國立高雄應用科技大學 研發長 模具系暨應用工程科學研究所 教授 教育部南部太陽能學校 執行長 艾和昌 中華民國九十八年十二月十五日 中山工商均質化種子教師研習 太陽光電專題演講 再生能源介紹 國立高雄應用科技大學 研發長 模具系暨應用工程科學研究所 教授 教育部南部太陽能學校 執行長 艾和昌 中華民國九十八年十二月十五日

內容 鑑往知來─能源史 太陽光電能 太陽光熱能 風力能 海洋能 地熱能 生質能

能源史 哥白尼設置以太陽中心的系統 史前時代住在洞穴的人利用石頭吸收白天太陽的熱使穴內涼爽，而夜間石頭放熱取暖 中國、阿富汗及波斯是最早使用風車的國家 愛德蒙-貝可發現陽光可產生出電 西元前150萬年 西元50年 西元1473~1543年 西元1839年 西元前40萬年 西元1515年 西元1807年 西元前284 ~221年 阿基米德使用鏡子讓太陽光聚焦來攻擊船隻，並使船隻起火 艾薩克取得了第一個氫氣動力車專利 直立人在洞穴中使用火，是第一個使用生質燃料的 達文西提出建造拋物鏡面集熱能供給蒸發器及游泳池

能源史 一度電=0.25公升燃料油或0.37公斤燃煤消秏量 (SO2以及0.637kg CO2的排放)。 奧古斯丁在巴黎國際展示會上以太陽反射器驅動蒸氣引擎 威洛比史密斯發現硒元素的 光電性質 法蘭克賽門在埃及展他發明 的太陽能集光器 第二次工業革命開端 西元1865年 西元1878年 西元1905年 西元1906年 西元1850年 西元1877年 西元1896年 朱爾斯凡爾納 預測Les Indes Noires可開採之石油存量 風車開始被蒸汽機取代 皮雅士-雅路車廠的天窗設計，有效率利用自然光線 瑞典的化學家史文提阿漢妮警告世人”溫室效應” 一度電=0.25公升燃料油或0.37公斤燃煤消秏量 (SO2以及0.637kg CO2的排放)。

能源史 貝爾實驗室發表 ”貝爾太陽電池” Buckminster Fuller’s Dymaxion 議會通過建築物節能法案 應用太陽能協會(AFASE)成立，ASES前身 法蘭克-勞埃德 建造俱寬深懸垂遮蔭屋簷的窗戶，使建物能有最佳光線又能自然通風 西元1927年 西元1954年 西元1909年 西元1915年 西元1925年 西元1940年 洛克斐勒中心是最後一個窗戶設計成工作員都能夠開啟的大型商業建築 1/3的美國車是電動車 美國傑可兄弟開始生產俱蓄電池充電之風力發電機 麻省理工學院的太陽屋一號是第一個整年使用太陽能作為建物內熱能來源的建築

能源史 政治—>政策—>經濟—>再生能源 美國東北部大多數地區發生大停電 第一個使用太陽電池的人造衛星發射 墨西哥灣鑽油氣平台開始使用太陽電池模組發電 在加州Geysers有第一個使用地熱的商業區規劃 西元1958年 西元1960年 西元1965年 西元1972年 西元1956年 西元1963年 西元1971年 西元1973年 阿拉伯石油暫停出口 Bridgers-Paxton 辦公大樓為世界上第一個太陽能辦公大樓 環繞太陽觀測一號觀察到太陽光中的Gamma 射線 ASES舉辦國際太陽能研討會 政治—>政策—>經濟—>再生能源

