國立高雄大學都市發展與建築研究所
碩士論文
玻璃透射率角度關聯性對矽晶光伏電池模組發電量
影響之研究
研 究 生 ：楊喜書
指導教授：劉安平 博士
中華民國 九十四 年 七 月
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中文摘要 I 英文摘要 II 謝誌 III 目錄 IV-1 表目錄 VI 圖目錄 VII-1 第一章 緒論 1.1 研究緣起 1-1 1.2 研究目的及內容 1-3 1.2.1 研究目的 1-3 1.2.2 研究內容 1-3 1.3 研究方法及流程 1-5 1.3.1 研究方法 1-5 1.3.2 研究流程 1-6 第二章 文獻回顧 2.1 矽晶光伏電池模組 2-1 2.1.1 矽晶光伏電池類型 2-1 2.1.2 矽晶光伏電池模組的構造 2-2 2.1.3 模組 I-V 曲線 2-4 2.1.4 影響模組發電量的因素 2-4 2.2 標準試驗條件與實際天候 2-7 2.2.1 標準試驗條件 2-7 2.2.2 實際天候環境的變化 2-8 2.3 低鐵玻璃光學性質 2-11 2.3.1 透光性材料光學現象 2-11 2.3.2 低鐵玻璃的光譜透射性質 2-12 2.3.3 低鐵玻璃的透射率與光入射角度的關係 2-13 2.4 陽光與模組板面的關係 2-14 2.4.1 板面傾斜角及方位角的影響 2-14 2.4.2 傾斜面陽光入射角度計算 2-16 2.5 太陽路徑圖 2-18 2.5.1 垂直投影太陽路徑圖 2-18 2.5.2 水平投影太陽路徑圖 2-20第三章 BIPV 模組的裝設位置與傾斜角度調查 3.1 BIPV案例的彙集 3-1 3.1.1 案例類別的選擇 3-1 3.1.2 資料分類的準則 3-2 3.2 案例分佈情形分析 3-4 3.2.1 案例分佈範圍 3-4 3.2.2 緯度的關聯性 3-6 3.3 裝設位置與傾斜角度之綜合討論 3-10 第四章 玻璃封板影響矽晶光伏電池模組發電量的實驗 4.1 概論 4-1 4.2 直射光實驗環境 4-3 4.2.1 實驗室的環境條件 4-3 4.2.2 無玻璃封裝模組的量測 4-8 4.2.3 有玻璃封裝模組的量測 4-10 4.2.4 影響發電量的光線入射角度 4-12 4.3 直射與漫射混合光實驗環境 4-13 4.3.1實驗室的環境條件 4-13 4.3.2有玻璃封裝模組的量測 4-19 4.4 實驗結果綜合討論 4-26 第五章 傾斜光伏電池模組全年有效日射期間分析 5.1 模組板面全年有效日射期間介紹 5-1 5.2 實驗裝置與操作程序 5-3 5.3 全年的有效日射期間速查圖 5-5 5.4 成果的應用 5-8 第六章 結論及建議 6.1 結論 6-1 6.1.1 BIPV分佈情形 6-1 6.1.2 實測結果分析 6-2 6.1.3 傾斜面全年有效日射時間範圍圖 6-3 6.2 建議 6-4 6.2.1 應用時注意事項 6-4 6.2.2 後續研究方向 6-4 參考文獻 VIII-1 附錄一 IX-1
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表 2-1 高雄地區的月平均溫度 2-9 表 2-2 高雄地區（N22°34’）2001–2004 年的月平均全天空日射量（W/m2） 2-10 表 2-3 高雄地區（N22°57’）在各月份 21 日的逐時平均全天空日射量（W/m2） 2-10 表 2-4 不同雲覆條件的照射強度 2-11 表 3-1 案例資料建立的表格格式 3-2 表 3-2 案例的緯度與其採用的模組板面傾斜角度彙整表 3-3 表 3-3 非住宅類案例所在緯度範圍與其出現數量的比較 3-6 表 3-4 非住宅類案例所在緯度範圍與其板面傾斜角出現數量的比較 3-7 表 3-5 非住宅類案例所在緯度範圍與其板面傾斜角度(配合緯度範圍劃分)範圍的數量比較 3-7 表 3-6 非住宅類案例所在緯度範圍與其板面設置位置(配合屋面或牆面幾何形狀)的數量比較 3-8 表 3-7 非住宅類案例所在緯度範圍與其板面設置位置數量的比較 3-8 表 3-8 住宅類案例所在緯度範圍與其出現數量的比較 3-9 表 3-9 住宅類案例所在緯度範圍與其板面傾斜角度出現數量的比較 3-9 表 3-10 住宅類案例所在緯度範圍與其板面傾斜角度(配合緯度範圍劃分)範圍的數量比較 3-9 表 3-11 住宅類案例所在緯度範圍與其板面設置位置(配合屋面或牆面形狀)的數量比較 3-10 表 3-12 住宅類案例所在緯度範圍與其板面設置位置數量的比較 3-10 表 4-1 無玻璃封裝模組的數值比較表 4-9 表 4-2 有玻璃封裝多晶矽光伏電池模組量測值的比較 4-10 表 4-3 入射光強度 1000 W/m2時模組的發電量數值比較 4-20 表 4-4 入射光強度 900W/m2時模組的發電量數值比較 4-21 表 4-5 入射光強度 800W/m2時模組的發電量數值比較 4-22 表 4-6 入射光強度 700W/m2時模組的發電量數值比較 4-23圖
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圖 1-1 研究流程 1-6 圖 2-1 單晶矽光伏電池 2-1 圖 2-2 多晶矽光伏電池 2-2 圖 2-3 光伏電池構造及發電原理示意圖 2-2 圖 2-4 矽晶光伏電池模組的構造斷面示意圖 2-3 圖 2-5 模組的 I-V 曲線及功率績效曲線 2-4 圖 2-6 (a)(b)光伏電池在不同輻射強度下的 I-V 曲線以及功率績效曲線變化 2-5 圖 2-7 矽半導體因溫度、雜質的不同而產生的電子移動性變化 2-5 圖 2-8 (a)溫度對 I-V 曲線的影響 (b)溫度對功率曲線（電力）的影響 2-6 圖 2-9 典型矽晶光伏電池的光譜反應範圍 2-6 圖 2-10 典型的光伏電池波長反應範圍與太陽輻射光譜的關係 2-7 圖 2-11 Air Mass 示意圖 2-8 圖 2-12 不同 AM 時的光譜分佈 2-8 圖 2-13 在緯度 40°時不同時間的 AM 分佈 2-9 圖 2-14 光的物理現象 2-11 圖 2-15 玻璃透射率與光線入射角的關係 2-12 圖 2-16 低鐵玻璃與透明玻璃的光譜透射率 2-13 圖 2-17 低鐵玻璃透射率與光線入射角的關係 2-14 圖 2-18 日赤緯的年變化 2-15 圖 2-19 太陽能集熱板裝設傾斜角度 2-15 圖 2-20 光伏電池模組傾斜角示意圖 2-15 圖 2-21 中歐，傾斜角與方位角改變時發電量變化的百分比關係 2-16 圖 2-22 太陽與傾斜板面之間的關係圖示意 2-17 圖 2-23 垂直投影圖的作圖原則 2-19 圖 2-24 垂直投影太陽路徑圖例(N24°) 2-19 圖 2-25 基地因周遭物體而被遮擋的陽光入射時間的範圍(N36°) 2-20 圖 2-26 正投影圖作圖方法 2-21 圖 2-27 正投影太陽路徑圖例(N35°) 2-21 圖 2-28 極投影圖作圖方法 2-21 圖 2-29 極投影太陽路徑圖例(N24°) 2-21 圖 2-30 等距離投影圖作圖方法 2-22 圖 2-31 等距離投影太陽路徑圖例(N24°) 2-22圖 2-32 等立體角投影圖作圖方法 2-23 圖 2-33 等立體角投影太陽路徑圖例(N24°) 2-23 圖 2-34 等距離投影太陽路徑圖例(N24°) 2-23 圖 2-35 魚眼鏡頭成像結合太陽路徑的示意圖 2-24 圖 3-1 案例分佈的緯度與其模組板面傾斜角度的關係 3-4 圖 3-2 非住宅類案例的緯度與模組板面傾斜角度的分佈關係 3-5 圖 3-3 住宅類案例的緯度與模組板面傾斜角度的分佈關係 3-5 圖 4-1 氙原子光源與 AM1.5 太陽光譜分佈的比較 4-1 圖 4-2 直射光環境的光源燈箱外觀 4-3 圖 4-3 模組測試用架台 4-4 圖 4-4 架台轉軸的構造 4-4 圖 4-5 50W 標準模組與標準矽電池 4-4 圖 4-6 (a)周圍的黑色布幕 (b)地板面的黑色立板 4-5 圖 4-7 實驗室平面及剖立面示意圖 4-5 圖 4-8 以標準模組校正光源強度 4-6 圖 4-9 以固定角度架設的標準矽電池 4-6 圖 4-10 表層無低鐵玻璃封裝的多晶矽光伏電池模組 4-8 圖 4-11 無玻璃封裝多晶矽光伏電池模組量測值的比較 4-9 圖 4-12 低鐵玻璃封裝的多晶矽光伏電池模組 4-10 圖 4-13 有玻璃封裝多晶矽光伏電池模組量測值的比較 4-11 圖 4-14 有玻璃封裝的 50W 光伏電池模組量測曲線的比較 4-12 圖 4-15 實驗結果與低鐵玻璃透射率曲線的比較 4-13 圖 4-16 SPI-SUN SIMULATOR 350i 模擬器 4-14
