香港太陽能協會
HK Solar Energy Association

光伏太陽能發電原理
發電原理
發電能力計算
接駁電網
發電原理

1)太陽能電池


光伏系統的基本組成單位是由太陽能電池組成的光伏組件。


太陽能電池通過某些特殊材料如硅或硒中的光電現象把光能轉化為電流。當太陽光線射到太陽能電池上的時候,電子被"刺激"而成為"自由電子",並在外部電路中流動從而形成電流。


太陽能板結構。圖片來源:nsysu


市場有售的太陽能電池通常分兩類:晶態硅電池和薄膜電池。晶態硅電池還可以進一步分為單晶硅電池和多晶硅電池。


2)光伏組件


單一的太陽能電池只能產生少量的電功率。為了增加輸出功率,太陽能電池會被組合在一起形成光伏組件。


在實際應用中,光伏組件通常會被串接一起形成"光伏串",而光伏串又會被並接一起形成"光伏方陣"(或稱"光伏陣列"、"光伏發電機")。


Goldin Finacial Gobal Centre_1.jpg


3)光伏組件的電氣特性 


光伏組件的工作特性可以用工作曲線來表達,比如電流/電壓曲線(I-V曲線)。光伏組件的工作性能須要在IEC(國際電工標準)60904所規定的標準測試條件下進行測試,包括:電池溫度為攝氏25度,太陽輻射強度為1000W / m2,光譜分佈為大氣質量1.5時情況下的光譜分佈




I-V曲線上有3個點對於確定光伏組件的工作性能有重要意義。它們是:最大功率點、短路電流和開路電壓。

  1. 最大功率點(MPP)指的是光伏組件輸出功率最大時的一點。

  2. 短路電流(Isc)指的是組件的最大輸出電流。

  3. 開路電壓(Voc)指的是組件的最大輸出電壓。

由於光伏太陽能板在實際應用中的工作狀況與標準測試條件並不相同,而且電流經過電線、逆變器、變壓器等組件,因此,其實際性能通常要比標準測試條件下測定的數值低10%到15%。


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發電能力計算

要了解平均日照時數和峰值日照時數,首先要知道日照時間和日照時數的概念。


日照時間:是指太陽光在一天當中從日出到日落實際的照射小時數。


日照時數:是指太陽在一地實際照射的時數,定義為太陽直接輻照度達到或超過120 W/㎡的各段時間的總和,以小時為單位,取一位小數。日照時數小於日照時間。


峰值日照時數/日均水平太陽幅照量/等效時數:是將當地的太陽輻射量,折算成標準測試條件(輻照度1000W/㎡)下的小時數。例如,某地某天的日照時間是8.5h,但不可能在這8.5h中太陽的輻照度都是1000W/㎡,而是從弱到強再從強到弱變化的,若測得這天累計的太陽輻射量是3600Wh/㎡,則這天的峰值日照時數就是3.6h。


峰值日照時數是將光照定義在一個相同的基準,即標準測試條件(1000W/㎡)上進行比較,光伏組件的標稱功率也是在1000W/㎡下測試定出來的。因此,在計算太陽能光伏發電系統的發電量時一般都採用平均峰值日照時數作為參考值。

圖表來源:隨意窩


在太陽能光伏系統設計過程中,一個重要的設計參數是每個月的日均水平太陽輻照量。以下圖表為香港典型的太陽輻照量數據。這些數據用香港天文台京士柏氣象站過去二十年所收集數據推算而得。


月 份日 均 水 平 太 陽 輻 照 量 ( 千 瓦 時 kWh/ 平 方 米 / 天 )
一月
2.82
二月2.75
三月2.82
四月3.29
五月3.91
六月3.97
七月4.60
八月4.23
九月4.01
十月3.95
十一月3.44
十二月2.98

圖表來源:香港可再生能源網

*按以上數據可以得出,香港平均每日等效時數約為3.6小時。


同時參考‘香港氣候數據報告’香港平均日日照時間(毫米)為5.3

Decade 十年

Avg Daily Sunshine (hrs)
平均日日照時間 (毫米)

1884-1889

5.3

1890-1899

5.3

1900-1909

5.2

1910-1919

5.6

1920-1929

5.5

1930-1939

5.3

1947-1949

5.1

1950-1959

5.5

1960-1969

5.8

1970-1979

5.2

1980-1989

5.1

1990-1999

4.9

2000-

5.2

All Years
所有年份

5.3

*平均數據(每十年一組)


圖表來源:香港天氣觀測


或可參考香港天文台從氣候角度看香港的太陽能資源

https://www.hko.gov.hk/education/article_uc.htm?title=ele_00443



現時市面較普遍的太陽能板不論是單晶硅或是多晶硅有兩種大小,分別約1.65平方米及2平方米,按中電估算太陽能板發電能力約為每1000W每年發1000度電,所以可以作以下簡單計算作為參考


