國立臺東大學教育學系 教學科技碩士班
碩士論文
指導教授：陳嘉彌 博士
「能源農村」的概念與實踐 之行動研究
研 究 生：朱士杰 撰
中華民國 ㄧＯ二年 七 月
國立臺東大學教育學系 教學科技碩士班
碩士論文
指導教授：陳嘉彌 博士
「能源農村」的概念與實踐 之行動研究
研 究 生：朱士杰 撰
中華民國 ㄧＯ二年 七 月
誌謝辭
首先感謝指導教授陳嘉彌博士的耐心，讓我在無壓 力下，游走於工作與論文間擺盪，又適時的點醒我一些 方向，即時的將論文整合好，結束一個階段的人生大 事。
這篇論文的起源，要感謝的人太多。先是感謝大亞 電纜董事長在2007年創辦綠集合創業，由利群會社承 辦，林學淵先生輔導，讓基礎的模式有所進展。沒有他 們的遠見，今天在臺東縣成功鎮重安部落不會搞那麼多 的替代能源研究。每當在論文有瓶頸的時候，總會想起 當年比賽的初衷，就繼續完成這個使命。
接著感謝我的阿美族內人曾秀美與岳父林德清。在 這些年的實驗中，內人扮演着助手，默默忍受着實驗與 撰寫論文產生的情緒壓力，例如徒手取牛糞的沼氣實 驗，其實採用太空人進食式的進料法不如太太提議的漏 斗法，在緊張下解決裝瓶的問題，卻也傷了和氣。岳父 則從旁協助我架設水力發電機設施、園區接水、割草 等，靜靜地在背後幫助我，使替代能源設施逐一完成。
最後感謝鄭承昌主任、蔡東鐘主任以及研究所同學 智元、錦豐、富家的從旁鼓勵，在面對寫論文的孤寂 中，內心仍有不斷的溫暖，讓工作繼續下去。
在此，心中除了感謝，還是感謝。也希望此次的研 究，能為未來的能源利用盡一點力量。
朱士杰謹誌 2013/7
於新北市八里
「能源農村」的概念與實踐 之行動研究
摘要
能源與農村發展的關係密切，油價的高低影響農產品的價格與政 治的穩定，如何推動以替代能源為概念的農村發展，再輔以科技教育 的方式來推廣落實，才能穩定農村的發展。
為了解推動能源農村概念所會遇到的技術與非技術問題。同 時嘗試改變現有方式來提升使用效率或方便性，推動產業革新，並探 討創新擴散的過程來有效地推動能源農村概念。
本研究透過行動研究法，針對風力發電、水力發電、太陽能PV、
沼氣利用、生質能之柴薪利用火箭爐與木瓦斯爐，製作並瞭解箇中問 題改良，來得到過成和經驗。
研究結果發現，推動能源農村概念所遇到的技術問題，是與非技 術問題，影響推動替代能源新觀念的進行。從創新擴散度的觀點來看 能源農村概念的實踐，需要新世代農民嘗試創新的思考與行動。
關鍵詞：替代能源、沼氣、火箭爐、木瓦斯爐、創新
The action study on
the concept and operation of Energy Village
S
hih-Chieh Chu
Abstract
The connections between energy and village development are close, the price of oil affects the costs of the agriculture products and the stability of politics. To promoting the concept of Energy Farm by using alternated energy, and also through the science education, will support the development steadily.
Trying to find out the technical and non-technical problems to promoting the concept of Energy Farm, and improving the way of usage as well, furthermore, to innovating the green energy industry, and using the Diffusion of Innovation Theory for developing the concept efficiently.
Focusing on wind power, hydro power, solar PV, methane , rocket stove and wood gas stove from biomass, designing and assembling these items through action study, to get the experience and improvement for operating the concept of Energy Farm.
The technical and non-technical problems of promoting and establishing the concept of Energy Farm is crucial, it’s not only related to the revolutionary green business, but also needs to help the people to adopt innovations and practical action for the development of rural village.
Keywords：alternated energy, biogas, rocket stove, woodgas stove, innovation
目錄
誌謝辭... i
摘要... ii
Abstract... iii
目錄... iv
表次... vi
圖次... vii
照片... viii
第一章 緒論 第一節 研究背景與動機... 1
第二節 研究目的... 3
第三節 名詞釋義... 3
第二章 文獻探討 第一節 創新理論相關研究... 7
第二節 能源農場與能源農村的概念... 9
第三節 研究項目之原理... 11
第三章 研究方法與設計 第一節 研究方法... 25
第二節 研究設計... 25
第三節 研究場域... 28
第四節 實驗工具... 28
第四章 行動過程與結果 第一節 風力發電... 31
第二節 水力發電... 44
第三節 太陽能PV發電... 56
第四節 沼氣利用... 60
第五節 生質能之柴薪利用火箭爐與木瓦斯爐... 67
第五章 結論與建議 第一節 結論... 79
參考書目
一、中文部分... 83 二、西文部分... 84
表次
表2-1 太陽能電池材料種類... 14
表3-1 實驗設備使用儀器對照表... 30
表4-1 蒲福氏風級表 (Beaufort wind scale)... 32
表4-2 微型風力發電機採購價目參考表... 34
表4-3 地形與風速指數表... 36
表4-4 重安氣象站2012/4-2013/5風速資料表... 37
表4-5 重安氣象站資料下HY-400與Air-X之風速功率表... 38
表4-6 變更高度後的氣象站資料下發電機之風速功率表... 38
表4-7 HY-400與Air-x規格對照表... 42
表4-8 Powerpal低水頭水力發電機流速與水頭高度表... 45
表4-9 Powerpal水力發電機建議流速表... 47
表4-10 Powerpal高水頭水力發電機流速與水頭高度表... 50
表4-11 太陽能板規格說明表... 57
圖次
圖1-1 2009能源農村計畫設施分配圖... 1
圖2-1 太陽能板原理圖... 13
圖2-2 木材的燃燒過程... 19
圖2-3 L型與J型火箭爐送柴方式圖... 20
圖2-4 16塊磚造火箭爐過程圖... 21
圖2-5 金屬火箭爐結構圖... 22
圖2-6 T. B. Reed和Ronal Larson的火箭爐設計圖... 23
圖4-1 風光互補式發電機接線圖... 35
圖4-2 Air-X風機功率圖... 36
圖4-3 HY-400風機功率圖... 37
圖4-4 Air-X風機架設圖... 39
圖4-5 傾斜式風機塔架設計圖... 40
圖4-6 Powerpal 低水頭水力發電機系統圖... 46
圖4-7 高水頭水力發電機與ELC接線圖... 48
圖4-8 Powerpal 高水頭水力發電機系統圖... 49
圖4-9 水力發電機接線圖... 50
