第五章再生能.ppt

1、太陽能,5-1太陽能,優(yōu)點(diǎn): 太陽可以作為永久性的能源。 太陽能到處都有，不需要運(yùn)輸，處於南北緯5060度以內(nèi)的地區(qū)，都有豐富的太陽能可以利用。 。 太陽能使用時不會帶來污染，是一種清潔的能源。 太陽能的利用不會增加地球的熱負(fù)荷。 缺點(diǎn)： 能量密度低。 太陽能是間歇性的能源。 相較於化石燃料，現(xiàn)階段設(shè)置費(fèi)用與成本仍較高。,5-1太陽能,太陽輻射,太陽光到達(dá)大氣層頂端的輻射強(qiáng)度，結(jié)果顯示當(dāng)太陽光垂直照射所得的單位面積功率為：,此數(shù)值即為太陽常數(shù),5-1太陽能,太陽輻射,5-1太陽能,太陽輻射,5-1太陽能,太陽能利用的潛能,以美國為例，太陽常數(shù)為1353 W/m2，若假設(shè)太陽輻射到達(dá)地面的平均能

2、量為600 W/m2，其相當(dāng)於1520 Btu/ft2，而美國總面積為3.615106平方英哩，以日照8小時計，美國一年可得到太陽能總量為5.61019 Btu。美國1996年的總能源消耗量為9.381016 Btu，該能量僅約為太陽能量的六百分之一而已！換言之，如果美國能自太陽能中取得0.16% 的能量，已足夠全國能量所需。由於美國為能源消耗最大國，若以全球計，則太陽能所佔的能源比重將更高。,當(dāng)太陽光 ( 其頻率需大於某一臨界值 ) 照射某些金屬或負(fù)極板時，電子將會釋出並移向正極，電子所擁有的動能反比於光的波長，此即所謂的光電效應(yīng) (photoelectric effect)，而太陽電池即以

3、上述光電效應(yīng)為基礎(chǔ)製造而成。,5-1太陽能,光電效應(yīng),太陽電池與半導(dǎo)體同用矽為原料。在正常情況下，矽中並無自由電子，因此其為良好的絕緣體。但若將少量的磷加至矽中，則矽晶體中將出現(xiàn)額外的電子，其稱為n- 型半導(dǎo)體 (n-type semiconductor)，取其“負(fù)”(negative) 電荷之意。反之，若矽晶體中滲入少量的硼，則矽晶體中將出現(xiàn)若干孔洞 (hole)，該孔洞猶如帶正電般，因而稱為p- 型 (p-type) 半導(dǎo)體，取其“正”(positive) 電荷之意。當(dāng)上述兩種半導(dǎo)體連接一起時，其形成p-n連結(jié) (p-n junction)。當(dāng)光線撞擊太陽電池時，光線效應(yīng)將產(chǎn)生電子和孔洞現(xiàn)

4、象，進(jìn)而於p-n連結(jié)處形成電位障礙。此時若於太陽電池的n- 型及p- 型端以電路連接，則電子將由前者流向後者而形成電子流 ( 電流的方向則相反 ),5-1太陽能,太陽電池,太陽電池又稱為光伏電池，其乃利用太陽光照射在半導(dǎo)體光電材料上，由太陽輻射提供的能量造成電子流動而直接轉(zhuǎn)化成電能。太陽電池將光能變換為電能之轉(zhuǎn)換率高低決定於太陽電池之性能，目前最高的轉(zhuǎn)換效率可達(dá)30%，但一般介於10% 到15% 之間。,5-1太陽能,太陽電池,單晶矽 多晶矽 非晶矽 薄帶式 集光式 其他材料：碲化鎘 (CdTe)、二硒化銦 (CuInSe2) 及砷化鎵 (GaAs) 一般就轉(zhuǎn)換效率而言，單晶矽往往大於多晶矽，

