太陽能

目錄 太陽光發電系統基本觀念回顧 太陽能電池種類及特性 太陽能發電系統的應用 太陽能發電的未來發展

太陽光發電發展之重要歷史 1954年Bell Labs發展出矽太陽電池轉換效率達約6% 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) 1976年Carlson製作出第一個非晶薄膜太陽電池 1980年消費性薄膜太陽電池應用 1990年與公用電力併聯之太陽光發電系統技術成熟 1992年起歐、美、日各國推動PV補助獎勵 2000年建材一體型太陽電池應用(BIPV)

太陽能源 太陽照射在地球之能源密度約1 kW/m2(AM1.5)。 太陽每日照射在地球之能源（1.2×1014 kW）僅佔太陽能源之二十二億 分之一，一小時太陽照射在地球之能源約可供應地球一年之能源消耗。 地球上已知的能源幾乎是直接或間接來自太陽。 傳統化石能源：石油、煤、天然氣。 太陽能是免費、取之不盡、用之不竭之潔淨能源。 再生能源：太陽能、風力、水力、生質能、海洋能、地熱能。

太陽能未來發展

太陽光電發電之特點 太陽光電又稱光伏發電Photovoltaics (PV) 太陽電池(Solar Cell) 可將光能直接轉換為直流電能，但不會儲存能量。 外型尺寸可隨意變化，應用廣泛。 發電量大小隨日光強度而變，可以輔助尖峰電力之不足(併聯型)。 設計為阻隔輻射熱或半透光型模板，可與建築物結合。 無需燃料、無廢棄物與無污染、無轉動組件與無噪音。 太陽電池壽命長久，可達二十年以上。

太陽能轉換方式 太陽能的利用有被動式利用，光熱轉換和光電轉換兩種方式，目前的太陽能電池是以光電轉換的方式來發電。 太陽能的使用方法： 使用太陽能電池，通過光電轉換把太陽光中包含的能量轉化為電能。 使用太陽能熱水器，利用太陽光的熱量把水加熱。 利用太陽光的熱量加熱水，並利用熱水發電。

太陽能電池發電原理 太陽能電池是將太陽光能轉換為電能，這種能量轉換現象被稱為光伏效應(photovoltaic effect)。 其工作原理是將太陽光能經p型與n型半導體後，使其產生電子與電洞對，這些產生出來的電子電動對，會受到內建的電位產生電荷分離的現象，因太陽能電池為矽所組成，矽的原子序排列為14，而矽原子的最外層有4個架電子。當吸收1.1eV的能量時，價電子就不受原子核控制成為自由電子，因此而產生電荷。

太陽能電池發電原理圖 電極 反射防止膜 n型半導體 一 一 十 負載 一 十 一 十 十 電流 一 p型半導體 PV Module 電極 9

以較簡單易懂的方式來說，太陽光電能是利用太陽能電池吸收0. 4μm～1 以較簡單易懂的方式來說，太陽光電能是利用太陽能電池吸收0.4μm～1.1μm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。 在使用上，因太陽能電池發出之電能是直流電，因此若要用於工業用電或家庭用電，則需使用升壓轉換器與變流器將直流電源升壓後再轉為交流電使用。

光能轉換電能 光電轉換又稱太陽能光電。太陽能板是一種暴露在陽光下便會產生直流電的發電裝置，由幾乎全部以半導體物料製成的薄身固體太陽能電池組成。 由於沒有活動的部分，故可以長時間操作而不會導致任何損耗。簡單的光電電池可為手錶及計算機提供能源，較大的光電系統可為房屋照明，並為電網供電。

光能轉換熱能 現代的太陽能科技可以將陽光聚合，並運用其能量產生熱水、蒸汽和電力，稱為集熱式太陽能（Solar Thermal）。 原理是將鏡子反射的太陽光，聚焦在一條接收器的玻璃管上，而該中空的玻璃管可以讓油流過。從鏡子反映的太陽光會令管子內的油升溫，產生蒸氣，再由蒸氣推動渦輪機發電。

太陽能優點 太陽能能源取自於太陽，來源源源不絕，太陽能為良好能源如同水力或風力，各處皆積極發展太陽能。 太陽能設施可採取立體式設施，如同風能設施，可保護許多陸地和生態。 太陽能電池組件還可以安裝在建築物上，稱為光電一體化建築，這樣太陽能電池板不僅可以在有陽光的時候產生電力，還能達到隔熱的作用，可以有效降低建物內部的溫度，降低建築能耗。

太陽能缺點 目前利用太陽能的各種技術都具有成本很高的缺點，因此首期資本投資不菲。 太陽能易受到晝夜溫差及地形氣候所影響，使其功率密度大幅降低。 目前太陽能板壽命大約是10~30年。而製程使用的大量矽、鍺、硼可能會造成其他方面的污染。

