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再生能源:太陽光電知多少

太陽光是大自然最珍貴的禮物,太陽賜給大地溫暖,帶來四季變化、幫助草木生長,如今人類以智慧應用陽光,還可以為我們的生活帶來便利的電力!
 
 
 
乾淨無聲的太陽能

太陽光普遍存在於我們的日常生活中,由遠古時期的照明、晾曬,一直到農業時期的種植,都必須陽光的照射,太陽光可說是被人類利用的最廣泛、最自然的一種能量。時至今日,隨著科技的發展,太陽光的利用較以往更加多元,把太陽光轉換成熱能、電能,應用的產品由太陽能路燈、太陽能車、太陽能時鐘,到小型的太陽能手表、太陽能計算機,更進一步發展到太陽能建築,各式各樣的使用,把太陽能利用得淋漓盡致。

除去太陽能多樣化的應用不談,從全世界的能源利用觀點來看,過去人類主要依賴的能源存量十分有限,依照估計石油剩餘的儲存量僅可供43年使用,天然氣的剩餘儲藏量是62年,煤則是230年,這些存量都將隨著開採的日增而漸趨枯竭。此外,傳統能源所排放的二氧化碳更是造成地球暖化的一大主因。因此不論就能源危機的觀點,抑或是環保的考量,尋求有別於傳統能源的再生能源,已經成為不可避免的趨勢。在眾多的替代能源中,太陽能乾淨、無聲,而且可依需求安裝在不同尺寸的載具中,可說是最具特色的新能源。

太陽電池的發電原理

早在一九三○年代就已發現電解質電池照光時電流會增加,證明了光生電流的現象,但一直到一九五四年第一個矽製的太陽電池才產生,當時的效率只有 6%。

太陽電池的發電原理,可以用一個構造最簡單的單晶矽太陽電池來說明。所謂的單晶矽,就是指矽原子與矽原子間按照順序規則地排列。我們知道,矽的原子序是十四,其電子組態是1s2  2s2  2p6  3s2  3p2,其中內層的10個電子(1s2  2s2  2p6),被原子核緊密地束縛著,而外層的4個電子(3s2  3p2)受到原子核的束縛較小,如果得到足夠的能量,則可使其脫離原子核的束縛而成為自由電子。

矽原子外層的這四個電子又稱為價電子,而矽的晶體結構是屬於鑽石晶體結構,每個矽原子與鄰近的四個矽原子形成共價鍵。如果我們在純矽中摻入三價的雜質原子,例如硼原子,此三價的雜質原子取代矽原子的位置,因為硼原子只有三個價電子可與鄰近的矽原子形成共價鍵。所以在硼原子的周圍會產生一個空缺,可供電子填補,此一可填補電子的空缺即稱為電洞。電洞在電學中可視為一可移動且帶正電的載子,因為電洞可以接受一個電子,所以摻入的三價雜質原子又稱為受體,而一個摻入三價雜質的半導體,即稱為 p 型半導體。同理,如果我們在純矽中摻入五價的雜質原子,例如磷原子,此五價的雜質原子,取代矽原子的位置,因為磷原子具有五個價電子,其中的四個價電子分別與鄰近的四個矽原子形成共價鍵,而多出一個自由電子。該電子為一帶負電的載子,因為五價的雜質原子可提供一個自由電子,故稱此五價的雜質原子為施體,而摻了施體的半導體稱為 n 型半導體。

一般太陽電池是以摻雜少量硼原子的 p 型半導體當做基板,然後再用高溫熱擴散的方法,把濃度略高於硼的磷摻入 p 型基板內,如此即可形成一 p-n 接面,而 p-n 接面是由帶正電的施體離子與帶負電的受體離子所組成。在該正、負離子所在的區域內,存在著一個內建電位,可驅趕在此區域中的可移動載子,故此區域稱之為空乏區。當太陽光照射到一 p-n 結構的半導體時,光子所提供的能量可能會把半導體中的電子激發出來,產生電子—電洞對,電子與電洞均會受到內建電位的影響,電洞往電場的方向移動,而電子則往相反的方向移動。如果我們用導線將此太陽電池與一負載連接起來,形成一個迴路,就會有電流流過負載,這就是太陽電池發電的原理。

