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財團法人台灣永續能源研究基金會
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再生能源

壹、太陽能
太陽能主要有兩種能量形式,即光能與熱能。而利用太陽能來發電的技術主 要有三種:(1)利用特殊之半導體材料,製造出太陽電池,太陽電池經由光線照 射後,將光能直接轉換成電能。(2)將太陽能轉換成熱能,再利用熱能發電。(3) 利用太陽能與化學能間的轉換,先將水分解成氫和氧,再利用氫來發電。目前太 陽能技術系統包含(1)太陽能光電系統、(2)太陽能熱水系統、(3)太陽熱能其餘應 用。

一、太陽光電能
太陽電池以半導體製程做成,其發電原理是將太陽光照射在太陽電池上,讓半導體材料吸收 0.2 ~ 2.4 微米波長的太陽光,透過 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。由於太陽電池產生的電是直流電,因此若需提供電力給家電用品或 各式電器則需加裝直/交流轉換器,將直流電轉換成交流電,方可供給使用。太 陽電池的優點包括:  太陽光照射的面積散布在地球大部分角落,只有入射角不同 而造成的光能有所差異,不必仰賴進口,無所謂的能源危機,而且太陽的能量極 其龐大,據估計至少有 6 百萬年的期限。另外,現今使用最多的礦物能源,不外 乎是污染的問題,使用太陽能則無危險性及污染。在眾多的替代能源中,太陽能 乾淨、無聲,而且可依需求安裝在不同尺寸的載具中。然而,太陽電池亦有以下缺點,首先是需要靠有效的收集與發展高效率的儲 能設備才能有效利用,而且受日夜氣候的影響,太陽的能量不斷的產生變化。另 外,吸收太陽能的受光面積必須到達一定的規模才能有所成效,故相對成本提高。

二、太陽能熱利用
太陽能熱水系統是目前太陽熱能應用發展中最具經濟價值、技術最成熟且已商業化的一項應用產品,跟傳統之電熱水器、瓦斯熱水器、鍋爐等熱水系統相比, 在使用年限、燃料費用、操作過程、安全性等項目有優勢。太陽能熱水系統構造 主要是由集熱器、儲水槽(桶)、管路和控制系統等四部份構成。

三、太陽熱能發電
太陽熱能發電系統是利用聚焦的方式收集太陽的輻射熱能,取代傳統化石燃料,用以推動火力發電系統發電。由於發電成本仍高,目前尚未有商業電廠進行 運轉。以下介紹四種太陽熱能發電系統:集中塔式發電系統、拋物線槽式發電系 統、太陽能煙囪式發電系統、太陽能碟式發電系統。

貳、風力
風力發電是輔助性能源,風能來自大自然,有時大有時小,因此風力發電具 有輸出不穩定的特性。在台灣地區,冬季時東北季風強勁,使得風力發電量甚為 可觀,但夏季缺電時,卻因為西南季風微弱而發電量有限,因此風力發電在現階 段仍僅能做為輔助性能源,無法完全取代傳統發電並作為基載之發電。風力發電機主要是藉由空氣的流動來轉動葉片,把風能轉換成電能。葉輪受 風吹而轉動,因此葉輪氣動性能對風力機輸出效率具有決定性的影響,近年來由 於葉片的設計應用了航太技術,大大地提高了風力機的輸出效率。

