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中中中中 華華華華 大大大大 學學學學

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中 華 華 華 華 大 大 大 大 學 學 學 碩 碩

碩 士 士 士 士 論 論 論 論 文 文 文

題目 題目

題目 題目:再生能源系統選擇之評估指標研究 再生能源系統選擇之評估指標研究 再生能源系統選擇之評估指標研究 再生能源系統選擇之評估指標研究 -以 以 以 以新竹縣湖口鄉湖鏡村為例 新竹縣湖口鄉湖鏡村為例 新竹縣湖口鄉湖鏡村為例 新竹縣湖口鄉湖鏡村為例

Evaluation indicator for the determination of renewable energy system -A study of the HuKou township, Hujingcun village in Hsinchu

系 系 系

系 所所 別 所 別 別: 建築與都市計畫學系碩士班 別 建築與都市計畫學系碩士班 建築與都市計畫學系碩士班 建築與都市計畫學系碩士班 學號姓名

學號姓名 學號姓名

學號姓名: M 0 9 6 0 5 0 2 1 陳陳 晁 陳 晁 晁 偉 晁 偉 偉 指導教授

指導教授 指導教授

指導教授: 陳 陳 陳 陳 天 天 天 天 佑 佑 佑 佑 博士 博士 博士 博士

邱 邱

邱 英英 浩 英 浩 浩 博士 浩 博士 博士 博士

中華民國 中華民國

中華民國 中華民國 九十八 九十八 九十八 年 九十八 年 年 八 年 八 八 月 八 月 月

(2)

中文摘要 中文摘要 中文摘要 中文摘要

校所名稱:中華大學 建築與都市計畫研究所碩士班

論文題目:再生能源系統選擇之評估指標研究-以新竹縣湖口鄉湖鏡村為例 畢業時間:2009 年(九十七學年度第二學期碩士學位論文摘要)

研究生姓名:陳晁偉 指導教授:陳天佑、邱英浩

由於台灣 98%能源係仰賴進口,自主能源較少,石油存量不足,缺乏煤炭及 天然氣裝缷設施,加上台灣人口眾多以及工廠紛紛設立,產業的發展導致環境汙 染其中溫室氣體讓地球環境溫度上升,形成熱島現象,因此空調使用率增高,用 電量節節上升,同樣農村地區於農作產業也需大量用電,如:灌溉、農作物栽培及 收穫後處理、農產品冷藏、水產養殖、畜牧等。再加上農村土地多包含環境敏感 與生態保護區,大多不建議使用燃油、火力等發電方式,以避免影響環境,因此 最理想方式是使用無污染之再生能源來發電,如風能(Wind Power Energy)、太陽能 (Solar Energy)、生質能(Biomass Energy)、水力(Hydro Energy)、地熱能(Geothermal Energy)、海洋能(Ocean Energy),以避免影響周圍環境。

本研究故以探討台灣農村聚落之再生能源系統之選擇,針對風力、太陽能、

生質能及地熱能四種再生能源系統進行評估,運用模糊德爾菲法(Fuzzy Delphi Method)及網路層級性分析法(Analytic Network Process),加入Saaty提出的利益、機 會、成本、風險(BOCR)做為網路層級的四大構面,進行再生能源系統方面的專家 問卷,建立超矩陣,並作權重之分析,以建立指標與準則,選擇最適宜台灣農村 的再生能源系統。

關鍵詞:再生能源、農村聚落、模糊德爾菲法、網路層級分析法

(3)

Abstract

School: Chung Hua University

Department: Graduate School of Architecture and Urban Planning

Title: Evaluation indicator of the choice of renewable energy sources system- A study of the HuKou township, Hujingcun village in Hsinchu

Time: August 2009

Researcher: Chao-Wei Chen Adviser: Tian-Yow Chern, Yin-Hao Chiu

Taiwan is quite short in traditional natural energy resources like natural gas, petroleum, coal etc. According to the statistics, about 98% of total country’s energy consumption depends on imports. As we know that the high domestic population and the increasing numbers of factories established in the domestic manufacturing industry are generating large amount of carbon dioxide gases, so called greenhouse gases, resulting in heat island effect, consequently contributing to global warming. To reduce the heat island effect and compact on the environment, the energy used in the domestic manufacturing industry as well as in agricultural industry such as in farming land, water irrigation, raising crops or animals on a farm, harvesting, and refrigeration of agricultural products etc has been recommended utilizing pollution free renewable energy like wind power energy, solar energy, biomass energy, hydro energy, geothermal energy, ocean energy etc instead of traditional energy.

This paper aims at the feasibility study of the four kinds of renewable energy namely wind power energy, solar energy, biomass energy and geothermal energy, using fuzzy Delphi Method and Analytic Network Process as well as Satty’s four aspects of Network, namely profit, opportunity, cost and risk for carrying out questionnaire about renewal energy system so as to establish Super-Matrix and make weighted analysis to find out the most suitable kind of renewable energy for Taiwan’s rural community.

Keywords: Renewable Energy, Rural Settlement, Fuzzy Delphi,ANP

(4)

誌 誌 誌 誌 謝

本論文得以順利完成,首先感謝指導教授 陳天佑博士與 邱英浩博士的悉心 指導,從研究範圍擬定、研究架構、研究方法到完成論文的過程中,讓我我學習 獨立思考問題,並且藉由蒐集資料找到答案,以及由錯誤中學習,並予以改進,

雖然研究過程很辛苦,但完成後讓我更有成就感。同時感謝論文口試委員:鄭奕孟 老師、王价巨老師、梁銘剛老師對本論文提出寶貴的建議與指導,讓本論文更加 完善,在此致上最誠摯的謝意。

其次要感謝諸位教授及老師在再生能源方面的專業知識,對本研究之專家問 卷與以填答,讓本論文能順利進行下去。同時感謝系上胡太山老師、閻克勤老師 以及班上同學於書報課程時的評論與建議。

最後要感謝家人在兩年的研究所生涯對我無限的關懷與付出,讓我能無後顧 之憂的完成學業,在此將本論文獻給我最摯愛的親人與朋友們。

陳晁偉 僅誌於 中華大學建築與都市計劃學系碩士班 2009.07

(5)

目 目 目 目 錄

中文摘要 中文摘要 中文摘要

中文摘要---I 英文摘要

英文摘要 英文摘要

英文摘要---II

誌 誌

誌 謝 謝 謝 謝---III

目 目

目 錄錄---IV 錄 表

表 表

表 目 目 目 目 錄錄---VI 錄 圖

圖 圖

圖 目 目 目 目 錄 錄 錄 錄---VIII 第一章

第一章 第一章

第一章 緒論 緒論 緒論 緒論 --- - --- 1

第一節 動機與目的--- - --- ---1

第二節 研 究 範 圍 與 內 - - - - - - - - - 3

第三節 研 究 步 驟 、 方 法 與 流 程 - - - - - - - - 4

第四節 研 究 限 制 - - - -- - - - - - - - 8

第五節 關 鍵 詞 界 說 - - - - - - - - 8

第二章 第二章 第二章 第二章 文獻回顧 文獻回顧 文獻回顧 文獻回顧---10

第一節 再生能源介紹--- -- -- --- --- -1 0

第二節 模 糊 德 爾 菲 法 ( F u z z y D e l p h i M e t h o d ) 之 探 討 - - 2 7

第三節 層 級 分 析 (AHP)評 估 方 法 探 討 - - - - - - - - 3 2

第四節 分 析 網 路 程 序 法 ( A N P ) 之 探 討 - - - - - - - - 3 7

第五節 相 關研究 成果---42

(6)

第三章 第三章 第三章

第三章 研究調查與分析 研究調查與分析 研究調查與分析 研究調查與分析 --- 52

第一節 篩 選 評 估 因 子 - - - - - - - - 5 2 第二節 建 立 層 級 架 構 - - - 6 1 第三節 專 家 問 卷 設 計 與 調 查 - - - - - - - - 6 2 第四節 各因子權重分析---65

