太陽光電板支撐結構系統耐風性能
研究
（科技部 GRB 編號） PG10802-0153
太陽光電板支撐結構系統耐風性能
研究
研 究 人 員 ： 李鎮宏 研究員兼主任
研 究 期 程 ：
中華民國 108 年 2 月至 108 年 12 月
Architecture and Building Research Institute,
Ministry of the Interior
Final Report
Wind Resistance Performance of Solar
Panels with Frame Structures
By
目 次
表次
………Ⅲ圖次
………Ⅴ摘要
………Ⅷ第一章 緒論
………1 第一節 研究緣起………1 第二節 政策依據與方向………4 第三節 文獻回顧………11 第四節 研究目的與方法………14第二章 實尺寸太陽光電板耐風試驗規劃
………17 第一節 前言………17 第二節 風場與振動量測規劃………19 第三節 距置型屋頂光電板配置………25第三章 距置型單跨 4M 風向 I 耐風測試
………37 目次第四章 距置型單跨 6M 風向 I 耐風測試
………59 第一節 陣風風速………59 第二節 面板風壓………65 第三節 構件振動………71 第四節 小結………74第五章 距置型單跨 6M 風向Ⅱ耐風測試
………77 第一節 陣風風速………77 第二節 面板風壓………83 第三節 構件振動………89 第四節 小結………92第六章 結論與建議
………93 第一節 結論………93 第二節 建議………94附錄一 期中審查意見答復表
………95附錄二 期末審查意見答復表
………97參考書目
………99表次
表 2-1 屋頂太陽能光電設置的種類 17 表 2-2 標準風壓 20 表 2-3 量測器數量及配置 23 表 2-4 構架尺寸 26 表 3-1 造風機變頻器與轉速對照表 37 表 3-2 最大陣風值平均 (m/s2 ) 39 表 3-3 最大陣風值平均 (m/s2 ) 40 表 3-4 加速計靈敏度(mV/g) 41 表 3-5 變頻器轉速控制 41 表 3-6 各部位尖峰加速度與基本振頻(8Hz) 46 表 3-7 各部位尖峰加速度與基本振頻(18Hz) 51 表 3-8 各部位尖峰加速度與基本振頻(30Hz) 55 表 4-1 不同風扇轉速下之陣風風速 59 表 4-2 風扇變頻轉速為30Hz 下極值風壓 65 表 4-3 實驗風力係數計算 70 表 4-4 尖峰加速度 71 表 4-5 變頻轉速 30 Hz 下各部位尖峰加速度 75 表 5-1 不同風扇轉速下之陣風風速 77 表 5-2 風扇變頻轉速為30Hz 下極值風壓 83 圖次圖次
圖 1-1 太陽光電申請流程 4 圖 2-1 量測位置 20 圖 2-2 造風設備 21 圖 2-3 安裝風速計骨架 21 圖 2-4 風速計 21 圖 2-5 風速校驗配置 22 圖 2-6 加速計 22 圖 2-7 Labview 量測程式 23 圖 2-8 NI 模組 23 圖 2-9 加速度計分布 24 圖 2-10 實驗試體現場圖 26 圖 2-11 支撐構架 27 圖 2-12 加速計佈設位置 31 圖 2-13 風速計佈設位置 32 圖 2-14 實驗試體現場(風向 I) 33 圖 2-15 加速計佈設位置 34 圖 2-16 面板雙面風壓佈設位置 35 圖 2-17 實驗試體現場圖(風向Ⅱ) 35 圖 2-18 加速度計、風速計配置平面示意圖 36 圖次圖 3-5 Wind_V3 風速歷時(8 Hz) 43 圖 3-6 Wind_V4 風速歷時(8 Hz) 43 圖 3-7 加速度歷時結果(8 Hz) 45 圖 3-8 Wind_V1 風速歷時(18 Hz) 47 圖 3-9 Wind_V2 風速歷時(18 Hz) 47 圖 3-10 Wind_V3 風速歷時(18 Hz) 48 圖 3-11 Wind_V4 風速歷時(18 Hz) 48 圖 3-12 加速度歷時(18 Hz) 50 圖 3-13 Wind_V1 風速歷時(30 Hz) 52 圖 3-14 Wind_V2 風速歷時(30 Hz) 52 圖 3-15 Wind_V3 風速歷時(30 Hz) 53 圖 3-16 Wind_V4 風速歷時(30 Hz) 53 圖 3-17 加速度歷時(30 Hz) 55 圖 3-18 不同風速下橫梁垂直向尖峰加速度 57 圖 3-19 不同風速下光電板垂直向尖峰加速度 57 圖 4-1 風扇變頻轉速 8 Hz 之風速歷時 60 圖 4-2 風扇變頻轉速 18 Hz 之風速歷時 61 圖 4-3 風扇變頻轉速 19.3 Hz 之風速歷時 60 圖 4-4 風扇變頻轉速 20.6 Hz 之風速歷時 62 圖 4-5 風扇變頻轉速 22 Hz 之風速歷時 62 圖 4-6 風扇變頻轉速 23.3 Hz 之風速歷時 63 圖 4-7 風扇變頻轉速 24.6 Hz 之風速歷時 63 圖 4-8 風扇變頻轉速 28 Hz 之風速歷時 64 圖 4-9 風扇變頻轉速 29.3 Hz 之風速歷時 64
圖 4-10 風扇變頻轉速 30 Hz 之風速歷時 65 圖 4-11 風壓歷時 70 圖 4-12 加速度歷時 73 圖 4-13 前方高端處最大陣風風速與量測位置 74 圖 4-14 後方處最大陣風風速與量測位置 75 圖 5-1 風扇變頻轉速 8 Hz 之風速歷時 78 圖 5-2 風扇變頻轉速 18 Hz 之風速歷時 79 圖 5-3 風扇變頻轉速 19.3 Hz 之風速歷時 79 圖 5-4 風扇變頻轉速 20.6 Hz 之風速歷時 80 圖 5-5 風扇變頻轉速 22 Hz 之風速歷時 80 圖 5-6 風扇變頻轉速 23.3 Hz 之風速歷時 81 圖 5-7 風扇變頻轉速 24.6 Hz 之風速歷時 81 圖 5-8 風扇變頻轉速 28 Hz 之風速歷時 82 圖 5-9 風扇變頻轉速 29.3 Hz 之風速歷時 82 圖 5-10 風扇變頻轉速 30 Hz 之風速歷時 83 圖 5-11 風壓歷時 88 圖 5-12 加速度歷時 91
摘要
關鍵字：太陽光電板、耐風測試、振動量測 在 108 年經濟部標準檢驗局「再生能源投(融)資第三方檢測驗 證中心計畫」[1]中，推動太陽光電系統第三方檢測驗證，對於國 內推動太陽光電系統建置可確保系統長期運轉可靠度，以目前國 內推動太陽光電系統現況，金融業看好太陽光電長期投資效益穩 定。惟台灣地處多颱風、地震區，從 104 年蘇迪勒颱風到 105 年 尼伯特颱風侵襲台灣，造成許多太陽光電系統損壞，常見破壞包 括基礎拉力不足、螺栓鎖固力不足、支架結構強度不足等，對於 太陽光電系統結構安全逐漸受到重視，如不能防患於未然，不僅 影響投資意願且對現階段推動太陽光電設置影響甚大。目前光電 板生產廠商多以研發集電模組為主，支撐構架與接合安裝多由系 統廠商進行，光電業者難以掌控施作品質，對於後期的維護運作 的成本難以有效估算。 因此，如能針對實尺寸光電板及支撐系統進行耐風性能測試， 提出標準實驗流程，協助光電廠商確認該光電模組之構架與接合 系統之耐風性能，以確保整體太陽光電板於強風侵襲下之系統完 整性。後續將依 CNS 14280「帷幕牆及其附屬門、窗物理性能試 驗總則」第 4.4 項所述:動態水密性能試驗可檢測瞬間強風、陣雨 對牆面所產生之效應，採用戶外大型風機，藉由系統性的實驗與 測試，進行實尺寸之光電板及支撐系統耐風測試，包含建立實尺 寸光電板支撐結構系統耐風測試流程及關鍵構件振動行為量測分 析等。第一章 緒論
第一章
緒論
第一節 研究緣起
