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1、高等電磁學期中報告 學校:南台科技大學電子系海外組綠色能源一、太陽能之現況與未來發展 二、風能之現況與未來發展 三、生質能之現況與未來發展 四、由廢棄物產生之能源 五、再生能源與新能源未來之發展 六、結語 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
2、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。 能源與再生能源關係圖 一、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。 (1).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。 （2）太陽熱能發電原理 利用佈
3、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。 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 。 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 。 太陽熱能發電系統 ：集中塔式 太陽熱能發電系統 ：線槽式 (二)、太陽能發電的運用（1）太陽光電池原理太陽能電池可以把光能轉換成電能，主
4、要 構造是利用半導體材料，薄的型半導體 置於較厚的型半導體上，當光子撞擊該 裝置的表面時，型和型半導體的接合 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。 太陽電池（solar） cell）產生直流 電太陽光電池原理 （2）太陽光電池的限制 1.材料：一般太陽電池的發電效率在515 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）
5、，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
6、其應用上受到極大的 限制。 （3）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a.太陽能熱水系統b.太陽能溫水游泳池c.太陽能溫室d.太陽能發電系統2.太陽光能a.電子產品：計算機、手錶、手電筒、 無線電。b.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。c.生活科技：太陽能車、太陽能飛機、 家用輔助電力。d.太空科技：衛星、太空船、太空站。 （4）太陽能的優缺點及限制1.優點a.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。b.永久性：
7、太陽的能量極其龐大，據估計至 少有六百萬年的期限。c.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a.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。b.穩定性差：受日夜氣候的影響，太陽的 能量不斷的產生變化。c.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。 二、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
8、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Poul La 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
9、（大樹 幹搖動的程度）的輸出力道。 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3050之間，經過機電設備轉換成電力後的總 輸出效率約介於2045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2.54 m/s，於風速1215 m/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 2025 m/s時，將強迫風力發電機停機。除了風速外
10、，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（13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（Wind Force 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
11、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
12、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（1）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
13、工 運轉。 麥寮風力發電廠 （2）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。（3）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。 澎湖中屯風力發電廠 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1.31012千瓦，約為 目前世界化石燃料產生能量的
14、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
15、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。 三、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
16、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。 工業有機 廢棄物農業 廢棄物林業 廢棄物生質能的來源 (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：（1）直接燃燒（2）熱轉換如氣化與裂解產生合成燃油或 瓦斯（3）發酵、脂化等方式產生酒精汽油、沼 氣或生質柴油（4）生物轉換產生氫氣、甲醇等燃料 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
