太陽能電池模組最佳化組態與產出電能評估

實際裝設太陽能電池模組，需考量最佳化太陽能電池模組裝設角度，以獲得最大化的日照量。DuPont

太陽能發電應用需求日殷，在全球能源短缺的持續惡化下，尤其是主流的石化燃料價格波動，已經間接影響日常使用的石化燃料、電力能源的取得成本，影響民生生活甚鉅。利用太陽能進行發電，為達到更高的發電效能、降低組裝成本，將太陽能電池採模組化設計，亦可快速因應裝設環境需求進行裝設調整...

目前使用的太陽能型態，針對一般民眾的裝設需求，可能在高效能或開發中的高光電轉換效率材料取得不易，其產製成本也相對較高，目前在商用或民用太陽能發電用途的太陽能電池，主要有非晶矽與晶矽兩大類。

其中，非晶矽材料產製之太陽能電池，因為發電的效率受限於材料本身的光電轉換效率較低落，自然其電池由太陽光取得的太陽能源功率，也相對較低，加上非晶矽材料在長期運轉下的壽命遠低於晶矽製成之太陽能電池，因此，在中型或大型的太陽能發電系統使用的數量少許多，但在要求更低建置成本的發電需求，仍有一定程度的使用需求量。

矽基太陽能電池 為目前發電應用主流

在非晶矽的太陽能電池方面，大多會用於計算機、手電筒，甚至採行屋瓦或帷幕牆體設計，但多數仍非太陽能發電的主流產品，本文將不會針對此多做介紹。多數強調可作為輔助能源用途的太陽能發電材料，大多會以晶矽系列產品產製的太陽能電池為主，搭配模組化設計因應一般發電需求的便利裝設設計方案，這也是本文將討論的設計重點。

以晶矽為基礎材料製作的太陽能電池，目前量產、可應用的太陽能發電設計方案，主要分為單晶矽(Single-crystal silicon)與多晶矽(Multicrystalline Silicon)兩大類。

單晶矽製成之太陽能電池的效能表現較佳，單晶矽材料的太陽能電池，在實驗室進行的光電轉換效能測試可以達到高達24%以上的轉換效能，但若是量產的市售太陽能電池模組，單晶矽太陽能電池模組的光電轉換效率約在15%~18%之間。

至於多晶矽材料的太陽能電池，在實驗進行的晶片光電轉換測試，其光電轉換效率多可達到18%~20%上下，而一般市售的量產太陽能電池模組，其光電轉換效率約可在14%~15%左右。

若是以相同的太陽能發電功率需求，在相同的發電功率要求下，單晶矽可使用略小的面積完成太陽能發電目標，反而多晶矽材料的太陽能電池所需要的電池裝設面積，就會略大於單晶矽的太陽電池模組。實際若以矽基之太陽能電池模組來評估，一般裝設1kW的太陽能發電環境，其太陽能電池模組(板)約會佔用10平方公尺的裝設環境。

太陽能電池輸出電功率 並非實際投入發電的最大能效

基本上利用太陽光進行發電，雖然太陽的能源可以說是源源不絕，但日照總會有白天與黑夜之分，太陽能電池進行光電轉換的基礎為必須有「光」的照射，在夜間太陽能電池可以說是無用武之地，至於陰天或是雨天，太陽能電池可輸出的能量可以說是微乎其微，因為日照較晴朗天候少許多所致。

再來觀察太陽能的發電原理，在矽晶的半導體材料表面，接收了太陽的日光照射後，於半導體的P/N之正/負離子分離後，進而產生電流。至於矽晶片可以視電池模組所需要的輸出能量需求，採串聯或並聯形式進行整合與連接，搭配外框與保護玻璃的設計進行組合，即可建置不同功率輸出的太陽能電池模組(光電板)的模組化架構材料。

而觀察一般太陽能電池模組，所標示的電功率若為100、120W時，其實在真實的使用情境下，太陽能電池的發電額定輸出並非放在太陽底下，就會輸出100%額定的輸出能量，因為實際使用時會因日照的強弱、光線入射角的不同，現場天候的狀態而影響輸出，僅有在環境因素最佳化的狀態下，才有可能出現太陽能模組標定的額定最大輸出電功率。

