本文將針對低功率能量收集系統及非電力網電源系統，探討實作多節和單節太陽能面板的重要考量與難題。雖然某些考量須加以了解，嚴格說來並不屬於太陽能面板的物理特性。整體解決方案須要經過評估，多節面板可產生較高的輸出電壓，而單節面板則產生較低的輸出電壓，此電壓遠低於現今大多數電子產品所用的電壓。本文最末將探討太陽能面板相關的未來難題，並解說製作成功且有效的系統所須權衡的因素。
多節太陽能面板成本高/效率低
長久以來，最普遍的太陽能面板或太陽能光電(PV)面板是多節面板(表1)，皆是將多顆電池堆疊，藉以達到所需的輸出電壓。由十顆電池堆疊而成的單節面板，約可產生5伏特，適用於現今的電子產品，另外也可調節為較低的電壓，以支援目前以3.3伏特或1.8伏特運作的微控制器(MCU)。此一電壓的使用便利性促成多節面板的普及，然多節面板的成本較高，原因在於本身的架構，且電池區域使用的效率較低，此外，若其中某顆電池受到遮蔽，就會減損面板的整體效能。
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單節太陽能面板市場能見度漸增
近年來，單節太陽能面板逐漸受到矚目，其中有許多項因素。單節面板的成本低於多節面板、單節面板的架構較為簡單，且可有效運用電池區域，這是因為內部連接電池所用的接線較少。另外，現今電子產品可用的區域較小，且多節面板的內部連接會占用產生電流的區域。最後，單節面板沒有多節面板最不理想的遮蔽問題，不過，單節面板約可產生0.5伏特，如此的電壓相對較低，且很難用來直接供電給現有的電子產品。
太陽能電池電氣特性類似標準二極體
一般的太陽能電池是接面有電場的p-n接面二極體。光照會導致電荷載體分離或造成成對電洞。將電池連接到電路中的外部負載，可將太陽能電池產生的電流供應給外部負載。由於太陽能電池是二極體，因此電池的IV曲線等電氣特性類似於標準二極體的電氣特性，差別只在於IV曲線在光照時下降。曲線下方的區域即為太陽能電池所產生的電源。
室內/外太陽能頻譜反應迥異
太陽能電池採用半導體材質。目前市場的主流是矽晶太陽能電池，不過，這種材質主要使用在室外應用。然而對於室內低功率應用，頻譜反應截然不同。頻譜反應是指太陽能電池電流除以太陽能電池入射功率所得的比例，此相關性是由於室內條件的光源所形成，這些光源大多是螢光燈及白熱燈，因此，太陽能電池材質受到頻譜反應的強烈影響，而對效率造成直接影響。如此強烈的影響是由於特定波長入射光線的吸收，端視太陽能電池材質的帶隙而定。室外陽光條件有相當大部分為可見光線的紅光，這使得晶體矽在此區域出現強烈的頻譜反應，而導致波長縮短。另一方面，螢光燈照明下的室內條件是600奈米範圍以下頻譜的重要部分。以非晶矽(a-Si)、染色感光材質(DSSC)及有機太陽能材質(OPV)製成的太陽能電池，相當適合此一頻譜的需求，因此這類電池較適合室內應用。
由於本文著重於低功率的室內照明條件，因此將探討使用a-Si、DSSC及OPV等材質的太陽能電池所具有的特性，其中特別偏重探討多節拓撲、溫度及遮蔽的效應。
釐清太陽能電池用詞/定義
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| 圖1 太陽能電池IV特性 |
根據圖1歸納專有名詞與定義如下：
‧開路電壓(Voc)
沒有電流通過終端時，太陽能電池兩端的電壓。
‧短路電流(Isc)
終端短路時，通過電池的電流。
‧最大功率(PMAX)
區域A2定義的最大功率。分別定義PMAX、VMAX及IMAX的電壓及電流。PMAX會因為輻射的光線密度而變化。達到最大功率的條件稱為IV/PV曲線的最大功率點(MPP)。
‧填充係數(FF)
A2的垂直度。
‧光照射功率(PEIN)
由上述可得效率(μ)，亦即針對指定輸入光線條件達到的功率數。μ=PMAX/PEIN=(VOC×ISC×FF)/PEIN
室外或陽光條件(一般稱為STC條件，密度為1,000W/m2)下達到的效率最大。在室內條件下，測量照明的單位是lux而非W/m2。室內照明所用的lux值介於50～1,000lux之間，實務上該值小於1W/m2。
各lux值IV/PV特性有別
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| 圖2 低照明條件a-Si的IV及PV特性 |
圖2顯示672lux的螢光燈照明條件下，a-Si太陽能電池達到的IV及PV特性。請注意，低照明條件下電池的運作相當近似於標準條件(STC)下測得的數據，DSSC及OPV也出現類似的曲線。
