一種太陽光電集熱複合型系統能源性能研究分析

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(1)國立交通大學. C. O. 碩士論文. PY. 平面顯示技術碩士學位學程. T. 一種太陽光電集熱複合型系統能源性能研究分析. D. O. N. O. Energy Performance Analysis of A Photovoltaic Thermal System. 研究生：宋賢超指導教授：鄭泗東博士. 中華民國一百零一年六月. I.

(2) 一種太陽光電集熱複合型系統能源性能研究分析 Energy Performance Analysis of A Photovoltaic Thermal System. Student：Hsien-Chao Sung. 指導教授：鄭泗東博士. Advisor：Dr. S-Tone Cheng. O. PY. 研究生：宋賢超. C. 國立交通大學. 平面顯示技術碩士學位學程. O. T. 碩士論文. A Thesis. N. Submitted to Degree Program of Flat Panel Display Technology National Chiao Tung University. D. O. in partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Master of Science in. Degree Program of Flat Panel Display Technology June 2012 Hsinchu, Taiwan, Republic of China. 中華民國一百零一年六月 II.

(3) 一種太陽光電集熱複合型系統能源性能研究分析 Energy Performance Analysis of A Photovoltaic Thermal System. 指導教授：鄭泗東博士. PY. 研究生：宋賢超. 摘要. O. 國立交通大學平面顯示技術碩士學位學程. 地球初級能源蘊藏量有限，且全世界石油使用年限約 45 年後耗竭，為. C. 降低化石能源依賴，世界各國積極發展再生能源(如歐盟規劃 2010 年再生能源佔總發電量比例達 20%)。在則 IEA 預測 2008~2030 年未來全球初級能源. T. 需求年平均成長率約為 1.6%，由此可見人類對於能源的依賴已是密不可. O. 分。然而太陽能一年約可提供 23,000 TWy/year，此能量與其他能源相比遠遠大於人類所需求，故綜合以上太陽能優勢，若能積極發展與投入應用將. N. 是解決未來能源危機與再創能人類巔峰革命的最佳途徑之一。目前太陽能的利用技術已是當今世界各國利用再生能源進行能源替. O. 代、節能、環保的重要研究項目之一，其主要應用分為太陽電能及太陽熱. D. 能兩個領域。在太陽電能方面，主要是利用太陽光電晶片吸收 400~1000nm 太陽光譜並將吸收之光子轉換成電能，其中未被轉換成電能的太陽光子在符合能量不滅定律下，60%~70%會被轉換成熱能並使太陽光電模組(PV. Module)整體溫度上升，通常 PV 模組背溫可高達 75℃或更高，此時太陽能電池的實際最大功率將比標準測試環境 (STC) 下的最大功率減少 18%~25%(相對值)。另外 PV 模組發電效率受溫度係數影響之特性，在結晶 I.

(4) 矽型 PV 模組發電效率特性會隨著溫度每升高 1℃則降低 0.4~0.5%發電效率，而在非晶矽型 PV 模組發電效率也會降低約 0.25%。故本研究提出太陽光電與集熱複合型(PV/T)設計應用概念，將 PV 模組背熱透過高導熱材料(如銅或鋁材)之集熱器，以熱傳導和熱對流的方式達到散熱與儲熱之目的。. PY. 研究 PV/T 模組最主要是希望能提升太陽能綜合應用的效益，另外台灣再生能源熱利用獎勵補助辦法中，明訂太陽能熱水器性能標準須大於等於 50%，故本研究以開發製作 PV/T 系統能源綜合效率(電能+熱能)大於 50%. O. 為指標。然而開發 PV/T 模組的關鍵在於確保 PV 模組與集熱器之間是否有良好的結合、集熱器管道設計(管數、管徑、流道配置、材質)、封裝黏著材. C. 料其須具備高熱傳導性與極佳的電絕緣能力，另外在保溫能力方面也是決定集熱效率重點的要因。後續本研究也開發三款新型 PV/T 模組，並以. T. Type-1 PV/T 模組性能最佳，其在開路電壓狀態下，且入口溫度與環境溫度. O. 設定相同時，集熱效率(ηt)最高可達 60.55%。另外在併接上具有 MPPT 功能之電子負載狀態下，且入口溫度與環境溫度設定相同時，集熱效率(ηt)最高. N. 可達 47.45%，發電效率為 13.25%，其綜合效率為 60.70%。最後本研究也針對所開發之 Type-1 PV/T 模組作系統全天性能測試，測. O. 試結果得到集熱效率最高可達 42.49%(水溫約可提升 10℃)，發電效率為. D. 13.05%，能源綜合效率 55.54%，達成本實驗設計指標。另外也利用 TRNSYS 動態仿真軟體模擬與設計 PV/T 系統，其中，熱效率與電效率在實測數據與模擬數據相互比較下，TRNSYS 模擬之相對誤差小於 10%以內。. 關鍵詞：太陽光電、太陽熱能、太陽光電集熱複合型系統、TRNSYS 模組化的動態仿真模擬軟體、發電效率、儲熱效率 II.

(5) 一種太陽光電集熱複合型系統能源性能研究分析 Energy Performance Analysis of A Photovoltaic Thermal System. Advisor：Dr. S-Tone Cheng. PY. Student：Hsien-Chao Sung. Degree Program of Flat Panel Display Technology. Abstract. O. National Chiao Tung University. C. Earth's primary energy reserves are limited, and the world's oil depletion in the useful life of about 45 years, to reduce fossil fuels dependence, the world is. T. actively developing renewable energy. IEA forecast the future of global primary. O. energy demand annual average growth rate of about 1.6% in 2008 and 2030 shows that the human energy dependence are inextricably linked. However,. N. solar year, about 23,000 TWy / year, this energy compared and other energy sources is far greater than human needs. Actively develop and put into. O. application will solve the energy crisis and one of the best way to create human. D. pinnacle of revolution. Nowaday the worldwide countries take the research on renewable. energy,saving energy and environmental protection to take new resource from using technology of solar,which mainly applied on solar thermal energy and solar power. In solar electricity, solar cell absorb 400 ~ 1000nm solar spectrum and absorption of photons into electrical energy,which was not been transferred III.

(6) are one of important research objects on saving energy and environmental protection , its mainly application under the law of conservation of energy ,60% to 70% will be converted into thermal energy and raise the back side temperature on photovoltaic modules (PV module) , usually the temperature. PY. came up to 75 °C even higher, the actual maximum power (Pmax) of the solar cells was less than Standard test Condition(STC) reduced around 18% to 25%(relative value). PV module power generation efficiency is affected by the. O. characteristics of the temperature coefficient, under STC model the photovoltaic chip with packaged we found its temperature coefficient of its power generation. C. efficiency, when it in crystalline photovoltaic modules the characteristics of the power generation efficiency decrease from 0.4 to 0.5% as the temperature. T. increasese 1℃, then in Amorphous Si photovoltaic modules will be reduced by. O. about 0.25%. In this study provide the concept of design applications of solar photovoltaic and collector efficiency (PV / T), heat the back of the photovoltaic. N. modules with high thermal conductivity materials (such as copper or aluminum) collector, to achieve the purpose of cooling and thermal storage by the thermal. O. conduction and convection.. D. PV / T module is to enhance the effectiveness of the integrated solar. applications, In addition, Taiwan's renewable energy incentive measures to aid the express solar water heater performance standards must be greater than or equal to 50%,in this research develop production of PV / T system energy efficiency (electricity & heat) is greater than 50% as an indicator.The key point in development PV / T modules is to ensure whether there is a good combination IV.

(7) between the PV modules and solar collector, the collector pipe design (tube number, diameter, flow channel configuration, material) package adhesive material shallwith high thermal conductivity and excellent electrical insulation, insulation capacity also determine the collection efficiency. After that developed. PY. the three PV / T module, in which Type-1 PV / T module has the best performance,the collection efficiency (ηt) can came to 60.55% when the inlet and ambient temperature set as the same degree with the open circuit voltage. O. state. In addition, if connected to the MPPT function electronic load state, when the inlet and ambient temperature is set the same degree, the collection. C. efficiency (ηt) up to 47.45%, 13.25% power generation efficiency, the overall efficiency of 60.70%.. T. In this study, also development Type-1 PV / T module for system. O. performance testing,as results the thermal efficiency up to 42.49% (water temperature is upgrade to 10℃), the power generation efficiency to 13.05%, the. N. comprehensive energy efficiency by 55.54%, it was reached the index of the experimental design.And also under TRNSYS, (Transient Cycle Systems,. O. Dynamic Simulation Program) software simulation and designed PV / T. D. system,compare the measured data and simulation data , TRNSYS simulation of the relative error is less than 10%.. Keywords：PV,Solar thermal,Photovoltaic Thermal System,TRNSYS, Electricity Efficiency,Thermal Efficiency V.

