電機工程技術於環境社會以及全球之運用

中華民國九十八年七月

電機工程技術於環境社會以及全球之運用

• 電機工程技術運用於能源與環保 1. 風能 2. 太陽能 3. 水能 4. 燃料電池

全球環境社會關心的議題一

• 電機工程技術運用於科技與經濟 1. 人機互動技術 2. 奈米技術 3. 家庭網路通訊技術 4. 光電半導體技術 5. 電力電子與電能技術 6. 伺服驅動與控制技術

全球環境社會關心的議題二

環保宣言

圖片來源環保局網站

• 發電成本較傳統能源為高。• 國際上推廣風力發電成效卓著的國家，如德國、丹麥、荷蘭、美國等，均於推廣初期經由補助措施來帶動設置風潮。

• 能源會也訂出風力發電系統設置補助辦法。

環保能源 - 風力發電

• 1941 年美國的 Vermont 電力公司建立第一個大型風力發電機（ 1.25MW ）。

• 日本預定建造當前日本規模最大的風力發電廠，總容量達 6萬瓩，地點在日本青森縣下北半島東海村，總投資超出 100 億日圓。

• 丹麥一國而言，已擁有風力機三千餘座，年發電量一百億度。由於燃料缺乏、環境保護的重視，因此最近各國都發展風力發電。



• 澎湖中屯，設置風力發電機組，該機組為四部六百千瓦風力發電機組成，此風力發電機組高塔型、垂直風葉片、水平發電機組，在二級風速時即可發電，十二級風時可滿載發電。

• 麥寮離島工業區建造風力發電廠，發電容量二千六百四十瓩，總投資一億多元。

• 逆風風力發電機和順風風發電機逆風風電機是一種風輪面向來風的橫軸式風電機。

順風風電機，來風是從風輪的背後吹來。大多數的風力發電機是逆風式的。

風力發電機的電機技術

圖片來源香港可再生能源網

風力發電機的電機技術

優點：不會造成公害而且取用不盡。

缺點：風力不穩定，風力和風向時常改變，能量無法集中。

麥寮 Vestas V47-660 風力發電機結構

Vestas V52-850 千瓦風力發電機機艙內的組成部份 ( 來源： Vestas )

• V52-850 千瓦風力發電機於不同噪音級別下的工作曲線 ( 來源： Vestas )

• 70kWp PV Water Tower (Taichung Science Industrial Park, Taiwan)

環保能源 - 太陽光發電

http://www.uniergy.com.tw/frame-home.htm

http://uniergy.com.tw/1-8.htm


• 台中電廠 72kWp太陽光電發電系統


http://uniergy.com.tw/1-8.htm

• 核三廠 50kWp BIPV 太陽光電市電併聯系統



• 5 kWp CIPV 構造物整合型太陽光電系統安裝地點 : 西湖休息站 (北上 )



• 太陽光發電應用於住所、景觀、通訊中繼、農業



• 系統種類

太陽光發電系統


• 換流充電控制設備併聯系統獨立系統


• 換流充電控制設備光電控制器 (Charge Controllers)

充電方式： Multi-stage Charging　　　　　最佳充電模式



• 太陽光電模板



環保太陽能光電技術• 崑山科技大學蘇炎坤校長與成功大學建築系林憲德教授主

持，以「 Green Office 」作為太陽光電與環保節能科技教學與研發整合之平台，申請教育部「 98 年度補助技專校院發展學校重點特色計畫」。

• 該計畫將達成提昇太陽光電與環保節能科技相關學程教學品質。

• 世界原油儲存量逐漸耗盡，終至枯竭的一天，在各式能源中，太陽能為最具潛力的替代能源之一。

• 近年來各國在太陽光電能系統的建構，逐漸與建築設計者結合。

• 該平台皆以太陽能發電及供電系統，再以 10kWp( 仟峰瓦 -以仟瓦為單位之太陽電池組列最大輸出功率 )太陽板模和 10kWp 市電併聯系統， 1年發電量約 11,850 度，節省電費約 34,000元，省電量將可抑制 CO2排放量 7,348公斤。

太陽光電與環保節能科技計畫

太陽光電與環保節能科技計畫• 「 Green Office 」預定建於本校運動場北側，利用光

電整合建築 BIPV (Building Integrated Photovoltaic) ，太陽能電池模板，結合太陽能發電與建築物外牆兩項功能與固態照明系統，研製太陽能電池整合之 LCD 玻璃窗、大型 LED 資訊看板、智慧型太陽能庭院(路 ) 燈及高效率 T-bar LED 辦公照明等設備。

