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太陽能

Created Sun, 19 Apr 2026 00:00:00 +0000 Modified Sun, 26 Apr 2026 14:23:09 +0000
Languages 華語
在過去10年內，太陽能成本降幅最大、新增裝置容量速度最快的發電技術別，而在能資源消耗、光電轉換效率、可用壽命等各項技術指標中，也都有不錯的發展。在未來30年，太陽能在電力系統的佔比持續增加，是能源轉型的關鍵技術別之一。
太陽能 再生能源
10093 Words 8 min
Solar photovoltaics is ready to power a sustainable future


太陽能發電技術各種參數的演變趨勢和未來預測。詳見：“Solar photovoltaics is ready to power a sustainable future”，Joule第5期，Marta Victoria等，2021年3月。

The momentum of the solar energy transition


In 2020, fossil fuels produce 62% of electricity. This percentage reduces to 21% in 2050, with solar responsible for 56% of production.

太陽對地表輻射種類與量級

直接與間接太陽輻射的季節性與緯度差異


不同氣候區的直接與間接輻射的佔比示意圖。


不同緯度直接輻射（S）、間接輻射（D）與總接收輻射（K）之變化。

雲層對太陽輻射的影響


在適當的雲層條件下，間接輻射甚至能讓現地接收到的日照輻射超過太陽常數。圖片來源。

太陽能預報與建模

相較於風能，太陽能電力輸出的經濟調度或更長時間尺度的預報準確許多。即使在單一案場的空間尺度中，因為主要需考量是太陽視運動軌跡與影響現地的中尺度天氣（mesoscale meteorology）條件，當代預報能力已經足夠可靠1。

目前較具挑戰性的為單一案場極短時間尺度的太陽能電力輸出不確定性。這些高頻的擾動主要來自小尺度天氣（microscale meteorology）中，雲層移動對可接收的直間接輻射的影響，沒辦法在中尺度天氣預報中推測，需要反應的時間尺度和空間解析度的需求，也不太能允許數值天氣模型的使用。


天泰能源在2020年6月21日日食事件後，分享的某太陽能案場現地日照數據。可以看到日照輻射的小時尺度變動性很明顯受到日食影響，但分鐘尺度有許多的劇烈的電力輸出擾動，這些擾動主要受到現地上空雲層移動軌跡影響。

針對極短時間尺度的電力輸出擾動，目前比較可行的預報方式為透過衛星圖像，即時判斷太陽能電廠附近的雲層位置和移動速度，並且據而判斷未來數分鐘內這些雲層對太陽能電廠的影響。而更短時間尺度的擾動，則可透過現地對天照片的即時分析或統計方法來達成。

數值模式和衛星雲圖是相輔相成的－衛星雲圖能提供即時雲量和速度追蹤，但無法直接預測長遠未來雲層的生成2；數值模式則適合較長時間尺度的天氣狀態，但對於短時間的變化就緩不濟急。一般而言，大於6小時的預報，適合以數值模式進行；小於1小時的預報則適合以衛星圖像進行；介於其中的時間尺度則各家有所長處。自然地，也有兩種模型混用，或者透過統計理論再做優化的預報方式。

太陽電能技術原理與種類介紹

太陽能板原理與電力輸出特性


A simplified cross-section of a silicon solar cell. Sunlight (orange) hits the solar cell and the light knocks electrons (blue) loose within the silicon material. Electrons that make their way to the electrical contact can then flow through an attached circuit, providing electrical energy. Source.

