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太陽能板架好了,然後呢?來一同認識太陽光電併網與調度面臨的課題

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2018/09/07 ・3004字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 532 ・七年級

本文由 NEPII「第二期國家型能源科技計畫」委託,泛科學執行

太陽是地球生命最主要的能量來源。屋頂鋪設好太陽能面板,搭設好線路,電力就能夠隨手可得……真是如此嗎?我們距離這樣的生活還有多遙遠呢?

圖/ulleo @Pixabay

1922 年,愛因斯坦獲得諾貝爾獎,這次獎項並非頒給眾所矚目的相對論,而是頒給了光電效應。光電效應描述了光線照射物體表面時會使其發射出電子的物理現象,而太陽能電池 (Solar cell)就是應用半導體,在接受光照後其射出的電子會在不均勻的材料間形成電流,藉由串連這樣的模組、獲得電壓來發電。第一片太陽能電池在 1952 年正式誕生,而時至今日,這項技術佔全球能源的發電量比例仍不到 2%。

為什麼需要這麼多裝置容量?

台灣目前的政策規劃,2025 年再生能源發電占比 20%,其中,太陽光電更規劃要達成 20 GW (Gigawatt/十億瓦)的裝置容量。為了讓大家對這個目標數字有個概念,我們需要拿出其他數字來稍稍比較一下: 2017年,全世界的太陽光電裝置容量將近 400 GW,而根據經濟部能源局的資料,截至 2018 年 6 月全台灣的發電機組的總裝置容量為 52.79 GW,再生能源的裝置容量占僅達 5.75 GW(10.89%,資料來源:能源統計月報,其中太陽光電的裝置容量僅達 2.24 GW(資料來源:能源統計月報。也就是這短短的七八年間,太陽光電的裝置容量要成長近 9 倍。

可能已經有夥伴眼尖注意到了,即使再生能源在 2025 年的佔比要提高到 20%,但在這裡太陽光電預計要達到的裝置容量比例似乎有點高?是的,這裡要考慮到太陽光電與風力發電和其他有我們目前較為慣用的發電方式有點不同,屬於「間歇性能源」,太陽不會隨時都在照耀,而風也並不是時時刻刻都颳起。「裝置容量」主要意指機組在最大輸出時的發電量,靠天吃飯的再生能源並不像火力發電或核能發電,可以進行升載調度。間歇性能源討論到其發電量佔比時,更必須要將其「容量因數」納入仔細的檢視。

容量因數的計算公式:(年總淨發電量)/(額定容量 × 8760)

2017 年台電統計全台的太陽光電容量因數為 13.34 %,相較而言火力為 75.21%,而風力則為 27.98%。裝置容量反映的是這個機組在可以達到的最大輸出發電量,要加上容量因數才能真正代表此類發電技術在發電量能夠提供的貢獻。

正是由於現行太陽光電的技術以及太陽能本身的侷限(像是遇到天黑和下雨就不行惹),現行的容量因數偏低,因此太陽光電要產出與火力發電相同年發電量,其裝置容量必需是火力發電的 5.6 倍。

「屋頂型」與「地面型」的裝設規劃

現行的政策規劃在七年內要讓太陽光電的裝置容量成長 9 倍,為了達成這個困難的目標,經濟部推出「太陽光電 2 年推動計畫」,短期目標為 2 年內完成 1.52 GW的太陽光電,為 2025 年的設置目標量鋪路。台灣地狹人稠,太陽能光電在台灣主要架設的位置可以分成兩大類:「屋頂型」與「地面型」。

「屋頂型」架設於公有屋頂、工廠屋頂、農業設施或者其他屋頂;這類的設備數量多、裝置容量小而分散。而「地面型」則主要選擇鹽業用地、嚴重地層下陷地區、水域空間、不易耕種農地及淹埋場等地方架設,共通特色是其位置分散偏遠、交通不便、人跡稀少。

桃園大圳光電埤塘。 圖/桃園市政府環保局網站

簡單來說,太陽光電在台灣現階段的裝置特色多半是小而分散,或者是非常偏僻。這樣的裝置架設,在未來可以預見會有併網與調度的難題需要克服。

可預見的併網與調度難題

首先是將太陽光電加入電力系統的「併網」可能會遭遇到問題。電力系統主要由發電系統、輸變電系統、配電線系統所組成。如果將大型的發電系統比喻為(不只一顆的)心臟,輸配電系統比喻為血管,那現行的電力系統基本上調控的方式就是收集血管中的資訊,再來調控調度心臟的輸出;而太陽能光電併網,就像是在微血管或者是小動脈上加裝小型的心臟。一開始電力系統的規劃並沒有這樣的設計,因此現階段的太陽光電的推廣,就需要克服電網末端的輸配線路是否能負荷的問題。