太陽光電的發電原理

早期的太陽光電系統使用在人造衛星上,用來克服在遙遠的外太空中,人造衛星無法接受地球電力補充的困難。太陽光的發電,是利用太陽電池把光能直接轉變成電能輸出,只要有足夠的陽光,系統就可以發電。

太陽電池是以半導體製作的元件,其發電原理是使太陽光射照在太陽電池上,讓半導體材料吸收0.2~2.4微米波長的太陽光,產生電子及電洞對。電子與電洞對因 p-n 接面電場而分離形成光電壓,再經由導線傳輸至負載使用。現今太陽光電的應用已不再局限於人造衛星,在一般的民宅、高樓建築,甚至露營車、移動式小冰箱,都可以利用它可轉換太陽光為電能的特性普遍地隨處運用。

目前太陽電池的種類可分為單晶矽、多晶矽與非晶矽三種。較成熟的商品以非晶矽為主,但因非晶矽材料有照光衰退的問題,且效率僅為6~10%,因此較少用於發電模板。而結晶矽的太陽電池因發電效率達12~17%,故80%的市場皆屬於結晶矽太陽電池。但結晶矽太陽電池需使用厚度約350微米的矽晶片作為材料,成本較高。再者,由於太陽電池的原材料採用高品質的矽晶錠,近年來因使用量的明顯成長,已日漸不足,這也是結晶矽太陽電池的一項困境。有鑑於此,研發成本較低的薄膜太陽電池乃成為新的發展方向。目前是以多晶矽與微晶矽薄膜搭配非晶矽薄膜,以低溫沈積在便宜的鈉玻璃上,來製作效率與穩定性都較高的薄膜太陽電池。

在一般的電工材料行都可以買到小尺寸的太陽電池,它們已經封裝好了,也替消費者焊妥電線,有興趣的人可以自行加裝馬達或者其他零件,製作太陽能小汽車、太陽能時鐘等。如果想要連接住戶用電,架設大型的太陽光電發電系統,則需要再多一點的零組件配備。另由於太陽電池輸出的是直流電,而一般家庭所使用的是交流電,因此在使用時需要再搭配直/交流轉換器。整組的太陽光電發電系統,除了最基本的太陽電池模組、直/交流轉換器之外,尚有支撐太陽電池模組的支撐架臺、接線箱和配電盤等,有了這些東西,只要太陽光充足,就可以順利發電了。

太陽光電系統的設計

太陽光電發電系統的設計,主要可以分為「併聯型」、「獨立型」和「混合型」三類。

「併聯型」太陽光電系統比較適合一般住宅使用,它是把系統的線路和直/交流轉換器設計成可以和電力公司的供電線路併接的方式,系統裝設在建築物的屋頂、庭院等處。在平日太陽光強烈時,可以吸收太陽光轉換成電能,供給住屋白日的用電,以自家發電的方式減少對電力公司的需求,節省家用電費。在某些有買賣電制度的國家,太陽光所生產的電力也可以回售給電力公司。另一方面,由於併聯型系統的電路設計與電力公司的市電供電系統相互併聯,在夜晚或陰雨天,太陽光電系統無法發電的時候,電力公司的供電就會自動流入住家,這種方式可以確保住家用電無虞,同時不必加裝蓄電池,可說是成本較低且方便的一種設計。

「獨立型」系統則是與電力公司的供電線路完全獨立的設計。這種系統很適合使用在一些特殊的場合,例如在野外露營時可以裝在車上帶著走,隨時吸收戶外的太陽光,也可啟動小冰箱,或者是太陽能小汽車,只要照了光就能跑動。在非洲沙漠等偏遠地區,因為電力公司的供電網無法到達,當地居民就可以使用獨立型系統,只要設備齊全,自己家裡也是個小小的電力供應處。為了可以將白天所產製的電儲存作為黑暗時照明使用,獨立型系統會另外加裝蓄電池及充、放電控制器,使其在停電或黑暗時也能順利發揮作用。

