輕鬆了解台積公司太陽能系統的安裝

前言

在今年5月份，一個天文事件日蝕（Eclipse），重重的考驗了全世界太陽能安裝水準最高、太陽能發電比例也最高的國家，德國。在德國全國總太陽能裝置容量達到38.5GW的規模下^[註1]，發電量在日蝕發生一瞬間全部歸零，雖然持續時間不長，但是對於電網的衝擊前所未見。欣喜的是德國人順利通過考驗，在國內多元發電系統如天然氣、煤、風力等的支持以及歐洲電網的全力調度下，在太陽重新出現在天際的時候，全國38.5GW的太陽能板全部陸續復活，重新將清潔電力源源不斷地送進德國的千家萬戶。

太陽能依舊是目前最令人期待的再生能源取得方式之一，經歷了2010年的太陽能電池全球大洗牌，價格大崩盤之後，如今，各種太陽能相關材料商品的售價呈現快速下滑的趨勢，也使得全世界對於太陽能的熱情不曾稍減。台積電對於節能、回收、再利用的研究和實踐不遺餘力；然而對於太陽能系統的建制，則因為屋頂可用面積的限制，存在著先天的困難。縱然如此，我們仍然建制了竹科F12P4 Office試驗線 圖二，中科的植生牆、大雨披 圖三，一直來到南科1MW 圖四。

太陽能系統元件介紹

太陽能系統 圖五、圖六由兩大部分組成，一是太陽能板（或稱太陽能電池），另一部分是所謂的BOS (Balance of System)，BOS包含DC combiner box（直流箱），nverter (逆變器或稱轉換器)，AC panel，支架(Mounting Structure) 以及PV SCADA。就系統安裝而言，太陽能板和Inverter的製造技術等級最高，系統安裝人員或使用方對此沒有太多著力點。但是對於支架、PV SCADA等等力所能及的部分，則呈現百家爭鳴的熱鬧景象。以下是上述重要元件的發展現況。

太陽能板

眾所周知，太陽能板分為單晶 圖七、多晶 圖八、薄膜 圖九等類型。本文一開始提到了，世界太陽能電池的板塊一直不斷的快速移動，十年前的世界霸主，如今可能已經不存在，2014年的十大製造商呈現令人驚訝的局面 表一，前十名中其中有八名是中國大陸獨資或合資廠商，Sharp是唯一入榜日本廠商，First Solar是唯一入榜的薄膜（碲化鎘技術）太陽能板製造商，而臺灣廠商未能擠入前十大。至於各類型的太陽能板特性比較如 表二。

轉換器(Inventor)

台積電使用的Inverter都是併網型，用於將太陽能板發出的直流電，轉化為交流電，經由並聯盤連接到工廠既設的配電盤、I-line盤或是插入式匯流排(busway)，自動並聯，將清潔電力送入工廠的龐大系統中使用。在選擇適合的Inverter時，以下因素必須考慮。

• 採用IGBT模組，提高系統效率。
• 必須有MPPT (Maximun Power Point Tracking)功能，就是In-verter會根據當時的日照程度，自動追蹤最大發電功率的點，不停的跟隨，以達成最大發電量的目標。
• 可以現場通過操作面板設置參數。
• 能夠很好的連接上PV SCADA，並提供多樣化的數據監控。
• 完善的保護電路功能。
• 較高的可接受直流電壓，使得太陽能板串聯數增加，目前已可達到1000V。
• 可以多台並聯，簡化電站設計。
• 能保護電網，防止“孤島效應”^[註2]。

至於目前大多數併網型正弦波Inverter，多採用三級電路結構，並非大多數人想的直接DC→AC，而是DC→AC→DC→AC，以下就是三級電路圖 圖十以及波形變化過程 圖十一，供大家參考。

支架

對於系統安裝的廠商或是使用者而言，在不同地點裝設太陽能板，例如斜面屋頂、RC平面屋頂、地面、水上等，就必須考慮支架的形式。在歐美先進國家，人力十分昂貴，在工地現場組裝支架，對於系統廠商來說，簡直不可思議；於是乎，發展出千變萬化的支架形式，不僅能因應不同的場地變化，還能夠節省大量的現場安裝費用。

太陽能典型的生命周期是25年，所以支架系統也必須耐風、耐雨、耐雪、耐地震以及耐酸鹼。一般的地面支架，車棚式支架，浪板屋頂支架等比較常見的型式在此不贅言，以下就不同的應用場合，介紹現階段新型的支架。

Floating PV 支架

需要能漂浮在水中，所以一般多以塑料材質製作，利用中空的浮力，大面積鏈接的穩定度，來支撐太陽能板 圖十二。

可折疊式支架

外觀和傳統支架相同，但是工廠預製同時，就將單根鋁擠型組裝成平面型態並折疊起來，運到現場以後直接展開，節省現場工時 圖十三、圖十四。

自重式支架

在平面屋頂上，若要現場製作基礎座，需要翻開面層、植筋、組模、灌漿、養護等等，還可能造成屋頂漏水。如果能夠利用結構計算、風力計算預製RC基礎座，直接吊運安裝，既節省時間，也不會造成破壞。南科Fab6、Fab14P1、P3屋頂就採用本設計工法 圖十五。

螺旋樁支架系統

在廣袤的原始土地上，一般安裝太陽能板需要挖溝深埋RC基礎座，然後在其上安裝支架，開挖、組模、灌漿、養護等工作不僅費時，而且傷害土地，未來清除更難。於是可快速施工的螺旋樁系統就運應而生 圖十六，一人一機加上GPS定位，每人每日可以打入150根螺旋樁，清潔快速又價廉 圖十七。

