電力技術專欄

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摘要

目前市面上太陽光電監控系統，遮空

蔽日，此篇約略概述常見的監控系統元件及

架構。並根據工研院，於多年來的監控經驗

分析，簡述太陽光電系統在不同應用上的分

析結果。關鍵字：資料擷取器 感應器 PC-

Based 監控系統 RS-232 顯示器

楔子

太陽能轉化為電能，一個乾淨又直接的

方式，除了能夠獨立自主發電之外，更能夠

結合其他替代性能源產生更大的經濟效益及

能源，被認為是未來地球永續發展的替代性

能源之一。太陽光電，除了一般的屋頂型，

甚至可以結合建築等等作不同方式的發電方

式，近年來從 Cell 到模組到系統，努力不懈

地，將太陽光電發電效率發揮到最好甚至突

破現有轉換效能。監控是未來全球能源管理

不可缺少的元素，也是在未來全球能源管理

解決方案的一個關鍵因素。從系統輸出入監

控甚至到模組監控，既能夠快速得知及排除

問題解決方案的重要組成部分。太陽能發電

系統產品眾多，最終目的要提供的資料，透

過液晶顯示屏甚至智慧型行動裝置來展示系

統基本效能好壞，這最基本的信息包含太陽

光電的功率和電流，系統的功率和電流，更

撰▓徐國昌、郭育麟、黃柏鈞

太陽光電系統之監測系統架構分析

及概述The Description and Analysis of Architecture of Monitoring Systems of PV Systems

複雜的設備可能還包括模組的溫度，環境溫

度和太陽輻射，其提供系統是如何運行的重

要信息等資訊。隨著監控仍處於相對起步階

段，這也意味著有很多不同的增長方向，其

中最重要的是技術，人們越來越意識到監測

這方面開發，從以往的有線傳輸甚至到無線

傳輸，從 LED 數字顯示到 LCD 液晶顯示，

甚至到智慧型行動裝置，更好地監測軟硬體

產品的需求迅速擴大。太陽光電監測有助於

滿足太陽光電開發商及系統擁有者，保證其

能得到更高的系統可用性及擁有更好的性

能，更嚴格的安全性和降低營運和維護成本

是獲得最大的投資回報。太陽光電市場蓄勢

待發，到 2020 年，累計裝機容量將達到近

450 GWp[1]。

監控元件和資料擷取方式

經由資料擷取器透過 RS-232 串行連接

蒐集並傳送到後端伺服機上，可作進一步的

處理，這相同的架構也已經實作在日照強度

和環境溫度量測等擷取應用 [2–4]。資料量測

基本的參數包含：a. 氣象參數 ( 如：溫度、

濕度等 )、b. 電子參數 ( 如：太陽光電電壓、

電流等 )。而其參數擷取基本的元件包含：a.

傳感器和感應器、b. 類比數位轉換器、c. 顯

示設備、d. 資料擷取器。

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▓監控元件

1. 傳感器和感應器：作為監控性能評估重要

的資料來源，包含偵測日照強度、環境溫

度、風速、風向以及模板溫度等。

2. 類比數位轉換器 (ADC converter)：一個

A/D 轉換器連接到資料擷取器，透過 RS-

232 串行連接，記錄傳感器信號為基礎的

單元，收集到的數據被存儲在一個本地的

儲存設備 ( 如：2.5 吋磁碟、CF 卡、SD

卡等 )，將被存儲作進一步的處理，再由

資料擷取器所收集到的數據傳送到後端伺

服機。

3. 顯示資訊設備：光電資訊透過後端伺服機

處理，將用來提供顯示器展示太陽光電系

統的效益資訊 - 累積總發電量、二氧化碳

減量等，除此之外，顯示器更提供太陽能

面板系統安裝商和經銷商作為監控商品額

外銷售。

4. 資料擷取器：在自動化控制領域當中，有

所謂的三大控制系統，其分別為 DCS、

PLC 以及 PC-Based 控制系統，根據統

計，目前整個市場每年成長率約為 6.6%，

而以其三大控制系統來看的話，DCS 約

占 36%、PC-Based 19%， 而 PLC 占 最

大比例，約為 45%。事實上，這三個控

制系統在市場上自有定位，DCS 的系統

定位在於大型應用，尤其是重工業應用，

其適合用在連續性的控制，且因為該系統

的 I/O 點非常多，其考慮到的因素比較偏

重在於 Redundancy，因此較無法接受系

統出問題，容錯備援的需求性很高，同樣

的 DCS 系統建置完成之後是很難去進行

更動的，因此它適用於較穩定、在市場上

的 Life Cycle 較長的產品需求；PLC 的定

位則是在於比較中型或是中大型的應用，

它的特色在於價格較 DCS 具競爭力，而

PV 系統監測架構範例示意圖

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且適合做離散的邏輯控制應用，不過 PLC

與 DCS 相同的地方在於，較穩定、Life

Cycle 較長的產品，適合使用 PLC；具有

快速發展系統及可彈性變化的 PC-Based

控制系統，則是比較集中在複雜的控制系

統需求，其必須要整合比較多的設備，如

Motion、Vision 或是多資料量等，其特色

在於具彈性、易更動設計，並且容易連網

[5]。

▓資料擷取方式

大部份太陽光電系統有趣的一面，除了

追蹤過去時間內系統產生多少能源，也廣為

應用至監控蓄電電池系統 [6]、水利幫浦系統

[7] 和結合風力等再生能源混合型 [8]。市面上

有眾多監控系統設備，其系統與變流器兼容

使用，且由變流器製造商所提供。在大部分

系統中，擷取系統能源資訊有三種方式：[9]

