中華民國第三十一屆電力工程研討會 台灣 台南 2010 年 12 月 3-4 日

台灣太陽光電發電系統效能與可用度分析 Performance and Availability Analyses of PV Generation Systems in Taiwan

黃厚生* 饒瑞琦* 嚴坤龍** 蔡知達** Hou-Sheng Huang Jui-Chi Jao Kun-Lung Yen Chih-Ta Tsai

*清雲科技大學電機工程系 **工業技術研究院綠能與環境研究所 Department of Electrical Engineering Green Energy & Environment Research Laboratories

Ching Yun University Industrial Technology Research Institute Taoyuan, Taiwan, R.O.C Hsinchu, Taiwan, R.O.C.

Tel：03-4581196 ext. 5320 Tel: 03-591-8562 Fax：03-4581196 Fax: 03-591-8562

E-mail：hshuang@cyu.edu.tw E-mail: KunLungYen@itri.org.tw

摘要 本論文的目的是利用工研院綠能與環境研究所所搜集的202 套 PV 系統月發電量及故障資料，來分析其發電效能與系統可用度，並與其它國家進行比較。根據這些結果可進一步用

來作 PV 系統效能與可用度的影響因素分析，以作為未來台灣設計規劃與評估 PV 系統之參考。經分析顯示台灣地區 PV 系統平均效能比為 0.74，可用度為 95.7%，與德國、瑞士、義大利及日本的評估的結果約略相當。 關鍵詞：太陽光電發電系統、效能、可用度。

Abstract The purpose of this paper is to apply the monthly generation amount and failure data collected by ITRI Green Energy & Research Lab.s from 202 PV systems to analyze the PV generation performance and system availability, and then compared with those of other countries. According to the results, the factors those influence the PV system performance and availability are further conducted and used as the reference of PV system design and assessment in Taiwan. It is indicated that the average performance ratio of Taiwan’s PV systems is 0.74 and the availability is 95.7%. These results are similar with those of Germany, Switzerland, Italy and Japan. Keywords: PV system, performance, availability.

I. 前言 由於溫室效應的衝擊，再生能源的利用已成為國際間解決二氧化碳排放問題的方法之一。其中尤以太陽光

電發電系統(PV 系統)與風力發電系統，被視為再生能源技術中成長最快的主力。有鑒於此，國際能源總署(IEA)於 1999 年成立 Task 2 團隊，藉由 PV 效能料庫的建立提供外界免費技術資訊，來作為 PV 系統運轉、效能、可用度及成本之研究。目前已有 20 個國家，460 套 PV系統(總容量 15MW)的高品質資料納入此資料庫中。2003 年 U. Jahn 等人提出了 IEA PVPS 計畫中 334 套市電併聯型 PV 系統的效能分析及可靠度統計[1]。他發現德國的 PV 系統裝設中其 PR 值在早期有很大的進步。瑞士的建材一體型 PV 系統(BIPV)的 PR 值高於0.8，但其它系統的 PR 值卻低於平均值。日本的 PV 系統其 PR 值則一直維持在高檔。而在 1995 年前裝設的 PV 系統，其可用度(Availability)為 94.6%，1995 年後的系統為 95.9%，可用度已稍有提昇。可用度高的 PV系統是因為裝有密集監測的設備，其 PR 值一般也會較高。2004 年 Nordmann 等人提出了由 IEA PVPS 資料庫所搜集與統計的 334 套市電併聯型 PV 系統效能比較[2]。研究中發現德國在 1996 年後所裝設的新 PV 系統其 PR 值比 1991-1994 的舊系統高 13%，而在

1998-2002 間的 PR 值都維持在 0.74 左右，此顯示德國的新 PV 系統品質已明顯提昇。其原因主要是早期變流器的運作不穩定，常有跳機的情形發生，而目前的變

