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電網穩定大考驗
再生能源併網

【作者: 王明德】   2014年04月24日 星期四

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全球新的能源革命正要開始。根據國際能源署估計,到2035年,石油產生的電力將每年衰退2.2%,核能年成長1.6%;中間差異及新生的需求,主要由再生能源供應,每年成長3.2%。


其中成長最快速的是太陽能,以每年15%的速度成長,但到2035年僅能供應全球1%的電力;第二快的是風力發電,每年成長8.4%,由於起步較早,佔有相當大的市場,據評估未來將供應全球用電量的5%;其他包括潮差發電、地熱發電及生質能源等,也是各國積極開發的新能源,成長速度都快過石化能源。


就發電端而言,過去受到青睞的,是以火力或核能為燃料的集中式能源系統,這類大型發電廠負責發電配送,整個電網架構只要能夠調頻、輸電即可,較為簡單。但在分散式能源系統崛起的今日,可以看到建築屋頂上裝設太陽能板,在北海道還有能將電賣給電力公司的例子存在;此外,動力車輛逐漸趨向電能的使用,油電混合或純電能發動車輛逐漸受到重視,還有燃料電池的積極發展,也可視為此系列能源發展的延伸。


這類現象使得電力的生產與使用型式愈來愈分散,連結各類技術與產業,延伸為智慧電網也勢在必行。


大型電廠不會消除 再生能源依賴增加


觀察目前發展,未來三十年內,大型發電廠不會完全消除,再生能源則會逐步增加,在能源需求與價格持續上升的同時,大家都在尋找更有效率與潔淨的發電方式,就此來看節能不僅是全球的趨勢,還將影響國家競爭力。


但就現在的技術而言,再生能源是否會是能源發展的救星?這點仍需要觀察,在分散式的微型電網架構下,再生能源的併網,必須做到非常精確及完整的電力調配,如此智慧電網的自我調配及控制相形重要許多,尤其當再生能源併網比例提升到一定的程度時,對於區域電力將會造成影響。


圖一
圖一

因為再生能源併入區域電網後,電壓波動及電力潮流的流向會產生大幅變動,包括像是低電壓穿越、能源管理系統或儲能等相關技術,都需要感測系統的支援,電網才能平穩的應用,當再生能源在電網中的比例超過10%,對電網的運作就有很大的衝擊,因此如何在電力流發生變化時,就可即時掌握相關影響,並可依邏輯處理電網的應變措施,成為智慧電網發展的重要課題。


再生能源併網控管 量測監控智慧模擬

核能研究所目前正與美商國家儀器(NI)合作,使用NI PXI模組化平台,並利用 LabVIEW 所提供的功能,進行多通道即時擷取電壓訊號,使該系統得以即時偵測包括突波、量測相位、功率及頻率等波形變化,以達到及時的監控電力品質的效能;此外,為了達到系統長時間穩定量測的目的, PXI平台亦搭配即時作業系統,可獨立執行LabVIEW程式,操作人員可藉由網路遠端監控方式,了解目前電力監控的狀態。


過去風力發電機設計不夠完備,原因亦包括設計工具的不足,藉LabVIEW 軟體與 LabVIEW 控制設計與模擬模組,建置完整的風力系統模擬器,將風力渦輪、機械驅動鏈、發電機、電網 (Grid)與控制器等設備,均可倒入模擬架構中,針對高成本的測試系統,提供合適的數值模擬環境。


基本上分散型電網的孤島運轉,其實技術已成熟,像台塑麥寮六輕廠房就已有孤島運轉的能力,之前921地震期間,全台灣唯一會亮的地方就只有麥寮,不過現有的作法多是以汽電共生這種較為穩定的技術供電,對於再生能源發電,業界及學界均仍在努力中。


透過這類電力管理系統的基礎研究,對智慧電力設備的發展有直接的助益,透過感測設備將發電的現況、再生能源因素的預測,以及現實或預期用電的狀況進行資訊整合,把用電端及發電端資訊整合,加上各項發電成本,透過人工智慧進行邏輯運算,即可做出電力調配的最佳決策,核能所目前透過基礎研究發展調度系統,開發相關設備作未來技轉的準備,未來加上即時電價的資訊,智慧用電將會更為經濟。


小型風機台灣商機 業界配合才能克服瓶頸

不過技術發展雖已相當穩健,但仍有商業考量的問題需要克服,像在開發一些新的設備時,一些重要的硬體的生產製造卻找不到廠商願意支援,研究單位必須自行進行模具的開發及製造,這使得技術研發遭受阻礙,相對於國外的研究計畫在政府主導下,在前端就有設備商進駐,與學界形成一個聯盟,在技術研發的同時,所設計出來的設備立刻可以符合業界製造的要求,台灣目前還缺乏這類型運作模型,對後續的技轉造成了一定的困難度。


過去所發展的大型集中式發電設施,由於關鍵技術多掌握在少數國外業者手中,台灣業者的發揮空間有限;而當走向分散式能源系統時,更需要輕薄短小的發電來源,如太陽光電、風力等,這時台灣就有機會成為能源科技,甚或是能源的輸出國,尤其是中小型的風機,將會是台灣廠商的機會點所在,根據統計,預期在2020年風機的市場將會有每年30%以上的成長,而台灣廠商對成本及技術控管的能力,更強化這類設備製造的競爭力,光是2010年,台灣風機出口外銷,就超過4億台幣營業額,顯示出龐大商機。


目前世界各國都在發展智慧電網產業,再生能源的確是重要的一環,尤其是台灣這類極度仰賴能源進口的國家,更是如此,當台灣98%的能源都仰賴進口時,發展再生能源降低依賴比例,絕對是當務之急。」加上主流的大型電廠不但高排碳,能量耗損更是嚴重,因此整合再生能源的智慧電網,其技術發展絕對是台灣未來的趨勢。


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