太陽光變頻器技術發展現況

太陽光變頻器技術發展現況

Development Status of PV Inverters

鄒應嶼 教授

交通大學 電力電子晶片設計與DSP控制實驗室

200481


Power Electronics Technology for Renewable Energy


前 言

太陽能是再生能源中最容易取得的自然能源,太陽光發電系統可將太陽能轉換為電能直接饋入電力供應網路或是儲存於蓄電池。近年來由於太陽光電池材料的進步與製程的改進,電力電子與控制技術的進步,以及未來石油價格上揚等因素,以家庭用戶與小型發電中心為應用對象的併網型太陽光變頻器(line-tied photovoltaic inverter)將成為未來電力供應的重要來源,本文介紹併網型太陽光變頻器的技術發展現況。 

目 錄

  1. 簡介

  2. 系統架構

  3. 電路拓撲

  4. 效率

  5. 最大功率追蹤控制

  6. 併網控制技術

  7. 孤島效應偵測與保護

  8. 商品化實現技術的發展

  9. 未來發展趨勢

  10. 結語

  11. 參考文獻

1. 簡 介

再生能源(renewable energy)係指可自行再生的能源,例如日光能、風能、潮汐能、地熱能、生物廢料能等等[A1]-[A4]。將再生能源有效且經濟的轉換為一般民生供電,已成為先進科技國家兼顧發電與環保的重要產業發展政策。

根據全世界石油生產統計[A5]-[A6],1998年3月份的科學美國人雜誌的一篇文章(The End of Cheap Oil)預估石油產量將於2004年達到高峰[7],爾後產量將逐年降低,這不僅意味著油價(包括電價)將不再便宜,也將導致能源危機[A8],間接引發全球經濟風暴。2004年8月8日美國紐約商業交易所原油交易價格創下每桶44.77美元的21年以來新高,美國哥倫比亞大學教授吉姆羅傑斯(Jim Rogers)預測國際原油價格未來有可能突破每桶100美元,新一波的能源危機已隱然啟動,有鑑於再生能源對未來世界經濟與環保發展的重要性,各先進國家無不全力推動再生能源的發展計畫[A9]-[A11]。

應用太陽能於再生能源發電系統,由於具有環保與易於安裝等優點,再加上商品化技術的成熟與國家計畫性的輔助推動,已成為先進國家發展分散式電源系統的主要選擇。太陽光變頻器(Photovoltaic Inverter, 簡稱PV inverter)可直接將太陽能光電池所產生的電能饋入市電,如圖1所示,因此不僅可提供使用者的自用電源,也可提供公眾電源另一種型式的電力來源,形成一個分散式的發電系統。

1. 太陽光發電系統的系統架構示意圖 

2. (a)目前廣泛使用的各型太陽光電池,(b) 新型25微米的超薄型太陽光電池的矽晶圓薄膜

資料來源:德國太陽能研究院2002年的研究成果報告 (IST2002 Annual Report)

以往之太陽光電池的效率過低,目前銷售的太陽光電池的效率約介於15-18%,其可靠度有待改善,平均故障時間仍低於10年,且具有易碎的特性,不易維護。新一代的太陽光電池,利用多種新型半導體材料,如Crystalline Silicon、Thin Film Silicon、Amorphous Silicon、CIS: Copper Indium diSelenide、Cadmium Telluride (CdTe),可進一步解決這些問題[B1]-[B5]。在實驗室中,利用一種稱之為PERL (passivated emitter, rear locally diffused)的矽元件光電轉換技術,已可達到23.1%的光電轉換效率[B12]。另一種稱之為熱光電元件(Thermophotovoltaics device)的技術,可將熱能(含紅外線)有效的轉換為電能[B13]-[B14],這些新型光電轉換元件的發展,將有助於太陽光發電的普及。