第五節 建立再生能源系統評估指標---66

第四章 第四章 第四章 第四章 再生能源系統選擇 再生能源系統選擇 再生能源系統選擇之模擬評估 再生能源系統選擇 之模擬評估 之模擬評估 之模擬評估---69

第一節 農村聚落之環境探討---69

第二節 農村聚落之再生能源系統選擇評估---71

第三節 小結---73

第五章 第五章 第五章 第五章 結論與建議 結論與建議 結論與建議---75 結論與建議 第一節 結論---75

第二節 建議---76

參考文獻 參考文獻 參考文獻 參考文獻---77

附錄一

附錄一

附錄一

附錄一 專家問卷名單 專家問卷名單 專家問卷名單---81 專家問卷名單

附錄二

附錄二

附錄二

附錄二 模糊德爾菲專家問卷 模糊德爾菲專家問卷 模糊德爾菲專家問卷---83 模糊德爾菲專家問卷

附錄三

附錄三

附錄三

附錄三 網路層級專家問卷 網路層級專家問卷 網路層級專家問卷---91 網路層級專家問卷

附錄四

附錄四

附錄四

附錄四 再生能源系統選擇之模擬評估問卷 再生能源系統選擇之模擬評估問卷 再生能源系統選擇之模擬評估問卷 再生能源系統選擇之模擬評估問卷---106

(7)

表目錄 表目錄 表目錄 表目錄

表 1 - 1 - 1 各 種 再 生 能 源 優 缺 點 - - - 2

表 1-2-1 研究範圍 --- ---- --- --- ---- ---- ---- --- --- ---- --3

表 2 - 1 - 1 太 陽 能 電 池 種 類 及 用 途 - - - 1 1

表 2 -1 -2 地 熱特 徵 分類 - -- - - -- - - -- - - - -- - - -- - - -- - -- - - -- - - - -- - - -20

表 2 - 1 - 3 再 生 能 源 定 義 、 限 制 及 使 用 範 圍 - - - 2 5

表 2 - 2 - 1 重 要 性 程 度 評 分 對 照 表 - - - 2 9

表 2 - 3 - 1 A H P 評 估 尺 度 之 定 義 及 說 明 - - - 3 4

表 2-3-2 成對比較矩陣 --- ---34

表 2 -3 -3 隨 機 指 標 表 (R I )- - - -- - -- - - - -- - - -- - - -- - -- - - -- - - - -- - - --36

表 2- 4 -1 AHP 法 與 ANP 法 之差 異 - - - --- - - 37

表 2 - 5 -1 國 內相 關 研 究 成果 - - - -- - - -- - - -- - - -4 6

表 2 - 5 -1 國 外相 關 研 究 成果 - - - -- - - -- - - -- - - -5 1

表 3-1-1 策略架構體系 --- ---56

表 3 - 1 -2 第 一階 段 專 家 問卷 - - - -- - - -- - - -- - - -5 8

表 3-1 -3 再生能源 系統選 擇之統計 分析篩 選結果表 -- -- -- -- -60

表 3 - 3 -1 第 二階 段 專 家 問卷 - - - -- - - -- - - -- - - -6 2

表 3- 3-2 B OCR 成 對 比 較矩 陣 --- - -- - -- - -- -- - -- - -- --- - -- - -- - -63

表 3 -3 -3 利 益構 面 下各 準則 成對 比 較矩 陣 -- -- - --- - - -- - - -- - --6 3

(8)

表 3-3-4 利益構面下以環境效益為主要考量對各準則內在相依 性 進 行 城 對 比 較 矩 陣 - - - 6 3 表 3-3-5 利益構面下以經濟效益為主要考量對各準則內在相依

性進行成對比較矩陣 ---64

表 3-3-6 利益構面下以發電量為主要考量對各準則內在相依性 進 行 成 對 比 較 矩 陣 - - - 6 4 表 3-3-7 在環境效益準則下對各方案進行成對比較矩陣---64

表 3-3-8 在經濟效益準則下對各方案進行成對比較矩陣---64

表 3-3-9 在發電量準則下對各方案進行成對比較矩陣---64

表 3-4-1 「利益」未加權超矩陣---65

表 3-4-2 「利益」已加權超矩陣---66

表 3-4-3 「利益」極限化加權超矩陣---66

表 3 - 5 - 1 構 面 、 準 則 方 案 之 優 先 順 序 表 - - - 6 7

表 3-5-2 方案之優先順序表---68

表 4 -1 -1 新 竹十 年 每月 日照 時數 、 風速 表 -- -- - --- - - -- - - -- - --7 0

表 4 - 1 - 2 再 生 能 源 系 統 選 擇 模 擬 評 估 分 數 表 - - - 7 2

(9)

圖目錄 圖目錄 圖目錄 圖目錄

圖 1-2-1 新竹縣湖口鄉湖鏡村位置圖---4

圖 1-3-1 研究流程圖---7

圖 2-1-1 單晶矽太陽電池發電原理---11

圖 2-1-2 太陽能獨立型(直流負載)系統---12

圖 2-1-3 太陽能獨立型(直/交流負載)系統---12

圖 2-1-4 太陽能混合型系統---13

圖 2-1-5 太陽能併聯型系統---13

圖 2-1-6 太陽能併聯型系統(蓄電池) --- 14

圖 2-1-7 太陽能發電使用案例---14

圖 2-1-8 自然循環系統---15

圖 2-1-9 太陽能併聯型系統 (蓄電池)---15

圖 2-1-10 太陽能熱水器---15

圖 2-1-11 風力機與市電併聯發電系統---17

圖 2-1-12 風力機與柴油發電機併聯發電系統---17

圖 2-1-13 水平式與垂直式風力機---18

圖 2-1-14 風力機按葉片轉子與風向的相關位置---18

圖 2-1-15 風力機葉片之升力與阻力說明---18

圖 2-1-16 太陽能光電板、風能併聯發電系統---19

圖 2-1-17 (民國70年)清水地熱發電場---21

圖 2-1-18 乾蒸氣式發電系統---21

圖 2-1-19 閃發蒸氣式發電系統---21

圖 2-1-20 雙循環式發電系統---22

(10)

圖 2-1-21 總流式發電系統---22

圖 2-1-22 焚化廠發電系統與處理流程---23

圖 2-1-23 木柵焚化廠---23

圖 2-1-24 沼氣發電系統---24

圖 2-1-25 山豬窟沼氣發電廠---24

圖 2-2-1 M a x-M i n預 測 值 圖---28

圖 2-2-2 問 卷 項 目 之 隸 屬 函 數 -- - - 2 9 圖 2-2-3 模糊三角函數圖---30

圖 2-3-1 完整層級---33

圖 2-3-2 不完整層級--- ---33

圖 2-4-1 AHP 法與 ANP 法之結構差異---38

圖 2-4-2 ANP之網路架構示意圖---39

圖 2-4-3 超矩陣---40

圖 2-4-4 超矩陣例示---40

圖 3-1-1 評估因子架構圖---57

圖 3-1-2 雙三角模糊含數---59

圖 3-2-1 再生能源系統選擇之評估架構---61

(11)

第一章 緒論

第一節 研究動機與目的

自從17世紀工業革命後,工業的興起促使大氣二氧化碳激增,不但造成空氣 汙染,還造成地球溫度上升,於1997年「聯合國氣候變化綱要公約(UNFCCC)」於 日本京都召開第三次締約國大會時所擬定的溫室氣體排放管制協議,即京都議定 書內容規定,在2010年二氧化碳排放量要減到1990年工業興起前之排放量,為因 應此協定各國開始研發各種再生能源,減少非再生能源造成的環境污染。

由於台灣98%能源係仰賴進口,自主能源較少,石油存量不足,缺乏煤炭及 天然氣裝缷設施,加上台灣人口眾多以及工廠紛紛設立,生活上需大量使用汽油、

瓦斯、電,使能源安全存量已嚴重不足,且使用石化燃料等非再生能源發電,易 污染環境與空氣,如火力發電對空氣的影響,核能發電之核廢料處理之問題。尤 其溫室效應與都市熱島之關係,讓地球環境溫度上升,空調使用率增高,造成用 電量節節上升,且在電力輸送的過程中也會消耗部分電力,以致偏遠鄉村地區供 電不足。

農村地區因電力、電信、自來水等之公共設施較為不足,又由於農作也需使 用大量的電,如:灌溉、農作物栽培及收穫後處理、農產品冷藏及糧食倉儲、水產 養殖、畜牧等。再者農村土地上有許多環境敏感地區,以及生態保護之議題,不 可使用燃油、火力等發電方式,唯有使用無污染之再生能源來發電,如風能(Wind Power Energy) 、太 陽 能 (Solar Energy) 、 生 質能 (Biomass Energy) 、水力 (Hydro Energy)、地熱能(Geothermal Energy)、海洋能(Ocean Energy)以避免影響周圍環境。

台灣可利用的再生能源(Renewable Energy)有風能、太陽能、生質能、水力、

地熱能、潮汐能(Tidal Energy)等,每種再生能源都有它的優缺點。如表1-1-1:

(12)

表1-1-1 各種再生能源優缺點

再生能源 優點 缺點

風能 無污染,成本低。

運轉時的噪音、需大量土地、發電不 穩定。

太陽能 能量來源不限。 受天氣影響發電效能。

生質能 燃燒來源不限(有機物)。 發電效率低且需大量的植物原料。

水力 能源無限(利用位能) 建設成本高,發電容量受地形限制。

地熱能 熱源無限。 受開發深度與成本之影響。

海 洋 能

潮汐能

無污染且能量無限 (月亮引力造成)

潮差在5公尺才具有開發價值,開發 成本高。

溫差能

無污染且能量無限,可拌 生淡水供農業灌溉使用

建造風險與發電成本高。

海流能

無污染且能量無限 (洋流動能)

建造、維修、送電成本高。

波浪能 無污染且能量無限 波浪方向不定、維修、建造成本高。

(本研究製作)

尤其現在台灣有許多生態保護區,因此對於建設再生能源與土地的利用必有 限制,並非每種再生能源都適用於各地農村。

本研究是以台灣農村聚落探討再生能源系統之選擇,針對風力、太陽能、生 質能及地熱能四種再生能源系統評估,運用模糊德爾菲法(Fuzzy Delphi Method)及 網路層級性分析法(Analytic Network Process)進行再生能源系統方面的專家問卷,

並作權重之分析,以建立指標與準則,以選擇最適宜的再生能源,其目的如下:

一、建立農村聚落再生能源評估指標,包含生產效率、環境、潛力、成本、效 益等因素作評估。

二、分析各種再生能源對農村聚落的適用性,選擇最適用於農村等不同區位的

(13)

的再生能源系統。

第二節 研究範圍與內容 一、 研究範圍

台灣農村聚落有很多,包含靠海、靠山與丘陵地形的農村,靠海的有如: 萬 里鄉磺潭村、宜蘭港邊里、台中縣大安鄉松雅村……等農村;靠山的有木柵貓空、

石碇鄉彭山村、陽明山竹子湖、新竹五峰鄉大隘村、宜蘭枕山村、台東縣興昌社 區、南投和興村、共和村長寮尾社區、雲林古坑鄉華山村、高雄縣寶來村、阿里 山茶山村……等農村,其包括傳統農村、休閒農村、牧場等農業,雖台灣四周環 海,可利用的能源有太陽能、風能、地熱能、生質能外還有潮汐能等海洋能源可 作為發電,不過以發電技術來說以太陽能、風能、地熱能、生質能系統最為成熟,

而海洋能只適用於沿岸農村,且建設費高,對財力有限的農村不適合,故以台灣 本島氣候環境探討再生能源中的太陽能、風能、地熱能、生質能系統做選擇之指 標評估研究,以作為台灣地區農村聚落再生能源系統選擇之評估指標。

由於新竹縣湖口鄉湖鏡村氣候環境良好,擁有豐富的風能、日照、農作物及 地熱等資源,因此本研究以新竹縣湖口鄉湖鏡村作為再生能源系統選擇之評估地 區,其研究範圍如下表1-2-1所示。

表1-2-1 研究範圍

再生能源 太陽能(集熱器、光電板)、風能、地熱能、生質能系統 農村聚落 新竹縣湖口鄉湖鏡村(湖鏡社區)

(本研究製作)

(14)

圖 1-2-1 新竹縣湖口鄉湖鏡村位置圖 二、 研究內容

選擇最適於農村使用之再生能源,因此本研究內容分為三個部份,首先整理 國內外建設再生能源的問題之相關文獻包含各種再生能源的建設成本、對環境之 影響、對經濟的效益、發展潛力以及使用風險評估等應注意因素,建立再生能源 層級架構,並作為網路層級分析之因素,第二部份以製作專家問卷,利用模糊德 爾菲法進行評估值計算,篩選層級因子,第三部份利用分析網路程序(ANP)法做層 級性分析,並得出各再生能源(太陽能、風能、地熱能、生質能)系統之權重,及最 佳試用方案,完成再生能源選擇之評估指標的對照表,然後驗證本研究建立之指 標系統及指標應用模式的可行性,最後針對本次研究結果提出進一步的建議。

第三節 研究步驟、方法與流程 一、 研究步驟

本研究探討再生能源系統評估指標,其步驟如下:

(一)、 研究動機與目的

尋找研究方向,確定題目、研究範圍與預期成果。

(二)、 擬定研究範圍

本研究以台灣偏遠之農村聚落的再生能源系統(太陽能、風能、地熱

(15)

(三)、 文獻回顧

收集國內外對於再生能源的社會經濟、潛力、環境與成本效益的相 關文獻,以及使用模糊德爾菲法與分析網路程序法(ANP)的施做流程 與方法之文獻資料。

(四)、 問題確認與擬定

依據文獻回顧找出再生能源對於農村聚落經濟環境效益的問題,並 擬定評估階層圖。

(五)、 模糊德爾菲法(Fuzzy Delphi Method,FDM)

依據初步決定的再生能源系統選擇的評估因子做第一次專家問卷,

回收分析並篩選評估因子,作成層級架構。

(六)、 分析網路程序法(Analytic Network Process,ANP)

依據模糊德爾菲法篩選出的評估因子進行第二次專家問卷,回收後 建立成對比較矩陣求得各項因子之權重,然後運用分析網路程序法 之超矩陣求取各因子之權重,以BOCR五種方法求取各方案之權重。

(七)、 建立再生能源系統評估指標:

依據之前各項再生能源系統權重分析結果,建立風能、太陽能、生質 能與地熱能系統之評估指標,提供後人建設再生能源系統時之參考。

(八)、 再生能源系統選擇之模擬評估

先對新竹縣湖口鄉湖鏡村做環境與財政現況的探討,然後藉由專家 問卷,將評估指標之準則分別給予0.1-1分之相對分數,藉以評估太 陽能、風能、地熱能及生質能優先順序結果是否與評估指標一樣。

(九)、 結論與建議:

將本論文之研究成果作總結,並將這次研究限制因素與應進一步探 討的方向敘述出來,希望後人能研究的更詳細,以提供作為政府及 民間設置再生能源設備時的參考指標。

(16)

二、 研究方法

為了建立再生能源系統選擇評估本研究方法如下:

(一)、 文獻回顧法

藉由國內外文獻回顧了解再生能源對環境的優缺點,興建之利益(含 發電量與賣給台電之收益)機會(資源取得性),成本(目前我國土地成 本、維護費及興建成本),風險(投資再生能源於各地農村的風險)以 及各種再生能源之系統圖和發電原理。

(二)、 模糊德爾菲法(FDM):

依據初步決定的再生能源系統選擇的問題因子做專家問卷,回收利 用模糊三角函數進行評估值分析分析並篩選確定層級因子,作成網 路層級架構。

(三)、 分析網路程序法(ANP):

建立層級網路結構,並依據評估因子設計問卷;回收問卷後,利用 ANP超矩陣分析風能、太陽能、生質能與地熱能系統四種再生能源 選擇時各因子之權重質,權重值最大的代表最重要,找出適用於農 村聚落的再生能源,並建立評估指標。

(17)

三、 研究流程

本研究依據研究內容、方法與步驟,繪製流程圖,如圖1-3-1所示

圖1-3-1 研究流程圖

太陽能 風能 地熱能 生質能

再生能源系統選擇之模擬評估

結論與建議 影響因子蒐集

利用模糊德爾菲 法篩選評估因子

訂定網路層級架構

利用分析網路程序法 (ANP)評估各因子權重

建立再生能源評 估指標 收集國內外再生

能源相關的文獻

模糊德爾菲法與 ANP 法的文獻 研究動機與目的

研究範圍與內容 研究步驟與方法 研究限制

(18)

第四節 研究限制

本研究採用模糊德爾菲法(FDM)與網路層級性分析法(ANP)分析農村聚落再 生能源系統之選擇,其研究有以下之限制:

1. 本研究以台灣農村聚落其中之一的新竹縣湖口鄉「湖鏡村」作為再生能源系統 選擇之評估的對象。

2. 海洋能只適用於沿岸農村,且建設費高,對財力有限的農村不適合,故本研究 以風能、太陽能、生質能與地熱能系統評估對地方的適用性,並建立評估指標。

3. 由於時間之因素,只能初步探討再生能源系統選擇之評估指標作為往後農村建 設再生能源之參考。

第五節

關鍵詞界說

以下就本研究之關鍵詞作定義:

一、農村聚落

依據「農村社區土地重劃條例」第三條第一項所稱「農村聚落」,

係指「非都市土地鄉村區範圍外,就相距未逾 20 公尺之甲、丙種建築用 地邊緣為範圍,其合計面積達 0.5 公頃以上,依戶籍資料,其最近五年中 每年人口聚居均已達 15 戶以上且人口數均已達 50 人以上之地區(內政法 規,地政目,「農村社區土地重劃條例施行細則」第 2-1 條,(2006,7))。

二、再生能源

再生能源是指資源無所匱乏,循環不息之能源,例如:利用光電板發 電的太陽能;風力發電的風能;利用地熱發電的地熱能;以有機物做為燃 料發電的生質能;利用漲退潮發電的潮汐能;利用海洋溫差發電的海洋溫 差能等可不段再生之能源。

三、分析網路程序法(Analytic Network Process,ANP)

層級分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP)於1971年由Thomas

(19)

數個評估準則的決策上。將複雜的問題系統化,由不同層面加以層級分 解,並透過量化的判斷後加以综合評估,以提供決策者選擇適當計畫,同 時減少決策錯誤,但由於AHP法的基本假設中,對各層級的要素均假設其 具獨立性,而此假設是無法真正反映要素間往往是相互受影響的。因此,

Saaty 於1996 年乃提出另一以網路形態、非線性結構呈現的分析網路程 序法(ANP),將傳統線性結構的AHP 加上一回饋機制,同時考量各要 素間所產生的相互依存關係,也就是將AHP加上依賴性及回饋性,並使用 超矩陣計算權重(鄧振源,2005)。

四、模糊德爾非法(Fuzzy Delphi Method,FDM)

德 爾 菲法 於 1960年 由美 國 蘭德 公 司 (Rand Corporation) 的 黑 默 (O.

Helmer)等人所發展出來的長期預測技術,屬於直覺(專家)預測法(intuitive forecasting method)。本法依賴專家經驗、直覺和價值判斷,以多次反覆的 問卷方式詢問專家意見,此法採用匿名各自填答方式,可減少因面對面而 產生的影響,使每位能毫無顧忌的表達各自的意見,對於團體溝通和預測 未來十分有效(管倖生等著作,2006)。

模糊 德爾 菲法 最 早 由 Ishikawa等學者於 1993年將模糊理論的概 念引進德爾菲法中,他們首先建立了次數分配 (Max-Min)和模糊積分 (Fuzzy Integration)兩 種方法,以將專家之意見整合成模糊數,即稱 為模糊德爾菲方法(FDM)。其優點為將各個專家意見之不確定訊息 予以整合、歸納,且可以減少調查的次數,避免時間與經費的消耗 (徐 村和,1998)。

(20)

第二章 文獻回顧

本章針對再生能源系統相關研究與評估方法做文獻收集與整理,因此分為四 部份做探討:一、再生能源的介紹;二、模糊德爾菲法(Fuzzy Delphi Method)之探討;

三、層級分析(AHP)評估方法探討;四、層級網路程序法(ANP)之探討;五、再生 能源系統之相關研究;藉由文獻回顧了解再生能源的成本、利益、風險以及模糊 德爾菲和層級性分析(AHP)的用法,並以相關的研究成果做為本研究之參考及方 向。

第一節 再生能源介紹

目前再生能源有太陽能、風能、生質能、地熱能、潮汐能、海洋溫差能、海 流能與波浪能,由於台灣對於潮汐能、海洋溫差能、海流能與波浪能還在評估研 究中,因此本研究僅探討太陽能、風能、生質能與地熱能系統。以下將介紹各種 再生能源的定義、限制與應用範圍,以及發電之系統圖。

一、 太陽能

太陽能即利用太陽的光能與熱能發電,屬於無污染的發電系統,但裝設成本 高,發電效率易受天氣、溫度的影響,以下將介紹光能與熱能之系統。

(一)、 光電板(光能)

太陽能光電板,是由多個光電池所串連而成,是目前台灣主要用於 發電的材料,發電的原理是將高純度的半導體加入一些不純物使其呈現 不同性質,如加入硼形成 P 型半導體,加入磷則形成 N 半導體,當 PN 相接合照到太陽光時,產生電子與電洞,而有電流通過時產生電力,一 般常用的太陽能電池依材料分為單晶矽、多晶矽、非晶矽、硫化鎘/多元 化合物,如表 2-1-1。現在的太陽能電池壽命約 20 年;充放電控制器壽命 約 10 年;蓄電池壽命約 2~3 年;直/交流轉換器壽命約 10 年。

太陽能發電流程為太陽光照在太陽電池上,轉成直流電,經由調整

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的電,供陰天與晚上使用,調整器則調整輸出的電壓,並控制蓄電池充 放電,其系統有獨立型、混合型、併連型三種系統。

表 2-1-1 太陽能電池種類及用途 太陽能電池種類 轉換(發電)

效率 成本 耐用性 主要用途

單晶矽 23 高 佳 太空與中央

發電系統

砷化鎵 27 很高 佳 太空

多晶矽 20 低 佳 獨立電源

薄 膜

非晶矽 14 低 普通 民用

硫化鎘/多元

化合物 16-17 低 佳 民用

(資料來源: 替代能源技術專輯-太陽電池)

以下介紹電池發電原理:

圖 2-1-1 單晶矽太陽電池發電原理 (重繪於替代能源技術專輯-太陽電池) 以下分別介紹獨立型、混合型、併連型三種系統:

1.獨立型系統

在太陽能充足時,將使用後剩餘的電力以蓄電池儲存貣來,在晚上及 太陽能量不足時,由蓄電池提供電力。其系統又分為獨立直流系統(圖 2-1-2) 與獨立(直/交流)系統(圖 2-1-3)。直流系統適用於玩具、路燈、交通號誌等,

優點:能量損失低且負載單純。缺點:需定期維護或更新蓄電池。

透明黏著層

電銅(正極) P 型半導體

電子(負極) n 型半導體 抗反射鍍膜 玻璃覆蓋層

太陽光

電流

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圖 2-1-2 太陽能獨立型(直流負載)系統 (重繪於再生能源網)

直/交流系統適用於高山離島等市電無法到達的地區。優點: 比一般架設輸 配電設備成本低。缺點:能量損失高、需定期維護或更新蓄電池、需考慮負 載大小。

圖 2-1-3 太陽能獨立型(直/交流負載)系統 (重繪於再生能源網) 2. 混合型系統

太陽光發電系統具有極佳的設置容量擴充特性,可依負載需求擴充容 量。混合型系統是由獨立型系統配置輔助發電機系統而來。其系統容量設計 重點主要是在發電燃料供應、太陽能板裝置容量、蓄電池組容量與負載需求 間取得最佳發電成本與供電可靠度,以下圖 2-1-4 為混合型系統。

註:PCU 是電流控制裝 置

交流(AC) 用電器具 直/交流

轉換器 放電

控制器

直流(DC) 用電器具 充電

控制器

蓄電池 太陽能 PCU

模板

註:PCU 是電流控制裝置 PCU 放電

控制器

直流(DC) 用電器具 充電

控制器

蓄電池 太陽能

模板

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圖 2-1-4 太陽能混合型系統 (重繪於再生能源網)

3. 併聯型系統

併聯型系統勢將轉換得之電能供應負載後,多餘的電力送入市電網路,

以供其他負載使用。此系統可紓解尖峰時間供電不足的問題。

本系統分為有與沒有蓄電池之系統,有蓄電池之好處在於太陽日照不強 或市電網路不佳的狀況,負載能繼續運作,如下圖 2-1-5 與圖 2-1-6。

圖 2-1-5 太陽能併聯型系統 (重繪於再生能源網) PCU

註:PCU 是電流控制裝置 交流 (AC) 用電 器具 充電

控制器

放電 控制器

蓄電池

輔助 發電機 整流器

直/交流 轉換器 太陽能

模板

自動 轉換開關 直/交流

轉換器 市電

交流(AC)用電器具 太陽能

模板

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圖 2-1-6 太陽能併聯型系統(蓄電池) (重繪於再生能源網)

圖 2-1-7 太陽能發電使用案例 (本研究拍攝) (二)、集熱板(熱能)

目前台灣運用於熱水器上,即太陽能熱水器,可用於溫水游泳池、

養殖漁業、家用、旅館用、學校宿舍、醫院、工業等。其系統分為自然 循環與強制循環式,如圖 2-1-8、圖 2-1-9

多晶矽太陽能板 (台灣電力公司- 北市營業處) 單晶矽太陽能板

(台灣科技大學)

