太陽光電發電系統於自來水...

中興工程季刊．第109期．2010年10月．PP. 93-101

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SINOTECH ENGINEERING CONSULTANTS,INC.

工程案例探討

太陽光電發電系統於自來水

淨水場之應用

朱玉亭*

摘要

有鑒於全球暖化問題及京都議定書，全球為降低二氧化碳排放量而努力，如何降低對石油及燃

煤的需求，將是一大課題。目前政府正積極推廣再生能源之利用，參酌日本現有自來水淨水場管理

模式，除可於淨水池池頂加設蓋板，確保淨水處理設施的安全外，更可於池蓋板上方附加太陽光電

發電設施，以發揮能源再生效能。本文將分別就太陽光電發電系統型式、國內外露天淨水場附設太

陽光電設施資料之蒐集、淨水場安裝太陽光電發電系統位置條件分析及所面臨之維護問題與可行對

策等步驟加以探討，並以新近完成之公館淨水場裝設實例，說明太陽光電發電系統於自來水淨水場

之應用，本案例計裝置 220W 多晶矽太陽電池模板 1176 片，6kW 直/交流電力轉換器 42 部，系統

裝置容量合計 258.72kW。

關鍵字：太陽電池模板、太陽電池組列、直/交流電力轉換器

一、前言

有鑒於全球暖化問題及京都議定書為全球努

力降低二氧化碳排放量之基本要求，因此如何降

低對石油及燃煤的需求，將是一大課題。目前政

府正積極推廣再生能源，並訂定公共工程於建設

時，須包含一定比例之工程預算設置再生能源設

施。其中，太陽能是各式再生能源中最穩定最易

取得者，而自來水淨水場一般皆為露天設置，且

廠區寬廣，正適合太陽光電發電系統設置。

經參酌日本現有淨水場管理模式，為利於露

天淨水場的安全維護，除加強巡查監控與緊急應

變作業外，亦可於池頂加蓋保護以防止不明物體

落入池內，確保淨水處理設施及水質的安全，更

可於池蓋板上方附加太陽光電發電設施，以發揮

能源再生效能。

二、太陽能發電設備型式系統之探討

（一）太陽能發電系統組成元件

太陽能發電系統之組成如圖 1 所示，主要包

括以太陽電池模板構成之太陽電池組列、直流接

線箱、直/交流電力轉換器（亦稱電力調節器或變

流器）、充電控制器與蓄電池、變壓器及交流配

電盤等，視系統形式（併聯型、獨立型、混合

型）而有不同之配備。另監測系統與展示系統等

* 中興工程顧問公司電氣工程部正工程師

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附屬設備則用以顯示日照量、發電系統之相關發

電資料，諸如瞬時發電量、每日發電量、累計發

電量、減碳量、日照強度及模組溫度等。主要設

備簡述如下：

1. 太陽電池模板

目前市場上，商用的太陽電池主要有單晶矽

電池、多晶矽電池、非晶矽電池、鍗化鎘電池、

銅銦硒電池等。依其生產製程、製造成本及轉換

效率等因素，現階段以單晶矽電池及多晶矽電池

使用較廣泛。一般而言，商用單晶太陽矽電池之

轉換效率約為 15~18%，單晶矽太陽電池模板之

轉換效率約在 13~15% 間；多晶矽太陽電池之轉

換效率約為 14~17%，多晶矽太陽電池模板之轉

換效率約在 12~15% 間，而非晶矽太陽電池模板

之轉換效率約在 6~8% 間。

圖 1 太陽能發電系統組成元件

其次，因太陽電池受光照影響，不同環境及

地區在同一太陽電池之發電效果可能不同，故為

評價及比較太陽電池效能，制定國際標準測試條

件為 AM 1.5、1000W/m2、25℃（AM：Air Mass

大氣質量）。在應用上，太陽電池模板應符合

CNS 15114、IEC 61215、UL 1703、IEEE 1262 及

JIS C8917 等國際標準規範認證方可採用。

2. 直/交流電力轉換器

直/交流電力轉換器是將太陽電池組列所產

生的電力轉換為與市電相同電壓與頻率的電源轉

換器，主要分為三種型式：

(1) 獨立（Stand-alone）型轉換器由電池供

電，產生方波或弦波型式的交流輸出，提

供獨立系統的用電，但無法與市電併聯。

(2) 併聯型（Grid-connected or Line-tied）轉換

器將太陽電池的輸出電能直接轉換為與市

電同步的弦波電流輸出，可與市電併聯，

但無法獨立供電。

(3) 混合型（Hybrid）轉換器，除了具備併聯

型的優點之外，可連接電池，對特定連接

的負載可提供獨立供電，具有不斷電系統

的功能。

目前市電併聯型系統使用最普遍，其性能及

功能要求相當多，一般包括：

