太陽能發電──

未來的新能源

【摘要】能源危機是現代社會的恐慌之一。傳統的火力發電有用罄之日，核能發電又有高度的潛在危險，太陽能似乎是未來能源唯一的希望。

近年來，太陽能的研究進展迅速，已有逐漸取代傳統能源的趨勢。政府為推廣這種潔淨無污染的能源，已於今年元月開始實施「太陽能熱水系統推廣獎勵辦法」。本文介紹太陽能更進一步的利用，說明太陽能發電的原理、系統型式及經濟效益比較，可預期太陽能將成為未來主要能源。

近日來，環境保護一直是個熱門的話題，傳統式發電廠所帶來海水及空氣的污染引起人們極大的關切。核四廠的反對浪潮尚未平靜，蘇俄的核能電廠又發生爐心熔解、大量輻射外洩，帶來一次更大的震驚。在這一片環境污染恐懼及反核聲中，太陽能的利用似乎是未來唯一的希望。

太陽能是地球上儲量最多、分布最廣的一種能源，其來源不絕。太陽能不會造成任何污染之優點，更是其他傳統的石化能源所不能及。但由於其能量密度低，取得不易，在發電方面的利用，起步非常晚，直到第一、二次石油危機相繼發生，才開始有大規模系統化的研究。近三年來，由於技術上的重大突破，使得太陽能發電具備了能和傳統發電競爭的潛力，各工業先進國家都陸續建立了示範性甚至商業性電廠。今年元月，政府發布「太陽能熱水系統推廣獎勵辦法」，逼出國內太陽能利用的第一步，我們對於這種即將進入你我家庭的新能源，實應有進一步的認識。

太陽能發電的原理

從小我們就知道用凸透鏡聚光，可使紙燃燒，同理我們使用更多更大的透鏡，聚集更強的光，可以和燃燒瓦斯、汽油一樣使水沸騰，產生蒸汽，進一步利用來推動蒸汽渦輪機而發電。太陽熱能發電就是此一連串光學、機械及電力轉換的利用。

如圖一所示，太陽輻射能經反射鏡集中至收集器，由收集器表面波狀材料的交互作用轉換成熱能；水流經其中，吸收熱能，變成蒸汽流出至渦輪機，由於壓力改變，將熱能轉換成機械能，帶動發電機而產生電，變成電能輸出。這一連串的轉換過程，並未牽涉任何新學問，但由於過程複雜，引起很多技術上的問題。

上述轉換過程可分成三個階段：光→光、光→熱及熱→電（見圖二）。

一、光→光：將低密度的太陽輻射能集中成為高密度光能，其轉換效率主要依反射鏡的光學性質及追日控制系統而定。雖然目前這部分的效率已達90％以上，但由於造價昂貴，約占全部電廠費用的1/2，如何降低其成本為目前太陽熱能發電研究的重點。

二、光→熱：將光能轉換成熱能，其效率依收集器的吸熱及熱損而定，一般可達70％。由於考慮吸熱及熱損的最佳化，目前普遍使用著內腔型（cavity-type）及外露型（external-type）兩種收集器（見圖三及四）。前者將集熱管置於收集器內部，反射光經由洞口射入，此種設計熱損較低。後者將集熱管露於收集器表面，可收集較大範圍的反射光。

三、熱→電：和傳統發電方式完全一樣，熱→電轉換基本熱力循環效率有其理論上的限制。我們都知道理想卡諾循環的效率，當冷源為常溫，而熱源溫度為50°、100°、350°或500℃時，其理想效率分別為10％、20％、50％或70％。實際熱力循環的效率都較卡諾循環低，然而這並不是唯有太陽能如此，任何熱電能轉換系統，都受到此熱力學定律上的限制。

