太阳能发电配电设计概要

配電工程（十二）太陽能發電配電設計概要主講人：王廷興博士台北科技大學冷凍空調系教授消防設備師，電機技師，建管甲級技術士，合格仲裁人，升降梯檢查員目錄一、專用術語說明二、系統架構說明三、孤島效應四、發電原理五、實務應用系統六、實務系統設計及實例七、太陽能電池模板規範摘要八、市電相關規定一、專用術語說明

以下模板或組列之電氣特性係指於標準測試條件(模板溫度25°C，AM1.5，1,000W/m2日照)下模板或組列的輸出電氣特性。

太陽光發電系統(Photovoltaicsystem)：以太陽電池組列為主之再生能源發電系統。太陽電池模板(solarmodule)：以太陽電池(Solarcell)經串、併聯及封裝製成之發電應用單元(unit)。太陽電池組列(solararray)：以太陽電池模板經排列及串、併聯組成之發電系統組件。最大輸出功率(Maximumpower,Pmax)：太陽電池模板或組列於標準測試條件之下最大輸出功率。最大輸出功率電壓(Maximumpowervoltage,Vmax)：太陽電池模板或組列於最大輸出功率時之電壓值。仟峰瓦(kWp)：以仟瓦為單位之太陽電池組列最大輸出功率。開路電壓(Opencircuitvoltage,Voc)：太陽電池模板或組列於標準測試條件之下開路電壓值(電流為零)。短路電流(Shortcircuitcurrent,Isc)：太陽電池模板或組列於標準測試條件之下短路電流值(電壓為零)。最大功率追蹤(MaximumPowerPointTracking,MPPT)：直/交流轉換器以不斷調整輸入電壓或電流之方式，使太陽電池組列可隨時保持在最大功率輸出之功能。

目錄一、專用術語說明二、系統架構說明三、孤島效應四、發電原理五、實務應用系統六、實務系統設計及實例七、太陽能電池模板規範摘要八、市電相關規定二、系統架構說明1.可再生能源并网發電應用的背景22燃料电池●独立供电系统－PV组件－蓄电池－充放电控制器

●并网系统－PV组件－并网逆变器－计量装置－公用电网DC负载逆变器+AC负载2.光伏发电系统的组成3.几种常见光伏建筑用并网逆变器的拓朴结构直接逆变系统工频隔离系统高频隔离系统多DC-DC（MPPT）、单逆变系统高频不隔离系统工作方式：早晨弱光时由幾台逆变器中随機一台開始工作。當第一台满功率时接入第二台逆变器，依次投入。傍晚弱光时逐台退出。优点：降低空载损耗，充分利用了太陽能。逆变器轮流工作，延長寿命。缺点：光伏阵列全部並联，並联损耗较大，要求光伏阵列朝向一致。4.大型光伏电站的技術方案三台逆变器一天中的运行状况图5.

主从供电技術方案的實際並用目錄一、專用術語說明二、系統架構說明三、孤島效應四、發電原理五、實務應用系統六、實務系統設計及實例七、太陽能電池模板規範摘要八、市電相關規定三、孤島效應 所谓孤岛效应是指当电网的部分线路因故障或维修而停电时，停电线路由所连的并网发电装置继续供电，并连同周围负载构成一个自给供电的孤岛的现象。孤岛效應發生的机理

光伏并网发电系统的功率流图

网侧开关K跳开后孤岛若功率匹配，则a处电压及其频率变化不大，逆变器将继续向负载供电，形成由光伏并网发电系统和周围负载构成的一个自给供电的孤岛。孤岛效应发生的充要条件是：功率匹配发电装置提供的有功功率与负载的有功功率相匹配发电装置提供的无功功率与负载的无功功率相匹配即满足相位平衡关系：。孤岛效应发生的充要条件反孤岛效应：非计划的,不受控,必须禁止; 利用孤岛效应：有计划的,提高了对重要负荷供电的可靠性,需要加入新的控制策略,甚至需要对分布式发电系统结构的重新配置,目前存在一系列技术和经济障碍.孤岛效应使电压及其频率失去控制，电压和频率可能发生较大的波动，从而对电网和用户设备造成损坏；孤岛系统被重新接入电网时，由于重合闸时系统中的分布式发电装置可能与电网不同步，可能使电路断路器装置受到损坏，并且可能产生很高的冲击电流，从而损害孤岛系统中的分布式发电装置，甚至导致电网重新跳闸；孤岛效应可能导致故障不能清除（如接地故障或相间短路故障），可能损害电网设备，并且干扰电网正常供电的自动或手动恢复；孤岛效应使得一些被认为已经与所有电源断开的线路带电，这会给相关人员（如电网维修人员和用户）带来电击的危险!!!孤岛效应不利的影响目錄一、專用術語說明二、系統架構說明三、孤島效應四、發電原理五、實務應用系統六、實務系統設計及實例七、太陽能電池模板規範摘要八、市電相關規定四、發電原理 利用電位差發電，無電磁波產生太陽電池(solarcell)是以半導體製程的製作方式做成的，其發電原理是將太陽光照射在太陽電池上，使太陽電池吸收太陽光能透過圖中的p-型半導體及n-型半導體使其產生電子(負極)及電洞(正極)，同時分電子與電洞而形成電壓降，再經由導線傳輸至負載。 簡單的說，太陽光電的發電原理，是利用太陽電池吸收0.2μm～0.4μm波長的太陽光，將光能直接轉變成電能輸出的一種發電方式。 由於太陽電池產生的電是直流電，因此若需提供電力給家電用品或各式電器則需加裝直/交流轉換器，將直流電轉換成交流電，才能供電至家庭用電或工業用電。

