第五章 太陽能

1. 第五章 太陽能 童淑珠 100年3月

3. 5.1 前言－太陽能的形成與應用 • 太陽主要由80%的氫和19%的氦氣所構成，地球上所感受到的太陽能量，主要來自於太陽內部核融合反應，其產生的能量約相當於3.8x1026 W (Fanchi, 2004)，也就是3.8x1020 MW。 • 目前一座典型的商用核分裂反應爐產生約相當於1,000MW的電能而言，相當於約3.8x1017座典型商用核反應器所產生的能量，相對於目前全世界商用核分裂反應爐，僅有約500座而言，即可看出太陽能之巨大與無窮。

4. 5.1 前言－太陽能的形成與應用 • 廣義的來說，地球上絕大多數的能量形式，除了地熱和核能發電廠以外，都可看做是由太陽能轉換出來而已。 • 風能為當太陽將熱能傳遞到地球時，由於不同地表吸收熱能的能力不同，產生了溫度上的差異。溫差造成壓差，也就產生了風。 • 太陽輻射對海洋不同水深所造成的溫度差，也可以形成利用海洋溫差所做的能源轉換。 • 水力發電，水存在於山上，就是因降雨的機制而產生，而降雨即是氣象變化的一種，氣象變化便是由太陽的能源產生的。。

5. 5.1 前言－太陽能的形成與應用 • 狹義的太陽能利用，則是指直接(1)收集太陽熱能轉換為熱能或電能，或(2)轉換太陽光能為電能，這必須考慮太陽輻射能實際抵達地球時所能轉換的效率。 • 為求有效收集太陽熱能或轉換太陽光能，通常會要求所設計的太陽能收集器最好能盡量正對直射的太陽。

6. 5.1 前言－太陽能的形成與應用 • 以利用太陽能來說，可以分為被動式(Passive Solar)與主動式(Active Solar)兩種方式。 • 被動式的通常是將建築物的設計與環境考量相結合，並配合建築材料的使用(例如：使用建築物絕熱或導熱材料)，使得建築物易於吸收太陽能或隔絕太陽能。 • 主動式的又可分為太陽熱能及太陽光能兩種應用方式。最常見的太陽熱能便是家用太陽能熱水器。

7. 5.1 前言－太陽能的形成與應用 • 也有以大規模集熱設施形成所謂的集熱式太陽能發電廠，此種太陽能電廠的運作原理是將太陽光以反射鏡加以集中，藉著集中太陽能所產生的高熱，使水汽化產生蒸汽，可以提供區域性的熱能，也可以進而推動汽輪發電機產生電力。 • 直接利用光能，以太陽能電池板，將光能直接轉換為電能。例如：小型電子計算機上的太陽能電池板；較大型的如在房子貼上許多太陽能板，藉以達到電力自主的目的，或者現今幾乎所有的衛星的運作都得依賴太陽能電池板來提供電源。

8. 5.2 被動式太陽能技術與應用 • 被動式太陽能技術是以建築物充分利用太陽熱能或光線為應用本體，藉由建築物的設計、方位、材質等，以最大效能的方式來利用太陽熱，或使其成為自然光源。遠古時代希臘或羅馬的建築物，便採用了很多被動式太陽能應用概念。被動式太陽能技術包括幾個重點：

9. 一、建築物的方位 • 由於地球自轉軸的傾斜，為充分使用太陽熱做為冬天的熱源，或使其成為自然光源，建築物的方位必須相對於太陽的照射角度而有良好的設計。 • 通常北半球的夏天，太陽的軌跡幾乎在頭頂的角度經過；但在冬天，太陽的軌跡會在偏南較低的角度通過。 • 整年爭取到最佳的太陽熱能，北半球的建築物最好是面向南方，而南半球的建築物最好是面向北方。

10. 二、自然採光與防熱設計 • 引進自然太陽光源也是太陽能利用的一環，良好的窗戶設計或運用反射鏡的技巧，可以將光源導入陽光原來可能到不了的建築物角落，這可以在白天省掉許多可能需要用到的電力。 • 引進過多自然光源有可能使原希望涼爽的屋內變熱，故建築物自然採光的設計必須注意在此取得平衡。 • 用屋簷或者遮陽棚可以達到當夏天太陽多數時間角度較高時，避免屋內過熱，而在冬天太陽多數時間角度較低時，可以讓陽光溫暖室內。

