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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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正方形 Icon 創新之鑰Innovation

全透明導光太陽能發電窗BIPV生力軍

文/葉芷嫻

陽光電產業自1954年貝爾實驗室發展出矽晶太陽能電池迄今,已是世界綠能產業的核心。當各界長期關注提升電池轉換效率的同時,工研院機械所團隊選擇從「光學」出發,將導光板的微結構最佳化,研發出穿透率達90%以上的全透明10倍發電窗。這項創新研發,不僅為BIPV應用帶來突破性發展,未來還可延伸至植物工廠與汽車應用,前景看好。

走在2010臺北國際花卉博覽會夢想館前方的穿堂上,太陽能光電板構成的大片遮陽板,提醒著遊客環保與自然共生的重要性;來到2009年高雄世運主場館,光電板結合玻璃以及鋁框架而構成充滿設計感的屋頂設計,提供觀眾遮陰之外,也連結完整的太陽能發電系統進行供電,完全符合綠建築節能與減碳的二大綠色指標。

隨著綠建築浪潮席捲全球,以光電板結合建築材料的BIPV(建築整合太陽能電池),也在2000年之後,從建築物外牆、遮陽板、屋簷雨庇,甚至是窗戶,都可見到太陽能發電的足跡,也開始改變人們對於太陽能板只能設置於屋頂上的刻板印象。

儘管如此,目前無論是何種類型的太陽光電建材應用,都不免受到太陽方位、角度、太陽能發電效率、成本等因素影響,限制了建築設計與使用範圍。

以太陽能窗來說,由於現代建築物的窗戶普遍採直立式設計,受到太陽光位移差異與日照時間影響,直立窗戶每日接收日照的集光效益偏低。再加上,太陽能電池材質的選用仍面臨透光度與發電效率無法兼顧的困境:像是傳統玻璃帷幕採用薄膜太陽能電池技術,除了有穿透力低的室內照明問題,其發電效率也無法與矽晶太陽能電池相比;但以窗戶的視野來說,矽晶的不透光特性,僅能用在外牆露光型採光裝置或屋頂,而無法應用在窗戶上,此外更影響建築美學。

另外,從光能的觀點來看,在相同面積下,太陽能光電板的透光度越高,也意味著能被用來發電的光能比例越低、發電量也會降低;相反地,若其光電轉換效率高,則透光度便差。然而,太陽能窗應用在BIPV上的需求,又必須達到兼顧良好的轉換效率以及高透光度,方便搭配建築外觀設計的終極目標。在難以兩全其美的情況下,太陽能窗在市場上的發展腳步始終略顯緩慢。

不追日,挑戰高仰角入射

為了解決太陽能發電窗的發展窘境,工研院機械與系統研究所(機械所)開發的「全透明10倍發電窗」技術,採用微結構導光板集光的方式,以高角度入射的太陽光引導至導光板側面的矽晶太陽能電池進行太陽能發電,發電面積比起垂直立面放置、且無導光設計的矽晶太陽能電池大了10倍以上,平均發電量也提高10倍。這項技術融合了薄膜太陽能電池和矽晶太陽能電池的優點,除了可以達成高發電量、全透明的雙贏目標之外,因所需的太陽能電池量少,還能創造出低成本的效益。

BIPV窗戶技術比較 資料來源:工研院機械所
BIPV窗戶技術比較 資料來源:工研院機械所

談到發展這項創新研發的動機,負責帶領研發團隊的工研院機械所微奈米光學膜片技術部經理林暉雄表示,目前太陽光電技術的兩大瓶頸,一個是內部光電轉換效率如何提升,另一種是提升太陽光的光入射效率,這部分包括吸收材質或入射角度等的研究。然而目前無論國內外大廠,主力均著墨在光電轉換效能上,相較之下,光學研究的部分,除了悉知的Fresnel集光技術以外,則相對少有大的技術突破。

當林暉雄2007年進到工研院機械所團隊時,面對機械所擁有的各種成熟導光板技術與材料,便開始思索能如何進行應用。林暉雄認為,導光板的作用,既然是讓LED光透過導光板耦合、輸出均勻的面光源,那麼如果情況倒過來:「太陽光本身就是最好的均勻光源,只要經由特殊設計的導光板,將光集中後再轉入太陽能電池發電,應該有機會成為新型太陽能發電窗。」靈機一動的他,先以8公分大小的導光板進行研究,確認概念可行後,便著手進行更大面積的研發。

