太阳光电发电系统之设计

太阳光电发电系统之设计 太阳光电发电系统之设计 摘要： 本章之内容主要在说明太阳光电系统之设计，包含下列内容：1.如何决定系统 种类与容量。2.模板架设方式及注意事项。3.计算太阳电池模块之串并联数目。 4.计算蓄电池容量及串并联数目。5.以及其它需要注意的事项。 关键词： 太阳电池发电系统、太阳电池模板、电力调节器、充放电控制器、蓄电池、并 联型、独立型、混合型 本文： 设计一套太阳光电系统有许多地方需要注意，从系统的先期规划，到选择适合 的太阳电池模板、电力调节器(Power conditioner Unit)、充放电控制器及其它相 关之外围设备等，到最后的架设施工与配线，每个地方都需要注意到才能确保 系统正常运作。有些设计方法是大多数系统共通的，而有些系统则须因不同情 况而有不同的考量，在本节中将针对一些大多数系统共通的设计方法做介绍。 (1)决定系统种类与系统容量 规划太阳光电系统的第一个步骤乃是决定系统系统种类与系统容量，系统种 类可大致区分成并联型、独立型及混合型等三种。 并联型：太阳电池模板发的直流电，经过电力调节器转换成交流电后，与电力 公司提供的市电并联，提供电力给负载使用。其中细分又可分可逆潮流及无逆 潮流两种。 可逆潮流：当负载使用电力小于太阳电池发电系统所提供的电力时，多余的电 力回送到市电输配线，称可逆潮流型。 无逆潮流：当负载使用电力小于太阳电池发电系统所提供的电力时，太阳电池 发电系统减少运载或是多余的电力以其它方式消耗掉，而不回送到市电输配线 者，称无逆潮流型。国内目前尚无购售电办法，所装设大多以不能将电力回送 电力系统的无逆潮流。 独立型：太阳电池模板发的直流电，经过电力调节器转换成交流电或是稳定的 直流电，直接提供电力给负载使用。独立型大多装设在电力系统无法到达之偏 远地区，或考量装置电力设施成本较高的设备上。 混合型：太阳电池模板发的直流电，经过电力调节器转换成交流电后，与柴油 发电机或风力发电机等发电设备并联，提供电力给负载使用。 以上各型可考量其需求与用途，加装蓄电池设备(包含充放电控制器，蓄电池等)。 而系统容量的决定则取决于下列因素： (a)系统种类与负载需求： 由于并联型系统所发之电力直接与电力系统并联使用，一起供应负载所须之电 力，因此系统容量几乎不受负载影响，不论系统容量多大系统皆能正常运转。 而独立型系统必须完全依赖太阳光电系统之电力，因此系统容量必须大于负载 需求。 混合型系统则需考量其用途，与其它发电设备搭配使用，基本上也是依据负载 而定。 负载需求包括负载的种类与使用的时间，例如负载如果是马达相关设备如帮浦 等，由于激活瞬间需要较大的电力(一般约略 3 倍左右)，须加大系统容量或是 蓄电池容量以提供足够的瞬间电流。 系统容量估算公式如下所列： (系统容量*每日平均日射量/基准日射量)*每日平均日照时间=负载需求(度/天) 其中每日平均日射量为一年内每日平均日射量。每日平均日照时间为一年内每 日平均日照时间。基准日射量为 1kW/m2。 (b)架设地点是否适当： 决定系统容量后还须选择适当的架设地点，选择架设地点须考量附近是否有遮 蔽物，及是否有足够面积。一般而言 1kWp 的单晶太阳电池模板约需 9 平方公 尺的架设面积，估算公式如下所列： 太阳电池模板面积=(太阳电池模板容量/基准日射量 )/模板转换效率 基准日射量为 1kW/m2 以上公式计算的结果不包括模板间的距离 (c)选择模板及电力调节器： 模板一其用途可分为一般型及建材一体型，一般型以搭设架台或轨道来安装模 板；建材一体型则当建材融入建物中，如屋瓦或采光罩等型式。 除以用途考虑外，也需考虑使用的环境地点而使用不同封装材料的模板，方能 保障耐用年限。如安装至海边或海岛则需使用加强抗盐害腐蚀封装材料的模板， 高山则需使用耐寒抗风雪加强结构强度的模板，其它依此类推。 电力调节器可依其使用容量或型式的不同，使用不同输入电压的电力调节器， 但一般没有硬性的规定。如一般并联型 10kW 以下、输出双线单相 110V 左右 的系统，可考虑输入电压为 200V 左右的电力调节器； 10kW 以上输出三相三线 220V 左右的系统，可考虑输入电压为 300V 以上的电力调节器，此为考量电力 调节器效率。