太陽能發電目前的印象是不符經濟效益,然而近年來,太陽光電池的製造技術已獲得顯著的進展,根據德國太陽能研究院2002年的研究成果報告,以研製成功厚度僅25微米的超薄型矽晶圓,如圖3所示矽晶圓的製造成本約佔太陽光電池成本的40-50%,目前一般使用的太陽光電池的矽晶圓厚度約為330微米,太陽光電池矽晶圓的厚度對其生產成本具有重大的影響,由於超薄型矽晶圓太陽光電池技術的發展,未來3-5年太陽光電池的售價將大幅降低,對太陽光發電的推廣將產生重大的影響。另一方面,併網型太陽光變頻器由於不需要電池,同時由於技術日益成熟,具有很大的價格調降空間,再加上近年來石油價格的不斷上揚,預測未來3-5年,3-10KW家用併網型太陽光變頻器發電系統將符合投資的經濟效益。

太陽光變頻器可分為三種型式:離線型(off-grid)或稱之為獨立(stand-alone)型,此種變頻器由電池供電,產生方波或弦波型式的交流輸出,提供獨立系統的用電,但無法與市電併聯。併網型(grid-connected or line-tied)變頻器產生與市電同步的弦波電流輸出,可與市電併聯,將太陽光電池的輸出電能直接轉換為市電,但無法獨立供電;第三種混和型(hybrid)變頻器,除了具備併網型的優點之外,可連接電池,對特定連接的負載可提供獨立供電,具有不斷電系統的功能。

併網型太陽光變頻器直接將太陽能轉換的電能饋入公共電力網路,不需要體積龐大、價格高、不易維護的電池組,有如一個獨立的小型發電機,可構成分散式發電系統,藉由新型的『淨電錶』(net meter),用戶可以向電力公司領取發電費,形成住宅發電系統,這種新形態的電力產生方式,將引發新形態的商業競爭,間接促進低成本高效率發電技術的發展。

小型住宅發電系統的電能來源主要是日光能、風能、與天然氣[A12],日光能可藉由太陽光電池轉換為電能[A13],風能可藉由小型風力發電機轉換為電能[A14],天然氣可藉由燃料電池轉換為電能[A15]-[A16],圖3所示是一個利用日光能、風能、與天然氣的再生能源住宅發電系統,再生能源所產生的電力可直接饋入公共電網或儲存於蓄電池,其中併網型變頻器是這些電能轉換系統與市電連結的共同裝置,亦統稱之為power conditioner,負責住宅用戶的電力品質,其命名與冷氣機(air conditioner)負責住宅用戶的空氣品質有相似的意思。

3. 再生能源住宅發電系統示意圖 

再生能源的住宅發電系統與小型發電中心可形成由用戶提供電能的分散式發電系統[17]-[18],不僅可以兼顧環保的方式提供電能,促進市場導向電力經濟的發展,也可提供更可靠的電力品質。未來這種採用再生能源的住宅發電系統將有如白色家電與資訊家電一樣的廣泛的進入現代化家庭,不但具有廣大的商業發展潛力,也才能確實的從環保基礎建立優質的生活與環境品質。

關於併網型太陽光變頻器相關的研究,國內外已有相當的發展,這些研究包括新型電路架構的發展、轉換效率的改善、最大轉換能量追蹤控制、數位式併網控制技術、輸出功率因數控制、市電並聯控制、孤島效應偵測與保護技術、檢測技術等等。這些研究對於併網型太陽光變頻器的商品化已奠定了相當的基礎,然而根據美國NREL的研究,目前銷售的光伏變頻器仍然有相當多的技術問題有待改善[19]-[21]。這些問題可分為三個層面來看,其一是關於太陽能光電池效率與可靠度的改善,其二是關於光伏變頻器系統效率與單位成本(US$/Watt)的改善,其三則是關於量產技術的改善與法規的建立。為了因應未來分散式電源供應網路的發展趨勢,美日歐洲等先進國家,已開始制訂太陽能發電系統的安裝法規[22]-[26],同時也著手修改相關的電力法規。

綜上所述,可以瞭解併網型變頻器在未來分散式電力供應系統中所扮演的關鍵角色,本文特別針對其中發展最快、應用潛力最大的併網型太陽光變頻器,對其技術發展現況與趨勢作一報導。

