陽光屋頂耐風評估與設計準則

陽光屋頂耐風評估與設計準則

內政部建築研究所協同研究報告

年度

陽光屋頂耐風評估與設計準則

內 政 部 建 築 研 究 所 協 同 研 究 報 告

中華民國 104 年 12 月

計畫編號：10415B0006

陽光屋頂耐風評估與設計準則

研究主持人：鄭元良

協同主持人：陳若華

研 究 員：李信宏，范智光，郭建源，聶國昀

研 究 助 理 ：周晉成，王家驊

內 政 部 建 築 研 究 所 協 同 研 究 報 告

中華民國 104 年 12 月

（本報告內容及建議，純屬研究小組意見，不代表本機關意見）

目次 I

目次

目次 ... I

表次 ... V

圖次 ... VII

摘 要 ... XIII

ABSTRACT ... XVII

第一章 緒 論 ... 1

第一節 研究緣起與背景 ... 1

一、研究緣起 ... 1

二、研究背景 ... 2

第二節 研究內容與方法 ... 5

第三節 研究流程與進度規劃 ... 10

第二章 文獻回顧 ... 13

第一節 太陽光電板之氣動力特性 ... 13

第二節 相關規範及管理辦法 ... 14

II

第三章 太陽光電板氣動力特性實驗 ... 21

第一節 流場規劃 ... 21

第二節 實驗量測與模型規劃 ... 22

第四章 研究成果與檢討 ... 29

第一節 太陽光電板風載重 ... 29

一、不同排數太陽光電板的影響 ... 29

二、不同間距的影響 ... 33

三、更多排數時不同位置的差異 ... 36

四、邊緣距離的差異 ... 37

五、屋頂坡度的影響 ... 43

六、女兒牆的影響 ... 45

七、太陽光電板下高度影響 ... 45

第二節 結構分析成果 ... 47

一、太陽光電板模組支撐架結構數值分析模型 ... 47

二、結構分析計算成果 ... 50

第三節 太陽能支撐架結構改善分析 ... 70

第四節 規範與實驗值對支撐架結構分析比較 ... 77

目次 III

第五節 陽光屋頂之耐風設計準則研擬 ... 83

第五章 結論與建議 ... 85

第一節 結論 ... 85

第二節 建議 ... 87

附錄一、陽光屋頂之耐風設計準則 ... 91

一、耐風設計考慮因素 ... 91

二、研擬之設計準則 ... 91

附錄二、評選委員發言單及廠商回應一覽表 ... 95

附錄三、期中審查委員發言單及廠商回應一覽表 ... 99

附錄四、專家座談委員發言單及廠商回應一覽表 ... 107

附錄五、期末審查會委員發言單及廠商回應一覽表 ... 111

參考書目 ... 117

 

表次 V

表次

表 1-1 太陽光電系統設置之型式及特點... 3

表 1-2 研究進度規劃表 ... 11

表 3-1 太陽光電板陣列排列方式 ... 27

表 3-2 建築物屋頂型式 ... 28

表 3-3 實驗項目統整表 ... 28

表 A-1 評選委員發言單及廠商回應一覽表 ... 95

表 A-2 期中審查委員發言單及廠商回應一覽表 ... 99

表 A-3 專家座談委員發言單及廠商回應一覽表 ... 107

表 A-4 期末審查會委員發言單及廠商回應一覽表 ... 111

圖次 VII

圖次

圖 1-1 計畫執行流程 ... 10

圖 2-1 陣列陰影長度之計算圖例 ... 19

圖 3-1 流場特性之垂直分佈，(a)平均風速剖面，(b)紊流強度剖

面 ... 21

圖 3-2 氣動力模型 ... 23

圖 3-3 模型風攻角定義 ... 23

圖 3-4 電子式壓力掃描模組 ... 25

圖 3-5 壓力訊號處理系統 ... 25

圖 4-1 平屋頂建築物，太陽光電板上所受整體平均淨風壓係數隨

風攻角變化，(a)單排，(b)2 排，(c)3 排。 ... 31

圖 4-2 平屋頂建築物，太陽光電板上所受整體擾動性淨風壓係數

隨風攻角變化，(a)單排，(b)2 排，(c)3 排。 ... 32

圖 4-3 平屋頂建築物，各排太陽光電板上所受整體平均淨風壓係

數隨風攻角變化，(a)無間距，(b)1 單位間距，(c)2 單位間距，

(d)3 單位間距。 ... 34

VIII

圖 4-4 平屋頂建築物，各排太陽光電板上所受整體擾動性淨風壓

係數隨風攻角變化，(a)無間距，(b)1 單位間距，(c)2 單位間

距，(d)3 單位間距。 ... 35

圖 4-5 平屋頂建築物，七排太陽光電板時，第 1、4、7 排之整

體淨風壓係數隨風攻角變化，(a)平均淨風壓係數，(b)擾動性

淨風壓係數。 ... 36

圖 4-6 平屋頂建築物，三排太陽光電板與屋頂前緣不同距離時

整體淨風壓係數隨風攻角變化，(a)與前緣切齊，(b)與前緣退

縮 1 單位寬(c)與前緣退縮 2 單位寬。 ... 38

圖 4-7 平屋頂建築物，三排太陽光電板間距 1 單位寬與屋頂前

緣不同距離時整體淨風壓係數隨風攻角變化，(a)與前緣退縮

1 單位寬(b)與前緣退縮 2 單位寬。 ... 39

圖 4-8 1:8 斜屋頂建築物，與屋頂前緣不同距離之 3 排太陽光電

板整體淨風壓係數隨風攻角變化，(a)與前緣切齊，(b)與前緣

退縮 1 單位寬，(c)與前緣退縮 2 單位寬。 ... 40

圖 4-9 1:4 斜屋頂建築物，與屋頂前緣不同距離之 3 排太陽光電

板整體淨風壓係數隨風攻角變化，(a)與前緣切齊，(b)與前緣

退縮 1 單位寬，(c)與前緣退縮 2 單位寬。 ... 41

圖 4-10 1:2 斜屋頂上與屋頂前緣不同距離之 3 排太陽光電板整

圖次 IX

體淨風壓係數隨風攻角變化，(a)與前緣切齊，(b)與前緣退縮

1 單位寬，(c)與前緣退縮 2 單位寬。 ... 42

圖 4-11 不同屋頂坡度，三排太陽光電板與屋頂前緣切齊時整體

淨風壓係數隨風攻角變化，(a)平屋頂，(b)坡度 1:8 屋頂，(c)

坡度 1:4 屋頂，(d)坡度 1:2 屋頂。 ... 44

圖 4-12 平屋頂含女兒牆時，三排太陽光電板與屋頂前緣不同距

離時整體淨風壓係數隨風攻角變化，(a)與前緣切齊，(b)與前

緣退縮 1 單位寬，(c)與前緣退縮 2 單位寬。 ... 46

圖 4-13 太陽光電板各部結構圖 ... 47

圖 4-14 桿件名稱定義 ... 48

圖 4-15 桿件編號分布， (a) (b)Column 桿件編號 R1：201-221；

R2：101-142，(c) Beam 桿件邊號：501-600，(d) Girder 桿

件編號 301-354，(e) Truss 桿件編號 601-621。 ... 49

圖 4-16 屋頂上太陽光電板編號與來流風向角定義。 ... 50

圖 4-17 (a)前排柱桿件軸力極值圖，(b)後排柱桿件軸力極值圖 51

圖 4-18 橫梁桿件應力 (a)彎矩極值圖，(b)剪力極值圖 ... 52

圖 4-19 斜梁桿件應力 (a)彎矩極值圖，(b)剪力極值圖 ... 53

圖 4-20 斜撐桿件軸力極值圖 ... 54

X

圖 4-21 柱桿件軸力，(a)前排柱桿件軸力極值圖，(b)後排柱桿件

軸力極值圖 ... 55

圖 4-22 橫梁桿件內力，(a) 橫梁桿件彎矩極值圖，(b) 橫梁桿件

剪力極值圖 ... 56

圖 4-23 斜梁桿件內力，(a)斜梁桿件彎矩極值圖，(b)斜梁桿件剪

力極值圖 ... 57

圖 4-24 斜撐桿件軸力極值圖 ... 58

圖 4-25 柱桿件軸力極值圖，(a) p1 前排柱桿件軸力極值圖，(b) p3

前排柱桿件軸力極值圖。 ... 59

圖 4-26 柱桿件軸力極值圖，(a) p1 後排柱桿件軸力極值圖，(b) p3

後排柱桿件軸力極值圖。 ... 60

圖 4-27 橫梁桿件內力極值圖，(a) p1 p1 橫梁桿件彎矩極值圖，(b)

