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第八屆氫能與燃料電池研討會
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碳能源社會成本高 再生能源最優惠
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東陽積極扶持力水力發電為清潔能源保駕護航
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生質能暨生質燃料技術 |
生質能( biomass energy 或 bio-energy ),係指利用生質物( biomass
),經轉換所獲得之可用能源,如電與熱。根據國際能源總署( International Energy Agency )的統計資料( IEA,
2003 )顯示,目前生質能為全球第四大能源,僅次於石油、煤及天然氣,供應了全球約 11%
的初級能源需求,同時也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 80% 。 截至 2001
年止,生質能供應約佔世界所有再生能源利用的 80% ,依地區而分,其中亞洲(不含中國大陸)佔 34.2% ,非洲佔 23.9% ,中國大陸佔
20.5% ,經濟合作發展組織( OECD )會員國(含歐美澳日等 30 國)則佔 13% ( IEA, 2003 )。估計至 2050
年時,生質能將提供全世界將近 38% 的燃料需求及 17% 的電力供給,約為 206 EJ ( Hall, 1997 ) 。
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一、國內外技術發展現況 |
( 一 ) 固態衍生燃料技術 |
固態廢棄物衍生燃料( RDF-5
)係將生質物/廢棄物經破碎、分選、乾燥、混合添加劑及成型等過程而製成錠型燃料,其主要特性為大小、熱值均勻(約為煤的三分之二)、易於運輸及儲存,在
常溫下可儲存六至十二個月而不會腐化,因此十分便於利用,可將其直接應用於機械床式鍋爐,流體化床鍋爐及發電鍋爐等作為主要燃料或與煤炭混燒,目前已成為
全球生質能技術的主要發展趨勢之一。 |
( 二 ) 富油脂藻類養殖 / 採收技術 |
油脂性微生物係指能夠在微生物細胞內,蓄積油脂質超過 20%(w/w) 生質體的微生物( Ratledge,
1989 )。應用微細藻體中油脂作為液態燃料的研究則首推美國能源部的燃料發展計畫室自 1978 年至 1996
年間長期資助由藻類衍生可再生性運輸燃料的計畫,即水生物種計畫 (Aquatic Species Program, ASP)
,主要在進行含高脂質藻類經大量培養後再轉製成生質柴油的研究,並探討利用藻類固定火力發電廠排放的廢二氧化碳氣體之效率。在將近二十年的研究計畫中,發
展許多操控藻類成長的因素及其生長系統工程技術,可做為未來發展的參考 (Sheehan et al., 1998) 。 |
( 三 ) 陸生能源作物 ( 油酯類 / 醣類 / 澱粉類 ) 耕收技術 |
能源作物並無明確之定義,一般而言係指能快速生長、易於栽培與採收、高單位面積產量、且容易轉化為發電燃料與運輸用燃料之
植物。農作物中所含的許多成分都可以開發成為生物能源,其中用量最多、用途最廣的有油脂、糖、澱粉、蛋白質、纖維等。目前國際間以農產品做為可再生原料方
面,最突出的領域當屬能源作物(或稱為生質作物),其範圍廣、數量大、效益顯著。全世界對於種植能源作物作為能源燃料的發展,已有相當長的時間,主要的能
源作物包括下列三大類,即澱粉及糖類作物、油脂作物與生產類似石油脂碳氫化合物植物。 |
( 四 ) 木質纖維素衍生酒精燃料技術 |
為了降低溫室氣體排放,酒精被視為有潛力取代汽油的運輸燃料,為求商業化,生產成本必須降低俾能和化石燃料競爭。利用含糖
和澱粉的原料 ( 例如甘蔗和玉米 ) ,原料成本約佔酒精生產成本的 40-70% ( et al., 2002) ;木質纖維素
(lignocellulose)
是地球上數量最多最豐富的生質物,若能將酒精醱酵技術擴展到利用木質纖維素做為原料,將能降低酒精生產成本和增加燃料酒精的使用。
利用纖維素生產酒精主要可分為成四個階段,包括前處理 (pretrementment)
,即將纖維素和半纖維素從與木質素結合的複合物中釋放,使其容易進行下一步驟的化學或生物處理;第二階段係將纖維素和半纖維素 降解
(degeneration) 或水解 (hydrolysis) 以獲得各類單糖 (free sugars) ;第三階段則是
將六碳糖和五碳糖的混合物醱酵產生酒精;最後為產品的回收與蒸餾。 |
( 五 ) 厭氧醱酵/光合作用產氫技術 |
生物產氫法使用的微生物包括藻類和光合細菌在內的光合微生物,以及兼性厭氧和絕對厭氧的醱酵產氫細菌。目前生物法產氫技術
主要分為三類,包括暗醱酵法、光醱酵法與光合作用法 (Das and Veziroglu, 2001)
。光合作用產氫是以藻類或藍綠藻藉由光能進行之生物光解作用而產生氫氣,因此不具有降解環境中有機物的功能。光醱酵與暗醱酵則是以有機物為電子提供者,經
由醱酵作用將有機質分解,伴隨產生的部份電子則藉由特定之電子傳遞系統與產氫酵素,將電子傳遞給水體中的質子 (H + )
而產生氫氣。光合作用產氫之效率較差,且需要較大的操作面積,故不適用於地狹人稠的台灣;醱酵產氫法可分解污染物同時產生氫氣,因此較適合台灣發展 (
陳俊廷等, 2005)
。暗醱酵產氫比光合作用和光醱酵產氫之代謝速率快,操作條件要求也較低;光合產氫研究雖多並已取得一定成果,但暗醱酵產氫是生物法中最具潛能技術者 (
吳石乙等, 2004) 。 |
( 六 ) 生質柴油製造技術 |
依我國石油管理法第 38 條的規定,生質柴油( bio-diesel
)係指以動植物油或廢食用油脂,經轉化技術後所產生之酯類,直接使用或混合市售柴油使用作為燃料者。 100% 純生質柴油稱之為 B100 , 20
vol% 生質柴油混合 80 vol% 市售柴油的燃料稱之為 B20 ,其製作的方式主要有四種,分別為直接混合使用( direst use
and blending )、微細乳化( microemulsions )、熱分解( thermal cracking )和轉酯化反應(
transesterification ),目前一般所使用的生產方式為利用轉酯化反應。 |
( 七 ) 厭氧發酵產製甲烷技術 |
利用厭氧微生物分解有機物以產生甲烷(即沼氣)已是習知的觀念,早在二次世界大戰期間就已有利用甲烷作為汽車燃料的實例。
厭氧醱酵產製甲烷之反應可分為三個階段,並由三大類細菌負責完成代謝途徑,包括水解菌、酸生成菌以及甲烷菌。第一階段由水解菌利用胞外酵素將複雜有機物分
解成醣類、胺基酸等物質,並於第二階段將上一階段的產物經由酸生成菌作用後,轉變成各種分子較小且構造簡單的物質,如揮發酸、酮類和醛類等物質。第三階段
為甲烷生成階段。在此階段中,甲烷生成菌將第二階段的產物轉化成甲烷及二氧化碳。 |
( 八 ) 生物燃料電池 |
生物燃料電池( bio-fuel cell
)是一種利用生物觸媒將化學能轉化成電能的裝置,其主要優點包括可由再生資源生產潔淨的能源;電力來源系統小而輕;不需要貴重金屬觸媒成本,可能比傳統燃
料電池便宜;可不需分離膜分隔陰極和陽極,設計可較簡單;生物燃料電池的燃料較安全且容易取得 (Katz et al., 2003) 。 |
( 九 ) 裂解 技術( pyrolysis ) |
裂解技術係 指由生質物/廢棄物所衍生製成的液態燃料,其可由固態衍生燃 料或廢棄物直接經無氧熱裂解( thermal
