太陽光電技術 與 系統應用
太陽是地球能源之母 太陽能是免費、取之不盡、用之不竭之潔淨能源，但必須找到有效的使用法。 太陽是地球上所有能源的源頭，目前已知的能源幾乎都直接或間接來自太陽。 石油、煤、天然氣、水力、太陽能、風力、光合作用、海洋能等等 ，核能、地熱除外。 太陽光照射整個地球表面 1小時內的能量(~51020 J)，約可供全人類使用 1 年 (2005)。 太陽還可以繼續發光至少 50 億年以上。 太陽能是免費、取之不盡、用之不竭之潔淨能源，但必須找到有效的使用法。
地球的污染日愈嚴重，溫室效應不容小觀 1997年京都議定書於2005年2月16日正式生效，要求工業國家降低CO2排放量，發展再生能源，降低碳的排放是必然的趨勢 平均傳統能源發電之CO2排放量530噸/GWh 太陽光電發電製造之CO2排放量僅5噸/GWh
溫室效應所帶來的氣溫變化(一) 溫室效應的來源：
溫室效應所帶來的氣溫變化(二) （資料來源：IPCC,2001) 溫室氣體(GHG) 源 (SOURCE) 匯 (SINK) 對氣候的影響 (IMPACT) 二氧化碳 (CO2) 1) 燃料 2) 改變土地的使用 （砍伐森林） 1) 被海洋吸收 2) 植物的光合作用 吸收紅外線輻射，影響大氣平流層中 O3的濃度 甲烷 (CH4) 1) 生物體的燃燒 2) 腸道發酵作用 3) 水稻 1) 和OH起化學作用 2) 被土壤內的微生物吸 取 吸收紅外線輻射，影響對流層中O3及 OH的濃度，影響平流層中O3和H2O的濃 度， 產生CO2 一氧化二氮 (N2O) 2) 燃料 3) 化肥 1) 被土壤吸取 2) 在大氣平流層中被光 線分解與及和O起化學 作用 氯氟碳化合物 (CFCs) 工業生產 在對流層中不易被分解， 但在平流層中會被光線分 解和跟O產生化學作用 吸收紅外線輻射，影響平流層中O3的 濃度 二氧化硫 (SO2) 1) 火山活動 2) 煤及生物體的燃 燒 1) 乾和濕沉降 2) 與OH產生化學作用 形成懸浮粒子而散射太陽輻射 臭氧 (O3) 光線令O2產生光化 與NOx，ClOx及HOx等化合 物的催化反應。 吸收紫外光及紅外線輻射 一氧化碳 (CO) 1) 植物排放 2) 人工排放（交通 運輸和工業） 2) 和OH起化學作用 影響平流層中O3和OH的循環，產生CO2 （資料來源：IPCC,2001)
溫室效應所帶來的氣溫變化(三) (1855－1995全球平均地球表面溫度的變化年平均值) (資料來源：WMO,1996)
氣溫上升所帶來的傷害 這種溫度快速升溫情況，而全球氣候和生態環境將產生劇烈的變化，包括： 1. 海平面的上升。根據氣候變化政府間專家委員會(IPCC）2001年的評估報告，到2100年氣溫可能再上升1.4至5.8度,在未來的預測上，海平面也因此大約會上升18公分到1公尺之間，平均的海平面將上升了45公分。 2. 全球氣候變遷，暴雨或乾旱，氣候變的異常，例如熱浪、寒流、颱風、水災或旱災等造更多損害。 3. 土地沙漠化，生態環境改變，動植物生態發生變化大規模的遷移等。
京都議定書 為落實溫室氣體排放管制工作，1997年12月於日本京都舉行聯合國氣候變化綱要公約第三次締約國大會，通過了具有約束效力的京都議定書（Kyoto Protocol），以規範工業國家未來之溫室氣體減量責任。 140個國家批准了溫室氣體減量的國際條約，已開發國家領先減量(共有25國)，在2008到2012年間將六種溫室氣體(主要以二氧化碳為主要)，減至比1990基準年再少5.2%。
京都議定書對我國的影響 1.我國為二氧化碳高排放量國： 我國二氧化碳排放量佔全球1%，全球排名第22。 2.我國二氧化碳排放量成長快速： 我國的二氧化碳排放量由1992年到2002年間成長快速，根據環保署的資料，預估至2020年二氧化碳之排放總量，將由1990年之121百萬公噸提升至461百萬公噸，成長約3.81倍，將與京都議定書規劃之減量目標背道而馳。
人類必須對能源與環保應該覺醒 石油儲藏量剩下1兆338億桶(Barrel)，尚可使用約43年 天然氣儲藏量剩下146兆立方公尺，尚可使用約62年 鈾儲藏量剩下395萬噸，尚可使用約64年 煤儲藏量剩下9,842億噸，尚可使用約230年 全世界至少有20億人口，目前仍無電可用！ 不必等到石油耗盡，能源的價格將會飆漲到大家都無法承受！ 目前地球的平均溫度比 20年前高了 0.2℃以上 1997年「京都環境會議」，制訂各工業國家CO2排放減量標準 (2005/2/16開始實施) 各國皆訂定達成再生能源比例 12%~15%之目標
能源種類 石油 煤炭 天然氣 太陽能 風力 小水力 地熱能 生質能 能源 化石能源 新能源 再生能源 能源新利用 燃料電池 電動機車 淨煤技術 潔淨能源
