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當能源來自天際:太空太陽能發電

李柏昱
・2013/11/25 ・1655字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 565 ・九年級

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太空太陽能發電能直接利用未被大氣層削弱的太陽輻射能,大幅提高發電效率,並以雷射或微波將電力傳輸至地表任何地方。(圖片來源:© Mafic Studio, Inc.)
太空太陽能發電能直接利用未被大氣層削弱的太陽輻射能,大幅提高發電效率,並以雷射或微波將電力傳輸至地表任何地方。(圖片來源:© Mafic Studio, Inc.)

面對全球氣候變遷帶來的威脅,經建會於「國家氣候變遷調適政策綱領」中,指出台灣需要發展能夠因應氣候變遷的能源供給與產業體系,開發再生能源便是未來需要處理的重要議題之一。但是乾淨的能源從何而來呢?目前許多國家競相發展太空太陽能計畫,希望能在這場從天際取得能源的競賽中拔得頭籌。

耀眼的太空太陽能發電

再生能源普遍受到自然環境的限制,而有發電量不穩定的問題。例如水力發電量受到河川流量榮枯變化影響,而台灣用電需求最高的夏季,風力是全年最小的時候,導致風力發電幾乎無法派上用場。

地表的太陽能發電一樣受限於自然環境,深受日照時數以及天候狀況影響,目前效率最佳的聚光型太陽能板,已經能有31%到40.7%的轉換效率,與過去相較已經有相當大的改善。不過,在地表我們所能利用的太陽能已經被大氣層削弱許多,只有太空中的十分之一至五分之一,有沒有可能直接利用外太空充沛的太陽能呢?

目前世界各國如火如荼地發展太空太陽能發電技術,國際非政府組織國家太空協會(National Space Society, NSS)在2013年5月宣布將成立一個包含美國與印度等國在內的國際組織,以推動太空太陽能發電(Space Solar Power system)。日本宇宙航空研究開發機構(Japan Aerospace Exploration Agency, JAXA)也預計在2030年建立第一顆太空太陽能衛星。2012年英國史翠斯克萊大學(University of Strathclyde)的Suaineadh計畫已經成功在北極上空證明可以建造大型結構,把太空太陽能計畫往前更進一步。

太空太陽能發電衛星在太空蒐集太陽能後,將大量能源以無線傳播至地表,除了不像石油與燃煤會有碳排放,太空太陽能發電對環境的影響只會有少數的接收站設置,提供一種新的乾淨電力來源。

太空太陽能發電有許多優點,最重要的是,這些太空電力將永無枯竭的問題,至少在未來50億年來說是如此。其他優勢還有:在太空中至少能獲得95%的太陽能,不受大氣層影響;不會佔用地表可用來增加糧食產量的土地;能將電力透過無線傳輸至地球任何一個需要電力的地方,這代表無須耗費大量成本,用來建置能應付全年最大用電需求量的尖峰機組;而且能減少電力傳輸過程中的耗損。

但是,太空太陽能發電仍然需要面對相當現實的技術問題。因為太空太陽能衛星將設置在離地表3萬6千公里遠處,JAXA的科學家還尋找方法,讓大量能源透過雷射光束或微波,成功瞄準地表上僅3公里寬的接收站,而且不對地表造成威脅。

當然,要在高空中設立太空太陽能發電衛星的花費不容小覷,太空太陽能發電計畫預計未來5年就要耗資40億美元進行研發,後續花費更是天文數字。不過與全球暖化以及核電廠災害可能帶來的代價相比,投資天際的計畫或許頗為划算?

(本文由國科會補助「新媒體科普傳播實作計畫─重大天然災害之防救災科普知識教育推廣」執行團隊撰稿/2013年11月)

責任編輯:鄭國威|元智大學資訊社會研究所

本文原發表於行政院國家科學委員會-科技大觀園「科技新知」。歡迎大家到科技大觀園的網站看更多精彩又紮實的科學資訊,也有臉書喔!

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成大都市計劃所研究生,現為防災科普小組編輯。喜歡的領域為地球科學、交通運輸與都市規劃,對於都市面臨的災害以及如何進行防災十分感興趣。

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鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/11/01 ・2113字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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將陽光轉變成電能的太陽能電池:太陽能電池不是電池——《圖解半導體》
台灣東販
・2022/11/23 ・2778字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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備受關注的再生能源

近年來,以太陽能發電的再生能源備受關注。

近年來,以太陽能發電的再生能源備受關注。圖/pexels

太陽能電池是太陽能發電的關鍵裝置,這是用半導體將陽光的能量直接轉變成電能的裝置。雖然有「電池」這個名稱,但不像乾電池那樣可以儲存電能。所以「太陽能電池」這個稱呼其實並不洽當,應該稱其為「太陽光發電元件」才對。