具太陽電池組列之最大功率追蹤功能

高轉換效率＞90%

所有高次諧波功率之 Distortion＜5%

自動開／關機（白天／夜晚）

過負載保護、過溫度保護

體積小重量輕、可裝置於室外，具防

水、防塵功能

具電腦界面可遠端監控

具有防止 PV 系統單獨運轉（孤島效應）

之連線保護功能、高壓/低壓保護及高頻/

低頻保護

在應用上，併聯型直/交流電力轉換器須符

合 UL 1741、VDE 0126 安全規範測試認證及台

電公司之「再生能源發電系統併聯技術要點」規

定，具備系統低電壓保護、過電壓保護、低頻保

護、高頻保護及主動/被動單獨運轉防止保護等，

台電公司始認可採用。

（二）太陽能發電系統種類

世界各國目前太陽能發電系統之應用種類眾

多，以太陽電池組列之集光型式分類，主要可分

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為平板固定型系統、追日型（Tracking）系統、

聚（集）光（Concentrator）型系統；以系統電力

應用型式分類，主要分為獨立型、併聯型與混合

型系統；而以模組架設標的及型式分類，則分為

地面設置型、屋頂（Roof-mounted 或 Roof-top）

型、與建築結合型（或稱建材一體型，BIPV

型）、非建築結構型（Non-building Structure）等

系統；以系統規模分類則分為分散式、小型系統、

集中式大型系統、超大型系統（VLS-PV）等。

上述分類方式是以不同訴求進行系統分類，

但就系統應用上，以系統電力應用型式之分類為

主。簡要說明如下：

1. 獨立型系統

獨立型系統為單獨供應負載所需的全部電

力，並不與電力公司的配電網路作併聯的系統。

由於在夜間或雨天 PV 系統無法產生電力，因此

必須加入蓄電池組，儲存適當電力以作為電源輔

助或穩定之用。依負載型式可分為直流型及交流

型，系統構造如圖 2 及 3 所示。主要應用於電力

輸配線不及的偏遠地區，如人口稀少的山區或離

島，其次亦常應用於道路標示、資訊顯示板或路

燈等。

2. 併聯型系統

併聯型系統即是與電力公司的配電網路併

接，如圖 4 所示。目前市電併聯系統發電效率高

（因無蓄電池，故可採用高直流電壓設計），太

陽能發電利用率亦高（因最大功率追蹤功能可完

全發揮），也無需專人進行維護，是目前最為廣

泛使用的系統。惟當市電停電時，為安全考量，

併聯型系統需自動停機以避免孤島效應之發生，

將同時造成用戶無電可用。

3. 混合型系統

混合型系統是為解決獨立型 PV 系統在面臨

陽光不穩定，造成負載有供電不穩或長時間斷電

之情形。基本上是結合太陽電池組列，及其他一

種以上發電方式之輔助發電機的共同發電系統。

輔助發電機可為風力發電機或柴油發電機，如圖

5 所示。在太陽電池陣列發電量不足時，輔助發

電機可以啟動提供負載用電並對蓄電池充電，以

備爾後之需。主要應用於 24 小時防災救災，如

救災中心、偏遠地區之政府機關等。

圖 2 獨立型系統–直流負載

圖 3 獨立型系統–交流負載

圖 4 併聯型系統

圖 5 混合型系統

三、國內外露天淨水場附設太陽光電

設施規劃之案例

目前於淨水場附加太陽能池蓋設施當以日本

最為普遍，例如橫濱市水道局小雀淨水場、大阪

府水道部村野淨水場等。太陽光電設施分別附加

太陽電池組列

充電控制器

放電控制器

蓄電池

直流負載PCU太陽電池

組列充電控制器

放電控制器

蓄電池

直流負載PCU

太陽電池組列

充電控制器

放電控制器

蓄電池

交流負載直交流轉換器

PCU太陽電池組列

充電控制器

放電控制器

蓄電池

交流負載直交流轉換器

PCU

太陽電池組列

直/交流電力轉換器

交流負載

太陽電池組列

直/交流電力轉換器

交流負載

太陽電池組列

充電控制器

放電控制器

蓄電池

交流負載直/交流轉換器

整流器

輔助發電機

PCU太陽電池組列

充電控制器

放電控制器

蓄電池

交流負載直/交流轉換器

整流器

輔助發電機

PCU

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在弧形池蓋及平板式池蓋上，並不特別考慮發電

效率，儘量於淨水場水池可用之空間內設置太陽

光電板，故造成部分光電板傾斜角度不佳，且部

分光電板有遮陰的問題。系統裝置總容量為

500kW，其中一次過濾池 100kW，二次過濾池

300kW，二次沉澱池 100kW。採用單晶及多晶矽

