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工業技術研究院

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工業技術與資訊月刊

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自Turnkey切入核心技術 台灣太陽光電全球突圍

文/魏茂國 攝影/鄒福生

大有國小學校大門的太陽光電設備,讓孩子們體會到這項能源的力量,為落實能源教育紮根。
大有國小學校大門的太陽光電設備,讓孩子們體會到這項能源的力量,為落實能源教育紮根。

傳說西元前214年,阿基米德以大量的金屬鏡面聚光,
將太陽光反射集中在來攻的羅馬戰船上,令其燃燒焚毀。
不論這是個故事或史實,卻足以說明人類利用太陽能的歷史已久。
數千年後,人類更冀望能以太陽能發電,取代石化能源的使用,
減少對環境的衝擊,並將成為未來潔淨與再生能源的一大主力。

走 進嘉義縣中埔鄉的大有國小,在校門口就可看到一項太陽光電的設備:經由太陽能板的供電,就可驅動馬達抽水,使上下層水流循環,隨著陽光的強弱,水流量與速度也會不同。

大有國小-太陽光電在這間僅有60位學生的校園裡,二樓走廊上除了還有個相同的裝置外,並設置了太陽能網站教學系統,讓學生可以自行操作,查詢各國太陽光電設備的裝置與介紹,並得知校內太陽光電的發電量。另外在課堂上,還有簡易的小型太陽能燈與太陽能車等教具,供學生了解太陽能與電能的關係。

為推動永續校園的理念,在教育部與經濟部能源局的經費補貼,以及工研院、南華大學、虎尾科大等單位的協助下,大有國小於2007年底建置了太陽光電的相關設施;不只每個月可省下一筆電費,並透過自然、語文、生活等課程,將太陽光電的原理及知識傳遞給下一代,落實能源教育的紥根。

太陽光電全球皆關注

在節能減碳與能源的議題發酵下,如何減少資源的耗費,並尋找更乾淨、可再生的替代能源,已經成為目前許多國家的重要政策及發展方向;具有指標意義的太陽光電自是不可或缺的一部分,同時市場需求與產業規模也不斷地激增。

以全球太陽光電的裝設量,自2005至2007的三年中,平均就增加了40%; 2007年並已超過2.6GWp,2008年接近6GWp。如以台灣太陽光電的產值來看,也從2005年的新台幣60多億元,到2006年的212億元,2007年超過500億元,2008年更突破1,000億元;其中占有最大部分的是太陽能電池,已是全球第四大生產國,僅次於德國、日本與中國大陸。

除了用太陽光電驅動水流之外,大有國小規劃這項設施時,用的也是附近酒廠廢棄的酒甕,既省錢又環保。
除了用太陽光電驅動水流之外,大有國小規劃這項設施時,用的也是附近酒廠廢棄的酒甕,既省錢又環保。

對於能源需求、環境保護、資源耗竭這類議題較有危機感的國家,太陽光電是個重要的解決之道;像日本無論在生產或裝設太陽光電,都投入得相當早。工研院太陽光電科技中心主任藍崇文更指出,論及太陽光電的急速成長,就不能不提德國再生能源法(EEG)的實施;其主要在於將過去以社會補貼太陽光電的設置,改為購電補貼的方式,於固定期間內以高於一般電價由電力公司保證收購。

因此,太陽光電已不只是單純的自用設備,而是可以像投資生產商品般來獲利;「家裡就變成小型的發電站,社區也變成小型電廠,」藍崇文說。這項政策的轉變與誘因,不但提高民眾裝設太陽光電的意願,並引起西班牙、丹麥等國家的群起效尤,使得全球太陽光電開始盛行。

經濟部能源局長葉惠青強調,協助太陽光電廠商技術突圍很重要,不僅可增加競爭力,市場的機會也會比較多。
經濟部能源局長葉惠青強調,協助太陽光電廠商技術突圍很重要,不僅可增加競爭力,市場的機會也會比較多。

