第五章 太陽 風與地熱能 5-1 太陽能 5-2 風能 5-3 地熱能 1
5-1 太陽能 太陽能 優點 : 太陽可以作為永久性的能源 太陽能到處都有, 不需要運輸, 處於南北緯 50~60 度以內的地區, 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荷 缺點 : 能量密度低 太陽能是間歇性的能源 相較於化石燃料, 現階段設置費用與成本仍較高 2
太陽的構造 直徑 : 140 萬公里 質量 : 2.0 1027 公噸 年齡 : 50 億年 餘年 : 50 億年 中心溫度 : 1 千 5 百萬度 核融合區 : 中心至 0.2 太陽半徑的距離
5-1 太陽能 太陽輻射與電磁波光譜 熱輻射 ~0.1-100μm 太陽輻射 ~0.1-3μm 4 λ 10 3 10 2 10 1 10 0 10 1 10 10 2 10 3 波長 ( μm) v 11 10 12 10 13 10 紅外光 14 10 15 10 16 10 17 10 1 頻率 (s ) ~0.7-1000μm 紫外光 可見光 2 ~0.4-10 μm ~ 0.4-0.7 μm 4
5-1 太陽能 太陽輻射 5
光與波長
太陽輻射通量 太陽常數 : 太陽光垂直照射大氣層頂端的輻射強度, 其單位面積功率為 :Gs=1353W/m 2 意義 : 垂直入射的太陽輻射通量
太陽能是如此豐富 太陽總輻射量 : 3.75 10 26 W 地球接受太陽輻射量 : 1.73x10 17 W ( 太陽總輻射量的 22 億分之一 ) 人類能源消耗速率 : 1.5x10 13 W
5-1 太陽能 太陽輻射 自雲向上散射 25% 吸收 10% 透射過雲並向下散射 17% 太陽輻射至大氣層 100% 直接入射 24% 大氣吸收 9% 向上散射 9% 向下散射 6% 地面 9
5-1 太陽能 太陽能利用的潛力 以美國為例, 太陽常數為 1353 W/m 2, 若假設太陽輻射到達地面的平均能量為 600 W/m 2, 其相當於 1520 Btu/ft 2, 而美國總面積為 3.615 10 6 平方英哩, 以日照 8 小時計, 美國一年可得到太陽能總量為 5.6 10 19 Btu 美國 2009 年的總能源消耗量為 9.4578 10 16 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 0.17% 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 10
5-1 太陽能 光電效應 當太陽光 ( 其頻率需大於某一臨界值 ) 照射某些金屬或負極板時, 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 (photoelectric effect), 而太陽電池即以上述光電效應為基礎製造而成 光線 e + e 光電效應光線的能量激發電子脫離元子產生電流 11
太陽能板發電原理
5-1 太陽能 太陽電池 太陽電池與半導體同用矽為原料 若將少量的磷加至矽中, 則矽晶體中將出現額外的電子, 其稱為 n- 型半導體 若矽晶體中滲入少量的硼, 則矽晶體中將出現若干 電洞 (hole), 稱為 p- 型 (p-type) 半導體 當 PN 半導體連接一起時, 其形成 p-n 接面 當光線照射太陽電池時, 光線效應將產生電子和電洞現象, 進而於 p-n 連結處形成電位障礙 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 13 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, 其利用太陽光照射在半導體光電材料上, 由太陽輻射提供的能量造成電子流動而直接轉化成電能 太陽電池將光能變換為電能之轉換率高低決定於太陽電池之性能 陽光 玻璃蓋 前接觸物 目前最高的轉換效率可達 30%, 但一般介於 10% 到 15% 之間 抗反射鍍層 膠黏劑 電洞 + n 型半導體 p 型半導體 電子 後接觸物 14
