I
國
立
交
通
大
學
工學院產業安全與防災學程
碩
士
論
文
社區發展太陽能發電系統之成本效益評估
Cost and benefit Analysis of
Community-based Solar Power Systems
研 究 生：施華
指導教授：蔡春進 教授
II
摘要
本研究蒐集中央氣象局2004~2008年期間全天空日射量與溫度等氣候資料，並據以 探討台北、台中、高雄、台東、花蓮五個地區，已建置太陽能發電系統的住宅或機構， 計算系統的模擬發電量、成本效益及回收時程等數據。 依據氣候資料統計結果，2008年之平均全天空日射量，台東地區高達4.26KW/㎡ -day，平均1KW日發電量為3.06KWH；台中市、高雄市全年度日射量幾乎達到3kW/㎡-day 的水準，平均1KW日發電量為2.88~2.92KWH，顯示此三地區全年均具發電潛能。台北 年平均日射量較弱， 1KW日平均發電量為2.21KWH；但是夏季日射量可達4 kW/㎡ -day，花蓮、台東更達到5~6 KW/㎡-day，1KW日發電量可增至3.28~4.39 KWH的水準， 說明台北、花蓮夏季相對發電潛力強，有利舒緩季節性尖峰用電。在1KWH之發電成本 計算結果，以台東最低為11.14元，台北最高達15.42元。換算設置成本回收時程，扣除 政府補助，台東須43年，台北市則須59.54年方可回收。 比較2004~2008年期間各地區系統的模擬發電量、成本效益及回收時程等結果均與 2008年相似，台東地區之平均全天空日射量達4.27KW/㎡-day，1KW平均日發電量略增 為3.07KWH；其他地區則微幅減少，四個地區1KW平均日發電量介於2.12~2.84 KWH 間。比較1KWH的發電成本發現，以台東最低為11.14元，台北最高達15.82元。回收時 程台東為43年，台北市為61年。 本研究發現1997~2008年的平均日射量及溫度有升高趨勢。最近五年各地氣溫增加 1.01~1.03倍；在日射量變化方面，台東增加1.04倍、台北、高雄、花蓮增加1.14~1.18倍， 台中則增加了1.26倍之多，各地區1KW平均日發電量也與日射量同步增加。除了台東地 區有最高之發電量外，台中市的系統發電量提升最多。III
ABSTRACT
This research collected the daytime weather data of Central Weather Bureau from year 2004 to 2008. The data were used to investigate the energy efficiency and the payback period from the buildings or institutes equipped with solar power generation systems at five areas including Taipei, Taichung, Kaohsiung, Taidong and Hualien in Taiwan.
According to the historical weather data, average of sunlight is 4.26KW/㎡-day. The daily power output per 1 KW of the solar power system is 3.06KWH. The average amount of sunlight reaches 3KW/㎡-day in Taichung and Kaohsiung. The daily power output per 1KW is around 2.88 to 2.92KWH. It shows that these three areas have the potential to develop solar power generation systems. The average amount of sunlight in Taipei is less than in other areas since its daily average power output is only 2.21KWH; but it can reach 4 kW/㎡-day during summer season. Hualien and Taidong can reach 5~6 KW/㎡-day during the same summer season with the average daily power output of 3.28~4.39 KWH. That is, both Taipei and Hualien can have higher solar energy efficiency in summer which can ease the shortage of electric power during high peak season.
Compared with simulated data from year 2004 to 2008, the solar power generation, efficiency and payback period are similar to the data in year 2008. In Taidong area, the average daily sunlight is around 4.27KW/㎡-day and daily power output per kw is around 3.07 KWH. The power output per kw at another four areas is between 2.12 to 2.84 KWH. Comparison of the cost of 1 KWH power output shows that Taidong has the lowest price at NT$11.14 and Taipei has the highest price at NT$15.82. Therefore, the payback period will be 43 years for Taidong and 61 years for Taipei.
It was found that solar radiation and temperature increased consistently from 1997 to 2008. Temperature is 1.01 to 1.03 times higher at every area in the last five years. Solar radiation increased 1.04 times in Taidong, increased 1.14 to 1.18 times in Taipei, Kaohsiung and Hualien, and 1.26 times in Taichung. The average daily
IV
power output per kilowatt increased with increasing solar radiation as well. Taidong was found to have the highest solar power generation while Taichung had the highest increasing rate.
V
誌謝
感謝恩師 蔡春進教授 在碩士班的修習過程中，對於學識經驗的傳授與悉心解 惑，並協助論文研究方向的確立與指導，使學生獲益良多，在此，致上最深的謝意與 敬意。 感謝 論文口試委員吳宗信教授 李壽南博士 余榮彬博士於論文評審期間，以專 業豐厚之學養，對本研究提出精闢之指正與寶貴之建議，均使本論文更臻完整。 感謝 張振光技師 賴明雄長官 劉劍銘同學 謝榮木同學，謝謝你們提供相關文獻 資料，給予適切的幫助。 感謝 我的兄弟施韋和施成，謝謝您們在我趕製論文的期間，不斷的給予精神上 與論文內容的鼎力相助，手足情深，感銘於心！ 感謝 摯愛的父親，您的關懷與期望，永遠是我心靈上最大的支柱，謝謝您。 最後，感謝我的妻子，岳母與兒女，他們的關心、包容、鼓勵與體諒，是我完成 這篇論文最大的動力。VI
總目錄
