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國內太陽光電能與 生質能源利用之推動. 陳文卿 財團法人環境與發展基金會. 中 華 民 國 99 年 1 月 28 日. 台灣再生能源發展進程. 新能源兆元產業產值推估 (新能源產業旗艦計畫). 約 300MW 每 MW 7,000 萬元計. 約 2250MW 每 KW 20 萬元計. 國內風力與太陽光電能之推動目標與效益. (2008 年能源局資料 ). 太陽光電能 (photo-voltaic energy). 太陽光取之不盡用之不竭 直接轉換為直流電能,無轉動組件,無噪音,穩定性佳 無需燃料,無中間廢棄物,安全無污染 壽命可長達近 20 年

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國內太陽光電能與 生質能源利用之推動

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Presentation Transcript


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國內太陽光電能與生質能源利用之推動

陳文卿

財團法人環境與發展基金會

中 華 民 國 99 年 1 月28 日


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台灣再生能源發展進程


4618820

新能源兆元產業產值推估(新能源產業旗艦計畫)

約300MW

每MW 7,000萬元計

約2250MW

每KW 20萬元計


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國內風力與太陽光電能之推動目標與效益

(2008年能源局資料)


Photo voltaic energy

太陽光電能(photo-voltaic energy)

  • 太陽光取之不盡用之不竭

  • 直接轉換為直流電能,無轉動組件,無噪音,穩定性佳

  • 無需燃料,無中間廢棄物,安全無污染

  • 壽命可長達近20年

  • 輔助尖峰用電

  • 使用方便,外型此寸可彈性變化(小至電計算機大至發電廠):

    solar cell → module→electric system

    (10W~KW) (KW~MW)


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太陽光電能(續)

  • 受環境與地理限制小,所以應用廣泛

  • 太陽電池所發之電為直流電,一般電器皆使用交流電,需接電力轉換器(inverter)將直流電轉換成交流電使用,此為太陽電池發主要技術之一。

  • 可作為建築構材(窗、外牆、屋頂)


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用途


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太陽電池的光電轉換原理

太陽電池(solar cell)是以半導體製程的製作方式做成的,其發電原理是將太陽光照射在太陽電池上,使太陽電池吸收太陽光能透過圖中的p型半導體及n型半導體使其產生電子(負極)及電洞(正極),同時分離電子與電洞而形成電壓降,再經由導線傳輸至負載。

由於太陽電池產生的電是直流電,因此若需提供電力給家電用品或各式電器則需加裝直/交流轉換器,將直流電轉換成交流電,才能供電至家庭用電或工業用電。


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A→A + + e-

e-

e-

e-

h+

M +e- → M -


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太陽電池之矽材料製作過程

矽砂原材料

多晶矽長晶爐

矽晶碇切割機

矽晶片線切割機

單晶矽拉晶製程

矽塊原材料、晶碇、 晶片

.


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太陽電池的關聯產品

攜帶式電源

太陽電池模板

(PV Module)

單元太陽電池

(Unit Solar Cell)

太陽電池組列

(PV Array)

太陽光發電系統

蓄電池(Battery)

電力轉換器

(電力調節器)

(Inverter、

Conditioner)


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太陽電池種類

半導體材料

Cell轉換

效率

模組轉換效率

結晶矽

非晶矽

3元素

CuInSe2(薄膜型)

10~12%

有機半導體

不同種類太陽電池效率發展狀況

單結晶(晶圓型)

15~20%

14~18%

結晶矽

多結晶(晶圓型、薄膜型)

12~16%

10~14%

非晶矽

a-Si、a-SiC、a-SiGe

8~13%

6~9%

III-V族

GaAs(晶圓,薄膜型)

18~30%

化合物

半導體

II-VI族

CdS、CdTe薄膜型

10~14%

多元

化合物

CuInSe2薄膜型

10~15%

有機物

TiO2/Dye

7 ~10 %


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太陽能電池種類說明

非晶矽太陽電池外觀(可撓式)

多晶矽太陽電池外觀

單晶矽太陽電池外觀


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矽太陽電池外觀與結構

單晶矽

(Single Crystalline Si)

多晶矽

(Poly Crystalline Si)

太陽電池典型結構例(單晶矽)

單晶矽,理論轉換效率23%

多晶矽,理論轉換效率20%

非晶矽

(Amorphous Si)


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各式太陽電池模板

單晶矽模板

多晶矽模板

半透光型模板

非晶矽模板


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結合太陽光電板與風力系統


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單晶矽太陽電池

  • Si crystal from molten silicone , and growing up through define direction.

