行政院國家科學委員會補助專題研究計畫成果報告
※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※
※ ※
※ 建築規劃設計上太陽光電技術之應用研究 ※
※ ※
※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※
計畫類別：■個別型計畫 □整合型計畫 計畫編號：NSC 89－2211－E－011－065 執行期間：89 年 08 月 01 日至 90 年 07 月 31 日
計畫主持人：鄭政利 共同主持人：王文智
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 九十 年 八 月 二十 日
行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告
建築規劃設計上太陽光電技術之應用研究
Application of Photovoltaic Power Generation for Building Planning 計畫編號：NSC 89-2211-E-011-065
執行期限：89 年 08 月 01 日至 90 年 07 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
計畫參與人員：彭聖皓、徐豪廷 國立台灣科技大學建築系
一、中文摘要
台灣位於亞熱帶氣候日照強烈，具備太陽能 電池發電良好之條件，就風土氣候環境而言，應該 非常適合導入太陽能電池規劃做為建築物之輔助 電力利用。本研究之主要目的係根據台灣環境特性 探討建築設計建置太陽光電系統之相關課題，以提 供建築師或設計工程師之參考。研究的內容首先將 就台灣地區氣象資料作一基本整理分析，進而作為 研究基礎資料。其次是在於建築規劃設計上導入太 陽能光電技術應用之可行性檢討，透過實驗利用實 際設置太陽能光電系統，以進行可供建築設計導入 應用的相關課題探討。藉由太陽能光電系統實驗取 得本研究採用之太陽能光電系統，在導入建築物利 用時運轉上的效率約有 58﹪的效益值，太陽能電池 的變換效率約有 6.8﹪的效益，此與一般太陽光電 系統業者提供之理想效益數值，有相當之差異值得 探討。在建築應用的相關課題實驗則得知太陽能電 池的傾斜角與發電量之間有著很高的相關性，而其 設置傾斜角以當時太陽高度角的餘角所獲得的數 值，可獲致當月較大的發電效益。
關鍵詞：太陽能電池、光電系統、氣象資料、日射 量
Abstract
There is long and hot summer in Taiwan, then the bright sunshine is also the good condition for the Photo-voltaic Power Generation. The main purpose of this study is to arouse the local concerning and technology in building application for solar energy. At first, we need to realize the local weather and rearrange the solar radiation as the basic data of research. The next, we focus on the application of solar-energy technology for building planning. We also performed the experiment of Photo-voltaic Power to verify the capability of real generation system.
According to the survey in this research, the data shows that our Photo-voltaic Power Generation system function is 58 ﹪and the Photo-voltaic cell function is 6.8 ﹪ . Furthermore, the experimental device on building shows that the inclination angle of Photo-voltaic cells have remarkable effect of cell
function.
Keywor ds: Solar cell, Photo-voltaic Power Generation System, Meteorological Phenomena Data, Solar Radiation
