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2020年新加坡太陽能光伏路線圖 Solar PV Roadmap for Singapore 2020
2020/05
Solar Energy Research Institute of Singapore (SERIS)
https://www.nccs.gov.sg/docs/default-source/default-document-library/Solar%20PV%20Roadmap%20for%20Singapore%202020.pdf
近年來新加坡致力於發展太陽光電技術,並預計至2020年其安裝容量可達到350MWp。文章針對近期新加坡發展的高效及超高效光電技術做討論,並概述新加坡新興太陽能技術的應用方向與回收政策。

太陽光電技術為現今各國致力發展的再生能源技術之一。根據國際能源總署(International Energy Agency, IEA) 光電系統專案(Photovoltaic Power System Programme, PVPS)於2019年發布的研究顯示,截至2018年底,全球累積太陽光電安裝容量已達512GWp,至2019年估計達到634GWp,預估至2023年累積安裝容量可達到1,212GWp。

一、新加坡發展現況
新加坡除為實現巴黎承諾的減碳目標與其企業在全球再生能源倡議RE100 下,維持自身的國際競爭力與影響力並吸引跨國企業的投資,因此積極投入再生能源發展,加上新加坡地理上鄰近赤道處於陽光充足的光帶,在再生能源的選項中,以現有的技術和經濟可行性來說,採用太陽能發電無疑成為最好發展項目之一,但由於本身地狹人稠土地資源貧瘠,為突破該困境,政府透過多項政策的實施以及充分利用現有各項基礎設施發展太陽光電應用。在政策上則藉由其公共部門透過計畫及實施折扣制度獎勵消費者向開發商購買太陽能,並透過開發商維護太陽能系統以提供穩定的電力供應,以普及太陽能的使用。依據新加坡太陽能研究所(Solar Energy Research Institute of Singapore, SERIS)以新加坡電能管理局(Energy Management Authority, EMA)與新加坡新能源電網公司(SP PowerGrid)所提供的數據為基礎,分析結果顯示新加坡累積太陽能安裝容量由2013年15.3MWp至2017年已提升153.1MWp短短四年已增加約10倍,到2018年累積太陽能安裝容量達208.2MWp與 2017年的153.1MWp,年成長率為100%, 且截至2019年第三季其累積安裝容量已達300.3MWp,顯現該國積極的部署太陽能並期能於2030年達成裝機容量提升至2GWp的目標 ,以朝低碳永續的未來邁進,所展現的決心。

此外,隨著全球太陽能模組安裝和老化的增長,根據 IRENA預估到2030年將增至8百萬噸,對新加坡市場而言,則在5-10年內面臨回收利用的需求快速增加,因此為降低報廢太陽能板對於環境的影響,新加坡將於2021年起以「生產者延伸責任」 (Extended Producer Responsibility, EPR)」的概念實施電子廢物管理規範,屆時報廢太陽能板將由生產商(含開發商及進口商)提供免費的回收服務,以提升太陽能板的經濟效益並達到再利用的目標。

二、太陽光電應用空間評估
新加坡國土面積狹小且人口眾多,其人口密度為每平方公里7,797人,屬全球人口密度第三高之國家。然而,一般而言部署太陽能發電裝置需使用較大的土地面積,使其在發展太陽能技術時面臨土地上的限制。
為解決上述問題,新加坡土地管理局(Singapore Land Authority, SLA) 運用3D城市模型評估,以擴大分析目前光電應用在屋頂、建築物、移動式或陸基、浮動式及基礎設施等多項太陽能部署之可利用空間 ,並探究相對應的技術創新發展,期能藉由太陽光電城市的部局,奠定新加坡的技術領導地位。

(一)屋頂光電(Rooftop PV)︰屋頂花園的應用概念
由於新加坡目前市場上缺乏標準化的屋頂系統,未來將朝利用大量的系統模組化生產以降低成本,以增加回收效益。此外,亦可將太陽能裝置與綠色植物並置於屋頂,其並置方式共有兩種類型,分別為廣泛型及集約型。廣泛型主要將灌木及草類上方安裝一小塊的太陽能板,透過植物灌溉用水的蒸發,以提高太陽能板冷卻速度並提升發電量;而集約型則是類似屋頂花園的概念,將太陽能板抬高以覆蓋植物,作為植物的遮陽設備,但下方植物類型必須能適應部分陰影的照射條件,以達兼具發電與綠化的功能。

(二)建築附加型或建築整合型太陽能(building-added photovoltaics or building-integrated photovoltaics, BAPV or BIPV)︰應用於新型建築物
建築光電的部署主要針對高層及中層建築的立面(低層樓易受到周圍物體遮蔽),並在增建或改建時透過建築附加或建築整合的方式將帶有光電元件的遮光裝置附加或代替傳統建築表面材料,可有助於隔熱效果。因此,彩色BAPV/BIPV模組及生產、透明的太陽能窗戶、超輕的BIPV元件、太陽能供電的多媒體牆將成為新的發展趨勢。

