第 五 章 再 生 能 源(

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第 五 章 再 生 能 源(Ⅰ)

5-1 太陽能 5-2 風能 5-3 地熱能

太陽能

5-1 太陽能

優點:

1. 太陽可以作為永久性的能源。

2. 太陽能到處都有,不需要運輸,處於南北緯50~60度 以內的地區,都有豐富的太陽能可以利用。 。 3. 太陽能使用時不會帶來污染,是一種清潔的能源。

4. 太陽能的利用不會增加地球的熱負荷。

缺點:

1. 能量密度低。

2. 太陽能是間歇性的能源。

3. 相較於化石燃料,現階段設置費用與成本仍較高。

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5-1 太陽能

太陽輻射

太陽光到達大 氣層頂端的輻 射強度,結果 顯示當太陽光 垂直照射所得 的單位面積功 率為:

此數值即為

「太陽常數 」

2

s 1353W/m

G =

5-1 太陽能

太陽輻射

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太陽輻射

5-1 太陽能

太陽能利用的潛力

以美國為例,太陽常數為1353 W/m2,若假設太陽輻射 到 達 地 面 的 平 均 能 量 為 600 W/m2, 其 相 當 於 1520 Btu/ft2,而美國總面積為3.615×106平方英哩,以日照 8小時計,美國一年可得到太陽能總量為5.6×1019 Btu。

美國2007年的總能源消耗量為1.016×1017 Btu,該能量 僅約為太陽能量的五百五十分之一而已!換言之,如果 美國能自太陽能中取得0.18% 的能量,已足夠全國能量 所需。由於美國為能源消耗最大國,若以全球計,則太 陽能所佔的能源比重將更高。

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當太陽光 ( 其頻率需大於某一臨界值 ) 照射某些金 屬或負極板時,電子將會釋出並移向正極,電子所擁 有的動能反比於光的波長,此即所謂的光電效應 (photoelectric effect),而太陽電池即以上述光電 效應為基礎製造而成。

5-1 太陽能

光電效應

太陽電池與半導體同用矽為原料。在正常情況下,矽 中並無自由電子,因此其為良好的絕緣體。但若將少 量的磷加至矽中,則矽晶體中將出現額外的電子,其 稱為n- 型半導體 (n-type semiconductor),取其

“負”(negative) 電荷之意。反之,若矽晶體中滲入 少量的硼,則矽晶體中將出現若干「電洞 (hole)」,

該電洞猶如帶正電般,因而稱為p- 型 (p-type) 半導 體,取其“正”(positive) 電荷之意。當上述兩種半 導體連接一起時,其形成p-n連結 (p-n junction)。

當光線撞擊太陽電池時,光線效應將產生電子和電洞 現象,進而於p-n連結處形成電位障礙。此時若於太陽 電池的n- 型及p- 型端以電路連接,則電子將由前者

5-1 太陽能

太陽電池

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太陽電池又稱為光伏電池,其乃利用太陽光照射在半 導體光電材料上,由太陽輻射提供的能量造成電子流 動而直接轉化成電能。太陽電池將光能變換為電能之 轉換率高低決定於太陽電池之性能,目前最高的轉換 效率可達30%,但一般介於10% 到15% 之間。

太陽電池

1. 單晶矽 2. 多晶矽 3. 非晶矽 4. 薄帶式 5. 集光式

6. 其他材料:碲化鎘 (CdTe)、二硒化銦 (CuInSe2) 及砷化鎵 (GaAs) 、染料敏化太陽電池。

一般就轉換效率而言,單晶矽往往大於多晶矽,而 多晶矽又大於非晶矽,且隨面積愈大效率有愈低

5-1 太陽能

太陽電池種類

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5-1 太陽能

單晶矽

http://www.ami.ac.uk/courses/a mi4202_mdesign/u02/index.asp

5-1 太陽能

多晶矽

http://store.altenergystore.c om/?FIav6Z4J%3B%3B19

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平板收集系統

平 板 收 集 系 統 根 據 流 體 流 動 的 動 力 來 源 , 其 可 分成:

1.主動式系統

主 動 式 收 集 系 統 又 稱 為強 制 循 環 式, 系 指 流 體 流 動 的 來 源 由 泵 運送。

2. 被動式系統

藉 流 體 本 身 受 熱 而 形 成 的自 然 對 流 方 式 運 送 流 體 則 為 被 動 式 收 集系

5-1 太陽能

平板與真空管收集系統

http://www.tongyong.com/

平板收集系統 真空管收集系統

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5-1 太陽能

主動式收集系統

一般而言,主動 式收集系統常用 於大型之熱水系 統和特殊面積地 形,因為這些地 方不適合於板子 上方架設一個儲 熱筒,所以通常 將儲熱筒設在室 內或地面,用泵 強迫冷熱水循環。

太陽屋

被動式太陽屋有三個 基本組成:即絕熱、

收集及儲存 。面南的 玻璃後加裝一塗黑的 水泥牆,當白天太陽 照射時,牆與窗戶間 的空氣將受熱而較室 內溫暖,進而形成自 然對流以溫暖屋內。

而當晚上時則可關閉 牆上的通風口以避免 逆流而降低室內溫度。

5-1 太陽能

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直接取得太陽能之屋子

利用太陽能將水加熱變成蒸汽以推動發電機發電。

一般而言,利用太陽能加熱有二種方法;第一種乃 運用拋物面鏡方式將太陽光集中以產生高溫,而第 二種方式則是利用透鏡集中光線。前者為將拋物面 所收集的所有光線全部集中於單一點或接收器,例 如動力塔,前述的拋物面通常由許多的反射鏡所組 成,但每個反射鏡皆有其個別的接受器以收集光能。

5-1 太陽能

太陽能熱電廠

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5-1 太陽能

動力塔(Power Tower)

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動力塔(Power Tower)

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風力發電機在轉換風力過程中不會排放二氧化碳及 任何污染物質,更沒有放射性物質的困擾,是非常 乾淨的能源,因此廣受注重環境保護的歐美國家的 歡迎,成為應用最多的再生能源技術之一。

風 能

5-2 風能

歐盟各國風能總發

電之情形 (2007年

底 )

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地球大氣層內風的形成乃直接起源於地球本身的自轉及 太陽輻射,區域性空氣的循環流動小規模者如海陸風 (sea-land breeze) 和山谷風 (mountain-valley wind),

而大規模者則如東北季風或颱風。

5-2 風能

風的循環

5-2 風能

山谷風

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若與太陽能比較,風能的優點在於不論白天、晚上、晴 天或陰天皆能運用,且在最冷及最暗的冬天 ( 此時最需 要能量 ) 往往能得到最多的風能。而陰天及高海拔區域,

太陽能無法有效取得時,風能將更為可靠。但和太陽能 一樣,風能也是間歇性能量,並且需要儲存。

當太陽光照射到大氣頂層時,約2% 的太陽能轉換成風的 動能,而後消散以溫暖大氣。以美國為例,其太陽能轉 換成風能的速率約為全美能源消耗的30倍。

風 能

風能正比於風速的三次方

式中 P= 功率,kW

A= 垂直風向的截面積,m2 v= 風速,m/s

例如當風速為10 m/s,則風車每米平方面積的風能為6.1 10-4×103= 0.61 kW/m2

P/A = 6.1 10 v ×

4 3

5-2 風能

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風力發電機並不能將所有流經的風力能源轉換成電力,

其中風能轉換成電能的效率除決定於各式風扇的形狀外,

另一重要的參數即為葉片尖端速度與風速的比值。

根據理論分析,風車自風能中取得能量而轉換成機械能 的最大效率不超過59%,其稱為「貝茲極限定律 (Betz’s limit law)」,而現今風車的效率則約能從這59% 的效率 中取得約50~70% 的能量。一典型風車由機械能轉換成 電能的效率約為90%。根據以上數據,當風速10 m/s時,

風 車 在 最 佳 運 轉 條 件 下 , 其 取 得 的 電 力 約 為 0.61×0.59×0.7×0.9=0.227 kW/m2

5-2 風能

5-2 風能

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風力發電機的裝置容量 (installed capacity)是風力發電 機的最大發電容量。由於風速隨時變化,時大時小,故 風力發電機並不會一直處於裝置容量的狀況下發電。當 風力發電機運轉一段時期後,實際的發電量與裝置容量 的比值稱為負載率 (load factor or capacity factor),即

( )

% ×100= × ×100

時間 裝置容量

實際發電量 設計發電量

實際發電量

= 負載率

國內已完工風力發電機 組達155 座,總容量約 28.16 萬瓩,以每瓩裝 置容量每年可發電 2,700 度來計算,每年 共可發電7.6 億度電,

可供應19 萬戶家庭(4

風場 建造者 數量

(座)