p3 橫梁桿件彎矩極值圖。 ... 61

圖 4-28 橫梁桿件剪力極值圖(a) p1 橫梁桿件剪力極值圖，(b)p3

橫梁桿件剪力極值圖。 ... 62

圖 4-29 橫梁桿件剪力極值圖(a) p1 橫梁桿件彎矩極值圖，(b)p3

橫梁桿件彎矩極值圖。 ... 63

圖 4-30 斜梁桿件剪力極值圖(a) p1 斜梁桿件剪力極值圖，(b)p3

斜梁桿件剪力極值圖。 ... 64

圖次 XI

圖 4-31 斜撐桿件軸力極值圖(a) p1 斜梁桿件軸力極值圖，(b)p3

斜梁桿件軸力極值圖。 ... 65

圖 4-32 柱桿件軸力，(a) 前排柱桿件軸力極值圖，(b)後排柱桿

件軸力極值圖 ... 66

圖 4-33 橫梁桿件內力，(a)橫梁桿件彎矩極值圖，(b)橫梁桿件剪

力極值圖 ... 67

圖 4-34 斜梁桿件內力，(a)斜梁桿件彎矩極值圖，(b)斜梁桿件剪

力極值圖 ... 68

圖 4-35 斜撐桿件軸力極值圖 ... 69

圖 4-36 前排短柱與斜撐連接位置示意圖 ... 70

圖 4-37 後排柱與斜撐連接位置示意圖... 71

圖 4-38 後排長向斜撐連接位置示意圖... 71

圖 4-39 不同風攻角作用下，後排柱桿件軸力極值圖，風攻角(a)30

度，(b)40 度，(c)50 度，(d)60 度。 ... 73

圖 4-40 風攻角 30 度時，斜梁桿件之(a)彎矩極值圖，(b)剪力極值

圖。 ... 74

圖 4-41 不同風攻角作用下，斜撐桿件軸力極值圖，風攻角(a)30

度，(b)40 度，(c)50 度，(d)60 度。 ... 76

XII

圖 4-42 風攻角 40 度，前後排柱桿件軸力極值圖，(a)後排柱，(b)

前排柱 ... 78

圖 4-43 風攻角 40 度時，(a)原結構橫梁桿件彎矩極值圖，(b)改

善後結構橫梁桿.件彎矩極值圖 ... 79

圖 4-44 風攻角 40 度時，(a)原結構橫梁桿件剪力極值圖，(b)改

善後結構橫梁桿件剪力極值圖 ... 80

圖 4-45 風攻角 40 度時，(a)原結構斜梁桿件彎矩極值圖，(b)改

善後結構斜梁桿件彎矩極值圖 ... 81

圖 4-46 風攻角 40 度時，(a)原結構斜梁桿件剪力極值圖，(b)改

善後結構斜梁桿件剪力極值圖 ... 82

摘要 XIII

摘 要

關鍵詞：風荷載、太陽光電板、結構分析、風洞實驗 一 、 研 究 緣 起 太陽光電科技產業為政府所大力鼓勵的重要發展路線，對於太陽光電系統 的設置以及管理各級政府訂下鼓勵的政策。太陽光電系統的安裝大多位於建築 物頂端或外殼及空曠區域等受風作用甚為強烈，太陽光電系統設施的設置與運 轉即需對外在環境具備相當的耐受能力，台灣地區颱風等極端氣候作用頻繁， 因此受風作用後，引發的荷載有必要加以評估。本計畫由氣動力實驗與結構分 析等方向來探討風場對太陽光電板或陣列的風載重，涵蓋模型氣動力實驗、結 構分析軟體的計算檢討與耐風性能優化設計建議等。 二 、 研 究 方 法 及 過 程 本計畫以氣動力實驗與結構分析等構面來探討風場對陽光屋頂風載重的影 響，涵蓋低層建築物模型氣動力實驗、結構分析軟體的計算檢討與耐風性能優 化設計建議等。 三 、 重 要 發 現 本計畫就建築物屋頂安裝太陽光電系統進行一系列實驗，並進行支撐結構 系統的內力分析，重要發現包括以下： 1. 建築物屋頂太陽光電板模組風荷載主要受到安裝位置及光電板陣列排列方 式影響，在多排太陽光電板陣列的受風作用以接近建築物邊緣的第一排最為 強烈，後排的光電板受到前排的遮擋，其受風力減少甚多。在小風攻角條件 下，兩排光電板之間距不超過前排光電板高度四倍時遮蔽效應可達百分之五 十以上。 2. 以低層建築物而言，屋頂面上建築物高度十分之一的周邊區域，受到分離剪

XIV 力流或角隅渦漩影響，安裝於此區域的太陽光電板將受到強烈負風壓作用， 有掀翻的潛在危機，對光電板結構安全最為不利。 3. 不同屋頂坡度的建築物屋頂上安裝太陽光電模組時，光電板所受的風荷載相 比較可見在小攻角的情形下，隨屋頂坡度的增加，負風壓作用更為強烈，顯 示屋頂坡度越位陡峭時，架設其上的太陽光電板陣列所受負風壓作用將更為 嚴重。 4. 女兒牆的存在使得光電板所受風荷載大幅減輕，將光電板陣列進行退縮時， 光電板的風荷載僅微幅上升。本研究採用的退縮距離達女兒牆高度的四倍時， 光電板的風荷載仍受到女兒牆的遮蔽保護而無強烈風荷載。 5. 經比較太陽能支撐架結構系統改善前後之數值分析成果，可發現一般業界所 採用之支撐架結構系統，桿件幾何佈置過於簡單（靜不定度過低），無法充 分導引、疏通過於集中之力流。此種結構型式容易產生桿件內力過大與應力 集中之不良影響。經本研究改善方案分析所得結果可知，透過桿件接合採用 焊接方式及支撐光電板的斜梁多增加斜撐桿件，將載重直接導引至支承端後， 可有效降低桿件內力，減少局部桿件應力負荷。 四、主要建議事項 【建議一】 屋頂太陽光電模組受風振動反應實場量測：立即可行建議 主辦機關：中華民國風工程學會 協辦機關：內政部建築研究所 陽光屋頂的政策對於節能及永續利用有指標性的意義，台灣地區日照 充足，太陽光電發電甚具價值，但台灣地區亦有颱風等極端氣候作用， 光電板破壞除可能有強風破壞外，受風振動亦是重要議題，長期的振 動雖不一定是大振幅的激烈反應，但長時期小振動對於材料有疲勞的

摘要 XV 影響，可能造成光電板破損以致在強風作用時發生嚴重毀損破壞，有 必組織研究團隊針對光電板受風振動反應進行實場量測，累積觀察資 料。同時由各不同觀察對象之結構系統中了解，光電板受風振動現象 的差異，有助於陽光屋頂的政策推動。 【建議二】 建物整合太陽光電模組風荷載研究：立即可行建議 主辦機關：內政部建築研究所 協辦機關：中華民國風工程學會 建物整合的太陽光電系統具有更佳的設計發揮空間，可融入建築物設 計中成為空間構成或圍束的元素之一，因其造型的多變性，往往無規 範可供參考，但以台灣地區颱風或強烈季風作用下，建物整合太陽光 電系統的風荷載應加以檢討，以減少風損。因此有必要進行統整常見 的建物整合手法，並歸納出其中的重要參數或幾何比例關係，利用風 洞實驗界定其風荷載，供設計師了解合適的造型選擇，並有助於永續 建築設計的理念推動。 【建議三】 特殊造型屋頂太陽光電模組之風荷載數據庫：長期性建議 主辦機關：內政部營建署 協辦機關：中華民國風工程學會 本研究中採用的建築物造型為矩形構型，實際建築物屋頂造型各異， 其他如曲面屋頂、多邊形屋頂等條件下，對於安裝其上的太陽光電模 組風荷載有何影響，光電板架設方式是否有需要進行調整，如單純以

XVI

本研究之個案成果尚不足以解答此一問題，建議將曲面屋頂、多邊形 屋頂及其包含的高寬比、深寬比、安裝區位、風向等影響條件綜合考 量，結合氣動力實驗與結構計算，建立更多造型屋頂上合適的太陽光 電模組風荷載預估模式或數據資料庫，以利建築設計之用。

摘要

XVII

ABSTRACT

Keywords: wind loadings, solar panels, structural analysis, wind tunnel tests.

I. Background

The solar energy industry is an important roadmap that strongly encouraged by our government. According to this policy lot of management and encourage rules also be defined by official governmental agencies. Since most of the solar panels are install on the flat roof top of buildings, outside shells of buildings or the open areas. Those area are also the strong wind or extreme weather acting area. So the wind resistance capacity will be an important consideration in the design stage. In this project the aerodynamic tests of solar panels models and structural analysis with the data collected by tests are conducted to explore the wind loadings on solar panels, and the other purposes will be tried to find out the optimization design comments for the industries usage in solar energy system.

