減碳科技：太陽能車–火鳳凰
102/03/15
瀏覽次數
26565
林克默｜
南台科技大學機械工程系
火熱的太陽
自從能源危機與全球暖化問題引起世人廣泛注意後，科學界與產業界就攜手致力於永續、潔淨再生能源的研發。眾所皆知，太陽能是人類最重要的能量來源，也是最廣泛易得的再生能源，只要應用適當的工具收集太陽光，便可把它轉換成其他的能源形式，如電能或熱能等，太陽能的應用就很自然地成為綠色能源研究的焦點。
太陽能在航太科技中的應用應屬歷史最悠久和最頻繁的，例如衛星和太空站上執行任務時所需的電力，就是由太陽能發電系統提供的。
航太科技與太陽能電池
自望遠鏡發明以來，人類對天空的觀察多限於在地球上對天空眺望，但哈伯太空望遠鏡以前所未有的方式改變了人類對太空的認識。1990年發現者號太空梭把哈伯望遠鏡送到太空後，它就在離地表569公里的高空中繞著地球運行，並定時把拍攝的太空畫面傳送回地球，讓天文學者得以一窺太陽系內外距離地球十分遙遠的星體與星雲。目前觀測到最遠的星體是132億光年遠的伽瑪射線爆（gamma-ray burst），據研究那是宇宙形成初期，恒星在生命末期發生爆炸時，兩極所發出的強烈伽瑪射線訊號。
哈伯望遠鏡的運作需要電力，但在太空中沒有插頭可連接到地面呀？其實它的電力來自太陽。哈伯望遠鏡有兩個翅膀般的太陽能板，可把太陽光轉換成電力。每一片太陽能板提供2,800瓦（大約相等於兩台大型吹風機的耗電量）的電力給其中的電腦和無線傳輸系統使用，另一部分電能則儲存在望遠鏡的蓄電池中。
哈伯望遠鏡繞地球1圈需97分鐘，其中有36分鐘位於地球的陰影下，太陽照不到。這時，儲存在蓄電池中的電能便可派上用場。若蓄電池充滿了電，可供哈伯望遠鏡在正常運作模式下操作7.5小時，而可繞地球5圈。哈伯望遠鏡在太空中已工作超過20年，如果沒有這些太陽能板提供必要的電力，它是無法如此長時間為天文學家執行各種觀測服務的。
原理與結構
哈伯望遠鏡的太陽能板，其最小組成單位是太陽能電池或稱太陽能晶片。其運作原理可分成兩個部分，首先需要一個機制能夠吸收太陽光並產生電子和電洞；其次是能把這兩種載子分開並接上負載以形成電流迴路。這個吸收太陽光的機制便是所謂的內部光電效應，電子元件中常見的PN結構則用來分開電子和電洞。
早在1839年，法國人貝克勒爾（Edmond Becquerel, 1820-1891）便發現了吸收太陽光可產生電流的現象，但遲至1954年，美國貝爾實驗室（Bell Laboratory）的柴平（D. M. Chapin）、富勒（C. S. Fuller） 與培森（G. L. Pearson）才製作出具實用價值的太陽能電池。當時是以矽晶材料來製作，效率約為6％。近60年來，太陽能電池的基本結構並沒有明顯改變，但由於半導體製程與材料純化技術的精進，使得轉換效率持續提升。目前商用單矽晶太陽能電池的最高效率已超過24％，多矽晶太陽能電池也有17％以上。
半導體材料因可吸收大部分太陽光，且易於製作PN接面，所以成為主要的太陽能電池材料。PN結構構成了最基本的電子元件，稱為二極體，太陽能電池就是一個特大號的二極體，具有整流作用。在一定光照下，其光電流會依負載的變化而改變，這是與一般蓄電池或乾電池不同的地方。由於光電流和電壓會隨著負載的改變而改變，因此在某一個特定條件下，太陽能電池的輸出功率最大，稱為最大功率點。
大型太陽光電（PV）系統一般都使用最大功率追蹤器（maximum power point tracking, MPPT），使輸出電壓維持在最大功率點附近。小型PV系統則因成本考量，或考慮到MPPT本身的耗能問題，通常不使用MPPT，而是利用蓄電池的工作電壓來控制輸出電壓。以鉛酸蓄電池為例，工作電壓範圍在12～14.4 V之間。因此模組晶片的串聯數目多設為36片，如此一來，模組的最大功率點便落在14～15 V之間，因而可達到最大輸出功率的目的。
此外，光電流與日照強度成正比，但日照強度對電池電壓的影響不明顯，反而是電池溫度的上升會造成電池電壓下降，因而減少輸出功率。這是太陽能電池「怕熱」說法的由來。
太陽能模組