pyrolysis )等進一步製造程序產生,其程序又稱之為液化( liquefaction
)。若經適當的純化過程,其熱值可有效的提昇,增加其利用的便利性。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,以獲得合成燃油,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。快速裂解的主要操作溫度略高於傳統裂解方法,約在 450 o C 至 600 o C
之間,停滯時間則小於一秒,由於快速升溫、迅速冷卻,避免二次裂解( cracking ),因此可獲取最大液體產量,約達 75% 左右,另伴隨約
15% 的產氣及約 10% 的焦碳;而「最大液體產量」即可作為快速裂解的定義( Bridgwater, 1999 )。 |
( 十 ) 氣化 技術( gasification ) |
氣化技術係指由生質物/廢棄物所衍生製成的氣態燃料,一般以氣化 ( gasification )
程序為其利用之技術。
氣化程序屬熱化學轉換反應,係在高溫下進行非催化性的部分氧化反應,將含碳物質(如生質物/廢棄物或煤炭等)轉換成以氣態燃料為主,可供利用的能源。經氣
化反應所產生之可燃氣體主要包括一氧化碳、氫氣、甲烷等,可直接作為鍋爐與發電機組之燃料,供應所需之蒸汽及電力(吳耿東、李宏台, 2001
);另亦有部分燃料油、焦碳、焦油、灰份等產物,可供作其他用途,如特用化學品等;此外,氣化所生產的燃氣,亦可轉化為甲醇,配合燃料電池之使用。 |
二、國內外發展競爭力分析 (SWOT) |
上述各項技術之 SWOT 分析茲綜合整理 如表 3-1-4 -1 所 示。 |
表 3-1-4 -1 生質能技術 SWOT 分析 |
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三、國內外技術發展指標比較 |
有關上述各生質能技術在國內外的技術發展指標之比較整理列於 表 3-1-4 -2 中。 |
表 3-1-4 -2 生質能技術國內外的技術發展指標之比較
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四 . 國內推廣應用效益評估 |
表 3-1-4 -3 為 我國現階段生質能應用現況(工研院, 2005a ),由表中可知, 2004
年國內廢棄物能源利用的發電裝置容量共達約 56 萬瓩,熱利用總裝置容量約達 0.434 MKLOE ,兩者能源產出占全國再生能源供應絕大比例。而
要達到 2010 年生質能發電與熱利用的目標,針對發電裝置容而言,並初估現有可規劃之生質能潛力,可朝擴大 RDF-5
推廣成效、擴大生質能料源、建立中小型生質能源系統以及建立生質柴油與產氫示範系統的方向努力,俾能達到規劃目標。 (工研院, 2005c ) |
表 3-1-4 -3 我國現階段生質能應用現況( 2004 年)(工研院, 2005a ) |
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(a) 發電利用 |
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(b) 熱利用 |
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工業廢棄物 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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(c) 生質柴油 |
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若建立廢食用油前處理及預酯化系統,提高廢食用油轉化生質柴油之利用率達 85%
以上,將可提高生產效率及降低生產成本,並推動以化學轉化製程產製生質柴油的生產容量達 1.5
萬公秉。另結合生物技術與發酵技術應用於產業廢水能源化回收,同時解決產業能源與環保問題,可協助產業廢水處理技術升級為廢棄能源回收利用技術,估計
10% 的氫轉化能力,具 26 M W 的產業廢水能源化潛力。 |
五、國內未來重點技術推動策略與發展時程 |
雖然上述針對生質能主要之十項技術進行相關分析,但因多元化的生質能技術,其主要特性乃非單一產品,非單一技術,非單一料源,因此國內未來重點技術之推動策略與發展時程宜由應用面進行技術之 篩選分析,而非直接針對每項技術訂定發展時程。 |
表 3-1-4 -4 國內運輸用生質燃料技術之 發展時程 |
表 3-1-4 -5 國內定置型生質能發電及熱利用技術之 發展時程 |
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太陽光電技術 |
自從 1954 年貝爾實驗室開發出轉換效率 4.5% 的單晶矽太陽電池以來,太陽光電技術從早期應用在太空中,以提供人造衛星和太空船的主要動力來源,後應用至偏遠離島電力網無法到達的地方,作為給水、供電 系統,到 1970 年代歷經全球石油危機,引發美、日先進國家,大舉投入太陽光電技術的研發,到九十年代,人類逐漸意識到工業污染引發溫室效應對環境及生態產生了嚴重威脅。 美、日、德等先進國家推動大規模國家級太陽光電發展計畫和太陽能屋頂計畫,透過政策鼓勵、提供租稅減免和設備補貼,大量設置太陽光電發電系統。太陽光電系 統至此乃被廣泛應用在地面上,裝置於建築物屋頂上,有別於以往的獨立型系統而朝與市電併聯系統發展,使太陽光電進入高速發展時期。即便在全球一片不景氣聲 中, 2000~2004 年全球太陽光電產業仍有 30% 以上的成長率,市場快速成長,讓太陽光電技術受到世人注目。 |
一、國內外技術發展現況 |
(一)國外技術發展現況 |
在產品技術發展上,目前全球各種太陽電池發展情形,應用最普遍的為單晶
矽、多晶矽、非晶矽等三種太陽能電池, 2004 年其市場佔有率分別為單晶矽 28.6% 、多晶矽 56.0% 、非晶矽 3.4%
,其中由於多晶矽太陽電池晶片製作成本較低的優勢,所以成長速度最快。依 2004 年銷售統計結果,結晶矽太陽電池的佔有率高達 84% 。
III-V 族由於成本高,大多使用於集光型系統 ( 包含聚光鏡、散熱板、追日裝置等 ) 上,佔有率僅約 0.1%
。而薄膜太陽電池雖有低成本潛力,但開發至今仍無法有效克服效率與穩定性的問題。前幾年仍有人認為薄膜太陽電池會大量生產打入市場,但至今仍未見商品的市
場量,主因為非晶矽效率太低、 CdS/CdTe 穩定性比預期差、環保問題及 CIGS (Copper Indium Gallium
Disenillide)
製程量產不易控制等,因此太陽電池市場未來十年將仍以結單晶矽太陽電池為主,而薄膜太陽電池則待技術開發更趨成熟,於未來具更低成本之潛力。預估至
2010 年結晶矽太陽電池仍有 80~90% 的市場佔有率,至 2020 年結晶矽太陽電池仍有 50% 以上的佔有率。 |
結晶矽太陽電池所以能有如此大的比重,主要是因為其所具備的幾個特點: • 光電轉換效率高:單晶矽太陽電池在實驗室階段能有 24% 的光電轉換效率,量產上亦可以達到約 15~18% 的晶片光電轉換效率。而多晶矽在實驗室的效率可達 19.8% ,在量產上可達 13~16% 。 • 基本技術成熟:不論長晶、晶圓製作技術、或者是 pn 接合形成等,由於大部份技術和半導體技術共通,皆有長久的發展歷史。 • 高信賴性:發電特性安定,從利用於人造衛星,燈塔等的經驗,巳知具有 三十年以上的使用壽命。 |
目前結晶矽太陽電池的基本製程主要可分為:(一)表面結構化製程;(二)
p-n 接面形成;(三)抗反射層沉積;(四)電極形成
