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研究生： 陳烜睿
Chen, Hsuan-Jui
論文名稱： 結晶矽建材一體型太陽光電建材模組於建築應用之適用性研究
Adaptability research on the building material development of the c-Si BIPV module
指導教授： 江哲銘
Chiang, Che-Ming
學位類別： 博士
Doctor
系所名稱： 規劃與設計學院 - 建築學系
Department of Architecture
論文出版年： 2012
畢業學年度： 100
語文別： 中文
論文頁數： 203
中文關鍵詞： 結晶矽建材一體型太陽光電建材模組 、層級程序分析 、抗風壓 、耐火測試
外文關鍵詞： crystalline silicon solar module(c-Si BIPV module), Building-integrated photovoltaic ( BIPV), Analytic Hierarchy Process(AHP), Wind Pressure Resistance Test, Fire Resistance Test
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    • 太陽光電科技是綠能產業發展的重要再生能源課題之一，亦是可以與建築應用整合的技術，其功能不僅可以取代既有建材，更可以產生自有電力提供居家電力使用。所以太陽光電的建材化技術整合勢必為建築應用之最佳手段。本研究以雙層玻璃結構之結晶矽建材一體型太陽光電建材模組為探討對象，針對其建築應用之適用性進行研究，採用層級程序分析(AHP)法探究結晶矽太陽光電建材模組於建築應用之發展策略，再針對安全適用性(法規/抗風壓/耐火測試)、光性能適用性、熱性能適用性、電性能適用性進行研究。本實驗經綜合研究，其結果發現結晶矽太陽光電模組建材於建築安全適用性中，並沒有明確規範該研究建材，現行制定仍以符合一般建築相關規範視之；於光性能探討中，其均齊度< 0.5；於熱性能探討中，其熱傳導係數為 1.12(W/m-K)及U值為3.04(W/m2-K)；於電性能探討中，其垂直立面的發電效率約52.11%。

    Solar energy, photovoltaic (PV) technology is one of the main topics on the renewable energy research, which can not only replace the existing building materials, but also produce its own electricity for home use. It is the trend to make the photovoltaic module become the building materials, which can integrate with building applications on building skin. The BIPV crystalline silicon solar module, the sandwich structure by two glasses is the major research material to be studied its adaptability on the building application. The Analytical Hierarchy Process（AHP）is used to assist the decision to find the best strategies in the c-Si BIPV module development. The adaptability research also includes the security application (Building Laws/ Wind Pressure Resistance Test, Fire Resistance Test), the optically active, the thermal effects and electrical power performance. For consideration of each evaluated factor, there are no specific regulations for the c-Si BIPV module on the architecture and building material. However, the current issue still meets the general regulation of architecture. The light effect is lower than 0.5 of the uniformity. The thermal effect of the c-Si BIPV module has the thermal conductivity (k value) is 1.12 (W/m-K) and the thermal transmittance (u value) is 3.04 (W/m2-K). The electrical power performance on the south Azimuth of the vertical setting that the efficacy is 52.11%.

