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市場大跌下值得關注的美國新能源公司 (上)

隨著全球污染問題日益嚴重,全球越來越重視環保相關議題,各國開始制定減碳目標,美國、加拿大、英國和日本等國家皆表示預計在 2050 年達碳中和,為達此目的在 2020 年底聯合國氣候大會 COP26 結束後,各國紛紛推出刺激政策,促使可再生能源(光伏、風力、水力等)佔電力消耗中的比例逐漸擴大,其中又以太陽能增長最為迅速。

本篇想要探討的是一家太陽能發電相關公司 Enphase Energy (ENPH),由於太陽能發電產業有許多專有名詞,在介紹這家公司之前必須要建立一些基本知識。這篇先為讀者介紹整個產業和這家公司的主要產品到底是在做什麼。

產業介紹


太陽能發電產業指的是從吸收太陽能到一般消費者可使用電的過程,市場上亦簡稱為「光伏產業(Photovoltaics)」。因其有較多專有名詞,在分析這家公司之前,先對整個產業上下游有個大概的了解。目前光伏產業依技術區分可分為矽晶和薄膜兩大類,主流為矽晶太陽能電池,佔據約九成市場。

從整個產業鏈來看,上游有原材料(矽料)和矽晶圓/矽晶片,矽材的製造需將石英礦砂精煉為高純度矽,光伏所需的純度與半導體不同,大多純度要求為 6N(99.9999%,小數點後 6 個 9 簡稱)。

矽晶圓片製造有九成市場被單晶矽(Monocrystalline silicon)和多晶矽(Polycrystalline silicon)兩種製程所瓜分,其中以單晶矽轉換率最高(15%-20%)、價格較貴,因此市場大多使用多晶矽,然近年來隨單晶矽成本下降,有越來越多廠商使用單晶矽的趨勢,截止至 2020 年市占率已接近 84%。

中游部分可分為單多晶矽電池、薄膜電池和太陽能模組,下游則含土地開發、系統建置與應用(模組、逆變器、鋼材等,以安裝於地面和屋頂的光伏系統為主要應用)、儲能系統和太陽能電廠(目前發展大規模地面型發電廠為主)。隨著競爭加劇,整個產業有向中下游整合發展趨勢。

本篇要談的就是位於下游的逆變器公司。

什麼是逆變器(Inverter)


逆變器是將太陽能電池板所產生的直流電(DC)轉換電網兼容的交流電(AC),供家庭使用或輸出到電網。按應用場景和功率來劃分,目前市面上的逆變器可分為三種:

  • 集中型逆變器(Central inverter):將所有太陽能板塊串在一起後,把電流導到一台逆變器上進行轉換,因集成度高、功率密度大(500 kw-2,500 kw)其體積較大。優點為可集中安裝、方便管理與維護,適合用於荒漠電站、地面電站等大型發電系統;缺點在於 MPPT(最大功率點追蹤)電壓範圍窄,組建配置不靈活且無法監控每一路組件的運行狀況,一旦有一塊組件發生故障,將影響整個系統的發電效率。
  • 組串式逆變器:以模組化概念組成,每個光伏串(1kw-5kw)對應一個逆變器,體積較集中型逆變器小、安裝相對靈活,功率較小(30kw-60kw)、MPPT 電壓範圍廣(200V-800V),適用於中小型屋頂光伏發電系統、小型地面電站。優點為不受組串間模塊差異和陰雨和霧氣等天氣影響;缺點為逆變器數量較多,系統監控難度大、穩定性較差。
  • 微型逆變器:在每個太陽能板塊上對應一個逆變器,使每塊太陽能板得以獨立工作,主要用於小型商業和住宅,功率為三者中最低(<1kw)。優點為獨立 MPPT 控制,可使整體輸出功率最大化,當一個模塊出現故障時,系統仍可持續提供電能,並有效降低陰影對輸出功率的影響,且要安裝或擴充都極為便捷;缺點為成本較高且應用範圍受到限制。
資料來源:What are microinverters

上圖為組串式和微型逆變器的示意圖,在同樣陰影遮蔽一塊太陽能板的情況下,組串式其他太陽能板會受到被遮蔽那塊影響,僅能以最低容量來進行發電,而微型逆變器因單獨運作則不受影響。不過因為微型逆變器的成本較高,不少人仍會將組串式逆變器納入考量。

Enphase Energy 的競爭對手 SolarEdge 就是將組串式逆變器作為其核心產品之一,為解決無法監控每個面板發電資料的問題,推出「優化器(Power Optimizer)」產品,只要在每塊太陽能板後面加裝優化器即可監控每塊面板,一旦其中一塊面板出現問題可隨時進行智能調控,有助於提高整體的發電量。兩者的市場大小與競爭狀況將於下篇的競爭分析中進行探討。

運輸電力流程


那麼電又是怎麼傳輸的呢?很多人常以為所謂太陽能發電,就是裝上太陽能板後所有發電問題都解決了,即便電網斷電也無礙使用。事實上並非如此,在沒有儲能設備的狀況下,太陽能板所發的電只能立即使用,若沒有使用則會消散、無法進行儲存,一旦處於陰天或是夜晚時將會處於無電可用的狀態,因此即便家中有太陽能發電裝置,多數家中仍會併網*,並透過各國的淨計量電價**政策使太陽能發電效用最大化。

*併網:與公共電網進行連結,可互相傳輸電力

**淨計量電價(Net Metering)是一項電力政策,利用可再生能源發電的消費者可以根據向電網輸送的電量,從每月的電費帳單上扣除部分電費,只計算「淨電量付費」,也就是可再生能源發電系統自產的電能與住家消耗的電能之間的差額,具體的折扣取決於政府和公共發電公司。

資料來源:WINAICO

但併網會產生一個問題,一旦電網斷電會出現孤島效應*,此效應具相當大的危險性,因電壓和頻率的失衡,除了容易造成配電系統和用戶端設備的損壞外,甚至會造成維修人員在對電線進行搶修時有誤觸電的情形發生。為安全起見,大多數的逆變器都會裝置一個防孤島效應的系統,當孤島效應產生時立即停止運作,自動關閉向電力傳輸到任何地方,也因此在斷電的情況下,即便太陽持續照射,家中仍處於無電可用的狀況。在 2021 年,美國因極端氣候而出現兩次斷電的狀況下,ENPH 的 IQ8 商品和太陽能儲能設備的重要性顯著提升。

*孤島效應(Islanding Effect):當電網因故障或停電等因素斷電時,併網的 PV 系統仍保持對電網的供電狀況,在電壓失衡的情況下形成自給的供電孤島,具相當大的危害。

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