非核家園目標不僅僅是降低傳統發電系統的使用比例，也間接降低二 氧化碳的排放及減少PM2.5對於環境及人體的危害。因此，行政院於民國 105年9月8日核定「太陽光電2年推動計畫」，規劃2025年再生能源發電 佔比為20%，其中太陽光電2025年規劃設置目標量為20GW，預估年發電 量250億度電。截至民國106年6月底達成1,520MW，預期至108年底推動 設置目標量達3,158MW，來擴大太陽光電系統設置容量，國內投(融)資更 將投入1.2兆推動系統建置，系統後續營運長期穩定運轉將是很重要的關 鍵。 在 108 年經濟部標準檢驗局「再生能源投(融)資第三方檢測驗證中心計 畫」[1]中，推動太陽光電系統第三方檢測驗證，對於國內推動太陽光電 系統建置可確保系統長期運轉可靠度，以目前國內推動太陽光電系統現 況，金融業看好太陽光電長期投資效益穩定。惟台灣地處多颱風、地震 區，從 104 年蘇迪勒颱風到 105 年尼伯特颱風侵襲台灣，造成許多太陽 光電系統損壞，常見破壞包括基礎拉力不足、螺栓鎖固力不足、支架結 構強度不足等，對於太陽光電系統結構安全逐漸受到重視，如不能防患 於未然，不僅影響投資意願且對現階段推動太陽光電設置影響甚大。該記手續，IPP(獨立電場)建置完成。 申請程序詳如下圖 1-1 所示。太陽 光電申請流程包含併聯審查、同意備案、 簽約與併聯試運轉、設備登記 等 5 大步驟。至於免申請雜項執照之範疇，應以中央主管機關及地方縣 市政府所頒訂之法令為依據。
圖 1-1 太陽光電申請流程 資料來源:經濟部能源局
第二節 政策依據與方向
目前國內有關太陽能光電板設施設置，係以經濟部標準檢驗局 108 年 「再生能源投(融)資第三方檢測驗證中心計畫」為主軸分年進行。對於太 陽光電中長期推動來說，系統結構安全及系統長期穩定發電是金融保險 業所關係的重點項目也是該計畫急於推動的方向，建立可信可靠的太陽 光電系統檢測認驗證能量可協助投融資降低投資風險，並以專案管理方 式定期追蹤系統運轉的穩定性。 建置太陽光電系統檢測認驗證能量計畫目標，分述如下：(1)建立國內 太陽光電系統結構耐風設計標準；(2)建立國內太陽光電系統結構審查機第一章 緒論 資風險評估機制；(5)建立太陽光電系統專案管理架構平台；(6)立太陽光 電系統分級評價機制；(7)完成一件太陽光電系統檢測認驗證示範案例。 其分項目標與執行策略說明如下 分項目標 細部計畫名稱 執行策略說明(請依細部、子 項計畫逐層說明) 太陽光電系統檢測認 驗證能量建置 檢驗技術與專案 管理平臺 專案管理係針對投融資需求 建置的管理平臺，專案內容包 括 系 統 須 符 合 國 內 相 關 併 聯、躉購售電及設備認定等相 關文件，系統元件相關測試報 告、出廠證明及保固合約確 認、竣工查驗系統檢測文件、 系統發電監測資料與發電定 期統計資料等，透過專案管理 平臺可針對投融資的專案電 廠長期的監督管理，確保融資 資金無法回收之風險。專案評 價主要以完工運轉之系統進 行系統分級評價，主要分為幾 個部分系統性能指標、設備性 能指標及專案經濟性指標。設 備性能指標包括模組效率、模 組功率衰退情形、變流器效 率、變流器故障頻率等，系統 效 能 指 標 包 括 系 統 能 效 比 (PR)、系統功率比(RA)、年發 電量(DMY)等，經濟性指標包 括度電成本(LCOE)、內部收
價，對於系統安全需定期提供 系統維運檢查資料包括串列 絕緣電阻檢測、變流器故障統 計、元件更換時間紀錄等確保 系統維運的可信賴性。 結構標準與檢測 認證機制 國內太陽光電系統有一套建 置申請流程包括設備認定與 查核、電網併聯技術要點、結 構免請領雜照標準等，對於大 型電廠也有電業相關規定，以 專案系統來說，系統安全與長 期穩定運轉則是目前相對重 要的工作重點。本項目針對金 融銀行業關注的結構安全問 題投入太陽光電系統結構耐 風設計標準推廣與建立第三 方結構審查機制，降低投融資 建置太陽光電電 廠測試試驗室與 檢驗機構認證制 度 依據「太陽光電電廠測試試驗 室與檢驗機構認證制度報告」 建置認證流程評鑑方案、評鑑 計畫與評鑑技巧，並建置申 請、審查、評鑑及認證決定相 關技術程序與紀錄。透過開放 說明會之模式說明開放認證 申請之認證方案權利與義務 條款，認證資格要求，認證流 程與認證範圍之表示等 其中針對結構標準與檢測認證機制與建置太陽光電電廠測試試驗室與 檢驗機構認證制度的執行方法說明如下: 【結構標準與檢測認證機制】 國內太陽光電系統有一套建置申請流程包括設備認定與查核、電網併 聯技術要點、結構免請領雜照標準等，對於大型電廠也有電業相關規定， 以專案系統來說，系統安全與長期穩定運轉則是目前相對重要的工作重
第一章 緒論 點。本項目針對金融銀行業關注的結構安全問題投入太陽光電系統結構 耐風設計標準推廣與建立第三方結構審查機制，降低投融資投資太陽光 電電廠之風險。結構耐風設計牽涉到制度的制定，將透過本所頒訂之建 築物耐風設計規範及土木、結構技師公會的合作，協助耐風設計標準推 廣與應用。國內太陽光電系統過去推動補助系統於竣工時皆需要進行竣 工查驗確保系統與申請時之設計契約相同，主要查驗項目包括以下內容。 檢查項目 內容 基本檢查 承包廠商是否已提供太陽光電發電系統竣工報告書 承包廠商是否已提供太陽光電發電系統竣工前安裝 廠商自行檢查 承包廠商是否已提供操作手冊 承包廠商是否已提供使用說明手冊 承包廠商是否已完成教育訓練 太陽光電組列有無遮蔭（早上9點至下午3點無遮蔭） 檢視系統發電量紀錄：累積發電天數，累積日平均發 電量 太陽光電組列 竣工檢查 太陽光電系統設置地址場所是否與合約書之設置地 址場所 太陽光電模組是否通過驗證規範與合約書要求相符 太陽光電模組出廠資料表序號與太陽光電模組序號 是否相符 太陽光電系統實際設置容量(額定功率)是否大於或等 於合約設置容量 太光電模組是否有破損、刮痕或變色 太陽光電模組表面玻璃是否清潔 太陽光電系統組列是否標示模組串列走向 太陽光電系統組列接地線是否符合電工法規要求
架台材質證眀文件 直流接線箱 直流接線箱是否破損或變形 直流接線箱內部是否清潔 直流接線箱周圍環境是否清潔 直流接線箱內配線是否整齊 直流接線箱外殼正面是否張貼警示標語 直流接線箱位置是否設置於人員隨手可及之處 直流接線箱若裝置於戶外是否具有IP 55（含）以上等 級之保護功能證明文件 直流接線箱是否放置正確的電路圖 突波吸收器數量與規格是否與合約書相符 直流安裝之導線是否具有色碼標示 交流配電箱 交流配電箱是否破損或變形 交流配電箱內部是否清潔 交流配電箱周圍環境是否清潔 交流配電箱內配線是否整齊 交流配電箱外殼正面是否張貼警示標語 交流接線箱若裝置於戶外是否具有IP 55（含）以上等 級之保護功能證明文件 交流配電箱位置是否設置於人員隨手可及之處 交流配電箱是否放置正確的電路圖 直流離斷開關數量與規格是否與合約書相符 交流斷路器數量及規格是否與合約書相符 瓦時計是否有檢定合格標籤及鉛封 交流安裝之導線是否具有色碼標示 變流器 變流器是否通過驗證規範與合約書要求相符 變流器數量及規格是否與合約書相符 變流器周圍環境是否清潔 變流器位置是否裝設位置於人員隨手可及之處 變流器裝設位置是否通風良好 變流器接頭螺絲是否栓緊 變流器是否有異常聲音或異味 變流器是否能正常併聯供電 併接點斷電後，是否能自動解聯功能 併接點復電後，是否會自動併聯市電 變 壓 器( 具 備 變壓器安裝相數、電壓、容量是否與補助合約書相符
第一章 緒論 變壓器是否離地安裝(避免潮濕造成漏電危險) 其他狀況請說明 IEC62446現場 檢測 極性測試 開路電壓測試 運轉電流測試 串列絕緣阻抗測試 接地連續性測試 串列IV曲線測試 電業查驗 運轉、維護作業規範及程序書 電力系統單線圖設計圖面及資料是否完善，及是否有 簽證或蓋章 太陽電池模板出廠型式報告 直/交流電力轉換器出廠型式試驗報告 斷路器及變壓器試運轉檢驗報告 各接地點之接地電阻量測報告 防止太陽光電發電系統獨立運轉功能試驗報告 架空線路/電力電纜設備試運轉檢驗報告 太陽電池模板與支撐架、水泥基礎樁等設計經系統結 構安全專業技師簽證及送該管直轄市、縣（市）政府 備查之文件。 太陽電池模板是否與基本資料相符 太陽電池模板運轉是否正常 太陽電池模板支撐架是否完善及是否與基本資料相 符 直/交流電力轉換器否與基本資料相符 直/交流電力轉換器運轉是否正常 直流接線箱及交流配電盤是否完善 接地設施是否完善及是否與基本資料相符 避雷設施是否完善及是否與基本資料相符 變壓器運轉是否正常
