TWI730796B - 太陽能發電方法 - Google Patents

Abstract

一種太陽能發電方法，經操作以控制於一太陽能發電系統中輸出一額定容量之發電功率的一逆變器，其中該額定容量是該太陽能發電系統最大的發電功率，該太陽能發電方法包括：讀取該逆變器於一第一時間之一第一輸出功率及於一第二時間之一第二輸出功率，其中該第二時間於該第一時間之後；以及當判定該第一輸出功率大於該第二輸出功率且兩者之一差值大於一門檻值而發生輸出功率的驟降時，根據一目標改善比例控制該逆變器於一持續期間以該第二輸出功率進行發電。

Description

太陽能發電方法

本案是有關於一種發電方法，且特別是有關於一種太陽能發電方法。

透過太陽能輻射轉換為電能的發電過程中，仰賴每日的日照時間而有所變動。例如從白天到中午以及中午到晚上，日照強度會有所不同。此外，太陽光輻射方向到太陽能板之間的相對位置不同，日照強度也會隨著變化。

此外，太陽能發電也會因為環境懸浮微粒及雲層遮蔽太陽光輻射，而導致發電量的下降。當雲層消失時，太陽能發電量又會立即上升。對於單獨使用太陽能發電進行供電而言，這樣的電量驟降及驟升的狀況造成供電系統極大的不穩定性。在一些情況下，太陽能供電系統在即時發電量低而不足供應電力時，可結合電池蓄電系統與市電併聯的供電方式來因應。然而，儲能系統的成本過高(電池、逆變器等成本)，這些成本將轉嫁至儲能系統每度電的供應成本上，而導致儲能系統的供電成本遠大於太陽能發電系統的供電成本，降低了人們使用太陽能發電之再生能源供電的誘因。

由於雲層的變動無規律性難以透過預測環境變化來調整供電，因此如何解決太陽能電力供應的穩定性是本領域亟需解決的技術問題。

發明內容旨在提供本揭示內容的簡化摘要，以使閱讀者對本案內容具備基本的理解。此發明內容並非本揭示內容的完整概述，且其用意並非在指出本案實施例的重要/關鍵元件或界定本案的範圍。

根據本案之一實施例，揭示一種太陽能發電方法，經操作以控制於一太陽能發電系統中輸出一額定容量之發電功率的一逆變器，其中該額定容量是該太陽能發電系統最大的發電功率，該太陽能發電方法包括：讀取該逆變器於一第一時間之一第一輸出功率及於一第二時間之一第二輸出功率，其中該第二時間於該第一時間之後；以及當判定該第一輸出功率大於該第二輸出功率且兩者之一差值大於一門檻值而發生輸出功率的驟降時，根據一目標改善比例控制該逆變器於一持續期間以該第二輸出功率進行發電。

以下揭示內容提供許多不同實施例，以便實施本案之不同特徵。下文描述元件及排列之實施例以簡化本案。當然，該些實施例僅為示例性且並不欲為限制性。舉例而言，本案中使用「第一」、「第二」等用語描述元件，僅是用以區別以相同或相似的元件或操作，該用語並非用以限定本案的技術元件，亦非用以限定操作的次序或順位。另外，本案可在各實施例中重複元件符號及/或字母，並且相同的技術用語可使用相同及/或相應的元件符號於各實施例。此重複係出於簡明性及清晰之目的，且本身並不指示所論述之各實施例及/或配置之間的關係。

請參照第1圖，其繪示根據本案一些實施例中之太陽能發電系統100之方塊圖。太陽能發電系統100包含控制器110、逆變器120及太陽能發電模組130。控制器110耦接於逆變器120。逆變器120耦接於太陽能發電模組130。太陽能發電模組130用以接收太陽能並產生直流電。逆變器120用以接收直流電並將其轉換為交流電。為利於說明，太陽能發電模組130最大的發電功率(或者發電能力)稱為額定容量。

在太陽能發電的過程中，往往會因為環境和天候因素影響發電的穩定性。舉例而言，若輸出的電量或功率忽高或忽低(即驟升或驟降)，會使得整體電力系統不穩定。本案提出可穩定發電的太陽能發電系統100及其方法，說明請一併參照第2圖及第3A圖。第2圖繪示根據本案一些實施例中之太陽能發電方法的流程圖。第3A圖繪示根據本案一些實施例中之時間及發電功率曲線圖。