圖 4-17 模擬器內部構造 4-15 圖 4-18 電腦控制系統與周邊配備 4-16 圖 4-19 模組傾斜角調整架全貌 4-16 圖 4-20 量角器與簡便卡槽 4-17 圖 4-21 垂直校正器 4-17 圖 4-22 350i 模擬裝置與可調整模組傾斜角度的架台 4-17 圖 4-23 架台邊框的對準線 4-17 圖 4-24 角度調整的操作方法 4-18 圖 4-25 架台背面黏貼之防刮傷墊片 4-18 圖 4-26 調整角度時視線與架子同高度的操作方法 4-19 圖 4-27 表層有低鐵玻璃封裝的 25W 單晶光伏電池模組 4-20 圖 4-28 入射光強度 1000W/m2時光伏電池發電量變化的曲線 4-20 圖 4-29 入射光強度 900W/m2時光伏電池發電量變化的曲線 4-21 圖 4-30 入射光強度 800 W/m2時光伏電池發電量變化的曲線 4-22
圖 4-31 入射光強度 700W/m2時光伏電池發電量變化的曲線 4-23 圖 4-32 不同入射光強度下的 PV 發電量變化 4-25 圖 4-33 在三種入射光方向時的光強度與發電量變化的關係 4-25 圖 5-1 在傾斜面上立體角 140°的圓錐體 5-2 圖 5-2 繪製投影線的操作方法示意圖 5-3 圖 5-3 操作裝置 5-3 圖 5-4 傾斜角 90°時的邊緣線正投影圖 5-5 圖 5-5 傾斜角 70°時的邊緣線正投影圖 5-5 圖 5-6 板面傾斜 90°的有效日射範圍 5-6 圖 5-7 板面傾斜 70°的有效日射範圍 5-6 圖 5-8 板面傾斜 80°的有效日射範圍 5-6 圖 5-9 板面傾斜 60°的有效日射範圍 5-6 圖 5-10 板面傾斜 50°的有效日射範圍 5-7 圖 5-11 板面傾斜 45°的有效日射範圍 5-7 圖 5-12 板面傾斜 40°的有效日射範圍 5-7 圖 5-13 板面傾斜 30°的有效日射範圍 5-7 圖 5-14 板面傾斜 20°的有效日射範圍 5-8 圖 5-15 板面傾斜 10°的有效日射範圍 5-8 圖 5-16 板面水平(傾斜 0°)時的有效日射範圍 5-8 圖 5-17 模組板面傾斜 20°面向東南方 5-9 圖 5-18 模組板面傾斜 20°面向東方 5-9 圖 5-19 模組板面傾斜 20°面向東北方 5-9 圖 5-20 模組板面傾斜 20°面向北方 5-9 圖 5-21 在 N48°垂直角度的板面有效日射範圍 5-10 圖 5-22 在 N48°、傾斜 45°的板面有效日射範圍 5-11 圖 5-23 台南縣政府辦公大樓立面的 PV 模組外觀 5-11 圖 5-24 模組板面構造的側向示意圖 5-11 圖 5-25 台南縣政府立面模組板面的全年有效日射期間 5-12
第一章
第一章
第一章
第一章
緒論
緒論
緒論
緒論
1.1
研究緣起
研究緣起
研究緣起
研究緣起
支持人類經濟發展的各種活動，無論是農業或工業、交通運輸、商業、科技研發， 甚至於現代化的日常生活，都必須使用電力來維持。換言之，人類的現代文明，與電 的運用幾乎是密不可分的。對於工業化國家或開發中的國家，電力生產通常是以燃 油、燃煤、以及燃氣的方式為主，只有很少數是以核能或更少數的再生能源來提供。 以台灣地區為例，在民國九十一年的能源供給中石油占 50.4%，煤 32.3%，液化天然 氣 6.3%，天然氣 0.8%，核能發電 8.1%，水力發電占 2.1%。如果以這種比例來提供 電力，當有一天地球上的石油、煤、天然氣等化石燃料被人類耗盡時，可能導致的對 經濟活動持續發展的延緩或停滯、以及因電力驅動設備的無法被使用而被廢棄時，造 成的環境破壞將是極為嚴重的問題。事實上，在 1970 年代的兩次全球性石油危機期 間，研究人員已經預測，如果人口持續的以現有速度成長，而且人類不減少能源需求 量並採取有效的能源節約措施，那麼，維持人類現代文明的必要物質–石油，其存量 將可能無法供應至西元 2050 年。即使是煤的存量還可以再維持 100 餘年，但因燃煤 而造成的全球溫暖化問題的傷害將會非常的可怕。 為了人類文明的延續，對於能源的使用，所有的人都應該有開源（開發可替代化 石燃料的再生能源或其他形式的能源）與節流（減少能源使用量以及能源的效率使用） 的概念，盡量將因能源的使用而產生對環境的破壞減至最低限度。在開發替代能源部 份，太陽能由於其可以無限量的供應，使其在建築應用及發展方面出現了令人振奮的 成功前景。一般而言，太陽能應用可以區分為三種：自然採光、太陽熱能、與光伏發 電。其中的光伏發電可以成為能真正替代傳統電力生產的主要方法。在過去的十餘年 期間，光伏電池模組與建築立面結合的發展，已經有很多成功的案例。其次，建築師 經常會被要求應盡可能的使用光伏電池模組來達成建築節能需求。光伏電池系統能否 被成功的應用於建築的關鍵在於：建築設計者對光伏電池的材料與系統整合的瞭解， 以及如何與建築物合理結合為一體的構造方法的運用。對建築物的所有人或使用者而言，光伏電池系統的實際發電效益如何？也就是說，真能發揮如同在每一片光伏電池 模組上標示的峰值發電量嗎？這些才是最受大家關切的問題。 光伏電池系統在台灣地區的推廣已有很多年的歷史。將其運用在實際環境內的建 築物時，由於自然環境的變動性，光伏電池模組本身事實上是不可能永遠保持在其出 廠時標示的峰值發電量。例如，當模組以某種固定的傾斜角度來與建築立面結合時， 隨著太陽與模組板面法線之間的相對角度以及陽光照射強度的持續改變，實際產生的 發電量必然會與在標準試驗條件（STC）下量測的峯值發電量有所不同。標準試驗條 件是指 AM1.5，25℃，1000W/m2，而且入射光是與板面成垂直方向。這種唯一條件 的標準試驗環境，並不足以代表或者因應在實際氣候環境中的氣溫、太陽輻射強度、 以及陽光以不同角度（非垂直）入射的變化。因此，當光伏電池模組安裝在實際環境 中時，自然會發生有關於其發電量是否與標稱的峰值發電量一致的質疑。目前的矽晶 光伏電池模組在其最頂層是一層低鐵透明的強化玻璃封板。玻璃本身固有的光學性 質，特別是當光線以非垂直方向入射至玻璃板面時，透射率會隨著光線入射角度的不 同而變化。依據入射能量不滅的原理，這種透射率的改變會影響光線經由透射而進入 玻璃內側空間的量，對特定的玻璃，其吸收率幾乎是一定的。光線經過玻璃透射率變 化而改變的入射量，對光伏電池模組的發電量可能會有某種程度的影響，這是一種合 理的懷疑。 這種表層玻璃的透射率變化對矽晶光伏電池模組發電量的可能影響，對於建築師 與建築設計者而言，在進行建材一體型光伏電池（BIPV）模組的架設位置與安裝角 度的規劃或設計時，可能是一項重要的考慮事項。通常，建築師在處理 BIPV 立面系 統時的優先考慮是對建築立面的美學要求，BIPV 部份受限於其本身專業知識的不 足，因而會以採納光伏電池廠商的意見為主，再依據其過去的實務經驗（如果有）來 決定。但是在其採用的過去經驗中，往往因為缺乏對自然環境配合度的認知或者是缺 乏對太陽條件的明確分析，自然有可能忽略在 BIPV 架設角度的設計與太陽路徑條件 之間的合理關係，以及無法進一步的評估其可能的發電量影響程度，如此而呈現出來 的結果，自然就有可能是屬於不適當的設計選擇。 基於上述，目前在光電產業設定的測試條件、或者是業者的建築物安裝作業計
矽晶光伏電池模組的頂層封裝玻璃為重點，進行比較嚴謹的研究，經由室內的環境條 件模擬，探討當矽晶光伏電池模組應用於建築物立面時發電量可能被改變的程度，特 別是其有效日射時間的範圍，再提出一些規劃設計時如何改善的建議。
1.2
研究目的及內容
研究目的及內容
研究目的及內容
研究目的及內容
