改采星狀分散式架構(gòu)，PV發(fā)電系統(tǒng)克服遮蔽效應(yīng)

　　國內(nèi)學(xué)術(shù)界近期提出新一代星狀分散式太陽能系統(tǒng)架構(gòu)，藉由將太陽能電池模組陣列分組，且每組由一顆中央最大功率點(diǎn)追蹤（MPPT）控制器負(fù)責(zé)擷取電力資訊，克服烏云或樹蔭遮蔽效應(yīng)導(dǎo)致個(gè)別電池發(fā)電量不均的問題，以提高整體系統(tǒng)發(fā)電效率。

　　為提高太陽能發(fā)電效益，一般做法是從太陽能電池制造端去想提高發(fā)電效率和改善制程的方法，或是節(jié)省材料用量來降低成本。模組化電源管理系統(tǒng)（MLPM）則是在太陽能發(fā)電的后端應(yīng)用上，以交換式電源（SMPS） 技術(shù)來提升模組的發(fā)電效率。相較于傳統(tǒng)模組串列型的集中式太陽能發(fā)電架構(gòu)，以MLPM發(fā)展出來的分散式太陽能發(fā)電系統(tǒng)在不同的云層或建筑物的遮蔽狀況下，最大可提升約25%的發(fā)電效率，相當(dāng)適合于須要將太陽能板安裝于不同方位的中小型住宅式應(yīng)用。故現(xiàn)在已有越來越多太陽能發(fā)電系統(tǒng)開始使用微型逆變器 （Micro-inverter）或是功率優(yōu)化器（Power OpTImizer）來提升發(fā)電效率。

　　MLPM點(diǎn)火　微逆變器/功率優(yōu)化器需求漲

　　國外的市調(diào)機(jī)構(gòu)IHS iSuppli的研究報(bào)告指出，全球的MLPM市場(chǎng)成長快速，預(yù)估至2014年會(huì)達(dá)到6.2GW的安裝量，占全球住宅型太陽能安裝量的38%。MLPM包含了DC-AC的微型逆變器和DC-DC的功率優(yōu)化器，雖然其會(huì)額外增加太陽能系統(tǒng)安裝的費(fèi)用，但若依照摩爾定律（Moore‘s Law），則微逆變器的平均銷售價(jià)格預(yù)測(cè)會(huì)從2010年的每瓦0.88美元，下降至2014年的0.29美元；而功率優(yōu)化器則預(yù)估會(huì)從2010年的每瓦 0.18美元，下降至2014年的0.08美元。

　　雖然微逆變器發(fā)展較早，但由于各國對(duì)于太陽能逆變器的安規(guī)都要求須與市電網(wǎng)路做電路隔離，故其電路成本較高。在2009年，Solaredge于以色列成立，并推出一系列針對(duì)住宅型分散式太陽能發(fā)電的相關(guān)產(chǎn)品，從個(gè)別太陽能模組的功率優(yōu)化器、將最后總輸出電力轉(zhuǎn)換為交流電併網(wǎng)的逆變器，甚至是太陽能發(fā)電即時(shí)監(jiān)控及遠(yuǎn)端資料庫，都已經(jīng)有一系列的產(chǎn)品推出（圖1）。另外，在美國的TIgo與前國家半導(dǎo)體底下的Solarmagic，也同樣有各自的功率優(yōu)化器產(chǎn)品推出。由各個(gè)國際大廠紛紛投入產(chǎn)品開發(fā)觀之，分散式太陽能的功率優(yōu)化器未來深具發(fā)展?jié)摿Α?/p>

　　圖1 SolarEdge提出的分散式太陽能發(fā)電解決方案

　　可偵測(cè)故障/遠(yuǎn)端監(jiān)控　星狀分散式系統(tǒng)嶄鋒芒

　　由于太陽能電池的發(fā)電特性會(huì)隨著環(huán)境的光照度和背板溫度有所改變，故一般會(huì)除將輸出透過直流電壓轉(zhuǎn)換器（DC-DC Converter），以電路調(diào)變太陽能電池的輸出特性外，還須搭配最大功率點(diǎn)追蹤（MPPT）技術(shù)，以確保太陽能輸出能得到最大的發(fā)電效率。此外，依據(jù)太陽能發(fā)電系統(tǒng)輸出端應(yīng)用的不同，可分為獨(dú)立型（Stand-Alone）及市電并聯(lián)型（Grid-Connected）兩種太陽能發(fā)電系統(tǒng)。