摘要... II ABSTRACT ... III 誌謝... V 總目錄...VI 一. 前言... 1 1.1 研究背景... 1 1.2 研究目的... 4 1.3 研究內容與範圍 ... 4 1.4 研究方法與流程 ... 5 二. 文獻回顧... 7 2.1 太陽能電池介紹 ... 7 2.1.1 太陽能電池的原理 ... 7 2.1.2 太陽能電池的種類與特性 ... 10 2.1.3 太陽能電池發電系統種類 ... 11 2.1.4 太陽電池之優點與缺點： ... 13 2.2 太陽能電池發展過程與應用 ... 15 2.3 太陽能光電補助政策 ... 16 2.4 台灣地區能源政策 ... 20 2.5 發展太陽能系統社區實施效益SWOT 分析... 22 2.5.1 外部環境分析 ... 22 2.5.2 內部因素分析 ... 23 三. 研究方法... 24 3.1 氣候因子資料蒐集 ... 24 3.1.1 標準氣象年 ... 25 3.1.2 台灣地區之日射量研究 ... 26 3.2 選定欲研究的太陽能發電示範社區 ... 28 3.2.1 太陽能系統發電之示範案例範圍選擇 ... 28 3.3 太陽能電池溫度效應進行全天日射量之校正 ... 30 3.4 太陽能發電系統整體效率推估 ... 32 3.4.1 影響系統整體發電損失之因素 ... 32 3.4.2 太陽能發電系統發電量之修正 ... 32 3.4.3 首座陽光社區2008 年太陽能系統發電成本之試算... 32 四. 研究結果與分析... 35 4.1 模擬計算2008 年之各地區太陽能發電系統發電量、發電成本與回收時程... 35VII 4.1.1 台北市李宅之太陽能發電系統發電量、發電成本與回收時程... 35 4.1.2 台中林宅之太陽能發電系統發電量、發電成本與回收時程... 37 4.1.3 高雄市洪宅太陽能發電系統發電量、發電成本與回收時程... 38 4.1.4 花蓮慈濟醫院太陽能發電系統發電量、發電成本與回收時程... 39 4.1.5 台東馬偕醫院太陽能發電系統發電量、發電成本與回收時程... 40 4.1.6 各地區全天日射量之分析 ... 41 4.1.7 各地區氣溫之分析 ... 42 4.1.8 各地區1KW 日發電量之分析... 43 4.1.9 各地區太陽能發電系統成本效益 ... 44 4.1.10 各地區各季節二氧化碳減量成果 ... 45 4.2 模擬計算2004 年~2008 年之各地區太陽能發電系統發電量、發電成本與回收時程... 47 4.2.1 台北市李宅太陽能發電系統發電量、發電成本與回收時程... 47 4.2.2 台中市林宅太陽能發電系統發電量、發電成本與回收時程... 48 4.2.3 高雄市洪宅之太陽能發電系統發電量、發電成本與回收時程... 49 4.2.4 花蓮市慈濟醫院之太陽能發電系統發電量、發電成本與回收時程... 50 4.2.5 台東市馬偕紀念醫院之太陽能發電系統發電量、發電成本與回收時程... 51 4.2.6 各地區全天日射量之分析 ... 52 4.2.7 各地區氣溫之分析 ... 54 4.2.8 各地區1KW 日發電量之分析... 55 4.2.9 各地區太陽能發電系統成本效益 ... 56 4.2.10 各地區各季節二氧化碳減量成果 ... 57 4.3 以1997~2006 年標準氣象年模擬各地區太陽能發電系統發電量、發電成本與回收時程... 58 五. 結論與建議... 62 5.1 研究成果與結論 ... 62 5.2 後續研究建議... 63 參考文獻... 65 表目錄 表 1 三種不同氣候因子... 5 表 2 太陽能電池種類表... 10 表 3 太陽電池應用範圍表 ... 15 表 4 「陽光社區民間建築」與「太陽光電發電示範系統設置補助辦法(半額部助)」... 17 表 5 各國設置太陽能電池系統之獎勵補助政策表... 19 表 6 再生能源成長率... 20 表 7 氣象資料之氣候因子... 24 表 8 台灣日射量資料庫[5] ... 27 表 9 台灣各地區發電量推估表[5]... 28 表 10 各地區太陽能發電系統示範案例詳細資料 ... 30 表 11 氣候因子 ... 33
VIII 表 12 模擬2008 年彰化縣和美鎮太陽能發電系統發電量各月統計表 ... 34 表 13 模擬 2008 年台北市李宅示範太陽能發電系統發電量計算月統計表... 36 表 14 模擬 2008 年台中市林宅示範太陽能發電系統發電量計算月統計表... 37 表 15 模擬 2008 年高雄市洪宅示範太陽能發電系統發電量計算月統計表... 38 表 16 模擬 2008 年花蓮慈濟醫院示範太陽能發電系統發電量計算月統計表... 39 表 17 模擬 2008 年台東市馬偕醫院示範太陽能發電系統發電量計算月統計表... 40 表 18 2008 年各地區全天空日射量一覽表 ... 41 表 19 2008 年各地區氣溫變化一覽表 ... 42 表 20 2008 年各地區 1KW 日發電量比較一覽表... 44 表 21 2008 年各地區 1KW 相對日發電量之比值對照表(以台東地區為基準) ... 45 表 22 2008 年各地區太陽能系統發電成本與回收年限一覽表 ... 45 表 23 2008 年地區各季節減少 CO2 排放量一覽表 ... 45 表 24 模擬 2004-2008 年台北李宅示範太陽能發電系統發電量月統計表... 47 表 25 模擬 2004-2008 年五年平均氣候計算台中林宅示範太陽能發電系統發電量月統計表... 48 表 26 模擬2004-2008 年五年平均氣候計算高雄洪宅示範太陽能發電系統發電量月統計表 ... 49 表 27 模擬2004-2008 年五年平均氣候計算花蓮慈濟醫院示範太陽能發電系統發電量月統計表 ... 50 表 28 模擬2004-2008 年五年平均氣候計算台東馬偕紀念醫院示範太陽能發電系統發電量月統計表 ... 51 表 29 2004~2008 年各地區全天空日射量 一覽表 ... 52 表 30 2004~2008 年各地區氣溫變化一覽表... 54 表 31 2004~2008 年各地區 1KW 日發電量比較一覽表 ... 55 表 32 2004~2008 年各地區 1KW 相對日發電量之比值對照表(以台東地區為基準) ... 56 表 33 2004~2008 年各地區太陽能系統發電成本與回收年限一覽表 ... 57 表 34 2004~2008 年各季節減少 CO2 排放量一覽表... 57 表 35 1997~2006 年年平均日射量及年平均溫度統計表(本研究整理)... 58 表 36 模擬1997~2006 年太陽能發電系統發電量計算年平均統計表... 59 表 37 年度氣候與各地區年平均日射量比較表 ... 59 表 38 年度氣候與各地區年平均溫度比較表 ... 59 表 39 年度氣候與各地區1KW 日發電量比較表... 59 表 40 年度氣候與各地區減少CO2 排放量比較統計表 ... 60 圖目錄 圖 1 各國生產力之比較... 1 圖 2 各國油價之比較 (普通無鉛汽油)... 2 圖 3 各國油價之比較 (柴油)，資料來源：經濟部能源局... 2 圖 4 各國家用電價之比較... 2 圖 5 各國產業電價之比較... 3 圖 6 研究步驟流程圖... 6 圖 7 太陽能電池可將光能轉換為電能... 7 圖 8 太陽能電池模組列構成圖 ... 8 圖 9 太陽能電池發電系統構成圖 ... 8
IX 圖 10 不同日照強度下太陽電池 I-V 特性曲線 ... 9 圖 11 不同溫度下太陽電池 I-V 特性曲線 ... 9 圖 12 太陽能電池的種類 ... 10 圖 13 太陽能電池發電系統 ... 11 圖 14 太陽能電池獨立型發電系統... 12 圖 15 太陽能電池並聯型發電系統... 12 圖 16 太陽能電池混和型發電系統 ... 13 圖 17 緊急防災型(獨立/併聯混合型) ... 13 圖 18 彰化縣和美鎮為國內首座的太陽光電社區住宅... 17 圖 19 台灣日射量分布圖（單位：KWH/㎡DAY）[5] ... 26 圖 20 各地區年平均日射量 ... 27 圖 21 各地區預估每日發電量 ... 27 圖 22 溫度與單晶片太陽能輸出功率曲線... 31 圖 23 模擬 2008 年全天空日射量與台北李宅太陽能發電系統 1KW 日發電量曲線圖 ... 36 圖 24 模擬 2008 年全天空日射量與台中林宅太陽能發電系統 1KW 日發電量曲線圖(本研究整理)... 37 圖 25 模擬 2008 年全天空日射量與高雄洪宅太陽能發電系統 1KW 日發電量曲線圖 ... 38 圖 26 模擬 2008 年全天空日射量與慈濟醫院太陽能發電系統 1KW 日發電量曲線圖 ... 39 圖 27 模擬 2008 年全天空日射量與馬偕濟醫院太陽能發電系統 1KW 日發電量曲線圖 ... 40 圖 28 2008 年各地區全天空日射量一覽表(本研究整理)... 41 圖 29 2008 年各地區四季全天空日射量之比較(本研究整理)... 42 圖 30 2008 年各地區氣溫變化一覽表(本研究整理)... 43 圖 31 2008 年各地區四季氣溫比較表(本研究整理)... 43 圖 32 2008 年不同地區 1KW 日發電量比較... 44 圖 33 2008 年各地區四季 1KW 日發電量比較... 44 圖 34 2008 年各地區太陽能系統發電成本與回收年限... 45 圖 35 2008 年各季節減少 CO2 排放量比較圖 ... 46 圖 36 2004-2008 年全天空日射量與台北李宅太陽能發電系統 1KW 日發電量曲線圖 ... 48 圖 37 模擬 2004-2008 年全天空日射量與台中林宅太陽能發電系統 1KW 日發電量曲線圖(本研究整理) ... 49 圖 38 模擬2004-2008 年全天空日射量與高雄洪宅太陽能發電系統 1KW 日發電量曲線圖(本研究整理) ... 50 圖 39 模擬 2004-2008 年全天空日射量與花蓮慈濟醫院太陽能發電系統 1KW 日發電量曲線圖(本研究整 理)... 51 圖 40 模擬 2004-2008 年全天空日射量與馬偕醫院太陽能發電系統 1KW 日發電量曲線圖(本研究整理) ... 52 圖 41 2004~2008 年各地區全天空日射量 一覽表(本研究整理)... 53 圖 42 2004~2008 年各地區四季全天空日射量之比較(本研究整理)... 53 圖 43 2004~2008 年各地區氣溫變化一覽表(本研究整理)... 54 圖 44 2004~2008 年各地區四季氣溫比較表(本研究整理)... 55 圖 45 2004~2008 年各地區四季 1KW 日發電量比較 ... 56 圖 46 2004~2008 年各地區太陽能系統發電成本與回收年限比較圖 ... 57
