February 10, 2011 Version 1. 1

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再生能源解決方案

善用地球自然資源〄確保環境永續發展

作者: James Kiley, 研華工業自動化事業群

February 10, 2011 Version 1. 1

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目錄

前言 ................................................................................................................................................... 1

背景 ................................................................................................................................................... 2

太陽能 ............................................................................................................................................... 2

風力 ................................................................................................................................................... 2

水力發電 ........................................................................................................................................... 3

生物質 ............................................................................................................................................... 3

市場趨勢 ........................................................................................................................................... 3

再生能源系統面臨的問題 .................................................................................................................. 4

科技趨勢 ........................................................................................................................................... 5

研華如何建立這些系統〇 .................................................................................................................. 5

風力發電傳輸系統 ............................................................................................................................. 5

太陽能熱電控制系統 ......................................................................................................................... 6

水力發電應用解決方案─範例架構 .................................................................................................... 8

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前言

再生能源係指從可自然補給的資源中所產生的能源。整體看來，去年全球能源的使用約有 18%是來自再生能

源。另外，新型態的再生能源（小型的水力、風力、太陽能、地熱以及生質燃料）則占 2.4%，而且還正快速

成長中。雖然僅有少數人會去爭論這些能源科技的發展是否對環境有益，許多人甚至質疑其經濟效益。本篇文

章將指出，目前科技是不僅已成熟到足以發展有效率的再生能源系統，使我們得以降低對化石燃料的依賴、對

地球環境的負面影響，還可為許多國家創造新的收入來源。關鍵就在於我們需致力於達到永續發展。

永續發展的定義是「將社會、經濟、環境等因素納入計劃、執行以及決策的整體考量，以確保發展可滿足目前

以及未來世代」（國家環境管理法，1998）。創造可靠以及價格花費得貣的新能源以供應企業以及家戶市場，

對未來子孫將有極大助益，只是目前最大的困難仍然在於如何向人們證明其短期效益。再生能源在能源供應中

扮演了一個重要角色，因為當我們使用再生能源時，對化石燃料的需求就會降低。更重要的是，再生能源不像

化石燃料會直接產生溫室效應氣體。

隨著能源需求的增加，以及以化石燃料為基礎的能源系統所引發的環境憂慮升高，大規模的再生能源計畫對於

國內能源供應多樣化、避免能源進口、降低環境衝擊有著戰略上的重要意義。此外，藉由實施再生能源以減少

化石燃料的使用，將可降低全世界有害物質的排放。化石燃料是一種集中式的能源，再生能源則大多是分散型

態、低度集中的能源。通常再生能源的價格結構與傳統能源不一樣，就某些種類而言，初期的資本投入高，但

運作及維護的成本低，而燃料本身免費或花費低。

再生能源的使用非始於今日。早在 150 年前，木材，也是生物質(biomass)的一種，供應了人類 90%的能源需

求。由於煤炭、石油、以及天然氣的使用擴大，我們對於木材作為能源的依賴度降低了。雖然我們某些人開始

試圖改變科技及機械設備，以降低對化石燃料的依賴，然而這改變所需的花費就算沒有上兆也要數十億元。尤

有甚者，每一樣主要的再生能源都招致批評，以化石燃料為基礎的產業則持續成長。但當科技更加進步，批評

伴隨著成長，使我們想貣「科學家關懷聯盟」(Union of Concerned Scientists) 所發表過的一段話，可能就是

最好的解決之道〆「沒有一種單一能源可以應付我們社會未來的能源需求，解決之道將來自多樣化的能源科技

家族，他們的共同點是不會使我們的自然資源枯竭，也不會摧毀我們的環境。」

接下來，我們將概略介紹再生能源的一些主要形態，然後探討整體市場趨勢，以及他們所招致的批評，最後，

將概略描述現今趨動這些新能源系統所使用的科技。

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背景

當前再生能源解決方案主要集中於四個領域〆利用太陽、風、流動的水以及植物的能量。

太陽能

我要拿錢賭注太陽能，這是何等能量的來源〈我希望我們不必等到石油和煤都枯竭了才來處理這件事

─ 湯瑪斯〃愛迪生 (Thomas Edison)

