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生生不息的再生能源

91/09/05 瀏覽次數 10814
永續發展的意義

臺灣夏天悶熱,許多人成天躲在屋內吹冷氣,雖然政府一再宣導節約用電,效果仍然非常有限。似乎現代人一離開冷氣機便無法生活,工作效率也無法提升,這就是科技為人類帶來福祉的一個明證。不過,凡事有得必有失,我們在享受冷氣的同時,發電廠可忙碌得很,拼命燃燒煤、石油、天然氣、核燃料來發電,以致有約占燃燒熱能65%的廢熱排向大氣或海洋中,燃燒污染物也跟著一起排放,污染整個環境。

在經濟成長掛帥下,一九九○年代開始,出現能源與資源快速枯竭,環境遭受嚴重破壞的現象,近年來的氣候反常即是最明顯的例子。

人類既然有智慧發展出各種高科技,理應也有智慧來解決自身的生存問題。永續發展的意義便是運用人類的智慧來預防戰爭與毀滅悲劇的發生。因此,永續發展理念下所強調的能源供給是「新能源」的開發,包括:再生能源,如太陽能、風能、地熱能、水力能等;高效率利用傳統能源,如汽電共生、電動車輛、燃料電池等;以及廢棄物能源,如都市廢棄物、工業廢棄物、農業廢棄物、廢能回收等。

永續發展觀念下的未來能源供給也將朝「分散式高效率供電系統」和「多元化能源」發展,若說21世紀人類的最重大革命將是「新能源革命」也不為過。

再生能源

「再生能源」是自然界中一種可以循環滋生的能源,遍佈地球各處。從永續發展的角度來看,再生能源是人類未來所倚賴的主要能源。

宇宙間的能源主要發自星體,包括太陽以及各星體內部不斷地產生的熱能。所造成的太陽輻射光,照射到地球時,可經由特殊裝置如太陽能集熱器的吸收而轉換成「太陽熱能」,或經由太陽電池直接轉換成「太陽光電能」。

太陽輻射光如先被大氣吸收後產生氣流,再經風力機吸收氣流的動能,轉換成電能或其他機械能,這就是「風能」。

地表的水分吸收太陽輻射能而蒸發,再經對流雲層作用,降為雨水,這些雨水如果在地表較高處被收集起來,便可利用水位差來推動水力機,將重力位能轉換成電能或機械能,這就是「水力能」。

如果太陽輻射光先被海水吸收,產生升溫作用,使溫海水漂浮海面,但深層海水因照射不到太陽輻射光而溫度較低,利用上下層海水之溫差,可以經由熱能機產生電力,這就是「海洋能」。

太陽輻射光照射在地表,使得植物生長,植物如同太陽能吸收器與能量儲存體,可以拿來利用,這就是「生物能」。

上述六種能源都直接或間接來自於太陽,因此被歸類為廣義的「太陽能」。

至於深藏地球內部的巨大能量,如透過水在岩縫中的流動,將熱能帶至地表,即可加以利用,這就是「地熱能」。再生能源雖屬於一種自產能源,可是其蘊藏量分布隨所處地理環境不同,而有所差異。

再生能源是一種呈分布狀的自產能源,因此可就地取得並就地應用。利用再生能源所需的設備,可用來促進地區的經濟發展並創造就業機會。1998年7月歐盟各國環保部長在奧地利舉行的再生能源諮商會議中,即明白表示:「再生能源是用以達成京都會議時歐盟所作的國際環保承諾,同時又可維持經濟發展的一項重要工具。再生能源為自產能源,符合各國能源政策(競爭力、安全供給與環保),又可提供就業機會,在區域發展上是一項重要議題」。

