Transcript 市電併聯型太陽光電發電系統

太陽能
Solar Energy
太陽能的運用
太陽的能量
地球每秒從太陽所接收到的能量有1.743x1026焦耳，
約相當於610萬噸煤炭所產生的熱量。如果能將其能
量轉換為可利用的能源，估計僅一小時的太陽能量，
即可超過地球一年所消耗的化石資源所產生的能源。
太陽能的運用
太陽能的運用，不外乎將太陽的
能源轉換為熱、光源、熱水、電
力給家庭、商業和工業使用。
太陽能的應用
太陽能應用技術主要發展方向有：
太陽熱能系統(Concentrating Solar Power CSP)
使用碟型或弧型集熱器產生高溫利用熱能來推動渦輪機產生電力。
光電系統(Photovoltaic Energy Systems PV)
光電板組成太陽能發電系統(陣列array)，經陽光照射產生電力。
太陽能加熱系統(Solar Heating)
吸收太陽的熱能來加熱使用，如太陽能熱水器、太陽能屋、太陽能
游泳池。
照明系統(Solar Lighting)
具有太陽光收集器，經光纖電纜導引至屋內當照明及產生電力。
太陽熱能
Solar thermal energy
太陽熱能系統可說是太陽能集熱
發電系統 (Concentrating Solar
Power CSP) 。利用太陽能產生高
熱來推動引擎或渦輪機發電，包
括太陽能盤(solar dishes)、太
陽能管(solar troughs)、太陽能
塔solar towers 和線性菲涅爾反
射(linear fresnel reflectors)
等集熱型式。
太陽能盤 solar dishes
太陽能盤陽光擷取系統是一具太陽能電
力系統，具有太陽自動追蹤和太陽能聚熱電
力轉換單元，把高熱轉換成市電品質的電力
系統。
此系統包括一個38呎長的盤式機構，由
82個曲面玻璃反射鏡，每個鏡面約3~4呎的
範圍，主要作用是集中太陽能射入加熱頭。
發電部份是一個4行程往復式史特
林循環引擎，一具引擎可以產生
25KW以上的電力。而每一年可提
供55,000~60,000kWh的電力。
史特林引擎
Solar Stirling Engine
太陽能盤 solar dishes，就是利用太陽的熱來推
動史特林引擎進行發電。
史特林引擎是一個將熱能轉換成動能的熱機(heat engine)，而史特林引
擎的運作原理和汽車中的內燃機引擎最大不同。在於內燃機是指燃料在引
擎內部燃燒產生動力，而史特林引擎卻是一部外燃機，也就是熱源在引擎
的外部。內燃機引擎有一連串進氣－壓縮－燃燒－排氣的循環系統，其引
擎中的氣體卻是完全密封在引擎中，作為熱能轉換成機械功的媒介，引擎
在動作過程中汽缸內沒有爆炸或燃燒發生，也不需要進氣排氣閥來排放燃
燒後的高壓廢氣，因此，史特林引擎的構造比較簡單，運轉也非常安靜。
史特林引擎有一項重要的優點，就是只要能夠產生熱，皆可用來做為推動
的能源，因此並不僅限於可燃燒的燃料，像是太陽能、地熱等自然、潔淨
的能源，都可以用來推動史特林引擎，目前史特林引擎的研究方向大多朝
向發電的應用。
太陽能的應用
太陽能熱水系統
太陽能熱水系統是利用太陽
能集熱器，收集太陽輻射能
把水加熱的一種裝置，是目
前太陽熱能應用發展中最具
經濟價值、技術最成熟且已
商業化的一項應用產品，其
應用範圍廣泛包括：工業製
程用水預熱和家庭、宿舍、
旅館、醫院、餐廳、游泳池
等的熱水使用。
(Solar Heating)
太陽能光電(PV)
Photovoltaic Energy Systems
6000KW 2000mx600m
太陽能發電
太陽光電的發電原理,是利用太陽電池
吸收0.3~3μm波長的太陽光,將光能直接
轉換成電能輸出的一種發電方式.
因為太陽電池所產生的電是直流電,
因此需加裝直/交流轉換器轉換成交流電,
才能供給家庭用電或工業用電.