X
圖 47 2004~2008 年各季節減少 CO2 排放量比較... 58 圖 48 年度氣候與各地區減少CO2 排放量比較圖... 60
1 3.79 7.12 10.85 6.80 7.70 5.68 3.94 3.28 2.89 0.00 5.00 10.00 15.00 中 華 民 國 義 大 利 日 本 法 國 德 國 英 國 美 國 韓 國 加 拿 大 美 元 (1995年 幣 值 )/公 斤 油 當 量
一
. 前言
1.1 研究背景
工業革命後，生產技術不斷的改進，隨著經濟成長，世界各國對能源的需求日益 增加，到了20 世紀，終於產生能源耗竭的危機。根據 2007 年統計，目前石油儲藏 量約剩下1 兆 238 億桶，尚可使用 41.6 年；天然氣儲藏量剩下 177.36 兆立方公尺， 可使用60.3 年；煤儲藏量剩下 8474 億噸，尚可使用 133 年；鈾礦儲藏量剩下 420 億 噸，尚可使用66 年[1]；當石油、天然氣、煤炭等不可再生能源頻頻告急時，能源問 題已成為制約國際社會經濟發展的瓶頸。 台灣地小人稠，缺乏天然資源，卻又是世界重要的工業密集地區，為了支持高密 度的經濟活動和工業生產，我國每年消耗的能源中有百分九十八以上仰賴進口，而大 量使用化石燃料所造成的空氣污染、溫室效應、資源耗竭等負面影響也日益嚴重。正 當國際間致力減少溫室氣體排放，希望降低到1990 年的標準以下時，台灣地區 1990 至2006 年的二氧化碳排放量卻成長了 137.38％，在 2006 年燃燒化石燃料產生的二 氧化碳的總量達2.65 億公噸，占台灣溫室氣體排放總量的 74％，占世界二氧化碳排 放量的0.96％，排第 22 名；換算出人均排放量更高居世界第 16 名。台灣人口僅佔全 世界千分之三，所排放的二氧化碳卻達全世界百分之一。 根據經濟部能源委員會93 年的統計資料顯示，2006 年台灣平均每個人消耗的能 量能源，是全世界平均值的2.6 倍，但是在能源生產力方面（卽國內生產毛額／能源 使用量，1995 年美金幣值），台灣卻比歐盟及日本分別低了 47％及 65％（參見圖 1）。 而台灣的能源生產力降低主要原因有二，一為1996 到 2006 年能源密集產業佔全國能 源消費比重，不斷提升，由31.8％提高到 35.9％，，二是低於國際水準的能源價格， 目前台灣的油、電價格為世界上非產油國中最低者。偏低的能源價格，鼓勵耗能產業 的發展，更不利高能源效率技術的推廣（參見圖 2 至圖 5）。 圖 1 各國生產力之比較 資料來源：經濟部能源委員會 93 年的統計資料2
圖 2 各國油價之比較 (普通無鉛汽油) 資料來源：經濟部能源局
圖 3 各國油價之比較 (柴油)，資料來源：經濟部能源局
圖 4 各國家用電價之比較
3
圖 5 各國產業電價之比較
資料來源：美國Energy Information Administration，2007 年 7 月
由於臺灣地區的整體能源消費，約有46 %以電能的形式使用，39.14 %以石油產 品方式運用；而在這些主要的消費中，煤炭用於發電佔57.2 %，石油 8.9 %，而天然 氣則有68.1 %用於發電，過程中均產生大量的二氧化碳，由此可見，我國若要減少溫 室氣體之排放，能源產業的轉型將扮演舉足輕重的角色。[15] 台灣地區能源政策於1973 年經行政院核定公布，其後歷經能源危機衝擊、國際 油價波動與能源產業自由化及國際環保趨勢，歷經4 次修正，由行政院核定「臺灣地 區能源政策及執行措施」，建立一個自由、秩序、效率與潔淨的永續能源供需體系， 同時明確揭示六大政策方針，依序為：「穩定能源供應」、「提高能源效率」、「開 放能源事業」、「重視環保安全」、「加強研究發展」及「推動教育宣導」。政府於 1998 年第一次全國能源會議中，因應全球溫暖化，降低 CO2 之排放，規劃全面節約 能源及提升能源效率推動計畫，2005 年為因應溫室氣體減量京都議定書之生效，經濟 部於2005 年 6 月再度召開全國能源會議，規劃節能目標為至 2025 年再降低能源密集 度22~27%。並於 2009 年通過「再生能源發展條例」，以風能、太陽能、核能、生 物質能等清潔能源和可再生能源為現階段能源政策的新考量，政府預計於五年內投入 303 億元經費啟動「能源國家型科技計畫」，希望到 2025 年時，能達到再生能源的 發電裝置占15％，發電量占總發電量之 8％的目標。 由於太陽能具有無污染、無公害、取之不盡與能夠自由利用等特性，而台灣的地 理位置位於低緯度地區，日照時間長，正適合此一再生能源的使用與發展，隨著各國 政府訂定再生能源法案並大力推行，使得太陽能科技產業蓬勃發展，例如美國到2010 年可建置100 萬座太陽能屋頂，每年所產生的電力，相當於可減少 85 萬輛汽車所製 造的二氧化碳排放量。台灣的太陽能光電產業技術，也因為全球太陽光電
4 (Photovoltaics，簡稱 PV)市場需求的急速擴增帶動下，進一步提升光電轉換率效率， 使太陽能的發電成本逐年趨降，目前太陽能電池成本以每年五％的幅度下滑，更增加 了太陽能電池的競爭力；是一相當適合替代傳統電力的新能源。 政府為了鼓勵民眾建置太陽能發電系統，經濟部能源局於2000 年頒佈「太陽光 電發電示範系統設置補助要點」，對於民眾、法人、政府機關、學校或公立醫院，在 台灣或離島地區新設或擴增太陽光電發電示範系統，可補助發電系統總設置費用的百 分之五十；並於2008 年再推動「陽光社區建構補助作業實施計畫」，對「陽光社區 公共設施」與「陽光社區民間建築」進行補助，盼從社區、機關、學校等單位開始， 建構國內太陽光電整體社區的應用環境，鼓勵縣市政府、特定區域主管機關及民眾積 極參與生活區域之太陽光電發電系統設置利用，建立長遠、制度性之環保與自主供電 環境。
1.2 研究目的
太陽能發電系統雖兼具環保、自主供電並享有電價回饋等優點，但由於初期的設 置成本過高，回收時間過長，造成本系統無法普及。因此本研究針對台北、台中、高 雄、台東、花蓮五個地區，已建置太陽能發電系統的住宅為對象，模擬太陽能發電系 統的成本效益，冀能提供我國發展陽光社區之參考依據。 研究目的如下 ： 一、依據中央氣象局各觀測站2004~2008 年全天空日射量及月平均溫度，計算各 社區太陽能發電系統之模擬發電量。 二、分析各社區太陽能發電系統之發電成本效益及回收時程，作為欲建置本系統 之參考依據。 三、分析五個地區日射量對發電成本之比較，提出太陽能發電系統於各地區所產 生之發電效益評估。 四、因應各社區設置太陽能發電系統的成本效益不同，提出適合發展季節性或全 年型發電負載的太陽能系統，冀能提供我國發展陽光社區之參考依據。 五、分析各社區設置太陽能發電系統，於各季節對二氧化碳減量的貢獻。 六、分析各社區設置太陽能發電系統，對台電尖峰用電的貢獻。1.3 研究內容與範圍
針對社區發展太陽能發電系統之成本效益評估，本研究擬定之內容與範圍如下： 一、 研究內容： (一) 整理太陽電池發展現況：對於太陽電池的發電原理、系統組成及發展現況作 一整理，使欲建置本系統之民眾，對於太陽電池有一清楚的認識。 (二) 計算各社區太陽能系統之模擬發電量：以台灣地區氣象資料為基礎，推估在5 不同氣溫與日射量影響下，太陽電池之發電效率。 (三) 設置太陽能發電系統的成本效益分析：探討不同社區發電成本效益及回收時 程，作為選擇最適合發展的系統之參考依據。 二、 研究範圍： 本研究僅針對社區發展太陽能發電系統之成本效益評估作一初步之探討，故 將研究範圍界定如下： (一) 空間範圍：以台灣北、中、南、花東共五個地區的示範住宅社區為對象，考 慮氣候因素、地理位置的差異進行探討。 (二) 時間範圍：選取2004年至2008年中央氣象局觀測之氣象資料加以分析。 (三) 系統種類：本研究分析的示範住宅社區，系統種類為市電併聯型。
1.4 研究方法與流程
