Smart Energy Week 2019 日本現場報導系列二

 

刊登日期:2019/3/5
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王文獻、陳錦城、曾寶貞/工研院材化所
 
2019年Smart Energy Week的展示內容包括了氫/燃料電池及太陽電池、二次電池、風力發電、生質發電、火力發電及Smart Grid等,從材料到組件、系統、應用與因應未來大量廢棄太陽能板所衍生的問題,在今年新增了第一屆資源Recycle展示會。日本從福島核災後開始積極推動再生能源加速建置,目前在能源開發與使用上已具有相當的經驗,因此本次的展示議題日本廠商主要在解決與因應2019年電業自由化後的價格與成本的挑戰,以如何有效的節能與儲存,來達到net Zero。也因此,今年展示會場的主題仍圍繞在以ZEH(Net Zero Energy House)或ZEB(Zero Energy Building),藉由導入AI、IoT等管理模式與不斷的創新設計提昇效率,來達到能源最有效利用,而這也是今年日本再生能源產業的努力目標。
 
ZEH/ZEB政策推動下 自發自用減少電網負擔為面對2019年的最佳方案
延續日本政策議題,由ZEH(Net Zero Energy House)與ZEB(Net Zero Energy Building)的解決方案可發現,未來的能源政策不僅在創能,同時也要能符合節能與儲能的3合1目標,最終希望能在2030年有50%的新建住宅能達到ZEH的目標(圖一) 。
 
圖一、日本政策議題ZEH示意圖
圖一、日本政策議題ZEH示意圖
 
Panasonic利用自家的HIT電池模組與儲電電池,展示新一代的家用儲能系統AiSEG2,整合太陽能系統、儲能系統、能源管理系統與物聯網,產品特點著重在結合人工智慧。該系統可以根據前一天天氣預報與用戶平時生活模式,幫助客戶減少購電量 (圖二) 。
 
圖二、Panasonic公司HEMS能源管理架構說明
圖二、Panasonic公司HEMS能源管理架構說明
 
另外,SHARP公司的Back Contact Cell與TOSHIBA的經濟型多晶高電壓型模組也都利用自家的獨特太陽電池模組與儲電電池,推出與ZEH/ZEB相關的儲電與HEMS管理。同時,以AI與IoT技術的整合方案,從儲能下手,透過補助鼓勵用戶增加儲能設備 (圖三),自發自用減少電網負擔為面對2019年的最佳方案。
 
圖三、SHARP利用自家的ROBOHON連結HEMS進行智慧儲能管理
圖三、SHARP利用自家的ROBOHON連結HEMS進行智慧儲能管理
 
高效PV電池/模組技術
堆疊(Shingled Module)模組,是今年展場很熱門的產品之一,主要廠商為中國廠商,因應各家需求設計的規格整理如表一。
 
表一、 主要廠家現場展示高效堆疊(Shingled Module)模組特性說明
表一、 主要廠家現場展示高效堆疊(Shingled Module)模組特性說明
 
開發堆疊的太陽電池模組可以減少Ribbon的使用,因此可以增加電池表面的受光面積,約可提昇7%的效率,同時可以降低電池的阻抗 (圖四~五) 。
 
圖四、RISEN&YING LI&SUNTECH的堆疊(Shingled Module)模組
圖四、RISEN&YING LI&SUNTECH的堆疊(Shingled Module)模組
 
圖五、SERAPHIM公司的高效HIT&雙面堆疊(Shingled Module)模組
圖五、SERAPHIM公司的高效HIT&雙面堆疊(Shingled Module)模組
 
Half-Cut電池模組
雖然之前已有部份廠商發表過半片式的模組結構,不過今年的展示廠商結合Multibus-bar與Bifacial雙面發電的電池,使得電池模組的發電效率大幅提高,幾乎都超過300W的發電量。同樣的展示廠商仍以中國廠商為大宗,相對本地的日本廠商則較少有半片式電池模組發表(表二)。
 
表二、現場廠家展示的Half-Cut結合多重閘線的高效電池模組特性
表二、現場廠家展示的Half-Cut結合多重閘線的高效電池模組特性
 
從SUNTECH的說明圖片可看到,採用Half cut+Bifacial的電池模組除了發電效率增加外,對於應用場域如水上型或雪地環境等更有增加發電效率的功效,因此是值得留意評估的產品技術。(圖六)
 
