行政院國家科學委員會補助專題研究計畫成果報告
※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※
※ ※
※ 整合太陽光電技術導入建築設計與構造系統之研究 ※
※ ※
※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※
計畫類別：■個別型計畫 □整合型計畫 計畫編號：NSC 90－2211－E－011－039－
執行期間： 90 年 8 月 1 日至 91 年 7 月 31 日 計畫主持人：鄭政利
共同主持人：王文智
計畫參與人員：徐豪廷、詹肇裕
本成果報告包括以下應繳交之附件：
□赴國外出差或研習心得報告一份
□赴大陸地區出差或研習心得報告一份
□出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份
□國際合作研究計畫國外研究報告書一份
執行單位：國立台灣科技大學
中 華 民 國 91 年 7 月 31 日
行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告
整合太陽光電技術導入建築設計與構造系統之研究
The Resear ch of Photovoltaic System in Combination with Ar chitectur al Design and Constr uction System
計畫編號：NSC 90-2211-E-011-039 執行期限：90 年 8 月 1 日至 91 年 7 月 31 日
主持人： 鄭政利 國立台灣科技大學 建築系 共同主持人： 王文智 國立台灣科技大學 電機系
一、中文摘要
本研究主要針對整合太陽能光電導入 建築設計與構造設計之對策進行研究，選 定建築外殼部位分別建置小規模太陽能發 電系統進行實驗與理論之驗證，目的在於 掌握太陽能光電系統利用與建築設計、構 造結合之可行方法。在成果上就屋頂、外 牆及遮陽裝置三部份應用分別建立太陽光 電板應用之實作模型，並且予以檢討，就 單晶矽光電板建立發電效率與日射量之關 係式，建立斜面太陽光電板發電量推估簡 算模式。探討相關課題包括：台灣地區五 個城市近十年日射量基礎資料、現行裝置 太陽光電板之建築相關法規、建築物用電 量與光電板數量之關係及光電板對外殼隔 熱與成本之影響。
關鍵詞：光電板、建築設計、構造系統 Abstract
In this project, we focus on the solution for system combination design in building and construction. The topics of this study will include the solar system efficiency evaluation, construction combination, space and form of building, and the issues of building regulation. Furthermore, we perform an experiment to verify the evaluation model and solution for building design. The results of this research promote the application of Photovoltaic Power Generation and Solar House, and that would contribute to the architect and design engineer in building design.
Keywords: Photovoltaic System, Building Design, Construction System
二、緣由與目的
我國推動「綠建築標章制度」以七大 評估指標為評定綠建築之標準，其中節約 能源是重要的門檻指標之一。台灣位於亞 熱帶地區之熱濕氣候環境，夏季漫長炎熱 日照強烈，開發潔淨的太陽能利用技術應 用於建築設計，是有潛力而值得開發之發 展方向。過去十年以來，歐美、日本等許 多先進國家紛紛鼓勵將太陽光電系統導入 民生供電用途，做為建築之輔助電力系 統；安裝太陽光電板在屋頂或外牆上，或 將光電板與建築外殼構造結合成一體，成 為建築外殼非承載性構材以取代部分建 料，可降低設備成本也創造新的建築造 型。然而應用上仍有許多尚待探討之課 題，本研究則是著重於探討太陽光電板於 建築外殼構造上之整合應用，以及發電量 之推估。本研究主要目的在於探討太陽光 電板與建築外殼構造結合之實作可行性，
並檢討太陽光電系統與建築外殼結合之相 關課題，包括台灣地區日射量基礎資料、
建築物用電量與光電板數量之關係、光電 板隔熱效益及裝置成本。
三、結果與討論
（一）太陽光電板應用於建築外殼構造之 方式與實作
針對太陽光電板安裝於建築外殼構 造之方式進行檢討