除了併網問題之外,其次則是調度以及資訊整合的難題。小容量大數量的太陽能光電併網加入發電的行列,發電資訊與調度指令整合,隨著數量增加難度越來越高。過去由於太陽光電佔發電量比極低,其變動不易影響供電品質,而在可見的未來佔比逐漸升高的情況下,電力系統該如何調控、調度這些來自於末端的電力?又該如何得知並不穩定的太陽光電即時的電力資訊?這些小型發電裝置該如何配合調度?或者該如何能將即時的資料回傳至調度中心?

NEPII 計畫中的「用戶側再生能源與用電管理及需量聚合服務平台」正在試著要解決這樣的問題。

「用戶側再生能源與用電管理及需量聚合服務平台」

現行台灣的太陽光電可以預見將面臨各端的用戶數量極為龐大的情況:2017 年的統計,太陽光電已併聯的案數約為 1.5萬座,但現行系統中能即時監測到數量不到百分之一。而在 2025 年之前要大幅提升光電佔比的情況下,分散式再生能源系統的資訊整合與調度應該要如何完善,將是維繫電網穩定的重要關鍵之一。

「這個服務平台有點像太陽能光電設備與台電之間的 LINE 系統,台電可以調度末端的太陽光電,而末端也可以即時反饋發電資訊」計畫的成員,資策會系統所能源策略總監陳文瑞說。

「用戶側再生能源與用電管理及需量聚合服務平台」整合用戶端、製造端與台電之間的資訊,提高整體發電效率以及擴大未來發展空間。 

圖/geralt @Pixabay

他們希望藉由共通資訊模型技術 (Common Information Model),建立整合不同廠牌的互通格式,克服現行各家自訂規格、資訊無法互相傳輸的問題;並且採用最簡易的資訊協定,藉此降低廠商導入互通格式技術門檻。甚至更進一步,可以協助太陽光電用戶端整合其發電資料,在系統中加入人工智慧,協助預防性偵測出可能需要維修或者進行維護的光電模組。

在面臨大規模能源轉型的時刻,台灣選擇了大幅提高再生能源比例的道路。應運而來的是,為了完成這樣的轉型,整體的電力系統與資訊整合都必須需經歷一番傷筋動骨、改換體質的技術挑戰。

註:此處僅計算已完成併網的部分。

參考資料:

本文由 NEPII「第二期國家型能源科技計畫」委託,泛科學執行

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保留海洋中的絢麗色彩——海科館陳麗淑博士專訪

科學月刊_96
・2021/09/30 ・5120字 ・閱讀時間約 10 分鐘

本文由海洋保育署廣告企劃,泛科學為宣傳推廣執行單位。

  • 作者:採訪撰稿 ∕ 謝育哲 ∕ 本刊主編

大海中美麗的珊瑚礁是許多海洋生物的棲地,但由於海洋環境汙染及氣候變遷等問題,珊瑚的生存不斷受到壓迫,珊瑚白化問題更是屢見不鮮。為了讓一般大眾也能保育珊瑚,由海科館陳麗淑博士等人團隊從澳洲引進的「珊瑚觀測」,用簡單色卡上的顏色與觀測珊瑚進行比對,就能評估該珊瑚的健康狀況。此外,海科館及海保署也進行更多的計畫與推廣,讓全民一起守護海底美麗的珊瑚。

圖/Pexels

海中有著形形色色的生物,如果要挑選出一種外觀最令人印象深刻的,肯定是色彩斑斕綺麗的珊瑚了!許多人常會誤認珊瑚是一種植物,但牠其實是不折不扣的動物。事實上,珊瑚是由許許多多的珊瑚蟲(coral polyps)所形成的群體。目前全世界共有 800 多種的珊瑚,而由珊瑚組成的珊瑚礁(coral reef)更是許多海洋魚類生存的家園。

但由於珊瑚生長速度極慢,每年僅增長約 10 公分,且十分脆弱,近年來又因氣候變遷與海洋汙染等問題,造成珊瑚的生存出現危機。因此,保護珊瑚人人有責,但身為一般人的我們又該如何保育這些美麗又珍貴的海洋生物呢?本次《科學月刊》專訪了國立海洋科技博物館(以下簡稱海科館)的研究員陳麗淑博士,看看有哪些保護珊瑚的方式,以及介紹從澳洲引進的珊瑚觀測(coral watch)方法吧!

