運用能量產(chǎn)率模型 突破太陽能預(yù)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—比利時微電子研究中心（imec）和比利時哈瑟爾特大學(xué)（UHasselt）所開發(fā)，該模型利用由下而上（bottom-up）設(shè)計方法，精準巧妙地結(jié)合太陽能板的光學(xué)、溫度及電氣動力學(xué)，正在為太陽能預(yù)測帶來全新氣象。
在追求永續(xù)能源方面，太陽能扮演著關(guān)鍵角色，然而，太陽能具備難以預(yù)測的特性，挑戰(zhàn)了準確預(yù)測能量（和財務(wù)）產(chǎn)率的實現(xiàn)。比利時微電子研究中心（imec）和比利時哈瑟爾特大學(xué)（UHasselt），透過他們在歐洲綠能研究組織EnergyVille建立的伙伴關(guān)系，現(xiàn)已利用創(chuàng)新的能量產(chǎn)率模型來正面迎擊這項挑戰(zhàn)。
不同于傳統(tǒng)的模型，這套模型所用的由下而上（bottom-up）設(shè)計方法精密考慮太陽能板內(nèi)部的光學(xué)、溫度和電氣動力學(xué)，提供絕無僅有的精確度，且可望成為高效利用太陽能的指標。本文將從核心組件到現(xiàn)實應(yīng)用來探索這套能量產(chǎn)率模型。

迎擊再生能源預(yù)測的挑戰(zhàn)
打造永續(xù)未來的關(guān)鍵，在于高效操控再生能源的能力。尤其是太陽能，在綠能發(fā)展中逐漸躋升為重要基礎(chǔ)。但是陽光本身難以預(yù)測而且多變，對準確預(yù)測能量產(chǎn)率來說是嚴峻挑戰(zhàn)。這種不確定性不僅阻礙創(chuàng)新，更導(dǎo)致全球能源制造無法及時利用太陽能，出現(xiàn)不必要的延遲。
一般來說，太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率都在經(jīng)過控管的環(huán)境下進行測量，但是在現(xiàn)實世界運行的性能會受到多變的天氣狀況影響而產(chǎn)生明顯差異。對于像是太陽光電案場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每年的實際發(fā)電狀況。因為這種（財務(wù)）收益不確定性，太陽能板的全部潛能—還有被整合到建物、車頂或農(nóng)業(yè)應(yīng)用，可能都還沒發(fā)揮。

對精確度的迫切需求
目前是有能源產(chǎn)量的預(yù)測模型，并以增強各種光伏（PV）技術(shù)的準確性（accuracy）與應(yīng)用性（applicability）為目標。但是傳統(tǒng)的「灰箱」模型通常倚賴歷史數(shù)據(jù)和經(jīng)驗洞察，很難提供優(yōu)化太陽能設(shè)施所需的精確度。
因應(yīng)這項對精確度的迫切需求，比利時微電子研究中心（imec）能源系統(tǒng)（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(tǒng)方法，這套模型采用由下而上（bottom-up）設(shè)計方法，深入考慮太陽能板內(nèi)部光學(xué)、溫度和電氣動力學(xué)之間的精密交互作用，并以物理為基礎(chǔ)的模型來研究這些互動。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(chǔ)設(shè)施進行整合。

能量產(chǎn)率模型：一套基于物理的模擬框架
這套系統(tǒng)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(fù)雜的「光線追蹤」技巧，用來仿真太陽能模塊的光學(xué)反應(yīng)。這套模型也考慮不同波長及角度的反射或吸收現(xiàn)象，因而成功捕捉不同太陽能板技術(shù)在與陽光作用時的細微差異。