一、 研究方法 本研究主要透過文獻分析、氣候資料蒐集與公式的模擬計算等方法，分析社 區發展太陽能發電系統之成本效益，說明如下： (一) 統計分析：由文獻回顧可知，影響太陽電池發電效率最大之氣象因子分別為 日射量與氣溫兩大因素，故本研究以 2008年、2004~2008年五年平均值、 1997~2006年十年的平均氣象年修正數值等三種之氣候因子(日射量及氣溫資 料)為對象，計算各地區太陽能發電系統之發電量。 表 1 三種不同氣候因子 (二) 發電效率的計算：透過氣候模擬結果，考慮各項發電效率影響因子，推估太 陽電池於各地區所產生之發電量。 (三) 成本效益分析：分析各個月份及季節與負載模式，推估太陽電池所產生之發 電效率。 二、 研究流程 本研究對於所欲進行之研究步驟流程圖(如圖6) ： 氣候因子 2008年 2004~2008年 五年平均值 1997~2006年 平均氣象年修正數值 日射量 月平均值 月平均值 年平均值 氣溫 月平均值 月平均值 年平均值6 圖 6 研究步驟流程圖 研究背景說明 氣候因子資料蒐集 確定研究目的 規劃研究內容 各項資料的蒐集 選定欲研究的社區住宅 進行溫度對日射量的 校正(KW/㎡) 收集各社區住宅建置太陽能 系統之基本資料 進行發電效率分析 計算社區住宅太陽能 系統發電量 平均氣溫 日射量 進行成本效益分析 結論與建議
7
二
. 文獻回顧
2.1 太陽能電池介紹
2.1.1 太陽能電池的原理
太陽能電池的發電能源來自太陽光，而太陽輻射的光譜主要是以可見光為中心， 波長從 0.3 微米的紫外光到數微米的紅外光是主要的分布範圍。如果換算成光子的能 量，則大約在 0.3 到 4 電子伏特之間，因此能隙大小在這個範圍內的材料，像矽材， 會具有比較好的光電轉換效率。利用電位差發電，無電磁波產生 太陽能電池(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，太陽 光能量會使半導體材料內的正電荷與負電荷分離，產生電子(負極)及電洞(正極)，正電 荷-電洞(Hole)與負電荷-電子(Electron)分別往正極(p-型)半導體及負極(n-型)半導體方 向移動並且聚集，分離電子與電洞而形成電壓降，正、負極接上負載時，將有電流流 出，可以對負載作功。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 (圖 7 )。 負 載 上電極 Electrode 抗反射層 Anti-Refection Coating n型半導體 n-Type Semiconductor p型半導體 p-Type Semiconductor 下電極 Electrode+
-電流Electric Current 負 載 上電極 Electrode 抗反射層 Anti-Refection Coating n型半導體 n-Type Semiconductor p型半導體 p-Type Semiconductor 下電極 Electrode
+
-電流Electric Current 圖 7 太陽能電池可將光能轉換為電能 資料來源：太陽光電資訊網[16] 由於單一太陽電池所輸出的電力有限，為提高其發電量，將許多太陽能電池經串 並聯組合封裝程序後，做成模組，再將若干太陽電池模組組合而成方陣或列陣（array） (圖 8 )。
8 圖 8 太陽能電池模組列構成圖 因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，其包含 過充放電保護控制（controller）、蓄電池以及轉換器（inverter，直流轉變為交流）合 稱為太陽能電池發電系統（如圖9 ） 圖 9 太陽能電池發電系統構成圖 日射量與外氣溫為影響太陽電池發電效率最主要的兩項因素，如圖 10 與圖 11 。而風 向、風速與濕度亦有所影響，但程度不大，故於評估時可予以省略（莊嘉 琛，1997、08）。
9 圖 10 不同日照強度下太陽電池 I-V 特性曲線 圖 11 不同溫度下太陽電池 I-V 特性曲線 由圖10 可以看出日射量對輸出功率的影響，太陽電池和一般直流電源最大的不 同，是在於它既非電壓源也非電流源。在日照強度變大時，其輸出電壓會往上升，幅 度的變化不大，但其輸出電流卻很明顯的增加了許多，所以其輸出功率會隨之增加， 也就是成正比的關係；而圖11 可以看出溫度的影響，當電池表面溫度上升時，雖然 輸出電流會有些微增加，但其輸出電壓卻降低了很多，整體而言的輸出功率會略為降 低。所以，電池的溫度和輸出功率是呈反比的關係。 日射強度與發電量（電壓×電流）的關係，日射量大時，其發電量越大，一般發 電量之計算式為： Wp＝G×A×η………..(式 2.2.1-1) Wp：太陽電池發電量（W） G：全天空日射量（W/m2） A：太陽電池面積（m2） η：太陽電池發電轉換效率（﹪），一般計算方式為在日射量 1000 W/m2，太陽電池 溫度為25℃
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2.1.2 太陽能電池的種類與特性
太陽能電池(solar cell)也有人稱之為光伏電池( photovoltaic)，可由多種材料製成
且效率也不同，其中主要之原料為矽（silicon ，簡寫為 Si）矽是太陽能電池的材料， 主要可以分為單晶矽、多晶矽和非晶矽 三大類。 圖 12 太陽能電池的種類 表 2 太陽能電池種類表 太陽電池種類 半導體材料 市場模組發電轉換 效率 單晶矽Single Crystallin 12~20% 晶矽
Crystalline 多晶矽Poly Crystallin 10~18% 矽(硅) silicon 目前太陽光電系 統中應用最為廣 泛 非晶矽 Amorphous Si、SiC、SiGe、SiH、SiO 6~9% 單晶
Single Crystallin GaAs、InP 18~30% 多化合物 Compound 應用於太空及聚 光型太陽光電系 統 多晶
Poly Crystallin CdS、CdTe、CuInse 10~12% 奈米及有機
Nano & Organic 應用於有機太陽 電池，屬研發階段
11 一、 單結晶矽太陽能電池 在單晶矽的材料中，矽原子具有高度的周期性排列。單結晶矽電池轉換效率高 (約 17%)，使用年限約 20 年。 二、 多結晶矽太陽能電池 多晶矽是指材料由許多不同的小單晶所構成，它的製作方法是把熔融的矽鑄造 固化而形成。其製程與單晶系類似，但，用不同的材料設計出太陽能電池時，它們 的光電特性也會有所不同。多晶矽太陽能原料成本比單晶系低(約 2 %)，其轉換效 率亦比單晶矽太陽能低，轉換效率約在14%~18%。 三、 非結晶矽太陽光電池 非晶矽電池為目前成本最低的商業化太陽能電池，主要是利用輝光放電氣相沉 積或濺鍍等方法，使SiH4 經分解後在基板上沉積出一層非晶矽薄膜，但其發電轉 換效率最差約達7﹪~10%，多設置於日照量較少或設置於建築物外壁，不過垂直 架設之發電量因法線面日射量較少，其發電量約只有水平架設時的60﹪。 非晶矽薄膜太陽能電池生產設備的資本支出較結晶矽太陽能電池高出3~5 倍 扣除其他的架設、設備等成本，非晶矽薄膜模組的轉換效率至少要與結晶矽太陽能 模組差2%，才能相互競爭，即達到 12%的模組轉換效率。
2.1.3 太陽能電池發電系統種類
太陽能電池發電系統主要是由太陽電池與Power Conditioner（轉換器、系統聯繫 設備等）所構成（如圖13 ）。由於太陽電池輸出為直流電，無法直接與目前常用之 AC 室內電源共用，必須透過轉換器，將直流電轉換成交流電。 圖 13 太陽能電池發電系統 資料來源：太陽光電資訊網12 太陽能電池發電系統通成可分為以下幾種： 一、 獨立型系統 (一) 主要構件包括太陽電池、蓄電池、轉換器（Inverter）。(如圖14) (二) 運用於市電不易輸送之地區，如高山、離島、基地台…等市電無法到達處。 (三) 當太陽電池工作時，白天PV發電提供所需之負載能量，若有多餘則儲存於蓄 電池中，以備於無日照或日照量不足時使用，若有需要，可併聯其他發電設 備，如柴油發電機。 圖 14 太陽能電池獨立型發電系統 資料來源：太陽光電資訊網 二、 市電併聯型系統 與市電併聯系統之定義為太陽電池與市電系統二者的電力可互換使用，其特性 如下： (一) 主要構件包括太陽電池、轉換器（Inverter）。(如圖15) (二) 運用於有市電輸送之地區，以市電作為輔助電源使用，其工作方式為白天PV 系統併聯發電、夜間由市電供電將市電電力系統當作一個無限大、無窮壽命 的免費蓄電池 (三) 太陽電池產生之電力大於負載時可回售於市電或儲存於蓄電池中，當無日照 或日照量不足時由市電供電。 圖 15 太陽能電池並聯型發電系統 資料來源：太陽光電資訊網
13 三、 混合型太陽光電系統 混合型太陽光電系統是結合其它輔助發電系統像是風力發電機、汽(柴)油發電 機整合為混合型系統。此系統較適合離島、偏遠地區、農業用等供電。主要由主要 由太陽光電陣列、其它輔助電力系統、充放電控制器、直交流轉換器以及蓄電池所 組成。 圖 16 太陽能電池混和型發電系統 資料來源：太陽光電資訊網 四、 緊急防災型(獨立/併聯混合型)太陽光電系統 屬於緊急防災型太陽光電系統同時操作為併聯模式或獨立模式之太陽光電發 電系統，需要有足夠的蓄電池以避免長時間停電時在日間時供電並充電，夜晚時則 利用儲存於蓄電池的剩餘電力供電，作為救災用之電力來源。此系統較適合有防災 需求(照明、汲水、通信等)之公共設施。主要由太陽光電陣列、充放電控制器、直 交流轉換器以及蓄電池所組成。 圖 17 緊急防災型(獨立/併聯混合型) 資料來源：太陽光電資訊網
