綠色能源發展趨勢

綠色能源發展趨勢 · 太陽能熱水器 資料來源：工研院能資所 · 3 太陽熱能發電系統左：集中塔式右：線槽式 · 麥寮風力發電廠 · 7 澎湖中屯風力發電廠 · 8 新竹春風風力發電廠. 綠色能源發展趨勢壹、太陽能之現況與未來發展貳、風能之現況與未來發展參、生質能之現況與未來發展肆、由廢棄物產生之能源伍、再生能源與新能源未來之發展 隨著人類文明的發展，能源的消耗量也與日俱增，但是地球上所蘊藏之化石能源，如：石油、天然氣、煤等在人類的大量開採下，其使用年限也僅剩數十年或一、二百年，即將消耗殆盡；再則由於化石能源的大量使用，造成地球之溫室效應，使地球氣象異常，因此全世界均希望並要求降低二氧化碳之排放量，基於上述兩種原因，生生不息且潔淨之之再生能源，如：風能、水力能、太陽能、地熱能、生質能、海洋能之發展已成為當前重要且迫切之課題。

行政院在「挑戰2008:國家發展重點計畫」中亦納入再生能源之推動，積極發展再生能源。

 圖一  能源與再生能源關係圖    資料來源：工研院能資所   壹、太陽能之現況與未來發展 一、太陽熱力及發電背景 太陽可說是地球上最大的能源，太陽光每天到達地面的能量約為全世界石油蘊藏量的1/4，且又不會產生環境污染，再加上近年來半導體材料突飛猛進，使得太陽能的吸收效率不斷提昇，這也造就了太陽能熱力及發電的廣泛應用。

（一）太陽能熱水器原理 太陽能熱水器的基本原理就是利用真空管集熱，促使管內水溫高於水箱水溫，因熱水比冷水輕，形成對流，最終使水箱中的溫度達到使用所需的溫度。

圖2太陽能熱水器  資料來源：工研院能資所   （二）太陽熱能發電原理 利用佈滿地面的反射鏡，將陽光集中在真空隔熱吸收管中，把吸收管內的特種高溫油加熱，高溫油把熱量傳給水，生成水蒸氣來推動蒸氣發電系統。

１．線槽式系統： 直接利用線槽型拋物面聚焦鏡將陽光聚焦，照射在一個置於線焦的集熱管來收集太陽能。

此種系統可設計成不同容量的發電裝置，但大多採固定式設計，無法完全追蹤太陽，效率較低。

２．集中塔式系統： 利用碟型反光面，將陽光聚焦，在焦點處設置發電機系統直接發電。

此種系統可以追蹤太陽，但由於碟型反射面構造複雜，所以成本較高。

圖3太陽熱能發電系統左：集中塔式右：線槽式   二、太陽能發電的運用 （一）太陽光電池原理 太陽能電池可以把光能轉換成電能，主要構造是利用半導體材料，薄的ｎ型半導體置於較厚的ｐ型半導體上，當光子撞擊該裝置的表面時，ｐ型和ｎ型半導體的接合面有電子擴散，電流即可利用上下兩端的金屬導體將電流引出利用。

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，才能供電至家庭用電或工業用電。

          圖4太陽光電池原理   （二）太陽光電池的限制 １．              材料：一般太陽電池的發電效率在5％～15％之間，因此所接收的太陽輻射能中，有85％～95％無法利用，由於材料特性上的限制，對於結晶矽太陽電池的效率（單晶矽最高為24.7％、多晶矽最高為19.8％），幾乎已經達到最佳的水準。

目前比較具有成長潛力的應屬多接面的串疊型太陽電池，預測2005年時，其效率可達40％以上。

２．              土地：以目前的技術，估計每平方公尺的固定式光電池每年可產生電量約為200度，若要產生全美國的發電總量，則需要約13000平方公里的光電池接收器。

由於要避免相互遮陰的影響，實際上需要30000平方公里的土地。

大約是台灣土地面積的八成。

３．              成本：目前太陽電池發電系統的主要問題是裝置成本仍然偏高，每發一度電其成本價格約合台幣10元。

４．              日夜氣候：地面上所接受到的太陽光，因為受到晝夜、季節、氣候的變化，使得太陽光能量密度低（1kw/m2）且無法連續性使用，使其應用上受到極大的限制。

  （三）太陽熱能及光能應用範例     太陽熱能及光能之應用日益普遍，下列即為目前應用之實例： 1.太陽熱能 (1)太陽能熱水系統 (2)太陽能溫水游泳池 (3)太陽能溫室 (4)太陽能發電系統 2.太陽光能 (1)電子產品：計算機、手錶、手電筒、無線電。