等四個階段,而國內外製程技術之發展,皆是對於如何提高效率所做之改進,當然在實用上必須要考慮到成本之降低。關於如何何提高晶片太陽電池的效率,技術發
展上又約可分為下面幾個方向: (一)入射光的有效利用:改善抗反射層特性增加光吸收效率、或改善表面結構化製程增加光吸收效率等。 (二)載子收集效率之改善:BSF(Back Surface Field)結構、淺接合製程(Shallow Junction)。 (三)載子再結合損失之減小:表面保護(Surface Passivation)製程、 體保護(Bulk Passivation)製程之改善。(四)串聯電阻之減小:選擇性擴散技術、透明導電膜之使用等。 |
而在現有發展技術中,有些是現有製程之改良,有些則採用新結構來改善效率。就現有製程加以改良 者,有 BSF 結構、淺接合太陽電池製程 / 選擇性擴散技術 (Selective Emitter) 、背面點接觸技術 (Backside Point Contact) 、多晶矽之酸式結構化製程及乾式蝕刻結構化製程等。
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以上所介紹之各種太陽電池的技術,有的巳經開始為量產所運用,有的仍然在實驗室階段。 至
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二、國內外發展競爭力分析 (SWOT) |
由於太陽電池生產技術與國內雄厚基礎的半導體產業製程技術相似,因此以既
有的產業技術與研發人力為基礎,只要國內半導體業者想要投入,我國太陽光電技術的迅速發展是指日可待的。不過,在目前國內太陽光電市場規模仍小的情況下,
短期內要吸引國內半導體業者加入太陽光電產業之生產行列相當不易;但也並非全然不可能,近來國內已有幾家半導體業者因看好太陽光電市場的快速成長,已有半
導體廠商投入太陽電池晶圓材料之研發與生產。目前中美矽晶公司生產矽晶錠( Ingot ),其在 2002 年 6
月初獲經濟部技術處核准「高效率太陽光電能矽單晶提拉技術開發」計畫補助,是目前國內唯一的太陽電池晶片材料製造商,另外也在工業局主導性產品計畫下發展
6
吋的太陽電池用之單晶片,預計將投入單晶矽太陽電池晶片之生產;另外,大同集團旗下尚志半導體轉投資之綠能科技與茂迪都將跨入太陽電池用矽晶片的生產領
域,屆時將使國內太陽光電產業上游供應鏈更加穩固。 雖然國內市場規模太小,為發展太陽光電產業之障礙。不過,近年在主要廠商成功拓展外銷市場之帶動下,國內太陽電池與模板產量之全球佔有率已由 2000 年約 0.3% ,大幅提高為 2003 年 2.8% ,但仍不及中國大陸之生產規模。 2000-2003 年期間,中國大陸太陽光電產業有很大的成長,太陽電池與模板產量之世界佔有率已由 1.0% 快速上揚為約 4.1% ,與台灣全球市佔率之差距有擴大現象。中國大陸在當地政府政策支持與重視環保之國際組織資金挹注下,已帶動國內市場快速成長,促使產業規模逐漸擴大,將成 為台灣太陽光電產業拓展海外市場之重要競爭對手。 目前國內政府獎勵太陽光電產業發展,提供許多獎勵措施如租稅優惠及系統裝置費補助,但政府投入在太陽光電推廣與研發之經費為數億元,相對其他國家仍為少, 2004 年日本太陽光電技術研發經費即約 30 億新台幣;國內因研發投入不足,使得國際競爭力明顯劣於先進國家,且恐亦未能超越韓國等主要競爭對手國,此為國內太陽光電產業長期發展的隱憂。另外國內太 陽光電為新興產業,不論是技術研發、系統安裝維護、或國際行銷人才,國內都還相當缺乏,因此政府可透過補助產學或產研合作研發計畫之進行,協助企業人才養 成,培訓相關技術人力。 若以產業供應鏈的完整性衡量國內太陽光電的競爭力,雖然中游太陽電池產製能力已不成問題,但上游矽晶圓及其材料多自國外進口,且缺乏本土的半導體設備支 援,因此在目前國內市場及研發經費仍有限下,整個產業的國際競爭力顯得薄弱,如要發展國內太陽光電技術,仍需政府強力的產業政策支持及研發技術投入。而國 內若能政策刺激市場更大需求,則將有利國內整體太陽光電產業之快速發展。關於國內外太陽光電發展之 SWOT 分析如 ( 圖 3-1-2 -1) 。 |
資料來源:工研院材料所 , 2005 年 4 月 |
三、國內外技術發展指標比較 |
資料來源:「PV Status Report」 |
目前許多國際大廠之單晶矽太陽電池效率已經有 17% 以上的量產技術,多晶矽太陽電池目前的水準約在 16% 左右,國內廠商與國際大廠技術也趨於接近。由於太陽電池生產大都是使用 p- 型矽晶片,製程上一般都使用矽晶片表面蝕刻、 p/n 接面擴散、表面抗反射層鍍膜 (Anti-reflection Coating) 、網印製作金屬電極等製程,但各公司仍積極開發其不同之方法以提升效率,其中以 Selective Emitter 、 HIT 、 LBSF(Local Back Surface Field) 、 Back Contact 等結構引人注目。且嘗試將這些技術用於多晶矽上以提高多晶矽電池效率,而從發展高效率太陽電池來看,高品質的晶片 ( 如 FZ 晶片 ) 的需求也將是必須的。目前一些大公司積極投入新技術的開發,主要發展方向為:(一)矽晶片品質提升與厚度變薄,(二)效率提升與成本降低。 |
三、國內外來重點技術推動策略與發展時程 |
太陽光電模板一般型模板之技術發展,國外已朝大型化模板 ( 超過
200W) 及大尺寸晶片 ( 已達 6 吋矽晶 )
發展,藉以降低生產成本。建築整合型太陽電池模板之發展以德國與日本發展最為迅速。國內太陽光電模板封裝技術大致也已成熟,產品測試可達到 UL 、
IEC 測試規範要求。不少太陽光電模板在國內太陽光電系統上使用,發電效果不錯,只是國內封裝材料如低鐵質玻璃、 EVA 、 Tedlar
由於使用量少,國內生產不具經濟生產規模,需仰賴進口。至於在 BIPV 模板開發上,國內尚在萌芽期,雙層玻璃 BIPV
模板有少數廠商具有生產小尺寸模板能力。 至於太陽光電系統方面,國外均有大型 (> 1M Wp) 太陽光電系統設計,並可由 1.5 kWp 至 300 kWp 之系統單元組成大型系統。而國內目前太陽光電系統最大裝置容量為 50 kWp ,在小型系統具有設計能力,但大型系統的設計與安裝,國內經驗仍不足,須要提昇大系統與 BIPV 之設置技術能力。 |
四、國內推廣應用效益評估 |
我國為因應全球氣候變化綱要公約發展之國際新潮流及善盡地球村一份子之職責,於民國八十七年奉行
政院指示,召開「全國能源會議」,會中達成大幅提高汽電共生、再生能源及其他淨潔能源容量之共識,並訂定 2020 年再生能源佔總發電容量 12%
的長程目標。因此經濟部能源會 ( 能源局前身 ) 於 民國八十九年五月三十一日 頒佈「太陽光電發電示範系統設置補助辦法」 (
後修改為「太陽光電發電示範系統設置補助要點」 ) ,以獎勵推廣太陽光電之利用,根據經濟部能源局規劃之推廣目標,預計至 2010 年能推廣設置達
21M W 。
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五、國內未來重點技術推動策略與發展時程【短( 2010 年)、中( 2020 年)、長期( 2030 年)之 Roadmap 】 |