11. 5.3 主動式太陽能技術與應用 • 利用太陽能的方法主要有：使用太陽能電池，通過光電轉換把太陽光中包含的能量轉化為電能 使用太陽能熱水器，利用太陽光的熱量把水加熱 • 利用太陽光的熱量加熱水，並利用熱水發電 利用太陽光的光能中的粒子打擊太陽能板發電 • 利用太陽能進行海水淡化 太空太陽能轉換電能儲存，傳輸地面電能接收站，訊號接收站 根據環境與環境太陽日照的長短強弱，可移動式和固定式太陽能利用網 太陽能運輸（汽車、船、飛機...等）、太陽能公共設施（路燈、紅綠燈、招牌...等）、建築整合太陽能（房屋、廠房、電廠、水廠...等）

12. 太陽熱能技術與應用(Solar Thermal) • 利用太陽熱收集系統予以收集太陽熱，最基本的是提供建築物室內暖氣及熱水，有些太陽熱收集技術甚可以進一步結合空調技術，提供室內冷氣之用。 • 太陽熱收集系統可以小規模的應用在家庭，也可以大規模的應用在大型的集熱系統產生大範圍地區的熱源，甚至將熱源轉換為電力。

13. 一、家用太陽能熱水系統(Solar Water Heating) • 太陽能集熱器接上自來水管路可以提供家庭熱水，最常見的是一種平板式太陽能熱水器，其中置有許多並排的水管，其外包覆有保溫盒。太陽輻射透過熱水器外的玻璃，直接加熱水管中的水，這些熱水可以導入一個保溫的儲水槽中儲存，當需要熱水時即可由此取得。 • 另一種是整合式太陽能熱水器，也就是直接將儲水槽取代平板式太陽能熱水器中的並排水管，太陽輻射直接加熱儲水槽中的水。整合式太陽能熱水器的好處是整體集熱效率較高，但缺點是在冬天室外溫度較低或甚至有結冰可能時，它不如平板式太陽能熱水器可以將儲水槽置於室內，以避免儲水槽溫度降低過快或結冰。 (影片：台灣的太陽能熱水器)

14. 5-1　太陽能 平板與真空管收集系統 平板收集系統 真空管收集系統 http://www.tongyong.com/

15. 二、家用太陽能暖氣系統(Solar Space Heating) • 利用一個和太陽能熱水系統幾乎相同的平板式太陽能集熱器，但其中並排的水管改用一種金屬做的吸熱板，外面同樣包覆有保溫盒。 • 太陽輻射能透入集熱器外層的玻璃，其能量被吸熱板吸收，轉而放出熱量於保溫盒中。空氣可以導入保溫盒中，因而被加熱後，形成暖氣而吹入室內。 • 另有一種設計是直接將空氣導入與導出於金屬吸熱板中的小洞，其產生暖氣的成本效益更佳。

16. 三、工業與社區用太陽能熱水系統(Large-Scale Commercial and Industrial Heating) • 在工業與社區的大規模熱水系統使用上，目前常用真空水管式的太陽能集熱器(如圖5-5所示)，使用一並列類似熱水瓶內膽構造的玻璃管，先將內膽空氣抽離，每一管並與吸熱膜或吸熱劑相連。 • 當受太陽照射時，吸熱膜將太陽輻射轉為熱能，並由玻璃管傳送熱能加熱流入其間的冷水，因真空管效率高，保溫(斷熱)性能好，管內高溫可達300°C以上，即使在冬天零下的溫度仍可照常使用。

17. 5.4 太陽熱能發電技術與應用(Solar Thermal Electricity) 太陽熱能發電廠 太陽熱能發電廠利用太陽輻射將流體加熱到非常高的溫度。加熱後的高溫流體在管道內循環，並將熱量傳給水，從而產生高溫蒸氣。高溫蒸氣繼而推動渦輪機，並透過連接的發電機發電。 太陽熱能發電廠與傳統發電廠的工作原理很相似，二者的分別只在於傳統發電廠是由燃燒化石燃料製造蒸氣，而太陽熱能發電廠則由太陽能集熱器收集熱量來製造蒸氣。另外，太陽熱能技術更可以使用聚熱設備將流體溫度更有效地加熱到所需要的高溫。

18. http://earthobservatory.nasa.gov/Study/RenewableEnergy/ 圖5-6 美國SNL和NREL與工業界合作的加州Barstow 10MW “Solar Two”中央接收塔型集熱電力系統(於1996年開始運轉)

19. 西班牙的集光式史特林引擎試圖不用高價太陽能電池來達成經濟規模發西班牙的集光式史特林引擎試圖不用高價太陽能電池來達成經濟規模發

21. 5.5 太陽光能發電系統技術與應用(Solar Photovoltaics) • 太陽電池又稱為光伏電池，太陽光能發電技術(Photovoltaics，簡稱PV)係以單電池(Cells)為基礎(通常僅有數公分平方大小)，每個太陽電池元件基本上是具備pn接合面半導體所組成的二極體，例如：矽(Silicon)半導體可將太陽光能轉為直流電能，而集合數個元件組成太陽能模組(Module，或稱Panel)。 • 為了更有效產生大量電能，可以集合眾多太陽能模組，形成太陽電池陣列(PV Array)。

