太陽光電系統與可靠度

太陽光電系統與可靠度

工研院 綠能與環境研究所 太陽光電技術組

林福銘

([email protected])

2016年 10月 26日

2

7.7GW

18.2GW

28.4GW

29.8GW

41.7GW45.0GW

56.0GW

72.0GW

79.2GW

89.7GW

2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 Western Europe Eastern Europe Japan USA China India Rest of World

太陽光電系統終端市場預測

資料來源：Bloomberg New Energy Finance, 2016 PV Market Outlook, 2016.09.01

• 彭博社預測，2016年全球市場樂觀情況可超越70GW

• 全球市場越趨近遍地開花

3 3

2015全球電力供給預估

資料來源：Renewables 2016 Global Status Report, REN21.

全球太陽光電設置量看似成長爆發，但占比仍只1.2%，成長空間很大

4

2015全球太陽光電技術占比

• 2015年矽晶技術產量占全球市場93.35%

資料來源：Photovoltaics Report, 2016. 06. 06, Fraunhofer ISE

資料來源：EuPD Research, 2011. 10. 05, PV Taiwan Forum 5

•隨著 LCOE(Levelized Cost of Electricity)下降，太陽光電成為 電力來源將越成趨勢

全球太陽光電系統發展進程

Source: U.S. Market Statistics, Trends, Metrics. SunEdison, June 2013. 6

LCOE的影響因子

電廠的建置有相當多的因子需考量，非單一元件能主導

成本越低

發電越多

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• 低溫度係數

• 弱光發電

• 雙面發電結構。如Panasonic的HIT技術之測試結果，發電量可提高17~25%

• N型晶片，沒有傳統p型晶片因參雜硼與雜質氧會產生硼氧鍵導致光至衰減問 題(Light Induced Degradation, LID)

• 模組長壽命、低衰退率

HIT(Panasonic) 240S

Mono(Canadian Solar) CS5P-240M

Multi(SHARP) ND-240QCJ STC(標準測試最大功率發電)(W) 240 240 240

溫度係數(%/C) -0.30 -0.45 -0.485

STC：Standard Test Conditions (測試條件:25°C, AM1.5, 1000W/m²)

生命週期發更多電的選項

方案須具成本效益

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Location Test duration Module Tech. Degradation rate (%/year)

Perth (Australia)

(溫帶氣候) 16-19 months

c-Si p-Si a-Si CIS

0.5-2.7 1.0-2.9

18.8 12.6

Mesa, Arizona (USA) (沙漠氣候)

2.4-4 years 2.4-2.7 years 2.7-6.7 years

c-Si p-Si a-Si

0.4 0.53 1.16-3.52

Negev desert (Israel)

(沙漠氣候) 3.4 years p-Si 1.3

Golden, Colorado

(USA) (高山大陸氣候) 8 years c-Si 0.75

Hamamatsu (Japan)

(溫帶氣候) 10 years c-Si 0.62

Source: Prog. Photovolt: Res. Appl. 2008; Manuel Va´zquez et al.

模組衰退率統計資料

文獻上的模組衰退率

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模組衰退率統計資料

Location Test duration Module Tech. Degradation rate (%/year)

Trinidad, California

(USA) (海岸區) 11 years c-Si 0.4

Lugano

(Switzeland) (溫帶氣候)

20 years c-Si 0.53

Golden, Colorado (USA)

(高山大陸氣候) 20 years C-Si 0.8

Ispra (Italy)

(溫帶氣候) 22 years p-Si

c-Si

0.3 (silicone) 0.67 (EVA)

Source: Prog. Photovolt: Res. Appl. 2008; Manuel Va´zquez et al.; IEEE Journal of Photovoltaics, 2015, D. C. Jordan

矽晶模組衰退狀況：

1. 第一年約在1~3%

2. 第二年開始，衰退趨緩，呈線性，約為0.5~1%/年 3. 衰退狀況會隨時間增加，離散(variability)狀況也增加

文獻上的模組衰退率(續)

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灰塵與清潔對發電的影響

- south of Navarre (Spain)

- 8 to 22% energy loss in the case of fixed horizontal surfaces

- 1 to 8% energy loss in the case of tracking surfaces

- During dry periods, the losses increased about 0.1–0.2% per day.

- daily rainfalls above 4–5mm noticeably clean the modules

Source: Prog. Photovolt: Res. Appl. 2011; M. Garcia et al.; 2015 IEEE, AUO, C.Y. Chen

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太陽光電的學習曲線

資料來源：Michael Liebreich, Bloomberg New Energy Finance, Berlin, March 18, 2016.