於步驟S205，讀取逆變器120於當前之輸出功率pi。

如第3A圖所示，曲線L1是未經發電抑制的發電功率，曲線L2是第2圖之太陽能發電方法控制下的發電功率。曲線L1中，逆變器120於第一時間t1時的第一輸出功率是p1(即點A)。以及，經過一小段時間後，逆變器120於第二時間t2的第二輸出功率是p2(即點B)。兩個取樣的時間間隔可以是相當短的秒數(例如1秒)，以利後續判斷在相當短的時間內是否有輸出功率驟降的情況發生。

於步驟S210，根據查找表(例如表一)之目標改善比例，得到用以控制逆變器120來固定輸出功率之一持續期間T。於此步驟中，逆變器120會被設定以一固定功率來輸出電能，而不受環境和天候因素影響。此固定功率將於後面段落說明。

表一：查找表

條件	持續期間T(1分鐘)	持續期間T(5分鐘)	持續期間T(10分鐘)	持續期間T(20分鐘)	持續期間T(30分鐘)	持續期間T(40分鐘)	持續期間T(50分鐘)
目標改善比例	10%	30%	40%	50%	60%	62%	65%
實際驟降功率 > 10%之額定容量的次數	203	173	143	120	99	91	83
實際驟降功率 > 20%之額定容量的次數	29	21	17	15	12	8	11
實際驟降功率 > 30%之額定容量的次數	10	6	5	3	4	5	3
實際驟降功率 > 40%之額定容量的次數	0	0	0	0	0	0	0

如表一所示，持續期間T例如是1分鐘、5分鐘、10分鐘、30分鐘等。目標改善比例是關聯於在每一個持續期間T中，逆變器120的即時輸出功率發生驟降的次數。舉例而言，當目標改善比例是10%時，代表可以在持續期間T內，讓輸出功率發生驟降的次數平均從10次降低為9次。因此，可預先設定要應用的目標改善比例，而可決定出對應的持續期間T。舉例而言，若預先設置太陽能發電系統100的目標改善比例是60%，則從查找表中獲得持續期間是30分鐘。

於步驟S215，判斷前一輸出功率pi-1減去當前之輸出功率pi的差值是否大於門檻值。

如第3A圖所示之曲線L1，第二輸出功率p2減去第一輸出功率p1之差值大於一門檻值。因此，可判定在點B時候發生輸出功率的驟降。門檻值可以是一比例(例如10%)乘以額定容量。於步驟S215中，若判定兩個輸出功率的差值大於門檻值，則執行步驟S220。

於步驟S220，於持續期間內控制逆變器120以當前之輸出功率pi作為固定輸出功率以進行發電。

如第3A圖所示之曲線L2，在第二時間t2開始的一段持續期間T(例如30分鐘)，逆變器120輸出的功率會被維持在數值p2。在第二時間t2時偵測到發生驟降，便立即將逆變器120的輸出功率固定在下降後的數值。即使在不久之後(仍在持續期間T內)的天氣轉變為晴朗而可立即提升發電功率，然而，逆變器120在此段持續期間T內也不會提升其發電功率，而仍是維持在第二輸出功率p2。

於步驟S225，判斷持續期間是否結束。

若持續期間T(例如30分鐘)尚未完成，則執行步驟S230。於步驟S230，讀取逆變器120於當前之輸出功率pi+1。

如第3A圖所示之曲線L2，逆變器120於第三時間t3時的第三輸出功率是p3(即點C)。

於步驟S235，判斷當前之輸出功率pi+1是否小於前一輸出功率pi。

如第3A圖所示之曲線L2，第三時間t3的第三輸出功率p3小於第二時間t2的第二輸出功率p2。由於當前之輸出功率(第三輸出功率p3)小於前一輸出功率(第二輸出功率p2)，則執行步驟S240。

於步驟S240，將當前之輸出功率pi+1設定為固定輸出功率。

如第3A圖所示之曲線L2，由於當前的輸出功率(第三輸出功率p3)小於前一輸出功率(第二輸出功率p2)，因此逆變器120接下來的輸出功率被固定在數值p3。接著，會回到步驟S220，逆變器120維持在發電功率p3進行發電。

欲說明的是，在步驟S220中將當前之輸出功率作為固定輸出功率進行發電之後，理論上逆變器120的輸出功率應該是一固定值。然而，實際上太陽能發電會因為天氣或環境的影響，例如突然大雷雨，導致太陽能發電的功率再度下降。因此，在持續期間T內，於步驟S235中會不間斷地判斷是否有輸出功率下降的情況，以更新固定輸出功率。如此一來，在發電功率被抑制在固定值時，若當下發電條件不佳，可避免逆變器120實際上無法達到該指定的發電功率(當無法達到指定的發電功率時，就需要調度儲存在太陽能電池的電能)。

