一場從太陽開始的再生能源革命

整個城市都是我的發電廠

【撰文/王岫晨

陽光取之不竭、用之不盡,是最優質的再生能源。

從矽晶太陽電池、薄膜太陽電池,到染料敏化電池,

一場永不停止的陽光革命,正在熱烈進行中。

人們的日常生活中,對於能源的消耗程度十分驚人。在過去,不斷有能源危機的產生,使得人們對於找出一種真正低污染,且又能永續存在的能源勢在必行,這便是發展再生能源最重要的原因。

在地球的環境中,能源以各種不同的形式,藏身於大自然之中。透過再生能源技術,人們已經可以順利擷取太陽能、風力、水力、地熱、潮汐、生質能與海洋熱能等能源,並轉換成為電力來供應人們的日常所需。

一切就從太陽開始

太陽能是目前使用最為普遍的再生能源之一,無所不在,且取之不竭。且規模從大到小,例如大到一個佔地廣闊的太陽能電廠,小到一個電子錶上太陽能充電板都是其範疇。

目前全球許多地方已經開始採用無污染的太陽能電廠,這種電廠又稱為太陽能農場,也就是在大面積的荒漠、貧瘠的地表,或是在大型廠房的屋頂上安裝太陽能模組陣列、直交流逆變器、配線箱等,並接入高壓電力網絡的發電系統,電力供應通常可達10kV等級。除了大型太陽能電廠之外,一般住宅或都市建築物在頂樓加設太陽能面板,也都能有效利用源源不絕的太陽光能,供應一般住宅或辦公大樓的部分用電,來降低整體用電成本。

目前針對太陽能的使用,通常會再分為主動式與被動式兩大類型。主動式主要是透過太陽能電池、逆變器或蓄電池等電子設備來擷取光能,並將之轉換為電能。被動式則通常是藉由建築物的結構設計或材料等方式,將陽光導入到建築物之中,利用陽光來進行照明,達到節能減碳的目的。

將陽光導入到建築物之中來進行照明,也可達到節能減碳的目的。

從矽晶到薄膜

細看太陽能發電技術,發展的關鍵一直都聚焦在轉換效率之上。依據技術的成熟度來區分,太陽能發電可分為四個發展階段,依序是最為成熟的矽晶基板、目前積極發展中的薄膜技術、以及新一代的有機奈米技術,而後還有下世代的複合薄膜材料。

目前技術最為成熟的是矽晶太陽能模組,依種類又可細分為單晶矽、多晶矽、非晶矽等,市場上的產品則以單晶矽與多晶矽最為普及。單晶矽太陽能電池多半使用於需要大面積轉換電能的發電系統,例如太空軌道上的衞星發電,就是使用單晶矽。單晶矽是目前所有太陽能發電類型中,轉換效率最高的,可達到20-25%,效能穩定,使用時間也能維持最長,但成本偏高。

至於多晶矽的製程較為簡易,成本也比單晶矽低,發電原理與單晶矽相同,不過轉換效率只能達到10-24%。一般來說,晶矽太陽能電池由於結晶構造不穩定,使用初期經常會有嚴重的結構劣化問題,影響發電效率,使用約1-2年後才會趨於穩定。某些非晶矽材質的太陽能電池,轉換效率劣化問題更為嚴重。

有鑑於矽晶太陽能電池存在的諸多問題,許多廠商也紛紛致力發展薄膜太陽電池。薄膜電池依據材料不同可分為非晶矽(Amorphous)、碲化鎘(CdTe)、銅銦硒化物(CIS)、銅銦鎵硒化物(CIGS)、砷化鎵(GaAs)等。薄膜技術採用濺鍍或印刷方式製作,在玻璃或柔性基板上,沉積一層光敏材料及金屬箔,並使用非晶矽、CdTe或CIGS做為半導體,提高其良率,但效率低於矽晶太陽能電池,且製程中常造成毒物殘留,是最大的缺點。

