【科普】太陽能產業中的《逆變器》與《微型逆變器》
電動車自 2020 年正式成為資本市場的投資主流,除技術方面終於有些突破、讓商業化不再是空談外,實際上,眾多產業的形成都是起因於政治與法規因素的變化,零碳排放量的期限迫在眉睫,讓相關廠商不得不咬緊牙關;電動車之外,太陽能在許多機構的預測中,其成長率也都將一發不可收拾。
接下來,筆者將介紹一個市場關注較少的產業,但與太陽能的發電與儲存息息相關的產品 — 逆變器 (Inverter)。
2021年 02 月 03 日,EIA 公布的 2021 年年度能源展望 ( ANNUAL ENERGY OUTLOOK 2021 ),文件顯示,到 2050 年時,可再生能源將是成長最快的發電主力,其中的太陽能將超越風電,成為再生能源中的新霸主。
再生能源將受惠四個主要因素,包含:(1)淘汰低效率的石化燃料、(2)天然氣價格持續下滑、(3)再生能源的稅務抵免,與 (4)再生能源的成本下滑。
主要推動力是,低效率的石化燃料在零碳排放的要求下逐漸被淘汰,煤炭占比將降至 11%;EIA 認為,儘管天然氣報價將維持在偏低的水準 (預估每單位為 3.5 美元),其占比仍將從 40% 掉到 36%;而煤炭、核能與天然氣失去的份額,都將被可再生能源所取代。
若是觀察可再生能源的類別比重 (右圖),可發現成長最快的是太陽能,其比重自 2020 年的 16% 翻了近 3 倍至 2050 年的 47 %,取代風能發電的 34% ,成為新霸主;
根據 EIA 的資料顯示,風力發電在 2020 - 2024 年期間是可再生能源發電成長的主力,但風力發電的生產稅賦抵免(Production Tax Credit, PTC)將於 2024 年後逐步淘汰,將影響風力發電廠商的布局; 另一方面,太陽能廠商在 2023 年前所獲得的 30% 投資稅收抵免(Investment Tax Credit, ITC) ,EIA 假設在 2024 年後還將遞減至 10%,將有利於太陽能發電的成長,也因而取代風力發電而成為最主要的電力來源。
不過,太陽能發電真的有這麼簡單嗎?
台灣投資人都很熟悉太陽能產業,但有一個小小的主角,是大家都忽略的 — 變流器(Inverter,又稱逆變器,類似俗稱的變壓器;用在太陽能板上的就叫做太陽能逆變器)。
變流器(Inverter)是一個利用高頻橋式電路將直流電(DC)變換成交流電(AC)的電子元件,其目的與整流器相反(AC轉 DC);
簡單地說,就是將直流電轉變為交流電的一個元件。
根據 WoodMackenzie 的資料,”美國”太陽能逆變器市場中,光是 SEDG 與 ENPH 兩間的市占率就超過八成。
如果看”全球”市場的話,SEDG 與 ENPH 也是成長最快的兩間公司。
SEDG 與 ENPH 成長快速,除了因為是場子上最專注於太陽能逆變器的廠商外,還因其技術有其特殊之處,雖不可考,但號稱唯二符合美國 NEC 國家規範的廠商。
Fraunhofer ISE 與 TÜV Rheinland 在 2013年發表 "太陽能系統消防事件調查報告",從 1995 – 2012 年間的 400 件太陽能系統消防事件,有 180件起火原因由太陽能系統本身引起,各起火點位置以發生在 DC 端 (直流電端)為最多起,但 AC 端 (交流電端) 的故障率也偏高,受損的元件主要就是逆變器。
其他如 APPL、AMZN 與 WMT 也都曾發生太陽能屋頂的火災事件。
為什麼會發生火災?
