能源知識庫

重點摘述

在地球上，太陽能被認為是最純淨無污染的能源，每年太陽照射到地球的能量約1200億MW，能量是全世界用電量的1萬倍。大體上，太陽能可區分為光能與熱能。目前常見利用太陽能面板將太陽光能轉換成電能，其轉換效率可達15~20%，但太陽能面板所吸收的能量範圍為光波長200~800 nm，此光波段的能量只占太陽總能量的58%，如圖1所示。在太陽熱能方面，利用熱管技術或聚光技術加熱使水溫增加，以提供日常生活使用，達到減少用電之效果。現今利用太陽熱能轉換成電能之相關技術仍屬實驗室型建置階段，利用熱電發電模組之熱電轉換效應將太陽熱能轉換成電能，各國科研機構正積極研發中。目前，熱電發電效率約5%，雖然發電效率低於光電發電效率，但根據Eric S. Toberer研究團隊的相關研究報導，熱電發電模組的發電效率可望被提升至15.9% [1]。再加上太陽能全波段(200nm ~ 3000nm)皆具備熱能，因此若是利用熱進行發電有機會高於光電轉換器之轉換效率。

圖1 太陽光全波段之能量分布

從專利檢索與解析以分析各國在太陽熱電發電系統的發展。專利檢索資料庫包含美國專利局、歐洲專利局、日本專利局、韓國專利局、台灣專利局與大陸專利局，專利年份是1992到2012年5月。檢索有關太陽熱電發電裝置，可檢索出兩百多篇相關專利。圖2為匯整歷年的專利數量分析圖，在專利數量分析分為申請日與公開/公告日，黑色表示是申請日專利數量，紅色是公開公告日專利數量。由申請日專利數量可觀察到從2004到2009年專利申請數是逐年增加，但2009年之後申請數量呈現下降趨勢。基於專利申請18個月不公開的原則，所以呈現下降的趨勢。若搭配公開公告日專利數量，整體而言，從2004至今的專利數量是逐年提升，顯示有關太陽熱熱電發電裝置屬於熱門的研究課題。

圖2 1992年至2012年歷年太陽熱電發電裝置專利數

圖3為有關太陽熱電發電裝置的技術生命周期圖。從圖3中可發現，此技術發展可分為3個時期。首先是1993到1998年技術處於萌芽期階段，這個時期投入研發的公司以及專利數都為少數。接著是1999到2004年，可以觀察到這時期的專利權人與專利數呈現來回震盪的趨勢，顯示這是一個技術突破期。從2004年至今，可看到專利權人數與專利數大幅增加，至今此技術仍屬處於快速成長期。另外，由此圖可看到，每一年份，專利權人數與專利數皆呈現大約1比1的狀態，顯示目前尚未有此技術集大成之公司出現，亦顯示此項技術仍有需多值得投入研發之處。

圖3 太陽熱電發電技術生命週期圖

各國有關太陽熱電發電的專利數量顯示於圖4。由專利所屬國分析可知，目前，中國大陸的專利數量多達73篇，多於最早從事熱電相關研究的美國。原因可能是因為製作熱電模組相關的材料礦產大多出至於中國大陸，再加上未來主要市場效應，造成中國大陸的熱電專利數量快速增加。專利數量的第三名與第四名，分別是韓國與日本。顯示南韓與日本也重視太陽熱電發電裝置科技研發。

圖4 各國有關太陽熱電發電的專利數量

由兩百多篇太陽熱電發電裝置發展技術相關專利中分析匯整於表一。表1顯示，各個國家投入研發太陽熱電發電系統的主要技術。如表1所示，太陽熱電發電系統的主要技術可分為熱電晶粒研發技術、集熱板技術、散熱器技術、模組組裝技術和系統設計，共五項。由表1可知，各國家的集熱板技術與系統設計相關的專利數都是領先其他技術，顯示目前這兩項技術是最受重視，借由這兩項技術有助於實際使用太陽熱電發電系統於日常生活中。除了集熱板技術與系統設計，熱電晶粒的性能研發也是刻不容緩，唯有不斷的提升熱電材料的熱電轉換效率，才能有效的降低系統成本以及發電效率。

相較於其他國家台灣在太陽熱電發電系統起步較晚，故相關技術專利數量遠低於其他國家。但由本次調查可發現太陽熱電發電技術尚未達到技術衰減期以及尚未出現技術集大成之公司。因此，仍有許多相關技術值得投資發展，例如發展低熱阻發電模組和高效率熱電晶粒。亦可將熱電發電系統利用於新熱源發電，如工業廢熱。在國內從是熱電研究的科研單位不多，對於相關技術仍需投入大量人力與研究經費。亦可借鏡國外的研發經驗和透過國際合作，快速提升我國的熱電研發能量。

表1 於太陽熱電發電裝置相關技術各國發展方向

參考文獻:

1. Lauryn L. Baranowski, G. Jeffrey Snyder and Eric S. Toberer, Concentrated solar thermoelectric generators, Energy & Environmental Science, 2012, 5, 9055