流器的效率及可靠度已成熟很多了。同一年 U. Jahn 等人也發表了由 IEA PVPS 資料庫所搜集與統計的 334 座市電併聯型 PV 系統效能比較[3]。他發現 1995 年前 PV 系統的 PR 平均值約為 0.65，而 1995 年後 PV 系統的 PR 平均值則約為 0.7。此顯示 PV 系統的效能與可靠度在長期的觀察後可以發現都提昇了。2006 年 K. Lynn 等人提出在 2003 年美國 Florida 州 29 個學校所裝設的市電併聯型 PV 系統的效能統計[4]。統計發現整體 PR 平均值為 0.73，PV 陣列效率為 9.43%，變流器效率為 90.9%，而系統效率為 8.58%。

我國經濟部能源局自 2000 年委託工研院推動太陽光電發電系統以來，至 2007 年年底前也已完成了 242套 PV 系統(總容量 2.1MW)的建置，而每一套系統皆需回報五年的月發電量及故障相關的資料。這些國內的 PV系統運轉資料，可以協助我們充分瞭解這些 PV 系統的效能及可用度與其影響因素，以作為未來架設 PV 系統及成本效益分析的參考。

II. PV 系統效能與可用度分析 本論文的研究重點如下：

(1) PV 系統效能分析與比較 評估 PV 系統效能的主要指標有兩個，一個是每kWp 最後發電量 Yf (Final Yield)，另一個是效能比 PR (Performance Ratio)，其定義如圖 1 及下式所示[5]：

PV陣列PO

變流器及控制介面

市電EPV

Yr=Hi/GSTC

Yf=EPV/PO圖 1、PV 系統效能指標說明圖

每 kWp 最後發電量 opvf P/EY (kWh/kW) (1)

每 kW 參考發電量 STCir G/HY (kWh/kW) (2) 效能比 rf Y/YPR (3) 其中

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Hi：到達 PV 陣列之全天空日照強度(kWh/m2) GSTC：標準測試情況 (STC)下之模組參考日照強度

=1kW/m2 Yr：參考發電量(kWh/kW) P0：PV 陣列於 STC 下之額定功率(kWp) EPV： PV 系統最後發電量(kWh) 根據以上市電併聯型的效能指標，將所搜集的 PV資料加以統計比較，即可瞭解各系統的效能特性，以作

為未來架設 PV 系統及成本效益分析的參考。其中 Yf 每kWp 最後發電量若以每日的方式來呈現，則 EPV就是每日的平均發電量，依此類推。 (2) PV 系統可用度分析與比較 PV 系統可用度指標可用平均故障時間 (MTTF, Mean Time To Failure)、平均修復時間(MTTR, Mean Time To Repair)、平均故障間隔時間 (MTBF, Mean Time Between Failure)及可用度(Availability)來表示。其定義如圖 2 及下式所示[6]：

正常運轉

故障

r m

T

圖 2、系統可用度指標定義

平均故障時間 mMTTF 平均修復時間 rMTTR 平均故障間隔時間 TrmMTBF (4)

可用度 Tm

rmmtyAvailabili

(5)

PV 系統的可用度故障樹通常非常平坦，因為每一個故障事件都會造成整個系統或某串陣列的立即故障，

而不必同時有另一個故障事件發生。在本論文中，當有

一串 PV 陣列或系統完全無法發電時，即視為故障。當電腦或監控系統故障時，因 PV 系統仍繼續發電，所以並不列入可用度的故障事故計算中。 (3)日照量資料 由於工研院太電中心所搜集的資料是 PV 系統使用者或系統商的回報資料，其中並無日照量資訊。因此本

研究以中央氣象局測候站的日照量資料來作為地理上與

其接近 PV 系統的日照量資料。表 1 顯示的是 2006 至2008 年台灣各測候站的年日照量資料。

表 1 2006 至 2008 年台灣各測候站的年日照量資料

站名 城市 2006 年日照量(kWh/m2)

2007 年日照量(kWh/m2)

