交流太陽能模組＆微逆變器『AC Module ＆ MIC(microinverter)』

作者:江志宏

說明：

太陽能電池面板的整體輸出功率大幅降低，主要是因為部分模組損壞(冰雹、風壓、風振、雪壓、雷擊)、局部陰影、污垢、傾斜角度、方位、不同的老化程度、細小的裂縫..等問題，這些問題都會造成系統配置失調，導致輸出效率下降的瑕疵，這 些都是傳統集中式逆變器難以克服的問題。 太陽能發電成本比例：模組(40～50%)、施工(20～30%)、逆變器(<10%)，從成本比重來看，施工成本高達1/3，如果在生產中就直接將逆變器裝在模組上，可以大幅降低整體發電成本 。

為了克服這樣的問題，於2008年發展出微型逆變器(microinverter)應用於太陽能模組，也就是每一個DC直流的太陽能模組都配備一個將直流(DC)直接轉換成交流(AC)的小型逆變器， 它可以直接裝在模組背後或是固定架上，透過micro inverter的追蹤，每個模組都可以操作在95%以上的最高功率點(系統99.5%以上的時間是正常運作)，這樣的優點就是針對每一個模組的輸出功率進行最佳化，使整個太陽能發電系統的輸出功率獲得最高， 對於設計架構來說，就算是部分模組受到陰影、熱班、灰塵覆蓋…等情況影響，也能夠挽回超過57%損失的發電量，另外其電力傳輸 值接的是AC電源，不需要複雜與專業的串併聯，直接採用 併聯輸出，還可以降低電源傳遞間的衰減，最近的研究表示模組裝設微逆變器可以提高20%的能量收集，單一模組提供標準交流頻率電源，每一個模組設有電弧保護，可以降低電弧發生機率。 由此可知，集中型逆變器的故障率高，必須要經常更換，其壽命大約只有模組的一半，若我們採用微型逆變器其輸出功率較低，可以提高逆變器的使用壽命。

由於每一個模組背後都是小型逆變器，模組不需要再配置另外的通訊線材，可以直接透過交流電源的輸出電線，直接進行網路通訊，只需要在插座上裝置一個電力線網路橋接器(Powerline Ethernet Bridge)，不需另外架設通訊線，使用者可以直接透過電腦網頁、iPhone、黑莓機、平板電腦..等，觀看到每一個模組的運轉狀態(功率輸出、模組溫度、故障訊息、模組識別碼) ，如果有異常的話可以馬上進行維修或是更換，讓整個太陽能發電系統可以運作順暢。

直流模組與交流模組比較：

交流模組的輸出端子：

交流輸出(AC output)、直流輸出(DC output)、控制單元(Control Interface)

交流太陽能模組的英文稱呼：

AC solar PV module ac pv module AC photovoltaic module AC Module PV systems composed of AC modules AC module-composed PVAC Module

專有簡稱：

CVCF：定電壓、定頻率
EIA(Energy Information Administration)美國能源情報署
EMC：包括EMI(電磁干擾)及EMS(電磁耐受性)兩部份
EMI(電磁干擾)：機器本身在執行應有功能的過程中所產生不利於其他系統的電磁雜訊
ETL：美國電子測試實驗室
MFGR：製造商
HALT：Highly Accelerated Life Test,加速壽命測試
HAST(Highly Accelerated Stress Test)：加速應力測試
HFRE：高頻整流器
HFTR：高頻變壓器
MEOST[Multiple Environment Over Stress Tests]：多種環境壓力測試
MIC(microinverter)：微逆變器
Micro-inverters：微型逆變器
MPPT[Maximum Power Point Tracking]：最大功率點追蹤
MTBF：平均故障間隔時間
NEC：國家電氣規範
PVAC Module：交流太陽能模組
VVVF：改變電壓、改變頻率

交流模組試驗規範：

ETL認證：UL 1741, CSA Standard 22.2, CSA Standard 22.2 No. 107.1-1, IEEE 1547, IEEE 929
模組(PV Module)：UL1703
通訊：47CFR, Part 15, Class B
電壓突波(Surge Rated)：IEEE 62.41 Class B
國家電氣規範：NEC 1999-2008
電弧保護裝置：IEEE 1547
電磁波：BS EN 55022、FCC Class B per CISPR 22 B、EMC 89/336/EEG、EN 50081-1、EN 61000-3-2、EN 50082-2、EN 60950
微逆變器(Micro-Inverter)：UL1741-calss A
典型組件故障率：MIL HB-217F

其他規範：

IEC 503、IEC 62380 IEEE1547、IEEE929、IEEE-P929、IEEE SCC21、ANSI/NFPA-70 NEC690.2、NEC690.5、NEC690.6、NEC690.10、NEC690.11、NEC690.14、NEC690.17、NEC690.18、NEC690.64

交流太陽能模組主要規格：

工作溫度： -20℃～46℃、-40℃～60℃、-40℃～65℃、-40℃～85℃、-20～90℃
輸出電壓：120/240V、117V、120/208V
輸出電源頻率：60Hz

