2016年8月10日 星期三

台夫特科大的能源課 打造太陽能集裝箱

編按:本文為台達環境獎學金得主怡秀的學習心得報告,她在台夫特科技大學研讀再生能源科技學程,嘗試不同的設計提案,最後為一個參加能源慶典的集裝箱(Container,也就是貨櫃),做出一個太陽能屋頂,來展示能源自主性。
文/劉怡秀 (台夫特科技大學碩士,台達荷蘭環境獎學金得主)

    台夫特科技大學 (TU Delft) 再生能源科技的碩士學程提供了一系列廣泛的再生能源科技做為基礎核心課程,學生可以透過這些不同科技的課程了解自己的興趣並發展出自己的專業。 可以選擇的能源科技專業包括:生質能、電力和氫能儲存、風能、太陽能、燃料電池、智能能源產品設計、海洋能等等。每個能源專業都有幾門核心課程,必須修習完成後才能開始做畢業設計。

1.太陽能專業課程   從系統配置、到實驗設計  

    我選擇了太陽能作為我的核心專業,其中的原因之一是台夫特科技大學有著首屈一指的太陽能教育。修習的核心課程包括:

    1. 太陽能科技
    2. 太陽能系統
    3. 太陽能實驗
    4. 輻射熱傳學

    先有一堂入門的太陽能基礎課之後,便進行太陽能科技課程,講授內容包含半導體物理,太陽能電池的增加光吸收技術,結晶矽太陽能電池及薄膜太陽能電池技術、創新的太陽能電池技術的概念。

    在太陽能系統的課程中,三個人一組設計一套太陽能系統並在最後上台發表,口試成績必須合格才能參加筆試。出於減少碳足跡和節省電費的需求,我的組別為一個位於荷蘭小村莊的家庭設計了一個電網連結的太陽能系統。小家庭每年用電6200 kWh (度)。太陽能板安裝於他們自行車棚的屋頂上,自行車棚的座標北緯52.4N,東經 6.1 E. 屋頂寬 7.4 m 長 5.2 m。屋頂角度傾斜 35、方位是 166

    太陽能系統的設計根據圖1.1的結構;第一步是地點調查,包括自行車棚的角度,方位,可用屋頂面積大小,附近環境,太陽輻射量,最佳安裝角度和方位。太陽輻射量和最佳安裝角度是經由我們設計的計算器獲得,還有商業軟件 Meteonorm 及一個線上計算軟體。接著根據家庭的用基本用電量負荷,我們做出太陽能模板及變頻器的選擇,設計系統配置及對系統做出分析。最後,根據我們的設計,我們最後呈現了太陽能系統的成本分析並總結了整個設計。整個太陽能系統的計算都是用 MATLAB 編程來執行所有的計算。圖1.2是一整年每小時即時交流電源的模擬結果。

圖1.1 太陽能系統的年發電量的模擬流程

圖1.2 太陽性系統的即時交流電源的仿真結果

    太陽能科技和太陽能系統的授課內容都被詳盡包括在一本今年新推出書籍中 《Solar Energy: the physics and engineering of photovoltaic conversion technologies and systems 》。這本書是由台夫特科技大學太陽能材料和裝置 (PVMD) 組別的教授共同合著,在 Amazon上獲得4.9星的評分。免費的 kindle 版本可以直接從 Amazon 下載。

    在太陽能實驗課程,學生必須完成六種不同主旨的的實驗項目。對於每個主題,學生需在一週內提交一份完整的報告。報告包含實驗介紹,實驗方法,結果和討論,及總結。每份報告在批改後都可以和報告的評分員約時間來得知他們對於報告內容的意見及反饋。不及格的報告必須要重做一整個實驗並重新撰寫一份報告。下面是每個不同實驗項目的簡短描述:

─ 實驗 0:太陽能電池特性研究及模擬
    這個實驗項目的目標是了解測量電流和電壓線 (JV curve) 和外部量子效率(External quantum efficiency) 的理論、發展及校準測量的方法。

─  實驗一:光
     實驗宗旨在於了解太陽光和人造光的物理性質,人造光的基礎科學原理及應用,以及太陽光譜在地表的差異。

─ 實驗二:太陽能板
    實驗宗旨在於了解溫度和遮蔽對不同科技的太陽能板的影響,並了解不同太陽能技術的優缺點。

─ 實驗三:太陽能系統的電子設備
    實驗宗旨在於了解充電控制器,電網連結變頻器,獨立變頻器,及最大功率點追蹤器的操作特性及裝置。

─ 實驗四:可充電池
    實驗宗旨在於了解最常見的可充電電池技術,及電池的主要參數他們在太陽能電池技術,及 電池的主要參數他們在太陽能電池技術,及的主要參數他們在太陽能系統的應用。