容量(萬 瓩) 1 澎湖中屯一 台電公司 4 0.24 2 石門風力(核一廠) 台電公司 6 0.396 3 恆春風力(核三廠) 台電公司 3 0.45 4 澎湖中屯二 台電公司 4 0.24 5 桃園大潭電廠風 台電公司 3 0.45 6 桃園大園觀音風力 台電公司 20 3.0 7 台中電廠風力 台電公司 4 0.8 8 台中港區風力 台電公司 18 3.6

9 彰工風力 台電公司 23 4.6

10 新竹香山風力 台電公司 6 1.2

小計 91 14.976

11 雲林麥寮風力 台朔重 4 0.264 12 新竹春風風力 天隆造 2 0.35 13 苗栗竹南風力 英華威 4 0.78 14 苗栗大鵬風力 英華威 21 4.2

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一部典型的現代水平軸式風力發電機包含葉片、輪 ( 與 葉片合稱葉輪 )、機艙罩、齒輪箱、發電機、塔架、基 座、控制系統、電纜線等。

5-2 風能

風力發電機

5-2 風能

水平軸式風力發電機內部結構與組件

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1. 依照主軸與水平面的相對位置可分為水平軸與垂直 軸式,換言之,若主軸呈水平狀態,即為水平軸式;

反之,若主軸呈垂直狀態,即為垂直軸式。

2. 依照葉輪相對於風向的位置可分為上風式(或迎風式) 及下風式(或逆風式) 。

3. 依照葉片數量可分為多葉片及少葉片式。就雙葉片 而言,由於葉片較少,故可節省葉片的成本,另外 負荷較輕,所以可以較高的轉速運轉,但相對地振 動及噪音較大。四葉片由於葉片數多,故葉片成本 較高,並以較低轉速運轉,振動及噪音較小。至於 三葉片式,綜合雙葉片及三葉片之優點,現在較普 遍採用。

風力發電機之分類

5-2 風能

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4.依照風力發電機組容量大小可分為小型、中型及大型。

依照風力發電機組容量大小可分為小型、中型及大型,

目前全球風機的單機容量有600kW、660kW、850kW、

1350kW、1500kW、1750kW、1800kW、2000kW、2300kW、

2500kW、2700kW、3000kW、3600kW、4500kW及5000kW 等。

5.依照葉片的工作原理可分為升力型及阻力型。升力型 風車以所受的升力帶動葉片轉動,轉速較快,轉換效 率亦較高,新型風力發電機多以升力型為主;反之,

阻力型風車以所受的阻力帶動葉片轉動,扭矩較大,

但轉速較慢,轉換效率較低,傳統風車多採用此種形 式。

5-2 風能

風力發電機之分類

一般市場上風力發電機的起動風速 (cut-in velocity)約介 於2.5~4 m/s,於額定風速(rated velocity,12~15 m/s) 時達到 額定的輸出容量。為避免過高的風速損壞發電機,大多於風 速達20~25 m/s範圍內停機,典型的停止運轉風速 (cut-out velocity)為25 m/s。

5-2 風能

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離岸式風力發電

由於陸地上可用面積有限,加之海上風向較均勻且無障礙,

風力資源優於陸地,可於海底深5~20m的淺海地區設置離岸 式風力發電廠。

5-2 風能

台灣風力資源分佈

依據本島風能評估結果 顯示,西部沿海包括桃 園、新竹、苗栗、台中、

彰化等地以及外島地區 的澎湖與蘭嶼離島等地 區,年平均風速可達5~6 m/s 以 上 , 風 能 密 度 達 250 W/m2以 上 , 深 具 開 發風能的潛力,如能多 加利用將可促進國內能 源多元化與自主性。

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1. 風力能源永不耗竭 2. 風力發電無污染 3. 風力發電是自產能源

4. 增加就業機會並具觀光效益

設置風力發電機時,應考量因素有:

1. 風性與地理條件

2. 風力發電機性能與配置 3. 土地利用的規劃

4. 慎選周圍環境

5-2 風能

風力發電機的優點

5-3 地熱能

地球結構

在溫度分佈方面,最接近地表 的地殼,約介於30到90公里深,

溫度變化為每增加1公里深度即 增加30 ℃ ,該處熔岩溫度約 介於650到1,200℃之間,也正 由於此層中岩漿 (magma) 在某 些地區向地表滲透而造成了各 種不同的熱特徵。當深度達到 地殼的底部或地函的頂部,溫 度隨地層深度的增加而緩慢升 高。至於地球核心6,370公里深 處的溫度,據推測約為4,000℃。