太陽電池產品(材料)種類 單晶矽 結晶矽 多晶矽 矽 非晶矽薄膜 單晶 Single Crystalline Mono Crystalline η: 24.7% (R&D) 17-18% (量產) 結晶矽 Crystalline 多晶矽 Multi Crystalline η: 20.3% (R&D) 15-17% (量產) 矽 非晶矽薄膜 Amorphous Thin Film (a-Si:H, SiGe, SiC..) η: 12.1% (R&D) η: 5~7% 單層(量產) η: 7~9% 雙層 Silicon 單晶 Single Crystalline (GaAs) η: 40.7 % (R&D 聚光型) 18-23% (量產聚光型) Solar Cells Compound 多晶 Poly Crystalline (CdS/CdTe) η: 16.6% (R&D) 10-12% (量產) 多元化合物 多晶 Poly Crystalline (CuInSe2...) η: 19.9% (R&D) 8-10% (量產) Nano & Organic

太陽能電池種類及特性 單晶矽： 單晶矽太陽能電池的轉換效率為目前已知太陽能電池種類中最高的，也是目前許多太陽能發電系統中使用最多的，其效率可達15~20%。 單晶矽太陽能電池於製程時多了粒晶程序，因此其晶體能呈現同方向排列，轉換效率提高，但其，單晶矽太陽能電池多多數為較深色或成本也相對的提高者黑色，能夠借由切割與多種3C電子產品做相關應用。

多晶矽： 多晶矽太陽能電池是因為單晶矽太陽能電池成本過高，因此而被製作出來，轉換效率約為10~17%左右。 其內部雜質較多，且結晶速度較快，因此形成我們所看到的多顆粒結晶，而顆粒較大者，通常效率也較接近於單晶矽太陽能電池。

非晶矽： 非晶矽太陽能電池也被稱為可撓式太陽能電池，其效率為三種太陽能電池中最低，約在5~7%。 其製作之成本也為三種太陽能電池中最低，其原料由矽甲烷(SiH4)製作而成，與多晶矽太陽能電池相比，更容易劣化，但因為可與塑膠或玻璃等材質做結合。

各種太陽能板介紹 非晶矽太陽能板 單晶矽太陽能板 多晶矽太陽能板

可撓式太陽能板 單晶薄膜半透光式太陽能板 彩色太陽能板

太陽能發電系統介紹 目前太陽能發電系統共有下列三種： 獨立型 市電併聯型 防災型等三種

變流器介紹 確認最大功率追蹤電壓範圍(Maximum Power Point Tracking Voltage Range)能夠符合太陽光電組列之輸出電壓（模組工作溫度0 ℃~75 ℃ ）。 變流器之輸出電壓範圍須符合市電電壓與頻率之變動要求範圍，或是符合交流負載的電壓（獨立型）;並盡量避免因電壓差異而使用變壓器。 變流器額定容量可選用接近或是略低於太陽光電組列之輸出容量；過大的額定輸入容量對發電性能無益。

獨立型太陽能發電系統 獨立型工作方式：白天PV 發電供負載並充電、夜間由電池供電。 需考慮: 不與市電併接 太陽光電組列 充電控制器 放電控制器 變流器 負載 蓄電池 獨立型工作方式：白天PV 發電供負載並充電、夜間由電池供電。 需考慮: 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，最佳化設計複雜) 。 充電控制器若無最大功率追蹤(MPPT)功能，發電效能將較差。 設計上須搭配負載需求及考慮無日照天數之要求（安全係數設計），系 統發電量與負載需求量不易搭配，太陽光之發電能量利用率易偏低。 PV-柴油發電機、PV、風力...等混合系統為改善之方法。

併聯型太陽光電發電系統 併聯型工作方式：白天PV系統併聯發電、夜間由台電供電。 優點： 1.系統簡單、不需安全係數設計、幾乎不須維護。 太陽光電組列 變流器 市電 交流負載 併聯型工作方式：白天PV系統併聯發電、夜間由台電供電。 優點： 1.系統簡單、不需安全係數設計、幾乎不須維護。 2.具最大功率追蹤(MPPT)，發電效率高。 3.太陽光之發電能量利用率高。 缺點： 1.停電時為將自動關機，因而無電可用，無防災功能。 2.一般併聯型Inverter無法直接搭配蓄電池使用。

防災型太陽能發電系統 防災型發電系統同時具備獨立型與市電併聯型的功能，也就是說整體系統 太陽光電組列 DC-DC Converter 變流器 負載 蓄電池 防災型發電系統同時具備獨立型與市電併聯型的功能，也就是說整體系統 擁有蓄電池及與電力公司作聯接，可因應不同的狀況與條件來使用。

樹林所區薄膜太陽光電系統遮蔭分析

建築物遮蔭分析

建築物遮蔭動態分析 不同時段陰影變化情形

陰影分析之水平旋轉與垂直轉動 水平旋轉3600 垂直轉動900

I-V 計算

核三南展館 50 kWp BIPV System

樹林所區薄膜型 PV 發電系統組立過程

台電大樓薄膜型太陽光電系統 4.2 kW 2.2 kW Triple-junction CIGS UNI-SOLAR AxunTex

台電公司台中電廠 1.5MWp 太陽光電發電站 (一)

獨立型太陽光電發電系統應用例

未來工作 日照強度預測系統之建置 短期風力發電預測系統 低碳發電技術系統模擬技術 太陽光電系統性能退化相關研究 太陽光電系統及日照強度基準站之建置 儲電系統測試研究 智慧型電網 再生能源併網對系統衝擊分析

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