[1][2][3]，選擇代表性安裝 型式建置實體模型進行分析探討，實作分 析共分為建築物外牆、屋頂及遮陽裝置三 部位。
1.光電板應用於建築物屋頂
在太陽光電板應用於屋頂上之實作
方式，係採用輕型鋼製框架做支撐材架空
方式安裝於屋頂，將單晶矽太陽光電板置 放於框架中，利用光電板之外框以螺栓與 框架做接合，而框架設計可自由調整傾斜 角度；為配合實驗之彈性應用，框架與屋 頂接合方式採用可動式，如照片 1 所示。
光電板安裝地點為台灣科技大學綜合大樓 屋頂，輸電配線由屋頂沿著外牆之垂直實 驗塔延伸至七樓研究室之實驗量測裝置，
供做發電量之監測分析。
針對太陽光電板應用於屋頂上需注意 事項，本研究整理如下：
（1）屋頂可容許裝置面積之評估。
（2）設置方位應選擇南向較佳，傾斜角度 以當地緯度為傾角較佳。
[7]（3）設置位置應避免屋突等陰影遮蔽。
（4）應與屋頂樓板有適當距離，以方便施 工及增加光電板散熱之機會。
（5）裝置時避免破壞屋頂防水層。
2.光電板應用於建築物外牆-吊掛型
外牆應用之實作安裝係採用角鋼焊 接於 H 型鋼上，再將角鋼與太陽光電板之 外框以螺栓做接合，如圖 1；分別於為東 南及西南向方位各設置 10 片太陽光電 板，如照片 2 所示。
100
PV線收藏於槽型鋼中 太陽能電池板
固定繫件
3
H型鋼
太陽能電池板
外 掛 型 式也 是 較容 易安 裝 之 設置 類
型，既有建築物外牆安裝光電板，建議可 採用外掛方式，可外掛於鋼筋混凝土外牆 上或預製帷幕墻上。考量施工方便性，可 將太陽光電板設置於陽台附近，蓄電池等 設備亦可放置於陽台上。針對太陽光電板 外掛於外牆需注意之事項，本研究整理如 下：
（1）既有建築物安裝位置需考慮施工性。
（2）採外掛型式時光電板背面與外牆之間 應留置適當距離之管線空間，以利施 工性及光電板之散熱。
（3）安裝位置應選擇南向方位較佳。
（4）架設位置避免影響室內採光及通風。
（5）建築立面設計需考慮光電板模矩尺 寸、顏色、質感等條件。
3.光電板應用於建築物外牆-建材一體型 本研究結合鋁帷幕牆與太陽光電板之 施工技術，建立實驗性太陽光電板結合鋁 帷幕牆之實體 2 座，方位朝正南方。以不 銹鋼架模擬建築物結構體之樓板與橫樑，
太陽光電板是鋁帷幕牆單元面裝飾材之一 部份，而帷幕牆則吊掛於不銹鋼架上；兩 座帷幕牆尺寸分別是 173.5cm(H)X131cm (W)、173.5cm(H)X166cm(W)，台度皆為 90 公分，台度以上安裝 8mm 厚強化玻璃；
太陽光電版本身不透光，因此設計安裝於 台度下方位置做為面裝飾材。其中一座帷 幕牆與多晶矽光電板結合，多晶矽之太陽 光電板高度 53 公分，台度下方剩餘部份則 設置金屬鋁板飾面，如照片 3 及圖 2。另 一座帷幕牆則是與非晶矽太陽光電板結 合，在台度鋁料以下全部為光電板。新建 建築物安裝光電板，則可將光電板與帷幕 牆結合，針對建材一體型之太陽光電板應 用需注意之事項，本研究整理如下：
（1）太陽光電板周圍不可以鋁框封邊，應 採兩層玻璃封裝，以便安裝光電板於帷幕 牆鋁擠框溝槽內。
照片 1 太陽光電板設置於屋頂裝置圖
照片 2 外牆吊掛 光電板裝置
圖 1 外牆吊掛
光電板剖面圖
太陽光電板支撐架 太陽光電板 可調角度式支撐框(0至90度)
口型不銹鋼
滑輪
（2）光電模組以玻璃封裝時，模組與玻璃 四周邊應有 2 公分距離，避免當光電 板玻璃崁入鋁擠框溝槽內時，光電模 組受鋁擠框遮蔽日射。
（3）光電板與帷幕牆結合之施作方式與玻 璃安裝相同，板厚度應小於 2 公分。
（4）光電板背面之收納盒位置應距離外周 邊 2 公分以上，以便安裝光電板於帷 幕牆鋁擠框溝槽內。
（5）建築立面需與光電板模矩尺寸配合。
4.光電板應用於建築物遮陽裝置
本研究設計模擬太陽光電板應用於遮 陽裝置上，結合方式是將兩片太陽光電板 分別放置於兩個不銹鋼製遮陽框架，遮陽 框架分別安裝於前述兩座不銹鋼架之頂 部，遮陽框架為可調傾斜角度方式，如照 片 4。兩座不銹鋼架之方位皆朝正南方向，
太陽光電板一片採用多晶矽；另一片為非 晶矽。
（二）太陽光電板應用於建築外殼構造之
效益分析
1.光電板應用於建築外殼之發電量實測 就應用於建築物外牆、屋頂及遮陽裝 置之光電板進行發電量實測，安裝於屋頂 之光電板主要是比較六個不同傾斜角度單 晶矽光電板之發電量量測值。外牆部位分 為安裝於外牆上吊掛型 1KW 光電板之發 電量，及安裝於帷幕牆上不同晶矽光電板 發電效率之比較。安裝於遮陽裝置之光電 板是比較三種不同晶矽光電板發電效率。
（1）屋頂六個傾角光電板之發電量比較 本實驗之目的是就秋冬季比較各傾角 光電板發電量之差異。此系統共設置六片 太陽光電板，每片獨立組裝和地面傾斜角 度分別 0 度、10 度、20 度、30 度、40 度 及 50 度。將 2001 年 10 月至 2002 年 2 月 共五個月實測之發電量比較；水平安裝之 發電量較低，而 40、50 度之發電量相對較 高；此量測結果應證秋、冬季時，太陽能 光電板設置於較高傾角時，發電量較有利 之論點。五個月平均實測發電量最佳之角 度為傾角 40 度。