太陽能電池會利用到第 1 章 1-2 節提到的半導體光電效應(將光轉變成電能的現象)。不過,僅僅只透過照光,並不能從半導體中抽取出電能。要將光能轉變成電能,必須使用 pn 接面二極體(參考第 1 章 1-8 節)才行。

pn 接面二極體。圖/東販

圖 5-1(a) 為 pn 接面二極體,p 型半導體有許多電洞做為載子,n 型半導體內則有許多電子做為載子。這個 p 型與 n 型半導體接合後,接合面附近的電洞會往 n 型移動擴散,電子則會往 p 型移動擴散,如圖 5-1(b) 所示。

移動擴散之後,接面附近的電子與電洞會彼此結合,使載子消滅,這個過程稱為複合。結果會得到圖 5-1(c) 般,沒有任何載子存在的區域,這個區域就稱為空乏層。

接面附近的空乏層中,n 型半導體的帶負電電子不足,故會帶正電;另一方面,p 型半導體的帶正電電洞不足,故會帶負電(圖 5-1(d))。

因此,n 型與 p 型半導體之間的空乏層會產生名為內建電位的電位差,在接面部分形成電場。這個電場可以阻擋從 n 型半導體流出的電子,與電子從 n 型流向 p 型的力達到平衡,故可保持穩定狀態。

這種狀態為熱平衡狀態,放著不管也不會發生任何事。也就是說,接面上有內建電位差之壁,不管是電子還是電洞,都無法穿過這道牆壁。

用光發電的機制。圖/東販

在這種狀態下,如果陽光照入空乏層,半導體就會在光能下產生新的電子與電洞,如圖 5-2 所示。此時,新的電子會因為內建電場所產生的力而往 n 型半導體移動,新的電洞則往 p 型半導體移動(圖 5-2(a))。於是,電子便會在外部電路產生推動電流的力,稱為電動勢。

在光照射半導體的同時,電動勢會一直持續發生,愈來愈多電子被擠入外部電路,於外部電路供應電力。被擠出至外部電路的電子會再回到 p 型半導體,與電洞結合(圖 5-2(b))。我們可以觀察到這個過程所產生的電流。

太陽能電池的結構。圖/東販

目前太陽能電池的大部分都是由 Si 半導體製成。以 Si 結晶製成的太陽能電池結構如圖 5-3 所示。

為方便理解,前面的示意圖中,都是以細長型的 pn 接面半導體為例。但實際上,太陽能電池所產生的電流大小,與 pn 接面二極體的接面面積成正比。所以 pn 接面的面積做得愈廣愈好,就像圖 5-3 那樣呈薄型平板狀。

前面的說明提到,陽光可產生新的載子,這裡讓我們再進一步說明其原理。

pn 接面二極體的電子狀態。圖/東販

圖 5-4 為 Si 原子之電子組態的示意圖(亦可參考第 38 頁圖 1-11)。Si 原子最外層的軌道與相鄰 Si 原子以共價鍵結合,故 Si 結晶的軌道填滿了電子,沒有空位(圖 5-4(a))。

若摻雜雜質磷(P)或砷(As)等 15 族(Ⅴ族)元素,形成 n 型半導體,便會多出 1 個電子。這個電子會填入最外層電子殼層的最外側軌道(圖 5-4(b)),與共價鍵無關,故能以自由電子的狀態在結晶內自由移動。

由於電子軌道離原子核愈遠,電子的能量愈高,所以位於最外側軌道的電子擁有最高的能量(參考第 57 頁,第 1 章的專欄)。最外側軌道與最外層電子殼層的能量差,稱為能隙。

另一方面,如果是摻雜鎵(Ga)或銦(In)等 13 族(Ⅲ族)元素的 p 型半導體,會少 1 個電子,形成電洞。這個電洞位於最外層電子殼層,能量比自由電子還要低(圖 5-4(c))。

空乏層不存在自由電子或電洞等載子,此處原子的電子組態皆如圖 5-4(a) 所示。

陽光照進這個狀態下的空乏層區域時,原子的電子會獲得光能飛出,轉移到能量較高的外側軌道(圖 5-4(d))。此時的重點在於,電子從光那裡獲得的能量必須大於能隙。如果光能比能隙小的話,電子就無法移動到外側軌道。

光的能量由波長決定,波長愈短,光的能量愈高(參考第 217 頁,第 5 章專欄)。光能 E(單位為電子伏特eV)與波長 λ(單位為 nm)有以下關係。

E[eV]=1240/λ[nm]

