太陽能發(fā)電配電設計概要

配電工程（十二）太陽能發(fā)電配電設計概要主講人：王廷興博士臺北科技大學冷凍空調(diào)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(tǒng)架構說明三、孤島效應四、發(fā)電原理五、實務應用系統(tǒng)六、實務系統(tǒng)設計及實例七、太陽能電池模板規(guī)範摘要八、市電相關規(guī)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(fā)電系統(tǒng)(Photovoltaicsystem)：以太陽電池組列為主之再生能源發(fā)電系統(tǒng)。太陽電池模板(solarmodule)：以太陽電池(Solarcell)經(jīng)串、併聯(lián)及封裝製成之發(fā)電應用單元(unit)。太陽電池組列(solararray)：以太陽電池模板經(jīng)排列及串、併聯(lián)組成之發(fā)電系統(tǒng)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(diào)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(tǒng)架構說明三、孤島效應四、發(fā)電原理五、實務應用系統(tǒng)六、實務系統(tǒng)設計及實例七、太陽能電池模板規(guī)範摘要八、市電相關規(guī)定二、系統(tǒng)架構說明1.可再生能源并網(wǎng)發(fā)電應用的背景22燃料電池●獨立供電系統(tǒng)－PV組件－蓄電池－充放電控制器

●并網(wǎng)系統(tǒng)－PV組件－并網(wǎng)逆變器－計量裝置－公用電網(wǎng)DC負載逆變器+AC負載2.光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成3.幾種常見光伏建筑用并網(wǎng)逆變器的拓樸結構直接逆變系統(tǒng)工頻隔離系統(tǒng)高頻隔離系統(tǒng)多DC-DC（MPPT）、單逆變系統(tǒng)高頻不隔離系統(tǒng)工作方式：早晨弱光時由幾臺逆變器中隨機一臺開始工作。當?shù)谝慌_滿功率時接入第二臺逆變器，依次投入。傍晚弱光時逐臺退出。優(yōu)點：降低空載損耗，充分利用了太陽能。逆變器輪流工作，延長壽命。缺點：光伏陣列全部並聯(lián)，並聯(lián)損耗較大，要求光伏陣列朝向一致。4.大型光伏電站的技術方案三臺逆變器一天中的運行狀況圖5.

主從供電技術方案的實際並用目錄一、專用術語說明二、系統(tǒng)架構說明三、孤島效應四、發(fā)電原理五、實務應用系統(tǒng)六、實務系統(tǒng)設計及實例七、太陽能電池模板規(guī)範摘要八、市電相關規(guī)定三、孤島效應 所謂孤島效應是指當電網(wǎng)的部分線路因故障或維修而停電時，停電線路由所連的并網(wǎng)發(fā)電裝置繼續(xù)供電，并連同周圍負載構成一個自給供電的孤島的現(xiàn)象。孤島效應發(fā)生的機理

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的功率流圖

網(wǎng)側開關K跳開后孤島若功率匹配，則a處電壓及其頻率變化不大，逆變器將繼續(xù)向負載供電，形成由光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)和周圍負載構成的一個自給供電的孤島。孤島效應發(fā)生的充要條件是：功率匹配發(fā)電裝置提供的有功功率與負載的有功功率相匹配發(fā)電裝置提供的無功功率與負載的無功功率相匹配即滿足相位平衡關系：。孤島效應發(fā)生的充要條件反孤島效應：非計劃的,不受控,必須禁止; 利用孤島效應：有計劃的,提高了對重要負荷供電的可靠性,需要加入新的控制策略,甚至需要對分布式發(fā)電系統(tǒng)結構的重新配置,目前存在一系列技術和經(jīng)濟障礙.孤島效應使電壓及其頻率失去控制，電壓和頻率可能發(fā)生較大的波動，從而對電網(wǎng)和用戶設備造成損壞；孤島系統(tǒng)被重新接入電網(wǎng)時，由于重合閘時系統(tǒng)中的分布式發(fā)電裝置可能與電網(wǎng)不同步，可能使電路斷路器裝置受到損壞，并且可能產(chǎn)生很高的沖擊電流，從而損害孤島系統(tǒng)中的分布式發(fā)電裝置，甚至導致電網(wǎng)重新跳閘；孤島效應可能導致故障不能清除（如接地故障或相間短路故障），可能損害電網(wǎng)設備，并且干擾電網(wǎng)正常供電的自動或手動恢復；孤島效應使得一些被認為已經(jīng)與所有電源斷開的線路帶電，這會給相關人員（如電網(wǎng)維修人員和用戶）帶來電擊的危險!!!孤島效應不利的影響目錄一、專用術語說明二、系統(tǒng)架構說明三、孤島效應四、發(fā)電原理五、實務應用系統(tǒng)六、實務系統(tǒng)設計及實例七、太陽能電池模板規(guī)範摘要八、市電相關規(guī)定四、發(fā)電原理 利用電位差發(fā)電，無電磁波產(chǎn)生太陽電池(solarcell)是以半導體製程的製作方式做成的，其發(fā)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(chǎn)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(jīng)由導線傳輸至負載。 簡單的說，太陽光電的發(fā)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(fā)電方式。 由於太陽電池產(chǎn)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(yè)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(fā)電轉換效率

矽(硅)silicon

目前太陽光電系統(tǒng)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(tǒng)

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(fā)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(fā)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(fā)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(fā)電率較差，且容易造成裂質(zhì)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(tǒng)發(fā)電用，室內(nèi)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(tǒng)架構說明三、孤島效應四、發(fā)電原理五、實務應用系統(tǒng)六、實務系統(tǒng)設計及實例七、太陽能電池模板規(guī)範摘要八、市電相關規(guī)定五、實務應用系統(tǒng)獨立系統(tǒng)示意圖 使用蓄電池，白天太陽光電系統(tǒng)發(fā)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(fā)電系統(tǒng)。