2.1.4 太陽電池之優點與缺點：
由於太陽電池受其材料、製程與發電原理之因素影響，主要之優劣點如下： 一、 太陽電池之優點：14 (一) 彈性設計：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。應用廣泛(小至消費性產品--如計算機，大至發電廠皆實用)。 (二) 環保、節能：無需燃料、無廢棄物與污染，具節能效益，所以不會對地球造 成溫室效應的破壞以及廢料具有幅射線的潛在危險更不會破壞環境與生態平 衡等問題。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。 (三) 安靜：由於操作簡易並不需要轉動任何組件所以也不會製作任何噪音問題， 安全性也相對較高但須注意有無接地漏電等問題。 (四) 使用年限久：太陽光電電池壽命長久，使用年限可達二十年以上。 (五) 電力輔助：當日光強度高時日射量也較高，然而太陽光電發電量亦可有較多 能源產出，由於夏季日間用電較高，因此可以配合夏季尖峰用電提供電力， 降低市電的尖峰負載亦可降低因夏季而提高的電力開銷費用。 (六) 與建築物結合：設計為阻隔輻射熱或半透光型模板，將可與建築物結合。提 供建築物於都市環境的另一種新的科技面貌。 (七) 來源不於匱乏：太陽所供給地球的能量僅是它向外輻射能量的22 億分之一， 但已高達173,000TW，也就是說太陽每秒鐘照射到地球上的能量就相當於500 萬噸煤。地球上的風能、水能、海洋溫差能、波浪能和生物質能以及部分潮 汐能都是來源於太陽；即使是地球上的化石燃料（如煤、石油、天然氣等） 從根本上說也是遠古以來貯存下來的太陽能，所以廣義的太陽能所包括的範 圍非常大，狹義的太陽能則限於太陽輻射能的光熱、光電和光化學的直接轉 換。太陽能既是一次能源，又是可再生能源。它資源豐富，既可免費使用， 又無需運輸，對環境無任何污染。 (八) 運轉成本低、維護費用低：太陽光電並沒有使用動力機械等零件更不需要使 用燃料，所以運轉過程不需要高成本花費；在維修方面比較重視組件構件定 期檢查以及太陽光電陣列表面清潔問題，比起其它能源的組件構件維修問題 來得容易解決而其費用也相較於低廉。 二、 太陽電池之缺點： (一) 成本偏高：目前設備成本及發電成本與傳統能源相較仍屬偏高，推廣較為不 易，目前太陽電池模組價格平均約為 25 萬元/kW（太陽光電資訊網），發電 成本為 12.03 元/度（邱錦松，2000）、13.7元/度(劉析，2006年)，我國目 前之電價，每度約在約在 2.1 至 3.3 元台幣之間。 (二) 不適用於所有地區： 因太陽能之特色為稀薄性（能量密度低）、間歇性（隨 季節及早晚變化）、隨機性（來 源受天候影響，不易預測），故受天候之影 響極大，並非所有地區均能適用。 (三) 發電量受架設面積之限制：以轉換效率 10﹪估計，若需產生 1kW 之電力， 則需有 10m2之面積[16]。
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(四) 增加環境負擔：若需裝設蓄電池，不但會提高設備成本，並會對環境造成污 染（蓄電池之壽命約 2000 次循環，以每年 250 循環計算，約可使用八年）。
2.2 太陽能電池發展過程與應用
一、 太陽光電發電科技之重要歷史：
(一) 1954年 Bell Labs發展出矽太陽電池 (Chapin等人，轉換效率約6%) (二) 1958年 開始太空應用(GaAs) (三) 1970年 開始太陽光發電系統地面應用(Si) (能源危機) (四) 1976年 Carlson製作出第一個非晶薄膜太陽電池 (五) 1980年 消費性薄膜太陽電池應用(a-Si, CdS/CdTe) (六) 1990年 與公用電力併聯之太陽光發電系統技術成熟(Grid-Connected PV System, Si) (電力電子技術) (七) 1992年起 歐美、日各國推動PV補助獎勵 (八) 2000年 建材一體型太陽電池應用(Building-integrated photovoltaic，BIPV) 二、 太陽能電池之應用： 目前太陽電池之應用範圍極為廣泛，除建築外，農業、交通、通訊醫療等等許 多領域均有使用，大多是用於偏遠及電力不易到達之處，其應用範圍整理如表3 表 3 太陽電池應用範圍表 領域 範例 民生消費 計算機、手錶 交通安全 照明、交通號誌、警告標誌燈、緊急電話 通訊 中繼微波站、無線電話、收音機、氣象資料傳送 電力 大型太陽能電廠、偏遠山區及離島供電 居住 發電系統、照明、通風及空調、保全系統 汽車工業 太陽能動力車 農業 灌溉系統、給水系統、溫室、病蟲害防制 海事 燈塔、浮標、太陽能動力船、漁業餵食器、海水淡化系統 工業 獨立發電系統、廣告牌、照明 公共設施 照明、時鐘、裝飾、監視及控制器 醫療 疫苗及藥品冷凍庫、緊急醫療之照明及空調 航太 太陽能動力飛機、衛星 資料來源：山口真實 ，2000
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2.3 太陽能光電補助政策
由於全球暖化的現象日益嚴重，各國的減碳壓力漸增，因此再生能源的利用成為 各國能源政策的重要議題，不過現階段由於各種再生能源的成本過高，在自由市場機 制下，再生能源尚無法與傳統能源競爭，必須藉由各種補助政策，促進再生能源的發 展，而各國政府政策補助的方向與力道，對於再生能源的發展有重大的影響。 在台灣方面，經濟部能源局於2000 年實施「太陽光電發電示範系統設置補助辦 法」，提供國內民眾太陽光電發電系統之設置補助，每峰瓩裝置容量以新臺幣十五萬 元為上限，最高為發電系統總設置費用百分之五十，藉以鼓勵民眾使用太陽光電。政 府於2008 年 3 月 28 日頒布陽光社區建構補助作業實施計畫，目的為： 一、建構國內太陽光電整體社區應用環境，鼓勵縣市政府、特定區域主管機關及 民眾積極參與生活區域之太陽光電發電系統設置利用，建立長遠、制度性之 環保與自主供電環境。 二、塑造以再生能源供電之優質居住型態、結合區域特色，推動我國太陽光電之 「陽光社區」建置，藉以帶動國內太陽光電發展與系統設置技術，達到太陽 光發電永續發展。 「陽光社區」是為「經濟部能源局陽光社區建構補助作業實施計畫」與「太陽光 電發電系統設置補助要點」的結合運用，「陽光社區建構補助作業實施計畫」為針對 「縣市政府」、「陽光社區」整體性要求及「陽光社區公共設施」進行規範「陽光社 區民間建築」補助，另依「太陽光電發電系統設置補助要點」（半額補助）辦理 「陽光社區民間建築」－指於「陽光社區」計畫區域內，以呈現太陽光電社區為 意念，規劃設置太陽光電發電系統之建築物，其申請條件及規模為，15 棟建築或逾 120 戶可居住使用戶數，總設置容量至少 40kWp，每棟建築物系統設置容量應有 1kWp，居住使用戶數逾 50 戶者，該棟建築物至少應設 5kWp，依「太陽光電發電系 統設置補助要點」補助每1 峰瓩（kWp）新台幣 15 萬元，其 PV 產權為設置民眾；太 陽能發電系統無申請容量上限，依「陽光社區建構補助實施計畫」並提供「陽光社區 民間建築」設置容量每1 峰瓩（kWp）新台幣 5,000 元作為陽光社區設置推動規劃、 業務管理等相關費用。 「陽光社區公共設施」－指於「陽光社區」計畫之區域內，或座落於「陽光社區 民間建築」或其鄰接週邊，以呈現太陽光電社區為意念，規劃設置太陽光電發電系統 之供公眾使用設施，如區域內政府大樓、公有停車場、停車塔、候車停、社區內公眾 使用設施、陽光社區範圍內休閒運動設施、警衛室、公園噴水池、夜間照明相關設施， 依「陽光社區建構補助作業實施計畫」補助每1 峰瓩（kWp）新台幣 30 萬元，其 PV 產權為縣市政府，「陽光社區公共設施」每案可補助容量上限300kWp，太陽光電發 電系統設計應以併聯型為主，獨立型系統設置，不得逾總補助設置容量百分之三十並17 應取得系統設置廠商系統安裝後五年以上保固維修服務承諾。[15]，關於「陽光社區 民間建築」與原有「太陽光電發電示範系統設置補助辦法(半額部助)」效益差別，如 表4。 表 4 「陽光社區民間建築」與「太陽光電發電示範系統設置補助辦法(半額部助)」 比較 適用法規 補助標準 計畫推動 縣市政府 獎勵優惠 公共設施開發 縣市政府 協助設置 整體居住 環境形象 半額補助 「太陽光 電發電系 統設置補 助作業要 點」 15 萬/kWp 設置者自 行進行 無 無 無 無 陽光社區 同上 同上 設置者與 縣市政府 共同規劃 配合 有 社區週邊，縣 市政府以「公 共設施」進行 設置開發 縣市政府 協助推動 整理「陽 光社區」 「陽光社 區」整體 形象塑造 資料來源：工研院 太陽光電科技中心-熊谷秀 社區型的群聚式太陽光電系統設置利用在國外已十分普遍，而台灣推動太陽能社 區於2008 年才開始推動，彰化縣和美鎮為國內首座的太陽光電社區住宅完成建造(圖 18)，這座陽光社區共 15 五戶每戶設置 2.1kWp，能源局補助太陽光電發電設備百分 之五十經費，可供一般住宅日常用電量。 圖 18 彰化縣和美鎮為國內首座的太陽光電社區住宅 資料來源：科學人雜誌
