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產業技術評析

全球浮動式太陽光電技術發展趨勢
發表日期:2024-03-06
作者:楊舒喻(工研院)
摘要:
近年來,世界各國政府與企業愈發重視淨零碳排的發展目標,紛紛提出各種應對策略,包含低碳能源、再生能源極大化、設備電氣化、提升產品能源效率等,使得低碳能源與電氣化的需求增加。

全文:

一、淨零碳排目標促進浮動式太陽光電的需求

近年來,世界各國政府與企業愈發重視淨零碳排的發展目標,紛紛提出各種應對策略,包含低碳能源、再生能源極大化、設備電氣化、提升產品能源效率等,使得低碳能源與電氣化的需求增加。其中再生能源領域的太陽光電,其技術已相對成熟,長期均化成本已大幅減少,加上投資金額、施工期程普遍較風電等領域低且短的特性,使得太陽光電成為最具競爭力的再生能源之一。

然而,太陽光電案場的建置面臨人口密度高、土地資源稀缺性的限制,使得太陽光電導入到不同場域的複合應用成為全球的趨勢,許多國家也為此特別針對太陽光電應用到不同場域給予不同獎勵。浮動式太陽光電(Floating Photovoltaics,下稱FPV)也應運而生,其廣義為泛指利用水域空間、設施架設浮動或固定式的太陽發電系統,常見利用的場域或設施有水庫、滯洪池、埤塘、魚塭、淨水場及堤防等。

FPV系統自2007年在日本安裝第一座浮動式太陽光電系統後,相繼吸引多國投入建置,從國家別來分析,儘管中國大陸、日本、臺灣、印度、越南、韓國等亞洲國家與荷蘭較早投入浮動式太陽光電,引領浮動式太陽光電的裝置安裝的步伐,但已經有更多國家規劃建置浮動式太陽光電。Wood Mackenzie 2023年預估全球浮動太陽能市場到2031年將突破6GW的門檻(如圖1),並預估中國大陸、印度、印尼、南韓、越南、泰國、臺灣等國將累積較多裝置量。
 

圖1 浮動式太陽光電至2031年之累積裝置量-依國家區分

資料來源:Wood Mackenzie(2023)
圖1 浮動式太陽光電至2031年之累積裝置量-依國家區分
 

二、浮動式太陽光電簡介

FPV系統可以針對不同的目的以不同的方式進行設計。一般而言,FPV系統零組件主要有浮體(Float)或浮筒(Pontoon)、繫泊系統(Mooring System)、太陽光電模組(PV Module)、逆變器和電纜(Cable)等,而FPV系統將太陽能板安裝在不同的浮體或浮筒組成的平台上,並透過繫泊和錨固系統牢牢固定。如圖2所示。
 

圖2 浮動式太陽光電示意圖

資料來源:Ghigo A, Faraggiana E, Sirigu M, Mattiazzo G, Bracco G. Design and Analysis of a Floating Photovoltaic System for Offshore Installation: The Case Study of Lampedusa. Energies. 2022; 15(23):8804. https://doi.org/10.3390/en15238804
圖2 浮動式太陽光電示意圖
 

參考目前累積的浮動式太陽光電案場實績,它們皆根據安裝目的採用不同設計與材料,根據挪威管理系統驗證機構DNV於2021年發布之DNV-RP-0584文件《Design, development and operation of floating solar photovoltaic systems》,將浮動式結構分為純浮體、模組化浮筏、聚合物膜等三種主要類型,分別陳述如下:
 

  • 純浮體 (Pure floats,如圖3):此類FPV陣列的特點是將太陽能模組直接安裝在浮體上,用於固定太陽光電設備的裝置(例如夾具/固定件)則被整合到浮體結構中。在這類系統中,最重要的是優化傾斜角度來提高發電量,補償由於結構上的負載而增加的錨固系統成本。

圖3 純浮體之圖示

資料來源:DNV(2021)
圖3 純浮體之圖示
 

  • 模組化浮筏(Modular rafts,如圖4):此類FPV陣列的特點是由浮筏支撐的結構框架。儘管這個系統提供更好的冷卻效果,但發電量會受到影響,且浮體系統的成本可能更高。
     

圖4 模組化浮筏之圖示

資料來源:DNV(2021)
圖4 模組化浮筏之圖示
 

  • 聚合物膜(Membranes,如圖5):此類FPV陣列的特點是太陽光電設備安裝在強化膜上,該膜由管束環等其他結構支撐,以提供額外浮力。此類與其他兩類相比較少採用,不是FPV的主流解決方案。然而由於橡膠墊可以完全覆蓋水體,在缺水地區是一個不錯的選擇,且基於聚合物膜的FPV系統與水充分接觸,讓太陽光電模組在較低的溫度下工作,發揮更高的發電效率。此外,這個浮體平台的強度足以承受安裝和維護時的重量,同時又具備適應波浪的靈活度,使基於聚合物膜的FPV系統成為離岸應用的首選方案。惟安裝成本高,且無法安裝可調式太陽光電模組。
     

