生態村再生能源規劃和安裝技術(2)
作者：彭耀階 Pang, Yiu Kai (Hong Kong) 二○一六年十一月
8）太陽能的利與弊和安裝要訣
小村落用的太陽能又可分為直熱式和發電式兩大類。除沙漠之外，太陽能發電(註21)是再生能源之中最昂貴的一種，太陽能熱水則不同，後者的能量轉換率高得多而且設備也便宜很多，所以並不比市電昂貴，即使台灣的市電這麼便宜也一樣。
雖說太陽能發電最昂貴，但無甚資金，亦無市電或水電可用的村莊亦必須要安裝。皆因照明、手機、平板電腦之類為必需之物，亦難以由他種能源替代，幸好耗電不多。另方面太陽能供電系統可以大小隨意，由供應整個村莊的一概能源至到只供一部手機充電的皆可。所以即使太陽能發電最昂貴，只供小村莊照明和手機電腦等用途的仍然是台幣十萬左右之數。
這裡不打算進一步講解太陽能熱水，原因是當村要使用這種能源時，都很容易找到銷售和安裝商店，生態村所需要知道的，是直熱式的成本比發電式便宜很多。但村若資金不足的話，熱水可以柴薪燃料提供。只要花點心思設計一下，用火箭爐燒熱水洗澡也可以做到跟用太陽能熱水器差不多一樣舒適方便。
8.1）太陽能電池板主要類別:
太陽能電池板可分為單晶體、多晶體和非晶體等三大類，另外薄膜太陽能板其實亦即非晶體板。除此之外，尚有其他太陽能發電方式，但若不是並不適合供小村使用，便都尚在研究發展階段，還不可以取代或跟上述板種分庭抗禮。
8.2）選用單晶、多晶還是非晶：
單晶板
多晶板
單晶、多晶和非晶的效能分別大約為18%、14%和11%，不同廠家會有三兩個%的出入，效能差異影響的是每單位電能產出的佔用面積，而每W價格比例則大約為5 : 4.2 : 3，光看這兩因素，可以結論除非受到可利用面積限制，否則以非晶板最為化算。但原來光看這兩因素還不足夠，太陽能板使用時開首2至4年只收回生產該板所耗掉的能源，再使用下去才真的是收成無污染能源，而且使用年期愈久，每單位生產出來的電能所需環境資源和生產成本便減降得愈低，所以還需要加入另一考慮因素，就是耐用程度。
8.3）耐用程度比較：
單晶板上每塊小片就是一個晶體，粒子間的黏連力都是由化合鍵所提供，所以比較沒那麽容易斷裂或破碎。多晶板上每塊小片都是由非常多個細小晶體構成，每個小晶體之間的黏連力並非由化合鍵提供，所以比較容易斷裂或碎開。非晶板更之只是兩個半導體塗層塗在玻璃片上，玻璃破則塗層亦完蛋。非晶板最容易出問題的地方還不在玻璃片，而是塗層從玻璃片身上剝離。
講者彭耀階2006年親手安裝非晶板
所以，三種板以單晶板最耐用，即使山寨廠出產的一般都可以使用三十年以上，只效能會下降三成左右。其次是多晶板，優質產品使用三十年應該沒問題。最不濟的還是非晶板，十多年前山寨廠出產的，使用上七至八年經已不少出現塗層剝離，不能產電。
即是之故，除非廠商或代理商能夠提供20年或以上維修保養，與及安裝太陽能電池板的空間非常充足，用非晶板才有化算，否則還是用單晶板或多晶板最環保兼最化算得來。若資金不充裕，要用山寨貨，則只有單晶板用得過 ，購買時先在正午太陽下量度一下，若是12V板，額定瓦數除以12後再打個七至八折，就應是讀數。
8.4）太陽能供電系統:
太陽能供電系統主要有兩大類，連接電網式和脱離電網式:
8.4.1）連網式
這系統的特點是太陽能板直接接駁到同步逆電器的輸入，逆電器輸出則經過電能錶（一般來說應該是雙向的）再接駁至輸電網。由板所產生的直流電經同步逆電器後變成跟電網相同電壓和頻率的交流電，並向電網輸出，而且必須同步，即電壓跟電網的同時升和同時降。由於村莊的用電仍然由電網供應，這個安排可以省除充電控制和電池系統。板所產生的電能之所以要經電能錶，乃在於電輸了出電網，歸了電力公司，於是可以在電能錶中扣除。村莊用電時錶讀數會增加，輸出太陽能電出電網時讀數則會減少。
8.4.1.1) 什麼情況應該使用連網系統
