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能源是人們可以利用的全部能量。自從地球上有了人類,人便懂得利用本身的體力、獸力、以及大自然的太陽、風力、水力等能源去產生能量,為人們做各種工作。隨著文明的演進,人更學會利用石油天然氣、海潮、原子能等能源去產生熱能、電能和機械能,替人類創造更舒適的生活。

何謂綠色能源

所謂綠色能源分別指再生能源及節能與提升能源效率的技術。再生能源指的是,相對煤、石油、天然氣、鈾(核能)等不可再生能源,而能於自然界中取得再利用且源源不絕之能 源。而利用高效率、低污染的能源轉換及利用新技術,便能節能且提升能源效率。 太陽能吸收板分設於屋頂及社區周界,供給照明及加熱之用。綠色社區中亦有考量環境保護及資源回收之有機農場及水產養殖,所有作物澆灌用水皆為簡易處理後之回收生活污水。肥料之使用亦為廚餘及修剪枝葉廢物熟化之堆肥;養殖魚池之表面曝氣設施亦由風力產生之電力所供給。特別值得一提的是,為節省空調電力,社區內建築物之構築皆考慮通風及日照角度。且建築外部以蔓藤植物覆蓋,以提供涼蔭。本綠色生態社區之構造理念,可供國內生活環境改造計劃參考。

發電的原理 電是一種自然力量,可以用人為的方法引發,這就是[發電]。要產生電流,必須迫使電子脫離軌道,這就需要外來力量的協助,風力、火力、水力、核能都可以。 有了這些能源,就可以發出高溫→產生蒸氣→推動渦輪 →轉動發電機,電力就源源不覺得產生了。

能源意義

能源存在於自然界中,不需經過轉換處理,直接可用的稱為「初級能源」﹝Primary Energy﹞,例如太陽能、水力等,但凡必須經過轉換才可提供使用的能源,稱之為「次級能源」﹝Secondary Energy﹞,例如:汽油、電能等。 目前依賴最重,使用最多的還是化石性燃料﹝Fossil fuel﹞,如煤、石油和天然氣等,佔有90﹪以上的今日能源供應市場由於這類燃料其蘊藏量有限且日益枯竭、分佈不均。

綠色能源種類

一、 太陽: 1. 每年照射到地球表面的太陽能,估計為1.78×1017瓦-年,約為目前全世界每年所需能量的一萬多倍。 2. 其中有30%之太陽能被反射回太空。 3. 約有50%為地球表面吸收後,再重新輻射出去,因此得以維持地球表面的溫度。 4. 約20%的太陽能將地表的水蒸發成水蒸氣,形成雲、雨及空氣的流動(水力和風力的由來),同時也造成海洋表面和底層的溫差。 5. 只有很小的比例(約0.06%)用於進行植物生長所需的光合作用,太陽能被轉化儲存在植物體內碳氫化合物的化學能。 6. 太陽能可經由太陽電池直接轉換為電能,或是利用反射鏡,將太陽光焦聚直接轉換為熱能。直接取用的太陽能,沒有造成任何污染,是非常乾淨的能源。(但成本高,經濟價值不高,僅適合在沙漠或偏遠地帶)。

太陽能照片來自

補充發電原理:一個太陽能電場包含許多排的太陽能電池,他們與一個中央的熱交換機聯結,來產生驅動發電機。這些太陽能電池通常被曲面的反射鏡環繞,並且方向隨著太陽光的角度而改變,使之更有效率。太陽能電場的主要缺點是在熱從集電器轉移至中央熱交換機的過程中流失,一個解決方法是籍一個含有數千個分離的鏡子的循環區域,將太陽的熱能集中到一個中央收集點。第一個中央收集系統是溫度達攝氏3,000 度以上的實驗性太陽能熔爐,而在西元1980 年代,第一個中央收集動力塔開始運作。太陽的射線焦點集聚在動力塔的頂端,並且藉一連串含有液態鈉的黑色管子來收集熱,在基底的熱交換機和鍋爐連結,以產生蒸氣來驅動發電機。


二、 水力與風力發電: 本質上都是太陽能的間接利用,發電過程不會產生污染性廢物,是相當理想的清潔能源。(在開發中國家,水力發電資源已趨飽和。且造成對生態環境的影響廣受爭議,風力發電之風車葉片會產生很大的噪音,使人不安,且對自然景觀有負面的影響。)

發電原理: 水力發電~ 1. 慣常式 川流式、調整池式、水庫式 水是自然動力中最有用,因為它最容易被掌控。流水可經由水閘或管線被輸送,更重要的,一條河流可藉水壩區隔成能容納大量水的水庫,當需要時便釋出其所需的量。水力常被規劃成水力發電廠,通常建基於大型的水壩,最佳的地理位置是在高山地區且狹窄而兩側陡峭的河谷,水壩建於如此的河谷可以產生超過100公里(60英哩)長的蓄水庫。大規模的計劃或許就不只一個簡單的水壩和蓄水庫。在澳洲的雪山(Snowy Mountains),雪河的水藉由一連串的地下通道,轉至十六個發電廠。

