Transcript 1. 太陽能工程-第一章

太陽能工程-太陽能電池篇
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第一章 總論
2015/4/13
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太陽能工程-太陽能電池篇
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第一章
總
論
1-1 太陽能源
1-1-1 太陽能的質與量
1-1-2 太陽能與地球生態循環
1-2 太陽光發電的意義
1-2-1 從經濟文明到生態文明之開展
1-2-2 能源需要與清淨能源之開
1-2-3 乾淨的太陽能發電系統
1-3 補充資料
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1-1 太陽能源
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1-1-1 太陽能的質與量
• 針對太陽表面所輻射之能量，換算成電力約為
3.8×1023kW左右。
• 能量經過1億5000萬km之太空，到達地球之大氣圈
時，其輻射源密度約1.4kW/m2，此即太陽常數
(solar constant)。
• 大氣圈所通過空氣量稱為空氣質量(Air Mass, AM)。
其單位以從天頂垂直入射之通過空氣量為基準，稱
AM-1。比如說大氣圈外為AM-0，而晴天時之日間
直射日光為AM-1.5。
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大氣圈外和地表上之輻射光譜
spectra, spectrum (one peak)
圖1-1 大氣圈外(AM-0)和地表上(AM-1)之太陽能量光譜
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地球表面實際強度光譜
空氣質量 m (AM m)
實際輻射路徑h和最
短路徑h0的比值，即
h0
Atmosphere
Earth
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AM 1
Ө
AM (secӨ)
h
AM 0
m=h/ho
AM 0：太陽於外太空之
光譜。
AM 1：太陽直射地球表
面之光譜。
AM 1.5：太陽斜射42°
地球表面之光譜。
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The actual intensity of the sunshine
spectra arriving the earth
h0
Atmosphere
Earth
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AM 1
Ө
AM (secӨ)
h
AM 0
Air mass m (AM m)
The ratio of the actual
radiation path ho and the
shortest path h, named:
m=h/ho (csc )
AM 0：The sun’ spectrum in
the outer space
AM 1： The directive (vertical)
irradiation to the earth surface
of the sun spectra
AM 1.5： The oblique
irradiation (43°) to earth
surface of the sun spectra
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地球表面所接受太陽輻射能量轉換
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圖1-2 地球表面所接受的太陽輻射能量轉換
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能量對地球環境之變換
• 投射到地球之太陽能以100%計算，約177×1012kW。
• 能量在地球表面上分配之可在圖1-2看出，所有能量約
30%(52×1012kW)以光的形式再反射至太空，其餘約
70%可到達地球表面，其中約47%變成直接熱，使氣溫
能夠保持，而剩下約23%則積蓄在海水或冰中，其中
一部份做為水蒸發成雲或雨之能量。
• 人類生活有直接關係之風、波浪與對流能等僅佔0.2%，
約0.37×1012kW而已。
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1-1-2 太陽能與地球生態循環
• 地球上包含人類活動之生態循環系統，可分
– 將二氧化碳、水及太陽能進行光合作用之植物系。
– 吸收光合作用所排出之氧氣，並吃食植物之動物系。
– 能分解動植物之排泄物與枯死體，並還原成為動植物
營養成分之微生物系等。
• 圖1-3顯示其三項之相依關係。
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太陽能是地球上生體活動循環驅動力
圖1-3 太陽能是地球上生體活動循環驅動力
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1-2 太陽光發電的意義
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1-2-1 從經濟文明到生態文明之開展
• 在這急速進步的經濟文明中，從生態的觀點而
言，對自然是一大浩劫。由太陽能源所積蓄的
石油及煤碳燃料，在瓦特發明蒸氣機不到三百
年的時間，即幾乎已燃燒殆盡，由於燃燒的化
學反應使大氣受到汙染，酸雨與二氧化碳的累
積引起溫室效應現象。
• 如圖1-4所示之各種公害。
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化石燃料所造成之污染公害
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圖1-4 化石燃料所造成之污染公害
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大氣中CO2含量變化
• 近代因化石燃料之大量消費所導致之大氣中CO2含量之
增加，由圖1-5上CO2之增加量來看，可預測地球之平均
溫度將逐年上升，將導致南北極冰山融化，海水上升，
而影響農作物之收成的氣候，造成生態循環系統改變，
這是物質文明進步後所造成之陰影。
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1-2-2 能源需要與清淨能源之開發