一般而言,獨立型系統因為要加裝蓄電池,成本會比併聯型系統昂貴,同時因蓄電池壽命有限,平均每五年便須汰舊換新,所以需要進行後續維護,不過,它獨特的蓄電、夜間供電功能也是不可否認的優點。

有鑑於前述兩種系統設置的優缺點考量,太陽光電系統發展出第三種形式,即「防災混合型」系統。防災混合型系統,不僅是電路和直/交流轉換器設計成和電力公司相互併接的形式,同時也配備了蓄電池和充、放電控制器。防災混合型系統在把蓄電池充飽電力之後,直/交流轉換器會切換成與市電併聯,便可以發揮與併聯型相同的功能;一旦發生災難或任何事故,而日照又不夠的時候,可以自動切換使用蓄電池中的電力,這種設計在救災中心或無法停電的醫療院所就很適合,在重大危難發生時可以產生即時的功效。不過,這種系統也有蓄電池必須定期汰換的缺點。

三種太陽光電系統的設計都各有其優缺點,使用者可以依據自己的實際需要,搭配設計。

太陽光電的應用舞臺

由於太陽光電系統可以設計成前述的三種電路連接,因此在應用上可依其特性發揮。太陽光電系統的舞臺,除了人造衛星用電之外,目前在臺灣最常見的就是搭建在建物屋頂或空地上,供給住宅用電。只要模板和線路安裝齊全,再配合建築物頂樓的空間和用電需求,在屋頂釘上支撐架即可。德國慕尼黑貿易中心展覽館頂端便搭滿了太陽光電模板,其規模可達一百萬瓦以上,很是壯觀。

傳統樣式的系統雖然安裝方便,但四四方方和其它造型比起來實在顯得單調,近年來由於注重市容和建築物的美化,太陽光電系統的設計與搭配也越來越多采多姿,除了單純加蓋在屋頂上之外,還可以利用它多樣化的排列組合裝設在建築物的採光罩、遮陽棚上。除了一般的建築物之外,太陽光電系統也可以搭建在路旁的候車亭、停車棚的屋頂上,提供公用設施展示看板或停車指示燈的用電,這些都是摩登都市中的新應用。

太陽光電除了可應用在建築物外,生活上也可以看到許多它的蹤跡。蓄電池載滿太陽能後可以供應電能給太陽能路燈、太陽能庭園燈或者太陽能時鐘、太陽能噴水池,不論是在校園或公園裡都具有很好的教育展示效果。太陽能系統也可以搭配學校自然課程,設計成移動式的教具,平常收疊時就像一只小箱子,但打開來讓太陽電池受光,學生便可以藉由教具上的測試儀器了解日照強弱、方向與發電量多寡的關係,是一項很方便的教材。此外,太陽光電系統還能做成太陽能小汽車,是一種很常見的玩具。

除了小汽車之外,國內的南臺科技大學、臺灣大學都在研發能載人的太陽能車。以南臺科技大學所設計出的「阿波羅四號」太陽能車為例,由於其流線型車體的設計,風阻低,最高時速可達到150公里,並於二○○三年十月在世界第七屆太陽能車挑戰賽中,獲得第七名的殊榮,是亞洲車隊中第一位抵達終點的太陽能車,今年並獲邀參加在希臘雅典舉行的太陽能車拉力賽,為臺灣在國際的太陽能車比賽中留下了光榮的紀錄。

有鑑於臺灣土地和建物的面積較小,以及太陽光電系統樣式較少變化,研究單位多年來大力研發可與建材結合,一體成型的太陽光電系統,例如將太陽電池模板封裝,採用雙層強化玻璃的設計,以取代窗戶、透光天窗,或者是玻璃帷幕,使成為兼具美與功能的新建材,期望太陽光電系統與建築設計一體可以成為新的風潮。

