講師睿庭國際股份有限公司陳博昌 / 手機 0933096463
前言 如果地球暖化繼續惡化, 人類再不覺醒 德國 波茨坦氣候影響研究中心 學者拉姆斯多夫 (Stefan Rahmstorf) 與芬蘭 赫爾辛基科技大學 學者韋梅爾 (Martin Vermeer) 在研究中預測, 本世紀結束前, 海平面上升的幅度將介於 0.75 與 1.9 公尺之間 台北市平均海拔高度在 5 公尺左右
光電發電原理與 光電板種類及特性
太陽... 內部不斷地進行核融合 不斷釋放出能量 預估有 100 億年壽命, 現已 50 億年 Q1: 太陽光電科技是什麼? A1: 就是 把太陽光能轉為電能的技術 Q2: 怎樣把太陽光變成電? A2: 可以應用光電板!!! 太陽能小常識 每 kw 的 PV( 太陽光電 ) 每年可減少 9 公斤氧化硫 ( SOχ ) 16 公斤氧化亞氮 ( NOχ ) 及 2300 公斤二氧化碳 ( CO2 ) 的排放 若裝置 3kWp 的家庭, 相當於 3,000 平方公尺森林 (6 個網球場 ) 的綠化效果
Solar Radiation Diagram
太陽於天球上運行之軌跡 ( 不同季節太陽運轉軌道 ) ( 太陽各種輻射方式受雲層之影響關係圖 )
太陽電池發電原理 太陽電池是一種半導體的應用 半導體基本原料為矽, 將高純度矽 (6 個 9) 加入一些不純物可使其呈現不同性質, 加入硼可形成 P 型半導體, 加入磷可形成 N 型半導體 太陽電池吸收 0.2μm ~ 0.4μm 波長的光, 將光能直接轉換成電能 太陽電池發出的電為直流電
太陽電池發電原理 當太陽光照射時, 光能將矽原子中的電子激發出來, 而產生電子和電洞的對流, 這些電子和電洞均會受到內建電位的影響, 分別被 N 型及 P 型半導體吸引, 而聚集在兩端 當外部電路接上時, 便形成電流
市場主要太陽電池種類 矽 ( 硅 ) silicon 太陽光電系統中應用最為廣泛 化合物半導體 太陽電池種類 晶矽 Crystalline 非晶矽 Amorphous 二元素 半導體材料 單晶矽 ( 晶圓型 ) Single Crystallin 多晶矽 ( 晶圓型 ) Poly Crystallin a-si a-si/ 微晶系 ( 薄膜型 ) GaAs( 晶圓型 ) CdTe( 薄膜型 ) 模組發電轉換效率 12~20% 10~18% 6~9% 25~30% 7~10% 三元素 CuInSe2( 薄膜型 ) 8~10% 染料敏化 TiO2( 薄膜型 ) ~8% 有機半導體 ( 薄膜型 )??? (Cell: 3~5%) 資料來源 : 工研院太電中心太陽光電資訊網
太陽光電產業 - 晶系電池 Crystalline 上游產業中游產業下游產業 建 Silicone & Material Solar Grade Silicone Ingot Wafer Solar Cell PV Module PV System Integrator 築 產 業
太陽電池之矽材料製作過程 矽砂原材料矽晶長晶爐矽晶碇切割機 單晶矽拉晶製程矽塊原材料 晶碇 晶片矽晶片線切割機
太陽光電產業 - 薄膜 a-si 薄膜鍍在不銹鋼基板
晶矽型模組
透光之晶矽型模組 (BIPV 模組 )
非晶矽模組 a-si 薄膜鍍在玻璃基板 不透光型式與透光型式
非晶矽模組 a-si 薄膜鍍在玻璃基板 將 a-si 夾在兩片玻璃間 可透視
非晶矽模組 a-si 薄膜鍍在不銹鋼基板
不同溫度下光電板 I-V 曲線特性 圖表來源 : 李友富, 太陽光電發電系統簡介與應用,12/14/2005
不同太陽電池材料對應太陽光譜波長圖 可見光波長 :350~700nm
太陽電池比較 : 不同日照條件
應用不同電池之光電系統比較 : 溫度變化 Amorphous System Crystalline Si System