圖1-6為世界年
間石油需求率，
由圖可看到人
類文明不斷進
步、人口不斷
增加，因此世
界能源需求逐
年上升。
圖1-6 世界人口年間總能源需求率
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世界年間石油需求率
圖1-7 世界年間石油需求率
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日本太陽電池年產量之變遷及用途
• 圖1-8為1981年以來
日本全國之太陽電池
年生產量，以使用目
的及各別基板材料為
區別的年增率，由圖
可知太陽電池的年生
產量比半導體之年增
率還要高。
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太陽電池材料之新技術研究
• 圖1-9為過去20年間太陽電池的模組化成本之年
變化圖，從圖上可知道太陽電池材料之新技術，
如單晶及多結晶之第一次革新，以及第二次革
新之非晶矽(amorphous, a-Si)太陽電池的實用期，
即公元2000年初期，其規模將比半導體產業還
要大。
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太陽電池模組價格推移及材料革新趨勢
圖1-9 太陽電池模組價格推移及材料革新趨勢
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1-2-3 乾淨的太陽能發電系統
太陽能之利用技術與其它能源變換技術比較之特性：
– 沒有可動部分，為安靜的能源轉換
– 容易維修與無人化自動運作
– 無論規模大小皆以一定效率發電
– 構造模組化、富產量性與易於放大
– 即使用擴散光源亦可發電
– 光發電可利用原已被放棄之能源來發電
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1.沒有可動部分，為安靜的能源轉換
因為使用光電轉換之量子效應(quantum effect) ，
故不需要傳統發電原理上之可動部份，亦即不需
要像火力或核能發電，用到透平機等轉動機械。
因此無噪音、輻射線洩漏及爆炸等危險，也沒有
有害氣體之發生，是無公害之乾淨能源。
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2.容易維修與無人化自動運作
因為沒有回轉機械以及高溫高壓之部分，故不會
產生機械磨耗，亦不需使用潤滑油，也就是說，
像人造衛星及無人看守燈塔之電源一般，容易維
修，系統自動化。
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3.無論規模大小皆以一定效率發電
太陽電池的轉換效率，不管規模之大小，幾乎保
持一定。比如7MWp之大規模太陽能發電場，或
計算機用之20mW小型模組電池，只是串聯的電
池數量不同，效率還是一樣。這個優點是由於其
能源轉變過程為內部光電所生之量子效果，與核
能發電或光熱發電系統需要熱轉換不同。
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4.構造模組化、富產量性與易於放大
太陽電池系統為模組化構造，量產大時容易用
連續自動化製造，以降低成本。
5.即使用擴散光源亦可發電
如太陽能計算機可在螢光燈下運轉一樣，太陽
能發電在直射日光或雨天，即擴散光源，也會對
應於入射光之強度而發電，這是利用量子效果發
電之優點。
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6.光發電可利用原已被放棄之能源來發電
太陽光發電因轉換效率低，但是，與使用化石燃
料發電，要使用蒸汽渦輪機或氣渦輪機之轉換效
率之議論不同；亦火力發電之綜合效率為38%之
反面意義為有62%之重油被浪費了。而雖然目前
太陽電池之轉換效率只有15%，但它使用免費的
太陽光燃料。換言之，這些原先不被利用之能源
有15%用來發電，其意義非比尋常。
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1-3 補充資料
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電池之分類
一般電池
化學式(化學能→電能)
可提供電能，可做儲存
物理式(物理能→電能)
只能提供電能，不能儲存
一次電池(可拋棄式)
太陽能電池
二次電池(可充電式)
熱起電力電池
燃料電池
原力電池
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Solar Cell Category
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PV cost
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Solar Cells Market Shares
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PV Market
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PV in Taiwan
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PV Installation in 2007
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PV Production Forecast in Taiwan
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Equipment Forecast
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Summary
• PV market is booming, and the possibility to
keep a fast growth rate for few years is quite
high.
• PV cost issue could be solved by government
promotion and new technology development.
• Taiwan has good chance to be a leading PV
player, because of matured IC and LCD
technologies.
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