太陽能發電的應用型態
太陽能發電系統主要考慮在發電
效益,依發電方式有獨立式、混合式、
市電併聯式，系統容量從個別住戶數
千瓦至數百萬瓦的太陽光電發電廠系
統。
太 陽 電 池 發 展 史
在1954年貝爾實驗室製造出第一個太陽電池來的，
當時是為了替偏遠地區的通訊系統提供電源，由於效
率太低(只有6%)，而且造價太高(357美元/瓦)，缺乏
商業價值。而在當時，太空計畫也正在如火如荼地展
開中；太陽電池具有不可取代的重要性，使得太陽電
池得以找到另一片發展的天空。從1957年當時的蘇聯
發射第一顆人造衛星開始，太陽電池就肩負著太空飛
行任務中一項重要的角色，一直到1969年美國人登陸
月球，太陽電池的發展可以說到達一個顛峰的境界。
但因為太陽電池造價昂貴，相對地使得太陽電池的應
用範圍受到限制。
太 陽 電 池 發 展 史
到了1970年代初期，由於中東發生戰爭，石油禁運，使得工
業國家的石油供應中斷造成能源危機，於是再度重視如何把
太陽電池應用於電力系統的可行性。1990年以後，才開始將
太陽電池發電與民生用電結合，市電併聯型太陽光電發電系
統(grid-connected photovoltaic system)因而開始推廣，
此觀念是把太陽電池與建築物的設計整合在一起，並與傳統
的電力系統相連結，如此就可以從這兩種方式取得電力，除
了可以減少尖峰用電的負荷外，剩餘的電力還可儲存或是回
售給電力公司。此一發電系統的建立可以舒緩籌建大型發電
廠的壓力，避免土地徵收的困難與環境的破壞。近年來，太
陽電池新的結構與製造技術不斷被研發出來，其目的不外乎
是降低成本，提高效率。如此太陽電池才可能全面普及化，
成為電力系統的主要來源。
太陽能電池的型式與材質
Solar Cell Devices & Materials
太陽能電池的種類繁多，
依材料種類區分，可分為:
• 矽 Silicon (Si)
單晶矽 single-crystalline Si，多晶矽
multicrystalline Si，非晶矽amorphous Si
(a-Si)
• 多晶薄膜 Polycrystalline thin films
硒化銦銅 copper indium diselenide (CIS),
碲化鎘 cadmium telluride (CdTe) ， thinfilm silicon
• 單晶薄膜 Single-crystalline thin
films
high-efficiency material such as 砷
化鎵 gallium arsenide (GaAs)
GaAs、GaInP、InGaAs、CdTe、
CuInSe２(CIS)、CuInGaSe２(CIGS)
等。這些都是屬於製作太陽電池的高
效率材料。
矽晶光電池的種類
Silicon Solar Cell
單晶矽(single crystal)
轉換效率 18-23%
發電力與電壓範圍廣，轉換效率高，使用年限
長20-25 年，但製作成本高 , 製作時間長。
多晶矽(poly crystalline) 轉換效率 15-18%
製程步驟較簡單，不須使用CZ法或FZ法成長的
單 晶圓，故成本較單晶矽太陽電池低約便宜20%，
效率較單晶矽低。
非晶矽(amorphous)
轉換效率 8-14%
非晶矽乃是指矽原子的排列非常紊亂，沒有規
則可循，非晶矽電池為目前成本最低的商業化太
陽能電池，無需封裝， 生產也最快 ，產品種類
多，使用廣汎，多用 於消費性電子產品。缺點是
放置戶外後會產生光劣化現象輸出功率減少
15~20%。
太陽電池的架構
Solar Cell Structures
由於材料特性上的限制，對於結
晶矽太陽電池的效率，幾乎已經達到
最佳的水準，要再提升的空間有限，
目前比較具有成長潛力的應屬多接面
的串疊型太陽電池，將太陽電池製成