圖4-10 2009年能源農村計畫水力發電機設施圖... 52
圖4-11 中國大陸太陽能板價格衰退圖... 59
圖4-12 能源農村沼氣系統設計圖... 61
圖4-13 浙江省湖山生態農莊沼肥設施圖... 62
圖4-14 Reed & Larson與Morrisville州立大學再生能源訓練中 心設計圖... 69
圖4-15 自製木瓦斯爐設計圖... 69
圖4-16 自製木瓦斯爐之燃燒結構圖... 71
圖4-17 木瓦斯爐烘碗器設計圖... 72
圖4-18 火箭爐加熱器烤箱設計圖... 73
圖4-19 火箭爐鍋加熱水器設計圖... 75
照片
照片2-1 水平式與垂直式風力發電機... 12
照片2-2 沼氣瓦斯爐、沼氣燈、沼氣熱水器... 17
照片2-3 玻璃纖維與磚造沼氣池... 18
照片2-4 鐵罐製火箭爐材料與完成圖... 22
照片3-1 實驗設備照片... 26
照片3-2 實驗設備儀器照片... 29
照片4-1 傾斜式風機塔架操作照片... 40
照片4-2 HY-400與Air-X安裝照片... 43
照片4-3 電子負載控制器ELC與假負載... 48
照片4-4 高水頭水力發電機安裝照片... 53
照片4-5 發電機安裝高度不足照片... 54
照片4-6 低水頭水力發電機安裝照片... 55
照片4-7 太陽能板正面與背面規格照片... 56
照片4-8 四用氣體偵測器檢測沼氣池照片... 63
照片4-9 浙江省余姚市湖山生態農莊內部設施... 64
照片4-10 糖果罐型火箭爐與自製火箭爐照片... 68
照片4-11 自製木瓦斯爐照片... 70
照片4-12 自製木瓦斯爐烘碗... 72
照片4-13 自製火箭爐加熱器烤箱... 74
照片4-14 自製木瓦斯爐鍋熱水器照片... 75
第一章 續論
第一節 研究背景與動機
能 源 價 格 左 右 農 業 成 本 ， 影 響 糧 價 ， 衝 擊 民 生 ， 嚴 重 時 影 響 社 會 安 定，因此穩定能源價格、尋求石化能源之替代品，降低農業成本，是農業經 濟上所要面對的。另外，當今國際對於替代能源的開發甚多，除了集團式的 大型替代能源設備，在我國農村是否能實踐簡單而平價之替代能源設備或觀 念，以穩定農村生產成本，是值得探討的。
本研究的內容主要為參與2008年大亞電纜公司沈尚弘董事長所贊助的 綠 色 創 業 計 畫 所 得 之 經 驗 。 本 案 計 畫 為 「 能 源 農 村 」(圖1-1)，獲得社區組 贊助。「能源農村」計畫以四種替代能源的建設來建構農村的電力網，碰撞 現有的體制與觀念，得出結果以作為未來發展的方向參考，另外加上火箭爐 與木瓦斯爐的實作經驗，來增加農村未來能源利用的經驗，並且瞭解未來此 種創新觀念在農村推動的情況。
圖1-1 2009能源農村計畫設施分配圖
壹、農村與能源的關係
2008年爆發的糧食危機，從氣候改變、投機客炒作油價與糧價、糧食 限 制 出 口 導 致 糧 荒 、 耕 地 轉 作 生 質 作 物 等 問 題 ， 引 發 了 許 多 國 家 的 糧 價 暴 漲，導致暴動的情形危害到國家安全。後來因為石油價格下降、金融海嘯發 生，糧食問題逐漸轉移到金融問題上，但是這個問題並沒有獲得解決。而在 這個喘息的時刻，我們要如何構思農村的解套與安全的發展。
資 本 主 義 的 經 濟 體 運 作 ， 它 是 商 品 、 貨 物 藉 由 貨 幣 來 流 通 ， 但 是 當 貨 幣可以透過資本主義的金錢運作方式來影響商品價格的時候，就有可能出現 大問題，例如油價、糧價的操弄，在2008年就出現了許多國家的政治危機。
而 石 化 燃 料 － 石 油 ， 當 它 變 成 運 送 貨 物 的 貨 車 燃 料 時 ， 它 是 商 品 運 動 流 通 的 動 力 。 如 果 油 價 高 ， 就 影 響 到 商 品 價 格 。 將 它 轉 換 成 運 送 農 產 品 ， 石 油 的 價 格 ， 就 影 響 農 產 品 的 價 格 。 但 是 當 農 產 品 轉 為 生 產 乙 醇 等 生 質 燃 料，那麼農產品就不夠吃，拿去生產利潤較高的酒精汽油，因而產生有錢也 買不到糧食，或是等量的錢，能買到的糧食卻很少，形成了國家領導危機，
社會安全出現問題。
就 是 因 為 現 今 各 個 產 業 對 於 石 油 的 依 賴 過 深 ， 導 致 當 只 有 財 團 與 國 家 能控制的油價，為了自身利潤而去炒作，就讓全世界的產業遭殃，這也就是 過度倚賴單一能源所造成的問題。所以，從2008年的教訓，可以歸納出如何 與石油或是說如何與單一能源脫鉤，才不致於影響價格與社會安全；能夠有 自主的能源，才能穩定價格，使社會安全。
在 各 個 產 業 來 說 ， 使 用 替 代 能 源 是 所 有 國 家 在 推 動 的 重 要 方 針 。 不 僅 是減低對石油的依賴，也是發展綠色產業的契機。所以石油的替代品以及不 使 用 石 化 燃 料 的 運 輸 工 具 不 斷 出 現 ， 例 如 ： 電 動 車 、 沼 氣 公 車 、 生 質 柴 油 車、酒精汽油車等，甚至興起了騎乘腳踏車的風潮。反觀在農村的角度上，
我們農村如何在這場產業革命中，能避免受到能源的影響，甚至參與這場能 源的革命？
貳、台東「能源農村」的實踐
台 東 「 能 源 農 村 」 計 畫 ， 是2 0 0 8 年 大 亞 電 纜 「 綠 集 合 」 創 業 贊 助 計
畫，為了鼓勵節新創事業，實現企業社會責任而舉辦的計畫。本研究作者以
「能源農村」計畫案獲得贊助。這個計畫案，是以農村的觀點，採用替代能 源來減低對傳統使用的能源，如石油、石化天然氣、木柴、核電等的依賴，
並利用節能的設施和概念，改變能源的使用，使其變得更有效率。其中更利 用農村廢棄物，將沼氣系統與農業系統結合，充分利用生質能，並達到永續 農業的方向。
初 期 規 劃 以 風 力 發 電 、 水 力 發 電 、 太 陽 能 板 發 電 、 沼 氣 利 用 與 柴 薪 利 用來作為第一步的農村能源計畫。在從實踐的過程中，了解替代能源的發展 問題，並計畫能將技術問題克服，使農人可以自己維護，才能推廣農村替代 能源的使用。
整 個 計 畫 案 是 推 動 農 村 能 源 的 教 育 ， 並 推 廣 可 行 的 農 村 替 代 能 源 方 案。經由實踐的過程中，了解農村在替代能源推動上的問題，並針對問題思 考解決的方向。
第二節 研究目的
農 村 地 區 對 於 石 化 能 源 的 依 賴 所 造 成 的 糧 價 問 題 ， 引 起 社 會 問 題 。 因 此，本研究目的有四，對於根本問題設定方向：
一、了解推動能源農村概念所會遇到的技術問題。
二、了解推動能源農村概念所會遇到的非技術問題。
三、嘗試改變現有方式來提升使用效率或方便性，推動產業革新。
四、以創新擴散理論來了解能源農村推動所會面臨的問題。
第三節 名詞釋義
一、太陽能
Solar Power，通稱為太陽能，一般是指太陽光的輻射能量，在現代一 般用作發電。其利用有被動式利用(光熱轉換)，以及光電轉換兩種方式。利 用太陽輻射能的如農村曬穀、家庭晒衣物等，都是利用太陽輻射能所作的工
作。
二、太陽能 PV
PV(Photovoltaics，物理學稱作光升伏打)，利用光電轉換，將太陽能 轉換成電能利用。太陽能PV指太陽能板，或稱太陽電池。
三、沼氣
Biogas或Mathan。有機物經過厭氧發酵(沒有氧氣的環境下)，由甲烷 菌 分 解 產 生 的 氣 體 。 農 村 人 畜 糞 便 、 農 業 廢 棄 物 、 都 市 污 水 等( R o s e n ， 2010)，都是生產沼氣的原料。沼氣主要成份有甲烷(Methane)、二氧化碳 (Carbon, dioxide)、硫化氫(Hydrogen sulfide)等。其中甲烷佔50%以上，具 有熱值高與燃燒特性佳的優點(宋洪川，2007)。
四、 LEL與UEL
它們是氣體的爆炸極限(又稱爆炸界限)。LEL(lower explosive limit)最 小爆炸限度與UEL(upper explosive limit)最大爆炸限度。點燃在空氣中的氣 體，氣體可能會引爆，或者會很快停止，取決於氣體在空氣中的濃度來決定 的。當氣體濃度太低，沒有足夠燃料來維持爆炸；當氣體濃度太高，沒有足 夠氧氣燃燒。氣體只有在兩個濃度之間才可能引爆，這兩個濃度稱為爆炸下 限(LEL,lower explosive limit)、爆炸上限(UEL,upper explosive limit)，慣 以百分比表示。本研究的沼氣中甲烷LEL最小爆炸限度為4.4 - 5，UEL最大 爆炸限度為15 - 17，並在580°C會自燃。