非晶矽(Amorphous)薄膜太陽能電池曾經引起一陣熱烈討論,關鍵在於其製造成本十分低廉,擁有價格優勢。然而轉換效率與矽晶太陽能電池仍有着一段差距,僅約10.1%,使用上必須擁有更大的安裝面積,成為一大缺點。且矽晶太陽能電池價格不斷降低,也成為非晶矽薄膜太陽能電池的一大競爭挑戰。

多晶矽太陽電池製程較為簡易,成本也比單晶矽低,不過轉換效率只能達到10-24%。

染料敏化太陽能電池的半透光特性,

非常適合用於辦公大樓中的窗材,

可同步進行發電、絕熱及遮陽等功能。 

染料敏化電池具發展潛力

為了更有效降低成本、提高效率、延長壽命,新一代的太陽能發電技術也開始導入有機材料與奈米技術,包括染料光敏化、光化學電池、高分子電池、奈米結晶電池等。染料敏化太陽能電池(DDSC)特色為材料便宜,透過低溫的簡單製程即可製作,重點是其具備可撓性、多彩性與透光性等優點,可直接融入建築設計之中,在節能發電的同時,還可為建築物增加更多創意。

染料敏化太陽能電池是由玻璃或薄膜基板、透明導電膜、TiO2光電極、染料、電解質與溶劑,以及透明導電膜、鉑觸媒相對電極等結構所組成,在有導電膜的基板上,將TiO2奈米微粒塗佈成糊狀,並以450℃溫度對其燒結成半導體光電極。相對電極則是對透明導電膜進行鉑蒸鍍而形成。TiO2層的厚度約10μm,其奈米孔洞可讓有效表面積達到外觀基板面積的1000倍以上,讓TiO2能吸附更多染料,藉以吸收更多光源,提高轉換的電流值。

在實際應用上,染料敏化太陽能電池的半透光特性,非常適合用於辦公大樓中的窗材,可同步進行發電、絕熱及遮陽等功能。在製作過程中,由於可透過紅、黃、青等三色原料進行調配,因此可產生多種不同色彩,而外型也可任意切割,甚至折曲,就建築裝潢設計來說,擁有很高的自由度。而製造成本低廉,轉換效率也可達到10%,更可直接結合建築設計,因此預計將是前景十分看好的太陽發電技術之一。

除了應用於建築外牆、屋頂與玻璃進行發電用途之外,染料敏化太陽能電池只要透過一般室內光線即可進行發電,是電子產品輔助供電來源的另一種選擇,例如可直接內建在手機、手錶等用電量較小的產品上,或外接的摺疊式充電器。另一種重要用途,則是結合紡織品,在衣物上塗佈這種染料敏化太陽能材料,來進行隨身發電,預期未來在行動供電的應用上將有很大的市場潛力。

染料敏化太陽能電池可直接結合建築設計,是前景十分看好的太陽發電技術之一。

結語

太陽能電池的發展腳步從不停歇,從已經成熟的矽晶太陽能電池、薄膜電池,到能結合建築物的新一代染料敏化太陽能電池,重點不外乎是要提供人們一種效率更好的再生能源,並能更大限度地與人們所處的環境或建築物進行結合。

近期荷蘭當地已經有第一條太陽能自行車道的問世,而建築物結合太陽能發電在全球各地更是早已十分普遍。在節能減碳已經成為當務之急的今日,一場再生能源的陽光革命,已經成為當今重視綠色環保的地面上,一場永不喊卡的新運動。

太陽電池已經成為一場永不喊卡的陽光革命。

薄膜太陽電池

薄膜太陽電池可以使用在價格低廉的玻璃、塑膠、陶瓷、石墨,金屬片等不同材料當基板來製造,形成可產生電壓的薄膜厚度僅需數㎛,因此在同一受光面積之下,可較矽晶圓太陽能電池大幅減少原料的用量(厚度可低於矽晶圓太陽能電池90%以上),目前轉換效率最高可達13%。

