為什麼太陽能發電效率不能達到百分之百?|Quora 你問眾答
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除了夜晚或陰雨天,太陽能取之不盡用之不竭,可說是「天上掉下來的禮物」,但實際上,太陽光中的紫外光、紅外光、較微弱或非直射的散光人類目前的太陽能系統都無法使用,發電效率可能比你想像中的還低,目前全世界最強大的光伏板發電效率連 50% 都不到,成本卻高到只有 NASA 等級的機構才買得起。究竟,阻礙我們百分之百運用太陽能的原因是?
太陽能發電效率阻礙 No.1:熱力學第二定律(卡諾定理)
在討論太陽能系統發電效率前,我們需要先理解熱力發動機與卡諾定理。
熱力發動機是一種把熱能轉化成機械能的機械,可簡單分為高溫熱源、工作系統和低溫熱源三個要素。運作過程中,熱量從高溫熱源流入工作系統,一部分轉成機械能,一部分流向低溫熱源。
根據 1824 年法國工程師尼古拉.卡諾(Nicolas Léonard Sadi Carnot)推導的「卡諾定理」,即使是一個設計最最理想的熱機,它把熱能轉化成機械能的效率必定低於100%,除非高溫熱源溫度無限大,或低溫熱源比絕對零度還低。
因此同樣受限於卡諾定理的太陽能系統,發電效能也不可能達到百分之百。哈佛大學的物理博士生 Steve Byrnes 算出,如果太陽溫度是高溫熱源,而地球環境的溫度為低溫熱源,那在強光的日子裡,沒有追蹤器的非集中式 PV(光伏板)最高效率可達 55%,而帶有透鏡或鏡面等陽光追蹤器的集中式太陽能 PV 最高效率可達 85%。不過市面上一般人買得起的 PV,不論是集中式或非集中式,發電效率都在 35%上下。
Steve Byrnes 分析,非集中式 PV 正朝著 55% 的目標邁進,而集中式 PV 受限於以下實際問題,發電效率最多也只能發展到 55% 左右:一、沒有能完美集中的透鏡或鏡面。二、太陽能電池越熱,效率就越差。三、PV 只能用直射光,但陽光中無法被使用的散光就佔 15% 以上。
使用史特林熱能發動機(Stirling Engine)的太陽熱能系統(solar thermal),理論上溫度夠高,發電效率就會提高。只要能把系統加溫到 2000 C,發電效率就可達到 85%,But,人生最重要的就是這個 But,想讓熱力發動機長時間維持在如此瘋狂的高溫,一樣不切實際。比較合理的溫度是 600 C,發電效率為 65 %(但一樣要扣掉 15% 的散光)
太陽能發電效率阻礙 No.2:蕭基-奎伊瑟極限
理論上人們不可能找到一個材料,能完全將太陽光能轉換成電能,工程師 Imran Akbar 指出,這就是「蕭基-奎伊瑟極限(Shockley-Queisser limit)」。《【能源材料】為太陽能電池製造一個專屬的太陽》這篇文章進一步解釋,太陽能電池是靠著半導體的能隙(band gap)的特性來發電,當光子能量大於材質能隙時,會被吸收並轉換成電源:
舉例來說,最常用於製作太陽能電池的材料「矽」,能隙為 1.12 電子伏特(eV),因此光子能量小於 1.12 電子伏特,便無法被矽吸收轉換成電能;但相反的假設一個光子具有 2 電子伏特的能量,矽在吸收這個光子後卻還是只能產出 1.12 電子伏特的能量,剩下的 0.88 電子伏特會轉換成熱能而損失,這個現象會讓太陽能電池先天上無法達到 100% 的光電轉換效率。
太陽能發電效率阻礙 No.3:相對應的能源採集科技
Spiffy Solar 創辦人 Thom Westergren 認為撇開物理學不談,簡單來說的障礙就是「需要不同的技術使用不同的能源。」太陽能的形式包含可見光、不可見光和熱能,因此想要百分之百運用太陽能,就需要多種相對應的科技。
Thom Westergren 認為,太陽能發電系統的效率其實不算太差,「效率」是一種忽略科技成本的科學術語,建置和營運成本才是發電系統被採用的決定性要素。
太陽能最大的優勢在於「零燃料」,當你把這個長期成本要素考慮進去(以及乾淨和安全因素),就會願意現在多花一點錢投資,而事實上,離太陽能成本低於傳統發電系統的日子已經不遠了。
從你的經驗或專業來看,影響太陽能發電效率的原因有哪些?該如何看待太陽能當前的低效率?如果有不同於以上答案的想法,歡迎留言與大家分享!
參考資料:
首圖來源:Pixabay
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