太陽能供電 智慧型公路


太陽能供電 智慧型公路
‧那福忠 2009/09/04
美國一家新成立的公司 Solar Roadways,就是做這樣的事,發展 4 公尺見方的太陽能路面板 (Solar Road Panel),鋪到公路的路面,產生電力直接連到現有的輸電網,同時也供應 LED 路標所需的電力,以及冬天對路面加熱,防止結冰。
風力與太陽能 (Solar Energy),是目前替代化石能源的主要技術,風車發電要在常颳風的地方,像山頂、近海;太陽能發電,則要把吸光板裝在陽光照射的地方,而且要一大片成為發電廠,才有經濟效益。無論哪一種能源,產生的電力都要送到輸電網,再傳到用戶,又造成傳輸上的損失。於是有人想到利用公路的奇招,公路大部分時間是閒置的,日間又有陽光,用來吸取太陽能發電,可以就近傳給路邊的用戶。

美國一家新成立的公司 Solar Roadways,就是做這樣的事,發展 4 公尺見方的太陽能路面板 (Solar Road Panel),鋪到公路的路面,產生電力直接連到現有的輸電網,同時也供應 LED 路標所需的電力,以及冬天對路面加熱,防止結冰。這家公司說,每一片面板每天可以產生 7.6 千瓦小時(度)的電力,成本為 7000 美元,如果廣泛使用,一英里(1.6 公里)長的四線公路,可以供應 500 家用電,如果全美國 380 萬英里(610 萬公里)的公路完全鋪用,美國的能源就再也不是問題。能源部特別撥發 10 萬美元,讓這家公司繼續研發。(如上圖)

這一構想果能成真,不但是能源革命,產業的生態也為之改觀。美國地大,從電廠到用戶的家裡,要經過長距離的輸電網,單在輸電上的損失,估計高達四千億度,縮短輸電距離,就能大幅度減低輸電的損失。另外每片面板都有自己的微處理機,以及電能管理系統。面板結構分三層,最上層是超堅固、摩擦力強的透明板,車輛在上面行駛不會壓壞、也不會打滑。中間一層是吸光板,吸取陽光、轉換為電能。下層則是是管理系統,分配電力到輸電網,同時也是電視、電話、網路的管線。這樣分散了電能的生產,縮短了傳輸的距離、大幅度降低輸電的損失,傳統發電 60% 的能源轉為熱能的浪費,也不復存在,當然更沒有二氧化碳。

智慧型的公路更可以因應而生,最基本的是電力系統的即時監控,隨時監視電壓、電流、以及其他參數,自動適當調節,維持發電系統最佳運轉狀態。另一個機制是發覺重大問題,相隔四公尺的面板,以微處理機彼此相連,互通信息,有一片信息中斷,就知道發生問題,鄰面板的微處理機就把狀況傳到中央控制中心。像是有一片面板遭到雷擊,打了一個洞,四周的面板立刻把損壞面板的四周閃亮一圈標記,警告車輛,同時把損壞面板的發電機制關閉,以防電力外洩,影響行車安全。

另一件能做的事是隔絕災難。整條公路發電送電,自成電力網路,公路一旦車禍、天災、甚至遭受恐怖攻擊,路面可能受損或斷裂,極可能影響電力整體運轉。為了因應這種情況,電力系統立即自動切割成許多「孤島」,每一個孤島自我保護、繼續運作,除了受損的面板中斷運作之外,整體系統都盡可能維持運作,繞過受損的面板,把產生的電力輸出。所以路面局部受損,並不影響電能的生產。

Solar Roadways 公司做了一個計算,說明如何影響產業的生態。假設需要 50 億片面板,每片一個人要花 10 小時組合完成,以每人一週工作 40 小時估算,共需要 500 億小時的組合時間,以十年為期完成組合,每年需用 50 億小時。一年以 50 週計算,每週工作 40 小時,每人一年工作 2000 小時。2000 小時與 50 億小時相除,結果是 250 萬人,需連續工作十年。

這僅是組裝,還沒算過零件的來源。誰來製造 50 億片上層的透明板、吸光板?誰來製造管理控制的電路板?每一片面板有 6192 個 LED 二極發光體,以及成千上萬的零件,又有誰來製造?除了製造,還有安裝、維修、監控.......。整體展業將可為之改觀。

如果以當初估計的每片 7000 美元,50 億片需 35 兆(億億)美元,花不花得來,自有經濟學家評估。但無論能否落實,不失為創新的構想。

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新研發太陽能電池長得像光纖
太陽能電池一定得是平板狀的嗎?美國喬治亞理工學院(Georgia Tech)的研究人員開發了一種新技術,能將光纖變成細長狀太陽能電池。

透過將染料敏化太陽能電池(dye-sensitized solar cell)與光纖電纜的外殼結合,喬治亞理工學院的研究人員展示了一種纖細、軟性的太陽能電池,且其效率據說可達採用同樣材料的平板太陽能電池之六倍。

「我們將這種光纖的末端直接面對太陽;」喬治亞理工學院教授Zhong Lin Wang表示:「在該光纖的旁邊置放一個與外部負載(external load)連結的電極,就能收集所產生的電荷。」Wang是與該校研究人員Benjamin Weintraub與Yaguang Wei共同完成該研究。

用光纖電纜材料製成的太陽能電池
喬治亞理工學院教授Zhong Lin Wang展示光纖電纜材料製成的太陽能電池

染料敏化太陽能電池是在1990年代發明,是薄膜狀的太陽能發電方案;不同於矽晶太陽能電池應用昂貴的半導體材料來發電,染料敏化太陽能電池是在週圍環繞金屬薄膜的電解質中,在氧化鋅奈米線(nanowires)上使用廉價的染料分子(dye molecules)薄膜。當太陽光線照射在染料分子細胞上,它們會射出電子到金屬薄膜,並傳輸到外部電極。

傳統太陽能板的一個問題,是入射的光子很少有機會能在退化成熱之前,於薄板中激發電子;但相反的,光纖能讓光子有更多的機會與活性層(active layer)互動。Wang所製作的原型是使用20公分長的光纖,以確保能在長度範圍內吸收最大量的光子。

這種技術只會收集光纖尖端的太陽光,然後光線會沿著光纖向下;而未來將研發的新版本則可能會使用外部透明的金屬護套,好讓光線從裡面跟外面進來。研究人員也計劃製造成束的子系統,包含數百條平行的光纖電纜。

研究團隊也打算將這種新型太陽能電池的能量轉換效率,由現在的3.3%提升到8%,好推向商業化。Wang表示,他打算用成本更低的廉價

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