全球太陽光電的迅速發展,亦顯示了人類對替代能源的需求。甫上任的美國總統歐巴馬,即在其提出的阿波羅計畫(Apollo Project)中,規劃未來10年將投入5,000億美元發展替代能源,並提高能源使用效率;而太陽光電就是其中一項重點領域,也預期會帶動全球太陽光電產業推進。除了5,000億美元的投資外,阿波羅計畫亦希望2025年替代能源比重可達25%,同時提高能源使用效率,此計畫也可創造500萬個「綠領(green-collar)」工作機會。

經濟部能源局局長葉惠青表示,由於太陽光電產業與半導體產業的發展非常接近,台灣在既有的製程與人力基礎上,相對也較容易發展太陽光電,廠商的意願也較高。目前在太陽光電的供應鏈中,除最上游的矽原料(Silicon)外,在矽晶圓(Wafer)、太陽能電池(Cell)、模組(Module)以及系統組裝(System)等,台灣擁有近80家廠商,供應鏈相當完整;像是在矽薄膜太陽能電池方面,過去一兩年內就有十多家廠商投入,成長非常快速。

成本為最大考量

雖然近幾年太陽光電產業的規模急速上升,但在產業發展的背後,台灣所面臨的挑戰也不少,成本的議題就是一例,特別是原料的部分。藍崇文指出,太陽光電的成本昂貴,一直是產業界最大的問題;以台灣的發電成本,一般家庭用電每一度約為2.5至4元不等,但太陽光電卻要12元之多,也是造成推廣不易的原因。

葉惠青也提到,近年來國內許多生產多晶矽太陽能電池的廠商,轉為投入矽薄膜太陽能電池的市場,就與矽原料供不應求、價格上漲有關。從矽原料價格的變化來看,2001年時一公斤約僅10美元出頭,後來最高曾飆漲至500多美元,就可看出廠商沉重的經營壓力,也連帶影響了產品的市場價格。

為克服料源缺乏的問題,葉惠青指出,國內除了以合約方式,試圖取得穩定的來源,或是由半導體廠商生產的下腳料取得外,經濟部工業局與技術處等單位,皆希望能解決太陽光電廠商的困境,包括協助引進國際原料廠商來台設廠,或是透過工研院等研發單位,研發具自主性的製造技術,期以掌控原料的來源。

市場需求提供發展機會

今年以來矽原料的供給與價格回穩,亦有助產業的發展。藍崇文表示,當太陽光電的發電成本,相當或低於向電力公司購電的價格時,對於電力公司的仰賴就會降低,並提高購買太陽光電設備自行發電的意願;如果有更多人願意裝設太陽光電,就代表有更多的潔淨能源,進而帶動更多需求。

「規模是太陽光電價格下降的重要指標,」藍崇文分析,以往太陽光電的價格,約每十年下跌一半以上,靠的就是產量規模的提升;即便從2005至2006年起,全球太陽光電的裝置量上升,但實際上所產生的電量比例還很小。以德國為例,目前也只有1%的電力(5GWp)是來自太陽光電。

若以歐洲太陽光電產業協會(EPIA)評估,至2020年時,歐盟將有12%的電力是來自太陽光電的構想,顯示未來全球的成長空間還是很大,可為倍數的高成長。而各國在推廣太陽光電的策略與做法也很積極,例如日本從2009年1月起已恢復對太陽光電設置的補貼,並致力於2010年、2020年及2030年,將每kWp的發電成本分別降至23、14及7日圓;韓國也提出計畫至2012年,關於太陽光電系統之補助範圍,將擴大達到10萬戶住宅屋頂及7萬個建築物,累計裝置量達1.3GWp。

台灣的太陽光電設置目標,則是規劃於2012年達60MWp,2015年提高為320MWp,於2025年時更達1GWp。另一方面,全球尚有四分之一,也就是四至五億的人口無電可用,多是屬於落後貧窮的地區和國家,而太陽光電也正是解決用電的主要方式,同時可促進生產與改變。