1.2.1 研究目的研究目的研究目的研究目的 本文的基本課題是以玻璃透射率的角度關聯性對矽晶光伏電池模組發電量的影 響進行研究。換言之，是以矽晶光伏電池模組表層的玻璃封板為主要的考量要素，經 由對各種與入射光角度變化有關事項的研究，提供建築師或建築設計人員、甚至於光 電系統廠商，一些可能影響矽晶光伏電池模組發電量的基礎知識，作為後續研究的參 考。本研究的目的綜整如下： 一、藉由對全球已完工的 BIPV 模組案例的探討，瞭解 BIPV 在設置地點的緯度、立 面裝設位置與傾斜角度之間的可能關係。 二、利用對不同的光入射角度條件的模擬，分析矽晶光伏電池表層玻璃對模組發電量 的影響。 三、瞭解在不同的自然光環境中，矽晶光伏電池模組因不同的光入射角度而發生的發 電量變化。 四、當矽晶光伏電池模組以不同傾斜角度放置時，提出其可能接受的全年有效日射範 圍參考圖。 五、提供建築師與 BIPV 產業界一種可快速評估的設計工具，讓 BIPV 模組的應用能 真正的獲得最佳化，也就是達成適用性以及避免可能的設計限制。 六、提供 BIPV 的相關設計人員在運用 BIPV 時的一些建議事項。 1.2.2 研究內容研究內容研究內容研究內容 基於上述的研究目的，本文首先是針對目前位於世界各地的 BIPV 模組的應用案 例，瞭解其裝設的位置與角度的分佈狀況以及是否有某種可能的關聯性。其次，經由 在室內的模擬實驗環境，觀察矽晶光伏電池模組發電量在不同的自然光環境以及光入 射角度的改變之下的變化趨勢。再運用由直射光環境下的研究結果，也就是，透射率影響的角度，配合傳統的等距太陽路徑圖，建構一種全年有效入射光範圍的速查圖， 提供設計人員可以迅速評估 BIPV 效益的參考資料。綜言之，本研究的主要內容彙整 如下： 一、經由文獻的回顧，瞭解與 BIPV 製作和安裝有關的基本事實，包括玻璃的透射率 變化、光伏電池構造、BIPV 裝設技術（位置與座向等）、光伏電池模組測試環境 與其限制。 二、蒐集全球約 102 件的建材一體型光伏電池模組的應用案例，由 BIPV 所處緯度的 觀點來探討其在建築物立面的裝設位置以及板面傾斜角度的分佈情形。所有的案 例被再度區分為住宅類建築與非住宅類建築（主要是商業與辦公建築物），瞭解 BIPV 應用的市場類型以及其在設計時無法避免的影響要素。 三、由於玻璃的透射率變化是與光束（直射光）照射的方式有關，為了探討在哪種入 射光角度時，光伏電池模組的發電量會發生明顯的改變，直射光環境的試驗是必 需的。因此，本研究進行在直射光實驗環境中的不同光入射角度試驗，藉由有玻 璃封板以及無玻璃封裝的矽晶光伏電池模組的發電量變化趨勢圖來確認玻璃透 射率發生影響時的角度。 四、在大氣環境中的地面建築物，其接受的自然光線可能來自直射陽光、天空漫射光、 鄰近建物的反射光、或地表面的反射光。直射陽光的環境如前項所述，主要是在 大氣層以外的外太空環境，沒有漫射光存在。對於 BIPV 模組而言，接受到的漫 射光線通常包括二種：天空漫射光與鄰近建物的反射光，但以天空漫射光為主。 也就是說，光伏電池模組接受的光線應包括直射光與漫射天空光。天空漫射光因 天空中雲層覆蓋率（cloud cover）的不同而有非常大的變化，在實驗室中模擬有 非常大的困難度。本研究的直射與漫射光混合實驗環境，是以美國 Spire 太陽能 公司的 SPI-SUN Simulator 350i 模擬器為主，藉由不同的板面傾斜角度的調整與 不同的入射光強度的改變，探討矽晶 PV 模組在有玻璃封裝時的發電量變化趨勢。 五、配合在第三項實驗結果獲得的光入射角度（也就是透射率發生影響的角度，本研
究的保守選擇為 70°），以板面傾斜放置的矽晶光伏電池模組為對象，由全年變化 的觀點，結合水平投影的等距太陽路徑圖（本研究是以高雄市的緯度為主，大約 是北緯 23°），發展並完成其有效日射範圍的參考圖。
六、最後，由本研究建構的不同傾斜面有效日射範圍圖，配合太陽光遮蔽角量規的運 用，以台南縣政府辦公大樓的 BIPV 案例為對象，探討其全年的有效日射範圍， 提出建築師在進行 BIPV 建築設計時應注意的事項。同時也對在中高緯度的歐洲 地區的垂直牆面裝置位置進行分析，比較其與台灣地區之間的差異。
1.3
研究方法及流程
研究方法及流程
研究方法及流程
研究方法及流程
1.3.1 研究方法研究方法研究方法研究方法 本文的完成主要是以文獻研究法與實驗分析法二者為主要的研究方法，分別說明 如下： 一、文獻研究法 收集各種與光伏電池有關的基礎理論與研究成果、量測技術以及國內 PV 封裝廠 商的設備資料，在瞭解問題存在的關鍵因素之後，確立本研究的課題方向及內 容。文獻資料的分析也有助於實驗環境和設備的選擇，其限制也有助於研究分析 的理論基礎建構。文獻的回顧也包括對世界各地 BIPV 應用案例資料的蒐集，此 項案例資料庫的建立與分析，是瞭解 BIPV 模組建築應用現況的必要作為。資料 分析的結果可以部分的呈現 BIPV 在建築設計應用時的盲點、迷思或亟待解決的 問題點。 二、實驗分析法 在自然環境中，入射光強度以及光入射角度變化的無法控制性，對於所有以自然 光（或輻射熱）環境做為基準的研究而言，都是可能的不準確度或誤差的最大來 源。為讓可能發生的誤差減至最低限度，確保實驗可信度，本研究整個實驗過程 是在有自然光環境模擬的實驗室內操作，分別以直射光源與混合光源二種不同的 實驗環境進行發電量的實測。對於實驗條件的控制，是藉由不同的板面傾斜角度 的調整以及不同的入射光強度的改變，來解析矽晶光伏電池模組在有玻璃封板或 無玻璃封裝時的電量變化趨勢。實驗的系統誤差包括人為的誤差與設備的誤差， 其校正是藉由溫度、標準模組、標準矽晶光伏電池、角度調整方法、無塵室環境、 人為目視的方式、以及模組架台的邊框設計等加以控制。1.3.2 研究流程研究流程研究流程研究流程 整個研究過程的流程如下圖 1-1 所示： 研究緣起 研究目的 研究範圍與內容的確立 實驗設計 直射光環境 量測技術文獻回顧 國內廠商設備可配合度調查 直射及漫射光混合環境 太陽路徑圖選擇與製作 實驗裝置設計 BIPV 設計案例 PV 模組發電量的量測 玻璃光學理論 文獻回顧 實驗設備與環境的選定 玻璃透射率的影響角度實驗 無玻璃封裝 PV 模組 有玻璃封裝 PV 模組 無玻璃封裝 PV 模組 有玻璃封裝 PV 模組 不同入射光 強度 數據分析 發電量影響角度的確認 傾斜面全年有效日射期間分析 140°立體角錐製作與裝設 誤差修正 傾斜面有效日射範圍參考圖 結論與建議 實驗操作 Yes No 案例分析
第二章
第二章
第二章
第二章
文獻回顧
文獻回顧
文獻回顧
文獻回顧
2.1
矽晶光伏電池模組
矽晶光伏電池模組
矽晶光伏電池模組
矽晶光伏電池模組
本節說明光伏電池的類型、模組的構造原理、用來描述發電性質的 I-V 曲線、以 及影響模組發電量的因素。由於光伏電池本身使用的半導體目前是以矽為主，電池的 性質、以及其對太陽光譜透射的性質也會因為矽半導體材料而受到影響。因此，矽晶 光伏電池對光譜反應問題的回顧，也有助於基礎知識的建立和應用的參考。 2.1.1 矽晶光伏電池類型矽晶光伏電池類型矽晶光伏電池類型矽晶光伏電池類型 光伏電池的種類依其使用的組成材料的差異而有所不同。目前在市場上使用比較 多的光伏電池是由結晶矽半導體材料製成的矽晶光伏電池。這是因為其製造過程比較 容易而且成本也比較低。矽晶光伏電池可區分為兩種：單晶矽光伏電池與多晶矽光伏 電池。由單結晶的矽製成的光伏電池稱為單晶矽電池。多晶矽電池是在製程上省略了 去除雜質的純化過程，使用高速結晶方法製成。分別說明如下： 一、單晶矽光伏電池 單晶矽光伏電池的轉換效率高，使用年限長（一般可達 20 年）。電池形狀為 10cm ～15cm 的方形或圓形單元，如圖 2-1 所示。全球的主要大廠，例如德國西門子、 英國石油公司以及日本夏普公司均以生產單晶矽電池為主。當光伏電池被組成模 組時，其頂層通常會使用一層玻璃來覆蓋（封裝）。 圖 2-1 單晶矽光伏電池 (文獻 B-1) 二、多晶矽光伏電池 多晶矽光伏電池的發電效率比單晶矽電池為低。因為製程步驟比較簡單，相對的，成本就比單晶光伏電池便宜，大約為 20%。電池的尺寸可任意裁切，可以無 固定的大小單元。多晶矽光伏電池如圖 2-2 所示。當組成模組時，頂層通常也是 以玻璃封板來覆蓋。 圖 2-2 多晶矽光伏電池 (文獻 B-1) 2.1.2 矽晶光伏電池模組的構造矽晶光伏電池模組的構造矽晶光伏電池模組的構造矽晶光伏電池模組的構造 一、光伏電池發電原理 光伏電池（PV）又稱為太陽電池（solar cell），其構成是在高純度的半導體材料 （一般的情形下使用矽）內加入部分的不純物質，使其呈現不同性質的二層。例 如加入硼以便形成 P 型層，加入磷以便形成 N 型層。將 PN 兩層接合而形成 P-N 接合面。當太陽光照射在光伏電池的表面，被吸收的能量透過 N 型層及 P 型層， 在 P-N 接合處產生電場。也就是，在 N 型層產生的電子（負極）以及在 P 型層 產生的電洞（正極），其正、負離子分別在 P 型區及 N 型區形成正、負極現象， 在 P-N 層之間形成電壓降。若在正、負兩極連接電線並接上負載，即可產生電流， 供應負載所需的電力。圖 2-3 為光伏電池構造及發電原理示意圖。 圖 2-3 光伏電池構造及發電原理示意圖 ＋ － ＋ － － ＋ P 型層 N 型層 接觸電極 抗反射層 接觸電極 負 載 負極 正極
