull 有效電力變動方式
bull 無效電力變動方式
反應時間05~2秒
資料來源「日本電氣用品試驗所」分散型電源系統連系技術指針(1998)
併聯系統之自力運轉功能
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull 大停電後白天有陽光時以人工啟動 PV 系統進行自力運轉供自家負載使用(但夜間無法使用)
防災型併聯型系統
適用地點有防災需求(照明汲水通信hellip)之公共設施
工作方式
bull 平時PV併聯發電(電池浮充) 效率高利用率高夜間由台電供電
bull 視需要建置供防災用電池大停電時白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
缺點bull 含電池成本較高bull 系統較複雜需專人定期維護
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
FAQ1太陽光發電需要多少土地
效率 = (輸出功率W) (組列面積 m2 x 日照強度 Wm2 ) x 100
模板面積 m2 = 輸出功率W (效率 x日照強度Wm2 ) x100
bull 假設使用效率gt136 模板於1000 Wm2 (AM15)日照強度下
10 kWp 模板面積 (m2) = 10000 (0136 x 1000) ~ 735 m2
10 kWp PV系統土地面積需求約
~ 735 m2 x 15 x 11
~ 121m2 (~36坪)
(包括陰影面積及維修空間)
bull 假設使用效率~10 模板
則模板面積約 ~ 100 m2
土地面積需求約 ~ 165m2 (~50坪)
gt55o
夏至
冬至
春秋分
235o 235oh
L1 L2
FAQ2太陽電池一年能發多少電
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
10 kWm2
05 kWm2
日照強度
等效日照時數(Sun Hour)
組列單日發電量 = 組列額定輸出功率 x 等效日照時數
bull 預估1 kWp 組列單日發電量 = 1 (kW) x ex 4(Sun Hour)= 4 kWh
組列年發電量 = 組列額定輸出功率 x 年平均每日日照時數 x 365
bull 預估 1 kWp 組列年發電量 = 1 x 4 x 365 = 1460 kWh
時間時間時間時間
FAQ3太陽光發電的成本(簡易估算)
1 假設目前太陽光發電系統設置成本約為 NT$ 280000 kWp
2 假設年平均每日日照時數約為 25 Sun Hour (台灣中南部地區)
bull 1 kWp 組列單日發電量= 1 (kW) x 25 (Hour)= 25 kWh
bull 1 kWp 組列年發電量= 25 x 365 = 913 kWh (度)
3 假設太陽光發電系統使用壽命為 20 年
bull 1 kWp 太陽光發電系統總共可發電 20 x 913 = 18260 度
4 生產每度電之成本約為 280000 18260 ~ NT$ 153
5 未來發展趨勢
bull 太陽光發電系統設置成本將逐年降低
bull 市電電費將會升高(國內目前約 NT$ 3 度日本約NT$ 7 度)
bull 傳統能源限制再生能源獎勵利率降低
64獨立型太陽光發電系統應用例(一)
bull太陽電池時鐘-日本bull太陽電池路燈-日本千里住宅公園
獨立型太陽光發電系統應用例(二)
bull太陽電池交通標誌-日本北海道 bull高速公路緊急電話-日本
獨立型太陽光發電系統應用例(三)
bull800W無線通信中繼基地台韓國(1998)
獨立型太陽光發電系統應用例(四)
bull離島用90kW獨立型發電系統韓國Ho-Do島(1992)
併聯型太陽光發電系統應用例(一)
bull設置於屋頂之住宅用太陽光發電系統(建材一體型日本千里住宅公園內住宅設計之一)
併聯型太陽光發電系統應用例(二)
bull日本東海線新幹線京都車站之太陽光發電系統(100kWp)
併聯型太陽光發電系統應用例(三)
bull日本京瓷(Kyocera)京都總公司大樓之太陽電池發電系統(220kWp)
太陽光發電發電廠應用例
太陽電池發電廠
(PV Power Plant)
資料來源 ANIT
Srl Italy
建材一體型太陽電池模板應用例
bull資料來源 Pilkington Solar International GmbH 德國
太陽能車應用例
Honda Dream
bull資料來源 PV Special Research
Centre UNSW Australia
交大太陽能車
bull資料來源 National Chiao-Tung
University Taiwan
太陽光發電航太應用例(NASA Helios )
bull空中無線通訊平台應用
資料來源SkyOne Inc Taiwan
bull 飛行高度5-7 萬英呎(最高記錄 96000 英呎)
bull 時速60 mph (起飛 25 mph)
bull 翼展247 英呎bull 重量2000 磅bull 太陽電池效率要求gt22
資料來源httpwwwaerovironmentcomhomehtml
清雲技術學院 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
個人住宅 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
勤益技術學院 3kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
南台科技大學 10kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
總統府 10kWp 獨立型太陽光能發電系統 (9012)
海巡署南沙太平島 20kWp 混合型(柴油發電機)太陽光能發電系統 (9011)
90能源基金示範補助成果例
台電樹林 20kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
併聯型
台電台北市區處 20kWp 太陽光發電系統
(91能源基金示範補助成果)
併聯型
7結論
bull (1)提高電力轉換器效率
bull 轉換器的損失主要來自於開關切換時之損失為了可以降低濾波電路中電感和電容的體積可以提高切換頻率但是相對於開關的切換損失也因此而增加導致轉換器的效率降低因此發展零電壓或零電流切換技術應用於高切換頻率之轉換器將可以提高轉換器的效率
bull (2)提高太陽光發電系統之整體效率
bull 傳統之太陽光發電系統包含儲能系統和供電系統前級利用DCDC轉換器作最大功率追蹤後級則利用DCAC轉換器轉換能量供應給交流負載為了提高太陽光發電系統的整體效率在研究可提出了模組並聯控制技術以提昇各級電力轉換器的效率而在未來太陽光發電系統也將著重在單級電力轉換器的設計對於整體系統效率有較明顯的改善
8參考資料
1許國強ldquo太陽光發電原理與應用工研院材料所 薄膜技術組91年
2華志強黃崇倫ldquo智慧型能量控制於太陽光電能轉換系統國立雲林科技大學電機工程學系電力研討會97年
3林政達ldquo數位式市電並聯換流器與快速鎖相迴路控制器之研製國立雲林科技大學電機工程學系碩士論文92 年
4李思賢ldquo數位式單相低功率太陽光電能轉換系統國立中山大學電機工程學系碩士論文92 年
5洪世杰ldquo適用於再生能源之市電併聯型雙輸入供電系統國立中正大學電機工程研究所碩士論文93 年
6王廷興ldquo太陽能發電配電設計概要台北科技大學冷凍空調系 92年
7魏榮宗王文宏ldquo高效率太陽光電能源轉換系統 元智大學電機工程學系94年
[ ] 100)25(
)11
(exp
1)(exp
3
λminus+=
minus
=
+minus
minus+minus=
TKII
TTBk
qE
T
TII
where
R
IRVIRV
AkT
qIII
ISCRLG
r
GO
r
oros
sh
ssosLG
VI cell output current and voltagecell reverse saturation currentcell temperature in CBoltzmannrsquos constantelectronic chargeshort circuit current temperature coefficientsolar irradiation in Wmshort-circuit current at 25 Cand 1000 Wm
light-generated currentband gap for siliconideality factorsreference temperaturecell saturation current atshunt resistanceseries resistance
osI
T
kq
00170=IK
SCRIλ
LGI
GOE
921== ABKTr deg= 18301
orI
shR
sR
附錄附錄附錄附錄- 太陽能電池太陽能電池太陽能電池太陽能電池
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
(a) Equivalent circuit of a PV module and
(b) Typical PV module current-voltage and power-voltage characteristics
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
Characteristic of a PV module with temperature and irradiation (a) constant irradiation and varying temperature and (b) constant temperature and varying irradiation
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
系統範例系統範例系統範例系統範例
中途驛站電化PV離島用PV系統山岳地帶PV系統離島偏遠區
勤務指揮中心緊急避難所醫療院所公園學校地震觀測站森林嘹望台避難指示燈氣象觀測所水位警報PV系統河川安全燈防波堤安全PV燈
緊急防災
緊急供電系統管線電氣防蝕輸油管流量計PV系統市場廣告塔海上石油平台各種計測站PV系統發電廠情報指揮中心
產業用
住宅用供電系統緊急供電系統緊急照明系統帷幕牆遮陽棚採光罩屋瓦建築物
無線通信用中繼站基地台緊急電話中繼站電話通信PV系統Radio受信PV系統微波中繼站
通訊
農宅用電溫室栽培PV系統農業灌溉用自動灑水系統農牧電籬牛乳冷藏漁業養殖揚水通氣自動餵食器
農林漁牧
路燈交通號誌道路指示牌標誌燈太陽能電動車充電站高速公路緊急電話偏遠道路緊急電話停車計時器停車場控制門系統高速公路防音壁PV系統公路休息區PV系統太陽能車平交道指示燈候車亭PV系統車站屋頂型PV系統
道路交通
收音機測電表手錶計算機太陽能照相機手電筒電池充電器野營燈民生
應用領域
升降壓式直流至直流轉換器
升降壓式轉換器的主要用途為輸入與輸出之極性相反輸出電壓可以高於
或低於輸入電壓之直流電源供應器升降壓式轉換器可以由降壓式轉換器
與升壓式轉換式串接而成穩態下輸入與輸出電壓轉換器之比值為二轉換
器個別比值之乘積
D
D
V
V
d
o
minus=
1
因此變化責任週期D可使輸出電壓高於或低於輸入電壓
+
_
+
_
_
+
RC Vo
L
Vd
io
iLvL
id
降壓式直流至直流轉換器
降壓式轉換器顧名思義其作用為將較高準位的輸入電壓換成較低
準位的輸出電壓主要用途為直流電源供應器及直流馬達速度控制
圖22(a)所示為提供純電阻性負載之降壓式轉換器由圖22(b)可知其輸
出電壓波形由開關位置決定平均輸出電壓為
dd
s
onT
t
t
d
s
T
o
s
o DVVT
tddV
Tdv
TV
s
on
ons ==+== intintint )0(1
)(1
00ττττ
+
_
Vd
R
+
_
Vo
0Vd
Vo
vo
tton toff
Ts
32直流至交流切換式反流器
切換式直流至交流(DCAC)反流器(Inveter)乃用以將直流電源轉換成振幅
與頻率均可調之正弦式交流電源主要用途為交流馬達驅動與交流不斷
電電源供應器圖31為典型交流馬達驅動之反流器方塊圖其直流輸入
電壓通常由線電壓整流及濾波而得接著再利用切換式反流器改變輸出
電壓之振幅與頻率以驅動交流馬達切換式反流器功率之流通通常是
由直流至交流稱為反流模式但亦可以從交流至直流稱為整流模
式
+
_
交流馬達
二極體整流器 濾波電容 切換式反流器
Vd
三相交流電源
反流器包括單相及三相其輸入為直流電壓源者稱為電壓源反流器
(Voltage Source InverterVSI)另外若輸入為直流電流源者稱為電流
反流器(Current Source InverterCSI)目前僅應用在高功率之交流馬達
驅動器
1脈波寬度調變(PWM)反流器其輸入電壓通常為固定反流器本身具備變
頻及變壓的功能而變頻及變壓乃利用開關之脈波寬度調變切換控制達成
有許多類型之脈波寬度變技術可以使輸出電壓近似弦波
2方波(Square-Wave)反流器此反流器輸出電壓振幅乃由其輸入電壓調
整
反流器本身只控制輸出頻率交流輸出電壓波形近似方波因此乃稱方波
反流器
3採用電壓消去法(Voltage Cancellation)之單相反流器單相反流器當輸入
電壓為定值時可以利用電壓消去法來變頻及變壓而不須採用脈波寬度
調變其輸出電壓波形近似方波因此其結合了前述兩種反流器的特色
值得注意的是電壓消去法並不適用於三相反流器
切換式反流器之基本觀念
考慮圖33(a)之單相反流器假設其正弦輸出電壓vo是經過濾波所得若
輸出之負載為電感性(如馬達)則輸出電流io將落後vo 如圖33(b)所示
在期間1及3中 vo與io同號瞬時功率Po=voio為正故功率由直流側送至
交流側稱之為反流模式在期間2及4中 vo與io異號瞬時功率Po為負
故功率由交流側送至直流側稱之為整流模式圖33(a)之切換式反流器
在每一週期內會經歷平面上四個象限中之所有象限
單相切
換式變
流器與
濾波器
o
o
+
-
+
-
Vd
vo
id
io
0t
4 1 2 3
voio
io
vo
1反流器
4整流器
3反流器
2整流器
0
為清楚解釋起見以單臂反流器來說明
+
_
+
_
+ +
__
Vd
Vd
2
Vd
2
A
N
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
vAN
oo
o
反流器電路之脈波寬度調變切換技術如圖35(a)所示由一正弦波形控
制訊號vcontrol與三角波形vtri作比較三角波(又稱載波)之振幅為Vtri頻率
為fs fs決定反流器開關之切換頻率正弦波控制電壓vcontrol(又稱調制訊
號)之基頻f1決定反流器之輸出頻率而其振幅則決定反流器輸出電壓之
大小定義振幅調變指數為ma=Vcontrol Vtri 其中Vcontrol為vcontrol之振幅
而頻率調變指數則定義為mf = fs f1
0 t
vcontrol vtri
sf
1
0 t
vAo
V d
2
minusVd
2
t=0
v v
T on T off
control tri
A A
lt
minus + v v
T on T off
control tri
A A
gt
+ minus
1)( AoAo vv =之基本波
0 t
vcontrol vtri
sf
1
圖34反流器之開關的控制方法與io方向無關為
dAoAtricontrol VvTvv2
1=gt +導通
dAoAtricontrol VvTvv2
1minus=lt minus導通
由於二開關之導通為互補因此輸出電壓只在Vd 2與-Vd 2二值間作變
動圖35(b)所示為ma=08與mf =15時輸出電壓vAo及其基本波(以虛線表示)
之波形
+
_
+
_
+ +
__
Vd
Vd
2
Vd
2
A
N
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
vAN
oo
o
單相全橋式反流器
單相全橋式反流器如圖311所示乃由兩個前述之半橋反流器所組成在
相同之輸入電壓下全橋式反流器之最大輸出電壓為半橋式之兩倍這代
表在相同之功率下全橋式反流器之輸出及開關電流僅為半橋式之一半
此對於高功率用途是一大優點因其可以降低使用並聯元件之需求
+
_
+
_
+
_
Vd
Vd
2
Vd
2
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
v v vo Ao Bo= minuso
A
B
TBminus
TB+
DBminus
DB+
+_
id
o
o
N
雙極性電壓切換之脈波寬度調變
0 t
vcontrolvtri
sf
1
0 t
ov1ov
dV
dVminus
單極性電壓切換之脈波寬度調變
onBT +
trivgttricontrol vv gt
trivcontrolv
t
)( controlvminus
)( controlvminusonAT +
t1ov
dV
dVminus
)( BNAN
o
vv
v
minus=
應用雙極性電壓切換之脈波寬度調
變全橋式反流器乃 (TA+TB-)與 (TA-
TB+)成對切換且二者互相反相
應用單極性電壓切換之脈波寬度調
變全橋式反流器乃A臂與B獨立切
換且同臂二開關互相反相
三相反流器
+
-
+
-
+
-
dV
2dV
2dV
+AT
minusAT
+AD
minusAD
o
BminusT
+BT
minusBD
+BD
di
minusCT
+CT
minusCD
+CD
N
A B C
o
0 t
triv Acontrolv Bcontrolv Ccontrolv
0
BNANAB vvv minus=
t
dV
之基本波1LLv
ANv
0 t
dV
t0
BNv
dV
三相電壓源反流器之脈波寬度調變切換的功能為在固定輸入直流電壓下用以調整三相輸出電壓之振幅及頻率三相脈波寬度調變方式由三相各差120度的控制電壓與三角波作比較其波形與單相全橋式反流器採用脈波寬度調變單極性切換者類似
最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法
33最大功率追蹤最大功率追蹤最大功率追蹤最大功率追蹤
為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點本文使用本文使用本文使用本文使用擾動觀察法擾動觀察法擾動觀察法擾動觀察法(Perturbation and Observation Method PampQ)進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功率追蹤率追蹤率追蹤率追蹤由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點下圖為擾動下圖為擾動下圖為擾動下圖為擾動觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖為利用為利用為利用為利用DCDC轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作時時時時其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為0之特性之特性之特性之特性使用使用使用使用DCDC轉換器控制太陽轉換器控制太陽轉換器控制太陽轉換器控制太陽能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動
擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖
最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法
左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖蹤示意圖蹤示意圖蹤示意圖太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分為兩個特性區域為兩個特性區域為兩個特性區域為兩個特性區域假設進行追蹤假設進行追蹤假設進行追蹤假設進行追蹤時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時電壓電壓電壓電壓的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率增加增加增加增加若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出功率減少功率減少功率減少功率減少經由經由經由經由DCDC轉換器調轉換器調轉換器調轉換器調節太陽能板與節太陽能板與節太陽能板與節太陽能板與DCDC轉換器的阻轉換器的阻轉換器的阻轉換器的阻抗相互匹配抗相互匹配抗相互匹配抗相互匹配進而得到太陽能板進而得到太陽能板進而得到太陽能板進而得到太陽能板的最大輸出功率的最大輸出功率的最大輸出功率的最大輸出功率
擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖
4軟體規劃
bull 系統控制程式主要分為主程式固定週期中斷副程式市電電壓零交越中斷副程式等三大部分以下將分別介紹各部分程式流程
bull 本系統主程式主要執行數位訊號處理器周邊暫存器的初始設定以及變數宣告其中除了變數宣告外周邊暫存器的初始設定包括有規畫中斷向量設定計數器之計數模式計數週期中斷的時間和PWM 輸出模式等相關參數設定
bull 如圖8 所示系統初始設定後必須先等待中斷發生才能決定系統是否執行固定週期中斷程式或零交越中斷副程式
bull 圖9 為固定週期中斷副程式流程圖固定週期中斷頻率與換流器開關之切換頻率相同為20kHz程式開始會先偵測太陽能板電壓及電流與直流鏈電壓當確定市電電壓零交越中斷發生時必須先將輸出弦波訊號之指標強制為原點重新送出單位弦波確保換流器輸出電流與市電電壓能維持同相位接著比較太陽能板輸入電壓VPV 是否大於最低工作電壓VPV_work如果確定大於最低工作電壓則致能太陽能最大功率追蹤反之則禁能系統動作程式返回圖9 中的正弦脈寬調變副程式主要功能在於決定換流器中開關的動作順序與責任週期大小以及輸波參考訊號
bull 圖10 為太陽能最大功率點追蹤副程式流程圖在文中對最大功率追蹤採用擾動與觀察法配合太陽能光電板的電壓mdash功率特性曲線即可瞭解程式如何完成太陽能光電板最大功率點追蹤
主程式流程圖
5實驗
bull 依據上述的分析採用DSP 2407A 建立一個500W 太陽光電池電能轉換系統依據圖11 之
bull 電路架構其規格與元件參數分別列於表一表二及表三系統實驗波形圖12圖13圖14 及
bull 圖15 為系統操作在獨立運轉模式下負載分別為120W240W360W 及480W 時之換流器輸出
bull 電壓及輸出電流之實測波形
系統規格與元件參數
實測波形
6實務應用系統實務應用系統實務應用系統實務應用系統
獨立系統示意圖獨立系統示意圖
考慮點
系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等安全係數最佳化設計複雜)
一般充電控制器無 MPPT搭配蓄電池使發電效能較差
蓄電池每日gt50DOD深度放電gt02C充電壽命短
太陽光發電量與負載需求量不搭配時太陽光之發電能量利用率偏低 (負載需求搭配與安全係數為互相矛盾之設計)
PV-柴油發電機PV-風力等混合系統為改善之方法
市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台
電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池
併聯系統示意圖併聯系統示意圖
緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析
1 系統設置成本高建議使用於邊際效益高之用電（防災緊急輔助電力）
2 總體經濟效益減少環境污染解決尖峰用電之不足與短缺能源多元化之風險分擔與開創自主能源
3 遮蔽陽光直曬降低建築物之熱效應（被動省能）同時轉換太陽光為電能供應建物自主能源（主動節能）一舉兩得
緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較
30萬元divide21900kWh＝137元度2萬元divide50kWh＝400元度每度電成本
日發電度數times365天times20年＝3hrtimes1kWtimes365天times20年＝21900kWh（度）
（年停電＋年測試運轉時數）times10年＝（20mintimes6次＋15mintimes12月）times10年＝5hrtimes1kWtimes10年＝50kWh
總發電度數（1kw計）
夜間不發電（可利用蓄電池設計供電年維運費02）
噪音空污油料運輸儲油危險維運成本高
缺點
利用露台屋頂牆面空間設備煙管隔音油槽需室內空間
設置空間
平時緊急時均可使用隨時可了解運轉狀況不須操作
加ATS停電時方可啟動需人員每月定期測試運轉
系統運作
太陽光潔淨能源（免費）柴油使用燃料
20年7~10年使用壽命
1kW=30萬元1kW=2~3萬元設置費用
太陽光發電系統柴油發電機
風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析
運用多元化能源分擔風險情況比較說明如下
1 市電--gt停電時風險極高
2 市電＋柴油發電機--gt發電機故障時風險高
市電＋柴油發電機＋太陽光發電系統--gt發揮三者優點互補同時故障機率小風險最低
案例
832kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide057＝317 m2
115kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide075＝332 m2
緊急時057平時065~08
綜合係數溫度變化污損線損Inverter效率＋蓄電池充放電補償
電力需求divide（日照強度times日照時間times模板效率times綜合係數）
模組面積估算
日照強度1kWm2
日照時間384hd
模板效率12
832kWhd500人用電量115kWhd770人用電量
緊急時平時
電力需求估算
緊急時40kWtimes384hdtimes057＝875 kWhd
平時40kWtimes384hdtimes075＝1152Whd
太陽發電系統發電量＝設置容量times日照時間times綜合係數
發電量計算
332m2times1kWm2times12＝398kW≒40kW
太陽發電系統設置容量＝設置面積times日照強度times模板效率
設置容量計算模板效率依太陽電池種類而異
進行模板陣列及蓄電池容量設計
40kWdivide18片串divide120W＝185列≒19
列
40kWdivide17片串divide120W＝196列≒20
列
陣列併列數＝設置容量divide單串功率
18片times120W＝2160W
17片times120W＝2040W
單串功率
300Vdivide169V＝1775片（取整數17 or 18）
陣列串聯數＝Inverter輸入電壓divide模板輸出電壓
模板陣列設計
1 模板功率120W
2 模板輸出電壓169V
3 直交流轉換器(Inverter)輸入電壓300V
120Wtimes17片串times20列＝40800W＝340片(最佳陣列)
120Wtimes18片串times19列＝41080W＝342片
最佳陣列較經濟之設置容量選擇最佳陣列
蓄電池數量＝144個times2列＝288個
120640Whdivide288Vdivide200Ah＝21列≒2列
併列數＝蓄電池需求容量divideInverter額定電壓
288Vdivide2V＝144個
串聯數＝Inverter額定電壓divide蓄電池電壓串併數設計
middot 蓄電池電壓2V個
middot 蓄電池容量200Ah個
Inverter電壓輸入電壓 額定電壓300V 288V200V 192V
蓄電池需求容量＝832kWhdtimes1dtimes145＝12064kWh
蓄電池需求容量＝緊急電力需求times無日照天數times補償係數補償係數蓄電池內阻抗放電停止電壓電壓降低補償
蓄電池需求容量設計
middot 補償係數145
無日照天數1日
61市電相關規定市電相關規定市電相關規定市電相關規定
1 發電設備併接於低壓系統者其總容量未滿100kW且技術無困難者得併接於單相三線110V220V三相三線220V之配電系統若總容量在100kW以上而未滿500kW得分別併接於3相4線220V380V之配電系統
2 發電設備總容量在500kW以上而未滿5000kW10000kW且技術無困難者得分別併接於114KV228KV之高壓配電系統
3 電設備總容量在10000kW以上而未滿40000kW者得併接於特高壓之系統
4 發電設備總容量在40000kW以上者依個案研討分類
併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類
發電系統經由發電系統經由發電系統經由發電系統經由110V220V110V220V110V220V110V220V併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者發電設發電設發電設發電設備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能
1 過電壓保護 低電壓保護
2 低頻保護 高頻保護
3 過電流保護 零相過電壓接地保護
4 發電設備為無逆送電力者須加裝逆電力保護
5 發電設備為有逆送電力者必須具備主動及被動防止單獨運轉保護
發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經110V220V110V220V110V220V110V220V系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者在電在電在電在電源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器
發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業114KV228KV114KV228KV114KV228KV114KV228KV之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者((((高高高高壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶))))發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Extremely Inverse特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Extremely Inverse特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過流電驛(67)須具Normal Inverse特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
發電設備併接於電業69KV特高壓輸電系統者發電設備之輸出端至少應具有下列同等保護功能並須與電業該轄區之保護設備協調
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Normal Inverse之特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Normal Inverse之特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過電流電驛(67)須具Normal Inverse之特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
8 快速及後衛保護電驛如系統保護需要時應裝設
9 匯流排電驛採用GIS斷路器者應裝設
62626262太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範
1 故障電流
太陽光電發電系統大於100kW以上須計算故障電流其送至電業系統之故障電流不得影響電業及其他用戶斷路器之起斷容量否則需裝置限流電抗器
太陽光電發電系統之隔離變壓器接地方式須與電業之系統配合
2 正常電壓變動率應維持在plusmn5以內
3 太陽光電發電系統與電業間之責任分界點的功率因數以維持85落後至100之間運轉為原則
4 諧波污染限制應依照「電力系統諧波管制暫行標準」辦理
分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性
適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯型之規範型之規範型之規範型之規範
電力轉換器電力轉換器電力轉換器電力轉換器(電力調節器電力調節器電力調節器電力調節器)(InverterConditioner)
蓄電池蓄電池蓄電池蓄電池(Battery))
63大型(商用)太陽光發電系統應用(gt1 kWp)
太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統
單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池(Unit Solar Cell)
太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板(PV Module)
太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列(PV Array)
太陽光發電系統應用獨立系統
(A) 獨立系統(Stand-Alone
System)
bull 蓄電池保護壽命
(B) 混合型交流獨立系統 (Hybrid
System)
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
直流負載PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
整流器
輔助發電機
PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載- ~PCU
直直直直交流轉換器交流轉換器交流轉換器交流轉換器
太陽光發電系統應用併聯系統
(D)併聯系統(Grid-
connected System)
特殊功能1 最佳效能2 防止獨立運轉(連線保護)
3 可自力運轉
(E) 防逆流型系統(Off-line System)
(F) 防災型併聯系統
充電控制器
蓄電池
直交流轉換器
PCU太陽電池組列
交流負載
ATS
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
獨立型系統
適用地點高山離島基地台hellip等市電無法到達處
工作方式白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
必須可以自給自足
缺點bull 系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等
安全係數設計很困難)
bull 蓄電池建置複雜成本很高壽命很短
bull 負載搭配不良時發電效能不佳利用率將偏低
bull 需由專人隨時維護
bull 混合系統為一種解決方法
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
PCU
併聯型系統
適用地點電力正常送達之任何地點工作方式 bull 白天 PV系統併聯發電夜間由台電供電bull 將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的蓄電池
優點bull 系統簡單不需安全係數設計(依預算設計)不需要專人維護bull 併聯發電效率高利用率高
缺點bull 停電時無電可用bull 受併聯法規限制尚未開放(但即將開放)
bull 有孤島效應之疑慮(目前技術上已解決)
改善型無電池自力運轉
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
市電併聯型住宅用太陽光發電系統
太陽光發電系統發電及負載用電對時間之關係
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
併聯型直交流轉換器之效能要求較高
1 最大功率追蹤(Maximum Power Tracking MPT)
2 高轉換效率 gt 90 (PWM+電力電子元件)
3 高次諧波功率 Distortion (lt5 total)
4 自動開關機(白天夜晚)
5 過負載保護過溫度保護
6 體積小重量輕室外防水防塵
7 電腦界面可遠端監控
8 防止獨立運轉(連線保護)
9 可自力運轉
太陽電池組列
交流負載
直交流轉換器MPT
Power Conditioner
併聯系統之獨立運轉(單獨運轉)
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull停電時單一併聯系統將會停止運作
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
bull 市電停電時多數併聯系統仍聯合運作將對電力公司人員產生嚴重危害
孤島效應之防止方法
停電偵測1 過電壓低電壓
2 過頻率低頻率
3 被動式偵測如
bull 電壓與頻率監視方式
bull 電壓相位跳躍監視方式
bull 高次諧波監視方式
bull 頻率變化監視方式
PV組列
直交流轉換器
自家負載
4 主動偵測如
bull 頻率Shift方式
bull 配電線負載變動方式
bull 有效電力變動方式
bull 無效電力變動方式
反應時間05~2秒
資料來源「日本電氣用品試驗所」分散型電源系統連系技術指針(1998)
併聯系統之自力運轉功能
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull 大停電後白天有陽光時以人工啟動 PV 系統進行自力運轉供自家負載使用(但夜間無法使用)
防災型併聯型系統
適用地點有防災需求(照明汲水通信hellip)之公共設施
工作方式
bull 平時PV併聯發電(電池浮充) 效率高利用率高夜間由台電供電
bull 視需要建置供防災用電池大停電時白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
缺點bull 含電池成本較高bull 系統較複雜需專人定期維護
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
FAQ1太陽光發電需要多少土地
效率 = (輸出功率W) (組列面積 m2 x 日照強度 Wm2 ) x 100
模板面積 m2 = 輸出功率W (效率 x日照強度Wm2 ) x100
bull 假設使用效率gt136 模板於1000 Wm2 (AM15)日照強度下
10 kWp 模板面積 (m2) = 10000 (0136 x 1000) ~ 735 m2
10 kWp PV系統土地面積需求約
~ 735 m2 x 15 x 11
~ 121m2 (~36坪)
(包括陰影面積及維修空間)
bull 假設使用效率~10 模板
則模板面積約 ~ 100 m2
土地面積需求約 ~ 165m2 (~50坪)
gt55o
夏至
冬至
春秋分
235o 235oh
L1 L2
FAQ2太陽電池一年能發多少電
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
10 kWm2
05 kWm2
日照強度
等效日照時數(Sun Hour)
組列單日發電量 = 組列額定輸出功率 x 等效日照時數
bull 預估1 kWp 組列單日發電量 = 1 (kW) x ex 4(Sun Hour)= 4 kWh
組列年發電量 = 組列額定輸出功率 x 年平均每日日照時數 x 365
bull 預估 1 kWp 組列年發電量 = 1 x 4 x 365 = 1460 kWh
時間時間時間時間
FAQ3太陽光發電的成本(簡易估算)
1 假設目前太陽光發電系統設置成本約為 NT$ 280000 kWp
2 假設年平均每日日照時數約為 25 Sun Hour (台灣中南部地區)
bull 1 kWp 組列單日發電量= 1 (kW) x 25 (Hour)= 25 kWh
bull 1 kWp 組列年發電量= 25 x 365 = 913 kWh (度)
3 假設太陽光發電系統使用壽命為 20 年
bull 1 kWp 太陽光發電系統總共可發電 20 x 913 = 18260 度
4 生產每度電之成本約為 280000 18260 ~ NT$ 153
5 未來發展趨勢
bull 太陽光發電系統設置成本將逐年降低
bull 市電電費將會升高(國內目前約 NT$ 3 度日本約NT$ 7 度)
bull 傳統能源限制再生能源獎勵利率降低
64獨立型太陽光發電系統應用例(一)
bull太陽電池時鐘-日本bull太陽電池路燈-日本千里住宅公園
獨立型太陽光發電系統應用例(二)
bull太陽電池交通標誌-日本北海道 bull高速公路緊急電話-日本
獨立型太陽光發電系統應用例(三)
bull800W無線通信中繼基地台韓國(1998)
獨立型太陽光發電系統應用例(四)
bull離島用90kW獨立型發電系統韓國Ho-Do島(1992)
併聯型太陽光發電系統應用例(一)
bull設置於屋頂之住宅用太陽光發電系統(建材一體型日本千里住宅公園內住宅設計之一)
併聯型太陽光發電系統應用例(二)
bull日本東海線新幹線京都車站之太陽光發電系統(100kWp)
併聯型太陽光發電系統應用例(三)
bull日本京瓷(Kyocera)京都總公司大樓之太陽電池發電系統(220kWp)
太陽光發電發電廠應用例
太陽電池發電廠
(PV Power Plant)
資料來源 ANIT
Srl Italy
建材一體型太陽電池模板應用例
bull資料來源 Pilkington Solar International GmbH 德國
太陽能車應用例
Honda Dream
bull資料來源 PV Special Research
Centre UNSW Australia
交大太陽能車
bull資料來源 National Chiao-Tung
University Taiwan
太陽光發電航太應用例(NASA Helios )
bull空中無線通訊平台應用
資料來源SkyOne Inc Taiwan
bull 飛行高度5-7 萬英呎(最高記錄 96000 英呎)
bull 時速60 mph (起飛 25 mph)
bull 翼展247 英呎bull 重量2000 磅bull 太陽電池效率要求gt22
資料來源httpwwwaerovironmentcomhomehtml
清雲技術學院 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
個人住宅 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
勤益技術學院 3kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
南台科技大學 10kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
總統府 10kWp 獨立型太陽光能發電系統 (9012)
海巡署南沙太平島 20kWp 混合型(柴油發電機)太陽光能發電系統 (9011)
90能源基金示範補助成果例
台電樹林 20kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
併聯型
台電台北市區處 20kWp 太陽光發電系統
(91能源基金示範補助成果)
併聯型
7結論
bull (1)提高電力轉換器效率
bull 轉換器的損失主要來自於開關切換時之損失為了可以降低濾波電路中電感和電容的體積可以提高切換頻率但是相對於開關的切換損失也因此而增加導致轉換器的效率降低因此發展零電壓或零電流切換技術應用於高切換頻率之轉換器將可以提高轉換器的效率
bull (2)提高太陽光發電系統之整體效率
bull 傳統之太陽光發電系統包含儲能系統和供電系統前級利用DCDC轉換器作最大功率追蹤後級則利用DCAC轉換器轉換能量供應給交流負載為了提高太陽光發電系統的整體效率在研究可提出了模組並聯控制技術以提昇各級電力轉換器的效率而在未來太陽光發電系統也將著重在單級電力轉換器的設計對於整體系統效率有較明顯的改善
8參考資料
1許國強ldquo太陽光發電原理與應用工研院材料所 薄膜技術組91年
2華志強黃崇倫ldquo智慧型能量控制於太陽光電能轉換系統國立雲林科技大學電機工程學系電力研討會97年
3林政達ldquo數位式市電並聯換流器與快速鎖相迴路控制器之研製國立雲林科技大學電機工程學系碩士論文92 年
4李思賢ldquo數位式單相低功率太陽光電能轉換系統國立中山大學電機工程學系碩士論文92 年
5洪世杰ldquo適用於再生能源之市電併聯型雙輸入供電系統國立中正大學電機工程研究所碩士論文93 年
6王廷興ldquo太陽能發電配電設計概要台北科技大學冷凍空調系 92年
7魏榮宗王文宏ldquo高效率太陽光電能源轉換系統 元智大學電機工程學系94年
[ ] 100)25(
)11
(exp
1)(exp
3
λminus+=
minus
=
+minus
minus+minus=
TKII
TTBk
qE
T
TII
where
R
IRVIRV
AkT
qIII
ISCRLG
r
GO
r
oros
sh
ssosLG
VI cell output current and voltagecell reverse saturation currentcell temperature in CBoltzmannrsquos constantelectronic chargeshort circuit current temperature coefficientsolar irradiation in Wmshort-circuit current at 25 Cand 1000 Wm
light-generated currentband gap for siliconideality factorsreference temperaturecell saturation current atshunt resistanceseries resistance
osI
T
kq
00170=IK
SCRIλ
LGI
GOE
921== ABKTr deg= 18301
orI
shR
sR
附錄附錄附錄附錄- 太陽能電池太陽能電池太陽能電池太陽能電池
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
(a) Equivalent circuit of a PV module and
(b) Typical PV module current-voltage and power-voltage characteristics
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
Characteristic of a PV module with temperature and irradiation (a) constant irradiation and varying temperature and (b) constant temperature and varying irradiation
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
系統範例系統範例系統範例系統範例
中途驛站電化PV離島用PV系統山岳地帶PV系統離島偏遠區
勤務指揮中心緊急避難所醫療院所公園學校地震觀測站森林嘹望台避難指示燈氣象觀測所水位警報PV系統河川安全燈防波堤安全PV燈
緊急防災
緊急供電系統管線電氣防蝕輸油管流量計PV系統市場廣告塔海上石油平台各種計測站PV系統發電廠情報指揮中心
產業用
住宅用供電系統緊急供電系統緊急照明系統帷幕牆遮陽棚採光罩屋瓦建築物
無線通信用中繼站基地台緊急電話中繼站電話通信PV系統Radio受信PV系統微波中繼站
通訊
農宅用電溫室栽培PV系統農業灌溉用自動灑水系統農牧電籬牛乳冷藏漁業養殖揚水通氣自動餵食器
農林漁牧
路燈交通號誌道路指示牌標誌燈太陽能電動車充電站高速公路緊急電話偏遠道路緊急電話停車計時器停車場控制門系統高速公路防音壁PV系統公路休息區PV系統太陽能車平交道指示燈候車亭PV系統車站屋頂型PV系統
道路交通
收音機測電表手錶計算機太陽能照相機手電筒電池充電器野營燈民生
應用領域
降壓式直流至直流轉換器
降壓式轉換器顧名思義其作用為將較高準位的輸入電壓換成較低
準位的輸出電壓主要用途為直流電源供應器及直流馬達速度控制
圖22(a)所示為提供純電阻性負載之降壓式轉換器由圖22(b)可知其輸
出電壓波形由開關位置決定平均輸出電壓為
dd
s
onT
t
t
d
s
T
o
s
o DVVT
tddV
Tdv
TV
s
on
ons ==+== intintint )0(1
)(1
00ττττ
+
_
Vd
R
+
_
Vo
0Vd
Vo
vo
tton toff
Ts
32直流至交流切換式反流器
切換式直流至交流(DCAC)反流器(Inveter)乃用以將直流電源轉換成振幅
與頻率均可調之正弦式交流電源主要用途為交流馬達驅動與交流不斷
電電源供應器圖31為典型交流馬達驅動之反流器方塊圖其直流輸入
電壓通常由線電壓整流及濾波而得接著再利用切換式反流器改變輸出
電壓之振幅與頻率以驅動交流馬達切換式反流器功率之流通通常是
由直流至交流稱為反流模式但亦可以從交流至直流稱為整流模
式
+
_
交流馬達
二極體整流器 濾波電容 切換式反流器
Vd
三相交流電源
反流器包括單相及三相其輸入為直流電壓源者稱為電壓源反流器
(Voltage Source InverterVSI)另外若輸入為直流電流源者稱為電流
反流器(Current Source InverterCSI)目前僅應用在高功率之交流馬達
驅動器
1脈波寬度調變(PWM)反流器其輸入電壓通常為固定反流器本身具備變
頻及變壓的功能而變頻及變壓乃利用開關之脈波寬度調變切換控制達成
有許多類型之脈波寬度變技術可以使輸出電壓近似弦波
2方波(Square-Wave)反流器此反流器輸出電壓振幅乃由其輸入電壓調
整
反流器本身只控制輸出頻率交流輸出電壓波形近似方波因此乃稱方波
反流器
3採用電壓消去法(Voltage Cancellation)之單相反流器單相反流器當輸入
電壓為定值時可以利用電壓消去法來變頻及變壓而不須採用脈波寬度
調變其輸出電壓波形近似方波因此其結合了前述兩種反流器的特色
值得注意的是電壓消去法並不適用於三相反流器
切換式反流器之基本觀念
考慮圖33(a)之單相反流器假設其正弦輸出電壓vo是經過濾波所得若
輸出之負載為電感性(如馬達)則輸出電流io將落後vo 如圖33(b)所示
在期間1及3中 vo與io同號瞬時功率Po=voio為正故功率由直流側送至
交流側稱之為反流模式在期間2及4中 vo與io異號瞬時功率Po為負
故功率由交流側送至直流側稱之為整流模式圖33(a)之切換式反流器
在每一週期內會經歷平面上四個象限中之所有象限
單相切
換式變
流器與
濾波器
o
o
+
-
+
-
Vd
vo
id
io
0t
4 1 2 3
voio
io
vo
1反流器
4整流器
3反流器
2整流器
0
為清楚解釋起見以單臂反流器來說明
+
_
+
_
+ +
__
Vd
Vd
2
Vd
2
A
N
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
vAN
oo
o
反流器電路之脈波寬度調變切換技術如圖35(a)所示由一正弦波形控
制訊號vcontrol與三角波形vtri作比較三角波(又稱載波)之振幅為Vtri頻率
為fs fs決定反流器開關之切換頻率正弦波控制電壓vcontrol(又稱調制訊
號)之基頻f1決定反流器之輸出頻率而其振幅則決定反流器輸出電壓之
大小定義振幅調變指數為ma=Vcontrol Vtri 其中Vcontrol為vcontrol之振幅
而頻率調變指數則定義為mf = fs f1
0 t
vcontrol vtri
sf
1
0 t
vAo
V d
2
minusVd
2
t=0
v v
T on T off
control tri
A A
lt
minus + v v
T on T off
control tri
A A
gt
+ minus
1)( AoAo vv =之基本波
0 t
vcontrol vtri
sf
1
圖34反流器之開關的控制方法與io方向無關為
dAoAtricontrol VvTvv2
1=gt +導通
dAoAtricontrol VvTvv2
1minus=lt minus導通
由於二開關之導通為互補因此輸出電壓只在Vd 2與-Vd 2二值間作變
動圖35(b)所示為ma=08與mf =15時輸出電壓vAo及其基本波(以虛線表示)
之波形
+
_
+
_
+ +
__
Vd
Vd
2
Vd
2
A
N
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
vAN
oo
o
單相全橋式反流器
單相全橋式反流器如圖311所示乃由兩個前述之半橋反流器所組成在
相同之輸入電壓下全橋式反流器之最大輸出電壓為半橋式之兩倍這代
表在相同之功率下全橋式反流器之輸出及開關電流僅為半橋式之一半
此對於高功率用途是一大優點因其可以降低使用並聯元件之需求
+
_
+
_
+
_
Vd
Vd
2
Vd
2
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
v v vo Ao Bo= minuso
A
B
TBminus
TB+
DBminus
DB+
+_
id
o
o
N
雙極性電壓切換之脈波寬度調變
0 t
vcontrolvtri
sf
1
0 t
ov1ov
dV
dVminus
單極性電壓切換之脈波寬度調變
onBT +
trivgttricontrol vv gt
trivcontrolv
t
)( controlvminus
)( controlvminusonAT +
t1ov
dV
dVminus
)( BNAN
o
vv
v
minus=
應用雙極性電壓切換之脈波寬度調
變全橋式反流器乃 (TA+TB-)與 (TA-
TB+)成對切換且二者互相反相
應用單極性電壓切換之脈波寬度調
變全橋式反流器乃A臂與B獨立切
換且同臂二開關互相反相
三相反流器
+
-
+
-
+
-
dV
2dV
2dV
+AT
minusAT
+AD
minusAD
o
BminusT
+BT
minusBD
+BD
di
minusCT
+CT
minusCD
+CD
N
A B C
o
0 t
triv Acontrolv Bcontrolv Ccontrolv
0
BNANAB vvv minus=
t
dV
之基本波1LLv
ANv
0 t
dV
t0
BNv
dV
三相電壓源反流器之脈波寬度調變切換的功能為在固定輸入直流電壓下用以調整三相輸出電壓之振幅及頻率三相脈波寬度調變方式由三相各差120度的控制電壓與三角波作比較其波形與單相全橋式反流器採用脈波寬度調變單極性切換者類似
最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法
33最大功率追蹤最大功率追蹤最大功率追蹤最大功率追蹤
為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點本文使用本文使用本文使用本文使用擾動觀察法擾動觀察法擾動觀察法擾動觀察法(Perturbation and Observation Method PampQ)進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功率追蹤率追蹤率追蹤率追蹤由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點下圖為擾動下圖為擾動下圖為擾動下圖為擾動觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖為利用為利用為利用為利用DCDC轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作時時時時其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為0之特性之特性之特性之特性使用使用使用使用DCDC轉換器控制太陽轉換器控制太陽轉換器控制太陽轉換器控制太陽能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動
擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖
最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法
左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖蹤示意圖蹤示意圖蹤示意圖太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分為兩個特性區域為兩個特性區域為兩個特性區域為兩個特性區域假設進行追蹤假設進行追蹤假設進行追蹤假設進行追蹤時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時電壓電壓電壓電壓的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率增加增加增加增加若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出功率減少功率減少功率減少功率減少經由經由經由經由DCDC轉換器調轉換器調轉換器調轉換器調節太陽能板與節太陽能板與節太陽能板與節太陽能板與DCDC轉換器的阻轉換器的阻轉換器的阻轉換器的阻抗相互匹配抗相互匹配抗相互匹配抗相互匹配進而得到太陽能板進而得到太陽能板進而得到太陽能板進而得到太陽能板的最大輸出功率的最大輸出功率的最大輸出功率的最大輸出功率
擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖
4軟體規劃
bull 系統控制程式主要分為主程式固定週期中斷副程式市電電壓零交越中斷副程式等三大部分以下將分別介紹各部分程式流程
bull 本系統主程式主要執行數位訊號處理器周邊暫存器的初始設定以及變數宣告其中除了變數宣告外周邊暫存器的初始設定包括有規畫中斷向量設定計數器之計數模式計數週期中斷的時間和PWM 輸出模式等相關參數設定
bull 如圖8 所示系統初始設定後必須先等待中斷發生才能決定系統是否執行固定週期中斷程式或零交越中斷副程式
bull 圖9 為固定週期中斷副程式流程圖固定週期中斷頻率與換流器開關之切換頻率相同為20kHz程式開始會先偵測太陽能板電壓及電流與直流鏈電壓當確定市電電壓零交越中斷發生時必須先將輸出弦波訊號之指標強制為原點重新送出單位弦波確保換流器輸出電流與市電電壓能維持同相位接著比較太陽能板輸入電壓VPV 是否大於最低工作電壓VPV_work如果確定大於最低工作電壓則致能太陽能最大功率追蹤反之則禁能系統動作程式返回圖9 中的正弦脈寬調變副程式主要功能在於決定換流器中開關的動作順序與責任週期大小以及輸波參考訊號
bull 圖10 為太陽能最大功率點追蹤副程式流程圖在文中對最大功率追蹤採用擾動與觀察法配合太陽能光電板的電壓mdash功率特性曲線即可瞭解程式如何完成太陽能光電板最大功率點追蹤
主程式流程圖
5實驗
bull 依據上述的分析採用DSP 2407A 建立一個500W 太陽光電池電能轉換系統依據圖11 之
bull 電路架構其規格與元件參數分別列於表一表二及表三系統實驗波形圖12圖13圖14 及
bull 圖15 為系統操作在獨立運轉模式下負載分別為120W240W360W 及480W 時之換流器輸出
bull 電壓及輸出電流之實測波形
系統規格與元件參數
實測波形
6實務應用系統實務應用系統實務應用系統實務應用系統
獨立系統示意圖獨立系統示意圖
考慮點
系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等安全係數最佳化設計複雜)
一般充電控制器無 MPPT搭配蓄電池使發電效能較差
蓄電池每日gt50DOD深度放電gt02C充電壽命短
太陽光發電量與負載需求量不搭配時太陽光之發電能量利用率偏低 (負載需求搭配與安全係數為互相矛盾之設計)
PV-柴油發電機PV-風力等混合系統為改善之方法
市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台
電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池
併聯系統示意圖併聯系統示意圖
緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析
1 系統設置成本高建議使用於邊際效益高之用電（防災緊急輔助電力）
2 總體經濟效益減少環境污染解決尖峰用電之不足與短缺能源多元化之風險分擔與開創自主能源
3 遮蔽陽光直曬降低建築物之熱效應（被動省能）同時轉換太陽光為電能供應建物自主能源（主動節能）一舉兩得
緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較
30萬元divide21900kWh＝137元度2萬元divide50kWh＝400元度每度電成本
日發電度數times365天times20年＝3hrtimes1kWtimes365天times20年＝21900kWh（度）
（年停電＋年測試運轉時數）times10年＝（20mintimes6次＋15mintimes12月）times10年＝5hrtimes1kWtimes10年＝50kWh
總發電度數（1kw計）
夜間不發電（可利用蓄電池設計供電年維運費02）
噪音空污油料運輸儲油危險維運成本高
缺點
利用露台屋頂牆面空間設備煙管隔音油槽需室內空間
設置空間
平時緊急時均可使用隨時可了解運轉狀況不須操作
加ATS停電時方可啟動需人員每月定期測試運轉
系統運作
太陽光潔淨能源（免費）柴油使用燃料
20年7~10年使用壽命
1kW=30萬元1kW=2~3萬元設置費用
太陽光發電系統柴油發電機
風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析
運用多元化能源分擔風險情況比較說明如下
1 市電--gt停電時風險極高
2 市電＋柴油發電機--gt發電機故障時風險高
市電＋柴油發電機＋太陽光發電系統--gt發揮三者優點互補同時故障機率小風險最低
案例
832kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide057＝317 m2
115kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide075＝332 m2
緊急時057平時065~08
綜合係數溫度變化污損線損Inverter效率＋蓄電池充放電補償
電力需求divide（日照強度times日照時間times模板效率times綜合係數）
模組面積估算
日照強度1kWm2
日照時間384hd
模板效率12
832kWhd500人用電量115kWhd770人用電量
緊急時平時
電力需求估算
緊急時40kWtimes384hdtimes057＝875 kWhd
平時40kWtimes384hdtimes075＝1152Whd
太陽發電系統發電量＝設置容量times日照時間times綜合係數
發電量計算
332m2times1kWm2times12＝398kW≒40kW
太陽發電系統設置容量＝設置面積times日照強度times模板效率
設置容量計算模板效率依太陽電池種類而異
進行模板陣列及蓄電池容量設計
40kWdivide18片串divide120W＝185列≒19
列
40kWdivide17片串divide120W＝196列≒20
列
陣列併列數＝設置容量divide單串功率
18片times120W＝2160W
17片times120W＝2040W
單串功率
300Vdivide169V＝1775片（取整數17 or 18）
陣列串聯數＝Inverter輸入電壓divide模板輸出電壓
模板陣列設計
1 模板功率120W
2 模板輸出電壓169V
3 直交流轉換器(Inverter)輸入電壓300V
120Wtimes17片串times20列＝40800W＝340片(最佳陣列)
120Wtimes18片串times19列＝41080W＝342片
最佳陣列較經濟之設置容量選擇最佳陣列
蓄電池數量＝144個times2列＝288個
120640Whdivide288Vdivide200Ah＝21列≒2列
併列數＝蓄電池需求容量divideInverter額定電壓
288Vdivide2V＝144個
串聯數＝Inverter額定電壓divide蓄電池電壓串併數設計
middot 蓄電池電壓2V個
middot 蓄電池容量200Ah個
Inverter電壓輸入電壓 額定電壓300V 288V200V 192V
蓄電池需求容量＝832kWhdtimes1dtimes145＝12064kWh
蓄電池需求容量＝緊急電力需求times無日照天數times補償係數補償係數蓄電池內阻抗放電停止電壓電壓降低補償
蓄電池需求容量設計
middot 補償係數145
無日照天數1日
61市電相關規定市電相關規定市電相關規定市電相關規定
1 發電設備併接於低壓系統者其總容量未滿100kW且技術無困難者得併接於單相三線110V220V三相三線220V之配電系統若總容量在100kW以上而未滿500kW得分別併接於3相4線220V380V之配電系統
2 發電設備總容量在500kW以上而未滿5000kW10000kW且技術無困難者得分別併接於114KV228KV之高壓配電系統
3 電設備總容量在10000kW以上而未滿40000kW者得併接於特高壓之系統
4 發電設備總容量在40000kW以上者依個案研討分類
併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類
發電系統經由發電系統經由發電系統經由發電系統經由110V220V110V220V110V220V110V220V併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者發電設發電設發電設發電設備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能
1 過電壓保護 低電壓保護
2 低頻保護 高頻保護
3 過電流保護 零相過電壓接地保護
4 發電設備為無逆送電力者須加裝逆電力保護
5 發電設備為有逆送電力者必須具備主動及被動防止單獨運轉保護
發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經110V220V110V220V110V220V110V220V系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者在電在電在電在電源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器
發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業114KV228KV114KV228KV114KV228KV114KV228KV之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者((((高高高高壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶))))發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Extremely Inverse特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Extremely Inverse特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過流電驛(67)須具Normal Inverse特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
發電設備併接於電業69KV特高壓輸電系統者發電設備之輸出端至少應具有下列同等保護功能並須與電業該轄區之保護設備協調
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Normal Inverse之特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Normal Inverse之特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過電流電驛(67)須具Normal Inverse之特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
8 快速及後衛保護電驛如系統保護需要時應裝設
9 匯流排電驛採用GIS斷路器者應裝設
62626262太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範
1 故障電流
太陽光電發電系統大於100kW以上須計算故障電流其送至電業系統之故障電流不得影響電業及其他用戶斷路器之起斷容量否則需裝置限流電抗器
太陽光電發電系統之隔離變壓器接地方式須與電業之系統配合
2 正常電壓變動率應維持在plusmn5以內
3 太陽光電發電系統與電業間之責任分界點的功率因數以維持85落後至100之間運轉為原則
4 諧波污染限制應依照「電力系統諧波管制暫行標準」辦理
分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性
適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯型之規範型之規範型之規範型之規範
電力轉換器電力轉換器電力轉換器電力轉換器(電力調節器電力調節器電力調節器電力調節器)(InverterConditioner)
蓄電池蓄電池蓄電池蓄電池(Battery))
63大型(商用)太陽光發電系統應用(gt1 kWp)
太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統
單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池(Unit Solar Cell)
太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板(PV Module)
太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列(PV Array)
太陽光發電系統應用獨立系統
(A) 獨立系統(Stand-Alone
System)
bull 蓄電池保護壽命
(B) 混合型交流獨立系統 (Hybrid
System)
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
直流負載PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
整流器
輔助發電機
PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載- ~PCU
直直直直交流轉換器交流轉換器交流轉換器交流轉換器
太陽光發電系統應用併聯系統
(D)併聯系統(Grid-
connected System)
特殊功能1 最佳效能2 防止獨立運轉(連線保護)
3 可自力運轉
(E) 防逆流型系統(Off-line System)
(F) 防災型併聯系統
充電控制器
蓄電池
直交流轉換器
PCU太陽電池組列
交流負載
ATS
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
獨立型系統
適用地點高山離島基地台hellip等市電無法到達處
工作方式白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
必須可以自給自足
缺點bull 系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等
安全係數設計很困難)
bull 蓄電池建置複雜成本很高壽命很短
bull 負載搭配不良時發電效能不佳利用率將偏低
bull 需由專人隨時維護
bull 混合系統為一種解決方法
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
PCU
併聯型系統
適用地點電力正常送達之任何地點工作方式 bull 白天 PV系統併聯發電夜間由台電供電bull 將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的蓄電池
優點bull 系統簡單不需安全係數設計(依預算設計)不需要專人維護bull 併聯發電效率高利用率高
缺點bull 停電時無電可用bull 受併聯法規限制尚未開放(但即將開放)
bull 有孤島效應之疑慮(目前技術上已解決)
改善型無電池自力運轉
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
市電併聯型住宅用太陽光發電系統
太陽光發電系統發電及負載用電對時間之關係
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
併聯型直交流轉換器之效能要求較高
1 最大功率追蹤(Maximum Power Tracking MPT)
2 高轉換效率 gt 90 (PWM+電力電子元件)
3 高次諧波功率 Distortion (lt5 total)
4 自動開關機(白天夜晚)
5 過負載保護過溫度保護
6 體積小重量輕室外防水防塵
7 電腦界面可遠端監控
8 防止獨立運轉(連線保護)
9 可自力運轉
太陽電池組列
交流負載
直交流轉換器MPT
Power Conditioner
併聯系統之獨立運轉(單獨運轉)
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull停電時單一併聯系統將會停止運作
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
bull 市電停電時多數併聯系統仍聯合運作將對電力公司人員產生嚴重危害
孤島效應之防止方法
停電偵測1 過電壓低電壓
2 過頻率低頻率
3 被動式偵測如
bull 電壓與頻率監視方式
bull 電壓相位跳躍監視方式
bull 高次諧波監視方式
bull 頻率變化監視方式
PV組列
直交流轉換器
自家負載
4 主動偵測如
bull 頻率Shift方式
bull 配電線負載變動方式
bull 有效電力變動方式
bull 無效電力變動方式
反應時間05~2秒
資料來源「日本電氣用品試驗所」分散型電源系統連系技術指針(1998)
併聯系統之自力運轉功能
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull 大停電後白天有陽光時以人工啟動 PV 系統進行自力運轉供自家負載使用(但夜間無法使用)
防災型併聯型系統
適用地點有防災需求(照明汲水通信hellip)之公共設施
工作方式
bull 平時PV併聯發電(電池浮充) 效率高利用率高夜間由台電供電
bull 視需要建置供防災用電池大停電時白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
缺點bull 含電池成本較高bull 系統較複雜需專人定期維護
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
FAQ1太陽光發電需要多少土地
效率 = (輸出功率W) (組列面積 m2 x 日照強度 Wm2 ) x 100
模板面積 m2 = 輸出功率W (效率 x日照強度Wm2 ) x100
bull 假設使用效率gt136 模板於1000 Wm2 (AM15)日照強度下
10 kWp 模板面積 (m2) = 10000 (0136 x 1000) ~ 735 m2
10 kWp PV系統土地面積需求約
~ 735 m2 x 15 x 11
~ 121m2 (~36坪)
(包括陰影面積及維修空間)
bull 假設使用效率~10 模板
則模板面積約 ~ 100 m2
土地面積需求約 ~ 165m2 (~50坪)
gt55o
夏至
冬至
春秋分
235o 235oh
L1 L2
FAQ2太陽電池一年能發多少電
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
10 kWm2
05 kWm2
日照強度
等效日照時數(Sun Hour)
組列單日發電量 = 組列額定輸出功率 x 等效日照時數
bull 預估1 kWp 組列單日發電量 = 1 (kW) x ex 4(Sun Hour)= 4 kWh
組列年發電量 = 組列額定輸出功率 x 年平均每日日照時數 x 365
bull 預估 1 kWp 組列年發電量 = 1 x 4 x 365 = 1460 kWh
時間時間時間時間
FAQ3太陽光發電的成本(簡易估算)
1 假設目前太陽光發電系統設置成本約為 NT$ 280000 kWp
2 假設年平均每日日照時數約為 25 Sun Hour (台灣中南部地區)
bull 1 kWp 組列單日發電量= 1 (kW) x 25 (Hour)= 25 kWh
bull 1 kWp 組列年發電量= 25 x 365 = 913 kWh (度)
3 假設太陽光發電系統使用壽命為 20 年
bull 1 kWp 太陽光發電系統總共可發電 20 x 913 = 18260 度
4 生產每度電之成本約為 280000 18260 ~ NT$ 153
5 未來發展趨勢
bull 太陽光發電系統設置成本將逐年降低
bull 市電電費將會升高(國內目前約 NT$ 3 度日本約NT$ 7 度)
bull 傳統能源限制再生能源獎勵利率降低
64獨立型太陽光發電系統應用例(一)
bull太陽電池時鐘-日本bull太陽電池路燈-日本千里住宅公園
獨立型太陽光發電系統應用例(二)
bull太陽電池交通標誌-日本北海道 bull高速公路緊急電話-日本
獨立型太陽光發電系統應用例(三)
bull800W無線通信中繼基地台韓國(1998)
獨立型太陽光發電系統應用例(四)
bull離島用90kW獨立型發電系統韓國Ho-Do島(1992)
併聯型太陽光發電系統應用例(一)
bull設置於屋頂之住宅用太陽光發電系統(建材一體型日本千里住宅公園內住宅設計之一)
併聯型太陽光發電系統應用例(二)
bull日本東海線新幹線京都車站之太陽光發電系統(100kWp)
併聯型太陽光發電系統應用例(三)
bull日本京瓷(Kyocera)京都總公司大樓之太陽電池發電系統(220kWp)
太陽光發電發電廠應用例
太陽電池發電廠
(PV Power Plant)
資料來源 ANIT
Srl Italy
建材一體型太陽電池模板應用例
bull資料來源 Pilkington Solar International GmbH 德國
太陽能車應用例
Honda Dream
bull資料來源 PV Special Research
Centre UNSW Australia
交大太陽能車
bull資料來源 National Chiao-Tung
University Taiwan
太陽光發電航太應用例(NASA Helios )
bull空中無線通訊平台應用
資料來源SkyOne Inc Taiwan
bull 飛行高度5-7 萬英呎(最高記錄 96000 英呎)
bull 時速60 mph (起飛 25 mph)
bull 翼展247 英呎bull 重量2000 磅bull 太陽電池效率要求gt22
資料來源httpwwwaerovironmentcomhomehtml
清雲技術學院 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
個人住宅 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
勤益技術學院 3kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
南台科技大學 10kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
總統府 10kWp 獨立型太陽光能發電系統 (9012)
海巡署南沙太平島 20kWp 混合型(柴油發電機)太陽光能發電系統 (9011)
90能源基金示範補助成果例
台電樹林 20kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
併聯型
台電台北市區處 20kWp 太陽光發電系統
(91能源基金示範補助成果)
併聯型
7結論
bull (1)提高電力轉換器效率
bull 轉換器的損失主要來自於開關切換時之損失為了可以降低濾波電路中電感和電容的體積可以提高切換頻率但是相對於開關的切換損失也因此而增加導致轉換器的效率降低因此發展零電壓或零電流切換技術應用於高切換頻率之轉換器將可以提高轉換器的效率
bull (2)提高太陽光發電系統之整體效率
bull 傳統之太陽光發電系統包含儲能系統和供電系統前級利用DCDC轉換器作最大功率追蹤後級則利用DCAC轉換器轉換能量供應給交流負載為了提高太陽光發電系統的整體效率在研究可提出了模組並聯控制技術以提昇各級電力轉換器的效率而在未來太陽光發電系統也將著重在單級電力轉換器的設計對於整體系統效率有較明顯的改善
8參考資料
1許國強ldquo太陽光發電原理與應用工研院材料所 薄膜技術組91年
2華志強黃崇倫ldquo智慧型能量控制於太陽光電能轉換系統國立雲林科技大學電機工程學系電力研討會97年
3林政達ldquo數位式市電並聯換流器與快速鎖相迴路控制器之研製國立雲林科技大學電機工程學系碩士論文92 年
4李思賢ldquo數位式單相低功率太陽光電能轉換系統國立中山大學電機工程學系碩士論文92 年
5洪世杰ldquo適用於再生能源之市電併聯型雙輸入供電系統國立中正大學電機工程研究所碩士論文93 年
6王廷興ldquo太陽能發電配電設計概要台北科技大學冷凍空調系 92年
7魏榮宗王文宏ldquo高效率太陽光電能源轉換系統 元智大學電機工程學系94年
[ ] 100)25(
)11
(exp
1)(exp
3
λminus+=
minus
=
+minus
minus+minus=
TKII
TTBk
qE
T
TII
where
R
IRVIRV
AkT
qIII
ISCRLG
r
GO
r
oros
sh
ssosLG
VI cell output current and voltagecell reverse saturation currentcell temperature in CBoltzmannrsquos constantelectronic chargeshort circuit current temperature coefficientsolar irradiation in Wmshort-circuit current at 25 Cand 1000 Wm
light-generated currentband gap for siliconideality factorsreference temperaturecell saturation current atshunt resistanceseries resistance
osI
T
kq
00170=IK
SCRIλ
LGI
GOE
921== ABKTr deg= 18301
orI
shR
sR
附錄附錄附錄附錄- 太陽能電池太陽能電池太陽能電池太陽能電池
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
(a) Equivalent circuit of a PV module and
(b) Typical PV module current-voltage and power-voltage characteristics
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
Characteristic of a PV module with temperature and irradiation (a) constant irradiation and varying temperature and (b) constant temperature and varying irradiation
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
系統範例系統範例系統範例系統範例
中途驛站電化PV離島用PV系統山岳地帶PV系統離島偏遠區
勤務指揮中心緊急避難所醫療院所公園學校地震觀測站森林嘹望台避難指示燈氣象觀測所水位警報PV系統河川安全燈防波堤安全PV燈
緊急防災
緊急供電系統管線電氣防蝕輸油管流量計PV系統市場廣告塔海上石油平台各種計測站PV系統發電廠情報指揮中心
產業用
住宅用供電系統緊急供電系統緊急照明系統帷幕牆遮陽棚採光罩屋瓦建築物
無線通信用中繼站基地台緊急電話中繼站電話通信PV系統Radio受信PV系統微波中繼站
通訊
農宅用電溫室栽培PV系統農業灌溉用自動灑水系統農牧電籬牛乳冷藏漁業養殖揚水通氣自動餵食器
農林漁牧
路燈交通號誌道路指示牌標誌燈太陽能電動車充電站高速公路緊急電話偏遠道路緊急電話停車計時器停車場控制門系統高速公路防音壁PV系統公路休息區PV系統太陽能車平交道指示燈候車亭PV系統車站屋頂型PV系統
道路交通
收音機測電表手錶計算機太陽能照相機手電筒電池充電器野營燈民生
應用領域
32直流至交流切換式反流器
切換式直流至交流(DCAC)反流器(Inveter)乃用以將直流電源轉換成振幅
與頻率均可調之正弦式交流電源主要用途為交流馬達驅動與交流不斷
電電源供應器圖31為典型交流馬達驅動之反流器方塊圖其直流輸入
電壓通常由線電壓整流及濾波而得接著再利用切換式反流器改變輸出
電壓之振幅與頻率以驅動交流馬達切換式反流器功率之流通通常是
由直流至交流稱為反流模式但亦可以從交流至直流稱為整流模
式
+
_
交流馬達
二極體整流器 濾波電容 切換式反流器
Vd
三相交流電源
反流器包括單相及三相其輸入為直流電壓源者稱為電壓源反流器
(Voltage Source InverterVSI)另外若輸入為直流電流源者稱為電流
反流器(Current Source InverterCSI)目前僅應用在高功率之交流馬達
驅動器
1脈波寬度調變(PWM)反流器其輸入電壓通常為固定反流器本身具備變
頻及變壓的功能而變頻及變壓乃利用開關之脈波寬度調變切換控制達成
有許多類型之脈波寬度變技術可以使輸出電壓近似弦波
2方波(Square-Wave)反流器此反流器輸出電壓振幅乃由其輸入電壓調
整
反流器本身只控制輸出頻率交流輸出電壓波形近似方波因此乃稱方波
反流器
3採用電壓消去法(Voltage Cancellation)之單相反流器單相反流器當輸入
電壓為定值時可以利用電壓消去法來變頻及變壓而不須採用脈波寬度
調變其輸出電壓波形近似方波因此其結合了前述兩種反流器的特色
值得注意的是電壓消去法並不適用於三相反流器
切換式反流器之基本觀念
考慮圖33(a)之單相反流器假設其正弦輸出電壓vo是經過濾波所得若
輸出之負載為電感性(如馬達)則輸出電流io將落後vo 如圖33(b)所示
在期間1及3中 vo與io同號瞬時功率Po=voio為正故功率由直流側送至
交流側稱之為反流模式在期間2及4中 vo與io異號瞬時功率Po為負
故功率由交流側送至直流側稱之為整流模式圖33(a)之切換式反流器
在每一週期內會經歷平面上四個象限中之所有象限
單相切
換式變
流器與
濾波器
o
o
+
-
+
-
Vd
vo
id
io
0t
4 1 2 3
voio
io
vo
1反流器
4整流器
3反流器
2整流器
0
為清楚解釋起見以單臂反流器來說明
+
_
+
_
+ +
__
Vd
Vd
2
Vd
2
A
N
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
vAN
oo
o
反流器電路之脈波寬度調變切換技術如圖35(a)所示由一正弦波形控
制訊號vcontrol與三角波形vtri作比較三角波(又稱載波)之振幅為Vtri頻率
為fs fs決定反流器開關之切換頻率正弦波控制電壓vcontrol(又稱調制訊
號)之基頻f1決定反流器之輸出頻率而其振幅則決定反流器輸出電壓之
大小定義振幅調變指數為ma=Vcontrol Vtri 其中Vcontrol為vcontrol之振幅
而頻率調變指數則定義為mf = fs f1
0 t
vcontrol vtri
sf
1
0 t
vAo
V d
2
minusVd
2
t=0
v v
T on T off
control tri
A A
lt
minus + v v
T on T off
control tri
A A
gt
+ minus
1)( AoAo vv =之基本波
0 t
vcontrol vtri
sf
1
圖34反流器之開關的控制方法與io方向無關為
dAoAtricontrol VvTvv2
1=gt +導通
dAoAtricontrol VvTvv2
1minus=lt minus導通
由於二開關之導通為互補因此輸出電壓只在Vd 2與-Vd 2二值間作變
動圖35(b)所示為ma=08與mf =15時輸出電壓vAo及其基本波(以虛線表示)
之波形
+
_
+
_
+ +
__
Vd
Vd
2
Vd
2
A
N
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
vAN
oo
o
單相全橋式反流器
單相全橋式反流器如圖311所示乃由兩個前述之半橋反流器所組成在
相同之輸入電壓下全橋式反流器之最大輸出電壓為半橋式之兩倍這代
表在相同之功率下全橋式反流器之輸出及開關電流僅為半橋式之一半
此對於高功率用途是一大優點因其可以降低使用並聯元件之需求
+
_
+
_
+
_
Vd
Vd
2
Vd
2
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
v v vo Ao Bo= minuso
A
B
TBminus
TB+
DBminus
DB+
+_
id
o
o
N
雙極性電壓切換之脈波寬度調變
0 t
vcontrolvtri
sf
1
0 t
ov1ov
dV
dVminus
單極性電壓切換之脈波寬度調變
onBT +
trivgttricontrol vv gt
trivcontrolv
t
)( controlvminus
)( controlvminusonAT +
t1ov
dV
dVminus
)( BNAN
o
vv
v
minus=
應用雙極性電壓切換之脈波寬度調
變全橋式反流器乃 (TA+TB-)與 (TA-
TB+)成對切換且二者互相反相
應用單極性電壓切換之脈波寬度調
變全橋式反流器乃A臂與B獨立切
換且同臂二開關互相反相
三相反流器
+
-
+
-
+
-
dV
2dV
2dV
+AT
minusAT
+AD
minusAD
o
BminusT
+BT
minusBD
+BD
di
minusCT
+CT
minusCD
+CD
N
A B C
o
0 t
triv Acontrolv Bcontrolv Ccontrolv
0
BNANAB vvv minus=
t
dV
之基本波1LLv
ANv
0 t
dV
t0
BNv
dV
三相電壓源反流器之脈波寬度調變切換的功能為在固定輸入直流電壓下用以調整三相輸出電壓之振幅及頻率三相脈波寬度調變方式由三相各差120度的控制電壓與三角波作比較其波形與單相全橋式反流器採用脈波寬度調變單極性切換者類似
最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法
33最大功率追蹤最大功率追蹤最大功率追蹤最大功率追蹤
為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點本文使用本文使用本文使用本文使用擾動觀察法擾動觀察法擾動觀察法擾動觀察法(Perturbation and Observation Method PampQ)進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功率追蹤率追蹤率追蹤率追蹤由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點下圖為擾動下圖為擾動下圖為擾動下圖為擾動觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖為利用為利用為利用為利用DCDC轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作時時時時其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為0之特性之特性之特性之特性使用使用使用使用DCDC轉換器控制太陽轉換器控制太陽轉換器控制太陽轉換器控制太陽能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動
擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖
最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法
左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖蹤示意圖蹤示意圖蹤示意圖太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分為兩個特性區域為兩個特性區域為兩個特性區域為兩個特性區域假設進行追蹤假設進行追蹤假設進行追蹤假設進行追蹤時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時電壓電壓電壓電壓的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率增加增加增加增加若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出功率減少功率減少功率減少功率減少經由經由經由經由DCDC轉換器調轉換器調轉換器調轉換器調節太陽能板與節太陽能板與節太陽能板與節太陽能板與DCDC轉換器的阻轉換器的阻轉換器的阻轉換器的阻抗相互匹配抗相互匹配抗相互匹配抗相互匹配進而得到太陽能板進而得到太陽能板進而得到太陽能板進而得到太陽能板的最大輸出功率的最大輸出功率的最大輸出功率的最大輸出功率
擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖
4軟體規劃
bull 系統控制程式主要分為主程式固定週期中斷副程式市電電壓零交越中斷副程式等三大部分以下將分別介紹各部分程式流程
bull 本系統主程式主要執行數位訊號處理器周邊暫存器的初始設定以及變數宣告其中除了變數宣告外周邊暫存器的初始設定包括有規畫中斷向量設定計數器之計數模式計數週期中斷的時間和PWM 輸出模式等相關參數設定
bull 如圖8 所示系統初始設定後必須先等待中斷發生才能決定系統是否執行固定週期中斷程式或零交越中斷副程式
bull 圖9 為固定週期中斷副程式流程圖固定週期中斷頻率與換流器開關之切換頻率相同為20kHz程式開始會先偵測太陽能板電壓及電流與直流鏈電壓當確定市電電壓零交越中斷發生時必須先將輸出弦波訊號之指標強制為原點重新送出單位弦波確保換流器輸出電流與市電電壓能維持同相位接著比較太陽能板輸入電壓VPV 是否大於最低工作電壓VPV_work如果確定大於最低工作電壓則致能太陽能最大功率追蹤反之則禁能系統動作程式返回圖9 中的正弦脈寬調變副程式主要功能在於決定換流器中開關的動作順序與責任週期大小以及輸波參考訊號
bull 圖10 為太陽能最大功率點追蹤副程式流程圖在文中對最大功率追蹤採用擾動與觀察法配合太陽能光電板的電壓mdash功率特性曲線即可瞭解程式如何完成太陽能光電板最大功率點追蹤
主程式流程圖
5實驗
bull 依據上述的分析採用DSP 2407A 建立一個500W 太陽光電池電能轉換系統依據圖11 之
bull 電路架構其規格與元件參數分別列於表一表二及表三系統實驗波形圖12圖13圖14 及
bull 圖15 為系統操作在獨立運轉模式下負載分別為120W240W360W 及480W 時之換流器輸出
bull 電壓及輸出電流之實測波形
系統規格與元件參數
實測波形
6實務應用系統實務應用系統實務應用系統實務應用系統
獨立系統示意圖獨立系統示意圖
考慮點
系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等安全係數最佳化設計複雜)
一般充電控制器無 MPPT搭配蓄電池使發電效能較差
蓄電池每日gt50DOD深度放電gt02C充電壽命短
太陽光發電量與負載需求量不搭配時太陽光之發電能量利用率偏低 (負載需求搭配與安全係數為互相矛盾之設計)
PV-柴油發電機PV-風力等混合系統為改善之方法
市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台
電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池
併聯系統示意圖併聯系統示意圖
緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析
1 系統設置成本高建議使用於邊際效益高之用電（防災緊急輔助電力）
2 總體經濟效益減少環境污染解決尖峰用電之不足與短缺能源多元化之風險分擔與開創自主能源
3 遮蔽陽光直曬降低建築物之熱效應（被動省能）同時轉換太陽光為電能供應建物自主能源（主動節能）一舉兩得
緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較
30萬元divide21900kWh＝137元度2萬元divide50kWh＝400元度每度電成本
日發電度數times365天times20年＝3hrtimes1kWtimes365天times20年＝21900kWh（度）
（年停電＋年測試運轉時數）times10年＝（20mintimes6次＋15mintimes12月）times10年＝5hrtimes1kWtimes10年＝50kWh
總發電度數（1kw計）
夜間不發電（可利用蓄電池設計供電年維運費02）
噪音空污油料運輸儲油危險維運成本高
缺點
利用露台屋頂牆面空間設備煙管隔音油槽需室內空間
設置空間
平時緊急時均可使用隨時可了解運轉狀況不須操作
加ATS停電時方可啟動需人員每月定期測試運轉
系統運作
太陽光潔淨能源（免費）柴油使用燃料
20年7~10年使用壽命
1kW=30萬元1kW=2~3萬元設置費用
太陽光發電系統柴油發電機
風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析
運用多元化能源分擔風險情況比較說明如下
1 市電--gt停電時風險極高
2 市電＋柴油發電機--gt發電機故障時風險高
市電＋柴油發電機＋太陽光發電系統--gt發揮三者優點互補同時故障機率小風險最低
案例
832kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide057＝317 m2
115kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide075＝332 m2
緊急時057平時065~08
綜合係數溫度變化污損線損Inverter效率＋蓄電池充放電補償
電力需求divide（日照強度times日照時間times模板效率times綜合係數）
模組面積估算
日照強度1kWm2
日照時間384hd
模板效率12
832kWhd500人用電量115kWhd770人用電量
緊急時平時
電力需求估算
緊急時40kWtimes384hdtimes057＝875 kWhd
平時40kWtimes384hdtimes075＝1152Whd
太陽發電系統發電量＝設置容量times日照時間times綜合係數
發電量計算
332m2times1kWm2times12＝398kW≒40kW
太陽發電系統設置容量＝設置面積times日照強度times模板效率
設置容量計算模板效率依太陽電池種類而異
進行模板陣列及蓄電池容量設計
40kWdivide18片串divide120W＝185列≒19
列
40kWdivide17片串divide120W＝196列≒20
列
陣列併列數＝設置容量divide單串功率
18片times120W＝2160W
17片times120W＝2040W
單串功率
300Vdivide169V＝1775片（取整數17 or 18）
陣列串聯數＝Inverter輸入電壓divide模板輸出電壓
模板陣列設計
1 模板功率120W
2 模板輸出電壓169V
3 直交流轉換器(Inverter)輸入電壓300V
120Wtimes17片串times20列＝40800W＝340片(最佳陣列)
120Wtimes18片串times19列＝41080W＝342片
最佳陣列較經濟之設置容量選擇最佳陣列
蓄電池數量＝144個times2列＝288個
120640Whdivide288Vdivide200Ah＝21列≒2列
併列數＝蓄電池需求容量divideInverter額定電壓
288Vdivide2V＝144個
串聯數＝Inverter額定電壓divide蓄電池電壓串併數設計
middot 蓄電池電壓2V個
middot 蓄電池容量200Ah個
Inverter電壓輸入電壓 額定電壓300V 288V200V 192V
蓄電池需求容量＝832kWhdtimes1dtimes145＝12064kWh
蓄電池需求容量＝緊急電力需求times無日照天數times補償係數補償係數蓄電池內阻抗放電停止電壓電壓降低補償
蓄電池需求容量設計
middot 補償係數145
無日照天數1日
61市電相關規定市電相關規定市電相關規定市電相關規定
1 發電設備併接於低壓系統者其總容量未滿100kW且技術無困難者得併接於單相三線110V220V三相三線220V之配電系統若總容量在100kW以上而未滿500kW得分別併接於3相4線220V380V之配電系統
2 發電設備總容量在500kW以上而未滿5000kW10000kW且技術無困難者得分別併接於114KV228KV之高壓配電系統
3 電設備總容量在10000kW以上而未滿40000kW者得併接於特高壓之系統
4 發電設備總容量在40000kW以上者依個案研討分類
併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類
發電系統經由發電系統經由發電系統經由發電系統經由110V220V110V220V110V220V110V220V併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者發電設發電設發電設發電設備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能
1 過電壓保護 低電壓保護
2 低頻保護 高頻保護
3 過電流保護 零相過電壓接地保護
4 發電設備為無逆送電力者須加裝逆電力保護
5 發電設備為有逆送電力者必須具備主動及被動防止單獨運轉保護
發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經110V220V110V220V110V220V110V220V系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者在電在電在電在電源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器
發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業114KV228KV114KV228KV114KV228KV114KV228KV之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者((((高高高高壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶))))發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Extremely Inverse特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Extremely Inverse特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過流電驛(67)須具Normal Inverse特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
發電設備併接於電業69KV特高壓輸電系統者發電設備之輸出端至少應具有下列同等保護功能並須與電業該轄區之保護設備協調
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Normal Inverse之特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Normal Inverse之特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過電流電驛(67)須具Normal Inverse之特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
8 快速及後衛保護電驛如系統保護需要時應裝設
9 匯流排電驛採用GIS斷路器者應裝設
62626262太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範
1 故障電流
太陽光電發電系統大於100kW以上須計算故障電流其送至電業系統之故障電流不得影響電業及其他用戶斷路器之起斷容量否則需裝置限流電抗器
太陽光電發電系統之隔離變壓器接地方式須與電業之系統配合
2 正常電壓變動率應維持在plusmn5以內
3 太陽光電發電系統與電業間之責任分界點的功率因數以維持85落後至100之間運轉為原則
4 諧波污染限制應依照「電力系統諧波管制暫行標準」辦理
分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性
適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯型之規範型之規範型之規範型之規範
電力轉換器電力轉換器電力轉換器電力轉換器(電力調節器電力調節器電力調節器電力調節器)(InverterConditioner)
蓄電池蓄電池蓄電池蓄電池(Battery))
63大型(商用)太陽光發電系統應用(gt1 kWp)
太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統
單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池(Unit Solar Cell)
太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板(PV Module)
太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列(PV Array)
太陽光發電系統應用獨立系統
(A) 獨立系統(Stand-Alone
System)
bull 蓄電池保護壽命
(B) 混合型交流獨立系統 (Hybrid
System)
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
直流負載PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
整流器
輔助發電機
PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載- ~PCU
直直直直交流轉換器交流轉換器交流轉換器交流轉換器
太陽光發電系統應用併聯系統
(D)併聯系統(Grid-
connected System)
特殊功能1 最佳效能2 防止獨立運轉(連線保護)
3 可自力運轉
(E) 防逆流型系統(Off-line System)
(F) 防災型併聯系統
充電控制器
蓄電池
直交流轉換器
PCU太陽電池組列
交流負載
ATS
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
獨立型系統
適用地點高山離島基地台hellip等市電無法到達處
工作方式白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
必須可以自給自足
缺點bull 系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等
安全係數設計很困難)
bull 蓄電池建置複雜成本很高壽命很短
bull 負載搭配不良時發電效能不佳利用率將偏低
bull 需由專人隨時維護
bull 混合系統為一種解決方法
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
PCU
併聯型系統
適用地點電力正常送達之任何地點工作方式 bull 白天 PV系統併聯發電夜間由台電供電bull 將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的蓄電池
優點bull 系統簡單不需安全係數設計(依預算設計)不需要專人維護bull 併聯發電效率高利用率高
缺點bull 停電時無電可用bull 受併聯法規限制尚未開放(但即將開放)
bull 有孤島效應之疑慮(目前技術上已解決)
改善型無電池自力運轉
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
市電併聯型住宅用太陽光發電系統
太陽光發電系統發電及負載用電對時間之關係
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
併聯型直交流轉換器之效能要求較高
1 最大功率追蹤(Maximum Power Tracking MPT)
2 高轉換效率 gt 90 (PWM+電力電子元件)
3 高次諧波功率 Distortion (lt5 total)
4 自動開關機(白天夜晚)
5 過負載保護過溫度保護
6 體積小重量輕室外防水防塵
7 電腦界面可遠端監控
8 防止獨立運轉(連線保護)
9 可自力運轉
太陽電池組列
交流負載
直交流轉換器MPT
Power Conditioner
併聯系統之獨立運轉(單獨運轉)
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull停電時單一併聯系統將會停止運作
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
bull 市電停電時多數併聯系統仍聯合運作將對電力公司人員產生嚴重危害
孤島效應之防止方法
停電偵測1 過電壓低電壓
2 過頻率低頻率
3 被動式偵測如
bull 電壓與頻率監視方式
bull 電壓相位跳躍監視方式
bull 高次諧波監視方式
bull 頻率變化監視方式
PV組列
直交流轉換器
自家負載
4 主動偵測如
bull 頻率Shift方式
bull 配電線負載變動方式
bull 有效電力變動方式
bull 無效電力變動方式
反應時間05~2秒
資料來源「日本電氣用品試驗所」分散型電源系統連系技術指針(1998)
併聯系統之自力運轉功能
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull 大停電後白天有陽光時以人工啟動 PV 系統進行自力運轉供自家負載使用(但夜間無法使用)
防災型併聯型系統
適用地點有防災需求(照明汲水通信hellip)之公共設施
工作方式
bull 平時PV併聯發電(電池浮充) 效率高利用率高夜間由台電供電
bull 視需要建置供防災用電池大停電時白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
缺點bull 含電池成本較高bull 系統較複雜需專人定期維護
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
FAQ1太陽光發電需要多少土地
效率 = (輸出功率W) (組列面積 m2 x 日照強度 Wm2 ) x 100
模板面積 m2 = 輸出功率W (效率 x日照強度Wm2 ) x100
bull 假設使用效率gt136 模板於1000 Wm2 (AM15)日照強度下
10 kWp 模板面積 (m2) = 10000 (0136 x 1000) ~ 735 m2
10 kWp PV系統土地面積需求約
~ 735 m2 x 15 x 11
~ 121m2 (~36坪)
(包括陰影面積及維修空間)
bull 假設使用效率~10 模板
則模板面積約 ~ 100 m2
土地面積需求約 ~ 165m2 (~50坪)
gt55o
夏至
冬至
春秋分
235o 235oh
L1 L2
FAQ2太陽電池一年能發多少電
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
10 kWm2
05 kWm2
日照強度
等效日照時數(Sun Hour)
組列單日發電量 = 組列額定輸出功率 x 等效日照時數
bull 預估1 kWp 組列單日發電量 = 1 (kW) x ex 4(Sun Hour)= 4 kWh
組列年發電量 = 組列額定輸出功率 x 年平均每日日照時數 x 365
bull 預估 1 kWp 組列年發電量 = 1 x 4 x 365 = 1460 kWh
時間時間時間時間
FAQ3太陽光發電的成本(簡易估算)
1 假設目前太陽光發電系統設置成本約為 NT$ 280000 kWp
2 假設年平均每日日照時數約為 25 Sun Hour (台灣中南部地區)
bull 1 kWp 組列單日發電量= 1 (kW) x 25 (Hour)= 25 kWh
bull 1 kWp 組列年發電量= 25 x 365 = 913 kWh (度)
3 假設太陽光發電系統使用壽命為 20 年
bull 1 kWp 太陽光發電系統總共可發電 20 x 913 = 18260 度
4 生產每度電之成本約為 280000 18260 ~ NT$ 153
5 未來發展趨勢
bull 太陽光發電系統設置成本將逐年降低
bull 市電電費將會升高(國內目前約 NT$ 3 度日本約NT$ 7 度)
bull 傳統能源限制再生能源獎勵利率降低
64獨立型太陽光發電系統應用例(一)
bull太陽電池時鐘-日本bull太陽電池路燈-日本千里住宅公園
獨立型太陽光發電系統應用例(二)
bull太陽電池交通標誌-日本北海道 bull高速公路緊急電話-日本
獨立型太陽光發電系統應用例(三)
bull800W無線通信中繼基地台韓國(1998)
獨立型太陽光發電系統應用例(四)
bull離島用90kW獨立型發電系統韓國Ho-Do島(1992)
併聯型太陽光發電系統應用例(一)
bull設置於屋頂之住宅用太陽光發電系統(建材一體型日本千里住宅公園內住宅設計之一)
併聯型太陽光發電系統應用例(二)
bull日本東海線新幹線京都車站之太陽光發電系統(100kWp)
併聯型太陽光發電系統應用例(三)
bull日本京瓷(Kyocera)京都總公司大樓之太陽電池發電系統(220kWp)
太陽光發電發電廠應用例
太陽電池發電廠
(PV Power Plant)
資料來源 ANIT
Srl Italy
建材一體型太陽電池模板應用例
bull資料來源 Pilkington Solar International GmbH 德國
太陽能車應用例
Honda Dream
bull資料來源 PV Special Research
Centre UNSW Australia
交大太陽能車
bull資料來源 National Chiao-Tung
University Taiwan
太陽光發電航太應用例(NASA Helios )
bull空中無線通訊平台應用
資料來源SkyOne Inc Taiwan
bull 飛行高度5-7 萬英呎(最高記錄 96000 英呎)
bull 時速60 mph (起飛 25 mph)
bull 翼展247 英呎bull 重量2000 磅bull 太陽電池效率要求gt22
資料來源httpwwwaerovironmentcomhomehtml
清雲技術學院 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
個人住宅 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
勤益技術學院 3kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
南台科技大學 10kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
總統府 10kWp 獨立型太陽光能發電系統 (9012)
海巡署南沙太平島 20kWp 混合型(柴油發電機)太陽光能發電系統 (9011)
90能源基金示範補助成果例
台電樹林 20kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
併聯型
台電台北市區處 20kWp 太陽光發電系統
(91能源基金示範補助成果)
併聯型
7結論
bull (1)提高電力轉換器效率
bull 轉換器的損失主要來自於開關切換時之損失為了可以降低濾波電路中電感和電容的體積可以提高切換頻率但是相對於開關的切換損失也因此而增加導致轉換器的效率降低因此發展零電壓或零電流切換技術應用於高切換頻率之轉換器將可以提高轉換器的效率
bull (2)提高太陽光發電系統之整體效率
bull 傳統之太陽光發電系統包含儲能系統和供電系統前級利用DCDC轉換器作最大功率追蹤後級則利用DCAC轉換器轉換能量供應給交流負載為了提高太陽光發電系統的整體效率在研究可提出了模組並聯控制技術以提昇各級電力轉換器的效率而在未來太陽光發電系統也將著重在單級電力轉換器的設計對於整體系統效率有較明顯的改善
8參考資料
1許國強ldquo太陽光發電原理與應用工研院材料所 薄膜技術組91年
2華志強黃崇倫ldquo智慧型能量控制於太陽光電能轉換系統國立雲林科技大學電機工程學系電力研討會97年
3林政達ldquo數位式市電並聯換流器與快速鎖相迴路控制器之研製國立雲林科技大學電機工程學系碩士論文92 年
4李思賢ldquo數位式單相低功率太陽光電能轉換系統國立中山大學電機工程學系碩士論文92 年
5洪世杰ldquo適用於再生能源之市電併聯型雙輸入供電系統國立中正大學電機工程研究所碩士論文93 年
6王廷興ldquo太陽能發電配電設計概要台北科技大學冷凍空調系 92年
7魏榮宗王文宏ldquo高效率太陽光電能源轉換系統 元智大學電機工程學系94年
[ ] 100)25(
)11
(exp
1)(exp
3
λminus+=
minus
=
+minus
minus+minus=
TKII
TTBk
qE
T
TII
where
R
IRVIRV
AkT
qIII
ISCRLG
r
GO
r
oros
sh
ssosLG
VI cell output current and voltagecell reverse saturation currentcell temperature in CBoltzmannrsquos constantelectronic chargeshort circuit current temperature coefficientsolar irradiation in Wmshort-circuit current at 25 Cand 1000 Wm
light-generated currentband gap for siliconideality factorsreference temperaturecell saturation current atshunt resistanceseries resistance
osI
T
kq
00170=IK
SCRIλ
LGI
GOE
921== ABKTr deg= 18301
orI
shR
sR
附錄附錄附錄附錄- 太陽能電池太陽能電池太陽能電池太陽能電池
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
(a) Equivalent circuit of a PV module and
(b) Typical PV module current-voltage and power-voltage characteristics
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
Characteristic of a PV module with temperature and irradiation (a) constant irradiation and varying temperature and (b) constant temperature and varying irradiation
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
系統範例系統範例系統範例系統範例
中途驛站電化PV離島用PV系統山岳地帶PV系統離島偏遠區
勤務指揮中心緊急避難所醫療院所公園學校地震觀測站森林嘹望台避難指示燈氣象觀測所水位警報PV系統河川安全燈防波堤安全PV燈
緊急防災
緊急供電系統管線電氣防蝕輸油管流量計PV系統市場廣告塔海上石油平台各種計測站PV系統發電廠情報指揮中心
產業用
住宅用供電系統緊急供電系統緊急照明系統帷幕牆遮陽棚採光罩屋瓦建築物
無線通信用中繼站基地台緊急電話中繼站電話通信PV系統Radio受信PV系統微波中繼站
通訊
農宅用電溫室栽培PV系統農業灌溉用自動灑水系統農牧電籬牛乳冷藏漁業養殖揚水通氣自動餵食器
農林漁牧
路燈交通號誌道路指示牌標誌燈太陽能電動車充電站高速公路緊急電話偏遠道路緊急電話停車計時器停車場控制門系統高速公路防音壁PV系統公路休息區PV系統太陽能車平交道指示燈候車亭PV系統車站屋頂型PV系統
道路交通
收音機測電表手錶計算機太陽能照相機手電筒電池充電器野營燈民生
應用領域
反流器包括單相及三相其輸入為直流電壓源者稱為電壓源反流器
(Voltage Source InverterVSI)另外若輸入為直流電流源者稱為電流
反流器(Current Source InverterCSI)目前僅應用在高功率之交流馬達
驅動器
1脈波寬度調變(PWM)反流器其輸入電壓通常為固定反流器本身具備變
頻及變壓的功能而變頻及變壓乃利用開關之脈波寬度調變切換控制達成
有許多類型之脈波寬度變技術可以使輸出電壓近似弦波
2方波(Square-Wave)反流器此反流器輸出電壓振幅乃由其輸入電壓調
整
反流器本身只控制輸出頻率交流輸出電壓波形近似方波因此乃稱方波
反流器
3採用電壓消去法(Voltage Cancellation)之單相反流器單相反流器當輸入
電壓為定值時可以利用電壓消去法來變頻及變壓而不須採用脈波寬度
調變其輸出電壓波形近似方波因此其結合了前述兩種反流器的特色
值得注意的是電壓消去法並不適用於三相反流器
切換式反流器之基本觀念
考慮圖33(a)之單相反流器假設其正弦輸出電壓vo是經過濾波所得若
輸出之負載為電感性(如馬達)則輸出電流io將落後vo 如圖33(b)所示
在期間1及3中 vo與io同號瞬時功率Po=voio為正故功率由直流側送至
交流側稱之為反流模式在期間2及4中 vo與io異號瞬時功率Po為負
故功率由交流側送至直流側稱之為整流模式圖33(a)之切換式反流器
在每一週期內會經歷平面上四個象限中之所有象限
單相切
換式變
流器與
濾波器
o
o
+
-
+
-
Vd
vo
id
io
0t
4 1 2 3
voio
io
vo
1反流器
4整流器
3反流器
2整流器
0
為清楚解釋起見以單臂反流器來說明
+
_
+
_
+ +
__
Vd
Vd
2
Vd
2
A
N
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
vAN
oo
o
反流器電路之脈波寬度調變切換技術如圖35(a)所示由一正弦波形控
制訊號vcontrol與三角波形vtri作比較三角波(又稱載波)之振幅為Vtri頻率
為fs fs決定反流器開關之切換頻率正弦波控制電壓vcontrol(又稱調制訊
號)之基頻f1決定反流器之輸出頻率而其振幅則決定反流器輸出電壓之
大小定義振幅調變指數為ma=Vcontrol Vtri 其中Vcontrol為vcontrol之振幅
而頻率調變指數則定義為mf = fs f1
0 t
vcontrol vtri
sf
1
0 t
vAo
V d
2
minusVd
2
t=0
v v
T on T off
control tri
A A
lt
minus + v v
T on T off
control tri
A A
gt
+ minus
1)( AoAo vv =之基本波
0 t
vcontrol vtri
sf
1
圖34反流器之開關的控制方法與io方向無關為
dAoAtricontrol VvTvv2
1=gt +導通
dAoAtricontrol VvTvv2
1minus=lt minus導通
由於二開關之導通為互補因此輸出電壓只在Vd 2與-Vd 2二值間作變
動圖35(b)所示為ma=08與mf =15時輸出電壓vAo及其基本波(以虛線表示)
之波形
+
_
+
_
+ +
__
Vd
Vd
2
Vd
2
A
N
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
vAN
oo
o
單相全橋式反流器
單相全橋式反流器如圖311所示乃由兩個前述之半橋反流器所組成在
相同之輸入電壓下全橋式反流器之最大輸出電壓為半橋式之兩倍這代
表在相同之功率下全橋式反流器之輸出及開關電流僅為半橋式之一半
此對於高功率用途是一大優點因其可以降低使用並聯元件之需求
+
_
+
_
+
_
Vd
Vd
2
Vd
2
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
v v vo Ao Bo= minuso
A
B
TBminus
TB+
DBminus
DB+
+_
id
o
o
N
雙極性電壓切換之脈波寬度調變
0 t
vcontrolvtri
sf
1
0 t
ov1ov
dV
dVminus
單極性電壓切換之脈波寬度調變
onBT +
trivgttricontrol vv gt
trivcontrolv
t
)( controlvminus
)( controlvminusonAT +
t1ov
dV
dVminus
)( BNAN
o
vv
v
minus=
應用雙極性電壓切換之脈波寬度調
變全橋式反流器乃 (TA+TB-)與 (TA-
TB+)成對切換且二者互相反相
應用單極性電壓切換之脈波寬度調
變全橋式反流器乃A臂與B獨立切
換且同臂二開關互相反相
三相反流器
+
-
+
-
+
-
dV
2dV
2dV
+AT
minusAT
+AD
minusAD
o
BminusT
+BT
minusBD
+BD
di
minusCT
+CT
minusCD
+CD
N
A B C
o
0 t
triv Acontrolv Bcontrolv Ccontrolv
0
BNANAB vvv minus=
t
dV
之基本波1LLv
ANv
0 t
dV
t0
BNv
dV
三相電壓源反流器之脈波寬度調變切換的功能為在固定輸入直流電壓下用以調整三相輸出電壓之振幅及頻率三相脈波寬度調變方式由三相各差120度的控制電壓與三角波作比較其波形與單相全橋式反流器採用脈波寬度調變單極性切換者類似
最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法
33最大功率追蹤最大功率追蹤最大功率追蹤最大功率追蹤
為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點本文使用本文使用本文使用本文使用擾動觀察法擾動觀察法擾動觀察法擾動觀察法(Perturbation and Observation Method PampQ)進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功率追蹤率追蹤率追蹤率追蹤由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點下圖為擾動下圖為擾動下圖為擾動下圖為擾動觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖為利用為利用為利用為利用DCDC轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作時時時時其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為0之特性之特性之特性之特性使用使用使用使用DCDC轉換器控制太陽轉換器控制太陽轉換器控制太陽轉換器控制太陽能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動
擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖
最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法
左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖蹤示意圖蹤示意圖蹤示意圖太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分為兩個特性區域為兩個特性區域為兩個特性區域為兩個特性區域假設進行追蹤假設進行追蹤假設進行追蹤假設進行追蹤時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時電壓電壓電壓電壓的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率增加增加增加增加若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出功率減少功率減少功率減少功率減少經由經由經由經由DCDC轉換器調轉換器調轉換器調轉換器調節太陽能板與節太陽能板與節太陽能板與節太陽能板與DCDC轉換器的阻轉換器的阻轉換器的阻轉換器的阻抗相互匹配抗相互匹配抗相互匹配抗相互匹配進而得到太陽能板進而得到太陽能板進而得到太陽能板進而得到太陽能板的最大輸出功率的最大輸出功率的最大輸出功率的最大輸出功率
擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖
4軟體規劃
bull 系統控制程式主要分為主程式固定週期中斷副程式市電電壓零交越中斷副程式等三大部分以下將分別介紹各部分程式流程
bull 本系統主程式主要執行數位訊號處理器周邊暫存器的初始設定以及變數宣告其中除了變數宣告外周邊暫存器的初始設定包括有規畫中斷向量設定計數器之計數模式計數週期中斷的時間和PWM 輸出模式等相關參數設定
bull 如圖8 所示系統初始設定後必須先等待中斷發生才能決定系統是否執行固定週期中斷程式或零交越中斷副程式
bull 圖9 為固定週期中斷副程式流程圖固定週期中斷頻率與換流器開關之切換頻率相同為20kHz程式開始會先偵測太陽能板電壓及電流與直流鏈電壓當確定市電電壓零交越中斷發生時必須先將輸出弦波訊號之指標強制為原點重新送出單位弦波確保換流器輸出電流與市電電壓能維持同相位接著比較太陽能板輸入電壓VPV 是否大於最低工作電壓VPV_work如果確定大於最低工作電壓則致能太陽能最大功率追蹤反之則禁能系統動作程式返回圖9 中的正弦脈寬調變副程式主要功能在於決定換流器中開關的動作順序與責任週期大小以及輸波參考訊號
bull 圖10 為太陽能最大功率點追蹤副程式流程圖在文中對最大功率追蹤採用擾動與觀察法配合太陽能光電板的電壓mdash功率特性曲線即可瞭解程式如何完成太陽能光電板最大功率點追蹤
主程式流程圖
5實驗
bull 依據上述的分析採用DSP 2407A 建立一個500W 太陽光電池電能轉換系統依據圖11 之
bull 電路架構其規格與元件參數分別列於表一表二及表三系統實驗波形圖12圖13圖14 及
bull 圖15 為系統操作在獨立運轉模式下負載分別為120W240W360W 及480W 時之換流器輸出
bull 電壓及輸出電流之實測波形
系統規格與元件參數
實測波形
6實務應用系統實務應用系統實務應用系統實務應用系統
獨立系統示意圖獨立系統示意圖
考慮點
系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等安全係數最佳化設計複雜)
一般充電控制器無 MPPT搭配蓄電池使發電效能較差
蓄電池每日gt50DOD深度放電gt02C充電壽命短
太陽光發電量與負載需求量不搭配時太陽光之發電能量利用率偏低 (負載需求搭配與安全係數為互相矛盾之設計)
PV-柴油發電機PV-風力等混合系統為改善之方法
市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台
電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池
併聯系統示意圖併聯系統示意圖
緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析
1 系統設置成本高建議使用於邊際效益高之用電（防災緊急輔助電力）
2 總體經濟效益減少環境污染解決尖峰用電之不足與短缺能源多元化之風險分擔與開創自主能源
3 遮蔽陽光直曬降低建築物之熱效應（被動省能）同時轉換太陽光為電能供應建物自主能源（主動節能）一舉兩得
緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較
30萬元divide21900kWh＝137元度2萬元divide50kWh＝400元度每度電成本
日發電度數times365天times20年＝3hrtimes1kWtimes365天times20年＝21900kWh（度）
（年停電＋年測試運轉時數）times10年＝（20mintimes6次＋15mintimes12月）times10年＝5hrtimes1kWtimes10年＝50kWh
總發電度數（1kw計）
夜間不發電（可利用蓄電池設計供電年維運費02）
噪音空污油料運輸儲油危險維運成本高
缺點
利用露台屋頂牆面空間設備煙管隔音油槽需室內空間
設置空間
平時緊急時均可使用隨時可了解運轉狀況不須操作
加ATS停電時方可啟動需人員每月定期測試運轉
系統運作
太陽光潔淨能源（免費）柴油使用燃料
20年7~10年使用壽命
1kW=30萬元1kW=2~3萬元設置費用
太陽光發電系統柴油發電機
風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析
運用多元化能源分擔風險情況比較說明如下
1 市電--gt停電時風險極高
2 市電＋柴油發電機--gt發電機故障時風險高
市電＋柴油發電機＋太陽光發電系統--gt發揮三者優點互補同時故障機率小風險最低
案例
832kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide057＝317 m2
115kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide075＝332 m2
緊急時057平時065~08
綜合係數溫度變化污損線損Inverter效率＋蓄電池充放電補償
電力需求divide（日照強度times日照時間times模板效率times綜合係數）
模組面積估算
日照強度1kWm2
日照時間384hd
模板效率12
832kWhd500人用電量115kWhd770人用電量
緊急時平時
電力需求估算
緊急時40kWtimes384hdtimes057＝875 kWhd
平時40kWtimes384hdtimes075＝1152Whd
太陽發電系統發電量＝設置容量times日照時間times綜合係數
發電量計算
332m2times1kWm2times12＝398kW≒40kW
太陽發電系統設置容量＝設置面積times日照強度times模板效率
設置容量計算模板效率依太陽電池種類而異
進行模板陣列及蓄電池容量設計
40kWdivide18片串divide120W＝185列≒19
列
40kWdivide17片串divide120W＝196列≒20
列
陣列併列數＝設置容量divide單串功率
18片times120W＝2160W
17片times120W＝2040W
單串功率
300Vdivide169V＝1775片（取整數17 or 18）
陣列串聯數＝Inverter輸入電壓divide模板輸出電壓
模板陣列設計
1 模板功率120W
2 模板輸出電壓169V
3 直交流轉換器(Inverter)輸入電壓300V
120Wtimes17片串times20列＝40800W＝340片(最佳陣列)
120Wtimes18片串times19列＝41080W＝342片
最佳陣列較經濟之設置容量選擇最佳陣列
蓄電池數量＝144個times2列＝288個
120640Whdivide288Vdivide200Ah＝21列≒2列
併列數＝蓄電池需求容量divideInverter額定電壓
288Vdivide2V＝144個
串聯數＝Inverter額定電壓divide蓄電池電壓串併數設計
middot 蓄電池電壓2V個
middot 蓄電池容量200Ah個
Inverter電壓輸入電壓 額定電壓300V 288V200V 192V
蓄電池需求容量＝832kWhdtimes1dtimes145＝12064kWh
蓄電池需求容量＝緊急電力需求times無日照天數times補償係數補償係數蓄電池內阻抗放電停止電壓電壓降低補償
蓄電池需求容量設計
middot 補償係數145
無日照天數1日
61市電相關規定市電相關規定市電相關規定市電相關規定
1 發電設備併接於低壓系統者其總容量未滿100kW且技術無困難者得併接於單相三線110V220V三相三線220V之配電系統若總容量在100kW以上而未滿500kW得分別併接於3相4線220V380V之配電系統
2 發電設備總容量在500kW以上而未滿5000kW10000kW且技術無困難者得分別併接於114KV228KV之高壓配電系統
3 電設備總容量在10000kW以上而未滿40000kW者得併接於特高壓之系統
4 發電設備總容量在40000kW以上者依個案研討分類
併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類
發電系統經由發電系統經由發電系統經由發電系統經由110V220V110V220V110V220V110V220V併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者發電設發電設發電設發電設備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能
1 過電壓保護 低電壓保護
2 低頻保護 高頻保護
3 過電流保護 零相過電壓接地保護
4 發電設備為無逆送電力者須加裝逆電力保護
5 發電設備為有逆送電力者必須具備主動及被動防止單獨運轉保護
發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經110V220V110V220V110V220V110V220V系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者在電在電在電在電源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器
發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業114KV228KV114KV228KV114KV228KV114KV228KV之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者((((高高高高壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶))))發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Extremely Inverse特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Extremely Inverse特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過流電驛(67)須具Normal Inverse特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
發電設備併接於電業69KV特高壓輸電系統者發電設備之輸出端至少應具有下列同等保護功能並須與電業該轄區之保護設備協調
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Normal Inverse之特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Normal Inverse之特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過電流電驛(67)須具Normal Inverse之特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
8 快速及後衛保護電驛如系統保護需要時應裝設
9 匯流排電驛採用GIS斷路器者應裝設
62626262太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範
1 故障電流
太陽光電發電系統大於100kW以上須計算故障電流其送至電業系統之故障電流不得影響電業及其他用戶斷路器之起斷容量否則需裝置限流電抗器
太陽光電發電系統之隔離變壓器接地方式須與電業之系統配合
2 正常電壓變動率應維持在plusmn5以內
3 太陽光電發電系統與電業間之責任分界點的功率因數以維持85落後至100之間運轉為原則
4 諧波污染限制應依照「電力系統諧波管制暫行標準」辦理
分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性
適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯型之規範型之規範型之規範型之規範
電力轉換器電力轉換器電力轉換器電力轉換器(電力調節器電力調節器電力調節器電力調節器)(InverterConditioner)
蓄電池蓄電池蓄電池蓄電池(Battery))
63大型(商用)太陽光發電系統應用(gt1 kWp)
太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統
單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池(Unit Solar Cell)
太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板(PV Module)
太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列(PV Array)
太陽光發電系統應用獨立系統
(A) 獨立系統(Stand-Alone
System)
bull 蓄電池保護壽命
(B) 混合型交流獨立系統 (Hybrid
System)
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
直流負載PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
整流器
輔助發電機
PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載- ~PCU
直直直直交流轉換器交流轉換器交流轉換器交流轉換器
太陽光發電系統應用併聯系統
(D)併聯系統(Grid-
connected System)
特殊功能1 最佳效能2 防止獨立運轉(連線保護)
3 可自力運轉
(E) 防逆流型系統(Off-line System)
(F) 防災型併聯系統
充電控制器
蓄電池
直交流轉換器
PCU太陽電池組列
交流負載
ATS
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
獨立型系統
適用地點高山離島基地台hellip等市電無法到達處
工作方式白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
必須可以自給自足
缺點bull 系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等
安全係數設計很困難)
bull 蓄電池建置複雜成本很高壽命很短
bull 負載搭配不良時發電效能不佳利用率將偏低
bull 需由專人隨時維護
bull 混合系統為一種解決方法
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
PCU
併聯型系統
適用地點電力正常送達之任何地點工作方式 bull 白天 PV系統併聯發電夜間由台電供電bull 將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的蓄電池
優點bull 系統簡單不需安全係數設計(依預算設計)不需要專人維護bull 併聯發電效率高利用率高
缺點bull 停電時無電可用bull 受併聯法規限制尚未開放(但即將開放)
bull 有孤島效應之疑慮(目前技術上已解決)
改善型無電池自力運轉
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
市電併聯型住宅用太陽光發電系統
太陽光發電系統發電及負載用電對時間之關係
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
併聯型直交流轉換器之效能要求較高
1 最大功率追蹤(Maximum Power Tracking MPT)
2 高轉換效率 gt 90 (PWM+電力電子元件)
3 高次諧波功率 Distortion (lt5 total)
4 自動開關機(白天夜晚)
5 過負載保護過溫度保護
6 體積小重量輕室外防水防塵
7 電腦界面可遠端監控
8 防止獨立運轉(連線保護)
9 可自力運轉
太陽電池組列
交流負載
直交流轉換器MPT
Power Conditioner
併聯系統之獨立運轉(單獨運轉)
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull停電時單一併聯系統將會停止運作
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
bull 市電停電時多數併聯系統仍聯合運作將對電力公司人員產生嚴重危害
孤島效應之防止方法
停電偵測1 過電壓低電壓
2 過頻率低頻率
3 被動式偵測如
bull 電壓與頻率監視方式
bull 電壓相位跳躍監視方式
bull 高次諧波監視方式
bull 頻率變化監視方式
PV組列
直交流轉換器
自家負載
4 主動偵測如
bull 頻率Shift方式
bull 配電線負載變動方式
bull 有效電力變動方式
bull 無效電力變動方式
反應時間05~2秒
資料來源「日本電氣用品試驗所」分散型電源系統連系技術指針(1998)
併聯系統之自力運轉功能
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull 大停電後白天有陽光時以人工啟動 PV 系統進行自力運轉供自家負載使用(但夜間無法使用)
防災型併聯型系統
適用地點有防災需求(照明汲水通信hellip)之公共設施
工作方式
bull 平時PV併聯發電(電池浮充) 效率高利用率高夜間由台電供電
bull 視需要建置供防災用電池大停電時白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
缺點bull 含電池成本較高bull 系統較複雜需專人定期維護
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
FAQ1太陽光發電需要多少土地
效率 = (輸出功率W) (組列面積 m2 x 日照強度 Wm2 ) x 100
模板面積 m2 = 輸出功率W (效率 x日照強度Wm2 ) x100
bull 假設使用效率gt136 模板於1000 Wm2 (AM15)日照強度下
10 kWp 模板面積 (m2) = 10000 (0136 x 1000) ~ 735 m2
10 kWp PV系統土地面積需求約
~ 735 m2 x 15 x 11
~ 121m2 (~36坪)
(包括陰影面積及維修空間)
bull 假設使用效率~10 模板
則模板面積約 ~ 100 m2
土地面積需求約 ~ 165m2 (~50坪)
gt55o
夏至
冬至
春秋分
235o 235oh
L1 L2
FAQ2太陽電池一年能發多少電
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
10 kWm2
05 kWm2
日照強度
等效日照時數(Sun Hour)
組列單日發電量 = 組列額定輸出功率 x 等效日照時數
bull 預估1 kWp 組列單日發電量 = 1 (kW) x ex 4(Sun Hour)= 4 kWh
組列年發電量 = 組列額定輸出功率 x 年平均每日日照時數 x 365
bull 預估 1 kWp 組列年發電量 = 1 x 4 x 365 = 1460 kWh
時間時間時間時間
FAQ3太陽光發電的成本(簡易估算)
1 假設目前太陽光發電系統設置成本約為 NT$ 280000 kWp
2 假設年平均每日日照時數約為 25 Sun Hour (台灣中南部地區)
bull 1 kWp 組列單日發電量= 1 (kW) x 25 (Hour)= 25 kWh
bull 1 kWp 組列年發電量= 25 x 365 = 913 kWh (度)
3 假設太陽光發電系統使用壽命為 20 年
bull 1 kWp 太陽光發電系統總共可發電 20 x 913 = 18260 度
4 生產每度電之成本約為 280000 18260 ~ NT$ 153
5 未來發展趨勢
bull 太陽光發電系統設置成本將逐年降低
bull 市電電費將會升高(國內目前約 NT$ 3 度日本約NT$ 7 度)
bull 傳統能源限制再生能源獎勵利率降低
64獨立型太陽光發電系統應用例(一)
bull太陽電池時鐘-日本bull太陽電池路燈-日本千里住宅公園
獨立型太陽光發電系統應用例(二)
bull太陽電池交通標誌-日本北海道 bull高速公路緊急電話-日本
獨立型太陽光發電系統應用例(三)
bull800W無線通信中繼基地台韓國(1998)
獨立型太陽光發電系統應用例(四)
bull離島用90kW獨立型發電系統韓國Ho-Do島(1992)
併聯型太陽光發電系統應用例(一)
bull設置於屋頂之住宅用太陽光發電系統(建材一體型日本千里住宅公園內住宅設計之一)
併聯型太陽光發電系統應用例(二)
bull日本東海線新幹線京都車站之太陽光發電系統(100kWp)
併聯型太陽光發電系統應用例(三)
bull日本京瓷(Kyocera)京都總公司大樓之太陽電池發電系統(220kWp)
太陽光發電發電廠應用例
太陽電池發電廠
(PV Power Plant)
資料來源 ANIT
Srl Italy
建材一體型太陽電池模板應用例
bull資料來源 Pilkington Solar International GmbH 德國
太陽能車應用例
Honda Dream
bull資料來源 PV Special Research
Centre UNSW Australia
交大太陽能車
bull資料來源 National Chiao-Tung
University Taiwan
太陽光發電航太應用例(NASA Helios )
bull空中無線通訊平台應用
資料來源SkyOne Inc Taiwan
bull 飛行高度5-7 萬英呎(最高記錄 96000 英呎)
bull 時速60 mph (起飛 25 mph)
bull 翼展247 英呎bull 重量2000 磅bull 太陽電池效率要求gt22
資料來源httpwwwaerovironmentcomhomehtml
清雲技術學院 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
個人住宅 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
勤益技術學院 3kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
南台科技大學 10kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
總統府 10kWp 獨立型太陽光能發電系統 (9012)
海巡署南沙太平島 20kWp 混合型(柴油發電機)太陽光能發電系統 (9011)
90能源基金示範補助成果例
台電樹林 20kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
併聯型
台電台北市區處 20kWp 太陽光發電系統
(91能源基金示範補助成果)
併聯型
7結論
bull (1)提高電力轉換器效率
bull 轉換器的損失主要來自於開關切換時之損失為了可以降低濾波電路中電感和電容的體積可以提高切換頻率但是相對於開關的切換損失也因此而增加導致轉換器的效率降低因此發展零電壓或零電流切換技術應用於高切換頻率之轉換器將可以提高轉換器的效率
bull (2)提高太陽光發電系統之整體效率
bull 傳統之太陽光發電系統包含儲能系統和供電系統前級利用DCDC轉換器作最大功率追蹤後級則利用DCAC轉換器轉換能量供應給交流負載為了提高太陽光發電系統的整體效率在研究可提出了模組並聯控制技術以提昇各級電力轉換器的效率而在未來太陽光發電系統也將著重在單級電力轉換器的設計對於整體系統效率有較明顯的改善
8參考資料
1許國強ldquo太陽光發電原理與應用工研院材料所 薄膜技術組91年
2華志強黃崇倫ldquo智慧型能量控制於太陽光電能轉換系統國立雲林科技大學電機工程學系電力研討會97年
3林政達ldquo數位式市電並聯換流器與快速鎖相迴路控制器之研製國立雲林科技大學電機工程學系碩士論文92 年
4李思賢ldquo數位式單相低功率太陽光電能轉換系統國立中山大學電機工程學系碩士論文92 年
5洪世杰ldquo適用於再生能源之市電併聯型雙輸入供電系統國立中正大學電機工程研究所碩士論文93 年
6王廷興ldquo太陽能發電配電設計概要台北科技大學冷凍空調系 92年
7魏榮宗王文宏ldquo高效率太陽光電能源轉換系統 元智大學電機工程學系94年
[ ] 100)25(
)11
(exp
1)(exp
3
λminus+=
minus
=
+minus
minus+minus=
TKII
TTBk
qE
T
TII
where
R
IRVIRV
AkT
qIII
ISCRLG
r
GO
r
oros
sh
ssosLG
VI cell output current and voltagecell reverse saturation currentcell temperature in CBoltzmannrsquos constantelectronic chargeshort circuit current temperature coefficientsolar irradiation in Wmshort-circuit current at 25 Cand 1000 Wm
light-generated currentband gap for siliconideality factorsreference temperaturecell saturation current atshunt resistanceseries resistance
osI
T
kq
00170=IK
SCRIλ
LGI
GOE
921== ABKTr deg= 18301
orI
shR
sR
附錄附錄附錄附錄- 太陽能電池太陽能電池太陽能電池太陽能電池
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