在技術推動策略上與短中長期的發展 Roadmap ,太陽電池技術方面,國內將發展新型製程、結構、材料,節省原物料的使用,提高太陽光電電池 / 模組轉換效率,落實價格低廉、降低生產成本之目標。包括:結晶矽太陽電池已發展數十年,相關技術和半導體製技術相容,已相當成熟。將以此為基礎發展低價化 的製程技術,並配合大面積、薄型化晶片,以及創新的結構設計,可有助於太陽電池之普及;薄膜太陽電池因不需使用昂貴的矽基板材料,且其製程以真空鍍膜為 主,易於連續化生產,因此具有低價化的的優勢,是發展此技術的最大誘因。此外,薄膜太陽電池可製作於可撓性基板上,增加其應用之廣度,也是其主要優勢; III-V 族太陽電池之 Multi-junction 元件牽涉到同時多波長光線之處理,較傳統光電元件更複雜,將建立相關技術以提昇國內技術水準;有機太陽電池屬第三代太陽電池,具有低耗能製程、低成本、製 作簡易及具有可撓性,是深具發展潛力的新型太陽電池。至於太陽光電模板方面將建立產品性能檢測驗證平臺,及降低成本,增長使用壽命。太陽光電系統方面將建 立 BIPV 自動化設計與施工技術,大型系統設計與可靠度分析。國內未來太陽光電技術推動短( 2010 年)、中( 2020 年)、長期( 2030 年)之 Roadmap 如 ( 圖 3-1-2 -3) 。 |
資料來源:工研院材料所 , 2005 年 6 月 |
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太陽熱能技術 |
太陽熱能的利用主要是接收或聚集太陽輻射使之轉換為熱能來使用,而太陽能
熱水系統是目前主要的運用形式,它利用集熱器將水加熱後儲存於儲水槽以供後續的使用。目前國內太陽能集熱器的產業發展已相當成熟,但在國內的市場狀況及有
限的應用場合的限制下,僅有少數業界持續於集熱器方面的研發,這有待政府及業界共同努力開拓一些新的應用方向,以擴大市場基礎。太陽熱能應用範圍廣大,例
如太陽能海水淡化技術、太陽能溫室、太陽能乾燥技術、太陽能除濕技術、太陽能殺菌與消毒技術、太陽能熱電技術等等,在國際間仍持續進行著研發的工作,但本
節僅就幾項最近國內的研發重點方向,如建築物整合化集熱器、多色系太陽能選擇性吸收膜、太陽熱能製冷技術、太陽能輔助熱泵熱水器,作進一步的闡述,除此之
外,大型系統的最佳化設計技術及評估軟體開發、先進太陽能集熱器技術研發(全像平面聚焦式太陽能集熱器、新型儲能式太陽能集熱器、新型太陽能蒸餾器)等亦
為國內研發單位的主要研究課題。 |
一、國內外技術發展現況 |
(一)國外技術發展現況 |
太陽熱能利用技術的研究自 1970
年代以來即受重視,特別是在美、日、澳諸國,在許多應用領域已有相當成熟的研發成果,即使如此還是有一些課題尚待解決。自 1990
年代以來,歐洲國家開始致力於太陽熱能及其他再生能源的研發與推廣,根據 ESTIF ( European Solar Thermal
Industry Federation )的報告( ESTIF, 2003 ),經過 30
多年的發展,市場上已有各種不同類型的集熱器,適合各種氣候型態及使用條件的家用太陽能熱水系統已發展得相當完善,但在某些領域,例如太陽能暖氣、太陽能
冷氣及工業製程熱利用等,仍欠缺有力的商業化產品。而在太陽能領域的研發所遭遇的阻力主要在於: • 大部分的太陽能業者是屬於中、小企業,無法有足夠的財力去支持中長 期的研發活動。 • 來自國家的研發經費通常很少,在某些國家甚至沒有。 • 國家在能源效率及再生能源領域的研發計畫通常不易為中小企業所接受。 目前在歐洲的一些主要研發課題如下: 1 、中長期的熱儲存技術 在夏天當太陽能最大的時候,通常熱水需求較小,價格合宜的熱水儲槽可以收集太陽輻射較強時的熱量(晴天或夏天),將其儲存到太陽輻射弱的時段(陰天或冬 天)來使用。通常一棟建築物整年所接收到太陽能是其熱需求的 10 倍,一個設計良好的季節性熱儲槽甚至可以完全取代傳統化石燃料的使用。歐洲目前已有一些實驗性的季節性熱儲槽,並已有不錯的初步成果,不過在成為價格實惠 的商業產品之前,仍有許多改善之處。主要的研發方向有: • 密集式熱儲存系統 • 熱力式儲存 • 化學式儲存 2 、太陽能冷卻 在不久的未來,太陽能輔助冷卻系統的發展是非常值得期待的。通常在太陽輻射最強時,人們對冷氣的需求也是最大的,雖然目前市場上已有太陽能輔助冷卻系統出現,但實際上仍有許多技術上的難題有待克服,以擴展其應用市場。主要的研發方向有: • 低溫( 50~ 80 ℃ )太陽熱能的冷卻系統 • 小型( 3~10kW )熱能製冷系統 • 與家用熱水及暖氣整合的太陽能冷卻系統 3 、系統整合 太陽能熱水系統必須與現有的加熱系統或建築結構作整合。為了更進一步開拓市場,太陽能熱水系統必須可以適用於各種不同的條件及可能的應用方式。主要的研發方向有: • 太陽能暖氣以及太陽能暖氣 / 熱水複合系統(系統發展與簡化、控制邏輯、標準化) • 與其他再生能源的聯合運用(生質能、熱泵) • 與地區供熱系統作整合 • 價格便宜的工業製程熱利用 • 小型熱儲槽(熱分層、標準化) • 與屋頂結合的整合性集熱器 • 立面牆建材化集熱器 4 、系統監測 為了讓使用者及潛在的投資者對太陽能熱水系統實際的能源及費用節省有一個評估的依據,對已裝設的系統,實際太陽能獲得量之量測是必需要的,因此之故,更可靠、更便宜的量測器材是一個開發的重點。 5 、海水淡化 太陽能集熱器可以有效的應用於海水淡化及飲用水的消毒,這一方面的市場潛力是相當大的,因為在許多缺乏飲用水的地區卻擁有很高的太陽能源,而且通常這些地 區在傳統能源的取得亦是比較不容易的。雖然已有應用的實例,但仍需要進一步的研發以降低成本、擴大市場。主要的研發方向有: • 抗腐蝕材料 • 特殊的集熱器開發 • 系統核心技術的開發 |
(二)國內技術發展現況 |
1 、建築物整合化集熱器開發
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圖 3-1-3 -1 構架式(左)及嵌入式(左)集熱器整合結構 |
2 、多色系太陽能選擇性吸收膜
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圖 3-1-3 -2 國外的連續式濺鍍量產線 |
3 、太陽熱能製冷技術 在降低成本以利於推廣的考量下,採用熱源溫度要求 低的固體吸附式系統時,集熱器則可採用一般平板式集熱器,而且系統的太陽能利用率高,因此,可在以太陽集熱器為主之熱能供應部分的成本可獲得較明顯的改 善。而吸附式主機的成本就成為另一重要的研發議題。吸附式主機的研發目標則朝向高效率、低成本、可量產、系統簡易等技術指標發展,以實現太陽能製冷系統之 推廣利用,增進太陽能在冷卻 / 空調系統應用之實質效益。
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圖 3-1-3 -3 固體吸附式製冷系統的主機及測試系統 |
4 、太陽能輔助熱泵熱水器 (黃秉鈞、李璟柏、汪金華, 2003 ;黃秉鈞、李璟柏, 2005 ;台大新能源中心, 2005 )
ISAHP 具有如下技術特徵 : |
3-1-3 -4 太陽能熱泵熱水器流程 (左)及 ISAHP-3 硬體架設圖 (右) |
台大能源中心提出四種不同構造的 ISAHP ,經由整年的測試證實,四種不同的創新設計皆可達到性能提昇降低耗電量的目的,圖 3-1-3 -5 為 ISAHP 與 傳統太陽能熱水器耗電量比較。欲評估 ISAHP 實用化的可行性,另外必須考量經濟效益與成本的問題進行分析,表 3-1-3-1 為 ISAHP 與傳統太陽能熱水器所消耗能源費用的比較,整年平均耗電量為 0.013-0.019 kWh/L 。 |
3-1-3 - 5 ISAHP 與 傳統太陽能熱水器耗電量比較 |
三、國內外技術發展指標比較 |
(一)多色系太陽能選擇性吸收膜 |
目前國內外各家生產廠商所用之材質均不同,故造成了每家生產的吸收膜顏色不同,但除了奧地利 AEE
外,除他廠商並無關於吸收膜色系的探討,亦即一家廠商只生產單一色系之吸收膜,且均是以 a 愈大、 e 愈小做性能指標,大部份 a 3 0.9
的顏色落在偏黑色、而國外大部份則是藍色 ( a 3 0.95 、 e £ 0.08)
