太陽能發電火災案例研析
Case Study : The Fires as a Result of Solar Power Generation

前言

太陽能發電(Solar power)是一種能將太陽光轉換成電能的發電方法,近年來隨著各國對綠能的重視,台灣也同樣大力推廣太陽能發電系統,尤其是日照時數較長之中南部地區,更是大規模安裝於開闊的田野、池塘或海邊,而一般住宅、工廠等建築物屋頂,亦可見到為數不少的太陽能板,足見太陽能發電已漸漸融入民眾生活之中。
太陽能發電普及的同時,也有不少火災案例的發生。因太陽能轉換電能含括了化學變化與能量之轉換,並與電能、熱能息息相關,相關之設備、系統一旦發生問題,輕則會造成故障無法使用;重則引發火災,甚至延燒到住宅、廠房,造成生命財產損失。
本文將簡述太陽能光電發電系統及原理,藉由太陽能發電火災案例之探討,發現此類火災原因之共通點,說明使用太陽能發電之注意事項,並提供預防此類火災發生之方法。

Solar power generation is a method of electricity generation that converts sunlight into electrical energy. As green energy is gaining popularity throughout the world in recent years, Taiwan also has been promoting solar power systems vigorously. For example, in central and southern regions that enjoy longer sunshine duration, solar power systems have been widely installed in open fields, ponds or on seashores. Many solar panels can also be seen on the roofs of houses and factories there, which shows that solar power generation has been gradually integrated into people’s lives.
However, this popularity has unfortunately given rise to many fires, because chemical changes, heat, and electricity are involved in the process. Once related solar power systems fail to function properly, it may not only lead to inconvenience, but worse yet, cause a fire that may spread to neighboring houses and factories, leading to loss of life and property.
Given the fact, this article will briefly describe how solar photovoltaic (PV) energy generation works. Furthermore, by analyzing the fires that resulted from solar power generation, I will point out the common cause of fires and share a couple of precautions to follow when solar power generation is in use.

太陽能介紹 

再生能源中最成熟也最乾淨的能源莫過於太陽能,太陽能是指來自太陽輻射出的光和熱,其技術應用分為主動式及被動式兩種:
太陽能具有各國各地皆可使用之普遍性、近乎無使用期限之永久性以及使用的時候不會產生環境污染等優點;但太陽能亦存在因夜間與氣候影響而無法持續利用、建置太陽能設備成本較高、生產太陽能電池之半導體製程易產生環境汙染及發電效率不高等缺點。
一般來說太陽能的利用,以收集其熱能或光能之方式來達成,目前比較常見的太陽能裝置包括「太陽能熱水器」、「太陽熱能發電」及「太陽能電池」等三種,前兩種裝置主要是利用熱能來產生能量,而第三種則主要利用光能來產生能量,太陽能電池則為本文主要探討對象。
 

太陽能電池分類與發電原理 

太陽能發電(Solar power)是一種把陽光轉換成日常可使用的電能方法,目前多以太陽能電池(Solar cells)模組等裝置來進行發電。太陽能電池可直接利用半導體材料的光生伏打效應,將太陽能轉化為直流電能,太陽能電池是在1954年由美國貝爾實驗室的科學家,利用矽摻入一定量的雜質所開發出來使其對光更加敏感,並製作出了第一個有實際應用價值的太陽能電池。
以固態半導體型太陽能電池為例,當陽光照射在太陽能電池上,可以吸收0.2μm~0.4μm波長太陽光,並激發由矽半導體或化合物半導體製作成之P型半導體及N型半導體,使其產生電子(負極)及電洞(正極)對,同時分離電子與電洞而形成電壓降1。再經由導線傳輸至一般用電之負載,因為太陽能電池產生的電為直流電,故需額外加裝直流/交流轉換器,將直流電轉換成交流電,方能供電至家庭或工業用電。
太陽能電池依其主要材料又可區分為「矽半導體」與「化合物薄膜」。矽半導體依其轉換效率高至低分為單晶矽(最高可達25%)、多晶矽(13%)及非晶矽(7%)。單矽晶由單晶矽晶圓製作,且由於固體原子排列整齊,因此導電性最佳;多矽晶只有局部區域的原子排列得很整齊,在不同區域間會有晶界(Grain boundary 2)出現,造成導電性較差;非晶矽原子都排列得很混亂,所以導電性最差,多泛用在計算機等產品上。
上述矽半導體之生產技術及成本亦與轉換效率成正相關,轉換效率高的單晶矽太陽能電池,生產成本及所需技術也高出許多。
另一大類-「化合物薄膜」,其主要成分為無機鹽類,包括砷化鎵III-V族化合物、硫化鎘、硫化鎘及銅錮硒等,雖易於大規模生產,但部分化合物含有劇毒,會對環境造成污染。且有來源取得不易等因素,無法成為主流應用。另外,近期亦以有機材料、有機聚合物等材料製成的太陽能電池研製中,尚待開發及應用。
太陽能電池發電的主要系統設備一般包含太陽能面板、直流保險絲箱、變流器(又稱逆變器)及監控系統等,太陽能面板產生電壓差及直流電流後,經由保險絲箱再進入變流器,變流器內部設有誤差放大器、調節器、振蕩器、低壓及短路保護迴路等裝置,並將直流電轉換成交流電,提供各種用途使用,並經由監控系統來掌握太陽能電池系統之狀態,作為故障排除等依據。
另外太陽光電系統是設計用於戶外的設備,因此必須能夠對抗嚴峻的氣候侵蝕與破壞,系統的所有組件、塑膠配件、絕緣材料都必須達到抗紫外線、防腐蝕、耐臭氧、抗鹽害、防水、防火、防震及防風等要求。