但風力機尚無法轉換全部風能,輸出效率僅介於20 ~ 45%間。目前商業化風 力機都使用微電腦監控,可隨風速、風向的變化而自動啟動、關機、迎風轉向, 並具遠距監控及異狀保護功能。正常狀況下可自動運轉,不需人員操作,因此有「無人電廠」的稱呼。 台灣位於最大陸塊與最大海洋交界處,明顯的東北季風與西南季風季節交替,具有豐富的天氣變化。加上台灣海峽兩側山脈形成「狹管」的地形效應,季 風吹過時受到擠壓而加速,因此冬季風力相當強勁。為瞭解台灣地區風力潛能, 工研院能資所自2000年度起執行經濟部能源會委辦之「風力示範推廣計畫」,與 中央大學合作利用1996 ~ 2000年5年風力資料進行模擬分析。澎湖離島地區50公尺高度年平均風速達每秒7公 尺以上,風能密度則達每平方公尺600瓦以上,甚具開發潛力。台灣地區風 力資源相當豐富,主要分布在台灣海峽、西部沿海與澎湖離島等地區,多數地區 年平均風速可達每秒5 ~ 6公尺以上,風能密度達每平方公尺250瓦以上,甚具開發潛力,初估陸上型風機發電潛力約100千瓩。

參、水力
當位於高處的水(具有位能)往低處流動時為能轉換為動能,此時裝設在水道 低處的水輪機,因水流的動能推動葉片而轉動(機械能),如果將水輪機連接發電 機,就能帶動發電機的轉動將機械能轉換為電能,這就是水力發電的原理。水力 為最傳統的再生能源之一,水力發電技術也是再生能源中最成熟的。

一、川流式水力
在河川築壩攔水,並在水壩旁邊設置取水口,然後把水導入水路,流到低處 可以產生足夠高低落差的發電廠,如此就可直接利用地勢的高低落差來發 電。台灣大多數的發電廠都是這種型態。大部分時間都是依河川的自然流量 來運轉,但是因為沒有蓄水功能,水太少時發電量就會減少,太多也沒辦法 增加發電量或儲存起來。

二、水庫式水力
 同樣是利用落差的原理。但必須先選擇一處狹窄的河道,築一高壩提高水庫 中的水位,也就是用人為的方式來創造足夠的落差。例如大甲溪上的德基、 谷關電廠。由於水庫有較大的蓄水量,因此可以生產穩定的電量。

三、調整池式水力
結合川流式和水庫式的發電方式,就是比川流式發電廠多了一個小型的調整 池(蓄水池),可以讓發電廠儘量維持在最大的發電量一小段時間,不過因為蓄水量很有限,如果河川的水流量滿過了調整池,還是沒辦法利用。河川流 量一日之內大略為一定值,但通常電力系統內一日間之負載則時刻在變,因 之一日之內必將發生流量之剩餘流量貯於調整池,以補充負載較大時流量之 不足。

台灣水力發電將近百年之歷史,其間系統以水力為主力之時期長達  60  餘 年。台灣雖然河流多,但溪流湍急、流量不穩且建造攔水壩不易,造成水力發電 的成本較高,估計每度發電成本至少達 5、6 元,遠高於火力發電的 2、3 元。台 電公司電力系統現有水力電廠  43  座,合計裝置量  432.1  萬瓩 (含抽蓄),約佔系統之 15 %。

肆、海洋能
地球上海洋面積約 3 億 6 千多萬平方公里,約是陸地面積之 2 倍半,佔地球 總面積 71%。海洋中蘊藏許多豐富資源,近年來由於石化能源日益枯竭及世界性 經濟蕭條,促使利用海洋能源之開發研究益受重視。海洋能源包括下列數種:

一、潮汐能
潮汐能是利用海潮漲落引起潮流產生的動力(理想潮差  6~8  公尺以上)發電。 潮汐發電類似水力發電工程,不過潮汐發電的水壩(barrage)大的多。這個水 壩設置在海口灣,當潮水進出時,水流進入水壩的水道中。退潮時和潮水流 動時便可以轉動渦輪機,或者透過水管推動空氣而使渦輪機轉動。

二、波浪能
波浪能是利用波浪進退時因高度密度而產生的動力(介於 1.7 瓩/公尺 ~ 15 瓩/ 公尺)發電。波浪能發電 有 2 個步驟:當波浪進入圓柱時,促使圓柱內空氣上升而推動渦輪機,並且 增加了圓柱內壓力;當波浪退去時,使圓柱內壓力減小亦使渦輪機轉動。