2008 年日照量(kWh/m2)

基隆 基隆市 870.10 865.02 976.28 彭佳嶼 基隆市 1118.53 1283.90 1468.32 鞍部 臺北市 1007.26 942.00 1068.71 臺北 臺北市 1050.92 1034.50 1115.40

竹子湖 臺北市 715.01 704.38 758.83 板橋站 臺北縣 1402.03 1087.80 1147.44 淡水 臺北縣 1001.66 1030.36 1072.03 新竹 新竹縣 1205.61 1224.45 1263.20

宜蘭 宜蘭縣 1043.48 1032.91 1056.06 蘇澳 宜蘭縣 1073.91 883.46 1133.96 馬祖 連江縣 1036.37 1098.59 1107.87 臺中 臺中市 1438.88 1486.99 1479.61 梧棲 臺中縣 1233.39 1258.89 1296.01

日月潭 南投縣 1159.33 1185.98 1207.29 阿里山 嘉義縣 1158.32 1229.87 1246.47 玉山 嘉義縣 1222.90 1401.66 1077.50 嘉義 嘉義市 1547.72 1609.34 1723.41 花蓮 花蓮縣 834.59 1219.74 1240.21

東吉島 澎湖縣 1224.78 1337.90 1519.70 澎湖 澎湖縣 843.57 1132.85 1422.79 金門 金門縣 1262.63 1295.78 1294.76 臺南 臺南市 1277.91 1402.03 1454.14 永康 臺南縣 1353.73 1514.68 1316.86 七股 臺南縣 1408.58 1388.13 1388.02 高雄 高雄市 1391.13 1448.21 1471.65 恆春 屏東縣 1455.94 1408.21 1379.56 臺東 臺東縣 1524.60 1539.34 1562.92 成功 臺東縣 1154.36 1168.21 1348.54 大武 臺東縣 1293.54 1288.86 1276.89 蘭嶼 臺東縣 1103.16 1128.54 1061.20

(4)資料檢查及估算 由於工研院所搜集的資料均由系統裝設用戶或廠商回報，難免有不合理或缺漏的情形發生，為刪減不合理

資料及估算缺漏資料，本研究採取之措施如下： (a) 當每 kWp 每日最後發電量 Yf 大於 6 小時時，該筆

資料即視為不合理資料而予以刪除。 (b) 當 PV 系統某月發電量為零，但未回報故障時，視

其為故障。若連續幾個月發電量為零，視為同一次

故障。零發電量月份之前後兩個月其故障天數依下

列方式估算：

該月天數應發電量

回報月發電量應發電量故障天數

其中 額定系統該月日照量值修正應發電量 kWPVPR

值兩月發電量之平均系統不計零發電量前後該

值修正

PRPVPR

當所估算故障天數為負值時，則故障天數視為零。

III. 統計分析結果與討論 工研院所搜集的 PV 系統資料中，本研究選用 202套系統來統計其效能及可用度資訊，資料回報時間為

2006 至 2008 年共三年。系統資訊如表 2 所示：

表 2 202 套 PV 系統地理分佈及額定資訊

地區 系統總數 總 kWp 額定值 平均每套 PV系統額定值

(kW) 北部 64 492.902 7.7 中部 71 710.316 10.0 南部 67 865.981 12.9

註：北部為西岸苗栗(含)以北，含宜蘭、連江 中部為西岸嘉義(含)以北、苗栗(不含)以南，含花蓮、澎

湖及金門 南部為西岸台南(含)以南，含台東

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(1) PV 系統每 kWp 最後日發電量 圖 3 顯示的是 202 套 PV 系統 2006 至 2008 年逐月每 kWp 最後日發電量變化情形。由圖 3 可看出每 kWp日發電量在 2.0 至 3.5 小時間遊走，夏天時最高，冬天時較低，且有逐年升高之態勢。全年平均值北部地區為 2.24小時，中部地區為 2.88 小時，而南部地區為 2.69 小時，全國平均值則為 2.61 小時。

