降低太陽能板陰影遮蔽造成的電費損失 NEW!

太陽能光電系統的電能來源是太陽能模組，而模組的電能來源為太陽光能。因此，當太陽能模組遭遇陰影遮蔽時，輸入能量的降低將不可避免地導致電費損失。基於這個原因，避免陰影遮蔽是太陽能案場在初期規劃與建置過程中必須考量的重要議題。

然而，案場的初期規劃無法預見或控制所有未來可能發生的變數。即使案場竣工，也可能因周圍環境的變化而面臨新的遮蔽問題。例如，鄰近地區可能新建更高的大樓、豎立電線桿或廣告招牌；周圍的樹木可能日益茂密，甚至周遭屋頂可能增設水塔等設施。這些因素可能在未來對太陽能模組造成陰影影響，而它們往往難以預測，更不一定能全然消除。

有鑑於此，本文將深入探討陰影遮蔽對太陽能模組的影響，並提出改善方案，以期最大程度地減少電費損失。

太陽能模組遇到陰影遮蔽，對單一太陽能模組的影響為內部電流源之短路電流Isc降低且I-V Curve變形，相關實測可參考影片說明[1][2]。

在實際應用中，用戶常感到疑惑的一個問題是：當太陽能模組中只有幾片受到陰影遮蔽時，為什麼整串太陽能模組的效能都會受到影響？

因為實際應用通常為多片太陽能模組串聯，以下圖為例說明，假設模組1與模組2照度正常但模組3陰影遮蔽嚴重，此時太陽能模組串聯的工作特性，必須考慮兩部分：

(1) 基於電路學定理，串聯迴路的所有元件通過的電流必定相同

(2) 模組3的輸出電流小於內部電流源之短路電流Isc=1(A)，除非，模組3的輸出電壓低於零，造成模組3背面Junction box內的By-pass diode導通

以下圖之三片太陽能模組串聯為例說明，假設模組1與模組2為照度正常使內部電流源之短路電流Isc=10(A)，且模組3因陰影遮蔽嚴重使內部電流源之短路電流Isc=1(A)，因此，串聯迴路的所有元件通過的電流必定相同，可知即使只有一片太陽能模組陰影遮蔽，也會造成整串太陽能模組都無法達到最大功率點的電流與功率。只要模組3輸出電壓大於零，代表模組3之輸出電流一定低於內部電流源之短路電流Isc=1(A)，這也代表模組1~模組3的電流都一致且低於1(A)，除非模組3輸出電壓低於零，使模組3背面Junction Box內的並聯 By-pass Diode 導通，才有可能使模組1跟模組2的電流大於1(A)。

 

基於上述原因，因串聯迴路的所有元件通過的電流必定相同，所以整串中即使只有一片太陽能模組陰影遮蔽，也會造成整串太陽能模組都無法達到最大功率點的電流與功率，使得整串太陽能模組P-V Curve由原本下圖虛線的正常單一峰值拋物線，變成下圖實線的多峰值扭曲異常曲線[2][3]。

太陽能光電轉換器的最大功率追蹤(Maximum Power Point Tracker, MPPT)工作原理可以參考[4]，並網發電前太陽能模組的電壓為開路Voc，且並網後電壓逐漸降低至接近Vmp使功率趨近峰值Pmp，此後控制太陽能模組的電壓在Vmp微弧晃動使功率維持接近Pmp。因此，雖然太陽能模組陰影遮蔽時期望輸出功率達到最高值P1，但因並網後太陽能模組的電壓由Voc逐漸降低且在功率峰值微弧晃動的特性，使太陽能模組的輸出功率只能達到P3。

使太陽能模組的輸出功率達到最高值P1的方式，最常見為Enphase Energy Inc.所持有之專利[3] (Global Maximum Power Point Tracking, Global MPPT)，該專利主要由以下兩步驟，讓此目的有機會達成

(1) 執行最大功率追蹤前，控制太陽能模組的電壓由Voc逐漸降低至接近零，並記錄不同電壓所屬的輸入功率

(2) 先控制太陽能模組的電壓為功率最高的電壓，以下圖為例先強制使太陽能模組的電壓為V1，再開始執行最大功率追蹤，使太陽能模組在功率最高的電壓V1附近微弧晃動

由上述可知，Enphase Energy Inc.持有的專利Global MPPT[3]在太陽能模組陰影遮蔽時，於光線穩定條件有機會使太陽能模組達到最大功率。但是，在實際應用的真實世界上，自然界光線不穩定且非定值，而這真實世界必然存在的特性，就可能造成專利Global MPPT誤動作。