　　傳統(tǒng)將經(jīng)過串并聯(lián)后的太陽能模組陣列視為單一模組來做MPPT，稱為集中式太陽能發(fā)電系統(tǒng)（Centralized Photovoltaic System）（圖2）。但其前提是須確保太陽能模組陣列中每一片的特性相同，若其中參雜有劣化的太陽能模組，如受到烏云、樹蔭、灰塵、太陽能電池老化等，或是太陽能模組安裝的日照方位的不同，皆會(huì)導(dǎo)致部分遮蔽效應(yīng)（ParTIal Shading Effect），進(jìn)而造成整體的發(fā)電效率大幅下降，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)p失整體25%的發(fā)電效率。

　　圖2 集中式太陽能發(fā)電系統(tǒng)

　　為解決集中式太陽能發(fā)電系統(tǒng)的缺失，在后來的研究中有學(xué)者開始提出分散式太陽能系統(tǒng)（Distributed Photovoltaic System）的架構(gòu)（圖3），即在每一片太陽模組輸出端各自安裝一組DC-DC Converter以及MPPT控制器。如此即便太陽能模組陣列受到部分遮蔽效應(yīng)的影響，陣列中各片太陽能模組也都能夠自行調(diào)變至最大功率輸出，維持整體的發(fā)電效率。

　　圖3 分散式太陽能發(fā)電系統(tǒng)

　　相較于一般國外大廠採取個(gè)別太陽能模組安裝獨(dú)立的MPPT控制器做法，成功大學(xué)提出的一種星狀分散式太陽能發(fā)電系統(tǒng)（圖4），將太陽能模組陣列分組，每組以一個(gè)中央MPPT控制器來擷取每片太陽能電池的電壓和電流資訊，再進(jìn)行MPPT運(yùn)算后，輸出控制訊號(hào)至每個(gè)太陽能模組，而各組的中央MPPT控制器也可以互相通訊。此種做法的好處在于以一個(gè)高效能的中央MPPT控制器來取代塬本各模組個(gè)別的MPPT控制器，而中央MPPT控制器在取得各模組的發(fā)電資訊運(yùn)作MPPT的同時(shí)，除可偵測(cè)陣列中的模組故障之外，也可將發(fā)電資訊儲(chǔ)存并發(fā)送到網(wǎng)路上提供遠(yuǎn)端監(jiān)控的功能。

　　圖4 星狀分散式太陽能發(fā)電系統(tǒng)示意圖

　　在星狀太陽能分散式發(fā)電系統(tǒng)中所採用的MPPT演算法，為成大實(shí)驗(yàn)室所發(fā)展的二次式極值法，其塬理是將太陽能特性曲線近似二次式曲線，在追蹤過程中會(huì)定義三個(gè)操作點(diǎn)D1、D2及D3，量測(cè)三點(diǎn)操作點(diǎn)的輸出功率P1、P2及P3，當(dāng)P2大于P1和P3時(shí)，可直接利用二次式極值方程式計(jì)算出可能的最大功率點(diǎn)位置（圖5）。相較于傳統(tǒng)的擾動(dòng)觀察法（Perturb and Observe， P&O），可提升MPPT的追蹤速度，且收斂之后不會(huì)在最大功率點(diǎn)附近振盪。

　　圖5 二次式極值MPPT演算法示意圖

　?。跕B］功率優(yōu)化器電路設(shè)計(jì)面面觀［@C］ 功率優(yōu)化器電路設(shè)計(jì)面面觀

　　功率優(yōu)化器選擇可兼具升降壓功能的Buck-Boost Converter電路拓?fù)洌▓D6），除電路架構(gòu)較為簡單之外，也可彈性應(yīng)用在各種場(chǎng)合。電感須以耐流量為考量，以避免操作在飽和電流導(dǎo)致電感量下降，金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效電晶體（MOSFET）也須考量等效內(nèi)阻，以盡量降低導(dǎo)通損耗，額外并聯(lián)肖特基二極管（Schottky Diode）可選擇較低耐壓的MOSFET，并降低切換損耗。