圖六、SUNTECH的Half cut+Bifacial的電池模組與效能優勢
圖六、SUNTECH的Half cut+Bifacial的電池模組與效能優勢
 
圖七、RISEN & Q-CELL開發的Half cut+Bifacial的電池模組外觀
圖七、RISEN & Q-CELL開發的Half cut+Bifacial的電池模組外觀
 
輕量化Bifacial模組
不論是Half-cut搭載Bifacial或是單獨Bifacial電池模組,過去為了確保裏面層要維持透光,所以雙玻璃封裝為必要製程,但是玻璃重量會導致架設安裝成本增加,因此DMM在這次的展示會展出強化薄型玻璃加上透明塑膠背板來降低模組重量。現場展示的標準電池模組重量(含鋁框)約9.5KG,比傳統雙玻模組約減輕40%以上 (圖八) 。
 
圖八、DMM-Bifacial輕量化模組
圖八、DMM-Bifacial輕量化模組
 
日本新世代高效電池開發現況與應用
從今年的展覽攤位一路看下來,總算看到日本SHARP跟TOSHIBA兩家廠商的新產品技術。其中SHARP的化合物薄膜電池模組具有31.17%的發電效率,同時因為薄型化(約15micron)所以同時具有輕量與彎曲性,未來有機會應用於車載及太空衛星等領域 (圖九) 。
 
圖九、SHARP化合物薄膜太陽電池結構與模組外觀
圖九、SHARP化合物薄膜太陽電池結構與模組外觀
 
SHARP化合物薄膜太陽電池的特點跟傳統不同之處在於將P/N接合層製作於晶圓Wafer上,完成後再從晶圓離層分離,因此可以具有彎折性,也由於多層接合,所以具有高發電效率。應用上,因為單位面積的發電產出量高於傳統矽晶電池,且其輕量化與彎曲特性更符合車載的應用與需求 (圖十) 。
 
圖十、SHARP化合物薄膜太陽電池模組的應用說明
圖十、SHARP化合物薄膜太陽電池模組的應用說明
 
Toshiba展示的印刷製程鈣鈦礦,主要由東芝、積水化學、東京大學等五家產學研共同研發而成,採用低溫150℃印刷乾燥製程,同時用耐溫樹脂作為基材,形成幅寬300mm的可彎曲鈣鈦礦太陽電池,雖然目前效率僅約11%,但耐候性已有提昇,未來也具進行Roll To Roll生產的可行性,達到低成本的生產製造。在應用上與SHARP的化合物薄膜一樣都希望應用於車載或移動裝置,作為補充電源 (圖十一) 。
 
圖十一、Toshiba的印刷製程鈣鈦礦(幅寬300mm)模組與結構說明
圖十一、Toshiba的印刷製程鈣鈦礦(幅寬300mm)模組與結構說明
 
模組封裝材料發展
雖然封裝材已是成熟產品,不過隨著像Bifacial電池模組對輕量化的需求,因此透明塑膠背板成為取代玻璃的新產品,目前由中來光伏展示其含氟多層背板,如圖十二。
 
圖十二、中來公司展示的氟系透明背板膜卷
圖十二、中來光伏公司展示的氟系透明背板膜卷
 
再者,由於回收的議題,傳統的Tedlar背板因為含有氟素成份,導致有害物質的疑慮,因此DSM提出使用新設計的Nylon+PO+PET之三層共壓出結構,作為水域場域高阻水阻氣需求的解決方案。根據現場人員的解說,DSM的背板膜層與SHARP的電池封裝整合可通過TÜV等的測試,使用上具高可靠性 (圖十三 ) 。
 
圖十三、採用DSM非氟背板的SHARP電池模組(6*7)
圖十三、採用DSM非氟背板的SHARP電池模組(6*7)
 
