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福島之火4

核能?太陽能?
文‧圖/林清富

陽能發電廠。
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近年來油價飆升,全球都對替代能源相當重視,但臺灣卻甚少討論能源政策。最近因為日本地震引起核能電廠輻射外洩,且搭上2012年總統競選,終於讓候選人以及國人較為重視能源政策。

所有替代能源可以分為兩大類,由太陽來的和非由太陽來的能源。風力、潮汐、洋流、水力、生質能、太陽熱電機組和太陽能電池等都是由太陽而來,只是前5者是間接由太陽能而來,而後2者是直接由陽光產生電。非由太陽來的能源有兩大項,地熱和核能;地熱能供應的發電量極有限,因此過去大多以開發核能為主。在美國三哩島及蘇聯車諾比核災後到日本福島核災前,20多年間沒有核能事故,因此逐漸贏得大家對核能安全的信賴。但9級大地震兼海嘯對日本核電廠的損害,已經數週,至今仍未能做好善後,核污染還在擴散當中,叫世人不得不擔心核能安全。

核能不安全,替代能源又勢在必行,從太陽而來的能源應該是最為可靠。太陽每天供應給地球的能量,以功率計為17萬4千兆瓦,比全球人類每日的需求量16兆瓦高出一萬倍以上,因此不虞匱乏。而且太陽能沒有污染,以及臺灣地處熱帶到亞熱帶,陽光充足,我們沒有道理放棄上帝或上天賜給臺灣這麼好的禮物。有人認為使用間接從太陽來的能源,不如直接從太陽而來,不過最關鍵的應是成本和可靠度。

目前石油發電的成本約為每瓦5角美金,所以替代能源應該朝此低成本的方向邁進。風力是目前建製成本最低的,臺灣具有穩定風場的地方應該值得設立,而風力發電所應用的技術不難,以臺灣的製造技術應該不成問題,如果朝向生產給全球使用之風力發電機組努力,則不止使用的機組成本可降低,還能成為替代能源輸出產品,但挑戰是要和已發展風力發電多年的國家競爭。

太陽能發電廠。
全球平均日照強度可轉換為電力之分布圖,黑色區域表示可供應該地區之能源需求之太陽光照面積。與整個面積相比,黑色區域只是極小的比例,不到全部面積之千分之一。此圖顯示,大部分地區,其日照強度可轉換為電力超過150 W/m²。
http://en.wikipedia.org/wiki/File:Solar_land_area.png

另一方面,臺灣具穩定風場的地方不大,風力發電本身無法提供大量的替代能源。潮汐和洋流是臺灣可能選取的項目,因為臺灣四面環海。要考慮的是,海水的侵蝕性大,以及海草滋生在機組上,可能造成機組壽命縮短,因此若和風力發電相同的機組成本,因使用壽命縮短,其發出每度電的成本會增加,而若要防止海水侵蝕,機組研發和製作成本必然增加。

運用生質能是另一個不錯的選項,但要提供生長植物的面積,對地狹人稠的臺灣來說,可能大大壓縮了農業生產的可用面積。較理想的是,發展海洋植物,因為臺灣四面環海,陽光也充分,應該有機會成為生產海洋植物生質能源的大國,只是這類生物技術需有多方投入,離成熟量產還頗有距離。是否可以在能源危機嚴重前來得及量產,有不少風險。

直接從太陽而來的能源有兩類,一類是陽光加熱發電機組,另一類是太陽能電池。陽光加熱發電機組的技術和現在的火力發電類似,只是改為利用聚焦的陽光來加熱液體,利用來產生蒸汽以推動發電機組。這在臺灣南部陽光強烈,且晴天很多的地方應該不錯。其發電成本和風力發電類似,是目前由太陽來的替代能源方案中,成本較為低廉的項目。不過也有缺點,臺灣沒有像沙漠般全年都不陰雨的地方,一旦陰雨,就無法供應能源,但配合部分的火力發電可以解決此問題。

最直接的做法是將陽光轉為電,也就是太陽能電池,但發展此太陽能發電最主要的問題是成本。太陽能發電的成本每瓦2元美金以上,攤開太陽能發電的成本架構,不計入材料、設備、製作封裝等成本,單單土地和安裝成本約為每平方公尺50元美金,此成本不太受太陽能電池種類和技術影響。太陽光強度約為每平方公尺一千瓦,若太陽能發電的效率是10%,則單單土地和安裝成本就達每瓦5角美金,再加上太陽能面板的成本,總成本一定超過每瓦5角美金。所以太陽能發電的效率必須超過10%,才有可能低於石油發電的成本。若發電效率達20%,土地和安裝成本就降為每瓦0.25元美金。

