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七美智慧電網,讓明滅燈光下的淒美故事成為絕響

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2018/09/21 ・4514字 ・閱讀時間約 9 分鐘 ・SR值 579 ・九年級

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本文由 NEPII「第二期國家型能源科技計畫」委託,泛科學執行

  • 文/廖英凱

19 世紀 80 年代後期,供電系統與輸配電系統開始商業化興建,與隨之而來的關於直流電與交流電的「電流戰爭」,在往後的一個世紀中,供電系統快速地建設到了多數人的家中,從翻山越嶺的高壓電塔,隱藏於城市中的電氣地下化,到連結離島與離岸風電的海底電纜。輸配電設施的涵蓋程度,有時更超過了公路交通系統。對於當代社會來說,輸配電系統的連結,更是提升生活品質與經濟發展的基石。

圖/pixabay

隨著 21 世紀資訊與通訊技術(ICT)的興起,我們開始可以看到各 ICT 業者,推出了智慧插座,智慧家電等產品,讓你可以輕易利用行動裝置,控制或了解家中電器產品的狀態。然而,對比起作為基礎建設的輸配電系統,似乎就少了一些與時俱進的「智慧感」,例如家家戶戶樓下的傳統電表,是仰賴電流的電磁感應,使電表中的鋁盤產生渦電流,而得到轉動的力矩,再利用鋁盤的轉動帶動計數器而記錄能耗[1]

台電公司再定期派員抄寫電表,來通知用戶繳交電費。或例如大尺度的電網供電與發電廠調度,也因特性為集中式發電與階層式電源調度和輸配電,而相當仰賴歷史經驗的判斷,對整體系統上的各環節難以監測與即時調整。

此外,隨著太陽能與風力發電的佔比提升;再生能源裝置的分散性;與發電功率受天候影響而不穩定的特性,也成了未來輸配電系統營運特別需要考量的因素。因此,2010 年起,能源國家型科技計畫就開始推動「智慧電網與先進讀表主軸專案計畫」;2012 年,行政院也核定通過「智慧電網總體規劃方案」,選定了數個規模小、電力系統獨立且有再生能源發展潛力的離島,作為發展智慧電網的先發試驗場域。

如今,七美不只有雙心石滬,陳朝順博士的研發團隊還在此完成了智慧電網示範系統。圖/wikimedia

2018 年初,義守大學電機系講座教授陳朝順博士所率領的研發團隊,在澎湖七美完成了智慧電網示範系統,利用能源管理系統、儲能系統與智慧變流器的搭配,實踐了穩定可靠,又可降低離島高昂柴油發電費用的智慧電網。

七美智慧電網:再生能源高佔比的前哨戰

七美是澎湖群島中最南端的大島,佔地近七平方公里,常住人口約為兩千人。由於七美與澎湖本島和臺灣本島之間,並沒有海底電纜相連輸電,長年以來,七美發電廠設置了總裝置容量為 4000 kW 的四座柴油發電機組,為七美島提供每年約八百萬度的發電量。然而,柴油發電成本每度電高達十七至十八元,對離島發電經營是沉重的負擔。

過去幾年,台電公司也在七美設置了 400 kW裝置容量的太陽光電,目前也已規劃設置風力發電。當再生能源的佔比逐漸提高時,天候與故障等變動,會嚴重影響到整體系統的負載能力,而可能發生如815停電時,因備轉容量 10% 的電廠故障,而導致全台大規模的停電。因此,在高佔比再生能源的情境下,讓供電穩定又能降低發電成本,就是智慧電網在此發展的首要任務。

七美智慧電網架構圖。資料提供/陳朝順教授 圖/泛科學重制

七美智慧電網的架構,是在電力系統上,將既有的柴油發電機、太陽光電與儲能系統與規劃中的風力發電系統相連,各個電力設備上裝設由光纖網路相連的監測與控制設備,可由「智慧能源管理系統」自動調整與調度全島的發電與儲能設備的充放電。

雖然過去七美仰賴柴油發電,但隨著太陽光電的建置與未來風力發電的規劃,部分時段的再生能源發電占比,已可達到 50%以上。因此,智慧電網與儲能系統的搭配,輔以氣象預報、歷史用電等能源消耗資料,可以使儲能系統快速充放電的特性,與再生能源變動的發電特性相配合,最終使綠能併網量最大化。