• 另建造人工濕地生態系統淨化水質，並利用微生物分解不同的汙染物及臭味等，可有效處理廢水。

• 最後成立環保教學示範區，將落葉及校園餐廳之廚餘結合製作堆肥，及研究快速將廢食用油轉換成生質柴油，以達到廢物再利用，並展示有關污染防治、堆肥製造、生質柴油製造的成果。

• 水力發電開發方式的種類很多，因地理環境不同而異。• 以水源運用的情況，台灣水力發電開發方式分成川流式發電廠、調整池式發電廠、水庫式發電廠與抽蓄式 ( 揚水 )發電廠等四大類。

環保能源 - 水力發電

• 川流式發電廠這類水電廠通常位於水流湍急的河流或者溪流。當水流經過電廠的時候，水流中的能量會被利用來直接發電。川流式水電廠通常建於小水壩或分流堰上。

水力發電開發方式一

http://re.emsd.gov.hk/tc_chi/other/hydroelectric/hyd_tech.html

川流式發電• 川流式水力發電系統不是利用

水位高低差，而是利用水圳渠道內流水速的衝力，帶動發電機發電。

• 宜蘭農田水利會與發明人劉正獅「川流式水力發電系統」，目前已獲百餘國家專利，它是利用水圳渠道內流水速的衝力，推動架設在渠道內的水輪機，經由齒輪變速箱的傳動，帶動發電機發電。

水力發電開發方式二• 水庫式發電廠

這類水電廠通常要建設水壩以蓄水產生水頭差。然後利用重力令水流從一個通道（壓力管道）流到低處時推動水輪機轉動。轉動的水輪機帶動發電機產生電力。


水庫式水力發電系統

來源 : 張天瑞物理雙月刊 ( 廿九卷三期 ) 2007 年六月

水力發電的主要設備

• 以具有位能或動能的水沖水輪機，水輪機即開始轉動，若我們將發電機連接到水輪機，則發電機即可開始發電。


• 不同的水電系統，使用不同大小及的不同轉輪（與水流直接接觸的轉動部分）的水輪機。

• 水輪機主要類型包括：佛蘭西氏水輪機、螺旋槳水輪機、和佩爾吞水輪機等。

水力發電機種類


水力發電機來源 : 張天瑞物理雙月刊 ( 廿九卷三期 ) 2007 年六月

水力發電機

• 發電機是將機械能藉由磁能轉變成電能的機器，水力電廠所使用之發電機與火力及核能電廠使用之發電機最大差異在於轉子之結構，水力發電機組有豎軸及橫軸兩種方式，其轉速較低。火力及核能所使用之發電機組僅有橫軸式，轉速多為每分鐘 3600 轉。


• 超微型水輪機

水力發電機

超微型水輪機可以用來收集溪流、河流、農業灌溉渠道和瀑布的水力能。


• 「水」生「電」的流體驅動消防灑水燈

直接裝在消防描子出水口的LED 燈，靠水流的力量驅動電力，不但可讓消防員便於搜救，也可以協助受困火場的人員辨別逃生路線。

工研院

環保能源 - 水力發電應用

http://www.itri.org.tw/chi/is/p4.asp?RootNodeId=070&NavRootNodeId=071&NodeId=07121&ArticleNBR=1080

• 燃料電池（ fuel cell）是一種將燃料的化學能，透過電化學反應直接轉換成電能的裝置，和一般傳統的發電方式不同，故不受卡諾循環的限制，理論上能量轉換效率可達80％。

• 一般電池是將能量貯於電池本體中，用完後即捨棄，或充電後再重複使用。燃料電池是由燃料中的化學能提供能源，它並不含在電池本體結構中，因此只要持續不斷地供給燃料，燃料電池便可以不停地發電。

• 在石化能源使用殆盡後，使用氫能源的時代隨之來臨，而低溫型的質子交換膜燃料電池、直接甲醇燃料電池與中高溫型的固態氧化物燃料電池為最具潛力的三種能源轉換方式。

燃料電池技術

• 只要含有氫原子的石化能源如石油、天然氣、煤炭、沼氣、酒精與甲醇等，通過一個轉換器，都可作為燃料電池的能源進料。

燃料電池燃料來源

燃料電池燃料運作技術

• 燃料電池的運作方式與電瓶相似。只要持續供給氫氣與氧氣，燃料電池就能一直發電。左圖為質子交換膜（ PEM ）燃料電池之示意圖，由兩片薄的多孔電極構成陽極與陰極，兩極之間以固態聚合物隔膜電解質隔離。每片電極的其中一面鍍有觸媒，以鉑為主成份。氫原子進入電池後（ 1），經陽極觸媒分解為電子與質子（ 2）。電子沿著外部電路流動，供電給驅動馬達（ 3）。質子同時透過隔膜（ 4）抵達陰極。陰極側的觸媒則將質子及回流的電子，與空氣中的氧結合而生成水與熱（ 5）。欲提高電壓，則將多組電池集結成電池組即可（ 6）。科學人 http://sa.ylib.com/read/

