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潔淨能源

「週日閱讀科學大師」系列講座. 潔淨能源. 大葉大學，成功大學. 洪敏雄. 2006.04.09. 能源的演進. 鑽木取火 巴比倫人利用風車汲水。 中古時期末，人類發現煤炭。 西元 1710 年，蒸氣動力的應用。 西元 1890 年發現電力。 現代以機械動力開採原油、提煉汽油。 下一世紀能源？？. 臺灣電力主要來源. 台電通霄火力發電廠. 核三廠. 日月潭水力發電. 火力發電 核能發電 水力. 石化燃料 使用期. 石油、煤及天然氣等化石燃料屬非再生資源，終有一天會耗盡！. 有關可再生能源的政策.

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  1. 「週日閱讀科學大師」系列講座 潔淨能源 大葉大學，成功大學 洪敏雄 2006.04.09

  2. 能源的演進 • 鑽木取火 • 巴比倫人利用風車汲水。 • 中古時期末，人類發現煤炭。 • 西元1710年，蒸氣動力的應用。 • 西元1890年發現電力。 • 現代以機械動力開採原油、提煉汽油。 • 下一世紀能源？？

  3. 臺灣電力主要來源 台電通霄火力發電廠 核三廠 日月潭水力發電 • 火力發電 • 核能發電 • 水力

  4. 石化燃料使用期 石油、煤及天然氣等化石燃料屬非再生資源，終有一天會耗盡！

  5. 有關可再生能源的政策 http://www.takungpao.com/news/2004-12-12/_IN-340977.htm http://www.etdc.org.tw/ele-news/ele-0049.htm#news-6 http://www.susdev.org.hk/b5/paper/paper_ch3.asp

  6. 認識新淨潔能源(再生能源)

  7. 定義： 於「短時間至數年」以內，可「自然再生」的能源。 再生能源可分為： • 小水力發電 • 太陽能(太陽光發電、太陽熱能) • 風力發電 • 生質能(廢棄物發電、沼氣發電、生質物汽化發電…...) • 地熱發電 • 海洋能(波浪發電、潮汐發電、海洋溫差……) • 氫能

  8. 水力能 當位於高處的水（具有位能）往低處流動時位能轉換為動能，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者。 但是 能開發的地區是有限的

  9. 太陽能 太陽能應用可分兩種 • 太陽光電能 • 太陽熱能

  10. 太陽光發電之重要歷史 • 1954年第一個太陽電池由貝爾實驗室製作成功。 • 1957年開始太空應用。 • 1970年開始太陽光發電系統地面應用。 • 1980年消費性薄膜太陽電池應用。 • 1990年與公用電力併聯之太陽光發電系統技術成熟。 • 1992年起歐、美、日各國推動太陽光發電系統之補助獎勵政策。 • 2000年建材一體型太陽電池應用。

  11. n- + h+ hν 光激發電子電洞對 太陽能電池 原理 電洞 自由電子 P型半導體 N型半導體

  12. 家用太陽能光電系統

  13. 高雄應用科技大學阿波羅車隊 台灣的阿波羅車隊造價550萬，晶片效率24%。和前三名熱門人選造價超過一千萬台幣，晶片效能也突破25%的車隊相比，雖然略遜一籌。不過，在2004年雅典賽時，阿波羅打敗這隊伍得到第四，也讓各國留下深刻印象。 http://140.127.118.1/solar.htm

  14. 太陽光發電航太應用例(NASA Helios ) • 飛行高度：5-7 萬英呎(最高記錄 96,000 英呎) • 時速：60 mph (起飛 25 mph) • 翼展：247 英呎 • 重量：2,000 磅 • 太陽電池效率要求：>22% • 資料來源：http://www.aerovironment.com/home.html • 空中無線通訊平台應用 • 資料來源：SkyOne Inc. Taiwan

  15. 國際太陽光發電現況與預測 • 快速成長之太陽光電市場 • 太陽光電市場預估 (2001年~2010年) MW 資料來源:17th European Photovoltaic Solar Energy Conference & Exhibition ,Munich Germany,Oct.2001 資料來源:Photovoltaic News, Feb.2002, Vol.21, No.2 2004年全球太陽電池／模組（PV cell/module）產量約1,195MW，較前一年大幅增加57%；以產地而言，日本再度蟬聯全球PV產業龍頭，2004年產量較前一年大幅成長65.4%約為602MW，全球市占率提高為50.4%；

