太阳能功率优化器的发展状况.doc

Feb 16, 2011太陽能太陽能功率優化器提高太陽光電系統發電量為多家業者關注焦點2011/02/16-20110216-716-陳思吟內文目錄陰影遮蔽使太陽光電系統發電功率下降功率優化器的架構搭配功率優化器的太陽光電系統優點功率優化器投入業者概況結語圖表目錄太陽能功率優化器安裝架構太陽能模組受遮蔽後功率損失44%DC-DC功率優化器搭配系統串聯架構使用Solar Magic後可大幅減少遮蔽造成的功率損失DC-DC功率優化器搭配並聯系統架構並聯架構的太陽光電系統可減少遮蔽造成的損失串聯與並聯太陽能功率優化器比較功率優化器改善陰影遮蔽影響，提高發電量投入功率優化器開發的廠商美國國家半導體將SM3320晶片內建於接線盒Tigo Energy的太陽能功率優化器產品組合eIQ的並聯型太陽能功率優化器產品組合太陽能功率優化器發展具市場潛力太陽能功率優化器業者合作開發模式共 14 個圖表在2010年10月美國加州洛杉磯的Solar Power International展覽可觀察到太陽能功率優化器產品，如雨後春筍般冒出。美國創投基金投入相當多資本於此類公司，無不看好此類產品未來5年內的爆發性成長潛力。太陽能功率優化器為近幾年才研發出來的市場新產品，其主要概念是將太陽能逆變器中的最大功率追蹤(Maximum Power Point Tracking；MPPT)運算功能獨立出來，安置於每塊模組背後，使每塊模組可獨立進行MPPT追蹤，大幅改善傳統太陽光電系統在陰影遮蔽下導致的功率損失，約可提高系統發電效率25%以上。且太陽光電系統搭配使用功率優化器後，可更有效利用屋頂面積，增加系統設置彈性，也大幅提高系統安全性。在美國國家半導體於2009年成功推出第1款功率優化器Solar Magic後，多家相關業者投入研發，並吸引創投基金目光。此市場尚為新興市場，各家業者推出的產品皆問市不久，於2010年美國加州Solar Power International展可見到不少相關產品展出。也有不少業者表達想投入開發的意願。目前投入開發太陽能功率優化器業者多於2009年後成立，且大多集中於北美。太陽能功率優化器安裝架構資料來源：SolarEdge，2011/2 陰影遮蔽使太陽光電系統發電功率下降在一般太陽光電系統架構下，只要其中一塊模組受遮蔽，此塊模組便成為電流輸出瓶頸，整串模組輸出功率因而大幅下降，以美國國家半導體所進行實驗為例，遮蔽造成的發電損失高達44%。因此系統業者在安裝設計屋頂系統時，須花時間評估安裝點的遮蔽問題，儘量避免把具遮蔽問題的區塊列入安裝區。太陽能模組受遮蔽後功率損失44%資料來源：National Semiconductor，DIGITIMES整理，2011/2 為改善陰影遮蔽問題，美國國家半導體(National Semiconductor)研發出Solar Magic，即功率優化器(Power Optimizer)，使用Solar Magic搭配模組，可改善陰影遮蔽問題，也可在過去具遮蔽問題的區塊，安裝模組，增加系統設置的面積。功率優化器的架構目前市面上推出的功率優化器有2種。大多廠商推出的為不具升壓功能的功率優化器，直接附加於模組，模組間以串聯架構連接。另外也有廠商研發出具升壓功能的功率優化器，模組在附加功率優化器後，可直接將電壓提高到太陽能逆變器可轉換的電壓，因此模組間以並聯架構連接。 串聯架構搭配串聯系統架構下的功率優化器可直接針對模組做最大功率追蹤(Maximum Power Point Tracking；MPPT)，最大化每個太陽能模組的功率輸出，最後再將輸出的直流電送到逆變器轉成交流電輸出。而當陰影發生時，功率優化器能彼此協調電壓電流分配，將陰影遮蔽的影響降到最小。DC-DC功率優化器搭配系統串聯架構資料來源：Enecsys，DIGITIMES，2011/2 以美國國家半導體研發的功率優化器Solar Magic為例，在陰影發生時，Solar Magic能監測到受遮蔽模組電壓電流狀況，透過運算與協調各模組電壓電流，僅有受遮蔽的模組發電量下降，其他模組不受影響，大幅降低陰影遮蔽的影響，提升整體系統的發電量。使用Solar Magic後可大幅減少遮蔽造成的功率損失資料來源：National Semiconductor，DIGITIMES整理，2011/2 並聯架構搭配部分業者推出具升壓功能的功率優化器，將一個電壓僅40V的模組，升壓到太陽能逆變器規定的輸入直流電壓200800V，再由太陽能逆變器將直流電轉成交流電。