2012-10-03 03:48:29Column
利用智慧型太陽能電池板設計 提高太陽能發電系統輸出產能
2012/10/03-DIGITIMES企劃
太陽能電池發電系統，早期技術因為太陽能電池模組製程材料問題，或是使用環境不佳，造成太陽能電池模組提早損耗，甚至是能源產出量未能達到預期效益，而導致使用體驗不佳，甚至無法在預期時限內達到應有的投資報酬率，若發電系統善用智慧調校功能，將可有效強化太陽能發電系統的平均輸出...
太陽能發電系統，早期的設計常常因為操作不當、或是設置環境不佳，在架設完成後往往因為設備耗損或是投資報酬不如預期，讓導入太陽能發電的用戶感到失望，而太陽能發電系統常常因為太陽能發電模組(太陽能板)的輸出能量大小不一，造成整合上的困擾，若可以在太陽能發電系統中導入智慧調校解決方案，不但可以凸顯太陽能發電系統的導入效能，也可進一步改善產品的壽命與應用價值。
太陽能發電市場競爭激烈 降低發電成本為首要之務
在競爭激烈的太陽能發電市場中，終端的太陽能電池模組業者，已嘗試透過利用更新的材質、低成本、高耐用度的太陽能電池材料，提升單位太陽能電池所可以產生的最大電能輸出，一般提升的關鍵指標在於光電轉換效率，但若將零星的太陽能電池架構成一個發電系統，必須考量的已不是單個模組的光電轉換效率能否達到最高，而是如何面對輸出能量大小不一、性能表現呈現高度動態差異的發電環境，讓每個太陽能電池可以達到性能匹配、穩定運行狀態。
尤其是太陽能電池模組業者，戮力改善太陽能電池的性能價格比，在要求性能與降低成本間，也讓電池模組本身的耐用度受到考驗，若建構發電系統未能做到完善的保護設計，也可能因為架構不當而加速太陽能電池模組的壽命縮短。
至於太陽能發電系統生產廠商，也因為市場環境對於太陽能系統的要求日趨嚴苛，尤其在發電量與能源轉換效率方面的要求，如何在面對不同的裝設條件、發電量需求，快速架構所需的發電環境架構，同時還必須因應如DC-AC或是DC-DC的能源轉換應用策略，達到最佳化的應用條件。
追求太陽能電池最佳工作點 透過MPPT演算法即時分析
實際上，每個太陽能電池模組，大多有其最佳工作點，而不同的電池板所可得出之工作點不一，電池板位於最佳工作點時可獲得最大之電能輸出功率，但太陽能板的最佳工作點，往往會因為裝設環境的差異，而有極大的不同；若為了建置太陽能發電系統的便利性而將電池板的輸出採一致性的設定，這會使太陽能電池板無法在最佳化的條件下產出最大輸出功率。
較有效的方法是在每塊太陽能電池板增設太陽光電能最大功率點追蹤(Max Power Point Tracking；MPPT)功能IC，讓發電系統的每個太陽能電池板可以自行在最大功率狀態下、進行最佳化電能輸出，維持整體發電系統的高效率狀態。
使用最大功率點追蹤(MPPT)時，必須建構一套系統來進行即時演算，因為大氣環境的光照變化與強度，可以說是瞬息萬變，若計算過程過於冗長，當追蹤到最佳功率點時可能又因為時延而遲遲無法讓電池板在最佳化條件下運行，導致電能輸出表現不佳，浪費了太陽能板的使用能效。
以FPGA嵌入式系統 架構MPPT偵測與性能調校
在MPPT系統中，可使用DMA方式進行訊號擷取，搭配實時(Real Time)系統執行MPPT程序運行，以即時量測太陽能電池模組取得最新的太陽能電池電流、電壓變化狀態；並搭配FPGA經由I/O處理資料擷取，再將取得之電池板狀態資料進行Real Time即時運算，最後再由PWM模組進行輸出處理。