(a) Equivalent circuit of a PV module and
(b) Typical PV module current-voltage and power-voltage characteristics
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
Characteristic of a PV module with temperature and irradiation (a) constant irradiation and varying temperature and (b) constant temperature and varying irradiation
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
系統範例系統範例系統範例系統範例
中途驛站電化PV離島用PV系統山岳地帶PV系統離島偏遠區
勤務指揮中心緊急避難所醫療院所公園學校地震觀測站森林嘹望台避難指示燈氣象觀測所水位警報PV系統河川安全燈防波堤安全PV燈
緊急防災
緊急供電系統管線電氣防蝕輸油管流量計PV系統市場廣告塔海上石油平台各種計測站PV系統發電廠情報指揮中心
產業用
住宅用供電系統緊急供電系統緊急照明系統帷幕牆遮陽棚採光罩屋瓦建築物
無線通信用中繼站基地台緊急電話中繼站電話通信PV系統Radio受信PV系統微波中繼站
通訊
農宅用電溫室栽培PV系統農業灌溉用自動灑水系統農牧電籬牛乳冷藏漁業養殖揚水通氣自動餵食器
農林漁牧
路燈交通號誌道路指示牌標誌燈太陽能電動車充電站高速公路緊急電話偏遠道路緊急電話停車計時器停車場控制門系統高速公路防音壁PV系統公路休息區PV系統太陽能車平交道指示燈候車亭PV系統車站屋頂型PV系統
道路交通
收音機測電表手錶計算機太陽能照相機手電筒電池充電器野營燈民生
應用領域
切換式反流器之基本觀念
考慮圖33(a)之單相反流器假設其正弦輸出電壓vo是經過濾波所得若
輸出之負載為電感性(如馬達)則輸出電流io將落後vo 如圖33(b)所示
在期間1及3中 vo與io同號瞬時功率Po=voio為正故功率由直流側送至
交流側稱之為反流模式在期間2及4中 vo與io異號瞬時功率Po為負
故功率由交流側送至直流側稱之為整流模式圖33(a)之切換式反流器
在每一週期內會經歷平面上四個象限中之所有象限
單相切
換式變
流器與
濾波器
o
o
+
-
+
-
Vd
vo
id
io
0t
4 1 2 3
voio
io
vo
1反流器
4整流器
3反流器
2整流器
0
為清楚解釋起見以單臂反流器來說明
+
_
+
_
+ +
__
Vd
Vd
2
Vd
2
A
N
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
vAN
oo
o
反流器電路之脈波寬度調變切換技術如圖35(a)所示由一正弦波形控
制訊號vcontrol與三角波形vtri作比較三角波(又稱載波)之振幅為Vtri頻率
為fs fs決定反流器開關之切換頻率正弦波控制電壓vcontrol(又稱調制訊
號)之基頻f1決定反流器之輸出頻率而其振幅則決定反流器輸出電壓之
大小定義振幅調變指數為ma=Vcontrol Vtri 其中Vcontrol為vcontrol之振幅
而頻率調變指數則定義為mf = fs f1
0 t
vcontrol vtri
sf
1
0 t
vAo
V d
2
minusVd
2
t=0
v v
T on T off
control tri
A A
lt
minus + v v
T on T off
control tri
A A
gt
+ minus
1)( AoAo vv =之基本波
0 t
vcontrol vtri
sf
1
圖34反流器之開關的控制方法與io方向無關為
dAoAtricontrol VvTvv2
1=gt +導通
dAoAtricontrol VvTvv2
1minus=lt minus導通
由於二開關之導通為互補因此輸出電壓只在Vd 2與-Vd 2二值間作變
動圖35(b)所示為ma=08與mf =15時輸出電壓vAo及其基本波(以虛線表示)
之波形
+
_
+
_
+ +
__
Vd
Vd
2
Vd
2
A
N
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
vAN
oo
o
單相全橋式反流器
單相全橋式反流器如圖311所示乃由兩個前述之半橋反流器所組成在
相同之輸入電壓下全橋式反流器之最大輸出電壓為半橋式之兩倍這代
表在相同之功率下全橋式反流器之輸出及開關電流僅為半橋式之一半
此對於高功率用途是一大優點因其可以降低使用並聯元件之需求
+
_
+
_
+
_
Vd
Vd
2
Vd
2
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
v v vo Ao Bo= minuso
A
B
TBminus
TB+
DBminus
DB+
+_
id
o
o
N
雙極性電壓切換之脈波寬度調變
0 t
vcontrolvtri
sf
1
0 t
ov1ov
dV
dVminus
單極性電壓切換之脈波寬度調變
onBT +
trivgttricontrol vv gt
trivcontrolv
t
)( controlvminus
)( controlvminusonAT +
t1ov
dV
dVminus
)( BNAN
o
vv
v
minus=
應用雙極性電壓切換之脈波寬度調
變全橋式反流器乃 (TA+TB-)與 (TA-
TB+)成對切換且二者互相反相
應用單極性電壓切換之脈波寬度調
變全橋式反流器乃A臂與B獨立切
換且同臂二開關互相反相
三相反流器
+
-
+
-
+
-
dV
2dV
2dV
+AT
minusAT
+AD
minusAD
o
BminusT
+BT
minusBD
+BD
di
minusCT
+CT
minusCD
+CD
N
A B C
o
0 t
triv Acontrolv Bcontrolv Ccontrolv
0
BNANAB vvv minus=
t
dV
之基本波1LLv
ANv
0 t
dV
t0
BNv
dV
三相電壓源反流器之脈波寬度調變切換的功能為在固定輸入直流電壓下用以調整三相輸出電壓之振幅及頻率三相脈波寬度調變方式由三相各差120度的控制電壓與三角波作比較其波形與單相全橋式反流器採用脈波寬度調變單極性切換者類似
最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法
33最大功率追蹤最大功率追蹤最大功率追蹤最大功率追蹤
為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點本文使用本文使用本文使用本文使用擾動觀察法擾動觀察法擾動觀察法擾動觀察法(Perturbation and Observation Method PampQ)進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功率追蹤率追蹤率追蹤率追蹤由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點下圖為擾動下圖為擾動下圖為擾動下圖為擾動觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖為利用為利用為利用為利用DCDC轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作時時時時其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為0之特性之特性之特性之特性使用使用使用使用DCDC轉換器控制太陽轉換器控制太陽轉換器控制太陽轉換器控制太陽能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動
擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖
最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法
左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖蹤示意圖蹤示意圖蹤示意圖太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分為兩個特性區域為兩個特性區域為兩個特性區域為兩個特性區域假設進行追蹤假設進行追蹤假設進行追蹤假設進行追蹤時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時電壓電壓電壓電壓的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率增加增加增加增加若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出功率減少功率減少功率減少功率減少經由經由經由經由DCDC轉換器調轉換器調轉換器調轉換器調節太陽能板與節太陽能板與節太陽能板與節太陽能板與DCDC轉換器的阻轉換器的阻轉換器的阻轉換器的阻抗相互匹配抗相互匹配抗相互匹配抗相互匹配進而得到太陽能板進而得到太陽能板進而得到太陽能板進而得到太陽能板的最大輸出功率的最大輸出功率的最大輸出功率的最大輸出功率
擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖
4軟體規劃
bull 系統控制程式主要分為主程式固定週期中斷副程式市電電壓零交越中斷副程式等三大部分以下將分別介紹各部分程式流程
bull 本系統主程式主要執行數位訊號處理器周邊暫存器的初始設定以及變數宣告其中除了變數宣告外周邊暫存器的初始設定包括有規畫中斷向量設定計數器之計數模式計數週期中斷的時間和PWM 輸出模式等相關參數設定
bull 如圖8 所示系統初始設定後必須先等待中斷發生才能決定系統是否執行固定週期中斷程式或零交越中斷副程式
bull 圖9 為固定週期中斷副程式流程圖固定週期中斷頻率與換流器開關之切換頻率相同為20kHz程式開始會先偵測太陽能板電壓及電流與直流鏈電壓當確定市電電壓零交越中斷發生時必須先將輸出弦波訊號之指標強制為原點重新送出單位弦波確保換流器輸出電流與市電電壓能維持同相位接著比較太陽能板輸入電壓VPV 是否大於最低工作電壓VPV_work如果確定大於最低工作電壓則致能太陽能最大功率追蹤反之則禁能系統動作程式返回圖9 中的正弦脈寬調變副程式主要功能在於決定換流器中開關的動作順序與責任週期大小以及輸波參考訊號
bull 圖10 為太陽能最大功率點追蹤副程式流程圖在文中對最大功率追蹤採用擾動與觀察法配合太陽能光電板的電壓mdash功率特性曲線即可瞭解程式如何完成太陽能光電板最大功率點追蹤
主程式流程圖
5實驗
bull 依據上述的分析採用DSP 2407A 建立一個500W 太陽光電池電能轉換系統依據圖11 之
bull 電路架構其規格與元件參數分別列於表一表二及表三系統實驗波形圖12圖13圖14 及
bull 圖15 為系統操作在獨立運轉模式下負載分別為120W240W360W 及480W 時之換流器輸出
bull 電壓及輸出電流之實測波形
系統規格與元件參數
實測波形
6實務應用系統實務應用系統實務應用系統實務應用系統
獨立系統示意圖獨立系統示意圖
考慮點
系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等安全係數最佳化設計複雜)
一般充電控制器無 MPPT搭配蓄電池使發電效能較差
蓄電池每日gt50DOD深度放電gt02C充電壽命短
太陽光發電量與負載需求量不搭配時太陽光之發電能量利用率偏低 (負載需求搭配與安全係數為互相矛盾之設計)
PV-柴油發電機PV-風力等混合系統為改善之方法
市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台
電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池
併聯系統示意圖併聯系統示意圖
緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析
1 系統設置成本高建議使用於邊際效益高之用電（防災緊急輔助電力）
2 總體經濟效益減少環境污染解決尖峰用電之不足與短缺能源多元化之風險分擔與開創自主能源
3 遮蔽陽光直曬降低建築物之熱效應（被動省能）同時轉換太陽光為電能供應建物自主能源（主動節能）一舉兩得
緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較
30萬元divide21900kWh＝137元度2萬元divide50kWh＝400元度每度電成本
日發電度數times365天times20年＝3hrtimes1kWtimes365天times20年＝21900kWh（度）
（年停電＋年測試運轉時數）times10年＝（20mintimes6次＋15mintimes12月）times10年＝5hrtimes1kWtimes10年＝50kWh
總發電度數（1kw計）
夜間不發電（可利用蓄電池設計供電年維運費02）
噪音空污油料運輸儲油危險維運成本高
缺點
利用露台屋頂牆面空間設備煙管隔音油槽需室內空間
設置空間
平時緊急時均可使用隨時可了解運轉狀況不須操作
加ATS停電時方可啟動需人員每月定期測試運轉
系統運作
太陽光潔淨能源（免費）柴油使用燃料
20年7~10年使用壽命
1kW=30萬元1kW=2~3萬元設置費用
太陽光發電系統柴油發電機
風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析
運用多元化能源分擔風險情況比較說明如下
1 市電--gt停電時風險極高
2 市電＋柴油發電機--gt發電機故障時風險高
市電＋柴油發電機＋太陽光發電系統--gt發揮三者優點互補同時故障機率小風險最低
案例
832kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide057＝317 m2
115kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide075＝332 m2
緊急時057平時065~08
綜合係數溫度變化污損線損Inverter效率＋蓄電池充放電補償
電力需求divide（日照強度times日照時間times模板效率times綜合係數）
模組面積估算
日照強度1kWm2
日照時間384hd
模板效率12
832kWhd500人用電量115kWhd770人用電量
緊急時平時
電力需求估算
緊急時40kWtimes384hdtimes057＝875 kWhd
平時40kWtimes384hdtimes075＝1152Whd
太陽發電系統發電量＝設置容量times日照時間times綜合係數
發電量計算
332m2times1kWm2times12＝398kW≒40kW
太陽發電系統設置容量＝設置面積times日照強度times模板效率
設置容量計算模板效率依太陽電池種類而異
進行模板陣列及蓄電池容量設計
40kWdivide18片串divide120W＝185列≒19
列
40kWdivide17片串divide120W＝196列≒20
列
陣列併列數＝設置容量divide單串功率
18片times120W＝2160W
17片times120W＝2040W
單串功率
300Vdivide169V＝1775片（取整數17 or 18）
陣列串聯數＝Inverter輸入電壓divide模板輸出電壓
模板陣列設計
1 模板功率120W
2 模板輸出電壓169V
3 直交流轉換器(Inverter)輸入電壓300V
120Wtimes17片串times20列＝40800W＝340片(最佳陣列)
120Wtimes18片串times19列＝41080W＝342片
最佳陣列較經濟之設置容量選擇最佳陣列
蓄電池數量＝144個times2列＝288個
120640Whdivide288Vdivide200Ah＝21列≒2列
併列數＝蓄電池需求容量divideInverter額定電壓
288Vdivide2V＝144個
串聯數＝Inverter額定電壓divide蓄電池電壓串併數設計
middot 蓄電池電壓2V個
middot 蓄電池容量200Ah個
Inverter電壓輸入電壓 額定電壓300V 288V200V 192V
蓄電池需求容量＝832kWhdtimes1dtimes145＝12064kWh
蓄電池需求容量＝緊急電力需求times無日照天數times補償係數補償係數蓄電池內阻抗放電停止電壓電壓降低補償
蓄電池需求容量設計
middot 補償係數145
無日照天數1日
61市電相關規定市電相關規定市電相關規定市電相關規定
1 發電設備併接於低壓系統者其總容量未滿100kW且技術無困難者得併接於單相三線110V220V三相三線220V之配電系統若總容量在100kW以上而未滿500kW得分別併接於3相4線220V380V之配電系統
2 發電設備總容量在500kW以上而未滿5000kW10000kW且技術無困難者得分別併接於114KV228KV之高壓配電系統
3 電設備總容量在10000kW以上而未滿40000kW者得併接於特高壓之系統
4 發電設備總容量在40000kW以上者依個案研討分類
併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類
發電系統經由發電系統經由發電系統經由發電系統經由110V220V110V220V110V220V110V220V併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者發電設發電設發電設發電設備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能
1 過電壓保護 低電壓保護
2 低頻保護 高頻保護
3 過電流保護 零相過電壓接地保護
4 發電設備為無逆送電力者須加裝逆電力保護
5 發電設備為有逆送電力者必須具備主動及被動防止單獨運轉保護
發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經110V220V110V220V110V220V110V220V系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者在電在電在電在電源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器
發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業114KV228KV114KV228KV114KV228KV114KV228KV之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者((((高高高高壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶))))發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Extremely Inverse特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Extremely Inverse特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過流電驛(67)須具Normal Inverse特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
發電設備併接於電業69KV特高壓輸電系統者發電設備之輸出端至少應具有下列同等保護功能並須與電業該轄區之保護設備協調
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Normal Inverse之特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Normal Inverse之特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過電流電驛(67)須具Normal Inverse之特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
8 快速及後衛保護電驛如系統保護需要時應裝設
9 匯流排電驛採用GIS斷路器者應裝設
62626262太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範
1 故障電流
太陽光電發電系統大於100kW以上須計算故障電流其送至電業系統之故障電流不得影響電業及其他用戶斷路器之起斷容量否則需裝置限流電抗器
太陽光電發電系統之隔離變壓器接地方式須與電業之系統配合
2 正常電壓變動率應維持在plusmn5以內
3 太陽光電發電系統與電業間之責任分界點的功率因數以維持85落後至100之間運轉為原則
4 諧波污染限制應依照「電力系統諧波管制暫行標準」辦理
分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性
適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯型之規範型之規範型之規範型之規範
電力轉換器電力轉換器電力轉換器電力轉換器(電力調節器電力調節器電力調節器電力調節器)(InverterConditioner)
蓄電池蓄電池蓄電池蓄電池(Battery))
63大型(商用)太陽光發電系統應用(gt1 kWp)
太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統
單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池(Unit Solar Cell)
太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板(PV Module)
太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列(PV Array)
太陽光發電系統應用獨立系統
(A) 獨立系統(Stand-Alone
System)
bull 蓄電池保護壽命
(B) 混合型交流獨立系統 (Hybrid
System)
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
直流負載PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
整流器
輔助發電機
PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載- ~PCU
直直直直交流轉換器交流轉換器交流轉換器交流轉換器
太陽光發電系統應用併聯系統
(D)併聯系統(Grid-
connected System)
特殊功能1 最佳效能2 防止獨立運轉(連線保護)
3 可自力運轉
(E) 防逆流型系統(Off-line System)
(F) 防災型併聯系統
充電控制器
蓄電池
直交流轉換器
PCU太陽電池組列
交流負載
ATS
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
獨立型系統
適用地點高山離島基地台hellip等市電無法到達處
工作方式白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
必須可以自給自足
缺點bull 系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等
安全係數設計很困難)
bull 蓄電池建置複雜成本很高壽命很短
bull 負載搭配不良時發電效能不佳利用率將偏低
bull 需由專人隨時維護
bull 混合系統為一種解決方法
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
PCU
併聯型系統
適用地點電力正常送達之任何地點工作方式 bull 白天 PV系統併聯發電夜間由台電供電bull 將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的蓄電池
優點bull 系統簡單不需安全係數設計(依預算設計)不需要專人維護bull 併聯發電效率高利用率高
缺點bull 停電時無電可用bull 受併聯法規限制尚未開放(但即將開放)
bull 有孤島效應之疑慮(目前技術上已解決)
改善型無電池自力運轉
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
市電併聯型住宅用太陽光發電系統
太陽光發電系統發電及負載用電對時間之關係
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
併聯型直交流轉換器之效能要求較高
1 最大功率追蹤(Maximum Power Tracking MPT)
2 高轉換效率 gt 90 (PWM+電力電子元件)
3 高次諧波功率 Distortion (lt5 total)
4 自動開關機(白天夜晚)
5 過負載保護過溫度保護
6 體積小重量輕室外防水防塵
7 電腦界面可遠端監控
8 防止獨立運轉(連線保護)
9 可自力運轉
太陽電池組列
交流負載
直交流轉換器MPT
Power Conditioner
併聯系統之獨立運轉(單獨運轉)
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull停電時單一併聯系統將會停止運作
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
bull 市電停電時多數併聯系統仍聯合運作將對電力公司人員產生嚴重危害
孤島效應之防止方法
停電偵測1 過電壓低電壓
2 過頻率低頻率
3 被動式偵測如
bull 電壓與頻率監視方式
bull 電壓相位跳躍監視方式
bull 高次諧波監視方式
bull 頻率變化監視方式
PV組列
直交流轉換器
自家負載
4 主動偵測如
bull 頻率Shift方式
bull 配電線負載變動方式
bull 有效電力變動方式
bull 無效電力變動方式
反應時間05~2秒
資料來源「日本電氣用品試驗所」分散型電源系統連系技術指針(1998)
併聯系統之自力運轉功能
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull 大停電後白天有陽光時以人工啟動 PV 系統進行自力運轉供自家負載使用(但夜間無法使用)
防災型併聯型系統
適用地點有防災需求(照明汲水通信hellip)之公共設施
工作方式
bull 平時PV併聯發電(電池浮充) 效率高利用率高夜間由台電供電
bull 視需要建置供防災用電池大停電時白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
缺點bull 含電池成本較高bull 系統較複雜需專人定期維護
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
FAQ1太陽光發電需要多少土地
效率 = (輸出功率W) (組列面積 m2 x 日照強度 Wm2 ) x 100
模板面積 m2 = 輸出功率W (效率 x日照強度Wm2 ) x100
bull 假設使用效率gt136 模板於1000 Wm2 (AM15)日照強度下
10 kWp 模板面積 (m2) = 10000 (0136 x 1000) ~ 735 m2
10 kWp PV系統土地面積需求約
~ 735 m2 x 15 x 11
~ 121m2 (~36坪)
(包括陰影面積及維修空間)
bull 假設使用效率~10 模板
則模板面積約 ~ 100 m2
土地面積需求約 ~ 165m2 (~50坪)
gt55o
夏至
冬至
春秋分
235o 235oh
L1 L2
FAQ2太陽電池一年能發多少電
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
10 kWm2
05 kWm2
日照強度
等效日照時數(Sun Hour)
組列單日發電量 = 組列額定輸出功率 x 等效日照時數
bull 預估1 kWp 組列單日發電量 = 1 (kW) x ex 4(Sun Hour)= 4 kWh
組列年發電量 = 組列額定輸出功率 x 年平均每日日照時數 x 365
bull 預估 1 kWp 組列年發電量 = 1 x 4 x 365 = 1460 kWh
時間時間時間時間
FAQ3太陽光發電的成本(簡易估算)
1 假設目前太陽光發電系統設置成本約為 NT$ 280000 kWp
2 假設年平均每日日照時數約為 25 Sun Hour (台灣中南部地區)
bull 1 kWp 組列單日發電量= 1 (kW) x 25 (Hour)= 25 kWh
bull 1 kWp 組列年發電量= 25 x 365 = 913 kWh (度)
3 假設太陽光發電系統使用壽命為 20 年
bull 1 kWp 太陽光發電系統總共可發電 20 x 913 = 18260 度
4 生產每度電之成本約為 280000 18260 ~ NT$ 153
5 未來發展趨勢
bull 太陽光發電系統設置成本將逐年降低
bull 市電電費將會升高(國內目前約 NT$ 3 度日本約NT$ 7 度)
bull 傳統能源限制再生能源獎勵利率降低
64獨立型太陽光發電系統應用例(一)
bull太陽電池時鐘-日本bull太陽電池路燈-日本千里住宅公園
獨立型太陽光發電系統應用例(二)
bull太陽電池交通標誌-日本北海道 bull高速公路緊急電話-日本
獨立型太陽光發電系統應用例(三)
bull800W無線通信中繼基地台韓國(1998)
獨立型太陽光發電系統應用例(四)
bull離島用90kW獨立型發電系統韓國Ho-Do島(1992)
併聯型太陽光發電系統應用例(一)
bull設置於屋頂之住宅用太陽光發電系統(建材一體型日本千里住宅公園內住宅設計之一)
併聯型太陽光發電系統應用例(二)
bull日本東海線新幹線京都車站之太陽光發電系統(100kWp)
併聯型太陽光發電系統應用例(三)
bull日本京瓷(Kyocera)京都總公司大樓之太陽電池發電系統(220kWp)
太陽光發電發電廠應用例
太陽電池發電廠
(PV Power Plant)
資料來源 ANIT
Srl Italy
建材一體型太陽電池模板應用例
bull資料來源 Pilkington Solar International GmbH 德國
太陽能車應用例
Honda Dream
bull資料來源 PV Special Research
Centre UNSW Australia
交大太陽能車
bull資料來源 National Chiao-Tung
University Taiwan
太陽光發電航太應用例(NASA Helios )
bull空中無線通訊平台應用
資料來源SkyOne Inc Taiwan
bull 飛行高度5-7 萬英呎(最高記錄 96000 英呎)
bull 時速60 mph (起飛 25 mph)
bull 翼展247 英呎bull 重量2000 磅bull 太陽電池效率要求gt22
資料來源httpwwwaerovironmentcomhomehtml
清雲技術學院 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
個人住宅 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
勤益技術學院 3kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
南台科技大學 10kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
總統府 10kWp 獨立型太陽光能發電系統 (9012)
海巡署南沙太平島 20kWp 混合型(柴油發電機)太陽光能發電系統 (9011)
90能源基金示範補助成果例
台電樹林 20kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
併聯型
台電台北市區處 20kWp 太陽光發電系統
(91能源基金示範補助成果)
併聯型
7結論
bull (1)提高電力轉換器效率
bull 轉換器的損失主要來自於開關切換時之損失為了可以降低濾波電路中電感和電容的體積可以提高切換頻率但是相對於開關的切換損失也因此而增加導致轉換器的效率降低因此發展零電壓或零電流切換技術應用於高切換頻率之轉換器將可以提高轉換器的效率
bull (2)提高太陽光發電系統之整體效率
bull 傳統之太陽光發電系統包含儲能系統和供電系統前級利用DCDC轉換器作最大功率追蹤後級則利用DCAC轉換器轉換能量供應給交流負載為了提高太陽光發電系統的整體效率在研究可提出了模組並聯控制技術以提昇各級電力轉換器的效率而在未來太陽光發電系統也將著重在單級電力轉換器的設計對於整體系統效率有較明顯的改善
8參考資料
1許國強ldquo太陽光發電原理與應用工研院材料所 薄膜技術組91年
2華志強黃崇倫ldquo智慧型能量控制於太陽光電能轉換系統國立雲林科技大學電機工程學系電力研討會97年
3林政達ldquo數位式市電並聯換流器與快速鎖相迴路控制器之研製國立雲林科技大學電機工程學系碩士論文92 年
4李思賢ldquo數位式單相低功率太陽光電能轉換系統國立中山大學電機工程學系碩士論文92 年
5洪世杰ldquo適用於再生能源之市電併聯型雙輸入供電系統國立中正大學電機工程研究所碩士論文93 年
6王廷興ldquo太陽能發電配電設計概要台北科技大學冷凍空調系 92年
7魏榮宗王文宏ldquo高效率太陽光電能源轉換系統 元智大學電機工程學系94年
[ ] 100)25(
)11
(exp
1)(exp
3
λminus+=
minus
=
+minus
minus+minus=
TKII
TTBk
qE
T
TII
where
R
IRVIRV
AkT
qIII
ISCRLG
r
GO
r
oros
sh
ssosLG
VI cell output current and voltagecell reverse saturation currentcell temperature in CBoltzmannrsquos constantelectronic chargeshort circuit current temperature coefficientsolar irradiation in Wmshort-circuit current at 25 Cand 1000 Wm
light-generated currentband gap for siliconideality factorsreference temperaturecell saturation current atshunt resistanceseries resistance
osI
T
kq
00170=IK
SCRIλ
LGI
GOE
921== ABKTr deg= 18301
orI
shR
sR
附錄附錄附錄附錄- 太陽能電池太陽能電池太陽能電池太陽能電池
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
(a) Equivalent circuit of a PV module and
(b) Typical PV module current-voltage and power-voltage characteristics
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
Characteristic of a PV module with temperature and irradiation (a) constant irradiation and varying temperature and (b) constant temperature and varying irradiation
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
系統範例系統範例系統範例系統範例
中途驛站電化PV離島用PV系統山岳地帶PV系統離島偏遠區
勤務指揮中心緊急避難所醫療院所公園學校地震觀測站森林嘹望台避難指示燈氣象觀測所水位警報PV系統河川安全燈防波堤安全PV燈
緊急防災
緊急供電系統管線電氣防蝕輸油管流量計PV系統市場廣告塔海上石油平台各種計測站PV系統發電廠情報指揮中心
產業用
住宅用供電系統緊急供電系統緊急照明系統帷幕牆遮陽棚採光罩屋瓦建築物
無線通信用中繼站基地台緊急電話中繼站電話通信PV系統Radio受信PV系統微波中繼站
通訊
農宅用電溫室栽培PV系統農業灌溉用自動灑水系統農牧電籬牛乳冷藏漁業養殖揚水通氣自動餵食器
農林漁牧
路燈交通號誌道路指示牌標誌燈太陽能電動車充電站高速公路緊急電話偏遠道路緊急電話停車計時器停車場控制門系統高速公路防音壁PV系統公路休息區PV系統太陽能車平交道指示燈候車亭PV系統車站屋頂型PV系統
道路交通
收音機測電表手錶計算機太陽能照相機手電筒電池充電器野營燈民生
應用領域
為清楚解釋起見以單臂反流器來說明
+
_
+
_
+ +
__
Vd
Vd
2
Vd
2
A
N
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
vAN
oo
o
反流器電路之脈波寬度調變切換技術如圖35(a)所示由一正弦波形控
制訊號vcontrol與三角波形vtri作比較三角波(又稱載波)之振幅為Vtri頻率
為fs fs決定反流器開關之切換頻率正弦波控制電壓vcontrol(又稱調制訊
號)之基頻f1決定反流器之輸出頻率而其振幅則決定反流器輸出電壓之
大小定義振幅調變指數為ma=Vcontrol Vtri 其中Vcontrol為vcontrol之振幅
而頻率調變指數則定義為mf = fs f1
0 t
vcontrol vtri
sf
1
0 t
vAo
V d
2
minusVd
2
t=0
v v
T on T off
control tri
A A
lt
minus + v v
T on T off
control tri
A A
gt
+ minus
1)( AoAo vv =之基本波
0 t
vcontrol vtri
sf
1
圖34反流器之開關的控制方法與io方向無關為
dAoAtricontrol VvTvv2
1=gt +導通
dAoAtricontrol VvTvv2
1minus=lt minus導通
由於二開關之導通為互補因此輸出電壓只在Vd 2與-Vd 2二值間作變
動圖35(b)所示為ma=08與mf =15時輸出電壓vAo及其基本波(以虛線表示)
之波形
+
_
+
_
+ +
__
Vd
Vd
2
Vd
2
A
N
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
vAN
oo
o
單相全橋式反流器
單相全橋式反流器如圖311所示乃由兩個前述之半橋反流器所組成在
相同之輸入電壓下全橋式反流器之最大輸出電壓為半橋式之兩倍這代
表在相同之功率下全橋式反流器之輸出及開關電流僅為半橋式之一半
此對於高功率用途是一大優點因其可以降低使用並聯元件之需求
+
_
+
_
+
_
Vd
Vd
2
Vd
2
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
v v vo Ao Bo= minuso
A
B
TBminus
TB+
DBminus
DB+
+_
id
o
o
N
雙極性電壓切換之脈波寬度調變
0 t
vcontrolvtri
sf
1
0 t
ov1ov
dV
dVminus
單極性電壓切換之脈波寬度調變
onBT +
trivgttricontrol vv gt
trivcontrolv
t
)( controlvminus
)( controlvminusonAT +
t1ov
dV
dVminus
)( BNAN
o
vv
v
minus=
應用雙極性電壓切換之脈波寬度調
變全橋式反流器乃 (TA+TB-)與 (TA-
TB+)成對切換且二者互相反相
應用單極性電壓切換之脈波寬度調
變全橋式反流器乃A臂與B獨立切
換且同臂二開關互相反相
三相反流器
+
-
+
-
+
-
dV
2dV
2dV
+AT
minusAT
+AD
minusAD
o
BminusT
+BT
minusBD
+BD
di
minusCT
+CT
minusCD
+CD
N
A B C
o
0 t
triv Acontrolv Bcontrolv Ccontrolv
0
BNANAB vvv minus=
t
dV
之基本波1LLv
ANv
0 t
dV
t0
BNv
dV
三相電壓源反流器之脈波寬度調變切換的功能為在固定輸入直流電壓下用以調整三相輸出電壓之振幅及頻率三相脈波寬度調變方式由三相各差120度的控制電壓與三角波作比較其波形與單相全橋式反流器採用脈波寬度調變單極性切換者類似
最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法
33最大功率追蹤最大功率追蹤最大功率追蹤最大功率追蹤
為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點本文使用本文使用本文使用本文使用擾動觀察法擾動觀察法擾動觀察法擾動觀察法(Perturbation and Observation Method PampQ)進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功率追蹤率追蹤率追蹤率追蹤由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點下圖為擾動下圖為擾動下圖為擾動下圖為擾動觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖為利用為利用為利用為利用DCDC轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作時時時時其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為0之特性之特性之特性之特性使用使用使用使用DCDC轉換器控制太陽轉換器控制太陽轉換器控制太陽轉換器控制太陽能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動
擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖
最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法
左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖蹤示意圖蹤示意圖蹤示意圖太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分為兩個特性區域為兩個特性區域為兩個特性區域為兩個特性區域假設進行追蹤假設進行追蹤假設進行追蹤假設進行追蹤時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時電壓電壓電壓電壓的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率增加增加增加增加若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出功率減少功率減少功率減少功率減少經由經由經由經由DCDC轉換器調轉換器調轉換器調轉換器調節太陽能板與節太陽能板與節太陽能板與節太陽能板與DCDC轉換器的阻轉換器的阻轉換器的阻轉換器的阻抗相互匹配抗相互匹配抗相互匹配抗相互匹配進而得到太陽能板進而得到太陽能板進而得到太陽能板進而得到太陽能板的最大輸出功率的最大輸出功率的最大輸出功率的最大輸出功率
擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖
4軟體規劃
bull 系統控制程式主要分為主程式固定週期中斷副程式市電電壓零交越中斷副程式等三大部分以下將分別介紹各部分程式流程
bull 本系統主程式主要執行數位訊號處理器周邊暫存器的初始設定以及變數宣告其中除了變數宣告外周邊暫存器的初始設定包括有規畫中斷向量設定計數器之計數模式計數週期中斷的時間和PWM 輸出模式等相關參數設定
bull 如圖8 所示系統初始設定後必須先等待中斷發生才能決定系統是否執行固定週期中斷程式或零交越中斷副程式
bull 圖9 為固定週期中斷副程式流程圖固定週期中斷頻率與換流器開關之切換頻率相同為20kHz程式開始會先偵測太陽能板電壓及電流與直流鏈電壓當確定市電電壓零交越中斷發生時必須先將輸出弦波訊號之指標強制為原點重新送出單位弦波確保換流器輸出電流與市電電壓能維持同相位接著比較太陽能板輸入電壓VPV 是否大於最低工作電壓VPV_work如果確定大於最低工作電壓則致能太陽能最大功率追蹤反之則禁能系統動作程式返回圖9 中的正弦脈寬調變副程式主要功能在於決定換流器中開關的動作順序與責任週期大小以及輸波參考訊號
bull 圖10 為太陽能最大功率點追蹤副程式流程圖在文中對最大功率追蹤採用擾動與觀察法配合太陽能光電板的電壓mdash功率特性曲線即可瞭解程式如何完成太陽能光電板最大功率點追蹤
主程式流程圖
5實驗
bull 依據上述的分析採用DSP 2407A 建立一個500W 太陽光電池電能轉換系統依據圖11 之
bull 電路架構其規格與元件參數分別列於表一表二及表三系統實驗波形圖12圖13圖14 及
bull 圖15 為系統操作在獨立運轉模式下負載分別為120W240W360W 及480W 時之換流器輸出
bull 電壓及輸出電流之實測波形
系統規格與元件參數
實測波形
6實務應用系統實務應用系統實務應用系統實務應用系統
獨立系統示意圖獨立系統示意圖
考慮點
系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等安全係數最佳化設計複雜)
一般充電控制器無 MPPT搭配蓄電池使發電效能較差
蓄電池每日gt50DOD深度放電gt02C充電壽命短
太陽光發電量與負載需求量不搭配時太陽光之發電能量利用率偏低 (負載需求搭配與安全係數為互相矛盾之設計)
PV-柴油發電機PV-風力等混合系統為改善之方法
市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台
電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池
併聯系統示意圖併聯系統示意圖
緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析
1 系統設置成本高建議使用於邊際效益高之用電（防災緊急輔助電力）
2 總體經濟效益減少環境污染解決尖峰用電之不足與短缺能源多元化之風險分擔與開創自主能源
3 遮蔽陽光直曬降低建築物之熱效應（被動省能）同時轉換太陽光為電能供應建物自主能源（主動節能）一舉兩得
緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較
30萬元divide21900kWh＝137元度2萬元divide50kWh＝400元度每度電成本
日發電度數times365天times20年＝3hrtimes1kWtimes365天times20年＝21900kWh（度）
（年停電＋年測試運轉時數）times10年＝（20mintimes6次＋15mintimes12月）times10年＝5hrtimes1kWtimes10年＝50kWh
總發電度數（1kw計）
夜間不發電（可利用蓄電池設計供電年維運費02）
噪音空污油料運輸儲油危險維運成本高
缺點
利用露台屋頂牆面空間設備煙管隔音油槽需室內空間
設置空間
平時緊急時均可使用隨時可了解運轉狀況不須操作
加ATS停電時方可啟動需人員每月定期測試運轉
系統運作
太陽光潔淨能源（免費）柴油使用燃料
20年7~10年使用壽命
1kW=30萬元1kW=2~3萬元設置費用
太陽光發電系統柴油發電機
風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析
運用多元化能源分擔風險情況比較說明如下
1 市電--gt停電時風險極高
2 市電＋柴油發電機--gt發電機故障時風險高
市電＋柴油發電機＋太陽光發電系統--gt發揮三者優點互補同時故障機率小風險最低
案例
832kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide057＝317 m2
115kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide075＝332 m2
緊急時057平時065~08
綜合係數溫度變化污損線損Inverter效率＋蓄電池充放電補償
電力需求divide（日照強度times日照時間times模板效率times綜合係數）
模組面積估算
日照強度1kWm2
日照時間384hd
模板效率12
832kWhd500人用電量115kWhd770人用電量
緊急時平時
電力需求估算
緊急時40kWtimes384hdtimes057＝875 kWhd
平時40kWtimes384hdtimes075＝1152Whd
太陽發電系統發電量＝設置容量times日照時間times綜合係數
發電量計算
332m2times1kWm2times12＝398kW≒40kW
太陽發電系統設置容量＝設置面積times日照強度times模板效率
設置容量計算模板效率依太陽電池種類而異
進行模板陣列及蓄電池容量設計
40kWdivide18片串divide120W＝185列≒19
列
40kWdivide17片串divide120W＝196列≒20
列
陣列併列數＝設置容量divide單串功率
18片times120W＝2160W
17片times120W＝2040W
單串功率
300Vdivide169V＝1775片（取整數17 or 18）
陣列串聯數＝Inverter輸入電壓divide模板輸出電壓
模板陣列設計
1 模板功率120W
2 模板輸出電壓169V
3 直交流轉換器(Inverter)輸入電壓300V
120Wtimes17片串times20列＝40800W＝340片(最佳陣列)
120Wtimes18片串times19列＝41080W＝342片
最佳陣列較經濟之設置容量選擇最佳陣列
蓄電池數量＝144個times2列＝288個
120640Whdivide288Vdivide200Ah＝21列≒2列
併列數＝蓄電池需求容量divideInverter額定電壓
288Vdivide2V＝144個
串聯數＝Inverter額定電壓divide蓄電池電壓串併數設計
middot 蓄電池電壓2V個
middot 蓄電池容量200Ah個
Inverter電壓輸入電壓 額定電壓300V 288V200V 192V
蓄電池需求容量＝832kWhdtimes1dtimes145＝12064kWh
蓄電池需求容量＝緊急電力需求times無日照天數times補償係數補償係數蓄電池內阻抗放電停止電壓電壓降低補償
蓄電池需求容量設計
middot 補償係數145
無日照天數1日
61市電相關規定市電相關規定市電相關規定市電相關規定
1 發電設備併接於低壓系統者其總容量未滿100kW且技術無困難者得併接於單相三線110V220V三相三線220V之配電系統若總容量在100kW以上而未滿500kW得分別併接於3相4線220V380V之配電系統
2 發電設備總容量在500kW以上而未滿5000kW10000kW且技術無困難者得分別併接於114KV228KV之高壓配電系統
3 電設備總容量在10000kW以上而未滿40000kW者得併接於特高壓之系統
4 發電設備總容量在40000kW以上者依個案研討分類
併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類
發電系統經由發電系統經由發電系統經由發電系統經由110V220V110V220V110V220V110V220V併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者發電設發電設發電設發電設備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能
1 過電壓保護 低電壓保護
2 低頻保護 高頻保護
3 過電流保護 零相過電壓接地保護
4 發電設備為無逆送電力者須加裝逆電力保護
5 發電設備為有逆送電力者必須具備主動及被動防止單獨運轉保護
發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經110V220V110V220V110V220V110V220V系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者在電在電在電在電源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器
發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業114KV228KV114KV228KV114KV228KV114KV228KV之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者((((高高高高壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶))))發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Extremely Inverse特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Extremely Inverse特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過流電驛(67)須具Normal Inverse特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
發電設備併接於電業69KV特高壓輸電系統者發電設備之輸出端至少應具有下列同等保護功能並須與電業該轄區之保護設備協調
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Normal Inverse之特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Normal Inverse之特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過電流電驛(67)須具Normal Inverse之特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
8 快速及後衛保護電驛如系統保護需要時應裝設
9 匯流排電驛採用GIS斷路器者應裝設
62626262太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範
1 故障電流
太陽光電發電系統大於100kW以上須計算故障電流其送至電業系統之故障電流不得影響電業及其他用戶斷路器之起斷容量否則需裝置限流電抗器
太陽光電發電系統之隔離變壓器接地方式須與電業之系統配合
2 正常電壓變動率應維持在plusmn5以內
3 太陽光電發電系統與電業間之責任分界點的功率因數以維持85落後至100之間運轉為原則
4 諧波污染限制應依照「電力系統諧波管制暫行標準」辦理
分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性
適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯型之規範型之規範型之規範型之規範
電力轉換器電力轉換器電力轉換器電力轉換器(電力調節器電力調節器電力調節器電力調節器)(InverterConditioner)
蓄電池蓄電池蓄電池蓄電池(Battery))
63大型(商用)太陽光發電系統應用(gt1 kWp)
太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統
單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池(Unit Solar Cell)
太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板(PV Module)
太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列(PV Array)
太陽光發電系統應用獨立系統
(A) 獨立系統(Stand-Alone
System)
bull 蓄電池保護壽命
(B) 混合型交流獨立系統 (Hybrid
System)
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
直流負載PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
整流器
輔助發電機
PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載- ~PCU
直直直直交流轉換器交流轉換器交流轉換器交流轉換器
太陽光發電系統應用併聯系統
(D)併聯系統(Grid-
connected System)
特殊功能1 最佳效能2 防止獨立運轉(連線保護)
3 可自力運轉
(E) 防逆流型系統(Off-line System)
(F) 防災型併聯系統
充電控制器
蓄電池
直交流轉換器
PCU太陽電池組列
交流負載
ATS
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
獨立型系統
適用地點高山離島基地台hellip等市電無法到達處
工作方式白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
必須可以自給自足
缺點bull 系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等
安全係數設計很困難)
bull 蓄電池建置複雜成本很高壽命很短
bull 負載搭配不良時發電效能不佳利用率將偏低
bull 需由專人隨時維護
bull 混合系統為一種解決方法
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
PCU
併聯型系統
適用地點電力正常送達之任何地點工作方式 bull 白天 PV系統併聯發電夜間由台電供電bull 將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的蓄電池
優點bull 系統簡單不需安全係數設計(依預算設計)不需要專人維護bull 併聯發電效率高利用率高
缺點bull 停電時無電可用bull 受併聯法規限制尚未開放(但即將開放)
bull 有孤島效應之疑慮(目前技術上已解決)
改善型無電池自力運轉
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
市電併聯型住宅用太陽光發電系統
太陽光發電系統發電及負載用電對時間之關係
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
併聯型直交流轉換器之效能要求較高
1 最大功率追蹤(Maximum Power Tracking MPT)
2 高轉換效率 gt 90 (PWM+電力電子元件)
3 高次諧波功率 Distortion (lt5 total)
4 自動開關機(白天夜晚)
5 過負載保護過溫度保護
6 體積小重量輕室外防水防塵
7 電腦界面可遠端監控
8 防止獨立運轉(連線保護)
9 可自力運轉
太陽電池組列
交流負載
直交流轉換器MPT
Power Conditioner
併聯系統之獨立運轉(單獨運轉)
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull停電時單一併聯系統將會停止運作
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
bull 市電停電時多數併聯系統仍聯合運作將對電力公司人員產生嚴重危害
孤島效應之防止方法
停電偵測1 過電壓低電壓
2 過頻率低頻率
3 被動式偵測如
bull 電壓與頻率監視方式
bull 電壓相位跳躍監視方式
bull 高次諧波監視方式
bull 頻率變化監視方式
PV組列
直交流轉換器
自家負載
4 主動偵測如
bull 頻率Shift方式
bull 配電線負載變動方式
bull 有效電力變動方式
bull 無效電力變動方式
反應時間05~2秒
資料來源「日本電氣用品試驗所」分散型電源系統連系技術指針(1998)
併聯系統之自力運轉功能
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull 大停電後白天有陽光時以人工啟動 PV 系統進行自力運轉供自家負載使用(但夜間無法使用)
防災型併聯型系統
適用地點有防災需求(照明汲水通信hellip)之公共設施
工作方式
bull 平時PV併聯發電(電池浮充) 效率高利用率高夜間由台電供電
bull 視需要建置供防災用電池大停電時白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
缺點bull 含電池成本較高bull 系統較複雜需專人定期維護
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
FAQ1太陽光發電需要多少土地
效率 = (輸出功率W) (組列面積 m2 x 日照強度 Wm2 ) x 100
模板面積 m2 = 輸出功率W (效率 x日照強度Wm2 ) x100
bull 假設使用效率gt136 模板於1000 Wm2 (AM15)日照強度下
10 kWp 模板面積 (m2) = 10000 (0136 x 1000) ~ 735 m2
10 kWp PV系統土地面積需求約
~ 735 m2 x 15 x 11
~ 121m2 (~36坪)
(包括陰影面積及維修空間)
bull 假設使用效率~10 模板
則模板面積約 ~ 100 m2
土地面積需求約 ~ 165m2 (~50坪)
gt55o
夏至
冬至
春秋分
235o 235oh
L1 L2
FAQ2太陽電池一年能發多少電
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
10 kWm2
05 kWm2
日照強度
等效日照時數(Sun Hour)
組列單日發電量 = 組列額定輸出功率 x 等效日照時數
bull 預估1 kWp 組列單日發電量 = 1 (kW) x ex 4(Sun Hour)= 4 kWh
組列年發電量 = 組列額定輸出功率 x 年平均每日日照時數 x 365
bull 預估 1 kWp 組列年發電量 = 1 x 4 x 365 = 1460 kWh
時間時間時間時間
FAQ3太陽光發電的成本(簡易估算)
1 假設目前太陽光發電系統設置成本約為 NT$ 280000 kWp
2 假設年平均每日日照時數約為 25 Sun Hour (台灣中南部地區)
bull 1 kWp 組列單日發電量= 1 (kW) x 25 (Hour)= 25 kWh
bull 1 kWp 組列年發電量= 25 x 365 = 913 kWh (度)
3 假設太陽光發電系統使用壽命為 20 年
bull 1 kWp 太陽光發電系統總共可發電 20 x 913 = 18260 度
4 生產每度電之成本約為 280000 18260 ~ NT$ 153
5 未來發展趨勢
bull 太陽光發電系統設置成本將逐年降低
bull 市電電費將會升高(國內目前約 NT$ 3 度日本約NT$ 7 度)
bull 傳統能源限制再生能源獎勵利率降低
64獨立型太陽光發電系統應用例(一)
bull太陽電池時鐘-日本bull太陽電池路燈-日本千里住宅公園
獨立型太陽光發電系統應用例(二)
bull太陽電池交通標誌-日本北海道 bull高速公路緊急電話-日本
獨立型太陽光發電系統應用例(三)
bull800W無線通信中繼基地台韓國(1998)
獨立型太陽光發電系統應用例(四)
bull離島用90kW獨立型發電系統韓國Ho-Do島(1992)
併聯型太陽光發電系統應用例(一)
bull設置於屋頂之住宅用太陽光發電系統(建材一體型日本千里住宅公園內住宅設計之一)
併聯型太陽光發電系統應用例(二)
bull日本東海線新幹線京都車站之太陽光發電系統(100kWp)
併聯型太陽光發電系統應用例(三)
bull日本京瓷(Kyocera)京都總公司大樓之太陽電池發電系統(220kWp)
太陽光發電發電廠應用例
太陽電池發電廠
(PV Power Plant)
資料來源 ANIT
Srl Italy
建材一體型太陽電池模板應用例
bull資料來源 Pilkington Solar International GmbH 德國
太陽能車應用例
Honda Dream
bull資料來源 PV Special Research
Centre UNSW Australia
交大太陽能車
bull資料來源 National Chiao-Tung
University Taiwan
太陽光發電航太應用例(NASA Helios )
bull空中無線通訊平台應用
資料來源SkyOne Inc Taiwan
bull 飛行高度5-7 萬英呎(最高記錄 96000 英呎)
bull 時速60 mph (起飛 25 mph)
bull 翼展247 英呎bull 重量2000 磅bull 太陽電池效率要求gt22
資料來源httpwwwaerovironmentcomhomehtml
清雲技術學院 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
個人住宅 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
勤益技術學院 3kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
南台科技大學 10kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
總統府 10kWp 獨立型太陽光能發電系統 (9012)
海巡署南沙太平島 20kWp 混合型(柴油發電機)太陽光能發電系統 (9011)
90能源基金示範補助成果例
台電樹林 20kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
併聯型
台電台北市區處 20kWp 太陽光發電系統
(91能源基金示範補助成果)
併聯型
7結論
bull (1)提高電力轉換器效率
bull 轉換器的損失主要來自於開關切換時之損失為了可以降低濾波電路中電感和電容的體積可以提高切換頻率但是相對於開關的切換損失也因此而增加導致轉換器的效率降低因此發展零電壓或零電流切換技術應用於高切換頻率之轉換器將可以提高轉換器的效率
bull (2)提高太陽光發電系統之整體效率
bull 傳統之太陽光發電系統包含儲能系統和供電系統前級利用DCDC轉換器作最大功率追蹤後級則利用DCAC轉換器轉換能量供應給交流負載為了提高太陽光發電系統的整體效率在研究可提出了模組並聯控制技術以提昇各級電力轉換器的效率而在未來太陽光發電系統也將著重在單級電力轉換器的設計對於整體系統效率有較明顯的改善
8參考資料
1許國強ldquo太陽光發電原理與應用工研院材料所 薄膜技術組91年
2華志強黃崇倫ldquo智慧型能量控制於太陽光電能轉換系統國立雲林科技大學電機工程學系電力研討會97年
3林政達ldquo數位式市電並聯換流器與快速鎖相迴路控制器之研製國立雲林科技大學電機工程學系碩士論文92 年
4李思賢ldquo數位式單相低功率太陽光電能轉換系統國立中山大學電機工程學系碩士論文92 年
5洪世杰ldquo適用於再生能源之市電併聯型雙輸入供電系統國立中正大學電機工程研究所碩士論文93 年
6王廷興ldquo太陽能發電配電設計概要台北科技大學冷凍空調系 92年
7魏榮宗王文宏ldquo高效率太陽光電能源轉換系統 元智大學電機工程學系94年
[ ] 100)25(
)11
(exp
1)(exp
3
λminus+=
minus
=
+minus
minus+minus=
TKII
TTBk
qE
T
TII
where
R
IRVIRV
AkT
qIII
ISCRLG
r
GO
r
oros
sh
ssosLG
VI cell output current and voltagecell reverse saturation currentcell temperature in CBoltzmannrsquos constantelectronic chargeshort circuit current temperature coefficientsolar irradiation in Wmshort-circuit current at 25 Cand 1000 Wm
light-generated currentband gap for siliconideality factorsreference temperaturecell saturation current atshunt resistanceseries resistance
osI
T
kq
00170=IK
SCRIλ
LGI
GOE
921== ABKTr deg= 18301
orI
shR
sR
附錄附錄附錄附錄- 太陽能電池太陽能電池太陽能電池太陽能電池
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
(a) Equivalent circuit of a PV module and
(b) Typical PV module current-voltage and power-voltage characteristics
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
Characteristic of a PV module with temperature and irradiation (a) constant irradiation and varying temperature and (b) constant temperature and varying irradiation
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
系統範例系統範例系統範例系統範例
中途驛站電化PV離島用PV系統山岳地帶PV系統離島偏遠區
勤務指揮中心緊急避難所醫療院所公園學校地震觀測站森林嘹望台避難指示燈氣象觀測所水位警報PV系統河川安全燈防波堤安全PV燈
緊急防災
緊急供電系統管線電氣防蝕輸油管流量計PV系統市場廣告塔海上石油平台各種計測站PV系統發電廠情報指揮中心
產業用
住宅用供電系統緊急供電系統緊急照明系統帷幕牆遮陽棚採光罩屋瓦建築物
無線通信用中繼站基地台緊急電話中繼站電話通信PV系統Radio受信PV系統微波中繼站
通訊
農宅用電溫室栽培PV系統農業灌溉用自動灑水系統農牧電籬牛乳冷藏漁業養殖揚水通氣自動餵食器
農林漁牧
路燈交通號誌道路指示牌標誌燈太陽能電動車充電站高速公路緊急電話偏遠道路緊急電話停車計時器停車場控制門系統高速公路防音壁PV系統公路休息區PV系統太陽能車平交道指示燈候車亭PV系統車站屋頂型PV系統
道路交通
收音機測電表手錶計算機太陽能照相機手電筒電池充電器野營燈民生
應用領域
0 t
vAo
V d
2
minusVd
2
t=0
v v
T on T off
control tri
A A
lt
minus + v v
T on T off
control tri
A A
gt
+ minus
1)( AoAo vv =之基本波
0 t
vcontrol vtri
sf
1
圖34反流器之開關的控制方法與io方向無關為
dAoAtricontrol VvTvv2
1=gt +導通
dAoAtricontrol VvTvv2
1minus=lt minus導通
由於二開關之導通為互補因此輸出電壓只在Vd 2與-Vd 2二值間作變
動圖35(b)所示為ma=08與mf =15時輸出電壓vAo及其基本波(以虛線表示)
之波形
+
_
+
_
+ +
__
Vd
Vd
2
Vd
2
A
N
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
vAN
oo
o
單相全橋式反流器
單相全橋式反流器如圖311所示乃由兩個前述之半橋反流器所組成在
相同之輸入電壓下全橋式反流器之最大輸出電壓為半橋式之兩倍這代
表在相同之功率下全橋式反流器之輸出及開關電流僅為半橋式之一半
此對於高功率用途是一大優點因其可以降低使用並聯元件之需求
+
_
+
_
+
_
Vd
Vd
2
Vd
2
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
v v vo Ao Bo= minuso
A
B
TBminus
TB+
DBminus
DB+
+_
id
o
o
N
雙極性電壓切換之脈波寬度調變
0 t
vcontrolvtri
sf
1
0 t
ov1ov
dV
dVminus
單極性電壓切換之脈波寬度調變
onBT +
trivgttricontrol vv gt
trivcontrolv
t
)( controlvminus
)( controlvminusonAT +
t1ov
dV
dVminus
)( BNAN
o
vv
v
minus=
應用雙極性電壓切換之脈波寬度調
變全橋式反流器乃 (TA+TB-)與 (TA-
TB+)成對切換且二者互相反相
應用單極性電壓切換之脈波寬度調
變全橋式反流器乃A臂與B獨立切
換且同臂二開關互相反相
三相反流器
+
-
+
-
+
-
dV
2dV
2dV
+AT
minusAT
+AD
minusAD
o
BminusT
+BT
minusBD
+BD
di
minusCT
+CT
minusCD
+CD
N
A B C
o
0 t
triv Acontrolv Bcontrolv Ccontrolv
0
BNANAB vvv minus=
t
dV
之基本波1LLv
ANv
0 t
dV
t0
BNv
dV
三相電壓源反流器之脈波寬度調變切換的功能為在固定輸入直流電壓下用以調整三相輸出電壓之振幅及頻率三相脈波寬度調變方式由三相各差120度的控制電壓與三角波作比較其波形與單相全橋式反流器採用脈波寬度調變單極性切換者類似
最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法
33最大功率追蹤最大功率追蹤最大功率追蹤最大功率追蹤
為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點本文使用本文使用本文使用本文使用擾動觀察法擾動觀察法擾動觀察法擾動觀察法(Perturbation and Observation Method PampQ)進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功率追蹤率追蹤率追蹤率追蹤由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點下圖為擾動下圖為擾動下圖為擾動下圖為擾動觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖為利用為利用為利用為利用DCDC轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作時時時時其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為0之特性之特性之特性之特性使用使用使用使用DCDC轉換器控制太陽轉換器控制太陽轉換器控制太陽轉換器控制太陽能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動
擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖
最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法
左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖蹤示意圖蹤示意圖蹤示意圖太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分為兩個特性區域為兩個特性區域為兩個特性區域為兩個特性區域假設進行追蹤假設進行追蹤假設進行追蹤假設進行追蹤時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時電壓電壓電壓電壓的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率增加增加增加增加若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出功率減少功率減少功率減少功率減少經由經由經由經由DCDC轉換器調轉換器調轉換器調轉換器調節太陽能板與節太陽能板與節太陽能板與節太陽能板與DCDC轉換器的阻轉換器的阻轉換器的阻轉換器的阻抗相互匹配抗相互匹配抗相互匹配抗相互匹配進而得到太陽能板進而得到太陽能板進而得到太陽能板進而得到太陽能板的最大輸出功率的最大輸出功率的最大輸出功率的最大輸出功率
擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖
4軟體規劃
bull 系統控制程式主要分為主程式固定週期中斷副程式市電電壓零交越中斷副程式等三大部分以下將分別介紹各部分程式流程
bull 本系統主程式主要執行數位訊號處理器周邊暫存器的初始設定以及變數宣告其中除了變數宣告外周邊暫存器的初始設定包括有規畫中斷向量設定計數器之計數模式計數週期中斷的時間和PWM 輸出模式等相關參數設定
bull 如圖8 所示系統初始設定後必須先等待中斷發生才能決定系統是否執行固定週期中斷程式或零交越中斷副程式
bull 圖9 為固定週期中斷副程式流程圖固定週期中斷頻率與換流器開關之切換頻率相同為20kHz程式開始會先偵測太陽能板電壓及電流與直流鏈電壓當確定市電電壓零交越中斷發生時必須先將輸出弦波訊號之指標強制為原點重新送出單位弦波確保換流器輸出電流與市電電壓能維持同相位接著比較太陽能板輸入電壓VPV 是否大於最低工作電壓VPV_work如果確定大於最低工作電壓則致能太陽能最大功率追蹤反之則禁能系統動作程式返回圖9 中的正弦脈寬調變副程式主要功能在於決定換流器中開關的動作順序與責任週期大小以及輸波參考訊號
bull 圖10 為太陽能最大功率點追蹤副程式流程圖在文中對最大功率追蹤採用擾動與觀察法配合太陽能光電板的電壓mdash功率特性曲線即可瞭解程式如何完成太陽能光電板最大功率點追蹤
主程式流程圖
5實驗
bull 依據上述的分析採用DSP 2407A 建立一個500W 太陽光電池電能轉換系統依據圖11 之
bull 電路架構其規格與元件參數分別列於表一表二及表三系統實驗波形圖12圖13圖14 及
bull 圖15 為系統操作在獨立運轉模式下負載分別為120W240W360W 及480W 時之換流器輸出
bull 電壓及輸出電流之實測波形
系統規格與元件參數
實測波形
6實務應用系統實務應用系統實務應用系統實務應用系統
獨立系統示意圖獨立系統示意圖
考慮點
系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等安全係數最佳化設計複雜)
一般充電控制器無 MPPT搭配蓄電池使發電效能較差
蓄電池每日gt50DOD深度放電gt02C充電壽命短
太陽光發電量與負載需求量不搭配時太陽光之發電能量利用率偏低 (負載需求搭配與安全係數為互相矛盾之設計)
PV-柴油發電機PV-風力等混合系統為改善之方法
市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台
電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池
併聯系統示意圖併聯系統示意圖
緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析
1 系統設置成本高建議使用於邊際效益高之用電（防災緊急輔助電力）
2 總體經濟效益減少環境污染解決尖峰用電之不足與短缺能源多元化之風險分擔與開創自主能源
3 遮蔽陽光直曬降低建築物之熱效應（被動省能）同時轉換太陽光為電能供應建物自主能源（主動節能）一舉兩得
緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較
30萬元divide21900kWh＝137元度2萬元divide50kWh＝400元度每度電成本
日發電度數times365天times20年＝3hrtimes1kWtimes365天times20年＝21900kWh（度）
（年停電＋年測試運轉時數）times10年＝（20mintimes6次＋15mintimes12月）times10年＝5hrtimes1kWtimes10年＝50kWh
總發電度數（1kw計）
夜間不發電（可利用蓄電池設計供電年維運費02）
噪音空污油料運輸儲油危險維運成本高
缺點
利用露台屋頂牆面空間設備煙管隔音油槽需室內空間
設置空間
平時緊急時均可使用隨時可了解運轉狀況不須操作
加ATS停電時方可啟動需人員每月定期測試運轉
系統運作
太陽光潔淨能源（免費）柴油使用燃料
20年7~10年使用壽命
1kW=30萬元1kW=2~3萬元設置費用
太陽光發電系統柴油發電機
風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析
運用多元化能源分擔風險情況比較說明如下
1 市電--gt停電時風險極高
2 市電＋柴油發電機--gt發電機故障時風險高
市電＋柴油發電機＋太陽光發電系統--gt發揮三者優點互補同時故障機率小風險最低
案例
832kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide057＝317 m2
115kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide075＝332 m2
緊急時057平時065~08
綜合係數溫度變化污損線損Inverter效率＋蓄電池充放電補償
電力需求divide（日照強度times日照時間times模板效率times綜合係數）
模組面積估算
日照強度1kWm2
日照時間384hd
模板效率12
832kWhd500人用電量115kWhd770人用電量
緊急時平時
電力需求估算
緊急時40kWtimes384hdtimes057＝875 kWhd
平時40kWtimes384hdtimes075＝1152Whd
太陽發電系統發電量＝設置容量times日照時間times綜合係數
發電量計算
332m2times1kWm2times12＝398kW≒40kW
太陽發電系統設置容量＝設置面積times日照強度times模板效率
設置容量計算模板效率依太陽電池種類而異
進行模板陣列及蓄電池容量設計
40kWdivide18片串divide120W＝185列≒19
列
40kWdivide17片串divide120W＝196列≒20
列
陣列併列數＝設置容量divide單串功率
18片times120W＝2160W
17片times120W＝2040W
單串功率
300Vdivide169V＝1775片（取整數17 or 18）
陣列串聯數＝Inverter輸入電壓divide模板輸出電壓
模板陣列設計
1 模板功率120W
2 模板輸出電壓169V
3 直交流轉換器(Inverter)輸入電壓300V
120Wtimes17片串times20列＝40800W＝340片(最佳陣列)
120Wtimes18片串times19列＝41080W＝342片
最佳陣列較經濟之設置容量選擇最佳陣列
蓄電池數量＝144個times2列＝288個
120640Whdivide288Vdivide200Ah＝21列≒2列
併列數＝蓄電池需求容量divideInverter額定電壓
288Vdivide2V＝144個
串聯數＝Inverter額定電壓divide蓄電池電壓串併數設計
middot 蓄電池電壓2V個
middot 蓄電池容量200Ah個
Inverter電壓輸入電壓 額定電壓300V 288V200V 192V
蓄電池需求容量＝832kWhdtimes1dtimes145＝12064kWh
蓄電池需求容量＝緊急電力需求times無日照天數times補償係數補償係數蓄電池內阻抗放電停止電壓電壓降低補償
蓄電池需求容量設計
middot 補償係數145
無日照天數1日
61市電相關規定市電相關規定市電相關規定市電相關規定
1 發電設備併接於低壓系統者其總容量未滿100kW且技術無困難者得併接於單相三線110V220V三相三線220V之配電系統若總容量在100kW以上而未滿500kW得分別併接於3相4線220V380V之配電系統
2 發電設備總容量在500kW以上而未滿5000kW10000kW且技術無困難者得分別併接於114KV228KV之高壓配電系統
3 電設備總容量在10000kW以上而未滿40000kW者得併接於特高壓之系統
4 發電設備總容量在40000kW以上者依個案研討分類
併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類
發電系統經由發電系統經由發電系統經由發電系統經由110V220V110V220V110V220V110V220V併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者發電設發電設發電設發電設備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能
1 過電壓保護 低電壓保護
2 低頻保護 高頻保護
3 過電流保護 零相過電壓接地保護
4 發電設備為無逆送電力者須加裝逆電力保護
5 發電設備為有逆送電力者必須具備主動及被動防止單獨運轉保護
發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經110V220V110V220V110V220V110V220V系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者在電在電在電在電源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器
發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業114KV228KV114KV228KV114KV228KV114KV228KV之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者((((高高高高壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶))))發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Extremely Inverse特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Extremely Inverse特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過流電驛(67)須具Normal Inverse特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
發電設備併接於電業69KV特高壓輸電系統者發電設備之輸出端至少應具有下列同等保護功能並須與電業該轄區之保護設備協調
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Normal Inverse之特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Normal Inverse之特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過電流電驛(67)須具Normal Inverse之特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
8 快速及後衛保護電驛如系統保護需要時應裝設
9 匯流排電驛採用GIS斷路器者應裝設
62626262太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範
1 故障電流
太陽光電發電系統大於100kW以上須計算故障電流其送至電業系統之故障電流不得影響電業及其他用戶斷路器之起斷容量否則需裝置限流電抗器
太陽光電發電系統之隔離變壓器接地方式須與電業之系統配合
2 正常電壓變動率應維持在plusmn5以內
3 太陽光電發電系統與電業間之責任分界點的功率因數以維持85落後至100之間運轉為原則
4 諧波污染限制應依照「電力系統諧波管制暫行標準」辦理
分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性
適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯型之規範型之規範型之規範型之規範
電力轉換器電力轉換器電力轉換器電力轉換器(電力調節器電力調節器電力調節器電力調節器)(InverterConditioner)
蓄電池蓄電池蓄電池蓄電池(Battery))
63大型(商用)太陽光發電系統應用(gt1 kWp)
太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統
單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池(Unit Solar Cell)
太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板(PV Module)
太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列(PV Array)
太陽光發電系統應用獨立系統
(A) 獨立系統(Stand-Alone
System)
bull 蓄電池保護壽命
(B) 混合型交流獨立系統 (Hybrid
System)
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
直流負載PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
整流器
輔助發電機
PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載- ~PCU
直直直直交流轉換器交流轉換器交流轉換器交流轉換器
太陽光發電系統應用併聯系統
(D)併聯系統(Grid-
connected System)
特殊功能1 最佳效能2 防止獨立運轉(連線保護)
3 可自力運轉
(E) 防逆流型系統(Off-line System)
(F) 防災型併聯系統
充電控制器
蓄電池
直交流轉換器
PCU太陽電池組列
交流負載
ATS
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
獨立型系統
適用地點高山離島基地台hellip等市電無法到達處
工作方式白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
必須可以自給自足
缺點bull 系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等
安全係數設計很困難)
bull 蓄電池建置複雜成本很高壽命很短
bull 負載搭配不良時發電效能不佳利用率將偏低
bull 需由專人隨時維護
bull 混合系統為一種解決方法
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
PCU
併聯型系統
適用地點電力正常送達之任何地點工作方式 bull 白天 PV系統併聯發電夜間由台電供電bull 將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的蓄電池
優點bull 系統簡單不需安全係數設計(依預算設計)不需要專人維護bull 併聯發電效率高利用率高
缺點bull 停電時無電可用bull 受併聯法規限制尚未開放(但即將開放)
bull 有孤島效應之疑慮(目前技術上已解決)
改善型無電池自力運轉
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
市電併聯型住宅用太陽光發電系統
太陽光發電系統發電及負載用電對時間之關係
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
併聯型直交流轉換器之效能要求較高
1 最大功率追蹤(Maximum Power Tracking MPT)
2 高轉換效率 gt 90 (PWM+電力電子元件)
3 高次諧波功率 Distortion (lt5 total)
4 自動開關機(白天夜晚)
5 過負載保護過溫度保護
6 體積小重量輕室外防水防塵
7 電腦界面可遠端監控
8 防止獨立運轉(連線保護)
9 可自力運轉
太陽電池組列
交流負載
直交流轉換器MPT
Power Conditioner
併聯系統之獨立運轉(單獨運轉)
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull停電時單一併聯系統將會停止運作
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
bull 市電停電時多數併聯系統仍聯合運作將對電力公司人員產生嚴重危害
孤島效應之防止方法
停電偵測1 過電壓低電壓
2 過頻率低頻率
3 被動式偵測如
bull 電壓與頻率監視方式
bull 電壓相位跳躍監視方式
bull 高次諧波監視方式
bull 頻率變化監視方式
PV組列
直交流轉換器
自家負載
4 主動偵測如
bull 頻率Shift方式
bull 配電線負載變動方式
bull 有效電力變動方式
bull 無效電力變動方式
反應時間05~2秒
資料來源「日本電氣用品試驗所」分散型電源系統連系技術指針(1998)
併聯系統之自力運轉功能
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull 大停電後白天有陽光時以人工啟動 PV 系統進行自力運轉供自家負載使用(但夜間無法使用)
防災型併聯型系統
適用地點有防災需求(照明汲水通信hellip)之公共設施
工作方式
bull 平時PV併聯發電(電池浮充) 效率高利用率高夜間由台電供電
bull 視需要建置供防災用電池大停電時白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
缺點bull 含電池成本較高bull 系統較複雜需專人定期維護
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
FAQ1太陽光發電需要多少土地
效率 = (輸出功率W) (組列面積 m2 x 日照強度 Wm2 ) x 100
模板面積 m2 = 輸出功率W (效率 x日照強度Wm2 ) x100
bull 假設使用效率gt136 模板於1000 Wm2 (AM15)日照強度下
10 kWp 模板面積 (m2) = 10000 (0136 x 1000) ~ 735 m2
10 kWp PV系統土地面積需求約
~ 735 m2 x 15 x 11
~ 121m2 (~36坪)
(包括陰影面積及維修空間)
bull 假設使用效率~10 模板
則模板面積約 ~ 100 m2
土地面積需求約 ~ 165m2 (~50坪)
gt55o
夏至
冬至
春秋分
235o 235oh
L1 L2
FAQ2太陽電池一年能發多少電
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
10 kWm2
05 kWm2
日照強度
等效日照時數(Sun Hour)
組列單日發電量 = 組列額定輸出功率 x 等效日照時數
bull 預估1 kWp 組列單日發電量 = 1 (kW) x ex 4(Sun Hour)= 4 kWh
組列年發電量 = 組列額定輸出功率 x 年平均每日日照時數 x 365
bull 預估 1 kWp 組列年發電量 = 1 x 4 x 365 = 1460 kWh
時間時間時間時間
FAQ3太陽光發電的成本(簡易估算)
1 假設目前太陽光發電系統設置成本約為 NT$ 280000 kWp
2 假設年平均每日日照時數約為 25 Sun Hour (台灣中南部地區)
bull 1 kWp 組列單日發電量= 1 (kW) x 25 (Hour)= 25 kWh
bull 1 kWp 組列年發電量= 25 x 365 = 913 kWh (度)
3 假設太陽光發電系統使用壽命為 20 年
bull 1 kWp 太陽光發電系統總共可發電 20 x 913 = 18260 度
4 生產每度電之成本約為 280000 18260 ~ NT$ 153
5 未來發展趨勢
bull 太陽光發電系統設置成本將逐年降低
bull 市電電費將會升高(國內目前約 NT$ 3 度日本約NT$ 7 度)
bull 傳統能源限制再生能源獎勵利率降低
64獨立型太陽光發電系統應用例(一)
bull太陽電池時鐘-日本bull太陽電池路燈-日本千里住宅公園
獨立型太陽光發電系統應用例(二)
bull太陽電池交通標誌-日本北海道 bull高速公路緊急電話-日本
獨立型太陽光發電系統應用例(三)
bull800W無線通信中繼基地台韓國(1998)
獨立型太陽光發電系統應用例(四)
bull離島用90kW獨立型發電系統韓國Ho-Do島(1992)
併聯型太陽光發電系統應用例(一)
bull設置於屋頂之住宅用太陽光發電系統(建材一體型日本千里住宅公園內住宅設計之一)
併聯型太陽光發電系統應用例(二)
bull日本東海線新幹線京都車站之太陽光發電系統(100kWp)
併聯型太陽光發電系統應用例(三)
bull日本京瓷(Kyocera)京都總公司大樓之太陽電池發電系統(220kWp)
太陽光發電發電廠應用例
太陽電池發電廠
(PV Power Plant)
資料來源 ANIT
Srl Italy
建材一體型太陽電池模板應用例
bull資料來源 Pilkington Solar International GmbH 德國
太陽能車應用例
Honda Dream
bull資料來源 PV Special Research
Centre UNSW Australia
交大太陽能車
bull資料來源 National Chiao-Tung
University Taiwan
太陽光發電航太應用例(NASA Helios )
bull空中無線通訊平台應用
資料來源SkyOne Inc Taiwan
bull 飛行高度5-7 萬英呎(最高記錄 96000 英呎)
bull 時速60 mph (起飛 25 mph)
bull 翼展247 英呎bull 重量2000 磅bull 太陽電池效率要求gt22
資料來源httpwwwaerovironmentcomhomehtml
清雲技術學院 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
個人住宅 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
勤益技術學院 3kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
南台科技大學 10kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
總統府 10kWp 獨立型太陽光能發電系統 (9012)
海巡署南沙太平島 20kWp 混合型(柴油發電機)太陽光能發電系統 (9011)
90能源基金示範補助成果例
台電樹林 20kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
併聯型
台電台北市區處 20kWp 太陽光發電系統
(91能源基金示範補助成果)
併聯型
7結論
bull (1)提高電力轉換器效率
bull 轉換器的損失主要來自於開關切換時之損失為了可以降低濾波電路中電感和電容的體積可以提高切換頻率但是相對於開關的切換損失也因此而增加導致轉換器的效率降低因此發展零電壓或零電流切換技術應用於高切換頻率之轉換器將可以提高轉換器的效率
bull (2)提高太陽光發電系統之整體效率
bull 傳統之太陽光發電系統包含儲能系統和供電系統前級利用DCDC轉換器作最大功率追蹤後級則利用DCAC轉換器轉換能量供應給交流負載為了提高太陽光發電系統的整體效率在研究可提出了模組並聯控制技術以提昇各級電力轉換器的效率而在未來太陽光發電系統也將著重在單級電力轉換器的設計對於整體系統效率有較明顯的改善
8參考資料
1許國強ldquo太陽光發電原理與應用工研院材料所 薄膜技術組91年
2華志強黃崇倫ldquo智慧型能量控制於太陽光電能轉換系統國立雲林科技大學電機工程學系電力研討會97年
3林政達ldquo數位式市電並聯換流器與快速鎖相迴路控制器之研製國立雲林科技大學電機工程學系碩士論文92 年
4李思賢ldquo數位式單相低功率太陽光電能轉換系統國立中山大學電機工程學系碩士論文92 年
5洪世杰ldquo適用於再生能源之市電併聯型雙輸入供電系統國立中正大學電機工程研究所碩士論文93 年
6王廷興ldquo太陽能發電配電設計概要台北科技大學冷凍空調系 92年
7魏榮宗王文宏ldquo高效率太陽光電能源轉換系統 元智大學電機工程學系94年
[ ] 100)25(
)11
(exp
1)(exp
3
λminus+=
minus
=
+minus
minus+minus=
TKII
TTBk
qE
T
TII
where
R
IRVIRV
AkT
qIII
ISCRLG
r
GO
r
oros
sh
ssosLG
VI cell output current and voltagecell reverse saturation currentcell temperature in CBoltzmannrsquos constantelectronic chargeshort circuit current temperature coefficientsolar irradiation in Wmshort-circuit current at 25 Cand 1000 Wm
light-generated currentband gap for siliconideality factorsreference temperaturecell saturation current atshunt resistanceseries resistance
osI
T
kq
00170=IK
SCRIλ
LGI
GOE
921== ABKTr deg= 18301
orI
shR
sR
附錄附錄附錄附錄- 太陽能電池太陽能電池太陽能電池太陽能電池
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
(a) Equivalent circuit of a PV module and
(b) Typical PV module current-voltage and power-voltage characteristics
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
Characteristic of a PV module with temperature and irradiation (a) constant irradiation and varying temperature and (b) constant temperature and varying irradiation
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
系統範例系統範例系統範例系統範例
中途驛站電化PV離島用PV系統山岳地帶PV系統離島偏遠區
勤務指揮中心緊急避難所醫療院所公園學校地震觀測站森林嘹望台避難指示燈氣象觀測所水位警報PV系統河川安全燈防波堤安全PV燈
緊急防災
緊急供電系統管線電氣防蝕輸油管流量計PV系統市場廣告塔海上石油平台各種計測站PV系統發電廠情報指揮中心
產業用
住宅用供電系統緊急供電系統緊急照明系統帷幕牆遮陽棚採光罩屋瓦建築物
無線通信用中繼站基地台緊急電話中繼站電話通信PV系統Radio受信PV系統微波中繼站
通訊
農宅用電溫室栽培PV系統農業灌溉用自動灑水系統農牧電籬牛乳冷藏漁業養殖揚水通氣自動餵食器
農林漁牧
路燈交通號誌道路指示牌標誌燈太陽能電動車充電站高速公路緊急電話偏遠道路緊急電話停車計時器停車場控制門系統高速公路防音壁PV系統公路休息區PV系統太陽能車平交道指示燈候車亭PV系統車站屋頂型PV系統
道路交通
收音機測電表手錶計算機太陽能照相機手電筒電池充電器野營燈民生
應用領域
單相全橋式反流器
單相全橋式反流器如圖311所示乃由兩個前述之半橋反流器所組成在
相同之輸入電壓下全橋式反流器之最大輸出電壓為半橋式之兩倍這代
表在相同之功率下全橋式反流器之輸出及開關電流僅為半橋式之一半
此對於高功率用途是一大優點因其可以降低使用並聯元件之需求
+
_
+
_
+
_
Vd
Vd
2
Vd
2
TA+
TAminus
DA+
DAminus
io
v v vo Ao Bo= minuso
A
B
TBminus
TB+
DBminus
DB+
+_
id
o
o
N
雙極性電壓切換之脈波寬度調變
0 t
vcontrolvtri
sf
1
0 t
ov1ov
dV
dVminus
單極性電壓切換之脈波寬度調變
onBT +
trivgttricontrol vv gt
trivcontrolv
t
)( controlvminus
)( controlvminusonAT +
t1ov
dV
dVminus
)( BNAN
o
vv
v
minus=
應用雙極性電壓切換之脈波寬度調
變全橋式反流器乃 (TA+TB-)與 (TA-
TB+)成對切換且二者互相反相
應用單極性電壓切換之脈波寬度調
變全橋式反流器乃A臂與B獨立切
換且同臂二開關互相反相
三相反流器
+
-
+
-
+
-
dV
2dV
2dV
+AT
minusAT
+AD
minusAD
o
BminusT
+BT
minusBD
+BD
di
minusCT
+CT
minusCD
+CD
N
A B C
o
0 t
triv Acontrolv Bcontrolv Ccontrolv
0
BNANAB vvv minus=
t
dV
之基本波1LLv
ANv
0 t
dV
t0
BNv
dV
三相電壓源反流器之脈波寬度調變切換的功能為在固定輸入直流電壓下用以調整三相輸出電壓之振幅及頻率三相脈波寬度調變方式由三相各差120度的控制電壓與三角波作比較其波形與單相全橋式反流器採用脈波寬度調變單極性切換者類似
最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法
33最大功率追蹤最大功率追蹤最大功率追蹤最大功率追蹤
為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點本文使用本文使用本文使用本文使用擾動觀察法擾動觀察法擾動觀察法擾動觀察法(Perturbation and Observation Method PampQ)進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功率追蹤率追蹤率追蹤率追蹤由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點下圖為擾動下圖為擾動下圖為擾動下圖為擾動觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖為利用為利用為利用為利用DCDC轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作時時時時其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為0之特性之特性之特性之特性使用使用使用使用DCDC轉換器控制太陽轉換器控制太陽轉換器控制太陽轉換器控制太陽能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動
擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖
最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法
左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖蹤示意圖蹤示意圖蹤示意圖太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分為兩個特性區域為兩個特性區域為兩個特性區域為兩個特性區域假設進行追蹤假設進行追蹤假設進行追蹤假設進行追蹤時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時電壓電壓電壓電壓的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率增加增加增加增加若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出功率減少功率減少功率減少功率減少經由經由經由經由DCDC轉換器調轉換器調轉換器調轉換器調節太陽能板與節太陽能板與節太陽能板與節太陽能板與DCDC轉換器的阻轉換器的阻轉換器的阻轉換器的阻抗相互匹配抗相互匹配抗相互匹配抗相互匹配進而得到太陽能板進而得到太陽能板進而得到太陽能板進而得到太陽能板的最大輸出功率的最大輸出功率的最大輸出功率的最大輸出功率
擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖
4軟體規劃
bull 系統控制程式主要分為主程式固定週期中斷副程式市電電壓零交越中斷副程式等三大部分以下將分別介紹各部分程式流程
bull 本系統主程式主要執行數位訊號處理器周邊暫存器的初始設定以及變數宣告其中除了變數宣告外周邊暫存器的初始設定包括有規畫中斷向量設定計數器之計數模式計數週期中斷的時間和PWM 輸出模式等相關參數設定
bull 如圖8 所示系統初始設定後必須先等待中斷發生才能決定系統是否執行固定週期中斷程式或零交越中斷副程式
bull 圖9 為固定週期中斷副程式流程圖固定週期中斷頻率與換流器開關之切換頻率相同為20kHz程式開始會先偵測太陽能板電壓及電流與直流鏈電壓當確定市電電壓零交越中斷發生時必須先將輸出弦波訊號之指標強制為原點重新送出單位弦波確保換流器輸出電流與市電電壓能維持同相位接著比較太陽能板輸入電壓VPV 是否大於最低工作電壓VPV_work如果確定大於最低工作電壓則致能太陽能最大功率追蹤反之則禁能系統動作程式返回圖9 中的正弦脈寬調變副程式主要功能在於決定換流器中開關的動作順序與責任週期大小以及輸波參考訊號
bull 圖10 為太陽能最大功率點追蹤副程式流程圖在文中對最大功率追蹤採用擾動與觀察法配合太陽能光電板的電壓mdash功率特性曲線即可瞭解程式如何完成太陽能光電板最大功率點追蹤
主程式流程圖
5實驗
bull 依據上述的分析採用DSP 2407A 建立一個500W 太陽光電池電能轉換系統依據圖11 之
bull 電路架構其規格與元件參數分別列於表一表二及表三系統實驗波形圖12圖13圖14 及
bull 圖15 為系統操作在獨立運轉模式下負載分別為120W240W360W 及480W 時之換流器輸出
bull 電壓及輸出電流之實測波形
系統規格與元件參數
實測波形
6實務應用系統實務應用系統實務應用系統實務應用系統
獨立系統示意圖獨立系統示意圖
考慮點
系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等安全係數最佳化設計複雜)
一般充電控制器無 MPPT搭配蓄電池使發電效能較差
蓄電池每日gt50DOD深度放電gt02C充電壽命短
太陽光發電量與負載需求量不搭配時太陽光之發電能量利用率偏低 (負載需求搭配與安全係數為互相矛盾之設計)
PV-柴油發電機PV-風力等混合系統為改善之方法
市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台
電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池
併聯系統示意圖併聯系統示意圖
緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析
1 系統設置成本高建議使用於邊際效益高之用電（防災緊急輔助電力）
2 總體經濟效益減少環境污染解決尖峰用電之不足與短缺能源多元化之風險分擔與開創自主能源
3 遮蔽陽光直曬降低建築物之熱效應（被動省能）同時轉換太陽光為電能供應建物自主能源（主動節能）一舉兩得
緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較
30萬元divide21900kWh＝137元度2萬元divide50kWh＝400元度每度電成本
日發電度數times365天times20年＝3hrtimes1kWtimes365天times20年＝21900kWh（度）
（年停電＋年測試運轉時數）times10年＝（20mintimes6次＋15mintimes12月）times10年＝5hrtimes1kWtimes10年＝50kWh
總發電度數（1kw計）
夜間不發電（可利用蓄電池設計供電年維運費02）
噪音空污油料運輸儲油危險維運成本高
缺點
利用露台屋頂牆面空間設備煙管隔音油槽需室內空間
設置空間
平時緊急時均可使用隨時可了解運轉狀況不須操作
加ATS停電時方可啟動需人員每月定期測試運轉
系統運作
太陽光潔淨能源（免費）柴油使用燃料
20年7~10年使用壽命
1kW=30萬元1kW=2~3萬元設置費用
太陽光發電系統柴油發電機
風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析
運用多元化能源分擔風險情況比較說明如下
1 市電--gt停電時風險極高
2 市電＋柴油發電機--gt發電機故障時風險高
市電＋柴油發電機＋太陽光發電系統--gt發揮三者優點互補同時故障機率小風險最低
案例
832kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide057＝317 m2
115kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide075＝332 m2
緊急時057平時065~08
綜合係數溫度變化污損線損Inverter效率＋蓄電池充放電補償
電力需求divide（日照強度times日照時間times模板效率times綜合係數）
模組面積估算
日照強度1kWm2
日照時間384hd
模板效率12
832kWhd500人用電量115kWhd770人用電量
緊急時平時
電力需求估算
緊急時40kWtimes384hdtimes057＝875 kWhd
平時40kWtimes384hdtimes075＝1152Whd
太陽發電系統發電量＝設置容量times日照時間times綜合係數
發電量計算
332m2times1kWm2times12＝398kW≒40kW
太陽發電系統設置容量＝設置面積times日照強度times模板效率
設置容量計算模板效率依太陽電池種類而異
進行模板陣列及蓄電池容量設計
40kWdivide18片串divide120W＝185列≒19
列
40kWdivide17片串divide120W＝196列≒20
列
陣列併列數＝設置容量divide單串功率
18片times120W＝2160W
17片times120W＝2040W
單串功率
300Vdivide169V＝1775片（取整數17 or 18）
陣列串聯數＝Inverter輸入電壓divide模板輸出電壓
模板陣列設計
1 模板功率120W
2 模板輸出電壓169V
3 直交流轉換器(Inverter)輸入電壓300V
120Wtimes17片串times20列＝40800W＝340片(最佳陣列)
120Wtimes18片串times19列＝41080W＝342片
最佳陣列較經濟之設置容量選擇最佳陣列
蓄電池數量＝144個times2列＝288個
120640Whdivide288Vdivide200Ah＝21列≒2列
併列數＝蓄電池需求容量divideInverter額定電壓
288Vdivide2V＝144個
串聯數＝Inverter額定電壓divide蓄電池電壓串併數設計
middot 蓄電池電壓2V個
middot 蓄電池容量200Ah個
Inverter電壓輸入電壓 額定電壓300V 288V200V 192V
蓄電池需求容量＝832kWhdtimes1dtimes145＝12064kWh
蓄電池需求容量＝緊急電力需求times無日照天數times補償係數補償係數蓄電池內阻抗放電停止電壓電壓降低補償
蓄電池需求容量設計
middot 補償係數145
無日照天數1日
61市電相關規定市電相關規定市電相關規定市電相關規定
1 發電設備併接於低壓系統者其總容量未滿100kW且技術無困難者得併接於單相三線110V220V三相三線220V之配電系統若總容量在100kW以上而未滿500kW得分別併接於3相4線220V380V之配電系統
2 發電設備總容量在500kW以上而未滿5000kW10000kW且技術無困難者得分別併接於114KV228KV之高壓配電系統
3 電設備總容量在10000kW以上而未滿40000kW者得併接於特高壓之系統
4 發電設備總容量在40000kW以上者依個案研討分類
併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類
發電系統經由發電系統經由發電系統經由發電系統經由110V220V110V220V110V220V110V220V併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者發電設發電設發電設發電設備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能
1 過電壓保護 低電壓保護
2 低頻保護 高頻保護
3 過電流保護 零相過電壓接地保護
4 發電設備為無逆送電力者須加裝逆電力保護
5 發電設備為有逆送電力者必須具備主動及被動防止單獨運轉保護
發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經110V220V110V220V110V220V110V220V系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者在電在電在電在電源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器
發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業114KV228KV114KV228KV114KV228KV114KV228KV之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者((((高高高高壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶))))發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Extremely Inverse特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Extremely Inverse特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過流電驛(67)須具Normal Inverse特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
發電設備併接於電業69KV特高壓輸電系統者發電設備之輸出端至少應具有下列同等保護功能並須與電業該轄區之保護設備協調
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Normal Inverse之特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Normal Inverse之特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過電流電驛(67)須具Normal Inverse之特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
8 快速及後衛保護電驛如系統保護需要時應裝設
9 匯流排電驛採用GIS斷路器者應裝設
62626262太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範
1 故障電流
太陽光電發電系統大於100kW以上須計算故障電流其送至電業系統之故障電流不得影響電業及其他用戶斷路器之起斷容量否則需裝置限流電抗器
太陽光電發電系統之隔離變壓器接地方式須與電業之系統配合
2 正常電壓變動率應維持在plusmn5以內
3 太陽光電發電系統與電業間之責任分界點的功率因數以維持85落後至100之間運轉為原則
4 諧波污染限制應依照「電力系統諧波管制暫行標準」辦理
分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性
適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯型之規範型之規範型之規範型之規範
電力轉換器電力轉換器電力轉換器電力轉換器(電力調節器電力調節器電力調節器電力調節器)(InverterConditioner)
蓄電池蓄電池蓄電池蓄電池(Battery))
63大型(商用)太陽光發電系統應用(gt1 kWp)
太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統
單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池(Unit Solar Cell)
太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板(PV Module)
太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列(PV Array)
太陽光發電系統應用獨立系統
(A) 獨立系統(Stand-Alone
System)
bull 蓄電池保護壽命
(B) 混合型交流獨立系統 (Hybrid
System)
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
直流負載PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
整流器
輔助發電機
PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載- ~PCU
直直直直交流轉換器交流轉換器交流轉換器交流轉換器
太陽光發電系統應用併聯系統
(D)併聯系統(Grid-
connected System)
特殊功能1 最佳效能2 防止獨立運轉(連線保護)
3 可自力運轉
(E) 防逆流型系統(Off-line System)
(F) 防災型併聯系統
充電控制器
蓄電池
直交流轉換器
PCU太陽電池組列
交流負載
ATS
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
獨立型系統
適用地點高山離島基地台hellip等市電無法到達處
工作方式白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
必須可以自給自足
缺點bull 系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等
安全係數設計很困難)
bull 蓄電池建置複雜成本很高壽命很短
bull 負載搭配不良時發電效能不佳利用率將偏低
bull 需由專人隨時維護
bull 混合系統為一種解決方法
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
PCU
併聯型系統
適用地點電力正常送達之任何地點工作方式 bull 白天 PV系統併聯發電夜間由台電供電bull 將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的蓄電池
優點bull 系統簡單不需安全係數設計(依預算設計)不需要專人維護bull 併聯發電效率高利用率高
缺點bull 停電時無電可用bull 受併聯法規限制尚未開放(但即將開放)
bull 有孤島效應之疑慮(目前技術上已解決)
改善型無電池自力運轉
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
市電併聯型住宅用太陽光發電系統
太陽光發電系統發電及負載用電對時間之關係
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
併聯型直交流轉換器之效能要求較高
1 最大功率追蹤(Maximum Power Tracking MPT)
2 高轉換效率 gt 90 (PWM+電力電子元件)
3 高次諧波功率 Distortion (lt5 total)
4 自動開關機(白天夜晚)
5 過負載保護過溫度保護
6 體積小重量輕室外防水防塵
7 電腦界面可遠端監控
8 防止獨立運轉(連線保護)
9 可自力運轉
太陽電池組列
交流負載
直交流轉換器MPT
Power Conditioner
併聯系統之獨立運轉(單獨運轉)
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull停電時單一併聯系統將會停止運作
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
bull 市電停電時多數併聯系統仍聯合運作將對電力公司人員產生嚴重危害
孤島效應之防止方法
停電偵測1 過電壓低電壓
2 過頻率低頻率
3 被動式偵測如
bull 電壓與頻率監視方式
bull 電壓相位跳躍監視方式
bull 高次諧波監視方式
bull 頻率變化監視方式
PV組列
直交流轉換器
自家負載
4 主動偵測如
bull 頻率Shift方式
bull 配電線負載變動方式
bull 有效電力變動方式
bull 無效電力變動方式
反應時間05~2秒
資料來源「日本電氣用品試驗所」分散型電源系統連系技術指針(1998)
併聯系統之自力運轉功能
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull 大停電後白天有陽光時以人工啟動 PV 系統進行自力運轉供自家負載使用(但夜間無法使用)
防災型併聯型系統
適用地點有防災需求(照明汲水通信hellip)之公共設施
工作方式
bull 平時PV併聯發電(電池浮充) 效率高利用率高夜間由台電供電
bull 視需要建置供防災用電池大停電時白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
缺點bull 含電池成本較高bull 系統較複雜需專人定期維護
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
FAQ1太陽光發電需要多少土地
效率 = (輸出功率W) (組列面積 m2 x 日照強度 Wm2 ) x 100
模板面積 m2 = 輸出功率W (效率 x日照強度Wm2 ) x100
bull 假設使用效率gt136 模板於1000 Wm2 (AM15)日照強度下
10 kWp 模板面積 (m2) = 10000 (0136 x 1000) ~ 735 m2
10 kWp PV系統土地面積需求約
~ 735 m2 x 15 x 11
~ 121m2 (~36坪)
(包括陰影面積及維修空間)
bull 假設使用效率~10 模板
則模板面積約 ~ 100 m2
土地面積需求約 ~ 165m2 (~50坪)
gt55o
夏至
冬至
春秋分
235o 235oh
L1 L2
FAQ2太陽電池一年能發多少電
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
10 kWm2
05 kWm2
日照強度
等效日照時數(Sun Hour)
組列單日發電量 = 組列額定輸出功率 x 等效日照時數
bull 預估1 kWp 組列單日發電量 = 1 (kW) x ex 4(Sun Hour)= 4 kWh
組列年發電量 = 組列額定輸出功率 x 年平均每日日照時數 x 365
bull 預估 1 kWp 組列年發電量 = 1 x 4 x 365 = 1460 kWh
時間時間時間時間
FAQ3太陽光發電的成本(簡易估算)
1 假設目前太陽光發電系統設置成本約為 NT$ 280000 kWp
2 假設年平均每日日照時數約為 25 Sun Hour (台灣中南部地區)
bull 1 kWp 組列單日發電量= 1 (kW) x 25 (Hour)= 25 kWh
bull 1 kWp 組列年發電量= 25 x 365 = 913 kWh (度)
3 假設太陽光發電系統使用壽命為 20 年
bull 1 kWp 太陽光發電系統總共可發電 20 x 913 = 18260 度
4 生產每度電之成本約為 280000 18260 ~ NT$ 153
5 未來發展趨勢
bull 太陽光發電系統設置成本將逐年降低
bull 市電電費將會升高(國內目前約 NT$ 3 度日本約NT$ 7 度)
bull 傳統能源限制再生能源獎勵利率降低
64獨立型太陽光發電系統應用例(一)
bull太陽電池時鐘-日本bull太陽電池路燈-日本千里住宅公園
獨立型太陽光發電系統應用例(二)
bull太陽電池交通標誌-日本北海道 bull高速公路緊急電話-日本
獨立型太陽光發電系統應用例(三)
bull800W無線通信中繼基地台韓國(1998)
獨立型太陽光發電系統應用例(四)
bull離島用90kW獨立型發電系統韓國Ho-Do島(1992)
併聯型太陽光發電系統應用例(一)
bull設置於屋頂之住宅用太陽光發電系統(建材一體型日本千里住宅公園內住宅設計之一)
併聯型太陽光發電系統應用例(二)
bull日本東海線新幹線京都車站之太陽光發電系統(100kWp)
併聯型太陽光發電系統應用例(三)
bull日本京瓷(Kyocera)京都總公司大樓之太陽電池發電系統(220kWp)
太陽光發電發電廠應用例
太陽電池發電廠
(PV Power Plant)
資料來源 ANIT
Srl Italy
建材一體型太陽電池模板應用例
bull資料來源 Pilkington Solar International GmbH 德國
太陽能車應用例
Honda Dream
bull資料來源 PV Special Research
Centre UNSW Australia
交大太陽能車
bull資料來源 National Chiao-Tung
University Taiwan
太陽光發電航太應用例(NASA Helios )
bull空中無線通訊平台應用
資料來源SkyOne Inc Taiwan
bull 飛行高度5-7 萬英呎(最高記錄 96000 英呎)
bull 時速60 mph (起飛 25 mph)
bull 翼展247 英呎bull 重量2000 磅bull 太陽電池效率要求gt22
資料來源httpwwwaerovironmentcomhomehtml
清雲技術學院 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
個人住宅 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
勤益技術學院 3kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
南台科技大學 10kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
總統府 10kWp 獨立型太陽光能發電系統 (9012)
海巡署南沙太平島 20kWp 混合型(柴油發電機)太陽光能發電系統 (9011)
90能源基金示範補助成果例
台電樹林 20kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
併聯型
台電台北市區處 20kWp 太陽光發電系統
(91能源基金示範補助成果)
併聯型
7結論
bull (1)提高電力轉換器效率
bull 轉換器的損失主要來自於開關切換時之損失為了可以降低濾波電路中電感和電容的體積可以提高切換頻率但是相對於開關的切換損失也因此而增加導致轉換器的效率降低因此發展零電壓或零電流切換技術應用於高切換頻率之轉換器將可以提高轉換器的效率
bull (2)提高太陽光發電系統之整體效率
bull 傳統之太陽光發電系統包含儲能系統和供電系統前級利用DCDC轉換器作最大功率追蹤後級則利用DCAC轉換器轉換能量供應給交流負載為了提高太陽光發電系統的整體效率在研究可提出了模組並聯控制技術以提昇各級電力轉換器的效率而在未來太陽光發電系統也將著重在單級電力轉換器的設計對於整體系統效率有較明顯的改善
8參考資料
1許國強ldquo太陽光發電原理與應用工研院材料所 薄膜技術組91年
2華志強黃崇倫ldquo智慧型能量控制於太陽光電能轉換系統國立雲林科技大學電機工程學系電力研討會97年
3林政達ldquo數位式市電並聯換流器與快速鎖相迴路控制器之研製國立雲林科技大學電機工程學系碩士論文92 年
4李思賢ldquo數位式單相低功率太陽光電能轉換系統國立中山大學電機工程學系碩士論文92 年
5洪世杰ldquo適用於再生能源之市電併聯型雙輸入供電系統國立中正大學電機工程研究所碩士論文93 年
6王廷興ldquo太陽能發電配電設計概要台北科技大學冷凍空調系 92年
7魏榮宗王文宏ldquo高效率太陽光電能源轉換系統 元智大學電機工程學系94年
[ ] 100)25(
)11
(exp
1)(exp
3
λminus+=
minus
=
+minus
minus+minus=
TKII
TTBk
qE
T
TII
where
R
IRVIRV
AkT
qIII
ISCRLG
r
GO
r
oros
sh
ssosLG
VI cell output current and voltagecell reverse saturation currentcell temperature in CBoltzmannrsquos constantelectronic chargeshort circuit current temperature coefficientsolar irradiation in Wmshort-circuit current at 25 Cand 1000 Wm
light-generated currentband gap for siliconideality factorsreference temperaturecell saturation current atshunt resistanceseries resistance
osI
T
kq
00170=IK
SCRIλ
LGI
GOE
921== ABKTr deg= 18301
orI
shR
sR
附錄附錄附錄附錄- 太陽能電池太陽能電池太陽能電池太陽能電池
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
(a) Equivalent circuit of a PV module and
(b) Typical PV module current-voltage and power-voltage characteristics
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
Characteristic of a PV module with temperature and irradiation (a) constant irradiation and varying temperature and (b) constant temperature and varying irradiation
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
系統範例系統範例系統範例系統範例
中途驛站電化PV離島用PV系統山岳地帶PV系統離島偏遠區
勤務指揮中心緊急避難所醫療院所公園學校地震觀測站森林嘹望台避難指示燈氣象觀測所水位警報PV系統河川安全燈防波堤安全PV燈
緊急防災
緊急供電系統管線電氣防蝕輸油管流量計PV系統市場廣告塔海上石油平台各種計測站PV系統發電廠情報指揮中心
產業用
住宅用供電系統緊急供電系統緊急照明系統帷幕牆遮陽棚採光罩屋瓦建築物
無線通信用中繼站基地台緊急電話中繼站電話通信PV系統Radio受信PV系統微波中繼站
通訊
農宅用電溫室栽培PV系統農業灌溉用自動灑水系統農牧電籬牛乳冷藏漁業養殖揚水通氣自動餵食器
農林漁牧
路燈交通號誌道路指示牌標誌燈太陽能電動車充電站高速公路緊急電話偏遠道路緊急電話停車計時器停車場控制門系統高速公路防音壁PV系統公路休息區PV系統太陽能車平交道指示燈候車亭PV系統車站屋頂型PV系統
道路交通
收音機測電表手錶計算機太陽能照相機手電筒電池充電器野營燈民生
應用領域
雙極性電壓切換之脈波寬度調變
0 t
vcontrolvtri
sf
1
0 t
ov1ov
dV
dVminus
單極性電壓切換之脈波寬度調變
onBT +
trivgttricontrol vv gt
trivcontrolv
t
)( controlvminus
)( controlvminusonAT +
t1ov
dV
dVminus
)( BNAN
o
vv
v
minus=
應用雙極性電壓切換之脈波寬度調
變全橋式反流器乃 (TA+TB-)與 (TA-
TB+)成對切換且二者互相反相
應用單極性電壓切換之脈波寬度調
變全橋式反流器乃A臂與B獨立切
換且同臂二開關互相反相
三相反流器
+
-
+
-
+
-
dV
2dV
2dV
+AT
minusAT
+AD
minusAD
o
BminusT
+BT
minusBD
+BD
di
minusCT
+CT
minusCD
+CD
N
A B C
o
0 t
triv Acontrolv Bcontrolv Ccontrolv
0
BNANAB vvv minus=
t
dV
之基本波1LLv
ANv
0 t
dV
t0
BNv
dV
三相電壓源反流器之脈波寬度調變切換的功能為在固定輸入直流電壓下用以調整三相輸出電壓之振幅及頻率三相脈波寬度調變方式由三相各差120度的控制電壓與三角波作比較其波形與單相全橋式反流器採用脈波寬度調變單極性切換者類似
最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法
33最大功率追蹤最大功率追蹤最大功率追蹤最大功率追蹤
為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點本文使用本文使用本文使用本文使用擾動觀察法擾動觀察法擾動觀察法擾動觀察法(Perturbation and Observation Method PampQ)進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功率追蹤率追蹤率追蹤率追蹤由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點下圖為擾動下圖為擾動下圖為擾動下圖為擾動觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖為利用為利用為利用為利用DCDC轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作時時時時其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為0之特性之特性之特性之特性使用使用使用使用DCDC轉換器控制太陽轉換器控制太陽轉換器控制太陽轉換器控制太陽能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動
擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖
最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法
左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖蹤示意圖蹤示意圖蹤示意圖太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分為兩個特性區域為兩個特性區域為兩個特性區域為兩個特性區域假設進行追蹤假設進行追蹤假設進行追蹤假設進行追蹤時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時電壓電壓電壓電壓的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率增加增加增加增加若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出功率減少功率減少功率減少功率減少經由經由經由經由DCDC轉換器調轉換器調轉換器調轉換器調節太陽能板與節太陽能板與節太陽能板與節太陽能板與DCDC轉換器的阻轉換器的阻轉換器的阻轉換器的阻抗相互匹配抗相互匹配抗相互匹配抗相互匹配進而得到太陽能板進而得到太陽能板進而得到太陽能板進而得到太陽能板的最大輸出功率的最大輸出功率的最大輸出功率的最大輸出功率
擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖
4軟體規劃
bull 系統控制程式主要分為主程式固定週期中斷副程式市電電壓零交越中斷副程式等三大部分以下將分別介紹各部分程式流程
bull 本系統主程式主要執行數位訊號處理器周邊暫存器的初始設定以及變數宣告其中除了變數宣告外周邊暫存器的初始設定包括有規畫中斷向量設定計數器之計數模式計數週期中斷的時間和PWM 輸出模式等相關參數設定
bull 如圖8 所示系統初始設定後必須先等待中斷發生才能決定系統是否執行固定週期中斷程式或零交越中斷副程式
bull 圖9 為固定週期中斷副程式流程圖固定週期中斷頻率與換流器開關之切換頻率相同為20kHz程式開始會先偵測太陽能板電壓及電流與直流鏈電壓當確定市電電壓零交越中斷發生時必須先將輸出弦波訊號之指標強制為原點重新送出單位弦波確保換流器輸出電流與市電電壓能維持同相位接著比較太陽能板輸入電壓VPV 是否大於最低工作電壓VPV_work如果確定大於最低工作電壓則致能太陽能最大功率追蹤反之則禁能系統動作程式返回圖9 中的正弦脈寬調變副程式主要功能在於決定換流器中開關的動作順序與責任週期大小以及輸波參考訊號
bull 圖10 為太陽能最大功率點追蹤副程式流程圖在文中對最大功率追蹤採用擾動與觀察法配合太陽能光電板的電壓mdash功率特性曲線即可瞭解程式如何完成太陽能光電板最大功率點追蹤
主程式流程圖
5實驗
bull 依據上述的分析採用DSP 2407A 建立一個500W 太陽光電池電能轉換系統依據圖11 之
bull 電路架構其規格與元件參數分別列於表一表二及表三系統實驗波形圖12圖13圖14 及
bull 圖15 為系統操作在獨立運轉模式下負載分別為120W240W360W 及480W 時之換流器輸出
bull 電壓及輸出電流之實測波形
系統規格與元件參數
實測波形
6實務應用系統實務應用系統實務應用系統實務應用系統
獨立系統示意圖獨立系統示意圖
考慮點
系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等安全係數最佳化設計複雜)
一般充電控制器無 MPPT搭配蓄電池使發電效能較差
蓄電池每日gt50DOD深度放電gt02C充電壽命短
太陽光發電量與負載需求量不搭配時太陽光之發電能量利用率偏低 (負載需求搭配與安全係數為互相矛盾之設計)
PV-柴油發電機PV-風力等混合系統為改善之方法
市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台
電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池
併聯系統示意圖併聯系統示意圖
緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析
1 系統設置成本高建議使用於邊際效益高之用電（防災緊急輔助電力）
2 總體經濟效益減少環境污染解決尖峰用電之不足與短缺能源多元化之風險分擔與開創自主能源
3 遮蔽陽光直曬降低建築物之熱效應（被動省能）同時轉換太陽光為電能供應建物自主能源（主動節能）一舉兩得
緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較
30萬元divide21900kWh＝137元度2萬元divide50kWh＝400元度每度電成本
日發電度數times365天times20年＝3hrtimes1kWtimes365天times20年＝21900kWh（度）
（年停電＋年測試運轉時數）times10年＝（20mintimes6次＋15mintimes12月）times10年＝5hrtimes1kWtimes10年＝50kWh
總發電度數（1kw計）
夜間不發電（可利用蓄電池設計供電年維運費02）
噪音空污油料運輸儲油危險維運成本高
缺點
利用露台屋頂牆面空間設備煙管隔音油槽需室內空間
設置空間
平時緊急時均可使用隨時可了解運轉狀況不須操作
加ATS停電時方可啟動需人員每月定期測試運轉
系統運作
太陽光潔淨能源（免費）柴油使用燃料
20年7~10年使用壽命
1kW=30萬元1kW=2~3萬元設置費用
太陽光發電系統柴油發電機
風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析
運用多元化能源分擔風險情況比較說明如下
1 市電--gt停電時風險極高
2 市電＋柴油發電機--gt發電機故障時風險高
市電＋柴油發電機＋太陽光發電系統--gt發揮三者優點互補同時故障機率小風險最低
案例
832kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide057＝317 m2
115kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide075＝332 m2
緊急時057平時065~08
綜合係數溫度變化污損線損Inverter效率＋蓄電池充放電補償
電力需求divide（日照強度times日照時間times模板效率times綜合係數）
模組面積估算
日照強度1kWm2
日照時間384hd
模板效率12
832kWhd500人用電量115kWhd770人用電量
緊急時平時
電力需求估算
緊急時40kWtimes384hdtimes057＝875 kWhd
平時40kWtimes384hdtimes075＝1152Whd
太陽發電系統發電量＝設置容量times日照時間times綜合係數
發電量計算
332m2times1kWm2times12＝398kW≒40kW
太陽發電系統設置容量＝設置面積times日照強度times模板效率
設置容量計算模板效率依太陽電池種類而異
進行模板陣列及蓄電池容量設計
40kWdivide18片串divide120W＝185列≒19
列
40kWdivide17片串divide120W＝196列≒20
列
陣列併列數＝設置容量divide單串功率
18片times120W＝2160W
17片times120W＝2040W
單串功率
300Vdivide169V＝1775片（取整數17 or 18）
陣列串聯數＝Inverter輸入電壓divide模板輸出電壓
模板陣列設計
1 模板功率120W
2 模板輸出電壓169V
3 直交流轉換器(Inverter)輸入電壓300V
120Wtimes17片串times20列＝40800W＝340片(最佳陣列)
120Wtimes18片串times19列＝41080W＝342片
最佳陣列較經濟之設置容量選擇最佳陣列
蓄電池數量＝144個times2列＝288個
120640Whdivide288Vdivide200Ah＝21列≒2列
併列數＝蓄電池需求容量divideInverter額定電壓
288Vdivide2V＝144個
串聯數＝Inverter額定電壓divide蓄電池電壓串併數設計
middot 蓄電池電壓2V個
middot 蓄電池容量200Ah個
Inverter電壓輸入電壓 額定電壓300V 288V200V 192V
蓄電池需求容量＝832kWhdtimes1dtimes145＝12064kWh
蓄電池需求容量＝緊急電力需求times無日照天數times補償係數補償係數蓄電池內阻抗放電停止電壓電壓降低補償
蓄電池需求容量設計
middot 補償係數145
無日照天數1日
61市電相關規定市電相關規定市電相關規定市電相關規定
1 發電設備併接於低壓系統者其總容量未滿100kW且技術無困難者得併接於單相三線110V220V三相三線220V之配電系統若總容量在100kW以上而未滿500kW得分別併接於3相4線220V380V之配電系統
2 發電設備總容量在500kW以上而未滿5000kW10000kW且技術無困難者得分別併接於114KV228KV之高壓配電系統
3 電設備總容量在10000kW以上而未滿40000kW者得併接於特高壓之系統
4 發電設備總容量在40000kW以上者依個案研討分類
併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類
發電系統經由發電系統經由發電系統經由發電系統經由110V220V110V220V110V220V110V220V併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者發電設發電設發電設發電設備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能
1 過電壓保護 低電壓保護
2 低頻保護 高頻保護
3 過電流保護 零相過電壓接地保護
4 發電設備為無逆送電力者須加裝逆電力保護
5 發電設備為有逆送電力者必須具備主動及被動防止單獨運轉保護
發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經110V220V110V220V110V220V110V220V系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者在電在電在電在電源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器
發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業114KV228KV114KV228KV114KV228KV114KV228KV之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者((((高高高高壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶))))發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Extremely Inverse特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Extremely Inverse特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過流電驛(67)須具Normal Inverse特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
發電設備併接於電業69KV特高壓輸電系統者發電設備之輸出端至少應具有下列同等保護功能並須與電業該轄區之保護設備協調
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Normal Inverse之特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Normal Inverse之特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過電流電驛(67)須具Normal Inverse之特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
8 快速及後衛保護電驛如系統保護需要時應裝設
9 匯流排電驛採用GIS斷路器者應裝設
62626262太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範
1 故障電流
太陽光電發電系統大於100kW以上須計算故障電流其送至電業系統之故障電流不得影響電業及其他用戶斷路器之起斷容量否則需裝置限流電抗器
太陽光電發電系統之隔離變壓器接地方式須與電業之系統配合
2 正常電壓變動率應維持在plusmn5以內
3 太陽光電發電系統與電業間之責任分界點的功率因數以維持85落後至100之間運轉為原則
4 諧波污染限制應依照「電力系統諧波管制暫行標準」辦理
分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性
適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯型之規範型之規範型之規範型之規範
電力轉換器電力轉換器電力轉換器電力轉換器(電力調節器電力調節器電力調節器電力調節器)(InverterConditioner)
蓄電池蓄電池蓄電池蓄電池(Battery))
63大型(商用)太陽光發電系統應用(gt1 kWp)
太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統
單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池(Unit Solar Cell)
太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板(PV Module)
太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列(PV Array)
太陽光發電系統應用獨立系統
(A) 獨立系統(Stand-Alone
System)
bull 蓄電池保護壽命
(B) 混合型交流獨立系統 (Hybrid
System)
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
直流負載PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
整流器
輔助發電機
PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載- ~PCU
直直直直交流轉換器交流轉換器交流轉換器交流轉換器
太陽光發電系統應用併聯系統
(D)併聯系統(Grid-
connected System)
特殊功能1 最佳效能2 防止獨立運轉(連線保護)
3 可自力運轉
(E) 防逆流型系統(Off-line System)
(F) 防災型併聯系統
充電控制器
蓄電池
直交流轉換器
PCU太陽電池組列
交流負載
ATS
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
獨立型系統
適用地點高山離島基地台hellip等市電無法到達處
工作方式白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
必須可以自給自足
缺點bull 系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等
安全係數設計很困難)
bull 蓄電池建置複雜成本很高壽命很短
bull 負載搭配不良時發電效能不佳利用率將偏低
bull 需由專人隨時維護
bull 混合系統為一種解決方法