    第一章 緒論..............................................1 1-1 研究動機與目的.....................................1 1-2 研究範圍..........................................3 1-3 研究方法..........................................4 1-4 研究流程..........................................6 第二章 相關文獻回顧與評析 .................................7 2-1 結晶矽建材一體型太陽光電建材模組分析 .................7 2-1-1 結晶矽太陽能電池之發電原理 .........................7 2-1-2 結晶矽建材一體型太陽光電建材模組構成與應用...........10 2-1-3 結晶矽建材一體型太陽光電建材模組於建築應用型式........11 2-2 太陽光電發電系統與建築機電設備......................12 2-2-1 結晶矽建材一體型太陽光電於建築電機系統應用型式........13 2-3 結晶矽建材一體型太陽光電發展的障礙分析...............15 2-3-1 非技術層面分析....................................15 2-3-2 建築技術層面分析..................................16 2-4 結晶矽太陽光電標準規範探討與分析....................18 2-4-1 IEC 61215/ CNS 15114：結晶矽陸上太陽光電模組_設計確認與型式認可(EB-1，IEC61215，2005)...........................18 2-4-2 IEC 61730/CNS15118-2：太陽光電模組之安全驗證-第二部：測試要求(EB-2，IEC61730，2004).............................19 2-5 小結............................................20 第三章 層級程序分析(AHP)於晶矽型BIPV綠能建材發展策略之適用性調查研究....................................................21 3-1 文獻回顧 ........................................21 3-2 研究方法 ........................................22 3-2-1 設計問卷與調查 ................................23 3-2-2 建立成對比較矩陣 ................................23 3-2-3 有效樣本的檢定....................................24 3-3 評估模式之建立....................................26 3-3-1 評估模式架構之研究範圍.............................26 3-3-2 問卷設計與樣本分析 ................................27 3-3-3 一致性檢定.......................................28 3-4 結果與討論.......................................29 3-4-1 晶矽型BIPV綠能建材使用選擇指標權重分析..............29 3-4-2 評估項目與方案權重分析.............................30 3-4-3 晶矽型BIPV綠能建材方案權重分析......................32 第四章 結晶矽建材一體型太陽光電建材模組之安全適用性分析.......33 4-1 結晶矽建材一體型太陽光電建材模組之建築相關住宅區法規適用性檢索.....................................................33 4-1-1 太陽光電系統設備及建築住宅區法定空地 .................34 4-1-2 住宅型太陽光電設置相關安全規範.......................37 4-1-3 小結..............................................41 4-2 結晶矽建材一體型太陽光電建材模組之抗風壓性能研究分析....43 4-2-1 研究動機與目的.....................................43 4-2-2 研究設計與實驗規劃 .................................43 4-2-3 研究結果 .........................................49 4-2-4 結果與討論........................................51 4-3 結晶矽建材一體型太陽光電建材模組之耐火性能研究分析.....53 4-3-1 研究動機與目的.....................................53 4-3-2 研究設計與實驗規劃 .................................53 4-3-3 結果與討論........................................59 第五章 結晶矽建材一體型太陽光電建材模組光/熱特性於建築應用之適用性研究.....................................................63 5-1 研究動機與目的....................................63 5-2 研究方法 ........................................63 5-2-1 結晶矽建材一體型太陽光電建材模組熱性能研究方法-小型熱箱儀 ................................................63 5-2-2 結晶矽建材一體型太陽光電建材模組光性能研究方法........65 5-2-3 結晶矽建材一體型太陽光電建材模組試件光學性能計算.......67 5-3 研究結果：結晶矽建材一體型太陽光電建材模組物理性質與邊界條件量測....................................................72 5-3-1. 熱傳導係數量測.....................................72 5-3-2. 小型熱箱儀量測.....................................73 5-3-3. 結晶矽建材一體型太陽光電建材模組試件光學性質量測.......74 5-3-4. 結晶矽建材一體型太陽光電建材模組自然光光譜分析.........77 5-3-5. 