建筑物運用太陽能發電的研究

蒲罡

摘 要：在現今的都市在高密度人口聚集居住的情況下，為了要維持都市功能的正常運作，必須高度仰賴能源。火力發電是供電主力也是對環境具高度危害的發電方式。太陽能主要可分為太陽光能與太陽熱能兩種，太陽能光電是利用太陽電池將光的能量直接轉變為電能輸出。太陽熱能發電系利用一般常見的太陽能集熱器，收集太陽輻射能，藉由熱交換來發電或做其他應用而太陽電池是以P-型及N-型半導體材料接合構成正極與負極。該文研究建筑增加太陽能發電系統設備之可行。

關鍵詞：太陽能 發電 建筑物 運用 研究

中圖分類號：TU18 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）10（b）-0091-01

1 太陽光能發電原理

太陽能主要可分為太陽光能與太陽熱能兩種，太陽能光電是利用太陽電池將光的能量直接轉變為電能輸出。太陽熱能發電系利用一般常見的太陽能集熱器，收集太陽輻射能，藉由熱交換來發電或做其他應用（如太陽能熱水器）而太陽電池是以P-型及N-型半導體材料接合構成正極與負極。當P型及N型半導體互相接觸時，N型半導體內的電子會涌入P型半導體中，以填補其內的電洞。

在P-N接面附近，因電子-電洞的結合形成一個載子空乏區，而P型及N型半導體中也因而分別帶有負、正電荷，因此形成一個內建電場。當太陽光照射到這P-N結構時，P型和N型半導體因吸收0.2～0.4微米波長的太陽光而產生電子-電洞對。由于空乏區所提供的內建電場，可以讓半導體內所產生的電子在電池內流動，因此若經由電極把電流引出，就可以形成一個完整的太陽能電池。

2 太陽光電發電的作轉化應用：

（1）獨立型太陽光電系統：使用蓄電池且換流器無逆送電功能之太陽光電發電系統。白天由太陽光電系統發電，并供負載及充電，夜間由蓄電池供電，可自給自足。

（2）市電并聯型太陽光電系統：換流器具有逆送電功能，可操作于并聯模式之太陽光電發電系統。白天PV系統與市電負載并聯發電，并供應用戶負載，不夠的部份由電網補充供電；夜間時段，沒有陽光則由市電電力系統作一般性供電。系統構成簡單，不需安全系數設計，維護容易，具最大功率追蹤（MPPT），發電效率高，是目前太陽光電發電系統的主流。

（3）（獨立/并聯混合型）太陽光電系統：換流器具有逆送電功能，同時裝置蓄電池，可操作于并聯或獨立的太陽光電發電系統。同時與市電并聯發電，并供負載及充電。夜間由電網供應，遇災害電力中斷時，則仍有足夠的蓄電池可運用安排救災。

3 太陽能發電系統電池材料

太陽電池依照其制造材質可大致分為硅材料、多元化合物、奈米或有機材料等3大類。硅材料的太陽電池主要包括晶硅與非晶硅薄膜。其中，晶硅材料又可分為單晶硅與多晶硅兩種，前者光電轉換效率較高（模塊效率約15%），但制程較復雜，后者效率較低（模塊效率約13%），但制程較簡單。非晶硅薄膜則有硅需求量較低、制作成本低、可撓式設計、大面積制作等優點，但其轉換效率相對較低（模塊效率約5-7%）。在多元化合物材料部份，包括III、V族化合物（GaAS、InP）等高效率的太陽電池，主要用于太空或聚光型太陽光電系統。另外亦有CdS、CdTe或CIGS（銅銦鎵硒）等薄膜型太陽電池正持續發展，已有部份商品生產并改良中。奈米或有機材料的太陽電池包括：染料敏化太陽電池以及有機高分子太陽電池。前者利用奈米技術制造二氧化鈦奈米顆粒再吸附染料，藉由染料吸光放出電子而產生電流。后者則利用導電高分子特性來制作太陽薄膜電池，其技術正在發展中。目前，奈米或有機材料的太陽電池效率及穩定性仍然偏低，有待提升。

4 建筑物設置系統型式分類

若依照建筑物設置系統型式分類，則太陽光電系統可以分為踞置型及建材一體型。踞置型：依其架設方式又可分為貼覆式以及架高式兩種。貼覆式系指太陽光電模板貼覆建筑物外表包覆材架設，太陽光電模板與建筑物之間的高度間距在10公分以內。架高式是指太陽光電模板矗立建筑物帄頂或地面架設，太陽光電模板的高度在150公分以下。而建材一體型的太陽電池模板則是太陽電池模塊或數組被整合、設計并裝置在建筑物上。可有效利用建筑物的表面發電，兼具建筑物的外表包覆建材之功能，或可替代屋瓦、墻面、窗戶之建材，且可遮陽降低建筑物外表溫度。BIPV具有建筑物美觀、降低整體建筑成本、空間充分利用、結構安全性、建筑施工時間縮短及避免二次施工等優點。由于單結晶硅具有轉換效率高的特性，目前仍為太陽能市場之主流；非結晶硅具備價格便宜、生產快且無需封裝等優點，故較受市場青睞，至于多結晶硅則因切割及下游再加工不易，現階段被應用則相對較少。太陽能發電系統中影響光電轉換的組件主要是太陽電池，即光電半導體表面上幾微米厚度的薄薄一層，其轉換效率又不高，故需要裝設大面積的太陽電池，市場上通常將多個太陽能電池芯片單體（一般為10～15公分大小之PN接合半導體薄片，發電電壓約0.5V）組成模塊（Module）出售，再依需求串并聯連接構成太陽能光板（Panel）或太陽能數組（Array），為能有效采光這些設施必須采帄面裝置，這對寸土寸金的中心城市確實并不利推廣，因此未來有必要進一步研究薄膜型太陽能電池將之融合為建筑物本體的一部分，如作為屋頂或墻壁之裝璜一般，則應有較大發展空間。

5 結語

（1）在本研究所建立太陽能光電系統裝置上，經實驗后換算本研究采用之太陽能光電設施整體系統，以及各構件的效益折減值結果如下﹔在太陽能電池轉換效率部份為6.8%；蓄電池損失率約15%；逆變流器轉換效率部份為73%，損失率約23%；綜合各構件效益折減得到太陽能光電系統整體的轉換效率約為58%。

（2）實驗所得之系統各部分效率值與一般規格作比較，可得知本系統效率普遍偏低，在太陽電池轉換效率部份一般之單晶硅太陽電池應有11%～15%的效率值，但本系統經半年實際測得均約為6.8%左右。逆變流器轉換效率部份為73%，一般市面上規格之效率值約在90%。而太陽能光電系統的轉換效率58%則與市售系統規格85%有較大之差距。

參考文獻

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