再生能源與傳統能源的環境衝擊比較

不像傳統能源在利用的過程中容易產生環境污染,再生能源在收集與應用過程中,對環境的衝擊都很小。

利用特殊設計的設備可收集再生能源以供應用,減少溫室效應氣體排放。不過,製造這些設備的過程也會消耗能源,產生溫室效應氣體。因此,比較再生能源與傳統能源產品壽命周期內的溫室效應氣體排放量,可了解再生能源對溫室效應氣體減量的效果。就發電應用來說,利用再生能源發電所造成的溫室效應氣體排放量,遠比傳統能源發電為低。

再生能源科技

人類對再生能源科技的開發由來已久,過去因傳統化石能源價廉,以致不受重視。在永續與環保理念逐漸抬頭之際,由於各國政府與民間的積極努力,再生能源科技進展神速。

我國再生能源中的太陽能非常豐富,日照條件相當優越,很值得開發。人類對太陽能之應用已有很久歷史,不過直到一九七○年代兩次能源危機後,才引發熱潮。

太陽能的利用可分為太陽熱能與太陽光電能兩大類,前者是收集太陽輻射能後,轉變成熱能來利用,如製成熱水、工業製程加熱、製造冷氣、或推動引擎發電;太陽光電能則是利用太陽電池吸收太陽輻射後,直接轉換成電能。

太陽熱能

太陽能熱水器 一說到太陽能的利用,大部分人都會聯想到太陽能熱水器,它是人類利用太陽能的最古老方式之一,但是,較有系統的研究直到一九五○年代才開始。到一九八○年代,太陽能熱水器技術可謂已經成熟,最重要的技術突破包括:選擇性黑色表面、金屬與非金屬集熱板製程、高效率透光面蓋、保溫技術、系統設計技術等。

太陽能熱水器是利用太陽能集熱器來吸收太陽熱能以製造熱水。最常見的傳統集熱器是平板集熱器,採用管-板組合,利用塗黑的表面薄膜將太陽輻射能吸收,然後經過金屬板的導熱過程傳到管內的水中。

一九七○年代發明了一種特殊表面薄膜,它是在金屬導熱板上經特殊化學處理,形成一層「選擇性吸收薄膜」,對入射的太陽光譜有高於0.9的吸收率;此黑色表面薄膜因本身溫度約為攝氏80~150度,自然產生的對外熱輻射,有小於0.1的放射率,這種特殊的黑色表面可大大降低對外熱輻射的損失。

另一方面,為降低導熱板對大氣的熱損失,平板式集熱器利用透明面蓋,與金屬導熱管板間形成一空氣隔層,利用空氣來阻絕往外的對流熱散失。

太陽熱能發電 聚光塔是利用佈滿地面的反射鏡,將陽光集中照射在一中央高塔頂端的集熱裝置上,可產生高溫來推動一蒸氣發電系統。此種發電系統需要大土地面積,以及建造高塔,較不適合我國應用。

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,可產生較高溫度來推動發電設備。這種系統可設計成數百萬瓦,或設計成數千瓦的小系統,應用較靈活。但大多採固定式設計,無法完全追蹤太陽,效率較低。另外,我國氣候屬溫濕型,太陽輻射的漫射光成分較高,亦不利於聚焦式系統。

碟式系統是利用碟型反光面,將陽光聚焦,在焦點處設置一史特林(Stirling)發電機直接發電。碟型聚焦系統可以追蹤太陽,惟其成本仍然偏高,主要為碟型反射面構造複雜。不過,近年來有國外公司將碟型反光面改採薄膜反射面,以及輕骨架設計,成本大為降低。而史特林引擎在歷經三十年的發展,技術已較從前成熟,發電效率可達20%左右,可靠度也大為提高。

太陽能冷氣 利用太陽熱能來製成冷氣空調系統,一直是人類夢想之一。尤其我國地處亞熱帶,夏季炎熱,太陽輻射量不但豐富,又與冷氣機的使用負載同步,利用太陽能冷氣除可節省電能消耗外,尚可舒緩電力尖峰負載問題。