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

1 3 5 7 9 11 1 3 5 7 9 11 1 3 5 7 9 11

月份

Yf (

kWh/

kW*d

ay)

圖 3、全台 PV 系統 2006 至 2008 年逐月每 kWp 最後日發電量變化情形

圖 4 顯示的是全台氣象測候站 2006 至 2008 年逐月平均日照量的變化情形。比較圖 3 及圖 4，我們可發現每 kWp 最後日發電量與日照量有絕對的正相關。

0

50

100

150

200

1 3 5 7 9 11 1 3 5 7 9 11 1 3 5 7 9 11

月份

平均

月日

照量

(kWh/m2)

圖 4、全台氣象測候站 2006 至 2008 年逐月平均日照量的變化情形

(2) PV 系統 PR 值 圖 5 顯示的是 202 套 PV 系統 2006 至 2008 年逐月PR 值變化情形。由圖 5 可看出 PR 值在 0.6 至 0.9 間遊走，冬天時最高，夏冬天時較低，且有逐年升高之態勢。

全年平均值北部地區為 0.73，中部地區為 0.81，而南部地區為 0.71，全國平均值則為 0.74。

00.10.20.30.40.50.60.70.80.9

1

1 3 5 7 9 11 1 3 5 7 9 11 1 3 5 7 9 11

月份

PR值

圖 5、全台 PV 系統 2006 至 2008 年逐月 PR 值變化情形

圖 6 顯示的是全台氣象測候站 2006 至 2008 年逐月平均溫度的變化情形。比較圖 5 及圖 6，我們可發現 PR值與溫度有負相關。

05

1015202530

1 3 5 7 9 11 1 3 5 7 9 11 1 3 5 7 9 11

月份

平均

溫度

(oC)

圖 6、全台氣象測候站 2006 至 2008 年逐月平均溫度的變化情

形 (3) PV 系統可用度 圖 7 顯示的是 202 套 PV 系統 2006 至 2008 年的可用度分佈情形。約有七成的 PV 系統未曾發生故障，其餘三成的系統其已知的故障原因中有 60%為變流器故障，13%為 PV 模組故障，而 27%為其它設備故障(如阻絕二極體、變壓器、交流開關等)，如圖 8 所示。其可用度整體平均為 95.7%。

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0.999

PV系統可用度

百分

比(%

)

圖 7、全台 PV 系統 2006 至 2008 年可用度分佈情形

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0

10

20

30

40

50

60

70

模板 變流器 其它設備

百分比

(%)

圖 8、全台 PV 系統設備故障比率圖

圖9顯示的是62套發生過故障PV系統2006至2008年平均修復時間 MTTR 的分佈圖。其整體平均 MTTR為 65 天，也就是每次 PV 系統發生故障時，平均需 65天才能恢復正常運轉。

02468

10121416

190

MTTR(天)

PV系

統數

目

圖 9、62 套發生過故障 PV 系統 2006 至 2008 年平均修復時間MTTR 分佈圖

圖 10 顯示的是 202 套 PV 系統 2006 至 2008 年平均故障時間 MTTF 的分佈圖。其中有 140 套 PV 系統未曾發生故障，62 套發生過故障。由 MTTR 及可用度資料來估算 MTTF，系統平均故障時間 MTTF 為 3.96 年，也就是每次 PV 系統在運轉 3.96 年後才會發生一次故障。

020406080

100120140160

0.2-

0.4

0.4-

0.6

0.6-

0.8

0.8-

1.0

1.0-

1.2

1.2-

1.4

1.4-

1.6

1.6-

1.8

1.8-

2.0

2.0-

2.2

2.2-

2.4

2.4-

2.6

2.6-

2.8

2.8-

3.0

no fa

ilure

MTTF(年)