PV SCADA

從台中Fab15開始，台積電太陽能系統就已經開始配備PV SCADA，原因是系統越來越大，收集數據以及即時監控變得格外重要。PV SCADA除了收集太陽能板的數據以外，還可以收集所有的發電數據，即時呈現或做成報表，例如發電量、電壓、電流還有氣象資訊。小型氣象站 圖十八已經是每一個案場的標準配備了，風力、溫濕度、日照量都經由傳感器，匯入SCADA系統。

串列監控

圖十九對於日益壯大的電廠級太陽能安裝極其需要，在上萬片甚至上百萬片的太陽能板安裝場地，如果因為一塊板子，或是一小區板子故障而影響整體發電量，後果可能是很嚴重的，但是如何在成千上萬板子裏面找到故障點？串列監控模組結合PV SCADA就可以告訴你，在這一百萬片太陽能，哪一串有問題。

為了整合匯總全臺台積電各廠的綠能資料，新廠工程團隊建制了一套綠能資訊系統 圖二十、圖廿一，目前收受資料較多的是南科的太陽能，其他節能的數據，也陸續上線中。

太陽能系統的主要設計原則

設計太陽能系統要考慮的因素很多，主要如下：使用地點的氣候歷史數據、太陽輻射歷史數據，安裝傾斜角度，遮蔭模擬結果，輸出電壓的高低，使用種類是直流還是交流，每天系統可工作的小時數等等。

首先說明歷史數據，在安裝地點的經緯度確定以後，可以經由當地的氣象資訊站，例如中央氣象局或是NASA（美國太空總署）取得相關的氣象歷史數據。

我們經常看見太陽能板的排列總是傾斜的，目的就是為了盡可能面對太陽的來向，那麼傾斜角度怎麼決定呢？有一個一般法則可以供大家參考：

• 緯度Φ=0~25°，
  傾斜角β=ΦØ
• 緯度Φ=26°~40°，
  傾斜角β=Φ+(5°~10°)
• 緯度Φ=41°~55°，
  傾斜角β=Φ+(10°~15°)
• 緯度Φ=>55°，
  傾斜角β=Φ+(15° ~20°)

其實以上原則並不十分準確，建議還是要經過查表或是計算，確定最精確的傾斜角。

太陽能系統的設計，教科書上洋洋灑灑的列出一大串公式，算出該地太陽輻射量、傾斜角度、總發電量、串聯數量、並聯數量、Inverter容量、並聯盤等等。隨著時代的進步，太陽能安裝系統的蓬勃發展，早就已經有了套裝軟體，代替你做一些複雜又容易出錯的計算。

現在比較流行的軟體是Solar Pro或是PVsyst，無論是哪一種，只要依照指示，逐步輸入電腦要求的資訊，例如地點、土地面積、海平面高度、哪一種安裝方式（屋頂、地面）、使用哪一家太陽能板、使用哪一家Inverter等等，系統會自動地取得氣象資料並整合計算、獲得結論，結論通常包含幾串、幾並、傾斜角幾度、陣列之間間距多少、使用幾台多少KW的Inverter、最後告訴你每一年可以發出多少電。有了這一套軟體，就可以快速評估並得到初步結果，以作為投資的重要參考依據。

圖廿二就是典型的PVsyst計算結果的範例，上半部可以看見，系統建議傾斜角為15度，使用260W太陽能板共計1,842,308片，發出最大直流電力479,000KWp，使用666台Solar-on廠牌500KW Inverter，轉化成333,000KWp交流電力。一年可以收穫718,936,000度電，而且平均Performance Ratio是82.4%。下半頁則說明每年12個月份的各種參數情況。

結論

臺灣地小人稠，可耕作土地面積本來就不充裕，若在與民爭地的情況下安裝大面積的太陽能板，不免社會觀感不佳。縱然如此，也還有很多其他的應用值得我們思考。例如開放水域的水面安裝（Floating PV 圖廿三）、漁塭的養水種電 圖廿四、污染土地控制場址、高架安裝（下方可以作為精致農業的生產基地） 圖廿五。

早年流行的趨勢乃是朝大規模安裝發展，動輒幾個GW的情況，在近年來似乎有點不同。在安裝量體上，呈現大者越大、小者越多的兩頭發展態勢。所謂“大”，也就是電廠等級數十或數百GW的驚人規模；小者越“多”就意味著平民百姓屋頂安裝量呈現直線上升趨勢，也就是所謂的分散安裝(Distributed Generation)。臺灣南部，陽光終年燦爛，透天厝林立，就是標準分散安裝的絕佳場地。

台積電既沒有大片土地可以發展“大”的太陽能電廠，也沒有足夠的屋頂安裝“小”的系統，然而近期台積電宣佈購買1億度的綠電，綠電來源就是包含太陽能在內的民間再生能源。台積電志工社經常被邀請參與各公民營單位節能的診斷，太陽能也是經常被提及的課題。經由類似以上的行動，台積電也可以在再生能源的創建上，展現作為，甚至一步一步在國際上創造聲譽。

附註

• [註1] 德國地理位置的緯度，大約相當於中國東北的黑龍江省。
• [註2] 如果市電停電或是年度維修，工廠部分或是全部停電，別忘記，太陽能電池仍然持續發電，如果沒有這種稱為孤島效應的防範設計，太陽能的電力就會在廠區亂竄，造成維修人員的危險。