─ 實驗五:太陽能系統
    實驗宗旨在於了解因為不同電子元件在太陽能系統所造成的功率損失;光照,下雨及遮光對太陽能系統輸出的影響;及最佳太陽能板擺放。

    太陽能實驗室是一門設計嚴謹並且有著高度實驗品質的課程,其要求參與的學生發揮獨立自組的實驗能力,對每一份實驗報告提出的問題,能夠進行科學性的深度思考,並通過分析數據,來達到實作經驗和科技機制及理論的知識整合。

    其後,我在 PVMD組裡完成的我的碩士論文。PVMD提供了各種測量單層太陽能薄膜材料特性的機台,也有多樣量測及製作太陽能電池裝置的設施。我的碩士論文專注於提升非晶矽和銅銦鎵砷串聯型太陽能電池的光電流,藉由一個中間反射層來增加太陽能電池內的反射光和散射光。

    透過這幾門太陽能的專業課程及畢業論文的訓練,我獲得了對半導體材料、太陽能科技理論、太陽能電池組件、電子設備的操作特性機制和不同光源特性的知識及了解、薄膜太陽能電池的製備和其特性測量和太陽能電池相關的光學技術。在我在PVMD組裡的期間,我看到了學術和企業間緊密的合作。圖1.3列出了和PVMD組也合作關係的企業和機構。在荷蘭,許多公司或研究機構都提供學生論文或學術計畫、實習計畫的合作機會。藉由合作的過程,相關領域的企業也能提早培養需要的人才。

圖1.3  台夫特科大 PVMD 群組中,有合作關係的企業和機構。


2. 永續創新實作課程 

    在第二年,我加入了 D- Exto 項目,並在一個 5人的團隊中工作。 D- Exto 提供可持續性產品設計和能源相關的計畫。D- Exto中有來自不同院系的學生,共同在一個計劃上工作,每個計劃有500歐元的基本預算。有些計劃是關於建造能源鞦韆、蹺蹺板、LED燈看版、折疊椅等工作。我的團隊致力於建立一個能夠達成能源自主的展示館。展示館會在荷蘭和國外的相關能源慶典中展出。

2.1 設計概念

    我們的創作理念是要達成持續的電能供給透過不同能源系統的連接及整合。

圖 2.1 達成能源自主的集裝箱的設計概念

    為了達成展示館(集裝箱)的能源自主性,我們打算採用兩種不同的能源系統;太陽能和風能。太陽能和風能是最廣為人們熟知具代表性的再生能源科技。透過了一連串的努力和溝通,DERBISOLAR 提供我們可彎曲 DERBISOLAR® amorphous-Si PVL-136 太陽能板。此外,Home Energy 提供我們Energy Ball V100 風能發電機。連接太陽能板的電子設施系統部分,則是由 METABOLIC 提供他們的太陽能變壓系統。最後,我們把太陽能板架設在集裝箱的頂端,打造太陽能屋頂。太陽能屋頂的設計和輔助性裝置架構,在稍後的圖 2.4 以AutoCAD 設計圖來呈現。然而風力發電機,因為技術和資金的缺乏,並沒有在我們工作期間完成建構。

2.2 最終設計

圖2.2 太陽能組架設在 D- Exto 集裝箱頂部。

    圖 2.2是太陽能板框架安裝在D- Exto集裝箱頂部的視覺呈現。

    為了配合集裝箱的結構大小,我們設計的獨立太陽能系統是由六塊 DERBISOLAR amorphous silicon PVL - 136 solar panels構成。此系統提供了 0.8 kWh 的最大能源輸出。 Sustainability 的意涵並不只代表再生能源的使用,同時也連結到結構的持久性(durability),致力於建構一個持久耐用的設計。這代表著我們的設計並不只是為了這一年的計畫,也希望這個設計能夠為之後的集裝箱提供一個持久的能源方案。因此,我們建造是基於標準測量的聯運集裝箱,所以在設計完成後,產品可以被調整並以模塊方式擴展。如圖 2.3所呈現上述的核心設計理念:一個獨立太陽能控制台的設計,能夠被直接放在任何標準的聯合運輸集裝箱頂部。

圖 2.3 在一個標準的聯合運輸集裝箱頂部的太陽能控制台

圖 2.4 D-Exto 集裝箱太陽能屋頂框架的軸測圖。

    圖 2.3和軸測圖 (圖 2.4) 則展示較簡單並堅實的框架設計。框架有4個標準集裝箱角塊(corner block);角塊彼此可以輕易的連結,並透過標準的工具和下層結構緊密的連接。這些角塊透過鋼樑互相連接,提供了結構的強度和韌性,同時創造一個空心框架。這個框架的頂部安裝有六塊DERBISOLAR非晶矽太陽能電池板 ,該框架的中空內部架構,恰好提供了空間,裝設所需的電子設備元件。

