鈴木竜宏

第4章 太陽能發電系統

太陽能發電系統的分類

太陽能發電系統分兩大類，一類是獨立型系統，另一類是並聯型系統。獨立型系統又可分為兩大類。第一類是直接使用由太陽能電池陣列輸出的直流電，所以供電對象為使用直流電的設備（直流電系統），最常見的就是路燈或路標這類的裝置，而於發展中國家的無供電地區普及的SHS（由住宅用太陽能發電系統／太陽能電池模組、控制器、蓄電池、日光燈組成）則為典型的裝置。第二類則是使用在離島、山區等無供電地區的系統，是將直流電轉換成交流電使用。為了讓這兩套系統能在日光不足或夜間運轉，都必須利用蓄電池儲蓄電力。

並聯型系統可與商用電力系統連結，藉此買售電力。大部分的情況是在無法發電的夜晚與天候不佳、發電量不足的情況向電力公司購買電力，而輪到天氣晴朗或電費低廉時，就將多餘的電力賣給電力公司。日本家庭使用的住宅用太陽能發電系統以及公共設施、產業用太陽能發電系統，大多數都屬於這種系統。

●住宅用太陽能發電系統

住宅用太陽能發電系統屬於並聯型系統的其中一種，從太陽能電池陣列輸出的直流電力透過直流接線箱匯集至單一電線，再透過整流器轉換成與電力公司相同的交流電，然後由分電盤將電力提供給家裡的電器（電視、冷氣機這類家電）。如果電力還有剩，則透過分電盤逆向傳送回電力公司（售電），如果因天候不佳導致發電量不足，或是無法進行太陽能發電的夜晚，則透過分電盤向電力公司購電。

●公共設施、產業用太陽能發電系統

這類太陽能發電系統的構造與家庭用的系統相同，但由於屬於大量消耗電力的設備，所以採用了商用電力系統（6.6kV），也因此必須視情況將電壓轉換成低壓的動力電源（三相三線式200V）或電燈電源（單相三線式200／100V）。與住宅用太陽能發電系統相較之下，公共設施、產業用太陽能發電系統的規模較大，而且必須依照使用目的多花心思設計。

●太陽能發電廠

德國或西班牙以及其餘歐洲各國已經制定了長期高價收購由自然能源產生的電力的「固定收購電價制度（Feed in Tariff）」，以德國為例，每1kWh保證以0.33～0.25€收購，且收購期間為20年（0.33～0.25€是2010年的價格，每一年都會重新調整）。採固定收購電價制度的各國為了能穩定地回收投資於太陽能發電系統的資金，皆大量興建了大型的太陽能發電廠。

日本的大型太陽能發電廠建設措施之一，就是由環境省（類似我國環保署）推動的「千瓦太陽能共同利用模式計劃」，其目的希望在每個地區導入1MW（1,000kW）的大型太陽能發電設備，藉此建構地區性電力分享的商業機制。

另一個「大規模電力供給用太陽能發電系統安定化實證研究（2006年～2010年）是由NEDO（新能源產業技術總合開發研究所）所實施的「新能源技術開發計劃」之一。這項計劃希望讓MW級的大規模太陽能發電系統的輸出得以穩定，以便建構能維護電力品質的電力系統以及輸出控制系統，同時驗證其穩定性。

太陽光與發電量的關係

●日射強度與發電量的關係

太陽能電池模組的輸出值（額定最大輸出值）是JIS規定的標準實驗條件所測量出的值，而所謂的標準實驗條件則是在日射強度1,000W/m2、大氣質量1.5、太陽能電池溫度25℃的意思。

雖然額定最大輸出值是依上列的實驗條件進行測試，但是太陽能電池模組的表面溫度以及太陽光的入射角度都會造成標準實驗條件與實際使用情況之間的落差。在前面的章節也已提過溫度愈高，電力輸出愈低，因此接下來本書要針對日射強度與發電量之間的關係進行說明。

