電機工程技術於環境社會以及全球之運用

崑山科技大學電機工程系 電機工程技術於環境社會以及全球之運用中華民國九十八年七月

全球環境社會關心的議題一 • 電機工程技術運用於能源與環保1.風能2.太陽能3.水能4.燃料電池

全球環境社會關心的議題二 • 電機工程技術運用於科技與經濟1.人機互動技術2.奈米技術3.家庭網路通訊技術4.光電半導體技術5.電力電子與電能技術6.伺服驅動與控制技術

環保宣言 圖片來源環保局網站

環保能源-風力發電 • 發電成本較傳統能源為高。 • 國際上推廣風力發電成效卓著的國家，如德國、丹麥、荷蘭、美國等，均於推廣初期經由補助措施來帶動設置風潮。 • 能源會也訂出風力發電系統設置補助辦法。

環保能源-風力發電 • 1941年美國的Vermont電力公司建立第一個大型風力發電機（1.25MW）。 • 日本預定建造當前日本規模最大的風力發電廠，總容量達6萬瓩，地點在日本青森縣下北半島東海村，總投資超出100億日圓。 • 丹麥一國而言，已擁有風力機三千餘座，年發電量一百億度。由於燃料缺乏、環境保護的重視，因此最近各國都發展風力發電。

環保能源-風力發電 • 澎湖中屯，設置風力發電機組，該機組為四部六百千瓦風力發電機組成，此風力發電機組高塔型、垂直風葉片、水平發電機組，在二級風速時即可發電，十二級風時可滿載發電。 • 麥寮離島工業區建造風力發電廠，發電容量二千六百四十瓩，總投資一億多元。

風力發電機的電機技術 • 逆風風力發電機和順風風發電機逆風風電機是一種風輪面向來風的橫軸式風電機。順風風電機，來風是從風輪的背後吹來。大多數的風力發電機是逆風式的。圖片來源香港可再生能源網

風力發電機的電機技術 優點：不會造成公害而且取用不盡。缺點：風力不穩定，風力和風向時常改變，能量無法集中。麥寮Vestas V47-660風力發電機結構

Vestas V52-850千瓦風力發電機機艙內的組成部份 ( 來源： Vestas )

V52-850千瓦風力發電機於不同噪音級別下的工作曲線(來源：Vestas)V52-850千瓦風力發電機於不同噪音級別下的工作曲線(來源：Vestas)

環保能源-太陽光發電 • 70kWp PV Water Tower (Taichung Science Industrial Park, Taiwan) http://www.uniergy.com.tw/frame-home.htm

環保能源-太陽光發電 • 台中電廠72kWp太陽光電發電系統 http://www.uniergy.com.tw/frame-home.htm

環保能源-太陽光發電 • 核三廠50kWp BIPV太陽光電市電併聯系統 http://www.uniergy.com.tw/frame-home.htm

環保能源-太陽光發電 • 5 kWp CIPV構造物整合型太陽光電系統安裝地點: 西湖休息站 (北上) http://www.uniergy.com.tw/frame-home.htm

環保能源-太陽光發電 • 太陽光發電應用於住所、景觀、通訊中繼、農業 http://www.uniergy.com.tw/frame-home.htm

太陽光發電系統 • 系統種類 http://www.uniergy.com.tw/frame-home.htm

太陽光發電系統 • 換流充電控制設備併聯系統獨立系統

太陽光發電系統 • 換流充電控制設備光電控制器(Charge Controllers) 充電方式：Multi-stage Charging　　　　　最佳充電模式 http://www.uniergy.com.tw/frame-home.htm

太陽光發電系統 • 太陽光電模板 http://www.uniergy.com.tw/frame-home.htm

環保太陽能光電技術 • 崑山科技大學蘇炎坤校長與成功大學建築系林憲德教授主持，以「Green Office」作為太陽光電與環保節能科技教學與研發整合之平台，申請教育部「98年度補助技專校院發展學校重點特色計畫」。 • 該計畫將達成提昇太陽光電與環保節能科技相關學程教學品質。

太陽光電與環保節能科技計畫 • 世界原油儲存量逐漸耗盡，終至枯竭的一天，在各式能源中，太陽能為最具潛力的替代能源之一。 • 近年來各國在太陽光電能系統的建構，逐漸與建築設計者結合。 • 該平台皆以太陽能發電及供電系統，再以10kWp(仟峰瓦-以仟瓦為單位之太陽電池組列最大輸出功率)太陽板模和10kWp市電併聯系統，1年發電量約11,850度，節省電費約34,000元，省電量將可抑制CO2排放量7,348公斤。