若步驟S235中判定當前之輸出功率pi+1大於或等於前一輸出功率pi，則回到步驟S225，繼續偵測當前之輸出功率是否有下降。如第3A圖所示之曲線L2，第四時間t4的第四輸出功率p4(即點D)。在本案的太陽能發電方法的控制之下，逆變器120從第三時間t3到第四時間t4的輸出功率都維持在數值p3。

於步驟S225中，若持續期間T已結束，則執行步驟S245。於步驟S245，將太陽能發電系統100的額定容量設定為逆變器120的固定輸出功率。步驟S245的目的在於將上一個持續期間所設定的固定輸出功率重新設定為預設值，俾利繼續當下一次偵測到輸出功率驟降時的發電穩定控制(即回到步驟S205繼續控制整個發電系統的輸出功率)。

請參照遞3B圖，其繪示根據本案一些實施例中之發電功率及持續時間之示意圖。持續期間越長，改善功率驟降的效果越顯著。如第3B圖所示，持續期間Ti(例如10分鐘)，可改善2個驟降點(點m1及點m2)。持續期間Tj(例如30分鐘)，則可改善4個驟降點(點m1至點m4)。

本案的太陽能發電系統100提供另一可穩定地輸出功率的方法，其方法說明請一併參照第4圖及第5圖。第4圖繪示根據本案一些實施例中之太陽能發電方法的流程圖。第5圖繪示根據本案一些實施例中之時間及發電功率曲線圖。

於步驟S405，讀取逆變器120於當前之輸出功率pi。

如第5圖所示，曲線L1是未經發電抑制的發電功率，曲線L2是第2圖之太陽能發電方法控制下的發電功率，曲線L3是第3A圖之太陽能發電方法控制下的發電功率。曲線L1中，在當前時間為第二時間t2時，逆變器120於第二時間t2的第二輸出功率是p2(即點B)。其中，逆變器120於第一時間t1時的第一輸出功率是p1(即點A)。

於步驟S410，判斷前一輸出功率pi-1減去當前之輸出功率pi的差值是否大於門檻值。

如第5圖所示之曲線L1，第二輸出功率p2減去第一輸出功率p1之差值大於一門檻值。因此，可判定在點B時候發生輸出功率的驟降。於步驟S410中，若判定兩個輸出功率的差值大於門檻值，則執行步驟S415。

於步驟S415，記錄逆變器120以當前之輸出功率pi。換言之，控制器110會記錄當前之最小輸出功率的數值(例如第3A圖之曲線L3的點B)，並以最小輸出功率進行發電。於一些實施例中，控制器110會於一監控頻率(例如每10秒)讀取逆變器120的輸出功率。舉例而言，控制器110會在1分鐘內，每10秒讀取一次逆變器120當前之輸出功率，並執行步驟S410的判斷，以判斷是否有出現新的輸出功率最小值。若有產生新的最小值，則執行步驟S415，更新該最小值並以該最小值之功率進行發電。

於步驟425，讀取逆變器120當前之輸出能力功率。輸出能力功率是逆變器120未受抑制時之可輸出的功率。

如第5圖所示之曲線L1，曲線L1是未經發電抑制的發電功率。於第二時間t2之後的一小段時間，即時間t21，逆變器120的當前之輸出能力功率為p21。在此實施例中，當下的發電條件可以讓逆變器120達到功率p21。由於功率p21與功率p2為相當大的落差，若直接將輸出功率設定至p21來輸出電能，驟降後又驟升的功率將會造成發電系統的不穩定。因此，為了維持發電的穩定性，基於前述步驟，逆變器120的輸出功率被抑制在功率p2。另一方面，將輸出功率抑制在最小值雖可減少發電系統不穩定的情況，然而卻造成發電損失的問題。因此，本案提供可處理緩慢遞增發電功率以同時達成發電系統穩定及減少發電損失的方法。於一些實施例中，需要判斷是否要進行緩升功率的機制。

於步驟S430，判斷當前之輸出能力功率是否大於或等於預設值，其中預設值小於額定容量。舉例而言，如第3A圖之曲線L1，時間t21時的輸出能力功率p21。於此實施例中，預設值是80千瓦。若功率p21是80千瓦，則執行步驟S435。

於步驟S435，控制逆變器120使用一緩升輸出功率進行發電。

於一些實施例中，緩升輸出功率是根據預設值、緩升比例以及額定容量來計算。舉例而言，緩升輸出功率如以下公式所示：

緩升輸出功率=預設值+緩升比例×額定容量 (式1)

