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太陽能光伏發電系統建置及維護 研習講義

臺北市士林區芝山國民小 學. 太陽能光伏發電系統建置及維護 研習講義. 報告人：張瑞豐 工學博士 國立臺北科技大學 兼任助理教授 桃園創新技術學院 兼任助理教授 綠科國際股份有限公司 總經理 日期： 2014.3.13. 單元一 : 太陽能光伏發電系統 規劃、設計、建置 及工程管理 簡介. 一、大 綱. ( 一 ) 名詞說明 ( 二 ) 太陽能光伏發電系統發電原理及組成 ( 三 ) 學校太陽能 光伏 發電 系統在規劃、設計 及建置階段，常面臨的問題及解決之道 ( 四 ) 規劃設計建置 流程及系統組件參數計算 ( 五 ) 工程管理.

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太陽能光伏發電系統建置及維護 研習講義

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  1. 臺北市士林區芝山國民小學 太陽能光伏發電系統建置及維護 研習講義 報告人：張瑞豐工學博士 國立臺北科技大學 兼任助理教授 桃園創新技術學院 兼任助理教授 綠科國際股份有限公司 總經理 日期：2014.3.13

  2. 單元一:太陽能光伏發電系統 規劃、設計、建置 及工程管理 簡介

  3. 一、大 綱 (一)名詞說明 (二)太陽能光伏發電系統發電原理及組成 (三)學校太陽能光伏發電系統在規劃、設計 及建置階段，常面臨的問題及解決之道 (四)規劃設計建置流程及系統組件參數計算 (五)工程管理

  4. (一)名詞說明

  5. 1.1.1 名詞說明 • 太陽能光伏發電系統(Solar Photovoltaic System)：以太陽能 電池陣列(Solar PV Array)為主之再生能源發電系統。 • 太陽能電池模組(module)：以多數的太陽能電池單元(Solar Cell)經由串聯、併聯接線及封裝而製成之光伏發電器件。 • 太陽能電池組列(Solar PV Array)：以太陽能電池模組經排 列安裝定位及串聯、併聯配線組成之光伏發電系統組件。 • 大氣光程（Air Mass, AM）:太陽光束通過地球大氣層之長 度h ，與太陽在正上方時太陽光束通過大氣層到海平面上 一點之長度h0的相比值(AM1.5)。 • 最大輸出功率(Maximum power, Pmax)：太陽能電池模組或 組列於標準測試條件之下最大輸出功率。 • 標準測試條件（Standard Test Conditions , STC）:在太陽 電池模組測試時所使用之參考值，即電池溫度為25度C、 平面（in-plane）日照強度為1000W/m2、及太陽參考光譜 （空氣大氣光程AM）為1.5。

  6. 1.1.2 名詞說明 • 最大輸出功率電壓(Maximum power voltage, Vmax)：太陽電池模板或組列於最大輸出功率時之電壓值。 • 仟峰瓦(kWp)：以仟瓦為單位之太陽電池組列最大輸出功率。 • 開路電壓(Open circuit voltage, Voc)：太陽電池模板或組列於標準測試條件之下開路電壓值(電流為零)。 • 短路電流(Short circuit current, Isc)：太陽電池模板或組列於標準測試條件之下短路電流值(電壓為零)。 • 最大功率追蹤(Maximum Power Point Tracking, MPPT )：直/交流轉換器以不斷調整輸入電壓或電流之方式，使太陽電池組列可隨時保持在最大功率輸出之功能。

  7. 1.1.3 太陽光譜

  8. 1.1.4 大氣光程 AM（AirMass）

  9. (二)太陽能光伏發電系統 發電原理及組成

  10. 1.2.1 太陽能光伏發電系統總覽

  11. 1.2.2太陽電池種類 資料來源：綠色能源產業資訊網

  12. 1.2.3 太陽能光伏發電系統定義 • 將許多太陽能電池單元（Solar Cell）以串聯及並聯接線及組裝後，成為太陽能電池模組（Module）；由數個太陽能電池模組，組合後而形成太陽能電池陣列（Array）建構成為太陽能光電轉換裝置，加上儲電能裝置、直流-交流電能轉換器及監控系統等相關器件、裝置及設備之硬體、 軟體及韌體，共同匹配組成一個發電系統，一般稱為太陽能光伏發電系統(Solar Photovoltaic System)，又稱為PV發電系統，在台灣地區稱為太陽光電發電系統。 單元 （Solar Cell） 模組 （Module） 陣列 （Array）