太陽電池種類 第三代太陽電池 其他類型 薄帶式 : 11%~15% 效率集光型 染料敏化太陽電池 第一代太陽電池 第二代太陽電池 單晶矽太陽能電池 15%~17% 效率 多晶矽太陽能電池 : 14%~16% 效率非晶矽太陽能電池 : 5%~7% 效率薄膜 : 11%~15% 效率 效率 / 成本
5-1 太陽能 單晶矽 http://www.ami.ac.uk/courses/ ami4202_mdesign/u02/index.as p 16
5-1 太陽能 多晶矽 http://store.altenergystore.c om/?fiav6z4j%3b%3b19 17
5-1 太陽能 高聚光太陽能發電 (HCPV) 行政院原子能委員會核能研究所斥資二億, 在高雄縣路竹鄉竹滬村設立 高聚光太陽能發電 (HCPV) 示範場 這座規模亞洲最大 全球僅次於西班牙的高聚光太陽能發電示範場啟用, 象徵我國太陽能產業邁向新局 路竹示範場占地約二公頃, 設置一四一座太陽能聚光板架, 每一座均配置追日系統, 可自動調整對準陽光的方向, 在標準測試狀態下, 總發電容量可達一百萬瓦 太陽能發電量須視陽光強度而定, 保守估計整座示範場每年可發電 110 萬度, 等於減少 660 至 700 噸碳排放量 18
5-1 太陽能 高聚光太陽能發電 (HCPV) 示範場 19
5-1 太陽能 平板收集系統 平板收集系統根據流體流動的動力來源, 其可分成 : 主動式系統 主動式收集系統又稱為強制循環式, 系指流體流動的來源由泵運送 黑色金屬吸收表面玻璃蓋 被動式系統藉流體本身受熱而形成的自然對流方式運送流體則為被動式收集系 絕熱材 圍繞物件 20 熱水器影片 - 平板式
5-1 太陽能 平板與真空管收集系統 平板收集系統 真空管收集系統 http://www.tongyong.com/ 21
5-1 太陽能 主動式收集系統 主動式收集系統常用於大型之熱水系統和特殊面積地形 ( 有些地方不適合於集熱板上方架設儲熱筒 ) 控制器 平板收集系統 水 備用電力 熱水流出 將儲熱筒設在室內或地面, 用泵強迫冷熱水循環 熱交換器 熱水儲存 泵 泵 進流冷水 22 熱泵影片
5-1 太陽能 被動式太陽屋 三個基本組成 : 即絕熱 收集及儲存 白天太陽照射時, 牆與窗戶間的空氣將受熱而較室內溫暖, 進而形成自然對流以溫暖屋內 晚上則關閉牆上的通風口以避免逆流而降低室內溫度 玻璃 南方 通風口 黑的水泥牆
5-1 太陽能 直接取得太陽能之屋子 夏天 突出物 冬天 南方 絕熱 混凝土地板
5-1 太陽能 太陽能熱電廠 利用太陽能將水加熱變成蒸汽以推動發電機發電 利用太陽能加熱有二種方法 : 1. 運用拋物面鏡方式將太陽光集中以產生高溫 : 將拋物面所收集的所有光線全部集中於單一點或接收器, 例如動力塔, 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 2. 利用透鏡集中光線 25 影片
5-1 太陽能 電力塔 (Power Tower)
5-1 太陽能 電力塔 (Power Tower) 27
第三代太陽能電池 - 染料敏化電池 www.energyer.com