不論何種形式的太陽能板，其最基本單元都是一組P-N接面（P-N Junction，詳細介紹請參考半導體頁面）組成的半導體二極體（在太陽能產業中又稱為太陽能單元，solar cell）。當光能打在半導體二極體上時，會激發空乏層附近（depletion zone）較低能階的電子，使其成為自由電子，並產生相對應的電洞。此時自由電子受到空乏層電場之影響，會往N型半導體移動，而電洞則會往P型半導體方向移動。我們通常將此電流表記為光電流（photon current）\(I_{ph}\)，其約略和太陽能板上單位面積日照輻射強度成正比：\(I_{ph} = K_{PV} G_{SR}\)。

補充說明：\(K_{PV}\)求法

假設理想太陽能板上，所有能量大於能階差\(\varepsilon_G\)的入射光都能被半導體二極體有效吸收，則根據黑體單位表面積光能功率和光子通量的關係式，可以求出光電流為

$$ I_{ph} = \frac{30 \zeta(3) q A_{PV} G_{SR}}{\pi^4 k_B T_S} \int^{\infty}_{\varepsilon_G} f_n(\varepsilon, T_S) d\varepsilon $$

這裡的\(q\)為單一電子帶電量、\(A_{PV}\)為太陽能板上受太陽輻射的表面積、\(f_n(\varepsilon, T)\)則為黑體輻射中特定能量的光子數機率密度函數；而必須特別注意的是這裡的\(T_{S}\)指的是太陽表面的溫度。由黑體輻射相關定律與太陽常數推導一頁中我們知道

$$ f_n(\varepsilon,T) = \frac{1}{2 \zeta(3) (k_B T)^3} \frac{\varepsilon^2}{\exp\left(\frac{\varepsilon}{k_B T} \right) - 1} $$

利用變數變換\(u = \frac{\varepsilon}{k_B T}\)，可求出此式之積分為

$$ \int^{\infty}_{\varepsilon_G} f_n(\varepsilon, T) d\varepsilon = \frac{1}{2 \zeta(3)} \int^{\infty}_{\frac{\varepsilon_G}{k_B T}} \frac{u^2 du}{e^u - 1} = \frac{1}{2} \mathrm{Li}_{3}\left( \frac{\varepsilon_G}{k_B T},1 \right) $$

其中\(\mathrm{Li}_{\cdot}(\cdot, \cdot)\)為不完全polylogarithm函數（Incomplete polylogarithm）。由此可知對理想太陽能板來說

$$ K_{PV} = \frac{15 \zeta(3) q A_{PV}}{\pi^4 k_B T_S} \mathrm{Li}_{3}\left( \frac{\varepsilon_G}{k_B T_S},1 \right) $$

除了考慮量子效率（quantum efficiency）之外，一種修正上式\(K_{PV}\)的做法為考慮光子打入太陽能板刺激較低能階電子產生自由電子與電洞後，這些自由電子與電洞可能會在離開太陽能板以前就回到原來的狀態（即帶電載體再結合carrier recombination）。

假設在N型半導體側，只有在離P-N階面的寬度為\(L_p\)處產生的光電洞能有效移至P型半導體區域、在P型半導體側，只有在離P-N階面的寬度為\(L_e\)處產生的自由電子能有效移至N型半導體區、而自由電子和電洞在半導體內移動單位距離過程再結合的機率為\(\alpha\)，則上述之\(K_{PV}\)需要乘上係數\(1 - e^{-\alpha(L_p + L_e)}\)。考慮太陽能板的反射率\(R_{PV}\)則尚需再乘上係數\(1-R_{PV}\)。

現在，假設此半導體二極體和一電容串接，上述情況會逐漸讓電容兩端累積電荷，產生一電壓。參考 半導體 一頁的相關介紹，可知此一電壓作用在P-N介面上時，會讓自由電子傾向往P型半導體漂移、電洞往N型半導體漂移。此電流和光電流方向相反，通常表記為暗電流（dark current）\(I_{d}\)。

由半導體二極體的電壓－電流關係，暗電流可由以下式子表達：

$$ I_d = I_{0} \left(\exp \left(\frac{eV}{\eta k_B T} \right) - 1 \right) $$

因此，如果將暗電流的方向定義為正，則半導體二極體的實際電流可以寫成

$$ I = -I_{ph} + I_d = -K_{PV} G_{SR} + I_{0} \left(\exp \left(\frac{eV}{\eta k_B T} \right) - 1 \right) $$