電網若已經到達村莊或村莊附近，當然是用連網系統，最環保及最經濟。但若村莊是遠離電網，則拉電纜至村莊要耗用大量物料，也要砍不少樹，非常之不環保，所以這種情況不應使用連網，而應該使用離網系統。後者即使要加添儲能電池，對環境的影響相對仍是少得多。
8.4.2）離網式
基本上系統由四個部分組成: 太陽能板，充電控制器，逆電器和電池組。接駁上以充電控制器為中心。控制器上有三組連接位，其一為接駁太陽能板或其他再生能源的輸出，並且必須跟電池的直流電壓相同，不同則必須先經過升降壓及或變直流之轉換器才接上，其二為接駁電池，其三為接駁逆電器和直流電器，交流電器則接駁至逆電器的輸出處。充電控制器和逆電器皆應該安裝在屋內，電池組最理想應該放置在屋外。
8.4.2.1）蓄電池
市面上可以找到的12V大容量主要是鉛酸電池，其次是鎳氫和鋰電池。
8.4.2.1.1）蓄電池開箱使用前準備：
1）安全措施：開箱前先在正極一邊接上保險絲， 保險絲接上電池正極一端金屬外露部份立時以絕緣膠
布封密，保險絲大小正好是該電池的最大許可電流或再多20%。以後正極電線都是接駁到保險絲並
非接上電池的那一端。
2）導線接駁方式：不應用夾或插，而應該以螺絲修死，以盡量減低駁口電阻。
3）最大許可電流：將電池的容量Ah數乘以該電池的Ｃ值，便得到最大許可電流值。若電池沒有標示Ｃ
值，則一律當其Ｃ值為0.5，以策萬全。例：80Ah電池的最大許可電流就是80 x 0.5 = 40A.
4）最大輸出功率：將電池電壓乘以最大許可電流便得到最大輸出功率，單位是瓦特。例：12V, 80Ah電
池的最大輸出功率就是40A x 12V = 480W。
5) Ah換算成KW-h(多少度電): 12V電池乃將Ah數 除以80，24V電池乃將Ah數 除以40，48V電池乃將Ah數
除以20。例：一個80Ah電池的電能度數，12V的是1度電，24V的是2度電，48V的是4度電。
6) 搬動電池時千萬不要相信電池附設的抽手。
上面算法乃各類電池皆適用的方法，其實各不同設計的電池都有可能比上面計算結果大，但購買電池時若得不到該型號的詳細資料的話，則可以上述方式算出最大輸出功率和最大許可電流。
8.4.2.1.2) 如何計算一件電器用了多少度電？
將一件電器的額定功率(W)數值除以1000之後再乘以使用小時數就是該電器所耗用了的電能度數。
利用這方法就可以預先知道村子一天要用多少度電。
8.4.2.1.3) 多於一個電池的電池組如何接駁:
首先各個別電池必須電壓相同，一就是全都是12V，或全都是24V，如此類推，Ah數值則可以各個不同，以並聯方式接駁，即全部電池的正極連接起來，另外全部電池的負極又連接起來，正極和負極則不連接。並聯電池組的電壓跟個別電池一樣高低，電能容量則是各個別電池Ah數值的總和。 增加電池組儲電容量，以並聯接駁；增加電池組電壓，以串聯接駁。
相同電壓的電池也可以串聯方式接駁，兩個串起來的話總電壓和總電容量度數都是兩者之和，Ah數值則仍舊跟個別電池一樣。
8.4.2.1.3) 如何預算電池組容量
首先這是決定多少天太陽能板收不到電都可以有電使用。然後計算一天要用多少度電。例如計出一天用2度電，決定好電池組要能夠維持3天，即電池組要有6度電的貯存量。以12V電池來說，一度電是80Ah，即6度電總容量要有80 x 6 = 480Ah才成。
8.4.2.2）鉛酸電池
眾所週知，鎳和鋰的環境問題不大，鉛則有嚴重環境問題，那麽在使用上我們是否因此便排除使用鉛酸電池呢？時至今日，答案是否定的，原因在於：
1）今日供太陽能用的鉛酸電池都是密封式乾粉或漿糊狀電解質，不用加水，根本不會有鉛泄漏出來。
2） 香港和台灣都有回收店，舊/壞了的電池都可以賣給回收店，所以店必定拿回廠家再造，況且處理笨重的電池也要一定成本，沒有商人會花費成本把它們丢掉，另外整個電池由鉛至塑料都是低溶點，不用花太多能源來再造，剩下來就只是再造廠家的環保措施做得好不好而已。