圖5 聚合物膜之圖示

資料來源:DNV(2021)
圖5 聚合物膜之圖示
 

整體而言,設置浮動式太陽光電的優點包括:1)利用閒置的水域空間發展浮動式太陽光電,創造額外收益;2)水域空間的水能對太陽能板產生降溫作用,從而提升發電轉換效率;3)浮動式太陽光電所需的大型水域,其所有權人多為政府機關、國營事業,因此土地取得與整合上較地面型太陽光電容易;4)透過在水面上架設浮動式太陽光電,能覆蓋部分水面,降低水氣蒸發,提高滯洪力,降低光合作用,抑制藻類生長,延長水庫使用壽命;5)由於更容易得到水,清潔FPV系統的成本可能更低,且可以更頻繁清洗;6)可利用既有水力發電場域的饋線,降低整體投資成本。

另一方面,裝置FPV系統相對應的挑戰包括:1)錨定和繫泊系統的選擇和設計可能會根據安裝位置的流域底部土壤類型、水深、最大水位變化等形態而改變,且繫泊線的數量會隨著FPV尺寸增加而增加;2)浮動式太陽光電較難更換零組件,且高濕度環境與生物汙垢可能會加速腐蝕,增加維運的困難;3)浮動式太陽光電阻擋部分光照射到水面,可能會降低水下生物量和光合作用速率,也會降低水中的含氧量,對環境影響的不確定性高;4)電纜、接線盒、保險絲和其他系統平衡(BOS)零組件在潮濕環境的壽命會受到影響,且電纜和連接器浸入水中可能會導致漏電、絕緣電阻低、電纜腐蝕,最終發生斷電的情形;5)浮動式太陽光電的發展歷史較地面型短,且位於離岸、高波浪地區的技術成熟度(TRL)較低;6)浮動式太陽光電目前仍處於起步階段,尚無具體標準。

三、浮動式太陽光電邁向離岸海域

近年浮動太陽能的快速普及,讓越來越多FPV系統的應用的案例,從封閉的湖泊、水壩、水庫等內陸水域逐漸拓展到近岸,但目前在離岸的部署仍非常有限,因為相較於一般水域的浮動式太陽光電,離岸浮動式太陽光電需要克服波浪、強風以及鹹水腐蝕等嚴峻環境加諸於上的挑戰。其中,FPV系統中不同零組件注重的要點如下:

浮體(Float)/浮筒(Pontoon):浮筒結構透過將浮體相連而成,具有足夠浮力來承載系統。浮體多半由高密度聚乙烯(HDPE)製成,具有抗紫外線、耐腐蝕、免維護、可回收且良好的拉伸強度;也有少數採用玻璃纖維增強型複材(GRP)製成。模組化平台透過指定的路徑連接在一起,以便進行操作和維護。

太陽光電模組(PV Module):太陽光電系統將太陽光轉換成電能,到目前為止,浮動太陽光電系統可適用一般標準矽晶太陽能模組,上層的玻璃具有較低的水滲透性,可保護太陽能板免受內部腐蝕。目前FPV電廠多使用雙玻模組。然而,隨著越來越多的項目安裝在鹹水水面上,將需要特殊模組來抵抗長期鹽霧的暴露。此外,也有業者使用追日系統搭配雙面發電模組以提高發電效率,在鹹水水面也需要使用如聚合物製成的框架來替換標準鋁框架和支架。

繫泊系統(Mooring System):為了使浮體結構保持在固定位置,同時確保平台能夠承受水位的變化,平台透過繫泊線錨定在岸上或海床上。繫泊裝置的數量和布局與海上設施的安裝地點和氣象條件緊密相關。設計取決於案場的海底條件,特別是海床的類型,岩石或砂質會影響錨(anchor)的類型。繫泊裝置可以由鋼鏈、鋼線以及尼龍或聚酯纖維製成的合成繩來製造,而錨則由混凝土壓載物或基樁製成。

電纜(Cable)與連接器(Connector):實務上電纜可能在水上或水下。水下電纜將FPV系統產生的電力傳輸至陸上變電站,因此其電纜管理和佈線都需要仔細規劃,也應為風、波浪、水位等外力導致FPV系統移動提供額外的電纜長度。另外,由於逆變器和設備平衡(BoP)零組件處在高濕度和波浪運動中,因此確保足夠的侵入保護(IP)等級至關重要。

