:::

產業技術評析

VIPV全球發展現況與未來展望
發表日期:2023-03-22
作者:楊舒喻(工研院)
摘要:
全球多個國家為了因應淨零排放的目標,陸續推動相關策略來促成能源轉型,如低碳能源、再生能源極大化、設備電氣化、提升產品能源效率等。

全文:

一、VIPV簡介

全球多個國家為了因應淨零排放的目標,陸續推動相關策略來促成能源轉型,如低碳能源、再生能源極大化、設備電氣化、提升產品能源效率等。再生能源當中,太陽光電由於技術相對成熟,且設置成本已大幅降低,成為各國首要投入標的之一。太陽光電設置量大量增加,有助於節省化石燃料消耗,並減輕空氣污染對於環境及健康的危害。近年已大量朝向用電端的應用,包括商業、工業與住宅。相比之下,太陽光電整合到交通運輸領域的技術仍然在發展中,著眼於運輸部門的排碳需求,相關技術備受市場的關注。

交通運輸相對其他產業而言,對化石燃料的依賴度更高。根據IEA(2021)統計,約占整體產業二氧化碳排放量的37%,其中公路運輸系統約占75%。各國針對運輸系統設定許多政策目標,以歐盟為例,2021年調高目標,要求2030年歐盟註冊新款轎車、廂型貨車平均排放量分別較2021年上限減少55%與50%,2035年新車排放量歸零。政策促使車商大力投資於永續運輸的創新技術,其中有一種解決方案是透過電動汽車(EV)實現運輸電氣化。目前電動車除了價格偏高外,仍存在一些侷限,包含有限的自主性、需要頻繁充電,且電動車電力來源會與國家能源結構有關,而多數國家仍高度仰賴化石燃料。因此,改變電動車電力來源,採用低碳能源,將有助於電動車的減排。此外,若搭配智慧化的雙向充電樁,亦有機會開拓更多的商業模式創新。

新興的車載整合太陽光電系統(Vehicle-integrated PV, VIPV)技術可望緩解這些不利因素。概念上是太陽能電池經由光線照射後,把光能直接轉換成電動車的電能,效益包含續航里程增加、減少對電網電力的需求,使電動車更環保,也能減少整個車隊的碳排放。近年VIPV的計畫數量迅速增加,正進行商業報價和研發計畫的VIPV涵括於不同類型的車種,如小客車、露營車、火車、貨車、輪船、飛機等,它們平均使用的太陽光電面積迥異,儘管小客車的可用表面積最少,但市場上卻以小客車相關的計畫為大宗,這可能與太陽光電成本大幅下降、以及電動車的市場銷量息息相關。

VIPV的減排效益取決於當地的太陽輻射量、PV模組的轉換效率、車體能儲備的電力、當地電網的碳強度(Carbon Intensity)、以及駕駛人開車習慣等。相較於傳統電動車,加裝PV能額外產生的減排效益,如圖1所示。假設車載PV電力利用率低的時候,電網供電的碳排量較小,但隨著車載PV利用率的提升,兩者會先交於點A,指的是兩者碳排相同,而後車載PV產生的正向效益,將隨電力利用率的提升而增加。
 

圖1 車載PV/電網碳排與電力利用率的關聯

資料來源:IEA(2021)、工研院產科國際所ITIS研究團隊(2023/03)
圖1 車載PV/電網碳排與電力利用率的關聯
 

衡量VIPV經濟效益的方式與上述相仿,以每kWh多少費用的方式來表示裝置PV的初始成本,效益將為車輛在整個生命週期免去電網充電的成本節約,由此設算出要達成損益兩平的最低電力利用率。經濟效益下的最低利用率也如同減排效益下的最低利用率,會受到VIPV技術、地區的條件、與個人的習慣等而有所差異。

二、VIPV技術概論

車載整合太陽光電系統,除了需要符合監管機關針對車輛的安全性試驗、噪音規範、溫室氣體與懸浮微粒排放管制等之外,為滿足終端用戶的需求,也需重視以下的指標:

1. 安全性:通常有指標進行確認。概念上,內部必須具保護性,且發生事故時車輛必須最可靠。整合在車頂或車身的PV模組需滿足相關的汽車安全標準。

2. 可靠性與耐用性:平均來說,一台車的生命週期已超過10年,並持續增加。期望車子的性能和外觀上都保持良好的狀態,在其生命週期內無需過度維護;如果需要維護,則也必須是在可接受的成本範圍。

3. 產品的售價及其生命週期的獲利能力:車輛投入額外花費加裝的特定技術,必須產生對用戶而言的重要功能,或從長遠來看可以回收成本。例如,對於太陽能板,可以設定條件,即技術的額外成本應轉化為燃料節省的收益,並在數年內回收。

4. 功能性:用戶期望產品能夠實現某些功能。例如,PV模組的功能在於為車輛、車載設備供電,但可能也會有提供輔助動力的功能。

5. 美觀度:預期車輛的美感也至關重要,現階段使用非深色的太陽能板會犧牲轉換效率,但客戶可能會願意為了美觀而有些折衷。

太陽能電池技術和模組封裝方法是實現VIPV的重要因素。傳統的模組是平面、不可撓、且重量較大,需要進行調整才能整合到電動車裡,而且有限的表面積提高了對高功率密度模組和高曲面開發的需求。除了講究性能、安全性、可靠性等關鍵指標外,還需兼顧美觀、重量輕且能夠彎曲。這些目標彼此相互衝突,且目前成本面仍是一大挑戰,材料和技術應保持成本競爭力。但目前受限於計算車載整合太陽光電系統發電量之統一標準的缺乏,也尚未決定出合適的汽車和太陽光電規格標準,因此難以藉由規模化生產降低成本。目前採用的電池模組技術大致可分為曲面PV技術(Curved PV Technologies)、可撓式PV技術(Flexible PV Technologies)、輕型PV技術(Light PV Technologies)三種。

曲面PV模組通常為雙層玻璃或玻璃加背板的設計,電池採用單晶矽疊瓦電池(如:鈍化射極與背面太陽電池(PERC)、金屬貫穿式背電極太陽電池(MWT)、交趾式背電極太陽電池(IBC)),或異質結技術(HJT)太陽電池。曲面PV模組是目前VIPV中最常見的技術,儘管重量較高且缺乏美感;然而其與一般太陽光電模組的相似性確保了合格材料容易取得、價格具相對優勢,進而具備高可靠度和高耐用度的潛力。

可撓式PV模組基於多種技術,主要是單晶矽IBC電池、有機太陽電池(OPV)、銅銦鎵硒(CIGS)薄膜太陽電池或非晶矽(a-Si)薄膜太陽電池。可撓式PV模組在近年新的VIPV計畫中最受青睞,其優勢在於功率密度不但接近一般太陽光電模組,而且其重量更輕,因此加裝在現有或嶄新的車輛上,增加的重量有限。預期這類模組在市場積極研發相關材料,以及其適用於不同場域(包含VIPV)的市場潛力而言,將使其轉換效率持續提升、市場份額增加,也有機會進而發展出新一代的VIPV技術。

輕型PV模組採用單晶矽電池或各種薄膜電池,如:有機太陽電池(OPV)、銅銦鎵硒(CIGS)薄膜太陽電池、非晶矽(a-Si)薄膜太陽電池。輕型PV模組是目前最有潛力的技術,原因在於其輕巧且剛性或曲面的特性,最有機會與車輛完全整合,成為車身的一部分,並形成3D曲面。目前有許多計畫採用複合材料,並持續投入輕型曲面太陽光電模組的開發。

綜上所述,現階段矽基電池模組是市場裡性能和價格之間的折衷選擇,且其可靠度較高,但弱點是在彎曲時缺乏靈活度;III-V族多接面太陽能電池具高轉換效率,因此日本Toyota和Nissan皆已應用到太陽能車輛,但技術上需克服材料昂貴,以及反射光譜的誤差損失;薄膜型太陽能電池雖然能源轉換效率較低,但靈活、穩定、耐用的特性具有製造部份立體車身的潛力;鈣鈦礦電池雖兼具高效率、低成本和靈活性的潛力,但由於缺乏可靠耐久性與良率,目前尚未大規模生產。