台灣民眾應該覺醒！ 我國 98 %以上的能源仰賴進口 水力的投資風險高且已近飽和 政府非常家園政策，反核意識高漲 發展使用符合環保、循環再生，並取之不盡之再生能源已是刻不容緩 我國訂定再生能源比例之目標為 10% @2010 2010年再生能源發電裝置總容量目標:513.9萬瓩，其中風力:215.9 萬瓩 、水力:216.8萬瓩、太陽光電:2.1萬瓩、地熱:5.0萬瓩、生質能:74.1萬瓩
風力發電(一) 全球風力發電總裝置容量已近25,000 MW，年發電量逾500億度，估計約可供應全球1,400萬戶家庭之用電。 全球風力發電裝置容量成長圖
風力發電(二) Vestas V47-660 風力機結構 1. 葉片 8. 油溫冷卻器 15. 轉向控制 1. 葉片 8. 油溫冷卻器 15. 轉向控制 2. 葉輪輪轂 9. 萬向接軸 16. 齒輪箱支撐桿 3. 葉片軸承 10. 主發電機 17. 轉向齒輪盤 4. 主傳動軸 11. 維修用小吊車 18. 轉向齒輪 5. 副發電機 12. 旋角控制桿 19. 塔頂控制單元 6. 齒輪箱 13. 機組座架 20. 油壓控制單元 7. 碟式煞車 14. 塔架
太陽光電(一) 太陽光電於最近幾年之成長快速，近三年全球市場每年成長近40%，於2000年之銷售量為287 MW，至2001年則為390 MW。 國家 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 美國 25.64 38.85 53.0 53.7 60.8 74.79 100.3 日本 16.50 16.40 21.20 35.0 49.2 80.0 128.60 171.2 歐洲 21.70 20.10 18.80 29.3 33.5 40.0 60.66 86.4 其他 5.60 6.35 9.75 9.4 18.7 20.5 23.42 32.6 合計 69.44 77.60 88.60 125.8 154.9 201.3 287.65 390.5 主要國家歷年太陽電池市場銷售量 (單位：MW)
太陽光電(二) 拋物線槽式 發電系統 集中塔式 發電系統
生質能發電(一) 目前生質能為全球第四大能源，僅次於化石能源，供應全球15% 的初級能源需求，約占世界所有再生能源應用的2/3。根據統計，至1997年止生質能在歐盟的總產量為占再生能源的63.6%；生質能發電量則占再生能源的29%。包括： 1.木材與林業廢棄物如木屑等。 2.農作物與農業廢棄物如黃豆、玉米、稻殼、蔗渣等。 3.畜牧業廢棄物如動物屍體、廢水處理所產生的沼氣。 4.垃圾與垃圾掩埋場與下水道污泥處理廠所產生的沼氣 5.工業有機廢棄物如有機污泥、廢塑橡膠、廢紙、黑液。
生質能發電(二) 來 源 轉換核心技術 利 用 氣 化 / 裂 解 發 電 燃 淨 純 熱 利 用 前 處 理 廢塑膠 廢橡膠 石油焦 油 來 源 轉換核心技術 利 用 廢塑膠 廢橡膠 石油焦 油 ( 污 ) 泥 都市垃圾 農產廢棄物 生質作物 前 處 理 氣 化 / 裂 解 燃 淨 純 發 電 燃氣引擎 氣渦輪機 複循環發電 燃料電池 外燃式引擎 固 態 衍 生 料 熱 利 用 鍋爐 混燒 焚化爐 工業爐
地熱發電 地熱的用途甚廣，諸如發電、工業利用、農業利用等，但以能源使用觀點而言，則以利用於發電上的使用範圍最高。國外對地熱發電之大量開發應用始於1960年代，發展至2000年為止，全世界已有二十餘國共建置約250多座地熱發電廠，總裝置容量將近8,000 MW。 資料來源：物理趣談100則 牛頓文庫
水力發電 水力發電是再生能源，對環境衝擊較小。台電公司推動相關開發規劃中，裝置容量共27.45萬千瓩，目前民間業者進行中之水力發電裝置容量共計6.83萬千瓩。
太陽光電重要發展歷程 1954年Bell Labs發展出矽太陽電池 (Chapin等人，轉換效率約4.5%) 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) (能源危機) 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(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 PV System, Si) (電力電子技術) 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)
不同太陽電池材料對應太陽光譜波長圖
太陽能發電原理
