以電池儲能系統比較探討半透明光電溫室能源自主性的提升

一、農業溫室的「能源革命」

根據聯合國糧農組織（Food and Agriculture Organization, FAO）的估計，至本世紀中葉全球糧食需求將增加約 70%，而溫室農業被視為因應此挑戰的關鍵途徑之一。目前全球溫室農業面積已達數百萬公頃，主要集中於東亞與地中海地區。走進現代化溫室，可以看到其中具備精準控制的溫度、濕度、二氧化碳濃度與光照條件，使作物不受外在氣候干擾，得以全年穩定生產。因此，溫室農業已成為全球糧食安全的重要支柱，尤其在冬季嚴寒或夏季乾旱等極端氣候區域，其角色更顯不可或缺。

然而，溫室農業本質上屬於高度耗能型產業，包括加熱系統、補光燈、通風設備與灌溉設施等皆需仰賴穩定且大量的電力供應。一旦發生停電，溫室內的環境條件將在短時間內急遽變化，不僅影響作物品質，嚴重時甚至可能造成大規模損失。此外，溫室對電力的高度依賴意味著龐大的營運成本與相應的碳排放，與全球邁向淨零轉型的趨勢相悖。因此，如何在維持生產力的前提下，大幅降低對電網與化石燃料的依賴，已成為當前溫室農業亟需面對的核心課題。

因此，太陽光電成為溫室能源轉型中最直接且具潛力的選擇。溫室本身即為一個大面積、長時間受日照的屋頂結構，非常適合作為太陽能板的安裝場域。然而，傳統不透光的太陽能板一旦架設，將遮蔽大量自然光，對依賴光照進行光合作用的作物生長造成不利影響。為同時滿足「發電」與「透光」這兩項看似相互衝突的需求，半透明太陽光電（Semi-Transparent Photovoltaic, STPV）系統因應而生。

另一方面，電池儲能系統（Battery Energy Storage System, BESS）則能進一步補足太陽能僅在白天發電的間歇性問題，使能源供應更具穩定性。本研究即聚焦於 STPV 與 BESS 的整合應用，探討兩者如何協同運作，在不犧牲作物光照需求的前提下，最大化溫室的能源自主性。

二、半透明太陽光電系統（STPV）：既可透光又可發電

半透明太陽光電（STPV）系統是一項結合太陽能發電與光線透射的創新技術，特別適用於溫室等需同時兼顧採光與能源生產的場域。其雙重功能不僅提升土地利用效率，也契合永續農業的發展方向。相較於傳統不透光的太陽能板，STPV 的設計允許部分陽光穿透，同時將其餘光能轉換為電能；這種選擇性透光特性對維持作物光合作用所需的最佳光環境至關重要。圖 1 示意 STPV 系統於溫室中的應用方式示意圖。

圖1 半透明太陽光電系統於溫室的應用示意圖

半透明太陽光電（STPV）系統的主要優勢包括：

l   不占用農業土地資源：可直接安裝於溫室屋頂，使原有結構兼具採光與發電功能，最大化土地利用效率。

l   促進農業與發電並行：STPV 允許光能同時用於作物生長與電力生產，避免傳統太陽能板與農業活動之間的土地競爭。

l   提升能源韌性：透過現地發電可降低對遠端電網的依賴，並減少輸電過程中的能量損耗。

l   強化氣候應變能力：在颱風、寒流等極端天氣事件造成電網中斷時，STPV 系統可提供部分自主電力，降低溫室營運風險。

目前市面上已發展出多種半透明太陽光電（STPV）技術，其材料組成、發電效率、透光率及其他性能特性各不相同，並在「發電效率」與「透光能力」之間取得不同的技術平衡。相關技術比較如表 1 所示。

表1 半透明太陽光電技術比較表

雖然半透明太陽光電（STPV）系統具備多項優勢，但仍存在若干技術與環境層面的限制：

l   透光率與發電效率的權衡：STPV 必須在「透光」與「發電」之間取得平衡。提高透光率通常會降低能量轉換效率，使其整體發電效能相較於傳統不透光太陽能板偏低。

l  間歇性發電問題：STPV 與一般太陽能系統相同，僅能在白天發電；當天氣轉陰或進入夜間時，發電量大幅下降，無法提供穩定的能源來源。

l  高溫造成效率衰減：在部分高溫地區（如中國南部、東南亞），面板溫度上升會導致發電效率下降，使實際電力輸出減少。

基於上述限制，STPV 系統需搭配其他能源來源或儲能設備，以確保供電穩定性；其中，電池儲能系統（BESS）的導入便成為關鍵，使溫室能在發電不足時仍維持穩定運作。

三、電池儲能系統（BESS）與每日光積（DLI）

電池儲能系統（BESS）能在太陽能發電高峰時段儲存多餘電力，並於發電不足時釋放，從而有效平抑太陽能的間歇性波動。對溫室農業而言，穩定的電力供應對維持溫度、濕度與光照等關鍵生長環境至關重要；電池儲能系統的導入可確保供電連續性，避免環境條件因停電而受到干擾。此外，電池儲能系統透過負載平衡與削峰填谷，可在尖峰時段降低電網需求、於離峰時段供電，進一步減少對電網的依賴與能源成本，同時降低電網升級的必要性。以儲存之再生能源取代傳統化石燃料備用發電機，亦有助於減少碳排放，促進農業永續發展。