Note: Prices are in real (2014) USD. ‘Current price’ is $0.61/Wp

(US$/Wp)

太陽光電模組價格(安裝量)：

• 1976年 U$ 75/W (2 MW)

• 2008年 U$ 4.27/W (6.6 GW)

• 2015年 U$ 0.61/W (59 GW)

12

1.85

0.58 0.37 0.28

3.24

1.31

0.97

0.79

2010 2015 2020 2025

Module Inverter Balance of plant EPC Other

大型系統設置成本下降預測

- 以1MW地面、固定型設置作假設

資料來源：Bloomberg New Energy Finance, 2016 PV Market Outlook, 2016.09.01

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系統PR值的進展(德國為例)

資料來源：Photovoltaics Report, 2016. 06. 06, Fraunhofer ISE

系統的PR值逐漸進步，由1990年代的70%，進展至今的80~90%

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不同型式的模組串在一起

模組遮蔭影響發電性能 模組接線盒過熱

直流匯流箱的保險絲過熱或 接觸不良

 不良系統設計與安裝，將會造成發電收益損失與安全性問題。

 透過合宜的系統生命週期管考模式，預防與改善問題，降低相 關風險!

纜線無合適的固定與保護措施 模組抗反射膜脫層 (彩虹斑)

變流器安裝不當，進水 後易造成短路及銹蝕

好的系統 選用好的元件

用好的元件不代表有好的系統

15 日照資源/

電站選址 結果審查

系統可行 性評估結 果審查

設備、建 造與發電 成本評估 結果審查

系統遮蔭 分析結果

審查

EPC招投標 /合約

審查

 技術文件審查

 差異分析，系統隱患排查

 技術評估與顧問諮詢

 安全、品質、性能與可靠度優化建議

 系統現場與工廠產品的測試與檢查

 安全、品質測試檢查，發電性能確認，可靠度與風險評估

細部設計 方案分析

工程監督

現場土建 與設備安 裝確認、

調試 正式運行

驗收 發電量異 常問題分 析和改進

PV電廠認 證 各項系統 測試與結 果審查

預期和實 際的發電 性能、獲 利的差異

分析 系統品質、

可靠度、

安全性評 估和改進 措施審查 設計方案

之可靠度 評估與等 級評定

關鍵設備 選型結果

審查

關鍵設備 QA / QC檢

驗(模組、

變流器、

設備招投 其他) 標/合約

審查

供應商能 力評估

關鍵設備 出廠和進 場檢驗

預期和實 際發電性 能的差異

分析 現場模組

抽樣測定 功率

電站運行 與維護管 理審查

系統全面 的風險因 素評估

規劃 設計 採購 製造 建置 調試 驗收

營運 維護

共80項主要查核與測試項目

工研院綠能所系統全生命週期評估技術

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加值分析目的：

– 藉由記錄太陽光電發電相關資料，自動導入加值運算分 析，找出影響發電效能之因子，回饋與協助管理人員進 行管理與維運參考，達到提升整體太陽光電發電效能之 目標。

資料來源：

– 由各個案場送至雲端系統之太陽光電發電相關資料。

加值分析輸出：

– 合理發電量分析 – 損失因子分析 – PR值修正分析

– 輸出功率衰退率分析 – 模組清洗提醒分析

系統監測資料加值分析服務

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• 根據中央氣象局統計，颱風侵襲臺灣

• 統計近台之

發布超過17級以上之警報，然而若從各氣象局測站查詢，則有 不少颱風超過17級以上最大陣風風速，特別是2015、2016年 有5個測站測得。

颱風 警報 中心 最大 風速 次數

一、颱風侵襲次數與警報資料統計：

資料來源：中央氣象局網站；綠能所統計繪製

註：2016 年尼伯特 颱風其近 颱風中心 最大風速 超過17級

0 以上

1 2 3 4 5 6

1958 1960 1962 1964 1966 1968 1970 1972 1974 1976 1978 1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014 2016

16級 17級(含)以上

註：最大風速為每10分鐘平均風速之最大值，其中觀測到的最大陣風，稱為最大陣風風速

侵台颱風數據統計

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1. 根據中央氣象局氣象站資料，列舉歷年(1958-2016年)基隆、台北、竹子 湖、鞍部、新屋、梧棲、嘉義、台南、七股、高雄、恆春、蘇澳、花蓮、

