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太陽能簡介

太陽能簡介. 蔡崇洲 崑山科技大學電腦與通訊系. 內容. 地球暖化與石油危機 太陽能之現況 太陽能之應用 太陽能 之維護 結論. 地球暖化與石油危機. 石油 天然氣 煤. 大量開採. 消耗殆盡. 造成地球溫室效應. 地球暖化與石油危機. 地球暖化 : 全球是否可以一致行動 ? 石油 危機 : 是否有足夠強的替代方案 ?. 多種能源的來源. 新生能源. 化石 能源. 能源新利用. 再生能源. 太陽能 風力 小水力 地熱能 生質能. 燃料電池 電動機車 淨煤技術. 石油 煤炭 天然氣. 潔 淨 能源.

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Presentation Transcript

  1. 太陽能簡介 蔡崇洲 崑山科技大學電腦與通訊系

  2. 內容 • 地球暖化與石油危機 • 太陽能之現況 • 太陽能之應用 • 太陽能之維護 • 結論

  3. 地球暖化與石油危機 石油 天然氣 煤 大量開採 消耗殆盡 造成地球溫室效應

  4. 地球暖化與石油危機 • 地球暖化:全球是否可以一致行動? • 石油危機: 是否有足夠強的替代方案?

  5. 多種能源的來源 新生能源 化石 能源 能源新利用 再生能源 太陽能 風力 小水力 地熱能 生質能 燃料電池 電動機車 淨煤技術 石油 煤炭 天然氣 潔 淨 能源

  6. 多種能源的可能來源 太陽每天照射到地表的能量，超過全人類27~30年的能源需求！ Source：SolarMeets the Peak Oil Challenge, Ron Swenson, Solar 2006, July 2006.

  7. 各種能源的CO2排放量 各種發電能源之CO2排放量 每kW的PV(太陽光電)每年可減少9公斤氧化硫( SOχ )、16公斤氧化亞氮( NOχ )及2300公斤二氧化碳( CO2 )的排放（相較於礦物能源）。 資料來源：工研院太電中心

  8. 太陽能的應用 • 太陽能應用技術主要發展方向有： • 太陽熱能系統(Concentrating Solar Power CSP) • 使用碟型或弧型集熱器產生高溫利用熱能來推動渦輪機產生電力。 • 光電系統(Photovoltaic Energy Systems PV) • 光電板組成太陽能發電系統(陣列array)，經陽光照射產生電力。 • 太陽能加熱系統(Solar Heating) • 吸收太陽的熱能來加熱使用，如太陽能熱水器、太陽能屋、太陽能游泳池。 • 照明系統(Solar Lighting) • 具有太陽光收集器，經光纖電纜導引至屋內當照明及產生電力。

  9. 太陽熱能(Solar Thermal Energy) • 太陽熱能系統可說是太陽能集熱發電系統 (Concentrating Solar Power CSP) 。 • 利用太陽能產生高熱來推動引擎或渦輪機發電，包括太陽能盤(solar dishes)、太陽能管(solar troughs)、太陽能塔solar towers 和線性菲涅爾反射(linear fresnel reflectors)等集熱型式。

  10. 太陽能盤(Solar Dishes) • 太陽能盤陽光擷取系統是一具太陽能電力系統，具有太陽自動追蹤和太陽能聚熱電力轉換單元，把高熱轉換成市電品質的電力系統。 • 此系統包括一個38呎長的盤式機構，由82個曲面玻璃反射鏡，每個鏡面約3~4呎的範圍，主要作用是集中太陽能射入加熱頭。 • 發電部份是一個4行程往復式史特林循環引擎，一具引擎可以產生25KW以上的電力。而每一年可提供 55,000 ~ 60,000 kWh 的電力。

  11. 太陽能熱水系統(Solar Heating) • 太陽能熱水系統是利用太陽能集熱器，收集太陽輻射能把水加熱的一種裝置，是目前太陽熱能應用發展中最具經濟價值、技術最成熟且已商業化的一項應用產品。 • 其應用範圍廣泛包括：工業製程用水預熱和家庭、宿舍、旅館、醫院、餐廳、游泳池等的熱水使用。

