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汽車整合太陽能電池技術商轉 鎖定四大目標
 

【作者: Loic Tous】   2021年12月23日 星期四

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不少人關注兩年一度舉辦的「世界太陽能車挑戰賽(World Solar Challenge)」,看的就是各大學生團隊及其所研發的太陽能電動車。這項賽事從1987年開跑,目標是推動太陽能動力車的發展,並促進光伏技術創新。以往都在澳洲舉行,2021年卻因當地新冠疫情限制,改在摩洛哥(the Solar Challenge Morocco)舉辦。


大家都知道這場比賽對汽車與光伏業者而言,參賽的原型車就是他們的專業經銷據點,各家廠商紛紛展示最新的技術,同時在備賽製造與參與競賽的過程中,獲得新的技術見解。


但較少人知道的是,目前已有好幾款汽車開放選用「汽車整合太陽能電池(vehicle-integrated PV;VIPV)」,而且有些高科技新創公司和邁向規模化的企業都在摩拳擦掌,等著進入太陽能動力的電動車市場,未來可望單獨依靠這些整合式太陽能板來支撐汽車續行長達數月。


愛美科的imomec團隊是其位於比利時哈瑟爾特大學的聯合實驗室,也是歐洲綠能研究組織EnergyVille的成員。在今年的世界太陽能車挑戰賽,imomec太陽能電池與模組研究的計畫主持人Loic Tous及其團隊,協助比利時魯汶大學的Agoria學生團隊製造其參賽車款BluePoint Atlas。


Loic Tous對商用VIPV技術獨具見解,本文將分享最新技術、實務展望,以及業界正在努力解決的首要研發挑戰。


VIPV市場與技術的現況

Loic Tous回顧:「90年代,福斯汽車首度採用了小型的太陽能車頂,在Audi A8、VW Phaeton、Skoda Superb等車款中開放選用。但這些車頂造價極其高昂,售價超過2000歐元(約為新台幣62.6萬元),而且最大輸出功率只有300Wp,當時的設計考量是要避免因為12V電池系統電量耗損而產生的引擎點火問題。」


「過去十年來,整合式太陽能技術快速發展,如今也漸漸能在業界汽車的大規模整合應用中充分展現成本效益。」他接著說道。


目前已有些車款設計標配或提供選配整合太陽能板的全景天窗,包含豐田的插電式混合動力車Prius Prime、裕隆日產的平價車款Leaf、美國Karma的第二代電動超跑Revero、現代的Sonata及Ioniq 5。其他豪車品牌也紛紛仿效,未來將會支援類似功能,很可能以選配的「太陽能套件(solar package)」方式推出,如同現有的駕駛輔助、商務或其他後座舒適套件。


這些太陽能全景天窗的功率輸出約為幾百瓦,主要用來輔助車載空調(HVAC)系統。如此一來,依據不同的行車地點與歷程而有個別差異,每年大約可以多出2000~3000km的續航里程。



圖一 : 目前市面上已有數款配備太陽能全景天窗的家庭車款,從左到右:2019 Prius Prime(source:Toyota)、2020 Revero(source:Karma Fischer)、2021 Ioniq 5(source:Hyundai)。
圖一 : 目前市面上已有數款配備太陽能全景天窗的家庭車款,從左到右:2019 Prius Prime(source:Toyota)、2020 Revero(source:Karma Fischer)、2021 Ioniq 5(source:Hyundai)。

「由於汽車製造商本來就會生產大型的全景天窗,所以進一步與太陽能系統整合就是合理的下一步。大型全景天窗包含兩片玻璃板,中間會以聚合物封裝膠貼合,以避免在事故時玻璃碎裂,而在玻璃與封裝膠之間額外貼合太陽能電池,只需稍加處理及少量成本,所以汽車產業目前都在慎重考慮導入。」Loic Tous指出。


不過,實際上並不只是把太陽能電池黏到天窗現有層板之中那麼簡單。就以剛剛提到的貼膜製程來說,汽車產業會透過高壓殺菌器來處理,但高壓可能會破壞光伏元件。


此外,殺菌器通常需要較長的處理時間,才能達到令人滿意的成果。而光伏產業則是以簡單的壓膜機進行貼膜,不僅過程中的壓力較小,而且更能優化產量和進行線內處理。儘管如此,傳統的壓膜機應用到汽車時還是有些缺點。