系統分類圖
獨立系統示意圖
混合系統示意圖
併聯系統示意圖
5-2 風能 風 能 氣流的運動使空氣具有動能, 即是所謂的風能 風力發電機在轉換風力過程中不會排放二氧化碳及任何污染物質, 更沒有放射性物質的困擾, 是非常乾淨的能源 廣受注重環境保護的歐美國家的歡迎, 成為應用最多的再生能源技術之一 33
發電廠的發電機 發電廠中的發電機的線圈是固定的, 運作時是磁場在轉動 磁場是由電磁鐵而不是永久磁鐵產生的, 電磁鐵的電流由外在的電源提供 為了提供高壓而又頻率準確的交流電, 發電機的線圈和電磁鐵的線圈的結構都是非常複雜的
5-2 風能 風的循環 地球大氣層內風的形成乃直接起源於地球本身的自轉及太陽輻射 區域性空氣的循環流動 : 小規模者如海陸風和山谷風 白天 大規模者如東北季風或颱風 夜晚 熱空氣上升 比熱小 升溫快 太陽輻射海風冷空氣補充 比熱大 散熱冷空氣補充比熱小 散熱快 陸風 比熱大 熱空氣上升
5-2 風能 山谷風 太陽輻射 散熱快 谷風 白天時, 陽光先抵達山坡上, 山上溫度較山谷的溫度高, 山坡的空氣因熱浮力而上升, 引起谷底的氣流往上竄, 稱之谷風 山風 晚上因山坡的散熱較快, 溫度下降速率快, 山上氣流流向山谷, 謂之山風 36
5-2 風能 風 能 與太陽能比較, 風能的優點在於不論白天 晚上 晴天或陰天皆能運用, 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能 於陰天及高海拔區域, 太陽能無法有效取得時, 風能將更為可靠 和太陽能一樣, 風能也是間歇性能量, 並且需要儲存 當太陽光照射到大氣頂層時, 約 2% 的太陽能轉換成風的動能, 而後消散以溫暖大氣 以美國為例, 其太陽能轉換成風能的速率約為全美能源消耗的 30 倍 37
5-2 風能 風能正比於風速的三次方 P/A 4 3 = 6.1 10 v 式中 P= 功率,kW A= 垂直風向的截面積,m 2 v= 風速,m/s 例如當風速為 10 m/s, 則風車每米平方面積的風能為 6.1 10-4 10 3 = 0.61 kw/m 2 38
5-2 風能 風能轉換成電能的效率 風力發電機並不能將所有流經的風力能源轉換成電力, 其中風能轉換成電能的效率除決定於各式風扇的形狀外, 另一重要的參數即為葉片尖端速度與風速的比值 風車自風能中取得能量而轉換成機械能的最大效率不超過 59%, 其稱為 貝茲極限定律 (Betz's limit law) 而現今風車的效率則約能從這 59% 的效率中取得約 50~70% 的能量 一典型風車由機械能轉換成電能的效率約為 90% 根據以上數據, 當風速 10 m/s 時, 風車在最佳運轉條件下, 其取得的電力約為 0.61 0.59 0.7 0.9=0.227 kw/m2 39
5-2 風能 風力發電機之分類 依照主軸與水平面的相對位置可分為水平軸式 :: 主軸呈水平狀態 與垂直軸式 : 主軸呈垂直狀態 依照葉輪相對於風向的位置可分為 : 上風式 ( 或迎風式 ) 下風式 ( 或逆風式 ) 40
各種風力發電機
水平軸式風力機 螺旋槳型風力機 : 風力發電最常用的一型, 一般為 2 翼或 3 翼型, 也有單翼者或 4 翼以上者 翼的型將類以飛機之螺旋槳, 螺旋槳型需要作方位控制, 至少在達到額定風速前, 使旋轉面與風向垂直
水平軸式風力機 多翼型風力機 : 為美國中 西部牧場揚水用多翼型風渦輪機 ( 又稱美國風力機 ), 一部風車約有枚葉片, 為典型低轉速 大轉矩風力機
水平軸式風力機 荷蘭型風力機 : 此型風力機為歐洲, 特別是荷蘭 比利時使用的荷蘭型風力機 有驅動風車全體追隨風的類型與只有小屋上部驅動的類型
