集光型太陽能發電之發展與未來
吳烱賢
國立高雄師範大學工業科技教育學系研究生
hiteacherwu@gmail.com
壹、前言
二十世紀，全球接近地面的大氣層溫度上升了攝氏0.74度，這是50年來透過科學觀察所得到的結果，令人驚訝的是，這樣的氣候變遷速度竟然是過去100年的兩倍!這代表地球暖化問題的嚴重性，而造成地球暖化的主因，正是人為活動所造成的。人類燃燒化石燃料，工業與都市產生的汙染物，農業的活動，都會產生二氧化碳與其他溫室氣體，使得地球的溫度持續上升(Wikipedia, 2012)。
因此，如何開發新式乾淨能源，取代化石燃料，以減緩地球暖化所帶來的衝擊，是當今各國政府亟需正視的議題。太陽能發電是一種相對乾淨的能源科技，其基本技術形式有主動式與被動式，前者是使用光伏效應或機械設備收集太陽能，後者是在建築物引進陽光作為照明，重視建築的設計。陽光是現有最大的碳中和(carbon-neutral)能源，其一小時的能源可以供應全球整年的消耗(Barlev, Vidu, & Stroeve, 2011)，雖然現有使用太陽能只佔一小部分，但是目前在收集與儲存太陽能源方面有大量的研究，尤其是集光型太陽能發電(Concentrated solar power)在降低低球暖化扮演著關鍵的腳色，本文以集光型太陽能發電為主題，探討其發展現況、科技原理與未來的發展。
貳、集光型太陽能發電的發展現況
集光型太陽能發電已廣泛商業化，於2007到2010年底間，其發電容量有740百萬瓦，其中478百萬瓦是在2010年加入的，而全球的集光型太陽能發電總量已達1095百萬瓦，西班牙居於領導地位，總發電量為632百萬瓦，美國居次為509百萬瓦。2011年西班牙開始建置另一座集光型太陽能發電廠，容量為946百萬瓦，並期望在2013年達到1789百萬瓦的發電容量(Wikipedia, 2012)。
可用陽光取決於天氣與大氣狀況，通常在經度15~40N或15~40S有較佳的陽光能源，因此建置CSP電廠的最佳位置落於北非、南非、中東、印度西北部、美國西南部、墨西哥、祕魯、智利、中國西部與澳洲，次佳地區包括歐洲南部、土耳其、中亞國家、巴西與阿根廷。依衛星從空中蒐集得到的資料配合地面蒐集的資料可以更精確的量測。美國西南部的太陽能潛力足以供應全美還有餘，北非與中東的太陽資源則可以供應其本身含歐洲一百倍的消耗需求，但是對於目前的消費大國中國而言，其太陽能資源顯然不足，因此電力消耗與CSP資源不匹配的情況在這裡顯示出來(IEA, 2010)。
非洲蘊含廣大豐富的天然資然，能在物質與石油匱乏的年代扮演關鍵的腳色，特別在能源領域，非洲在未來的發展有相當大的機會，因為其擁有大量的光照與生質能源，此外，北非國家像是阿爾及利亞與埃及，也擁有大量的天然氣資源。歐洲國家目前計劃在非洲建置許多大型CSP電廠，就是因為其地理優勢(Cinti & Hemmes, 2011)。
智利北部的Chilean Atacama 沙漠也擁有豐富的日照能源，因此智利政府也積極訂定有效率與永續的能源政策，包括修改電力法規，規定現有電廠必須在2024年達到10%再生能源的目標(Larraín & Escobar, 2012)。
許多國家，像是美國、德國與西班牙正積極發展集光型太陽能發電，各國營運中、建置中與計畫中的CSP發電容量，可以清楚看出美國與西班牙開發CSP的決心，而其收集陽光的科技有ISCC、太陽塔、拋物槽、碟型槽與菲斯涅爾 (Fresnel)等幾種，目前使用最廣泛為拋物槽集光科技(Vallentin & Viebahn, 2010)。
西班牙在格拉納達(Granada)建置一座稱為安達索爾一號(Andasol 1)的CSP發電廠，其運作時可產生五千萬瓦的能量，整年的輸出電能達到1800億瓦小時，足以供應歐洲五萬戶住家用電(Chris, 2012)。
参、集光型太陽能發電科技
現有CSP電廠集光的科技有四種，分為拋物槽(Parabolic Troughs)、線性菲斯涅爾反射器(Linear Fresnel reflectors)、拋物碟(Parabolic dishes)與太陽塔(Solar towers)(IEA, 2010)，其結構與運作原理分述如下：
（一）拋物槽
拋物槽系統包含許多排成一列一列用以聚焦陽光的反射鏡，單獨的反射鏡約5到6米，整個反射鏡陣列可達一百公尺。不繡鋼製成的接收管用以吸收陽光的熱能，管外塗有特殊塗料，可以有效聚集陽光熱能，管內有玻璃真空層，可以防止熱能散失，管內含有合成油，可以將熱能集中傳導到熱交換器，在此水被蒸發，接著驅動渦輪以發電，水冷卻後又回到熱交換器繼續使用。拋物槽集光普便被商業化使用，技術成熟，但是無法將電儲存，需配合備份電力，以穩定電力輸出，例如：西班牙的CSP電廠每年有百分之12到15的電力來自燃燒天然氣，目前新一代的CSP電廠，都配有可熔鹽儲能系統，用以儲存電力。
（二）線性菲斯涅爾反射器
