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史特林引擎與淨潔能源的商業化

2006/09/05 經濟部能源局 點閱人次: 576

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█撰文╱攝影:周鑑恆

史特林引擎可以利用任何熱源做為燃科。使用傳統燃料或者各種新開發的燃料,固然可以運轉史特林引擎,令人振奮的是,史特林引擎也可利用永續的淨潔能源。隨著製作技術一日千里、能源短缺和環境污染問題日趨嚴重,以及大量生產和社經條件的成熟,史特林引擎未來發展無可限量。

史特林引擎之所以令人著迷,原因之一是它做為科學教育活動的主題,可難可易,可深可淺,妙趣橫生。其設計可以簡單,也可以很複雜,更可以自行創新,適合中學生參與,也適合大學生加入;參與者經歷無限的想像和創作空間,彷彿置身在製作真會轉動的小人國引擎的童話夢幻世界,而活動內容卻緊扣熱學的核心課題。另一個原因是,它不僅有助於能源教育,更是能源多元化政策的可行方案之一。

以太陽能為例,人們想到太陽能總會聯想到太陽能電池板,但以太陽能做為熱源,結合史特林引擎,將太陽能轉換成可用能源的效率更高,發電量更大。

太陽光聚焦碟發電技術

美國史特林能源系統公司經過20年不斷改良史特林引擎,並且與哥德級潛艦集團、美國太空總署葛林實驗室、美國能源部及美國波音公司一起合作,發展出成熟的史特林引擎——太陽光聚焦碟發電技術。該項技術利用37英尺直徑的碟型反射鏡,將陽光聚焦在史特林引擎的受熱器上。每組史特林引擎「太陽光聚焦碟」還能改變方位角和仰角來追蹤太陽,以便儘可能聚焦最多的陽光。

史特林引擎的受熱器內側則加熱其中的氫氣,使之膨脹。氫氣膨脹的壓力可驅動活塞、變速裝置和驅動軸等組件,史特林引擎於是運轉起來,但史特林引擎中的氫氣並不用火星塞點燃(此地的氫氣用作工作流體,並非燃料。用氦氣更佳,但成本太高);而運轉中的史特林引擎可經由它的驅動軸轉動1具小型發電機。整個從熱能轉換成電能的發電過程全都在1只約汽油桶大小的箱子中進行,其間並不須要用到水,而且引擎不會排放任何廢氣。這樣一具史特林引擎「太陽光聚焦碟」能發出25瓩的電力。

史特林引擎「太陽光聚焦碟」技術的原型機組,已經成功藉著陽光運轉超過26,000小時。在位於新墨西哥州阿布爾克基市(Albuquerque)的聖地亞(Sandia)國家實驗室中,有6組史特林引擎「太陽光聚焦碟」發電機組正持續運轉和測試。實驗顯示:太陽光聚焦碟技術的發電效率,較其他太陽能發電技術(包括:利用拋物面鏡反射,聚焦陽光,加熱鍋爐,產生蒸氣,利用蒸汽推動一般傳統電廠常見之渦輪蒸汽機的發電方式;以及直接將太陽光變成電力的半導體太陽能電池板)效率高約2倍,顯見太陽光聚焦碟技術保有將陽光轉換成可使用能源最高效率的世界記錄。

跨時代的指標結合應用

事實上早在25年前,福特汽車公司就已經開始該項研發計畫。期間該項技術數度易手,直到史特林引擎發展應用至太陽能技術上。由於史特林引擎太陽能發電機組的支架系統非常像汽車底盤,因此極容易大量生產。

2005年8月8日,美國總統布希訪問史特林能源系統公司在聖地亞國家實驗室正在運轉的6組原型機,並選定該地做為簽署能源法案的背景。翌日史特林能源系統公司即與美國主要的再生能源買主「南加州愛迪生公司」的子公司「愛迪生國際公司」簽定1份合約。