二、緣由與目的
台灣日照條件良好，特別是中南部地區，於 建築上利用太陽能有相當良好之發展潛力。尤其是 長達半年以上之炎熱夏季，當烈日當空時，全國建 築物的冷氣耗電量極為龐大，夏季用電尖峰時期還 經常受到供電不足限電之苦。此一日照強烈之因 素，是造成台灣冷氣耗電最大之因素，但也同時是 太陽能利用或太陽能電池發電之最佳條件，以台灣 風土氣候環境而言，應該非常適合導入太陽電池規 劃做為建築物之輔助電力利用。在建築上太陽能的 應用可分為熱能的 "太陽能熱水器" 及光直接轉 換電的 "太陽能電池"，本研究主要內容著重於 "
太陽能電池" 在建築規劃上的應用與測試檢討。本 計畫最主要之目的，在於建築規劃設計上導入太陽 光電技術應用之可行性檢討，並以太陽光發電之實 測資料分析定量評估此太陽能利用之實際效益，以 提供未來建築規劃設計之參考。
本研究首先將從國內外相關研究文獻整理進 行分析著手，在太陽光電能技術在建築物上應用從 既有文獻成果上，檢討太陽光電能技術在整合太陽 光電技術導入建築設計與構造系統建築物上應用 技術。在太陽能利用系統方面國內的研究，有比較 多的研究成果在於解析光電板材料之發電效益，而 本研究則是著重於太陽能光電系統效益，以及如何 與建築設計結合之課題。截至目前為止之國內研究 發展成果，尚無有關整合在建築設計上應用之探討 與簡易操作之定量評估指標。因此針對這問題點，
本研究首先必須蒐集國內外之相關研究成果與開 發技術，在現有可行技術中進行整理分析與問題檢 討，並且整合目前最為可行之技術及系統應用在實
際建築案例中。
三、結果與討論
（一）台灣六地平均氣象年資料驗證
經 本 研 究 之 探 討 驗 證 ， 台 灣 地 區 近 10 年
（1991-2000）來氣象變化，大致與既有文獻[3]標 準氣象年的資料相符，相關係數值分析平均都有 0.8 以上。其中以台中地區的資料氣候變動較大，
而其它地區與標準氣象年氣象差異較大的年份，也 大同小異，因此我們可以比較確定既有文獻建立之 台灣地區標準氣象年資料，還是可以繼續利用於未 來的相關建築環控研究的基本資料使用。經由此項 調查我們也發現近 10 年來氣候變化較大的年份，
主要是集中在 1991、1997、2000 這三年。
（二）太陽能光電系統發電操作實測分析
為了驗證太陽能電池實際性能及檢討建築規 劃上應用之問題，本研究計畫於既有建物屋頂上裝 置實驗用太陽能光電系統，進行長時間的記錄觀 測，以探討建築設計實際導入應用之問題。本研究 採用的系統為獨立型的太陽能光電系統，安裝於屋 頂以供實體裝置的測試。獨立型的太陽能光電系統 亦即白天將太陽光產生的電力經由控制電路經充 放電控制器，儲存到聯結蓄電池組內，再視需要經 由逆變流器(Inverter)，將蓄電池內的直流電，變 更為交流電（110V）供一般建築電器設備使用，為 類似不斷電系統之裝置。本系統的組成是以並聯方 式來測試，使得本系統有一固定平均的電壓值，電 流則是太陽能電池產生電流的總和。模組總發電功 率由六片各 75W 的太陽能電池組成，因此合計有 450W 的發電功率。如圖 1 所示，太陽能電池發電量 基本上是隨著日射量的大小而變化。而另一值得注 意的事項為當在日射量較大的日子，其太陽電池的 變換效率反而會較低，推估應與日射量大導致溫度 上升以致影響太陽電池的變換效率有關。圖 2 為太 陽能光電系統變化效率關係圖，其值變動較少。
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000
9/1 9/3 9/5 9/7 9/9 9/11 9/13 9/15 9/17 9/19 9/21 9/23 9/25 9/27日期 (月/日) 日射量/發電量(Wh)
0.00%
2.00%
4.00%
6.00%
8.00%
10.00%
12.00%
太陽電池效率 (%)
日射量 發電量 太陽電池效率
圖 1 太陽能光電系統發電量暨日射量關係
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800
9/1 9/3 9/5 9/7 9/9 9/11 9/13 9/15 9/17 9/19 9/21 9/23 9/25 9/27日期 (月/日) 發電/用電量 (Wh)
0.00%
10.00%
20.00%
30.00%
40.00%
50.00%
60.00%
70.00%
80.00%
系統變換效率 (%)
太陽電池發電 負載使用電量 系統變換效率
圖 2 太陽能光電系統轉換效率關係
當太陽光照下後先經由太陽電池轉換為可使 用的電量，本系統的太陽電池變換效率為 7.6﹪，
因此當有 1000W/㎡的日射量照下後，可得到約 76W/