線性菲斯涅爾反射器類似拋物槽集光器，只是使用長方形平面或輕微彎曲的鏡子，鏡子經過特殊設計，可以有效聚集陽光，而其接收器架於塔上用以接收陽光的熱能。優點是設計簡單，建置成本較低，接收器可以直接產生蒸氣，所以不用使用熱交換器，也不需要接收管與合成油的成本；缺點是效率較拋物槽差，也無法與儲能系統整合。
（三）拋物碟
拋物碟使用碟型反射鏡，將陽光聚集於一點，大部分的接收器有一個獨立的引擎，像是史特林引擎或微型渦輪，因此熱能可直接驅動引擎或渦輪產生電力，所以就不需要熱交換器與冷卻系統。優點是具備最高的轉換效率，尺寸精巧，不需冷卻水；缺點是不相容於儲能與燃料備份系統，除非將碟型物加到很大。一個拋物碟的發電容量約為十多仟瓦，必須將數百個碟型集光發電聚集起來，才能達到理想的發電規模。
（四）太陽塔
數百個安置於地面的小型鏡子，會隨著陽光調整水平與垂直角度，將陽光反射集中到中央高塔的一點，熱能在此聚集，溫度可以高達400~700℃，可以加熱可熔鹽，使其融化並且通過熱交換器以產生電力。
以上述四種科技為本，相繼有許多改良式的科技被開發出來，像是以色列開發一種新的集電發電科技-集中式微型塔CMT(concatenated micro-tower)，使用多組定日鏡迷你場(mini-fields of heliostats)，每一組迷你場，定日鏡會導引與聚焦陽光到絕緣接收管上的某一點，其點的位置經過設計，以加熱絕緣管內熱導液體，這些液體被聚集導向電力區塊驅動發電，其優點是具備雙軸追日系統與動態配置接收器，因此可以依照光學效率引導光照到相鄰的迷你場，以經度 36N定位，相較於傳統南北向之拋物槽科技，其全年光學效率可增加12~19%，成本也較低(Danielli, Yatir, & Mor, 2011)，每一個方塊代表一個定日鏡，6x6個定日鏡形成一個迷你場。
光線分配到每個定日鏡的能量不太一樣，因此集光器的光學效率就會不一樣，此系統能動態的偵測光學效率較高的定日鏡，將12x12個最有效率相鄰的定日鏡導向某個接收器，因此接收器能得到較多的熱能，進而提升發電效率。
二、太陽追蹤系統
太陽追蹤系統依其結構可分為單軸與雙軸：單軸系統只有一個轉軸，可以水平或是垂直轉動，水平轉動者以南北向裝置，可轉向東西向；垂直轉動者，轉軸垂直於地面，可上下轉動。雙軸系統同時具備水平與垂直轉軸，水平軸做東西向轉動，垂直軸做南北轉動，水平軸為主轉軸，指向太陽軌跡平面法線，轉動時的速度為360°/24小時，也就一分鐘轉動0.25°，或是四分鐘轉動一度；垂直軸為次轉動軸，變動極小，一年變動一個輪迴。
若依其追蹤方式可分為被動式與主動式：被動式採用間接方式得到太陽的位置，主動式則採用感測器偵測太陽的位置。被動式可以使用低沸點液體的溫差帶動機械裝置來轉動或是藉由太陽軌跡公式計算來得到太陽位置，此類追蹤系統較不會受天候的影響，耗電較低，較沒有誤動作；而主動式使用光感測器、影像感測器或位置感測器來偵測太陽位置，再藉由單晶片控制與驅動馬達轉動機械結構，以追蹤太陽。其穩定性亦受天候的影響，例如：多雲時，感測器的訊號不佳，容易造成誤動作，其耗電也較被動式多，成本也較為昂貴(黃民宗，2011)。
三、儲能系統
CSP電廠建置、營運與除役過程中，其輸入的部份不只有陽光，還包含了電力、石油燃料、人力與物資，而輸出部分也非單純只有電力，而是包括了廢棄物與其他物資，因此有效的分析其淨能源(net energy)，才能提高電廠的投資報酬率，達到量大、價低與最小的環境衝擊的優勢 (Larraín & Escobar, 2012)。
CSP電廠運作過程中，所儲存的熱能也能間接作為其他用途，像是直接碳燃料電池DCFC(direct carbon fuel cell)，是利用媒粉與氧的電氣化學反應來產生電力，其產生電力為傳統燃煤的二倍，發電效率可達80%，燃料利用率則達100%，不像傳統燃煤燃燒方式會產生多種溫室氣體，其化學作用之生成物只有單純的二氧化碳，不含氮與其他廢棄物，這些二氧化碳可用探封存技術加以收集與處置，除了媒粉可做為直接碳燃料電池的燃料，其他像是焦炭、焦油、氣態碳與生物探都能做為燃料使用。直接碳燃料電池的反應需要高溫，若以熔融電解為燃料，需要400~750°C，SOFC的方式則需要700~1000°C的溫度，而CSP電廠正好可以提供這樣的熱源，因此CSP電廠可以產生電力，而其熱能又能供應DCFC產生電力，因此可以有效的提高能源利用的效率(Cinti & Hemmes, 2011)。
地中海地區陽光充足，沿岸的年平均日照為1300 kWh/m2，其南部與沙漠地區為3200 kWh/m2，具備相當良好建置CSP電廠的天然條件，但其水資源逐漸缺乏，亟需穩定的乾淨用水，因此西班牙研究將CSP電廠的可熔鹽儲熱系統的熱能拿來蒸餾海水，使用低溫多效蒸餾LT-MED(low temperature multi-effect distillation)科技，其熱源來自CSP電廠，溫度37°C，0.063個大氣壓力的蒸汽，這種海水淡化科技可與傳統逆滲透式的海水淡化科技相較勁，例如：逆滲透RO(reverse osmosis)一次通過冷卻的效率為29.1，而LT-MED的效能為26.9，兩者相去不遠，CSP電廠也因此，能有更高的附加價值(Palenzuela, Zaragoza, Alarcón-Padilla, & Blanco, in press)。