 
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)模型透過考慮地區(qū)性差異，大幅超越了為太陽能板設(shè)計的全球氣溫預(yù)測模塊。這點對加裝在建物上的設(shè)備來說尤其重要，例如，這些設(shè)備可以與水泥墻無縫貼合，或是考慮氣流而預(yù)留空隙。了解這些當?shù)氐摹笩焽琛剐?yīng)，對建立準確的氣溫模型來說是關(guān)鍵，還能提供更精細的預(yù)測。
最后，深入發(fā)電的核心，電氣模型考慮各種因素，像是特定類型的太陽能電池和出現(xiàn)（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，并找出造成效率損失的潛在領(lǐng)域。
先進材料研究部門imo-imomec的首席研究員Michael Daenen教授強調(diào)：「這三套模型共同運作所帶來的協(xié)作效用提供了一套完整的3D模擬樣貌，為注重細節(jié)的氣象數(shù)據(jù)及定位等環(huán)境相關(guān)的輸入數(shù)據(jù)做出反應(yīng)。除了直接日照所帶來的單純影響，例如氣溫升高和吹送流減弱等因素可能會減少太陽能板的產(chǎn)量。這套模型聚焦在地氣象資料的細節(jié)，藉此確保反映真實世界的狀況時，準確性更高，且隨著動態(tài)變化，讓這套模型能用來預(yù)測太陽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。」

從理論到實務(wù)驗證
除了理論仿真，這套能量產(chǎn)率模型也開始作為用來優(yōu)化光伏整合的實務(wù)指南—把實驗所得的能量產(chǎn)率與模擬數(shù)值進行比較。
舉例來說，由歐盟區(qū)域發(fā)展計劃Interreg資助的Rolling Solar太陽能公路計劃先前就專注把光伏系統(tǒng)整合到公共基礎(chǔ)設(shè)施，希望能在不需額外土地的情況下實現(xiàn)大規(guī)模發(fā)電。建于比利時歐洲綠能研究組織EnergyVille的一道水泥隔音墻就是最典型的例子，現(xiàn)有和最新研發(fā)的太陽能模塊都嵌入其中，用來顯示這些模塊在幾年內(nèi)的可行性，并測量其能量產(chǎn)率。
先進材料研究部門imo-imomec的部門主管Ivan Gordon教授針對這些能量產(chǎn)率的結(jié)果提出說明：「我們這套基于物理的模型提供亮眼的準確預(yù)測，尤其是硅晶太陽能板，預(yù)測時間分辨率以15分鐘為單位。超過95%的現(xiàn)有光伏設(shè)備都以硅材為基礎(chǔ)，可以想見這樣高準確的預(yù)測所能帶來的價值可期。但是當我們把這些預(yù)測用于像是銅銦鎵硒（CIGS）模塊等薄膜技術(shù)時卻出現(xiàn)挑戰(zhàn)。作為解決方案，我們?yōu)楸∧げ牧祥_發(fā)了另一款電氣模型，并采納實務(wù)經(jīng)驗來進行校正。透過反復(fù)改良，我們大幅減少了預(yù)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)進行調(diào)適的能力?！?br/>在Rolling Solar太陽能公路計劃的第二階段，雙面太陽能模塊設(shè)置在墻內(nèi)，再次擴展這套模型的規(guī)模。雖然與單面光伏系統(tǒng)相比，雙面光伏系統(tǒng)的發(fā)電量能多出20%，但是其能源動力狀態(tài)卻有很大差異，因為光子可以從兩面進入—絕大多會取決于環(huán)境，并隨著時間變化。面對這些特殊挑戰(zhàn)，光學(xué)模型進行了相關(guān)調(diào)整。
比利時微電子研究中心（imec）能源系統(tǒng)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現(xiàn)實世界操作實驗與太陽能板技術(shù)和應(yīng)用發(fā)展進步而演變，它能作為一套基礎(chǔ)框架來擴展開發(fā)，進而結(jié)合不同材料和應(yīng)用，提供在不同情況下發(fā)電的深刻見解?！?

