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汐止多雨適合太陽能發電嗎?

能源科技青山光電專題探究 SDG7 ∣ 經濟適用的清潔能源

文∣ 新北市立青山國中小學 丁明豪主任、張益明主任、黃健益老師

綠色能源 (green energy) 又稱為清潔能源 (clean energy),是指無污染的能量生產來源,對環境是零威脅是友善而尊重的,爲未來的下一代保留安全而完整的環境。綠能也是低碳燃料 (Low Carbon Fuel), 從取得到利用都排放出較少的二氧化碳,可以減緩溫室效應。狹義的綠能是指再生能源 (renewable energy),如太陽能、風能、地熱能、水力能、潮汐能、生質能等,都是轉化自然界的能量成為能源,並在短時間內 (相對於億年以上才能形成的石化燃料) 就可以再生。

人類將綠能經科技處理,再轉化為電力,不但供應生活所需,也能顧及環境永續。青山國中小協力造屋的 15 門課之一,探討有關能源的生成,蓋一幢好房子,除了被動地選擇節能 (綠) 建材,如何運用陽光、風力等實踐主動生產能源?也是一個重要的課題。因此,考量校園用電總量管控,不希望新增學校用電負擔,又希望實現自給自足的綠能供電系統,於是開啟了「太陽與北風論戰」。到底採行太陽能發電好呢?還是風力發電好呢?汐止潮濕多雨適合太陽能發電嗎?風力發電噪音大會干擾教學嗎?一天中太陽能發電量的生產曲線,對照學校作息用電量的尖峰曲線呈高度正相關,所以採行太陽能比較適合嗎?汐止盛夏日照旺盛,秋冬雨多風強,若採行太陽能風力發電互補能源整合系統可行嗎?權衡上述利弊得失,最終以教育目的及經費考量,擇定安裝太陽模組,規劃設計12 片矽晶太陽能電池安裝在中庭,最高發電功率為3 峰瓩 (kWp),1 日最高可供 7-8 度 (kWh) 用電),讓師生可以親眼目睹光能轉換電能,太陽能電池輸出為直流電,室內加裝 1 組直 / 交流轉換器,可以提供綠宅教學用電。

透過太陽光電系統,在汐止青山國中小綠能宅的實驗方案,希望喚起親師生共同關心與我們社會、環境息息相關的能源議題。

太陽光電的 7 堂課

  1. 發電原理: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。簡單的說,太陽光電的發電 原理,是利用太陽電池吸收 0.2μm ~ 0.4μm 波長的太陽光,將光能直接轉變成電能輸出的一種發電方式。太陽電池產生的電是直流電,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,才能供電使用。所以太陽能發電是利用電位差發電,並無電磁波產生。
  2. 系統大小:1 峰瓩 (1kWp,裝置容量的單位) 4 片太陽能板 (1kw),每片尺寸約 170 * 100 公分,所需 8 平方公尺 (約 2.5 坪),本校裝置容量為 3 峰瓩計 12 片。
  3. 發電多少:太陽能系統設置位置的日照量越高,發電量就越高。根據能源局 2014 年公布的數據顯示,大台北地區日平均發電量 2.63(kWph/day/kWp),本校設置 3 峰瓩 (kWp),所以初估日平均發電量約 7-8 度 (kWh)。
  4. 方位角度:全年裡吸收最大能量產出最多電量,太陽能模板需避免遮陰,面對正南邊。為使光電板在冬天接受較大陽光,以緯度加上 10~15 度作為傾斜角度,台灣緯度 23 度則需傾斜 33~38 度。
  5. 保養維護:太陽能板的每個組件所用的矽晶片,它的電特性要基本一致,否則將在電性能不好或被遮擋的區塊,產生所謂熱斑效應 (電阻),影響發電效能,平日雨水自然清洗,也要防止落葉塵土推積。
  6. 太陽能車:宜鼎國際教育基金會及二信高中攜手贊助青山太陽能模型車社團,學生學習設計組裝自己的模型跑車,應用太陽電池模組,並挑戰在不同天候下光電轉換的待答問題。
  7. 玩 LED 燈:相較於傳統燈具,LED 燈的壽命是 7.5 倍,又可節電 70%,對環境友善不含汞,無 UV 紫外線更健康,低溫舒適、高能源效益。師生運用 WS2812B 燈條及 arduino 板程式設計,玩出閃亮木箱鼓、飛輪驅動燈光藝術等生活科技特色教學。