國內太陽光電能與生質能源利用之推動

陳文卿環境與發展基金會

國內太陽光電能與生質能源利用之推動

陳文卿陳文卿財團法人環境與發展基金會

中華民國 99 年 1 月 28 日


台灣再生能源發展進程單位： MW 2010 2011 2015 2020 2025 2030

再生能源預估裝置容量 3,177 3,392 4,837 6,643 8,450 10,256

總發電設備預估裝置容量

50,673 52,469 53,790 66,230 75,105 91,759

再生能佔系統比重 6.27% 6.46% 8.99% 10.03% 11.25% 11.18%


新能源兆元產業產值推估（新能源產業旗艦計畫）

單位：億元

太陽光電

LED照明光電

氫能與燃料電池

風力發電

生質燃料

能源資通訊

電動機車

冷凍空調

能源技術服

務

20122,30

0 1,600 60 75 74 600 43 933 40

20154,50

0 5,400 130 200 2451,00

01,00

01,25

6 50約 2250MW

每 KW 20 萬元計約 300MW

每 MW 7,000 萬元計


風力發電

目標年度 2007 2010 2025

裝機容量 28.1萬瓩 98萬瓩 300

年發電量 7.6億度 /年 26.5億度 /年

81.1億度 /年

CO2減少量 51.7萬噸 /年

180萬噸 /年

552萬噸 /年

CO2減少率 0.22% 0.78% 2.4%

投入費用 140億元 480 億元 1,500億元

太陽光電

目標年度 2007年 2010年 2025年裝機容量 2000瓩 3.1萬瓩 100萬瓩年發電量 219萬度 3394萬度 10.9億度CO2減少量 1489噸 /年 2.3萬噸 /年 74萬噸 /年CO2減少率 0.0006% 0.01% 0.32%

投入經費 6億元 93億元 3,000億元

國內風力與太陽光電能之推動目標與效益

(2008 年能源局資料 )


太陽光電能 (photo-voltaic energy)• 太陽光取之不盡用之不竭• 直接轉換為直流電能，無轉動組件，無噪音，穩定性佳

• 無需燃料，無中間廢棄物，安全無污染• 壽命可長達近 20 年• 輔助尖峰用電• 使用方便，外型此寸可彈性變化 ( 小至電計算機大至發電廠 ) ：

solar cell → module→electric system (10W~KW) (KW~MW)


•受環境與地理限制小，所以應用廣泛•太陽電池所發之電為直流電，一般電器皆使用交流電，需接電力轉換器 (inverter)將直流電轉換成交流電使用，此為太陽電池發主要技術之一。

•可作為建築構材 (窗、外牆、屋頂 )

太陽光電能 (續 )


獨立發電系統市電並聯系統配合綠建築使用 (BIPV, building integrated photo voltaic)太陽電池模板與建築物結合發展，例如太陽電池屋頂、遮陽(雨)棚、窗、牆壁等)

消費性電池

用途


太陽電池 (solar cell) 是以半導體製程的製作方式做成的，其發電原理是將太陽光照射在太陽電池上，使太陽電池吸收太陽光能透過圖中的 p 型半導體及 n 型半導體使其產生電子 ( 負極 ) 及電洞 ( 正極 ) ，同時分離電子與電洞而形成電壓降，再經由導線傳輸至負載。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。

太陽電池的光電轉換原理太陽電池的光電轉換原理


A →A + + e-

M +e- → M -

e-

e-

h+

e-


太陽電池之矽材料製作過程太陽電池之矽材料製作過程

矽砂原材料

單晶矽拉晶製程矽塊原材料、晶碇、晶片

矽晶片線切割機

多晶矽長晶爐矽晶碇切割機


電力轉換器( 電力調節

器 )(Inverter 、Conditioner)

蓄電池 (Battery)

太陽光發電系統單元太陽電池

(Unit Solar Cell)太陽電池模板(PV Module)

太陽電池組列(PV Array)

太陽電池的關聯產品太陽電池的關聯產品

攜帶式電源


太陽電池種類半導體材料 Cell 轉換效率

模組轉換效率

矽結晶矽

非晶矽

3 元素 CuInSe2( 薄膜型 ) 10~12%

有機半導體

不同種類太陽電池效率發展狀況不同種類太陽電池效率發展狀況

結晶矽

非晶矽

單結晶 ( 晶圓型 )