II. Research methods and processes

In this study the aerodynamic tests of models in wind tunnel are adopted to collect the necessary data for structural analysis. Also the information about wind loadings on the solar panel will be retrieved from the results of wind tunnel tests, this will be helpful to set up the design comments on raising the wind resistance capacities of solar panels support system.

III. Preliminary Conclusions

According to the results of this project, a series of aerodynamic tests have been adopted, the aerodynamic characteristics of solar panel mounted on the roof top of buildings in the array type arrangements are found. Also the stresses of support system of solar panel array are analysis by the Midas software to check the stress distribution among the structure. The following conclusions are made.

1. The arrangement of solar panel array on roof top is very important due to the wind effects on them. For the case of multi-rows solar panel array, the upstream panel can give some protection onto the downstream panel due to the sheltering effects. In this study the sheltering effects may exist for the spacing among

XVIII panels up to four times of panel height.

2. For low-rise buildings, the vortex effects will be strong in the surround belt at roof top. If the solar panel arrays are arranged in the region, the wind effects would be serious. It will make the panel in an extreme wind loadings situation. Generally, the width of this belt will be one to tenth of the height of building. 3. For the different slope of roof, the wind effects also variated. In this study we

found that the panel mounted on the steep roof will suffered more wind loadings on them.

4. The effects of parapet will reduce the wind loadings on the panels in their efficient range. Basically, the sheltering effects of parapet may exist for the downstream range among panels up to four times of parapet height.

5. According to the structure analysis calculation with the time-history of wind loadings on panels we found the commercial solar panel support system is too simple. In this kind of structure the stress cannot be distributed to all members efficiently, so some of the members may bear most of wind loadings. We change the truss member into welded member and add more members to enhance the gird. And the result of analysis shown, that the stress distribution will be more uniform and the peak values are reduce for 50% at least.

IV. Recommendations

For immediate strategies:

1. Surveying the micro-vibration level of real solar panel arrays. Comparing the level of vibration with variant support structure system and make some conclusion about reducing vibration level. Put survey and structural analysis all together to identify the factors which affect the vibration level, this may give some help to push the solar roof policy.

2. The wind loadings on the building integrated photovoltage (BIPV)devices. Due to the BIPV design concept is one of the main development routes on solar energy application in architecture industry. The designer need some reference manual or chart to help them choose the adoptive solar panel

摘要

XIX

shapes on the building shells in the design stage to avoid the extreme weather acting. So it is important to survey the most used shape or geometric factors of the BIPV system in Tiawan, and some aerodynamic tests are needed to explore the wind loadings level on them. The results might give some key contributions to the push of sustainable building policies.

For long-term strategies:

1. Creating the prediction model or data-base to estimate the suitable micro-vibration responses by wind loadings on the solar panel arrays mounted on variant type buildings roofs. In this study on the typical rectangular type roof is adopted. For the other type like the dome of curve roofs, the solar panel wind loadings will be an interested topic. By the series study of wind loadings on solar panel arrays mounted on variant type roof, a suitable prediction model or data base may be constructed. This will give valuable information to the architectures in the design stage of solar panel arrays system.

第一章 緒論 1

第一章 緒 論

第一節 研究緣起與背景

一 、 研 究 緣 起 台灣天然資源匱乏，所需石油、煤炭及天然氣等主要石化能源等幾乎都依 賴進口，未來能源政策，應以經濟與環保並存為優先，減少對石化能源依賴， 並發展潔淨的再生能源，加上最近日本東北大地震所造成福島核能電廠嚴重受 創所引發的核災重大危機，更加速各國發展再生能源決心。目前開發的再生能 源主要以太陽能、風力、水力、生質及地熱等天然資源作為發電來源，台灣位 於亞熱帶，日照豐富且時間長，2007 年亦已晉升全球第四大太陽能電池生產國， 故以太陽能發電最具開發潛力。有關太陽光電發電系統於設計與裝置應考量之 因素與重點值得研討。綠色環保建築是目前建築產業發展重要方向，亦是本所 目前結合智慧化綠建築的研究課題，太陽光電發電亦常應用於綠建築再生能源 的取得來源，目前太陽光電設施(photovoltaics, PV)常架設於建築物屋頂，經濟 部能源局稱之為「陽光屋頂」，而該位置可增加日照時間增長發電功率，惟該處 為建築物相對風力作用較大處，故本身及其與建築物連結之結構考量是相當重 要。綠建築是本所重要推廣業務項目，而經濟部正推行陽光屋頂百萬座計畫， 其計畫中規劃於2030 年推廣太陽光電發電系統設置容量達到 8,700MW，目標 建立我國太陽光電設置應用完善環境，積極推動太陽光電發電系統，並以推動 策略採「逐步擴大、先屋頂後地面」而言，對於國內太陽光電能源永續發展趨 勢，陽光屋頂的設置勢必會越來越多，故太陽能光電固定於建築物屋頂結構強 度考量評估方式於建築規範修訂中顯得相當重要。 臺灣位處亞熱帶地區，每年會有颱風來襲，且於冬季東北季風強勁，其強度 是產品設計上重要參考指標。過去，太陽光電能源系統與熱水器裝置在臺灣相當 普及，關於太陽能熱水系統的風荷載已有部分研究成果，而陽光屋頂規劃之太陽 光電板與太陽能熱水系統光電板不同之處在於其數量更為龐大、採陣列式排列、

2 光電板形狀單一且幾乎無其他附屬設備(如熱水桶)。研究顯示，太陽能熱水系統 之熱水桶因其鈍體形狀對降低整體結構風荷載是有助益的，而太陽光電板相對於 此其受風作用將更為強烈，因此有必要探討其所受風荷載，提供相關數據業界參 考，及廠商在最低風力影響安裝位置選定進行評估判斷。 以今年(104 年)的蘇迪勒颱風為例，彰化縣芳苑鄉一處養鴨場在屋頂設置 1500 坪的太陽能板「種電」，「試車」發電啟用才 2 週，就遭「蘇迪勒」颱風無 情摧毀， 4500 塊太陽能板扭曲變形，甚至遭吹往 100 公尺外，損失三千萬元。 颱風來襲時，鹿港測站則測到9 級風，每秒風速 20.9 公尺，大城測站測到 6 級 風，每秒風速13.8 公尺。104 年 8 月 8 日凌晨，高約 10 公尺、養育 2 萬多隻鴨 的鐵皮養鴨場，不耐強風狂襲，屋頂總重83 公噸的太陽能板全毀，支架散落滿 地(33)。依建築物耐風設計規範規定彰化芳苑地區設計風速取用 27.5m/sec，仍高 於當日觀測值。顯示對於建築物屋頂架設太陽光電板，如未針對危險位置、配置 間隔、遮蔽、支架結合方式等諸多因素加以考量，強風作用下，極可能發生破壞。 二 、 研 究 背 景 經濟部正推行陽光屋頂百萬座計畫規劃於 2030 年推廣太陽光電發電系統 設置容量達到8,700MW，目標建立我國太陽光電設置應用完善環境，積極推動 太陽光電發電系統。推動策略採「逐步擴大、先屋頂後地面」，以穩健成長、負 責任的態度來帶領國內太陽光電能源永續發展。依經濟部能源局推動「陽光屋 頂百萬座」計 畫，2012 年規劃設置目標為 100MW，2013 年原訂目標 130MW 因國內太陽光電安裝需求旺盛，設置目標上調至 175MW，2014 年設置目標提 升至210MW，以鼓勵屋頂型太陽光電系 統為主，預定 2015 年完成 847MW， 2020 年達到 2,120MW 的太陽光電發電系統設置，2030 年臺灣太陽光電發電設 置容量目標8,700MW，以建立國內設置實績，達成產業、環境等多重效益。其 計畫中規劃於2030 年推廣太陽光電發電系統設置容量達到 8,700MW，目標建 立我國太陽光電設置應用完善環境，積極推動太陽光電發電系統，並以推動策 略採「逐步擴大、先屋頂後地面」而言，對於國內太陽光電能源永續發展趨勢， 陽光屋頂的設置勢必會越來越多，故太陽光電固定於建築物屋頂結構強度考量

