太陽能簡介

蔡崇洲崑山科技大學電腦與通訊系

內容• 地球暖化與石油危機• 太陽能之現況• 太陽能之應用• 太陽能之維護• 結論

地球暖化與石油危機

大量開採

消耗殆盡

造成地球溫室效應

石油 天然氣 煤

地球暖化與石油危機

• 地球暖化 : 全球是否可以一致行動 ?• 石油危機 : 是否有足夠強的替代方案 ?

多種能源的來源

石油煤炭

天然氣

太陽能風力

小水力地熱能生質能

化石能源

新生能源

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

多種能源的可能來源

太陽每天照射到地表的能量，超過全人類 27~30 年的能源需求！

Source ： SolarMeets the Peak Oil Challenge, Ron Swenson, Solar 2006, July 2006.

各種能源的 CO2 排放量各種發電能源之 CO2 排放量

每 kW 的 PV( 太陽光電 ) 每年可減少 9 公斤氧化硫 ( SOχ ) 、 16 公斤氧化亞氮 ( NOχ ) 及 2300 公斤二氧化碳 ( CO2 ) 的排放（相較於礦物能源）。

資料來源：工研院太電中心

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 ~ 60,000 kWh 的電力。

太陽能熱水系統 (Solar Heating)

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。

太陽能光電 (PV)Photovoltaic Energy Systems 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。

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。

太陽電池構造與太陽光電發電原理

上電極 Electrode

抗反射層Anti-Refection Coating

n 型半導體n-Type Semiconductor

p 型半導體 p-Type Semiconductor

下電極 Electrode

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。

當陽光照射太陽電池時，陽光的能量會使半導體材料內的正、負電荷分離 ( 產生電子 - 電洞對 ) 。

正電荷 (Hole) 、負電 荷 (Electron)會 分 別 往 正 (P型 ) 、負 (N 型 )極方向移動並且聚集。

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 ) 。

負載

電流 Electric Current

+

-

光電池製造流程

矽晶 單晶柴氏長晶法

鑄錠

修角 晶圓切片

鑄錠模塊 多晶

抗反射底部形成接面形成 質材蝕刻

電極形成

光電池

太陽電池材料種類

Solar Cells

Silicon矽

化合物Compound

Nano & Organic

有機半導體

結晶矽Crystalline

非晶矽Amorphous

2 元素

3 元素

晶圓型

薄膜Thin Film

GaAs( 晶圓型 )

CdSCdTe 薄膜型

CuInSe2( 薄膜型 )

單晶矽Single crystal

多晶矽Polycrystal

單晶矽Single crystal

多晶矽Polycrystal

微晶矽μ-crystal

各種太陽電池效率發展狀況

太陽電池種類 半導體材料 cell 轉換效率

模組轉換效率

矽結晶矽

單結晶 ( 晶圓型 ) 14~24% 10~14%

多結晶( 晶圓型、薄膜型 )

10~17% 9~12%

非晶矽 a-Si 、 a-SiO 、a-SiGe

6~9%

化合物半導體

2 元素GaAs( 晶圓型 )

GaAs 18~30%  

CdS 、 CdTe 薄膜型 10~12%

3 元素 CuInSe2( 薄膜型 ) 10~12% 

有機半導體  7%

 

太陽電池種類 半導體材料 cell 轉換效率

模組轉換效率

矽結晶矽

單結晶 ( 晶圓型 ) 14~24% 10~14%

多結晶( 晶圓型、薄膜型 )

10~17% 9~12%

非晶矽 a-Si 、 a-SiO 、a-SiGe

5~8% 6~9%

化合物半導體

2 元素GaAs( 晶圓型 )

GaAs 18~30%  

CdS 、 CdTe 薄膜型 10~12%

3 元素 CuInSe2( 薄膜型 ) 10~12% 

有機半導體  7%

 

太陽電池的未來架構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。

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) 。

預測未來多接面的串疊型太陽能電池效率將可達 40% 以上。

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

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 %

從一塊 16W 光電板技術資料計算轉換效率 :

* 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

光電模組特性圖

不同溫度的電壓一電流特性圖 不同照度的電壓一電流特性圖

獨立型 (Stand-Alone) 太陽光電系統

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

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。

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

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) \ 避雷器 (surge protector) 直交流轉換器 (inverter ) 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

系統安裝之常見問題

• 地點選擇 :遮陰• 電池壽命• 耗材更換 : 太陽能板以外材料• 太陽能板效率維持 :老化、髒汙、溫度

結論

• 太陽能光電轉換效率到達 40% ，就會有足夠取代能力。

• 科技改變速度越來越快，可能性越高。• 期待未來更美好。

感謝聆聽Q&A