真實世界中，光線穩定的假設不存在，光照強度最主要被正對太陽位置的雲層所降低，因雲層為不規律且影響雲層位置的風速也不規律，雲層可造成光照強度增加或減少，影響太陽能模組功率增加或減少；而控制太陽能模組的電壓由Voc逐漸降低至接近零並記錄功率的動作需要持續一段時間，若這段時間的光照強度不穩定，Global MPPT專利就可能誤動作。以上圖為例，雖然光線穩定條件下P1>P3，但記錄不同電壓功率時光照強度不穩定，且太陽能模組電壓為V3的光照強度較V1強，在記錄不同電壓所屬的輸入功率時，就可能誤判為P3>P1，也因此誤判而造成太陽能模組的輸出功率維持在P3附近。

針對Global Maximum Power Point Tracking專利的缺失，新望公司提出改善技術，無論光線穩定或光線變化，都能在準確使太陽能模組的輸出功率達到最高值，並取得中華民國發明專利公告號I750714 [5]。新望公司全系列產品都支援此改善技術，換句話說，購買新望公司產品後遇到太陽能模組陰影遮蔽，都可以開啟此功能以降低發電損失。

陰影遮蔽是太陽能光電系統的初期規畫與建置必須避免的風險，但案場竣工後仍可能因隔壁蓋高樓、電線桿、廣告招牌、樹葉遮蔽，水塔等，造成陰影遮蔽太陽能模組。遇到這些問題時，第一優先是降低發電損失，新望公司全系列產品都支援中華民國發明專利公告號I750714改善技術[4]，都可以開啟此功能以降低發電損失。

另一考量，大部分案場並非隨時都有專業維運人員在現場，若能由遠端監控來觀察陰影遮蔽，則能夠讓問題能提早被發現，也能降低人員到現場巡檢的時間與費用，由遠端快速作業以降低人員到現場的延遲時間，因此遠端監控也是降低發電損失的有效工具。基於太陽能模組遮陰會造成輸入太陽能模組I-V Curve扭曲現象，實際測試結果可以參考實驗的影片[2]，而中華民國發明專利公告號I750714的權利範圍也包含遠端觀察I-V Curve，所以新望公司全系列產品都支援此改善技術並於新望雲端監控可以建立掃描I-V Curve功能。

因此，只要購買新望PrimeVOLT變流器，不但能遠端掃描I-V Curve以觀察陰影遮蔽是否發生，還能在確認陰影遮蔽發生後，由遠端開啟陰影遮蔽改善技術以降低發電損失。無論是否能緊急抽調人手到現場勘查，無論太陽能模組遮陰的來源能否後續移除，都能夠第一時間遠端鑑定是否遮陰，鑑定發生後於第一時間遠端降低發電損失，且都由遠端控達成以降低人員到現場巡檢的時間與費用，並且由遠端快速作業以降低安排人員到現場的反應時間延遲，而且不必忍受Enphase Energy Inc.持有的專利Global MPPT因天候而誤動作的風險。

 

參考資料：

[1] Shadows and shading and their effects on solar panels, https://www.youtube.com/watch?v=UNPJapaZlCU

[2] Effects of Shading on a Solar PV Module, https://www.youtube.com/watch?v=t-Np7kvmj1s

[3] Device and Method for Global Maximum Power Point Tracking, https://patents.google.com/patent/US20130016536A1/en?oq=US20130016536A1

[4] 如何增加太陽能系統的發電收益, https://primevolt.com.tw/%e5%a6%82%e4%bd%95%e5%a2%9e%e5%8a%a0%e5%a4%aa%e9%99%bd%e8%83%bd%e7%b3%bb%e7%b5%b1%e7%9a%84%e7%99%bc%e9%9b%bb%e6%94%b6%e7%9b%8a/

[5] 動態最佳的最大功率點追踪的方法和系統，中華民國發明專利公告號I750714