水平軸式風力機 帆翼型風力機 : 這是地中海沿岸及各島早就使用的布製風力機
水平軸式風力機 輪機型風力機 : 輪機型風力機與燃汽輸機或蒸汽輪機同樣, 由靜翼 ( stator ) 或動翼構成
垂直軸式風力機 達流斯型風力機 : 為較新開發的垂直軸形風車, 為紀念法國發明者而命名 翼數大者為 2 一 3 枚, 此翼呈跳繩旋動之形式, 以便旋轉時不承受彎矩 此風力機的旋轉與風向無關, 系統簡單而成本較低, 但啟動性較差
垂直軸式風力機 迴轉磨坊型風力機 : 為垂直軸揚力型的迴轉磨坊型風力機, 垂直安裝的對稱翼型葉片 ( 3 ~4 枚 ), 可隨風向之變化而自動改變迎風角, 故其結構較複雜, 價格比較高, 但可改變螺距角, 啟動性良好, 可維持一定轉速, 效率極高
特殊風力機 特殊風力機 : 離心吐出型 移動翼型 四螺懸線型及無塔型等
5-2 風能 50
5-2 風能 Savonius Wind Turbine( 賽渥紐氏風 力渦輪發電機 ) http://www.thegreentechnologyblog.com/2009/technologysolutions-for-wind-power-generated-electricity/ http://www.reuk.co.uk/savonius-wind-turbines.htm Savonius 型風力機轉子的功率係數偏低, 過去未普遍使用於風力發電, 但 Savonius 轉子有許多優點如構造簡單, 製造成本低, 隨著低轉速發電機的發展, 使更多能使 Savonius 轉子的效率可以提升的 51
5-2 風能 離岸式風力發電 由於陸地上可用面積有限, 加之海上風向較均勻且無障礙, 風力資源優於陸地, 可於海底深 5~20m 的淺海地區設置離岸式風力發電廠 52
5-1 太陽能 Roscoe Wind Farm, Texas The Roscoe Wind Farm in Roscoe, Texas is the world's largest wind farm with 627 wind turbines and a total installed capacity of 781.5 MW, which surpasses the nearby 735.5 MW Horse Hollow Wind Energy Center. The project cost more than $1 billion and provides enough to power more than 250,000 average Texan homes. 53
5-2 風能 負載率 裝置容量 風力發電機的裝置容量 (installed capacity) 是風力發電機的最大發電容量 由於風速隨時變化, 時大時小, 故風力發電機並不會一直處於裝置容量的狀況下發電 當風力發電機運轉一段時期後, 實際的發電量與裝置容量的比值稱為負載率 (load factor or capacity factor), 即 實際發電量設計發電量 實際發電量裝置容量 時間 (%) = 100 = 100 54
5-2 風能 風力發電機 一部典型的現代水平軸式風力發電機包含葉 片 輪 ( 與葉片合稱葉輪 ) 機艙罩 齒輪箱 發電機 塔架 基座 控制系統 電纜線等 旋轉翼 旋轉翼直徑 旋轉翼直徑 齒輪箱發電機 旋轉翼 風向 旋轉翼直徑 輪軸高度 塔 塔 基座 水平軸式 齒輪箱 垂直軸式 發電機 55
發電廠的發電機 這裡的轉子是一個很大的電磁鐵, 內藏線圈, 以產生磁場 當它在定子內轉動時, 定子內的線圈便會產生感生電流