(2)公共設施：路燈、大眾運輸系統、燈塔、無人氣象站、山中避難小屋。

(3)生活科技：太陽能車、太陽能飛機、家用輔助電力。

(4)太空科技：衛星、太空船、太空站。

（四）太陽能的優缺點及限制 1.優點 (1)普遍性：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，但至少是自產能源，不必仰賴進口，無所謂的能源危機。

(2)永久性：太陽的能量極其龐大，據估計至少有六百萬年的期限。

(3)無污染性：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性。

2.缺點 (1)能量密度低：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。

(2)穩定性差：受日夜氣候的影響，太陽的能量不斷的產生變化。

(3)裝置成本過高：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，因此相對成本提高。

  貳、 風能之現況與未來發展 一、風能利用 人類使用風能的歷史由來已久，數千年前即已懂得利用風力推動船隻在水面上航行，而約一千年前中國及波斯就已經設計了垂直軸風車，以做為提水及磨碎穀物，而後風車在荷蘭、希臘等歐洲國家被廣泛的利用，但其設計已經改為和水車一樣的水平軸式。

風車在中世紀的歐洲曾經扮演重要的動力來源，然而十九世紀初的工業革命，使得風車被機器取代，而逐漸式微。

十九世紀末丹麥的氣象學家PoulLa Cour製造了第一部風力發電機，時至今日，清潔的風力能源逐漸受到相當的重視，而被大量的利用。

目前風力的利用除了發電以外，還被廣泛運用在農田灌溉、海水養殖、糧食加工、風帆助航等場所。

  二、風能發電原理 風力發電的原理，是利用風力帶動風車葉片旋轉，再透過增速機將旋轉的速度提升，來促使發電機發電。

依據目前的風車技術，大約是每秒三公尺的風速，便可以開始發電，並產生風速在每秒十三至十五公尺時（大樹幹搖動的程度）的輸出力道。

          圖5風力發電原理 三、風能的效益 風力發電並不能將所有的風力能源轉換成電力，理論上最高轉換效率約為59％，實際上大多數的葉片轉換風能效率約介於30％～50％之間，經過機電設備轉換成電力後的總輸出效率約介於20％～45％之間，由於風力發電機的經濟效益取決於發電效率，所以目前的風力發電機多為水平軸式。

風力發電機的電力輸出與風的速度關係密切，葉片自風獲得的能量與風速的三次方成正比，目前一般風力發電機的起動風速約介於2.5～4m/s，於風速12～15m/s時達到額定的輸出容量，為避免過高的風速損壞發電機，風速到達20～25 m/s時，將強迫風力發電機停機。

除了風速外，葉輪直徑決定了可擷取風能的多寡，約與葉輪直徑成正比。

一般而言多葉片的風車效率較低但機械力矩較高，主要用於提水等工作；少葉片型（1～3片）效率較高而力矩較低。

  四、世界風能發展趨勢 風電是世界上增長最快的能源，裝機容量每年增長超過30％。

到2003年初，全球風力發電裝機容量已經達到3200萬千瓦，相當於32座核電廠的發電量，足以供應4000萬歐洲居民的電力需求。

最近，歐洲風能協會和綠色和平組織簽署了風力12（WindForce 12）的研究報告，期望並預測2020年全球的風電裝機總容量將達到12.31億千瓦（2002年的38.4倍），年安裝量也可達到1.5億千瓦，風力發電量將占全球發電總量的12％。

這份研究報告明顯的勾勒出風力發電已經成為解決世界能源問題的不可或缺的重要力量。

此外風電控制系統和保護系統方面廣泛應用電子和計算機技術，能夠有效的改善並提高發電效率。

據估計，世界風能資源每年可達到53萬億千瓦，預計2020年世界電力需求將達到25.578萬億千瓦，換句話說，全球可再生的風能資源是整個世界預期電力需求的2倍。

近十年來，風電的電價呈快速下降的趨勢，並且逐漸接近燃煤發電的成本，若是把環境和健康有關的外部成本計算在內的話，來自煤或石油的電力成本會增加一倍。

  五、台灣風能發展概況 台灣為一海島地形 每年約有半年以上的東北季風期，沿海、高山及離島許多地區的年平均風速每秒超過4公尺，風能潛力相當優越。

台灣每年平均風速大於4公尺的區域，總面積約佔2000平方公里，可開發的風能潛力估計約300萬千瓦。

目前在臺灣已設置台塑麥寮、澎湖中屯、竹北春風等三座風力發電廠，總裝置容量達到8540千瓦。

台電公司擬定的「風力發電十年發展計畫」，規劃於台灣西部沿海風能資源豐富地區優先辦理，未來十年內以設置200台風力發電機或總裝置容量30萬千瓦以上為目標。

  六、台灣風力發電廠據點介紹 （一）雲林麥寮風力發電系統 台塑在雲林麥寮工業區裝設四台丹麥Vestas風力機組，總發電量達到2640千瓦，發電量約800萬度，於民國八十九年十二月完工運轉。