二、光伏電池模組的製作 單一的光伏電池的構造請參考圖 2-3。在最上層的電極能與金屬的導電線路連 接。其次，是由一層能抗反射的塗層來覆蓋。當矽晶光伏電池表面被磨光時，其 反射率大約是 0.3，因此必須藉著抗反射塗層來減少入射光從電池的表面反射。 塗層的厚度對反射量的多寡有影響，這是應該注意的。在目前，大部份都是使用 鈦（Ti）和鉭（Ta）的氧化物作為 PV 電池上的抗反射塗層。也可以在電池的表 面塑造特殊的外觀或質地，讓陽光得以被集中和捕捉，減少從電池表面被反射出 去的光量。例如，某些製造廠商會以蝕刻或紋飾電池的表面來進一步的降低反 射。在抗反射塗層的下面是半導體材料 N 型層、以及 P 型層。在電池的最下層 是一片與金屬導電線路連接的金屬電極。為減少阻抗損失，利用導電線路做為電 池表面的覆蓋物是很重要的。 一般而言，結晶矽光伏電池模組是由低鐵玻璃封板、數個結晶矽光伏電池、組合 連接線（tab connectors）、匯流連接線（bus connectors）、邊框鋁材等經過加工而 構成。圖 2-4 為矽晶光伏電池模組的斷面構造示意圖。在矽晶 PV 模組的最頂層 是低鐵玻璃的蓋板，通常是經過強化處理，能保護剩餘的構造不受環境影響，防 止水、水蒸氣與氣態污染物質的進入、並且能防止電池遭受冰雹或風雪的損害。 透明的膠黏物使玻璃與電池結合在一起。光線通過玻璃蓋板、透明膠黏物之後， 與能產生電的光伏電池材料接觸。由光伏作用產生的電流，流出電池表面，經過 組合連接線串聯至匯流連接線，形成外部的電路。模組的背面通常是覆蓋一層矽 封裝板、或鋁板、或聚酯薄膜、或塑膠玻璃底層、或強化玻璃。其次，模組的外 框架通常會使用鋁合金或樹脂合成材料，提供模組必要的穩固性，以便於使用不 同的方法來裝設模組。 圖 2-4 矽晶光伏電池模組的構造斷面示意圖 (文獻 B-1) 頂層低鐵玻璃 頂層低鐵玻璃頂層低鐵玻璃 頂層低鐵玻璃 矽封裝板 矽封裝板 矽封裝板 矽封裝板、、、或鋁板、或鋁板或鋁板或鋁板、、、、或聚酯薄膜或聚酯薄膜、或聚酯薄膜或聚酯薄膜、、、或塑膠玻璃底層或塑膠玻璃底層或塑膠玻璃底層或塑膠玻璃底層、、、、 或強化玻璃 或強化玻璃 或強化玻璃 或強化玻璃底層底層底層底層、、、、或強化玻璃或強化玻璃或強化玻璃或強化玻璃 透明膠黏物 透明膠黏物 透明膠黏物 透明膠黏物 組合連接線組合連接線 組合連接線組合連接線 光伏電池光伏電池光伏電池光伏電池 匯流連接線 匯流連接線 匯流連接線 匯流連接線
2.1.3 模組模組模組模組 I-V 曲線曲線曲線曲線 模組在出廠前必須經過測試，由測試廠商提供相關的數據，其中比較重要的資料 是 I-V 曲線與峰值功率值（即峰值的發電量）。圖 2-5 為一典型的 PV 模組在標準試驗 條件（STC）之下測試後的 I-V 曲線及功率績效曲線示意圖。在圖中 B 點的電壓稱為 模組的開路電壓（Voc），意即沒有電流移動時模組的電壓，會因使用的 PV 規模與種 類的不同而改變。對一個矽晶光伏電池而言，Voc 約為 0.57 伏特。C 點與 D 點為模 組最大功率點（MPP）發生的位置。（由光伏電池產生的電功率等於電壓（V）×電流 （I）。光伏電池產生最大功率值的位置是在 I-V 曲線的乘績累加達到最高峰時的數 值）。A 點是模組產生短路現象時的電流，稱為模組的短路電流（Isc）。在 D 點的功 率值，是模組在最大功率點時的峰值功率，也是模組能產生的峰值發電量。這些數值 被表列在模組背面的性能說明資料內。 圖 2-5 模組的 I-V 曲線及功率績效曲線 (文獻 B-1) 2.1.4 影響模組發電量的因素影響模組發電量的因素影響模組發電量的因素影響模組發電量的因素 影響矽晶光伏電池模組發電量的因素有很多，包括玻璃厚度、玻璃性質、入射的 太陽輻射強度、範本溫度、矽晶電池的光譜反應、以及入射光光譜的分佈，說明如下： 一、太陽輻射強度 照射在矽晶光伏電池模組表面的太陽光輻射強度的大小是模組發電量改變的主 要因素之一。圖 2-6（a）說明在 25℃時，光伏電池因不同輻射強度的入射光照 射而呈現出來的 I-V 曲線變化，圖 2-6（b）為不同輻射強度照射下的功率績效曲 D A B C 短路電流 開路電壓 峰值功率值
模組產生比較多的發電量。在不同輻射強度下所產生的短路電流 Isc，其間的改 變量幾乎是呈現一種固定變化的關係。
圖 2-6 (a)光伏電池在不同輻射強度下的 I-V 曲線(文獻 A-2) (b)在不同輻射強度下的功率績效曲線(文獻 A-2)
二、溫度 矽半導體材料會因溫度、雜質的不同而對其內部的電子移動性造成影響，使得矽 晶光伏電池的發電量發生變化。圖 2-7 說明矽半導體材料因溫度、雜質的不同而 產生的電子移動性變化的關係。圖中的 ND是指矽材料所含的雜質量。在地表面 的常溫條件下，隨著溫度的昇高，電子移動性都會減小，但雜質含量越多者，其 因溫度升高而發生的電子移動性減弱的現象就比較不明顯。一般而言，溫度每上 升 1 度對矽晶光伏電池模組的電壓大約會減少 2.3mV，電流則增加約 0.5mV 的 比率。綜合其影響，隨著溫度的升高，對矽晶光伏電池模組的效率影響大約為 －0.4%/K，例如溫度增加 10K（等於 10℃）時，15%的效率會降至 11%。圖 2-8 （a）說明溫度對模組 I-V 曲線的影響程度。圖 2-8（b）說明溫度對模組功率曲 線的影響程度。 圖 2-7 矽半導體因溫度、雜質的不同而產生的電子移動性變化 (文獻 A-2) 模 組 電 流 (A ) 模組電壓(V) 電 子 移 動 性 (c m 2/V se c ) 溫度(K) 電 池 電 量 (W ) 電池電壓(V) 1000W/m2 750W/m2 500W/m2 250W/m2
圖 2-8(a) 溫度對 I-V 曲線的影響 (文獻 A-3) (b) 溫度對功率曲線（電力）的影響(文獻 A-2)
三、矽晶電池表面的光譜反應 照射在矽晶光伏電池表面的入射光量只有少部分可以被轉變成電力。這是因為矽 晶光伏電池對太陽光譜的有效敏感範圍大約是在 0.3～1.1μm 之間，如圖 2-9 所 示。相對於太陽光的波譜分佈（請參閱圖 2-10），在上述範圍之外，矽晶光伏電 池是遲鈍的不會有反應產生。 圖 2-9 典型矽晶光伏電池的光譜反應範圍 (文獻 A-8) 四、入射光波譜的影響 若光伏電池接受到的入射光其波譜分佈不足以涵蓋矽晶電池所能吸收的波長範 電 流 (A M P S ) 電壓(V) 功 率 (W ) 電壓(V) 光 譜 反 應 (m A m W -1 c m -2 ) 波長 紅外線 可見光 紫外線
圍時，發電值折減的影響就越大。如圖 2-10，在 AM0 時的光譜分佈範圍幾乎可 以涵蓋矽晶電池能產生光伏作用的吸收波長範圍。但是在 AM1.5 時，在波長 0.8 ～1.0μm 範圍處是不足以讓矽晶電池有效率的發生作用。換言之，光伏電池是 在何種光譜分佈的條件下被量測，對矽晶電池的光伏作用以及發電量值有相當大 的影響。 圖 2-10 典型的光伏電池波長反應範圍與太陽輻射光譜的關係 (文獻 A-10)
2.2
標準試驗條件與實際天候
標準試驗條件與實際天候
標準試驗條件與實際天候
標準試驗條件與實際天候