風力發電機
5-2 風能 水平軸式風力發電機內部結構與 組件 58
5-2 風能 風力發電機之分類 4. 依照風力發電機組容量大小可分為小型 中型及大型 目前全球風機的單機容量有 600kW~ 5000kW 等 (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 升力型風車以所受的升力帶動葉片轉動, 轉速較快, 轉換效率亦較高, 新型風力發電機多以升力型為主 阻力型風車以所受的阻力帶動葉片轉動, 扭矩較大, 但轉速較慢, 轉換效率較低, 傳統風車多採用此種形式 59
風力發電機依照葉片數量分類 依照葉片數量可分為多葉片及少葉片式 就雙葉片而言, 葉片較少, 故可節省葉片的成本, 另外負荷較輕, 所以可以較高的轉速運轉, 但相對地振動及噪音較大 四葉片由於葉片數多, 故葉片成本較高, 並以較低轉速運轉, 振動及噪音較小 三葉片式, 綜合雙葉片及四葉片之優點, 現在較普遍採用 多葉片的風車效率低, 機械力矩高, 適用於汲水 少葉片的風車效率高, 機械力矩低,
5-2 風能 60% 50% 螺旋型風車理想效率曲線 現代三葉式 40% 高速二葉式 效率 30% 美國多葉式 垂直軸風車 20% 荷蘭四葉式 10% Savonius 旋轉翼 0 0 1 2 3 4 5 6 7 效率也與葉輪直徑之大小有關 葉片尖端速度與風速的比值 61
5-2 風能 額定風速與停機風速 一般市場上風力發電機的起動風速約介於 2.5~4 m/s, 於額定風速 (12~15 m/s) 時達到額定的輸出容量 為避免過高的風速損壞發電機, 大多於風速達 20~25 m/s 範圍內停機, 典型的停止運轉風速 (cut-out velocity) 為 25 m/s 額定風速 停機風速 發電量 啟動風速 0 5 10 15 20 25 30 風速 (m/s) 62
5-1 太陽能 全球風力發電機裝置容量分布圖 63
5-2 風能 台灣風力資源分佈 西部沿海包括桃園 新竹 苗栗 台中 彰化等地以及外島地區的澎湖與蘭嶼離島等地區, 年平均風速可達 5~6 m/s 以上, 風能密度達 250 W/m 2 以上, 深具開發風能的潛力 如能多加利用將可促進國內能源多元化與自主性 64
5-2 風能 風力發電機的優點 風力能源永不耗竭 風力發電無污染 風力發電是自產能源 增加就業機會並具觀光效益 設置風力發電機時, 應考量因素有 : 風性與地理條件 風力發電機性能與配置 土地利用的規劃 慎選周圍環境 65
風力發電機併聯市電 目前風力發電機控制可分成兩種, 一種為可變速控制, 另一種固定速度控制 變速型風力發電機透過對傳動機構或電機的控制, 使其葉輪轉速在額定風速內可以隨風大小而改變 相較於傳統定速型風力發電機, 變速型風力發電機之主要優點包含 : 在額定風速之下, 可擷取較大的風能 可降低陣風對傳動系統及機構的負荷 可維持電力品質及電壓穩定度, 減少對電網之衝擊
定速型風力發電機組系統之架構 風力發電機是利用鼠籠式感應發電機透過升壓變壓器與系統連接, 但感應發電機會消耗虛功率, 所以一般在每部風力機組下面會併聯上約風力發電機容量之 30 % 的電容器來補償感應機之激磁電流 此類的風力機控制方面是利用變速箱以及改變轉子的極數以維持風力發電機轉子的旋轉速度, 達到定頻穩定的功率輸出特性, 故被稱為定速型風機 當突然有一陣強風時, 由於內部是使用機械控制方式, 其特性會受機械控制的響應快慢而受影響, 使得風力機之輸出功率也跟著變動, 造成系統的電壓不穩
定速型風力發電機組之架構