肆、未來展望
CSP電廠是一種有效降低二氧化碳排放的有效科技，依IEA2008的報告指出，在2050年前，全球CSP電廠將年產2200兆瓦電力，屆時CSP電廠將可以提供全球百分之五的電力。各國CSP電廠的計畫與建置正如火如荼的進行著，而其它的發電科技，如：生質能發電、風力發電、太陽能電池發電，未來這些科技能截長補短，交織形成一緊密相連的電網，以提供穩定的電力，我們期待電力春天的到來，為人類的未來開創新的一頁。
參考文獻
黃民宗（2011）。太陽追蹤系統研究與設計。碩士，國立聯合大學，苗栗縣。
Chris, G.（2012）。不要核能，那我們用什麼？（蘇雅薇、楊幼蘭譯）。台北市：大是文化有限公司。(原著出版於2011)
Barlev, D., Vidu, R., & Stroeve, P. (2011). Innovation in concentrated solar power. Solar Energy Materials and Solar Cells, 95(10), 2703-2725. doi: 10.1016/j.solmat.2011.05.020
Cinti, G., & Hemmes, K. (2011). Integration of direct carbon fuel cells with concentrated solar power. International Journal of Hydrogen Energy, 36(16), 10198-10208. doi: 10.1016/j.ijhydene.2010.11.019
Danielli, A., Yatir, Y., & Mor, O. (2011). Improving the optical efficiency of a concentrated solar power field using a concatenated micro-tower configuration. Solar Energy, 85(5), 931-937. doi: 10.1016/j.solener.2011.02.009
IEA. (2010). Concentrating Solar Power Technology Roadmap. Retrieved July 20, 2012, from http://www.iea.org/papers/2010/csp_roadmap.pdf.
Larraín, T., & Escobar, R. (2012). Net energy analysis for concentrated solar power plants in northern Chile. Renewable Energy, 41, 123-133. doi: 10.1016/j.renene.2011.10.015
Palenzuela, P., Zaragoza, G., Alarcón-Padilla, D. C., & Blanco, J. (in press). Evaluation of cooling technologies of concentrated solar power plants and their combination with desalination in the mediterranean area. Applied Thermal Engineering. doi: 10.1016/j.applthermaleng.2011.11.005
Vallentin, D., & Viebahn, P. (2010). Economic opportunities resulting from a global deployment of concentrated solar power (CSP) technologies—The example of German technology providers. Energy Policy, 38(8), 4467-4478. doi: 10.1016/j.enpol.2010.03.080
Wikipedia (2012). Concentrated solar power Retrieved July 24, 2012, from http://en.wikipedia.org/wiki/Concentrated_solar_power