三、海洋溫差能
表層溫海水與深層冷海水(約  1,000  公尺左右)形成的溫度差(理想的溫差發電 約為  20℃)即可利用此種方式發電,英文簡稱為  OTEC(ccean  thermal  energy conversion)。溫差能源與波浪海流能源比較,有下列優點:能源密度大、較 穩定,適合大規模發電、有副產品,如海水淡化、海水養殖等。

四、鹽梯度能
鹽差能是以化學能形態出現的海洋能。是利用河口海域鹹淡水之間鹽度的明 顯差異,把化學能轉化為電能。其基本方式是將不同鹽濃度的海水之間的化 學電位差能轉換成水的勢能,再利用水輪機發電,具體主要有滲透壓式、蒸 汽壓式和機械─化學式等,其中滲透壓式方案最受重視。

五、海流能/洋流能
海流的形成有許多原因,主要原因是由於長期定向風的推動。海流發電係利 用海洋中海流的流動動力推動水輪機發電,外型像是水下風力電廠,此種裝 置在建置成本上較便宜,且沒有水壩式潮汐發電的環境問題。這種裝置有多 項優點,包含可以保護海岸線被高猛的潮汐破壞,且可以提供路橋。

伍、生質能
生質能的廣泛定義是指所有的有機物,如牲畜糞便、農作物殘渣、薪柴、製 糖作物、城市垃圾及污水、水生植物、能源作物等,皆可直接燃燒應用,或是由 厭氧消化反應產生沼氣後再行利用。從有機固體廢汙中回收能源不僅解決部份固 廢累積問題並能減少對石油能源的依賴。生質物不僅具有被生物分解的特性而且 是一種優良的甲烷(CH4)發酵材料,厭氧消化(anaerobic digestion)技術也因此長久 被用來安定生物汙泥與生產甲烷。鑑此,厭氣消化技術不僅是一種處理程序亦是 一種產生能源的方法。

近年來生質物除了熱利用外,亦廣泛被用於綠農地的改善。此外,由於工業 化,甲烷與二氧化碳等的溫室效應氣體已大量地排入大氣層,在傳統廢棄生質物 處理與安定的過程中,因有大量的甲烷與二氧化碳產生;即使熱利用亦有大量的 二氧化碳產生,所以在國際地球環境意識高漲的今天,當設計廢棄生質物處理程 序時,不僅需要兼顧處理與資源回收問題,尚須考慮二次地球環境污染問題─地 球溫暖化。根據國際能源總署的統計,目前生質能是全球第四大能源,僅次於石 油、煤及天然氣,約佔世界所有再生能源應用的三分之二,生質能供應全球約14%的初級能源需求,也提供了開發中國家 35%的能源,是目前最廣泛使用的再 生能源。以下就介紹目前利用生質物發電較為成熟的各種技術。

一、固態衍生燃料技術
傳統的生質物/廢棄物能源利用多以直接燃燒或焚化產生熱量,再經由熱回收 設備產生蒸氣或熱水。然而新的生質物/廢物能源利用技術須考量廢棄物複雜 的種類及性質、廢棄物料源的穩定性、運輸與儲存的技術與經濟、相關法規 的限制以及整體系統的能源與環保效益等因素。

二、液化與氣化技術 液化程序是指由生質物/廢棄物經無氧熱裂解製成液態燃料。液態衍生燃料多 以分選過的廢塑膠或廢橡膠為料源,經過熱裂解產生油氣,再經過冷凝後成 為合成燃油與燃氣。這項技術的優點是產品易於儲存運輸且系統容量不大, 具經濟性;其缺點則在於因需維持燃油的產率,裂解溫度不能太高,大約是300 ~ 500℃。

