防止暖化應普遍發展太陽能發電

財團法人塑膠中心光電高級研究專員 林耀宗

  全球暖化,溫室效應造成天災不斷、人民的環保意識不斷提高、如何減少二氧化碳排放量,以維護地球生活環境,已逐漸被重視。此外,加上石化燃料等價格持續上升等因素,都促使可再生能源迅速掘起,成為替代能源之發展目標。

  現有自然能源再生系統不外乎風力發電、太陽能發電、水力發電等,風力發電,風場是最大關鍵,台灣西部濱海地區是有條件不錯的風場適合開發風能,但問題是台灣優質的風場已被先投入的外商風電集團取得的差不多了,本島幾乎沒有什麼適合發展風力發電的剩餘空間。再者,風力發電引發的景觀、生態破壞以及干擾候鳥等問題最近甚囂塵上,都是阻礙此技術開發與產品導入之問題所在。太陽光能發電是最具潔淨,對環境無空氣及噪音等污染,且太陽光能蘊藏豐富,取之不盡、用之不竭,已成為各國重點研究與開發的主要再生能源之一。發展太陽能發電系統之優勢如下:

1.環境保護:太陽能發電不排放任何溫室氣體,沒有噪音,對環境而言,幾乎沒有負擔。
2.無地理環境限制:太陽能遍及全球,無地理環境限制,只有日照亮多寡的問題。
3.維護費用低:太陽能電池不需拆卸,減少磨損的機會,幾乎不需任何維修。目前太陽能電池壽命為25年,未來可達30年以上。
4.舒緩用電高峰期:由於太陽能發電週期與人類生理時鐘相近,太陽能發電可舒緩用電高峰期。
5.安裝模組化:太陽能電池皆已模組化,可依據自身需求量身訂做,亦因模組尺寸的靈活性高,太陽能電池可安裝在人口密度高的都會地區,恰巧是用電需求量較大的地區。

  現有太陽能電池種類主要可分為三種:
1. 矽晶圓太陽能電池模組
2. 薄膜太陽能模組
3. 聚光型太陽能模組

  Ⅲ-Ⅴ族高聚光型太陽能發電系統具有高發電轉換效率 (最終發電效益可能達到35%以上),且發電量年衰減率低與耐高溫耐輻射等發展之優勢,非常適合在發電市場使用,尤其是一些偏遠地區及落後國家,因為電力設施的不完備,致使人民無電可用,導致人民無法滿足基本的生活需求。

  圖1.聚光型太陽能與矽晶太陽能吸光效率分析,由圖中顯示聚光型太陽能電池之吸光時間,主要為依據太陽光長時間日照為主,因此相對於北半球受長時間日照的國家,較適合此發電系統,且其光線頻譜吸收範圍可由250nm~1500nm左右的頻譜吸光範圍。

  聚光型太陽能電池主要是由砷化鎵晶片+高聚光鏡面菲涅爾透鏡+太陽光追蹤器組合而成(如圖2所示)。其聚光發電原理為利用電位差之方式,將太陽光聚集照射於砷化鎵晶片上產生電子(負極)與電洞(正極),再藉由分離電子與電洞之方式而形成電壓降,之後再由導線傳輸至負載產生直流電。

  聚光型太陽能電池至今為何無法商業化普及的原因,除了產品本身所佔的空大之外,其能量轉換效率與產品使用過程中的信賴性也是一大考驗。依據圖2結構資料顯示,菲涅爾透鏡光線穿透率約為92%、太陽能電池晶片(砷化鎵晶片)能量轉換效率最高約38%、光線穿越透鏡集中至太陽能電池晶片時的光線能量損失約15%、光線經過太陽能電池晶片表面的封裝膠材時,能量損失約6%、模組散熱座對於光線能量損失約15%,如此經光線能量轉換效率計算後,最終模組能夠將實際光能轉換成電能的效率約只剩下23.7%左右(現有國內外聚光型太陽能模組能量轉換效率大都低於25%),距離商業化量產經濟效益(能量轉換效率約40%)仍有15%轉換效率提升之空間,因此唯有從太陽能電池晶片(砷化鎵晶片)提升能量轉換效率,實為本產品量產之商機所在。