【能源科技】太陽能過去、現在與未來(三):太陽能熱水

作者 | 發布日期 2013 年 06 月 17 日 17:30 | 分類 太陽能 , 精選 , 能源科技
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太陽能電池產業以往最為人垢病的一點,是雖然號稱為環保的可再生能源,然而耗用的能源卻多於產生的能源,不僅單一太陽能電池如此,整個產業也是,2000年以來,全球太陽能電池產業所消耗的能源,比全部太陽能電池所發出來的電力還多。




不過,隨著全球太陽能電池發電設施一一開始供電,以及受惠於製造技術的進步,與能源轉換效率提升,在2012年,全球太陽能電池全年發電量終於超過全年全球太陽能電池產業所消耗的能源了,預計到2015年,全球太陽能電池累計發電量可終於超過太陽能產業的總能耗。

參考資料:

言歸正傳,太陽能發電無論是經濟上還是環保上,若要有正面貢獻,還是要回到轉換效率的提升之上,前篇提到許多以奈米科技提升轉換效率的新技術嘗試,然而還有一個提升轉換效率的方向,說起來卻不那麼的「高科技」,那就是太陽能熱水。

聽起來似乎是個了無新意的老舊科技,但是太陽能熱水裝置近年來越來越受到重視,尤其是與太陽能電池搭配,更是雙贏。

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太陽能熱水─廢熱利用

太陽能電池除了反射出去的光以外,其他沒有轉換成電的光,都會變成廢熱,而一旦太陽能電池溫度上升,光電效應的轉換率還會再下降,若與太陽能熱水裝置搭配,廢熱用來製造熱水,總體能源效率提升,還同時可冷卻太陽能電池,提高太陽能電池本身的轉換效率,可說一舉兩得。

在歐美溫帶國家,與在亞熱帶與熱帶的台灣不同,暖房需求佔建築物使用能源的最大宗,以美國為例,據美國能源部(DOE)統計,45%的能耗來自於暖氣,9%來自於冷氣,6%來自於照明,是耗用能源的三大項目。

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對歐美國家來說,太陽能熱水裝置雖然無法直接發電,但是能夠用來暖房,間接節省了暖氣用電,省電也是一種「發電」。

那台灣咧?別擔心,不僅暖氣,太陽能熱水還能用來吹冷氣!這聽起來很矛盾,不過卻是千真萬確,太陽能熱水裝置產生的熱水,可以驅動如Johnson Controls公司的YORK®熱幫浦,或其他吸收式冷卻裝置,吸收熱水的熱能,用來冷卻另一個系統中的冷水,再以冷水來冷卻建築物,達到冷氣的作用。這樣一來,無形中整體裝置讓建築物省下更多的電力。

參考資料:

吸收式冷卻裝置

吸收式冷卻裝置的原理與目前一般使用壓縮機的冷氣不同,是吸收熱能來作為冷卻的能量,最常見的,就是漁船上常見以氨為冷卻劑的冷卻裝置,其發明早於壓縮機冷氣,是已經有一個半世紀之久的「老掉牙」科技。

太陽能電池與太陽能熱水裝置結合,一邊發電一邊省電,總和能源效率大為提升,估計甚至可到75%之高。

這種結合方式不僅增加了太陽能電池的競爭力,也增加太陽能熱水裝置的競爭力,在美國,由於目前天然氣價格來到低點,太陽能熱水裝置與燒瓦斯暖房相比,可說毫無競爭力,但是若還能發電,那就可以一搏,美國有1億戶家庭使用各種暖房與燒熱水裝置,若是能取代其中的一半,不僅可大量減少二氧化碳排放,還能創造出相當龐大的市場商機。

2013年3月,美國太陽能熱水與冷卻協會(U.S. Solar Heating and Cooling Alliance;SHC Alliance)成立,大約有100個會員,致力於推動太陽能熱水裝置,協會指出,目前美國太陽能熱水裝置市場只有2.5億到5億美元規模,相對的,歐洲則是50億美元規模,可說有相當大的成長空間。

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參考資料:

IBM研發高聚光太陽能電池暨熱水系統

許多新創企業正在研究太陽能電池與太陽能熱水裝置的結合,不過不僅新創事業投如研究,連老牌企業也投身其中,IBM接受瑞士科技與創新委員會(Swiss Commission for Technology and Innovation)240萬美元資助,研發高聚光太陽能電池暨熱水系統(High Concentration PhotoVoltaic Thermal;HCPVT)。 1306170102

photo credit: IBM

一般聚光式太陽能是用陽光的熱來煮水產生蒸汽發電,但亦有聚光式太陽能電池發電(CPV),利用各種反射鏡把光聚焦在小範圍內的太陽能電池上,仍然是利用光電效應發電,好處是如此一來太陽能電池的面積較小,可節省成本。

IBM用一個碟形反射鏡陣列聚光後,讓陽光強度增加2000倍,照射在轉換效率30%的三接面(triple-junction)太陽能電池上,但50%的光能仍然會成為廢熱,這些熱能由一個密密麻麻的細小水管網路接收,帶走廢熱,維持太陽能電池的光電轉換效率,同時產生攝氏90度的熱水。

熱水的熱能,將用來讓鹹水淡化產生飲用水,每個系統每天可產失30~40公升的飲水,或是用來推動吸收式冷卻裝置以運轉冷氣,IBM使用矽膠作為吸收式冷卻裝置的吸收劑。

電能與熱能均利用,兩者相加,總和能源效率高達80%。IBM更認為未來此裝置的發電成本可以低到每度電10美分,甚至有機會與成本相對最便宜的燃煤發電(每度電5~10美分)競爭。

參考資料:

GMZ Energy投入工業廢熱發電

IBM利用熱幫浦間接利用熱能,但GMZ Energy則打算以熱電效應直接發電。

GMZ Energy應用一種由麻省理工學院所開發的熱電材質,當材質溫度發生變化就會發電,GMZ Energy瞄準各種工業廢熱發電,不過當它設計第一個產品時,毫不意外的,選擇了以太陽能熱水發電。

在太陽能電池追求更高效率的關頭,「老舊」的太陽能熱水裝置,成為最好的盟友,不管是直接暖房,或應用吸收式冷卻裝置作為冷氣,抑或是以熱電效應直接發電,太陽能熱水都可能是推動總體效率提升最大的幫手。

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