22. 由於太陽電池產生的電是直流電，因此若需提供電力給家電用品或各式電器則需加裝直/交流轉換器，將直流電轉換成交流電，才能供電至家庭用電或工業用電。由於太陽電池產生的電是直流電，因此若需提供電力給家電用品或各式電器則需加裝直/交流轉換器，將直流電轉換成交流電，才能供電至家庭用電或工業用電。

23. 太陽電池與半導體同用矽為原料。在正常情況下，矽中並無自由電子，因此其為良好的絕緣體。但若將少量的磷加至矽中，則矽晶體中將出現額外的電子，其稱為N- 型半導體 (n-type semicon­ductor)，取其“負”(negative) 電荷之意。反之，若矽晶體中滲入少量的硼，則矽晶體中將出現若干「電洞 (hole)」，該電洞猶如帶正電般，因而稱為P- 型 (p-type) 半導體，取其“正”(positive) 電荷之意。當上述兩種半導體連接一起時，其形成p-n連結 (p-n junction)。當光線撞擊太陽電池時，光線效應將產生電子和電洞現象，進而於p-n連結處形成電位障礙。此時若於太陽電池的n- 型及p- 型端以電路連接，則電子將由前者流向後者而形成電子流 ( 電流的方向則相反 )

25. 陽光電發電系統(Photovoltaic system;太陽能) 定義： 太陽電池(solar cell)是以半導體製程的製作方式做成的，其發電原理是將太陽光照射在太陽電池上，使太陽電池吸收太陽光能透過圖中的p型半導體及n型半導體使其產生電子(負極)及電洞(正極)，同時分離電子與電洞而形成電壓降，再經由導線傳輸至負載。

26. 表5-1 不同種類太陽電池之光電轉換效率比較表

27. 高效率聚光型太陽能發電系統(1/2) • 目前世界上有許多國家皆積極從事高效率聚光型太陽能發電系統(High-Concentration Photovoltaic, HCPV)之研究與開發。 • HCPV系統係由高效率聚光型太陽電池加上光學聚光透鏡和太陽追蹤器等三個主要部份組合而成，如圖5-12所示。其中。 • 高效率聚光型太陽電池與一般矽晶太陽電池之差異，在於高效率聚光型太陽電池所使用的材料多為化合物半導體材料，

28. 高效率聚光型太陽能發電系統(2/2) • 優點為：(1)效率高；(2)適合薄膜化；(3)可在高聚光倍率下工作。 • 聚光型太陽電池目前研發成果最佳的單位首推美國Spectrolab 公司，該公司以鍺(Ge)為基板，利用金屬有機氣相磊晶法(MOVPE)製備GaInP/GaAs/Ge三接面太陽能電池結構，該公司預計2006年其太陽電池可以達到40%之光電轉換效率，此類型的太陽能發電系統有可能將會是未來發展之趨勢。但其目前的缺點為成本較矽晶太陽能電池為高。

29. 行政院原能會核研所2006年5月29日公開自行研製的Ⅲ─V族太陽光發電系統，此系統的能量轉換效率逾20%，優於傳統矽太陽能發電系統的10%到14%。（

31. 5.6 太陽能的國內外發展狀況與趨勢 一、國際發展狀況與趨勢 • 目前比較積極的國家為以色列、西班牙、和美國。 • 以目前全球太陽光電能之年市場需求量持續向上成長的現況觀察，2010年時將擴增至3.7GW，至2030年時之年裝置容量將可達380GW，約為目前裝置容量的一百倍，太陽能發電系統可能成為再生能源電力供應之主流(Hoffmann, 2004)。

32. 中國在目前(2004)全球的太陽能產熱裝置容量上佔約60%，歐盟約11%，其次為土耳其9%，日本7%，中國在目前(2004)全球的太陽能產熱裝置容量上佔約60%，歐盟約11%，其次為土耳其9%，日本7%， 圖5-13 全球主要太陽能熱水及暖氣裝置國家及佔有比例