(8) 誌. 謝. 兩年的研究所生涯，終於告一段落。回首剛回到校園進修時的期待與雀躍，以及現在收成的喜悅，這一切都要感謝許多人對我的提攜與幫助。然而致謝對於我來說是一篇論文最後完美的結局，從前羨慕著別人能寫致. PY. 謝，這次，終於輪到我為自己的論文寫致謝了。學生能順利完成這篇論文，首先要感謝我的指導老師鄭泗東教授。老師所給我的教導與啟發讓學生永難忘懷。在跟隨老師這兩年的時間，發現. O. 老師不管是在學術殿堂上的奉獻與成就，或是對於一件事情專注、要求完美的態度上，讓學生不得不敬佩，也學習到做事應有的態度。再來要感謝. C. 我的口試委員傅武雄教授與尹慶中教授，兩位老師在計劃書口試時對於我的指導，讓我發現本論文研究可以更深入多元化的思考邏輯，這在我的. T. 工作領域上有很大的幫助，能夠真正達到學以致用的目標，且讓學生論文. O. 更加完整。. 然而，我也要感謝在這兩年求學階段的同學們，因為在這段時間給予. N. 了我很多的協助，真的好榮幸，交大的求學生涯感謝你們陪我一起走過。當然，還有很多曾經幫助過我的朋友，因為有大家的幫助，我才能有今天. O. 的成果。最終，也因為女朋友在背後的默默支持更是我前進的動力，沒有. D. 你的體諒、包容、支持，相信這兩年的生活將是很不一樣的光景。. 最後，謹以此文獻給我摯愛的雙親與所有親人。. VI.

(9) 目. 錄 `頁次. … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … .… … .… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … .… … .… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … .… .… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … ..… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … .… . … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … .… .. Ⅰ Ⅲ Ⅵ Ⅶ Ⅸ XI. 第一章. 緒論… … … … … … … … … … … … … … … … … … .… … … .…. 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6. 研究背景… … … … … … … … … … … … … … … … … … .… .… 研究動機與目的… … … … … … … … … … … … … … … … .… . 研究內容與範圍… … … … … … … … … … … … … … … … .… . 文獻回顧… … … … … … … … … … … … … … … … … … … ...... 研究方法與流程… … … … … … … … … … … … … … … … .… . 論文架構… … … … … … … … … … … … … … … … … … … .… . 理論與原理… … … … … … … … … … … … … … … … … … .... 太陽光電系統… … … … … … … … … … … … … … … … … … .. 太陽能電池原理… … … … … … … … … … … … … … … … … .. 太陽能電池種類… … … … … … … … … … … … … … … … … .. 太陽能電池電氣特性… … … … … … … … … … … … … … … .. 太陽光電系統介紹… … … … … … … … … … … … … … … … .. 太陽光電產業趨勢… … … … … … … … … … … … … … … … .. 太陽光熱系統… … … … … … … … … … … … … … … … … … .. 太陽能熱水系統原理… … … … … … … … … … … … … … … .. 太陽能熱水系統種類… … … … … … … … … … … … … … … .. 太陽能熱水系統性能評估指標… … … … … … … … … … … .. 太陽能熱水系統產業趨勢… … … … … … … … … … … … … .. 太陽光電集熱複合型系統… … … … … … … … … … … … … .. 太陽光電集熱複合型模組原理… … … … … … … … … … … 太陽光電集熱複合型模組種類… … … … … … … … … … … .. 太陽光電集熱複合型系統性能評估指標… … … … … … … .. 系統模擬分析… … … … … … … … … … … … … … ............... TRNSYS 軟體簡介… … … … … … … … … … … … … ..… … .... 氣象資料簡介… … … … … … … … … … … … … … … .… … … .. 1 1 4 6 8 15 17 18 18 18 23 26 32 39 47 49 50 55 60 61 62 65 68 74 74 75. D. O. C. T. O. O. 2.1 2.1.1 2.1.2 2.1.3 2.1.4 2.1.5 2.2 2.2.1 2.2.2 2.2.3 2.2.4 2.3 2.3.1 2.3.2 2.3.3. N. 第二章. PY. 中文摘要英文摘要誌謝目錄表目錄圖目錄. 第三章 3.1 3.2. VII.

(10) 第五章 5.1 5.1.1 5.1.2 5.2. 第六章 6.1 6.2. D. O. N. O. T. 參考文獻. 78 85 85 86 88 94 95 101 103 107 107 107 109 112 113 113 115 116. PY. 4.1 4.1.1 4.1.2 4.2 4.2.1 4.2.2 4.2.3. O. 第四章. PV/T 系統模型建立… … … … … … … … … … … … … .… ........ 實驗設計與封裝… … … … … … … … … … … … … … … .… .. PV/T 模組開發… … … … … … … … … … … … … … … … .… .... PV/T 模組設計… … … … … … … … … … … … … … … … .… .... PV/T 模組封裝加工… … … … … … … … … … … … … … ..… ... PV/T 模組性能測試… … … … … … … … … … … … … … ..… ... PV/T 模組測試方法建立… … … … … … … … … … .… … … … PV/T 模組測試平台介紹… … … … … … … … … … … … … … . PV/T 模組性能實測分析… … … … … … … … … … … … .… .... 實驗結果與分析… … … … … … … … … … … .… … … .......... PV/T 系統性能測試分析… … … … … … … … … … … … ..… ... PV/T 系統測試平台介紹… … … … … … … … … … … … .… … PV/T 系統性能實測分析… … … … … … … … … … … … .… … PV/T 系統性能模擬分析… … … … … … … … … … … … ..… ... 結論與未來展望… … … … … … … … … … … … … … … … .. 結論… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … ...... 未來展望… … … … … … … … … … … … … … … … … … … .… . … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … .… .. C. 3.3. VIII.

(11) 表目錄頁次. 第一章表 1-1、化石能源蘊藏量及使用年限------------------------------------------------4. PY. 表 1-2、未來全球初級能源需求預測------------------------------------------------4 表 1-3、PV/T 相關文獻整理表--------------------------------------------------------9. O. 第二章. C. 表 2-1、太陽光電結構發展演進歷史-----------------------------------------------18 表 2-2、矽晶太陽電池與薄膜太陽電池技術發展預測--------------------------47. T. 表 2-3、台灣地區可補助之太陽熱水器產品性能指標--------------------------59. O. 第三章. N. 表 3-1、TMY2 各種逐時氣象資料---------------------------------------------------76. O. 表 3-2、TRNSYS 元件模組資料表--------------------------------------------------79. 第四章. D. 表 4-1、Kyocera 太陽光電模組規格特性-------------------------------------------85 表 4-2、Kyocera 實際電性特性測試規格特性-------------------------------------86 表 4-3、保溫材料規格特性------------------------------------------------------------88 表 4-4、Type-1 PV/T 規格銘牌-------------------------------------------------------90 表 4-5、Type-2 PV/T 規格銘牌-------------------------------------------------------92 表 4-6、Type-3 PV/T 規格銘牌-------------------------------------------------------94 IX.

(12) 表 4-7、強制循環式液態型 PV/T 模組標準測試條件--------------------------100 表 4-8、測試系統儀器、設備精確度要求-----------------------------------------101 表 4-9、12 種不同的 PV/T 模組熱性能--------------------------------------------105. PY. 表 4-10、2010~2020 年馬來西亞 PV/T 研究 Roadmap ---------------------------106. 第五章. 表 5-1、Type-1 PV/T 系統性能實測結果------------------------------------------109. D. O. N. O. T. C. O. 表 5-2、TRNSYS 模擬 Type-1 PV/T 系統效率-----------------------------------112. X.

(13) 圖目錄頁次. 第一章圖 1-1、台灣各種能源供給量及成長率----------------------------------------------2. PY. 圖 1-2、太陽能與其他能源比較-------------------------------------------------------3 圖 1-3、太陽能光電及集熱整合系統-------------------------------------------------7. O. 圖 1-4、研究步驟流程圖---------------------------------------------------------------16. C. 第二章. 圖 2-1、太陽電池結構------------------------------------------------------------------20. T. 圖 2-2、太陽電池發電原理------------------------------------------------------------20 圖 2-3、不同太陽電池材料所能吸收太陽光譜波長範圍圖---------------------21. O. 圖 2-4、P-N 接面太陽電池內部電荷分布圖---------------------------------------23. N. 圖 2-5、各種太陽電池材料分類圖---------------------------------------------------24 圖 2-6、太陽光電模組總類------------------------------------------------------------25. O. 圖 2-7、各種太陽電池材料效率演進圖---------------------------------------------26 圖 2-8、p-n 接面二極體電流-電壓(I-V)特性曲線圖------------------------------27. D. 圖 2-9、太陽能電池的電流-電壓(I-V)特性曲線圖--------------------------------28 圖 2-10、理想太陽能電池等效電路圖----------------------------------------------29 圖 2-11、實際太陽能電池等效電路圖----------------------------------------------30 圖 2-12、太陽能電池受溫度與日照強度影響之模擬性能特性曲線圖-------32 圖 2-13、太陽光電系統主流應用----------------------------------------------------33 圖 2-14、PV 系統主要構成單線圖---------------------------------------------------33 XI.