  13. 1.2.4 太陽能光伏基本發電原理 利用太陽能電池單元(Solar Cell)的光生伏打發電效應，將由日照輸入的太陽光能(Light Energy)強度直接轉換成電能(Electric Energy)輸出，稱為太陽能光電發電。又稱為太陽能光伏發電系統（Photovoltaic Power Generating System．簡稱PV系統） 太陽能電池單元是由PN半導體元件組成，將數片太陽能電池單元相互連接在一起，就可組成單片式之小型、中型或大型的太陽能電池模組(Solar Module)或模板(Solar Panel)，其發電功率輸出可由數瓦(Watt)到數百瓦。 將許多片太陽能電池模組或模板以串聯及並聯相互連接在一起，就可組成群組式之小型、中型或大型的太陽能電池模組或模板陣列(Array)，其發電功率輸出可由數百峰千瓦(kWp)到數兆峰瓦(MWp)。

  14. 1.2.5 太陽能光伏發電系統功能 利用太陽能電池模組或陣列，將太陽光能直接轉換成直流電能輸出，此直流電能再經由電能穩壓器及電能轉換器，轉換成穩定的直流或交流電力，以供應外部負載用電。 為了使變流器達到較高的轉換效率及增加太陽能電池的使用效率，一般使用昇降壓型的直流-直流轉換器(DC-DC Converter) ，隨時對太陽能電池模組或陣列做最大功率點追蹤(MPPT)及自動控制調整，以提升太陽能電池的光電能轉換效率；經由直流-直流轉換器昇降穩定直流電壓後，提供直流用電，或再透過直流對交流轉換器（變流器, Inverter）轉換為交流電力，提供給外部負載端之交流用電。

  15. 1.2.6 小型家用發電系統 上圖所示為小型家用發電系統(Small Home System, SHS)由太陽能光電板產生電力，其所產生之直流電，透過電力轉換器充入電池，然後將直流電轉換成交流電，立即可提供負載之電器使用；架構包含有太陽能光電板、電池、電力轉換器。本產品為一個多功能的電力轉換器，有別於傳統轉換器，將MPPT 充電器及直交流轉換器集於一機，提供DC12V、DC５Ｖ、AC110V 多選擇負載用電，應用範圍包括電腦、通訊、旅行、家庭娛樂、露營、緊急用電等等應用。

  16. 1.2.7 太陽能光伏發電系統主要元件器件(>1 kWp) 蓄電池組列(Batteries) 電力轉換器 (電力調節器) (Inverter、Power Conditioner) 太陽電池單元 (Solar Cell ) 太陽電池模板 (PV Module) 太陽電池組列 (PV Array) 太陽光伏發電系統

  17. 1.2.8 直流配電箱接線圖

  18. 1.2.9 直流配電箱內部元件配置 突波吸收器 阻絕二極體

  19. 1.2.10 住宅併聯型光伏發電系統組件配置示意圖 住宅用市電併聯型太陽能光伏發電系統，是經由系統的規劃設計，透過功率調節器(包括逆變器及市電並聯保護裝置等功能)，結合太陽電池模組陣列，經由現場架設管線、交直流接線箱、配電箱及電表等元件、器件和機電工程施工技術，相互整合建置的一體化系統。

  20. 1.2.11 光伏發電系統規劃設計及工程建置 主要元件器件規劃設計及工程建置項目

  21. + _ + _ _ _ _ + + + + _ 1.2.12 太陽能電池單元（Solar Cell ） 電池串聯 Front side is negative. 0.5V~0.6V 模組

  22. 太陽能電池陣列 太陽能電池陣列 1.2.13 太陽能電池陣列電路接線示意圖 避雷元件 防止逆流元件 開關單元

  23. 1.2.14太陽能光電轉換器-太陽能電池 V-I 特性曲線

  24. 1.2.15最大功率點追蹤(MPPT)技術 太陽能電池陣列的輸出隨著太陽輻射照度和太陽能電池陣列的表面溫度而變動，因此需要跟蹤太陽能電池陣列的工作點並進行控制，使陣列始終處於最大輸出，以獲取最大的功率輸出。

  25. 1.2.16 並聯型 PVDC-AC轉換器架構圖

  26. 1.2.17 太陽能光伏發電系統組件及功能描述(1/3) 典型的太陽能光伏發電系統組件及各部份組成功能功能描述如下： (一)太陽能電池模組/陣列(Solar Cell Module) 太陽能電池功率-電壓特性曲線 單片太陽能電池模組性能規格

