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太陽能電池最佳化設計

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前言:即便目前看似處於景氣寒冬,但「潔淨能源」相關概念的技術與產品,在全球能源短缺、環保意識抬頭前提下,成為市場熱門技術與產品,其中以太陽能電池的發展最為可行,也是目前各國致力投入開發的潔淨能源新重點…

本文:
先討論什麼是太陽能電池,其實,太陽能電池為整個太陽能發電模組的總稱,太陽能電池為使用一可受光而發電的半導體薄片,受光照後可產生電壓與電流,可稱為Solar cell太陽能電池,其產生的光電壓(Photovoltaic)其實是透過半導體吸收外在光線,透過物理反應激發電子,而激發的電量足以驅動電子電路。而將太陽光經太陽能電池板蒐集到的小電力,再將眾多電力來源(數量較多的太陽能板)加總起來的太陽能模組,所組成的單位電力即為太陽能電池。

在目前使用的各式太陽能電池中,以非晶矽的光電轉換效率為最差,約僅有5∼6%,此多用於玩具或是非商業用途的小電力商品,市場最常見的單晶矽、多晶矽太陽能電池電池效率在15%上下,此為太陽能電池模組的構成主要核心元件,除影響整體模組製品的成本外,也直接左右模組的輸出能力。

太陽能電池受光角度影響發光效率甚巨,主動追蹤系統輔助,可強化整體發電效率。(劉家任攝)

雖然太陽能電池模組標示的發電效率不同,但還需要搭配各種強化發電效率的裝置、設備,讓整體發電效能可以發揮極致表現,其中設計最關鍵的即為「追日系統」,又稱太陽光追蹤系統。

太陽能發電的關鍵在於,電池本身的效能與受光強弱,電池效能在選擇模組素材就已經受到限制(例如選擇砷化鎵太陽能電池,就擁有較高轉換效率),這屬於先天的零組件條件限制,但若後天能在透過系統予以強化發光效能,即利用集日或追日系統達到使用日照最佳化狀態,也可讓整體發電效能進一步強化,而透過系統提升發電效能的方法,要比選用高效能、高成本的太陽能板要更為經濟實惠許多。

以追日系統為例,傳統太陽能板(電池模組)設定方式為固定式設計,這會造成當太陽每日運行角度不同,與光照方向改變,就會讓整體發電效率受到影響。而追日系統除可在太陽能電池設置時就先設定最佳受光位置、角度,透過光偵測系統反饋測試數據,驅動定位馬達改變太陽能板最佳受光角度、位置,亦可讓太陽能電池模組有日照的條件下,維持最佳受光狀態(即太陽光方向與太陽能電池集電板呈現90度時),維持比固定式設置環境還要好的發光效率。

由於追日系統為採將電池模組與太陽位置、太陽光線角度同步移動的設計方式,自然可以利用物理特性將太陽能電池模組始終維持最佳化的角度位置。目前追日系統的設計,常見也有主動式與被動式兩種設計。

以成本要求觀察,其實太陽能電池設置多為固定位置,因此,太陽光的最佳日照角度、方向,可透過有計畫的環境數值資料蒐集得出,有了各季節、每日不同時段的最佳日照資料後,即可累積成驅動追日系統電池角度、位置基本資料庫,此追日系統所需要的只是驅動馬達、驅動機械組件與控制馬達運作狀態單晶片電路即可完成系統設置目標,另系統需再整合時間同步機制,維持追日角度驅動的最佳狀態。

但此種設計雖然省下主動式追日系統的即時日照偵測、追蹤電路與零件成本,且追日角度每日便話語季節差異,也可透過電腦換算取得相對數值,但實際上此種系統仍無法達到最佳化日照追蹤的目的,雖然已經接近最佳日照角度,但可能因為系統時間誤差、參考資料庫誤差與驅動機制誤差等因素,影響系統準確度。

若改用主動式日照追蹤系統,例如利用FPGA或系統單晶片開發日光追蹤系統,用於改變太陽能板的最佳發電角度與位置,透過系統即時感測目前日照最佳發電角度、位置,即可讓太陽能電池系統維持最佳發電效率。

而太陽能電池的設置,絕對不會只有單一設置而已,為達有效率發電同時增加其發電功率,多數設置環境會採陣列式設置為主,而太陽能發電陣列其實只需要一組主動日照追蹤系統,搭配同步裝置同時驅動整區太陽能陣列受光角度。而驅動太陽能發電陣列的方式,常見為利用馬達驅動,為了減少控制問題干擾,設計方法可將系統的馬達進行去耦設計,也就是2組馬達為各自獨立的驅動系統與架構,互不干擾也互不為對方負載,此可實現以最精簡的系統提供高效率的驅動設計要求。

硬體設計方面,系統需先針對驅動機制進行最佳化設計,另針對系統的平衡定位進行自動調整,即是在太陽能板或架構上,設置傾斜感應開關,避免當發生太陽能板鬆脫、故障或損壞時,驅動馬達依舊進行驅動控制,造成更嚴重的機械性損壞,也能維持整個發電系統最低的營運成本。

另系統也必須針對太陽能電池進行轉換效率最佳化偵測,藉此調整最佳化日照效率。例如,在太陽能電池加裝A/D(類比/數位)轉換器,將電池儲能資訊即時反饋給系追蹤系統處理,讓追蹤系統可以維持最佳轉換效率的馬達驅動角度,讓太陽能板的受光效率達最高。

而系統邏輯可以用嵌入式系統進行開發,開發實務中,為了維修便利,系統也必須增設人工設定模式,以避免人工設定時受限系統限制,反而無法進行過於精細的條校動作。

另外,在硬體設置方面,日照追蹤系統尚須兩個關鍵感測器,例如,在系統初始設定平衡用的水平感測開關,避免設施出現傾斜或是影響順暢運行之損壞,另針對方向開關也必須進行全面控制,以掌握光電系統的目前設定方位。

太陽能電池板大部分較重,直接驅動對系統負荷相對較重,反而必須採折衷設計方案。(劉家任攝)

而追蹤感測器可分別設於設施的四個方向,利用兩兩比對的方式找出太陽能集電板的最佳方向,若只是單純的旋轉追蹤系統,太陽能集電板可設與地面呈45度方式,換取最佳受光面,以取得最佳發電效率。

除了日照追蹤系統外,其實還可搭配多組反射鏡的方式,將日照自各個角度集中於單一集電板的設計,但這種設置方式若要配合追蹤系統運行,需進行精密的反射角度設計,硬體設置難度較高,反而採多反射鏡設置系統較常用於固定式太陽能集電板設計中,因為太陽能電池本身因為固定設置,反射板的角度比較容易完成精密定位要求。

而另1種日照追蹤系統,也有部份開發案例是將驅動裝置設於反射鏡上,反而是太陽能電池模組採固定式設計。因為太陽能電池模組體積與重量較重,若將驅動裝置設於上頭,會造成驅動系統負荷較重,系統容易發生機械故障,若將重量較種的太陽能板固定,再於反光鏡上設置追蹤、集中光源的物理透鏡反射鏡設置小型驅動電路,對於後續設備維護會更單純許多。