太陽光電與環保節能科技計畫 • 「Green Office」預定建於本校運動場北側，利用光電整合建築BIPV (Building Integrated Photovoltaic)，太陽能電池模板，結合太陽能發電與建築物外牆兩項功能與固態照明系統，研製太陽能電池整合之LCD玻璃窗、大型LED資訊看板、智慧型太陽能庭院(路)燈及高效率T-bar LED辦公照明等設備。 • 另建造人工濕地生態系統淨化水質，並利用微生物分解不同的汙染物及臭味等，可有效處理廢水。 • 最後成立環保教學示範區，將落葉及校園餐廳之廚餘結合製作堆肥，及研究快速將廢食用油轉換成生質柴油，以達到廢物再利用，並展示有關污染防治、堆肥製造、生質柴油製造的成果。

環保能源-水力發電 • 水力發電開發方式的種類很多，因地理環境不同而異。 • 以水源運用的情況，台灣水力發電開發方式分成川流式發電廠、調整池式發電廠、水庫式發電廠與抽蓄式(揚水)發電廠等四大類。

水力發電開發方式一 • 川流式發電廠這類水電廠通常位於水流湍急的河流或者溪流。當水流經過電廠的時候，水流中的能量會被利用來直接發電。川流式水電廠通常建於小水壩或分流堰上。 http://re.emsd.gov.hk/tc_chi/other/hydroelectric/hyd_tech.html

川流式發電 • 川流式水力發電系統不是利用水位高低差，而是利用水圳渠道內流水速的衝力，帶動發電機發電。 • 宜蘭農田水利會與發明人劉正獅「川流式水力發電系統」，目前已獲百餘國家專利，它是利用水圳渠道內流水速的衝力，推動架設在渠道內的水輪機，經由齒輪變速箱的傳動，帶動發電機發電。

水力發電開發方式二 • 水庫式發電廠這類水電廠通常要建設水壩以蓄水產生水頭差。然後利用重力令水流從一個通道（壓力管道）流到低處時推動水輪機轉動。轉動的水輪機帶動發電機產生電力。 http://re.emsd.gov.hk/tc_chi/other/hydroelectric/hyd_tech.html

水庫式水力發電系統 來源: 張天瑞物理雙月刊(廿九卷三期) 2007 年六月

水力發電的主要設備 • 以具有位能或動能的水沖水輪機，水輪機即開始轉動，若我們將發電機連接到水輪機，則發電機即可開始發電。來源: 張天瑞物理雙月刊(廿九卷三期) 2007 年六月

水力發電機種類 • 不同的水電系統，使用不同大小及的不同轉輪（與水流直接接觸的轉動部分）的水輪機。 • 水輪機主要類型包括：佛蘭西氏水輪機、螺旋槳水輪機、和佩爾吞水輪機等。 http://re.emsd.gov.hk/tc_chi/other/hydroelectric/hyd_tech.html

水力發電機 來源: 張天瑞物理雙月刊(廿九卷三期) 2007 年六月

水力發電機 • 發電機是將機械能藉由磁能轉變成電能的機器，水力電廠所使用之發電機與火力及核能電廠使用之發電機最大差異在於轉子之結構，水力發電機組有豎軸及橫軸兩種方式，其轉速較低。火力及核能所使用之發電機組僅有橫軸式，轉速多為每分鐘3600 轉。來源: 張天瑞物理雙月刊(廿九卷三期) 2007 年六月

水力發電機 • 超微型水輪機超微型水輪機可以用來收集溪流、河流、農業灌溉渠道和瀑布的水力能。 http://re.emsd.gov.hk/tc_chi/other/hydroelectric/hyd_tech.html

環保能源-水力發電應用 • 「水」生「電」的流體驅動消防灑水燈直接裝在消防描子出水口的LED燈，靠水流的力量驅動電力，不但可讓消防員便於搜救，也可以協助受困火場的人員辨別逃生路線。工研院 http://www.itri.org.tw/chi/is/p4.asp?RootNodeId=070&NavRootNodeId=071&NodeId=07121&ArticleNBR=1080

