太陽光發電原理與應用

太陽光發電之重要歷史 1956年第一個太陽電池製作成功。 1958年開始太空應用(GaAs)。 1970年開始太陽光發電系統地面應用(Si)。 1980年消費性薄膜太陽電池應用(a-Si, CdS/CdTe)。 1990年與公用電力併聯之太陽光發電系統技術成熟(Grid-Connected Photovoltaic System, Si) 。 1992年起歐、美、日各國推動太陽光發電系統之補助獎勵政策。 2000年開發建材一體型太陽電池應用。

全世界太陽電池市場量

國內太陽光發電發展狀況(I：MRL) 晶矽太陽電池研製(核研所) 非晶矽太陽電池研製 高效率非晶矽太陽電池 商品化非晶矽太陽電池 1980 高效率非晶矽太陽電池 低溫 ploy 薄膜太陽電池 1985 1990 1995 2000 建材一體化模板研製 商品化非晶矽太陽電池 可撓式非晶矽太陽電池 結晶矽太陽電池 結晶矽太陽電池模板 量產非晶矽太陽電池 (光華科技, 1988年) 架設獨立型太陽光發電系統 太陽光發電示範系統設置 量產結晶矽太陽電池 (士林電機, 2000年) 架設實驗型與市電併聯型太陽光發電系統及監測分析 2005 示範推廣獎勵補助辦法實施 晶矽太陽電池研製(核研所) 奈米(Nano)太陽電池

太陽光發電(Photovoltaic)原理 (II) 太陽電池是以 P 型與 N 型半導 體材料接合構成正極與負極。 當太陽光照射太陽電池時，光 的能量會使半導體材料內的正、 負電荷分離。 正、負電荷會分別往正、負極 方向移動並且聚集。 將太陽電池正、負極接上負載 時，將有電流流出，可以對負 載作功(燈泡會亮、馬達會轉)。 正極：P 型 負極：N 型 P N - + 正、負電荷 太陽光 電流

太陽電池材料種類 Single Crystalline η:12~15% Crystalline Poly η:10~14% Silicon Thin Film Poly. 明日之星 ? Amorphous (Si:H,SiGe,SiC..) Thin Film η: 6~8% Solar Cells Single Crystalline (GaAs, InP..) Cyrstalline η: 18-30 % Compound Poly Crystalline (CdS, CdTe, CuInSe2...) Thin Film

太陽電池外觀與構造(單晶矽) 單晶矽太陽電池外觀 單晶矽太陽電池典型結構

太陽電池電力特性 I=I0 (eV/aVT-1)-Isc Isc = -I (短路電流, V=0) Dark Voc V Photo Isc I Pm I0 I=I0 (eV/aVT-1)-Isc Isc = -I (短路電流, V=0) Voc = aVTln(Isc/ I0 +1) (開路電壓, I=0) I0 (逆向漏電電流)  ni  e-Eg Rsh ID Isc + - v I RL Rs +I +V -V 太陽電池等效電路 常用太陽電池電路符號

太陽電池 I-V 特性曲線分析 *太陽電池開路、短路時皆不會燒毀 F.F.(Fill Factor) = (Vm x Im / Voc x Isc) x 100% (越高越好) η (Efficiency) = (Vm x Im / Pin) x 100% (越高越貴) Pin (Incident Power) = A (hc /λ)  N(λ) dλ λ: wavelength (m), N(λ): Number of photon/m2  sec, A: Area (m2), h: Plank constant , c : light speed Voc：開路電壓 Isc：短路電流 Pm：最大輸出功率值 Vm：最大輸出功率時之電壓 Im：最大輸出功率時之電流 *太陽電池開路、短路時皆不會燒毀 Voc Vm Im Isc Pm 電流源 電壓源

太陽電池之串、並聯使用 *利用串、並聯組成模板與組列提供所需的工作電壓與電流 Voc Vm Im Isc Voc Vm Im Isc Voc Pm Voc Vm Im Isc Pm Voc Vm Im Isc Pm *利用串、並聯組成模板與組列提供所需的工作電壓與電流

單晶矽太陽電池製程 1. 清洗蝕刻 2. 磷擴散 3. 鍍抗反射層 P-type wafer

單晶矽太陽電池製程 4. 網印 5. 燒結

太陽電池模板之構成 + - 單元太陽電池 正面 強化玻璃 EVA TedlarTM (Dupont) Polyester 背面 0.125" 0.015" Cells 0.014" 0.0015" 0.002" 背面 + - 太陽電池模板接線 太陽電池模板外觀 太陽電池模板結構

太陽電池模板之規格範例 η (Efficiency) = (Vm x Im / Pin) x 100% 單晶矽模板效率 = (35.4 V x 4.95 A) / ( 1.29 m2 x 1000 W/m2 ) x100 % = 13.58 % 單晶矽模板效率 = 13.02 %