在上述三種轉換過程中，熱源溫度越高，熱力循環的效率越高，但相對的集熱設備的費用增加，收集器的熱損也越大，因此需要求得在這些因素交互作用下的最佳狀況。目前由太陽幅射能至電能的整體轉換效率，約在10∼20％間，最高已可達26％。據美國能源部估計，至1990年時，太陽能轉換效率約在25∼28％之間。

發電廠的型式

前述討論中，我們考慮熱源溫度、轉換效率及設備費用間的交互關係，發展出多種型式的太陽能發電廠。依其主要集熱方式的不同，可分為線聚焦式、點聚焦式及中央集中塔式三大類。另外尚有非聚焦式的平板集熱器、太陽鹽水池（solar pond）等亦可應用來發電，但由於其工作溫度低，轉換效率極低（約1∼2％），現已少用來發電。

各型集熱器的工作溫度如圖五所示，以中央集中塔及點聚焦式為最高，其次為線聚式，至於平板式及太陽鹽水池，一般都在水的沸點以下。圖六為各型集熱器集中比及效率的比較，和工作溫度有著類似的趨勢，其中各點為目前世界上較著名廠的效率及集中比，U表示線聚焦槽型拋物面式，Δ表示點聚焦碟型拋物面式，⊥表示中央集中塔式。圖七∼十二為三種集熱器構造及使用此類集熱裝置之發電廠。

經濟效益比較

太陽能發電的研究，早期的設備費用極高，第一個大型的太陽能發電廠太陽一號（Solar One）完成於1982年，建廠成本為每瓩13,400美元，遠高於傳統發電成本。但由於技術改進及市場的增大，隨後完成的各廠，費用急遽下降。表一為近年各太陽能發電廠裝置費用及核能發電廠之比較。美國的核能電廠由於安全及環境影響要求較高，因此裝置費用遠高於我國。

在單位發電成本方面，太陽能發電由太陽一號的每度約6美元降至SEGS-Ⅲ預估的0.05∼0.08美元，已和傳統發電具有相當大的競爭力。據德國BSE公司預估（見圖十三），至1990年，太陽能發電將低於燃油電廠的發電成本。另美國能源部的長期研究發展目標，1990年後，太陽能發電廠的設備費用將降至每瓩1,300∼1,600美元，而單位發電成本，則為每度電0.05美元。可見太陽能發電將逐漸較傳統發電方式更便宜、更經濟。

未來之展望

由於太陽能發電的諸多優點，導致各國政府機構、研究單位及工商業界的相繼投入。近年來，由於油價的連續下跌，引起很多人懷疑太陽能利用的經濟性。但油價下跌是由於經濟不景氣，以及各國積極開發新能源並勵行節約能源，而使油產過剩的結果。今年平均單位發電成本（美元／度）四月，蘇俄發生核廠爆炸，關閉了二十部同型機組，油價立即止跌回升，即是一明顯的證明。傳統石化能源終將耗竭是必然的事實，而潔淨無污染更是太陽能超越經濟性之上的最大優點。太陽能雖然目前尚未能大量取代傳統能源，但終將成為未來能源的主角是可預期的。

台灣位於亞熱帶，日射充足，又缺乏天然石化能源，具備了發展太陽能最必要的條件。雖然目前國內的發電成本，燃油2.7元，燃煤1.7元，核能1元，都低於太陽能發電，但其所造成嚴重的環境污染，如廢氣、排水及輻射等，都是值得我們在經濟價值外重新評估的重要項目。另外，在澎湖離島、綠島及蘭嶼等地，柴油發電成本高達每度13.9元，就經濟角度而言，就已值得利用太陽能了。太陽能發電的時代已經來臨了。

參考資料

1. F. Pharabod, "The thermo-electric conversion of solar energy", Intersol'85 Montreal, Canada, June 1985.

2. "Solar Plantl, A new era for electric power production", Int. Power Generation, Dec／Jan, 1984／1985.

3. "Solar thermal evaluation report FY 1984", U.S. DOE, July, 1985.

楊建裕任職於經濟部能源委員會

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