變速型風力發電機組 現在所發展的大容量風力發電機主要操作於變速的模式, 所以被稱為變速型風力發電機組 它與定速型風力發電機主要差別再於此種風力機採用電力電子轉換器經由升壓變壓器與系統併聯, 故可使風力發電機的轉子在於變速狀態下, 並利用電力轉換器, 轉換出額定之功率注入系統 其優點如下 :
變速型風力發電機組之架構
變速型風力發電機組之優點 機械結構成本較低且旋角控制較為容易 : 因為採用電力電子元件來控制, 發電機可操作於變速狀態下, 故在硬體設備方面的成本較便宜 平常風速比較小的時候, 風機的葉片旋角控制器通常不運作, 唯獨當風速超過額定風速的時候, 才會去驅動到葉片旋角控制器 降低機械受力 : 當忽然發生強風時, 變速型風力發電機組架構不需要定速運轉, 可直接利用葉片機械結構來擷取風能轉為機械能, 進而由發電機轉為負載需之的電能, 故在葉片上的機械壓力會比定速型小 改善系統的發電效率 : 風力渦輪機的轉速可由葉片旋角控制器及電力電子元件來作適當的調整, 使其輸出功率達到最大 4 改善電力品質 : 此系統的輸出不直接受到轉矩的擾動所干擾, 故當風速變動時, 可以降低對系統的電壓擾動的衝擊
變速型風力發電機組之缺點 因為變速型風力發電機組中採用電力轉換器, 所以其缺點如下 : 由於電力轉換器與風力機串聯連接, 故其容量大小與風力機之額定容量大小需要相同, 所以其成本比較貴 電力轉換器輸出端所連接的瀘波器其容量大小與風力機之額定容量大小需要相同, 所以設計方面相當困難且成本比較昂貴 由於電力轉換器的效率會影響到整個系統的效率, 所以在設計上須考慮和注意
能源與生活 地熱能李麗英 2012/04/04
地球結構
5-3 地熱能 地殼 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, 該處熔岩溫度約介於 650 到 1,200 之間 由於此層中岩漿在某些地區向地表滲透而造成了各種不同的熱特徵 當深度達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, 據推測約為 4,000 地殼地函 內地函 外地核 ( 液態 ) 內地函 ( 固態 ) 6370 5120 2900 900 150 0 離地表距離 (km) 75
5-3 地熱能 地熱活動 地熱活動常見的各種現象有火山爆發 間歇泉 噴氣孔及溫泉等 除了地熱活動外, 由於地質板塊運動 ( 每年約數公分 ), 致使板塊連接處彼此間碰撞及摩擦而產生造山運動 火山活動及地震 在板塊連接處常可見顯著的熱流現象 今日世界上大部份的地熱位置座落於太平洋板塊的邊緣, 其稱為 火環 76
5-3 地熱能 美國黃石公園內之老忠實間歇泉 77
5-3 地熱能 日本大涌谷之噴氣口 78
5-3 地熱能 火環 太平洋 大西洋 印度洋 火環 79
5-3 地熱能 火環 http://www.geography-site.co.uk/pages/physical/earth/volcanoes/ring%20of%20fire.html 80
5-3 地熱能 Earthquake in Haiti ( 海地 )and Chile( 智利 ) http://www.geography-site.co.uk/pages/physical/earth/volcanoes/ring%20of%20fire.html 81
地熱能源簡介 地熱也是一種極具發展潛力的能源 地熱蘊藏甚豐 開發成本也算低廉, 使用時比火力及核能發電安全及較少污染
5-3 地熱能 地熱資源 國 家 裝置容量 (MWe) 美 國 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 83