第一章 緒論 3 評估方式於建築規範修訂中顯得相當重要。 「陽光屋頂百萬座」現階段政府以鼓勵屋頂型太陽光電系統為主，並以躉 購費率及其他具體推動政策，配套措施如下： 1.簡化整體設置流程，放寬免競標資格 2.結合地方政府與鄉（鎮、市）、區公所合力推展 3.推動陽光社區設置 為加速再生能源開發、打造綠色能源經濟，經濟部能源局成立「陽光屋頂 百萬座」推動專案辦公室，主要為整合相關資源，針對設置障礙提供專業協助， 提供國內業者、縣市政府、承裝者完整解決方案，以加速推廣設置成效。推動 之配套措施包含簡化整體設置流程，放寬免競標資格、結合地方政府與鄉（鎮、 市）、區公所合力推展、推動陽光社區專案計畫等。 依據經濟部2014「能源與產業政策白皮書」，2014 目前我國太陽光電產業 已建構完整產業供應鏈，上中下游相關廠商數目家數逾250 家，整體就業人數 逾 2.2 萬人，2013 年總產值達新臺幣 1,572 億元，2013 年太陽電池生產量逾 7GWp，為全球第 2 大製造國。2012 年政府開始執行陽光屋頂百萬座政策，推 動國內太陽光電普及化設置，並推動擴大海外市場行動計畫，協助國內廠商尋 找市場，2013 年國內太陽電池製造廠商由虧轉盈，整體產值較 2012 年成長 18.9%。 太陽光電開發利用，是一項符合我國自然條件，同時又能配合我國產業基 礎的再生能源應用項目，有利於我國達成二氧化碳減量目標，並增加自主能源 的供應與穩定。未來透過「陽光屋頂百萬座」的推動，將提升國內市場需求， 提供系統廠商建置太陽光電系統之實績與經驗，帶動我國產業發展新契機。

表 1-1 太陽光電系統設置之型式及特點

型 式

特 點

4 地面設置型 (Ground Mounted PV) 施工便利、受風壓低，缺點為土地 取得不易。 屋頂型 (Roof Top PV) 可充分利用空間，裝置容量受限。

Building Integrated PV (BIPV) 及Construction Integrated PV (CIPV)

可整合建築物空間利用、結構安全性及 建築美學之外觀功能設計。有效利用建 築物的表面發電，兼具建築物的外表包 覆建材之功能，以太陽電池模組來代替 屋瓦、牆面、窗戶及採光設施之建材使 用，可避免系統設置二次施工，造型美 觀但發電效益較低、建置成本高。 資料來源：台電新能源開發處2009 太陽光發電系統之各種組成設備包括太陽電池模組(PV Module)構成之太 陽電池陣列(PV Array)、直流接線箱(DC Junction Box)、直/交流電力轉換器 (DC/AC Inverter，亦稱電力調節器)、交流配電盤(ACPower Panel)等。太陽光電 系統依設置的方式一般可區分為地面設置型、屋頂型、BIPV 及 CIPV 等型式， 其特點說明如表1-1。 在台灣，太陽光電系統支撐架之設計需考慮的項目非常多，台灣係屬亞熱 帶海島型氣候，因此在設計太陽光電板的支撐架時，對台灣腐蝕環境必需加一 重視與了解(台電新能源開發處 2009)，台灣鹽害腐蝕嚴重區大多在西海岸，充 滿氯離子；雨水酸鹼度值西岸較為嚴重；海岸區雨水較少，但山區為重；只有 內陸情況較好；而台灣腐蝕環境概況分析如下： (1).台灣的腐蝕形態，深受海洋環境及濕度的影響，北部潮濕，腐蝕指標較 南部為高。 (2).台灣可居住環境的腐蝕指標皆在中度腐蝕以上，顯示全島因工業污染所 造成的酸雨效果非常嚴重，尤其是西部平原。 (3).腐蝕指標嚴重區域為觀音工業區及陽明山、台中港、麥寮及離島等地 區。

第一章 緒論 5 (4).風砂大的地區有嚴重沖蝕的不利影響。 (5).台灣全島平地之平均溫度溫暖偏高。 目前陽光屋頂之太陽光電板常見架設方式包括平貼於屋頂面、作為建築物 附屬雨庇或遮陽構造物及採剛性構架支撐架高於屋頂面等作法；其中平貼於屋 頂面之太陽光電板受限於屋頂坡度與走向，但其所受風壓與屋頂表面披覆物可 一體考量，如價高設置則亦應另行考慮其氣動力特性與風荷載。而作為建築物 附屬雨庇或遮陽構造物時，則可引用規範中相關傾斜屋頂之規定進行其風荷載 的評估；太陽光電板採剛性構架支撐架高於屋頂面時，可提供較具彈性的角度 調整，由於架高的關係，氣動力行為較為複雜，其版面所受風荷載成為支撐結 構設計的重要考量，包括結構桿件內力及節點結合強度需求等，本案將進行深 入的探討。平貼於建築物外殼之光電板之風荷載受到版與建築物間距影響，亦 可進一步探討。

第二節 研究內容與方法

本計畫將由氣動力實驗與結構分析等構面來探討風場對太陽能光電系統風 載重的影響，涵蓋低層建築物模型氣動力實驗、結構分析軟體的計算檢討與耐 風性能優化設計建議等，規劃之研究內容包括： 1. 國內外相關研究文獻與規範探討：蒐集與彙整太陽能光電系統結構系統、 設計標準與設計風載重相關之文獻，供評估模式建立及實驗品質管控，包 括 (1) 目前已有安裝之案例分析，探討其分布方式、支架系統、幾何條件決 定因素、安裝考量條件等。 (2) 多片式太陽能光電陣列排列原則，包括間距、角度、建物整合考量等。 (3) 國內外相關設計準則或規範資料蒐集。 (4) 光電板材料性能及支架系統材料性能資料蒐集。 (5) 國內太陽光電板受颱風破壞情形與結構性能檢討。 (6) 整理國內陽光屋頂類建築物所使用太陽能光電設施結構系統資料蒐 集與檢討，並作為實驗設計之基礎。

6

2. 流場模擬：

(1) 本研究將利用本所風洞實驗室現有大氣邊界層流場，初步選取地況 C 的流場條件，作為來流條件。

(2) 流場量測將利用本所的二維熱膜探針(Hot film probe)配合移動機構加 以量測，觀測記錄流場的剖面資料。 (3) 模型安裝後，風洞實驗斷面的阻塞比控制於 8%以下。 3. 建築物與太陽能光電設施之氣動力模型： (1) 本研究將結合業界實務案例製作屋頂面上不同排列方式的太陽光電 板氣動力模型，進行風洞實驗。由於平貼於屋頂面或單獨以光電板作 為屋頂、雨庇等構造者，可由相關設計規範以屋頂面表面風壓或傾斜 屋頂板設計，因此太陽光電板以架高型式安裝於平屋頂為主要的對象， 建築物模型以簡單矩形量體規劃，屋頂面積需可安裝三排以上太陽光 電板，模型屋頂邊緣並設計可增設女兒牆。 (2) 配合風洞實驗之大氣邊界層流場縮尺製作等比例的模型，太陽光電板 模型將甚小，表面風壓孔將適度減量配合，但仍需以能表現不同區域 的風壓差異變化為目標。 (3) 氣動力模型以壓克力薄板加工製作，表面均布風壓孔，透過管線系統 與電子式壓力量測系統連接，進行同步壓力量測。 (4) 具備管線系統的氣動力模型可安裝於屋頂不同位置，其餘太陽光電板 模型則共同排列，形成實際配置方式，利用變化安裝位置、排列數量、 間距比等條件，探討所受之氣動力載重。 (5) 氣動力模型安裝於風洞試驗段之旋轉平台，具備調整角度機構，模擬 不同方向來流風場變化。 4. 氣動力實驗量測：藉由變化不同之來流條件，取具代表性之陽光屋頂建築 物造型為典型建築物，並製作模型進行氣動力實驗量測，取得模型表面之 風壓分佈資料進行相關數據分析，其計算分析方法包含： (1) 文獻探討與氣動力模型風洞實驗，彙整太陽光電板受風載重資料。 (2) 不同屋頂形式，如女兒牆等設施，太陽光電板所受風壓與局部尖峰風 壓資料計算。 (3) 透過氣動力模型風洞實驗實際檢視減低太陽光電板風載重的安裝策 略或增加小型配件以降低風載重的可能性。

