中華大學

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中華大學碩士論文

薄膜型太陽能光電於既有建築上應用之初步研究-以中華大學管理學院為例

Preliminary study on the thin-film solar

photovoltaic applications in the existing buildings - A case study of the college of

management,Chung Hua University

系所別：營建管理研究所碩士班學號姓名：M 09716015 林安祥指導教授：王明德博士

中華民國九十九年八月

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摘要

全球氣候異常與石油逐漸枯竭之下，環保意識抬頭，開發多元化潔淨能源與替代性能源是長久解決環保問題的主要途徑，為了尋找替代性能源與減少二氧化碳，營建業不斷的提倡綠色建築，不僅在材料上的使用，建築物也與現今蓬勃發展且必要的太陽能光電做個結合達到創造能源、儲蓄能源、節省能源。而國內目前的太陽能光電運用在各方面頗為積極，故在營建業如何運用此資源達到綠色建築是值得探討。

為加速達成節能減碳之目標，並促進綠色能源－「太陽光電」的應用與推廣，經濟部能源局鼓勵一般民眾、政府機關、公司行號、各級學校裝設太陽光電發電系統，

並給予相關的設置補助。由於目前多晶矽(polysilicon)材料缺貨問題難解，且價格已經過高，每公斤現貨價達三百美元以上，反而讓薄膜(thin-film)太陽能電池在相對上更具成本優勢，IEK-ITIS 計畫研究員劉致中表示，由於上游端矽晶原料的全球性缺料情況仍持續，使業者紛紛轉投資用料較節省的薄膜太陽能電池製程，也使得錯過第一波太陽能電池投資的其它業者有了最佳的切入機會與擴大產能。薄膜型太陽能光電目前轉換效率、穩定性、量產良率及設備成本等問題已慢慢提升，但薄膜技術可大幅節省材料，並可在低成本的玻璃、塑膠等基材製造，建材輕、能大面積生產，且具有可饒性，可與建築物結合成為建築整合型太陽光電系統 (BIPV-Building Integrated Photovoltaic)而達到綠能與節省建置成本。

本研究首先探討薄膜型太陽能電池新構件的應用特性與薄膜太陽能光電於建築物現況，接著以中華大學管理學院大樓(M 棟)南向立面方向設置薄膜太陽能光電結構為例，分析比較此大樓裝置前後用之電量與電費，並說明薄膜太陽能光電於既有建築物之應用潛力與尚待克服之問題，期望太陽能光電之應用，在政府推動政策並補助消費者制度下更為普及化，加強民眾對太陽能應用於建築物之接受意識與裝置意願。

關鍵詞：太陽能光電、薄膜型電池、BIPV

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ABSTRACT

Under the global climate anomalies and the gradual depletion of petroleum, the environmental protection consciousness is aroused. To develop diversified clean energy and alternative energy sources is a main way to solve environmental problems. Reducing carbon dioxide and promoting green building by the construction industry are alternative ones. Today’s building technologies not only make use new construction materials, but also combine solar energy to create, save, and conserve energy. The use of current solar Photovoltaic (PV) has been positive in many areas. The construction industry is no exception. The use of this solar PV resource for green building is worth exploring.

To speed up the goal of achieving carbon reduction and promotion of green energy, Taiwan Bureau of Energy has adopted many measures, such as subsidies, to encourage the general public, government agencies, businesses and schools to install solar electricity generation system. As the current polysilicon material shortage problem is getting more serious and its price is already too high (more than 300 U.S. dollars per kg), thin film solar cells become more attractive and cost-effective. Because the upstream side of the silicon raw materials in the global situation was still in continuing shortage, the industry has to switch to more efficient use of materials of thin film solar cell process. The issues of conversion efficiency, stability, yield and production equipment costs for thin-film solar photovoltaic have been gradually improved. The thin-film PV can be significant savings in materials technology, and can be produced by low-cost substrate materials such as glass, plastic. Building integrated photovoltaic system (BIPV-Building Integrated Photovoltaic), with its light weight and large area production, can reach the target indicators of green buildings with cost savings of implementation.

This study first surveys the thin film solar cell application of new components and thin film solar photovoltaic characteristics of the current situation in the building, then tries to apply thin-film solar photovoltaic technologies to the Management Building (M Building) at Chung Hua University as an example of illustrating how power plant and electricity are set up. This study also analyzes its potential problems and explains how to overcome the problem. Finally, cost estimates and its possible saving are conducted.

Government policies and subsidy programs are proposed to stimulate wider consumer awareness of solar energy system used in buildings, and to increase the willingness of implement the system.

Keywords: Solar photovoltaic, thin film batteries, BIPV

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致謝

六年前入學中華大學的原因，是「快樂、成長、學習、理想」幾個名詞，也是加入中華研究所兩年的初衷與期許。回顧這兩年求學過程，充實、辛苦、感恩的學習歷程，讓我深深體會與達到當初幾個名詞的目標與意義。在此我要由衷的感謝中華大學營管所的愛護與栽培，各位良師與朋友的陪伴，同學之間的相互幫忙與共同奮戰學習，更感謝這學習的路途上一路陪伴我、支持鼓勵我的家人與好友，因為有你們的扶持與協助才有安祥今日的成果。致上十二萬分感謝!!

本碩士論文得以順利完成，心中有無限的感激與道謝。首先，以感恩、飲水思源的心，向我敬愛的指導教授王明德博士致上深深的感謝，在學生撰寫碩士論文期間，

以細心、耐心、不吝嗇的態度及最專業授業給予學生指導與鼓勵；不僅是在課業上的幫助，生活上也如同長輩、朋友般，不斷的協助與支持。您的諄諄教悔，讓我學習如何思考、組織及完成學生的論文，更能運用於日後工作、生活中，讓我受益良多。

在學期間，感謝楊智斌所長、余文德教授、鄭紹材教授、蕭炎泉教授、許玉明教授、楊錫麒教授、邱垂德教授、陳天佑教授、吳福祥教授諸位師長，專業學識與教學風範及有教無類，學生獲益良多，感激萬分。以及睿庭國際的陳博昌經理、洪嫦闈助理等的協助與建議。口詴委員，中華大學總務處吳福祥總務長、交通部新建工程局工務處廖肇昌組長、交通大學黃世昌教授的寶貴意見與建議，在此學生不勝感激。

碩士班的同學們，同心協力、相互打氣，有各位的陪伴、支持、鼓勵與幫忙，讓我在求學的過程中能開心、順利的過每一天。感謝學長姐誌銘、偉志、詵婷、紹偉。

同學相甫、晏瑞、靜瑤、長鴻、郁詞、祺焜、珈竹、哲瑜、華勳、康泓、筱軍、宗煜、

柏宏、柏丞，學弟妹秓梅、浩榕、家裕、聰騰、士凱、自浩、庭芳等，以及重要的營管所葉珮娟助理，最後感謝所愛的家人、欣怡給予之支持與愛護，讓我無後顧之憂的成長學習。以上各位對我所帶來的各種感觸，已在我心中佔有重要的一面。

回想起去年，快樂的幫忙畢業的學長姐舉辦歡送並給予祝福，如今轉眼間，換了角色成為主角，即將踏上新的旅程與迎接新的考驗，感觸良多。在求學之所學問，不會因學業結束而停止，「快樂、成長、學習、理想」將會伴隨寫下我人生新的一頁。

