綠能發展需供電穩定與智慧節能助翼
- DIGITIMES企劃
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隨著石油有限能源日漸匱乏，地球環境暖化議題高漲，發展綠色能源已是各國政府政策趨勢。台灣也不例外，依經濟部能源局公佈之「能源發展綱領」，台灣能源政策以追求「安全、效率、潔淨」的能源供需體系為目標，需建立可負擔、低風險的能源供需體系，並減少能源密集度、二氧化碳排放量與其他汙染物，在此目標下，衍生出多樣化的策略行動，綠色能源已成為其中不可或缺的一環。
目前的綠色能源以太陽能發電及風力發電為主，各國也已明訂再生能源發展目標，期望提高再生能源使用比例以降低溫室氣體，如歐盟即訂出至2030年有50%的電力要來自風能；柏林的能源顧問公司Energy Brainpool GmbH & Co. KG則預估，歐盟再生能源的發電量佔比至2020年會達到18%。
但綠色能源推動不易，因為綠色電源非常不穩定，太陽能發電在夜間會收工，風電渦輪機則是無風不發電，可能會導致電網輸出電力有時不足，有時卻又會有過載的風險。
電網過載的風險，在保加利亞、西班牙與羅馬尼亞特別急迫；但整體而言，很難預測問題何時發生、延續多久。而用電量變化幅度也是問題，以德國在2014年6月2日的電力使用狀況為例，用電高峰在上午11:30時高達78 GW(十億瓦)，在清晨2:30時低達40 GW；其間差距約等於25座核電廠發電容量。
如在晴朗或多風的短暫發電量高峰時刻，德國與奧地利業者甚至還要以付費方式獎勵消費者用電，而且在2014年前5個月的總時數，就從27小時(時間占比0.745%)增加為55小時(時間占比1.518%)。
布魯塞爾的歐洲電力傳輸系統運營商網路(Entso-e)更因此表示，可能會在用電量低潮期，抑制太陽能與風力供電量，以免有302,557公里長電纜的電網過載。事實上，綠色電源需求會不斷上升，其實跟政府補貼不無關係，瑞典Vattenfall AB執行長Oeystein Loeseth更指出，花大筆納稅人的錢來補助的再生能源發電設施，在需求量低時，還要花錢補貼降低發電量，是很不划算的。
穩定綠色能源技術受重視
但綠色電源不穩定的問題，也成為綠色電源技術及商機發展的關鍵。以歐盟推動再生能源電力的電網系統為例，歐盟能源專員Guenther Oettinger就認為，需要更好的基礎建設來整合新電力，所需經費超過2,000億歐元。
如因應綠色電源供應不穩定的特性，儲存技術就變得相當重要，以備不時之需。如德國的Fraunhofer Institute研究機構所開發的氧化還原流(redox flow)電池，這是一種大型釩基液態電池，因為只使用一種釩基物質，可避免劣化雜質的現象，目前已開發出具備2-kW輸出量的產品，將來的目標是具備供電2,000戶家庭的20 MWh電容量，可供夜間電源的應用。
而在太陽能電池技術方面，由於矽質太陽能電池在吸收光譜的藍色部分不是非常有效，美國康乃狄克大學Challa V. Kumar博士的團隊，便建立天線設法收集那些未使用的藍色光子，然後將它們轉換為低能光子，讓矽可以將其變成電流。
商業太陽能電池目前可以將600至1,000奈米波長範圍內的光能轉換為電流，但從350至600奈米範圍內的效果不佳，這也是目前市場上太陽能電池的效率只有約11%~15%的部分原因。高階太陽能電池的效率雖然可達25%，但價格對大多數人來說負擔不起，難以擴建推廣。
Kumar指出，若能轉換光譜未使用的波長部分，太陽能電池就能夠以經濟實惠的方式使用光波。但這卻絕非是一個簡單的任務，為了解決這個問題，Kumar轉向使用有機染料，由太陽光中的光子激發染料分子，然後在適當情況下，釋放出能量較低但更有利於矽轉換的光子。
但要讓染料分子合作，必須將染料分子個別且密集的包裝，同時滿足量子力學某些要求。為了解決這個問題，Kumar的團隊以混合、加溫後冷卻至室溫的方式，將染料嵌入蛋白質-類脂水凝膠內，有了這個簡單的製程，各個染料分子會被物質環繞，得以分隔同時保持密集包裝成一根細長的粉色薄膜，可以包裹在太陽能電池板頂端的天線。
Kumar指出，這是非常簡單的化學反應，甚至可在廚房裡或在偏遠的村莊製作，也因此可以被廉價的生產，而且這些天線是由生物和無毒材料製成，可以降解且不會對環境產生任何汙染。
該研究小組目前正與康乃狄克州的公司合作，要找出如何將此人工天線用於商業太陽能電池。而在其他專案方面，Kumar也正尋找辦法，將通用的水凝膠應用於藥物遞送和白色發光二極體中。
除了透過能源採集技術產生能量外，智慧節能管理技術也已受到相當程度的重視，不僅可以降低產品功耗，還可讓產品更加穩定和瞬態回應，提高產品的總體可靠性。
以網路設備為例，在提高資料輸送量和性能的同時，往往還要面臨降低系統總體功耗的壓力。以資料中心為例，最主要的挑戰之一，就是如何透過重新調整工作流程，並將作業轉移到未充分利用的伺服器上，才能夠在不影響效率的狀況下，達到節能的目標。
為了要達到智慧節能的目標，電源管理系統必須能為管理者提供產品設備的功耗資料，才能讓其做出智慧節能的管理決策，降低設計成本，並加快產品上市。
綠色電源相關產業衍生商機
綠色電源的風潮，不僅衝擊電力相關產業，也帶動新興產業的發展及增加就業機會。以風機產業鏈為例，包括鑄造、沖壓、複合材料、電線電纜業、電力系統設計整合與組裝，土木建築工程、船舶與海事工程、風場場址規劃設計、機電設計與整合、風能與光伏充電系統、風場運轉維護服務業等，估計可創造約新台幣46.5億元的年產值(以50套2MW風力機+1,000套3kW風力機+1,000套風光互補系統+1,000套Wind Inverter計算)。
台灣許多企業也藉由綠色電源風潮而起，如東元目前已開發出2MW永磁風力發電機組，為國產自製率最高風機，並已成功打入美國風機組裝市場。風機系列齊全，可滿足強颱區域要求，也可滿足酷寒氣候要求，且50/60Hz全球通用，更可符合各國嚴苛之併網規格。除2MW外，東元更已積極投入5MW離岸型、kW級及風光互補系統等產品，因應能源減少的危機與再生能源的需求。
此外，工業4.0的風潮席捲世界，不但帶起新一波的工業革命，智慧節能技術更是工業4.0的主要發展方向，許多機器設備如馬達，也必然需要順應時代潮流。一般的工業馬達運轉資訊，如繞組溫度及馬達本體振動或用電資訊如電壓、電流等，通常必須經由配電控制盤或中控室才能讀取及監測，無法廣泛且即時地反應馬達運轉狀態或突發狀況，降低系統可靠度。
因此工業生產設備若能智慧節能監控應用，可讓工廠管理者透過手機即時監控各生產設備的運作狀況，不但可避免非預期停機，做出最佳的調度，同時還可兼顧節能的目標，也是許多機器設備研發的未來發展方向。
