運用能量產(chǎn)率模型 突破太陽(yáng)能預測極限

能量產(chǎn)率模型（Energy Yield Model）由歐洲綠能研究組織EnergyVille成員—比利時(shí)微電子研究中心（imec）和比利時(shí)哈瑟爾特大學(xué)（UHasselt）所開(kāi)發(fā)，該模型利用由下而上（bottom-up）設計方法，精準巧妙地結合太陽(yáng)能板的光學(xué)、溫度及電氣動(dòng)力學(xué)，正在為太陽(yáng)能預測帶來(lái)全新氣象。
在追求永續能源方面，太陽(yáng)能扮演著(zhù)關(guān)鍵角色，然而，太陽(yáng)能具備難以預測的特性，挑戰了準確預測能量（和財務(wù)）產(chǎn)率的實(shí)現。比利時(shí)微電子研究中心（imec）和比利時(shí)哈瑟爾特大學(xué)（UHasselt），透過(guò)他們在歐洲綠能研究組織EnergyVille建立的伙伴關(guān)系，現已利用創(chuàng )新的能量產(chǎn)率模型來(lái)正面迎擊這項挑戰。
不同于傳統的模型，這套模型所用的由下而上（bottom-up）設計方法精密考慮太陽(yáng)能板內部的光學(xué)、溫度和電氣動(dòng)力學(xué)，提供絕無(wú)僅有的精確度，且可望成為高效利用太陽(yáng)能的指標。本文將從核心組件到現實(shí)應用來(lái)探索這套能量產(chǎn)率模型。

迎擊再生能源預測的挑戰
打造永續未來(lái)的關(guān)鍵，在于高效操控再生能源的能力。尤其是太陽(yáng)能，在綠能發(fā)展中逐漸躋升為重要基礎。但是陽(yáng)光本身難以預測而且多變，對準確預測能量產(chǎn)率來(lái)說(shuō)是嚴峻挑戰。這種不確定性不僅阻礙創(chuàng )新，更導致全球能源制造無(wú)法及時(shí)利用太陽(yáng)能，出現不必要的延遲。
一般來(lái)說(shuō)，太陽(yáng)能電池的轉換效率都在經(jīng)過(guò)控管的環(huán)境下進(jìn)行測量，但是在現實(shí)世界運行的性能會(huì )受到多變的天氣狀況影響而產(chǎn)生明顯差異。對于像是太陽(yáng)光電案場(chǎng)管理人與能源供貨商等利害關(guān)系人而言，最主要的考慮并不是電池的效率百分比，而是了解電池在特定地點(diǎn)每年的實(shí)際發(fā)電狀況。因為這種（財務(wù)）收益不確定性，太陽(yáng)能板的全部潛能—還有被整合到建物、車(chē)頂或農業(yè)應用，可能都還沒(méi)發(fā)揮。

對精確度的迫切需求
目前是有能源產(chǎn)量的預測模型，并以增強各種光伏（PV）技術(shù)的準確性（accuracy）與應用性（applicability）為目標。但是傳統的「灰箱」模型通常倚賴(lài)歷史數據和經(jīng)驗洞察，很難提供優(yōu)化太陽(yáng)能設施所需的精確度。
因應這項對精確度的迫切需求，比利時(shí)微電子研究中心（imec）能源系統（Energy Systems）團隊在2017年發(fā)表了一套自行研發(fā)的模型。不同于傳統方法，這套模型采用由下而上（bottom-up）設計方法，深入考慮太陽(yáng)能板內部光學(xué)、溫度和電氣動(dòng)力學(xué)之間的精密交互作用，并以物理為基礎的模型來(lái)研究這些互動(dòng)。這種整合式方法至關(guān)重要，尤其是再生能源領(lǐng)域擴展到整合式光伏（integrated photovoltaics）的全新領(lǐng)域，例如與基礎設施進(jìn)行整合。

能量產(chǎn)率模型：一套基于物理的模擬框架
這套系統模型由三種要素交織而成：光學(xué)模型、熱學(xué)模型和電氣模型。光學(xué)模型利用復雜的「光線(xiàn)追蹤」技巧，用來(lái)仿真太陽(yáng)能模塊的光學(xué)反應。這套模型也考慮不同波長(cháng)及角度的反射或吸收現象，因而成功捕捉不同太陽(yáng)能板技術(shù)在與陽(yáng)光作用時(shí)的細微差異。