水力照片來自

2. 抽蓄式 水力亦被用來儲存其他發電廠多餘的能量,這可所謂的抽蓄發電廠(pumped-storageplant)來處理,及使用兩個分離且不同水平面的蓄水庫。正常運作下,位置較高的水庫的水被用來驅動渦輪產生電,而經過渦輪的水便儲存在較低的水庫。一但有多餘的電,便被用來抽取較低水庫的水回到較高的水庫。電力的需求在白天時達到最高點,這亦意味著,大多數的發電站,抽水的工作通常在夜間完成。

風力發電~利用風力推動風車旋轉發電機,叫風力發電。風力發電主要是使用螺旋槳型風車,有時亦採用錐形或新式多 翼型等。 風力發電的優點是不會造成公害,而且取用不盡。但風力發電也有困難,就是風向和風力時常改變,且無法 將能量集中。 為了解決這些問題,所以需組合特殊裝置。目前已有3000千瓦的風力發電設備在運轉。

風力照片來自

三、 潮汐與地熱發電: 潮汐發電以及地熱發電都是善於利用地區和地形的特性,以產生乾淨能源。 發電原理:利用潮的滿乾所型成的落差,來從事發電的方法,如圖所示,在海灣圍建提防和水路,在漲潮時引水 入儲水池;退潮時將儲水放出,每日可發電 4 次,但當潮的滿乾落差小時,則很難發電。

地熱發電~我國位處地熱地帶中,對於地熱的利用抱著莫大的期待和遠景;目前正不斷進行研究和探測的工作,相信不 久將可加速開發。我國國民每人使用的平均電力約0 . 4 千瓦,所以人口5萬人的鄉鎮只要有2萬千瓦的地熱發 電廠,即可供應全鄉鎮的用電量。位於宜蘭縣的清水地熱發電廠,目前發電量已有800千瓦。現在所進行的地熱發電廠,是採直接取用地下蒸氣來旋轉汽輪機發電的蒸氣發電法。另外還有從地面將水送 入地下產生蒸氣的方法,使用此法時,即使地下沒有蒸氣儲存層的地方,仍然可以發電。所以,地熱可說是無 窮盡的地下能源。

地熱照片來自

四、 生質能的應用: 植物本身、農作物的殘渣、動物牲畜的排泄物等,可經化學處理合成為液體燃料,或經微生物的發酵作用產生沼氣,可用於燃燒產生熱能,這種能量稱為生質能。 利用甘蔗或玉米可製成酒精,是當今最主要的生質能能源。而生質能的供應需要依賴大面積種植,因此製作成本甚高,不適合地狹人稠的國家。儘管如此,生質能仍是一個值得選擇的替代化石燃料的能源。酒精燃燒固然會產生二氧化碳,但因大量植物的種植,經由光合作用,可回收大氣中的二氧化碳而達到平衡。 發電原理: 沼氣發電 ~利用動物排泄物與垃圾堆中的沼氣當燃料,燃燒後產生爭氣熱能來推動渦輪機的發電法。

甲烷    60~70% 二氧化碳  23~30% 硫化氫   1~5% 水蒸汽等  少許

欲得良質的氣體燃料,必須把上述氣體中之不純物去除,以提高燃燒利用價值;上述不純物中水份會堵塞通氣孔道,和二氧化磷一樣含量多則降低整個燃氣之燃燒值﹝發熱量﹞,此外硫化氫會腐蝕機械設備而且燃燒時生成有毒的二氧化硫,於人有害。 沼氣﹝生質氣﹞轉化的方法,主要是以嫌氣釀酵,嫌氣發酵不但可以製出有用的燃氣,還可以製成肥料,同時對生質具有殺菌的功效。


五、 核能反應發電: 核能和一般火力發電一樣,從特定的燃料中,發出大量的能,利用核反應產生巨大的核能,製造高溫高壓的蒸氣或氣體,導入輸機,驅動發電組發電。 核能所用的燃料,乃是可分裂或融合的放射性物質,例如鈾235、鈽239、鈾233等 核能在近年來由於日本和法國研究發展快滋生核反應爐,利用快速中子撞擊鈾-238,使轉化成可分裂的鈽-239,作為核反應的燃料。使先前含量高達99.3%的鈾-238,可充分的利用。

