2009/07/05
經濟部能源局
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▓撰文：翁鳳英
太陽能發電在現今傳統油源吃緊、綠色能源科技發展迫切且迅速的時代中，已成為大家所注目的重要新能源之一。對於日照時間較長的地區，若能妥善利用太陽能做為能源需求來源，則不失為環保節能的好方法。
理論上來說，若人類能充分運用撒哈拉沙漠面積上的1％太陽能，則足夠全球的電力需求。雖然這個理想難以達成，但也可想見若不設法多加利用太陽能，將是一件十分可惜的事。處於亞熱帶地區的台灣，全年日照充足，且台灣目前是全球重要的太陽能產業興盛的國家，擁有良好的太陽能發展條件，本文希望提供數種太陽能技術供做參採。
太陽能發電原理
其實太陽能發電基於一個相當簡單的原理，就是將太陽光集中在鏡面上，經由聚焦高溫產生熱能，並繼由熱能產出蒸汽，驅動渦輪機發電。
目前太陽能發電技術以「槽式拋物線鏡面太陽能收集發電系統」成本最為實惠，在某些國家中，實際上自1980年代即有此類發電廠的設置，美國南加州的馬哈維沙漠（Majave）新太陽能發電廠就有354MW的裝置容量，每年產出極大電量。
另一項太陽能發電技術為「太陽能收集塔系統」，可以將太陽能和燃氣渦輪機，尤其是高效能燃氣和蒸汽電廠，以相當實惠的投資成本加以結合。這類的技術在市場上的競爭力高且風險低，也代表太陽能在取代傳統油源成為新能源上的特殊意義。
太陽能發電的優點很多，像是容易集中熱能且較容易達成，由太陽能所產生的蒸汽也可以和傳統蒸汽機所產生的蒸汽相結合；太陽能發電機組的儲存裝置不受天候影響，可以24小時內不間斷產能。
在歐洲國家中太陽能發電也相當具有未來性，例如陽光充足的西班牙就有數座太陽能電廠運作或在興建中，電價的制定也朝未來在16歐分╱kWh的目標進行中。
雖然日照時間不長，但德國聯邦政府也已在2002年訂定未來投資計畫（Zukunftsinvestitionsprogrammms, ZIP），其中籌畫出1千萬歐元希望進一步發展太陽能技術，且可以實際運用具有市場性的技術。
槽式拋物線鏡面太陽能收集發電系統
槽式拋物線鏡面太陽能收集發電系統目前是建構成本最為低廉的太陽能發電設備，如同傳統電廠由燃燒化石能源產生蒸汽驅動渦輪機發電，此系統則是以集中太陽光能量，以熱能產出蒸汽驅動渦輪機發電。
該發電系統的作法是，無限長度的槽式拋物線鏡面太陽能聚焦到收集軸，用來接收太陽能，在這收集軸中間的聚焦線上設有一條長管，做為吸收太陽能之用，管中注有特殊合成油料或鹽水。收集軸聚集80倍以上的太陽能，可將長管內的油料或鹽水加熱至攝氏400度，這樣的能量將用來驅動蒸汽機以產生電力。
這類發電系統的反射鏡製造需要十分精密，且能阻擋風力不受到位置的變遷，材料上以含有少量金屬的玻璃為上選，太陽光能在此類玻璃上較完整反射且表面應能防止刮傷。若要使整個設備更加理想運作，可以在長管之外另再加上玻璃管，達到真正的真空隔離，而能完整利用所吸收到的太陽能。
全世界目前唯一已進入商業運作的槽式拋物線鏡面太陽能收集發電系統位於美國馬哈維沙漠，也已有15年的歷史。該座發電廠建造時間在1985至1991年之間，整個電廠建造和營運經驗，至今仍為該類電廠的典範，尤其是在沙漠氣候中，設備必須承受較嚴苛的氣候條件考驗，而截至去（2008）年為止，該電廠設備的使用效率仍達到98％。
相較於美國，歐洲這類技術的沿用發展較慢，直至1990年代才有槽式拋物線鏡面太陽能收集發電系統的運用。這項名為EuroTrough的槽式拋物線鏡面太陽能收集發電系統的發電計畫，是由德國太空中心（Deutschen Zentrum fuer Luft-und-Raumfahrt, DLR）結合民間企業力量如Abengoa、Flabeg Solar、Schlaich和Bergermann等，經過Plataforma Solar de Almeria的研究中心測試而成。
2003年開始，EuroTrough即在美國加州建造長達800公尺長的槽式拋物線鏡面太陽能收集發電系統，結合當地太陽能電廠SEGSV進行發電，其中有關拋物線鏡面太陽能收集接收器的研究發展、高溫水泥熱能儲存設備發展的可能性，以及研究未來建造AndaSol太陽能電廠，該計畫提供可貴的參考。
