一、簡介 據研究資料顯示，全球能源資源蘊藏量有限且地理分佈不均，預估石油可開採約40 年、天然氣60年、鈾50年、煤200年。隨著全球經濟持續的發展，一方面導致能源需求逐年成長，讓有限的化石能源加速枯竭，並使能源價格逐步高漲；另一方面不斷增加的二氧化碳，亦導致了溫室效應的擴大。2005 年2 月16 日京都議訂書的生效，即是各先進國家為解決此一困境的方法。為了達到永續發展的目的，開發可重複利用的再生能源(renewable energy)，一方面可降低二氧化碳排放，減低溫室效應，另一方面亦可兼顧延長傳統化石能源使用年限。我國現行再生能源發電利用係以2010 年再生能源發電容量配比達10%為目標，包含風力、太陽光電、生質能、慣常水力發電、地熱等。與傳統式的集中式發電比較起來，再生能源的發電屬於分散型電力，其具有模組化、建置時程短、環境親和性、鄰近負載中心等優點，不僅可以增加區域電力控制的機會，且部份的再生或新潔淨能源技術可達成熱電共生的效果，對於提昇整體能源效率、可靠度與降低環境污染有莫大的助益。本文將針對目前較常見之再生能源分散式發電技術如微型氣渦輪機、燃料電池、風力發電及太陽能發電進行簡單之介紹。
二、各型分散發電技術 ‧ 微型及小型氣渦輪機 分散型發電系統近年來由於技術不斷提昇，低噪音、極低污染及高效率之發電系統未來將普遍應用於工商業及住宅區，已成為電力系統發展之世界趨勢。目前國內中、小型分散型發電系統由於柴油發電機價格(約150US$/kW)較單循環氣渦輪發電系統(約500~600US$/kW)低廉許多，因此形成寡佔市場，但柴油發電機污染高、噪音大，需另裝設污染防制設備。因此微型氣渦輪發電系統有其市場。微型氣渦輪發電系統除具有低噪音、低污染等優點外、另有快速啟動、壽命長、震動低、維修容易且費用低、體積小(為同級功率柴油機之1/5~1/7)、重量輕及可使用多種燃料(如燃氣，液態燃料如柴油、甲醇等)等特性。除了以上優勢之外，微型氣渦輪發電機組目前其效率雖約30%左右，但短期內可提昇至40~43%；未來結合氣渦輪發電機與高溫燃料電池之混合循環(Hybrid Cycle)發電系統，將為未來發展之主力。表1列出微渦輪機的基本特性，圖1則為目前商用微渦輪機之實體圖。其中圖1左方為Capstone公司出品的單軸式微渦輪機，右方則為NREC開發的雙軸式微渦輪機。
表1 微渦輪機的基本特性
圖1 商用微渦輪機實體圖
‧ 燃料電池 燃料電池為利用氫氣與氧氣進行化學反應產生電能之化學轉換器，其基本構造圖如圖2所示。由圖2可以看出，燃料電池的陽極輸入燃料為氫氣，陰極輸入燃料為氧氣，氫氣與氧氣在燃料電池內進行化學反應，產生電力、水以及熱能。由下圖可以看出，燃料電池發電後的副產品僅為熱能與純水，因此其具有極低污染，低噪音以及高效率等優點。
圖2 燃料電池發電原理
燃料電池屬於高效率能源變換設備，在1980年代以後各研究單位開發燃料電池汽電共生設備，以利替代傳統火力發電，目前以磷酸型燃料電池(Phosphoric Acid Fuel Cell, PAFC)為主要機組開發分散型燃料電池汽電共生機組，並已進入商業化階段。另外近年來開發的質子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC)則是體積小，在常溫可運轉之燃料電池，可用於汽車用動力、住宅用電源、攜帶用及電腦等小型電子設備。燃料電池未來趨勢將朝向小型化及高功率化，國外燃料電池廠商投入研發資源，競爭相當激烈。上述PAFC、PEMFC以外，燃料電池型式還有熔融碳酸鹽型燃料電池(Molten Carbon Fuel Cell ,MCFC)、固態氧化物型燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)、鹼性燃料電池(Alkaline Fuel Cell, AFC)以及直接甲醇型燃料電池(Direct Methanol Fuel Cell, DMFC)等。