台東、成功等常受較大颱風侵襲之15測站最大陣風達13-17級統計資料。

超過17級(含)以上者有15次，近10年有9次，最近2年有5次，但未含莫蘭

3 5

1 9

2 6

2 2 5

9

4 6

2 10

3

1 5

2 7

1 1

3 4

3 6

1 4

4 4

1 4

1 3

2 2 1

4

1 1 1 1

5

2 1

5

1

7

4

1 2

0 2 4 6 8 10 12

基 隆 市 區

臺 北 市 中 正 區

台 北 竹 子 湖

台 北 鞍 部

桃 園 新 屋

台 中 梧 棲

嘉 義 市

台 南 市 中 西 區

台 南 七 股

高 雄 市 前 鎮 區

屏 東 恆 春

宜 蘭 蘇 澳

花 蓮 市

台 東 市

台 東 成 功 13級 14級 15級 16級 17級

二、歷年侵台颱風，最大陣風達13-17級(含)的次數統計：

資料來源：中央氣象局網站；綠能所統計繪製 各測站曾出現17級風速(含)以上颱風

站別 年度 颱風名稱 瞬間極大

風風速 蘇澳 1994 道格 59.9 蘇澳 1994 葛拉絲 68.6 蘇澳 2008 辛樂克 58.6 蘇澳 2008 薔密 62.4 蘇澳 2015 蘇迪勒 66.1 蘇澳 2015 杜鵑 68.4 蘇澳 2016 梅姬 56.2 梧棲 2016 梅姬 57.2 花蓮 1959 魯依絲 62.1 花蓮 2005 海棠 58.5 花蓮 2005 龍王 64.9 花蓮 2010 凡那比 58.4 台東 2016 尼伯特 57.2 台東成功 2001 碧利斯 78.4 台東成功 2006 凱米 60.1

中央氣象站歷年最大陣風13~17級統計圖

氣象 測站

統計期間：1958~2016年7月 次數

2016年莫蘭蒂的威力：恆春半島在莫蘭蒂的外眼牆掃過時，測得每秒23.5公 尺持續風速及每秒52.2公尺(16級)；但外島蘭嶼持續風速和最高陣風更分別達 到每秒44.2和59公尺(17級) ，到了外島金門則測得每秒42.2公尺持續風速和 每秒61.7公尺最高陣風(17級)。

侵台颱風數據統計

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三、颱風強度與風級、風速、風壓對照表

說明：

1. 風壓單位由kgf/m²換算至N/m² (Pa)，只要乘以10。

2. 模組IEC 61215機械負荷測試要求，

正向壓力最高5400Pa，反向

2400Pa。此機械負荷施加為均佈載 重(uniform loading)

3. 根據IEC 61215機械負荷測試之註解 說明，當模組可能受到嚴重積雪荷重 時，可在機械負荷測試最後一回合 (正、反、正，共三回)，將壓力由 2400Pa提高至5400Pa

4. IEC 61215機械負荷測試是以電性衰 退為通過與否當判斷依據，非結構強 度。

風級、風速與風壓

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建築物耐風設計規範之使用 ^{設計面檢討}

PV支撐架設計與檢核該使用哪一章?

•第二章 建築物設計風力之計算

•第三章 局部構材及外部被覆物之設計風壓

• 封閉式或部分封閉式建築物使用各面不同的風壓係數，來計算主

要風力抵抗系統所受的風力。開放式建築物使用風力係數及投影 面積，來計算設計風力。第二章所規定之風力，使用於建築物整 體抵抗風力結構系統之分析與設計，至於局部構材及外部被覆物 之設計風力，應考慮局部風壓之提高及內風壓效應，不得以第二 章規定之風力設計，應依照第三章之規定設計之。

• PV模組安裝與連結、斜屋頂平鋪式都應該用第三章作檢核。

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建築物耐風設計規範探討

基本設計風速是否足夠?

 一般受破壞者說法：氣象站雖未測得超過當地平均 設計風速，但受地形或環境影響，使風加速而超越 規範很多，所以被吹壞!

 陣風反應因子(G)探討

▪ G為將順風向造成的動態風壓轉換成等值靜態風壓處理。

1.設計規範中對於風力分為順風向、橫風向、扭轉向分別作風力設 計，然距置式PV系統因正、背面結構不對稱，故順風向風力應再 區分為正風向與背風向作檢討較恰當。

▪ PV支撐架依柔性建築物(fn<1Hz)或普通建築物(fn>1Hz)設 計?