　　圖6 功率優(yōu)化器的Buck-Boost Converter電路架構(gòu)

　　在研發(fā)初期曾以隔離式的MOSFET驅(qū)動(dòng)器來做設(shè)計(jì)，其優(yōu)點(diǎn)是控制和量測(cè)上較為簡單，但是額外的隔離電源卻會(huì)大幅增加電路成本。故在技術(shù)成熟后，則改用內(nèi)建自舉式（Bootstrap）電源電路的半橋式或是全橋式驅(qū)動(dòng)IC來同時(shí)驅(qū)動(dòng)高低端MOSFET，雖然在驅(qū)動(dòng)上須預(yù)防MOSFET的閉鎖（Latch Up）效應(yīng)，但在電路成本上較為符合市場(chǎng)需求。實(shí)際針對(duì)230瓦太陽能板制作的功率優(yōu)化器，其在最大功率點(diǎn)附近可達(dá)到96%的轉(zhuǎn)換效率。

　　在分散式太陽能發(fā)電串列中，由于每個(gè)功率優(yōu)化器在使用脈衝寬度調(diào)變（PWM）訊號(hào)進(jìn)行電壓調(diào)變時(shí)，會(huì)相互影響個(gè)別輸出，故在功率優(yōu)化器中的PI穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)的好壞舉足輕重。在實(shí)際測(cè)試之前，可在美商國家儀器（NI）MulTIsim這套電路模擬軟體中建立太陽能模組的SPICE（Simulation program with Integrated Circuit Emphasis）模型（圖7），及針對(duì)功率優(yōu)化器的電路進(jìn)行建模。相較于其他電路模擬軟體，使用Multisim的優(yōu)點(diǎn)在于透過與LabVIEW的 Co-Simulation溝通介面，可直接在LabVIEW中模擬并測(cè)試PI穩(wěn)壓器參數(shù)及MPPT演算法。圖8即為功率優(yōu)化器穩(wěn)壓模擬結(jié)果與實(shí)際測(cè)試結(jié)果之比較，趨勢(shì)相當(dāng)接近。

　　圖7 功率優(yōu)化器在NI Multisim的電路模擬

　　圖8 功率優(yōu)化器穩(wěn)壓模擬與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)照?qǐng)D

　　功率優(yōu)化器助力　星狀分散式系統(tǒng)效能大增

　　圖9為星狀分散式太陽能電力系統(tǒng)架構(gòu)圖，太陽能發(fā)電串列中的每片太陽能模組接各自安裝功率優(yōu)化器后，再串聯(lián)輸出至逆變器。而在功率優(yōu)化器中則有一顆低成本的數(shù)字訊號(hào)處理器（DSP）負(fù)責(zé)調(diào)變PWM控制訊號(hào)，并擷取輸入與輸出的電壓和電流資訊，除可進(jìn)行PI穩(wěn)壓器的控制之外，可再透過通用異步收發(fā)器 （UART）與中央MPPT控制器進(jìn)行資料傳輸。

　　圖9 星狀分散式太陽能發(fā)電系統(tǒng)架構(gòu)圖

　　中央MPPT控制器採用的是NI sbRIO-9606嵌入式控制器，其同時(shí)兼具兩種嵌入式控制核心，現(xiàn)場(chǎng)可編程閘陣列（FPGA）可平行多工處理各個(gè)功率優(yōu)化器的UART通訊，而即時(shí)處理器則即時(shí)進(jìn)行分散式MPPT運(yùn)算，并將控制參數(shù)傳送至各個(gè)功率優(yōu)化器。而透過NI sbRIO-9606的乙太網(wǎng)路接口，更可直接將整體系統(tǒng)的發(fā)電資訊發(fā)布至網(wǎng)路上，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端監(jiān)控。

　　為測(cè)試功率優(yōu)化器在受到部分遮蔽的狀況下是否可發(fā)揮其功效，實(shí)驗(yàn)以八片茂鑫230瓦太陽能板以星狀分散式發(fā)電架構(gòu)串聯(lián)輸出，并透過逆變器轉(zhuǎn)換成交流電併入市電網(wǎng)路中（圖10）。實(shí)驗(yàn)從早上九點(diǎn)開始測(cè)試，并在中午12點(diǎn)時(shí)于第七片太陽能模組上產(chǎn)生部分遮蔽使功率降低。