太陽電池模組，系統與市電併聯處為低壓 AC

200V，主要供電給泵浦、照明、空調使用，年發

電量為 421,180kWH。其系統之特點為：

池頂加蓋防止異物入侵及抑制藻類滋

長，附加太陽光電發電系統提供節能減

碳機能。

採用 FRP 及鋁製材質蓋板，質輕、耐候

性及耐酸鹼性優。

蓋板重量輕，人力操作簡易，日常維修

簡單。

太陽電池模板維修更換容易。

相關太陽光電設施如圖 6~8 所示。

圖 6 大阪府水道部村野淨水場

圖 7 小雀淨水場弧型蓋板配置

圖 8 小雀淨水場平板式蓋板配置

四、現階段太陽能發電與露天淨水場

安裝位置條件分析

太陽能發電系統之設置條件，應就下列原則

加以考量：

（一）事前調查

設計開始前，到現場做充分調查。

1. 地區規定的調查：如縣市對建築上的限制，或

不要引起鄰家、社區居民之間日照權的糾紛

等。

2. 環境條件的調查：設置處所是否有陰影、鹽

害、公害、積雪、結冰、雷害、自然災害及鳥

糞的危害等狀況。

3. 設置條件的調查：包含預定設置場所的調查、

建物的狀態、日照條件及材料搬入路徑。

（二）設計條件

1. 太陽電池陣列的方位角與傾斜角：

台灣位於北回歸線上，而北回歸線緯度為北

緯 23.5 度，所以架設太陽電池模板時，若非建築

整合型系統（BIPV），將板面設定為朝南仰角

23.5 度可以得到最大效益，且仰角設定應不低於

10°，否則無法充分獲得下雨時的自淨效果。

2. 太陽電池組列用構架

(1) 構架的材質：

構架的材質依環境條件與設計耐用年數來

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選擇。組列用構架很多都配合設置場所進

行設計、製作，盡可能使用鍍鋅鋼板標準

架台。有鹽害地區，應使用不銹鋼材質。

(2) 構架的強度：

構架強度的最低限度是必須能耐本身的重

量加上風的壓力。設置在屋頂上時，只要

用自身重量與風壓的最大荷重加以設計即

可。

五、露天淨水場太陽光電所面臨之維

護問題與可行對策

（一）維護問題與對策

一般而言，太陽光電發電系統所面臨的維護

問題，主要為太陽電池組列上之塵埃、油污、落

葉及鳥糞之積聚，造成部分太陽電池因光障礙，

而降低其效率與性能，甚至損壞。由於淨水場通

常鄰近河流，鳥類停駐於池旁及鳥糞污染情形較

常見。

為避免上述情形，太陽電池組列之傾斜角應

不小於 10°，以利雨水可發揮沖刷的效果；另如

鄰近工業地區或交通繁忙道路，一般的塵埃與油

膩之微粒混雜在一起時，有時需使用清潔劑清

洗。若為避免嚴重影響發電效率，可考量加裝自

動定時灑水沖洗裝置及增加維護保養頻度。其

次，防止鳥類及鳥糞污染，必要的時候可設置防

鳥的金屬器具，如防鳥刺等。

（二）維護與管理

1. 日常點檢

日常點檢主要以目視點檢方式進行，特別是

異聲、異臭、鳥糞、落葉等需加以注意及排除。

運轉初期的點檢頻率需較密集，通常每天巡視一

次，並視情況調整點檢頻率，但至少一週一次。

日常點檢項目如表 1 所示。

2. 定期點檢

定期點檢頻率一般依系統的規模加以訂定。

如系統裝置容量在 100kW 以下，定期點檢頻率

為每年二次，若系統容量大於 100kW，則建議以

每二月一次為宜。定期點檢項目如表 2 所示。

表 1 日常點檢項目

表 2 定期點檢項目表

點檢對象目視點檢測定試驗

太陽電池

組列

表面污垢、破損外部配線的損傷台架發生腐蝕、生鏽等接電線的損傷

開路電壓測定

（必要時）個別組列的串

列功率輸出

接續箱外箱腐蝕生鏽外部配線的損傷接電線的損傷、

電力調節器

外箱腐蝕、生鏽外部配線的損傷接電線的損傷運作時的異聲、異臭散熱通風口過濾器的阻塞

顯示部位之運作

確認

接地配線的損傷接地端子的鬆弛

接地電阻測定

六、公館淨水場淨水池頂加蓋及附設

太陽光電發電設施之應用

公館淨水場位於台北自來水園區，於民國

98 年間台北自來水事業處為防護水質安全而作池

頂加蓋，場址四周並無高大建築物遮陰情況下，

非常適合於池頂加蓋裝設太陽光電發電系統，除

可達到防護水質安全及減少二氧化碳之排放外，

點檢對象目視點檢項目

太陽電池組列表面污垢、破損外部配線的損傷台架發生腐蝕、生鏽等

接續箱外箱腐蝕、生鏽外部配線的損傷

電力調節器

外箱腐蝕、生鏽外部配線的損傷運作時的異聲、異臭散熱通風口過濾器的阻塞

接地配線的損傷接地端子的鬆弛

發電狀況依據指示計器與監測系統確認發電狀況是

否正常

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太陽光