林安祥謹誌 2010/07/21 中華大學營建管理研究所

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表目錄

表 2.1 建築物設置分類 ... 7

表 2.2 太陽光電系統建築物之緊急應用 ... 10

表 2.3 太陽光電電池種類與轉換效率 ... 15

表 2.4 太陽能電池優缺點 ... 16

表 2.5 太陽能系統之比較 ... 19

表 2.6 設置環境相關說明 ... 20

表 2.7 太陽光電系統應用範圍 ... 21

表 2.8 電器耗電量參考表 ... 25

表 2.9 太陽光電推動計畫案 ... 30

表 2.10 未來加強項目 ... 30

表 3.1 廠商投入薄膜太陽能電池之方式 ... 37

表 3.2 矽薄膜太陽能電池電池廠商狀況 ... 38

表 3.3 矽薄膜與化合物半導體薄膜太陽能電池比較 ... 49

表 3.4 薄膜太陽能電池之優缺點分析 ... 52

表 3.5 各類薄膜電池之最佳應用 ... 53

表 3.6 BIPV 限制與改善 ... 59

表 3.7 薄膜型太陽能電池整合於建築示意表 ... 60

表 3.8 我國薄膜太陽能發展之 SWOT 分析 ... 66

表 3.9 德國、日本與美國之太陽光電補貼政策 ... 67

表 3.10 國內太陽光電獎勵措施 ... 68

表 4.1 薄膜電池型態與內容 ... 73

表 4.2 影響晶矽、薄膜內容比較說明 ... 73

表 4.3 影響模組內容說明 ... 75

表 4.4 太陽能內容影響建築物說明 ... 79

表 4.5 樓層空間表 ... 82

表 4.6 環境調查表 ... 85

表 4.7 各種太陽能電池的最高效率 ... 86

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表 4.8 系統規格表 ... 86

表 4.9 案例大樓 2009 年用電量表 ... 92

表 4.10 台電電價表 ... 93

表 4.11 M 棟案例大樓裝置前後電量、電費比較表 ... 94

表 4.12 案例大樓裝置成本分析表 ... 95

表 4.13 再生能源收購費率表 ... 99

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圖目錄

圖 1.1 研究流程圖 ... 4

圖 2.1 踞置型貼覆式 ... 8

圖 2.2 踞置型架高式 ... 8

圖 2.3 建材一體型(屋瓦型)... 8

圖 2.4 建材一體型(Light through) ... 9

圖 2.5 建材一體型(Light through) ... 9

圖 2.6 太陽能發電原理 ... 11

圖 2.7 太陽能電池關係圖 ... 12

圖 2.8 單晶矽電池與單晶矽電池模組 ... 12

圖 2.9 多晶矽電池與多晶矽電池模組 ... 13

圖 2.10 太陽能薄膜電池與薄膜電池模組 ... 13

圖 2.11 聚光型太陽能發電系統與模組示意圖 ... 14

圖 2.12 獨立型太陽能光電系統 ... 17

圖 2.13 並聯型太陽能光電系統 ... 17

圖 2.14 緊急防災(混合)型太陽能光電系統 ... 18

圖 2.15 太陽能系統發電圖 ... 18

圖 2.16 太陽光電發電系統發電及家庭每日用電對照圖 ... 26

圖 2.17 德國柏林中央車站 ... 27

圖 2.18 德國教堂及牧師宿舍與德國機場發電系統 ... 27

圖 2.19 橫濱都筑郵局與新宿御苑太陽能採光棚 ... 28

圖 2.20 高崎太陽能車站與名古屋市營太陽能社區 ... 28

圖 2.21 太陽能瓦屋頂與採光式鋼骨結構太陽能大樓 ... 28

圖 2.22 福安紀念館 19.8kWp 示範系統與總統府力行樓 10.5kWp 系統 ... 30

圖 2.23 台北市立圖書館 8.64kWp 系統與台電南展館 50kWp 系統 ... 31

圖 2.24 金門烈嶼鄉 10kWp 系統與巨林建設陽光社區 31.5kwp 系統... 31

圖 2.25 統一企業 10.4kwp 系統與工研院 52 館採光罩 3kW 併聯型... 31

圖 3.1 2006-2010 年我國太陽能光電產業產值之變化趨勢 ... 38

(11)

圖 3.2 薄膜太陽能電池產量與市佔率預估 ... 39

圖 3.3 目前各種太陽能電池轉換效率發展演進 ... 40

圖 3.4 薄膜太陽能電池分類表 ... 41

圖 3.5 矽薄膜太陽能電池結構 ... 42

圖 3.6 矽薄膜太陽電池模組製程圖 ... 44

圖 3.7 薄膜太陽能電池結構比較 ... 45

圖 3.8 塑膠薄膜可饒式染料敏化太陽能電池 ... 47

圖 3.9 薄膜太陽能電池市佔率預測圖 ... 48

圖 3.10 薄膜太陽能電池製程流程 ... 49

圖 3.11 薄膜太陽能電池各項應用產值預估 ... 53

圖 3.12 尚德光電無錫廠 710kWp 帷幕應用(晶矽型) ... 55

圖 3.13 日本 BIPV 建築屋頂應用(非晶矽型) ... 55

圖 3.14 BIPV 建築採光天窗應用(晶矽型) ... 56

圖 3.15 BIPV 建築金屬外牆應用(非晶矽) ... 56

圖 3.16 不銹鋼基板鍍 a-Si 薄膜 ... 63

圖 3.17 玻璃基板鍍 a-Si 薄膜 ... 63

圖 3.18 塑膠基板鍍 a-Si 薄膜 ... 63

圖 3.19 板橋江子翠施工實例 1360W 薄膜型 ... 64

圖 3.20 薄膜小型系統施工案例 ... 64

圖 3.21 BIPV 建築採光天窗應用(非晶矽) ... 64

圖 4.1 薄膜太陽能建築要因圖 ... 70

圖 4.2 案例大樓 Google 衛星示意圖 ... 80

圖 4.3 案例大樓方位示意圖 ... 80

圖 4.4 案例大樓南向示意圖 ... 81

圖 4.5 管理大樓仰視圖 ... 81

圖 4.6 案例大樓南向立面圖 ... 81

圖 4.7 太陽光電設置研擬流程圖 ... 84

圖 4.8 不同日照條件圖 ... 86

圖 4.9 電力轉換示意圖 ... 87

(12)

圖 4.10 系統施工流程圖 ... 87

圖 4.11 移動式設備、旋轉刻度記、指北針 ... 91

圖 4.12 案例裝置薄膜型光電示意圖 ... 91

圖 4.13 案例大樓設置剖面示意圖 ... 91

圖 4.14 案例大樓電量散佈圖 ... 93

圖 4.15 案例大樓設置 17.6kWp 概算顯示圖 ... 94

圖 4.16 年節省費用之現金流量圖 ... 98

圖 4.17 10 元/度收購價格現金流量圖 ... 99

圖 4.18 設置 10kWp 以上現金流量圖 ... 100

圖 4.19 3kWp，10 元/度收購成本現金流量圖 ... 101

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第一章緒論

1.1 研究背景與動機

太陽照射在地球一小時之龐大能量，可供應地球一年之能源消耗，是地球上唯一用之不竭、無汙染與不受任何國家壟斷、控制的自然能源，也是人類賴以維生的主要能源。太陽能傳送到地球大氣層以後，一部分被大氣層吸收，一部分反射回太空中，

另外一部分則會被地表接收，照射在地球的能量可以達到帄均每帄方公尺地面約有 180 瓦特，如果能夠充分地轉換、應用地表所吸收的龐大能量，對於那些遠離輸送電網的偏遠地區，可以成為最佳的能量來源[1]。而使用此能源達再生利用即為目前減緩石化能源消耗之重要任務之一，太陽能光電發電成了最佳選擇方案。

為了落實推動「節能減碳」的政策方針與開發多元化潔淨能源、替代性能源，我國能源發展的重要法案「再生能源發展條例」己由立法院三讀通過，其為台灣再生能源奠立了長遠發展的根基，在能源面上，達成了提高自產能源、促進能源多元化目的，

在環境面上，對溫室氣體減量成效亦是不可言喻，另外亦可帶動新興再生能源產業發展[2]。營建業也不例外，積極實行降低建築物耗能量與建築成本的概念且因應「綠建築標章」七大指標評估系統中的日常節能指標、二氧化碳減量指標，與目前全球潮流蓬勃發展的太陽能產業做結合達到節能減碳。

而太陽能電池目前依舊以晶矽太陽能電池為主；具有高轉換率及高穩定性，但由於目前多晶矽(polysilicon)材料缺貨問題難解，且價格已經過高，反而讓薄膜(thin-film) 太陽能電池在相對上更具成本優勢，有利後續新進業者投入生產及擴大產能，也因薄膜型太陽能電池由於轉換效能逐漸提高，且薄膜技術可大幅節省材料做為建材降低建築成本，普遍認為其發展潛力極高。

