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太陽能的原理、種類與優缺點

2021 年 1 月 22 日

 
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太陽能的原理

太陽表面的溫度大約 5,500°C,主要的成份為氫和氦,由於太陽是氣體組成,在高溫下會形成電漿的狀態,同時不停地進行核融合反應(熱核反應)而產生巨大的能量,並且將能量以光能的型式傳送到地球。

太陽能是目前所有的再生能源中最成熟也最乾淨的一種,要利用太陽能,可以收集太陽的熱能或光能,目前比較常見的包括:太陽能熱水器、太陽熱能發電、太陽電池等三種,前兩種主要是利用熱能來產生能量,第三種主要是利用光能來產生能量。

此外,我們可以將太陽能集電板整合在建築物本體上,不但可以提供太陽能電力,更可以有效降低成本,經由建築師的設計可以讓建築物保持外觀的美觀與完整,稱為「建築整合型太陽光電系統(BIPV:Building Integrated Photo Voltaic)」。

太陽能熱水器

利用太陽的熱能,以太陽能集熱器來吸收太陽熱能,經過金屬板的導熱過程傳導到管內的水中,如<圖一>所示,這種設備主要只能提供熱水,一般都是應用在工廠或家庭。

圖一、太陽能熱水器。資料來源:經濟部能源局

太陽熱能發電

利用太陽的熱能,以跟隨太陽轉動的凹面鏡或平面鏡,把陽光集中於聚焦線上的真空隔熱吸收管中,透過熱交換劑(例如:氨)把熱量傳送給水,水被加熱以後產生水蒸氣推動汽輪機帶動發電機,目前較常使用的型式有拋物線槽式發電系統,如<圖二(a)>所示;與集中塔式發電系統,如<圖二(b)>所示。

這種設備主要是提供發電,在沙漠地區雨量很少,太陽日照時間很長,所以特別適合使用這種發電設備,例如:在美國內華達州的 Nevada Solar One 太陽能發電廠,裝置容量 64 百萬瓦(MW),每年可以產生 134 百萬千瓦小時(MKWh)的電力,設備建造耗費 2 億 5 千萬美元。


圖二、大陽熱能發電。資料來源:經濟部能源局

太陽電池(Solar cell)

利用太陽的光能照射在 P 型與 N 型的半導體上產生電洞與電子,將光能直接轉換成電能,如<圖三>所示。又可以分為矽半導體與化合物半導體太陽電池,這種設備主要是由於半導體的物理現象造成,可以直接提供電能,體積可大可小,最具有發展潛力,目前整個太陽能產業在討論的主要也是這種技術。


圖三、太陽電池的原理

太陽能的優點

➤普遍性:太陽光照射面積散布地球大部分角落,各處均可使用。

➤永久性:太陽的能量至少有六百萬年的期限,可供人類長期使用,反正太陽消失的時候地球也不可能存在了,不必擔心使用期的問題。

➤低污染:太陽能發電在使用的時候不會產生環境污染。

太陽能的缺點

➤能量密度低:收集太陽能需要廣大的土地,所以能量密度低,而且需要設計集熱器或適當的反射結構。

➤能量來源不穩定:無法連續使用,夜間無法使用,而且容易受地點與氣候影響,無法提供穩定的電力。

➤設備成本較高:太陽電池與集熱器成本高,只有染料敏化太陽電池成本最低,但是這種材料不但能量轉換效率很低,染料也無法承受陽光長期照射。

➤發電效率偏低:太陽電池的發電效率偏低,單晶矽最高可達 15%,化合物半導體雖然可達 30% 以上,但是成本極高,市場不易接受。

➤生產時消耗很大的能量:太陽電池必須使用純度極高的半導體,在生產的時候必須消耗很大的能量,也會產生環境污染,換句話說,太陽電池在使用的時候雖然不會產生環境污染,但是在製造的過程中仍然會產生環境污染。

【請注意】上述內容經過適當簡化以適合大眾閱讀,與產業現狀可能會有差異,若您是這個領域的專家想要提供意見,請自行聯絡作者;若有產業與技術問題請參與社群討論。

知識力》授權轉載

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