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基礎設施整合太陽光電可行嗎?
防音牆、單車道和高速公路的應用

【作者: 愛美科】   2020年01月31日 星期五

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Rolling Solar計畫的合作夥伴相信答案是肯定的!在這項歐洲跨區計畫(Interreg project)中,來自荷、比、德三國的19位合作夥伴正在共同發展這項光伏技術及多個商業模型,將「基礎設施整合太陽光電」(infrastructure-integrated PV;IIPV)帶入市場,讓太陽能電池沿著高速公路、鐵路和單車道等地佈建,以供應像是路燈或充電站的在地能源需求。


由於Rolling Solar計畫營造單位和光伏單位之間的獨特合作關係,以及整體電力系統(包含連接至電網的部分)所獲得的關注,它將不會是一次性的歐洲威望計畫(prestige project)—這點和相關研究領域中的其他計畫一樣,而是應該提出成本可負擔且對使用者友善的解決方案。各城市、自治城市和計畫開發者無不樂於一同討論未來的營建計畫,以起先採用,將這些計畫發展成未來也不會被淘汰的能源中和(energy-neutral)計畫。


在這項計畫實施一年後(預計歷時三年),我們讓營造和光伏兩方的合作夥伴來談談相關規劃和計畫實施的結果:其中一位是Michael Daenen教授,他任教於歐洲綠能研究機構EnergyVille成員之一的比利時哈瑟爾特大學(UHasselt),他也參與該大學材料研究中心(The Institute for Materials Research;IMO)和愛美科微電子材料研究中心(Institute for Materials Research in MicroElectronics;IMOMEC)共同進行的研究;另一位則是道路建設公司Kreeke的董事Bas van de Kreeke。


基礎設施整合太陽光電是個好主意嗎?

就本質而言,這項計劃似乎是個妙計:不只建築物佈滿了太陽能板,基礎設施也是。畢竟,重要的是要珍惜歐洲諸國中僅存的未開發空間,並別去利用那些空間,像是用來建造太陽能電廠。然而,過去的案例難道沒顯示出,整合太陽能電池的道路根本不可行,而且造價極為高昂嗎?


舉例而言,就看法國著名的Wattway計畫近日傳來的批評聲浪吧!該太陽能電池整合道路因損壞程度比預期大得多,加上能產量因損壞和汙染而逐年遞減—目標是產出790kWh/day的電能,但就連道路完工的那年也僅產出409kWh/day,且該數值很快下降,2018年下滑至215kWh/day,2019年僅餘約200kWh/day。


然而,世界各國(包含荷蘭、美國、南韓、中國等)的各種新措施都在研究這類應用。對此抱持懷疑的人想知道,若將投資太陽光電道路計畫的大量資金用來建置傳統太陽能電廠是否會更好?



圖一 : 法國交通基礎建設商Colas進行Wattway計畫測試的試驗場地之一。(source:Brice ROBERT Photographe)
圖一 : 法國交通基礎建設商Colas進行Wattway計畫測試的試驗場地之一。(source:Brice ROBERT Photographe)

Michael Daenen教授指出:「當然,有人支持也有人反對太陽能道路計畫。而最大的挑戰確實是太陽能電池在這類應用中必須面對的壓力問題。早期實施的太陽能電池道路計畫的重要價值之一,就是讓我們以截然不同的方式看待太陽能這件事。它讓我們了解到,我們必需盡可能將太陽能電池整合至更多地方,以實現充分的佈建表面積,因而達到充足的發電量。荷蘭絕對是IIPV的領導者,他們在2014年啟用了世界第一條太陽能電池單車道。」


「的確,將太陽能電池整合至交通流量較低或較不壅擠的應用場域,似乎是當前較可行的做法,像是長凳、單車道、廣場、停車場、路肩等等,或利用其他物件,像是隔音牆或交通護欄。」

匯集發電和用電

關於基礎設施整合太陽光電的趣事是,產出的電力可用於當地的路燈、充電站和交通號誌等。試想,以鄉村的單車道為例,一有單車騎士經過,就能根據路面上的太陽能板及整合式電池當日所產出及儲存的電力,來開啟路燈。