第一章 緒論 7 (4) 由實驗量測所得之建築物表面風壓資料首先將計算其表面風壓均值、 擾動值、尖峰因子(peak factor)、擾動風壓頻譜(spectrum)、機率密度 函數(PDF)的識別及頻率特性等，以完整掌握表面風壓分佈情形。氣 動力係數定義如下所示： 平均風壓係數 ₂ 2 1 _U P CP  _ (1) 擾動性風壓係數 ₂ 2 1 2 U P CP _    (2) 其中 p 為風壓時序列資料的平均值，p'為風壓時序列資料的擾動值，  _{為空氣密度，U 為參考風速，參考壓力取用來流邊界層高度以上自} 由流之背景壓力，並於電子式壓力掃描系統中直接扣除。 (5) 利用氣動力模型表面風壓，採有效貢獻面積加權積分方式，將瞬時載 重分配至各連接之承結構系統的節點，供結構分析之用。 (6) 氣動力模型實驗目的為取得各種不同安裝排列及位置條件下的板面 風壓載重，支撐結構部分以結構分析軟體進行分析計算。 5. 太陽光電板支撐結構受風作用之內力分析： (1) 利用正交模態解析法分解擾動風壓場，探討太陽光電板主要風壓模 態。 (2) 利用研究案量測所得之光電板表面風壓資料，搭配本案蒐集所得之常 用支撐結構系統布局，以結構分析軟體(Midas)進行結構分析計算，了 解各桿件受風作用下之內力分布，作為與本案研究對象分析成果的對 比。 (3) 為配合結構分析軟體的分析計算與檢討，本研究將氣動力實驗所得之 淨風壓時序列資料，透過貢獻面積加權積分的方式，計算太陽光電板 支承點上的風載重時序列資料，搭配太陽光電板支撐結構設計，分析 動態載重對於結構桿件內應力的影響。 (4) 以結構安全的角度而言，內力不宜過度集中於少數的桿件，以提升材 料使用效率，直接以靜載重的分析可觀察內力分布的基本狀況，但考 慮紊流擾動影響，瞬間可能出現甚大的桿件內力，亦可能造成桿件挫 曲或接頭的破壞，因此須採用氣動力實驗所獲得的風載重資料進行歷 時分析，以觀察內力的變化過程。

8 (5) 首先以常見的簡單剛性構架為支撐結構系統，定義為基本型式，檢討 現行常用之結構桿件布局耐風性能。 (6) 變化不同的外加斜撐桿件於框架之中，透過結構分析軟體了解對整體 內力分配的影響。 (7) 由於載中資料包括紊流場中版面渦流作用產生的氣動力擾動，透過時 序列資料的分析計算，可更精確的表現在受到極端氣候條件下，支撐 結構系統所受的載重狀況，復經比較不同桿件布局對於結構系統內力 分布之影響，將可有效的獲得較佳桿件布局策略。 6. 版面風壓模態的評估： 本研究將建立版面之風壓模式，在正交模態分析法以 Rij代表由風洞實 驗模型表面風壓孔量測所得風壓時域訊號 pi(x, t)的交相關張量(correlation tensor)，定義作：

)

,'

(

)

,

(

x

t

p

x



p

R

_ij



_{i i} (3) 其中 x’表空間間距，代表時間稽延，如將Rij分解成特徵值與特徵向量的組 合，因此有

)

,

(

'

)

,'

(

)

,

,'

,

(

x

x

t

x

dx

d

x

t

R

_ij



_j





_i











(4) 其中為相對應的特徵值，



為特徵模態，因特徵模態為正交的， 所以



  n n i n ij x x t x t R ( , ,' ,



)



( , )2 (5) 本研究中對於時域風壓訊號均採用同步訊號，計算其交相關張量時並未考慮 含有時間稽延條件下的變化，因此分析時



為0。 建物表面受風力與局部風壓資料間存在空間相關性影響，因此由表面風 壓量測結果，配合空間相關性的考慮，界定結構系統之載重亦為重要的技術， 有必要加以探討。 7. 推估架構式太陽光電板在典型屋頂形式及市面上常用的支撐結構系統下， 所受風載重的等值靜載重資料： (1) 由本研究所獲得的版面風載重資料，配合結構分析軟體計算分析的綜 合檢討，了解本研究中所採用陽光屋頂之光電板排列方式、支撐結構

第一章 緒論 9 設計方式等條件與受風載重的關係，建議支架承受風剪應力概略估算 方式。 (2) 透過結構分析與風壓分布的檢討，探討嵌入式與架構式太陽光電板在 建物整合時，安裝方式與所受風載重的比較。 (3) 風洞實驗所得之風載重條件，檢討市面上常用的支撐結構系統的優缺 點，並做成改進建議。 (4) 透過支撐結構系統的結構安全檢討，就進行建物整合時所需的條件或 規劃設計原則進行歸納。 8. 提昇陽光屋頂結構系統耐風性能的設計策略： (1) 本研究由結構受風荷載及結構反應檢討其耐風性能，嘗試做結構系統 的調整，並重新進行受風作用下不同桿件布局內力的分析計算工作， 可作為改進設計的參考 (2) 本研究將比較現行法規與實驗分析結果的差異，以提升耐風性能的觀 點，探討陽光屋頂結構系統桿件安排、光電板排列方式等設計建議， 提出太陽光電板安裝位置考量準則於建築附屬建物相關規範增修建 議。 (3) 建立以包含光電板排列方式、角度、架高條件、屋頂坡度、風向角度 等因素評估陽光屋頂所受風荷載之模式及設計建議。 (4) 提出基於氣動力模型風洞實驗成果以減低風載重的安裝策略或增加 小型配件降低風載重的建議，以減低國內太陽光電板受颱風破壞的經 濟損失。 9. 以結構分析軟體進行結構分析計算，並推估其風致振動反應，分析計算之 流程將可建立為類似案例計算之參考模式。

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第三節 研究流程與進度規劃

本計畫依據計畫目標與實驗設備規劃執行之流程如圖 1-1 所示，進度規劃 如表1-2 所示。

圖 1-1 計畫執行流程

資料來源：本研究繪製 陽光屋頂建築物 資料蒐集與分類 整理 實驗儀器整備 與校驗 太陽光電設施_{結構系統資料} 蒐集 文獻蒐集與資料 比較 大氣邊界層流場剖 面驗證 模型設計與製作 氣動力實驗量測 實驗資料分析 與整理 太陽光電設施結構 系統有限元素分析 模型建立 光電板陣列排列與受風反 應關係研究 撰寫報告 計畫完成 專家諮詢 太陽光電設施風荷 載及內力分析 風壓管線校正 專家諮詢

第一章 緒論 11

表 1-2 研究進度規劃表

月 工作項目 第 1 月 第 2 月 第 3 月 第 4 月 第 5 月 第 6 月 第 7 月 第 8 月 第 9 月 第 10 月 第 11 月 備 註 結構資料蒐集 文獻比較分析 模型設計與製 作 ▼：完成實驗驗證 儀器校正 風洞實驗 實驗資料分析 期中報告 _{▼：完成期中報告} 結構受風反應 分析 結構設計檢討 _{▼：完成分析} 專家座談 期末報告 預 定 進 度 ( 累 積 數 ) 7﹪ 13﹪ 27﹪ 37﹪ 43﹪ 57﹪ 70﹪ 83﹪ 93﹪ 99 % 100﹪ 說明： １工作項目請視計畫性質及需要自行訂定，預定研究進度以粗線表示其起訖日期。 ２預定研究進度百分比一欄，係為配合追蹤考核作業所設計。請以每一小格粗組 線為一分，統計求得本計畫之總分，再將各月份工作項目之累積得分(與之前各月 加總)除以總分，即為各月份之預定進度。 ３科技計畫請註明查核點，作為每一季所預定完成工作項目之查核依據。

第二章 文獻回顧 13

第二章 文獻回顧

第一節 太陽光電板之氣動力特性

大型的太陽光電板陣列在國外有普遍的應用，其受到極端氣候侵襲時的耐 受性能及相應設計考量，亦有許多學者進行研究。Aly(2013)研究架設於平地上 之太陽光電板陣列氣動力特性，研究不同縮尺模型對於實驗精確度的影響，由 於考慮風洞阻塞比，大氣邊界層流場採用部分模擬的作法，不同縮尺模型氣動 力實驗結果顯示，以 Aly 實驗所用風洞斷面尺寸為 22m(長) x 2.4m(寬) x 1.55m(高)以 1 比 20 至 1 比 30 的模型較為合適，過小的模型對於壓力訊號的解 析度不佳，且位於邊界層的近地底層亦與實況略有不符。同時Aly 指出，模型 縮尺主要影響的是擾動壓力與尖峰壓力，平均風壓係數對於模型縮尺較不敏 感。 陳(2008)以大型懸挑屋蓋之體育場看台受風荷載研究，探討不同仰角與不 同底部透空率對於懸挑屋蓋版的氣動力研究，由懸挑屋蓋版淨風壓的平均值、 均方根擾動值及尖峰值等變化的趨勢觀察，氣動力作用較強烈的條件集中在風 攻角為零度或接近零度的小攻角時，此條件下對於結構系統產生的風載重亦較 大。陳(2012a)以單片太陽光電板縮尺模型架高安裝於不同坡度之雙斜屋頂建築 物屋頂上，利用高紊流強度之均勻紊流場在小型風洞進行實驗量測其所受之整 體昇阻力係數，研究結果顯示，斜屋頂的坡度會影響越過屋頂氣流的特性甚為 明顯，因此不同坡度對於架設於其上的太陽光電板等附屬設施其受風力作用， 影響甚鉅。陳(2012b)以單片太陽光電板縮尺模型架高安裝於平屋頂建築物模型 屋頂上，利用地況C 流場風洞實驗量測安裝於不同位置其所受之氣動力作用， 探討太陽光電板表面風壓分佈受到不同安裝位置與不同水平風攻角的影響，風 攻角45 度附近，不論太陽光電板置放於屋頂前中後三個區域，均有較極端的出 現，對於結構系統而言，屬較危險的配置。 陣列式太陽光電板數量為單排或多排，每排由多片太陽光電板連續排列。

