论文部分内容阅读
简介
安装太阳能光电发电系统(PV)时,虽然需要投注大量的时间与金钱在前期投资上,但这比其他低风险投资能带来更大的保障,-包括后续可观的电费节省与极佳的投资报酬率。相关的广告一再告诉我们,一旦安装了太阳能发电系统,该系统的用户将能在未来25年间高枕无忧。但事实真是如此吗?
不幸的是,许多安装了太阳能光电发电系统的用户并不懂得其运作原理,也不知道他们所安装的系统能达到什么程度的效能。
事实上,许多太阳能光电发电系统的用户无法得知太阳能电池板或发电系统的不匹配问题,而且不太了解烟囱与树木遮蔽到系统电源输出端会产生的潜在重大影响。当电压与电流的组合无法匹配时,会造成太阳能光电发电系统的不匹配,其原因可能是太阳能电池板部分被遮蔽、移动中的云、邻近物体的反射、太阳能电池板的倾斜角度与方向不同、太阳能电池板有污渍、太阳能板数组系统上的温度不均。事实上,仅仅遮蔽到一小部分的太阳能电池板就会损失25%～50%的电能。本文在衡量太阳能光电发电系统的效能时,通常会假设太阳能电池板数组中的每一片电池板上拥有相同的照度、温度与模块参数。然而在许多状况下,部分遮蔽的效应与每片太阳能电池板倾斜角度的不同,会对太阳能电池板数组或串行太阳能电池板造成不小的影响。结果造成了电池板的不匹配与系统效能的降低;简单来说,就是会让太阳能发电系统实际的效能远不如原先的期望值。
经由美国国家半导体的测试与现场测试(如图1)并参考其他研究数据可以知道,因为阴影或其他因素所造成的电池面板不匹配可能会导致太阳能电池面板产生不平衡的电量损失。仅仅一小部分的太阳能板被遮蔽就会产生极大比率的电量损失。此外,在Chaintreuil、Barruel、Le Pwert、Buttin以及Merten所发表的研究论文“网格连接型太阳光电发电系统的阴影效应”(Effectsof shadow on a grid connected PVSystem)中提到,根据数组的链接方式,只要2.6%的阴影就能造成16.7%的总数组电能损失(如图2)。在光子国际这本太阳能杂志提到,只要屋顶天窗遮蔽住20%的太阳能电池板数组,就会让太阳能光电发电系统输出电源庞大地减少81%,使得整组系统变得一无是处(如图3)。
由于在安装太阳能光电发电系统时没有考虑到一些未知的不匹配问题,使系统无法发挥应有的潜能,这会让使用者的投资变得很不划算。就算是考虑到已知的不匹配问题,但由于无法发挥出应有的潜能,太阳能电池板发电的计划可能还是会被放弃。这些不匹配的问题会使得太阳能光电发电系统无法有好的能源转换,并使得太阳能电池板数组的排放空间受到限制。
现今许多商业大楼的屋顶大概有10%～20%甚至更多的空间有阴影的问题,这是因为这些空间被用来装设围栏与放置机械设备。有些住宅由于被不能砍掉的树木与邻近大楼所“遮蔽”,我们也只能在这些地方估算可以产生太阳能转换的电量。根据Greenberg Quinlan Rosner研究机构在2009年1月针对美国150家安装太阳能光电发电系统业者进行的调查,有高达54%的业者表示不能接受任何会影响太阳能装置的阴影。安装业者只能改为选择“特别针对环境以解决问题”,但这导致平均费用增加了19%。此外,根据加州公用事业委员会在2009年1月所公布的一项顾客满意调查数据显示,太阳能光电发电系统年度电能产生量一直都低于期望值(如图,4)。
为了解释太阳能电池板不匹配的问题以及为何小参数的变化就能大大改变太阳能电池板数组的效能,我们必须要先了解到现今太阳能光电发电系统的架设方式。
图5所示为一般住宅、商业大楼或公用设施的太阳能电池板数组图。在此架构中,多组串联的太阳能发电系统以并联方式连接,最后连接到网状变频器。其中的太阳能面板本身就是由许多片太阳能电池组件所组成。集中式变频器不仅仅主要能将直流电转换成交流电,也含有一组MPPT控制器,藉由MPPT算法的结果调整输入阻抗以获取最多的电能。
解决方案:分布式电源优化器