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地熱活動常見的各種現象有火山爆發 (volcanic eruption)、

間歇泉 (geyser)、噴氣孔 (fumarole) 及溫泉 (hot spring) 等。除了上述地熱活動外,由於地質板塊 (tectonic plate) 運動 ( 每年約數公分 ),致使板塊連接處彼此間碰撞及摩 擦而產生造山運動、火山活動及地震 (earthquake) 等。

在這些板塊連接處常可見顯著的熱流現象。今日世界上 大部份的地熱位置座落於太平洋板塊 (Pacific plate) 的邊 緣,其稱為「火環 (ring of fire)」。

地熱活動

5-3 地熱能

美國黃石公園內之老忠實間歇泉

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5-3 地熱能

火 環

5-3 地熱能

地熱資源

裝置容量 (MWe)

2,200

菲律賓 1,931

墨西哥 753

義大利 790

807

561

紐西蘭 421

200

薩爾瓦多 162

哥斯大黎加 161

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美國勒蓋沙斯地熱電廠

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間歇泉、溫泉、火山爆發等熱點 (hot spot),最常見的 地熱利用形態稱為水熱系統 (hydrothermal system),其 中岩漿的熱能係儲存在岩石孔隙或裂縫裡的水中或蒸 汽中。整體而言,水熱系統可分為成濕汽及乾汽兩大 類,其中濕汽系統又稱為熱水 (hot water) 系統。雖然 濕汽系統的資源遠較乾汽系統豐富,但由於乾汽系統 的使用較方便,因而常用於發電,例如美國的勒蓋沙 斯及義大利的拉岱洛發電皆屬於乾汽系統。

5-3 地熱能

水熱系統

5-3 地熱能

濕汽系統

當水儲存於地下儲庫並受 到周遭岩石加熱後,由於 高 壓 環 境 , 水 溫 可 達 370℃且不會沸騰。當這 些熱水被釋放到地球表面 時,由於壓力的劇降,熱 水將閃發而立刻轉變成蒸 汽。當開鑿地熱井並使熱 水流到井中時,其將變成 約五分之一的蒸汽及五分 之四的熱水。蒸汽分離後 可直接用以推動渦輪機發

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乾汽系統

乾汽系統中,環境的 壓力僅比大氣壓力大 些,此時水受熱後,

蒸 汽 的 溫 度 可 達 165℃ , 而 壓力 則 大 約 是 100 psi。 鑿 井 後所引出的蒸汽將可 直接推動渦輪機發電。

開發地熱對環境影響

1. 硫化氫 (H2S) 氣體:開發地熱時可能排放出大量硫化 氫氣體,將對環境造成某種程度的影響及危害。

2. 熱廢水:可能影響河川中魚類與植物之生態,而熱水中 的硼素對某些農作物有害。

3. 矽垢:地熱水在地下深部,矽是飽和狀態,溫度下降便 析出無定形矽,因此井壁、井口及地面管線等附著很多 矽垢,將會影響蒸汽生產量。

4. 地盤下陷與沖蝕:熱水型地熱田生產大量熱水,若地盤 不堅固時便會慢慢下陷。

5. 自然景觀及生態環境的破壞:包括地熱開發而伴隨之開 闢道路,生產井井坪,發電廠場地等之樹林砍伐。

5-3 地熱能

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5-3 地熱能

5-3 地熱能

表5-3.B 土場地熱之多目標利用

多目標利用

溫室花卉栽培

蝴蝶蘭適合生長溫度為15-20℃,而台灣山區冬 季溫度常低於15℃,所以利用地熱資源做為室溫 所須之熱源,對於溫室花卉栽培具有節約傳統能 源的效益。

地熱暖房

地熱所產生的熱水利用熱交換器可以將熱量傳送 到我們居住的空間做為暖房應用,這可配合觀光 地區應用於旅館的空調以節約傳統能源的使用。

溫泉沐浴

中低溫的地熱水可直接作為溫泉利用,並可作為 溫水游泳池的熱源。

二氧化碳的生產:台灣中央山脈變質岩帶的地熱 井,除生產高溫的熱水及蒸汽外,也伴生大量的 二氧化碳氣體,若加以壓縮液化可以運銷市場,

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