矽a-Si 、 a-SiC 、 a-Si

Ge

化合物半導體

GaAs( 晶圓 , 薄膜型 )III-V族

CdS 、 CdTe 薄膜型II-VI族

多元化合物 CuInSe2 薄膜型

TiO2/Dye

15~20%

12~16%

14~18%

10~14%

8~13% 6~9%

18~30%

10~14%

10~15%

有機物 7 ~10 %

多結晶( 晶圓型、薄膜型 )


太陽電池種類半導體材料市場模組轉換效率

單結晶(晶圓型) 10~14% 結晶矽

多結晶 9~12% 矽

非晶矽 a-Si、a-SiO、a-SiGe 6~9%

GaAs(晶圓型) GaAs 18~30% 2元素

CdS、CdTee薄膜型 10~12% 化合物半導體

3元素 CuInSe2(薄膜型) 10~12%

有機半導體 1%以下

單晶矽太陽電池外觀多晶矽太陽電池外觀非晶矽太陽電池外觀 ( 可撓式 )

太陽能電池種類說明


單晶矽(Single Crystalline Si)

太陽電池典型結構例 (單晶矽 )

矽太陽電池外觀與結構矽太陽電池外觀與結構

多晶矽(Poly Crystalline Si)

非晶矽(Amorphous Si)

單晶矽，理論轉換效率 23%多晶矽，理論轉換效率 20%


各式太陽電池模板各式太陽電池模板

單晶矽模板

半透光型模板非晶矽模板

多晶矽模板

陳文卿環境與發展基金會結合太陽光電板與風力系統


單晶矽太陽電池• Si crystal from molten silicone , and growing up

through define direction.• 佔有率最高• 所發電力與提供電壓範圍廣， 1W 至 100W ， 0.

5V 至 24V• 效率高，商業化產品元件效率 13~15% ；模板效率 11~13%

• 價格在某些應用範疇是可被接受的價位，一般保證可達 15 年


多晶矽太陽能電池的兩大重點多晶矽太陽能電池的兩大重點

• 低廉價格的高純度矽原料以半導體級超高純度矽 (7N 以上 ) 生產廠家之不合格品 (Off-

Spec) 作為原料貨源不穩定單價 : 半導體級 (U$35~40/kg) 、太陽能電池級 (U$20~25/k

g)

• 生產成本低廉 ( 技術較為成熟、切片損失大 ) 非傳統之直接晶圓片 (Si Ribbon) 提拉法

• 技術較不成熟、製程量率較低的晶圓 (Wafer)

鑄造 (Ingot Casting) 切塊 (Cutting) 晶圓切片 (Slicing)

晶圓


非晶矽太陽電池• 應用非常廣泛• 成本非常低廉，製程易量產化• 可吸收任何可見光：在螢光照射下也可產生電力，適用於消費性產品

• 可成長在不同的基板上，如玻璃、高分子膜、不銹鋼、陶瓷…等，應用範圍廣

• 可製作成大面積；同一基板可串聯較多電池，並且形狀可任意設計，應用產品製作容易


電力轉換器( 電力調節

器 )(Inverter 、Conditioner)

蓄電池 (Battery)

太陽光發電系統單元太陽電池

(Unit Solar Cell)太陽電池模板(PV Module)

太陽電池組列(PV Array)

太陽電池的關聯產品太陽電池的關聯產品

攜帶式電源


我國太陽光電產業技術發展我國太陽光電產業技術發展 SWOTSWOT 分析分析優勢（ Strengths ）劣勢（ Weaknesses ）

1.國內半導體產業人才基礎雄厚，發展結晶矽太陽電池進入障礙低。2.國內半導體製成管理經驗豐富，適合轉型投入太陽電池生產領域。3.我國半導體以及電子相關工業基礎與技術能力投入太陽光電工業極具競爭力。

1.國內太陽電池光電轉換效率與國際大廠仍有差距，須持續投入研發。2.矽原料缺乏，影響國內太陽電池生產、銷售。3.太陽光電生產設備尚在開發，自製比率仍須提升。4.國內太陽光電模組、系統驗證體系與標準當在建立，品質須強化。5.國內太陽電池模板用封裝材料均自國外進口，成本高。6.我國太陽光電研發經費之投入相對歐、美、日先進國家少。7.我國能源價格低廉，相關獎勵配套法規尚未實施，不利太陽光電系統推廣。