(14) 圖 2-15、太陽光發電系統分類範例-------------------------------------------------34 圖 2-16、有逆送電併聯型 PV 系統--------------------------------------------------35 圖 2-17、無逆送電併聯型 PV 系統--------------------------------------------------35 圖 2-18、獨立型 PV 系統---------------------------------------------------------------36. PY. 圖 2-19、混合型 PV 系統---------------------------------------------------------------36 圖 2-20、防災型 PV 系統---------------------------------------------------------------37 圖 2-21、Photon International 預測全球 PV 裝置量-------------------------------41. O. 圖 2-22、Photon International 對 2011 年主要安裝國 PV 裝置量分析--------42 圖 2-23、Photon International 對 2012 年主要安裝國 PV 裝置量預測--------43. C. 圖 2-24、德國太陽電池市場之配置情形--------------------------------------------43 圖 2-25、2010~2050 年全世界太陽能市場預測------------------------------------47. T. 圖 2-26、1981 年加州 Solar One 系統------------------------------------------------49. O. 圖 2-27、自然循環太陽能熱水系統--------------------------------------------------50 圖 2-28、太陽能熱水系統集熱器種類-----------------------------------------------52. N. 圖 2-29、自然循環式太陽能熱水器系統--------------------------------------------54 圖 2-30、強制循環式太陽能熱水器系統--------------------------------------------55. O. 圖 2-31、儲置式太陽能熱水器系統--------------------------------------------------55. D. 圖 2-32、自然循環式熱水器性能效率曲線圖--------------------------------------57 圖 2-33、強制循環式熱水器性能效率曲線圖--------------------------------------58 圖 2-34、台灣地區歷年安裝及熱面積統計圖--------------------------------------60 圖 2-35、歐盟太陽能級熱市場--------------------------------------------------------61 圖 2-36、PV 發電效率之溫度係數特性---------------------------------------------62 圖 2-37、典型 PV/T 模組組成結構圖------------------------------------------------63 XII.

(15) 圖 2-38、不同太陽能應用--------------------------------------------------------------65 圖 2-39、PV/T 應用於各種產業歸納圖----------------------------------------------66 圖 2-40、PV/T 與建築構造潛在設置地點-------------------------------------------66 圖 2-41、各種氣體型 PV/T 模組型式------------------------------------------------67. PY. 圖 2-42、各種液體型 PV/T 模組型式------------------------------------------------68. 第三章. O. 圖 3-1、TRNSYS 軟體操作介面------------------------------------------------------75 圖 3-2、典型 TMY2 之標準氣象資料格式------------------------------------------78. C. 圖 3-3、設計元件模組擺設圖---------------------------------------------------------80 圖 3-4、Type-2 PV/T 系統雛型圖----------------------------------------------------81. T. 圖 3-5、元件模組參數設定操作介面------------------------------------------------81. O. 圖 3-6、各元件模組之連接線設定介面---------------------------------------------82 圖 3-7、輸入 TMY2 氣象資料介面--------------------------------------------------83. N. 圖 3-8、設定暫態模擬起始與結束區間時程介面---------------------------------83. O. 圖 3-9、TRNSYS 模擬輸出介面------------------------------------------------------84. D. 第四章. 圖 4-1、Solidworks 3D 設計模擬介面------------------------------------------------87 圖 4-2、AutoCAD 2D 設計模擬介面-------------------------------------------------87 圖 4-3、PV/T 模組封裝加工流程圖--------------------------------------------------89 圖 4-4、Type-1 PV/T 結構圖-----------------------------------------------------------90 圖 4-5、管板式結構圖-------------------------------------------------------------------90 XIII.

(16) 圖 4-6、Type-2 PV/T 結構圖------------------------------------------------------------92 圖 4-7、Ω 型管板式結構圖-------------------------------------------------------------92 圖 4-8、強制循環式液態型 PV/T 模組集熱效率測試流程圖-------------------100 圖 4-9、強制循環式液態型 PV/T 模組測試架構示意圖------------------------101. PY. 圖 4-10、強制循環式液態型 PV/T 模組測試平台---------------------------------103 圖 4-11、Type-1 PV/T 模組性能曲線圖---------------------------------------------104 圖 4-12、Type-2 PV/T 模組性能曲線圖---------------------------------------------104. O. 圖 4-13、Type-3 PV/T 模組性能曲線圖--------------------------------------------105. C. 第五章. 圖 5-1、Type-1 PV/T 系統架構圖----------------------------------------------------108. T. 圖 5-2、Type-1 PV/T 系統現場測試平台-------------------------------------------108. O. 圖 5-3、2011/11/16 Type-1 PV/T 系統溫升變化-----------------------------------110 圖 5-4、2011/11/18 Type-1 PV/T 系統溫升變化-----------------------------------110. N. 圖 5-5、2011/11/21 Type-1 PV/T 系統溫升變化-----------------------------------111 圖 5-6、2011/11/22 Type-1 PV/T 系統溫升變化-----------------------------------111. O. 圖 5-7、2011/11/30 Type-1 PV/T 系統溫升變化-----------------------------------111. D. 圖 5-8、Type-1 PV/T 模組與一般型 PV 模組熱影像分佈變化-----------------112. XIV.

(17) 第一章緒論. 1.1 研究背景發展再生能源是全球政府因應地球暖化及能源浩劫刻不容緩之議題，. PY. 也是實施節能減碳的重要施政目標，尤其以太陽能源系統(包含熱能、電能、複合型)設置，具有替代化石燃料的效果，也是世界先進國家努力推廣的再生能源重點項目。此外，台灣 99 年國內能源總供給量為 14,556 萬公秉油當. O. 量(詳如圖 1-1)，有高達 99.39%以上(能源局，2011)之能源皆需仰賴進口，顯然若再一次發生能源短缺危機，台灣勢必將再次遇到嚴重的衝擊，故台. C. 灣對於能源之自主供應以及替代能源之開發更是刻不容緩。由於台灣位於日照良好之地理位置，發展再生能源之太陽能源產業及應用已為勢在必. T. 行。我國政府自民國七十五年，即致力於投入太陽熱能的應用推展並實施. O. 設置補助辦法，並於八十九年起，即致力於投入太陽光電的應用推展並實施設置補助辦法，加上九十四年二月十六日「京都議定書」之生效以及近. N. 年之「哥本哈根會議」討論內容，皆對各國加諸龐大的溫室氣體減量之壓力。[1]台灣在歷經近多年的再生能源推動努力，並參考世界各國之經驗，於. O. 98 年全國能源會議共識結論（建構低碳家園）：1.推動低碳社區/低碳城市. D. /低碳生活圈；2.再生能源示範生活圈（能源供應 50%以上來自再生能源）。展現政府發展再生能源決心，以順應世界潮流。立法院 98 年 6 月通過「再. 生能源發展條例」，明訂國內再生能源獎勵總量 650 至 1000 萬瓩，且於 98 年 7 月 8 日經總統府公告生效，是我國推動太陽光電設置的基本法源。. 1.

(18) PY O. C. 圖 1-1、台灣各種能源供給量及成長率[2]. T. 於 2011 年日本-福島發生重大核災事件各國政府紛紛開始檢討核能政. O. 策，大多數國家均已提出減少核能比例或廢核等國家政策，並以發展替代能源為目標，其中又以太陽能源、風能、水利、燃料電池最受重視。NREL. N. 統計 2009 年整年全世界消耗能源約為 16 TWy/year，預估到 2050 全世界消耗能源約為 28 TWy/year，故尋找安全穩定的新能源將是全世界重要的課題. O. 之一。再諸多的新能源中，太陽能因其獨特的優勢，正受到越來越多的關. D. 注，其優勢如： 1. 能量無限性太陽輻射每秒放射的能量大約是 3.75*1023kW，其中到達地球陸. 地表面的輻射能量大約為 1.7*1013kW，相當於目前全世界一年平均消耗總能源的 35,000 多倍，且太陽的壽命至少上有 40 億年，相對於人類歷史來說，太陽源源不絕供給地球能源的時間可以說是無限的。 2.

(19) 2. 分布普遍性相對於其他能源來說，太陽能對於地球上絕大部分地區存在普遍性，可就地取用，這對於常規能源缺乏的國家和地區解決能源問題並提供美好的前景。. PY. 3. 利用潔淨性太陽能象風能、潮汐能等潔淨能源一樣，其開發利用幾乎對環境不造成任何污染。. O. 4. 消費經濟性. 太陽能的經濟性主要可分為兩方面：. C. (1) 接收太陽能時不收任何的「稅」，可以隨地取用。 (2) 以目前的科技技術發展，太陽能的利用不僅可能而且可行。. T. 再由圖 1-2 可知太陽能若能完全充分利用一年約可提供 23,000. O. TWy/year，此能量遠遠大於人類需求與於其他能源一年可提供之能量，故綜合以上太陽能優勢，若能積極發展與投入應用太陽能相關技術研究將是. D. O. N. 解決未來能源危機與再創能人類巔峰革命的最佳途徑之一。. 圖 1-2、太陽能與其他能源比較[3]. 3.