在\(V=0\)時，系統有短路電流（short-circuit current）\(I_{sc} = -I_{ph}\)；在沒有電流、且接收自太陽的輻射夠強時，系統則有開路電壓（open-circuit voltage）\(V_{OC} = \frac{\eta k_B T}{e} \ln \left( \frac{K_{PV}G_{SR}}{I_0} + 1 \right) \approx \frac{\eta k_B T}{e} \left( \ln \left( \frac{K_{PV}}{I_0} \right) + \ln(G_{SR}) \right)\)。

所謂的最佳電力輸出運轉點（Maximum Power Output Point，簡稱MPPT或MPP），便是根據特定太陽輻射和溫度下太陽能板的電壓－電流特性所決定的。一般來說，太陽能板型號上標示的額定電壓會是開路電壓的一半，而最佳運轉電壓則會介於額定電壓和開路電壓之間。


太陽能板的電壓－電流關係（紅線）與對應的電壓－電力輸出關係（藍線）。灰線則是不同太陽輻射下MPPT的位置。取自維基百科。注意這張圖的電流正值方向和本文恰相反。

補充說明：最佳電力輸出運轉點求法

我們希望求出底下乘積的最大值：

$$ -VI = V \left( K_{PV} G_{SR} - I_{0} \left(\exp \left(\frac{eV}{\eta k_B T} \right) - 1 \right) \right) $$

對電壓微分，我們有

$$ -I - V \frac{dI}{dV} = K_{PV} G_{SR} - I_{0} \left(\exp \left(\frac{eV}{\eta k_B T} \right) - 1 \right) - \frac{e V I_{0}}{\eta k_B T} \exp \left(\frac{eV}{\eta k_B T} \right) $$

電力輸出有極大值時，上式需等於0。因此

$$ I_0 \left( \left(1 + \frac{e V_{MPP} }{\eta k_B T} \right) \exp \left(\frac{eV_{MPP}}{\eta k_B T} \right) - 1 \right) = K_{PV} G_{SR} $$$$ \left(\frac{eV_{MPP}}{\eta k_B T} + 1 \right) \exp \left(\frac{eV_{MPP}}{\eta k_B T} +1 \right) = \exp(1) \left( \frac{K_{PV} G_{SR}}{I_0} + 1 \right) $$$$ \frac{eV_{MPP}}{\eta k_B T} + 1 = W_0 \left( \exp(1) \left( \frac{K_{PV} G_{SR}}{I_0} + 1 \right) \right) $$$$ V_{MPP} = \frac{\eta k_B T}{e} \left( W_0 \left( \exp(1) \left( \frac{K_{PV} G_{SR}}{I_0} - 1 \right) \right) - 1\right) $$

其中\(W_0(\cdot)\)為第零型Lambert W函數。

注意\(\frac{\partial V_{MPP}}{\partial G_{SR}}\)以及\(-\frac{\partial I}{\partial G_{SR}}\)恆為正值。這讓我們有以下的MPPT演算法（即Incremental conductance法）：

  1. 首先確認\(t-1\)時是否達到MPP；亦即，觀測到的\(V_t\)是否和\(V_{t-1}\)相等。
  2. 如果\(V_t \neq V_{t - 1}\)，則在\(t\)時利用最新的兩個時間點的觀測，求出\(-I - V \frac{dI}{dV}\)在\(\frac{1}{2}(V_{t-1} + V_t)\)的數值近似：\(-\frac{1}{2}(I_{t-1} + I_t)- \frac{1}{2} (V_{t-1} + V_t) \frac{I_t - I_{t - 1}}{V_t - V_{t - 1}}\)。
    1. 如果\(-I - V \frac{dI}{dV} > 0\)則增加電壓；
    2. 如果\(-I - V \frac{dI}{dV} < 0\)則減少電壓；
    3. 如果\(-I - V \frac{dI}{dV} = 0\)（或者十分接近0）時則不改變電壓。
  3. 如果\(V_t = V_{t - 1}\)，則判斷觀測到的\(I_t\)和\(I_{t-1}\)的關係：
    1. 如果\(-I_t > -I_{t - 1}\)，代表太陽直接輻射增強，因此應該增加電壓。
    2. 如果\(-I_t < -I_{t - 1}\)，代表太陽直接輻射減弱，因此應該減少電壓。
    3. 如果\(-I_t = -I_{t - 1}\)（或者十分接近0），代表太陽能發電系統仍在MPP附近，因此不用改變電壓。