此外,也由於跟SHARP共同合作開發相關應用膜材,因此也開發配合Back contact或MWT電池用的圖案型導電背板,解決MWT反向漏電較大的問題。
 
圖十四、DSM開發的圖案化導電背板示意圖
圖十四、DSM開發的圖案化導電背板示意圖
 
風力發電展現場實況
全球風能領導廠商日立(HITACHI)展示風力機未來發展
此次日立主要展示風力機整合系統,研討會中說明日立未來發展規劃,其中特別強調中國、韓國、台灣及菲律賓的市場與未來投入規劃,並於研討會中特別說明台灣風力發展現況與日立未來投入規劃。需要考量颱風、地震及雷擊等重要因素為設計目標,目前日立公司正規劃在彰濱外海建立「離岸風力示範發電風場」,日立將負責21支發電量5.2MW的風力機製造、組裝、運轉及維護,未來設計可承受颱風和地震等天災的侵襲,亦將積極推動再生能源、綠能新經濟產業 (圖十五) 。
圖十五、日立(HITACHI)展示風力機整合系統
圖十五、日立(HITACHI)展示風力機整合系統
 
Stella Giken Co., Ltd提出日本第一創新運維輔助裝置自動爬升檢測載具
因應未來風電將面臨原廠保固逾期之運維成本與技術問題,增強風力機運維技術能量,各國在地運維商均極力爭取維修之市場,預估2025年光是台灣運維市場每年即可達近200億元新台幣規模。
 
風力機維護商亦要求塔架清潔與除鏽,需列入定期保養的工作範圍,目前傳統塔架清潔與除鏽,陸域使用高空作業車協助完成作業,離岸風力發電機則使用人員吊掛作業完成工作,不僅耗時又危險。根據統計,風力機維護作業安全主要以墜落為主,日本開發主動式塔架及葉片爬升載具,將有效避免人員墜落之風險,未來將有機會針對除鏽補漆功能擴增,可縮短維護時間。Stella Giken Co.,Ltd是一家開發創新垂直攀爬機器人的公司,開發Tenryu-Vmin,該產品長寬高為50x300x210,重量為8公斤,圖十六為Tenryu-Vmin垂直爬行裝置側視圖,主要以空氣負壓吸附裝置進行爬升。其中另一產品為電動吸附爬升輔具,如圖十七~十八所示。該產品僅1.8kg重,並可連續使用7小時,主要可協助應用於大型風力機塔架及葉片維修使用,提升運維技術並增加維護效能。
 
圖十六、Stella RTec Iic.發佈 Tenryu-Vmin塔架及葉片自動爬升載具,具備8個吸附裝置,如同八隻腳的機器人於垂直表面爬行
圖十六、Stella RTec Iic.發佈 Tenryu-Vmin塔架及葉片自動爬升載具,具備8個吸附裝置,如同八隻腳的機器人於垂直表面爬行
 
圖十七、壓式葉片及塔架自動吸附輔助裝置
圖十七、壓式葉片及塔架自動吸附輔助裝置
 
圖十八、葉片及塔架自動吸附裝置,可應用於粗糙表面依然能吸附
圖十八、葉片及塔架自動吸附裝置,可應用於粗糙表面依然能吸附
 
日立造船展示日本第一艘駁船式浮式海上風力發電系統示範機
NEDO和丸紅(Marubeni )、東京大學、三菱、日立造船、日本海洋聯合造船及三井造船公司等財團,完成了日本第一個配備離岸風力機的次世代浮式海上風力發電系統的示範機組,並於本次會展研討會中發佈相關技術與製造過程。該系統展示機採用稱為駁船式的浮體,即使在深度約50米的淺水區也可安裝,並配有雙葉片風力發電機,葉片受風負載比傳統三葉片式風力發電機降低很多,未來該公司亦將沿著北九州市海域牽引及繫泊,連接電力電纜,完成試運轉與示範 (圖十九) 。
 
圖十九、日立造船展示日本第一艘駁船式浮式海上風力發電系統示範機
圖十九、日立造船展示日本第一艘駁船式浮式海上風力發電系統示範機
 
基本結構以支撐海上風力發電機的外型來設計,後續將應用於約100米的深度,因此開發此次世代浮動式風力發電機是極具有競爭力的。然而,浮動式離岸風力發電機亦是一項艱難的挑戰。在此背景下,2014年NEDO啟動發展低成本的次世代浮動式風力發電機系統實證研究,在示範水域完成該駁船型浮動機身,搭載一具小型雙葉片的風力機,成為日本第一的駁船型浮動風力發電機系統示範機組,未來將可應用至2021年連接到九州電力計劃,該產品主要規格如圖廿所示,預計設置地點規劃如圖廿一所示。
 