太阳能模块所产生的电能功率大小等于电流大小(I)乘以电压大小(V)。无论在任何条件下,都会存在一个最大电源点(MPP)一也就是在该条件下所能产生最大电能的模块。换句话说,一组太阳能光电发电系统的MPP是一组电压与电流的指数关系的函数。MPPT是一种电子形式的追踪,它能利用算法并藉由控制电路来搜寻此最大能源点的方式来达到最高的电能产生值,使得太阳能光电发电系统模块的转换器电路能获得做多的电能。
在相同照度、温度与其他小参数都相同的条件下,除了转换效率不同之外,分布式MPPT与集中式MPPT的效能并没有什么不同。然而,出现部分的遮蔽效应时,面板的不匹配问题会变得非常严重。当太阳能发电系统部分被遮蔽时,由于环境条件参数的不同,各组太阳能面板会产生出不同的MPP点。此时使用集中式MPPT会因不相称而导致额外的电能损耗。这有两个原因:首先,集中式MPPT会变得混乱,系统会停用电池上的最大点,而改采用次优化点作为电力产生的基准;再者,由于环境条件不均匀产生出多组MPP电压值,会使集中式MPPT的电压值超出范围。
由于电池面板之间的差异很显着,分布式MPPT上的电源优化器能个别增强每一片太阳能电池板的效能,提升总体效能。
使用分布式MPPT的太阳能板数组中(如图,6),每一组太阳能电池板都接上了一组电源优化器。电源优化器能进行双重追踪:它不仅能追踪最佳MPP点的位置,同时也能将相同一组输入电压/电流值,根据各片太阳能电池板转换成不同的输出电压/电流值,使系统获取最大的电能。各组电源优化器以间接的方式来互相进行支持。它们之间有自我组织的能力一它们能感应出各自的电压与电流值并且不断调整到总系统优化的状态,最后使太阳能光电发电系统处在能获取最多电能的状态。
目前来说,只有SolarMagic电源优化器能达到这种效果。电源优化器在保持原本太阳能数组排法的情况下,藉由对每组太阳能电池板分布直流/直流转换器与MPPT功能器的方式来增加效率。同时电源优化器在架构上能与多级变频器兼容,使总线电压可以保持在很高的定值,产生更高的效率。由于电源优化器处理了额外电能与减少的电能,使直流/直流转换器大大提升。这表示当外界光源反射到此处的太阳能电池板或太阳能电池板有不匹配的遮蔽产生时,也能获取额外的电能。
同样地,电源优化器能外接多余的太阳能电池板(使电能增加),也能拆掉部分太阳能电池板(使电能减少)。使设计者能更弹性的根据各种环境设计不同的太阳能电池板数组排列方式。这个额外的弹性也包括了能在同一串行的太阳能电池板装置中,对于每一片太阳能电池板做不同方向的架设。电源优化器的装置使太阳能光电发电系统能获取最多的电能。
美国国家半导体一位对太阳能有远见的Jigar Shah先生,对于30kW的太阳能电池板数组系统发表了一个惊人的结果。在装设电源优化器之前,旧有太阳能发电装置只能展现出期望值67%的电能。针对204片太阳能板中的1/3安装了电源优化器之后,整体输出电能提升了22.6%,即使在有遮蔽效应与接线不平衡的状况下,整体太阳能光电发电系统竟然达到超越期望值的82%。电源优化器也能防止线路与模块的老化问题,使太阳能光电发电系统的用户能享受到完整的电能投资效果。另外,光子国际杂志近期也测试了SolarMagic电源优化器,结果发现它能挽回高达71%因为遮蔽不匹配所损失的电能,使得在太阳能光电发电系统时装设天窗也变的可行(如图,3)。
电源优化器不仅可以增加屋顶太阳能板装置的输出电流量,也能让使用者在屋顶的空间上做出最有效的利用,以帮助使用者能更快收到投资在太阳能发电装置的回报。在新政府推出再生能源的善意政策的同时,电源优化器技术的问世将可以使降低太阳能发电系统成本的理想往前迈进了一大步。
安装太阳能光电发电系统(PV)时,虽然需要投注大量的时间与金钱在前期投资上,但这比其他低风险投资能带来更大的保障,-包括后续可观的电费节省与极佳的投资报酬率。相关的广告一再告诉我们,一旦安装了太阳能发电系统,该系统的用户将能在未来25年间高枕无忧。但事实真是如此吗?