由於太陽能電池屬於大電流低電壓元件，單片電池所能提供的電壓有限，且在電池製作過程中多使用昂貴的高純度半導體材料來確保電池的高轉換效率，為了降低生產成本，這些電池多半切割得很薄，造成電池本身的強度相當脆弱，容易受環境的破壞。實際應用上，都會視需要把各晶片串並聯至所需的規格後，再以EVA、玻璃、Tedlar等材料封裝保護，外圍再加上鋁框固定，接上端子頭，就製成大眾熟悉的「太陽能模組」。
除了封裝技術會影響太陽能模組的效能及使用壽命外，模組中電池間的導線銲接技術也相當重要，銲接品質不良，可能導致整個模組的效率大幅降低，甚至無法使用。目前太陽能電池的材質多是矽或砷化鎵，在其上銲接猶如把銲鍚銲在陶瓷上，銲帶不易固定，且受到外力或內應力的影響，也很容易剝落。為了使銲片能夠順利地固定在電池上，必須依靠助焊劑及較高的銲接溫度，但對半導體材料而言，銲接溫度過高會造成電池過銲或使晶片產生裂縫。因此在太陽能模組製造過程中，銲接條件是相當重要的參數。
惟近年來環保意識抬頭，加上鉛對人體健康會帶來不良的後果，因此許多國家開始制定法案限制鉛的使用，例如美國環保署就規定禁止在電子、通訊、汽車、航太等工業中使用含鉛的銲錫。日本在2002年宣布禁止使用含鉛製品，歐洲聯盟也明確規定於2004年後，逐漸去除含鉛或其他有害材料的使用。因此，積極開發無鉛銲錫已是電子工業發展的趨勢。
目前已開發出相當數量的無鉛銲錫，相關專利更超過一百多種。而近年來太陽能模組製造也順應潮流轉為使用無鉛銲料，但無鉛銲料的熔點高，使得太陽能模組的銲接製程更顯得重要。
商用6英寸矽晶太陽能電池的開路電壓約為0.63 V，短路電流是8.80 A，應用時，大多以串聯方式提高模組工作電壓。但即使在相同製程條件下，每一片電池的電壓電流特性也有些許差異。因此，製造模組前必須對太陽能電池進行篩選，確保同一模組電池的電壓電流特性相近。如此一來，才不會因為有一片電池的光電流較小而降低整個模組的輸出電流，進而減損模組輸出功率。
同樣地，規劃PV系統時，由數個模組組成的太陽能陣列，以及由數個陣列所構成的PV系統，都須考慮其電流電壓的匹配問題。此外，當把太陽能電池製作成太陽能模組時，因銲接和電池間匹配所造成的電性損失，以及上蓋片和電池間的空隙所帶來的光學損失，使得模組整體效率明顯低於電池效率，以17～19％的太陽能電池而言，模組效率大約介於13～16％之間。各大廠商為提供太陽能電池的測試平台，並吸引大眾的注意力，都舉行各種太陽能電池的應用競賽，其中以在澳洲舉行的太陽能大賽最受矚目。
世界太陽能車越野賽
澳洲的世界太陽能車越野賽（World Solar Challenge, WSC）是兩年舉行一次的比賽，賽程從北部達爾文港出發，穿越澳洲中部荒漠，到南部大城阿德雷德為終點，共長3,021公里，賽程中的所有車輛都必須以太陽能做為唯一的能量來源。自1987年第一次舉辦以來，每屆都吸引數十個來自世界各地的隊伍參加。比賽規定車輛只能開在這兩點之間的公路上，車輛行駛時間從每天早上8點至下午5點，時間一到，為了尋覓附近適當場地過夜，最多可再開10分鐘，且這延長的時間必須在第2天扣掉。
起點與終點之間有多個檢查站，每輛車都必須停靠30分鐘，停靠期間只允許保養活動，不准修理。2007年適逢WSC創辦20周年，比賽單位特別提高難度，把賽車分為冒險組和挑戰組，其中挑戰組與之前最大不同的地方是把參賽車輛的太陽能晶片面積縮小到6平方公尺以內，且必須以方向盤操縱，駕駛人必須坐直，上下車時都不可有輔助。這等於要求太陽能車的結構必須與一般汽車類似。
2011年更進一步分成矽基晶片組和太空級晶片組，前者車輛的晶片面積可達6平方公尺，後者因使用了效率較高的晶片，晶片面積最多只能有3平方公尺。
2007年是南台科技大學第三次參加WSC賽事，為了參加這次挑戰組的比賽，南台科技大學的18位師生除了上課和睡覺之外，幾乎所有時間都投進實驗室，實踐課堂學到的理論，以長達兩年的時間把南台第2代的太陽能車「火鳳凰」從概念到催生完成，箇中種種挫敗與辛苦實不足以外人道。
太陽能車晶片系統設計