5-3 地熱能 美國勒蓋沙斯地熱電廠 84
5-3 地熱能 水熱系統 間歇泉 溫泉 火山爆發等熱點, 最常見的地熱利用形態稱為水熱系統, 其中岩漿的熱能係儲存在岩石孔隙或裂縫裡的水中或蒸汽中 水熱系統可分為成濕汽及乾汽兩大類, 濕汽系統又稱為熱水系統 雖然濕汽系統的資源遠較乾汽系統豐富, 但由於乾汽系統的使用較方便, 因而常用於發電, 例如美國的勒蓋沙斯及義大利的拉岱洛發電皆屬於乾汽系統 85
地熱發電的基本原理 利用無止盡的地熱來加熱地下水, 使其成為過熱蒸汽 (superheat steam) 後, 成為工作流體 (working fluid) 以推動渦輪機 (turbine) 旋轉發電 即將地熱轉換為機械能, 再將機械能轉換為電能 ; 這種以蒸汽來旋轉渦輪的方式, 和火力發電的原理是相同的
高溫地熱水 做為工作流體的高溫地熱水, 通常採 閃化蒸汽處理, 也就是讓它因壓力驟降而迅速汽化, 緊接導入低壓蒸汽渦輪機產生動力以發電 工作流體若為乾而高溫的過熱蒸汽, 可直接通入渦輪機, 若同時含有水蒸氣和熱水, 則須先藉 汽水分離裝置 將二者分離, 待水蒸氣推轉渦輪機後凝結為熱水, 如果熱水溫度仍高, 則可經閃化處理再利用或另作他途 發電系統末端之冷凝水經適當控溫後排入河川, 或回注地下以免地層下陷
地熱蒸汽發電系統 分為 乾蒸汽式 發電, 及 閃化蒸汽式 發電 天然乾蒸汽是最簡便而有效的工作流體, 只要由管線直接導入蒸汽渦輪機就可產生電力 閃化蒸汽式, 是高溫地熱水經單段或多段閃化成為蒸汽, 再由汽水分離裝置去除熱水, 以蒸汽推動渦輪機發電 該系統之運用技術已趨成熟且安全可靠, 是目前地熱發電最主要的形式
熾熱岩發電系統 將冷水通入高溫的地熱井 ( 屬於熾熱岩層 ), 使其產生高溫蒸氣來推動渦輪機發電 須先鑿通兩口深達數千公尺的深斜井, 再將冷水注入其中一井, 由熾熱岩層所提供的地熱加熱, 使其產生水蒸氣從另一井匯集後, 推動渦輪機發電 不過由於經濟因素使然, 該發電系統較難被大規模推廣
雙迴圈發電系統 又稱 雙循環式 發電或介質發電系統 雙迴圈發電是通過加熱源對沸點較低的介質進行加熱, 使其蒸發, 利用其蒸汽轉動渦輪機的一種發電方式 因是利用加熱源系統和介質系統 2 個熱迴圈進行發電, 所以被稱為雙迴圈迴圈 (Binary-Cycle) 發電 經過熱交換器加熱流體, 使其氣化推動渦輪機再產生電力, 而工作流體 ( 如 : 戊烷 異丁烷 丁烷 氟氯烷等 ) 則繼續循環使用 其中可作為介質的氟氯烷 (Freon) 因 蒙特婁公約 之故, 已全面禁用
地熱發電
全流發電系統 又稱 總流式 發電 地熱井產生的熱流體 ( 包含蒸氣與熱水 ) 導入特殊設計的渦輪機, 同時利用由動能及壓力能帶動傳動軸連接發電機以產生電力
5-3 地熱能 當開鑿地熱井並使熱水流到井中時, 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發電, 而熱水則可用於加熱 濕汽系統 當水儲存於地下儲庫並受到周遭岩石加熱後, 由於高壓環境, 水溫可達 370 且不會沸騰 當這些熱水被釋放到地球表面時, 由於壓力的劇降, 熱水將閃發而立刻轉變成蒸汽 93
5-3 地熱能 乾汽系統 乾汽系統中, 環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 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發電 94