Spectral Irradiance(Wm-2m-1) 何謂AM0、AM1、AM1.5？ AM 即 Air Mass，(不同 Air Mass 代表不同太陽光光譜) AM0 (Air Mass 0) ~ 1,400 W m-2 AM1 (Air Mass 1) ~ 1,000 W m-2 AM1.5 (Air Mass 1.5) ~ 844 Wm-2 AM1.5 1,000 Wm-2 (IEC 891、 IEC 904-1) Earth AM0 AM1 AM1.5 大氣層 45o Wavelength (m) Spectral Irradiance(Wm-2m-1) AM0 AM1.5

不同日照強度下太陽電池 I-V 特性曲線 Current (A) Voltage (V) 1 2 3 4 5 6 7 10 20 30 40 1 2 3 4 5 6 7 10 20 30 40 50 Current (A) Voltage (V) 1000W/m2 (AM1) 500W/m2 (0.5AM1) 最大輸出功率隨日照強度而改變，並非永遠等於額定值！

不同溫度下太陽電池 I-V 特性曲線 75oC 50oC 25oC 0oC Current (A) Voltage (V) 1 2 3 4 1 2 3 4 5 6 7 10 20 30 40 50 Current (A) Voltage (V) 75oC 50oC 25oC 0oC Battery voltage 太陽電池溫度升高時輸出電壓與最大輸出功率降低

太陽電池之動態負載匹配(日照變化) Current (A) Voltage (V) Current (A) Voltage (V) 1 2 1 2 3 4 5 6 7 10 20 30 40 50 Current (A) Voltage (V) RL(low) 1000W/m2 (AM1) Current (A) RL(high) 500W/m2 (0.5AM1) Voltage (V) Maximum power tracking is required in high efficiency PV system

太陽電池 I-V 特性曲線測量方法 模擬陽光：使用鎢絲燈、氙燈、Solar Simulator 或太陽光 Pm < few10 W Pm < few 100 W Pm < 100 kW C + - A V R 可程式 負載 Solar Simulator Array Tester Voc Vm Im Isc Pm 圖片資料來源：http://www.spiresolar.com/Solar/equipment.html

大型(商用)太陽光發電系統應用 (>1 kWp) 蓄電池(Battery)) 電力轉換器 (電力調節器) (Inverter、 Conditioner) 單元太陽電池 (Unit Solar Cell) 太陽電池模板 (PV Module) 太陽電池組列 (PV Array) 太陽光發電系統

太陽光發電系統應用：獨立系統 - / ~ 太陽電池 組列 充電 控制器 放電 蓄電池 直流負載 PCU (A) 獨立系統 (Stand-Alone System) 蓄電池保護、壽 命 (B) 混合型交流獨立 系統 (Hybrid System) 直/交流轉換器 太陽電池 組列 充電 控制器 放電 蓄電池 交流負載 - / ~ PCU 太陽電池 組列 充電 控制器 放電 蓄電池 交流負載 直/交流 轉換器 整流器 輔助 發電機 PCU

獨立型系統 適用地點：高山、離島、基地台….等市電無法到達處 工作方式：白天 PV 發電供負載並充電、夜間由電池供電， 必須可以自給自足 太陽電池 組列 充電 控制器 放電 蓄電池 交流負載 直/交流 轉換器 PCU 適用地點：高山、離島、基地台….等市電無法到達處 工作方式：白天 PV 發電供負載並充電、夜間由電池供電， 必須可以自給自足 缺點： 系統設計考慮因素多(組列、蓄電池容量、負載與陰天日數等安全係數，設計很困難) 蓄電池建置複雜、成本很高、壽命很短 負載搭配不良時發電效能不佳、利用率將偏低 需由專人隨時維護 混合系統為一種解決方法

市電併聯型住宅用太陽光發電系統

太陽光發電系統應用：併聯系統 ATS (D)併聯系統(Grid- connected System) 特殊功能： 1. 最佳效能 2. 防止獨立運轉(連線保護) 3. 可自力運轉 (E) 防逆流型系統 (Off-line System) (F) 防災型併聯系統 太陽電池 組列 直/交流 電力轉換器 交流負載 PCU 太陽電池 組列 充電 控制器 直/交流 轉換器 ATS 蓄電池 交流負載 太陽電池 組列 充電 控制器 蓄電池 正常時負載 直/交流 轉換器 PCU 災害時負載 整流器