智慧變流器

再生能源發電不可控的特性,也可能造成再生能源輸出至主電網時的電壓不穩定,從而影響電力品質。陳朝順教授的團隊,是在再生能源設備併入主電網前,設置「智慧變流器」,智慧變流器可以將太陽光電發出直流電轉換為一般使用的交流電,並能在維持發電功率的狀況下,調整再生能源發電的電壓,使併網後的總電壓維持穩定。智慧變流器也可透過遠端控制中心的指令調控,達到運轉監測與即時調度的功能。

目前,七美的太陽光電,已全面安裝國產的智慧變流器。標準檢驗局也公告「CNS 15382 太陽光電系統-電力傳輸網界面之特性要求」,旨在規定未來的太陽光電占比提升時,太陽光電設備都需安裝符合標準的智慧變流器,才得以併入主電網而不影響電力品質。而具有遠端監測控制功能的智慧變流器,更能提供電力公司做更即時與細緻的電力調度。

左:智慧變流器;右:智慧變流器電壓設定自主調控曲線。當智慧變流器偵測到再生能源輸出電壓過高時,可自動調整虛功補償,讓電壓下降並維持功率及併網後的總電壓。圖/陳朝順教授提供

功率也能「虛實」整合!?

智慧變流器能調控電壓的原理,在於能調整「虛功率(a.k.a. 無效功率、電抗功率)」

在直流電的世界中,電的功率來自於電壓與電流的相乘,提供越多的電壓或電流,自然會有更大的作功效率,也就是我們在中學課本時會學到的:

P=I×V

這也是電器、延長線、電源供應器上關於用電功率的註記,以及電力公司在電錶的紀錄上,實際考量到的功率,稱之為實功率。

但是在交流電的世界中,交流電的電壓與電流是一個不斷的交替的波,在波形的上半部(正半週期),是電源傳送至負載(會耗電的元件、電器)的功率,而波形的下半部(負半週期),則是負載傳回電源之功率。

當交流電的電路中只有電阻時,電壓與電流的相位會完全相同,相乘所得到的功率,其相位也與電壓電流相同。然而在真實世界的電力系統中,並不會只有電阻,還會有電容與電感,特別像是民生與工業大量使用的馬達與壓縮機,也都是電感性的負載。而交流電在電容與電感元件中,會呈現剛好相反的特性。

在純電容的交流電路之中,由於電容的電壓需要電流的累積才會出現,因此電壓滯後電流 90 度相位角,反之在純電感的交流電路中,電感的電壓則因為是電流的導數,而反而會超前電流 90 度相位角。

在一個理想的電路之中,理想的電流和電感並沒有真正消耗掉能量,而是分別在不同的時間點充放電。導致發電廠所發出來的電,並不能夠完全地被電器產品中的電阻給消耗掉,而是被電路中的電容與電感做了無謂的充放電,這個無謂的損耗,也就是所謂的虛功率


為了要減少並沒有辦法真的給電器使用的虛功率,在電器與電力系統的設計上,都會刻意地利用電容和電感的搭配,使電壓與電流的相位差減少,讓整體電器相對於電網來說,近似一個純電阻的元件,就能提升用電的效率且維持電網中的波形恆定。

但對於再生能源高佔比的情境時,以太陽能為例,太陽能所發出的直流電,可交經由變流器(a.k.a. 逆變器、反流器)轉化為交流電再併入主電網,一旦發生天候或用電狀況改變而導致系統過載時,會導致整體系統的電壓升高,而危害到系統上的所有電器。

因此,智慧變流器在此的用處,是透過通信網路與能源管理系統連結,當系統電壓提高時,增加電壓與電流的相位差,使太陽能發電系統的虛功率提升,因而降低輸出的電壓,以維持主電網電壓的穩定。

從七美島到台灣島

七美高佔比再生能源的智慧電網,是實踐我國積極提升再生能源裝置容量的能源政策的寶貴經驗,陳朝順教授認為,雖然如德國等國家,正朝向實踐100%再生能源發電的目標邁進,但達成主因仍受惠於歐陸跨國電網所提供的穩定基礎。臺灣再生能源高佔比的獨立電力結構規劃,在全世界仍屬相當罕見,因此,高佔比再生能源的七美經驗,成了我國電力發展的重要試驗。