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
PCU
併聯型系統
適用地點電力正常送達之任何地點工作方式 bull 白天 PV系統併聯發電夜間由台電供電bull 將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的蓄電池
優點bull 系統簡單不需安全係數設計(依預算設計)不需要專人維護bull 併聯發電效率高利用率高
缺點bull 停電時無電可用bull 受併聯法規限制尚未開放(但即將開放)
bull 有孤島效應之疑慮(目前技術上已解決)
改善型無電池自力運轉
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
市電併聯型住宅用太陽光發電系統
太陽光發電系統發電及負載用電對時間之關係
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
併聯型直交流轉換器之效能要求較高
1 最大功率追蹤(Maximum Power Tracking MPT)
2 高轉換效率 gt 90 (PWM+電力電子元件)
3 高次諧波功率 Distortion (lt5 total)
4 自動開關機(白天夜晚)
5 過負載保護過溫度保護
6 體積小重量輕室外防水防塵
7 電腦界面可遠端監控
8 防止獨立運轉(連線保護)
9 可自力運轉
太陽電池組列
交流負載
直交流轉換器MPT
Power Conditioner
併聯系統之獨立運轉(單獨運轉)
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull停電時單一併聯系統將會停止運作
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
bull 市電停電時多數併聯系統仍聯合運作將對電力公司人員產生嚴重危害
孤島效應之防止方法
停電偵測1 過電壓低電壓
2 過頻率低頻率
3 被動式偵測如
bull 電壓與頻率監視方式
bull 電壓相位跳躍監視方式
bull 高次諧波監視方式
bull 頻率變化監視方式
PV組列
直交流轉換器
自家負載
4 主動偵測如
bull 頻率Shift方式
bull 配電線負載變動方式
bull 有效電力變動方式
bull 無效電力變動方式
反應時間05~2秒
資料來源「日本電氣用品試驗所」分散型電源系統連系技術指針(1998)
併聯系統之自力運轉功能
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull 大停電後白天有陽光時以人工啟動 PV 系統進行自力運轉供自家負載使用(但夜間無法使用)
防災型併聯型系統
適用地點有防災需求(照明汲水通信hellip)之公共設施
工作方式
bull 平時PV併聯發電(電池浮充) 效率高利用率高夜間由台電供電
bull 視需要建置供防災用電池大停電時白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
缺點bull 含電池成本較高bull 系統較複雜需專人定期維護
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
FAQ1太陽光發電需要多少土地
效率 = (輸出功率W) (組列面積 m2 x 日照強度 Wm2 ) x 100
模板面積 m2 = 輸出功率W (效率 x日照強度Wm2 ) x100
bull 假設使用效率gt136 模板於1000 Wm2 (AM15)日照強度下
10 kWp 模板面積 (m2) = 10000 (0136 x 1000) ~ 735 m2
10 kWp PV系統土地面積需求約
~ 735 m2 x 15 x 11
~ 121m2 (~36坪)
(包括陰影面積及維修空間)
bull 假設使用效率~10 模板
則模板面積約 ~ 100 m2
土地面積需求約 ~ 165m2 (~50坪)
gt55o
夏至
冬至
春秋分
235o 235oh
L1 L2
FAQ2太陽電池一年能發多少電
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
10 kWm2
05 kWm2
日照強度
等效日照時數(Sun Hour)
組列單日發電量 = 組列額定輸出功率 x 等效日照時數
bull 預估1 kWp 組列單日發電量 = 1 (kW) x ex 4(Sun Hour)= 4 kWh
組列年發電量 = 組列額定輸出功率 x 年平均每日日照時數 x 365
bull 預估 1 kWp 組列年發電量 = 1 x 4 x 365 = 1460 kWh
時間時間時間時間
FAQ3太陽光發電的成本(簡易估算)
1 假設目前太陽光發電系統設置成本約為 NT$ 280000 kWp
2 假設年平均每日日照時數約為 25 Sun Hour (台灣中南部地區)
bull 1 kWp 組列單日發電量= 1 (kW) x 25 (Hour)= 25 kWh
bull 1 kWp 組列年發電量= 25 x 365 = 913 kWh (度)
3 假設太陽光發電系統使用壽命為 20 年
bull 1 kWp 太陽光發電系統總共可發電 20 x 913 = 18260 度
4 生產每度電之成本約為 280000 18260 ~ NT$ 153
5 未來發展趨勢
bull 太陽光發電系統設置成本將逐年降低
bull 市電電費將會升高(國內目前約 NT$ 3 度日本約NT$ 7 度)
bull 傳統能源限制再生能源獎勵利率降低
64獨立型太陽光發電系統應用例(一)
bull太陽電池時鐘-日本bull太陽電池路燈-日本千里住宅公園
獨立型太陽光發電系統應用例(二)
bull太陽電池交通標誌-日本北海道 bull高速公路緊急電話-日本
獨立型太陽光發電系統應用例(三)
bull800W無線通信中繼基地台韓國(1998)
獨立型太陽光發電系統應用例(四)
bull離島用90kW獨立型發電系統韓國Ho-Do島(1992)
併聯型太陽光發電系統應用例(一)
bull設置於屋頂之住宅用太陽光發電系統(建材一體型日本千里住宅公園內住宅設計之一)
併聯型太陽光發電系統應用例(二)
bull日本東海線新幹線京都車站之太陽光發電系統(100kWp)
併聯型太陽光發電系統應用例(三)
bull日本京瓷(Kyocera)京都總公司大樓之太陽電池發電系統(220kWp)
太陽光發電發電廠應用例
太陽電池發電廠
(PV Power Plant)
資料來源 ANIT
Srl Italy
建材一體型太陽電池模板應用例
bull資料來源 Pilkington Solar International GmbH 德國
太陽能車應用例
Honda Dream
bull資料來源 PV Special Research
Centre UNSW Australia
交大太陽能車
bull資料來源 National Chiao-Tung
University Taiwan
太陽光發電航太應用例(NASA Helios )
bull空中無線通訊平台應用
資料來源SkyOne Inc Taiwan
bull 飛行高度5-7 萬英呎(最高記錄 96000 英呎)
bull 時速60 mph (起飛 25 mph)
bull 翼展247 英呎bull 重量2000 磅bull 太陽電池效率要求gt22
資料來源httpwwwaerovironmentcomhomehtml
清雲技術學院 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
個人住宅 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
勤益技術學院 3kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
南台科技大學 10kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
總統府 10kWp 獨立型太陽光能發電系統 (9012)
海巡署南沙太平島 20kWp 混合型(柴油發電機)太陽光能發電系統 (9011)
90能源基金示範補助成果例
台電樹林 20kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
併聯型
台電台北市區處 20kWp 太陽光發電系統
(91能源基金示範補助成果)
併聯型
7結論
bull (1)提高電力轉換器效率
bull 轉換器的損失主要來自於開關切換時之損失為了可以降低濾波電路中電感和電容的體積可以提高切換頻率但是相對於開關的切換損失也因此而增加導致轉換器的效率降低因此發展零電壓或零電流切換技術應用於高切換頻率之轉換器將可以提高轉換器的效率
bull (2)提高太陽光發電系統之整體效率
bull 傳統之太陽光發電系統包含儲能系統和供電系統前級利用DCDC轉換器作最大功率追蹤後級則利用DCAC轉換器轉換能量供應給交流負載為了提高太陽光發電系統的整體效率在研究可提出了模組並聯控制技術以提昇各級電力轉換器的效率而在未來太陽光發電系統也將著重在單級電力轉換器的設計對於整體系統效率有較明顯的改善
8參考資料
1許國強ldquo太陽光發電原理與應用工研院材料所 薄膜技術組91年
2華志強黃崇倫ldquo智慧型能量控制於太陽光電能轉換系統國立雲林科技大學電機工程學系電力研討會97年
3林政達ldquo數位式市電並聯換流器與快速鎖相迴路控制器之研製國立雲林科技大學電機工程學系碩士論文92 年
4李思賢ldquo數位式單相低功率太陽光電能轉換系統國立中山大學電機工程學系碩士論文92 年
5洪世杰ldquo適用於再生能源之市電併聯型雙輸入供電系統國立中正大學電機工程研究所碩士論文93 年
6王廷興ldquo太陽能發電配電設計概要台北科技大學冷凍空調系 92年
7魏榮宗王文宏ldquo高效率太陽光電能源轉換系統 元智大學電機工程學系94年
[ ] 100)25(
)11
(exp
1)(exp
3
λminus+=
minus
=
+minus
minus+minus=
TKII
TTBk
qE
T
TII
where
R
IRVIRV
AkT
qIII
ISCRLG
r
GO
r
oros
sh
ssosLG
VI cell output current and voltagecell reverse saturation currentcell temperature in CBoltzmannrsquos constantelectronic chargeshort circuit current temperature coefficientsolar irradiation in Wmshort-circuit current at 25 Cand 1000 Wm
light-generated currentband gap for siliconideality factorsreference temperaturecell saturation current atshunt resistanceseries resistance
osI
T
kq
00170=IK
SCRIλ
LGI
GOE
921== ABKTr deg= 18301
orI
shR
sR
附錄附錄附錄附錄- 太陽能電池太陽能電池太陽能電池太陽能電池
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
(a) Equivalent circuit of a PV module and
(b) Typical PV module current-voltage and power-voltage characteristics
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
Characteristic of a PV module with temperature and irradiation (a) constant irradiation and varying temperature and (b) constant temperature and varying irradiation
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
系統範例系統範例系統範例系統範例
中途驛站電化PV離島用PV系統山岳地帶PV系統離島偏遠區
勤務指揮中心緊急避難所醫療院所公園學校地震觀測站森林嘹望台避難指示燈氣象觀測所水位警報PV系統河川安全燈防波堤安全PV燈
緊急防災
緊急供電系統管線電氣防蝕輸油管流量計PV系統市場廣告塔海上石油平台各種計測站PV系統發電廠情報指揮中心
產業用
住宅用供電系統緊急供電系統緊急照明系統帷幕牆遮陽棚採光罩屋瓦建築物
無線通信用中繼站基地台緊急電話中繼站電話通信PV系統Radio受信PV系統微波中繼站
通訊
農宅用電溫室栽培PV系統農業灌溉用自動灑水系統農牧電籬牛乳冷藏漁業養殖揚水通氣自動餵食器
農林漁牧
路燈交通號誌道路指示牌標誌燈太陽能電動車充電站高速公路緊急電話偏遠道路緊急電話停車計時器停車場控制門系統高速公路防音壁PV系統公路休息區PV系統太陽能車平交道指示燈候車亭PV系統車站屋頂型PV系統
道路交通
收音機測電表手錶計算機太陽能照相機手電筒電池充電器野營燈民生
應用領域
三相反流器
+
-
+
-
+
-
dV
2dV
2dV
+AT
minusAT
+AD
minusAD
o
BminusT
+BT
minusBD
+BD
di
minusCT
+CT
minusCD
+CD
N
A B C
o
0 t
triv Acontrolv Bcontrolv Ccontrolv
0
BNANAB vvv minus=
t
dV
之基本波1LLv
ANv
0 t
dV
t0
BNv
dV
三相電壓源反流器之脈波寬度調變切換的功能為在固定輸入直流電壓下用以調整三相輸出電壓之振幅及頻率三相脈波寬度調變方式由三相各差120度的控制電壓與三角波作比較其波形與單相全橋式反流器採用脈波寬度調變單極性切換者類似
最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法
33最大功率追蹤最大功率追蹤最大功率追蹤最大功率追蹤
為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點本文使用本文使用本文使用本文使用擾動觀察法擾動觀察法擾動觀察法擾動觀察法(Perturbation and Observation Method PampQ)進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功率追蹤率追蹤率追蹤率追蹤由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點下圖為擾動下圖為擾動下圖為擾動下圖為擾動觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖為利用為利用為利用為利用DCDC轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作時時時時其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為0之特性之特性之特性之特性使用使用使用使用DCDC轉換器控制太陽轉換器控制太陽轉換器控制太陽轉換器控制太陽能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動
擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖
最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法
左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖蹤示意圖蹤示意圖蹤示意圖太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分為兩個特性區域為兩個特性區域為兩個特性區域為兩個特性區域假設進行追蹤假設進行追蹤假設進行追蹤假設進行追蹤時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時電壓電壓電壓電壓的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率增加增加增加增加若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出功率減少功率減少功率減少功率減少經由經由經由經由DCDC轉換器調轉換器調轉換器調轉換器調節太陽能板與節太陽能板與節太陽能板與節太陽能板與DCDC轉換器的阻轉換器的阻轉換器的阻轉換器的阻抗相互匹配抗相互匹配抗相互匹配抗相互匹配進而得到太陽能板進而得到太陽能板進而得到太陽能板進而得到太陽能板的最大輸出功率的最大輸出功率的最大輸出功率的最大輸出功率
擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖
4軟體規劃
bull 系統控制程式主要分為主程式固定週期中斷副程式市電電壓零交越中斷副程式等三大部分以下將分別介紹各部分程式流程
bull 本系統主程式主要執行數位訊號處理器周邊暫存器的初始設定以及變數宣告其中除了變數宣告外周邊暫存器的初始設定包括有規畫中斷向量設定計數器之計數模式計數週期中斷的時間和PWM 輸出模式等相關參數設定
bull 如圖8 所示系統初始設定後必須先等待中斷發生才能決定系統是否執行固定週期中斷程式或零交越中斷副程式
bull 圖9 為固定週期中斷副程式流程圖固定週期中斷頻率與換流器開關之切換頻率相同為20kHz程式開始會先偵測太陽能板電壓及電流與直流鏈電壓當確定市電電壓零交越中斷發生時必須先將輸出弦波訊號之指標強制為原點重新送出單位弦波確保換流器輸出電流與市電電壓能維持同相位接著比較太陽能板輸入電壓VPV 是否大於最低工作電壓VPV_work如果確定大於最低工作電壓則致能太陽能最大功率追蹤反之則禁能系統動作程式返回圖9 中的正弦脈寬調變副程式主要功能在於決定換流器中開關的動作順序與責任週期大小以及輸波參考訊號
bull 圖10 為太陽能最大功率點追蹤副程式流程圖在文中對最大功率追蹤採用擾動與觀察法配合太陽能光電板的電壓mdash功率特性曲線即可瞭解程式如何完成太陽能光電板最大功率點追蹤
主程式流程圖
5實驗
bull 依據上述的分析採用DSP 2407A 建立一個500W 太陽光電池電能轉換系統依據圖11 之
bull 電路架構其規格與元件參數分別列於表一表二及表三系統實驗波形圖12圖13圖14 及
bull 圖15 為系統操作在獨立運轉模式下負載分別為120W240W360W 及480W 時之換流器輸出
bull 電壓及輸出電流之實測波形
系統規格與元件參數
實測波形
6實務應用系統實務應用系統實務應用系統實務應用系統
獨立系統示意圖獨立系統示意圖
考慮點
系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等安全係數最佳化設計複雜)
一般充電控制器無 MPPT搭配蓄電池使發電效能較差
蓄電池每日gt50DOD深度放電gt02C充電壽命短
太陽光發電量與負載需求量不搭配時太陽光之發電能量利用率偏低 (負載需求搭配與安全係數為互相矛盾之設計)
PV-柴油發電機PV-風力等混合系統為改善之方法
市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台
電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池
併聯系統示意圖併聯系統示意圖
緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析
1 系統設置成本高建議使用於邊際效益高之用電（防災緊急輔助電力）
2 總體經濟效益減少環境污染解決尖峰用電之不足與短缺能源多元化之風險分擔與開創自主能源
3 遮蔽陽光直曬降低建築物之熱效應（被動省能）同時轉換太陽光為電能供應建物自主能源（主動節能）一舉兩得
緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較
30萬元divide21900kWh＝137元度2萬元divide50kWh＝400元度每度電成本
日發電度數times365天times20年＝3hrtimes1kWtimes365天times20年＝21900kWh（度）
（年停電＋年測試運轉時數）times10年＝（20mintimes6次＋15mintimes12月）times10年＝5hrtimes1kWtimes10年＝50kWh
總發電度數（1kw計）
夜間不發電（可利用蓄電池設計供電年維運費02）
噪音空污油料運輸儲油危險維運成本高
缺點
利用露台屋頂牆面空間設備煙管隔音油槽需室內空間
設置空間
平時緊急時均可使用隨時可了解運轉狀況不須操作
加ATS停電時方可啟動需人員每月定期測試運轉
系統運作
太陽光潔淨能源（免費）柴油使用燃料
20年7~10年使用壽命
1kW=30萬元1kW=2~3萬元設置費用
太陽光發電系統柴油發電機
風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析
運用多元化能源分擔風險情況比較說明如下
1 市電--gt停電時風險極高
2 市電＋柴油發電機--gt發電機故障時風險高
市電＋柴油發電機＋太陽光發電系統--gt發揮三者優點互補同時故障機率小風險最低
案例
832kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide057＝317 m2
115kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide075＝332 m2
緊急時057平時065~08
綜合係數溫度變化污損線損Inverter效率＋蓄電池充放電補償
電力需求divide（日照強度times日照時間times模板效率times綜合係數）
模組面積估算
日照強度1kWm2
日照時間384hd
模板效率12
832kWhd500人用電量115kWhd770人用電量
緊急時平時
電力需求估算
緊急時40kWtimes384hdtimes057＝875 kWhd
平時40kWtimes384hdtimes075＝1152Whd
太陽發電系統發電量＝設置容量times日照時間times綜合係數
發電量計算
332m2times1kWm2times12＝398kW≒40kW
太陽發電系統設置容量＝設置面積times日照強度times模板效率
設置容量計算模板效率依太陽電池種類而異
進行模板陣列及蓄電池容量設計
40kWdivide18片串divide120W＝185列≒19
列
40kWdivide17片串divide120W＝196列≒20
列
陣列併列數＝設置容量divide單串功率
18片times120W＝2160W
17片times120W＝2040W
單串功率
300Vdivide169V＝1775片（取整數17 or 18）
陣列串聯數＝Inverter輸入電壓divide模板輸出電壓
模板陣列設計
1 模板功率120W
2 模板輸出電壓169V
3 直交流轉換器(Inverter)輸入電壓300V
120Wtimes17片串times20列＝40800W＝340片(最佳陣列)
120Wtimes18片串times19列＝41080W＝342片
最佳陣列較經濟之設置容量選擇最佳陣列
蓄電池數量＝144個times2列＝288個
120640Whdivide288Vdivide200Ah＝21列≒2列
併列數＝蓄電池需求容量divideInverter額定電壓
288Vdivide2V＝144個
串聯數＝Inverter額定電壓divide蓄電池電壓串併數設計
middot 蓄電池電壓2V個
middot 蓄電池容量200Ah個
Inverter電壓輸入電壓 額定電壓300V 288V200V 192V
蓄電池需求容量＝832kWhdtimes1dtimes145＝12064kWh
蓄電池需求容量＝緊急電力需求times無日照天數times補償係數補償係數蓄電池內阻抗放電停止電壓電壓降低補償
蓄電池需求容量設計
middot 補償係數145
無日照天數1日
61市電相關規定市電相關規定市電相關規定市電相關規定
1 發電設備併接於低壓系統者其總容量未滿100kW且技術無困難者得併接於單相三線110V220V三相三線220V之配電系統若總容量在100kW以上而未滿500kW得分別併接於3相4線220V380V之配電系統
2 發電設備總容量在500kW以上而未滿5000kW10000kW且技術無困難者得分別併接於114KV228KV之高壓配電系統
3 電設備總容量在10000kW以上而未滿40000kW者得併接於特高壓之系統
4 發電設備總容量在40000kW以上者依個案研討分類
併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類
發電系統經由發電系統經由發電系統經由發電系統經由110V220V110V220V110V220V110V220V併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者發電設發電設發電設發電設備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能
1 過電壓保護 低電壓保護
2 低頻保護 高頻保護
3 過電流保護 零相過電壓接地保護
4 發電設備為無逆送電力者須加裝逆電力保護
5 發電設備為有逆送電力者必須具備主動及被動防止單獨運轉保護
發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經110V220V110V220V110V220V110V220V系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者在電在電在電在電源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器
發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業114KV228KV114KV228KV114KV228KV114KV228KV之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者((((高高高高壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶))))發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Extremely Inverse特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Extremely Inverse特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過流電驛(67)須具Normal Inverse特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
發電設備併接於電業69KV特高壓輸電系統者發電設備之輸出端至少應具有下列同等保護功能並須與電業該轄區之保護設備協調
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Normal Inverse之特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Normal Inverse之特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過電流電驛(67)須具Normal Inverse之特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
8 快速及後衛保護電驛如系統保護需要時應裝設
9 匯流排電驛採用GIS斷路器者應裝設
62626262太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範
1 故障電流
太陽光電發電系統大於100kW以上須計算故障電流其送至電業系統之故障電流不得影響電業及其他用戶斷路器之起斷容量否則需裝置限流電抗器
太陽光電發電系統之隔離變壓器接地方式須與電業之系統配合
2 正常電壓變動率應維持在plusmn5以內
3 太陽光電發電系統與電業間之責任分界點的功率因數以維持85落後至100之間運轉為原則
4 諧波污染限制應依照「電力系統諧波管制暫行標準」辦理
分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性
適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯型之規範型之規範型之規範型之規範
電力轉換器電力轉換器電力轉換器電力轉換器(電力調節器電力調節器電力調節器電力調節器)(InverterConditioner)
蓄電池蓄電池蓄電池蓄電池(Battery))
63大型(商用)太陽光發電系統應用(gt1 kWp)
太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統
單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池(Unit Solar Cell)
太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板(PV Module)
太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列(PV Array)
太陽光發電系統應用獨立系統
(A) 獨立系統(Stand-Alone
System)
bull 蓄電池保護壽命
(B) 混合型交流獨立系統 (Hybrid
System)
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
直流負載PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
整流器
輔助發電機
PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載- ~PCU
直直直直交流轉換器交流轉換器交流轉換器交流轉換器
太陽光發電系統應用併聯系統
(D)併聯系統(Grid-
connected System)
特殊功能1 最佳效能2 防止獨立運轉(連線保護)
3 可自力運轉
(E) 防逆流型系統(Off-line System)
(F) 防災型併聯系統
充電控制器
蓄電池
直交流轉換器
PCU太陽電池組列
交流負載
ATS
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
獨立型系統
適用地點高山離島基地台hellip等市電無法到達處
工作方式白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
必須可以自給自足
缺點bull 系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等
安全係數設計很困難)
bull 蓄電池建置複雜成本很高壽命很短
bull 負載搭配不良時發電效能不佳利用率將偏低
bull 需由專人隨時維護
bull 混合系統為一種解決方法
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
PCU
併聯型系統
適用地點電力正常送達之任何地點工作方式 bull 白天 PV系統併聯發電夜間由台電供電bull 將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的蓄電池
優點bull 系統簡單不需安全係數設計(依預算設計)不需要專人維護bull 併聯發電效率高利用率高
缺點bull 停電時無電可用bull 受併聯法規限制尚未開放(但即將開放)
bull 有孤島效應之疑慮(目前技術上已解決)
改善型無電池自力運轉
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
市電併聯型住宅用太陽光發電系統
太陽光發電系統發電及負載用電對時間之關係
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
併聯型直交流轉換器之效能要求較高
1 最大功率追蹤(Maximum Power Tracking MPT)
2 高轉換效率 gt 90 (PWM+電力電子元件)
3 高次諧波功率 Distortion (lt5 total)
4 自動開關機(白天夜晚)
5 過負載保護過溫度保護
6 體積小重量輕室外防水防塵
7 電腦界面可遠端監控
8 防止獨立運轉(連線保護)
9 可自力運轉
太陽電池組列
交流負載
直交流轉換器MPT
Power Conditioner
併聯系統之獨立運轉(單獨運轉)
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull停電時單一併聯系統將會停止運作
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
bull 市電停電時多數併聯系統仍聯合運作將對電力公司人員產生嚴重危害
孤島效應之防止方法
停電偵測1 過電壓低電壓
2 過頻率低頻率
3 被動式偵測如
bull 電壓與頻率監視方式
bull 電壓相位跳躍監視方式
bull 高次諧波監視方式
bull 頻率變化監視方式
PV組列
直交流轉換器
自家負載
4 主動偵測如
bull 頻率Shift方式
bull 配電線負載變動方式
bull 有效電力變動方式
bull 無效電力變動方式
反應時間05~2秒
資料來源「日本電氣用品試驗所」分散型電源系統連系技術指針(1998)
併聯系統之自力運轉功能
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull 大停電後白天有陽光時以人工啟動 PV 系統進行自力運轉供自家負載使用(但夜間無法使用)
防災型併聯型系統
適用地點有防災需求(照明汲水通信hellip)之公共設施
工作方式
bull 平時PV併聯發電(電池浮充) 效率高利用率高夜間由台電供電
bull 視需要建置供防災用電池大停電時白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
缺點bull 含電池成本較高bull 系統較複雜需專人定期維護
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
FAQ1太陽光發電需要多少土地
效率 = (輸出功率W) (組列面積 m2 x 日照強度 Wm2 ) x 100
模板面積 m2 = 輸出功率W (效率 x日照強度Wm2 ) x100
bull 假設使用效率gt136 模板於1000 Wm2 (AM15)日照強度下
10 kWp 模板面積 (m2) = 10000 (0136 x 1000) ~ 735 m2
10 kWp PV系統土地面積需求約
~ 735 m2 x 15 x 11
~ 121m2 (~36坪)
(包括陰影面積及維修空間)
bull 假設使用效率~10 模板
則模板面積約 ~ 100 m2
土地面積需求約 ~ 165m2 (~50坪)
gt55o
夏至
冬至
春秋分
235o 235oh
L1 L2
FAQ2太陽電池一年能發多少電
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
10 kWm2
05 kWm2
日照強度
等效日照時數(Sun Hour)
組列單日發電量 = 組列額定輸出功率 x 等效日照時數
bull 預估1 kWp 組列單日發電量 = 1 (kW) x ex 4(Sun Hour)= 4 kWh
組列年發電量 = 組列額定輸出功率 x 年平均每日日照時數 x 365
bull 預估 1 kWp 組列年發電量 = 1 x 4 x 365 = 1460 kWh
時間時間時間時間
FAQ3太陽光發電的成本(簡易估算)
1 假設目前太陽光發電系統設置成本約為 NT$ 280000 kWp
2 假設年平均每日日照時數約為 25 Sun Hour (台灣中南部地區)
bull 1 kWp 組列單日發電量= 1 (kW) x 25 (Hour)= 25 kWh
bull 1 kWp 組列年發電量= 25 x 365 = 913 kWh (度)
3 假設太陽光發電系統使用壽命為 20 年
bull 1 kWp 太陽光發電系統總共可發電 20 x 913 = 18260 度
4 生產每度電之成本約為 280000 18260 ~ NT$ 153
5 未來發展趨勢
bull 太陽光發電系統設置成本將逐年降低
bull 市電電費將會升高(國內目前約 NT$ 3 度日本約NT$ 7 度)
bull 傳統能源限制再生能源獎勵利率降低
64獨立型太陽光發電系統應用例(一)
bull太陽電池時鐘-日本bull太陽電池路燈-日本千里住宅公園
獨立型太陽光發電系統應用例(二)
bull太陽電池交通標誌-日本北海道 bull高速公路緊急電話-日本
獨立型太陽光發電系統應用例(三)
bull800W無線通信中繼基地台韓國(1998)
獨立型太陽光發電系統應用例(四)
bull離島用90kW獨立型發電系統韓國Ho-Do島(1992)
併聯型太陽光發電系統應用例(一)
bull設置於屋頂之住宅用太陽光發電系統(建材一體型日本千里住宅公園內住宅設計之一)
併聯型太陽光發電系統應用例(二)
bull日本東海線新幹線京都車站之太陽光發電系統(100kWp)
併聯型太陽光發電系統應用例(三)
bull日本京瓷(Kyocera)京都總公司大樓之太陽電池發電系統(220kWp)
太陽光發電發電廠應用例
太陽電池發電廠
(PV Power Plant)
資料來源 ANIT
Srl Italy
建材一體型太陽電池模板應用例
bull資料來源 Pilkington Solar International GmbH 德國
太陽能車應用例
Honda Dream
bull資料來源 PV Special Research
Centre UNSW Australia
交大太陽能車
bull資料來源 National Chiao-Tung
University Taiwan
太陽光發電航太應用例(NASA Helios )
bull空中無線通訊平台應用
資料來源SkyOne Inc Taiwan
bull 飛行高度5-7 萬英呎(最高記錄 96000 英呎)
bull 時速60 mph (起飛 25 mph)
bull 翼展247 英呎bull 重量2000 磅bull 太陽電池效率要求gt22
資料來源httpwwwaerovironmentcomhomehtml
清雲技術學院 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
個人住宅 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
勤益技術學院 3kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
南台科技大學 10kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
總統府 10kWp 獨立型太陽光能發電系統 (9012)
海巡署南沙太平島 20kWp 混合型(柴油發電機)太陽光能發電系統 (9011)
90能源基金示範補助成果例
台電樹林 20kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
併聯型
台電台北市區處 20kWp 太陽光發電系統
(91能源基金示範補助成果)
併聯型
7結論
bull (1)提高電力轉換器效率
bull 轉換器的損失主要來自於開關切換時之損失為了可以降低濾波電路中電感和電容的體積可以提高切換頻率但是相對於開關的切換損失也因此而增加導致轉換器的效率降低因此發展零電壓或零電流切換技術應用於高切換頻率之轉換器將可以提高轉換器的效率
bull (2)提高太陽光發電系統之整體效率
bull 傳統之太陽光發電系統包含儲能系統和供電系統前級利用DCDC轉換器作最大功率追蹤後級則利用DCAC轉換器轉換能量供應給交流負載為了提高太陽光發電系統的整體效率在研究可提出了模組並聯控制技術以提昇各級電力轉換器的效率而在未來太陽光發電系統也將著重在單級電力轉換器的設計對於整體系統效率有較明顯的改善
8參考資料
1許國強ldquo太陽光發電原理與應用工研院材料所 薄膜技術組91年
2華志強黃崇倫ldquo智慧型能量控制於太陽光電能轉換系統國立雲林科技大學電機工程學系電力研討會97年
3林政達ldquo數位式市電並聯換流器與快速鎖相迴路控制器之研製國立雲林科技大學電機工程學系碩士論文92 年
4李思賢ldquo數位式單相低功率太陽光電能轉換系統國立中山大學電機工程學系碩士論文92 年
5洪世杰ldquo適用於再生能源之市電併聯型雙輸入供電系統國立中正大學電機工程研究所碩士論文93 年
6王廷興ldquo太陽能發電配電設計概要台北科技大學冷凍空調系 92年
7魏榮宗王文宏ldquo高效率太陽光電能源轉換系統 元智大學電機工程學系94年
[ ] 100)25(
)11
(exp
1)(exp
3
λminus+=
minus
=
+minus
minus+minus=
TKII
TTBk
qE
T
TII
where
R
IRVIRV
AkT
qIII
ISCRLG
r
GO
r
oros
sh
ssosLG
VI cell output current and voltagecell reverse saturation currentcell temperature in CBoltzmannrsquos constantelectronic chargeshort circuit current temperature coefficientsolar irradiation in Wmshort-circuit current at 25 Cand 1000 Wm
light-generated currentband gap for siliconideality factorsreference temperaturecell saturation current atshunt resistanceseries resistance
osI
T
kq
00170=IK
SCRIλ
LGI
GOE
921== ABKTr deg= 18301
orI
shR
sR
附錄附錄附錄附錄- 太陽能電池太陽能電池太陽能電池太陽能電池
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
(a) Equivalent circuit of a PV module and
(b) Typical PV module current-voltage and power-voltage characteristics
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
Characteristic of a PV module with temperature and irradiation (a) constant irradiation and varying temperature and (b) constant temperature and varying irradiation
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
系統範例系統範例系統範例系統範例
中途驛站電化PV離島用PV系統山岳地帶PV系統離島偏遠區
勤務指揮中心緊急避難所醫療院所公園學校地震觀測站森林嘹望台避難指示燈氣象觀測所水位警報PV系統河川安全燈防波堤安全PV燈
緊急防災
緊急供電系統管線電氣防蝕輸油管流量計PV系統市場廣告塔海上石油平台各種計測站PV系統發電廠情報指揮中心
產業用
住宅用供電系統緊急供電系統緊急照明系統帷幕牆遮陽棚採光罩屋瓦建築物
無線通信用中繼站基地台緊急電話中繼站電話通信PV系統Radio受信PV系統微波中繼站
通訊
農宅用電溫室栽培PV系統農業灌溉用自動灑水系統農牧電籬牛乳冷藏漁業養殖揚水通氣自動餵食器
農林漁牧
路燈交通號誌道路指示牌標誌燈太陽能電動車充電站高速公路緊急電話偏遠道路緊急電話停車計時器停車場控制門系統高速公路防音壁PV系統公路休息區PV系統太陽能車平交道指示燈候車亭PV系統車站屋頂型PV系統
道路交通
收音機測電表手錶計算機太陽能照相機手電筒電池充電器野營燈民生
應用領域
最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法
33最大功率追蹤最大功率追蹤最大功率追蹤最大功率追蹤
為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點為了確保太陽能電池能夠操作在最大功率點本文使用本文使用本文使用本文使用擾動觀察法擾動觀察法擾動觀察法擾動觀察法(Perturbation and Observation Method PampQ)進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功進行太陽能電池之最大功率追蹤率追蹤率追蹤率追蹤由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點由於擾動觀察法具有電路簡單且容易實現等優點下圖為擾動下圖為擾動下圖為擾動下圖為擾動觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖觀察法系統方塊圖為利用為利用為利用為利用DCDC轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作轉換器在太陽能板最大功率點操作時時時時其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為其輸出功率對電流之微分為0之特性之特性之特性之特性使用使用使用使用DCDC轉換器控制太陽轉換器控制太陽轉換器控制太陽轉換器控制太陽能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動能之輸出電壓在最大功率點擾動
擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖擾動觀察法電路方塊圖
最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法
左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖蹤示意圖蹤示意圖蹤示意圖太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分為兩個特性區域為兩個特性區域為兩個特性區域為兩個特性區域假設進行追蹤假設進行追蹤假設進行追蹤假設進行追蹤時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時電壓電壓電壓電壓的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率增加增加增加增加若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出功率減少功率減少功率減少功率減少經由經由經由經由DCDC轉換器調轉換器調轉換器調轉換器調節太陽能板與節太陽能板與節太陽能板與節太陽能板與DCDC轉換器的阻轉換器的阻轉換器的阻轉換器的阻抗相互匹配抗相互匹配抗相互匹配抗相互匹配進而得到太陽能板進而得到太陽能板進而得到太陽能板進而得到太陽能板的最大輸出功率的最大輸出功率的最大輸出功率的最大輸出功率
擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖
4軟體規劃
bull 系統控制程式主要分為主程式固定週期中斷副程式市電電壓零交越中斷副程式等三大部分以下將分別介紹各部分程式流程
bull 本系統主程式主要執行數位訊號處理器周邊暫存器的初始設定以及變數宣告其中除了變數宣告外周邊暫存器的初始設定包括有規畫中斷向量設定計數器之計數模式計數週期中斷的時間和PWM 輸出模式等相關參數設定
bull 如圖8 所示系統初始設定後必須先等待中斷發生才能決定系統是否執行固定週期中斷程式或零交越中斷副程式
bull 圖9 為固定週期中斷副程式流程圖固定週期中斷頻率與換流器開關之切換頻率相同為20kHz程式開始會先偵測太陽能板電壓及電流與直流鏈電壓當確定市電電壓零交越中斷發生時必須先將輸出弦波訊號之指標強制為原點重新送出單位弦波確保換流器輸出電流與市電電壓能維持同相位接著比較太陽能板輸入電壓VPV 是否大於最低工作電壓VPV_work如果確定大於最低工作電壓則致能太陽能最大功率追蹤反之則禁能系統動作程式返回圖9 中的正弦脈寬調變副程式主要功能在於決定換流器中開關的動作順序與責任週期大小以及輸波參考訊號
bull 圖10 為太陽能最大功率點追蹤副程式流程圖在文中對最大功率追蹤採用擾動與觀察法配合太陽能光電板的電壓mdash功率特性曲線即可瞭解程式如何完成太陽能光電板最大功率點追蹤
主程式流程圖
5實驗
bull 依據上述的分析採用DSP 2407A 建立一個500W 太陽光電池電能轉換系統依據圖11 之
bull 電路架構其規格與元件參數分別列於表一表二及表三系統實驗波形圖12圖13圖14 及
bull 圖15 為系統操作在獨立運轉模式下負載分別為120W240W360W 及480W 時之換流器輸出
bull 電壓及輸出電流之實測波形
系統規格與元件參數
實測波形
6實務應用系統實務應用系統實務應用系統實務應用系統
獨立系統示意圖獨立系統示意圖
考慮點
系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等安全係數最佳化設計複雜)
一般充電控制器無 MPPT搭配蓄電池使發電效能較差
蓄電池每日gt50DOD深度放電gt02C充電壽命短
太陽光發電量與負載需求量不搭配時太陽光之發電能量利用率偏低 (負載需求搭配與安全係數為互相矛盾之設計)
PV-柴油發電機PV-風力等混合系統為改善之方法
市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台
電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池
併聯系統示意圖併聯系統示意圖
緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析
1 系統設置成本高建議使用於邊際效益高之用電（防災緊急輔助電力）
2 總體經濟效益減少環境污染解決尖峰用電之不足與短缺能源多元化之風險分擔與開創自主能源
3 遮蔽陽光直曬降低建築物之熱效應（被動省能）同時轉換太陽光為電能供應建物自主能源（主動節能）一舉兩得
緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較
30萬元divide21900kWh＝137元度2萬元divide50kWh＝400元度每度電成本
日發電度數times365天times20年＝3hrtimes1kWtimes365天times20年＝21900kWh（度）
（年停電＋年測試運轉時數）times10年＝（20mintimes6次＋15mintimes12月）times10年＝5hrtimes1kWtimes10年＝50kWh
總發電度數（1kw計）
夜間不發電（可利用蓄電池設計供電年維運費02）
噪音空污油料運輸儲油危險維運成本高
缺點
利用露台屋頂牆面空間設備煙管隔音油槽需室內空間
設置空間
平時緊急時均可使用隨時可了解運轉狀況不須操作
加ATS停電時方可啟動需人員每月定期測試運轉
系統運作
太陽光潔淨能源（免費）柴油使用燃料
20年7~10年使用壽命
1kW=30萬元1kW=2~3萬元設置費用
太陽光發電系統柴油發電機
風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析
運用多元化能源分擔風險情況比較說明如下
1 市電--gt停電時風險極高
2 市電＋柴油發電機--gt發電機故障時風險高
市電＋柴油發電機＋太陽光發電系統--gt發揮三者優點互補同時故障機率小風險最低
案例
832kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide057＝317 m2
115kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide075＝332 m2
緊急時057平時065~08
綜合係數溫度變化污損線損Inverter效率＋蓄電池充放電補償
電力需求divide（日照強度times日照時間times模板效率times綜合係數）
模組面積估算
日照強度1kWm2
日照時間384hd
模板效率12
832kWhd500人用電量115kWhd770人用電量
緊急時平時
電力需求估算
緊急時40kWtimes384hdtimes057＝875 kWhd
平時40kWtimes384hdtimes075＝1152Whd
太陽發電系統發電量＝設置容量times日照時間times綜合係數
發電量計算
332m2times1kWm2times12＝398kW≒40kW
太陽發電系統設置容量＝設置面積times日照強度times模板效率
設置容量計算模板效率依太陽電池種類而異
進行模板陣列及蓄電池容量設計
40kWdivide18片串divide120W＝185列≒19
列
40kWdivide17片串divide120W＝196列≒20
列
陣列併列數＝設置容量divide單串功率
18片times120W＝2160W
17片times120W＝2040W
單串功率
300Vdivide169V＝1775片（取整數17 or 18）
陣列串聯數＝Inverter輸入電壓divide模板輸出電壓
模板陣列設計
1 模板功率120W
2 模板輸出電壓169V
3 直交流轉換器(Inverter)輸入電壓300V
120Wtimes17片串times20列＝40800W＝340片(最佳陣列)
120Wtimes18片串times19列＝41080W＝342片
最佳陣列較經濟之設置容量選擇最佳陣列
蓄電池數量＝144個times2列＝288個
120640Whdivide288Vdivide200Ah＝21列≒2列
併列數＝蓄電池需求容量divideInverter額定電壓
288Vdivide2V＝144個
串聯數＝Inverter額定電壓divide蓄電池電壓串併數設計
middot 蓄電池電壓2V個
middot 蓄電池容量200Ah個
Inverter電壓輸入電壓 額定電壓300V 288V200V 192V
蓄電池需求容量＝832kWhdtimes1dtimes145＝12064kWh
蓄電池需求容量＝緊急電力需求times無日照天數times補償係數補償係數蓄電池內阻抗放電停止電壓電壓降低補償
蓄電池需求容量設計
middot 補償係數145
無日照天數1日
61市電相關規定市電相關規定市電相關規定市電相關規定
1 發電設備併接於低壓系統者其總容量未滿100kW且技術無困難者得併接於單相三線110V220V三相三線220V之配電系統若總容量在100kW以上而未滿500kW得分別併接於3相4線220V380V之配電系統
2 發電設備總容量在500kW以上而未滿5000kW10000kW且技術無困難者得分別併接於114KV228KV之高壓配電系統
3 電設備總容量在10000kW以上而未滿40000kW者得併接於特高壓之系統
4 發電設備總容量在40000kW以上者依個案研討分類
併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類
發電系統經由發電系統經由發電系統經由發電系統經由110V220V110V220V110V220V110V220V併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者發電設發電設發電設發電設備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能
1 過電壓保護 低電壓保護
2 低頻保護 高頻保護
3 過電流保護 零相過電壓接地保護
4 發電設備為無逆送電力者須加裝逆電力保護
5 發電設備為有逆送電力者必須具備主動及被動防止單獨運轉保護
發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經110V220V110V220V110V220V110V220V系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者在電在電在電在電源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器
發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業114KV228KV114KV228KV114KV228KV114KV228KV之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者((((高高高高壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶))))發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Extremely Inverse特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Extremely Inverse特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過流電驛(67)須具Normal Inverse特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
發電設備併接於電業69KV特高壓輸電系統者發電設備之輸出端至少應具有下列同等保護功能並須與電業該轄區之保護設備協調
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Normal Inverse之特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Normal Inverse之特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過電流電驛(67)須具Normal Inverse之特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
8 快速及後衛保護電驛如系統保護需要時應裝設
9 匯流排電驛採用GIS斷路器者應裝設
62626262太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範
1 故障電流
太陽光電發電系統大於100kW以上須計算故障電流其送至電業系統之故障電流不得影響電業及其他用戶斷路器之起斷容量否則需裝置限流電抗器
太陽光電發電系統之隔離變壓器接地方式須與電業之系統配合
2 正常電壓變動率應維持在plusmn5以內
3 太陽光電發電系統與電業間之責任分界點的功率因數以維持85落後至100之間運轉為原則
4 諧波污染限制應依照「電力系統諧波管制暫行標準」辦理
分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性
適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯型之規範型之規範型之規範型之規範
電力轉換器電力轉換器電力轉換器電力轉換器(電力調節器電力調節器電力調節器電力調節器)(InverterConditioner)
蓄電池蓄電池蓄電池蓄電池(Battery))
63大型(商用)太陽光發電系統應用(gt1 kWp)
太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統
單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池(Unit Solar Cell)
太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板(PV Module)
太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列(PV Array)
太陽光發電系統應用獨立系統
(A) 獨立系統(Stand-Alone
System)
bull 蓄電池保護壽命
(B) 混合型交流獨立系統 (Hybrid
System)
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
直流負載PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
整流器
輔助發電機
PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載- ~PCU
直直直直交流轉換器交流轉換器交流轉換器交流轉換器
太陽光發電系統應用併聯系統
(D)併聯系統(Grid-
connected System)
特殊功能1 最佳效能2 防止獨立運轉(連線保護)
3 可自力運轉
(E) 防逆流型系統(Off-line System)
(F) 防災型併聯系統
充電控制器
蓄電池
直交流轉換器
PCU太陽電池組列
交流負載
ATS
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
獨立型系統
適用地點高山離島基地台hellip等市電無法到達處
工作方式白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
必須可以自給自足
缺點bull 系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等
安全係數設計很困難)
bull 蓄電池建置複雜成本很高壽命很短
bull 負載搭配不良時發電效能不佳利用率將偏低
bull 需由專人隨時維護
bull 混合系統為一種解決方法
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
PCU
併聯型系統
適用地點電力正常送達之任何地點工作方式 bull 白天 PV系統併聯發電夜間由台電供電bull 將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的蓄電池
優點bull 系統簡單不需安全係數設計(依預算設計)不需要專人維護bull 併聯發電效率高利用率高
缺點bull 停電時無電可用bull 受併聯法規限制尚未開放(但即將開放)
bull 有孤島效應之疑慮(目前技術上已解決)
改善型無電池自力運轉
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
市電併聯型住宅用太陽光發電系統
太陽光發電系統發電及負載用電對時間之關係
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
併聯型直交流轉換器之效能要求較高
1 最大功率追蹤(Maximum Power Tracking MPT)
2 高轉換效率 gt 90 (PWM+電力電子元件)
3 高次諧波功率 Distortion (lt5 total)
4 自動開關機(白天夜晚)
5 過負載保護過溫度保護
6 體積小重量輕室外防水防塵
7 電腦界面可遠端監控
8 防止獨立運轉(連線保護)
9 可自力運轉
太陽電池組列
交流負載
直交流轉換器MPT
Power Conditioner
併聯系統之獨立運轉(單獨運轉)
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull停電時單一併聯系統將會停止運作
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
bull 市電停電時多數併聯系統仍聯合運作將對電力公司人員產生嚴重危害
孤島效應之防止方法
停電偵測1 過電壓低電壓
2 過頻率低頻率
3 被動式偵測如
bull 電壓與頻率監視方式
bull 電壓相位跳躍監視方式
bull 高次諧波監視方式
bull 頻率變化監視方式
PV組列
直交流轉換器
自家負載
4 主動偵測如
bull 頻率Shift方式
bull 配電線負載變動方式
bull 有效電力變動方式
bull 無效電力變動方式
反應時間05~2秒
資料來源「日本電氣用品試驗所」分散型電源系統連系技術指針(1998)
併聯系統之自力運轉功能
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull 大停電後白天有陽光時以人工啟動 PV 系統進行自力運轉供自家負載使用(但夜間無法使用)
防災型併聯型系統
適用地點有防災需求(照明汲水通信hellip)之公共設施
工作方式
bull 平時PV併聯發電(電池浮充) 效率高利用率高夜間由台電供電
bull 視需要建置供防災用電池大停電時白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
缺點bull 含電池成本較高bull 系統較複雜需專人定期維護
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
FAQ1太陽光發電需要多少土地
效率 = (輸出功率W) (組列面積 m2 x 日照強度 Wm2 ) x 100
模板面積 m2 = 輸出功率W (效率 x日照強度Wm2 ) x100
bull 假設使用效率gt136 模板於1000 Wm2 (AM15)日照強度下
10 kWp 模板面積 (m2) = 10000 (0136 x 1000) ~ 735 m2
10 kWp PV系統土地面積需求約
~ 735 m2 x 15 x 11
~ 121m2 (~36坪)
(包括陰影面積及維修空間)
bull 假設使用效率~10 模板
則模板面積約 ~ 100 m2
土地面積需求約 ~ 165m2 (~50坪)
gt55o
夏至
冬至
春秋分
235o 235oh
L1 L2
FAQ2太陽電池一年能發多少電
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
10 kWm2
05 kWm2
日照強度
等效日照時數(Sun Hour)
組列單日發電量 = 組列額定輸出功率 x 等效日照時數
bull 預估1 kWp 組列單日發電量 = 1 (kW) x ex 4(Sun Hour)= 4 kWh
組列年發電量 = 組列額定輸出功率 x 年平均每日日照時數 x 365
bull 預估 1 kWp 組列年發電量 = 1 x 4 x 365 = 1460 kWh
時間時間時間時間
FAQ3太陽光發電的成本(簡易估算)
1 假設目前太陽光發電系統設置成本約為 NT$ 280000 kWp
2 假設年平均每日日照時數約為 25 Sun Hour (台灣中南部地區)
bull 1 kWp 組列單日發電量= 1 (kW) x 25 (Hour)= 25 kWh
bull 1 kWp 組列年發電量= 25 x 365 = 913 kWh (度)
3 假設太陽光發電系統使用壽命為 20 年
bull 1 kWp 太陽光發電系統總共可發電 20 x 913 = 18260 度
4 生產每度電之成本約為 280000 18260 ~ NT$ 153
5 未來發展趨勢
bull 太陽光發電系統設置成本將逐年降低
bull 市電電費將會升高(國內目前約 NT$ 3 度日本約NT$ 7 度)
bull 傳統能源限制再生能源獎勵利率降低
64獨立型太陽光發電系統應用例(一)
bull太陽電池時鐘-日本bull太陽電池路燈-日本千里住宅公園
獨立型太陽光發電系統應用例(二)
bull太陽電池交通標誌-日本北海道 bull高速公路緊急電話-日本
獨立型太陽光發電系統應用例(三)
bull800W無線通信中繼基地台韓國(1998)
獨立型太陽光發電系統應用例(四)
bull離島用90kW獨立型發電系統韓國Ho-Do島(1992)
併聯型太陽光發電系統應用例(一)
bull設置於屋頂之住宅用太陽光發電系統(建材一體型日本千里住宅公園內住宅設計之一)
併聯型太陽光發電系統應用例(二)
bull日本東海線新幹線京都車站之太陽光發電系統(100kWp)
併聯型太陽光發電系統應用例(三)
bull日本京瓷(Kyocera)京都總公司大樓之太陽電池發電系統(220kWp)
太陽光發電發電廠應用例
太陽電池發電廠
(PV Power Plant)
資料來源 ANIT
Srl Italy
建材一體型太陽電池模板應用例
bull資料來源 Pilkington Solar International GmbH 德國
太陽能車應用例
Honda Dream
bull資料來源 PV Special Research
Centre UNSW Australia
交大太陽能車
bull資料來源 National Chiao-Tung
University Taiwan
太陽光發電航太應用例(NASA Helios )
bull空中無線通訊平台應用
資料來源SkyOne Inc Taiwan
bull 飛行高度5-7 萬英呎(最高記錄 96000 英呎)
bull 時速60 mph (起飛 25 mph)
bull 翼展247 英呎bull 重量2000 磅bull 太陽電池效率要求gt22
資料來源httpwwwaerovironmentcomhomehtml
清雲技術學院 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
個人住宅 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
勤益技術學院 3kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
南台科技大學 10kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
總統府 10kWp 獨立型太陽光能發電系統 (9012)
海巡署南沙太平島 20kWp 混合型(柴油發電機)太陽光能發電系統 (9011)
90能源基金示範補助成果例
台電樹林 20kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
併聯型
台電台北市區處 20kWp 太陽光發電系統
(91能源基金示範補助成果)
併聯型
7結論
bull (1)提高電力轉換器效率
bull 轉換器的損失主要來自於開關切換時之損失為了可以降低濾波電路中電感和電容的體積可以提高切換頻率但是相對於開關的切換損失也因此而增加導致轉換器的效率降低因此發展零電壓或零電流切換技術應用於高切換頻率之轉換器將可以提高轉換器的效率
bull (2)提高太陽光發電系統之整體效率
bull 傳統之太陽光發電系統包含儲能系統和供電系統前級利用DCDC轉換器作最大功率追蹤後級則利用DCAC轉換器轉換能量供應給交流負載為了提高太陽光發電系統的整體效率在研究可提出了模組並聯控制技術以提昇各級電力轉換器的效率而在未來太陽光發電系統也將著重在單級電力轉換器的設計對於整體系統效率有較明顯的改善
8參考資料
1許國強ldquo太陽光發電原理與應用工研院材料所 薄膜技術組91年
2華志強黃崇倫ldquo智慧型能量控制於太陽光電能轉換系統國立雲林科技大學電機工程學系電力研討會97年
3林政達ldquo數位式市電並聯換流器與快速鎖相迴路控制器之研製國立雲林科技大學電機工程學系碩士論文92 年
4李思賢ldquo數位式單相低功率太陽光電能轉換系統國立中山大學電機工程學系碩士論文92 年
5洪世杰ldquo適用於再生能源之市電併聯型雙輸入供電系統國立中正大學電機工程研究所碩士論文93 年
6王廷興ldquo太陽能發電配電設計概要台北科技大學冷凍空調系 92年
7魏榮宗王文宏ldquo高效率太陽光電能源轉換系統 元智大學電機工程學系94年
[ ] 100)25(
)11
(exp
1)(exp
3
λminus+=
minus
=
+minus
minus+minus=
TKII
TTBk
qE
T
TII
where
R
IRVIRV
AkT
qIII
ISCRLG
r
GO
r
oros
sh
ssosLG
VI cell output current and voltagecell reverse saturation currentcell temperature in CBoltzmannrsquos constantelectronic chargeshort circuit current temperature coefficientsolar irradiation in Wmshort-circuit current at 25 Cand 1000 Wm
light-generated currentband gap for siliconideality factorsreference temperaturecell saturation current atshunt resistanceseries resistance
osI
T
kq
00170=IK
SCRIλ
LGI
GOE
921== ABKTr deg= 18301
orI
shR
sR
附錄附錄附錄附錄- 太陽能電池太陽能電池太陽能電池太陽能電池
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
(a) Equivalent circuit of a PV module and
(b) Typical PV module current-voltage and power-voltage characteristics
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
Characteristic of a PV module with temperature and irradiation (a) constant irradiation and varying temperature and (b) constant temperature and varying irradiation
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
系統範例系統範例系統範例系統範例
中途驛站電化PV離島用PV系統山岳地帶PV系統離島偏遠區
勤務指揮中心緊急避難所醫療院所公園學校地震觀測站森林嘹望台避難指示燈氣象觀測所水位警報PV系統河川安全燈防波堤安全PV燈
緊急防災
緊急供電系統管線電氣防蝕輸油管流量計PV系統市場廣告塔海上石油平台各種計測站PV系統發電廠情報指揮中心
產業用
住宅用供電系統緊急供電系統緊急照明系統帷幕牆遮陽棚採光罩屋瓦建築物
無線通信用中繼站基地台緊急電話中繼站電話通信PV系統Radio受信PV系統微波中繼站
通訊
農宅用電溫室栽培PV系統農業灌溉用自動灑水系統農牧電籬牛乳冷藏漁業養殖揚水通氣自動餵食器
農林漁牧
路燈交通號誌道路指示牌標誌燈太陽能電動車充電站高速公路緊急電話偏遠道路緊急電話停車計時器停車場控制門系統高速公路防音壁PV系統公路休息區PV系統太陽能車平交道指示燈候車亭PV系統車站屋頂型PV系統
道路交通
收音機測電表手錶計算機太陽能照相機手電筒電池充電器野營燈民生
應用領域
最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法最大功率追蹤演算法
左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追左圖為擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖蹤示意圖蹤示意圖蹤示意圖太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分太陽能板的工作可分為兩個特性區域為兩個特性區域為兩個特性區域為兩個特性區域假設進行追蹤假設進行追蹤假設進行追蹤假設進行追蹤時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時時的工作點落在左半區時電壓電壓電壓電壓的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率的增加會使太陽能板的輸出功率增加增加增加增加若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時若工作點落在右半區時電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出電壓的增加會使太陽能板的輸出功率減少功率減少功率減少功率減少經由經由經由經由DCDC轉換器調轉換器調轉換器調轉換器調節太陽能板與節太陽能板與節太陽能板與節太陽能板與DCDC轉換器的阻轉換器的阻轉換器的阻轉換器的阻抗相互匹配抗相互匹配抗相互匹配抗相互匹配進而得到太陽能板進而得到太陽能板進而得到太陽能板進而得到太陽能板的最大輸出功率的最大輸出功率的最大輸出功率的最大輸出功率
擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖
4軟體規劃
bull 系統控制程式主要分為主程式固定週期中斷副程式市電電壓零交越中斷副程式等三大部分以下將分別介紹各部分程式流程
bull 本系統主程式主要執行數位訊號處理器周邊暫存器的初始設定以及變數宣告其中除了變數宣告外周邊暫存器的初始設定包括有規畫中斷向量設定計數器之計數模式計數週期中斷的時間和PWM 輸出模式等相關參數設定
bull 如圖8 所示系統初始設定後必須先等待中斷發生才能決定系統是否執行固定週期中斷程式或零交越中斷副程式
bull 圖9 為固定週期中斷副程式流程圖固定週期中斷頻率與換流器開關之切換頻率相同為20kHz程式開始會先偵測太陽能板電壓及電流與直流鏈電壓當確定市電電壓零交越中斷發生時必須先將輸出弦波訊號之指標強制為原點重新送出單位弦波確保換流器輸出電流與市電電壓能維持同相位接著比較太陽能板輸入電壓VPV 是否大於最低工作電壓VPV_work如果確定大於最低工作電壓則致能太陽能最大功率追蹤反之則禁能系統動作程式返回圖9 中的正弦脈寬調變副程式主要功能在於決定換流器中開關的動作順序與責任週期大小以及輸波參考訊號
bull 圖10 為太陽能最大功率點追蹤副程式流程圖在文中對最大功率追蹤採用擾動與觀察法配合太陽能光電板的電壓mdash功率特性曲線即可瞭解程式如何完成太陽能光電板最大功率點追蹤
主程式流程圖
5實驗
bull 依據上述的分析採用DSP 2407A 建立一個500W 太陽光電池電能轉換系統依據圖11 之
bull 電路架構其規格與元件參數分別列於表一表二及表三系統實驗波形圖12圖13圖14 及
bull 圖15 為系統操作在獨立運轉模式下負載分別為120W240W360W 及480W 時之換流器輸出
bull 電壓及輸出電流之實測波形
系統規格與元件參數
實測波形
6實務應用系統實務應用系統實務應用系統實務應用系統
獨立系統示意圖獨立系統示意圖
考慮點
系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等安全係數最佳化設計複雜)
一般充電控制器無 MPPT搭配蓄電池使發電效能較差
蓄電池每日gt50DOD深度放電gt02C充電壽命短
太陽光發電量與負載需求量不搭配時太陽光之發電能量利用率偏低 (負載需求搭配與安全係數為互相矛盾之設計)
PV-柴油發電機PV-風力等混合系統為改善之方法
市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台
電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池
併聯系統示意圖併聯系統示意圖
緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析
1 系統設置成本高建議使用於邊際效益高之用電（防災緊急輔助電力）
2 總體經濟效益減少環境污染解決尖峰用電之不足與短缺能源多元化之風險分擔與開創自主能源
3 遮蔽陽光直曬降低建築物之熱效應（被動省能）同時轉換太陽光為電能供應建物自主能源（主動節能）一舉兩得
緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較
30萬元divide21900kWh＝137元度2萬元divide50kWh＝400元度每度電成本
日發電度數times365天times20年＝3hrtimes1kWtimes365天times20年＝21900kWh（度）
（年停電＋年測試運轉時數）times10年＝（20mintimes6次＋15mintimes12月）times10年＝5hrtimes1kWtimes10年＝50kWh
總發電度數（1kw計）
夜間不發電（可利用蓄電池設計供電年維運費02）
噪音空污油料運輸儲油危險維運成本高
缺點
利用露台屋頂牆面空間設備煙管隔音油槽需室內空間
設置空間
平時緊急時均可使用隨時可了解運轉狀況不須操作
加ATS停電時方可啟動需人員每月定期測試運轉
系統運作
太陽光潔淨能源（免費）柴油使用燃料
20年7~10年使用壽命
1kW=30萬元1kW=2~3萬元設置費用
太陽光發電系統柴油發電機
風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析
運用多元化能源分擔風險情況比較說明如下
1 市電--gt停電時風險極高
2 市電＋柴油發電機--gt發電機故障時風險高
市電＋柴油發電機＋太陽光發電系統--gt發揮三者優點互補同時故障機率小風險最低
案例
832kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide057＝317 m2
115kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide075＝332 m2
緊急時057平時065~08
綜合係數溫度變化污損線損Inverter效率＋蓄電池充放電補償
電力需求divide（日照強度times日照時間times模板效率times綜合係數）
模組面積估算
日照強度1kWm2
日照時間384hd
模板效率12
832kWhd500人用電量115kWhd770人用電量
緊急時平時
電力需求估算
緊急時40kWtimes384hdtimes057＝875 kWhd
平時40kWtimes384hdtimes075＝1152Whd
太陽發電系統發電量＝設置容量times日照時間times綜合係數
發電量計算
332m2times1kWm2times12＝398kW≒40kW
太陽發電系統設置容量＝設置面積times日照強度times模板效率
設置容量計算模板效率依太陽電池種類而異
進行模板陣列及蓄電池容量設計
40kWdivide18片串divide120W＝185列≒19
列
40kWdivide17片串divide120W＝196列≒20
列
陣列併列數＝設置容量divide單串功率
18片times120W＝2160W
17片times120W＝2040W
單串功率
300Vdivide169V＝1775片（取整數17 or 18）
陣列串聯數＝Inverter輸入電壓divide模板輸出電壓
模板陣列設計
1 模板功率120W
2 模板輸出電壓169V
3 直交流轉換器(Inverter)輸入電壓300V
120Wtimes17片串times20列＝40800W＝340片(最佳陣列)
120Wtimes18片串times19列＝41080W＝342片
最佳陣列較經濟之設置容量選擇最佳陣列
蓄電池數量＝144個times2列＝288個
120640Whdivide288Vdivide200Ah＝21列≒2列
併列數＝蓄電池需求容量divideInverter額定電壓
288Vdivide2V＝144個
串聯數＝Inverter額定電壓divide蓄電池電壓串併數設計
middot 蓄電池電壓2V個
middot 蓄電池容量200Ah個
Inverter電壓輸入電壓 額定電壓300V 288V200V 192V
蓄電池需求容量＝832kWhdtimes1dtimes145＝12064kWh
蓄電池需求容量＝緊急電力需求times無日照天數times補償係數補償係數蓄電池內阻抗放電停止電壓電壓降低補償
蓄電池需求容量設計
middot 補償係數145
無日照天數1日
61市電相關規定市電相關規定市電相關規定市電相關規定
1 發電設備併接於低壓系統者其總容量未滿100kW且技術無困難者得併接於單相三線110V220V三相三線220V之配電系統若總容量在100kW以上而未滿500kW得分別併接於3相4線220V380V之配電系統
2 發電設備總容量在500kW以上而未滿5000kW10000kW且技術無困難者得分別併接於114KV228KV之高壓配電系統
3 電設備總容量在10000kW以上而未滿40000kW者得併接於特高壓之系統
4 發電設備總容量在40000kW以上者依個案研討分類
併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類
發電系統經由發電系統經由發電系統經由發電系統經由110V220V110V220V110V220V110V220V併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者發電設發電設發電設發電設備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能
1 過電壓保護 低電壓保護
2 低頻保護 高頻保護
3 過電流保護 零相過電壓接地保護
4 發電設備為無逆送電力者須加裝逆電力保護
5 發電設備為有逆送電力者必須具備主動及被動防止單獨運轉保護
發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經110V220V110V220V110V220V110V220V系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者在電在電在電在電源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器
發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業114KV228KV114KV228KV114KV228KV114KV228KV之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者((((高高高高壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶))))發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Extremely Inverse特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Extremely Inverse特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過流電驛(67)須具Normal Inverse特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
發電設備併接於電業69KV特高壓輸電系統者發電設備之輸出端至少應具有下列同等保護功能並須與電業該轄區之保護設備協調
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Normal Inverse之特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Normal Inverse之特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過電流電驛(67)須具Normal Inverse之特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
8 快速及後衛保護電驛如系統保護需要時應裝設
9 匯流排電驛採用GIS斷路器者應裝設
62626262太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範
1 故障電流
太陽光電發電系統大於100kW以上須計算故障電流其送至電業系統之故障電流不得影響電業及其他用戶斷路器之起斷容量否則需裝置限流電抗器
太陽光電發電系統之隔離變壓器接地方式須與電業之系統配合
2 正常電壓變動率應維持在plusmn5以內
3 太陽光電發電系統與電業間之責任分界點的功率因數以維持85落後至100之間運轉為原則
4 諧波污染限制應依照「電力系統諧波管制暫行標準」辦理
分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性
適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯型之規範型之規範型之規範型之規範
電力轉換器電力轉換器電力轉換器電力轉換器(電力調節器電力調節器電力調節器電力調節器)(InverterConditioner)
蓄電池蓄電池蓄電池蓄電池(Battery))
63大型(商用)太陽光發電系統應用(gt1 kWp)
太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統
單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池(Unit Solar Cell)
太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板(PV Module)
太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列(PV Array)
太陽光發電系統應用獨立系統
(A) 獨立系統(Stand-Alone
System)
bull 蓄電池保護壽命
(B) 混合型交流獨立系統 (Hybrid
System)
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
直流負載PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
整流器
輔助發電機
PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載- ~PCU
直直直直交流轉換器交流轉換器交流轉換器交流轉換器
太陽光發電系統應用併聯系統
(D)併聯系統(Grid-
connected System)
特殊功能1 最佳效能2 防止獨立運轉(連線保護)
3 可自力運轉
(E) 防逆流型系統(Off-line System)
(F) 防災型併聯系統
充電控制器
蓄電池
直交流轉換器
PCU太陽電池組列
交流負載
ATS
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
獨立型系統
適用地點高山離島基地台hellip等市電無法到達處
工作方式白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
必須可以自給自足
缺點bull 系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等
安全係數設計很困難)
bull 蓄電池建置複雜成本很高壽命很短
bull 負載搭配不良時發電效能不佳利用率將偏低
bull 需由專人隨時維護
bull 混合系統為一種解決方法
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
PCU
併聯型系統
適用地點電力正常送達之任何地點工作方式 bull 白天 PV系統併聯發電夜間由台電供電bull 將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的蓄電池
優點bull 系統簡單不需安全係數設計(依預算設計)不需要專人維護bull 併聯發電效率高利用率高
缺點bull 停電時無電可用bull 受併聯法規限制尚未開放(但即將開放)
bull 有孤島效應之疑慮(目前技術上已解決)
改善型無電池自力運轉
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
市電併聯型住宅用太陽光發電系統
太陽光發電系統發電及負載用電對時間之關係
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
併聯型直交流轉換器之效能要求較高
1 最大功率追蹤(Maximum Power Tracking MPT)
2 高轉換效率 gt 90 (PWM+電力電子元件)
3 高次諧波功率 Distortion (lt5 total)
4 自動開關機(白天夜晚)
5 過負載保護過溫度保護
6 體積小重量輕室外防水防塵
7 電腦界面可遠端監控
8 防止獨立運轉(連線保護)
9 可自力運轉
太陽電池組列
交流負載
直交流轉換器MPT
Power Conditioner
併聯系統之獨立運轉(單獨運轉)
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull停電時單一併聯系統將會停止運作
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
bull 市電停電時多數併聯系統仍聯合運作將對電力公司人員產生嚴重危害
孤島效應之防止方法
停電偵測1 過電壓低電壓
2 過頻率低頻率
3 被動式偵測如
bull 電壓與頻率監視方式
bull 電壓相位跳躍監視方式
bull 高次諧波監視方式
bull 頻率變化監視方式
PV組列
直交流轉換器
自家負載
4 主動偵測如
bull 頻率Shift方式
bull 配電線負載變動方式
bull 有效電力變動方式
bull 無效電力變動方式
反應時間05~2秒
資料來源「日本電氣用品試驗所」分散型電源系統連系技術指針(1998)
併聯系統之自力運轉功能
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull 大停電後白天有陽光時以人工啟動 PV 系統進行自力運轉供自家負載使用(但夜間無法使用)
防災型併聯型系統
適用地點有防災需求(照明汲水通信hellip)之公共設施
工作方式
bull 平時PV併聯發電(電池浮充) 效率高利用率高夜間由台電供電
bull 視需要建置供防災用電池大停電時白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
缺點bull 含電池成本較高bull 系統較複雜需專人定期維護
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
FAQ1太陽光發電需要多少土地
效率 = (輸出功率W) (組列面積 m2 x 日照強度 Wm2 ) x 100
模板面積 m2 = 輸出功率W (效率 x日照強度Wm2 ) x100
bull 假設使用效率gt136 模板於1000 Wm2 (AM15)日照強度下
10 kWp 模板面積 (m2) = 10000 (0136 x 1000) ~ 735 m2
10 kWp PV系統土地面積需求約
~ 735 m2 x 15 x 11
~ 121m2 (~36坪)
(包括陰影面積及維修空間)
bull 假設使用效率~10 模板
則模板面積約 ~ 100 m2
土地面積需求約 ~ 165m2 (~50坪)
gt55o
夏至
冬至
春秋分
235o 235oh
L1 L2
FAQ2太陽電池一年能發多少電
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
10 kWm2
05 kWm2
日照強度
等效日照時數(Sun Hour)
組列單日發電量 = 組列額定輸出功率 x 等效日照時數
bull 預估1 kWp 組列單日發電量 = 1 (kW) x ex 4(Sun Hour)= 4 kWh
組列年發電量 = 組列額定輸出功率 x 年平均每日日照時數 x 365
bull 預估 1 kWp 組列年發電量 = 1 x 4 x 365 = 1460 kWh
時間時間時間時間
FAQ3太陽光發電的成本(簡易估算)
1 假設目前太陽光發電系統設置成本約為 NT$ 280000 kWp
2 假設年平均每日日照時數約為 25 Sun Hour (台灣中南部地區)
bull 1 kWp 組列單日發電量= 1 (kW) x 25 (Hour)= 25 kWh
bull 1 kWp 組列年發電量= 25 x 365 = 913 kWh (度)
3 假設太陽光發電系統使用壽命為 20 年
bull 1 kWp 太陽光發電系統總共可發電 20 x 913 = 18260 度
4 生產每度電之成本約為 280000 18260 ~ NT$ 153
5 未來發展趨勢
bull 太陽光發電系統設置成本將逐年降低
bull 市電電費將會升高(國內目前約 NT$ 3 度日本約NT$ 7 度)
bull 傳統能源限制再生能源獎勵利率降低
64獨立型太陽光發電系統應用例(一)
bull太陽電池時鐘-日本bull太陽電池路燈-日本千里住宅公園
獨立型太陽光發電系統應用例(二)
bull太陽電池交通標誌-日本北海道 bull高速公路緊急電話-日本
獨立型太陽光發電系統應用例(三)
bull800W無線通信中繼基地台韓國(1998)
獨立型太陽光發電系統應用例(四)
bull離島用90kW獨立型發電系統韓國Ho-Do島(1992)
併聯型太陽光發電系統應用例(一)
bull設置於屋頂之住宅用太陽光發電系統(建材一體型日本千里住宅公園內住宅設計之一)
併聯型太陽光發電系統應用例(二)
bull日本東海線新幹線京都車站之太陽光發電系統(100kWp)
併聯型太陽光發電系統應用例(三)
bull日本京瓷(Kyocera)京都總公司大樓之太陽電池發電系統(220kWp)
太陽光發電發電廠應用例
太陽電池發電廠
(PV Power Plant)
資料來源 ANIT
Srl Italy
建材一體型太陽電池模板應用例
bull資料來源 Pilkington Solar International GmbH 德國
太陽能車應用例
Honda Dream
bull資料來源 PV Special Research
Centre UNSW Australia
交大太陽能車
bull資料來源 National Chiao-Tung
University Taiwan
太陽光發電航太應用例(NASA Helios )
bull空中無線通訊平台應用
資料來源SkyOne Inc Taiwan
bull 飛行高度5-7 萬英呎(最高記錄 96000 英呎)
bull 時速60 mph (起飛 25 mph)
bull 翼展247 英呎bull 重量2000 磅bull 太陽電池效率要求gt22
資料來源httpwwwaerovironmentcomhomehtml
清雲技術學院 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
個人住宅 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
勤益技術學院 3kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
南台科技大學 10kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
總統府 10kWp 獨立型太陽光能發電系統 (9012)
海巡署南沙太平島 20kWp 混合型(柴油發電機)太陽光能發電系統 (9011)
90能源基金示範補助成果例
台電樹林 20kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
併聯型
台電台北市區處 20kWp 太陽光發電系統
(91能源基金示範補助成果)
併聯型
7結論
bull (1)提高電力轉換器效率
bull 轉換器的損失主要來自於開關切換時之損失為了可以降低濾波電路中電感和電容的體積可以提高切換頻率但是相對於開關的切換損失也因此而增加導致轉換器的效率降低因此發展零電壓或零電流切換技術應用於高切換頻率之轉換器將可以提高轉換器的效率
bull (2)提高太陽光發電系統之整體效率
bull 傳統之太陽光發電系統包含儲能系統和供電系統前級利用DCDC轉換器作最大功率追蹤後級則利用DCAC轉換器轉換能量供應給交流負載為了提高太陽光發電系統的整體效率在研究可提出了模組並聯控制技術以提昇各級電力轉換器的效率而在未來太陽光發電系統也將著重在單級電力轉換器的設計對於整體系統效率有較明顯的改善
8參考資料
1許國強ldquo太陽光發電原理與應用工研院材料所 薄膜技術組91年
2華志強黃崇倫ldquo智慧型能量控制於太陽光電能轉換系統國立雲林科技大學電機工程學系電力研討會97年
3林政達ldquo數位式市電並聯換流器與快速鎖相迴路控制器之研製國立雲林科技大學電機工程學系碩士論文92 年
4李思賢ldquo數位式單相低功率太陽光電能轉換系統國立中山大學電機工程學系碩士論文92 年
5洪世杰ldquo適用於再生能源之市電併聯型雙輸入供電系統國立中正大學電機工程研究所碩士論文93 年
6王廷興ldquo太陽能發電配電設計概要台北科技大學冷凍空調系 92年
7魏榮宗王文宏ldquo高效率太陽光電能源轉換系統 元智大學電機工程學系94年
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sh
ssosLG
VI cell output current and voltagecell reverse saturation currentcell temperature in CBoltzmannrsquos constantelectronic chargeshort circuit current temperature coefficientsolar irradiation in Wmshort-circuit current at 25 Cand 1000 Wm
light-generated currentband gap for siliconideality factorsreference temperaturecell saturation current atshunt resistanceseries resistance
osI
T
kq
00170=IK
SCRIλ
LGI
GOE
921== ABKTr deg= 18301
orI
shR
sR
附錄附錄附錄附錄- 太陽能電池太陽能電池太陽能電池太陽能電池
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
(a) Equivalent circuit of a PV module and
(b) Typical PV module current-voltage and power-voltage characteristics
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
Characteristic of a PV module with temperature and irradiation (a) constant irradiation and varying temperature and (b) constant temperature and varying irradiation
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
系統範例系統範例系統範例系統範例
中途驛站電化PV離島用PV系統山岳地帶PV系統離島偏遠區
勤務指揮中心緊急避難所醫療院所公園學校地震觀測站森林嘹望台避難指示燈氣象觀測所水位警報PV系統河川安全燈防波堤安全PV燈
緊急防災
緊急供電系統管線電氣防蝕輸油管流量計PV系統市場廣告塔海上石油平台各種計測站PV系統發電廠情報指揮中心
產業用
住宅用供電系統緊急供電系統緊急照明系統帷幕牆遮陽棚採光罩屋瓦建築物
無線通信用中繼站基地台緊急電話中繼站電話通信PV系統Radio受信PV系統微波中繼站
通訊
農宅用電溫室栽培PV系統農業灌溉用自動灑水系統農牧電籬牛乳冷藏漁業養殖揚水通氣自動餵食器
農林漁牧
路燈交通號誌道路指示牌標誌燈太陽能電動車充電站高速公路緊急電話偏遠道路緊急電話停車計時器停車場控制門系統高速公路防音壁PV系統公路休息區PV系統太陽能車平交道指示燈候車亭PV系統車站屋頂型PV系統
道路交通
收音機測電表手錶計算機太陽能照相機手電筒電池充電器野營燈民生
應用領域
4軟體規劃
bull 系統控制程式主要分為主程式固定週期中斷副程式市電電壓零交越中斷副程式等三大部分以下將分別介紹各部分程式流程
bull 本系統主程式主要執行數位訊號處理器周邊暫存器的初始設定以及變數宣告其中除了變數宣告外周邊暫存器的初始設定包括有規畫中斷向量設定計數器之計數模式計數週期中斷的時間和PWM 輸出模式等相關參數設定
bull 如圖8 所示系統初始設定後必須先等待中斷發生才能決定系統是否執行固定週期中斷程式或零交越中斷副程式
bull 圖9 為固定週期中斷副程式流程圖固定週期中斷頻率與換流器開關之切換頻率相同為20kHz程式開始會先偵測太陽能板電壓及電流與直流鏈電壓當確定市電電壓零交越中斷發生時必須先將輸出弦波訊號之指標強制為原點重新送出單位弦波確保換流器輸出電流與市電電壓能維持同相位接著比較太陽能板輸入電壓VPV 是否大於最低工作電壓VPV_work如果確定大於最低工作電壓則致能太陽能最大功率追蹤反之則禁能系統動作程式返回圖9 中的正弦脈寬調變副程式主要功能在於決定換流器中開關的動作順序與責任週期大小以及輸波參考訊號
bull 圖10 為太陽能最大功率點追蹤副程式流程圖在文中對最大功率追蹤採用擾動與觀察法配合太陽能光電板的電壓mdash功率特性曲線即可瞭解程式如何完成太陽能光電板最大功率點追蹤
主程式流程圖
5實驗
bull 依據上述的分析採用DSP 2407A 建立一個500W 太陽光電池電能轉換系統依據圖11 之
bull 電路架構其規格與元件參數分別列於表一表二及表三系統實驗波形圖12圖13圖14 及
bull 圖15 為系統操作在獨立運轉模式下負載分別為120W240W360W 及480W 時之換流器輸出
bull 電壓及輸出電流之實測波形
系統規格與元件參數
實測波形
6實務應用系統實務應用系統實務應用系統實務應用系統
獨立系統示意圖獨立系統示意圖
考慮點
系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等安全係數最佳化設計複雜)
一般充電控制器無 MPPT搭配蓄電池使發電效能較差
蓄電池每日gt50DOD深度放電gt02C充電壽命短
太陽光發電量與負載需求量不搭配時太陽光之發電能量利用率偏低 (負載需求搭配與安全係數為互相矛盾之設計)
PV-柴油發電機PV-風力等混合系統為改善之方法
市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台
電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池
併聯系統示意圖併聯系統示意圖
緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析
1 系統設置成本高建議使用於邊際效益高之用電（防災緊急輔助電力）
2 總體經濟效益減少環境污染解決尖峰用電之不足與短缺能源多元化之風險分擔與開創自主能源
3 遮蔽陽光直曬降低建築物之熱效應（被動省能）同時轉換太陽光為電能供應建物自主能源（主動節能）一舉兩得
緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較
30萬元divide21900kWh＝137元度2萬元divide50kWh＝400元度每度電成本
日發電度數times365天times20年＝3hrtimes1kWtimes365天times20年＝21900kWh（度）
（年停電＋年測試運轉時數）times10年＝（20mintimes6次＋15mintimes12月）times10年＝5hrtimes1kWtimes10年＝50kWh
總發電度數（1kw計）
夜間不發電（可利用蓄電池設計供電年維運費02）
噪音空污油料運輸儲油危險維運成本高
缺點
利用露台屋頂牆面空間設備煙管隔音油槽需室內空間
設置空間
平時緊急時均可使用隨時可了解運轉狀況不須操作
加ATS停電時方可啟動需人員每月定期測試運轉
系統運作
太陽光潔淨能源（免費）柴油使用燃料
20年7~10年使用壽命
1kW=30萬元1kW=2~3萬元設置費用
太陽光發電系統柴油發電機
風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析
運用多元化能源分擔風險情況比較說明如下
1 市電--gt停電時風險極高
2 市電＋柴油發電機--gt發電機故障時風險高
市電＋柴油發電機＋太陽光發電系統--gt發揮三者優點互補同時故障機率小風險最低
案例
832kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide057＝317 m2
115kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide075＝332 m2
緊急時057平時065~08
綜合係數溫度變化污損線損Inverter效率＋蓄電池充放電補償
電力需求divide（日照強度times日照時間times模板效率times綜合係數）
模組面積估算
日照強度1kWm2
日照時間384hd
模板效率12
832kWhd500人用電量115kWhd770人用電量
緊急時平時
電力需求估算
緊急時40kWtimes384hdtimes057＝875 kWhd
平時40kWtimes384hdtimes075＝1152Whd
太陽發電系統發電量＝設置容量times日照時間times綜合係數
發電量計算
332m2times1kWm2times12＝398kW≒40kW
太陽發電系統設置容量＝設置面積times日照強度times模板效率
設置容量計算模板效率依太陽電池種類而異
進行模板陣列及蓄電池容量設計
40kWdivide18片串divide120W＝185列≒19
列
40kWdivide17片串divide120W＝196列≒20
列
陣列併列數＝設置容量divide單串功率
18片times120W＝2160W
17片times120W＝2040W
單串功率
300Vdivide169V＝1775片（取整數17 or 18）
陣列串聯數＝Inverter輸入電壓divide模板輸出電壓
模板陣列設計
1 模板功率120W
2 模板輸出電壓169V
3 直交流轉換器(Inverter)輸入電壓300V
120Wtimes17片串times20列＝40800W＝340片(最佳陣列)
120Wtimes18片串times19列＝41080W＝342片
最佳陣列較經濟之設置容量選擇最佳陣列
蓄電池數量＝144個times2列＝288個
120640Whdivide288Vdivide200Ah＝21列≒2列
併列數＝蓄電池需求容量divideInverter額定電壓
288Vdivide2V＝144個
串聯數＝Inverter額定電壓divide蓄電池電壓串併數設計
middot 蓄電池電壓2V個
middot 蓄電池容量200Ah個
Inverter電壓輸入電壓 額定電壓300V 288V200V 192V
蓄電池需求容量＝832kWhdtimes1dtimes145＝12064kWh
蓄電池需求容量＝緊急電力需求times無日照天數times補償係數補償係數蓄電池內阻抗放電停止電壓電壓降低補償
蓄電池需求容量設計
middot 補償係數145
無日照天數1日
61市電相關規定市電相關規定市電相關規定市電相關規定
1 發電設備併接於低壓系統者其總容量未滿100kW且技術無困難者得併接於單相三線110V220V三相三線220V之配電系統若總容量在100kW以上而未滿500kW得分別併接於3相4線220V380V之配電系統
2 發電設備總容量在500kW以上而未滿5000kW10000kW且技術無困難者得分別併接於114KV228KV之高壓配電系統
3 電設備總容量在10000kW以上而未滿40000kW者得併接於特高壓之系統
4 發電設備總容量在40000kW以上者依個案研討分類
併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類
發電系統經由發電系統經由發電系統經由發電系統經由110V220V110V220V110V220V110V220V併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者發電設發電設發電設發電設備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能
1 過電壓保護 低電壓保護
2 低頻保護 高頻保護
3 過電流保護 零相過電壓接地保護
4 發電設備為無逆送電力者須加裝逆電力保護
5 發電設備為有逆送電力者必須具備主動及被動防止單獨運轉保護
發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經110V220V110V220V110V220V110V220V系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者在電在電在電在電源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器
發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業114KV228KV114KV228KV114KV228KV114KV228KV之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者((((高高高高壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶))))發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Extremely Inverse特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Extremely Inverse特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過流電驛(67)須具Normal Inverse特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
發電設備併接於電業69KV特高壓輸電系統者發電設備之輸出端至少應具有下列同等保護功能並須與電業該轄區之保護設備協調
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Normal Inverse之特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Normal Inverse之特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過電流電驛(67)須具Normal Inverse之特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
8 快速及後衛保護電驛如系統保護需要時應裝設
9 匯流排電驛採用GIS斷路器者應裝設
62626262太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範
1 故障電流
太陽光電發電系統大於100kW以上須計算故障電流其送至電業系統之故障電流不得影響電業及其他用戶斷路器之起斷容量否則需裝置限流電抗器
太陽光電發電系統之隔離變壓器接地方式須與電業之系統配合
2 正常電壓變動率應維持在plusmn5以內
3 太陽光電發電系統與電業間之責任分界點的功率因數以維持85落後至100之間運轉為原則
4 諧波污染限制應依照「電力系統諧波管制暫行標準」辦理
分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性
適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯型之規範型之規範型之規範型之規範
電力轉換器電力轉換器電力轉換器電力轉換器(電力調節器電力調節器電力調節器電力調節器)(InverterConditioner)
蓄電池蓄電池蓄電池蓄電池(Battery))
63大型(商用)太陽光發電系統應用(gt1 kWp)
太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統
單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池(Unit Solar Cell)
太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板(PV Module)
太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列(PV Array)
太陽光發電系統應用獨立系統
(A) 獨立系統(Stand-Alone
System)
bull 蓄電池保護壽命
(B) 混合型交流獨立系統 (Hybrid
System)
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
直流負載PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
整流器
輔助發電機
PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載- ~PCU
直直直直交流轉換器交流轉換器交流轉換器交流轉換器
太陽光發電系統應用併聯系統
(D)併聯系統(Grid-
connected System)
特殊功能1 最佳效能2 防止獨立運轉(連線保護)
3 可自力運轉
(E) 防逆流型系統(Off-line System)
(F) 防災型併聯系統
充電控制器
蓄電池
直交流轉換器
PCU太陽電池組列
交流負載
ATS
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
獨立型系統
適用地點高山離島基地台hellip等市電無法到達處
工作方式白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
必須可以自給自足
缺點bull 系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等
安全係數設計很困難)
bull 蓄電池建置複雜成本很高壽命很短
bull 負載搭配不良時發電效能不佳利用率將偏低
bull 需由專人隨時維護
bull 混合系統為一種解決方法
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
PCU
併聯型系統
適用地點電力正常送達之任何地點工作方式 bull 白天 PV系統併聯發電夜間由台電供電bull 將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的蓄電池
優點bull 系統簡單不需安全係數設計(依預算設計)不需要專人維護bull 併聯發電效率高利用率高
缺點bull 停電時無電可用bull 受併聯法規限制尚未開放(但即將開放)
bull 有孤島效應之疑慮(目前技術上已解決)
改善型無電池自力運轉
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
市電併聯型住宅用太陽光發電系統
太陽光發電系統發電及負載用電對時間之關係
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
併聯型直交流轉換器之效能要求較高
1 最大功率追蹤(Maximum Power Tracking MPT)
2 高轉換效率 gt 90 (PWM+電力電子元件)
3 高次諧波功率 Distortion (lt5 total)
4 自動開關機(白天夜晚)
5 過負載保護過溫度保護
6 體積小重量輕室外防水防塵
7 電腦界面可遠端監控
8 防止獨立運轉(連線保護)
9 可自力運轉
太陽電池組列
交流負載
直交流轉換器MPT
Power Conditioner
併聯系統之獨立運轉(單獨運轉)
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull停電時單一併聯系統將會停止運作
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
bull 市電停電時多數併聯系統仍聯合運作將對電力公司人員產生嚴重危害
孤島效應之防止方法
停電偵測1 過電壓低電壓
2 過頻率低頻率
3 被動式偵測如
bull 電壓與頻率監視方式
bull 電壓相位跳躍監視方式
bull 高次諧波監視方式
bull 頻率變化監視方式
PV組列
直交流轉換器
自家負載
4 主動偵測如
bull 頻率Shift方式
bull 配電線負載變動方式
bull 有效電力變動方式
bull 無效電力變動方式
反應時間05~2秒
資料來源「日本電氣用品試驗所」分散型電源系統連系技術指針(1998)
併聯系統之自力運轉功能
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull 大停電後白天有陽光時以人工啟動 PV 系統進行自力運轉供自家負載使用(但夜間無法使用)
防災型併聯型系統
適用地點有防災需求(照明汲水通信hellip)之公共設施
工作方式
bull 平時PV併聯發電(電池浮充) 效率高利用率高夜間由台電供電
bull 視需要建置供防災用電池大停電時白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
缺點bull 含電池成本較高bull 系統較複雜需專人定期維護
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
FAQ1太陽光發電需要多少土地
效率 = (輸出功率W) (組列面積 m2 x 日照強度 Wm2 ) x 100
模板面積 m2 = 輸出功率W (效率 x日照強度Wm2 ) x100
bull 假設使用效率gt136 模板於1000 Wm2 (AM15)日照強度下
10 kWp 模板面積 (m2) = 10000 (0136 x 1000) ~ 735 m2
10 kWp PV系統土地面積需求約
~ 735 m2 x 15 x 11
~ 121m2 (~36坪)
(包括陰影面積及維修空間)
bull 假設使用效率~10 模板
則模板面積約 ~ 100 m2
土地面積需求約 ~ 165m2 (~50坪)
gt55o
夏至
冬至
春秋分
235o 235oh
L1 L2
FAQ2太陽電池一年能發多少電
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
10 kWm2
05 kWm2
日照強度
等效日照時數(Sun Hour)
組列單日發電量 = 組列額定輸出功率 x 等效日照時數
bull 預估1 kWp 組列單日發電量 = 1 (kW) x ex 4(Sun Hour)= 4 kWh
組列年發電量 = 組列額定輸出功率 x 年平均每日日照時數 x 365
bull 預估 1 kWp 組列年發電量 = 1 x 4 x 365 = 1460 kWh
時間時間時間時間
FAQ3太陽光發電的成本(簡易估算)
1 假設目前太陽光發電系統設置成本約為 NT$ 280000 kWp
2 假設年平均每日日照時數約為 25 Sun Hour (台灣中南部地區)
bull 1 kWp 組列單日發電量= 1 (kW) x 25 (Hour)= 25 kWh
bull 1 kWp 組列年發電量= 25 x 365 = 913 kWh (度)
3 假設太陽光發電系統使用壽命為 20 年
bull 1 kWp 太陽光發電系統總共可發電 20 x 913 = 18260 度
4 生產每度電之成本約為 280000 18260 ~ NT$ 153
5 未來發展趨勢
bull 太陽光發電系統設置成本將逐年降低
bull 市電電費將會升高(國內目前約 NT$ 3 度日本約NT$ 7 度)
bull 傳統能源限制再生能源獎勵利率降低
64獨立型太陽光發電系統應用例(一)
bull太陽電池時鐘-日本bull太陽電池路燈-日本千里住宅公園
獨立型太陽光發電系統應用例(二)
bull太陽電池交通標誌-日本北海道 bull高速公路緊急電話-日本
獨立型太陽光發電系統應用例(三)
bull800W無線通信中繼基地台韓國(1998)
獨立型太陽光發電系統應用例(四)
bull離島用90kW獨立型發電系統韓國Ho-Do島(1992)
併聯型太陽光發電系統應用例(一)
bull設置於屋頂之住宅用太陽光發電系統(建材一體型日本千里住宅公園內住宅設計之一)
併聯型太陽光發電系統應用例(二)
bull日本東海線新幹線京都車站之太陽光發電系統(100kWp)
併聯型太陽光發電系統應用例(三)
bull日本京瓷(Kyocera)京都總公司大樓之太陽電池發電系統(220kWp)
太陽光發電發電廠應用例
太陽電池發電廠
(PV Power Plant)
資料來源 ANIT
Srl Italy
建材一體型太陽電池模板應用例
bull資料來源 Pilkington Solar International GmbH 德國
太陽能車應用例
Honda Dream
bull資料來源 PV Special Research
Centre UNSW Australia
交大太陽能車
bull資料來源 National Chiao-Tung
University Taiwan
太陽光發電航太應用例(NASA Helios )
bull空中無線通訊平台應用
資料來源SkyOne Inc Taiwan
bull 飛行高度5-7 萬英呎(最高記錄 96000 英呎)
bull 時速60 mph (起飛 25 mph)
bull 翼展247 英呎bull 重量2000 磅bull 太陽電池效率要求gt22
資料來源httpwwwaerovironmentcomhomehtml
清雲技術學院 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
個人住宅 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
勤益技術學院 3kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
南台科技大學 10kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
總統府 10kWp 獨立型太陽光能發電系統 (9012)
海巡署南沙太平島 20kWp 混合型(柴油發電機)太陽光能發電系統 (9011)
90能源基金示範補助成果例
台電樹林 20kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
併聯型
台電台北市區處 20kWp 太陽光發電系統
(91能源基金示範補助成果)
併聯型
7結論
bull (1)提高電力轉換器效率
bull 轉換器的損失主要來自於開關切換時之損失為了可以降低濾波電路中電感和電容的體積可以提高切換頻率但是相對於開關的切換損失也因此而增加導致轉換器的效率降低因此發展零電壓或零電流切換技術應用於高切換頻率之轉換器將可以提高轉換器的效率
bull (2)提高太陽光發電系統之整體效率
bull 傳統之太陽光發電系統包含儲能系統和供電系統前級利用DCDC轉換器作最大功率追蹤後級則利用DCAC轉換器轉換能量供應給交流負載為了提高太陽光發電系統的整體效率在研究可提出了模組並聯控制技術以提昇各級電力轉換器的效率而在未來太陽光發電系統也將著重在單級電力轉換器的設計對於整體系統效率有較明顯的改善
8參考資料
1許國強ldquo太陽光發電原理與應用工研院材料所 薄膜技術組91年
2華志強黃崇倫ldquo智慧型能量控制於太陽光電能轉換系統國立雲林科技大學電機工程學系電力研討會97年
3林政達ldquo數位式市電並聯換流器與快速鎖相迴路控制器之研製國立雲林科技大學電機工程學系碩士論文92 年
4李思賢ldquo數位式單相低功率太陽光電能轉換系統國立中山大學電機工程學系碩士論文92 年
5洪世杰ldquo適用於再生能源之市電併聯型雙輸入供電系統國立中正大學電機工程研究所碩士論文93 年
6王廷興ldquo太陽能發電配電設計概要台北科技大學冷凍空調系 92年
7魏榮宗王文宏ldquo高效率太陽光電能源轉換系統 元智大學電機工程學系94年
[ ] 100)25(
)11
(exp
1)(exp
3
λminus+=
minus
=
+minus
minus+minus=
TKII
TTBk
qE
T
TII
where
R
IRVIRV
AkT
qIII
ISCRLG
r
GO
r
oros
sh
ssosLG
VI cell output current and voltagecell reverse saturation currentcell temperature in CBoltzmannrsquos constantelectronic chargeshort circuit current temperature coefficientsolar irradiation in Wmshort-circuit current at 25 Cand 1000 Wm
light-generated currentband gap for siliconideality factorsreference temperaturecell saturation current atshunt resistanceseries resistance
osI
T
kq
00170=IK
SCRIλ
LGI
GOE
921== ABKTr deg= 18301
orI
shR
sR
附錄附錄附錄附錄- 太陽能電池太陽能電池太陽能電池太陽能電池
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
(a) Equivalent circuit of a PV module and
(b) Typical PV module current-voltage and power-voltage characteristics
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
Characteristic of a PV module with temperature and irradiation (a) constant irradiation and varying temperature and (b) constant temperature and varying irradiation
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
系統範例系統範例系統範例系統範例
中途驛站電化PV離島用PV系統山岳地帶PV系統離島偏遠區
勤務指揮中心緊急避難所醫療院所公園學校地震觀測站森林嘹望台避難指示燈氣象觀測所水位警報PV系統河川安全燈防波堤安全PV燈
緊急防災
緊急供電系統管線電氣防蝕輸油管流量計PV系統市場廣告塔海上石油平台各種計測站PV系統發電廠情報指揮中心
產業用
住宅用供電系統緊急供電系統緊急照明系統帷幕牆遮陽棚採光罩屋瓦建築物
無線通信用中繼站基地台緊急電話中繼站電話通信PV系統Radio受信PV系統微波中繼站
通訊
農宅用電溫室栽培PV系統農業灌溉用自動灑水系統農牧電籬牛乳冷藏漁業養殖揚水通氣自動餵食器
農林漁牧
路燈交通號誌道路指示牌標誌燈太陽能電動車充電站高速公路緊急電話偏遠道路緊急電話停車計時器停車場控制門系統高速公路防音壁PV系統公路休息區PV系統太陽能車平交道指示燈候車亭PV系統車站屋頂型PV系統
道路交通
收音機測電表手錶計算機太陽能照相機手電筒電池充電器野營燈民生
應用領域
主程式流程圖
5實驗
bull 依據上述的分析採用DSP 2407A 建立一個500W 太陽光電池電能轉換系統依據圖11 之
bull 電路架構其規格與元件參數分別列於表一表二及表三系統實驗波形圖12圖13圖14 及
bull 圖15 為系統操作在獨立運轉模式下負載分別為120W240W360W 及480W 時之換流器輸出
bull 電壓及輸出電流之實測波形
系統規格與元件參數
實測波形
6實務應用系統實務應用系統實務應用系統實務應用系統
獨立系統示意圖獨立系統示意圖
考慮點
系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等安全係數最佳化設計複雜)
一般充電控制器無 MPPT搭配蓄電池使發電效能較差
蓄電池每日gt50DOD深度放電gt02C充電壽命短
太陽光發電量與負載需求量不搭配時太陽光之發電能量利用率偏低 (負載需求搭配與安全係數為互相矛盾之設計)
PV-柴油發電機PV-風力等混合系統為改善之方法
市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台
電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池
併聯系統示意圖併聯系統示意圖
緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析
1 系統設置成本高建議使用於邊際效益高之用電（防災緊急輔助電力）
2 總體經濟效益減少環境污染解決尖峰用電之不足與短缺能源多元化之風險分擔與開創自主能源
3 遮蔽陽光直曬降低建築物之熱效應（被動省能）同時轉換太陽光為電能供應建物自主能源（主動節能）一舉兩得
緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較
30萬元divide21900kWh＝137元度2萬元divide50kWh＝400元度每度電成本
日發電度數times365天times20年＝3hrtimes1kWtimes365天times20年＝21900kWh（度）
（年停電＋年測試運轉時數）times10年＝（20mintimes6次＋15mintimes12月）times10年＝5hrtimes1kWtimes10年＝50kWh
總發電度數（1kw計）
夜間不發電（可利用蓄電池設計供電年維運費02）
噪音空污油料運輸儲油危險維運成本高
缺點
利用露台屋頂牆面空間設備煙管隔音油槽需室內空間
設置空間
平時緊急時均可使用隨時可了解運轉狀況不須操作
加ATS停電時方可啟動需人員每月定期測試運轉
系統運作
太陽光潔淨能源（免費）柴油使用燃料
20年7~10年使用壽命
1kW=30萬元1kW=2~3萬元設置費用
太陽光發電系統柴油發電機
風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析
運用多元化能源分擔風險情況比較說明如下
1 市電--gt停電時風險極高
2 市電＋柴油發電機--gt發電機故障時風險高
市電＋柴油發電機＋太陽光發電系統--gt發揮三者優點互補同時故障機率小風險最低
案例
832kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide057＝317 m2
115kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide075＝332 m2
緊急時057平時065~08
綜合係數溫度變化污損線損Inverter效率＋蓄電池充放電補償
電力需求divide（日照強度times日照時間times模板效率times綜合係數）
模組面積估算
日照強度1kWm2
日照時間384hd
模板效率12
832kWhd500人用電量115kWhd770人用電量
緊急時平時
電力需求估算
緊急時40kWtimes384hdtimes057＝875 kWhd
平時40kWtimes384hdtimes075＝1152Whd
太陽發電系統發電量＝設置容量times日照時間times綜合係數
發電量計算
332m2times1kWm2times12＝398kW≒40kW
太陽發電系統設置容量＝設置面積times日照強度times模板效率
設置容量計算模板效率依太陽電池種類而異
進行模板陣列及蓄電池容量設計
40kWdivide18片串divide120W＝185列≒19
列
40kWdivide17片串divide120W＝196列≒20
列
陣列併列數＝設置容量divide單串功率
18片times120W＝2160W
17片times120W＝2040W
單串功率
300Vdivide169V＝1775片（取整數17 or 18）
陣列串聯數＝Inverter輸入電壓divide模板輸出電壓
模板陣列設計
1 模板功率120W
2 模板輸出電壓169V
3 直交流轉換器(Inverter)輸入電壓300V
120Wtimes17片串times20列＝40800W＝340片(最佳陣列)
120Wtimes18片串times19列＝41080W＝342片
最佳陣列較經濟之設置容量選擇最佳陣列
蓄電池數量＝144個times2列＝288個
120640Whdivide288Vdivide200Ah＝21列≒2列
併列數＝蓄電池需求容量divideInverter額定電壓
288Vdivide2V＝144個
串聯數＝Inverter額定電壓divide蓄電池電壓串併數設計
middot 蓄電池電壓2V個
middot 蓄電池容量200Ah個
Inverter電壓輸入電壓 額定電壓300V 288V200V 192V
蓄電池需求容量＝832kWhdtimes1dtimes145＝12064kWh
蓄電池需求容量＝緊急電力需求times無日照天數times補償係數補償係數蓄電池內阻抗放電停止電壓電壓降低補償
蓄電池需求容量設計
middot 補償係數145
無日照天數1日
61市電相關規定市電相關規定市電相關規定市電相關規定
1 發電設備併接於低壓系統者其總容量未滿100kW且技術無困難者得併接於單相三線110V220V三相三線220V之配電系統若總容量在100kW以上而未滿500kW得分別併接於3相4線220V380V之配電系統
2 發電設備總容量在500kW以上而未滿5000kW10000kW且技術無困難者得分別併接於114KV228KV之高壓配電系統
3 電設備總容量在10000kW以上而未滿40000kW者得併接於特高壓之系統
4 發電設備總容量在40000kW以上者依個案研討分類
併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類
發電系統經由發電系統經由發電系統經由發電系統經由110V220V110V220V110V220V110V220V併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者發電設發電設發電設發電設備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能
1 過電壓保護 低電壓保護
2 低頻保護 高頻保護
3 過電流保護 零相過電壓接地保護
4 發電設備為無逆送電力者須加裝逆電力保護
5 發電設備為有逆送電力者必須具備主動及被動防止單獨運轉保護
發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經110V220V110V220V110V220V110V220V系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者在電在電在電在電源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器
發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業114KV228KV114KV228KV114KV228KV114KV228KV之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者((((高高高高壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶))))發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Extremely Inverse特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Extremely Inverse特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過流電驛(67)須具Normal Inverse特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
發電設備併接於電業69KV特高壓輸電系統者發電設備之輸出端至少應具有下列同等保護功能並須與電業該轄區之保護設備協調
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Normal Inverse之特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Normal Inverse之特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過電流電驛(67)須具Normal Inverse之特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
8 快速及後衛保護電驛如系統保護需要時應裝設
9 匯流排電驛採用GIS斷路器者應裝設
62626262太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範
1 故障電流
太陽光電發電系統大於100kW以上須計算故障電流其送至電業系統之故障電流不得影響電業及其他用戶斷路器之起斷容量否則需裝置限流電抗器
太陽光電發電系統之隔離變壓器接地方式須與電業之系統配合
2 正常電壓變動率應維持在plusmn5以內
3 太陽光電發電系統與電業間之責任分界點的功率因數以維持85落後至100之間運轉為原則
4 諧波污染限制應依照「電力系統諧波管制暫行標準」辦理
分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性
適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯型之規範型之規範型之規範型之規範
電力轉換器電力轉換器電力轉換器電力轉換器(電力調節器電力調節器電力調節器電力調節器)(InverterConditioner)
蓄電池蓄電池蓄電池蓄電池(Battery))
63大型(商用)太陽光發電系統應用(gt1 kWp)
太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統
單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池(Unit Solar Cell)
太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板(PV Module)
太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列(PV Array)
太陽光發電系統應用獨立系統
(A) 獨立系統(Stand-Alone
System)
bull 蓄電池保護壽命
(B) 混合型交流獨立系統 (Hybrid
System)
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
直流負載PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
整流器
輔助發電機
PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載- ~PCU
直直直直交流轉換器交流轉換器交流轉換器交流轉換器
太陽光發電系統應用併聯系統
(D)併聯系統(Grid-
connected System)
特殊功能1 最佳效能2 防止獨立運轉(連線保護)
3 可自力運轉
(E) 防逆流型系統(Off-line System)
(F) 防災型併聯系統
充電控制器
蓄電池
直交流轉換器
PCU太陽電池組列
交流負載
ATS
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
獨立型系統
適用地點高山離島基地台hellip等市電無法到達處
工作方式白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
必須可以自給自足
缺點bull 系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等
安全係數設計很困難)
bull 蓄電池建置複雜成本很高壽命很短
bull 負載搭配不良時發電效能不佳利用率將偏低
bull 需由專人隨時維護
bull 混合系統為一種解決方法
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
PCU
併聯型系統
適用地點電力正常送達之任何地點工作方式 bull 白天 PV系統併聯發電夜間由台電供電bull 將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的蓄電池
優點bull 系統簡單不需安全係數設計(依預算設計)不需要專人維護bull 併聯發電效率高利用率高
缺點bull 停電時無電可用bull 受併聯法規限制尚未開放(但即將開放)
bull 有孤島效應之疑慮(目前技術上已解決)
改善型無電池自力運轉
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
市電併聯型住宅用太陽光發電系統
太陽光發電系統發電及負載用電對時間之關係
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
併聯型直交流轉換器之效能要求較高
1 最大功率追蹤(Maximum Power Tracking MPT)
2 高轉換效率 gt 90 (PWM+電力電子元件)
3 高次諧波功率 Distortion (lt5 total)
4 自動開關機(白天夜晚)
5 過負載保護過溫度保護
6 體積小重量輕室外防水防塵
7 電腦界面可遠端監控
8 防止獨立運轉(連線保護)
9 可自力運轉
太陽電池組列
交流負載
直交流轉換器MPT
Power Conditioner
併聯系統之獨立運轉(單獨運轉)
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull停電時單一併聯系統將會停止運作
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
bull 市電停電時多數併聯系統仍聯合運作將對電力公司人員產生嚴重危害
孤島效應之防止方法
停電偵測1 過電壓低電壓
2 過頻率低頻率
3 被動式偵測如
bull 電壓與頻率監視方式
bull 電壓相位跳躍監視方式
bull 高次諧波監視方式
bull 頻率變化監視方式
PV組列
直交流轉換器
自家負載
4 主動偵測如
bull 頻率Shift方式
bull 配電線負載變動方式
bull 有效電力變動方式
bull 無效電力變動方式
反應時間05~2秒
資料來源「日本電氣用品試驗所」分散型電源系統連系技術指針(1998)
併聯系統之自力運轉功能
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull 大停電後白天有陽光時以人工啟動 PV 系統進行自力運轉供自家負載使用(但夜間無法使用)
防災型併聯型系統
適用地點有防災需求(照明汲水通信hellip)之公共設施
工作方式
bull 平時PV併聯發電(電池浮充) 效率高利用率高夜間由台電供電
bull 視需要建置供防災用電池大停電時白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
缺點bull 含電池成本較高bull 系統較複雜需專人定期維護
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
FAQ1太陽光發電需要多少土地
效率 = (輸出功率W) (組列面積 m2 x 日照強度 Wm2 ) x 100
模板面積 m2 = 輸出功率W (效率 x日照強度Wm2 ) x100
bull 假設使用效率gt136 模板於1000 Wm2 (AM15)日照強度下
10 kWp 模板面積 (m2) = 10000 (0136 x 1000) ~ 735 m2
10 kWp PV系統土地面積需求約
~ 735 m2 x 15 x 11
~ 121m2 (~36坪)
(包括陰影面積及維修空間)
bull 假設使用效率~10 模板
則模板面積約 ~ 100 m2
土地面積需求約 ~ 165m2 (~50坪)
gt55o
夏至
冬至
春秋分
235o 235oh
L1 L2
FAQ2太陽電池一年能發多少電
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
10 kWm2
05 kWm2
日照強度
等效日照時數(Sun Hour)
組列單日發電量 = 組列額定輸出功率 x 等效日照時數
bull 預估1 kWp 組列單日發電量 = 1 (kW) x ex 4(Sun Hour)= 4 kWh
組列年發電量 = 組列額定輸出功率 x 年平均每日日照時數 x 365
bull 預估 1 kWp 組列年發電量 = 1 x 4 x 365 = 1460 kWh
時間時間時間時間
FAQ3太陽光發電的成本(簡易估算)
1 假設目前太陽光發電系統設置成本約為 NT$ 280000 kWp
2 假設年平均每日日照時數約為 25 Sun Hour (台灣中南部地區)
bull 1 kWp 組列單日發電量= 1 (kW) x 25 (Hour)= 25 kWh
bull 1 kWp 組列年發電量= 25 x 365 = 913 kWh (度)
3 假設太陽光發電系統使用壽命為 20 年
bull 1 kWp 太陽光發電系統總共可發電 20 x 913 = 18260 度
4 生產每度電之成本約為 280000 18260 ~ NT$ 153
5 未來發展趨勢
bull 太陽光發電系統設置成本將逐年降低
bull 市電電費將會升高(國內目前約 NT$ 3 度日本約NT$ 7 度)
bull 傳統能源限制再生能源獎勵利率降低
64獨立型太陽光發電系統應用例(一)
bull太陽電池時鐘-日本bull太陽電池路燈-日本千里住宅公園
獨立型太陽光發電系統應用例(二)
bull太陽電池交通標誌-日本北海道 bull高速公路緊急電話-日本
獨立型太陽光發電系統應用例(三)
bull800W無線通信中繼基地台韓國(1998)
獨立型太陽光發電系統應用例(四)
bull離島用90kW獨立型發電系統韓國Ho-Do島(1992)
併聯型太陽光發電系統應用例(一)
bull設置於屋頂之住宅用太陽光發電系統(建材一體型日本千里住宅公園內住宅設計之一)
併聯型太陽光發電系統應用例(二)
bull日本東海線新幹線京都車站之太陽光發電系統(100kWp)
併聯型太陽光發電系統應用例(三)
bull日本京瓷(Kyocera)京都總公司大樓之太陽電池發電系統(220kWp)
太陽光發電發電廠應用例
太陽電池發電廠
(PV Power Plant)
資料來源 ANIT
Srl Italy
建材一體型太陽電池模板應用例
bull資料來源 Pilkington Solar International GmbH 德國
太陽能車應用例
Honda Dream
bull資料來源 PV Special Research
Centre UNSW Australia
交大太陽能車
bull資料來源 National Chiao-Tung
University Taiwan
太陽光發電航太應用例(NASA Helios )
bull空中無線通訊平台應用
資料來源SkyOne Inc Taiwan
bull 飛行高度5-7 萬英呎(最高記錄 96000 英呎)
bull 時速60 mph (起飛 25 mph)
bull 翼展247 英呎bull 重量2000 磅bull 太陽電池效率要求gt22
資料來源httpwwwaerovironmentcomhomehtml
清雲技術學院 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
個人住宅 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
勤益技術學院 3kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
南台科技大學 10kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
總統府 10kWp 獨立型太陽光能發電系統 (9012)
海巡署南沙太平島 20kWp 混合型(柴油發電機)太陽光能發電系統 (9011)
90能源基金示範補助成果例
台電樹林 20kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
併聯型
台電台北市區處 20kWp 太陽光發電系統
(91能源基金示範補助成果)
併聯型
7結論
bull (1)提高電力轉換器效率
bull 轉換器的損失主要來自於開關切換時之損失為了可以降低濾波電路中電感和電容的體積可以提高切換頻率但是相對於開關的切換損失也因此而增加導致轉換器的效率降低因此發展零電壓或零電流切換技術應用於高切換頻率之轉換器將可以提高轉換器的效率
bull (2)提高太陽光發電系統之整體效率
bull 傳統之太陽光發電系統包含儲能系統和供電系統前級利用DCDC轉換器作最大功率追蹤後級則利用DCAC轉換器轉換能量供應給交流負載為了提高太陽光發電系統的整體效率在研究可提出了模組並聯控制技術以提昇各級電力轉換器的效率而在未來太陽光發電系統也將著重在單級電力轉換器的設計對於整體系統效率有較明顯的改善
8參考資料
1許國強ldquo太陽光發電原理與應用工研院材料所 薄膜技術組91年
2華志強黃崇倫ldquo智慧型能量控制於太陽光電能轉換系統國立雲林科技大學電機工程學系電力研討會97年
3林政達ldquo數位式市電並聯換流器與快速鎖相迴路控制器之研製國立雲林科技大學電機工程學系碩士論文92 年
4李思賢ldquo數位式單相低功率太陽光電能轉換系統國立中山大學電機工程學系碩士論文92 年
5洪世杰ldquo適用於再生能源之市電併聯型雙輸入供電系統國立中正大學電機工程研究所碩士論文93 年
6王廷興ldquo太陽能發電配電設計概要台北科技大學冷凍空調系 92年
7魏榮宗王文宏ldquo高效率太陽光電能源轉換系統 元智大學電機工程學系94年
[ ] 100)25(
)11
(exp
1)(exp
3
λminus+=
minus
=
+minus
minus+minus=
TKII
TTBk
qE
T
TII
where
R
IRVIRV
AkT
qIII
ISCRLG
r
GO
r
oros
sh
ssosLG
VI cell output current and voltagecell reverse saturation currentcell temperature in CBoltzmannrsquos constantelectronic chargeshort circuit current temperature coefficientsolar irradiation in Wmshort-circuit current at 25 Cand 1000 Wm
light-generated currentband gap for siliconideality factorsreference temperaturecell saturation current atshunt resistanceseries resistance
osI
T
kq
00170=IK
SCRIλ
LGI
GOE
921== ABKTr deg= 18301
orI
shR
sR
附錄附錄附錄附錄- 太陽能電池太陽能電池太陽能電池太陽能電池