三、沼氣利用技術
沼氣的產生主要是藉由細菌把廢棄物中的有機物質分解以得到可燃性氣體, 主要成分是甲烷、二氧化碳及少量硫化氫。分解有機物的細菌可分為好氣菌 與厭氣菌兩種,當氧氣充足時,好氣菌會把有機物分解,所產生氣體大都是二氧化碳,稱之為好氣發酵;相反地,若在缺氧狀態時,則由厭氣菌負責把 有機物分解,產生沼氣,稱之為厭氣發酵。

四、生質柴油技術 利用油脂作物或廢食用油與甲醇(或乙醇)進行轉酯化反應,可產生脂肪酸甲 酯(或乙酯)及甘油等產物;經分離甘油後,以蒸餾去除未反應完全的油脂, 產生與一般柴油品質相當的液態燃料,稱為生質柴油。反應後甲基 酯化油產量約和原料相似,但增加副產物甘油,所有的成本主要來自廢食用 油的費用,約占四分之三。由於使用生質柴油的引擎排氣不含鉛、二氧化硫、 鹵化物,並能大幅降低碳煙、硫化物、未燃碳氫化合物、一氧化碳及二氧化 碳,目前已成為世界各國積極發展的生質能。

陸、地熱能
地熱是存在於地球內部的熱能,使得地溫隨深度而增加,而熱能也會經由地 球內部傳送至地表消散。地溫梯度大約是每下探  1  公里,溫度上升  30℃。地球 內部所蘊含的熱能巨大無比,地熱能在世界很多地區應用相當廣泛。然而以目前 的技術,我們尚不能任意開採,只能開發地殼淺部地溫梯度異常高的地點的地熱 資源。當雨水降至地面,並滲入為地下水,再經斷層或裂隙深入地下,經地熱加熱 後,大部分熱水儲存在滲透性良好的儲集層,如砂岩或裂隙岩層。小部分熱水再 循環上升,湧出地表,形成溫泉或噴汽孔。熱水在儲集層時因受到蓋層的阻擋, 會滯留在儲集層內,並在此發生對流作用。蓋層為一緻密不透氣的岩層,通常是 沈積岩及火成岩,因為不發生對流作用,故其中溫度梯度很大。我們可想像此地 熱儲集構造是熱源在下、儲集層居中、蓋層在上、地下水由側面補給,恰似一個 天然燒開水的茶壺。若鑽井鑽到儲集層,會有大量的熱水及蒸氣噴出。工程人員 根據流體的溫度及壓力將其做不同用途,溫度高的用於發電,低的則直接用於暖 房及工業用途等。
台灣位在菲律賓海板塊與歐亞板塊的碰撞造山帶上,地震特別多;同時,地 層也易發生斷層和褶皺,使岩層不斷地抬升和破碎。而岩石又是一種不良的導熱 物質,熱能不容易散失;隨著地層不斷地抬升,地熱長期累積的結果,造成中央 山脈地區較高的地溫梯度。此外,台灣北部地區和東部外島,曾發生大規模的火 山運動;目前雖暫時停止,但高溫的岩漿餘溫仍存在於火山底下。台灣又位於西 太平洋邊緣,冬天受東北季風、夏天受西南季風和颱風的影響,雨量豐沛。台灣 的年平均雨量在 2,500 公釐以上。豐沛的雨水降到地面後,就沿著裂隙或破碎的 岩層滲入地下,受到地溫梯度或岩漿的餘溫加熱,以致產生豐富的地熱資源,而溫泉即是地熱系統重要的特徵之一。

參考文獻
1.”Solar thermal power plants-Technology Fundamentals”, Renewable Energy World, 06/2003 p. 109-113
2.呂威賢,「風的故事─從風車到風力機」,科學發展月刊,第 383 期,p.9,2001/11.3
3.台灣電力公司,水力發電簡介:http://www.taipower.com.tw/main_1/main_1_6_2.htm,2005。
4.National Energy Laboratory of Hawaii Authority, athttp://www.nelha.org/index.asp
5.郭明錦,「地熱資源」,科學發展月刊,第 383 期,2004/11。

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