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。
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
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。
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
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
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
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
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
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
5-1 太陽能
動力塔(Power Tower)
動力塔(Power Tower)
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 )
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
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 35-2 風能
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
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
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
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
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
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。
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℃。
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
5-3 地熱能
火 環
5-3 地熱能
地熱資源
國 家 裝置容量 (MWe)
美 國 2,200
菲律賓 1,931
墨西哥 753
義大利 790
印 尼 807
日 本 561
紐西蘭 421
冰 島 200
薩爾瓦多 162
哥斯大黎加 161
美國勒蓋沙斯地熱電廠
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
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
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 內 容
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，
