一场从太阳开始的再生能源革命

整个城市都是我的发电厂

【撰文/王岫晨

阳光取之不竭、用之不尽,是最优质的再生能源。

从矽晶太阳电池、薄膜太阳电池,到染料敏化电池,

一场永不停止的阳光革命,正在热烈进行中。

人们的日常生活中,对于能源的消耗程度十分惊人。在过去,不断有能源危机的产生,使得人们对于找出一种真正低污染,且又能永续存在的能源势在必行,这便是发展再生能源最重要的原因。

在地球的环境中,能源以各种不同的形式,藏身于大自然之中。透过再生能源技术,人们已经可以顺利撷取太阳能、风力、水力、地热、潮汐、生质能与海洋热能等能源,并转换成为电力来供应人们的日常所需。

一切就从太阳开始

太阳能是目前使用最为普遍的再生能源之一,无所不在,且取之不竭。且规模从大到小,例如大到一个占地广阔的太阳能电厂,小到一个电子表上太阳能充电板都是其范畴。

目前全球许多地方已经开始采用无污染的太阳能电厂,这种电厂又称为太阳能农场,也就是在大面积的荒漠、贫瘠的地表,或是在大型厂房的屋顶上安装太阳能模组阵列、直交流逆变器、配线箱等,并接入高压电力网路的发电系统,电力供应通常可达10kV等级。除了大型太阳能电厂之外,一般住宅或都市建筑物在顶楼加设太阳能面板,也都能有效利用源源不绝的太阳光能,供应一般住宅或办公大楼的部分用电,来降低整体用电成本。

目前针对太阳能的使用,通常会再分为主动式与被动式两大类型。主动式主要是透过太阳能电池、逆变器或蓄电池等电子设备来撷取光能,并将之转换为电能。被动式则通常是借由建筑物的结构设计或材料等方式,将阳光导入到建筑物之中,利用阳光来进行照明,达到节能减碳的目的。

一场从太阳开始的再生能源革命-1.jpg将阳光导入到建筑物之中来进行照明,也可达到节能减碳的目的。

从矽晶到薄膜

细看太阳能发电技术,发展的关键一直都聚焦在转换效率之上。依据技术的成熟度来区分,太阳能发电可分为四个发展阶段,依序是最为成熟的矽晶基板、目前积极发展中的薄膜技术、以及新一代的有机奈米技术,而后还有下世代的复合薄膜材料。

目前技术最为成熟的是矽晶太阳能模组,依种类又可细分为单晶矽、多晶矽、非晶矽等,市场上的产品则以单晶矽与多晶矽最为普及。单晶矽太阳能电池多半使用于需要大面积转换电能的发电系统,例如太空轨道上的衞星发电,就是使用单晶矽。单晶矽是目前所有太阳能发电类型中,转换效率最高的,可达到20-25%,效能稳定,使用时间也能维持最长,但成本偏高。

有鉴于矽晶太阳能电池存在的诸多问题,许多厂商也纷纷致力发展薄膜太阳电池。薄膜电池依据材料不同可分为非晶矽(Amorphous)、碲化镉(CdTe)、铜铟硒化物(CIS)、铜铟镓硒化物(CIGS)、砷化镓(GaAs)等。薄膜技术采用溅镀或印刷方式制作,在玻璃或柔性基板上,沉积一层光敏材料及金属箔,并使用非晶矽、CdTe或CIGS做为半导体,提高其良率,但效率低于矽晶太阳能电池,且制程中常造成毒物残留,是最大的缺点。

非晶矽(Amorphous)薄膜太阳能电池曾经引起一阵热烈讨论,关键在于其制造成本十分低廉,拥有价格优势。然而转换效率与矽晶太阳能电池仍有着一段差距,仅约10.1%,使用上必须拥有更大的安装面积,成为一大缺点。且矽晶太阳能电池价格不断降低,也成为非晶矽薄膜太阳能电池的一大竞争挑战。

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多晶矽太阳电池制程较为简易,成本也比单晶矽低,不过转换效率只能达到10-24%。

染料敏化太阳能电池的半透光特性,

非常适合用于办公大楼中的窗材,

可同步进行发电、绝热及遮阳等功能。 

染料敏化电池具发展潜力

为了更有效降低成本、提高效率、延长寿命,新一代的太阳能发电技术也开始导入有机材料与奈米技术,包括染料光敏化、光化学电池、高分子电池、奈米结晶电池等。染料敏化太阳能电池(DDSC)特色为材料便宜,透过低温的简单制程即可制作,重点是其具备可挠性、多彩性与透光性等优点,可直接融入建筑设计之中,在节能发电的同时,还可为建筑物增加更多创意。

染料敏化太阳能电池是由玻璃或薄膜基板、透明导电膜、TiO2光电极、染料、电解质与溶剂,以及透明导电膜、铂触媒相对电极等结构所组成,在有导电膜的基板上,将TiO2奈米微粒涂布成糊状,并以450℃温度对其烧结成半导体光电极。相对电极则是对透明导电膜进行铂蒸镀而形成。TiO2层的厚度约10μm,其奈米孔洞可让有效表面积达到外观基板面积的1000倍以上,让TiO2能吸附更多染料,藉以吸收更多光源,提高转换的电流值。

在实际应用上,染料敏化太阳能电池的半透光特性,非常适合用于办公大楼中的窗材,可同步进行发电、绝热及遮阳等功能。在制作过程中,由于可透过红、黄、青等三色原料进行调配,因此可产生多种不同色彩,而外型也可任意切割,甚至折曲,就建筑装潢设计来说,拥有很高的自由度。而制造成本低廉,转换效率也可达到10%,更可直接结合建筑设计,因此预计将是前景十分看好的太阳发电技术之一。