國際標準可參考IEC62446-1：2016標準之文件審查、系統檢測及現場 檢查等內容，透過有經驗的國際第三方驗證機構協助建構國內檢測驗證 能力，並透過推動實際系統檢測驗證，結合技術性及非技術性風險評估 方法與制度，落實專案融資第三方檢測驗證，擴大國內推動太陽光電系 統設置資金籌設之動能。 【建置太陽光電電廠測試試驗室與檢驗機構認證制度】 依據「太陽光電電廠測試試驗室與檢驗機構認證制度報告」建置認證 流程評鑑方案、評鑑計畫與評鑑技巧，並建置申請、審查、評鑑及認證 決定相關技術程序與紀錄。透過開放說明會之模式說明開放認證申請之 認證方案權利與義務條款，認證資格要求，認證流程與認證範圍之表示 等，並受理及執行一家符合性評鑑機構認證活動。太陽光電發電系統檢 測驗證能量建置分期(年)工作內容太陽光電發電系統檢測驗證能量建置 如下: 108年 (1) 電廠品質的關鍵性技術檢測能量建置規劃 (2) 建立智慧模組遠距無線通訊NB-IoT或LoRa技術的示範應用 (3) 電廠現場檢測與品質調查統計（熱影像/串列發電品質/El影像） (4) 建立金融機構之技術性風險評分機制 (5) 推動太陽光電系統檢測遊測實驗室現場評鑑制度 (6) 太陽光電系統結構耐風設計(風壓係數)標準推廣 (7) 太陽光電發電系統第三方檢測驗證登錄機制研擬 109年 (1) 專案管理機制調查、平臺項目規劃、審查機制 (2) 專案系統檢測項目確認、實際測試與品質統計 (3) 太陽光電智慧模組監測系統示範應用 (4) 建立金融機構之非技術性風險評分機制
第一章 緒論 (5) TAF認可實驗室運作機制建立與配合檢測示範案例執行現場評 鑑活動1場次，包含方法確認評估數據，人員操作技術能力及數據 品質管制基準 (6) 推動國內太陽光電發電系統專案管理平臺案例1件
第三節 文獻回顧
目前國內對於太陽光電發電設備結構計算說明書之內容並無明確規 範，多半由專業技師憑藉個人專業能力提供計算內容。有鑑於此，105 年 經濟部能源局委託工業技術研究院與臺中市結構工程技師公會研擬「太 陽光電系統支撐架結構設計參考手冊」[2]與「太陽光電系統支撐架結構 設計範例」[3]，內容包括系統類型分類定義、設計依據、材料、載重組 合、設計圖說、結構計算書、分析設計流程、設計地震力、設計風力， 主要設計依據是參考國內建築物耐風設計規範與解說[4]，跟太陽光電系 統支撐架結構相關設計參數納入參考手冊。國內太陽光電系統支撐架(以 下簡稱支撐架)，其所選用的構件通常為鋁擠斷面或是結構型鋼。針對不 同材質的支撐架，其結構設計都應根據我國耐震設計及耐風設計等相關 規範計算設計強度需求，再依照其支撐架材料選用的類型，即鋁合金造 (鋁擠斷面)或是鋼造(結構型鋼)的構架系統，進行構件應力檢核(例如: 鋁結構容許強度設計法、鋼結構極限設計法)，並且進一步地檢核構件組年度 案名 108 太陽光電系統之耐風設計規範研擬 106 低層平屋頂建築剪切流生成對陣列式太陽能光電板風荷載影響 研究 105 單片太陽能板支架結構風力分析研究 建築物整合太陽能光電板外牆耐風設計研究 104 屋頂型太陽能光電板風阻形狀係數研究 陽光屋頂耐風評估與設計準則 歷年研究針對光電板耐風設計面已有所著墨，且將於今年彙整成規範。 而在實尺寸耐風檢測上之測試方法尚付之闕如。 在CNS 國家標準要求上，上前 包含一般 8 種、裝置與元件 12 種、模 組 11 種、變流器 3 種、系統 9 種，共 43 種，針對面板模組進行一系列 測試，包含最大功率、室外暴露測試、機械負荷測試等如下表。 編號 總號 國家標準名稱 公布日期 修訂公布日期 一般 1 15011 太陽能－詞彙（太陽熱能） 095-06-13 2 15032 太陽能－比較參考日射強度計校正各種場日射強度計 095-10-31 3 15033 太陽能－量測半球太陽輻射與直 接太陽輻射儀器之規格及分級 095-10-31 4 15064-1 太陽能－在不同地球表面接收狀 況下之參考太陽光譜照射度－第 １部：大氣光程１.5下之直接垂直 與半球太陽照射度 096-01-18 5 15065 太陽能－使用一個日射強度計校 正全天空輻射計 096-01-18 6 15066 太陽能－比較參考全天空輻射計 校正場全天空輻射計 096-01-18 7 15166 太陽能－場全天空輻射計－使用 實務建議 097-01-14 8 15383 太陽日照強度分布分析表示法 099-09-30
第一章 緒論 1 13059-1 光電伏打元件（第一部：光電伏打 電流－電壓特性量測） 081-11-20 090-11-01 2 13059-2 光電伏打元件（第二部：基準太陽 電池之要求） 091-12-05 101-09-12 3 13059-3 光電伏打元件（第三部：具光譜照 射光參考數據之陸上光電伏打（Ｐ Ｖ）太陽元件量測原理） 081-11-20 090-11-01 4 13059-4 太陽光電裝置－第4 部：基準太陽 裝置－建立校正追溯性之程序 101-11-29 5 13059-5 太陽光電裝置－第5 部：以開路電 壓法測定太陽光電裝置之等效電 池溫度 102-11-29 6 13059-7 太陽光電裝置－第7 部：太陽光電 裝置量測之光譜不匹配修正計算 101-11-09 7 13059-8 光電伏打元件（第八部：光電伏打 元件光譜響應之量測） 091-12-05 101-09-12 8 13059-9 光電伏打元件（第九部：太陽模擬 器之性能要求 091-12-05 101-09-12 9 13059-10 太陽光電裝置－第 10 部：線性度 量測法 102-11-29 10 15120 太陽光電發電系統用之二次電池 －一般要求與測試方法 096-09-14 11 15187-6 低電壓熔線－第6 部：太陽光電 能源系統保護用熔線鏈之補充規 定 101-02-10 12 15600 太陽光電裝置－量測I-V 特性之溫 度與照射度修正程序 101-11-09 模組 1 13059-6 光電伏打元件（第六部：基準太陽 電池模組之要求） 091-12-05 101-09-12 2 15114 結晶矽陸上太陽光電模組－設計 確認和型式認可 096-09-14 102-09-14 3 15115 薄膜陸上型太陽光電模組－設計 確認和型式認可 101-01-05
9 15198 結晶矽太陽光電陣列之Ⅰ－Ⅴ特 性現場量測 097-06-27 10 15534 聚光型太陽光電模組與組合件－ 設計確認和型式認可 101-02-14 11 15711-1 太陽光電模組性能試驗與能量定 額－第1 部： 照射度與溫度性能 量測及功率定額 102-12-27 變流器 1 15117 太陽光電系統－電力調節器－量 測效率之程序 096-09-14 2 15426-1 太陽光電系統用電源轉換器之安 全性－第1 部：一般要求 100-06-07 3 15426-2 太陽光電系統用電源轉換器之安全性－第2 部：變流器之個別要求 102-02-22 系統 1 15113 太陽光電能源系統：名詞與符號 096-09-14 102-09-14 2 15119 太陽光電系統之性能監測－量 測、數據交換與分析指南 096-09-14 102-09-14 3 15195 陸上太陽光電發電系統－概述與 指南 097-06-27 4 15199 建築物之電力安裝－第７－７１ ２部：特別設立或地點之要求－太 陽光電電力供應系統 097-06-27 102-09-14 5 15381 太陽光電發電系統過電壓保護－ 指南 099-09-30 6 15382 太陽光電系統－電力傳輸網界面 之特性要求 099-09-30 7 15384 直接耦合太陽光電水泵系統之效 能特性 099-09-30 8 15385 獨立式太陽光電系統之特性參數 099-09-30 9 15599 市電併聯型太陽光電變流器孤島 效應預防措施之測試程序 101-11-29
第四節 研究目的與方法