利用太陽熱能來驅動冷氣機的技術已有數十年歷史,技術上可分成集熱器與冷氣系統兩大部分。冷氣系統需採用熱驅動式冷氣機,以熱能來驅動冷氣機,迥異於傳統壓縮機式冷氣機。目前以溴化鋰-水吸收式冷氣機為主,多用於汽電共生系統。日本的大型建築物有七成以上均採用吸收式冷氣機。然而其加熱溫度需高於攝氏90度,因此太陽能集熱器必須提升操作溫度,致使吸熱效率容易降低。為克服這個問題,負責收集太陽熱能的集熱器,需採用真空管集熱器,利用真空來隔絕對流熱散失。

太陽光電能

太陽電池發電主要是用太陽電池來吸收光能,將它直接轉換成電能,可分室內型與室外型。前者主要用於消費性產品如手錶、電子計算器等;後者是指較大型的發電系統,用來供應電力。早期室外型太陽電池主要用於太空船與人造衛星,自1970年以後開始用於地面,主要應用在偏遠地區,屬獨立發電系統。1990年代,太陽電池發電開始與民生用電結合,發展成併聯系統,當太陽電池發電剩餘時,將多餘電力回送至市電網,若發電不足時,則由市電補充。

目前許多國家皆由政府獎勵補助於一般住宅設置太陽電池發電系統,太陽電池市場因而快速成長,成本亦迅速下降。日本已立下目標,在2010年前裝置5,000百萬瓦的發電量的太陽電池發電系統,相當於兩座核四。

傳統火力發電是先燃燒化石燃料產生熱能,熱能經熱機轉換成機械能,再帶動一發電機發出電能。太陽電池則是利用光電原理,將太陽的輻射能吸收並轉換成電能,屬於直接能量轉換技術。

太陽電池應用於建築上最具發展潛力,近年來「綠建築」理念已獲重視,因此太陽電池皆朝與建築結合的方向發展。例如將太陽電池設置於屋頂、製成屋瓦、遮陽(雨)棚、窗、牆等。1997年德國慕尼黑世貿中心屋頂,便裝設了一套全世界最大的屋頂型太陽電池發電系統,容量達1,016千瓦,採16%高效率單晶太陽電池,電力控制亦採最先進技術,即使在陰天仍可發電。

臺灣鄰近赤道,日照量充足,太陽能條件佳,且分散式太陽電池發電系統無環境汙染與土地徵收問題,可以說是最具發展太陽電池發電的潛力。目前推廣太陽電池發電系統的主要問題是裝置成本仍然偏高。因此,提升太陽電池發電系統的效率,或者改良應用系統設計,以提升能源利用效率是最重要的課題。一般太陽電池的發電效率在5%至15%之間,因此所接收的太陽輻射能中,有85%至95%無法利用,必須再排放至大氣。如果能將入射的太陽能先經太陽電池發電,剩餘的熱能則用來加熱熱水,將可大大提高系統經濟效益,這就是「熱電共生太陽能發電系統」的概念。

結語

未來一個國家要能生存與發展,所倚賴的將不只是科技與組織管理效能,更重要的是要能掌握自然資源。很不幸的,我國自然資源極為缺乏。在能源方面,目前進口比重已達百分之九十七以上。不過,我們擁有一項豐富且永不枯竭的自然資源,那就是「再生能源」。

由於位處亞熱帶,臺灣日照條件優良,而日照最烈時,即為太陽電池發電最大,或太陽能冷氣需求最大時,所以太陽能是臺灣最值得推廣的再生能源。目前推動再生能源開發的最大困難,來自於傳統能源的環境成本並未反應在價格上,以致再生能源欠缺競爭性。因此,必須由政府介入,從綠色環保與永續發展觀點來制定政策與建立制度,並透過立法手段來推動。如果政府下定決心去推動,再配合法規與制度的建立、並積極進行科技研發的話,在2020年,我國再生能源供給占總能源配比6%或更高的目標是可以達成的。
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