▪ 柔性建築物? (依規範公式2.13計算G值，通常小於1.88)

▪ 普通建築物取G=1.88最為保守、妥當。

設計面檢討

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建築物耐風設計規範探討

 用途係數(I)

一般建築物基本設計風速係對應於 50年回歸期，為提高重要建築物 之基本設計風速為100年回歸期，並降低重要性較低建築物之基本設 計風速為25年回歸期，訂定用途係數I。

▪ 第一類建築物：風災發生後，必需維持機能以救濟大眾之重要建築物 與相關之附屬或獨立結構物，I = 1.1。

▪ 第二類建築物：儲存多量具有毒性、爆炸性等危險物品之建築物與相 關之附屬或獨立結構物，I = 1.1。

▪ 第三類建築物：下列供公眾使用之建築物與相關之附屬或獨立結構物

，I =1.1。

▪ 第四類建築物：建築物破壞時，對人類之生命危害度小，如臨時性設 施及非居住性儲藏設施等，I = 0.9。

▪ 第五類建築物：其他一般建築物與相關之附屬或獨立結構物，I = 1.0

。

設計面檢討

 通常支撐架設計採用I=1.0，若真有必要，建議

可針對用途係數酌量提高。

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台灣與日本設計風力比較

台灣建築物耐風設計規範與解說 JIS C 8955

風速壓 (kgf/m²)

𝑞 𝑧 = 0.06𝐾(𝑧)𝐾_𝑧𝑡 𝐼𝑉₁₀(𝐶) ² 𝑞 𝑧 = 0.06𝐸 ∗ 𝐼 ∗ 𝑉² I:用途係數

V₁₀(C):基本設計風速(m/s) q(z):風速壓(kgf/m²)

K(z):地況係數 K_zt:地形係數

E:環境係數(相當於地況係數)

I:用途係數(重要太陽光電系統此值為 1.32)

V:基本設計風速(m/s 風力

(kgf) 𝑊_𝑝 = 𝐶_𝑓 × 𝑞(𝑧) × 𝐴_𝑊 × 𝐺 𝑊_𝑝 = 𝐶_𝑤 × 𝑞(𝑧) × 𝐴_𝑊 × 𝐺

風力係數 (C_f 或C_w)

依據陣列的傾斜角與長寬比L/B值查表 C_f=0.2~1.3

Θ:10°≦Θ≦30°

依據設置方式為傾斜角度之函數關係 C_W=0.65+0.009Θ (地面型)

C_W=0.71+0.016Θ (平屋頂) Θ:15°≦Θ≦45°

C_W=0.95-0.017Θ (斜屋頂) Θ:12°≦Θ≦27°

陣風反應因子(G) <1.88 依據不同高度及不同區域查表最小1.8

最大3.1

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支撐架組立施工 _{施工面檢討}

 設計面加強進步，施工面也要配合

 施工面常發生的問題：

 未按圖施工 (用料或施工不符)

 雖按圖施工，但施工不確實

• 漏鎖螺絲、少打一支、忘了加(彈簧)墊片、沒鎖到位、鎖太緊、

鎖歪了、沒鎖/釘到結構材、植筋或化錨深度不夠……

 維護檢查疏失

• 平時巡檢、颱風前特別檢查有待加強

[另外需有一觀念]：結構技師通常不是作PV支撐架設計，PV支撐架通常都是由 PV系統廠商或專業支撐架廠商提出組裝設計圖與構材斷面資料，技師根據這些 資料做結構應力分析檢核，若不足會做加強之設計，最後完成詳細圖說及結構 計算書。