(20) 1.2 研究動機與目的自從 Thomas Seville 於 1698 年發明工業蒸汽機之後，人類文明從此邁向工業革命，大量工業設施的興建，使地球資源亦大量的被開發。並隨著 1859 年原油的開採，再次將人類的文明推向另一的巔峰。然而不過 200 年. PY. 的時間全球化石能源蘊藏量已出現不足的危機，由表 1-1 可知世界初級能源蘊藏量有限，石油使用年限約 45 年後耗竭，為降低化石能源依賴，世界各國積極發展再生能源(如歐盟規劃 2010 年再生能源佔總發電量比中達. O. 20%)，再由表 1-2 IEA 統計未來全球初級能源需求預測 2008~2030 年能源需求年均成長率約為 1.6%，由此可見人類對於能源的依賴已是密不可分。. N. O. T. C. 表 1-1、化石能源蘊藏量及使用年限[4]. D. O. 表 1-2、未來全球初級能源需求預測[5]. 4.

(21) 台灣地處亞熱帶，日照充沛，具有足夠的淺力來發展太陽能。其中全球太陽能產業的發展與系統設置歷經五十年的發展，市場應用呈現多元而廣泛現象，而主要應用其一為太陽光電發電系統市場，在 2000 年後全球太陽光電發電容量急速增加，成為全球最主流快速成長的產業。另一項成熟. PY. 的市場為太陽熱能系統，太陽熱能利用技術的研究自 1970 年代以來即受重視，特別是在美、日、歐、澳諸國，在許多應用領域已有相當成熟研究成果，其主要是接收或聚集太陽輻射能，並轉換為熱能使用。根據 ESTIF(European Solar Thermal Industry Federation)的報告，太陽熱能經過. O. [6]. 30 多年的發展，市場上已有各種不同類型的集熱器，適合各種氣候型態及. C. 使用條件，但在某些領域仍欠缺有力的商業化產品。在研究所遭遇的阻力主要在於，大部分太陽熱能業者屬中、小企業，故無足夠財力支持中長期. T. 的研究活動，且來自國家的研究經費通常很少，甚至沒有。再則太陽能熱. O. 水器面對冬季供應熱水往往不足，但在夏季因太陽輻射量大，因此太陽能熱水系統在夏季往往供應過多熱水，因此，本研究提出以太陽光電發電系. N. 統與太陽光熱系統整合在一起，簡稱太陽光電集熱複合型 (Photovoltaic/Thermal，PV/T)系統，其原理為正面太陽電池吸收太陽光子並. O. 轉換成直流電能，同時利用背面集熱交換器中的流體帶走太陽電池的熱量. D. 並加以儲存利用，故本結構可在一定的集熱溫度下提高 PV/T 模組的發電量。在 2011 年是太陽光電有時以來最寒冷的一年，因隨著歐債危機與全球. 經濟不景氣原因，導致太陽光電整體需求大幅下滑，上游原料與中游太陽能電池崩跌及下游模組商、系統商倒閉，已將太陽光電整個產業鏈帶到谷底，故為使太陽光電產業再加值提升，因此本研究提出將太陽光電與集熱系統複合，使其具備產生電能、熱能等兩種能量效益，以提升太陽能的綜 5.

(22) 合附加利用性，故本太陽熱電複合型系統為更具潛力之再生能源設備。. 1.3 研究內容與範圍太陽能在再生能源中扮演相當重要的角色，國內太陽光電系統仍以矽晶太陽光電系統為主，在太陽光電系統發電性能中，太陽光電模組(PV. PY. Module)所受到溫度影響對於 PV 發電效率仍佔有相當大的比例。由於太陽光電轉換效率不高，多數太陽光子會被太陽光電晶片所無效吸收並轉換成熱能，但一般結晶矽 PV 模組溫度每升高 1℃卻會使 PV 模組整體效率約降. O. 0.45%±1%，故如何有效降低或利用 PV 模組溫度將是一項重要的課題。. 然而散熱設計一直是提升 PV 模組效率重要的一環，如改善 EVA 熱傳. C. 特性、背材熱傳特性、加裝散熱鰭片、強制通風等，[7]在台灣 PV 模組與熱水儲熱系統利用(Photovoltaic/Thermal)概念始於 2001 年台灣大學機械系教. T. 授黃秉鈞教授在 Solar Energy 發表文章提到整合 PV 模組與熱水儲熱系. O. 統，其系統架構可參考圖 1-3 之系統示意圖。此系統設計採用 45L 儲水槽及 0.516m2 之 PV/T 多晶矽模組所組成之系統，以溫差控制的方式記錄全天. N. 之水溫變化、儲熱量及日照量，量測結果顯示儲熱效率為 12~44%，PV 發電效率為 9%。此篇論文針對太陽光電系統發電效率研究僅呈現單一效率定. O. 值，但 PV 模組發電效率卻是隨著日照升高而增加，可見此文 PV 模組發電. D. 效率未被反應在此研究結果中，但在研究中可以發現 PV 模組與集熱之整合系統對於熱能的再應用有相當的幫助。. 6.

(23) PY. O. 圖1-3、太陽能光電及集熱整合系統[7]. 本研究內容與範圍將針對以下四大主題拓展延伸並深入研究：. C. 1. 設計開發 3 款新型太陽光電集熱複合型模組. 本研究檢索並閱讀國內外相關文獻，並自行提出三款不同新型. T. 高性能太陽光電集熱複合型模組設計方式，並成功將 PV 模組(單晶. PV/T 產品。. O. 矽、多晶矽)與集熱板(平板型式、超音波型式、Ω 型式)製作組合成. N. 2. 提出太陽光電集熱複合型模組標準化性能測試方法在國內熱水器已有一套標準化性能測試方法，但尚無太陽光電. O. 集熱複合型系統標準化性能測試方法(國外也沒有 PV/T 標準性能測. D. 試方法)，故本研究將研擬提出一套太陽光電集熱複合型系統標準化性能測試方法，並實際建置測試平台與測試並提出相關數據結果。. 3. 建立 TRNSYS 模型並與實測性能比較，以探討 TRNSYS 模型準確性本研究利用 TRNSYS 建立太陽光電集熱複合型系統動態模擬模型並與實驗量測數據進行驗證比對分析，以探討 TRNSYS 模擬模型之性能精確度。 7.

(24) 4. 研究探討太陽光電集熱複合型系統性能利用已開發之三款太陽光電集熱複合型模組，並挑出性能最佳之 Type-1 PV/T 模組設計並搭建 PV/T 熱水系統性能測試實驗平台，並提出採用太陽光電集熱複合型系統綜合效率做為 PV/T 整體系統. PY. 性能指標。另對多晶矽液態型 PV/T 系統在強制循環模式下其發電效率與儲熱性能實驗測試，且一並與一般型多晶矽系統比較在相同條件與氣象環境下，其發電效率測試。. O. 再則探討了 PV/T 初始水溫對系統性能之影響，並深入分析了系. C. 統發電效率和在系統電壓開路、電流短路時儲熱性能變化情況。. 1.4 文獻回顧. T. 早在 1978 年 Kern 和 Russel 已提出太陽光電集熱複合型系統的研究，. O. 而再 1980 年代初期麻省理工學院（ Massachusetts Institute of Technology,MIT）S.D. Hendrie 即對 PV/T 展開了各項結構方面設計研究工. N. 作，另於 1981 年 P. Raghuraman 在 PV/T 系統參數模擬模型方面進行深入的探討，後續 80 年代與 90 年代 J.J. Loferski(1988 年)、K. Sopianet(1996 年)、. O. H.P. Garg(1997 年)、Tonui(2006 年)等人分別對於太陽光電集熱複合氣冷式. D. 系統進行相關研究與應用開發，而在最早在太陽光電集熱複合水冷式系統之相關研究與應用開發為 90 年代的 Bhargava(1991 年)、J. Prakash(1994 年) 等人，爾後 90 年代末期開始 R. Platz(1997 年)、P. Affolter(2000 年)等人更. 著重於實證研究，並發表多篇實驗結果論文，2000 年之後 Y. Tripanagnosto、 H.A. Zondag 等人開始以新型模擬模型與實測試驗方式比對分析，並加入 PV/T 系統生命週期成本運算分析，在近十年來相關 PV/T 研究領域更是蓬 8.

(25) 勃發展，下表 1-3 整理 PV/T 相關文獻回顧之主要內容：表 1-3、PV/T 相關文獻整理表項. 出版日作者. 次. 題目. 出版單位. (西元). C. O. PY. Comparative study of the Energy performance of four Conversion 2000 A. A. Hegzy photocoltaic/thermal solar air and collectors Management 作者提出 4 種氣冷式 PV/T 結構，並建立其數學模型。其中，由實驗數據得知，Model Ⅰ能源綜合效率最高可達 46.4%，ModelⅡ能源綜合效率最高可達 51.5% ， ModelⅢ 能源綜合效率最高可達 55% ，ModelⅣ能源綜合效率最高可達 53.4% ，故作者認為 ModelⅢ為最佳設計結構。. N. O. T. 1. Performance evaluation of solar Solar Energy photovoltaic/Thermal systems 台灣大學機械系教授黃秉鈞教授在 Solar Energy 發表文章提到整合 PV 模組與熱水儲熱系統，其系統架構可參考圖 1-3 之系統示意圖。此系統設計採用 45L 儲水槽及 0.467×1.105 (m)之 PV/T 多晶矽模組所組成之系統，以溫差控制的方式記錄全天之水溫變化、儲熱量及日照量，量測結果顯示每日最大儲熱效率是 44.5%、系統最大總效率(電+熱)是 53.5%，PV 發電效率為 9%，另當在 PV/T 入口溫度與環境溫度相同時，其最大儲熱效率是 39%。 B.J. Huang. D. O. 2001. 2. 9.