好啦,其實在臺灣是很幸運的,平均只要花上16分鐘左右的時間等待復電。圖/torange

此外,臺灣的供電品質雖普遍較世界各國為佳,以系統平均停電時間(SAIDI)來看,臺灣全年平均每一戶大約是 16 分鐘,相比起來德國約 40 分鐘,中國大陸約 60 分鐘。但若以一些規模較小的城市型國家來對比,如盧森堡則約 10 分鐘,新加坡更僅有 0.15 分鐘。代表我國的供電品質,仍可藉由基礎電力建設的更新而有進步的空間,特別是對於科技園區、大都會等關鍵地區,若可盡可能減少電力不穩定的時間與頻率,必然能有助於民生品質與產業發展。

又伴隨資通訊技術與物聯網的發展,與通信網路相結合的電力系統,可以幫助使用者與電力業者,更準確地了解各電力設備的品質與調度電力供需。例如目前都會區普遍採用了電力地下化,但當故障發生時,地下化反成為故障定位與狀況了解的阻礙,因而仰賴搶修工程師在故障區域內的逐一檢測修復。

但結合資通訊技術後,工程師可以在電力系統各環節裝設感測器,了解龐大電力系統各零組件的電壓、電流與溫度等參數,以精準迅速察覺故障發生的位置與原因。

電動車的充電預計亦將會是電力供需的一大負荷。圖/wikimedia

又以電動車為例,部分廠牌電動汽車的充電電流設定為 40安培 至 80 安培,但一般家用電錶的最大總電流常為 25 安培以下,足見當電動車逐漸普及時,電動車的充電將又會是電力供需的一大負荷。因此,若能讓電力公司調配電動車的充電時機至用電離峰時段,就能減少用電尖峰的負荷。

總括而論,智慧電網具有提高再生能源併網量、提升供電品質與更細緻資產管理的功能,是未來高佔比再生能源電力結構下必不可缺的關鍵技術。發展智慧電網所需的電力電子與資通訊科技,亦是我國科學發展與科技產業的強項。然而智慧電網因涉及電力基礎建設的大規模更新,龐大經費的支出仍仰賴足夠誘因的商業模式為解。

若能鼓勵科技、工業園區等業者投入資源佈建局部性的智慧電網;並將能源國家型科技計畫和學界長期以來投入的理論轉化為實務運用。智慧電網的普及,將是我國實踐高佔比再生能源電力結構的關鍵基石。

參考資料

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・2022/11/01 ・2113字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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【水獺媽媽專欄:從日常學永續】我也好想像太陽一樣,可以發光又發電!
PanSci_96
・2022/11/02 ・830字 ・閱讀時間約 1 分鐘

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「隨手關燈,節能減碳」這是在我們日常生活中,絕對會看見或聽見的標語!在家裡被爸爸媽媽隨時叮嚀、到學校被老師耳提面命、忘記關燈而被罵的記憶肯定不會少。

建立節能好習慣很重要,但我們現在還有哪些跟能源相關的永續行動呢?

台灣的發電來源,主要仰賴燃煤、燃氣等化石燃料,比重高達80%,但提供穩定電量讓人類使用的同時,卻也大量排放二氧化碳及空氣汙染物、加劇氣候變遷,灰濛濛的天空就是最直接的證據。

近年,政府積極推動能源轉型,希望降低對化石燃料的依賴,發展再生能源,尤其是太陽光電和離岸風力發電。

像是今年夏天,家長跟小朋友都很期待的「班班有冷氣」政策,除了讓大家可以舒適上課,也同步規劃「校校會發電」,降低對地球的負擔。

近年,政府積極推動能源轉型,希望降低對化石燃料的依賴,發展再生能源,尤其是太陽光電和離岸風力發電。圖/水獺媽媽提供

不過大家有發現,學校的發電設備裝在哪裡嗎?

原本烈日長期曝曬,又熱又空的學校頂樓,竟然可以搖身一變,成為設置太陽能板的最佳基地!而當地球最豐沛的資源——陽光,照射到板內的矽晶片時,光子會撞擊電子並產生電流。

這些我們肉眼看不到的次原子粒子,卻悄悄在太陽能板中移動,而且發電的過程不會排放任何溫室氣體,也不會造成空氣汙染,非常不可思議!

