再生能源-能源與冷凍空調(diào)工程系

太陽(yáng)能5-1太陽(yáng)能優(yōu)點(diǎn):太陽(yáng)可以作為永久性的能源。太陽(yáng)能到處都有，不需要運(yùn)輸，處?kù)赌媳本?0~60度以?xún)?nèi)的地區(qū)，都有豐富的太陽(yáng)能可以利用。。太陽(yáng)能使用時(shí)不會(huì)帶來(lái)污染，是一種清潔的能源。太陽(yáng)能的利用不會(huì)增加地球的熱負(fù)荷。缺點(diǎn)：能量密度低。太陽(yáng)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。第一頁(yè)，共49頁(yè)。第一頁(yè)，共49頁(yè)。5-1太陽(yáng)能太陽(yáng)輻射太陽(yáng)光到達(dá)大氣層頂端的輻射強(qiáng)度，結(jié)果顯示當(dāng)太陽(yáng)光垂直照射所得的單位面積功率為：此數(shù)值即為「太陽(yáng)常數(shù)」

第二頁(yè)，共49頁(yè)。第二頁(yè)，共49頁(yè)。5-1太陽(yáng)能太陽(yáng)輻射第三頁(yè)，共49頁(yè)。第三頁(yè)，共49頁(yè)。5-1太陽(yáng)能太陽(yáng)輻射第四頁(yè)，共49頁(yè)。第四頁(yè)，共49頁(yè)。5-1太陽(yáng)能太陽(yáng)能利用的潛力以美國(guó)為例，太陽(yáng)常數(shù)為1353W/m2，若假設(shè)太陽(yáng)輻射到達(dá)地面的平均能量為600W/m2，其相當(dāng)於1520Btu/ft2，而美國(guó)總面積為3.615×106平方英哩，以日照8小時(shí)計(jì)，美國(guó)一年可得到太陽(yáng)能總量為5.6×1019Btu。美國(guó)2007年的總能源消耗量為1.016×1017

Btu，該能量?jī)H約為太陽(yáng)能量的五百五十分之一而已！換言之，如果美國(guó)能自太陽(yáng)能中取得0.18%的能量，已足夠全國(guó)能量所需。由於美國(guó)為能源消耗最大國(guó)，若以全球計(jì)，則太陽(yáng)能所佔(zhàn)的能源比重將更高。第五頁(yè)，共49頁(yè)。第五頁(yè)，共49頁(yè)。當(dāng)太陽(yáng)光(其頻率需大於某一臨界值)照射某些金屬或負(fù)極板時(shí)，電子將會(huì)釋出並移向正極，電子所擁有的動(dòng)能反比於光的波長(zhǎng)，此即所謂的光電效應(yīng)(photoelectriceffect)，而太陽(yáng)電池即以上述光電效應(yīng)為基礎(chǔ)製造而成。5-1太陽(yáng)能光電效應(yīng)第六頁(yè)，共49頁(yè)。第六頁(yè)，共49頁(yè)。太陽(yáng)電池與半導(dǎo)體同用矽為原料。在正常情況下，矽中並無(wú)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(chēng)為n-型半導(dǎo)體(n-typesemicon-ductor)，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「電洞(hole)」，該電洞猶如帶正電般，因而稱(chēng)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(shí)，其形成p-n連結(jié)(p-njunction)。當(dāng)光線(xiàn)撞擊太陽(yáng)電池時(shí)，光線(xiàn)效應(yīng)將產(chǎn)生電子和電洞現(xiàn)象，進(jìn)而於p-n連結(jié)處形成電位障礙。此時(shí)若於太陽(yáng)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(yáng)能太陽(yáng)電池第七頁(yè)，共49頁(yè)。第七頁(yè)，共49頁(yè)。太陽(yáng)電池又稱(chēng)為光伏電池，其乃利用太陽(yáng)光照射在半導(dǎo)體光電材料上，由太陽(yáng)輻射提供的能量造成電子流動(dòng)而直接轉(zhuǎn)化成電能。太陽(yáng)電池將光能變換為電能之轉(zhuǎn)換率高低決定於太陽(yáng)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(yáng)能太陽(yáng)電池第八頁(yè)，共49頁(yè)。第八頁(yè)，共49頁(yè)。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)、染料敏化太陽(yáng)電池。一般就轉(zhuǎn)換效率而言，單晶矽往往大於多晶矽，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(yáng)能太陽(yáng)電池種類(lèi)第九頁(yè)，共49頁(yè)。第九頁(yè)，共49頁(yè)。5-1太陽(yáng)能單晶矽