  27. 1.2.17 太陽能光伏發電系統組件及功能描述(2/3) (二)直流-直流轉換器(DC-DC Converter) 為使太陽能電池模組/陣列達到最大的光電能轉換最佳化，提供穩定的直流電壓輸出，以供後級的直流-交流變流器轉換為穩定的交流電壓輸出。 (三)最大功率點追蹤(MPPT) 由於太陽能電池的功率輸出大小會受到日照強度、電池溫度及負載等因素影響而產生變化，因此需要準確及快速地最大功率點追蹤功能來配合調節。常用的最大功率點追蹤控制法可分為擾動觀察法及增量電導法兩種。 (四)變流器(Inverter) 以單相全橋式的直流/交流變流器為例，變流器的切換係採用正弦脈波寬度調變（SPWM）技術，操作於單極性電壓切換，用以有效抑制輸出電壓的諧波成份。

  28. 1.2.17 太陽能光伏發電系統組件及功能描述(3/3) (五)隔離保護裝置(Isolated Protection Device) 1.保護裝置能及時切離系統與外部市電端的併聯功能 2.提供適當的安全隔離，以保護工作人員的作業安全 3.變流器輸出低電壓與過電壓保護 4.變流器輸出過電流保護 5.短路及超溫保護 (六)同步並聯供電 當市電電源故障後再回復供電時，首先太陽能光伏 發電系統經由同步程序與市電網路併聯，然後再依據當 時日照量下之發電量決定台電與太陽能光伏發電系統之 供電分配。在光伏發電系統的發電量大時，調節由市電 網路提供負載之功率降低，並對儲能系統之蓄電池組進 行充電；在光伏發電系統的發電量小時，大部份電力由 市電網路提供並同時由市電對蓄電池組充電。

  29. 1.2.18 太陽能光伏發電系統組成架構 典型的太陽能光伏發電系統基本組成架構，包括太陽能電池模組/陣列、模組/陣列支撐架與安裝基礎、直流接線箱(包含保護元件、部件及器件)、最大功率點追蹤(MPPT)、直流/直流轉換器、充放電控制器、蓄電池組、變流器(直流/交流轉換器) 、交流配電盤(包含保護元件與器件、隔離保護裝置、保護電驛及同步並聯控制等) 、變壓器、電腦網路監控系統及配管與配線等所構成，如下圖所示。

  30. 1.2.19 太陽能光伏發電系統架構分類(1/5) PV發電系統的種類是根據系統的元件器件組 成與負載的型式來區分﹔ 首先，依據用電方式需求，選定合適功能的系 統元件器件組成，主要是分為獨立型、倂聯型、 防災型和混合型等四種系統架構﹔ 其次 ，再依據負載型式(交流或直流)及有無蓄 電池需求來進行分類。 最後，在細部規劃及設計時，應根據使用者的 用途需求，務必選定可匹配的元件器件相互連 結組成。

  31. 1.2.19 太陽能光伏發電系統架構分類(2/5) 1. 獨立型系統(Stand-Alone System) 太陽能光電發電系統運行，獨立於外部的發電系統或/及配電網路系統之外，以自給自足的模式供應負載端用電所需的電力。

  32. 1.2.19 太陽能光伏發電系統架構分類(3/5) 2. 併聯型系統(Grid-Connected, Interactive ) 太陽能光電發電系統運行與外部的發電或/及配電網路系統相互併接供電，既可對外傳送電力給外部的發電及配電網路，又可從外部的發電或/及配電網路供給電力到太陽能光電發電系統，供應負載端所需的電力。

  33. 1.2.19 太陽能光伏發電系統架構分類(4/5) 3. 防災型系統 緊急防災型系統是以整合併聯型及獨立型兩種功能於一體。其運行模式是當外部的發電或/及配電網路系統正常時，太陽能光電發電系統的輸出電力可直接饋入外部的發電或/及配電網路系統，並對其系統內部的蓄電池組件充電儲能；當外部的發電或/及配電網路系統異常時，其太陽能電池模組/陣列之輸出電力可對其系統內部的蓄電池組件充電儲能並提供緊急負載端用電所需的電力。

  34. 1.2.19 太陽能光伏發電系統架構分類(5/5) 4. 混合型系統(Hybrid System) 混合型系統是由多種電源所組成之發電系統。這些電源包含太陽能光電、風力發電、水力發電、引擎驅動發電及其他電源，但不包括外部的發電或/及配電網路電源。其儲能子系統，如蓄電池組，不構成本定義所指之電源。