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
(a) Equivalent circuit of a PV module and
(b) Typical PV module current-voltage and power-voltage characteristics
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
Characteristic of a PV module with temperature and irradiation (a) constant irradiation and varying temperature and (b) constant temperature and varying irradiation
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
系統範例系統範例系統範例系統範例
中途驛站電化PV離島用PV系統山岳地帶PV系統離島偏遠區
勤務指揮中心緊急避難所醫療院所公園學校地震觀測站森林嘹望台避難指示燈氣象觀測所水位警報PV系統河川安全燈防波堤安全PV燈
緊急防災
緊急供電系統管線電氣防蝕輸油管流量計PV系統市場廣告塔海上石油平台各種計測站PV系統發電廠情報指揮中心
產業用
住宅用供電系統緊急供電系統緊急照明系統帷幕牆遮陽棚採光罩屋瓦建築物
無線通信用中繼站基地台緊急電話中繼站電話通信PV系統Radio受信PV系統微波中繼站
通訊
農宅用電溫室栽培PV系統農業灌溉用自動灑水系統農牧電籬牛乳冷藏漁業養殖揚水通氣自動餵食器
農林漁牧
路燈交通號誌道路指示牌標誌燈太陽能電動車充電站高速公路緊急電話偏遠道路緊急電話停車計時器停車場控制門系統高速公路防音壁PV系統公路休息區PV系統太陽能車平交道指示燈候車亭PV系統車站屋頂型PV系統
道路交通
收音機測電表手錶計算機太陽能照相機手電筒電池充電器野營燈民生
應用領域
5實驗
bull 依據上述的分析採用DSP 2407A 建立一個500W 太陽光電池電能轉換系統依據圖11 之
bull 電路架構其規格與元件參數分別列於表一表二及表三系統實驗波形圖12圖13圖14 及
bull 圖15 為系統操作在獨立運轉模式下負載分別為120W240W360W 及480W 時之換流器輸出
bull 電壓及輸出電流之實測波形
系統規格與元件參數
實測波形
6實務應用系統實務應用系統實務應用系統實務應用系統
獨立系統示意圖獨立系統示意圖
考慮點
系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等安全係數最佳化設計複雜)
一般充電控制器無 MPPT搭配蓄電池使發電效能較差
蓄電池每日gt50DOD深度放電gt02C充電壽命短
太陽光發電量與負載需求量不搭配時太陽光之發電能量利用率偏低 (負載需求搭配與安全係數為互相矛盾之設計)
PV-柴油發電機PV-風力等混合系統為改善之方法
市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台
電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池
併聯系統示意圖併聯系統示意圖
緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析
1 系統設置成本高建議使用於邊際效益高之用電（防災緊急輔助電力）
2 總體經濟效益減少環境污染解決尖峰用電之不足與短缺能源多元化之風險分擔與開創自主能源
3 遮蔽陽光直曬降低建築物之熱效應（被動省能）同時轉換太陽光為電能供應建物自主能源（主動節能）一舉兩得
緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較
30萬元divide21900kWh＝137元度2萬元divide50kWh＝400元度每度電成本
日發電度數times365天times20年＝3hrtimes1kWtimes365天times20年＝21900kWh（度）
（年停電＋年測試運轉時數）times10年＝（20mintimes6次＋15mintimes12月）times10年＝5hrtimes1kWtimes10年＝50kWh
總發電度數（1kw計）
夜間不發電（可利用蓄電池設計供電年維運費02）
噪音空污油料運輸儲油危險維運成本高
缺點
利用露台屋頂牆面空間設備煙管隔音油槽需室內空間
設置空間
平時緊急時均可使用隨時可了解運轉狀況不須操作
加ATS停電時方可啟動需人員每月定期測試運轉
系統運作
太陽光潔淨能源（免費）柴油使用燃料
20年7~10年使用壽命
1kW=30萬元1kW=2~3萬元設置費用
太陽光發電系統柴油發電機
風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析
運用多元化能源分擔風險情況比較說明如下
1 市電--gt停電時風險極高
2 市電＋柴油發電機--gt發電機故障時風險高
市電＋柴油發電機＋太陽光發電系統--gt發揮三者優點互補同時故障機率小風險最低
案例
832kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide057＝317 m2
115kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide075＝332 m2
緊急時057平時065~08
綜合係數溫度變化污損線損Inverter效率＋蓄電池充放電補償
電力需求divide（日照強度times日照時間times模板效率times綜合係數）
模組面積估算
日照強度1kWm2
日照時間384hd
模板效率12
832kWhd500人用電量115kWhd770人用電量
緊急時平時
電力需求估算
緊急時40kWtimes384hdtimes057＝875 kWhd
平時40kWtimes384hdtimes075＝1152Whd
太陽發電系統發電量＝設置容量times日照時間times綜合係數
發電量計算
332m2times1kWm2times12＝398kW≒40kW
太陽發電系統設置容量＝設置面積times日照強度times模板效率
設置容量計算模板效率依太陽電池種類而異
進行模板陣列及蓄電池容量設計
40kWdivide18片串divide120W＝185列≒19
列
40kWdivide17片串divide120W＝196列≒20
列
陣列併列數＝設置容量divide單串功率
18片times120W＝2160W
17片times120W＝2040W
單串功率
300Vdivide169V＝1775片（取整數17 or 18）
陣列串聯數＝Inverter輸入電壓divide模板輸出電壓
模板陣列設計
1 模板功率120W
2 模板輸出電壓169V
3 直交流轉換器(Inverter)輸入電壓300V
120Wtimes17片串times20列＝40800W＝340片(最佳陣列)
120Wtimes18片串times19列＝41080W＝342片
最佳陣列較經濟之設置容量選擇最佳陣列
蓄電池數量＝144個times2列＝288個
120640Whdivide288Vdivide200Ah＝21列≒2列
併列數＝蓄電池需求容量divideInverter額定電壓
288Vdivide2V＝144個
串聯數＝Inverter額定電壓divide蓄電池電壓串併數設計
middot 蓄電池電壓2V個
middot 蓄電池容量200Ah個
Inverter電壓輸入電壓 額定電壓300V 288V200V 192V
蓄電池需求容量＝832kWhdtimes1dtimes145＝12064kWh
蓄電池需求容量＝緊急電力需求times無日照天數times補償係數補償係數蓄電池內阻抗放電停止電壓電壓降低補償
蓄電池需求容量設計
middot 補償係數145
無日照天數1日
61市電相關規定市電相關規定市電相關規定市電相關規定
1 發電設備併接於低壓系統者其總容量未滿100kW且技術無困難者得併接於單相三線110V220V三相三線220V之配電系統若總容量在100kW以上而未滿500kW得分別併接於3相4線220V380V之配電系統
2 發電設備總容量在500kW以上而未滿5000kW10000kW且技術無困難者得分別併接於114KV228KV之高壓配電系統
3 電設備總容量在10000kW以上而未滿40000kW者得併接於特高壓之系統
4 發電設備總容量在40000kW以上者依個案研討分類
併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類
發電系統經由發電系統經由發電系統經由發電系統經由110V220V110V220V110V220V110V220V併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者發電設發電設發電設發電設備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能
1 過電壓保護 低電壓保護
2 低頻保護 高頻保護
3 過電流保護 零相過電壓接地保護
4 發電設備為無逆送電力者須加裝逆電力保護
5 發電設備為有逆送電力者必須具備主動及被動防止單獨運轉保護
發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經110V220V110V220V110V220V110V220V系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者在電在電在電在電源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器
發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業114KV228KV114KV228KV114KV228KV114KV228KV之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者((((高高高高壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶))))發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Extremely Inverse特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Extremely Inverse特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過流電驛(67)須具Normal Inverse特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
發電設備併接於電業69KV特高壓輸電系統者發電設備之輸出端至少應具有下列同等保護功能並須與電業該轄區之保護設備協調
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Normal Inverse之特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Normal Inverse之特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過電流電驛(67)須具Normal Inverse之特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
8 快速及後衛保護電驛如系統保護需要時應裝設
9 匯流排電驛採用GIS斷路器者應裝設
62626262太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範
1 故障電流
太陽光電發電系統大於100kW以上須計算故障電流其送至電業系統之故障電流不得影響電業及其他用戶斷路器之起斷容量否則需裝置限流電抗器
太陽光電發電系統之隔離變壓器接地方式須與電業之系統配合
2 正常電壓變動率應維持在plusmn5以內
3 太陽光電發電系統與電業間之責任分界點的功率因數以維持85落後至100之間運轉為原則
4 諧波污染限制應依照「電力系統諧波管制暫行標準」辦理
分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性
適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯型之規範型之規範型之規範型之規範
電力轉換器電力轉換器電力轉換器電力轉換器(電力調節器電力調節器電力調節器電力調節器)(InverterConditioner)
蓄電池蓄電池蓄電池蓄電池(Battery))
63大型(商用)太陽光發電系統應用(gt1 kWp)
太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統
單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池(Unit Solar Cell)
太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板(PV Module)
太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列(PV Array)
太陽光發電系統應用獨立系統
(A) 獨立系統(Stand-Alone
System)
bull 蓄電池保護壽命
(B) 混合型交流獨立系統 (Hybrid
System)
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
直流負載PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
整流器
輔助發電機
PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載- ~PCU
直直直直交流轉換器交流轉換器交流轉換器交流轉換器
太陽光發電系統應用併聯系統
(D)併聯系統(Grid-
connected System)
特殊功能1 最佳效能2 防止獨立運轉(連線保護)
3 可自力運轉
(E) 防逆流型系統(Off-line System)
(F) 防災型併聯系統
充電控制器
蓄電池
直交流轉換器
PCU太陽電池組列
交流負載
ATS
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
獨立型系統
適用地點高山離島基地台hellip等市電無法到達處
工作方式白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
必須可以自給自足
缺點bull 系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等
安全係數設計很困難)
bull 蓄電池建置複雜成本很高壽命很短
bull 負載搭配不良時發電效能不佳利用率將偏低
bull 需由專人隨時維護
bull 混合系統為一種解決方法
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
PCU
併聯型系統
適用地點電力正常送達之任何地點工作方式 bull 白天 PV系統併聯發電夜間由台電供電bull 將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的蓄電池
優點bull 系統簡單不需安全係數設計(依預算設計)不需要專人維護bull 併聯發電效率高利用率高
缺點bull 停電時無電可用bull 受併聯法規限制尚未開放(但即將開放)
bull 有孤島效應之疑慮(目前技術上已解決)
改善型無電池自力運轉
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
市電併聯型住宅用太陽光發電系統
太陽光發電系統發電及負載用電對時間之關係
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
併聯型直交流轉換器之效能要求較高
1 最大功率追蹤(Maximum Power Tracking MPT)
2 高轉換效率 gt 90 (PWM+電力電子元件)
3 高次諧波功率 Distortion (lt5 total)
4 自動開關機(白天夜晚)
5 過負載保護過溫度保護
6 體積小重量輕室外防水防塵
7 電腦界面可遠端監控
8 防止獨立運轉(連線保護)
9 可自力運轉
太陽電池組列
交流負載
直交流轉換器MPT
Power Conditioner
併聯系統之獨立運轉(單獨運轉)
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull停電時單一併聯系統將會停止運作
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
bull 市電停電時多數併聯系統仍聯合運作將對電力公司人員產生嚴重危害
孤島效應之防止方法
停電偵測1 過電壓低電壓
2 過頻率低頻率
3 被動式偵測如
bull 電壓與頻率監視方式
bull 電壓相位跳躍監視方式
bull 高次諧波監視方式
bull 頻率變化監視方式
PV組列
直交流轉換器
自家負載
4 主動偵測如
bull 頻率Shift方式
bull 配電線負載變動方式
bull 有效電力變動方式
bull 無效電力變動方式
反應時間05~2秒
資料來源「日本電氣用品試驗所」分散型電源系統連系技術指針(1998)
併聯系統之自力運轉功能
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull 大停電後白天有陽光時以人工啟動 PV 系統進行自力運轉供自家負載使用(但夜間無法使用)
防災型併聯型系統
適用地點有防災需求(照明汲水通信hellip)之公共設施
工作方式
bull 平時PV併聯發電(電池浮充) 效率高利用率高夜間由台電供電
bull 視需要建置供防災用電池大停電時白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
缺點bull 含電池成本較高bull 系統較複雜需專人定期維護
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
FAQ1太陽光發電需要多少土地
效率 = (輸出功率W) (組列面積 m2 x 日照強度 Wm2 ) x 100
模板面積 m2 = 輸出功率W (效率 x日照強度Wm2 ) x100
bull 假設使用效率gt136 模板於1000 Wm2 (AM15)日照強度下
10 kWp 模板面積 (m2) = 10000 (0136 x 1000) ~ 735 m2
10 kWp PV系統土地面積需求約
~ 735 m2 x 15 x 11
~ 121m2 (~36坪)
(包括陰影面積及維修空間)
bull 假設使用效率~10 模板
則模板面積約 ~ 100 m2
土地面積需求約 ~ 165m2 (~50坪)
gt55o
夏至
冬至
春秋分
235o 235oh
L1 L2
FAQ2太陽電池一年能發多少電
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
10 kWm2
05 kWm2
日照強度
等效日照時數(Sun Hour)
組列單日發電量 = 組列額定輸出功率 x 等效日照時數
bull 預估1 kWp 組列單日發電量 = 1 (kW) x ex 4(Sun Hour)= 4 kWh
組列年發電量 = 組列額定輸出功率 x 年平均每日日照時數 x 365
bull 預估 1 kWp 組列年發電量 = 1 x 4 x 365 = 1460 kWh
時間時間時間時間
FAQ3太陽光發電的成本(簡易估算)
1 假設目前太陽光發電系統設置成本約為 NT$ 280000 kWp
2 假設年平均每日日照時數約為 25 Sun Hour (台灣中南部地區)
bull 1 kWp 組列單日發電量= 1 (kW) x 25 (Hour)= 25 kWh
bull 1 kWp 組列年發電量= 25 x 365 = 913 kWh (度)
3 假設太陽光發電系統使用壽命為 20 年
bull 1 kWp 太陽光發電系統總共可發電 20 x 913 = 18260 度
4 生產每度電之成本約為 280000 18260 ~ NT$ 153
5 未來發展趨勢
bull 太陽光發電系統設置成本將逐年降低
bull 市電電費將會升高(國內目前約 NT$ 3 度日本約NT$ 7 度)
bull 傳統能源限制再生能源獎勵利率降低
64獨立型太陽光發電系統應用例(一)
bull太陽電池時鐘-日本bull太陽電池路燈-日本千里住宅公園
獨立型太陽光發電系統應用例(二)
bull太陽電池交通標誌-日本北海道 bull高速公路緊急電話-日本
獨立型太陽光發電系統應用例(三)
bull800W無線通信中繼基地台韓國(1998)
獨立型太陽光發電系統應用例(四)
bull離島用90kW獨立型發電系統韓國Ho-Do島(1992)
併聯型太陽光發電系統應用例(一)
bull設置於屋頂之住宅用太陽光發電系統(建材一體型日本千里住宅公園內住宅設計之一)
併聯型太陽光發電系統應用例(二)
bull日本東海線新幹線京都車站之太陽光發電系統(100kWp)
併聯型太陽光發電系統應用例(三)
bull日本京瓷(Kyocera)京都總公司大樓之太陽電池發電系統(220kWp)
太陽光發電發電廠應用例
太陽電池發電廠
(PV Power Plant)
資料來源 ANIT
Srl Italy
建材一體型太陽電池模板應用例
bull資料來源 Pilkington Solar International GmbH 德國
太陽能車應用例
Honda Dream
bull資料來源 PV Special Research
Centre UNSW Australia
交大太陽能車
bull資料來源 National Chiao-Tung
University Taiwan
太陽光發電航太應用例(NASA Helios )
bull空中無線通訊平台應用
資料來源SkyOne Inc Taiwan
bull 飛行高度5-7 萬英呎(最高記錄 96000 英呎)
bull 時速60 mph (起飛 25 mph)
bull 翼展247 英呎bull 重量2000 磅bull 太陽電池效率要求gt22
資料來源httpwwwaerovironmentcomhomehtml
清雲技術學院 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
個人住宅 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
勤益技術學院 3kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
南台科技大學 10kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
總統府 10kWp 獨立型太陽光能發電系統 (9012)
海巡署南沙太平島 20kWp 混合型(柴油發電機)太陽光能發電系統 (9011)
90能源基金示範補助成果例
台電樹林 20kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
併聯型
台電台北市區處 20kWp 太陽光發電系統
(91能源基金示範補助成果)
併聯型
7結論
bull (1)提高電力轉換器效率
bull 轉換器的損失主要來自於開關切換時之損失為了可以降低濾波電路中電感和電容的體積可以提高切換頻率但是相對於開關的切換損失也因此而增加導致轉換器的效率降低因此發展零電壓或零電流切換技術應用於高切換頻率之轉換器將可以提高轉換器的效率
bull (2)提高太陽光發電系統之整體效率
bull 傳統之太陽光發電系統包含儲能系統和供電系統前級利用DCDC轉換器作最大功率追蹤後級則利用DCAC轉換器轉換能量供應給交流負載為了提高太陽光發電系統的整體效率在研究可提出了模組並聯控制技術以提昇各級電力轉換器的效率而在未來太陽光發電系統也將著重在單級電力轉換器的設計對於整體系統效率有較明顯的改善
8參考資料
1許國強ldquo太陽光發電原理與應用工研院材料所 薄膜技術組91年
2華志強黃崇倫ldquo智慧型能量控制於太陽光電能轉換系統國立雲林科技大學電機工程學系電力研討會97年
3林政達ldquo數位式市電並聯換流器與快速鎖相迴路控制器之研製國立雲林科技大學電機工程學系碩士論文92 年
4李思賢ldquo數位式單相低功率太陽光電能轉換系統國立中山大學電機工程學系碩士論文92 年
5洪世杰ldquo適用於再生能源之市電併聯型雙輸入供電系統國立中正大學電機工程研究所碩士論文93 年
6王廷興ldquo太陽能發電配電設計概要台北科技大學冷凍空調系 92年
7魏榮宗王文宏ldquo高效率太陽光電能源轉換系統 元智大學電機工程學系94年
[ ] 100)25(
)11
(exp
1)(exp
3
λminus+=
minus
=
+minus
minus+minus=
TKII
TTBk
qE
T
TII
where
R
IRVIRV
AkT
qIII
ISCRLG
r
GO
r
oros
sh
ssosLG
VI cell output current and voltagecell reverse saturation currentcell temperature in CBoltzmannrsquos constantelectronic chargeshort circuit current temperature coefficientsolar irradiation in Wmshort-circuit current at 25 Cand 1000 Wm
light-generated currentband gap for siliconideality factorsreference temperaturecell saturation current atshunt resistanceseries resistance
osI
T
kq
00170=IK
SCRIλ
LGI
GOE
921== ABKTr deg= 18301
orI
shR
sR
附錄附錄附錄附錄- 太陽能電池太陽能電池太陽能電池太陽能電池
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
(a) Equivalent circuit of a PV module and
(b) Typical PV module current-voltage and power-voltage characteristics
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
Characteristic of a PV module with temperature and irradiation (a) constant irradiation and varying temperature and (b) constant temperature and varying irradiation
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
系統範例系統範例系統範例系統範例
中途驛站電化PV離島用PV系統山岳地帶PV系統離島偏遠區
勤務指揮中心緊急避難所醫療院所公園學校地震觀測站森林嘹望台避難指示燈氣象觀測所水位警報PV系統河川安全燈防波堤安全PV燈
緊急防災
緊急供電系統管線電氣防蝕輸油管流量計PV系統市場廣告塔海上石油平台各種計測站PV系統發電廠情報指揮中心
產業用
住宅用供電系統緊急供電系統緊急照明系統帷幕牆遮陽棚採光罩屋瓦建築物
無線通信用中繼站基地台緊急電話中繼站電話通信PV系統Radio受信PV系統微波中繼站
通訊
農宅用電溫室栽培PV系統農業灌溉用自動灑水系統農牧電籬牛乳冷藏漁業養殖揚水通氣自動餵食器
農林漁牧
路燈交通號誌道路指示牌標誌燈太陽能電動車充電站高速公路緊急電話偏遠道路緊急電話停車計時器停車場控制門系統高速公路防音壁PV系統公路休息區PV系統太陽能車平交道指示燈候車亭PV系統車站屋頂型PV系統
道路交通
收音機測電表手錶計算機太陽能照相機手電筒電池充電器野營燈民生
應用領域
系統規格與元件參數
實測波形
6實務應用系統實務應用系統實務應用系統實務應用系統
獨立系統示意圖獨立系統示意圖
考慮點
系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等安全係數最佳化設計複雜)
一般充電控制器無 MPPT搭配蓄電池使發電效能較差
蓄電池每日gt50DOD深度放電gt02C充電壽命短
太陽光發電量與負載需求量不搭配時太陽光之發電能量利用率偏低 (負載需求搭配與安全係數為互相矛盾之設計)
PV-柴油發電機PV-風力等混合系統為改善之方法
市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台
電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池
併聯系統示意圖併聯系統示意圖
緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析
1 系統設置成本高建議使用於邊際效益高之用電（防災緊急輔助電力）
2 總體經濟效益減少環境污染解決尖峰用電之不足與短缺能源多元化之風險分擔與開創自主能源
3 遮蔽陽光直曬降低建築物之熱效應（被動省能）同時轉換太陽光為電能供應建物自主能源（主動節能）一舉兩得
緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較
30萬元divide21900kWh＝137元度2萬元divide50kWh＝400元度每度電成本
日發電度數times365天times20年＝3hrtimes1kWtimes365天times20年＝21900kWh（度）
（年停電＋年測試運轉時數）times10年＝（20mintimes6次＋15mintimes12月）times10年＝5hrtimes1kWtimes10年＝50kWh
總發電度數（1kw計）
夜間不發電（可利用蓄電池設計供電年維運費02）
噪音空污油料運輸儲油危險維運成本高
缺點
利用露台屋頂牆面空間設備煙管隔音油槽需室內空間
設置空間
平時緊急時均可使用隨時可了解運轉狀況不須操作
加ATS停電時方可啟動需人員每月定期測試運轉
系統運作
太陽光潔淨能源（免費）柴油使用燃料
20年7~10年使用壽命
1kW=30萬元1kW=2~3萬元設置費用
太陽光發電系統柴油發電機
風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析
運用多元化能源分擔風險情況比較說明如下
1 市電--gt停電時風險極高
2 市電＋柴油發電機--gt發電機故障時風險高
市電＋柴油發電機＋太陽光發電系統--gt發揮三者優點互補同時故障機率小風險最低
案例
832kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide057＝317 m2
115kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide075＝332 m2
緊急時057平時065~08
綜合係數溫度變化污損線損Inverter效率＋蓄電池充放電補償
電力需求divide（日照強度times日照時間times模板效率times綜合係數）
模組面積估算
日照強度1kWm2
日照時間384hd
模板效率12
832kWhd500人用電量115kWhd770人用電量
緊急時平時
電力需求估算
緊急時40kWtimes384hdtimes057＝875 kWhd
平時40kWtimes384hdtimes075＝1152Whd
太陽發電系統發電量＝設置容量times日照時間times綜合係數
發電量計算
332m2times1kWm2times12＝398kW≒40kW
太陽發電系統設置容量＝設置面積times日照強度times模板效率
設置容量計算模板效率依太陽電池種類而異
進行模板陣列及蓄電池容量設計
40kWdivide18片串divide120W＝185列≒19
列
40kWdivide17片串divide120W＝196列≒20
列
陣列併列數＝設置容量divide單串功率
18片times120W＝2160W
17片times120W＝2040W
單串功率
300Vdivide169V＝1775片（取整數17 or 18）
陣列串聯數＝Inverter輸入電壓divide模板輸出電壓
模板陣列設計
1 模板功率120W
2 模板輸出電壓169V
3 直交流轉換器(Inverter)輸入電壓300V
120Wtimes17片串times20列＝40800W＝340片(最佳陣列)
120Wtimes18片串times19列＝41080W＝342片
最佳陣列較經濟之設置容量選擇最佳陣列
蓄電池數量＝144個times2列＝288個
120640Whdivide288Vdivide200Ah＝21列≒2列
併列數＝蓄電池需求容量divideInverter額定電壓
288Vdivide2V＝144個
串聯數＝Inverter額定電壓divide蓄電池電壓串併數設計
middot 蓄電池電壓2V個
middot 蓄電池容量200Ah個
Inverter電壓輸入電壓 額定電壓300V 288V200V 192V
蓄電池需求容量＝832kWhdtimes1dtimes145＝12064kWh
蓄電池需求容量＝緊急電力需求times無日照天數times補償係數補償係數蓄電池內阻抗放電停止電壓電壓降低補償
蓄電池需求容量設計
middot 補償係數145
無日照天數1日
61市電相關規定市電相關規定市電相關規定市電相關規定
1 發電設備併接於低壓系統者其總容量未滿100kW且技術無困難者得併接於單相三線110V220V三相三線220V之配電系統若總容量在100kW以上而未滿500kW得分別併接於3相4線220V380V之配電系統
2 發電設備總容量在500kW以上而未滿5000kW10000kW且技術無困難者得分別併接於114KV228KV之高壓配電系統
3 電設備總容量在10000kW以上而未滿40000kW者得併接於特高壓之系統
4 發電設備總容量在40000kW以上者依個案研討分類
併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類
發電系統經由發電系統經由發電系統經由發電系統經由110V220V110V220V110V220V110V220V併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者發電設發電設發電設發電設備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能
1 過電壓保護 低電壓保護
2 低頻保護 高頻保護
3 過電流保護 零相過電壓接地保護
4 發電設備為無逆送電力者須加裝逆電力保護
5 發電設備為有逆送電力者必須具備主動及被動防止單獨運轉保護
發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經110V220V110V220V110V220V110V220V系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者在電在電在電在電源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器
發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業114KV228KV114KV228KV114KV228KV114KV228KV之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者((((高高高高壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶))))發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Extremely Inverse特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Extremely Inverse特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過流電驛(67)須具Normal Inverse特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
發電設備併接於電業69KV特高壓輸電系統者發電設備之輸出端至少應具有下列同等保護功能並須與電業該轄區之保護設備協調
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Normal Inverse之特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Normal Inverse之特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過電流電驛(67)須具Normal Inverse之特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
8 快速及後衛保護電驛如系統保護需要時應裝設
9 匯流排電驛採用GIS斷路器者應裝設
62626262太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範
1 故障電流
太陽光電發電系統大於100kW以上須計算故障電流其送至電業系統之故障電流不得影響電業及其他用戶斷路器之起斷容量否則需裝置限流電抗器
太陽光電發電系統之隔離變壓器接地方式須與電業之系統配合
2 正常電壓變動率應維持在plusmn5以內
3 太陽光電發電系統與電業間之責任分界點的功率因數以維持85落後至100之間運轉為原則
4 諧波污染限制應依照「電力系統諧波管制暫行標準」辦理
分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性
適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯型之規範型之規範型之規範型之規範
電力轉換器電力轉換器電力轉換器電力轉換器(電力調節器電力調節器電力調節器電力調節器)(InverterConditioner)
蓄電池蓄電池蓄電池蓄電池(Battery))
63大型(商用)太陽光發電系統應用(gt1 kWp)
太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統
單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池(Unit Solar Cell)
太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板(PV Module)
太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列(PV Array)
太陽光發電系統應用獨立系統
(A) 獨立系統(Stand-Alone
System)
bull 蓄電池保護壽命
(B) 混合型交流獨立系統 (Hybrid
System)
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
直流負載PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
整流器
輔助發電機
PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載- ~PCU
直直直直交流轉換器交流轉換器交流轉換器交流轉換器
太陽光發電系統應用併聯系統
(D)併聯系統(Grid-
connected System)
特殊功能1 最佳效能2 防止獨立運轉(連線保護)
3 可自力運轉
(E) 防逆流型系統(Off-line System)
(F) 防災型併聯系統
充電控制器
蓄電池
直交流轉換器
PCU太陽電池組列
交流負載
ATS
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
獨立型系統
適用地點高山離島基地台hellip等市電無法到達處
工作方式白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
必須可以自給自足
缺點bull 系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等
安全係數設計很困難)
bull 蓄電池建置複雜成本很高壽命很短
bull 負載搭配不良時發電效能不佳利用率將偏低
bull 需由專人隨時維護
bull 混合系統為一種解決方法
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
PCU
併聯型系統
適用地點電力正常送達之任何地點工作方式 bull 白天 PV系統併聯發電夜間由台電供電bull 將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的蓄電池
優點bull 系統簡單不需安全係數設計(依預算設計)不需要專人維護bull 併聯發電效率高利用率高
缺點bull 停電時無電可用bull 受併聯法規限制尚未開放(但即將開放)
bull 有孤島效應之疑慮(目前技術上已解決)
改善型無電池自力運轉
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
市電併聯型住宅用太陽光發電系統
太陽光發電系統發電及負載用電對時間之關係
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
併聯型直交流轉換器之效能要求較高
1 最大功率追蹤(Maximum Power Tracking MPT)
2 高轉換效率 gt 90 (PWM+電力電子元件)
3 高次諧波功率 Distortion (lt5 total)
4 自動開關機(白天夜晚)
5 過負載保護過溫度保護
6 體積小重量輕室外防水防塵
7 電腦界面可遠端監控
8 防止獨立運轉(連線保護)
9 可自力運轉
太陽電池組列
交流負載
直交流轉換器MPT
Power Conditioner
併聯系統之獨立運轉(單獨運轉)
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull停電時單一併聯系統將會停止運作
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
bull 市電停電時多數併聯系統仍聯合運作將對電力公司人員產生嚴重危害
孤島效應之防止方法
停電偵測1 過電壓低電壓
2 過頻率低頻率
3 被動式偵測如
bull 電壓與頻率監視方式
bull 電壓相位跳躍監視方式
bull 高次諧波監視方式
bull 頻率變化監視方式
PV組列
直交流轉換器
自家負載
4 主動偵測如
bull 頻率Shift方式
bull 配電線負載變動方式
bull 有效電力變動方式
bull 無效電力變動方式
反應時間05~2秒
資料來源「日本電氣用品試驗所」分散型電源系統連系技術指針(1998)
併聯系統之自力運轉功能
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull 大停電後白天有陽光時以人工啟動 PV 系統進行自力運轉供自家負載使用(但夜間無法使用)
防災型併聯型系統
適用地點有防災需求(照明汲水通信hellip)之公共設施
工作方式
bull 平時PV併聯發電(電池浮充) 效率高利用率高夜間由台電供電
bull 視需要建置供防災用電池大停電時白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
缺點bull 含電池成本較高bull 系統較複雜需專人定期維護
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
FAQ1太陽光發電需要多少土地
效率 = (輸出功率W) (組列面積 m2 x 日照強度 Wm2 ) x 100
模板面積 m2 = 輸出功率W (效率 x日照強度Wm2 ) x100
bull 假設使用效率gt136 模板於1000 Wm2 (AM15)日照強度下
10 kWp 模板面積 (m2) = 10000 (0136 x 1000) ~ 735 m2
10 kWp PV系統土地面積需求約
~ 735 m2 x 15 x 11
~ 121m2 (~36坪)
(包括陰影面積及維修空間)
bull 假設使用效率~10 模板
則模板面積約 ~ 100 m2
土地面積需求約 ~ 165m2 (~50坪)
gt55o
夏至
冬至
春秋分
235o 235oh
L1 L2
FAQ2太陽電池一年能發多少電
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
10 kWm2
05 kWm2
日照強度
等效日照時數(Sun Hour)
組列單日發電量 = 組列額定輸出功率 x 等效日照時數
bull 預估1 kWp 組列單日發電量 = 1 (kW) x ex 4(Sun Hour)= 4 kWh
組列年發電量 = 組列額定輸出功率 x 年平均每日日照時數 x 365
bull 預估 1 kWp 組列年發電量 = 1 x 4 x 365 = 1460 kWh
時間時間時間時間
FAQ3太陽光發電的成本(簡易估算)
1 假設目前太陽光發電系統設置成本約為 NT$ 280000 kWp
2 假設年平均每日日照時數約為 25 Sun Hour (台灣中南部地區)
bull 1 kWp 組列單日發電量= 1 (kW) x 25 (Hour)= 25 kWh
bull 1 kWp 組列年發電量= 25 x 365 = 913 kWh (度)
3 假設太陽光發電系統使用壽命為 20 年
bull 1 kWp 太陽光發電系統總共可發電 20 x 913 = 18260 度
4 生產每度電之成本約為 280000 18260 ~ NT$ 153
5 未來發展趨勢
bull 太陽光發電系統設置成本將逐年降低
bull 市電電費將會升高(國內目前約 NT$ 3 度日本約NT$ 7 度)
bull 傳統能源限制再生能源獎勵利率降低
64獨立型太陽光發電系統應用例(一)
bull太陽電池時鐘-日本bull太陽電池路燈-日本千里住宅公園
獨立型太陽光發電系統應用例(二)
bull太陽電池交通標誌-日本北海道 bull高速公路緊急電話-日本
獨立型太陽光發電系統應用例(三)
bull800W無線通信中繼基地台韓國(1998)
獨立型太陽光發電系統應用例(四)
bull離島用90kW獨立型發電系統韓國Ho-Do島(1992)
併聯型太陽光發電系統應用例(一)
bull設置於屋頂之住宅用太陽光發電系統(建材一體型日本千里住宅公園內住宅設計之一)
併聯型太陽光發電系統應用例(二)
bull日本東海線新幹線京都車站之太陽光發電系統(100kWp)
併聯型太陽光發電系統應用例(三)
bull日本京瓷(Kyocera)京都總公司大樓之太陽電池發電系統(220kWp)
太陽光發電發電廠應用例
太陽電池發電廠
(PV Power Plant)
資料來源 ANIT
Srl Italy
建材一體型太陽電池模板應用例
bull資料來源 Pilkington Solar International GmbH 德國
太陽能車應用例
Honda Dream
bull資料來源 PV Special Research
Centre UNSW Australia
交大太陽能車
bull資料來源 National Chiao-Tung
University Taiwan
太陽光發電航太應用例(NASA Helios )
bull空中無線通訊平台應用
資料來源SkyOne Inc Taiwan
bull 飛行高度5-7 萬英呎(最高記錄 96000 英呎)
bull 時速60 mph (起飛 25 mph)
bull 翼展247 英呎bull 重量2000 磅bull 太陽電池效率要求gt22
資料來源httpwwwaerovironmentcomhomehtml
清雲技術學院 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
個人住宅 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
勤益技術學院 3kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
南台科技大學 10kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
總統府 10kWp 獨立型太陽光能發電系統 (9012)
海巡署南沙太平島 20kWp 混合型(柴油發電機)太陽光能發電系統 (9011)
90能源基金示範補助成果例
台電樹林 20kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
併聯型
台電台北市區處 20kWp 太陽光發電系統
(91能源基金示範補助成果)
併聯型
7結論
bull (1)提高電力轉換器效率
bull 轉換器的損失主要來自於開關切換時之損失為了可以降低濾波電路中電感和電容的體積可以提高切換頻率但是相對於開關的切換損失也因此而增加導致轉換器的效率降低因此發展零電壓或零電流切換技術應用於高切換頻率之轉換器將可以提高轉換器的效率
bull (2)提高太陽光發電系統之整體效率
bull 傳統之太陽光發電系統包含儲能系統和供電系統前級利用DCDC轉換器作最大功率追蹤後級則利用DCAC轉換器轉換能量供應給交流負載為了提高太陽光發電系統的整體效率在研究可提出了模組並聯控制技術以提昇各級電力轉換器的效率而在未來太陽光發電系統也將著重在單級電力轉換器的設計對於整體系統效率有較明顯的改善
8參考資料
1許國強ldquo太陽光發電原理與應用工研院材料所 薄膜技術組91年
2華志強黃崇倫ldquo智慧型能量控制於太陽光電能轉換系統國立雲林科技大學電機工程學系電力研討會97年
3林政達ldquo數位式市電並聯換流器與快速鎖相迴路控制器之研製國立雲林科技大學電機工程學系碩士論文92 年
4李思賢ldquo數位式單相低功率太陽光電能轉換系統國立中山大學電機工程學系碩士論文92 年
5洪世杰ldquo適用於再生能源之市電併聯型雙輸入供電系統國立中正大學電機工程研究所碩士論文93 年
6王廷興ldquo太陽能發電配電設計概要台北科技大學冷凍空調系 92年
7魏榮宗王文宏ldquo高效率太陽光電能源轉換系統 元智大學電機工程學系94年
[ ] 100)25(
)11
(exp
1)(exp
3
λminus+=
minus
=
+minus
minus+minus=
TKII
TTBk
qE
T
TII
where
R
IRVIRV
AkT
qIII
ISCRLG
r
GO
r
oros
sh
ssosLG
VI cell output current and voltagecell reverse saturation currentcell temperature in CBoltzmannrsquos constantelectronic chargeshort circuit current temperature coefficientsolar irradiation in Wmshort-circuit current at 25 Cand 1000 Wm
light-generated currentband gap for siliconideality factorsreference temperaturecell saturation current atshunt resistanceseries resistance
osI
T
kq
00170=IK
SCRIλ
LGI
GOE
921== ABKTr deg= 18301
orI
shR
sR
附錄附錄附錄附錄- 太陽能電池太陽能電池太陽能電池太陽能電池
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
(a) Equivalent circuit of a PV module and
(b) Typical PV module current-voltage and power-voltage characteristics
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
Characteristic of a PV module with temperature and irradiation (a) constant irradiation and varying temperature and (b) constant temperature and varying irradiation
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
系統範例系統範例系統範例系統範例
中途驛站電化PV離島用PV系統山岳地帶PV系統離島偏遠區
勤務指揮中心緊急避難所醫療院所公園學校地震觀測站森林嘹望台避難指示燈氣象觀測所水位警報PV系統河川安全燈防波堤安全PV燈
緊急防災
緊急供電系統管線電氣防蝕輸油管流量計PV系統市場廣告塔海上石油平台各種計測站PV系統發電廠情報指揮中心
產業用
住宅用供電系統緊急供電系統緊急照明系統帷幕牆遮陽棚採光罩屋瓦建築物
無線通信用中繼站基地台緊急電話中繼站電話通信PV系統Radio受信PV系統微波中繼站
通訊
農宅用電溫室栽培PV系統農業灌溉用自動灑水系統農牧電籬牛乳冷藏漁業養殖揚水通氣自動餵食器
農林漁牧
路燈交通號誌道路指示牌標誌燈太陽能電動車充電站高速公路緊急電話偏遠道路緊急電話停車計時器停車場控制門系統高速公路防音壁PV系統公路休息區PV系統太陽能車平交道指示燈候車亭PV系統車站屋頂型PV系統
道路交通
收音機測電表手錶計算機太陽能照相機手電筒電池充電器野營燈民生
應用領域
實測波形
6實務應用系統實務應用系統實務應用系統實務應用系統
獨立系統示意圖獨立系統示意圖
考慮點
系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等安全係數最佳化設計複雜)
一般充電控制器無 MPPT搭配蓄電池使發電效能較差
蓄電池每日gt50DOD深度放電gt02C充電壽命短
太陽光發電量與負載需求量不搭配時太陽光之發電能量利用率偏低 (負載需求搭配與安全係數為互相矛盾之設計)
PV-柴油發電機PV-風力等混合系統為改善之方法
市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台
電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池
併聯系統示意圖併聯系統示意圖
緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析
1 系統設置成本高建議使用於邊際效益高之用電（防災緊急輔助電力）
2 總體經濟效益減少環境污染解決尖峰用電之不足與短缺能源多元化之風險分擔與開創自主能源
3 遮蔽陽光直曬降低建築物之熱效應（被動省能）同時轉換太陽光為電能供應建物自主能源（主動節能）一舉兩得
緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較
30萬元divide21900kWh＝137元度2萬元divide50kWh＝400元度每度電成本
日發電度數times365天times20年＝3hrtimes1kWtimes365天times20年＝21900kWh（度）
（年停電＋年測試運轉時數）times10年＝（20mintimes6次＋15mintimes12月）times10年＝5hrtimes1kWtimes10年＝50kWh
總發電度數（1kw計）
夜間不發電（可利用蓄電池設計供電年維運費02）
噪音空污油料運輸儲油危險維運成本高
缺點
利用露台屋頂牆面空間設備煙管隔音油槽需室內空間
設置空間
平時緊急時均可使用隨時可了解運轉狀況不須操作
加ATS停電時方可啟動需人員每月定期測試運轉
系統運作
太陽光潔淨能源（免費）柴油使用燃料
20年7~10年使用壽命
1kW=30萬元1kW=2~3萬元設置費用
太陽光發電系統柴油發電機
風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析
運用多元化能源分擔風險情況比較說明如下
1 市電--gt停電時風險極高
2 市電＋柴油發電機--gt發電機故障時風險高
市電＋柴油發電機＋太陽光發電系統--gt發揮三者優點互補同時故障機率小風險最低
案例
832kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide057＝317 m2
115kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide075＝332 m2
緊急時057平時065~08
綜合係數溫度變化污損線損Inverter效率＋蓄電池充放電補償
電力需求divide（日照強度times日照時間times模板效率times綜合係數）
模組面積估算
日照強度1kWm2
日照時間384hd
模板效率12
832kWhd500人用電量115kWhd770人用電量
緊急時平時
電力需求估算
緊急時40kWtimes384hdtimes057＝875 kWhd
平時40kWtimes384hdtimes075＝1152Whd
太陽發電系統發電量＝設置容量times日照時間times綜合係數
發電量計算
332m2times1kWm2times12＝398kW≒40kW
太陽發電系統設置容量＝設置面積times日照強度times模板效率
設置容量計算模板效率依太陽電池種類而異
進行模板陣列及蓄電池容量設計
40kWdivide18片串divide120W＝185列≒19
列
40kWdivide17片串divide120W＝196列≒20
列
陣列併列數＝設置容量divide單串功率
18片times120W＝2160W
17片times120W＝2040W
單串功率
300Vdivide169V＝1775片（取整數17 or 18）
陣列串聯數＝Inverter輸入電壓divide模板輸出電壓
模板陣列設計
1 模板功率120W
2 模板輸出電壓169V
3 直交流轉換器(Inverter)輸入電壓300V
120Wtimes17片串times20列＝40800W＝340片(最佳陣列)
120Wtimes18片串times19列＝41080W＝342片
最佳陣列較經濟之設置容量選擇最佳陣列
蓄電池數量＝144個times2列＝288個
120640Whdivide288Vdivide200Ah＝21列≒2列
併列數＝蓄電池需求容量divideInverter額定電壓
288Vdivide2V＝144個
串聯數＝Inverter額定電壓divide蓄電池電壓串併數設計
middot 蓄電池電壓2V個
middot 蓄電池容量200Ah個
Inverter電壓輸入電壓 額定電壓300V 288V200V 192V
蓄電池需求容量＝832kWhdtimes1dtimes145＝12064kWh
蓄電池需求容量＝緊急電力需求times無日照天數times補償係數補償係數蓄電池內阻抗放電停止電壓電壓降低補償
蓄電池需求容量設計
middot 補償係數145
無日照天數1日
61市電相關規定市電相關規定市電相關規定市電相關規定
1 發電設備併接於低壓系統者其總容量未滿100kW且技術無困難者得併接於單相三線110V220V三相三線220V之配電系統若總容量在100kW以上而未滿500kW得分別併接於3相4線220V380V之配電系統
2 發電設備總容量在500kW以上而未滿5000kW10000kW且技術無困難者得分別併接於114KV228KV之高壓配電系統
3 電設備總容量在10000kW以上而未滿40000kW者得併接於特高壓之系統
4 發電設備總容量在40000kW以上者依個案研討分類
併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類
發電系統經由發電系統經由發電系統經由發電系統經由110V220V110V220V110V220V110V220V併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者發電設發電設發電設發電設備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能
1 過電壓保護 低電壓保護
2 低頻保護 高頻保護
3 過電流保護 零相過電壓接地保護
4 發電設備為無逆送電力者須加裝逆電力保護
5 發電設備為有逆送電力者必須具備主動及被動防止單獨運轉保護
發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經110V220V110V220V110V220V110V220V系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者在電在電在電在電源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器
發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業114KV228KV114KV228KV114KV228KV114KV228KV之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者((((高高高高壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶))))發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Extremely Inverse特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Extremely Inverse特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過流電驛(67)須具Normal Inverse特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
發電設備併接於電業69KV特高壓輸電系統者發電設備之輸出端至少應具有下列同等保護功能並須與電業該轄區之保護設備協調
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Normal Inverse之特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Normal Inverse之特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過電流電驛(67)須具Normal Inverse之特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
8 快速及後衛保護電驛如系統保護需要時應裝設
9 匯流排電驛採用GIS斷路器者應裝設
62626262太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範
1 故障電流
太陽光電發電系統大於100kW以上須計算故障電流其送至電業系統之故障電流不得影響電業及其他用戶斷路器之起斷容量否則需裝置限流電抗器
太陽光電發電系統之隔離變壓器接地方式須與電業之系統配合
2 正常電壓變動率應維持在plusmn5以內
3 太陽光電發電系統與電業間之責任分界點的功率因數以維持85落後至100之間運轉為原則
4 諧波污染限制應依照「電力系統諧波管制暫行標準」辦理
分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性
適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯型之規範型之規範型之規範型之規範
電力轉換器電力轉換器電力轉換器電力轉換器(電力調節器電力調節器電力調節器電力調節器)(InverterConditioner)
蓄電池蓄電池蓄電池蓄電池(Battery))
63大型(商用)太陽光發電系統應用(gt1 kWp)
太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統
單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池(Unit Solar Cell)
太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板(PV Module)
太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列(PV Array)
太陽光發電系統應用獨立系統
(A) 獨立系統(Stand-Alone
System)
bull 蓄電池保護壽命
(B) 混合型交流獨立系統 (Hybrid
System)
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
直流負載PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
整流器
輔助發電機
PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載- ~PCU
直直直直交流轉換器交流轉換器交流轉換器交流轉換器
太陽光發電系統應用併聯系統
(D)併聯系統(Grid-
connected System)
特殊功能1 最佳效能2 防止獨立運轉(連線保護)
3 可自力運轉
(E) 防逆流型系統(Off-line System)
(F) 防災型併聯系統
充電控制器
蓄電池
直交流轉換器
PCU太陽電池組列
交流負載
ATS
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
獨立型系統
適用地點高山離島基地台hellip等市電無法到達處
工作方式白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
必須可以自給自足
缺點bull 系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等
安全係數設計很困難)
bull 蓄電池建置複雜成本很高壽命很短
bull 負載搭配不良時發電效能不佳利用率將偏低
bull 需由專人隨時維護
bull 混合系統為一種解決方法
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
PCU
併聯型系統
適用地點電力正常送達之任何地點工作方式 bull 白天 PV系統併聯發電夜間由台電供電bull 將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的蓄電池
優點bull 系統簡單不需安全係數設計(依預算設計)不需要專人維護bull 併聯發電效率高利用率高
缺點bull 停電時無電可用bull 受併聯法規限制尚未開放(但即將開放)
bull 有孤島效應之疑慮(目前技術上已解決)
改善型無電池自力運轉
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
市電併聯型住宅用太陽光發電系統
太陽光發電系統發電及負載用電對時間之關係
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
併聯型直交流轉換器之效能要求較高
1 最大功率追蹤(Maximum Power Tracking MPT)
2 高轉換效率 gt 90 (PWM+電力電子元件)
3 高次諧波功率 Distortion (lt5 total)
4 自動開關機(白天夜晚)
5 過負載保護過溫度保護
6 體積小重量輕室外防水防塵
7 電腦界面可遠端監控
8 防止獨立運轉(連線保護)
9 可自力運轉
太陽電池組列
交流負載
直交流轉換器MPT
Power Conditioner
併聯系統之獨立運轉(單獨運轉)
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull停電時單一併聯系統將會停止運作
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
bull 市電停電時多數併聯系統仍聯合運作將對電力公司人員產生嚴重危害
孤島效應之防止方法
停電偵測1 過電壓低電壓
2 過頻率低頻率
3 被動式偵測如
bull 電壓與頻率監視方式
bull 電壓相位跳躍監視方式
bull 高次諧波監視方式
bull 頻率變化監視方式
PV組列
直交流轉換器
自家負載
4 主動偵測如
bull 頻率Shift方式
bull 配電線負載變動方式
bull 有效電力變動方式
bull 無效電力變動方式
反應時間05~2秒
資料來源「日本電氣用品試驗所」分散型電源系統連系技術指針(1998)
併聯系統之自力運轉功能
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull 大停電後白天有陽光時以人工啟動 PV 系統進行自力運轉供自家負載使用(但夜間無法使用)
防災型併聯型系統
適用地點有防災需求(照明汲水通信hellip)之公共設施
工作方式
bull 平時PV併聯發電(電池浮充) 效率高利用率高夜間由台電供電
bull 視需要建置供防災用電池大停電時白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
缺點bull 含電池成本較高bull 系統較複雜需專人定期維護
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
FAQ1太陽光發電需要多少土地
效率 = (輸出功率W) (組列面積 m2 x 日照強度 Wm2 ) x 100
模板面積 m2 = 輸出功率W (效率 x日照強度Wm2 ) x100
bull 假設使用效率gt136 模板於1000 Wm2 (AM15)日照強度下
10 kWp 模板面積 (m2) = 10000 (0136 x 1000) ~ 735 m2
10 kWp PV系統土地面積需求約
~ 735 m2 x 15 x 11
~ 121m2 (~36坪)
(包括陰影面積及維修空間)
bull 假設使用效率~10 模板
則模板面積約 ~ 100 m2
土地面積需求約 ~ 165m2 (~50坪)
gt55o
夏至
冬至
春秋分
235o 235oh
L1 L2
FAQ2太陽電池一年能發多少電
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
10 kWm2
05 kWm2
日照強度
等效日照時數(Sun Hour)
組列單日發電量 = 組列額定輸出功率 x 等效日照時數
bull 預估1 kWp 組列單日發電量 = 1 (kW) x ex 4(Sun Hour)= 4 kWh
組列年發電量 = 組列額定輸出功率 x 年平均每日日照時數 x 365
bull 預估 1 kWp 組列年發電量 = 1 x 4 x 365 = 1460 kWh
時間時間時間時間
FAQ3太陽光發電的成本(簡易估算)
1 假設目前太陽光發電系統設置成本約為 NT$ 280000 kWp
2 假設年平均每日日照時數約為 25 Sun Hour (台灣中南部地區)
bull 1 kWp 組列單日發電量= 1 (kW) x 25 (Hour)= 25 kWh
bull 1 kWp 組列年發電量= 25 x 365 = 913 kWh (度)
3 假設太陽光發電系統使用壽命為 20 年
bull 1 kWp 太陽光發電系統總共可發電 20 x 913 = 18260 度
4 生產每度電之成本約為 280000 18260 ~ NT$ 153
5 未來發展趨勢
bull 太陽光發電系統設置成本將逐年降低
bull 市電電費將會升高(國內目前約 NT$ 3 度日本約NT$ 7 度)
bull 傳統能源限制再生能源獎勵利率降低
64獨立型太陽光發電系統應用例(一)
bull太陽電池時鐘-日本bull太陽電池路燈-日本千里住宅公園
獨立型太陽光發電系統應用例(二)
bull太陽電池交通標誌-日本北海道 bull高速公路緊急電話-日本
獨立型太陽光發電系統應用例(三)
bull800W無線通信中繼基地台韓國(1998)
獨立型太陽光發電系統應用例(四)
bull離島用90kW獨立型發電系統韓國Ho-Do島(1992)
併聯型太陽光發電系統應用例(一)
bull設置於屋頂之住宅用太陽光發電系統(建材一體型日本千里住宅公園內住宅設計之一)
併聯型太陽光發電系統應用例(二)
bull日本東海線新幹線京都車站之太陽光發電系統(100kWp)
併聯型太陽光發電系統應用例(三)
bull日本京瓷(Kyocera)京都總公司大樓之太陽電池發電系統(220kWp)
太陽光發電發電廠應用例
太陽電池發電廠
(PV Power Plant)
資料來源 ANIT
Srl Italy
建材一體型太陽電池模板應用例
bull資料來源 Pilkington Solar International GmbH 德國
太陽能車應用例
Honda Dream
bull資料來源 PV Special Research
Centre UNSW Australia
交大太陽能車
bull資料來源 National Chiao-Tung
University Taiwan
太陽光發電航太應用例(NASA Helios )
bull空中無線通訊平台應用
資料來源SkyOne Inc Taiwan
bull 飛行高度5-7 萬英呎(最高記錄 96000 英呎)
bull 時速60 mph (起飛 25 mph)
bull 翼展247 英呎bull 重量2000 磅bull 太陽電池效率要求gt22
資料來源httpwwwaerovironmentcomhomehtml
清雲技術學院 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
個人住宅 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
勤益技術學院 3kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
南台科技大學 10kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
總統府 10kWp 獨立型太陽光能發電系統 (9012)
海巡署南沙太平島 20kWp 混合型(柴油發電機)太陽光能發電系統 (9011)
90能源基金示範補助成果例
台電樹林 20kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
併聯型
台電台北市區處 20kWp 太陽光發電系統
(91能源基金示範補助成果)
併聯型
7結論
bull (1)提高電力轉換器效率
bull 轉換器的損失主要來自於開關切換時之損失為了可以降低濾波電路中電感和電容的體積可以提高切換頻率但是相對於開關的切換損失也因此而增加導致轉換器的效率降低因此發展零電壓或零電流切換技術應用於高切換頻率之轉換器將可以提高轉換器的效率
bull (2)提高太陽光發電系統之整體效率
bull 傳統之太陽光發電系統包含儲能系統和供電系統前級利用DCDC轉換器作最大功率追蹤後級則利用DCAC轉換器轉換能量供應給交流負載為了提高太陽光發電系統的整體效率在研究可提出了模組並聯控制技術以提昇各級電力轉換器的效率而在未來太陽光發電系統也將著重在單級電力轉換器的設計對於整體系統效率有較明顯的改善
8參考資料
1許國強ldquo太陽光發電原理與應用工研院材料所 薄膜技術組91年
2華志強黃崇倫ldquo智慧型能量控制於太陽光電能轉換系統國立雲林科技大學電機工程學系電力研討會97年
3林政達ldquo數位式市電並聯換流器與快速鎖相迴路控制器之研製國立雲林科技大學電機工程學系碩士論文92 年
4李思賢ldquo數位式單相低功率太陽光電能轉換系統國立中山大學電機工程學系碩士論文92 年
5洪世杰ldquo適用於再生能源之市電併聯型雙輸入供電系統國立中正大學電機工程研究所碩士論文93 年
6王廷興ldquo太陽能發電配電設計概要台北科技大學冷凍空調系 92年
7魏榮宗王文宏ldquo高效率太陽光電能源轉換系統 元智大學電機工程學系94年
[ ] 100)25(
)11
(exp
1)(exp
3
λminus+=
minus
=
+minus
minus+minus=
TKII
TTBk
qE
T
TII
where
R
IRVIRV
AkT
qIII
ISCRLG
r
GO
r
oros
sh
ssosLG
VI cell output current and voltagecell reverse saturation currentcell temperature in CBoltzmannrsquos constantelectronic chargeshort circuit current temperature coefficientsolar irradiation in Wmshort-circuit current at 25 Cand 1000 Wm
light-generated currentband gap for siliconideality factorsreference temperaturecell saturation current atshunt resistanceseries resistance
osI
T
kq
00170=IK
SCRIλ
LGI
GOE
921== ABKTr deg= 18301
orI
shR
sR
附錄附錄附錄附錄- 太陽能電池太陽能電池太陽能電池太陽能電池
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
(a) Equivalent circuit of a PV module and
(b) Typical PV module current-voltage and power-voltage characteristics
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
Characteristic of a PV module with temperature and irradiation (a) constant irradiation and varying temperature and (b) constant temperature and varying irradiation
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
系統範例系統範例系統範例系統範例
中途驛站電化PV離島用PV系統山岳地帶PV系統離島偏遠區
勤務指揮中心緊急避難所醫療院所公園學校地震觀測站森林嘹望台避難指示燈氣象觀測所水位警報PV系統河川安全燈防波堤安全PV燈
緊急防災
緊急供電系統管線電氣防蝕輸油管流量計PV系統市場廣告塔海上石油平台各種計測站PV系統發電廠情報指揮中心
產業用
住宅用供電系統緊急供電系統緊急照明系統帷幕牆遮陽棚採光罩屋瓦建築物
無線通信用中繼站基地台緊急電話中繼站電話通信PV系統Radio受信PV系統微波中繼站
通訊
農宅用電溫室栽培PV系統農業灌溉用自動灑水系統農牧電籬牛乳冷藏漁業養殖揚水通氣自動餵食器
農林漁牧
路燈交通號誌道路指示牌標誌燈太陽能電動車充電站高速公路緊急電話偏遠道路緊急電話停車計時器停車場控制門系統高速公路防音壁PV系統公路休息區PV系統太陽能車平交道指示燈候車亭PV系統車站屋頂型PV系統
道路交通
收音機測電表手錶計算機太陽能照相機手電筒電池充電器野營燈民生
應用領域
6實務應用系統實務應用系統實務應用系統實務應用系統
獨立系統示意圖獨立系統示意圖
考慮點
系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等安全係數最佳化設計複雜)
一般充電控制器無 MPPT搭配蓄電池使發電效能較差
蓄電池每日gt50DOD深度放電gt02C充電壽命短
太陽光發電量與負載需求量不搭配時太陽光之發電能量利用率偏低 (負載需求搭配與安全係數為互相矛盾之設計)
PV-柴油發電機PV-風力等混合系統為改善之方法
市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台
電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池
併聯系統示意圖併聯系統示意圖
緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析
1 系統設置成本高建議使用於邊際效益高之用電（防災緊急輔助電力）
2 總體經濟效益減少環境污染解決尖峰用電之不足與短缺能源多元化之風險分擔與開創自主能源
3 遮蔽陽光直曬降低建築物之熱效應（被動省能）同時轉換太陽光為電能供應建物自主能源（主動節能）一舉兩得
緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較
30萬元divide21900kWh＝137元度2萬元divide50kWh＝400元度每度電成本
日發電度數times365天times20年＝3hrtimes1kWtimes365天times20年＝21900kWh（度）
（年停電＋年測試運轉時數）times10年＝（20mintimes6次＋15mintimes12月）times10年＝5hrtimes1kWtimes10年＝50kWh
總發電度數（1kw計）
夜間不發電（可利用蓄電池設計供電年維運費02）
噪音空污油料運輸儲油危險維運成本高
缺點
利用露台屋頂牆面空間設備煙管隔音油槽需室內空間
設置空間
平時緊急時均可使用隨時可了解運轉狀況不須操作
加ATS停電時方可啟動需人員每月定期測試運轉
系統運作
太陽光潔淨能源（免費）柴油使用燃料
20年7~10年使用壽命
1kW=30萬元1kW=2~3萬元設置費用
太陽光發電系統柴油發電機
風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析
運用多元化能源分擔風險情況比較說明如下
1 市電--gt停電時風險極高
2 市電＋柴油發電機--gt發電機故障時風險高
市電＋柴油發電機＋太陽光發電系統--gt發揮三者優點互補同時故障機率小風險最低
案例
832kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide057＝317 m2
115kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide075＝332 m2
緊急時057平時065~08
綜合係數溫度變化污損線損Inverter效率＋蓄電池充放電補償
電力需求divide（日照強度times日照時間times模板效率times綜合係數）
模組面積估算
日照強度1kWm2
日照時間384hd
模板效率12
832kWhd500人用電量115kWhd770人用電量
緊急時平時
電力需求估算
緊急時40kWtimes384hdtimes057＝875 kWhd
平時40kWtimes384hdtimes075＝1152Whd
太陽發電系統發電量＝設置容量times日照時間times綜合係數
發電量計算
332m2times1kWm2times12＝398kW≒40kW
太陽發電系統設置容量＝設置面積times日照強度times模板效率
設置容量計算模板效率依太陽電池種類而異
進行模板陣列及蓄電池容量設計
40kWdivide18片串divide120W＝185列≒19
列
40kWdivide17片串divide120W＝196列≒20
列
陣列併列數＝設置容量divide單串功率
18片times120W＝2160W
17片times120W＝2040W
單串功率
300Vdivide169V＝1775片（取整數17 or 18）
陣列串聯數＝Inverter輸入電壓divide模板輸出電壓
模板陣列設計
1 模板功率120W
2 模板輸出電壓169V
3 直交流轉換器(Inverter)輸入電壓300V
120Wtimes17片串times20列＝40800W＝340片(最佳陣列)
120Wtimes18片串times19列＝41080W＝342片
最佳陣列較經濟之設置容量選擇最佳陣列
蓄電池數量＝144個times2列＝288個
120640Whdivide288Vdivide200Ah＝21列≒2列
併列數＝蓄電池需求容量divideInverter額定電壓
288Vdivide2V＝144個
串聯數＝Inverter額定電壓divide蓄電池電壓串併數設計
middot 蓄電池電壓2V個
middot 蓄電池容量200Ah個
Inverter電壓輸入電壓 額定電壓300V 288V200V 192V
蓄電池需求容量＝832kWhdtimes1dtimes145＝12064kWh
蓄電池需求容量＝緊急電力需求times無日照天數times補償係數補償係數蓄電池內阻抗放電停止電壓電壓降低補償
蓄電池需求容量設計
middot 補償係數145
無日照天數1日
61市電相關規定市電相關規定市電相關規定市電相關規定
1 發電設備併接於低壓系統者其總容量未滿100kW且技術無困難者得併接於單相三線110V220V三相三線220V之配電系統若總容量在100kW以上而未滿500kW得分別併接於3相4線220V380V之配電系統
2 發電設備總容量在500kW以上而未滿5000kW10000kW且技術無困難者得分別併接於114KV228KV之高壓配電系統
3 電設備總容量在10000kW以上而未滿40000kW者得併接於特高壓之系統
4 發電設備總容量在40000kW以上者依個案研討分類
併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類
發電系統經由發電系統經由發電系統經由發電系統經由110V220V110V220V110V220V110V220V併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者發電設發電設發電設發電設備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能
1 過電壓保護 低電壓保護
2 低頻保護 高頻保護
3 過電流保護 零相過電壓接地保護
4 發電設備為無逆送電力者須加裝逆電力保護
5 發電設備為有逆送電力者必須具備主動及被動防止單獨運轉保護
發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經110V220V110V220V110V220V110V220V系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者在電在電在電在電源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器
發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業114KV228KV114KV228KV114KV228KV114KV228KV之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者((((高高高高壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶))))發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Extremely Inverse特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Extremely Inverse特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過流電驛(67)須具Normal Inverse特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
發電設備併接於電業69KV特高壓輸電系統者發電設備之輸出端至少應具有下列同等保護功能並須與電業該轄區之保護設備協調
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Normal Inverse之特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Normal Inverse之特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過電流電驛(67)須具Normal Inverse之特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
8 快速及後衛保護電驛如系統保護需要時應裝設
9 匯流排電驛採用GIS斷路器者應裝設
62626262太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範
1 故障電流
太陽光電發電系統大於100kW以上須計算故障電流其送至電業系統之故障電流不得影響電業及其他用戶斷路器之起斷容量否則需裝置限流電抗器
太陽光電發電系統之隔離變壓器接地方式須與電業之系統配合
2 正常電壓變動率應維持在plusmn5以內
3 太陽光電發電系統與電業間之責任分界點的功率因數以維持85落後至100之間運轉為原則
4 諧波污染限制應依照「電力系統諧波管制暫行標準」辦理
分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性
適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯型之規範型之規範型之規範型之規範
電力轉換器電力轉換器電力轉換器電力轉換器(電力調節器電力調節器電力調節器電力調節器)(InverterConditioner)
蓄電池蓄電池蓄電池蓄電池(Battery))
63大型(商用)太陽光發電系統應用(gt1 kWp)
太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統
單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池(Unit Solar Cell)
太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板(PV Module)
太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列(PV Array)
太陽光發電系統應用獨立系統
(A) 獨立系統(Stand-Alone
System)
bull 蓄電池保護壽命
(B) 混合型交流獨立系統 (Hybrid
System)
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
直流負載PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
整流器
輔助發電機
PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載- ~PCU
直直直直交流轉換器交流轉換器交流轉換器交流轉換器
太陽光發電系統應用併聯系統
(D)併聯系統(Grid-
connected System)
特殊功能1 最佳效能2 防止獨立運轉(連線保護)
3 可自力運轉
(E) 防逆流型系統(Off-line System)
(F) 防災型併聯系統
充電控制器
蓄電池
直交流轉換器
PCU太陽電池組列
交流負載
ATS
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
獨立型系統
適用地點高山離島基地台hellip等市電無法到達處
工作方式白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
必須可以自給自足
缺點bull 系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等
安全係數設計很困難)
bull 蓄電池建置複雜成本很高壽命很短
bull 負載搭配不良時發電效能不佳利用率將偏低
bull 需由專人隨時維護
bull 混合系統為一種解決方法
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
PCU
併聯型系統
適用地點電力正常送達之任何地點工作方式 bull 白天 PV系統併聯發電夜間由台電供電bull 將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的蓄電池
優點bull 系統簡單不需安全係數設計(依預算設計)不需要專人維護bull 併聯發電效率高利用率高
缺點bull 停電時無電可用bull 受併聯法規限制尚未開放(但即將開放)
bull 有孤島效應之疑慮(目前技術上已解決)
改善型無電池自力運轉
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
市電併聯型住宅用太陽光發電系統
太陽光發電系統發電及負載用電對時間之關係
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
併聯型直交流轉換器之效能要求較高
1 最大功率追蹤(Maximum Power Tracking MPT)
2 高轉換效率 gt 90 (PWM+電力電子元件)
3 高次諧波功率 Distortion (lt5 total)
4 自動開關機(白天夜晚)
5 過負載保護過溫度保護
6 體積小重量輕室外防水防塵
7 電腦界面可遠端監控
8 防止獨立運轉(連線保護)
9 可自力運轉
太陽電池組列
交流負載
直交流轉換器MPT
Power Conditioner
併聯系統之獨立運轉(單獨運轉)
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull停電時單一併聯系統將會停止運作
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
bull 市電停電時多數併聯系統仍聯合運作將對電力公司人員產生嚴重危害
孤島效應之防止方法
停電偵測1 過電壓低電壓
2 過頻率低頻率
3 被動式偵測如
bull 電壓與頻率監視方式
bull 電壓相位跳躍監視方式
bull 高次諧波監視方式
bull 頻率變化監視方式
PV組列
直交流轉換器
自家負載
4 主動偵測如
bull 頻率Shift方式
bull 配電線負載變動方式
bull 有效電力變動方式
bull 無效電力變動方式
反應時間05~2秒
資料來源「日本電氣用品試驗所」分散型電源系統連系技術指針(1998)
併聯系統之自力運轉功能
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull 大停電後白天有陽光時以人工啟動 PV 系統進行自力運轉供自家負載使用(但夜間無法使用)
防災型併聯型系統
適用地點有防災需求(照明汲水通信hellip)之公共設施
工作方式
bull 平時PV併聯發電(電池浮充) 效率高利用率高夜間由台電供電
bull 視需要建置供防災用電池大停電時白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
缺點bull 含電池成本較高bull 系統較複雜需專人定期維護
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
FAQ1太陽光發電需要多少土地
效率 = (輸出功率W) (組列面積 m2 x 日照強度 Wm2 ) x 100
模板面積 m2 = 輸出功率W (效率 x日照強度Wm2 ) x100
bull 假設使用效率gt136 模板於1000 Wm2 (AM15)日照強度下
10 kWp 模板面積 (m2) = 10000 (0136 x 1000) ~ 735 m2
10 kWp PV系統土地面積需求約
~ 735 m2 x 15 x 11
~ 121m2 (~36坪)
(包括陰影面積及維修空間)
bull 假設使用效率~10 模板
則模板面積約 ~ 100 m2
土地面積需求約 ~ 165m2 (~50坪)
gt55o
夏至
冬至
春秋分
235o 235oh
L1 L2
FAQ2太陽電池一年能發多少電
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
10 kWm2
05 kWm2
日照強度
等效日照時數(Sun Hour)
組列單日發電量 = 組列額定輸出功率 x 等效日照時數
bull 預估1 kWp 組列單日發電量 = 1 (kW) x ex 4(Sun Hour)= 4 kWh
組列年發電量 = 組列額定輸出功率 x 年平均每日日照時數 x 365
bull 預估 1 kWp 組列年發電量 = 1 x 4 x 365 = 1460 kWh
時間時間時間時間
FAQ3太陽光發電的成本(簡易估算)
1 假設目前太陽光發電系統設置成本約為 NT$ 280000 kWp
2 假設年平均每日日照時數約為 25 Sun Hour (台灣中南部地區)
bull 1 kWp 組列單日發電量= 1 (kW) x 25 (Hour)= 25 kWh
bull 1 kWp 組列年發電量= 25 x 365 = 913 kWh (度)
3 假設太陽光發電系統使用壽命為 20 年
bull 1 kWp 太陽光發電系統總共可發電 20 x 913 = 18260 度
4 生產每度電之成本約為 280000 18260 ~ NT$ 153
5 未來發展趨勢
bull 太陽光發電系統設置成本將逐年降低
bull 市電電費將會升高(國內目前約 NT$ 3 度日本約NT$ 7 度)
bull 傳統能源限制再生能源獎勵利率降低
64獨立型太陽光發電系統應用例(一)
bull太陽電池時鐘-日本bull太陽電池路燈-日本千里住宅公園
獨立型太陽光發電系統應用例(二)
bull太陽電池交通標誌-日本北海道 bull高速公路緊急電話-日本
獨立型太陽光發電系統應用例(三)
bull800W無線通信中繼基地台韓國(1998)
獨立型太陽光發電系統應用例(四)
bull離島用90kW獨立型發電系統韓國Ho-Do島(1992)
併聯型太陽光發電系統應用例(一)
bull設置於屋頂之住宅用太陽光發電系統(建材一體型日本千里住宅公園內住宅設計之一)
併聯型太陽光發電系統應用例(二)
bull日本東海線新幹線京都車站之太陽光發電系統(100kWp)
併聯型太陽光發電系統應用例(三)
bull日本京瓷(Kyocera)京都總公司大樓之太陽電池發電系統(220kWp)
太陽光發電發電廠應用例
太陽電池發電廠
(PV Power Plant)
資料來源 ANIT
Srl Italy
建材一體型太陽電池模板應用例
bull資料來源 Pilkington Solar International GmbH 德國
太陽能車應用例
Honda Dream
bull資料來源 PV Special Research
Centre UNSW Australia
交大太陽能車
bull資料來源 National Chiao-Tung
University Taiwan
太陽光發電航太應用例(NASA Helios )
bull空中無線通訊平台應用
資料來源SkyOne Inc Taiwan
bull 飛行高度5-7 萬英呎(最高記錄 96000 英呎)
bull 時速60 mph (起飛 25 mph)
bull 翼展247 英呎bull 重量2000 磅bull 太陽電池效率要求gt22
資料來源httpwwwaerovironmentcomhomehtml
清雲技術學院 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
個人住宅 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
勤益技術學院 3kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
南台科技大學 10kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
總統府 10kWp 獨立型太陽光能發電系統 (9012)
海巡署南沙太平島 20kWp 混合型(柴油發電機)太陽光能發電系統 (9011)
90能源基金示範補助成果例
台電樹林 20kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
併聯型
台電台北市區處 20kWp 太陽光發電系統
(91能源基金示範補助成果)
併聯型
7結論
bull (1)提高電力轉換器效率
bull 轉換器的損失主要來自於開關切換時之損失為了可以降低濾波電路中電感和電容的體積可以提高切換頻率但是相對於開關的切換損失也因此而增加導致轉換器的效率降低因此發展零電壓或零電流切換技術應用於高切換頻率之轉換器將可以提高轉換器的效率
bull (2)提高太陽光發電系統之整體效率
bull 傳統之太陽光發電系統包含儲能系統和供電系統前級利用DCDC轉換器作最大功率追蹤後級則利用DCAC轉換器轉換能量供應給交流負載為了提高太陽光發電系統的整體效率在研究可提出了模組並聯控制技術以提昇各級電力轉換器的效率而在未來太陽光發電系統也將著重在單級電力轉換器的設計對於整體系統效率有較明顯的改善
8參考資料
1許國強ldquo太陽光發電原理與應用工研院材料所 薄膜技術組91年
2華志強黃崇倫ldquo智慧型能量控制於太陽光電能轉換系統國立雲林科技大學電機工程學系電力研討會97年
3林政達ldquo數位式市電並聯換流器與快速鎖相迴路控制器之研製國立雲林科技大學電機工程學系碩士論文92 年
4李思賢ldquo數位式單相低功率太陽光電能轉換系統國立中山大學電機工程學系碩士論文92 年
5洪世杰ldquo適用於再生能源之市電併聯型雙輸入供電系統國立中正大學電機工程研究所碩士論文93 年
6王廷興ldquo太陽能發電配電設計概要台北科技大學冷凍空調系 92年
7魏榮宗王文宏ldquo高效率太陽光電能源轉換系統 元智大學電機工程學系94年
[ ] 100)25(
)11
(exp
1)(exp
3
λminus+=
minus
=
+minus
minus+minus=
TKII
TTBk
qE
T
TII
where
R
IRVIRV
AkT
qIII
ISCRLG
r
GO
r
oros
sh
ssosLG
VI cell output current and voltagecell reverse saturation currentcell temperature in CBoltzmannrsquos constantelectronic chargeshort circuit current temperature coefficientsolar irradiation in Wmshort-circuit current at 25 Cand 1000 Wm
light-generated currentband gap for siliconideality factorsreference temperaturecell saturation current atshunt resistanceseries resistance
osI
T
kq
00170=IK
SCRIλ
LGI
GOE
921== ABKTr deg= 18301
orI
shR
sR
附錄附錄附錄附錄- 太陽能電池太陽能電池太陽能電池太陽能電池
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
(a) Equivalent circuit of a PV module and
(b) Typical PV module current-voltage and power-voltage characteristics
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
Characteristic of a PV module with temperature and irradiation (a) constant irradiation and varying temperature and (b) constant temperature and varying irradiation
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
系統範例系統範例系統範例系統範例
中途驛站電化PV離島用PV系統山岳地帶PV系統離島偏遠區
勤務指揮中心緊急避難所醫療院所公園學校地震觀測站森林嘹望台避難指示燈氣象觀測所水位警報PV系統河川安全燈防波堤安全PV燈
緊急防災
緊急供電系統管線電氣防蝕輸油管流量計PV系統市場廣告塔海上石油平台各種計測站PV系統發電廠情報指揮中心
產業用
住宅用供電系統緊急供電系統緊急照明系統帷幕牆遮陽棚採光罩屋瓦建築物
無線通信用中繼站基地台緊急電話中繼站電話通信PV系統Radio受信PV系統微波中繼站
通訊
農宅用電溫室栽培PV系統農業灌溉用自動灑水系統農牧電籬牛乳冷藏漁業養殖揚水通氣自動餵食器
農林漁牧
路燈交通號誌道路指示牌標誌燈太陽能電動車充電站高速公路緊急電話偏遠道路緊急電話停車計時器停車場控制門系統高速公路防音壁PV系統公路休息區PV系統太陽能車平交道指示燈候車亭PV系統車站屋頂型PV系統
道路交通
收音機測電表手錶計算機太陽能照相機手電筒電池充電器野營燈民生
應用領域
考慮點
系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等安全係數最佳化設計複雜)
一般充電控制器無 MPPT搭配蓄電池使發電效能較差
蓄電池每日gt50DOD深度放電gt02C充電壽命短
太陽光發電量與負載需求量不搭配時太陽光之發電能量利用率偏低 (負載需求搭配與安全係數為互相矛盾之設計)
PV-柴油發電機PV-風力等混合系統為改善之方法
市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台
電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池
併聯系統示意圖併聯系統示意圖
緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析
1 系統設置成本高建議使用於邊際效益高之用電（防災緊急輔助電力）
2 總體經濟效益減少環境污染解決尖峰用電之不足與短缺能源多元化之風險分擔與開創自主能源
3 遮蔽陽光直曬降低建築物之熱效應（被動省能）同時轉換太陽光為電能供應建物自主能源（主動節能）一舉兩得
緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較
30萬元divide21900kWh＝137元度2萬元divide50kWh＝400元度每度電成本
日發電度數times365天times20年＝3hrtimes1kWtimes365天times20年＝21900kWh（度）
（年停電＋年測試運轉時數）times10年＝（20mintimes6次＋15mintimes12月）times10年＝5hrtimes1kWtimes10年＝50kWh
總發電度數（1kw計）
夜間不發電（可利用蓄電池設計供電年維運費02）
噪音空污油料運輸儲油危險維運成本高
缺點
利用露台屋頂牆面空間設備煙管隔音油槽需室內空間
設置空間
平時緊急時均可使用隨時可了解運轉狀況不須操作
加ATS停電時方可啟動需人員每月定期測試運轉
系統運作
太陽光潔淨能源（免費）柴油使用燃料
20年7~10年使用壽命
1kW=30萬元1kW=2~3萬元設置費用
太陽光發電系統柴油發電機
風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析
運用多元化能源分擔風險情況比較說明如下
1 市電--gt停電時風險極高
2 市電＋柴油發電機--gt發電機故障時風險高
市電＋柴油發電機＋太陽光發電系統--gt發揮三者優點互補同時故障機率小風險最低
案例
832kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide057＝317 m2
115kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide075＝332 m2
緊急時057平時065~08
綜合係數溫度變化污損線損Inverter效率＋蓄電池充放電補償
電力需求divide（日照強度times日照時間times模板效率times綜合係數）
模組面積估算
日照強度1kWm2
日照時間384hd
模板效率12
832kWhd500人用電量115kWhd770人用電量
緊急時平時
電力需求估算
緊急時40kWtimes384hdtimes057＝875 kWhd
平時40kWtimes384hdtimes075＝1152Whd
太陽發電系統發電量＝設置容量times日照時間times綜合係數
發電量計算
332m2times1kWm2times12＝398kW≒40kW
太陽發電系統設置容量＝設置面積times日照強度times模板效率
設置容量計算模板效率依太陽電池種類而異
進行模板陣列及蓄電池容量設計
40kWdivide18片串divide120W＝185列≒19
列
40kWdivide17片串divide120W＝196列≒20
列
陣列併列數＝設置容量divide單串功率
18片times120W＝2160W
17片times120W＝2040W
單串功率
300Vdivide169V＝1775片（取整數17 or 18）
陣列串聯數＝Inverter輸入電壓divide模板輸出電壓
模板陣列設計
1 模板功率120W
2 模板輸出電壓169V
3 直交流轉換器(Inverter)輸入電壓300V
120Wtimes17片串times20列＝40800W＝340片(最佳陣列)
120Wtimes18片串times19列＝41080W＝342片
最佳陣列較經濟之設置容量選擇最佳陣列
蓄電池數量＝144個times2列＝288個
120640Whdivide288Vdivide200Ah＝21列≒2列
併列數＝蓄電池需求容量divideInverter額定電壓
288Vdivide2V＝144個
串聯數＝Inverter額定電壓divide蓄電池電壓串併數設計
middot 蓄電池電壓2V個
middot 蓄電池容量200Ah個
Inverter電壓輸入電壓 額定電壓300V 288V200V 192V
蓄電池需求容量＝832kWhdtimes1dtimes145＝12064kWh
蓄電池需求容量＝緊急電力需求times無日照天數times補償係數補償係數蓄電池內阻抗放電停止電壓電壓降低補償
蓄電池需求容量設計
middot 補償係數145
無日照天數1日
61市電相關規定市電相關規定市電相關規定市電相關規定
1 發電設備併接於低壓系統者其總容量未滿100kW且技術無困難者得併接於單相三線110V220V三相三線220V之配電系統若總容量在100kW以上而未滿500kW得分別併接於3相4線220V380V之配電系統
2 發電設備總容量在500kW以上而未滿5000kW10000kW且技術無困難者得分別併接於114KV228KV之高壓配電系統
3 電設備總容量在10000kW以上而未滿40000kW者得併接於特高壓之系統
4 發電設備總容量在40000kW以上者依個案研討分類
併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類
發電系統經由發電系統經由發電系統經由發電系統經由110V220V110V220V110V220V110V220V併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者發電設發電設發電設發電設備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能
1 過電壓保護 低電壓保護
2 低頻保護 高頻保護
3 過電流保護 零相過電壓接地保護
4 發電設備為無逆送電力者須加裝逆電力保護
5 發電設備為有逆送電力者必須具備主動及被動防止單獨運轉保護
發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經110V220V110V220V110V220V110V220V系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者在電在電在電在電源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器
發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業114KV228KV114KV228KV114KV228KV114KV228KV之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者((((高高高高壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶))))發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Extremely Inverse特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Extremely Inverse特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過流電驛(67)須具Normal Inverse特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
發電設備併接於電業69KV特高壓輸電系統者發電設備之輸出端至少應具有下列同等保護功能並須與電業該轄區之保護設備協調
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Normal Inverse之特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Normal Inverse之特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過電流電驛(67)須具Normal Inverse之特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
8 快速及後衛保護電驛如系統保護需要時應裝設
9 匯流排電驛採用GIS斷路器者應裝設
62626262太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範
1 故障電流
太陽光電發電系統大於100kW以上須計算故障電流其送至電業系統之故障電流不得影響電業及其他用戶斷路器之起斷容量否則需裝置限流電抗器
太陽光電發電系統之隔離變壓器接地方式須與電業之系統配合
2 正常電壓變動率應維持在plusmn5以內
3 太陽光電發電系統與電業間之責任分界點的功率因數以維持85落後至100之間運轉為原則
4 諧波污染限制應依照「電力系統諧波管制暫行標準」辦理
分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性
適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯型之規範型之規範型之規範型之規範
電力轉換器電力轉換器電力轉換器電力轉換器(電力調節器電力調節器電力調節器電力調節器)(InverterConditioner)
蓄電池蓄電池蓄電池蓄電池(Battery))
63大型(商用)太陽光發電系統應用(gt1 kWp)
太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統
單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池(Unit Solar Cell)
太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板(PV Module)
太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列(PV Array)
太陽光發電系統應用獨立系統
(A) 獨立系統(Stand-Alone
System)
bull 蓄電池保護壽命
(B) 混合型交流獨立系統 (Hybrid
System)
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
直流負載PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
整流器
輔助發電機
PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載- ~PCU
直直直直交流轉換器交流轉換器交流轉換器交流轉換器
太陽光發電系統應用併聯系統
(D)併聯系統(Grid-
connected System)
特殊功能1 最佳效能2 防止獨立運轉(連線保護)
3 可自力運轉
(E) 防逆流型系統(Off-line System)
(F) 防災型併聯系統
充電控制器
蓄電池
直交流轉換器
PCU太陽電池組列
交流負載
ATS
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
獨立型系統
適用地點高山離島基地台hellip等市電無法到達處
工作方式白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
必須可以自給自足
缺點bull 系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等
安全係數設計很困難)
bull 蓄電池建置複雜成本很高壽命很短
bull 負載搭配不良時發電效能不佳利用率將偏低
bull 需由專人隨時維護
bull 混合系統為一種解決方法
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
PCU
併聯型系統
適用地點電力正常送達之任何地點工作方式 bull 白天 PV系統併聯發電夜間由台電供電bull 將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的蓄電池
優點bull 系統簡單不需安全係數設計(依預算設計)不需要專人維護bull 併聯發電效率高利用率高
缺點bull 停電時無電可用bull 受併聯法規限制尚未開放(但即將開放)
bull 有孤島效應之疑慮(目前技術上已解決)
改善型無電池自力運轉
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
市電併聯型住宅用太陽光發電系統
太陽光發電系統發電及負載用電對時間之關係
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
併聯型直交流轉換器之效能要求較高
1 最大功率追蹤(Maximum Power Tracking MPT)
2 高轉換效率 gt 90 (PWM+電力電子元件)
3 高次諧波功率 Distortion (lt5 total)
4 自動開關機(白天夜晚)
5 過負載保護過溫度保護
6 體積小重量輕室外防水防塵
7 電腦界面可遠端監控
8 防止獨立運轉(連線保護)
9 可自力運轉
太陽電池組列
交流負載
直交流轉換器MPT
Power Conditioner
併聯系統之獨立運轉(單獨運轉)
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull停電時單一併聯系統將會停止運作
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
bull 市電停電時多數併聯系統仍聯合運作將對電力公司人員產生嚴重危害
孤島效應之防止方法
停電偵測1 過電壓低電壓
2 過頻率低頻率
3 被動式偵測如
bull 電壓與頻率監視方式
bull 電壓相位跳躍監視方式
bull 高次諧波監視方式
bull 頻率變化監視方式
PV組列
直交流轉換器
自家負載
4 主動偵測如
bull 頻率Shift方式
bull 配電線負載變動方式
bull 有效電力變動方式
bull 無效電力變動方式
反應時間05~2秒
資料來源「日本電氣用品試驗所」分散型電源系統連系技術指針(1998)
併聯系統之自力運轉功能
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull 大停電後白天有陽光時以人工啟動 PV 系統進行自力運轉供自家負載使用(但夜間無法使用)
防災型併聯型系統
適用地點有防災需求(照明汲水通信hellip)之公共設施
工作方式
bull 平時PV併聯發電(電池浮充) 效率高利用率高夜間由台電供電
bull 視需要建置供防災用電池大停電時白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
缺點bull 含電池成本較高bull 系統較複雜需專人定期維護
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
FAQ1太陽光發電需要多少土地
效率 = (輸出功率W) (組列面積 m2 x 日照強度 Wm2 ) x 100
模板面積 m2 = 輸出功率W (效率 x日照強度Wm2 ) x100
bull 假設使用效率gt136 模板於1000 Wm2 (AM15)日照強度下
10 kWp 模板面積 (m2) = 10000 (0136 x 1000) ~ 735 m2
10 kWp PV系統土地面積需求約
~ 735 m2 x 15 x 11
~ 121m2 (~36坪)
(包括陰影面積及維修空間)
bull 假設使用效率~10 模板
則模板面積約 ~ 100 m2
土地面積需求約 ~ 165m2 (~50坪)
gt55o
夏至
冬至
春秋分
235o 235oh
L1 L2
FAQ2太陽電池一年能發多少電
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
10 kWm2
05 kWm2
日照強度
等效日照時數(Sun Hour)
組列單日發電量 = 組列額定輸出功率 x 等效日照時數
bull 預估1 kWp 組列單日發電量 = 1 (kW) x ex 4(Sun Hour)= 4 kWh
組列年發電量 = 組列額定輸出功率 x 年平均每日日照時數 x 365
bull 預估 1 kWp 組列年發電量 = 1 x 4 x 365 = 1460 kWh
時間時間時間時間
FAQ3太陽光發電的成本(簡易估算)
1 假設目前太陽光發電系統設置成本約為 NT$ 280000 kWp
2 假設年平均每日日照時數約為 25 Sun Hour (台灣中南部地區)
bull 1 kWp 組列單日發電量= 1 (kW) x 25 (Hour)= 25 kWh
bull 1 kWp 組列年發電量= 25 x 365 = 913 kWh (度)
3 假設太陽光發電系統使用壽命為 20 年
bull 1 kWp 太陽光發電系統總共可發電 20 x 913 = 18260 度
4 生產每度電之成本約為 280000 18260 ~ NT$ 153
5 未來發展趨勢
bull 太陽光發電系統設置成本將逐年降低
bull 市電電費將會升高(國內目前約 NT$ 3 度日本約NT$ 7 度)
bull 傳統能源限制再生能源獎勵利率降低
64獨立型太陽光發電系統應用例(一)
bull太陽電池時鐘-日本bull太陽電池路燈-日本千里住宅公園
獨立型太陽光發電系統應用例(二)
bull太陽電池交通標誌-日本北海道 bull高速公路緊急電話-日本
獨立型太陽光發電系統應用例(三)
bull800W無線通信中繼基地台韓國(1998)
獨立型太陽光發電系統應用例(四)
bull離島用90kW獨立型發電系統韓國Ho-Do島(1992)
併聯型太陽光發電系統應用例(一)
bull設置於屋頂之住宅用太陽光發電系統(建材一體型日本千里住宅公園內住宅設計之一)
併聯型太陽光發電系統應用例(二)
bull日本東海線新幹線京都車站之太陽光發電系統(100kWp)
併聯型太陽光發電系統應用例(三)
bull日本京瓷(Kyocera)京都總公司大樓之太陽電池發電系統(220kWp)
太陽光發電發電廠應用例
太陽電池發電廠
(PV Power Plant)
資料來源 ANIT
Srl Italy
建材一體型太陽電池模板應用例
bull資料來源 Pilkington Solar International GmbH 德國
太陽能車應用例
Honda Dream
bull資料來源 PV Special Research
Centre UNSW Australia
交大太陽能車
bull資料來源 National Chiao-Tung
University Taiwan
太陽光發電航太應用例(NASA Helios )
bull空中無線通訊平台應用
資料來源SkyOne Inc Taiwan
bull 飛行高度5-7 萬英呎(最高記錄 96000 英呎)
bull 時速60 mph (起飛 25 mph)
bull 翼展247 英呎bull 重量2000 磅bull 太陽電池效率要求gt22
資料來源httpwwwaerovironmentcomhomehtml
清雲技術學院 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
個人住宅 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
勤益技術學院 3kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
南台科技大學 10kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
總統府 10kWp 獨立型太陽光能發電系統 (9012)
海巡署南沙太平島 20kWp 混合型(柴油發電機)太陽光能發電系統 (9011)
90能源基金示範補助成果例
台電樹林 20kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
併聯型
台電台北市區處 20kWp 太陽光發電系統
(91能源基金示範補助成果)
併聯型
7結論
bull (1)提高電力轉換器效率
bull 轉換器的損失主要來自於開關切換時之損失為了可以降低濾波電路中電感和電容的體積可以提高切換頻率但是相對於開關的切換損失也因此而增加導致轉換器的效率降低因此發展零電壓或零電流切換技術應用於高切換頻率之轉換器將可以提高轉換器的效率
bull (2)提高太陽光發電系統之整體效率
bull 傳統之太陽光發電系統包含儲能系統和供電系統前級利用DCDC轉換器作最大功率追蹤後級則利用DCAC轉換器轉換能量供應給交流負載為了提高太陽光發電系統的整體效率在研究可提出了模組並聯控制技術以提昇各級電力轉換器的效率而在未來太陽光發電系統也將著重在單級電力轉換器的設計對於整體系統效率有較明顯的改善
8參考資料
1許國強ldquo太陽光發電原理與應用工研院材料所 薄膜技術組91年
2華志強黃崇倫ldquo智慧型能量控制於太陽光電能轉換系統國立雲林科技大學電機工程學系電力研討會97年
3林政達ldquo數位式市電並聯換流器與快速鎖相迴路控制器之研製國立雲林科技大學電機工程學系碩士論文92 年
4李思賢ldquo數位式單相低功率太陽光電能轉換系統國立中山大學電機工程學系碩士論文92 年
5洪世杰ldquo適用於再生能源之市電併聯型雙輸入供電系統國立中正大學電機工程研究所碩士論文93 年
6王廷興ldquo太陽能發電配電設計概要台北科技大學冷凍空調系 92年
7魏榮宗王文宏ldquo高效率太陽光電能源轉換系統 元智大學電機工程學系94年
[ ] 100)25(
)11
(exp
1)(exp
3
λminus+=
minus
=
+minus
minus+minus=
TKII
TTBk
qE
T
TII
where
R
IRVIRV
AkT
qIII
ISCRLG
r
GO
r
oros
sh
ssosLG
VI cell output current and voltagecell reverse saturation currentcell temperature in CBoltzmannrsquos constantelectronic chargeshort circuit current temperature coefficientsolar irradiation in Wmshort-circuit current at 25 Cand 1000 Wm
light-generated currentband gap for siliconideality factorsreference temperaturecell saturation current atshunt resistanceseries resistance
osI
T
kq
00170=IK
SCRIλ
LGI
GOE
921== ABKTr deg= 18301
orI
shR
sR
附錄附錄附錄附錄- 太陽能電池太陽能電池太陽能電池太陽能電池
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
(a) Equivalent circuit of a PV module and
(b) Typical PV module current-voltage and power-voltage characteristics
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
Characteristic of a PV module with temperature and irradiation (a) constant irradiation and varying temperature and (b) constant temperature and varying irradiation
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
系統範例系統範例系統範例系統範例
中途驛站電化PV離島用PV系統山岳地帶PV系統離島偏遠區
勤務指揮中心緊急避難所醫療院所公園學校地震觀測站森林嘹望台避難指示燈氣象觀測所水位警報PV系統河川安全燈防波堤安全PV燈
緊急防災
緊急供電系統管線電氣防蝕輸油管流量計PV系統市場廣告塔海上石油平台各種計測站PV系統發電廠情報指揮中心
產業用
住宅用供電系統緊急供電系統緊急照明系統帷幕牆遮陽棚採光罩屋瓦建築物
無線通信用中繼站基地台緊急電話中繼站電話通信PV系統Radio受信PV系統微波中繼站
通訊
農宅用電溫室栽培PV系統農業灌溉用自動灑水系統農牧電籬牛乳冷藏漁業養殖揚水通氣自動餵食器
農林漁牧
路燈交通號誌道路指示牌標誌燈太陽能電動車充電站高速公路緊急電話偏遠道路緊急電話停車計時器停車場控制門系統高速公路防音壁PV系統公路休息區PV系統太陽能車平交道指示燈候車亭PV系統車站屋頂型PV系統
道路交通
收音機測電表手錶計算機太陽能照相機手電筒電池充電器野營燈民生
應用領域
市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯市電負載併聯平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電平時與太陽光電系統併聯發電並供負載並供負載並供負載並供負載不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台不夠的電由台
電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池電供電電供電電供電電供電好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池無窮壽命的免費蓄電池
併聯系統示意圖併聯系統示意圖
緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析
1 系統設置成本高建議使用於邊際效益高之用電（防災緊急輔助電力）
2 總體經濟效益減少環境污染解決尖峰用電之不足與短缺能源多元化之風險分擔與開創自主能源
3 遮蔽陽光直曬降低建築物之熱效應（被動省能）同時轉換太陽光為電能供應建物自主能源（主動節能）一舉兩得
緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較
30萬元divide21900kWh＝137元度2萬元divide50kWh＝400元度每度電成本
日發電度數times365天times20年＝3hrtimes1kWtimes365天times20年＝21900kWh（度）
（年停電＋年測試運轉時數）times10年＝（20mintimes6次＋15mintimes12月）times10年＝5hrtimes1kWtimes10年＝50kWh
總發電度數（1kw計）
夜間不發電（可利用蓄電池設計供電年維運費02）
噪音空污油料運輸儲油危險維運成本高
缺點
利用露台屋頂牆面空間設備煙管隔音油槽需室內空間
設置空間
平時緊急時均可使用隨時可了解運轉狀況不須操作
加ATS停電時方可啟動需人員每月定期測試運轉
系統運作
太陽光潔淨能源（免費）柴油使用燃料
20年7~10年使用壽命
1kW=30萬元1kW=2~3萬元設置費用
太陽光發電系統柴油發電機
風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析
運用多元化能源分擔風險情況比較說明如下
1 市電--gt停電時風險極高
2 市電＋柴油發電機--gt發電機故障時風險高
市電＋柴油發電機＋太陽光發電系統--gt發揮三者優點互補同時故障機率小風險最低
案例
832kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide057＝317 m2
115kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide075＝332 m2
緊急時057平時065~08
綜合係數溫度變化污損線損Inverter效率＋蓄電池充放電補償
電力需求divide（日照強度times日照時間times模板效率times綜合係數）
模組面積估算
日照強度1kWm2
日照時間384hd
模板效率12
832kWhd500人用電量115kWhd770人用電量
緊急時平時
電力需求估算
緊急時40kWtimes384hdtimes057＝875 kWhd
平時40kWtimes384hdtimes075＝1152Whd
太陽發電系統發電量＝設置容量times日照時間times綜合係數
發電量計算
332m2times1kWm2times12＝398kW≒40kW
太陽發電系統設置容量＝設置面積times日照強度times模板效率
設置容量計算模板效率依太陽電池種類而異
進行模板陣列及蓄電池容量設計
40kWdivide18片串divide120W＝185列≒19
列
40kWdivide17片串divide120W＝196列≒20
列
陣列併列數＝設置容量divide單串功率
18片times120W＝2160W
17片times120W＝2040W
單串功率
300Vdivide169V＝1775片（取整數17 or 18）
陣列串聯數＝Inverter輸入電壓divide模板輸出電壓
模板陣列設計
1 模板功率120W
2 模板輸出電壓169V
3 直交流轉換器(Inverter)輸入電壓300V
120Wtimes17片串times20列＝40800W＝340片(最佳陣列)
120Wtimes18片串times19列＝41080W＝342片
最佳陣列較經濟之設置容量選擇最佳陣列
蓄電池數量＝144個times2列＝288個
120640Whdivide288Vdivide200Ah＝21列≒2列
併列數＝蓄電池需求容量divideInverter額定電壓
288Vdivide2V＝144個
串聯數＝Inverter額定電壓divide蓄電池電壓串併數設計
middot 蓄電池電壓2V個
middot 蓄電池容量200Ah個
Inverter電壓輸入電壓 額定電壓300V 288V200V 192V
蓄電池需求容量＝832kWhdtimes1dtimes145＝12064kWh
蓄電池需求容量＝緊急電力需求times無日照天數times補償係數補償係數蓄電池內阻抗放電停止電壓電壓降低補償
蓄電池需求容量設計
middot 補償係數145
無日照天數1日
61市電相關規定市電相關規定市電相關規定市電相關規定
1 發電設備併接於低壓系統者其總容量未滿100kW且技術無困難者得併接於單相三線110V220V三相三線220V之配電系統若總容量在100kW以上而未滿500kW得分別併接於3相4線220V380V之配電系統
2 發電設備總容量在500kW以上而未滿5000kW10000kW且技術無困難者得分別併接於114KV228KV之高壓配電系統
3 電設備總容量在10000kW以上而未滿40000kW者得併接於特高壓之系統
4 發電設備總容量在40000kW以上者依個案研討分類
併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類
發電系統經由發電系統經由發電系統經由發電系統經由110V220V110V220V110V220V110V220V併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者發電設發電設發電設發電設備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能
1 過電壓保護 低電壓保護
2 低頻保護 高頻保護
3 過電流保護 零相過電壓接地保護
4 發電設備為無逆送電力者須加裝逆電力保護
5 發電設備為有逆送電力者必須具備主動及被動防止單獨運轉保護
發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經110V220V110V220V110V220V110V220V系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者在電在電在電在電源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器
發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業114KV228KV114KV228KV114KV228KV114KV228KV之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者((((高高高高壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶))))發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Extremely Inverse特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Extremely Inverse特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過流電驛(67)須具Normal Inverse特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
發電設備併接於電業69KV特高壓輸電系統者發電設備之輸出端至少應具有下列同等保護功能並須與電業該轄區之保護設備協調
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Normal Inverse之特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Normal Inverse之特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過電流電驛(67)須具Normal Inverse之特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
8 快速及後衛保護電驛如系統保護需要時應裝設
9 匯流排電驛採用GIS斷路器者應裝設
62626262太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範
1 故障電流
太陽光電發電系統大於100kW以上須計算故障電流其送至電業系統之故障電流不得影響電業及其他用戶斷路器之起斷容量否則需裝置限流電抗器
太陽光電發電系統之隔離變壓器接地方式須與電業之系統配合
2 正常電壓變動率應維持在plusmn5以內
3 太陽光電發電系統與電業間之責任分界點的功率因數以維持85落後至100之間運轉為原則
4 諧波污染限制應依照「電力系統諧波管制暫行標準」辦理
分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性
適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯型之規範型之規範型之規範型之規範
電力轉換器電力轉換器電力轉換器電力轉換器(電力調節器電力調節器電力調節器電力調節器)(InverterConditioner)
蓄電池蓄電池蓄電池蓄電池(Battery))
63大型(商用)太陽光發電系統應用(gt1 kWp)
太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統
單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池(Unit Solar Cell)
太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板(PV Module)
太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列(PV Array)
太陽光發電系統應用獨立系統
(A) 獨立系統(Stand-Alone
System)
bull 蓄電池保護壽命
(B) 混合型交流獨立系統 (Hybrid
System)
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
直流負載PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
整流器
輔助發電機
PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載- ~PCU
直直直直交流轉換器交流轉換器交流轉換器交流轉換器
太陽光發電系統應用併聯系統
(D)併聯系統(Grid-
connected System)
特殊功能1 最佳效能2 防止獨立運轉(連線保護)
3 可自力運轉
(E) 防逆流型系統(Off-line System)
(F) 防災型併聯系統
充電控制器
蓄電池
直交流轉換器
PCU太陽電池組列
交流負載
ATS
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
獨立型系統
適用地點高山離島基地台hellip等市電無法到達處
工作方式白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
必須可以自給自足
缺點bull 系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等
安全係數設計很困難)
bull 蓄電池建置複雜成本很高壽命很短
bull 負載搭配不良時發電效能不佳利用率將偏低
bull 需由專人隨時維護
bull 混合系統為一種解決方法
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
PCU
併聯型系統
適用地點電力正常送達之任何地點工作方式 bull 白天 PV系統併聯發電夜間由台電供電bull 將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的蓄電池
優點bull 系統簡單不需安全係數設計(依預算設計)不需要專人維護bull 併聯發電效率高利用率高
缺點bull 停電時無電可用bull 受併聯法規限制尚未開放(但即將開放)
bull 有孤島效應之疑慮(目前技術上已解決)
改善型無電池自力運轉
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
市電併聯型住宅用太陽光發電系統
太陽光發電系統發電及負載用電對時間之關係
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
併聯型直交流轉換器之效能要求較高
1 最大功率追蹤(Maximum Power Tracking MPT)
2 高轉換效率 gt 90 (PWM+電力電子元件)
3 高次諧波功率 Distortion (lt5 total)
4 自動開關機(白天夜晚)
5 過負載保護過溫度保護
6 體積小重量輕室外防水防塵
7 電腦界面可遠端監控
8 防止獨立運轉(連線保護)
9 可自力運轉
太陽電池組列
交流負載
直交流轉換器MPT
Power Conditioner
併聯系統之獨立運轉(單獨運轉)
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull停電時單一併聯系統將會停止運作
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
bull 市電停電時多數併聯系統仍聯合運作將對電力公司人員產生嚴重危害
孤島效應之防止方法
停電偵測1 過電壓低電壓
2 過頻率低頻率
3 被動式偵測如
bull 電壓與頻率監視方式
bull 電壓相位跳躍監視方式
bull 高次諧波監視方式
bull 頻率變化監視方式
PV組列
直交流轉換器
自家負載
4 主動偵測如
bull 頻率Shift方式
bull 配電線負載變動方式
bull 有效電力變動方式
bull 無效電力變動方式
反應時間05~2秒
資料來源「日本電氣用品試驗所」分散型電源系統連系技術指針(1998)
併聯系統之自力運轉功能
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull 大停電後白天有陽光時以人工啟動 PV 系統進行自力運轉供自家負載使用(但夜間無法使用)
防災型併聯型系統
適用地點有防災需求(照明汲水通信hellip)之公共設施
工作方式
bull 平時PV併聯發電(電池浮充) 效率高利用率高夜間由台電供電
bull 視需要建置供防災用電池大停電時白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
缺點bull 含電池成本較高bull 系統較複雜需專人定期維護
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
FAQ1太陽光發電需要多少土地
效率 = (輸出功率W) (組列面積 m2 x 日照強度 Wm2 ) x 100
模板面積 m2 = 輸出功率W (效率 x日照強度Wm2 ) x100
bull 假設使用效率gt136 模板於1000 Wm2 (AM15)日照強度下
10 kWp 模板面積 (m2) = 10000 (0136 x 1000) ~ 735 m2
10 kWp PV系統土地面積需求約
~ 735 m2 x 15 x 11
~ 121m2 (~36坪)
(包括陰影面積及維修空間)
bull 假設使用效率~10 模板
則模板面積約 ~ 100 m2
土地面積需求約 ~ 165m2 (~50坪)
gt55o
夏至
冬至
春秋分
235o 235oh
L1 L2
FAQ2太陽電池一年能發多少電
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
10 kWm2
05 kWm2
日照強度
等效日照時數(Sun Hour)
組列單日發電量 = 組列額定輸出功率 x 等效日照時數
bull 預估1 kWp 組列單日發電量 = 1 (kW) x ex 4(Sun Hour)= 4 kWh
組列年發電量 = 組列額定輸出功率 x 年平均每日日照時數 x 365
bull 預估 1 kWp 組列年發電量 = 1 x 4 x 365 = 1460 kWh
時間時間時間時間
FAQ3太陽光發電的成本(簡易估算)
1 假設目前太陽光發電系統設置成本約為 NT$ 280000 kWp
2 假設年平均每日日照時數約為 25 Sun Hour (台灣中南部地區)
bull 1 kWp 組列單日發電量= 1 (kW) x 25 (Hour)= 25 kWh
bull 1 kWp 組列年發電量= 25 x 365 = 913 kWh (度)
3 假設太陽光發電系統使用壽命為 20 年
bull 1 kWp 太陽光發電系統總共可發電 20 x 913 = 18260 度
4 生產每度電之成本約為 280000 18260 ~ NT$ 153
5 未來發展趨勢
bull 太陽光發電系統設置成本將逐年降低
bull 市電電費將會升高(國內目前約 NT$ 3 度日本約NT$ 7 度)
bull 傳統能源限制再生能源獎勵利率降低
64獨立型太陽光發電系統應用例(一)
bull太陽電池時鐘-日本bull太陽電池路燈-日本千里住宅公園
獨立型太陽光發電系統應用例(二)
bull太陽電池交通標誌-日本北海道 bull高速公路緊急電話-日本
獨立型太陽光發電系統應用例(三)
bull800W無線通信中繼基地台韓國(1998)
獨立型太陽光發電系統應用例(四)
bull離島用90kW獨立型發電系統韓國Ho-Do島(1992)
併聯型太陽光發電系統應用例(一)
bull設置於屋頂之住宅用太陽光發電系統(建材一體型日本千里住宅公園內住宅設計之一)
併聯型太陽光發電系統應用例(二)
bull日本東海線新幹線京都車站之太陽光發電系統(100kWp)
併聯型太陽光發電系統應用例(三)
bull日本京瓷(Kyocera)京都總公司大樓之太陽電池發電系統(220kWp)
太陽光發電發電廠應用例
太陽電池發電廠
(PV Power Plant)
資料來源 ANIT
Srl Italy
建材一體型太陽電池模板應用例
bull資料來源 Pilkington Solar International GmbH 德國
太陽能車應用例
Honda Dream
bull資料來源 PV Special Research
Centre UNSW Australia
交大太陽能車
bull資料來源 National Chiao-Tung
University Taiwan
太陽光發電航太應用例(NASA Helios )
bull空中無線通訊平台應用
資料來源SkyOne Inc Taiwan
bull 飛行高度5-7 萬英呎(最高記錄 96000 英呎)
bull 時速60 mph (起飛 25 mph)
bull 翼展247 英呎bull 重量2000 磅bull 太陽電池效率要求gt22
資料來源httpwwwaerovironmentcomhomehtml
清雲技術學院 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
個人住宅 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
勤益技術學院 3kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
南台科技大學 10kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
總統府 10kWp 獨立型太陽光能發電系統 (9012)
海巡署南沙太平島 20kWp 混合型(柴油發電機)太陽光能發電系統 (9011)
90能源基金示範補助成果例
台電樹林 20kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
併聯型
台電台北市區處 20kWp 太陽光發電系統
(91能源基金示範補助成果)
併聯型
7結論
bull (1)提高電力轉換器效率
bull 轉換器的損失主要來自於開關切換時之損失為了可以降低濾波電路中電感和電容的體積可以提高切換頻率但是相對於開關的切換損失也因此而增加導致轉換器的效率降低因此發展零電壓或零電流切換技術應用於高切換頻率之轉換器將可以提高轉換器的效率
bull (2)提高太陽光發電系統之整體效率
bull 傳統之太陽光發電系統包含儲能系統和供電系統前級利用DCDC轉換器作最大功率追蹤後級則利用DCAC轉換器轉換能量供應給交流負載為了提高太陽光發電系統的整體效率在研究可提出了模組並聯控制技術以提昇各級電力轉換器的效率而在未來太陽光發電系統也將著重在單級電力轉換器的設計對於整體系統效率有較明顯的改善
8參考資料
1許國強ldquo太陽光發電原理與應用工研院材料所 薄膜技術組91年
2華志強黃崇倫ldquo智慧型能量控制於太陽光電能轉換系統國立雲林科技大學電機工程學系電力研討會97年
3林政達ldquo數位式市電並聯換流器與快速鎖相迴路控制器之研製國立雲林科技大學電機工程學系碩士論文92 年
4李思賢ldquo數位式單相低功率太陽光電能轉換系統國立中山大學電機工程學系碩士論文92 年
5洪世杰ldquo適用於再生能源之市電併聯型雙輸入供電系統國立中正大學電機工程研究所碩士論文93 年
6王廷興ldquo太陽能發電配電設計概要台北科技大學冷凍空調系 92年
7魏榮宗王文宏ldquo高效率太陽光電能源轉換系統 元智大學電機工程學系94年
[ ] 100)25(
)11
(exp
1)(exp
3
λminus+=
minus
=
+minus
minus+minus=
TKII
TTBk
qE
T
TII
where
R
IRVIRV
AkT
qIII
ISCRLG
r
GO
r
oros
sh
ssosLG
VI cell output current and voltagecell reverse saturation currentcell temperature in CBoltzmannrsquos constantelectronic chargeshort circuit current temperature coefficientsolar irradiation in Wmshort-circuit current at 25 Cand 1000 Wm
light-generated currentband gap for siliconideality factorsreference temperaturecell saturation current atshunt resistanceseries resistance
osI
T
kq
00170=IK
SCRIλ
LGI
GOE
921== ABKTr deg= 18301
orI
shR
sR
附錄附錄附錄附錄- 太陽能電池太陽能電池太陽能電池太陽能電池
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
(a) Equivalent circuit of a PV module and
(b) Typical PV module current-voltage and power-voltage characteristics
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
Characteristic of a PV module with temperature and irradiation (a) constant irradiation and varying temperature and (b) constant temperature and varying irradiation
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
系統範例系統範例系統範例系統範例