適用地點：高山、離島、基地臺…等市電無法到達處

工作方式：白天

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

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

市電負載併聯(lián)，平時與太陽光電系統(tǒng)併聯(lián)發(fā)電，並供負載，不夠的電由臺電供電。好比將市電電力系統(tǒng)當作一個無限大、無窮壽命的免費蓄電池。

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

適用地點：電力正常送達之任何地點

工作方式

：白天

PV系統(tǒng)併聯(lián)發(fā)電、夜間由臺電供電。方

將市電電力系統(tǒng)當作一個無限大、無窮壽命的免費蓄電池

優(yōu)點：系統(tǒng)簡單、不需安全係數(shù)設計、維護容易。

具最大功率追蹤(MPPT)，發(fā)電效率高。

太陽光之發(fā)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(lián)型Inverter無法直接搭配蓄電池使用(具特殊功能者例外)系統(tǒng)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(tǒng)、高速公路防音壁PV系統(tǒng)、公路休息區(qū)PV系統(tǒng)、太陽能車、平交道指示燈、候車亭PV系統(tǒng)、車站屋頂型PV系統(tǒng)

農(nóng)林漁牧

農(nóng)宅用電、溫室栽培PV系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)灌溉用、自動灑水系統(tǒng)、農(nóng)牧電籬、牛乳冷藏、漁業(yè)養(yǎng)殖揚水通氣、自動餵食器

通訊

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

建築物

住宅用供電系統(tǒng)、緊急供電系統(tǒng)、緊急照明系統(tǒng)、帷幕牆、遮陽棚、採光罩、屋瓦

產(chǎn)業(yè)用

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

緊急防災

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

離島、偏遠區(qū)

中途驛站電化PV、離島用PV系統(tǒng)、山岳地帶PV系統(tǒng)

緊急供電之效益分析

系統(tǒng)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）?？傮w經(jīng)濟效益：

減少環(huán)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(chuàng)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(jié)能），一舉兩得。緊急電力設備之比較柴油發(fā)電機

太陽光發(fā)電系統(tǒng)

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(tǒng)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(nèi)空間

利用露臺、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(fā)電（可利用蓄電池設計供電，年維運費0.2﹪）

總發(fā)電度數(shù)（1kw計）

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

日發(fā)電度數(shù)×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(fā)電機-->發(fā)電機故障時風險高。 市電＋柴油發(fā)電機＋太陽光發(fā)電系統(tǒng)-->發(fā)揮三者優(yōu)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(tǒng)架構說明三、孤島效應四、發(fā)電原理五、實務應用系統(tǒng)六、實務系統(tǒng)設計及實例七、太陽能電池模板規(guī)範摘要八、市電相關規(guī)定六、實務系統(tǒng)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(shù)）

綜合係數(shù)：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(fā)電系統(tǒng)設置容量＝設置面積×日照強度×模板效率

發(fā)電量計算：太陽發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量＝設置容量×日照時間×綜合係數(shù)

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(lián)數(shù)＝Inverter輸入電壓÷模板輸出電壓

單串功率：

陣列併列數(shù)＝設置容量÷單串功率

選擇最佳陣列：

最佳陣列：較經(jīng)濟之設置容量

串併數(shù)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(lián)數(shù)＝Inverter額定電壓÷蓄電池電壓

併列數(shù)＝蓄電池需求容量÷Inverter額定電壓

蓄電池數(shù)量＝個×列＝個蓄電池需求容量設計：·

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

補償係數(shù)：蓄電池內(nèi)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(shù)）

綜合係數(shù)：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(fā)電系統(tǒng)設置容量＝設置面積×日照強度×模板效率

332m2×1kW/m2×12﹪＝39.8kW≒40kW

發(fā)電量計算：太陽發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量＝設置容量×日照時間×綜合係數(shù)

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(lián)數(shù)＝Inverter輸入電壓÷模板輸出電壓

300V÷16.9V＝17.75片（取整數(shù)17or18）

單串功率：

17片×120W＝2040W

18片×120W＝2160W

陣列併列數(shù)＝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(jīng)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(shù)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(lián)數(shù)＝Inverter額定電壓÷蓄電池電壓

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

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

補償係數(shù)：蓄電池內(nèi)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(tǒng)架構說明三、孤島效應四、發(fā)電原理五、實務應用系統(tǒng)六、實務系統(tǒng)設計及實例七、太陽能電池模板規(guī)範摘要八、市電相關規(guī)定七、太陽能電池模板規(guī)範摘要本規(guī)範僅供太陽光電發(fā)電系統(tǒng)設置施工之參考。所有太陽電池模板產(chǎn)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(qū))：IEC-61215、IEC-61646、UL-1703、IEEE-1262。海洋上或濱海地區(qū)：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(nèi)不得小於額定功率(ratedPower)的85%。目錄一、專用術語說明二、系統(tǒng)架構說明三、孤島效應四、發(fā)電原理五、實務應用系統(tǒng)六、實務系統(tǒng)設計及實例七、太陽能電池模板規(guī)範摘要八、市電相關規(guī)定八、市電相關規(guī)定發(fā)電設備併接於低壓系統(tǒng)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(tǒng)；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(tǒng)。發(fā)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(tǒng)。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(tǒng)。發(fā)電設備總容量在40,000kW以上者，依個案研討分類。併聯(lián)系統(tǒng)之分類 發(fā)電系統(tǒng)經(jīng)由110V/220V併接於電業(yè)之配電系統(tǒng)者，發(fā)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(fā)電設備為無逆送電力者須加裝逆電力保護。發(fā)電設備為有逆送電力者