第十頁(yè)，共49頁(yè)。第十頁(yè)，共49頁(yè)。5-1太陽(yáng)能多晶矽第十一頁(yè)，共49頁(yè)。第十一頁(yè)，共49頁(yè)。平板收集系統(tǒng)5-1太陽(yáng)能平板收集系統(tǒng)根據(jù)流體流動(dòng)的動(dòng)力來(lái)源，其可分成:主動(dòng)式系統(tǒng) 主動(dòng)式收集系統(tǒng)又稱(chēng)為強(qiáng)制循環(huán)式，系指流體流動(dòng)的來(lái)源由泵運(yùn)送。2.被動(dòng)式系統(tǒng) 藉流體本身受熱而形成的自然對(duì)流方式運(yùn)送流體則為被動(dòng)式收集系第十二頁(yè)，共49頁(yè)。第十二頁(yè)，共49頁(yè)。5-1太陽(yáng)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)第十三頁(yè)，共49頁(yè)。第十三頁(yè)，共49頁(yè)。5-1太陽(yáng)能主動(dòng)式收集系統(tǒng)一般而言，主動(dòng)式收集系統(tǒng)常用於大型之熱水系統(tǒng)和特殊面積地形，因?yàn)檫@些地方不適合於板子上方架設(shè)一個(gè)儲(chǔ)熱筒，所以通常將儲(chǔ)熱筒設(shè)在室內(nèi)或地面，用泵強(qiáng)迫冷熱水循環(huán)。第十四頁(yè)，共49頁(yè)。第十四頁(yè)，共49頁(yè)。太陽(yáng)屋被動(dòng)式太陽(yáng)屋有三個(gè)基本組成：即絕熱、收集及儲(chǔ)存。面南的玻璃後加裝一塗黑的水泥牆，當(dāng)白天太陽(yáng)照射時(shí)，牆與窗戶(hù)間的空氣將受熱而較室內(nèi)溫暖，進(jìn)而形成自然對(duì)流以溫暖屋內(nèi)。而當(dāng)晚上時(shí)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(yáng)能第十五頁(yè)，共49頁(yè)。第十五頁(yè)，共49頁(yè)。5-1太陽(yáng)能直接取得太陽(yáng)能之屋子第十六頁(yè)，共49頁(yè)。第十六頁(yè)，共49頁(yè)。利用太陽(yáng)能將水加熱變成蒸汽以推動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。一般而言，利用太陽(yáng)能加熱有二種方法；第一種乃運(yùn)用拋物面鏡方式將太陽(yáng)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(xiàn)。前者為將拋物面所收集的所有光線(xiàn)全部集中於單一點(diǎn)或接收器，例如動(dòng)力塔，前述的拋物面通常由許多的反射鏡所組成，但每個(gè)反射鏡皆有其個(gè)別的接受器以收集光能。5-1太陽(yáng)能太陽(yáng)能熱電廠(chǎng)第十七頁(yè)，共49頁(yè)。第十七頁(yè)，共49頁(yè)。5-1太陽(yáng)能動(dòng)力塔(PowerTower)第十八頁(yè)，共49頁(yè)。第十八頁(yè)，共49頁(yè)。5-1太陽(yáng)能動(dòng)力塔(PowerTower)第十九頁(yè)，共49頁(yè)。第十九頁(yè)，共49頁(yè)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)在轉(zhuǎn)換風(fēng)力過(guò)程中不會(huì)排放二氧化碳及任何污染物質(zhì)，更沒(méi)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(guó)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)能第二十頁(yè)，共49頁(yè)。第二十頁(yè)，共49頁(yè)。5-2風(fēng)能歐盟各國(guó)風(fēng)能總發(fā)電之情形(2007年底)

第二十一頁(yè)，共49頁(yè)。第二十一頁(yè)，共49頁(yè)。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(yáng)輻射，區(qū)域性空氣的循環(huán)流動(dòng)小規(guī)模者如海陸風(fēng)(sea-landbreeze)和山谷風(fēng)(mountain-valleywind)，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)第二十二頁(yè)，共49頁(yè)。第二十二頁(yè)，共49頁(yè)。5-2風(fēng)能山谷風(fēng)第二十三頁(yè)，共49頁(yè)。第二十三頁(yè)，共49頁(yè)。若與太陽(yáng)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(shí)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(yáng)能無(wú)法有效取得時(shí)，風(fēng)能將更為可靠。但和太陽(yáng)能一樣，風(fēng)能也是間歇性能量，並且需要儲(chǔ)存。當(dāng)太陽(yáng)光照射到大氣頂層時(shí)，約2%的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成風(fēng)的動(dòng)能，而後消散以溫暖大氣。以美國(guó)為例，其太陽(yáng)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)能第二十四頁(yè)，共49頁(yè)。第二十四頁(yè)，共49頁(yè)。風(fēng)能正比於風(fēng)速的三次方

