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【還能怎樣】張育誠:太陽能電池的發展現況

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記錄:雷雅淇

當剎不住現代文明的火車頭,卻又無法無限制的供應它前進的能源;我們還「能」怎樣?

一系列的能源講座今天來到了台中勤美誠品,再來談談我們能不能繞出能源困境的十字路口。

再生能源的發展很多,其中很大的一宗便是太陽能電池。太陽能電池既是環保的再生能源,卻又有製造時會汙染環境的疑慮;到底太陽能電池的現況如何,是不是未來值得依賴且可以大力發展的再生能源呢?

再生能源簡單來說就是來自大自然的能源,像是太陽能、風力、水力、生質能、地熱能等等。相對於石油天然氣等,因為會再生,所以稱為再生能源。但成本相對較高。每單位的成本較高。

如果可以把全世界地表的太陽光都收集起來的話,可以滿足全世界2850倍的能源需求。而風力發電是200倍,生質能則是約20倍。而這三種再生能源也是現今像德國、美國等國家多有著墨的地方。

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圖片來源:cc by Wikimedia Commons

太陽能利用的基本方式可以分為以下四大類:

  1. 光熱利用:基本原理是將太陽輻射能收集起來,通過物質的相互作用轉換成熱能加以利用。 利用的方式有平板型集熱器、真空管型集熱器等等,這種方法可以加熱熱水,能減少家用熱水器電的使用量。
  2. 太陽能發電:為目前主要方式的應用,是利用光-電轉換和光-熱-電轉換。透過太陽光照射太陽能電池板,產生光電效應,在透過電壓轉換器變成家戶利用的電,多餘的電可以提供給電廠。優點是安靜沒有噪音。還可以降低室內溫度。,使用的時限也較長。
  3. 光化利用:一種利用太陽能輻射直接分解水製造氫的光-化學轉換的方式,是一種高能的轉換方式,目前仍在實驗階段。
  4. 光生物利用:透過植物的光合作用來實現將太陽能轉換成生物質的過程。水、二氧化碳轉成具有能量的葡萄糖。

科技始終來自于人性,就像太陽能錶的演進一樣:過去的太陽能錶只能把太陽能板大拉拉的放在錶面,但現在已經藏得不留痕跡了,像右圖一樣。

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其他還有在戶外也可以讓手機充電的太陽能背包,或是我們現在已經能再抹些地方看到的太陽能路燈,已經有越來越多太陽能的運用進入了我們的生活。

圖片來源:cc by Formosan Serow Biking Club

圖片來源:cc by Formosan Serow Biking Club

接下來我們來簡單的說說太陽能電池的運作原理。

太陽能板分成3層,第一層是抗反射層(Antireflection),這層是為了要增加光的吸收量,可以增加整體的效率。做成鋸齒讓本來只能針對特定波長反射率,變成可讓所有波長的反射率都降低,讓光能更有效地被吸收。也透過表面的微細結構,產生荷葉效應讓太陽能板上的髒污可以被水吸附帶走。中間的是p-n接面層(p-n Junction Layer),也是最重要的一層,有n型半導體跟p型半導體,電子會往n極半導體移動,產生正負差。最後一層是電極層(Electrode Layer),分為上電擊和下電擊。

太陽能板結構。圖片來源:nsysu

太陽能板結構。圖片來源:nsysu

話說,向日葵會不會跟著太陽轉?

答案是肯定的,除非那朵向日葵已經年事已高或有疾病,不然他應該是會跟著太陽轉的。向日葵會跟著太陽轉是為了要多曬點太陽,而有些太陽能也有這樣的設計,那些可以跟著太陽轉動的太陽能電池,能增加約百分之30~50的發電量。

而聚焦型太陽能熱發電,用大規模陣列拋物或碟形鏡面,透過換熱裝置提供蒸汽,結合傳統氣熱發電機而達到發電的目的。它可以降低太陽能發電的成本,並增加發電的時間。利用這種方式,儲熱時間也較長。這樣的發電方式有多種不同的形態。像是:

  • 槽式聚熱發電:太陽熱能發電廠採用拋物線型槽式設計。
  • 碟式聚熱發電:集中太陽光線加熱到原件上的斯特林發動機。整個裝置作為一個太陽能跟蹤器。
  • 塔式聚熱發電:每天有15小時的熱量儲存,並能提供24小時供電,位於西班牙。會把太陽能聚在中央的塔上。

有一個如果能在中秋節用就好了的美妙小物:不需要炭火、沒有油煙的太陽能燒烤架。怎麼偏偏我們都在晚上烤肉啊(搥地板)。

太陽能烤肉架。圖片來源:hardwaresphere

太陽能烤肉架。圖片來源:hardwaresphere

但太陽能技術還是不免會遇到了些問題,首當其衝的是成本過高(關於再生能源成本可參考,再生能源燒錢如流水?)。單晶矽太陽能電池沒辦法降低成本。但薄膜太陽能電池和聚焦行太陽能熱發電比較有機會降低。多晶矽成本能降低的原因,包括材料製備技術的改良,製程技術的提升,以及市場競爭等等。

再者是轉換效率不佳,轉換效率矽太陽能電池大概只有百分之10~20,而化合物太陽能電池的效率則略高,可以超過百分之20達到百分之30左右。

而材料改良與技術提升,追日型太陽能電池,聚光太陽能熱發電等都能提高轉換效率。

其他問題還有,缺乏足夠的土地和電路的傳輸與電力儲存。太陽能只有白天才能進行發電,所以需要有電路將電力傳輸到電廠儲存,或是傳到其他家互使用。

太陽能無疑是再生能源的重點發展項目,但要怎樣才能更普遍的進入到我們的生活,或是成為永續能源重要的一環,我想還有很多我們需要努力跟能進步的空間。

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【關於能源多元化系列講座】

能源多元化系列講座是Pansci舉辦的科學聚會,活動的主要形式是找兩位來自能源相關領域的講者,各自在 30 分鐘內與大家分享能源相關知識或相關的想法,並讓所有人對能源議題有興趣或關心台灣能源產業現況的人都能參與討論。本系列活動由PanSci 泛科學、工業技術研究院與經濟部能源局聯合主辦。

關於作者

雷雅淇

PanSci 主編|代號是(y.),是會在每年4、7、10、1月密切追新番的那種宅。中興生技學程畢業,台師大科教所還沒畢業,對科學花心的這個也喜歡那個也愛,彷徨地不知道該追誰,索性決定要不見笑的通吃,因此正在科學傳播裡打怪練功衝裝備。