太阳能发电系统

太 陽 能 發 電 系 統 的 供 電 方 式 可 分 為 並 聯 式 供 電 與 獨 立 式 供 電 。 所 謂 獨 立 （ stand-alone inverters）系統是指將太陽光電能轉換為電能，獨立輸出供給負載或對蓄電池充電。其好處是在 無市電的地方亦能供電給負載，但其缺點是需儲能設備且供電可靠度較差。併聯供電是將太陽能 發電系統併入市電系統中，供電可靠度大幅提升，亦無須儲能設備，付出的代價是控制較複雜且 發生故障時問題較大較難處理。
圖 2 KC20 的不同照度的功率特性曲線
DC/AC
太陽光電板
電流基準
放大器
三角波 PWM
圖 3 並聯運轉型之示意圖
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並聯型系統與市電之關係又可以區分為連結型系統及切換型系統。連結型系統是指太陽能 發電系統與市電系統保持聯結，而此系統運轉產生的電力直接送入電力系統中與市電共同供應負 載。連結型系統又依太陽能發電系統的剩餘電力可否回送電力系統又分成逆潮流型及無潮流型。 潮流型系統是指具有將太陽能發電系統的輸出電力送回電力系統之功能。無逆潮流型則不允許多 餘的太陽能電力回送至市電，當太陽能發電系統的輸出電力不足負載所需之功率時，不足的電力 部份由電力系統供給，而當太陽能發電系統的發電量遠大於輸出負載所需時，由於不能將多餘的 輸出功率回送至電力系統中，因此只能減少太陽能發電系統之輸出功率，因此無逆流型無法操作 最大功率輸出的狀態下。切換型系統是指平時不與市電聯結，只有當太陽能發電系統電力不足或 太陽能發電系統暫停運轉時，才切換至與電力系統並聯模式，由市電補足所欠缺的電力。一般而 言與市電的聯結裝置皆屬瞬間型機械式切換控制，故絕對不會出現電源切換造成一般電氣設備的 影響。因為此系統模式其太陽能板也不能操作在最大功率點上。
膜型太陽光電池由於使用材料較少，就每一模組的成本而言比起堆積型太陽光電池有著 明顯的減少，製造程序上所需的能量也較堆積型太陽光電池來的小，它同時也擁有整合型式 的連接模組，如此一來便可省下了獨立模組所需在固定和內部連接的成本。
非晶矽太陽光電池與晶矽太陽光電池的主要差異是材料的不同，單晶矽太陽光或多晶矽 太陽光的材料為 Si，而非晶矽電池的材料為 SiH4。SiH4 最大的優點為吸光效果及光導效果都 很好，但由於其結晶構造比多晶矽太陽光電池差，所以懸浮鍵的問題比多晶矽太陽光電池還 嚴重，自由電子與電洞復合的速率非常快；但是 SiH4 的結晶構造不規則會阻礙電子與電洞的 移動使得擴散範圍變短。基於以上兩個因素，當光照射在 SiH4 上產生電子電洞對後，必須盡 快將電子與電洞分離，才能有效產生光電效應。所以非晶矽太陽光電池大多做得很薄，以減 少自由電子與電洞復合。由於 SiH4 的吸光效果很好，所以非晶矽太陽光電池做得很薄，仍然 可以吸收大部分的光。
以 KYOCERA 型號 KC50 的太陽能板為例子，其最大功率為 50W、最大功率電壓為 16.7V、最大功率電流為 3A、開迴路電壓 21.5V、閉迴路電壓 3.1A、轉換效率為 14%，圖 2 為 KC20 的不同照度的功率特性曲線。
Ⅳ. 市電併聯型太陽能發電系統
一般而言，並聯運轉型是指太陽能發電系統與市電直接作並聯使用。太陽能發電系統以市 電的電壓為參考，透過將電流注入市電系統來達到能量之傳輸。因此在電源的持續供應上穩定度
市電連結型的太陽能供電系統為了保持電力系統的電力品質及安全性，除了要求系統輸出 電流的功率因數及諧波成分外，亦要偵測市電的電壓及頻率，孤島效應的問題更應該特別注意。 孤島效應是指當市電發生故障的時候，分散式發電系統或一般併聯在市電上的發電設備沒有及時 檢知並切離配電系統，而與負載呈現獨立供需的現象。當發生時常會導致以下問題，如：⑴當市 電故障後，電力系統維護人員必須在斷電的情況下做市電的修復，但由於此時太陽能發電系統還 在持續運作，將使得電力系統維修人員的安全受到威脅；⑵在孤島效應發生時，由於太陽能發電 系統失去了市電作為參考訊號，所以電力轉換器的輸出電壓，電流及頻率會發生不穩定的現象， 若不及時切離其它負載，在此情況下會使得一些較敏感性的負載受到損害。