而独立型如接有蓄电池，则考虑使用 24~96V 输入电压的电力调 节器，此为考量蓄电池充放电效率。详细应用的条件则依每个电力调节器规格 有所不同。 (2)模板架设方式 (a)倾斜方位及角度与模板方向： 太阳电池模板倾斜方向与倾斜角度须视当地的纬度、高度及环境条件而定，一 般而言北半球由于太阳偏向南方因此模板须向南方倾斜，南半球则相反。 而倾斜角度架设角度为 10~90 度内，一般建议与当地纬度相同，例如台湾大约 是 23 度左右。这只是参考的数据，并不一定要照这个角度架设。假如架设地点 为平台式屋顶，则直接以这个角度架设。假如架设地点为斜屋顶，考虑到整体 的美观可依屋顶原来的倾斜角度架设，倾斜方向则以向南为佳，基本上倾斜角 度误差在 10 度以内不会有太大的差异。但考虑模板表面积水及灰尘被雨水冲刷 的效果角度最好不要小于 10 度以下。 此外如果设置地点位置在低纬度的高山上，考虑有霜雪覆盖问题，则倾斜角度 需大于 45 度以上，可使霜雪容易自动滑落。 追日或改变角度的方式，除实验设备外，一般并不多见。原因除增加的昂贵成 本及使用的电力外，增加的效益并没有想象中的多。不如在太阳电池容量上增 加，使发电量增加的价值更大。 模板方向是指模板的较长的一边放置的方向，如长边放成上下安装者称为纵向 配置；长边放成左右安装者称为横向配置。横向配置比纵向配置的零件数少掉 若干，成本较低；反之，横向配置比纵向配置铝框及玻璃面之段数差有 2 倍多， 所以利用下雨洗净效果以及积雪滑落也不良。 (b)遮蔽物仰度： 太阳电池将光转换成电，因此架设地点不可有阴影，阴影之范围与太阳的角度、 遮蔽物之高度有关系。太阳的轨道一年四季都在改变，因此若要计算详细之阴 影范围是相当复杂的公式。因此为简化计算将太阳 6:00 的角度以 0 度近似， 12:00 的角度以 90 度近似，18:00 的角度以 180 度近似，12:00 的角度以 270 度 近似，亦即以一个小时改变 15 度来计算，如此可以简化计算做粗略之估计。 遮蔽物仰度之定义为：由架设地点画一条水平线到遮蔽物，再由架设地点画一 条线到遮蔽物之顶点，两条线所夹之角度即为遮蔽物仰度。假设架设地点与东 方遮蔽物之夹角为 30 度，当太阳在 8:00 以前遮蔽物将在架设地点造成阴影， 8:00 以后架设地点就不会有阴影。以此类推假如架设地点与西方遮蔽物之夹角 为 30 度，当太阳在下午 4:00 以后遮蔽物将在架设地点造成阴影。太阳光电系 统的发电时间希望能大于 8 小时以上，亦即从 8:00 到 16:00，因此东西向之遮 蔽物仰角最好小于 30 度。以确保系统能发挥最好的功能。 决定东西向之遮蔽物仰角后，还须计算南方之遮蔽物仰角，台湾的纬度以 23.5 度计算，则夏至中午 12:00 时太阳在正上方，春至秋至中午 12:00 时太阳偏南方 23.5 度，冬至中午 12:00 时太阳偏南方 47 度(23.5 度*2)。因此南方遮蔽物之仰 角若小于 43 度(90-47 度) 则可以确保架设地点不受阴影影响。 (3)计算太阳电池模块之串并联数目 设计时必须根据不同的模板规格设计适当的串并联数。设计流程如下： (a)决定串联数： 首先必须知道电力调节器之额定或最佳之工作电压，再将其电压值除以单片模 板之最大功率电压，即可得出串联数，得到串联个数后乘以单片功率即可得到 单串功率，若无法整除则可以将小数点以下无条件舍去及无条件进入取两个整 数值，如此也将得到两个单串功率。 (b)决定并联数： 太阳电池模块总功率除以单串功率，即可得到并联个数。由于单串功率有两个， 因此太阳电池模块总功率分别除以两个单串功率后，将得到两个并联个数。并 联数若无法整除则可以将小数点以下无条件舍去及无条件进入取两个整数值， 如此将得到四个并联个数。 (c)算出所有串并联方式： 经过(a)跟(b)的计算后一共得出四个可能的串并联方式，将四个可能的结果分别 算出功率大小，选择与预定的太阳电池模块总功率最接近的结果即可。 (d)计算结果与预定值相差过大之处理原则： 根据(a),(b),(c)所计算的结果可适用于大部分的应用场合，但仍会出现计算出来 的四个结果都与预定之太阳电池模块总功率相差过大，如预定之太阳电池模块 总功率为 10kW 但计算出的结果可能是 11kW 或 9kW。或是计算出之结果相差 不远，但仍希望进行微调与预定值更接近。此时之处理原则有两个，一是选择 其它规格之太阳电池模板或是电力调节器，二是在电力调节器之运转范围内调 整电力调节器之输入电压。由于太阳电池之输出受到日照强度的影响，因此电 力调节器的输入电压都有设定运转范围，例如额定输入电压为 300V 之电力调 节器其运转范围可能是 200V 到 400V，因此可以调整电力调节器之输入电压值 再代回 1.2.3.重新算出结果。例如将原本是 300V 之输入电压调整为 310V 或 320V 再带回 1.2.3.计算出结果，以此类推可调整输入电压进行微调。 (e)计算与预定值最接近之组合方式： 若在特殊应用下必须找出与预定值最接近之排列方式，唯一的办法是根据模板 的最大功率电压，在电力调节器运转范围内，列出所有的可能串联数，例如电 力调节器运转范围为 200V-400V，而模板的最大功率电压为 20V，则可能的串 联电压为 200V、220V、240360V、380V、400V ，但 200V 与 400V 等边缘 电压已接近系统运转边缘因此不建议采用，可选择 240V 到 360V 的可能串联电 压。再将所有可能电压代回 2.3.算出所有结果，即可得出所有可能的排列方式， 再从中选择最接近的排列方式。然而这个方法太过繁杂，必须撰写程序由计算 机自动计算。 (4)计算蓄电池容量及串并联数目 计算蓄电池容量必须先知道负载大小及蓄电池备用的时间，例如负载大小为 5kW 蓄电池备用时间为 5 小时，则负载共需 25KWH 的电量，由于太阳光电系 统的输出受日照强度影响，因此需以太阳电池模板无输出电力的条件做计算， 完全由蓄电池提供负载电力。而蓄电池以使用铅酸免保养深层循环电池，放电 深度 70%以上者为佳。而计算蓄电池容量及串并联数目步骤如下： (a)决定蓄电池串联数： 将充放电控制器额定输出电压值除以电池电压得到蓄电池串联数 (b)决定蓄电池并联数及 AH 值： 将负载用电量除以单串电压再除以放电深度即可得到蓄电池并联后的容量。再 将蓄电池并联后的容量除以单颗蓄电池容量，即可得到并联数。 例如：充放电控制器输出电压为 300V，蓄电池电压 12V，蓄电池容量 65AH， 负载共需 25KWH 用电量 串联数=300(V)/12(V)=25(个) 蓄电池并联后的容量= =119.05(AH) 并联数=119.05(AH)/65(AH)=1.83 取整数为 2 因此串联数为 25 个并联数 2 个共 50 个 (5)其它注意事项： (a)太阳电池架台： 架台的材质： 依环境条件与设计耐用年限数去选择与决定，一般若想得到 20 年左右的耐用年 数，镀锌量在重工业地带或海岸地带必须在 550~600g/m2 以上；郊区在 400 g/m2 以上。 架台的强度： 架台强度最低限度是必须能耐本身的重量加上风的压力。 架台固定基座： 屋顶设置场合需考虑防水措施，最好不要直接钉在楼地板上以免造成漏水。可 考虑固定在女儿墙或使用混凝土合钢筋等的重量形成的底座。 (b)零件的防锈： 一般设置常常忽略零件的抗锈选择与防锈处理，发电系统本身没坏但却因配电 箱不堪使用或螺丝锈蚀导致台架、模板或其它零件松脱，损坏系统。放置户外 的零件最好使用与架台同材质的不锈钢材，螺丝螺帽使用不易腐蚀的不锈钢 304 的制品或高强力螺栓。 (c)自然灾害： 雷击： 落雷区需设置避雷装置，太阳电池模块应在设置避雷针针部的保护伞 60 度内， 直流配电箱应加装雷击保护装置。 鸟粪： 鸟粪中含油，遇雨不易溶解。若有鸟类栖息于附近，可加装防鸟装置，如在模 板组上方左右及下部安装山形金属片，让鸟类无法栖息在模板上。 (d)配线工程： 在模板与模板间配线需加装耐候导管与套环，以避免接点与导线外露，曝露在 空气与雨水的威胁下。而导线的大小以直流配电箱的输出电压与到电力调节器 输入端的电压差不要超过 1V 为目标。 事实上仍有许多在设计及施工上需要考量的观点无法一次说完。