及綠色系,故開發出高效能又不同色系的吸收膜,勢將有極大的市場競爭力。 |
(二)太陽熱能製冷技術 |
以矽膠 - 水為工作介質的密閉循環固體吸附式冷卻系統的 COP 值約為 0.3~0.69 (含熱回收)(
Boelman et al., 1995; Henning,2000; Henning, 2002; Mayekawa, 2004;
Nishiyodo 2004 )。其中,根據 Nishiyodo 產品型錄資料,導入熱回收系統架構後,其 COP 約為 0.69 。然而,
Boelman 等人 (Boelman et al. , 1995) 曾於 ASHRAE Transaction: Research
期刊中發表對 Nishiyodo 產品所作的實驗室測試結果,測試數據顯示 Nishiyodo 產品的 COP 約僅達 0.4 。 |
四、國內推廣應用效益評估 |
太陽能熱水器 ( 系統 ) 的使用能減少對傳統能源的倚賴,特別是針對百分之 97 以上之能源需要從國外進口的台灣,自產能源的開發與應用尤其重要。另外,台灣地處亞熱帶,日照充沛,具有足夠的潛力來發展太陽能,而其中的太陽能熱水器 ( 系統 ) 更是一項成熟的商品,因為其效率高成本低,加上無窮無盡免費地供應,所以短期之內可回收購置成本,長期使用則可節省可觀的能源消耗。
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五、國內未來重點技術推動策略與發展時程 |
自實施「太陽能熱水系統推廣獎勵補助」措施以來,國內太陽能熱水系統市場穩定長成,每年新增安裝面積從民國 2000 年的 72800 平方公尺 提高至 2004 年的 111600 平方公尺 ,成為世界第八大市場。 2000 年至 2004 年的平均市場成長率約為 15% 。 至 2004 年底 ,全國累計安裝面積達 132 萬 m 2 ,普及率 4.1% 。圖 3-1-3 -6 為台灣地區歷年安裝集熱面積統計圖 (1978 年~ 2004 年 12 月 ) 。 |
圖 3-1-3 -6 台灣地區歷年安裝集熱 面積統計圖 |
在產業界的結構方面,集熱器製造供應廠商約有 28 家,安裝銷售廠商增加至 180 家。全國年銷售量排名前五家廠商之市場佔有率達 67% 以上,五家廠商之平均員工人數為 30 人。就使用端市場而言,家用熱水器仍為主要市場,平均占 95% 之市場量。而市場 90% 的產品為面蓋式金屬平板集熱器,其中國產產品平均占 91% 。 萬 m 2 的年安裝面積,其次為德國的 90 萬 m 2 、 土耳其 63 萬 m 2 ,我國當年 的年安裝面積為 7.55 萬 m 2 ,位居世界第 8 位。以每人平均安裝面積來看,塞浦路斯與以色列分居一二,我國每千人的安裝面積為 46.5 m 2 ,位居世界第 9 位。若依照至 2001 年底各國有面蓋集熱器安裝密度(單位土地面積的集熱器安裝面積)來看,我國排名第三位,僅次於以色列與塞浦路斯。
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圖 3-1-3 -7 歐盟太陽能集熱器市場( ESTIF, 2005 ) |
無論國內外,太陽能集熱器的使用趨勢皆是明顯往上的,這除了是大環境的驅使外,各國的政策方向配合積極的研發工作,使得太 陽熱能產業逐步成熟。綜合前述目前於國際上在太陽熱能領域的研發方向,並考量國內當前的市場狀況,在太陽熱能應用技術領域上,可依短中長期的需要,描繪出 未來的技術發展重點。
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參考文獻: |
Boelman, E. C.; Saha, B. B.; Kashiwagi, T., ”Experimental investigation of a silica gel-water adsorption refrigeration cycle - The influence of operating conditions on cooling output and COP, ASHRAE Transactions: Research 101 (2), 358-366 (1995)ESTIF, “Sun in Action II – A Solar Thermal Strategy for Europe ” (2003)
ESTIF, “Solar Thermal Markets in Europe , (Trends and MarketStatistics 2004) ” (2005)
Henning, H.-M.: Solare Klimatisierung von Gebauden - eine Ubersicht, Erneuerbare Energie (2002)
Henning, H.-M., ”Air Conditioning with Solar Energy”, 4th Transnationalen Projekttagung, Barcelona , SERVITEC (2000)
Mayekawa 公司,產品技術資料 (2004)
Nishiyodo 公司,產品技術資料 (2004)
台大新能源中心, http://www2.me.ntu.edu.tw/~nec/(2005)
黃秉鈞、李璟柏,熱管輔助太陽能熱泵熱水器,太陽能及新能源學刊,第 8 卷,第 1 期, 4-7 ( 2003)
黃秉鈞、李璟柏、汪金華, e 世代太陽能熱水器,。 2004 年太陽能科技與產業發展研討會, 2004 年 11 月 25 日 ,台大工綜大樓 203 室國際會議廳,台北市 (2004) 。
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風能技術 |
永不匱乏的綠色能源—風能,已為人類及地球帶來了商機和希望,隨著近年來
風電技術大幅提昇及市場需求快速增加,風力發電成本已與傳統能源相當接近。在各類新興能源中,風電被評為最具前景的領域之一,它能提供潔淨且無污染排放之
電能,有能源與環保之雙重貢獻。
而我國歷經風力示範推廣時期之各項努力,已使風力發電設置風潮湧現,且政府對於風電開發積極制訂相關推動政策,持續改善開發環境,促進風電產業發展,以期
達成 2010 年之推動目標。 |
一、國內外技術發展現況 |
(一)國外技術發展現況 |
因應世界潮流與趨勢,以及對綠色能源的重視,現今風電開發迅速的國家在歐
洲有德國、西班牙、丹麥等國,在北美洲有美國,而亞洲也有印度、日本、中國大陸。 1999 年歐洲風能協會與綠色和平組織共同出版 ” Wind
Force 10 ” 報告,提出於 2020 年風電達到世界電力總量 10% 的藍圖願景。基於國際能源機構( International
Energy Agency ; IEA )對未來用電的需求評估,到 2020 年世界電力總需求會上升至 25,578 TWh ,則風電到
2020 年每年需產出 2,500 TWh 的電量。由於 2000-2002 那三年風電的發展不斷地超越預期的速度,以超過 30%
的年成長,成為新千禧世界成長最快的綠色能源。於是歐洲風能協會在 2003 年更新的 ” Wind Force 12 ” 報告中,更進一步提出於
2020 年風電達到世界電力總量 12% 的藍圖願景 (EWEA, 2004) 。然而, 2003 德國陸域風埸建置趨緩, 2004
年美國市場又由於國會?及時延長 PTC 優惠稅制而停擺,加上離岸風埸( offshore wind farm
)建置未能及時補上,使這?年的成長無法達到 Wind Force 12 的高預期成長。即使如此,基於近五年來風電建置之成長率(如圖 3-1-1