2.2.1 標準試驗條件標準試驗條件標準試驗條件標準試驗條件 光伏電池模組在出廠前都必須先經過測試，確認其能正常的產生電量，並將測試 結果的峰值發電值等相關資料標示在模組上。 模組是以標準試驗條件（STC）來進行測試。標準試驗條件是指 AM1.5、25℃、 1000W/m2，其中的 AM 是氣團（air mass）的厚度，溫度是指與光伏電池接觸的表面 的溫度，1000W/m2是接受的太陽輻射照度。其次，陽光照射方向是與光伏電池模組 的板面成垂直。 太陽光在通過大氣層的路徑上會因吸收或分散作用而被減弱，也就是說，因為穿 透大氣層路徑的長度不同，所能接受到的太陽強度也不同。陽光穿透大氣層的路徑長 度，若為垂直於海平面的垂直線時，稱為 AM1（air mass＝1）。圖 2-11 說明不同 AM 的意義。在 AM1 時的太陽強度是 AM0 的 70%，AM0 時的強度是指在大氣層外緣的波長μm 相 對 的 反 應 AM0 AM1.5 參考值(基準值)波譜 矽晶光伏電池光譜反應
太陽強度，又稱為太陽常數，其數值為 1367W/m2。其次，就相對應的太陽光譜而言， 圖 2-12 說明在不同 AM 時的光譜分佈。AM0 相當於在外太空的太陽光譜，在赤道的 平均太陽光譜是 AM1，在地球表面的平均太陽光譜大約是接近 AM2。光伏電池標準 試驗條件的基準光譜被定義為 AM1.5（約為太陽高度角 41.8°的平均光譜）。 圖 2-11 Air Mass 示意圖 圖 2-12 不同 AM 時的光譜分佈 (文獻 A-9) 2.2.2 實際天候環境的變化實際天候環境的變化實際天候環境的變化實際天候環境的變化 矽晶光伏電池模組是以在 AM1.5、與電池接觸的表面的溫度 25℃、接受的輻射 強度為 1000W/m2時的 STC 條件下測試出的峰值發電量。這些已量測的 PV 模組，當 應用於實際環境中時，由於自然環境中天候的多變性、無法持續穩定的狀態，足以讓 模組無法達到其標稱的峰值發電量。換言之，實際天候環境的變化與標準試驗條件之 間是有差異的，像這樣的天候環境變化對光伏電池模組的發電是會造成影響的。STC AM0 AM1 AM2 AM1.5 約48.2° 約60.1° 地球海平面 地球海平面 地球海平面 地球海平面 大氣層 大氣層 大氣層 大氣層 單 一 波 長 輻 射 量 (W m -2 μ m -1 ) 波長
條件與實際天候環境變化現象的比較說明如下： 一、AM 的變化 進行光伏電池模組標準試驗的基準光譜被定義為 AM1.5。但對於在地球上的任一 地點而言，其面對的 AM 變化是隨著時間的改變而不同。圖 2-13 說明在緯度 40° 時，隨時間的不同，各月份接受的 AM 分佈情形。很明顯的，即使是在同一緯度 的位置，隨時間的改變也可能會有不同的 AM 值，並非如同 STC 條件的只有 AM1.5。 圖 2-13 在緯度 40°時不同時間的 AM 分佈 (文獻 A-5) 二、溫度的變化 進行光伏電池模組的標準試驗時，與光伏電池接觸表面的溫度被設定為 25℃。 事實上在實際環境中，隨著自然天候的氣溫變化，與模組電池表面接觸的材料表 面溫度也可能隨之改變。表 2-1 列出高雄地區的月平均溫度。由表中數據可知在 實際環境中的溫度是變化的，幾乎很難維持如同在 STC 時的 25℃。在這樣的環 境溫度變化下，光伏電池表面的溫度每上升 1 度時，電壓的減少量大約是 2.3mV、電流增加約為 0.5mV。綜言之，溫度每增加攝氏一度時，光伏電池的輸 出功率將減少約 0.3～0.5%。 表 2-1 高雄地區的月平均溫度 (中央氣象局) 月 月 月 月份份份 份 一月一月一月一月 二月二月二月二月 三月三月 四月三月三月 四月四月 五月四月 五月五月五月 六月六月六月 七月六月 七月 八月七月七月 八月八月 九月八月 九月九月 十月九月 十月十月 十一月十月十一月十二月十一月十一月十二月十二月十二月 年年年平均年平均平均 平均 統計期間統計期間統計期間統計期間 最低氣溫 最低氣溫 最低氣溫 最低氣溫 15.1 16.1 18.7 22.0 24.4 25.7 26.1 25.7 25.1 23.5 20.2 16.6 21.6 1971-2000 平均 平均 平均 平均氣溫氣溫氣溫氣溫 18.8 19.7 22.3 25.2 27.2 28.4 28.9 28.3 27.9 26.4 23.4 20.2 24.7 1971-2000 最高氣溫 最高氣溫 最高氣溫 最高氣溫 23.4 24.1 26.5 28.8 30.4 31.5 32.1 31.5 31.2 29.7 27.2 24.6 28.4 1971-2000
三、太陽光輻射強度的變化 在光伏電池模組的標準試驗條件中，接受的輻射強度為 1000W/m2。但在實際的 天候環境中，在地表面上實際可獲得的太陽輻射強度，需視太陽光在大氣中被吸 收或漫射的情況或太陽通過大氣層的路俓長度（即 air mass）而定。太陽輻射強 度（I）與 AM 的關係如下： （文獻 B-12） 在地表同一位置上，隨著時間的不同會有不同的 AM 變化，相對的就會影響在地 表面可接受的太陽輻射強度。換言之，對光伏電池模組而言，同一裝設地點上接 受到的太陽輻射強度是變化的，並非如同標準試驗條件均只維持在 1000W/m2。 表 2-2 與表 2-3 提供在高雄地區全天空日射量變化情形的資料。表 2-4 說明在不 同的雲覆率情況下的照射強度變化。 表 2-2 高雄地區（N22°34’）2001–2004 年的月平均全天空日射量（W/m2 ）（中央氣象局） 月 年 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 年平均 2001 215.12 229.58 262.79 238.58 252.05 282.80 241.88 277.62 193.64 246.70 185.14 186.49 234.37 2002 221.11 244.66 262.09 306.00 267.55 319.29 277.81 268.78 207.94 253.30 288.81 239.77 263.09 2003 297.06 341.66 363.47 365.58 403.71 379.13 487.61 363.01 364.52 330.80 254.01 290.47 353.42 2004 258.83 296.94 286.32 390.64 419.90 418.87 361.16 360.68 331.84 349.50 265.27 261.20 333.43 表 2-3 高雄地區（N22°57’）在各月份 21 日的逐時平均全天空日射量（W/m2 ）（成大研究所） 時間 日期 06 07 08 09 10 11 12 13 14 15 16 17 18 1/21 0 11 58 136 333 406 500 500 483 333 236 103 0 2/21 0 22 75 78 233 222 447 500 500 344 56 11 0 3/21 0 42 72 167 269 331 339 336 333 333 200 142 6 4/21 17 61 172 203 328 394 397 489 406 447 339 225 42 5/21 28 89 167 247 475 519 650 639 658 514 358 244 92 6/21 0 108 197 369 500 661 667 667 642 533 417 242 119 7/21 0 67 217 364 500 642 667 664 656 464 369 217 97 8/21 0 94 203 322 472 478 497 647 567 497 361 197 31 9/21 0 19 167 319 411 500 500 500 500 375 281 150 0 10/21 0 47 189 358 425 267 406 478 381 247 103 19 0 11/21 0 28 81 114 167 167 167 222 203 167 17 8 0 12/21 0 14 61 69 119 167 164 194 167 139 56 11 0 (AM)0.678
I＝1367(0.7)
表 2-4 不同雲覆條件的照射強度（文獻 B-1）
2.3
低鐵玻璃光學性質
低鐵玻璃光學性質
低鐵玻璃光學性質
低鐵玻璃光學性質