火災案例探討 

以下為近3年間發生之太陽能火災案件(依案發時間排序),期望藉由分析與探討案例之火災發生原因,歸納此類火災發生之因素,並提供民眾、業者預防建議和使用上之參考。

案例一

時間與地點:
107年3月 高雄市苓雅區某學校頂樓
火災概況:
火災現場為某學校屋頂凸出處太陽能裝置火災,受燒損部分為東北側牆上之太陽能系統直流分接箱(如圖四)。消防人員到場時校方已使用乾粉滅火器撲滅成功,但因太陽能板持續受日照而供電,現場尚有電弧火花產生,直至太陽能系統廠商到場處理並斷電。該處太陽能板照射日光後會產生電壓及直流電,6個太陽能板線線路串聯成一束後再匯流至直流分接箱,經過陶瓷保險絲及防逆二極體保護,再將三束合併接至突波吸收器後,送至變流器轉為交流電。
原因分析:
勘察太陽能系統ABS材質直流分接箱,受燒熔流物滴落地板(如圖五),直流分接箱鋼製底板受燒掉落,東北側牆壁磁磚受燒脫落。經清理後發現,最上層為掉落之磁磚、其次為陶瓷保險絲、防逆二極體殘骸和滴熔物、最下層熔流物覆蓋之地板未受燒,研判ABS材質直流分接箱受燒後,熔流物滴落地板後燃燒,磁磚因受燒脫落(如圖六)。直流分接箱內突波吸收器受燒部分碳化,研判突波吸收器為受火勢延燒;且直流分接箱內陶瓷保險絲與防逆二極體模組左側燒熔、右側燒失脫落。研判火流是從陶瓷保險絲和防逆二極體模組右側朝向左側方向延燒,起火處為太陽能系統直流分接箱處附近。
太陽能系統廠商表示,防逆二極體於電流通過時會隨著發電之強弱其溫度會有變化,使用過久也會有老化情形。起火處附近陶瓷保險絲及防逆二極體模組殘骸處,其中一個殘骸的防逆二極體燒失(如圖七)。故研判,該只陶瓷保險絲及防逆二極體模組附近有高溫產生。起火處附近電線亦有發現通電痕,起火原因為防逆二極體老化之電氣因素引起。