18 其他國家政府的補助與推廣政策下，2008 年全球太陽光電市場規模大幅成長， 全球總裝置量達到5.5GW，為 2007 年裝置量 2.4GW 的 2.3 倍，主要原因即在於各 國相繼推出極具投資誘因的補助條件，其中西班牙為全球最大市場，裝置量為 2,281MW，其次為德國 1,532MW 與美國 333MW，韓國裝置量大幅成長至 274MW， 超越日本，成為全球第四大太陽光電市場。 然而西班牙初期由於無裝置量上限與極為優厚條件的補助方案，成為2008 年全 球最大的太陽光電市場；而韓國在政府大力的補助政策推動下，裝置量亦暴增為2007 年的六倍。然而兩國不但未能促成國內太陽光電產業發展與市場持續成長的目標，相 反地造成諸多嚴重傷害，包括超乎預期的政府財政負擔、全球性太陽光電市場泡沫， 以及補助金額未實質流入國內廠商以達經濟提振效果等，可說是失敗的補助政策。有 鑑於此，可預期各國在制定與修正2009 年後的補助方案時將更為謹慎，如德國在 2000 年至 2005 年間，德國 PV 市場每年約成長 38%，預期隨著新再生能源法案逐年 削減5%的補助金額，2006 年至 2009 年的年增率會降至 25%，但是這並不會影響德 國PV 市場的發展，預估到 2010 年，德國 PV 系統發電量將達 3.2TWh，應以德國長 期規劃與漸進式調降的成功補助方式作為依據求取各國國內市場與產業的持續發展， 真正落實應用普及。[13] 在各國對於太陽能電池發電系統應用方面，由於各國太陽光電補助的方向的不 同，將造成應用呈現的不同，德國、英國、荷蘭、美國以屋頂應用比例居多，然而西 班牙則是以地面電廠的應用居多，法國則是以BIPV(BuildingIntegrated Photovoltaic； 建材一體型太陽光電)為主，造成各國應用比例不同，主要因各國補助方向的差異所 致。[14] 其他國家之太陽能電池系統獎勵補助政策如表 5。
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2.4 台灣地區能源政策
一、 台灣與全球再生能源發電 全球再生能源發電量將由2005 年的 33,210 億度增加至 2015 年的 48,920 億 度，平均年成長率為3.9%，其中，太陽能發電量將由 2005 年的 30 億度增加至 2015 年的 370 億度，平均年成長率為 27.4% 單位：億度；% 表 6 再生能源成長率 1990 2005 2015 2030 2005-2015 成長率 2005-2030 成長率 水力 21,450 29,220 37,990 48,420 2.7 2.0 生質能 1,240 2,310 4,070 8,400 5.8 5.3 風力 40 1,110 5,490 12,870 17.3 10.3 太陽能 10 30 370 1,610 27.4 16.9 地熱能 360 520 990 1,730 6.7 4.9 海洋能 10 10 10 120 9.9 12.8 總計 23,110 33,210 48,920 73,150 3.9 3.2資料來源：IEA, World Energe Outlook 2007. 二 、 全球再生能源發電量預測 目前各國紛紛致定推廣再生能源發展政策，全球太陽能產業因此正蓬勃發展 中，雖然太陽能發電成本仍高，發電量亦未達經濟規模，然而因較不受地理環境限 制，其能量較風力與水力還大，為目前各國政府政策鼓勵的主要再生能源---全球太 陽能產業產值前景看好，目前產業尚處成長初期，全球約有40 多國基及設置太陽 能發電系統。2005 年整體矽晶電池產業產值為 239 億美元，2006 年增至 368 億 元，成長率達50%以上。 全球太陽能電池產量預測樂觀，2000-2006 年平均成長率為 43.7%，至 2010 年全球產量可達10GWp(gigawatt peak)，平均成長率約 40-60%。 全球太陽能發電系統市場維持高度成長，2001-2006 年平均成長率 38.4%， 至2010 年設置量可達 5.7GWp，平均成長率約 30-43%。[17] 三、 台灣地區能源政策執行策略 為減少進口能源的依存度，及因應國際高能源價格時代、溫室氣體減量趨勢，從供 給面及需求面規劃之執行策略：
21 (一) 供給面 1. 穩定能源供應，推動能源多元化： （1） 積極發展無碳之再生能源推廣使用：未來以達成占總發電裝置容量 12%為目 標。 （2） 擴大低碳(天然氣)之淨潔能源使用：預定天然氣總用量在 2010 年達 1,050 萬公 噸，2020 年達到 1,600~2,000 萬公噸，2025 年達到 2,000~2,200 萬公噸。 （3） 核能四廠 270 萬瓩依計畫進行，核一、二、三廠 514 萬瓩正常營運。 2. 改善電力結構，提升發電效率： （1） 新設及更新擴建燃煤機組熱效率由目前的 35%提升到未來 40%。 （2） 新設及更新複循環燃氣機組由 2004 年 45%調高至 2020 年 53%。 （3） 改善輸電線路損失，期望長期線路損失降至 5%以下。 （4） 推廣汽電共生系統：2010 年目標 800 萬瓩，2020 年 1,000 萬瓩。 3. 開放能源事業，進一步促進能源市場自由化： （1） 研議再降低石油業者進入市場之門檻。 （2） 考量電力負載需求及區域供電平衡，繼續開放民營電廠設置。 （3） 加速推動完成「電業法」修法及「天然氣事業法」立法程序，落實能源市場自 由化。 4. 加強研究發展，擴張科技能量：規劃整合型能源科技發展計畫，著重支持提高能源 效率、再生能源技術等研發工作，以達成國家未來再生能源與淨潔能源發展目標。 5. 重視環保安全，調合 3E(能源、環保、經濟)發展：積極建立能源部門因應溫室氣 體減量能力。 （二）需求面： 1. 加強能源效率管理：規劃 2006 至 2025 年每年下降 2~2.2%，至 2025 年較 2005 年累計降低 22~27%。 2. 提升市場價格機能，促進能源價格合理化：電價應依燃料成本變動機動調整，倘 依未來躉售物價波動情形估計，至 2025 年較 2005 年大約調高 49~99%，若進一 步考慮未來再生能源發展、擴大天然氣使用等能源發電結構變化及外部成本內生化 等因素，電價將再提高；另落實經續會決議「促使能源價格合理化，短期反應燃料 成本上漲；中長期合理反映外部成本，將外部成本內生化，建立能源價格結構合理 化及程序透明化之機制」，實施浮動油價機制。 3. 推動教育宣導，擴大全民參與：節約能源工作，除了經濟部積極推動各項節能工 作外，也需要各部會及各縣市政府的通力合作與全民共同的參與，從產業發展、建 築設計、交通管理、教育宣導、價格稅制等層面逐一推動落實，鼓勵全民及地方政 府共同參與節能與 CO2減量。[15]
22
2.5 發展太陽能系統社區實施效益 SWOT 分析
2.5.1 外部環境分析
一、 機會分析(Opportunities) (一) 經濟部能源局於 2000 年 5 月 31 日頒佈「太陽光電發電示範系統設置補助要 點」，以獎勵推廣太陽光電之利用，補助標準為每峰瓩裝置容量以新臺幣十五 萬元，補助發電系統總設置費用百分之五十。 (二) 經濟部能源局於 2008 年實施「陽光社區建構補助作業實施計畫」，其為對「縣 市政府」、「陽光社區」整體性要求及「陽光社區公共設施」進行規範「陽光 社區民間建築」補助，另依「太陽光電發電系統設置補助要點」辦理，藉以 帶動國內太陽光電發展與系統設置技術，以達太陽光發電永續發展。 (三) 我國「再生能源發展條例」於 2009 年 6 月 12 日立法通過，有利太陽能產業 發展。 (四) 台電公司配合政府推廣再生能源應用政策，於 96 年 4 月奉經濟部核定執行， 完成「台電太陽光電第一期計畫」規劃，總預算為 35.7 億元，擬訂太陽能發 電目標，以 97 年完成 500 瓩，98 年完成 1500 瓩，99 年完成 3500 瓩，100 年完成 4500 瓩。預計自 97 年至 100 年期間共完成設置 1 萬瓩之太陽光電發 電系統。 (五) 我國半導體與電子工業發達，可運用其競爭優勢與產業群聚完整，開發先進 製程技術和產品，建立上中下游完整太陽電池工業。 (六) 太陽能發電成本(每度發電成成本約 14-5 元台幣)約當傳統能源發電(2.1-3 元 台幣)的 5-7 倍。隨著太陽能技術的改進，預計到 2015 年時其發電成本將接 近目前火力發電的成本。 二、 威脅分析(Threats) (一) 台灣地區雖地處亞熱帶，惟因氣候因素，日照時間不如同緯度之其他地區。 (二) 台灣本島地狹人稠，寸土寸金。 (三) 夏秋期間颱風頻仍。 (四) 太陽能電池設備投資費用相當昂貴，限制了台灣地區太陽能發電之發展， (五) 國內現階段太陽光電系統的主要相關產品仍以進口為主，導致成本偏高（裝 置成本約為新台幣19～26 萬元/瓩，發電成本約為 12.2～25.1 元/度）。 (六) 由於我國電價遠低於世界主要國家的電價水準，電力網普及，一般民眾對 潔淨能源的認知有限。 (七) 我國發展太陽能產業面臨先天條件上的弱勢，內需市場規模不大、材料技 術落後。23