開發核心自主技術

在市場前景可期的狀況下,開發核心、具有競爭力的技術,創造台灣在太陽光電產業的優勢,便是刻不容緩的議題。特別是在技術方面,過去為爭取快速導入並維持獲利的目的,國內廠商多是採用直接購入國外既有技術與設備的策略,也就是使用所謂的「Turnkey」;因此大多無法掌握技術關鍵,也形成產業突破的瓶頸。

工研院研發太陽光電的歷史並不短,早在1988年就成立光華開發科技公司,生產薄膜式太陽電池;後來相關的研究則多集中在矽晶與染料敏化太陽能電池(Dye Sensitized Solar Cell;DSC),其中矽晶研究的部分,也於2005年另行成立了旺能光電公司,是國內重要的太陽能電池生產廠商。為了整合太陽光電的研發力量,工研院於2006年1月成立太陽光電科技中心,也正是全球及國內太陽光電產業蓬勃發展的一年。

長期而言,使用Turnkey因為缺乏差異化,競爭力也會降低;然而,過去不論在工研院或學術單位,對於太陽光電的研究都比較少,不像澳洲、德國、美國、日本等研究單位,都有長時間的研發能量及深度,不只是目前台灣需迎頭趕上的,也是太電中心成立以來的重要任務。

工研院太電中心主任藍崇文指出,太陽光電是非常安靜、便利、乾淨的能源,裝設容易對環境衝擊也小發展太陽光電是理所當然的。
工研院太電中心主任藍崇文指出,太陽光電是非常安靜、便利、乾淨的能源,裝設容易對環境衝擊也小發展太陽光電是理所當然的。

「國內產業的優勢,在於製造與價格,因此未來也會有能力提供全球低價的太陽光電產品與能源,」藍崇文表示,台灣在太陽光電的技術研發,一定要能兼具高效率與低成本,同時還要整合學校及業界的力量,將新技術透過設備導入業界。當具有可提升太陽光電效率的技術,並與國內設備商結合自主開發,就能降低設備及導入成本。

換句話說,研發的目標就是要用更便宜的技術,將太陽能轉變成電力。其中的研發方向包括了製造與獲得材料的方法;或是用較便宜的材料,但透過較好的技術達到相同的發電效率;或是利用更佳的電池設計,以及較便宜的製程與設備等。為兼顧現今產業發展與未來演變的需求,在多晶矽、矽薄膜以及下世代三種太陽能電池(有機、染料敏化)的研究上,太電中心約是以3:5:2的比例進行。

葉惠青也強調協助廠商技術突圍的重要性,以多晶矽太陽能電池來說,目前國際間的產品轉換效率約為15%至16%,台灣所生產的產品雖然只略低了約1%;但想要增加1%的效率,營業成本卻相差了7%左右。因此若能在提高效率的同時使成本降低,增加競爭力,市場的機會也會比較多。

技術與推廣並行

生產技術的提升與進步,牽動著太陽光電的推廣成效;應用端要求的不僅是成本,而且要能夠藉由設備穩定發電,提供好的電力;而且當產業愈為成熟時,下游的利潤就愈高。可以預期的是,會有更多廠商在電池與模組之外,加強發展系統與整合規劃;與建材相結合,具有發電與隔熱等功能;或是投資設置太陽能電廠,都會是創新應用的範例。

因此,除了以技術開發結合設備來協助產業發展外,葉惠青指出,政府單位還需要在環境面建構、關鍵供應鏈投資、新市場開發轉進、內需市場建立、下世代太陽能電池布局等方面著手努力;像是法令與標準的訂定(如再生能源條例)、檢測與認證實驗室的建置、增加對市場的掌握度,前瞻技術的研發等。

而工研院太電中心的角色,即是協助政府整合發展,使業者生產發電效率更好、成本更低的太陽光電設備,並積極進行產業推廣。藍崇文表示,目前太電中心約有二成的人力負責產業推廣的工作,例如從案例分享,讓廠商獲取更多經驗;或是透過監測與研究國內系統和模組的發電情形,讓廠商了解問題與品質改善的方法;或是尋找在不同氣候環境條件下,最佳發電效率的模組搭配及設置等。

