如何增加太陽能系統的發電收益

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太陽能光電系統主要由三部分構成，如下圖分別為 (1)太陽能模組 (2)太陽能光電轉換器 (3)交流公用電網，可知太陽能模組產生最大的直流能量，則太陽能系統有最大的輸入功率。而太陽能光電轉換器主要由兩部分構成，分別為 (1)最大功率追蹤(Maximum Power Point Tracker, MPPT)與 (2)直流轉交流轉換器(DC/AC Inverter)。能量轉換部分，太陽的光能傳送至太陽能模組後產生直流能量，太陽能模組連接至 MPPT，並由 MPPT 控制太陽能模組工作於最大功率點，太陽能模組輸入的直流能量傳送至 DC/AC Inverter，再由 DC/AC Inverter 轉換成交流能量以提供交流公用電網，以提供交流公用電網的交流能量產生發電收益。因此，若太陽能光電轉換器於相同太陽能模組與相同太陽光照度下，能夠隨時都控制太陽能模組產生最大的直流能量，則代表能增加太陽能系統的發電收益。本文主要說明太陽能模組相同條件產生最大能量的方法，以及實際應用上，能於自然界光線不穩定特徵下仍能達成此目的之方法。

太陽能模組相同條件產生最大能量的方法，最常見的法則為擾動觀察法 (P&O MPPT method)，概念可以用下圖的太陽能模組 P-V Curve 做說明。目的是讓太陽能模組工作在最大功率點，當太陽能模組電壓為 VMP 則太陽能模組功率為 PMP，也能控制太陽能模組產生最大的直流能量。概念上，太陽能模組 P-V Curve 可由最大功率點為中點切為兩部分，最大功率點左邊屬於若電壓增加則功率增加，最大功率點右邊屬於電壓降低則功率增加。因此，由下圖可知，若光線穩定下可以歸納幾個結論

  • 若擾動電壓增加後觀察到功率增加，代表再維持相同增加電壓方向擾動後預期會使功率再增加，除非跨越最大功率點到另一邊
  • 若擾動電壓減少後觀察到功率增加，代表再維持相同減少電壓方向擾動後預期會使功率再增加，除非跨越最大功率點到另一邊
  • 歸納上述兩點，若擾動電壓後觀察到功率增加，則若維持相同電壓擾動方向也預期會使功率再增加，除非跨越最大功率點到另一邊後則會觀察到功率減少，但此狀況，可預期調整為相反電壓擾動方向後，會讓功率改朝增加的趨勢

因此，擾動觀察法的精神，主要擾動太陽能模組電壓，判斷擾動後造成太陽能模組功率增加或減少，若功率增加則再維持相同電壓方向擾動，若功率降低則再朝相反電壓方向擾動。依此原則，若電壓位於最大功率點左邊則會持續逐步增加電壓並朝最大功率點移動，若電壓位於最大功率點右邊則會持續逐步降低電壓並朝最大功率點移動，若跨越最大功率點則會發現功率降低則再朝相反電壓方向擾動，若接近最大功率點則會持續在 MPP 的左右兩邊輪流晃動，使太陽能模組電壓接近 VMP 且功率接近 PMP。

擾動觀察法以擾動太陽能模組電壓為手段，以擾動後造成太陽能模組功率增加或減少為判斷，若功率增加則再維持相同電壓方向擾動，若功率減少則朝相反電壓方向擾動，實際範例可用下圖說明。

