能源系統

日本 沖繩島

（Okinawa）

1.海水淡化技術由 1973

目前各國的能源結構多因該國的資源、經濟及科技等因素而有所差異；台灣 屬海島型國家，就能源上每年均有 95％以上大量仰賴國外進口，為此雖以石油、

水力及核能等能源多元化使用的政策為主，以求國內能源供應的穩定性，但台灣 仍隨時需面臨國際能源短缺的問題、危機與經濟衝擊。現代社會的我們仰賴著大 規模地燃燒石化燃料，以擁有高度能源的文明，故無論未來如何發展，我們都必 須學會在這世紀中不再依賴石化燃料（Smil, 2003；Goodstein, 2004）；由上述 可見，台灣因地狹人稠，導致都會區人口密集及都市化程度嚴重等問題，故此時 更應以永續發展概念的發展能源系統，積極推動再生能源、能源高效使用及改變 國人能源消費習慣。台灣城市之能源系統所要面臨的主要環境課題說明如下：

（一）酸雨污染

酸雨污染主要由含硫的煤和石油燃燒產生的為二氧化硫（SO2）所致(圖 3-5-1)。都市地區因高度的經濟活動，大量使用石化燃料，產生嚴重的酸性污染 物，成為都市環境主要的問題之ㄧ。王革華（2008）指出酸雨主要危害有(圖 3-5-2)：

1.直接危害人體健康，如 1952 年倫敦煙霧事件導致民眾肺水腫死亡。

2.造成河川、溪流水體酸化，抑制水生生物繁殖與生長，造成水生生態系統失衡，

如挪威、瑞典等有 5/1 的湖泊無魚類生存成為死湖。

3.造成土壤酸化，導致植物及森林死亡或發育不良。

4.腐蝕金屬、紡織物、岩石及建築材料等，造成人文景觀嚴重破壞。

5.滲入地下水，造成地下水酸化及金屬含量提高等。

（二）沙漠化加劇、土地褐化現象產生

由於酸雨影響土壤基質及都市土地過渡的開發與擴張，形成土地逐漸呈現褐化的 現象(圖 3-5-3、圖 3-5-4)，土壤提供植物生長及養分的不足，影響都市生態環 境中生物系統的多樣性。台灣都市一直存在著人稠密集都市化嚴重的問題，既有

的重大環境衝擊下，影響更劇，更應積極發展再生能源的開發，以減少非再生能 源的使用量，降低都市土地持續惡化的現象。

圖 3-5-1 酸雨形成示意圖 圖 3-5-2 酸雨造成的危害

資料來源：http://www.hudong.com/wiki/%E9

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資料來源：http://www.hudong.com/wiki/%E9

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圖 3-5-3 土地沙漠化現象 圖 3-5-4 土地褐化現象

資料來源：http://www.flickr.com/photos/z xy507/236569935/

資料來源：http://www.hudong.com/wiki/%E 9%85%B8%E9%9B%A8

（三）臭氧層破壞、氣候暖化造成溫室效應

溫室效應乃因全球性的空氣污染所造成的原因，當地球氣候暖化影響水循環 系統，改變全球區域性的降水量與分佈情形，增加旱災、水災及洪水的強度與次 數，間接地影響農業產量降低及失衡的問題。台灣的二氧化碳排放量名列全球第 22 位(圖 3-5-5)，佔世界各國排放量 1%，經濟成長率降低 0.4~0.6%。自 2001

年起，颱風數量有增加趨勢，夏天的溫度也逐年升高(圖 3-5-6)，因此，如何減 少能源使用時所產生污染氣體的排放量，實為不能忽視的重點之一。

圖 3-5-5 臭氧層遭破壞示意圖 圖 3-5-6 臭氧層破壞，造成大地傷害

資料來源：http://www.macaubbs.com/forum/vi ewthread.php?action=printable&tid=104031

資料來源：http://content.edu.tw/junior/bio /tc_wc/ag.2.6.3.html

（四）長期依賴石化能源，造成都市環境嚴重破壞

台灣長期依賴石化燃料，造成都市空氣品質不佳，。近年雖陸續推動使用替 代能源補助的方案及研擬能源政策（圖 3-5-7），但多以示範性建設為主，仍尚 未普及，故未來應先由政府、學校等公共建設全面推動使用替代性能源技術，繼 而推動至民間建設，以改變國人使用能源的習慣。