太陽電池材料種類說明

太陽電池種類

半導體材料

市場模組發電轉換效率

矽(硅)silicon

目前太陽光電系統中應用最為廣泛

晶矽

Crystalline單晶矽

SingleCrystallin

12~20%

多晶矽

PolyCrystallin

10~18%

非晶矽

AmorphousSi、SiC、SiGe、SiH、SiO

6~9%

多化合物Compound

應用於太空及聚光型太陽光電系統

單晶

SingleCrystallin

GaAs、InP

18~30%

多晶

PolyCrystallin

CdS、CdTe、CuInse

10~12%

奈米及有機

Nano&Organic

應用於有機太陽電池，屬研發階段

TiO2

1%以下

模板陣列說明

常見的太陽電池及模板外觀

單晶矽

又稱為單結晶、晶圓型。製程貴，發電量佳，

礙於晶圓型式，多半截圓型或圓弧造型，舖設時面積上無法達到最大利用及吸收。

多晶矽

又稱為多結晶。製程上較便宜，發電量略遜單晶矽，可截為正方形，舖設時可達到最大面積利用及吸收。其晶狀分佈，具有應N效果，可為建築物外觀加分。另外，雖其結理易造成碎裂，但晶體可再利用做為項鍊等裝飾品。

非晶矽(可撓式) 成本便宜，發電率較差，且容易造成裂質化。但由於可直接鍍在玻璃及塑膠上面，與建築物可做最佳結合。除可做太陽光電系統發電用，室內型民生消費品也常見其應用，如：電子計算機、搖頭娃娃、玩具等。

目錄一、專用術語說明二、系統架構說明三、孤島效應四、發電原理五、實務應用系統六、實務系統設計及實例七、太陽能電池模板規範摘要八、市電相關規定五、實務應用系統獨立系統示意圖 使用蓄電池，白天太陽光電系統發電，並供負載及充電，夜間由電池供電，可以自給自足。定義：使用蓄電池且換流器(Inverter)無逆送電功能之太陽光電發電系統。

適用地點：高山、離島、基地台…等市電無法到達處

工作方式：白天

PV發電供負載並充電、夜間由電池供電，可以自給自足(必需搭配蓄電池)考慮點：

系統設計考慮因素多(組列、蓄電池容量、負載與陰天日數等安全係數，最佳化設計複雜)一般充電控制器無

MPPT，搭配蓄電池使發電效能較差

蓄電池每日>50%DOD深度放電、>0.2C充電，壽命短

太陽光發電量與負載需求量不搭配時、太陽光之發電能量利用率偏低(負載需求搭配與安全係數為互相矛盾之設計)PV-柴油發電機，PV-風力...等混合系統為改善之方法

市電負載併聯，平時與太陽光電系統併聯發電，並供負載，不夠的電由台電供電。好比將市電電力系統當作一個無限大、無窮壽命的免費蓄電池。

併聯系統示意圖定義：換流器(Inverter)具有逆送電功能，可操作於併聯模式之太陽光電發電系統。

適用地點：電力正常送達之任何地點

工作方式

：白天

PV系統併聯發電、夜間由台電供電。方

將市電電力系統當作一個無限大、無窮壽命的免費蓄電池

優點：系統簡單、不需安全係數設計、維護容易。

具最大功率追蹤(MPPT)，發電效率高。

太陽光之發電能量利用率高

缺點：

停電時為將自動關機，因而無電可用，無防災功能。

一般併聯型Inverter無法直接搭配蓄電池使用(具特殊功能者例外)系統範例

應用領域民生

收音機、測電表、手錶、計算機、太陽能照相機、手電筒、電池充電器、野營燈

道路、交通

路燈、交通號誌、道路指示牌、標誌燈、太陽能電動車充電站、高速公路緊急電話、偏遠道路緊急電話、停車計時器、停車場控制門系統、高速公路防音壁PV系統、公路休息區PV系統、太陽能車、平交道指示燈、候車亭PV系統、車站屋頂型PV系統

