運(yùn)用能量產(chǎn)率模型 突破太陽(yáng)能預(yù)測(cè)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(shè)計(jì)方法，精準(zhǔn)巧妙地結(jié)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(yù)測(cè)帶來(lái)全新氣象。
在追求永續(xù)能源方面，太陽(yáng)能扮演著關(guān)鍵角色，然而，太陽(yáng)能具備難以預(yù)測(cè)的特性，挑戰(zhàn)了準(zhǔn)確預(yù)測(cè)能量（和財(cái)務(wù)）產(chǎn)率的實(shí)現(xiàn)。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?cè)跉W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(lái)正面迎擊這項(xiàng)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(jì)方法精密考慮太陽(yáng)能板內(nèi)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(biāo)。本文將從核心組件到現(xiàn)實(shí)應(yīng)用來(lái)探索這套能量產(chǎn)率模型。

迎擊再生能源預(yù)測(cè)的挑戰(zhàn)
打造永續(xù)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(chǔ)。但是陽(yáng)光本身難以預(yù)測(cè)而且多變，對(duì)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)能量產(chǎn)率來(lái)說(shuō)是嚴(yán)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(wú)法及時(shí)利用太陽(yáng)能，出現(xiàn)不必要的延遲。
一般來(lái)說(shuō)，太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率都在經(jīng)過(guò)控管的環(huán)境下進(jìn)行測(cè)量，但是在現(xiàn)實(shí)世界運(yùn)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(duì)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?yàn)檫@種（財(cái)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、車頂或農(nóng)業(yè)應(yīng)用，可能都還沒(méi)發(fā)揮。

對(duì)精確度的迫切需求
目前是有能源產(chǎn)量的預(yù)測(cè)模型，并以增強(qiáng)各種光伏（PV）技術(shù)的準(zhǔn)確性（accuracy）與應(yīng)用性（applicability）為目標(biāo)。但是傳統(tǒng)的「灰箱」模型通常倚賴歷史數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)洞察，很難提供優(yōu)化太陽(yáng)能設(shè)施所需的精確度。
因應(yīng)這項(xiàng)對(duì)精確度的迫切需求，比利時(shí)微電子研究中心（imec）能源系統(tǒng)（Energy Systems）團(tuán)隊(duì)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(jì)方法，深入考慮太陽(yáng)能板內(nèi)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(chǔ)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(kuò)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(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(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(lái)仿真太陽(yáng)能模塊的光學(xué)反應(yīng)。這套模型也考慮不同波長(zhǎng)及角度的反射或吸收現(xiàn)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(xì)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(qū)性差異，大幅超越了為太陽(yáng)能板設(shè)計(jì)的全球氣溫預(yù)測(cè)模塊。這點(diǎn)對(duì)加裝在建物上的設(shè)備來(lái)說(shuō)尤其重要，例如，這些設(shè)備可以與水泥墻無(wú)縫貼合，或是考慮氣流而預(yù)留空隙。了解這些當(dāng)?shù)氐摹笩焽琛剐?yīng)，對(duì)建立準(zhǔn)確的氣溫模型來(lái)說(shuō)是關(guān)鍵，還能提供更精細(xì)的預(yù)測(cè)。
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(yáng)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(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imo-imomec的首席研究員Michael Daenen教授強(qiáng)調(diào)：「這三套模型共同運(yùn)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(xì)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(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(xì)節(jié)，藉此確保反映真實(shí)世界的狀況時(shí)，準(zhǔn)確性更高，且隨著動(dòng)態(tài)變化，讓這套模型能用來(lái)預(yù)測(cè)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。」

從理論到實(shí)務(wù)驗(yàn)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(yàn)所得的能量產(chǎn)率與模擬數(shù)值進(jìn)行比較。
舉例來(lái)說(shuō)，由歐盟區(qū)域發(fā)展計(jì)劃Interreg資助的Rolling Solar太陽(yáng)能公路計(jì)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(shí)現(xiàn)大規(guī)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(xiàn)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(nèi)的可行性，并測(cè)量其能量產(chǎn)率。
先進(jìn)材料研究部門imo-imomec的部門主管Ivan Gordon教授針對(duì)這些能量產(chǎn)率的結(jié)果提出說(shuō)明：「我們這套基于物理的模型提供亮眼的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，尤其是硅晶太陽(yáng)能板，預(yù)測(cè)時(shí)間分辨率以15分鐘為單位。超過(guò)95%的現(xiàn)有光伏設(shè)備都以硅材為基礎(chǔ)，可以想見(jiàn)這樣高準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)所能帶來(lái)的價(jià)值可期。但是當(dāng)我們把這些預(yù)測(cè)用于像是銅銦鎵硒（CIGS）模塊等薄膜技術(shù)時(shí)卻出現(xiàn)挑戰(zhàn)。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(yàn)來(lái)進(jìn)行校正。透過(guò)反復(fù)改良，我們大幅減少了預(yù)測(cè)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(diào)適的能力?！?br/>在Rolling Solar太陽(yáng)能公路計(jì)劃的第二階段，雙面太陽(yáng)能模塊設(shè)置在墻內(nèi)，再次擴(kuò)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(dòng)力狀態(tài)卻有很大差異，因?yàn)楣庾涌梢詮膬擅孢M(jìn)入—絕大多會(huì)取決于環(huán)境，并隨著時(shí)間變化。面對(duì)這些特殊挑戰(zhàn)，光學(xué)模型進(jìn)行了相關(guān)調(diào)整。
比利時(shí)微電子研究中心（imec）能源系統(tǒng)研究團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人Arnaud Morlier博士表示：「這套能量產(chǎn)率模型的主要優(yōu)勢(shì)在于它擁有一套彈性框架。這能讓我們的模型隨著現(xiàn)實(shí)世界操作實(shí)驗(yàn)與太陽(yáng)能板技術(shù)和應(yīng)用發(fā)展進(jìn)步而演變，它能作為一套基礎(chǔ)框架來(lái)擴(kuò)展開(kāi)發(fā)，進(jìn)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(jiàn)解?！?