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| 圖3 (a)為照度函數的一系列IV曲線，(b)為照度函數的一系列PV曲線。 |
圖3(a)及3(b)顯示不同lux值下一系列的IV及PV曲線，顯示計算MPP所用的概念及計算MPP作為密度函數所用的設計演算法，亦適用於低功率室內應用。
依室內照明條件分窗區分應用
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| 圖4 太陽能電池依據室內照明的分窗 |
圖4顯示室溫下針對兩個a-Si電池(不同拓撲，電池1與3)與一個DSSC電池(電池2)測得照明條件所呈現的功率密度(mW/cm2)趨勢。根據已知的實際照明條件，照度值會經過分窗以定義應用。此一分窗方法可用來了解指定照明條件下，依據類型或拓撲呈現的指定太陽能電池適用性。
針對各個照明分窗進一步分析這三個電池，可了解使用DSSC電池(電池2)為參照所達到的相對功率反應。在所有情況下，不論使用何種拓撲，DSSC電池的反應似乎均高於a-Si電池。圖5顯示螢光燈光源的會議室或起居室照明應用範例。
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| 圖5 相對功率反應 |
溫度效應影響電壓/電流
圖6顯示隨溫度變化的電壓及電流。功率變化量及任何MPP追蹤演算法顯然必須考量溫度因素，才能維持最佳的運作點。隨著電池數量增加，溫度造成的電壓變化也會增加，而導致必須額外增加一顆或兩顆電池，才能維持最低的輸出電壓。假設區域維持相同，則增加多顆電池可減少PV堆疊的輸出電流量，對於單顆PV電池，溫度造成的電壓變化較小。由於電子產品會將電壓提升到可用程度，因此可著重於如何使面板區域產生最大的輸出電流。
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| 圖6 6,600lux下四顆電池PV的溫度效應 |
電池參數效應/效率息息相關
如前文所述，由於電池及最大功率參數明確呈現太陽能電池的效率，因此了解電池及最大功率參數在低功率(室內)條件下的運作相當重要。對於設計在遮蔽或溫度等非最佳條件下，使系統維持最大功率調節的任何類型MPP演算法，亦相當重要。
詳細觀測顯示短路和最大電流隨著照度而呈現線性變化，同樣地，開路及最大電壓也隨著照度而呈現線性變化。若要計算和設計MPP演算法，可直接運用電壓的開路到最大電壓所呈現的比率，及電流的短路到最大電流所呈現的比率。然而，如此的運用方式會出現遮蔽等非最佳條件下，頻率所導致的嚴重問題。
遮蔽衝擊IV/PV
遮蔽是室內應用中常見的非最佳條件，如手機或遙控器等消費性應用都會在使用時出現電池遮蔽的情況。另外，會議室中掛設在牆面的感應器也可能被人體或物體暫時遮蔽。
遮蔽會使得IV及PV曲線嚴重扭曲。底線將低於太陽能電池可達到的最大功率。圖7顯示四顆串聯DSSC電池的多節拓撲中，220lux的條件下有遮蔽或無遮蔽所呈現的一系列PV曲線。串聯拓撲的優點是能夠維持相同電流而增加電壓。
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| 圖7 DSSC有遮蔽或無遮蔽所呈現的一系列PV曲線 |
虛線標示的PV曲線在最佳條件(無遮蔽)下，而其他曲線則受到方向所造成的不同遮蔽程度與遮蔽的電池數所影響。一般而言，遮蔽會導致PV曲線扭曲，且在某些遮蔽條件下，會產生多個峰值的PV曲線。這正說明為何在使用最佳條件下適用的分數方法之外，須使用精密的MPP演算法。問題是，精密的方法須使用較複雜的功率調節電子元件，而使得解決方案增加特定應用的成本，此在商業競爭中是不切實際的作法，除非欲在該市場中達到差異性的效果才會如此。此外，相較於太陽能電池提供的電源，用來決定MPP所需的電源較大。
另一種方式是使用單節拓撲，以避免PV曲線出現多個峰值。缺點是電池電壓及效率低於相同區域和電池類型的多節拓撲。不過，決定單節拓撲的MPP較為簡單，因為PV曲線只有一個峰值。其中電路實作較為簡單，且實作MPPT功能所需的電源也遠低於多節拓撲。
遮蔽/瑕疵品引發故障模式
在多節PV中，整體效能受到最弱電池的限制。換言之，若某顆電池只有10毫安培，其他電池有100毫安培，則輸出電流將是10毫安培。重點在於這是由於遮蔽(光源分布不平均)或製造瑕疵所致。
多節PC適用於電子產品