陽光照射到板內的矽晶片時,光子會撞擊電子並產生電流。圖/水獺媽媽提供

也許我們都沒想過,學校可以從原本「電的消費者」變成「電的供給者」,將能源轉型落實在校園中,那麼大家趕快找個時間,去看看自己的學校,有沒有用來發電的太陽能板吧!

隨手關燈,一起節能愛地球!圖/水獺媽媽提供
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若風力、太陽能變成主要能源,如何不被無風陰天弄得全國大停電?──《牛津通識課|再生能源:尋找未來新動能》
日出出版
・2022/07/20 ・3299字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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電網:將電力輸送到各地的網路系統

在十九世紀,電力是在靠近電力需求的地方生產的,但到了二十世紀,規模經濟催生出集中式發電廠、長距離傳輸線和地方的變電站。現在,世界上大多數國家的電力都是透過電網來提供。

電網,就是用來傳輸電力的網路,像是電廠、變電廠、配電系統等等,都是電網的一環。圖/Pixabay

這套系統是為了滿足供電需求──最低需求稱為基本負載(baseload)──所設計的,由最便宜的發電機來滿足。

直到最近,發電方式通常是以燃煤為主(也有國家是以核電或水力發電為主),而且大部分的時間都在運作。會搭配其他發電廠(通常是循環燃氣渦輪發電機)來支援,以滿足每天的負載量變化,也會有可快速運作的小型燃氣渦輪或柴油發電機來應對激增的需求或是發電廠停擺等故障問題。

發電廠和變電站間的輸配電系統很重要,這可確保即使有單一線路或發電廠出現問題,仍舊能夠維持電力供應。電網有辦法將電力輸送到偏遠社區,也能獲得偏遠地區的發電。

再生能源進場後,該如何和傳統電廠互相配合?

現在,太陽光電場和風場在許多電網上提供的電力占比日益升高,這正在改變對發電廠的要求。在一般情況下,一天之中混合使用再生能源和傳統發電廠的發電方式最為經濟,而不是完全使用大型的傳統發電機。

風場和太陽光電場容易受到天氣的影響,現階段該如何讓再生能源電場與一般傳統電廠配合,也是能源議題中的一大考驗。圖/Pixabay

除了提供潔淨的電力外,風場和太陽光電場的營運成本最低──這稱為邊際成本(marginal costs)──因為它們沒有燃料成本,並且會首先調用。

為了讓風場和太陽光電場達到最大使用效能,最好是搭配能夠因應電力供需變化而快速反應的其他發電廠;而且理想上,這些電廠的運作也應該符合經濟效應,運作時消耗的用電量僅占其最大負載量的一小部分。

一般來說,燃煤電廠和核電廠的數量並不會有快速的增減,而燃氣和再生能源電廠則是更好的選項。根據地點的不同,水力發電、生質能、地熱和聚光太陽能(搭配蓄熱儲能)都可以擔任靈活發電的功能。

化石燃料發電廠可以儲存燃料並因應需求來提供電力。風場和太陽光電場與這些可以隨時供電──稱為可調度或固定供應──的發電廠不同,這兩者的運作都取決於天氣這項變數。

運用 AI 技術,擺脫「天氣」這個天生弱點!

儘管有時會出現風力弱和陰天的日子,然而,與一些人想像的剛好相反,擁有大量風力發電和太陽光電的電網其實能夠在需要時提供電力。

透過人工智慧(artificial intelligence,AI)來獲取良好的天氣預報,太陽光電場和風場的輸出變化通常是可以預期的,因此可得到最佳結果。

透過人工智慧的協助,可以更有效的運用電力。圖Envato Elements

當再生能源供應達到總電力需求的 30% 時,這些變化可以輕易透過裝配在電網上的快速反應發電廠來填補,以滿足供電需求的變化。

當一處 1000 兆瓦的大型發電廠意外跳電(可能是設備故障或過載),處理起來可能遠比風力發電或太陽光電的電力突然下降更具挑戰性。備用儲電站必須迅速上線,而風場和太陽光電場若是尚未達到滿載,還可以在有風和晴天的天氣迅速提高其發電量,提供額外的寶貴備用電。

再生能源成為主要來源後,怎麼讓電供保持穩定?

