光熱、光電系統相互搭配 太陽能發電前景看好

高雄市政府在高雄世運會主場館的屋頂，共設置8,800片太陽能光電板，每年發電量達undefined萬度。圖片來源：工研院

在市面上眾多綠能發電中，太陽能是最被廣泛被採用的技術，因多數國家都有充分日照時間之外，更在於發電規模較為彈性，可依照政策與環境彈性調整部署策略，不像水力、風力、潮汐發電技術，只能在特定場域安裝與使用，才會讓世界各國持續投入太陽能發電計畫，期望能減少對核能或石化能源的依賴。

取之不竭、用之不盡的太陽能，自古以來便成為人類獲取能源的首選，如建築物興建過程中，只要針對太陽升起與降落的軌跡，搭配對流的通風設計，不僅可享受到運用充足的日光照明，以達成減少對電力系統的依賴。而在台灣中南部常見的太陽能熱水器，亦是一種運用太陽光能源的應用模式，約可供應一般家庭約60%生活所需熱水，國外甚至有用來加熱游泳池的案例，足見其實用性遠高於其他再生能源發電系統。

光熱技術可降低日照影響  提供穩定電力輸出

太陽能發電技術分成光熱(Concentrated solar power；CSP)、光伏(Photovoltaics；PV) 兩類，太陽能光熱發電技術基本上是由聚光、集熱、發電、蓄熱和換熱統等5部分所組成，運作原理是利用不同形式的反射射鏡等聚光系統，將太陽能源聚集起來，透過加熱水或鹽等介質，再藉由該介質產生的高溫蒸汽，以驅動蒸汽渦輪發動機運作，達成藉由太陽能發電的目標。

發展多年的太陽能光熱發電技術，最大優點在於能將太陽日照不穩定的因素將至最低，即便在雲層極厚的狀況下，亦能夠透過聚光、集熱系統的協助，穩定獲取可觀的熱能。許多太陽能光熱發電廠都都選擇使用儲熱效果較佳的鹽，所以能在日照結束後後數小時持續發電，加上中斷發電所需時間也相當短，非常適合搭配其他發電系統使用，成為穩定供電的重要來源之一。

根據太陽能熱發電的聚光子系統不同，熱能發電可分為槽式、塔式、碟式等三大類， 槽式拋物面反射鏡是將多個槽型拋物面聚光集熱器，經過串、並聯等方式，以產生驅動汽輪機發電機組所需的高溫蒸氣。自1985年起6年間，美國在加州沙漠共興建9座槽式太陽能熱發電站，總裝機容量353.8MW，建置成本從初次投資的4,490美元？KW，降到最後的2,650美元？KW。

塔式太陽能熱發電是採用大量的定向反射鏡，將太陽光聚集到中央熱交換器上，如2007年啟用的西班牙PS10太陽能發電塔，便是世界上第一個商業化的太陽能發電塔，共利用624個巨大可移動鏡片收集陽光，最多可產生11MW電力。而隨後在2009年商轉的PS20太陽能發電塔，除日光反射鏡規模更大之外，則採用更高效率的接收器，以及新設計熱能儲存裝置，總發電量更達到20MW。

至於最後一種盤式斯特林太陽能熱發電系統，具有氣動阻力低、運行費用便宜等優點，且發電效率最高可達到30%左右，以西班牙的DISTALI發電系統系統為例，其額定功率便達到9KW，峰值轉換效率高於20%。儘管發電量遠低於太陽能發電塔，不過仍然被許多專家認為是值得投入研究的方案，可望成為未來廣泛被採用的主流技術。

能源轉換效率提升  光伏發電成主流

太陽能光電系統又稱光伏系統，是利用光伏半導體材料的光生伏打效應，而將太陽能轉化為直流電能的設施，其運作原理是當光線照射在導體或半導體上時，光子會與半導體中的電子作用，進而會造成電子流動，達成發電的目的。

若依照太陽能電池材料做區分，目前則有矽晶電池、CdTe薄膜電池、CIGS薄膜電池、染料敏化薄膜電池、有機材料電池等，其中矽晶電池則採料取得容易、成本低廉，成為現今太陽能光電系統最常用使用的技術。

目前市場上太陽電池為半為單晶與多晶矽技術，能源轉換效率平均效率約在15%左右，這代表系統只能將吸收到太陽能源，其中的15？20%轉換成電能，其因此研發超高效率的太陽電池，變成為各方研究單位積極努力的目標，但要在短期間要看到成果並不容易。

至於能與建築物整合的薄膜電池技術，因能融入屋頂、天窗、外觀、門窗之中，被業者視為建置太陽能建築時的首選，但因也有能源轉換效率不高、材料容易衰退的問題，成為推廣太陽能發電系統的阻礙。

目前常見太陽能光伏應用領域，大致上可分為住宅用、公共設施用以及產業設施用等三大類，住宅用太陽能光伏發電系統能以單座方式運作，也以將眾多集合住宅系統串聯成的小區發電系統等，所以許多國家都透過政策補貼方式，鼓勵民眾在屋頂安裝太陽能光電系統，如台灣經濟部推動的百萬太陽能屋頂即屬此類。

至於公共設施用太陽能光伏發電系統，則多半常見於學校、道路、廣場以及其他公用設施之中，如比利時便在高速公路旁建立長達3.6公里的太陽能發電系統，一年發電量可達到330萬KW。至於搭配產業設施用的太陽能光伏發電系統，則常見於工廠、營業場所之中，如台灣中部有部分業者在政策補貼下，在興建廠房時於屋頂同步架設太陽能發電模組，以便降低商業場所的電力費用支出。

兩者之間可互補  提升太陽能發電效益

根據國際再生能源組織公布的最新研究報告指出，2015年太陽能光電系統裝置量達到230,606MW，遠高於於太陽能光熱發電系統裝置量的4,650MW，差距超過50倍以上。兩者差距如此大的原因，在於光熱發電技術需仰賴大規模聚光系統產生熱能，唯有在建置規模夠大的狀況下，才能產生足夠的經濟效益，因此不僅興建成本較高，也比較適合美國、歐洲等大陸地形的國家。

相較之下，太陽能光電系統安裝較為彈性，不僅能以小規模形式單獨安裝建築物的屋頂上，也能透過串聯或並聯發電方式，設置於大面積的空閒土地上，加上太陽能電池能源轉換效率不斷提升，自然成為現今太陽能發電的主流。

所以根據美國能源局公布資料顯示，美國光伏發電電站成本為2,400？3,000美元？KW、光熱發電站成本則為5,100？6,200美元？KW，兩者之間價差最多達到3倍。因此，扣除前述西班牙在2007年陸續啟用的兩座太陽能發電塔之外，全球自1990年代末期起至今，僅有零星示範機組出現，幾乎沒有大型商業太陽能光熱發電系統啟用。

不過，近來仍然有不少研究機構與業者，積極投入降低太陽能光熱發電系統建置成本的研發工作，如從提高聚熱系統的效率、改善散熱系統等面向著手，期望能夠與太陽能光電系統形成互補作用，搭配可用性日增的電力儲能系統，共同克服太陽能光源不穩定的因素，成為最穩定與效率、實用性最高的再生能源。