本節說明透光性材料的光學現象與其物理性質、低鐵玻璃對光譜的透射率性質、 以及低鐵玻璃透射率與光線入射角的關聯性。藉由本節資料的收集與瞭解，能提供理 論知識的建立以及研究過程中的理論參考與應用依據。 2.3.1 透光性材料光學現象透光性材料光學現象透光性材料光學現象透光性材料光學現象 光在傳播過程中接觸新的介質時，會發生反射、透射、以及吸收的物理性質。相 對於入射的光量，一部分會從介質表面反射，一部分穿透介質，另一部分會被介質吸 收，如圖 2-14 所示。任何材料的反射、透射與吸收程度都是不相同的，這是因為溫 度、材料的基本結構、或入射光波譜的差異。無論如何，根據能量不滅原理：入射光 量＝反射光量＋透射光量＋吸收光量。其中，反射光量與入射光量的比值稱為反射率 ρ。透射光量與入射光量的比值稱為透射率τ。被吸收光量與入射光量的比值稱為吸 收率α。當吸收率不變時，若已知的反射率很大，其透射率將會很小。 圖 2-14 光的物理現象 (文獻 B-6) 玻璃材料的光反射及透射行為說明如下： 一、 反射 這是指從材料表面返回一部份的入射光，返回的入射光其組成的單色光波長沒有 改變，這種光返回的現象稱為反射。反射光的強弱與分佈模式取決於材料的表面 入射光 反射光 透射光 吸收性質，也與光的入射方向有關。例如，以垂直方向入射到透明玻璃板面上的光線 大約有 8%的反射量。隨著入射角度的增大，反射率也隨著增大，最後會在大約 是 67.5°的位置產生近平面反射現象。 二、 透射 當入射光線穿透介質時，組成透明光的單色光波長可能會改變，這種光線穿透介 質的現象稱為透射。透射光的分佈模式可以區分為直接透射、擴散透射和漫射透 射三種。透射光量也與光的入射方向有關。圖 2-15 說明一般的透明平板玻璃其 透射率與光線入射角度的關係，當近平面反射現象發生時，玻璃的透射率開始急 速下降。 圖 2-15 玻璃透射率與光線入射角的關係 (文獻 B-4) 2.3.2 低鐵玻璃的光譜透射性質低鐵玻璃的光譜透射性質低鐵玻璃的光譜透射性質低鐵玻璃的光譜透射性質 玻璃的種類很多，無論是浮式透明玻璃、色板玻璃、反射玻璃、低輻射（Low-E） 玻璃、強化玻璃、低鐵玻璃等，都是以矽為主要的組成材料。隨著在生產過程中添加 的物質以及處理方式的不同而產生各種不同種類的玻璃，其性質也有差異。其中的低 鐵玻璃（俗稱特白玻璃），由於其透射光譜分佈的特性，在製造太陽能集熱器時，成 為市場上的重要材料。低鐵玻璃目前也是矽晶光伏電池模組表層封裝的主要材料。 低鐵玻璃是以鐵含量比較少的玻璃原料製成。低鐵玻璃在紫外線、可見光與紅外 線的波長範圍內（300～2500nm）有非常高而且幾乎是相等的透射率。相較於一般的 玻璃，低鐵玻璃有比較高的透射率，例如 4mm 厚低鐵玻璃的透射率為 0.92，這是光
不同玻璃的光譜透射性質會呈現出不同的分佈曲線。低鐵玻璃能讓部分的紫外 線、全部的可見光以及在紅外線範圍內的一部份光線穿透。在上述的可見光範圍以及 部分紅外線範圍內的透射率都在 90%以上，如圖 2-16 的曲線 A。低鐵玻璃的光譜透 射率分佈曲線，說明其能讓太陽光子透射，也會讓在紅外線範圍內的太陽輻射熱能進 入。圖 2-16 為透明玻璃與低鐵玻璃的透射率比較。低鐵玻璃的透射率比透明玻璃高。 低鐵玻璃因為本身的鐵含量極少，不會像透明玻璃一樣在波長 1100nm 附近產生吸收 帶，因此能使其持續保持高的光譜透射率曲線。 圖 2-16 低鐵玻璃與透明玻璃的光譜透射率 (文獻 B-5) 矽晶光伏電池模組目前還是使用低鐵玻璃為其頂層封裝的材料，這是因為高的光 譜透射率讓穿透的光線分佈也能充分的適合矽電池的可發電的感應波長範圍。然而， 低鐵玻璃在長波長光譜範圍的高透射率性質，也意指會有大量的太陽輻射熱能隨之穿 透而入，讓模組材料的溫度上升。 2.3.3 低鐵玻璃的透射率與光入射角度的關係低鐵玻璃的透射率與光入射角度的關係低鐵玻璃的透射率與光入射角度的關係低鐵玻璃的透射率與光入射角度的關係 上述的低鐵玻璃高透射率性質是以來自法線方向的入射光為主。事實上，材料的 透射率和光線的入射角度是呈現某種關聯性。一般而言，材料的表面無論是光亮的鏡 面或者是無光澤的擴散表面，隨著光入射角度的增大，反射率會隨著改變，甚至有近 平面反射的現象。對於透光性材料，例如玻璃，當反射率增加時，透射率會減少。當 近平面反射現象發生時，反射率快速增加，透射率也相對的開始快速減少。換言之， 如果光線以不同的角度入射時，透射率會隨著入射角度的變化而改變。注意，此時的 入射光是指整個光線分佈的光譜範圍。圖 2-16 的透射率變化是以單一波長的光為主。 A 低鐵玻璃 B 透明玻璃
圖 2-17 說明低鐵玻璃透射率與光線入射角度的關係。圖中數字 1～4 分別代表玻 璃板的層數，是以 1/8〞（3.2mm）為一層。圖中不同厚度的玻璃其近平面反射現象發 生時的光入射角度都很接近，大約是在 60°～70°之間。此時從表面反射的光線增加， 透射進入低鐵玻璃的光線急速的減少。低鐵玻璃的透射率變化的曲線分佈與一般的透 明玻璃很相似。 圖 2-17 低鐵玻璃透射率與光線入射角的關係 (文獻 A-7)
2.4
陽光與模組板面的關係
陽光與模組板面的關係
陽光與模組板面的關係
陽光與模組板面的關係
當集熱板或光伏電池模組以某種傾斜角度或不同的方位固定在建築物上時，由於 太陽位置的改變，使得板面與太陽光之間的關係持續在變化。本節說明以不同傾斜角 與方位角架設的板面，其太陽光線與板面之間的入射角度關係以及可能獲得的電量。 2.4.1 板面傾斜角及方位角的影響板面傾斜角及方位角的影響板面傾斜角及方位角的影響板面傾斜角及方位角的影響 一、板面傾斜角度 在不同的季節選擇模組板面的理想安裝角度，可以由日赤緯的季節性平均值來決 定。對於北半球的夏季期間，日赤緯在 3 月 21 日到 6 月 21 日之間是由 0°到 23.45°，並且在 9 月 21 日時再度回歸到 0°，如圖 2-18。計算此範圍（由 3 月 21 日到 9 月 21 日）的日赤緯平均值，約為 14.93°（＝2A/π＝2×23.45/π，其中 A同理，可得到在北半球冬季期間（由 9 月 21 日到 3 月 21 日）的平均日赤緯為 −14.93°。 在週邊無任何陰影阻擋的前提下，討論太陽能集熱板的裝設角度與方位時，其最 佳效率的產生，與集熱板放置角度(由水平面起算)有關的經驗法則說明如下：以 板面朝向南方的方位為主，若考慮全年的平均效率時，「放置角度＝緯度」能提 供最佳的效率；若以夏季月份（3~9）的平均效率為主時，「傾斜角度=緯度−15°」 是最佳的選擇；若以冬季月份（9~3）的平均效率為主時，可選擇「傾斜角度= 緯度+15°」。圖 2-19 說明太陽能集熱板在每個月份的適當安裝角度。須注意的是， 在不同的緯度每月會有不同的安裝角度，同時也必須考慮地區性的氣候條件。若 以光伏電池模組為例，其可能的安裝角度選擇如圖 2-20 所示。 圖 2-18 日赤緯的年變化 (文獻 B-7) 圖 2-19 太陽能集熱板裝設傾斜角度 (文獻 A-2) 圖 2-20 光伏電池模組傾斜角示意圖 二、板面傾斜角與方位角 vs.光伏電池模組的發電量 在過去，有一些關於在不同傾斜面上光伏電池發電量變化的研究，例如圖 2-21， 這是針對中歐地區的研究。此研究說明在傾斜安裝的表面上，發電量變化的分佈 情形與板面傾斜角度和方位角的關係，也就是說，光伏電池板面的傾斜角和方位 全年平均值 全年平均值 全年平均值 全年平均值為主為主為主為主 冬季月份平均值為主冬季月份平均值為主冬季月份平均值為主冬季月份平均值為主 夏季月份平均值為主夏季月份平均值為主夏季月份平均值為主夏季月份平均值為主 相 對 產 生 的 能 量
角對其電力生產量的變化有某種程度的影響。例如板面以傾斜角 35°安裝時，若 以板面朝向正南方時產生的電量為 100%；當面向正西方時，只能產生 80%的電 量。若板面向東南方架設時，傾斜角 40°的板面可產生 92.5%的電量；傾斜角 80° 安裝的板面可產生 72%的年電量。 圖 2-21 中歐，傾斜角與方位角改變時發電量變化的百分比關係 (文獻 A-10) 由此圖的發電量變化的範圍分析，可以看到有相當大的區域是在 95%發電量的範 圍內；這種現象似乎提供我們在安裝時的某些自由度，也就是，光伏電池模組可 接受的裝設位置的範圍其實是很廣的。例如，模組的傾斜角度大約在±20°之間， 方位角大約在±45°之間。這樣的分析圖雖然可以說明當傾斜面的座向（方位角） 與傾斜角度改變時，能產生的電量與原位置之間的相對比值關係；但原設定位置 改變時，整個發電量變化的分佈圖是可能也會被改變，這是可以被理解的說明。 2.4.2 傾斜面陽光入射角度計算傾斜面陽光入射角度計算傾斜面陽光入射角度計算傾斜面陽光入射角度計算 當集熱板或光伏電池模組以水平或某種傾斜角度固定在建築物上，由於太陽路徑 的變化（主要是高度角與方位角），使得太陽光線相對於板面法線之間的入射角度也 會持續的變化，並非如 STC 條件的陽光照射方向是與模組板面成垂直。 這種因太陽位置變化而在入射光線與板面法線之間的入射角度改變的關係，美國