PV系統

數目

圖 10、全台 PV 系統 2006 至 2008 年平均故障時間 MTTF 分佈圖

(4) PV 系統 PR 值與可用度間關係 圖 11 顯示的是 202 套 PV 系統 2006 至 2008 年間PR 值與可用度的相關情形。PR 值與可用度間約略有線性關係，也就是說不好的 PR 值可能與低可用度(高故障率)有關。而在圖 11 中，可用度為 1 的情況下，PV 系統

PR 值仍分佈在很大的範圍之間，此顯示除了可用度外，變流器效率、遮蔽情形、組列方位及高模組溫度等亦會

對系統 PR 值造成很大的影響。

00.10.20.30.40.50.60.70.80.9

1

0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

可用度

PR值

圖 11、全台 PV 系統 2006 至 2008 年間 PR 值與可用度的相關情形

(5) 與其它國家比較 IEA PVPS 效能資料庫中含有世界各地 460 套總計15MW 的 PV 系統的效能及可靠度技術資料，這些資料的搜集和呈現都是根據國際標準的資料格式及定義

[7]。其中以德國、日本、義大利及瑞士為大宗。表 3 顯示的是各國 PV系統 PR值與可用度比較[8]. 由表 3可以看出，台灣的系統由於建置時間較晚，設備及技術較新，

所以 PR 值均高於其它國家，而可用度部分則與其它國家約略相當，但仍有改善空間。未來若可改善 PV 系統可用度，PR 值當有更進一步的可能。

表 3 各國 PV 系統 PR 值與可用度比較

國家 PV 系統數 測量期間 PR 值 可用度(%) 德國 111 1991-2002 0.67 94.6-95.9

義大利 34 1991-2002 0.65 94.6-95.9 日本 87 1995-2002 0.73 NA 瑞士 64 1989-2001 0.69 94.6-95.9 台灣 202 2006-2008 0.74 95.7 表 4 顯示的是日本、美國與台灣的 PV 系統在 MTTF

及 MTTR 統計上的比較[9-10]，由表 4 可以發現各國在平均修復時間 MTTR 上有很大的差別，其中以有即時監測設備的 MTTR 時間較短，無即時監測設備的 MTTR時間較長，兩者最多可以差到 60 多倍，可見裝設即時電力監控系統對於 MTTR，乃至整體 PV 系統可用度都會有所幫助。若 MTTR 可以改善成與日本相同的 3.3 天，則台灣 PV 系統可用度就可提升至 99.77%。

表 4 各國 PV 系統 MTTR 及 MTTF 比較

國家 PV系統數 測量期間 是否即時監測

MTTF(年) MTTR(天)

日本 78 2004-2005 是 NA 3.3 美國 (EPA)

15 1993-1996 是 1.2 19

美國 (SMUD)

332 1993-1995 否 7-16 75-210

台灣 202 2006-2008 否 3.96 65

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IV. 結論 本論文利用工研院綠能與環境研究所所搜集的202套PV 系統月發電量及故障資料，來分析其發電效能與系統可用度。分析結果如下： (1) 台灣地區 PV 系統每 kWp 最後日發電量為 2.61 小

時，且與日照量呈現正相關。 (2) 台灣地區 PV 系統平均 PR 值為 0.74，且與溫度呈現

負相關。 (3) 台灣地區 PV 系統平均 MTTF 為 3.96 年，MTTR 為

65 天，平均可用度為 95.7%，有七成系統未發生故障，其中故障原因有 60%是變流器故障。

(4) PR 值與可用度間約略有線性關係，也就是說不好的PR 值可能與低可用度(高故障率)有關。

(5) 建議於代表性地理位置裝設即時電力監控系統，以獲得更準確及更完整之電力參數值，並及早發現系

統故障之發生，儘速修復，以提升系統可用度及 PR值。

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誌謝

本文研究承國科會經費補助，計畫編號 NSC 98-2623-E-231-004-ET，特申謝忱。

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