2011/09/05
經濟部能源局
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▓撰文：林常平、陳貽評
隨著美國總統歐巴馬宣布振興經濟方案中納入智慧電網計畫後，引起世界各國的重視，許多政府期望藉由智慧電網的發展能有效減少對化石燃料的依賴，並減緩全球溫室效應，同時希望促進國家的產業發展，在此多方面的利益期許下，智慧電網未來2、30年內的發展仍是相當看好。
所謂智慧電網（如圖1）是指將傳統電網從發電端到用電端的所有設備利用感測和通訊技術建立起一套完整資訊系統，藉由資訊科技的整合分析，可達到電網即時監控功能，資源最佳利用配置，提升供電品質與可靠度。此外，發展永續能源與節能減碳的世界趨勢下，再生能源的投入亦成為智慧電網發展的重點之一。
由於再生能源的大量導入，對電網存在許多問題與技術待克服，期望電網的「智慧化功能」能夠被重視，然而現存的電力設備並非如預想般地先進，智慧電網的功能有些仍處於概念性探討，理想是否能轉換成實務是目前各產業發展的目標。本文藉由電網歷史概說，探討直流電與交流電在發展時遇到的技術問題，以及現今電網的現況與發展的限制，最後是未來智慧電網的遠景。
電網歷史回顧
◎直流電
自從1880年代開始，美國發明大王-湯瑪斯‧阿爾瓦‧愛迪生（Thomas Alva Edison）為推廣白熾電燈泡使用，申請電力傳輸系統的專利，在紐約珍珠街建立發電站（1882年），開啟世界第1套電能傳輸系統，當時是以110伏特的直流（DC）供電給位於曼哈頓的59位客戶，很快地電力照明讓夜間城市出現奇特的亮光。後來陸續在芝加哥、波士頓、費城與紐奧良展開直流供電系統。
◎交流電
愛迪生的員工尼古拉‧特斯拉（Nikola Tesla）在當時開發交流電（AC）供電，因愛迪生始終不認同交流電，故出走與人合作在匹茲堡建立交流電系統，正式開啟直流電與交流電的商業競爭。交流電系統最重要的關鍵在於變壓器的應用，可藉由提升電壓減少輸電電流，降低電力運送時的耗損，實現遠距離輸電理想。
當時直流電瓶頸只能傳輸距離電廠1哩內，以紐約市為例，服務整個城市必須興建數十座電廠，但紐約的房價又貴，其他人口稀少的偏遠地區在投資電廠回收的考量方面，將無蓋電廠用電的機會。交流電的優勢促使成為電力系統供電的主流，用電儼然成為現代社會民眾生活必需品。
電網現狀與發展
◎標準發展
交流電發展歷程中，過去曾有許多電壓與頻率的組合，直到20世紀中葉，以兩個體系的電壓與頻率標準為主，即北美的60赫茲與歐洲的50赫茲。唯有日本是兩種頻率皆有採用的國家。
◎限制與規則
交流電供電系統為維持頻率穩定（50或60Hz），需保持發電量與用電量的即時平衡，即發電端必須隨時隨地調整發電量以因應用電量變化，在這先決條件下，過往的電力系統中並無儲電設計，同時也因電力系統等級的大型電池在過去材料技術的不發達也難以實現，造就電力系統在發電端會準備多餘的備用容量，以防止供不應求的現象，避免有局部限電的可能。
◎自由化市場
在1980年代開始，電力事業朝向「競爭與效率」的新目標邁進，倡導自由化市場與透明公開的交易平台，改革的電力公司不再具有壟斷發電、輸電與配電等3個部分，電廠的發電業者們需依靠競標方式，以決定投入多少發電量賣電。用戶也打破單純被動的用電模式，可與電力公司訂契約或參與競標方式調整用電量，也可藉由安裝再生能源賣電。
◎分散式電源與微電網
傳統電網的供電模式是由許多大型發電廠（如核能、燃煤、燃氣與燃油機組）輸送電力至用戶端，因電廠數量不多故可稱為集中式的發電，當電廠發生事故時，影響的範圍會相當廣大。但隨著再生能源的發展，許多家庭裝設太陽能或風機，此種分散式電源（Distributed Energy）分布各處供電，又可依區域獨立形成一個小型電網，又稱微電網（Micro Grid），未來希望當整體電網的某部分有事故發生時，各區域的微電網能自行運作，讓事故不再擴大。
◎蓄電池技術開發
因氣候因素的不確定性，導致再生能源持續供電性不佳，不僅發電量難以預測，對電力的調度分配更是一大考驗。為維持再生能源供電的穩定，裝設蓄電池是目前最有效的方法之一，以彌補間歇性發電的缺點，現今技術雖可達成，但成本仍然過高。
◎直流與交流轉換
現存的電力系統是從遠方電廠將交流電送至家中，但數位設備均屬於直流驅動，故利用內建AC-DC轉換器，將原有AC轉換成DC供設備使用。在轉換的過程中少部分的能量耗損是無法避免，但兩者互轉次數產生許多不必要的浪費。以再生能源與蓄電池為例，本身輸出的電力方式為DC，為併聯電網提供賣電服務或家庭用電，需附有DC-AC轉換器，但轉換為AC後，因用電設備使用需求，內部需將AC再轉成DC使用，因此多層轉換造成更多的消耗（如圖2）。
◎直流交流再次較勁
20世紀交流電建立起龐大互聯的電網進行傳輸，然而過度集中化的管理結果，造就許多大停電事故發生，如2003年8月14日美國大停電、2006年11月4日歐洲大停電與台灣729事故。未來電網希望朝著小規模發展，以分散式電源為主的微電網，以預防事故的擴散。甚至有以直流為主的微電網正在實驗中，當交流電進入家中後，將轉換成直流電力方式，各電子設備直接用插頭接上直流電，不再透過本身的AC-DC轉換電路，減少電子元件設計，這構想似乎與愛迪生當初的直流系統構想相近。
蓬勃發展的可攜式電子設備如筆電、手機等均是以直流電為主，在整體電網的交流供電下，直流電卻與人們生活息息相關。直流儲電方面的優勢應用在電動車與再生能源儲能，均是目前智慧電網所要積極發展的重點。
結語
從電網發展歷程中，人類成了最大的受益者，日常生活皆無法脫離用電，過去曾因技術的瓶頸造就今日的電力系統架構，在這現有龐大電網基礎下，將如何運用新科技與新思維，將其改變成為所謂的智慧電網，世界各國朝著自身發展的目標前進，慢慢地將其實現化。（作者任職於大同公司新能源事業部）