 
圖一 : 基于物理的能量產(chǎn)率模擬框架流程圖。（source：imec）

其次，熱學(xué)模型透過(guò)考慮地區性差異，大幅超越了為太陽(yáng)能板設計的全球氣溫預測模塊。這點(diǎn)對加裝在建物上的設備來(lái)說(shuō)尤其重要，例如，這些設備可以與水泥墻無(wú)縫貼合，或是考慮氣流而預留空隙。了解這些當地的「煙囪」效應，對建立準確的氣溫模型來(lái)說(shuō)是關(guān)鍵，還能提供更精細的預測。
最后，深入發(fā)電的核心，電氣模型考慮各種因素，像是特定類(lèi)型的太陽(yáng)能電池和出現（聲學(xué)）吸收材料的情況。電氣模型提供有關(guān)輸出電流的洞見(jiàn)，并找出造成效率損失的潛在領(lǐng)域。
先進(jìn)材料研究部門(mén)imo-imomec的首席研究員Michael Daenen教授強調：「這三套模型共同運作所帶來(lái)的協(xié)作效用提供了一套完整的3D模擬樣貌，為注重細節的氣象數據及定位等環(huán)境相關(guān)的輸入數據做出反應。除了直接日照所帶來(lái)的單純影響，例如氣溫升高和吹送流減弱等因素可能會(huì )減少太陽(yáng)能板的產(chǎn)量。這套模型聚焦在地氣象資料的細節，藉此確保反映真實(shí)世界的狀況時(shí)，準確性更高，且隨著(zhù)動(dòng)態(tài)變化，讓這套模型能用來(lái)預測太陽(yáng)能電池在不斷變化的氣候和輻射狀況下的日或年能源產(chǎn)率?！?br/>
從理論到實(shí)務(wù)驗證
除了理論仿真，這套能量產(chǎn)率模型也開(kāi)始作為用來(lái)優(yōu)化光伏整合的實(shí)務(wù)指南—把實(shí)驗所得的能量產(chǎn)率與模擬數值進(jìn)行比較。
舉例來(lái)說(shuō)，由歐盟區域發(fā)展計劃Interreg資助的Rolling Solar太陽(yáng)能公路計劃先前就專(zhuān)注把光伏系統整合到公共基礎設施，希望能在不需額外土地的情況下實(shí)現大規模發(fā)電。建于比利時(shí)歐洲綠能研究組織EnergyVille的一道水泥隔音墻就是最典型的例子，現有和最新研發(fā)的太陽(yáng)能模塊都嵌入其中，用來(lái)顯示這些模塊在幾年內的可行性，并測量其能量產(chǎn)率。
先進(jìn)材料研究部門(mén)imo-imomec的部門(mén)主管Ivan Gordon教授針對這些能量產(chǎn)率的結果提出說(shuō)明：「我們這套基于物理的模型提供亮眼的準確預測，尤其是硅晶太陽(yáng)能板，預測時(shí)間分辨率以15分鐘為單位。超過(guò)95%的現有光伏設備都以硅材為基礎，可以想見(jiàn)這樣高準確的預測所能帶來(lái)的價(jià)值可期。但是當我們把這些預測用于像是銅銦鎵硒（CIGS）模塊等薄膜技術(shù)時(shí)卻出現挑戰。作為解決方案，我們?yōu)楸∧げ牧祥_(kāi)發(fā)了另一款電氣模型，并采納實(shí)務(wù)經(jīng)驗來(lái)進(jìn)行校正。透過(guò)反復改良，我們大幅減少了預測的誤值（均方根誤差，即RMSE），降低到僅有些微差距。這顯示了這套模型能為不同材料和技術(shù)進(jìn)行調適的能力?！?br/>在Rolling Solar太陽(yáng)能公路計劃的第二階段，雙面太陽(yáng)能模塊設置在墻內，再次擴展這套模型的規模。雖然與單面光伏系統相比，雙面光伏系統的發(fā)電量能多出20%，但是其能源動(dòng)力狀態(tài)卻有很大差異，因為光子可以從兩面進(jìn)入—絕大多會(huì )取決于環(huán)境，并隨著(zhù)時(shí)間變化。面對這些特殊挑戰，光學(xué)模型進(jìn)行了相關(guān)調整。
比利時(shí)微電子研究中心（imec）能源系統研究團隊負責人Arnaud Morlier博士表示：「這套能量產(chǎn)率模型的主要優(yōu)勢在于它擁有一套彈性框架。這能讓我們的模型隨著(zhù)現實(shí)世界操作實(shí)驗與太陽(yáng)能板技術(shù)和應用發(fā)展進(jìn)步而演變，它能作為一套基礎框架來(lái)擴展開(kāi)發(fā)，進(jìn)而結合不同材料和應用，提供在不同情況下發(fā)電的深刻見(jiàn)解?！?