  1. 太陽能光電轉換器於並網發電前，工作於 VOC 且太陽能模組功率為零，並網發電後降低太陽能模組電壓並使功率為P1，由於 P1 大於零，功率增加則再維持相同電壓方向擾動。
  2. 下一步維持相同電壓方向朝降低太陽能模組電壓擾動使功率為 P2，由於 P2 大於 P1，功率增加則再維持相同電壓方向擾動。
  3. 下一步維持相同電壓方向朝降低太陽能模組電壓擾動使功率為 P3，由於 P3 大於 P2，功率增加則再維持相同電壓方向擾動。
  4. 同上述 (2)-(3)，維持相同電壓方向，逐步朝降低太陽能模組電壓擾動使功率為 P6
  5. 下一步維持相同電壓方向朝降低太陽能模組電壓擾動使功率為 P7，由於跨越最大功率點使 P7 小於 P6，後續朝相反電壓方向擾動。
  6. 下一步改為相反電壓方向朝增加太陽能模組電壓擾動使功率為 P8，由於 P8 大於 P7，功率增加則再維持相同電壓方向擾動。
  7. 下一步維持相同電壓方向朝增加太陽能模組電壓擾動使功率為 P9，由於跨越最大功率點使 P9 小於 P8，後續朝相反電壓方向擾動。
  8. 下一步改為相反電壓方向朝降低太陽能模組電壓擾動使功率為 P10，由於 P10 大於 P9，功率增加則再維持相同電壓方向擾動。
  9. 下一步維持相同電壓方向朝降低太陽能模組電壓擾動使功率為 P11，由於跨越最大功率點使 P11 小於 P10，後續朝相反電壓方向擾動。
  10. 同上述 (5)-(9)，若功率增加則再維持相同電壓方向擾動，若功率增加則朝相反電壓方向擾動，若跨越最大功率點則會發現功率降低則再朝相反電壓方向擾動，持續在最大功率點 MPP 的左右兩邊輪流晃動，使太陽能模組電壓接近 VMP 且功率接近 PMP

由上述可知，擾動觀察法以擾動太陽能模組電壓為手段，以擾動後造成太陽能模組功率增加或減少為判斷，可以在光線穩定下，太陽能模組電壓接近 VMP 且功率接近 PMP。但是，自然界光線不穩定非定值，在實際應用的真實世界上，擾動觀察法對光線穩定的假設，就有可能造成太陽能模組遠離最大功率點。

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，而傳統方式只考量以下兩個原則，假設只有擾動電壓會影響太陽能模組功率，當光照強度影響太陽能模組功率時，傳統方式會因忽略天候對功率的影響而誤判朝錯誤方向擾動

(1)   若擾動電壓後觀察到太陽能模組功率增加，則後續維持相同電壓方向擾動

(2)   若擾動電壓後觀察到太陽能模組功率減少，則後續變更為相反電壓方向擾動

傳統最大功率追蹤方式誤判範例，以下圖說明，假設P1起始擾動的方向維朝左，太陽能模組功率分別為P1、P2、P3、P4 與 P5，當下光照強度分別 200、400、600、800 與 1000，由 P1 擾動電壓到 P2 後觀察到太陽能模組功率增加，則後續維持相同電壓方向擾動，但實際上方向錯誤是朝遠離最大功率點的錯誤方向，錯誤原因為光照強度增加使傳統法則方式誤判為追蹤方向正確。相同道理，P3、P4 與 P5 都因光照強度增加使功率增加，造成傳統法則方式誤判為追蹤方向正確，太陽能模組功率分別為P5時，因追蹤方向持續錯誤，工作點已經到遠低於 PMP 的 P5，太陽能模組功率在重新追蹤到正確 PMP 前仍持續低於最大功率，也等同降低太陽能系統的發電收益。

國際規範 BS EN 50530 考量上述會降低太陽能系統發電收益的因素 [1]，規範多種光照強度變化的測試條件，測試範例如下圖。新望產品以改良傳統最大功率追蹤方式的控制邏輯，觀測並預估光照強度變化，無論太陽能模組屬於光照強度固定或變化條件，都可以準確追蹤最大功率點。

也因為新望產品最大功率追蹤的改善控制邏輯，無論於光照強度固定或變化條件都可準確追蹤最大功率點，也代表在真實世界的實際應用，無論於任何光照強度條件，都可以增加太陽能系統發電收益。

參考資料

[1] BS EN 50530-2010, Overall efficiency of grid connected photovoltaic inverters