  • 佔有率最高

  • 所發電力與提供電壓範圍廣,1W至100W,0.5V至24V

  • 效率高,商業化產品元件效率13~15%;模板效率11~13%

  • 價格在某些應用範疇是可被接受的價位,一般保證可達15年


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多晶矽太陽能電池的兩大重點

  • 低廉價格的高純度矽原料

    • 以半導體級超高純度矽(7N以上)生產廠家之不合格品(Off-Spec)作為原料貨源不穩定

    • 單價 : 半導體級(U$35~40/kg)、太陽能電池級(U$20~25/kg)

  • 生產成本低廉(技術較為成熟、切片損失大)

    • 非傳統之直接晶圓片(Si Ribbon)提拉法

      • 技術較不成熟、製程量率較低的晶圓(Wafer)

    • 鑄造(Ingot Casting)切塊(Cutting)晶圓切片(Slicing)晶圓


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非晶矽太陽電池

  • 應用非常廣泛

  • 成本非常低廉,製程易量產化

  • 可吸收任何可見光:在螢光照射下也可產生電力,適用於消費性產品

  • 可成長在不同的基板上,如玻璃、高分子膜、不銹鋼、陶瓷…等,應用範圍廣

  • 可製作成大面積;同一基板可串聯較多電池,並且形狀可任意設計,應用產品製作容易


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太陽電池的關聯產品

攜帶式電源

太陽電池模板

(PV Module)

單元太陽電池

(Unit Solar Cell)

太陽電池組列

(PV Array)

太陽光發電系統

蓄電池(Battery)

電力轉換器

(電力調節器)

(Inverter、

Conditioner)


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我國太陽光電產業技術發展SWOT分析

資料來源:工研院太陽光電科技中心,2007年11月


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我國與先進國家太陽電池技術水準比較

資料來源:工研院太陽光電科技中心,2007年11月


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我國太陽光電技術發展Roadmap


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我國太陽光電技術發展Roadmap(續)

資料來源:工研院太陽光電科技中心,2007年11月


Biomass energy

生質能(biomass energy)

自生物性物質所獲取之能源稱為「生質能」

  • 沼氣利用(經厭氧消化作用)

    • 養豬場廢污

    • 垃圾掩埋場沼氣

    • 水肥與下水道污泥

    • 產業廢水、污泥厭氧消化

  • 都市垃圾焚化發電

  • 廢棄物氣化發電


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厭氧消化之優點

  • 有機廢棄物減量(60%以上 COD分解)

  • 適合台灣的天候條件

  • 省動力,沼氣能源回收

  • 資源/能源回收

  • 技術成熟,操作簡單


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有機物厭氧醱酵分解之程序

H2+ CO2

醣類、澱粉等… → C6H6O12→ → 6CH3CO2H

CH4 + CO2

(約65%)

沼氣: CH4 + CO2 1M3沼氣約可發電1.5度


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能源-資源永續循環

電能

廢熱回收

家庭或

工廠利用

工廠

發電機

沼氣

有機廢棄物

(乾燥熱能)

貯存槽

厭氧消化槽

農地灌溉

肥料利用

脫水


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高濃度有機廢棄物生質能源回收

堆肥再利用

(約450 ton/d)

家戶收集

(約1800 ton/d)

廚餘

養豬再利用

(約1500 ton/d)

餐廳收集

(約1200 ton/d)

厭氧消化能源資源回收

高濃度有機廢棄物

(處理容量約16萬噸/年)

水肥處理廠

化糞池清除

水肥

下水道污水廠

水肥投入站

(產生量約5.0 Mton/y)

清運量約1.8 Mton/y

堆肥

糞渣

(55家禽畜糞堆肥場)

養豬場廢污

廢棄污泥

(土壤灌溉)

污泥消化廠

下水道污水廠

生活廢水污泥

建築物污水處理設施


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甲烷回收系統

廢液處理或回送系統

黏土層

垃圾

地下水

觀測井

掩埋場

底部襯墊

廢液收集系統

地下水

垃圾掩埋產生沼氣設施


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水肥

下水道污泥

廚 餘

註1

養豬污泥

豬隻攝食

既設

水肥場

污水廠已消化

污水廠未消化

適養豬廚餘

不適養豬

廚餘

既設

堆肥場

集中式厭氧消化設施

燃料化、材料化、肥料化

註2

  • 既有設施

新建設施

  • 技術面配套(增設前處理設備)

  • 行政面配合(與主管機關協調)

  • 分期開發

  • 處理規模

  • 優先設置示範廠

有機廢棄物集中處理生質能源利用

  • 「利用既有設施擴充其性能」及「新建處理廠」兩種方式


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厭氧醱酵之技術可行性分析


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有機廢棄物(污泥)產生現況分析

  • 廚餘

    • 2012年廚餘回收目標為2,200 ton/d,2020年將成長至2,700 ton/d。

    • 扣除70%養豬再利用外, 2020年將有約800噸須作堆肥及其他再利用。(現有堆肥場處理量僅約300 ton/d)