Loic Tous進一步解釋:「光伏壓膜機通常在太陽能板的單側施壓,在平面托架的支撐下貼上單層薄膜。如果在沒有任何支撐的情況下放置曲面玻璃板,那股單面施加的壓力會導致玻璃破碎。」


因此,愛美科佈建了全新的雙膜壓膜機,能夠在太陽能板的兩面同時均勻施力。在愛美科跨界研究團隊imec.icon的電動車整合太陽能天窗計畫SUNDRIVE中,這套新製程也被拿來與殺菌器製程比較。


「兩者都能產出完美運作的元件,但壓膜方法在量產化方面具有最大的潛力。」Loic Tous表示。


愛美科的其他研究成果與目標則鎖定封裝材料,也就是保護太陽能電池不受濕度、機械應力等環境挑戰影響的封裝層。


光伏產業主要使用乙烯乙酸乙烯(EVA)或是聚烯烴(PO)材料來製造封裝層。這些材料能讓水或鹽等試劑的滲入最小化,但在抗衝擊性和聲學特性上的性能較薄弱;而在汽車產業,玻璃基板之間常用的夾層由車用聚乙烯丁醛(PVB)製成,在衝擊、透明度和聲學特性(對靜音電動車來說尤其重要)方面皆已優化。但另一方面,PVB材料更容易吸水,因此較難提供太陽能板防濕和耐鹽的保護。


Loic Tous直言:「整體來說,我們可以歸類出兩種製程。業界的傳統方法從現有的汽車製造技術、材料和製程而來,並以符合太陽能整合技術的需求為發展導向。這也是為什麼現在的太陽能板天窗、殺菌器和車用PVB材料,全都在為了與光伏技術相容而持續導入並改良。」


長遠來看,在成本與產量上較能實現規模化的解決方案,可能就源自這些為太陽能板而優化的技術、材料和製程,並以導入汽車製造供應鏈為目標。


「另一方面,在技術較為成熟,但也算是傳統的建築整合型太陽能板(building-integrated PV;BIPV)市場,現階段的營造廠已有充分信心脫離PVB建材,開始採用EVA或POE材料。我相信未來這也會在汽車產業實現。」Loic Tous表示期待。


下個里程碑:車用與太陽能系統的整合設計

雖然前景看好,但設計與製造配備車用太陽能板的新型車款有個最大挑戰,那就是要成功免除定期充電的需求。這也是新創和規模企業目前的開發重點,例如荷蘭的Lightyear和德國的Sonomotors。這兩家電動車廠分別推出了Lightyear One和Sion,計畫要讓整合式太陽能板具備獨立充分發電的能力,以供應像是每日通勤這類短程行駛的動能。



圖二 : 太陽能動力電動車必須整合汽車與光伏系統的設計,而且佈建太陽能板的位置除了車頂之外,還要擴及車身。(source:Lightyear)
圖二 : 太陽能動力電動車必須整合汽車與光伏系統的設計,而且佈建太陽能板的位置除了車頂之外,還要擴及車身。(source:Lightyear)

Loic Tous指出:「透過整合式太陽能模組,這些車商的目標是每年增加上萬的續航里程。在功率輸出的表現上,這些模組能達到破千瓦,而太陽能全景天窗只有兩百瓦左右。」


豐田汽車針對太空應用已進一步改良並製造出一些搭載高效能太陽能電池的原型車款,但成本對商轉來說高得嚇人。為了在符合經濟效益下達到同樣的功率輸出水準,太陽能模組的佈建除了在車頂,還必須包含車身。此外,像是重量、空氣動力學和輪胎摩擦等相關因素,重要性也逐漸受到關注。


「整合式太陽能天窗的製程簡單且相容性高,相較之下,全太陽能動力的電動車就需要一套全新方法來實現汽車與光伏系統的整合設計。」Tous表示。


但是研發相關技術卻極具挑戰。例如,車身太陽能板和玻璃天窗不同,材料種類更多,包含金屬、塑膠、纖維複合材料,而且這些整合式太陽能系統還必須通過所有車用測試,驗證其可靠性與長達10~15年的使用壽命,考量車身損壞的狀況,零件也必須要方便汰換或維修。


VIPV技術的未來展望

考量VIPV技術的複雜現況,愛美科攜手夥伴積極投入各項研發與相關技術以推進未來發展。舉例來說,先前談到的SUNDRIVE計畫就鎖定了太陽能整合天窗的突破性技術。具體包含高風險也高回報的四大目標:


1.針對大面積結晶矽、鈣鈦礦/矽的層疊式太陽能電池,發展並拓展創新的內連導線技術


2.研發符合車用規範的曲面玻璃塗佈與壓膜技術


3.製造能夠容許遮蔭的太陽能電池模組佈局,並導入先進的建模工具


4.進行業界不同世代全景天窗的產品概念驗證


這項為期兩年的研究計畫由愛美科與國際創業機構Vlaio(Flanders Innovation & Entrepreneurship)資助,目前已進行到了一半。該聯盟匯集了四大產業夥伴(其中還有電動車玻璃面板的供應大廠)與愛美科數個研究團隊,並表示可望在2022年底發佈研究成果。


愛美科還與業界共同進行另一項研發,是由「歐洲展望2020(Horizon 2020)」資助的HighLite計畫,致力於打造高性能、低成本且永續的結晶矽太陽能模組,滿足不同應用需求。其中一位合作夥伴是Sonomotors車身太陽能板的芬蘭供應商Valoe。


Loic Tous表示:「為了讓太陽能模組與汽車整合,這項計畫聚焦在輕量化設計。例如,我們正在研究新一代的結晶矽電池,不僅發電效率超過23%,更採用創新的疊瓦型技術(shingling technology),將曲面太陽能板的可用面積最大化。」


近期該團隊建立了新的里程碑,成功展示輕量(<6kg/m2)且具備高效能矽材電池的原型模組,電池也通過多項重要的太陽能與車用測試。2022年底前,他們更計畫要打造出整合太陽能板的引擎蓋解決方案。為了達成目標,與業界合作至關重要,目前他們已經攜手疊瓦型太陽能電池技術與設備商義大利應用材料(Applied Materials Italy)。



圖三 : 愛美科在2021歐洲太陽能光電展上發表兩項VIPV模組的輕量化方案,包含以玻璃纖維強化材料的封裝膠(GFRE)或背板(GFRB)取代正面或背面玻璃面板;這些方案與傳統雙玻璃(GG)或玻璃背板(GBS)方法相比,成功大幅減少50%的模組重量。(source:imec)
圖三 : 愛美科在2021歐洲太陽能光電展上發表兩項VIPV模組的輕量化方案,包含以玻璃纖維強化材料的封裝膠(GFRE)或背板(GFRB)取代正面或背面玻璃面板;這些方案與傳統雙玻璃(GG)或玻璃背板(GBS)方法相比,成功大幅減少50%的模組重量。(source:imec)

全球最大的太陽能產業盛會「歐盟太陽能光電展(EU PVSEC)」於2021年9月登場,愛美科在會上完整展出HighLite計畫的研發細節,同時發表一篇關於開發與測試輕量型太陽能模組的論文,介紹兩種使用玻璃纖維強化材料取代玻璃的製程方法,並將其對模組重量的影響進行比較。此外,愛美科未來也計畫納入更多VIPV技術的相關研究,以比較採用矽材電池與銅銦鎵硒(CIGS)薄膜的差別。



圖四 : 魯汶大學Agoria學生團隊於2021年世界太陽能車挑戰賽的參賽原型車款BluePoint Atlas。(source:KU Leuven)
圖四 : 魯汶大學Agoria學生團隊於2021年世界太陽能車挑戰賽的參賽原型車款BluePoint Atlas。(source:KU Leuven)

Loic Tous總結:「我們也與參加世界太陽能車挑戰賽的比利時魯汶大學團隊建立長期合作關係,提供了像是建模與特徵化等專業協助,今年甚至提供更多的技術支援,並開放他們使用我們位於比利時亨克EnergyVille Campus研究中心的設備。」


運用這項優勢,魯汶大學的參賽隊伍使用了愛美科最新的雙膜壓膜機來製造BluePoint Atlas賽車的太陽能模組。此次他們沒有選配太空應用的高效能電池,雖然這些電池效能高達30%,但單價約為100歐元(約為新台幣3100元),取而代之的是使用的高階矽材電池,發電效率落在23%~25%,但每顆成本僅需1歐元(約為新台幣31元)。


因為這些電池效率較低,比賽規則也開放他們增加覆蓋面積,快速達到成本與性能的平衡點。不過,這也代表著這些電池的外型設計必須更符合汽車的輪廓,而這正是愛美科的強項。在歷時五天的賽程中,該團隊獲得總排名第二的成果。


(本文由愛美科授權提供;作者Loic Tous為愛美科太陽能電池與模組計畫研究主持人;編譯/吳雅婷)


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