  16. 太陽熱能應用 太陽能熱水器結構

  17. 真空管集熱器

  18. 42萬 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 第二階段補助辦法預計5年80萬㎡ 32萬 萬 平 方 公 尺 20萬 第一階段補助 設置31.8萬㎡ 12萬 8萬 • 我國太陽能熱水系統推廣目標

  19. 太陽能溫室 來自太陽的太陽光為短波長的電磁波，其對玻璃具有穿透力，而進入密閉空間，加熱空間內部空氣或物件，但是受熱的空氣或物件，因為溫度不似太陽那麼地高（也就是所謂的室溫），所以釋放的輻射波為短波長，而無法再穿透玻璃，所以，熱量被保持於裝有玻璃的密閉空間，這就是所謂的溫室效應。

  20. 工研院能資所所開發的新型太陽能焙茶機 太陽輻射能透過外層玻璃，經過真空層，透過選擇性吸收膜的吸收而加熱內管中的茶葉。 管內溫度很容易上升及保持。在正常的晴天日照下，曝曬的真空管內溫度，在一小時當中，即可達攝氏100度以上。

  21. 太陽能海水淡化 應用蒸餾原理，以太陽輻射熱為動能，將海水蒸發成水蒸氣，然後凝結於蒸餾器之玻璃面蓋上，並沿著傾斜之玻璃藉由重力下滑至集水溝，最後匯流於集水槽當中。

  22. 什麼是風？ 放風箏？有風就搞定了～ 乘著風帆遨遊，多麼愜意～

  23. 風力發電 • 原理：利用風力推動風車，風車的旋轉帶動發電機發電，為現代風力應用的主流。 人類很早以前就懂得利用風力在日常生活上，如使用風車來取水、灌溉、磨麥、木材加工等各種費力的工作。其他如風力推動帆船、滑翔機等。 風力發電機大多於風速介於2.5~25公尺/秒間發電，由於風能與風速的三次方成正比，故風速愈高發電量愈大。我國估計陸上約有100萬瓩、海上約有200萬瓩風力發電潛力。

  24. 風力發電對我們的好處 • 風力能源永不耗竭。 • 風力發電無污染。 • 風力發電是自產能源。 舊風車 新風車

  25. 2020 2015 2005 Total: 16,000 MW/year Total: 98,000 MW/year Total: 150,000 MW/year • 歐洲風能協會評估：2020年 風能占全球用電12% • 2020年全球風力發電達12%占比評估表 資料來源：EWEA & Greenpeace (2002), Wind Force 12

  26. 全球風電市場近五年急遽成長（年成長率達40%）全球風電市場近五年急遽成長（年成長率達40%） 全球風電裝置容量成長圖 德國風力單機容量與發電成本趨勢圖

  27. 國外風力發電發展經驗 • 前五名國家成長比較 (1980~2001)

  28. 德國啤酒廠的１５MW 風力發電機群組 德 國 風 力 發 電 在德國的廢核政策與積極的推動再生能源政策下，其再生能源之發展突飛猛進。在2001年一年間，僅風力發電就新增了2,659百萬瓦（MW）的發電容量（相當接近我國核四廠的裝置容量）。目前德國風力發電總裝置容量已超過10,000MW，相當於我國四座核四廠的裝置容量，占全球風力發電的三分之一，歐洲的二分之一，居全世界風力發電第一位。 德國在南極研究站所用的垂直軸, 水平旋轉式風力發電機

  29. 海 上 的 風 力 發 電 英國布萊斯(Blyth)海岸風電場 丹麥, 北海 荷恩礁的風電場 (80座) 現有海上風電場的四個國家 :1. 丹麥 2. 荷蘭 3. 瑞典 4. 英國

  30. 我國風力發電推廣現況 • 總裝置容量8.54 MW • 台朔重工雲林麥寮風力發電示範系統 • 每kW年發電量：3,000 kWh • 發電成本(元/kWh)：無補助時1.25/1.78 (20/10年折舊) • 外購：66.2%；內製：33.8% • 台電公司澎湖中屯風力發電示範系統 • 每kW年發電量：3,200 kWh • 發電成本(元/kWh)：無補助時1.64/2.34 (20/10年折舊) • 外購：53.4%；內製：46.7%(含道路及13 km輸配電專線費用) • 天隆造紙竹北春風風力發電示範系統 • 每kW年發電量：2,520 kWh • 發電成本(元/kWh)：無補助時1.30/1.80 (20/11年折舊) • 外購：66.6%；內製：33.4% 4 x 660 kW 4 x 600 kW 2 x 1,750 kW