能源史 京都議定書的執行及全球石油蘊藏量日減，加快了綠色能源科技的發展。 里約高峰會議通過"聯合國氣候變化綱要公約"，成為永續發展的共識 世界最早裝設追日向日鏡電塔在日本Nio運轉 ”京都協議書” 正式生效 推動”白宮綠色”計畫使白宮開始對提高節源效能及環境保護發聲 減少50％的石化能污染排放?? 北美第一座潮汐發電場開使運轉 西元1981年 西元1992年 西元2005年 西元2050年 西元1977年 西元1984年 西元1997年 西元2004年 俱560隻拋物造型集光器SEGS I (Solar Electric Generating System) 完成建造 太陽能協會成立50週年 日本研究學者開始在日本海測試海水發電(潮汐能) 提出”京都協議書”，2012年前將抑制溫室氣體排放在1990年水準以下5.2% 京都議定書的執行及全球石油蘊藏量日減，加快了綠色能源科技的發展。

電從哪裡來,又從哪裡去？ 台灣電力總供給(2005) 6500度電/每年每戶4200 kg CO2的排放)。

電從哪裡來,又從哪裡去？ 台灣再生能源發電量(2005)

太陽光電發電 太陽發送到地球上的能量只佔它向外輻射能量的22億分之一。 地表接收40分鐘的太陽能，相當於整個世界一年所消耗的能源。

太陽光電科技之應用-太陽能屋 提供室內照明、冷暖氣等用電

太陽光電科技之應用-太陽能社區

太陽光電科技之應用-太陽能社區

太陽光電科技之應用-發電場

太陽光電科技之應用-充電產品

商品開發 太陽能樹

商品開發 太陽能船

商品開發 都市遊龍太陽能車

商品開發 美利達太陽能電動腳踏車(MIKU)

商品開發 嘉藤電氣衛星浮標追蹤系統

商品開發 低碳住宅

太陽光電發電系統設計 太陽光電發電系統分類 獨立型 混合型獨立式 市電併聯型系統

太陽光電發電系統設計 獨立型 一般使用在高山、未開發地區等人煙較稀少的位置，因市電網路無法到達，故該系統需設置較大容量的蓄電池組 。

太陽光電發電系統設計 獨立型 南沙太平島 玉山北峰氣象站

太陽光電發電系統設計 混合型獨立式 主要應用在較大的獨立供電系統，並考量為系統設置成本分攤與燃料供應持續性問題。 系統中輔助發電機除傳統柴油發電機外，亦可考慮使用風力發電機，當然需考慮裝設地點之風力條件是否能與太陽光電發電系統之運轉相輔相成，以補充電力之不足。 因有輔助發電裝置，可減半設計蓄電池組的設置容量。

太陽光電發電系統設計 混合型獨立式

太陽光電發電系統設計 併聯型 適用於市電網路便利地區，系統上太陽電池陣列產生電力與市電網路併聯，彼此間利用一自動轉換開關作切換，當日照充足時，負載用電採用太陽能，若是日照不足時即切換至市電供電，因此不需設置蓄電池組。 未來我國能源法通過該系統亦可回售給台電。

太陽光電發電系統設計 高應大8.16kW太陽光電發電系統 (2007) 獎 2008年 金羿獎

阿波羅太陽能車 1998 阿波羅一號 1999 阿波羅二號 2001 阿波羅三號 2002.12完成總長約700公里「太陽能車—南北走透透」

阿波羅太陽能車 2003 2004 2005 2003澳洲世界太陽能車挑戰賽第七名 2004希臘參加第一屆世界太陽能車拉力賽第四名 阿波羅四號 2003澳洲世界太陽能車挑戰賽第七名 2004希臘參加第一屆世界太陽能車拉力賽第四名 2004 阿波羅PLUS號 2005日本鈴鹿夢幻盃第九名 2006台灣世界太陽能車拉力賽第五名 2005 2005澳洲世界太陽能車挑戰賽第七名 2006日本鈴鹿夢幻盃第四名及MITSUBA最上位獎 2006台灣世界太陽能車拉力賽第二名 2007日本鈴鹿夢幻盃第二名及三重縣知事獎 2007澳洲世界太陽能車挑戰賽冒險組第二名 2008日本鈴鹿夢幻盃第二名及三重縣知事獎 阿波羅五號