電設施

預定處

亦兼具有節能、教育及休憩功能之意義。因此規

劃於淨水場之 3、5 號沉澱池頂及管理廊屋頂附

設太陽光電發電系統，覆蓋面積約 2,570m2。各

池體單元及管理廊屋位置如圖 9 所示。

圖 9 各池體單元及操作廊屋平面配置圖

（一）遮陰分析

本案池體基地高程為 GL＋11，而影響本園

區遮陰物體有觀音山（C 點）及鄰近建築物（D

點）等。本分析以日陰最長之冬至（12 月 22

日），針對 C 點及 D 點分析整日日陰情形，以

確認本太陽光電裝置是否會受到其日陰影響。

C 點高程為 GL＋43，若再加上樹高 7 公

尺，則高差為 39 公尺。D 點高程為 GL＋29.2，

其高差為 18.2 公尺。模擬分析結果如圖 10 所

示，遮陰情形如圖上斜線範圍，得悉太陽光電組

列裝置將不受日陰影響。

圖 10 遮陰分析圖

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（二）系統架構

本案系統架構圖如圖 11~12 所示，裝置

220W 太陽電池模組 1176 片、SMC 6000A 6kW

直/交流電力轉換器 42 部，裝置容量共 258.72

kWp，預估年發電容量約 186,542 kWH／年，約

佔該廠全年度用電量之 2.95%。併聯點為廠內

3.45 kV 匯流排，可對全廠供電，並節省由台電

供應之用電量並可降低契約容量。系統所產生電

力估佔其契約容量 8.9% 以下，所產生電力完全

供應廠內使用，不逆送到台電 69 kV 電網系統。

監測及展示系統架構如圖 13 所示。

（三）減碳效益檢討

1. 減碳基準

依據能源局公佈 97 年我國電力排放係數，

1kWH 發電時的二氧化碳抑制量為 0.636kg-

CO2/kWH；另單位面積林地二氧化碳固定量約

11.2 公噸/公頃/年，而平均單株二氧化碳固定量

約 7.5 公斤/年。

2. 環境貢獻效果試算

以估算之年發電量 186,542 kWH 估算，每年

二氧化碳減量約為 118.6 公噸，相當於約 10.6 公

頃森林面積或 15,820 株樹木之二氧化碳吸收量。

圖 14~16 所示為公館淨水場池頂加蓋暨附設

太陽光電發電系統實際應用情形。

圖 11 電力系統架構圖

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太陽光電資料蒐集系統

圖 12 太陽光電發電系統架構圖

圖 13 監控及展示系統架構圖

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圖 14 公館淨水場太陽光電發電系統實況

圖 15 機房配置

圖 16 資訊顯示板

七、結論

工業革命造就了今日依賴石化燃料的現代文

明，也帶來了地球的環境危機。擺脫石化燃料，

發展再生能源取代石油是人類唯一的活路，同時

也是為了確保供電安全與避免過多的依賴進口能

源。

自來水淨水場場址開闊，在尋求淨水設施及

水質安全提升，淨水池加蓋附設太陽光電設施，

正符合再生能源設置的精神。加以政府正積極推

廣設置再生能源系統，其中，最直接的政策就是

在各公共工程建設中規定再生能源工程經費需佔

一定之比率（按民國 99 年之規定為 6%）。因

此，在指日可待的未來，不論是車站、高速公路

邊坡、廠房及農舍屋頂、乃至於大樓外牆…等

等，相信處處均可見到各式太陽光電發電系統，

以及一望無際的太陽光電發電廠。

參考文獻莊嘉琛（2007）太陽能工程－太陽電池篇，全華科技圖

書公司國際能源總署編著、劉安平譯（2003）光伏電池在建築

物上之應用－建築師與工程師的設計手冊，科技圖書

公司沈輝、曾祖勤（2008）太陽能光電技術，五南圖書出版

公司工業技術研究院（2008）太陽光電能源應用簡報關曉光、吳鴻耀（2008）淨水場池頂 FRP 蓋板暨附設太

陽光電設施技術訓練培訓報告，中興工程顧問股份有

限公司再生能源發電系統併聯技術要點（2009）台灣電力股份

有限公司 Deutsche Gesellschaft für Sonnenenergie（DGS）（2008）

Planning & Installing Photovoltaic Systems: A Guide for Installers, Architects and Engineers, 2nd ed.

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