冷凍空調協會（ASHRAE）已提出一種入射陽光對傾斜面的角度計算公式，適用於當 集熱板或光伏電池模組板面以任意傾斜的或任意方位裝置時，太陽對此板面的入射角 度的計算，請參考圖 2-22。其中，P'O 為傾斜面的法線；PO 為傾斜面面對的方向； QO 為陽光入射方向。 圖 2-22 太陽與傾斜板面之間的關係圖示意 (文獻 A-11) 計算公式如下：（文獻 A-11） cosθ＝cosβcosγsinΣ＋sinβcosΣ θ：太陽光對板面（法線）的入射角 β：太陽的高度角 ψ：太陽的方位角 Σ：板面的傾斜角度(從水平面算起) Ψ：板面的方位角 γ：板面的太陽方位角 (例如，板面朝東南向時，早上為γ＝ψ－Ψ，下午為γ＝ψ＋Ψ。 板面朝西南向時，早上為γ＝ψ＋Ψ，下午為γ＝ψ－Ψ。) 〔例題〕 在 8 月 21 日下午 4:00（PM），對於一面向正南方、傾斜角 30°的斜面，求太陽 對其板面的入射角度。（此時的太陽位置為β＝30.7°，ψ＝79.9°） 因為板面朝正南方，Ψ＝0°。此時，板面的太陽方位角γ＝ψ＝79.9°，傾斜角 太陽光入射方向 太陽光入射方向太陽光入射方向 太陽光入射方向 入射角 入射角入射角 入射角 傾斜板面 傾斜板面 傾斜板面 傾斜板面 太陽方位角 太陽方位角太陽方位角 太陽方位角 時間 時間 時間 時間 太陽高度角 太陽高度角 太陽高度角 太陽高度角 太陽路徑 太陽路徑 太陽路徑 太陽路徑
Σ＝30°。代入公式 cosθ＝cosβcosγsinΣ＋sinβcosΣ ＝cos30.7°cos79.9°sin30°＋sin30.7°cos30° ＝0.075＋0.443＝0.518 θ＝58.80° 上述公式的使用必須已知太陽的位置才能計算在該時間的太陽光對板面的入射 角度，因此可用來探討在單一的太陽位置時太陽光對傾斜面的入射角度關係。然而， 在進行板面的全年入射角度研究時，若以此公式為基礎的計算方法，逐一代入不同的 太陽位置以求解整個入射角度變化的全貌時，將會使研究過程變得極為複雜、困難與 不合適。
2.5
太陽路徑圖
太陽路徑圖
太陽路徑圖
太陽路徑圖
太陽在天空中移動的位置（高度角、方位角）雖然可以利用公式的計算或查表的 方式獲得，若為了檢討全年的日照條件或遮陽問題時，就可能是比較不方便的或無法 完整呈現全部狀況的方法。因此，太陽路徑圖成為一次取得完整的相關資訊的替代方 法。太陽路徑圖是一種在天球的投影圖上標示出太陽運行的軌跡、時線、高度角、方 位角等訊息的速查圖。隨著緯度的不同，太陽路徑圖也不一樣。太陽路徑圖依據投影 位置的不同，可以區分為二種：垂直投影太陽路徑圖與水平投影太陽路徑圖。 2.5.1 垂直投影太陽路徑圖垂直投影太陽路徑圖垂直投影太陽路徑圖垂直投影太陽路徑圖 將太陽運行的軌跡直接投影在垂直面上的方法，稱為垂直投影太陽路徑圖。這種 投影方法的作圖原則，如圖 2-23 所示。圖 2-24 為北緯 24°（台中）的垂直投影太陽 路徑圖。
圖 2-23 垂直投影圖的作圖原則 (文獻 A-12) 圖 2-24 垂直投影太陽路徑圖例(N24°) 運用垂直投影太陽路徑圖可快速的瞭解在不同時間的太陽位置，例如在圖 2-24 中，3 月 21 日 3:00PM 的太陽位置，由圖中標示的 3 月 21 日 3:00PM 的太陽位置（如 圖中的藍色圓點），在對應的 X、Y 軸上可查出此時的太陽方位角約為 67.5°（西南）， 高度角約為 40°。其次，垂直投影太陽路徑圖也可用來檢視在基地四週的物體（例如 建築物、樹林、山丘、塔狀構造物或其他的人為或自然物）遮擋入射陽光的範圍。圖 2-25 說明在 N36°的基地，因周遭物體而被遮擋的陽光入射時間的範圍。圖中 X 軸向 度上的方位表示，以南向為中心，左邊為東向，右邊為西向。 投影在垂直面上的天穹 水平線顯示高度角 垂直線顯示方位角 月份線 月份線月份線 月份線 PM AM 時間線 時間線 時間線 時間線 太 陽 高 度 角 太 陽 高 度 角 太 陽 高 度 角 太 陽 高 度 角 太陽的方位角 太陽的方位角 太陽的方位角 太陽的方位角 太陽方位角 太陽方位角 太陽方位角 太陽方位角 北 東 南 西 北 天頂 水平面
圖 2-25 基地因周遭物體而被遮擋的陽光入射時間的範圍 (N36°) 2.5.2 水平投影太陽路徑圖水平投影太陽路徑圖水平投影太陽路徑圖水平投影太陽路徑圖 將太陽在天球上運行的軌道直接投影在水平面上的方法稱為水平投影太陽路徑 圖。水平投影方法包括正投影（orthographic）、極投影（stereographic）、等距離投影 （equidistant）、等立體角投影（又稱為逆日影曲線圖 gnomonic）等。分別說明如下： 一、正投影太陽路徑圖 正投影法（orthographic）是將天球上的各點以及太陽的路徑直接投影在地平面上 的太陽路徑圖，稱為正投影太陽路徑圖。由於在高度角比較低，靠近地平面的部 分，其高度角曲線的間距有被壓縮的現象，資料讀取非常困難，因而比較不實用。 正投影太陽路徑圖比較適用於赤道區域的國家，對於緯度高於 40°的國家，相對 的是比較不適用於在冬季期間的太陽位置預測。 對於任何的投影圖，方位角刻度都是環繞著同心圓的四週以等角度間距來分佈。 其間的不同處是高度角線的位置。以正投影方法為例，若投影圖的半徑為 R，高 度角 h 時的等高度角線的半徑 r＝R cosh。圖 2-26 說明正投影的作圖方法。圖 2-27 PM AM 太 陽 的 高 度 角 太 陽 的 高 度 角 太 陽 的 高 度 角 太 陽 的 高 度 角 太陽方位角 太陽方位角 太陽方位角 太陽方位角 北 東 南 西 北 天頂 水平面
圖 2-26 正投影圖作圖方法 (文獻 A-18) 圖 2-27 正投影太陽路徑圖例(N35°) (文獻 A-13) 二、極投影太陽路徑圖 以極投影方法（stereographic）為例，圖 2-28 說明極投影圖的作圖方法，若投影 圖的半徑為 R，高度角 h 時的等高度角線的半徑 r＝R tan（45°－h/2）。圖 2-29 為 N24°的極投影太陽路徑圖例。其作圖簡單，並且在高度線的作圖上無壓縮的 缺點，對於低高度角的太陽位置也能很容易的觀察，因此應用較為廣泛。 圖 2-28 極投影圖作圖方法 (文獻 A-18) 圖 2-29 極投影太陽路徑圖例(N24°) (文獻 B-7) Z r h R r Z R h
三、等距投影太陽路徑圖 等距投影法（equidistant）太陽路徑圖是目前在國際間最常被使用的太陽路徑圖， 特別是在美國。等距投影太陽路徑圖是將天球的高度角線以等距離的方法投影在 地平面上，因而呈現出高度角線是等距離分佈的同心圓。若此投影圖的半徑為 R，高度角 h 的等高度角線投影在地平面上的半徑 r＝R（1－h/90°），如圖 2-30 說明等距投影的作圖方法。圖 2-31 為 N24°的等距投影太陽路徑圖例。 圖 2-30 等距離投影圖作圖方法(文獻 A-18) 圖 2-31 等距離投影太陽路徑圖例(N24°) (文獻 A-4) 四、等立體角投影太陽路徑圖 以等立體角投影法（gnomonic）得到的太陽路徑圖又稱為逆日影曲線圖。其投影 作圖方法如圖 2-32 所示，若投影圖的半徑為 R，高度角 h 時的等高度角線的半 徑 r＝√2 R sin（45°－h/2）。圖 2-33 為 N24°的等立體角投影太陽路徑圖例（通 常是以日晷的方式呈現）。 Z h R r