另外,太電中心也與量測中心合作建置太陽光電認證實驗室,未來國內模組產品的認證,就可以直接在工研院進行,以迎合國內太陽光電產能有97%為出口的型態,提高國際競爭力。

也由於工研院多年來對太陽光電的投入,加上與學校、業者的密切合作,已經獲得廠商的認同,並有了顯著的成果。比如在矽晶太陽能電池方面,已讓國內自製能力超過八成,另外還與設備廠商合作生產電漿輔助化學氣相沈積(PECVD)機台、網印機(Screen Printer)等設備;工研院也協助學校方面架設系統或監測設備,以及為廠商教育訓練等合作。

產業前景值得期待

但藍崇文也說,像太陽光電這樣的新興產業,要能夠真正整合國內所有產官學研的力量並不容易,卻也是勢在必行的任務。像以日本新能源產業技術綜合開發機構(NEDO)推動計畫時,經常是由上到下,結合學術界、研究單位、產業界等一起規劃進行。

台灣雖缺乏傳統能源,但因地理位置優越,太陽能充足,使台灣擁有再生能源的豐富資源。「太陽光電是個非常安靜、便利、乾淨的能源,裝設容易、對環境衝擊也小,因此發展太陽光電是理所當然的。」藍崇文相當看好未來的太陽光電產業,尤其當成本愈低、發電效率愈高,需求也會變得愈來愈大。

葉惠青認為,過去台灣發展能源時,產業面的思考較不足,未能同時提升國內產業,不過只要節能減碳的議題不減,太陽光電的遠景都會存在,也會在未來的再生能源貢獻中占有重要地位。而從全球太陽光電的需求面來看,更提供了台灣產業最佳的發展機會,並冀望能建構完整的產業鏈,跟上國際技術水準,以開拓市場。

太陽光電的校園故事

九二一地震後重建的大有國小新校園,在校門口設置太陽能發電驅動水流的設備,讓太陽光電也成為整理「故事校園」裡的一個角色。
九二一地震後重建的大有國小新校園,在校門口設置太陽能發電驅動水流的設備,讓太陽光電也成為整理「故事校園」裡的一個角色。

到了嘉義縣中埔鄉大有國小,只要運氣不是太糟,肯定會有強烈刺眼的豔陽迎接著。在這樣一塊陽光充足的校園裡,利用太陽光電進行能源教育,當然是最適當不過的了。經由教育部永續校園局部改造計畫,以及經濟部能源局太陽能光電板經費補助,加上工研院的協助,大有國小的太陽能故事就此展開。

說這是個「故事」,是因為大有國小曾遭受九二一地震侵襲,目前的新建校園就是以「故事校園」概念來建構的。以在校門口的太陽光電系統來說,不僅是一個用太陽能發電驅動水流的設備,在整體布置上還結合了「故事校園」的意象進行擺設,並附有解說牌,讓太陽光電也能成為故事中的一個角色。

本身也是嘉義子弟的大有國小校長劉志龍認為,過度的人為開發造成許多環境破壞,也讓人反省並思考減低對環境的衝擊,同時開發永續能源的解決方式。這樣的觀念要教育給下一代,最好的方法就是藉由實際的觀察與感受來加深印象;因此不像其他學校或單位,僅是裝設太陽能板,搭配數據的顯示而已。劉志龍希望讓小朋友實際體會到太陽能與電力之間的關係展現,了解人與環境共生的實際價值,「比用再多書本、講再多話都還來得有效,」劉志龍笑著說。

甚至平時在環保教育上,大有國小也經常花心思來讓小朋友們體會;像是利用廢棄輪胎剪開後染色,或是用五彩繽紛的磁磚,讓學生可以做成馬賽克拼圖畫作。經由這些創意之舉,大有國小的能源及環保故事,還會繼續地寫下去。(魏茂國)

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