就電力系統而言，太陽能車主要分成太陽能晶片系統、最大功率追蹤器、高效率馬達和控制電路，以及高密度容量鋰電池4大部分。規劃太陽能車晶片系統時，會先依照車子預定行駛模式選擇巡航用的高效率馬達，或適用於F1賽道的高扭力馬達。選定馬達後，便依照馬達的工作電壓和電流範圍設計蓄電池的電壓電流特性，蓄電池的工作電壓可由串聯的鋰電池單體數目來控制，最大輸出電流則是依鋰電池本身的放電特性及並聯數目來決定。
WSC主辦單位並對不同種類蓄電池的重量訂定上限。確定蓄電池電壓電流特性後，下一步是決定MPPT的規格。MPPT除了追蹤太陽能陣列的最大功率輸出點，以確保太陽能陣列維持最大輸出功率外，一般MPPT上也設有蓄電池的充放電保護電路，以免過度放電損傷了蓄電池或過度充電造成意外。由於MPPT本身的電路會消耗一定的電量，加上電壓轉換過程中的能量損失，因此選擇適合的MPPT非常重要。
MPPT的追蹤程式多依晶片特性來撰寫以求最高轉換效率，因此矽晶片用的MPPT雖可用於III-V族晶片模組，但轉換效率會多損失1～2％，在競爭激烈的賽事中自然不予考慮。同樣地，MPPT和馬達控制電路的耗能都盡可能降低。其工作電壓一方面須在太陽能陣列的最大工作電壓範圍內，另一方面須略高於蓄電池的最大充電電壓。電流方面則須考慮所能承受太陽能車晶片系統的最大輸出電流，以及蓄電池所能接受的最大充電電流。
在決定馬達、蓄電池和MPPT的電壓電流規格後，接下來的挑戰便是在上述規格範圍內規劃模組的大小與排列方式，以便在有限的晶片面積內達到最高輸出功率。除此之外，還須考慮日照角度、遮蔽效益、通風情形、模組間電流電壓匹配等問題。晶片間電流電壓匹配問題和模組間匹配問題一樣，不匹配的晶片或模組會造成PV系統輸出功率的明顯損失，且越高效率的晶片損失越多。
因為考慮WSC競賽是由北往南行駛，陽光是由左邊向右邊移動，因此把模組設計成A、B和C三種形式。A是32片串聯的標準模組；B是16串2並或32串的可調整式模組；C是長條型32片串聯模組，放置位置在駕駛艙左右側，以降低駕駛艙陰影對PV系統整體功率的影響。
晶片系統與整車測試
完成晶片系統的初步規畫後，接著是確保晶片系統能如預期地順利運轉，因此每一個模組的電性、MPPT的轉換效率、整體PV系統輸出功率等都需一一檢測。由於太陽能車晶片面積是6平方公尺，最高輸出電流可以達15 A，再加上100伏特的直流電壓，一般的儀器無法測量。因此得自行利用電子負載機、勾表、分流器等零組件建構所需的量測平台，並利用LabView®撰寫量測介面程式。
在檢測太陽能車晶片系統後，接著是整車性能測試。在彰化車輛測試中心的大方協助下，利用該中心的車測跑道來了解火鳳凰號車速與耗能之間的相關性。出人意料之外，發現全新電動馬達的輪軸有些微偏斜，雖然慢速行駛時不會產生異狀，但高速運行時耗電量會急遽上升。在7天7夜不眠不休的搶修下，終於及時改裝回原來較重的舊馬達及車身電路，並順利送上海運貨櫃。
阿德雷德終點站
在離阿德雷德200公里外的公路上，火鳳凰號正依照交通標誌的指示，以允許的最高車速每小時125公里前進。在休息站時，碰到過去3天一直互有領先且友善交流的荷蘭Twente隊。他們的領隊問筆者車況如何？因為3天前從愛麗絲泉中途站出發時，他們的熱影像儀發現火鳳凰號前端左側的模組溫度異常，當晚換了4個模組後情況還是沒有改善。
此外，駕駛員回報的電流量和電壓也明顯與參考晶片的監測資料不符，因此懷疑可能有一組PV陣列受損。筆者謝謝他並告訴他只剩最後一段路程了，不需要保留蓄電池電量而可以全力衝刺。在賽程的最後一晚，細心的學生終於找出了原因，有一個MPPT因下雨受潮無法正常運作。在置換了損壞的MPPT之後，馬達可以全力開動朝向阿德雷德奔去。
2007年10月26日，經過6天的考驗與荒漠冒險，「火鳳凰二號」跑完了3,021公里的路程，並到達澳洲南岸的阿德雷德市終點。這輛由南台科技大學打造，造價高於新臺幣600萬的太陽能車，在世界太陽能車挑戰賽中名列全世界第五名。前四名國家分別是荷蘭、比利時、澳洲及德國，因此「火鳳凰二號」是亞洲唯一闖進前五名的太陽能車，也平了臺灣參加世界太陽能車越野賽的最佳紀錄。