案例二

時間與地點:107年5月  桃園市楊梅區某物流中心倉庫
火災概況:
起火地點為某物流中心倉庫屋頂設置之太陽能設備(如圖八),共有7期2的太陽能設備,其中僅第5期中的第3配電箱有燒損情形(如圖九)。其餘部分大致保持原貌,火災由當時前往屋頂維護之工人發現並立即通報,切斷太陽能板電源。由23片太陽能板串聯1個模組,產生之直流電由模組線路接到直流配電箱,再經過變流器轉換成交流電送往台電。配電箱電壓為直流828伏特轉為交流495伏特;該太陽能設備於106年11月施作,並在107年4月26日開始發電。
原因分析:
勘察直流電配電箱燒損情形(如圖十),內部零組件均嚴重受熱而變色氧化,金屬箱體局部燒穿,電源線熔斷(熔凝),經由實體顯微鏡檢視確認為短路熔痕(如圖十一)。因該處太陽能設備僅設置不久便發生火災,且設置處為鋼骨鐵皮建物屋頂,應可排除外人進入因素。起火原因研判為直流電配電箱內之電源線短路引起,可能為配電箱裝設配接問題或機件故障等問題導致短路。
案例三
時間與地點:108年3月及4月  桃園市新屋區豬舍屋頂
火災概況:
該處為地上1層鋼骨鐵皮建物,屋頂上設有太陽能設備,電源線以金屬管包覆,經由鋁製線槽從屋頂拉之後側統一匯集至南側電器室,太陽能設備裝設約5年,廠商定期會維修保養,亦曾多少有故障情形發生,距離上次保養約2年。該豬舍於3月及4月間發生2起太陽能設備火災,內部之電器設備均無運作,僅太陽能板因照射陽光發電中,而4月於同處1號豬舍發生火災,火勢由在場人員撲滅。(如圖十二)
原因分析:
經勘察豬舍屋頂太陽能設備,3月時以7號豬舍受燒損最為嚴重,並向東延燒至其他豬舍,太陽能板之直流電源線走線槽至西側電氣室配電箱,電氣室附近未受燒,7號豬舍南側有發現受燒嚴重之太陽能設備電源線(如圖十三)。4月則於東側之1號豬舍屋頂起火(如圖十四),於1號豬舍地面發現燒損之電源線(如圖十五)。因3月才火災,故該處太陽能設備電氣室開關都已關閉,但因太陽能板持續照射日光,產生直流電,且由於廠商配置關係未能切斷迴路,造成太陽能板電源線再次起火。研判該處太陽能設備約2年未進行維修保養,起火原因為太陽能設備直流電電源線久未維護而致電源線短路。
案例四
時間與地點:108年4月 彰化縣線西鄉某工廠
火災概況:
該處為1層樓挑高約12米之鐵皮鋼骨廠房,內部為作業區及倉庫使用,廠房幾乎全部燒毀,廠房屋頂鐵皮靠近西側中段處受燒倒塌較為嚴重(如圖十六)。火災當日廠內無人上班,電源開關皆關閉。屋頂太陽能光電系統模組電源線路經過金屬浪管,匯集至屋脊集線槽,再經由集線槽送至下方建築物側牆變流器,兩側太陽能設備分別於106年底及107年4月完工發電,案發前幾日人員發現西側模組直流電開關箱熔絲有異常故障,故關閉迴路開關,但太陽能板至隔離開關箱之迴路日照下尚有直流電。
原因分析:
勘查現場廠房西側作業區之東側牆面開關箱燒損嚴重(如圖十七),電源線路PVC套管有數條不等程度之受燒,且內部電源線部分亦受燒損。廠房西側作業區外牆PVC管附近燃燒最為猛烈,根據監視器畫面顯示,亦是西側外牆最先有火光(如圖十八)。經逐層清理西側作業區外牆PVC管起火點附近,發現太陽能光電設備之電源線路有疑似短路熔痕,需待送驗後確認(如圖十九),故無法排除該PVC管之電源線路可能因太陽能光電系統之電源線路異常,導致電源線路發生短路,引燃絕緣披覆及PVC管後,擴大延燒至屋頂鐵皮泡棉及太陽能模組而引起火災。

案例五

時間與地點:
109年9月 臺南市七股區太陽能光電廠
火災概況:
現場為臺電設置太陽能光電場(如圖二十),場區面積大約216公頃,編號C2-5貨櫃起火燃燒(如圖二十一),其用途為放置變流及升壓儀器設備用,燃燒範圍僅侷限該只貨櫃西側空間。貨櫃起火前,內部儀器設備有在測試運轉,大致過程為:太陽能面板吸收光能轉換成直流電,匯流至變流器,轉換成交流電,透過變壓器升壓至高壓電,再送電至變電所。
該場區設置變流器上方電容器後方有個絕緣閘極雙極性電晶體(IGBT, Insulated Gate Bipolar Transistor)機件,該機件功能是把直流電轉換成交流電,偶爾因電壓瞬間升高或是環境因素(濕氣、灰塵、鹽害等)造成該機件正負極短路而爆炸,場區大約發生過5次類似情形。
原因分析:
西側變流器右側鋁門下半部燒穿(如圖二十二),箱內上半部電路板、機件嚴重燒失、燒熔;下半部電源導線接續部、端子、銅板及礙子大半燒熔、燒失及碳化,裏層鋼板受燒嚴重鏽蝕,並呈現U型火流鏽蝕痕跡(如圖二十三),另下方電源導線殘跡發現有疑似因短路造成「通電痕」之熔珠痕跡。
變流器會發生故障因素有以下可能:電源中的突波情形發生造成電路損毀、外在環境高溫破壞內部電路機件、鹽害、潮濕或灰塵等,都可能會造成內部電路板或電線絕緣不佳而短路。而電源接續部施工不良等因素則有可能導致變流器接觸銅排過熱、熔損,造成其電路板、機件損毀炸開,甚至是短路瞬間產生高溫火花引燃電源導線披覆、儀器設備塑料等部件導致擴大延燒。而該廠區亦發生過類似之火災案件,研判本案起火原因為變流器機件故障引起火災之可能性較大。