機會（ Opportunities ）威脅（ Threats ）1.全球太陽光電市場呈現 30 ％高度年成長率。2.能源危機，石化能源價格高漲、加速替代性再生能源需求開發。3.環保意識抬頭，京都議定書 2005 年 2月 16 日實施，潔淨能源議題受重視。4.再生能源發展條例完成立法，提供產業發展配

套措施。

1.國內無上游矽原料生產，為日、德、美少數供應商所控制。2.中國大陸已通過再生能源法，以內需市場誘因扶植國內產業競爭力，已有數百家廠商投入太陽光電產品生產。

資料來源：工研院太陽光電科技中心， 2007 年 11月


我國與先進國家太陽電池技術水準比較我國與先進國家太陽電池技術水準比較

技術項目國外進展指標國內進展指標

實驗室階段量產銷售上實驗室階段量產銷售上

單晶矽太陽電池效率 24.7 ％ 15.7~20.3 ％ 20.51 ％ 14.25~17.5 ％

多晶矽太陽電池效率 20.3 ％ 13.35~17.7% 19.10 ％ 13~16 ％

矽薄膜太陽電池效率 15 ％ 8.6% 8.4 ％ 5 ％

染料敏化太陽電池效率 11.18 ％ 3% 10.9 ％ NA

單晶矽太陽光電模組效率 17.2 ％ 14~15.0% 15.5 ％ 13~14.0 ％

多晶矽太陽光電模組效率 16.0 ％ 13~14.0 14.5 ％ 12~13.0 ％

太陽光電系統技術 Field Test容量1WMp

PR值 80 ％、單一系統最大容量 20M

Wp

Field Test容量5WMp

PR值 70 ％、單一系統最大容量 20M

Wp



我國太陽光電技術發展我國太陽光電技術發展 Roadmap Roadmap


我國太陽光電技術發展我國太陽光電技術發展 RoadmapRoadmap(( 續續 ))



生質能 (biomass energy)

自生物性物質所獲取之能源稱為「生質能」• 沼氣利用 ( 經厭氧消化作用 )

– 養豬場廢污– 垃圾掩埋場沼氣– 水肥與下水道污泥– 產業廢水、污泥厭氧消化

• 都市垃圾焚化發電• 廢棄物氣化發電


厭氧消化之優點

•有機廢棄物減量 (60%以上 COD分解 )•適合台灣的天候條件•省動力 ,沼氣能源回收•資源 /能源回收•技術成熟，操作簡單


Stage 1 Stage 2

Complex organic

Higher organic acids

Acetic acid

H2

CH4

Methanogenesis Hydrolysis and fermentation Acetogenesis and dehydrogenation

Stage 3

有機物厭氧醱酵分解之程序

醣類、澱粉等… → C6H6O12→ → 6CH3CO2H

H2+ CO2

CH4 + CO2

(約 65%)沼氣： CH4 + CO2 1M3沼氣約可發電 1.5 度


能源能源 -- 資源永續循資源永續循環環

厭氧消厭氧消化槽化槽

貯存槽

貯存槽

脫水脫水肥料利用肥料利用

農地灌溉農地灌溉

沼氣沼氣

發電機發電機家庭或家庭或工廠利用工廠利用

廢熱回收廢熱回收工廠工廠

((乾燥熱能

乾燥熱能))

電能電能

有機廢棄物有機廢棄物


高濃度有機廢棄物生質能源回收高濃度有機廢棄物生質能源回收

廚餘家戶收集

餐廳收集( 約 1800 ton/d)

( 約 1200 ton/d)

堆肥再利用

養豬再利用

( 約 450 ton/d)

( 約 1500 ton/d)

水肥化糞池清除水肥處理廠

水肥投入站下水道污水廠( 產生量約 5.0 Mton/y)

清運量約 1.8 Mton/y

養豬場廢污

糞渣

廢棄污泥

生活廢水污泥建築物污水

處理設施

下水道污水廠

高濃度有機廢棄

高濃度有機廢棄

物物 ( 處理容量約16 萬噸 / 年 )

堆肥 (55 家禽畜糞堆肥場 )

( 土壤灌溉 )