  35. (三)學校太陽能光伏發電系統 規劃設計及建置階段 所面臨的問題及解決之道

  36. 1.3.1 學校將會面臨的問題點 (1)如何選定專業及公正的規劃、設計及建造單位? (2)如何避免包商的施工能力不足而影響系統質量? (3)如何確保系統驗收後可持續高效率運行? (4)如何確保系統驗收後其運行的可靠度高? (5)如何確保系統的維護費低及故障發生後復原快? (6)如何確保系統運行中其相關發電數據及資訊，可 有效地結合在綠能的教學上? (7)如何確保系統可為校內節省電費支出，發揮其最 大效益?

  37. 1.3.2 相關問題點的解決之道 (1)校方成立一個臨時性任務的太陽光伏發電 系統建置專案技術委員會平台，以便協助 校方支援相關工程專業知識及技術諮詢。 (2)由專案技術委員會平台，協助校方評估慎 選專業及公正的規劃設計及建造單位。 (3)由專案技術委員會平台，協助校方慎選合 適的承包商，確保系統工程質量。

  38. (四)系統規劃設計建置階段工作流程及相關組件參數計算(四)系統規劃設計建置階段工作流程及相關組件參數計算

  39. 1.4.1太陽能光伏發電系統建置重要條件 依據台灣地區光伏發電系統運行資料統計顯示，全年的日平均發電量約為3~4 kWh/kWp，年平均發電量約為1,000~1,500 kWh/kWp。 台灣地區的太陽能光電發電系統建置重要條件考量如下: 1.日照充足：太陽能電池模組/陣列的設置方式應避免圍建築 物遮蔭，必須無光障害，太陽能電池模組/陣列的架設必須 面向南方，傾斜角度為22~25 ± 10度(台灣地區通常採用23.5 度)。 2.週邊環境：應考量建築物空間、鹽害、雷害、風況、天候、 溫度、防潮、排水及地盤結構狀況等重要因素。 3.建築結構：樑、柱等位置應考量載重設計，如需架設於外牆 ，則需考量其強度設計。 4.電氣設備：了解電氣設備現況，確保電氣設備的安全性，以 掌握建置時電氣配線與施工路徑。 5.監控系統:監控系統軟體架構與規範必須明確，以智慧型控 制策略及管理，結合HMI+PLC+網頁型功能是必須的。

  40. 1.4.2 典型的太陽能光伏發電系統建置流程

  41. 1.4.3 PV發電系統規劃設計之重要因素 太陽電池一年能發多少電？ 太陽光發電的成本？(簡易估算) 太陽光發電需要多少土地？

  42. 1.4.4 太陽能光伏發電量概算 • 年發電量（EP）＝PAS × HA × K × 365(天)PAS：太陽能電池組列容量 HA：設置場所及設置條件的累計日射量（kWh/m2 x 日） K：總設計係數（0.65～0.8≒0.6 ） • 以系統利用率來概算 年發電量＝太陽電池陣列模板的發電量 x 系統利用率 x 8760（小時）系統利用率＝0.1～0.15≒0.1一年總時數＝24（小時）x  365（天）＝8760小時

  43. 1.4.5 太陽電池一年能發多少電？ • 組列單日發電量 = 組列額定輸出功率 ×等效日照時數 • 預估1 kWp 組列單日發電量 = 1 (kW) x 4 h (Sun Hour)= 4 kWh • 組列年發電量 = 組列額定輸出功率 ×年平均日照時數 × 365 • 預估 1 kWp 組列年發電量 = 1 × 4 h × 365 = 1,460 kWh 等效日照時數(Sun Hour) 1.0 kW/m2 0.5 kW/m2 日照強度 時間 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18

  44. 1.4.6 太陽光能的發電成本簡易估算 • 1. 假設目前太陽光發電系統設置成本約為 NT$ 140,000 / kWp • 2. 假設年平均每日日照時數約為 2.5 Sun Hour (台灣中南部地區) • 1 kWp 組列單日發電量= 1 (kW) × 2.5 (Hour)= 2.5 kWh • 1 kWp 組列年發電量= 2.5 × 365 = 913 kWh (度) • 3. 假設太陽光發電系統使用壽命為 20 年 • 1 kWp 太陽光發電系統總共可發電 20 × 913 = 18,260 度 • 4. 生產每度電之成本約為 140,000 / 18,260 ≒NT$ 7.7 • 5. 未來發展趨勢： • 太陽光發電系統設置成本將逐年降低 • 市電電費將會升高(國內目前電費約 NT$ 3 /度)

