學習資源搜尋

先導型綠色能源電力系統建置與驗證

2021-03-15

徐力行 兼任副教授

明道大學材料與能源工程學系


本研究利用明道大學校園內,原用於展示或計畫結束後荒廢之太陽能板及兩座垂直軸風力發電機,進行系統整合並設計為獨立型發電系統,建置於校園湖畔旁,供給校園夜間燈光展示、照明及儲備電源。建置後測量並收集相關數據,監控各裝置運作情況,進行數據分析,期望可做為未來學校12公頃農場之綠色能源電力建置之參考依據。

圖1 發電系統規劃設計圖。

 

本電力系統架構主要為創能、儲能、供能三個部分。創能首先須整理、蒐集分散在校園之太陽能板,針對太陽能板的規格進行分類並測試其輸出電壓,確認是否正常運作,經實際測量後確認四片太陽能板其中有兩片為100瓦(W)的非晶矽單接面薄膜太陽電池、另兩片為130瓦(W)的非晶矽串接式薄膜太陽電池,這四片太陽能板最大功率電壓約在100伏特(V)至120伏特(V)之間,另三片太陽能板分別為單晶矽太陽電池、多晶矽太陽電池、銅銦鎵硒(CIGS)薄膜太陽電池。這三片太陽能板最大功率電壓大約都在16伏特(V)。

校園中有兩座屬新高能源科技公司之300瓦(W)垂直軸風力發電機,經測試風速達3.0公尺/秒以上就有電壓輸出,運作情況正常,因設置地點不佳,配合本研究移至風況良好地點。

依據負載需求進行系統設計、規劃及配置,將四片輸出電壓相近的110伏特(V)太陽能板並聯後,輸出連接於太陽能充放電控制器(PM-SCC-30AE);另外三片電壓輸出約16伏特(V)的太陽能板與兩座300瓦(W)垂直軸風機(DS03-S000-00-2)同時並聯後,輸出連接於風-光充放電控制器(MAX630)。負載的電力提供則是由太陽能充放電控制器(PM-SCC-30AE)進行控制。整體規劃如圖1所示。

圖2 綠能電力系統建置。

 

儲能採以目前大宗使用之鉛酸電池作為儲能裝置,太陽能板及風力機輸出電力皆儲存於2座並聯之12伏特(V)蓄電池組(WPL120-12RN,120Ah) 。儲存之電力則提供環湖路燈、景觀燈及涼亭照明等設施使用。

本綠能電力系統之測試與驗證,以Arduino模組作為系統數據量測工具,先於實驗室進行整體Arduino模組的功能測試後再實際安裝於系統控制箱。整體系統設置地點位於校園蠡澤湖畔旁如圖2,進行長時間的系統監控觀察與分析。

圖3 電壓曲線。

 

經連續一個月數據資料擷取與分析,白天充電後電池的電壓平均為13.1伏特(V);系統夜間放電後電壓平均為12.6伏特(V)。放電電流平均約10.7安培(A)。依照曲線的斜率對曲線進行分析,約早上6:00到12:00這段時間斜率最大,視為強充,又稱直充,即快速充電,12:00至14:00斜率漸緩,進入均衡充電,之後斜率接近水平則為浮充狀態。由蓄電池電壓變化可看出,早上5點日出後,充電的曲線開始逐漸上升,而在傍晚約6點50分啟動負載,系統放電時間約10個小時,數據資料如圖3。經長時間的測試與觀察,本系統運作穩定正常,燈光展示情況如圖4。

圖4 夜間燈光展示。

 

本系統結合太陽能及風力能整體發電,可以解決改善台灣的氣候夏季太陽照射時間長但風力較弱,冬季太陽照射時間短但東北季風較強的優缺情況,將兩種能源進行互補後變成更穩定的發電系統,利用Arduino進行資料蒐集,可以量測系統在充放電時其運作數據,再進行分析,能更清楚的了解整體系統運作與掌握。綜整本綠能電力系統之建置與分析結論如下:

1.白天充電後電壓平均為13.1 伏特(V),夜間放電後電壓平均為12.6伏特(V),負載放電電流平均10.7安培(A),整體系統運作穩定正常。

2.本系統蓄電池為深循環電池,依照電池原廠定義的壽命是餘原容量的30%就必須進行充電,以容量240 安培小時(Ah),若環境、天氣因素不佳,亦可連續使用36小時。

3.Arduino模組之所測數據儲存於SD卡中,方便後續進行電力分析,可掌握系統運作。

4.完成本系統整體建置,可提供湖畔照明、或校園儲備電力來源。利用能進行互補發電,無須市電供電。具有季節性互補之特點,系統穩定。

5.系統為獨立供電,遇到自然災害時不會影響系統的用電。

6.本研究之規劃、建置、量測與分析結果,相關資訊可作為未來學校12公頃農場電力建置之重要參考依據。

7.未來本系統資料擷取將以雲端資料庫為主,利用學校Wi-Fi,可將系統運作數據、電力情況上傳於雲端,並開發手機專屬APP或是網頁,可讓使用者即時掌握並監控相關資訊。

關鍵字