　　圖10 實(shí)驗(yàn)測(cè)試之八片茂鑫230瓦太陽能模組

　　由圖11的實(shí)驗(yàn)結(jié)來看，雖然八片太陽能模組的規(guī)格相同，但實(shí)際輸出功率還是有些許的差異，尤其當(dāng)?shù)谄咂柲苣＝M受到遮蔭，而使得功率與其他模組不匹配時(shí)，功率優(yōu)化器仍可維持各片的最大功率輸出，而不受到部分遮蔽效應(yīng)的影響。

　　圖11 分散式太陽能發(fā)電整日實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

　　消弭日照/模組不匹配桎梏　星狀分散式系統(tǒng)勢(shì)起

　　隨著石油價(jià)格居高不下而電價(jià)也逐漸上漲，太陽能發(fā)電則會(huì)因模組化且大量制造而降低其發(fā)電成本，達(dá)到市電平價(jià)的目標(biāo)已不再是夢(mèng)想。未來太陽能將以中小型發(fā)電與建筑物結(jié)合（BIPV）的應(yīng)用漸漸出現(xiàn)在人們的生活圈當(dāng)中，如家庭住宅、商業(yè)大樓、公共設(shè)施等。但是以往採取集中式太陽能發(fā)電的方式，限制太陽能板安裝彈性，須將太陽能模組皆朝向同一日照方向，以避免遮蔽效應(yīng)造成無謂的功率損失。若採用新穎的分散式太陽能發(fā)電技術(shù)，即可解決因日照方向不同或模組間不匹配的損失。

　　例如成功大學(xué)低碳校園團(tuán)隊(duì)，目前規(guī)畫以創(chuàng)新曲面太陽能停車棚造型之太陽能發(fā)電系統(tǒng)（圖12），使用高效率太陽能單晶硅模組，應(yīng)用新穎分散式太陽能光電技術(shù)結(jié)合綠建筑設(shè)計(jì)手法，可解決太陽能模組間日照不匹配的功率損失，提高太陽能發(fā)電效率，以兼顧科技與藝術(shù)設(shè)計(jì)的平衡。此外，透過模組化系統(tǒng)概念，降低制造及維護(hù)成本，將所得電力供應(yīng)充電站設(shè)備、夜間照明、周邊公共設(shè)施等，藉以因應(yīng)城市充電站、電池交換站大量增設(shè)之迫切需求。

　　圖12 分散式太陽能節(jié)能充電站

　　借力星狀分散式系統(tǒng)　太陽能安裝率加速增長

　　本研究針對(duì)星狀分散式太陽能發(fā)電系統(tǒng)可以從太陽能系統(tǒng)模擬、電路設(shè)計(jì)與制作、資料擷取及MPPT控制，一直到網(wǎng)路監(jiān)控介面，皆可以在美商國家儀器的軟硬體架構(gòu)下完成一整套的開發(fā)流程，徹底地發(fā)揮LabVIEW圖形化語言的優(yōu)勢(shì)。尤其是使用NI sbRIO-9642XT做為中央控制器，圖形化程式語言可節(jié)省許多嵌入式開發(fā)時(shí)間。

　　此外，藉由市電併聯(lián)的實(shí)驗(yàn)，亦驗(yàn)證自行開發(fā)的新式分散式太陽能發(fā)電技術(shù)，確實(shí)可解決太陽能模組因遮蔽效應(yīng)、模組劣化、灰塵、落葉所造成的不匹配功率損失。此技術(shù)將有利于太陽能與環(huán)境藝術(shù)做結(jié)合，以推翻舊有對(duì)于太陽能發(fā)電的印象，以更具美感的建筑設(shè)計(jì)來推廣分散式太陽能發(fā)電技術(shù)，而目前相關(guān)的專利技術(shù)也正在申請(qǐng)中。未來可將此成熟之星狀分散式太陽能MPPT技術(shù)透過技術(shù)移轉(zhuǎn)，以提升太陽能的使用率和安裝率，減輕對(duì)于石油燃料與核能的依賴。

　　(本文作者趙儒民為臺(tái)灣國立成功大學(xué)系統(tǒng)及船舶機(jī)電工程學(xué)系教授、柯仕鴻與陳柏龍為博士生、羅晨峰為碩士生)