Incremental conductance法流程圖。https://se.mathworks.com/solutions/electrification/mppt-algorithm.html

不同種類的太陽能板

單晶型太陽能板


如何挑選太陽能模組技術？


單晶太陽能板是目前太陽能產業的主流。https://www.ise.fraunhofer.de/content/dam/ise/de/documents/publications/studies/Photovoltaics-Report.pdf


太陽能板的主要成份為玻璃、晶片、及鋁框

PERC型太陽能板－單晶型太陽能板的改良


傳統矽晶型太陽能單元中，各種光子無法轉換成光電子的原因。https://www.aurorasolar.com/blog/solar-panel-types-guide/


https://www.aurorasolar.com/blog/perc-solar-panel-benefits/


https://solarmagazine.com/solar-panels/topcon-solar-cells/

Sergey Fedorov (2026):

For most of the 2010s, PERC was the answer to the question “what’s the best solar panel?” It remains relevant, but its era of dominance is over.

多晶型太陽能板


如何挑選太陽能模組技術？

薄膜型太陽能板


如何挑選太陽能模組技術？


商用薄膜型太陽能板種類

新式單晶型太陽能板

Tunnel oxide passivated contact (TOPCon) solar cell

The TOPCon solar cell structure takes the base structure of the PERT solar cell but includes an ultra-thin silicon dioxide (SiO2) layer working as the tunnel oxide layer and replaces the back surface field layer with phosphorous-doped polycrystalline silicon (n+ Poly-Si) layer. These modifications have improved the efficiency by reducing the recombination process thanks to the passivation in the added layers.

目前（2026年春），TOPCon已經是主流太陽電能板種類。

Heterojunction (HJT) solar cell

HJT主要構成為單晶型太陽能單元搭配薄膜型常見的原料(a-Si)。如此一來，個別太陽能單元可以吸收的太陽光能得以增加。

Heterojunction solar panels work similarly to other PV modules, under the photovoltaic effect, with the main difference that this technology uses three layers of absorbing materials combining thin-film and traditional photovoltaic technologies.

The first photons arriving will be absorbed by the exterior a-Si:H layer, converting them into electricity. The majority of the photons, however, are converted by the c-Si layer, which has the highest solar conversion efficiency among the materials in the cell. The remaining photons are finally converted by the a-Si:H layer at the rear side of the module. This three-step process is the reason why monofacial HJT solar cells have achieved solar efficiencies of up to 26.7%.

N型太陽能單元 vs P型太陽能單元


以N型半導體組成的太陽能單元，在發電效率、老化速率、溫度對光電轉換效率的影響等等性能指標上，都優於P型半導體，相對地價格也較高（2026年春）。


N型太陽能單元已經主導太陽電能板市場，其中Top-Con技術是當前（2026年）的市場主流，但HJT正在崛起。圖片來源：Photovoltaics Report 2025，Fraunhofer ISE。

新式薄膜型太陽能板

至於新興的薄膜型太陽能板，目前前景最被看好的則是由光電轉換效率極高的鈣鈦礦太陽能單元（Perovskite solar cell）組成的模組。


新興薄膜型太陽能板種類

影響系統效率的因素

本段落之整理主要參考自Aurora網站的如下文章：

該文章呈現的損失量為Aurora太陽電能板發電量模擬的預設參數，個別案場實際數值自然不盡相同。

太陽能模組的現地條件

在 太陽直接輻射的天文模型 以及 考慮大氣質量之太陽直間接輻射模型與程式碼，我們已經說明太陽直接輻射、大氣散射和太陽能板的姿態對太陽能板能接收的輻射量有何影響。前面幾節也有討論對應的預報與建模方式。底下說明一些進一步影響太陽能板發電的現地條件。