 
圖二 : 歐洲綠能研究組織EnergyVille（其衍生公司Soltech）研發(fā)制造廠(chǎng)房的正面影像，顯示42張太陽(yáng)能板與建物無(wú)違和整合。

不止于優(yōu)化模型
鎖定特定應用且精確的能量產(chǎn)率預測能帶來(lái)諸多好處：模塊工程師可以在無(wú)須實(shí)體制造的情況下，評估對太陽(yáng)能電池進(jìn)行技術(shù)調整所帶來(lái)的現實(shí)影響。此外，虛擬報表可以協(xié)助優(yōu)化及測試太陽(yáng)能板的安裝情境，考慮像是角度調整等因素。從設計光伏整合解決方案，到預測特定地點(diǎn)的能量產(chǎn)率和優(yōu)化投資策略，這套能量產(chǎn)率模型可以全程作為引導性指標。
例如imec攜手軟件公司PVcase，成功把這套預測模型轉型成為太陽(yáng)能發(fā)電場(chǎng)打造的商用仿真軟件。這套軟件支持多元功能，結合了雙面太陽(yáng)能和其他先進(jìn)技術(shù)，能在光伏發(fā)電廠(chǎng)實(shí)現便利設計及能量產(chǎn)率的準確預測。
這套預測模型持續在設計和優(yōu)化車(chē)頂曲面太陽(yáng)能電池方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。SNRoof研究計劃意識到現有的太陽(yáng)能屋頂只能增加有限的續航范圍，所以把高效率太陽(yáng)能電池整合至車(chē)頂。同時(shí)，HighLite研究計劃探索了經(jīng)濟高效太陽(yáng)能車(chē)頂模塊的開(kāi)發(fā)，希望能為打造高競爭力的歐盟光伏制造業(yè)做出貢獻。目前，imec的能源系統團隊也在評估太陽(yáng)能電池的最佳安裝位置，以促進(jìn)全自動(dòng)電動(dòng)車(chē)的發(fā)展。
最近，奠基于Rolling Solar太陽(yáng)能公路計劃所取得的成功，SolarEMR客制化太陽(yáng)能板計劃也拍板定案。為了與建物和基礎設施整合，這項計劃歷經(jīng)了18個(gè)月的努力，專(zhuān)注在驗證經(jīng)濟高效的光伏模塊自動(dòng)化生產(chǎn)與太陽(yáng)能電池的電線(xiàn)連接。
有趣的是，這項計劃也把技術(shù)和財務(wù)優(yōu)化以外的面向納入考慮，例如規范框架及商業(yè)發(fā)展潛力，為大規模的光伏計劃鋪路。這套仿真模型透過(guò)與市面上的能源供貨商合作，不只用來(lái)創(chuàng )造更高效的太陽(yáng)能電池，也用來(lái)改良安裝技術(shù)和微電網(wǎng)的穩定性—透過(guò)共同努力來(lái)加速綠色解決方案的實(shí)現。
例如，投資整合太陽(yáng)能的隔音墻的獲利性—風(fēng)險取決于巧妙平衡其安裝方式。由于道路會(huì )蜿蜒或迂回，有時(shí)會(huì )偏離陽(yáng)光的照射，把光伏技術(shù)與隔音墻整合不一定是個(gè)容易做出的選擇。導入能量產(chǎn)率模型，根據復雜的道路地圖、太陽(yáng)能電池特性、當地天氣狀況和規范來(lái)從中獲得順利執行這類(lèi)大規模計劃的關(guān)鍵見(jiàn)解。

 
圖三 : Rolling Solar太陽(yáng)能公路計劃把光伏系統整合到公共基礎設施，能在不需額外土地的情況下實(shí)現大規模發(fā)電。（source：imec）

邁向永續未來(lái)的指標
除了設計和優(yōu)化，在虛空間準確呈現光伏整合應用也能有助于運作和維護。當實(shí)驗取得的能量產(chǎn)率低于模擬結果，這可能代表一些情況，像是太陽(yáng)能板損壞或是需要除去叢生的雜草，作為偵測異常的一種途徑。這能打造出一套中心化的運作系統，減少實(shí)地拜訪(fǎng)案場(chǎng)的需求，對偏遠或孤立的太陽(yáng)能發(fā)電場(chǎng)來(lái)說(shuō)十分有利。
以天空影像設備和人工智能（AI）為輔助，目前利用這套預測模型來(lái)進(jìn)行研究的計劃包含進(jìn)一步改良準確天氣預報的「再生能源決策制定的延伸工具」計劃E-TREND，以及鎖定「實(shí)時(shí)預報」且獲得歐盟「展望2020」資助的改良光伏計劃TRUST-PV。
精確的太陽(yáng)能建模技術(shù)前景無(wú)窮，涵蓋了單一設備到完整的能源網(wǎng)絡(luò )。最后，為了確保穩定發(fā)展，維持供需平衡是關(guān)鍵。這套仿真模型具備高準確度，以15分鐘為單位提供能量產(chǎn)率預測，不僅能協(xié)助大型制造廠(chǎng)房或市區的電網(wǎng)管理，還能有助于各國在國際市場(chǎng)進(jìn)行更高效的能源交易。
（本文由imec能源系統（Energy Systems）研發(fā)團隊負責人Arnaud Morlier博士，先進(jìn)材料研究機構imo-imomec部門(mén)主管Ivan Gordon教授，以及先進(jìn)材料研究部門(mén)imo-imomec的首席研究員Ir. Michael Daenen教授共同撰寫(xiě)；編譯／吳雅婷）