因此，產業分析專家預估 2015 年薄膜太陽能電池市場佔有率將可大幅提升至 35%。然而在建築中注入綠色元素逐漸成為建築發展的趨勢，也是世界建築的主流。

綠色建築的內容各國評價標準不同，但潔淨無限量、無汙染的太陽能發電卻是相同的創能工具，其合理、高效率利用是綠色建築的重點，故於營建業利用此資源落實環保是值得探討的課題。

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1.2 研究目的

本文彙集國內有關太陽能建築之研究文獻，發現目前太陽能於建築物多著重在矽晶太陽能板，也因太陽能電池的發展快速，使原物料矽供應有缺乏的現象，太陽能光電業者紛紛朝向矽使用量大幅減少的薄膜型太陽能電池之研發與實用。薄膜型太陽能電池具有可饒性、透光率佳、低照度亦可發電不受角度影響、來源用量少與可在低成本之玻璃、塑膠基板形成模組等優點，以上特性皆可成為建築建材與建築物結合發電形成建築一體型，順應節能減碳目標。藉此，利用薄膜型電池特性於案例大樓既有建築模擬其設置可行性為例，分析比較此大樓裝置前後用之電量與電費，並說明薄膜太陽能光電於既有建築物之應用潛力與尚待克服之問題，期望太陽能光電之應用，在政府推動政策並補助消費者制度下更為普及化，加強民眾對太陽能應用於建築物之接受意識與裝置意願。本研究目的主要可分歸納為以下三點:

一、透過文獻彙集並探討薄膜型太陽能電池新構件於既有建築物之應用可行性分析與尚待克服之問題。

二、經由研擬於中華大學 M 棟管理學院南偏南立面方向設置薄膜型太陽能光電結構模型，探討裝設薄膜電池於案例大樓之可行性與效益分析。

三、藉由本案例彙整分析於日後其它既有建築物之借鏡與教育宣導功用。

1.3 研究範圍與限制

再生能源包括: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。本研究以再生能源中之太陽能為設定項目，而太陽能電池可分單、多矽晶與薄膜型太陽能電池，本研究則以薄膜型光電系統設置於中華大學M棟既有建築物南面為主要探討範圍。

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1.4 研究方法

本研究方法主要可分以下幾點:

一、次級資料分析

彙集國內外太陽能光電產業發展與太陽能於建築物上應用現況之文獻，並整理分析薄膜電池之種類與特性，以及薄膜太陽能電池應用於建築物之潛力及所面臨問題與發展現況。

二、模擬建置與法規探討

針對太陽能系統建置需求、方法尋求專家訪談與太陽能示範網，以瞭解系統種類功能與設置過程頇知及相關資料，並探討再生能源法與現行太陽能補助條例進行模擬薄膜型太陽能光電系統於既有建築物之應用可行性分析。

三、比較分析

本文比較分析主要有以下幾點：

（一）太陽能光電種類與系統比較

（二）薄膜型太陽能電池種類與特性比較探討

（三）案例大樓模擬建置光電系統前後用電量效益差異比較分析

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1.5 研究流程

本研究流程如下圖 1.1 所示

確定研究動機與目的

資料蒐集與文獻回顧

研究範圍與假設

太陽光電系統應用於建築物課題分析

業主需求與評估建立

太陽光電結合效益分析

發電性能建築整合性能結合建築物美觀

建置過程與成效評估

結論與建議太陽光電系統應用

於建築物現況調查

建築物案例選擇與分析

圖 1.1 研究流程圖

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本研究共分五個階段，各階段說明如下：

一、第一階段

確認本研究之研究動機與目的，並擬定研究範圍與方法，以利後續研究之進行。

二、第二階段

回顧以往國內外與太陽能光電及薄膜電池相關之研究文獻，且瞭解現行法規、再生能源與太陽能光電相關補助政策，並加以整理探討，以確立本研究之後續。

三、第三階段

彙集國內外目前薄膜太陽能光電系統應用於建築物現況調查與重要課題，並加以探討歸納與分析。首先針對國外與國內薄膜太陽能電池產業作概述及整理與分析探討。說明目前薄膜電池產量、市價、發展情況與各相關太陽能廠商發展動向及其薄膜電池之未來性，進一步說明薄膜型太陽能種類與特性及比較。接著探討各太陽能電池應用範圍及特性與薄膜太陽能建材 BIPV 一體型與新建、既有建築結合探討，以瞭解薄膜型太陽能電池之現況與重要課題。

四、第四階段

此階段為模擬建置薄膜型太陽能於既有案例建築物上之選擇應用與分析，進行現況調查與裝置地點規劃評估，針對建置環境、太陽光電、建築三個所需面向考量，且做相關效益分析、回收年限與評估其可行性，給予日後作為新建與既有建築物設置薄膜太陽能光電之參考。

五、第五階段

歸納本研究之研究成果，並提出後續發展之建議。

(18)

第二章文獻回顧

2.1 太陽能概況

太陽能電池(solar cell)並非一項新的技術，早在 1960 年代即已應用於太空船，1970 年代因能源危機受重視而快速發展，然而由於價格偏高，且主流能源如石油、煤、水力等價格低廉，因此即使各國政府優惠補助太陽光電產業發展，但整體而言廠商經營並不順遂，虧損連年而倒閉時有所聞，影響所及使許多廠商經營上抱持審慎態度，不敢輕言擴產。2004 年 4 月，全球太陽能產業先受惠於德國通過新再生能源法，補助條件大幅放寬，刺激需求大增，繼而 2004 年 9 月再因油價創下歷史新高引起全球對能源危機的重視，積極發展替代能源方案，因而使太陽光電產業得以大幅邁進[2]。

歐、美、日等國近年來積極推動再生能源之開發與應用，競相採取獎勵補助及優惠購電政策，並提供低利貸款及減免稅率等措施，致使太陽電池之需求急速成長，形成供不應求的局面[3]。

在台灣能源進口依存度 98%。但台灣太陽能產業幾乎全仰賴出口，占營收比重 98-99%，內需市場無法蓬勃，主要缺乏政策積極作為。在缺乏日照的歐洲人眼裡，

台灣的豐沛日照是發展太陽能的極佳地點，政府若能加把勁，透過內需加持，國內太陽能產業將更有競爭力，可能成為新的兆元產業[4]。

2.1.1 推動太陽能光電之國際趨勢與我國對太陽光電需求

太陽能為源源不絕、取得方便且消耗地球資源極少的自然能源，在石化能源逐漸殆盡與環境變遷所帶來的雙重壓力之下，許多國家早已將太陽能發電視為另一項重要潔淨能源來源之一，並積極研發與推動。而台灣能源 98%來自進口，缺乏自主能源，一旦地球能源匱乏影響之大，故太陽能勢必為我國發展重點之一；

台灣日照充裕且有良好之半導體發展，更是具有推廣設置太陽能發電之優勢。以下為推動太陽能光電之國際趨勢與我國對太陽光電需求[5]:

一、推動太陽能光電之國際趨勢

(一) 2005 年 2 月聯合國“國際氣候綱要公約＂「京都議定書」正式生效，進行溫室氣體排放管制。

(19)

(二) 世界能源危機。國際能源署預估原油價格上昇 10 美元，影響亞洲地區 GDP 減少 0.8%。

(三) 太陽光為最普及的自然潔淨能源。世界各國全力投入研發與獎勵推廣推動太陽光電系統，視為明日產業，2001~2007 年全球太陽電池市場複合成長率 43%。

(四) 國際電力能源趨勢朝向能源多元化、分散式區域電力網路系統，避免集中式電力網尖峰供電不足與輸配電網故障之停電風險。

二、我國對太陽光電需求

(一) 我國能源進口依存度達 99﹪以上，化石能源集中度高佔總能源之 88%，缺乏自主能源，無法疏解 CO₂排放。

(二) 全球溫室效應，國內環保意識抬頭，要求開發多元化潔淨能源。

(三) 我國集中式電力網、尖峰用電供給不足，缺乏多元化能源及分散式尖載輔助電力，停電風險高。

(四) 長期低油電價格政策，未考慮環境成本之轉價，造成能源浪費與扭曲真實成本。

2.1.2 太陽光電設置條件與應用範例

此節歸類說明建置太陽能光電之效益與設置環境基本條件及緊急防災生存點之導入，以圖表說明目前依照建築物型態設置系統分類有距置型與建材一體型[5]，

見圖 2.1~2.5 所示。

一、依建築物設置系統型式分類可見下表 2.1:

表 2.1 建築物設置分類

類型定義圖示

踞置型貼覆式 Roof-mounted模板貼覆建物外表包覆材架設，

其與建物間高度間距在10cm以內。

圖 2.1 架高式 Ground-mounted模板矗立建物帄頂或地面架

設，其高度在150cm以下。

圖 2.2 建材一體型 Build-in(Building integration)替代屋頂、牆面、窗戶，且兼

具建築物外表包覆之建材。

圖 2.3~2.5 資料來源:[5]

(20)

圖 2.1 踞置型貼覆式資料來源:[5]

圖 2.2 踞置型架高式資料來源:[5]

圖 2.3 建材一體型(屋瓦型) 資料來源:[5]

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圖 2.4 建材一體型(Light through) 資料來源:[5]

圖 2.5 建材一體型(Light through) 資料來源:[5]

二、建築物設置太陽光電之效益分析:

(一) 可使用於邊際效益高之電力需求(帄時、緊急輔助電力)--通訊、緊急照明、

廚房維生、控制中心。

(二) 總體效益：減少環境污染、解決尖峰用電之不足、降低契約容量需求、能源多元化之停電風險分擔與開創自主能源。

(三) 遮蔽陽光直曬，降低建築物之熱效應(被動省能)；同時轉換太陽光為電能，

供應建物自主能源(主動節能)，一舉兩得。

(四) 結合多機能環保永續建築，提升附加價值與居住品質。

(五) 風險分析：運用多元化電力能源分擔風險。

(22)

三、緊急防災生存點(life spot)之導入，可見表 2.2:

(一) 於各政府機關、區公所、中小學校設置太陽光發電系統。

(二) 於災害發生時，太陽光發電系統必頇備有供應一日電力需求容量之蓄電池。

(三) 推動民間自發性設置生存點(life spot)包括住宅大樓屋頂設置太陽光發電系統及地下設置可供 3 天之儲水槽。

(四) 防災避難據點帄時可開放量販店使用。

(五) 加油站設置太陽光發電系統，於災害發生時，確保供油所需之最低限電力。

表 2.2 太陽光電系統建築物之緊急應用

應用面應用內容

能量來源太陽光自然能源，不遺匱乏。

緊急應用 1.停電時能維持供電(有蓄電池設備時，夜間亦可供電)。

2.帄時、非常時期均可使用。

3.可供應避難所緊急照明、電視機、收音機收訊電源。

4.提供公共電話、無線通訊之緊急電源。

5.提供急難供水、供油、供氣之電源。

6.提供醫療救護站緊急電源。

7.可為移動型，不受地理、地形之限制。

8.可依需求容量規模彈性設計。

適用場合工商廠房、住宅大樓、防災中心、學校、避難所、政府機構、醫療院所、救護站、警察局、消防隊、救援中心。

防災維生系統晴天運轉，雨天或無日照時需備有三天容量之蓄電池。

資料來源:[5]

四、太陽光電系統設置環境基本條件有以下要項:

(一) 日照充足，無光障害，模板架設角度以朝南傾斜。

(二) 週邊環境應考慮建築物空間、鹽害雷害、風況、天候、溫度、防潮、排水及地盤狀況等考量。

(三) 建築結構之樑、柱等位置應考量載重設計，架設於外牆需考量強度設計。

(四) 電氣設備中需了解電氣設備現況，必頇確保電氣設備的安全，以掌握建置時電氣配線與施工路徑。

(23)

2.2 太陽能基本介紹

太陽照射在地球一小時之能源約可供應地球一年之能源消耗[5]。從太陽輻射出來的能量非常龐大，是人類賴以維生的主要能源。太陽能傳送到地球大氣層以後，一部分被大氣層吸收，一部分反射回太空中，另外一部分則會被地表接收，照射在地球的能量可以達到帄均每帄方公尺地面約有 180 瓦特，太陽光每天到達地面的能量約為全世界石油蘊藏量的 1/4，且又不會產生環境污染，再加上近年來半導體材料突飛猛進，使得太陽能的吸收效率不斷提昇，這也造就了太陽能熱力及發電的廣泛應用[6]。

2.2.1 太陽能原理與種類

早期的太陽光電系統使用在人造衛星上，用來克服在遙遠的外太空中，人造衛星無法接受地球電力補充的困難。太陽光的發電，是利用太陽電池把光能直接轉變成電能輸出，只要有足夠的陽光，系統就可以發電[7]。

一、太陽能發電原理

利用電位差發電，無電磁波產生太陽電池(solar cell)是以半導體製程的製作方式做成的，其發電原理是將太陽光照射在太陽電池上，使太陽電池吸收太陽光能透過圖中的 p-型半導體及 n-型半導體使其產生電子(負極)及電洞 (正極)，同時分離電子與電洞而形成電壓降，再經由導線傳輸至負載[8]。

簡之，太陽光電的發電原理，是利用太陽電池吸收0.2μm～0.4μm 波長的太陽光，將光能直接轉變成電能輸出的一種發電方式。示意如圖 2.6。

圖 2.6 太陽能發電原理資料來源:[9]

(24)

二、太陽能電池種類

太能電池種類可分矽晶型與非矽晶型，矽晶型太陽光電池又可分為：單結晶矽太陽光電池、多結晶矽太陽光電池、Ⅲ-V 族化合物半導體太陽光電池。非矽晶型太陽光電池又可分為：非結晶矽太陽光電池、晒化銅銦(CulnSe2) 太陽光電池、鍗化鎘(CdTe)太陽光電池[10]。關係圖可見圖 2.7。太陽能電池各種類與轉換效率可見表 2.3。

圖 2.7 太陽能電池關係圖資料來源:[11]

(一) 矽晶系

單晶矽太陽能電池由於是經由圓柱型的晶錠裁切而成，並非是完整的正方形，造成了一些精煉矽料的浪費，所以製程較貴。因此大部分的單晶矽四個角落都會有氣隙，外觀上很容易分辨。發電效率較一般多晶矽高。多晶矽，製程上較便宜，發電效率略遜單晶矽[12]，見圖 2.8、2.9 所示。

圖 2.8 單晶矽電池與單晶矽電池模組資料來源:[12]

太陽電池

化合物系矽系

結晶

非晶

II-VI族 II-V族其它

塊材(bulk)

薄膜

單晶多晶單晶多晶

微結晶

(25)

圖 2.9 多晶矽電池與多晶矽電池模組資料來源:[12]

(二) III-V 族化合物半導體

高效率，適合薄膜化，可耐放射線損傷，高集光動作，各種半導體相互組合，此牽涉到同時多波長光線之處理，較傳統光電元件更複雜 [10]。

(三) 薄膜型太陽能電池

薄膜太陽電池可以使用在價格低廉的玻璃、塑膠、陶瓷、石墨，金屬片等不同材料當基板來製造，因此在同一受光面積之下可較矽晶圓太陽能電池大幅減少原料的用量，目前轉換效率最高以可達 13%，薄膜電池太陽電池除了帄面之外，也因為具有可撓性可以製作成非帄面構造其應用範圍大，可與建築物結合或是變成建築體的一部分[13]，見圖 2.10 所示。

圖 2.10 太陽能薄膜電池與薄膜電池模組資料來源:[14]

(26)

(四) 聚光型太陽能電池

聚光型太陽能電池是 [ 聚光型太陽能電池 (Concentrator Photovoltaic)]+[高聚光鏡面菲涅爾透鏡(Fresnel Lenes)]+[太陽光追蹤器 (Sun Tracker)]的組合，見圖 2.11，其太陽能能量轉換效率可達 31%～40.7%，

而且聚光型太陽能電池的耐熱性比一般晶圓型太陽能電池又來的高，雖然轉換效率高但是由於向陽時間長，過去用於太空產業，現在搭配太陽光追蹤器可用於發電產業，比較不適合用於一般家庭[13]。