不幸的是,许多安装了太阳能光电发电系统的用户并不懂得其运作原理,也不知道他们所安装的系统能达到什么程度的效能。
事实上,许多太阳能光电发电系统的用户无法得知太阳能电池板或发电系统的不匹配问题,而且不太了解烟囱与树木遮蔽到系统电源输出端会产生的潜在重大影响。当电压与电流的组合无法匹配时,会造成太阳能光电发电系统的不匹配,其原因可能是太阳能电池板部分被遮蔽、移动中的云、邻近物体的反射、太阳能电池板的倾斜角度与方向不同、太阳能电池板有污渍、太阳能板数组系统上的温度不均。事实上,仅仅遮蔽到一小部分的太阳能电池板就会损失25%～50%的电能。本文在衡量太阳能光电发电系统的效能时,通常会假设太阳能电池板数组中的每一片电池板上拥有相同的照度、温度与模块参数。然而在许多状况下,部分遮蔽的效应与每片太阳能电池板倾斜角度的不同,会对太阳能电池板数组或串行太阳能电池板造成不小的影响。结果造成了电池板的不匹配与系统效能的降低;简单来说,就是会让太阳能发电系统实际的效能远不如原先的期望值。
经由美国国家半导体的测试与现场测试(如图1)并参考其他研究数据可以知道,因为阴影或其他因素所造成的电池面板不匹配可能会导致太阳能电池面板产生不平衡的电量损失。仅仅一小部分的太阳能板被遮蔽就会产生极大比率的电量损失。此外,在Chaintreuil、Barruel、Le Pwert、Buttin以及Merten所发表的研究论文“网格连接型太阳光电发电系统的阴影效应”(Effectsof shadow on a grid connected PVSystem)中提到,根据数组的链接方式,只要2.6%的阴影就能造成16.7%的总数组电能损失(如图2)。在光子国际这本太阳能杂志提到,只要屋顶天窗遮蔽住20%的太阳能电池板数组,就会让太阳能光电发电系统输出电源庞大地减少81%,使得整组系统变得一无是处(如图3)。
由于在安装太阳能光电发电系统时没有考虑到一些未知的不匹配问题,使系统无法发挥应有的潜能,这会让使用者的投资变得很不划算。就算是考虑到已知的不匹配问题,但由于无法发挥出应有的潜能,太阳能电池板发电的计划可能还是会被放弃。这些不匹配的问题会使得太阳能光电发电系统无法有好的能源转换,并使得太阳能电池板数组的排放空间受到限制。
现今许多商业大楼的屋顶大概有10%～20%甚至更多的空间有阴影的问题,这是因为这些空间被用来装设围栏与放置机械设备。有些住宅由于被不能砍掉的树木与邻近大楼所“遮蔽”,我们也只能在这些地方估算可以产生太阳能转换的电量。根据Greenberg Quinlan Rosner研究机构在2009年1月针对美国150家安装太阳能光电发电系统业者进行的调查,有高达54%的业者表示不能接受任何会影响太阳能装置的阴影。安装业者只能改为选择“特别针对环境以解决问题”,但这导致平均费用增加了19%。此外,根据加州公用事业委员会在2009年1月所公布的一项顾客满意调查数据显示,太阳能光电发电系统年度电能产生量一直都低于期望值(如图,4)。
为了解释太阳能电池板不匹配的问题以及为何小参数的变化就能大大改变太阳能电池板数组的效能,我们必须要先了解到现今太阳能光电发电系统的架设方式。
图5所示为一般住宅、商业大楼或公用设施的太阳能电池板数组图。在此架构中,多组串联的太阳能发电系统以并联方式连接,最后连接到网状变频器。其中的太阳能面板本身就是由许多片太阳能电池组件所组成。集中式变频器不仅仅主要能将直流电转换成交流电,也含有一组MPPT控制器,藉由MPPT算法的结果调整输入阻抗以获取最多的电能。
解决方案:分布式电源优化器