德國的蒙特—仙尼斯,是一所由德國內政部所興建的訓練中心,也是知名的太陽光電系統與建材一體成型的示範建築物。整座建築是一個龐大的玻璃盒,將太陽光電模板鑲嵌在雙層玻璃內,玻璃窗格遍布覆蓋在整座建物的屋頂及牆面上,呈現格子狀的半透明採光效果。整個大玻璃盒內還建有教育中心、旅館、圖書館、體育館和休憩娛樂設施,儼然是一個小社區,玻璃盒屋頂的模板也仿照雲朵分布的狀況舖設,讓投射進玻璃屋裡的光影有雲彩的效果。這裡不僅是太陽光電系統的示範重點,除了自然採光之外,另外設計自然的通風,可以隨著溫度調節開關大小,同時可以有效地隔絕紫外線,成為一個兼具環保和節能概念的特色建築。

目前系統與建材結合的使用在臺灣僅有幾個零星的小個案,主要是受限於建築法規對於與建材一體的太陽光電系統如何認定有所疑慮。同時,建築相關產業的人士對太陽光電這種素材也尚不熟悉,因此無法大量納入建築設計中,相信未來若配套制度陸續完成,再藉由政府、建築產業的大力推展,臺灣也會有許多精采的太陽光電建築應用實例。

太陽光電的推廣

不論是站在能源開發或是能源多元化應用的觀點,太陽光電系統都是值得我們去認識、應用的產品。不過,和傳統能源發電相較,目前尚在起步的再生能源的發電成本都比較昂貴,太陽光電當然也不例外。以太陽光電的設置成本估算,每生產一瓩其設備成本大約需要三十萬元,即每一度發電成本為14.1元,遠超過核能發電的1.2元或是柴油發電的4.5元。不過推動再生能源政策是基於環保、能源自主化與多元化考量的必然趨勢,因此更需要大量裝設才能降低成本,來和傳統能源競爭。

隨著太陽光電裝設量的增多,成本日趨下降,預計至二○一○年發電成本將可降至每度六元,若能再配合補助措施,將更具經濟效益。許多國家都已針對太陽光電進行優惠推廣政策。在德國,由一九九九年至二○○四年推動十萬戶計畫,政府的補助預算粗估約達十一億馬克,並提供十年無息貸款。另外也保證太陽光電系統所發出的電力,電力公司必需以三倍的市價向其收購,因此許多德國民眾雖然裝設有太陽光電系統發電,但仍向電力公司購入較便宜的電力,而以更優惠的價格將生產的電能出售給電力公司。

在日本,由一九九四年起推動七萬戶計畫,補助民眾設置太陽光電系統,並且依不同的用途決定補助比例,如住宅使用補助三分之一,緊急防災使用補助三分之二,公共設施或產業使用補助二分之一等。此外,並提供低利融資貸款,減免國稅5%、地方稅7%。

在臺灣也不例外,只要是民眾想裝設太陽光電系統,都可以向經濟部能源委員會委託的承辦機關——工業技術研究院工業材料研究所申請。申請補助的系統,至少須裝設一峰瓩以上,而每一峰瓩最高可補助新臺幣三十萬元。優惠補助比例則以申請者資格的不同,再區分為一般民眾的半額補助及各政府機關、學校及公立醫院的全額補助兩種。

臺灣的太陽光電發電系統補助政策由民國八十九年推廣迄今,已有87件申請案件獲得核准,容量亦達866峰瓩,其中包含了總統府、立法院、南沙群島、蘭嶼國中、南投縣永興國小等地方,幾乎在臺灣的北中南及離島、山區的重要處所都可以看到示範系統,可說已經有初步成果。

太陽光電精彩可期

太陽光是大自然最珍貴的禮物,太陽賜給大地溫暖,帶來四季變化、幫助草木生長,如今人類以智慧應用陽光,還可以為我們的生活帶來便利的電力!能源與環保,是二十一世紀所需面臨的重大難題,太陽光電的應用正掌握了這個問題的解決關鍵,只要我們善加利用,相信一定能創造出更進步、更多元化的應用型式。
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