圖6麥寮風力發電廠 （二）澎湖中屯風力發電系統 由經濟部補助設置，台灣電力公司負責建造的澎湖中屯風力發電系統，由四台德國Enercon組成，總發電量達到2400千瓦，於民國九十年十月完工運轉，供給澎湖地區6％的用電量。

（三）新竹春風風力發電系統 天隆造紙廠在竹北工廠區設置二台丹麥Vestas風力機組，總發電量達到3500千瓦，於民國九十一年十月完工運轉。

圖7澎湖中屯風力發電廠 圖8新竹春風風力發電廠   七、風能的優缺點及限制 （1）優點 1.  潛能巨大，取之不盡，用之不竭：風能是太陽能的一種轉化形式。

據估計，全球風能蘊藏量很大，可達1.3×1012千瓦，約為目前世界化石燃料產生能量的3000倍。

2.  就地可取，無須長途運輸：風力發電的運用，對於高山或是離島、偏遠地區的電能供給而言，是一項非常重要而且方便的來源。

3.  分布廣泛，利用方便：全世界10公尺高度的風能密度足以使風力發電系統運轉的地區，約佔了三分之二。

4.  不污染環境，不破壞生態：風力發電除了在運轉的過程中，除了產生少量的噪音外，並不會像傳統的化石燃料或核能發電產生空氣污染及核廢料的問題。

可以說是一種清潔且安全的能源。

（2）缺點 1.  風的不穩定性高：風的變化時常發生，並不穩定，對風能的利用而言是非常不利的因素，連帶使得風能的發電量受到限制。

2.  受地形影響大，地區差異顯著：風力的局部地形差異明顯，故風力機位置的選擇必須考慮到地形作用。

3.  降低土地利用價值：風力發電需要有廣大的土地做為風力機的設置場所，對於國土面積小的國家而言，是非常難以克服的問題，所以近年來風力場的設置，都朝向離岸式發展；一方面沿海地區的風能較豐富，另一方面也可使陸地上的資源獲得更好的規劃與應用。

  參、 生質能之現況與未來發展 一、生質能來源 生質能的廣泛定義是指所有的有機物，經過各種化學反應後，再取其能量應用，例如農村及都市地區產生的各種廢棄物，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，是目前最廣泛使用的一種再生能源，約佔世界所有再生能源應用的三分之二。

          圖9生質能的來源 二、生質能之轉換 上述之生質能源可利用各種方法將其轉換為能源供人類使用，轉換的方式有下列幾種： （一）直接燃燒 （二）熱轉換如氣化與裂解產生合成燃油或瓦斯 （三）發酵、脂化等方式產生酒精汽油、沼氣或生質柴油 （四）生物轉換產生氫氣、甲醇等燃料   圖10生質能轉換能源示意圖   三、生質能發展之現況及未來展望 1.預估2025年，生質能發電量將佔全世界發電裝置容量的6％以上。

2.巴西政府正大力推廣植物選類栽種計畫，以便栽種適量適類的的生質﹝例如樹木﹞。

另已發展生質轉化製造汽醇﹝Gasohol﹞及酒精引擎〈汽醇是酒精與汽油之混合燃料〉。

3.美國政府將規劃五萬英畝土地試驗栽種草本及水生植物﹝例如海藻、高梁等﹞，以開發新「生質」來源，並計畫在西元2010年時，「生質能」可以提供該國能源需求的4.5%。

4.我國目前沼氣發電4.3萬千瓦，焚化發電55.8萬千瓦，預計2010年佔再生能源總潛力的45％。

5.使用低濃度﹝15%﹞酒精之生質燃料電池業已發展出來，酒精可以經由生質轉換得來，在反應器中與水重組，產生發電所需的氫，整個系統效率高，無污染，頗具發展潛力。

6.利用風信子﹝布袋蓮﹞產生沼氣並淨化廢水的試驗已經證實：1磅(0.4536公斤)乾風信子可製造5ft3﹝0.1415立方公尺﹞甲烷，並可淨化工廠廢水中之重金屬及有毒物，所耗成本遠比一般化工除污設備為低，製造甲烷後的殘渣仍可用做肥料及土壤改良劑。

7.養殖浮萍巨型海帶及栽種桉樹及銀合歡等植物，已證實為高價值的生質開發，因這類植物行光合作用能力強，抗菌性高，生長迅速，以浮萍為例，所含磷氮鉀平均為一般綠肥的5.2倍，尚可抑制雜草及充當飼料；這類生質因栽培易、產量大，用途廣，成為研究發展的重點。