太陽電池發電原理 太陽電池是以N型與P型半導體材料接合構成正極與負極。 當太陽光照射太陽電池時，光的能量會使半導體材料內的正、負電荷分離。 正、負電荷會分別往正、負極方向移動並且聚集。 將太陽電池正、負極接上負載時，將有電流流出，可以對負載作功(燈泡會亮、馬達會轉)。

太陽電池主流市場(矽太陽電池) （SiGe、SiC） 以電漿式化學氣相沈積法，在玻璃等基板上成長厚度約1微米左右的薄膜。對光的吸收性比矽強約500倍，所需的材料成本低，也可製作大面積的太陽電池，但由於非晶矽材料在強烈的光線照射下，會導致電流下降，易造成供電不穩。目前最高效率達14.5%。 組成原子周期性地排列，效率高且性能穩定，最高效率達24.7%。 多種不同排列方向的單晶組成，因其製程簡單，所以成本相對較單晶矽低。目前最高效率達19.8%。 （SiGe、SiC）

太陽電池串接 結晶矽太陽電池串接

太陽光電產業供應鏈 System Design Installation Maintenance

太陽光熱能 太陽集熱器將太陽輻射能轉變成熱能(太陽能熱水器、海水淡化器、乾燥及暖房系統)或機械能或電能(太陽熱能發電系統—史特林引擎) 。

太陽光熱能 台灣本島 離島地區 每一平方公尺集熱器 面蓋式平板集熱器:每平方公尺補助1500元 真空管式平板集熱器:每平方公尺補助1500元 無面蓋式平板集熱器:每平方公尺補助1000元 離島地區 面蓋式平板集熱器:每平方公尺補助3000元 真空管式平板集熱器:每平方公尺補助3000元 無面蓋式平板集熱器:每平方公尺補助2500元 每一平方公尺集熱器 節省瓦斯費用:1900元/年 減少二氧化碳排放量220公斤/年 提供28,000公升洗澡水

太陽光熱能 台灣本島及離島:278,780戶(2004)

風力發電 資料來源：GWEC 2007 Report/金屬中心 產業研究組整理

風力發電 2000~2004年--R/D獎勵示範、促進產業投入 風力電廠(Wind farm) 30瓩以上每瓩補助16,000元為上限，且不得超過設置成本50% 2005~2010年--規定發電業設置配比及推廣 每瓩補助16,000元為上限，且不得超過設置成本50% 風力電廠(Wind farm)

風力發電 全球到2002年已有約27,000 MW(相當於10個核四廠)的風力發電機組在運轉。 2000年11月—雲林麥寮 2001年9月—澎湖中屯 台電設置2.4 MW裝置容量的4台風力機組。 2002年12月—竹北 天隆紙廠設置3.5 MW裝置容量的2台風力機組。

風力發電 台朔重工設置2.64 MW—雲林麥寮 台電設置2.4 MW—澎湖中屯 天隆紙廠設置3.5 MW—竹北 年發電量775萬度電 年滿載發電小時數達2,950小時(一年8,760小時) 台電設置2.4 MW—澎湖中屯 年發電量850萬度電 年滿載發電小時數達3,500小時 天隆紙廠設置3.5 MW—竹北

風力發電 一般風力發電機當風速達每秒3至4公尺(約3級風)便有電力產出，每秒12至15公尺(約7級風)可滿載發電，如果風速過大，則會自動煞車關機，同時葉片組自動移位與風向平行，以降低受風面積，防止葉片斷裂。