式中 P=功率，kW 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10m/s，則風(fēng)車(chē)每米平方面積的風(fēng)能為6.110-4×103=0.61kW/m2。5-2風(fēng)能第二十五頁(yè)，共49頁(yè)。第二十五頁(yè)，共49頁(yè)。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(chē)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(guò)59%，其稱(chēng)為「貝茲極限定律(Betz’slimitlaw)」，而現(xiàn)今風(fēng)車(chē)的效率則約能從這59%的效率中取得約50~70%的能量。一典型風(fēng)車(chē)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10m/s時(shí)，風(fēng)車(chē)在最佳運(yùn)轉(zhuǎn)條件下，其取得的電力約為0.61×0.59×0.7×0.9=0.227kW/m2。5-2風(fēng)能第二十六頁(yè)，共49頁(yè)。第二十六頁(yè)，共49頁(yè)。5-2風(fēng)能第二十七頁(yè)，共49頁(yè)。第二十七頁(yè)，共49頁(yè)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的裝置容量(installedcapacity)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的最大發(fā)電容量。由於風(fēng)速隨時(shí)變化，時(shí)大時(shí)小，故風(fēng)力發(fā)電機(jī)並不會(huì)一直處?kù)堆b置容量的狀況下發(fā)電。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)期後，實(shí)際的發(fā)電量與裝置容量的比值稱(chēng)為負(fù)載率(loadfactororcapacityfactor)，即5-2風(fēng)能第二十八頁(yè)，共49頁(yè)。第二十八頁(yè)，共49頁(yè)。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(chēng)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(xiàn)等。5-2風(fēng)能風(fēng)力發(fā)電機(jī)第二十九頁(yè)，共49頁(yè)。第二十九頁(yè)，共49頁(yè)。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

第三十頁(yè)，共49頁(yè)。第三十頁(yè)，共49頁(yè)。依照主軸與水平面的相對(duì)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(duì)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(duì)地振動(dòng)及噪音較大。四葉片由於葉片數(shù)多，故葉片成本較高，並以較低轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，振動(dòng)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(cǎi)用。5-2風(fēng)能風(fēng)力發(fā)電機(jī)之分類(lèi)第三十一頁(yè)，共49頁(yè)。第三十一頁(yè)，共49頁(yè)。5-2風(fēng)能第三十二頁(yè)，共49頁(yè)。第三十二頁(yè)，共49頁(yè)。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。升力型風(fēng)車(chē)以所受的升力帶動(dòng)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速較快，轉(zhuǎn)換效率亦較高，新型風(fēng)力發(fā)電機(jī)多以升力型為主；反之，阻力型風(fēng)車(chē)以所受的阻力帶動(dòng)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)，扭矩較大，但轉(zhuǎn)速較慢，轉(zhuǎn)換效率較低，傳統(tǒng)風(fēng)車(chē)多採(cǎi)用此種形式。5-2風(fēng)能風(fēng)力發(fā)電機(jī)之分類(lèi)第三十三頁(yè)，共49頁(yè)。第三十三頁(yè)，共49頁(yè)。一般市場(chǎng)上風(fēng)力發(fā)電機(jī)的起動(dòng)風(fēng)速(cut-invelocity)約介於2.5~4m/s，於額定風(fēng)速(ratedvelocity，12~15m/s)時(shí)達(dá)到額定的輸出容量。為避免過(guò)高的風(fēng)速損壞發(fā)電機(jī)，大多於風(fēng)速達(dá)20~25m/s範(fàn)圍內(nèi)停機(jī)，典型的停止運(yùn)轉(zhuǎn)風(fēng)速