太陽能是從太陽輻射的光熱中所擷取的能源。太陽能發電主要是靠光電轉換技術以及利用太陽

光驅動熱電引擎。其餘的太陽能應用還包括透過太陽能建築使室內空間變溫暖或涼爽、自然採

光、太陽能熱水、烹調、以及工業上的高溫製程。

根據國際太陽能市場研究諮詢公司 Solarbuzz，2010 年第二季全球太陽能板需求增加到 38 億

瓦以上，比上一季成長 54%，只比 2009 年第四季創下的最高紀錄 39.2 億瓦少 2%。

2010 年第二季產業總營收約 172 億美元，相較於去年第一季是 120 億美元，以及 2009 年第

二季為 62 億美元。

太陽能的潛在應用包括以太陽能板設計來降低住宅、商業、及工業建築所消耗的熱能，這也涵

蓋了居住使用者的能源消耗，以及建築本身。供應居家、休閒、機構、工業使用的太陽能熱水

也十分有用，太陽能暖氣系統的普及應用亦然。但毫無疑問，太陽能最普遍的應用在於發電（

光電及太陽光熱），包括中小型獨立的應用系統，以及與市電併聯的大型系統。

風力

首先是風力，在世界各地都經常被使用…那是取之不竭用之不盡之能量，然而我們卻只用那麼一點點〈

─ 亨利〃梭羅 (Henry Thoreau)

風力乃是將風轉化為能，例如以風車發電。2009 年底，全世界風力發電裝置容量是 1,592 億瓦

(159.2GW)，產生 3,400 億千瓦時 (340TWh) 的電量，相當於全世界電力使用的百分之二，並

在三年內成長一倍。

連續第二年，風力發電在歐洲新增的發電容量中居於首位。全世界最大的離岸風力發電場位於

英格蘭的西南外海。「珊內特海上風力發電場」（Thanet Offshore Wind Farm）有一百座風力

發電機，產生的電力足以供應英國 20 萬戶人家。到 2011 年，興建這座發電場的公司將於六

個國家興建九個類似系統，每年可供應 80 萬戶人家潔淨電力。

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與市電併聯的風力發電場以分散式發電的方式補充電力到輸配電網，而非長途輸電，如此可減

