【能源科技】太阳能过去、现在与未来(三):太阳能热水

 

【能源科技】太阳能过去、现在与未来(三):太阳能热水

太阳能电池产业以往最为人垢病的一点,是虽然号称为环保的可再生能源,然而耗用的能源却多于产生的能源,不仅单一太阳能电池如此,整个产业也是,2000年以来,全球太阳能电池产业所消耗的能源,比全部太阳能电池所发出来的电力还多。

不过,随着全球太阳能电池发电设施一一开始供电,以及受惠于製造技术的进步,与能源转换效率提升,在2012年,全球太阳能电池全年发电量终于超过全年全球太阳能电池产业所消耗的能源了,预计到2015年,全球太阳能电池累计发电量可终于超过太阳能产业的总能耗。

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言归正传,太阳能发电无论是经济上还是环保上,若要有正面贡献,还是要回到转换效率的提升之上,前篇提到许多以奈米科技提升转换效率的新技术尝试,然而还有一个提升转换效率的方向,说起来却不那幺的「高科技」,那就是太阳能热水。

听起来似乎是个了无新意的老旧科技,但是太阳能热水装置近年来越来越受到重视,尤其是与太阳能电池搭配,更是双赢。

【能源科技】太阳能过去、现在与未来(三):太阳能热水

太阳能热水─废热利用

太阳能电池除了反射出去的光以外,其他没有转换成电的光,都会变成废热,而一旦太阳能电池温度上升,光电效应的转换率还会再下降,若与太阳能热水装置搭配,废热用来製造热水,总体能源效率提升,还同时可冷却太阳能电池,提高太阳能电池本身的转换效率,可说一举两得。

在欧美温带国家,与在亚热带与热带的台湾不同,暖房需求佔建筑物使用能源的最大宗,以美国为例,据美国能源部(DOE)统计,45%的能耗来自于暖气,9%来自于冷气,6%来自于照明,是耗用能源的三大项目。

【能源科技】太阳能过去、现在与未来(三):太阳能热水

对欧美国家来说,太阳能热水装置虽然无法直接发电,但是能够用来暖房,间接节省了暖气用电,省电也是一种「发电」。

那台湾咧?别担心,不仅暖气,太阳能热水还能用来吹冷气!这听起来很矛盾,不过却是千真万确,太阳能热水装置产生的热水,可以驱动如Johnson Controls公司的YORK®热帮浦,或其他吸收式冷却装置,吸收热水的热能,用来冷却另一个系统中的冷水,再以冷水来冷却建筑物,达到冷气的作用。这样一来,无形中整体装置让建筑物省下更多的电力。

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吸收式冷却装置

吸收式冷却装置的原理与目前一般使用压缩机的冷气不同,是吸收热能来作为冷却的能量,最常见的,就是渔船上常见以氨为冷却剂的冷却装置,其发明早于压缩机冷气,是已经有一个半世纪之久的「老掉牙」科技。

太阳能电池与太阳能热水装置结合,一边发电一边省电,总和能源效率大为提升,估计甚至可到75%之高。

这种结合方式不仅增加了太阳能电池的竞争力,也增加太阳能热水装置的竞争力,在美国,由于目前天然气价格来到低点,太阳能热水装置与烧瓦斯暖房相比,可说毫无竞争力,但是若还能发电,那就可以一搏,美国有1亿户家庭使用各种暖房与烧热水装置,若是能取代其中的一半,不仅可大量减少二氧化碳排放,还能创造出相当庞大的市场商机。

2013年3月,美国太阳能热水与冷却协会(U.S. Solar Heating and Cooling Alliance;SHC Alliance)成立,大约有100个会员,致力于推动太阳能热水装置,协会指出,目前美国太阳能热水装置市场只有2.5亿到5亿美元规模,相对的,欧洲则是50亿美元规模,可说有相当大的成长空间。

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参考资料:

IBM研发高聚光太阳能电池暨热水系统

许多新创企业正在研究太阳能电池与太阳能热水装置的结合,不过不仅新创事业投如研究,连老牌企业也投身其中,IBM接受瑞士科技与创新委员会(Swiss Commission for Technology and Innovation)240万美元资助,研发高聚光太阳能电池暨热水系统(High Concentration PhotoVoltaic Thermal;HCPVT)。 【能源科技】太阳能过去、现在与未来(三):太阳能热水

photo credit: IBM

一般聚光式太阳能是用阳光的热来煮水产生蒸汽发电,但亦有聚光式太阳能电池发电(CPV),利用各种反射镜把光聚焦在小範围内的太阳能电池上,仍然是利用光电效应发电,好处是如此一来太阳能电池的面积较小,可节省成本。

IBM用一个碟形反射镜阵列聚光后,让阳光强度增加2000倍,照射在转换效率30%的三接面(triple-junction)太阳能电池上,但50%的光能仍然会成为废热,这些热能由一个密密麻麻的细小水管网路接收,带走废热,维持太阳能电池的光电转换效率,同时产生摄氏90度的热水。

热水的热能,将用来让鹹水淡化产生饮用水,每个系统每天可产失30~40公升的饮水,或是用来推动吸收式冷却装置以运转冷气,IBM使用硅胶作为吸收式冷却装置的吸收剂。

电能与热能均利用,两者相加,总和能源效率高达80%。IBM更认为未来此装置的发电成本可以低到每度电10美分,甚至有机会与成本相对最便宜的燃煤发电(每度电5~10美分)竞争。

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GMZ Energy投入工业废热发电

IBM利用热帮浦间接利用热能,但GMZ Energy则打算以热电效应直接发电。

GMZ Energy应用一种由麻省理工学院所开发的热电材质,当材质温度发生变化就会发电,GMZ Energy瞄準各种工业废热发电,不过当它设计第一个产品时,毫不意外的,选择了以太阳能热水发电。

在太阳能电池追求更高效率的关头,「老旧」的太阳能热水装置,成为最好的盟友,不管是直接暖房,或应用吸收式冷却装置作为冷气,抑或是以热电效应直接发电,太阳能热水都可能是推动总体效率提升最大的帮手。

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