NREL:National Renewable Energy Laboratory, Natioal Center for Photovoltaics 各類太陽電池最佳實驗效率圖 Best Research-Cell Efficiencies
PV 系統型態
獨立型 PV 系統 資料來源 : 工研院太電中心太陽光電資訊網 http://solarpv.itri.org.tw/aboutus/sense/catego
獨立型太陽光電發電系統 工作方式 : 為儲能概念之應用 白天 PV 發電供負載與充電 ; 夜間蓄電池供電適用地點 : 高山及離島等市電無法到達處 ( 比架設輸配電設備成本低 ) 缺點 : 1. 定時維護或更新蓄電池 2. 能量損失較高
獨立型發電系統應用 900W PV 系統負載 : 無線通信中繼基地台 100W (100W*24hr)/(0.7*5hr)*(1.3~1.5)<900W 90kW 離島用 PV 系統韓國 Ho-Do 島應用於村落 (20 戶 ) 之照明 電視 收音機 通訊及抽水用電
併聯型 PV 系統 資料來源 : 工研院太電中心太陽光電資訊網 http://solarpv.itri.org.tw/aboutus/sense/category.asp
併聯型太陽光電發電系統 工作方式 : 即發即用概念 白天 PV 發電供負載與市電併接 ; 夜間由台電供給負載用電優點 : 1. 系統簡單 不需要專人維護且發電利用率高 效率高 2. 不需要考慮負載大小, 故 PV 系統設備維護簡單缺點 : 夜間則太陽能無法使用
併聯型發電系統應用 16.8kWp PV 系統負載 :A-F 棟 ( 梯間照明 ) 市電併聯型 10kWp PV 系統負載 :2F( 照明插座用電 ) 市電併聯型
太陽能發電與躉售台電併接示意圖
混合型 PV 系統 緊急防災型 資料來源 : 工研院太電中心太陽光電資訊網 http://solarpv.itri.org.tw/aboutus/sense/category.asp
混合型太陽光電發電系統 工作方式 : 為緊急防災概念 白天 PV 發電供負載與市電併接 ; 夜間由蓄電池供給負載用電不足用市電缺點 :1. 定時維護或更新蓄電池 2.PV 系統設備價格高維護不易優點 :1. 具有緊急防災功能考量
混合型發電系統應用 6kWp 離島用 PV 系統應用於國小 ( 教室 ) 之緊急照明 無線電 收音機 通訊及抽水用電 6.3kWp 山區用 PV 系統應用於國小 ( 教室 ) 之緊急照明 無線電 收音機 通訊及抽水用電
太陽能電池的容量與發電量的關係 太陽能電池的輸出電力因日照量 ( 天候 季節 方位 傾斜角等 ) 和温度等的不同發電量也會有所不同 太陽能電池發電量 100% 因溫度上升的損失 6~12% 污損或配線 ( 送電時 ) 的損失 5~10% 太陽能變流器 ( 電力 轉換時 ) 的損失 5~10% 發電量最大 70~80% 影響要因 1 日照量 = 地域 方位 傾斜角 影 2 温度損失 3 表面污損回路損失 4 變流器的直流到交流的變換 直流接續箱 太陽能變流器 分電盤 - 家庭的 電器製品 - 多餘 電力回送台電
系統主要設備
基本架構組成 ( 併聯型 )
PV Module
Inverter
案例照片 -1
案例照片 -2 直流接線箱 ( 室外 )
案例照片 -3 Inverter 與交流接線箱
系統設計要點
系統設計流程與工作項目 系統容量規畫與檢討 模組選用 選址檢討 架設方位 遮陰分析 可用面積 系統設計與配置 串併數量設計 INVERTER 選用 溫度補償分析, 三相平衡分析 支撐架設計與結構計算 發電量數據電腦模擬 細部設計 電力單線圖設計 直交流盤體配置與設計
太陽運行軌跡與太陽電池仰角 根據圖說考量 : 最大發電效益座向 : 南方 0 度 ( 北半球 ) 揚角 : 台灣北緯 23.5 度 PV 鋪設傾斜角約 19-25 度 太陽電池模板設置仰角 方向角與發電量之關係