5、而多晶矽又大於非晶矽，且隨面積愈大效率有愈低之傾向。,5-1太陽能,太陽電池種類,5-1太陽能,單晶矽,http:/www.ami.ac.uk/courses/ami4202_mdesign/u02/index.asp,5-1太陽能,多晶矽,平板收集系統(tǒng),5-1太陽能,平板收集系統(tǒng)根據(jù)流體流動的動力來源，其可分成: 主動式系統(tǒng) 主動式收集系統(tǒng)又稱為強(qiáng)制循環(huán)式，系指流體流動的來源由泵運(yùn)送。 2. 被動式系統(tǒng) 藉流體本身受熱而形成的自然對流方式運(yùn)送流體則為被動式收集系,5-1太陽能,平板與真空管收集系統(tǒng),平板收集系統(tǒng),真空管收集系統(tǒng),5-1太陽能,主動式收集系統(tǒng),一般而言，主動式收集系統(tǒng)常用於大型

6、之熱水系統(tǒng)和特殊面積地形，因為這些地方不適合於板子上方架設(shè)一個儲熱筒，所以通常將儲熱筒設(shè)在室內(nèi)或地面，用泵強(qiáng)迫冷熱水循環(huán)。,太陽屋,被動式太陽屋有三個基本組成：即絕熱、收集及儲存 。面南的玻璃後加裝一塗黑的水泥牆，當(dāng)白天太陽照射時，牆與窗戶間的空氣將受熱而較室內(nèi)溫暖，進(jìn)而形成自然對流以溫暖屋內(nèi)。而當(dāng)晚上時則可關(guān)閉牆上的通風(fēng)口以避免逆流而降低室內(nèi)溫度。,5-1太陽能,5-1太陽能,直接取得太陽能之屋子,利用太陽能將水加熱變成蒸汽以推動發(fā)電機(jī)發(fā)電。一般而言，利用太陽能加熱有二種方法；第一種乃運(yùn)用拋物面鏡方式將太陽光集中以產(chǎn)生高溫，而第二種方式則是利用透鏡集中光線。前者為將拋物面所收集的所有光線全部

7、集中於單一點(diǎn)或接收器，例如動力塔，前述的拋物面通常由許多的反射鏡所組成，但每個反射鏡皆有其個別的接受器以收集光能。,5-1太陽能,太陽能熱電廠,5-1太陽能,動力塔(Power Tower),5-1太陽能,動力塔(Power Tower),風(fēng)力發(fā)電機(jī)在轉(zhuǎn)換風(fēng)力過程中不會排放二氧化碳及任何污染物質(zhì)，更沒有放射性物質(zhì)的困擾，是非常乾淨(jìng)的能源，因此廣受注重環(huán)境保護(hù)的歐美國家的歡迎，成為應(yīng)用最多的再生能源技術(shù)之一。,5-2風(fēng)能,風(fēng)能,5-2風(fēng)能,歐盟各國風(fēng)能總發(fā)電之情形 (2005年底 ),地球大氣層內(nèi)風(fēng)的形成乃直接起源於地球本身的自轉(zhuǎn)及太陽輻射，區(qū)域性空氣的循環(huán)流動小規(guī)模者如海陸風(fēng) (sea-lan

8、d breeze) 和山谷風(fēng) (mountain-valley wind)，而大規(guī)模者則如東北季風(fēng)或颱風(fēng)。,5-2風(fēng)能,風(fēng)的循環(huán),5-2風(fēng)能,山谷風(fēng),若與太陽能比較，風(fēng)能的優(yōu)點(diǎn)在於不論白天、晚上、晴天或陰天皆能運(yùn)用，且在最冷及最暗的冬天 ( 此時最需要能量 ) 往往能得到最多的風(fēng)能。而陰天及高海拔區(qū)域，太陽能無法有效取得時，風(fēng)能將更為可靠。但和太陽能一樣，風(fēng)能也是間歇性能量，並且需要儲存。 當(dāng)太陽光照射到大氣頂層時，約2% 的太陽能轉(zhuǎn)換成風(fēng)的動能，而後消散以溫暖大氣。以美國為例，其太陽能轉(zhuǎn)換成風(fēng)能的速率約為全美能源消耗的30倍。,5-2風(fēng)能,風(fēng)能,風(fēng)能正比於風(fēng)速的三次方 式中P= 功率，kW