珊瑚遇到了什麼危機?

關於珊瑚,我們最常聽到的是「珊瑚白化」(coral bleaching)。但珊瑚白化代表什麼?又是什麼造成了珊瑚白化呢?

白化的軸孔珊瑚(Acropora spp.)與背景中的健康軸孔珊瑚形成對比。圖/WIKIPEDIA

由於珊瑚對於生存環境的溫度十分敏感,一般來說,對珊瑚而言最自在的水溫環境為 23~28℃,而生存的極限溫度範圍則為 18~32℃,若超過這個溫度區間,對珊瑚來說即為太冷或太熱的環境。陳麗淑表示,一但海水溫度超過 32℃,珊瑚就會出現白化現象。當然不是所有的珊瑚都會同時白化,各種珊瑚因生長速度不同,白化現象發生的情形也會有所差異。一般來說,生長速度較快的枝狀珊瑚比較容易白化,而團塊狀珊瑚則比較有抵抗力。

不過珊瑚到底是怎麼「變白」的?其實珊瑚白化詳細原因,是因為當環境溫度出現劇烈變化時,珊瑚內部的共生藻數量就會下降。由於共生藻是珊瑚繽紛色彩的來源,因此在珊瑚內部的共生藻數量多時,顏色就會飽滿鮮豔,而當共生藻離開珊瑚後,珊瑚的顏色便會越變越淡,最後白化,若後續沒有適當保護與處置,珊瑚就可能會因而死亡。所幸珊瑚白化並不是不可逆的,只要海水溫度回到適合珊瑚生存的溫度,珊瑚就會逐漸穿上牠美麗的彩衣,恢復原本繽紛的色彩。

過去臺灣周遭海域曾出現過多次珊瑚大量白化的現象,陳麗淑表示,珊瑚大規模的白化的情形主要集中發生在夏季,甚至在去(2020)年夏季就曾發生珊瑚大量白化的現象,由於當時的海水溫度偏高,且維持時間較長,使得臺灣各地出現珊瑚白化的情形。不過好消息是,根據調查,今(2021)年還未發生大規模的珊瑚白化,且時節已進入秋季,海水溫度下降,至少目前珊瑚不會面臨溫度升高的生存壓力。不過,陳麗淑也語重心長地提醒:「近年來海水溫度過高的發生頻率相較以往提高了不少。」令人擔心的是,若海水溫度升高頻繁,將可能嚴重衝擊珊瑚的生存。因此,我們必須想辦法保護珊瑚。

圖/Pexels

一般人該怎麼保護珊瑚?老嫗能解的「珊瑚觀測」

對一般大眾來說,並不是所有人都具備珊瑚的相關知識,對此,陳麗淑一直在思考該用什麼方法,才能讓沒有專業知識背景的大眾能參與保育珊瑚的活動呢?在公民科學領域中,有個名為「珊瑚礁體檢」(reef check)的珊瑚監測計畫。但由於珊瑚礁體檢的入門門檻較高,需要先經過一定時數的課程訓練,且所費不貲,因此這並不是一項適合所有人的方法。

這時陳麗淑想到了「珊瑚觀測」。事實上,珊瑚觀測約莫在 2009 年就已有人引進臺灣,但當時並未受到大量關注。直到 2018 年,陳麗淑帶領的團隊開始重新研究珊瑚觀測的方式,發現其背後的科學大有學問,也可簡化成任何人都能理解並運用的珊瑚監測方式。

珊瑚觀測主要是透過一張卡片,上頭有 4 種由淺至深的色調。陳麗淑表示,這些色調涵蓋了約 70~80% 的珊瑚種類,即使無法囊括其他特殊顏色的珊瑚,但卡片上的設計對普通人來說已是綽綽有餘。而觀測方法也很簡單,任何人只要帶著這張卡片潛水至珊瑚旁,將卡片上的顏色與想觀察的珊瑚顏色進行比對與拍照即可。如果是前往水深 6 公尺以上的區域,則建議觀測時攜帶光源,以避免色差造成的誤判。前文有提到,珊瑚的顏色代表其內部共生藻早的數量,當共生藻數量越多,珊瑚顏色越深,也就代表越健康;反之,若顏色越淡則代表珊瑚的健康可能出現狀況了。