結晶矽建材一體型太陽光電建材模組光源波段強度結果比較....78 5-4 結果與討論.........................................80 第六章 結晶矽建材一體型太陽光電建材模組於光/電力效能之適用性模擬分析 - 立面窗戶的光與電性能研究................................83 6-1 研究目的與動機.....................................83 6-2 光的物理原理.......................................83 6-3 研究方法 ..........................................87 6-3-1 自然光照特性（台灣晝光利用的情形）....................87 6-3-2 實驗測定與指標設定 ..................................89 6-3-3 Lightscape 可視化數值模擬的理論方法..................92 6-3-4 Lightscape電腦軟體進行模擬..........................96 6-3-5 模擬實驗地點與場址研究條件...........................97 6-3-6 太陽光電發電系統模擬................................99 6-4 結果與討論........................................100 第七章 結論與建議........................................103 7-1 結論.............................................103 7-2 後續研究建議......................................107 參考文獻 中文期刊論文(CJ)...................................109 外文期刊論文(EJ)...................................110 中文報告書籍(CB)...................................112 外文報告書籍(EB)...................................113 他參考資料(M)....................................114 附錄 附件一、BIPV建材應用問卷調查表..............................118 附件二、結晶矽陸上太陽光電模組-設計確認和型式認可(IEC61215/CNS15114)......................................127 附件三、 太陽光電模組之安全確認：第二部 測試要求 (IEC 61730/CNS 15118-2).................................................165 附件四、蒲福風級與壓力比較表................................195 附件五、日射量分佈圖(96.內政部建研所整理繪製).................196 附件六、中國國家標準CNS12112照度表..........................197 附件七、結晶矽建材一體型太陽光電建材模組-非承重防火外牆耐火性測試 .................................................198

    中文期刊論文…………(CJ)
    CJ-1. 周鼎金，學校教室照明自動調光控制之節能評估研究，中華民國建築學報，No.24，pp. 79-88，1998。
    CJ-2. 周伯丞、劉家銘、江哲銘，外遮陽板附加導光設置對單邊採光教室室內照明改善預測，中華民國室第十四屆建築研究成果發表會論文集，pp.E20-1-E20-6，2002。
    CJ-3. 劉家銘、周伯丞，單邊採光教室室內照明現況調查分析，2002 中華民國室內建築與生活環境學術研討會論文集，pp. 1C49-52，2002。
    CJ-4. 許富順,陳烜睿,周伯丞,江哲銘，不同PV模組之日射透光特性對室內光環境應用之探討，7th 空間設計學術論文及設計作品發表研討會，pp.I-25~I-30，2011
    CJ-5. 鄭忠志、李昭仁，整合性導光組件窗戶設計及評析，台灣建築論壇－建築創意文化，中華民國建築師公會全國聯合會，pp.1-9，2008。
    CJ-6. 張桂鳳，江哲銘，周伯丞， 永續建築評估工具GBTool2005本土適用性之研究， 建築學報，60期2卷，pp. 177-196 ，2007。
    CJ-7. 林建憲，戴維倫，賴杰隆，周大鑫，趙念慈，張明文，晝光節能照明設計之研究，機械工業雜誌，299期，pp.89-96，2008。
    CJ-8. 陳烜睿，住宅區太陽光電設置與應用之相關規範，工業材料，267期，pp.141-152，2009
    CJ-9. 陳烜睿，建材一體型太陽光電透光型模組應用與節能照明設計整合，機電現場技術，41期，pp.25-34，2009
    CJ-10. 褚志鵬，層級分析法(AHP)理論與實作，國立東華大學企業管理學系，2009
    CJ-11. 陳烜睿，黃朝揚，陳榮顯，詹麒璋，周伯丞，李訓谷，BIPV發展概況與應用案例剖析，工業材料雜誌，289期，p p.149-157，2011。
    CJ-12. 陳烜睿，太陽光電模組系統特性與建築節能應用，電機技師，No.132，pp.87-94，2008。
    CJ-13. 陳烜睿，許富順，周伯丞，江哲銘，不同建築部位導入PV模組對於室內光環境品質影響之研究：以BIPV實證屋之光跡模擬為例，7th 空間設計學術論文及設計作品發表研討會，pp.I-19～I-24，2011。

    外文期刊論文…………(EJ)
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    EJ-4. M. Piliougine, J. Carretero , Comparative analysis of the Dust Losses in Photovoltaic module with Different Cover Glasses, Proc. 23th EPVSEC, pp. 2698-2700, 2008
    EJ-5. B.J. Huang , P.E. Yang , Y.P. Lin , B.Y. Lin , H.J. Chen , R.C. Lai , J.S. Cheng, Solar cell junction temperature measurement of PV module, Solar Energy, Vol. 85, pp. 388–392, 2011
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    EJ-8. Hsuan-Jui Chen, Che-Ming Chiang, Richard S. Horng, Shin-Ku Lee, Thermal and optical properties of semi-transparent amorphous siliconBIPV for building application, Advanced Materials Research, Vols. 343-344 , pp 199-204, 2011
    EJ-9. Hsuan-Jui Chen, Chun-Ming Shu, Che-Ming Chiang, Shin-Ku Lee, The Indoor Thermal Research of the HCRI-BIPV Smart Window,Energy Procedia, Voc. 12, pp.593-600,2011
    EJ-10. Yoo SH, Lee ET. Efficiency characteristics of building integrated photovoltaics as a shading device. Building and Environment Global energy savings in offices buildings by the use of daylighting, Building and Environment, 37:615-23, 2002.
    EJ-11. Hsuan-Jui Chen, Che-Ming Chiang, Richard S. Horng, Shin-Ku Lee, Thermal and optical properties of semi-transparent amorphous silicon BIPV for building application, Advanced Materials Research, Vols. 343-344, pp. 199-204, 2011.