四、離岸浮動式太陽光電重要實績

表1列舉目前全球已進行的離岸浮動式太陽光電,以及其設置地點與重要參與者。
 

表1 重要的離岸浮動式太陽光電計畫
計畫名稱 地點 裝置容量 應用類型 主要參與者 進度
SolarSea 馬爾地夫 25kW 浮橋式FPV系統 奧地利Swimsol、維也納科技大學和德國Fraunhofer 2014年推出解決方案,後續導入到多個專案
(無) 挪威特倫德拉格縣Frøya市的Frøya島 80公尺x80公尺的太陽能裝置 模組化 挪威的離岸風電巨頭Equinor、科技公司Moss Maritime 2021年夏季末設廠
Woodlands專案 新加坡柔佛海峽 5MW 純浮體搭配自適應屏障繫泊系統 新加坡太陽能開發商Sunseap Group 2021年完成安裝
(無) 山東半島南3號離岸風場 500kW 環形浮體單元 中國大陸國家電力投資集團、Ocean Sun 試驗期滿後,2023年沿用Ocean Sun的技術建置20 MW的浮動式風光整合專案
SEAVOLT專案 比利時奧斯坦德港附近的Blue Accelerator測試平台 N/A 模組化 Tractebel、DEME和Jan De Nul 從2023年8月起投入營運,收集數據至少一年
North Sea 2計畫 北海 400kW 模組化 荷蘭Oceans of Energy與DNV 2023年400kW,並計劃2024年擴大到1MW
Merganser 比利時奧斯坦德近海 500kW 獨特的三角形平台模組 德國RWE、荷蘭/挪威公司SolarDuck、代爾夫特理工大學、TNO、MARIN、 Deltares 2024年底前完成測試和監測
Hollandse Kust Noord ONE 北海Hollandse Kust Noord荷蘭離岸風場內 500kW 模組化 殼牌與Eneco合資企業CrossWind、荷蘭Oceans of Energy 預計2025年建成
(無) 馬來西亞刁曼島海岸 780kW 六角形平台模組 SolarDuck、TNB Renewables、TNB Research以及鋁和能源公司Hydro Extrusion Bulgaria 預計2025年完成安裝

資料來源:工研院產科國際所ITIS研究團隊(2024/03)
 

根據目前離岸浮動式太陽光電計畫的發展,可知相關的研究與創新在歐洲國家較為蓬勃。這類的部署模式對於人口稠密、陸地面積較小的國家更具吸引力。最早是奧地利Swimsol、維也納科技大學和德國Fraunhofer研究機構於2014年推出SolarSea離岸浮動式太陽光電解決方案,後續成功應用在馬爾地夫等島嶼和熱帶國家。

中國大陸國家電力投資集團的山東半島南3號離岸風場導入FPV案,為山東省首個重點支持的風光一體化項目,是首創的商業規模化的浮動式太陽能發電廠,目前已完成試運轉,同時也是首創的浮動式太陽能結合離岸風電的風光複合發電廠,但其設計與技術上仍然採用Ocean Sun的彈性薄膜與錨固系統,且兩座浮台共計裝置容量500kW,與國家電投所有的風機變壓站連接,並透過風場海底電纜傳輸電力並將電力併網。

我們也可以看到歐盟國家推動離岸浮動式太陽光電的積極性,如歐盟Horizon 2000推出總規模4億歐元之”Bringing Offshore Ocean Sun to the global market”計畫,補貼挪威Ocean Sun、法國INNOSEA、西班牙PLOCAN與ITC。其中荷蘭格外積極推動,如Merganser太陽能平台獲得荷蘭企業局(RVO)示範能源和氣候創新(DEI +)計劃補助780萬歐元;此外,荷蘭透過頂級知識創新離岸風力聯盟(TKI Wind op Zee)和荷蘭城市能源協會(TKI Urban Energy)向三組團隊提供資金進行離岸太陽光電的研發等,其中SolarDuck參與到其中兩個項目,一個是與TNO研究離岸浮動式太陽光電的耦合和建造的成本,另一個是與MARIN提升風、波浪與離岸浮動式太陽光電的輕質結構相互作用的建模技術。

目前離岸浮動式太陽光電屬於潔淨能源的新興概念,越來越多公司朝向不同方向去發展,故還未有統一標準,且惡劣的海洋環境對於系統的長期穩定和可靠度的挑戰,也會形成建置與維運的風險和相應的高昂成本。因此,離岸太陽光電的發展性將取決於其商業可行性以及與目前市場上其他非再生和再生能源的經濟性競爭。除了透過深化技術降低離岸浮動式太陽光電的均化成本之外,未來有潛力發展的路徑可能是與水力發電廠或離岸風電共址部署(colocate),如此將能運用既有的基礎設施連接到電網以降低成本,共享維運成本,並提升專案的整體收益。

五、結論

我國積極推動再生能源,尤其在太陽光電與風力發電領域皆取得顯著進展,然而,隨著裝置容量不斷提升,我們已經開始面臨不同利害關係人對土地資源利用的觀點差異以及相應的抗爭。因此,擴大再生能源的應用場域就成為持續努力的重要議題。本文簡要介紹浮動式太陽光電的技術,並討論了世界各國較早投入的設置情況,且進一步延伸到離岸浮動式太陽光電的新興發展。儘管目前仍處於百家爭鳴的階段,但仍可以觀察到歐洲國家在該領域的積極發展。相形之下,我國雖然擁有深厚的太陽光電產業能量,但目前尚未積極佈局離岸浮動式太陽光電,建議我國評估臺灣離岸浮動式太陽光電的潛力,擴大對於離岸浮動式太陽光電的研究,並及早規劃不同再生能源、以及土地複合利用的協同發展。
 

(本文作者為工研院產科國際所執行產業技術基磐研究與知識服務計畫產業分析師)


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更新日期:2020-04-08

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