蒲罡

摘 要：在現(xiàn)今的都市在高密度人口聚集居住的情況下，為了要維持都市功能的正常運(yùn)作，必須高度仰賴能源。火力發(fā)電是供電主力也是對環(huán)境具高度危害的發(fā)電方式。太陽能主要可分為太陽光能與太陽熱能兩種，太陽能光電是利用太陽電池將光的能量直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔茌敵觥Ｌ枱崮馨l(fā)電系利用一般常見的太陽能集熱器，收集太陽輻射能，藉由熱交換來發(fā)電或做其他應(yīng)用而太陽電池是以P-型及N-型半導(dǎo)體材料接合構(gòu)成正極與負(fù)極。該文研究建筑增加太陽能發(fā)電系統(tǒng)設(shè)備之可行。

關(guān)鍵詞：太陽能 發(fā)電 建筑物 運(yùn)用 研究

中圖分類號：TU18 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）10（b）-0091-01

1 太陽光能發(fā)電原理

太陽能主要可分為太陽光能與太陽熱能兩種，太陽能光電是利用太陽電池將光的能量直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔茌敵?。太陽熱能發(fā)電系利用一般常見的太陽能集熱器，收集太陽輻射能，藉由熱交換來發(fā)電或做其他應(yīng)用（如太陽能熱水器）而太陽電池是以P-型及N-型半導(dǎo)體材料接合構(gòu)成正極與負(fù)極。當(dāng)P型及N型半導(dǎo)體互相接觸時，N型半導(dǎo)體內(nèi)的電子會涌入P型半導(dǎo)體中，以填補(bǔ)其內(nèi)的電洞。

在P-N接面附近，因電子-電洞的結(jié)合形成一個載子空乏區(qū)，而P型及N型半導(dǎo)體中也因而分別帶有負(fù)、正電荷，因此形成一個內(nèi)建電場。當(dāng)太陽光照射到這P-N結(jié)構(gòu)時，P型和N型半導(dǎo)體因吸收0.2～0.4微米波長的太陽光而產(chǎn)生電子-電洞對。由于空乏區(qū)所提供的內(nèi)建電場，可以讓半導(dǎo)體內(nèi)所產(chǎn)生的電子在電池內(nèi)流動，因此若經(jīng)由電極把電流引出，就可以形成一個完整的太陽能電池。

2 太陽光電發(fā)電的作轉(zhuǎn)化應(yīng)用：

（1）獨(dú)立型太陽光電系統(tǒng)：使用蓄電池且換流器無逆送電功能之太陽光電發(fā)電系統(tǒng)。白天由太陽光電系統(tǒng)發(fā)電，并供負(fù)載及充電，夜間由蓄電池供電，可自給自足。

（2）市電并聯(lián)型太陽光電系統(tǒng)：換流器具有逆送電功能，可操作于并聯(lián)模式之太陽光電發(fā)電系統(tǒng)。白天PV系統(tǒng)與市電負(fù)載并聯(lián)發(fā)電，并供應(yīng)用戶負(fù)載，不夠的部份由電網(wǎng)補(bǔ)充供電；夜間時段，沒有陽光則由市電電力系統(tǒng)作一般性供電。系統(tǒng)構(gòu)成簡單，不需安全系數(shù)設(shè)計，維護(hù)容易，具最大功率追蹤（MPPT），發(fā)電效率高，是目前太陽光電發(fā)電系統(tǒng)的主流。

（3）（獨(dú)立/并聯(lián)混合型）太陽光電系統(tǒng)：換流器具有逆送電功能，同時裝置蓄電池，可操作于并聯(lián)或獨(dú)立的太陽光電發(fā)電系統(tǒng)。同時與市電并聯(lián)發(fā)電，并供負(fù)載及充電。夜間由電網(wǎng)供應(yīng)，遇災(zāi)害電力中斷時，則仍有足夠的蓄電池可運(yùn)用安排救災(zāi)。