五、乾餾
Carbonization，又稱為碳化、炭化、焦化。是指固體或有機物在隔絕 空氣條件下加熱分解的反應過程或加熱固體物質來製取液體或氣體產物的一 種方式。
以木材為例，200oC以下，大部分水蒸發後，升溫到200oC～400oC，
主要構成成分之纖維素、半纖維素和木質素發生分解與分解物蒸發，質量減
少。主要熱分解在450~500oC終止。500oC以上產生H2氫氣，炭中的碳元素 形成多環芳香族結構。700oC以上發生氣化反應，生成甲烷CH4和氫氣H2。
六、煙囪效應
S t a c k e ff e c t是 指 日 照 或 是 起 火 造 成 的 溫 度 上 升 ， 使 氣 體 膨 脹 密 度 降 低，而氣體密度高向密度低的地方流動(或是溫度低的氣流向溫度高的氣流 移動)，在室內空氣沿著有垂直坡度的空間向上昇或下降，造成空氣加強對 流的現象稱之。煙囪效應是空氣進出樓房、煙囪、排氣孔、或其他容器，並 由浮力產生。而浮力是由內外的氣體密度，其產生自溫度與溼度的差別。結 果產生正壓或是負壓。溫度差越大、煙囪高度越大，浮力越大，此為煙囪效 應。
第二章 文獻探討
能 源 農 村 概 念 的 實 踐 上 ， 與 能 源 科 技 和 產 業 息 息 相 關 。 這 個 概 念 的 角 度，與現行能源利用不同，是創新的思維面對傳統能源利用的觀念。第一節 探討創新與創新擴散的理論，做為能源農村概念實踐上的核心理論價值。
第二節探討農村糧價與石化能源脫鉤的方向上，會有Energy Farm 與 Farm Energy 的字眼在網路上浮現。而前者能源農場Energy Farm的概念就 有 不 同 的 定 義 ， 而 農 場 能 源 就 指 農 場 上 使 用 的 能 源 。 這 兩 個 名 詞 的 排 列 不 同，涵蓋的東西卻是不一樣的意義。而另外可以發現Energy Farm與Energy Village又有不同。茲就兩個名詞的概念與本論文的開展，做為研究的定調。
第 三 節 對 於 農 村 能 源 利 用 的 幾 項 方 式 ， 了 解 相 關 項 目 的 原 理 。 包 含 風 力、水力、太陽能PV、沼氣和生質能中的火箭爐與木瓦斯爐。
第一節 創新理論相關研究
壹、創新理論
創 新 理 論 由 經 濟 學 家 熊 彼 得 所 創 ， 主 要 認 為 創 新 是 資 本 主 義 社 會 的 動 力。各種替代能源設施的發展，有些如水力發電機也有百年的歷史，木瓦斯 爐也有兩百多年，但是產品技術的革新，才能創造使用率的增加。「在熊氏 看來，資本主義之所以能夠向前發展，其基本的動力乃來自生產方法之不斷的改 進與生產組織之連續的改善，這也就是所謂創新 (施建生，2005)。」
熊彼得五種創新的概念，包含：新產品引入、新生產方法、新市場、新的供 給來源與新的企業組織。這些或是降低了成本，或是增加了效率，也是開創了新 的市場週期。這些概念應用在替代能源產業的開發上面，可以開創一條不一樣的 路，除了改良創新產品外，或能改進企業組織與生產方式，創造新的市場週期。
產 品 的 生 產 週 期 ， 簡 單 地 說 ， 分 為 萌 芽 期 、 成 長 期 、 成 熟 期 與 衰 退 期。在產品進入成熟期後，同質性產品的競爭導致削價競爭，或是 發展遇 到了市場變化進入衰退期，唯有以創新來解決進入衰退期的蕭條產生的困境 (劉錦秀譯，2003)。
熊氏認為經濟社會的景氣循環，基本上來自創新行為的變化。這句話應用在 資本主義許多環境下，即便在替代能源產業上，也不例外。
貳、創新擴散理論
創新擴散理論是由美國傳播學與社會學教授 羅傑斯(Everett Rogers)於1962 年所提出的理論，主要是探討新想法和科技的散佈方式。
創新的角度並非以科技性、生產性的創新為主，廣義的解釋，包含未得知某 資 訊 的 人 獲 得 了 資 訊 ， 即 使 是 就 資 訊 ， 但 是 未 得 知 的 人 得 知 ， 就 成 了 新 資 訊。“我新你舊“這樣的例子相當普遍，因此創新定義為：1.包括具體性的事物，
特別是科技產品或技術，及抽象性的思維和觀念。2.創新是個體主觀上的認定，
它是個體過去所未具有的認知經驗和行為，無關於客觀上的時間因素；3.創新對 個體可產生認知、態度、價值取向與行為等方面的變化(陳嘉彌，1997)。
羅傑斯認為有四個重要元素影響創新的擴散，分別是：1.創新(Innovation)，
指已經有的一個想法、做法或物件開始被個人或是團體所接受。 2 . 傳播管道 (Communication Channel)指訊息從一個人到另一個人的方法。3.時間(Time)：創新 決定時間是指創新決定過程的時間長度。接受率是指創新被社會組織的成員所接 受的速度。4.社會系統(Social System)指為了解決問題或是達成共同目標而結合的 一群內部相關的成員。
而創新的擴散分成幾個階段的人所接受，分為創新者(Innovators)，早 期採用者(Early Adopters)、大多數早接受者(Early Majority)、大多數晚接 受者(Late Majority)和落伍者(Laggards)(陳嘉彌， 2011)。
創新者是一群願意接受危險與挑戰，且首先發現新的想法。
早 期 採 用 者 代 表 着 意 見 領 袖 。 他 們 享 抓 住 改 變 的 機 會 ， 且 意 識 到 需 要 改變，所以容易接受新想法。策略是使用手冊或是訊息單張。他們不用訊息 說服他們去改變。
大 多 數 早 接 受 者 ， 他 們 是 少 數 的 領 導 者 但 也 比 平 均 大 眾 早 先 接 受 新 想 法。通常需要看到證據證明創新的改變才會接納。策略上需要成功的故事或 是證明創新的有效。
大 多 數 晚 接 受 者 ， 是 一 群 比 較 懷 疑 的 態 度 去 改 變 ， 且 是 大 眾 接 受 新 事 物以後，才願意嘗試。策略是以多少人已經使用此創新並成功的案例來說服 他們。
落 伍 者 是 非 常 保 守 又 固 守 傳 統 的 一 群 人 。 非 常 懷 疑 改 變 ， 又 難 以 說 服。對此類別的策略包含從其他接受者群體的統計數字、恐懼訴求與壓力。
而個體接受創新有五個階段，分別為認知階段、興趣階段、評估階段、嘗試 階段和接受階段。認知階段在於新事物的接觸，但所知有限。興趣階段：產生興 趣，並希望瞭解更多訊息。評估階段：與自身需求相較，思考是否採納。嘗試階 段：觀察自己是否適合。接受階段：決定實施。
創新的接受度有五個因素影響：1.相對利益( Relative Advantage )：一個創新 的事物比之前的更好的程度。2. 相容度 ( Compatibility )：指創新事物被接受在個 人生活中的程度。3. 複雜度 ( Complexity )：創新事物若被視為困難、複雜，就不 會被接受。 4 嘗試( Triability ) ：如果個體能預先試用，就比較容易接受。5.觀察 度 ( Observability )：創新事物越容易被別人看到，越容易被接納或被拒絕。
由 以 上 研 究 了 解 。 一 個 創 新 的 擴 散 ， 經 歷 不 同 時 期 來 達 成 ， 也 有 不 同 的因素影響創新的擴散。能源農村的概念實踐，是一個創新概念與技術的改 變，將影響未來的住民去學習、接受新的生活方式。因此透過了解創新擴散 的過程，以不同的策略去改變不同類型的人，創新的改變才會普及。
第二節 能源農場與能源農村的概念
在 這 場 綠 色 的 能 源 革 命 中 ， 農 業 也 發 生 了 變 化 ， 不 同 的 團 體 發 展 出 了 不同的模式，有的以Farm－「農場」的形態出現，有的則以Village－「農 村」或是「村莊」的形態呈現，這些新出現的名詞，慢慢地塑造一個對於替 代能源未來的輪廓：
壹、 能源農場
「 能 源 農 村 」 這 個 概 念 ， 在 這 些 年 漸 漸 的 由 一 些 非 營 利 組 織 與 學 術 團 體形塑，有了簡單的雛形。首先在名詞上，「能源農場」Energy Farm的概 念。目前有兩種以上的說法：
(一)商業式量產型的能源農場
