一、研究動機與目的
由於能源使用觀念改變，屋頂型太陽能光電板在政府大力推行並放寬設置規定，致使使用者趨多，而位於西太平洋颱風盛行區域的臺灣，於去(104)年8、9月時相繼受到蘇迪勒、杜鵑強烈颱風侵襲，在中南部造成大量光電板掀翻吹落損壞災情，所幸沒有造成人員傷亡。
而在推行與應用綠色能源的同時，光電板尚未有明確的規範與要求，本所為能即時掌握時事脈絡與社會需求，自103年先利用實驗及電腦模擬探討「以不同風場模式建立屋頂突出物耐風量測技術研究」；於104年進行「屋頂型太陽能光電板風阻形狀係數研究」，以國內常見屋頂型太陽能光電板，建置符合實際情況之縮尺模型，藉由試驗與分析計算風壓係數CP、阻力係數CD及升力係數CL等形狀係數，期能提供設計應用及建築物耐風設計規範增修參考。
二、研究內容
1. 試驗過程
市面上的太陽能模組種類相當多，一般可分為：(1)單晶矽太陽能光電板、(2)多晶矽太陽能光電板、(3)薄膜太陽能板、(4)聚光型太陽能電池、(5)染料敏化太陽能電池。而依照太陽能發電系統又可分為：(1)獨立型系統、(2)混合型系統、(3)併聯型系統。至於太陽能模組組成結構，該組成內容有：低鐵強化玻璃、EVA膠、太陽能電池、背板、接線盒等等。而模組完成後，依設置型態又可區分為：(1)屋頂支架型：鋁擠型材料支架與扣件將光電板固定在平面屋頂上方或地面上。(2)斜屋頂型：利用支架固定光電板於斜屋頂上方。(3)棚架（架高）型：以架高支架的方式，將光電板至於上方，並可作為遮陽或遮雨之用，也可結合作為停車棚。
本研究係以常用屋頂型太陽能板型式，建立1/10試驗縮尺模型，採用一組6片光電板，光電板單元經縮尺後，以200mm×10mm的壓克力板製成，同時採用C型鋁擠型材料，模擬光電板扣件及支架，並在光電板上間隔約2cm預留壓力孔，經過排列，長向有9排，短向4排，一個單元有36個壓力量測孔，一組6片共計有216個孔位。由於太陽能光電板之吸光效能、材質及相關支架系統非本研究重點，如要探討光電板的材質與支架結構型態的抗風能力，需考量不同型態的光電板與支架來進行材料模擬。因此，在本研究期程內，僅於均勻流場就不同風向角對光電板模型風壓分布變化進行量測。
建築物模型參考內政部（營建署）制訂住宅及附屬建築物建築工程標準圖，選用3層樓高之低矮型建築物，並設計可升降型的模型，在屋頂上方設置女兒牆，以利探討女兒牆的影響差異；而斜屋頂建築物同樣以依照該標準圖的比例來設置。所以安裝方式分為：「矩型建築物」、「矩型建築物-含女兒牆」、「斜屋頂建築物」等3種模型。
試驗條件中，以迎風、背風及角隅位置為主，所以規劃來流角度有0°（迎風）、45°（角隅）、180°（迎風）等3種，同時變化光電板傾（仰）角α有：15°、20°及25°，而貼覆斜屋頂傾斜角α約為16.7°。再由V=5m/s、10m/s不同風速，分組（A、B、C）試驗探討風壓分布與影響（如下圖1~圖3）。
為呈現光電板所承受壓力分布（壓力量測單位為Pa），試驗結果經無因次化並透過圖形編輯軟體，描繪出平均風速壓力等值圖，以壓力係數Cp-m呈現，另亦將擾動風壓係數以Cp-r同步呈現，可藉此探討平均最大值及風壓趨勢。惟試驗組數相當多，本文僅列出部分結果（如下圖4~圖6），以供探討與閱讀，各組詳細圖說 請至本所網站下載報告全文。試驗後再透過計算分析推導計算風壓係數CP (Pressure coefficient)，推導出阻力係數CD(Drag coefficient)、升力係數CL(Lift coefficient)等形狀係數。
2. 計算推導
依照文獻（朱佳仁，2006）物體所受之阻力可由物體表面的壓力P與剪應力τ以面積積分求得：
式中θ為該點之壓力P與流向之夾角。
升力則為：
物體所受之阻力和升力可以無因次的阻力係數(Drag coefficient)和升力係數(Lift coefficient)表示：
其中FD為阻力，FL為升力，A為體垂直於流向的投影面積。物體的阻力係數和升力係數與物體幾何形狀、風攻角、雷諾數、馬赫數皆有關。
而或可由光電板傾（仰）角α及Cp逕行推導（陳若華，2012），如圖7。
本研究經試驗後整理，屋頂型太陽能光電板風阻形狀係數，與設置型態、傾斜角有一定關係，再以最大值平均數求出後，數據整理如表1「屋頂型太陽能光電板風阻形狀係數表」。
圖1. A、B組試驗來流示意圖 圖2. C組試驗來流示意圖
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A組（矩型建築物）
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B組（矩型建築物-含女兒牆）
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C組斜屋頂建築物
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圖3. 試驗分組內容
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α=15°，β=0°
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α=15°，β=45°
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α=15°，β=180°
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Cp-m
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Cp-m
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Cp-m
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Cp-r
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Cp-r
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Cp-r
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圖4. A組試驗結果V=5m/s
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α=20°，β=0°
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α=20°，β=45°
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α=20°，β=180°
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Cp-m
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Cp-m
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Cp-m
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Cp-r
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Cp-r
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Cp-r
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圖5. B組試驗結果V=5m/s
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α=16.7°，β=0°
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α=16.7°，β=45°
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α=16.7°，β=180°
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Cp-m
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Cp-m