  31. 生質能 有機物經各種自然或人為之化學反應能量轉換為工業用能源（如沼氣），再轉換為電能 定義 台北內湖垃圾焚化廠 垃圾焚化發電 實際應用發電類型及實績 台北山豬窟、福德坑，台中文山及高雄青埔垃圾掩埋場，合計裝置容量21,800瓩。台糖公司推動鄉間飼養動物之排泄物發電 垃圾掩埋場及動物排泄物沼氣發電

  32. 台灣生質能源發展現況 1、全國第一座「固態衍生燃料製造廠」 2004年6月在花蓮縣豐濱鄉啟用全國第一座「固態衍生 燃料製造廠」，廢棄物衍生燃料（Refuse Derived Fuel） 簡稱RDF，兼具環保及能源雙重效益。

  33. 全國第一座「生質柴油示範廠」 2004年10月7日在嘉義民雄興建第一座生質柴油示範廠，以植物油與回收廢食用油為原料，估計此座生質柴油示範廠每年最大產量約3000公噸。

  34. 生質柴油與石化柴油廢氣排放比較 資料來源：工研院 IEK-ITIS計畫整理(2004/10)

  35. 地熱能 地球內部的溫度可能高達6000℃，地熱即是泛指地球內部所蘊含的這種熱能。 由於地殼岩層的導熱性不良，地球核心內部的熱能不容易傳到地表，通常在地殼裂開處，例如火山口和溫泉區等，以高溫熔岩、高溫泉水和水蒸氣等形態，把熱能傳到地表。

  36. 地熱發電 台灣位處環太平洋火山帶，有地熱能源蘊藏 地熱發電潛力 具地熱開發潛能地區有二十餘處，蘊藏量至少有數十萬瓩，其中大屯山區約佔一半以上 待克服問題 地熱蒸氣含量不多、地熱蒸氣酸性成分過高 七十年代興建清水及土場兩座地熱電廠，裝置容量分別為3,000瓩及300瓩。因蒸氣逐年降低，八十二年後陸續停止發電 地熱發電實績

  37. 台灣第一座地熱發電廠(1981) 宜蘭清水廢棄的地熱發電廠

  38. 海面與海底間有20℃溫差，以工作流體吸收海面熱量成氣態推動汽輪發電機，再以海底冷卻成液體之循環。目前在東部海興建5,000瓩溫差電廠。海面與海底間有20℃溫差，以工作流體吸收海面熱量成氣態推動汽輪發電機，再以海底冷卻成液體之循環。目前在東部海興建5,000瓩溫差電廠。 問題：經濟效益差、冷卻管路舖設待等技術克服。 溫差發電 以海水無窮之波浪能源轉換為電能。台電於76年即開始研究評估，並研究波浪發電系統。 問題：發電系統及適宜廠址仍待進一步研究突破。 波浪發電 海洋能 利用海水潮位升降水頭差以水輪機發電。經濟性潮位水頭差約6～8公尺。粗估以金門、馬祖潮差(5m)發電潛力約有一萬瓩。 問題：潮位差大之地點不多、機組設備效率及潮差水頭如何利用尚待繼續研究突破。 潮差發電 利用海洋流域中流速較大之黑潮(流速約0.5m/sec～1.0m/sec)流經水輪機發電。目前僅限於對台灣附近洋流做研究。 問題：黑潮發電之工程技術仍有待研究與突破。 黑潮發電

  39. 潮差發電 在海灣圍建堤防和水路，在漲潮時引水人儲水池，退潮時將儲水放出，每日可發電四次 貫通法國不列塔尼半島東邊的藍斯河，潮的高低差13．5公尺，於1967年建立世界最早的潮汐發電廠，每日的發電量有400至500百萬瓦．小時(MWh)

