太陽能板發電與轉換101｜綠能正夯

近期台灣因為興達火力發電廠的問題，頻繁的電力供應不足而造成停電。由於停電都在晚上，想必大家也知道不能用太陽能發電來補足。今天就來聊聊太陽能發電。太陽能，英文可以叫Solar或Photovoltaics (PV)。太陽能電池，叫Solar/PV cell，而太陽能板就是Solar/ PV panel。

太陽能板發電

最基本的問題，如果是晚上，是否太陽能就無法發電？答案是：是！這題太簡單了。那如果是下雨天呢或陰天呢？能發電嗎？答案是可以發電，但不見得能用上。因為通常發電量要達到可以轉換的電壓電流，才能有效併網至電力系統。這當然就和Inverter、Converter的運作有關係了。太陽能板發出來的電，是直流電。經過Converter再經過Inverter後，變成交流電。那如果是同樣供給給直流電的應用，像是電池充電，則直接經過Converter即可對電池充電。

然而，太陽能的發電並不像電池發電那麼穩定，比如固定5V。太陽能發電會隨著光照變化而不同，同樣光照底下，也能有不同的電壓值產生，需要搭配抽取的電流來決定。簡單來說，就是有個發電曲線。請注意，下面的圖是在同一個光照、溫度下的發電曲線。當光照相同、溫度不同，或者光照不同、溫度相同的情況，曲線又不一樣。

環境因素

當照度相同，溫度不同的情況下，我們可以看到最大功率點(Maximum Power Point, MPP)是越來越往下掉，溫度越高，發電效率越差。同樣的，當溫度相同、照度越大，則最大功率就越高。後者應該挺容易理解的，太陽能發電，當然是太陽越亮發越多電。

但這都是考量一個變因而已。當照度變大，代表太陽直射越強烈，通常也會伴隨溫度的上升。因此曲線的變化可以百百種，無時無刻都有些微的變化。這樣不停地做些微的變化，代表最大功率點很不固定，會跳來跳去，因此，太陽能發電，都需要搭配最大功率點追蹤(Maximum Power Point Tracking, MPPT)。

最大功率追蹤 MPPT

太陽能發電，很重要的就是追蹤到最大功率點，再用電力電子轉換器將太陽能的電力以最大效能輸出，這樣的方式叫做最大功率追蹤控制器。常見的最大功率的方式有：擾動觀察法（Perturb and o\Observe, P&O）、增量電導法（incremental conductance method）、電流掃描法（current sweep method）和定電壓法（constant voltage）。

其中，擾動觀察法最為常用。藉由小幅調整電壓或電流，量測其功率。假設電壓增加，量測到的功率增加，就繼續增加電壓。若開始量到功率下降，則轉而減少電壓，再看看功率是否增加，如此周而復始不停調整。

當然，最大功率追蹤還有很多特別的方式，像是漣波電流導向最大功率追蹤(Ripple Current Orientation MPPT)。想必，還有人知道更多有趣的MPPT方式！

太陽能發電的缺點

太陽能發電，是必須隨發即用的。那晚上不能發電怎麼辦？這時候，就必須有太陽能儲能系統。但在電池技術沒有突破之前，要嘛只能有足夠空間裝夠多的電池，不然，夏天就只能晚上吹電扇，不能吹冷氣了。除了太陽外，鳥屎、灰塵、樹葉等可能遮蔽住陽光的，都會造成發電效率下降。這又延伸了另一個問題，就是部分遮陰 (Partial shading)

另外，太陽能電池的製造與回收都可能造成汙染的問題，關於這方面，之後可以更細談。

20210601 Ver 1.0