篇名 : 太陽光伏發電 作者 : 吳源翔 國立埔里高工 建築科三年乙班 蘇子昀 國立埔里高工 建築科三年乙班 指導老師 : 顏旭堯老師
壹 = 前言 工業時期迄今, 由於燃燒礦石燃料產生大量二氧化碳及溫室氣體, 在每年逐漸攀 升情況下, 已成為全球重要議題之一 而近年來礦石燃料逐年銳減 全球氣候變 遷以及生態環境保育意識抬頭, 再生能源的利用逐漸受到重視 由於太陽能源穩定, 具有持續和永久性, 用於發電是再適合不過的再生能源 貳 正文 一 何謂太陽光電? 太陽能是可再生能源的一種, 則是指太陽能的直接轉化和利用, 其基本原理是利用光生伏打效應 通過轉換裝置把太陽輻射能轉換成熱能利用的屬於太陽能熱利用技術, 再利用熱能進行發電的稱為太陽能熱發電, 也屬於這一技術領域 ; 通過轉換裝置把太陽輻射能轉換成電能利用的屬於太陽能光發電技術, 光電轉換裝置通常是利用半導體器件的光電效應原理進行光電轉換的, 因此又稱太陽能光電技術, 他的基本裝置是太陽能電池 ( 註一 ) 光生伏打效應 : 吸收了電離輻射並且產生電動式的效應 這種效應可以在氣體 液體 固體發生 但只有在固體, 特別是半導體中, 才能觀察值得注意到的太陽 能轉換為電能的效率 所以做為光生伏打轉換的器件 太陽能電池 ( 註二 ) 二 發展歷史 1 1954 年 Bell Labs 發展出矽太陽電池 (Chapin 等人, 轉換效率約 6%) 1958 年開始太空應用 (GaAs) 1970 年開始太陽光發電系統地面應用 (Si) ( 能源危機 ) 1976 年 Carlson 製作出第一個非晶薄膜太陽電池 1980 年消費性薄膜太陽電池應用 (a-si, CdS/CdTe) 1990 年與公用電力併聯之太陽光發電系統技術成熟 ( 電力電子技術 ) 1992 年起歐美 日各國推動 PV 補助獎勵 1
2000 年建材一體型太陽電池應用 (BIPV) ( 註三 ) 2 近幾年太陽光電大幅成長關鍵 : 圖一 : 太陽光電大幅成長關鍵圖 A 穩定成長期 日本經過兩次能源危機後為降低對進口能源的依賴, 因此鼓勵企業投入太陽光電領域 並透過政府補助創造市場需求, 由需求帶動共給再由供給帶動研發並降低成本, 成本降低後又創造更大的市場與需求 這個階段太陽光電技術及市場接為穩定成長, 價格也持續的下降 日本政府及企業長期的努力不但讓太陽光電在日本逐漸普及, 也讓日本技術及產量上都居於領先地位 B 爆炸成長時期 德國的再生能源法已非常優的價格收購太陽光電系統所發出 來的電, 德國市場因而出現爆炸性的性的成長, 這也是近幾年太陽光電成長的主 要動能 C 高油價及東京議定書: 油價從 2004 年開始上漲, 至 2005 年世界都體認到高油價時代已經來臨, 發展替代能源已經是刻不容緩 東京議定書從 2005 年開始生效, 東京議定書內容主要是降低二氧化碳的排放以降低溫室效應對全球氣候產生得衝擊, 而太陽光電不會產生二氧化碳因此可以減少二氧化碳的排放 ( 註四 ) 三 太陽電池構造與發電原理 圖二 : 太陽電池構造與發電原理 2
利用電位差發電, 無電磁波產生太陽電池 (solar cell) 是以半導體製程的製作方式做成的, 其發電原理是將太陽光照射在太陽電池上, 使太陽電池吸收太陽光能透過圖中的 p- 型半導體及 n- 型半導體使其產生電子 ( 負極 ) 及電洞 ( 正極 ), 同時分離電子與電洞而形成電壓降, 再經由導線傳輸至負載 簡單的說, 太陽光電的發電原理, 是利用太陽電池吸收 0.2μm~0.4μm 波長的 太陽光, 將光能直接轉變成電能輸出的一種發電方式 由於太陽電池產生的電是直流電, 因此若需提供電力給家電用品或各式電器則需 加裝直 / 交流轉換器, 將直流電轉換成交流電, 才能供電至家庭用電或工業用電 四 太陽電池優點 : 