串疊型電池(tandem cell)，把兩個或
兩個以上的元件堆疊起來，能夠吸收
較高能量光譜的電池放在上層，吸收
較低能量光譜的電池放在下層，透過
不同材料的電池將光子的能量層層吸
收。預測未來多接面的串疊型太陽能
電池效率將可達 40%以上。
太陽能電池發電原理( I )
Principle of Solar Cell
p 型半導體：
太陽能電池本身是以矽為材料，而矽的原子序是14，
屬於第IV族元素，其外層具有四個電子(價電子)，而矽是
鑽石晶體結構，每個矽原子與鄰近的四個矽原子形成共價
鍵，如果在純矽之中摻入三價的雜質原子，例如硼原(B)，
此三價的雜質原子，將取代矽原子的位置，因為硼原子只
有三個價電子可與鄰近的矽原子形成共價鍵，所以在硼原
子的周圍會產生一個空缺，此空缺即稱為電洞。電洞可視
為一可移動帶正電的載子(carrier)，所以摻入的三價雜質
原子又稱為受體(acceptor)，而一個摻入三價雜質提供電
洞的半導體稱為 p 型半導體。
n 型半導體：
同理，如果在純矽中摻入五價的雜質原子，例如磷原
子(P)，此種雜質原子，將取代矽原子的位置，因磷原子具
有五個價電子，其中四個價電子分別與鄰近的四個矽原子
形成共價鍵，而多出一個自由電子，該電子為一帶負電的
載子，故稱提供一個自由電子的五價雜質原子為施體
(donor)，而摻了此施體的半導體稱為 n 型半導體。
太陽能發電原( II )
一般太陽電池是以摻雜少量硼原子的p型半導體當作基板
(substrate)，然後再用高溫熱擴散的方法，把濃度略高於硼的磷摻
入p型基板內，形成一p-n接面，而p-n接面是由帶正電的施體離子與
帶負電的受體離子所組成，在該正、負離子所在的區域內，存在著
一個內建電位(built-in potential)，此內建的電位，可驅趕此區
域中的可移動載子，故此區域稱之為空乏區(depletion region)。
當p-n結構的半導體受到陽光照射時，光子能量把半導體中的電
子激發出來，產生電子-電洞對，電子與電洞均會受到內建電位的影響，
電洞往電場的方向移動，而電子則往相反的方向移動。如果我們用導
線將此太陽電池與一負載連接起來，形成一個迴路(loop)，就會有電
流流過負載，這就是太陽電池發電的原理。
能
隙
energy bandgap
在光-電轉換的過程中，事實上，並非所有的射入光譜都
能被太陽電池所吸收，並完全轉成電流。有一半左右的光譜
因能量太低(小於半導體的能隙)，對電池的輸出沒有貢獻，
而另外一半被吸收的光子中，除了產生電子-電洞對所需的能
量外，約有一半左右的能量以熱的形式釋放掉，所以單一電
池的最高效率約在25%左右。
能
隙
energy bandgap
太陽輻射之光譜，主要以可見光為主，其範圍從0.3微米
(μm)之紫外光到數微米之紅外光為主，換算成光子的能
量，則約在0.4eV(電子伏特)到4eV之間，當光子的能量
小於半導體的能隙(energy bandgap)，則光子不被半導
體吸收，此時半導體對光子而言是透明的。當光子的能
量大於半導體的能隙，則相當於半導體能隙的能量將被
半導體吸收，產生電子-電洞對。因此製作太陽電池材料
的能隙，必須要仔細地選擇，才能有效地產生電子-電洞
對。一般來說，理想的太陽電池材料能隙必須在1.1eV到
1.7eV之間。
光電池製造流程
Manufacturing Solar Cell
鑄錠
單晶
矽晶
修角
晶圓切片
柴氏長晶法
鑄錠
多晶
模塊
底部形成
抗反射
電極形成
光電池
接面形成
質材蝕刻
透明傳導層
抗反射層
接面層
兩種不同的半導體
材質(p型、 n型)
形成接面
光電板功率
一般太陽能光電板的技術資料，都是依據STC
(Standard Test Conditions ASTM E1036)標準條件來測試取得。其標準如下：



