中華民國內政部建築研究所中華民國內政部建築研究所

        我國位處亞熱帶區域，一年四季日照充足，擁有充沛太陽能資源，因此造就太陽光電能源發展之優勢。為能有效提升太陽能源使用，政府自2012 年開始推動「陽光屋頂百萬座」計畫，積極推廣太陽光電發電系統，目標在提升綠能比例，達到再生能源佔所有能源比例20％的願景，以落實「2025非核家園」。近日更宣布自明（107）年1月1日起至2020年止進行「綠能屋頂、全民參與」行動方案，透過行政院補助鼓勵民眾於建築物屋頂裝設太陽能板，此計畫將補助全額規畫費用及40％建置費用，盼在2020年可產生300萬瓩（3GW）電力，約等於台中火力發電廠6部機組之發電能量。

        為能達到太陽能光電板的最佳發電效率及求有效利用太陽能源，太陽能光電板多以陣列方式安裝於屋頂。而針對做為居住目的使用之低層平屋頂建築物，在有限的使用空間情況下，常見將太陽能光電板安裝於高於屋頂3公尺（部分縣市已放寬至4.5公尺）處，藉以保留建築屋頂上的使用空間，並達到遮陽隔熱並降低室內溫度的效果。然而每年夏秋二季為我國颱風盛行的季節，加上極端氣候的影響且屋頂缺乏遮蔽物保護的情況下，時有太陽能光電板因風損壞之事件發生。針對太陽能發電，台電保障收購合約長達20年，為降低期間內之災損風險，避免民眾生命安全及財產損失，並瞭解太陽光電板受風現象而進行此次研究。

        本研究結合產官學，透過風洞實驗及電腦模擬等方法，探討平屋頂建築屋頂上的陣列式太陽能光電板之受風現象，藉此瞭解其流場結構、生成機制、表面風壓變化，可有助於太陽能光電板製造商或系統商提升太陽能光電板耐風性能，並做為相關規範修訂參考。

圖1 陣列式太陽能光電板風洞試驗模型

圖2 太陽能板配置示意圖

圖3  陣列式太陽能光電板於長寬比為1/3之建築物淨壓力分布圖

圖4  陣列式太陽能光電板於長寬比為1之建築物淨壓力分布圖

        圖3及圖4為不同風向角（β）情況下，不同長寬比建築屋頂陣列式太陽能光電板淨壓力係數分布圖。在β = 0°時，可以發現，第一排太陽能光電板承受強烈的負壓力，而第二排後的太陽光電板承受之壓力則明顯降低。其主要原因為，當風流經第一排後，第一排太陽能光電板產生遮蔽效應，使得第二排後之太陽能光電板幾乎無受到風壓作用。此外，當風向角改變時，可觀察到陣列式太陽光電板的壓力分佈亦隨之偏轉。值得注意的是當β 在15° ~ 45°區間時，可發現第一排光電板產生迎風角隅處產生局部負壓，其原因主要係當風流經太陽光電板時產生圓錐型渦流所致。當β 大於90°時，太陽能光電板轉為承受正壓力。而當風向角為180°時，同樣可觀察到第一排受風壓最大，第二排後的太陽能光電板，同樣因第一排的太陽光電板產生的遮蔽效應，承受之壓力明顯較低。

        太陽能光電系統為求得最大發電效率，常見將太陽能光電板以陣列方式安裝並置於無遮蔽物之處。然而此安裝方式與地點，易使太陽能光電板易受強風侵襲而被破壞。經本實驗研究，當風向角介於0°～90°時，太陽能光電板以承受負淨壓力為主；當風向角介於90°～180°，太陽能光電板以承受正淨壓力為主。而隨著風向角增加，太陽能光電板之淨壓力分布亦隨之偏移。此外，透過觀察可發現，當風向角介於15°～60°時，太陽能光電板角落迎風向沿兩邊具有強烈負壓，此為圓錐渦流(conical vortices)生成所致。整體而言，太陽能光電板在不同風向角情況下，仍是處於不均勻受力。最大上升力（CL）則發生於第一排陣列及風向角0°～45°區間，可針對此方向進行設計補強。