太陽能板 結合路燈 (台電大樓周圍) 註:PCU 是電流控制裝置

自動 轉換開關

直/交流 轉換器 PCU

蓄電池 充電 市電

控制器

放電 控制器 太陽能

模板

交流(AC) 用電器具 直流(DC)

用電器具

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熱 水 槽

水 塔

H

圖 2-1-8 自然循環系統 (重繪於再生能源網)

熱 水 槽

水塔

P H

圖 2-1-9 太陽能併聯型系統(蓄電池) (重繪於再生能源網)

以下為太陽能熱水器安裝實例之照片。

圖 2-1-10 太陽能熱水器 (a.全家福太陽能熱水器網站、b.本研究拍攝) 集熱器

輔助加熱器 熱水

a.自然循環型 b.強制循環型(再興中學) 輔助加熱器 熱

水 泵浦

集熱器

(26)

二、 風能

風的形成是由於地球自轉及太陽輻射所引貣的空氣循環流動現象,在海上為 盛行風與信風,內陸為海陸風與山谷風。由於風壓與風速的二次方正比如下式 2-1-1。

F=1/2ρAv2 (式 2-1-1)

式中 F=風壓 ρ=密度

A=垂直風向的截面積(m2) v =風速(m/s)

而風能與風速的三次方成正比,且風能與空氣密度與溼度有密切關係,如下 式 2-1-3。

P=1/2ρAv3 (式 2-1-3)

式中 P=風能(kW)

ρ=密度

A=垂直風向的截面積(m2) v =風速(m/s)

風能利用形式分為三種:1.間斷式:用於抽水灌溉、水產養殖、畜牲用水等。動 力不必持續穩定 2.儲存式:利用蓄電池將動能儲存,以供無風時使用 3.併聯式:與水 力、火力等發電系統配合。目前台灣風力發電採用並聯型發電系統其風力發電系 統如下圖 2-1-11、圖 2-1-12。一般風力機於 2.5~4 公尺啟動,於風速 12~15 公尺 達定額輸出容量,風速達 20~25 公尺時停機,即介於 3~9 級風。理想裝設風力位 置為:1.年吹風期長 2.平均風力大、風力平穩、風向變化小 3.避免受建築、樹木產

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圖 2-1-11 風力機與市電併聯發電系統 (重繪於替代能源技術專輯-風力)

圖 2-1-12 風力機與柴油發電機併聯發電系統 (重繪於替代能源技術專輯-風力)

風力機依結構分為 1.按主軸與地面的相關位置分為為水平軸與垂直軸式如圖 2-1-13;2.按葉片轉子與風向的相關位置分為迎風式及順風式如圖 2-1-14;3.按葉 片轉子工作原理分為升力型與阻力型,升力型適用於風速高的環境如圖 2-1-15,而 阻力型適用於風速低的環境,因此已升力型的風力機發電效率較佳;4.按發電容量 分為小型(100 仟瓦以下)、中型(100~1,000 仟瓦)和大型(仟瓦)。

直/交流 轉換器

蓄電池 風力機

自動 轉換開關

交流(AC) 用電器具 直流

匯流排

直流(DC) 用電器具

柴油發電機 充電器

註:PCU 是電流控制裝置 直/交流

轉換器 PCU

蓄電池

風力機 市電

交流(AC) 用電器具 充電

控制器

放電 控制器

自動 轉換開關

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圖 2-1-13 水平式與垂直式風力機 (本研究拍攝)

圖 2-1-14 風力機依葉片轉子與風向的相關位置 (重繪於替代能源技術專輯-風力) 風

(a)迎風式 (b)順風式

升力

阻力 葉片

(a)水平式(新竹香山) (b) 垂直式(台灣科技大學)

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台灣地區,現有風力發電在台北核一廠、桃園、新竹竹北、苗栗竹南、台中、

彰化、雲林麥寮、屏東、澎湖地區等十四處正在運轉中。如新竹竹北風力採用與 柴油/市電併聯系統供天龍公司竹北廠使用,其設置兩座風力發電,風車塔高 60 公 尺,葉片直徑 66 公尺以強化玻璃纖維製造,轉速為每分鐘 21.3 轉,每座滿載發電 量為 1,750 仟瓦,當風速 4 公尺時即啟動,風速達 12 公尺即可滿載發電,風速達 25 公尺(10 級風)時即停止運轉,在關機下葉片與機組可承受高達每秒 70 公尺(相 當於 17 級風)的強風。

另外可與太陽光電板結合為併聯系統,使發電效率更好更穩定,如圖 2-1-16。

圖 2-1-16 太陽能光電板、風能併聯發電系統 (重繪於再生能源網)

三、 地熱能

地球核心溫度可達 6,000℃,外核約 4500~6000℃,地涵約 500~4500℃,從 地殼表面往下每公里增加 30℃;地熱資源種類:1.熱液資源:指裂隙較多的岩層中,

存有熱水與蒸汽,以開發為替代能源 2.熱岩資源:指潛藏在地殼表層或未冷卻的岩 體,以人工注入冷水使其變成蒸氣和熱水來發電 3.地壓資源:指由田地區較高溫的 熱鹽水,受巨大的壓力形成。

地熱區是指具有明顯的熱徵兆地區,與火山活動有直接或間接關係,其特徵 分為地質岩型、地熱系統、儲集型態及化學性質其詳細說明見表 2-1-2。

註:PCU 是電流控制裝置 PCU

直/交流 轉換器

交流(AC) 用電器具 放電

控制器

直流(DC) 用電器具 充電

控制器

蓄電池 風力機

太陽能 模板

(30)

地熱的應用極為廣範除用來發電還可作為溫泉池、溫室栽培、產品乾燥、魚 溫等設施使用,因此有極高的利用價值。

表 2-1-2 地熱特徵分類

方式 種 類 特徵 實例

地 質 岩 型

火 山 型 火山活動或岩漿形成的地熱 日本、印尼、台北大屯山等

非火山型

地殼變動或非火山作用形成的 地熱

義大利、土耳其、南投盧山

地 熱 系 統

循 環 型

指地熱能源能不斷地對流形成 循環系統

熱水型及蒸汽型均屬之

儲 存 型 指地熱長時間儲存在岩層中 熱乾岩(無熱水及蒸汽) 儲

集 型 態

熱 水 型 以熱水型態儲存在岩石孔隙中

台 灣 變 質 岩 帶 如 : 宜 蘭 清 水、土場

蒸 汽 型 以蒸氣型態儲存在岩石孔隙中 美國加州 化

學 性 質

氯 化 物 地熱水中陰離子以氯化物較多

台南關子嶺、花蓮安通等沉 積岩區

硫 酸 鹽 地熱水中陰離子以硫酸鹽較多 台北大屯山

碳 酸 鹽 地熱水中陰離子以碳酸鹽較多 宜蘭清水、土場、南投廬山 (資料來源:工替代能源技術專輯-地熱)

開發地熱能頇注意 1.溫度在 30℃~370℃;2.熱流分為蒸汽、熱水及熱岩型式 儲存;3.環境特性、流體品質及能源利用等;4.因鑽井費用高,故一般約 60m~

4000m;5.生產的電能可作遠距傳輸,但若要直接利用,其傳輸距離不超過 1km 為 宜,雖於民國 70 與 74 年分別在宜蘭清水與土場設有地熱發電,但後來因發電不 理想而終止,目前正重新探測招商建造中。

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圖 2-1-17 (民國 70 年)清水地熱發電場(資料來源: 替代能源技術專輯-地熱) 其地熱發電技術如下

(一)、 乾蒸氣式

乾蒸氣是最有效益的發電方式,此種方式即利用以蒸氣型態儲存在 地底的地熱,經由地熱井之管線導入改良的蒸汽渦輪機即可發電,如下 圖 2-1-18。

圖 2-1-18 乾蒸氣式發電系統 (重繪於替代能源技術專輯-地熱) (二)、 閃發蒸氣式

高溫的地熱水經過單段或多段閃發成為蒸汽,再由分離器去除熱 水,以蒸汽渦輪機發電。如下圖 2-1-19

圖 2-1-19 閃發蒸氣式發電系統 (重繪於替代能源技術專輯-地熱) 地熱井蒸氣

渦輪 發電機

地熱井氣液混合體 凝結水泵浦

液體 至還原井 冷卻水塔

P 分離器

液體 至還原井

渦輪 發電機

冷凝器

P

水循環 泵浦 抽氣

(32)

