不過,隨著全球太陽能電池發(fā)電設施一一開始供電,以及受惠于制造技術的進步,與能源轉換效率提升,在2012年,全球太陽能電池全年發(fā)電量終于超過全年全球太陽能電池產業(yè)所消耗的能源了,預計到2015年,全球太陽能電池累計發(fā)電量可終于超過太陽能產業(yè)的總能耗。
言歸正傳,太陽能發(fā)電無論是經濟上還是環(huán)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,說起來卻不那么的?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。
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,廢熱用來制造熱水,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臺灣不同,暖房需求占建筑物使用能源的最大宗,以美國為例,據美國能源部(DOE)統計,45%的能耗來自于暖氣,9%來自于冷氣,6%來自于照明,是耗用能源的三大項目。
對歐美國家來說,太陽能熱水裝置雖然無法直接發(fā)電,但是能夠用來暖房,間接節(jié)省了暖氣用電,省電也是一種?發(fā)電?。
那臺灣咧?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,再以冷水來冷卻建筑物,達到冷氣的作用。這樣一來,無形中整體裝置讓建筑物省下更多的電力。
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(fā)明早于壓縮機冷氣,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(fā)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,由于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(fā)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(chuàng)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,致力于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(guī)模,相對的,歐洲則是50億美元規(guī)模,可說有相當大的成長空間。
IBM研發(fā)高聚光太陽能電池暨熱水系統
許多新創(chuàng)企業(yè)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(chuàng)事業(yè)投如研究,連老牌企業(yè)也投身其中,IBM接受瑞士科技與創(chuàng)新委員會(Swiss Commission for Technology and Innovation)240萬美元資助,研發(fā)高聚光太陽能電池暨熱水系統(High Concentration PhotoVoltaic Thermal;HCPVT)。
一般聚光式太陽能是用陽光的熱來煮水產生蒸汽發(fā)電,但亦有聚光式太陽能電池發(fā)電(CPV),利用各種反射鏡把光聚焦在小范圍內的太陽能電池上,仍然是利用光電效應發(fā)電,好處是如此一來太陽能電池的面積較小,可節(jié)省成本。
IBM用一個碟形反射鏡陣列聚光后,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絡接收,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,將用來讓咸水淡化產生飲用水,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(fā)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(fā)電(每度電5~10美分)競爭。
GMZ Energy投入工業(yè)廢熱發(fā)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(fā)電。
GMZ Energy應用一種由麻省理工學院所開發(fā)的熱電材質,當材質溫度發(fā)生變化就會發(fā)電,GMZ Energy瞄準各種工業(yè)廢熱發(fā)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(fā)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(fā)電,太陽能熱水都可能是推動總體效率提升最大的幫手。