㎡的電力，而系統變化效率為 58﹪經系統變化後電 力約剩餘 46W 可供使用。本研究之實驗結果，實驗 裝置之整體系統變換效率約 58﹪，此與一般太陽光 電系統業者提供之理想效益數值 85﹪，有相當之差 異值得探討。檢討其主要原因，應該是系統本身各 構件的整體搭配與建築系統利用規劃之配合，整體 系統在導入建築系統配合利用時，效率上會有許多 無效之電力耗損與效率折減。系統規劃上太陽能電 池的發電，如果能夠不經蓄電裝置，而直接啟動電 器設備使用，或是採取市電併聯系統，將是比較有 效發揮太陽能光電系統之效率方式。
（三）傾斜角及方位角對發電量之影響
經由實驗數據顯示，本研究原設定之基本條 件，理想太陽能電池傾斜角約等於太陽高度角餘角 值是大致吻合。不同方位太陽能電池不同角度設置 時其傾角對發電量的折減關係，試從各方位取一日 進行探討分析。我們以當月發電量最大的傾角 0°
太陽能電池為基準，來探討各傾角太陽能電池與其 折減比例。實驗數據顯示各仰角太陽能電池與 0°
太陽能電池的折減比例情形為，傾角 25°與 0°相比 約折損 16%，傾角 45°與 0°相比約折損 33%，傾角 60°與 0°相比約折損 53%，傾角 75°與 0°相比約折損 76%，傾角 90°與 0°相比約折損 87%。由此數據我們 可看出，最佳太陽能電池設置的角度與最差的設置 角度其效率比例可差到 8、9 成之多。但不論折減 比例大小，設置者均需因其本身實際狀況配合選擇 最適合的設置方位、仰角，以求最大發電效益。
本研究依傾斜面的日射量推估公式製作了台 北、高雄的傾斜面日射量資料表，將可供欲導入太 陽能光電系統之設計者，經由查表而能快速的查出 日射量進而推估出發電量，資料所引用之水平日射 量資料乃是根據本研究驗證過之日射量標準氣象
年資料。
四、計畫成果自評
在建築規劃設計上導入太陽能光電技術之應 用，本研究首先從國內外相關研究文獻著手進行整 理分析，檢討太陽能光電技術在整合建築設計系統 上之配合規劃課題。同時，針對台灣地區日射量之 氣象資料進行整理分析，以提供作為效益評估之基 礎資料。另外，本研究採取實測驗證方法，實際設 置太陽能光電系統進行實際觀測與記錄，並透過實 驗所得到的系統效益值，來評估建築設計上導入太 陽能光電系統的實際效益數值。
（一）歸納既有文獻研究成果與相關研究基礎資 料：在氣象資料研究成果，本研究針對了既有文獻 之日射量標準氣象年進行統計分析與比較，經驗證 後得到除了台南欠缺資料無法驗證，以台中相關係 數 r 值平均低於 0.8 較低，其餘地區台北、高雄、
台東、花蓮等地，其相關係數 r 值平均皆高於 0.8。
因此，既有文獻建立之台灣地區標準氣象資料，目 前作為太陽能光電系統發電量預測及評估用之日 射量基礎資料，大致上可以滿足評估應用之參考。
（二）完成實體裝置實驗並與光電板產品規格效益 比較驗證：
（1） 在本研究所建立太陽能光電系統裝置上，經 實驗後換算本研究採用之太陽能光電設施整體系 統，以及各構件的效益折減值結果如下﹔在太陽 能電池轉換效率部份為 6.8%；蓄電池損失率約 15%；逆變流器轉換效率部份為 73%，損失率約 23%；綜合各構件效益折減得到太陽能光電系統整 體的轉換效率約為 58%。
（2） 實驗所得之系統各部分效率值與一般規格 作比較，可得知本系統效率普遍偏低，在太陽電 池 轉 換 效 率 部 份 一 般 之 單 晶 矽 太 陽 電 池 應 有 11 15%的效率值，但本系統經半年實際測試平均 約為 6.8%左右。逆變流器轉換效率部份為 73%，
一般市面上規格之效率值約在 90﹪。而太陽能光 電系統的轉換效率 58%則與市售系統規格 85﹪有 較大之差距。
（三）建立太陽電池在不同方位、傾斜角下之發電 量預估模式：本研究引用經由傾斜面日射量公 式，以推估之日射量計算太陽電池之預估發電
量，並與實測發電量進行驗證比較，得知計算值 有相當不錯之準確性，此計算模式大致上可供設 置者參考使用。傾斜角對發電量折減關係，經實 驗數據顯示五個測試方位，實驗數據顯示太陽能 電池設置的傾斜角，其效率比最大之效率相差將 近 90﹪。
綜合上述結果，得知太陽能光電技術對於建 築或環境而言，無論是直接的作用或是間接的作 用，在建築規劃設計工作上之低環境衝擊對策，抑 或是作為夏季用電尖峰時期的輔助電力，均是有著 正面的貢獻。因此在建築規劃上不應該再把太陽能 光電技術當作是額外的設備系統，而是應該以積極 整合導入建築設計規劃的具體做法使其發揮整體 的效益。
整體而言，本研究計畫大致上已經依據研究 計畫之內容，逐步執行相關之研究探討工作，具體 成果也如上所述。本研究成果部分內容擬發表於國 內外相關領域之研討會，爾後也將繼續整理發表於 國內外重要論文期刊上。另外，本研究成果與實驗 設施計畫將納入建築物理環境控制相關課程內 容，作為國內建築環境控制設備之教材實例，以輔 助加強建築系學生對再生能源與環境保護之觀念 與瞭解。