3 太陽能發(fā)電系統(tǒng)電池材料

太陽電池依照其制造材質(zhì)可大致分為硅材料、多元化合物、奈米或有機(jī)材料等3大類。硅材料的太陽電池主要包括晶硅與非晶硅薄膜。其中，晶硅材料又可分為單晶硅與多晶硅兩種，前者光電轉(zhuǎn)換效率較高（模塊效率約15%），但制程較復(fù)雜，后者效率較低（模塊效率約13%），但制程較簡單。非晶硅薄膜則有硅需求量較低、制作成本低、可撓式設(shè)計、大面積制作等優(yōu)點(diǎn)，但其轉(zhuǎn)換效率相對較低（模塊效率約5-7%）。在多元化合物材料部份，包括III、V族化合物（GaAS、InP）等高效率的太陽電池，主要用于太空或聚光型太陽光電系統(tǒng)。另外亦有CdS、CdTe或CIGS（銅銦鎵硒）等薄膜型太陽電池正持續(xù)發(fā)展，已有部份商品生產(chǎn)并改良中。奈米或有機(jī)材料的太陽電池包括：染料敏化太陽電池以及有機(jī)高分子太陽電池。前者利用奈米技術(shù)制造二氧化鈦奈米顆粒再吸附染料，藉由染料吸光放出電子而產(chǎn)生電流。后者則利用導(dǎo)電高分子特性來制作太陽薄膜電池，其技術(shù)正在發(fā)展中。目前，奈米或有機(jī)材料的太陽電池效率及穩(wěn)定性仍然偏低，有待提升。

4 建筑物設(shè)置系統(tǒng)型式分類

若依照建筑物設(shè)置系統(tǒng)型式分類，則太陽光電系統(tǒng)可以分為踞置型及建材一體型。踞置型：依其架設(shè)方式又可分為貼覆式以及架高式兩種。貼覆式系指太陽光電模板貼覆建筑物外表包覆材架設(shè)，太陽光電模板與建筑物之間的高度間距在10公分以內(nèi)。架高式是指太陽光電模板矗立建筑物帄頂或地面架設(shè)，太陽光電模板的高度在150公分以下。而建材一體型的太陽電池模板則是太陽電池模塊或數(shù)組被整合、設(shè)計并裝置在建筑物上?？捎行Ю媒ㄖ锏谋砻姘l(fā)電，兼具建筑物的外表包覆建材之功能，或可替代屋瓦、墻面、窗戶之建材，且可遮陽降低建筑物外表溫度。BIPV具有建筑物美觀、降低整體建筑成本、空間充分利用、結(jié)構(gòu)安全性、建筑施工時間縮短及避免二次施工等優(yōu)點(diǎn)。由于單結(jié)晶硅具有轉(zhuǎn)換效率高的特性，目前仍為太陽能市場之主流；非結(jié)晶硅具備價格便宜、生產(chǎn)快且無需封裝等優(yōu)點(diǎn)，故較受市場青睞，至于多結(jié)晶硅則因切割及下游再加工不易，現(xiàn)階段被應(yīng)用則相對較少。太陽能發(fā)電系統(tǒng)中影響光電轉(zhuǎn)換的組件主要是太陽電池，即光電半導(dǎo)體表面上幾微米厚度的薄薄一層，其轉(zhuǎn)換效率又不高，故需要裝設(shè)大面積的太陽電池，市場上通常將多個太陽能電池芯片單體（一般為10～15公分大小之PN接合半導(dǎo)體薄片，發(fā)電電壓約0.5V）組成模塊（Module）出售，再依需求串并聯(lián)連接構(gòu)成太陽能光板（Panel）或太陽能數(shù)組（Array），為能有效采光這些設(shè)施必須采帄面裝置，這對寸土寸金的中心城市確實并不利推廣，因此未來有必要進(jìn)一步研究薄膜型太陽能電池將之融合為建筑物本體的一部分，如作為屋頂或墻壁之裝璜一般，則應(yīng)有較大發(fā)展空間。

5 結(jié)語

（1）在本研究所建立太陽能光電系統(tǒng)裝置上，經(jīng)實驗后換算本研究采用之太陽能光電設(shè)施整體系統(tǒng)，以及各構(gòu)件的效益折減值結(jié)果如下﹔在太陽能電池轉(zhuǎn)換效率部份為6.8%；蓄電池?fù)p失率約15%；逆變流器轉(zhuǎn)換效率部份為73%，損失率約23%；綜合各構(gòu)件效益折減得到太陽能光電系統(tǒng)整體的轉(zhuǎn)換效率約為58%。

（2）實驗所得之系統(tǒng)各部分效率值與一般規(guī)格作比較，可得知本系統(tǒng)效率普遍偏低，在太陽電池轉(zhuǎn)換效率部份一般之單晶硅太陽電池應(yīng)有11%～15%的效率值，但本系統(tǒng)經(jīng)半年實際測得均約為6.8%左右。逆變流器轉(zhuǎn)換效率部份為73%，一般市面上規(guī)格之效率值約在90%。而太陽能光電系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率58%則與市售系統(tǒng)規(guī)格85%有較大之差距。

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