9、A= 垂直風(fēng)向的截面積，m2 v= 風(fēng)速，m/s 例如當(dāng)風(fēng)速為10 m/s，則風(fēng)車每米平方面積的風(fēng)能為6.1 10-4103 = 0.61 kW/m2。,5-2風(fēng)能,風(fēng)力發(fā)電機(jī)並不能將所有流經(jīng)的風(fēng)力能源轉(zhuǎn)換成電力，其中風(fēng)能轉(zhuǎn)換成電能的效率除決定於各式風(fēng)扇的形狀外，另一重要的參數(shù)即為葉片尖端速度與風(fēng)速的比值。 根據(jù)理論分析，風(fēng)車自風(fēng)能中取得能量而轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的最大效率不超過59%，而現(xiàn)今風(fēng)車的效率則約能從這59% 的效率中取得約5070% 的能量。一典型風(fēng)車由機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能的效率約為90%。根據(jù)以上數(shù)據(jù)，當(dāng)風(fēng)速10 m/s時，風(fēng)車在最佳運(yùn)轉(zhuǎn)條件下，其取得的電力約為0.610.590.70.9=

10、0.227 kW/m2。,5-2風(fēng)能,5-2風(fēng)能,一部典型的現(xiàn)代水平軸式風(fēng)力發(fā)電機(jī)包含葉片、輪 ( 與葉片合稱葉輪 )、機(jī)艙罩、齒輪箱、發(fā)電機(jī)、塔架、基座、控制系統(tǒng)、電纜線等。,5-2風(fēng)能,風(fēng)力發(fā)電機(jī),5-2風(fēng)能,水平軸式風(fēng)力發(fā)電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)與組件,依照主軸與水平面的相對位置可分為水平軸與垂直軸式，換言之，若主軸呈水平狀態(tài)，即為水平軸式；反之，若主軸呈垂直狀態(tài)，即為垂直軸式。 依照葉輪相對於風(fēng)向的位置可分為上風(fēng)式(或迎風(fēng)式)及下風(fēng)式(或逆風(fēng)式) 。 依照葉片數(shù)量可分為多葉片及少葉片式。就雙葉片而言，由於葉片較少，故可節(jié)省葉片的成本，另外負(fù)荷較輕，所以可以較高的轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，但相對地振動及噪音較大。四

11、葉片由於葉片數(shù)多，故葉片成本較高，並以較低轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，振動及噪音較小。至於三葉片式，綜合雙葉片及三葉片之優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在較普遍採用。,5-2風(fēng)能,風(fēng)力發(fā)電機(jī)之分類,5-2風(fēng)能,4.依照風(fēng)力發(fā)電機(jī)組容量大小可分為小型、中型及大型。依照風(fēng)力發(fā)電機(jī)組容量大小可分為小型、中型及大型，目前全球風(fēng)機(jī)的單機(jī)容量有600kW、660kW、850kW、1350kW、1500kW、1750kW、1800kW、2000kW、2300kW、2500kW、2700kW、3000kW、3600kW、4500kW及5000kW等。 5.依照葉片的工作原理可分為升力型及阻力型。 一般市場上風(fēng)力發(fā)電機(jī)的起動風(fēng)速 (cut-in vel

12、ocity) 約介於2.54 m/s，於風(fēng)速1215 m/s時達(dá)到額定的輸出容量。為避免過高的風(fēng)速損壞發(fā)電機(jī)，大多於風(fēng)速達(dá)2025 m/s範(fàn)圍內(nèi)停機(jī)，典型的停止運(yùn)轉(zhuǎn)風(fēng)速 (cut-out velocity)為25 m/s。,5-2風(fēng)能,風(fēng)力發(fā)電機(jī)之分類,5-2風(fēng)能,離岸式風(fēng)力發(fā)電,5-2風(fēng)能,臺灣風(fēng)力資源分佈,依據(jù)本島風(fēng)能評估結(jié)果顯示，西部沿海包括桃園、新竹、苗栗、臺中、彰化等地以及外島地區(qū)的澎湖與蘭嶼離島等地區(qū)，年平均風(fēng)速可達(dá)56 m/s以上，風(fēng)能密度達(dá)250 W/m2以上，深具開發(fā)風(fēng)能的潛力，如能多加利用將可促進(jìn)國內(nèi)能源多元化與自主性。,風(fēng)力能源永不耗竭 風(fēng)力發(fā)電無污染 風(fēng)力發(fā)電是自產(chǎn)能源

