建筑物运用太阳能发电的研究

蒲罡

摘 要：在现今的都市在高密度人口聚集居住的情况下，为了要维持都市功能的正常运作，必须高度仰赖能源。火力发电是供电主力也是对环境具高度危害的发电方式。太阳能主要可分为太阳光能与太阳热能两种，太阳能光电是利用太阳电池将光的能量直接转变为电能输出。太阳热能发电系利用一般常见的太阳能集热器，收集太阳輻射能，藉由热交换来发电或做其他应用而太阳电池是以P-型及N-型半导体材料接合构成正极与负极。该文研究建筑增加太阳能发电系统设备之可行。

关键词：太阳能 发电 建筑物 运用 研究

中图分类号：TU18 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）10（b）-0091-01

1 太阳光能发电原理

太阳能主要可分为太阳光能与太阳热能两种，太阳能光电是利用太阳电池将光的能量直接转变为电能输出。太阳热能发电系利用一般常见的太阳能集热器，收集太阳輻射能，藉由热交换来发电或做其他应用（如太阳能热水器）而太阳电池是以P-型及N-型半导体材料接合构成正极与负极。当P型及N型半导体互相接触时，N型半导体内的电子会涌入P型半导体中，以填补其内的电洞。

在P-N接面附近，因电子-电洞的结合形成一个载子空乏区，而P型及N型半导体中也因而分别带有负、正电荷，因此形成一个内建电场。当太阳光照射到这P-N结构时，P型和N型半导体因吸收0.2～0.4微米波长的太阳光而产生电子-电洞对。由于空乏区所提供的内建电场，可以让半导体内所产生的电子在电池内流动，因此若经由电极把电流引出，就可以形成一个完整的太阳能电池。

2 太阳光电发电的作转化应用：

（1）独立型太阳光电系统：使用蓄电池且换流器无逆送电功能之太阳光电发电系统。白天由太阳光电系统发电，并供负载及充电，夜间由蓄电池供电，可自给自足。

（2）市电并联型太阳光电系统：换流器具有逆送电功能，可操作于并联模式之太阳光电发电系统。白天PV系统与市电负载并联发电，并供应用户负载，不够的部份由电网补充供电；夜间时段，没有阳光则由市电电力系统作一般性供电。系统构成简单，不需安全系数设计，维护容易，具最大功率追踪（MPPT），发电效率高，是目前太阳光电发电系统的主流。

（3）（独立/并联混合型）太阳光电系统：换流器具有逆送电功能，同时装置蓄电池，可操作于并联或独立的太阳光电发电系统。同时与市电并联发电，并供负载及充电。夜间由电网供应，遇灾害电力中断时，则仍有足够的蓄电池可运用安排救灾。

3 太阳能发电系统电池材料

太阳电池依照其制造材质可大致分为硅材料、多元化合物、奈米或有机材料等3大类。硅材料的太阳电池主要包括晶硅与非晶硅薄膜。其中，晶硅材料又可分为单晶硅与多晶硅两种，前者光电转换效率较高（模块效率约15%），但制程较复杂，后者效率较低（模块效率约13%），但制程较简单。非晶硅薄膜则有硅需求量较低、制作成本低、可挠式设计、大面积制作等优点，但其转换效率相对较低（模块效率约5-7%）。在多元化合物材料部份，包括III、V族化合物（GaAS、InP）等高效率的太阳电池，主要用于太空或聚光型太阳光电系统。另外亦有CdS、CdTe或CIGS（铜铟镓硒）等薄膜型太阳电池正持续发展，已有部份商品生产并改良中。奈米或有机材料的太阳电池包括：染料敏化太阳电池以及有机高分子太阳电池。前者利用奈米技术制造二氧化钛奈米颗粒再吸附染料，藉由染料吸光放出电子而产生电流。后者则利用导电高分子特性来制作太阳薄膜电池，其技术正在发展中。目前，奈米或有机材料的太阳电池效率及稳定性仍然偏低，有待提升。

4 建筑物设置系统型式分类

若依照建筑物设置系统型式分类，则太阳光电系统可以分为踞置型及建材一体型。踞置型：依其架设方式又可分为贴覆式以及架高式两种。贴覆式系指太阳光电模板贴覆建筑物外表包覆材架设，太阳光电模板与建筑物之间的高度间距在10公分以内。架高式是指太阳光电模板矗立建筑物帄顶或地面架设，太阳光电模板的高度在150公分以下。而建材一体型的太阳电池模板则是太阳电池模块或数组被整合、设计并装置在建筑物上。可有效利用建筑物的表面发电，兼具建筑物的外表包覆建材之功能，或可替代屋瓦、墙面、窗户之建材，且可遮阳降低建筑物外表温度。BIPV具有建筑物美观、降低整体建筑成本、空间充分利用、结构安全性、建筑施工时间缩短及避免二次施工等优点。由于单结晶硅具有转换效率高的特性，目前仍为太阳能市场之主流；非结晶硅具备价格便宜、生产快且无需封装等优点，故较受市场青睐，至于多结晶硅则因切割及下游再加工不易，现阶段被应用则相对较少。太阳能发电系统中影响光电转换的组件主要是太阳电池，即光电半导体表面上几微米厚度的薄薄一层，其转换效率又不高，故需要装设大面积的太阳电池，市场上通常将多个太阳能电池芯片单体（一般为10～15公分大小之PN接合半导体薄片，发电电压约0.5V）组成模块（Module）出售，再依需求串并联连接构成太阳能光板（Panel）或太阳能数组（Array），为能有效采光这些设施必须采帄面装置，这对寸土寸金的中心城市确实并不利推广，因此未来有必要进一步研究薄膜型太阳能电池将之融合为建筑物本体的一部分，如作为屋顶或墙壁之装璜一般，则应有较大发展空间。

5 结语

（1）在本研究所建立太阳能光电系统装置上，经实验后换算本研究采用之太阳能光电设施整体系统，以及各构件的效益折减值结果如下﹔在太阳能电池转换效率部份为6.8%；蓄电池损失率约15%；逆变流器转换效率部份为73%，损失率约23%；综合各构件效益折减得到太阳能光电系统整体的转换效率约为58%。

（2）实验所得之系统各部分效率值与一般规格作比较，可得知本系统效率普遍偏低，在太阳电池转换效率部份一般之单晶硅太阳电池应有11%～15%的效率值，但本系统经半年实际测得均约为6.8%左右。逆变流器转换效率部份为73%，一般市面上规格之效率值约在90%。而太阳能光电系统的转换效率58%则与市售系统规格85%有较大之差距。

参考文献

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