(三)、 雙循環式

由地熱井之熱水,經過熱交換器加熱工作流體(如丁烷、氟氯烷 等),使其汽化推動渦輪機發電。如下圖 2-1-20

圖 2-1-20 雙循環式發電系統 (重繪替代能源技術專輯-地熱)

(四)、 總流式

將地熱井的蒸汽及熱水同時導入特殊設計的渦輪機,由動能與壓力 能帶動傳動軸產生電力。如下圖 2-1-21

圖 2-1-21 總流式發電系統 (替代能源技術專輯-地熱) 地熱井熱流體 凝結水泵浦

液體 至還原井 渦輪

發電機

冷凝器

P

冷卻水塔

P 水循環

泵浦 抽氣壓縮機

大氣 地熱井熱水

冷卻水塔

P

液體 至還原井 水循環

泵浦

低壓供應泵浦 P

P 渦輪

發電機

熱交 P 換器

液體 至還原井

熱交 換器

主供應泵浦 熱水泵浦

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四、 生質能

目前台灣生質能為利用焚化爐與沼氣發電,其說明如下:

(一)、 焚化爐發電

即利用都市垃圾及農村廢棄物燃燒,利用燃燒後的熱量經水槽裡的 水變成蒸氣,經壓縮成高壓蒸氣帶動渦輪發電機發電,其燃燒後會產生廢 氣 (煙塵及氯化氫) 經由集塵與洗煙後再加熱以蒸氣形式排放至大氣;廢 渣(灰燼、廢鐵)經脫水送入衛生掩埋場掩埋;廢水則經處理降低重金屬等 有毒物質,達到排放標準,其留下的汙泥經脫水,送往衛生掩埋場。其發 電處理流程如圖 2-1-22

圖 2-1-22 焚化廠發電系統與處理流程 (重繪於木柵焚化廠網)

圖 2-1-23 木柵焚化廠 (本研究拍攝) 冷凝器

灰燼貯坑

掩埋場 垃圾貯坑

廢氣 排放

廢水處理場 滲出水

市電網路

燃燒室 熱氣

鍋爐 高壓蒸氣

分配器

渦輪

發電機 變壓器

廢金屬貯坑

洗煙塔

集塵器

飛灰貯坑 蒸氣

儲氣 給水槽

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(二)、 沼氣發電系統

沼氣的氣體成分包含甲烷、二氧化碳、硫化氫等有機化學成份,具有熱 值高(約 5,000 仟卡/米立方)與燃燒的特性,其來源有農業廢棄物、城鎮垃圾、

都市廢水、工業廢水與動物排泄物作為發電,大幅減少甲烷、二氧化碳、硫 化氫等有毒氣體排放至大氣中。目前台灣沼氣發電是利用過去掩埋的垃圾所 轉化的沼氣,依據現場拍照記錄繪製成系統流程如圖 2-1-24 所示首先將掩埋 生成的沼氣(氣體、液體)抽出,將廢水去掉留下甲烷等燃燒氣體,以內燃機之 發電機作為發電,然後傳送到市電網路。

圖 2-1-24 沼氣發電系統 (本研究繪製)

圖 2-1-25 山豬窟沼氣發電廠 (本研究拍攝)

將以上介紹之太陽能、風能、地熱能及生質能四種再生能源的定義、限制 及應用範圍彙整成表 2-1-3,

沼氣抽取井 市電網路

鼓風機 (沼氣乾燥

濃縮機) 排水設備

純化分離槽

變壓器 發電機

電力輸出設備

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表 2-1-3 再生能源定義、限制及使用範圍

定義 限制 應用範圍

太 陽 能

太陽能即地球接收 太陽之輻射能,其直接或 間接提供地球大部份之 能源(台大環境研究室,

2002),其又可分為太陽光 電能及太陽熱能。

(一) 太陽光電能:利用太 陽 電 池 吸 收 太 陽 光 能 , 再 轉 換 成 直 流 電。

(二) 太陽熱能:利用太陽 輻射之熱能轉換為電 能

太陽能屬於間歇性 能源,因此在陰天時發電 效率差,晚上時則無法發 電。

每峰瓦之發電量需 10 ㎡,因此需要相當大之 面積,發電量才夠多。

1. 太 陽 光 能 : 只 做 為發電用,如結 合路燈、廣告、

建築。

2. 太陽熱能;太陽 能熱水器、太陽 能蒸餾系統,及 太 陽 能 熱 動 力 系統,即利用太 陽 熱 能 轉 動 蒸 汽輪機發電;太 陽能乾燥,即農 產 品 乾 燥 ; 溫 室。

風 能

靠 空 氣 之 流 動 產 生 的風推動風力發電機的 葉片而發電。(再生能源 網)

裝設風力位置為:1.年 吹風期長 2.平均風力大,

即 5 公尺以上;風力平 穩;風向變化小 3.避免受 建築、樹木產生擾流的影 響風力機。由於風能會產 生噪音及眩光等問題,因 此 頇 距 離 人 群 居住 地及 生態保護區 250 公尺。

用於灌溉、水 產養殖、發電、居 民 、 牲 畜 用 水 ( 抽 水)。

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地 熱 能

地熱即為地表下的 能源,當地殼板塊相互碰 撞時伴隨產生之巨大壓 力 及 溫 度 亦 會 形 成 岩 漿。大部份的岩漿仍停留 於地底下,並且在地底大 區域產生熱岩石,水經熱 岩石的加熱時,自地殼的 斷層和裂縫處上升至地 表,形成溫泉、泥火山、

火山噴氣孔等。 若上升 的熱水遭遇不透水的岩 層,即被限制在地底岩石 的孔隙及裂縫中,形成所 謂的「地熱儲集層」。

(再生能源網)

必頇在有板塊、地震 及火山活動之地區,且必 頇有大量穩定之熱源、有 充 分 地 下 水 之 地殼 構造 及 能 滯 留 大 量 蒸氣 之地 層(地層儲集層)。

對於過深之地熱源不 具經濟效益。

除用來發電還可作 為溫泉池、溫室栽 培、產品乾燥、魚 溫等設施

生 質 能

指 由 生 物 產 生 之 有 機物質包括沼氣、稻殼等 農業、工業、都市廢棄物 以及能源作物,經過焚 化、氣化、裂解、發酵等 技術轉換成燃油、燃氣與 電力等可用能源。(再生能 源網)

由於燃燒會排出較多 的二氧化碳,造成空氣汙 染,因此必頇遠離人群及 生態敏感地。

製作酒精燃料、生 質柴油、氫氣及燃 燒發電 (焚化、沼 氣) 等。

(本研究整理)

(37)

第二節 模糊德爾菲法(Fuzzy Delphi Method)之探討 一、 德爾菲法

德爾菲法於 1960 年由美國蘭德公司(Rand Corporation)的黑默(O. Helmer)等人 所發展出來的長期預測技術,屬於直覺(專家)預測法(intuitive forecasting method),

目的在於獲取專家的共識,尋求專家們對某一議題意見一致,但此種方法有以下之 缺點:

(一)、 因問卷內容說明不明確,使得專家誤解其問題,造成專家們判斷上 的錯誤。

(二)、 若造成專家們的意見不一致,則必頇反覆多次問卷調查,使調查時 間拉長,且時間拖長亦使回收效率降低。

(三)、 其中專家意見一致是指,專家意見一致於某一範圍,但此範圍隱含 了模糊性,造成研究者整合專家意見時,可能因研究者自己的看法過濾 掉專家正確的意見。

(四)、 由於需反覆問卷調查使調查成本花費增加。

(五)、 為求取一致的意見,要求專家依群體意見修正自己的意見,可能因 此改變專家原意。

為了避免問卷回收效率低、時間、成本增加、扭曲專家意見等缺點,因此將 模糊理論導入德爾菲法,以整合專家意見之模糊性問題以節省時間提工作高效率。

其應用範圍包含預測、公共政策分析、創新的教育制度、方案規劃、建立準 則、尋找因子等,其領域包含環境、政策、規劃、管理、健康、社會等方面評估 因子的建構

二、 模糊德爾菲法

在專 家共 識之 極大 值與 極 小 值間存 在 著許多 不同的共識 函數 ,因此將 專家們的意見整合成模糊數,並賦予不同的可能性程度,此即稱為模糊德爾 菲方法(Fuzzy Delphi Method)。此法最早由 Ishikawa(1993)等人利用累積次數