Michael Daenen教授表示:「這的確是個完整的電力系統。不只關乎經深思熟慮地將太陽能電池整合至道路表面,更和有效連結至地區網路或一般電網有關,和電池使用、電力電子和面板上電池的電路等也有關。我們在進行Rolling Solar計畫時考量的就是這樣的全貌。」



圖二 : 基礎設施整合太陽光電包括將太陽能電池整合至像是長凳、單車道、廣場、停車場、路肩、防音牆或交通護欄。
圖二 : 基礎設施整合太陽光電包括將太陽能電池整合至像是長凳、單車道、廣場、停車場、路肩、防音牆或交通護欄。

Rolling Solar計畫

2019年初時,預計歷時三年的Rolling Solar計畫啟動,由歐洲薄膜太陽能電池研究聯盟Solliance的荷蘭成員主導,並獲得Interreg和地方省份業者的支持。舉例來說,林堡省(Limburg)就給了在當地的計畫合作夥伴額外的資金。Interreg則是一項歐洲計劃,旨在推廣跨國區域之間的合作。


對此,Michael Daenen教授說明:「這項計畫的19位夥伴(公司和研究團隊)來自德國、荷蘭和比利時,以各自專注的面向共同合作。德國聚焦在光伏高速光路,並將針對不同的面板最表層進行測試,以確保耐用性。對連接至電網來說是必需的電力元件也會在此進行試驗。而在荷蘭,單車道的應用會再進一步優化。電力電子的設計也會在此扮演要角,例如,以確保面板在光線陰暗的情況下仍能運作良好。在比利時,我們則會研究隔音牆的應用,這些牆面出現的地方通常是沿著高速公路和鐵路。」


佈建太陽光電層的隔音牆

直立的隔音牆—這樣的安置方式真的適合用來發電嗎?Michael Daenen教授解釋:「在我們這區,太陽能板的理想傾向是35?且向南,但就算是採用直立面板,還是可以達到80%的最佳發電量(如果面板朝向南方)。東西向的直立面板大約可達到50%的最佳發電量。如果想讓單日的發電量平均分佈,這也是很合適的安置方式。如果優化設計出雙面的東西向垂直面板,甚至可以實現更接近最佳發電量的成果。」


「具體來說,我們接下來會運用各式太陽能電池技術,包含矽晶(標準和雙面)、薄膜碲化鎘(CdTe)、鈣鈦礦(perovskite)和銅銦鎵硒(CIGS),來測試鋼製和水泥製的大型隔音牆(8*5m)。」

Daenen教授繼續說道:「我們也會整合感測器—我們開發了玻璃纖維感測器的優良解決方案,讓我們得以測量牆內的壓力、溫度、熱流等。基於這些測量結果,我們可以測試並調校愛美科和EnergyVille為此類應用建立的能產率預測模型。此外,對最終完成商業化的光伏隔音牆來說,這些玻璃纖維感測器也會是有趣的元件。他們未來甚至可以被用來測量來車車速或感測交通壅塞程度。」


針對鋼製結構,金屬工程營造商Van Eycken也加入了此計畫。去(2019)年12月時他們才首次開發了半透明的隔音牆,適合用來整合太陽能電池。水泥結構方面,比利時的合作夥伴正和林堡省貝靈思(Beringen)的道路建設公司Van de Kreeke合作。


實現突破的最佳夥伴

道路建設公司Kreeke的董事Bas van de Kreeke表示:「我們專注在新興建造,以及房屋、停車場、地下道等的翻新工程。在比利時有兩項著名的工程計畫—波克萊克(Bokrijk)的「水中騎單車計畫」(cycling through the water),以及魯汶(Leuven)的魚梯計畫。我們的使命是讓已建立的環境更永續,特別著重於水和能源。」


他進一步指出,「就我們所開創的先例而言,我們開發了獨特的垂直排水系統V-flow,它是可以整合至現有下水道或用來建構新下水道的地下儲槽系統,該系統能確保注入6~8公尺深的雨水,而不讓水被下水道系統排出,用來解決缺水(及淹水)的問題。我們也在進行能源領域的新計畫,像是從下水道擷取熱能。從廢水擷取能量的概念(riothermia)已經出現一陣子了,但我們正在開發的解決方案是為了現有的下水道。」