舉例而言，請參閱上述式1，預設值是預先設定的數值，例如80千瓦。緩升比例是2%，代表增加額定容量的2%。如第5圖所示之曲線L3，於時間t21開始，每單位時間(例如每分鐘)會根據緩升輸出功率控制逆變器120來進行發電。緩升輸出功率會執行到第三時間t3(即點C)。基於本案的緩升功率的方法，從時間t21至t3的功率是穩定增加的趨勢。

於一些實施例中，本案的方法仍會持續監測逆變器120是否有遵循緩升功率來發電。舉例而言，於步驟S435完成之後，會回到步驟S405，讀取逆變器120於當前之輸出功率，以在當下發電條件不佳時，逆變器120沒有達到該指定的發電功率，而可透過步驟S410至步驟S420來偵測發電功率下降的情況。

如第5圖所示之曲線L1中，當第四時間t4的第四輸出功率p4小於第三時間t3的第三輸出功率p3並且其差值大於門檻值時，代表此時發電條件不好而發生功率驟降的情況，則將逆變器120的輸出功率從第三輸出功率p3(如點C)設定為第四輸出功率p4(如點D)。

第2圖之太陽能發電方法可避免發電系統的功率突然的上升或下降。請復參照第3A圖，在持續期間T中，先偵測到第一個驟降點B其功率p2。由於已經先將輸出功率降低為p2並於持續期間T中輸出電能，因此可以減少後續再度發生的功率驟降問題。舉例而言，在第3A圖的持續期間T中，即使在曲線L1上的點C及點C1發生功率驟降，由於逆變器120的輸出功率被維持在一相對較低的功率，因此此兩個功率驟降情況不會對系統帶來衝擊。換言之，有兩個驟降點得到改善。

相似地，第4圖之緩升輸出功率的方法也可避免發電系統的功率突然的上升或下降。請復參照第5圖，在相對於第3A圖的持續期間T中，緩升輸出功率的方法也可以改善兩個驟降點(點B及點D)。此外，緩升輸出功率的方法還可以減少發電損失。舉例而言，第5圖之曲線L3對時間進行積分的面積，會大於曲線L2對時間進行積分的面積。換言之，曲線L2與曲線L3之間的面積，就是曲線L3發電損失較少的電量。表二是採用第2圖及第4圖之太陽能發電方法及其效能的對照表。所述的效能包括功率驟降次數的減少比例及發電損失比例。

表二：

條件	未抑制輸出功率的次數	持續期間T(10分鐘)	持續期間T(30分鐘)	持續期間T(40分鐘)	緩升比例:10%	緩升比例:4%	緩升比例:2%	緩升比例:1.3%
目標改善比例	0	40%	60%	62%	10%	40%	60%	70%
緩降控制生效	0	140	91	87	351	1383	2753	3971
緩降控制影響	0	1400	2730	3480	351	1383	2753	3971
實際驟降功率 > 10%之額定容量的次數	242	143	99	91	217	146	93	70
實際驟降功率 > 20%之額定容量的次數	40	17	12	8	30	19	11	8
實際驟降功率 > 30%之額定容量的次數	11	5	4	5	10	4	1	0
實際驟降功率 > 40%之額定容量的次數	1	0	0	0	0	0	0	0
實際驟降功率 > 50%之額定容量的次數	0	0	0	0	0	0	0	0
發電總量	932229	905002	871923	855560	928578	916383	898207	882612
發電損失比例	0.00%	2.92%	6.47%	8.22%	0.39%	1.70%	3.65%	5.32%
實際驟降改善比例	0%	43.9%	60.9%	64.6%	12.6%	42.5%	64.3%	73.5%

如表二所示，以目標改善比例為40%作說明(第2圖之方法)，其對應的持續期間T為10分鐘。即，平均在每10鐘內，實際運作發生功率驟降大於10%之額定容量的次數為143，實際運作發生功率驟降大於20%之額定容量的次數為17，實際運作發生功率驟降大於30%之額定容量的次數為5，以及實際運作發生功率驟降大於40%及50%之額定容量的次數為0。目標改善比例為40%時，發電損失比例是2.92%，實際驟降改善比例是43.9%。