Ⅲ-V 族化合物半導體太陽光電池特徵為高效率、適合薄膜化、可耐放射線損傷、高集光 動作及可和各種半導體之組合，可使波長感度之帶寬域化，其效率可達 30～40％的超高效率， 利用聚光方式可使太陽光電池的轉換效率再向上提升，例如把砷化鎵（GaAs）/錫化鎵（GaSn） 疊層起來，太陽光電池在聚光下的轉換效率也可高達 35.8％，是目前世界上所得到最高轉換 效率的太陽光電池。
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太陽能發電系統
Photovoltaic Power Generating System
黃柏翔 Bo-Xiang Huang 劉怡成 I-Chang Liu 明志科技大學 電機工程系 台灣台北縣 Department of Electrical Engineering
本論文將介紹整個太陽能發電系統，從太陽能電池的種類及特性、發電系統的架構及控制， 到儲能。
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Ⅱ. 太陽能發電系統概論
太陽能發電系統（簡稱 P.V. System）的主要功能是透過太陽能電池直接將光能轉換成直流 電，直流電再透過穩壓電路以及轉換電路轉換成一般大眾使用的交流電。而太陽能電池是一種光 電半導體，它一照到光即可瞬間輸出電壓與電流，產出電能，至於產出能量的大小要取決於它的 面積、轉換效率、照射光之強度與溫度，其原理系利用 PN 半導體結合面之電子電洞位移而產生 的電子流。
而多晶矽太陽光電池則是以降低成本為優先考量，其次才是效率。多晶矽太陽光電池降 低成本的主要方式有：⑴純化的過程沒有將雜質完全去除，⑵矽在結晶的時候速度較快，矽 原子沒有足夠的時間成單一晶格而形成許多結晶顆粒，⑶避免切片造成的浪費。因為這三個 原因使得結晶矽太陽光電池在製造成本及時間上都比單晶矽太陽光電池少，但使得多晶矽太 陽光電池的結晶構造較差，因此發電效率較差。多晶矽太陽光電池在工業上的運用，目前可 達到每 100cm2 的單位轉換效率為 15.8％。
太陽能電池的輸出為直流電，其輸出功率受到日照度、周圍溫度、及負載的影響而不同。 為了達到轉換為市電所需之直流電壓及增加太陽能電池的使用率，一般會使用昇壓型的直流對直 流轉換器對太陽電池做最大功率之追蹤控制。升壓後的直流電經直流對交流轉換器（換流器）轉 換為交流提供給負載。於並聯型之系統，太陽能發電系統以市電的電壓為參考，透過控制注入市 電系統的電流大小來達到整系統的能量平衡。至於獨立型之系統，太陽能發電系統輸出定電壓定 頻率之電源，輸出的電流由負載決定。一般為增加供電之可靠度會增設儲能設備，藉著儲能設備 之充放電控制來達到整系統的能量平衡。
圖 1 太陽能板 型號 KC50
Ⅲ. 太陽能電池
太陽能發電系統中，太陽能電池的成本佔極重的分量，其性能更是決定了整個系統之大部 分性能。本節首先敘述太陽能電池的種類、轉換效率、及成本，後再敘述太陽能電池的基本性能 及規格。
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太陽能電池可分成堆積型和薄膜型。堆積型太陽能電池又可分成單晶矽太陽光電池、多 晶矽太陽光電池、及 III-V 族化合物半導體太陽光電池。薄膜型太陽光電池可分為非晶矽太陽 光電池、晒化銅銦太陽光電池、及鍗化鎘太陽光電池。
孤島情況偵測技術[8]-[12]一般可分成被動式及主動式兩類。被動式偵測技術一般是利用監 測市電狀態，如電壓、頻率作為判斷市電是否故障的依據，依參考之電力參數不同，可分成利用 電驛監測、電壓諧波偵測法、急遽相位偏移偵測。而主動偵測法，則是由電力轉換器產生一個干 擾訊號，藉由控制電流器輸出或外加阻抗等方法主動干擾系統，觀察市電的是否受到影響以做為 判斷依據。當發生孤島情況時，主動擾動將造成系統的不穩定，即使是在發電輸出功率與負載功 率平衡的狀態下，也會藉由擾動破壞功率平衡狀態，造成系統之電壓、頻率有明顯變動，再藉由 電驛偵測出來將太陽能發電系統與市電隔離，防止孤島現象之發生。主動方法分成輸出電力變動 方式、加入電感或電容器、及自動頻率偏移方式。