污泥消化廠

厭氧消化能

厭氧消化能

源資源回收

源資源回收


黏土層

甲烷回收系統

垃圾

廢液收集系統

掩埋場底部襯墊

廢液處理或回送系統

地下水觀測井

地下水

垃圾掩埋產生沼氣設施


「利用既有設施擴充其性能」及「新建處理廠」兩種方式

水肥水肥下水道污泥下水道污泥養豬污泥養豬污泥註 1

適養豬廚餘

不適養豬廚餘

集中式厭氧消化設施集中式厭氧消化設施

•分期開發•處理規模•優先設置示範廠

•既有設施

新建設施

•技術面配套 (增設前處理設備 )

•行政面配合 ( 與主管機關協調 )

污水廠未消化

污水廠已消化

廚餘廚餘豬隻攝食

既設水肥場

既設堆肥場

燃料化、材料化、肥料化

註 2

有機廢棄物集中處理生質能源利用有機廢棄物集中處理生質能源利用


1.厭氧醱酵及沼氣利用技術，國內已十分成熟，理論基礎亦已充份掌握，基本上推動技術應無困難。

2.國內以往接觸之高濃度有機廢水厭氧處理最普遍者為豬糞尿，其固體濃度約為 1%。下水道污泥處理之設計濃度約為 3%，但國內尚缺乏操作經驗。而廚餘之有機濃度達 15%，因此必須調整至約 5%以下，進料混合與攪拌系統之功能才得以發揮，而此部份之機械設備國內尚乏自製者。

3.廚餘含油份高，須有除油之前處理單元。且巨形不規則顆粒多，亦應有磨碎設備，使其約達 1mm以下粒徑。

4.廚餘含氮量高易造成厭氧消化過程之氨氮抑制現象，若能混合其他基質較為有利。

5.厭氧消化後之殘留污泥總固體含量約可減量達 20%以下，並可提供肥料利用。

6.產生沼氣可供燃燒或發電利用。

厭氧醱酵之技術可行性分析


有機廢棄物有機廢棄物 (( 污泥污泥 )) 產生產生現現況況分析分析• 廚餘廚餘

2012 年廚餘回收目標為 2,200 ton/d ， 2020 年將成長至 2,700 ton/d 。

扣除 70% 養豬再利用外， 2020 年將有約 800 噸須作堆肥及其他再利用。 ( 現有堆肥場處理量僅約 300 ton/d)

• 水肥水肥既有處理設施嚴重不足 ( 約 440 ton/d) ，部分縣市水肥無適當去處

• 養豬場廢污養豬場廢污缺乏適當處理，污泥在廢水場內部循環，嚴重影響處理性能

• 生活污水污泥生活污水污泥以下水道污泥為主，現行消化系統尚有餘裕空間可供利用


廚餘廚餘• 有機固體濃度： 10% 以上• 沼氣轉換率：約 0.7 L/g T

VS• [[問題問題 ]]：含氮量低，纖維：含氮量低，纖維

質、油脂高。顆粒大且不質、油脂高。顆粒大且不均勻，須預經篩分及破碎。均勻，須預經篩分及破碎。

水肥、下水道污泥水肥、下水道污泥• 有機固體濃度：約 0.5%• 沼氣轉換率：約 0.2 L/g T

VS • [[問題問題 ]]：濃度低，砂質多，：濃度低，砂質多，

沼氣產生率偏低。沼氣產生率偏低。

養豬廢水污泥養豬廢水污泥• 有機固體濃度：約 1~2%( 濃縮後 )

• 沼氣產生率：約 0.3 L/g TVS • [[問題問題 ]]：水量大濃度低，清：水量大濃度低，清運費用偏高。運費用偏高。

養豬場糞渣養豬場糞渣• 有機固體濃度：約 10% 以上• 沼氣轉換率：約 0.5 L/g TVS• [[問題問題 ]]：纖維質高，顆粒大，：纖維質高，顆粒大，須預經篩濾。目前以堆肥處理須預經篩濾。目前以堆肥處理為主，可收集量不高。為主，可收集量不高。

各類有機廢棄物之綜合比較各類有機廢棄物之綜合比較


產生源下水道污泥廚餘果菜

廢棄物豬糞 * 垃圾掩埋場

廢水處理廠合計

年產生量 (Mton/y)

2.25 1.8 0.9 5.1 - - -

TVS (%) 4 15 15 20 - - -

總有機固體量 (dry base, ton/y)

90,000 270,000 135,000 1,020,000 - - -

回收率 (%) 100 30 50 30 - - -

回收總 TVS(ton/y)

90,000 81,000 57,500 3,060,000 - - -

沼氣轉換率(M3/Kg-1TVS)