  12. 太陽能光電(PV)Photovoltaic Energy Systems • 太陽能發電 • 太陽光電的發電原理，是利用太陽電池吸收0.3~3μm波長的太陽光，將光能直接轉換成電能輸出的一種發電方式。 • 因為太陽電池所產生的電是直流電，因此需加裝直/交流轉換器轉換成交流電，才能供給家庭用電或工業用電。 • 太陽能發電的應用型態 • 發電方式有獨立式、混合式、市電併聯式，系統容量從個別住戶數千瓦至數百萬瓦的太陽光電發電廠系統。

  13. 太 陽 電 池 發 展 史 • 在1954年貝爾實驗室製造出第一個太陽電池來的，當時是為了替偏遠地區的通訊系統提供電源，由於效率太低(只有6%)，而且造價太高(357美元/瓦)，缺乏商業價值。而在當時，太空計畫也正在如火如荼地展開中；太陽電池具有不可取代的重要性，使得太陽電池得以找到另一片發展的天空。 • 從1957年當時的蘇聯發射第一顆人造衛星開始，太陽電池就肩負著太空飛行任務中一項重要的角色，一直到1969年美國人登陸月球，太陽電池的發展可以說到達一個顛峰的境界。但因為太陽電池造價昂貴，相對地使得太陽電池的應用範圍受到限制。 • 到了1970年代初期，由於中東發生戰爭，石油禁運，使得工業國家的石油供應中斷造成能源危機，於是再度重視如何把太陽電池應用於電力系統的可行性。 • 1990年以後，才開始將太陽電池發電與民生用電結合，市電併聯型太陽光電發電系統(grid-connected photovoltaic system)因而開始推廣，此觀念是把太陽電池與建築物的設計整合在一起，並與傳統的電力系統相連結，如此就可以從這兩種方式取得電力，除了可以減少尖峰用電的負荷外，剩餘的電力還可儲存或是回售給電力公司。

  14. 太陽電池構造與太陽光電發電原理 • 太陽電池是以 P 型與 N 型半導體材料接合構成正極與負極。 • 當陽光照射太陽電池時，陽光的能量會使半導體材料內的正、負電荷分離(產生電子-電洞對)。 • 正電荷(Hole)、負電荷(Electron)會分別往正(P型)、負(N型)極方向移動並且聚集。 • 正、負極接上負載時，將有電流流出，可以對負載作功(燈泡會亮、馬達會轉)。 上電極 Electrode 抗反射層 Anti-Refection Coating n型半導體 n-Type Semiconductor p型半導體 p-Type Semiconductor 下電極 Electrode - 負 載 + 電流 Electric Current

  15. 光電池製造流程 鑄錠 修角 矽晶 單晶 晶圓切片 柴氏長晶法 鑄錠 模塊 多晶 底部形成 抗反射 接面形成 質材蝕刻 電極形成 光電池

  16. 太陽電池材料種類 單晶矽 Single crystal 晶圓型 多晶矽 Polycrystal 結晶矽 Crystalline 單晶矽 Single crystal Silicon 矽 薄膜 Thin Film 非晶矽 Amorphous 多晶矽 Polycrystal Solar Cells 微晶矽 μ-crystal GaAs (晶圓型) 2元素 化合物 Compound CdS CdTe薄膜型 Nano & Organic 有機半導體 CuInSe2 (薄膜型) 3元素

  17. 太陽電池種類 太陽電池種類 半導體材料 半導體材料 cell轉換 效率 cell轉換 效率 模組轉換效率 模組轉換效率 矽 矽 結晶矽 結晶矽 單結晶(晶圓型) 單結晶(晶圓型) 14~24% 14~24% 10~14% 10~14% 多結晶(晶圓型、薄膜型) 多結晶(晶圓型、薄膜型) 10~17% 10~17% 9~12% 9~12% 非晶矽 非晶矽 a-Si、a-SiO、 a-SiGe a-Si、a-SiO、 a-SiGe 5~8% 6~9% 6~9% 化合物半導體 化合物半導體 2元素 2元素 GaAs(晶圓型) GaAs(晶圓型) GaAs 18~30% GaAs 18~30% CdS、CdTe薄膜型 CdS、CdTe薄膜型 10~12% 10~12% 3元素 3元素 CuInSe2(薄膜型) CuInSe2(薄膜型) 10~12% 10~12% 有機半導體 有機半導體 7% 7% 各種太陽電池效率發展狀況