圖廿、日立造船展示日本第一艘駁船式浮式海上風力發電系統規格
圖廿、日立造船展示日本第一艘駁船式浮式海上風力發電系統規格
 
圖廿一、日立造船駁船式浮式海上風力發電系統預計設置地點規劃
圖廿一、日立造船駁船式浮式海上風力發電系統預計設置地點規劃
 
全球風能領導廠商MHI Vestas Offshore Wind 將風力機艙的上平台搬上展示場,並以虛擬實境讓民眾體驗風力機實境
維斯塔斯與日本工業龍頭三菱重工創立總部位於丹麥奧胡斯的合資企業「三菱重工維斯塔斯海上風電公司」(MHI Vestas Offshore),於本次參展時將風力機艙的上平台搬上展示場,並以虛擬實境讓民眾體驗風力機實境。VR展現V164風力機內部構造,由機艙上面平台進入機艙內部,詳細介紹風由機械能轉為電能的各主要部件。MHI Vestas為海上風力先驅,此回再次向前推動界限,宣布海上風電行業商用發電機V164-10.0 MW,海上風電行業備受期待的兩位數障礙已被打破,MHI維斯塔斯海上風電展現了驚人實力 (圖廿二) 。
 
圖廿二、MHI Vestas 將風力機艙上平台搬至展場,透過虛擬實境讓民眾體驗風力機狀態
圖廿二、MHI Vestas 將風力機艙上平台搬至展場,透過虛擬實境讓民眾體驗風力機狀態
 
3M首創風力機葉片保護貼膜
風力發電機的葉片在運轉的強烈風況下,往往會遇到各種潛在環境因素,包含沙塵、雨滴及鹽害腐蝕,這些因子都有可能造成葉片嚴重的破壞,並降低葉片發電的效率。如果葉片劣化嚴重,更可能讓葉片破損,嚴重地影響整個風力發電機的運作。本次展覽中,3M展示該公司開發的風力機葉片保護貼膜,可應用於風力發電機葉片的壽命延長保護,幫助風力發電產業在惡劣環境中維持高性能與可靠度。從特殊葉片保護膠帶到擾流產生器及電力中間接頭,3M於本次展覽中展示並提供維修風力發電應用的產品與科技。
 
3M葉片防護膠帶採用堅固、高耐久性的聚氨酯彈性體製造而成,可抵抗雨水、沙塵及穿孔的侵蝕,即便長時間暴露於紫外線下亦可防止雨水、風塵和穿孔侵蝕。3M於實驗室嚴苛條件下,透過31小時以上的雨蝕實驗室測試,發現3M Wind Protection Tape 2.0能夠有效延長葉片表面三倍的保護時間 (圖廿三) 。
 
圖廿三、3M展示首創風力機葉片保護貼膜
圖廿三、3M展示首創風力機葉片保護貼膜
 
PolyTech 展示創新風力發電機葉片軟殼保護及相關葉片防護裝置
PolyTech的軟殼可保護風力發電機葉片免受雨水、冰雹和沙塵等顆粒侵蝕,同時展示用於風力渦輪機的防雷系統(LPS),符合IEC 61400-24第2版,PolyTech防雷系統(LPS)的關鍵是特別配製的聚氨酯配件,具有出色的抗雷擊性能,這些組件提供非常高的介電性能和熱穩定性,以及非常高的機械強度,使其成為抗雷擊的最佳防護(圖廿四)。該公司同時也展出抗雷擊保護裝置如圖廿五所示。
 
圖廿四、PolyTech 展示之創新風力發電機葉片軟殼保護
圖廿四、PolyTech 展示之創新風力發電機葉片軟殼保護
 
圖廿五、PolyTech 展示之創新風力發電機葉片抗雷擊保護裝置
圖廿五、PolyTech 展示之創新風力發電機葉片抗雷擊保護裝置
 
Smart Energy Week 2019展示的內容涵蓋領域極其寬廣,包括今年首度登場的資源Recycle EXPO等等,更多精彩的內容將在明天的報導中刊出。掌握最新能源/資源相關資訊,敬請持續鎖定材料世界網的現場報導系列三。---以上是材料世界網陳錦城、王文獻、曾寶貞在Smart Energy Week 2019日本現場所做的Live報導。
 
 

 


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