太阳能模块所产生的电能功率大小等于电流大小(I)乘以电压大小(V)。无论在任何条件下,都会存在一个最大电源点(MPP)一也就是在该条件下所能产生最大电能的模块。换句话说,一组太阳能光电发电系统的MPP是一组电压与电流的指数关系的函数。MPPT是一种电子形式的追踪,它能利用算法并藉由控制电路来搜寻此最大能源点的方式来达到最高的电能产生值,使得太阳能光电发电系统模块的转换器电路能获得做多的电能。
在相同照度、温度与其他小参数都相同的条件下,除了转换效率不同之外,分布式MPPT与集中式MPPT的效能并没有什么不同。然而,出现部分的遮蔽效应时,面板的不匹配问题会变得非常严重。当太阳能发电系统部分被遮蔽时,由于环境条件参数的不同,各组太阳能面板会产生出不同的MPP点。此时使用集中式MPPT会因不相称而导致额外的电能损耗。这有两个原因:首先,集中式MPPT会变得混乱,系统会停用电池上的最大点,而改采用次优化点作为电力产生的基准;再者,由于环境条件不均匀产生出多组MPP电压值,会使集中式MPPT的电压值超出范围。
由于电池面板之间的差异很显着,分布式MPPT上的电源优化器能个别增强每一片太阳能电池板的效能,提升总体效能。
使用分布式MPPT的太阳能板数组中(如图,6),每一组太阳能电池板都接上了一组电源优化器。电源优化器能进行双重追踪:它不仅能追踪最佳MPP点的位置,同时也能将相同一组输入电压/电流值,根据各片太阳能电池板转换成不同的输出电压/电流值,使系统获取最大的电能。各组电源优化器以间接的方式来互相进行支持。它们之间有自我组织的能力一它们能感应出各自的电压与电流值并且不断调整到总系统优化的状态,最后使太阳能光电发电系统处在能获取最多电能的状态。
目前来说,只有SolarMagic电源优化器能达到这种效果。电源优化器在保持原本太阳能数组排法的情况下,藉由对每组太阳能电池板分布直流/直流转换器与MPPT功能器的方式来增加效率。同时电源优化器在架构上能与多级变频器兼容,使总线电压可以保持在很高的定值,产生更高的效率。由于电源优化器处理了额外电能与减少的电能,使直流/直流转换器大大提升。这表示当外界光源反射到此处的太阳能电池板或太阳能电池板有不匹配的遮蔽产生时,也能获取额外的电能。
同样地,电源优化器能外接多余的太阳能电池板(使电能增加),也能拆掉部分太阳能电池板(使电能减少)。使设计者能更弹性的根据各种环境设计不同的太阳能电池板数组排列方式。这个额外的弹性也包括了能在同一串行的太阳能电池板装置中,对于每一片太阳能电池板做不同方向的架设。电源优化器的装置使太阳能光电发电系统能获取最多的电能。
美国国家半导体一位对太阳能有远见的Jigar Shah先生,对于30kW的太阳能电池板数组系统发表了一个惊人的结果。在装设电源优化器之前,旧有太阳能发电装置只能展现出期望值67%的电能。针对204片太阳能板中的1/3安装了电源优化器之后,整体输出电能提升了22.6%,即使在有遮蔽效应与接线不平衡的状况下,整体太阳能光电发电系统竟然达到超越期望值的82%。电源优化器也能防止线路与模块的老化问题,使太阳能光电发电系统的用户能享受到完整的电能投资效果。另外,光子国际杂志近期也测试了SolarMagic电源优化器,结果发现它能挽回高达71%因为遮蔽不匹配所损失的电能,使得在太阳能光电发电系统时装设天窗也变的可行(如图,3)。
电源优化器不仅可以增加屋顶太阳能板装置的输出电流量,也能让使用者在屋顶的空间上做出最有效的利用,以帮助使用者能更快收到投资在太阳能发电装置的回报。在新政府推出再生能源的善意政策的同时,电源优化器技术的问世将可以使降低太阳能发电系统成本的理想往前迈进了一大步。