這 是 一 種 生 產 替 代 能 源 原 料 或 發 電 的 大 型 集 合 式 商 業 生 產 區 域 。 種 植 與加工各種生長快、產能高的農作物及能源植物，最終將其藴藏的生物能轉
化為電能或熱能，且對環境不產生污染和不良影響的農場。
由Calvin M.教授於1980年提出，思考以「續隨子」Euphorbia lathyris 成為一種能源農場的作物，可以提煉轉換成像石油的物質。因此這種普遍種 植可以生產石油的樹種，成為農場的作物，是第一個「能源農場」的概念。
而 這 個 概 念 仍 是 以 現 行 的 能 源 使 用 為 主 ， 改 以 種 植 能 源 樹 ， 來 解 決 石 油 危 機。基本上仍是以石化能源觀念為經濟運作的基礎，農村去生產「石油」以 利經濟的運作(Nemethy, Otvos & Calvin, 1980)。
San (2012) 研究指出海草在能源利用上的使用。以能源農場的概念，產 生 能 源 的 還 有1970年代的「海藻農場」，在海中養殖海藻，進行生質能轉 化，產生甲烷以發電。
(二)非商業式自給型能源農場
單 一 農 戶 為 單 位 ， 用 節 能 減 碳 或 是 替 代 能 源 的 方 式 建 構 農 村 的 農 場 能 源運用。
後碳組織Post Carbon Institution推動的能源農場，目標在建立一個靈 活的系統，以減低對能源的高度依賴，並生產食物與可靠可再生的能源給地 區使用者(Post Carbon Institution, 2010)。
該 組 織 以 人 力 代 替 石 化 能 源 的 使 用 ， 農 場 裡 必 須 能 夠 持 續 並 可 靠 的 生 產糧食與能源，且不依賴石油、重機械、或是石油為原料的化工品。遠離使 用石化燃料，並推動地區型的農村架構與Calvin M.教授的基本概念與經濟 發展模式相左。
貳、能源農村
(一)先進科技為主的「能源農村」
以 替 代 能 源 、 節 能 減 碳 的 方 式 建 構 的 社 區 ， 並 採 用 高 科 技 產 品 與 技 術。2007年，歐盟在歐洲能源政策的議題上，明確訂定在2010年達到能夠 使 用 再 生 能 源 為 總 能 源 消 耗 的 百 分 之 十 二 。 而 英 國 的S h e r w o o d E n e r g y Village的位置在諾丁漢市的北方Ollerton鎮，前身是1994年停業的煤礦公司 所在地。經由社區公民集會討論未來的發展，他們計畫了一個結合工業、商 業、居住、教育、娛樂與休閒的環境企業，其發展以環境、永續原則，並且 以最高的環境標準來建構 (Sherwood Energy Village , 2004)。
他 們 是 以 舊 產 業 的 原 址 建 立 一 個 新 的 居 住 環 境 ， 雖 然 不 是 農 村 為 基 礎，但是以永續發展為前提的建設，可以成為農村發展的參考。Sherwood Energy Village內容包含：生物質能廢料發電、再生能源使用、永續發展、
具倫理的商業、潔淨的工業、有效率的能源實作、展示潔淨科技的展覽與會 議 、 具 能 源 效 率 自 建 且 自 主 的 住 屋 、 生 態 展 示 住 宅 、 高 雅 的 娛 樂 與 休 閒 、 permaculture (台灣譯為樸門永續設計)、有機產業輸出等。
(二)政策上的「能源農村」
以推動農村或偏鄉設置替代能源以改進生活的計畫。
英 國 非 營 利 組 織T h e S c h u m a c h e r C e n t r e f o r Te c h n o l o g y &
Development推動”Practical Action”，直譯為「實際行動」計畫，迄今已經 四 十 年 。 他 們 的 計 畫 是1 . 要 推 動 可 以 使 用 的 能 源 如 生 質 燃 料 、 風 能 、 太 陽 能 、 水 力 ， 以 獲 得 安 全 、 乾 淨 的 能 源 供 應 ， 不 會 增 加 溫 室 氣 體 。2 . 建 立 社 區、團體以及當地決策者的能力，以使用適當的能源科技。3.藉由提高大眾 對於健康危害的認知，持續關注室內空氣污染的危險。
他 們 在 祕 魯 、 斯 里 蘭 卡 和 尼 泊 爾 的 偏 遠 鄉 鎮 建 立 小 型 風 力 發 電 機 、 小 型水力發電機等，以使他們的孩童可以在夜間閱讀，並提供社區獲得重要新 聞與訊息。建立的發電機，使他們能負擔，又能夠簡易的維護，以滿足長期 對能源的需求。(The Schumacher Center, 2013)
這 四 種 不 同 形 式 的 農 村 能 源 的 呈 現 方 式 與 概 念 ， 都 與 替 代 能 源 息 息 相 關。本研究以「能源農村」，用政策上的方式來推動農村替代能源，並以實 踐的方式來了解箇中的問題。
第三節 研究項目之原理
壹、風力發電機原理
風 力 發 電 是 以 風 的 流 動 ， 推 動 發 電 機 的 扇 葉 轉 動 帶 動 磁 鐵 的 磁 場 ， 來 產 生 電 能 。 而 風 的 形 成 是 地 球 自 轉 與 太 陽 熱 輻 射 不 均 而 引 起 的 空 氣 循 環 流 動。
而 風 的 形 成 是 空 氣 的 重 量 造 成 了 氣 壓 ， 不 同 地 區 的 氣 壓 依 空 氣 密 度 、
地形、溫度、經緯度都有所變化，因此產生了高低氣壓，在同一水平面上，
氣流從高壓向低壓運動，則形成風。 風是大規模的空氣氣體流動現象，換 句話說，氣壓的不同和地球自轉，使空氣流動而產生風(朱紹萱、林冠緯、
林潔與曾雅秀譯，2011)。
氣 流 經 風 力 發 電 機 的 扇 葉 ， 產 生 升 力 與 阻 力 ， 推 動 發 電 機 轉 動 ， 發 電 機內部的轉子(發電機內繞固定中心轉動的部分)轉動，因而從磁場產生電場 發電。
風力發電機(以下簡稱風力機或風機)大小規格分為小、中、大三種。依 我 國 經 濟 部 能 源 委 員 會 的 分 法 ， 在1 0 0 千 瓦 以 下 稱 為 小 型 風 力 機 ； 功 率 在 100-1,000千瓦的稱為中型風機；超過1,000千瓦的稱為大型。根據美國風能 組織(American Wind Energy Association)的分法，我國與美國分法一致，
但與中國不同。
風機種類分為水平軸型與垂直軸型(照片2-1)。一般常見的多半是水平 軸型，如同電風扇一樣的形狀。在電力使用上，分為獨立型與併網型。獨立 型為單獨系統，使用電瓶方式保存電力，使電能可以穩定使用。併網型是與 電網相連，產電時供應給電力公司，不足電時，再使用電力公司的電。
a. 水平式風力發電機 b. 垂直式風力發電機 照片2-1 水平式與垂直式風力發電機
貳、水力發電機原理
水力發電機類別，概括來分有低水頭與高水頭兩種。「水頭」(head)，
表示上方與下方水位差，也就是說高低代表水源頭的位置。高水頭即水源頭
很 高 水 位 差 高 ， 以 水 的 高 度 衝 擊 水 輪 旋 轉 帶 動 發 電 機 產 生 電 力 ， 推 動 螺 旋 槳，帶動發電機發電。
人 類 利 用 水 車 做 機 械 工 的 技 術 ， 可 能 已 有 三 千 年 歷 史 。 磨 坊 、 打 鐵 房、鋸木廠都利用水力驅動。而水力帶動渦輪機，帶動發電機運作，就能發 電，將位能變成動能再轉為電能。
參、太陽能PV原理
太陽能電池是半導體製程的製作方式做成的(圖2-1)，其發電原理是將 太陽光照射在太陽電池上，使太陽電池吸收太陽光能透過圖中的p-型半導體 及n-型半導體使其產生電子(負極)及電洞(正極)，同時分離電子與電洞而形 成電壓降，再經由導線傳輸至負載(曹昭陽、狄大衛譯，2009)。
圖2-1 太陽能板原理圖1
太陽能PV的材料種類，常見的有晶矽的單晶矽、多晶矽與非晶矽的薄 膜三種，其發電量與價格均不同，發電的轉換效率也不同。一般來說，單晶 的太陽能PV比多晶貴，但是在同樣瓦數發電下，單晶的體積比多晶的所佔 的體積小。
1 圖片來源：工研院太陽光電網 http://solarpv.itri.org.tw/aboutus/sense/principle.asp
表：2-1 太陽能電池種類
太陽能電池 半導體材料半導體材料 市場模組發電
轉換效率
矽(硅) silicon
目前太陽光電系統中 應用最為廣泛
晶矽 Crystalline
單晶矽
Single Crystallin 12~20%
矽(硅) silicon
目前太陽光電系統中 應用最為廣泛