薄膜電池太陽電池除了平面之外,也因為具有可撓性,可以製作成非平面構造。其應用範圍大,可與建築物結合或是變成建築體的一部份,在薄膜太陽電池製造上,則可使用各式各樣的沈積(deposition)技術,一層又一層地把p-型或n-型材料長上去。

薄膜太陽電池產品應用:

●半透明式的太陽能電池模組:建築整合式太陽能應用(BIPV)

●薄膜太陽能之應用:隨身折疊式充電電源、軍事、旅行

●薄膜太陽能模組之應用:屋頂、建築整合式、遠端電力供應、國防

整個馬路都是我的發電站 荷蘭太陽能車道正式上路

在都市中收集太陽能,多半是透過建築物的屋頂來置放太陽能電池,並將陽光轉換成為電能。只不過,車輛通行的道路,其實在都市中也佔有十分廣泛的面積。如果能夠善於利用這些馬路的面積,來擷取太陽光能轉換成為電能,勢必也能為整個城市的節能減碳做出更多的貢獻。

最近荷蘭阿姆斯特丹政府,就為當地一條採用太陽能面板所打造而成的自行車道進行啟用儀式。這是荷蘭政府為SolaRoad計畫所打造的第一條太陽能車道,目的是用於測試透過馬路來進行太陽能發電的實際效率與可行性。

在外觀上,這條太陽能自行車道外表以許多太陽能面板模組所拼成,就像積木一樣。根據實際測試,每平方公尺的道路約能在一年內產生出50-70千瓦小時的能源。根據相關單位表示,這項為期三年的測試將花費300萬歐元,這些費用將由企業與地方政府共同分擔。

據了解,荷蘭的人口密度非常高,排名在全球前幾名,自然對於土地的利用更為積極。這種太陽能車道,可以鄰近住宅區,且不佔用既有的土地空間,所發出來的電力也能直接投入鄰近地區的住宅用電,對於地狹人稠的荷蘭,可以說十分方便。

當然,打造一條太陽能車道,儘管有環保節能與地利之便的優勢,然而缺點也必須列入觀察。例如,要在車道上鋪設太陽能面板,其設計、興建、安裝等成本十分高昂,這還不包括來往車輛施壓所造成的損壞與維修費用。此外,車輛與行人也可以阻礙了陽光,導致電源的轉換效率變差,這都將是未來太陽能車道發展上,需要考慮到的部分。 

政策調整 日本太陽能發電由地面轉攻屋頂

 在今年九月,日本九州電力株式會社於以電力供給市場恐因供過於求而遭破壞為由,暫停與太陽能產電業者簽訂電力購入契約之決定。緊接着四國電力公司、日本東北電力公司、北海道電力公司及沖繩電力公司也宣布暫停對新的太陽能發電項目併網,同時日本經產省能源礦業廳也於日前提出對現行再生能源「固定價格收購制度」應注意事項,並歸納出改善「偏重收購太陽能電」為修法重點,相關學者專家討論會將持續進行,預計年底前可提出具體改革方案。 

日本Sanyo公司的太陽方舟

EnergyTrend分析師高嘉熙表示,日本太陽能發電市場一向被認為政策穩定也具有成長空間,但近來政策的不確定性,已影響太陽能大型地面電廠的開發案,似乎也宣告了日本大型太陽能電廠革命的結束。而住宅加儲能的太陽能發電市場卻正在崛起,為日本未來比較樂觀的領域,仍享有政府支持的補貼方案。許多公司已經開始在這一領域提供完整的服務,也還保有成長性。 

高嘉熙表示,2015年的日本太陽能市場仍有許多已申請過之太陽能電廠案需趕在期限前完工,因此市場會持續增長,但預期未來地面市場將因轉向屋頂型為主的小型系統案而趨緩。 

【全文刊載於《CTIMES雜誌201412月號】-- CTIMES粉絲團

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