日本新陽光計畫下之燃料電池開發計畫以MCFC為基礎，並推動1,000瓩級機組之實証運轉試驗。另一方面SOFC之運轉溫度可達1,000℃，目前研究氣渦輪發電機的組配，以提高總體發電效率。 美國研究燃料電池專家認為燃料電池的市場可分為： ●汽車用動力 ●汽電共生發電用電源 ●電子設備用之微型燃料電池（Micro Fuel Cell） 未來汽車動力用燃料電池也可以應用於住宅區，作為住宅或公寓用電源，上列三種應用中，以第一項的競爭最激烈，因此價格可能在近年中降到合理水平，品質也會相對提高，並變為成熟的技術。在汽電共生的應用方面，燃料電池的耐用性與連續運轉特性是否比傳統發電機組，如氣渦輪機等優良是競爭力的指標。在第三項的競爭對手是價格昂貴的高功能二次電池。價格可能不是重要競爭指標，但體積、電力品質、穩定性與耐用性等是重要競爭指標。
表2列出目前常見之燃料電池發電技術比較。圖3則為目前運轉中之200 kW磷酸型燃料電池發電系統外觀圖。 表2 各型式燃料電池比較表
圖3 燃料電池發電系統外觀圖 ‧ 風力發電 能源危機之後，歐美等先進國家積極進行各種替代能源的開發研究。其中風力發電方面，在人類以往既有的風車（wind mill）發展基礎上，融入近代科技後，更是特具成效。隨著技術及材料的進步，風力機的單機容量、性能及可靠度不斷提昇，目前單機容量百萬瓦級以下之中小型風力機在國外已商品化（現今市場用量最多之機種為600～800瓩），而百萬瓦級以上機種亦陸續推出（目前已有1.5～2.5 MW機種上市）。由於風力機技術成熟及量產應用使得成本迅速降低，目前風力機的發電成本在風力良好的地方已可與一般電價一較長短。 風力發電機組除氣動性能要佳，以吸收最多的風能外，另一甚重要的需求即結構要強固牢靠，以能耐久運轉，長期發揮運轉發電效益。目前風力機的壽命，一般以20年為設計基準，由於科技及材料的進步，現今商業化風力機的性能及可靠度不斷提昇，目前風力發電市場風力機的可用率（Availability，即風力機真正運轉時間與風力機應可運轉的時間之比值）可達97～99%，相較於1980年代的50～60%已提高甚多。由於風力機係轉動體，且處於室外需承受各種風霜雨雪及雷電等自然環境之考驗。風力機要能可靠耐久，除了機組之結構安全設計能耐得住長期動態運轉的應力負荷外，亦須有額外的安全保護系統以避免發生重大故障或損害，另外定期的維護保養亦不可免。由於目前風力機之技術已相當成熟，其發電成本亦已與一般電價接近，加上其屬污染性較少之再生能源，一些風力資源較豐富國家，均開始大量開發利用，尤其因屬綠色發電，愈來愈受到人們的支持，近年來安裝容量急遽增加。目前風力發電應用以裝設風力發電機與電力網併聯(grid connection)的方式為主流。另外，離島、偏遠地區等電力網無法普及之處，亦可應用風力機獨立運轉供電或與柴油機、光電系統等混合（hybrid system）運轉供電。由於風能與風速的三次方成正比關係，故風力機的位址要儘量選擇高風速且空曠處所，以吸收最多的風能並避免遮擋擾流影響。此外，風力機設置位址除須風性良好外，並須考慮安全及噪音問題，通常宜避免緊臨住家，一般田野、河堤、岸邊及山丘脊線均是設置風力機之良好地點，但須注意不要緊臨通訊站或雷達站以防電磁干擾、避開鳥類生態保護區以免造成衝擊，以及設置場址有無禁、限建之規定等。圖4為 圖4 雲林麥寮風力發電系統 *資料來源：再生能源網http://re.org.tw