併聯型系統 適用地點：電力正常送達之任何地點 工作方式 ： 優點： 缺點： 改善型：無電池自力運轉 白天 PV系統併聯發電、夜間由台電供電 太陽電池 組列 直/交流 電力轉換器 交流負載 適用地點：電力正常送達之任何地點 工作方式 ： 白天 PV系統併聯發電、夜間由台電供電 將市電電力系統當作一個無限大、無窮壽命的蓄電池 優點： 系統簡單、不需安全係數設計(依預算設計)、不需要專人維護 併聯發電效率高、利用率高 缺點： 停電時無電可用 受併聯法規限制、尚未開放(但即將開放) 有孤島效應之疑慮(目前技術上已解決) 改善型：無電池自力運轉

太陽電池一年能發電量 組列單日發電量 = 組列額定輸出功率 x 等效日照時數 預估1 kWp 組列單日發電量 = 1 (kW) x ex. 4(Sun Hour)= 4 kWh 組列年發電量 = 組列額定輸出功率 x 年平均每日日照時數 x 365 預估 1 kWp 組列年發電量 = 1 x 4 x 365 = 1,460 kWh 等效日照時數(Sun Hour) 1.0 kW/m2 0.5 kW/m2 日照強度 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 時間

太陽光發電系統發電及負載用電對時間之關係 太陽電池 組列 直/交流 電力轉換器 交流負載

太陽光發電的成本 1. 假設目前太陽光發電系統設置成本約為 NT$ 280,000 / kWp 2. 假設年平均每日日照時數約為 2.5 Sun Hour (台灣中南部地區) 1 kWp 組列單日發電量= 1 (kW) x 2.5 (Hour)= 2.5 kWh 1 kWp 組列年發電量= 2.5 x 365 = 913 kWh (度) 3. 假設太陽光發電系統使用壽命為 20 年 1 kWp 太陽光發電系統總共可發電 20 x 913 = 18,260 度 4. 生產每度電之成本約為 280,000 / 18,260 ~ NT$ 15.3 5. 未來發展趨勢： 太陽光發電系統設置成本將逐年降低 市電電費將會升高(國內目前約 NT$ 3 /度、日本約NT$ 7 /度) 傳統能源限制、再生能源獎勵、利率降低

獨立型太陽光發電系統應用例(一) 太陽電池路燈-日本千里住宅公園 太陽電池時鐘-日本

獨立型太陽光發電系統應用例(二) 太陽電池交通標誌-日本北海道 高速公路緊急電話-日本

獨立型太陽光發電系統應用例(三) 800W無線通信中繼基地台，韓國(1998)

離島用90kW獨立型發電系統，韓國Ho-Do島(1992) 獨立型太陽光發電系統應用例(四) 離島用90kW獨立型發電系統，韓國Ho-Do島(1992)

併聯型太陽光發電系統應用例(一) 設置於屋頂之住宅用太陽光發電系統(建材一體型，日本千里住宅公園內住宅設計之一)

日本東海線新幹線京都車站之太陽光發電系統(100kWp) 併聯型太陽光發電系統應用例(二) 日本東海線新幹線京都車站之太陽光發電系統(100kWp)

日本京瓷(Kyocera)京都總公司大樓之太陽電池發電系統(220kWp) 併聯型太陽光發電系統應用例(三) 日本京瓷(Kyocera)京都總公司大樓之太陽電池發電系統(220kWp)

太陽光發電發電廠應用例 太陽電池發電廠 (PV Power Plant) 資料來源: : ANIT Srl, Italy

資料來源: Pilkington Solar International GmbH, 德國 建材一體型太陽電池模板應用例 資料來源: Pilkington Solar International GmbH, 德國

太陽能車應用例 Honda Dream 交大太陽能車 資料來源: PV Special Research Centre, UNSW, Australia 交大太陽能車 資料來源: National Chiao-Tung University, Taiwan

太陽光發電航太應用例 (NASA Helios ) 飛行高度：5-7 萬英呎(最高記錄 96,000 英呎) 時速：60 mph (起飛 25 mph) 翼展：247 英呎 重量：2,000 磅 太陽電池效率要求：>22% 資料來源：http://www.aerovironment.com/home.html 空中無線通訊平台應用 資料來源：SkyOne Inc. Taiwan

清雲技術學院 4kWp 太陽光發電系統 (90能源基金示範補助成果) 獨立型

個人住宅 4kWp 太陽光發電系統 (90能源基金示範補助成果) 獨立型

勤益技術學院 3kWp 太陽光發電系統 (90能源基金示範補助成果) 獨立型

南台科技大學 10kWp 太陽光發電系統 (90能源基金示範補助成果) 獨立型

90能源基金示範補助成果例 總統府 10kWp 獨立型太陽光能發電系統 (90/12)

台電樹林 20kWp 太陽光發電系統 (90能源基金示範補助成果) 併聯型

台電台北市區處 20kWp 太陽光發電系統 (91能源基金示範補助成果) 併聯型