2. 系統架構

併網型太陽光發電系統根據太陽光模組(PV module)的組合方式,可分為如圖4所示三種主要方式,中央集中式其直流鏈可提供高壓高流輸出,主要應用於大型(>5 kW)高功率三相併網發電系統;線型串聯式其直流鏈提供高壓低流輸出,主要應用於中型(2-3 kW)中功率單相三線式併網發電系統;單板模組式一塊太陽光模組配有一個專屬的PV inverter,輸出容量受限於由於單板太陽光模組的容量,一般介於75-200W,應用於小型單相併網發電系統,其優點是容易擴充。

併網型太陽光發電系統的架構主要決定於效率與成本因素,系統架構選擇的考量可參考圖5。大型的太陽光發電系統為了提高整體效率,通常採用高壓高流三相的單級式轉換架構,因此其太陽光模組的排列方式必須產生一個高壓高流的直流輸出,反之,小型太陽光發電系統由於太陽光模組低電壓的限制,單板太陽光模組的開路電壓約介於17-22VDC,因此需要以兩級方式,先經由DC-DC升壓器將低壓直流予以升壓,再經由DC-AC變流器,將直流轉換為交流輸出。

目前較常使用的單板太陽光模組其開路電壓約介於17-22 VDC,額定輸出功率約為75-100W,設計時主要根據太陽光發電系統裝置的容量與輸出電壓準位決定太陽光模組的組合方式,其系統架構的考量可參考圖6。

假設單板太陽光模組的最大輸出功率為PMP最大功率轉換電壓為VMP、最大功率轉換電流為IMP,則N x PMP即為裝置容量,為了平均以及最佳化每塊太陽光模組的輸出功率,其排列方式會採用相同型號的太陽光模組,採取N=M x L的矩陣組合方式,M x VMP即為太陽光陣列(PV array)的額定輸出電壓,L x IMP即為太陽光陣列的額定輸出電壓流。由於N, L, M均是整數,同時為了降低接線損失,會採取緊密的配置結構以降低配線長度,因此僅能產生少數幾種組合,在低功率系統會造成相當大的電壓變化,為了克服此一問題,在中低功率的併網型太陽光發電系統,其變頻器通常採用兩級式電路架構

(a) 中央集中式 (b) 線型串聯式 (c) 單板模組式

4. 太陽光發電系統的系統架構示意圖 

5. 併網型太陽光發電系統的系統架構選擇的考量 

6. 太陽光電模組系統架構設計的考量

3. 電路拓撲

設計一個高效能的太陽光變頻器,電路拓撲的選擇,扮演著非常重要的角色,因為電路拓撲主要關係著效率與成本,同時也可能涉及專利導致商業訴訟。

太陽光變頻器的電路架構基本上是一個採用輸出電流控制的直流轉換成交流的變流器(inverter),圖7是併網型太陽光變頻電路架構的分類,根據輸出的電源型式可分為單相與三相,若根據輸出電流的波形,則可分為方波式、弦波、以及堆疊近似弦波等;根據轉換級數,可分為單級式與雙級式;根據轉換電壓階數,可分為二階式、三階式與多階式;根據開關切換的方式,則可分為硬切(hard switching)與柔切(soft switching)等型式[D1]-[D12]。早期的(1985-1995)太陽光變頻器多採用雙級式架構,近年來(1996-2004)新型的太陽光變頻器多採用單雙級式架構再配合柔切電路以提高系統的效率。

圖7. 併網型太陽光變頻電路架構的分類

圖8為變壓器隔離型太陽光變頻器,可藉由變壓器調整電壓轉換範圍,因此可適用於寬廣的太陽光模組輸出電壓範圍,圖8(a)為低頻隔離型,優點是可採用低開關頻率、效率高,缺點是低頻輸出變壓器體積較大,輸出功率受限於輸出變壓器。圖8(b)為高頻隔離型,優點是體積較小,輸出級為電流饋入變流器,採用市電開關頻率界已降低損失,輸出功率因數大約0.9。

8.  變壓器隔離型太陽光變頻器

(a) Transformerless two-stage PV inverter
(b) Transformerless single-stage PV inverter