  • 太陽能板的相互遮蔽
    當太陽能板有仰角時，除非沿著垂直板面法向量的平面逐步疊高架設太陽能板，否則因為板面會產生遮蔭，實際可架設太陽能板的面積會有所減少。現實中因為建築法規後工程結構安全等考量，規模較大的案場不可能完全沿著垂直板面法向量的平面逐步疊高架設太陽能板，因此遮蔽問題在仰角較大的案場會是很重要的限制參數。


    有仰角之太陽能板在特定太陽高度角時的遮蔽範圍。

    不過，在漁光共存或者農光共存的案場中，由於太陽能板的配置密度可能有限制，板列彼此間距可能較高，此時仰角增加造成的遮陰問題會較少，反而更應該盡量達到最適仰角，以提高案場經濟效益。

  • 局部遮蔽對串聯太陽能板的影響
    太陽能電廠中，通常會將數片太陽能板串聯，以提高電力輸出的電壓。然而這會衍生一個問題，即當同一條串聯列上，僅有部分太陽能板受到遮陰，造成各個太陽能板的電壓－電流曲線不一時，MPPT控制器對於最佳電力輸出運轉點的掌握會出現問題。當電壓－電力輸出變成non-convex函數時，以傳統擾動法求穩定電壓點的MPPT控制器可能無法即時掌握到真正的最佳電力輸出運轉點。

    另一個問題在於，如果串聯列上單個太陽能板被遮蔽，使其無法發電，該片太陽能板在串聯列上就會成為負載，反過來消耗其他太陽能板發出的電力。參考半導體一頁中關於半導體二極體的電壓－電流關係的說明，當入射在太陽能板的太陽輻射趨近於0卻施予超過逆飽和電流量值（reverse saturation current）的反向電流時，太陽能板會越過崩潰電壓（breakdown voltage）成為導體，而此一過程會大幅降低整個串聯列輸出的電壓，嚴重影響太陽能電廠的發電量。

    一般情況下，解決前述問題的方法為將每個太陽能板和一設置反向的半導體二極體並聯，並由ATS（Automatic Transfer Switch）控制通路的元件。當偵測到個別太陽能板的發電出現異常時，電路切換令反向半導體二極體形成通路，如此便可以有效降低串聯列的輸出電壓壓損。


    局部遮蔽對串聯太陽能板的影響：實線為正常運作之兩太陽能板串聯電壓－電流曲線、虛點線為其中一片太陽能板完全被遮蔭時的電壓－電流曲線、虛段線為ATS繞開完全遮蔽之太陽能板、改為一反向半導體二極體和功能正常之太陽能板串聯之電壓－電流曲線。

  • 溫度對太陽能板效率的影響
    從公式\(V_{OC} \approx \frac{\eta k_B T}{e} \left( \ln \left( \frac{K_{PV}}{I_0} \right) + \ln(G_{SR}) \right)\)觀之，同樣的太陽輻射下，開路電壓似乎和溫度成正比。然而實際上，不論是\(K_{PV}\)還是\(I_0\)都會受到溫度的影響，其中逆飽和電流\(I_0\)受溫度影響之變化最為敏感（可參見半導體一頁中的說明）。因此在相同且一般的環境條件下，每增加一度C、開路電壓大約減少2.2mV。另一方面，短路電流隨溫度增加會略為提高，這是因為能階差\(\varepsilon_G\)會隨溫度而下降；然而這是非常微弱的影響。加總下來，每增加1度C，太陽能板在MPPT下的電力輸出量會下降0.4%到0.5%。


    This can be derived from Stefan-Boltzmann, assuming PV has homogeneous temperature and is surrounded with ambient temperature. \(I_c\) is the incoming solar radiation.