風力發電 依據台灣氣象氣象資料，在西海岸及南部墾丁地區，於海平面50公尺高度層，均可達到每秒6至7公尺以上的年平均風速，極具風力發電潛能。

風力發電 為避免機組間受彼此尾流效應而影響發電，在設置上，機組間應至少相距葉輪直徑5至6倍以上。

風力發電 如能慎選風力發電場址，高達數十層樓高的機組不僅可成為當地新地標，若與該地區景觀配合下，可使風場更具有附加的觀光經濟效益。

風力發電 構件 1. 葉片 風力發電機構件 2. 葉輪輪轂 3. 葉片軸承 4. 主傳動軸 5. 副發電機 6. 齒輪箱 7. 碟式煞車 8. 油溫冷卻器 9. 萬向接軸 10.主發電機 11.維修用小吊車 12.旋角控制桿 13.機組基座 14.塔架 15.轉向齒輪 16.齒輪箱支撐桿 17.轉向齒輪盤 18.轉向齒輪 19.塔頂控制單元 20.油壓控制單元 Gearbox Yaw system Generator Hub Main bearing 風力發電機構件

風力發電 野鳥 天然災害

風力發電 風力發電機乃藉由自然的風能(氣流)，推動轉輪葉片旋轉(機械能)，經傳動軸及變速齒輪組後，帶動發電機而產出電力。 傳動軸、齒輪組、發電機及控制系統需安裝於一密閉機艙內，並藉由一高大的塔架支撐整個機艙及其外部輪葉。

風力發電 葉輪直徑 風能與葉輪直徑平方成正比。

風力發電 由於風向會經常改變，為有效利用風能，需有風向感測儀測得風向信號，由控制器控制偏移裝置，使整個葉輪能一直正對迎風面轉動。

風力發電 風力發電機本身亦需具備效率高、可靠與耐久，現代風機的效率可達到30%以上，可靠率可達98%以上，而壽命可達20年。

風力發電 風力發電機每產生1度電約可減少0.25公升燃油消耗，以及減少約0.8公斤二氧化碳的排放量。 若裝置現今標準型號1,000瓩的風力發電機組來預估，每年發電量可達300萬度電，約可減少2,400噸二氧化碳排放量，相當於325甲樹林每年所吸收的二氧化碳量，若與燃油及燃煤等傳統能源比較起來，風力發電幾乎是不需考慮社會環境成本。 隨著科技研發精進，傳統風力發機效率不斷提升，同時設置成成亦不斷降低，在國外目前風力發電的發電成本已可降至每度1.7元台幣，與核能發電成本相當。

風力發電 丹麥、美國等風機設備大廠正朝著未來每度電發電成本約1元台幣目標努力，因此，風力發電將有可能成為最便宜的發電能源。 台灣四面環海，發展海上風力發電廠亦有一定的利基，台電公司已積極投入大型風力發電機裝置於全島，預計至2010年設立200座風力發電機組運轉。

風力發電 風力發電技術已較為成熟，已進入商業化大量生產階段。 台灣每年有半年以上之東北季風，具有風力發電之潛能。 成本較低的風力發電系統是全球未來發展趨勢。 現階段我們規劃透過國際風電技術轉移。 再生能源有開發的價值，而風力發電後續不用發電成本。

風力發電/海流發電 丹麥、德國開始設海上風場，海上風力優於陸地，於淺海(深5~20公尺)設置風力極被看好。 海流發電

海流發電 利用海洋中海流的流動動力，推動水輪機發電。 台灣地區以黑潮最具開發潛力 北緯23o，距本島60~66公里，流域中心速0.3~1.6m/s ，流量約1700~2000萬m3。 黑潮發電計畫於水深200m之中層海流鋪設沉箱，內置水輪發電機 水輪發電機尚屬研發階段