(c) Transformerless single-stage PV inverter with bi-directional switches 

圖9. 無變壓器非隔離併網型太陽光變頻器的電路架構

為了消除低頻變壓器的缺點,近年來併網型太陽光變頻器朝向無變壓器的非隔離型電路架構發展,圖9為無變壓器非隔離型太陽光變頻器。圖9(a)為兩級式非隔離型架構,前級為升壓型直流-直流轉換器,後級是一個全橋式DC-AC轉換器,直流鏈電壓約為輸出電壓RMS值的兩倍。圖9(b)為單級式非隔離型架構,其輸入電壓即為PV array的輸出電壓,因此太陽光模組必須串連產生足夠的直流鏈電壓,由於僅有單級轉換,因此可以得到較高的轉換效率。圖9(c)的輸出級包含了兩個反向的開關,其作用在於提供一個零電壓輸出(電流回流)的機制,用以降低輸出電流漣波,因此可以較低的主開關頻率達到輸出電流低總諧波失真的要求。

圖10無變壓器多階脈寬調變併網型太陽光變頻器的電

圖11全橋式零電流開關脈寬調變併網型太陽光變頻器的電路架構路架構

12多線雙級式併網型太陽光變頻器

圖11所示為單級半橋三階式併網型太陽光變頻器[E5],其優點是可以耐經由多級串聯的功率晶體提高耐壓,同時因為可以產生多層階的脈寬調變電壓,因此也可以較低的開關頻率,得到相同品質的輸出波形,但是脈寬調變控制的策略較為複雜,可採用FPGA予以實現[G17]

13. 單級半橋三階式併網型太陽光變頻器

圖14是單相三線式併網型太陽光變頻器,此種單級式架構可藉由六個開關提供兩組單相輸出,適用於一般住宅的單相三線式供電系統。圖15是三相三線式併網型太陽光變頻器,適用於5 kW以上的併網型太陽光發電系統。

14. 單相三線式併網型太陽光變頻器

15. 三相三線式併網型太陽光變頻器

為了發展應用於2.3 - 6.9 kV高壓系統的併網型變頻器,可採用較低耐壓的功率晶體予以串聯以提高其耐壓,因此發展出多階層變流器。目前多階層變流器(multilevel inverter)有三種主要的電路架構:二極體箝位型、電容箝位型、獨立直流電源串接型[D13]-[D16],各有其適合應用的場合,控制上由於多個開關之間必須做到良好的同步與平衡控制,在實現技術上是一大挑戰,目前仍是學術界重要的研究議題[D17]-[D22]。

多功能太陽光變頻器也是一個值得探討的領域,就結構而言,一個多功能太陽光變頻器必須提供太陽能、負載、市電、與電池四者之間的電力流向與調節控制,除了在電路架構上必須力求精簡,轉換效率的提升與體積的縮小也是重要的設計目標,這些技術的發展,都必須結合電力電子的專業技術並配合實際需要的發展。

4. 效率

太陽光變頻器的主要用途在於長期發電,因此可靠度與效率是重要的性能指標,商品化的太陽光變頻器效率通常高於90%,近年來其效率需求規格日益嚴苛,預估未來新型太陽光變頻器的效率必須介於95-97%。

一般的電源供應器通常強調其最高效率,並設計高效率工作點於於最常使用的工作點,已提高系統的可靠度。但是太陽光變頻器整體的效率牽涉到日照變化、最大功率工作點追蹤控制、轉換器效率、輸出功率因數、以及輸出電流的總諧波失真等等,因此其最高效率並不能充分反應其整體效率。一般評估太陽光變頻器轉換器的效率採行加權計算的平均效率,圖12是一個典型的太陽光變頻器的效率量測結果,在不同的輸入直流電壓會測得不同的效率曲線。歐洲效率的定義如圖12所示,是根據五個工作點的效率予以加權計算而得。圖13是一個典型的併網型太陽光發電系統的日照圖與發電曲線,由圖中可看出從清晨到傍晚其輸出功率隨著日照強度而變化,輸出功率變化範圍相當寬廣,因此『歐洲效率』較能反映一個太陽光變頻器的功率轉換效率。

