窗戶型太陽能導光模組——獲頒遠見雜誌第2屆環境英雄獎

▓撰文：林暉雄、林俊廷、許沁如 ▓圖片提供：工研院

創新設計「窗戶型太陽能導光模組」，以特殊微米結構的太陽能導光板收集太陽光並進行太陽能發電，可降低太陽能電池的使用率與發電成本，且具有全透明與長時間發電的特性。該技術與花博流行館的設計團隊和工研院綠能所智慧電表的設計團隊，同時獲頒遠見雜誌第2屆環境英雄獎技術創新類。

「再生能源發展條例」三讀通過，為我國再生能源發展立下重要里程碑，也宣示政府扶植台灣再生能源產業的決心。條例通過後估計可為國內太陽能產業和風力發電產業創造新台幣3千億元的商機，雖然其中建材整合型太陽能電池（Building-Integrated PhotoVoltaic, BIPV）的產值只占太陽能產業總產值的一小部分，但卻是和民眾生活息息相關的技術，本文介紹應用於BIPV上所研發出來的成果，並針對其原理、特性及發電成本做進一步的分析與探討。

創新思維的設計

建材整合型太陽能電池（BIPV）的定義為：以太陽能光電材料取代建築物的建材，使建築物本身可以進行太陽能發電。由於在建築物設計的初期就將太陽能電池整合於建材之中，例如：外牆磁磚、玻璃帷幕和屋瓦等，可使建築物達到整體設計的美感，加上在施工期間可將太陽能電池部分材料成本攤提至建材的費用之中，例如玻璃，因此可大幅降低太陽能電池的成本，所產生的電力不但可供建築物本身使用，剩餘的電力還可轉賣給市電公司，這些因素使得BIPV成為未來發展最快速的太陽能電池技術之一。

傳統玻璃帷幕於BIPV上的應用採用的是薄膜太陽能電池技術，但卻有低光電轉換率（6～8％）、低發電量和低穿透率（10～30％）等缺點；傳統外牆磁磚和屋瓦於BIPV上的應用採用的是矽晶太陽能電池技術，由於矽晶太陽能電池具有不透光的特性，所以無法用於玻璃帷幕上，但矽晶太陽能電池比起薄膜太陽能電池具有高光電轉換率（14～16％）及高發電量的特性，因此為現有市面上使用量最大的太陽能電池技術。工研院機械所結合薄膜太陽能電池和矽晶太陽能電池的優點，開發出「窗戶型太陽能導光模組」技術，以太陽能導光板集光的方式，將大角度入射的太陽光引導至導光板側面的矽晶太陽能電池進行太陽能發電，如此可以達到全透明、長時間發電和低發電成本的效果。

平價太陽光電時代將來臨

窗戶型太陽能導光模組是由一太陽能導光板和一長條形矽晶太陽能電池所組成，該太陽能導光板上具有微米（um）的結構，對於小角度入射的環境光不影響其穿透率（＞90％），達到幾乎全透明的效果；對於大角度入射的太陽光，光會偏折一小角，因而進入太陽能導光板中傳輸，最後會被收集至太陽能導光板側面的矽晶太陽能電池進行光電轉換，如此可降低太陽能電池晶片的使用率，因而降低系統的成本。太陽能導光板可視為具有一隱形的遮陽棚，遮陽的同時又不影響景觀的透視度，遮陽的特性還可降低室內空調的耗電量，進一步達到節能減碳的效果。

中午當太陽光以仰角80度入射至窗戶時，1平方公尺的窗戶型太陽能導光模組可產生23W的電力，所使用長條形矽晶太陽能電池的面積卻只有0.048平方公尺，與無太陽能導光板設計和使用相同晶片面積（0.048平方公尺）的直立式太陽能電池做比較，其發電量可以大於10倍以上。考慮窗戶面南的情況下，由模擬的結果發現，從上午8：30分至下午的3：30分，其導光效率仍然可維持在一穩定值以上，因此設計團隊估計在不需追日系統的情況下，1天有效的發電時間約為7小時。此外隨著季節的變化，太陽仰角位置也會跟著改變，經過進一步分析中午太陽仰角位置的變化對於其導光效率的影響，由模擬結果可知，當太陽仰角位置從80度變化至60度時，其發電量仍可維持一穩定值以上，因此估計在不需追日系統的情況下，1年有效的發電時間約為半年（春天至秋天），其他時間若要進行太陽能發電，就要進行窗戶角度的微調，估計1年只需進行2次窗戶角度的微調，因此該模組將窗戶設計成水平旋轉軸開啟的方式，可做為季節性窗戶角度微調的用途。

由於可將玻璃材料和人工安裝的成本攤提至建材和施工的費用中，所需成本因此可大幅降低。首先將具有微米結構的光學膜片貼於玻璃上，並將長條形矽晶太陽能電池封裝於窗框之中，最後再進行配線的工作，即可完成太陽能發電系統的安裝。1平方公尺具有微米結構的光學膜片（含光學背膠），其市售價格約為5美元，而1平方公尺窗戶型太陽能導光模組所需的長條形矽晶太陽能電池的面積為0.048平方公尺，其市售價格約為18.4美元，考慮20年的使用時間，光學膜片需更換4次，而長條形矽晶太陽能電池只須安裝1次，計算其總成本為38.4美元；進一步計算1平方公尺窗戶型太陽能導光模組1天的總發電量約為0.18度電（kWh），考慮1年的有效發電時間為200天，20年的總發電量約為720度電，將總成本除以總發電量可以換算成太陽能的發電成本，計算後約為0.05美元╱度電，以現在台灣的市電價格約為0.1美元╱度電，其太陽能的發電成本可降至市電成本的二分之一，預計該技術將是最快達成市電平價（Grid Parity）的太陽能光電技術之一，且未來將參與經濟部能源局的大型能專計畫，進行智慧綠建築整體的設計、規劃與測試的工作，預計2至3年相關產品將可問世，前景可期。

結語

在全球面臨能源短缺之際，開發綠能技術成為各國政府努力的方向之一，「窗戶型太陽能導光模組」技術除了具有全透明與長時間發電的特性，還可進一步降低太陽能的發電成本，有助於加速市電平價時代的來臨，此時太陽能光伏（PhotoVoltaic）市場將快速起飛，並可增加台灣太陽能光電產業的投資金額與就業人口。（作者為工研院機械所先進製造核心技術組研究員）

＜科技小辭典＞太陽能電池光電轉換率

將太陽能電池置於標準太陽光（照度為1,000W╱m2）底下照射時，且太陽能電池的表面溫度為25℃的情況下，太陽能電池將太陽光的光能轉換成電能的能量轉換率，當數值越高，表示其能源使用率和發電量也越高。