無線通訊對太陽能產業變革的影響

Radiocrafts 在太陽能產業累積累積數十年的經驗，服務的客戶遍佈全球及眾多領域，包括太陽追蹤、逆變器監測、儲能專案等等。儘管我們在 IoT 的各個領域提供無線電解決方案，但幾年前就已出現足以察覺的趨勢。越來越多客戶向我們詢問太陽能應用相關的解決方案。在察覺到這個趨勢的重要性後，我們便決定要切實深入了解太陽能產業。

因此，我們決定開始積極投身於太陽能產業的變革，參與 Intersolar Europe 和 US、RE+ 和其他太陽能相關展覽。我們透過這些活動提供的寶貴機會，與太陽能產業的既有客戶和潛在新客戶進行互動。我們致力於了解太陽能產業，透過對這個特定市場區隔的深入研究，以便提供許多寶貴的深入洞察與資訊。

(圖片來源：Radiocrafts)

因此，在這篇部落格文章中，我們將深入探討太陽能產業。首先將定義太陽能產業的涵蓋範圍、探索產業趨勢、檢視太陽能設施供電的各種必要裝置，並詳細闡明每個裝置在系統中所發揮的作用。我們也會比較有線解決方案與無線替代方案、探討專為太陽能領域量身打造的無線解決方案，最後重點說明 Radiocrafts 的 RIIM 網狀網路解決方案；該解決方案可支援多種領先市場的功能，且針對太陽能產業的需求進行最佳化。

什麼是太陽能產業？

太陽能產業涵蓋三種截然不同但同等重要的市場區隔：

(圖片來源：Radiocrafts)

第一個要重點介紹的市場區隔，就是規模龐大且範圍廣闊的公用事業規模設施。這些設施含有範圍廣闊的太陽能板陣列，其數目通常可達數千片。這些太陽能板配有太陽追蹤器，可確保以最佳角度全天候精準追蹤太陽。這些設施通常都位於開闊的田野和沙漠地帶。

第二個市場區隔涵蓋中型規模的設施，其規模仍相當可觀，但不像沙漠地區的設施那樣廣闊。這類系統通常位於屋頂上，可分為屋頂和工業兩大類別。

最後是住宅市場區隔，通常包含屋頂上配備太陽能板的單一住宅或聚落式住宅。某些配置可能還含有儲能和電動車充電系統。

值得注意的是，這些系統之間會因為電網規範而有所差異，因為這些規範會決定系統與公共電網之間的互動方式。大型設施必須符合更嚴格的要求，亦即如何將能量輸送到電網，並對輸出進行調節以免電網超載。比較這些不同的系統時，務必要了解這些差異。

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另外值得一提的是，歐盟某些法規現已規定，特定的新建築專案必須整合太陽能設施。這項要求預計讓設施數量大幅增加，特別是屋頂和住宅的市場區隔。

目前太陽能產業的趨勢為何？

太陽能產業中是否有足以察覺的趨勢？趨勢是否正轉向住宅區和小型設施，或者上述所有市場區隔都出現成長趨勢？

當然，我們可在這些市場區隔中都觀察到成長趨勢。

雖然為了符合無線電規格，在要求和系統組態上會略有不同，但總體來說，這些市場區隔都有看到穩定提升。

太陽能設施中有哪些類型的裝置？這些裝置在系統中的作用為何？

太陽能設施中常見的裝置相當多，且不同的市場區隔，在元件採用上也有所差異。

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太陽能設施的核心是太陽能板，通常以串聯方式連結在一起，並透過一個稱為 DC 結合器的裝置來引導 DC 電壓。DC 結合器會從互連的太陽能板中累積 DC 電壓，並在將其饋入逆變器之前進行增壓。在公用事業規模安裝場址中，DC 結合器可偵測到隨著時間可能發生的物理退化，進而在監控太陽能板上發揮關鍵作用。

在某些設定中，太陽能板可能直接向逆變器提供 DC 電壓，以實現架構的靈活性。

逆變器隨後將 DC 電壓轉換成 AC 主電壓，然後透過電表將其傳輸到電網。

太陽能設施中有另一個關鍵元件就是發電廠控制器或資料記錄儀。在具有大量逆變器和 DC 結合器的大規模設施中，我們將此裝置稱為發電廠控制器。其主要功能就是將控制命令傳送逆變器，以便逆變器依據電網的要求調整其輸出。