抵達地表的陽光光譜。圖/東販

另一方面,抵達地表的陽光由許多種波長的光組成,各個波長的光強度如圖 5-5 所示。

由圖可以看出,可見光範圍內的陽光強度很強。陽光中約有52%的能量由可見光貢獻,紅外線約佔 42%,剩下的 5~6% 則是紫外線。

若能吸收所有波長的光,將它們全部轉換成電能的話,轉換效率可達到最高。不過半導體可吸收的光波長是固定的,無法吸收所有波長的光。

Si結晶的能隙為 1.12eV,對應光波長約為 1100nm,位於紅外線區域。也就是說,用 Si 結晶製造的太陽能電池,只能吸收波長小於 1100nm 的光,並將其轉換成電能。

不過,就像我們在圖 5-5 中看到的,就算只吸收波長比 1100nm 還短的光,也能吸收到幾乎所有的陽光能量。

光是看以上說明,可能會讓人覺得,如果半導體的能隙較小,應該有利於吸收波長較長的光才對。不過,並不只有能隙會影響到發電效率,圖 5-6 提到的光的吸收係數也會大幅影響發電效率。光的吸收係數代表半導體能吸收多少光,可以產生多少載子。

有幾種材料的光吸收係數特別高,譬如 Ⅲ—Ⅴ 族的砷化鎵(GaAs)。GaAs 的能隙為 1.42eV,轉換成光波長後為 870nm,可吸收的光波長範圍比 Si 還要狹窄。但因為吸收係數較高,所以用砷化鎵製作的太陽能電池的效率也比較高。

總之,GaAs 是效率相當高的太陽能電池材料。然而成本較高是它的缺點,只能用於人造衛星等特殊用途上。即使如此,研究人員們仍在努力開發出成本更低、效率更好,以化合物半導體製成的太陽能電池。

——本文摘自《圖解半導體:從設計、製程、應用一窺產業現況與展望》,2022 年 11 月,台灣東販出版,未經同意請勿轉載。

台灣東販
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台灣東販股份有限公司是在台灣第1家獲許投資的國外出版公司。 本公司翻譯各類日本書籍,並且發行。 近年來致力於雜誌、流行文化作品與本土原創作品的出版開發,積極拓展商品的類別,期朝全面化,多元化,專業化之目標邁進。

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氣溫越高,太陽能板的發電效率就越低?——還得考慮日照量的變化!
台灣科技媒體中心_96
・2022/08/21 ・2500字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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你覺得,接受到的網路資訊很亂嗎,而且重要的科學都沒有被報導嗎?你也認為,生活中充斥著偽科學,錯誤訊息百出嗎?更無奈的是,在不少議題上,人人都可自稱專家,但發表的見解卻都沒有根據…

真相與科學被謠言屏蔽,這是不分世代面臨的資訊亂象,台灣科技媒體中心跟你一樣擔憂,所以積極號召更多台灣科學家站出來,致力挖掘科學議題的報導素材給媒體,而你的支持可以成為 SMC 堅強的後盾。定期定額挺 SMC,邀請大家與我們一起踏出改變科學新聞的第一步!

太陽能板的標準測試條件:25°C

7 月 25 日,台灣媒體引述歐洲新聞台(Euronews)報導,指出歐洲連日高溫與熱浪,可能會阻礙太陽能板發電。新聞指出太陽能板多數在理想溫度(25°C)的氣溫下測試效能,而這也是最佳發電條件。若高於這個溫度,太陽能板的發電效率會開始下降。對此,台灣科技媒體中心邀請專家解釋台灣的太陽能板發電效率。

臺灣的「矽基太陽能板」有同樣的問題嗎?

台灣科技大學電子工程學系特聘教授 魏榮宗

Q1:現在台灣設置最廣泛的矽基太陽能板,也是在攝氏 25 度的氣溫情境下,測試發電效率嗎?如果是的話,測試情境與實際發電效率的落差有多大?如果不是,台灣的測試情境為何?

為了統一評估太陽能板的發電效果,國際上規範太陽能板標準測試條件(Standard Test Conditions , STC)為 25℃、照度 1000W/m²,AM1.5 標準光譜[1]之情境。依照目前的太陽能板測試數據,溫度每上升 1℃,太陽能板電壓就會變小,導致輸出功率下降 0.35%[2];但溫度越低,輸出功率反而增加。台灣夏天溫度高,太陽能板的表面溫度約在 45~65℃ 之間,換算下來,約降低 7% 至 10.5% 發電功率。

台灣夏季炎熱,而溫度上升時太陽能板的功率會下降,這樣電真的夠嗎?圖/elements.envato

Q2:新聞提到,在上一波熱浪期間,德國的太陽能發電打破紀錄。對於「發電量破紀錄」跟「發電效率可能降低」之間,似乎有概念上的落差,我們該怎麼理解才正確?