從上述，可知酸雨、廢棄物、臭氧層破壞、氣候暖化及溫室效應等對地球環 境的危害性，控制污染最根本措施是减少二氧化硫、氮氧化物的排放量及資源的 循環再利用。1997 年的京都議定書中明確指出應確實限制排放二氧化碳、甲烷、

氧化亞氮、氫氟碳化物、全氟化氮及六氟化氮等 6 種氣體，以確實降低溫室氣體 的排放量，近年國際間已有先進城市推動再生能源大量使用的政策，因此，當我 們在發展生態城市時，應當努力降低石化燃料的使用量，改變現有的能源消費習 慣而使用再生能源，以及推動全面性、普及性的再生能源使用。

圖 3-5-7 台灣地區能源政策及執行措施架構圖

資料來源：http://www.moeaec.gov.tw/Policy/PoMain.aspx?PageId=polist

二、綠色能源

綠色能源又稱潔淨能源，具備清潔、無污染及可持續開發利用的特性，是一 種可再生循環使用且不虞匱乏的新能源，並且可減緩溫室效應，對全球整體環境 的改善有著極為重要的地位；依據國際能源總署統計，再生能源年平均成長率約 2.3％，其中以太陽光電及風力發電成長最為快速（圖 3-5-8），為目前新能源科 技的主流（陳秋楊，2008）。下列針對太陽能、風能及沼氣等四項綠色能源技術 應用於生態城市規劃技術之運用，作進一步說明。

（一）太陽能

科學家們普遍認為太陽能為「能源之母」，是未來人類社會中最乾淨、安全、

綠色、無限儲量及普遍性的替代能源（圖 3-5-9）；由於太陽能應用廣泛，因此 在運用的技術上可分為透過許多設計技巧充分利用太陽光的被動式太陽能

（passive solar），及透過技術擷取太陽能量的主動式太陽能（active solar），如建 物室內透過設計取得的良好自然採光，取得熱能及降低耗電量，室外則透過太陽 發電技術取得電能，使該建物成為具再生能源使用的機能（圖 3-5-10、圖 3-5-11）。

圖 3-5-8 能源發展未來趨勢示意圖

資料來源：http://www.toptower.com.tw/tw/solar.htm

一般太陽能運用以取得太陽能所帶來的光熱量為主，大致上主要透過光-熱 轉換（太陽能集熱器）、光-電轉換（太陽能電池）及光-化轉換（光化學電池）

等三種模式取得，目前以太陽能光-熱轉換的集熱器及太陽能光-電轉換的光發電 兩種為主要的太陽能發電技術，說明如下。

1.太陽能光-熱轉換

主要透過太陽的熱能轉換，如太陽能熱水器、太陽能溫室及太陽熱能發電 等，開發甚早也較具普遍性。其中以太陽能熱水系統由於具具經濟效益、環保效 益、節約能源、安全性等優點，台灣自 1986 年起開始推廣，至 2007 年總安裝集

具普遍性的太陽能利用方式（圖 3-5-12、圖 3-5-13），該系統主要由集熱器、儲 水箱及冷熱水管所組成，一般分為三種類型（華健、吳宜宣，2008）：

圖 3-5-9 太陽能源來源示意圖

資料來源：http://www.toptower.com.tw/tw/solar.htm

圖 3-5-10 主、被動式太陽能示意圖 圖 3-5-11 太陽能屋設計示意圖

資料來源：Serge，2006。 資料來源：Serge，2006。

（1） 批次系統（batch systems）：主要透過太陽光直接加熱儲水箱，此系統古老、

簡單，但熱水不易保溫，易冷卻。

（2） 主動系統（active systems）：利用泵來循環水及熱傳流體。

（3） 被動系統（passive systems）：又稱熱虹吸系統（thermosiphon），利用自然 循環方式來循環熱傳流體，較為普遍使用的系統。

圖 3-5-12 太陽能熱水器運作圖 圖 3-5-13 太陽能儲熱系統圖

資料來源：新自然主義股份有限公司，2007。 資料來源：Serge，2006。

由於傳統型太陽能熱水系統多為自然循環系統，該系統常因儲熱桶需架設於 集熱器上方，在與建築安裝時須設置於平屋頂或空地上，較不具與建物的整合 性；近年經與建物整合化的技術提昇後，改善了集熱器構件的安全性、重量及耐 久性，使其能與建物的斜屋頂、外牆面及雨庇等建築介面結合，提升了集熱器的 整體美觀及安全性（圖 3-5-14~3-5-17 圖）。