25

目前進行中之工作

在能源局支持下，工研院綠能所與結構技師公會合作，完 成國內太陽光電系統支撐架結構設計準則(草案)，並進行參 考案例製作，後續將進行說明會及教育訓練推廣工作。

後續將開發太陽光電系統支撐架結構設計輔助檢核軟體，

協助進行設計檢核。

開發模組扣件及螺絲鎖固之測試機台設備，提供鎖固力評 估。

透過專家座談會、研討會、說明會，加強支撐架安全應用 宣導，強化安全觀念，落實制度面、設計面、施工面之強 化改進。

 支撐架安全提升目前進行中工作：

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電位誘發功率衰退原理

PID (Potential Induced Degradation)測 試條件：

- 85℃、85%RH、-1000 V、96小時(連續) - IEC 62804

矽晶模組電位誘發功率衰減問題

Power loss 80%

PID前EL照片 PID後EL照片

Source: ITRI, GEL

系統電位差導引正電荷累積於矽 晶電池表面，產生漏電流路徑，

導致功率衰退。 嚴重時，功率衰 退會超過50%。

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PID解決方案 使用對象 風險

電池

改善發射極 對封裝材料，逆變器和系統接地無特殊限 制

電池效率可能下降 產能可能下降 改良SiN或SiO減反

射膜

對封裝材料，逆變器和系統接地無特殊限 制

電池效率可能下降

需要改良的SiN沉積設備 產能可能下降

模組

使用高體電阻的封裝 玻璃

對電池，封裝材料，逆變器和系統接地無

特殊限制 成本高

光學響應有可能提高

使用高體電阻的封裝 材料

對電池，封裝玻璃，逆變器和系統接地無 特殊限制

成本高

可能有光學損失 層壓工藝可能變長

系統

串聯組件負極接地 易受PID影響的組件

需要使用帶有變壓器的 逆變器

存在更加高效的逆變器 拓撲結構

在夜間對組件施加正 偏壓

易受PID影響的組件

需要新增電氣設備 可以使用高效逆變器(>>97%)

可對現有光伏系統進行升級 微型逆變器

對電池及封裝材料沒有限制

成本高逆變器效率目前 為95%

高於中央逆變器的運行壽命預期 對單個組件的Mpp跟蹤

Source: 26th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, H. Nagel et al., “CRYSTALLINE SI SOLAR CELLS AND MODULES FEATURING EXCELLENT STABILITY AGAINST POTENTIAL-INDUCED DEGRADATION”

PID衰減解決方式

28

1. 模組內電池隱裂或電池邊緣，經陽光曝曬發電後在隱裂或邊緣處的銀電極與 EVA進行化學反應，造成銀電極及EVA褪色，外觀上看去類似蝸牛爬行過痕 跡，此現象稱為蝸牛紋(snail track)、Worm marks或閃電紋。

2. 微裂或破片是蝸牛紋產生的主要原因。安裝系統時，不要踩踏模組！

矽晶模組蝸牛紋問題

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蝸牛紋可以從封裝材料進行解決

• EVA中的醋酸是加速蝸牛紋發生的因子

• 文獻指出，控制EVA的抗氧化劑磷含 量，可抑制蝸牛紋

• 蝸牛紋通常發在EVA封裝膜，離子型封 裝膜不會發生

• 蝸牛紋模組的功率損失來自於電池破片 程度，影響程度待觀察

資料來源：IEA PVPS Task 13 Workshop@27^th EUPVSEC, M. Köntges et al.

30

1. 高溫、高濕熱環境，更容易引起模組PID問題

2. AIST於2015年在Japanese Journal of Applied Physics期刊發表，鹽霧可加速 PID劣化的研究。模組先經過鹽霧測試，可讓鈉離子滲入模組，作為後續 PID測試的加嚴前置測試作業。

日本JIS的鹽霧測試條件比IEC標準嚴格

 抗PID電池+抗PID封裝材之模組：進 行鹽霧測試後可通過PID測試

 不抗PID電池+抗PID封裝材之模組：

進行PID測試可通過測試

 不抗PID電池+抗PID封裝材之模組：

進行鹽霧測試後無法通過PID測試 文獻加嚴測試結論

必須電池與模組封裝材料都抗 PID，才能通過鹽霧及PID的序列 測試

更容易誘發PID失效的測試方法

31

水上型模組的需求

1. 目前沒有針對水上型模組之國際規範

2. 更高的抗腐蝕、抗水氣及抗PID的要求是必要的

3. 水面對日照的反射，可能導致更多的UV光量作用於模組背板 (與浮體設計有關)，雖含氟背板抗UV效果佳，但長期而言對 高分子材料裂化仍有影響，進而使水氣更易滲入模組，引起 腐蝕、衰退等現象

最嚴苛的UV、鹽霧、PID序列測試，可考

慮做為評估條件。

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結 語

有好的元件，不代表有好的系統。

太陽光電系統的安全性、效能、可靠度、耐久性，應從生命週 期各階段考量與評估。

太陽光電系統之第三方驗證制度， 可符合Bankability的需求 與保障。

太陽光電系統驗收及運維管理階段的檢測評估更重要於模組的 驗證證明，相關的檢測評估、損失因子分析與老劣化預測等，

是未來應該要做的工作。

太陽光電結構系統因具有大量夾扣件接合設計，與傳統結構工

程不同，從風力引用規範、接合扣件或螺絲檢核、施工確認

等，都具備特殊性，需同時完備才足以抵抗風災。