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如 Chung 等人(2008, 2011)研究單片太陽能熱水器集熱板氣動力特性，發現在 版面上端產生迴流區以及兩側形成角渦流並產生三維交互作用。Miller and Zimmerman (1981)和 Franklin(1983)主要研究陣列式太陽光電板安裝於地面上 之風載重，Tieleman 等人(1980)首先進行單排太陽光電板安裝於屋頂進行風洞 試驗，Guerts and van Bentum (2006)進一步吹試多排陣列太陽光電板。前人研究 分析太陽光電板表面壓力得知，太陽光電板安裝於屋頂時，由於建築物與太陽 光電板外型以及太陽光電板安裝數量及排數皆會影響渦流產生機制，因此周圍 氣動力特性與流場結構是非常複雜。Bienkiewicz 和 Sun(1992)指出，考量風向 角效應時，角渦流易在建築物向風角落處產生，Kopp 等人(2012)指出在風向角 40 度~50 度為最危險風向角條件，進一步分析不同風向角條件下，太陽光電板 上、下版面壓力分佈，由結果可得知太陽光電板安裝位置、片與片間距、前後 排之間保留空間等設計細節有重大影響。 Banks(2013)研究角隅渦流對架設於 平屋頂面上太陽光電板陣列之尖峰風荷載研究指出，角隅渦流對於整體昇力有 明顯的影響，而陣列排列方向如與角隅渦流迴捲方向近似或排列位置位於再接 觸區域，均對尖峰風荷載產生明顯的改變。Pratt and Kopp (2013)研究平屋頂面 上架設太陽光電板陣列後風速剖面的影響指出，屋頂面上設置太陽光電板陣列 後，屋頂表面雷諾應力有下降的趨勢，而影響太陽光電板上整體昇力峰值的重 要因素為建築物分離剪力流與其再接觸現象的綜合表現。

第二節 相關規範及管理辦法

依據「再生能源發展條例」第三條，明訂「再生能源：指太陽能、生質能、 地熱能、海洋能、風力、非抽蓄式水力、國內一般廢棄物與一般事業廢棄物等 直接利用或經處理所產生之能源，或其他經中央主管機關認定可永續利用之能 源」，且「經中央主管機關認定之再生能源發電設備，應適用本條例有關併聯、 躉購之規定」，太陽光電產生的電能受到再生能源法規的規約與鼓勵。 太陽光電板如安裝於建築物屋頂為求得足夠的發電容量，其量體通常要較 太陽能熱水系統為大，而太陽光電板的氣動力行為較為接近斜平版的氣動力行 為，應用於建築設計中近似開放式建築物的單斜屋頂版；ASCE7-10 規範對於

第二章 文獻回顧 15 開放式建築物單斜平板屋頂版的主抗風結系統設計所使用的設計風力採用淨風 壓(Net pressures)的概念加以表達。淨風壓係數表達的是上表面風壓係數與下表 面風壓係數相減的共同作用結果，亦隱含對於相關性的考量於其中。 我國建築物耐風設計規範及解說(2015 版)對於開放式建築物單斜屋頂亦以 淨風壓觀念定義其所受之風力係數，由於架高式太陽光電板的受風作用形式通 常較接近此種類型，建議可參考規範定義計算其風荷載。 國內推行陽光屋頂政策，針對陽光屋頂等設施有相關法規加以規範， 依據 「國內陽光屋頂管理條例」定義太陽光電發電設備包括增設太陽能發電系統所 需之光電板(含太陽電池及固定腳架)、蓄電池、電力調解器、配電(線)箱體及其 他管線容器等設備。 太陽光電發電設備依內政部營建署92 年 4 月 22 日台內營字第 0920085758 號及96 年 11 月 6 日營署建管字第 0962918506 號函規定如下： 架設於建築物之屋頂：a.高度超過一點五公尺者：應申請雜項執照。b. 高度一點五公尺以下者：免辦申請許可，但有關結構安全部份應由依法登記 開業之建築師或土木技師或結構技師簽證負責，並函送該管直轄市、縣(市) 政府備查。 架設於建築物之空地：應申請雜項執照。 架設於建築物之外牆：應依建築相關法規檢討。 營建署制定「設置再生能源設施免請領雜項執照標準」(2014)規定免申請 雜項執照的條件如下： 第四條 設置於建築物屋頂之太陽能熱水系統產品，其高度為二公尺以下 者，得免依建築法規定申請雜項執照。 第五條 設置太陽光電發電設備，符合下列條件之一者，得免依建築法規 定申請雜項執照：

16 一、設置於建築物屋頂或露臺，其高度自屋頂面或露臺面起算三公尺以下。 二、設置於屋頂突出物，其高度自屋頂突出物面起算一點五公尺以下。 三、設置於非都市土地使用管制規則所定之再生能源發電設施容許使用項 目及許可使用細目之用地，其設置面積未超過六百六十平方公尺，並 符合該管制規則有關建蔽率及容積率之規定，其高度為三公尺以下。 太陽光電發電設備設置於屋頂、露臺或屋頂突出物，不得超出該設置區域。 在地方縣市政府方面，各地方縣市政府響應再生能源開發及陽光屋頂等政 策，多亦訂定管理及鼓勵辦法。以高雄市為例，依據高雄市綠建築自治條例中 之規定各類建築物分類共計有五類，其中第一至第四類建築物分屬不同類型的 新建建築物，第五類建築物則為領有使用執照之既有建築物。依該自治條例規 定第一至第四類建築物均要求「建築物屋頂應設置隔熱層及太陽光電發電設施 或屋頂綠化設施」。其中對第一、二、四類建築物以裝置容量為要求依據，第三 類建築物工廠類之新建建築物則以設施之設置面積為要求依據。所謂太陽光電 發電設施設置面積，指太陽光電發電設施之投影面積；所稱屋頂層可設置太陽 光電發電設施面積，指屋頂層總面積扣除屋頂突出物、雜項工作物、屋頂綠化 設施及屋頂透空框架投影等面積後所占之面積。 摘錄「高雄市建築物設置太陽光電設施辦法」中相關條文如下： 第 三 條 本辦法所稱太陽光電設施，指設置於建築物屋頂、屋頂突出物、露臺 及外牆面之太陽光電板、支架（含欄杆）、維修設施及轉換太陽光能為 電能之必要設施。 第 四 條 太陽光電設施應依建築法規定申請雜項執照，於領得雜項執照後，應 依再生能源發電設備設置管理辦法申請同意備案。但符合設置再生能 源設施免請領雜項執照標準規定者，得免請領雜項執照。 第 五 條 太陽光電設施設置於建築物屋頂及屋頂突出物，符合下列各款情形者， 得免計入屋頂突出物面積及建築物高度： 一、從屋頂面起算高度在四點五公尺以下或從屋頂突出物面起算高度在

第二章 文獻回顧 17 三公尺以下。 二、太陽光電板水平投影面積占太陽光電設施水平投影面積百分之七十 以上。 第 六 條 太陽光電設施設置於建築物露臺，符合下列各款情形者，得免計入樓 地板面積： 一、從露臺起算高度在三點六公尺以下。 二、太陽光電板水平投影面積占太陽光電設施水平投影面積百分之七十 以上。 關 於 太 陽 光 電 模 組 的 力 學 性 能 ， 依 據 國 際 電 工 委 員 會(International Electro-technical Commission，IEC)定義之 IEC 62782 Ed. 1.0-Dynamic mechanical load testing for photovoltaic (PV) modules，規定太陽光電模組相關力學強度測試 方式與內容，我國經濟部能源局於工研院量測中心成立「太陽光電國際驗證實 驗室」，目前已最新完成「動態機械負荷測試系統」，可模擬強烈颱風對太陽光 電模組之動態風壓影響，且已取得全國認證基金會(TAF)認證，提供國內廠商測 試服務。 「動態機械負荷測試系統」可實際模擬重壓力與風壓對太陽光電模組造成 的影響，提供最大壓力7000 Pa~10,000 Pa 之動態環境擬真風壓測試，評估其在 強風振動與積雪重壓情況下之可靠度，此測試範圍遠高於國際電工委員會 (IEC)62782 標準草案最大正負壓力 1000 Pa 之測試要求。此系統亦可融合國內 建材規範，透過壓力與時間的程式設計來進行動態模擬測試，協助判斷建築整 合型太陽光電模組(BIPV)產品是否符合抗風壓標準，確保其可靠度。 有關太陽光電板裝置角度與方位，由於台灣位於北回歸線上，北回歸線緯 度為北緯23.5 度。太陽由東方升起後，行進軌跡會在台灣南方，所以架設太陽 光電板時，將板面朝南可獲得較高效益，尤以板面仰角設定在向南 19~23.5 度 可獲得最大日照效益。裝置時亦需考量太陽光電板仰角與間隔等問題，惟若區 域寬廣，直射輻射與漫射幅射的比率增加，將會使傾斜角與方位等影響因素減