另一方面，以目標改善比例為40%作說明(第4圖之方法)，其對應的緩升比例為4%的額定容量。實際運作上，發生功率驟降大於10%之額定容量的次數為146，發生功率驟降大於20%之額定容量的次數為19，發生功率驟降大於30%之額定容量的次數為4，以及發生功率驟降大於40%及50%之額定容量的次數為0。目標改善比例為40%時，發電損失比例是1.70%，實際驟降改善比例是42.5%。

由表二的實驗結果可知，本案的方法除了可以減少太陽能發電過程中驟降發生的情況，進一步地，還可以減少太陽能源的浪費，達成發電效能的最大化之功效。

上述內容概述若干實施例之特徵，使得熟習此項技術者可更好地理解本案之態樣。熟習此項技術者應瞭解，在不脫離本案的精神和範圍的情況下，可輕易使用上述內容作為設計或修改為其他變化的基礎，以便實施本文所介紹之實施例的相同目的及/或實現相同優勢。上述內容應當被理解為本案的舉例，其保護範圍應以申請專利範圍為準。

100:太陽能發電系統 110:控制器 120:逆變器 130:太陽能發電模組 S205~S245、S405~S435:步驟 A、B、B1、C、C1、D:點 L1、L2、L3:曲線 T:持續期間

以下詳細描述結合隨附圖式閱讀時，將有利於較佳地理解本揭示文件之態樣。應注意，根據說明上實務的需求，圖式中各特徵並不一定按比例繪製。實際上，出於論述清晰之目的，可能任意增加或減小各特徵之尺寸。 第1圖繪示根據本案一些實施例中之太陽能發電系統之方塊圖。 第2圖繪示根據本案一些實施例中之太陽能發電方法的流程圖。 第3A圖繪示根據本案一些實施例中之發電功率及時間曲線圖。 第3B圖繪示根據本案一些實施例中之發電功率及持續時間之示意圖。 第4圖繪示根據本案一些實施例中之太陽能發電方法的流程圖。 第5圖繪示根據本案一些實施例中之發電功率及時間曲線圖。

國內寄存資訊(請依寄存機構、日期、號碼順序註記) 無 國外寄存資訊(請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記) 無

S205~S245:步驟

Claims (10)

1. 一種太陽能發電方法，經操作以控制於一太陽能發電系統中輸出一額定容量之發電功率的一逆變器，其中該額定容量是該太陽能發電系統最大的發電功率，該太陽能發電方法包括：讀取該逆變器於一第一時間之一第一輸出功率及於一第二時間之一第二輸出功率，其中該第二時間於該第一時間之後；以及當判定該第一輸出功率大於該第二輸出功率且兩者之一差值大於一門檻值而發生輸出功率的驟降時，根據一目標改善比例控制該逆變器於一持續期間以該第二輸出功率進行發電，其中根據該目標改善比例從一查找表中得到該持續期間，以控制該逆變器於該持續期間內維持輸出該第二輸出功率。
2. 如請求項1所述之太陽能發電方法，其中該目標改善比例關聯於在該持續期間中，該逆變器的即時輸出功率發生驟降的次數。
3. 如請求項1所述之太陽能發電方法，更包括：於該持續期間內之一第三時間判斷該逆變器之一第三輸出功率是否小於該第二輸出功率，其中該第三時間於該第二時間之後。
4. 如請求項3所述之太陽能發電方法，更包括：當判定該第三輸出功率小於第二輸出功率時，則控制該逆變器於該持續期間內維持輸出該第三輸出功率。
5. 如請求項4所述之太陽能發電方法，更包括：於該持續期間經過後，將該額定容量設定為該逆變器的輸出功率。
6. 如請求項1所述之太陽能發電方法，更包括：使用該第二輸出功率發電後，控制該逆變器使用一緩升輸出功率進行發電。
7. 如請求項6所述之太陽能發電方法，其中控制該逆變器使用該緩升輸出功率進行發電的步驟更包括：根據一監控頻率讀取該逆變器於一第三時間之一第三輸出功率；以及當判定該第三輸出功率不小於該第二輸出功率該門檻值時，持續以該第二輸出功率進行發電。
8. 如請求項6所述之太陽能發電方法，更包括：讀取該逆變器之一輸出能力功率，其中該輸出能力功率為該逆變器未受抑制之可輸出的功率；以及判斷該輸出能力功率是否大於或等於一預設值，其中該預設值小於該額定容量。
9. 如請求項8所述之太陽能發電方法，更包括：當判定該輸出能力功率大於或等於該預設值時，控制該逆變器使用該緩升輸出功率進行發電。
10. 如請求項8所述之太陽能發電方法，更包括：根據該預設值、一緩升比例，以及該額定容量來計算該緩升輸出功率。

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