太陽能電池材料(一) 矽(硅) silicon 目前太陽光電系統中應 用最為廣泛 多化合物 Compound 應用於太空及聚光型太 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 Crystalline 12~20% 多晶矽Poly Crystalline 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 Crystalline GaAs、InP 18~30% 多晶 Poly Crystalline 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 資料來源：太陽光電資訊網
太陽能電池材料(二) 單晶矽 又稱為單結晶、晶圓型。製程貴，發電量佳， 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。 多晶矽 又稱為多結晶。製程上較便宜，發電量略遜單晶矽，可截為正方形，舖設時可達到最大面積利用及吸收。其晶狀分佈，具有藝術效果，可為建築物外觀加分。另外，雖其結理易造成碎裂，但晶體可再利用做為項鍊等裝飾品。 非晶矽(可撓式) 成本便宜，發電率較差，且容易造成裂質化。但由於可直接鍍在玻璃及塑膠上面，與建築物可做最佳結合。除可做太陽光電系統發電用，室內型民生消費品也常見其應用，如：電子計算機、搖頭娃娃、玩具等。
材料之比較 實際轉換效率 成本 材料 理論轉 換效率 耐用性 用途 單晶矽 25-30% 34%集光型 24%(實驗室級) 14-17%(商業用) 佳 高 太空電力中央發電系統 獨立電源少數民生用品 多晶矽 20% 17.7%(實驗室) 11-14%(商業用) 中 III-V族 GaAs-lnP等 35% 27.8%(實驗室) 極高 太空電力 薄 膜 太 陽 電 池 非晶矽 15% 13.5%(實驗室) 5-7%(商業用) 低 17-18% 15.8%(實驗室) 獨立電源 少數民生用品
常見太陽能電池模板 資料來源：太陽光電資訊網
太陽能電池模組基本結構 + - 正面 強化玻璃 EVA TedlarTM (Dupont）) Polyester 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
太陽能電池模板製作過程(一) P-type wafer P-type wafer 1. 清洗蝕刻 2. 磷擴散
太陽能電池模板製作過程(二) 3. 鍍抗反 射層 4. 網印 5. 燒結
太陽光電能之電氣特性 太陽光電能之電氣特性 太陽光電能之電氣特性
太陽能電池之等效電路模型 太陽能電池，基本上是一p-n接面二極體，在上、下面皆有引出電極網，因此有接觸電阻效應。 電極與接面間存在漏電流，因其具有非線性之特性，故通常將它視為一個電流源。
電流-電壓特性曲線方程式 電流-電壓特性曲線方程式，在忽略並聯電阻的情形下的方程式： ：太陽能電池輸出電壓 ：太陽能電池輸出電流 ：光所產生的電流 ：太陽能電池的飽和電流 ：載子電荷量 ：為矽內部電阻與電極部 電阻等之串聯電阻 ：介電常數（1~2之間） ：凱氏溫度為太陽能 電池所 處的溫度 ：波滋曼常數
太陽能電池Ｉ－Ｖ特性曲線分析 太陽能電池之輸出電流-電壓特性曲線，是藉由變更外部電阻來測定光電流與光電壓而成的。 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
照度對太陽板之影響 不同日照量下的 特性曲線圖 。 不同日照量下的 特性曲線圖。
溫度對太陽板之影響 不同溫度下的 特性曲線圖。 不同溫度下的 特性曲線圖。
太陽光電產品主要應用市場區隔 資料來源：德國SCHOTT Solar，2005年1月 版權所有，請尊重著作權
太陽光電能獨立型運轉系統 定義：使用蓄電池，白天太陽光電系統發電，並供負載及充電，夜間由電池供電，可以自給自足。 適用地點：高山、離島、基地台等市電無法到達處。 考慮點： 一般充電控制器無 MPPT，搭配蓄電池使發電效能較差。 資料來源：太陽光電資訊網
太陽光電能獨立型運轉系統硬體結構 太陽光電能充電機 獨立型太陽光電能發電系統
市電併聯型太陽發電系統 定義：市電負載併聯，平時與太陽光電系統併聯發電，並供負載，不夠的電由台電供電。好比將市電電力系統當作一個無限大無窮壽命的免費蓄電池。 適用地點：電力正常送達之任何地點。 系統簡單、不需安全係數設計、維護容易。 具最大功率追蹤(MPPT)，發電效率高。 太陽光之發電能量利用率高 資料來源：太陽光電資訊網
市電併聯型太陽發電系統硬體結構 有逆潮流 無逆潮流
緊急防災型(獨立/併聯混合型)太陽光電系統 定義：換流器(Inverter)具有逆送電功能，同時裝置蓄電池，可操作於併聯模式或獨立模式之太陽光電發電系統。 適用地點：有防災需求(照明、汲水、通信….)之公共設施 包含兩種系統建置成本較高，系統較複雜 資料來源：太陽光電資訊網