分散式發電

分散式發電及微型電網 報告學生 : 楊育璋

大綱 摘要 分散式發電 太陽能電池 小型風力機組 汽電共生 混合式微型智慧電網 結論 參考文獻

摘要 由於 再生能源 與 能源自主觀念 的推行, 分散式電力系統逐漸地受到重視 分散式發電系統是由許多小型模組化的發電系統和對應之配電系統所組成, 這些系統大部分設置在電力需求的所在地, 除了能獨立運行外, 也可以併聯電力網路 燃料電池 太陽能 風力發電等都可視為分散式發電系統

分散式發電的規範 分散發電是用多種小型連接電網的設備發電和儲能的技術與系統 顧名思義, 是屬於一種較為分散的發電方式, 與分散式發電相對的是集中式發電 常規發電站, 如燃煤, 天然氣和核電站, 以及水壩和大型太陽能發電站, 為集中式發電, 並且通常需要把電力進行長距離傳輸 相比之下, 分散式發電系統是分散的, 模塊化的和更靈活的技術, 即位置接近它們所服務的負載, 雖然具有僅為 10 兆瓦 (MW) 或更小的容量

何謂集中式發電與分散式發電 集中式發電 所謂集中式發電, 是以一座大型發電廠 ( 火力 核能電廠等 ) 供應一個廣大地區對電力的需求 這種供電模式已經有數百年的歷史, 至今仍然大量使用, 台灣的核能發電廠便是一個典型的例子 分散式發電與集中式發電相對 它是將發電系統以小規模 ( 數千瓦至 50MW 的小型模組式 ) 分散式的方式佈置在用戶附近, 可獨立地輸出電 熱或冷能的系統 此概念最先是 1978 年由美國公共事業管理政策法公佈後在美國正式推廣, 然後被其他工業國所採用

集中式發電與分散式發電比較

分散式發電的規範 分散式發電指的是較靠近負載端且發電容量較小的小型發電設備所組成的系統, 主要包含下列幾種 : 風力發電 太陽能發電 燃料電池 柴油引擎 汽油引擎 汽電共生

分散式發電的優點 減少輸電損失 : 由於分散式發電大多較靠近供電區, 故可避免因長程電力傳輸所造成的損失 增加發電容量 提高供電品質與穩定度, 減少大規模斷電的可能性及造成的危害 ( 讓備用發電機一直關閉 在需要使用時可能會故障 ) 建置成本較集中式發電低廉, 因為減少建設或擴充電力網的需求, 而且許多地方 ( 如醫院 ) 本來就有備援電源的需求, 直接使用分散式發電系統是經濟可靠的選擇 可以利用發電廢熱來供應熱水 暖氣, 甚至可以使用吸收式冷卻系統來供冷

分散式發電的缺點 維修據點較多 燃料供應問題 大型集中式發電對於處理污染的成本較低 當分散式發電發展到一定的程度, 核電廠及燃煤發電廠將完全失去競爭力 ( 就算不考慮重大核能事故風險 核廢料處理 排放處理及碳排放成本 ), 此時多數電力用戶是電力公司當成備援電力 及用戶將電力網路當成電力交換機制, 發電需求很難預測, 無法短時間內調整發電量的核電廠及燃煤發電廠, 很難加入電網 電價較高, 發電廠大規模生產能降低平均成本 ( 規模經濟 )

太陽能發電原理 太陽電池 (solar cell) 是以半導體製程製成的, 將太陽光照射在其上, 太陽電池吸收太陽光後, 能透過 p 型半導體及 n 型半導體使其產生電子 ( 負極 ) 及電洞 ( 正極 ), 同時分離電子與電洞而形成電壓降, 再經由導線傳輸至負載 參考資料 : 工研院太電中心太陽光電資訊網 http://solarpv.itri.org.tw/aboutus/sense/categor

太陽能發電 由於太陽能發電產生的電是直流電, 因此若需提供電力給家電用品或各式電器則需加裝直 / 交流轉換器, 將直流電轉換成交流電, 才能供電至家庭用電或工業用電 參考資料 : 工研院太電中心太陽光電資訊網 http://solarpv.itri.org.tw/aboutus/sense/categor

獨立型 PV 系統 工作方式 : 為儲能概念之應用 白天 PV 發電供負載與充電 ; 夜間蓄電池供電適用地點 : 高山及離島等市電無法到達處 ( 比架設輸配電設備成本低 ) 缺點 : 1. 定時維護或更新蓄電池 2. 能量損失較高 參考資料 : 工研院太電中心太陽光電資訊網 http://solarpv.itri.org.tw/aboutus/sense/categor

併聯型 PV 系統 工作方式 : 即發即用概念 白天 PV 發電供負載與市電併接 ; 夜間由台電供給負載用電優點 : 1. 系統簡單 不需要專人維護且發電利用率高 效率高 2. 不需要考慮負載大小, 故 PV 系統設備維護簡單缺點 : 夜間則太陽能無法使用 參考資料 : 工研院太電中心太陽光電資訊網 http://solarpv.itri.org.tw/aboutus/sense/categor