-1 所示),顯示未來風電發展仍可令人期盼。 |
迄 2004 年底全球裝置容量超過 47,000 MW ,已有 53
個國家應用風電 (WWEA, 2004) ,主要分佈於歐洲( 73% )與北美洲( 15% ),由圖 3-1-1 -2
總裝置容量顯示,前五名分別為德國( 16,629 MW )、西班牙( 8,263 MW )、美國( 6,740 MW )、丹麥( 3,117
MW )及印度( 2,985 MW ),另外日本亦已擴增達 896 MW ,中國大陸緊追在後,其總裝置容量達 764 MW
,為進入前十名的另兩個亞洲國家。 |
丹麥為歐洲開發風力發電的先驅,由於政府的重視及鼓勵,二十多年來持續研 發,造就了成功的國際化風電產業。德國在 90 年代初僅有少許的風力機應用,但在其優異的工業基礎與政策鼓勵下,十多年來其風電裝置容量呈驚人的指數成長,遠高於其他國家。西班牙則為近年的後起之秀, 也是由於政策的獎勵,裝置容量亦極為快速成長, 2000 年超越丹麥成為歐洲第二, 2004 年更首度超越美國名列全球第二。就供應面而言,目前丹麥兩大廠商所生產之風力機約占全球市場的 40% ,德國次之,三大廠商共有 21.5 % 全球市場佔有率,另外,印度廠商( Suzlon )所生產風力機之銷售量,於 2003 年首度擠進全球前 10 大廠牌排名, 2004 年佔全球市場約 3.9 % ,如圖 3-1-1 -3 )。 |
圖 3-1-1 -1 全球風力發電裝置容量成長圖 (資料來源:工研院能環所整理) |
圖 3-1-1 -2 全球前十名國家裝置發力發電容量比較圖 (資料來源:工研院能環所整理) |
圖3-1-1 -3 2004 年全球風機製造商銷售量前 10 名之市場佔有率 (資料來源: BTM Consult ApS - March 2005 ) |
現今在市場上銷售的商業化風力發電單機容量介於 600~2,500
kW ,但基於陸上風況佳之場址有限之考量,朝大型機組研發及設置離岸式風力電場已是歐洲風電產業發展的新趨勢。據 Enercon (Wind
Blatt , 2003) 資料顯示, 2002 年在德國安裝第一部 Enercon 4.5 M W 之風電機組,是目前全球最大容量之商轉機組。
Enercon 為德國最大風機製造商, 1991 年率先開發出無齒輪式風力機 (E-40/500 kW) , 1993
年正式銷售於全球市場,所有關鍵組件包括葉片、發電機及併聯控制系統均為自製,據統計 ( 參見圖 3-1-1 -3) , Enercon 佔
2004 年全球風機銷售市場的 15.8% ,近年均維持世界第三名之實力 (BTM Consult ApS, 2005) 。另外,在 2005 年
Repower 等風力機製造業者已完成單機容量 5 M W 之風力發電機組研發 (Repwoer system, 2005)
,並進行海上試車實驗中,是目前全球最大單機容量之發電機組,說明了風力發電機除了朝離岸式發展外,朝大型風力發電機研發也是另一個商業主流。 |
現代商業化之風力發電機主要是由葉輪(葉片轉子和輪轂)、機艙、塔架以及
控制系統所組成,其中葉片為主要關鍵技術之一,約佔風力機成本 21%
。隨著風力發電機朝百萬瓦級發展後,葉片的製程以及測試驗証更顯重要,現以玻璃纖維強化塑膠材質為主,具有質輕、耐腐蝕等功能,未來發展趨勢將以碳纖
(carbon fiber) 或碳纖 / 玻纖混成 (carbon/glass hybrid )
取代玻纖,以朝大型化風力機發展,另外有關運轉及輸出控制模式已朝可變轉速及可變旋角節制發展( DWTMA
)。發電機若採非同步(感應式)者,已可藉由光訊號傳輸增加阻抗,將原來幾為定轉速之發電機改變為具寬廣轉差甚至於可變轉速之發電機,大幅減少發電機系統
變動負荷及提昇電力品質;而同步式發電機亦拜先進電力電子技術之賜,甚至可省卻風力機之齒輪箱、直接由葉輪傳動發電,可有效降低噪音及提供極佳之電力品
質。目前先進的變速型風力機 (variable-speed wind turbine) 已可持續改變葉輪轉速,以配合風速變化使翼端速比值(
tip speed ratio )維持固定以達最佳輸出效率。此種變速須配合 AC-DC-AC
變頻器使用,其關鍵在於結合風力機與電力電子變頻技術,讓葉輪轉速隨風速變化時亦能輸出穩定的交流電力。變速型風力機不需要齒輪箱,而採用一個直接耦合之
大輪圈式發電機,這種發電機所需維護較少,效率較高,且可達較低起動風速,深具市場潛力(翁榮羨、李欣哲, 2001 )。 |
(二)國內技術發展經驗 |
為了因應能源危機,自 1980
年起我國亦開始積極從事風力發電相關技術研究,主要研究方向及重點是風能評估及風力機研發。在風力潛能評估方面,蒐集分析了長短期氣象測風資料並發展風能
評估模式及選址方法。在風力機研發方面,經濟部能源局委託工研院,分別於 1984 年、 1986 年及 1989 年從事 4 kW 、 40 kW
及 150 kW
風力機之研發,完成風能轉換系統設計、葉片開發、傳動鏈設計製作、監控系統設計開發、塔架設計製作、組件及系統性能測試等,雖仍未達商業化應用,但當時開
發技術與國外相較並不遜色。此期間台電公司也引進國外風力機設置於離島(澎湖七美及金門)作為補助發電,電信管理局則自製 1 台 800 W
風力機作為通訊電力使用,另外其它機構如氣象局、清大、農工中心等也配合系統性的風能研發,對於國內風能研發應用的奠基工作提供不少助力,後來因國際原油
價格大幅下跌,無經濟效益誘因,於完成階段性開發工作後即停止風力機研發工作,實為可惜。 90 年代開始進行設置風力發電場址之可行性評估,包括
1991~1992 年完成彰化濱海工業區設立風力發電機可行性研究、 1991~1993 年台電完成澎湖本島風力發電示範計畫可行性研究及工程規劃、
1995~1996 年完成澎湖本島風力發電示範計畫( 2,400 kW )可行性研究修訂(發電廠場址改為中屯地區)等。 |
因應氣候變遷與京都議定書,自 2000
年開始政府便積極推動國內風力發電應用,由經濟部能源會參考國外經驗,於 2000 年 3
月發布施行「風力發電示範系統設置補助辦法」提供設備補助,獎勵民間投入設置風力發電示範系統,為期 4 年半,共完成風力發電示範系統總裝置容量為
8.54 MW ,促進民眾對潔淨風力能源的瞭解,營造推廣應用環境。再者,有關風場模擬與場址評選工作, 2001
年完成台灣北部地區初步風場模擬分析,以及利用 WAsP ( Wind Atlas Analysis and Application
Program )風能應用軟體完成風力發電場址評選規劃;利用中尺度大氣評估模式,以 1996 ~ 2000
五年期間之氣象局風力資料,完成台灣地區的風力潛能分佈模擬,於 2002 年在中南台灣地區評選出台中港與台南七股沿海兩處各 100 M W
以上風力發電場址,供民間開發參考應用。至於離岸式風力發電推動先期工作方面,也已蒐集台灣淺海海域氣象、海象、地形及地質等資料,並蒐集分析離岸式風電
海域工程及國內相關法規資料,完成離岸式風力發電可行性條件初步分析研究。於 2003 年完成 200 M W
離岸式風力電場場址評選、技術可行性、經濟效益及環境影響等分析;並更進一步依據可行性評估結果,完成先導型離岸式風力電場優選方案評選及初步開發規劃,
為未來開發海域風力資源鋪路準備。 |
近年在政府積極推動之下,輔導相關業界投入風力發電,完成多項工作,概括
整理如下: 1 )技術輔導共 8.54 M W 之三套風力發電示範系統,初步發揮了點火示範的功能,促使國內風力發電應用邁開腳步。 2
)發展出中尺度大氣評估模式,完成台灣地區風力潛能分佈模擬,及利用 WAsP 風能應用軟體評選出三處風能佳之地區,完成 50 M W