提升光伏變頻器效率的主要關鍵在於降低主動與被動功率元件的損失,採用快速功率元件與降低開關頻率是設計的前提,但也必須顧及體積與漣波電流的限制,發展特殊的柔切電路也是必須考慮的設計方法。

12. 併網型太陽光變頻器的效率

 

5. 最大功率追蹤控制

太陽能光電池的輸出電壓與電流有非線性的特性,其輸出功率也會隨著日照與溫度的變化而改變,因此必須根據太陽能光電池所能產生的電力自動調節輸出,使其與負載相配合以達到最大的功率轉換效率。

13. 太陽光電模組的特性曲線

14. 最大功率追蹤控制的軌跡圖

關於太陽能光電池的最大功率轉換追蹤(MPPT)控制技術,國內外已有相當的研究,也發展出各種控制方法[33]-[46],諸如查表法[33]、前饋法[34]、擾動觀察法(perturbation and observation method, P&O) [35]-[43]、增量電導法(incremental conductance)[42]-[44],其中擾動觀察法由於易於實現,是較常被採用的方法,但是無可避免的會因為擾動而產生功率波動,因而造成額外的損失,因而以擾動觀察法為基礎,又發展出各種衍生的改良方法,如三點權位比較法[45]、斜率法[46]等等。

由於太陽能光電池的非線性特性,不容易根據其電壓與功率的非線性關係建立線性的控制方法,因此除了以不同的方式偵測其最大功率操作點(maximum power point)的變化,也必須發展追蹤控制的方法,前者主要是以P/V、DP/DV、或是增量式電導變化為依據,後者則是以建立小性號線性模型或是模糊邏輯控制的追蹤控制方法。由於太陽能發電系統的非線性特性,模糊控制與類神經控制方法亦應用於解決SCA最大功率轉換追蹤控制之問題[47]-[53],這些方法能彌補一些傳統控制方法的缺點,如控制參數的靈敏性、適用範圍的限制等等,但是這些方法也有其缺點,如不易實現、不易建立有效的經驗法則等等。為改善此一問題,本研究擬發展一種具有強韌特性的模糊控制方法,此方法可自動調整PID控制器的參數以達到最大功率轉換的目的。

6. 併網控制技術

一個多功能的太陽光發電系統,牽涉多種不同功能的電力轉換器,因此其中也包含許多控制的問題。在互動式太陽光變頻器系統,有兩個主要的控制問題,一是最大功率轉換追蹤控制技術(Maximum Power Point Tracking, MPPT),另一個是輸出電流控制技術。

由於太陽光發電系統將太陽能光電池所產生的功率直接轉換至市電,因此並需將電力饋入電網,其控制方式有如一個與市電電壓同步的電流控制脈寬調變反流器(PWM inverter),為了降低饋入電流對電網產生的電力諧波,因此饋入電網電流波形的總諧波失真越低越好,其控制效果有如一個輸出功率因數為1的交流電源供應器。

15. 兩級式併網型太陽光變頻器的控制架構

16. 數位式遲滯電流控制架構

17. 數位式單迴路比例積分電流控制架構

18. 單級全橋式變流器的全數位控制

19. 包含前授與回授控制的多迴路控制架構

傳統的太陽光變頻器多採用兩級式電路架構,前級是一個升壓型DC-DC轉換器,後級是一個全橋式DC-AC轉換器,由於必須經過兩次電力轉換,系統的效率難以提高。新式的太陽光變頻器則採用單級式電路架構,太陽能光電池的直流鏈電壓必須高於輸出電壓之峰值,其控制原理如一個電壓轉電流的雙向PWM DC-AC轉換器。由於必須兼顧最大功率轉換控制與輸出電流同步波形控制,因此形成一個複雜的非線性控制問題。此外,也可以利用PV inverter的雙向電力控制特性,不論是在發電模式或是主動功因控制模式,均可達到輸出功因控制的功能。