因藻類過度生長而造成的珊瑚白化 。圖/WIKIPEDIA

陳麗淑說明,珊瑚觀測背後的科學基礎十分紮實。這套由澳洲昆士蘭大學(The University of Queensland)學者馬歇爾(Justin Marshall)等人組成的團隊研發設計。團隊將珊瑚搬至實驗室中進行一系列實驗,觀察在各溫度區段中,不同溫度會如何影響珊瑚中的共生藻數量,並記錄珊瑚的顏色變化。在經過嚴謹的科學實驗後,馬歇爾團隊將其簡化並歸納成珊瑚觀測的色卡。陳麗淑表示,這套化繁為簡的觀測方式在經過推廣後,許多保育團體對於珊瑚觀測的接受度都非常高,能進而達到推廣珊瑚保育目的。

海洋公民科學知識報你知

珊瑚觀測

珊瑚觀測是一項由澳洲昆士蘭大學學者所辦理的非營利全球珊瑚礁監測計畫,將珊瑚的顏色變化標準化後,製作成珊瑚健康色卡,提供一種簡單的方法用以評估珊瑚健康,並為 CoralWatch 的全球數據庫做出貢獻。大家可以使用這些色卡協助科學家收及數據,支持珊瑚礁監測工作。

另外,珊瑚觀察也透過與世界各地的志願者合作,包括了潛水中心、科學家、學校團體、遊客參與其中,讓大眾更加了解珊瑚礁白化、氣候變化對於珊瑚礁的影響。

保育珊瑚面臨哪些困境?

雖然保育珊瑚是許多人的共識,但過程中依然面臨到許多的挑戰及困難。目前最常見的是海洋垃圾問題。由於珊瑚本身不會移動,當海洋垃圾在海中漂浮時不慎卡在珊瑚上,若沒有人為協助清理,則非常有可能造成珊瑚死亡。

圖/Pexels

陳麗淑舉例說明,由於今年 5 月起爆發 2019 冠狀病毒疾病(COVID-19)的本土疫情,位於基隆的潮境公園也為了防疫而禁止一般人下水。但當研究人員下水觀察後發現,因為沒人下水協助清理海洋垃圾,許多卡在珊瑚上的垃圾無法被及時移除,發現的當下已有許多珊瑚出現白化現象,這些珊瑚後續花了約一個月才慢慢恢復正常。

對此,陳麗淑曾與中研院學者邵廣昭等人討論,若保育區都沒有人進入可能並不是件好事,尤其當海洋汙染嚴重,垃圾很多的情況下,都還是必須定期有人去協助清理。因此,保育區在人為管理的情況下或許才是保育珊瑚好方法。

你我都可以為珊瑚盡一份心力

我們還有什麼方法可以保護珊瑚呢?陳麗淑表示,如果你是一個會下水觀測的人,使用珊瑚觀測是個好選擇。無須再多帶任何設備,只要準備珊瑚觀測的卡片,攜帶相機與光源,就可以拍攝並記錄珊瑚的健康狀況。不過若是沒有相關潛水經驗或半路出家的遊客,反而可能在潛水的過程中不慎踢到或傷害珊瑚,因此潛水者必須要具備一定的潛水技術。

海洋保育署(以下簡稱海保署)為推廣友善珊瑚礁生態旅遊,提出「珊瑚礁區你該注意的 8 件事」,包含不踩踏、不揚沙、合格玩家、保持適當距離、使用海洋友善防曬、不餵魚、不吃珊瑚礁魚、減塑行動。

即便沒有下水,在岸上也有許多可以保護珊瑚的方法。舉例來說,在我們常用的防曬乳中,多數含有可能傷害珊瑚的成份,因此在選購時可以優先考慮「海洋友善防曬」。此外,由於珊瑚礁魚類可以協助清理珊瑚礁之中的藻類,讓珊瑚順利生長,我們應盡量避免食用珊瑚礁魚類。所以最重要的,是希望大家一起落實節能減碳,全球暖化是影響珊瑚生存的主要原因之一,若減碳能從個人做起,也是保育珊瑚的積極作為。