2.5.2 內部因素分析
一、 優勢分析(Strengths) (一) 我國太陽能產業上中下游供應鏈結構漸趨完整且將能充分發揮產業群聚效 應。 (二) 半導體產業發達，晶圓製造技術成熟可提供 PV wafer 生產之必要支援。 (三) 光電產業群聚，供應鏈完整，研發技術不斷成長、製程人才充裕。 (四) 高等教育人力豐沛，注重研發人才培育、產學合作密切。 (五) 政府獎參鼓勵、租稅優惠、金融服務制度完善，企業募資容易。 二、 劣勢分析(Weaknesses) (一) 設備成本及發電成本與傳統能源相較偏高，推廣較為不易，以 1999 年台 灣 地區為例，與太陽電池模組價格為 29.9 萬元/kW（王耀諄等，2000），發電 成本為 12.03 元/度（邱錦松，2000），我國目前之電價，每度約在約在 2.0 至 3.3 元台 幣之間。 (二) 太陽能受天候之影響極大，並非所有地區均能適用。 (三) 太陽能發電量受架設面積之限制，以轉換效率 10﹪估計，若需產生 1kW 之 電力，則需有 10m2 之面積。 (四) 若需裝設蓄電池，將提高設備成本，並會對環境造成污染。 (五) 輸出之電力為直流電，仍須透過轉換（過程中會損失一些能量）方能為一般 家庭負載使用。24
三
. 研究方法
目前政府積極鼓勵民眾裝設太陽光電發電系統，並給予設置補助，希望太陽光電發 電系統能普遍設置於各地區，本研究透過文獻分析、氣候資料蒐集與公式的模擬計算等 方法，來分析氣候因素與地理位置的不同，是否影響社區發展太陽能發電系統之成本效 益。 本研究將以台北市、台中市、高雄市、花蓮市、台東市五個區域探討示範之社區太 陽能發電系統之發電量及發電成本分析，在模擬計算太陽能系統之發電量及成本效益 時，主要的工作有三： 一、蒐集五個地區2008年、2004~2008年五年平均值與1997~2006年十年的平均 氣象年修正數值等三種之氣象因子資料。 表 7 氣象資料之氣候因子 二、蒐集五個地區之示範社區各項基本資料。 三、模擬計算示範地點之發電量及成本，由於太陽能電池會因為溫度升高而影響 輸出功率，故須進行溫度與全天空日射量的校正工作，再進行成本分析，以 做為本研究評估之依據。3.1 氣候因子資料蒐集
由於日射量的觀測，容易受到氣象參數變化的多樣性、隨機性及觀測器材的妥善 率等因素影響，數據之品質管制相當不易。國內以中央氣象局（Central Weather Bureau, CWB）的地面一級測候站之觀測項目最齊全、測站分布最多、設備堪稱精良、 資料年限最長，而且數據取得便利等因素，因此其氣象數據最為各界廣泛引用。 本研究採用的2004~2008 年的台灣氣象資料，購自中央氣象局地面觀測站，並 計算出各年度之平均日射量。 氣候因子 2008年 2004~2008年五年平均值 1997~2006平均氣象年修正數值 日射量 月平均值 月平均值 年平均值 氣溫 月平均值 月平均值 年平均值25
3.1.1 標準氣象年
中央氣象局觀測站自1896 年開始紀錄全台各地氣候資訊，並逐年更新設備，但 常因機器建置系統時期差異、設備更替、器材故障或維護等諸多因素影響，降低了數 據的連貫性或準確度，更增添了分析數據的困難度。有鑑於此，國內外學者常希望能 藉由其他可信任的氣候參數，藉以推估出準確的日射量。因此先進國家開發一套「典 型的（或稱標準的）」氣象資料檔，來代表當地全年中各項氣象要素的逐時、逐日、 逐月變動，稱為「標準氣象年」。 所謂「標準氣象年」格式製作，即採用一「典型的」一年8760 小時的氣溫、濕 度、日射量、雲量、風速等逐時氣象數據構成的「氣象年」來代表當地長期氣象的「典 型」變化情形。其各項氣象數值都由當地過去的實測的逐時數據來組成，因此各氣象 值之間具有同時發生的關連性。以此「氣象年」資料進行工程上的解析可確保氣象變化的合理性及信賴性。這種「氣象年」在美國以WYEC（Weather Year for
EnergyCalculation），TRY（Test Reference Year），TMY（Typical MeteorologyYear） 為代表，在日本則以「標準氣象資料平均年」為代表，在台灣則以林憲德教授的「平
均氣象年AYWD（Average Year of WeatherData）」為代表。[11]
一般「標準氣象年」可分為三類： 一、一種為真實的一年氣象資料所構成。它是由長期氣象資料中，找出具氣候或 能源計算值代表性的全年資料，而成為一個「氣象年」。 二、第二種是將長期觀測的數據，直接以算數平均法統計而得。實際上此一年份 並不存在，而是人為製作的一種平均狀況。 三、第三種則由各月份氣象要素中選取出具代表性的「平均月」，再將十二個「平 均月」連結成一個「氣象年」。然其意義在於能夠以一年的假想氣象數據來 代表長期間的氣象變化，剔除極端、異常氣候之數據，以提升分析結果的信 賴度。 由於本研究關心的議題為各地區之氣候因子對太陽能電池發電效率影響的評 估，而台灣地區二氧化碳的平均排放量已為亞洲之冠，溫室效應的日益嚴重，伴隨著 溫度升高是否降低了太陽能電池的發電效率。故在研究流程上，首先採用第一種氣象 年的概念，直接分析去年2008 年五個不同的地區，計算氣溫與日射量的差異，對太 陽電池發電效率之影響。 另外，本研究也統計分析2004 至 2008 年氣溫與日射量的氣候資料，計算氣候差 異，對太陽系統發電效率的影響。以避免因為單一年度氣候異常或觀測數值的誤謬引 起的誤差，本方法屬於第二種標準氣象年的概念。 本研究也蒐集內政部建築研究，依據中央氣象局氣象資料，所建立的台灣地區 1997~2006 十年間之日射量數據[5]，來進行各區域太陽能發電系統之發電量及發電
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成本的模擬試算，一方面可以客觀的確認本研究結果的正確性；也同時分析最近五年 (2004 至 2008 年)與 1997~2006 年 十年間的氣候變化，太陽發電系統效率的影響。
3.1.2 台灣地區之日射量研究
雖然中央氣象局（Central Weather Bureau, CWB）的地面一級測候站之觀測項 目齊全且資料年限較長，然而觀察原始氣象資料卻常發現，觀測站所記錄的日射量數 據常有紀錄不全(例如觀測日數不足)或矛盾(例如日出以後，卻無記錄到日射量或是日 落以後，仍記錄到日射量；白天雲量大，且日射量也大或是白天雲量少，而日射量仍 低的矛盾現象)之問題，這些數據必須加以排除，以提高統計結果的精確度。經內政部 建築研究所歐文生、何明錦、陳瑞鈴、 陳建富、 羅時麒等研究員，檢視 1997~2006 年共十年原始氣象資料後，特別逐筆檢視日射量異常數據方式，根據其他氣象參數， 剔除極端異常數據並逐筆檢視與篩選後，將數據進行算術平均數統計，最後整理成一 地之年平均日射量[4]。圖 19 與表 8。 圖 19 台灣日射量分布圖（單位：kWh/㎡ day）[5]
27 表 8 台灣日射量資料庫[5] 由表8 台灣日射量資料庫整理台北、台中、高雄、花蓮、台東五個地區的年平均 日射量繪如圖20 與圖 21，可知年平均日射量大小依序為台東、高雄、台中、花蓮、 台北；南部地區太陽電池之發電效能大於北部地區。 圖 20 各地區年平均日射量 圖 21 各地區預估每日發電量
28 表 9 台灣各地區發電量推估表[5]
3.2 選定欲研究的太陽能發電示範社區
3.2.1 太陽能系統發電之示範案例範圍選擇
自2008 年開始，政府推展陽光社區之建置，首座完成之陽光社區位於彰化和美 鎮，總戶數為15 戶，每戶之太陽能系統發電量為 2.1KW。由於國內其他之陽光社區 仍陸續建置中，因此除了和美鎮之陽光社區外，本研究以台北市、台中市、高雄市、29 花蓮市、台東市等五個地區，已設置太陽光發電系統之案例，做為本研究之選用示範 系統範圍。 在進行資料蒐集時，因示範網站[16]提供之數據有限，可提供之數據僅有示範地 點名稱、示範地點位置、設置總容量、模板種類、系統種類、模板製造廠商及模組最 大輸出功率等，缺乏完整模擬太陽能系統發電量所需要之資料，如：太陽能模組尺寸、 模組發電效率及安裝模組總面積，這些都是模擬計算太陽能發電系統的必要條件；對 於缺乏的資料，本研究採行的步驟如下，第一步先確定各社區或住宅等機構所設置太 陽能發電系統模組廠牌，第二步查詢該發電容量型式之模板尺寸，第三步再由模板尺 寸計算出模板發電效率及設置總面積。 取得模組尺寸後，計算太陽能單一模組效率之計算式如下： (測定條件：日照強度 AM1.5、1000W/㎡，Module 溫度為 25℃) η (Efficiency) = Pmax / (A m2 x 1000 W/㎡ ) × 100%...(式 3.2.1-1) η：太陽能發電模組效率 Pmax：太陽能模組最大輸出功率 A：太陽能模組面積 例如某社區選用之太陽能發電系統模組，其單一模組最大輸出功率為167W，經 查詢該廠牌之模組尺寸為 1319mm×894mm＝1.18 ㎡，則可計算出其模組效率為 14.15%→(167÷1.18÷1000＝14.15%) 本研究所選擇五個區域之示範案依序為：台北市李宅、台中市林宅、高雄市洪宅、 花蓮慈濟醫院、台東馬偕醫院等五個太陽能發電系統示範案例 。其設置之太陽光發電 系統，資料詳如下表10。