架設方位分析 75 40 north 46 81 100 93 105 30 110 76 Sun irradiation onto differently tilted and oriented surfaces [%] 58 90 71 south west/(east)
遮陰分析 47 o 南 Solar noon 時夏至春 秋分冬至 23.5 o 23.5 o 以模組傾斜角 ~23.5 o 為例 h= 組列總高度 ( < 1.5 m 不須雜照 ) L 2 =h * tan(55 o ) = 1.43h (55 o 可適用於冬至 09:00~15:00) 建議水平方位角 : 正南 ±5 o 內 55 o H L= 1.43H L 0 55 o 23.5 o h 23.5 o L 2 = 1.43h
遮陰分析 - 設計案例
遮陰模擬動畫 模擬動畫
系統設計與配置 串聯 --- 正負相接 電流不變, 但電壓相加 併聯 --- 正接正, 負接負 電壓不變, 但電流相加 八串兩併代表 --- 以八片光電板串連, 並以兩串這樣的串聯型式來併聯
溫度補償分析 為何要作溫度分析? 因為模組效率會受表面工作溫度影響 台灣地區溫度分析範圍在 0 ~75 工研院太電中心有計算表可以應用 ( 如右表 ) 有些 INVERTER 原廠亦有設計軟體可以應用
支撐架與結構計算 模組架台 (Support Structure) 材質及其表面處理之選擇應採下列方式之一種施作 : a. 熱浸鍍鋅鋼架 ( 鍍膜厚度大於 500g/m² 以上 ) b. 不銹鋼架 c. 鋁合金架 ( 陽極處理 鍍膜厚度 7µm 以上 ) 組列若設置於鹽害地區時, 建議採用鋁合金架, 且其表面處理方式採陽極處理 鍍膜厚度 7µm 以上, 且外加一層膜厚 7µm 以上之壓克力透明漆 組列若設置於地面, 或屋頂上且組列之最高點與樓板面的距離超過 1.5m 者, 須申請雜項執照 系統結構安全須送依法登記開業之建築師 土木技師或結構技師簽證負責, 並函送該管直轄市 縣 ( 市 ) 政府備查 混凝土基座
發電量模擬分析 可運用太陽能分析軟體進行發電量推估 PV SOL SOLAR PRO 參考範例
系統效率評估 太陽電池效率 代表太陽電池將太陽光轉化成直流電的效率 模組效率 代表光電板將太陽光轉化成直流電的效率 系統效率 代表整體系統將太陽光轉化為電能 ( 直流與交流 ) 的效率 系統設置不能只考慮 模組效率, 還要選用合適的直交流轉換設備, 同時考量方位 角度 遮避因素等條件, 方能有理想系統效率! 光電小常識 : 1 度電 = 1kWp x 1hr 1 仟瓦系統發電 1 小時
光電系統設置考量 設計考量 設置方位與角度 ( 南向, 方位角 23.5 ) 日照條件 ( 有無陰影遮避 ) 結構強度 ( 系統結構 與 屋頂載重 ) 系統效率 造型設計與 BIPV 應用 產品保固 (20 年 80%)
實際設計案例說明
系統規劃概述 系統容量 25.25kWp 設置地點高雄縣 系統型式市電併聯 系統用途照明系統用電 設計型態 BIPV 採光天窗
規劃設計理念 環境考量 建物考量 1. 周圍陰影遮蔽的問題 2. 落塵量及污染影響性 3. 日照量及溫度狀況 1. 模組角度方位調整 2. 固定支撐架之安全性 3. 設置避免妨礙通路 4. 電氣管路及設置空間 5. 系統未來維修計畫
系統設計說明 支撐架結構計算太陽能系統設計電力介面設計 1. 模擬日照遮蔽分析 2. 確認可鋪設範圍 3. 計算最適合之模組配置方式 4. 結構技師計算支撐架強度 1. 依照系統設置量及現場狀況, 選用合適之模組及直交流轉換器 2. 以溫度補償分析及三相平衡分析計算出最適合之串並列形式 DC 端 : 以防逆二極體 突波吸收器及 DC Breaker 保護模組及直交流轉換器 AC 端 : 由斷路開關搭配集合式電錶作為太陽能系統及台電端之雙向保護