  40. 氫能 • 由於氫在地球上無所不在，沒有用盡的一天，因此「明日能源」一書的作者Peter Hoffmann稱氫為一種「永遠的能源」。此外，燃燒氫氣並不像石油或煤碳會產生二氧化碳等有毒物質，水和熱是氫燃料電池的唯一產物。因此，使用氫氣這種清潔能源最大的好處就是保護環境。 • 發展氫能經濟的好處就是可以大量利用國內資源來生產，不需要像石油一樣仰賴其他國家的進口。氫能不是能源的一種，它必須被生產出來。它可以利用煤碳、天然氣、核能或是太陽能等其他替代能源被生產出來。我們必須大幅度減少生產氫氣的成本到目前的十分之一左右。 • 氫能經濟的另一項巨大挑戰就是在安全方面。由於氫氣無色無味，它的火焰也是肉眼看不見的，如何安全的儲存氫氣在車輛中、以及如何到類似加油站的地點補充氫氣都是問題。不過，科技發展會解決這個問題。

  41. 燃料電池之優點 • 它的能量轉換效率非常高，可達百分之四十以上，如果再利用汽電共生（cogeneration）的技術，將反應時釋放的廢熱回收，總熱效率及可能超過百分之八十！ • 其次是乾淨。燃料電池的發電過程幾乎沒有造成任何污染。以目前容量最大的十一百萬瓦燃料電池發電廠為例，同樣以天然氣為燃料，這個電廠運轉初期的氮氧化物台放量為一PPM，而硫氧化物及粒狀污染物則沒有測得，比目前最清潔的燃氣發電廠還乾淨。 • 第三是安靜。即使在十一百萬瓦及的燃料電池發電廠附近，所測得的噪音量也低於五十五分貝。

  42. 它的主要燃料是氫氣，來源多而容易，包括煤、石油、天然氣等化石能源，再經過重組反應後，都能取出大量氫氣，做為燃料電池的進料，這部份技術已相當成熟。另外，太陽能、核能、水力也都能提供電力，經水電解反應產生氫氣。它的主要燃料是氫氣，來源多而容易，包括煤、石油、天然氣等化石能源，再經過重組反應後，都能取出大量氫氣，做為燃料電池的進料，這部份技術已相當成熟。另外，太陽能、核能、水力也都能提供電力，經水電解反應產生氫氣。 • 當多組的單位原件重疊一起時，即可串連增加電壓及電能。又效率與組數無關，燃料電池可大可小，應用範圍十分廣闊。

  43. 燃料電池種類 • Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell • (高分子薄膜燃料電池;PEMFC) • Proton Exchange Membrane (質子交換膜燃料電池) • 包含所謂直接甲醇燃料電池 (DMFC)，直接以甲醇為燃料 • Solid Oxide Fuel Cell • (固態氧化物燃料電池;SOFC) • Phosphoric Acid Fuel Cell • (磷酸燃料電池;PAFC) • Alkaline Fuel Cell • (鹼性燃料電池;AFC) • Molten Carbonate Fuel Cell • (熔融碳酸鹽燃料電池;MCFC) 以SOFC為例 陽極: H2 + O2-  H2O + 2e- 陰極: 1/2O2 + 2e-  O2-

  44. 燃料電池應用實例 Audi A2 Fuel Cell Hybrid concept (PEMFC ＆NiMH battery) Toshiba DMFC laptop Plug Power Unit outside McDonalds (PEMFC) Siemens Westinghouse 250kW SOFC Image source: Fuel Cells Today http://www.fuelcellstoday.com

  45. 未來您的房子，可能像這樣！ Graphic provided by the National Renewable Energy Laboratory

  46. 氫能社會構想 再生能源製氫 終端用户 潮汐發電廠 加氫站 天然氣製氫 燃料電池工廠 CO2處理

  47. 地球只有一個 讓我們一起努力！

  48. 嗨！時間到了！ 感謝國科會計畫主持人 李旺龍 教授的邀請！

  49. 參考資料 1、葉錫溶(民85)：能源的世界 。臺北市：圖文。 2、台大環境規劃研究室(民91)：風力發電基本教 材 。臺北市：臺灣環保文教基金會。 3、臺大環境規劃研究室(民92)：地熱發電基本教 材 。臺北市：臺灣環保文教基金會。 4、韓雨墨(民88)：地氣。臺北市：武陵。 5、張中(民87)：地獄中燃起了聖火。新竹市：凡 異。 6、地理入門網站，民國94年5月23日，取自： http://ihouse.hkedcity.net/~hm1203/eco- activities/energy.htm

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