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減碳問題刻不容緩 再生能源勢在必行

2018-06-15 09:39智動化

【作者: 王明德】

2018年6月(第37期)
2018年6月(第37期)
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火力發電是目前全球發電量最高的技術,佔總發電量60%以上,不過,此一發電方式所產生的二氧化碳也最高,這幾年雖然政府機關與廠商大力投入減碳技術的研發,不過目前看來成效仍有限,因此再生能源成為多數國家致力推動的目標,以台灣為例,行政院已將草案送入立法院,預計在2025年讓再生能源佔總發電量的20%,其他各國也都早有政策推動。

太陽能技術發展與限制

就目前發展來看,再生能源中以太陽能與風力發電最受矚目,其中太陽能發電的原理為光電效應,太陽能的電能取決於電位差,太陽能電池是以矽為主的半導體材料,再加上其他特定物質結合產生電位差,當大於電位差能量的光子擊中太陽能電池,電子就會跳動產生電流,

但如果光子能量低於半導體的電位差,則光線再強也沒用,由於陽光光譜中各種波長不同,能量低者無法造成電流,能量過高者,超出電位差的部分也只會造成無效的熱能,這也是太陽能電池為何無法完全將太陽光轉換為電能的原因,因此即便陽光光能雖強,但只有一小部分可以轉換為電能供人類使用。

圖1 : 太陽能發電的效能,除了電池材質外,陽光更是主要因。(Source:Pi...
圖1 : 太陽能發電的效能,除了電池材質外,陽光更是主要因。(Source:PioneerSolar)
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目前太陽能電池的材質以晶矽為主,分為單晶矽、多晶矽、非晶矽(薄膜太陽能電池),在實際應用中,單晶矽的效率可達17%,多晶矽次之為15%,非晶矽最低僅有12%,其中單晶矽雖然效率最高,不過成本也最貴,由於單晶矽是使用純度極高的矽晶,其電池使用量大,因此價格居高不下,反之非晶矽雖然效率差,不過其材料與製造價格遠低於單晶矽,因為若計算單位發電成本,仍較單晶矽低,這也是薄膜太陽能電池近年來快速成長的主因。

太陽能發電的效能,除了電池材質外,陽光更是主要因素,陽光的光能取決於全天空輻射量,多數人認為台灣天氣炎熱,因此全天空輻射量必然高,其實不然,由於台灣為多雲多雨的海島型態,因此與其他國家相比輻射量算低,甚至緯度高於台灣的西班牙,其輻射量都高於台灣,若是相同機組,西班牙的太陽能發電量會比台灣多出20%。

就上述因素來看,太陽能對台灣的電力幫助並不大,台灣在2009年的全國能源會議中曾提出資料,若台灣10%的建築物設置太陽能電池,約可裝置1,100MW的太陽能電池,每年可提供14億度電,但與台灣這幾年每年逼近2,500億度的總用電度數相比,其比例僅有0.56%,因此幫助並不大。

太陽能的另一個議題是成本,目前太陽能電池模組的合理價格約為每瓦新台幣60元,再加上整流器、周邊設備與人工安裝成本,其價格會上升到120元,而在陽光充裕的地方,每度電的價格約為7元,2011年台電的小型太陽光電場價收購價每度8元,後來一路往下修,2017年更從6.1元降至5.2元,雖然太陽能模組價格也持續下滑,不過整體來說,若只從發電系統計算,太陽能的發電價格是不敷成本,但替代能源的建置本就是為了減碳,因此要計算成本還需將環境因素考慮進去,這也是雖然太陽能發電的效率雖然不彰,但多數國家仍願意投入預算制定補貼政策的原因。

看風吃飯的風力發電

再生能源的另一個重要技術是風力發電,風力發電這幾年成為全球能源產業的焦點技術,主要原因在於其發電價格遠低於太陽能,甚至已經接近火力發電,另外在發電量部分,全球風力發電能力在2015年底達到432.42 GW相當於約60座核電廠,發電量更是首次超越核電的382.55 GW。

目前全球風力發電裝置容量最多的地區為歐洲,佔全球將近50%,美國與中國則分居2、3名,歐洲的風力發電領先全球的主要原因在於地理因素,由於歐洲緯度屬於西風帶,風力資源豐富,是最佳的發電風場,相較之下,亞洲則屬於貧風帶。

風力發電機的發電功率與葉片面積成正比,若葉片直徑增加1倍,其發電功率會增加4倍,不過葉片的面積有材料強度與技術上的限制,無法無止盡擴大,目前若設置在離岸,風機葉片直徑可達125公尺,發電容量為5MW,若是陸上風機,最大風機葉片直徑則為80公尺,容量為2MW,業界人士認為目前尺寸已趨近極限。

圖2 : 風力發電機的發電功率與葉片面積成正比。(Source: WindEur...
圖2 : 風力發電機的發電功率與葉片面積成正比。(Source: WindEurope)
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與火力、核能相比,風力與太陽能這類型再生能源發電的最大缺點在於功率密度過低,因此需要大面積的土地設置機組,而風力發電的另一個缺電則是容量因數,容量因素是指每年可用電場額定最大功率全力發電的的時間,核能電廠與火力發電只要燃量供應充足,就可以全年無休的全力運作,每年總發電天數為8,760小時,而火力發電廠與核能電廠機組的停機維修大多為1萬小時以上,其容量因素都可以在85%以上,風力發電每年的運轉時間則僅約25%~30%,且風力並不固定,一般風機設定在風速達每秒12~13公尺時功率最大,但2~3公尺時就可運轉,而若風速超過每秒25公尺時,就必須停止運轉,避免損壞,因此風機在運轉時,很少達到最高額定功率。

根據2009年的全球能源會議資料,台灣適合風力發電的陸地風場約可裝置1,000台1MW的風力發電機,總裝置容量為1,000MW,適合裝置的近海風場則可設置400台3MW的風力發電機,總裝置容量為1,200MW,若以30%的容量因素計算,每年約可發電60億度,與於台灣每年總用電度數2,500億度相比,約佔2.4%。

雖然目前太陽能與風力發電在發電效能仍難與火力與核能相比,不過就如前文提到,減碳因素是未來能源技術的重要考量,若再加入環保成本,再生能源的投資報酬率未必划不來,這也是各國致力推動再生能源的主要因素,希望在業界的致力研發下,可以順利解決功效不彰的問題,進而減緩地球暖化。

**刊頭圖(Source:Vox)

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