(26) PY. 4. System studies on combined PV thermal panels 本研究探討倫敦附近一間學校宿舍利用 PV/T 系統對空調做預熱，經由模擬 PV/T 集熱器面積為 183m2，熱交換水桶容量為 150m3，空調輸出總流量為 3600m3/h，室內溫度則可維持 16℃~21℃，其中本 PV/T 系統發電效率可達 6.9%，熱效率為 27%。 M.J.M. Jong. O. T. 2001. C. O. 3. Use of TRNSYS for modelling and simulation of a hybrid Renewable 2001 Soteris A. Kalogirou PV-thermal solar system for Energy Cyprus (1).本研究對於混合式 PV/T 系統如何獲得最大儲熱量做探討，並提出 PV/T 系統最佳水流量設計值為 25 l/h。 (2).另作者探討年平均發電效率，其中一般標準 PV 系統年平均發電效率為 2.8%，但混合型 PV/T 系統設計在最佳水流量時，其年平均發電效率可達 7.7%。若考慮混合型 PV/T 系統總效率(發電+儲熱)可達 31.7%。. O. N. Proceedings of Economic analysis of hybrid the photovoltaic/thermal solar International 2001 S. Tselepis systems and comparison with Conference PV standard PV modules in Europe 7-11 October 本研究對於 PV/T 系統、一般型 PV 系統、太陽熱水系統進行投資回收年限分析，結果顯示一般型多晶矽 PV 系統比一般型非晶矽 PV 系統投資回收年限短，但投資回收年限均大於 20 年。在 PV/T 系統卻是非晶矽 PV/T 系統比多晶矽 PV/T 系統投資回收年限短，其原因為非晶矽 PV/T 系統輸出熱量大於多晶矽 PV/T 系統，但兩者回收年限均小於 10 年。另太陽熱水系統為此三種系統中投資回收年限最低，約僅不到 3 年。. D. 5. 6. 2002. Y. Tripanagnostopoulos. Hybrid photovoltaic/thermal solar system. 10. Solar Energy.

(27) O. PY. 作者對水冷式與氣冷式 PV/T 系統進行比對分析研究，於實驗結果顯示水冷式 PV/T 系統總效率高於氣冷式 PV/T 系統總效率，其中水冷式 PV/T 系統發電效率可達 13%，儲熱效率 60%。另該研究將漫反射鏡與 PV/T 系統結合，其發電效率可增加 3.2%，儲熱效率可提高約 12%。. H.A. Zondag. The yield of different combined PV-thermal collector designs. C. 2003. Solar Energy. O. T. (1).作者提出管板式 PV/T 在正面增加玻璃保溫上蓋板層數可增加系統的保溫與熱效率，但相對的發電效率也會因而減少。由實驗數據得知，PV/T 太陽電池背面管板水冷式系統中，當 PV/T 入口溫度與環境溫度相同時，且太陽日照強度 800W/m2、流量 76kg/m2h、風速 1m/s、設置傾斜角度 45º，兩層保溫上蓋板比無保溫上蓋板集熱效率高 10%，但發電效率將降低 23%。. D. O. N. 7. 8. 2006. T.T. Chow. Hybrid photovoltaic-thermosyphon water heating system for residential application. 11. Solar Energy.

(28) PY. 2006 年香港城市大學教授 T.T Chow 於 Solar Energy 發表採用自然對流設計之複合型太陽光電熱水系統每日平均儲熱效率約為 37.6~48.6% ， PV 發電效率為 10.3~12.3%。平均 PV 發電效率約低於標準測試條件下(STC)之 PV 發電效率 15~29%。. T. C. O. A sensitivity study of a hybrid photovoltaic/thermal Applied 2007 J.J. Lu water-heating system with Energy natural circulation (1).此研究製作 Thermo-siphon flat plate glazed 之 PV/T 系統，其中 PV/T 模組面積 17.6m2、PV Cell Covering factor：0.63、Front Glazing Transmissivity：0.83。作者對此其 PV/T 系統做測試，當流量為 157kg 時，發電效率最高可達 10.15%，儲熱效率最高為 48.73%，PV/T 系統綜合效率可達 58.88%。. O. N. O. 9. D. (2).另外作者也探討初始入口水溫與平均環境溫度對熱效率之影響，由下圖可明顯得到初始入口水溫若小於平均環境溫度則熱效率將會比較高。. 12.

(29) PY. C. O. Energy Performance of water hybrid PV/T collectors applied 2007 G. Fraisse Solar Energy to combisystems of direct solar 10 floor type 本研究探討 PV/T 系統全年發電效率與一般同型 PV 模組系統全年發電效率，其實驗結果 PV/T 系統全年發電效率(6.8%)低於一般同型 PV 模組系統全年發電效率 (9.4%)。太陽光電發電及集熱雙效系統實驗量測與模擬. 黃朝揚. 2011. 中國機械工程學會第二十八屆. O. N. O. T. 本篇 PV/T 採用 Sanyo HIT 單晶矽高性能 PV 模組(PV 模組效率為 16.2%，面積 0.812×1.443 (m))，並利用超音波焊接技術銜接銅管及銅板之集熱結構，再將集熱結構以高導熱黏合膠封裝於太陽光電板之背材上。此系統設計採用 120L 儲水槽 11 1.17m2 之 PV/T 模組所組成之系統(PV/T 模組設置方位為面南向，傾斜角為 10 度)，利用溫差控制方式控制直流泵浦，溫差大於 4℃時為啟動模式；當溫差低於 2℃時為停止模式，並記錄全天之水溫變化、儲熱量及日照量，量測結果顯示 PVT 系統之總效率為 38.3%，若換算成能源儲存效率可達 62%。另以同一天實驗 PV/T 模組累積發電量 0.935kWh 與一般 Sanyo HIT 單晶矽 PV 模組累積發電量 0.916kWh 比較，PV/T 模組發電量約較一般 PV 模組高出 2%。 2011. 郭中豐. D. 12. 太陽電熱複合系統運轉效能分析. 13. 中國機械工程學會第二十八屆.

(30) PY. 此研究利用 TRNSYS 模擬台灣各地區 PV/T 的運轉效能，台灣年輻射量最高的地區在台東，最低的地區在台北，並且台東是台北的 1.5 倍左右，因此東南部比北部在氣候上更有優勢發展太陽能。對於 PV/T 儲水槽上所儲存的熱量，儲熱量也是隨著年輻射量增加而升高，東部的儲熱量是北部的 1.7 倍左右，台灣各地區儲熱效率隨不同地區變化範圍較大，因此儲熱效率是影響總效率的主要因素。在台北、台中、高雄這 3 區，北中南的發電量和儲熱量皆與日照量有很高的線性關係，以節能效率來看，北部 PV/T 的運轉效能受到季節的影響較大，而中部影響最小。為了改善 PV/T 的運轉效能，同時調整水的質量和管道數目到最佳值時，可以大幅地提升 PV/T 的總運轉效率。. O. Experimental validation of an Renewable 2011 Z. Olymaip improved concept of building Energy integrated photovoltaic panels (1).文中實驗結果，垂直立面氣冷式 PV/T 模組(Gap150mm)，其電效率未超過 9%。 (2).此實驗使用兩種不一樣容量的風扇，不管使用大容量或小容量風扇，其 PV/T 模 13 組背溫並未有明顯下降。. T. C. (3).大容量風扇其流量較大，但輸出空氣的溫度略低於小容量風扇，大容量風扇其 PV/T 模組背溫下降幅度略大於小容量風扇，而效率提昇部份還有待研究。 (4)自然通風雖然流量低，但輸出空氣溫度高於使用風扇時的溫度，且效率部份略優於小容量風扇。. Solar Energy. N. (1).Single glazed flat plate photovoltaic-thermal hybrid module (2).A：0.57×1.1 (m) (3).Single crystalline PV module (4).Packing factor：0.67 (5).Testing method：EN12975 (module test). O. 14. Patrick Dupeyrat. O. 2011. Efficient single glazed flat plate photovoltaic-thermal hybrid collector for domestic hot water system. D. (6).The modular thermal efficiency at zero reduced temperature is 0.88 in open circuit mode. (7).The modular thermal efficiency at zero reduced temperature is 0.79 in MPPT mode.. 14.