小型風力機組 風力機在人類歷史中發展已久, 目前技術上已經可以達到單機容量 5MW 以上 ; 不過小型風力機的應用範圍更廣 產生的壓迫感小, 安裝上也較為容易, 因此在近年來逐漸受到重視 目前國際間對於小型風力機的定義有多種 表格為各國 小型風力機 的定義 參考資料 : 台灣中小型風力發電機發展協會 Availble on http://www.small-wind.org.tw/index.aspx

風力機組發電原理 風力機藉由空氣的氣動力作用轉動葉片, 將風的動能轉換成電能 風能與風葉掃撂面積及風速三次方成正比, 風速愈大, 風能愈高, 可產出的電力也愈多, 因此選擇良好的風場極為重要! 至於實際發出功率則必須考慮葉片效率 傳動機械效率 發電機效率與電力轉換器效率等因素 在能量轉換的過程中, 會發生些許損耗, 以致於風力機無法將全部風能轉換成電能 一般而言, 風力機將風能轉換為電能的輸出效率約 20~40% 參考資料 : 台灣中小型風力發電機發展協會 Availble on http://www.small-wind.org.tw/index.aspx

併網型系統 為避免無風時發生斷電的情形, 獨立型系統都含有蓄電池, 將平時的風電儲存起來, 無風時可放電使用 近來因為環保觀念的推廣, 小型風力機也逐漸普及到都市中, 這類的系統稱之為併網型系統 (grid-tied system) 參考資料 : 台灣中小型風力發電機發展協會 Availble on http://www.small-wind.org.tw/index.aspx

混合型系統 混合型系統指的是結合不同發電技術的電力系統, 如風力機搭配太陽光電系統等 即使在無風時, 這類系統也可以使用太陽光電供電, 避免斷電情形, 利用風和太陽互補的關係, 提昇了路燈供電的穩定度 參考資料 : 台灣中小型風力發電機發展協會 Availble on http://www.small-wind.org.tw/index.aspx

汽電共生 又稱熱電聯產, 為一種工業製程技巧, 利用發電後的廢熱用於工業製造或是利用工業製造的廢熱發電, 達到能量最大化利用的目的 以先發電式來說由於傳統發電機效率只有 30% 左右, 高達 70% 燃料能量被轉化成無用的熱, 汽電共生能再利用 30% 的熱能於工業, 使燃料達到 60% 效率 系統使用了各種工業機具原本就會在運作中所產生的廢熱, 等於所發的電都是額外的收益 參考資料 : 工研院能源與資源研究所 Availble on https://www.itri.org.tw/chi/content/messagess/contents.aspx?siteid=1&mmmid=620622503176155413

先發電式汽電共生系統 初級能源 ( 蒸汽 ) 先用以發電, 發電後之餘熱, 再提供製程使用, 汽電共生機組如背壓式汽輪發電機組 抽汽 / 冷凝式氣輪發電機組 汽渦輪發電單循環機組 汽渦輪廢熱鍋爐複循環機組 柴油引擎機組等均屬於此種先發電式汽電共生系統 此種形式之汽電共生系統較適用於一般較低溫之工業製程工廠使用 參考資料 : 工研院能源與資源研究所 Availble on https://www.itri.org.tw/chi/content/messagess/contents.aspx?siteid=1&mmmid=620622503176155413

後發電式汽電共生系統 後發電初級能源先滿足製程熱能需求, 再將排出之餘熱供發電之用, 此種型式汽電共生系統適用於需要高溫蒸汽之製程工廠, 例如玻璃製造廠 水泥廠 冶金工廠 化工廠等 參考資料 : 工研院能源與資源研究所 Availble on https://www.itri.org.tw/chi/content/messagess/contents.aspx?siteid=1&mmmid=620622503176155413

混合式微型智慧電網 智慧型電網未來推廣程度要端看技術發展 政策目標與對電力品質改善的程度而定 未來微電網技術導入後, 短期可提高台灣電力網路對分散式電力承載容量, 中長期則可用於電力設備之資產管理 變壓器負載管理與竊電防治 參考資料 : 台灣智慧型微型電網產業協會 http://www.smart-grid.org.tw/content/smart_grid/development.aspx

混合式微型智慧電網 分散式再生能源發電具有間歇性與不穩定性, 若區域再生能源占比逐漸提升, 勢必衝擊到電力系統區域運轉的穩定性 微型電網是能夠提供高效 穩定供電的一個重要手段, 並且是提升再生能源占比的最佳途徑 參考資料 : 台灣智慧型微型電網產業協會 http://www.smart-grid.org.tw/content/smart_grid/development.aspx