三、全球VIPV發展現況與挑戰

根據市場研究機構Markets and Markets(2019)的預測,2022年VIPV市場會達到8,955輛,以歐洲區域與亞太區域為主,分別占62.5%與27.9%;到2030年將增加到107,380輛,年複合成長率為36.4%,雖然仍以歐洲區域與亞太區域為主,但亞太地區的年複合成長率更高,占比分別為43.7%與50.0%。

近年來,許多計畫、財團、新創公司皆致力於投入VIPV市場,其中又以太陽能小客車為主。第一個引起社會大眾關注的商業模式是搭配太陽能屋頂的插電式混合動力汽車(Plug-in Hybrid ,PHEV)。除了一些概念原型的計畫以及一些特殊車款外,目前市場上看到的太陽能電動車,如Audi e-Tron Quattro、Toyota Prius Plug-in Hybrid、Sono Motors Sion、Hyundai Sonata Hybrid、Hyundai Ioniq 5、Fisker Ocean、Aptera、Lightyear One、Mercedes-Benz Vision EQXX等,大都是在車頂上整合太陽光電,但也有些額外在車輛的引擎蓋、車側等其他部分整合太陽光電。

儘管整合太陽光電系統能帶來顯著的效益,但汽車行業對太陽光電技術的採用,還處於百家爭鳴的早期階段,且進展速度緩慢。這可能歸因於以下幾個因素:1)太陽能性能、成本或整合方式並沒有如預期的迅速或達到期望的程度;2)預期收益不易實現,或具有很多不確定性且難以量化;3)經成本效益評估後,不足以證明技術可以達到商業化;4)主要利害關係人,包括汽車製造商、車隊營運商、最終用戶等,對技術缺乏認知和信心;5)支持VIPV的友善政策環境尚未到位等。

這也回應到VIPV需要滿足的構面,如安全性、可靠耐用性、成本效益面、功能性、美觀性,彼此之間互相牽制,需要因應需求與策略進行取捨。VIPV的潛力可以透過發電量的多寡來評估,一方面是來自於電池的轉換效率,另一方面則是光照強度。

光照強度除了有地域的差異以外,據研究顯示,相同條件下,遮蔭(停車地點、樹木與建築物遮蔽)會影響發電量;加裝在不同車體位置的模組,接收的光照不同,受到遮蔽的影響也不同;車速較快、冬季晴天的時候發電量較佳。從設計的角度,由於無法預知環境條件與人為習慣,因此只能盡可能地提升轉換效率的技術,並搭配太陽能控制器(MPPT)來獲得高輸出功率,同時優化設計方面的能力來強化光照接收的面積。

然而,VIPV的安全性、可靠性在汽車產業可能更為重要,相關的標準及驗證制度有待確立,各國可能也會有不同的規範,這個過程在封閉、高門檻的汽車產業將需要較高時間與成本。同時也需要持續擴充世界各地的數據,如氣象、太陽輻射量、汽車行駛與停駛等,以及實際行駛後的發電量、損壞程度、折舊程度,才能更精準掌握這些因素的關聯性,回饋到VIPV的設計,進而提升VIPV的安全性、可靠性與功能性。

四、結論

近年許多國家政府以退稅、補貼、法規的形式支持開發對環境友善的汽車,並推廣環保汽車的採用。從技術的角度,由於電池技術、充電技術的演進和車輛續航里程的增加,市場對於零碳排車輛的需求也在增長,可能會推動電動車的銷售,進而開拓全球VIPV市場的發展。目前,太陽能整合在車輛成為補充電源,以減少對於傳統電網充電的需求,也可以實現車輛更高的續航力。除了持續精進VIPV的競爭力,近年許多企業皆已布局車輛到電網(V2G)的技術,未來太陽能車輛搭配雙向能量傳輸技術,將能夠開發新的車輛到家庭(V2H)和車輛到電網(V2G)解決方案,擴大太陽能車的效益。在拓展VIPV經濟效益的同時,由於極大化發電量,太陽能電池可能需要全天候吸收光能,因此也需要優化車輛系統的能耗,透過能源管理實現環境效益。
 

(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)


* 點閱數257
更新日期:2020-04-08

回上一頁 回首頁