20. 併網型太陽光變頻器的脈寬調變控制

21. 正弦脈寬調變與諧波分佈

22. 選擇諧波消除脈寬調變控制方法

太陽光變頻器控制技術的發展可從幾個方面來說明,一是因應電路架構改變所衍生的控制技術[54]-[61],例如單級式或兩級式、單相或三相、硬切或柔切、有無備用電池組等等;另一是控制策略所採行的控制理論,如傳統的PID控制、或是智慧型neuro-fuzzy;還有就是因為實現方法所衍生的的控制技術,例如類比控制、微處理器控制、或是DSP/CPLD控制等等。

併網型太陽光變頻器控制的主要關鍵在於如何維持太陽光電池的最大功率轉換,同時又能夠達到低諧波失真的輸出電流同步控制,過去文獻所發表的控制方法,大多是針對特定的情況,發展其控制方法。至於,將功率轉換器的動態特性、系統干擾、輸出波形失真一併考慮的系統化設計方法,則仍有待進一步的發展。為了整體的改善系統的效能,本計畫將針對所提出的柔切單級式太陽光變頻器,發展出一個系統化的設計方法,使開關次數能夠降到最低,而仍能夠符合電源諧波規範與日照變化的動態響應。

7. 孤島效應偵測與保護技術的發展

由於太陽光變頻器必須與市電直接並聯,因此相關的保護措施必須發展完備。將電力饋入電網,可能面臨的一些技術與法規問題就必須解決,諸如電力品質、電力系統的穩定性、孤島效應、負載保護、安全規範、發電效益費計算等等。在一個分散式電源系統,電力品質將成為一個更為重要與棘手的問題,電力品質的問題包括頻率偏移、電壓波動、電源諧波、孤島效應、電源可靠度等等,而其中最重要的即是孤島效應[H1]。

當市電斷電時,太陽光變頻器若持續發電,會行成一個孤立的發電系統,由於負載變化不易掌握,一方面可能會造成局部性的電力不穩定現象,另一方面,也可能由於變頻器持續供電,相連接的電網將處於上電狀態,如此可能造成對維修人員的危險。因此,太陽光變頻器必須具備孤島效應的自動偵測功能,並且即時的將變頻器脫離電網,以保護相關連結電子系統與操作人員的安全。

23. 孤島效應偵測

關於孤島效應偵測技術的發展,已有有相當的研究[H1]-[H9],這些方法主要是偵測太陽光發電系統輸出電壓因為市電失效所導致的改變,最常見的方法是偵測電壓幅度的改變,但是由於電力系統的複雜性與不確定性,這樣的方法常會發生誤判斷的情況。為了解決此一問題,孤島效應偵測技術主要朝向兩個方向發展,一是偵測指標研究,也就是定義更為有效的量測參數,作為判斷市電斷電的依據,這其中包括:電壓、頻率、相位、乃至於波形失真、阻抗變化等等;二是判斷方法的改善,當可資評定斷電的偵測指標增加時,如何有效判定斷電的發生就成為一個複雜的問題,在這一方面,以經驗法則為基礎的智慧型控制方法,例如模糊邏輯、類神經網路、灰色理論就應用於孤島效應偵測。

8. 商品化實現技術的發展

太陽光發電系統的商業競爭關鍵主要在於效率與成本。

併網型太陽光變頻器的設計考量主要在於效率、可靠度、安全、與成本。

台灣由於地處颱風經常侵襲的地區,因此太陽光模組安裝的安全是首要的考慮因素,應加裝自動防風鎖定系統。

關於太陽光發電的研究,國內外已有相當的發展,表1列出目前額定功率約為2kW的商品化併網型太陽光變頻器。調查顯示其功率級已逐漸朝向單級式高壓DC-AC全橋式電路架構發展,太陽光電池模組已以串聯的方式提高其開路電壓,均包含最大功率追蹤控制,MPPT的電壓追蹤控制範圍介於100-400VDC,整機效率約介於92-95%,有些機種也提供網路遠端監控的功能,單位功率價格約為25-30NT/Watt。國內已有包括飛瑞、系統、茂迪等公司進行太陽光發電系統的研發。

圖24所示是太陽光發電系統的成本結構,由圖中可看出太陽光模組是成本主要來源(57%),其次是電池組(30%),在其次則是安裝成本,目前市場推廣的困難主要仍是因為太陽光模組的生產成本過高,導致整個太陽光發電系統的價格難以下降。