矽太陽光電池有種種特殊優點, 將主要的列舉如下 : 1 壽命長, 除非是機械上的損壞, 否則可永久使用 2 太電池本身, 只要對附屬設備稍微保養外, 幾乎無需保養與管理, 固比其他 電源較為少 3 可使用無盡藏, 無本身的太陽光為能源, 幾乎無須運轉經費 4 不像原子能發電, 火力發對會產生廢棄物及有毒的氣體等, 固在環境上極為 有利 5 沒有可動部分, 因此無噪音, 故障率較低 6 適合個別發電系統的理想 因為他不需像現在的商用電力 為供電而設有輸 送分配電線網, 可省下部分經費, 而且故障也可減少 7 因對熱射光的變化, 約可保持一定的輸出電壓, 所以非常適合於續電池充電 3
但也有下列缺點 : 1 在目前, 設備費要比其他發電設備高 2 要大電力發電時, 需要龐大面積 3 變換效率比其他發電設備較低 4 必須有充電用的蓄電池 ( 註五 ) 五 太陽光電發電系統種類 圖三 : 獨立型太陽光電系統 1. 獨立型 (Stand-Alone) 太陽光電系統 ( 圖三 ) 使用蓄電池, 白天太陽光電系統發電, 並供負載及充電, 夜間由電池供電, 可以 自給自足 A 定義 : 使用蓄電池且換流器 (Inverter) 無逆送電功能之太陽光電發電系統 B 適用地點 : 高山 離島 基地台 等市電無法到達處 C 工作方式 : 白天 PV 發電供負載並充電 夜間由電池供電, 可以自給自足 ( 必 需搭配蓄電池 ) D 考慮點 : a 系統設計考慮因素多 ( 組列 蓄電池容量 負載與陰天日數等安全係數, 最佳 化設計複雜 ) b 一般充電控制器無 MPPT, 搭配蓄電池使發電效能較差 c 蓄電池每日 >50%DOD 深度放電 >0.2C 充電, 壽命短 d 太陽光發電量與負載需求量不搭配時 太陽光之發電能量利用率偏低 ( 負載 需求搭配與安全係數為互相矛盾之設計 ) e PV- 柴油發電機,PV- 風力... 等混合系統為改善之方法 4
2 市電併聯型 (Grid- Connected) 太陽光電系統 ( 圖四 ) 市電負載併聯, 平時與太陽光電系統併聯發電, 並供負載, 不夠的電由台電供電 好比將市電電力系統當作一個無限大 無窮壽命的免費蓄電池 A 定義: 換流器 (Inverter) 具有逆送電功能, 可操作於併聯模式之太陽光電發電系統 適用地點 : 電力正常送達之任何地點 B 工作方式 : 白天 PV 系統併聯發電 夜間由台電供電 方將市電電力系統當作一個無限大 無窮壽命的免費蓄電池優點 : 系統簡單 不需安全係數設計 維護容易 具最大功率追蹤 (MPPT), 發電效率高 太陽光之發電能量利用率高 圖四 : 市電併聯型太陽光電系統 C 缺點 : 停電時為將自動關機, 因而無電可用, 無防災功能 一般併聯型 Inverter 無法直 接搭配蓄電池使用 ( 具特殊功能者例外 ) 3 緊急防災型 ( 獨立 / 併聯混合型 ) 太陽光電系統 ( 圖五 ) 圖五 : 緊急防災型 ( 獨立 / 併聯混合型 ) 太陽光電系統 A 和市電及蓄電池搭配 平時太陽光電系統併聯發電, 並供負載及充電, 夜間由台電供電 刮颱風 下大雨, 電力中斷時, 仍有足夠的蓄電池可以安排救災, 待到市電回復時就沒有問題 B 定義 : 換流器 (Inverter) 具有逆送電功能, 同時裝置蓄電池, 可操作於併聯模 式或獨立模式之太陽光電發電系統 C 適用地點 : 有防災需求 ( 照明 汲水 通信.) 之公共設施 5