太陽光電系統支撐架設計影響太陽光電系統長期運轉之可靠性，以目 前規定尚未要求系統全面須提供結構計算說明書，此將影響未來太陽光 電系統結構受到破壞時，無法檢核是否設計有依照原先結構設計施工，第一章 緒論 亦無專業審查機制確保系統結構安全性，國內應該建立相關結構查核機 制，以抽查方式對於建築物上設置太陽光電系統之結構進行結構安全查 核，除了需要求所有系統需檢附結構計算說明書外，應由第三方結構專 業公會或法人進行計算書審查或工程查核以確保結構安全無虞。另外， 如有耐風設計規範不足之處，亦可透過本案建議之實尺寸耐風檢測或透 過風洞試驗獲取相關風力設計參數，進行結構設計風力並委由專業技師 進行結構計算檢核。對於未來推動太陽光電系統裝置容量 20GW，結構 安全將是需要更嚴格的把關，除了保障系統本身發電性能的投資效益 外，亦對於人員或物品破壞也有相的保障。 本案採用實驗室的戶外大型風機，藉由系統性的實驗與測試，提出建 議之標準實驗流程，可協助光電廠商建立適合該光電模組之構架與接合 系統之耐風設計與測試準則，以確保整體太陽光電板於強風侵襲下之系 統完整性。經彙整現行檢測技術與制度面上需加以考量因素包含: 建立實尺寸光電板支撐結構系統耐風測試方法。 關鍵構件振動行為量測。 於經濟部標檢局第三方檢測驗證項目，納入光電板支撐結構系統耐 風試驗，除能確保受風安全外，實驗室亦能增加檢測收入。 風致振動後光電板發電效率評估，由於板外觀受風下雖可能無明顯 損傷，但因為變形振動等因素，隱裂現象或已發生導致集電效率減 低。
第二章實尺寸太陽光電板耐風試驗規劃
第二章 實尺寸太陽光電板耐風試驗規劃
第一節 前言
本案所採用之太陽光電版構架分類係參考經濟部能源局與台中結 構技師公會研擬之「太陽光電系統支撐架結構設計參考手冊」如下表 2-1 所示。由於平貼型光電板耐風設計可逕依「建築物耐風設計規範 及解說」第三章<局部夠材及外部被覆物之設計風壓>來逕行設計，故 本次試驗規劃先暫不予納入，先針對距置型與棚架型來加以探討。 表 2-1 屋頂太陽能光電設置的種類 型 式 支撐方式 圖片 距 置 型 以鋁擠型 材料支架 與扣件將 光電板固 定在屋頂 上方平 貼 型 利用支架 固定光電 板於斜屋 頂上方， 至於斜屋 頂的種類 甚多，對 於支架構 材變化種 類就依各 廠商研發 方式而 定。 棚 架 型 以架高支 架的方 式，將光 電板至於 上方，並 可作為遮 陽或遮雨 之用。
第二章實尺寸太陽光電板耐風試驗規劃
第二節 風場與振動量測規劃
ㄧ、風場建置 依 CNS 14280「帷幕牆及其附屬門、窗物理性能試驗總則」第 4.4 項所述:動態水密性能試驗可檢測瞬間強風、陣雨對牆面所產生之效 應。其氣體壓力差為設計值正風壓之 20%。氣體壓力差不得小於 300Pa，且不得大於 720Pa。因此，研究中應用 CNS 13973「帷幕牆 及其附屬門、窗動態水密性能試驗法」之造風設備來提供等值風速之 風力。 該造風裝置之直徑不得小於測試區域最大邊常之一半，但無須大於 4.1m，產生出來之風速需校正以建立測試所需壓力之等值風速。此校 正方法須將風速計裝置在一個骨架上進行。風速量測裝置須能量測表 2-2 所示之標準風壓。骨架之設置須注意不得妨礙到空氣之行進。 最 少須在圖2-1 所示之四個位置中，依表 2-2 讀取至少三個標準風壓。 風速之量測須在每個四分之一圓內之610×610 mm 方形範圍內進行。 在上述四個位置中，讀取包括最少60 秒內之最大值或陣風值，並將表 2-2 標準風壓 風壓 Pa 最大值或陣風值之平均風速 m/s 300 22.1 380 24.9 480 28.0 580 30.8 720 34.3 資料來源: 本研究 圖2-1 量測位置 資料來源: 本研究 目前實驗室之造風設備為 1500kW 4P 3300V ，0~80Hz， TIK-VCk #450LL，螺旋槳直徑 4.11m，推力值 2,000 至 12,500kg、變頻器電壓 規格，輸入: 3300V，輸出: 3300V、變頻器容量: 1800kVA 對於 3300V 輸出，額定輸出電流(A): 315，風扇葉片組合(圖 2-2)，搭配 4 支熱 線式風速計測量風速(圖 2-3)及支撐固定架(圖 2-4)，整體配置如圖
第二章實尺寸太陽光電板耐風試驗規劃
圖 2-2 造風設備
資料來源: 本研究
圖 2-3 安裝風速計骨架
圖 2-5 風速校驗配置 資料來源: 本研究 二、構件振動量測 目前所使用之加速規係為 G-Tech 公司所生產型號 ENDEVCO，靈 敏度約為100 mV/g、量測範圍 0~50g (圖 2-6)，搭配 LabView 軟體 (圖 2-7)與硬體 NI 9234 模組 (圖 2-8)進行振動數據量測收集。實驗前將 鐵線綁在太陽能板邊緣中央的小孔洞，使之呈一水平於風向在太陽能 板背面的支撐線。讓用配置於太陽能背板中央的加速度計電源線纏繞 鐵線上作假固定。使加速度計在實驗過程中即使不慎掉落，也至少會 垂掛在空中，不致掉落損毀。
第二章實尺寸太陽光電板耐風試驗規劃 圖 2-7 Labview 量測程式 資料來源: 本研究 圖 2-8 NI 模組 資料來源: 本研究 下表為加速度計於構架及光電板上之配置 表 2-3 量測器數量及配置 配置如圖5、圖 6 所示 種 類 編號名稱 數量 佈置位置 量測方向 Acc_X1Y2_Z 太陽能板編號X1Y2 背面中央 Z
Acc_ B2_Z 水平樑背側距左端L/4 處 Z Acc_ B3_Z 水平樑背側距左端L/2 處 Z Acc_ B4_Z 水平樑背側距左端3L/4 處 Z 資料來源: 本研究 圖 2-9 加速度計分布 資料來源: 本研究 (三)陣風風速
L/4
L/4
L/4
L/4
加速度計(Z 向)： 加速度計(Y 向)： X ZB3
B1
B2
B4
B5
X
X Y 風機 加速度計(Z 向)： 鐵線： 太陽能Y
Y
X
X
X
第二章實尺寸太陽光電板耐風試驗規劃 在後續研究中為能定義大尺度光電板試體於低紊流強度下，所量到測 點風速資料的之陣風風速，文中採用文獻[5]之 Peak 3s Value 方法 來加以計算，以數據分析時間 180s 為例，共計分割為 60 段，在每一 段中計算最大值，然後將 60 組數據加以平均，即可求得對應之極值。
第三節 距置型屋頂光電板配置
研究中共計進行三次試驗，分別為單跨4M-風向 I、單跨 6M-風向 I 及單跨6M-風向Ⅱ。其中風向 I 系以光電板高端處迎風，風向Ⅱ則以 光電板低端處迎風，藉以檢視面板上風壓差異。 一、單跨 4M 風向 I(試驗一) 太陽能板及構架系統如圖 2-10 所示，8 塊太陽能板(前後各 4 片) 以型鋼固定於下方鋼結構上，其單一塊光電板長寬厚尺寸為 163 ×98×4cm。兩個 H 型鋼作為基底，四根柱及左右兩斜樑以雙槽鋼 組立，支撐太陽能板的四根水平樑使用槽型鋼。在迎風向及斜樑 處另加角鋼作斜撐加固。順風向基礎中心距 2.95m、橫風向為 4m， 斜率為 100，鋼結構各元件斷面及太陽能板尺寸如表 2-4 所示。圖 2-10 實驗試體現場圖 資料來源: 本研究 表 2-4 構架尺寸 斷面形狀 材質 立柱 雙 C-100x50x20x2.8 降伏強度 fy=2400kgf/cm2 短向主梁 雙 C-100x50x20x2.8 降伏強度 fy=2400kgf/cm2 長向主梁 雙 C-100x50x20x2.8 降伏強度 fy=2400kgf/cm2 斜撐 雙角鐵 L- 螺栓或錨栓 採用不銹鋼 或鍍鋅螺栓 M12 降伏強度 fy=Min{2100,2400}kgf 資料來源: 本研究
第二章實尺寸太陽光電板耐風試驗規劃
圖 2-11 支撐構架 資料來源: 本研究
加速計配置側視示意圖
加速計配置前視示意圖
加速計配置後視示意圖
第二章實尺寸太陽光電板耐風試驗規劃
加速計實際配置後視圖 高頻加速度計CH 1
高頻加速度計CH 2、CH 6 高頻加速度計CH 3、CH 7
高頻加速度計CH 9 高頻加速度計CH 10
高頻加速度計CH 11 高頻加速度計CH 12
第二章實尺寸太陽光電板耐風試驗規劃