太陽能收集塔系統技術
在一個固定範圍中，設置數個反射境，每個反射鏡皆可依太陽的照射自動轉換角度，集中將太陽光射至一個高塔上，該高塔上設有一個適合的光能接收器，由反射鏡所集中的太陽能達百倍以上，而所集中的熱能可加熱至攝氏1,100度。
自1980年代開始，有10座以上的示範性太陽能收集塔系統電廠進行測試發電中，困難在於受加熱的物質不論是選擇蒸汽、鹽或空氣都有其缺點。蒸汽的缺點在於，熱能容易在儲存和輸送時耗損；但是選擇鹽為媒介時，雖然價格合理，且其輸熱效率高，但是卻要防止鹽在這過程中溶解，喪失其功能；與其他兩者比較起來，空氣雖然輸熱效益較差，但是技術執行起來較容易，無毒且並不受到地區的限制。為了改善空氣的輸熱效益，可加增擴大其範圍，以驅動燃氣渦輪機組來說，空氣的輸熱效益可達攝氏1,100度，也可以和混合式發電廠連接使用。
碟式拋物線鏡面太陽能收集發電系統
對於偏遠地區，電力不容易到達的地區，碟式拋物線鏡面太陽能收集發電系統（Dish-Stirling）不失為替代柴油發電機組的好選擇。一般標準Dish-Stirling電力為5～50kW，也可依需要結合數個Dish-Stirling建置為一個太陽能發電公園。
Dish-Stirling指的是一個可旋轉式的太陽能聚光鏡，鏡面中央有光能接收器，並與Stirling引擎相接，光能接收器集中光能以高溫熱能驅動Stirling引擎，而帶動發電機發電。
自從1980年代開始，德國和美國就已著手發展Dish-Stirling系統，德國公司如Schlaich、Bergermann和其他公司以及西班牙在歐盟的協助下，共同執行一個名為EuroDisch的計畫。該計畫的目標即在於降低建置成本，其中它的光能集中器的直徑為8.5公尺，製造材質為纖維強化玻璃，薄且硬度強。
2000年的12月至2001年6月，在西班牙的阿美利亞（Almeria）分別有2座EuroDisch的雛形設立，希望透過這2座系統的實驗，研究降低設置元件材料成本的方法；所獲得的施工、營運和維修等經驗，將做為未來於印度和義大利兩國計劃設立相關系統的重要參考依據。
西班牙太陽能電廠實例
2002年8月，西班牙政府通過全力發展太陽能的決議案，相關的規定包括發電能力在50kW以上太陽能電廠就可獲得每度0.12歐元的補助，條件在於該電廠必須完全以太陽能發電。
從那時起即有4座太陽能電廠開始著手準備，包含2座太陽能收集塔系統電廠及2座拋物線鏡面太陽能收集發電廠。其中1座太陽能收集塔系統電廠位於塞維亞（Servilla）西方15公里處，在90平方公尺的地方架設了1,000個反射鏡，所獲得的能量將驅動蒸汽發電機，產生11MW的電力；而為加強儲存熱能，更增設了1個305平方公尺範圍的熱能儲存機組，該電廠已於2004年中旬正式運作迄今。
西班牙最大的太陽能收集塔系統發電廠名為AndaSol一號電廠和AndaSol二號電廠，位於格拉那達（Granada）的西南方。發電量分別為50MW的這2座電廠，占地共510,120平方公尺，其中也加設連接1座液態鹽儲存槽，增強其顛峰時持續的發電能力。這2座電廠於2004年開始著手動工，2006年底已有160GWh的太陽能電力注入西班牙輸配電路中。
結語
綜合來說，美國馬哈維沙漠的太陽能發電廠是目前全世界唯一1座具價格市場競爭性的太陽能發電廠，西班牙因為陽光充足，因此也是目前太陽能發電蓬勃發展的國家。其他目前在全球環境基金（Global Environment Facility, GEF）所協助下的太陽能發電計畫，還有印度的馬他安尼亞（Mathania）、摩洛哥的Ain Beni Mathar、埃及的庫拉馬特（Kuraymat）以及墨西哥的Hermosilio等地。
目前太陽能發電要比傳統火力發電每度平均要貴上10～15歐分，若能利用提升技術層次、增加發電時數以及建置熱能儲存機組，或與其他如水力或傳統火力發電廠結合發電，則可望降低成本。（作者為本刊駐德國特約記者，同時也是台灣公共電視派駐德國杜塞道夫新聞特派員╱有興趣的讀友可逕行上網查詢：www.solarpaces.org和www.bine.info）