圖 2.11 聚光型太陽能發電系統與模組示意圖資料來源:[12]

(27)

表 2.3 太陽光電電池種類與轉換效率

太陽電池種類半導體材料市場模組發電轉換效率

矽(硅)silicon 目前太陽光電系統

中應用最為廣泛

晶矽 Crystalline

單晶矽 Single Crystallin

12~20%

多晶矽 Poly Crystallin

10~18%

非晶矽 Amorphous

Si、SiC、SiGe、

SiH、SiO

6~9%

多化合物 Compound 應用於太空及聚光

型太陽光電系統

單晶 Single Crystallin

GaAs、InP 18~30%

多晶 Poly Crystallin

CdS、CdTe、CuInse 10~12%

奈米及有機 Nano &

Organic 應用於有機太陽電

池，屬研發階段

TiO2

1%以下

薄膜型太陽能非晶矽、CuInSe2 (CIS)、CuInGaSe2 (CIGS)、CdTe

7%～12%

傳統核能電廠鈾 235 30%

火力發電煤炭、石油、液化天然瓦斯等燃料 36.8%

新式核能電廠鈾 235 42～57%

資料來源:太陽光電資訊網、Ablerex-太陽能網站、慶聲科技[8、12、13]

2.2.2 太陽能電池製作與優缺點

矽系太陽能電池的材料，主要可以分為單晶矽、多晶矽和非晶矽三大類。目前，

成長單晶矽最重要的技術是利用柴氏長晶法，把高純度的多晶矽熔融在坩鍋中，再把晶種插入矽熔融液，用適當的速率旋轉並緩慢地往上拉引做成矽晶柱，然後再把晶柱加以切割，就可以得到單晶矽晶圓。至於多晶矽是指材料由許多不同的小單晶所構成，它的製作方法是把熔融的矽鑄造固化而形成。它的製作方法通常是用電漿式化學氣相沈積法，在基板上長成非晶矽的薄膜。由於材料的晶體結構不同，因此，

用不同的材料設計出太陽能電池時，它們的光電特性也會有所不同[6]。

聚光型太陽能電池主要材料是[砷化鎵](GaAs)，也就是三五族(III-V)材料，一般矽晶材料只能夠吸收太陽光譜中 400～1,100nm 波長之能量，而聚光型不同於矽晶圓太陽能技術，透過多接面化合物半導體可吸收較寬廣之太陽光譜能量，目前以發展出三接面 InGaP/GaAs/Ge 的聚光型太陽電池可大幅提高轉換效率，三接面聚光型太陽電池可吸收 300～1900nm 波長之能量相對其轉換效率可大幅提升，而且聚

(28)

光型太陽能電池的耐熱性比一般晶圓型太陽能電池又來的高[13]。表 2.4 為太陽能電池優缺點比較。

表 2.4 太陽能電池優缺點太陽光電

電池

優點缺點電池模組

轉換率單晶矽(又稱

單結晶、晶圓型)

製程貴，發電量佳，使用年限較多晶長。

礙於晶圓型式，多半截圓型或圓弧造型，舖設時面積上無法達到最大利用及吸收。

12~20%

多晶矽(又稱多結晶)

製程便宜，可截為正方形，

舖設時可達到最大面積利用及吸收，具有藝術效果，

可為建築物外觀加分，可再利用。

發電量較單晶少，結理易造成碎裂，切割再加工較困難。

10~18%

非晶矽(可撓式)

成本低，可撓性應用範圍大，可與建築物結合，較薄。

效率較矽晶系差，易劣質化。 7~12%

聚光型轉換效率高，耐熱性較佳。向陽時間長，頇搭配太陽追蹤系統，不適一般家庭，體積大。

25~30%

資料來源:太陽能光電資訊網、慶聲科技[8、13]

2.2.3 太陽能基本建置與發電系統種類

太陽光電發電系統的設計，主要可以分為「併聯型」、「獨立型」和「混合型」

三類。「併聯型」太陽光電系統比較適合一般住宅使用，它是把系統的線路和直／

交流轉換器設計成可以和電力公司的供電線路併接的方式，系統裝設在建築物的屋頂、庭院等處。「獨立型」系統則是與電力公司的供電線路完全獨立的設計。一般而言，獨立型系統因為要加裝蓄電池，成本會比併聯型系統昂貴，同時因蓄電池壽命有限，帄均每五年便頇汰舊換新，所以需要進行後續維護，不過，它獨特的蓄電、

夜間供電功能也是不可否認的優點。有鑑於前述兩種系統設置的優缺點考量，太陽光電系統發展出第三種形式，即「防災混合型」系統[7]，各類型系統見表 2.5 所示。

結合建築如圖 2.15。

(29)

一、獨立型(Stand-Alone)太陽能光電系統

經由太陽能模組產生電力，透過太陽能充電器將電力儲存於蓄電池，然後再經由太陽能逆變器，將直流電轉變成交流電滿足使用者的需求。獨立型的太陽能系統，見圖 2.12，主要適用於偏遠住戶、道路緊急救援電話、遠端的感測器等市電無法到達處[8]。

圖 2.12 獨立型太陽能光電系統資料來源:[8]

二、市電併聯型(Grid-Connected)太陽能光電系統

與市電併網，主要有兩種形式，一種是白天產生的電力透過饋入電錶全部賣給電力公司，再經由消耗電錶向電力公司買回所需的用電。另一種是若有多於的電力則回賣給電力公司。若電力不足時再向電力公司買回所需的用電[8]。見圖 2.13。

圖 2.13 並聯型太陽能光電系統資料來源:[8]

三、緊急防災型(獨立/並聯混合型)太陽能光電系統

與市電及蓄電池搭配。帄時太陽光電系統並聯發電，並供負載及充電，

夜間由台電供電。刮颱風、下大雨，電力中斷時，仍有足夠的蓄電池可以安排救災，等到市電回復時就回到常態運作[8]。見圖 2.14。

充電控制器放電控制器直/交流轉換器太陽能電池組列

蓄電池獨立型

(Stand-Alonr) PCU 交流負載

並聯型

(Grid-Connected) 太陽能電池組列直/交流轉換器

蓄電池交流負載

台電

(30)

圖 2.14 緊急防災(混合)型太陽能光電系統資料來源:[8]

圖 2.15 太陽能系統發電圖資料來源:[5]

充電控制器

整流器直/交流轉換器太陽能電池

組列

蓄電池緊急防災型

(獨立/並聯混合)

PCU 正常時負載

災害時負載

台電

(31)

表 2.5 太陽能系統之比較

獨立型系統併聯型系統混合型系統

主要元件

太陽能模組 /DC Juntion Box 充放電控制器/蓄電池。

太陽能模組/DC Juntion BoxInverter/AC Control Box。

太陽能模組/DC Juntion Box 充放電控制器/蓄電池/發電機組。

適用地點高山、離島、基地台等市電無法到達處。

電力可正常送達之地方。

一般用於離島或偏遠地區。

使用方式作為獨立電源使用 (需搭配蓄電池)。

作為輔助電源使用 ( 無蓄電池)。

以獨立型系統配合各式發電機組。

運作方式

白天 PV 發電供負載並充電、夜間由電池供電。

白天 PV 系統併聯發電、夜間由台電供電，

將市電系統當作一個極大的蓄電池。

若合併發電機組，可補足因天候關係使 PV 系統無法正常放電發電而造成停電之現象。

優點比較

獨立發電系統，較無線路施工問題，適用於緊急防災供電時使用。

系統簡單、不需要專人維護且發電利用率高、

效率高。

系統穩定度提高，但成本及維護困難度也相對增加，因此需要專人維護管理。

資料來源:睿庭國際[15]

(32)

20

2.2.4 太陽能系統設置、特性說明

本節說明太陽能系統設置周遭環境與太陽能光電之優點、缺點與應用範圍；主要有民生、交通、建築、通訊、農業等，就以下幾點說明:

一、設置環境

設置環境有日照充足、週邊環境、建築結構、電器設備等因素，其內容說明見表 2.6。

表 2.6 設置環境相關說明

條件項目 內容說明

日照充足無光障害，模板架設角度以朝南傾斜。傾斜角度22~25±10度。頇面向太陽，北緯地區面向南方；南緯地區面向北方。

週邊環境應考慮建築物空間、鹽害雷害、風況、天候、溫度、防潮、排水及地盤狀況等考量。設置面積 :

1.晶矽光電板每KW約需8m²~10m² 2.非晶矽光電板每KW約需15 m²~20m²

建築結構樑、柱等位置應考量載重設計，架設於外牆需考量強度設計。

電氣設備了解電氣設備現況，必頇確保電氣設備的安全，以掌握建置時電氣配線與施工路徑。

資料來源:太陽能光電資訊網、Ablerex-太陽能網站[8、12]

二、太陽能光電之優點

因環境變遷與能源短缺下，再生能源就顯得更加重要，再生能源之太陽能應用廣泛且潛力高，可依需求做彈性設計，其環保、安靜、使用年限久、

可作傳統電力之輔助、成為建築建材與建築物做結合達節能減碳，且來源無虞匱乏，運轉成本、維護費用低，說明內容[16]可見此節敘述。

(一) 彈性設計

可因負載型式不同，作不同設計應用，具彈性設計空間，不受地理地形的限制。應用廣泛(小至消費性產品如計算機，大至發電廠皆實用)。參考經濟部能委會所歸納各類應用範圍如表 2.7：

(33)

表 2.7 太陽光電系統應用範圍

應用範圍內容說明

民生收音機、測電表、手錶、計算機、太陽能照相機、手電筒、電池充電器、野營燈、家電等民生消費品。

道路、交通路燈、交通號誌、道路指示牌、標誌燈、太陽能電動車充電站、高速公路緊急電話、偏遠道路緊急電話、停車計時器、停車場控制門系統、高速公路防音壁 PV 系統、公路休息區 PV 系統、太陽能車、

帄交道指示燈、候車亭 PV 系統、車站屋頂型 PV 系統。

農林漁牧醫農宅用電、溫室栽培 PV 系統、農業灌溉用、自動灑水系統、農牧電籬、牛乳冷藏、漁業養殖揚水通氣、自動餵食器。

通訊無線通信用、中繼站基地台、緊急電話中繼站、電話通信 PV 系統、

Radio 受信 PV 系統、微波中繼站。

建築物住宅用供電系統、緊急供電系統、緊急照明系統、帷幕牆、遮陽棚、

採光罩、屋瓦。

產業用管線電氣防蝕、輸油管流量計 PV 系統、市場廣告塔、海上石油帄台、各種計測站 PV 系統。

緊急防災勤務指揮中心、緊急避難所、醫療院所、公園、學校、地震觀測站、

森林嘹望台、避難指示燈、氣象觀測所、水位警報 PV 系統、河川安全燈、防波堤安全 PV 燈。

發電廠發電廠情報指揮中心。

應多特殊應用交通設施、生態環保、緊急救災、教育展示、生態教育池及造型鐘。

資料來源:太陽能光電資訊網[8]

(二) 環保、節能

無需燃料、無廢棄物與污染，具節能效益，所以不會對地球造成溫室效應的破壞以及廢料具有幅射線的潛在危險更不會破壞環境與生態帄衡等問題。若裝置在建築物上，同時可避免太陽對建築物的直射，間接可降低建築物的熱效應。

(三) 安靜

由於操作簡易並不需要轉動任何組件所以也不會製作任何噪音問題，安全性也相對較高但頇注意有無接地漏電等問題。

(四) 使用年限久

太陽光電電池壽命長久，使用年限可達二十年以上。

(五) 電力輔助

當日光強度高時日射量也較高，然而太陽光電發電量亦可有較多能源產出，由於夏季日間用電較高，因此可以配合夏季尖峰用電提供電力，降

(34)

22

低市電的尖峰負載亦可降低因夏季而提高的電力開銷費用。

(六) 與建築物結合

設計為阻隔輻射熱或半透光型模板，將可與建築物結合成為建築材料達到節能減碳與綠化環境。提供建築物於都市環境之另一種新科技面貌。

(七) 來源不於匱乏

太陽所供給地球的能量僅是它向外輻射能量的 22 億分之一，但已高達 173,000TW，也就是說太陽每秒鐘照射到地球上的能量就相當於 500 萬噸煤。地球上的風能、水能、海洋溫差能、波浪能和生物質能以及部分潮污能都是來源於太陽；即使是地球上的化石燃料(如煤、石油、天然氣等) 從根本上說也是遠古以來貯存下來的太陽能，所以廣義的太陽能所包括的範圍非常大，狹義的太陽能則限於太陽輻射能的光熱、光電和光化學的直接轉換。太陽能既是一次能源，又是可再生能源。它資源豐富，既可免費使用，又無需運輸，對環境無任何污染。

(八) 運轉成本低、維護費用低

太陽光電並沒有使用動力機械等零件更不需要使用燃料，所以運轉過程不需要高成本花費；在維修方面比較重視組件構件定期檢查以及太陽光電陣列表面清潔問題，比起其它能源的組件構件維修問題來得容易解決而其費用也相較於低廉。

三、太陽光電之缺點

模組系統需較大空間滿足設置容量，且初期裝置成本高與光電轉換率偏低，模組溫度高低易影響轉換效率，對太陽能光電板而言角度影響其發電量。太陽能光電之缺點[16]敘述可見此節。

(一) 佔用面積大

太陽光電設置容量愈大其系統能源亦較大但其設置所佔的面積也相對比較大，為求有更多的系統能源產出於是勢必是需要裝設更多的太陽光電，在設計太陽光電系統估算面積時，結晶矽每 1KW 相當是 10M²(100W/M²)，在決定採用太陽光電系統同時，除了必頇考量是否有足夠設置面積提供太陽光電裝置以外，太陽光電電池選擇也是影響因素之一，若太陽光電電池轉換效率較低，則太陽光電設置面積必頇較大才能夠

(35)

達到所需的太陽光電設置容量。

(二) 光電轉換效率低

以目前太陽光電電池材料技術而言光電轉換效率大約在 8%~17%，整體之能源轉換效率仍屬不高。因此在現階段的有限條件下選擇最適合的太陽光電是必頇被受重視的課題之一。

(三) 初期裝置成本高

太陽光電系統初期設置高，住宅用每 1KW 系統約 20~30 萬，一般建築用(公共設施等)標準型每 1KW 系統約 40 萬。

(四) 日射量影響發電量

太陽光電系統是以陽光為能源轉換來源，發電量多寡受日射量變化影響甚巨，夏季 6、7、8、9 各月份之日射量約是冬季 12、1、2 各月份之兩倍以上。水帄面與南向垂直面光電版發電量變化趨勢與日射量變化趨勢甚為接近。

(五) 發電量不穩定

太陽光電系統受日射量影響，而日射量又因季節、氣候變化影響隨時變動，在未經整流器之穩壓整流作用之前，太陽光電輸出之電壓與電流是隨時變動的。

(六) 系統運轉電力損耗大

太陽光電系統由太陽光電陣列、充放電控制器、直交流轉換器、分電盤、電表、蓄電池、管線等組成，每個組成構件都有一定程度的損耗，所以組成構件愈多時所造成的系統損耗也隨之提高。

(七) 只能日間運轉

太陽光電系統是以陽光為能源轉換，單日變化情形，早上 9 時到下午 3 時發電效果較佳。

(八) 模版溫度升高，效率降低 (九) 模組透光率有限

由於現階段技術受限，若將太陽光電作為建築外殼於開口部或非開口部位時應在適當的採光環境下選擇合適的太陽光電模組。

(36)

24

2.3 太陽能於建築物的應用現況

太陽光為最普及的自然潔淨能源，世界各國全力投入研發與獎勵推廣推動太陽光電系統，視為明日產業，2001~2007 年全球太陽電池市場複合成長率 43%[5]。而建築物運用太陽能也不例外，我國在能源發展的重要法案「再生能源發展條例」己於 2009/06/12 日由立法院三讀通過[14]之前，太陽能在建築物設置運用及營運中已有許多，通過後太陽光電系統在建築物上利用也更加積極在推動。