 
圖二 : 歐洲綠能研究組織EnergyVille（其衍生公司Soltech）研發(fā)制造廠房的正面影像，顯示42張?zhí)?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(yīng)用且精確的能量產(chǎn)率預(yù)測(cè)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(píng)估對(duì)太陽(yáng)能電池進(jìn)行技術(shù)調(diào)整所帶來(lái)的現(xiàn)實(shí)影響。此外，虛擬報(bào)表可以協(xié)助優(yōu)化及測(cè)試太陽(yáng)能板的安裝情境，考慮像是角度調(diào)整等因素。從設(shè)計(jì)光伏整合解決方案，到預(yù)測(cè)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(dǎo)性指標(biāo)。
例如imec攜手軟件公司PVcase，成功把這套預(yù)測(cè)模型轉(zhuǎn)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(jié)合了雙面太陽(yáng)能和其他先進(jìn)技術(shù)，能在光伏發(fā)電廠實(shí)現(xiàn)便利設(shè)計(jì)及能量產(chǎn)率的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。
這套預(yù)測(cè)模型持續(xù)在設(shè)計(jì)和優(yōu)化車頂曲面太陽(yáng)能電池方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。SNRoof研究計(jì)劃意識(shí)到現(xiàn)有的太陽(yáng)能屋頂只能增加有限的續(xù)航范圍，所以把高效率太陽(yáng)能電池整合至車頂。同時(shí)，HighLite研究計(jì)劃探索了經(jīng)濟(jì)高效太陽(yáng)能車頂模塊的開(kāi)發(fā)，希望能為打造高競(jìng)爭(zhēng)力的歐盟光伏制造業(yè)做出貢獻(xiàn)。目前，imec的能源系統(tǒng)團(tuán)隊(duì)也在評(píng)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)車的發(fā)展。
最近，奠基于Rolling Solar太陽(yáng)能公路計(jì)劃所取得的成功，SolarEMR客制化太陽(yáng)能板計(jì)劃也拍板定案。為了與建物和基礎(chǔ)設(shè)施整合，這項(xiàng)計(jì)劃歷經(jīng)了18個(gè)月的努力，專注在驗(yàn)證經(jīng)濟(jì)高效的光伏模塊自動(dòng)化生產(chǎn)與太陽(yáng)能電池的電線連接。
有趣的是，這項(xiàng)計(jì)劃也把技術(shù)和財(cái)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(jì)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(wěn)定性—透過(guò)共同努力來(lái)加速綠色解決方案的實(shí)現(xiàn)。
例如，投資整合太陽(yáng)能的隔音墻的獲利性—風(fēng)險(xiǎn)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(dǎo)入能量產(chǎn)率模型，根據(jù)復(fù)雜的道路地圖、太陽(yáng)能電池特性、當(dāng)?shù)靥鞖鉅顩r和規(guī)范來(lái)從中獲得順利執(zhí)行這類大規(guī)模計(jì)劃的關(guān)鍵見(jiàn)解。

 
圖三 : Rolling Solar太陽(yáng)能公路計(jì)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(shí)現(xiàn)大規(guī)模發(fā)電。（source：imec）

邁向永續(xù)未來(lái)的指標(biāo)
除了設(shè)計(jì)和優(yōu)化，在虛空間準(zhǔn)確呈現(xiàn)光伏整合應(yīng)用也能有助于運(yùn)作和維護(hù)。當(dāng)實(shí)驗(yàn)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(yáng)能板損壞或是需要除去叢生的雜草，作為偵測(cè)異常的一種途徑。這能打造出一套中心化的運(yùn)作系統(tǒng)，減少實(shí)地拜訪案場(chǎng)的需求，對(duì)偏遠(yuǎn)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(shè)備和人工智能（AI）為輔助，目前利用這套預(yù)測(cè)模型來(lái)進(jìn)行研究的計(jì)劃包含進(jìn)一步改良準(zhǔn)確天氣預(yù)報(bào)的「再生能源決策制定的延伸工具」計(jì)劃E-TREND，以及鎖定「實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)」且獲得歐盟「展望2020」資助的改良光伏計(jì)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(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(zhǔn)確度，以15分鐘為單位提供能量產(chǎn)率預(yù)測(cè)，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(guó)在國(guó)際市場(chǎng)進(jìn)行更高效的能源交易。
（本文由imec能源系統(tǒng)（Energy Systems）研發(fā)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人Arnaud Morlier博士，先進(jìn)材料研究機(jī)構(gòu)imo-imomec部門主管Ivan Gordon教授，以及先進(jìn)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）