太陽能(Photovoltaic, PV)發(fā)電系統(tǒng)轉換效率再升級。在相同建置面積下，太陽能發(fā)電系統(tǒng)整合商應選用高光電轉換效率的電池板，并采納具備最大功率追蹤功能的逆變器，同時做好電力監(jiān)控與管理，方能最大化系統(tǒng)產(chǎn)出的電能并減少異常損壞造成的電力損失。
在相同地理環(huán)境與占地面積下，若要使太陽能發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)出電能增加，須掌握多項因素，包含要注意系統(tǒng)配置的方式，找出如何提高太陽能板轉換效率的方法，另外還有一項關鍵因素，就是如何提升逆變器的轉換效率。
因此，各家逆變器制造商在器材設計上，不僅要挑選高效率元件，以增加轉換效能，同時還有許多地方須注意。本文針對逆變器設計再進化的主題進行剖析，并提供太陽能系統(tǒng)選用逆變器的重點方向。
地理/技術條件兼具 臺灣太陽能發(fā)展前景看好
臺灣為海島型國家，初級能源極少，國內(nèi)能源供給有99%以上仰賴進口，且石化能源依存度高，因而造成溫室氣體二氧化碳(CO2)排放量逐年升高，驅使政府積極發(fā)展再生能源，以降低溫室氣體CO2的排放量，期望能提高臺灣能源自主性，并促進能源永續(xù)發(fā)展。
太陽能是一種取之不盡用之不竭的再生能源。臺灣因有北回歸線經(jīng)過，緯度偏低接近赤道，日照量充足，且從太陽能板、逆變器至土木工程與安裝，在國內(nèi)已有良好供應鏈，因此非常適合發(fā)展太陽能發(fā)電系統(tǒng)。經(jīng)濟部能源局所推廣的陽光屋頂百萬座計劃，現(xiàn)階段以鼓勵屋頂型太陽光電系統(tǒng)為主，并結合躉購費率機制(表1)，規(guī)畫于2030年推廣太陽能光電發(fā)電系統(tǒng)設置容量達到6.2GW。
一般晶矽(Silicon)太陽能板有提供10年90%及20年80%輸出效能保固，目前多晶矽與單晶矽太陽能板產(chǎn)品在標準測試條件下(照度1,000W/m2、空氣大氣光程AM1.5、溫度25℃)，其光電轉換效率已分別提升至13.6%與14.36%以上，而太陽能板價錢會隨光電轉換效率越高而越貴，但高轉換效率的太陽能板，于相同面積下可產(chǎn)出更多電能。
太陽能發(fā)電系統(tǒng)在相同建置面積中，若要使系統(tǒng)效能倍增產(chǎn)出更多潔凈電能，須注意以下幾點，包含太陽能發(fā)電系統(tǒng)的配置、太陽能板之光電轉換效率、逆變器控制技術和電能轉換效率。
分散式系統(tǒng)配置穩(wěn)定度高
國家發(fā)展太陽能發(fā)電是為了產(chǎn)生更多潔凈能源，并降低石化燃料使用，以減少CO2之排放量；而業(yè)主裝設太陽能系統(tǒng)，是為產(chǎn)生更多電能以增加營收。
在太陽能發(fā)電系統(tǒng)配置上，要減少太陽能板至逆變器的距離，以降低線路損失；線路配置時，須有良好包覆，防止電線長時間受風吹、日曬及雨淋造成絕緣劣化，使之產(chǎn)生接地阻抗過低與漏電等危險，造成逆變器功能受損；如設于落雷地區(qū)，應加裝避雷裝置，防止雷擊損壞太陽能板與逆變器，使之無法發(fā)電。
目前許多國內(nèi)太陽能發(fā)電廠裝置容量在100k?500kW區(qū)間中，若案廠裝置容量為499kW，可安裝較集中型的大功率逆變器100kW共五臺，或采用分散式較小功率的逆變器10kW共五十臺來組成。當集中型大功率逆變器一臺解聯(lián)時，將會損失約20%的發(fā)電量；反之，當分散式較小功率的逆變器一臺解聯(lián)時，只損失約2%的發(fā)電量。因此，分散式具有穩(wěn)定度高與降低損失風險之優(yōu)點。
選擇逆變器時，除注意電能轉換效率之外，也須了解逆變器之運轉電壓、最大功率追蹤(Maximum Power Point Tracking, MPPT)之范圍、MPPT之追蹤效率、操作溫度以及控制技術等，其目的不外乎根據(jù)太陽能板特性，將太陽能板產(chǎn)生之電能，竭盡的萃取出來并饋入電網(wǎng)中，以達最高效益。
多階式設計助力 逆變器提升轉換效率
以市售12kW三相逆變器為例，內(nèi)部由兩組直流對直流(DC-DC)轉換器，與一組三相直流對交流(DC-AC)轉換器所組成(圖1)。三相DC-AC轉換器采用三相多階式DC-AC轉換器，多階式DC-AC轉換器與一般DC-AC轉換器相比較，其多階式DC-AC轉換器具有功率開關切換應力較小、導通損失較小等優(yōu)點，故可提高整體逆變器之轉換效率。
逆變器控制方式左右發(fā)電效能
環(huán)境是影響太陽能發(fā)電的主因，但逆變器結構同時左右太陽能板的光電轉換效率。本段介紹DC-DC及DC-AC兩種轉換器，其在太陽能發(fā)電效能上的影響。
太陽能板上的照度會隨日照角度持續(xù)變化，而天氣、懸浮物與云層的影響也會改變照度，逆變器須具備MPPT功能，其追蹤效率的高低也是影響總輸出功率一大關鍵