案例內容討論 
案例一及案例二之起火處皆發生在直流電配電箱處,配電箱內電源線與電子配件皆燒損嚴重;案例三及案例四則是太陽能板發電後,電流流經之電源線起火;案例五火災則為太陽能設備之變流器發生故障而引起。由上述5件案例可以歸納出:
太陽能光電設備之起火處,多位於太陽能板電源線至變流器之間,而非直接照射日光產生電壓電流之太陽能面板處。由於電源線至變流器之間皆為高電壓高安培數之直流電,本來就具有一定程度之危險性,若是遇到其他外在因素造成太陽能設備異常,則會故障停擺甚至致生火災。
一般來說,太陽能設備經過縝密的設計製造並安裝,其本身之安全性應相當足夠,故最常見的致災原因便是施工、安裝、調試及維護管理問題。例如案例三之太陽能設備,因豬舍主人認為豬舍屋頂較危險,故已2年未讓廠商進行檢修保養;另外案例二及案例五之太陽能設備則為剛設置或測試運轉中,可以推測在施工安裝時機件可能未設置妥善,或於測試運轉時發生異常,此類因太陽能設備管理不佳,致設備電源線、配電箱組件或變流器產生問題,亦為各國太陽能設備產生火災之重點因素。
根據英國商業能源和工業策略部(DBEIS)先前針對當地80起太陽能失火調查,有26起是因為設計和安裝不當,而直流電連接器起火機率次高;日本調查也指出10年間已發生127起太陽能板起火意外,70%皆因為沒有定期檢查。
而太陽能設備是一種直流發電裝置,其中組列經直流匯流箱、直流配電箱再到變流器,其電壓常可高達300-1000V,電流大於10A,若因為電流路徑中斷或接地故障時,就會造成「直流故障電弧」,並引燃周圍可燃材料;而直流電源線若因異常電流過熱造成絕緣破損短路,亦會引燃PVC披覆,並沿著輸電線路擴大延燒,案例三及四皆屬之。若是直流配電箱內之組件起燃,則可以思考是否為電線接續或端子固定不實,或模組間串並聯所使用連接器所衍生的接觸不良造成。
另外,太陽能設備還須考慮到太陽能板熱斑之發生,在串聯配置太陽能電池模組中,電池板因為樹蔭、髒污或是建築遮蔽造成發電效率較差,使得電池板在發電迴路中被當成負載消耗其他有受光的太陽能電池板所產生的能量,形成阻抗產生熱,此為太陽能發電系統常見的「熱斑效應」,熱斑會影響太陽能電池的壽命,甚至會使得電池板因為高熱而出現損壞起火。
太陽能板若遭火災燒損,經由日光照射還是可能會有電壓電流產生,如案例一及案例三,因此若發生太陽能設備火災,應立即通知台灣電力公司及太陽能發電業者、廠商前往處理並斷電。現場人員或消防隊到達時,應偕同廠商確認太陽能輸電線路與變流器間配電是否尚有電力存在,絕對不能自行貿然用水滅火,或直接進入搶救,容易產生觸電危險。
結論建議 
太陽能光電設備可以充分利用屋頂、空地等閒置空間,並藉由太陽日照方式進行發電,實屬相當乾淨的能源生產方式,但因其技術、設備之特殊性,需要專業之廠商進行設計、製造,並交由專業的人員前往施工。而後續專人的定期檢修、保養,甚至由場所使用人定期前往察看有無異常,都可以大大降低太陽能設備之火災風險。避免高價之太陽能發電設備遭受祝融,甚至連出租屋頂使用之工廠廠房、倉庫、畜舍等也付之一炬。
太陽能光電設備製造商及業者,本於技術專業應妥善設計及 安裝設備之各項組件,並提供場所使用人員簡易之教育訓練,製作定期檢修保養計畫,若設備位處於環境不佳例如易生鹽害、潮濕或灰塵等處所,應採取必要措施來檢查及防範,唯有落實太陽能設備之安全管理,才可以安心的體會此類綠色潔淨能源帶來的效益。