晶矽
Crystalline 多晶矽
Poly Crystallin 10~18%
矽(硅) silicon
目前太陽光電系統中 應用最為廣泛
非晶矽 Amorphous
Si、SiC、SiGe、
SiH、SiO 6~9%
多化合物 Compound
應用於太空及聚光型 太陽光電系統
單晶
Single Crystallin GaAs、InP 18~30%
多化合物 Compound
應用於太空及聚光型
太陽光電系統 多晶
Poly Crystallin
CdS、CdTe、
CuInse 10~12%
奈米及有機 Nano & Organic 應用於有機太陽電 池，屬研發階段
TiO2
TiO2 1%以下
資料來源：工研院太陽光電網http://solarpv.itri.org.tw/aboutus/sense/battery.asp
太陽能的利用，分為光熱轉換(太陽輻射熱利用)、光電轉換和光化學轉 換三種。光熱轉換是熱能的利用，例如晒衣服、晒稻子、晒魚、太陽能熱水 器 、 溫 室 、 太 陽 能 灶 、 太 陽 能 鍋 等 。 第 二 項 光 電 轉 換 是 使 用 太 陽 能 電 池 (Photovoltaics，又簡稱PV)，將光轉換成電能利用，例如太陽能計算機、太 陽能路燈、太陽能車等。最後光化學轉換，是將太陽輻射能直接轉換成化學 能。綠色植物所行的光合作用，就是光化學轉換的過程。它是利用有機分子 吸收光子來主導反應的進行。農村可以利用其產物來自用或是販售，也可以 發展為生質能源的開發。
太陽能的優點是：1.陽光到處都有，不需運輸。2.太陽能是取之不盡，
用之不竭的能源。3.太陽能是清潔的能源，沒有污染。但是它也有其缺點：
主要是：1.能量密度分布太低(面積大)。2.受自然條件的限制(受冬季、陰雨 天、大風天的限制)(宋洪川，2007)。
市 面 上 販 售 的 產 品 ， 早 年 最 普 遍 的 是 太 陽 能 的 計 算 機 ， 或 是 太 陽 能 板 的手錶。現今的家用產品，還是以小功率的產品為主，例如太陽能手電筒、
太陽能鎖匙圈，太陽能電風扇、車用通風扇、太陽能充電器、太陽能花園燈 等。
大型的發電商品－太陽能板。從10瓦到230瓦以上都有，價格從幾千元 到幾萬元不等。又有單晶、多晶與非晶三種不同成份與效率的產品。可透過 實 體 店 面 公 司 ， 或 是 網 路 拍 賣 商 來 購 買 。 太 陽 能 板 目 前 常 見 的 是 台 灣 、 大 陸、德國、日本生產的太陽能板。
由 於 太 陽 能 只 能 在 白 天 工 作 ， 因 此 需 要 購 買 充 電 控 制 器 與 電 瓶 ， 來 將 生產的電力儲存起來。如果要驅動電腦、電扇、電視等小功率的產品，尚須 購買Inverter(又稱變流器、逆變器)，來將直流電轉為交流電，供應給交流 電的電器用品使用。
肆、沼氣原理
沼 氣 發 酵 ， 又 稱 厭 氧 發 酵 ， 是 指 有 機 物 在 厭 氧 條 件 下 ， 被 各 種 沼 氣 發 酵微生物協同代謝轉化，最終生成沼氣的過程。環境工程學家利用這種微生 物反應來處理有機廢棄物或廢水，同時生產能源，是一舉兩得的環保生物科 技。而沼氣，是一種不容忽視的清潔能源(石家興，2011)。
沼 氣 是 有 機 物 在 沒 有 氧 氣 的 環 境 裡 ， 經 由 微 生 物 分 解 ， 所 產 生 的 以 甲 烷 為 主 的 氣 體 ， 這 個 過 程 稱 為 厭 氧 發 酵 。 產 生 的 氣 體 有 甲 烷 (Methane55-80％)、二氧化碳(CO2, carbon dioxide約20-45％)、硫化氫 (H2S, Hydrogen sulfide約0.2-0.6％)等(張志剛、張志，2006)。
目前世界各國將產生沼氣的廢棄物分為五種：1.農業廢棄物。2.動物排 泄物。3.城鎮垃圾。4.都市污水。5.工業廢水。而在農村常見的就是農業廢 棄物、動物排泄物等，可以成為農村推動沼氣利用的項目。
沼氣發酵有三個階段：液化階段、產酸階段、產甲烷階段(聶君、肖珍 武與郝勇壯，2005)。
液 化 階 段 ： 水 解 和 發 酵 階 段 。 通 過 發 酵 細 菌 的 酶 解 作 用 ， 把 固 體 的 大 分子有機物轉化成為可以進入微生物細胞，並參與細胞內生化反應的水溶性 小分子性質(宋洪川)。
產 酸 階 段 ： 產 氫 產 乙 酸 階 段 。 第 一 階 段 已 經 液 化 的 物 質 ， 進 入 微 生 物 細胞內，進一步分解成以乙酸為主體的(其他還有甲酸、甲醇等)小分子化合 物，同時產氫和二氧化碳。乙酸、甲醇、甲酸、氫和二氧化碳都是產甲烷菌 生成甲烷的物質(聶君等人，2005)。
產 甲 烷 階 段 ： 第 三 階 段 將 前 兩 階 段 的 生 成 物 ， 由 各 種 產 甲 烷 菌 轉 化 為 甲烷和二氧化碳。有兩種主要的產甲烷反應，一是氧化氫還原二氧化碳形成 甲烷，另外是裂解乙酸，形成甲烷和二氧化碳(聶君等人，2005)。
甲烷是無臭、無色的氣體，分子式為CH4。沼氣比空氣密度小且輕，在 空氣中容易擴散。沼氣其中的二氧化碳與硫化氫是有毒氣體。硫化氫是無色 但是有臭雞蛋味的氣體，易溶於水。硫化氫密度在沼氣中濃度超過0.02%，
會 引 起 人 類 不 適 ； 超 過0.1%會導致人類死亡。故利用沼氣時，需要將硫化 氫去除，以免產生意外。
農 業 生 產 以 轉 化 太 陽 能 ， 利 用 綠 色 植 物 行 光 合 作 用 ， 將 無 機 物 合 成 為 葡萄糖、澱粉、脂肪和蛋白質等有機物。這種種植業(初級生產)，到了養殖 業與農產品加工業(又稱為次級生產)，生產出的肉、奶、蛋、毛、皮等，在 轉換過程中大量的能被消耗，一部份以糞便形式排出，一部份能量以尿和氣 體(甲烷、氫)的形式排出。農畜產品在過程中所產生的糞便、廢水、廢料，
都可以作為生物質能源開發利用，再回到自然的循環中。在台灣地區，因為 資源豐富，這部份的利用，通常被忽視，但是在農業問題與綠色革命的發展 下，沼氣這部份就格外重要。
台 灣 在 沼 氣 的 起 步 甚 早 ， 在 民 國 七 十 年 代 ， 農 委 會 、 省 農 林 廳 、 省 畜 產試驗所已經有畜牧場與沼氣發電系統結合的成果，也發展了沼氣中有毒成 份硫化氫的淨化系統，但是目標為大型養殖戶，並未推廣到一般農戶。反觀 中 國 大 陸 的 沼 氣 發 展 ， 是 以 國 家 重 點 科 技 發 展 為 方 向 ， 推 動 農 戶 的 沼 氣 系 統 。 現 今 已 有 兩 千 多 萬 農 戶 ， 近7500萬農民受惠。中國大陸的農民地處偏 遠，電網不普及，因此開發農村廢棄物成為沼氣利用，產氣發電、照明、烹 煮、農業肥料、農事生產等應用，反倒是我國農民可以學習利用的方向。
我 國 古 代 即 有 利 用 有 機 肥 料 與 無 機 肥 料 的 歷 史 。 肥 料 要 經 過 漚 製 加 工，促其發酵腐熟，以提高肥效，古稱「釀造」(李根蟠，1994)。而沼氣是 更科學的將有機物經厭氧發酵，然後利用其產出物：沼氣、沼液、找渣，在
農家的各個利用上，發揮最大的效能，因此在減少林木砍伐、減少石化天然 氣使用、減少有污染發電能源的幾個方向上，沼氣是非常重要的一個課題。
沼氣的主要特性為：熱值高、燃燒特性佳。
(一)熱值高
沼氣依照其甲烷含量來決定熱值，一般約在5000仟卡/立方米以上，超 過煤氣瓦斯熱值標準4500仟卡/立方米。
(二)燃燒特性較佳
作 為 引 擎 燃 料 時 ， 其 燃 燒 特 性 使 燃 燒 作 用 更 潤 滑 、 減 少 排 氣 中 所 含 毒 物並在低速運轉時能增加扭力。
沼氣的利用：沼氣的價值，除了沼氣氣體外、液體部份(沼液)、固體部 份(沼渣)，都是可以利用的物質。具高熱值、燃燒特性佳的沼氣，在農村可 以有多種用途：
(一)直接燃燒
沼 氣 可 以 供 應 燃 氣 給 專 用 的 沼 氣 瓦 斯 爐 再 廚 房 烹 煮 ， 用 專 用 的 沼 氣 燈 照明，以及沼氣熱水器可供洗澡(見照片2-2)。
a. 廣東中山市三諾 燃氣具公司的沼氣 灶。
b. 沼氣燈。 c. 廣東順德伍思沼 氣熱水器。
照片2-2 沼氣瓦斯爐、沼氣燈、沼氣熱水器2
(二)電力生產
沼氣可以供應給沼氣發電機發電，來提供民生與工業用電。
2 拍攝地點：中國四川省能源辦公室
(三)農業利用