圖 2-32 等立體角投影圖作圖方法(文獻 A-18) 圖 2-33 等立體角投影太陽路徑圖例(N24°) (文獻 A-17) 在上述的水平投影方法中，極投影圖及等距離投影圖是較為常用的太陽路徑圖。 同樣的，水平投影太陽路徑圖也可用來快速查詢在不同時間的太陽位置，例如在 N24°時，2 月 21 日 9:00AM 的太陽位置，由圖 2-34 的等距投影太陽路徑圖，先找出 2 月 21 日 9:00AM 的位置（如圖中藍色圓點處），由此點可查得太陽方位角約為南偏 東 59°，太陽高度角約為 33°。水平投影太陽路徑圖也可以與魚眼鏡頭的影像結合， 用來分辨周圍物體遮蔽太陽路徑的狀況，如圖 2-35。 圖 2-34 等距離投影太陽路徑圖例(N24°) (文獻 A-4) PM AM 一天中的時間 太陽高度角 (同心圓狀) 太陽方位角 一年中的月份 r Z R h
為主。在緯度區域 N0°~ N30°以及 N30°~ N45°，都以設置在斜屋頂上為主，幾乎 無垂直立面上的案例。但在 N45°~ N66.5°的緯度範圍，除了仍有設置於斜屋頂上 的案例之外，也開始增加設置於垂直立面上的案例。
第四章
第四章
第四章
第四章
玻璃封板影響矽晶光伏電池模組發電量的實驗
玻璃封板影響矽晶光伏電池模組發電量的實驗
玻璃封板影響矽晶光伏電池模組發電量的實驗
玻璃封板影響矽晶光伏電池模組發電量的實驗
照射至矽晶光伏電池表面的自然光線包括直射陽光、天空漫射光與來自鄰近建築 物的反射光線。在不同的自然光環境中，光伏電池表面的低鐵玻璃封板，其透射率變 化有可能對模組的發電量產生影響。本章以自然光模擬的室內實驗環境條件來瞭解影 響的可能性以及探討在其間存在的關聯性。
4.1 概論
概論
概論
概論
對於光伏電池模組發電量的量測，室內實驗環境的設計必須能符合標準試驗條件 的基本要求。為了降低實驗的系統誤差或人為誤差、增加實驗結果的可信度，下列事 項是必須注意的。 一、光源 光源的選擇是以必須能放射出符合或近似在標準試驗條件下 AM1.5 的太陽光譜 為基本要求，而且在模擬接受照射的範圍內其入射光的輻射強度分佈應該儘可 能的保持均勻一致。也就是，均齊度的要求，其強度分佈的偏差是在可接受的 範圍，通常是±5%。在照明光源中，氙（Xenon）原子光源的連續性振動放射， 能放射出近似太陽的光譜。如圖 4-1 說明氙原子光源的光譜分佈很相似於 5500° K 的太陽光譜分佈，尤其是在可見光範圍的 380nm 到 780nm 之間。均齊度的問 題則與燈具設計有密切的關係。 圖 4-1 氙原子光源與 AM1.5 太陽光譜分佈的比較（文獻 A-14） 氙原子光源 太陽光 波長（nm）二、自然光環境 由於光伏電池模組接受的自然光線主要是來自天空的直射陽光與天空漫射光， 自然光環境的模擬必須能滿足直射光或者是直射與漫射混合的光源。這二種不 同的自然光環境，如果以地球的大氣環境來說明，直射光的模擬類似於在外太 空的環境，不含任何可能產生的游離或散射光（stray light）。換言之，是在一種 全黑暗的環境，只有平行入射的太陽光束照射至目標物。直射與漫射混合光源 環境的模擬類似於在大氣層內的地面環境。這種光環境的模擬是最困難的，因 為入射陽光強度變化的無法控制性、雲覆蓋率的改變，導致直射光與天空漫射 光二者的輻射強度比值是在不斷的改變。 三、光線入射角變化 BIPV 模組通常都是以固定的座向以及固定的傾斜角度來設置，當太陽光在天空 中隨著全年不同的時間而改變其高度角和方位角時，太陽位置相對於模板表面 法線的角度就會不同。由於這種入射光線偏斜角度的影響，模組板面能接受到 的光線強度自然就會不同。想要瞭解光線入射至模組表面時發電量的變化，就 必須讓模組能有以任意角度傾斜的調整能力，例如自動追日裝置。反之，漫射 光由於其擴散的本質，不同於光束的方向性，可以不考慮光線入射角的問題。 無論如何，依據標準試驗條件的要求，只要求入射光的輻射強度為 1000W/m2。 四、暗房性質的室內光環境 為了避免因室內其他光源或來自週遭的反射光的干擾影響，實驗環境應該屬於暗 房性質。直射光條件的實驗環境，其暗房性質比較容易達成。混合光源的環境， 不容易以一般的室內環境完成，如前述，主要是因為表面反射率以及反射光量的 強度控制問題。通常都是採用類似小腔室（chamber）的空間或設備來提供所需 的總入射光強度。 五、室溫條件 光伏電池的溫度，若有顯著的差異時，會影響光伏電池的發電效率。依據標準試 驗條件的要求，光伏電池或模組板面的溫度為 25℃。為避免在操作時因溫度的 改變而造成模組發電量受到影響，實驗過程中應隨時注意溫度的變化，將實驗環 境的溫度控制儘量維持在 25℃。若如此，有利於在分析研究結果時，排除溫度
因素可能造成的影響。
4.2 直射光實驗環境
直射光實驗環境
直射光實驗環境
直射光實驗環境
在直射光環境的實驗，包含表層無玻璃封裝、以及表層有玻璃封裝兩種不同的量 測。有關於實驗的環境條件與操作控制等，分別說明如下。 4.2.1 實驗室的環境條件實驗室的環境條件實驗室的環境條件實驗室的環境條件 本研究的直射光實驗環境是借用永炬光電科技公司竹北廠的實驗環境與設備。此 實驗環境原是為了國家太空計劃的衛星用光伏電池的效率驗證而設置。在外太空的環 境，只有直射陽光、沒有漫射光，因此實驗室的模擬光源是一種幾乎近似於平行的太 陽直射光。光線強度容許做必要的調整。實驗環境的條件與設備能符合標準試驗條件 的要求。 一、實驗環境與設備 （一）氙氣燈與高強度放射光源 1. 能放射出近似太陽光譜的光線。由於空間尺度足夠，能放射出近似平行光的 直射光線在模組表面上。圖 4-2 為放置光源之燈箱。 圖 4-2 直射光環境的光源燈箱外觀 2. 光強度的變化可由電腦程式控制。（改變電壓與電容讓光源強度變化，並保持 其在量測瞬間的穩定） 3. 光源強度最高可達 3000W/m2。 4. 光源條件設定在 AM1.5、1000W/m2的實驗條件下來進行本研究的實驗。 （二）模組測試架台很大，如圖 4-3。採用在兩側轉軸方式設計，讓架台旋轉或固定，轉軸的構造 如圖 4-4 所示。當模組架台的框架成垂直擺放時，光線以垂直的角度照射至模 組表面。旋轉架台的框架角度，可讓受測模組接受來自不同角度的入射光線。 圖 4-3 模組測試用架台 圖 4-4 架台轉軸的構造 2. 架台轉軸中心點離地板面的高度為 119cm。 （三）實驗數據自動讀取的電腦設備。 （四）50W 標準模組一片，如圖 4-5，作為光源強度調校之用。 圖 4-5 50W 標準模組與標準矽電池 （五）標準矽晶光伏電池一片為基準發電值，用以推算受測模組的相對發電值。 （六）為防止漫射光的產生，在週邊裝設黑色布幕、地板架設黑色立板、天花板垂掛 黑色短簾幕。圍繞在四周的黑色布幕如圖 4-6(a)。地板面上的黑色立板，以一 定的間隔擺放，防止來自地板面的反射光，如圖 4-6(b)。
(a) (b) 圖 4-6 (a)周圍的黑色布幕 (b)地板面的黑色立板 （七）實驗環境的平面及剖立面示意圖，如圖 4-7 所示。 圖 4-7 實驗室平面及剖立面示意圖 二、實驗室操作與設備限制因素 （一）無塵室的環境，避免塵埃及濕度可能造成的影響。 （二）使用標準模組進行光源強度的調整或校正，如圖 4-8，使光源條件能控制在需 求的入射強度。
圖 4-8 以標準模組校正光源強度 （三）在受測範圍內，將標準矽晶光伏電池固定在框架上，但在每次量測過程中均保 持與入射光線垂直的角度放置，以其值作為基準值，如圖 4-9 所示。 圖 4-9 以固定角度架設的標準矽電池 （四）光源校正 使用在標準試驗條件(AM1.5、25℃、1000W/m2 )下已測得其峰值發電量為 50W 的單晶矽標準模組，將其以垂直的角度放置在框架上來調校光源。校正過程 中，若讀出之發電量在 50W±5%的範圍內，設定此時的光源強度，開始進行後 續的實驗量測作業。因為經此步驟校正後的光源強度大約為 1000W/m2。同理， 若使用在 AM0 條件下測得的標準模組來調校光源，經校正後的光源強度約為 1365W/m2。此實驗室的光源強度變化是無法直接由程式輸入數值來調整，也 就是，無法任意的改變光源的強度值。光源強度的控制，必須藉由標準模組的 使用來達成。目前的實驗環境光源可以被校正成為 AM0（1365W/m2）以及 AM1.5（1000W/m2）二種。這是依照所使用的標準模組而定。其他的光源強 度經由對電容的改變也可以達成。 （五）模組發電值校對 在量測過程中，將標準矽電池固定並保持在讓光源能垂直照射的位置上，其目 的是要讓電腦程式以其發電值做為基準值，藉以推算或測得受測模組的相對發 電值。