在材料、設備、製作封裝等成本中,目前最關鍵的是材料成本,矽晶太陽能電池之面板的材料成本還是每平方公尺60元美金以上,因此其成本比土地和安裝成本還高。若是發電效率為20%,此成本將是每瓦0.3元美金,把土地和安裝成本加進來,將超過每瓦5角美金的石油發電成本。不過已有不少技術設法減少材料的使用,應該在幾年內就有可能將材料成本降到十分之一以下。以目前太陽能電池技術不斷進步,而材料、設備、製作封裝等成本也持續下降的趨勢來看,15年內達到比石油發電成本低的機會相當大,運用太陽能發電為主要能源之一應該就指日可待了。但還是有缺點,就是天候可能晴時多雲偶陣雨,因此太陽能電池極可能會有數種類型,以運用於不同氣候類型的地區。除此之外,夜間沒有陽光,因此發展儲能或儲電技術也是相當重要。

太陽能電池的另一個重要議題是量產速度。目前全球的能源需求約16兆瓦,以太陽能發電廠商業運轉的15%效率來估計,要供應20%的能源需求,需要面積約2萬平方公里的太陽能面板;若採用IC技術來製造,需2000年才能生產完成;若用液晶面板技術,也需200年才能完成;但是若改為溶液製程相容的印刷技術,則不到10年就可完成,由每天報紙的印製量可以理解其可能性,只是用此技術於太陽能電池生產尚未完全開發出來。

太陽能飛機。
http://en.wikipedia.org/wiki/File:Helios_in_flight.jpg
太陽能飛機。
http://en.wikipedia.org/wiki/File:SunseekerFlying.jpg

臺灣的能源消耗約占全球的1%,如果使用太陽能發電來供給臺灣能源需求的20%,所需面積約為200平方公里;如果能發展到在海面裝設,那麼所需面積就不會是大問題,但要有更佳的封裝保護,以免海水侵蝕的影響,不可避免地將增加此類成本,但是土地成本卻可以大為降低。也有另一種技術,把微小的半導體丟到水中,在光照之下,可以直接將水分解為氫和氧,不需製作太陽能面板。這種作法變成是從海上運送氫氣到火力發電廠,但和石化燃料火力發電廠不同,不會產生二氧化碳,並可兼賣氧氣,而且也能夠儲存到夜間使用,應該值得臺灣進行。

我們相信替代能源不會在一夕之間取代石化能源,而是逐漸取代。例如目前值得思考的是將火力發電和太陽能發電同時並行,在初期階段,建制太陽能發電廠做為輔助電力,夏天及中午時段,用電最多,但陽光也最強,配合電費隨著使用量增加而遞增的政策,有機會讓用電量較多的用戶來吸收目前太陽能發電的高成本。然後隨著太陽能發電科技的進步,在成本逐漸降低之下,讓太陽能發電和火力發電都是能源主力;再後來,當太陽能發電成本比石油發電低時,改用火力發電做為輔助電力,而太陽能發電做為能源主力。

對於太陽能發電,臺灣擁有極佳條件,一來與太陽能面板最相關的半導體、液晶面板、以及印刷技術,臺灣在世界上都是數一數二;二來高科技量產能力,全球公認臺灣最強;三來臺灣的陽光充足。科技大國德國就對臺灣高科技業又敬又畏,因為臺灣進入液晶面板的時間才大約10年的光景,就占有全世界30%的產量。無污染、不受存量限制的太陽能,應該是我們的未來;陽光、空氣、和水,本就是生命的三大要素,沒有必要讓生命與大自然過不去!

而日本福島的核安事故也值得科技界自我省思。不少科技人士過去為了爭取計畫,常是老王賣瓜,自賣自誇,較少全盤性思考,於是核能的高危險性被刻意忽視。日本福島核污染事件提醒我們,需要更多人文省思,少一些本位主義,多一些全方位的思考,使科技扮演其該扮演的角色,不過度誇大其效用,讓科技真正有益於人類的文明。

林清富小檔案

現任臺灣大學電資學院光電所所長。1983年獲臺灣大學電機學士,之後赴美就讀研究所,獲美國康乃爾大學研究所電機碩士和電機博士。歷任臺大電機系和光電所合聘副教授,台大電資學院光電所、電子所、電機系合聘教授。曾任國際電機電子工程師學會中華民國分會理事,中華民國光學工程學會理事,中華民國光電學會理事,以及IEEE LEOS Taipei Chapter主席;研究領域涵括太陽能電池、半導體發光元件、光通訊、奈米電子和奈米光電等,發表期刊論文140餘篇,會議論文300多篇,一本介紹光纖通訊元件之英文專書,以及2本中文小說。其傑出表現獲多方肯定,得過國科會傑出研究獎、甲種獎、中國電機工程學會傑出電機工程教授獎、科林論文獎、宏碁基金會龍騰論文獎等等。目前為國際電機電子工程學會會士(IEEE Fellow),國際光學工程學會會士(SPIE Fellow),以及亞太材料科學院院士(Member, Asia-Pacific Academy of Materials)。

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