交流模組的優點：

1.儘量提高每一逆變電源模組的發電量,跟蹤最大功率，由於對單塊元件的最大功率點進行跟蹤，可大大提高光伏系統的發電量，可提高25%。
2.通過調整每一排太陽能板的電壓和電流，直至全部取得平衡，以免系統出現失配。
3.每一模組都具備監控功能，降低系統的維護成本，操作更加穩定可靠。 4
.配置靈活，在家用市場可以按照用戶財力安裝太陽能電池大小
5.無高壓電、使用上更安全，安裝簡單，更快捷，維護安裝成本低廉，對安裝服務商依賴性減少，使太陽能發電系統可以由用戶自己DIY安裝。
6.成本與集中式逆變器相比差不多，甚至更低
7.安裝簡單(安裝時間減少了一半)
8.降低採購與安裝成本
9.降低太陽能整體發電成本
10.無特殊接線與安裝程序
11.單一交流模組故障不會影響到其他模組或系統
12.模組異常可自動切斷電源開關
13.維修時只需要進行簡單的中斷程序
14.可以在任何方向安裝，不會影響在系統的其他模組
15.可以填滿整個設置空間，只要放的下都可以
16.減少直流線路與電纜橋接
17.減少直流連接器(DC connectors)
18.減少直流接地故障檢測與設置保護設備
19.減少直流間線盒(DC junction boxes)
20.減少太陽能模組的旁路二極體
21.不需要購買安裝維護大型逆變器
22.不需要購買電池
23.每一個模組安裝防電弧裝置，符合UL1741規範要求
24.模組透過交流電源輸出電線直接進行通訊，不需另外架設通訊線
25.減少40％的元件

交流模組測試方法：

1.輸出效能測試：已現有模組測試設備，針對無inverter的模組進行相關測試
2.電應力測試：進行不同條件的溫度循環測試，評估在inverter在操作溫度與待機溫度條件下的特性
3.機械應力試驗：找出黏附較 脆弱的微逆變器與焊接在PCB板上不牢靠的電容
4.使用太陽光模擬器進行整體測試：需使用大尺寸且均勻性佳的穩態脈衝式太陽模擬器
5.室外試驗：戶外環境下紀錄模組輸出I-V曲線，及inverter的效能轉換曲線
6.單獨測試：在室內將模組的各個組件分開測試，以公式計算綜合效益
7.電磁波干擾試驗：由於模組上有inverter組件，需評估在太陽光模擬器照射下，其模組運轉時對EMC&EMI的影響。

交流模組常見故障原因：

1.電阻值不正確
2.二極體裝反
3.逆變器故障原因：電解電容失效、濕氣、灰塵

交流模組試驗條件：

HAST試驗：110℃/85%R.H./206h(Sandia國家實驗室)
高溫試驗(UL1741)：50℃、60℃
溫度循環：-40℃←→90℃/200cycle
濕冷凍：85℃/85%R.H.←→-40℃/10cycles、110 cycles(Enphase-ALT試驗)
濕熱試驗：85℃/85%R.H/1000h
多種環境壓力測試(MEOST)：-50℃～120℃、30G～50G振動
防水：NEMA 6/24小時
雷擊測試：容忍浪湧電壓達6000V
其他(請參考UL1703)：噴水試驗、拉伸強度試驗、防電弧試驗

太陽能相關組件MTBF：

傳統逆變器10～15years、微逆變器331years、PV模組600years、微逆變器600years[未來]

微逆變器介紹：

說明：微型逆變器(microinverter)應用於太陽能模組，每一個DC直流的太陽能模組都配備一個，可降低電弧發生機率，微逆變器可以直接透過交流電源的輸出電線，直接進行網路通訊，只需要在插座上裝置一個電力線網路橋接器(Powerline Ethernet Bridge)，不需另外架設通訊線，使用者可以透過電腦網頁、iPhone、黑莓機、平板電腦..等，直接觀看到每一個模組的運轉狀態(功率輸出、模組溫度、故障訊息、模組識別碼)，如果有異常的話可以馬上進行維修或是更換，讓整個太陽能發電系統可以運作順暢，由於微逆變器是安裝在模組的背後，所以紫外線對於微逆變器的老化影響也較低。

微逆變器規範：

UL 1741 CSA 22.2, CSA 22.2, No. 107.1-1 IEEE 1547 IEEE 929 FCC 47CFR, Part 15, Class B Compliant with the National Electric Code (NEC 1999-2008) EIA-IS-749(糾正過的主要應用壽命測試，電容所使用的規範)

微逆變器測試：

1.微逆變器牢靠度測試：微逆變器重量+65磅*4次
2.微逆變器防水測試：NEMA 6[水中1米連續運轉24小時]
3.符合IEC61215的測試方式濕冷凍：85℃/85%R.H.←→-45℃/110天
4.微逆變器的加速壽命試驗測試[共110天，需在額定功率下動態測試，已確保微逆變器可耐用20年以上]：
步驟一：濕冷凍：85℃/85%R.H.←→-45℃/10天
步驟二：溫度循環：-45℃←→85℃/50天 步驟三：濕熱：85℃/85%R.H./50天