中途驛站電化PV離島用PV系統山岳地帶PV系統離島偏遠區
勤務指揮中心緊急避難所醫療院所公園學校地震觀測站森林嘹望台避難指示燈氣象觀測所水位警報PV系統河川安全燈防波堤安全PV燈
緊急防災
緊急供電系統管線電氣防蝕輸油管流量計PV系統市場廣告塔海上石油平台各種計測站PV系統發電廠情報指揮中心
產業用
住宅用供電系統緊急供電系統緊急照明系統帷幕牆遮陽棚採光罩屋瓦建築物
無線通信用中繼站基地台緊急電話中繼站電話通信PV系統Radio受信PV系統微波中繼站
通訊
農宅用電溫室栽培PV系統農業灌溉用自動灑水系統農牧電籬牛乳冷藏漁業養殖揚水通氣自動餵食器
農林漁牧
路燈交通號誌道路指示牌標誌燈太陽能電動車充電站高速公路緊急電話偏遠道路緊急電話停車計時器停車場控制門系統高速公路防音壁PV系統公路休息區PV系統太陽能車平交道指示燈候車亭PV系統車站屋頂型PV系統
道路交通
收音機測電表手錶計算機太陽能照相機手電筒電池充電器野營燈民生
應用領域
緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析緊急供電之效益分析
1 系統設置成本高建議使用於邊際效益高之用電（防災緊急輔助電力）
2 總體經濟效益減少環境污染解決尖峰用電之不足與短缺能源多元化之風險分擔與開創自主能源
3 遮蔽陽光直曬降低建築物之熱效應（被動省能）同時轉換太陽光為電能供應建物自主能源（主動節能）一舉兩得
緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較
30萬元divide21900kWh＝137元度2萬元divide50kWh＝400元度每度電成本
日發電度數times365天times20年＝3hrtimes1kWtimes365天times20年＝21900kWh（度）
（年停電＋年測試運轉時數）times10年＝（20mintimes6次＋15mintimes12月）times10年＝5hrtimes1kWtimes10年＝50kWh
總發電度數（1kw計）
夜間不發電（可利用蓄電池設計供電年維運費02）
噪音空污油料運輸儲油危險維運成本高
缺點
利用露台屋頂牆面空間設備煙管隔音油槽需室內空間
設置空間
平時緊急時均可使用隨時可了解運轉狀況不須操作
加ATS停電時方可啟動需人員每月定期測試運轉
系統運作
太陽光潔淨能源（免費）柴油使用燃料
20年7~10年使用壽命
1kW=30萬元1kW=2~3萬元設置費用
太陽光發電系統柴油發電機
風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析
運用多元化能源分擔風險情況比較說明如下
1 市電--gt停電時風險極高
2 市電＋柴油發電機--gt發電機故障時風險高
市電＋柴油發電機＋太陽光發電系統--gt發揮三者優點互補同時故障機率小風險最低
案例
832kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide057＝317 m2
115kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide075＝332 m2
緊急時057平時065~08
綜合係數溫度變化污損線損Inverter效率＋蓄電池充放電補償
電力需求divide（日照強度times日照時間times模板效率times綜合係數）
模組面積估算
日照強度1kWm2
日照時間384hd
模板效率12
832kWhd500人用電量115kWhd770人用電量
緊急時平時
電力需求估算
緊急時40kWtimes384hdtimes057＝875 kWhd
平時40kWtimes384hdtimes075＝1152Whd
太陽發電系統發電量＝設置容量times日照時間times綜合係數
發電量計算
332m2times1kWm2times12＝398kW≒40kW
太陽發電系統設置容量＝設置面積times日照強度times模板效率
設置容量計算模板效率依太陽電池種類而異
進行模板陣列及蓄電池容量設計
40kWdivide18片串divide120W＝185列≒19
列
40kWdivide17片串divide120W＝196列≒20
列
陣列併列數＝設置容量divide單串功率
18片times120W＝2160W
17片times120W＝2040W
單串功率
300Vdivide169V＝1775片（取整數17 or 18）
陣列串聯數＝Inverter輸入電壓divide模板輸出電壓
模板陣列設計
1 模板功率120W
2 模板輸出電壓169V
3 直交流轉換器(Inverter)輸入電壓300V
120Wtimes17片串times20列＝40800W＝340片(最佳陣列)
120Wtimes18片串times19列＝41080W＝342片
最佳陣列較經濟之設置容量選擇最佳陣列
蓄電池數量＝144個times2列＝288個
120640Whdivide288Vdivide200Ah＝21列≒2列
併列數＝蓄電池需求容量divideInverter額定電壓
288Vdivide2V＝144個
串聯數＝Inverter額定電壓divide蓄電池電壓串併數設計
middot 蓄電池電壓2V個
middot 蓄電池容量200Ah個
Inverter電壓輸入電壓 額定電壓300V 288V200V 192V
蓄電池需求容量＝832kWhdtimes1dtimes145＝12064kWh
蓄電池需求容量＝緊急電力需求times無日照天數times補償係數補償係數蓄電池內阻抗放電停止電壓電壓降低補償
蓄電池需求容量設計
middot 補償係數145
無日照天數1日
61市電相關規定市電相關規定市電相關規定市電相關規定
1 發電設備併接於低壓系統者其總容量未滿100kW且技術無困難者得併接於單相三線110V220V三相三線220V之配電系統若總容量在100kW以上而未滿500kW得分別併接於3相4線220V380V之配電系統
2 發電設備總容量在500kW以上而未滿5000kW10000kW且技術無困難者得分別併接於114KV228KV之高壓配電系統
3 電設備總容量在10000kW以上而未滿40000kW者得併接於特高壓之系統
4 發電設備總容量在40000kW以上者依個案研討分類
併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類
發電系統經由發電系統經由發電系統經由發電系統經由110V220V110V220V110V220V110V220V併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者發電設發電設發電設發電設備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能
1 過電壓保護 低電壓保護
2 低頻保護 高頻保護
3 過電流保護 零相過電壓接地保護
4 發電設備為無逆送電力者須加裝逆電力保護
5 發電設備為有逆送電力者必須具備主動及被動防止單獨運轉保護
發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經110V220V110V220V110V220V110V220V系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者在電在電在電在電源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器
發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業114KV228KV114KV228KV114KV228KV114KV228KV之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者((((高高高高壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶))))發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Extremely Inverse特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Extremely Inverse特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過流電驛(67)須具Normal Inverse特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
發電設備併接於電業69KV特高壓輸電系統者發電設備之輸出端至少應具有下列同等保護功能並須與電業該轄區之保護設備協調
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Normal Inverse之特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Normal Inverse之特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過電流電驛(67)須具Normal Inverse之特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
8 快速及後衛保護電驛如系統保護需要時應裝設
9 匯流排電驛採用GIS斷路器者應裝設
62626262太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範
1 故障電流
太陽光電發電系統大於100kW以上須計算故障電流其送至電業系統之故障電流不得影響電業及其他用戶斷路器之起斷容量否則需裝置限流電抗器
太陽光電發電系統之隔離變壓器接地方式須與電業之系統配合
2 正常電壓變動率應維持在plusmn5以內
3 太陽光電發電系統與電業間之責任分界點的功率因數以維持85落後至100之間運轉為原則
4 諧波污染限制應依照「電力系統諧波管制暫行標準」辦理
分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性
適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯型之規範型之規範型之規範型之規範
電力轉換器電力轉換器電力轉換器電力轉換器(電力調節器電力調節器電力調節器電力調節器)(InverterConditioner)
蓄電池蓄電池蓄電池蓄電池(Battery))
63大型(商用)太陽光發電系統應用(gt1 kWp)
太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統
單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池(Unit Solar Cell)
太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板(PV Module)
太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列(PV Array)
太陽光發電系統應用獨立系統
(A) 獨立系統(Stand-Alone
System)
bull 蓄電池保護壽命
(B) 混合型交流獨立系統 (Hybrid
System)
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
直流負載PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
整流器
輔助發電機
PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載- ~PCU
直直直直交流轉換器交流轉換器交流轉換器交流轉換器
太陽光發電系統應用併聯系統
(D)併聯系統(Grid-
connected System)
特殊功能1 最佳效能2 防止獨立運轉(連線保護)
3 可自力運轉
(E) 防逆流型系統(Off-line System)
(F) 防災型併聯系統
充電控制器
蓄電池
直交流轉換器
PCU太陽電池組列
交流負載
ATS
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
獨立型系統
適用地點高山離島基地台hellip等市電無法到達處
工作方式白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
必須可以自給自足
缺點bull 系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等
安全係數設計很困難)
bull 蓄電池建置複雜成本很高壽命很短
bull 負載搭配不良時發電效能不佳利用率將偏低
bull 需由專人隨時維護
bull 混合系統為一種解決方法
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
PCU
併聯型系統
適用地點電力正常送達之任何地點工作方式 bull 白天 PV系統併聯發電夜間由台電供電bull 將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的蓄電池
優點bull 系統簡單不需安全係數設計(依預算設計)不需要專人維護bull 併聯發電效率高利用率高
缺點bull 停電時無電可用bull 受併聯法規限制尚未開放(但即將開放)
bull 有孤島效應之疑慮(目前技術上已解決)
改善型無電池自力運轉
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
市電併聯型住宅用太陽光發電系統
太陽光發電系統發電及負載用電對時間之關係
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
併聯型直交流轉換器之效能要求較高
1 最大功率追蹤(Maximum Power Tracking MPT)
2 高轉換效率 gt 90 (PWM+電力電子元件)
3 高次諧波功率 Distortion (lt5 total)
4 自動開關機(白天夜晚)
5 過負載保護過溫度保護
6 體積小重量輕室外防水防塵
7 電腦界面可遠端監控
8 防止獨立運轉(連線保護)
9 可自力運轉
太陽電池組列
交流負載
直交流轉換器MPT
Power Conditioner
併聯系統之獨立運轉(單獨運轉)
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull停電時單一併聯系統將會停止運作
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
bull 市電停電時多數併聯系統仍聯合運作將對電力公司人員產生嚴重危害
孤島效應之防止方法
停電偵測1 過電壓低電壓
2 過頻率低頻率
3 被動式偵測如
bull 電壓與頻率監視方式
bull 電壓相位跳躍監視方式
bull 高次諧波監視方式
bull 頻率變化監視方式
PV組列
直交流轉換器
自家負載
4 主動偵測如
bull 頻率Shift方式
bull 配電線負載變動方式
bull 有效電力變動方式
bull 無效電力變動方式
反應時間05~2秒
資料來源「日本電氣用品試驗所」分散型電源系統連系技術指針(1998)
併聯系統之自力運轉功能
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull 大停電後白天有陽光時以人工啟動 PV 系統進行自力運轉供自家負載使用(但夜間無法使用)
防災型併聯型系統
適用地點有防災需求(照明汲水通信hellip)之公共設施
工作方式
bull 平時PV併聯發電(電池浮充) 效率高利用率高夜間由台電供電
bull 視需要建置供防災用電池大停電時白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
缺點bull 含電池成本較高bull 系統較複雜需專人定期維護
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
FAQ1太陽光發電需要多少土地
效率 = (輸出功率W) (組列面積 m2 x 日照強度 Wm2 ) x 100
模板面積 m2 = 輸出功率W (效率 x日照強度Wm2 ) x100
bull 假設使用效率gt136 模板於1000 Wm2 (AM15)日照強度下
10 kWp 模板面積 (m2) = 10000 (0136 x 1000) ~ 735 m2
10 kWp PV系統土地面積需求約
~ 735 m2 x 15 x 11
~ 121m2 (~36坪)
(包括陰影面積及維修空間)
bull 假設使用效率~10 模板
則模板面積約 ~ 100 m2
土地面積需求約 ~ 165m2 (~50坪)
gt55o
夏至
冬至
春秋分
235o 235oh
L1 L2
FAQ2太陽電池一年能發多少電
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
10 kWm2
05 kWm2
日照強度
等效日照時數(Sun Hour)
組列單日發電量 = 組列額定輸出功率 x 等效日照時數
bull 預估1 kWp 組列單日發電量 = 1 (kW) x ex 4(Sun Hour)= 4 kWh
組列年發電量 = 組列額定輸出功率 x 年平均每日日照時數 x 365
bull 預估 1 kWp 組列年發電量 = 1 x 4 x 365 = 1460 kWh
時間時間時間時間
FAQ3太陽光發電的成本(簡易估算)
1 假設目前太陽光發電系統設置成本約為 NT$ 280000 kWp
2 假設年平均每日日照時數約為 25 Sun Hour (台灣中南部地區)
bull 1 kWp 組列單日發電量= 1 (kW) x 25 (Hour)= 25 kWh
bull 1 kWp 組列年發電量= 25 x 365 = 913 kWh (度)
3 假設太陽光發電系統使用壽命為 20 年
bull 1 kWp 太陽光發電系統總共可發電 20 x 913 = 18260 度
4 生產每度電之成本約為 280000 18260 ~ NT$ 153
5 未來發展趨勢
bull 太陽光發電系統設置成本將逐年降低
bull 市電電費將會升高(國內目前約 NT$ 3 度日本約NT$ 7 度)
bull 傳統能源限制再生能源獎勵利率降低
64獨立型太陽光發電系統應用例(一)
bull太陽電池時鐘-日本bull太陽電池路燈-日本千里住宅公園
獨立型太陽光發電系統應用例(二)
bull太陽電池交通標誌-日本北海道 bull高速公路緊急電話-日本
獨立型太陽光發電系統應用例(三)
bull800W無線通信中繼基地台韓國(1998)
獨立型太陽光發電系統應用例(四)
bull離島用90kW獨立型發電系統韓國Ho-Do島(1992)
併聯型太陽光發電系統應用例(一)
bull設置於屋頂之住宅用太陽光發電系統(建材一體型日本千里住宅公園內住宅設計之一)
併聯型太陽光發電系統應用例(二)
bull日本東海線新幹線京都車站之太陽光發電系統(100kWp)
併聯型太陽光發電系統應用例(三)
bull日本京瓷(Kyocera)京都總公司大樓之太陽電池發電系統(220kWp)
太陽光發電發電廠應用例
太陽電池發電廠
(PV Power Plant)
資料來源 ANIT
Srl Italy
建材一體型太陽電池模板應用例
bull資料來源 Pilkington Solar International GmbH 德國
太陽能車應用例
Honda Dream
bull資料來源 PV Special Research
Centre UNSW Australia
交大太陽能車
bull資料來源 National Chiao-Tung
University Taiwan
太陽光發電航太應用例(NASA Helios )
bull空中無線通訊平台應用
資料來源SkyOne Inc Taiwan
bull 飛行高度5-7 萬英呎(最高記錄 96000 英呎)
bull 時速60 mph (起飛 25 mph)
bull 翼展247 英呎bull 重量2000 磅bull 太陽電池效率要求gt22
資料來源httpwwwaerovironmentcomhomehtml
清雲技術學院 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
個人住宅 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
勤益技術學院 3kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
南台科技大學 10kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
總統府 10kWp 獨立型太陽光能發電系統 (9012)
海巡署南沙太平島 20kWp 混合型(柴油發電機)太陽光能發電系統 (9011)
90能源基金示範補助成果例
台電樹林 20kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
併聯型
台電台北市區處 20kWp 太陽光發電系統
(91能源基金示範補助成果)
併聯型
7結論
bull (1)提高電力轉換器效率
bull 轉換器的損失主要來自於開關切換時之損失為了可以降低濾波電路中電感和電容的體積可以提高切換頻率但是相對於開關的切換損失也因此而增加導致轉換器的效率降低因此發展零電壓或零電流切換技術應用於高切換頻率之轉換器將可以提高轉換器的效率
bull (2)提高太陽光發電系統之整體效率
bull 傳統之太陽光發電系統包含儲能系統和供電系統前級利用DCDC轉換器作最大功率追蹤後級則利用DCAC轉換器轉換能量供應給交流負載為了提高太陽光發電系統的整體效率在研究可提出了模組並聯控制技術以提昇各級電力轉換器的效率而在未來太陽光發電系統也將著重在單級電力轉換器的設計對於整體系統效率有較明顯的改善
8參考資料
1許國強ldquo太陽光發電原理與應用工研院材料所 薄膜技術組91年
2華志強黃崇倫ldquo智慧型能量控制於太陽光電能轉換系統國立雲林科技大學電機工程學系電力研討會97年
3林政達ldquo數位式市電並聯換流器與快速鎖相迴路控制器之研製國立雲林科技大學電機工程學系碩士論文92 年
4李思賢ldquo數位式單相低功率太陽光電能轉換系統國立中山大學電機工程學系碩士論文92 年
5洪世杰ldquo適用於再生能源之市電併聯型雙輸入供電系統國立中正大學電機工程研究所碩士論文93 年
6王廷興ldquo太陽能發電配電設計概要台北科技大學冷凍空調系 92年
7魏榮宗王文宏ldquo高效率太陽光電能源轉換系統 元智大學電機工程學系94年
[ ] 100)25(
)11
(exp
1)(exp
3
λminus+=
minus
=
+minus
minus+minus=
TKII
TTBk
qE
T
TII
where
R
IRVIRV
AkT
qIII
ISCRLG
r
GO
r
oros
sh
ssosLG
VI cell output current and voltagecell reverse saturation currentcell temperature in CBoltzmannrsquos constantelectronic chargeshort circuit current temperature coefficientsolar irradiation in Wmshort-circuit current at 25 Cand 1000 Wm
light-generated currentband gap for siliconideality factorsreference temperaturecell saturation current atshunt resistanceseries resistance
osI
T
kq
00170=IK
SCRIλ
LGI
GOE
921== ABKTr deg= 18301
orI
shR
sR
附錄附錄附錄附錄- 太陽能電池太陽能電池太陽能電池太陽能電池
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
(a) Equivalent circuit of a PV module and
(b) Typical PV module current-voltage and power-voltage characteristics
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
Characteristic of a PV module with temperature and irradiation (a) constant irradiation and varying temperature and (b) constant temperature and varying irradiation
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
系統範例系統範例系統範例系統範例
中途驛站電化PV離島用PV系統山岳地帶PV系統離島偏遠區
勤務指揮中心緊急避難所醫療院所公園學校地震觀測站森林嘹望台避難指示燈氣象觀測所水位警報PV系統河川安全燈防波堤安全PV燈
緊急防災
緊急供電系統管線電氣防蝕輸油管流量計PV系統市場廣告塔海上石油平台各種計測站PV系統發電廠情報指揮中心
產業用
住宅用供電系統緊急供電系統緊急照明系統帷幕牆遮陽棚採光罩屋瓦建築物
無線通信用中繼站基地台緊急電話中繼站電話通信PV系統Radio受信PV系統微波中繼站
通訊
農宅用電溫室栽培PV系統農業灌溉用自動灑水系統農牧電籬牛乳冷藏漁業養殖揚水通氣自動餵食器
農林漁牧
路燈交通號誌道路指示牌標誌燈太陽能電動車充電站高速公路緊急電話偏遠道路緊急電話停車計時器停車場控制門系統高速公路防音壁PV系統公路休息區PV系統太陽能車平交道指示燈候車亭PV系統車站屋頂型PV系統
道路交通
收音機測電表手錶計算機太陽能照相機手電筒電池充電器野營燈民生
應用領域
緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較緊急電力設備之比較
30萬元divide21900kWh＝137元度2萬元divide50kWh＝400元度每度電成本
日發電度數times365天times20年＝3hrtimes1kWtimes365天times20年＝21900kWh（度）
（年停電＋年測試運轉時數）times10年＝（20mintimes6次＋15mintimes12月）times10年＝5hrtimes1kWtimes10年＝50kWh
總發電度數（1kw計）
夜間不發電（可利用蓄電池設計供電年維運費02）
噪音空污油料運輸儲油危險維運成本高
缺點
利用露台屋頂牆面空間設備煙管隔音油槽需室內空間
設置空間
平時緊急時均可使用隨時可了解運轉狀況不須操作
加ATS停電時方可啟動需人員每月定期測試運轉
系統運作
太陽光潔淨能源（免費）柴油使用燃料
20年7~10年使用壽命
1kW=30萬元1kW=2~3萬元設置費用
太陽光發電系統柴油發電機
風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析
運用多元化能源分擔風險情況比較說明如下
1 市電--gt停電時風險極高
2 市電＋柴油發電機--gt發電機故障時風險高
市電＋柴油發電機＋太陽光發電系統--gt發揮三者優點互補同時故障機率小風險最低
案例
832kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide057＝317 m2
115kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide075＝332 m2
緊急時057平時065~08
綜合係數溫度變化污損線損Inverter效率＋蓄電池充放電補償
電力需求divide（日照強度times日照時間times模板效率times綜合係數）
模組面積估算
日照強度1kWm2
日照時間384hd
模板效率12
832kWhd500人用電量115kWhd770人用電量
緊急時平時
電力需求估算
緊急時40kWtimes384hdtimes057＝875 kWhd
平時40kWtimes384hdtimes075＝1152Whd
太陽發電系統發電量＝設置容量times日照時間times綜合係數
發電量計算
332m2times1kWm2times12＝398kW≒40kW
太陽發電系統設置容量＝設置面積times日照強度times模板效率
設置容量計算模板效率依太陽電池種類而異
進行模板陣列及蓄電池容量設計
40kWdivide18片串divide120W＝185列≒19
列
40kWdivide17片串divide120W＝196列≒20
列
陣列併列數＝設置容量divide單串功率
18片times120W＝2160W
17片times120W＝2040W
單串功率
300Vdivide169V＝1775片（取整數17 or 18）
陣列串聯數＝Inverter輸入電壓divide模板輸出電壓
模板陣列設計
1 模板功率120W
2 模板輸出電壓169V
3 直交流轉換器(Inverter)輸入電壓300V
120Wtimes17片串times20列＝40800W＝340片(最佳陣列)
120Wtimes18片串times19列＝41080W＝342片
最佳陣列較經濟之設置容量選擇最佳陣列
蓄電池數量＝144個times2列＝288個
120640Whdivide288Vdivide200Ah＝21列≒2列
併列數＝蓄電池需求容量divideInverter額定電壓
288Vdivide2V＝144個
串聯數＝Inverter額定電壓divide蓄電池電壓串併數設計
middot 蓄電池電壓2V個
middot 蓄電池容量200Ah個
Inverter電壓輸入電壓 額定電壓300V 288V200V 192V
蓄電池需求容量＝832kWhdtimes1dtimes145＝12064kWh
蓄電池需求容量＝緊急電力需求times無日照天數times補償係數補償係數蓄電池內阻抗放電停止電壓電壓降低補償
蓄電池需求容量設計
middot 補償係數145
無日照天數1日
61市電相關規定市電相關規定市電相關規定市電相關規定
1 發電設備併接於低壓系統者其總容量未滿100kW且技術無困難者得併接於單相三線110V220V三相三線220V之配電系統若總容量在100kW以上而未滿500kW得分別併接於3相4線220V380V之配電系統
2 發電設備總容量在500kW以上而未滿5000kW10000kW且技術無困難者得分別併接於114KV228KV之高壓配電系統
3 電設備總容量在10000kW以上而未滿40000kW者得併接於特高壓之系統
4 發電設備總容量在40000kW以上者依個案研討分類
併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類
發電系統經由發電系統經由發電系統經由發電系統經由110V220V110V220V110V220V110V220V併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者發電設發電設發電設發電設備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能
1 過電壓保護 低電壓保護
2 低頻保護 高頻保護
3 過電流保護 零相過電壓接地保護
4 發電設備為無逆送電力者須加裝逆電力保護
5 發電設備為有逆送電力者必須具備主動及被動防止單獨運轉保護
發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經110V220V110V220V110V220V110V220V系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者在電在電在電在電源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器
發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業114KV228KV114KV228KV114KV228KV114KV228KV之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者((((高高高高壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶))))發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Extremely Inverse特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Extremely Inverse特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過流電驛(67)須具Normal Inverse特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
發電設備併接於電業69KV特高壓輸電系統者發電設備之輸出端至少應具有下列同等保護功能並須與電業該轄區之保護設備協調
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Normal Inverse之特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Normal Inverse之特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過電流電驛(67)須具Normal Inverse之特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
8 快速及後衛保護電驛如系統保護需要時應裝設
9 匯流排電驛採用GIS斷路器者應裝設
62626262太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範
1 故障電流
太陽光電發電系統大於100kW以上須計算故障電流其送至電業系統之故障電流不得影響電業及其他用戶斷路器之起斷容量否則需裝置限流電抗器
太陽光電發電系統之隔離變壓器接地方式須與電業之系統配合
2 正常電壓變動率應維持在plusmn5以內
3 太陽光電發電系統與電業間之責任分界點的功率因數以維持85落後至100之間運轉為原則
4 諧波污染限制應依照「電力系統諧波管制暫行標準」辦理
分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性
適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯型之規範型之規範型之規範型之規範
電力轉換器電力轉換器電力轉換器電力轉換器(電力調節器電力調節器電力調節器電力調節器)(InverterConditioner)
蓄電池蓄電池蓄電池蓄電池(Battery))
63大型(商用)太陽光發電系統應用(gt1 kWp)
太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統
單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池(Unit Solar Cell)
太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板(PV Module)
太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列(PV Array)
太陽光發電系統應用獨立系統
(A) 獨立系統(Stand-Alone
System)
bull 蓄電池保護壽命
(B) 混合型交流獨立系統 (Hybrid
System)
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
直流負載PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
整流器
輔助發電機
PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載- ~PCU
直直直直交流轉換器交流轉換器交流轉換器交流轉換器
太陽光發電系統應用併聯系統
(D)併聯系統(Grid-
connected System)
特殊功能1 最佳效能2 防止獨立運轉(連線保護)
3 可自力運轉
(E) 防逆流型系統(Off-line System)
(F) 防災型併聯系統
充電控制器
蓄電池
直交流轉換器
PCU太陽電池組列
交流負載
ATS
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
獨立型系統
適用地點高山離島基地台hellip等市電無法到達處
工作方式白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
必須可以自給自足
缺點bull 系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等
安全係數設計很困難)
bull 蓄電池建置複雜成本很高壽命很短
bull 負載搭配不良時發電效能不佳利用率將偏低
bull 需由專人隨時維護
bull 混合系統為一種解決方法
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
PCU
併聯型系統
適用地點電力正常送達之任何地點工作方式 bull 白天 PV系統併聯發電夜間由台電供電bull 將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的蓄電池
優點bull 系統簡單不需安全係數設計(依預算設計)不需要專人維護bull 併聯發電效率高利用率高
缺點bull 停電時無電可用bull 受併聯法規限制尚未開放(但即將開放)
bull 有孤島效應之疑慮(目前技術上已解決)
改善型無電池自力運轉
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
市電併聯型住宅用太陽光發電系統
太陽光發電系統發電及負載用電對時間之關係
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
併聯型直交流轉換器之效能要求較高
1 最大功率追蹤(Maximum Power Tracking MPT)
2 高轉換效率 gt 90 (PWM+電力電子元件)
3 高次諧波功率 Distortion (lt5 total)
4 自動開關機(白天夜晚)
5 過負載保護過溫度保護
6 體積小重量輕室外防水防塵
7 電腦界面可遠端監控
8 防止獨立運轉(連線保護)
9 可自力運轉
太陽電池組列
交流負載
直交流轉換器MPT
Power Conditioner
併聯系統之獨立運轉(單獨運轉)
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull停電時單一併聯系統將會停止運作
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
bull 市電停電時多數併聯系統仍聯合運作將對電力公司人員產生嚴重危害
孤島效應之防止方法
停電偵測1 過電壓低電壓
2 過頻率低頻率
3 被動式偵測如
bull 電壓與頻率監視方式
bull 電壓相位跳躍監視方式
bull 高次諧波監視方式
bull 頻率變化監視方式
PV組列
直交流轉換器
自家負載
4 主動偵測如
bull 頻率Shift方式
bull 配電線負載變動方式
bull 有效電力變動方式
bull 無效電力變動方式
反應時間05~2秒
資料來源「日本電氣用品試驗所」分散型電源系統連系技術指針(1998)
併聯系統之自力運轉功能
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull 大停電後白天有陽光時以人工啟動 PV 系統進行自力運轉供自家負載使用(但夜間無法使用)
防災型併聯型系統
適用地點有防災需求(照明汲水通信hellip)之公共設施
工作方式
bull 平時PV併聯發電(電池浮充) 效率高利用率高夜間由台電供電
bull 視需要建置供防災用電池大停電時白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
缺點bull 含電池成本較高bull 系統較複雜需專人定期維護
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
FAQ1太陽光發電需要多少土地
效率 = (輸出功率W) (組列面積 m2 x 日照強度 Wm2 ) x 100
模板面積 m2 = 輸出功率W (效率 x日照強度Wm2 ) x100
bull 假設使用效率gt136 模板於1000 Wm2 (AM15)日照強度下
10 kWp 模板面積 (m2) = 10000 (0136 x 1000) ~ 735 m2
10 kWp PV系統土地面積需求約
~ 735 m2 x 15 x 11
~ 121m2 (~36坪)
(包括陰影面積及維修空間)
bull 假設使用效率~10 模板
則模板面積約 ~ 100 m2
土地面積需求約 ~ 165m2 (~50坪)
gt55o
夏至
冬至
春秋分
235o 235oh
L1 L2
FAQ2太陽電池一年能發多少電
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
10 kWm2
05 kWm2
日照強度
等效日照時數(Sun Hour)
組列單日發電量 = 組列額定輸出功率 x 等效日照時數
bull 預估1 kWp 組列單日發電量 = 1 (kW) x ex 4(Sun Hour)= 4 kWh
組列年發電量 = 組列額定輸出功率 x 年平均每日日照時數 x 365
bull 預估 1 kWp 組列年發電量 = 1 x 4 x 365 = 1460 kWh
時間時間時間時間
FAQ3太陽光發電的成本(簡易估算)
1 假設目前太陽光發電系統設置成本約為 NT$ 280000 kWp
2 假設年平均每日日照時數約為 25 Sun Hour (台灣中南部地區)
bull 1 kWp 組列單日發電量= 1 (kW) x 25 (Hour)= 25 kWh
bull 1 kWp 組列年發電量= 25 x 365 = 913 kWh (度)
3 假設太陽光發電系統使用壽命為 20 年
bull 1 kWp 太陽光發電系統總共可發電 20 x 913 = 18260 度
4 生產每度電之成本約為 280000 18260 ~ NT$ 153
5 未來發展趨勢
bull 太陽光發電系統設置成本將逐年降低
bull 市電電費將會升高(國內目前約 NT$ 3 度日本約NT$ 7 度)
bull 傳統能源限制再生能源獎勵利率降低
64獨立型太陽光發電系統應用例(一)
bull太陽電池時鐘-日本bull太陽電池路燈-日本千里住宅公園
獨立型太陽光發電系統應用例(二)
bull太陽電池交通標誌-日本北海道 bull高速公路緊急電話-日本
獨立型太陽光發電系統應用例(三)
bull800W無線通信中繼基地台韓國(1998)
獨立型太陽光發電系統應用例(四)
bull離島用90kW獨立型發電系統韓國Ho-Do島(1992)
併聯型太陽光發電系統應用例(一)
bull設置於屋頂之住宅用太陽光發電系統(建材一體型日本千里住宅公園內住宅設計之一)
併聯型太陽光發電系統應用例(二)
bull日本東海線新幹線京都車站之太陽光發電系統(100kWp)
併聯型太陽光發電系統應用例(三)
bull日本京瓷(Kyocera)京都總公司大樓之太陽電池發電系統(220kWp)
太陽光發電發電廠應用例
太陽電池發電廠
(PV Power Plant)
資料來源 ANIT
Srl Italy
建材一體型太陽電池模板應用例
bull資料來源 Pilkington Solar International GmbH 德國
太陽能車應用例
Honda Dream
bull資料來源 PV Special Research
Centre UNSW Australia
交大太陽能車
bull資料來源 National Chiao-Tung
University Taiwan
太陽光發電航太應用例(NASA Helios )
bull空中無線通訊平台應用
資料來源SkyOne Inc Taiwan
bull 飛行高度5-7 萬英呎(最高記錄 96000 英呎)
bull 時速60 mph (起飛 25 mph)
bull 翼展247 英呎bull 重量2000 磅bull 太陽電池效率要求gt22
資料來源httpwwwaerovironmentcomhomehtml
清雲技術學院 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
個人住宅 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
勤益技術學院 3kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
南台科技大學 10kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
總統府 10kWp 獨立型太陽光能發電系統 (9012)
海巡署南沙太平島 20kWp 混合型(柴油發電機)太陽光能發電系統 (9011)
90能源基金示範補助成果例
台電樹林 20kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
併聯型
台電台北市區處 20kWp 太陽光發電系統
(91能源基金示範補助成果)
併聯型
7結論
bull (1)提高電力轉換器效率
bull 轉換器的損失主要來自於開關切換時之損失為了可以降低濾波電路中電感和電容的體積可以提高切換頻率但是相對於開關的切換損失也因此而增加導致轉換器的效率降低因此發展零電壓或零電流切換技術應用於高切換頻率之轉換器將可以提高轉換器的效率
bull (2)提高太陽光發電系統之整體效率
bull 傳統之太陽光發電系統包含儲能系統和供電系統前級利用DCDC轉換器作最大功率追蹤後級則利用DCAC轉換器轉換能量供應給交流負載為了提高太陽光發電系統的整體效率在研究可提出了模組並聯控制技術以提昇各級電力轉換器的效率而在未來太陽光發電系統也將著重在單級電力轉換器的設計對於整體系統效率有較明顯的改善
8參考資料
1許國強ldquo太陽光發電原理與應用工研院材料所 薄膜技術組91年
2華志強黃崇倫ldquo智慧型能量控制於太陽光電能轉換系統國立雲林科技大學電機工程學系電力研討會97年
3林政達ldquo數位式市電並聯換流器與快速鎖相迴路控制器之研製國立雲林科技大學電機工程學系碩士論文92 年
4李思賢ldquo數位式單相低功率太陽光電能轉換系統國立中山大學電機工程學系碩士論文92 年
5洪世杰ldquo適用於再生能源之市電併聯型雙輸入供電系統國立中正大學電機工程研究所碩士論文93 年
6王廷興ldquo太陽能發電配電設計概要台北科技大學冷凍空調系 92年
7魏榮宗王文宏ldquo高效率太陽光電能源轉換系統 元智大學電機工程學系94年
[ ] 100)25(
)11
(exp
1)(exp
3
λminus+=
minus
=
+minus
minus+minus=
TKII
TTBk
qE
T
TII
where
R
IRVIRV
AkT
qIII
ISCRLG
r
GO
r
oros
sh
ssosLG
VI cell output current and voltagecell reverse saturation currentcell temperature in CBoltzmannrsquos constantelectronic chargeshort circuit current temperature coefficientsolar irradiation in Wmshort-circuit current at 25 Cand 1000 Wm
light-generated currentband gap for siliconideality factorsreference temperaturecell saturation current atshunt resistanceseries resistance
osI
T
kq
00170=IK
SCRIλ
LGI
GOE
921== ABKTr deg= 18301
orI
shR
sR
附錄附錄附錄附錄- 太陽能電池太陽能電池太陽能電池太陽能電池
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
(a) Equivalent circuit of a PV module and
(b) Typical PV module current-voltage and power-voltage characteristics
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
Characteristic of a PV module with temperature and irradiation (a) constant irradiation and varying temperature and (b) constant temperature and varying irradiation
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
系統範例系統範例系統範例系統範例
中途驛站電化PV離島用PV系統山岳地帶PV系統離島偏遠區
勤務指揮中心緊急避難所醫療院所公園學校地震觀測站森林嘹望台避難指示燈氣象觀測所水位警報PV系統河川安全燈防波堤安全PV燈
緊急防災
緊急供電系統管線電氣防蝕輸油管流量計PV系統市場廣告塔海上石油平台各種計測站PV系統發電廠情報指揮中心
產業用
住宅用供電系統緊急供電系統緊急照明系統帷幕牆遮陽棚採光罩屋瓦建築物
無線通信用中繼站基地台緊急電話中繼站電話通信PV系統Radio受信PV系統微波中繼站
通訊
農宅用電溫室栽培PV系統農業灌溉用自動灑水系統農牧電籬牛乳冷藏漁業養殖揚水通氣自動餵食器
農林漁牧
路燈交通號誌道路指示牌標誌燈太陽能電動車充電站高速公路緊急電話偏遠道路緊急電話停車計時器停車場控制門系統高速公路防音壁PV系統公路休息區PV系統太陽能車平交道指示燈候車亭PV系統車站屋頂型PV系統
道路交通
收音機測電表手錶計算機太陽能照相機手電筒電池充電器野營燈民生
應用領域
風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析風險分析
運用多元化能源分擔風險情況比較說明如下
1 市電--gt停電時風險極高
2 市電＋柴油發電機--gt發電機故障時風險高
市電＋柴油發電機＋太陽光發電系統--gt發揮三者優點互補同時故障機率小風險最低
案例
832kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide057＝317 m2
115kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide075＝332 m2
緊急時057平時065~08
綜合係數溫度變化污損線損Inverter效率＋蓄電池充放電補償
電力需求divide（日照強度times日照時間times模板效率times綜合係數）
模組面積估算
日照強度1kWm2
日照時間384hd
模板效率12
832kWhd500人用電量115kWhd770人用電量
緊急時平時
電力需求估算
緊急時40kWtimes384hdtimes057＝875 kWhd
平時40kWtimes384hdtimes075＝1152Whd
太陽發電系統發電量＝設置容量times日照時間times綜合係數
發電量計算
332m2times1kWm2times12＝398kW≒40kW
太陽發電系統設置容量＝設置面積times日照強度times模板效率
設置容量計算模板效率依太陽電池種類而異
進行模板陣列及蓄電池容量設計
40kWdivide18片串divide120W＝185列≒19
列
40kWdivide17片串divide120W＝196列≒20
列
陣列併列數＝設置容量divide單串功率
18片times120W＝2160W
17片times120W＝2040W
單串功率
300Vdivide169V＝1775片（取整數17 or 18）
陣列串聯數＝Inverter輸入電壓divide模板輸出電壓
模板陣列設計
1 模板功率120W
2 模板輸出電壓169V
3 直交流轉換器(Inverter)輸入電壓300V
120Wtimes17片串times20列＝40800W＝340片(最佳陣列)
120Wtimes18片串times19列＝41080W＝342片
最佳陣列較經濟之設置容量選擇最佳陣列
蓄電池數量＝144個times2列＝288個
120640Whdivide288Vdivide200Ah＝21列≒2列
併列數＝蓄電池需求容量divideInverter額定電壓
288Vdivide2V＝144個
串聯數＝Inverter額定電壓divide蓄電池電壓串併數設計
middot 蓄電池電壓2V個
middot 蓄電池容量200Ah個
Inverter電壓輸入電壓 額定電壓300V 288V200V 192V
蓄電池需求容量＝832kWhdtimes1dtimes145＝12064kWh
蓄電池需求容量＝緊急電力需求times無日照天數times補償係數補償係數蓄電池內阻抗放電停止電壓電壓降低補償
蓄電池需求容量設計
middot 補償係數145
無日照天數1日
61市電相關規定市電相關規定市電相關規定市電相關規定
1 發電設備併接於低壓系統者其總容量未滿100kW且技術無困難者得併接於單相三線110V220V三相三線220V之配電系統若總容量在100kW以上而未滿500kW得分別併接於3相4線220V380V之配電系統
2 發電設備總容量在500kW以上而未滿5000kW10000kW且技術無困難者得分別併接於114KV228KV之高壓配電系統
3 電設備總容量在10000kW以上而未滿40000kW者得併接於特高壓之系統
4 發電設備總容量在40000kW以上者依個案研討分類
併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類
發電系統經由發電系統經由發電系統經由發電系統經由110V220V110V220V110V220V110V220V併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者發電設發電設發電設發電設備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能
1 過電壓保護 低電壓保護
2 低頻保護 高頻保護
3 過電流保護 零相過電壓接地保護
4 發電設備為無逆送電力者須加裝逆電力保護
5 發電設備為有逆送電力者必須具備主動及被動防止單獨運轉保護
發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經110V220V110V220V110V220V110V220V系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者在電在電在電在電源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器
發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業114KV228KV114KV228KV114KV228KV114KV228KV之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者((((高高高高壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶))))發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Extremely Inverse特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Extremely Inverse特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過流電驛(67)須具Normal Inverse特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
發電設備併接於電業69KV特高壓輸電系統者發電設備之輸出端至少應具有下列同等保護功能並須與電業該轄區之保護設備協調
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Normal Inverse之特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Normal Inverse之特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過電流電驛(67)須具Normal Inverse之特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
8 快速及後衛保護電驛如系統保護需要時應裝設
9 匯流排電驛採用GIS斷路器者應裝設
62626262太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範
1 故障電流
太陽光電發電系統大於100kW以上須計算故障電流其送至電業系統之故障電流不得影響電業及其他用戶斷路器之起斷容量否則需裝置限流電抗器
太陽光電發電系統之隔離變壓器接地方式須與電業之系統配合
2 正常電壓變動率應維持在plusmn5以內
3 太陽光電發電系統與電業間之責任分界點的功率因數以維持85落後至100之間運轉為原則
4 諧波污染限制應依照「電力系統諧波管制暫行標準」辦理
分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性
適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯型之規範型之規範型之規範型之規範
電力轉換器電力轉換器電力轉換器電力轉換器(電力調節器電力調節器電力調節器電力調節器)(InverterConditioner)
蓄電池蓄電池蓄電池蓄電池(Battery))
63大型(商用)太陽光發電系統應用(gt1 kWp)
太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統
單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池(Unit Solar Cell)
太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板(PV Module)
太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列(PV Array)
太陽光發電系統應用獨立系統
(A) 獨立系統(Stand-Alone
System)
bull 蓄電池保護壽命
(B) 混合型交流獨立系統 (Hybrid
System)
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
直流負載PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
整流器
輔助發電機
PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載- ~PCU
直直直直交流轉換器交流轉換器交流轉換器交流轉換器
太陽光發電系統應用併聯系統
(D)併聯系統(Grid-
connected System)
特殊功能1 最佳效能2 防止獨立運轉(連線保護)
3 可自力運轉
(E) 防逆流型系統(Off-line System)
(F) 防災型併聯系統
充電控制器
蓄電池
直交流轉換器
PCU太陽電池組列
交流負載
ATS
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
獨立型系統
適用地點高山離島基地台hellip等市電無法到達處
工作方式白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
必須可以自給自足
缺點bull 系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等
安全係數設計很困難)
bull 蓄電池建置複雜成本很高壽命很短
bull 負載搭配不良時發電效能不佳利用率將偏低
bull 需由專人隨時維護
bull 混合系統為一種解決方法
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
PCU
併聯型系統
適用地點電力正常送達之任何地點工作方式 bull 白天 PV系統併聯發電夜間由台電供電bull 將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的蓄電池
優點bull 系統簡單不需安全係數設計(依預算設計)不需要專人維護bull 併聯發電效率高利用率高
缺點bull 停電時無電可用bull 受併聯法規限制尚未開放(但即將開放)
bull 有孤島效應之疑慮(目前技術上已解決)
改善型無電池自力運轉
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
市電併聯型住宅用太陽光發電系統
太陽光發電系統發電及負載用電對時間之關係
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
併聯型直交流轉換器之效能要求較高
1 最大功率追蹤(Maximum Power Tracking MPT)
2 高轉換效率 gt 90 (PWM+電力電子元件)
3 高次諧波功率 Distortion (lt5 total)
4 自動開關機(白天夜晚)
5 過負載保護過溫度保護
6 體積小重量輕室外防水防塵
7 電腦界面可遠端監控
8 防止獨立運轉(連線保護)
9 可自力運轉
太陽電池組列
交流負載
直交流轉換器MPT
Power Conditioner
併聯系統之獨立運轉(單獨運轉)
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull停電時單一併聯系統將會停止運作
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
bull 市電停電時多數併聯系統仍聯合運作將對電力公司人員產生嚴重危害
孤島效應之防止方法
停電偵測1 過電壓低電壓
2 過頻率低頻率
3 被動式偵測如
bull 電壓與頻率監視方式
bull 電壓相位跳躍監視方式
bull 高次諧波監視方式
bull 頻率變化監視方式
PV組列
直交流轉換器
自家負載
4 主動偵測如
bull 頻率Shift方式
bull 配電線負載變動方式
bull 有效電力變動方式
bull 無效電力變動方式
反應時間05~2秒
資料來源「日本電氣用品試驗所」分散型電源系統連系技術指針(1998)
併聯系統之自力運轉功能
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull 大停電後白天有陽光時以人工啟動 PV 系統進行自力運轉供自家負載使用(但夜間無法使用)
防災型併聯型系統
適用地點有防災需求(照明汲水通信hellip)之公共設施
工作方式
bull 平時PV併聯發電(電池浮充) 效率高利用率高夜間由台電供電
bull 視需要建置供防災用電池大停電時白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
缺點bull 含電池成本較高bull 系統較複雜需專人定期維護
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
FAQ1太陽光發電需要多少土地
效率 = (輸出功率W) (組列面積 m2 x 日照強度 Wm2 ) x 100
模板面積 m2 = 輸出功率W (效率 x日照強度Wm2 ) x100
bull 假設使用效率gt136 模板於1000 Wm2 (AM15)日照強度下
10 kWp 模板面積 (m2) = 10000 (0136 x 1000) ~ 735 m2
10 kWp PV系統土地面積需求約
~ 735 m2 x 15 x 11
~ 121m2 (~36坪)
(包括陰影面積及維修空間)
bull 假設使用效率~10 模板
則模板面積約 ~ 100 m2
土地面積需求約 ~ 165m2 (~50坪)
gt55o
夏至
冬至
春秋分
235o 235oh
L1 L2
FAQ2太陽電池一年能發多少電
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
10 kWm2
05 kWm2
日照強度
等效日照時數(Sun Hour)
組列單日發電量 = 組列額定輸出功率 x 等效日照時數
bull 預估1 kWp 組列單日發電量 = 1 (kW) x ex 4(Sun Hour)= 4 kWh
組列年發電量 = 組列額定輸出功率 x 年平均每日日照時數 x 365
bull 預估 1 kWp 組列年發電量 = 1 x 4 x 365 = 1460 kWh
時間時間時間時間
FAQ3太陽光發電的成本(簡易估算)
1 假設目前太陽光發電系統設置成本約為 NT$ 280000 kWp
2 假設年平均每日日照時數約為 25 Sun Hour (台灣中南部地區)
bull 1 kWp 組列單日發電量= 1 (kW) x 25 (Hour)= 25 kWh
bull 1 kWp 組列年發電量= 25 x 365 = 913 kWh (度)
3 假設太陽光發電系統使用壽命為 20 年
bull 1 kWp 太陽光發電系統總共可發電 20 x 913 = 18260 度
4 生產每度電之成本約為 280000 18260 ~ NT$ 153
5 未來發展趨勢
bull 太陽光發電系統設置成本將逐年降低
bull 市電電費將會升高(國內目前約 NT$ 3 度日本約NT$ 7 度)
bull 傳統能源限制再生能源獎勵利率降低
64獨立型太陽光發電系統應用例(一)
bull太陽電池時鐘-日本bull太陽電池路燈-日本千里住宅公園
獨立型太陽光發電系統應用例(二)
bull太陽電池交通標誌-日本北海道 bull高速公路緊急電話-日本
獨立型太陽光發電系統應用例(三)
bull800W無線通信中繼基地台韓國(1998)
獨立型太陽光發電系統應用例(四)
bull離島用90kW獨立型發電系統韓國Ho-Do島(1992)
併聯型太陽光發電系統應用例(一)
bull設置於屋頂之住宅用太陽光發電系統(建材一體型日本千里住宅公園內住宅設計之一)
併聯型太陽光發電系統應用例(二)
bull日本東海線新幹線京都車站之太陽光發電系統(100kWp)
併聯型太陽光發電系統應用例(三)
bull日本京瓷(Kyocera)京都總公司大樓之太陽電池發電系統(220kWp)
太陽光發電發電廠應用例
太陽電池發電廠
(PV Power Plant)
資料來源 ANIT
Srl Italy
建材一體型太陽電池模板應用例
bull資料來源 Pilkington Solar International GmbH 德國
太陽能車應用例
Honda Dream
bull資料來源 PV Special Research
Centre UNSW Australia
交大太陽能車
bull資料來源 National Chiao-Tung
University Taiwan
太陽光發電航太應用例(NASA Helios )
bull空中無線通訊平台應用
資料來源SkyOne Inc Taiwan
bull 飛行高度5-7 萬英呎(最高記錄 96000 英呎)
bull 時速60 mph (起飛 25 mph)
bull 翼展247 英呎bull 重量2000 磅bull 太陽電池效率要求gt22
資料來源httpwwwaerovironmentcomhomehtml
清雲技術學院 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
個人住宅 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
勤益技術學院 3kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
南台科技大學 10kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
總統府 10kWp 獨立型太陽光能發電系統 (9012)
海巡署南沙太平島 20kWp 混合型(柴油發電機)太陽光能發電系統 (9011)
90能源基金示範補助成果例
台電樹林 20kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
併聯型
台電台北市區處 20kWp 太陽光發電系統
(91能源基金示範補助成果)
併聯型
7結論
bull (1)提高電力轉換器效率
bull 轉換器的損失主要來自於開關切換時之損失為了可以降低濾波電路中電感和電容的體積可以提高切換頻率但是相對於開關的切換損失也因此而增加導致轉換器的效率降低因此發展零電壓或零電流切換技術應用於高切換頻率之轉換器將可以提高轉換器的效率
bull (2)提高太陽光發電系統之整體效率
bull 傳統之太陽光發電系統包含儲能系統和供電系統前級利用DCDC轉換器作最大功率追蹤後級則利用DCAC轉換器轉換能量供應給交流負載為了提高太陽光發電系統的整體效率在研究可提出了模組並聯控制技術以提昇各級電力轉換器的效率而在未來太陽光發電系統也將著重在單級電力轉換器的設計對於整體系統效率有較明顯的改善
8參考資料
1許國強ldquo太陽光發電原理與應用工研院材料所 薄膜技術組91年
2華志強黃崇倫ldquo智慧型能量控制於太陽光電能轉換系統國立雲林科技大學電機工程學系電力研討會97年
3林政達ldquo數位式市電並聯換流器與快速鎖相迴路控制器之研製國立雲林科技大學電機工程學系碩士論文92 年
4李思賢ldquo數位式單相低功率太陽光電能轉換系統國立中山大學電機工程學系碩士論文92 年
5洪世杰ldquo適用於再生能源之市電併聯型雙輸入供電系統國立中正大學電機工程研究所碩士論文93 年
6王廷興ldquo太陽能發電配電設計概要台北科技大學冷凍空調系 92年
7魏榮宗王文宏ldquo高效率太陽光電能源轉換系統 元智大學電機工程學系94年
[ ] 100)25(
)11
(exp
1)(exp
3
λminus+=
minus
=
+minus
minus+minus=
TKII
TTBk
qE
T
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where
R
IRVIRV
AkT
qIII
ISCRLG
r
GO
r
oros
sh
ssosLG
VI cell output current and voltagecell reverse saturation currentcell temperature in CBoltzmannrsquos constantelectronic chargeshort circuit current temperature coefficientsolar irradiation in Wmshort-circuit current at 25 Cand 1000 Wm
light-generated currentband gap for siliconideality factorsreference temperaturecell saturation current atshunt resistanceseries resistance
osI
T
kq
00170=IK
SCRIλ
LGI
GOE
921== ABKTr deg= 18301
orI
shR
sR
附錄附錄附錄附錄- 太陽能電池太陽能電池太陽能電池太陽能電池
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
(a) Equivalent circuit of a PV module and
(b) Typical PV module current-voltage and power-voltage characteristics
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
Characteristic of a PV module with temperature and irradiation (a) constant irradiation and varying temperature and (b) constant temperature and varying irradiation
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
系統範例系統範例系統範例系統範例
中途驛站電化PV離島用PV系統山岳地帶PV系統離島偏遠區
勤務指揮中心緊急避難所醫療院所公園學校地震觀測站森林嘹望台避難指示燈氣象觀測所水位警報PV系統河川安全燈防波堤安全PV燈
緊急防災
緊急供電系統管線電氣防蝕輸油管流量計PV系統市場廣告塔海上石油平台各種計測站PV系統發電廠情報指揮中心
產業用
住宅用供電系統緊急供電系統緊急照明系統帷幕牆遮陽棚採光罩屋瓦建築物
無線通信用中繼站基地台緊急電話中繼站電話通信PV系統Radio受信PV系統微波中繼站
通訊
農宅用電溫室栽培PV系統農業灌溉用自動灑水系統農牧電籬牛乳冷藏漁業養殖揚水通氣自動餵食器
農林漁牧
路燈交通號誌道路指示牌標誌燈太陽能電動車充電站高速公路緊急電話偏遠道路緊急電話停車計時器停車場控制門系統高速公路防音壁PV系統公路休息區PV系統太陽能車平交道指示燈候車亭PV系統車站屋頂型PV系統
道路交通
收音機測電表手錶計算機太陽能照相機手電筒電池充電器野營燈民生
應用領域
案例
832kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide057＝317 m2
115kWhddivide1kWm2divide384hddivide12divide075＝332 m2
緊急時057平時065~08
綜合係數溫度變化污損線損Inverter效率＋蓄電池充放電補償
電力需求divide（日照強度times日照時間times模板效率times綜合係數）
模組面積估算
日照強度1kWm2
日照時間384hd
模板效率12
832kWhd500人用電量115kWhd770人用電量
緊急時平時
電力需求估算
緊急時40kWtimes384hdtimes057＝875 kWhd
平時40kWtimes384hdtimes075＝1152Whd
太陽發電系統發電量＝設置容量times日照時間times綜合係數
發電量計算
332m2times1kWm2times12＝398kW≒40kW
太陽發電系統設置容量＝設置面積times日照強度times模板效率
設置容量計算模板效率依太陽電池種類而異
進行模板陣列及蓄電池容量設計
40kWdivide18片串divide120W＝185列≒19
列
40kWdivide17片串divide120W＝196列≒20
列
陣列併列數＝設置容量divide單串功率
18片times120W＝2160W
17片times120W＝2040W
單串功率
300Vdivide169V＝1775片（取整數17 or 18）
陣列串聯數＝Inverter輸入電壓divide模板輸出電壓
模板陣列設計
1 模板功率120W
2 模板輸出電壓169V
3 直交流轉換器(Inverter)輸入電壓300V
120Wtimes17片串times20列＝40800W＝340片(最佳陣列)
120Wtimes18片串times19列＝41080W＝342片
最佳陣列較經濟之設置容量選擇最佳陣列
蓄電池數量＝144個times2列＝288個
120640Whdivide288Vdivide200Ah＝21列≒2列
併列數＝蓄電池需求容量divideInverter額定電壓
288Vdivide2V＝144個
串聯數＝Inverter額定電壓divide蓄電池電壓串併數設計
middot 蓄電池電壓2V個
middot 蓄電池容量200Ah個
Inverter電壓輸入電壓 額定電壓300V 288V200V 192V
蓄電池需求容量＝832kWhdtimes1dtimes145＝12064kWh
蓄電池需求容量＝緊急電力需求times無日照天數times補償係數補償係數蓄電池內阻抗放電停止電壓電壓降低補償
蓄電池需求容量設計
middot 補償係數145
無日照天數1日
61市電相關規定市電相關規定市電相關規定市電相關規定
1 發電設備併接於低壓系統者其總容量未滿100kW且技術無困難者得併接於單相三線110V220V三相三線220V之配電系統若總容量在100kW以上而未滿500kW得分別併接於3相4線220V380V之配電系統
2 發電設備總容量在500kW以上而未滿5000kW10000kW且技術無困難者得分別併接於114KV228KV之高壓配電系統
3 電設備總容量在10000kW以上而未滿40000kW者得併接於特高壓之系統
4 發電設備總容量在40000kW以上者依個案研討分類
併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類
發電系統經由發電系統經由發電系統經由發電系統經由110V220V110V220V110V220V110V220V併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者發電設發電設發電設發電設備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能
1 過電壓保護 低電壓保護
2 低頻保護 高頻保護
3 過電流保護 零相過電壓接地保護
4 發電設備為無逆送電力者須加裝逆電力保護
5 發電設備為有逆送電力者必須具備主動及被動防止單獨運轉保護
發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經110V220V110V220V110V220V110V220V系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者在電在電在電在電源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器
發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業114KV228KV114KV228KV114KV228KV114KV228KV之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者((((高高高高壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶))))發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Extremely Inverse特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Extremely Inverse特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過流電驛(67)須具Normal Inverse特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
發電設備併接於電業69KV特高壓輸電系統者發電設備之輸出端至少應具有下列同等保護功能並須與電業該轄區之保護設備協調
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Normal Inverse之特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Normal Inverse之特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過電流電驛(67)須具Normal Inverse之特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
8 快速及後衛保護電驛如系統保護需要時應裝設
9 匯流排電驛採用GIS斷路器者應裝設
62626262太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範
1 故障電流
太陽光電發電系統大於100kW以上須計算故障電流其送至電業系統之故障電流不得影響電業及其他用戶斷路器之起斷容量否則需裝置限流電抗器
太陽光電發電系統之隔離變壓器接地方式須與電業之系統配合
2 正常電壓變動率應維持在plusmn5以內
3 太陽光電發電系統與電業間之責任分界點的功率因數以維持85落後至100之間運轉為原則
4 諧波污染限制應依照「電力系統諧波管制暫行標準」辦理
分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性
適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯型之規範型之規範型之規範型之規範
電力轉換器電力轉換器電力轉換器電力轉換器(電力調節器電力調節器電力調節器電力調節器)(InverterConditioner)
蓄電池蓄電池蓄電池蓄電池(Battery))
63大型(商用)太陽光發電系統應用(gt1 kWp)
太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統
單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池(Unit Solar Cell)
太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板(PV Module)
太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列(PV Array)
太陽光發電系統應用獨立系統
(A) 獨立系統(Stand-Alone
System)
bull 蓄電池保護壽命
(B) 混合型交流獨立系統 (Hybrid
System)
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
直流負載PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
整流器
輔助發電機
PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載- ~PCU
直直直直交流轉換器交流轉換器交流轉換器交流轉換器
太陽光發電系統應用併聯系統
(D)併聯系統(Grid-
connected System)
特殊功能1 最佳效能2 防止獨立運轉(連線保護)
3 可自力運轉
(E) 防逆流型系統(Off-line System)
(F) 防災型併聯系統
充電控制器
蓄電池
直交流轉換器
PCU太陽電池組列
交流負載
ATS
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
獨立型系統
適用地點高山離島基地台hellip等市電無法到達處
工作方式白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
必須可以自給自足
缺點bull 系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等
安全係數設計很困難)
bull 蓄電池建置複雜成本很高壽命很短
bull 負載搭配不良時發電效能不佳利用率將偏低
bull 需由專人隨時維護
bull 混合系統為一種解決方法
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
PCU
併聯型系統
適用地點電力正常送達之任何地點工作方式 bull 白天 PV系統併聯發電夜間由台電供電bull 將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的蓄電池
優點bull 系統簡單不需安全係數設計(依預算設計)不需要專人維護bull 併聯發電效率高利用率高
缺點bull 停電時無電可用bull 受併聯法規限制尚未開放(但即將開放)
bull 有孤島效應之疑慮(目前技術上已解決)
改善型無電池自力運轉
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
市電併聯型住宅用太陽光發電系統
太陽光發電系統發電及負載用電對時間之關係
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
併聯型直交流轉換器之效能要求較高
1 最大功率追蹤(Maximum Power Tracking MPT)
2 高轉換效率 gt 90 (PWM+電力電子元件)
3 高次諧波功率 Distortion (lt5 total)
4 自動開關機(白天夜晚)
5 過負載保護過溫度保護
6 體積小重量輕室外防水防塵
7 電腦界面可遠端監控
8 防止獨立運轉(連線保護)
9 可自力運轉
太陽電池組列
交流負載
直交流轉換器MPT
Power Conditioner
併聯系統之獨立運轉(單獨運轉)
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull停電時單一併聯系統將會停止運作
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
bull 市電停電時多數併聯系統仍聯合運作將對電力公司人員產生嚴重危害
孤島效應之防止方法
停電偵測1 過電壓低電壓
2 過頻率低頻率
3 被動式偵測如
bull 電壓與頻率監視方式
bull 電壓相位跳躍監視方式
bull 高次諧波監視方式
bull 頻率變化監視方式
PV組列
直交流轉換器
自家負載
4 主動偵測如
bull 頻率Shift方式
bull 配電線負載變動方式
bull 有效電力變動方式
bull 無效電力變動方式
反應時間05~2秒
資料來源「日本電氣用品試驗所」分散型電源系統連系技術指針(1998)
併聯系統之自力運轉功能
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull 大停電後白天有陽光時以人工啟動 PV 系統進行自力運轉供自家負載使用(但夜間無法使用)
防災型併聯型系統
適用地點有防災需求(照明汲水通信hellip)之公共設施
工作方式
bull 平時PV併聯發電(電池浮充) 效率高利用率高夜間由台電供電
bull 視需要建置供防災用電池大停電時白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
缺點bull 含電池成本較高bull 系統較複雜需專人定期維護
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
FAQ1太陽光發電需要多少土地
效率 = (輸出功率W) (組列面積 m2 x 日照強度 Wm2 ) x 100
模板面積 m2 = 輸出功率W (效率 x日照強度Wm2 ) x100
bull 假設使用效率gt136 模板於1000 Wm2 (AM15)日照強度下
10 kWp 模板面積 (m2) = 10000 (0136 x 1000) ~ 735 m2
10 kWp PV系統土地面積需求約
~ 735 m2 x 15 x 11
~ 121m2 (~36坪)
(包括陰影面積及維修空間)
bull 假設使用效率~10 模板
則模板面積約 ~ 100 m2
土地面積需求約 ~ 165m2 (~50坪)
gt55o
夏至
冬至
春秋分
235o 235oh
L1 L2
FAQ2太陽電池一年能發多少電
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
10 kWm2
05 kWm2
日照強度
等效日照時數(Sun Hour)
組列單日發電量 = 組列額定輸出功率 x 等效日照時數
bull 預估1 kWp 組列單日發電量 = 1 (kW) x ex 4(Sun Hour)= 4 kWh
組列年發電量 = 組列額定輸出功率 x 年平均每日日照時數 x 365
bull 預估 1 kWp 組列年發電量 = 1 x 4 x 365 = 1460 kWh
時間時間時間時間
FAQ3太陽光發電的成本(簡易估算)
1 假設目前太陽光發電系統設置成本約為 NT$ 280000 kWp
2 假設年平均每日日照時數約為 25 Sun Hour (台灣中南部地區)
bull 1 kWp 組列單日發電量= 1 (kW) x 25 (Hour)= 25 kWh
bull 1 kWp 組列年發電量= 25 x 365 = 913 kWh (度)
3 假設太陽光發電系統使用壽命為 20 年
bull 1 kWp 太陽光發電系統總共可發電 20 x 913 = 18260 度
4 生產每度電之成本約為 280000 18260 ~ NT$ 153
5 未來發展趨勢
bull 太陽光發電系統設置成本將逐年降低
bull 市電電費將會升高(國內目前約 NT$ 3 度日本約NT$ 7 度)
bull 傳統能源限制再生能源獎勵利率降低
64獨立型太陽光發電系統應用例(一)
bull太陽電池時鐘-日本bull太陽電池路燈-日本千里住宅公園
獨立型太陽光發電系統應用例(二)
bull太陽電池交通標誌-日本北海道 bull高速公路緊急電話-日本
獨立型太陽光發電系統應用例(三)
bull800W無線通信中繼基地台韓國(1998)
獨立型太陽光發電系統應用例(四)
bull離島用90kW獨立型發電系統韓國Ho-Do島(1992)
併聯型太陽光發電系統應用例(一)
bull設置於屋頂之住宅用太陽光發電系統(建材一體型日本千里住宅公園內住宅設計之一)
併聯型太陽光發電系統應用例(二)
bull日本東海線新幹線京都車站之太陽光發電系統(100kWp)
併聯型太陽光發電系統應用例(三)
bull日本京瓷(Kyocera)京都總公司大樓之太陽電池發電系統(220kWp)
太陽光發電發電廠應用例
太陽電池發電廠
(PV Power Plant)
資料來源 ANIT
Srl Italy
建材一體型太陽電池模板應用例
bull資料來源 Pilkington Solar International GmbH 德國
太陽能車應用例
Honda Dream
bull資料來源 PV Special Research
Centre UNSW Australia
交大太陽能車
bull資料來源 National Chiao-Tung
University Taiwan
太陽光發電航太應用例(NASA Helios )
bull空中無線通訊平台應用
資料來源SkyOne Inc Taiwan
bull 飛行高度5-7 萬英呎(最高記錄 96000 英呎)
bull 時速60 mph (起飛 25 mph)
bull 翼展247 英呎bull 重量2000 磅bull 太陽電池效率要求gt22
資料來源httpwwwaerovironmentcomhomehtml
清雲技術學院 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
個人住宅 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
勤益技術學院 3kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
南台科技大學 10kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
總統府 10kWp 獨立型太陽光能發電系統 (9012)
海巡署南沙太平島 20kWp 混合型(柴油發電機)太陽光能發電系統 (9011)
90能源基金示範補助成果例
台電樹林 20kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
併聯型
台電台北市區處 20kWp 太陽光發電系統
(91能源基金示範補助成果)
併聯型
7結論
bull (1)提高電力轉換器效率
bull 轉換器的損失主要來自於開關切換時之損失為了可以降低濾波電路中電感和電容的體積可以提高切換頻率但是相對於開關的切換損失也因此而增加導致轉換器的效率降低因此發展零電壓或零電流切換技術應用於高切換頻率之轉換器將可以提高轉換器的效率
bull (2)提高太陽光發電系統之整體效率
bull 傳統之太陽光發電系統包含儲能系統和供電系統前級利用DCDC轉換器作最大功率追蹤後級則利用DCAC轉換器轉換能量供應給交流負載為了提高太陽光發電系統的整體效率在研究可提出了模組並聯控制技術以提昇各級電力轉換器的效率而在未來太陽光發電系統也將著重在單級電力轉換器的設計對於整體系統效率有較明顯的改善
8參考資料
1許國強ldquo太陽光發電原理與應用工研院材料所 薄膜技術組91年
2華志強黃崇倫ldquo智慧型能量控制於太陽光電能轉換系統國立雲林科技大學電機工程學系電力研討會97年
3林政達ldquo數位式市電並聯換流器與快速鎖相迴路控制器之研製國立雲林科技大學電機工程學系碩士論文92 年
4李思賢ldquo數位式單相低功率太陽光電能轉換系統國立中山大學電機工程學系碩士論文92 年
5洪世杰ldquo適用於再生能源之市電併聯型雙輸入供電系統國立中正大學電機工程研究所碩士論文93 年
6王廷興ldquo太陽能發電配電設計概要台北科技大學冷凍空調系 92年
7魏榮宗王文宏ldquo高效率太陽光電能源轉換系統 元智大學電機工程學系94年
[ ] 100)25(
)11
(exp
1)(exp
3
λminus+=
minus
=
+minus
minus+minus=
TKII
TTBk
qE
T
TII
where
R
IRVIRV
AkT
qIII
ISCRLG
r
GO
r
oros
sh
ssosLG
VI cell output current and voltagecell reverse saturation currentcell temperature in CBoltzmannrsquos constantelectronic chargeshort circuit current temperature coefficientsolar irradiation in Wmshort-circuit current at 25 Cand 1000 Wm
light-generated currentband gap for siliconideality factorsreference temperaturecell saturation current atshunt resistanceseries resistance
osI
T
kq
00170=IK
SCRIλ
LGI
GOE
921== ABKTr deg= 18301
orI
shR
sR
附錄附錄附錄附錄- 太陽能電池太陽能電池太陽能電池太陽能電池
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
(a) Equivalent circuit of a PV module and
(b) Typical PV module current-voltage and power-voltage characteristics
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
Characteristic of a PV module with temperature and irradiation (a) constant irradiation and varying temperature and (b) constant temperature and varying irradiation
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
系統範例系統範例系統範例系統範例
中途驛站電化PV離島用PV系統山岳地帶PV系統離島偏遠區
勤務指揮中心緊急避難所醫療院所公園學校地震觀測站森林嘹望台避難指示燈氣象觀測所水位警報PV系統河川安全燈防波堤安全PV燈
緊急防災
緊急供電系統管線電氣防蝕輸油管流量計PV系統市場廣告塔海上石油平台各種計測站PV系統發電廠情報指揮中心
產業用
住宅用供電系統緊急供電系統緊急照明系統帷幕牆遮陽棚採光罩屋瓦建築物
無線通信用中繼站基地台緊急電話中繼站電話通信PV系統Radio受信PV系統微波中繼站
通訊
農宅用電溫室栽培PV系統農業灌溉用自動灑水系統農牧電籬牛乳冷藏漁業養殖揚水通氣自動餵食器
農林漁牧
路燈交通號誌道路指示牌標誌燈太陽能電動車充電站高速公路緊急電話偏遠道路緊急電話停車計時器停車場控制門系統高速公路防音壁PV系統公路休息區PV系統太陽能車平交道指示燈候車亭PV系統車站屋頂型PV系統
道路交通
收音機測電表手錶計算機太陽能照相機手電筒電池充電器野營燈民生
應用領域
緊急時40kWtimes384hdtimes057＝875 kWhd
平時40kWtimes384hdtimes075＝1152Whd
太陽發電系統發電量＝設置容量times日照時間times綜合係數
發電量計算
332m2times1kWm2times12＝398kW≒40kW
太陽發電系統設置容量＝設置面積times日照強度times模板效率
設置容量計算模板效率依太陽電池種類而異
進行模板陣列及蓄電池容量設計
40kWdivide18片串divide120W＝185列≒19
列
40kWdivide17片串divide120W＝196列≒20
列
陣列併列數＝設置容量divide單串功率
18片times120W＝2160W
17片times120W＝2040W
單串功率
300Vdivide169V＝1775片（取整數17 or 18）
陣列串聯數＝Inverter輸入電壓divide模板輸出電壓
模板陣列設計
1 模板功率120W
2 模板輸出電壓169V
3 直交流轉換器(Inverter)輸入電壓300V
120Wtimes17片串times20列＝40800W＝340片(最佳陣列)
120Wtimes18片串times19列＝41080W＝342片
最佳陣列較經濟之設置容量選擇最佳陣列
蓄電池數量＝144個times2列＝288個
120640Whdivide288Vdivide200Ah＝21列≒2列
併列數＝蓄電池需求容量divideInverter額定電壓
288Vdivide2V＝144個
串聯數＝Inverter額定電壓divide蓄電池電壓串併數設計
middot 蓄電池電壓2V個
middot 蓄電池容量200Ah個
Inverter電壓輸入電壓 額定電壓300V 288V200V 192V
蓄電池需求容量＝832kWhdtimes1dtimes145＝12064kWh
蓄電池需求容量＝緊急電力需求times無日照天數times補償係數補償係數蓄電池內阻抗放電停止電壓電壓降低補償
蓄電池需求容量設計
middot 補償係數145
無日照天數1日
61市電相關規定市電相關規定市電相關規定市電相關規定
1 發電設備併接於低壓系統者其總容量未滿100kW且技術無困難者得併接於單相三線110V220V三相三線220V之配電系統若總容量在100kW以上而未滿500kW得分別併接於3相4線220V380V之配電系統
2 發電設備總容量在500kW以上而未滿5000kW10000kW且技術無困難者得分別併接於114KV228KV之高壓配電系統
3 電設備總容量在10000kW以上而未滿40000kW者得併接於特高壓之系統
4 發電設備總容量在40000kW以上者依個案研討分類
併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類
發電系統經由發電系統經由發電系統經由發電系統經由110V220V110V220V110V220V110V220V併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者發電設發電設發電設發電設備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能
1 過電壓保護 低電壓保護
2 低頻保護 高頻保護
3 過電流保護 零相過電壓接地保護
4 發電設備為無逆送電力者須加裝逆電力保護
5 發電設備為有逆送電力者必須具備主動及被動防止單獨運轉保護
發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經110V220V110V220V110V220V110V220V系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者在電在電在電在電源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器
發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業114KV228KV114KV228KV114KV228KV114KV228KV之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者((((高高高高壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶))))發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Extremely Inverse特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Extremely Inverse特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過流電驛(67)須具Normal Inverse特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
發電設備併接於電業69KV特高壓輸電系統者發電設備之輸出端至少應具有下列同等保護功能並須與電業該轄區之保護設備協調
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Normal Inverse之特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Normal Inverse之特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過電流電驛(67)須具Normal Inverse之特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
8 快速及後衛保護電驛如系統保護需要時應裝設
9 匯流排電驛採用GIS斷路器者應裝設
62626262太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範
1 故障電流
太陽光電發電系統大於100kW以上須計算故障電流其送至電業系統之故障電流不得影響電業及其他用戶斷路器之起斷容量否則需裝置限流電抗器
太陽光電發電系統之隔離變壓器接地方式須與電業之系統配合
2 正常電壓變動率應維持在plusmn5以內
3 太陽光電發電系統與電業間之責任分界點的功率因數以維持85落後至100之間運轉為原則
4 諧波污染限制應依照「電力系統諧波管制暫行標準」辦理
分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性
適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯型之規範型之規範型之規範型之規範
電力轉換器電力轉換器電力轉換器電力轉換器(電力調節器電力調節器電力調節器電力調節器)(InverterConditioner)
蓄電池蓄電池蓄電池蓄電池(Battery))
63大型(商用)太陽光發電系統應用(gt1 kWp)
太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統
單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池(Unit Solar Cell)
太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板(PV Module)
太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列(PV Array)
太陽光發電系統應用獨立系統
(A) 獨立系統(Stand-Alone
System)
bull 蓄電池保護壽命
(B) 混合型交流獨立系統 (Hybrid
System)
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
直流負載PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
整流器
輔助發電機
PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載- ~PCU
直直直直交流轉換器交流轉換器交流轉換器交流轉換器
太陽光發電系統應用併聯系統
(D)併聯系統(Grid-
connected System)
特殊功能1 最佳效能2 防止獨立運轉(連線保護)
3 可自力運轉
(E) 防逆流型系統(Off-line System)
(F) 防災型併聯系統
充電控制器
蓄電池
直交流轉換器
PCU太陽電池組列
交流負載
ATS
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
獨立型系統
適用地點高山離島基地台hellip等市電無法到達處
工作方式白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
必須可以自給自足
缺點bull 系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等
安全係數設計很困難)
bull 蓄電池建置複雜成本很高壽命很短
bull 負載搭配不良時發電效能不佳利用率將偏低
bull 需由專人隨時維護
bull 混合系統為一種解決方法
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
PCU
併聯型系統
適用地點電力正常送達之任何地點工作方式 bull 白天 PV系統併聯發電夜間由台電供電bull 將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的蓄電池
優點bull 系統簡單不需安全係數設計(依預算設計)不需要專人維護bull 併聯發電效率高利用率高
缺點bull 停電時無電可用bull 受併聯法規限制尚未開放(但即將開放)
bull 有孤島效應之疑慮(目前技術上已解決)
改善型無電池自力運轉
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
市電併聯型住宅用太陽光發電系統
太陽光發電系統發電及負載用電對時間之關係
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
併聯型直交流轉換器之效能要求較高
1 最大功率追蹤(Maximum Power Tracking MPT)
2 高轉換效率 gt 90 (PWM+電力電子元件)
3 高次諧波功率 Distortion (lt5 total)
4 自動開關機(白天夜晚)
5 過負載保護過溫度保護
6 體積小重量輕室外防水防塵
7 電腦界面可遠端監控
8 防止獨立運轉(連線保護)
9 可自力運轉
太陽電池組列
交流負載
直交流轉換器MPT
Power Conditioner
併聯系統之獨立運轉(單獨運轉)
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull停電時單一併聯系統將會停止運作
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
bull 市電停電時多數併聯系統仍聯合運作將對電力公司人員產生嚴重危害
孤島效應之防止方法
停電偵測1 過電壓低電壓
2 過頻率低頻率
3 被動式偵測如
bull 電壓與頻率監視方式
bull 電壓相位跳躍監視方式
bull 高次諧波監視方式
bull 頻率變化監視方式
PV組列
直交流轉換器
自家負載
4 主動偵測如
bull 頻率Shift方式
bull 配電線負載變動方式
bull 有效電力變動方式
bull 無效電力變動方式
反應時間05~2秒
資料來源「日本電氣用品試驗所」分散型電源系統連系技術指針(1998)
併聯系統之自力運轉功能
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull 大停電後白天有陽光時以人工啟動 PV 系統進行自力運轉供自家負載使用(但夜間無法使用)
防災型併聯型系統
適用地點有防災需求(照明汲水通信hellip)之公共設施
工作方式
bull 平時PV併聯發電(電池浮充) 效率高利用率高夜間由台電供電
bull 視需要建置供防災用電池大停電時白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
缺點bull 含電池成本較高bull 系統較複雜需專人定期維護
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
FAQ1太陽光發電需要多少土地
效率 = (輸出功率W) (組列面積 m2 x 日照強度 Wm2 ) x 100
模板面積 m2 = 輸出功率W (效率 x日照強度Wm2 ) x100
bull 假設使用效率gt136 模板於1000 Wm2 (AM15)日照強度下
10 kWp 模板面積 (m2) = 10000 (0136 x 1000) ~ 735 m2
10 kWp PV系統土地面積需求約
~ 735 m2 x 15 x 11
~ 121m2 (~36坪)
(包括陰影面積及維修空間)
bull 假設使用效率~10 模板
則模板面積約 ~ 100 m2
土地面積需求約 ~ 165m2 (~50坪)
gt55o
夏至
冬至
春秋分
235o 235oh
L1 L2
FAQ2太陽電池一年能發多少電
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
10 kWm2
05 kWm2
日照強度
等效日照時數(Sun Hour)
組列單日發電量 = 組列額定輸出功率 x 等效日照時數
bull 預估1 kWp 組列單日發電量 = 1 (kW) x ex 4(Sun Hour)= 4 kWh
組列年發電量 = 組列額定輸出功率 x 年平均每日日照時數 x 365
bull 預估 1 kWp 組列年發電量 = 1 x 4 x 365 = 1460 kWh
時間時間時間時間
FAQ3太陽光發電的成本(簡易估算)
1 假設目前太陽光發電系統設置成本約為 NT$ 280000 kWp
2 假設年平均每日日照時數約為 25 Sun Hour (台灣中南部地區)
bull 1 kWp 組列單日發電量= 1 (kW) x 25 (Hour)= 25 kWh
bull 1 kWp 組列年發電量= 25 x 365 = 913 kWh (度)
3 假設太陽光發電系統使用壽命為 20 年
bull 1 kWp 太陽光發電系統總共可發電 20 x 913 = 18260 度
4 生產每度電之成本約為 280000 18260 ~ NT$ 153
5 未來發展趨勢
bull 太陽光發電系統設置成本將逐年降低
bull 市電電費將會升高(國內目前約 NT$ 3 度日本約NT$ 7 度)
bull 傳統能源限制再生能源獎勵利率降低
64獨立型太陽光發電系統應用例(一)
bull太陽電池時鐘-日本bull太陽電池路燈-日本千里住宅公園
獨立型太陽光發電系統應用例(二)
bull太陽電池交通標誌-日本北海道 bull高速公路緊急電話-日本
獨立型太陽光發電系統應用例(三)
bull800W無線通信中繼基地台韓國(1998)
獨立型太陽光發電系統應用例(四)
bull離島用90kW獨立型發電系統韓國Ho-Do島(1992)
併聯型太陽光發電系統應用例(一)
bull設置於屋頂之住宅用太陽光發電系統(建材一體型日本千里住宅公園內住宅設計之一)
併聯型太陽光發電系統應用例(二)
bull日本東海線新幹線京都車站之太陽光發電系統(100kWp)
併聯型太陽光發電系統應用例(三)
bull日本京瓷(Kyocera)京都總公司大樓之太陽電池發電系統(220kWp)
太陽光發電發電廠應用例
太陽電池發電廠
(PV Power Plant)
資料來源 ANIT
Srl Italy
建材一體型太陽電池模板應用例
bull資料來源 Pilkington Solar International GmbH 德國
太陽能車應用例
Honda Dream
bull資料來源 PV Special Research
Centre UNSW Australia
交大太陽能車
bull資料來源 National Chiao-Tung
University Taiwan
太陽光發電航太應用例(NASA Helios )
bull空中無線通訊平台應用
資料來源SkyOne Inc Taiwan
bull 飛行高度5-7 萬英呎(最高記錄 96000 英呎)
bull 時速60 mph (起飛 25 mph)
bull 翼展247 英呎bull 重量2000 磅bull 太陽電池效率要求gt22
資料來源httpwwwaerovironmentcomhomehtml
清雲技術學院 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
個人住宅 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
勤益技術學院 3kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
南台科技大學 10kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
總統府 10kWp 獨立型太陽光能發電系統 (9012)
海巡署南沙太平島 20kWp 混合型(柴油發電機)太陽光能發電系統 (9011)
90能源基金示範補助成果例
台電樹林 20kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
併聯型
台電台北市區處 20kWp 太陽光發電系統
(91能源基金示範補助成果)
併聯型
7結論
bull (1)提高電力轉換器效率
bull 轉換器的損失主要來自於開關切換時之損失為了可以降低濾波電路中電感和電容的體積可以提高切換頻率但是相對於開關的切換損失也因此而增加導致轉換器的效率降低因此發展零電壓或零電流切換技術應用於高切換頻率之轉換器將可以提高轉換器的效率
bull (2)提高太陽光發電系統之整體效率
bull 傳統之太陽光發電系統包含儲能系統和供電系統前級利用DCDC轉換器作最大功率追蹤後級則利用DCAC轉換器轉換能量供應給交流負載為了提高太陽光發電系統的整體效率在研究可提出了模組並聯控制技術以提昇各級電力轉換器的效率而在未來太陽光發電系統也將著重在單級電力轉換器的設計對於整體系統效率有較明顯的改善
8參考資料
1許國強ldquo太陽光發電原理與應用工研院材料所 薄膜技術組91年
2華志強黃崇倫ldquo智慧型能量控制於太陽光電能轉換系統國立雲林科技大學電機工程學系電力研討會97年
3林政達ldquo數位式市電並聯換流器與快速鎖相迴路控制器之研製國立雲林科技大學電機工程學系碩士論文92 年
4李思賢ldquo數位式單相低功率太陽光電能轉換系統國立中山大學電機工程學系碩士論文92 年
5洪世杰ldquo適用於再生能源之市電併聯型雙輸入供電系統國立中正大學電機工程研究所碩士論文93 年
6王廷興ldquo太陽能發電配電設計概要台北科技大學冷凍空調系 92年
7魏榮宗王文宏ldquo高效率太陽光電能源轉換系統 元智大學電機工程學系94年
[ ] 100)25(
)11
(exp
1)(exp
3
λminus+=
minus
=
+minus
minus+minus=
TKII
TTBk
qE
T
TII
where
R
IRVIRV
AkT
qIII
ISCRLG
r
GO
r
oros
sh
ssosLG
VI cell output current and voltagecell reverse saturation currentcell temperature in CBoltzmannrsquos constantelectronic chargeshort circuit current temperature coefficientsolar irradiation in Wmshort-circuit current at 25 Cand 1000 Wm
light-generated currentband gap for siliconideality factorsreference temperaturecell saturation current atshunt resistanceseries resistance
osI
T
kq
00170=IK
SCRIλ
LGI
GOE
921== ABKTr deg= 18301
orI
shR
sR
附錄附錄附錄附錄- 太陽能電池太陽能電池太陽能電池太陽能電池
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
(a) Equivalent circuit of a PV module and
(b) Typical PV module current-voltage and power-voltage characteristics
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
Characteristic of a PV module with temperature and irradiation (a) constant irradiation and varying temperature and (b) constant temperature and varying irradiation
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
系統範例系統範例系統範例系統範例
中途驛站電化PV離島用PV系統山岳地帶PV系統離島偏遠區
勤務指揮中心緊急避難所醫療院所公園學校地震觀測站森林嘹望台避難指示燈氣象觀測所水位警報PV系統河川安全燈防波堤安全PV燈
緊急防災
緊急供電系統管線電氣防蝕輸油管流量計PV系統市場廣告塔海上石油平台各種計測站PV系統發電廠情報指揮中心
產業用
住宅用供電系統緊急供電系統緊急照明系統帷幕牆遮陽棚採光罩屋瓦建築物
無線通信用中繼站基地台緊急電話中繼站電話通信PV系統Radio受信PV系統微波中繼站
通訊
農宅用電溫室栽培PV系統農業灌溉用自動灑水系統農牧電籬牛乳冷藏漁業養殖揚水通氣自動餵食器
農林漁牧
路燈交通號誌道路指示牌標誌燈太陽能電動車充電站高速公路緊急電話偏遠道路緊急電話停車計時器停車場控制門系統高速公路防音壁PV系統公路休息區PV系統太陽能車平交道指示燈候車亭PV系統車站屋頂型PV系統
道路交通
收音機測電表手錶計算機太陽能照相機手電筒電池充電器野營燈民生
應用領域
40kWdivide18片串divide120W＝185列≒19
列
40kWdivide17片串divide120W＝196列≒20
列
陣列併列數＝設置容量divide單串功率
18片times120W＝2160W
17片times120W＝2040W
單串功率
300Vdivide169V＝1775片（取整數17 or 18）
陣列串聯數＝Inverter輸入電壓divide模板輸出電壓
模板陣列設計
1 模板功率120W
2 模板輸出電壓169V
3 直交流轉換器(Inverter)輸入電壓300V
120Wtimes17片串times20列＝40800W＝340片(最佳陣列)
120Wtimes18片串times19列＝41080W＝342片
最佳陣列較經濟之設置容量選擇最佳陣列
蓄電池數量＝144個times2列＝288個
120640Whdivide288Vdivide200Ah＝21列≒2列
併列數＝蓄電池需求容量divideInverter額定電壓
288Vdivide2V＝144個
串聯數＝Inverter額定電壓divide蓄電池電壓串併數設計
middot 蓄電池電壓2V個
middot 蓄電池容量200Ah個
Inverter電壓輸入電壓 額定電壓300V 288V200V 192V
蓄電池需求容量＝832kWhdtimes1dtimes145＝12064kWh
蓄電池需求容量＝緊急電力需求times無日照天數times補償係數補償係數蓄電池內阻抗放電停止電壓電壓降低補償
蓄電池需求容量設計
middot 補償係數145
無日照天數1日
61市電相關規定市電相關規定市電相關規定市電相關規定
1 發電設備併接於低壓系統者其總容量未滿100kW且技術無困難者得併接於單相三線110V220V三相三線220V之配電系統若總容量在100kW以上而未滿500kW得分別併接於3相4線220V380V之配電系統
2 發電設備總容量在500kW以上而未滿5000kW10000kW且技術無困難者得分別併接於114KV228KV之高壓配電系統
3 電設備總容量在10000kW以上而未滿40000kW者得併接於特高壓之系統
4 發電設備總容量在40000kW以上者依個案研討分類
併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類
發電系統經由發電系統經由發電系統經由發電系統經由110V220V110V220V110V220V110V220V併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者發電設發電設發電設發電設備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能
1 過電壓保護 低電壓保護
2 低頻保護 高頻保護
3 過電流保護 零相過電壓接地保護
4 發電設備為無逆送電力者須加裝逆電力保護
5 發電設備為有逆送電力者必須具備主動及被動防止單獨運轉保護
發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經110V220V110V220V110V220V110V220V系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者在電在電在電在電源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器
發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業114KV228KV114KV228KV114KV228KV114KV228KV之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者((((高高高高壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶))))發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Extremely Inverse特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Extremely Inverse特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過流電驛(67)須具Normal Inverse特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
發電設備併接於電業69KV特高壓輸電系統者發電設備之輸出端至少應具有下列同等保護功能並須與電業該轄區之保護設備協調
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Normal Inverse之特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Normal Inverse之特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過電流電驛(67)須具Normal Inverse之特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
8 快速及後衛保護電驛如系統保護需要時應裝設
9 匯流排電驛採用GIS斷路器者應裝設
62626262太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範
1 故障電流
太陽光電發電系統大於100kW以上須計算故障電流其送至電業系統之故障電流不得影響電業及其他用戶斷路器之起斷容量否則需裝置限流電抗器
太陽光電發電系統之隔離變壓器接地方式須與電業之系統配合
2 正常電壓變動率應維持在plusmn5以內
3 太陽光電發電系統與電業間之責任分界點的功率因數以維持85落後至100之間運轉為原則
4 諧波污染限制應依照「電力系統諧波管制暫行標準」辦理
分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性
適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯型之規範型之規範型之規範型之規範
電力轉換器電力轉換器電力轉換器電力轉換器(電力調節器電力調節器電力調節器電力調節器)(InverterConditioner)
蓄電池蓄電池蓄電池蓄電池(Battery))
63大型(商用)太陽光發電系統應用(gt1 kWp)
太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統
單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池(Unit Solar Cell)
太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板(PV Module)
太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列(PV Array)
太陽光發電系統應用獨立系統
(A) 獨立系統(Stand-Alone
System)
bull 蓄電池保護壽命
(B) 混合型交流獨立系統 (Hybrid
System)
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
直流負載PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
整流器
輔助發電機
PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載- ~PCU
直直直直交流轉換器交流轉換器交流轉換器交流轉換器
太陽光發電系統應用併聯系統
(D)併聯系統(Grid-
connected System)
特殊功能1 最佳效能2 防止獨立運轉(連線保護)
3 可自力運轉
(E) 防逆流型系統(Off-line System)
(F) 防災型併聯系統
充電控制器
蓄電池
直交流轉換器
PCU太陽電池組列
交流負載
ATS
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
獨立型系統
適用地點高山離島基地台hellip等市電無法到達處
工作方式白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
必須可以自給自足
缺點bull 系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等
安全係數設計很困難)
bull 蓄電池建置複雜成本很高壽命很短
bull 負載搭配不良時發電效能不佳利用率將偏低
bull 需由專人隨時維護
bull 混合系統為一種解決方法
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
PCU
併聯型系統
適用地點電力正常送達之任何地點工作方式 bull 白天 PV系統併聯發電夜間由台電供電bull 將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的蓄電池
優點bull 系統簡單不需安全係數設計(依預算設計)不需要專人維護bull 併聯發電效率高利用率高
缺點bull 停電時無電可用bull 受併聯法規限制尚未開放(但即將開放)
bull 有孤島效應之疑慮(目前技術上已解決)
改善型無電池自力運轉
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
市電併聯型住宅用太陽光發電系統
太陽光發電系統發電及負載用電對時間之關係
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
併聯型直交流轉換器之效能要求較高
1 最大功率追蹤(Maximum Power Tracking MPT)
2 高轉換效率 gt 90 (PWM+電力電子元件)
3 高次諧波功率 Distortion (lt5 total)
4 自動開關機(白天夜晚)
5 過負載保護過溫度保護
6 體積小重量輕室外防水防塵
7 電腦界面可遠端監控
8 防止獨立運轉(連線保護)
9 可自力運轉
太陽電池組列
交流負載
直交流轉換器MPT
Power Conditioner
併聯系統之獨立運轉(單獨運轉)
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull停電時單一併聯系統將會停止運作
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
bull 市電停電時多數併聯系統仍聯合運作將對電力公司人員產生嚴重危害
孤島效應之防止方法
停電偵測1 過電壓低電壓
2 過頻率低頻率
3 被動式偵測如
bull 電壓與頻率監視方式
bull 電壓相位跳躍監視方式
bull 高次諧波監視方式
bull 頻率變化監視方式
PV組列
直交流轉換器
自家負載
4 主動偵測如
bull 頻率Shift方式
bull 配電線負載變動方式
bull 有效電力變動方式
bull 無效電力變動方式
反應時間05~2秒
資料來源「日本電氣用品試驗所」分散型電源系統連系技術指針(1998)
併聯系統之自力運轉功能
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull 大停電後白天有陽光時以人工啟動 PV 系統進行自力運轉供自家負載使用(但夜間無法使用)
防災型併聯型系統
適用地點有防災需求(照明汲水通信hellip)之公共設施
工作方式
bull 平時PV併聯發電(電池浮充) 效率高利用率高夜間由台電供電
bull 視需要建置供防災用電池大停電時白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
缺點bull 含電池成本較高bull 系統較複雜需專人定期維護
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
FAQ1太陽光發電需要多少土地
效率 = (輸出功率W) (組列面積 m2 x 日照強度 Wm2 ) x 100
模板面積 m2 = 輸出功率W (效率 x日照強度Wm2 ) x100
bull 假設使用效率gt136 模板於1000 Wm2 (AM15)日照強度下
10 kWp 模板面積 (m2) = 10000 (0136 x 1000) ~ 735 m2
10 kWp PV系統土地面積需求約
~ 735 m2 x 15 x 11
~ 121m2 (~36坪)
(包括陰影面積及維修空間)
bull 假設使用效率~10 模板
則模板面積約 ~ 100 m2
土地面積需求約 ~ 165m2 (~50坪)
gt55o
夏至
冬至
春秋分
235o 235oh
L1 L2
FAQ2太陽電池一年能發多少電
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
10 kWm2
05 kWm2
日照強度
等效日照時數(Sun Hour)
組列單日發電量 = 組列額定輸出功率 x 等效日照時數
bull 預估1 kWp 組列單日發電量 = 1 (kW) x ex 4(Sun Hour)= 4 kWh
組列年發電量 = 組列額定輸出功率 x 年平均每日日照時數 x 365
bull 預估 1 kWp 組列年發電量 = 1 x 4 x 365 = 1460 kWh
時間時間時間時間
FAQ3太陽光發電的成本(簡易估算)
1 假設目前太陽光發電系統設置成本約為 NT$ 280000 kWp
2 假設年平均每日日照時數約為 25 Sun Hour (台灣中南部地區)
bull 1 kWp 組列單日發電量= 1 (kW) x 25 (Hour)= 25 kWh
bull 1 kWp 組列年發電量= 25 x 365 = 913 kWh (度)
3 假設太陽光發電系統使用壽命為 20 年
bull 1 kWp 太陽光發電系統總共可發電 20 x 913 = 18260 度
4 生產每度電之成本約為 280000 18260 ~ NT$ 153
5 未來發展趨勢
bull 太陽光發電系統設置成本將逐年降低
bull 市電電費將會升高(國內目前約 NT$ 3 度日本約NT$ 7 度)
bull 傳統能源限制再生能源獎勵利率降低
64獨立型太陽光發電系統應用例(一)
bull太陽電池時鐘-日本bull太陽電池路燈-日本千里住宅公園
獨立型太陽光發電系統應用例(二)
bull太陽電池交通標誌-日本北海道 bull高速公路緊急電話-日本
獨立型太陽光發電系統應用例(三)
bull800W無線通信中繼基地台韓國(1998)
獨立型太陽光發電系統應用例(四)
bull離島用90kW獨立型發電系統韓國Ho-Do島(1992)
併聯型太陽光發電系統應用例(一)
bull設置於屋頂之住宅用太陽光發電系統(建材一體型日本千里住宅公園內住宅設計之一)
併聯型太陽光發電系統應用例(二)
bull日本東海線新幹線京都車站之太陽光發電系統(100kWp)
併聯型太陽光發電系統應用例(三)
bull日本京瓷(Kyocera)京都總公司大樓之太陽電池發電系統(220kWp)
太陽光發電發電廠應用例
太陽電池發電廠
(PV Power Plant)
資料來源 ANIT
Srl Italy
建材一體型太陽電池模板應用例
bull資料來源 Pilkington Solar International GmbH 德國
太陽能車應用例
Honda Dream
bull資料來源 PV Special Research
Centre UNSW Australia
交大太陽能車
bull資料來源 National Chiao-Tung
University Taiwan
太陽光發電航太應用例(NASA Helios )
bull空中無線通訊平台應用
資料來源SkyOne Inc Taiwan
bull 飛行高度5-7 萬英呎(最高記錄 96000 英呎)
bull 時速60 mph (起飛 25 mph)
bull 翼展247 英呎bull 重量2000 磅bull 太陽電池效率要求gt22
資料來源httpwwwaerovironmentcomhomehtml
清雲技術學院 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
個人住宅 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
勤益技術學院 3kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
南台科技大學 10kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
總統府 10kWp 獨立型太陽光能發電系統 (9012)
海巡署南沙太平島 20kWp 混合型(柴油發電機)太陽光能發電系統 (9011)
90能源基金示範補助成果例
台電樹林 20kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
併聯型
台電台北市區處 20kWp 太陽光發電系統
(91能源基金示範補助成果)
併聯型
7結論
bull (1)提高電力轉換器效率
bull 轉換器的損失主要來自於開關切換時之損失為了可以降低濾波電路中電感和電容的體積可以提高切換頻率但是相對於開關的切換損失也因此而增加導致轉換器的效率降低因此發展零電壓或零電流切換技術應用於高切換頻率之轉換器將可以提高轉換器的效率
bull (2)提高太陽光發電系統之整體效率
bull 傳統之太陽光發電系統包含儲能系統和供電系統前級利用DCDC轉換器作最大功率追蹤後級則利用DCAC轉換器轉換能量供應給交流負載為了提高太陽光發電系統的整體效率在研究可提出了模組並聯控制技術以提昇各級電力轉換器的效率而在未來太陽光發電系統也將著重在單級電力轉換器的設計對於整體系統效率有較明顯的改善
8參考資料
1許國強ldquo太陽光發電原理與應用工研院材料所 薄膜技術組91年
2華志強黃崇倫ldquo智慧型能量控制於太陽光電能轉換系統國立雲林科技大學電機工程學系電力研討會97年
3林政達ldquo數位式市電並聯換流器與快速鎖相迴路控制器之研製國立雲林科技大學電機工程學系碩士論文92 年
4李思賢ldquo數位式單相低功率太陽光電能轉換系統國立中山大學電機工程學系碩士論文92 年
5洪世杰ldquo適用於再生能源之市電併聯型雙輸入供電系統國立中正大學電機工程研究所碩士論文93 年
6王廷興ldquo太陽能發電配電設計概要台北科技大學冷凍空調系 92年
7魏榮宗王文宏ldquo高效率太陽光電能源轉換系統 元智大學電機工程學系94年
[ ] 100)25(
)11
(exp
1)(exp
3
λminus+=
minus
=
+minus
minus+minus=
TKII
TTBk
qE
T
TII
where
R
IRVIRV
AkT
qIII
ISCRLG
r
GO
r
oros
sh
ssosLG
VI cell output current and voltagecell reverse saturation currentcell temperature in CBoltzmannrsquos constantelectronic chargeshort circuit current temperature coefficientsolar irradiation in Wmshort-circuit current at 25 Cand 1000 Wm
light-generated currentband gap for siliconideality factorsreference temperaturecell saturation current atshunt resistanceseries resistance
osI
T
kq
00170=IK
SCRIλ
LGI
GOE
921== ABKTr deg= 18301
orI
shR
sR
附錄附錄附錄附錄- 太陽能電池太陽能電池太陽能電池太陽能電池
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
(a) Equivalent circuit of a PV module and
(b) Typical PV module current-voltage and power-voltage characteristics
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
Characteristic of a PV module with temperature and irradiation (a) constant irradiation and varying temperature and (b) constant temperature and varying irradiation
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
系統範例系統範例系統範例系統範例
中途驛站電化PV離島用PV系統山岳地帶PV系統離島偏遠區
勤務指揮中心緊急避難所醫療院所公園學校地震觀測站森林嘹望台避難指示燈氣象觀測所水位警報PV系統河川安全燈防波堤安全PV燈
緊急防災
緊急供電系統管線電氣防蝕輸油管流量計PV系統市場廣告塔海上石油平台各種計測站PV系統發電廠情報指揮中心
產業用
住宅用供電系統緊急供電系統緊急照明系統帷幕牆遮陽棚採光罩屋瓦建築物
無線通信用中繼站基地台緊急電話中繼站電話通信PV系統Radio受信PV系統微波中繼站
通訊
農宅用電溫室栽培PV系統農業灌溉用自動灑水系統農牧電籬牛乳冷藏漁業養殖揚水通氣自動餵食器
農林漁牧
路燈交通號誌道路指示牌標誌燈太陽能電動車充電站高速公路緊急電話偏遠道路緊急電話停車計時器停車場控制門系統高速公路防音壁PV系統公路休息區PV系統太陽能車平交道指示燈候車亭PV系統車站屋頂型PV系統
道路交通
收音機測電表手錶計算機太陽能照相機手電筒電池充電器野營燈民生
應用領域
蓄電池數量＝144個times2列＝288個
120640Whdivide288Vdivide200Ah＝21列≒2列
併列數＝蓄電池需求容量divideInverter額定電壓
288Vdivide2V＝144個
串聯數＝Inverter額定電壓divide蓄電池電壓串併數設計
middot 蓄電池電壓2V個
middot 蓄電池容量200Ah個
Inverter電壓輸入電壓 額定電壓300V 288V200V 192V
蓄電池需求容量＝832kWhdtimes1dtimes145＝12064kWh
蓄電池需求容量＝緊急電力需求times無日照天數times補償係數補償係數蓄電池內阻抗放電停止電壓電壓降低補償
蓄電池需求容量設計
middot 補償係數145
無日照天數1日
61市電相關規定市電相關規定市電相關規定市電相關規定
1 發電設備併接於低壓系統者其總容量未滿100kW且技術無困難者得併接於單相三線110V220V三相三線220V之配電系統若總容量在100kW以上而未滿500kW得分別併接於3相4線220V380V之配電系統
2 發電設備總容量在500kW以上而未滿5000kW10000kW且技術無困難者得分別併接於114KV228KV之高壓配電系統
3 電設備總容量在10000kW以上而未滿40000kW者得併接於特高壓之系統
4 發電設備總容量在40000kW以上者依個案研討分類
併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類
發電系統經由發電系統經由發電系統經由發電系統經由110V220V110V220V110V220V110V220V併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者發電設發電設發電設發電設備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能
1 過電壓保護 低電壓保護
2 低頻保護 高頻保護
3 過電流保護 零相過電壓接地保護
4 發電設備為無逆送電力者須加裝逆電力保護
5 發電設備為有逆送電力者必須具備主動及被動防止單獨運轉保護
發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經110V220V110V220V110V220V110V220V系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者在電在電在電在電源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器
發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業114KV228KV114KV228KV114KV228KV114KV228KV之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者((((高高高高壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶))))發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Extremely Inverse特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Extremely Inverse特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過流電驛(67)須具Normal Inverse特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
發電設備併接於電業69KV特高壓輸電系統者發電設備之輸出端至少應具有下列同等保護功能並須與電業該轄區之保護設備協調
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Normal Inverse之特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Normal Inverse之特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過電流電驛(67)須具Normal Inverse之特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
8 快速及後衛保護電驛如系統保護需要時應裝設
9 匯流排電驛採用GIS斷路器者應裝設
62626262太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範
1 故障電流
太陽光電發電系統大於100kW以上須計算故障電流其送至電業系統之故障電流不得影響電業及其他用戶斷路器之起斷容量否則需裝置限流電抗器
太陽光電發電系統之隔離變壓器接地方式須與電業之系統配合
2 正常電壓變動率應維持在plusmn5以內
3 太陽光電發電系統與電業間之責任分界點的功率因數以維持85落後至100之間運轉為原則
4 諧波污染限制應依照「電力系統諧波管制暫行標準」辦理
分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性
適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯型之規範型之規範型之規範型之規範
電力轉換器電力轉換器電力轉換器電力轉換器(電力調節器電力調節器電力調節器電力調節器)(InverterConditioner)
蓄電池蓄電池蓄電池蓄電池(Battery))
63大型(商用)太陽光發電系統應用(gt1 kWp)
太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統
單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池(Unit Solar Cell)
太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板(PV Module)
太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列(PV Array)
太陽光發電系統應用獨立系統
(A) 獨立系統(Stand-Alone
System)
bull 蓄電池保護壽命
(B) 混合型交流獨立系統 (Hybrid
System)
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
直流負載PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
整流器
輔助發電機
PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載- ~PCU
直直直直交流轉換器交流轉換器交流轉換器交流轉換器
太陽光發電系統應用併聯系統
(D)併聯系統(Grid-
connected System)
特殊功能1 最佳效能2 防止獨立運轉(連線保護)
3 可自力運轉
(E) 防逆流型系統(Off-line System)
(F) 防災型併聯系統
充電控制器
蓄電池
直交流轉換器
PCU太陽電池組列
交流負載
ATS
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
獨立型系統
適用地點高山離島基地台hellip等市電無法到達處
工作方式白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
必須可以自給自足
缺點bull 系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等
安全係數設計很困難)
bull 蓄電池建置複雜成本很高壽命很短
bull 負載搭配不良時發電效能不佳利用率將偏低
bull 需由專人隨時維護
bull 混合系統為一種解決方法
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
PCU
併聯型系統
適用地點電力正常送達之任何地點工作方式 bull 白天 PV系統併聯發電夜間由台電供電bull 將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的蓄電池
優點bull 系統簡單不需安全係數設計(依預算設計)不需要專人維護bull 併聯發電效率高利用率高
缺點bull 停電時無電可用bull 受併聯法規限制尚未開放(但即將開放)
bull 有孤島效應之疑慮(目前技術上已解決)
改善型無電池自力運轉
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
市電併聯型住宅用太陽光發電系統
太陽光發電系統發電及負載用電對時間之關係
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
併聯型直交流轉換器之效能要求較高
1 最大功率追蹤(Maximum Power Tracking MPT)
2 高轉換效率 gt 90 (PWM+電力電子元件)
3 高次諧波功率 Distortion (lt5 total)
4 自動開關機(白天夜晚)
5 過負載保護過溫度保護
6 體積小重量輕室外防水防塵
7 電腦界面可遠端監控
8 防止獨立運轉(連線保護)
9 可自力運轉
太陽電池組列
交流負載
直交流轉換器MPT
Power Conditioner
併聯系統之獨立運轉(單獨運轉)
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull停電時單一併聯系統將會停止運作
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
bull 市電停電時多數併聯系統仍聯合運作將對電力公司人員產生嚴重危害
孤島效應之防止方法
停電偵測1 過電壓低電壓
2 過頻率低頻率
3 被動式偵測如
bull 電壓與頻率監視方式
bull 電壓相位跳躍監視方式
bull 高次諧波監視方式
bull 頻率變化監視方式
PV組列
直交流轉換器
自家負載
4 主動偵測如
bull 頻率Shift方式
bull 配電線負載變動方式
bull 有效電力變動方式
bull 無效電力變動方式
反應時間05~2秒
資料來源「日本電氣用品試驗所」分散型電源系統連系技術指針(1998)
併聯系統之自力運轉功能
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull 大停電後白天有陽光時以人工啟動 PV 系統進行自力運轉供自家負載使用(但夜間無法使用)
防災型併聯型系統
適用地點有防災需求(照明汲水通信hellip)之公共設施
工作方式
bull 平時PV併聯發電(電池浮充) 效率高利用率高夜間由台電供電
bull 視需要建置供防災用電池大停電時白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
缺點bull 含電池成本較高bull 系統較複雜需專人定期維護
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
FAQ1太陽光發電需要多少土地
效率 = (輸出功率W) (組列面積 m2 x 日照強度 Wm2 ) x 100
模板面積 m2 = 輸出功率W (效率 x日照強度Wm2 ) x100
bull 假設使用效率gt136 模板於1000 Wm2 (AM15)日照強度下
10 kWp 模板面積 (m2) = 10000 (0136 x 1000) ~ 735 m2
10 kWp PV系統土地面積需求約
~ 735 m2 x 15 x 11
~ 121m2 (~36坪)
(包括陰影面積及維修空間)
bull 假設使用效率~10 模板
則模板面積約 ~ 100 m2
土地面積需求約 ~ 165m2 (~50坪)
gt55o
夏至
冬至
春秋分
235o 235oh
L1 L2
FAQ2太陽電池一年能發多少電
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
10 kWm2
05 kWm2
日照強度
等效日照時數(Sun Hour)
組列單日發電量 = 組列額定輸出功率 x 等效日照時數
bull 預估1 kWp 組列單日發電量 = 1 (kW) x ex 4(Sun Hour)= 4 kWh
組列年發電量 = 組列額定輸出功率 x 年平均每日日照時數 x 365
bull 預估 1 kWp 組列年發電量 = 1 x 4 x 365 = 1460 kWh
時間時間時間時間
FAQ3太陽光發電的成本(簡易估算)
1 假設目前太陽光發電系統設置成本約為 NT$ 280000 kWp
2 假設年平均每日日照時數約為 25 Sun Hour (台灣中南部地區)
bull 1 kWp 組列單日發電量= 1 (kW) x 25 (Hour)= 25 kWh
bull 1 kWp 組列年發電量= 25 x 365 = 913 kWh (度)
3 假設太陽光發電系統使用壽命為 20 年
bull 1 kWp 太陽光發電系統總共可發電 20 x 913 = 18260 度
4 生產每度電之成本約為 280000 18260 ~ NT$ 153
5 未來發展趨勢
bull 太陽光發電系統設置成本將逐年降低
bull 市電電費將會升高(國內目前約 NT$ 3 度日本約NT$ 7 度)
bull 傳統能源限制再生能源獎勵利率降低
64獨立型太陽光發電系統應用例(一)
bull太陽電池時鐘-日本bull太陽電池路燈-日本千里住宅公園
獨立型太陽光發電系統應用例(二)
bull太陽電池交通標誌-日本北海道 bull高速公路緊急電話-日本
獨立型太陽光發電系統應用例(三)
bull800W無線通信中繼基地台韓國(1998)
獨立型太陽光發電系統應用例(四)
bull離島用90kW獨立型發電系統韓國Ho-Do島(1992)
併聯型太陽光發電系統應用例(一)
bull設置於屋頂之住宅用太陽光發電系統(建材一體型日本千里住宅公園內住宅設計之一)
併聯型太陽光發電系統應用例(二)
bull日本東海線新幹線京都車站之太陽光發電系統(100kWp)
併聯型太陽光發電系統應用例(三)
bull日本京瓷(Kyocera)京都總公司大樓之太陽電池發電系統(220kWp)
太陽光發電發電廠應用例
太陽電池發電廠
(PV Power Plant)
資料來源 ANIT
Srl Italy
建材一體型太陽電池模板應用例
bull資料來源 Pilkington Solar International GmbH 德國