以上風力發電場址評選規劃。 3
)完成離岸式風力電場場址評選、技術可行性、經濟效益及環境影響等分析,以及澎湖設置離岸式風力發電初步評估工作,為未來推動離岸式風力發電預做準備。 4
)推動地方政府 BOT 促?示範案,建立風力發電併聯衝擊分析技術 ( 江懷德、陳美蘭, 2004)
。未來若能藉由此示範推廣成果繼續推動風電應用,發揮展示教育功能,不但可達成逐年之設置目標,並且藉由大量設置風力發電系統引進商業化風力機技術,可培
植國內業者投入風力發電,將可厚植國內風力發電推廣應用基礎,發揮風力輔助發電,提供自有、乾淨綠色能源之功效。 |
二、國內外發展競爭力分析 (SWOT) |
但因目前國外不論是開發風力電場或風力機關鍵元件技術發展皆已相當成熟, 而國內風電相關技術發展才正要起步,在發展的過程中勢必會遭遇多重困難,所以國內發展風力發電技術之推動策略,應掌握內需需求之機會,並利用國內具有之相 關技術能力(氣動、機電、控制、材料)優勢引進國外成熟技術,或者藉由與國外大廠合作方式邁出腳步,或者透過風電產業聯盟以及風能協會之成立,以更大的談 判能力與國外廠家洽談技術引進及合資方式,共同承接國內風機產值,再進一步跨足國際市場。茲就國內發展風力發電技術(與國外相較)有關之強勢、弱勢、機會 及桃戰( SWOT )分析如表 3-1-1 -1 。 |
表 3-1-1 -1 風能技術 SWOT 分析 |
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三、國內外技術發展指標比較 |
整體而言,國內過去多年來致力於台灣地區風能潛力評估及風力發電機研製,
在 1980
年代的風力發電研發經驗與國外相較是不相上下的,但由於階段性任務完成,爾後卻停止風力發電機等相關研究發展,直到近年因政府大力推廣風力發電示範後,才
逐漸吸引開發業者積極投入風力機組建置,目前我國總裝置容量相較於其它先進或開發中國家之裝置容量仍屬偏低( WWEA, 2005
),確實有待進一步加強推廣應用以及發展風力發電關鍵元件技術。其中風電技術涉及多種學門,包括基礎、玻纖、機電、電控及工程業等,因國內切入風力發電機
組技術研發較晚,加上現有風力發電機組本身之開發技術水準皆較國際落後,故如何提升研發能力及研發進度是目前最受關切的重點,才能迎頭趕上國際水準或建立
本土特色技術,並帶動我國風力發電相關技術之發展。而現階段我國發展風力發電以應用技術及關鍵元件研發為主, 透過建立台灣陸海域風能開發之地理資訊系統可 提供風能開發場址之相關資訊給予開發廠商,使風電開發商節省時間及人力,加速推動風力電場之設置,另外整體性篩選可用以開發風能之潛在場址,將可進一步評 估實際具發電經濟誘因之場址及裝置容量,使推動目標更為明確,以促進政策之落實。另外大型風力機開發也是未來之重點技術之一,藉由扶植國內風電產業,朝 小、大型風力發電機開發,才能有機會與國外競爭。 全球風電產業標竿國家,皆以政府的力量協助推動研發工作,發展風力發電新興產業,尋求環保與產業發展之雙贏,值得我國借鏡,國內應掌握風力機之內需需求之 機會,複製國外成功發展風電新興產業之模式,以零組件國際供應為起點,逐步建立系統供應能量 以下茲就風力發電重點技術( 2005-2007 年)與因應對策簡要說明如表 3-1-1 -2 所示。 |
表 3-1-1 -2 風力發電重點技術與因應對策 |
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四、國內推廣應用效益評估 |
藉由風力發電之推廣,民眾對風力發電利用日益重視,甚至帶動開發業者從事設置風力電場開發,以及政府仍持續不斷推動及改善風力發電開發環境等努力,以下條列說明藉由推動風力發電所帶來之成果效益:
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五、國內外來重點技術推動策略與發展時程 |
藉由風力發電之推廣,民眾對風力發電利用日益重視,甚至帶動開發業者從事設置風力電場開發,以及政府仍持續不斷推動及改善風力發電開發環境等努力,以下條列說明藉由推動風力發電所帶來之成果效益: 近幾年隨著世界趨勢長遠發展再生能源之利用,我國政府積極推動再生能源發展,國內為因應 1997 年年底「氣候變化綱要公約第三次締約國大會」所通過「京都議定書」對溫室氣體減量的決議,於 1998 年 5 月舉行了「全國能源會議」,而行政院 1998 年 6 月 11 日 核定之「全國能源會議結論及擬採行措施」中,有關能源結構調整項目亦強調提高淨潔能源容量,其中推廣再生能源之利用,至 2020 年占能源供給比例以 3% 為目標。為執行全國能源會議結論,推動新能源及淨潔能源的使用,經濟部能源局成立工作小組進行「新能源及淨潔能源研究開發規劃」,之後配合「挑戰 2008 :國家發展重點計畫」,訂定長程 2020 年風力發電推廣目標為 1,500 M W 裝置容量,中程 2010 年目標為 500 MW ,以及 2020 年再生能源發電占總裝置容量達 12% 等目標。行政院並於 2002 年底成立「非核家園推動委員會」,其中潔淨能源推動小組檢討各項再生能源推動事宜,研議提升再生能源發電推廣目標並加速推動,積極推動國內風能等再生能源 之利用,以達成非核家園之共識。為了配合非核家園政策及政府設定之目標,行政院長在 2003 年 6 月之「全國非核家園大會」上要求經濟部研議,提前於 2010 年將再生能源發電之占比達到 10% 。若要達到此目標,則 2010 年風力發電推動目標須由原本 500 M W 躍升至 2,159 M W 之高裝置容量,達成目標之困難度極高,確實有待政府加強改善目前開發環境及研提對策,以及積極研擬重點技術推動策略,並朝風電產業發展,創造中長期風電開 發之永續環境(江懷德等, 2004 )。 未來( 2005-2020 年)我國風力發電重點技術發展項目將以風力機關鍵元件研究開發、風力電場開發應用技術以及風力發電應用系統開發三大方向為主,各細項重點簡要說明如下: |
一)風力機關鍵元件研究開發 |
1 、葉片設計、開發與測試(朝玻纖及含碳纖之複合材質葉片發展) 2 、增速齒輪箱及傳動系統技術(以 3.6MW 機型適用為目標) 3 、發電機及塔架開發生產(從感應式發電機研發至直趨式風電機) 4 、整合電力轉換及控制機制驗證(以 5MW 機型適用為測試目標) 5 、小型風力機系統(研發單機容量 10kW 之發電機組以及併聯系統技術) |
(二)風力電場開發應用技術 |
1 、風力發電場評遻及效益評估 2 、電力併聯技術(以大於15MW以上之風力發場為基礎建立分析技術) 3 、離岸式風力發電場開發技術(大型風力發場建置技術及維護技術) 4 、短期風速預測技術(預報0-72小時內之發電量) |
(三)風力發電應用系統開發 |
1 、設備標準及驗證機制(建立2MW風力發電機驗證機制) 在風場評估、選址技術領域以及離岸式風力發電系統技術方面,國際皆有領先技術,國內應透過研發、國際合作,強化整合與市場 分析,建構國內整體風力發電系統與應用能力也提昇國內風力發電相關技術。而各技術發展項目其發展時程如下圖 3-1-1 -4 所示,可依短中長期描述未來技術發展之重點,希望藉由上述技術之開發,以期能與世界風電相關技術接軌。 |
參考文獻 |
Danish Wind Turbine Manufacturers Association. Available from http://www.windpower.dk
International Wind Energy Development World Market Update 2004 Forecast 2005-2009, BTM Consult ApS (2005).