由於在此狀態下進行的太陽能電池板輸出電壓，即是太陽能電池的最大功率點狀態下產出的電壓輸出，最終輸出為儲存於電池或其他負載，即可輕易實踐太陽能電池於最大功率追蹤處理下的電能輸出。
以太陽能電池板之最大功率點追蹤(MPPT)應用需求，其即時偵測、處理與控制設計方案，以嵌入式系統進行整合較為適宜，尤其採FPGA之類的產品，由於I/O數量充裕，加上介面數據擷取、處理與控制開發也相對簡便，為太陽能電池之最大功率點追蹤(MPPT)系統建構的最佳平台選擇。
至於太陽能電池本身的特性線(Solar P-D curve)，僅在某些工作週期具最高輸出功率表現，因此將太陽能發電系統的電能轉換設計之輸出狀態以該工作區為基礎，將可獲得最大功率追蹤所得對應的Duty cycle輸出、並進行電能轉換輸出，即可讓太陽能發電系統得到最大的發電能效產出。
而每次MPPT可依據定量的時間間隔為基礎，持續比對分析太陽照度變化，由各個時段描繪得到之線段即為當時之太陽能特性線(Solar P-D curve)，MPP(Max Power Point)點即為各段特性線(Solar P-D curve)的最大功率點，讓太陽能電池板可確實達到最有效的最大功率點追蹤。
智慧型太陽能電池板模組設計優點多
由於太陽能電池板以內建最大功率點追蹤、與部分特性調校IC，因此對於太陽能電池製造商而言，等於可以讓所生產的太陽能板，可以在安裝與使用過程達到一定程度要求的高效率表現，這是因為有控制IC協助進行太陽能電池板的運作效能追蹤與控制，可讓量產的太陽能電池板的輸出效能得到保證。
同時，業者可以確認該生產的太陽能電池模組，在系統年限要求下，可確保年限內的產品能效不會低於產品要求的90%以下，而在產品性能要求方面，亦可滿足15年內不會低於規定之80%的嚴苛要求。有監測與控制IC的輔助，也可讓太陽能電池板在面對不同安裝環境時，不會因為發電系統的配置不當，造成整體應有的發電效能受到限制。
這一預先裝載監測、控制IC的太陽能電池板，好處不只是可維持最大功率點的效益而已，因為整合了智慧控制功能，對於安裝環境的要求限制亦相對較小，在實際施工時可以讓電池板依附在屋簷、屋頂傾角，而不用拘泥最佳化的安裝傾角，實際裝設時可以相對較未整合智慧控制功能的太陽能電池板具更高的裝設彈性。因為安裝這種具智慧控制能力的太陽能發電系統，實際裝設不用避開可能阻擋陽光的物體、屋簷、煙囪或障礙物，可以更充分利用整個屋頂可用的日照空間，不僅可以加大整體太陽能發電功率，也可減低電纜、線路、機架的安裝成本。
由於每塊太陽能電池板均已內建智慧電路，可讓太陽能電池輕鬆排列依需求進行架設，各模組元件可以靈活調配，搭配MPPT演算法亦可減少發電系統調校負載失當產生的耗能問題。智慧型太陽能電池板設計方案，不僅可降低光／電系統的架構總成本，也可讓裝設太陽能發電系統所投入的人力、資材成本降到最低。
但需注意，太陽能光電系統動輒需提供15~25年保修保證，這對於太陽能電池內整合的控制晶片壽命要求極高，加上太陽能電池多數必須安裝於戶外、頂樓，IC本身也需要有抗高溫、耐候特性，以確保與太陽能電池模組保有接近或更高的壽命表現，降低設備維護成本。
DIGITIMES中文網 原文網址: 利用智慧型太陽能電池板設計 提高太陽能發電系統輸出產能 http://www.digitimes.com.tw/tw/dt/n/shwnws.asp?cnlid=13&id=0000305516_EFV6V1JQ0YZCGF7XNDJ4H&cat=65#ixzz28AmfFdR4