0.3 0.6 0.6 0.5 7.3** - -

沼氣產生量 (MM3/y)

27 49 36 153 200 25 490

可發電量 (MKWH/y)

40 74 52 230 300 37 733

發電機裝機容量 (MW)

6.7 12.3 8.6 38.3 50 6.3 121.9

CO2 削減量 (ton/y) 27,200 50,320 35,360 156,400 204,000 25,160 498,440

全國各種有機廢棄物沼氣生質能源潛力預估 (1/2)

Ref.：Wen-Ching Chen( 陳文卿 ),Wen-Chin Chen and Doong-Shur Geng(2008), The Strategy and Bioenergy Potential for Kitchen Waste Recycling in Taiwan. J. Environ. Eng. Manage., 18(4), 281-287


一、全國養豬廢水處理場每年所產生的沼一、全國養豬廢水處理場每年所產生的沼氣量約可達氣量約可達 22 億立方米，可發電每億立方米，可發電每年約年約達達 33 億度，相當於減少約億度，相當於減少約 2020 萬公噸萬公噸COCO22 。。

二、沼氣二、沼氣若未收集若未收集利用而任意排放，卻等於利用而任意排放，卻等於為為 11 立方米將增加了立方米將增加了 1010 公斤的公斤的 COCO22

當量。當量。亦就是增加亦就是增加 200200 萬公噸萬公噸 COCO22 ，約相，約相當於全當於全國國 COCO22 排放量之排放量之 0.9%!0.9%!

全國各種有機廢棄物全國各種有機廢棄物沼氣生質能源潛力預估沼氣生質能源潛力預估 (2/2) (2/2)


全球再生能源利用比例


Utilization of renewable energy in the EU

Biomass 佔一半以上 !!


台灣推動廚餘厭氧消化之關鍵課題• 廚餘特性之掌握

– 生物可分解性高沼氣潛能大

– 雜質高，易造成系統堵塞宜先分離去雜質

– 粒徑不均勻應先破碎及磨碎

– 油脂高易產生浮渣，混合困難沼氣產量高

– 水份高(相對於國外)宜採濕式醱酵進料固體濃度設計建議： 3%~6%反應槽攪拌很重要


• 厭氧槽設計建造技術– 高濃度(污泥)厭氧消化槽(反應槽型式之選擇 )– 攪拌、循環

• 操作控制技術– 有機負荷控制 (濃度、停留時間 )– 抑制因子– 溫度控制

• 關鍵設備研發– 油污分離– 破碎設備– 沼氣利用設備

• 其他相關課題– 沼氣利用– 污泥(殘渣)之再利用– 醱酵放流液之再利用

台灣推動廚餘厭氧消化之關鍵課題 ( 續 )


廚餘厭氧醱酵模廠現場配置


Passau Compogas (德國 ) Atlantic(加拿大 )

Munster(德國 ) Arhus (丹麥 )


62

( 日本 COMPOGAS)


CAMPO 系統說明

• 一般垃圾 30T/D → 5T/D• 食品廢棄物 30~50T/D

• 生垃圾一噸產生 Biogas100~200m3 (TS 50%)=150~300kWH• 全廠每天產生沼氣約 10,000m3, 可發電量約 15,000 度電• 建廠費用： 16.4 億日圓 => 每噸約 1000 萬 NTD

50T/D (TS 50%)

125T/D(TS 20%)

H2O

Digester

1400m3×2 HRT:20~30day(55℃ )

Biogas發電利用(310kw ×2 )


八里污水處理廠

•污水處理量：每天 7百萬立方米污水進流•污泥消化槽： 6 個蛋形槽， 54,000 m3 of total capacity.

•設計污泥消化水力停留時間： HRT ： 18天 (3,000 m3 of sludge per day,in 3% of VSS).

•沼氣產生量： 27,000m3 / 天 ( 污泥 VSS濃度 3%)


廚餘與污水處理廠污泥混合處理--以八里污水處理廠為對象推估

• 100 m3 廚餘與下水道污泥混合 ( 總污泥量之 3%)– 總沼氣產生量： 35,000 m3 ( 約增加 30%)– 可發電： 54,000KWh per day

• 400 m3廚餘與下水道污泥混合 ( 總污泥量之 13%)– 總沼氣產生量： 54,0000 m3 Biogas 約為目前之 2倍 !

– 可發電： 83,000KWh per day.

國內太陽光電能與 生質能源利用之推動

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