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太陽能與風能之Roadmap

2016/08/05 經濟部能源局 點閱人次: 704

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整理/李茗家
資料提供/International Renewable Energy Agency、SolarPower Europe

隨著科技進步的腳步越來越快,再加上全球氣候變遷效應的影響,風能與太陽能的技術快速提升,此2大主力將帶動再生能源產業的發展。

風電發展趨勢:持續成長、大型化

風,移動的空氣,是因空氣冷熱對流所形成。從馳騁於海上的帆船、聳立於田園的風車,我們知道人類很早就懂得善加利用風能,但是以風力來發電,要到1887至1888年間,才由英國及美國成功發明出來,當時的發電效率並不高。1891年,丹麥氣象學家開始研發、改良風力機,並於1897年開發出1座22.8公尺高的風力發電機組並完成測試,為現代風力發電的雛形。風力發電從19世紀末開始從英國與美國發源,逐步推動到全球。

風力發電機藉由空氣轉動螺旋槳,將風的動能轉換成電能。而風能的功率與葉片面積及風速三次方成正比,理論上風速愈大,產生的風能就愈高。當然,實際的輸出功率仍有其他需要考量的因素,除場地的風量外,諸如葉片、傳動機械、發電機與電力轉換器等設備因素亦相當重要。而且能量轉換的過程中,會發生些許損耗,以致於無法將全部風能轉換成電能。

即便風力發電機很早就完成雛形,但是其技術發展或是設置的情形也相當有限,尤其是百萬瓦(MW)等級的大型風力發電機,直到1995年才正式問世,也因為風力發電效率主要受到葉片面積和風速等因素影響,觀察各國風力發電技術的設計趨勢,均有朝大型化機組規格的方向發展。目前風力發電機組裝置容量,陸域以2MW為主流,離岸則介於3~5MW之間,未來可以達10MW之多。

儘管風力發電的成本受到其他因素影響而有所波動,諸如安裝成本如材料、人力及土木工程等,以及規模擴大和渦輪機改善等費用,不過電力成本或發電均化成本(Levelised Cost of Electricity, LCOE)卻沒有增加。而所謂的LCOE涵蓋資本成本、營運和維護成本、預計年發電量等因子,其中資本成本包括風力渦輪機組、電網連接、建造及其他雜項費用。

對於陸域風力發電系統而言,資本成本以風力渦輪機組占比最高,即便風力渦輪機組於1980年代進入量產階段,成本有所下降,不過在2004至2009年間,受到金屬原料價格上漲,導致其隨之增加,而後因市場競爭與原物料價格下跌,成本才再次下降。根據資料顯示,2014年風力渦輪機組在中國大陸及美國的價格分別為676美元/kW 和931~1,174 美元/kW。

雖然離岸風力發電系統的風力渦輪機組亦占整體成本一大部分,但卻不到一半,反而電網連接與建造的費用相對地提高。2014年離岸風力發電的資本成本為2,700~5,070 美元/kW。至於營運和維護成本則包含保險、維修、零件、電網管理等費用,受到海洋環境條件較難以掌握,因此離岸的維運成本較陸域來得高。若是以歐洲為例,其成本相差2倍之多。

太陽光電發展趨勢:前景看好,亞歐居首

2016年全球太陽能產業的表現,如同正在綻放燦爛光芒的太陽,前景一片光明。根據SolarPower Europe的報告指出,今年(2016)第1 季的太陽能裝置容量,光是中國大陸就已經安裝超過7GW,達到去年全球整體(50.6GW)的14%。而歐洲的太陽能裝置容量也超過100GW,在其他地區,發展太陽能的聲浪越來越高。

太陽光電是利用太陽光照射於太陽電池上,使吸收的光能直接轉變成電能輸出的一種發電方式。由於太陽電池產生的電是直流電,因此若需提供電力給家電用品或各式電器則需加裝直/交流轉換器,將直流電轉換成交流電,才能供電至家庭用電或工業用電。

太陽光電系統主要是由一系列單獨的元件所組成,如太陽電池組列、電力調節器(Power Conditioner,即包括直/交流轉換器(Inverter)、系統控制器及併聯保護裝置等)、配線箱、蓄電池等所構成。根據IRENA分析報告的內容,主要將其分為模組、直/交流轉換器和系統周邊(Balance of System, BOS),其中BOS又可以分為非模組硬體、安裝成本和軟成本等。就去年(2015)各國太陽光電BOS成本來看,政策扶持、競爭壓力及市場成熟度等因素會影響其發展。

由於太陽光電模組具有高學習率(18~20%)和迅速部署的優勢,再加上整體裝置容量於2015年有所成長,使得其模組價格下降80%(與2009年相比),落於0.52~0.72 美元/W之間。目前太陽光電系統用的直/交流轉換器可分成3類,分別為中控型(Central)、串接型(String)以及微型(Micro)等,其中又以微型直/交流轉換器價格最為昂貴。另外,由於中國大陸業者的生產價格遠低於全球平均值,如持續投入市場,將會造成其他國家業者的壓力。

至於其他成本方面,安裝費用於2010至2015年期間受到競爭壓力的影響,已下降56%,以期望開拓更多的客源。另外,維運費用從不被認為是一個問題,不過隨著其他成本下降,反而於LCOE中的占比顯著增加,如德國和英國分別占LCOE的20~25%。

而LCOE與太陽光電系統整體成本之走勢成正比,於2010至2015年期間下降約58%左右。值得注意的是,中南美洲之LCOE(0.12美元/kW)低於全球平均值,2015年新增裝置容量卻僅有2%。

對於未來的可能性發展,該報告指出未來隨著太陽光電系統的增加,全球公用事業規模之太陽光電系統整體成本將會於2025年下降至0.8 美元/W( 相較於2015 年1.8 美元/W,減少57%),若加上其他不確定性因素的話,預計落於43~65%之間,其中BOS部分就占70%。

2015年12月在聯合國巴黎氣候會議(COP21)上,195個國家一致通過《巴黎協定》(Paris Agreement),太陽光電與風電不僅成為因應氣候變遷議題的關鍵要素,也影響未來能源使用的發展趨勢。COP21 期間,國際太陽能聯盟(International Solar Alliance)宣布成軍,超過120個國家簽署,全球太陽能理事會(Global Solar Council)也在巴黎正式成立,以推動全球太陽能市場共同發展。正因為各國積極發展再生能源的現在與未來,太陽能將持續蓬勃發展。


關鍵字:風力發電,太陽能發電,IRENA

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