風光大縣行不行

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自工業革命以來，溫室氣體濃度異常升高，全球暖化日益嚴重，造成海平面上升、疾病擴散等眾多環境問題，各國紛紛提出綠能政策因應。2014年，國際能源總署(IEA)宣告2050年太陽能將會成為世界發電比例最高的能源，截至2016年，德國太陽能發電比例最高，其佔德國電力結構比例高達5.9%，而臺灣僅為0.4%，臺灣仍有發展空間，因此臺灣政府宣告在2025年時，將使比例提高至20%，經濟部也提出「陽光屋頂百萬座」政策因應，其效益為何？                  

現象說明

太陽能發電可分為太陽能熱水器(集熱板)與太陽能光伏(光伏半導體)，而裝置在屋頂的是太陽能光伏(簡稱PV，如照片)。

(圖一為國立彰化高中(24.1°N，120.6°E))


太陽能光伏系統發電量公式為：E=A*r*H*PR
E=能量（kWh）；
A=總太陽能面板面積；
r=太陽能光電板產量或效率；


r的比例為一個太陽能電池板的電功率（kWp）除以一個面板的面積，最常見的是面積為1.6平方公尺的250wh的PV模塊，其太陽能電池板產量為15.6％；
H=傾斜面板上的年平均太陽輻射（不包括陰影）；
PR=性能比，是評估光伏設備質量的一個非常重要的因素，包括溫度、陰影、灰塵、積雪等損失，損耗係數為0.5至0.9間，默認值為0.75。

基本上影響太陽輻射(H)的因素相當多，參閱行政院原子能委員會 委託研究計畫研究報告｢大氣環境因子對太陽能預測與發電影響之研究｣，影響因素如下表：(https://www.aec.gov.tw/webpage/policy/plans/files/plans_04_e-104_16.pdf)

探究問題

  • 2.1 太陽能發電在臺灣現況為何？
  • 2.2 如何評估某一區域的陽光屋頂政策之太陽能發電潛力？

實作項目

  • 3.1 查詢經濟部能源局網站(https://www.moeaboe.gov.tw/wesnq/ )，以最新年度查詢臺灣發電結構，何種發電所佔比例最高？太陽能發電在臺灣發電結構所佔的比例為何？
★以108年度為例，臺灣以火力發電所佔比例最高，太陽光電只佔1.48%

　　


  • 3.2 查詢SolarGIS網站，查詢探究區域的Global Horizontal Irradiance(晴空時全天空輻射)量。
步驟一：先登入
步驟二：在左上方輸入住址
步驟三：取得數據
★以國立彰化高中為例，GHI為：1666 kWh/m2

　　


  • 3.3 更精準地獲得研究區域的太陽輻射量，可運用地理資訊系統，如ArcMap 10.5分析研究區的太陽能輻射量。
步驟一：取得研究區域的DEM(數值地形模型)
步驟二：使用軟體內的Spatial Anaylst工具集，透過此工具集的太陽能輻射分析工具(Area Solar Radiation)，考量坡度、坡向及高度，可推算出特定時間內特定區的太陽能輻射量
(說明：太陽輻射在地球表面被分別截取成直射、散射及反射，此三者之總和稱為太陽輻射總量，反射輻射通常僅構成輻射總量極小部分，因此Spatial Anaylst在計算輻射總量時，將反射輻射排除在外。操作軟體可設立研究區域的緯度值，並假設天空為非常晴朗，預設透視率觀測值為0.7)
★以國立彰化高中為例，其太陽輻射量為：1563.94 kWh/m2

　　

彰化高中年太陽輻射量與建築物分布圖(彰化高中學生宋昱賢繪製)


  • 3.4 估計屋頂面積，使用Google Earth 網站
步驟一：輸入研究區住址
步驟二：在研究區屋頂新增多邊形
步驟三：查詢多邊形面積
★以國立彰化高中為例，其屋頂面積為 10203 平方公尺

　　


  • 3.5 假設r為15.6％，運用太陽能光伏系統發電量公式：E=A*r*H*PR，計算研究區的太陽能發電量
★以國立彰化高中為例，其計算結果為：
研究區 屋頂面積
(平方公尺)		 r 年太陽輻射量
(kwh/m²)		 PR 預估發電量(度)
彰化高中 10203.00 0.156 1666 0.75 1988786.166
彰化高中 10203.00 0.156 1563.94 0.75 1866954.94


★以108年度為例，臺灣平均每人用電量為18872.65(度/人)，彰化高中屋頂發電量可供 99～105人 使用

　　


分析與結論

  • 4.1 綠能發電是未來的國際趨勢，環保減碳又能產生能源。然而陽光屋頂政策實施後效益為何？由實際運算可知，若只利用學校屋頂，太陽能發電的效益恐怕不大。
  • 4.2 如果全部住家都裝設太陽能面板結果又如何？再運用以上實作計算，或許或更清楚太陽能發電很難單獨支撐一區域的總發電，需要其他發電方式配合。

教學目標與評量

  • 5.1 能瞭解太陽能發電潛力公式的計算因子與限制
  • 5.2 能運用網站、地理資訊系統(GIS)或實測估算太陽輻射量、面板面積等
  • 5.3 能進行研究區域太陽能發電潛力評估

參考資料：

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