(cut-outvelocity)為25m/s。5-2風(fēng)能第三十四頁(yè)，共49頁(yè)。第三十四頁(yè)，共49頁(yè)。5-2風(fēng)能離岸式風(fēng)力發(fā)電由於陸地上可用面積有限，加之海上風(fēng)向較均勻且無(wú)障礙，風(fēng)力資源優(yōu)於陸地，可於海底深5~20m的淺海地區(qū)設(shè)置離岸式風(fēng)力發(fā)電廠(chǎng)。第三十五頁(yè)，共49頁(yè)。第三十五頁(yè)，共49頁(yè)。5-2風(fēng)能臺(tái)灣風(fēng)力資源分佈依據(jù)本島風(fēng)能評(píng)估結(jié)果顯示，西部沿海包括桃園、新竹、苗栗、臺(tái)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)5~6m/s以上，風(fēng)能密度達(dá)250W/m2以上，深具開(kāi)發(fā)風(fēng)能的潛力，如能多加利用將可促進(jìn)國(guó)內(nèi)能源多元化與自主性。第三十六頁(yè)，共49頁(yè)。第三十六頁(yè)，共49頁(yè)。風(fēng)力能源永不耗竭風(fēng)力發(fā)電無(wú)污染風(fēng)力發(fā)電是自產(chǎn)能源增加就業(yè)機(jī)會(huì)並具觀光效益設(shè)置風(fēng)力發(fā)電機(jī)時(shí)，應(yīng)考量因素有：風(fēng)性與地理?xiàng)l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?chē)h(huán)境5-2風(fēng)能風(fēng)力發(fā)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)第三十七頁(yè)，共49頁(yè)。第三十七頁(yè)，共49頁(yè)。5-3地?zé)崮艿厍蚪Y(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(cè)約為4,000℃。第三十八頁(yè)，共49頁(yè)。第三十八頁(yè)，共49頁(yè)。5-3地?zé)崮艿責(zé)峄顒?dòng)常見(jiàn)的各種現(xiàn)象有火山爆發(fā)(volcanicerup-tion)、間歇泉(geyser)、噴氣孔(fumarole)及溫泉(hotspring)等。除了上述地?zé)峄顒?dòng)外，由於地質(zhì)板塊(tectonicplate)運(yùn)動(dòng)(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(dòng)、火山活動(dòng)及地震(earthquake)等。在這些板塊連接處?？梢?jiàn)顯著的熱流現(xiàn)象。今日世界上大部份的地?zé)嵛恢米潇短窖蟀鍓K(Pacificplate)的邊緣，其稱(chēng)為「火環(huán)(ringoffire)」。地?zé)峄顒?dòng)第三十九頁(yè)，共49頁(yè)。第三十九頁(yè)，共49頁(yè)。5-3地?zé)崮苊绹?guó)黃石公園內(nèi)之老忠實(shí)間歇泉第四十頁(yè)，共49頁(yè)。第四十頁(yè)，共49頁(yè)。5-3地?zé)崮芑瓠h(huán)第四十一頁(yè)，共49頁(yè)。第四十一頁(yè)，共49頁(yè)。5-3地?zé)崮艿責(zé)豳Y源國(guó)家裝置容量(MWe)美國(guó)2,200菲律賓1,931墨西哥753義大利790印尼807日本561紐西蘭421冰島200薩爾瓦多162哥斯大黎加161肯亞127第四十二頁(yè)，共49頁(yè)。第四十二頁(yè)，共49頁(yè)。5-3地?zé)崮苊绹?guó)勒蓋沙斯地?zé)犭姀S(chǎng)第四十三頁(yè)，共49頁(yè)。第四十三頁(yè)，共49頁(yè)。間歇泉、溫泉、火山爆發(fā)等熱點(diǎn)(hotspot)，最常見(jiàn)的地?zé)崂眯螒B(tài)稱(chēng)為水熱系統(tǒng)(hydrothermalsystem)，其中巖漿的熱能係儲(chǔ)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(lèi)，其中濕汽系統(tǒng)又稱(chēng)為熱水(hotwater)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(guó)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)崮芩疅嵯到y(tǒng)第四十四頁(yè)，共49頁(yè)。第四十四頁(yè)，共49頁(yè)。5-3地?zé)崮軡衿到y(tǒng)當(dāng)水儲(chǔ)存於地下儲(chǔ)庫(kù)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(huì)沸騰。當(dāng)這些熱水被釋放到地球表面時(shí)，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(kāi)鑿地?zé)峋畞K使熱水流到井中時(shí)，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(dòng)渦輪機(jī)發(fā)電，而熱水則可用於加熱。第四十五頁(yè)，共49頁(yè)。第四十五頁(yè)，共49頁(yè)。5-3地?zé)崮芮到y(tǒng)乾汽系統(tǒng)中，環(huán)境的壓力僅比大氣壓力大些，此時(shí)水受熱後，蒸汽的溫度可達(dá)165℃，而壓力則大約是100psi。鑿井後所引出的蒸汽將可直接推動(dòng)渦輪機(jī)發(fā)電。