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5-1 太陽能

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Academic year: 2022

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(1)

5-1 太陽能

5-2 風能

5-3 地熱能

(2)

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。

(3)

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:

2

s

1353 W/m

G =

此數值即為太 陽常數

(4)

太陽輻射

(5)

太陽輻射

(6)

太陽能利用的潛能

以美國為例,太陽常數為1353 W/m

2

,若假設太陽輻射 到 達 地 面 的 平 均 能 量 為 600 W/m

2

, 其 相 當 於 1520 Btu/ft

2

,而美國總面積為3.615×10

6

平方英哩,以日照 8小時計,美國一年可得到太陽能總量為5.6×10

19

Btu。

美國1996年的總能源消耗量為9.38×10

16

Btu,該能量僅 約為太陽能量的六百分之一而已!換言之,如果美國能 自太陽能中取得0.16% 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。

(7)

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。

光電效應

(8)

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「孔洞 (hole)」,

該孔洞猶如帶正電般,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孔洞 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 流向後者而形成電子流 ( 電流的方向則相反 )

太陽電池

(9)

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

(10)

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)

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 愈大效率有愈低之傾向。

太陽電池種類

(11)

單晶矽

http://www.ami.ac.uk/courses/

ami4202_mdesign/u02/index.as

p

(12)

多晶矽

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

(13)

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

(14)

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

(15)

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。

(16)

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。

(17)

直接取得太陽能之屋子

(18)

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。

太陽能熱電廠

(19)

動力塔(Power Tower)

(20)

動力塔(Power Tower)

(21)

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

(22)

歐盟各國風能總發電之情形 (2005年底 )

發電量 (MW)

18,428

西班牙 10,027

3,122

意大利 1,717

1,353

1,219

葡萄牙 1,022

奧地利 819

757

573

500

愛爾蘭 496

267

比利時 167

82

烏克蘭 82

73

盧森堡 35

(23)

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。

風的循環

(24)

山谷風

(25)

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

(26)

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,m

2

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

×10

3

= 0.61 kW/m

2

4 3

P/A = 6.1 10 v ×

(27)

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%,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/m

2

(28)
(29)

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。

風力發電機

(30)

水平軸式風力發電機內部結構與組件

(31)

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

(32)
(33)

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。

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,於風速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。

風力發電機之分類

(34)

離岸式風力發電

(35)

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/m

2

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。

(36)

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. 可提供就業機會

5. 由於風力發電機外型美觀,裝設地點往往成為地方 新地標,具有觀光效益。

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

風力發電機的優點

(37)

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℃。

(38)

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

(39)

美國黃石公園內之老忠實間歇泉

(40)

火 環

(41)

地熱資源

(42)

美國勒蓋沙斯地熱電廠

(43)

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。

水熱系統

(44)

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 電 , 而 熱 水 則 可 用 於 加 熱。

(45)

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。

(46)

開發地熱對環境影響

1. 硫化氫 (H

2

S) 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。

6. 地 震:因地熱田大部份集中在地震頻繁地區,而熱水 之還原地下可能增加地震頻率。

(47)
(48)

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,

作為冷媒、飲料及焊接等工業原料。

參考文獻

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