圖三 : Van de Kreeke公司的其中一項工程是位於比利時波克萊克(Bokrijk)的「水中騎單車計畫」(cycling through the water)。Rolling Solar計畫透過這類建造公司的參與,具備扎實實務基礎的IIPV解決方案會被實現,也能被廣泛應用在城市和自治城市的計劃中。(source:Tourism Limburg)
圖三 : Van de Kreeke公司的其中一項工程是位於比利時波克萊克(Bokrijk)的「水中騎單車計畫」(cycling through the water)。Rolling Solar計畫透過這類建造公司的參與,具備扎實實務基礎的IIPV解決方案會被實現,也能被廣泛應用在城市和自治城市的計劃中。(source:Tourism Limburg)

Bas van de Kreeke表示:「藉著我們的V-flow產品,我們注意到要讓新開發成功突破其實不容易。」


「不論新應用有多好,如果沒和對的夥伴或業界要角(和他們的網絡資源)合作,是不可能突破市場的。這也是我們和(歐洲)計畫合作會如此有趣的原因之一。」

他繼續說道:「例如,如果你已經和愛美科一同開發出運用光伏技術的隔音牆,那麼你已經領先一步了。你也能肯定你的產品是經過深思熟慮開發出來的。舉例來說,Rolling Solar計畫也正在開發演算法,以確保發電效率在陰影籠罩面板時也能達到最佳化。此外,讓太陽能電池在遠距也能相互連接的解決方案也正在開發中,如此一來,隔音牆就不必受限於標準太陽能面板的固定尺寸。要做到上述這些,計畫必須進行基礎研究,而藉著研究團隊的參與,最終產品會更強大。」


有智慧地運用能源:資料和AI是關鍵!

基礎設施整合太陽光電和讓發電、用電緊密結合有關,也和盡可能運用更大面積來擷取能量有關。


Bas van de Kreeke表示:「談到可再生能源時,也要注意反彈作用。在我們和哈瑟爾特大學及EnergyVille合作的計畫中,我們共同研究如何建立能源中和家庭(energy-neutral homes)。我們發現,因為住戶們知道現有能源充裕,便會使用更多能源(像是不關燈)。在此情況下,對於如何盡可能最佳善用擷取來的能源,資料和人工智慧(AI)便扮演了關鍵角色。此外,我覺得在對的時機使用能源(能源可用率達到巔峰時)極其重要,甚至比更有效防止居家能源流失還重要。」


他進一步指出:「我們非常注重資料,目前也正持續觀測好幾個家庭的電力系統。這些資料用於研究計畫。就維修而言—預防性維修,我們也付出很多心力來蒐集資料。而這不只是將感測器整合至居家,還需要一個好的平台來讓技術人員讀取這些資料。」


他舉例:「我們負責維修一萬四千戶的電力系統,當技術人員要解決某個特定問題而進入網站時,也能順便檢查該住戶的其他資料,而這些資料被記錄在一個專用平台,用來預測未來可能需要進行的維修工作。」


建設公司不久後會生產光伏建材嗎?

Rolling Solar計畫將於2022年結束。在那之前,像是Van de Kreeke這樣的建設公司將開始製造結合太陽能電池的建材,這個想法有多務實呢?


Bas van de Kreeke回說:「這麼想非常實際。我們和對的夥伴合作—光伏和建造兩方的專家,他們會學習彼此的專業,還能告知對方在各自專業領域中的重要規格。這樣一來,一切都可以彼此完美協調。」


他舉了個例子:「為了讓太陽能板能輕鬆連接至牆面,水泥牆需要建造某種凹面嗎?或者,我們要印刷太陽能電池嗎?還是用黏的?一旦我們開發出可行且性能強健的產品,和建築師和計畫開發者合作當然也很重要。」


Michael Daenen教授則表示:「我們將在這項計畫建立幾項範例,以說服計畫開發者、建築師、城市和自治城市這些創新可行。我們也在和市議會溝通,來討論一項新建案,以及運用光伏防音牆的可能性。為了讓IIPV實現突破,我們需要各方人士參與。期望多方參與的願景能在這項計畫實現,以及在成功範例中實現。」


(本文由愛美科授權刊登;作者Michael Daenen為Rolling Solar計畫的研究人員、Bas van de Kreeke為道路建設公司van de Kreeke的董事;編譯:吳雅婷)


**刊頭圖(source:solargem.org)


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