一頭栽入光學途徑研發太陽能發電窗的林暉雄,回想提計畫的那段過程忍不住笑說,「這個計畫約於四年多之前開始發想與規劃,但是當時聽到的人多半一臉狐疑狀半信半疑地看著我。」林暉雄為了證明這個概念是可行的,立即以辦公室內現有的平面背光源對著垂手可得的導光板進行照射,再以單手遮住導光板出光面,關閉所有室內燈源,此時可明顯發現大部分的光線因滿足逆向追跡原理,光線從原來LED光源安裝處射出來。

除了在初期積極尋找相關資料驗證此研發方向的正確性,提出構想、布局專利,在驗證過程中,也因為太陽光仰角不好找,所以必須不斷嘗試計算各種可能的角度,「一旦發現團隊成員遇到瓶頸,就要找來討論,了解問題所在,然後一關一關解決。」經過反覆進行驗證,最後終於找到導光板的最佳化結構(圖一)。

林暉雄強調,透過刻在導光板上的微結構,工研院全透明10倍發電玻璃窗,不需追日系統,一天的發電時間可以長達7小時以上,比傳統矽晶太陽能電池的2-3小時多了一倍。若以南北向房屋為例,太陽光的可聚光範圍設計在日出與日落的東西向約可達±50°的範圍內,發電量估計可達23瓦/㎡,相當於一顆省電燈泡的發電量,節省居家用電將大有助益。另外,也有可達90~100瓦/㎡的高發電量模組設計,應用於發電廠裝置(此時透光度約為50%~60%)

降低成本 BIPV走入家庭

至於降低發電成本的部分,工研院全透明10倍發電窗也十分具有優勢。由於太陽能電池本身售價不低,加上需符合耐候、長期使用等嚴苛的規範與條件,要結合建築大量使用,屬於經濟門檻高、回收期長的綠建材,不易提升一般家庭建築的安裝動機,致使世界上大多數的光電建築仍僅出現於公共空間或大型建築上。

相較傳統太陽能電池需要以一個電廠的形式,在屋頂或空地鋪設大量的矽晶太陽能板,「我們是用塑膠壓克力板去換矽晶板,成本自然可以大幅降低。」林暉雄解釋,由於工研院研發的發電窗是利用大面積的導光板,將太陽光收集至導光板的單邊太陽能電池,在矽晶太陽能板的用量上,比起傳統全面積鋪設來說,至少可以減少一半以上的使用量,能降低系統成本,對於台灣現有成熟的導光膜、板之壓印或射出光學產業來說,是十分適合開發的產品。

另一方面,全透明10倍發電窗對於直射入窗戶的光線,也有90%以上的穿透率,在進行太陽能發電時不會影響室內的陽光照明,也毋需在強烈太陽照射環境下運用窗簾將陽光遮蔽後,再於室內點燈而增加照明耗電量,更讓全透明10倍發電窗技術具有綠建材市場的競爭優勢。未來透過廠辦大樓與住商混合大樓玻璃帷幕的廣泛應用,這項技術可望藉著高發電量與低發電成本,讓BIPV有機會走入一般家庭,擴大整個太陽能產業的版圖。

改變現有結構

事實上,在地窄人稠的台灣,儘管位處日照充足的北迴歸線,十分適合利用太陽能發電,但由於可利用的土地面積十分有限,無論發展屋頂型家用發電或設立太陽能發電廠均屬不易,一直以來在太陽光電產業上,均是製造外銷大於內需的定位。也因此,結合更低成本的建築材料進行太陽能發電的BIPV產業被認為是推動太陽光電內需市場並引領綠能環保進入居家生活環境的重要關鍵。

林暉雄補充,由於全透明10倍發電窗技術的未來應用範圍廣,加上國內背光模組產業可以就現有設備環境切入太陽能產業,有機會讓台灣顯示器產業成為「game changer」,對此,成立聯盟將是此技術近期重要的推廣方向。

林暉雄強調,目前機械所團隊研發的技術也已經發展到膜片階段,最大尺寸為A2(420mm×580mm)大小,這個產品將使建材玻璃窗能以R2R/R2S(Roller to Roller/Roller to Sheet)膜片貼合方式,結合長條形矽晶太陽能電池安裝於窗框上,可輕易達成降低生產成本和簡易安裝的目的,對於台灣發展BIPV是絕佳利基。而且在建材整合應用外,也可將此技術應用在3C電子產品(例如手機)、汽車天窗或隔熱紙,甚至是植物工廠照明、催生等其他應用,都能加速市電平價(grid parity)時代來臨。



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