本期文章

綠能當道 再生能源正方興未艾

撰文/王岫晨    

人們總是憂慮著現有的能源會有不足或用盡的一天,卻不知能源其實是無所不在地以各種不同的形式藏身於大自然之中,例如光、水、風、熱等。只不過,這些能源雖然取之不竭,卻不能像市電那樣在需要時,隨時都能插上電源插座來使用。

目前可利用的再生能源技術,除了太陽能、風力、水力外,地熱、潮汐、生質能與海洋熱能轉換等都很有潛力。也由於這些能源就蘊含在環境周遭,若能透過科技的力量將這些能源擷取成為電能,再使其加入電網中,或者於固定區域供電,就能成為來源不虞匱乏的再生能源了。


太陽能無所不在
太陽能是最普遍且最常見的再生能源方式。然而,太陽光雖然無所不在,太陽能的利用卻存在著先天上的缺點。一是太陽能的能量密度低,屬於稀薄性能源,也就是需要大片的面積才能收集到足夠的電能;二是太陽能屬於間歇性能源,無法全天候供電,會隨著日夜、季節、氣候等因素影響電能的擷取。

也因為這些特性,太陽能在使用上,通常必須搭配蓄電池來儲存電能,並配合其他不同的能源設備來輔助使用。


高效率低成本是發展主軸
就技術上來看,太陽能發電材料分為矽晶圓、CdTe薄膜、CIGS薄膜、染料敏化薄膜、有機材料等。以矽晶圓來說,又分為單晶矽、多晶矽和非晶矽薄膜等。太陽能發電的關鍵,則在於轉換效率,各種太陽能電池的轉換效率並不同,單晶矽最高效率約可達25.0%,多晶矽約為20.4%,CIGS薄膜約19.8%,CdTe薄膜則約19.6 %。

目前最常見的太陽能電池主要包括矽晶圓與薄膜型,一般較常見的為矽晶圓基板,而薄膜型太陽電池由於具備可撓曲、可折疊等彎曲特性,更容易與新一代建築物進行結合進行發電。就太陽能技術的進展來看,依據發展時間可簡略分為四個階段:一是最為成熟的矽晶基板、二是薄膜技術、三是有機奈米技術、四是複合薄膜材料。

矽晶太陽電池的技術最成熟,發展也最久,種類可細分為單晶矽、多晶矽、非晶矽等,市場上以單晶矽與多晶矽最為普及。單晶矽電池的製造和半導體相當類似,因此技術已成熟,市場滲透率也較快速。不過因矽晶圓本身較脆弱,其製程難度也較高,消耗的能源及勞動力較為密集,整體生產成本也偏高。

薄膜電池則後勢看好,依不同材料又分為多晶矽、非晶矽、碲化鎘(CdTe)、銅銦硒化物(CIS)、銅銦鎵硒化物(CIGS)、砷化鎵(GaAs)等。薄膜技術是在玻璃或柔性基板上沉積一層光敏材料及金屬箔,並使用非晶矽、CdTe或CIGS做為半導體,提高其製造過程的良率,但效率低於矽晶型太陽能電池,且製程中常會造成毒物的殘留,是最大的缺點。

至於新一代的太陽能電池,將開始導入有機材料與奈米技術,藉以走向更高效率、更低成本與更長壽命的趨勢。種類包括光化學電池、染料光敏化、高分子電池、奈米結晶電池等。到了未來的第四代,則將針對薄膜做出多層結構,目前仍處於研發階段。


亞洲與美國帶來成長新動能
工研院IEK專案經理王孟傑指出,太陽光電產業走過歐債危機與供過於求的蕭條期,隨著亞洲的日本市場加溫與中國政府政策補助,加上美國市場的需求驅動,適時彌補了歐洲市場的萎縮,也讓太陽能產業走向新一波的成長。隨著各國政府對於太陽能政策的明朗,廠商已能掌握未來幾年的市場方向,而產業鏈價格也趨於穩定。

資策會MIC產業顧問高鴻翔也表示,正由於日本、中國與美國的太陽能市場持續加溫,加上歐美對中國大陸太陽能的雙反策略,似乎成為對台灣廠商有利的局勢,許多台灣業者在2014年擁有更高的能見度,當然還是得留意歐美雙反政策翻盤的可能性與衝擊。

高鴻翔認為,由於再生能源的發電比重提高,加上住宅小瓦數系統逐漸普及的趨勢下,預計儲能系統與智慧電網將成為太陽能發電的重要互補設備。事實上,隨著中國、日本與美國市場的崛起,全球太陽能市場重心移往亞太區域,預計亞洲市場將取得超過50%的主導地位。儘管如此,台灣廠商還是得謹慎觀察中國內需市場的反轉,若系統建置計畫未能順利地由內地的電站移轉至沿海地區的屋頂商用系統,持續開出的產能反倒將導致供過於求的局面。