    In most climates, solar panels operate within these temperature ranges:

    • Normal operating range: 120°F (48.9°C) to 160°F (71.1°C)
    • Peak summer temperatures: 160°F (71.1°C) to 185°F (85.0°C)
    • Extreme desert climates: 185°F (85.0°C) to 195°F (90.6°C) and higher

  • 其他現地環境因素
    根據Aurora關於系統損失的整理，太陽光初步照射對模組發電的損失（Light-Induced Degradation）預期為1.5％（這主要是p型半導體組成的太陽能模組會有的現象）、塵土堆積則對模組發電造成2％的損失。在高緯度地區，亦須考慮積雪的影響。

其他電力元件的參數

太陽能板產出的直流電，必須先經過DC/DC變壓器和逆變器，才能轉換成符合併網規範的交流電。這些輸送和轉換過程都會產生能量損失。


太陽電能系統常見電力元件示意圖。本圖中的系統併網至電網的單一相位。圖片來源：https://twitter.com/energy_charts/status/1517184161395707904/photo/1。

模組與其他電力元件的設置組態

除非額定電力輸出量甚小，否則一般太陽能板的發電在進入電池或電網前，必須經過MPPT控制器。所謂的MPPT控制器有兩個功能，其一是調整太陽能板端的輸入電壓，使太陽能板能在最佳狀態下發電；其二是擔任DC/DC變壓器，調整提供給電池或逆變器的輸出電壓 3。

因此，太陽能板和MPPT控制器之間如何搭配，是決定系統效率很重要的因素。一般串列型組態，數個太陽能板搭配經過串聯和並聯，會搭配一台MPPT控制器，而有底下各種主要限制：

  1. 各串聯電路電壓必須相等，因此各串聯電路最好設計成由相同數目、相同型號、相同面向的太陽能板所構成。如果因案場環境限制，必須設置不同面向的太陽能板，也要確保單一串聯電路上所有太陽能板面向皆相同。
  2. 串聯電路工作電壓不得超過MPPT控制器最大可承受的輸入電壓（通常會以串聯電路的開路電壓當作基準，並給定10%的安全裕度）。
  3. 並聯的各串聯電路之總工作電流，不得超過MPPT控制器最大可承受的輸入電流。
  4. 因為DC/DC變壓器的變壓範圍有一定限制，如果MPPT控制器的輸出端是接上電池，則串聯電路電壓必須高過電池電壓一定範圍。
    “For an MPPT charge controller to work correctly, the solar panel operating voltage must be at least 4V to 5V higher than the battery charging (absorption) voltage4, not the nominal battery voltage. On average, the real-world panel operating voltage is around 3V lower than the optimum panel voltage (Vmp).” －MPPT Solar Charge Controllers Explained
  5. 同理，如果MPPT控制器的輸出端是接上逆變器，則應該根據逆變器的種類，決定串聯電路的太陽能板數量。一般而言，接上三相型逆變器的系統中，MPPT輸出電壓以600V為宜，單相型逆變器則有高壓與低壓之分，高壓機種搭配660V的MPPT輸出電壓、低壓機種則搭配330V的MPPT輸出電壓。因此在一條連接三相型或高壓單相型逆變器的串連電路中，通常會搭配20片左右的太陽能板，在一條連接低壓單相型逆變器的串連電路中，則會搭配10片左右的太陽能板。

在滿足以上限制的情況下，有幾種做法可以確保太陽能發電系統的效率在較佳的情況。比如，我們應該盡可能增加串聯電路電壓，這樣可以減少直流電流在線路上的損耗。

而太陽能系統總額定功率與電池充能功率或MPPT控制器、逆變器輸出功率的比值，則是固定資本成本和全年系統轉換效率之間的取捨－假設此一比例太高，則受限於MPPT控制器和逆變器的最大輸出功率限制、以及電池的總儲能量限制，在日照輻射較強的時段中可能會有較大的潛在發電量損失；然而過大的MPPT控制器、電池、或者逆變器，其性能在一年當中大部分時段則處於閒置狀態。以目前太陽能板成本日益下降的情況來看，在土地取得相對容易的地區，上述比例有逐漸增加的趨勢。