表1. 併網型太陽光變頻器的商品化產品

24. 太陽光發電系統的成本分析

9. 未來發展趨勢

 隨著最大功率轉換追蹤控制、輸出功因控制、並聯控制、與孤島效應保護等技術的日益成熟,這些方法也逐漸應用於商品化的太陽光變頻器,但是由於在應用狀況的多變性,例如日照的變化快慢、光電池日照的不均勻、負載阻抗特性的變化等等,太陽光變頻器的最大功率轉換追蹤控制方法,必須與功率轉換器、光電池、日照變化、溫度變化進行整體化的設計考量。利用先進的數位信號處理器將太陽光變頻器的各種控制功能整合,同時利用先進的PWM控制方法改進整體效率。

 隨著再生能源技術的發展,分散式發電系統(distributed power generation system)將得到更大的發展空間,微電子控制技術、電力電子技將應用於電力網路發電與輸配電系統,形成一個如圖25所示的智慧型分散式再生能源電力網路,未來將更進一步與資訊網路結合形成一個如圖26所示的整合資訊與電力網路的未來生活環境。整體而言,未來太陽光變頻器技術發展的趨勢如下:

太陽光變頻器架構:併網型太陽光變頻器若根據輸出電源形式可分為單相式與三相式,一般3 kVA以下的系統多為單相式,3-5 kVA之間兩者均有,5 kVA以上則多為採用三相式。由於併網型太陽光變頻器不需要電池組,當相關的配套措施發展完備時,住宅型3-5 kW單級單相三線式併網型太陽光變頻器將成為分散式太陽光發電系統的主流。

通訊網路與電力網路的整合:分散市電力發電系統,必須具備良好的系統整合與監控功能,以確保電力品質與安全,目前已有多項網路技術可應用於電力系統的即時監控,未來將發展出利用現有電力網路整合通訊網路的技術,屆時智慧型分散式發電系統、網路電錶、電力網路交易將導入日常生活,藉由網際網路可進行遠端監控與提供用戶發電紀錄與管理等功能,未來甚至可進行電力的自由交易,電力將如資訊一般可下載與上傳。

25. 多功能智慧型分散式再生能源電力網路

26. 整合資訊與電力網路的未來生活環境

10. 結 語

太陽光發電技術近年來得到了較為快速的發展,一方面肇因於石油價格的持續攀升,另一方面也因為太陽光電池矽晶片模組製造技術的改善。國內目前關於再生能源的發展,主要由能委會推動,工研院亦舉辦多次太陽光電發電系統技術研討會,對推廣太陽光發電技術的推廣具有積極的效果。工研院材料所目前積極推動太陽光發電的相關技術,特別是新型矽光電元件的發展,國內大學近年來在太陽光發電技術領域也進行了相當廣泛的研究,這些相關研究的發展,已建立我國太陽光發電的基本能力與人才培育,對未來推動新能源技術的發展,具有積極的幫助。

太陽光發電仍在初期發展階段,國際市場仍然有限,國內產業界僅有少數廠商從事太陽光變頻器的製造,產業規模仍小,相關法規也仍有待建立。然而太陽光發電未來具有廣大的發展潛力,可結合我國光電、半導體、與電力電子產業的發展,應加強產官學研的整合,落實太陽光變頻器產業技術的發展,有效提升我國在新型太陽光發電系統從元件到系統的研發與製造能力。

太陽光變頻器進一步的發展,將啟動電力穩定器的發展,電力穩定器(power conditioner, PC)是介於市電、用戶負載、與再生能源之間的電力調節系統,太陽光變頻器是其一例,DC-AC電源轉換器(變頻器)不僅可應用於併網型發電系統,也可應用於其他形式的併網型發電系統,如燃料電池、風力發電系統。以變頻器(逆變器)為核心的電力穩定器將成為未來智慧型住宅電力供應系統的核心,就有如電冰箱、空調系統一般的普及於一般家庭。


REFERENCES

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Last update: 2004/8/1