    EJ-12. Hsuan-Jui Chen, Che-Ming Chiang,Chi-Chang Chan, Chao-Yang Huang, A BIPV Case Study of the Environmental Effects with the PV Energy Performance, Applied Mechanics and Materials, Vols. 71-78, pp. 3020-3024, 2011
    EJ-13. Chao-Yang Huang, C.P. Chou, Chi-Chang Chan, Guey-Wei Chang, Hsuan-Jui Chen, Chun-Ming Shu, Hsien-Chao Sung, A Case Study for Energy Performance in the BIPV Energy Research in Taiwan, 26th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, pp.325-328, German, 2011
    EJ-14. G. Alvarez, M. J. Palacios, and J. J. Flores, “A test method to evaluate the thermal performance of window glazings”, Applied Thermal Engineering, Vol. 20, No. 9, pp. 803-812, 2000.
    EJ-15. H.J. Chen, C.T. Tai, A study of the a-Si PV Module on the Mounting Position and Inclination Angle, Proceeding of CIB W096 ARCHITECTURAL MANAGEMENT, Netherlands, pp. 283-293, 2009.
    EJ-16. Chen ,Hsuan-Jui, Chen ,Joeng-Shein, Chiang, Che-Ming, Taiwan PV Energy Policy of Conservation Energy and Reduction CO² on ITRI’s Promotion Projects of Photovoltaic Building, Proceeding of CIB W096 ARCHITECTURAL MANAGEMENT, Netherlands, pp. 291-296, 2009
    EJ-17. Hsuan-Jui Chen , Che-Ming Chiang , Po-Cheng Chou , FU-SHUN HU, Comparisons on Light Distribution and Power Performance of the c-Si BIPV Modules under the Day-lighting for Building Façade, Challenges in Environmental Science & Engineering, pp. 32, 2011.
    EJ-18. Hsuan-Jui Chen, Chun-Ming Shu, Che-Ming Chiang, Shin-Ku Lee, The Indoor Thermal Research of the HCRI-BIPV Smart Window, Energy Procedia, Vol. 12, pp. 593-600, 2011

    中文報告書籍…………(CB)
    CB-1. 周鼎金，內政部建築研究所，學校教室照明設計技術手冊之研訂，1996
    CB-2. 周鼎金，內政部建築研究所，學校教室照明推廣手冊，1998。
    CB-3. 賴榮平，太陽電池與建築結合方式之規劃設計，工業技術研究院，新竹，pp.3-1~3-12， 2000。
    CB-4. 薛永成，最新建築技術規則，大中國圖書公司，台北，pp. 3-153，2001 。
    CB-5. 張維能，最新實用建築法規，詹氏書局，台北，pp.327-354，2002。
    CB-6. 劉安平譯，光符電池在建築物上之應用，國際能源總屬編著，科技圖書股份有限公司，台北，pp.21-24，2003。
    CB-7. 內政部營建屬，建築管理篇-建築物耐風設計規範及解說，營建法令，2-6，2007。
    CB-8. 林明獻，太陽電池技術入門，全華圖書股份有限公司，台北，pp. 2-17-2-19，(2008)。
    CB-9. 國立虎尾科技大學，材料科學與綠色能源工程研究所 ，太陽電池介紹與說明，雲林，2008。
    CB-10. 氣象應用推廣基金會，蒲福風級表，2008。
    CB-11. 周伯丞，江哲銘，陳烜睿，FY99-BIPV建築光性能(學研)研究報告，工業技術研究院，新竹，2010。
    CB-12. 李訓谷，陳烜睿，FY99-BIPV建築熱性能(學研)研究報告，工業技術研究院，新竹，2010。
    CB-13. 賴宜得，太陽能光電系統應用於建築物屋頂之構法研究，成功大學建研所碩論，2011
    CB-14. 經濟部能源局，2007能源科技研究發展白皮書，我國重點能源科技研發動向及策略，pp.68-94，2007。
    CB-15. 褚志鵬，Analytic Hierarchy Process Theory 層級分析法(AHP)理論與實作，國立東華大學企業管理學，2009
    CB-16. 曾國雄、鄧振源，層級分析法（AHP）的內涵特性與應用（上），中國統計學報，27期(6)，pp. 1-20，1989。
    CB-17. 林沂品，具自體通風效果太陽光電建築構造（Ventilated BIPV）之通風與節能效益分析，成功大學建研所博論，2010
    CB-18. CNS 13972 Standard，帷幕牆及其附屬門、窗與天窗正負風壓結構性性能試驗法，2006
    CB-19. CNS 12514，建築物構造部份耐火實驗法，2007
    CB-20. 陳姿伶， 建築物立面開窗手法對室內光環境影響之探討 －以高雄市南北向之沿街面透天厝為例，樹德科技大學-建築與環境設計研究所碩論，2008
    CB-21. 陳聖仙，建築外殼晝光照明空調節能設計之經濟效能評估，成功大學建研所碩論，1993

    外文報告書籍…………(EB)
    EB-1. IEC, IEC Standard 61215: Crystalline silicon terrestrial photovoltaic (PV) modules –Design qualification and type approval, Geneva, Switzerland, 2005.