該合約預計在南加州洛杉磯北方70英哩處,完成1座占地4,500英畝的巨型太陽能發電廠。此太陽能發電廠採用史特林能源系統公司所生產的新型陽光聚焦碟(史特林引擎),總發電容量達500MW,足以供應近50萬戶人家所需的電力。完工後的發電廠可望成為全球最大的太陽能設備,其所發出的電力,將比全美目前正在運轉的所有太陽能電廠發電量的總和還多。該份合約還包括了進一步擴充發電量到850MW的可能計畫,即從2007年底開始,以為期4年的時間,在加州勝利谷(Victorville)附近建造2萬個陽光聚焦碟(史特林引擎);如果南加州愛迪生公司贊同再增加350MW的發電量,將再多花2年時間,使陽光聚焦碟(史特林引擎)的數目增加到34,000個。

相關實驗還證明:陽光聚焦碟(史特林引擎)技術的成本合理,所產生的電力,電價較其他太陽能發電技術的電價明顯低了許多。該項太陽能發電計畫無需美國加州州政府的補助,而且將提供給納稅義務人受歡迎的電價。預估這是史特林引擎在太陽能技術商業發電領域首次的重要應用,也是人類使用太陽能發電的一項重要里程碑。

打造「史」上最「熱」的完美組合

除了太陽能之外,地熱也是一項永續淨潔能源,無論地熱的來源是地球形成時所產生的,或是最近有科學家認為由於地核的核反應所造成(也造成地磁),地熱資源蘊藏量超乎一般人想像。據統計,地熱蘊藏量約為煤炭能源總量的1.7億倍。除了潔淨之外,地熱發電具有幾項優點,包括:較需築水壩的水力發電,或占地遼闊的太陽能及風力發電,地熱發電對地面的影響不大;供電穩定可靠,無論天候或者一般的自然災害,地熱發電較可以24小時全年無休的運轉。

地熱發電最早於1904年在義大利拉德瑞羅(Larderello)實現。美國是當今全球地熱發電最具規模的國家;中國西藏羊八井也有可供10萬人電力的地熱發電廠。

地熱發電大致上可分為4個類型:一、利用地熱蒸汽推動渦輪機發電,通常要經汽水分離的過程,這是目前比較主要的地熱發電方式;二、全流地熱發電,則一併利用地熱產生的所有蒸氣和熱水發電;三、雙循環熱交換地熱發電,又稱朗肯系統,是利用地熱蒸汽或熱水加熱低沸點的工作流體,推動汽渦輪機發電。經由水和水蒸汽循環不斷輸運地熱,形成熱管循環,經熱交換器加熱工作流體,工作流體不斷汽化和凝結,推動渦輪機,形成熱機循環;四、乾熾熱岩(Hot Dry Rock)地熱發電,這是1970年代美國科學家莫頓和史密斯提出的方法,隨著鑽井技術進步,這種使地熱發電更不受地點限制的方法逐漸受到重視,日本、英國、法國、德國、俄羅斯等國已相繼投入研究。

台灣地處環太平洋火山帶,地熱蘊藏量頗豐,目前約有100萬瓩的可開發量。民國79年曾於清水設置地熱發電廠,惟於民國82年停止運轉。最近經濟部能源局定有「地熱開發示範系統探勘補助要點」,將進一步開發台灣的地熱資源。

由於史特林引擎可於不同溫差下運轉,工作流體用高壓氣體,額定轉速亦有相當大的範圍,設計的彈性很大,恰能配合壓力、溫度差異很大的地熱。一般地熱僅攝氏100~200℃,甚至不到100℃,即可直接推動史特林引擎(如果使用一般的汽渦輪機,則須使用閃蒸法這類技術和設備);而雙循環熱交換的方式,恰恰適用史特林引擎,也避免了化學腐蝕的問題。因此,史特林引擎用於地熱發電,實有其無可取代的獨特優勢和極大的發揮空間。(作者為萬能科技大學光電系助理教授)


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