當電池儲能系統整合至微電網架構中時，其效益更為顯著。於偏遠或離網農業地區，電池儲能系統能在停電或日照不足時提供關鍵備援電力，確保重要系統持續運作；隨著氣候變遷導致極端天氣事件頻率與強度增加，此備援能力愈加重要。在經濟層面，電池儲能系統亦能提供更可預測的能源成本結構，降低電價波動所帶來的財務風險，提升溫室營運的穩定性與可行性。

綜合而言，電池儲能系統在溫室中的角色可總結如下：

l   削峰填谷、降低電力成本：包括臺灣與加拿大在內的多數國家皆採用分時電價（Time-of-Use, ToU）制度，即尖峰時段電價較高、離峰時段電價較低。電池儲能系統可於離峰時段充電、尖峰時段放電，為溫室提供電力，從而有效降低電力購置成本。

l   提升供電穩定性、保護作物生長：溫室對供電穩定度高度敏感，任何短暫停電都可能影響溫度、濕度與光照等關鍵環境參數。電池儲能系統可作為緊急備援電力來源，在電網中斷或太陽能不足時維持設備運作，降低作物受損風險。

l   降低碳足跡：透過儲存再生能源並取代燃煤或燃氣電力，電池儲能系統有助於減少溫室氣體排放，支持農業部門邁向淨零轉型。

l   延緩電網升級需求：藉由削減尖峰負載，電池儲能系統可降低電網壓力，減少或延後電網基礎設施擴建的必要性，進而提升整體能源系統的韌性與成本效益。

電池儲能系統（BESS）的容量設計是溫室能源管理中的核心挑戰之一：若容量過小，無法支撐足夠的運轉時間；若容量過大，則可能造成設備閒置與投資成本浪費。因此，如何在成本與效益之間取得最佳平衡，是系統規劃的重要課題。

同時，每日光積（Daily Light Integral, DLI）亦是溫室農業中的關鍵參數，代表作物在 24 小時內所接收之光合作用有效輻射（Photosynthetically Active Radiation, PAR）總量，直接影響植物的生長速率、發育狀態與最終產量。有效管理 DLI 對於在溫室中同時維持作物生產力與再生能源利用效率具有決定性意義。

當溫室導入半透明太陽光電（STPV）與電池儲能系統時，不同作物因其生長階段與光敏感程度不同，對最低 DLI 的需求亦有所差異。這些最低 DLI 要求將直接影響可允許的 STPV 透光率與可安裝面積，進而影響整體能源自主性。本研究所採用之不同作物最低 DLI 需求如表 2 所示。

表2 各類作物之最低每日光積（DLI）需求值

        因此，本研究在滿足作物光照需求的前提下，旨在找出能同時降低電網依賴並控制成本的最佳電池儲能系統（BESS）容量與運作時程。為達成此目標，本研究採用「和聲搜尋演算法」（Harmony Search, HS）進行最佳化。HS 尤其擅長處理因部分參數的細微變化而可能影響整體系統效能的問題類型，非常適合用於分析再生能源發電、儲能行為與作物光照需求之間的交互作用。透過此方法，本研究得以在確保作物獲得足夠光照的前提下，降低溫室對外部電網的依賴。

最終，本研究可量化評估溫室在夏季與冬季配置 BESS 後「能減少多少外部電力購置量」，並據此分析其實際效益與經濟可行性。

因此，相較於既有研究的限制，本研究的主要貢獻可歸納如下：

1. 提出整合 STPV 與微電網運作之溫室能源自主性分析框架：本研究系統性評估配置半透明太陽光電（STPV）與電池儲能系統（BESS）後之溫室能源自主性，並進一步分析其季節性變化，量化 BESS 對降低主電網依賴程度的實際效益。

2. 引入新型最佳化演算法以提升系統效能與可擴展性：本研究採用最新的和聲搜尋演算法（Harmony Search, HS），整合 STPV 與 BESS 的容量配置與運作策略，使最佳化結果更具效率與彈性，並提升系統在不同氣候條件與負載情境下的可擴展性。

3. 將每日光積（DLI）限制納入最佳化模型，兼顧能源效益與農業生產需求：本研究將作物最低 DLI 要求作為核心約束條件，使最佳化結果同時滿足作物生長所需光環境與能源系統效能，實現能源管理與農業生產之間的平衡。

四、研究結果

本研究以加拿大安大略省一座 24 英畝（9.7 公頃）的甜椒溫室作為分析基礎，分別模擬其所在地典型夏季與冬季的能源供需情境，並比較「配置電池儲能系統（BESS）」與「未配置 BESS」兩種情境下的能源自主程度。研究中採用能源自主性指標（Energy Autonomy Factor, EAF）作為衡量對外部電網依賴程度的核心指標：EAF 數值越低，代表溫室越能依靠自身再生能源系統運轉；EAF = 0% 表示完全自給自足，而 EAF = 100% 則代表完全依賴電網。各情境之模擬結果彙整於表 3。