    CEI/IEC 61215 second edition, “Mechanical Load Test”, 2005 , pp.79-81
    CEI/IEC 61215 second edition, “Visual inspection”, 2005 , pp.23
    CEI/IEC 61215 second edition, “Maximum Power Determination”, 2005 , pp.23-24
    CEI/IEC 61215 second edition, “Performance at STC and NOCT”, 2005 , pp.49-50
    EB-2. IEC, IEC Standard 61730-2: Photovoltaic (PV) module safety qualification –Part 2:Requirements for testing, Geneva, Switzerland, 2004.
    EB-3. European SUNRISE Project, A NEW DESIGN OPPORTUNITY FOR ARCHITECTS, BUILDING INTEGRATED PHOTOVOLTAICS, 6th European Framework Programme, pp. 10-13, 2009
    EB-4. F. Sick, T. Erge, Photovoltaics in Buildings - A Design Handbook for Architects and Engineers. James and James，1996.
    EB-5. International Organization for Standardization, ISO 9050: Glass in building -- Determination of light transmittance, solar direct transmittance, total solar energy transmittance, ultraviolet transmittance and related glazing factors, International Organization for Standardization, Switzerland, 2003.
    EB-6. International Organization for Standardization, ISO 9050: Glass in building -- Determination of light transmittance, solar direct transmittance, total solar energy transmittance, ultraviolet transmittance and related glazing factors, International Organization for Standardization, Switzerland, 2003.
    EB-7. IEC 60904-3, Photovoltaic devices – Part 3: Measurement principles for terrestrial photovoltaic (PV) solar devices with reference spectral irradiance data. Switzerland: International Electrotechnical Commission, 2008.
    EB-8. IEC 891, Procedures for Temperature and Irradiance Corrections to Measured I-V Characteristics of Crystalline Silicon PV Devices. Switzerland: International Electrotechnical Commission, 1987.
    EB-9. G. Alvarez, M. J. Palacios, and J. J. Flores: A test method to evaluate the thermal performance of window glazings, Applied Thermal Engineering Vol. 20 (2000), p. 803-812.
    EB-10. BS EN ISO 6946, Thermal performance of buildings and building components – Thermal resistance and thermal transmittance – Calculation method, 2007

    其他參考資料…………(M)
    M-1. 工業技術研究院，太陽光電科技中心(2008)<太陽光電資訊網>http://solarpv.org.tw
    M-2. 中央氣象局(2008) <有發警報颱風列表> http://rdc28.cwb.gov.tw/data.php
    M-3. Shady Attia and André De Herde, Sizing Photovoltaic Systems during Early Design: A Decision Tool for Architects, American Solar Energy Society : the SOLAR 2010 Conference Proceedings, 2010.Phoenix , Arizona; Available from: http://www.ases.org/
    M-4. 內政部，營建屬，法規資料，營建法令，建築物耐風設計規範及解說，2006 http://www.cpami.gov.tw/web/index.php?option=com_content&task=view&id=976&Itemid=95
    M-5. ISE. PVsyst 5.02. 2009 [cited 2009 May]; Available from: http://www.pvsyst.com/
    M-6. 國立成功大學，防火安全研究中心，2011 http://rsh.ncku.edu.tw/files/14-1019-82870,r600-1.php
    M-7. 科技工業，能源科技產業，太陽光電材料，2008 http://product.fansio.com/category/5/161/1585.shtml

    下載圖示 校內：2014-01-19公開
    校外：2017-01-19公開
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