生態村再生能源規劃和安裝技術(1)

節錄自「2016台灣生態村及自給自足研討大會」由彭耀階主講之專題講座

作者:彭耀階   二○一六年十一月

 

1)何解生態村要能源自足?

          火力發電廠                                                                                                                                                                核電廠

 

原因就是主流社會的生產消費,莫不以剝削地球、眾生和他人的手段達成,發電又怎會例外? 一五年台灣電力78%由火力 產生,一一年中國大陸79%電力由燃煤產生一二年香港電力75%由火力 產生,亦即以天天排出巨量二氧化碳和各類污染氣體 所產生出來。使用它即是生態村並不是微自然干擾,而且是支持著這些能源的存在。 

 

怎樣自己產電?

基本上生態村可以考慮三種再生能源發電方法,太陽能、風能和水能,資金短缺則可以自製火箭爐蒸氣發電,其他能源方案現在仍然未夠成熟。

 

再生能源會否查實只是「眼不見為乾淨」?

生產那些太陽能板、風車時耗用了大量火能核能,使用時即使毫無污染也只是白幹?

:   請不要當所有低干擾能源的研究者都是低智!數十年前剛開始研究大量使用太陽能時已有專家量度有關數據,知道一塊太陽能板平均二至四年可以接收到生產該塊板所需的能,而太陽能板的使用都可以在二十多年以上,亦即有二十年以上所產生出來的能乃補嘗了生產它所做成的排温排污之後的全無污染的潔淨能源。

德國是當今世上科學文化最高和最普及至民間的社會,民智和公民意識也位列全球最高之列,諾貝爾獎也近半被他們拿了去。德國日照量比台灣差很多,但德國的電力仍有一半由太陽能生產出來。 

1:

p 為以火力發電生產某太陽能板所排放温氣和污氣總量,

為所耗用電能。所以,

p/e為火力發電的每度電排温和排污量。 

另設該板可以三年時間收集到生產它所需電能 e 另該板可使用27年以上,即此板一生共收集到  9e  度電以上。這時即使將生產該太陽能板所排放温氣和污氣總量  p 也算作由板所產生,則此板每度電的排温排污量也只是

p/9e  =  p/e  x  1/9 

即連生產太陽能電池板時的能源耗用也計算在內,排温排污亦只有原來主流發電方式的九分之一。 

以上之所以拿太陽能出來計算,乃因為太陽能在三種再生能源之中乃成本效益最差的一種,若太陽能也比火力發電好九倍,風能當優於火力數十倍,水能則優於火力數百倍。

 

2) 水力發電的利與弊,和安裝要訣。

這是諸種再生能源之中最便宜,最環保,最簡單,供電最穩定和最適合台灣非城市地區民間自行安裝者。山溪水不可能忽然之間消失,最常見的不穩定就是旱季的水量下降至無法令水電機運轉,所以旱季可能有一段日子沒有電力供應。

 

只要雨季夠水令水電機運行,所產的電能被使用達一半以上,以使用十五年算必定比市電便宜。

裝機溫師父 於講者所屬社企農莊內

:   蓮花谷生態社企農莊在廣東蓮花山脈農莊內山溪於2006年所安裝1500W機組。

 售        價:       1500

 配套建材:        2500

 安裝人工:        2800

 運        輸:       2000

 合共:               8800#

 

實質輸出功率:    400W

(溪床情況令落差達不到3米要求)

 平均每月產電:   300度電

 平均每月用電:   180度電

 每年保養抹油:   200

 每年供電月數:   8個月

 

所以,假定上述狀況維持十五年不變:

每度電成本 = 十五年來資金總投入 / 十五年間總用電量

           = 8800+200×15)÷(180×8×15

           =  0.55元人民幣,約等如2.7元台幣。

 

上述是個極之不理想的真實案例。近乎理想情況是溪床提供得到三米以上落差,只要達到此落差要求,則該機起碼可產電1000W,即一天產24度電,而且在旱季溪流較少之時也可運行。若果可使用六成電,則一天可使用19度電,15年一共可提供104,000度電,即每度電0.11元人民幣或0.6元台幣

 

