Photovoltaic Module Performance and Soiling Analysis for Outdoor Environment

在近年來的太陽能論壇中，有兩個議題越來越受關注，一個是高效率太陽能電池的研發，另一個就是太陽能模組在戶外實際運作的性能與可靠度。高效率的太陽能模組可以在相同面積下，可以讓投資者獲得更多的發電量，得到更高的經濟利益，而更好的太陽能模組性能，可以讓太陽能模組在戶外實際運作下，不容易受到環境的影響因而降低發電量。交指背接觸電極太陽能模組在長1559mm×寬1046mm的面積下，達到最高的輸出功率320W，而溫度係數為-0.35W/℃比單、多晶太陽能模組低，顯示交指背接觸電極太陽能模組在高溫環境下運作仍然可以獲得較佳的發電效率。 太陽能模組表面髒污的累積會影響實際在戶外運作發電量的減少，在大型太陽能發電站太陽能模組表面必須定期利用清水執行清潔工程，但清潔週期該如何評估仍是各界討論的重點。落塵量偵測系統是為了量化太陽能模組在平日實際髒污累積的影響，本文利用落塵量偵測系統評估清潔週期，我們將此系統設置於三個地區，分別為約旦、台中和泰國。在約旦當乾旱季節開始，短短的四個月太陽能模組的發電量損失已高達28%。台中多雨且太陽能系統設置於屋頂，太陽能模組的發電量損失最高只有4%。泰國與台灣氣候相似，但太陽能模組的發電量損失高達15%，這是由於安裝地點位於開發中的工業區所造成。接著利用2012年購電費率計算出投資者因髒污所造成的利益損失與合理的清潔週期。In recent years, the photovoltaic conferences pay attention to two topics. First, they are developed for the high efficiency solar cells. Second, the performance and reliability of photovoltaic module are in the outdoor operation. The high efficiency photovoltaic module could be got more energy for the investors at the same area. The excellent performance of photovoltaic module could not affect the energy by the environment in outdoor operation. The area of the back-contact photovoltaic module is 1559mm length × 1046mm width, and the output power is 320W. The temperature coefficient of the back-contact PV module is 0.35W/℃ lower than P-mono and P-multi crystalline photovoltaic module. The back-contact photovoltaic module could be got more energy for the investors in the high temperature environment. The real outdoor performance of the photovoltaic systems is significantly affected by the accumulation of soiling on the surface of photovoltaic modules. The surface of photovoltaic modules is cleaned periodically with water in enormous photovoltaic plants. It is an important topic “How to define the cleaning cycles?” The dust detection system has been developed to monitor real time daily soiling impact on photovoltaic module performance in the field. In this study, we evaluate the cleaning cycles from the dust detection system, and install the system in Jordan, in Taichung, in Thailand respectively. In the dry season, the energy loss of photovoltaic module is 28% during four months in Jordan. It rains frequently in Taichung, and the photovoltaic system was installed in the rooftop. The energy loss of photovoltaic module is only 4%. The climates in Thailand are the same as in Taichung, but the energy loss of photovoltaic module is 15% due to the location of the installation is near the underway infrastructure construction.誌謝..........................I 中文摘要......................II 英文摘要......................III 目錄..........................IV 表目錄........................VI 圖目錄........................VII 第一章 前言...................1 第二章 文獻回顧...............3 2.1 太陽能電池................3 2.2 太陽能模組................4 2.3 太陽能系統................6 2.4 戶外性能評估..............8 2.5 戶外環境對於太陽能系統性能的影響.....10 2.5.1 太陽照度效應.......................10 2.5.2 溫度效應...........................10 2.5.3 太陽光譜效應.......................11 2.5.4 戶外髒污...........................11 第三章 實驗規劃與設置....................13 3.1 矽晶太陽能模組.......................13 3.2 系統設置資訊.........................14 3.2.1 落塵量偵測系統.......................................14 3.2.2 氣候量測系統.......................14 3.2.3 戶外電性量測系統...................15 3.3 實驗規劃.............................16 3.3.1 不同太陽能模組戶外性能分析.........16 3.3.2 太陽能系統戶外髒污分析.............16 3.3.3 太陽能系統清潔效益分析.............17 第四章 結果與討論........................18 4.1 太陽能模組戶外系統分析...............18 4.1.1 不同類型太陽能模組性能分析.........18 4.1.2 太陽能模組溫度效應分析.............19 4.2 太陽能系統戶外髒污分析...............21 4.2.1 約旦落塵量偵測系統分析.............21 4.2.2 台中落塵量偵測系統分析.............21 4.2.3 泰國落塵量偵測系統分析.............22 4.2.4 落塵量偵測系統分析結果.............23 4.3 太陽能系統清潔效益分析...............23 第五章 結論與未來展望....................26 參考文獻.................................28 表目錄 表一 2012年購電費率......................34 表二 不同地區落塵量偵測系統分析總表......34 表三 不同地區太陽能模組發電量損失清潔效益表……..35 圖目錄 圖一 太陽能電池發電原理.......................................36 圖二 太陽能電池示意圖.......................................36 圖三 太陽能模組結構......................37 圖四 獨立型太陽光電系統.......................................37 圖五 市電併聯型太陽光電系統.......................................38 圖六 緊急防災型太陽光電系統.......................................38 圖七 太陽高度角與方位角示意圖............39 圖八 太陽季節位置圖......................39 圖九 台灣太陽角度示意圖..................40 圖十 交指背接觸電極太陽能模組............40 圖十一 單晶矽太陽能模組..................41 圖十二 多晶矽太陽能模組..................41 圖十三 落塵量偵測系統....................42 圖十四 清潔端灑水噴頭....................42 圖十五 氣候量測系統......................43 圖十六 受遮陰之電壓電流與功率電壓曲線....43 圖十七 戶外太陽能系統....................44 圖十八 無遮陰之落塵量偵測系統位置........44 圖十九 2013年台中平均日照量與平均溫度....45 圖二十 不同太陽能模組之性能比與溫度關係圖45 圖二十一 短路電流、開路電壓、輸出功率與溫度之關係圖46 圖二十二 不同太陽能模組之輸出功率溫度係數..47 圖二十三 約旦每月降雨量與溫度圖..........47 圖二十四 約旦每月降雨量與發電量損失關係圖..48 圖二十五 放置於約旦9個月的落塵量偵測系統...48 圖二十六 台中每月降雨量與溫度圖............49 圖二十七 台中每月降雨量與發電量損失關係圖..49 圖二十八 放置於台中10個月的落塵量偵測系統..50 圖二十九 泰國每月降雨量與溫度圖............50 圖三十 泰國每月降雨量與發電量損失關係圖....51 圖三十一 放置於泰國9個月的落塵量偵測系統...51 圖三十二 2013年中部科學園區10MW太陽能系統發電量.52 圖三十三 太陽能發電量損失比例與太陽能損失費用關係圖...5