上述關於太陽能板以及其他電力元件設置組態的各種參數，比較細緻的討論會評估一年當中各個時段太陽能板的可行運轉區間，並分析不同參數對一年總發電量的敏感度，來決定哪些參數是系統設計時較需優先考量的。比如說，如果選用一片24V太陽能板和一顆24V之電池搭配，則必須估算電池接近充飽、而太陽能板可行工作電壓卻不足、致使無法再充電的時段，對於全年總發電量的影響。

除了串列型組態以外，成本較高、但控制精密度也較佳的微型組態，會在每個太陽能板搭配自己的MPPT、甚至每個太陽能板搭配自己的微型逆變器，會適合日照條件較複雜的現地環境。

根據Aurora關於系統損失的整理，模組實際壓流曲線和MPPT控制可能會產生2％的發電量損失，但使用微型逆變器或單元優化器時這樣的誤差損失可以避免。而電子元件的串接和線路本身則各帶來0.5％和2％的發電損失。

系統老化

太陽能模組壽命遠大於目前一般的設定

Using the multi-annual year-on-year (multi-YoY) approach, system-level performance loss rates (PLR) were assessed, averaging just −0.24 ± 0.16% per year, well below the commonly reported range of −0.75% to −1% per year in the literature.

模組穩定性（低老化速率）對於長期運作的太陽能系統的價值


相同經濟可行性下，模組老化速率和模組初始效率、模組成本的trade-off。

It is important to note that one of the paper’s authors is a researcher who works for First Solar, which in April announced its cadmium telluride thin-film modules reached what the company claims to be the lowest module degradation rate in the industry. “Realizing the SunShot target of 0.2% annual degradation further increases the ideal lifetime to 50 years,” the scientists said, referring to the target set for solar module degradation yield by the U.S. government through the Sunshot initiative.

電力系統等外因

傳統上當電網斷電時，為了避免維修人員感電，太陽能系統也會停止送電入網。因此，太陽能發電系統的可發電量也會跟電網的供電可靠度有關係（供電可靠度定義請參見電力系統良好運作的重要指標）。因此，導入自我修復式電網的觀念、允許部分配電網在事故發生時進入孤島運轉模式，除了可以提升電力系統的災防韌性之外，也能減少太陽能發電系統斷電造成的經濟損失。

各種模組與系統效率比較

個別太陽能單元的理論最大效率：可由細節平衡法（method of detailed balance）推導出。這個理論最大效率系不違反熱力學第二定律下，太陽光能轉換成可用電能的物理上限。


Limiting solar cell efficiency as a function of the material bandgap for one-sun illumination. The calculations assume that the only recombination is radiative. In actual devices the efficiencies are lower due to other recombination mechanisms and losses in parasitic resistances.
原文可見：https://www.pveducation.org/pvcdrom/detailed-balance

將大量太陽能單元串並聯組成模組後，實際上商用中太陽能板的光電轉換效率會遠低於理論最大值。矽晶型太陽能板由於發展較成熟，在商用模組中光電轉換效率最高，其中單晶型太陽能板光電轉換效率可以超過20%，改良過的PERC可再提升約5%的光電轉換效率。目前商用的薄模型太陽能板大多受限於低光電轉換效率，但一些新興薄膜型太陽能板（比如鈣鈦礦太陽能板）的光電轉換效率已可和矽晶型一較高下。

下表為根據Aurora網站提供資料所整理的不同商用太陽能板在2021年時的光電轉換效率。

類型 光電轉換效率
PERC型太陽能板 最高（單晶型太陽能板的效率再提升5%）
單晶型太陽能板 20%以上
多晶型太陽能板 15-17%
CIGS型太陽能板 13-15%
CdTe型太陽能板 9-11%
a-Si型太陽能板 6-8%