混合式微型智慧電網 混合式微型智慧電網優點在於 : 1) 雙向儲能 ( 直流微電網 < = > 交流微電網 ) 2) 削峰填谷 ( 虛擬電廠 Virtual PowerPlant) 3) 孤島運行 ( 電網與再生能源斷電, 僅靠電池供電 ) 4) 同步供電 ( 電網 / 再生能源 / 儲能電池一起供電 ) 5) 市電併聯 ( 再生能源 / 燃料電池可以送電供應交流微電網 ) 6) 降低變壓器 / 變電站 / 輸電線容量需求 參考資料 : 台灣智慧型微型電網產業協會 http://www.smart-grid.org.tw/content/smart_grid/development.aspx

混合式微型智慧電網 由於分散式電力系統未來逐漸普及, 配送電力網路設計須考慮配電網路中所併聯的附加供電系統 分散式的電力系統除了發電與儲電系統外, 管理和通訊系統不可欠缺 在未來的電力系統構造中, 需要對越來越複雜的系統進行管理, 整合系統上的所有設備, 三個重要概念因此蘊育而生 參考資料 : 台灣智慧型微型電網產業協會 http://www.smart-grid.org.tw/content/smart_grid/development.aspx

混合式微型智慧電網 1. 微型網路系統 微型網路系統是由數個小型發電與儲電單元 電力需求者與低電壓配電系統所組成之獨立或併聯的電力系統 微型網路系統主要特色在於單日整體電力需求在數度 (kwh) 之譜 參考資料 : 台灣智慧型微型電網產業協會 http://www.smart-grid.org.tw/content/smart_grid/development.aspx

混合式微型智慧電網 2. 支援資通訊技術的互動網路管理 互動網路管理系統概念除了利用資通訊技術控制區域內之微型電網外, 最大的特色在於利用遠端協調整體電力網路個別區域電力系統 如果某地區電力不足的話, 為了維持電力系統平衡, 可停止特定需求端的供電或發電 這樣的系統有助於提高電力系統的可靠度 參考資料 : 台灣智慧型微型電網產業協會 http://www.smart-grid.org.tw/content/smart_grid/development.aspx

混合式微型智慧電網 3. 先進電力通訊系統 先進電力通訊可建立互動網路管理系統, 有助於改善能源管理 防範竊電 建立電力公司與使用者間溝通工作, 亦可協助電力系統管理資訊網路化, 完成分散式負載管理 緊急事件反應及自動抄表等 參考資料 : 台灣智慧型微型電網產業協會 http://www.smart-grid.org.tw/content/smart_grid/development.aspx

混合式微型智慧電網 參考資料 : 台灣智慧型微型電網產業協會 http://www.smart-grid.org.tw/content/smart_grid/development.aspx

結論 在智慧電網發展下, 電力網路將區隔成很多微電網 (micro grid) 的小型迷你電業 (mini-utility) 每個變電所或迷你電業皆可自由選擇購買發電批發市場的電力, 或是優先透過分散式供電系統來自行供電 分散式的電業結構將會促成多樣化電價, 依據不同條件 ( 如 : 供電可靠度 用電尖離峰時間 用戶 (end user) 局部卸載次數及其頻率 ) 提供不同電力商品, 以滿足各種用戶需求, 進而促成電力市場的競爭, 提升電業經營效率 分散式供電系統不但是全球電業發展趨勢, 同時也能紓解部分區域限電的壓力, 值得有關各界單位重視

結論 分散式發電系統的能源來源是多元化的, 幾乎大多無污染的再生能源都適用於此類發電方式, 例如太陽能電池 風力發電等, 尤其是以轉換效率高的燃料電池最被看好 不過, 這些新興的再生能源產業仍然存在許多尚未克服的缺陷, 像是燃料電池氫氣的儲存與運送 太陽能板轉換效率不足 風力發電影響鳥類生態等 ; 而尚未健全的法規也可能造成分散式發電普及的困難

參考文獻 黃奕儒, 合久必 分? 淺談分散型電力, 經濟部能源局 - 能源報導, 民國 91 年 5 月號,28 頁 分散式電力系統相關經濟與產業效益分析 - 行政院原子能委員會 - 委託研究計畫研究報告 工研院太電中心太陽光電資訊網 http://solarpv.itri.org.tw/aboutus/sense/categor 台灣中小型風力發電機發展協會 http://www.small-wind.org.tw/index.aspx 風力發電 技術日趨成熟, 成為世界發電主流 http://www.reihk.com/edu/wind%20turbines.htm

參考文獻 台灣智慧型微型電網產業協會 http://www.smartgrid.org.tw/content/smart_grid/development.aspx 再生能源網 http://re.org.tw 論分散型供電系統的發展趨勢及其對台灣的涵義 作者 : 許志義 http://www.moea.gov.tw/~ecobook/season/sa421.htm#p3 工研院能源與資源研究所 https://www.itri.org.tw/chi/content/messagess/contents.aspx?si teid=1&mmmid=620622503176155413 92 年 09 月能源報導 電業 分 起點 淺談分散型電力 撰文 : 謝惠子頁次 :5

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