ENERCON, Wind Blatt, No.6 (2003), p.2.Available from: http://www.enercon.de
EWEA, Wind Force 12, The Europe Wind Energy Assessment (2004).
EWEA and Greenpeace, Wind Energy – The Facts (2003). Available from http://www.ewea.org/ewea.pdf
Repower system, REpower 5M - Proven Technology in New Dimensions (2005). Available from http://www.repower5m.de/index_flash_uk.htm
Worldwide Wind Energy Capacity at 47.616 MW – 8.321 MW added in 2004, World Wind Energy Association Press Release (2005).
江懷德等,風力示範推廣計畫全程總報告,經濟部能源委員會,台北(民國 93 年)。
江懷德、陳美蘭,達成我國 2010 年風力發電目標之推動方案, 2004 年風能應用研討會論文集,台北(民國 93 年),頁 1-21 。
翁榮羨、李欣哲,風能轉換與風力發電機 ” ,電工通訊,中國電機工程學會, 3 , 2001 , 42-46 (民國 90 )。
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地熱能技術 |
一 國外技術發展與應用現況 |
地熱能源有別於其他再生能源,它具有地球內部自產能源的特色,而且在既定開發時間內其能源產出量是固定,不像太陽能或風力
能有著供應不穩定的情形。地熱應用的領域可分為熱能及電能兩項,其中在熱能方面應用頗早,有工業應用、農業應用及觀光休憩的多目標功能,自古溫泉就用於沐
浴、理療、烹調以及有用礦物成分的收集;而地熱若從能源利用的觀點而言,以利用於發電最有效率,因為發電後電力輸送比直接熱能利用時必須輸送大量熱水容
易,而且電廠可以就近建造於地熱區內,比較不受地理環境的限制,因此在擁有高溫地熱資源的國家,皆以發電為地熱優先利用的項目,同時發電後的餘熱(蒸汽或
熱水)可以繼續發展各種熱能的利用,據資料顯示預估全球地熱資源可供應 8.65 億人口在電力上的使用(約為 15% 全球人口比例) [1] 。 |
3-1-5 - 1 全球地熱發電裝置容量(至 2003 年底) |
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截至 2004 年為止,全世界有 25 個國家設有地熱發電廠,總設置發電量計有 8,735 MW ,每年總發電量累計有 54,613 GW 。 2003-2005 年規劃的地熱發電開發計畫計有:墨西哥( 100 MW )、瓜地馬拉( 20 MW )、法國( 15 MW )、肯亞( 64 MW )、俄羅斯( 25 MW )、菲律賓( 56 MW )、英屬哥倫比亞( 100 MW )、冰島規劃兩處( 180 MW )、紐西蘭( 60 MW )等 [2][3] ,在全球對京都議定書制約生效後,再生能源的開發應用必然有可期的成長趨勢,而地熱發電亦將是有此資源的國家未來高度重視的領域。
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二 國內應用經驗與未來推動目標 |
台灣全島共有百餘處溫泉地熱徵兆,地熱活動廣泛,顯示熱源條件存在具地熱熱潛能。台灣地區可區分為火山性及非火山性兩種地 熱資源,其中火山性地熱區僅有北部大屯地熱區及宜蘭外海之龜山島兩處;其他則皆屬非火山性熱水型地熱區,例如宜蘭清水及土場地區、台東金崙及知本地區等。 大屯地熱區由於交通方便,因此於民國 55 至 61 年間優先進行調查探勘開發研究,經過六年的探勘工作發現該地區地熱潛能相當豐富,初步評估其發電潛能可達 500 MW ,但因為當時針對酸性地熱流體問題在技術上尚未臻於成熟,且耐酸抗蝕的生產設備成本高而降低其經濟效益,最後未予以進一步開發,而龜山島位處離島,在電力 應用上不具經濟效益亦未進行開發。
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三 國內推動限制分析 |
國內溫泉區域雖然不少,但是在過去的研究成果發現源泉的熱量不高,而除了大屯山區以外的非火山地熱區域,地熱流體的液體成 分比例過高也降低了整體開發的經濟效益,所以原則上我國欲進行地熱發電系統建置將有賴蘊藏量較豐富的潛力區域從事生產開發,例如宜蘭清水或土場、南投廬山 及台東知本或金崙等地,但是在整體推動上仍存在以下的限制:
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四 國內推廣應用效益評估 |
地熱發電投資成本各國不盡相同,而且依各地熱區之地理特性及地質條件差異甚大。許多地熱應用先進的國家,對於成本的資料亦 著墨甚少,雖然一般認為地熱發電成本不會高於傳統火力發電成本,但是有太多的影響因素,如:鑽井的深度、數量、總體蒸汽量、壓力、併聯費用及枯竭衰減等, 因此不易精準地評估地熱發電經濟效益。例如宜蘭清水地熱先驅試驗電廠歷年來的發電量及成本統計顯示: 71 年度地熱井狀況最佳時,年發電量有 8,977,790kWh ,發電成本每度電約 2.651 元:在 81 年度年發電量已經降為 1,902,990kWh ,每度發電成本攀升至 7.77 元。
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五 國內未來推動策略與發展時程 |
我國在 2010 年達成設置地熱發電容量為 50 M W 的目標,初步規劃以重點發展清水地熱為主,輔以金崙或土場擇一配合開發,將資源集中於一二處已經具有初步探勘資訊的地熱區域較有成功之機會。清水地熱資源 的地質與探測生產井的資料遠較其他地熱區齊全,當我國要重新啟動地熱發電及應用工作,國內專家學者均建議選擇開發清水地熱資源為優先考量。由於清水地熱區 域中比較平坦且為當時中油台電開發設置 3 M W 發電廠及地熱井計 13 公頃 面積土地,在 94 年 8 月宜蘭縣政府以 800 多萬元向林務局申請撥用而擁有土地所有權,未來配合縣政府以地熱多目標開發利用進行促參 BOT 型態的計畫公告,以「地熱發電及多目標利用」計畫初期電廠開發可以先考量供應飯店及專區內相關用電,日後再進行第二階段的大規模地熱發電開發應是風險較低 的投資策略。初期投資開發商考量經濟效益以自用發電方式在 2007 年底前完成一座 300 kW -1 M W 的 Binary 地熱電廠的成果將是可能的。在熱能利用(溫泉水利用)的數量不列入發電數量的計算時,應與宜蘭縣政府溝通清水地熱區擴大規模開發發電系統的可行性,同時要 考量到發電設備的投資補助方有經濟誘因,如此在 2010 年完成第二階段大規模的地熱發電目標( 20-25 MW )的推動才有機會達成。
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參考文獻 |
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Newsletter of the International Geothermal Association, Jan-Mar., 2005
John Lund, ”Ground heat – Worldwide Utilization of Geothermal Energy”, Renewable Energy World, p254-260, July-Aug, 2005
經濟部能源委員會,新能源及淨潔能源研究開發規劃總報告,經濟部能源委員會,台北(民國 88 年 5 月