核能照片來自

補充核分裂:核能的產生首先是以中子撞擊可分裂物﹝如鈾235﹞使分裂,變成鋇及氪等原子,並發出能量以及快速中子,這些中子又會去撞擊旁的鈾原子核使分裂進行下去,稱為連鎖反應﹝或鏈反應﹞,為了有效控制反應速率,因此需要「緩和劑」﹝例如水、石磨、重水等﹞來吸收中子的能量,使之減速,以及「控制棒」﹝例如鋯金屬管中貯存石墨等可以吸收中子的物質﹞以使參與反應的中子數降低,直到反應以等速進行,反應時發出的能量是靠「冷卻劑」來移走,常用的冷卻劑有二氧化碳、水、氦、液態鈉等,冷卻劑流經「熱交換器」把熱量送出製造高溫蒸氣,送往汽機,產生動力。 核融合:目前人類只會應用融合時的巨大核能,當作殺傷武器﹝如氫彈﹞,由於核子融合﹝聚變﹞往往需要攝氏1億度的高溫因此欲將核融合發電,投入的能量比發出的多,迄今能停於研究階段,但是核融合的生成物很安全,燃料又便宜﹝例如1m3的水電解所得的天然重氫,採融合反應所發的核能,就超過200噸石油的能量﹞,所以核融合發電仍是很有發展潛力。


六、 石油和天然氣: 人類應用的最多,依賴得最重的能源,就是石油﹝又稱原油﹞,由於石油和天然氣往往相伴而生,又可互相轉化或代用,是所有能源中最方便使用的燃料,它可視需要量的多寡而調節生產量,便於輸送,也便於儲藏,可直接燃燒用於發電或驅動引擎。因此通稱之為「油氣」,目前在估計石油之蘊藏及產量時,也往往將天然氣,合併計算。(可惜地球的蘊藏量有限,人們開採使用石油的速率遠遠超過它形成的速率。)

石油照片來自

石油和天然氣不僅是優良的燃料,而且可供做化工生產之原料﹝如製造肥料等﹞。石油經沈澱、過濾、離心處理去除水份及固體,再送入蒸餾槽加溫,可依次分餾出各種汽化氣約200℃時,汽油已經完全分餾出,稱為「分餾汽油」,然後再增高溫度可分餾出燈油、輕油、機油、重油等,剩下瀝青;輕油及重油在高溫高壓之下再予化學處理又可得汽油,稱為「分解汽油」,總共自石油中可提煉日汽油量約30%。

汽油又是目前機械動力最主要的來源,交通工具﹝車、船、飛機等﹞大多以汽油為燃料,汽油含碳83~85%、氫14~15%,另含硫磺、抗燥劑等,在10℃遇火即燃,380℃時能自然,燃燒時空氣與汽油之混合比為14.5:1,每燃燒1公斤汽油可發出熱量約1萬千卡。 天然氣開發利用較晚,但蘊藏豐富,使用方便且污染較不嚴重,而且用途廣泛,因此能源價值日益昇高。天然氣是自然界一切天然生成可燃性氣體的統稱,譬如火山、溫泉、礦山、油田、煤田之氣體以及地下腐敗物質發酵生成之氣體,主要成分可說是各類碳氫化合物﹝ 如甲烷、乙烷、丙烷、丁烷等﹞及硫化氫等。

天然氣液化卸稱為液化天然氣﹝LNG﹞,液化是為了縮小體積以利運送及貯存,一般而言,液化天然氣主要成分是甲烷。若將丙烷、丁烷液化則稱為液化石油氣﹝LPG﹞,俗稱煤氣,常用做城市住宅工商加熱取暖之燃料。目前各國有大量採用天然氣取代石油之趨勢!


七、 煤: 能源危機主要的是因為石油蘊藏日益短少之故,而煤和石油同樣是開發使用歷史悠久的燃料,更因為煤具有存量豐富、用途廣泛之優點,因此在發電及工業加熱應用上,也常用來取代石油,煤及古代植物,埋在地下經長時間作用碳化而成,煤可分無煙煤、煙煤、次煙煤、褐煤等,發熱量每磅約可發6300~14000英熱單位,比重在1.25~1.7之間,比熱在351℉以下約1.32B.T.U./磅℉。

煤照片來自

直接利用係採用各種燃燒器﹝煤爐﹞,轉化利用是經液化或氣化等手續,先把煤變成燃氣或液化燃料﹝如乙炔、醇類、汽油等﹞再燃燒使用,加工處理是把煤研磨成煤粉,煉成焦煤,製成碳原料或製煤、油混合燃料,以供燃用。 煤燃燒所產生的污染比石油和天然氣嚴重得多,不過近年來工業界已積極在研究如何將煤轉化成便宜的、清潔的液體燃料,或轉化為可燃氣體,以提升煤的應用價值。 目前世界各留大多設法多用煤、天然氣,核能及其他能源,以減輕對石油的依賴;我國在能源供應之長期規畫中;亦預備將來提高煤、天然氣、核能之供應,預定增加情形為煤11.6%,天然氣5%,核能7.3%。[1]


八、 化石燃料: 動植物死亡後,埋葬在地下,經過數百萬年以上的地壓、地熱和細菌引致的化學變化後,累積形成煤、石油、天然氣等化石燃料。目前全世界每年消耗的能量約有90%來自於化石能源,其餘主要由核能和水力發電提供。

影片

大自然的力量The Power of Nature -認識再生能源


參考資料

  1. 能源01.03.2011 G990C003