五、參考文獻
[1] 中央氣象局，「全天空輻射量，逐月逐日逐時 氣象資料」，中央氣象局，2000。
[2] 工業技術研究院工業材料研究所編著，「太陽 光電發電示範系統設置技術」，2000.02。
[3] 張思源，「建築物能源動態解析用氣象資料之 研究— 台灣地區平均氣象年之製作」，國立成 功大學建築研究所碩士論文，1987.06。
[4] 太陽能學刊，「二十一世紀太陽能發電的新趨 勢，第五卷第一期」，2000.07。
[5] 太陽能學刊，「國內太陽能電池的發展動向、
現況，第三卷第二期」，1998.01
[6] 太陽能學刊，「太陽電池國內外發展狀況，第 五卷第一期」，2000.07。
[7] 華志強, 沈志明, 林朝昌, 張政雄, “ 太陽 能儲能系統最大功率追蹤技術之比較 ”, 中 華民國第十八屆電力工程研討會, Vol. 1, pp.
26-31, (1997).
[8] 吳財福, 劉智偉, 郭源欽, 張耀輝, “ 太陽 光能供電之調光電子安定器研製 ”, 中華民 國第十八屆電力工程研討會論文集, Vol. 2, pp. 486-490, (1997).
[9] 王文智，“ 太陽能儲能系統之研製 ”，國科 會與台灣電力公司補助研究報告書，1998.12 [10] S. J. Fonash, , Solar Cell Device Phys ics,
Academic Press, (1981).
[11] T.J.Coutts, and J.D. Meakin, Current Topic in Photovoltaics, Academic Press, (1990).
[12] C.M.Hu, and R.M.White, Solar Cells from Basic to Advanced Systems, McGraw-Hill, (1987).
[13] S.Roberts, Solar Electricity, Prentice Hall, (1991).
[14] K.Tanaka, , E.Sakoguchi and E.Yamada,
“ Simulated Power Source Based on Output Characteristics of Solar Cell,”
Electrical Engineering in Japan, Vol. 114, Iss. 1, pp. 131-139, (1994)
[15] Z.M.Salameh,F.Dagher and W.A.Lynch,
“ Step-down Maximum Power Point Tracker for Photovoltaic Systems,” Solar Energy, Vol. 46, No. 5, pp. 279-282, (1991).
[16] J.Peracaula, J.Bordonau and J.J.Canellas,
“ Microcomputer Control of DC/DC Converter for Photovoltaic Applications,”6th Mediterranean Electrotechnical Conference Proceedings, Vol.1, pp.214-217, (1991).
[17] 木村建一，「自然能源利用之太陽光發電定
位」，日本空氣調和衛生工學月刊，Vol.73, No.01,pp1-4，1999.01.
[18] 本多隆，「太陽光發電的技術開發經緯」，日
本 空 氣 調 和 衛 生 工 學 月 刊 ， Vol.73, No.01,pp5-8，1999.01.
[19] 千葉明，「太陽光發電的普及促進對策」，日
本 空 氣 調 和 衛 生 工 學 月 刊 ， Vol.73, No.01,pp9-12，1999.01.
[20] 日吉孝藏，田中 聰，「太陽光發電的性能與
開發動向」，日本空氣調和衛生工學月刊，
Vol.73, No.01,pp13-17，1999.01.
[21] 石川修，「做為屋頂材料用之太陽光發電系
統」，日本空氣調和衛生工學月刊，Vol.73, No.01,pp19-22，1999.01.
[22] 吉田孝男，「外壁一體型太陽電池」，日本空
氣 調 和 衛 生 工 學 月 刊 ， Vol.73, No.01,pp23-27，1999.01.
[23] 中島康孝，傘木和俊，「為了環境建築之太陽
能源利用」，OHM 出版， 1998.04.
[24] 日本能源教育研究會編著，「講座-現代能源、
環境論」，電力新報社出版，pp50-51，1997.08