多節PV解決方案能夠提高輸出電壓，以直接驅動電子產品。在單節PV解決方案中，輸出電壓必須達到可用的程度。兩種太陽能面板設計均可使用，不過系統接合PV面板的方式會有負載、儲存元件及電源管理區塊等方面的缺點。
直接法具低成本優勢
直接是指將PV直接連接儲存元件或負載。這是最低成本的方式，因為不須要使用額外的電子產品，不過面板低於儲存元件所導致的面板漏損會降低可用性，且光線過多可能導致電池過度充電，因而縮短電池使用壽命。如果沒有儲存元件或光線，則無法使用此系統。
線性解決方案可縮減成本
線性是因應直接法缺陷的低成本簡易電子解決方案。只要正確選用穩壓器，就不會有逆向漏損的問題。PV在沒有任何光線的情況下，有時候仍會有逆向漏損的問題。如果選擇線性穩壓器及充電器，儲存元件或電池可達到完全的使用壽命，此有助於降低系統使用壽命的成本，對於電子產品而言相當適用。
降壓兼具諸多優勢
步降或降壓穩壓器的成本比前述的解決方案高，不過本身具有多項優點。若出現過度的輸入電壓，降壓能夠將電源轉換為輸出的電流增益，若PV可供應5伏特@100毫安培，而儲存元件的電壓為4伏特，則降壓穩壓器會將125毫安培的電流供應給儲存元件。其中的25%便是高於前述解決方案的增益部分。此外，在能夠透過電感之類的主動元件轉換電源的系統中，系統會變更PV的運作點，以便從PV汲取最大電源(圖8)。
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| 圖8 最大功率點 |
單一晶體或類似多節PV常見的缺點是溫度變化較大(圖6)，這會導致電壓低於可用程度，因此，大多數系統會加入多於一般所需的電池數，不過，如此的做法會增加成本，且減少可用的輸入電流。降壓穩壓器可利用這個額外的電源產生較高的輸出電流。此外，若選擇線性穩壓器及充電器，儲存元件或電池可達到完全的使用壽命，此有助於降低系統使用壽命的成本，且對於電子產品而言相當適用。
升壓效率低於降壓
由於單節面板能夠產生的輸出電壓較小(約0.5伏特)，這使得面板及應用負載之間接合的電子產品更加複雜。低輸入電壓需要冷啟動裝置及降壓轉換器，才能在這些低輸入電壓下發揮效率。
大多數的能量收集系統都會採用儲存元件，以蓄積和緩衝負載所需的能源。這是必要的做法，因為太陽能面板不一定能夠隨時供應能源。面板處於無光線或低光線條件下，負載可能需要能源，另外，若要達到負載的峰值電源需求，不一定須調整面板大小，因此可使用儲存元件，以達到負載的峰值電源需求。
儲存元件的電源用盡時，須要使用冷啟動裝置，電池處於電壓不足的情況下，便須要使用。如果沒有儲存元件可供使用，太陽能面板介面電子產品必須能夠透過面板自行啟動電源。圖9顯示單節PV的一般電源管理介面。若無儲存元件的電壓可供使用，面板必須能夠提供可將介面的電源啟動的能源，且將儲存元件充電。在0.5伏特下，這相當不容易完成，因為大多數的電子產品無法以0.5伏特的電源供應運作。此外，此條件下的充電時間相當長，因為在此低電壓下進行能源傳輸的效率會大幅降低。
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| 圖9 一般單節電源管理介面 |
能源儲存元件經過充電而可供使用，可用來啟動接合於面板的電子產品電源。即使如此，介面仍必須從極低電壓汲取電源並轉換為較高電壓，才能供電給負載或儲存元件，因此必須備有可在低輸入電壓下仍達到高效率的降壓轉換器。市面上大多數升壓轉換器的效率會在輸入電源降低時急遽下降，要達到系統的最大電源傳輸，需要高效率，如此才能延長應用的運作時間。
和降壓穩壓器一樣，升壓穩壓器也能在所有條件下的MPP進行PV面板運作，然升壓穩壓器的效率一般低於降壓穩壓器。使用單節PV及升壓穩壓器系統的另一個缺點是輸入電流遠大於輸出電流，如若面板輸出為0.5伏特@100毫安培，而負載需要5伏特，則升壓的輸出電流只有10毫安培。升壓轉換器的輸入出現如此大的電流會對用以支援的電子元件造成成本增加，且電流過大也會導致整體效率降低。
依效能選擇最佳化方案
最終的解決方案須視本文所討論的一切因素而定。使用模型及光線條件都是優化PV系統必須考量的因素，相較於輸入電壓大於所需內部電源供應電壓的多節PV系統，單節PV所需的電子元件較為複雜，且可能會由於從輸入到輸出的電流出現大幅變化而降低效率。效率降低會造成應用的運作時間縮短，不過透過溫度或遮蔽效應即可克服這方面的效能問題。在應用可承受的範圍內，增加面板尺寸可改善單節系統的效能，不過，若單節PV的製造成本過低，則會造成系統成本無法達到應有的效益程度，因此必須考量整體系統的效能，再決定特定應用最適合採行的方式。