日 照 量(irradiance)：1000 W/m2
光電板溫度(PV Module Temperature)：25℃
太 陽 光 譜(Solar spectrum Air Mass)：AM1.5
從一塊16W光電板技術資料計算轉換效率:




最大電流Imp=0.93A
最大電壓Vmp=17.4V
最大功率Pmax=16.182W
PV長度=0.517m PV寬度=0.27m PV面積=0.14m2
功率Pmax/PV面積=115.586 W/m2(每平方米輸出功率PV power)
PV power/標準日照量=115.586W/1000W=11.558 %
*光電板的效率主要決定於所採用太陽能電池的效率等級，亦受到表面材質及封裝技術影響。
*電流是由PV面積大小、轉換效率和光的強度(日照強度)來決定。
光電模組技術規格
Specifications
光電模組特性圖
不同溫度的電壓一電流特性圖
characteristics
不同照度的電壓一電流特性圖
太陽能光電系統種類
直流獨立
供電系統
Solar Module
Charge
Control
DC/AC
Inverter
市電併聯
供電系統
Solar Module
To AC Load
AC
Load
Center
DC/AC
Inverter
KWH
Meter
Battery
To AC Load
Solar Module
Charge
Control
Battery
Solar Module
直流/交流獨
立供電系統
DC Load
Panel
DC/AC
Inverter
To the grid
發電組混用
獨立供電系統
To AC Load
To DC Load
Charge
Control
AC
Generator
AC Load
Panel
To AC Load
Battery
DC/AC
Inverter
Battery
Charge
Transformer
switch
AC
Load
Center
發電機直接交流負載
獨立型(Stand-Alone)
太陽光電系統
Solar Module
Charge
Control
DC/AC
Inverter
To AC
Load
Battery



具備蓄電池，白天由PV光電
系統發電，提供負載及電池
充電，夜間由電池供電，自
給自足。
使用蓄電池，轉換器
(Inverter)無逆送電功能之
光電發電系統。
適用於市電無法送達地點，
如高山、離島、基地台…等。
市電併聯型(Grid- Connected)
太陽光電系統
Solar Module
DC/AC
Inverter
AC
Load
Center
To AC Load




KWH
Meter
To the grid
與市電併聯負載，平時與太陽
光電系統併聯發電，並供負載，
不足的由台電供電。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。
轉換器(Inverter)具有逆送電
功能，可操作於併聯模式之太
陽光電發電系統。
適用電力正常送達之任何地點。
白天由PV系統併聯發電、夜間
由台電供電。
緊急防災型(獨立/併聯混合型)
太陽光電系統
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和市電及蓄電池搭配。平時光電系統與市電併聯發電，並供負載及充電，夜間由
台電供電。當電力中斷時，蓄電池即可以供給緊急使用，待到市電回復。
具有蓄電池及轉換器(Inverter)有逆送電功能，因此可同時用於併聯模式或獨立
模式之光電發電系統。
有防災需求(照明、汲水、通信….)之公共設施
平時PV併聯發電、效率高、利用率高、夜間由台電供電。
視需要建置足夠之防災用電池，長時間停電時白天 PV 發電供負載並充電、夜間
由電池供電，適合作為救災用電力來源。
蓄電池平時(或定時)浮充保養，不需每日深度充放電，壽命可以延長。
太陽能發電系統參考圖
(獨立式 300W)
太陽能發電
系統組件

戶外匯流箱 (junction box)
充電控制器 (charge controller)
蓄電池 (battery)

直交流轉換器 (inverter )