如此一來，太陽能模組可以並聯架構連接，單個太陽能模組損壞或受到遮蔽，並不影響其他模組發電。且在模組設計上更具彈性。DC-DC功率優化器搭配並聯系統架構資料來源：Enecsys，DIGITIMES，2011/2 以美國廠商eIQ所做測試為例，可觀察到在並聯架構下，僅受遮蔽的模組輸出功率下降，其他模組並不受影響。目前推出具升壓功能的功率優化器廠商僅有美國eIQ及Tigo Energy。並聯架構的太陽光電系統可減少遮蔽造成的損失資料來源：eIQ，DIGITIMES整理，2011/2 串並聯架構的太陽能功率優化器比較串並聯太陽能功率優化器的主要目的都是為了提高太陽光電系統的輸出功率，但2者在轉換效率、成本及對系統架構影響都不同。串聯架構的太陽能功率優化器其轉換效率高，至少在99%以上，所以即使在太陽光電系統未受遮蔽情況下，其發電狀況也不受太大影響。但並聯架構的太陽能功率優化器轉換效率約9798%，明顯低於串聯架構的太陽能功率優化器。就成本面比較，並聯架構的功率優化器較串聯架構的功率優化器昂貴，主要因為並聯架構的功率優化器除了MPPT功能外，還添加了升壓功能，將模組的電壓提高到逆變器轉換所需的輸入電壓。雖然並聯架構的功率優化器本身較昂貴，但由於其大幅改變了太陽光電系統的拉線方式，減少使用的電纜及匯線箱，所以減少了系統零組件成本。對系統安裝商來說，雖須重新適應並聯架構的拉線及安裝方式，但並聯架構的安裝方式更簡單容易，降低複雜度。至於串聯架構的太陽能功率優化器則是在不改變傳統太陽光電系統架構的原則下，將太陽能功率優化器加在太陽光電系統上，因此系統架構及其他零組件成本變動不大。串聯與並聯太陽能功率優化器比較資料來源：DIGITIMES，2011/2 搭配功率優化器的太陽光電系統優點功率優化器搭配太陽光電系統除了可大幅解決陰影遮蔽問題，還可更有效利用屋頂面積，並解決太陽光電系統的安全問題。 改善陰影問題，大幅提升太陽光電系統發電量使用功率優化器可改善陰影遮蔽造成的功率損失問題，提高發電量。以Photon International所做實驗為例，18%以下的塊狀遮蔽，會使得一般系統輸出功率下降82%，但若在每塊模組背後搭配Solar Magic，陰影遮蔽的影響大幅下降，系統輸出功率僅下降15%。而12.5%的橫向遮蔽，將使系統輸出功率下降39%，但若在每塊模組背後搭配Solar Magic，系統輸出功率僅下降15.6%。功率優化器改善陰影遮蔽影響，提高發電量資料來源：Photon International，2009/9；DIGITIMES整理，2011/2 對屋頂面積做更有效應用傳統太陽光電系統在設計時面臨的另一問題是屋頂面積利用率低，主要原因有3。第1，系統商盡量避免在陰影區設置模組。第2，模組串並聯時，必須考慮集中式逆變器的最低與最高輸入電壓，模組串長度設計受限。第3，模組串並聯時每串必須一樣長，限制系統設計彈性。功率優化器可改善此類問題，並對屋頂面積做更有效利用，在過去無法設置模組的地方設置模組，大大提高系統擁有者的發電量。功率優化器大幅降低陰影遮蔽問題，使陰影區塊也可設置模組。且功率優化器可固定每串模組的電壓，在模組間自動調配電壓、電流，使長度不一的模組串電壓固定，不同長度的模組串可彼此並聯，大大增加系統設計彈性。且因功率優化器單獨針對每串模組做最大功率追蹤，即使在屋頂不同日照面向設置模組，也不會產生不匹配效應導致功率降低。 解決太陽光電系統安全性問題太陽光電系統目前面臨3個主要的安全性問題在於，第1，系統安裝時，因只要有陽光，太陽能模組就會發電，模組電壓40V，一串模組至少200V以上，若系統安裝人員不小心，很容易觸電。第2，當系統起火燃燒時，消防人員沒辦法直接撲滅火勢，因為電纜線上還有高壓，若直接撲滅，電流可能透過水注傳到消防人員。第3，電弧(arc)效應，當太陽光電系統部分連接處脫落、老舊導致接觸不良，便會產生電弧，引起火花導致火災。以色列廠商SolarEdge推出功率優化器PowerBox，解決太陽光電系統的安全性問題。PowerBox上有開關，當切換到安全模式，PowerBox可控制每個模組的輸出電壓僅1V。因此系統安裝人員可在安裝時將PowerBox切換到安全模式。且PowerBox可自動偵測系統是否因接觸不良產生電弧效應，若出現此異常現象，則自動關閉模組發電，直到問題解決。而當火災發生時，消防員直接將太陽能逆變器關機，PowerBox可自動偵測，並將模組切換到安全模式，以利消防員救災。