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Cp-m
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Cp-r
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Cp-r
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Cp-r
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圖6. C組試驗結果V=10m/s
圖7. 太陽能板所受風力示意圖（陳若華，2012）
表1. 屋頂型太陽能光電板風阻形狀係數表
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建築物型態
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傾斜角α
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CP
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CL
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CD
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矩型建築物矩
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15°
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1.53
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0.40
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1.48
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20°
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1.51
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0.52
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1.42
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25°
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1.51
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0.64
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1.37
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矩型建築物-含女兒牆
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15°
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1.09
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0.28
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1.05
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20°
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1.20
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0.41
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1.13
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25°
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0.99
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0.42
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0.90
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斜屋頂建築物
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16.7°
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1.37
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0.39
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1.31
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註：假設建築物正向方向與風向平行。
三、研究發現
1.屋頂型光電板受到建築物上方與兩側氣流加速繞過，以及傾斜角裝設位置影響，導致所受風壓均以牽引力為主，形成負風壓（吸力）相當明顯（如圖8），研判可能是造成光電板受風後致使掀翻損壞主因，而非直接使光電板受到正向的壓力吹損破壞。此與蘇迪勒颱風（104年8月）襲臺後造成光電板的損害災情照片不謀而合，顯示光電板受損情形幾乎是整組含支架被風拉拔而起。
2. 由分組試驗結果可知來流風攻角β=45°，光電板所承受風壓值均為最大（如圖9）；而當建築物含有女兒牆時，明顯削弱了風壓對光電板的影響。矩型建築物如沒有女兒牆的保護作用下，加上角渦漩影響後，將使光電板所受牽引力加劇，應特別予以注意。
四、結論
1. 由研究可知，角隅處受到角渦漩的影響而使光電板易遭破壞，對於光電板抗風的設置，建議應在相關設置規範條文中註明「光電板的設置以避開建築物角隅處為原則。如無法避開時，應該強化該支架等構材，以增加抗風能力。」
2. 以目前而言，雖然對於光電板的抗風要求尚無明確規範，希望經由本研究所提「屋頂型太陽能光電板風阻形狀係數表」，可供修訂及設計者參考。至於對於光電板組成的扣件、支架等結構行為，仍應進一步計算與考量，本所也將持續進行相關研究，以達成防災、安全、節能減碳及永續發展之目標。
圖8. A、B、C各組流場可視化圖
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A組CP
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A組CD
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A組CL
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B組CP
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B組CD
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B組CL
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C組CP
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C組CD
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C組CL
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圖9. A、B、C各組試驗風阻係數趨勢圖