正由於日照是隨著環境、時間、季節而有極大的變化，電池模組業者的評定標準，為利用一個標準條件要求下進行的電池模組輸出性能評估，進而產生可以比較的產品功率基礎。

評估太陽能電池模組的發電能效

以太陽能電池模組的輸出電功率標準，一般以ASTM E1036為基礎進行量測，常用的評估基準還有IEC 60904-1、IEC 61724、IEC 61829、ASTM E2527、ASTM WK22009等國際標準可供參考。但對太陽能光電模組的輸出評估，仍會以ASTM E1036測試環境要求為多，即以溫度25°C於AM1.5頻譜下，搭配1,000W/m²的模擬日照能量進行持續照射，所取得之太陽光電池模組單位面積得出之輸出能量，至於在太陽能電池模組裝設的戶外條件，肯定不會有實驗室ASTM E1036測試環境要求水準條件，加上太陽能量本身即是隨時變動的狀態，太陽能電池模組的實際輸出肯定會與標示之額定功率不同。

以台灣的裝設環境為例，台灣實際的位置在北回歸線附近，地理位置之緯度為在22~25度之間，在實際安裝太陽能電池模組時必須將模組的水平仰角與當地相同，搭配光照面朝向正南進行裝設，即可令太陽能電池模組達到全年吸收日照能量的最大值，自然可以較其他方位取得最大的能量產出。但固定式裝設模式，仍會較主動式追日系統整合的太陽能電池設計方案，要來得低一些。

太陽能電池模組之實際系統發電量

雖然採用太陽能潔淨能源，目的在於減緩溫室效應與節約經石化或核能產出的能源應用，太陽能仍屬輔助性質的能源應用為主，但即便如此，針對太陽能電池模組的能源產出，也必須精算評估其最佳應用效益，其中除裝設成本外，最關鍵的數據即太陽能電池模組的發電量。

在進行發電量推估前，先前也提過，光看太陽能電池模組提供的額定功率標示並不可靠，最多作為同級產品裝設選用前的比較參考，實際上太陽能電池的發電能量，主要是依據當地的日照狀態而有所差異，以台灣的環境為例，南、北因為天候表現大不同，發電產出也會有極大的差異。

實際推估時，必須先觀察裝設環境當地的日照量，再以台灣日照量為例，即等同於太陽能電池模組之額定發電量的2~4.5小時不等，且由南而北日照量會逐北產生遞減狀態。台灣北部約太陽能電池模組的2~2.5小時左右，台灣中部的太陽能電池發電量約為電池之額定功率之2.5~3.5小時左右，至於台灣南部的裝設條件較佳，約在太陽能電池額定功率的3~4.5小時左右。

日照量的差異，可利用精密器械進行推估，例如採行日射儀量測或自氣象局的偵測統計數據進行分析與查詢，均可取得相對精確的日照評估基準。而在取得日射量的詳細資料後，就可以進行日平均發電量的精確評估。例如，裝設環境的日射量若等效於2.5小時，裝設環境設置了20kW的太陽能電池發電系統，那換算成每日的太陽能電池平均發電量可有2.5(小時) × 20kW = 50kWh(度)(1度等於1kWh)。

針對太陽能電池發電特性 進行最佳化裝設要求

而實際進行太陽能電池模組的環境裝設時，需注意幾個關鍵問題，例如：裝設需避開陰影、太陽能電池板儘可能面朝正南、傾斜角度設置條件最佳化，與選用較佳之電力線材等條件，以進行最佳化設置，儘可能提升太陽能電池模組的發電條件，讓電池模組的光電轉換效率達到最高表現，自然太陽能電池的發電輸出也能相對提升。

在裝設環境方面，由於太陽能電池模組主要為透過日照產生電能，若模組之日照面有建築或樹產生的陰影，也會令該太陽能電池模組的輸出電能產出受到影響。安裝時應該選擇頂樓或是無陰影之空曠處。

而為了達到入射日照的能量最大化，若採固定型態的裝設環境，仍須注意太陽能電池的裝設角度，應儘可能與最大日照時段的入射日光與電池表面產生垂直，達到最有效的光電轉換過程。至於固定式系統設計，太陽能電池模組會以當地的緯度加上15度上下微調作為模組面板的傾角，實際裝設需視當地實際環境而定。此外，電力線若選了阻抗高的劣質電源線路，在傳輸過程也會造成電力損耗，必須選擇較佳線材，以維持最有效能源傳輸與儲存。