沼 氣 用 來 保 存 蔬 果 、 除 害 蟲 、 溫 室 增 溫 、 沼 氣 燈 誘 蟲 。 沼 液 用 來 施 肥、浸種、除蟲。沼渣用來當作肥料使用。
控 制 沼 氣 厭 氧 發 酵 的 重 點 ： 溫 度 、 酸 鹼 度 、 厭 氧 環 境 、 沼 氣 發 酵 原 料 的碳氮比(C/N)、發酵原料濃度、有毒物質、促進劑、攪拌、壓力等因素對 發酵有影響。並且需要有足夠菌種(接種物)，禁止投入有害物質。例如殺蟲 劑、農藥、抗菌素、殺菌劑、清潔劑、洗衣粉、工業廢水，或是抑制菌種生 長的植物如蔥、蒜、辣椒、韭菜、蘿蔔等。
台 灣 的 沼 氣 相 關 產 品 ， 均 為 大 型 垃 圾 掩 埋 廠 級 的 沼 氣 處 理 系 統 以 及 畜 牧場等級的沼氣發電利用，並無農村沼氣系統。因此大陸常見的水泥磚造沼 氣池(照片2-3b)、玻璃纖維沼氣池(大陸稱作玻璃鋼，見照片2-3a)、軟式塑 料製沼氣池(大陸稱作軟體沼氣池)。
a.玻璃纖維(玻璃鋼)家用沼氣 池。拍攝地點：四川成都。
b.磚造沼氣池。中國浙江省余姚 市梁弄鎮賀溪村湖山生態農莊 照片2-3 玻璃纖維與磚造沼氣池3
以 大 陸 所 生 產 的 形 式 來 看 ， 有 圓 筒 形 、 橢 球 形 、 曲 流 佈 料 沼 氣 池 、 浮 罩沼氣池、旋流佈料沼氣池、水壓式沼氣池。這些規格的制定，由中華人民 共和國國家質量監督檢驗檢疫總局頒佈，如：戶用沼氣池施工操作規程GB/
T4752-2002、戶用沼氣池質量檢查驗收規範GB/T4751-2002以及戶用沼氣 池標準圖集GB/T4750-2002等。
由 於 台 灣 並 沒 有 這 種 產 品 ， 體 積 大 的 玻 璃 纖 維 組 合 式 的 不 利 運 送 ， 因
3 照片2-3a.研究者自行拍照。照片2-3b.來源：湖山生態農莊網頁，http://www.61hs.com/
此採用國內農業資材的塑膠水塔來組合這個概念。因此設計了這個沼氣池。
伍、火箭爐與木瓦斯爐原理
吳耿東、楊凱成、胡博成與朱敬平 (2012) 指出氣化技術是一門古老的 技術，在歐洲已有三百多年歷史。因為石油工業的興起而沒落，但是在兩次 世界大戰間，因為石油短缺而又再次發展。戰後又沒落下去，被稱做「遺忘 的技術」。1970年代又因為能源危機而再次被注意。
近 年 來 在 環 保 團 體 推 動 的 火 箭 爐 與 木 瓦 斯 爐 ， 都 是 利 用 氣 化 的 原 理 而 製造的廉價爐具。可以自己利用廢材打造。主要在第三世界國家推動，以改 變傳統燒柴用火產生的煙霧，影響身體健康，並因砍樹造成土壤沙漠化。
火 箭 爐 與 木 瓦 斯 爐 都 採 用 木 材 為 燃 料 ， 而 木 材 屬 於 生 物 質 。 生 物 質 之 組成成份，主要為纖維素、半纖維素、木質素、澱粉、蛋白質、烴類、其他 有機物、無機物(金屬)等。樹木主要是纖維素、半纖維素、木質素組成。其 燃燒過程，有幾個階段。簡單地說，首先為攝氏100度時，表面水份蒸發。
200-300度時，生物質原料開始熱分解，氣化生成CO,CO2,H2,H2O。之後溫 度上升，烴類形成揮發物移除，部分未形成則產生焦油和木炭。在控制得宜 下，火箭爐與木瓦斯爐溫度可達到700-800度(史仲平、華兆哲譯，2006)。
圖2-2 木材的燃燒過程4
4 圖片來源：史仲平、華兆哲譯 (2006)
火箭爐與木瓦斯爐有很多雷同的地方，茲就各項原理略述於下：
(一)火箭爐
火 箭 爐R o c k e t S t o v e 的 原 理 由 A p r o v e c h o 研 究 中 心 的 D r . L a r r y Winiarski在1982年所提出，希望改變燃燒效率並推廣到第三世界國家，減 少廚房烹煮食物的燃煙問題，改善人民健康(Bryden, & Still, 2006)。
1.火箭爐主要構成
(1)燃料室：放置柴薪區，等待放入燃燒室。
(2)燃燒室：在燃料室後端為燃燒室。
(3)煙囪：於燃燒室的上端，供上升氣流通過，使燃燒持續。
(4)熱交換：將熱能傳導到需要使用之處，如鍋子等器皿。
2.火箭爐外型
一 般 常 見 的 有 火 箭 爐R o c k e t S t o v e 和 以 火 箭 爐 原 理 應 用 的 加 熱 器 Rocket stove mass heater，兩種採用的原理大同小異。其燃燒的爐子外型按 照送柴薪的方式可分為L型和J型，請參閱圖2-3。
圖2-3 L型與J型火箭爐送柴方式圖
L型為水平進料，J型為垂直進料。水平進料可在進料口中間做隔板，
讓柴置於上方，空氣由下方進入，灰燼可於下方清除，但是柴火須隨時注意 送入，不然會中斷。J型為垂直進料，方便上方進料，不用擔心柴燒到後端
要送料的問題，但是灰燼不易清除，要等爐子涼了才方便處理。兩種形式各 有利弊。
3.火箭爐材料
火箭爐材料分為磚造和金屬兩種：(1)磚造：Dr. Larry Winiarski以十 六塊磚方式製作最簡單形式的火箭爐。其製作過程如圖2-4。(2)金屬：金屬 製造方式多以鐵鋁罐為主，或是鐵罐廢材。是將燃料室與燃燒室以鐵鋁罐連 接成L型，直立的鐵罐為煙囪，將較大的鐵筒套在煙囪外，大小鐵桶中間以 石頭或隔熱防火材質，也就是把煙囪外圍隔絕，讓熱鎖在裡面，阻止散失。
而燃料室的鐵罐中間以防火材質隔板置中，上方放置木材，下方讓空氣流入 (圖2-5)。
圖2-4 16塊磚造火箭爐過程圖5
5 圖片來源 http://steppingforwarden.blogspot.tw/2012/05/30d-rocket-stove-with-adobe-blocks.html
圖2-5 金屬火箭爐結構圖6
照片2-4是大地旅人工作室的江慧儀與夫婿Peter Morehead為蘋果日 報示範以鐵鋁罐製作火箭爐的製作過程。比照Dr. Winiarski的結構圖(圖2-5) 與照片2-4比較後，就可以看出結構了。
a.火箭爐使用材料 b.火箭爐完成圖
照片2-4 鐵罐製的火箭爐材料與完成圖7
6 圖片來源http://www.tacticalintelligence.net/blog/rocket-stove.htm
7 照片來源：蘋果日報http://www.appledaily.com.tw/appledaily/article/supplement/20101006/32862873
(二)木瓦斯爐
木瓦斯爐的英文為woodgas stove，由於原理是氣化(gasfication)，是讓 氣化介質(如空氣、氧和水蒸氣)與固態燃料產生反應，形成氣體的過程。木 瓦斯爐中的生物質或是含碳物質在氧氣有限的環境下氣化，產生氫氣與一氧 化碳。而此氣體可在氧氣充足下燃燒，並與氧氣結合成為二氧化碳、水與熱 能。在過程中溫度接近攝氏700度產生乾餾Pyrolysis效應，將生物質或是煤 炭 焦 化 ， 釋 出 甲 烷 、 焦 油T a r 與 多 環 芳 香 烴 ( P o l y c y c l i c A r o m a t i c Hydrocarbons，縮寫PAH或PAHs)
氣化 (gasfication) 與汽化(vaporization)不同，汽化是液態轉變成氣態 的過程。雖然木頭燃燒有溼氣中的水的汽化與木頭高溫產生的氣化現象，但 是多以主要的氣化為主要提供燃料的成因來討論。
目 前 汽 化 與 氣 化 兩 字 的 用 法 有 混 用 ， 實 為 誤 用 。 中 國 大 陸 稱 氣 化 爐 為
「秸稈製氣爐、環保節能氣化爐、秸稈氣化爐、家用秸稈氣化爐、氣化爐、
生物質氣化爐」等。而旅行露營用的液體瓦斯爐，有的稱為氣化爐，或是汽 化 爐 ， 為 了 便 於 分 辨 起 見 ， 在 此woodgas stove都稱為木瓦斯爐，以資區 分。
圖2-6 T. B. Reed和Ronal Larson的火箭爐設計圖8
8 圖片來源：(Reed & Larson, 1996)
由圖2-6可以看到木材堆疊的情況。首先木材由最上層點燃，之後溫度 升高到400度，最上層的熱讓中間的木材乾餾產生氣體燃燒，而尚未達到氣 化 溫 度 的 在 下 層 。 由 於 密 閉 方 式 控 制 空 氣 進 入 ， 並 由 下 方 往 上 形 成 煙 囪 效 應，空氣自然從下方流進。瓦斯經由二次進氣口調和後燃燒，通過瓦斯導氣 區上升。
第三章 研究方法與設計
本 研 究 採 行 動 研 究 法 ， 將 農 村 可 行 的 能 源 利 用 方 式 採 用 實 際 實 踐 的 方 式進行，並嘗試修改其問題，使方法更為便捷，並瞭解過程中的問題，以作 為未來推動「能源農村」概念的基礎。