農林漁牧

農宅用電、溫室栽培PV系統、農業灌溉用、自動灑水系統、農牧電籬、牛乳冷藏、漁業養殖揚水通氣、自動餵食器

通訊

無線通信用、中繼站基地台、緊急電話中繼站、電話通信PV系統、Radio受信PV系統、微波中繼站

建築物

住宅用供電系統、緊急供電系統、緊急照明系統、帷幕牆、遮陽棚、採光罩、屋瓦

產業用

緊急供電系統、管線電氣防蝕、輸油管流量計PV系統、市場廣告塔、海上石油平台、各種計測站PV系統、發電廠情報指揮中心

緊急防災

勤務指揮中心、緊急避難所、醫療院所、公園、學校、地震觀測站、森林嘹望台、避難指示燈、氣象觀測所、水位警報PV系統、河川安全燈、防波堤安全PV燈

離島、偏遠區

中途驛站電化PV、離島用PV系統、山岳地帶PV系統

緊急供電之效益分析

系統設置成本高：

建議使用於邊際效益高之用電（防災、緊急輔助電力）。總體經濟效益：

減少環境污染、解決尖峰用電之不足與短缺、能源多元化之風險分擔與開創自主能源。遮蔽陽光直曬：

降低建築物之熱效應（被動省能）；同時轉換太陽光為電能，供應建物自主能源（主動節能），一舉兩得。緊急電力設備之比較柴油發電機

太陽光發電系統

設置費用

1kW=2~3萬元

1kW=30萬元

使用壽命

7~10年

20年

使用燃料

柴油

太陽光潔淨能源（免費）

系統運作

加ATS，停電時方可啟動，需人員每月定期測試運轉

平時、緊急時均可使用，隨時可了解運轉狀況，不須操作

設置空間

設備、煙管、隔音、油槽需室內空間

利用露台、屋頂、牆面空間

缺點

噪音、空污、油料運輸、儲油危險、維運成本高

夜間不發電（可利用蓄電池設計供電，年維運費0.2﹪）

總發電度數（1kw計）

（年停電＋年測試運轉時數）×10年＝（20min×6次＋15min×12月）×10年＝5hr×1kW×10年＝50kWh

日發電度數×365天×20年＝3hr×1kW×365天×20年＝21900kWh（度）

每度電成本

2萬元÷50kWh＝400元/度

30萬元÷21900kWh＝13.7元/度

風險分析運用多元化能源分擔風險情況比較說明如下：市電-->停電時風險極高。市電＋柴油發電機-->發電機故障時風險高。 市電＋柴油發電機＋太陽光發電系統-->發揮三者優點：互補，同時故障機率小，風險最低。

目錄一、專用術語說明二、系統架構說明三、孤島效應四、發電原理五、實務應用系統六、實務系統設計及實例七、太陽能電池模板規範摘要八、市電相關規定六、實務系統設計及實例電力需求估算：