18 少。依研究統計台灣地區1990 ～1999 年的日射及氣溫平均資料，在日射方面， 近十年平均日射量以台東地區最高，達 4.26 kW/m2-day ，而最低的台北地區 僅2.61 kW/m2-day，相差 1.63 倍。一般而言，台灣地區日射量由北至南遞增。 在氣溫方面，各地區日平均氣溫均以七月份最高，介於 28.8℃～30.2℃之間， 差距並不大；以一月份為最低，介於 16.3℃～21.4℃之間。當日射量大時，其 發電量（電壓×電流）越大，在日射量低時，除發電量降低外太陽電池模組發電 轉換效率亦遞減。故以目前台灣的日射量，仍以台灣東南部裝置太陽光電發電 系統投資報酬較佳(陳彥均 2011)。 在架設太陽光電板陣列的方式方面，依據行政院公共工程委會「太陽光電 發電設施應用於公共建設參考手冊」(2011)建議，如架設於地面上可考慮設置 維護車道於模組陣列間，其寬度建議為3 公尺，如不設置維護車道則模組陣列 間距與陣列傾斜角度、無遮陰時段的考量有關，且主要受當地緯度、太陽位置 影響。其他如架設於屋頂部位仍建議採用前後排方式設置，模組陣列之陰影長 度即為最小之模組陣列間距。有關陣列陰影長度之計算如利用電腦軟體模擬， 尚可加計周邊建物或地物之影響，考慮較為周全。單純考慮模組陣列產生的陰 影長度可利用下列公式計算： 陣列高度 H Lsin()tcos() (6) 陰影長度 Ls(H/tan(s))cos(s) (7) 其中β 為陣列傾斜角度， s 為太陽高度角，L 為模組斜面長度，H 為陣列 高度， 為太陽方位角(正南為 0 度、向東為正、向西為負)，t 為模組厚度，如s 模組陣列非面向正南設置，則模組設置方位與正南方之夾角為ϕ(正南為 0 度、 向東為正、向西為負)。因此知道設置地點任意日期、任意時間的太陽高度角與 方位角即可計算當時的陣列陰影長度。

第二章 文獻回顧 19

圖 2-1 陣列陰影長度之計算圖例

資料來源：本研究整理 太陽光電板模組架設方式及具多樣性，近年發展與建物整合(BIPV)的設置 方式。BIPV 係以建築設計手法將具有建材功能之太陽光電板與建築物結合， 使系統元件不單只有發電功能，也是建築外殼的一部分，更可進而替代既有建 材，降低初置之相關成本，若結合遮陽處理、採光照明等設計手法，亦可增加 建築節能之效益(陳彥均 2011)。本計畫討論以太陽光電板受風作用特性為主， 因此以傳統陣列式架設於屋頂的太陽光電板受作用為對象。 L H β  δs sun 陣列底長 陰影長度 陣列距離(Array distance) β 

第三章 太陽光電板氣動力特性實驗 21

第三章 太陽光電板氣動力特性實驗

第一節 流場規劃

本研究利用內政部建築研究所台南風洞實驗室進行建築物氣動力模型實驗 研究，風洞設施為一封閉式的循環風洞，具有兩種測試斷面(第一測試區 4 m × 2.6 m、第二測試區 6 m × 2.6 m)，本研究利用內政部建築研究所台南風洞實驗 室進行實驗，採用第一試驗段進行，試驗段長 26.5 m， 風洞可提供最大風速 為25 m/s。氣動力模型置於試驗段旋轉台的中央，可用數控旋轉台旋轉模型， 表現不同風向角的效果。 風洞中邊界層流場之模擬方式為在試驗段上游區域擺設錐形渦流產生器 ( spire )以及地表粗糙元素( roughness element )，以產生近似鄉村地形之大氣邊 界層來流。本研究以C 地況流場為來流條件，配合邊界層元件所產生平均流速 剖面指數律分佈之 α 值為 0.16，而在距地 10 cm 處之紊流強度( turbulence intensity )約為 12%，流場之平均風速剖面及紊流強度如圖 3-1 所示。邊界層特 徵之除以平均風速剖面指數律公式之指數加以辨識，邊界層厚度的縮尺 1:200 亦為設計模型及地形所需的技和縮尺條件。 (a) (b)

圖 3-1 流場特性之垂直分佈，(a)平均風速剖面，(b)紊流強度剖面

資料來源：本研究整理 0 40 80 120 160 200 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 U(z)/Ur z ( cm ) formula measured 0 40 80 120 160 200 0% 2% 4% 6% 8% 10% 12% 14% T.I. (%) z ( cm )

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第二節 實驗量測與模型規劃

本計畫研究重點為太陽光電板風載重，利用模型安裝於風洞測試段探討不 同風向角因起的表面風壓變化。採用剛性(rigid)構造物模型設計，變化不同幾 何形狀的模型與風向角，氣動力實驗研究成果並與文獻資料相驗證。規劃進行 的建築模型設計包括不同高寬比的建築物三組。 氣動力實驗設置與內容規劃包括： 1. 建築物屋頂太陽光電板模型系列實驗：採用不同排列方式的太陽光電 板。 2. 流場規劃：氣動力實驗所用之流場採用本所台南歸仁風雨風洞實驗室現 有之鄉村地況大氣邊界層流場，以模擬之邊界層厚度及規範中地況C 之 邊界層厚度比例為實驗之幾何縮尺，取用1/200。 3. 氣動力模型設計：氣動力模型包括建築物與太陽光電板兩部分，建築物 模型以5mm 厚之壓克力板黏合，模型尺寸為寬 60cm、高 20cm、深 40cm， 建築物模型表面未設風壓孔。太陽光電板模型利用3mm 壓克力板製作， 模型尺寸為30 cm x2cm，版之兩面相對應位置均佈設壓力孔，搭配壓力 管線系統，量測風壓變化。 屋頂面上一半面積為開放開口，各太陽光電板模型可鋪排在屋頂面上，為 表現間距比的變化則採用不同尺寸的壓克力板條穿插其間，可變化不同的太陽 光電板間距，本研究在太陽光電板間距變化方面包括0、2cm、4cm 及 6cm 等， 在太陽光電板數量方面包括有1、2、3 排等變化。 模型安置於風洞試驗段之中央圓盤，該圓盤可利用馬達驅動改變模型面對 來流的座向，模擬不同風攻角的影響。

第三章 太陽光電板氣動力特性實驗 23

圖 3-2 氣動力模型

資料來源：本研究拍攝 4. 實驗控制參數：氣動力實驗研究主要探討不同風向角及太陽光電板排列 方式對板面風壓影響，因此實驗參數控制以風向角及排列數量、排列間 距、排列方向等為主。

圖 3-3 模型風攻角定義

資料來源：本研究繪製 5. 由實驗量測所得之板面風壓資料首先將計算其表面風壓均值、擾動值等， 以完整掌握表面風壓分佈情形。氣動力係數定義如下所示： 0 deg. 90 deg. wind Soalr panel 270 deg.