除了应用于建筑外墙、屋顶与玻璃进行发电用途之外,染料敏化太阳能电池只要透过一般室内光线即可进行发电,是电子产品辅助供电来源的另一种选择,例如可直接内建在手机、手表等用电量较小的产品上,或外接的折叠式充电器。另一种重要用途,则是结合纺织品,在衣物上涂布这种染料敏化太阳能材料,来进行随身发电,预期未来在行动供电的应用上将有很大的市场潜力。

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染料敏化太阳能电池可直接结合建筑设计,是前景十分看好的太阳发电技术之一。

结语

太阳能电池的发展脚步从不停歇,从已经成熟的矽晶太阳能电池、薄膜电池,到能结合建筑物的新一代染料敏化太阳能电池,重点不外乎是要提供人们一种效率更好的再生能源,并能更大限度地与人们所处的环境或建筑物进行结合。

近期荷兰当地已经有第一条太阳能自行车道的问世,而建筑物结合太阳能发电在全球各地更是早已十分普遍。在节能减碳已经成为当务之急的今日,一场再生能源的阳光革命,已经成为当今重视绿色环保的地面上,一场永不喊卡的新运动。

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太阳电池已经成为一场永不喊卡的阳光革命。

薄膜太阳电池

薄膜太阳电池可以使用在价格低廉的玻璃、塑胶、陶瓷、石墨,金属片等不同材料当基板来制造,形成可产生电压的薄膜厚度仅需数㎛,因此在同一受光面积之下,可较矽晶圆太阳能电池大幅减少原料的用量(厚度可低于矽晶圆太阳能电池90%以上),目前转换效率最高可达13%。

薄膜电池太阳电池除了平面之外,也因为具有可挠性,可以制作成非平面构造。其应用范围大,可与建筑物结合或是变成建筑体的一部份,在薄膜太阳电池制造上,则可使用各式各样的沉积(deposition)技术,一层又一层地把p-型或n-型材料长上去。

一场从太阳开始的再生能源革命-5.jpg薄膜太阳电池产品应用:

●半透明式的太阳能电池模组:建筑整合式太阳能应用(BIPV)

●薄膜太阳能模组之应用:屋顶、建筑整合式、远端电力供应、国防

一场从太阳开始的再生能源革命-6.jpg整个马路都是我的发电站 荷兰太阳能车道正式上路

在都市中收集太阳能,多半是透过建筑物的屋顶来置放太阳能电池,并将阳光转换成为电能。只不过,车辆通行的道路,其实在都市中也占有十分广泛的面积。如果能够善于利用这些马路的面积,来撷取太阳光能转换成为电能,势必也能为整个城市的节能减碳做出更多的贡献。

最近荷兰阿姆斯特丹政府,就为当地一条采用太阳能面板所打造而成的自行车道进行启用仪式。这是荷兰政府为SolaRoad计画所打造的第一条太阳能车道,目的是用于测试透过马路来进行太阳能发电的实际效率与可行性。

在外观上,这条太阳能自行车道外表以许多太阳能面板模组所拼成,就像积木一样。根据实际测试,每平方公尺的道路约能在一年内产生出50-70千瓦小时的能源。根据相关单位表示,这项为期三年的测试将花费300万欧元,这些费用将由企业与地方政府共同分担。

据了解,荷兰的人口密度非常高,排名在全球前几名,自然对于土地的利用更为积极。这种太阳能车道,可以邻近住宅区,且不占用既有的土地空间,所发出来的电力也能直接投入邻近地区的住宅用电,对于地狭人稠的荷兰,可以说十分方便。

当然,打造一条太阳能车道,尽管有环保节能与地利之便的优势,然而缺点也必须列入观察。例如,要在车道上铺设太阳能面板,其设计、兴建、安装等成本十分高昂,这还不包括来往车辆施压所造成的损坏与维修费用。此外,车辆与行人也可以阻碍了阳光,导致电源的转换效率变差,这都将是未来太阳能车道发展上,需要考虑到的部分。 

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政策调整 日本太阳能发电由地面转攻屋顶

 在今年九月,日本九州电力株式会社于以电力供给市场恐因供过于求而遭破坏为由,暂停与太阳能产电业者签订电力购入契约之决定。紧接着四国电力公司、日本东北电力公司、北海道电力公司及冲绳电力公司也宣布暂停对新的太阳能发电项目并网,同时日本经产省能源矿业厅也于日前提出对现行再生能源“固定价格收购制度”应注意事项,并归纳出改善“偏重收购太阳能电”为修法重点,相关学者专家讨论会将持续进行,预计年底前可提出具体改革方案。 

一场从太阳开始的再生能源革命-8.jpg日本Sanyo公司的太阳方舟

EnergyTrend分析师高嘉熙表示,日本太阳能发电市场一向被认为政策稳定也具有成长空间,但近来政策的不确定性,已影响太阳能大型地面电厂的开发案,似乎也宣告了日本大型太阳能电厂革命的结束。而住宅加储能的太阳能发电市场却正在崛起,为日本未来比较乐观的领域,仍享有政府支持的补贴方案。许多公司已经开始在这一领域提供完整的服务,也还保有成长性。 

高嘉熙表示,2015年的日本太阳能市场仍有许多已申请过之太阳能电厂案需赶在期限前完工,因此市场会持续增长,但预期未来地面市场将因转向屋顶型为主的小型系统案而趋缓。 

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