33. 二、我國太陽光電推廣計畫與其他國家比較

34. 台東金針山下的新興國小 1.風力發電    起動風速3.1m/s，終止風速60m/s，功率1kw的風力發電就在二樓的屋頂。  起動風速2.5m/s，終止風速55m/s，功率1/4kw 的風力發電另外安裝跑道的末端。    2.太陽能發電    日昇之鄉就在台東，就在太麻里，長達13小時的日照量，這不需要實驗就應該做的乾淨能源計劃，我們只有 10kw 的發電量，我們這100 人就用這個電力，有了這個有限的電力之後，省電從此就是我們的重要計劃。甚至寒暑假時，我們試著把乾淨能源輸輸出，期雍與他人共享我們的power。

36. 太陽能的潛力無窮 • 陽光照射地球40分鐘帶來的能量，相當於地球一年的能源總消耗量。 • 美國擁有豐富的太陽能資源，單就美國西南部，至少就有64萬平方公里的土地適合用於建造太陽能發電廠，只要將這些輻射能的2.5%，轉換成電力，就相當於美國2006年的總用電量

38. 太陽能發電技術幾乎零污染，每年可減少發電廠排放量的17億噸溫室氣體。太陽能發電技術幾乎零污染，每年可減少發電廠排放量的17億噸溫室氣體。 • 太陽能電力網充電的插電是油電混合車，可減去汽車排放的19億噸溫室氣體。 • 2050年，美國二氧化碳排放量將比2005年降低62%，緩解全球暖化現象。

40. 降低發電成本 • 目前價格最低的模組是鍗化鎘製成的薄膜。 • 目前模組的電力轉化效率10%，建造成本每瓦約為4美元。 • 2020年，電價降到每度0.06美元，鍗化鎘模組的電力轉化效率必須達到14%，建造成本每瓦約為1.2美元

41. 集光型太陽能發電 • 美國加洲莫哈維沙漠的喀拉瑪叉口電廠、採用以色列技術，由1989年開始運作自今。 • 金屬拋物面反射鏡將陽光聚集在管線上，加熱管內的乙二醇等液體。 • 反射鏡可隨太陽旋轉。熱管在含有水的熱交換器緊貼另ㄧ組管線回路，經水變成蒸汽，推動渦輪。

42. 集光型太陽能發電

43. 台灣如何利用太陽能發電 • 台灣屬海島型國家，地小人稠，工業生產與經濟活動密集又活絡，能源消耗大，98%以上能源仰賴進口。 • 太陽能呈分散式分佈，但其能量強度不高，地理位置與土地面積就成為太陽能蘊藏量的關鍵。

44. 單位國土面積耗能

45. 太陽能光電 • 太陽能光電池 (PV)：利用半導體的光電效應直接吸收太陽光發電。可到處鋪設，最為便利，只要有陽光的地方就可利用，包括台灣。 • 集光型太陽能發電(CSP)：利用集光技術加熱鍋爐產生蒸氣發電。必須有足夠的廉價土地與陽光，例如沙漠，才具開發效益。

46. CSP • 1980年代開始發展 • 1990年代由於油價低廉，幾乎全面停擺，尤其在西班牙，使得CSP技術進展受阻。 • 如裝設量達5000百萬瓦，發電成本每度0.07~0.09美元，與現今風力發電的成本相當。 • 如裝設量達1萬5000百萬瓦，發電成本每度0.05~0.07美元，與目前火力發電成本相當。

47. CSP • 如果1990年代技術沒有停頓，目前GSP的發電成本應會低於風力發電技術。 • CSP是未來重要的太陽能發電技術，對地廣人稀沙漠的國家是一大福音。

48. 台灣的太陽能 • 缺乏足夠土地 • 只能發展太陽能光電池發電 • 面對安裝環境問題。 • 因裝設面積不足，有77%的用戶無法由太陽光電池提供替代能源。 • 如果推廣環境無法徹底改變，太陽能光電池將無法像美國ㄧ樣成為重要的替代能源。

49. 在無解中求解 • 積極進行新技術研發，使太陽能設備與建築體結合，增加太陽能吸收面積，並提高發電效率。 • 都市計劃應朝向低樓層建築與分散式小鄉鎮發展，以增加裝設面積。 • 國土規畫時將太陽能資源豐富的中南部地區，列為替代能源重要產地，將土地充分利用。

50. 5.7 結論-太陽能的未來應用 一、民生相關應用 • 諸如太陽電池供電的計算機、手錶、收音機、手電筒、野營燈、照相機、兒童玩具等。 二、建築與家用電力應用 • 除了傳統屋頂式太陽光電系統外，目前正積極發展的為「建築整合型太陽光電系統 (BIPV；Building Integrated Photovoltaic)」，甚至是社區整合型太陽光電系統。 • 未來的太陽光電板不再只有發電功能，更會具有熱隔絕、隔音等其他功效。