太陽能車應用例
Honda Dream
bull資料來源 PV Special Research
Centre UNSW Australia
交大太陽能車
bull資料來源 National Chiao-Tung
University Taiwan
太陽光發電航太應用例(NASA Helios )
bull空中無線通訊平台應用
資料來源SkyOne Inc Taiwan
bull 飛行高度5-7 萬英呎(最高記錄 96000 英呎)
bull 時速60 mph (起飛 25 mph)
bull 翼展247 英呎bull 重量2000 磅bull 太陽電池效率要求gt22
資料來源httpwwwaerovironmentcomhomehtml
清雲技術學院 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
個人住宅 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
勤益技術學院 3kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
南台科技大學 10kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
總統府 10kWp 獨立型太陽光能發電系統 (9012)
海巡署南沙太平島 20kWp 混合型(柴油發電機)太陽光能發電系統 (9011)
90能源基金示範補助成果例
台電樹林 20kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
併聯型
台電台北市區處 20kWp 太陽光發電系統
(91能源基金示範補助成果)
併聯型
7結論
bull (1)提高電力轉換器效率
bull 轉換器的損失主要來自於開關切換時之損失為了可以降低濾波電路中電感和電容的體積可以提高切換頻率但是相對於開關的切換損失也因此而增加導致轉換器的效率降低因此發展零電壓或零電流切換技術應用於高切換頻率之轉換器將可以提高轉換器的效率
bull (2)提高太陽光發電系統之整體效率
bull 傳統之太陽光發電系統包含儲能系統和供電系統前級利用DCDC轉換器作最大功率追蹤後級則利用DCAC轉換器轉換能量供應給交流負載為了提高太陽光發電系統的整體效率在研究可提出了模組並聯控制技術以提昇各級電力轉換器的效率而在未來太陽光發電系統也將著重在單級電力轉換器的設計對於整體系統效率有較明顯的改善
8參考資料
1許國強ldquo太陽光發電原理與應用工研院材料所 薄膜技術組91年
2華志強黃崇倫ldquo智慧型能量控制於太陽光電能轉換系統國立雲林科技大學電機工程學系電力研討會97年
3林政達ldquo數位式市電並聯換流器與快速鎖相迴路控制器之研製國立雲林科技大學電機工程學系碩士論文92 年
4李思賢ldquo數位式單相低功率太陽光電能轉換系統國立中山大學電機工程學系碩士論文92 年
5洪世杰ldquo適用於再生能源之市電併聯型雙輸入供電系統國立中正大學電機工程研究所碩士論文93 年
6王廷興ldquo太陽能發電配電設計概要台北科技大學冷凍空調系 92年
7魏榮宗王文宏ldquo高效率太陽光電能源轉換系統 元智大學電機工程學系94年
[ ] 100)25(
)11
(exp
1)(exp
3
λminus+=
minus
=
+minus
minus+minus=
TKII
TTBk
qE
T
TII
where
R
IRVIRV
AkT
qIII
ISCRLG
r
GO
r
oros
sh
ssosLG
VI cell output current and voltagecell reverse saturation currentcell temperature in CBoltzmannrsquos constantelectronic chargeshort circuit current temperature coefficientsolar irradiation in Wmshort-circuit current at 25 Cand 1000 Wm
light-generated currentband gap for siliconideality factorsreference temperaturecell saturation current atshunt resistanceseries resistance
osI
T
kq
00170=IK
SCRIλ
LGI
GOE
921== ABKTr deg= 18301
orI
shR
sR
附錄附錄附錄附錄- 太陽能電池太陽能電池太陽能電池太陽能電池
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
(a) Equivalent circuit of a PV module and
(b) Typical PV module current-voltage and power-voltage characteristics
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
Characteristic of a PV module with temperature and irradiation (a) constant irradiation and varying temperature and (b) constant temperature and varying irradiation
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
系統範例系統範例系統範例系統範例
中途驛站電化PV離島用PV系統山岳地帶PV系統離島偏遠區
勤務指揮中心緊急避難所醫療院所公園學校地震觀測站森林嘹望台避難指示燈氣象觀測所水位警報PV系統河川安全燈防波堤安全PV燈
緊急防災
緊急供電系統管線電氣防蝕輸油管流量計PV系統市場廣告塔海上石油平台各種計測站PV系統發電廠情報指揮中心
產業用
住宅用供電系統緊急供電系統緊急照明系統帷幕牆遮陽棚採光罩屋瓦建築物
無線通信用中繼站基地台緊急電話中繼站電話通信PV系統Radio受信PV系統微波中繼站
通訊
農宅用電溫室栽培PV系統農業灌溉用自動灑水系統農牧電籬牛乳冷藏漁業養殖揚水通氣自動餵食器
農林漁牧
路燈交通號誌道路指示牌標誌燈太陽能電動車充電站高速公路緊急電話偏遠道路緊急電話停車計時器停車場控制門系統高速公路防音壁PV系統公路休息區PV系統太陽能車平交道指示燈候車亭PV系統車站屋頂型PV系統
道路交通
收音機測電表手錶計算機太陽能照相機手電筒電池充電器野營燈民生
應用領域
61市電相關規定市電相關規定市電相關規定市電相關規定
1 發電設備併接於低壓系統者其總容量未滿100kW且技術無困難者得併接於單相三線110V220V三相三線220V之配電系統若總容量在100kW以上而未滿500kW得分別併接於3相4線220V380V之配電系統
2 發電設備總容量在500kW以上而未滿5000kW10000kW且技術無困難者得分別併接於114KV228KV之高壓配電系統
3 電設備總容量在10000kW以上而未滿40000kW者得併接於特高壓之系統
4 發電設備總容量在40000kW以上者依個案研討分類
併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類併聯系統之分類
發電系統經由發電系統經由發電系統經由發電系統經由110V220V110V220V110V220V110V220V併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者發電設發電設發電設發電設備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能
1 過電壓保護 低電壓保護
2 低頻保護 高頻保護
3 過電流保護 零相過電壓接地保護
4 發電設備為無逆送電力者須加裝逆電力保護
5 發電設備為有逆送電力者必須具備主動及被動防止單獨運轉保護
發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經110V220V110V220V110V220V110V220V系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者在電在電在電在電源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器
發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業114KV228KV114KV228KV114KV228KV114KV228KV之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者((((高高高高壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶))))發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Extremely Inverse特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Extremely Inverse特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過流電驛(67)須具Normal Inverse特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
發電設備併接於電業69KV特高壓輸電系統者發電設備之輸出端至少應具有下列同等保護功能並須與電業該轄區之保護設備協調
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Normal Inverse之特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Normal Inverse之特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過電流電驛(67)須具Normal Inverse之特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
8 快速及後衛保護電驛如系統保護需要時應裝設
9 匯流排電驛採用GIS斷路器者應裝設
62626262太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範
1 故障電流
太陽光電發電系統大於100kW以上須計算故障電流其送至電業系統之故障電流不得影響電業及其他用戶斷路器之起斷容量否則需裝置限流電抗器
太陽光電發電系統之隔離變壓器接地方式須與電業之系統配合
2 正常電壓變動率應維持在plusmn5以內
3 太陽光電發電系統與電業間之責任分界點的功率因數以維持85落後至100之間運轉為原則
4 諧波污染限制應依照「電力系統諧波管制暫行標準」辦理
分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性
適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯型之規範型之規範型之規範型之規範
電力轉換器電力轉換器電力轉換器電力轉換器(電力調節器電力調節器電力調節器電力調節器)(InverterConditioner)
蓄電池蓄電池蓄電池蓄電池(Battery))
63大型(商用)太陽光發電系統應用(gt1 kWp)
太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統
單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池(Unit Solar Cell)
太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板(PV Module)
太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列(PV Array)
太陽光發電系統應用獨立系統
(A) 獨立系統(Stand-Alone
System)
bull 蓄電池保護壽命
(B) 混合型交流獨立系統 (Hybrid
System)
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
直流負載PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
整流器
輔助發電機
PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載- ~PCU
直直直直交流轉換器交流轉換器交流轉換器交流轉換器
太陽光發電系統應用併聯系統
(D)併聯系統(Grid-
connected System)
特殊功能1 最佳效能2 防止獨立運轉(連線保護)
3 可自力運轉
(E) 防逆流型系統(Off-line System)
(F) 防災型併聯系統
充電控制器
蓄電池
直交流轉換器
PCU太陽電池組列
交流負載
ATS
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
獨立型系統
適用地點高山離島基地台hellip等市電無法到達處
工作方式白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
必須可以自給自足
缺點bull 系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等
安全係數設計很困難)
bull 蓄電池建置複雜成本很高壽命很短
bull 負載搭配不良時發電效能不佳利用率將偏低
bull 需由專人隨時維護
bull 混合系統為一種解決方法
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
PCU
併聯型系統
適用地點電力正常送達之任何地點工作方式 bull 白天 PV系統併聯發電夜間由台電供電bull 將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的蓄電池
優點bull 系統簡單不需安全係數設計(依預算設計)不需要專人維護bull 併聯發電效率高利用率高
缺點bull 停電時無電可用bull 受併聯法規限制尚未開放(但即將開放)
bull 有孤島效應之疑慮(目前技術上已解決)
改善型無電池自力運轉
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
市電併聯型住宅用太陽光發電系統
太陽光發電系統發電及負載用電對時間之關係
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
併聯型直交流轉換器之效能要求較高
1 最大功率追蹤(Maximum Power Tracking MPT)
2 高轉換效率 gt 90 (PWM+電力電子元件)
3 高次諧波功率 Distortion (lt5 total)
4 自動開關機(白天夜晚)
5 過負載保護過溫度保護
6 體積小重量輕室外防水防塵
7 電腦界面可遠端監控
8 防止獨立運轉(連線保護)
9 可自力運轉
太陽電池組列
交流負載
直交流轉換器MPT
Power Conditioner
併聯系統之獨立運轉(單獨運轉)
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull停電時單一併聯系統將會停止運作
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
bull 市電停電時多數併聯系統仍聯合運作將對電力公司人員產生嚴重危害
孤島效應之防止方法
停電偵測1 過電壓低電壓
2 過頻率低頻率
3 被動式偵測如
bull 電壓與頻率監視方式
bull 電壓相位跳躍監視方式
bull 高次諧波監視方式
bull 頻率變化監視方式
PV組列
直交流轉換器
自家負載
4 主動偵測如
bull 頻率Shift方式
bull 配電線負載變動方式
bull 有效電力變動方式
bull 無效電力變動方式
反應時間05~2秒
資料來源「日本電氣用品試驗所」分散型電源系統連系技術指針(1998)
併聯系統之自力運轉功能
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull 大停電後白天有陽光時以人工啟動 PV 系統進行自力運轉供自家負載使用(但夜間無法使用)
防災型併聯型系統
適用地點有防災需求(照明汲水通信hellip)之公共設施
工作方式
bull 平時PV併聯發電(電池浮充) 效率高利用率高夜間由台電供電
bull 視需要建置供防災用電池大停電時白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
缺點bull 含電池成本較高bull 系統較複雜需專人定期維護
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
FAQ1太陽光發電需要多少土地
效率 = (輸出功率W) (組列面積 m2 x 日照強度 Wm2 ) x 100
模板面積 m2 = 輸出功率W (效率 x日照強度Wm2 ) x100
bull 假設使用效率gt136 模板於1000 Wm2 (AM15)日照強度下
10 kWp 模板面積 (m2) = 10000 (0136 x 1000) ~ 735 m2
10 kWp PV系統土地面積需求約
~ 735 m2 x 15 x 11
~ 121m2 (~36坪)
(包括陰影面積及維修空間)
bull 假設使用效率~10 模板
則模板面積約 ~ 100 m2
土地面積需求約 ~ 165m2 (~50坪)
gt55o
夏至
冬至
春秋分
235o 235oh
L1 L2
FAQ2太陽電池一年能發多少電
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
10 kWm2
05 kWm2
日照強度
等效日照時數(Sun Hour)
組列單日發電量 = 組列額定輸出功率 x 等效日照時數
bull 預估1 kWp 組列單日發電量 = 1 (kW) x ex 4(Sun Hour)= 4 kWh
組列年發電量 = 組列額定輸出功率 x 年平均每日日照時數 x 365
bull 預估 1 kWp 組列年發電量 = 1 x 4 x 365 = 1460 kWh
時間時間時間時間
FAQ3太陽光發電的成本(簡易估算)
1 假設目前太陽光發電系統設置成本約為 NT$ 280000 kWp
2 假設年平均每日日照時數約為 25 Sun Hour (台灣中南部地區)
bull 1 kWp 組列單日發電量= 1 (kW) x 25 (Hour)= 25 kWh
bull 1 kWp 組列年發電量= 25 x 365 = 913 kWh (度)
3 假設太陽光發電系統使用壽命為 20 年
bull 1 kWp 太陽光發電系統總共可發電 20 x 913 = 18260 度
4 生產每度電之成本約為 280000 18260 ~ NT$ 153
5 未來發展趨勢
bull 太陽光發電系統設置成本將逐年降低
bull 市電電費將會升高(國內目前約 NT$ 3 度日本約NT$ 7 度)
bull 傳統能源限制再生能源獎勵利率降低
64獨立型太陽光發電系統應用例(一)
bull太陽電池時鐘-日本bull太陽電池路燈-日本千里住宅公園
獨立型太陽光發電系統應用例(二)
bull太陽電池交通標誌-日本北海道 bull高速公路緊急電話-日本
獨立型太陽光發電系統應用例(三)
bull800W無線通信中繼基地台韓國(1998)
獨立型太陽光發電系統應用例(四)
bull離島用90kW獨立型發電系統韓國Ho-Do島(1992)
併聯型太陽光發電系統應用例(一)
bull設置於屋頂之住宅用太陽光發電系統(建材一體型日本千里住宅公園內住宅設計之一)
併聯型太陽光發電系統應用例(二)
bull日本東海線新幹線京都車站之太陽光發電系統(100kWp)
併聯型太陽光發電系統應用例(三)
bull日本京瓷(Kyocera)京都總公司大樓之太陽電池發電系統(220kWp)
太陽光發電發電廠應用例
太陽電池發電廠
(PV Power Plant)
資料來源 ANIT
Srl Italy
建材一體型太陽電池模板應用例
bull資料來源 Pilkington Solar International GmbH 德國
太陽能車應用例
Honda Dream
bull資料來源 PV Special Research
Centre UNSW Australia
交大太陽能車
bull資料來源 National Chiao-Tung
University Taiwan
太陽光發電航太應用例(NASA Helios )
bull空中無線通訊平台應用
資料來源SkyOne Inc Taiwan
bull 飛行高度5-7 萬英呎(最高記錄 96000 英呎)
bull 時速60 mph (起飛 25 mph)
bull 翼展247 英呎bull 重量2000 磅bull 太陽電池效率要求gt22
資料來源httpwwwaerovironmentcomhomehtml
清雲技術學院 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
個人住宅 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
勤益技術學院 3kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
南台科技大學 10kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
總統府 10kWp 獨立型太陽光能發電系統 (9012)
海巡署南沙太平島 20kWp 混合型(柴油發電機)太陽光能發電系統 (9011)
90能源基金示範補助成果例
台電樹林 20kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
併聯型
台電台北市區處 20kWp 太陽光發電系統
(91能源基金示範補助成果)
併聯型
7結論
bull (1)提高電力轉換器效率
bull 轉換器的損失主要來自於開關切換時之損失為了可以降低濾波電路中電感和電容的體積可以提高切換頻率但是相對於開關的切換損失也因此而增加導致轉換器的效率降低因此發展零電壓或零電流切換技術應用於高切換頻率之轉換器將可以提高轉換器的效率
bull (2)提高太陽光發電系統之整體效率
bull 傳統之太陽光發電系統包含儲能系統和供電系統前級利用DCDC轉換器作最大功率追蹤後級則利用DCAC轉換器轉換能量供應給交流負載為了提高太陽光發電系統的整體效率在研究可提出了模組並聯控制技術以提昇各級電力轉換器的效率而在未來太陽光發電系統也將著重在單級電力轉換器的設計對於整體系統效率有較明顯的改善
8參考資料
1許國強ldquo太陽光發電原理與應用工研院材料所 薄膜技術組91年
2華志強黃崇倫ldquo智慧型能量控制於太陽光電能轉換系統國立雲林科技大學電機工程學系電力研討會97年
3林政達ldquo數位式市電並聯換流器與快速鎖相迴路控制器之研製國立雲林科技大學電機工程學系碩士論文92 年
4李思賢ldquo數位式單相低功率太陽光電能轉換系統國立中山大學電機工程學系碩士論文92 年
5洪世杰ldquo適用於再生能源之市電併聯型雙輸入供電系統國立中正大學電機工程研究所碩士論文93 年
6王廷興ldquo太陽能發電配電設計概要台北科技大學冷凍空調系 92年
7魏榮宗王文宏ldquo高效率太陽光電能源轉換系統 元智大學電機工程學系94年
[ ] 100)25(
)11
(exp
1)(exp
3
λminus+=
minus
=
+minus
minus+minus=
TKII
TTBk
qE
T
TII
where
R
IRVIRV
AkT
qIII
ISCRLG
r
GO
r
oros
sh
ssosLG
VI cell output current and voltagecell reverse saturation currentcell temperature in CBoltzmannrsquos constantelectronic chargeshort circuit current temperature coefficientsolar irradiation in Wmshort-circuit current at 25 Cand 1000 Wm
light-generated currentband gap for siliconideality factorsreference temperaturecell saturation current atshunt resistanceseries resistance
osI
T
kq
00170=IK
SCRIλ
LGI
GOE
921== ABKTr deg= 18301
orI
shR
sR
附錄附錄附錄附錄- 太陽能電池太陽能電池太陽能電池太陽能電池
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
(a) Equivalent circuit of a PV module and
(b) Typical PV module current-voltage and power-voltage characteristics
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
Characteristic of a PV module with temperature and irradiation (a) constant irradiation and varying temperature and (b) constant temperature and varying irradiation
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
系統範例系統範例系統範例系統範例
中途驛站電化PV離島用PV系統山岳地帶PV系統離島偏遠區
勤務指揮中心緊急避難所醫療院所公園學校地震觀測站森林嘹望台避難指示燈氣象觀測所水位警報PV系統河川安全燈防波堤安全PV燈
緊急防災
緊急供電系統管線電氣防蝕輸油管流量計PV系統市場廣告塔海上石油平台各種計測站PV系統發電廠情報指揮中心
產業用
住宅用供電系統緊急供電系統緊急照明系統帷幕牆遮陽棚採光罩屋瓦建築物
無線通信用中繼站基地台緊急電話中繼站電話通信PV系統Radio受信PV系統微波中繼站
通訊
農宅用電溫室栽培PV系統農業灌溉用自動灑水系統農牧電籬牛乳冷藏漁業養殖揚水通氣自動餵食器
農林漁牧
路燈交通號誌道路指示牌標誌燈太陽能電動車充電站高速公路緊急電話偏遠道路緊急電話停車計時器停車場控制門系統高速公路防音壁PV系統公路休息區PV系統太陽能車平交道指示燈候車亭PV系統車站屋頂型PV系統
道路交通
收音機測電表手錶計算機太陽能照相機手電筒電池充電器野營燈民生
應用領域
發電系統經由發電系統經由發電系統經由發電系統經由110V220V110V220V110V220V110V220V併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者併接於電業之配電系統者發電設發電設發電設發電設備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能備至少應具備下列保護功能
1 過電壓保護 低電壓保護
2 低頻保護 高頻保護
3 過電流保護 零相過電壓接地保護
4 發電設備為無逆送電力者須加裝逆電力保護
5 發電設備為有逆送電力者必須具備主動及被動防止單獨運轉保護
發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經發電設備採用直交流變壓器經110V220V110V220V110V220V110V220V系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者系統與電業併接者在電在電在電在電源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器源引出點應裝設直交流隔離變壓器借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者借直流電流感應器保護者在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器在安全無顧慮下可省略直交流隔離變壓器
發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業114KV228KV114KV228KV114KV228KV114KV228KV之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者((((高高高高壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶))))發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Extremely Inverse特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Extremely Inverse特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過流電驛(67)須具Normal Inverse特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
發電設備併接於電業69KV特高壓輸電系統者發電設備之輸出端至少應具有下列同等保護功能並須與電業該轄區之保護設備協調
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Normal Inverse之特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Normal Inverse之特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過電流電驛(67)須具Normal Inverse之特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
8 快速及後衛保護電驛如系統保護需要時應裝設
9 匯流排電驛採用GIS斷路器者應裝設
62626262太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範
1 故障電流
太陽光電發電系統大於100kW以上須計算故障電流其送至電業系統之故障電流不得影響電業及其他用戶斷路器之起斷容量否則需裝置限流電抗器
太陽光電發電系統之隔離變壓器接地方式須與電業之系統配合
2 正常電壓變動率應維持在plusmn5以內
3 太陽光電發電系統與電業間之責任分界點的功率因數以維持85落後至100之間運轉為原則
4 諧波污染限制應依照「電力系統諧波管制暫行標準」辦理
分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性
適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯型之規範型之規範型之規範型之規範
電力轉換器電力轉換器電力轉換器電力轉換器(電力調節器電力調節器電力調節器電力調節器)(InverterConditioner)
蓄電池蓄電池蓄電池蓄電池(Battery))
63大型(商用)太陽光發電系統應用(gt1 kWp)
太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統
單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池(Unit Solar Cell)
太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板(PV Module)
太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列(PV Array)
太陽光發電系統應用獨立系統
(A) 獨立系統(Stand-Alone
System)
bull 蓄電池保護壽命
(B) 混合型交流獨立系統 (Hybrid
System)
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
直流負載PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
整流器
輔助發電機
PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載- ~PCU
直直直直交流轉換器交流轉換器交流轉換器交流轉換器
太陽光發電系統應用併聯系統
(D)併聯系統(Grid-
connected System)
特殊功能1 最佳效能2 防止獨立運轉(連線保護)
3 可自力運轉
(E) 防逆流型系統(Off-line System)
(F) 防災型併聯系統
充電控制器
蓄電池
直交流轉換器
PCU太陽電池組列
交流負載
ATS
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
獨立型系統
適用地點高山離島基地台hellip等市電無法到達處
工作方式白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
必須可以自給自足
缺點bull 系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等
安全係數設計很困難)
bull 蓄電池建置複雜成本很高壽命很短
bull 負載搭配不良時發電效能不佳利用率將偏低
bull 需由專人隨時維護
bull 混合系統為一種解決方法
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
PCU
併聯型系統
適用地點電力正常送達之任何地點工作方式 bull 白天 PV系統併聯發電夜間由台電供電bull 將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的蓄電池
優點bull 系統簡單不需安全係數設計(依預算設計)不需要專人維護bull 併聯發電效率高利用率高
缺點bull 停電時無電可用bull 受併聯法規限制尚未開放(但即將開放)
bull 有孤島效應之疑慮(目前技術上已解決)
改善型無電池自力運轉
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
市電併聯型住宅用太陽光發電系統
太陽光發電系統發電及負載用電對時間之關係
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
併聯型直交流轉換器之效能要求較高
1 最大功率追蹤(Maximum Power Tracking MPT)
2 高轉換效率 gt 90 (PWM+電力電子元件)
3 高次諧波功率 Distortion (lt5 total)
4 自動開關機(白天夜晚)
5 過負載保護過溫度保護
6 體積小重量輕室外防水防塵
7 電腦界面可遠端監控
8 防止獨立運轉(連線保護)
9 可自力運轉
太陽電池組列
交流負載
直交流轉換器MPT
Power Conditioner
併聯系統之獨立運轉(單獨運轉)
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull停電時單一併聯系統將會停止運作
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
bull 市電停電時多數併聯系統仍聯合運作將對電力公司人員產生嚴重危害
孤島效應之防止方法
停電偵測1 過電壓低電壓
2 過頻率低頻率
3 被動式偵測如
bull 電壓與頻率監視方式
bull 電壓相位跳躍監視方式
bull 高次諧波監視方式
bull 頻率變化監視方式
PV組列
直交流轉換器
自家負載
4 主動偵測如
bull 頻率Shift方式
bull 配電線負載變動方式
bull 有效電力變動方式
bull 無效電力變動方式
反應時間05~2秒
資料來源「日本電氣用品試驗所」分散型電源系統連系技術指針(1998)
併聯系統之自力運轉功能
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull 大停電後白天有陽光時以人工啟動 PV 系統進行自力運轉供自家負載使用(但夜間無法使用)
防災型併聯型系統
適用地點有防災需求(照明汲水通信hellip)之公共設施
工作方式
bull 平時PV併聯發電(電池浮充) 效率高利用率高夜間由台電供電
bull 視需要建置供防災用電池大停電時白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
缺點bull 含電池成本較高bull 系統較複雜需專人定期維護
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
FAQ1太陽光發電需要多少土地
效率 = (輸出功率W) (組列面積 m2 x 日照強度 Wm2 ) x 100
模板面積 m2 = 輸出功率W (效率 x日照強度Wm2 ) x100
bull 假設使用效率gt136 模板於1000 Wm2 (AM15)日照強度下
10 kWp 模板面積 (m2) = 10000 (0136 x 1000) ~ 735 m2
10 kWp PV系統土地面積需求約
~ 735 m2 x 15 x 11
~ 121m2 (~36坪)
(包括陰影面積及維修空間)
bull 假設使用效率~10 模板
則模板面積約 ~ 100 m2
土地面積需求約 ~ 165m2 (~50坪)
gt55o
夏至
冬至
春秋分
235o 235oh
L1 L2
FAQ2太陽電池一年能發多少電
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
10 kWm2
05 kWm2
日照強度
等效日照時數(Sun Hour)
組列單日發電量 = 組列額定輸出功率 x 等效日照時數
bull 預估1 kWp 組列單日發電量 = 1 (kW) x ex 4(Sun Hour)= 4 kWh
組列年發電量 = 組列額定輸出功率 x 年平均每日日照時數 x 365
bull 預估 1 kWp 組列年發電量 = 1 x 4 x 365 = 1460 kWh
時間時間時間時間
FAQ3太陽光發電的成本(簡易估算)
1 假設目前太陽光發電系統設置成本約為 NT$ 280000 kWp
2 假設年平均每日日照時數約為 25 Sun Hour (台灣中南部地區)
bull 1 kWp 組列單日發電量= 1 (kW) x 25 (Hour)= 25 kWh
bull 1 kWp 組列年發電量= 25 x 365 = 913 kWh (度)
3 假設太陽光發電系統使用壽命為 20 年
bull 1 kWp 太陽光發電系統總共可發電 20 x 913 = 18260 度
4 生產每度電之成本約為 280000 18260 ~ NT$ 153
5 未來發展趨勢
bull 太陽光發電系統設置成本將逐年降低
bull 市電電費將會升高(國內目前約 NT$ 3 度日本約NT$ 7 度)
bull 傳統能源限制再生能源獎勵利率降低
64獨立型太陽光發電系統應用例(一)
bull太陽電池時鐘-日本bull太陽電池路燈-日本千里住宅公園
獨立型太陽光發電系統應用例(二)
bull太陽電池交通標誌-日本北海道 bull高速公路緊急電話-日本
獨立型太陽光發電系統應用例(三)
bull800W無線通信中繼基地台韓國(1998)
獨立型太陽光發電系統應用例(四)
bull離島用90kW獨立型發電系統韓國Ho-Do島(1992)
併聯型太陽光發電系統應用例(一)
bull設置於屋頂之住宅用太陽光發電系統(建材一體型日本千里住宅公園內住宅設計之一)
併聯型太陽光發電系統應用例(二)
bull日本東海線新幹線京都車站之太陽光發電系統(100kWp)
併聯型太陽光發電系統應用例(三)
bull日本京瓷(Kyocera)京都總公司大樓之太陽電池發電系統(220kWp)
太陽光發電發電廠應用例
太陽電池發電廠
(PV Power Plant)
資料來源 ANIT
Srl Italy
建材一體型太陽電池模板應用例
bull資料來源 Pilkington Solar International GmbH 德國
太陽能車應用例
Honda Dream
bull資料來源 PV Special Research
Centre UNSW Australia
交大太陽能車
bull資料來源 National Chiao-Tung
University Taiwan
太陽光發電航太應用例(NASA Helios )
bull空中無線通訊平台應用
資料來源SkyOne Inc Taiwan
bull 飛行高度5-7 萬英呎(最高記錄 96000 英呎)
bull 時速60 mph (起飛 25 mph)
bull 翼展247 英呎bull 重量2000 磅bull 太陽電池效率要求gt22
資料來源httpwwwaerovironmentcomhomehtml
清雲技術學院 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
個人住宅 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
勤益技術學院 3kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
南台科技大學 10kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
總統府 10kWp 獨立型太陽光能發電系統 (9012)
海巡署南沙太平島 20kWp 混合型(柴油發電機)太陽光能發電系統 (9011)
90能源基金示範補助成果例
台電樹林 20kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
併聯型
台電台北市區處 20kWp 太陽光發電系統
(91能源基金示範補助成果)
併聯型
7結論
bull (1)提高電力轉換器效率
bull 轉換器的損失主要來自於開關切換時之損失為了可以降低濾波電路中電感和電容的體積可以提高切換頻率但是相對於開關的切換損失也因此而增加導致轉換器的效率降低因此發展零電壓或零電流切換技術應用於高切換頻率之轉換器將可以提高轉換器的效率
bull (2)提高太陽光發電系統之整體效率
bull 傳統之太陽光發電系統包含儲能系統和供電系統前級利用DCDC轉換器作最大功率追蹤後級則利用DCAC轉換器轉換能量供應給交流負載為了提高太陽光發電系統的整體效率在研究可提出了模組並聯控制技術以提昇各級電力轉換器的效率而在未來太陽光發電系統也將著重在單級電力轉換器的設計對於整體系統效率有較明顯的改善
8參考資料
1許國強ldquo太陽光發電原理與應用工研院材料所 薄膜技術組91年
2華志強黃崇倫ldquo智慧型能量控制於太陽光電能轉換系統國立雲林科技大學電機工程學系電力研討會97年
3林政達ldquo數位式市電並聯換流器與快速鎖相迴路控制器之研製國立雲林科技大學電機工程學系碩士論文92 年
4李思賢ldquo數位式單相低功率太陽光電能轉換系統國立中山大學電機工程學系碩士論文92 年
5洪世杰ldquo適用於再生能源之市電併聯型雙輸入供電系統國立中正大學電機工程研究所碩士論文93 年
6王廷興ldquo太陽能發電配電設計概要台北科技大學冷凍空調系 92年
7魏榮宗王文宏ldquo高效率太陽光電能源轉換系統 元智大學電機工程學系94年
[ ] 100)25(
)11
(exp
1)(exp
3
λminus+=
minus
=
+minus
minus+minus=
TKII
TTBk
qE
T
TII
where
R
IRVIRV
AkT
qIII
ISCRLG
r
GO
r
oros
sh
ssosLG
VI cell output current and voltagecell reverse saturation currentcell temperature in CBoltzmannrsquos constantelectronic chargeshort circuit current temperature coefficientsolar irradiation in Wmshort-circuit current at 25 Cand 1000 Wm
light-generated currentband gap for siliconideality factorsreference temperaturecell saturation current atshunt resistanceseries resistance
osI
T
kq
00170=IK
SCRIλ
LGI
GOE
921== ABKTr deg= 18301
orI
shR
sR
附錄附錄附錄附錄- 太陽能電池太陽能電池太陽能電池太陽能電池
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
(a) Equivalent circuit of a PV module and
(b) Typical PV module current-voltage and power-voltage characteristics
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
Characteristic of a PV module with temperature and irradiation (a) constant irradiation and varying temperature and (b) constant temperature and varying irradiation
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
系統範例系統範例系統範例系統範例
中途驛站電化PV離島用PV系統山岳地帶PV系統離島偏遠區
勤務指揮中心緊急避難所醫療院所公園學校地震觀測站森林嘹望台避難指示燈氣象觀測所水位警報PV系統河川安全燈防波堤安全PV燈
緊急防災
緊急供電系統管線電氣防蝕輸油管流量計PV系統市場廣告塔海上石油平台各種計測站PV系統發電廠情報指揮中心
產業用
住宅用供電系統緊急供電系統緊急照明系統帷幕牆遮陽棚採光罩屋瓦建築物
無線通信用中繼站基地台緊急電話中繼站電話通信PV系統Radio受信PV系統微波中繼站
通訊
農宅用電溫室栽培PV系統農業灌溉用自動灑水系統農牧電籬牛乳冷藏漁業養殖揚水通氣自動餵食器
農林漁牧
路燈交通號誌道路指示牌標誌燈太陽能電動車充電站高速公路緊急電話偏遠道路緊急電話停車計時器停車場控制門系統高速公路防音壁PV系統公路休息區PV系統太陽能車平交道指示燈候車亭PV系統車站屋頂型PV系統
道路交通
收音機測電表手錶計算機太陽能照相機手電筒電池充電器野營燈民生
應用領域
發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業發電設備併接於電業114KV228KV114KV228KV114KV228KV114KV228KV之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者之高壓配電系統者((((高高高高壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶壓受電用戶))))發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端發電設備之輸出端應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能應具有下列保護功能
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Extremely Inverse特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Extremely Inverse特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過流電驛(67)須具Normal Inverse特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
發電設備併接於電業69KV特高壓輸電系統者發電設備之輸出端至少應具有下列同等保護功能並須與電業該轄區之保護設備協調
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Normal Inverse之特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Normal Inverse之特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過電流電驛(67)須具Normal Inverse之特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
8 快速及後衛保護電驛如系統保護需要時應裝設
9 匯流排電驛採用GIS斷路器者應裝設
62626262太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範
1 故障電流
太陽光電發電系統大於100kW以上須計算故障電流其送至電業系統之故障電流不得影響電業及其他用戶斷路器之起斷容量否則需裝置限流電抗器
太陽光電發電系統之隔離變壓器接地方式須與電業之系統配合
2 正常電壓變動率應維持在plusmn5以內
3 太陽光電發電系統與電業間之責任分界點的功率因數以維持85落後至100之間運轉為原則
4 諧波污染限制應依照「電力系統諧波管制暫行標準」辦理
分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性
適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯型之規範型之規範型之規範型之規範
電力轉換器電力轉換器電力轉換器電力轉換器(電力調節器電力調節器電力調節器電力調節器)(InverterConditioner)
蓄電池蓄電池蓄電池蓄電池(Battery))
63大型(商用)太陽光發電系統應用(gt1 kWp)
太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統
單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池(Unit Solar Cell)
太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板(PV Module)
太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列(PV Array)
太陽光發電系統應用獨立系統
(A) 獨立系統(Stand-Alone
System)
bull 蓄電池保護壽命
(B) 混合型交流獨立系統 (Hybrid
System)
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
直流負載PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
整流器
輔助發電機
PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載- ~PCU
直直直直交流轉換器交流轉換器交流轉換器交流轉換器
太陽光發電系統應用併聯系統
(D)併聯系統(Grid-
connected System)
特殊功能1 最佳效能2 防止獨立運轉(連線保護)
3 可自力運轉
(E) 防逆流型系統(Off-line System)
(F) 防災型併聯系統
充電控制器
蓄電池
直交流轉換器
PCU太陽電池組列
交流負載
ATS
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
獨立型系統
適用地點高山離島基地台hellip等市電無法到達處
工作方式白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
必須可以自給自足
缺點bull 系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等
安全係數設計很困難)
bull 蓄電池建置複雜成本很高壽命很短
bull 負載搭配不良時發電效能不佳利用率將偏低
bull 需由專人隨時維護
bull 混合系統為一種解決方法
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
PCU
併聯型系統
適用地點電力正常送達之任何地點工作方式 bull 白天 PV系統併聯發電夜間由台電供電bull 將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的蓄電池
優點bull 系統簡單不需安全係數設計(依預算設計)不需要專人維護bull 併聯發電效率高利用率高
缺點bull 停電時無電可用bull 受併聯法規限制尚未開放(但即將開放)
bull 有孤島效應之疑慮(目前技術上已解決)
改善型無電池自力運轉
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
市電併聯型住宅用太陽光發電系統
太陽光發電系統發電及負載用電對時間之關係
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
併聯型直交流轉換器之效能要求較高
1 最大功率追蹤(Maximum Power Tracking MPT)
2 高轉換效率 gt 90 (PWM+電力電子元件)
3 高次諧波功率 Distortion (lt5 total)
4 自動開關機(白天夜晚)
5 過負載保護過溫度保護
6 體積小重量輕室外防水防塵
7 電腦界面可遠端監控
8 防止獨立運轉(連線保護)
9 可自力運轉
太陽電池組列
交流負載
直交流轉換器MPT
Power Conditioner
併聯系統之獨立運轉(單獨運轉)
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull停電時單一併聯系統將會停止運作
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
bull 市電停電時多數併聯系統仍聯合運作將對電力公司人員產生嚴重危害
孤島效應之防止方法
停電偵測1 過電壓低電壓
2 過頻率低頻率
3 被動式偵測如
bull 電壓與頻率監視方式
bull 電壓相位跳躍監視方式
bull 高次諧波監視方式
bull 頻率變化監視方式
PV組列
直交流轉換器
自家負載
4 主動偵測如
bull 頻率Shift方式
bull 配電線負載變動方式
bull 有效電力變動方式
bull 無效電力變動方式
反應時間05~2秒
資料來源「日本電氣用品試驗所」分散型電源系統連系技術指針(1998)
併聯系統之自力運轉功能
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull 大停電後白天有陽光時以人工啟動 PV 系統進行自力運轉供自家負載使用(但夜間無法使用)
防災型併聯型系統
適用地點有防災需求(照明汲水通信hellip)之公共設施
工作方式
bull 平時PV併聯發電(電池浮充) 效率高利用率高夜間由台電供電
bull 視需要建置供防災用電池大停電時白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
缺點bull 含電池成本較高bull 系統較複雜需專人定期維護
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
FAQ1太陽光發電需要多少土地
效率 = (輸出功率W) (組列面積 m2 x 日照強度 Wm2 ) x 100
模板面積 m2 = 輸出功率W (效率 x日照強度Wm2 ) x100
bull 假設使用效率gt136 模板於1000 Wm2 (AM15)日照強度下
10 kWp 模板面積 (m2) = 10000 (0136 x 1000) ~ 735 m2
10 kWp PV系統土地面積需求約
~ 735 m2 x 15 x 11
~ 121m2 (~36坪)
(包括陰影面積及維修空間)
bull 假設使用效率~10 模板
則模板面積約 ~ 100 m2
土地面積需求約 ~ 165m2 (~50坪)
gt55o
夏至
冬至
春秋分
235o 235oh
L1 L2
FAQ2太陽電池一年能發多少電
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
10 kWm2
05 kWm2
日照強度
等效日照時數(Sun Hour)
組列單日發電量 = 組列額定輸出功率 x 等效日照時數
bull 預估1 kWp 組列單日發電量 = 1 (kW) x ex 4(Sun Hour)= 4 kWh
組列年發電量 = 組列額定輸出功率 x 年平均每日日照時數 x 365
bull 預估 1 kWp 組列年發電量 = 1 x 4 x 365 = 1460 kWh
時間時間時間時間
FAQ3太陽光發電的成本(簡易估算)
1 假設目前太陽光發電系統設置成本約為 NT$ 280000 kWp
2 假設年平均每日日照時數約為 25 Sun Hour (台灣中南部地區)
bull 1 kWp 組列單日發電量= 1 (kW) x 25 (Hour)= 25 kWh
bull 1 kWp 組列年發電量= 25 x 365 = 913 kWh (度)
3 假設太陽光發電系統使用壽命為 20 年
bull 1 kWp 太陽光發電系統總共可發電 20 x 913 = 18260 度
4 生產每度電之成本約為 280000 18260 ~ NT$ 153
5 未來發展趨勢
bull 太陽光發電系統設置成本將逐年降低
bull 市電電費將會升高(國內目前約 NT$ 3 度日本約NT$ 7 度)
bull 傳統能源限制再生能源獎勵利率降低
64獨立型太陽光發電系統應用例(一)
bull太陽電池時鐘-日本bull太陽電池路燈-日本千里住宅公園
獨立型太陽光發電系統應用例(二)
bull太陽電池交通標誌-日本北海道 bull高速公路緊急電話-日本
獨立型太陽光發電系統應用例(三)
bull800W無線通信中繼基地台韓國(1998)
獨立型太陽光發電系統應用例(四)
bull離島用90kW獨立型發電系統韓國Ho-Do島(1992)
併聯型太陽光發電系統應用例(一)
bull設置於屋頂之住宅用太陽光發電系統(建材一體型日本千里住宅公園內住宅設計之一)
併聯型太陽光發電系統應用例(二)
bull日本東海線新幹線京都車站之太陽光發電系統(100kWp)
併聯型太陽光發電系統應用例(三)
bull日本京瓷(Kyocera)京都總公司大樓之太陽電池發電系統(220kWp)
太陽光發電發電廠應用例
太陽電池發電廠
(PV Power Plant)
資料來源 ANIT
Srl Italy
建材一體型太陽電池模板應用例
bull資料來源 Pilkington Solar International GmbH 德國
太陽能車應用例
Honda Dream
bull資料來源 PV Special Research
Centre UNSW Australia
交大太陽能車
bull資料來源 National Chiao-Tung
University Taiwan
太陽光發電航太應用例(NASA Helios )
bull空中無線通訊平台應用
資料來源SkyOne Inc Taiwan
bull 飛行高度5-7 萬英呎(最高記錄 96000 英呎)
bull 時速60 mph (起飛 25 mph)
bull 翼展247 英呎bull 重量2000 磅bull 太陽電池效率要求gt22
資料來源httpwwwaerovironmentcomhomehtml
清雲技術學院 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
個人住宅 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
勤益技術學院 3kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
南台科技大學 10kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
總統府 10kWp 獨立型太陽光能發電系統 (9012)
海巡署南沙太平島 20kWp 混合型(柴油發電機)太陽光能發電系統 (9011)
90能源基金示範補助成果例
台電樹林 20kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
併聯型
台電台北市區處 20kWp 太陽光發電系統
(91能源基金示範補助成果)
併聯型
7結論
bull (1)提高電力轉換器效率
bull 轉換器的損失主要來自於開關切換時之損失為了可以降低濾波電路中電感和電容的體積可以提高切換頻率但是相對於開關的切換損失也因此而增加導致轉換器的效率降低因此發展零電壓或零電流切換技術應用於高切換頻率之轉換器將可以提高轉換器的效率
bull (2)提高太陽光發電系統之整體效率
bull 傳統之太陽光發電系統包含儲能系統和供電系統前級利用DCDC轉換器作最大功率追蹤後級則利用DCAC轉換器轉換能量供應給交流負載為了提高太陽光發電系統的整體效率在研究可提出了模組並聯控制技術以提昇各級電力轉換器的效率而在未來太陽光發電系統也將著重在單級電力轉換器的設計對於整體系統效率有較明顯的改善
8參考資料
1許國強ldquo太陽光發電原理與應用工研院材料所 薄膜技術組91年
2華志強黃崇倫ldquo智慧型能量控制於太陽光電能轉換系統國立雲林科技大學電機工程學系電力研討會97年
3林政達ldquo數位式市電並聯換流器與快速鎖相迴路控制器之研製國立雲林科技大學電機工程學系碩士論文92 年
4李思賢ldquo數位式單相低功率太陽光電能轉換系統國立中山大學電機工程學系碩士論文92 年
5洪世杰ldquo適用於再生能源之市電併聯型雙輸入供電系統國立中正大學電機工程研究所碩士論文93 年
6王廷興ldquo太陽能發電配電設計概要台北科技大學冷凍空調系 92年
7魏榮宗王文宏ldquo高效率太陽光電能源轉換系統 元智大學電機工程學系94年
[ ] 100)25(
)11
(exp
1)(exp
3
λminus+=
minus
=
+minus
minus+minus=
TKII
TTBk
qE
T
TII
where
R
IRVIRV
AkT
qIII
ISCRLG
r
GO
r
oros
sh
ssosLG
VI cell output current and voltagecell reverse saturation currentcell temperature in CBoltzmannrsquos constantelectronic chargeshort circuit current temperature coefficientsolar irradiation in Wmshort-circuit current at 25 Cand 1000 Wm
light-generated currentband gap for siliconideality factorsreference temperaturecell saturation current atshunt resistanceseries resistance
osI
T
kq
00170=IK
SCRIλ
LGI
GOE
921== ABKTr deg= 18301
orI
shR
sR
附錄附錄附錄附錄- 太陽能電池太陽能電池太陽能電池太陽能電池
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
(a) Equivalent circuit of a PV module and
(b) Typical PV module current-voltage and power-voltage characteristics
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
Characteristic of a PV module with temperature and irradiation (a) constant irradiation and varying temperature and (b) constant temperature and varying irradiation
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
系統範例系統範例系統範例系統範例
中途驛站電化PV離島用PV系統山岳地帶PV系統離島偏遠區
勤務指揮中心緊急避難所醫療院所公園學校地震觀測站森林嘹望台避難指示燈氣象觀測所水位警報PV系統河川安全燈防波堤安全PV燈
緊急防災
緊急供電系統管線電氣防蝕輸油管流量計PV系統市場廣告塔海上石油平台各種計測站PV系統發電廠情報指揮中心
產業用
住宅用供電系統緊急供電系統緊急照明系統帷幕牆遮陽棚採光罩屋瓦建築物
無線通信用中繼站基地台緊急電話中繼站電話通信PV系統Radio受信PV系統微波中繼站
通訊
農宅用電溫室栽培PV系統農業灌溉用自動灑水系統農牧電籬牛乳冷藏漁業養殖揚水通氣自動餵食器
農林漁牧
路燈交通號誌道路指示牌標誌燈太陽能電動車充電站高速公路緊急電話偏遠道路緊急電話停車計時器停車場控制門系統高速公路防音壁PV系統公路休息區PV系統太陽能車平交道指示燈候車亭PV系統車站屋頂型PV系統
道路交通
收音機測電表手錶計算機太陽能照相機手電筒電池充電器野營燈民生
應用領域
發電設備併接於電業69KV特高壓輸電系統者發電設備之輸出端至少應具有下列同等保護功能並須與電業該轄區之保護設備協調
1 相間過電流電驛(5051)附瞬時及具Normal Inverse之特性
2 接地過電流電驛(50N51N)附瞬時及具Normal Inverse之特性
3 接地過電壓電驛(59Vo)附延時特性
4 低電壓電驛(27)附延時特性
5 過電壓電驛(59)附延時特性
6 相間方向性過電流電驛(67)須具Normal Inverse之特性
7 高低頻電驛(81H81L)附延時特性
8 快速及後衛保護電驛如系統保護需要時應裝設
9 匯流排電驛採用GIS斷路器者應裝設
62626262太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範
1 故障電流
太陽光電發電系統大於100kW以上須計算故障電流其送至電業系統之故障電流不得影響電業及其他用戶斷路器之起斷容量否則需裝置限流電抗器
太陽光電發電系統之隔離變壓器接地方式須與電業之系統配合
2 正常電壓變動率應維持在plusmn5以內
3 太陽光電發電系統與電業間之責任分界點的功率因數以維持85落後至100之間運轉為原則
4 諧波污染限制應依照「電力系統諧波管制暫行標準」辦理
分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性
適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯型之規範型之規範型之規範型之規範
電力轉換器電力轉換器電力轉換器電力轉換器(電力調節器電力調節器電力調節器電力調節器)(InverterConditioner)
蓄電池蓄電池蓄電池蓄電池(Battery))
63大型(商用)太陽光發電系統應用(gt1 kWp)
太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統
單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池(Unit Solar Cell)
太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板(PV Module)
太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列(PV Array)
太陽光發電系統應用獨立系統
(A) 獨立系統(Stand-Alone
System)
bull 蓄電池保護壽命
(B) 混合型交流獨立系統 (Hybrid
System)
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
直流負載PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
整流器
輔助發電機
PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載- ~PCU
直直直直交流轉換器交流轉換器交流轉換器交流轉換器
太陽光發電系統應用併聯系統
(D)併聯系統(Grid-
connected System)
特殊功能1 最佳效能2 防止獨立運轉(連線保護)
3 可自力運轉
(E) 防逆流型系統(Off-line System)
(F) 防災型併聯系統
充電控制器
蓄電池
直交流轉換器
PCU太陽電池組列
交流負載
ATS
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
獨立型系統
適用地點高山離島基地台hellip等市電無法到達處
工作方式白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
必須可以自給自足
缺點bull 系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等
安全係數設計很困難)
bull 蓄電池建置複雜成本很高壽命很短
bull 負載搭配不良時發電效能不佳利用率將偏低
bull 需由專人隨時維護
bull 混合系統為一種解決方法
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
PCU
併聯型系統
適用地點電力正常送達之任何地點工作方式 bull 白天 PV系統併聯發電夜間由台電供電bull 將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的蓄電池
優點bull 系統簡單不需安全係數設計(依預算設計)不需要專人維護bull 併聯發電效率高利用率高
缺點bull 停電時無電可用bull 受併聯法規限制尚未開放(但即將開放)
bull 有孤島效應之疑慮(目前技術上已解決)
改善型無電池自力運轉
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
市電併聯型住宅用太陽光發電系統
太陽光發電系統發電及負載用電對時間之關係
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
併聯型直交流轉換器之效能要求較高
1 最大功率追蹤(Maximum Power Tracking MPT)
2 高轉換效率 gt 90 (PWM+電力電子元件)
3 高次諧波功率 Distortion (lt5 total)
4 自動開關機(白天夜晚)
5 過負載保護過溫度保護
6 體積小重量輕室外防水防塵
7 電腦界面可遠端監控
8 防止獨立運轉(連線保護)
9 可自力運轉
太陽電池組列
交流負載
直交流轉換器MPT
Power Conditioner
併聯系統之獨立運轉(單獨運轉)
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull停電時單一併聯系統將會停止運作
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
bull 市電停電時多數併聯系統仍聯合運作將對電力公司人員產生嚴重危害
孤島效應之防止方法
停電偵測1 過電壓低電壓
2 過頻率低頻率
3 被動式偵測如
bull 電壓與頻率監視方式
bull 電壓相位跳躍監視方式
bull 高次諧波監視方式
bull 頻率變化監視方式
PV組列
直交流轉換器
自家負載
4 主動偵測如
bull 頻率Shift方式
bull 配電線負載變動方式
bull 有效電力變動方式
bull 無效電力變動方式
反應時間05~2秒
資料來源「日本電氣用品試驗所」分散型電源系統連系技術指針(1998)
併聯系統之自力運轉功能
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull 大停電後白天有陽光時以人工啟動 PV 系統進行自力運轉供自家負載使用(但夜間無法使用)
防災型併聯型系統
適用地點有防災需求(照明汲水通信hellip)之公共設施
工作方式
bull 平時PV併聯發電(電池浮充) 效率高利用率高夜間由台電供電
bull 視需要建置供防災用電池大停電時白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
缺點bull 含電池成本較高bull 系統較複雜需專人定期維護
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
FAQ1太陽光發電需要多少土地
效率 = (輸出功率W) (組列面積 m2 x 日照強度 Wm2 ) x 100
模板面積 m2 = 輸出功率W (效率 x日照強度Wm2 ) x100
bull 假設使用效率gt136 模板於1000 Wm2 (AM15)日照強度下
10 kWp 模板面積 (m2) = 10000 (0136 x 1000) ~ 735 m2
10 kWp PV系統土地面積需求約
~ 735 m2 x 15 x 11
~ 121m2 (~36坪)
(包括陰影面積及維修空間)
bull 假設使用效率~10 模板
則模板面積約 ~ 100 m2
土地面積需求約 ~ 165m2 (~50坪)
gt55o
夏至
冬至
春秋分
235o 235oh
L1 L2
FAQ2太陽電池一年能發多少電
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
10 kWm2
05 kWm2
日照強度
等效日照時數(Sun Hour)
組列單日發電量 = 組列額定輸出功率 x 等效日照時數
bull 預估1 kWp 組列單日發電量 = 1 (kW) x ex 4(Sun Hour)= 4 kWh
組列年發電量 = 組列額定輸出功率 x 年平均每日日照時數 x 365
bull 預估 1 kWp 組列年發電量 = 1 x 4 x 365 = 1460 kWh
時間時間時間時間
FAQ3太陽光發電的成本(簡易估算)
1 假設目前太陽光發電系統設置成本約為 NT$ 280000 kWp
2 假設年平均每日日照時數約為 25 Sun Hour (台灣中南部地區)
bull 1 kWp 組列單日發電量= 1 (kW) x 25 (Hour)= 25 kWh
bull 1 kWp 組列年發電量= 25 x 365 = 913 kWh (度)
3 假設太陽光發電系統使用壽命為 20 年
bull 1 kWp 太陽光發電系統總共可發電 20 x 913 = 18260 度
4 生產每度電之成本約為 280000 18260 ~ NT$ 153
5 未來發展趨勢
bull 太陽光發電系統設置成本將逐年降低
bull 市電電費將會升高(國內目前約 NT$ 3 度日本約NT$ 7 度)
bull 傳統能源限制再生能源獎勵利率降低
64獨立型太陽光發電系統應用例(一)
bull太陽電池時鐘-日本bull太陽電池路燈-日本千里住宅公園
獨立型太陽光發電系統應用例(二)
bull太陽電池交通標誌-日本北海道 bull高速公路緊急電話-日本
獨立型太陽光發電系統應用例(三)
bull800W無線通信中繼基地台韓國(1998)
獨立型太陽光發電系統應用例(四)
bull離島用90kW獨立型發電系統韓國Ho-Do島(1992)
併聯型太陽光發電系統應用例(一)
bull設置於屋頂之住宅用太陽光發電系統(建材一體型日本千里住宅公園內住宅設計之一)
併聯型太陽光發電系統應用例(二)
bull日本東海線新幹線京都車站之太陽光發電系統(100kWp)
併聯型太陽光發電系統應用例(三)
bull日本京瓷(Kyocera)京都總公司大樓之太陽電池發電系統(220kWp)
太陽光發電發電廠應用例
太陽電池發電廠
(PV Power Plant)
資料來源 ANIT
Srl Italy
建材一體型太陽電池模板應用例
bull資料來源 Pilkington Solar International GmbH 德國
太陽能車應用例
Honda Dream
bull資料來源 PV Special Research
Centre UNSW Australia
交大太陽能車
bull資料來源 National Chiao-Tung
University Taiwan
太陽光發電航太應用例(NASA Helios )
bull空中無線通訊平台應用
資料來源SkyOne Inc Taiwan
bull 飛行高度5-7 萬英呎(最高記錄 96000 英呎)
bull 時速60 mph (起飛 25 mph)
bull 翼展247 英呎bull 重量2000 磅bull 太陽電池效率要求gt22
資料來源httpwwwaerovironmentcomhomehtml
清雲技術學院 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
個人住宅 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
勤益技術學院 3kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
南台科技大學 10kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
總統府 10kWp 獨立型太陽光能發電系統 (9012)
海巡署南沙太平島 20kWp 混合型(柴油發電機)太陽光能發電系統 (9011)
90能源基金示範補助成果例
台電樹林 20kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
併聯型
台電台北市區處 20kWp 太陽光發電系統
(91能源基金示範補助成果)
併聯型
7結論
bull (1)提高電力轉換器效率
bull 轉換器的損失主要來自於開關切換時之損失為了可以降低濾波電路中電感和電容的體積可以提高切換頻率但是相對於開關的切換損失也因此而增加導致轉換器的效率降低因此發展零電壓或零電流切換技術應用於高切換頻率之轉換器將可以提高轉換器的效率
bull (2)提高太陽光發電系統之整體效率
bull 傳統之太陽光發電系統包含儲能系統和供電系統前級利用DCDC轉換器作最大功率追蹤後級則利用DCAC轉換器轉換能量供應給交流負載為了提高太陽光發電系統的整體效率在研究可提出了模組並聯控制技術以提昇各級電力轉換器的效率而在未來太陽光發電系統也將著重在單級電力轉換器的設計對於整體系統效率有較明顯的改善
8參考資料
1許國強ldquo太陽光發電原理與應用工研院材料所 薄膜技術組91年
2華志強黃崇倫ldquo智慧型能量控制於太陽光電能轉換系統國立雲林科技大學電機工程學系電力研討會97年
3林政達ldquo數位式市電並聯換流器與快速鎖相迴路控制器之研製國立雲林科技大學電機工程學系碩士論文92 年
4李思賢ldquo數位式單相低功率太陽光電能轉換系統國立中山大學電機工程學系碩士論文92 年
5洪世杰ldquo適用於再生能源之市電併聯型雙輸入供電系統國立中正大學電機工程研究所碩士論文93 年
6王廷興ldquo太陽能發電配電設計概要台北科技大學冷凍空調系 92年
7魏榮宗王文宏ldquo高效率太陽光電能源轉換系統 元智大學電機工程學系94年
[ ] 100)25(
)11
(exp
1)(exp
3
λminus+=
minus
=
+minus
minus+minus=
TKII
TTBk
qE
T
TII
where
R
IRVIRV
AkT
qIII
ISCRLG
r
GO
r
oros
sh
ssosLG
VI cell output current and voltagecell reverse saturation currentcell temperature in CBoltzmannrsquos constantelectronic chargeshort circuit current temperature coefficientsolar irradiation in Wmshort-circuit current at 25 Cand 1000 Wm
light-generated currentband gap for siliconideality factorsreference temperaturecell saturation current atshunt resistanceseries resistance
osI
T
kq
00170=IK
SCRIλ
LGI
GOE
921== ABKTr deg= 18301
orI
shR
sR
附錄附錄附錄附錄- 太陽能電池太陽能電池太陽能電池太陽能電池
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
(a) Equivalent circuit of a PV module and
(b) Typical PV module current-voltage and power-voltage characteristics
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
Characteristic of a PV module with temperature and irradiation (a) constant irradiation and varying temperature and (b) constant temperature and varying irradiation
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
系統範例系統範例系統範例系統範例
中途驛站電化PV離島用PV系統山岳地帶PV系統離島偏遠區
勤務指揮中心緊急避難所醫療院所公園學校地震觀測站森林嘹望台避難指示燈氣象觀測所水位警報PV系統河川安全燈防波堤安全PV燈
緊急防災
緊急供電系統管線電氣防蝕輸油管流量計PV系統市場廣告塔海上石油平台各種計測站PV系統發電廠情報指揮中心
產業用
住宅用供電系統緊急供電系統緊急照明系統帷幕牆遮陽棚採光罩屋瓦建築物
無線通信用中繼站基地台緊急電話中繼站電話通信PV系統Radio受信PV系統微波中繼站
通訊
農宅用電溫室栽培PV系統農業灌溉用自動灑水系統農牧電籬牛乳冷藏漁業養殖揚水通氣自動餵食器
農林漁牧
路燈交通號誌道路指示牌標誌燈太陽能電動車充電站高速公路緊急電話偏遠道路緊急電話停車計時器停車場控制門系統高速公路防音壁PV系統公路休息區PV系統太陽能車平交道指示燈候車亭PV系統車站屋頂型PV系統
道路交通
收音機測電表手錶計算機太陽能照相機手電筒電池充電器野營燈民生
應用領域
62626262太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範太陽光電發電系統運轉規範
1 故障電流
太陽光電發電系統大於100kW以上須計算故障電流其送至電業系統之故障電流不得影響電業及其他用戶斷路器之起斷容量否則需裝置限流電抗器
太陽光電發電系統之隔離變壓器接地方式須與電業之系統配合
2 正常電壓變動率應維持在plusmn5以內
3 太陽光電發電系統與電業間之責任分界點的功率因數以維持85落後至100之間運轉為原則
4 諧波污染限制應依照「電力系統諧波管制暫行標準」辦理
分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性
適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯型之規範型之規範型之規範型之規範
電力轉換器電力轉換器電力轉換器電力轉換器(電力調節器電力調節器電力調節器電力調節器)(InverterConditioner)
蓄電池蓄電池蓄電池蓄電池(Battery))
63大型(商用)太陽光發電系統應用(gt1 kWp)
太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統
單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池(Unit Solar Cell)
太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板(PV Module)
太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列(PV Array)
太陽光發電系統應用獨立系統
(A) 獨立系統(Stand-Alone
System)
bull 蓄電池保護壽命
(B) 混合型交流獨立系統 (Hybrid
System)
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
直流負載PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
整流器
輔助發電機
PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載- ~PCU
直直直直交流轉換器交流轉換器交流轉換器交流轉換器
太陽光發電系統應用併聯系統
(D)併聯系統(Grid-
connected System)
特殊功能1 最佳效能2 防止獨立運轉(連線保護)
3 可自力運轉
(E) 防逆流型系統(Off-line System)
(F) 防災型併聯系統
充電控制器
蓄電池
直交流轉換器
PCU太陽電池組列
交流負載
ATS
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
獨立型系統
適用地點高山離島基地台hellip等市電無法到達處
工作方式白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
必須可以自給自足
缺點bull 系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等
安全係數設計很困難)
bull 蓄電池建置複雜成本很高壽命很短
bull 負載搭配不良時發電效能不佳利用率將偏低
bull 需由專人隨時維護
bull 混合系統為一種解決方法
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
PCU
併聯型系統
適用地點電力正常送達之任何地點工作方式 bull 白天 PV系統併聯發電夜間由台電供電bull 將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的蓄電池
優點bull 系統簡單不需安全係數設計(依預算設計)不需要專人維護bull 併聯發電效率高利用率高
缺點bull 停電時無電可用bull 受併聯法規限制尚未開放(但即將開放)
bull 有孤島效應之疑慮(目前技術上已解決)
改善型無電池自力運轉
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
市電併聯型住宅用太陽光發電系統
太陽光發電系統發電及負載用電對時間之關係
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
併聯型直交流轉換器之效能要求較高
1 最大功率追蹤(Maximum Power Tracking MPT)
2 高轉換效率 gt 90 (PWM+電力電子元件)
3 高次諧波功率 Distortion (lt5 total)
4 自動開關機(白天夜晚)
5 過負載保護過溫度保護
6 體積小重量輕室外防水防塵
7 電腦界面可遠端監控
8 防止獨立運轉(連線保護)
9 可自力運轉
太陽電池組列
交流負載
直交流轉換器MPT
Power Conditioner
併聯系統之獨立運轉(單獨運轉)
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull停電時單一併聯系統將會停止運作
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
bull 市電停電時多數併聯系統仍聯合運作將對電力公司人員產生嚴重危害
孤島效應之防止方法
停電偵測1 過電壓低電壓
2 過頻率低頻率
3 被動式偵測如
bull 電壓與頻率監視方式
bull 電壓相位跳躍監視方式
bull 高次諧波監視方式
bull 頻率變化監視方式
PV組列
直交流轉換器
自家負載
4 主動偵測如
bull 頻率Shift方式
bull 配電線負載變動方式
bull 有效電力變動方式
bull 無效電力變動方式
反應時間05~2秒
資料來源「日本電氣用品試驗所」分散型電源系統連系技術指針(1998)
併聯系統之自力運轉功能
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull 大停電後白天有陽光時以人工啟動 PV 系統進行自力運轉供自家負載使用(但夜間無法使用)
防災型併聯型系統
適用地點有防災需求(照明汲水通信hellip)之公共設施
工作方式
bull 平時PV併聯發電(電池浮充) 效率高利用率高夜間由台電供電
bull 視需要建置供防災用電池大停電時白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
缺點bull 含電池成本較高bull 系統較複雜需專人定期維護
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
FAQ1太陽光發電需要多少土地
效率 = (輸出功率W) (組列面積 m2 x 日照強度 Wm2 ) x 100
模板面積 m2 = 輸出功率W (效率 x日照強度Wm2 ) x100
bull 假設使用效率gt136 模板於1000 Wm2 (AM15)日照強度下
10 kWp 模板面積 (m2) = 10000 (0136 x 1000) ~ 735 m2
10 kWp PV系統土地面積需求約
~ 735 m2 x 15 x 11
~ 121m2 (~36坪)
(包括陰影面積及維修空間)
bull 假設使用效率~10 模板
則模板面積約 ~ 100 m2
土地面積需求約 ~ 165m2 (~50坪)
gt55o
夏至
冬至
春秋分
235o 235oh
L1 L2
FAQ2太陽電池一年能發多少電
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
10 kWm2
05 kWm2
日照強度
等效日照時數(Sun Hour)
組列單日發電量 = 組列額定輸出功率 x 等效日照時數
bull 預估1 kWp 組列單日發電量 = 1 (kW) x ex 4(Sun Hour)= 4 kWh
組列年發電量 = 組列額定輸出功率 x 年平均每日日照時數 x 365
bull 預估 1 kWp 組列年發電量 = 1 x 4 x 365 = 1460 kWh
時間時間時間時間
FAQ3太陽光發電的成本(簡易估算)
1 假設目前太陽光發電系統設置成本約為 NT$ 280000 kWp
2 假設年平均每日日照時數約為 25 Sun Hour (台灣中南部地區)
bull 1 kWp 組列單日發電量= 1 (kW) x 25 (Hour)= 25 kWh
bull 1 kWp 組列年發電量= 25 x 365 = 913 kWh (度)
3 假設太陽光發電系統使用壽命為 20 年
bull 1 kWp 太陽光發電系統總共可發電 20 x 913 = 18260 度
4 生產每度電之成本約為 280000 18260 ~ NT$ 153
5 未來發展趨勢
bull 太陽光發電系統設置成本將逐年降低
bull 市電電費將會升高(國內目前約 NT$ 3 度日本約NT$ 7 度)
bull 傳統能源限制再生能源獎勵利率降低
64獨立型太陽光發電系統應用例(一)
bull太陽電池時鐘-日本bull太陽電池路燈-日本千里住宅公園
獨立型太陽光發電系統應用例(二)
bull太陽電池交通標誌-日本北海道 bull高速公路緊急電話-日本
獨立型太陽光發電系統應用例(三)
bull800W無線通信中繼基地台韓國(1998)
獨立型太陽光發電系統應用例(四)
bull離島用90kW獨立型發電系統韓國Ho-Do島(1992)
併聯型太陽光發電系統應用例(一)
bull設置於屋頂之住宅用太陽光發電系統(建材一體型日本千里住宅公園內住宅設計之一)
併聯型太陽光發電系統應用例(二)
bull日本東海線新幹線京都車站之太陽光發電系統(100kWp)
併聯型太陽光發電系統應用例(三)
bull日本京瓷(Kyocera)京都總公司大樓之太陽電池發電系統(220kWp)
太陽光發電發電廠應用例
太陽電池發電廠
(PV Power Plant)
資料來源 ANIT
Srl Italy
建材一體型太陽電池模板應用例
bull資料來源 Pilkington Solar International GmbH 德國
太陽能車應用例
Honda Dream
bull資料來源 PV Special Research
Centre UNSW Australia
交大太陽能車
bull資料來源 National Chiao-Tung
University Taiwan
太陽光發電航太應用例(NASA Helios )
bull空中無線通訊平台應用
資料來源SkyOne Inc Taiwan
bull 飛行高度5-7 萬英呎(最高記錄 96000 英呎)
bull 時速60 mph (起飛 25 mph)
bull 翼展247 英呎bull 重量2000 磅bull 太陽電池效率要求gt22
資料來源httpwwwaerovironmentcomhomehtml
清雲技術學院 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
個人住宅 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
勤益技術學院 3kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
南台科技大學 10kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
總統府 10kWp 獨立型太陽光能發電系統 (9012)
海巡署南沙太平島 20kWp 混合型(柴油發電機)太陽光能發電系統 (9011)
90能源基金示範補助成果例
台電樹林 20kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
併聯型
台電台北市區處 20kWp 太陽光發電系統
(91能源基金示範補助成果)
併聯型
7結論
bull (1)提高電力轉換器效率
bull 轉換器的損失主要來自於開關切換時之損失為了可以降低濾波電路中電感和電容的體積可以提高切換頻率但是相對於開關的切換損失也因此而增加導致轉換器的效率降低因此發展零電壓或零電流切換技術應用於高切換頻率之轉換器將可以提高轉換器的效率
bull (2)提高太陽光發電系統之整體效率
bull 傳統之太陽光發電系統包含儲能系統和供電系統前級利用DCDC轉換器作最大功率追蹤後級則利用DCAC轉換器轉換能量供應給交流負載為了提高太陽光發電系統的整體效率在研究可提出了模組並聯控制技術以提昇各級電力轉換器的效率而在未來太陽光發電系統也將著重在單級電力轉換器的設計對於整體系統效率有較明顯的改善
8參考資料
1許國強ldquo太陽光發電原理與應用工研院材料所 薄膜技術組91年
2華志強黃崇倫ldquo智慧型能量控制於太陽光電能轉換系統國立雲林科技大學電機工程學系電力研討會97年
3林政達ldquo數位式市電並聯換流器與快速鎖相迴路控制器之研製國立雲林科技大學電機工程學系碩士論文92 年
4李思賢ldquo數位式單相低功率太陽光電能轉換系統國立中山大學電機工程學系碩士論文92 年
5洪世杰ldquo適用於再生能源之市電併聯型雙輸入供電系統國立中正大學電機工程研究所碩士論文93 年
6王廷興ldquo太陽能發電配電設計概要台北科技大學冷凍空調系 92年
7魏榮宗王文宏ldquo高效率太陽光電能源轉換系統 元智大學電機工程學系94年
[ ] 100)25(
)11
(exp
1)(exp
3
λminus+=
minus
=
+minus
minus+minus=
TKII
TTBk
qE
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where
R
IRVIRV
AkT
qIII
ISCRLG
r
GO
r
oros
sh
ssosLG
VI cell output current and voltagecell reverse saturation currentcell temperature in CBoltzmannrsquos constantelectronic chargeshort circuit current temperature coefficientsolar irradiation in Wmshort-circuit current at 25 Cand 1000 Wm
light-generated currentband gap for siliconideality factorsreference temperaturecell saturation current atshunt resistanceseries resistance
osI
T
kq
00170=IK
SCRIλ
LGI
GOE
921== ABKTr deg= 18301
orI
shR
sR
附錄附錄附錄附錄- 太陽能電池太陽能電池太陽能電池太陽能電池
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
(a) Equivalent circuit of a PV module and
(b) Typical PV module current-voltage and power-voltage characteristics
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
Characteristic of a PV module with temperature and irradiation (a) constant irradiation and varying temperature and (b) constant temperature and varying irradiation
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
系統範例系統範例系統範例系統範例
中途驛站電化PV離島用PV系統山岳地帶PV系統離島偏遠區
勤務指揮中心緊急避難所醫療院所公園學校地震觀測站森林嘹望台避難指示燈氣象觀測所水位警報PV系統河川安全燈防波堤安全PV燈
緊急防災
緊急供電系統管線電氣防蝕輸油管流量計PV系統市場廣告塔海上石油平台各種計測站PV系統發電廠情報指揮中心
產業用
住宅用供電系統緊急供電系統緊急照明系統帷幕牆遮陽棚採光罩屋瓦建築物
無線通信用中繼站基地台緊急電話中繼站電話通信PV系統Radio受信PV系統微波中繼站
通訊
農宅用電溫室栽培PV系統農業灌溉用自動灑水系統農牧電籬牛乳冷藏漁業養殖揚水通氣自動餵食器
農林漁牧
路燈交通號誌道路指示牌標誌燈太陽能電動車充電站高速公路緊急電話偏遠道路緊急電話停車計時器停車場控制門系統高速公路防音壁PV系統公路休息區PV系統太陽能車平交道指示燈候車亭PV系統車站屋頂型PV系統
道路交通
收音機測電表手錶計算機太陽能照相機手電筒電池充電器野營燈民生
應用領域
分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性分類及其運用特性
適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯型之規範型之規範型之規範型之規範
電力轉換器電力轉換器電力轉換器電力轉換器(電力調節器電力調節器電力調節器電力調節器)(InverterConditioner)
蓄電池蓄電池蓄電池蓄電池(Battery))
63大型(商用)太陽光發電系統應用(gt1 kWp)
太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統
單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池(Unit Solar Cell)
太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板(PV Module)
太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列(PV Array)
太陽光發電系統應用獨立系統
(A) 獨立系統(Stand-Alone
System)
bull 蓄電池保護壽命
(B) 混合型交流獨立系統 (Hybrid
System)
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
直流負載PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
整流器
輔助發電機
PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載- ~PCU
直直直直交流轉換器交流轉換器交流轉換器交流轉換器
太陽光發電系統應用併聯系統
(D)併聯系統(Grid-
connected System)
特殊功能1 最佳效能2 防止獨立運轉(連線保護)
3 可自力運轉
(E) 防逆流型系統(Off-line System)
(F) 防災型併聯系統
充電控制器
蓄電池
直交流轉換器
PCU太陽電池組列
交流負載
ATS
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
獨立型系統
適用地點高山離島基地台hellip等市電無法到達處
工作方式白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
必須可以自給自足
缺點bull 系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等
安全係數設計很困難)
bull 蓄電池建置複雜成本很高壽命很短
bull 負載搭配不良時發電效能不佳利用率將偏低
bull 需由專人隨時維護
bull 混合系統為一種解決方法
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
PCU
併聯型系統
適用地點電力正常送達之任何地點工作方式 bull 白天 PV系統併聯發電夜間由台電供電bull 將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的蓄電池
優點bull 系統簡單不需安全係數設計(依預算設計)不需要專人維護bull 併聯發電效率高利用率高
缺點bull 停電時無電可用bull 受併聯法規限制尚未開放(但即將開放)
bull 有孤島效應之疑慮(目前技術上已解決)
改善型無電池自力運轉
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
市電併聯型住宅用太陽光發電系統
太陽光發電系統發電及負載用電對時間之關係
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
併聯型直交流轉換器之效能要求較高
1 最大功率追蹤(Maximum Power Tracking MPT)
2 高轉換效率 gt 90 (PWM+電力電子元件)
3 高次諧波功率 Distortion (lt5 total)
4 自動開關機(白天夜晚)
5 過負載保護過溫度保護
6 體積小重量輕室外防水防塵
7 電腦界面可遠端監控
8 防止獨立運轉(連線保護)
9 可自力運轉
太陽電池組列
交流負載
直交流轉換器MPT
Power Conditioner
併聯系統之獨立運轉(單獨運轉)
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull停電時單一併聯系統將會停止運作
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
bull 市電停電時多數併聯系統仍聯合運作將對電力公司人員產生嚴重危害
孤島效應之防止方法
停電偵測1 過電壓低電壓
2 過頻率低頻率
3 被動式偵測如
bull 電壓與頻率監視方式
bull 電壓相位跳躍監視方式
bull 高次諧波監視方式
bull 頻率變化監視方式
PV組列
直交流轉換器
自家負載
4 主動偵測如
bull 頻率Shift方式
bull 配電線負載變動方式
bull 有效電力變動方式
bull 無效電力變動方式
反應時間05~2秒
資料來源「日本電氣用品試驗所」分散型電源系統連系技術指針(1998)
併聯系統之自力運轉功能
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull 大停電後白天有陽光時以人工啟動 PV 系統進行自力運轉供自家負載使用(但夜間無法使用)
防災型併聯型系統
適用地點有防災需求(照明汲水通信hellip)之公共設施
工作方式
bull 平時PV併聯發電(電池浮充) 效率高利用率高夜間由台電供電
bull 視需要建置供防災用電池大停電時白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
缺點bull 含電池成本較高bull 系統較複雜需專人定期維護
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
FAQ1太陽光發電需要多少土地
效率 = (輸出功率W) (組列面積 m2 x 日照強度 Wm2 ) x 100
模板面積 m2 = 輸出功率W (效率 x日照強度Wm2 ) x100
bull 假設使用效率gt136 模板於1000 Wm2 (AM15)日照強度下
10 kWp 模板面積 (m2) = 10000 (0136 x 1000) ~ 735 m2
10 kWp PV系統土地面積需求約
~ 735 m2 x 15 x 11
~ 121m2 (~36坪)
(包括陰影面積及維修空間)
bull 假設使用效率~10 模板
則模板面積約 ~ 100 m2
土地面積需求約 ~ 165m2 (~50坪)
gt55o
夏至
冬至
春秋分
235o 235oh
L1 L2
FAQ2太陽電池一年能發多少電
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
10 kWm2
05 kWm2
日照強度
等效日照時數(Sun Hour)
組列單日發電量 = 組列額定輸出功率 x 等效日照時數
bull 預估1 kWp 組列單日發電量 = 1 (kW) x ex 4(Sun Hour)= 4 kWh
組列年發電量 = 組列額定輸出功率 x 年平均每日日照時數 x 365
bull 預估 1 kWp 組列年發電量 = 1 x 4 x 365 = 1460 kWh
時間時間時間時間
FAQ3太陽光發電的成本(簡易估算)
1 假設目前太陽光發電系統設置成本約為 NT$ 280000 kWp
2 假設年平均每日日照時數約為 25 Sun Hour (台灣中南部地區)
bull 1 kWp 組列單日發電量= 1 (kW) x 25 (Hour)= 25 kWh
bull 1 kWp 組列年發電量= 25 x 365 = 913 kWh (度)
3 假設太陽光發電系統使用壽命為 20 年
bull 1 kWp 太陽光發電系統總共可發電 20 x 913 = 18260 度
4 生產每度電之成本約為 280000 18260 ~ NT$ 153
5 未來發展趨勢
bull 太陽光發電系統設置成本將逐年降低
bull 市電電費將會升高(國內目前約 NT$ 3 度日本約NT$ 7 度)
bull 傳統能源限制再生能源獎勵利率降低
64獨立型太陽光發電系統應用例(一)
bull太陽電池時鐘-日本bull太陽電池路燈-日本千里住宅公園
獨立型太陽光發電系統應用例(二)
bull太陽電池交通標誌-日本北海道 bull高速公路緊急電話-日本
獨立型太陽光發電系統應用例(三)
bull800W無線通信中繼基地台韓國(1998)
獨立型太陽光發電系統應用例(四)
bull離島用90kW獨立型發電系統韓國Ho-Do島(1992)
併聯型太陽光發電系統應用例(一)
bull設置於屋頂之住宅用太陽光發電系統(建材一體型日本千里住宅公園內住宅設計之一)
併聯型太陽光發電系統應用例(二)
bull日本東海線新幹線京都車站之太陽光發電系統(100kWp)
併聯型太陽光發電系統應用例(三)
bull日本京瓷(Kyocera)京都總公司大樓之太陽電池發電系統(220kWp)
太陽光發電發電廠應用例
太陽電池發電廠
(PV Power Plant)
資料來源 ANIT
Srl Italy
建材一體型太陽電池模板應用例
bull資料來源 Pilkington Solar International GmbH 德國
太陽能車應用例
Honda Dream
bull資料來源 PV Special Research
Centre UNSW Australia
交大太陽能車
bull資料來源 National Chiao-Tung
University Taiwan
太陽光發電航太應用例(NASA Helios )
bull空中無線通訊平台應用
資料來源SkyOne Inc Taiwan
bull 飛行高度5-7 萬英呎(最高記錄 96000 英呎)
bull 時速60 mph (起飛 25 mph)
bull 翼展247 英呎bull 重量2000 磅bull 太陽電池效率要求gt22
資料來源httpwwwaerovironmentcomhomehtml
清雲技術學院 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
個人住宅 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
勤益技術學院 3kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
南台科技大學 10kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
總統府 10kWp 獨立型太陽光能發電系統 (9012)
海巡署南沙太平島 20kWp 混合型(柴油發電機)太陽光能發電系統 (9011)
90能源基金示範補助成果例
台電樹林 20kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
併聯型
台電台北市區處 20kWp 太陽光發電系統
(91能源基金示範補助成果)
併聯型
7結論
bull (1)提高電力轉換器效率
bull 轉換器的損失主要來自於開關切換時之損失為了可以降低濾波電路中電感和電容的體積可以提高切換頻率但是相對於開關的切換損失也因此而增加導致轉換器的效率降低因此發展零電壓或零電流切換技術應用於高切換頻率之轉換器將可以提高轉換器的效率
bull (2)提高太陽光發電系統之整體效率
bull 傳統之太陽光發電系統包含儲能系統和供電系統前級利用DCDC轉換器作最大功率追蹤後級則利用DCAC轉換器轉換能量供應給交流負載為了提高太陽光發電系統的整體效率在研究可提出了模組並聯控制技術以提昇各級電力轉換器的效率而在未來太陽光發電系統也將著重在單級電力轉換器的設計對於整體系統效率有較明顯的改善
8參考資料
1許國強ldquo太陽光發電原理與應用工研院材料所 薄膜技術組91年
2華志強黃崇倫ldquo智慧型能量控制於太陽光電能轉換系統國立雲林科技大學電機工程學系電力研討會97年
3林政達ldquo數位式市電並聯換流器與快速鎖相迴路控制器之研製國立雲林科技大學電機工程學系碩士論文92 年
4李思賢ldquo數位式單相低功率太陽光電能轉換系統國立中山大學電機工程學系碩士論文92 年
5洪世杰ldquo適用於再生能源之市電併聯型雙輸入供電系統國立中正大學電機工程研究所碩士論文93 年
6王廷興ldquo太陽能發電配電設計概要台北科技大學冷凍空調系 92年
7魏榮宗王文宏ldquo高效率太陽光電能源轉換系統 元智大學電機工程學系94年
[ ] 100)25(
)11
(exp
1)(exp
3
λminus+=
minus
=
+minus
minus+minus=
TKII
TTBk
qE
T
TII
where
R
IRVIRV
AkT
qIII
ISCRLG
r
GO
r
oros
sh
ssosLG
VI cell output current and voltagecell reverse saturation currentcell temperature in CBoltzmannrsquos constantelectronic chargeshort circuit current temperature coefficientsolar irradiation in Wmshort-circuit current at 25 Cand 1000 Wm
light-generated currentband gap for siliconideality factorsreference temperaturecell saturation current atshunt resistanceseries resistance
osI
T
kq
00170=IK
SCRIλ
LGI
GOE
921== ABKTr deg= 18301
orI
shR
sR
附錄附錄附錄附錄- 太陽能電池太陽能電池太陽能電池太陽能電池
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
(a) Equivalent circuit of a PV module and
(b) Typical PV module current-voltage and power-voltage characteristics
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
Characteristic of a PV module with temperature and irradiation (a) constant irradiation and varying temperature and (b) constant temperature and varying irradiation
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
系統範例系統範例系統範例系統範例
中途驛站電化PV離島用PV系統山岳地帶PV系統離島偏遠區
勤務指揮中心緊急避難所醫療院所公園學校地震觀測站森林嘹望台避難指示燈氣象觀測所水位警報PV系統河川安全燈防波堤安全PV燈
緊急防災
緊急供電系統管線電氣防蝕輸油管流量計PV系統市場廣告塔海上石油平台各種計測站PV系統發電廠情報指揮中心
產業用
住宅用供電系統緊急供電系統緊急照明系統帷幕牆遮陽棚採光罩屋瓦建築物
無線通信用中繼站基地台緊急電話中繼站電話通信PV系統Radio受信PV系統微波中繼站
通訊
農宅用電溫室栽培PV系統農業灌溉用自動灑水系統農牧電籬牛乳冷藏漁業養殖揚水通氣自動餵食器
農林漁牧
路燈交通號誌道路指示牌標誌燈太陽能電動車充電站高速公路緊急電話偏遠道路緊急電話停車計時器停車場控制門系統高速公路防音壁PV系統公路休息區PV系統太陽能車平交道指示燈候車亭PV系統車站屋頂型PV系統
道路交通
收音機測電表手錶計算機太陽能照相機手電筒電池充電器野營燈民生
應用領域
適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯適用於獨立發電型及市電並聯型之規範型之規範型之規範型之規範
電力轉換器電力轉換器電力轉換器電力轉換器(電力調節器電力調節器電力調節器電力調節器)(InverterConditioner)
蓄電池蓄電池蓄電池蓄電池(Battery))
63大型(商用)太陽光發電系統應用(gt1 kWp)
太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統
單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池(Unit Solar Cell)
太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板(PV Module)
太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列(PV Array)
太陽光發電系統應用獨立系統
(A) 獨立系統(Stand-Alone
System)
bull 蓄電池保護壽命
(B) 混合型交流獨立系統 (Hybrid
System)
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
直流負載PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
整流器
輔助發電機
PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載- ~PCU
直直直直交流轉換器交流轉換器交流轉換器交流轉換器
太陽光發電系統應用併聯系統
(D)併聯系統(Grid-
connected System)
特殊功能1 最佳效能2 防止獨立運轉(連線保護)
3 可自力運轉
(E) 防逆流型系統(Off-line System)
(F) 防災型併聯系統
充電控制器
蓄電池
直交流轉換器
PCU太陽電池組列
交流負載
ATS
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
獨立型系統
適用地點高山離島基地台hellip等市電無法到達處
工作方式白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
必須可以自給自足
缺點bull 系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等
安全係數設計很困難)
bull 蓄電池建置複雜成本很高壽命很短
bull 負載搭配不良時發電效能不佳利用率將偏低
bull 需由專人隨時維護
bull 混合系統為一種解決方法
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
PCU
併聯型系統
適用地點電力正常送達之任何地點工作方式 bull 白天 PV系統併聯發電夜間由台電供電bull 將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的蓄電池
優點bull 系統簡單不需安全係數設計(依預算設計)不需要專人維護bull 併聯發電效率高利用率高
缺點bull 停電時無電可用bull 受併聯法規限制尚未開放(但即將開放)
bull 有孤島效應之疑慮(目前技術上已解決)
改善型無電池自力運轉
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
市電併聯型住宅用太陽光發電系統
太陽光發電系統發電及負載用電對時間之關係
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
併聯型直交流轉換器之效能要求較高
1 最大功率追蹤(Maximum Power Tracking MPT)
2 高轉換效率 gt 90 (PWM+電力電子元件)
3 高次諧波功率 Distortion (lt5 total)
4 自動開關機(白天夜晚)
5 過負載保護過溫度保護
6 體積小重量輕室外防水防塵
7 電腦界面可遠端監控
8 防止獨立運轉(連線保護)
9 可自力運轉
太陽電池組列
交流負載
直交流轉換器MPT
Power Conditioner
併聯系統之獨立運轉(單獨運轉)
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull停電時單一併聯系統將會停止運作
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
bull 市電停電時多數併聯系統仍聯合運作將對電力公司人員產生嚴重危害
孤島效應之防止方法
停電偵測1 過電壓低電壓
2 過頻率低頻率
3 被動式偵測如
bull 電壓與頻率監視方式
bull 電壓相位跳躍監視方式
bull 高次諧波監視方式
bull 頻率變化監視方式
PV組列
直交流轉換器
自家負載
4 主動偵測如
bull 頻率Shift方式
bull 配電線負載變動方式
bull 有效電力變動方式
bull 無效電力變動方式
反應時間05~2秒
資料來源「日本電氣用品試驗所」分散型電源系統連系技術指針(1998)
併聯系統之自力運轉功能
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull 大停電後白天有陽光時以人工啟動 PV 系統進行自力運轉供自家負載使用(但夜間無法使用)
防災型併聯型系統
適用地點有防災需求(照明汲水通信hellip)之公共設施
工作方式
bull 平時PV併聯發電(電池浮充) 效率高利用率高夜間由台電供電
bull 視需要建置供防災用電池大停電時白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
缺點bull 含電池成本較高bull 系統較複雜需專人定期維護
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
FAQ1太陽光發電需要多少土地
效率 = (輸出功率W) (組列面積 m2 x 日照強度 Wm2 ) x 100
模板面積 m2 = 輸出功率W (效率 x日照強度Wm2 ) x100
bull 假設使用效率gt136 模板於1000 Wm2 (AM15)日照強度下
10 kWp 模板面積 (m2) = 10000 (0136 x 1000) ~ 735 m2
10 kWp PV系統土地面積需求約
~ 735 m2 x 15 x 11
~ 121m2 (~36坪)
(包括陰影面積及維修空間)
bull 假設使用效率~10 模板
則模板面積約 ~ 100 m2
土地面積需求約 ~ 165m2 (~50坪)
gt55o
夏至
冬至
春秋分
235o 235oh
L1 L2
FAQ2太陽電池一年能發多少電
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
10 kWm2
05 kWm2
日照強度
等效日照時數(Sun Hour)
組列單日發電量 = 組列額定輸出功率 x 等效日照時數
bull 預估1 kWp 組列單日發電量 = 1 (kW) x ex 4(Sun Hour)= 4 kWh
組列年發電量 = 組列額定輸出功率 x 年平均每日日照時數 x 365
bull 預估 1 kWp 組列年發電量 = 1 x 4 x 365 = 1460 kWh
時間時間時間時間
FAQ3太陽光發電的成本(簡易估算)
1 假設目前太陽光發電系統設置成本約為 NT$ 280000 kWp
2 假設年平均每日日照時數約為 25 Sun Hour (台灣中南部地區)
bull 1 kWp 組列單日發電量= 1 (kW) x 25 (Hour)= 25 kWh
bull 1 kWp 組列年發電量= 25 x 365 = 913 kWh (度)
3 假設太陽光發電系統使用壽命為 20 年
bull 1 kWp 太陽光發電系統總共可發電 20 x 913 = 18260 度
4 生產每度電之成本約為 280000 18260 ~ NT$ 153
5 未來發展趨勢
bull 太陽光發電系統設置成本將逐年降低
bull 市電電費將會升高(國內目前約 NT$ 3 度日本約NT$ 7 度)
bull 傳統能源限制再生能源獎勵利率降低
64獨立型太陽光發電系統應用例(一)
bull太陽電池時鐘-日本bull太陽電池路燈-日本千里住宅公園
獨立型太陽光發電系統應用例(二)
bull太陽電池交通標誌-日本北海道 bull高速公路緊急電話-日本
獨立型太陽光發電系統應用例(三)
bull800W無線通信中繼基地台韓國(1998)
獨立型太陽光發電系統應用例(四)
bull離島用90kW獨立型發電系統韓國Ho-Do島(1992)
併聯型太陽光發電系統應用例(一)
bull設置於屋頂之住宅用太陽光發電系統(建材一體型日本千里住宅公園內住宅設計之一)
併聯型太陽光發電系統應用例(二)
bull日本東海線新幹線京都車站之太陽光發電系統(100kWp)
併聯型太陽光發電系統應用例(三)
bull日本京瓷(Kyocera)京都總公司大樓之太陽電池發電系統(220kWp)
太陽光發電發電廠應用例
太陽電池發電廠
(PV Power Plant)
資料來源 ANIT
Srl Italy
建材一體型太陽電池模板應用例
bull資料來源 Pilkington Solar International GmbH 德國
太陽能車應用例
Honda Dream
bull資料來源 PV Special Research
Centre UNSW Australia
交大太陽能車
bull資料來源 National Chiao-Tung
University Taiwan
太陽光發電航太應用例(NASA Helios )
bull空中無線通訊平台應用
資料來源SkyOne Inc Taiwan
bull 飛行高度5-7 萬英呎(最高記錄 96000 英呎)
bull 時速60 mph (起飛 25 mph)
bull 翼展247 英呎bull 重量2000 磅bull 太陽電池效率要求gt22
資料來源httpwwwaerovironmentcomhomehtml
清雲技術學院 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
個人住宅 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
勤益技術學院 3kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
南台科技大學 10kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
總統府 10kWp 獨立型太陽光能發電系統 (9012)
海巡署南沙太平島 20kWp 混合型(柴油發電機)太陽光能發電系統 (9011)
90能源基金示範補助成果例
台電樹林 20kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
併聯型
台電台北市區處 20kWp 太陽光發電系統
(91能源基金示範補助成果)
併聯型
7結論
bull (1)提高電力轉換器效率
bull 轉換器的損失主要來自於開關切換時之損失為了可以降低濾波電路中電感和電容的體積可以提高切換頻率但是相對於開關的切換損失也因此而增加導致轉換器的效率降低因此發展零電壓或零電流切換技術應用於高切換頻率之轉換器將可以提高轉換器的效率
bull (2)提高太陽光發電系統之整體效率
bull 傳統之太陽光發電系統包含儲能系統和供電系統前級利用DCDC轉換器作最大功率追蹤後級則利用DCAC轉換器轉換能量供應給交流負載為了提高太陽光發電系統的整體效率在研究可提出了模組並聯控制技術以提昇各級電力轉換器的效率而在未來太陽光發電系統也將著重在單級電力轉換器的設計對於整體系統效率有較明顯的改善
8參考資料
1許國強ldquo太陽光發電原理與應用工研院材料所 薄膜技術組91年
2華志強黃崇倫ldquo智慧型能量控制於太陽光電能轉換系統國立雲林科技大學電機工程學系電力研討會97年
3林政達ldquo數位式市電並聯換流器與快速鎖相迴路控制器之研製國立雲林科技大學電機工程學系碩士論文92 年
4李思賢ldquo數位式單相低功率太陽光電能轉換系統國立中山大學電機工程學系碩士論文92 年
5洪世杰ldquo適用於再生能源之市電併聯型雙輸入供電系統國立中正大學電機工程研究所碩士論文93 年
6王廷興ldquo太陽能發電配電設計概要台北科技大學冷凍空調系 92年
7魏榮宗王文宏ldquo高效率太陽光電能源轉換系統 元智大學電機工程學系94年
[ ] 100)25(
)11
(exp
1)(exp
3
λminus+=
minus
=
+minus
minus+minus=
TKII
TTBk
qE
T
TII
where
R
IRVIRV
AkT
qIII
ISCRLG
r
GO
r
oros
sh
ssosLG
VI cell output current and voltagecell reverse saturation currentcell temperature in CBoltzmannrsquos constantelectronic chargeshort circuit current temperature coefficientsolar irradiation in Wmshort-circuit current at 25 Cand 1000 Wm
light-generated currentband gap for siliconideality factorsreference temperaturecell saturation current atshunt resistanceseries resistance
osI
T
kq
00170=IK
SCRIλ
LGI
GOE
921== ABKTr deg= 18301
orI
shR
sR
附錄附錄附錄附錄- 太陽能電池太陽能電池太陽能電池太陽能電池
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
(a) Equivalent circuit of a PV module and
(b) Typical PV module current-voltage and power-voltage characteristics
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
Characteristic of a PV module with temperature and irradiation (a) constant irradiation and varying temperature and (b) constant temperature and varying irradiation
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
系統範例系統範例系統範例系統範例
中途驛站電化PV離島用PV系統山岳地帶PV系統離島偏遠區
勤務指揮中心緊急避難所醫療院所公園學校地震觀測站森林嘹望台避難指示燈氣象觀測所水位警報PV系統河川安全燈防波堤安全PV燈
緊急防災
緊急供電系統管線電氣防蝕輸油管流量計PV系統市場廣告塔海上石油平台各種計測站PV系統發電廠情報指揮中心
產業用
住宅用供電系統緊急供電系統緊急照明系統帷幕牆遮陽棚採光罩屋瓦建築物
無線通信用中繼站基地台緊急電話中繼站電話通信PV系統Radio受信PV系統微波中繼站
通訊
農宅用電溫室栽培PV系統農業灌溉用自動灑水系統農牧電籬牛乳冷藏漁業養殖揚水通氣自動餵食器
農林漁牧
路燈交通號誌道路指示牌標誌燈太陽能電動車充電站高速公路緊急電話偏遠道路緊急電話停車計時器停車場控制門系統高速公路防音壁PV系統公路休息區PV系統太陽能車平交道指示燈候車亭PV系統車站屋頂型PV系統
道路交通
收音機測電表手錶計算機太陽能照相機手電筒電池充電器野營燈民生
應用領域
電力轉換器電力轉換器電力轉換器電力轉換器(電力調節器電力調節器電力調節器電力調節器)(InverterConditioner)
蓄電池蓄電池蓄電池蓄電池(Battery))
63大型(商用)太陽光發電系統應用(gt1 kWp)
太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統太陽光發電系統
單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池單元太陽電池(Unit Solar Cell)
太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板太陽電池模板(PV Module)
太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列太陽電池組列(PV Array)
太陽光發電系統應用獨立系統
(A) 獨立系統(Stand-Alone
System)
bull 蓄電池保護壽命
(B) 混合型交流獨立系統 (Hybrid
System)
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
直流負載PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
整流器
輔助發電機
PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載- ~PCU
直直直直交流轉換器交流轉換器交流轉換器交流轉換器
太陽光發電系統應用併聯系統
(D)併聯系統(Grid-
connected System)
特殊功能1 最佳效能2 防止獨立運轉(連線保護)
3 可自力運轉
(E) 防逆流型系統(Off-line System)
(F) 防災型併聯系統
充電控制器
蓄電池
直交流轉換器
PCU太陽電池組列
交流負載
ATS
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
獨立型系統
適用地點高山離島基地台hellip等市電無法到達處
工作方式白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
必須可以自給自足
缺點bull 系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等
安全係數設計很困難)
bull 蓄電池建置複雜成本很高壽命很短
bull 負載搭配不良時發電效能不佳利用率將偏低
bull 需由專人隨時維護
bull 混合系統為一種解決方法
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
PCU
併聯型系統
適用地點電力正常送達之任何地點工作方式 bull 白天 PV系統併聯發電夜間由台電供電bull 將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的蓄電池
優點bull 系統簡單不需安全係數設計(依預算設計)不需要專人維護bull 併聯發電效率高利用率高
缺點bull 停電時無電可用bull 受併聯法規限制尚未開放(但即將開放)
bull 有孤島效應之疑慮(目前技術上已解決)
改善型無電池自力運轉
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
市電併聯型住宅用太陽光發電系統
太陽光發電系統發電及負載用電對時間之關係
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
併聯型直交流轉換器之效能要求較高
1 最大功率追蹤(Maximum Power Tracking MPT)
2 高轉換效率 gt 90 (PWM+電力電子元件)
3 高次諧波功率 Distortion (lt5 total)
4 自動開關機(白天夜晚)
5 過負載保護過溫度保護
6 體積小重量輕室外防水防塵
7 電腦界面可遠端監控
8 防止獨立運轉(連線保護)
9 可自力運轉
太陽電池組列
交流負載
直交流轉換器MPT
Power Conditioner
併聯系統之獨立運轉(單獨運轉)
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull停電時單一併聯系統將會停止運作
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
bull 市電停電時多數併聯系統仍聯合運作將對電力公司人員產生嚴重危害
孤島效應之防止方法
停電偵測1 過電壓低電壓
2 過頻率低頻率
3 被動式偵測如
bull 電壓與頻率監視方式
bull 電壓相位跳躍監視方式
bull 高次諧波監視方式
bull 頻率變化監視方式
PV組列
直交流轉換器
自家負載
4 主動偵測如
bull 頻率Shift方式
bull 配電線負載變動方式
bull 有效電力變動方式
bull 無效電力變動方式
反應時間05~2秒
資料來源「日本電氣用品試驗所」分散型電源系統連系技術指針(1998)
併聯系統之自力運轉功能
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull 大停電後白天有陽光時以人工啟動 PV 系統進行自力運轉供自家負載使用(但夜間無法使用)
防災型併聯型系統
適用地點有防災需求(照明汲水通信hellip)之公共設施
工作方式
bull 平時PV併聯發電(電池浮充) 效率高利用率高夜間由台電供電
bull 視需要建置供防災用電池大停電時白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
缺點bull 含電池成本較高bull 系統較複雜需專人定期維護
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
FAQ1太陽光發電需要多少土地
效率 = (輸出功率W) (組列面積 m2 x 日照強度 Wm2 ) x 100
模板面積 m2 = 輸出功率W (效率 x日照強度Wm2 ) x100
bull 假設使用效率gt136 模板於1000 Wm2 (AM15)日照強度下
10 kWp 模板面積 (m2) = 10000 (0136 x 1000) ~ 735 m2
10 kWp PV系統土地面積需求約
~ 735 m2 x 15 x 11
~ 121m2 (~36坪)
(包括陰影面積及維修空間)
bull 假設使用效率~10 模板
則模板面積約 ~ 100 m2
土地面積需求約 ~ 165m2 (~50坪)
gt55o
夏至
冬至
春秋分
235o 235oh
L1 L2
FAQ2太陽電池一年能發多少電
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
10 kWm2
05 kWm2
日照強度
等效日照時數(Sun Hour)
組列單日發電量 = 組列額定輸出功率 x 等效日照時數
bull 預估1 kWp 組列單日發電量 = 1 (kW) x ex 4(Sun Hour)= 4 kWh
組列年發電量 = 組列額定輸出功率 x 年平均每日日照時數 x 365
bull 預估 1 kWp 組列年發電量 = 1 x 4 x 365 = 1460 kWh
時間時間時間時間
FAQ3太陽光發電的成本(簡易估算)
1 假設目前太陽光發電系統設置成本約為 NT$ 280000 kWp
2 假設年平均每日日照時數約為 25 Sun Hour (台灣中南部地區)
bull 1 kWp 組列單日發電量= 1 (kW) x 25 (Hour)= 25 kWh
bull 1 kWp 組列年發電量= 25 x 365 = 913 kWh (度)
3 假設太陽光發電系統使用壽命為 20 年
bull 1 kWp 太陽光發電系統總共可發電 20 x 913 = 18260 度
4 生產每度電之成本約為 280000 18260 ~ NT$ 153
5 未來發展趨勢
bull 太陽光發電系統設置成本將逐年降低
bull 市電電費將會升高(國內目前約 NT$ 3 度日本約NT$ 7 度)
bull 傳統能源限制再生能源獎勵利率降低
64獨立型太陽光發電系統應用例(一)
bull太陽電池時鐘-日本bull太陽電池路燈-日本千里住宅公園
獨立型太陽光發電系統應用例(二)
bull太陽電池交通標誌-日本北海道 bull高速公路緊急電話-日本
獨立型太陽光發電系統應用例(三)
bull800W無線通信中繼基地台韓國(1998)
獨立型太陽光發電系統應用例(四)
bull離島用90kW獨立型發電系統韓國Ho-Do島(1992)
併聯型太陽光發電系統應用例(一)
bull設置於屋頂之住宅用太陽光發電系統(建材一體型日本千里住宅公園內住宅設計之一)
併聯型太陽光發電系統應用例(二)
bull日本東海線新幹線京都車站之太陽光發電系統(100kWp)
併聯型太陽光發電系統應用例(三)
bull日本京瓷(Kyocera)京都總公司大樓之太陽電池發電系統(220kWp)
太陽光發電發電廠應用例
太陽電池發電廠
(PV Power Plant)
資料來源 ANIT
Srl Italy
建材一體型太陽電池模板應用例
bull資料來源 Pilkington Solar International GmbH 德國
太陽能車應用例
Honda Dream
bull資料來源 PV Special Research
Centre UNSW Australia
交大太陽能車
bull資料來源 National Chiao-Tung
University Taiwan
太陽光發電航太應用例(NASA Helios )
bull空中無線通訊平台應用
資料來源SkyOne Inc Taiwan
bull 飛行高度5-7 萬英呎(最高記錄 96000 英呎)
bull 時速60 mph (起飛 25 mph)
bull 翼展247 英呎bull 重量2000 磅bull 太陽電池效率要求gt22
資料來源httpwwwaerovironmentcomhomehtml
清雲技術學院 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
個人住宅 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
勤益技術學院 3kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
南台科技大學 10kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
總統府 10kWp 獨立型太陽光能發電系統 (9012)
海巡署南沙太平島 20kWp 混合型(柴油發電機)太陽光能發電系統 (9011)
90能源基金示範補助成果例
台電樹林 20kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
併聯型
台電台北市區處 20kWp 太陽光發電系統
(91能源基金示範補助成果)
併聯型
7結論
bull (1)提高電力轉換器效率
bull 轉換器的損失主要來自於開關切換時之損失為了可以降低濾波電路中電感和電容的體積可以提高切換頻率但是相對於開關的切換損失也因此而增加導致轉換器的效率降低因此發展零電壓或零電流切換技術應用於高切換頻率之轉換器將可以提高轉換器的效率
bull (2)提高太陽光發電系統之整體效率
bull 傳統之太陽光發電系統包含儲能系統和供電系統前級利用DCDC轉換器作最大功率追蹤後級則利用DCAC轉換器轉換能量供應給交流負載為了提高太陽光發電系統的整體效率在研究可提出了模組並聯控制技術以提昇各級電力轉換器的效率而在未來太陽光發電系統也將著重在單級電力轉換器的設計對於整體系統效率有較明顯的改善
8參考資料
1許國強ldquo太陽光發電原理與應用工研院材料所 薄膜技術組91年
2華志強黃崇倫ldquo智慧型能量控制於太陽光電能轉換系統國立雲林科技大學電機工程學系電力研討會97年
3林政達ldquo數位式市電並聯換流器與快速鎖相迴路控制器之研製國立雲林科技大學電機工程學系碩士論文92 年
4李思賢ldquo數位式單相低功率太陽光電能轉換系統國立中山大學電機工程學系碩士論文92 年
5洪世杰ldquo適用於再生能源之市電併聯型雙輸入供電系統國立中正大學電機工程研究所碩士論文93 年
6王廷興ldquo太陽能發電配電設計概要台北科技大學冷凍空調系 92年
7魏榮宗王文宏ldquo高效率太陽光電能源轉換系統 元智大學電機工程學系94年
[ ] 100)25(
)11
(exp
1)(exp
3
λminus+=
minus
=
+minus
minus+minus=
TKII
TTBk
qE
T
TII
where
R
IRVIRV
AkT
qIII
ISCRLG
r
GO
r
oros
sh
ssosLG
VI cell output current and voltagecell reverse saturation currentcell temperature in CBoltzmannrsquos constantelectronic chargeshort circuit current temperature coefficientsolar irradiation in Wmshort-circuit current at 25 Cand 1000 Wm
light-generated currentband gap for siliconideality factorsreference temperaturecell saturation current atshunt resistanceseries resistance
osI
T
kq
00170=IK
SCRIλ
LGI
GOE
921== ABKTr deg= 18301
orI
shR
sR
附錄附錄附錄附錄- 太陽能電池太陽能電池太陽能電池太陽能電池
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
(a) Equivalent circuit of a PV module and
(b) Typical PV module current-voltage and power-voltage characteristics
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
Characteristic of a PV module with temperature and irradiation (a) constant irradiation and varying temperature and (b) constant temperature and varying irradiation
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
系統範例系統範例系統範例系統範例
中途驛站電化PV離島用PV系統山岳地帶PV系統離島偏遠區
勤務指揮中心緊急避難所醫療院所公園學校地震觀測站森林嘹望台避難指示燈氣象觀測所水位警報PV系統河川安全燈防波堤安全PV燈
緊急防災
緊急供電系統管線電氣防蝕輸油管流量計PV系統市場廣告塔海上石油平台各種計測站PV系統發電廠情報指揮中心
產業用
住宅用供電系統緊急供電系統緊急照明系統帷幕牆遮陽棚採光罩屋瓦建築物
無線通信用中繼站基地台緊急電話中繼站電話通信PV系統Radio受信PV系統微波中繼站
通訊
農宅用電溫室栽培PV系統農業灌溉用自動灑水系統農牧電籬牛乳冷藏漁業養殖揚水通氣自動餵食器
農林漁牧
路燈交通號誌道路指示牌標誌燈太陽能電動車充電站高速公路緊急電話偏遠道路緊急電話停車計時器停車場控制門系統高速公路防音壁PV系統公路休息區PV系統太陽能車平交道指示燈候車亭PV系統車站屋頂型PV系統
道路交通
收音機測電表手錶計算機太陽能照相機手電筒電池充電器野營燈民生
應用領域
太陽光發電系統應用獨立系統
(A) 獨立系統(Stand-Alone
System)
bull 蓄電池保護壽命
(B) 混合型交流獨立系統 (Hybrid
System)
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
直流負載PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
整流器
輔助發電機
PCU
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載- ~PCU
直直直直交流轉換器交流轉換器交流轉換器交流轉換器
太陽光發電系統應用併聯系統
(D)併聯系統(Grid-
connected System)
特殊功能1 最佳效能2 防止獨立運轉(連線保護)
3 可自力運轉
(E) 防逆流型系統(Off-line System)
(F) 防災型併聯系統
充電控制器
蓄電池
直交流轉換器
PCU太陽電池組列
交流負載
ATS
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
獨立型系統
適用地點高山離島基地台hellip等市電無法到達處
工作方式白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
必須可以自給自足
缺點bull 系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等
安全係數設計很困難)
bull 蓄電池建置複雜成本很高壽命很短
bull 負載搭配不良時發電效能不佳利用率將偏低
bull 需由專人隨時維護
bull 混合系統為一種解決方法
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
PCU
併聯型系統
適用地點電力正常送達之任何地點工作方式 bull 白天 PV系統併聯發電夜間由台電供電bull 將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的蓄電池
優點bull 系統簡單不需安全係數設計(依預算設計)不需要專人維護bull 併聯發電效率高利用率高
缺點bull 停電時無電可用bull 受併聯法規限制尚未開放(但即將開放)
bull 有孤島效應之疑慮(目前技術上已解決)
改善型無電池自力運轉
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
市電併聯型住宅用太陽光發電系統
太陽光發電系統發電及負載用電對時間之關係
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
併聯型直交流轉換器之效能要求較高
1 最大功率追蹤(Maximum Power Tracking MPT)
2 高轉換效率 gt 90 (PWM+電力電子元件)
3 高次諧波功率 Distortion (lt5 total)
4 自動開關機(白天夜晚)
5 過負載保護過溫度保護
6 體積小重量輕室外防水防塵
7 電腦界面可遠端監控
8 防止獨立運轉(連線保護)
9 可自力運轉
太陽電池組列
交流負載
直交流轉換器MPT
Power Conditioner
併聯系統之獨立運轉(單獨運轉)
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull停電時單一併聯系統將會停止運作
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
bull 市電停電時多數併聯系統仍聯合運作將對電力公司人員產生嚴重危害
孤島效應之防止方法
停電偵測1 過電壓低電壓
2 過頻率低頻率
3 被動式偵測如
bull 電壓與頻率監視方式
bull 電壓相位跳躍監視方式
bull 高次諧波監視方式
bull 頻率變化監視方式
PV組列
直交流轉換器
自家負載
4 主動偵測如
bull 頻率Shift方式
bull 配電線負載變動方式
bull 有效電力變動方式
bull 無效電力變動方式
反應時間05~2秒
資料來源「日本電氣用品試驗所」分散型電源系統連系技術指針(1998)
併聯系統之自力運轉功能
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull 大停電後白天有陽光時以人工啟動 PV 系統進行自力運轉供自家負載使用(但夜間無法使用)
防災型併聯型系統
適用地點有防災需求(照明汲水通信hellip)之公共設施
工作方式
bull 平時PV併聯發電(電池浮充) 效率高利用率高夜間由台電供電
bull 視需要建置供防災用電池大停電時白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
缺點bull 含電池成本較高bull 系統較複雜需專人定期維護
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
FAQ1太陽光發電需要多少土地
效率 = (輸出功率W) (組列面積 m2 x 日照強度 Wm2 ) x 100
模板面積 m2 = 輸出功率W (效率 x日照強度Wm2 ) x100
bull 假設使用效率gt136 模板於1000 Wm2 (AM15)日照強度下
10 kWp 模板面積 (m2) = 10000 (0136 x 1000) ~ 735 m2
10 kWp PV系統土地面積需求約
~ 735 m2 x 15 x 11
~ 121m2 (~36坪)
(包括陰影面積及維修空間)
bull 假設使用效率~10 模板
則模板面積約 ~ 100 m2
土地面積需求約 ~ 165m2 (~50坪)
gt55o
夏至
冬至
春秋分
235o 235oh
L1 L2
FAQ2太陽電池一年能發多少電
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
10 kWm2
05 kWm2
日照強度
等效日照時數(Sun Hour)
組列單日發電量 = 組列額定輸出功率 x 等效日照時數
bull 預估1 kWp 組列單日發電量 = 1 (kW) x ex 4(Sun Hour)= 4 kWh
組列年發電量 = 組列額定輸出功率 x 年平均每日日照時數 x 365
bull 預估 1 kWp 組列年發電量 = 1 x 4 x 365 = 1460 kWh
時間時間時間時間
FAQ3太陽光發電的成本(簡易估算)
1 假設目前太陽光發電系統設置成本約為 NT$ 280000 kWp
2 假設年平均每日日照時數約為 25 Sun Hour (台灣中南部地區)
bull 1 kWp 組列單日發電量= 1 (kW) x 25 (Hour)= 25 kWh
bull 1 kWp 組列年發電量= 25 x 365 = 913 kWh (度)
3 假設太陽光發電系統使用壽命為 20 年
bull 1 kWp 太陽光發電系統總共可發電 20 x 913 = 18260 度
4 生產每度電之成本約為 280000 18260 ~ NT$ 153
5 未來發展趨勢
bull 太陽光發電系統設置成本將逐年降低
bull 市電電費將會升高(國內目前約 NT$ 3 度日本約NT$ 7 度)
bull 傳統能源限制再生能源獎勵利率降低
64獨立型太陽光發電系統應用例(一)
bull太陽電池時鐘-日本bull太陽電池路燈-日本千里住宅公園
獨立型太陽光發電系統應用例(二)
bull太陽電池交通標誌-日本北海道 bull高速公路緊急電話-日本
獨立型太陽光發電系統應用例(三)
bull800W無線通信中繼基地台韓國(1998)
獨立型太陽光發電系統應用例(四)
bull離島用90kW獨立型發電系統韓國Ho-Do島(1992)
併聯型太陽光發電系統應用例(一)
bull設置於屋頂之住宅用太陽光發電系統(建材一體型日本千里住宅公園內住宅設計之一)
併聯型太陽光發電系統應用例(二)
bull日本東海線新幹線京都車站之太陽光發電系統(100kWp)
併聯型太陽光發電系統應用例(三)
bull日本京瓷(Kyocera)京都總公司大樓之太陽電池發電系統(220kWp)
太陽光發電發電廠應用例
太陽電池發電廠
(PV Power Plant)
資料來源 ANIT
Srl Italy
建材一體型太陽電池模板應用例
bull資料來源 Pilkington Solar International GmbH 德國
太陽能車應用例
Honda Dream
bull資料來源 PV Special Research