表3 配置與未配置電池儲能系統（BESS）之夏、冬季能源自主指標模擬結果

        研究結果顯示，夏季的能源自主性顯著優於冬季。於夏季情境中，能源自主性指標（EAF）由 43.43% 大幅下降至 24.17%，降幅達 19%，顯示導入電池儲能系統（BESS）後，溫室在夏季期間有超過四分之三的用電可由現地太陽光電供應。相較之下，冬季因日照時數短且輻射量較低，改善幅度相對有限，仍約有 70% 的電力需依賴外部電網，但 BESS 仍能提升一定程度的能源自主性。

        進一步分析不同透光率（67.1% 與 59.7%）及不同最低每日光積（DLI）需求的組合後，可得以下結果：

l   高光需求作物（DLI = 30）且採用低透光率面板（59.7%）：STPV 可安裝面積受限（2596 m²），BESS 容量亦相應降低（260 kW），導致能源自主性最差。

l   中、低光需求作物（DLI = 20 或 10）：STPV 可覆蓋整個屋頂（3486 m²），BESS 容量可達 350 kW，能源自主性最佳，夏季 EAF 進一步降至 21.03%。

l   透光率差異在冬季影響更為顯著：低透光率面板在冬季會加劇能源依賴，顯示冬季光照條件對 STPV 系統效能的影響遠大於夏季。

其三，本研究亦針對高溫氣候條件進行敏感度分析。當環境溫度高於面板標準測試條件（25°C）時，半透明太陽光電（STPV）系統的發電效率會隨溫度上升而下降，其效率衰減情形如表 4 所示。分析結果顯示，在高溫地區規劃 STPV 系統時，必須將溫度效應納入考量，以避免高溫造成的發電衰減進一步影響整體能源自主性。

表4 考量每日光積需求、季節與溫度效應後之系統性能分析結果

        最後，半透明太陽光電（STPV）系統的建置成本亦是農民評估是否投入的重要考量。本研究將短期與長期效益一併納入分析。結果顯示，雖然初期投資成本相當可觀（約 16.5 萬美元），但在短期內即可觀察到明顯的電費節省效果：

l   夏季：導入STPV與電池儲能系統（BESS）後，每年可節省約 3.2 萬美元。

l   冬季：導入STPV與電池儲能系統（BESS）後，後每年可節省約 1.7 萬美元。

此節省主要來自於尖峰時段電價較高，而 BESS 能在尖峰時段放電、離峰時段充電，減少向外部電網購電的需求，充分展現儲能系統在削峰填谷上的優勢。

      此外，本研究亦依據 STPV 系統的使用壽命進行 20 年期的長期效益評估，並將電費年增率（3%）、折現率（5%）以及 BESS 更換成本納入淨現值（NPV）計算。結果顯示：

l   夏季長期效益極佳：20 年累積淨效益可達 23 萬美元。

l   冬季亦具正向效益：長期淨效益約 4 萬美元。

五、結論

        本研究提供了清晰且具代表性的實證結果，顯示將半透明太陽光電（STPV）系統與電池儲能系統（BESS）整合應用於溫室農業，是一條在技術上可行、在經濟上具吸引力的發展路徑。此整合模式不僅能維持作物生長所需的光環境與產量，也能有效提升溫室的能源自主性，使農業營運朝向淨零碳排邁進，並與全球氣候變遷調適與減碳目標相呼應。本研究的核心結論如下：

1.電池儲能系統是提升能源自主性的關鍵要素：僅依賴 STPV 無法有效降低對外部電網的依賴，唯有搭配 BESS 才能顯著提升能源自主性。

2.季節差異需納入系統規劃：夏季與冬季的光照條件與光電效能差異顯著，系統設計需針對不同季節特性進行分別優化，而非採用單一配置模式。

3.每日光積（DLI）是作物生長的核心限制條件：STPV 的安裝面積與透光率選擇必須考量作物的最低 DLI 需求，以兼顧能源效益與農業生產。

4.初期投資雖高，但長期效益顯著：STPV 與 BESS 的建置成本較高，但在短期即可帶來可觀的電費節省，長期則具備明顯的經濟回報。

本研究為 STPV–BESS 應用於溫室農業奠定了重要基礎，未來可從以下方向進一步拓展：

 （1）開發更高效率、適用低光環境的改良型鈣鈦礦半透明太陽能材料，以提升冬季與高緯度地區的發電效能；

（2）結合即時氣象資料與人工智慧學習模型，建立動態光照管理系統，使補光設備能依天氣條件自動調整；

（3）探索新世代儲能技術（如固態電池、液流電池）於溫室中的應用潛力；

（4）針對不同氣候區域進行跨地區實驗，以驗證系統在多樣環境條件下的可行性與穩健性。

參考文獻

Gholami, M., Arefi, A., Hasan, A., Li, C., & Muyeen, S. M. (2025). Enhancing energy autonomy of greenhouses with semi-transparent photovoltaic systems through a comparative study of battery storage systems. Scientific reports, 15(1), 2213.