在較小的設施中，此裝置通常稱為資料記錄儀，主要用於記錄逆變器產生的能量資料，以及偵測逆變器中的任何故障狀況。

在大規模設施中，通常會有一個連線或 API，將電網營運商與發電廠控制器連結在一起。這有助於公用事業電網的營運商，將命令傳送到發電廠控制器，就可根據電網的要求，對逆變器的輸出進行調整。例如，如果產生了多餘電力，電網營運商就可指示發電廠控制器降低逆變器的輸出。這種通訊通常具有超低延遲要求，以確保即時調整逆變器，還可避免電流過大引發電網超載的機率。

在大規模設施中，通常還會有其他裝置，包括氣象站；太陽追蹤器 (讓面板朝向太陽的角度達到最佳化)；用來監測追蹤器角度的裝置 (以確保追蹤器確實依要求移動)；還有土壤水分張力計 (可測量入射陽光強度)。

儲能在太陽能設施中也有重大作用，且無論設施規模大小，都會整合電池庫。

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在住宅和屋頂配置中，若採用 EV 充電站，即可支援電動車充電。在住宅配置中有個密不可分的元件就是能源管理器，其會根據當地能源生產和電網能源價格來監測能源消耗。能以對應最低能源成本時段的方式，讓本地負載的運作達到最佳化，例如白天太陽能發電的高峰時段。

總之，太陽能設施會構成一套具有龐大通訊功能的複雜 IoT 系統。

有線或無線解決方案？

在當今大規模設施中，採用有線解決方案是常態，其中涉及錯綜複雜的光纖迴路網路和數公里長的纜線，包括埋在地下的電氣、RS485 與光纖的纜線。不過，無線技術也逐漸受到歡迎，因為可針對這些配置帶來眾多優點。

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有線連接會帶來一些挑戰，例如容易受到雷擊和接地迴路的影響，若連接多個裝置的纜線發生故障，就會造成通訊中斷。此外，纜線更換和維修過程需要耗費大量人力，因此費用相當可觀。

在認清這些挑戰下，有越來越多人對無線解決方案感興趣，因為可大幅節省成本並享有安裝靈活性。傳統的有線作法通常需要幾天時間和大量人力才能完成，但無線替代方案可提供快速簡便的安裝和適應能力。這些優勢是無線解決方案逐漸受到採用的推力，對順暢高效系統部署的需求不斷增加下尤其明顯。

哪些無線技術適合用於太陽能設施？

目前有許多無線技術可供使用，各針對前述三個不同太陽能市場區隔的特定需求量身打造，而且要在各市場區隔中達到高效率的設施運作，就需要眾多裝置，因此會有多種不同的要求。

其中一項關鍵要求就是需要遠距範圍。以住宅市場區隔為例，系統可能含有與屋頂太陽能板直接連結的微型逆變器。控制器很可能位於房屋內部，而這會因混凝土牆造成的干擾，導致通訊難題。同樣地，在非住宅屋頂設施中，控制器位於建築物內部樓層，因此距離的問題也會影響是否與屋頂逆變器達到有效通訊。在橫跨數公里的大規模公用事業設施中，與每個追蹤器和 DC 結合器達到遠距通訊相當重要。

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為了解決這些距離問題，我們發現 Sub-GHz 無線電通訊可提供比 2.4 GHz 技術更出色的解決方案，因為 Sub-GHz 技術可支援更高的滲透性和干擾耐受性。此外，若太陽能板或逆變器分佈在單一網路中的多個屋頂，為了確保可擴充性，需採用多躍點網狀網路解決方案。

經證明，合併使用 Sub-GHz 和網狀網路技術對三種太陽能設施都非常有效。

下圖顯示 Sub-GHz 網狀網路技術的另一項優點。在此範例中，發電廠控制器會與屋頂逆變器進行通訊，接著可當作路由器使用，擴大與其他逆變器之間的通訊。在這種太陽能配置下，遠距能力相當關鍵。

但還有一點務必要注意，那就是延遲要求會與距離的考量互相衝突。若要採用對延遲敏感的設備，必須仔細注意通訊設備的規格。

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例如，若要監測氣象站，就不需要每毫秒都收集資料，因為天氣狀況通常不會快速發生波動。但是，在需要快速調整的情況下 (例如減少流入電網的電壓)，就需要近乎即時的通訊，特別是在同時管理多個逆變器時。

Radiocrafts 的 RIIM 網狀網路技術適用於太陽能設施

Radiocrafts 提供遠距、低延遲的 Sub-GHz 網狀網路解決方案 RIIM，相當適合用於上述三種太陽能設施的市場區隔中。

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透過 RIIM，使用者就可彈性自訂各種調整，以配合不同的太陽能安裝系統。例如，有些使用者可能會優先考慮快速加入網路的時間，而其他使用者則優先考慮低延遲，或想在單一網路中擁有多部裝置的能力。這些要求都可以在網路設定中進行微調並排定優先順序。此外，我們可對客戶指定開發項目提供廣泛支援，因此若客戶想要額外新增標準產品沒有的功能，我們也能支援這類需求。