第一節 研究方法
本 研 究 的 重 心 在 於 實 際 接 觸 替 代 能 源 設 備 ， 來 瞭 解 其 問 題 ， 因 此 採 用 行動研究法做為研究的方法。在概念與理論的實踐中，碰撞可能發生的問題 與可以改進的方法，並輔以儀器測量，作為研究的重點。
第二節 研究設計
由 於 本 研 究 針 對 幾 項 設 施 來 探 討 ， 而 其 中 的 風 力 與 太 陽 能 ， 以 架 設 輔 助儀器Davis Vantage Pro2 Plus氣象資料搜集器，將溫度、濕度、大氣壓 力、風向、風速、太陽輻射與紫外線資訊，透過電腦伺服器與Trixology公 司氣象軟體WeatherCat上傳至Weatherunderground業餘氣象組織，再進行比 對 ， 推 斷 可 產 電 力 之 多 寡 。 本 氣 象 站 資 訊 之 連 結 網 址 為h t t p : / / www.wunderground.com/weatherstation/WXDailyHistory.asp?ID=ITAIWANT6
其他各項的研究實施項目設計如下：
壹、風力發電
測試安裝中國廣州紅鷹能源科技公司HY-400型的四百瓦風力發電機與 美國西南風能公司Southwest windpower Inc. 的著名機組Air-x 400瓦風力發 電機，做為風力發電的測試機組(照片3-1a和b)。再比對蒲福氏風級表、手 持式風速計與氣象站資料，換算風速與高度公式後，預估可能發電量。
貳、水力發電
測試美國Powerpal公司Lower Head低水頭水力發電機MHG-200LH型
與High Head高水頭水力發電機MHG-200HH型(照片3-1c和d)。測試水流速 並量測電壓與電力，推算每小時發電量與需水量，來回推總發電量。
參、太陽能 PV發電
測試國內大廠大同集團公司之知光能源科技公司之太陽能PV，275瓦多 晶矽太陽能板之發電研究(照片3-1e)。量測單一太陽能板電量與氣象站的太 陽輻射強度watts/m2之關聯，再依照每日太陽輻射強度，推算每日發電量，
亦即從氣象資料瞭解發電量。太陽能板接上中國北京匯能精電科技公司的充 電控制器，再連接電瓶(照片3-1f)。
肆、沼氣
測 試 有 機 物 厭 氧 發 酵 產 生 之 氣 體 ， 以 及 模 擬 建 造 小 型 沼 氣 池 ， 使 之 產 氣，並使用Crowcon公司四用氣體檢測儀Tetra，了解氣體組成物成分。並前 往家用沼氣池，測試其沼氣濃度。
伍、生質能之柴薪利用火箭爐與木瓦斯爐
以國內外近來流行的Rocket Stove火箭爐與Wood Gas Stove汽化爐之製 作為主，並以紅外線溫度計量測可達到之溫度(照片3-1g和h)。
a.中國廣州紅鷹風力發電機 b.美國西南公司Air-X四百瓦風機
c.加拿大公司Powerpal的低水頭 水力發電機
d.加拿大公司Powerpal的高水頭 水力發電機
e.台灣知光Apollo太陽能板 f.北京匯能精電科技EP Solar的 EPIP30充電控制器
g.自製磚造火箭爐 h.自製金屬製木瓦斯爐
照片3-1 實驗設備照片9
9 照片來源：照片f 來自北京匯能網站http://www.epsolarpv.com.cn，其餘為研究者拍攝。
第三節 研究場域
主 要 研 究 場 域 位 於 臺 東 縣 成 功 鎮 博 愛 里 重 安 部 落 內 的 農 地 上 ， 該 處 為 一農地，有開闊的場域，沒有房舍影響風場，後有海岸山脈的水源，在山坡 地上可以測試水力發電機。
氣象站設置於村落內有電力與無線網路可供資料傳輸的地方為基地。
第四節 實驗工具
本研究採用幾種簡單的測量儀器，做為實驗與實作的數據依據。
壹、 Davis Vantage Pro2氣象站
用 來 接 收 天 氣 資 訊 ， 包 含 溫 度 、 濕 度 、 雨 量 、 大 氣 壓 力 、 風 速 、 風 向 、 太 陽 輻 射 與 紫 外 線 強 度( 照 片 3 - 2 a ) 。 使 用 無 線 方 式 傳 輸 到 控 制 台 console，再透過線路連接到電腦，再由軟體整合資訊後上傳到網站上，可 供遠端查詢資訊。本次採用Trixology公司的WeatherCat軟體(照片3-2 b)作為 資料整合工具，蒐集整理氣象資訊。
貳、風速計
使用台灣路昌Lutron公司的LM-81AM風葉型風速計(圖3-2 c)，用來量 測風的速度，並可記錄峰值。
參、紅外線溫度計
所 有 物 體 都 發 射 紅 外 線 能 量 ， 紅 外 線 溫 度 計 內 的 光 學 設 施 用 來 蒐 集 輻 射的紅外線能量，並聚集於檢測器上，再將能量轉化為電子訊號成為讀數。
使 用 台 灣 先 馳S e n t r y 公 司 S T 6 6 0 紅 外 線 溫 度 計 ( 照 片 3 - 2 d ) ， 可 以 記 錄- 5 0 ~ 9 9 9 ℃ ( - 5 8 ~ 1 8 3 0 ℉ ) ， 因 此 涵 蓋 在 燃 燒 過 程 中 汽 化 的 溫 度 ( 大 於 700℃)。
肆、英國 CrowconTetra四用氣體偵測器
用來檢測沼氣CH4、一氧化碳CO、硫化氫H2S和氧氣。主要用於公共安 全檢測(照片3-2 e)。
伍、交流鉤錶
其中的三用電表功能，是多用途電子測量儀器，包含電流表(安培計)、
電壓表(伏特計)與電阻表(歐姆計)，也稱為萬用電表(製片3-2 f)。
a.美國Davis Vantage Pro2 Plus氣 象站
b.英國Trixology公司的Weathercat 軟體
c.台灣路昌Lutron公司LM-81AM 風速計
d.台灣先馳Sentry ST660紅外線溫 度計
e.英國CrowconTetra氣體偵測器 g.台灣泰仕Tes交流鉤錶3010
圖
3-2 實驗設備儀器照片1010 照片來源：c.台灣路昌網站。d：台灣先馳網站。e：英國Crowncon 網站。f：台灣泰仕網站。
各項實驗依照性質不同，所採用的儀器如表3-1：
表3-1 實驗設備使用儀器對照表 Davis
Vantage Pro氣象站
風速計 紅外線溫度 計
CrowconTetr a四用氣體
偵測器
三用電錶
風力發電 ● ● ●
水力發電 ●
太陽能PV ● ●
沼氣 ● ●
火箭爐、
木瓦斯爐 ●
第四章 行動過程與結果
本 章 主 要 在 探 討 行 動 研 究 的 歷 程 中 ， 需 要 瞭 解 的 替 代 能 源 設 備 之 背 景、安裝、修正與改良的情況。五種研究項目的研究順序均為原理、實際安 裝、電力推估、反省與討論幾個過程來論述。
第一節 風力發電
以常見的水平軸風力發電機中國製風機HY-400測試，並伴隨風速計、
氣象站資料作比對，同時比對蒲福氏風級表，對照看風力發電在地區使用的 狀況，評估能有多少電力，以及風機在鄉下安裝的問題解決。
壹、風力發電機安裝
安 裝 風 力 發 電 機 ， 找 尋 適 當 地 點 安 裝 。 而 每 台 風 力 發 電 機 均 有 其 特 殊 的規格，由每台的規格表可見在實驗室中，風速與瓦數的情形。其安裝步驟 為：
(一)量測風速
先 查 閱 中 央 氣 象 局 網 站 中 的 氣 候 統 計 資 料 ， 查 詢 地 點 的 年 平 均 風 力 、 月平均風力、最高風速等資料，確認環境風速的可能大小。再使用肉眼觀測 的蒲福氏風級表或是手持式風速計量測。
而 安 裝 的 同 時 ， 測 試 小 山 丘 與 平 地 的 狀 況 ， 以 及 避 開 周 圍 影 響 氣 流 的 阻礙物，如樹木、房屋、電桿等。
1.蒲福氏風級表Beaufort Scale
1805年由英國海軍少將Francis Beaufort首創風力分級表，現今簡稱 為蒲福氏風級表。此種方法可以讓沒有儀器的情況下，推算風的級數，來了 解線地狀況，見表4-1。
表4-1 蒲福氏風級表 (Beaufort wind scale)
級數 風之稱謂 一般敘述 公尺每秒
m/s 浬每時
kts
0 無風
calm 煙直上 不足0.3 不足1
1 軟風
light air 僅煙能表示風向，但不能轉動風標。 0.3-1.5 1-3
2 輕風
slight breeze 人面感覺有風，樹葉搖動，普通之風標轉 動。
1.6-3.3 4-7
3 微風