DC-DC轉換器主要是將太陽能板輸出電壓提升至直流匯流排(DC Bus)電壓，此兩組DC-DC轉換器分別有兩組獨立MPPT功能，當兩串太陽能板裝設方位與角度不同，或其中一串太陽能板受遮蔽時，不會因兩串太陽能板照度不同，使其無法運轉在輸出最大功率點上，而降低發(fā)電量。
此外，一般逆變器會標示運轉電壓范圍，因照度較小時太陽能板輸出電壓較低，故此運轉電壓范圍最小值越低越好，如此有利于逆變器在照度不足的清晨及黃昏時分亦能輸出電能，延長其工作時間。
值得注意的還有MPPT操作電壓范圍，若逆變器具較寬的MPPT操作電壓范圍，有利于與各種太陽能板組合搭配。
傳統(tǒng)逆變器之轉換器使用單階結構，且操作于較高的直流匯流排電壓，但新一代的三相逆變器已改為多階式全橋DC-AC轉換器，并嵌入控制系統(tǒng)，以較低的直流匯流排電壓運轉，則可減少功率開關切換損失，進而提高逆變器之轉換效率。
效率轉換變數(shù)多 逆變器挑選須全盤考
一般在選購逆變器時，優(yōu)劣判斷的依據(jù)往往是最大轉換效率數(shù)值，而此最大轉換效率系指逆變器運轉于某特定輸入電壓與輸出功率下才會達成。但太陽能板隨著太陽照度與溫度，其輸出電壓與輸出功率一直在改變，因此，逆變器轉換效率并非為一定值。
為更明確了解逆變器在不同輸出功率的轉換效率，歐盟制定一個「歐洲能源效率(EU Energy Efficiency)」規(guī)范，在逆變器輸入某特定電壓，輸出功率分別為5%、10%、20%、30%、50%與100%時，量測其轉換效率，再依照不同輸出功率有相對的權重值以計算出歐洲能源效率。本文用一市售逆變器為例，其歐洲能源效率為97.25%(表2)，最大效率發(fā)生在輸入電壓620伏特與輸出容量60%時(圖2)，效率為97.64%。
太陽能板輸出電壓會隨照度、溫度而變化，故系統(tǒng)設置時，應考慮太陽能板的輸出電壓是否能提供逆變器運轉在最佳效率點。圖2為逆變器范例輸入電壓在450伏特、620伏特與850伏特對輸出容量之效率曲線圖，可見當設計此太陽能板輸出電壓時，最好大于并且接近620伏特，即可獲得最好的轉換效率與發(fā)電量。
目前逆變器都朝機身輕小方向設計，目的在減少單位體積以節(jié)省設置空間成本，但設計往往忽略散熱性能，造成散熱不佳等問題，結果在夏天日照充足時，機器因散熱不佳導致過溫，反而無法輸出太陽能板的最大功率，使發(fā)電量減少。
在太陽能發(fā)電廠中，當逆變器裝設于太陽能板下方，裝設距離與太陽能板越近則線路損失越少，發(fā)電效益越大；但裝設于戶外時要盡量避免太陽直射，否則機溫會大幅上升。雖然逆變器有過溫保護功能，但易使機器過溫降載而減少發(fā)電量。因此，除了逆變器轉換效率外，操作溫度范圍也會嚴重影響發(fā)電量。
確保最大轉換效率 逆變器/太陽能板搭配成關鍵
正確搭配組合太陽能板與逆變器有助于產(chǎn)生最大發(fā)電效益。在此使用前述之逆變器范例，搭配市售太陽能板規(guī)格來做說明(表3、4)。范例中逆變器最大輸入耐壓為1,000伏特，若一地區(qū)最低氣溫不會低于0℃，可計算出太陽能板開路電壓在0℃時約為48.49伏特，若串聯(lián)二十片則整串太陽能板開路電壓約為969.8伏特，仍在逆變器最大輸入耐壓內(nèi)。當整串二十片太陽能板在背板溫度60℃時輸出最大功率，其電壓約為627.62伏特，此電壓值大于并靠近此逆變器最佳運轉電壓620伏特，故能獲得最佳發(fā)電效益。
此外，臺灣日照充足但雨季集中，長時間不下雨會造成太陽能板上沉積許多落塵，將嚴重影響太陽光進入太陽能板晶片做光電轉換，因而降低發(fā)電量。所以太陽能板板面應定期清洗，使太陽能板可持續(xù)接收完整陽光，以達到最高發(fā)電效益。
具主動通報功能 監(jiān)控系統(tǒng)降低電廠營運風險
因太陽能裝置容量快速增加，電廠須有良好的管理與監(jiān)控系統(tǒng)，方便掌握裝置運轉情形，以維護太陽能發(fā)電廠持續(xù)穩(wěn)定的輸出電能(圖3)。太陽能裝置業(yè)者已開發(fā)出監(jiān)控軟體，可顯示案廠即時發(fā)電情況，方便使用者管理發(fā)電資料的儲存、收支情況、寄發(fā)報表、系統(tǒng)狀況資訊、自我健康診斷與狀況主動通知等功能。管理人員只要透過網(wǎng)路，就能以云端方式查看目前所有案廠的發(fā)電資訊；當逆變器損壞或系統(tǒng)異常時，監(jiān)控系統(tǒng)會透過云端、E-mail或簡訊通知業(yè)主，使業(yè)主當下即可發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)故障以盡速排除，減少發(fā)電損失。
除太陽能板的選擇組合外，提升逆變器轉換效率還要考量操作溫度與散熱，才能發(fā)揮到最大電能產(chǎn)出。在管理方面，須有一套適合的監(jiān)控軟體，方便使用者管理所有案廠發(fā)電情況，以維持良好的發(fā)電效益。
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