‧ 太陽能發電 太陽能是因為太陽內部核反應而產生，依據專家估計太陽在地球上照射一小時的太陽能量相當於地球上全人類能源總耗用量的兩倍。因為太陽能量非常龐大，無枯竭的問題，而使用上不會排放污染物質，因此近年來各國都致力於太陽能利用之研究。但太陽能密度低，受氣候影響而不穩定，成本偏高等不利因素，使其普及化較緩慢。為了提高太陽能的利用，開發更高效率的太陽能電池以及研究更高技術的太陽能發電系統周邊電路都是相當重要的。圖5為典型之太陽光電發電系統功能方塊圖。由圖5可以看出，日光照射太陽能板後所產生之電能為直流電，因此太陽能板所產生之電能須經過一直流轉交流的變頻器方可得到一般家用之110 伏特/220 伏特電壓。此外由於太陽光屬不穩定之能量來源，一般太陽光發電系統會加裝儲能設備（如可充電電池等）以提高其能源使用效率。就太陽光電發電系統而言，須開發之技術包括使用高效率功率開關元件（如IGBT或IPM等）進行功率級電路之設計、發電系統並聯市電功能、防止電流逆送控制、太陽光發電最大功率追蹤、功率因數控制、輸出正弦波控制等。此外當使用此一太陽光電系統併接至市電時，須考慮市電斷電時系統運轉之孤島(islanding)效應偵測等問題。 圖5 太陽光電發電系統功能方塊圖
圖6 台灣太陽能使用場址實體照片 *資料來源：再生能源網http://re.org.tw ‧ 各式分散型電源之比較 根據美國能源部國家再生能源實驗室針對65個分散型電力設置計畫所作的調查分析顯示，運用分散型電力時，將會遭遇技術、商業及法規等三方面的問題，技術方面包含保護電驛與切換開關的需求、電力品質的要求及電力潮流或其他工程上的限制；商業問題則包含電力公司對互聯規範的要求、保險與賠償需求及配合電力公司調度等；在法規方面則包含環保許可及費率規定等問題。IEEE SCC 21目前正制定有關分散型電力與電力系統的互聯規範IEEE P1547，以期規範分散型能源連上電網的技術認證與需求，並達到有效降低分散型電力機組製造成本的目的。 分散型電力中使用天然能源的太陽能發電與風力發電，在應用上必需注意介面設計、運轉及規畫等因素，所謂介面設計是指連接太陽能發電或風力發電與既有電網的電力電子技術，運轉因素則是考慮間歇性能源對電力系統的影響，例如發電控制、負載追隨能力、機組排程、備載容量需求及系統電壓調整；規劃因素則是考慮長期容量擴充或整合性資源規劃的問題，精確的規劃模型與方法對電力公司規劃間歇性能源的使用是非常重要的。 在環境之影響方面，目前較有潛力應用於小型商業區或住宅區的分散型電力如小型渦輪機、內燃引擎或燃料電池，多數具備熱回收的能力，其適用於熱水或冷暖氣的使用。表3中列出這些分散型電力的空污量與效率指數。價格合理的分散型電源中，PEM燃料電池以及直接轉換燃料電池的污染較低，較不需改善。但PEM燃料電池的NOx空污尚有改善空間。使用天然氣以及燃油做為燃料的內燃機引擎效率不需改善，但污染最為嚴重。進步型渦輪機效率可達到36%，污染介於燃料電池與內燃機之間，為較佳之另一選擇。微型渦輪機與傳統渦輪機效率尚有改善空間，為前述中效率最差者，污染亦介於燃料電池與內燃機之間，且比進步型渦輪機高。
表3 分散型電力空污量與效率指數
三、結語 根據研究指出，地球的石化能源將於50到100年間消耗殆盡。因此，開發新型能源科技乃成為先進科技研究的當務之急。分散式發電技術可提高能源的使用率，大多數的分散式發電系統更為再生能源系統，可大量的減少石化能源的消耗並降低對環境之衝擊。就經濟開發、永續經營與環境保護等觀點而言，開發分散式發電技術刻不容緩。再生能源分散式發電技術是二十一世紀電力界的新趨勢，雖然它們無法取代傳統大型發電廠，但其裝置容量在本世紀初若干年內將大幅增加。根據歐盟議會通過之白皮書所訂定之歐盟未來再生能源策略及行動方案，其2010 年目標為再生能源佔總能源供應比例由6%提升至12%；至於佔總發電量配比，則計畫由1997 年約13.7﹪提高為2010 年約23.5﹪，由此可見再生能源的重要性，當前再生能源分散式發電技術推廣之主要瓶頸在於降低成本與可靠性問題，而這也將是我國值得努力的目標。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
教育目標:
台灣科技大學電資學院
再生能源發電技術簡介
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