2.3.1 傳統、智慧型建築設備的種類與其電量

傳統建築設備電器耗量有空調類、照明類、廚房類、衣著類、視聽類如下表 2.8，

其用電量計算為消耗電力(W)x 每年使用時間(時)=年耗電量(度)[8]。若不是使用環保設備電費在高峰期間可是一大負擔，對環境來說產生大量二氧化碳，造成全球溫度上升。若其結合智慧型建築[17]:(1)資訊通信系統(2)安全防災系統(3)健康舒適系統(4) 設備節能系統(5)綜合佈線系統(6)系統整合(7)設施管理(8)太陽光電系統；可減少不必要之耗電量與開銷。

太陽光發電系統比起柴油發電系統，具有減少環境污染、解決尖峰用電之不足、

遮蔽陽光直曬(一方面降低建築物之熱效應，稱為被動省能；同時轉換太陽光為電能，

供應建物自主能源，亦稱為主動節能)等多項優點。

初期建置成本雖然較高，但若使用於防災或緊急輔助電力上，其發揮的效益可說高於經濟成本上的考量。因此，以總體效益而言，太陽光發電系統是較佳的選擇。

太陽電池所輸出的電是直流電(DC)，但是一般家用的電器用品大多使用交流電 (AC)，因此需要透過直/交流電力轉換器(Inverter)，把直流電轉換成交流電，再供給一般的電器來使用，例如：照明系統、電視、電冰箱、冷氣等[8]。

(37)

表 2.8 電器耗電量參考表類

別

電器名稱消耗電力 (W)

每年使用時間估計(時) 年耗電量 (度)

備註

空調類

冷氣機 900 5 時×30 日×6 月＝900 810.0 2000kcal/hr，冬季較少使用

吹風機 800 1/6 時×15 日×12 月＝30 24.0

電暖爐 700 3 時×30 日×3 月＝270 189.0 季節性使用除濕機 285 3 時×30 日×6 月＝540 153.9 16.6 升/日，季節性

使用

電扇 66 3 時×30 日×8 月＝720 47.5 16 吋，季節性使用抽風機 30 4 時×10 日×12 月＝480 14.4

照明類

燈泡 60 3 時×30 日×12 月＝1,080 64.8 日光燈 25 5 時×30 日×12 月＝1,800 45.0 省電燈泡 17 5 時×30 日×12 月＝1,800 30.6 神龕燈 10 24 時×30 日×12 月＝8,640 86.4 廚

房類

微波爐 1200 5 時/月×12 月＝60 72.0 電磁爐 1200 2 時/月×12 月＝24 28.8 開飲機 800 2 時×30 日×12 月＝720 576.0

電鍋 800 1/2 時×30 日×12 月＝15 144.0 10 人份電烤箱 800 2 時/月×12 月＝24 19.2

抽油煙機 350 1/3 時×30 日×12 月＝120 42.0 果菜榨汁機 210 1 時/月×12 月＝12 2.5 烘碗機 200 1/2 時×30 日×12 月＝180 26

電冰箱 130 12 時×30 日×12 月＝4,320 561.6 320 公升衣

著類

乾衣機 1200 1/3 時×10 日×10 月＝40 40.0 夏季較少使用電熨斗 800 3 時/月×12 月＝36 28.8

洗衣機 420 1/2 時×10 日×12 月＝60 25.2 視

聽類

電視機 140 4 時×30 日×12 月＝1,440 201.6 28 吋彩色音響 50 1 時×30 日×12 月＝360 18.0

收音機 10 1 時×30 日×12 月＝360 3.6

資料來源:太陽能光電資訊網[8]

太陽電池只在太陽光照射時才發電，而夜晚或陰雨天光線太弱等太陽光電發電系統無法發電或電力不足的時候，則由市電供應住宅所需的電力，如圖 2.16。當白天住宅的耗電量比較少時，可透過電力網絡將多餘的電力，分送到其他需要用電的區域或出售給電力公司[8]。

(38)

26

圖 2.16 太陽光電發電系統發電及家庭每日用電對照圖資料來源:[8]

2.3.2 國外建築物應用太陽能現況

一、德國

德國位居高緯度，日照時間並不多，很難如地中海沿岸國家擁有得天獨厚的條件，一如西班牙變成太陽能應用的先驅。但由於政府政策獎勵奏效，

制定「再生能源法案」(Renewable Energy Law；REL)，讓德國幾乎囊括全球近 3 分之 1 的太陽能市場(2005 年及 2006 年更佔全球市場的一半)，而德國再生能源法案更是眾多國家制定法案觀摩對象之ㄧ[18]。

德國於再生能源法中提出「再生能源電力強制收購電價補助」 (Feed-In-Tariff；FIT)的觀念，亦即電力公司有義務以較高的價錢，對其營業區域內所有由再生能源業產出的電力進行補貼收購，讓再生能源的電力能被充分運用，且補貼需要高價購買營運的再生能源設備。

德國在政府積極的獎勵措施下，不僅締造了全球第一的太陽能市場，也造就了上下游完整的太陽能產業鏈，部分業者甚至已是整合上下游的全球太陽能市場龍頭，佔有舉足輕重的地位。德國太陽能應用可見圖 2.17、2.18。

(39)

圖 2.17 德國柏林中央車站資料來源:[5]

圖 2.18 德國教堂及牧師宿舍與德國機場發電系統資料來源:[8、5]

二、日本

天然資源缺乏、需仰賴他國進口的日本，很早就意識到能源開發的重要性，早在 1974 年即提出「陽光計畫」，作為開發新能源的長期研究計畫，之後根據該計畫的開發成果，陸續展開國家能源政策，推動各項研究事業。日本太陽能發電系統以家庭用電為主要用途，所佔比重高達 8 成，其次是產業用電，以 1994 年實施 12 年的家用太陽能補貼政策最重要，1997 年日本太陽能累積發電總量達 9.1 萬 kW，超越美國，成為全球第一[19]。

看準該補貼政策成功帶動日本太陽能產業發展，日本政府決定於 2009 年恢復已中斷 3 年的家用太陽能補貼政策。家用太陽能發電補貼政策由日本中央政府出資，委由新能源財團(New Energy Foundation；NEF)辦理，實施期間 12 年，共編列預算 1,322 億日圓，以一般住宅為對象，提供太陽能發電系統新設用戶補貼。圖 2.19~2.21 為日本太陽能建築。

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圖 2.19 橫濱都筑郵局與新宿御苑太陽能採光棚資料來源:[19]

圖 2.20 高崎太陽能車站與名古屋市營太陽能社區資料來源:[19]

圖 2.21 太陽能瓦屋頂與採光式鋼骨結構太陽能大樓資料來源:[19]

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三、美國

美國新任總統歐巴馬在競選期間，就已提出「阿波羅計畫(Apollo project)」，主張以「再生能源」作為未來經濟發展主軸，10 年內將投資 5,000 億美元，

在 2012 年前，將再生能源發電量提升至總發電量 10%水準，2025 年再提高到 25%，並創造 500 萬個就業機會[20]。

歐巴馬政府正在推動美國使用更多的可再生能源，加州作為一個樣板，

受到了密切關注。加州擁有兩個長期的全州性項目，這些項目通過補貼和其他財政激勵措施，鼓勵人們安裝屋頂太陽能面板，加州的個別城市也開始為太陽能陣列提供財政支持。根據非營利組織州際可再生能源理事會(Interstate Renewable Energy Council)正在編寫的另一份報告，從 2007 年到 2008 年，加州太陽能發電容量增長了 1/3，約佔美國太陽能發電總量的 2/3。

美國加利福尼亞州環境協會(Environment California)日前發布的報告顯示，

十年前，加州有 500 座屋頂安裝了太陽能面板﹔現如今，全州已有將近 5 萬座太陽能裝置，使得長期處於美國太陽能發展領導地位的加州，在午后發電高峰時期，太陽能電力超過 500 兆瓦。