少成本與電力耗損。大型風力發電系統具有如同泵浦系統般的貯能裝置，可在尖峰用電時段供

電到輸配電網。妥善安置的大型風力電廠可減少潛在噪音和視覺汙染。

水力發電

「水力發電」 一詞指的是透過水力來產生電力々亦即利用水流及地心引力來產生電力。這是最

廣為應用的再生能源。由於水的密度是空氣的八百倍，即使只是緩慢的水流，或者只是溫和的

捲浪，都可以產生相當能量。

興建水力電廠時，並不直接產生廢棄物，而且產生的溫室效應氣體二氧化碳遠較化石燃料發電

廠為低。2006 年時全世界水力發電裝置容量共 777 GWe ，可供應 2998 TWh 的電力，相當

於全世界 20% 的電力，占再生能源比率約 88%。

生物質

生物質（各種有機體的整體質量）是一種再生能源，因為它的能量來自太陽，透過光合作用，

植物獲取太陽能量。當植物被燃燒掉時，會釋出他們所含的太陽能，如此，生物質有如天然的

太陽能電池，只要能永續產生，使用掉的沒超過新成長的，這顆電池就可以永遠持續下去。

市場趨勢

穀牌石油公司 (Shell) 肩負永續發展的責任與壓力，根據該公司對未來發展所進行的情境分析，

到本世紀中葉時，再生能源將滿足全世界 40%的能源需求。這項預測是基於化石燃料因日漸稀

少而角色式微，基於為了減碳而需抑制化石燃料的使用，以及基於需減輕化石燃料對氣候變遷

的影響。

預估全球再生能源產業在未來十年將快速成長。國際能源總署（ＩＥＡ）估計，再生能源對全

球能源的貢獻比率，將從 1999 年時的 10%，到 2010 年提高至 15-20%。這是由於再生能源可

增加能源供應的多樣化，使得能源供應更安全，並且愈來愈有助於長遠的永續能源未來。以環

境衝擊而言，再生能源比化石燃料產生較少的溫室氣體，以及較少的懸浮微粒及其他汙染物質。

此外，再生能源比貣燃煤電廠，也可節省用水量。

再生能源可以就近集中產生再配送至附近使用，不僅可以減少能源配送所需的基礎設施及在輸

送中所產生的電力耗損，也可以增進能源效益。私人、商業 及工業部門加速採用太陽熱能利用

技術 (passive solar design technologies) 以及太陽能熱水系統，對於能源需求端的管理有正面

影響，因此延緩了對新增電廠容量的需求。

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從 2004 年底到 2008 年底，太陽能發電容量增加六倍到 160 億瓦，風力發電增加 250%到 1,210

億瓦(121 GW)，整體新再生能源容量增加 75%到 2,800 億瓦(280 GW)。 同時期，太陽熱能的

產能倍增到 1,450 億瓦熱 (145 GWth)，生質柴油則增加六倍到年產 120 億公升，乙醇倍增到

年產 670 億公升。

再生能源重要指標

全球重要指標數據 2006 2007 2008

新設容量投資金額（全年） 630 1,040 1,200 億美元

現有裝置容量，包括大型水力發電 10,200 10,700 1,140 GWe

現有裝置容量，不包括大型水力發電 2,070 2,400 280 GWe

風力發電容量（現有） 740 940 121GWe

生物質暖氣 ~2,500 億瓦熱

太陽能熱水／暖氣 1,450 億瓦熱

地熱暖氣 500 億瓦熱

乙醇產量 390 500 670 億公升

以再生能源使用為政策目標的國家 66 73

目前煤炭、石油、核能等能源的價格結構並未包含外部的環境成本，也沒有反映生產那些能源

的整體社會成本。然而，即使計入外部成本，個別的再生能源科技還是需要扶植以達到足夠的

經濟規模、科技發展以及投資信心。目前還要更多努力才能量化這些外部成本的價格水平，並

且將外部成本的考量導入決策過程。然而，更多的財務手段將可提供誘因來將這些成本最小化。

再生能源系統面臨的問題

在過去，再生能源的生產和使用大致比化石燃料昂貴，且通常位於偏遠地區，輸送到用電城市

的管線鋪設昂貴。再生能源的使用也受到時而有、時而不足的限制如陰天時太陽能變弱，平靜

的日子風力降低，而乾旱使得水力發電所能使用的水源減少。

由於再生能源的來源是免費的，因此難以和化石能源成本比較。無論如何，不管是興建太陽能

電廠還是化石燃料電廠，初始成本都很高。燃煤電廠每單位設置成本還是比太陽能廠便宜。以

太陽能而言，短期內要成為全世界使用的主流電力仍受到成本的限制。雖然太陽能科技已經有

許多企業端及消費端的應用，仍因為太昂貴而難以取代現有的化石能源基礎設施。太陽能平均

價格是最經濟的化石燃料的兩倍，是多餘電力的三倍。

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再生能源成本正逐漸下降，並可望在未來幾十年內和愈來愈貴的化石燃料出現黃金交叉。這意