(31) PY O. 1.5 研究方法與流程. 本論文研究方法將依據圖 1-4 規劃流程執行，首先進行相關資料檢索與. C. 文獻回顧，並歸納相關技術能量與研究方法後，擬定本研究之範圍與內容及目的，在來將針對本研究設定之目標提出三種新型 PV/T 模組設計方法，. T. 並利用 TRNSYS 軟體(參數因子包含：管排數量、管徑尺寸、管排型式、隔. O. 熱材料、封裝材料、水量、水溫...等)模擬輔助設計新型 PV/T 模組，後續綜合設計結果資料實際製作新型 PV/T 模組。完成新型 PV/T 模組開發製作後，. N. 將參考 IEC61215 與 ISO9806 標準測試方法提出並制定 PV/T 模組發電與儲熱之性能測試標準，並且架測標準性能測試平台做實際測試。其中，將選. O. 擇其中一款綜合效率最高之新型 PV/T 模組，依系統設計條件實際架設 PV/T 系統，並對其系統發電效率與儲熱性能做探討，再來利用 TRNSYS 建立 PV/T. D. 系統模型，請經由模擬數據與實測數據比對分析研究，最終將提出結論與成果。. 15.

(32) PY O C T O N O D 圖1-4、研究步驟流程圖. 16.

(33) 1.6 論文架構本論文研究太陽光電集熱複合型系統之各章節主要架構內容說明如下： 1. 第一章緒論. PY. 本章節將以研究背景、研究動機與目的、研究內容與範圍、文獻回顧、研究方法與流程、論文架構等依序撰寫。 2. 第二章理論與原理. O. 本章節就太陽光電系統、太陽光熱系統、太陽光電集熱複合型系統等三大主題分別介紹探討，其中每個主題將針對其原理、類型、. 3. 第三章系統模擬分析. C. 性能特性、產業與趨勢等一一闡述。. T. 本章節將介紹所使用之 TRNSYS 軟體，並介紹 TMY2 氣象資料. 統模型。. O. 之架構與如何使用，後續也會利用 TRNSYS 軟體實際建立 PV/T 系. N. 4. 第四章實驗設計與封裝. 本章節從一開始探討本實驗所開發之三款新型 PV/T 模組之設. O. 計概念與加工製作流程，也針對 PV/T 模組性能測試之方法、平台架. D. 構作介紹，並實際量測 PV/T 模組性能效率。. 5. 第五章實驗結果與分析本章節主要針對 PV/T 系統性能做模擬分析與實際量測，並比較. 探討兩者數據之差異，後續也介紹 PV/T 系統量測平台。 6. 第六章結論與未來展望本章節對本文作綜合結論，並提出未來展望。 17.

(34) 第二章理論與原理. 2.1 太陽光電系統太陽電池的發展，最早是 1954 年由貝爾實驗室製造，主要目的是提供. PY. 偏遠地區通訊的電力，不過效率低(6%)，成本高。在 1958 年美國發射的人造衛星更以太陽能電池(GaAs)做為能量的來源。1970 年中東戰爭，第一次石油危機出現，世界各國警覺到石化能源的獨佔性及有限性，因此積極開. O. 發太陽能源應用科技，以其利用太陽能源應用之技術減低對石化能源的依賴性。另美國於 1983 年在加州建立世界上最大的太陽能電廠，它的發電量. C. 可以高達 16 百萬瓦特。1990 年開始人們開始將太陽能與民生用電結合，且將太陽能與建築物設計整合在一起，直到 2000 年開始太陽能產業開始蓬勃. T. 發展，表 2-1 為 IEK 整理從 1970 年~至今之太陽光電發展演進歷史。. O. N. O. 表2-1、太陽光電結構發展演進歷史[8]. D. 2.1.1 太陽能電池原理太陽能電池是一種能量轉換的光電元件，它是經由太陽光照射後，把. 光的能量轉換成電能，這個現象稱之為光伏效應( photovoltaic effect )，此種光電元件稱為太陽能電池(Solar Cell)。光伏效應在 19 世紀即被發現，早期用來製造硒光電池，直到電晶體發明後半導體特性及相關技術才逐漸成. 18.

(35) 熟，使太陽光電池的製造變為可能。其基本構造是運用 P 型與 N 型半導體接合而成的(如圖 2-1)。從物理學的角度來看，有人稱之為光伏電池 (Photovoltaic，簡稱 PV)，其中的 photo 就是光(light)，而 voltaic 就是電力 (electricity)。簡單來說，太陽光電的發電原理是以 P 型與 N 型半導體材料. PY. 結合構成正負極介面(如圖 2-2-a)，再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 p-型半導體及 n-型半導體材料將矽原子中的電子激發出來，而產生電子和電洞的對流(如圖 2-2-b)，這些電子和電洞均會受到. O. 內建電場的影響，分別被 N 型(負極)及 P 型(正極)半導體吸引，而分別移動聚集在正負兩端(如圖 2-2-c)。此時外部如果用電極連接起來，即形成一個. C. 迴路，再經由導線傳輸至負載(如圖 2-2-d)。另太陽電池是利用吸收 0.4μm ～1.2μm 波長的太陽光(如圖 2-3)，並將光子直接轉變成電能輸出的一種發. O. 式中：. hc . ：普郎克常數(Planck Constant)；4.14x10-15 (eV· S). c. ：光速；3x108 (m/s). O. h. ：光子波長；(nm). D. λ. (2.1). N. Eph ( ) . T. 電方式，其中每個光子所攜帶的能量為 EPh；. 但不同製程材料之太陽能電池所吸收之光波段也有所不同，且並非所. 有光子都能順利轉換成電能，在符合能量不滅定律下，大多數照射在太陽能電池的光能會以熱能型式逸散掉而無法產生電能。隨著 PV 模組背溫的上. 升，伴隨而來的是：(1)太陽能電池的逆向飽和電流增加，使開路電壓下降 (2). 19.

(36) 太陽能電池吸收的能帶降低，電池的短路電流增加 (3)太陽能電池的效率下降。平均 PV 模組每上升 1℃則 PV 模組整體效率約降 0.45%，故如果能夠降低停滯在 PV 模組內的熱能，PV 模組整體的效率將可以在往上提昇，並且可以延長使用壽命。由於太陽電池產生的電是直流電，因此若需提供電. PY. 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. T. C. O. 電，才能供電至家庭用電或工業用電。. D. O. N. O. 圖2-1、太陽電池結構[9]. 圖2-2、太陽電池發電原理 20.

(37) PY. [10][11]. C. O. 圖2-3、不同太陽電池材料所能吸收太陽光譜波長範圍圖. 太陽能電池之所以能將光能轉換成電能主要有兩個因素：一是光. T. 導效應( photo conductive effect )，二是內部電場，因此在選取太陽能電池的材料時，必須要考慮到材料的光導效應及如何產生內部電場。太陽光照射. O. 在物質上時，部份的光會被物質吸收，部份的光則經由反射或穿透等方式. N. 離開物質，選取太陽光電池材料的第一考量就是吸光效果要很好，如此才能使輸出功率增加。選取太陽光電池材料的第二考量是光導效果，欲選取光導效果佳的材料首先必須瞭解太陽光的成分及其能量分佈狀況，進而找. O. 出適當的物質作為太陽光電池的材料。. D. 當電子從外界獲得能量時將會跳到較高的能階，獲得的能量越多跳的. 能階也越高，電子處在較高的能階時並不穩定，很快就會把獲得的能量釋放回到原來的能階。如果電子獲得的能量夠高就擺脫原子核的束縛成為自由電子，電子空出來的位置則稱為電洞。自由電子可能會因為摩擦或碰撞等因素損失能量，最後受到電洞的吸引而復合。例如，矽的最外層電子要成為自由電子需要吸收1.1ev的能量，當矽最外層子吸收到的光能量超過 21.

(38) 1.1ev時將會產生自由電子及電洞，稱之為光生電子電洞對( light-generated electron-hole pairs )。電子電洞對的數目越多導電的效果也越好，因為光使得導電效果變好的現象稱之為光導效應( photo conductive effect )。自由電子與電洞的多寡對電氣特性有很大的影響，越多的自由電子與. PY. 電洞可以使導電性增加，同時也可以使輸出電流增加，因此可以推測陽光越強時生成的自由電子與電洞越多，則輸出電流也越大。然而如果只是單純的產生自由電子與電洞，將會因為摩擦及碰撞等因素失去能量，最後自. O. 由電子會與電洞復合而無法利用。為更有效的利用由電子與電洞來產生電流，因此必須加入電場使自由電子與電洞分離進而產生電流。產生電場的. C. 方式很多如PN接面、金屬半導體接面等，其中最常用的方式為PN接面。提高自由電子濃度常用的方法是在矽中加入少量的五價原子，五價原. T. 子的四個價電子與矽鍵結後剩下一個價電子，使剩下的價電子游離只需要. O. 0.05ev，比原來的1.1ev小很多，在室溫超過200度k時即可使所有雜質產生自由電子，同樣在矽中加入少量的三價原子可以提高電洞濃度。所以在矽中. N. 加入五價原子後稱之為N型半導體，加入三價原子後稱之為P型半導體。N 型半導體及P型半導體雖然帶有自由電子或電洞但本身仍然保持電中性，如. O. 果N型半導體及P型半導體內雜質濃度均勻分佈則內部沒有電場存在。. D. 如圖2-4所示，若將N型半導體及P型半導體接和在一起，會因為兩邊自. 由電子與電洞的濃度不同產生擴散。N型半導體中自由電子濃度較高，因此. 自由電子由N型半體向P型半導體擴散，同樣的電洞會由P型半導體向N型半. 導體擴散。擴散的結果使得接面附近的N型半導體失去電子得到電洞而帶正電，P型半導體失去洞得到電子而帶負電。因為電荷密度不均因此在接面附近產生電場，如果有自由電子或電洞在電場內產生，則會因為受到電場的 22.