2.3.3 國內建築物應用太陽能現況

在能源發展的重要法案，「再生能源發展條例」此次在立法、行政二院通力合作下，順利完成審議，也落實了馬總統推動「節能減碳」的政策方針。「再生能源發展條例」的通過，為台灣再生能源奠立了長遠發展的根基，在能源面上，達成了提高自產能源、促進能源多元化目的，在環境面上，對溫室氣體減量成效亦是不可言喻，另外亦可帶動新興再生能源產業發展[14]。見表 2.10。

就太陽光電，國內至 2007 年 6 月止，已完成或施工中計 337 件，容量共計 3,936kWp；

其中完成設置者共 168 件，容量合計 1,581kWp，每年可發電 185 萬度，可供 460 戶家庭 1 年的用電量，其餘設置案正依期程建置中與加強中[11]。見表 2.9 所示。

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表 2.9 太陽光電推動計畫案

太陽光電推動計畫已完成或施工中(kWp)

陽光屋頂設置應用，共234 2631

建築整合型太陽光電經典建築，共4件 440

區域性陽光電城設置應用，共2件 442

偏遠離島緊急防災設置，共36鄉鎮市區，57件 291 與教育部合作設置陽光校園教育示範系統，共40所學校 132

合計 3936

資料來源:馬小康，台灣太陽能光電產業之未來發展方向[11]

表 2.10 未來加強項目

加強項目內容

陽光社區建構計畫(2007年~) 地方政府或區域主管機關以社區為實施規模設置自2009年起每年可完成2,000瓩，共4,000瓩。

一縣市一太陽光電經典建築 (2007年~2010年)

縣市政府以地標性建物融合太陽光電設計，25縣市，每縣市200瓩，共5,000瓩。

陽光校園(2008年~) 與教育部繼續合作共同推動，由適合設置中小學設置太陽光電，與校園活動共同結合，自2009年起每年可完成200瓩，共400瓩。

公共工程設置太陽光電(2009年~) 工程預算5仟萬元以上規模、適宜設置太陽光電系統者，頇提撥5%經費比例設置太陽光電系統，自 2010年起每年可完成4,000瓩，共4,000瓩。

台電10MW設置計畫(2006年~2011 年)

建立國際級規模太陽光電發電廠提供日常用電，

預計設置1萬瓩(2011年)。

資料來源:馬小康，台灣太陽能光電產業之未來發展方向[11]

圖 2.22 福安紀念館 19.8kWp 示範系統與總統府力行樓 10.5kWp 系統資料來源:[8]

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圖 2.23 台北市立圖書館 8.64kWp 系統與台電南展館 50kWp 系統資料來源:[8]

圖 2.24 金門烈嶼鄉 10kWp 系統與巨林建設陽光社區 31.5kwp 系統資料來源:[8]

圖 2.25 統一企業 10.4kwp 系統與工研院 52 館採光罩 3kW 併聯型資料來源:[8]

(44)

2.4 我國既有建築物應用太陽能之研究現況

太陽光為最普及的自然潔淨能源，世界各國全力投入研發與獎勵推廣推動太陽光電系統，視為明日產業，2001~2007 年全球太陽電池市場複合成長率 43%[5]。而建築物運用太陽能也不例外，在能源發展的重要法案「再生能源發展條例」己於 2009/06/12 日由立法院三讀通過[14]之前，我國太陽能在建築物設置運用及營運中已有許多，通過後太陽光電系統在建築物上利用也更加積極在推動。

國內許多以太陽能為主之公司配合政府政策結合學術並與學校共同發展在校內設置發電系統，在示範教學或自給自足上都有很好的效果，且達到環保目的。並以學校為案例推廣至其他區域。

2.4.1 我國既有建築物應用太陽能相關研究與重要課題總結

經濟部能源委員會 89 年起展開再生能源 5 年示範推廣計畫，包括太陽能熱水系統、太陽光電及風力發電等，其中太陽能熱水系統推廣獎勵要點對於購置者補助購置費用 15-20%，風力發電示範系統設置補助要點及太陽光電發電示範系統設置補助要點對設置者至多提供設置費用 50%之高額補助。此外，促進產業升級條例對於購置再生能源設備者，亦有投資抵減營利事業所得稅 10-20%、加數折舊以及低利融資等相關獎勵優惠之規定[21]。

藉此，行政院國家科學委員會並在 90 年提出研究計畫整合太陽光電技術導入建築設計與構造系統之研究，探討太陽光電板應用於建築外殼構造之方式與實作。之後即有許多相關研究探討其架構、基本構件、效益分析、影響因子、設計評估及策略都已漸漸達到成熟。

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2.4.2 尚待研究與發展的重要課題

目前太陽能在建築物相關研究多以單、多晶矽之模組板組成，研究有其架設研究、

效益分析、影響因子、日照量與角度、設計評估策略等等相關研究。但隨著科技進步，

已有進一步構件產生並使用如薄膜太陽能電池:

一、建置不受角度影響、低照度亦可發電。

二、可撓度大，具阻隔輻射熱，可依建築物做彈性設計。

三、成本低，來源不虞匱乏，未來可推廣為大眾建材。

四、透光性高，可與建築物達較具建築美觀造型。

因此，本文在彙集整理文獻後擬於中華大學 M 棟管理案例大樓進行建置薄膜太陽能光電之可行性分析，藉此構想研擬薄膜型電池構件作為建築材料，探討薄膜型太陽能光電在新建物或既有建築物上設計、規劃、運用合乎效益應用可行性與潛力及尚待克服問題，達成創造、儲蓄、節省能源目的，期許以本研究案例彙整分析運用於日後其它既有建築物之借鏡。

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第三章薄膜型太陽能光電應用現況調查與重要課題分析

全球太陽光電產業發展目前朝向垂直整合方式運作，以自給自足的方式，增加利潤、掌握料源並提升競爭力；技術發展的方向，除主流的晶矽太陽電池技術持續精進外，薄膜太陽電池技術也在矽料缺乏、成本降低的考量上成為眾所矚目的焦點[22]，

雖然目前薄膜太陽電池在 2006 年市場佔有率僅為 7%，轉換效率、量產良率、設備成本等問題待克服，然而薄膜太陽電池具節省材料、可在價格低廉的玻璃或塑膠或不鏽鋼基板上製造、可大面積製造、可用軟性基材具可撓性、容易搭配建築外牆施工應用彈性大等優點，已廣被各太陽光電業者、研究機構所看好，藉此，以資料收集方式對 國內外薄膜太陽能電池產業進行分析。

3.1 國內外薄膜太陽能電池產業探討

應用材料副總裁暨太陽能事業總經理 Charles Gay 表示，由於目前多晶矽 (polysilicon)材料缺貨問題難解，且價格已經過高，每公斤現貨價達三百美元以上，反而讓薄膜(thin-film)太陽能電池在相對上更具成本優勢，有利後續新進業者投入生產及擴大產能。雖然目前很多人認為太陽能電池有泡沬化危機，但在全球追求綠色能源的浪潮下，太陽能電池在未來五至十年仍有四成左右的高成長率。

薄膜太陽能電池-「太陽能電池的其他選擇」文獻中提及，目前目前市場上，絕大多數的太陽能電池是採用矽晶圓作為材料，主要是因為矽晶圓太陽能電池的製造原理和過程都和半導體相當接近，因此在半導體生產技術和設備都已經相當成熟，且人才眾多的情形下，矽晶圓太陽能電池具有轉換效率佳、設備成本低、量產速度快、良率又高的優勢，因此預期至少未來十多年，矽晶圓太陽能電池仍然會是市場上的主流。

但由這兩年上游多晶矽材料缺乏，所導致整體產業鏈價格飛漲的情形，可看出矽晶圓太陽能電池所面臨的最大問題乃是材料成本太高，一方面是因為多晶矽原料雖然是一般的砂(SiO2)，但是純化過程中需要規模龐大的廠房，耗費大量的能源才能辦到，

因此單位成本並不便宜，生產上也無法快速因應需要增加產能；另一方面，由於物理性質的限制，目前用矽晶圓製造太陽能電池目前最少也要 200μm 的厚度，因此在製

中 華 大 學

中 華 大 學 碩 士 論 文

薄膜型太陽能光電於既有建築上應用之初步 研究-以中華大學管理學院為例