Centre UNSW Australia
交大太陽能車
bull資料來源 National Chiao-Tung
University Taiwan
太陽光發電航太應用例(NASA Helios )
bull空中無線通訊平台應用
資料來源SkyOne Inc Taiwan
bull 飛行高度5-7 萬英呎(最高記錄 96000 英呎)
bull 時速60 mph (起飛 25 mph)
bull 翼展247 英呎bull 重量2000 磅bull 太陽電池效率要求gt22
資料來源httpwwwaerovironmentcomhomehtml
清雲技術學院 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
個人住宅 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
勤益技術學院 3kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
南台科技大學 10kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
總統府 10kWp 獨立型太陽光能發電系統 (9012)
海巡署南沙太平島 20kWp 混合型(柴油發電機)太陽光能發電系統 (9011)
90能源基金示範補助成果例
台電樹林 20kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
併聯型
台電台北市區處 20kWp 太陽光發電系統
(91能源基金示範補助成果)
併聯型
7結論
bull (1)提高電力轉換器效率
bull 轉換器的損失主要來自於開關切換時之損失為了可以降低濾波電路中電感和電容的體積可以提高切換頻率但是相對於開關的切換損失也因此而增加導致轉換器的效率降低因此發展零電壓或零電流切換技術應用於高切換頻率之轉換器將可以提高轉換器的效率
bull (2)提高太陽光發電系統之整體效率
bull 傳統之太陽光發電系統包含儲能系統和供電系統前級利用DCDC轉換器作最大功率追蹤後級則利用DCAC轉換器轉換能量供應給交流負載為了提高太陽光發電系統的整體效率在研究可提出了模組並聯控制技術以提昇各級電力轉換器的效率而在未來太陽光發電系統也將著重在單級電力轉換器的設計對於整體系統效率有較明顯的改善
8參考資料
1許國強ldquo太陽光發電原理與應用工研院材料所 薄膜技術組91年
2華志強黃崇倫ldquo智慧型能量控制於太陽光電能轉換系統國立雲林科技大學電機工程學系電力研討會97年
3林政達ldquo數位式市電並聯換流器與快速鎖相迴路控制器之研製國立雲林科技大學電機工程學系碩士論文92 年
4李思賢ldquo數位式單相低功率太陽光電能轉換系統國立中山大學電機工程學系碩士論文92 年
5洪世杰ldquo適用於再生能源之市電併聯型雙輸入供電系統國立中正大學電機工程研究所碩士論文93 年
6王廷興ldquo太陽能發電配電設計概要台北科技大學冷凍空調系 92年
7魏榮宗王文宏ldquo高效率太陽光電能源轉換系統 元智大學電機工程學系94年
[ ] 100)25(
)11
(exp
1)(exp
3
λminus+=
minus
=
+minus
minus+minus=
TKII
TTBk
qE
T
TII
where
R
IRVIRV
AkT
qIII
ISCRLG
r
GO
r
oros
sh
ssosLG
VI cell output current and voltagecell reverse saturation currentcell temperature in CBoltzmannrsquos constantelectronic chargeshort circuit current temperature coefficientsolar irradiation in Wmshort-circuit current at 25 Cand 1000 Wm
light-generated currentband gap for siliconideality factorsreference temperaturecell saturation current atshunt resistanceseries resistance
osI
T
kq
00170=IK
SCRIλ
LGI
GOE
921== ABKTr deg= 18301
orI
shR
sR
附錄附錄附錄附錄- 太陽能電池太陽能電池太陽能電池太陽能電池
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
(a) Equivalent circuit of a PV module and
(b) Typical PV module current-voltage and power-voltage characteristics
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
Characteristic of a PV module with temperature and irradiation (a) constant irradiation and varying temperature and (b) constant temperature and varying irradiation
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
系統範例系統範例系統範例系統範例
中途驛站電化PV離島用PV系統山岳地帶PV系統離島偏遠區
勤務指揮中心緊急避難所醫療院所公園學校地震觀測站森林嘹望台避難指示燈氣象觀測所水位警報PV系統河川安全燈防波堤安全PV燈
緊急防災
緊急供電系統管線電氣防蝕輸油管流量計PV系統市場廣告塔海上石油平台各種計測站PV系統發電廠情報指揮中心
產業用
住宅用供電系統緊急供電系統緊急照明系統帷幕牆遮陽棚採光罩屋瓦建築物
無線通信用中繼站基地台緊急電話中繼站電話通信PV系統Radio受信PV系統微波中繼站
通訊
農宅用電溫室栽培PV系統農業灌溉用自動灑水系統農牧電籬牛乳冷藏漁業養殖揚水通氣自動餵食器
農林漁牧
路燈交通號誌道路指示牌標誌燈太陽能電動車充電站高速公路緊急電話偏遠道路緊急電話停車計時器停車場控制門系統高速公路防音壁PV系統公路休息區PV系統太陽能車平交道指示燈候車亭PV系統車站屋頂型PV系統
道路交通
收音機測電表手錶計算機太陽能照相機手電筒電池充電器野營燈民生
應用領域
太陽光發電系統應用併聯系統
(D)併聯系統(Grid-
connected System)
特殊功能1 最佳效能2 防止獨立運轉(連線保護)
3 可自力運轉
(E) 防逆流型系統(Off-line System)
(F) 防災型併聯系統
充電控制器
蓄電池
直交流轉換器
PCU太陽電池組列
交流負載
ATS
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
獨立型系統
適用地點高山離島基地台hellip等市電無法到達處
工作方式白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
必須可以自給自足
缺點bull 系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等
安全係數設計很困難)
bull 蓄電池建置複雜成本很高壽命很短
bull 負載搭配不良時發電效能不佳利用率將偏低
bull 需由專人隨時維護
bull 混合系統為一種解決方法
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
PCU
併聯型系統
適用地點電力正常送達之任何地點工作方式 bull 白天 PV系統併聯發電夜間由台電供電bull 將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的蓄電池
優點bull 系統簡單不需安全係數設計(依預算設計)不需要專人維護bull 併聯發電效率高利用率高
缺點bull 停電時無電可用bull 受併聯法規限制尚未開放(但即將開放)
bull 有孤島效應之疑慮(目前技術上已解決)
改善型無電池自力運轉
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
市電併聯型住宅用太陽光發電系統
太陽光發電系統發電及負載用電對時間之關係
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
併聯型直交流轉換器之效能要求較高
1 最大功率追蹤(Maximum Power Tracking MPT)
2 高轉換效率 gt 90 (PWM+電力電子元件)
3 高次諧波功率 Distortion (lt5 total)
4 自動開關機(白天夜晚)
5 過負載保護過溫度保護
6 體積小重量輕室外防水防塵
7 電腦界面可遠端監控
8 防止獨立運轉(連線保護)
9 可自力運轉
太陽電池組列
交流負載
直交流轉換器MPT
Power Conditioner
併聯系統之獨立運轉(單獨運轉)
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull停電時單一併聯系統將會停止運作
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
bull 市電停電時多數併聯系統仍聯合運作將對電力公司人員產生嚴重危害
孤島效應之防止方法
停電偵測1 過電壓低電壓
2 過頻率低頻率
3 被動式偵測如
bull 電壓與頻率監視方式
bull 電壓相位跳躍監視方式
bull 高次諧波監視方式
bull 頻率變化監視方式
PV組列
直交流轉換器
自家負載
4 主動偵測如
bull 頻率Shift方式
bull 配電線負載變動方式
bull 有效電力變動方式
bull 無效電力變動方式
反應時間05~2秒
資料來源「日本電氣用品試驗所」分散型電源系統連系技術指針(1998)
併聯系統之自力運轉功能
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull 大停電後白天有陽光時以人工啟動 PV 系統進行自力運轉供自家負載使用(但夜間無法使用)
防災型併聯型系統
適用地點有防災需求(照明汲水通信hellip)之公共設施
工作方式
bull 平時PV併聯發電(電池浮充) 效率高利用率高夜間由台電供電
bull 視需要建置供防災用電池大停電時白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
缺點bull 含電池成本較高bull 系統較複雜需專人定期維護
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
FAQ1太陽光發電需要多少土地
效率 = (輸出功率W) (組列面積 m2 x 日照強度 Wm2 ) x 100
模板面積 m2 = 輸出功率W (效率 x日照強度Wm2 ) x100
bull 假設使用效率gt136 模板於1000 Wm2 (AM15)日照強度下
10 kWp 模板面積 (m2) = 10000 (0136 x 1000) ~ 735 m2
10 kWp PV系統土地面積需求約
~ 735 m2 x 15 x 11
~ 121m2 (~36坪)
(包括陰影面積及維修空間)
bull 假設使用效率~10 模板
則模板面積約 ~ 100 m2
土地面積需求約 ~ 165m2 (~50坪)
gt55o
夏至
冬至
春秋分
235o 235oh
L1 L2
FAQ2太陽電池一年能發多少電
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
10 kWm2
05 kWm2
日照強度
等效日照時數(Sun Hour)
組列單日發電量 = 組列額定輸出功率 x 等效日照時數
bull 預估1 kWp 組列單日發電量 = 1 (kW) x ex 4(Sun Hour)= 4 kWh
組列年發電量 = 組列額定輸出功率 x 年平均每日日照時數 x 365
bull 預估 1 kWp 組列年發電量 = 1 x 4 x 365 = 1460 kWh
時間時間時間時間
FAQ3太陽光發電的成本(簡易估算)
1 假設目前太陽光發電系統設置成本約為 NT$ 280000 kWp
2 假設年平均每日日照時數約為 25 Sun Hour (台灣中南部地區)
bull 1 kWp 組列單日發電量= 1 (kW) x 25 (Hour)= 25 kWh
bull 1 kWp 組列年發電量= 25 x 365 = 913 kWh (度)
3 假設太陽光發電系統使用壽命為 20 年
bull 1 kWp 太陽光發電系統總共可發電 20 x 913 = 18260 度
4 生產每度電之成本約為 280000 18260 ~ NT$ 153
5 未來發展趨勢
bull 太陽光發電系統設置成本將逐年降低
bull 市電電費將會升高(國內目前約 NT$ 3 度日本約NT$ 7 度)
bull 傳統能源限制再生能源獎勵利率降低
64獨立型太陽光發電系統應用例(一)
bull太陽電池時鐘-日本bull太陽電池路燈-日本千里住宅公園
獨立型太陽光發電系統應用例(二)
bull太陽電池交通標誌-日本北海道 bull高速公路緊急電話-日本
獨立型太陽光發電系統應用例(三)
bull800W無線通信中繼基地台韓國(1998)
獨立型太陽光發電系統應用例(四)
bull離島用90kW獨立型發電系統韓國Ho-Do島(1992)
併聯型太陽光發電系統應用例(一)
bull設置於屋頂之住宅用太陽光發電系統(建材一體型日本千里住宅公園內住宅設計之一)
併聯型太陽光發電系統應用例(二)
bull日本東海線新幹線京都車站之太陽光發電系統(100kWp)
併聯型太陽光發電系統應用例(三)
bull日本京瓷(Kyocera)京都總公司大樓之太陽電池發電系統(220kWp)
太陽光發電發電廠應用例
太陽電池發電廠
(PV Power Plant)
資料來源 ANIT
Srl Italy
建材一體型太陽電池模板應用例
bull資料來源 Pilkington Solar International GmbH 德國
太陽能車應用例
Honda Dream
bull資料來源 PV Special Research
Centre UNSW Australia
交大太陽能車
bull資料來源 National Chiao-Tung
University Taiwan
太陽光發電航太應用例(NASA Helios )
bull空中無線通訊平台應用
資料來源SkyOne Inc Taiwan
bull 飛行高度5-7 萬英呎(最高記錄 96000 英呎)
bull 時速60 mph (起飛 25 mph)
bull 翼展247 英呎bull 重量2000 磅bull 太陽電池效率要求gt22
資料來源httpwwwaerovironmentcomhomehtml
清雲技術學院 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
個人住宅 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
勤益技術學院 3kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
南台科技大學 10kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
總統府 10kWp 獨立型太陽光能發電系統 (9012)
海巡署南沙太平島 20kWp 混合型(柴油發電機)太陽光能發電系統 (9011)
90能源基金示範補助成果例
台電樹林 20kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
併聯型
台電台北市區處 20kWp 太陽光發電系統
(91能源基金示範補助成果)
併聯型
7結論
bull (1)提高電力轉換器效率
bull 轉換器的損失主要來自於開關切換時之損失為了可以降低濾波電路中電感和電容的體積可以提高切換頻率但是相對於開關的切換損失也因此而增加導致轉換器的效率降低因此發展零電壓或零電流切換技術應用於高切換頻率之轉換器將可以提高轉換器的效率
bull (2)提高太陽光發電系統之整體效率
bull 傳統之太陽光發電系統包含儲能系統和供電系統前級利用DCDC轉換器作最大功率追蹤後級則利用DCAC轉換器轉換能量供應給交流負載為了提高太陽光發電系統的整體效率在研究可提出了模組並聯控制技術以提昇各級電力轉換器的效率而在未來太陽光發電系統也將著重在單級電力轉換器的設計對於整體系統效率有較明顯的改善
8參考資料
1許國強ldquo太陽光發電原理與應用工研院材料所 薄膜技術組91年
2華志強黃崇倫ldquo智慧型能量控制於太陽光電能轉換系統國立雲林科技大學電機工程學系電力研討會97年
3林政達ldquo數位式市電並聯換流器與快速鎖相迴路控制器之研製國立雲林科技大學電機工程學系碩士論文92 年
4李思賢ldquo數位式單相低功率太陽光電能轉換系統國立中山大學電機工程學系碩士論文92 年
5洪世杰ldquo適用於再生能源之市電併聯型雙輸入供電系統國立中正大學電機工程研究所碩士論文93 年
6王廷興ldquo太陽能發電配電設計概要台北科技大學冷凍空調系 92年
7魏榮宗王文宏ldquo高效率太陽光電能源轉換系統 元智大學電機工程學系94年
[ ] 100)25(
)11
(exp
1)(exp
3
λminus+=
minus
=
+minus
minus+minus=
TKII
TTBk
qE
T
TII
where
R
IRVIRV
AkT
qIII
ISCRLG
r
GO
r
oros
sh
ssosLG
VI cell output current and voltagecell reverse saturation currentcell temperature in CBoltzmannrsquos constantelectronic chargeshort circuit current temperature coefficientsolar irradiation in Wmshort-circuit current at 25 Cand 1000 Wm
light-generated currentband gap for siliconideality factorsreference temperaturecell saturation current atshunt resistanceseries resistance
osI
T
kq
00170=IK
SCRIλ
LGI
GOE
921== ABKTr deg= 18301
orI
shR
sR
附錄附錄附錄附錄- 太陽能電池太陽能電池太陽能電池太陽能電池
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
(a) Equivalent circuit of a PV module and
(b) Typical PV module current-voltage and power-voltage characteristics
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
Characteristic of a PV module with temperature and irradiation (a) constant irradiation and varying temperature and (b) constant temperature and varying irradiation
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
系統範例系統範例系統範例系統範例
中途驛站電化PV離島用PV系統山岳地帶PV系統離島偏遠區
勤務指揮中心緊急避難所醫療院所公園學校地震觀測站森林嘹望台避難指示燈氣象觀測所水位警報PV系統河川安全燈防波堤安全PV燈
緊急防災
緊急供電系統管線電氣防蝕輸油管流量計PV系統市場廣告塔海上石油平台各種計測站PV系統發電廠情報指揮中心
產業用
住宅用供電系統緊急供電系統緊急照明系統帷幕牆遮陽棚採光罩屋瓦建築物
無線通信用中繼站基地台緊急電話中繼站電話通信PV系統Radio受信PV系統微波中繼站
通訊
農宅用電溫室栽培PV系統農業灌溉用自動灑水系統農牧電籬牛乳冷藏漁業養殖揚水通氣自動餵食器
農林漁牧
路燈交通號誌道路指示牌標誌燈太陽能電動車充電站高速公路緊急電話偏遠道路緊急電話停車計時器停車場控制門系統高速公路防音壁PV系統公路休息區PV系統太陽能車平交道指示燈候車亭PV系統車站屋頂型PV系統
道路交通
收音機測電表手錶計算機太陽能照相機手電筒電池充電器野營燈民生
應用領域
獨立型系統
適用地點高山離島基地台hellip等市電無法到達處
工作方式白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
必須可以自給自足
缺點bull 系統設計考慮因素多(組列蓄電池容量負載與陰天日數等
安全係數設計很困難)
bull 蓄電池建置複雜成本很高壽命很短
bull 負載搭配不良時發電效能不佳利用率將偏低
bull 需由專人隨時維護
bull 混合系統為一種解決方法
太陽電池組列
充電控制器
放電控制器
蓄電池
交流負載直交流轉換器
PCU
併聯型系統
適用地點電力正常送達之任何地點工作方式 bull 白天 PV系統併聯發電夜間由台電供電bull 將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的蓄電池
優點bull 系統簡單不需安全係數設計(依預算設計)不需要專人維護bull 併聯發電效率高利用率高
缺點bull 停電時無電可用bull 受併聯法規限制尚未開放(但即將開放)
bull 有孤島效應之疑慮(目前技術上已解決)
改善型無電池自力運轉
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
市電併聯型住宅用太陽光發電系統
太陽光發電系統發電及負載用電對時間之關係
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
併聯型直交流轉換器之效能要求較高
1 最大功率追蹤(Maximum Power Tracking MPT)
2 高轉換效率 gt 90 (PWM+電力電子元件)
3 高次諧波功率 Distortion (lt5 total)
4 自動開關機(白天夜晚)
5 過負載保護過溫度保護
6 體積小重量輕室外防水防塵
7 電腦界面可遠端監控
8 防止獨立運轉(連線保護)
9 可自力運轉
太陽電池組列
交流負載
直交流轉換器MPT
Power Conditioner
併聯系統之獨立運轉(單獨運轉)
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull停電時單一併聯系統將會停止運作
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
bull 市電停電時多數併聯系統仍聯合運作將對電力公司人員產生嚴重危害
孤島效應之防止方法
停電偵測1 過電壓低電壓
2 過頻率低頻率
3 被動式偵測如
bull 電壓與頻率監視方式
bull 電壓相位跳躍監視方式
bull 高次諧波監視方式
bull 頻率變化監視方式
PV組列
直交流轉換器
自家負載
4 主動偵測如
bull 頻率Shift方式
bull 配電線負載變動方式
bull 有效電力變動方式
bull 無效電力變動方式
反應時間05~2秒
資料來源「日本電氣用品試驗所」分散型電源系統連系技術指針(1998)
併聯系統之自力運轉功能
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull 大停電後白天有陽光時以人工啟動 PV 系統進行自力運轉供自家負載使用(但夜間無法使用)
防災型併聯型系統
適用地點有防災需求(照明汲水通信hellip)之公共設施
工作方式
bull 平時PV併聯發電(電池浮充) 效率高利用率高夜間由台電供電
bull 視需要建置供防災用電池大停電時白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
缺點bull 含電池成本較高bull 系統較複雜需專人定期維護
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
FAQ1太陽光發電需要多少土地
效率 = (輸出功率W) (組列面積 m2 x 日照強度 Wm2 ) x 100
模板面積 m2 = 輸出功率W (效率 x日照強度Wm2 ) x100
bull 假設使用效率gt136 模板於1000 Wm2 (AM15)日照強度下
10 kWp 模板面積 (m2) = 10000 (0136 x 1000) ~ 735 m2
10 kWp PV系統土地面積需求約
~ 735 m2 x 15 x 11
~ 121m2 (~36坪)
(包括陰影面積及維修空間)
bull 假設使用效率~10 模板
則模板面積約 ~ 100 m2
土地面積需求約 ~ 165m2 (~50坪)
gt55o
夏至
冬至
春秋分
235o 235oh
L1 L2
FAQ2太陽電池一年能發多少電
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
10 kWm2
05 kWm2
日照強度
等效日照時數(Sun Hour)
組列單日發電量 = 組列額定輸出功率 x 等效日照時數
bull 預估1 kWp 組列單日發電量 = 1 (kW) x ex 4(Sun Hour)= 4 kWh
組列年發電量 = 組列額定輸出功率 x 年平均每日日照時數 x 365
bull 預估 1 kWp 組列年發電量 = 1 x 4 x 365 = 1460 kWh
時間時間時間時間
FAQ3太陽光發電的成本(簡易估算)
1 假設目前太陽光發電系統設置成本約為 NT$ 280000 kWp
2 假設年平均每日日照時數約為 25 Sun Hour (台灣中南部地區)
bull 1 kWp 組列單日發電量= 1 (kW) x 25 (Hour)= 25 kWh
bull 1 kWp 組列年發電量= 25 x 365 = 913 kWh (度)
3 假設太陽光發電系統使用壽命為 20 年
bull 1 kWp 太陽光發電系統總共可發電 20 x 913 = 18260 度
4 生產每度電之成本約為 280000 18260 ~ NT$ 153
5 未來發展趨勢
bull 太陽光發電系統設置成本將逐年降低
bull 市電電費將會升高(國內目前約 NT$ 3 度日本約NT$ 7 度)
bull 傳統能源限制再生能源獎勵利率降低
64獨立型太陽光發電系統應用例(一)
bull太陽電池時鐘-日本bull太陽電池路燈-日本千里住宅公園
獨立型太陽光發電系統應用例(二)
bull太陽電池交通標誌-日本北海道 bull高速公路緊急電話-日本
獨立型太陽光發電系統應用例(三)
bull800W無線通信中繼基地台韓國(1998)
獨立型太陽光發電系統應用例(四)
bull離島用90kW獨立型發電系統韓國Ho-Do島(1992)
併聯型太陽光發電系統應用例(一)
bull設置於屋頂之住宅用太陽光發電系統(建材一體型日本千里住宅公園內住宅設計之一)
併聯型太陽光發電系統應用例(二)
bull日本東海線新幹線京都車站之太陽光發電系統(100kWp)
併聯型太陽光發電系統應用例(三)
bull日本京瓷(Kyocera)京都總公司大樓之太陽電池發電系統(220kWp)
太陽光發電發電廠應用例
太陽電池發電廠
(PV Power Plant)
資料來源 ANIT
Srl Italy
建材一體型太陽電池模板應用例
bull資料來源 Pilkington Solar International GmbH 德國
太陽能車應用例
Honda Dream
bull資料來源 PV Special Research
Centre UNSW Australia
交大太陽能車
bull資料來源 National Chiao-Tung
University Taiwan
太陽光發電航太應用例(NASA Helios )
bull空中無線通訊平台應用
資料來源SkyOne Inc Taiwan
bull 飛行高度5-7 萬英呎(最高記錄 96000 英呎)
bull 時速60 mph (起飛 25 mph)
bull 翼展247 英呎bull 重量2000 磅bull 太陽電池效率要求gt22
資料來源httpwwwaerovironmentcomhomehtml
清雲技術學院 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
個人住宅 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
勤益技術學院 3kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
南台科技大學 10kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
總統府 10kWp 獨立型太陽光能發電系統 (9012)
海巡署南沙太平島 20kWp 混合型(柴油發電機)太陽光能發電系統 (9011)
90能源基金示範補助成果例
台電樹林 20kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
併聯型
台電台北市區處 20kWp 太陽光發電系統
(91能源基金示範補助成果)
併聯型
7結論
bull (1)提高電力轉換器效率
bull 轉換器的損失主要來自於開關切換時之損失為了可以降低濾波電路中電感和電容的體積可以提高切換頻率但是相對於開關的切換損失也因此而增加導致轉換器的效率降低因此發展零電壓或零電流切換技術應用於高切換頻率之轉換器將可以提高轉換器的效率
bull (2)提高太陽光發電系統之整體效率
bull 傳統之太陽光發電系統包含儲能系統和供電系統前級利用DCDC轉換器作最大功率追蹤後級則利用DCAC轉換器轉換能量供應給交流負載為了提高太陽光發電系統的整體效率在研究可提出了模組並聯控制技術以提昇各級電力轉換器的效率而在未來太陽光發電系統也將著重在單級電力轉換器的設計對於整體系統效率有較明顯的改善
8參考資料
1許國強ldquo太陽光發電原理與應用工研院材料所 薄膜技術組91年
2華志強黃崇倫ldquo智慧型能量控制於太陽光電能轉換系統國立雲林科技大學電機工程學系電力研討會97年
3林政達ldquo數位式市電並聯換流器與快速鎖相迴路控制器之研製國立雲林科技大學電機工程學系碩士論文92 年
4李思賢ldquo數位式單相低功率太陽光電能轉換系統國立中山大學電機工程學系碩士論文92 年
5洪世杰ldquo適用於再生能源之市電併聯型雙輸入供電系統國立中正大學電機工程研究所碩士論文93 年
6王廷興ldquo太陽能發電配電設計概要台北科技大學冷凍空調系 92年
7魏榮宗王文宏ldquo高效率太陽光電能源轉換系統 元智大學電機工程學系94年
[ ] 100)25(
)11
(exp
1)(exp
3
λminus+=
minus
=
+minus
minus+minus=
TKII
TTBk
qE
T
TII
where
R
IRVIRV
AkT
qIII
ISCRLG
r
GO
r
oros
sh
ssosLG
VI cell output current and voltagecell reverse saturation currentcell temperature in CBoltzmannrsquos constantelectronic chargeshort circuit current temperature coefficientsolar irradiation in Wmshort-circuit current at 25 Cand 1000 Wm
light-generated currentband gap for siliconideality factorsreference temperaturecell saturation current atshunt resistanceseries resistance
osI
T
kq
00170=IK
SCRIλ
LGI
GOE
921== ABKTr deg= 18301
orI
shR
sR
附錄附錄附錄附錄- 太陽能電池太陽能電池太陽能電池太陽能電池
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
(a) Equivalent circuit of a PV module and
(b) Typical PV module current-voltage and power-voltage characteristics
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
Characteristic of a PV module with temperature and irradiation (a) constant irradiation and varying temperature and (b) constant temperature and varying irradiation
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
系統範例系統範例系統範例系統範例
中途驛站電化PV離島用PV系統山岳地帶PV系統離島偏遠區
勤務指揮中心緊急避難所醫療院所公園學校地震觀測站森林嘹望台避難指示燈氣象觀測所水位警報PV系統河川安全燈防波堤安全PV燈
緊急防災
緊急供電系統管線電氣防蝕輸油管流量計PV系統市場廣告塔海上石油平台各種計測站PV系統發電廠情報指揮中心
產業用
住宅用供電系統緊急供電系統緊急照明系統帷幕牆遮陽棚採光罩屋瓦建築物
無線通信用中繼站基地台緊急電話中繼站電話通信PV系統Radio受信PV系統微波中繼站
通訊
農宅用電溫室栽培PV系統農業灌溉用自動灑水系統農牧電籬牛乳冷藏漁業養殖揚水通氣自動餵食器
農林漁牧
路燈交通號誌道路指示牌標誌燈太陽能電動車充電站高速公路緊急電話偏遠道路緊急電話停車計時器停車場控制門系統高速公路防音壁PV系統公路休息區PV系統太陽能車平交道指示燈候車亭PV系統車站屋頂型PV系統
道路交通
收音機測電表手錶計算機太陽能照相機手電筒電池充電器野營燈民生
應用領域
併聯型系統
適用地點電力正常送達之任何地點工作方式 bull 白天 PV系統併聯發電夜間由台電供電bull 將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的蓄電池
優點bull 系統簡單不需安全係數設計(依預算設計)不需要專人維護bull 併聯發電效率高利用率高
缺點bull 停電時無電可用bull 受併聯法規限制尚未開放(但即將開放)
bull 有孤島效應之疑慮(目前技術上已解決)
改善型無電池自力運轉
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
市電併聯型住宅用太陽光發電系統
太陽光發電系統發電及負載用電對時間之關係
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
併聯型直交流轉換器之效能要求較高
1 最大功率追蹤(Maximum Power Tracking MPT)
2 高轉換效率 gt 90 (PWM+電力電子元件)
3 高次諧波功率 Distortion (lt5 total)
4 自動開關機(白天夜晚)
5 過負載保護過溫度保護
6 體積小重量輕室外防水防塵
7 電腦界面可遠端監控
8 防止獨立運轉(連線保護)
9 可自力運轉
太陽電池組列
交流負載
直交流轉換器MPT
Power Conditioner
併聯系統之獨立運轉(單獨運轉)
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull停電時單一併聯系統將會停止運作
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
bull 市電停電時多數併聯系統仍聯合運作將對電力公司人員產生嚴重危害
孤島效應之防止方法
停電偵測1 過電壓低電壓
2 過頻率低頻率
3 被動式偵測如
bull 電壓與頻率監視方式
bull 電壓相位跳躍監視方式
bull 高次諧波監視方式
bull 頻率變化監視方式
PV組列
直交流轉換器
自家負載
4 主動偵測如
bull 頻率Shift方式
bull 配電線負載變動方式
bull 有效電力變動方式
bull 無效電力變動方式
反應時間05~2秒
資料來源「日本電氣用品試驗所」分散型電源系統連系技術指針(1998)
併聯系統之自力運轉功能
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull 大停電後白天有陽光時以人工啟動 PV 系統進行自力運轉供自家負載使用(但夜間無法使用)
防災型併聯型系統
適用地點有防災需求(照明汲水通信hellip)之公共設施
工作方式
bull 平時PV併聯發電(電池浮充) 效率高利用率高夜間由台電供電
bull 視需要建置供防災用電池大停電時白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
缺點bull 含電池成本較高bull 系統較複雜需專人定期維護
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
FAQ1太陽光發電需要多少土地
效率 = (輸出功率W) (組列面積 m2 x 日照強度 Wm2 ) x 100
模板面積 m2 = 輸出功率W (效率 x日照強度Wm2 ) x100
bull 假設使用效率gt136 模板於1000 Wm2 (AM15)日照強度下
10 kWp 模板面積 (m2) = 10000 (0136 x 1000) ~ 735 m2
10 kWp PV系統土地面積需求約
~ 735 m2 x 15 x 11
~ 121m2 (~36坪)
(包括陰影面積及維修空間)
bull 假設使用效率~10 模板
則模板面積約 ~ 100 m2
土地面積需求約 ~ 165m2 (~50坪)
gt55o
夏至
冬至
春秋分
235o 235oh
L1 L2
FAQ2太陽電池一年能發多少電
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
10 kWm2
05 kWm2
日照強度
等效日照時數(Sun Hour)
組列單日發電量 = 組列額定輸出功率 x 等效日照時數
bull 預估1 kWp 組列單日發電量 = 1 (kW) x ex 4(Sun Hour)= 4 kWh
組列年發電量 = 組列額定輸出功率 x 年平均每日日照時數 x 365
bull 預估 1 kWp 組列年發電量 = 1 x 4 x 365 = 1460 kWh
時間時間時間時間
FAQ3太陽光發電的成本(簡易估算)
1 假設目前太陽光發電系統設置成本約為 NT$ 280000 kWp
2 假設年平均每日日照時數約為 25 Sun Hour (台灣中南部地區)
bull 1 kWp 組列單日發電量= 1 (kW) x 25 (Hour)= 25 kWh
bull 1 kWp 組列年發電量= 25 x 365 = 913 kWh (度)
3 假設太陽光發電系統使用壽命為 20 年
bull 1 kWp 太陽光發電系統總共可發電 20 x 913 = 18260 度
4 生產每度電之成本約為 280000 18260 ~ NT$ 153
5 未來發展趨勢
bull 太陽光發電系統設置成本將逐年降低
bull 市電電費將會升高(國內目前約 NT$ 3 度日本約NT$ 7 度)
bull 傳統能源限制再生能源獎勵利率降低
64獨立型太陽光發電系統應用例(一)
bull太陽電池時鐘-日本bull太陽電池路燈-日本千里住宅公園
獨立型太陽光發電系統應用例(二)
bull太陽電池交通標誌-日本北海道 bull高速公路緊急電話-日本
獨立型太陽光發電系統應用例(三)
bull800W無線通信中繼基地台韓國(1998)
獨立型太陽光發電系統應用例(四)
bull離島用90kW獨立型發電系統韓國Ho-Do島(1992)
併聯型太陽光發電系統應用例(一)
bull設置於屋頂之住宅用太陽光發電系統(建材一體型日本千里住宅公園內住宅設計之一)
併聯型太陽光發電系統應用例(二)
bull日本東海線新幹線京都車站之太陽光發電系統(100kWp)
併聯型太陽光發電系統應用例(三)
bull日本京瓷(Kyocera)京都總公司大樓之太陽電池發電系統(220kWp)
太陽光發電發電廠應用例
太陽電池發電廠
(PV Power Plant)
資料來源 ANIT
Srl Italy
建材一體型太陽電池模板應用例
bull資料來源 Pilkington Solar International GmbH 德國
太陽能車應用例
Honda Dream
bull資料來源 PV Special Research
Centre UNSW Australia
交大太陽能車
bull資料來源 National Chiao-Tung
University Taiwan
太陽光發電航太應用例(NASA Helios )
bull空中無線通訊平台應用
資料來源SkyOne Inc Taiwan
bull 飛行高度5-7 萬英呎(最高記錄 96000 英呎)
bull 時速60 mph (起飛 25 mph)
bull 翼展247 英呎bull 重量2000 磅bull 太陽電池效率要求gt22
資料來源httpwwwaerovironmentcomhomehtml
清雲技術學院 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
個人住宅 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
勤益技術學院 3kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
南台科技大學 10kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
總統府 10kWp 獨立型太陽光能發電系統 (9012)
海巡署南沙太平島 20kWp 混合型(柴油發電機)太陽光能發電系統 (9011)
90能源基金示範補助成果例
台電樹林 20kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
併聯型
台電台北市區處 20kWp 太陽光發電系統
(91能源基金示範補助成果)
併聯型
7結論
bull (1)提高電力轉換器效率
bull 轉換器的損失主要來自於開關切換時之損失為了可以降低濾波電路中電感和電容的體積可以提高切換頻率但是相對於開關的切換損失也因此而增加導致轉換器的效率降低因此發展零電壓或零電流切換技術應用於高切換頻率之轉換器將可以提高轉換器的效率
bull (2)提高太陽光發電系統之整體效率
bull 傳統之太陽光發電系統包含儲能系統和供電系統前級利用DCDC轉換器作最大功率追蹤後級則利用DCAC轉換器轉換能量供應給交流負載為了提高太陽光發電系統的整體效率在研究可提出了模組並聯控制技術以提昇各級電力轉換器的效率而在未來太陽光發電系統也將著重在單級電力轉換器的設計對於整體系統效率有較明顯的改善
8參考資料
1許國強ldquo太陽光發電原理與應用工研院材料所 薄膜技術組91年
2華志強黃崇倫ldquo智慧型能量控制於太陽光電能轉換系統國立雲林科技大學電機工程學系電力研討會97年
3林政達ldquo數位式市電並聯換流器與快速鎖相迴路控制器之研製國立雲林科技大學電機工程學系碩士論文92 年
4李思賢ldquo數位式單相低功率太陽光電能轉換系統國立中山大學電機工程學系碩士論文92 年
5洪世杰ldquo適用於再生能源之市電併聯型雙輸入供電系統國立中正大學電機工程研究所碩士論文93 年
6王廷興ldquo太陽能發電配電設計概要台北科技大學冷凍空調系 92年
7魏榮宗王文宏ldquo高效率太陽光電能源轉換系統 元智大學電機工程學系94年
[ ] 100)25(
)11
(exp
1)(exp
3
λminus+=
minus
=
+minus
minus+minus=
TKII
TTBk
qE
T
TII
where
R
IRVIRV
AkT
qIII
ISCRLG
r
GO
r
oros
sh
ssosLG
VI cell output current and voltagecell reverse saturation currentcell temperature in CBoltzmannrsquos constantelectronic chargeshort circuit current temperature coefficientsolar irradiation in Wmshort-circuit current at 25 Cand 1000 Wm
light-generated currentband gap for siliconideality factorsreference temperaturecell saturation current atshunt resistanceseries resistance
osI
T
kq
00170=IK
SCRIλ
LGI
GOE
921== ABKTr deg= 18301
orI
shR
sR
附錄附錄附錄附錄- 太陽能電池太陽能電池太陽能電池太陽能電池
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
(a) Equivalent circuit of a PV module and
(b) Typical PV module current-voltage and power-voltage characteristics
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
Characteristic of a PV module with temperature and irradiation (a) constant irradiation and varying temperature and (b) constant temperature and varying irradiation
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
系統範例系統範例系統範例系統範例
中途驛站電化PV離島用PV系統山岳地帶PV系統離島偏遠區
勤務指揮中心緊急避難所醫療院所公園學校地震觀測站森林嘹望台避難指示燈氣象觀測所水位警報PV系統河川安全燈防波堤安全PV燈
緊急防災
緊急供電系統管線電氣防蝕輸油管流量計PV系統市場廣告塔海上石油平台各種計測站PV系統發電廠情報指揮中心
產業用
住宅用供電系統緊急供電系統緊急照明系統帷幕牆遮陽棚採光罩屋瓦建築物
無線通信用中繼站基地台緊急電話中繼站電話通信PV系統Radio受信PV系統微波中繼站
通訊
農宅用電溫室栽培PV系統農業灌溉用自動灑水系統農牧電籬牛乳冷藏漁業養殖揚水通氣自動餵食器
農林漁牧
路燈交通號誌道路指示牌標誌燈太陽能電動車充電站高速公路緊急電話偏遠道路緊急電話停車計時器停車場控制門系統高速公路防音壁PV系統公路休息區PV系統太陽能車平交道指示燈候車亭PV系統車站屋頂型PV系統
道路交通
收音機測電表手錶計算機太陽能照相機手電筒電池充電器野營燈民生
應用領域
市電併聯型住宅用太陽光發電系統
太陽光發電系統發電及負載用電對時間之關係
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
併聯型直交流轉換器之效能要求較高
1 最大功率追蹤(Maximum Power Tracking MPT)
2 高轉換效率 gt 90 (PWM+電力電子元件)
3 高次諧波功率 Distortion (lt5 total)
4 自動開關機(白天夜晚)
5 過負載保護過溫度保護
6 體積小重量輕室外防水防塵
7 電腦界面可遠端監控
8 防止獨立運轉(連線保護)
9 可自力運轉
太陽電池組列
交流負載
直交流轉換器MPT
Power Conditioner
併聯系統之獨立運轉(單獨運轉)
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull停電時單一併聯系統將會停止運作
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
bull 市電停電時多數併聯系統仍聯合運作將對電力公司人員產生嚴重危害
孤島效應之防止方法
停電偵測1 過電壓低電壓
2 過頻率低頻率
3 被動式偵測如
bull 電壓與頻率監視方式
bull 電壓相位跳躍監視方式
bull 高次諧波監視方式
bull 頻率變化監視方式
PV組列
直交流轉換器
自家負載
4 主動偵測如
bull 頻率Shift方式
bull 配電線負載變動方式
bull 有效電力變動方式
bull 無效電力變動方式
反應時間05~2秒
資料來源「日本電氣用品試驗所」分散型電源系統連系技術指針(1998)
併聯系統之自力運轉功能
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull 大停電後白天有陽光時以人工啟動 PV 系統進行自力運轉供自家負載使用(但夜間無法使用)
防災型併聯型系統
適用地點有防災需求(照明汲水通信hellip)之公共設施
工作方式
bull 平時PV併聯發電(電池浮充) 效率高利用率高夜間由台電供電
bull 視需要建置供防災用電池大停電時白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
缺點bull 含電池成本較高bull 系統較複雜需專人定期維護
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
FAQ1太陽光發電需要多少土地
效率 = (輸出功率W) (組列面積 m2 x 日照強度 Wm2 ) x 100
模板面積 m2 = 輸出功率W (效率 x日照強度Wm2 ) x100
bull 假設使用效率gt136 模板於1000 Wm2 (AM15)日照強度下
10 kWp 模板面積 (m2) = 10000 (0136 x 1000) ~ 735 m2
10 kWp PV系統土地面積需求約
~ 735 m2 x 15 x 11
~ 121m2 (~36坪)
(包括陰影面積及維修空間)
bull 假設使用效率~10 模板
則模板面積約 ~ 100 m2
土地面積需求約 ~ 165m2 (~50坪)
gt55o
夏至
冬至
春秋分
235o 235oh
L1 L2
FAQ2太陽電池一年能發多少電
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
10 kWm2
05 kWm2
日照強度
等效日照時數(Sun Hour)
組列單日發電量 = 組列額定輸出功率 x 等效日照時數
bull 預估1 kWp 組列單日發電量 = 1 (kW) x ex 4(Sun Hour)= 4 kWh
組列年發電量 = 組列額定輸出功率 x 年平均每日日照時數 x 365
bull 預估 1 kWp 組列年發電量 = 1 x 4 x 365 = 1460 kWh
時間時間時間時間
FAQ3太陽光發電的成本(簡易估算)
1 假設目前太陽光發電系統設置成本約為 NT$ 280000 kWp
2 假設年平均每日日照時數約為 25 Sun Hour (台灣中南部地區)
bull 1 kWp 組列單日發電量= 1 (kW) x 25 (Hour)= 25 kWh
bull 1 kWp 組列年發電量= 25 x 365 = 913 kWh (度)
3 假設太陽光發電系統使用壽命為 20 年
bull 1 kWp 太陽光發電系統總共可發電 20 x 913 = 18260 度
4 生產每度電之成本約為 280000 18260 ~ NT$ 153
5 未來發展趨勢
bull 太陽光發電系統設置成本將逐年降低
bull 市電電費將會升高(國內目前約 NT$ 3 度日本約NT$ 7 度)
bull 傳統能源限制再生能源獎勵利率降低
64獨立型太陽光發電系統應用例(一)
bull太陽電池時鐘-日本bull太陽電池路燈-日本千里住宅公園
獨立型太陽光發電系統應用例(二)
bull太陽電池交通標誌-日本北海道 bull高速公路緊急電話-日本
獨立型太陽光發電系統應用例(三)
bull800W無線通信中繼基地台韓國(1998)
獨立型太陽光發電系統應用例(四)
bull離島用90kW獨立型發電系統韓國Ho-Do島(1992)
併聯型太陽光發電系統應用例(一)
bull設置於屋頂之住宅用太陽光發電系統(建材一體型日本千里住宅公園內住宅設計之一)
併聯型太陽光發電系統應用例(二)
bull日本東海線新幹線京都車站之太陽光發電系統(100kWp)
併聯型太陽光發電系統應用例(三)
bull日本京瓷(Kyocera)京都總公司大樓之太陽電池發電系統(220kWp)
太陽光發電發電廠應用例
太陽電池發電廠
(PV Power Plant)
資料來源 ANIT
Srl Italy
建材一體型太陽電池模板應用例
bull資料來源 Pilkington Solar International GmbH 德國
太陽能車應用例
Honda Dream
bull資料來源 PV Special Research
Centre UNSW Australia
交大太陽能車
bull資料來源 National Chiao-Tung
University Taiwan
太陽光發電航太應用例(NASA Helios )
bull空中無線通訊平台應用
資料來源SkyOne Inc Taiwan
bull 飛行高度5-7 萬英呎(最高記錄 96000 英呎)
bull 時速60 mph (起飛 25 mph)
bull 翼展247 英呎bull 重量2000 磅bull 太陽電池效率要求gt22
資料來源httpwwwaerovironmentcomhomehtml
清雲技術學院 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
個人住宅 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
勤益技術學院 3kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
南台科技大學 10kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
總統府 10kWp 獨立型太陽光能發電系統 (9012)
海巡署南沙太平島 20kWp 混合型(柴油發電機)太陽光能發電系統 (9011)
90能源基金示範補助成果例
台電樹林 20kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
併聯型
台電台北市區處 20kWp 太陽光發電系統
(91能源基金示範補助成果)
併聯型
7結論
bull (1)提高電力轉換器效率
bull 轉換器的損失主要來自於開關切換時之損失為了可以降低濾波電路中電感和電容的體積可以提高切換頻率但是相對於開關的切換損失也因此而增加導致轉換器的效率降低因此發展零電壓或零電流切換技術應用於高切換頻率之轉換器將可以提高轉換器的效率
bull (2)提高太陽光發電系統之整體效率
bull 傳統之太陽光發電系統包含儲能系統和供電系統前級利用DCDC轉換器作最大功率追蹤後級則利用DCAC轉換器轉換能量供應給交流負載為了提高太陽光發電系統的整體效率在研究可提出了模組並聯控制技術以提昇各級電力轉換器的效率而在未來太陽光發電系統也將著重在單級電力轉換器的設計對於整體系統效率有較明顯的改善
8參考資料
1許國強ldquo太陽光發電原理與應用工研院材料所 薄膜技術組91年
2華志強黃崇倫ldquo智慧型能量控制於太陽光電能轉換系統國立雲林科技大學電機工程學系電力研討會97年
3林政達ldquo數位式市電並聯換流器與快速鎖相迴路控制器之研製國立雲林科技大學電機工程學系碩士論文92 年
4李思賢ldquo數位式單相低功率太陽光電能轉換系統國立中山大學電機工程學系碩士論文92 年
5洪世杰ldquo適用於再生能源之市電併聯型雙輸入供電系統國立中正大學電機工程研究所碩士論文93 年
6王廷興ldquo太陽能發電配電設計概要台北科技大學冷凍空調系 92年
7魏榮宗王文宏ldquo高效率太陽光電能源轉換系統 元智大學電機工程學系94年
[ ] 100)25(
)11
(exp
1)(exp
3
λminus+=
minus
=
+minus
minus+minus=
TKII
TTBk
qE
T
TII
where
R
IRVIRV
AkT
qIII
ISCRLG
r
GO
r
oros
sh
ssosLG
VI cell output current and voltagecell reverse saturation currentcell temperature in CBoltzmannrsquos constantelectronic chargeshort circuit current temperature coefficientsolar irradiation in Wmshort-circuit current at 25 Cand 1000 Wm
light-generated currentband gap for siliconideality factorsreference temperaturecell saturation current atshunt resistanceseries resistance
osI
T
kq
00170=IK
SCRIλ
LGI
GOE
921== ABKTr deg= 18301
orI
shR
sR
附錄附錄附錄附錄- 太陽能電池太陽能電池太陽能電池太陽能電池
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
(a) Equivalent circuit of a PV module and
(b) Typical PV module current-voltage and power-voltage characteristics
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
Characteristic of a PV module with temperature and irradiation (a) constant irradiation and varying temperature and (b) constant temperature and varying irradiation
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
系統範例系統範例系統範例系統範例
中途驛站電化PV離島用PV系統山岳地帶PV系統離島偏遠區
勤務指揮中心緊急避難所醫療院所公園學校地震觀測站森林嘹望台避難指示燈氣象觀測所水位警報PV系統河川安全燈防波堤安全PV燈
緊急防災
緊急供電系統管線電氣防蝕輸油管流量計PV系統市場廣告塔海上石油平台各種計測站PV系統發電廠情報指揮中心
產業用
住宅用供電系統緊急供電系統緊急照明系統帷幕牆遮陽棚採光罩屋瓦建築物
無線通信用中繼站基地台緊急電話中繼站電話通信PV系統Radio受信PV系統微波中繼站
通訊
農宅用電溫室栽培PV系統農業灌溉用自動灑水系統農牧電籬牛乳冷藏漁業養殖揚水通氣自動餵食器
農林漁牧
路燈交通號誌道路指示牌標誌燈太陽能電動車充電站高速公路緊急電話偏遠道路緊急電話停車計時器停車場控制門系統高速公路防音壁PV系統公路休息區PV系統太陽能車平交道指示燈候車亭PV系統車站屋頂型PV系統
道路交通
收音機測電表手錶計算機太陽能照相機手電筒電池充電器野營燈民生
應用領域
太陽光發電系統發電及負載用電對時間之關係
太陽電池組列
直交流電力轉換器
交流負載
併聯型直交流轉換器之效能要求較高
1 最大功率追蹤(Maximum Power Tracking MPT)
2 高轉換效率 gt 90 (PWM+電力電子元件)
3 高次諧波功率 Distortion (lt5 total)
4 自動開關機(白天夜晚)
5 過負載保護過溫度保護
6 體積小重量輕室外防水防塵
7 電腦界面可遠端監控
8 防止獨立運轉(連線保護)
9 可自力運轉
太陽電池組列
交流負載
直交流轉換器MPT
Power Conditioner
併聯系統之獨立運轉(單獨運轉)
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull停電時單一併聯系統將會停止運作
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
bull 市電停電時多數併聯系統仍聯合運作將對電力公司人員產生嚴重危害
孤島效應之防止方法
停電偵測1 過電壓低電壓
2 過頻率低頻率
3 被動式偵測如
bull 電壓與頻率監視方式
bull 電壓相位跳躍監視方式
bull 高次諧波監視方式
bull 頻率變化監視方式
PV組列
直交流轉換器
自家負載
4 主動偵測如
bull 頻率Shift方式
bull 配電線負載變動方式
bull 有效電力變動方式
bull 無效電力變動方式
反應時間05~2秒
資料來源「日本電氣用品試驗所」分散型電源系統連系技術指針(1998)
併聯系統之自力運轉功能
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull 大停電後白天有陽光時以人工啟動 PV 系統進行自力運轉供自家負載使用(但夜間無法使用)
防災型併聯型系統
適用地點有防災需求(照明汲水通信hellip)之公共設施
工作方式
bull 平時PV併聯發電(電池浮充) 效率高利用率高夜間由台電供電
bull 視需要建置供防災用電池大停電時白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
缺點bull 含電池成本較高bull 系統較複雜需專人定期維護
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
FAQ1太陽光發電需要多少土地
效率 = (輸出功率W) (組列面積 m2 x 日照強度 Wm2 ) x 100
模板面積 m2 = 輸出功率W (效率 x日照強度Wm2 ) x100
bull 假設使用效率gt136 模板於1000 Wm2 (AM15)日照強度下
10 kWp 模板面積 (m2) = 10000 (0136 x 1000) ~ 735 m2
10 kWp PV系統土地面積需求約
~ 735 m2 x 15 x 11
~ 121m2 (~36坪)
(包括陰影面積及維修空間)
bull 假設使用效率~10 模板
則模板面積約 ~ 100 m2
土地面積需求約 ~ 165m2 (~50坪)
gt55o
夏至
冬至
春秋分
235o 235oh
L1 L2
FAQ2太陽電池一年能發多少電
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
10 kWm2
05 kWm2
日照強度
等效日照時數(Sun Hour)
組列單日發電量 = 組列額定輸出功率 x 等效日照時數
bull 預估1 kWp 組列單日發電量 = 1 (kW) x ex 4(Sun Hour)= 4 kWh
組列年發電量 = 組列額定輸出功率 x 年平均每日日照時數 x 365
bull 預估 1 kWp 組列年發電量 = 1 x 4 x 365 = 1460 kWh
時間時間時間時間
FAQ3太陽光發電的成本(簡易估算)
1 假設目前太陽光發電系統設置成本約為 NT$ 280000 kWp
2 假設年平均每日日照時數約為 25 Sun Hour (台灣中南部地區)
bull 1 kWp 組列單日發電量= 1 (kW) x 25 (Hour)= 25 kWh
bull 1 kWp 組列年發電量= 25 x 365 = 913 kWh (度)
3 假設太陽光發電系統使用壽命為 20 年
bull 1 kWp 太陽光發電系統總共可發電 20 x 913 = 18260 度
4 生產每度電之成本約為 280000 18260 ~ NT$ 153
5 未來發展趨勢
bull 太陽光發電系統設置成本將逐年降低
bull 市電電費將會升高(國內目前約 NT$ 3 度日本約NT$ 7 度)
bull 傳統能源限制再生能源獎勵利率降低
64獨立型太陽光發電系統應用例(一)
bull太陽電池時鐘-日本bull太陽電池路燈-日本千里住宅公園
獨立型太陽光發電系統應用例(二)
bull太陽電池交通標誌-日本北海道 bull高速公路緊急電話-日本
獨立型太陽光發電系統應用例(三)
bull800W無線通信中繼基地台韓國(1998)
獨立型太陽光發電系統應用例(四)
bull離島用90kW獨立型發電系統韓國Ho-Do島(1992)
併聯型太陽光發電系統應用例(一)
bull設置於屋頂之住宅用太陽光發電系統(建材一體型日本千里住宅公園內住宅設計之一)
併聯型太陽光發電系統應用例(二)
bull日本東海線新幹線京都車站之太陽光發電系統(100kWp)
併聯型太陽光發電系統應用例(三)
bull日本京瓷(Kyocera)京都總公司大樓之太陽電池發電系統(220kWp)
太陽光發電發電廠應用例
太陽電池發電廠
(PV Power Plant)
資料來源 ANIT
Srl Italy
建材一體型太陽電池模板應用例
bull資料來源 Pilkington Solar International GmbH 德國
太陽能車應用例
Honda Dream
bull資料來源 PV Special Research
Centre UNSW Australia
交大太陽能車
bull資料來源 National Chiao-Tung
University Taiwan
太陽光發電航太應用例(NASA Helios )
bull空中無線通訊平台應用
資料來源SkyOne Inc Taiwan
bull 飛行高度5-7 萬英呎(最高記錄 96000 英呎)
bull 時速60 mph (起飛 25 mph)
bull 翼展247 英呎bull 重量2000 磅bull 太陽電池效率要求gt22
資料來源httpwwwaerovironmentcomhomehtml
清雲技術學院 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
個人住宅 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
勤益技術學院 3kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
南台科技大學 10kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
總統府 10kWp 獨立型太陽光能發電系統 (9012)
海巡署南沙太平島 20kWp 混合型(柴油發電機)太陽光能發電系統 (9011)
90能源基金示範補助成果例
台電樹林 20kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
併聯型
台電台北市區處 20kWp 太陽光發電系統
(91能源基金示範補助成果)
併聯型
7結論
bull (1)提高電力轉換器效率
bull 轉換器的損失主要來自於開關切換時之損失為了可以降低濾波電路中電感和電容的體積可以提高切換頻率但是相對於開關的切換損失也因此而增加導致轉換器的效率降低因此發展零電壓或零電流切換技術應用於高切換頻率之轉換器將可以提高轉換器的效率
bull (2)提高太陽光發電系統之整體效率
bull 傳統之太陽光發電系統包含儲能系統和供電系統前級利用DCDC轉換器作最大功率追蹤後級則利用DCAC轉換器轉換能量供應給交流負載為了提高太陽光發電系統的整體效率在研究可提出了模組並聯控制技術以提昇各級電力轉換器的效率而在未來太陽光發電系統也將著重在單級電力轉換器的設計對於整體系統效率有較明顯的改善
8參考資料
1許國強ldquo太陽光發電原理與應用工研院材料所 薄膜技術組91年
2華志強黃崇倫ldquo智慧型能量控制於太陽光電能轉換系統國立雲林科技大學電機工程學系電力研討會97年
3林政達ldquo數位式市電並聯換流器與快速鎖相迴路控制器之研製國立雲林科技大學電機工程學系碩士論文92 年
4李思賢ldquo數位式單相低功率太陽光電能轉換系統國立中山大學電機工程學系碩士論文92 年
5洪世杰ldquo適用於再生能源之市電併聯型雙輸入供電系統國立中正大學電機工程研究所碩士論文93 年
6王廷興ldquo太陽能發電配電設計概要台北科技大學冷凍空調系 92年
7魏榮宗王文宏ldquo高效率太陽光電能源轉換系統 元智大學電機工程學系94年
[ ] 100)25(
)11
(exp
1)(exp
3
λminus+=
minus
=
+minus
minus+minus=
TKII
TTBk
qE
T
TII
where
R
IRVIRV
AkT
qIII
ISCRLG
r
GO
r
oros
sh
ssosLG
VI cell output current and voltagecell reverse saturation currentcell temperature in CBoltzmannrsquos constantelectronic chargeshort circuit current temperature coefficientsolar irradiation in Wmshort-circuit current at 25 Cand 1000 Wm
light-generated currentband gap for siliconideality factorsreference temperaturecell saturation current atshunt resistanceseries resistance
osI
T
kq
00170=IK
SCRIλ
LGI
GOE
921== ABKTr deg= 18301
orI
shR
sR
附錄附錄附錄附錄- 太陽能電池太陽能電池太陽能電池太陽能電池
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
(a) Equivalent circuit of a PV module and
(b) Typical PV module current-voltage and power-voltage characteristics
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
Characteristic of a PV module with temperature and irradiation (a) constant irradiation and varying temperature and (b) constant temperature and varying irradiation
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
系統範例系統範例系統範例系統範例
中途驛站電化PV離島用PV系統山岳地帶PV系統離島偏遠區
勤務指揮中心緊急避難所醫療院所公園學校地震觀測站森林嘹望台避難指示燈氣象觀測所水位警報PV系統河川安全燈防波堤安全PV燈
緊急防災
緊急供電系統管線電氣防蝕輸油管流量計PV系統市場廣告塔海上石油平台各種計測站PV系統發電廠情報指揮中心
產業用
住宅用供電系統緊急供電系統緊急照明系統帷幕牆遮陽棚採光罩屋瓦建築物
無線通信用中繼站基地台緊急電話中繼站電話通信PV系統Radio受信PV系統微波中繼站
通訊
農宅用電溫室栽培PV系統農業灌溉用自動灑水系統農牧電籬牛乳冷藏漁業養殖揚水通氣自動餵食器
農林漁牧
路燈交通號誌道路指示牌標誌燈太陽能電動車充電站高速公路緊急電話偏遠道路緊急電話停車計時器停車場控制門系統高速公路防音壁PV系統公路休息區PV系統太陽能車平交道指示燈候車亭PV系統車站屋頂型PV系統
道路交通
收音機測電表手錶計算機太陽能照相機手電筒電池充電器野營燈民生
應用領域
併聯型直交流轉換器之效能要求較高
1 最大功率追蹤(Maximum Power Tracking MPT)
2 高轉換效率 gt 90 (PWM+電力電子元件)
3 高次諧波功率 Distortion (lt5 total)
4 自動開關機(白天夜晚)
5 過負載保護過溫度保護
6 體積小重量輕室外防水防塵
7 電腦界面可遠端監控
8 防止獨立運轉(連線保護)
9 可自力運轉
太陽電池組列
交流負載
直交流轉換器MPT
Power Conditioner
併聯系統之獨立運轉(單獨運轉)
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull停電時單一併聯系統將會停止運作
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
bull 市電停電時多數併聯系統仍聯合運作將對電力公司人員產生嚴重危害
孤島效應之防止方法
停電偵測1 過電壓低電壓
2 過頻率低頻率
3 被動式偵測如
bull 電壓與頻率監視方式
bull 電壓相位跳躍監視方式
bull 高次諧波監視方式
bull 頻率變化監視方式
PV組列
直交流轉換器
自家負載
4 主動偵測如
bull 頻率Shift方式
bull 配電線負載變動方式
bull 有效電力變動方式
bull 無效電力變動方式
反應時間05~2秒
資料來源「日本電氣用品試驗所」分散型電源系統連系技術指針(1998)
併聯系統之自力運轉功能
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull 大停電後白天有陽光時以人工啟動 PV 系統進行自力運轉供自家負載使用(但夜間無法使用)
防災型併聯型系統
適用地點有防災需求(照明汲水通信hellip)之公共設施
工作方式
bull 平時PV併聯發電(電池浮充) 效率高利用率高夜間由台電供電
bull 視需要建置供防災用電池大停電時白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
缺點bull 含電池成本較高bull 系統較複雜需專人定期維護
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
FAQ1太陽光發電需要多少土地
效率 = (輸出功率W) (組列面積 m2 x 日照強度 Wm2 ) x 100
模板面積 m2 = 輸出功率W (效率 x日照強度Wm2 ) x100
bull 假設使用效率gt136 模板於1000 Wm2 (AM15)日照強度下
10 kWp 模板面積 (m2) = 10000 (0136 x 1000) ~ 735 m2
10 kWp PV系統土地面積需求約
~ 735 m2 x 15 x 11
~ 121m2 (~36坪)
(包括陰影面積及維修空間)
bull 假設使用效率~10 模板
則模板面積約 ~ 100 m2
土地面積需求約 ~ 165m2 (~50坪)
gt55o
夏至
冬至
春秋分
235o 235oh
L1 L2
FAQ2太陽電池一年能發多少電
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
10 kWm2
05 kWm2
日照強度
等效日照時數(Sun Hour)
組列單日發電量 = 組列額定輸出功率 x 等效日照時數
bull 預估1 kWp 組列單日發電量 = 1 (kW) x ex 4(Sun Hour)= 4 kWh
組列年發電量 = 組列額定輸出功率 x 年平均每日日照時數 x 365
bull 預估 1 kWp 組列年發電量 = 1 x 4 x 365 = 1460 kWh
時間時間時間時間
FAQ3太陽光發電的成本(簡易估算)
1 假設目前太陽光發電系統設置成本約為 NT$ 280000 kWp
2 假設年平均每日日照時數約為 25 Sun Hour (台灣中南部地區)
bull 1 kWp 組列單日發電量= 1 (kW) x 25 (Hour)= 25 kWh
bull 1 kWp 組列年發電量= 25 x 365 = 913 kWh (度)
3 假設太陽光發電系統使用壽命為 20 年
bull 1 kWp 太陽光發電系統總共可發電 20 x 913 = 18260 度
4 生產每度電之成本約為 280000 18260 ~ NT$ 153
5 未來發展趨勢
bull 太陽光發電系統設置成本將逐年降低
bull 市電電費將會升高(國內目前約 NT$ 3 度日本約NT$ 7 度)
bull 傳統能源限制再生能源獎勵利率降低
64獨立型太陽光發電系統應用例(一)
bull太陽電池時鐘-日本bull太陽電池路燈-日本千里住宅公園
獨立型太陽光發電系統應用例(二)
bull太陽電池交通標誌-日本北海道 bull高速公路緊急電話-日本
獨立型太陽光發電系統應用例(三)
bull800W無線通信中繼基地台韓國(1998)
獨立型太陽光發電系統應用例(四)
bull離島用90kW獨立型發電系統韓國Ho-Do島(1992)
併聯型太陽光發電系統應用例(一)
bull設置於屋頂之住宅用太陽光發電系統(建材一體型日本千里住宅公園內住宅設計之一)
併聯型太陽光發電系統應用例(二)
bull日本東海線新幹線京都車站之太陽光發電系統(100kWp)
併聯型太陽光發電系統應用例(三)
bull日本京瓷(Kyocera)京都總公司大樓之太陽電池發電系統(220kWp)
太陽光發電發電廠應用例
太陽電池發電廠
(PV Power Plant)
資料來源 ANIT
Srl Italy
建材一體型太陽電池模板應用例
bull資料來源 Pilkington Solar International GmbH 德國
太陽能車應用例
Honda Dream
bull資料來源 PV Special Research
Centre UNSW Australia
交大太陽能車
bull資料來源 National Chiao-Tung
University Taiwan
太陽光發電航太應用例(NASA Helios )
bull空中無線通訊平台應用
資料來源SkyOne Inc Taiwan
bull 飛行高度5-7 萬英呎(最高記錄 96000 英呎)
bull 時速60 mph (起飛 25 mph)
bull 翼展247 英呎bull 重量2000 磅bull 太陽電池效率要求gt22
資料來源httpwwwaerovironmentcomhomehtml
清雲技術學院 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
個人住宅 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
勤益技術學院 3kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
南台科技大學 10kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
總統府 10kWp 獨立型太陽光能發電系統 (9012)
海巡署南沙太平島 20kWp 混合型(柴油發電機)太陽光能發電系統 (9011)
90能源基金示範補助成果例
台電樹林 20kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
併聯型
台電台北市區處 20kWp 太陽光發電系統
(91能源基金示範補助成果)
併聯型
7結論
bull (1)提高電力轉換器效率
bull 轉換器的損失主要來自於開關切換時之損失為了可以降低濾波電路中電感和電容的體積可以提高切換頻率但是相對於開關的切換損失也因此而增加導致轉換器的效率降低因此發展零電壓或零電流切換技術應用於高切換頻率之轉換器將可以提高轉換器的效率
bull (2)提高太陽光發電系統之整體效率
bull 傳統之太陽光發電系統包含儲能系統和供電系統前級利用DCDC轉換器作最大功率追蹤後級則利用DCAC轉換器轉換能量供應給交流負載為了提高太陽光發電系統的整體效率在研究可提出了模組並聯控制技術以提昇各級電力轉換器的效率而在未來太陽光發電系統也將著重在單級電力轉換器的設計對於整體系統效率有較明顯的改善
8參考資料
1許國強ldquo太陽光發電原理與應用工研院材料所 薄膜技術組91年
2華志強黃崇倫ldquo智慧型能量控制於太陽光電能轉換系統國立雲林科技大學電機工程學系電力研討會97年
3林政達ldquo數位式市電並聯換流器與快速鎖相迴路控制器之研製國立雲林科技大學電機工程學系碩士論文92 年
4李思賢ldquo數位式單相低功率太陽光電能轉換系統國立中山大學電機工程學系碩士論文92 年
5洪世杰ldquo適用於再生能源之市電併聯型雙輸入供電系統國立中正大學電機工程研究所碩士論文93 年
6王廷興ldquo太陽能發電配電設計概要台北科技大學冷凍空調系 92年
7魏榮宗王文宏ldquo高效率太陽光電能源轉換系統 元智大學電機工程學系94年
[ ] 100)25(
)11
(exp
1)(exp
3
λminus+=
minus
=
+minus
minus+minus=
TKII
TTBk
qE
T
TII
where
R
IRVIRV
AkT
qIII
ISCRLG
r
GO
r
oros
sh
ssosLG
VI cell output current and voltagecell reverse saturation currentcell temperature in CBoltzmannrsquos constantelectronic chargeshort circuit current temperature coefficientsolar irradiation in Wmshort-circuit current at 25 Cand 1000 Wm
light-generated currentband gap for siliconideality factorsreference temperaturecell saturation current atshunt resistanceseries resistance
osI
T
kq
00170=IK
SCRIλ
LGI
GOE
921== ABKTr deg= 18301
orI
shR
sR
附錄附錄附錄附錄- 太陽能電池太陽能電池太陽能電池太陽能電池
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
(a) Equivalent circuit of a PV module and
(b) Typical PV module current-voltage and power-voltage characteristics
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
Characteristic of a PV module with temperature and irradiation (a) constant irradiation and varying temperature and (b) constant temperature and varying irradiation
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
系統範例系統範例系統範例系統範例
中途驛站電化PV離島用PV系統山岳地帶PV系統離島偏遠區
勤務指揮中心緊急避難所醫療院所公園學校地震觀測站森林嘹望台避難指示燈氣象觀測所水位警報PV系統河川安全燈防波堤安全PV燈
緊急防災
緊急供電系統管線電氣防蝕輸油管流量計PV系統市場廣告塔海上石油平台各種計測站PV系統發電廠情報指揮中心
產業用
住宅用供電系統緊急供電系統緊急照明系統帷幕牆遮陽棚採光罩屋瓦建築物
無線通信用中繼站基地台緊急電話中繼站電話通信PV系統Radio受信PV系統微波中繼站
通訊
農宅用電溫室栽培PV系統農業灌溉用自動灑水系統農牧電籬牛乳冷藏漁業養殖揚水通氣自動餵食器
農林漁牧
路燈交通號誌道路指示牌標誌燈太陽能電動車充電站高速公路緊急電話偏遠道路緊急電話停車計時器停車場控制門系統高速公路防音壁PV系統公路休息區PV系統太陽能車平交道指示燈候車亭PV系統車站屋頂型PV系統
道路交通
收音機測電表手錶計算機太陽能照相機手電筒電池充電器野營燈民生
應用領域
併聯系統之獨立運轉(單獨運轉)
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
太陽電池組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull停電時單一併聯系統將會停止運作
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
bull 市電停電時多數併聯系統仍聯合運作將對電力公司人員產生嚴重危害
孤島效應之防止方法
停電偵測1 過電壓低電壓
2 過頻率低頻率
3 被動式偵測如
bull 電壓與頻率監視方式
bull 電壓相位跳躍監視方式
bull 高次諧波監視方式
bull 頻率變化監視方式
PV組列
直交流轉換器
自家負載
4 主動偵測如
bull 頻率Shift方式
bull 配電線負載變動方式
bull 有效電力變動方式
bull 無效電力變動方式
反應時間05~2秒
資料來源「日本電氣用品試驗所」分散型電源系統連系技術指針(1998)
併聯系統之自力運轉功能
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull 大停電後白天有陽光時以人工啟動 PV 系統進行自力運轉供自家負載使用(但夜間無法使用)
防災型併聯型系統
適用地點有防災需求(照明汲水通信hellip)之公共設施
工作方式
bull 平時PV併聯發電(電池浮充) 效率高利用率高夜間由台電供電
bull 視需要建置供防災用電池大停電時白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
缺點bull 含電池成本較高bull 系統較複雜需專人定期維護
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
FAQ1太陽光發電需要多少土地
效率 = (輸出功率W) (組列面積 m2 x 日照強度 Wm2 ) x 100
模板面積 m2 = 輸出功率W (效率 x日照強度Wm2 ) x100
bull 假設使用效率gt136 模板於1000 Wm2 (AM15)日照強度下
10 kWp 模板面積 (m2) = 10000 (0136 x 1000) ~ 735 m2
10 kWp PV系統土地面積需求約
~ 735 m2 x 15 x 11
~ 121m2 (~36坪)
(包括陰影面積及維修空間)
bull 假設使用效率~10 模板
則模板面積約 ~ 100 m2
土地面積需求約 ~ 165m2 (~50坪)
gt55o
夏至
冬至
春秋分
235o 235oh
L1 L2
FAQ2太陽電池一年能發多少電
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
10 kWm2
05 kWm2
日照強度
等效日照時數(Sun Hour)
組列單日發電量 = 組列額定輸出功率 x 等效日照時數
bull 預估1 kWp 組列單日發電量 = 1 (kW) x ex 4(Sun Hour)= 4 kWh
組列年發電量 = 組列額定輸出功率 x 年平均每日日照時數 x 365
bull 預估 1 kWp 組列年發電量 = 1 x 4 x 365 = 1460 kWh
時間時間時間時間
FAQ3太陽光發電的成本(簡易估算)
1 假設目前太陽光發電系統設置成本約為 NT$ 280000 kWp
2 假設年平均每日日照時數約為 25 Sun Hour (台灣中南部地區)
bull 1 kWp 組列單日發電量= 1 (kW) x 25 (Hour)= 25 kWh
bull 1 kWp 組列年發電量= 25 x 365 = 913 kWh (度)
3 假設太陽光發電系統使用壽命為 20 年
bull 1 kWp 太陽光發電系統總共可發電 20 x 913 = 18260 度
4 生產每度電之成本約為 280000 18260 ~ NT$ 153
5 未來發展趨勢
bull 太陽光發電系統設置成本將逐年降低
bull 市電電費將會升高(國內目前約 NT$ 3 度日本約NT$ 7 度)
bull 傳統能源限制再生能源獎勵利率降低
64獨立型太陽光發電系統應用例(一)
bull太陽電池時鐘-日本bull太陽電池路燈-日本千里住宅公園
獨立型太陽光發電系統應用例(二)
bull太陽電池交通標誌-日本北海道 bull高速公路緊急電話-日本
獨立型太陽光發電系統應用例(三)
bull800W無線通信中繼基地台韓國(1998)
獨立型太陽光發電系統應用例(四)
bull離島用90kW獨立型發電系統韓國Ho-Do島(1992)
併聯型太陽光發電系統應用例(一)
bull設置於屋頂之住宅用太陽光發電系統(建材一體型日本千里住宅公園內住宅設計之一)
併聯型太陽光發電系統應用例(二)
bull日本東海線新幹線京都車站之太陽光發電系統(100kWp)
併聯型太陽光發電系統應用例(三)
bull日本京瓷(Kyocera)京都總公司大樓之太陽電池發電系統(220kWp)
太陽光發電發電廠應用例
太陽電池發電廠
(PV Power Plant)
資料來源 ANIT
Srl Italy
建材一體型太陽電池模板應用例
bull資料來源 Pilkington Solar International GmbH 德國
太陽能車應用例
Honda Dream
bull資料來源 PV Special Research
Centre UNSW Australia
交大太陽能車
bull資料來源 National Chiao-Tung
University Taiwan
太陽光發電航太應用例(NASA Helios )
bull空中無線通訊平台應用
資料來源SkyOne Inc Taiwan
bull 飛行高度5-7 萬英呎(最高記錄 96000 英呎)
bull 時速60 mph (起飛 25 mph)
bull 翼展247 英呎bull 重量2000 磅bull 太陽電池效率要求gt22
資料來源httpwwwaerovironmentcomhomehtml
清雲技術學院 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
個人住宅 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
勤益技術學院 3kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
南台科技大學 10kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
總統府 10kWp 獨立型太陽光能發電系統 (9012)
海巡署南沙太平島 20kWp 混合型(柴油發電機)太陽光能發電系統 (9011)
90能源基金示範補助成果例
台電樹林 20kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
併聯型
台電台北市區處 20kWp 太陽光發電系統
(91能源基金示範補助成果)
併聯型
7結論
bull (1)提高電力轉換器效率
bull 轉換器的損失主要來自於開關切換時之損失為了可以降低濾波電路中電感和電容的體積可以提高切換頻率但是相對於開關的切換損失也因此而增加導致轉換器的效率降低因此發展零電壓或零電流切換技術應用於高切換頻率之轉換器將可以提高轉換器的效率
bull (2)提高太陽光發電系統之整體效率
bull 傳統之太陽光發電系統包含儲能系統和供電系統前級利用DCDC轉換器作最大功率追蹤後級則利用DCAC轉換器轉換能量供應給交流負載為了提高太陽光發電系統的整體效率在研究可提出了模組並聯控制技術以提昇各級電力轉換器的效率而在未來太陽光發電系統也將著重在單級電力轉換器的設計對於整體系統效率有較明顯的改善
8參考資料
1許國強ldquo太陽光發電原理與應用工研院材料所 薄膜技術組91年
2華志強黃崇倫ldquo智慧型能量控制於太陽光電能轉換系統國立雲林科技大學電機工程學系電力研討會97年
3林政達ldquo數位式市電並聯換流器與快速鎖相迴路控制器之研製國立雲林科技大學電機工程學系碩士論文92 年
4李思賢ldquo數位式單相低功率太陽光電能轉換系統國立中山大學電機工程學系碩士論文92 年
5洪世杰ldquo適用於再生能源之市電併聯型雙輸入供電系統國立中正大學電機工程研究所碩士論文93 年
6王廷興ldquo太陽能發電配電設計概要台北科技大學冷凍空調系 92年
7魏榮宗王文宏ldquo高效率太陽光電能源轉換系統 元智大學電機工程學系94年
[ ] 100)25(
)11
(exp
1)(exp
3
λminus+=
minus
=
+minus
minus+minus=
TKII
TTBk
qE
T
TII
where
R
IRVIRV
AkT
qIII
ISCRLG
r
GO
r
oros
sh
ssosLG
VI cell output current and voltagecell reverse saturation currentcell temperature in CBoltzmannrsquos constantelectronic chargeshort circuit current temperature coefficientsolar irradiation in Wmshort-circuit current at 25 Cand 1000 Wm
light-generated currentband gap for siliconideality factorsreference temperaturecell saturation current atshunt resistanceseries resistance
osI
T
kq
00170=IK
SCRIλ
LGI
GOE
921== ABKTr deg= 18301
orI
shR
sR
附錄附錄附錄附錄- 太陽能電池太陽能電池太陽能電池太陽能電池
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
(a) Equivalent circuit of a PV module and
(b) Typical PV module current-voltage and power-voltage characteristics
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
Characteristic of a PV module with temperature and irradiation (a) constant irradiation and varying temperature and (b) constant temperature and varying irradiation
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
系統範例系統範例系統範例系統範例
中途驛站電化PV離島用PV系統山岳地帶PV系統離島偏遠區
勤務指揮中心緊急避難所醫療院所公園學校地震觀測站森林嘹望台避難指示燈氣象觀測所水位警報PV系統河川安全燈防波堤安全PV燈
緊急防災
緊急供電系統管線電氣防蝕輸油管流量計PV系統市場廣告塔海上石油平台各種計測站PV系統發電廠情報指揮中心
產業用
住宅用供電系統緊急供電系統緊急照明系統帷幕牆遮陽棚採光罩屋瓦建築物
無線通信用中繼站基地台緊急電話中繼站電話通信PV系統Radio受信PV系統微波中繼站
通訊
農宅用電溫室栽培PV系統農業灌溉用自動灑水系統農牧電籬牛乳冷藏漁業養殖揚水通氣自動餵食器
農林漁牧
路燈交通號誌道路指示牌標誌燈太陽能電動車充電站高速公路緊急電話偏遠道路緊急電話停車計時器停車場控制門系統高速公路防音壁PV系統公路休息區PV系統太陽能車平交道指示燈候車亭PV系統車站屋頂型PV系統
道路交通
收音機測電表手錶計算機太陽能照相機手電筒電池充電器野營燈民生
應用領域
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
bull 市電停電時多數併聯系統仍聯合運作將對電力公司人員產生嚴重危害
孤島效應之防止方法
停電偵測1 過電壓低電壓
2 過頻率低頻率
3 被動式偵測如
bull 電壓與頻率監視方式
bull 電壓相位跳躍監視方式
bull 高次諧波監視方式
bull 頻率變化監視方式
PV組列
直交流轉換器
自家負載
4 主動偵測如
bull 頻率Shift方式
bull 配電線負載變動方式
bull 有效電力變動方式
bull 無效電力變動方式
反應時間05~2秒
資料來源「日本電氣用品試驗所」分散型電源系統連系技術指針(1998)
併聯系統之自力運轉功能
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull 大停電後白天有陽光時以人工啟動 PV 系統進行自力運轉供自家負載使用(但夜間無法使用)
防災型併聯型系統
適用地點有防災需求(照明汲水通信hellip)之公共設施
工作方式
bull 平時PV併聯發電(電池浮充) 效率高利用率高夜間由台電供電
bull 視需要建置供防災用電池大停電時白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
缺點bull 含電池成本較高bull 系統較複雜需專人定期維護
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
FAQ1太陽光發電需要多少土地
效率 = (輸出功率W) (組列面積 m2 x 日照強度 Wm2 ) x 100
模板面積 m2 = 輸出功率W (效率 x日照強度Wm2 ) x100
bull 假設使用效率gt136 模板於1000 Wm2 (AM15)日照強度下
10 kWp 模板面積 (m2) = 10000 (0136 x 1000) ~ 735 m2
10 kWp PV系統土地面積需求約
~ 735 m2 x 15 x 11
~ 121m2 (~36坪)
(包括陰影面積及維修空間)
bull 假設使用效率~10 模板
則模板面積約 ~ 100 m2
土地面積需求約 ~ 165m2 (~50坪)
gt55o
夏至
冬至
春秋分
235o 235oh
L1 L2
FAQ2太陽電池一年能發多少電
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
10 kWm2
05 kWm2
日照強度
等效日照時數(Sun Hour)
組列單日發電量 = 組列額定輸出功率 x 等效日照時數
bull 預估1 kWp 組列單日發電量 = 1 (kW) x ex 4(Sun Hour)= 4 kWh
組列年發電量 = 組列額定輸出功率 x 年平均每日日照時數 x 365
bull 預估 1 kWp 組列年發電量 = 1 x 4 x 365 = 1460 kWh
時間時間時間時間
FAQ3太陽光發電的成本(簡易估算)
1 假設目前太陽光發電系統設置成本約為 NT$ 280000 kWp
2 假設年平均每日日照時數約為 25 Sun Hour (台灣中南部地區)
bull 1 kWp 組列單日發電量= 1 (kW) x 25 (Hour)= 25 kWh
bull 1 kWp 組列年發電量= 25 x 365 = 913 kWh (度)
3 假設太陽光發電系統使用壽命為 20 年
bull 1 kWp 太陽光發電系統總共可發電 20 x 913 = 18260 度
4 生產每度電之成本約為 280000 18260 ~ NT$ 153
5 未來發展趨勢
bull 太陽光發電系統設置成本將逐年降低
bull 市電電費將會升高(國內目前約 NT$ 3 度日本約NT$ 7 度)
bull 傳統能源限制再生能源獎勵利率降低
64獨立型太陽光發電系統應用例(一)
bull太陽電池時鐘-日本bull太陽電池路燈-日本千里住宅公園
獨立型太陽光發電系統應用例(二)
bull太陽電池交通標誌-日本北海道 bull高速公路緊急電話-日本
獨立型太陽光發電系統應用例(三)
bull800W無線通信中繼基地台韓國(1998)
獨立型太陽光發電系統應用例(四)
bull離島用90kW獨立型發電系統韓國Ho-Do島(1992)
併聯型太陽光發電系統應用例(一)
bull設置於屋頂之住宅用太陽光發電系統(建材一體型日本千里住宅公園內住宅設計之一)
併聯型太陽光發電系統應用例(二)
bull日本東海線新幹線京都車站之太陽光發電系統(100kWp)
併聯型太陽光發電系統應用例(三)
bull日本京瓷(Kyocera)京都總公司大樓之太陽電池發電系統(220kWp)
太陽光發電發電廠應用例
太陽電池發電廠
(PV Power Plant)
資料來源 ANIT
Srl Italy
建材一體型太陽電池模板應用例
bull資料來源 Pilkington Solar International GmbH 德國
太陽能車應用例
Honda Dream
bull資料來源 PV Special Research
Centre UNSW Australia
交大太陽能車
bull資料來源 National Chiao-Tung
University Taiwan
太陽光發電航太應用例(NASA Helios )
bull空中無線通訊平台應用
資料來源SkyOne Inc Taiwan
bull 飛行高度5-7 萬英呎(最高記錄 96000 英呎)
bull 時速60 mph (起飛 25 mph)
bull 翼展247 英呎bull 重量2000 磅bull 太陽電池效率要求gt22
資料來源httpwwwaerovironmentcomhomehtml
清雲技術學院 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
個人住宅 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
勤益技術學院 3kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
南台科技大學 10kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
總統府 10kWp 獨立型太陽光能發電系統 (9012)
海巡署南沙太平島 20kWp 混合型(柴油發電機)太陽光能發電系統 (9011)
90能源基金示範補助成果例
台電樹林 20kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
併聯型
台電台北市區處 20kWp 太陽光發電系統
(91能源基金示範補助成果)
併聯型
7結論
bull (1)提高電力轉換器效率
bull 轉換器的損失主要來自於開關切換時之損失為了可以降低濾波電路中電感和電容的體積可以提高切換頻率但是相對於開關的切換損失也因此而增加導致轉換器的效率降低因此發展零電壓或零電流切換技術應用於高切換頻率之轉換器將可以提高轉換器的效率
bull (2)提高太陽光發電系統之整體效率
bull 傳統之太陽光發電系統包含儲能系統和供電系統前級利用DCDC轉換器作最大功率追蹤後級則利用DCAC轉換器轉換能量供應給交流負載為了提高太陽光發電系統的整體效率在研究可提出了模組並聯控制技術以提昇各級電力轉換器的效率而在未來太陽光發電系統也將著重在單級電力轉換器的設計對於整體系統效率有較明顯的改善
8參考資料
1許國強ldquo太陽光發電原理與應用工研院材料所 薄膜技術組91年
2華志強黃崇倫ldquo智慧型能量控制於太陽光電能轉換系統國立雲林科技大學電機工程學系電力研討會97年
3林政達ldquo數位式市電並聯換流器與快速鎖相迴路控制器之研製國立雲林科技大學電機工程學系碩士論文92 年
4李思賢ldquo數位式單相低功率太陽光電能轉換系統國立中山大學電機工程學系碩士論文92 年
5洪世杰ldquo適用於再生能源之市電併聯型雙輸入供電系統國立中正大學電機工程研究所碩士論文93 年
6王廷興ldquo太陽能發電配電設計概要台北科技大學冷凍空調系 92年
7魏榮宗王文宏ldquo高效率太陽光電能源轉換系統 元智大學電機工程學系94年
[ ] 100)25(
)11
(exp
1)(exp
3
λminus+=
minus
=
+minus
minus+minus=
TKII
TTBk
qE
T
TII
where
R
IRVIRV
AkT
qIII
ISCRLG
r
GO
r
oros
sh
ssosLG
VI cell output current and voltagecell reverse saturation currentcell temperature in CBoltzmannrsquos constantelectronic chargeshort circuit current temperature coefficientsolar irradiation in Wmshort-circuit current at 25 Cand 1000 Wm
light-generated currentband gap for siliconideality factorsreference temperaturecell saturation current atshunt resistanceseries resistance
osI
T
kq
00170=IK
SCRIλ
LGI
GOE
921== ABKTr deg= 18301
orI
shR
sR
附錄附錄附錄附錄- 太陽能電池太陽能電池太陽能電池太陽能電池
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
(a) Equivalent circuit of a PV module and
(b) Typical PV module current-voltage and power-voltage characteristics
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
Characteristic of a PV module with temperature and irradiation (a) constant irradiation and varying temperature and (b) constant temperature and varying irradiation
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
系統範例系統範例系統範例系統範例
中途驛站電化PV離島用PV系統山岳地帶PV系統離島偏遠區
勤務指揮中心緊急避難所醫療院所公園學校地震觀測站森林嘹望台避難指示燈氣象觀測所水位警報PV系統河川安全燈防波堤安全PV燈
緊急防災
緊急供電系統管線電氣防蝕輸油管流量計PV系統市場廣告塔海上石油平台各種計測站PV系統發電廠情報指揮中心
產業用
住宅用供電系統緊急供電系統緊急照明系統帷幕牆遮陽棚採光罩屋瓦建築物
無線通信用中繼站基地台緊急電話中繼站電話通信PV系統Radio受信PV系統微波中繼站
通訊
農宅用電溫室栽培PV系統農業灌溉用自動灑水系統農牧電籬牛乳冷藏漁業養殖揚水通氣自動餵食器
農林漁牧
路燈交通號誌道路指示牌標誌燈太陽能電動車充電站高速公路緊急電話偏遠道路緊急電話停車計時器停車場控制門系統高速公路防音壁PV系統公路休息區PV系統太陽能車平交道指示燈候車亭PV系統車站屋頂型PV系統
道路交通
收音機測電表手錶計算機太陽能照相機手電筒電池充電器野營燈民生
應用領域
獨立運轉 孤島效應(Islanding Effect)
PV組列
直交流轉換器
自家負載
社區負載PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載
bull 市電停電時多數併聯系統仍聯合運作將對電力公司人員產生嚴重危害
孤島效應之防止方法
停電偵測1 過電壓低電壓
2 過頻率低頻率
3 被動式偵測如
bull 電壓與頻率監視方式
bull 電壓相位跳躍監視方式
bull 高次諧波監視方式
bull 頻率變化監視方式
PV組列
直交流轉換器
自家負載
4 主動偵測如
bull 頻率Shift方式
bull 配電線負載變動方式
bull 有效電力變動方式
bull 無效電力變動方式
反應時間05~2秒
資料來源「日本電氣用品試驗所」分散型電源系統連系技術指針(1998)
併聯系統之自力運轉功能
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull 大停電後白天有陽光時以人工啟動 PV 系統進行自力運轉供自家負載使用(但夜間無法使用)
防災型併聯型系統
適用地點有防災需求(照明汲水通信hellip)之公共設施
工作方式
bull 平時PV併聯發電(電池浮充) 效率高利用率高夜間由台電供電
bull 視需要建置供防災用電池大停電時白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
缺點bull 含電池成本較高bull 系統較複雜需專人定期維護
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
FAQ1太陽光發電需要多少土地
效率 = (輸出功率W) (組列面積 m2 x 日照強度 Wm2 ) x 100
模板面積 m2 = 輸出功率W (效率 x日照強度Wm2 ) x100
bull 假設使用效率gt136 模板於1000 Wm2 (AM15)日照強度下
10 kWp 模板面積 (m2) = 10000 (0136 x 1000) ~ 735 m2
10 kWp PV系統土地面積需求約
~ 735 m2 x 15 x 11
~ 121m2 (~36坪)
(包括陰影面積及維修空間)
bull 假設使用效率~10 模板
則模板面積約 ~ 100 m2
土地面積需求約 ~ 165m2 (~50坪)
gt55o
夏至
冬至
春秋分
235o 235oh
L1 L2
FAQ2太陽電池一年能發多少電
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
10 kWm2
05 kWm2
日照強度
等效日照時數(Sun Hour)
組列單日發電量 = 組列額定輸出功率 x 等效日照時數
bull 預估1 kWp 組列單日發電量 = 1 (kW) x ex 4(Sun Hour)= 4 kWh
組列年發電量 = 組列額定輸出功率 x 年平均每日日照時數 x 365
bull 預估 1 kWp 組列年發電量 = 1 x 4 x 365 = 1460 kWh
時間時間時間時間
FAQ3太陽光發電的成本(簡易估算)
1 假設目前太陽光發電系統設置成本約為 NT$ 280000 kWp
2 假設年平均每日日照時數約為 25 Sun Hour (台灣中南部地區)
bull 1 kWp 組列單日發電量= 1 (kW) x 25 (Hour)= 25 kWh
bull 1 kWp 組列年發電量= 25 x 365 = 913 kWh (度)
3 假設太陽光發電系統使用壽命為 20 年
bull 1 kWp 太陽光發電系統總共可發電 20 x 913 = 18260 度
4 生產每度電之成本約為 280000 18260 ~ NT$ 153
5 未來發展趨勢
bull 太陽光發電系統設置成本將逐年降低
bull 市電電費將會升高(國內目前約 NT$ 3 度日本約NT$ 7 度)
bull 傳統能源限制再生能源獎勵利率降低
64獨立型太陽光發電系統應用例(一)
bull太陽電池時鐘-日本bull太陽電池路燈-日本千里住宅公園
獨立型太陽光發電系統應用例(二)
bull太陽電池交通標誌-日本北海道 bull高速公路緊急電話-日本
獨立型太陽光發電系統應用例(三)
bull800W無線通信中繼基地台韓國(1998)
獨立型太陽光發電系統應用例(四)
bull離島用90kW獨立型發電系統韓國Ho-Do島(1992)
併聯型太陽光發電系統應用例(一)
bull設置於屋頂之住宅用太陽光發電系統(建材一體型日本千里住宅公園內住宅設計之一)
併聯型太陽光發電系統應用例(二)
bull日本東海線新幹線京都車站之太陽光發電系統(100kWp)
併聯型太陽光發電系統應用例(三)
bull日本京瓷(Kyocera)京都總公司大樓之太陽電池發電系統(220kWp)
太陽光發電發電廠應用例
太陽電池發電廠
(PV Power Plant)
資料來源 ANIT
Srl Italy
建材一體型太陽電池模板應用例
bull資料來源 Pilkington Solar International GmbH 德國
太陽能車應用例
Honda Dream
bull資料來源 PV Special Research
Centre UNSW Australia
交大太陽能車
bull資料來源 National Chiao-Tung
University Taiwan
太陽光發電航太應用例(NASA Helios )
bull空中無線通訊平台應用
資料來源SkyOne Inc Taiwan
bull 飛行高度5-7 萬英呎(最高記錄 96000 英呎)
bull 時速60 mph (起飛 25 mph)
bull 翼展247 英呎bull 重量2000 磅bull 太陽電池效率要求gt22
資料來源httpwwwaerovironmentcomhomehtml
清雲技術學院 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
個人住宅 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
勤益技術學院 3kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
南台科技大學 10kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
總統府 10kWp 獨立型太陽光能發電系統 (9012)
海巡署南沙太平島 20kWp 混合型(柴油發電機)太陽光能發電系統 (9011)
90能源基金示範補助成果例
台電樹林 20kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
併聯型
台電台北市區處 20kWp 太陽光發電系統
(91能源基金示範補助成果)
併聯型
7結論
bull (1)提高電力轉換器效率
bull 轉換器的損失主要來自於開關切換時之損失為了可以降低濾波電路中電感和電容的體積可以提高切換頻率但是相對於開關的切換損失也因此而增加導致轉換器的效率降低因此發展零電壓或零電流切換技術應用於高切換頻率之轉換器將可以提高轉換器的效率
bull (2)提高太陽光發電系統之整體效率
bull 傳統之太陽光發電系統包含儲能系統和供電系統前級利用DCDC轉換器作最大功率追蹤後級則利用DCAC轉換器轉換能量供應給交流負載為了提高太陽光發電系統的整體效率在研究可提出了模組並聯控制技術以提昇各級電力轉換器的效率而在未來太陽光發電系統也將著重在單級電力轉換器的設計對於整體系統效率有較明顯的改善
8參考資料
1許國強ldquo太陽光發電原理與應用工研院材料所 薄膜技術組91年
2華志強黃崇倫ldquo智慧型能量控制於太陽光電能轉換系統國立雲林科技大學電機工程學系電力研討會97年
3林政達ldquo數位式市電並聯換流器與快速鎖相迴路控制器之研製國立雲林科技大學電機工程學系碩士論文92 年
4李思賢ldquo數位式單相低功率太陽光電能轉換系統國立中山大學電機工程學系碩士論文92 年
5洪世杰ldquo適用於再生能源之市電併聯型雙輸入供電系統國立中正大學電機工程研究所碩士論文93 年
6王廷興ldquo太陽能發電配電設計概要台北科技大學冷凍空調系 92年
7魏榮宗王文宏ldquo高效率太陽光電能源轉換系統 元智大學電機工程學系94年
[ ] 100)25(
)11
(exp
1)(exp
3
λminus+=
minus
=
+minus
minus+minus=
TKII
TTBk
qE
T
TII
where
R
IRVIRV
AkT
qIII
ISCRLG
r
GO
r
oros
sh
ssosLG
VI cell output current and voltagecell reverse saturation currentcell temperature in CBoltzmannrsquos constantelectronic chargeshort circuit current temperature coefficientsolar irradiation in Wmshort-circuit current at 25 Cand 1000 Wm
light-generated currentband gap for siliconideality factorsreference temperaturecell saturation current atshunt resistanceseries resistance
osI
T
kq
00170=IK
SCRIλ
LGI
GOE
921== ABKTr deg= 18301
orI
shR
sR
附錄附錄附錄附錄- 太陽能電池太陽能電池太陽能電池太陽能電池
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
(a) Equivalent circuit of a PV module and
(b) Typical PV module current-voltage and power-voltage characteristics
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
Characteristic of a PV module with temperature and irradiation (a) constant irradiation and varying temperature and (b) constant temperature and varying irradiation
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
系統範例系統範例系統範例系統範例
中途驛站電化PV離島用PV系統山岳地帶PV系統離島偏遠區
勤務指揮中心緊急避難所醫療院所公園學校地震觀測站森林嘹望台避難指示燈氣象觀測所水位警報PV系統河川安全燈防波堤安全PV燈
緊急防災
緊急供電系統管線電氣防蝕輸油管流量計PV系統市場廣告塔海上石油平台各種計測站PV系統發電廠情報指揮中心
產業用
住宅用供電系統緊急供電系統緊急照明系統帷幕牆遮陽棚採光罩屋瓦建築物
無線通信用中繼站基地台緊急電話中繼站電話通信PV系統Radio受信PV系統微波中繼站
通訊
農宅用電溫室栽培PV系統農業灌溉用自動灑水系統農牧電籬牛乳冷藏漁業養殖揚水通氣自動餵食器
農林漁牧
路燈交通號誌道路指示牌標誌燈太陽能電動車充電站高速公路緊急電話偏遠道路緊急電話停車計時器停車場控制門系統高速公路防音壁PV系統公路休息區PV系統太陽能車平交道指示燈候車亭PV系統車站屋頂型PV系統
道路交通
收音機測電表手錶計算機太陽能照相機手電筒電池充電器野營燈民生
應用領域
孤島效應之防止方法
停電偵測1 過電壓低電壓
2 過頻率低頻率
3 被動式偵測如
bull 電壓與頻率監視方式
bull 電壓相位跳躍監視方式
bull 高次諧波監視方式
bull 頻率變化監視方式
PV組列
直交流轉換器
自家負載
4 主動偵測如
bull 頻率Shift方式
bull 配電線負載變動方式
bull 有效電力變動方式
bull 無效電力變動方式
反應時間05~2秒
資料來源「日本電氣用品試驗所」分散型電源系統連系技術指針(1998)
併聯系統之自力運轉功能
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull 大停電後白天有陽光時以人工啟動 PV 系統進行自力運轉供自家負載使用(但夜間無法使用)
防災型併聯型系統
適用地點有防災需求(照明汲水通信hellip)之公共設施
工作方式
bull 平時PV併聯發電(電池浮充) 效率高利用率高夜間由台電供電
bull 視需要建置供防災用電池大停電時白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
缺點bull 含電池成本較高bull 系統較複雜需專人定期維護
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
FAQ1太陽光發電需要多少土地
效率 = (輸出功率W) (組列面積 m2 x 日照強度 Wm2 ) x 100
模板面積 m2 = 輸出功率W (效率 x日照強度Wm2 ) x100
bull 假設使用效率gt136 模板於1000 Wm2 (AM15)日照強度下
10 kWp 模板面積 (m2) = 10000 (0136 x 1000) ~ 735 m2
10 kWp PV系統土地面積需求約
~ 735 m2 x 15 x 11
~ 121m2 (~36坪)
(包括陰影面積及維修空間)
bull 假設使用效率~10 模板
則模板面積約 ~ 100 m2
土地面積需求約 ~ 165m2 (~50坪)
gt55o
夏至
冬至
春秋分
235o 235oh
L1 L2
FAQ2太陽電池一年能發多少電
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
10 kWm2
05 kWm2
日照強度
等效日照時數(Sun Hour)
組列單日發電量 = 組列額定輸出功率 x 等效日照時數
bull 預估1 kWp 組列單日發電量 = 1 (kW) x ex 4(Sun Hour)= 4 kWh
組列年發電量 = 組列額定輸出功率 x 年平均每日日照時數 x 365
bull 預估 1 kWp 組列年發電量 = 1 x 4 x 365 = 1460 kWh
時間時間時間時間
FAQ3太陽光發電的成本(簡易估算)
1 假設目前太陽光發電系統設置成本約為 NT$ 280000 kWp
2 假設年平均每日日照時數約為 25 Sun Hour (台灣中南部地區)
bull 1 kWp 組列單日發電量= 1 (kW) x 25 (Hour)= 25 kWh
bull 1 kWp 組列年發電量= 25 x 365 = 913 kWh (度)
3 假設太陽光發電系統使用壽命為 20 年
bull 1 kWp 太陽光發電系統總共可發電 20 x 913 = 18260 度
4 生產每度電之成本約為 280000 18260 ~ NT$ 153
5 未來發展趨勢
bull 太陽光發電系統設置成本將逐年降低
bull 市電電費將會升高(國內目前約 NT$ 3 度日本約NT$ 7 度)
bull 傳統能源限制再生能源獎勵利率降低
64獨立型太陽光發電系統應用例(一)
bull太陽電池時鐘-日本bull太陽電池路燈-日本千里住宅公園
獨立型太陽光發電系統應用例(二)
bull太陽電池交通標誌-日本北海道 bull高速公路緊急電話-日本
獨立型太陽光發電系統應用例(三)
bull800W無線通信中繼基地台韓國(1998)
獨立型太陽光發電系統應用例(四)
bull離島用90kW獨立型發電系統韓國Ho-Do島(1992)
併聯型太陽光發電系統應用例(一)
bull設置於屋頂之住宅用太陽光發電系統(建材一體型日本千里住宅公園內住宅設計之一)
併聯型太陽光發電系統應用例(二)
bull日本東海線新幹線京都車站之太陽光發電系統(100kWp)
併聯型太陽光發電系統應用例(三)
bull日本京瓷(Kyocera)京都總公司大樓之太陽電池發電系統(220kWp)
太陽光發電發電廠應用例
太陽電池發電廠
(PV Power Plant)
資料來源 ANIT
Srl Italy
建材一體型太陽電池模板應用例
bull資料來源 Pilkington Solar International GmbH 德國
太陽能車應用例
Honda Dream
bull資料來源 PV Special Research
Centre UNSW Australia
交大太陽能車
bull資料來源 National Chiao-Tung
University Taiwan
太陽光發電航太應用例(NASA Helios )
bull空中無線通訊平台應用
資料來源SkyOne Inc Taiwan
bull 飛行高度5-7 萬英呎(最高記錄 96000 英呎)
bull 時速60 mph (起飛 25 mph)
bull 翼展247 英呎bull 重量2000 磅bull 太陽電池效率要求gt22
資料來源httpwwwaerovironmentcomhomehtml
清雲技術學院 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
個人住宅 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
勤益技術學院 3kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
南台科技大學 10kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
總統府 10kWp 獨立型太陽光能發電系統 (9012)
海巡署南沙太平島 20kWp 混合型(柴油發電機)太陽光能發電系統 (9011)
90能源基金示範補助成果例
台電樹林 20kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
併聯型
台電台北市區處 20kWp 太陽光發電系統
(91能源基金示範補助成果)
併聯型
7結論
bull (1)提高電力轉換器效率
bull 轉換器的損失主要來自於開關切換時之損失為了可以降低濾波電路中電感和電容的體積可以提高切換頻率但是相對於開關的切換損失也因此而增加導致轉換器的效率降低因此發展零電壓或零電流切換技術應用於高切換頻率之轉換器將可以提高轉換器的效率
bull (2)提高太陽光發電系統之整體效率
bull 傳統之太陽光發電系統包含儲能系統和供電系統前級利用DCDC轉換器作最大功率追蹤後級則利用DCAC轉換器轉換能量供應給交流負載為了提高太陽光發電系統的整體效率在研究可提出了模組並聯控制技術以提昇各級電力轉換器的效率而在未來太陽光發電系統也將著重在單級電力轉換器的設計對於整體系統效率有較明顯的改善
8參考資料
1許國強ldquo太陽光發電原理與應用工研院材料所 薄膜技術組91年
2華志強黃崇倫ldquo智慧型能量控制於太陽光電能轉換系統國立雲林科技大學電機工程學系電力研討會97年
3林政達ldquo數位式市電並聯換流器與快速鎖相迴路控制器之研製國立雲林科技大學電機工程學系碩士論文92 年
4李思賢ldquo數位式單相低功率太陽光電能轉換系統國立中山大學電機工程學系碩士論文92 年
5洪世杰ldquo適用於再生能源之市電併聯型雙輸入供電系統國立中正大學電機工程研究所碩士論文93 年
6王廷興ldquo太陽能發電配電設計概要台北科技大學冷凍空調系 92年
7魏榮宗王文宏ldquo高效率太陽光電能源轉換系統 元智大學電機工程學系94年
[ ] 100)25(
)11
(exp
1)(exp
3
λminus+=
minus
=
+minus
minus+minus=
TKII
TTBk
qE
T
TII
where
R
IRVIRV
AkT
qIII
ISCRLG
r
GO
r
oros
sh
ssosLG
VI cell output current and voltagecell reverse saturation currentcell temperature in CBoltzmannrsquos constantelectronic chargeshort circuit current temperature coefficientsolar irradiation in Wmshort-circuit current at 25 Cand 1000 Wm
light-generated currentband gap for siliconideality factorsreference temperaturecell saturation current atshunt resistanceseries resistance
osI
T
kq
00170=IK
SCRIλ
LGI
GOE
921== ABKTr deg= 18301
orI
shR
sR
附錄附錄附錄附錄- 太陽能電池太陽能電池太陽能電池太陽能電池
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
(a) Equivalent circuit of a PV module and
(b) Typical PV module current-voltage and power-voltage characteristics
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
Characteristic of a PV module with temperature and irradiation (a) constant irradiation and varying temperature and (b) constant temperature and varying irradiation
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
系統範例系統範例系統範例系統範例
中途驛站電化PV離島用PV系統山岳地帶PV系統離島偏遠區
勤務指揮中心緊急避難所醫療院所公園學校地震觀測站森林嘹望台避難指示燈氣象觀測所水位警報PV系統河川安全燈防波堤安全PV燈
緊急防災
緊急供電系統管線電氣防蝕輸油管流量計PV系統市場廣告塔海上石油平台各種計測站PV系統發電廠情報指揮中心
產業用
住宅用供電系統緊急供電系統緊急照明系統帷幕牆遮陽棚採光罩屋瓦建築物
無線通信用中繼站基地台緊急電話中繼站電話通信PV系統Radio受信PV系統微波中繼站
通訊
農宅用電溫室栽培PV系統農業灌溉用自動灑水系統農牧電籬牛乳冷藏漁業養殖揚水通氣自動餵食器
農林漁牧
路燈交通號誌道路指示牌標誌燈太陽能電動車充電站高速公路緊急電話偏遠道路緊急電話停車計時器停車場控制門系統高速公路防音壁PV系統公路休息區PV系統太陽能車平交道指示燈候車亭PV系統車站屋頂型PV系統
道路交通
收音機測電表手錶計算機太陽能照相機手電筒電池充電器野營燈民生
應用領域
併聯系統之自力運轉功能
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
PV組列
直交流轉換器
自家負載 鄰近負載
bull 大停電後白天有陽光時以人工啟動 PV 系統進行自力運轉供自家負載使用(但夜間無法使用)
防災型併聯型系統
適用地點有防災需求(照明汲水通信hellip)之公共設施
工作方式
bull 平時PV併聯發電(電池浮充) 效率高利用率高夜間由台電供電
bull 視需要建置供防災用電池大停電時白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
缺點bull 含電池成本較高bull 系統較複雜需專人定期維護
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
FAQ1太陽光發電需要多少土地
效率 = (輸出功率W) (組列面積 m2 x 日照強度 Wm2 ) x 100
模板面積 m2 = 輸出功率W (效率 x日照強度Wm2 ) x100
bull 假設使用效率gt136 模板於1000 Wm2 (AM15)日照強度下
10 kWp 模板面積 (m2) = 10000 (0136 x 1000) ~ 735 m2
10 kWp PV系統土地面積需求約
~ 735 m2 x 15 x 11
~ 121m2 (~36坪)
(包括陰影面積及維修空間)
bull 假設使用效率~10 模板
則模板面積約 ~ 100 m2
土地面積需求約 ~ 165m2 (~50坪)
gt55o
夏至
冬至
春秋分
235o 235oh
L1 L2
FAQ2太陽電池一年能發多少電
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
10 kWm2
05 kWm2
日照強度
等效日照時數(Sun Hour)
組列單日發電量 = 組列額定輸出功率 x 等效日照時數
bull 預估1 kWp 組列單日發電量 = 1 (kW) x ex 4(Sun Hour)= 4 kWh
組列年發電量 = 組列額定輸出功率 x 年平均每日日照時數 x 365
bull 預估 1 kWp 組列年發電量 = 1 x 4 x 365 = 1460 kWh
時間時間時間時間
FAQ3太陽光發電的成本(簡易估算)
1 假設目前太陽光發電系統設置成本約為 NT$ 280000 kWp
2 假設年平均每日日照時數約為 25 Sun Hour (台灣中南部地區)
bull 1 kWp 組列單日發電量= 1 (kW) x 25 (Hour)= 25 kWh
bull 1 kWp 組列年發電量= 25 x 365 = 913 kWh (度)
3 假設太陽光發電系統使用壽命為 20 年
bull 1 kWp 太陽光發電系統總共可發電 20 x 913 = 18260 度
4 生產每度電之成本約為 280000 18260 ~ NT$ 153
5 未來發展趨勢
bull 太陽光發電系統設置成本將逐年降低
bull 市電電費將會升高(國內目前約 NT$ 3 度日本約NT$ 7 度)
bull 傳統能源限制再生能源獎勵利率降低
64獨立型太陽光發電系統應用例(一)
bull太陽電池時鐘-日本bull太陽電池路燈-日本千里住宅公園
獨立型太陽光發電系統應用例(二)
bull太陽電池交通標誌-日本北海道 bull高速公路緊急電話-日本
獨立型太陽光發電系統應用例(三)
bull800W無線通信中繼基地台韓國(1998)
獨立型太陽光發電系統應用例(四)
bull離島用90kW獨立型發電系統韓國Ho-Do島(1992)
併聯型太陽光發電系統應用例(一)
bull設置於屋頂之住宅用太陽光發電系統(建材一體型日本千里住宅公園內住宅設計之一)
併聯型太陽光發電系統應用例(二)
bull日本東海線新幹線京都車站之太陽光發電系統(100kWp)
併聯型太陽光發電系統應用例(三)
bull日本京瓷(Kyocera)京都總公司大樓之太陽電池發電系統(220kWp)
太陽光發電發電廠應用例
太陽電池發電廠
(PV Power Plant)
資料來源 ANIT
Srl Italy
建材一體型太陽電池模板應用例
bull資料來源 Pilkington Solar International GmbH 德國
太陽能車應用例
Honda Dream
bull資料來源 PV Special Research
Centre UNSW Australia
交大太陽能車
bull資料來源 National Chiao-Tung
University Taiwan
太陽光發電航太應用例(NASA Helios )
bull空中無線通訊平台應用
資料來源SkyOne Inc Taiwan
bull 飛行高度5-7 萬英呎(最高記錄 96000 英呎)
bull 時速60 mph (起飛 25 mph)
bull 翼展247 英呎bull 重量2000 磅bull 太陽電池效率要求gt22
資料來源httpwwwaerovironmentcomhomehtml
清雲技術學院 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
個人住宅 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
勤益技術學院 3kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
南台科技大學 10kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
總統府 10kWp 獨立型太陽光能發電系統 (9012)
海巡署南沙太平島 20kWp 混合型(柴油發電機)太陽光能發電系統 (9011)
90能源基金示範補助成果例
台電樹林 20kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
併聯型
台電台北市區處 20kWp 太陽光發電系統
(91能源基金示範補助成果)
併聯型
7結論
bull (1)提高電力轉換器效率
bull 轉換器的損失主要來自於開關切換時之損失為了可以降低濾波電路中電感和電容的體積可以提高切換頻率但是相對於開關的切換損失也因此而增加導致轉換器的效率降低因此發展零電壓或零電流切換技術應用於高切換頻率之轉換器將可以提高轉換器的效率
bull (2)提高太陽光發電系統之整體效率
bull 傳統之太陽光發電系統包含儲能系統和供電系統前級利用DCDC轉換器作最大功率追蹤後級則利用DCAC轉換器轉換能量供應給交流負載為了提高太陽光發電系統的整體效率在研究可提出了模組並聯控制技術以提昇各級電力轉換器的效率而在未來太陽光發電系統也將著重在單級電力轉換器的設計對於整體系統效率有較明顯的改善
8參考資料
1許國強ldquo太陽光發電原理與應用工研院材料所 薄膜技術組91年
2華志強黃崇倫ldquo智慧型能量控制於太陽光電能轉換系統國立雲林科技大學電機工程學系電力研討會97年
3林政達ldquo數位式市電並聯換流器與快速鎖相迴路控制器之研製國立雲林科技大學電機工程學系碩士論文92 年
4李思賢ldquo數位式單相低功率太陽光電能轉換系統國立中山大學電機工程學系碩士論文92 年
5洪世杰ldquo適用於再生能源之市電併聯型雙輸入供電系統國立中正大學電機工程研究所碩士論文93 年
6王廷興ldquo太陽能發電配電設計概要台北科技大學冷凍空調系 92年
7魏榮宗王文宏ldquo高效率太陽光電能源轉換系統 元智大學電機工程學系94年
[ ] 100)25(
)11
(exp
1)(exp
3
λminus+=
minus
=
+minus
minus+minus=
TKII
TTBk
qE
T
TII
where
R
IRVIRV
AkT
qIII
ISCRLG
r
GO
r
oros
sh
ssosLG
VI cell output current and voltagecell reverse saturation currentcell temperature in CBoltzmannrsquos constantelectronic chargeshort circuit current temperature coefficientsolar irradiation in Wmshort-circuit current at 25 Cand 1000 Wm
light-generated currentband gap for siliconideality factorsreference temperaturecell saturation current atshunt resistanceseries resistance
osI
T
kq
00170=IK
SCRIλ
LGI
GOE
921== ABKTr deg= 18301
orI
shR
sR
附錄附錄附錄附錄- 太陽能電池太陽能電池太陽能電池太陽能電池
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
(a) Equivalent circuit of a PV module and
(b) Typical PV module current-voltage and power-voltage characteristics
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
Characteristic of a PV module with temperature and irradiation (a) constant irradiation and varying temperature and (b) constant temperature and varying irradiation
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
系統範例系統範例系統範例系統範例
中途驛站電化PV離島用PV系統山岳地帶PV系統離島偏遠區
勤務指揮中心緊急避難所醫療院所公園學校地震觀測站森林嘹望台避難指示燈氣象觀測所水位警報PV系統河川安全燈防波堤安全PV燈
緊急防災
緊急供電系統管線電氣防蝕輸油管流量計PV系統市場廣告塔海上石油平台各種計測站PV系統發電廠情報指揮中心
產業用
住宅用供電系統緊急供電系統緊急照明系統帷幕牆遮陽棚採光罩屋瓦建築物
無線通信用中繼站基地台緊急電話中繼站電話通信PV系統Radio受信PV系統微波中繼站
通訊
農宅用電溫室栽培PV系統農業灌溉用自動灑水系統農牧電籬牛乳冷藏漁業養殖揚水通氣自動餵食器
農林漁牧
路燈交通號誌道路指示牌標誌燈太陽能電動車充電站高速公路緊急電話偏遠道路緊急電話停車計時器停車場控制門系統高速公路防音壁PV系統公路休息區PV系統太陽能車平交道指示燈候車亭PV系統車站屋頂型PV系統
道路交通
收音機測電表手錶計算機太陽能照相機手電筒電池充電器野營燈民生
應用領域
防災型併聯型系統
適用地點有防災需求(照明汲水通信hellip)之公共設施
工作方式
bull 平時PV併聯發電(電池浮充) 效率高利用率高夜間由台電供電
bull 視需要建置供防災用電池大停電時白天 PV 發電供負載並充電夜間由電池供電
缺點bull 含電池成本較高bull 系統較複雜需專人定期維護
太陽電池組列
充電控制器
蓄電池
正常時負載
直交流轉換器
PCU
災害時負載
整流器
FAQ1太陽光發電需要多少土地
效率 = (輸出功率W) (組列面積 m2 x 日照強度 Wm2 ) x 100
模板面積 m2 = 輸出功率W (效率 x日照強度Wm2 ) x100
bull 假設使用效率gt136 模板於1000 Wm2 (AM15)日照強度下
10 kWp 模板面積 (m2) = 10000 (0136 x 1000) ~ 735 m2
10 kWp PV系統土地面積需求約
~ 735 m2 x 15 x 11
~ 121m2 (~36坪)
(包括陰影面積及維修空間)
bull 假設使用效率~10 模板
則模板面積約 ~ 100 m2
土地面積需求約 ~ 165m2 (~50坪)
gt55o
夏至
冬至
春秋分
235o 235oh
L1 L2
FAQ2太陽電池一年能發多少電
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
10 kWm2
05 kWm2
日照強度
等效日照時數(Sun Hour)
組列單日發電量 = 組列額定輸出功率 x 等效日照時數
bull 預估1 kWp 組列單日發電量 = 1 (kW) x ex 4(Sun Hour)= 4 kWh
組列年發電量 = 組列額定輸出功率 x 年平均每日日照時數 x 365
bull 預估 1 kWp 組列年發電量 = 1 x 4 x 365 = 1460 kWh
時間時間時間時間
FAQ3太陽光發電的成本(簡易估算)
1 假設目前太陽光發電系統設置成本約為 NT$ 280000 kWp
2 假設年平均每日日照時數約為 25 Sun Hour (台灣中南部地區)
bull 1 kWp 組列單日發電量= 1 (kW) x 25 (Hour)= 25 kWh
bull 1 kWp 組列年發電量= 25 x 365 = 913 kWh (度)
3 假設太陽光發電系統使用壽命為 20 年
bull 1 kWp 太陽光發電系統總共可發電 20 x 913 = 18260 度
4 生產每度電之成本約為 280000 18260 ~ NT$ 153
5 未來發展趨勢
bull 太陽光發電系統設置成本將逐年降低
bull 市電電費將會升高(國內目前約 NT$ 3 度日本約NT$ 7 度)
bull 傳統能源限制再生能源獎勵利率降低
64獨立型太陽光發電系統應用例(一)
bull太陽電池時鐘-日本bull太陽電池路燈-日本千里住宅公園
獨立型太陽光發電系統應用例(二)
bull太陽電池交通標誌-日本北海道 bull高速公路緊急電話-日本
獨立型太陽光發電系統應用例(三)
bull800W無線通信中繼基地台韓國(1998)
獨立型太陽光發電系統應用例(四)
bull離島用90kW獨立型發電系統韓國Ho-Do島(1992)
併聯型太陽光發電系統應用例(一)
bull設置於屋頂之住宅用太陽光發電系統(建材一體型日本千里住宅公園內住宅設計之一)
併聯型太陽光發電系統應用例(二)
bull日本東海線新幹線京都車站之太陽光發電系統(100kWp)
併聯型太陽光發電系統應用例(三)
bull日本京瓷(Kyocera)京都總公司大樓之太陽電池發電系統(220kWp)
太陽光發電發電廠應用例
太陽電池發電廠
(PV Power Plant)
資料來源 ANIT
Srl Italy
建材一體型太陽電池模板應用例
bull資料來源 Pilkington Solar International GmbH 德國
太陽能車應用例
Honda Dream
bull資料來源 PV Special Research
Centre UNSW Australia
交大太陽能車
bull資料來源 National Chiao-Tung
University Taiwan
太陽光發電航太應用例(NASA Helios )
bull空中無線通訊平台應用
資料來源SkyOne Inc Taiwan
bull 飛行高度5-7 萬英呎(最高記錄 96000 英呎)
bull 時速60 mph (起飛 25 mph)
bull 翼展247 英呎bull 重量2000 磅bull 太陽電池效率要求gt22
資料來源httpwwwaerovironmentcomhomehtml
清雲技術學院 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
個人住宅 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
勤益技術學院 3kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
南台科技大學 10kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
總統府 10kWp 獨立型太陽光能發電系統 (9012)
海巡署南沙太平島 20kWp 混合型(柴油發電機)太陽光能發電系統 (9011)
90能源基金示範補助成果例
台電樹林 20kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
併聯型
台電台北市區處 20kWp 太陽光發電系統
(91能源基金示範補助成果)
併聯型
7結論
bull (1)提高電力轉換器效率
bull 轉換器的損失主要來自於開關切換時之損失為了可以降低濾波電路中電感和電容的體積可以提高切換頻率但是相對於開關的切換損失也因此而增加導致轉換器的效率降低因此發展零電壓或零電流切換技術應用於高切換頻率之轉換器將可以提高轉換器的效率
bull (2)提高太陽光發電系統之整體效率
bull 傳統之太陽光發電系統包含儲能系統和供電系統前級利用DCDC轉換器作最大功率追蹤後級則利用DCAC轉換器轉換能量供應給交流負載為了提高太陽光發電系統的整體效率在研究可提出了模組並聯控制技術以提昇各級電力轉換器的效率而在未來太陽光發電系統也將著重在單級電力轉換器的設計對於整體系統效率有較明顯的改善
8參考資料
1許國強ldquo太陽光發電原理與應用工研院材料所 薄膜技術組91年
2華志強黃崇倫ldquo智慧型能量控制於太陽光電能轉換系統國立雲林科技大學電機工程學系電力研討會97年
3林政達ldquo數位式市電並聯換流器與快速鎖相迴路控制器之研製國立雲林科技大學電機工程學系碩士論文92 年
4李思賢ldquo數位式單相低功率太陽光電能轉換系統國立中山大學電機工程學系碩士論文92 年
5洪世杰ldquo適用於再生能源之市電併聯型雙輸入供電系統國立中正大學電機工程研究所碩士論文93 年
6王廷興ldquo太陽能發電配電設計概要台北科技大學冷凍空調系 92年
7魏榮宗王文宏ldquo高效率太陽光電能源轉換系統 元智大學電機工程學系94年
[ ] 100)25(
)11
(exp
1)(exp
3
λminus+=
minus
=
+minus
minus+minus=
TKII
TTBk
qE
T
TII
where
R
IRVIRV
AkT
qIII
ISCRLG
r
GO
r
oros
sh
ssosLG
VI cell output current and voltagecell reverse saturation currentcell temperature in CBoltzmannrsquos constantelectronic chargeshort circuit current temperature coefficientsolar irradiation in Wmshort-circuit current at 25 Cand 1000 Wm
light-generated currentband gap for siliconideality factorsreference temperaturecell saturation current atshunt resistanceseries resistance
osI
T
kq
00170=IK
SCRIλ
LGI
GOE
921== ABKTr deg= 18301
orI
shR
sR
附錄附錄附錄附錄- 太陽能電池太陽能電池太陽能電池太陽能電池
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
(a) Equivalent circuit of a PV module and
(b) Typical PV module current-voltage and power-voltage characteristics
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
Characteristic of a PV module with temperature and irradiation (a) constant irradiation and varying temperature and (b) constant temperature and varying irradiation
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
系統範例系統範例系統範例系統範例
中途驛站電化PV離島用PV系統山岳地帶PV系統離島偏遠區
勤務指揮中心緊急避難所醫療院所公園學校地震觀測站森林嘹望台避難指示燈氣象觀測所水位警報PV系統河川安全燈防波堤安全PV燈
緊急防災
緊急供電系統管線電氣防蝕輸油管流量計PV系統市場廣告塔海上石油平台各種計測站PV系統發電廠情報指揮中心
產業用
住宅用供電系統緊急供電系統緊急照明系統帷幕牆遮陽棚採光罩屋瓦建築物
無線通信用中繼站基地台緊急電話中繼站電話通信PV系統Radio受信PV系統微波中繼站
通訊
農宅用電溫室栽培PV系統農業灌溉用自動灑水系統農牧電籬牛乳冷藏漁業養殖揚水通氣自動餵食器
農林漁牧
路燈交通號誌道路指示牌標誌燈太陽能電動車充電站高速公路緊急電話偏遠道路緊急電話停車計時器停車場控制門系統高速公路防音壁PV系統公路休息區PV系統太陽能車平交道指示燈候車亭PV系統車站屋頂型PV系統
道路交通
收音機測電表手錶計算機太陽能照相機手電筒電池充電器野營燈民生
應用領域
FAQ1太陽光發電需要多少土地
效率 = (輸出功率W) (組列面積 m2 x 日照強度 Wm2 ) x 100
模板面積 m2 = 輸出功率W (效率 x日照強度Wm2 ) x100
bull 假設使用效率gt136 模板於1000 Wm2 (AM15)日照強度下
10 kWp 模板面積 (m2) = 10000 (0136 x 1000) ~ 735 m2
10 kWp PV系統土地面積需求約
~ 735 m2 x 15 x 11
~ 121m2 (~36坪)
(包括陰影面積及維修空間)
bull 假設使用效率~10 模板
則模板面積約 ~ 100 m2
土地面積需求約 ~ 165m2 (~50坪)
gt55o
夏至
冬至
春秋分
235o 235oh
L1 L2
FAQ2太陽電池一年能發多少電
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
10 kWm2
05 kWm2
日照強度
等效日照時數(Sun Hour)
組列單日發電量 = 組列額定輸出功率 x 等效日照時數
bull 預估1 kWp 組列單日發電量 = 1 (kW) x ex 4(Sun Hour)= 4 kWh
組列年發電量 = 組列額定輸出功率 x 年平均每日日照時數 x 365
bull 預估 1 kWp 組列年發電量 = 1 x 4 x 365 = 1460 kWh
時間時間時間時間
FAQ3太陽光發電的成本(簡易估算)
1 假設目前太陽光發電系統設置成本約為 NT$ 280000 kWp
2 假設年平均每日日照時數約為 25 Sun Hour (台灣中南部地區)
bull 1 kWp 組列單日發電量= 1 (kW) x 25 (Hour)= 25 kWh
bull 1 kWp 組列年發電量= 25 x 365 = 913 kWh (度)
3 假設太陽光發電系統使用壽命為 20 年
bull 1 kWp 太陽光發電系統總共可發電 20 x 913 = 18260 度
4 生產每度電之成本約為 280000 18260 ~ NT$ 153
5 未來發展趨勢
bull 太陽光發電系統設置成本將逐年降低
bull 市電電費將會升高(國內目前約 NT$ 3 度日本約NT$ 7 度)
bull 傳統能源限制再生能源獎勵利率降低
64獨立型太陽光發電系統應用例(一)
bull太陽電池時鐘-日本bull太陽電池路燈-日本千里住宅公園
獨立型太陽光發電系統應用例(二)
bull太陽電池交通標誌-日本北海道 bull高速公路緊急電話-日本
獨立型太陽光發電系統應用例(三)
bull800W無線通信中繼基地台韓國(1998)
獨立型太陽光發電系統應用例(四)
bull離島用90kW獨立型發電系統韓國Ho-Do島(1992)
併聯型太陽光發電系統應用例(一)
bull設置於屋頂之住宅用太陽光發電系統(建材一體型日本千里住宅公園內住宅設計之一)
併聯型太陽光發電系統應用例(二)
bull日本東海線新幹線京都車站之太陽光發電系統(100kWp)
併聯型太陽光發電系統應用例(三)
bull日本京瓷(Kyocera)京都總公司大樓之太陽電池發電系統(220kWp)
太陽光發電發電廠應用例
太陽電池發電廠
(PV Power Plant)
資料來源 ANIT
Srl Italy
建材一體型太陽電池模板應用例
bull資料來源 Pilkington Solar International GmbH 德國
太陽能車應用例
Honda Dream
bull資料來源 PV Special Research
Centre UNSW Australia
交大太陽能車
bull資料來源 National Chiao-Tung
University Taiwan
太陽光發電航太應用例(NASA Helios )
bull空中無線通訊平台應用
資料來源SkyOne Inc Taiwan
bull 飛行高度5-7 萬英呎(最高記錄 96000 英呎)
bull 時速60 mph (起飛 25 mph)
bull 翼展247 英呎bull 重量2000 磅bull 太陽電池效率要求gt22
資料來源httpwwwaerovironmentcomhomehtml
清雲技術學院 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
個人住宅 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
勤益技術學院 3kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
南台科技大學 10kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
總統府 10kWp 獨立型太陽光能發電系統 (9012)
海巡署南沙太平島 20kWp 混合型(柴油發電機)太陽光能發電系統 (9011)
90能源基金示範補助成果例
台電樹林 20kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