高頻加速度計CH 15 高頻加速度計CH 16
圖 2-12 加速計佈設位置
資料來源: 本研究
風速計 Wind_V3 風速計 Wind_V4 圖 2-13 風速計佈設位置 資料來源: 本研究 二、單跨 6M 風向 I(試驗二) 太陽能板及構架系統如圖2-14所示，12 塊太陽能板(前後各 6 片) 以型鋼固定於下方鋼結構上，其單一塊光電板長寬厚尺寸為 163 ×98×4cm。兩個 H 型鋼作為基底，四根柱及左右兩斜樑以雙槽鋼 組立，支撐太陽能板的四根水平樑使用槽型鋼。在迎風向及斜樑 處另加角鋼作斜撐加固。順風向基礎中心距 2.95m、橫風向為 6m， 鋼結構各元件斷面及太陽能板尺寸與表 2-4 相同，支撐構架亦與 圖 2-11 相同，唯獨跨度加大為 6M。
第二章實尺寸太陽光電板耐風試驗規劃
圖 2-14 實驗試體現場圖(風向 I)
資料來源: 本研究
風速、風壓與加速計配置
加速度計、風速計配置前視示意圖
加速度計、風速計配置後視示意圖 圖 2-15 加速計佈設位置
資料來源: 本研究
第二章實尺寸太陽光電板耐風試驗規劃 風壓計配置側視示意圖 風壓計配置前視示意圖 圖 2-16 面板雙面風壓佈設位置 資料來源: 本研究 三、單跨 6M 風向Ⅱ(試驗三) 太陽能板及構架系統如圖 2-17 所示，風速、風壓與加速計配置 皆與試驗二相同(圖 2-18)，唯獨試體轉 180 度，風由面板低端吹 入高端吹出。 圖 2-17 實驗試體現場圖(風向Ⅱ) 資料來源: 本研究
第三章 距置型單跨 4M 風向 I 耐風測試
第三章 距置型單跨 4M 風向 I 耐風測試
第一節 前置實驗
(一) 淨風場風速測試 為能先行了解造風機變頻器轉速與淨風場風速間之關係(無試體)， 以利於後續選擇實驗風速大小，遂依照第二章之風速量測校驗規 定，於風機前 5m 處安裝骨架架設 4 支風速計，目前實驗已先進 行較小轉速20.6Hz 與大轉速 30Hz 之淨風風速測試，量測平均最 大陣風風速如下表3-1。 表 3-1 造風機變頻器與轉速對照表 變頻器轉速(Hz) 量測風速(m/s) 20.6 21.66 22 23.18 23.3 24.72 24.6 26.14 28 28.02 29.3 30.23 30 33.63 資料來源:本研究 (二)實驗風速測定與 V2 風速計之陣風風速皆可達 20 m/s 以上，而安裝於光電板斜 後方支風速計 V3 與 V4 因縮斷面風速加劇影響，未因離造風機較 遠而有風速遞減過大的效應，亦能維持在 20 m/s 以上，代表整體 試驗風速差異不致過大。 1.造風機變頻器轉速(20.6Hz)
(a) Wind_V1 (b) Wind_V2
(c) Wind_V3 (d) Wind_V4
圖 3-1 各風速計之歷時圖(20.6Hz)
第三章 距置型單跨 4M 風向 I 耐風測試
表 3-2 最大陣風值平均 (m/s2)
20.6 Hz Wind_V1 Wind_V2 Wind_V3 Wind_V4 平均風速 23.98 17.91 17.90 25.45 擾動風速 1.83 1.26 1.33 0.93 陣風風速 26.46 20.03 19.63 26.85
資料來源:本研究
(c) Wind_V3 (d) Wind_V4
圖 3-2 各風速計之歷時圖(30.0Hz)
資料來源:本研究
表 3-3 最大陣風值平均 (m/s2
)
30.0Hz Wind_V1 Wind_V2 Wind_V3 Wind_V4 平均風速 36.27 23.21 26.24 36.89 擾動風速 2.53 1.98 1.72 1.34 陣風風速 39.79 26.40 28.68 38.92
第三章 距置型單跨 4M 風向 I 耐風測試
第二節 試驗結果
本次試驗共計採用 4 支風速計及 16 個加速度計(靈敏度如表 3-4)， 加速度單位 g (m/s2)，預計執行 次定速耐風測試，以變頻器轉速(Hz) 來控制風升速率如表 3-5，而後維持穩定吹試 180s 並進行量測。 表3-4 加速計靈敏度(mV/g) CH1 CH2 CH3 CH4 CH5 CH6 CH7 CH8 100.2 98.55 99.74 101.9 101.4 100.6 103.7 103.3 CH9 CH10 CH11 CH12 CH13 CH14 CH15 CH16 101.1 100.8 103.2 103.1 102.6 101.2 101.1 102.6 資料來源:本研究 表 3-5 變頻器轉速控制 Hz 8 18 19.6 20.6 22 23.3 24.6 爬升時間(s) 48 108 118 124 132 140 148 Hz 28 29.3 30 爬升時間(s) 168 176 180 資料來源:本研究 (一)變頻轉速 8Hz8.0Hz Wind_V1 Wind_V2 Wind_V3 Wind_V4 平均風速 7.85 5.20 5.84 7.63
圖 3-3 Wind_V1 風速歷時(8 Hz) 資料來源:本研究
第三章 距置型單跨 4M 風向 I 耐風測試
圖 3-5 Wind_V3 風速歷時(8 Hz) 資料來源:本研究
CH1 前橫梁水平加速度歷時 CH2 前橫梁水平加速度歷時
第三章 距置型單跨 4M 風向 I 耐風測試
CH10 前右面板垂直加速度歷時 CH11 前左面板垂直加速度歷時
發現前橫梁水平向振動之尖峰加速度值為 0.05g(CH1~CH5 尖峰平 均)，橫梁垂直向振動之尖峰加速度值 0.11g，後橫梁垂直向風致振動 之尖峰加速度值為0.09g，前右、左光電板所受之尖峰加速度為 0.28g 及0.25g，後右、左光電板所受之尖峰加速度約為 0.19g 與 0.18g。 表3-6 各部位尖峰加速度(8Hz) 構件位置 尖峰加速度(g) 前橫梁水平向 0.05 前橫梁垂直向 0.11 前右光電板垂直向 0.28 前左光電板垂直向 0.25 後右光電板垂直向 0.19 後左光電板垂直向 0.18 後橫梁垂直向 0.09 資料來源:本研究 (二)變頻轉速 18Hz
18.0Hz Wind_V1 Wind_V2 Wind_V3 Wind_V4 平均風速 21.87 12.60 15.46 19.90 擾動風速 1.37 1.35 1.09 1.15 陣風風速 23.84 14.93 16.99 21.37
第三章 距置型單跨 4M 風向 I 耐風測試
圖3-8 Wind_V1 風速歷時(18 Hz) 資料來源:本研究
圖3-10 Wind_V3 風速歷時(18 Hz) 資料來源:本研究
第三章 距置型單跨 4M 風向 I 耐風測試
CH1 前橫梁水平加速度歷時 CH2 前橫梁水平加速度歷時
CH10 前右面板垂直加速度歷時 CH11 前左面板垂直加速度歷時
CH13 後右面板垂直加速度歷時 CH14 後左面板垂直加速度歷時
CH15 後橫梁垂直加速度歷時 CH16 後橫梁垂直加速度歷時
第三章 距置型單跨 4M 風向 I 耐風測試 發現前橫梁水平向振動之尖峰加速度值為 0.27g(CH1~CH5 尖峰 平均)，橫梁垂直向振動之尖峰加速度值 1.11g，後橫梁垂直向風致振 動之尖峰加速度值為0.71g，前右、左光電板所受之尖峰加速度皆為 2.88g，後右、左光電板所受之尖峰加速度約為 1.92g 與 1.76g。 表 3-7 各部位尖峰加速度(18Hz) 構件位置 尖峰加速度(g) 前橫梁水平向 0.27 前橫梁垂直向 1.11 前右光電板垂直向 2.88 前左光電板垂直向 2.88 後右光電板垂直向 1.92 後左光電板垂直向 1.76 後橫梁垂直向 1.11 資料來源:本研究 (二)變頻轉速 30Hz
30.0Hz Wind_V1 Wind_V2 Wind_V3 Wind_V4 平均風速 36.89 21.91 27.18 29.81 擾動風速 2.02 2.39 1.56 1.86 陣風風速 39.68 25.35 29.32 33.26
圖3-13 Wind_V1 風速歷時(30 Hz) 資料來源:本研究