來源 :科學人 http://sa.ylib.com/read/

燃料電池技術

製造燃料電池關鍵零組件燃料電池用雙極板

圖片來源工研院

• 發電廠、醫院等廠所之工業用發電機組。• 取代交通運輸工具之傳統內燃機。• 用於可攜帶之電子通訊產品，如筆記型電腦、行動電話。

燃料電池之應用

• 氫燃料電池車終於上路了！不僅不再排放二氧化碳與廢氣，續航力及抗凍能力也大幅提升。

燃料電池汽車

• 「以人為本，電腦為輔」的理念，擘畫出三大研發重心 1. 視覺化肢體互動領域。 2. 人體運動感知領域。 3.情緒感知互動領域。

科技與經濟 - 人機互動技術

• 人機互動（ Human-Machine Interaction ），一般是指介於使用者與電腦之間溝通與互動之硬體以及軟體，特別是使用者可以感受到的介面。

• 以往人機互動著重硬體如滑鼠、鍵盤、手寫板等輸入介面。• 新一代人機互動追求「以人為本，電腦為輔」，除了雙手，語音、肢體動作、生物特徵、生理訊號和情感都可以是輸入介面。

• 電腦系統則在人工智慧、自然語言處理、多媒體系統等技術的輔助下，在不同狀況下適當地回應身份、年齡、使用習慣各異的使用者。

人機互動

人機互動技術


• 顧名思義，「人機互動」就是人與機器之間的互動。• 為了替「有生命的人」與「無生命的資訊科技」搭起溝通

的橋樑，人機互動技術以電腦科學與認知工程為基礎，整合心理學、語言學、生理學、人因工程和許多先進電腦技術等不同學門。

• 人機互動應用技術，大量運用肢體和情感辨識運算技術，應用包山包海，從衣食住行到生老病死，什麼都有，什麼都不奇怪。

• 隨著應用領域不同，需要的領域知識也更龐雜，也需要強大的軟硬體支援。包括「影像偵測數位內容即時互動技術」、「多點影像輸入介面技術」及「力回饋人體載具操作模擬系統」等技術，可應用在遊戲、玩具、運動等休閒娛樂產業上。