(39) 作用而移動，自由電子向N型半導體移動，而電洞向P型半導體移動，因此這個區域缺乏自由電子或電洞而稱之為空乏區。當光照射在空乏區內將矽原子的電子激發產生光生電子與電洞對，電子與電洞對會因為電場作用而使電池內的電荷往兩端集中，此時只要外加電路將兩端連接即可利用電池. C. O. PY. 內的電力，這即是所謂的光電效應，也是太陽光電池的轉換原理。. O. 2.1.2 太陽能電池種類. T. 圖2-4、P-N接面太陽電池內部電荷分布圖[11]. 太陽電池的材料種類非常的多，大致分為晶矽型、化合物型、有機材. N. 料型太陽能電池等三種(如圖 2-5 所示)，其中晶矽型太陽電池又可分為單晶矽 (Monocrystalline silicon) 、多晶矽 (Polycrystalline silicon) 、非晶矽. O. (Amorphous silicon)、微晶矽(Microcrystalline silicon)等。而在化合物型方面. D. 則包含Ⅲ-Ⅴ族材料的砷化鎵(GaAs)、Ⅱ-Ⅵ族的碲化鎘(CsTe)、Ⅰ-Ⅲ-Ⅴ族的銅銦鎵硒(CIGS)...等。最後一總類型為有機材料(Organic material)太陽能電池，其主要是以染料敏化太陽電池(Dye-sensitized solar cell,DSSC)以及聚合物(Polymers)為主。另太陽電池不同世代的演進分別為： 1. 第一代太陽能電池發展最長久技術也最成熟。可分為，單晶矽 (Monocrystalline Silicon)、多晶矽(Polycrystalline Silicon)、非晶矽 23.

(40) (Amorphous Silicon)。以應用來說是以前兩者單晶矽與多晶矽為大宗。 2. 第二代薄膜太陽能電池以薄膜製程來製造電池。種類可分為多晶矽 (Polycrystalline Silicon) 、非晶矽 (Amorphous Silicon) 、碲化鎘. PY. (Cadmium Telluride CdTe) 、銅銦硒化物 (Copper Indium Selenide CIS)、銅銦鎵硒化物(Copper Indium Gallium Selenide CIGS)、砷化鎵 (Gallium arsenide GaAs)。. O. 3. 第三代電池與前代電池最大的不同是製程中導入有機物和奈米科技。種類有光化學太陽能電池、染料光敏化太陽能電池、高分子太. C. 陽能電池、奈米結晶太陽能電池。. D. O. N. O. T. 4. 第四代則是針對電池吸收光的薄膜做出多層結構。. 圖2-5、各種太陽電池材料分類圖. 另外 PV 模組也一太陽電池總類而有所差異，其分類如圖 2-6 所示，分 24.

(41) O. PY. 別為結晶矽結構、薄膜型製程、有機材料製程、高聚光型結構等。. C. 圖2-6、太陽光電模組總類[8]. 圖 2-7 為 NREL 所統計的各種太陽電池材料效率演進圖，屬三五族的. T. 多接面太陽電池效率最高，目前實驗室所展示的最高電池效率已可達 43%. O. 以上，但此類型電池昂貴，多用在太空衛星的用途，另需同步開發聚光與冷卻技術。目前實驗室所展示的矽晶電池技術，最高電池效率可推昇至. N. ~24%，但低成本的量產技術還在研發當中。CIGS 薄膜電池技術，最高電池效率可推昇至~18%，但量產設備與製造技術還未定論，投資成本高、材. O. 料昂貴、污染控制..等問題是量產的重要課題。CdTe 薄膜電池技術，最高電池效率可推昇至~16%，但鎘(Cd)具有環保問題，歐盟列為管制品，量產. D. 所遇到的問題與 CIGS 薄膜電池相似。矽薄膜太陽電池，a-Si 已是接近成熟. 的技術，也有 20 多年的量產經驗，單純 a-Si 薄膜太陽電池最高效率可提昇. 至~9%，而 a-Si/uc-Si 的堆疊式電池最高效率可提昇至~14%，已有日商 MHI、Sharp、Kaneka 宣稱要在近期內量產，但穩定可用的製造設備是最大的挑戰，整體製程用到 CVD&PVD 真空設備，投資成本是矽晶圓的數以倍. 25.

(42) 計。染料敏化電池最高效率可提昇至~10%，高分子電池最高效率可提昇至. T. C. O. PY. ~4%，需克服的問題繁雜，研發時程長，屬於下一世代的電池技術。. N. O. 圖2-7、各種太陽電池材料效率演進圖[12]. 2.1.3 太陽能電池電氣特性 1. p-n 接面二極體電流-電壓特性. O. 太陽能電池的光電轉換是應用 p-n 接面之光伏效應( photovoltaic. D. effect )原理所產生。近一步可由圖 2-8 了解一個 p-n 接面二極體之電. 流-電壓(I-V)特性曲線圖，其關係可用下列(2.2)方程式表示：. (2.2) 式中： 26.

(43) Ipn. ：p-n 接面二極體之電流；電流的方向是定義在元件內從 p 型流. 向 n 型；(A) Vpn ：p-n 接面二極體之電壓；電壓的正負值則是定義為 p 型端電壓減去 n 型端電壓；(V) ：等效二極體之逆向飽和電流(saturation current)；(A). n. ：介電常數. KB. ：波茲曼常數(Boltzmann Constant)；1.38x10-23 (J/°K). q. ：電子電荷量；1.602x10-19 (庫倫). T. ：絕對溫度；(°K)，在室溫下 qV/KBT=0.026. VT. ：熱電壓(Thermal Voltage)；25.68 (mV). O. N. O. T. C. O. PY. IS. D. 圖2-8、p-n接面二極體電流-電壓(I-V)特性曲線圖. 2. 太陽能電池等效模型如圖 2-9 所示為太陽能電池的電流-電壓(I-V)特性曲線，其照光產生的光電流為負向電流，所以太陽電池的電流-電壓關係就是理想二極體加上一個負向的光電流 IL。另圖 2-9 中的最適動作點即為可. 27.

(44) 獲得最大供電量之動作點，該時點的最大供電 Pm 即為 Ipm 與 Vpm 相乘所得，但太陽電池實際運轉供電時，會受到其負荷及照射等條件影響，因此實際動作點可能會偏離最適動作點。於基準狀態時，圖中所示之點各自擁有以下之意義。. PY. (1) 最大功率點(Pm)：(Vpm) x (Ipm) (2) 開放電壓(Voc,Open-Circuit Voltage)：當太陽能電池開路時，也就是負載為無限大，此時迴路上的電流 I＝0，太陽能電池兩端的輸. O. 出電壓即為開路電壓。. (3) 短路電流(Isc,Short-Circuit Current)：當太陽能電池的負載為零時. C. 所輸出的電流，也就是輸出電壓 V＝0 時所對應的電流。 (4) 最大功率點電壓(Vmp)：供電最大時之電壓. O. N. O. T. (5) 最大功率點電流(Imp)：供電最大時之電流. D. 圖2-9、太陽能電池的電流-電壓(I-V)特性曲線圖. 一般理想太陽能電池等效電路如下圖 2-10 所示，其可視為一個. 光電流源與二極體併聯，在太陽能電池理想狀態下，電流-電壓關係可用下列(2.3)方程式表示：. 28.

(45) (2.3). ：代表 PV 之電流；(A). ISC. ：短路電流(short-circuit current)；(A). Id. ：二極體之電流；(A). C. O. Ipv. PY. 式中：. O. T. 圖2-10、理想太陽能電池等效電路圖[13]. N. 在實際太陽能電池等效電路如下圖 2-11 所示，其可視為一組光電流源與二極體及一個並聯電組 RSh 相互併聯後，在串聯一個電阻 RS，其中 RS 為太陽能電池在上、下表面所引出之電極網並呈歐姆性. O. 接觸電阻，在高日照強度下，由於電流絕大部分由 RS 通過，所以對. D. 太陽能電池效率有很大的影響。其電流-電壓關係可用下列(2.4)方程式表示： (2.4). 式中： RSh ：太陽能電池內部材料因呈現接面不完全之等效並聯電組；(A) 29.

(46) PY. Vpv ：代表 PV 之電壓；(V). O. 圖2-11、實際太陽能電池等效電路圖[13]. 另外在圖 2-11 中，流經二極體的電流 Id 可用下列(2.5)方程式表示[14]：   Vpv  Id  n I exp Ko(  IpvRs )  1   ns     . C.   p s  . (2.5). T. 式中：：元件併聯各數. ns. ：元件串聯各數. Ko. ：常數係數. N. O. np. O. 其中逆向飽和電流 IS，同時也是溫度函數，其可用下列(2.6)方程式表. D. 示[14]：. (2.6) 式中：. Isr. ：太陽能電池在溫度 Tr 時之逆向飽和電流；(A). Tr. ：太陽能電池參考溫度；(°K). 30.