  18. 太陽電池的未來架構 • 由於材料特性上的限制，對於結晶矽太陽電池的效率，幾乎已經達到最佳的水準。 • 目前比較具有成長潛力的應屬多接面的串疊型太陽電池，將太陽電池製成串疊型電池(tandem cell)。 • 預測未來多接面的串疊型太陽能電池效率將可達 40%以上。

  19. 光電板功率 一般太陽能光電板的技術資料，都是依據STC (Standard TestConditions ASTM E1036)標準條件來測試取得。其標準如下： • 日 照 量(irradiance)：1000 W/m2 • 光電板溫度(PV Module Temperature)：25℃ • 太 陽 光 譜(Solar spectrum Air Mass)：AM1.5 • 最大電流Imp=0.93A 最大電壓Vmp=17.4V 最大功率Pmax=16.182W • PV長度=0.517m PV寬度=0.27m PV面積=0.14m2 • 功率Pmax/PV面積=115.586 W/m2(每平方米輸出功率PV power) • PV power/標準日照量=115.586W/1000W=11.558 % 從一塊16W光電板技術資料計算轉換效率: *光電板的效率主要決定於所採用太陽能電池的效率等級，亦受到表面材質及封裝技術影響。 *電流是由PV面積大小、轉換效率和光的強度(日照強度)來決定。

  20. 光電模組技術規格

  21. 光電模組特性圖 不同溫度的電壓一電流特性圖 不同照度的電壓一電流特性圖

  22. 獨立型(Stand-Alone)太陽光電系統 • 具備蓄電池，白天由PV光電系統發電，提供負載及電池充電，夜間由電池供電，自給自足。 • 使用蓄電池，轉換器(Inverter)無逆送電功能之光電發電系統。 • 適用於市電無法送達地點，如高山、離島、基地台…等。

  23. 市電併聯型(Grid- Connected)太陽光電系統 • 與市電併聯負載，平時與太陽光電系統併聯發電，並供負載，不足的由台電供電。 • 轉換器(Inverter)具有逆送電功能，可操作於併聯模式之太陽光電發電系統。 • 適用電力正常送達之任何地點。 • 白天由PV系統併聯發電、夜間由台電供電。

  24. 緊急防災型(獨立/併聯混合型)太陽光電系統 • 有防災需求(照明、汲水、通信….)之公共設施 • 平時PV併聯發電、效率高、利用率高、夜間由台電供電。 • 視需要建置足夠之防災用電池，長時間停電時白天 PV 發電供負載並充電、夜間由電池供電，適合作為救災用電力來源。 • 蓄電池平時(或定時)浮充保養，不需每日深度充放電，壽命可以延長。

  25. 太陽能發電系統參考圖 (獨立式 300W)

  26. 太陽能發電系統組件 • 戶外匯流箱 (junction box) • 充電控制器 (charge controller) • 蓄電池 (battery) \ • 避雷器(surge protector) • 直交流轉換器 (inverter ) • 蓄電池式:從蓄電池轉換出AC電力 • 併 聯 式:從太陽能陣列直接與市電倂聯

  27. 系統安裝之常見問題 • 地點選擇:遮陰 • 電池壽命 • 耗材更換:太陽能板以外材料 • 太陽能板效率維持:老化、髒汙、溫度

  28. 結論 • 太陽能光電轉換效率到達40% ，就會有足夠取代能力。 • 科技改變速度越來越快，可能性越高。 • 期待未來更美好。

  29. 感謝聆聽 Q&A

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