燃料電池技術 • 燃料電池（fuel cell）是一種將燃料的化學能，透過電化學反應直接轉換成電能的裝置，和一般傳統的發電方式不同，故不受卡諾循環的限制，理論上能量轉換效率可達80％。 • 一般電池是將能量貯於電池本體中，用完後即捨棄，或充電後再重複使用。燃料電池是由燃料中的化學能提供能源，它並不含在電池本體結構中，因此只要持續不斷地供給燃料，燃料電池便可以不停地發電。 • 在石化能源使用殆盡後，使用氫能源的時代隨之來臨，而低溫型的質子交換膜燃料電池、直接甲醇燃料電池與中高溫型的固態氧化物燃料電池為最具潛力的三種能源轉換方式。

燃料電池燃料來源 • 只要含有氫原子的石化能源如石油、天然氣、煤炭、沼氣、酒精與甲醇等，通過一個轉換器，都可作為燃料電池的能源進料。

燃料電池燃料運作技術 • 燃料電池的運作方式與電瓶相似。只要持續供給氫氣與氧氣，燃料電池就能一直發電。左圖為質子交換膜（PEM）燃料電池之示意圖，由兩片薄的多孔電極構成陽極與陰極，兩極之間以固態聚合物隔膜電解質隔離。每片電極的其中一面鍍有觸媒，以鉑為主成份。氫原子進入電池後（1），經陽極觸媒分解為電子與質子（2）。電子沿著外部電路流動，供電給驅動馬達（3）。質子同時透過隔膜（4）抵達陰極。陰極側的觸媒則將質子及回流的電子，與空氣中的氧結合而生成水與熱（5）。欲提高電壓，則將多組電池集結成電池組即可（6）。科學人http://sa.ylib.com/read/ 來源:科學人http://sa.ylib.com/read/

燃料電池技術 製造燃料電池關鍵零組件燃料電池用雙極板圖片來源工研院

燃料電池之應用 • 發電廠、醫院等廠所之工業用發電機組。 • 取代交通運輸工具之傳統內燃機。 • 用於可攜帶之電子通訊產品，如筆記型電腦、行動電話。

燃料電池汽車 • 氫燃料電池車終於上路了！不僅不再排放二氧化碳與廢氣，續航力及抗凍能力也大幅提升。

科技與經濟 -人機互動技術 • 「以人為本，電腦為輔」的理念，擘畫出三大研發重心1.視覺化肢體互動領域。2.人體運動感知領域。3.情緒感知互動領域。

人機互動 • 人機互動（Human-Machine Interaction），一般是指介於使用者與電腦之間溝通與互動之硬體以及軟體，特別是使用者可以感受到的介面。 • 以往人機互動著重硬體如滑鼠、鍵盤、手寫板等輸入介面。 • 新一代人機互動追求「以人為本，電腦為輔」，除了雙手，語音、肢體動作、生物特徵、生理訊號和情感都可以是輸入介面。 • 電腦系統則在人工智慧、自然語言處理、多媒體系統等技術的輔助下，在不同狀況下適當地回應身份、年齡、使用習慣各異的使用者。

人機互動技術 圖片來源工研院

人機互動技術 • 顧名思義，「人機互動」就是人與機器之間的互動。 • 為了替「有生命的人」與「無生命的資訊科技」搭起溝通的橋樑，人機互動技術以電腦科學與認知工程為基礎，整合心理學、語言學、生理學、人因工程和許多先進電腦技術等不同學門。 • 人機互動應用技術，大量運用肢體和情感辨識運算技術，應用包山包海，從衣食住行到生老病死，什麼都有，什麼都不奇怪。 • 隨著應用領域不同，需要的領域知識也更龐雜，也需要強大的軟硬體支援。包括「影像偵測數位內容即時互動技術」、「多點影像輸入介面技術」及「力回饋人體載具操作模擬系統」等技術，可應用在遊戲、玩具、運動等休閒娛樂產業上。

海上風帆，虛擬實境動態模擬系統 • 實現「所感即所見」精神的「海上風帆」，以虛擬實境動態模擬系統，是同時整合3D遊戲影像界面與實體的遊戲機台。圖片來源工研院

海上風帆，虛擬實境動態模擬系統 • 為了讓螢幕上的海浪能隨著風帆選手的動作變化，電腦主機需要做大量而複雜的數學計算，如果電腦速度不夠快，遊戲人物的動作就會產生延遲，甚至還可能和其他軟體衝突。圖片來源工研院

肢體互動辨識技術 圖片來源工研院

以手勢來遠端操作設備手勢滑鼠 圖片來源工研院

環境感知互動技術水中遊玩系統 圖片來源工研院

電機工程技術 於環境社會以及全球之運用