功率優化器投入業者概況在美國國家半導體於2009年成功推出第1款功率優化器Solar Magic後，多家相關業者投入研發，並吸引創投基金目光。此市場尚為新興市場，各家業者推出的產品皆問市不久，於2010年美國加州Solar Power International展可見到不少相關產品展出。也有不少業者表達想投入開發的意願。目前已推出產品的業者大多集中在美國，包括美國國家半導體、美國加州的Tigo Energy、Azuray及eIQ。而以色列的SolarEdge於2006年成立後，便投入研發功率優化器並成功量產，預計2010年底出貨量可達25萬個。投入功率優化器開發的廠商資料來源：DIGITIMES，2011/2 美國國家半導體將SM3320晶片內建於接線盒美國國家半導體2009年於德國慕尼黑Inter Solar展出其功率優化器Solar Magic，獲得市場熱切關注，也吸引許多業者投入此塊市場開發。隨後，美國國家半導體更進一步將此類產品做成晶片SM3320，內建於模組接線盒，並於2010年德國慕尼黑Inter Solar展出。目前SM3320晶片價格約為每瓦0.12美元。美國國家半導體與模組商及接線盒廠商均有合作計畫。其中一項專案，便由美國國家半導體主導，與接線盒知名大廠Huber+Suhner及模組商Green Energy Solar合作推出智慧型模組，將SM3320納入接線盒整合進模組。美國國家半導體將SM3320晶片內建於接線盒資料來源：美國國家半導體，DIGITIMES整理，2011/2 以色列SolarEdge已推出與接線盒整合的功率優化器以色列的SolarEdge於2006年成立，隨即投入太陽能產品研發，產品線包含功率優化器、單相及三相逆變器及監測系統。2010年SolarEdge推出與接線盒整合的功率優化器PowerBox，模組商可直接使用PowerBox取代傳統接線盒，附加於模組背後。此產品依輸出功率250Wp及350Wp分為PB 250-CSI及PB 350-CSI，歐洲轉換效率達97.8%。目前合作模組商包括Schott Solar及BP Solar。目前SolarEdge已在美國、日本、德國、以色列設有行銷服務據點，並與經銷商Gadot Solar Solutions合作，由Gadot Solar負責在歐洲多國行銷、安裝SolarEdge產品。德國系統商Gehrlicher Solar也與SolarEdge合作，將功率優化器列為系統搭配選項之一。SolarEdge預計2010年底前可出貨25萬台。 美國Tigo Energy於2009年推出功率優化器美國的Tigo Energy於2007年成立，總部位於加州，於2009年成功推出功率優化器，產品線包含並聯架構及串聯架構功率優化器及監測系統。功率優化器安裝於模組背後，將模組發電狀況透過無線網路或電纜線傳送到優化器管理中樞，再上傳到監控資料庫，使安裝戶可透過遠端監控軟體得知系統發電狀況。Tigo Energy目前已於日本、德國、以色列設有行銷服務據點，並取得美國UL認證及日本JET認證。Tigo Energy尤其重視日本市場布局，與當地經銷商合作，並在日本推出住宅型、商用型及電廠型完整解決方案。策略合作部分，Tigo Energy與尚德太陽能及Schott Solar 均有合作計畫，將功率優化器直接與模組整合，取代傳統接線盒，推出智慧型模組。Tigo Energy的太陽能功率優化器產品組合資料來源：Tigo Energy，2011/2 eIQ Energy推出並聯架構系統解決方案美國的eIQ Energy成立於2007年，總部位於加州，eIQ Energy專注於並聯架構的系統概念推廣，於2009年成功推出並聯架構的功率優化器，產品線包括250W及350W功率優化器vBoost、監控系統vComm。eIQ Energy將vBoost與KACO的逆變器XP100-U整合，推出可應用於100300kWp太陽光電系統方案。另外，eIQ Energy也與SoloPower合作，將vBoost與其CIGS太陽能模組整合販售。eIQ的並聯型太陽能功率優化器產品組合資料來源：eIQ Energy，2011/2結語目前投入開發功率優化器的家數不多，大多於2009年才推出產品，且因市場目前仍在觀望階段，產品滲透率不高。但長遠來看，功率優化器極具市場潛力。 功率優化器的機會與挑戰功率優化器能改善陰影對系統發電的影響，提高20%以上的發電量，也能大幅改善系統在安全性及管理上面臨的問題。功率優化器與太陽能逆變器相比，技術門檻較低，且美國國