我們可以想像太陽光是不會轉彎的,所以陽光經由太陽能電池模組轉換而成的電流是"直"流電,但是一般家庭內的電器用品主要是用"交"流電,因此就需要一個 Inverter 來將直流電轉變為交流電。
同樣地,為了方便記憶,按照常理來想,太陽光應該屬於高強度、高伏特的電壓,即高壓電,會產生高強度的瞬間電流,就是所謂的"電弧產生",就容易發生火災;
另一方面,如圖所示,八塊太陽能板所產生的直流電,匯集到 Inverter 的位置後,才開始要將直流電轉變為交流電,所匯集、累積的電壓龐大,設備就容易發生故障,接著就產生火災,且因直流高壓仍持續存在在整個發電系統中,連要灑"水"滅火都難以執行,因為消防員會被電到…..要等斷電之後才可以開始滅火。
根據英國建築研究院(Building Research Establishment,BRE)先前研究,太陽能系統起火風險為八萬分之一,已低於其他電器設備,只是仍不可輕忽。台北市消防工程器材商業同業公會首席顧問高賢松就表示,太陽能板失火主要分為外部與內部原因,外部包括天災砂石、物品撞擊、雷擊、鳥擊與老鼠;內部原因則是面板材質、線路、接頭、逆變器等電器因素。
其中在電器起火意外中,除了機台在安裝過程中人為失誤,另一個非常見但卻值得注意的問題為「電弧產生」。不管是 2014 年台灣自來水園區太陽能板起火、還是 2019 年日本千葉縣水面型太陽能因風災失火,都是因此而起,對輸電系統、配電系統以及電子設備造成損害。一旦出現火光、氧氣、高壓電,就會有起火燃燒的風險。
偏偏電弧故障並不是那麼容易察覺,可能發生在電線、DC 盤或是連接器等隱密位置,台灣法規中,也沒有強制要求裝置電弧故障啟斷裝置。再加上太陽能板又是高壓直流輸出系統,一般直流電壓輸出為 600 伏特到 1,500 伏特,若太陽能板意外起火、或是室內失火,縱使台電緊急關閉交流端電源,模組只要有光就可以發電,太陽能板到逆變器的直流端仍會存在高壓電。
因為火災頻傳,專門制定美國國家電工標準(National Electrical Code,簡稱NEC 或 NFPA70)來規定"美國"電線與電器產品設計、安裝標準的美國消防協會(National Fire Protection Association,簡稱 NFPA),陸續在 2014 年與 2017 年公布 NEC 2014 與 NEC 2017 等兩項"快速斷電開關標準” (Rapid Shutdown,簡稱 RSD )。
之所以在 NEC 2014 推出之後,還接著宣布 NEC 2017 (於 2019 年 1 月 1 日生效),是因兩種標準基本上是使用在"不同的產品設計"上, NEC 2014 是在 String level shutdown (串聯等級),而 NEC 2017 是在 Module level shutdown (元件等級)。
"串聯等級"與"元件等級"的差異,造就太陽能逆變器在產品設計上的不同,也形成 SEDG 與 ENPH 兩大龍頭在競爭優勢與營運策略上的不同。
NFPA 已於 2019 年 8 月 5 日公布 NEC 2020;不過,就生效時程來看,2017年公布 NEC 2017,但於 2019 年 1 月 1 日才開始生效,可以知道目前廠商還是以符合 NEC 2017 為主。
技術層面的專業解釋很難懂,但基本上按照標準公布的時間先後順序來推估,邏輯上 NEC 2017 應該在減少火災損失的效果上,應該是優於 NEC 2014。
而從 2017 年到現在,在美國市場上好像只有 SEDG 與 ENPH 具備滿足 NEC 標準的能力,之所以強調美國市場,就是因為 NEC 2014 與 NEC 2017 是美國標準,國際市場不一定採用,如歐盟就沒有 RSD。
SEDG 與 ENPH分別透過不同的技術來滿足 NEC 2014 與 2017 的標準,接著將慢慢地介紹雙方不同的競爭優勢。
但是,簡而言之,在技術能力的支持下,SEDG 與 ENPH 擁有規模經濟,後續在全球減碳政策的支持下,太陽能發電將成為最主要的可再生能源,兩間公司皆具成長空間。