第三章 距置型單跨 4M 風向 I 耐風測試
圖3-15 Wind_V3 風速歷時(30 Hz) 資料來源:本研究
CH3 前橫梁水平加速度歷時 CH7 前橫梁垂直加速度歷時
第三章 距置型單跨 4M 風向 I 耐風測試 CH15 後橫梁水平加速度歷時 CH16 後橫梁垂直加速度歷時 圖3-17 加速度歷時 (30 Hz) 資料來源:本研究 發現前橫梁水平及垂直向振動之尖峰加速度值分別為 2.34g 與 5.52g，後橫梁水平及垂直向振動之尖峰加速度值分別為 1.77g 與 4.57g，前右、左光電板所受之尖峰加速度為 20.05g 與 18.84g，後右、 左光電板所受之尖峰加速度為11.84g 與 11.53g。 表 3-8 各部位尖峰加速度(30Hz) 構件位置 尖峰加速度(g) 前橫梁水平向 2.34 前橫梁垂直向 5.52 前右光電板垂直向 20.05 前左光電板垂直向 18.84
第三節 小結
本節探討經由變頻轉速 8~30 Hz 風速吹試下，所造成之陣風風速、 各構件之尖峰加速度量測值差異陳述如下。
(一) 陣風風速
陣風風速(m/s) Wind_V1 Wind_V2 Wind_V3 Wind_V4 變頻轉速 8 Hz 9.68 6.13 7.12 8.40 變頻轉速 18 Hz 23.72 14.68 16.74 19.77 變頻轉速 20.6 Hz 27.18 16.69 19.34 22.52 變頻轉速 22.0 Hz 28.67 17.81 20.68 23.56 變頻轉速 24.6 Hz 32.60 19.69 23.68 26.37 變頻轉速 28.0 Hz 34.08 20.95 24.85 27.45 變頻轉速 30 Hz 39.71 25.24 28.97 32.29 (二) 尖峰加速度 當風速加劇，各構件所承受之尖峰加速度如下表。 尖峰加速 度(g) 前橫梁 水平向 前橫梁 垂直向 前右光 電板垂 直向 前左光 電板垂 直向 後右光 電板垂 直向 後左光 電板垂 直向 後橫梁 垂直向 變頻轉速 8 Hz 0.05 0.13 0.30 0.25 0.19 0.19 0.11 變頻轉速 18 Hz 0.42 1.33 4.14 3.74 2.29 2.26 1.07 變頻轉速 20.6 Hz 0.65 1.89 6.32 5.62 3.52 3.33 1.49 變頻轉速 22.0 Hz 0.84 2.33 8.21 6.99 4.32 4.35 1.75 變頻轉速 24.6 Hz 1.27 3.27 11.88 10.56 6.01 5.66 2.6 變頻轉速 1.52 3.84 14.24 11.81 6.72 NG 2.9
第三章 距置型單跨 4M 風向 I 耐風測試
現將該加速度資料以二項式曲線擬合(風速平方)外插推估當陣風風速 達60m/s 時，其前橫梁垂直向之尖峰加速度值約為 15g，而前光電板 垂直向尖峰將達50g 以上，超過加速度計可量測範圍(±50g)。因此後 續如需進行高風速下之振動量測，則加速度計之量測範圍及貼合方式 需加以注意，避免資料量測錯誤或震動脫落。
第四章 距置型單跨 6M 風向 I 耐風測試
第四章 距置型單跨 6M 風向 I 耐風測試
試驗中共計進行 10 次不同風扇轉速下，光電板風壓與構件梁之加速 度量測，所有測試結果如下所示。除加速階段按風扇轉速頻率乘以 6 為加速時間外，定速時間維持3 分鐘後停止，再持續量測 1 分鐘。以風 扇轉速18Hz 為例，其升速時間為 108 s ，定速時間 180s，降速時間 60s， 測試時間共計348 s，其他轉速之測試時間以此類推。後續將整體試驗 數據依風速、面板風壓及構件振動等三大部分來加以呈現。第一節
陣風風速 為能定義大尺度光電板試體於低紊流強度下，所量到測點風速資料的變頻轉速 19.3 Hz 22.77 13.13 17.80 19.93 變頻轉速 20.6 Hz 23.40 14.39 18.33 21.34 變頻轉速 22.0 Hz 25.02 15.40 20.68 23.14 變頻轉速 23.3 Hz 26.61 16.53 21.52 24.55 變頻轉速 24.6 Hz 27.63 17.13 22.50 25.64 變頻轉速 28.0 Hz 30.43 18.03 24.24 27.21 變頻轉速 29.3 Hz 31.59 19.24 25.53 28.15 變頻轉速 30.0 Hz 34.96 21.65 28.50 31.27 V1 V2 V3 V4 圖 4-1 風扇變頻轉速 8 Hz 之風速歷時
第四章 距置型單跨 6M 風向 I 耐風測試 V3 V4 圖 4-2 風扇變頻轉速 18 Hz 之風速歷時 V1 V2 V3 V4 圖 4-3 風扇變頻轉速 19.3 Hz 之風速歷時
V3 V4 圖 4-4 風扇變頻轉速 20.6 Hz 之風速歷時
V1 V2
V3 V4
第四章 距置型單跨 6M 風向 I 耐風測試 V3 V4 圖 4-6 風扇變頻轉速 23.3 Hz 之風速歷時 V1 V2 V3 V4 圖 4-7 風扇變頻轉速 24.6 Hz 之風速歷時
V3 V4 圖 4-8 風扇變頻轉速 28 Hz 之風速歷時
V1 V2
V3 V4
第四章 距置型單跨 6M 風向 I 耐風測試 V3 V4 圖 4-10 風扇變頻轉速 30 Hz 之風速歷時
第二節
面板風壓 本案於中央 4 塊面板上之正反兩面皆安裝風壓管，每塊板正面及反面 均勻區分為四等份，共計安裝32 個風壓點位。由於各風扇轉速下風壓 數據頗多版面有限，僅摘錄風扇變頻轉速為30Hz 下之風壓數據。當時 四支風速計之陣風風速分別為34.96、21.65、28.5 與 31.27 m/s。而極值 風壓，亦採文獻[5]之 Peak 3s Value 方法來加以計算。 表4-2 風扇變頻轉速為 30Hz 下極值風壓 點位 面板1 (Pa) 點位 面板2 (Pa) 點位 面板 3 (Pa) 點位 面板 4 (Pa) 1 202.97 9 99.68 17 228.51 25 198.66 -94.71 -241.42 -29.04 -60.11 2 120.79 10 87.13 18 224.02 26 197.33 -192.44 -225.73 -40.35 -58.34-36.16 -111.45 89.6 145.8 8 368.8 16 363.56 24 402.12 32 374.34 -82.7 -101.02 102.67 97.67 點位1 點位2 點位3 點位4 點位5 點位6
第四章 距置型單跨 6M 風向 I 耐風測試
點位7 點位8
點位9 點位 10
點位15 點位 16
點位17 點位 18
第四章 距置型單跨 6M 風向 I 耐風測試
點位23 點位 24
點位25 點位 26
點位31 點位 32 圖 4-11 風壓力時 資料來源:本研究 在建築物耐風設計規範中，對於開放式建築物之單斜式屋頂的風力係 數 Cf，可藉由查表方式計算得不同傾斜角度與長寬比下屋頂之風力係 數值，由於本案太陽能光電板受風情形與開放式單斜式屋頂類似，故依 該表計算求得本案之風力係數Cf=0.35，壓力中心位置為 0.33。 另依實驗數據計算4 塊面板之風力係數與位置發現，前 2 塊面板之實驗 風力係數較大於規範值，後2 塊面板之實驗風力係數則與規範值相近。 而每塊面板之受風壓力中心位置則處於單一面板中心。因此，如將太陽 光電板視為一開放式斜屋頂，將其各板風力係數加以平均計算，可得實 驗風力係數0.39 與規範值 0.35 相近；而實驗風壓力中心位置則處於具 屋頂位置(X/L)=0.95 近中心處，與規範值 0.33 不相同。 表4-3 實驗風力係數計算 項目 面板 1 面板 2 面板 3 面板 4