  • 水肥

    • 既有處理設施嚴重不足(約440 ton/d),部分縣市水肥無適當去處

  • 養豬場廢污

    • 缺乏適當處理,污泥在廢水場內部循環,嚴重影響處理性能

  • 生活污水污泥

    • 以下水道污泥為主,現行消化系統尚有餘裕空間可供利用


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各類有機廢棄物之綜合比較

養豬廢水污泥

  • 有機固體濃度:約1~2%(濃縮後)

  • 沼氣產生率:約0.3 L/g TVS

  • [問題]:水量大濃度低,清運費用偏高。

    養豬場糞渣

  • 有機固體濃度:約10%以上

  • 沼氣轉換率:約0.5 L/g TVS

  • [問題]:纖維質高,顆粒大,須預經篩濾。目前以堆肥處理為主,可收集量不高。

廚餘

  • 有機固體濃度:10%以上

  • 沼氣轉換率:約0.7 L/g TVS

  • [問題]:含氮量低,纖維質、油脂高。顆粒大且不均勻,須預經篩分及破碎。

    水肥、下水道污泥

  • 有機固體濃度:約0.5%

  • 沼氣轉換率:約0.2 L/g TVS

  • [問題]:濃度低,砂質多,沼氣產生率偏低。


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全國各種有機廢棄物

沼氣生質能源潛力預估(1/2)

Ref.:Wen-Ching Chen(陳文卿),Wen-Chin Chen and Doong-Shur Geng(2008), The Strategy and Bioenergy Potential for Kitchen Waste Recycling in Taiwan. J. Environ. Eng. Manage., 18(4), 281-287


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全國各種有機廢棄物

沼氣生質能源潛力預估(2/2)

一、全國養豬廢水處理場每年所產生的沼 氣量約可達2億立方米,可發電每年約 達3億度,相當於減少約20萬公噸CO2。二、沼氣若未收集利用而任意排放,卻等於 為1立方米將增加了10公斤的CO2當量。 亦就是增加200萬公噸CO2,約相當於全 國CO2排放量之0.9%!


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全球再生能源利用比例


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Utilization of renewable energy in the EU

Biomass 佔一半以上!!


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台灣推動廚餘厭氧消化之關鍵課題

  • 廚餘特性之掌握

    • 生物可分解性高

      • 沼氣潛能大

    • 雜質高,易造成系統堵塞

      • 宜先分離去雜質

    • 粒徑不均勻

      • 應先破碎及磨碎

    • 油脂高

      • 易產生浮渣,混合困難

      • 沼氣產量高

    • 水份高(相對於國外)

      • 宜採濕式醱酵

      • 進料固體濃度設計建議:3%~6%

      • 反應槽攪拌很重要


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台灣推動廚餘厭氧消化之關鍵課題(續)

  • 厭氧槽設計建造技術

    • 高濃度(污泥)厭氧消化槽(反應槽型式之選擇)

    • 攪拌、循環

  • 操作控制技術

    • 有機負荷控制(濃度、停留時間)

    • 抑制因子

    • 溫度控制

  • 關鍵設備研發

    • 油污分離

    • 破碎設備

    • 沼氣利用設備

  • 其他相關課題

    • 沼氣利用

    • 污泥(殘渣)之再利用

    • 醱酵放流液之再利用


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廚餘厭氧醱酵模廠現場配置

3.7

0

0


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Munster(德國)

Arhus(丹麥)

Passau Compogas(德國)

Atlantic(加拿大)


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62

(日本COMPOGAS)


Campo

CAMPO系統說明

  • 一般垃圾 30T/D → 5T/D

  • 食品廢棄物 30~50T/D

  • 生垃圾一噸產生Biogas100~200m3 (TS 50%)=150~300kWH

  • 全廠每天產生沼氣約10,000m3, 可發電量約15,000度電

  • 建廠費用:16.4億日圓=>每噸約1000萬NTD

H2O

125T/D

(TS 20%)

50T/D (TS 50%)

Digester

發電利用

Biogas

(310kw ×2 )

1400m3×2

HRT:20~30day

(55℃ )


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八里污水處理廠

  • 污水處理量: 每天7百萬立方米污水進流

  • 污泥消化槽:6個蛋形槽,54,000 m3 of total capacity.

  • 設計污泥消化水力停留時間:HRT :18天(3,000 m3 of sludge per day,in 3% of VSS).

  • 沼氣產生量: 27,000m3 /天 (污泥VSS濃度 3%)


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廚餘與污水處理廠污泥混合處理--以八里污水處理廠為對象推估

  • 100 m3廚餘與下水道污泥混合(總污泥量之3%)

    • 總沼氣產生量:35,000 m3 (約增加30%)

    • 可發電:54,000KWh per day

  • 400 m3廚餘與下水道污泥混合(總污泥量之13%)

    • 總沼氣產生量: 54,0000 m3 Biogas約為目前之2倍!

    • 可發電: 83,000KWh per day.


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