Fraunhofer ISE 2021年整理的不同單元／模組光電轉換效率。


傳統多晶型太陽能板從單元到模組的效率損失整理。

除了模組本身的光電轉換效率，太陽能板串並聯並和其他組件串聯後，還會有其他的效率損失（請參考前面幾個段落的說明）。

太陽熱能技術原理與種類介紹

太陽能加熱板

由於太陽電能技術僅能利用小部分的太陽光能，如果最終能源需求為熱能，太陽熱能技術可能是比較合適的選擇。

另外，也有結合太陽電能和太陽熱能的熱電共生技術，能最大效率地使用太陽光能，降低光電板溫度後也額外地能提升光電轉換效率。

太陽能熱泵

一般熱泵利用熱泵循環將室內空氣加熱。太陽能熱泵的原理是將太陽熱能做為室外循環時的額外熱源，以提升吸收室外熱量的效率。

SAHPs have the capability to function as hybrid systems, integrating solar energy with additional environmental heat sources such as ambient air or ground heat. This hybridization enhances the efficiency of the system, especially in areas where there are seasonal fluctuations in solar energy. A greater evaporative temperature leads to a decrease in power consumption and a rise in HP performance, while also improving the efficiency of heat extraction from solar collectors.

如果用戶安裝的是太陽熱電共生系統，系統產生的電能亦可以供應熱泵使用。

太陽熱能或電能的選擇

“Out of the two, solar PV is the most flexible option. A solar PV system gives you the option to store energy in a solar battery and can also provide domestic hot water via a Solar iBoost.

For solar thermal panels to be installed, your heating system must include a hot water cylinder. So, if your home is heated by a combi boiler, and you want to invest in solar then it will have to be solar PV.

Ultimately, the decision comes down to which makes the most sense for your property. Homes with a hot water cylinder and high demand for domestic hot water would massively benefit from a solar thermal system. Meanwhile, if your electricity bills have been rising and you want to become more self-sufficient then solar PV is the right choice.”

太陽能成本下降趨勢


“Each time the cumulative PV module production doubled, the price went down by about 25% - for the last 41 years.”, Stefan Krauter (2022). Source.

太陽能在能源轉型的角色與需要的支持政策

根據2021年3月發表的"Solar photovoltaics is ready to power a sustainable future"，在考慮部門耦合、小時解析度經濟調度、電網模擬等較準確的智慧能源模型（smart energy model）中，對於2050年太陽能在電力系統的佔比，明顯會高於時間解析度較低、沒有考慮部門耦合的整合評估模型（Integrated Assessment Model，下圖灰色方實點）或局部平衡模型（partial equilibrium model，下圖黑色圓實點與圓虛點）。整合評估模型預估的2050年太陽能發電佔比大多落在20%以下，而智慧能源模型中2050年太陽能的發電佔比可達40%至60%、甚至接近70%（下圖紅色圓實點與方虛點）。


https://mobile.twitter.com/ChristianOnRE/status/1429379536710520836/photo/1 完整推串：https://mobile.twitter.com/ChristianOnRE/status/1429380440792633348

這些模擬結果的比較，揭示了部門耦合以及智慧能源系統思維，對於太陽能發展的重要性。

  1. 中尺度天氣預報挑戰最高的是即時雷雨和強降雨預報，這方面的預報技術已經頗有進展；太陽對輻射量相較於降雨量，預報上更單純。 ↩︎

  2. 可能可以從連續衛星雲圖判斷短時間內哪個地方可能正在成雲，但更長時間尺度下的天氣會受到更複雜的動態方程式左右，沒有數值模型就無法做推測。 ↩︎

  3. 精確地來說，MPPT是控制的演算法（軟體），而DC/DC變壓器則是電力元件本身（硬體）。 ↩︎

  4. 電池充電過程中，接近充飽時之電壓，大約會比其額定電壓高20%。 ↩︎

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