太陽能電池的特性通常均以其開路電壓（Voc）、最大工作電壓（Vmp）、短路電流（Isc）、 最大輸出功率（Pm=Vmp∙Imp）來表示；市場上所見的太陽能晶片規格表式方式如 100mW/cm2， 表示在氣溫攝氏 25℃、無雲之晴天、照度 12 萬 Lux 的條件下，該晶片每平方公分可產出 100 毫瓦電力，於實務上應用欲獲得上數據機率不高。
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較為可靠，但當失去市電參考時會發生孤島現象，孤島現象所引起的孤島效應必須小心防範。 太陽能發電系統依其容量可分為集中型及分散型。集中型太陽光電能發電系統容量皆在
20kW 以上，通常做為工廠輔助電源系統或中大型發電站，此類系統都需要較大的空間來架設太 陽光電板。分散型太陽光電能發電系統的裝置容量較小，而裝設地點分佈相當廣泛並且難以掌 握，容量約為數仟瓦，用來提供一般住宅用電或著大樓照明系統使用。如圖 3 所示為並聯運轉型 之示意圖。
MingChi University of Technology Taipei, TAIWAN. ＊bar4927@hotmail.com
摘要
本文介紹太陽能發電系統，太陽能發電系統基本可由三個部分組成：太陽電池發電部分、儲 能部分、及應用部分。應用部分又有兩種主要的架構：獨立型及並聯型。一般獨立型具有太陽電 池發電部分、儲能部分、及應用部分等三個部分。並聯型只有太陽電池發電部分及應用部分等兩 個部分。文中將介紹太陽能電池的種類及其特性、市電併聯型之架構及其控制、獨立型發電之架 構及其控制、及儲能部份的蓄電池及其性能比較。
關鍵詞：太陽能電池、並聯型太陽能系統、獨立型太陽能系統、蓄電池
Ⅰ. 前言
二十世紀以來，能源危機日益嚴重，為了讓人賴減少依賴石油、煤與天然氣等的傳統天然 能源，世界各國極力堆動再生能源的研發。而再生能源必須具有取之不盡、用之不竭，且不會有 污染環境等特性，目前開發的再生能源主要以太陽能、風力、水力、生質、及地熱等天然資源作 為發電的來源，而能滿足上述條件的再生能源以太陽能發電最具有開發潛力[1]。
單晶矽太陽電池的特徵為製造技術純熟、材料輕、原料矽之藏量豐富、轉換效率高、發 電特性安定…等特點，目前單晶矽太陽光電池的轉換效率約為 17.2%。但缺點為價格昂貴， 所以市場上普及率不高。
中華水電冷凍空調月刊-98 年 11 月 2
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在獨立型發電系統中儲能設備是很重要的課題，亦是運轉成本中很重的一部分。主要的儲 能設備是蓄電池。在文獻[2-5]裡陳述蓄電池的充電特性及探討充電的方法。充電的性能主要項目 有充電時間、充電容量、充電效率、溫升、及循環使用壽命衡量。充電的方法：定電流法、定電 壓法、三階段充電法，脈衝充電法、及 ReflexTM 充電法等五種。其中脈衝與 ReflexTM 充電法 能提高充電峰值電流值及提供充足的休息時間，有助於電池緩和化學反應，不但可減短充電時 間，並且能提高電池使用壽命。對於鉛酸電池的脈衝放電特性探討主要出現於文獻[6，7]中。
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太陽能系統中光電轉換主要是由太陽能電池影響太陽能系統中的光電轉換，而太陽能電 池表面上的光電半導體厚度才幾微米的薄薄一層，其轉換效率又不高，故需要裝設大面積的 太陽能電池，市場通常將多個太陽能電池晶片（單體為 10 到 15 公分大小之 PN 接合半導體 薄片，發電電壓約為 0.5V）組成模組出售，再依需求串並聯成太陽能光能板或太陽能陣列。