除了前述的距離和延遲問題外，可靠度也是關鍵的考量因素。雖然纜線通常相當可靠，但容易磨損，因此會導致纜線破損和連接器堆疊等問題。相較之下，無線通訊則有數據封包遺失的可能性。為了減緩這個難題，RIIM 採用了「時隙跳頻」(TSCH) 等先進技術。TSCH 是一種通訊協定，能讓數據封包以同步排程的方式，在不同的頻率和時隙中進行傳輸。TSCH 是全球知名的跳頻系統，表現非常優異，在系統內的數據傳輸可靠度可達到 99.99% 或更高。

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資料傳輸量也是太陽能系統設計中一個關鍵的考量因素。每個裝置產生的資料量差異很大。例如，氣象站產生的資料相對較少，但太陽能逆變器則會產生大量資料。在制訂系統設計決策時，需要考量逆變器或太陽能板的本機處理能力，以及資料篩選和壓縮功能。最終目標是要在設備之間有效傳輸一定的資料量。例如，如果網路主要是傳輸警報，低延遲特性就相當關鍵，但流量也要維持低水準。只不過，如果每個裝置每秒會產生數百位元的資料，則可能會因為高流量而發生擁塞。

解決此延遲問題是 RIIM 網路設計的關鍵之一，尤其是在高傳輸量網路中。在歐盟，工作週期限制也是一大難題。在此補充小常識，按照 RED 指令的規定，您只能在 1% 的時間內傳輸數據。此限制對大傳輸量的系統有顯著影響。例如，使用 LoRaWAN 的網路，為了符合工作週期規則，每次遠距數據封包的傳輸要間隔 10 分鐘。RIIM 可利用跳頻來克服此難題，能使用多個無線電頻道來傳送數據。此外，RIIM 可支援適應性頻率捷變功能，可在跳頻清單中可識別及排除有雜訊的頻道，以確保系統僅使用最佳無線電頻道來傳送數據。此外，RIIM 在傳送數據封包時會利用「先聽後說」(LBT) 功能。這些功能的組合稱為「禮貌頻譜存取」(Polite Spectrum Access)。根據 RED 指令和 EU 標準，此功能組合可讓數據傳輸時間高達 37%。此功能組合可促成高傳輸量網路，將流量擁塞和封包遺失的情形降至最低。

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此外，RIIM 的穩健性還能有效地管理來自其他通訊協定的雜訊干擾，如以單一無線電頻道運作的 Sigfox 或 LoRa 基地台等。如果在特定頻道內偵測到明顯的雜訊，RIIM 可彈性選擇不使用該頻道。

此外，RIIM 架構相當適合可擴充的場域，其在公用事業規模的設施含有多個並聯網路。例如，在可能具有多達 10,000 片太陽能板的大規模設施中，要將這些板子全部連接到單一網路並不可行。相反的，此時需要一種解決方案，可讓多個網路並聯運作，而且彼此緊緊相鄰。如果這些網路都要在同一個無線電頻道上運作，會受到來自彼此的大量干擾。我們曾遇到過使用單頻道系統的客戶，在擴充其網路時遇到嚴重的干擾問題。然而，RIIM 可支援跳頻並採用獨特的同步方法，可確保網路自動避開干擾。這種固有功能可以緩解可擴充性的疑慮，且無需客戶介入。

從中獲得什麼啟發？

在人類努力對抗全球暖化帶來的衝擊時，對再生能源的需求亦在激增。在尋求更永續的發電和生活方式時，太陽能產業就站在最前線的位置。從沙漠地區中數十萬片太陽能板和逆變器組成的大規模部署，到社區中的個別住戶，社會中的各個層面對於太陽能發展的推進都有關鍵的作用。

太陽能產業的每個市場區隔，都依賴眾多的設備和裝置，來建立高效的太陽能設施。這些裝置包括發電廠控制器、逆變器、能量量測計、EV 充電站、儲能系統等等。此外，隨著太陽能產業的演進，業界逐漸轉向無線解決方案，以符合成本效益的方式當作有線解決方案的替代方案。有線解決方案通常會在維護、安裝和人力上產生高昂的成本。

Radiocrafts 的 Sub-GHz 網狀網路技術 RIIM，是專為太陽能產業量身打造的先進無線解決方案。RIIM 提供眾多優勢，包括透過多躍點網狀網路架構達到遠距通訊、低延遲，並可透過跳頻功能達到超高可靠度。此外，RIIM 還具有自適應頻率捷變和「先聽後說」功能，因此可支援高數據傳輸量，非常適合在有雜訊的環境中運作。