30 表 10 各地區太陽能發電系統示範案例詳細資料 台北市李宅 台中市林宅 高雄市洪宅 花蓮市慈濟醫院 台東市馬偕醫院 設置地點 台北市中山區 遼寧街81巷1號 台中市南屯區 博愛街106號 高雄市小港區 立群路25巷2號 7樓 花蓮縣花蓮市介仁 街178號 台東市長沙街303 巷1號 設置容量 3.006kWp 3.15kWp 5.2kWp 19.95kWp 19.95kWp 設置場所 臺北市遼寧街 81巷1號7樓(樓 頂) 台中市南屯區 博愛街106號3 樓頂 高雄市前鎮區 中安路71之22 地號(5樓頂) 花蓮市介仁街178號 (行政大樓屋頂 ) 台東市長沙街303 巷1號(6F屋頂) 模板種類 單晶矽 單晶矽 多晶矽 單晶矽 多晶矽 系統種類 併聯型 併聯型 併聯型 併聯型 併聯型 模板製造商 SANYO SHARP Kyocera SHARP Kyocera 模板最大輸出 功率 167W 175W 130W 175W 175W 模組尺寸 1319mm×894mm 1575mm×826mm 1425mm×652mm 1575mm×826mm 1290mm×990mm 模組效率 14.15% 13.46% 13.98% 13.46% 13.67% 模組總面積 22.2㎡ 23.4㎡ 37.2㎡ 148㎡ 145.92㎡ 模組片數 18片 18片 40片 114片 114片
3.3 太陽能電池溫度效應進行全天日射量之校正
日射量是影響太陽電池發電量之主要因素，而太陽能電池溫度升高，會造成輸出 電壓下降與輸出功率的降低(如圖 22)，故應對氣象局蒐集之全天空日射量進行修正以 避免產生過大的誤差，在太陽電池溫度25℃以上，每增加 1℃所造成整體效率低減， 以廠牌SHARP 公司之模組約為－0.485﹪/℃，廠牌 SANYO 公司之模組為－0.3﹪/ ℃，將以此兩家太陽電池為假設對象，並將計算係數取其平均值，即－0.393﹪/℃ 。 例如模組於25℃時之發電效率為 η，溫度大於 25℃所降低之效率為ε，則： ε＝0.00393（Tc－25℃）η ……….(式 3.3-1)31 圖 22 溫度與單晶片太陽能輸出功率曲線 資料來源：2008,趙尉世,國立台北科技大學) 將溫度造成之衰減換算為日射量之衰減，如此便可簡單推估出發電量之多寡，其 概念如下： 假設太陽電池之直流發電量為Pdc，法線面全天空日射量為 Gβ，模組於 25℃時 之發電轉換效率為η（式4），溫度大於 25℃所降低之效率為ε， 一般太陽電池直流發電量之計算式為 [12] Pdc＝Gβ(η－ε)……….(式 3.3-2) 本式可改寫為 Pdc＝Gβ(1－ε/η)η＝Gβ[1－0.00393(Tc－25℃)]η Gβ[1－0.00393(Tc－25℃)]即為溫度修正後之全天空日射量…………(式 3.3-3) Pdc：太陽能電池之直流發電量 Gβ：日射量 η：模組於25℃時之發電轉換效率 ε：溫度大於25℃時所降低之效率 故本研究對於溫度對太陽電池的效率影響也帶入模擬發電量計算中，得到溫度修 正後之全天空日射量的值，進而模擬計算出較精確之太陽能發電量。
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3.4 太陽能發電系統整體效率推估
3.4.1 影響系統整體發電損失之因素
日射量是影響太陽電池發電量之主要因素，但尚有其他因素會影響發電效率，說 明如下： 一、線路損失：輸電線路會造成損失，必須慎選正確線徑以降低損失；通常應控 制在4%或更低的水準。 二、轉換損失：太陽光電陣列輸出直流電，當轉換為交流電時會造成損失，因此 必須慎選轉換效率高的轉換器，現在並聯型轉換器的尖峰效率通常在92%以 上，平均轉換效率也都在90%以上。 三、變壓損失：如果並聯型轉換器輸出規格與當地電力規格不同，必須在光電系 統與市電間加裝變壓器，此電力變壓會造成損失，應選擇變壓效率95%以上 高效率機型，以盡量減低此方面損失。3.4.2 太陽能發電系統發電量之修正
目前太陽能系統設計廠商對於系統產生之整體發電損失，一般DC 段(太陽能板產 出DC 電源)的因數為 0.8；AC 段(太陽能板產出至 AC 並聯點)因數為 0.9，故從太陽 能板發電量至並聯點有效發電量不得低於0.9*0.8=0.72，這也是目前工研院驗收最低 標準。 故可推估出台灣地區太陽電池之發電量（交流電，單位kW/㎡-day）為： 溫度修正日射量（kW/m2*day）× 0.72 ×太陽電池發電轉換效率（﹪）..(式 3.4.2-1) 例如若該日溫度修正後日射量為3kW/m2-day，而太陽電池之轉換效率為 15﹪ 時，則1 ㎡ 之面積於該日可發出 337.5Wh（3000×0.72×0.15＝337.5 Wh ＝0.3375 度）之交流電。 綜合上述之影響因子，可得較準確之值避免產生過大的誤差。3.4.3 首座陽光社區 2008 年太陽能系統發電成本之試算
一、 氣候因子資料：33 表 11 氣候因子 類別 一月 二月 三月 四月 五月 六月 七月 八月 九月 十月 十一月 十二月 全天空日射量 (KW/㎡ day) 3.08 3.15 4.33 4.02 4.53 4.52 4.79 4.91 3.89 4.24 3.61 3.39 溫度 (℃) 17.9 15 20.3 24.3 25.8 27.5 28.1 28.7 27.6 26.8 21.9 18.1 資料來源：中央氣象局2008 年資料整理 二、 基本資料： (1) 設置地點：彰化縣和美鎮仁和段736號。 (2) 設置容量：2.1kWp×15戶=31.5KWp (社區共15戶，每戶單獨系統)。 (3) 設置場所：彰化縣和美鎮仁和段736號(樓頂)。 (4) 模板種類：單晶矽。 (5) 單一模組尺寸：826mm x 1575mm=1.3㎡。 (6) 系統種類：併聯型。 (7) 模板製造商：SHARP。 (8) 模板最大輸出功率(W)：175W。 (9) 模組效率：13.46%。 (10) 模組片數：12片。 (11) 模組合計面積：15.6㎡ (一戶)。 (12) 設置費用：2.1KWp×250,000元=525,000元 (參考太陽光電網站目前設置之平 均費用1KWp=25萬元)。 (13) 政府補助費用=262,500元、自負額=262,500元。 三、 發電成本試算： (1) 由(式3.4.2-1)模擬計算太陽能發電系統每日發電量=溫度修正日射量（kW/㎡ day）× 0.72 ×太陽電池發電轉換效率（﹪）。 (2) 以2008年一月為例，計算如下： 溫度修正日射量（kW/㎡-day）＝ Gβ[1－0.00393(Tc－25℃)] ＝ 3.08 [1－0.00393(17.9-25)]=3.16 每日發電量＝ 溫度修正日射量（kW/㎡-day）× 0.72 ×太陽電池發電轉換效 率（﹪） ＝ 3.16×0.72 × 13.46% ＝ 0.3062（kW/㎡-day） 每月發電量＝每日發電量×日數×模組總面積＝ 15.6×31× 0.3062 ＝ 148.1(KWH) 以此類推，可計算出每月發電量如下表12所示。
34 表 12 模擬 2008 年彰化縣和美鎮太陽能發電系統發電量各月統計表 地區 類別 一月 二月 三月 四月 五月 六月 七月 八月 九月 十月 十一月 十二月 全天空日射量 (KW/㎡-day) 3.08 3.15 4.33 4.02 4.53 4.52 4.79 4.91 3.89 4.24 3.61 3.39 溫度 (℃) 17.9 15 20.3 24.3 25.8 27.5 28.1 28.7 27.6 26.8 21.9 18.1 溫度修正後日射量 (KW/㎡-day) 3.16 3.28 4.41 4.03 4.52 4.47 4.73 4.84 3.85 4.21 3.66 3.48 計算月發電量值 (KWH) 148.1 138.9 206.7 182.8 211.8 202.7 221.7 226.8 174.6 197.3 166 163.1 取自中 央氣象局2008年資料整理 中部 (本研究整理) (3) 太陽能系統年總發電量(KWH/year)＝148.1+138.9+……+166+163.1 ＝2240.53(KWH/year) 平均日總發電量(KWH/day)＝ 年總發電量/總日數 ＝ 2240.53/365 ＝ 6.14(KWH/day) 平均1KW 日發電量(KWH/day)＝ 總發電量/設置容量 ＝ 6.14/2.1＝ 2.92(KWH/day) 平均電費＝總設置成本/總發電度數 ＝ 525,000/2240.53KWH/yea*20year ＝ 11.72 元/KWH 目前每度電之平均電費＝ 2.59 元/KWH (台電資料) 故補助後成本回收年限＝ 設置成本/(年總發電量×平均電費) ＝ 262,500/(2.59×2240.53)＝ 45.24 年
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