(三)移動式或陸基太陽能(Mobile-/land-based PV)︰提高閒置土地的經濟效益
由於在任何時間及地點的情況下都有大量閒置的空地,新加坡以衛星評估目前在短期或中期的閒置空間,利用移動式或陸基太陽能可隨著開發進度或需求進行遷移,除了達到空間優化亦可於就地組裝以節省運輸成本,使其發揮經濟利益最大化。目前澳洲已可在10分鐘內由兩個人力完成12kWp模組組裝的能力,預估這樣可快速擴展模組化系統,將可於一周內移動MW級的光電系統。而新加坡周圍擁有多達63個近海島嶼和小島,目前較具經濟效益的為裕廊島(Jurong Island)、實馬高島(Pulau Semakau)及主島,預估未來部屬之技術潛力達5km2。

(四)浮動式太陽能(Floating PV)︰未來朝近岸部署與結合其他用途方向發展
新加坡海域有限且擁擠,因此著重於水庫及近岸死海空間的應用。在水庫方面,新加坡的浮動式太陽能測試平台(Floating PV testbed)技術領先全球,目前已有60MWp將於2021年投入營運,3D模型評估後開發淨面積約可達2.5km2。在近岸部屬方面,則著重在於無法使用區域或主要工業用途外無法再利用的空間(如碼頭後方水域),目前預估約有2.12km2的近岸死海空間。然而近岸部署受到海洋環境的影響尚未建立較完整的部署系統,僅有少數公司安裝小型裝置。此外,新加坡特別關注浮動式太陽能與其他用途的結合,例如可透過安裝浮動式裝置於養殖魚場,同時達到養魚效益及解決糧食供應的問題;此外利用太陽能生產氫燃料,解決燃料問題;利用太陽能淡化海水,解決淡水供應問題以期能擴大多元應用發展。

(五) 光電基礎設施 (Infrastructure PV)︰利用雙重用途提升經濟效益
透過現有基礎設施與光電系統的結合,例如可在現有土地、某些農耕區或停車場的遮蔽處、道路及運河等現有基礎設施,在不干擾原始用途下,評估可兼具發電雙重用途的可能性。在太陽能隔音屏障方面,目前瑞士、德國及荷蘭已施行,但仍須解決太陽能模組的降噪能力、太陽能產生的眩光對駕駛或居民的影響、火災及電器造成的風險所帶來的技術問題。

三、太陽能技術創新發展方向
新加坡為能將光電部屬空間極大化,因此也積極朝向相關技術創新發展,現今其主要針對高效至超高效(High to ultra-high)的光電技術進行研究,包含基於晶矽及薄膜太陽能技術。

(一) 基於晶矽的技術(Crystalline Silicon based technologies)
近年來各行業於基於晶矽的太陽能電池技術皆有重大的突破,例如矽材料由多晶矽發展轉為單晶矽發展;製程的金剛石晶圓線切割(diamond wire wafer sawing)技術則為現今工藝技術發展的重點項目之一;雙面結構的鈍化接觸電池(passivated contact cells)則為近期電池架構發展的新興技術。
此外,可有效增加空間利用的技術包含高效n型的異質接面太陽能電池(heterojunction solar cells, HET)具有極薄的非晶矽膜層,其可大幅降低高溫下晶片損耗。其次是全背面接觸式結構(all-back contact structures, ABC)的太陽能電池,與傳統矽晶電池相比具有較高的產能,透過兩者技術的結合可有效提高能源使用率,為當前新加坡關注的創新技術之一。

(二)薄膜太陽能的技術︰鈣鈦礦和串聯的技術(perovskites and tandem technologies)
1.鈣鈦礦(perovskites)
除了上述基於晶矽的技術外,另外還有薄膜太陽能電池具有高於晶矽10-100倍吸收光的效率,且厚度僅為奈米或微米,但其發電效率及長期穩定性較差。碲化鎘(CdTe)技術為現今最常見的薄膜太陽能技術,目前主要主導該市場的為美國的第一太陽能(First Solar)公司。而鈣鈦礦技術是近年來最有潛力的新興薄膜太陽能技術,其效率高達24%且具有元件可加工的靈活性,因此技術創新方向主要針對其電池尺寸小及壽命短的缺點進行改善。
2.串聯(Tandems)
串聯為將多個能隙(bandgap)材料製成多個p-n結的太陽能電池,亦可稱為多結太陽能電池。由於可透過不同能隙材料吸收不同的太陽輻射光譜,因此將多種能隙材料組合可有效提升能量轉換效率(energy conversion efficiencies)。目前許多製造商已發展出超過30%的效率的晶矽串聯太陽能電池,已克服單結太陽能電池的效率極限,近年來則致力於鈣鈦礦串聯太陽能電池的創新技術開發。

楊尚芸
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