系統設計說明 - 系統遮蔭模擬 (June-21) 6 月 21 日早上 09:00 後不遮蔭 08:00 AM 09:00 AM 10:00 AM
系統設計說明 - 系統遮蔭模擬 (Dec-21) 12 月 21 日早上 10:00 後不遮蔭 08:00 AM 09:00 AM 10:00 AM
系統設計說明 - 支撐架詳圖
系統設計說明 - 機電配置圖 併接點電壓規格 : 三相四線 220/380Vac
系統設計說明 -PV Sol 系統模擬報告
系統設計說明 - PV Sol 系統模擬報告
系統設計說明 - 溫度補償計算書
系統設計說明 - 光電板配置圖
太陽能監視系統畫面
大型太陽能發電廠施工影片
BIPV 建築案例照片 BIPV 建築整合光電系統 之概念與內容
Building Integrated Photovoltiac U.S. Department of Energy 將光電科技設計整合於建築外殼, 並用以取代傳統建材 Whole Building Design Guide 係將光電板模組整合在建築外殼上, 如於屋頂或立面上, BIPV 系統可以達成建材與電力成本之節省, 並減少石化燃料之使用與廢氣排放, 進而增進建築物之效益 經濟部能源局陽光電城 II 評選及補助作業實施計畫 建材一體型太陽光電發電系統 (Building Integrated Photovoltaic, BIPV) 即所設置太陽光電發電系統, 除作為發電用途外, 尚需具備建材之功能, 如取代外牆 天窗 屋頂... 等 工研院太陽光電科技中心 太陽電池模組 (module) 或陣列 (array) 被整合 設計並裝置在建築物上, 且具有兩種以上之功應用 (Ref. Dr. Tomas )
BIPV 建築整合光電系統之內涵 綜合上述各點, 可將 BIPV 的實質內涵, 歸納以兩項基本代表指標 : 1. 光電板必須與建築物作整合, 成為建築物一部份 2. 光電板須取代部份建材, 不單僅有發電單項功能
BIPV 規劃設計之考量要點 除了參照一般太陽光電系統設計之考量, 如方位 遮陰 發電量等問題外,BIPV 常常需注意 : 線材不外露 模組採用筆型接線盒 線路串並設計須與框料配合, 以便將線路隱藏與框料中 框料需配合走線之需求而予以鑽洞或穿孔 防水設計 結構強度 ( 耐風壓 耐震 ) 光電板發熱問題 室內陰影考量
BIPV 模組隔熱問題解決方案 HEAT INSULATION DATA SC (Shading Coefficient) 0.144 U (W/m 2 K) 1.65 Heat transmittance (%) 2.6 K value (W/m K) 0.032
7:00 7:45 8:30 9:15 10:00 10:45 11:30 12:15 13:00 13:45 14:30 15:15 16:00 16:45 溫度 BIPV 模組隔熱解決方案 - 實體屋試驗 室內自然對流溫度比較圖 45 40 35 30 25 20 15 10 Outdoor Heat Insulation Solar House Indoor Temp. Ordinary House Indoor Temp. A1(OUT) A1(IN) B1(IN) Heat Insulation Solar House 5 0 時間 Ordinary 10mm TP Glass House
BIPV 模組隔熱解決方案 -Computer Simulation Max. Temp. : Measure 25,Simulation 25.5 Max. Temp. : Measure 32,Simulation 33
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