最環保的產能方式

 新聞常聽到環保團體或人士常批評水力發電如何如何不環保,但請注意他們所指並非這種無壩微水電機,而是有水壩和儲水庫的那種,現在介紹給生態村使用的水電並不需要水壩和儲水庫,而且可以實質上達到使用過程無環境壞影響。

小水電的另一環保優點是它一般都可以供應1000W以上的110V220V的交流電,二十四小時不間斷,直接供各種電器使用,不用儲能,不用直交流轉換,不用升壓降壓等各種設備儀器和隨之而來的能源耗損。

 

安裝小水電機注意事項,以達到微干擾要求:

1) 高落差和低落差兩種機種都有集水池,其直徑不應超過所在位置山溪寬度的三分之一,讓沿溪活動動物不受影響。

2) 集水池進水口套上圓錐形不袗紗網,錐尖向外,不讓水中動物跌進水管內。

3) 除高落差和低落差兩種機種外,凡有輪葉在水中轉的,都先向代理或廠家求證其轉速並不會傷水中動物。

 

溪流小水電機分類:

 

溪流小水電機大致上分三大類:  

 

1)五米以上落差的,或稱高落差式;

 

2)五米或以下落差的,或稱低落差式;

蓮花谷生態社企農莊於2006年在蓮花山脈內安裝的下拉式水電機組

 

3)平流式或無落差的。

平流型

斜度高的山溪用高落差,較低斜度的,或工程斜率在1/41/12之間的用低落差,低於1/12的用無需落差的平流式,大致上是這樣,但也不是一概而論。

 

此外,依靠水的重量衝下落差推動線圈轉動的落差式又分為下拉式和衝擊式兩種,下拉式機組位於水流衝下落差水管的上方,讓水從下面拉轉輪葉。衝擊式則讓水由上面衝下而推輪葉轉動。平流式水電機又可大致細分為風扇式,水輪式,水平螺旋梯式,和走馬燈式四大類。

 

各不同形式機種的應用場合:

衝擊式:

斜擊式

一般來說,高落差式應該用衝擊式,亦即機組是置於水流下衝管道的底部。而衝擊式又可細分為直擊和斜擊兩種,直擊式的衝擊水管垂直安放,水由頭頂上衝下,斜擊式水管成一傾斜角度,水流並非垂直地衝下,而是成一傾斜角度。山溪流段若斜至近乎垂直,最好用直擊式,否則應用斜擊式。

 

斜度高山溪之所以要用衝擊式,乃因為機組是置於衝擊水管的底部,當有需要進行維修保養更改之類工作時,不用攀爬五、六米甚至一二十米到衝擊水管的上方。

 

下拉式:

下拉式,蓮花谷生態社企農莊於2006年在蓮花山脈內

至於三米左右低落差的垂直(下拉水管高處接機組一段必須要垂直)下拉水管,由於溪邊不難找到可以下降三米左右的位置,所以通常人都是位於管道的頂頭,在那裡安裝下拉式機組則更加容易進行維修保養更改之類工作。下拉式機種另一好處是它並不需要固定安裝,重量也只二三十公斤,所以容易拿走。機組容易拿走原來是個非常有用的優點。

 

平流式:

平流的河溪不用說難以找到水流有落差之處,只能靠轉換水流的部分動能成電能來發電。這一類的機種又可細分成四大類:風扇式,水輪式,水平螺旋梯式,和走馬燈式。

風扇式平流型

風扇式最便宜和容易安裝,但個別水分子加速扇葉的力度小和推程短,所以轉換成電的能也小,另外旋轉速率高,容易打傷魚蝦,不建議使用。

水輪式平流型

水輪式可從較低流速的溪水中轉換出較多電能,因為個別水分子推動輪葉的推程長,但機組昂貴巨大而且笨重,安裝又不容易,所以也不建議使用。

 

 

水平螺旋梯式沒有水輪式那麼笨重和昂貴,但只適合用於水流有斜道的山溪或水圳。

 