  四、生質能之優缺點 1.優點 （1）生質能所使用的原料來源豐富。

（2）生產技術簡單。

（3）可再生利用。

（4）轉換過程所需溫度不高，約5～35℃。

（5）不會造成空氣污染。

2.缺點 （1）生質的水分偏多（５０～９５％）。

（2）轉換效率低，僅能將少量的太陽能轉換為生質。

（3）單位土地面積之生質能密度偏低。

（4）易受環境限制，缺乏適合栽種的土地。

（5）生產能量不及石化能量。

  肆、由廢棄物產生之能源     廢棄物能源的利用是我國主要的再生能源，它亦屬於生質能的一種，包括工業廢棄物、農業廢棄物及都市廢棄物，其裝置容量於2004年預計為1014 MW，到2020年則會增加至1816MW。

廢棄物之利用主要包括氣化及液化兩種方式：氣化（gasification）係指在高溫下進行非催化性的部分氧化反應，將含廢棄物或煤炭等轉換成氣態燃料（如一氧化碳、氫氣、甲烷等）， 可直接作為鍋爐與發電機組之燃料，或進行間接混燒（co-firing），作為燃煤（油、氣）鍋爐的輔助燃料，供應所需之蒸汽及電力。

                圖11廢棄物氣化過程源示意圖  資料來源：工研院能資所 液化技術則係指將生質物／廢棄物經無氧熱裂解（thermal pyrolysis）化學反應後產生油氣，再經過冷凝後成為合成燃油與燃氣，而其料源多以分選過種類較單純的廢塑膠或廢橡膠為主。

新近發展的快速裂解（fast pyrolysis）技術則係在高溫、缺氧狀態下，快速加熱廢棄物，並快速冷凝其所產生的氣體，避免二次裂解（cracking）反應，以獲得大量之合成燃油，且其產品非僅限於能源產品，如可生產高附加價值的特用化學品。

現階段全球生質物與廢棄物氣化系統發展正由示範階段跨入完全商轉階段，Bioneer、PRMEnergy、FosterWheeler、Lurgi Umwelt為可生產商用生質物氣化爐之製造商。

目前全球以氣化混燒發電為主要發展目標之一，較受矚目的示範廠共有四座，包括奧地利Zeltweg、芬蘭Lahti、荷蘭Amer、及美國Vermont；以生質物為料源之IGCC廠計6座，規模均在10 MW以下，另小型固定床氣化系統有13座。

根據預測，在1999至2008年間，歐洲生質物／廢棄物氣化系統數量將佔全球42%之多，其他地區分別是日本18 %，北美17%，東南亞10%，拉丁美洲5%。

至1998年止，全球生質物／廢棄物液化廠處理量達100kg/hr以上者有12座（其中三座已關廠），100 kg/hr以下的液化廠或示範系統約有19座，10kg以下的實驗系統則約有22座。

目前全世界最大的生質物液化廠為加拿大Ensyn 技術公司近年所建，以快速裂解方式轉換廢木材為合成燃油，其處理量達6,000kg/hr以上。

  伍、 再生能源與新能源未來之發展 為了因應化石燃料日趨枯竭及抑制二氧化碳之排放量、保護地球之生態環境，源源不絕及乾淨之再生能源及能源的新利用技術之發展已成為全球之趨勢。

我國政府為發展再生能源及研發能源之新使用技術，在挑戰2008:「國家發展重點計畫」中將再生能源發展列入重要計畫，其重點在加速法規制度建置、擴大新技術與創新應用展示，以營造有利環境，其整體之發展架構如下圖。

              圖12發展再生能源架構圖  資料來源：經濟部能源局   在執行方面，行政院已於民國九十一年八月核定「再生能源發展條例」，正由立法院審議中；另研訂「台灣電力公司再生能源發電系統併聯技術要點」，並已核定實施；「台灣電力股份有限公司再生能源電能收購作業要點」亦正由經濟部核定中。

同時並加強再生能源利用示範及宣導，發函各級政府機關、學校及公營事業評估設置再生能源設備之可行性..等等, 可見我國在推動再生能源的法規架已逐構漸完備，各項再生能源推廣計畫亦依不同特性各自展開，相關技術亦在不斷之研發中，如各種再生能源技術之研發；廢棄物能源技術研發如：沼氣發電、沼氣燃燒、廢棄物焚化發電（可能來源：農業廢棄物、工業廢棄物及都市廢棄物）、廢棄物氣化發電、廢棄物熱利用、廢熱回收等；能源新利用技術之研發如：煤炭氣化複循環發電（IGCC）、燃料電池等，其發展前景是值得期待的。