「海洋友善防曬」 的成分較不會傷害珊瑚。圖/Pexels

出書、展覽、辦活動 海科館邀你一起守護珊瑚

除了上述的個人保育行為外,海科館也辦理了一系列保育珊瑚計畫。陳麗淑表示,海科館的研究人員會定期前往珊瑚礁進行監測,還會前往各地宣傳及教導大家如何使用珊瑚觀測。

至於在珊瑚復育方面,海科館內也有養殖珊瑚,研究人員會把這些珊瑚移植到野外,或是使用不同的材質,測試珊瑚附著生長的情形等。未來希望透過這些方法,協助加速珊瑚的生長。

在教育方面,去年海科館與行政院環境保護署及科技部等單位,共同主辦的「2020 海洋公民科學家行動計畫」中,包含了「珊瑚保育監測」的主題。對此,海科館團隊舉辦了一系列的「針織珊瑚」活動。「針織珊瑚」主要是前往各地的小學,除了教導珊瑚的知識,以及倡導珊瑚保育外,讓小朋友們藉由織毛線的方式,訴說一則關於珊瑚的故事。每所國小的作品都有自己的主題,也讓小朋友在織毛線的過程中,思考珊瑚對於生態的重要性,從小扎根珊瑚保育知識。並在後續收集作品後,舉辦「陸上造礁 針織珊瑚計畫特展」。

此外,海科館也曾於 2019 年出版《珊瑚很有事:珊瑚保育×環境藝術×手作針織×珊瑚教案》一書,並榮獲第 44 屆金鼎獎。今年更在海科館官網建置「海科館悠遊數位海洋行動學堂懶人包」,整合科普電子書、電子繪本、數位課程學習平台、海洋知識、動畫學習、影片等。陳麗淑表示,透過這些教材與教案的持續推廣,希望能讓更多人利用這些資源,一起守護海洋中的美麗珊瑚。

海洋保育署與臺灣珊瑚保育

海保署於今年透過「臺灣珊瑚監測交流網絡建立與保育策略規劃」計畫,建立珊瑚監測與保育示範點,以及珊瑚監測交流網絡,選訂全臺灣共 32 個地點進行水下珊瑚礁調查。調查結果截至今年 9 月底,澎湖、恆春半島、東部、北部珊瑚覆蓋率多呈現穩定狀態,但小琉球珊瑚礁卻多數已衰退,可見除了受到全球暖化影響,不當的遊憩踩踏行為也對珊瑚礁造成嚴重衝擊。

此外,海保署也與行政院農業委員會水產試驗所共同合作,針對澎湖池東淺坪海域的棲地環境現況進行調查及珊瑚復育,增加棲地多樣性。截至今年 9 月底,珊瑚移植面積已達到 100 平方公尺,其中珊瑚礁魚類包含青嘴龍占(Lethrinus nebulosus)、鸚哥魚(Scaridae)、隆頭魚(Labridae)等也逐漸聚集在移植區域,豐富當地生態。

棕吻鸚哥魚。圖/WIKIPEDIA

此外,有鑒於目前許多單位都在進行珊瑚保育及復育相關工作,海保署今年度與海生館合作成立珊瑚保育專案辦公室,除了作為各單位資料蒐集整合中心,提供數據科學家分析資料外,還能進一步轉化為資訊呈現給大眾,使珊瑚礁相關專家學者、單位,以及一般民眾等,都可藉由此互相交流,同時兼具諮詢、推廣功能,協助提供珊瑚保(復)育相關標準作業方式及技術指導。並設立臺灣珊瑚礁水質採樣點及進行水樣分析,了解水質狀態,以作為後續珊瑚復育棲地及規畫保育方式選擇的依據。

為了鼓勵更多在地民間團隊參與,海保署亦透過辦理「海洋保育在地守護計畫」,支持在地團體進行公民科學、清除珊瑚礁覆網及珊瑚復植,希望能夠結合在地生活方式及資源提出具體保育策略,發揮社會影響力,促進在地參與珊瑚保育及復育作業,並提高民眾對海洋保育的參與及投入。

從政策面、科學面,再到行動面,海保署將持續呼籲全民共同守護臺灣珍貴的珊瑚資源。

海洋委員會海洋保育署正在舉辦 海有問題 我來分析 | 第一屆海洋公民科學家數據松!為臺灣周遭的海洋生態盡一份心力吧!

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