走馬燈式

走馬燈式為平流式諸多機種中最便宜,重量最輕,雖然能量轉換率也不算高,但有辦法可以將寬寬地流過的溪流盡用。但此機種通常需要溪流有近一米深度,一米以上寬度和流速不少於時速5公里。通常台灣平流溪都處於下遊,溪床是碎石塊,水流寛而不深,但流量不少。解決辦法可以把溪床收窄並加深,最窄之處寛度兩米,深度一米,長度長一些,三至六米,以減少湍流。在喇叭口兩邊做水泥石屎壆,這樣的話喇叭口的水流會大於時速五公里,符合裝機要求,兩邊水泥壆也就可以成為機組的安裝台基。購買機組時請認明是轉速不傷魚類的,這類機種的轉速乃可依電機原理在設計時作一定調整,慢速的就不虞打傷水生動物。

 

選取要訣:

1) 食位能差優於食動能,所以,同等水流量,高落差優於低落差,低落差優於平流:

 

可以拿3米低落差和時速5公里平流每秒能量作一比較:

設兩者皆每秒有m公斤水流過,

3米落差的位能差 = m x 10 x 3 = 30m(J)

5公里時速的平流動量 = 1/2 x m x (5/3.6)^2 = 0.965m(J)

3米落差的位能差比5公里時速的平流動量大30

 

2) 同是平流高流速動能是低流速動能倍數的二次方,所以,在不損生態的條件下可將溪流收窄以增加流速。

 

可以拿時速10公里平流和時速5公里平流每秒能量作一比較:

設兩者皆每秒有m公斤水流過,

時速10公里平流動能 = 1/2 x m x (10/3.6)^2 = 3.9m(J)

時速 5公里平流動能 = 1/2 x m x (5/3.6)^2 = 0.965m(J)

前者時速是後者2倍,但前者動能是後者4

 

 

3) 多利用下拉式

下拉式同時具有最便宜,安裝最容易,重量最輕兼且隨時可以拿走的優點,我們應該先考慮可否安裝下拉式,尤其是斜率不高的山溪怎辦。原來只要工程斜率不低於1/15的山溪都可以安裝下拉式。

 

方法是在裝機之處溪邊找找有無可以有三米深之處,有則在該處安裝機組和下拉水管。注意水管下端必須浸在水裡面,即下端管口必須是個小水池,管口不能露風,否則一進了空氣入水管,下拉力度便大大減低,甚至會拉不動輪葉。若找不到有三米那麼深的位置,則要看看可否買到兩米落差的機組,和有沒有兩米深的溪邊。沒有的話,仍然可以安裝三米落差的,方法是以支架將機組安裝至高出地面,令下拉水管上端入口跟下端浸著管口水池的水面有三米以上落差,另上端入口處安裝一個注水池,例如以不袗做一個長和寛各一米半,高0.8米,另再由注水池頂上連接一條直徑30公分硬膠喉管,沿溪邊向上游走,直至找到溪流水位比注水池高出一米左右的位置為止,上走喉管就連接到溪流去,溪水於是自動沿水管流入注水池……

 

連上述條件也找不到,便要看看溪中有無一米半米落差的地方,有的話便可以在那裡安裝水平螺旋梯式。

 

7)柴薪燃料,利與弊和使用要訣:

這是所有能源當中最低安裝和設備成本,和可以大量使用的低碳能源,也可以將之和水杓葉水輪發電機配合改裝成蒸氣發電機。方法是用較大水鍋,蓋密封(請注意安全,必須安裝安全氣閥,及乾燒警示。),只餘蒸氣喉出口,並且將喉連接至發電機噴咀 ,理想設計是蒸氣噴出後有回走管道返回水煲。可參考附圖。

                          

適當地使用柴薪可以是低碳能源,但所造成空氣污染也不輕,所以在資源許可下應盡量多利用上述無壩水力發電。

 

7.1)什麼當燒,什麽不當燒:

 使用柴薪燃料時有一個非常重要的基本點必須要加以注意和遵守,那就是,必須要以殘枝斷枝,或者不可能回收再用的木材之類作燃料,否則就不再是低碳能源。能夠容易回收作肥料或土層有機質的農耕廢料或有機物,像稻桿粟米桿之類,同樣不應該拿來作燃料,原因何在?