地熱分布 火山及溫泉

地熱 地心內核約6000oC。

地熱 Blue Lagoon Hot Spring, Iceland Aug. 2008

地熱發電 發電型態 直接利用產出之熱蒸氣推動汽渦輪機 於深層岩縫鑽兩個洞，以管子連通至地面，冷水由一端注入管內， 蒸氣由另一端噴出

地熱能 應用型態

生質 (Biomass)能 生質能乃泛指由生物產生的有機物質轉換而成的能源。 主要成份為碳氫化合物，來自植物行光合作用，把太陽能吸收和儲存在生物質內。 估算地球上植物界之光合作用吸收約31021焦耳之太陽能，此值相當於整個世界一年所消耗的總能量的10倍。

生質 (Biomass)能 利用糖類作物、穀物和植物纖維為原料，生產燃料酒精。 利用木材、乾草等直接燃燒。 以每公頃農田可生產6.7噸稻草計算，可產出等值於原油價格1909 美元的酒精，台灣有90萬公頃農田，即可生產高達17億美元的酒精，折合新台幣540億元。 利用木材、乾草等直接燃燒。

生質 (Biomass)能 以木屑、稻殼、蔗渣等農林廢棄物為原料、經生質能氣化原理發電的再生能源廠。 利用畜產廢棄物、垃圾掩埋場、農牧及工業廢水經發酵程序產生沼氣(發電)。

THANK YOU VERY MUCH FOR YOUR KIND ATTENTION!!

References PV News, 2001, Vol. 20/No. 2, Feb. 艾和昌, 2003,“光起電生-太陽光電發電系統”, 能源報導月刊-走入能源, 8月號. 艾和昌、曾志成，2002, "10瓩太陽光電發電系統設置及監測分析" ，中國機械工程學會第十九屆全國學術研討會，中國機械工程學會主辦，國立虎尾技術學院承辦, Taiwan, R.O.C., Nov. 29-30, pp. 881-889. H. Ay, 1999, Solar Car Design and Manufacture -Apollo I , Chinese Journal of Solar Energy, Vol. 4, No. 1, pp32-34. H. Ay, 2004, “Apollo-III Solar Car”, Chinese Journal of Solar Energy and New Energy, Vol. 9, No. 1, pp13-17. KOPF Solar Schiff’s bulletin 林江財, “台灣太陽光電產業市場及未來發展”,太陽光電零組件與系統應用產學論壇,pp3-11, 11月18日,2005 S. Mochizuki, “Development of Renewable Energy in Japan”,國際再生能源短期教育訓練講座,高應大, 11月24日,2008 陳芙靜, “全球風力發電設備產業市場發展趨勢分析”,國際再生能源短期教育訓練講座,高應大, 11月27日,2008

結語 自然既無法改變—>藉由科技善加利用 再生能源為本世紀必走之路，太陽光電期待材料科技突破(民生取向、民生價位)

Today’s technology protecting tomorrow’s environment. THANK YOU VERY MUCH FOR YOUR KIND ATTENTION!!

References http://www.wsc.org.au/2005/history/ PV News, 2001, Vol. 20/No. 2, Feb. 艾和昌, 2003,“光起電生-太陽光電發電系統”, 能源報導月刊-走入能源, 8月號. 艾和昌、曾志成，2002, "10瓩太陽光電發電系統設置及監測分析" ，中國機械工程學會第十九屆全國學術研討會，中國機械工程學會主辦，國立虎尾技術學院承辦, Taiwan, R.O.C., Nov. 29-30, pp. 881-889. H. Ay, 1999, Solar Car Design and Manufacture -Apollo I , Chinese Journal of Solar Energy, Vol. 4, No. 1, pp32-34. H. Ay, 2004, “Apollo-III Solar Car”, Chinese Journal of Solar Energy and New Energy, Vol. 9, No. 1, pp13-17. http://solarschool.kuas.edu.tw/ 黃振隆，“太陽光電模組製程與應用” 講義，九十六年度技專校院教師赴公民營機構實務研習課程 ， 教育部南部太陽能學校主辦， 7月9日， 2007 林江財， “台灣太陽光電產業市場及未來發展” ，太陽光電零組件與系統應用產學論壇， pp3-11, 11月18日， 2005