第四章 距置型單跨 6M 風向 I 耐風測試 面板寬 B 0.98 0.98 0.98 0.98 面板長 1.63 1.63 1.63 1.63 與風向平行 L 1.60524 1.60524 1.60524 1.60524 面板傾斜角度 10 10 10 10 風力係數 Cf 0.41 0.46 0.35 0.34 距各面板端位置 0.5142 0.5065 0.5098 0.5050 具屋頂位置(X/L) 0.95
第三節 構件振動
本案於中央 4 塊光電面板上各安裝 1 個加速度計(CH 11~14)，加速度 計 1~3 分別量測前橫梁水平向加速度歷時，加速度計 4~6 分別量測前 橫梁 1 垂直向加速度歷時，加速度計 7~8 分別量測前橫梁 2 垂直向加 速度歷時；加速度計9、10 量測後橫梁 1 垂直向加速度歷時；加速度計 15 量測後橫梁 2 垂直向加速度歷時；加速度計 16 量測後橫梁 2 垂直向 加速度歷時。由於各風扇轉速下風壓數據頗多版面有限，僅摘錄風扇變 頻轉速為 30Hz 下之加速度歷時數據。而尖峰加速度值，亦採文獻[5] 之 Peak 3s Value 方法來加以計算。 表4-4 尖峰加速度 尖峰加 尖峰加 尖峰加 尖峰加Ch1 Ch2
Ch3 Ch4
第四章 距置型單跨 6M 風向 I 耐風測試
Ch9 Ch10
Ch11 Ch12
第四節 小結
本節針對 4m 與 6m 單跨太陽光電板之試驗風速及加速度結果來加以 比對。四支風速計分別設在前高端處2 支，後端 2 支。在 4m 單跨太陽 光電板之試驗時，前2 支位於距中央±100.9cm，後 2 支位於距中央± 66.9cm 處。在 6m 單跨太陽光電板之試驗時，前 2 支位於距中央±151.4cm， 後2 支位於距中央±101.3cm 處。 經將陣風風速與對應位置數據，以 3 次方多項式擬合結果發現，前方 高端處最大陣風風速發生處，平均約距中央 84cm 處，後端平均約距中 央56cm 處，其風場為東西傾斜約 250。當變頻轉速為30Hz 時之前方 高端試驗最大陣風風速為39.71m/s，擬合預估之最大陣風風速為 42.3 m/s；後方試驗最大陣風風速為 32.3m/s，擬合預估之最大陣風風速為 32.4 m/s。第四章 距置型單跨 6M 風向 I 耐風測試 圖4-14 後方處最大陣風風速與量測位置 資料來源:本研究 而在尖峰加速度的表現上，可預知如無結構性損壞發生，整體系統並 處於彈性階段時，4m 單跨之加速度應比 6m 單跨加速度大，而實驗結 果亦是如此，如下表。 表 4-5 變頻轉速 30 Hz 下各部位尖峰加速度 尖峰加速 度(g) 前橫梁 水平向 前橫梁 垂直向 前右光 電板垂 直向 前左光 電板垂 直向 後右光 電板垂 直向 後左光 電板垂 直向 後橫梁 垂直向 4m 單跨 2.42 5.44 20.48 18.91 11.99 11.94 4.67 6m 單跨 1.69 3.59 10.38 9.11 5.93 5.82 3.12 差異(%) -30.2 -34.0 -49.3 -51.8 -50.5 -51.3 -33.2 資料來源:本研究 由於光電板隱劣現象係易受板振動加速度或振幅大小影響，尚不可知。
第五章 距置型單跨 6M 風向Ⅱ耐風測試
第五章 距置型單跨 6M 風向Ⅱ耐風測試
試驗中共計進行 10 次不同風扇轉速下，光電板風壓與構件梁之加速 度量測，所有測試結果如下所示。除加速階段按風扇轉速頻率乘以 6 為加速時間外，定速時間維持3 分鐘後停止，再持續量測 1 分鐘。以風 扇轉速18Hz 為例，其升速時間為 108 s ，定速時間 180s，降速時間 60s， 測試時間共計348 s，其他轉速之測試時間以此類推。後續將整體試驗 數據依風速、面板風壓及構件振動等三大部分來加以呈現。第一節
陣風風速 為能定義大尺度光電板試體於低紊流強度下，所量到測點風速資料的 之陣風風速，文中採用文獻[5]之 Peak 3s Value 方法來加以計算。變頻轉速 22.0 Hz 11.92 12.94 13.73 22.63 變頻轉速 23.3 Hz 12.83 13.69 15.35 22.70 變頻轉速 24.6 Hz 14.91 13.33 16.67 25.74 變頻轉速 28.0 Hz 16.06 15.38 17.56 26.96 變頻轉速 29.3 Hz 16.96 16.41 18.58 28.57 變頻轉速 30.0 Hz 19.10 18.87 20.15 32.50 V1 V2 V3 V4 圖 5-1 風扇變頻轉速 8 Hz 之風速歷時 V1 V2
第五章 距置型單跨 6M 風向Ⅱ耐風測試 V3 V4 圖 5-2 風扇變頻轉速 18 Hz 之風速歷時 V1 V2 V3 V4 圖 5-3 風扇變頻轉速 19.3 Hz 之風速歷時
V3 V4 圖 5-4 風扇變頻轉速 20.6 Hz 之風速歷時
V1 V2
V3 V4
第五章 距置型單跨 6M 風向Ⅱ耐風測試 V3 V4 圖 5-6 風扇變頻轉速 23.3 Hz 之風速歷時 V1 V2 V3 V4 圖 5-7 風扇變頻轉速 24.6 Hz 之風速歷時
V3 V4 圖 5-8 風扇變頻轉速 28 Hz 之風速歷時
V1 V2
V3 V4
第五章 距置型單跨 6M 風向Ⅱ耐風測試 V3 V4 圖 5-10 風扇變頻轉速 30 Hz 之風速歷時
第二節
面板風壓 本案於中央 4 塊面板上之正反兩面皆安裝風壓管，每塊板正面及反面 均勻區分為四等份，共計安裝32 個風壓點位。由於各風扇轉速下風壓 數據頗多版面有限，僅摘錄風扇變頻轉速為30Hz 下之風壓數據。當時 四支風速計之陣風風速分別為19.1、18.87、20.15 與 32.5 m/s。而極值 風壓，亦採文獻[5]之 Peak 3s Value 方法來加以計算。 表5-2 風扇變頻轉速為 30Hz 下極值風壓 點位 面板1 (Pa) 點位 面板2 (Pa) 點位 面板 3 (Pa) 點位 面板 4 (Pa) 1 193.68 9 192.55 17 206.15 25 324.27 -37.05 -24.15 -19.85 94.98 2 206.67 10 208.08 18 226.39 26 402.83-18.14 -17.95 -19.51 -68.65 7 174.17 15 143.85 23 116.04 31 -45.27 -48.55 -70.49 -204.77 -311.25 8 155.49 16 146.38 24 13.09 32 -91.76 -69.22 -68.09 -298.88 -428.20 點位1 點位2 點位3 點位4 點位5 點位6
第五章 距置型單跨 6M 風向Ⅱ耐風測試
點位7 點位8
點位9 點位 10
點位15 點位 16
點位17 點位 18
第五章 距置型單跨 6M 風向Ⅱ耐風測試
點位23 點位 24
點位25 點位 26
點位31 點位 32 圖 5-11 風壓力時 資料來源:本研究 在建築物耐風設計規範中，對於開放式建築物之單斜式屋頂的風力係 數 Cf，可藉由查表方式計算得不同傾斜角度與長寬比下屋頂之風力係 數值，由於本案太陽能光電板受風情形與開放式單斜式屋頂類似，故依 該表計算求得本案之風力係數Cf=0.35，壓力中心位置為 0.33。 另依實驗數據計算4 塊面板之風力係數與位置發現，前 2 塊面板之實驗 風力係數(面板 3、4)較大於規範值，後 2 塊面板之實驗風力係數則與規 範值相近。而每塊面板之受風壓力中心位置則處於單一面板中心。因此， 如將太陽光電板視為一開放式斜屋頂，將其各板風力係數加以平均計算， 可得實驗風力係數0.36 與規範值 0.35 相近；而實驗風壓力中心位置則 處於具屋頂位置(X/L)=1.05 近中心處，與規範值0.33 不相同。 表5-3 實驗風力係數計算 項目 面板 1 面板 2 面板 3 面板 4
第五章 距置型單跨 6M 風向Ⅱ耐風測試 面板寬 B 0.98 0.98 0.98 0.98 面板長 1.63 1.63 1.63 1.63 與風向平行 L 1.60524 1.60524 1.60524 1.60524 面板傾斜角度 10 10 10 10 風力係數 Cf 0.33 0.32 0.39 0.39 距各面板端位置 0.5 0.49 0.52 0.51 距屋頂位置(X/L) 1.05 資料來源:本研究
