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减碳问题刻不容缓 再生能源势在必行
[作者 王明德]   2018年05月25日 星期五 浏览人次: [3565]

火力发电是目前全球发电量最高的技术,占总发电量60%以上,不过,此一发电方式所产生的二氧化碳也最高,这几年虽然政府机关与厂商大力投入减碳技术的研发,不过目前看来成效仍有限,因此再生能源成为多数国家致力推动的目标,以台湾为例,行政院已将草案送入立法院,预计在2025年让再生能源占总发电量的20%,其他各国也都早有政策推动。


太阳能技术发展与限制

就目前发展来看,再生能源中以太阳能与风力发电最受瞩目,其中太阳能发电的原理为光电效应,太阳能的电能取决於电位差,太阳能电池是以矽为主的半导体材料,再加上其他特定物质结合产生电位差,当大於电位差能量的光子击中太阳能电池,电子就会跳动产生电流,


但如果光子能量低於半导体的电位差,则光线再强也没用,由於阳光光谱中各种波长不同,能量低者无法造成电流,能量过高者,超出电位差的部分也只会造成无效的热能,这也是太阳能电池为何无法完全将太阳光转换为电能的原因,因此即便阳光光能虽强,但只有一小部分可以转换为电能供人类使用。



图1 : 太阳能发电的效能,除了电池材质外,阳光更是主要因。(Source:PioneerSolar)
图1 : 太阳能发电的效能,除了电池材质外,阳光更是主要因。(Source:PioneerSolar)

目前太阳能电池的材质以晶矽为主,分为单晶矽、多晶矽、非晶矽(薄膜太阳能电池),在实际应用中,单晶矽的效率可达17%,多晶矽次之为15%,非晶矽最低仅有12%,其中单晶矽虽然效率最高,不过成本也最贵,由於单晶矽是使用纯度极高的矽晶,其电池使用量大,因此价格居高不下,反之非晶矽虽然效率差,不过其材料与制造价格远低於单晶矽,因为若计算单位发电成本,仍较单晶矽低,这也是薄膜太阳能电池近年来快速成长的主因。


太阳能发电的效能,除了电池材质外,阳光更是主要因素,阳光的光能取决於全天空辐射量,多数人认为台湾天气炎热,因此全天空辐射量必然高,其实不然,由於台湾为多云多雨的海岛型态,因此与其他国家相比辐射量算低,甚至纬度高於台湾的西班牙,其辐射量都高於台湾,若是相同机组,西班牙的太阳能发电量会比台湾多出20%。


就上述因素来看,太阳能对台湾的电力帮助并不大,台湾在2009年的全国能源会议中曾提出资料,若台湾10%的建筑物设置太阳能电池,约可装置1,100MW的太阳能电池,每年可提供14亿度电,但与台湾这几年每年逼近2,500亿度的总用电度数相比,其比例仅有0.56%,因此帮助并不大。


太阳能的另一个议题是成本,目前太阳能电池模组的合理价格约为每瓦新台币60元,再加上整流器、周边设备与人工安装成本,其价格会上升到120元,而在阳光充裕的地方,每度电的价格约为7元,2011年台电的小型太阳光电场价收购价每度8元,後来一路往下修,2017年更从6.1元降至5.2元,虽然太阳能模组价格也持续下滑,不过整体来说,若只从发电系统计算,太阳能的发电价格是不敷成本,但替代能源的建置本就是为了减碳,因此要计算成本还需将环境因素考虑进去,这也是虽然太阳能发电的效率虽然不彰,但多数国家仍愿意投入预算制定补贴政策的原因。


看风吃饭的风力发电

再生能源的另一个重要技术是风力发电,风力发电这几年成为全球能源产业的焦点技术,主要原因在於其发电价格远低於太阳能,甚至已经接近火力发电,另外在发电量部分,全球风力发电能力在2015年底达到432.42 GW相当於约60座核电厂,发电量更是首次超越核电的382.55 GW。


目前全球风力发电装置容量最多的地区为欧洲,占全球将近50%,美国与中国则分居2、3名,欧洲的风力发电领先全球的主要原因在於地理因素,由於欧洲纬度属於西风带,风力资源丰富,是最隹的发电风场,相较之下,亚洲则属於贫风带。


风力发电机的发电功率与叶片面积成正比,若叶片直径增加1倍,其发电功率会增加4倍,不过叶片的面积有材料强度与技术上的限制,无法无止尽扩大,目前若设置在离岸,风机叶片直径可达125公尺,发电容量为5MW,若是陆上风机,最大风机叶片直径则为80公尺,容量为2MW,业界人士认为目前尺寸已趋近极限。



图2 : 风力发电机的发电功率与叶片面积成正比。(Source: WindEurope)
图2 : 风力发电机的发电功率与叶片面积成正比。(Source: WindEurope)

与火力、核能相比,风力与太阳能这类型再生能源发电的最大缺点在於功率密度过低,因此需要大面积的土地设置机组,而风力发电的另一个缺电则是容量因数,容量因素是指每年可用电场额定最大功率全力发电的的时间,核能电厂与火力发电只要燃量供应充足,就可以全年无休的全力运作,每年总发电天数为8,760小时,而火力发电厂与核能电厂机组的停机维修大多为1万小时以上,其容量因素都可以在85%以上,风力发电每年的运转时间则仅约25%~30%,且风力并不固定,一般风机设定在风速达每秒12~13公尺时功率最大,但2~3公尺时就可运转,而若风速超过每秒25公尺时,就必须停止运转,避免损坏,因此风机在运转时,很少达到最高额定功率。


根据2009年的全球能源会议资料,台湾适合风力发电的陆地风场约可装置1,000台1MW的风力发电机,总装置容量为1,000MW,适合装置的近海风场则可设置400台3MW的风力发电机,总装置容量为1,200MW,若以30%的容量因素计算,每年约可发电60亿度,与於台湾每年总用电度数2,500亿度相比,约占2.4%。


虽然目前太阳能与风力发电在发电效能仍难与火力与核能相比,不过就如前文提到,减碳因素是未来能源技术的重要考量,若再加入环保成本,再生能源的投资报酬率未必划不来,这也是各国致力推动再生能源的主要因素,希??在业界的致力研发下,可以顺利解决功效不彰的问题,进而减缓地球暖化。


**刊头图(Source:Vox)


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