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  • 標題:NEC 2017太陽光電系統模擬電壓和電流計算
    參考資料之來源及日期:“Simulating NEC Voltage and Current Values.”, Jul/Aug, 2018,(網頁:https://solarprofessional.com/articles/design-installation/simulating-nec-voltage-and-current-values#.XDQd2FUzZPY)
    參考資料之作者:Charles Ladd

      根據21世紀可再生能源政策網(網址:http://www.ren21.net/)於2018年6月發表的「RENEWABLES 2018 GLOBAL STATUS REPORT」,回顧2017年再生能源發展概況,全球電力生產中有26.5%來自於再生能源,其中各類再生能源占比分別為水力發電16.4%、風力發電5.6%、生質能發電2.2%、太陽光電1.9%、其他0.4%(海洋能、聚光太陽能熱發電和地熱能)。若再比較2016年與2017年各類再生能源發展情況,則可發現太陽光電容量(Capacity)成長幅度最大,由303 GW提高為402 GW。隨著太陽光電技術逐漸成熟及裝置量持續成長,2017美國國家電工法規(National Electrical Code, NEC)太陽光電系統Article 690 Solar Photovoltaic(PV) Systems亦有許多重要修正,而參考資料作者Charles Ladd於文中詳細分析NEC 2017年版690.7、690.8有關太陽光電發電系統最大電壓與電流計算規定,並進一步實踐模擬電壓與電流計算,以下將簡單介紹。

      參考資料作者Charles Ladd表示太陽光電電壓與溫度成反比,故為解釋溫度影響,NEC 1999年版引入單晶矽及多晶矽模組之電壓修正係數表,而後於NEC 2008年版允許以廠家提供的溫度係數計算最大電壓,以表示特定太陽光電模組(Module)的溫度效應。NEC 2017年版除包含上述兩種眾所周知的方法外,並於690.7(A)(3)規定,對於產生發電容量為100 kW以上的太陽光電發電系統,允許由授權的專業電機技師採用工業標準方法作系統設計,且NEC 2017年版於參考訊息(Informational note)說明桑迪亞國家實驗室(Sandia National Laboratories)公佈了一種計算太陽光電發電系統最大電壓的工業標準方法,並將產品的溫度係數及現場的氣象數據納入考慮。

      此外參考資料作者Charles Ladd亦表示太陽光電輸出電路電流與輻射照度(Irradiance)成正比,故為解釋高輻射照度環境影響,NEC 1999年版引入用於最大太陽光電輸出電流計算之125%太陽能增幅乘數,惟有鑒於雲層遮擋或類似效應導致高輻射照度條件不可能持續3小時,因此該乘數非常保守,而後續NEC五個版本亦要求使用125%輻射照度乘數。但於NEC 2017年版新增690.8(A)(1)(2)規定,允許由授權的專業電機技師模擬計算發電容量100 kW以上之太陽光電發電系統最大電流值,並且規定該模擬應依照現場安裝地點的輻射照度計算,並得最高3小時的電流取平均值,該方法計算結果不得低於依照690.8(A)(1)(1)(註:傳統計算方法)的70%。且NEC 2017於參考訊息說明桑迪亞國家實驗室提供一種計算太陽光電發電系統最大電流的工業標準方法,該模型由美國國家再生能源實驗室(National Renewable Energy Laboratory)提供的系統顧問模型(System Advisor Model)模擬程式使用,該計算結果將現場安裝參數及當地天氣數據納入考量。

      最後於參考資料作者Charles Ladd於文中提出案例分析,以模擬方式計算太陽光電發電系統之最大電壓電流,以標準非聚光型(non-concentrating)晶矽太陽光電模組為例,380個太陽電池模組(額定功率330 W、開路電壓46.4 V、短路電流9.29 A、開路電壓溫度係數-0.32%/°C),每19個模組串聯成1模板,總共20個模板分給4個30 kW變流器,總發電容量為120 kW,符合NEC使用模擬計算的條件,模型輸入數據包括位置、資源、模組、變流器、系統設計、陰影及雪、損失等,最後模擬計算出太陽光電系統最大開路電壓為967.5 V,而最大短路電流為9.95 A,另外若比較傳統計算方式得到的最大開路電壓為981.9 V(假設極端最低溫度為-10.3°C),最大短路電流為11.61 A(9.29 A ×125%)。因此最後參考資料作者Charles Ladd提出潛在的好處為工程分析降低了最大電壓和電流值,新的電流計算方法將最大太陽光電源電路電流從11.61 A降低到9.95 A,亦即減少14.3%,在某些情況下可以節省設備裝置成本,而隨著系統規模的擴大,設備裝置成本的節省與額外的工程成本可達到平衡。

      回顧我國「用戶用電設備裝置規則」(當時稱「屋內線路裝置規則」)太陽光電相關規定,於102年配合國家政策推動,參考NEC 2011年版相關規定訂定,以高輻射照度達3小時為前提考量下,為確保系統安全,故於「用戶用電設備裝置規則」第396-27條規定亦有納入125%太陽能增幅乘數。另外太陽光電發電系統會受氣象條件不同會使發電量產生變動,因此不同地點不同時段,太陽光電系統發電容量也會有所不同,而NEC 2017年版引入以模擬程序計算太陽光電發電系統最大電壓和電流,以較為複雜的模擬程序計算設置地點太陽光電發電系統最大電壓與電流,因此可得到更貼近現場的設計參數,有關案例分析進一步計算過程,詳見參考網頁。

    經濟部能源局108年度「電力工程技術規範研究發展及業務推動計畫(1/2)」
    台灣綜合研究院電力工程研究團隊 編輯
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