13、 可提供就業(yè)機(jī)會 由於風(fēng)力發(fā)電機(jī)外型美觀，裝設(shè)地點(diǎn)往往成為地方新地標(biāo)，具有觀光效益。 設(shè)置風(fēng)力發(fā)電機(jī)時，應(yīng)考量因素有： 風(fēng)性與地理條件 風(fēng)力發(fā)電機(jī)性能與配置 土地利用的規(guī)劃 慎選周圍環(huán)境,5-2風(fēng)能,風(fēng)力發(fā)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn),5-3地?zé)崮?地球結(jié)構(gòu),在溫度分佈方面，最接近地表的地殼，約介於30到90公里深，溫度變化為每增加1公里深度即增加30 ，該處熔巖溫度約介於650到1,200之間，也正由於此層中巖漿 (magma) 在某些地區(qū)向地表滲透而造成了各種不同的熱特徵。當(dāng)深度達(dá)到地殼的底部或地函的頂部，溫度隨地層深度的增加而緩慢升高。至於地球核心6,370公里深處的溫度，據(jù)推測約為4,000。,5-3地

14、熱能,地?zé)峄顒映Ｒ姷母鞣N現(xiàn)象有火山爆發(fā) (volcanic eruption)、間歇泉 (geyser)、噴氣孔 (fumarole) 及溫泉 (hot spring) 等。除了上述地?zé)峄顒油?，由於地質(zhì)板塊 (tectonic plate) 運(yùn)動 ( 每年約數(shù)公分 )，致使板塊連接處彼此間碰撞及摩擦而產(chǎn)生造山運(yùn)動、火山活動及地震 (earthquake) 等。在這些板塊連接處?？梢婏@著的熱流現(xiàn)象。今日世界上大部份的地?zé)嵛恢米潇短窖蟀鍓K (Pacific plate) 的邊緣，其稱為火環(huán) (ring of fire)。,地?zé)峄顒?5-3地?zé)崮?美國黃石公園內(nèi)之老忠實間歇泉,5-3地?zé)崮?火

15、環(huán),5-3地?zé)崮?地?zé)豳Y源,5-3地?zé)崮?美國勒蓋沙斯地?zé)犭姀S,間歇泉、溫泉、火山爆發(fā)等熱點(diǎn) (hot spot)，最常見的地?zé)崂眯螒B(tài)稱為水熱系統(tǒng) (hydrothermal system)，其中巖漿的熱能係儲存在巖石孔隙或裂縫裡的水中或蒸汽中。整體而言，水熱系統(tǒng)可分為成濕汽及乾汽兩大類，其中濕汽系統(tǒng)又稱為熱水 (hot water) 系統(tǒng)。雖然濕汽系統(tǒng)的資源遠(yuǎn)較乾汽系統(tǒng)豐富，但由於乾汽系統(tǒng)的使用較方便，因而常用於發(fā)電，例如美國的勒蓋沙斯及義大利的拉岱洛發(fā)電皆屬於乾汽系統(tǒng)。,5-3地?zé)崮?水熱系統(tǒng),5-3地?zé)崮?濕汽系統(tǒng),當(dāng)水儲存於地下儲庫並受到周遭巖石加熱後，由於高壓環(huán)境，水溫可達(dá)370且不會沸騰。當(dāng)這些熱水被釋放到地球表面時，由於壓力的劇降，熱水將閃發(fā)而立刻轉(zhuǎn)變成蒸汽。當(dāng)開鑿地?zé)峋畞K使熱水流到井中時，其將變成約五分之一的蒸汽及五分之四的熱水。蒸汽分離後可直接用以推動渦輪機(jī)發(fā)電，而熱水則可用於加熱。,5-3地?zé)崮?乾汽系統(tǒng),乾汽系統(tǒng)中，環(huán)境的壓力僅比大氣壓力大些，此時水受熱後，蒸汽的溫度可達(dá)165，而壓力則大約是100 psi。鑿井後所引出的蒸汽將可直接推動渦輪機(jī)發(fā)電。,開發(fā)地?zé)釋Νh(huán)境影響 硫化氫 (H2S) 氣體：開發(fā)地?zé)釙r可能排放出大量硫化氫氣體，將對環(huán)境造成某種程度的影響及危害。 熱廢水：可能影響