3）生態村用與不用鉛酸電池，可說對它們的生產和回收毫無影響，因為它們主要用於汽車上。
4）現在已有長壽鉛酸電池面世，由日本最知名廠家生產，聲稱十年壽命，況且太陽能充電和生態村用電屬延命使用方式，用上十年應該無問題。
所以，除非生態村資金豐厚，否則的話，若必定要離網，使用鉛酸電池還是符合微自然干擾原則的，這比較長距離拉電網至村莊的環境影響還是少得多的。
8.4.2.3）鎳氫電池：
表面看來鎳氫電池比鉛酸環保，其實不然，若與上述長壽電池比較，鎳氫只有三至四年壽命，也沒有回收鎳氫的店舖，令到鎳氫算起來沒有鉛酸電池環保。
8.4.2.4）鋰電池：
鋰電池雖無甚環境問題，但鋰電池昂貴，也不一定有廠家回收再造，更不能百分之百排除出現爆炸意外的可能性，所以鋰電池還不是理想的鉛酸電池的替代品。
8.4.3）太陽能板的電壓和接駁(註22)
太陽能電池板一般有12伏，24伏和48伏三種電壓可供選擇，甚至更高的也有，只是不容易找到和會昂貴很多。
8.4.3.1）低壓傳輸問題
用那一個電壓的板比較好，先要明白低壓傳送電流，會有一部分電能在傳送路徑上損耗掉，
所損耗電能 = 電流^2 × 電阻
另一方面，
電能 = 電流 × 電壓 × 時間。
即是說，傳送同一電能，電壓可大可細，不過，電壓高則電流細，電壓低則電流大。之不過，電流大則傳送路徑上的能量損耗也大，短程傳送兼且使用粗直徑電線，盡量省掉開關和接駁還可以，例如二十米之內，超過此長度則化算不來，要改為較高電壓傳送。
8.4.3.2.）電池和直流電器的電壓問題
電池也有12V, 24V, 和48V三種電壓可供選擇。不過大容量電池主要供汽車使用，而汽車都是用12V，所以12伏的電池價格最便宜，24V的貴一些，48V最為昂貴。直流電器也受制於電池價格和供汽車船隻等使用，都是以12V的最普遍，尤其是LED燈。
8.4.3.3.）同步逆電器的電壓
這設備是將從太陽能電池板輸入的直流較低壓電改為輸出至供電網的交流110V或220V之類。低電能轉換的有12V及24V的兩種，小村莊供電的都應該是48V。
所以，在考慮使用那一種電壓的板時，要同時照顧上述三種因素: 傳輸電壓愈高愈好，儲能電池的電壓愈低愈好，輸出電網的話大功率的使用48V。
8.4.3.4）小村莊連網式
上面已談到同步逆電器要用48V，所以太陽能板也用48V的。
8.4.3.5）離網小用量式
每個房子一個獨立小系統，那就是傳輸路徑小於二十米，板和電池都用12V的，設備價格於是最為經濟，也可以省卻電線每個房子的連接過去。
8.4.3.6）離網大用量式
大電量往往只可以由一個中央儲能系統傳輸到各房屋去，而中央電池組跟板的距離也往往多於二十米，不過多的是50米左右，使用昂貴一些的24V已可大幅減少損耗，不用安裝昂貴得多的48V，於是電池組也使用24V的。
至於由電池組傳輸到各房屋則不再用24V直流電，而是使用逆電器將電源轉成110V或220V交流（台灣應轉成220V交流），再以此交流電傳送到各間房屋裡去。
9）風能
風力發電的環境和成本效益，與及產電穩定程度皆在水能和太陽能之間，只是在台灣地區，適合風力發電的位置並沒有太陽能和水能那麼多。 還有一點需要注意，就是風電機容易損壞，修理也不容易，若購買的話，須先得廠家保證可以在台灣提供維修服務。
普遍使用的風力發電機主要有三大類：風車型，水平䴍鵡螺旋型、垂直螺旋梯型和走馬燈型。其他類型的風電機，例如垂直桿自然諧震型，發展仍未成熟。風電機跟水電機一樣，都是電磁感應原理，都是借旋轉中的線圈或磁場掃過磁場或線圈感應出電壓而產電，所產出來的都可以是220V交流電，可以透過同步轉換器連接到電網。
風的流動方式主要分為片層流(Laminar Flow)和湍流(Turbulent Flow)兩大類，愈靠近地面，風的流動方式愈靠近湍流；離地面愈高，風的流動方式愈接近片層流。即是之故，離開地面愈高，風速愈高，和愈穩定。
9.1）風車式