  45. 夏至 春、秋分 冬至 >55o h 23.5o 23.5o L1 L2 1.4.7 建置太陽能光伏發電系統需要多少土地？ • 效率% = (輸出功率W) / (組列面積 m2 x 日照強度 W/m2 ) × 100% • 組列面積 m2 = 輸出功率W / (效率 % x日照強度W/m2 ) × 100 % • 假設使用效率>13.6% 模板，於1,000 W/m2 (AM1.5)日照強度下 • 10 kWp 模板組列面積 (m2) = 10,000 / (0.136 × 1,000) = 73.5 m2 • 10 kWp PV系統土地面積需求約 • ~ 73.5 m2 × 1.5 × 1.1 • ~ 121m2 (~36坪) • (包括陰影面積及維修空間) • 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)

  46. 1.4.8 太陽能發電系統的規劃與設計 • 光伏發電系統的規劃與設計分為軟體設計和硬體設計兩部分，以軟體設計在先，而硬體設計在後。 • 光伏發電系統設計的總原則是在保證滿足負載供電需要的前提下，確定使用最少的太陽能電池組件功率和蓄電池容量，以盡量減少初期投資。

  47. 1.4.9 光伏發電系統規劃及設計概述(1/5) A. 光伏發電站的規模等級劃分標準 B. 根據電網接入電壓確定光伏發電站等級 1. 小規模: 接入0.4KV電網，裝機容量不得 大於100 KWp 。 2. 中規模:接入10 - 35KV級電網。 3. 大規模:接入66 KV級以上電網。 根據國際能源機構(IEA)的分類如下: 1. 小規模: 100 KWp以下。 2. 中規模: 100 KWp - 1 MWp 。 3. 大規模: 1 MWp - 10 MWp 。 4. 超大規模: 10 MWp以上。

  48. 1.4.9 光伏發電系統規劃及設計概述(2/5) C. 大規模光伏發電站（LS-PV）技術特點 1. 在發電側並網，沒有儲能系統。 2. 併入高壓公共電網（22 kV －161 kV) 。 3. 少量自用電力從公共電網提供（小於1%）。 4. 發電功率大。 5. 自動控制，無人看守。 6. 靠近負荷中心。 7. 大部分使用荒地建廠。 8. 配備自動追日系統或聚光型光伏電池，提升效率。 9. 配置氣象及運行資料自動監測和遠端資料傳輸系統。

  49. 1.4.9 光伏發電系統規劃及設計概述(3/5) D. 應考量的問題及解決策略 1. 總體模組化設計。 2. 大型光伏發電站與高壓電網並網和保護裝置。 3. 抗風沙、抗紫外、抗老化、耐高低溫的光伏組件。 4. 三相並網變流器的電壓不平衡問題及解決策略。 5. 多機並聯實現大型光伏並網系統的控制調度策略、MPPT尋優演算法。 6. 電網閃變及波動對並網變流器的影響和解決策略。 7. 多台變流器同時並網的互相影響及解決策略。 8. 光伏發電站參數監測計量及智慧型監控系統功能。 9. 多台並網變流器同時運行下的反孤島效應問題，並研究可靠的控制策略防止孤島效應。 10. 單雙軸追日系統。 11. 成本分析。

  50. 1.4.9 光伏發電系統規劃及設計概述(4/5) E. 規劃及設計 規劃設計的定義:對工程的實施在技術上和經濟上所進行的全面而詳盡的安排，是整個工程成敗的決定性環節。 規劃設計的範圍： 工程總承包的規劃設計（含基本設計、詳細設計、竣工圖設計）及相關的專業技術服務。 初步設計:根據批准的可行性研究報告和設計基礎資料，對設計物件進行通盤研究，闡明在制定的地點、時間和投資控制數內，擬建工程在技術上的可行性經濟上的合理性。通過對設計物件作出的基本技術規定，制定專案的總概算。 施工圖設計:根據批准的初步設計的內容和要求，對建設項目的所有主輔生產廠房、附屬設施及其主要關鍵設備的土建和安裝繪製出正確完整和盡可能詳盡的圖紙，應能滿足預算及施工組織設計的編制。

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