    為了要能夠提供連續的電源供應,我們需要一個電池組來克服太陽能的間歇性。除了電池組,我們還需要充電控制器、太陽能電纜線和直流交流變頻器來建構一個完整的太陽能系統。

    圖 2.5呈現了整個太陽能系統的設計:太陽能電池板與最大功率點跟踪器(MPPT)的連結,確保了太陽能板能在最大功率點上運行來維持系統高效率的輸出。電池組和變頻器連接到控制搭載MPPT的太陽能充電器上,藉由電池組與太陽能充電控制器的連接,電池組可以被正確操作:防止電池組被過充電或電池過度耗盡的情況。

圖 2.5 太陽能屋頂的電子裝置圖

    藉由變頻器,直流電轉換為交流電。電源可以輕鬆地適用於各種電子設備。考慮峰值功率,最大的電壓和電流,6塊DERBISOLAR的以三個面板串聯和兩條三個版串聯的電線並聯的方式連接,這樣設計能夠滿足其連接的變頻器之電子設備的規範以及實現MPPT效率。因此 MPPT必須能夠耐受高達〜140 V和10 A。Metabolic的太陽能變電系統採用Victron Energy 150/35的MPPT裝置。它可以容忍的輸入150伏電壓,30 A電流和5千瓦功率。然而,通過仔細檢查,電池組對於我們的太陽能系統是過大的。從系統模擬,太陽能電池板的平均輸出功率是250W。因此,如果電池組被耗盡50%,這將需要約2週(2.5千瓦時/ 0.25KW / 8H = 12.5天)來達到完全充電。另一方面,電池組的優點在於多個輸入和輸出源的靈活性。Metabolic 的太陽能變頻系統提供了多樣的輸出,3相或1相輸出選項並提供了可調整的輸出功率。

    最後,我們為標準化的集裝箱設計了一個獨立的太陽能控制平台作為達到能源自主的解決方案。圖2.6到2.8是實體的照片。

圖 2.6 放在集裝箱上的太陽能屋頂
圖:2.7-1 METABOLIC 的太陽能變壓系統
圖:2.7-2 METABOLIC 的能源監控面版,可看出實際能量產出量。
圖 2.8-1 在活動場地中組裝集裝箱的布置與太陽能設備
圖 2.8-2  吊車在活動場地中運搬集裝箱

    透過參與D-Exto計畫,我領悟了團體內溝通的重要性。大型計畫是通過多方的合作才能完成最終的產品。D-exto的集裝箱運載著不同計畫的設計產品,參加了荷蘭和鄰近國家的能源慶典。我參加了在荷蘭北部小島(Ameland)的能源活動,活動中我看到不同的組織展現了他們的永續能源或產品的概念。透過不同的活動組織,我看到了荷蘭境內關於永續能源發展議題的關心和能量。

3. 住宅太陽能系統及在荷蘭的可再生能源補貼 

    在荷蘭,很常見到住戶安裝自己的太陽能系統。近年來,太陽能板的銷量在荷蘭有大幅的增長:銷售量於2015年上半年相比去年同期增長了70%到100%,2015年的總銷售額創下200萬片,以荷蘭人口的規模來,這是一個龐大的銷售量。這種強勁的增長並非來自面板價格的下降,而是由於政府法規和補貼。在荷蘭可再生能源的補貼是基於政府的規章《Stimulering Duurzame Energieproductie, SDE》。

    根據SDE,可再生能源系統輸出低於15 kWp (峰瓩)並不屬於SDE的規章補助,這也是大多數住宅太陽能系統的情況。但住宅太陽能系統,它利用淨計量電價(Net Metering),這項電力政策使擁有可再生能源發電設施的消費者可以根據電網輸送的電量,從自己的電費帳單上扣除一部分,也就是只計算「淨消費」。 淨計量電價適用於一般用戶的小型發電設施,包括風能、太陽能、家用燃料電池、電動車等等。除了SDE和淨計量電價,政府也提出對企業以及居民用電的稅收減免,來促進再生能源技術的投資。除此之外,政府還補助太陽能設備的購買價格的15%,€650上限。

圖 3.1 荷蘭住宅安裝小規模的太陽能板系統

4. 總結 

    雖然我們擁有成熟的技術和合適的環境來發展太陽能發電,台灣仍然非常仰賴火力和核能發電。我們需要新的能源科技來解決台灣的能源短缺及能源效率低落的問題,關鍵在於如何讓政府、電力供應商(台灣電力公司)和公眾一同來實現綠色技術的利用。

    我們需要政府領頭來發起並突破現在能源轉型的瓶頸,以促進新能源技術的運用,並且需要學術機構或教育中心來傳播知識。任何一項新科技的運用需要不同的利益相關者來共同實踐。國家能源安全的建立攸關一個國家未來的發展繁榮。此外,在荷蘭,我看到他們的高等教育機構是如何不斷的調整他們的課程內容、方法及架構來提升教學品質及吸引國際學生及培養社會和企業需要的人才。以此為鏡,台灣的教育機構需要不斷的更新教學的內容、架構和方法來培養能夠符合未來社會、經濟和環境發展需求的人才。

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