D 工作方式 : a 平時 PV 併聯發電 效率高 利用率高 夜間由台電供電 b 視需要建置足夠之防災用電池, 長時間停電時白天 PV 發電供負載並充電 夜間由電池供電, 適合作為救災用電力來源 c 蓄電池平時 ( 或定時 ) 浮充保養, 不需每日深度充放電, 壽命可以延長 E 缺點 : 包含兩種系統建置成本較高, 系統較複雜 六 太陽光電系統構件及特色 構成組件 ( 圖六 ) 太陽光電發電系統 (PV system) 主要是由太陽電池組列 電力調節器 (Power Conditioner, 即包括直 / 交流轉換器 (Inverter) 系統控制器及併聯保護裝置等 ) 配線箱 蓄電池等所構成 圖六 : 太陽光電系統組成構件 設置特色 : 1 具彈性設計空間 : 可因負載型式不同, 作不同設計應用, 具彈性設計空間, 不受地理地形的限制 2 應用廣泛 ( 小至消費性產品 -- 如計算機, 大至發電廠皆實用 ) 3 環保 節能 : 無需燃料 無廢棄物與污染, 具節能效益 若裝置在建築物上, 同時可避免太陽對建築物的直射, 間接可降低建築物的熱效應 3 安靜沒有噪音 : 無轉動組件與噪音, 安全性高 操作簡單 4 系統設備使用年限久 : 太陽電池壽命長久, 可達二十年以上 5 電力輔助 : 發電量大小隨日光強度而變, 可以輔助尖峰電力之不足 ( 併聯型 ) 6 與建築物結合 : 設計為阻隔輻射熱或半透光型模板, 能與建築物結合 ( 註三 ) 6
七 太陽能光伏發電系統的應用前景 : 20 世紀 70 年代以後, 太陽能電池在地面得到廣泛應用, 目前已普及生活照明 鐵路交通 水利氣象 郵電通信 廣播電視 陰極保護 農林牧業 家庭民生 軍事國防 尖峰用電調整等各個領域 隨著太陽能電池發電成本的進一步降低, 他將進入更大規模的工業領域, 如海水淡化 光電製氫 電動車充電系統等 ; 對於這些系統, 目前是具上已有成功的案例 目前, 太陽能光伏發電系統大規模應用的突出障礙是其他成本尚高, 預期 21 世紀中葉, 太陽能光伏發電的成本會降低到同常規能源發電相當 屆時, 太陽光伏發電將成為人類電力的重要來源之一 ( 註六 ) 八 案例 1. 太陽能熱水器節能應用太陽能熱水器是利用太陽能來製造熱水, 其原理如圖 ( 七 ) ( 八 ) 所示 圖 ( 七 ) 為自然循環式太陽能熱水器, 是利用熱虹吸的原理 集熱器因吸收太陽光的熱能而加熱集熱器內的流體水, 熱水因密度較冷水低的原因, 所以往上浮移到儲熱桶, 儲熱桶中較低溫的冷水, 因質量密度較大, 所以往下循環進入集熱器中, 再進行向太陽光取熱的動作 依循反覆此一動作, 儲熱桶中的水溫將逐漸提高, 最終會完成太陽能熱水器的熱水製備工作 圖七 自然循環式太陽能熱水器 圖八 強制循環式太陽能熱水器 圖 ( 八 ) 為強制循環式太陽能熱水器, 其原理是利用幫浦的驅動, 強制的將集熱器中已取熱升溫的流體 - 水, 定時的置換成來自於儲熱桶中較低溫的水, 並將此已接受太陽光而升溫的熱水循環至儲熱桶中, 因為系統係利用幫浦來驅動工作流體, 所以在集熱器處的熱傳遞效率較佳, 而且儲熱桶的放置位置亦無如圖 ( 七 ) 系統的情況 - 必須高於集熱器高度 因此, 強制循環系統對於斜式屋頂建築的應用產生了實用性 - 有效收納儲熱桶, 配合透天住宅外觀規劃, 成為能源節約的創意建築, 利人利己 7
自然循環式太陽能熱水器, 應用的場合常見有以下幾種應用 : ( 一 ) 平屋頂 : 國內前期的透天厝建築常見的的應 用, 如圖 ( 九 ) 所示, 係利用頂樓開放式的空間 安裝太陽能熱水器, 對於建築物外觀的影響不大 ( 二 ) 斜屋頂 : 圖 ( 十 ) 所示乃為透天斜屋瓦建築的太陽能熱水器應用, 其中鋼架平台係為安裝太圖九 透天建築物太陽能熱水器陽能熱水器而新增的, 雖然有效的獲得太陽能熱水使用, 唯從建築外觀上是可再改進的 另外一種的斜屋瓦建物的太陽能熱水器應用, 如圖 ( 十一 ) 所示, 它是將集熱器與集熱桶安裝放置於建物斜屋瓦上, 在建築外觀上已有所改善 以上介紹的透天厝太陽能熱水器應用, 因儲熱桶圖十 透天斜屋瓦物太陽能熱水器安裝安裝位置往往較高於集熱器, 所以一般屬於自然循環式太陽能熱水器的技術應用 2. 