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分配(Max-Min)和模糊積分 (Fuzzy Integration)兩種計算方法來解決傳統德爾 菲法的缺失,以下針對此兩種操作方法做說明。

(一)、 累積次數分配法(Max-Min)

首先將專家問卷所得的資料加以整理,分別建立累積次數函數「最 可能實現的時間(F1(x))」與「最不可能實現的時間(F2(x))」,其 次分 別 計算 F1(x)的四 分位數 (c1,m1,d1) 與 F2(x)的四分位數 (c2, m2, d2)。最後連接四分位數各點(c1,m1,d1及c2, m2, d2),即可分別得到「最 有可能達成時間」的隸屬函數與「最不可能達成時間」的隸屬函數。其 灰色地帶之交錯點x 即為預測值,如圖2-2-1所示。

圖2-2-1 Max-Min預測值圖(資料來源:Ishikawa,1993)

(二)、 模糊積分法(Fuzzy Integration)

首先將專家問卷所得的資料加以整理,對問卷中每個項目,分別建 立「最有可能達到的時間Xt」及「最不可能達到的時間Xu」之隸屬函數 ht(x) 與hu(x),並定義兩者的合成函數為hi(x)=min(ht(x), hu(x))。經由模 糊積分演算後,可以得到每一年的積分值,其中最大值者即為預測值如

灰色地帶

時間 等級值

F1(x)

F2(x) d1

d2 c2

c1 m2 m1

0

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圖2-2-2 問卷項目之隸屬函數(資料來源:Ishikawa,1993)

研究 結果 發現 可減 少 傳 統德爾 菲 法 問卷調查 之次數 、縮 短工作 流程之 時間、降花費成本,更能幫助研究者得到合乎理性的要求,確保不扭曲專家 們的意見。其模糊德爾菲法步驟如下:

(一)、 建立評估因子架構

依據研究目標,收集相關文獻或訪談方式,找出各種影響 因子,做 成影響因子集。

(二)、 蒐集專家群體意見

藉由專家問卷,針對各評估因子對研究目標的重要性做評分,其評 分方式為 0-10 分,包含重要性程度及可接受範圍最大值(Max)及最小 值(Min),分數越高代表其因子越重要 ,如表 2-2-1,以取得各評估因 子的評估值。

表 2-2-1 重要性程度評分對照表

數值 0 3 7 10 1,2,4,5,6,8,9

重要性

非常 不重要

不重要 重要

非常 重要

相鄰重要性 之中間值 (本研究製作)

預測時間 隸屬函數

h*i(x)

hu(x) ht(x) hi(x)

Xu X* Xt

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(三)、 建立模糊三角函數

本 階 段 藉 由上述 原理 將所得之 專家問 卷加 以整理 , 建立各 影響因子之模糊三角函數(N),其公式如下:

N =(LA , MA , UA) (式2-2-1) LA: Min(XAi ) , i =1,2 ,….,n (式2-2-2)

MA : (XA1*XA2*….*X An )1/n, i =1,2 ,….,n (式2-2-3)

UA = Max (X) (XAi ) , i =1,2 ,….,n (式 2-2-4)

說明:

N:i 因子之模糊權重值 A:影響因子

i:專家評分

LA:專家群體對 A 影響因子評估值之最小值。

MA:專家群體對 A 影響因子評估值之幾何平均數。

UA:專家群體對 A 影響因子評估值之最大值。

XAi:第 i 個專家對 A 影響因子之評價值。

由上面之公式可求出平均函數(專家共識)之最大值(UA)及平均函 數(專家共識)之最小值(LA),其兩點為極端值,隸屬度為0,以幾何平 均數(MA)代表多數專家意見,隸屬度為1,如下圖2-2-1。

μ

隸 屬 度

1

LA MA

χ

0 UA

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(四)、 篩選評估因子

利用簡易重心法,將各個初始指標的模糊權重N轉成單一值Sk 公式如下:

3

U M

S

k

L

A

A

A (式2-2-5)

最後設定門檻值t,從眾多的初始之評估指標中,篩選出較適合的評估 指標,其原則如下:

1. 若SK≧t,表示接受第k個初始指標為評估指標。

2. 若Sk<t,表示第k 個初始指標,不可作為評估指標。

門鑑值設定的高低將影響,將影響篩選評估因子的數量。若準則重要 性程度大於80%,則視為具有重要性的準則。

(42)

第三節 層級分析法(AHP)評估方法探討

1971 年由 Thomas L.Satty(匹茲堡大學教授)所發展出來的,主要應用在不確定 情況下及具有數個評估準則的決策上。將複雜的問題系統化,由不同層面加以層 級分解,並透過量化的判斷後加以综合評估,以提供決策者選擇適當計畫,同時 減少決策錯誤,在具有多目標或多準則之領域中,是一種簡單又實用的方法。

使用 AHP 的假設條件,包括以下九項(鄧振源,2005):

1. 一個系統可被分解成許多種類或成分,形成具有方向性的網路成及結構。

2. 層級結構中,每一層級之要素均假設具獨立性。

3. 每一層級的要素,可藉由上一層級的要素作為基準,進行評估。

4. 比較評估時,可將絕對數值尺度轉換為比例尺度。

5. 成對比較矩陣後,可使用正倒矩陣處理。

6. 偏好關係需要滿足遞移性,包含優劣關係(如:A 優於 B、B 優於 C,則 A 優於 C)與強度關係(如:A 優於 B 兩倍、B 優於 C 三倍,則 A 優於 C 六倍)。

7. 要滿足遞移性並不容易,因此容許未滿足遞移性質,但頇做一致性檢測,

以檢測一致性之程度。

8. 要素的優勢程度,由加權法則求得。

9. 任何要素只要出現在階層結構中,不論優勢如何,均被認為與整個評估 結構有關。

AHP 的應用範圍十分廣泛包含:規劃、替代方案選擇、選擇最佳方案、風險評 估、決定優先順序、決定需求、系統設計、績效評量、衝突解決、最適化及資源 分配共十二種應用方向

一、 層級分析的步驟

利 AHP 法進行決策分為三階段,1.建立評估的層級結構 2.各層級要素權重之

(43)

重的計算以決定最適宜方案,其步驟說明如下 (一)、 問題的界定

先將有可能影響決策的要素納入,同時收集相關資訊,並界定問題的範 圍。

(二)、 建立層級結構

找出影響決策問題的要素來建立層級,其由上至下為目摽、評估準則、,

最下層為方案評估。

其層級結構分為完整層如圖 2-3-1,是一個複雜且相互結合的問題,表示 上、下層兩階層的要素相互有關係。另一種為不完整層級圖 2-3-2,此種層 級可處裡許多分支問題,但上、下層兩階層的要素相互間未必有關係。

圖 2-3-1 完整層級(本研究繪製)

圖 2-3-2 不完整層級(本研究繪製)

第一層 (目標) 第二層 (評估準則)

A

B1 B2 Bn

2

1 3 4

第三層 (替選方案)

第一層 (目標) 第二層 (評估準則)

第三層 (評估準則)

第四層 (替選方案)

A

B1 B2 B3 Bn

1 I

2 3 4 5 6 7 8 9 10 C2

C1 C3

(44)

(三)、 問卷設計與調查

以 AHP 評估尺度是採用名目尺度之方式,其評估尺度包括五項,即同 等重要、稍為重要、頗為重要、極為重要,其 1-9 尺度所代表的意義如表 2-3-1 所示

表 2-3-1 AHP 評估尺度之定義及說明

評估尺度 定義 說明

1 同等重要(equal importance) 兩比較方案的貢獻度具同等 重要性

3 稍為重要(weak importance) 經驗與判斷稍微傾向喜好某 一計畫

5 頗為重要(essential importance) 經驗與判斷強烈傾向喜好某 一計畫

7 極為重要(demonstrated importance) 經驗與判斷非常強烈傾向喜 好某一計畫

9 絕對重要(absolute importance) 有足夠的證據肯定絕對喜好 某一計畫

2,4,6,8 相 鄰 尺 度 中 間 值 ( intermediate alues)

於 1,3,5,7,9 評估尺度間需要 折衷值時

(資料來源:鄧振源,2005)

(四)、 建立成對比較矩陣

如下表2-3-2假設對某一準則有三種方案,以評估尺度做決策後,做成 成對比較矩陣範例

表 2-3-2 成對比較矩陣

要素 A1 A2 A3

A1 1 3 5

A2 1/3 1 3 A3 1/5 1/3 1

(45)