24 平均風壓係數 ₂ 2 1 U P CP  _ (8) 擾動性風壓係數 ₂ 2 1 2 U P CP _    (9) 其中 P 為風壓時序列資料，p為平均壓力， 2 p 為擾動性風壓的 均方根值，ρ 為空氣密度，U 為平均風速。 6. 淨風壓係數定義 考慮太陽光電板受風作用來自板的兩面風壓差，因此實驗成果分 析將迎風面的風壓與背風面的風壓，所得時間序列資料中作相減的運 算，由於模型設計時即已考慮到淨風壓計算的需求，版面布的風壓孔 位置在兩面均相同，因此可計算得各風壓孔位的淨風壓係數。 淨風壓係數 C_Pn(t)C_Pup(t)C_Plower(t) (10) 其中 CPup為零攻角時迎風面風壓係數，CPlower為零攻角時背風面 風壓係數，採時序列資料作及時相減運算，後續可計算淨風壓係數之 平均值與擾動值。淨風壓係數表達的是板所受到的風荷載，以指向版 面向為壓力的正，因此如果迎風面與背風面均同受相同的正壓力，則 其整體淨風壓將為零，如果迎風面受到指向離版面的壓力，亦即為負 壓力，而此同時背風面如受到指向版面的正風壓，兩者聯合作用以(3) 式計算之，則得甚低的負值，對於太陽光電板而言，代表掀翻板面的 作用力，不利於結構安全。 為比較不同來流條件下的太陽光電板風荷載，將採用面積分計算 方式，將板面上各風壓孔之瞬時淨風壓係數以其代表的貢獻面積為權 重加權計算太陽光電板整體所受淨風壓係數。 total i n P Pnet C A A C (



_i  )/ (11) 其中 Ai為各風壓孔的貢獻面積，Atotal為該片光電板的總面積。

第三章 太陽光電板氣動力特性實驗 25 7. 氣動力模型製作 本研究建築物氣動力模型利用壓克力板製作，各光電板氣動力模 型之上下版面各均布風壓孔30 個，因此一片光電板氣動力模型布設有 60 個風壓孔，風壓孔以細管線製作之壓力傳感管線系統(tubing system) 與量測儀器相接，管線材質為PVC 因此具備良好的可撓性，不致影響 風壓信號傳送，模型實驗控制風壓孔數量在200 個以下，利用本所實 驗室現有的電子式壓力掃描器量測模型屋頂上下面同步的風壓資料。 氣動力模型實驗量測時，透過旋轉工作平台，表現不同風向角對模型 風壓變化之效果。

圖 3-4 電子式壓力掃描模組

資料來源：本研究拍攝

圖 3-5 壓力訊號處理系統

資料來源：本研究拍攝

26 壓力量測管線系統為內徑1mm、長度 25cm 的管線，實驗前經具 白噪音(white noise)特性之擾動壓力信號進行率定，驗證無扭曲頻率可 達35Hz 以上。管線系統連接至電子式壓力掃瞄模組上的壓力輸入埠， 電子式壓力掃瞄器以64 個量測孔為一模組，壓力量測模組安置於模型 內部，模型規劃以鄰近64 個孔位規劃為同一壓力模組，分別接入電子 式壓力掃瞄器。表面風壓量測使用之壓力掃描器(ZOC33/64 PX 如圖 3-4)，該系統每個單一模組有 64 個壓力輸入管( pneumatic inputs )，對 應64 個壓電式壓力感應器，每一壓力感應器皆可單獨校正。藉由管線 連接至模型量測點以量測壓力。各模組接連接至壓力訊號處理系統 (RAD BASE 3200 如圖 3-5)，此系統可支援類比數位之轉換，最高可 支援 8 個模組，其解析度達 16bits，最大採樣頻率為 500Hz，傳輸介 面為 USB，具備網路控制及傳輸功能。本研究之採樣頻率為 256Hz， 每次實驗採樣120 秒，擷取之資料轉換完成之後藉由此系統傳至個人 電腦供儲存及分析之用。 8. 氣動力模型實驗方案 氣動力實驗以探討各種不同太陽光電板排列方式產生的風荷載為主，因此 本研究規劃的實驗太陽光電板不同數量及排列方式如表 3-1 所示。採用的建築 物模型有平屋頂及雙斜屋頂兩類，建築物模型長寬高均相同但變化屋頂坡度， 如表3-2 所式。本研究中共進行的實驗項目，如表 3-3 所式。

第三章 太陽光電板氣動力特性實驗 27

表 3-1 太陽光電板陣列排列方式

編號 配置說明 示意圖 備註 1 單片太陽光電板 2 兩片太陽光電板 前 後 太 陽 光 電 板 均 緊 密 排 列 無 間 隙。 3 三片太陽光電板 前 後 太 陽 光 電 板 均 緊 密 排 列 無 間 隙。 4 三片太陽光電板 變化前後間距 間距變化包括0~3 倍板寬。 5 七片太陽光電板 前後緊密排列 實 驗 記 錄 第 一 、 四、七片太陽光電 板資料。 6 三片太陽光電板 變化前後間距及 與屋頂前緣距離 間距變化包括0~2 倍板寬 資料來源：本研究整理 0 deg. 90 deg. wind Soalr panel 270 deg.

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表 3-2 建築物屋頂型式

屋頂型式 屋頂坡度 示意圖 平屋頂 0 雙斜屋頂 1:8 雙斜屋頂 1:4 雙斜屋頂 1:2 資料來源：本研究整理

表 3-3 實驗項目統整表

屋頂型式 屋頂坡度 片數變 化 變化片與 片之間距 變化與屋頂前 緣距離 女兒牆 備註 平屋頂 0 ◎ ◎ ◎ ◎ 雙斜屋頂 1:8 ◎ ◎ 雙斜屋頂 1:4 ◎ ◎ 雙斜屋頂 1:2 ◎ ◎ ◎表有進行測試 資料來源：本研究整理

第四章 研究成果與檢討 29

第四章 研究成果與檢討

第一節 太陽光電板風載重

太陽光電板在不同配置條件下的氣動力行為，本研究採用板所受的整體淨 風壓係數為代表，分別探討其平均值與擾動值的變化，據以觀察包括排列間距、 風攻角、排列位置等因素的影響。 一 、 不 同 排 數 太 陽 光 電 板 的 影 響 以平屋頂建築物氣動力模型採用1~3 排的光電板依序排列方式，分別進行 氣動力實驗，由實驗量測結果計算光電板上所受整體平均淨風壓係數與擾動性 淨風壓係數隨風攻角的變化分別如圖4-1 及圖 4-2 所示。 由圖 4-1(a)可見單排光電板的情形下，光電板位於建築物來流零攻角時的 最前緣，本研究以較高端朝向來流，因此光電板受風作用明顯，隨風攻角的增 加，平均淨風壓係數負值越低，表示此時光電板受到較大的掀翻板面的外力作 用，隨風攻角增加至90 度時，風向與光電板平行，風壓係數接近零。風攻角大 於90 度後，光電板逐漸改為以較低端面向來流來流直接作用於光電板，正向風 壓產生正壓力係數，背風面處於低速迴流區，亦接近正壓狀態，因此整體平均 淨風壓係數為正或接近零。風攻角大於180 度之後，光電板處於建築物屋頂之 下游區，缺乏直接作用的來流，因此淨風壓係數均在零附近。單排的光電板其 受風作用明顯，較易觀察到風攻角變化及相映光電板位於屋頂流場位置的影響。 由圖 4-1(b)可見 2 排光電板的情形下，風攻角為零時，前排所受平均淨風壓係 數與單排相同，後排光電板平均淨風壓係數則接近 0，受到前排遮蔽作用非常 明顯，後排幾乎不受風荷載。風攻角增加時後排平均淨風壓係數有略低的負值， 而風攻角大於90 度之後，後排逐漸成為上游區，因此風荷載上升，但此時光電 板低端面向來流，淨風壓值為正。風攻角大於180 度之後，均處於下游區因此 平均淨風壓係數大致接近0 值，風攻角到 300 度之後，前排光電板接近上游區， 平均淨風壓係數有略低的負值。3 排光電板的情形下由圖 4-1(c)可見，風攻角為 零時，前排所受平均淨風壓係數與單排相同，後排光電板平均淨風壓係數則接

30 近 0，受到前排遮蔽作用非常明顯，後排幾乎不受風荷載。風攻角的增加亦未 造成後2 排光電板不利結構安全的負風壓作用。 由圖 4-2(a)可見單排光電板的情形下，光電板位於建築物來流零攻角時的 最前緣，隨風攻角增加擾動性淨風壓係數在風攻角45 度附近達到最高，建築物 屋頂角隅渦流作用甚為明顯，風攻角45 度附近容易產生較大的渦流作用，而單 排光電板情形下，靠近角隅側的光電板受到強烈渦流影響，但靠近屋頂中央區 則相對較低，因此光電板整體擾動風壓係數偏高。比較圖4-2(b)與圖 4-2(c)可見 隨光電板數量的增加，擾動性淨風壓係數漸趨減少，2 排光電板時在風攻角 45 度附近仍出現最高的擾動性淨風壓係數，但3 排光電板時個不同風攻角的擾動 性淨風壓係數均偏低。 顯示多排的光電板在不同風攻角作用下，甚易形成遮蔽的效果，因此不論 是平均值或擾動值均有減緩風荷載的作用；而首排的光電板在風攻角0 度附近 時，受到來流直接的作用，特別是光電板高端朝向來流時，光電板有被掀翻的 潛在不利情形。

第四章 研究成果與檢討 31 (a) (b) (c)

圖 4-1 平屋頂建築物，太陽光電板上所受整體平均淨風壓係數隨風攻

角變化，(a)單排，(b)2 排，(c)3 排。

資料來源：本研究整理

32 (a) (b) (c)

圖 4-2 平屋頂建築物，太陽光電板上所受整體擾動性淨風壓係數隨風

攻角變化，(a)單排，(b)2 排，(c)3 排。

資料來源：本研究整理