建築整合應用工法 圖十一 透天斜屋瓦物太陽能熱水器安裝 太陽能的利用可分為太陽光電及太陽能熱水器兩大類, 由於其具有安全 節能 長效使用的特性, 所以近年來國內外對此技術的利用推展方式, 都有異曲同工之妙, 著重在建築整合的工藝上, 用以結合民生日常居家用途 ; 因此, 有關太陽能利用的建築整合技術發展便漸為所重視 歐洲地區發展太陽能利用的建築整合技術時間較早, 目前已發展出架構式 嵌入式及壹體化的建築物整合化集熱系統應用於建築結構體的屋頂 牆面及遮陽板等地方 如圖 ( 十二 ) ( 十三 ) 為斜屋瓦的架構式 嵌入式太陽能熱水器與建築整合的利用情形, 不僅可製作熱水供居家使用, 同時亦阻隔太陽的照射, 減輕室內空調能源耗用 圖十二 架構式結合太陽能熱水器 圖十三 崁入式結合太陽能熱水器 8
國內太陽能熱水系統對於新建物採用斜屋頂建築的設計, 亦逐步針對架構式 嵌入式及壹體化等建築物整合化集熱系統做技術利用開發, 以為建築師規劃綠建築方案時採行, 目前已完成如圖 ( 十四 ) ( 十五 ) 之嵌入式及架構式太陽能熱水器於透天住宅斜屋瓦建築的應用, 提供免費的日常浴室盥洗或廚房洗滌用熱水 本文所介紹的架構式或嵌入式等之建物整合化太陽能熱水系統, 從建物的外觀上只有集熱器, 並沒有看到儲熱桶, 所以建物外觀上可能來得整齊 調和些 ; 因此, 系統上一般採行強制循環式太陽能熱水系統, 利用幫浦來驅動系統中的流體水 對於嵌入與架構方式的太陽能熱水器, 主要的技術差異性在於集熱器與斜式屋頂的接合方式不同, 其中嵌入式者為取代部分屋瓦, 在置裝外觀上為潛入斜式屋頂的屋瓦中, 然後以收邊蓋板修飾集熱器與屋瓦接合的整體外觀, 如圖 ( 十四 ); 而架構式者為利用金屬支撐架構物, 將太陽能集熱器架構或置放於斜式屋頂的屋瓦上, 不為屋瓦的一部分, 所以施工上較為簡便, 如圖 ( 十五 ) 所示 ( 註七 ) ( 註八 ) 圖十四 崁入式太陽能熱水器之建築整合利用 圖十五 架構式太陽能熱水器之建築整合利用 參 結論 能源的運用隨著科技的發達而日漸增加, 相對的能源也越來越少 太陽能研發不但可以解救人們眼前的能源危機, 也是人類在替代能源上一項突破性的發現, 太陽能量從地球誕生就存在了, 但直到這幾年才有把太陽能量轉換成可以利用的能源, 雖然在台灣太陽能不算非常普遍, 但是太陽能的使用也越來越進步, 然而在愈來愈普及的情況下, 即使有了替代性能源, 我們對於節約能源的這件事仍然不可馬虎 9
肆 引註資料 註一 何謂太陽能光伏技術? 2009 年 9 月 25 日, 取材自 http://www.kws.edu.hk/energy/solar_technology.htm 註二 黃鼎昌 ( 譯 )(1982) 太陽能的利用 台北市 : 華聯出版社 註三 太陽光電示範系統推廣網站 2009 年 9 月 12 日, 取材自 http://solarpv.itri.org.tw/memb/main.aspx 註四 再生能園 Renewable Energy 2009 年 9 月 13 日, 取材自 http://www.re.org.tw/elearning/ 註五 李寶珠 ( 譯 )(1984) 太陽能 台北市 : 科技圖書股份有限公司 註六 羅運俊 何梓年 王長貴 (2006) 太陽能發電技術與應用 台北市 : 新文 京開發出版股份有限公司 註七 現代營建 341--- 太陽能熱水器在斜屋頂建築的應用 2009 年 9 月 19 日, 取材自 http://www.arch.net.tw/modern/month/341/341-2.htm 註八 鄭傑仁 (2005) 太陽能政策推廣於嘉義市之具體計畫與可行性分析 國立 中正大學應用地球物理研究所 10