 
圖二 : 歐洲綠能研究組織EnergyVille（其衍生公司Soltech）研發(fā)制造廠房的正面影像，顯示42張?zhí)柲馨迮c建物無違和整合。

不止于優(yōu)化模型
鎖定特定應(yīng)用且精確的能量產(chǎn)率預(yù)測能帶來諸多好處：模塊工程師可以在無須實體制造的情況下，評估對太陽能電池進行技術(shù)調(diào)整所帶來的現(xiàn)實影響。此外，虛擬報表可以協(xié)助優(yōu)化及測試太陽能板的安裝情境，考慮像是角度調(diào)整等因素。從設(shè)計光伏整合解決方案，到預(yù)測特定地點的能量產(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(dǎo)性指標。
例如imec攜手軟件公司PVcase，成功把這套預(yù)測模型轉(zhuǎn)型成為太陽能發(fā)電場打造的商用仿真軟件。這套軟件支持多元功能，結(jié)合了雙面太陽能和其他先進技術(shù)，能在光伏發(fā)電廠實現(xiàn)便利設(shè)計及能量產(chǎn)率的準確預(yù)測。
這套預(yù)測模型持續(xù)在設(shè)計和優(yōu)化車頂曲面太陽能電池方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。SNRoof研究計劃意識到現(xiàn)有的太陽能屋頂只能增加有限的續(xù)航范圍，所以把高效率太陽能電池整合至車頂。同時，HighLite研究計劃探索了經(jīng)濟高效太陽能車頂模塊的開發(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(tǒng)團隊也在評估太陽能電池的最佳安裝位置，以促進全自動電動車的發(fā)展。
最近，奠基于Rolling Solar太陽能公路計劃所取得的成功，SolarEMR客制化太陽能板計劃也拍板定案。為了與建物和基礎(chǔ)設(shè)施整合，這項計劃歷經(jīng)了18個月的努力，專注在驗證經(jīng)濟高效的光伏模塊自動化生產(chǎn)與太陽能電池的電線連接。
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(guī)范框架及商業(yè)發(fā)展?jié)摿?，為大?guī)模的光伏計劃鋪路。這套仿真模型透過與市面上的能源供貨商合作，不只用來創(chuàng)造更高效的太陽能電池，也用來改良安裝技術(shù)和微電網(wǎng)的穩(wěn)定性—透過共同努力來加速綠色解決方案的實現(xiàn)。
例如，投資整合太陽能的隔音墻的獲利性—風(fēng)險取決于巧妙平衡其安裝方式。由于道路會蜿蜒或迂回，有時會偏離陽光的照射，把光伏技術(shù)與隔音墻整合不一定是個容易做出的選擇。導(dǎo)入能量產(chǎn)率模型，根據(jù)復(fù)雜的道路地圖、太陽能電池特性、當?shù)靥鞖鉅顩r和規(guī)范來從中獲得順利執(zhí)行這類大規(guī)模計劃的關(guān)鍵見解。

 
圖三 : Rolling Solar太陽能公路計劃把光伏系統(tǒng)整合到公共基礎(chǔ)設(shè)施，能在不需額外土地的情況下實現(xiàn)大規(guī)模發(fā)電。（source：imec）

邁向永續(xù)未來的指標
除了設(shè)計和優(yōu)化，在虛空間準確呈現(xiàn)光伏整合應(yīng)用也能有助于運作和維護。當實驗取得的能量產(chǎn)率低于模擬結(jié)果，這可能代表一些情況，像是太陽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(tǒng)，減少實地拜訪案場的需求，對偏遠或孤立的太陽能發(fā)電場來說十分有利。
以天空影像設(shè)備和人工智能（AI）為輔助，目前利用這套預(yù)測模型來進行研究的計劃包含進一步改良準確天氣預(yù)報的「再生能源決策制定的延伸工具」計劃E-TREND，以及鎖定「實時預(yù)報」且獲得歐盟「展望2020」資助的改良光伏計劃TRUST-PV。
精確的太陽能建模技術(shù)前景無窮，涵蓋了單一設(shè)備到完整的能源網(wǎng)絡(luò)。最后，為了確保穩(wěn)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(yù)測，不僅能協(xié)助大型制造廠房或市區(qū)的電網(wǎng)管理，還能有助于各國在國際市場進行更高效的能源交易。
（本文由imec能源系統(tǒng)（Energy Systems）研發(fā)團隊負責人Arnaud Morlier博士，先進材料研究機構(gòu)imo-imomec部門主管Ivan Gordon教授，以及先進材料研究部門imo-imomec的首席研究員Ir. Michael Daenen教授共同撰寫；編譯／吳雅婷）