基於上述氣體流動原理，風電機都會盡量伸高一點，但伸得高則又有另一力學問題，扇葉乃至整個機身受風時會受到一股彎矩力（扭曲力Bending Moment），可以令柱座折斷，於是扇葉要做得盡量幼，以減低彎矩力，但幼葉則會令每單位受風面積轉換的能量减少。
風電機另一項場地上的環境問題就是扇葉有機會打到雀鳥，解決方法是加大線圈磁場，令扇葉以慢速轉動。這樣偏離最適度轉速會令到風能量的轉換減少，不過所減少的百分比並不算高，可以接受。
所以一座風車式風電機的尺寸是多項衝突性要求的產物。這個妥協的其中一個結果是起動風速不夠低，台灣山谷內被高山遮擋村莊大多不適合安裝。
另一缺點就是整個機組的構造都是幼長支桿，在受風時所受到的彎矩力作用下容易出現諧振，造成討厭響聲。
這類風電機最適用於離岸風場的巨大風電機組。
9.2）水平鸚鵡螺旋式
有風，但風速低的地方應該用這一型風電機，由於1）幾乎所有吹入受風切面的空氣分子都可以撞到旋梯葉片，不似得大多數其他設計般大部分分子都會通過而撞不上葉片；及2）葉片向中心彎斜迫令空氣份子必須推葉片前進而不能像撞上風扇葉般馬上彈開，做成長得多的推程，所以每單位受風切面面積能夠轉換最多風能。
另外，由於葉片兩端都固定在安裝支架上，又沒有幼身桿狀構造，不會出現諧振，所以非常寧靜，不會出現風車式機組常見的燥音。
不過，若以支柱撐高扇葉的話，對支柱所造成的灣矩力就會過於巨大，所以只適合在高出建築構架不多的位置安裝。
9.3）垂直螺旋梯式
寛葉片的可以增加空氣撞到葉片的面積，從而增加每單位受風面積的能源轉換率。問題是撐高的話則會在有強風時造成過於巨大的彎矩力於支柱身上，所以撐得高的必須用窄葉片，不用承受強風的才可以用寛葉片。
9.4）走馬燈式
這跟風車式在能源轉換率和通過受風切面空氣撞上葉片的百分率都差不多，而且都是馬上彈開，推程極短。但其他方面則各有優劣：
風車式使用較少物料。
走馬燈式寧靜得多。
風車式普遍通行得多。
走馬燈式受風時產生較少彎矩力和能夠承受大得多的彎矩力。
走馬燈式葉片部分更加簡單對稱，維修更少更容易。
9.5）生態村使用風電機的通盤考慮：
1）村莊內或附近有好風之處才安裝，否則不要安裝。
2）除非特別原因，不用高支柱撐高風電機採風。
3）有穩固支架則安裝水平鸚鵡螺旋型，
4）風向不定或有機會遇上暴烈颱風則安裝走馬燈式。台灣若買不到走馬燈式則買窄葉片垂直螺旋梯式。
5）風車式不要安裝在房頂上，以免造成噪音滋擾，其他式都可以。
9.6) 風能發電系統：
跟太陽能供電系統一樣，風電系統主要有兩大類:
連接電網式和脱離電網式，而且接駁都跟太陽能系統差不多一樣，有些風電機已內置有同步變壓器，可將輸出等同太陽能系統的同步逆電器輸出。若是離網系統，已有些風電機專供離網用，那便要選輸出電壓跟電池組電壓一樣的。交流輸出的風電機則要先輸出至直流降壓器，轉換成跟電池組電壓相同的直流電之後才可以輸入充電控制器。
11) 微自然干擾的短程/接駁交通/運輸工具
講者騎鋰電池電動單車
最佳安排自然是村民不用天天離開村莊到別處工作, 孩子在村內或鄰近村落接受「社區為校(註23)」的教育, 村民在交通上的生態足印可以減至最低。
需要離開村莊的時候, 或者有少量貨物需要運輸的時侯, 單車及三輪單車最為環保, 自不待言。路途又遠一些的話, 上述工具會覺得使用上太過吃力, 這時可使用電動單車, 配合著村本身生產的再生態源, 以村莊再生電能充電, 電動單車可以成為低碳乃至零碳的交通工具。
有大件行里、少量貨物要隨行或運輸的話怎辦? 解決方法是大馬力電動單車拉二輪貨架, 於是不太長距離的小量貨物運輸都可以得到低碳解決。
10）建村前的能源規劃概要：
建村前的規劃又可分為未有村址和已有村址兩個不同模式。
10.1）未有村址:
訪尋村址時需要考慮的因素足有數十項, 有些是必須的, 例如水源; 有些是見仁見智的, 例如與城市或墟鎮距離; 有些是個人喜好的,例如在山間還是近岸的。多加入一項再生能源要求, 也不會太大地加劇了尋找村址的難度。到了始終沒法落實村址時, 可以到時再惕出一些可以犧牲的因素。
在台灣而言, 太陽可謂到處都有, 朝早與黃昏所收取太陽能百分比低很多, 遮擋了也不打緊, 太陽過頂前後六小時沒受遮擋便成。
若朝早或黃昏受遮擋, 則黃昏受擋優於朝早受擋。原來台灣多對流和地形混合雨, 午後開始下, 所以平均朝早見太陽的機會遠多於黃昏見太陽。
台灣當風地方大多要承受超級台風吹襲, 另外風電機易壞, 維修保養難度亦高, 必須要廠家代理包辦, 所以找好風位置未必化算。
台灣的村落能源優勢是山溪多, 水流猛, 多的是適合水力發電的地方, 可以將具有水電資源加入尋訪村址的考慮因素之內。
10.2) 已有村址
主要有三大因素需要加以考慮, 有無電網在附近, 有無水電資源, 和有無撥作再生能源的資金:
10.2.1) 無甚能源資金, 附近無電網, 亦無水電資源:
柴薪燃料就是設備最便宜, 與及可以大量提供熱能, 可是有些空氣污染的再生能源。所以, 有水電資源或者負擔得起太陽能熱水的話便應該盡量減少使用它。無甚資金的話甚至可以自行打造幾個構造最簡單的火箭爐。平板電腦、手機、LED照明等的電力需要則可以自製一台蒸氣發電機, 參照離網風電系統, 電池用一個12V,120Ah容量的電池便已足夠, 其餘充電控制器和逆電器都是千餘元台幣可以買得到。有了這些設備,便可以獲得免費、充足而又低自然干擾的再生能源。
10.2.2) 無甚能源資金, 附近有電網, 但無水電資源:
無甚資金但附近有電網則可申請市電，依靠市電提供LED照明、平板和手機等小量用電, 自製幾個簡單火箭爐, 熱水煮食等由火箭爐提供, 能源需要已可解決。
10.2.3) 無甚能源資金, 附近有電網, 亦有水電資源:
小水電機的開支主要在安裝工程上, 估計在台灣連工包料起碼要十萬台幣左右, 有則安裝小水電機, 無此資金只好按10.2.2)的方案做。
10.2.4) 無甚能源資金, 附近無電網, 但有水電資源:
跟10.2.3)同樣要看有無十萬左右資金而定,有則裝水電機, 無則按10.2.1)方案辦。
10.2.5) 能源資金充裕, 附近無電網, 亦無水電資源:
這情況則要借助離網太陽能及或風能, 選用優先次序如下:
太陽能熱水 > 太陽能發電 > 風力發電
先看看村範圍內有沒有風資源, 最好量清楚風速是否大於低起動風速風電機的起動風速。其次就是超級颱風來襲時, 那位置會否受到全無遮擋的吹襲。若可以安裝, 就應該三種再生能源同時安裝, 讓能源供應能夠較穩定和較可靠。此外亦仍要安裝爐灶和爐灶熱水器, 但使用原則應該盡量使用太陽能和風能,不足時才使用爐灶, 因為柴薪不是0碳, 而只是低碳, 不是無污染, 而只是空氣污染沒有燒煤和燒石油那麼利害。
10.2.6) 能源資金充裕, 附近有電網, 但無水電資源:
那就先申請市電, 再安裝連網大功率太陽能發電系統和太陽能熱水器。其次是依10.2.5)所示看看可否安裝風電機,可以則安裝連網式。此外亦仍要安裝爐灶和爐 灶熱水器, 但使用原則應該盡量使用太陽能及或風能, 不足時才使用爐灶,
10.2.7) 能源資金充裕, 附近無電網, 但有水電資源:
先安裝離網大功率太陽能發電系統, 離網式水力發電和太陽能熱水器。其次是依10.2.5)所示看看可否安裝風電機,可以則安裝離網式。此外亦仍要安裝爐灶和爐 灶熱水器, 但使用原則應該盡量使用水能太陽能及或風能, 不足時才使用爐灶。
10.2.8) 能源資金充裕, 附近有電網, 亦有水電資源:
先申請市電,再安裝連網大功率太陽能發電系統, 連網式水力發電和太陽能熱水器。其次是依10.2.5)所示看看可否安裝風電機,可以則安裝連網式。此外亦仍要安裝爐灶和爐 灶熱水器, 但使用原則應該盡量使用水能太陽能及或風能, 不足時才使用爐灶。
== 完 ==