王孟傑認為,中國市場在政府政策的大力支援下,每年目標10GW將使中國的太陽能市場迅速爆發。而亞太地區最大成長動力則在於日本與印度,其中日本大量申裝太陽能系統,將成為亞太區需求之主力。至於美洲的成長將以北美地區為主,尤其加州地區的政策推陳出新,為太陽能的使用直接注入驅動力。南美的智利、墨西哥等國,則需要時間培養綠色能源的使用概念與機制,因此成長較為緩慢。


風力發電再受重視
許多人都在各種圖片或影片中,看過風力發電的美好。在人類歷史上,很早就開始利用風能。例如公元前就已經有利用風力來轉動的大型風車裝置。然而工業革命開始之後,由於石油與燃煤的普及,電力也大量使用,使得風力逐漸沒落。

近年來,由於能源危機逐漸浮現,加上綠色能源當道,於是風力這種環保的再生能源再度受到重視,歐美等先進國家無不積極研究與利用。在科技進步的助力下,現代的風力發電機組無論是性能、構造及發電效益等方面,都有更大的進展。


離岸風電為發展主力
就全球風力發電的發展類型觀察,離岸風力為全球風力發電的發展主力。就市場面來看,近期歐洲市場仍占絕大部分,亞洲的中國、日本、南韓以及台灣則在近年積極投入發展中。

工研院IEK產業分析師康志堅指出,離岸風力機短期內都由德國的Siemen獨占市場。然而由於風力發電在再生能源中依然擁有很高的發展潛力,因此許多廠商依然積極投入,例如丹麥的Vestas與日本三菱重工已透過合資公司的方式來發展,另外包括德國Repower、法國AREVA、法國Alstom等廠商,都正加速發展新世代5MW級的風力發電機。

事實上,風力發電機儘管環保,但其所發出的低頻噪音卻令很多居民受不了,往往因此產生焦慮、憂鬱、頭痛與無法入睡等問題。近年來,全球陸域風電因美國市場的萎縮,導致裝置量大幅下滑,但離岸風電則持續成長。預計未來幾年,離岸風電佔整體比重將持續上升,預計2017年將達9.5%。

觀察現今的風電趨勢,歷年來均由德國Siemens穩居風力機系統市占率首位。 丹麥Vestas與日本三菱重工於2013年9月成立合資公司,有機會成為第一個推出8MW離岸風力機廠商。而Vestas、三菱重工、Repower與AVERA等廠商都積極發展,但估計三年內尚無法挑戰Siemens地位,要等到下一代的產品,才有機會再決勝負。

目前全球領導廠商都朝向大型化風力機發展,現階段離岸風電銷售主流機種為3至4MW,各廠商新產品的開發重點則放在5MW以上之風力機,預估 5MW以上風力機將成為下世代主力機種。


降低發電成本為重要目標
隨著全球對於風力發電的需求增加,各國政府都對風電產業擬定了相關政策。以中國市場為例,其境內風力發電機組整機製造廠已接近100家,就風力發電機組的生產來看,已有產能過剩之虞。為了尋求新的發展空間,提升產品的國際影響力,中國幾個主要的風機製造商紛紛開始明訂海外市場策略。

事實上,中國於2010年跨入全球風電市場,至今成為全球最大的風力發電機組生產基地,其年度風電新增裝機數量亦全球排名第一,儼然成為全球風電產業發展的領頭羊。

康志堅說,以台灣的發展狀況來看,台灣風電裝置總裝置容量約為630MW。在陸域優良風場漸趨飽和,且可開發的土地有限的情況下,未來可朝次級風場開發,剩餘可開發潛力約570MW。而台灣海峽海域風況佳,離岸風電可開發潛力約6,200MW,將成為未來開發重心,可先由離岸風電示範計畫帶領,由小規模示範機組累積經驗,再逐步擴大規模。

目前台灣許多廠商看好未來離岸風電商機,紛紛開始投入該市場。離岸風電開發可提升台灣能源自主供應比例,並帶來超過新台幣4,000億元投資之商機,只不過離岸風電成本高於市電價格,長期發展以降低發電成本為主要方向,也是廠商必須努力的目標。


結語
根據近期美國能源局(EIA)所公布的數據顯示,2014年包括風力、太陽能、生質能與地熱能等再生能源的發電量,已經超過水力發電。其中風力與太陽能繼續蟬聯再生能源中發電比重最高的前兩名。儘管這項調查是針對美國境內所進行,但這也代表了再生能源所擁有的發展前景與潛力。

目前各種能源的獲取,朝向多元化發展,而最重要的前提,仍是發電與供電效率必須要提升,來避免能源的浪費。加拿大政府研究組織便指出,發電、儲能與電網是能源技術發展的三大關鍵,發電要能多元化、儲能要能效率化、電網要能智慧化,這應該也是各國發展能源政策均認同的方向。在減少環境污染的同時,也讓能源的使用效率能夠提高,這正是發展再生能源的最重要理念。


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