 

應該用殘枝斷枝,或不能回收再用的木材

原來殘枝斷枝,不能回收再用的木材之類物質,都會被細菌真菌等侵襲,其內的碳都會在三兩年間以甲烷或二氧化碳的物質形式給釋放回大氣層,人類拿抑或不拿它作燃料,結果都是一樣。不同的只是污染氣體,細菌真菌作用不會排出其他污染氣體或微粒,燃燒則會。不過,燃燒柴薪的温度還是比汽車發電廠的低得多,所以前者的污染物主要是不能完全燃燒的粒子,氮氧化物則少得多。

殘枝斷枝柴薪

 

伐木作燃料就不再是低碳,因為樹木本身就是碳貯存庫,即使只砍掉它們身上部分枝幹,進行光合作用的葉子也因此減少了,於是燃燒這些柴薪就即是減少從空氣中吸收二氧化碳及增加二氧化碳排放,雙重增加温室氣體的作用。以可回收再用木料作燃料則是碳排放淨增加,因為若換過將木料繼續使用,其內的碳便不會給排放了出來。

伐木柴薪

 

至於稻桿、粟米桿和穀壳之類,則不應該作燃料用,而應該循環回田地,使之成為泥土中的成分,如此則可以將這些植物於光合作用過程之中從空氣中獲取到的碳轉而貯存到泥土中去。事實上土壤正好是地球表面最大的碳貯存庫,地表碳約七成存於土壤之中,若全世界的田地都這樣運作,可以發揮到將大氣層內二氧化碳濃度減低的作用。

稻桿粟米稈之類應循環回大地

7.2)不應種植生物燃料

 歐美有不少大企業化農耕以種植粟米等作物製作生物原料牟利,受到環保界和環保學者一致反對。雖然生物燃料的碳主要來自大氣層,所以燃燒時排出的碳也是取自大氣層,照道理也是低碳能源才是。其實不然。原來第二個最嚴重威脅地球生命延續系統的環境問題是「生境喪失」,由人類開墾了太多耕地,令到大量生物喪失覓食和棲息地所造成,並且造成林木遞減、減少從大氣層回收二氧化碳、水循環遭破壞、沙漠蔓延等環境問題。除非你可以從荒漠至沙漠種植此等作物,就是低碳能源,否則的話,你為種植此等作物所佔去的耕地,不管其原來是耕地與否,必定要直接或間接地由他人開墾樹林或淡水濕地以補回。其實現今耕地並不足夠,根據聯合國農糧組織統計,全球每年要多開墾一萬至五萬方公里面積耕地,以填補由於全球暖化和工業式農耕所帶來耕地劣化,和增加由人口增加所帶來對耕地需求的增加。正由於這耕地大幅澎漲的問題,即使你是使用原本就是田的地方來耕作,效果跟開墾樹林或濕地耕作其實沒有兩樣。所以,除非是必須要動用土地才能夠生產出來或做出來的事或物,例如糧食生產,否則便應要使用不需要或不大需要土地的其他辦法。

 

7.3)火箭爐原理和優點:

 

火箭爐可說是刻意為了克服燃燒效能又要夠經濟而作的柴爐設計。

A)空氣乃從柴薪底下自動升上。

B)柴薪燃燒前端之上為高半米至大半米的空心柱體燃燒室,而且燃燒室外壁隔熱。燃燒時一些尚未燃燒的固體微粒在燃燒室內上升,但燃燒室裡面由於四週都絕了緣,所以仍維持在點燃温度,加上又有氧氣從底部升上來,未燃燒微粒於是在上升過程之中相繼燃燒起來,並變成氣體,體積澎漲,加速火焰向上推,有些像火箭噴出火焰,所以叫火箭爐。

 

這種燃燒不大見到煙,乃由於煙即是未燃燒的固體微粒,火箭爐則令這些微粒在燃燒室內燃燒,所以就不大見到煙。

 

C)爐灶可打造成可以選擇圍著煲子的下半身,增加火焰加熱煲身的面積和時間,於是加大了效能。

 

7.4L型和J型火箭爐

          L型                                                                                                           J型                                                                J型

 最簡單基本的是空心圓管體屈成L型,水平向的下方裡面放一塊圓管直徑寬度的金屬隔片。隔片上方放柴薪,燃燒時空氣自動從隔片下方進入。L型的優點是製作簡單容易,缺點則是要有人久不久將柴薪向內裡推。J型則改善了這缺點,將下面水平向管口改為斜斜向上的供柴槽,空氣則改為從底部進入。柴薪在燒掉了前端一部分之後會自動滑下,省了一些人手。(接下頁)