(五)、 求取特徵值與特徵向量

根據成對比較矩陣(A),與兩兩要素間相對重要度(aij:ij=1,2……n),

其 aij 用於對角值時以(Wj / Wj)表示;用於下三角之倒數時以(1/aij)表示。

經由程對比較求取權重 W,因此以特徵值解法求取特徵向量或稱優先向 量,進而求得各層級要素之權重值。即

Wn W

W W aij

aij Wj Wj aij

 

 2

1 ,

/ 1 ,

/

(式 2-3-1) 當成對比較 A 乘以權重向量 W 會等於 n 乘以 W 值,即

W n W

A

*

* (式 2-3-2) 可寫成

An

*

I

*

W

0 (式 2-3-3) 上式只在 W 不等於零時才成立,同時具有多個特徵值,此時 W 為 A 的特徵向量。

由於 aij 是依決策者主觀判對而得,與想比率(Wi/Wj)有所差異,因此

W

n W

A

*

* 無法成立,而 Saaty 對此情況做說明,假設λi(i=1,2……n),

滿足

A

*

W  

*

W

,在理想的比較情況下矩陣 A 具一致性,以得知最大特

徵值為 n,(即λ為矩陣 A 的特徵值) ,且若 aij=1(i-1,2…..n),則

n

J

n i

1

* 

(式 2-3-4)

且只有一個特徵值 n,其餘特徵值為 0,因此在一致性矩陣下,其最大 特徵值為

n

 max

(式 2-3-5) 若矩陣 A 為一致性矩陣時,則可改寫成下式 2-3-6,求取特徵向量:

Wj

AW   max

(式 2-3-6)

(46)

其中 W 為權重;λmax 為最大特徵值;Wj 為對應最大特徵值的特徵 向量。而矩陣 A 的特徵值與特徵向量,由式 2-3-7 近似值求得較為精確

e e

e A A

T k K

lim

k (式 2-3-7) (六)、 一致性檢定

由於決策者或專家的判斷無法完全一致性,因此需利用一致性指標衡量

(Consistency Index;CI)值,其公式如式 2-3-8 1

/ max

.

I   n n

C

(式 2-3-8) 若CI值=0時,表示該準則下之各要素完全一致性。若CI值>0時,則表示 其判斷不一致,Saaty建議CI值<0.1時最佳。

從評估尺度產生的正倒值矩陣,在不同的階數下,產生不同的CI值,稱 為隨機指標(Random Index;R.I.),其RI值在算一致性比例時套入Satty歸 納出來的RI數值即可如表2-3-3所示

表2-3-3 隨機指標表(RI)

階數 1 2 3 4 5 6 7

RI值 0.00 0.00 0.58 0.90 1.12 1.24 1.32 階數 8 9 10 11 12 13 14 RI值 1.41 1.45 1.49 1.51 1.48 1.56 1.57

(資料來源:Saaty,1980)

在相同矩陣下,CI值與RI值之比例為一致性比例( Consistency Ratio;

C.R.),其公式為

RI CI

CR

/ (式2-3-9) 若CR值<0.1表示各要素決策之判斷一致性程度令人滿意。

(七)、 方案之選擇

權重值越大表示其方案或計劃越重要。

(47)

第四節 分析網路程序法(ANP)之探討

ANP與AHP一樣是將複雜的問題系統化,透過評估尺度1-9等級求取並預測所 有準則、目標、方案間精確的內部關係,甚至用來做最佳決策。ANP決策應用應 用範圍廣泛: 如營銷, 醫療, 政治, 社會, 預測等。目前,已證明配合專業知識可預 測運動結果、經濟轉變、商業、社會及政策活動等,且可行性極佳。

但由於AHP 方法的基本假設中,對各層級的要素均假設其具獨立性,而此假 設是無法真正反映要素間往往是相互受影響的。因此,Saaty 於1996 年提出另一 以網路形態、非線性結構呈現的分析網路程序法(ANP),將傳統線性結構的AHP 加上一回饋機制,同時考量各要素間產生的相互依存關係,也就是將AHP加上依 賴性及回饋性,並使用超矩陣計算權重,其AHP法與ANP法之差異如表2-4-1所示。

表2-4-1 AHP法與ANP法之差異

項目 AHP法 ANP法

各要素間之關係 各要素相互自獨立,且影響方 向為由上至下。

各要素互相依賴。

結構特性 線性層級網路 非線性層級網路

回饋關係 無回饋關係 相互回饋關係

權重計算 成對比較矩陣 超矩陣

要素比較基礎 以最終目標為要素比較基礎 以指定評估項目為要素比較 基礎

(本研究整理)

AHP法的問題架構為單向層級關係,由最上層的總目標,往下分解成更明確 的屬性或準則,而ANP法為層級中或要素間有複雜的關係存在,且也不具備AHP 如此嚴格的層級架構,如圖2-4-1 所示。

(48)

圖 2-4-1 AHP 法與 ANP 法之結構差異 (資料來源:鄧振源,2005)

上圖 2-4-1 (a)中 B 到 C 表示 B 支配 C 或 C 依賴 B,而 2-4-1(b)B 與 D 的關係 為外部相依或回饋關係;B 本身內部之要素則存在內部相依或回饋關係。

ANP法之特性包含兩個部分: 第一是控制層是指準則與次準則之間的網路關 係。;第二是影響在問題要素和群組之間有許多次級網路。

ANP 法決策的步驟如下:

1. 決策問題的界定:根據決策問題的本質,將可能影響的要素納入,並收集相 關資訊進行整理,以界定決策範圍。

2. 決策群體的組成:根據決策問題的複雜程度,聘請相關領域的專家,已成立 決策群體。一般專家人數以5-15人較佳,如果單一決策者時,則此步驟 可以省略。

3. 建立決策問題網路系統: 如同AHP階層結構由上至下為問題目標(Goal)、決 策準則(Criteria)及次準則(Subcriteria) ,以界定問題範圍,其內部是互相 影響的網路結構。

其ANP之網路架構如圖2-4-2所示,圖中表示為各群集間與替選方 A

目標

B

C

(a)AHP 線性層級結 構

D 目標

A

B

C

(b)ANP 非線性網路結構

(49)

圖2-4-2 ANP之網路架構示意圖 (本研究繪製)

4. 建成對比較矩陣: 將具回饋關係的「群組」、「準則」及「群組與準則」等等 做成對比較,比較的方式與AHP 法相同採用比例尺度1-9(1/9;1/8;1/7;

1/6;1/5;1/4;1/3;1/2;1;2;4;5;6;7;8;9)等級,若上位階層 有m個要素,並支配n個次要素時,則必頇進行〔m*n(n-1)〕/2次成對比 較,藉由求取地成對比較計算特徵值與特徵向量,以求取各要素之權重。

5. 一致性檢定:由於專家判斷要達到與理論完全一致非常困難因此必頇藉由一 致性檢定保證專家的判斷令人滿意。

6. 計算超矩陣: 假設

各群組(以C

h

表示,h = 1, … , n)與其所包含之要素

(群組h 有m

h

個元素,以e

h1

, e

h2

, …, e

hmn

)依序列於矩陣左側與上 方,在超矩陣內

所有數字是由層級比較中運算出各階層要素之權重,

其比較矩陣如下圖2-4-3所示。

目標 (最上階層)

群集 B (中間階層)

群集 A (中間階層)

替選方案 (最下階層)

群集 C (中間階層)

表示具有互相依賴之關係

(50)

Wnn Wn

Wn

enmn en en

Cn

n W W

W

m e e e

C

n W W

W

m e e e

C

enmn en

en m

e e

e m e e e

Cn C

C

W

2 1

. .

2 1

2 22

21

2 2 . .

22 21

2

1 12

11

1 1 . .

12 11

1

...

2 1 2

2 ...

22 21 1 1 ...

12 11

2 1

圖2-4-3 超矩陣

群組或要素間彼此相互獨立而無任何交互作用,則以

0

表示,

例 如主評估準則與次評估準則間存在外部相依關係,矩陣B表示在主評估準則 下次評估準則的成對比較矩陣;矩陣C表示在次評估準則下主評估準則的成 對比較矩陣;次評估準則本身內部有相依關係時以矩陣D表示,由以上即可 組成矩陣M”,如圖2-4-4所示。

M”=

主評估準則 次評估準則

主評估準則 0 C

次評估準則 B D

圖2-4-4 超矩陣例示

超矩陣中如行值和不等於1時即不符合行隨機原則,必頇透過特定程序 加以轉換,如上圖M”為未加權的初步超矩陣,次評估準則之矩陣(C與D)分

參考文獻

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