第三節 構件振動
本案於中央 4 塊光電面板上各安裝 1 個加速度計(CH 11~14)，加速度 計 1~3 分別量測前橫梁水平向加速度歷時，加速度計 4~6 分別量測高 端橫梁 1 垂直向加速度歷時，加速度計 7~8 分別量測高端橫梁 2 垂直 向加速度歷時；加速度計9、10 量測低端橫梁 1 垂直向加速度歷時；加 速度計15 量測低端後橫梁 2 垂直向加速度歷時；加速度計 16 量測後橫 梁2 垂直向加速度歷時。由於各風扇轉速下風壓數據頗多版面有限，僅 摘錄風扇變頻轉速為30Hz 下之加速度歷時數據。而尖峰加速度值，亦 採文獻[5]之 Peak 3s Value 方法來加以計算。可以發現光電面板之最 大加速度值為8.24g，梁構件水平向尖峰加速度值為 2.35g、垂直向尖峰Ch1 Ch2
Ch3 Ch4
Ch5 Ch6
第五章 距置型單跨 6M 風向Ⅱ耐風測試
Ch9 Ch10
Ch11 Ch12
第四節 小結
本節針對 6m 單跨太陽光電板風向 I 與Ⅱ之試驗風速、面板風壓及構 件加速度結果來加以比對。當試體轉向後，風向I 試驗下之各點風速皆 較風向Ⅱ之試驗風速來的大，當風扇變頻轉速來到30Hz 時，風向 I 試 驗之最大陣風風速為 34.96 m/s，而風向Ⅱ之試驗最大陣風風速為 32.5 m/s。 在面板風壓部分，風扇變頻轉速 30Hz 時，風向 I 試驗下之最大極值 正風壓發生於第31 點位(反面)，其值為 418.42 Pa；最大極值負風壓發 生於第13 點位(反面)，其值為-277.84 Pa。風向Ⅱ試驗下之最大極值正 風壓發生於第28 點位(正面)，其值為 430.88 Pa；最大極值負風壓發生 於第32 點位(反面)，其值為-428.2 Pa。 至於面板及構件在尖峰加速度下的表現，當風扇變頻轉速 30Hz 時， 風向 I、Ⅱ試驗下面板，其最大尖峰加速度值分別為 10.38g 與 8.24g； 梁構件水平向最大尖峰加速度值分別為 1.69g 與 2.35g；梁構件垂直向 最大尖峰加速度值分別為4.43g 與 4.22g。第六章 結論與建議
第六章
結論與建議
第一節 結論
一、 距置型單跨4m-風向 I 試驗結果，當風扇變頻轉速達 30 Hz 時， 其最大陣風風速為 39.71m/s，面板垂直向最大尖峰加速度為 20.05g；橫梁之水平與垂直最大尖峰加速度分別為 2.34g 與 5.52g 二、 距置型單跨6m-風向 I 試驗結果，當風扇變頻轉速達 30 Hz 時， 其最大陣風風速為 34.96m/s，面板垂直向最大尖峰加速度為 10.38g；橫梁水平與垂直最大尖峰加速度分別為 1.69g 與 4.43g。 最大極值正風壓為418.42 Pa；最大極值負風壓為 -277.84 Pa。 三、 距置型單跨6m-風向Ⅱ試驗結果，當風扇變頻轉速達 30 Hz 時， 其最大陣風風速為 32.5m/s，面板垂直向最大尖峰加速度為 8.24g；橫梁水平與垂直最大尖峰加速度分別為 2.35g 與 4.22g。 最大極值正風壓為430.88 Pa；最大極值負風壓為 -428.2 Pa。 四、 由於本研究之太陽能光電板受風情形與開放式單斜式屋頂類 似，故參考「建築物耐風設計規範及解說」中，對於開放式建 築物之單斜式屋頂的風力係數 Cf，經查表計算求得本案之風力 係數 Cf=0.35，壓力中心位置為 0.33。而依單跨 6m-風向 I 與Ⅱ第二節 建議
建議一 光電板模組及支撐結構系統耐風測試流程:立即可行建議 主辦機關：內政部建築研究所 協辦機關： － 歸納本研究所進行實驗之樣態、試體安裝、量測設備、資料擷取及 分析等測試過程，彙整成往後實驗室接受光電業者委託進行耐風測試 流程。 建議二 太陽光電系統檢測認驗證能量建置:中長期建議 主辦機關： 經濟部標準檢驗局 協辦機關： 經濟部能源局 將實尺寸光電板模組與結構系統耐風檢測，納入推動太陽光電系統 第三方檢測驗證項目內，對於國內推動太陽光電系統建置，應可確保 系統長期運轉可靠度。附錄一 期中審查意見答復表
附錄一 期中審查意見答復表
審查意見 辦理情形 圖表的編號請配合文字說明連 結 委員所提疏漏之處，將於期末報告 中修正納入 支撐結構安全性建議納入以下 4 項考量因素：光電板邊框強度、 C 型鋼桿件之接頭設計、支撐桿 件之侵蝕、錨固在混凝土上之拉 破強度等 本案係探究整體光電板構架之耐 風行為測試，尚無納入細部或局部 扣件或錨固系統之實驗。 實驗之測試風速及風場情況與 實際太陽能板的設置地點、配置 並不相同，形成的風力作用特性 也不同，實驗與實際之風場特性 如何模擬。另測試時間的長短與 疲勞破壞結果直接相關，該如何 表現實際的颱風作用？ 實驗過程係以 CNS 14280「帷幕牆 及其附屬門、窗物理性能試驗總 則」中所規定之最大陣風風速量測 方 式 與 實 際 封 場 風 速 來 加 以 比 對；惟未探討長時間疲勞破壞等現 象。 報告書第 35 頁之表 3-2 及 3-3， 陣風風速最大值如何定義？另 風速單位有誤請修正 研究中之陣風風速係以尖峰 3 秒 來加以定義 表面風壓(淨風壓)與設計值關 係如何？ 後續將納入光電板上壓力孔佈設 量測並與耐風設計相關係數比對 之研究。 加 速 度 是 否 與 風 速 平 方 成 正 比？ 是的，構件之加速度與風速平方相 關，可參考期末報告第 58 頁 實尺寸光電板耐風測試，對系統 結構設計幫助不大，但可朝向風 力振動對螺栓鬆脫或太陽能電 池隱裂來探討 已納於期末報告中升本研究未來執行實際效益，宜 加以考量 險 公 司 討 論 降 低 設 備 保 費 為 目 標；如能將本案相關檢測要求納入 躉購費率加成獎勵中，則可提升未 來光電板耐風檢測成效
附錄二 期末審查意見答復表
附錄二 期末審查意見答復表
審查意見 辦理情形 風壓分佈測試紀錄集中 6 m 中 間部分，比較可惜，若能了解全 部壓力 變化，就會完美。 單跨 4m 光電板耐風實驗於期中 報告時已完成，當時因未能及時納 入風壓管線佈設，故無風壓數據資 料。 有關後續研究，是否能發展針對 既有光電設施強度進行例如快 篩之類 的檢測？ 報告書第 2 至 4 頁申請流程 圖 ， 第 2 頁 免 雜 項 執 照 備 查 函，再生能源 設施免請領雜項 執照標準 報告書中所提光電板設置無須申 請雜項執照之範疇，將於成果報告 中 強烈颱風風速為 51 m/s 以上， 本案風速僅達中度颱風，請補充 說明 實驗室目前之造風機直徑為 4m， 風扇運轉最大轉速為 30Hz，對應 之 陣風風速約為 40m/s。 是否可提供一標準模組的參數 尺寸及擺置方式，作為設計參數 已於報告書第 15 頁加以說明 本案透過戶外大型風機，藉由系 統性實驗與測試，提出太陽光電 板支撐結構系統耐風性能測試 方法，確保太陽能光電系統之完 整性及穩定 性。成果豐富，並 可立即供國內工程實務參考，符 合預期成果 感謝委員意見 報告書結論二，請補充風壓值， 以便與結論三及四做比較 單跨 4m 光電板耐風實驗於期中 報告時已完成，當時因未能及時納 入 風壓管線佈設，故無風壓數據參考書目
參考書目
[1] 政府科技發展中程個案計畫書「再生能源投(融)資第三方檢測 驗證中心計畫」(106-109)，經濟部標準檢驗局。 [2]「太陽光電系統支撐架結構設計參考手冊」(105)，經濟部能源 局。 [3]「太陽光電系統支撐架結構設計範例」(105)，經濟部能源局。 [4]「建築物耐風設計規範與解說」 (104)，內政部。[5] Aly Mousaad Aly, Girma Bitsuamlak (2013). “ Aerodynamics of Ground-mounted solar panels: Test model scale effects”, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, Vol. 123, pp. 250-260.