太陽能板大小太陽能電池片數輸出功率(參考)每年發電量(度) *
1.65 平方米60片250W250
2.00 平方米72片300W300



大家亦可在機電工程署可再生能源網的以下網址,計算光伏系統每年發電量

http://re.emsd.gov.hk/tc_chi/solar/solar_ph/solar_ph_cal.html


*由於每個天台安裝環境有別,例如

  1. 光伏組件因環境因素而改變安裝方向、傾斜角度等

  2. 光伏組件效率

  3. 陽光可能被其他建築物陰影、灰塵遮擋

  4. 天氣因素

  5. 其他

均有可能影响光伏組件發電量,詳情請向光伏安裝工程公司諮詢。


資料來源:

香港可再生能源網

http://re.emsd.gov.hk/tc_chi/solar/solar_ph/solar_ph_rp.html


每日頭條

https://kknews.cc/zh-hk/finance/8mgnqge.html


隨意窩:

http://blog.xuite.net/poundlin/exercise/13745546-%E5%A4%AA%E9%99%BD%E8%83%BD%E7%99%BC%E9%9B%BB%E9%87%8F%E6%80%8E%E9%BA%BC%E7%AE%97%EF%BC%9F


香港天氣觀測站

http://www.hkww.org/weather/pastdata/pastdata_12.html



香港天文台

https://www.hko.gov.hk/education/article_uc.htm?title=ele_00443


接駁電網

接駁電網系統


電網指的是由變電站、電纜、和架空天線組成的輸配電網絡,其目的是為了從發電廠傳輸和配送電力到所服務地區的電力用戶。


與電網接駁的可再生能源發電系統可以視為「分散式發電設備」,因為它們的電網接駁點的電壓水平通常是配電電壓。


香港有兩間電力公司,每間都有自己的電網。香港電燈有限公司為香港島和一些偏遠的島嶼供電。而中華電力有限公司則為九龍、新界、大嶼山以及一些偏遠的島嶼供電。


可再生能源系統與電網接駁方式可以分為間接接駁和直接接駁兩大類型。


直 接 接 駁 與 間 接 接 駁 。  以 下 文 字 說 明 這 張 圖 片 。

間接與電網接駁


在間接與電網接駁的情況下,可再生能源發電系統的輸出電力注入有關場地的配電系統裡。電網與可再生能源發電系統同時為場地提供電力。


間接與電網接駁的可再生能源發電系統一般由電力用戶自己建造,其輸出電力主要是供有關場地自己耗用。通常來說,間接與電網接駁的可再生能源發電系統的輸出電力,只能提供有關場地所需電力的一少部分。


直接與電網接駁

至於接上了場地配電系統的可再生能源發電系統,市電所提供的電力會自動補償可再生能源發電系統輸出的起伏變化。


與 電 網 接 駁 的 系 統 1。  以 上 文 字 說 明 這 張 圖 片 。
與 電 網 接 駁 的 系 統 2。  以 上 文 字 說 明 這 張 圖 片 。

總的來說,電力用戶自建可再生能源發電系統與電網接駁的好處如下:


(a)成本降低─由於要保證能夠為負載提供不間斷的電力,獨立的可再生能源發電系統設計時一般都會加大一點。這樣就造成在某些情況下,系統的輸出能力不能被全部應用。儲電池的安裝,加大了投資,亦牽涉了機房空間、保養等等的附加要求。再者,充放電過程亦會引致能量的損耗。另一方面,與電網接駁的系統的輸出電力可以全面為負載所吸收﹝當然是在輸出電力可以滿足相關場地電力需求一少部分的情況下﹞,而且不須要安裝儲電池。


(b)供電可靠性提高─獨立可再生能源發電系統如果發生了故障,負載便會失去電力供應。與電網接駁的系統如果發生了故障,市電所提供的電力會自動補償失去的可再生能源發電系統輸出。有些情況下,用戶甚至不察覺可再生能源發電系統出了問題,直到定期檢查才發覺。


防孤島功能


與電網接駁的可再生能源發電系統都應該備有防孤島功能,當附近一帶電網失去主要電力供應時,自動把可再生能源發電系統和電網脫離。


在直接與電網接駁的情況下,防孤島功能的作用,主要是避免可再生能源發電系統繼續向已經失去主要電力供應的電網部分提供電力,形成一個脫離主電網的「島嶼」。


在間接與電網接駁的情況下,防孤島功能的作用,主要是避免可再生能源發電系統繼續向已經失去主要電力供應的場地配電系統提供電力。亦防止可再生能源發電系統向電網逆向施加電壓。防孤島功能的動作時間要求為0.2秒,為了避免影響到電網裡斷路器自動開關或者自動重合的動作。


資料來源:

香港可再生能源網

http://re.emsd.gov.hk/tc_chi/gen/grid/grid_int.html


CLP Technical Design Notes for Grid Connection of Renewable Energy (RE) SystemsRated at 200kW or Below

https://www.clp.com.hk/en/community-and-environment-site/sustainable-future-site/Documents/Technical%20Design%20Considerations_ENG.pdf