圖 3-5-14 構架式集熱器示意圖 圖 3-5-15 嵌入式集熱器示意圖

資料來源：經濟部能源局，2005 資料來源：經濟部能源局，2005

圖 3-5-16 雨庇集熱器結構示意圖 圖 3-5-17 大面積太陽能集熱器 結構示意圖

資料來源：經濟部能源局，2005 資料來源：broadadd.diytrade.com/sdp182489 /3/main-935841.html

2.太陽能光-電轉換

依「公共工程或公有建築物設置再生能源設備作業準則」指出太陽光電發電 系統係利用太陽電池轉換太陽光能為電能並可展示太陽光電發電應用功效之整 體設備。其發電原理是利用電位差發電，透過以半導體製程的製作方式做成的無 電磁波產生太陽電池，將太陽光照射在太陽電池上並吸收 0.2μm～0.4μm 波長 的太陽光，將光能直接轉變成電能輸出的一種發電方式，所產生的電流為直流 電，用於家用電或工業用電時需加裝直/交流轉換器方能使用（圖 3-5-18~3-5-20）。

太陽電池具備將光能直接轉換為直流電，可輔助尖峰時間電力之不足的問 題、過程中無需使用燃料、不會產生廢棄污染物、無轉動組件與產生噪音、電池 壽命長達二十年以上、構造尺寸可隨設施物設計、及可與建築物結合應用廣泛等 優點。近年為因應溫室效應所產生的威脅，歐美日等先進國家積極推動太陽光電 發展計畫及太陽能屋頂計畫，促使太陽光電技術廣泛應用及產業的快速成長。

目 前 太 陽 電 池 發 展 情 形 主 要 有 單 晶 矽 、 多 晶 矽 及 非 晶 矽 等 三 種 （ 圖 3-5-21），其中多晶矽太陽電池因具備製作成本較低、基本技術成熟、光電轉換 效率高、高安定性與信賴性、串聯電組減小等特性，使其成長最快速佔較高優勢，

預估 2010 年將有 80～90％的市場佔有率（經濟部能源局，2005）；目前太陽光 電模板技術發展可結合建築結構設計，如屋頂（圖 3-5-22）、帷幕牆（圖 3-5-23）

及遮陽版等，可透過建築整合型太陽電池模版，導入太陽光能（圖 3-5-24~25）。

圖 3-5-18 太陽電池構造示意圖

資料來源：http://solarpv.itri.org.tw/aboutus/sense/principle.asp

圖 3-5-19 太陽電池發電原理圖 圖 3-5-20 太陽能光電板圖

資料來源：華健、吳宜宣，2008。 資料來源：http://www.solaroof.com.tw/pro ducts/rei/main.html

圖 3-5-21 常見太陽電池及模版示意圖

資料來源：http://solarpv.itri.org.tw/aboutus/sense/battery.asp

圖 3-5-22 太陽能屋頂示意圖 圖 3-5-23 太陽能牆面示意圖

資料來源：www.flickr.com/photos/vincent7 7/2648704499/

資料來源：www.freiburg.de/servlet/PB/sho w/1186039/GreenCity_china.pdf

圖 3-5-24 太陽能牆面示意圖 圖 3-5-25 太陽能燈具示意圖

資料來源：Serge，2006。 資料來源：www.toptower.com.tw/tw/product-A2.htm

工業技術研究院太陽光電科技中心指出目前應用於建築之太陽能光電系統 大致分為獨立型太陽光電系統、市電併聯型(Grid- Connected)太陽光電系統及 緊急防災型(獨立/併聯混合型)太陽光電系統三種：

（1）獨立型(Stand-Alone)太陽光電系統

指使用蓄電池且換流器無逆送電功能之太陽光電發電系統，透過白天太陽光 電系統發電及蓄電池，提供負載及充電，供夜間電池自給自足使用；但其蓄電池 使發電效能較差及壽命短、發電能量利用率偏低等缺點。適用於高山、離島及基 地台等市電無法到達的地點（圖 3-5-26）。

（2）市電併聯型(Grid- Connected)太陽光電系統

透過換流器(Inverter)具有逆送電功能，平時與太陽光電系統併聯發電，並

透過換流器(Inverter)具有逆送電功能，平時與太陽光電系統併聯發電，並