人機互動技術

• 實現「所感即所見」精神的「海上風帆」，以虛擬實境動態模擬系統，是同時整合3D遊戲影像界面與實體的遊戲機台。

海上風帆，虛擬實境動態模擬系統


• 為了讓螢幕上的海浪能隨著風帆選手的動作變化，電腦主機需要做大量而複雜的數學計算，如果電腦速度不夠快，遊戲人物的動作就會產生延遲，甚至還可能和其他軟體衝突。

海上風帆，虛擬實境動態模擬系統


肢體互動辨識技術


以手勢來遠端操作設備手勢滑鼠


環境感知互動技術水中遊玩系統


人臉辨識技術 3D 人臉即時動畫


科技與經濟 -奈米技術輔導傳統材料產業升級、轉型、優質化


奈米粉體與薄膜技術

• 開發高性能合金、奈米粉體製作與應用、功能性有機材料 (光學級高分子合成及薄膜研發 )及生態材料 (萃取物、產製品及複合應用 ) 。

• 發展環境相容材料，利用新科技發展新產品新技術，創造高附加價值金屬、光學級材料、塑橡膠、紡織、電子化學品應用於生活與環境。

自擴散型光導板、擴散板技術


奈米產業的貢獻

• 利用台灣傳統產業 (金屬、工具機、石化、塑橡膠、特化品等 )帶動奈米粉體與薄膜應用，發展高附加價值之材料，成功將技術應用於顯示器、太陽能電池、半導體等產業。

• 將奈米粉體與薄膜應用由民生消費產品，快速擴大應用至光電產品，並引領台灣傳統產業升級

• 推動建構台灣生態材料產業。

•光學薄膜技術


• 奈米碳球散熱與導熱應用技術


• 家庭網路技術應用資通訊科技的創新智慧生活服務與設備為主。

• 資通訊技術融入健康管理、安全防護、多媒體娛樂、及家庭自動化等主要居家服務，提供人性化與便利快捷的智慧生活空間。

科技與經濟 - 家庭網路通訊技術

家庭網路科技


開放式家用服務閘道器


健康照護集線器


科技與經濟 -光電半導體技術

• 電子與光電在台灣產業發展歷史中，一直為國家重點科技發展項目。

• 台灣的電子與光電產業創造了相當傲人的成果，在全球佔有舉足輕重的地位。

• 光電半導體光源及應用、立體影像與儲存、軟性電子等領域，活用國際科技資源，強化國際及學術合作，帶動產業創新，創造產業價值。

立體導熱發光二極體封裝技術


結合 LED光源LED背光模組、 LED 強光照明系統


藍光雷射直寫微影光學頭技術


抬頭顯示器 & 迷你投影機


Cell-based多視角影像平行處理技術


• 電機工程領域的電力電子是技術整合性的學科。

• 電力電子技術應用於電能儲存，電力轉換，太陽能轉換，燃料電池電力轉換，馬達驅動，功因修正等……各種的應用正在快速的發展，同時也是自動化、航太、能源、民生工業與環保等工業發展的基礎技術。

科技與經濟 - 電力電子與電能技術

電力電子轉換技術之研究與再生能源技術研究方向

• 馬達驅動 • 電源品質 • 電源供應 • 電池儲能監視系統 • 再生能源技術開發 • EMI/EMC量測與設計技術

電力電子技術

• 從地球暖化 ,降低都會區溫室效應，進行減碳運動而推動電動車 (EV) 。

• 馬達電機，電控系統外，最重要的就是動力電池模組的開發。

綠色能源安全環保動力

•磷酸鐵鋰電池 LiFePO4 使用於電動車產業

LYNO POWER http://www.lyno-power.com/

• 微機電系統、電力電子、網絡通訊數位訊號處理技術的發展，各種形式的微小馬達，經由有線的、無線的、電力線的網絡通訊技術予以連接。

• 伺服技術以結合微電子與電力電子技術以固件控制的方式呈現。

• 未來智慧型電子設備、機器人的市場需求，將促進伺服技術的發展，具有網絡接口智慧型伺服控制是一個值得投入研發的領域。

科技與經濟 - 伺服驅動與控制技術

全球性驅動系統技術開發

新電氣馬達設計整合步進馬達整合線性驅動奈米等級的運動控制 CANopen促進 CNC 平台的相容性雙核心標準伺服電動機驅動使用運動控制軟體的定位以及同步功能冷卻液驅動利用溫度差的奈米馬達控制

• 資料來源 Technical Insights, Inc. 2008/9

自動化控制技術

• 步進馬達的種類依照結構來分可以分成三種：永久磁鐵 PM 式、可變磁阻 VR式、以及複合式。


圖片來源 ORIENTALMOTOR Co., Ltd. http://www.orientalmotor.com.tw/

• 線性馬達架構


奈米尺度檢測及操控

• AFM 原子力顯微鏡探針

http://www.ntmdt.com/product/spm-accessories

圖片來源 NT-MDT

• 行政院文建會所屬國立台灣美術館與財團法人精密機械研究發展中心首次合作，引進導覽機器人 UPITOR進駐國美館擔任「講‧述－ 2009 海峽兩岸當代藝術展」導覽員


導覽機器人 UPITOR「優彼得」

國　　家：台灣

製造商：精密機械研究發展中心

年　　份： 2008

高　　度： 140cm

重　　量： 140kg

自由度： 12

圖片來源機器人世界情報網 http://www.robotworld.org.tw/

圖片來源 : 盟立自動化網站

自動化控制技術應用

http://www.mirle.com.tw/

• 參考資料 1. 工業技術研究院網站 http://www.itri.org.tw/ 2. 冠宇宙有限公司網站 http://www.uniergy.com.tw/frame-home.htm 3. 香港機電工程署可再生能源網站 http://re.emsd.gov.hk/cindex.html 4. 張天瑞物理雙月刊 (廿九卷三期 ) 2007 年六月 5. 經濟部能源局網站 http://www.moeaec.gov.tw/ 6. 維基百科 http://zh.wikipedia.org/ 7. 盟立自動化網站 http://www.mirle.com.tw/ 8. Advances in Motion Control and Drive Systems for Industrial Automation

出版日期 : 2008/09 出版商 : Technical Insights, Inc. http://www.giichinese.com.tw/chinese/ti78530-motion-control_toc.html

9. 機器人世界情報網 http://www.robotworld.org.tw/

10. LYNO POWER Company http://www.lyno-power.com/ 11. NT-MDT Company http://www.ntmdt.com/product/spm-accessories 12. ORIENTALMOTOR Co., Ltd. http://www.orientalmotor.com.tw

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