平時：

緊急時：

模組面積估算：．日照強度：1kW/m2

．日照時間：3.84h/d．模板效率：12﹪電力需求÷（日照強度×日照時間×模板效率×綜合係數）

綜合係數：溫度變化、污損、線損、Inverter效率＋蓄電池充放電補償

平時：0.65~0.8緊急時：0.57

設置容量計算：

模板效率依太陽電池種類而異

太陽發電系統設置容量＝設置面積×日照強度×模板效率

發電量計算：太陽發電系統發電量＝設置容量×日照時間×綜合係數

是否符合電力需求估算

進行模板陣列及蓄電池容量設計

模板陣列設計：

模板功率：W模板輸出電壓：V直交流轉換器(Inverter)輸入電壓：V陣列串聯數＝Inverter輸入電壓÷模板輸出電壓

單串功率：

陣列併列數＝設置容量÷單串功率

選擇最佳陣列：

最佳陣列：較經濟之設置容量

串併數設計：·

蓄電池電壓：/個·

蓄電池容量：Ah/個Inverter電壓：

輸入電壓額定電壓

VV

VV

串聯數＝Inverter額定電壓÷蓄電池電壓

併列數＝蓄電池需求容量÷Inverter額定電壓

蓄電池數量＝個×列＝個蓄電池需求容量設計：·

補償係數：1.45無日照天數：日蓄電池需求容量＝緊急電力需求×無日照天數×補償係數

補償係數：蓄電池內阻抗、放電停止電壓、電壓降低補償

蓄電池需求容量＝案例電力需求估算：

平時：

緊急時：

115kWh/d；770人用電量

83.2kWh/d；500人用電量

模組面積估算：．日照強度：1kW/m2

．日照時間：3.84h/d．模板效率：12﹪電力需求÷（日照強度×日照時間×模板效率×綜合係數）

綜合係數：溫度變化、污損、線損、Inverter效率＋蓄電池充放電補償

平時：0.65~0.8緊急時：0.57

115kWh/d÷1kW/m2÷3.84h/d÷12﹪÷0.75＝332m2

83.2kWh/d÷1kW/m2÷3.84h/d÷12﹪÷0.57＝317m2

設置容量計算：

模板效率依太陽電池種類而異

太陽發電系統設置容量＝設置面積×日照強度×模板效率

332m2×1kW/m2×12﹪＝39.8kW≒40kW

發電量計算：太陽發電系統發電量＝設置容量×日照時間×綜合係數

平時：

40kW×3.84h/d×0.75＝115.2Wh/d

緊急時：

40kW×3.84h/d×0.57＝87.5kWh/d

是否符合電力需求估算

進行模板陣列及蓄電池容量設計

模板陣列設計：

模板功率：120W模板輸出電壓：16.9V直交流轉換器(Inverter)輸入電壓：300V陣列串聯數＝Inverter輸入電壓÷模板輸出電壓

300V÷16.9V＝17.75片（取整數17or18）

單串功率：

17片×120W＝2040W

18片×120W＝2160W

陣列併列數＝設置容量÷單串功率

40kW÷17片/串÷120W＝19.6列≒20列

40kW÷18片/串÷120W＝18.5列≒19列

選擇最佳陣列：

最佳陣列：較經濟之設置容量

120W×17片/串×20列＝40800W＝340片(最佳陣列)

120W×18片/串×19列＝41080W＝342片

串併數設計：·

蓄電池電壓：2V/個·

蓄電池容量：200Ah/個Inverter電壓：

輸入電壓額定電壓

300V288V

200V192V

串聯數＝Inverter額定電壓÷蓄電池電壓

288V÷2V＝144個併列數＝蓄電池需求容量÷Inverter額定電壓120640Wh÷288V÷200Ah＝2.1列≒2列蓄電池數量＝144個×2列＝288個蓄電池需求容量設計：·

補償係數：1.45無日照天數：1日蓄電池需求容量＝緊急電力需求×無日照天數×補償係數

補償係數：蓄電池內阻抗、放電停止電壓、電壓降低補償

蓄電池需求容量＝83.2kWh/d×1d×1.45＝120.64kWh

目錄一、專用術語說明二、系統架構說明三、孤島效應四、發電原理五、實務應用系統六、實務系統設計及實例七、太陽能電池模板規範摘要八、市電相關規定七、太陽能電池模板規範摘要本規範僅供太陽光電發電系統設置施工之參考。所有太陽電池模板產品宜具有下列各項測試證明：最大輸出功率(Pmax)、開路電壓(Voc)、短路電流(Isc)、操作電壓(Vop)、操作電流(Iop)；測試標準(Standardcondition)為：AM1.5，光強度1000W/m2，溫度25℃。測試標準陸上使用(一般地區)：IEC-61215、IEC-61646、UL-1703、IEEE-1262。海洋上或濱海地區：IEC-61701、ASTM1597。測試認證單位如下列機構等：EuropeanSolarTestInstallation(ESTI)Laboratory、UnderwritersLaboratories、PhotovoltaicTestingLaboratoryatArizonaStateUniversity(PTL-ASU)、TUV或其他獲得中華民國實驗室認證體系及其相互承認的其他認證體系認可的太陽電池模板測試認證單位。PVmodule保證使用期限 對所有太陽電池模板，其最大輸出功率(Pmax)在10年內不得小於額定功率(ratedPower)的85%。目錄一、專用術語說明二、系統架構說明三、孤島效應四、發電原理五、實務應用系統六、實務系統設計及實例七、太陽能電池模板規範摘要八、市電相關規定八、市電相關規定發電設備併接於低壓系統者，其總容量未滿100kW且技術無困難者，得併接於單相三線110V/220V，三相三線220V之配電系統；若總容量在100kW以上而未滿500kW，得分別併接於3相4線220V/380V之配電系統。發電設備總容量在500kW以上而未滿5,000kW/10,000kW且技術無困難者，得分別併接於11.4KV/22.8KV之高壓配電系統。電設備總容量在10,000kW以上而未滿40,000kW者，得併接於特高壓之系統。發電設備總容量在40,000kW以上者，依個案研討分類。併聯系統之分類 發電系統經由110V/220V併接於電業之配電系統者，發電設備至少應具備下列保護功能：過電壓保護。低電壓保護。低頻保護。高頻保護。過電流保護。零相過電壓接地保護。發電設備為無逆送電力者須加裝逆電力保護。發電設備為有逆送電力者