0 20 40 60 80 100 120 140
10月 11月 12月 1月 2月
月份
發電量(wh/day)
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
日射量(wh/㎡-day)
傾角0度 傾角10度 傾角20度 傾角30度
傾角40度 傾角50度 日射量
（2）帷幕外牆三種光電板之發電效益比較 實驗監測時間為 2002 年 3 月，分別 量測傾角 90 度之單晶矽、多晶矽及非晶矽 三種太陽光電板發電量，並比較其發電效 益。而本研究定義之太陽光電板之發電效 益＝傾斜角光電板發電量/(水平面日射量
×光電板受照面積)。實驗發現，當日射量 低時，太陽光電板之發電效益亦降低；選 取日射量大於 2000wh/㎡-day 以上之天數 來探討，單晶矽光電板之平均發電效益為 3.0%，多晶矽光電板為 2.4%，非晶矽光電 板為 1.3%。
（3）遮陽裝置三種光電板之發電效益比較 照片 3 光電板與帷幕牆結合一體型裝置
圖 2 帷幕牆安裝於不鏽鋼架剖面圖
照片 4 光電板應用於可調傾角遮陽裝置
圖 3 南向光電板各傾角發電量比較
實驗監測時間為 2002 年 3 月，分別 量測傾角 25 度之單晶矽、多晶矽及非晶矽 三種太陽光電板發電量，並比較其發電效 益，單晶矽光電板之平均發電效益為 6%，
多晶矽為 7%，非晶矽光電板為 3%。選取 日射量大於 2000wh/㎡-day 以上之日數進 行分析，結果顯示，單晶矽光電板之平均 發電效益為 9.1%，多晶矽光電板為 10.3%，非晶矽光電板為 4.3%。
2 光電板對建築外殼構造之隔熱效益分析 本研究依據建築物節約能源設計技術 規範與實例內之常用外牆熱傳透率資料，
選擇部份案例，計算光電板應用於建築外 殼構造後之外殼熱傳透率。結果得知在 RC 外牆上外加掛太陽光電板，對於熱傳透率 降低有極大幫助；帷幕牆方面以光電板取 代部分花崗石或金屬板材，對於熱傳透率 降低亦有些助益。
帷幕牆
1.25 1.24 2.75
1.35
2.40 2.40
0.501 1.52 2.53
金屬帷幕牆 金屬材由PV板取代
花崗石帷幕牆 花崗石帷幕牆掛PV板
玻璃帷幕牆
玻璃材由PV板取代玻璃 種類 熱傳透率(w/㎡k)
（三）斜面光電板發電量推估式探討 1. 光電板發電效率與日射量之關係式
圖 5 係實測水平面日射量與單晶矽光 電板發電效率之關係分布，求得光電板發 電效率之回歸分析式如式 1。
Y＝－0.0000003X
2＋0.00281X+1.891(式 1) Y＝光電板發電效率（﹪）
X＝水平面日射量（wh/㎡-day）
y = -0.0000003 x2 + 0.0028095 x + 1.8912118 R2 = 0.8629597
0 2 4 6 8 10
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000
日射量(wh/㎡-day)
光電板發電效率(%)
2. 斜面光電板逐日發電量推估理論
本研究引用 Berlage 公式與 Bouguer 公式，用以推估斜面逐日日射量，該公式 原係用以計算水平面逐時天空散射量與不 同方位傾角之斜面逐時直達日射量。本研 究暫不考慮太陽位置的逐時變動以及地表 反射，以當日中午時刻太陽位置之高度角 與方位角、量測所得之逐日水平面日射 量、假設之大氣透過率、氣象統計之日照 時數等為輸入條件，用以推估計算不同傾 角之斜面逐日日射量。將上述斜面日射量 推估公式代入光電板發電量計算式，即可 建立斜面光電板逐日發電量公式。
以本研究實測之水平日射量推估斜面 光電板之發電量，以屋頂五個月之斜面光 電板實測發電量進行驗證比較，圖 6 係台 北地區南向五個月份實測發電量與推估發 電量之相關分布，統計結果 10、11、12、
1 及 2 月之相關係數 R
2值分別為 0.76、
0.61、0.91、0.97 及 0.97。
R2 = 0.83
0 50 100 150 200 250
0 100 200 300
實測發電量(wh-day)
推估發電量(wh-day)
四、計畫成果自評
本研究根據原計畫之目標，在一年的 執行期間已經大致順利達成，研究成果將 有助於提供國內建築規劃設計導入太陽光 電系統之應用參考，也將整理發表於國內 及國外建築領域相關學術期刊。
五、參考文獻
[1]Joachim Benemann、Oussama Chehab，
2001，”Building-integrated PV modules”，Solar Energy Material and Solar Cells，pp.345-354。
[2] Anne Grete Hestnes，2000，”Building integration of solar energy systems”，Solar Energy，pp.181-187。
[3]]柚原 尚，2000.05，〈建材一體型太陽光發電之 開發〉，能源月刊，Vol.33.No.05，pp85-87。