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

@ 蓄電池式:從蓄電池轉換出AC電力
@ 併 聯 式:從太陽能陣列直接與市電倂聯
變壓器(transformer)
避雷器(surge protector)
太陽能發電系統組件
充電控制器( charge controller)
充電控制器一般使用於有蓄電池的發電系統中，其功能為保護蓄
電池、防止過充電。在太陽能獨立型發電系統中均包含了充電控制器，主
要當蓄電池飽滿時切斷充電電流；不同型式的蓄電池有不同的充電特性，
應依據電池型式慎選適當的充電器。
除了蓄電池的型式外，選擇充電控制器應注意操作電壓以及充電電流
大小，因此系統設計前應先確認發電最大電流以及操作電壓，以確保蓄電
池的壽命。
高功能的充電控制器還具有防逆充、電力量測、溫度補償以及LDV(低
壓斷電 功能)等功能。
充電方式具有全充、PWM、均質充及浮充等方式，並依據蓄電池的狀
態自動調整充電方式。
太陽能發電系統組件
蓄電池 (battery)
在太陽能發電系統最常使用的是鉛酸電池(Lead-Acid
Batteries) ，因為其價格較低廉，分為淺循環式(Shallow cycle)及
深循環式(deep cycle)兩種。
淺循環式鉛酸電池主要給短時間需要大電流的設備使用，
像是馬達的設備；但是這種電池在使用超過20%(額定容量)的
電力而無法不補充電時，壽命將非常短，因此不適合作為儲存
電力的電池。
深循環式則適合經常充、放電，可用電力達到80%(額定容量)，比較適用於
太陽能發電系統。雖然是深循環式的設計，但使用較低百分比仍然會使壽命長
些，在每一個循環後若不能完全充電，此型電池將會永久損壞。現在許多電池
設計成密封式(sealed)，因為它們不需要保養、不會溢出及結凍，又能放置在各
種位置，因此太陽能系統要放置在野外或者不常去維護的地方，密封式電池是
不錯的選擇。
蓄電池
電池的接線示意圖
串聯式接法
單顆電池容量100A-H／6V，
總容量為100A-H／24V
(battery)
並聯式接法
單顆電池容量100A-H／12V，
總容量為400A-H／12V
並聯式接法
單顆電池容量100A-H／12V，
總容量為400A-H／12V
太陽能發電系統組件
直交流轉換器 ( inverter)
太陽光電板與蓄電池中的電力均為直流型式，必須由直交流轉換器將
直流電轉換成交流電，才能供應給一般電器設備使用。
轉 換 器 型 式：
有電池式直交流轉換器(inverter with batteries)
單體式轉換器，從蓄電池轉換出AC電力供電力設備使用。
切換型轉換器，除將DC電力轉換成AC電力外，並能在電池
蓄電力不足時，自動切換由電力公司、或者柴油發電機供電。
併聯型(同步)轉換器，屬多功能式(multifunction)轉換器，
後端輸出電壓、頻率與公用電力線完全一致，除了能供應
局部用電外，能將多餘電力回售給電力公司。
並聯式直交流轉換器(grid-tie inverter)
不配備蓄電池，通常具有最大功率追蹤功(Max Power Point Tracking
MPPT)，能從太陽能陣列或者風力發電機中獲得最大輸出，電力須與市電同步，
即電流、頻率、相位都與市電相同，才能與電力公司電力線併聯使用。使用同
步式轉換器的系統，將電力公司當成備用系統，當陽光足夠時，電力來自太陽
能，當超過所需時甚至可回賣給電力公司，計費方式只要安裝一個二次電表即
可。
太陽電池產能
根據統計，2006年全球太陽電池安裝規模已達1,744百萬瓦(MW)，市場規模正
式突破100億美元，而在產能上，2006年全球太陽電池產能 同樣已擴增至
2,204MW，較2005年成長33%。
至於台灣地區，2007年台灣太陽能電池廠商整體產值合計約達新台幣430億元。
一般預估， 2008年台灣太陽電池生產量將成長至1,148MW，產值超過新台幣
880億元，整體太陽光電產業產值更將突破新台幣1,000億元。
2008年全球太陽能電池產業產量預估 單位：百萬瓦
2006年產量
2007年產量
2008年目標
Q-Cells
253
398.2
565至590
夏普
434.7
363
N/A
尚德
160
360
545
Source :PHOTON International與各廠商，2008年2月
國內太陽能電池三雄茂迪、益通、昱晶。
太陽電池未來的發展
在1997年夏普所產出太陽能電池模組Cell的厚度約
為380μm，而到了2004年便已經降低到200μm左右，
2005年就已將Cell的厚度減少到180μm，在不久的將來
期望降低到100μm。這樣的技術進步，其所代表的意義
就是，能夠在同樣輸出功率和轉換效率的條件下，減少
了約40％左右的矽材料，而再進一步也就意味著太陽能
電池模組的成本能夠得以下降。所以預估，從同樣數量
昂貴的材料中，獲到更大產量是可以被期待的，根據計
算，如果技術依照這樣的速度發展，相信在2010年，利
用同樣數量的矽材料，所生產出來的Cell數量將會是
1997年的兩倍之多。
太陽電池未來的發展
提高「轉換效率／成本」比
如何降低矽材料使用的比例，利用球型矽作為次世代
材料技術已經被業者提出來研究，根據業者的預估，球型
矽材料太陽能發電系統預計在2007年以後，將可以達到實
用化的階段，而在矽材料使用量方面，僅有傳統結晶矽的
1/5左右，這對於矽材料價格日漸增加的情況，無非是令人
高興的事情。當然，如果要以降低矽材料使用量技術來看
的話，與結晶矽相比較，薄膜矽製程只需要1/100以下的使
用量，而CIS材料更是完全無須使用到矽，利用玻璃基板配
合薄膜製程便可達到發電的能力。但是，面對需求量與日
俱增的太陽能發電市場，並非只有材料成本這一項考慮而
已，轉換效率也是相當重要的，也就是說，能夠達到最高
的「轉換效率/成本」比，才是最佳的方法。