太阳光电发电系统装设方式

李大同

由于温室效应的冲击，再生能源的利用已成为国际间解决二氧化碳排放问题的方法之一。其中尤以太阳光电发电系统(PV系统)与风力发电系统，被视为再生能源技术中成长最快的主力。有鉴于此，国际能源总署(IEA)于1999年成立Task 2 团队，藉由PV效能料库(Performance Database)的建立提供外界免费技术信息，来作为PV系统运转、效能、可靠度及成本之研究。目前已有20个国家，460套PV系统(总容量15MW)的高质量数据纳入此数据库中。
! w6 M9 R1 B8 f此数据的取得及IEA的监测数据将可协助本计划的进行。这些PV系统根据其装设型态(mounting types)的不同可被分为斜屋顶系统、平屋顶系统、墙面系统及遮阳系统。
+ K2 A/ y6 C9 T斜屋顶系统又可分为斜屋顶上与斜屋顶下系统。IEA PVPS数据库中的PV系统架设方式主要就是斜屋顶与平屋顶系统两类。对于斜屋顶上系统来说，PV模块是架设在既有屋顶外皮上的金属结构，此通常是最具成本效益的选择，因为它的安装及材料价格都很便宜。然而，它的缺点是所有的零件(包含金属框、接头、电线)都会曝露在恶劣天气之下，压力及吸力也会作用在PV模块上。而对于斜屋顶下系统来说，PV模块放置并替换传统屋顶外皮，整个屋顶表面或一部分表面以模块来覆盖。此时PV模块有两个功能：发电及耐风雨。为了避免湿气在模块背面形成凝结危害屋顶，模块后面要有足够的通风能力。然而，斜屋顶限制了PV模块的方向和倾斜度。因此，在开始PV系统设计之前必须先检查此屋顶的适合性。
平屋顶系统也可再分为平屋顶上与平屋顶下系统。平屋顶上系统其模块是安装在既有屋顶表面上的金属框架，其优点是模块的阴影可以减少屋顶的热负荷，因此可以拉长它的功能寿命。平屋顶上系统让我们在设计PV系统时多了很多自由度：通常可以让它们精确地面向南方，而倾斜角可以作最佳之安排。台湾的PV系统装设大多属于此类。然而，在平屋顶上工作要非常小心，因为屋顶薄膜很容易被损坏，而导致漏水。平屋顶下系统是PV与屋顶结合的装设，其结果是PV模块有很平的倾斜角及很高的模块温度，此表示太阳照度及发电量都会较低。此外，较差的自我清洁能力会使得模块变得很脏，所以必须常常清洁它们。
墙面系统可分为墙面前系统及墙面后系统。PV模块可用在墙面之前，然而，与模块表面斜率可设在最佳倾斜角的情况相比，其相对的日照量及发电量都较低。而在墙面之后安装PV模块有其优点：如果较贵的墙面组件，例如石板或不锈钢，以PV模块来替代，此只会增加很少的成本，从经济的眼光来看，会使得系统更具可行性。而PV模块提供庞大的设计可能性，它们可以以任何形式及大小制造，并提供一般玻璃所有视觉与功能上的特性。因此PV组列可满足三个功能：发电、外部包裹(天候防护、隔热等)及当作营销手段。
3 u* H- r0 {: `+ G+ pPV遮阳系统是将外置的太阳遮蔽设备与PV发电系统结合。太阳遮蔽设备提供日照的保护，而PV需要太阳，这看似冲突的功能可以被结合，因为两者都需要与太阳间保持最佳方位。PV遮阳系统特别具有效益，因为太阳遮蔽设备是很贵的设备，此因追日系统的建造及技术都相当昂贵。如果提供遮蔽功能的玻璃或金属组件被PV模块所取代，对总成本的增加将不会太大。此外，最佳的倾斜角及很好的通风可确保PV模块可发很多电。因此，从经济的眼光来看，PV遮阳设备是相当有趣的。
IEA数据库中的国家以德国、日本及瑞士为大宗。在这些系统中，斜屋顶系统占了48%；平屋顶系统占45%；而墙面系统占6%。
2 U" l6 W! v6 V* d+ G! _" w从以上的讨论可知，由于不同的装设方式，其装设角度与通风设计不同，在同样的太阳日照强度下，会造成不同的垂直日照量与模块温度，进而影响系统的发电效能。尤其目前PV系统的装设方式已渐渐朝向建材一体型的设计，以增加其经济效益与美观。然而，建材一体型的PV设计其背板的通风空间通常有限，而使得模块的温度过高，影响其发电量，甚至烧毁模块。因此，PV系统设计时，其模块温度的预测就显得相当重要。模块温度将和日照量、户外温度、通风情况、风速、甚至风向有关。