為了提供潔淨、安全和價格低廉的電力,並且在本世紀中葉大幅減少碳排放,避免氣候變遷演變到危及生靈的程度,全球的供電必須以再生能源為主。透過增加再生能源的輸出、地理分布以及與其他電網的連結,再生能源的供電占比將可望提高到電網的 50% 左右。

在一定程度上,增加這類綠電的發電能力可以彌補天氣條件惡劣的情況,而連接大範圍的太陽光電場和風場則可以提供更平穩可靠的電力。

在歐洲,丹麥已經與挪威、瑞典或德國等國進行電力交易,以此來平衡電力供需:在他們自己的風力發電量高時出口電力,而在發電量低時則進口電力。

然而,建立洲際再生電網並非易事。過去曾經有一項 DESERTEC(沙漠科技基金會)的提案,計畫要將北非的太陽能傳送到歐洲,但由於政治不穩定,再加上不同地區和國家對規畫中的電網各有所圖,產生相互衝突的反對意見,因此難以具體實現提案。

增加太陽能板的面積、建立跨國、洲際再生電網,都是維持電力供應穩定的做法。圖/Pixabay

此外,由於太陽能板的成本急劇下降,因此日照多的優勢變得不那麼重要,因為可以靠增加太陽能板的大小來彌補日照少的缺憾,這比支付長距離傳輸費用更為經濟。能夠在地方發電也等於是提供了一份供電的安全保障,不必依賴化石燃料進口。然而,廣泛架設的電網確實對於供需平衡有極大的幫助。

若是能配合供電來調整電力需求,就可降低對儲能廠的需求──這稱為「需量反應(demand response)」──或許可成為一個更便宜的選項,因為那些用來支援電力尖峰的快速反應發電廠的運作成本最高。

智慧電網:更聰明、更彈性的調整電力供應!

使用智慧電網可以讓電網營運商和用戶間進行雙向溝通,調整電力負載量,使其與供電端相等,這樣就能確定出需要從電網中取用的的需求量,或是添加量。

出現短時間停電或減少電力供應時,許多運作仍有可能繼續維持,好比那些具有熱慣性的操作──像是保持鐵或瀝青、熔融物或超市冰箱冷藏食物的溫度;或是建築物的溫度調節──或是在將零件組裝成產品前,先製造出充足的零件備量。

智慧電網最重要的就是雙向的溝通來進行調整。圖/Envato Elements

同樣地,可以透過啟動電爐、大型電解槽或海水淡化廠(以幫助應對氣候變遷造成的乾旱)來增加需求量。在數位化科技的推動下,我們正處於智慧電網革命的開端,這將會對電力負載量造成重大變化,將會讓邁向再生能源的這段過渡期更為容易,並且為客戶帶來更低的成本。

另外,可以用價格差異來鼓勵客戶改變他們的電力需求。在義大利,有推行一個簡單的計畫,是以固定費用(取決於所使用的最大功率)和每度電的價格來回收發電廠的資本和配電成本以及發電成本。

以限制電力需求的方式(讓消費端的電價變得更便宜),白天必須間隔使用電熱水壺、洗衣機和烤箱等電器;如果一次全部使用,就會跳電。

這樣便可降低發電成本中最高的尖峰用電。而在離峰期(例如夜間)提供便宜電價也是一種方式。不過要達到有效調整,需要同時使用智慧電網和智慧電錶。這樣用戶端可以看到他們的消費細節,並選擇僅在低電價或優惠價格時段才使用某些電器設備。

儲能設備對於提高再生能源的發電占比非常有幫助。以太陽光電場和風場這樣的組合來供應夜間用電,往往會有白天過度生產,導致電價下跌的情況。若是沒有儲能設備,必須盡可能出口過剩電力,或是以減少供電來降低損失。短期儲能可以將部分電力從下午轉移到晚上,因此小容量即可以滿足日常需求。

隨著電池成本的急劇下降,這種儲能的可用性變得越來越高,而且也開始取代那些用來補強綠電不足時的快速反應化石燃料電廠。

——本文摘自《【牛津通識課02】再生能源:尋找未來新動能》,2022 年 6 月,日出出版,未經同意請勿轉載。

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