味著，從太陽及風擷取能源的成本將比購油及煉油便宜。然而在那之前，再生能源整體平均價

格保守估計至少是新設天然氣發電的兩倍，是目前多餘電力的三倍。

科技趨勢

不令人意外，目前較受歡迎的再生能源解決方案科技趨勢都包括節能。如此，我們正試圖降低

能源的消耗，以為人類未來保留資源，並減少環境汙染。為達到節能，可透過增加能源使用效

率，配合減少耗能和（或）降低傳統能源的使用。

其他趨勢包括整合設施但不變更零件，因為這些設備經常是位於惡劣的戶外環境中，需要相當

耐用的模組以確保長時間的穩定運行。此外，具備網路連線能力的產品也相當搶手。

研華如何建立這些系統〇

接下來我們將介紹，研華身為工業電腦及工業控制產品的製造商，目前如何為這些再生能源解

決方案提供技術和架構。

風力發電傳輸系統

中國的國家風力發電裝置容量預計在 2015 年前達到三千萬瓦，保守估計到 2020 年前將成長

到八千萬瓦。風力電場的快速增加將需要大量風場資訊管理系統以及發電機的遠端監控系統。

由於這些系統多應用於惡劣的環境，需要能夠在大範圍溫度變化下都能運作的網管型乙太網路

交換器加以支援。最近有一家製造風機的大廠即購買研華的 EKI 系列作為其管理系統的主要網

路交換器。

風力發電多位於日夜溫差大、且多風飛砂的惡劣環境。因此處於嚴苛電磁干擾環境下的控制系

統，就需要具備良好反電磁干擾能力、及較長平均故障間隔 (MTBF) 的工業級網路交換器。為

了加強通訊穩定，使用者必須建立一個斷線恢復時間快的環型備援（X-Ring Redundancy）網

路架構，當通訊系統的任何線路出問題時，必須能快速轉換到備援線路。

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研華風力發電解決方案 :

APAX-5000 系列 以單一控制平台整合控制、資訊處理及網路連線。此系列產品提供

獨特的雙控制器架構，分別執行人機介面／監控及數據採集

(HMI/SCADA)及I/O編程軟體 (I/O SoftLogic)的工作。

EKI-7654CI 具備4+2G Combo埠Gigabit 網管型工業級乙太網路交換器

WebView-1270 內建WebAccess風場管理系統之12.1吋網路人機介面

太陽能熱電控制系統

太陽是巨大能量的來源，每天送出 10,555 百萬兆焦耳的能量到地球來，每小時能量比全世界

所有城市一整年的總使用量還要多。為了獲取利用這股宏大的力量，許多國家在太陽能科技上

的投資已經超過 30 年。當今太陽能熱電系統包括反射板、鏡板、隔熱吸收器及先進的運動控

制技術。研華的工業無線乙太網路產品以其優異的性能表現、可靠、堅固，與這方面的應用是

絕配。

對許多應用而言，無線通訊可補線路通訊的不足。在一個典型的太陽能熱電控制系統中，有線

和無線通訊的合併運用可有效解決資料傳輸及現場應用方面的問題。有兩種連線模式〆透過有

線基礎設施或是 Ad-hoc 移動網路。當使用 Ad-hoc 移動網路模式時，無線網卡並不需要巨大

的網路架構，終端使用者不用花太多力氣就可以建立一個高速的簡單網路。在此太陽能熱電控

制的應用中，客戶端需要以下配備來建立一個無線網路〆

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此解決方案採用 EKI-6311GN 研華無線基地台（AP），以及 EKI-1351 無線串列設備連網伺服

器。現場架設了 100 台可編程邏輯控制器 (PLCs)，每台 PLC 都以無線模式傳輸資料到電腦主

機。此外，由於這些可編程邏輯控制器與中央控制室距離遙遠，研華建議每 10 台可編程邏輯

控制器就要配備一台無線 AP，以確保可靠的無線網路傳輸。這些無線 AP 採用 WDS 無線分散

系統技術，使它們得以彈性互聯々透過 100 台 EKI-1351，這 100 台可編程邏輯控制器可輕易

傳輸資料給彼此並且上傳到中控室。

研華太陽能應用解決方案〆

ADAM-4117 強固型8 通道類比輸入模組，支援 Modbus 通訊協定

ADAM-5550KW 8 槽微型可程式自動化控制器，採用GX2 處理器

EKI-7659CI 8 + 2G Combo 端口網管型備援 Gigabit 工業級乙太網路交換機

PEC-3240 4 軸嵌入式運動控制器，採用 Celeron M 1.0 GHz 處理器及具備 32

通道數位輸入／輸出

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水力發電應用解決方案─範例架構

研華水力發電應用解決方案 :

APAX-5000 系列 以單一控制平台整合控制、資訊處理及網路連線。此系列產品提供獨

特的雙控制器架構，分別執行人機介面／監控及數據採集

(HMI/SCADA)及I/O編程軟體 (I/O SoftLogic)的工作。

EKI-2528 8 埠非網管工業級乙太網路交換器

EKI-2541S 單模 SC 型光纖媒體轉換器，具10/100TX端口