生生不息的再生能源
91/09/05
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黃秉鈞｜
臺灣大學機械工程學系
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。