1. 直接連結電腦作監控：變流器能夠透過網

路線或藍芽設備直接連結至電腦。這免費

監控軟體能夠從變流器製造商網頁上，下

載得到。這是監控最節省的方式，也能夠

儲存資料。

2. 監控資訊顯示設備：光電資訊能夠透過顯

示設備如智慧型型行動裝置，展示一台甚

至多台變流器資訊。這些資訊能透過網路

線及藍芽設備做溝通來讀取資料。此顯示

設備雖然需要額外費用成本，但也讓系統

擁有者能夠很方便的展示太陽光電的資

訊。

3. 具有網路功能設備：透過變流器內部的通

訊卡，此卡為選購設備，將記錄遠端的太

陽光電系統傳送至網路路由端。使用者有

專屬的網站瀏覽資訊。

前兩種資料擷取的方式，均須要做後端

處理及分析，稍嫌不易。最後一種，對於終

端使用者來說，較為方便，因為不需要在透

過人為作後製處理，可直接經由網路連結至

專屬的網頁快速瀏覽系統的發電效益。

監控軟體及通訊格式

快速及操作容易的監控的軟體，百家爭

鳴，太陽光電所使用的軟體大致上區分為圖

控軟體如 SCADA、LABVIEW 等和非圖控軟

體如 Visual Studio 及 Java 等，非圖控軟體

雖屬於較為彈性的，均由各家系統商所自行

開發，開發時間也相較圖控軟體較為耗時，

但在監控市場上不管哪一種，開發商均各有

所好。

國 外 知 名 變 流 器 製 造 商 如 SMA、

SOLAREDGE 等及國內廠商如茂迪、台達電

等，各家自行生產，大多數變流器的通訊格

式均能按照 modbus protocol 協定，在資料

擷取上不會有太大的問題，即便通訊格式也

有些微的差異，開發商也提供相關參考資訊

及協助。

資料擷取實測結果與討論

工研院多年來經驗裝設 PC-Based 監測

應用及經驗，作簡易介紹：

● 霧台分駐所 3.2 kWp防災型 PV系統之監

測系統

霧台分駐所 3.2kWp 防災型 PV 系統

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霧台分駐所 3.2kWp 防災型即時監測畫面

北中南 PV 併聯型電腦監測系統

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此 PV 防災型系統提供霧台分駐所緊急

負載用電，包括一樓照明、無線電通訊、手

機充電、電腦、電視機等用電。PV 輸出與屋

內負載回路直接連接，停電時自動切換由 PV

系統供電。當市電正常時， PV 系統可供電

屋內負載，有餘電可回賣台電公司。監測系

統具備發電量監測、故障事件判斷與通報、

蓄電池存量診斷、遠端設定、資料庫管理與

運轉狀況展示等即時監測功能。

● 北中南 PV併聯型電腦監測系統

本太陽光電遠端監測系統功能為 PV 系

統發電性能電腦監測與異常警告；提供系統

北中南 PV 併聯型監測點分布圖

北中南 PV 併聯型歷年日平均發電量趨勢圖

(99-101 年度統計 )

廠商管理 PV 系統之運轉、分析，與協助故

障排除，藉此降低成本，提高發電效率。依

受補助之併聯型 PV 系統回報發電量統計結

果，作為制訂躉購費率之參考依據。並搭配

全台北中南 PV 系統裝設之遠端電腦監測點，

進行系統長期發電量與性能監測，建構全台

長期發電量調查基石。後續分析成果可提供

系統廠商管理 PV 系統運轉、分析與協助故

障排除達到電力資源的最佳配置，藉此降低

成本、提升可靠性、提高用電效率。

結 論要了解太陽光電系統發電性能狀況，不

外乎就是需要安裝電腦監測系統，透過內部

的異常警告、歷史統計資料等功能，提供系

統廠商管理 PV 系統運轉、分析與協助故障

排除，藉此降低成本、提高用電效率。未來

隨著陽光屋頂百萬座政策的推動，申設量的

增加，高可靠度的監控系統更突顯出其重要

性，PV 系統設計是要用 20 年以上，系統

一天不運轉對申設者的損失是一天的金錢損

失。因此迅速故障排除才是對申設者的最大

福音。

致 謝本研究研究經費承能源局計畫 - 太陽光

電普及化環境建構與推動計畫 (102-D0305)

補助支持，謹此致謝。

( 作者徐國昌、黃柏鈞任職於工業技術研究院 )

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