地熱能發電的技術 在地殼斷層位置鑽兩個洞通到深層岩石裂縫, 以管子連接到地面的發電廠, 只要在一條管子中注入冷水, 另一條管子即會噴出蒸汽, 用這些水蒸汽便可以驅動渦輪發電 地熱發電所使用的蒸氣是免費的, 而且不會在加熱中造成污染, 不過, 由於受能地理條件限制, 它只能為我們提供一部份能源
5-3 地熱能 開發地熱對環境的不良影響 硫化氫 (H 2 S) 氣體 : 開發地熱時可能排放出大量硫化氫氣體, 將對環境造成某種程度的影響及危害 熱廢水 : 可能影響河川中魚類與植物之生態, 而熱水中的硼素對某些農作物有害 矽垢 : 地熱水在地下深部, 矽是飽和狀態, 溫度下降便析出無定形矽, 因此井壁 井口及地面管線等附著很多矽垢, 將會影響蒸汽生產量 地盤下陷與沖蝕 : 熱水型地熱田生產大量熱水, 若地盤不堅固時便會慢慢下陷 自然景觀及生態環境的破壞 : 包括地熱開發而伴隨之開闢道路, 生產井井坪, 發電廠場地等之樹林砍伐 地震 : 因地熱田大部份集中在地震頻繁地區, 而熱水之還原地下可能增加地震頻率 96
5-3 地熱能 台灣地熱探勘利用研究沿革 1 時段 民國 55~61 年 民國 61~82 年 研究區域 大屯地熱區 清水地熱區 工作內容 探勘評估 多目標利用研究 地熱範圍資源約為 40 平方公里, 最高溫度為, 具有發電潛能約為 50 萬瓩, 惟其地熱資源具酸性, 且位於國家公園內, 無法進行大規模發電, 但具有溫泉沐浴及發電觀光之功能 探勘評估 發電試驗 地熱範圍約為 6 平方公里, 最高溫度為, 發電潛能約為 6 萬瓩 97
台灣地熱探勘利用研究沿革 2 民國 62~73 年 全省地熱區 普查 重點區域探勘 廬山 : 範圍 4 平方公里, 最高溫度, 發電潛能約為 4.1 萬瓩 知本 : 範圍 2 平方公里, 最高溫度, 發電潛能約為 2.5 萬瓩 金崙 : 範圍 4 平方公里, 最高溫度, 發電潛能約為 4.8 萬瓩 民國 74~83 年 土場地熱區 發電試驗 多目標地熱研究 地熱範圍約為 3 平方公里, 最高溫度為, 發電潛能為 2.5 萬瓩
台灣之單井產能 我國位處環太平洋火山帶, 地熱徵兆明顯 ; 惟經調查研究, 我國除大屯山地區外, 其他地熱區均屬 - 變質岩區, 熱水型, 產能受到岩層裂隙的控制 與國際主要地熱利用國家之火山型地熱相比, 台灣之其單井產能偏低較不具效益, 難以建置大型電廠, 故開發地熱發電宜結合觀光遊憩等多目標利用, 以提高經濟效益
國內地熱資源 國內地熱資源以大屯山地區蘊藏最佳, 惟需考量位處國家公園範圍及酸性腐蝕問題, 現階段尚不宜開發 除大屯山外, 目前以宜蘭清水最具開發潛能, 開發條件亦較其他地熱區為佳
5-3 地熱能 土場地熱之多目標利用 多目標利用內容 溫室花卉栽培 地熱暖房 溫泉沐浴 蝴蝶蘭適合生長溫度為 15-20, 而台灣山區冬季溫度常低於 15, 所以利用地熱資源做為室溫所須之熱源, 對於溫室花卉栽培具有節約傳統能源的效益 地熱所產生的熱水利用熱交換器可以將熱量傳送到我們居住的空間做為暖房應用, 這可配合觀光地區應用於旅館的空調以節約傳統能源的使用 中低溫的地熱水可直接作為溫泉利用, 並可作為溫水游泳池的熱源 二氧化碳的生產 : 台灣中央山脈變質岩帶的地熱井, 除生產高溫的熱水及蒸汽外, 也伴生大量的二氧化碳氣體, 若加以壓縮液化可以運銷市場, 作為冷媒 飲料及焊接等工業原料 101
地熱發電示範系統探勘補助要點 經濟部能源局於 94 年 8 月公告實施 地熱發電示範系統探勘補助要點 目前已補助宜蘭縣政府完成 宜蘭清水地區地熱發電示範系統探勘計畫, 後續將配合協助宜蘭縣政府建立結合地熱發電與觀光遊憩等多目標利用的示範園區 已通過補助台東縣政府辦理 台東金崙地區地熱發電示範系統探勘計畫, 將協助其進行探勘以釐清地熱資源