併聯型
台電台北市區處 20kWp 太陽光發電系統
(91能源基金示範補助成果)
併聯型
7結論
bull (1)提高電力轉換器效率
bull 轉換器的損失主要來自於開關切換時之損失為了可以降低濾波電路中電感和電容的體積可以提高切換頻率但是相對於開關的切換損失也因此而增加導致轉換器的效率降低因此發展零電壓或零電流切換技術應用於高切換頻率之轉換器將可以提高轉換器的效率
bull (2)提高太陽光發電系統之整體效率
bull 傳統之太陽光發電系統包含儲能系統和供電系統前級利用DCDC轉換器作最大功率追蹤後級則利用DCAC轉換器轉換能量供應給交流負載為了提高太陽光發電系統的整體效率在研究可提出了模組並聯控制技術以提昇各級電力轉換器的效率而在未來太陽光發電系統也將著重在單級電力轉換器的設計對於整體系統效率有較明顯的改善
8參考資料
1許國強ldquo太陽光發電原理與應用工研院材料所 薄膜技術組91年
2華志強黃崇倫ldquo智慧型能量控制於太陽光電能轉換系統國立雲林科技大學電機工程學系電力研討會97年
3林政達ldquo數位式市電並聯換流器與快速鎖相迴路控制器之研製國立雲林科技大學電機工程學系碩士論文92 年
4李思賢ldquo數位式單相低功率太陽光電能轉換系統國立中山大學電機工程學系碩士論文92 年
5洪世杰ldquo適用於再生能源之市電併聯型雙輸入供電系統國立中正大學電機工程研究所碩士論文93 年
6王廷興ldquo太陽能發電配電設計概要台北科技大學冷凍空調系 92年
7魏榮宗王文宏ldquo高效率太陽光電能源轉換系統 元智大學電機工程學系94年
[ ] 100)25(
)11
(exp
1)(exp
3
λminus+=
minus
=
+minus
minus+minus=
TKII
TTBk
qE
T
TII
where
R
IRVIRV
AkT
qIII
ISCRLG
r
GO
r
oros
sh
ssosLG
VI cell output current and voltagecell reverse saturation currentcell temperature in CBoltzmannrsquos constantelectronic chargeshort circuit current temperature coefficientsolar irradiation in Wmshort-circuit current at 25 Cand 1000 Wm
light-generated currentband gap for siliconideality factorsreference temperaturecell saturation current atshunt resistanceseries resistance
osI
T
kq
00170=IK
SCRIλ
LGI
GOE
921== ABKTr deg= 18301
orI
shR
sR
附錄附錄附錄附錄- 太陽能電池太陽能電池太陽能電池太陽能電池
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
(a) Equivalent circuit of a PV module and
(b) Typical PV module current-voltage and power-voltage characteristics
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
Characteristic of a PV module with temperature and irradiation (a) constant irradiation and varying temperature and (b) constant temperature and varying irradiation
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
系統範例系統範例系統範例系統範例
中途驛站電化PV離島用PV系統山岳地帶PV系統離島偏遠區
勤務指揮中心緊急避難所醫療院所公園學校地震觀測站森林嘹望台避難指示燈氣象觀測所水位警報PV系統河川安全燈防波堤安全PV燈
緊急防災
緊急供電系統管線電氣防蝕輸油管流量計PV系統市場廣告塔海上石油平台各種計測站PV系統發電廠情報指揮中心
產業用
住宅用供電系統緊急供電系統緊急照明系統帷幕牆遮陽棚採光罩屋瓦建築物
無線通信用中繼站基地台緊急電話中繼站電話通信PV系統Radio受信PV系統微波中繼站
通訊
農宅用電溫室栽培PV系統農業灌溉用自動灑水系統農牧電籬牛乳冷藏漁業養殖揚水通氣自動餵食器
農林漁牧
路燈交通號誌道路指示牌標誌燈太陽能電動車充電站高速公路緊急電話偏遠道路緊急電話停車計時器停車場控制門系統高速公路防音壁PV系統公路休息區PV系統太陽能車平交道指示燈候車亭PV系統車站屋頂型PV系統
道路交通
收音機測電表手錶計算機太陽能照相機手電筒電池充電器野營燈民生
應用領域
FAQ2太陽電池一年能發多少電
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
10 kWm2
05 kWm2
日照強度
等效日照時數(Sun Hour)
組列單日發電量 = 組列額定輸出功率 x 等效日照時數
bull 預估1 kWp 組列單日發電量 = 1 (kW) x ex 4(Sun Hour)= 4 kWh
組列年發電量 = 組列額定輸出功率 x 年平均每日日照時數 x 365
bull 預估 1 kWp 組列年發電量 = 1 x 4 x 365 = 1460 kWh
時間時間時間時間
FAQ3太陽光發電的成本(簡易估算)
1 假設目前太陽光發電系統設置成本約為 NT$ 280000 kWp
2 假設年平均每日日照時數約為 25 Sun Hour (台灣中南部地區)
bull 1 kWp 組列單日發電量= 1 (kW) x 25 (Hour)= 25 kWh
bull 1 kWp 組列年發電量= 25 x 365 = 913 kWh (度)
3 假設太陽光發電系統使用壽命為 20 年
bull 1 kWp 太陽光發電系統總共可發電 20 x 913 = 18260 度
4 生產每度電之成本約為 280000 18260 ~ NT$ 153
5 未來發展趨勢
bull 太陽光發電系統設置成本將逐年降低
bull 市電電費將會升高(國內目前約 NT$ 3 度日本約NT$ 7 度)
bull 傳統能源限制再生能源獎勵利率降低
64獨立型太陽光發電系統應用例(一)
bull太陽電池時鐘-日本bull太陽電池路燈-日本千里住宅公園
獨立型太陽光發電系統應用例(二)
bull太陽電池交通標誌-日本北海道 bull高速公路緊急電話-日本
獨立型太陽光發電系統應用例(三)
bull800W無線通信中繼基地台韓國(1998)
獨立型太陽光發電系統應用例(四)
bull離島用90kW獨立型發電系統韓國Ho-Do島(1992)
併聯型太陽光發電系統應用例(一)
bull設置於屋頂之住宅用太陽光發電系統(建材一體型日本千里住宅公園內住宅設計之一)
併聯型太陽光發電系統應用例(二)
bull日本東海線新幹線京都車站之太陽光發電系統(100kWp)
併聯型太陽光發電系統應用例(三)
bull日本京瓷(Kyocera)京都總公司大樓之太陽電池發電系統(220kWp)
太陽光發電發電廠應用例
太陽電池發電廠
(PV Power Plant)
資料來源 ANIT
Srl Italy
建材一體型太陽電池模板應用例
bull資料來源 Pilkington Solar International GmbH 德國
太陽能車應用例
Honda Dream
bull資料來源 PV Special Research
Centre UNSW Australia
交大太陽能車
bull資料來源 National Chiao-Tung
University Taiwan
太陽光發電航太應用例(NASA Helios )
bull空中無線通訊平台應用
資料來源SkyOne Inc Taiwan
bull 飛行高度5-7 萬英呎(最高記錄 96000 英呎)
bull 時速60 mph (起飛 25 mph)
bull 翼展247 英呎bull 重量2000 磅bull 太陽電池效率要求gt22
資料來源httpwwwaerovironmentcomhomehtml
清雲技術學院 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
個人住宅 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
勤益技術學院 3kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
南台科技大學 10kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
總統府 10kWp 獨立型太陽光能發電系統 (9012)
海巡署南沙太平島 20kWp 混合型(柴油發電機)太陽光能發電系統 (9011)
90能源基金示範補助成果例
台電樹林 20kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
併聯型
台電台北市區處 20kWp 太陽光發電系統
(91能源基金示範補助成果)
併聯型
7結論
bull (1)提高電力轉換器效率
bull 轉換器的損失主要來自於開關切換時之損失為了可以降低濾波電路中電感和電容的體積可以提高切換頻率但是相對於開關的切換損失也因此而增加導致轉換器的效率降低因此發展零電壓或零電流切換技術應用於高切換頻率之轉換器將可以提高轉換器的效率
bull (2)提高太陽光發電系統之整體效率
bull 傳統之太陽光發電系統包含儲能系統和供電系統前級利用DCDC轉換器作最大功率追蹤後級則利用DCAC轉換器轉換能量供應給交流負載為了提高太陽光發電系統的整體效率在研究可提出了模組並聯控制技術以提昇各級電力轉換器的效率而在未來太陽光發電系統也將著重在單級電力轉換器的設計對於整體系統效率有較明顯的改善
8參考資料
1許國強ldquo太陽光發電原理與應用工研院材料所 薄膜技術組91年
2華志強黃崇倫ldquo智慧型能量控制於太陽光電能轉換系統國立雲林科技大學電機工程學系電力研討會97年
3林政達ldquo數位式市電並聯換流器與快速鎖相迴路控制器之研製國立雲林科技大學電機工程學系碩士論文92 年
4李思賢ldquo數位式單相低功率太陽光電能轉換系統國立中山大學電機工程學系碩士論文92 年
5洪世杰ldquo適用於再生能源之市電併聯型雙輸入供電系統國立中正大學電機工程研究所碩士論文93 年
6王廷興ldquo太陽能發電配電設計概要台北科技大學冷凍空調系 92年
7魏榮宗王文宏ldquo高效率太陽光電能源轉換系統 元智大學電機工程學系94年
[ ] 100)25(
)11
(exp
1)(exp
3
λminus+=
minus
=
+minus
minus+minus=
TKII
TTBk
qE
T
TII
where
R
IRVIRV
AkT
qIII
ISCRLG
r
GO
r
oros
sh
ssosLG
VI cell output current and voltagecell reverse saturation currentcell temperature in CBoltzmannrsquos constantelectronic chargeshort circuit current temperature coefficientsolar irradiation in Wmshort-circuit current at 25 Cand 1000 Wm
light-generated currentband gap for siliconideality factorsreference temperaturecell saturation current atshunt resistanceseries resistance
osI
T
kq
00170=IK
SCRIλ
LGI
GOE
921== ABKTr deg= 18301
orI
shR
sR
附錄附錄附錄附錄- 太陽能電池太陽能電池太陽能電池太陽能電池
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
(a) Equivalent circuit of a PV module and
(b) Typical PV module current-voltage and power-voltage characteristics
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
Characteristic of a PV module with temperature and irradiation (a) constant irradiation and varying temperature and (b) constant temperature and varying irradiation
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
系統範例系統範例系統範例系統範例
中途驛站電化PV離島用PV系統山岳地帶PV系統離島偏遠區
勤務指揮中心緊急避難所醫療院所公園學校地震觀測站森林嘹望台避難指示燈氣象觀測所水位警報PV系統河川安全燈防波堤安全PV燈
緊急防災
緊急供電系統管線電氣防蝕輸油管流量計PV系統市場廣告塔海上石油平台各種計測站PV系統發電廠情報指揮中心
產業用
住宅用供電系統緊急供電系統緊急照明系統帷幕牆遮陽棚採光罩屋瓦建築物
無線通信用中繼站基地台緊急電話中繼站電話通信PV系統Radio受信PV系統微波中繼站
通訊
農宅用電溫室栽培PV系統農業灌溉用自動灑水系統農牧電籬牛乳冷藏漁業養殖揚水通氣自動餵食器
農林漁牧
路燈交通號誌道路指示牌標誌燈太陽能電動車充電站高速公路緊急電話偏遠道路緊急電話停車計時器停車場控制門系統高速公路防音壁PV系統公路休息區PV系統太陽能車平交道指示燈候車亭PV系統車站屋頂型PV系統
道路交通
收音機測電表手錶計算機太陽能照相機手電筒電池充電器野營燈民生
應用領域
FAQ3太陽光發電的成本(簡易估算)
1 假設目前太陽光發電系統設置成本約為 NT$ 280000 kWp
2 假設年平均每日日照時數約為 25 Sun Hour (台灣中南部地區)
bull 1 kWp 組列單日發電量= 1 (kW) x 25 (Hour)= 25 kWh
bull 1 kWp 組列年發電量= 25 x 365 = 913 kWh (度)
3 假設太陽光發電系統使用壽命為 20 年
bull 1 kWp 太陽光發電系統總共可發電 20 x 913 = 18260 度
4 生產每度電之成本約為 280000 18260 ~ NT$ 153
5 未來發展趨勢
bull 太陽光發電系統設置成本將逐年降低
bull 市電電費將會升高(國內目前約 NT$ 3 度日本約NT$ 7 度)
bull 傳統能源限制再生能源獎勵利率降低
64獨立型太陽光發電系統應用例(一)
bull太陽電池時鐘-日本bull太陽電池路燈-日本千里住宅公園
獨立型太陽光發電系統應用例(二)
bull太陽電池交通標誌-日本北海道 bull高速公路緊急電話-日本
獨立型太陽光發電系統應用例(三)
bull800W無線通信中繼基地台韓國(1998)
獨立型太陽光發電系統應用例(四)
bull離島用90kW獨立型發電系統韓國Ho-Do島(1992)
併聯型太陽光發電系統應用例(一)
bull設置於屋頂之住宅用太陽光發電系統(建材一體型日本千里住宅公園內住宅設計之一)
併聯型太陽光發電系統應用例(二)
bull日本東海線新幹線京都車站之太陽光發電系統(100kWp)
併聯型太陽光發電系統應用例(三)
bull日本京瓷(Kyocera)京都總公司大樓之太陽電池發電系統(220kWp)
太陽光發電發電廠應用例
太陽電池發電廠
(PV Power Plant)
資料來源 ANIT
Srl Italy
建材一體型太陽電池模板應用例
bull資料來源 Pilkington Solar International GmbH 德國
太陽能車應用例
Honda Dream
bull資料來源 PV Special Research
Centre UNSW Australia
交大太陽能車
bull資料來源 National Chiao-Tung
University Taiwan
太陽光發電航太應用例(NASA Helios )
bull空中無線通訊平台應用
資料來源SkyOne Inc Taiwan
bull 飛行高度5-7 萬英呎(最高記錄 96000 英呎)
bull 時速60 mph (起飛 25 mph)
bull 翼展247 英呎bull 重量2000 磅bull 太陽電池效率要求gt22
資料來源httpwwwaerovironmentcomhomehtml
清雲技術學院 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
個人住宅 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
勤益技術學院 3kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
南台科技大學 10kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
總統府 10kWp 獨立型太陽光能發電系統 (9012)
海巡署南沙太平島 20kWp 混合型(柴油發電機)太陽光能發電系統 (9011)
90能源基金示範補助成果例
台電樹林 20kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
併聯型
台電台北市區處 20kWp 太陽光發電系統
(91能源基金示範補助成果)
併聯型
7結論
bull (1)提高電力轉換器效率
bull 轉換器的損失主要來自於開關切換時之損失為了可以降低濾波電路中電感和電容的體積可以提高切換頻率但是相對於開關的切換損失也因此而增加導致轉換器的效率降低因此發展零電壓或零電流切換技術應用於高切換頻率之轉換器將可以提高轉換器的效率
bull (2)提高太陽光發電系統之整體效率
bull 傳統之太陽光發電系統包含儲能系統和供電系統前級利用DCDC轉換器作最大功率追蹤後級則利用DCAC轉換器轉換能量供應給交流負載為了提高太陽光發電系統的整體效率在研究可提出了模組並聯控制技術以提昇各級電力轉換器的效率而在未來太陽光發電系統也將著重在單級電力轉換器的設計對於整體系統效率有較明顯的改善
8參考資料
1許國強ldquo太陽光發電原理與應用工研院材料所 薄膜技術組91年
2華志強黃崇倫ldquo智慧型能量控制於太陽光電能轉換系統國立雲林科技大學電機工程學系電力研討會97年
3林政達ldquo數位式市電並聯換流器與快速鎖相迴路控制器之研製國立雲林科技大學電機工程學系碩士論文92 年
4李思賢ldquo數位式單相低功率太陽光電能轉換系統國立中山大學電機工程學系碩士論文92 年
5洪世杰ldquo適用於再生能源之市電併聯型雙輸入供電系統國立中正大學電機工程研究所碩士論文93 年
6王廷興ldquo太陽能發電配電設計概要台北科技大學冷凍空調系 92年
7魏榮宗王文宏ldquo高效率太陽光電能源轉換系統 元智大學電機工程學系94年
[ ] 100)25(
)11
(exp
1)(exp
3
λminus+=
minus
=
+minus
minus+minus=
TKII
TTBk
qE
T
TII
where
R
IRVIRV
AkT
qIII
ISCRLG
r
GO
r
oros
sh
ssosLG
VI cell output current and voltagecell reverse saturation currentcell temperature in CBoltzmannrsquos constantelectronic chargeshort circuit current temperature coefficientsolar irradiation in Wmshort-circuit current at 25 Cand 1000 Wm
light-generated currentband gap for siliconideality factorsreference temperaturecell saturation current atshunt resistanceseries resistance
osI
T
kq
00170=IK
SCRIλ
LGI
GOE
921== ABKTr deg= 18301
orI
shR
sR
附錄附錄附錄附錄- 太陽能電池太陽能電池太陽能電池太陽能電池
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
(a) Equivalent circuit of a PV module and
(b) Typical PV module current-voltage and power-voltage characteristics
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
Characteristic of a PV module with temperature and irradiation (a) constant irradiation and varying temperature and (b) constant temperature and varying irradiation
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
系統範例系統範例系統範例系統範例
中途驛站電化PV離島用PV系統山岳地帶PV系統離島偏遠區
勤務指揮中心緊急避難所醫療院所公園學校地震觀測站森林嘹望台避難指示燈氣象觀測所水位警報PV系統河川安全燈防波堤安全PV燈
緊急防災
緊急供電系統管線電氣防蝕輸油管流量計PV系統市場廣告塔海上石油平台各種計測站PV系統發電廠情報指揮中心
產業用
住宅用供電系統緊急供電系統緊急照明系統帷幕牆遮陽棚採光罩屋瓦建築物
無線通信用中繼站基地台緊急電話中繼站電話通信PV系統Radio受信PV系統微波中繼站
通訊
農宅用電溫室栽培PV系統農業灌溉用自動灑水系統農牧電籬牛乳冷藏漁業養殖揚水通氣自動餵食器
農林漁牧
路燈交通號誌道路指示牌標誌燈太陽能電動車充電站高速公路緊急電話偏遠道路緊急電話停車計時器停車場控制門系統高速公路防音壁PV系統公路休息區PV系統太陽能車平交道指示燈候車亭PV系統車站屋頂型PV系統
道路交通
收音機測電表手錶計算機太陽能照相機手電筒電池充電器野營燈民生
應用領域
64獨立型太陽光發電系統應用例(一)
bull太陽電池時鐘-日本bull太陽電池路燈-日本千里住宅公園
獨立型太陽光發電系統應用例(二)
bull太陽電池交通標誌-日本北海道 bull高速公路緊急電話-日本
獨立型太陽光發電系統應用例(三)
bull800W無線通信中繼基地台韓國(1998)
獨立型太陽光發電系統應用例(四)
bull離島用90kW獨立型發電系統韓國Ho-Do島(1992)
併聯型太陽光發電系統應用例(一)
bull設置於屋頂之住宅用太陽光發電系統(建材一體型日本千里住宅公園內住宅設計之一)
併聯型太陽光發電系統應用例(二)
bull日本東海線新幹線京都車站之太陽光發電系統(100kWp)
併聯型太陽光發電系統應用例(三)
bull日本京瓷(Kyocera)京都總公司大樓之太陽電池發電系統(220kWp)
太陽光發電發電廠應用例
太陽電池發電廠
(PV Power Plant)
資料來源 ANIT
Srl Italy
建材一體型太陽電池模板應用例
bull資料來源 Pilkington Solar International GmbH 德國
太陽能車應用例
Honda Dream
bull資料來源 PV Special Research
Centre UNSW Australia
交大太陽能車
bull資料來源 National Chiao-Tung
University Taiwan
太陽光發電航太應用例(NASA Helios )
bull空中無線通訊平台應用
資料來源SkyOne Inc Taiwan
bull 飛行高度5-7 萬英呎(最高記錄 96000 英呎)
bull 時速60 mph (起飛 25 mph)
bull 翼展247 英呎bull 重量2000 磅bull 太陽電池效率要求gt22
資料來源httpwwwaerovironmentcomhomehtml
清雲技術學院 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
個人住宅 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
勤益技術學院 3kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
南台科技大學 10kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
總統府 10kWp 獨立型太陽光能發電系統 (9012)
海巡署南沙太平島 20kWp 混合型(柴油發電機)太陽光能發電系統 (9011)
90能源基金示範補助成果例
台電樹林 20kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
併聯型
台電台北市區處 20kWp 太陽光發電系統
(91能源基金示範補助成果)
併聯型
7結論
bull (1)提高電力轉換器效率
bull 轉換器的損失主要來自於開關切換時之損失為了可以降低濾波電路中電感和電容的體積可以提高切換頻率但是相對於開關的切換損失也因此而增加導致轉換器的效率降低因此發展零電壓或零電流切換技術應用於高切換頻率之轉換器將可以提高轉換器的效率
bull (2)提高太陽光發電系統之整體效率
bull 傳統之太陽光發電系統包含儲能系統和供電系統前級利用DCDC轉換器作最大功率追蹤後級則利用DCAC轉換器轉換能量供應給交流負載為了提高太陽光發電系統的整體效率在研究可提出了模組並聯控制技術以提昇各級電力轉換器的效率而在未來太陽光發電系統也將著重在單級電力轉換器的設計對於整體系統效率有較明顯的改善
8參考資料
1許國強ldquo太陽光發電原理與應用工研院材料所 薄膜技術組91年
2華志強黃崇倫ldquo智慧型能量控制於太陽光電能轉換系統國立雲林科技大學電機工程學系電力研討會97年
3林政達ldquo數位式市電並聯換流器與快速鎖相迴路控制器之研製國立雲林科技大學電機工程學系碩士論文92 年
4李思賢ldquo數位式單相低功率太陽光電能轉換系統國立中山大學電機工程學系碩士論文92 年
5洪世杰ldquo適用於再生能源之市電併聯型雙輸入供電系統國立中正大學電機工程研究所碩士論文93 年
6王廷興ldquo太陽能發電配電設計概要台北科技大學冷凍空調系 92年
7魏榮宗王文宏ldquo高效率太陽光電能源轉換系統 元智大學電機工程學系94年
[ ] 100)25(
)11
(exp
1)(exp
3
λminus+=
minus
=
+minus
minus+minus=
TKII
TTBk
qE
T
TII
where
R
IRVIRV
AkT
qIII
ISCRLG
r
GO
r
oros
sh
ssosLG
VI cell output current and voltagecell reverse saturation currentcell temperature in CBoltzmannrsquos constantelectronic chargeshort circuit current temperature coefficientsolar irradiation in Wmshort-circuit current at 25 Cand 1000 Wm
light-generated currentband gap for siliconideality factorsreference temperaturecell saturation current atshunt resistanceseries resistance
osI
T
kq
00170=IK
SCRIλ
LGI
GOE
921== ABKTr deg= 18301
orI
shR
sR
附錄附錄附錄附錄- 太陽能電池太陽能電池太陽能電池太陽能電池
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
(a) Equivalent circuit of a PV module and
(b) Typical PV module current-voltage and power-voltage characteristics
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
Characteristic of a PV module with temperature and irradiation (a) constant irradiation and varying temperature and (b) constant temperature and varying irradiation
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
系統範例系統範例系統範例系統範例
中途驛站電化PV離島用PV系統山岳地帶PV系統離島偏遠區
勤務指揮中心緊急避難所醫療院所公園學校地震觀測站森林嘹望台避難指示燈氣象觀測所水位警報PV系統河川安全燈防波堤安全PV燈
緊急防災
緊急供電系統管線電氣防蝕輸油管流量計PV系統市場廣告塔海上石油平台各種計測站PV系統發電廠情報指揮中心
產業用
住宅用供電系統緊急供電系統緊急照明系統帷幕牆遮陽棚採光罩屋瓦建築物
無線通信用中繼站基地台緊急電話中繼站電話通信PV系統Radio受信PV系統微波中繼站
通訊
農宅用電溫室栽培PV系統農業灌溉用自動灑水系統農牧電籬牛乳冷藏漁業養殖揚水通氣自動餵食器
農林漁牧
路燈交通號誌道路指示牌標誌燈太陽能電動車充電站高速公路緊急電話偏遠道路緊急電話停車計時器停車場控制門系統高速公路防音壁PV系統公路休息區PV系統太陽能車平交道指示燈候車亭PV系統車站屋頂型PV系統
道路交通
收音機測電表手錶計算機太陽能照相機手電筒電池充電器野營燈民生
應用領域
獨立型太陽光發電系統應用例(二)
bull太陽電池交通標誌-日本北海道 bull高速公路緊急電話-日本
獨立型太陽光發電系統應用例(三)
bull800W無線通信中繼基地台韓國(1998)
獨立型太陽光發電系統應用例(四)
bull離島用90kW獨立型發電系統韓國Ho-Do島(1992)
併聯型太陽光發電系統應用例(一)
bull設置於屋頂之住宅用太陽光發電系統(建材一體型日本千里住宅公園內住宅設計之一)
併聯型太陽光發電系統應用例(二)
bull日本東海線新幹線京都車站之太陽光發電系統(100kWp)
併聯型太陽光發電系統應用例(三)
bull日本京瓷(Kyocera)京都總公司大樓之太陽電池發電系統(220kWp)
太陽光發電發電廠應用例
太陽電池發電廠
(PV Power Plant)
資料來源 ANIT
Srl Italy
建材一體型太陽電池模板應用例
bull資料來源 Pilkington Solar International GmbH 德國
太陽能車應用例
Honda Dream
bull資料來源 PV Special Research
Centre UNSW Australia
交大太陽能車
bull資料來源 National Chiao-Tung
University Taiwan
太陽光發電航太應用例(NASA Helios )
bull空中無線通訊平台應用
資料來源SkyOne Inc Taiwan
bull 飛行高度5-7 萬英呎(最高記錄 96000 英呎)
bull 時速60 mph (起飛 25 mph)
bull 翼展247 英呎bull 重量2000 磅bull 太陽電池效率要求gt22
資料來源httpwwwaerovironmentcomhomehtml
清雲技術學院 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
個人住宅 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
勤益技術學院 3kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
南台科技大學 10kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
總統府 10kWp 獨立型太陽光能發電系統 (9012)
海巡署南沙太平島 20kWp 混合型(柴油發電機)太陽光能發電系統 (9011)
90能源基金示範補助成果例
台電樹林 20kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
併聯型
台電台北市區處 20kWp 太陽光發電系統
(91能源基金示範補助成果)
併聯型
7結論
bull (1)提高電力轉換器效率
bull 轉換器的損失主要來自於開關切換時之損失為了可以降低濾波電路中電感和電容的體積可以提高切換頻率但是相對於開關的切換損失也因此而增加導致轉換器的效率降低因此發展零電壓或零電流切換技術應用於高切換頻率之轉換器將可以提高轉換器的效率
bull (2)提高太陽光發電系統之整體效率
bull 傳統之太陽光發電系統包含儲能系統和供電系統前級利用DCDC轉換器作最大功率追蹤後級則利用DCAC轉換器轉換能量供應給交流負載為了提高太陽光發電系統的整體效率在研究可提出了模組並聯控制技術以提昇各級電力轉換器的效率而在未來太陽光發電系統也將著重在單級電力轉換器的設計對於整體系統效率有較明顯的改善
8參考資料
1許國強ldquo太陽光發電原理與應用工研院材料所 薄膜技術組91年
2華志強黃崇倫ldquo智慧型能量控制於太陽光電能轉換系統國立雲林科技大學電機工程學系電力研討會97年
3林政達ldquo數位式市電並聯換流器與快速鎖相迴路控制器之研製國立雲林科技大學電機工程學系碩士論文92 年
4李思賢ldquo數位式單相低功率太陽光電能轉換系統國立中山大學電機工程學系碩士論文92 年
5洪世杰ldquo適用於再生能源之市電併聯型雙輸入供電系統國立中正大學電機工程研究所碩士論文93 年
6王廷興ldquo太陽能發電配電設計概要台北科技大學冷凍空調系 92年
7魏榮宗王文宏ldquo高效率太陽光電能源轉換系統 元智大學電機工程學系94年
[ ] 100)25(
)11
(exp
1)(exp
3
λminus+=
minus
=
+minus
minus+minus=
TKII
TTBk
qE
T
TII
where
R
IRVIRV
AkT
qIII
ISCRLG
r
GO
r
oros
sh
ssosLG
VI cell output current and voltagecell reverse saturation currentcell temperature in CBoltzmannrsquos constantelectronic chargeshort circuit current temperature coefficientsolar irradiation in Wmshort-circuit current at 25 Cand 1000 Wm
light-generated currentband gap for siliconideality factorsreference temperaturecell saturation current atshunt resistanceseries resistance
osI
T
kq
00170=IK
SCRIλ
LGI
GOE
921== ABKTr deg= 18301
orI
shR
sR
附錄附錄附錄附錄- 太陽能電池太陽能電池太陽能電池太陽能電池
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
(a) Equivalent circuit of a PV module and
(b) Typical PV module current-voltage and power-voltage characteristics
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
Characteristic of a PV module with temperature and irradiation (a) constant irradiation and varying temperature and (b) constant temperature and varying irradiation
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
系統範例系統範例系統範例系統範例
中途驛站電化PV離島用PV系統山岳地帶PV系統離島偏遠區
勤務指揮中心緊急避難所醫療院所公園學校地震觀測站森林嘹望台避難指示燈氣象觀測所水位警報PV系統河川安全燈防波堤安全PV燈
緊急防災
緊急供電系統管線電氣防蝕輸油管流量計PV系統市場廣告塔海上石油平台各種計測站PV系統發電廠情報指揮中心
產業用
住宅用供電系統緊急供電系統緊急照明系統帷幕牆遮陽棚採光罩屋瓦建築物
無線通信用中繼站基地台緊急電話中繼站電話通信PV系統Radio受信PV系統微波中繼站
通訊
農宅用電溫室栽培PV系統農業灌溉用自動灑水系統農牧電籬牛乳冷藏漁業養殖揚水通氣自動餵食器
農林漁牧
路燈交通號誌道路指示牌標誌燈太陽能電動車充電站高速公路緊急電話偏遠道路緊急電話停車計時器停車場控制門系統高速公路防音壁PV系統公路休息區PV系統太陽能車平交道指示燈候車亭PV系統車站屋頂型PV系統
道路交通
收音機測電表手錶計算機太陽能照相機手電筒電池充電器野營燈民生
應用領域
獨立型太陽光發電系統應用例(三)
bull800W無線通信中繼基地台韓國(1998)
獨立型太陽光發電系統應用例(四)
bull離島用90kW獨立型發電系統韓國Ho-Do島(1992)
併聯型太陽光發電系統應用例(一)
bull設置於屋頂之住宅用太陽光發電系統(建材一體型日本千里住宅公園內住宅設計之一)
併聯型太陽光發電系統應用例(二)
bull日本東海線新幹線京都車站之太陽光發電系統(100kWp)
併聯型太陽光發電系統應用例(三)
bull日本京瓷(Kyocera)京都總公司大樓之太陽電池發電系統(220kWp)
太陽光發電發電廠應用例
太陽電池發電廠
(PV Power Plant)
資料來源 ANIT
Srl Italy
建材一體型太陽電池模板應用例
bull資料來源 Pilkington Solar International GmbH 德國
太陽能車應用例
Honda Dream
bull資料來源 PV Special Research
Centre UNSW Australia
交大太陽能車
bull資料來源 National Chiao-Tung
University Taiwan
太陽光發電航太應用例(NASA Helios )
bull空中無線通訊平台應用
資料來源SkyOne Inc Taiwan
bull 飛行高度5-7 萬英呎(最高記錄 96000 英呎)
bull 時速60 mph (起飛 25 mph)
bull 翼展247 英呎bull 重量2000 磅bull 太陽電池效率要求gt22
資料來源httpwwwaerovironmentcomhomehtml
清雲技術學院 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
個人住宅 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
勤益技術學院 3kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
南台科技大學 10kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
總統府 10kWp 獨立型太陽光能發電系統 (9012)
海巡署南沙太平島 20kWp 混合型(柴油發電機)太陽光能發電系統 (9011)
90能源基金示範補助成果例
台電樹林 20kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
併聯型
台電台北市區處 20kWp 太陽光發電系統
(91能源基金示範補助成果)
併聯型
7結論
bull (1)提高電力轉換器效率
bull 轉換器的損失主要來自於開關切換時之損失為了可以降低濾波電路中電感和電容的體積可以提高切換頻率但是相對於開關的切換損失也因此而增加導致轉換器的效率降低因此發展零電壓或零電流切換技術應用於高切換頻率之轉換器將可以提高轉換器的效率
bull (2)提高太陽光發電系統之整體效率
bull 傳統之太陽光發電系統包含儲能系統和供電系統前級利用DCDC轉換器作最大功率追蹤後級則利用DCAC轉換器轉換能量供應給交流負載為了提高太陽光發電系統的整體效率在研究可提出了模組並聯控制技術以提昇各級電力轉換器的效率而在未來太陽光發電系統也將著重在單級電力轉換器的設計對於整體系統效率有較明顯的改善
8參考資料
1許國強ldquo太陽光發電原理與應用工研院材料所 薄膜技術組91年
2華志強黃崇倫ldquo智慧型能量控制於太陽光電能轉換系統國立雲林科技大學電機工程學系電力研討會97年
3林政達ldquo數位式市電並聯換流器與快速鎖相迴路控制器之研製國立雲林科技大學電機工程學系碩士論文92 年
4李思賢ldquo數位式單相低功率太陽光電能轉換系統國立中山大學電機工程學系碩士論文92 年
5洪世杰ldquo適用於再生能源之市電併聯型雙輸入供電系統國立中正大學電機工程研究所碩士論文93 年
6王廷興ldquo太陽能發電配電設計概要台北科技大學冷凍空調系 92年
7魏榮宗王文宏ldquo高效率太陽光電能源轉換系統 元智大學電機工程學系94年
[ ] 100)25(
)11
(exp
1)(exp
3
λminus+=
minus
=
+minus
minus+minus=
TKII
TTBk
qE
T
TII
where
R
IRVIRV
AkT
qIII
ISCRLG
r
GO
r
oros
sh
ssosLG
VI cell output current and voltagecell reverse saturation currentcell temperature in CBoltzmannrsquos constantelectronic chargeshort circuit current temperature coefficientsolar irradiation in Wmshort-circuit current at 25 Cand 1000 Wm
light-generated currentband gap for siliconideality factorsreference temperaturecell saturation current atshunt resistanceseries resistance
osI
T
kq
00170=IK
SCRIλ
LGI
GOE
921== ABKTr deg= 18301
orI
shR
sR
附錄附錄附錄附錄- 太陽能電池太陽能電池太陽能電池太陽能電池
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
(a) Equivalent circuit of a PV module and
(b) Typical PV module current-voltage and power-voltage characteristics
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
Characteristic of a PV module with temperature and irradiation (a) constant irradiation and varying temperature and (b) constant temperature and varying irradiation
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
系統範例系統範例系統範例系統範例
中途驛站電化PV離島用PV系統山岳地帶PV系統離島偏遠區
勤務指揮中心緊急避難所醫療院所公園學校地震觀測站森林嘹望台避難指示燈氣象觀測所水位警報PV系統河川安全燈防波堤安全PV燈
緊急防災
緊急供電系統管線電氣防蝕輸油管流量計PV系統市場廣告塔海上石油平台各種計測站PV系統發電廠情報指揮中心
產業用
住宅用供電系統緊急供電系統緊急照明系統帷幕牆遮陽棚採光罩屋瓦建築物
無線通信用中繼站基地台緊急電話中繼站電話通信PV系統Radio受信PV系統微波中繼站
通訊
農宅用電溫室栽培PV系統農業灌溉用自動灑水系統農牧電籬牛乳冷藏漁業養殖揚水通氣自動餵食器
農林漁牧
路燈交通號誌道路指示牌標誌燈太陽能電動車充電站高速公路緊急電話偏遠道路緊急電話停車計時器停車場控制門系統高速公路防音壁PV系統公路休息區PV系統太陽能車平交道指示燈候車亭PV系統車站屋頂型PV系統
道路交通
收音機測電表手錶計算機太陽能照相機手電筒電池充電器野營燈民生
應用領域
獨立型太陽光發電系統應用例(四)
bull離島用90kW獨立型發電系統韓國Ho-Do島(1992)
併聯型太陽光發電系統應用例(一)
bull設置於屋頂之住宅用太陽光發電系統(建材一體型日本千里住宅公園內住宅設計之一)
併聯型太陽光發電系統應用例(二)
bull日本東海線新幹線京都車站之太陽光發電系統(100kWp)
併聯型太陽光發電系統應用例(三)
bull日本京瓷(Kyocera)京都總公司大樓之太陽電池發電系統(220kWp)
太陽光發電發電廠應用例
太陽電池發電廠
(PV Power Plant)
資料來源 ANIT
Srl Italy
建材一體型太陽電池模板應用例
bull資料來源 Pilkington Solar International GmbH 德國
太陽能車應用例
Honda Dream
bull資料來源 PV Special Research
Centre UNSW Australia
交大太陽能車
bull資料來源 National Chiao-Tung
University Taiwan
太陽光發電航太應用例(NASA Helios )
bull空中無線通訊平台應用
資料來源SkyOne Inc Taiwan
bull 飛行高度5-7 萬英呎(最高記錄 96000 英呎)
bull 時速60 mph (起飛 25 mph)
bull 翼展247 英呎bull 重量2000 磅bull 太陽電池效率要求gt22
資料來源httpwwwaerovironmentcomhomehtml
清雲技術學院 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
個人住宅 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
勤益技術學院 3kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
南台科技大學 10kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
總統府 10kWp 獨立型太陽光能發電系統 (9012)
海巡署南沙太平島 20kWp 混合型(柴油發電機)太陽光能發電系統 (9011)
90能源基金示範補助成果例
台電樹林 20kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
併聯型
台電台北市區處 20kWp 太陽光發電系統
(91能源基金示範補助成果)
併聯型
7結論
bull (1)提高電力轉換器效率
bull 轉換器的損失主要來自於開關切換時之損失為了可以降低濾波電路中電感和電容的體積可以提高切換頻率但是相對於開關的切換損失也因此而增加導致轉換器的效率降低因此發展零電壓或零電流切換技術應用於高切換頻率之轉換器將可以提高轉換器的效率
bull (2)提高太陽光發電系統之整體效率
bull 傳統之太陽光發電系統包含儲能系統和供電系統前級利用DCDC轉換器作最大功率追蹤後級則利用DCAC轉換器轉換能量供應給交流負載為了提高太陽光發電系統的整體效率在研究可提出了模組並聯控制技術以提昇各級電力轉換器的效率而在未來太陽光發電系統也將著重在單級電力轉換器的設計對於整體系統效率有較明顯的改善
8參考資料
1許國強ldquo太陽光發電原理與應用工研院材料所 薄膜技術組91年
2華志強黃崇倫ldquo智慧型能量控制於太陽光電能轉換系統國立雲林科技大學電機工程學系電力研討會97年
3林政達ldquo數位式市電並聯換流器與快速鎖相迴路控制器之研製國立雲林科技大學電機工程學系碩士論文92 年
4李思賢ldquo數位式單相低功率太陽光電能轉換系統國立中山大學電機工程學系碩士論文92 年
5洪世杰ldquo適用於再生能源之市電併聯型雙輸入供電系統國立中正大學電機工程研究所碩士論文93 年
6王廷興ldquo太陽能發電配電設計概要台北科技大學冷凍空調系 92年
7魏榮宗王文宏ldquo高效率太陽光電能源轉換系統 元智大學電機工程學系94年
[ ] 100)25(
)11
(exp
1)(exp
3
λminus+=
minus
=
+minus
minus+minus=
TKII
TTBk
qE
T
TII
where
R
IRVIRV
AkT
qIII
ISCRLG
r
GO
r
oros
sh
ssosLG
VI cell output current and voltagecell reverse saturation currentcell temperature in CBoltzmannrsquos constantelectronic chargeshort circuit current temperature coefficientsolar irradiation in Wmshort-circuit current at 25 Cand 1000 Wm
light-generated currentband gap for siliconideality factorsreference temperaturecell saturation current atshunt resistanceseries resistance
osI
T
kq
00170=IK
SCRIλ
LGI
GOE
921== ABKTr deg= 18301
orI
shR
sR
附錄附錄附錄附錄- 太陽能電池太陽能電池太陽能電池太陽能電池
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
(a) Equivalent circuit of a PV module and
(b) Typical PV module current-voltage and power-voltage characteristics
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
Characteristic of a PV module with temperature and irradiation (a) constant irradiation and varying temperature and (b) constant temperature and varying irradiation
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
系統範例系統範例系統範例系統範例
中途驛站電化PV離島用PV系統山岳地帶PV系統離島偏遠區
勤務指揮中心緊急避難所醫療院所公園學校地震觀測站森林嘹望台避難指示燈氣象觀測所水位警報PV系統河川安全燈防波堤安全PV燈
緊急防災
緊急供電系統管線電氣防蝕輸油管流量計PV系統市場廣告塔海上石油平台各種計測站PV系統發電廠情報指揮中心
產業用
住宅用供電系統緊急供電系統緊急照明系統帷幕牆遮陽棚採光罩屋瓦建築物
無線通信用中繼站基地台緊急電話中繼站電話通信PV系統Radio受信PV系統微波中繼站
通訊
農宅用電溫室栽培PV系統農業灌溉用自動灑水系統農牧電籬牛乳冷藏漁業養殖揚水通氣自動餵食器
農林漁牧
路燈交通號誌道路指示牌標誌燈太陽能電動車充電站高速公路緊急電話偏遠道路緊急電話停車計時器停車場控制門系統高速公路防音壁PV系統公路休息區PV系統太陽能車平交道指示燈候車亭PV系統車站屋頂型PV系統
道路交通
收音機測電表手錶計算機太陽能照相機手電筒電池充電器野營燈民生
應用領域
併聯型太陽光發電系統應用例(一)
bull設置於屋頂之住宅用太陽光發電系統(建材一體型日本千里住宅公園內住宅設計之一)
併聯型太陽光發電系統應用例(二)
bull日本東海線新幹線京都車站之太陽光發電系統(100kWp)
併聯型太陽光發電系統應用例(三)
bull日本京瓷(Kyocera)京都總公司大樓之太陽電池發電系統(220kWp)
太陽光發電發電廠應用例
太陽電池發電廠
(PV Power Plant)
資料來源 ANIT
Srl Italy
建材一體型太陽電池模板應用例
bull資料來源 Pilkington Solar International GmbH 德國
太陽能車應用例
Honda Dream
bull資料來源 PV Special Research
Centre UNSW Australia
交大太陽能車
bull資料來源 National Chiao-Tung
University Taiwan
太陽光發電航太應用例(NASA Helios )
bull空中無線通訊平台應用
資料來源SkyOne Inc Taiwan
bull 飛行高度5-7 萬英呎(最高記錄 96000 英呎)
bull 時速60 mph (起飛 25 mph)
bull 翼展247 英呎bull 重量2000 磅bull 太陽電池效率要求gt22
資料來源httpwwwaerovironmentcomhomehtml
清雲技術學院 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
個人住宅 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
勤益技術學院 3kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
南台科技大學 10kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
總統府 10kWp 獨立型太陽光能發電系統 (9012)
海巡署南沙太平島 20kWp 混合型(柴油發電機)太陽光能發電系統 (9011)
90能源基金示範補助成果例
台電樹林 20kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
併聯型
台電台北市區處 20kWp 太陽光發電系統
(91能源基金示範補助成果)
併聯型
7結論
bull (1)提高電力轉換器效率
bull 轉換器的損失主要來自於開關切換時之損失為了可以降低濾波電路中電感和電容的體積可以提高切換頻率但是相對於開關的切換損失也因此而增加導致轉換器的效率降低因此發展零電壓或零電流切換技術應用於高切換頻率之轉換器將可以提高轉換器的效率
bull (2)提高太陽光發電系統之整體效率
bull 傳統之太陽光發電系統包含儲能系統和供電系統前級利用DCDC轉換器作最大功率追蹤後級則利用DCAC轉換器轉換能量供應給交流負載為了提高太陽光發電系統的整體效率在研究可提出了模組並聯控制技術以提昇各級電力轉換器的效率而在未來太陽光發電系統也將著重在單級電力轉換器的設計對於整體系統效率有較明顯的改善
8參考資料
1許國強ldquo太陽光發電原理與應用工研院材料所 薄膜技術組91年
2華志強黃崇倫ldquo智慧型能量控制於太陽光電能轉換系統國立雲林科技大學電機工程學系電力研討會97年
3林政達ldquo數位式市電並聯換流器與快速鎖相迴路控制器之研製國立雲林科技大學電機工程學系碩士論文92 年
4李思賢ldquo數位式單相低功率太陽光電能轉換系統國立中山大學電機工程學系碩士論文92 年
5洪世杰ldquo適用於再生能源之市電併聯型雙輸入供電系統國立中正大學電機工程研究所碩士論文93 年
6王廷興ldquo太陽能發電配電設計概要台北科技大學冷凍空調系 92年
7魏榮宗王文宏ldquo高效率太陽光電能源轉換系統 元智大學電機工程學系94年
[ ] 100)25(
)11
(exp
1)(exp
3
λminus+=
minus
=
+minus
minus+minus=
TKII
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qE
T
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where
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AkT
qIII
ISCRLG
r
GO
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sh
ssosLG
VI cell output current and voltagecell reverse saturation currentcell temperature in CBoltzmannrsquos constantelectronic chargeshort circuit current temperature coefficientsolar irradiation in Wmshort-circuit current at 25 Cand 1000 Wm
light-generated currentband gap for siliconideality factorsreference temperaturecell saturation current atshunt resistanceseries resistance
osI
T
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00170=IK
SCRIλ
LGI
GOE
921== ABKTr deg= 18301
orI
shR
sR
附錄附錄附錄附錄- 太陽能電池太陽能電池太陽能電池太陽能電池
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
(a) Equivalent circuit of a PV module and
(b) Typical PV module current-voltage and power-voltage characteristics
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
Characteristic of a PV module with temperature and irradiation (a) constant irradiation and varying temperature and (b) constant temperature and varying irradiation
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
系統範例系統範例系統範例系統範例
中途驛站電化PV離島用PV系統山岳地帶PV系統離島偏遠區
勤務指揮中心緊急避難所醫療院所公園學校地震觀測站森林嘹望台避難指示燈氣象觀測所水位警報PV系統河川安全燈防波堤安全PV燈
緊急防災
緊急供電系統管線電氣防蝕輸油管流量計PV系統市場廣告塔海上石油平台各種計測站PV系統發電廠情報指揮中心
產業用
住宅用供電系統緊急供電系統緊急照明系統帷幕牆遮陽棚採光罩屋瓦建築物
無線通信用中繼站基地台緊急電話中繼站電話通信PV系統Radio受信PV系統微波中繼站
通訊
農宅用電溫室栽培PV系統農業灌溉用自動灑水系統農牧電籬牛乳冷藏漁業養殖揚水通氣自動餵食器
農林漁牧
路燈交通號誌道路指示牌標誌燈太陽能電動車充電站高速公路緊急電話偏遠道路緊急電話停車計時器停車場控制門系統高速公路防音壁PV系統公路休息區PV系統太陽能車平交道指示燈候車亭PV系統車站屋頂型PV系統
道路交通
收音機測電表手錶計算機太陽能照相機手電筒電池充電器野營燈民生
應用領域
併聯型太陽光發電系統應用例(二)
bull日本東海線新幹線京都車站之太陽光發電系統(100kWp)
併聯型太陽光發電系統應用例(三)
bull日本京瓷(Kyocera)京都總公司大樓之太陽電池發電系統(220kWp)
太陽光發電發電廠應用例
太陽電池發電廠
(PV Power Plant)
資料來源 ANIT
Srl Italy
建材一體型太陽電池模板應用例
bull資料來源 Pilkington Solar International GmbH 德國
太陽能車應用例
Honda Dream
bull資料來源 PV Special Research
Centre UNSW Australia
交大太陽能車
bull資料來源 National Chiao-Tung
University Taiwan
太陽光發電航太應用例(NASA Helios )
bull空中無線通訊平台應用
資料來源SkyOne Inc Taiwan
bull 飛行高度5-7 萬英呎(最高記錄 96000 英呎)
bull 時速60 mph (起飛 25 mph)
bull 翼展247 英呎bull 重量2000 磅bull 太陽電池效率要求gt22
資料來源httpwwwaerovironmentcomhomehtml
清雲技術學院 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
個人住宅 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
勤益技術學院 3kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
南台科技大學 10kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
總統府 10kWp 獨立型太陽光能發電系統 (9012)
海巡署南沙太平島 20kWp 混合型(柴油發電機)太陽光能發電系統 (9011)
90能源基金示範補助成果例
台電樹林 20kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
併聯型
台電台北市區處 20kWp 太陽光發電系統
(91能源基金示範補助成果)
併聯型
7結論
bull (1)提高電力轉換器效率
bull 轉換器的損失主要來自於開關切換時之損失為了可以降低濾波電路中電感和電容的體積可以提高切換頻率但是相對於開關的切換損失也因此而增加導致轉換器的效率降低因此發展零電壓或零電流切換技術應用於高切換頻率之轉換器將可以提高轉換器的效率
bull (2)提高太陽光發電系統之整體效率
bull 傳統之太陽光發電系統包含儲能系統和供電系統前級利用DCDC轉換器作最大功率追蹤後級則利用DCAC轉換器轉換能量供應給交流負載為了提高太陽光發電系統的整體效率在研究可提出了模組並聯控制技術以提昇各級電力轉換器的效率而在未來太陽光發電系統也將著重在單級電力轉換器的設計對於整體系統效率有較明顯的改善
8參考資料
1許國強ldquo太陽光發電原理與應用工研院材料所 薄膜技術組91年
2華志強黃崇倫ldquo智慧型能量控制於太陽光電能轉換系統國立雲林科技大學電機工程學系電力研討會97年
3林政達ldquo數位式市電並聯換流器與快速鎖相迴路控制器之研製國立雲林科技大學電機工程學系碩士論文92 年
4李思賢ldquo數位式單相低功率太陽光電能轉換系統國立中山大學電機工程學系碩士論文92 年
5洪世杰ldquo適用於再生能源之市電併聯型雙輸入供電系統國立中正大學電機工程研究所碩士論文93 年
6王廷興ldquo太陽能發電配電設計概要台北科技大學冷凍空調系 92年
7魏榮宗王文宏ldquo高效率太陽光電能源轉換系統 元智大學電機工程學系94年
[ ] 100)25(
)11
(exp
1)(exp
3
λminus+=
minus
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+minus
minus+minus=
TKII
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ISCRLG
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ssosLG
VI cell output current and voltagecell reverse saturation currentcell temperature in CBoltzmannrsquos constantelectronic chargeshort circuit current temperature coefficientsolar irradiation in Wmshort-circuit current at 25 Cand 1000 Wm
light-generated currentband gap for siliconideality factorsreference temperaturecell saturation current atshunt resistanceseries resistance
osI
T
kq
00170=IK
SCRIλ
LGI
GOE
921== ABKTr deg= 18301
orI
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附錄附錄附錄附錄- 太陽能電池太陽能電池太陽能電池太陽能電池
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
(a) Equivalent circuit of a PV module and
(b) Typical PV module current-voltage and power-voltage characteristics
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
Characteristic of a PV module with temperature and irradiation (a) constant irradiation and varying temperature and (b) constant temperature and varying irradiation
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
系統範例系統範例系統範例系統範例
中途驛站電化PV離島用PV系統山岳地帶PV系統離島偏遠區
勤務指揮中心緊急避難所醫療院所公園學校地震觀測站森林嘹望台避難指示燈氣象觀測所水位警報PV系統河川安全燈防波堤安全PV燈
緊急防災
緊急供電系統管線電氣防蝕輸油管流量計PV系統市場廣告塔海上石油平台各種計測站PV系統發電廠情報指揮中心
產業用
住宅用供電系統緊急供電系統緊急照明系統帷幕牆遮陽棚採光罩屋瓦建築物
無線通信用中繼站基地台緊急電話中繼站電話通信PV系統Radio受信PV系統微波中繼站
通訊
農宅用電溫室栽培PV系統農業灌溉用自動灑水系統農牧電籬牛乳冷藏漁業養殖揚水通氣自動餵食器
農林漁牧
路燈交通號誌道路指示牌標誌燈太陽能電動車充電站高速公路緊急電話偏遠道路緊急電話停車計時器停車場控制門系統高速公路防音壁PV系統公路休息區PV系統太陽能車平交道指示燈候車亭PV系統車站屋頂型PV系統
道路交通
收音機測電表手錶計算機太陽能照相機手電筒電池充電器野營燈民生
應用領域
併聯型太陽光發電系統應用例(三)
bull日本京瓷(Kyocera)京都總公司大樓之太陽電池發電系統(220kWp)
太陽光發電發電廠應用例
太陽電池發電廠
(PV Power Plant)
資料來源 ANIT
Srl Italy
建材一體型太陽電池模板應用例
bull資料來源 Pilkington Solar International GmbH 德國
太陽能車應用例
Honda Dream
bull資料來源 PV Special Research
Centre UNSW Australia
交大太陽能車
bull資料來源 National Chiao-Tung
University Taiwan
太陽光發電航太應用例(NASA Helios )
bull空中無線通訊平台應用
資料來源SkyOne Inc Taiwan
bull 飛行高度5-7 萬英呎(最高記錄 96000 英呎)
bull 時速60 mph (起飛 25 mph)
bull 翼展247 英呎bull 重量2000 磅bull 太陽電池效率要求gt22
資料來源httpwwwaerovironmentcomhomehtml
清雲技術學院 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
個人住宅 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
勤益技術學院 3kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
南台科技大學 10kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
總統府 10kWp 獨立型太陽光能發電系統 (9012)
海巡署南沙太平島 20kWp 混合型(柴油發電機)太陽光能發電系統 (9011)
90能源基金示範補助成果例
台電樹林 20kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
併聯型
台電台北市區處 20kWp 太陽光發電系統
(91能源基金示範補助成果)
併聯型
7結論
bull (1)提高電力轉換器效率
bull 轉換器的損失主要來自於開關切換時之損失為了可以降低濾波電路中電感和電容的體積可以提高切換頻率但是相對於開關的切換損失也因此而增加導致轉換器的效率降低因此發展零電壓或零電流切換技術應用於高切換頻率之轉換器將可以提高轉換器的效率
bull (2)提高太陽光發電系統之整體效率
bull 傳統之太陽光發電系統包含儲能系統和供電系統前級利用DCDC轉換器作最大功率追蹤後級則利用DCAC轉換器轉換能量供應給交流負載為了提高太陽光發電系統的整體效率在研究可提出了模組並聯控制技術以提昇各級電力轉換器的效率而在未來太陽光發電系統也將著重在單級電力轉換器的設計對於整體系統效率有較明顯的改善
8參考資料
1許國強ldquo太陽光發電原理與應用工研院材料所 薄膜技術組91年
2華志強黃崇倫ldquo智慧型能量控制於太陽光電能轉換系統國立雲林科技大學電機工程學系電力研討會97年
3林政達ldquo數位式市電並聯換流器與快速鎖相迴路控制器之研製國立雲林科技大學電機工程學系碩士論文92 年
4李思賢ldquo數位式單相低功率太陽光電能轉換系統國立中山大學電機工程學系碩士論文92 年
5洪世杰ldquo適用於再生能源之市電併聯型雙輸入供電系統國立中正大學電機工程研究所碩士論文93 年
6王廷興ldquo太陽能發電配電設計概要台北科技大學冷凍空調系 92年
7魏榮宗王文宏ldquo高效率太陽光電能源轉換系統 元智大學電機工程學系94年
[ ] 100)25(
)11
(exp
1)(exp
3
λminus+=
minus
=
+minus
minus+minus=
TKII
TTBk
qE
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R
IRVIRV
AkT
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ISCRLG
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ssosLG
VI cell output current and voltagecell reverse saturation currentcell temperature in CBoltzmannrsquos constantelectronic chargeshort circuit current temperature coefficientsolar irradiation in Wmshort-circuit current at 25 Cand 1000 Wm
light-generated currentband gap for siliconideality factorsreference temperaturecell saturation current atshunt resistanceseries resistance
osI
T
kq
00170=IK
SCRIλ
LGI
GOE
921== ABKTr deg= 18301
orI
shR
sR
附錄附錄附錄附錄- 太陽能電池太陽能電池太陽能電池太陽能電池
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
(a) Equivalent circuit of a PV module and
(b) Typical PV module current-voltage and power-voltage characteristics
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
Characteristic of a PV module with temperature and irradiation (a) constant irradiation and varying temperature and (b) constant temperature and varying irradiation
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
系統範例系統範例系統範例系統範例
中途驛站電化PV離島用PV系統山岳地帶PV系統離島偏遠區
勤務指揮中心緊急避難所醫療院所公園學校地震觀測站森林嘹望台避難指示燈氣象觀測所水位警報PV系統河川安全燈防波堤安全PV燈
緊急防災
緊急供電系統管線電氣防蝕輸油管流量計PV系統市場廣告塔海上石油平台各種計測站PV系統發電廠情報指揮中心
產業用
住宅用供電系統緊急供電系統緊急照明系統帷幕牆遮陽棚採光罩屋瓦建築物
無線通信用中繼站基地台緊急電話中繼站電話通信PV系統Radio受信PV系統微波中繼站
通訊
農宅用電溫室栽培PV系統農業灌溉用自動灑水系統農牧電籬牛乳冷藏漁業養殖揚水通氣自動餵食器
農林漁牧
路燈交通號誌道路指示牌標誌燈太陽能電動車充電站高速公路緊急電話偏遠道路緊急電話停車計時器停車場控制門系統高速公路防音壁PV系統公路休息區PV系統太陽能車平交道指示燈候車亭PV系統車站屋頂型PV系統
道路交通
收音機測電表手錶計算機太陽能照相機手電筒電池充電器野營燈民生
應用領域
太陽光發電發電廠應用例
太陽電池發電廠
(PV Power Plant)
資料來源 ANIT
Srl Italy
建材一體型太陽電池模板應用例
bull資料來源 Pilkington Solar International GmbH 德國
太陽能車應用例
Honda Dream
bull資料來源 PV Special Research
Centre UNSW Australia
交大太陽能車
bull資料來源 National Chiao-Tung
University Taiwan
太陽光發電航太應用例(NASA Helios )
bull空中無線通訊平台應用
資料來源SkyOne Inc Taiwan
bull 飛行高度5-7 萬英呎(最高記錄 96000 英呎)
bull 時速60 mph (起飛 25 mph)
bull 翼展247 英呎bull 重量2000 磅bull 太陽電池效率要求gt22
資料來源httpwwwaerovironmentcomhomehtml
清雲技術學院 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
個人住宅 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
勤益技術學院 3kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
南台科技大學 10kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
總統府 10kWp 獨立型太陽光能發電系統 (9012)
海巡署南沙太平島 20kWp 混合型(柴油發電機)太陽光能發電系統 (9011)
90能源基金示範補助成果例
台電樹林 20kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
併聯型
台電台北市區處 20kWp 太陽光發電系統
(91能源基金示範補助成果)
併聯型
7結論
bull (1)提高電力轉換器效率
bull 轉換器的損失主要來自於開關切換時之損失為了可以降低濾波電路中電感和電容的體積可以提高切換頻率但是相對於開關的切換損失也因此而增加導致轉換器的效率降低因此發展零電壓或零電流切換技術應用於高切換頻率之轉換器將可以提高轉換器的效率
bull (2)提高太陽光發電系統之整體效率
bull 傳統之太陽光發電系統包含儲能系統和供電系統前級利用DCDC轉換器作最大功率追蹤後級則利用DCAC轉換器轉換能量供應給交流負載為了提高太陽光發電系統的整體效率在研究可提出了模組並聯控制技術以提昇各級電力轉換器的效率而在未來太陽光發電系統也將著重在單級電力轉換器的設計對於整體系統效率有較明顯的改善
8參考資料
1許國強ldquo太陽光發電原理與應用工研院材料所 薄膜技術組91年
2華志強黃崇倫ldquo智慧型能量控制於太陽光電能轉換系統國立雲林科技大學電機工程學系電力研討會97年
3林政達ldquo數位式市電並聯換流器與快速鎖相迴路控制器之研製國立雲林科技大學電機工程學系碩士論文92 年
4李思賢ldquo數位式單相低功率太陽光電能轉換系統國立中山大學電機工程學系碩士論文92 年
5洪世杰ldquo適用於再生能源之市電併聯型雙輸入供電系統國立中正大學電機工程研究所碩士論文93 年
6王廷興ldquo太陽能發電配電設計概要台北科技大學冷凍空調系 92年
7魏榮宗王文宏ldquo高效率太陽光電能源轉換系統 元智大學電機工程學系94年
[ ] 100)25(
)11
(exp
1)(exp
3
λminus+=
minus
=
+minus
minus+minus=
TKII
TTBk
qE
T
TII
where
R
IRVIRV
AkT
qIII
ISCRLG
r
GO
r
oros
sh
ssosLG
VI cell output current and voltagecell reverse saturation currentcell temperature in CBoltzmannrsquos constantelectronic chargeshort circuit current temperature coefficientsolar irradiation in Wmshort-circuit current at 25 Cand 1000 Wm
light-generated currentband gap for siliconideality factorsreference temperaturecell saturation current atshunt resistanceseries resistance
osI
T
kq
00170=IK
SCRIλ
LGI
GOE
921== ABKTr deg= 18301
orI
shR
sR
附錄附錄附錄附錄- 太陽能電池太陽能電池太陽能電池太陽能電池
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
(a) Equivalent circuit of a PV module and
(b) Typical PV module current-voltage and power-voltage characteristics
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
Characteristic of a PV module with temperature and irradiation (a) constant irradiation and varying temperature and (b) constant temperature and varying irradiation
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
系統範例系統範例系統範例系統範例
中途驛站電化PV離島用PV系統山岳地帶PV系統離島偏遠區
勤務指揮中心緊急避難所醫療院所公園學校地震觀測站森林嘹望台避難指示燈氣象觀測所水位警報PV系統河川安全燈防波堤安全PV燈
緊急防災
緊急供電系統管線電氣防蝕輸油管流量計PV系統市場廣告塔海上石油平台各種計測站PV系統發電廠情報指揮中心
產業用
住宅用供電系統緊急供電系統緊急照明系統帷幕牆遮陽棚採光罩屋瓦建築物
無線通信用中繼站基地台緊急電話中繼站電話通信PV系統Radio受信PV系統微波中繼站
通訊
農宅用電溫室栽培PV系統農業灌溉用自動灑水系統農牧電籬牛乳冷藏漁業養殖揚水通氣自動餵食器
農林漁牧
路燈交通號誌道路指示牌標誌燈太陽能電動車充電站高速公路緊急電話偏遠道路緊急電話停車計時器停車場控制門系統高速公路防音壁PV系統公路休息區PV系統太陽能車平交道指示燈候車亭PV系統車站屋頂型PV系統
道路交通
收音機測電表手錶計算機太陽能照相機手電筒電池充電器野營燈民生
應用領域
建材一體型太陽電池模板應用例
bull資料來源 Pilkington Solar International GmbH 德國
太陽能車應用例
Honda Dream
bull資料來源 PV Special Research
Centre UNSW Australia
交大太陽能車
bull資料來源 National Chiao-Tung
University Taiwan
太陽光發電航太應用例(NASA Helios )
bull空中無線通訊平台應用
資料來源SkyOne Inc Taiwan
bull 飛行高度5-7 萬英呎(最高記錄 96000 英呎)
bull 時速60 mph (起飛 25 mph)
bull 翼展247 英呎bull 重量2000 磅bull 太陽電池效率要求gt22
資料來源httpwwwaerovironmentcomhomehtml
清雲技術學院 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
個人住宅 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
勤益技術學院 3kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
南台科技大學 10kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
總統府 10kWp 獨立型太陽光能發電系統 (9012)
海巡署南沙太平島 20kWp 混合型(柴油發電機)太陽光能發電系統 (9011)
90能源基金示範補助成果例
台電樹林 20kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
併聯型
台電台北市區處 20kWp 太陽光發電系統
(91能源基金示範補助成果)
併聯型
7結論
bull (1)提高電力轉換器效率
bull 轉換器的損失主要來自於開關切換時之損失為了可以降低濾波電路中電感和電容的體積可以提高切換頻率但是相對於開關的切換損失也因此而增加導致轉換器的效率降低因此發展零電壓或零電流切換技術應用於高切換頻率之轉換器將可以提高轉換器的效率
bull (2)提高太陽光發電系統之整體效率
bull 傳統之太陽光發電系統包含儲能系統和供電系統前級利用DCDC轉換器作最大功率追蹤後級則利用DCAC轉換器轉換能量供應給交流負載為了提高太陽光發電系統的整體效率在研究可提出了模組並聯控制技術以提昇各級電力轉換器的效率而在未來太陽光發電系統也將著重在單級電力轉換器的設計對於整體系統效率有較明顯的改善
8參考資料
1許國強ldquo太陽光發電原理與應用工研院材料所 薄膜技術組91年
2華志強黃崇倫ldquo智慧型能量控制於太陽光電能轉換系統國立雲林科技大學電機工程學系電力研討會97年
3林政達ldquo數位式市電並聯換流器與快速鎖相迴路控制器之研製國立雲林科技大學電機工程學系碩士論文92 年
4李思賢ldquo數位式單相低功率太陽光電能轉換系統國立中山大學電機工程學系碩士論文92 年
5洪世杰ldquo適用於再生能源之市電併聯型雙輸入供電系統國立中正大學電機工程研究所碩士論文93 年
6王廷興ldquo太陽能發電配電設計概要台北科技大學冷凍空調系 92年
7魏榮宗王文宏ldquo高效率太陽光電能源轉換系統 元智大學電機工程學系94年
[ ] 100)25(
)11
(exp
1)(exp
3
λminus+=
minus
=
+minus
minus+minus=
TKII
TTBk
qE
T
TII
where
R
IRVIRV
AkT
qIII
ISCRLG
r
GO
r
oros
sh
ssosLG
VI cell output current and voltagecell reverse saturation currentcell temperature in CBoltzmannrsquos constantelectronic chargeshort circuit current temperature coefficientsolar irradiation in Wmshort-circuit current at 25 Cand 1000 Wm
light-generated currentband gap for siliconideality factorsreference temperaturecell saturation current atshunt resistanceseries resistance
osI
T
kq
00170=IK
SCRIλ
LGI
GOE
921== ABKTr deg= 18301
orI
shR
sR
附錄附錄附錄附錄- 太陽能電池太陽能電池太陽能電池太陽能電池
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
(a) Equivalent circuit of a PV module and
(b) Typical PV module current-voltage and power-voltage characteristics
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
Characteristic of a PV module with temperature and irradiation (a) constant irradiation and varying temperature and (b) constant temperature and varying irradiation
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
系統範例系統範例系統範例系統範例
中途驛站電化PV離島用PV系統山岳地帶PV系統離島偏遠區
勤務指揮中心緊急避難所醫療院所公園學校地震觀測站森林嘹望台避難指示燈氣象觀測所水位警報PV系統河川安全燈防波堤安全PV燈
緊急防災
緊急供電系統管線電氣防蝕輸油管流量計PV系統市場廣告塔海上石油平台各種計測站PV系統發電廠情報指揮中心
產業用
住宅用供電系統緊急供電系統緊急照明系統帷幕牆遮陽棚採光罩屋瓦建築物
無線通信用中繼站基地台緊急電話中繼站電話通信PV系統Radio受信PV系統微波中繼站
通訊
農宅用電溫室栽培PV系統農業灌溉用自動灑水系統農牧電籬牛乳冷藏漁業養殖揚水通氣自動餵食器
農林漁牧
路燈交通號誌道路指示牌標誌燈太陽能電動車充電站高速公路緊急電話偏遠道路緊急電話停車計時器停車場控制門系統高速公路防音壁PV系統公路休息區PV系統太陽能車平交道指示燈候車亭PV系統車站屋頂型PV系統
道路交通
收音機測電表手錶計算機太陽能照相機手電筒電池充電器野營燈民生
應用領域
太陽能車應用例
Honda Dream
bull資料來源 PV Special Research
Centre UNSW Australia
交大太陽能車
bull資料來源 National Chiao-Tung
University Taiwan
太陽光發電航太應用例(NASA Helios )
bull空中無線通訊平台應用
資料來源SkyOne Inc Taiwan
bull 飛行高度5-7 萬英呎(最高記錄 96000 英呎)
bull 時速60 mph (起飛 25 mph)
bull 翼展247 英呎bull 重量2000 磅bull 太陽電池效率要求gt22
資料來源httpwwwaerovironmentcomhomehtml
清雲技術學院 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
個人住宅 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
勤益技術學院 3kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
南台科技大學 10kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
總統府 10kWp 獨立型太陽光能發電系統 (9012)
海巡署南沙太平島 20kWp 混合型(柴油發電機)太陽光能發電系統 (9011)
90能源基金示範補助成果例
台電樹林 20kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
併聯型
台電台北市區處 20kWp 太陽光發電系統
(91能源基金示範補助成果)
併聯型
7結論
bull (1)提高電力轉換器效率
bull 轉換器的損失主要來自於開關切換時之損失為了可以降低濾波電路中電感和電容的體積可以提高切換頻率但是相對於開關的切換損失也因此而增加導致轉換器的效率降低因此發展零電壓或零電流切換技術應用於高切換頻率之轉換器將可以提高轉換器的效率
bull (2)提高太陽光發電系統之整體效率
bull 傳統之太陽光發電系統包含儲能系統和供電系統前級利用DCDC轉換器作最大功率追蹤後級則利用DCAC轉換器轉換能量供應給交流負載為了提高太陽光發電系統的整體效率在研究可提出了模組並聯控制技術以提昇各級電力轉換器的效率而在未來太陽光發電系統也將著重在單級電力轉換器的設計對於整體系統效率有較明顯的改善
8參考資料
1許國強ldquo太陽光發電原理與應用工研院材料所 薄膜技術組91年
2華志強黃崇倫ldquo智慧型能量控制於太陽光電能轉換系統國立雲林科技大學電機工程學系電力研討會97年
3林政達ldquo數位式市電並聯換流器與快速鎖相迴路控制器之研製國立雲林科技大學電機工程學系碩士論文92 年
4李思賢ldquo數位式單相低功率太陽光電能轉換系統國立中山大學電機工程學系碩士論文92 年
5洪世杰ldquo適用於再生能源之市電併聯型雙輸入供電系統國立中正大學電機工程研究所碩士論文93 年
6王廷興ldquo太陽能發電配電設計概要台北科技大學冷凍空調系 92年
7魏榮宗王文宏ldquo高效率太陽光電能源轉換系統 元智大學電機工程學系94年
[ ] 100)25(
)11
(exp
1)(exp
3
λminus+=
minus
=
+minus
minus+minus=
TKII
TTBk
qE
T
TII
where
R
IRVIRV
AkT
qIII
ISCRLG
r
GO
r
oros
sh
ssosLG
VI cell output current and voltagecell reverse saturation currentcell temperature in CBoltzmannrsquos constantelectronic chargeshort circuit current temperature coefficientsolar irradiation in Wmshort-circuit current at 25 Cand 1000 Wm
light-generated currentband gap for siliconideality factorsreference temperaturecell saturation current atshunt resistanceseries resistance
osI
T
kq
00170=IK
SCRIλ
LGI
GOE
921== ABKTr deg= 18301
orI
shR
sR
附錄附錄附錄附錄- 太陽能電池太陽能電池太陽能電池太陽能電池
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
(a) Equivalent circuit of a PV module and
(b) Typical PV module current-voltage and power-voltage characteristics
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
Characteristic of a PV module with temperature and irradiation (a) constant irradiation and varying temperature and (b) constant temperature and varying irradiation
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
系統範例系統範例系統範例系統範例
中途驛站電化PV離島用PV系統山岳地帶PV系統離島偏遠區
勤務指揮中心緊急避難所醫療院所公園學校地震觀測站森林嘹望台避難指示燈氣象觀測所水位警報PV系統河川安全燈防波堤安全PV燈
緊急防災
緊急供電系統管線電氣防蝕輸油管流量計PV系統市場廣告塔海上石油平台各種計測站PV系統發電廠情報指揮中心
產業用
住宅用供電系統緊急供電系統緊急照明系統帷幕牆遮陽棚採光罩屋瓦建築物
無線通信用中繼站基地台緊急電話中繼站電話通信PV系統Radio受信PV系統微波中繼站
通訊
農宅用電溫室栽培PV系統農業灌溉用自動灑水系統農牧電籬牛乳冷藏漁業養殖揚水通氣自動餵食器
農林漁牧
路燈交通號誌道路指示牌標誌燈太陽能電動車充電站高速公路緊急電話偏遠道路緊急電話停車計時器停車場控制門系統高速公路防音壁PV系統公路休息區PV系統太陽能車平交道指示燈候車亭PV系統車站屋頂型PV系統
道路交通
收音機測電表手錶計算機太陽能照相機手電筒電池充電器野營燈民生
應用領域
太陽光發電航太應用例(NASA Helios )
bull空中無線通訊平台應用
資料來源SkyOne Inc Taiwan
bull 飛行高度5-7 萬英呎(最高記錄 96000 英呎)
bull 時速60 mph (起飛 25 mph)
bull 翼展247 英呎bull 重量2000 磅bull 太陽電池效率要求gt22
資料來源httpwwwaerovironmentcomhomehtml
清雲技術學院 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
個人住宅 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
勤益技術學院 3kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
南台科技大學 10kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
總統府 10kWp 獨立型太陽光能發電系統 (9012)
海巡署南沙太平島 20kWp 混合型(柴油發電機)太陽光能發電系統 (9011)
90能源基金示範補助成果例
台電樹林 20kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
併聯型
台電台北市區處 20kWp 太陽光發電系統
(91能源基金示範補助成果)
併聯型
7結論
bull (1)提高電力轉換器效率
bull 轉換器的損失主要來自於開關切換時之損失為了可以降低濾波電路中電感和電容的體積可以提高切換頻率但是相對於開關的切換損失也因此而增加導致轉換器的效率降低因此發展零電壓或零電流切換技術應用於高切換頻率之轉換器將可以提高轉換器的效率
bull (2)提高太陽光發電系統之整體效率
bull 傳統之太陽光發電系統包含儲能系統和供電系統前級利用DCDC轉換器作最大功率追蹤後級則利用DCAC轉換器轉換能量供應給交流負載為了提高太陽光發電系統的整體效率在研究可提出了模組並聯控制技術以提昇各級電力轉換器的效率而在未來太陽光發電系統也將著重在單級電力轉換器的設計對於整體系統效率有較明顯的改善
8參考資料
1許國強ldquo太陽光發電原理與應用工研院材料所 薄膜技術組91年
2華志強黃崇倫ldquo智慧型能量控制於太陽光電能轉換系統國立雲林科技大學電機工程學系電力研討會97年
3林政達ldquo數位式市電並聯換流器與快速鎖相迴路控制器之研製國立雲林科技大學電機工程學系碩士論文92 年
4李思賢ldquo數位式單相低功率太陽光電能轉換系統國立中山大學電機工程學系碩士論文92 年
5洪世杰ldquo適用於再生能源之市電併聯型雙輸入供電系統國立中正大學電機工程研究所碩士論文93 年
6王廷興ldquo太陽能發電配電設計概要台北科技大學冷凍空調系 92年
7魏榮宗王文宏ldquo高效率太陽光電能源轉換系統 元智大學電機工程學系94年
[ ] 100)25(
)11
(exp
1)(exp
3
λminus+=
minus
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+minus
minus+minus=
TKII
TTBk
qE
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IRVIRV
AkT
qIII
ISCRLG
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sh
ssosLG
VI cell output current and voltagecell reverse saturation currentcell temperature in CBoltzmannrsquos constantelectronic chargeshort circuit current temperature coefficientsolar irradiation in Wmshort-circuit current at 25 Cand 1000 Wm
light-generated currentband gap for siliconideality factorsreference temperaturecell saturation current atshunt resistanceseries resistance
osI
T
kq
00170=IK
SCRIλ
LGI
GOE
921== ABKTr deg= 18301
orI
shR
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附錄附錄附錄附錄- 太陽能電池太陽能電池太陽能電池太陽能電池
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
(a) Equivalent circuit of a PV module and
(b) Typical PV module current-voltage and power-voltage characteristics
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
Characteristic of a PV module with temperature and irradiation (a) constant irradiation and varying temperature and (b) constant temperature and varying irradiation
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
系統範例系統範例系統範例系統範例
中途驛站電化PV離島用PV系統山岳地帶PV系統離島偏遠區
勤務指揮中心緊急避難所醫療院所公園學校地震觀測站森林嘹望台避難指示燈氣象觀測所水位警報PV系統河川安全燈防波堤安全PV燈
緊急防災
緊急供電系統管線電氣防蝕輸油管流量計PV系統市場廣告塔海上石油平台各種計測站PV系統發電廠情報指揮中心
產業用
住宅用供電系統緊急供電系統緊急照明系統帷幕牆遮陽棚採光罩屋瓦建築物
無線通信用中繼站基地台緊急電話中繼站電話通信PV系統Radio受信PV系統微波中繼站
通訊
農宅用電溫室栽培PV系統農業灌溉用自動灑水系統農牧電籬牛乳冷藏漁業養殖揚水通氣自動餵食器
農林漁牧
路燈交通號誌道路指示牌標誌燈太陽能電動車充電站高速公路緊急電話偏遠道路緊急電話停車計時器停車場控制門系統高速公路防音壁PV系統公路休息區PV系統太陽能車平交道指示燈候車亭PV系統車站屋頂型PV系統
道路交通
收音機測電表手錶計算機太陽能照相機手電筒電池充電器野營燈民生
應用領域
清雲技術學院 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
個人住宅 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
勤益技術學院 3kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
南台科技大學 10kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
總統府 10kWp 獨立型太陽光能發電系統 (9012)
海巡署南沙太平島 20kWp 混合型(柴油發電機)太陽光能發電系統 (9011)
90能源基金示範補助成果例
台電樹林 20kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
併聯型
台電台北市區處 20kWp 太陽光發電系統
(91能源基金示範補助成果)
併聯型
7結論
bull (1)提高電力轉換器效率
bull 轉換器的損失主要來自於開關切換時之損失為了可以降低濾波電路中電感和電容的體積可以提高切換頻率但是相對於開關的切換損失也因此而增加導致轉換器的效率降低因此發展零電壓或零電流切換技術應用於高切換頻率之轉換器將可以提高轉換器的效率
bull (2)提高太陽光發電系統之整體效率
bull 傳統之太陽光發電系統包含儲能系統和供電系統前級利用DCDC轉換器作最大功率追蹤後級則利用DCAC轉換器轉換能量供應給交流負載為了提高太陽光發電系統的整體效率在研究可提出了模組並聯控制技術以提昇各級電力轉換器的效率而在未來太陽光發電系統也將著重在單級電力轉換器的設計對於整體系統效率有較明顯的改善
8參考資料
1許國強ldquo太陽光發電原理與應用工研院材料所 薄膜技術組91年
2華志強黃崇倫ldquo智慧型能量控制於太陽光電能轉換系統國立雲林科技大學電機工程學系電力研討會97年
3林政達ldquo數位式市電並聯換流器與快速鎖相迴路控制器之研製國立雲林科技大學電機工程學系碩士論文92 年
4李思賢ldquo數位式單相低功率太陽光電能轉換系統國立中山大學電機工程學系碩士論文92 年
5洪世杰ldquo適用於再生能源之市電併聯型雙輸入供電系統國立中正大學電機工程研究所碩士論文93 年
6王廷興ldquo太陽能發電配電設計概要台北科技大學冷凍空調系 92年
7魏榮宗王文宏ldquo高效率太陽光電能源轉換系統 元智大學電機工程學系94年
[ ] 100)25(
)11
(exp
1)(exp
3
λminus+=
minus
=
+minus
minus+minus=
TKII
TTBk
qE
T
TII
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R
IRVIRV
AkT
qIII
ISCRLG
r
GO
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oros
sh
ssosLG
VI cell output current and voltagecell reverse saturation currentcell temperature in CBoltzmannrsquos constantelectronic chargeshort circuit current temperature coefficientsolar irradiation in Wmshort-circuit current at 25 Cand 1000 Wm
light-generated currentband gap for siliconideality factorsreference temperaturecell saturation current atshunt resistanceseries resistance
osI
T
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00170=IK
SCRIλ
LGI
GOE
921== ABKTr deg= 18301
orI
shR
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附錄附錄附錄附錄- 太陽能電池太陽能電池太陽能電池太陽能電池
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
(a) Equivalent circuit of a PV module and
(b) Typical PV module current-voltage and power-voltage characteristics
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
Characteristic of a PV module with temperature and irradiation (a) constant irradiation and varying temperature and (b) constant temperature and varying irradiation
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
系統範例系統範例系統範例系統範例
中途驛站電化PV離島用PV系統山岳地帶PV系統離島偏遠區
勤務指揮中心緊急避難所醫療院所公園學校地震觀測站森林嘹望台避難指示燈氣象觀測所水位警報PV系統河川安全燈防波堤安全PV燈
緊急防災
緊急供電系統管線電氣防蝕輸油管流量計PV系統市場廣告塔海上石油平台各種計測站PV系統發電廠情報指揮中心
產業用
住宅用供電系統緊急供電系統緊急照明系統帷幕牆遮陽棚採光罩屋瓦建築物
無線通信用中繼站基地台緊急電話中繼站電話通信PV系統Radio受信PV系統微波中繼站
通訊
農宅用電溫室栽培PV系統農業灌溉用自動灑水系統農牧電籬牛乳冷藏漁業養殖揚水通氣自動餵食器
農林漁牧
路燈交通號誌道路指示牌標誌燈太陽能電動車充電站高速公路緊急電話偏遠道路緊急電話停車計時器停車場控制門系統高速公路防音壁PV系統公路休息區PV系統太陽能車平交道指示燈候車亭PV系統車站屋頂型PV系統
道路交通
收音機測電表手錶計算機太陽能照相機手電筒電池充電器野營燈民生
應用領域
個人住宅 4kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
勤益技術學院 3kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
南台科技大學 10kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
總統府 10kWp 獨立型太陽光能發電系統 (9012)
海巡署南沙太平島 20kWp 混合型(柴油發電機)太陽光能發電系統 (9011)
90能源基金示範補助成果例
台電樹林 20kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
併聯型
台電台北市區處 20kWp 太陽光發電系統
(91能源基金示範補助成果)
併聯型
7結論
bull (1)提高電力轉換器效率
bull 轉換器的損失主要來自於開關切換時之損失為了可以降低濾波電路中電感和電容的體積可以提高切換頻率但是相對於開關的切換損失也因此而增加導致轉換器的效率降低因此發展零電壓或零電流切換技術應用於高切換頻率之轉換器將可以提高轉換器的效率
bull (2)提高太陽光發電系統之整體效率
bull 傳統之太陽光發電系統包含儲能系統和供電系統前級利用DCDC轉換器作最大功率追蹤後級則利用DCAC轉換器轉換能量供應給交流負載為了提高太陽光發電系統的整體效率在研究可提出了模組並聯控制技術以提昇各級電力轉換器的效率而在未來太陽光發電系統也將著重在單級電力轉換器的設計對於整體系統效率有較明顯的改善
8參考資料
1許國強ldquo太陽光發電原理與應用工研院材料所 薄膜技術組91年
2華志強黃崇倫ldquo智慧型能量控制於太陽光電能轉換系統國立雲林科技大學電機工程學系電力研討會97年
3林政達ldquo數位式市電並聯換流器與快速鎖相迴路控制器之研製國立雲林科技大學電機工程學系碩士論文92 年
4李思賢ldquo數位式單相低功率太陽光電能轉換系統國立中山大學電機工程學系碩士論文92 年
5洪世杰ldquo適用於再生能源之市電併聯型雙輸入供電系統國立中正大學電機工程研究所碩士論文93 年
6王廷興ldquo太陽能發電配電設計概要台北科技大學冷凍空調系 92年
7魏榮宗王文宏ldquo高效率太陽光電能源轉換系統 元智大學電機工程學系94年
[ ] 100)25(
)11
(exp
1)(exp
3
λminus+=
minus
=
+minus
minus+minus=
TKII
TTBk
qE
T
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IRVIRV
AkT
qIII
ISCRLG
r
GO
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sh
ssosLG
VI cell output current and voltagecell reverse saturation currentcell temperature in CBoltzmannrsquos constantelectronic chargeshort circuit current temperature coefficientsolar irradiation in Wmshort-circuit current at 25 Cand 1000 Wm
light-generated currentband gap for siliconideality factorsreference temperaturecell saturation current atshunt resistanceseries resistance
osI
T
kq
00170=IK
SCRIλ
LGI
GOE
921== ABKTr deg= 18301
orI
shR
sR
附錄附錄附錄附錄- 太陽能電池太陽能電池太陽能電池太陽能電池
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
(a) Equivalent circuit of a PV module and
(b) Typical PV module current-voltage and power-voltage characteristics
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
Characteristic of a PV module with temperature and irradiation (a) constant irradiation and varying temperature and (b) constant temperature and varying irradiation
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
系統範例系統範例系統範例系統範例
中途驛站電化PV離島用PV系統山岳地帶PV系統離島偏遠區
勤務指揮中心緊急避難所醫療院所公園學校地震觀測站森林嘹望台避難指示燈氣象觀測所水位警報PV系統河川安全燈防波堤安全PV燈
緊急防災
緊急供電系統管線電氣防蝕輸油管流量計PV系統市場廣告塔海上石油平台各種計測站PV系統發電廠情報指揮中心
產業用
住宅用供電系統緊急供電系統緊急照明系統帷幕牆遮陽棚採光罩屋瓦建築物
無線通信用中繼站基地台緊急電話中繼站電話通信PV系統Radio受信PV系統微波中繼站
通訊
農宅用電溫室栽培PV系統農業灌溉用自動灑水系統農牧電籬牛乳冷藏漁業養殖揚水通氣自動餵食器
農林漁牧
路燈交通號誌道路指示牌標誌燈太陽能電動車充電站高速公路緊急電話偏遠道路緊急電話停車計時器停車場控制門系統高速公路防音壁PV系統公路休息區PV系統太陽能車平交道指示燈候車亭PV系統車站屋頂型PV系統
道路交通
收音機測電表手錶計算機太陽能照相機手電筒電池充電器野營燈民生
應用領域
勤益技術學院 3kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
南台科技大學 10kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
總統府 10kWp 獨立型太陽光能發電系統 (9012)
海巡署南沙太平島 20kWp 混合型(柴油發電機)太陽光能發電系統 (9011)
90能源基金示範補助成果例
台電樹林 20kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
併聯型
台電台北市區處 20kWp 太陽光發電系統
(91能源基金示範補助成果)
併聯型
7結論
bull (1)提高電力轉換器效率
bull 轉換器的損失主要來自於開關切換時之損失為了可以降低濾波電路中電感和電容的體積可以提高切換頻率但是相對於開關的切換損失也因此而增加導致轉換器的效率降低因此發展零電壓或零電流切換技術應用於高切換頻率之轉換器將可以提高轉換器的效率
bull (2)提高太陽光發電系統之整體效率
bull 傳統之太陽光發電系統包含儲能系統和供電系統前級利用DCDC轉換器作最大功率追蹤後級則利用DCAC轉換器轉換能量供應給交流負載為了提高太陽光發電系統的整體效率在研究可提出了模組並聯控制技術以提昇各級電力轉換器的效率而在未來太陽光發電系統也將著重在單級電力轉換器的設計對於整體系統效率有較明顯的改善
8參考資料
1許國強ldquo太陽光發電原理與應用工研院材料所 薄膜技術組91年
2華志強黃崇倫ldquo智慧型能量控制於太陽光電能轉換系統國立雲林科技大學電機工程學系電力研討會97年
3林政達ldquo數位式市電並聯換流器與快速鎖相迴路控制器之研製國立雲林科技大學電機工程學系碩士論文92 年
4李思賢ldquo數位式單相低功率太陽光電能轉換系統國立中山大學電機工程學系碩士論文92 年
5洪世杰ldquo適用於再生能源之市電併聯型雙輸入供電系統國立中正大學電機工程研究所碩士論文93 年
6王廷興ldquo太陽能發電配電設計概要台北科技大學冷凍空調系 92年
7魏榮宗王文宏ldquo高效率太陽光電能源轉換系統 元智大學電機工程學系94年
[ ] 100)25(
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1)(exp
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AkT
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ISCRLG
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VI cell output current and voltagecell reverse saturation currentcell temperature in CBoltzmannrsquos constantelectronic chargeshort circuit current temperature coefficientsolar irradiation in Wmshort-circuit current at 25 Cand 1000 Wm
light-generated currentband gap for siliconideality factorsreference temperaturecell saturation current atshunt resistanceseries resistance
osI
T
kq
00170=IK
SCRIλ
LGI
GOE
921== ABKTr deg= 18301
orI
shR
sR
附錄附錄附錄附錄- 太陽能電池太陽能電池太陽能電池太陽能電池
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
(a) Equivalent circuit of a PV module and
(b) Typical PV module current-voltage and power-voltage characteristics
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
Characteristic of a PV module with temperature and irradiation (a) constant irradiation and varying temperature and (b) constant temperature and varying irradiation
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
系統範例系統範例系統範例系統範例
中途驛站電化PV離島用PV系統山岳地帶PV系統離島偏遠區
勤務指揮中心緊急避難所醫療院所公園學校地震觀測站森林嘹望台避難指示燈氣象觀測所水位警報PV系統河川安全燈防波堤安全PV燈
緊急防災
緊急供電系統管線電氣防蝕輸油管流量計PV系統市場廣告塔海上石油平台各種計測站PV系統發電廠情報指揮中心
產業用
住宅用供電系統緊急供電系統緊急照明系統帷幕牆遮陽棚採光罩屋瓦建築物
無線通信用中繼站基地台緊急電話中繼站電話通信PV系統Radio受信PV系統微波中繼站
通訊
農宅用電溫室栽培PV系統農業灌溉用自動灑水系統農牧電籬牛乳冷藏漁業養殖揚水通氣自動餵食器
農林漁牧
路燈交通號誌道路指示牌標誌燈太陽能電動車充電站高速公路緊急電話偏遠道路緊急電話停車計時器停車場控制門系統高速公路防音壁PV系統公路休息區PV系統太陽能車平交道指示燈候車亭PV系統車站屋頂型PV系統
道路交通
收音機測電表手錶計算機太陽能照相機手電筒電池充電器野營燈民生
應用領域
南台科技大學 10kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
獨立型
總統府 10kWp 獨立型太陽光能發電系統 (9012)
海巡署南沙太平島 20kWp 混合型(柴油發電機)太陽光能發電系統 (9011)
90能源基金示範補助成果例
台電樹林 20kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
併聯型
台電台北市區處 20kWp 太陽光發電系統
(91能源基金示範補助成果)
併聯型
7結論
bull (1)提高電力轉換器效率
bull 轉換器的損失主要來自於開關切換時之損失為了可以降低濾波電路中電感和電容的體積可以提高切換頻率但是相對於開關的切換損失也因此而增加導致轉換器的效率降低因此發展零電壓或零電流切換技術應用於高切換頻率之轉換器將可以提高轉換器的效率
bull (2)提高太陽光發電系統之整體效率
bull 傳統之太陽光發電系統包含儲能系統和供電系統前級利用DCDC轉換器作最大功率追蹤後級則利用DCAC轉換器轉換能量供應給交流負載為了提高太陽光發電系統的整體效率在研究可提出了模組並聯控制技術以提昇各級電力轉換器的效率而在未來太陽光發電系統也將著重在單級電力轉換器的設計對於整體系統效率有較明顯的改善
8參考資料
1許國強ldquo太陽光發電原理與應用工研院材料所 薄膜技術組91年
2華志強黃崇倫ldquo智慧型能量控制於太陽光電能轉換系統國立雲林科技大學電機工程學系電力研討會97年
3林政達ldquo數位式市電並聯換流器與快速鎖相迴路控制器之研製國立雲林科技大學電機工程學系碩士論文92 年
4李思賢ldquo數位式單相低功率太陽光電能轉換系統國立中山大學電機工程學系碩士論文92 年
5洪世杰ldquo適用於再生能源之市電併聯型雙輸入供電系統國立中正大學電機工程研究所碩士論文93 年
6王廷興ldquo太陽能發電配電設計概要台北科技大學冷凍空調系 92年
7魏榮宗王文宏ldquo高效率太陽光電能源轉換系統 元智大學電機工程學系94年
[ ] 100)25(
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λminus+=
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ISCRLG
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VI cell output current and voltagecell reverse saturation currentcell temperature in CBoltzmannrsquos constantelectronic chargeshort circuit current temperature coefficientsolar irradiation in Wmshort-circuit current at 25 Cand 1000 Wm
light-generated currentband gap for siliconideality factorsreference temperaturecell saturation current atshunt resistanceseries resistance
osI
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00170=IK
SCRIλ
LGI
GOE
921== ABKTr deg= 18301
orI
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附錄附錄附錄附錄- 太陽能電池太陽能電池太陽能電池太陽能電池
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
(a) Equivalent circuit of a PV module and
(b) Typical PV module current-voltage and power-voltage characteristics
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
Characteristic of a PV module with temperature and irradiation (a) constant irradiation and varying temperature and (b) constant temperature and varying irradiation
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
系統範例系統範例系統範例系統範例
中途驛站電化PV離島用PV系統山岳地帶PV系統離島偏遠區
勤務指揮中心緊急避難所醫療院所公園學校地震觀測站森林嘹望台避難指示燈氣象觀測所水位警報PV系統河川安全燈防波堤安全PV燈
緊急防災
緊急供電系統管線電氣防蝕輸油管流量計PV系統市場廣告塔海上石油平台各種計測站PV系統發電廠情報指揮中心
產業用
住宅用供電系統緊急供電系統緊急照明系統帷幕牆遮陽棚採光罩屋瓦建築物
無線通信用中繼站基地台緊急電話中繼站電話通信PV系統Radio受信PV系統微波中繼站
通訊
農宅用電溫室栽培PV系統農業灌溉用自動灑水系統農牧電籬牛乳冷藏漁業養殖揚水通氣自動餵食器
農林漁牧
路燈交通號誌道路指示牌標誌燈太陽能電動車充電站高速公路緊急電話偏遠道路緊急電話停車計時器停車場控制門系統高速公路防音壁PV系統公路休息區PV系統太陽能車平交道指示燈候車亭PV系統車站屋頂型PV系統
道路交通
收音機測電表手錶計算機太陽能照相機手電筒電池充電器野營燈民生
應用領域
總統府 10kWp 獨立型太陽光能發電系統 (9012)
海巡署南沙太平島 20kWp 混合型(柴油發電機)太陽光能發電系統 (9011)
90能源基金示範補助成果例
台電樹林 20kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
併聯型
台電台北市區處 20kWp 太陽光發電系統
(91能源基金示範補助成果)
併聯型
7結論
bull (1)提高電力轉換器效率
bull 轉換器的損失主要來自於開關切換時之損失為了可以降低濾波電路中電感和電容的體積可以提高切換頻率但是相對於開關的切換損失也因此而增加導致轉換器的效率降低因此發展零電壓或零電流切換技術應用於高切換頻率之轉換器將可以提高轉換器的效率
bull (2)提高太陽光發電系統之整體效率
bull 傳統之太陽光發電系統包含儲能系統和供電系統前級利用DCDC轉換器作最大功率追蹤後級則利用DCAC轉換器轉換能量供應給交流負載為了提高太陽光發電系統的整體效率在研究可提出了模組並聯控制技術以提昇各級電力轉換器的效率而在未來太陽光發電系統也將著重在單級電力轉換器的設計對於整體系統效率有較明顯的改善
8參考資料
1許國強ldquo太陽光發電原理與應用工研院材料所 薄膜技術組91年
2華志強黃崇倫ldquo智慧型能量控制於太陽光電能轉換系統國立雲林科技大學電機工程學系電力研討會97年
3林政達ldquo數位式市電並聯換流器與快速鎖相迴路控制器之研製國立雲林科技大學電機工程學系碩士論文92 年
4李思賢ldquo數位式單相低功率太陽光電能轉換系統國立中山大學電機工程學系碩士論文92 年
5洪世杰ldquo適用於再生能源之市電併聯型雙輸入供電系統國立中正大學電機工程研究所碩士論文93 年
6王廷興ldquo太陽能發電配電設計概要台北科技大學冷凍空調系 92年
7魏榮宗王文宏ldquo高效率太陽光電能源轉換系統 元智大學電機工程學系94年
[ ] 100)25(
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VI cell output current and voltagecell reverse saturation currentcell temperature in CBoltzmannrsquos constantelectronic chargeshort circuit current temperature coefficientsolar irradiation in Wmshort-circuit current at 25 Cand 1000 Wm
light-generated currentband gap for siliconideality factorsreference temperaturecell saturation current atshunt resistanceseries resistance
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LGI
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921== ABKTr deg= 18301
orI
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附錄附錄附錄附錄- 太陽能電池太陽能電池太陽能電池太陽能電池
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
(a) Equivalent circuit of a PV module and
(b) Typical PV module current-voltage and power-voltage characteristics
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
Characteristic of a PV module with temperature and irradiation (a) constant irradiation and varying temperature and (b) constant temperature and varying irradiation
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
系統範例系統範例系統範例系統範例
中途驛站電化PV離島用PV系統山岳地帶PV系統離島偏遠區
勤務指揮中心緊急避難所醫療院所公園學校地震觀測站森林嘹望台避難指示燈氣象觀測所水位警報PV系統河川安全燈防波堤安全PV燈
緊急防災
緊急供電系統管線電氣防蝕輸油管流量計PV系統市場廣告塔海上石油平台各種計測站PV系統發電廠情報指揮中心
產業用
住宅用供電系統緊急供電系統緊急照明系統帷幕牆遮陽棚採光罩屋瓦建築物
無線通信用中繼站基地台緊急電話中繼站電話通信PV系統Radio受信PV系統微波中繼站
通訊
農宅用電溫室栽培PV系統農業灌溉用自動灑水系統農牧電籬牛乳冷藏漁業養殖揚水通氣自動餵食器
農林漁牧
路燈交通號誌道路指示牌標誌燈太陽能電動車充電站高速公路緊急電話偏遠道路緊急電話停車計時器停車場控制門系統高速公路防音壁PV系統公路休息區PV系統太陽能車平交道指示燈候車亭PV系統車站屋頂型PV系統
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收音機測電表手錶計算機太陽能照相機手電筒電池充電器野營燈民生
應用領域
台電樹林 20kWp 太陽光發電系統
(90能源基金示範補助成果)
併聯型
台電台北市區處 20kWp 太陽光發電系統
(91能源基金示範補助成果)
併聯型
7結論
bull (1)提高電力轉換器效率
bull 轉換器的損失主要來自於開關切換時之損失為了可以降低濾波電路中電感和電容的體積可以提高切換頻率但是相對於開關的切換損失也因此而增加導致轉換器的效率降低因此發展零電壓或零電流切換技術應用於高切換頻率之轉換器將可以提高轉換器的效率
bull (2)提高太陽光發電系統之整體效率
bull 傳統之太陽光發電系統包含儲能系統和供電系統前級利用DCDC轉換器作最大功率追蹤後級則利用DCAC轉換器轉換能量供應給交流負載為了提高太陽光發電系統的整體效率在研究可提出了模組並聯控制技術以提昇各級電力轉換器的效率而在未來太陽光發電系統也將著重在單級電力轉換器的設計對於整體系統效率有較明顯的改善
8參考資料
1許國強ldquo太陽光發電原理與應用工研院材料所 薄膜技術組91年
2華志強黃崇倫ldquo智慧型能量控制於太陽光電能轉換系統國立雲林科技大學電機工程學系電力研討會97年
3林政達ldquo數位式市電並聯換流器與快速鎖相迴路控制器之研製國立雲林科技大學電機工程學系碩士論文92 年
4李思賢ldquo數位式單相低功率太陽光電能轉換系統國立中山大學電機工程學系碩士論文92 年
5洪世杰ldquo適用於再生能源之市電併聯型雙輸入供電系統國立中正大學電機工程研究所碩士論文93 年
6王廷興ldquo太陽能發電配電設計概要台北科技大學冷凍空調系 92年
7魏榮宗王文宏ldquo高效率太陽光電能源轉換系統 元智大學電機工程學系94年
[ ] 100)25(
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λminus+=
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VI cell output current and voltagecell reverse saturation currentcell temperature in CBoltzmannrsquos constantelectronic chargeshort circuit current temperature coefficientsolar irradiation in Wmshort-circuit current at 25 Cand 1000 Wm
light-generated currentband gap for siliconideality factorsreference temperaturecell saturation current atshunt resistanceseries resistance
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921== ABKTr deg= 18301
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附錄附錄附錄附錄- 太陽能電池太陽能電池太陽能電池太陽能電池
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
(a) Equivalent circuit of a PV module and
(b) Typical PV module current-voltage and power-voltage characteristics
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
Characteristic of a PV module with temperature and irradiation (a) constant irradiation and varying temperature and (b) constant temperature and varying irradiation
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
系統範例系統範例系統範例系統範例
中途驛站電化PV離島用PV系統山岳地帶PV系統離島偏遠區
勤務指揮中心緊急避難所醫療院所公園學校地震觀測站森林嘹望台避難指示燈氣象觀測所水位警報PV系統河川安全燈防波堤安全PV燈
緊急防災
緊急供電系統管線電氣防蝕輸油管流量計PV系統市場廣告塔海上石油平台各種計測站PV系統發電廠情報指揮中心
產業用
住宅用供電系統緊急供電系統緊急照明系統帷幕牆遮陽棚採光罩屋瓦建築物
無線通信用中繼站基地台緊急電話中繼站電話通信PV系統Radio受信PV系統微波中繼站
通訊
農宅用電溫室栽培PV系統農業灌溉用自動灑水系統農牧電籬牛乳冷藏漁業養殖揚水通氣自動餵食器
農林漁牧
路燈交通號誌道路指示牌標誌燈太陽能電動車充電站高速公路緊急電話偏遠道路緊急電話停車計時器停車場控制門系統高速公路防音壁PV系統公路休息區PV系統太陽能車平交道指示燈候車亭PV系統車站屋頂型PV系統
道路交通
收音機測電表手錶計算機太陽能照相機手電筒電池充電器野營燈民生
應用領域
台電台北市區處 20kWp 太陽光發電系統
(91能源基金示範補助成果)
併聯型
7結論
bull (1)提高電力轉換器效率
bull 轉換器的損失主要來自於開關切換時之損失為了可以降低濾波電路中電感和電容的體積可以提高切換頻率但是相對於開關的切換損失也因此而增加導致轉換器的效率降低因此發展零電壓或零電流切換技術應用於高切換頻率之轉換器將可以提高轉換器的效率
bull (2)提高太陽光發電系統之整體效率
bull 傳統之太陽光發電系統包含儲能系統和供電系統前級利用DCDC轉換器作最大功率追蹤後級則利用DCAC轉換器轉換能量供應給交流負載為了提高太陽光發電系統的整體效率在研究可提出了模組並聯控制技術以提昇各級電力轉換器的效率而在未來太陽光發電系統也將著重在單級電力轉換器的設計對於整體系統效率有較明顯的改善
8參考資料
1許國強ldquo太陽光發電原理與應用工研院材料所 薄膜技術組91年
2華志強黃崇倫ldquo智慧型能量控制於太陽光電能轉換系統國立雲林科技大學電機工程學系電力研討會97年
3林政達ldquo數位式市電並聯換流器與快速鎖相迴路控制器之研製國立雲林科技大學電機工程學系碩士論文92 年
4李思賢ldquo數位式單相低功率太陽光電能轉換系統國立中山大學電機工程學系碩士論文92 年
5洪世杰ldquo適用於再生能源之市電併聯型雙輸入供電系統國立中正大學電機工程研究所碩士論文93 年
6王廷興ldquo太陽能發電配電設計概要台北科技大學冷凍空調系 92年
7魏榮宗王文宏ldquo高效率太陽光電能源轉換系統 元智大學電機工程學系94年
[ ] 100)25(
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1)(exp
3
λminus+=
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VI cell output current and voltagecell reverse saturation currentcell temperature in CBoltzmannrsquos constantelectronic chargeshort circuit current temperature coefficientsolar irradiation in Wmshort-circuit current at 25 Cand 1000 Wm
light-generated currentband gap for siliconideality factorsreference temperaturecell saturation current atshunt resistanceseries resistance
osI
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00170=IK
SCRIλ
LGI
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921== ABKTr deg= 18301
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附錄附錄附錄附錄- 太陽能電池太陽能電池太陽能電池太陽能電池
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
(a) Equivalent circuit of a PV module and
(b) Typical PV module current-voltage and power-voltage characteristics
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
Characteristic of a PV module with temperature and irradiation (a) constant irradiation and varying temperature and (b) constant temperature and varying irradiation
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
系統範例系統範例系統範例系統範例
中途驛站電化PV離島用PV系統山岳地帶PV系統離島偏遠區
勤務指揮中心緊急避難所醫療院所公園學校地震觀測站森林嘹望台避難指示燈氣象觀測所水位警報PV系統河川安全燈防波堤安全PV燈
緊急防災
緊急供電系統管線電氣防蝕輸油管流量計PV系統市場廣告塔海上石油平台各種計測站PV系統發電廠情報指揮中心
產業用
住宅用供電系統緊急供電系統緊急照明系統帷幕牆遮陽棚採光罩屋瓦建築物
無線通信用中繼站基地台緊急電話中繼站電話通信PV系統Radio受信PV系統微波中繼站
通訊
農宅用電溫室栽培PV系統農業灌溉用自動灑水系統農牧電籬牛乳冷藏漁業養殖揚水通氣自動餵食器
農林漁牧
路燈交通號誌道路指示牌標誌燈太陽能電動車充電站高速公路緊急電話偏遠道路緊急電話停車計時器停車場控制門系統高速公路防音壁PV系統公路休息區PV系統太陽能車平交道指示燈候車亭PV系統車站屋頂型PV系統
道路交通
收音機測電表手錶計算機太陽能照相機手電筒電池充電器野營燈民生
應用領域
7結論
bull (1)提高電力轉換器效率
bull 轉換器的損失主要來自於開關切換時之損失為了可以降低濾波電路中電感和電容的體積可以提高切換頻率但是相對於開關的切換損失也因此而增加導致轉換器的效率降低因此發展零電壓或零電流切換技術應用於高切換頻率之轉換器將可以提高轉換器的效率
bull (2)提高太陽光發電系統之整體效率
bull 傳統之太陽光發電系統包含儲能系統和供電系統前級利用DCDC轉換器作最大功率追蹤後級則利用DCAC轉換器轉換能量供應給交流負載為了提高太陽光發電系統的整體效率在研究可提出了模組並聯控制技術以提昇各級電力轉換器的效率而在未來太陽光發電系統也將著重在單級電力轉換器的設計對於整體系統效率有較明顯的改善
8參考資料
1許國強ldquo太陽光發電原理與應用工研院材料所 薄膜技術組91年
2華志強黃崇倫ldquo智慧型能量控制於太陽光電能轉換系統國立雲林科技大學電機工程學系電力研討會97年
3林政達ldquo數位式市電並聯換流器與快速鎖相迴路控制器之研製國立雲林科技大學電機工程學系碩士論文92 年
4李思賢ldquo數位式單相低功率太陽光電能轉換系統國立中山大學電機工程學系碩士論文92 年
5洪世杰ldquo適用於再生能源之市電併聯型雙輸入供電系統國立中正大學電機工程研究所碩士論文93 年
6王廷興ldquo太陽能發電配電設計概要台北科技大學冷凍空調系 92年
7魏榮宗王文宏ldquo高效率太陽光電能源轉換系統 元智大學電機工程學系94年
[ ] 100)25(
)11
(exp
1)(exp
3
λminus+=
minus
=
+minus
minus+minus=
TKII
TTBk
qE
T
TII
where
R
IRVIRV
AkT
qIII
ISCRLG
r
GO
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oros
sh
ssosLG
VI cell output current and voltagecell reverse saturation currentcell temperature in CBoltzmannrsquos constantelectronic chargeshort circuit current temperature coefficientsolar irradiation in Wmshort-circuit current at 25 Cand 1000 Wm
light-generated currentband gap for siliconideality factorsreference temperaturecell saturation current atshunt resistanceseries resistance
osI
T
kq
00170=IK
SCRIλ
LGI
GOE
921== ABKTr deg= 18301
orI
shR
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附錄附錄附錄附錄- 太陽能電池太陽能電池太陽能電池太陽能電池
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
(a) Equivalent circuit of a PV module and
(b) Typical PV module current-voltage and power-voltage characteristics
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
Characteristic of a PV module with temperature and irradiation (a) constant irradiation and varying temperature and (b) constant temperature and varying irradiation
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
系統範例系統範例系統範例系統範例
中途驛站電化PV離島用PV系統山岳地帶PV系統離島偏遠區
勤務指揮中心緊急避難所醫療院所公園學校地震觀測站森林嘹望台避難指示燈氣象觀測所水位警報PV系統河川安全燈防波堤安全PV燈
緊急防災
緊急供電系統管線電氣防蝕輸油管流量計PV系統市場廣告塔海上石油平台各種計測站PV系統發電廠情報指揮中心
產業用
住宅用供電系統緊急供電系統緊急照明系統帷幕牆遮陽棚採光罩屋瓦建築物
無線通信用中繼站基地台緊急電話中繼站電話通信PV系統Radio受信PV系統微波中繼站
通訊
農宅用電溫室栽培PV系統農業灌溉用自動灑水系統農牧電籬牛乳冷藏漁業養殖揚水通氣自動餵食器
農林漁牧
路燈交通號誌道路指示牌標誌燈太陽能電動車充電站高速公路緊急電話偏遠道路緊急電話停車計時器停車場控制門系統高速公路防音壁PV系統公路休息區PV系統太陽能車平交道指示燈候車亭PV系統車站屋頂型PV系統
道路交通
收音機測電表手錶計算機太陽能照相機手電筒電池充電器野營燈民生
應用領域
8參考資料
1許國強ldquo太陽光發電原理與應用工研院材料所 薄膜技術組91年
2華志強黃崇倫ldquo智慧型能量控制於太陽光電能轉換系統國立雲林科技大學電機工程學系電力研討會97年
3林政達ldquo數位式市電並聯換流器與快速鎖相迴路控制器之研製國立雲林科技大學電機工程學系碩士論文92 年
4李思賢ldquo數位式單相低功率太陽光電能轉換系統國立中山大學電機工程學系碩士論文92 年
5洪世杰ldquo適用於再生能源之市電併聯型雙輸入供電系統國立中正大學電機工程研究所碩士論文93 年
6王廷興ldquo太陽能發電配電設計概要台北科技大學冷凍空調系 92年
7魏榮宗王文宏ldquo高效率太陽光電能源轉換系統 元智大學電機工程學系94年
[ ] 100)25(
)11
(exp
1)(exp
3
λminus+=
minus
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+minus
minus+minus=
TKII
TTBk
qE
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TII
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IRVIRV
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ISCRLG
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sh
ssosLG
VI cell output current and voltagecell reverse saturation currentcell temperature in CBoltzmannrsquos constantelectronic chargeshort circuit current temperature coefficientsolar irradiation in Wmshort-circuit current at 25 Cand 1000 Wm
light-generated currentband gap for siliconideality factorsreference temperaturecell saturation current atshunt resistanceseries resistance
osI
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kq
00170=IK
SCRIλ
LGI
GOE
921== ABKTr deg= 18301
orI
shR
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附錄附錄附錄附錄- 太陽能電池太陽能電池太陽能電池太陽能電池
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
(a) Equivalent circuit of a PV module and
(b) Typical PV module current-voltage and power-voltage characteristics
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
Characteristic of a PV module with temperature and irradiation (a) constant irradiation and varying temperature and (b) constant temperature and varying irradiation
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
系統範例系統範例系統範例系統範例
中途驛站電化PV離島用PV系統山岳地帶PV系統離島偏遠區
勤務指揮中心緊急避難所醫療院所公園學校地震觀測站森林嘹望台避難指示燈氣象觀測所水位警報PV系統河川安全燈防波堤安全PV燈
緊急防災
緊急供電系統管線電氣防蝕輸油管流量計PV系統市場廣告塔海上石油平台各種計測站PV系統發電廠情報指揮中心
產業用
住宅用供電系統緊急供電系統緊急照明系統帷幕牆遮陽棚採光罩屋瓦建築物
無線通信用中繼站基地台緊急電話中繼站電話通信PV系統Radio受信PV系統微波中繼站
通訊
農宅用電溫室栽培PV系統農業灌溉用自動灑水系統農牧電籬牛乳冷藏漁業養殖揚水通氣自動餵食器
農林漁牧
路燈交通號誌道路指示牌標誌燈太陽能電動車充電站高速公路緊急電話偏遠道路緊急電話停車計時器停車場控制門系統高速公路防音壁PV系統公路休息區PV系統太陽能車平交道指示燈候車亭PV系統車站屋頂型PV系統
道路交通
收音機測電表手錶計算機太陽能照相機手電筒電池充電器野營燈民生
應用領域
[ ] 100)25(
)11
(exp
1)(exp
3
λminus+=
minus
=
+minus
minus+minus=
TKII
TTBk
qE
T
TII
where
R
IRVIRV
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ISCRLG
r
GO
r
oros
sh
ssosLG
VI cell output current and voltagecell reverse saturation currentcell temperature in CBoltzmannrsquos constantelectronic chargeshort circuit current temperature coefficientsolar irradiation in Wmshort-circuit current at 25 Cand 1000 Wm
light-generated currentband gap for siliconideality factorsreference temperaturecell saturation current atshunt resistanceseries resistance
osI
T
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00170=IK
SCRIλ
LGI
GOE
921== ABKTr deg= 18301
orI
shR
sR
附錄附錄附錄附錄- 太陽能電池太陽能電池太陽能電池太陽能電池
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
(a) Equivalent circuit of a PV module and
(b) Typical PV module current-voltage and power-voltage characteristics
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
Characteristic of a PV module with temperature and irradiation (a) constant irradiation and varying temperature and (b) constant temperature and varying irradiation
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
系統範例系統範例系統範例系統範例
中途驛站電化PV離島用PV系統山岳地帶PV系統離島偏遠區
勤務指揮中心緊急避難所醫療院所公園學校地震觀測站森林嘹望台避難指示燈氣象觀測所水位警報PV系統河川安全燈防波堤安全PV燈
緊急防災
緊急供電系統管線電氣防蝕輸油管流量計PV系統市場廣告塔海上石油平台各種計測站PV系統發電廠情報指揮中心
產業用
住宅用供電系統緊急供電系統緊急照明系統帷幕牆遮陽棚採光罩屋瓦建築物
無線通信用中繼站基地台緊急電話中繼站電話通信PV系統Radio受信PV系統微波中繼站
通訊
農宅用電溫室栽培PV系統農業灌溉用自動灑水系統農牧電籬牛乳冷藏漁業養殖揚水通氣自動餵食器
農林漁牧
路燈交通號誌道路指示牌標誌燈太陽能電動車充電站高速公路緊急電話偏遠道路緊急電話停車計時器停車場控制門系統高速公路防音壁PV系統公路休息區PV系統太陽能車平交道指示燈候車亭PV系統車站屋頂型PV系統
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(a) Equivalent circuit of a PV module and
(b) Typical PV module current-voltage and power-voltage characteristics
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
Characteristic of a PV module with temperature and irradiation (a) constant irradiation and varying temperature and (b) constant temperature and varying irradiation
太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
系統範例系統範例系統範例系統範例
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太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性太陽能電池特性
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