(47) Egap ：半導體材料躍遷能隙所需能量；(J). 再則短路電流ISC隨著日照強度和大氣溫度的變化而改變，其可用下列(2.7)方程式表示[14]：. PY. (2.7). 式中：. O. Iscr ：太陽能電池工作在參考溫度和日照強度 1000W/m2 條件下，所量測到的短路電流；(A). ：太陽能電池短路電流的溫度係數；(mA/℃). Si. ：太陽日照強度；(W/m2). T. C. Ki. N. 式表示[14]：. O. 經由以上各關係式可求的太陽能電池輸出功率 P 可用下列(2.8)方程. O. (2.8). D. 3. 太陽能電池性能曲線探討影響太陽能電池輸出性能曲線之原因有日照強度（Irradiance；. W/m2）、環境溫度、風速、光源波長與受遮蔭程度等。當太陽能電池於相同溫度但不同日照強度下之模擬特性曲線如圖 2-12(a)(b)所. 示，其輸出電流變化會隨日照強度上升而上升，但輸出電壓僅微幅波動。另外，太陽能電池於相同日照強度但不同溫度下之模擬特性. 31.

(48) 曲線如圖 2-12(c)(d)所示，其輸出電壓變化會隨溫度升高而下降，但輸出電流僅微幅波動。另外因輸出電壓受溫度變化之斜率大於輸出電流受溫度變化，因此在設計 PV 系統時，須考量上述特性並使系統組列(串列)輸出電壓工作在電力調節器之最大功率追蹤電壓(MPPT). PY. 範圍內，以得到較佳之系統效率。在則，由上關係可知 PV 模組輸出. O. N. O. T. C. O. 功率是會隨著溫度升高而下降。. D. 圖2-12、太陽能電池受溫度與日照強度影響之模擬性能特性曲線圖. 2.1.4 太陽光電系統介紹就太陽光電(PV)系統的應用依據全球統計主要可區分為四大類，分別. 為商用屋頂型、地面電廠型、住宅應用型、分散式電源型等，其佔有比例以商用屋頂型最多約為 52%(詳如圖 2-13 所示)。 32.

(49) PY. O. 圖2-13、太陽光電系統主流應用[8]. C. PV 系統主要構成項目以併聯型系統舉例，分別有 PV 模組組列、PV 模組支撐構架、直流接線箱(內含端子台、串列隔離開關、阻絕二極體、直流. T. 離斷開關、突波吸收器、接地設備、監測設備、系統連結保護裝置… 等)、. O. 電力調節器(變流器)、交流開關箱(內含端子台、交流斷路器、突波吸收器、接地設備、監測設備、系統連結保護裝置… 等)等組成(詳如圖 2-14 所示)，. N. 由於太陽電池之供電為直流電，因此必須透過電力調節器轉換後，方能與. D. O. 電力公司之供電合併使用。. 圖2-14、PV系統主要構成單線圖. 33.

(50) [15]. PV 系統，可依該系統組成及電力負載之種類等分類。大致區分如圖. 2-15。首先，可大致分為併聯型與獨立型。接著可再依電力負載型態(直流、交流)及是否有蓄電池等作更進一步的分類。建構、導入 PV 系統時可依用. 併聯型. 有逆送電. 有蓄電池：因應緊急狀況型無蓄電池：一般住宅、建築用. 無逆送電. PY. 途做適當的選擇。以下將以較具代表性的系統型態作簡介：. 有蓄電池：因應緊急狀況型、大量需求之家庭用電型. 專用電力. 直流. 負載. 有蓄電池：路燈、交通號誌、無線基台電源無蓄電池：DC 水幫浦、換氣扇、充電器. 交流. 有蓄電池：照明系統(電燈). C. 獨立型. O. 無蓄電池：大量需求之家庭用電型. 無蓄電池：AC 水幫浦一般用電力. 直流. 無蓄電池：無實例. 有蓄電池：村落型電力設備(大規模). O. 交流. T. 負載. 有蓄電池：村落型電力設備(小規模). 無蓄電池：無實例. N. 圖2-15、太陽光發電系統分類範例[15]. O. 1. 併聯型 PV 系統. D. 此系統可分為有逆送電與無逆送電兩種(如圖 2-16、2-17)。逆送. 電系統又稱雙相系統，因 PV 系統的供電量會受到天氣左右，然而因為住宅等地方需要使用較穩定的電力，因此必須和電力公司的電力系統連結併聯，並於 PV 系統的供電量若不足以讓該區域使用時，則將會由電力公司的配電線路流入以彌補不足的電力，相反的 PV 系統. 如有剩餘的電量則可透過配電線路逆送並賣回給電力公司。目前幾 34.

(51) 乎所有的住宅用 PV 系統皆為此逆送電系統。此外，亦有一種系統是搭載蓄電池可於停電等情況以提供緊急用(廣播設備、緊急用照明等) 電力。無逆送電系統通常使用於區域內所需電力比 PV 系統所提供的. PY. 電力大，而無法產生逆送電的情況。由於該系統被認定為無法透過配電線路逆送電力回電力公司，因此為了防止會有部分逆送的電流產生，因此設有機制控制只要有任何一點電流通過，PV 系統就會減. O. 少或停止運作。. 此外，由於 PV 系統所連接的電力系統電壓必須根據「屋內、外. C. 線路裝置規則」區分，並據此訂定保護裝置設置、併聯等條件規定，尚需視”接電處”的電壓是為「低壓併聯」或「高壓併聯」等進行更進. N. O. T. 一步的分類。. D. O. 圖2-16、有逆送電併聯型PV系統. 圖2-17、無逆送電併聯型PV系統. 2. 獨立型 PV 系統. 35.

(52) 此系統並沒有與電力公司配電線路併聯。一般來說其構造如圖 2-18。該系統通常用於電力限制小於 PV 系統發電量的情況，或者當晚間、下雨天等無法期待可透過 PV 系統發電時，即必須另外連接蓄電池以補充電力。此系統大多使用於偏遠的山區或離島等地。亦可. PY. 使用於各類情況如小型電子計算機等未滿 1W 電力，甚至是道路資. O. 訊看板等數十 W 到數十 kW 的系統。. C. 圖2-18、獨立型PV系統. T. 3. 混合型 PV 系統. O. 一般來說其構造如圖2-19，由多種發電設備所組成之混合系統。這些電源可能包含光電、風力、微型水力發電機、引擎驅動發電機. N. 及其他電源，但不包括發電暨配電網路。能源儲存子系統，如蓄電池，不構成本定義所指之發電設備。其特點為利用地區性PV發電與. O. 風力發電時段互補之特性，可減少太陽電池組列、蓄電池設置容量. D. 之投資。. 圖2-19、混合型PV系統. 36.

(53) 4. 防災型 PV 系統一般來說其構造如圖2-20，其具緊急防災功能的太陽光電發電系統。當電力系統正常時輸出電力直接饋入電力系統並能對蓄電池充電；電力系統異常時，太陽光電組列之輸出電力可對蓄電池充電並. O. PY. 提供緊急負載使用。. 另外談到PV系統性能評估方式，當太陽光電發電系統完工運轉後，. T. [16]. C. 圖2-20、防災型PV系統. O. 可分為以下四種性能指標來評估系統的長期運轉性能： 1. 日平均發電量 (Daily Mean Yield，DMY). N. 日平均發電量為 PV 系統一段評估期間的發電量除以該段期間的天數，再除以該系統的額定容量，即每 kWp 每日平均發電量，單. O. 位為 kWh /d /kWp。其可用下列(2.9)方程式表示：. D. DMY . Eout day Po. (2.9). 式中：. Eout ：評估期間的發電量；(kWh) P0. ：系統額定功率；(kWp). day ：評估期間之天數. 37.

(54) 2. 性能比(Performance Ratio，PR) 性能比乃代表 PV 系統的真實性能接近理想性能之程度的指標，基本上與 PV 系統之所在位置、傾斜角、方位角、額定容量無關，允許跨系統間的性能比較。PR 值的高低與 PV 系統之真實容量(PV. PY. 模組實測功率)、組列(PV 模組)遮蔭、PV 模組表面灰塵、PV 模組溫度系統損失、線損、電烈調節器效率、電力調節器最大功率點追蹤能力、系統設計、元件匹配設計、天候等有關。因此為評估 PV 系統. O. 發電性能的重要指標。針對併聯型系統，其可用下列(2.10)方程式表示：. Eout / P0 H I / G0. (2.10). T. 式中：. C. PR . ：期間日射量；(kWh/m2). G0. ：標準日照強度；(1000W/m2). N. O. HI. 3. 系統效率 (System Efficiency，ηtot). O. 系統效率用來評估整體 PV 系統的轉換效率，等於組列效率乘以. 系統性能比，越高的性能比，系統轉換能量損失越少，系統效率即. D. 越高。針對併聯型系統，其可用下列(2.11)方程式表示：.  tot  . Eout H I  Aa Po  PR G0  Aa. (2.11). 式中： 38.