gentle breeze 樹葉及小枝搖動不息，旌旗飄展。 3.4-5.4 8-12
4 和風
moderate breeze 塵土及碎紙被風吹揚，樹之分枝搖動。 5.5-7.9 13-16
5 清風
fresh breeze 有葉之小樹開始搖擺。 8.0-10.7 17-21
6 強風
strong breeze 樹之木枝搖動，電線發出呼呼嘯聲，張傘 困難。
10.8-13.8 22-27
7 疾風
near gale 全樹搖動，逆風行走感困難。 13.9-17.1 28-33
8 大風
gale 小樹枝被吹折，步行不能前進。 17.2-20.7 34-40
9 烈風
strong gale 建築物有損壞，煙囪被吹倒。 20.8-24.4 41-47
10 狂風
storm 樹被風拔起，建築物有相當破壞。 24.5-28.4 48-55
11 暴風
violent storm 極少見，如出現必有重大災害。 28.5-32.6 56-63
12 颶風
hurricane 陸上少見，建築物普遍嚴重損毀。 32.7-36.9 64-71
資料來源：中央氣象局網址 http://www.cwb.gov.tw/V7/knowledge/encyclopedia/me016.htm
風速與蒲福氏風級的關係約為：Ｖ= 0.836 * (Ｂ(3/2))(V=風速 m/s，
B=風級)。因此可以由此推算風的每秒公尺數。
以風速計(anemometer)，量測欲裝設定點的每秒風速為多少公尺(m/
s)，並可以用保留記錄最高值的選擇，了解最高風速。若沒有風速計，可以 以肉眼觀看，對照蒲福式風級表(Beaufort scale)來了解該地的風速狀況，此 法可較為精確的了解風速情況。
以肉眼觀察周遭的樹木、竹林被風吹動的情況，再評估安裝地點。
2.風速計 (anemometer)
一 般 市 面 上 賣 的 分 為 風 葉 式 與 風 杯 式 ， 業 餘 的 手 持 電 子 式 較 多 ， 傳 統的機械式已經很難買到。
以台灣路昌公司Lutron生產的LM-81AM風速計為例，其測量範圍可 從0.4米/秒~30米/秒，可切換公制、英制與秒、分、時的時間單位切換。並 可記憶最大與最小峰值。換算蒲福氏風級表為1到11級的風均可量測。
在 幾 個 位 置 觀 察 風 速 計 的 情 形 ， 再 決 定 安 裝 地 點 。 而 風 的 吹 動 ， 並 不一致，牽涉到地形、阻礙物與時大時小的特性。因此，總的來說，越高風 速越大，越空曠風速越大，是選擇安裝地點的考量。
3.氣象站
我 們 透 過 中 央 氣 象 局 的 地 方 統 計 資 料 ， 或 是 自 行 架 設 業 餘 氣 象 站 來 了解當地的天氣狀況與長期的氣象資料。
另 外 的 方 法 是 從 中 央 大 學 的 台 灣 風 能 查 詢 系 統 ， 輸 入 地 點 後 ， 了 解 其平均風速在距離海平面10米高地到50米高地點，大約在每秒3.4公尺到4.3 公尺間。
進 入 中 央 氣 象 局 網 站 ， 找 到 統 計 資 料 ， 選 擇 與 安 裝 場 域 最 近 的 氣 象 站(本地靠近成功氣象站)。以成功站為例，1981-20102的平均值，僅一月、
十月至十二月有達到每秒四公尺以上的風速，五至八月小於每秒三公尺，其 他月份在三至四公尺。
此 資 料 可 以 得 知 冬 季 東 北 季 風 大 的 十 月 到 隔 年 一 月 能 有 較 大 風 量 。 二、三、四、九月的春秋季次之，五至八月夏季最小。
而本次實驗安裝Davis Vantage Pro2 Plus的業餘氣象站，加上英國 Trixology公司的Weathercat軟體，來統計、上傳資料到網站，並遠端經由美 國業餘氣象組織Weather Underground，來看開地的氣象資訊與統計分析。
(二)選址
就 風 的 特 性 而 言 ， 尋 找 具 有 ：1 . 年 吹 風 期 長 。 2 . 平 均 風 速 大 、 風 力 平 穩、風向變化小等特色。3.尤應避免處於受建築物、樹木遮擋或是後頭有遮 蔽 物 產 生 擾 流 的 影 響 範 圍 內 。 而 在 農 村 裡 建 造 ， 尚 須 注 意 到 視 覺 衝 擊 、 噪
音 、 建 物 結 構 、 安 全 性 等( 吳 元 康 ， 林 輝 政 ， 張 文 恭 ， 林 珊 如 ， 楊 紹 經 ， 2013)。
首 先 選 在 一 處 小 山 丘 上 ， 但 是 後 面 五 公 尺 有 樹 叢 包 圍 ， 因 此 亂 流 產 生，不利測量。遂變更場地於開闊平面。(由於安裝測試期間，面臨到需變 更場預測試，且移動式風機塔架優於固定式，因此設計訂做可移動式的塔架 於本次實驗中使用)
然 而 風 速 情 況 不 盡 理 想 ， 電 瓶 很 難 充 電 ， 變 更 兩 處 位 置 後 ， 再 以 業 餘 氣象站資料對照機器之規格表，分析可能狀況，但是風力與電力均不理想。
(三)市面產品選擇
以 農 村 適 用 的 小 型 風 力 機 來 看 ， 常 見 的 有 美 國 西 南 公 司 、 大 陸 製 品 與 英國製品。
表4-2 微型風力發電機採購價目參考表
公司 機種 額定輸出 價格(台幣)
Southwest美國
西南公司 Air-X 400瓦 (12.5 m/s) 三萬多
Southwest美國
西南公司 Whisper100 Whisper200 Whisper500
900瓦(12.5 m/s) 1000瓦(11.6 m/s) 3000瓦(10.5 m/s)
約11萬 約12萬 約32萬 Marlec英國 Rutland913 250瓦 (13 m/s) 近三萬 廣州紅鷹能源 HY-400 400瓦 (13 m/s) 一萬多
採購一組中國製廣州紅鷹能源公司的HY-400與美國製西南公司的Air-X 風機，兩者同為四百瓦。啓動風速與額定風速都差不多。
而 塔 架 部 分 ， 通 常 是 固 定 式 ， 可 在 鐵 工 工 廠 量 身 打 造 ， 金 額 也 約 數 百 到一兩千元台幣。
(四)連接
獨立型的連接方式可以參考圖4-1。充電控制器有風光互補型，也有單 純是風力發電或是太陽能板充電控制器，其接法大同小異。
圖4-1 風光互補式發電機接線圖
但 是 在 風 力 未 達 額 定 風 速 下 ， 幾 乎 無 產 電 。 以 車 用 電 瓶12伏特連接，
要 將 電 瓶 充 電 ， 一 定 要 高 於12伏特，才能充電。但是在風速未達額定風速 下，所產的電達不到12伏特以上，幾乎無電產生。
貳、電力量測與推估
(一)風速與高度公式
由 於 初 期 安 裝 過 程 中 ， 雖 風 機 轉 動 ， 但 是 風 力 未 達 額 定 風 速 ， 並 無 產 電現象。遂藉由氣象站的資訊與架設約八米高的塔架來推估。需要了解風速 與高度的換算，採用公式：
V2 = V1 x (h2/h1)n
H1為地表上之高度1，H2為地表上之高度2 V1是已知(量測過的)風速，在H1高度
V2是在H2高度上之風速，但未知(需要推算) n是風改變之指數，以平方來計算。
H1為地表上之高度1， H2為地表上之2，V1為在H1高度的風速，來推 算(n指數參考表4-3)。
表4-3 地形與風速指數表11
覆蓋表面Ground Cover n指數
平滑表面的海洋、沙地smooth surface ocean, sand 0.10 低矮草坪或休耕農地
low grass or fallow ground 0.16 高草坪或低矮排列之作物
high grass or low row crops 0.18 高排列作物或低樹林
tall row crops or low woods 0.20 有許多樹的高樹林，郊區，小鎮
high woods with many trees suburbs, small towns 0.30
本研究所架設的氣象站，約在3.5米高，而手冊所設定的風機安裝高度 約在8米，而覆蓋表面有許多樹林，因此若氣象站所測得的風速為4m/s，則 風機的風速應為：
V2 = 4 x (8 / 3.5)0.30 V2 = 5.1m/s
圖4-2 Air-X風機功率圖12
11 資料來源：http://www.iowaenergycenter.org/wind-energy-manual/wind-and-wind-power/
geography-and-wind/
12 圖片來源：Air-X原廠手冊