雖然太陽能板受溫升影響而降低效率,但實際上,夏季日照時間最長,太陽光垂直照射太陽能板使輸出電流更高[3],所以即便扣除 7 至 10.5% 的發電功率以及下雨影響,台灣夏季平均每日發電量仍高於冬季 40-60%[4]。德國緯度比台灣高,夏冬日照時間差距比台灣更大,熱浪期間長期不下雨,增加發電量的比例遠高於溫升影響,所以發電量破紀錄是必然現象。

Q3:對於高溫可能降低太陽能轉換效率,我們有什麼措施或是技術,來因應氣候變遷的挑戰?

  1. 太陽能板架設時,要預留下方空間給空氣流通。
  2. 三角屋頂施作時,應避免貼平烤漆板,盡量以自然風散熱,降低太陽能板溫度。
  3. 研發太陽能板不易受溫升影響發電效率的電池片。十年前,影響大約每度溫升影響發電效率 0.5%,目前已經下降至 0.35%,期待未來可以進一步降低溫升影響。

不可忽視的關鍵——日照量

成功大學光電科學與工程學系教授 陳昭宇

太陽能電池的效率,必須在特定的標準測試條件(Standard Test Condition, STC)下量測,這樣不同的實驗室或研究團隊所得到的數據才能互相比較。這些條件包含了 1000W/m 的光照強度、攝氏 25 度與特定的太陽能光譜分佈(AM 1.5G)。然而,當太陽能電池真正應用時,情境大不相同。

矽晶太陽能電池的轉換效率,的確會隨著溫度的上升而下降。就算沒有熱浪來襲,屋頂型太陽能電池的工作溫度,在晴天也會處於 40 度到 50 度左右,基本上不會以 25 度的條件發電。一般太陽能模組溫度每增加一度,太陽光電板之效率將降低 0.4% 至 0.5%,因此相對於沒有熱浪的情況而言,熱浪所增加的高溫對於效率的降低可能只是很小的影響。

而發電量是「光照強度」×「轉換效率」,炎熱的天氣通常伴隨著較強的日照,很少遇到炎熱的陰天或雨天,這意味著光照強度整體上升。因此,大部分高溫情況下會得到較高的發電量,是因為日光強度提升,彌補了發電效率的下降。就好比一張滿分 100 分的考卷,你答對九成,分數是 90 分;滿分是 120 的考卷,你答對八成,分數則是 96 分。

圖一是 7 月 26 日,成大光電系系館頂樓太陽能系統的發電情形。紅色是溫度,綠色是日照量,藍色是發電功率——發電功率與日照量是高度相關的!

圖一:2022 年 7 月 26 日,成大光電系太陽能系統發電情形。圖/SMC

圖二是 5 月 2 日,溫度只有攝氏 20 度左右,接近太陽能最佳轉換效率之溫度。然而,因為日照大量減少(綠色),因此發電量也大減。

圖二:2022 年 5 月 2 日,成大光電系太陽能系統發電情形。圖/SMC

因此,該篇報導只注重轉換效率與發電量,未考慮到日照量的變化,是錯誤的連結。

另外,值得一提的是,歐洲地區的用電尖峰是在冬天為了避寒,然而這個季節的太陽能發電量是相對較少的。台灣的情境剛好相反, 我們的用電尖峰是在夏天,太陽能的供應相對高,因此我們在供給與需求的匹配上比較有利,地理條件對於使用太陽能支援尖峰供電也相對容易。

註解

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台灣科技媒體中心_96
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台灣科技媒體中心希望架構一個具跨領域溝通性質的科學新聞平台,提供正確的科學新聞素材與科學新聞專題探討。

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太空太陽能發電能直接利用未被大氣層削弱的太陽輻射能,大幅提高發電效率,並以雷射或微波將電力傳輸至地表任何地方。(圖片來源:© Mafic Studio, Inc.)
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但是,太空太陽能發電仍然需要面對相當現實的技術問題。因為太空太陽能衛星將設置在離地表3萬6千公里遠處,JAXA的科學家還尋找方法,讓大量能源透過雷射光束或微波,成功瞄準地表上僅3公里寬的接收站,而且不對地表造成威脅。

當然,要在高空中設立太空太陽能發電衛星的花費不容小覷,太空太陽能發電計畫預計未來5年就要耗資40億美元進行研發,後續花費更是天文數字。不過與全球暖化以及核電廠災害可能帶來的代價相比,投資天際的計畫或許頗為划算?

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