太陽能電池模組通常是固定的平板，當太陽光與太陽能電池模組成直角時，太陽能電池可吸收最大強度的太陽光，但是每天早午晚或是春夏秋冬的太陽位置都不同，所以太陽能電池模組每天接收到的太陽能也不同。

●季節造成的發電量差異

日射量因季節而有所不同。太陽能電池的發電量與日射量成正比，而日本4月～9月的日照時間較長，11月～2月的日照時間較短，而且到了6月，日照時間因梅雨而短縮不少，也會導致發電量下滑。

●因區域情況所造成的發電量差異

日射量因地點而有落差，發電量也有所不同。以年度全天日射量的比較來看，東京為1,268kWh（m2．年）、而戈壁沙漠儘管緯度高於東京，但卻有1,701kWh（m2．年）（約東京的1.34倍），而撒哈拉沙漠更是高達2,685kWh（m2．年），足足是東京的2.1倍之多（意思是如果使用同一套太陽能發電系統，撒哈拉沙漠可以產生高於東京兩倍的發電量）。

●設置角度、設置方位所造成的發電量差異

太陽能電池陣列最好是能朝向正南方配置，不過太陽能電池陣列通常安裝在屋頂，所以必須配合建築物的位置與形狀調整安裝方位。

但即使太陽能電池陣列無法朝向正南方設置，也可選擇朝向南方（東南方或西南方）設置，才不會因為設置方向而使日射量的接收損失太多（與正南方相較之下，約有2～3%左右的損失），如果不得不朝向東方或西方設置，則應該盡可能地將傾斜角度調整成0（水平）（與正南方相較，仍約有10%左右的日射量損失）。

●天候與陰影造成的影響

太陽能無法在雨天或下雪的時候發電，但即使是晴天，太陽若是突然被雲層遮蔽，發電量也將大幅下滑。

如果南方蓋了高樓或種植了樹木，導致太陽能電池陣列受到陰影遮掩，同樣會使發電量下降（尤其冬季的陰影又特別長，發電量受陰影的影響更為明顯）。當然，太陽能電池陣列上方積雪時也無法發電。

發電量模擬軟體

簡易版的發電量模擬軟體可在輸入屋簷的方位、傾斜角度與太陽能電池陣列的容量（kW）之後，根據氣象廳公布的AMeDAS日射量資料計算該太陽能電池陣列的年度發電量，高階的發電量模擬軟體還可輸入設置場所的詳細資料（例如周圍的建築物與樹木的形狀），計算每段時間陰影造成的發電量變化。

如果希望約略地預測發電量，使用太陽能電池製造商提供的發電量模擬軟體就足夠了。

第4章 太陽能發電系統

太陽能發電系統的分類

太陽能發電系統分兩大類，一類是獨立型系統，另一類是並聯型系統。獨立型系統又可分為兩大類。第一類是直接使用由太陽能電池陣列輸出的直流電，所以供電對象為使用直流電的設備（直流電系統），最常見的就是路燈或路標這類的裝置，而於發展中國家的無供電地區普及的SHS（由住宅用太陽能發電系統／太陽能電池模組、控制器、蓄電池、日光燈組成）則為典型的裝置。第二類則是使用在離島、山區等無供電地區的系統，是將直流電轉換成交流電使用。為了讓這兩套系統能在日光不足或夜間運轉，都必須...

在2007年2月公布的第4次IPCC（政府間氣候變化專門委員會）評估報告裡明白指出：地球暖化是因人為溫室氣體的增加所造成；同時這份報告也推測，如果維持現況，21世紀末全球氣溫將上升4℃，將同時引發多重自然災害。另一方面，自工業革命之後人類賴以為生的化石燃料（煤炭、石油、天然氣）也將面臨幾近枯竭的局面。

在這樣的背景之下，環保且可以永續發展的可再生能源逐漸受到世人的矚目。特別是用來進行太陽能發電的陽光，更是十分可靠的能量。德國的聯邦政府全球環境變遷學術諮詢會（WBGU）預測21世紀末，太陽能將占總供給能量的八成。

近年來太陽能的普及十分顯著，屋頂安裝太陽能發電系統的日本住戶已累積至40萬戶，但比例仍偏低，僅占全國戶數的0.8%而已。另外，接駁至電力公司電網的契約容量為150萬kW（1.5GW），所推算出的發電量僅占日本全國電力需求的0.1～0.2%。

為了讓剛萌生新芽的太陽能發電系統得以迅速茁壯與普及，必須大幅加強各方戰力，使每個家庭都願意在屋頂上安裝發電系統。

透過本書的解說，即使是之前不太熟悉相關技術的讀者也能輕鬆地理解太陽能發電系統的原理。特別是長期從事太陽能發電系統開發的讀者、打算投入太陽能發電系統安裝業這一種新興產業的讀者，或是想於自家屋頂設置太陽能電池時了解更多細節（包括太陽能發電的施工在內）的讀者，本書都能根據不同的個人需求提供最適當的內容與知識。

第Ⅰ篇將討論地球環境的惡化、資源的枯竭與太陽能之間的關聯，並說明太陽光與太陽能電池間的關係，帶領讀者了解太陽能發電的原理，進而延伸介紹太陽能電池的種類與特徵。

第Ⅱ篇則從解說設置太陽能發電系統屋頂的特徵開始，並詳細地說明施工所需的準備、設計、安裝、試用的工程步驟。

第Ⅲ篇則從施工業者推廣業務的角度，以獨立電源的觀點介紹太陽能發電系統，結尾則描繪太陽能發電系統的未來遠景。

全世界的太陽能發電系統在近10年來，以每年平均增加50%的安裝率，呈現令人驚訝的高成長率。但即使如此，還是只占全世界發電量比例的0.1～0.2%左右，估計今後應該仍有相當的成長空間。

本書的前身是透過前述的舊株式會社工業調查會於2008年7月發行，這次由Ohmsha公司再版，更新了部分的資料。在此誠心感謝於出版之際給予萬般協助的Ohmsha出版社各相關人員。

2011年4月

小西正暉

在2007年2月公布的第4次IPCC（政府間氣候變化專門委員會）評估報告裡明白指出：地球暖化是因人為溫室氣體的增加所造成；同時這份報告也推測，如果維持現況，21世紀末全球氣溫將上升4℃，將同時引發多重自然災害。另一方面，自工業革命之後人類賴以為生的化石燃料（煤炭、石油、天然氣）也將面臨幾近枯竭的局面。

在這樣的背景之下，環保且可以永續發展的可再生能源逐漸受到世人的矚目。特別是用來進行太陽能發電的陽光，更是十分可靠的能量。德國的聯邦政府全球環境變遷學術諮詢會（WBGU）預測21世紀末，太陽能將占總供給能量的八成。

近...

第Ⅰ篇 何謂太陽能發電系統？
第1章 地球環境與太陽能發電系統
第2章 太陽能與太陽能發電
第3章 太陽能電池的種類與特徵
第4章 太陽能發電系統

第Ⅱ篇 太陽光發電系統的設計與施工
第5章 屋頂的基本知識
第6章 太陽能發電系統的安裝準備與設計
第7章 施工、試運轉、驗收

第Ⅲ篇 各式各樣的太陽能發電系統
第8章 做為獨立電源運作的太陽能發電系統
第9章 太陽能發電的未來樣貌

第Ⅰ篇 何謂太陽能發電系統？
第1章 地球環境與太陽能發電系統
第2章 太陽能與太陽能發電
第3章 太陽能電池的種類與特徵
第4章 太陽能發電系統

第Ⅱ篇 太陽光發電系統的設計與施工
第5章 屋頂的基本知識
第6章 太陽能發電系統的安裝準備與設計
第7章 施工、試運轉、驗收

第Ⅲ篇 各式各樣的太陽能發電系統
第8章 做為獨立電源運作的太陽能發電系統
第9章 太陽能發電的未來樣貌