2017/06/23
｜撰文：鍾嘉雯
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圖片來源／Flickr @ Kathleen Leavitt Cragun (CC BY-NC-ND 2.0)
本文專訪台大黃秉鈞教授，從建築淨零耗能著手，當節能、創能、儲能的概念深植人心，人人都能參與，共築低碳家園。
春末入夏的午後，太陽高掛天上，暑氣已然蒸騰。走上台大工學院頂樓，一片片的太陽能板承接著陽光，在掛滿了太陽能研究資料板的「二代零能屋（ZEH-2）」裡，沒開冷氣，卻有一股涼意襲來，跟一般的頂樓加蓋大不相同。
「零能屋」（Zero Energy House）的設計以遮陽、隔熱技術減少空調使用，採高效率空調機與LED照明技術減少耗能，再搭配太陽能發電和蓄電池，從初代貨櫃屋到第二代組合屋，8坪的空間造價降至百萬元內，成本更低，基本概念始終如一：「低耗能＋太陽能＝淨零耗能」，傳遞的是台大機械系黃秉鈞教授對能源永續的理想！
圖片來源／鍾嘉雯攝影
太陽光電加儲能電池 自發自用不浪費
1976年，黃秉鈞自美返台，一心投入太陽能研究，經40幾年也不厭倦。在機械系任教至今，工學院屋頂的零能屋、樓梯間照明和5樓的機械系辦公室，都成了他的太陽能實驗場，靠著頂樓多片太陽能板和蓄電設備，打造不論晴雨都能供電的自發電系統。
黃秉鈞設計的光電加蓄電系統（如下圖），將太陽能板（PV）接到電力調控器與逆變器（Inverter），當光電充足時，可儲進蓄電池裡，或經由逆變器直流轉交流，可直接供電；或是以蓄熱代替蓄電，類似太陽能熱水器的功能，將電能轉成熱水，比蓄電更划算。當光電不足，控制器可自動切換成市電供應，不虞斷電，提供實用的小家庭自發電設計，不將太陽能輸入電網。
圖片來源／黃秉鈞教授
在工學院頂樓的示範系統（如下圖），及胸的電箱裡裝有小型蓄電池、逆變器和切換開關等，都是黃秉鈞和學生一起購買零件組裝而成，若要設計成一般家庭使用，體積還可更小。屋頂上多組系統各自進行不同的實驗，如更換鉛酸電池、鋰電池等不同的蓄電池測試穩定度和成本考量；使用儲能式的空調機將太陽能轉為熱能儲存來替代儲電；太陽能板改造成重置式或掀蓋式的；或是進行小量產的實驗。
最先進的，大概就是所謂「金字塔微電網」的互聯設計了。黃秉鈞解釋，若在太陽光電充足時零能屋沒人、沒有耗用能源，蓄電池充滿後，太陽能板就不能發電而浪費了，但若利用電力調控器將零能屋和樓梯間的系統互聯，可將多餘電力調至樓梯間照明使用，或再往下接到系辦公室，透過控制器的自動調度，形成小型的金字塔微電網，提升發電效益。
圖片來源／鍾嘉雯攝影
圖片來源／鍾嘉雯攝影
打開機械系辦公室的「能源改善對照表」，這太陽能系統，省下了24％電力。不過，若是要談「建築淨零耗能」，那麼重點還是在節能！150坪、15人的辦公室，每月電費從10,388元降至593元，從萬元電費變成千元有找，主因是更換高效率的空調冷氣和LED照明、玻璃窗貼上抗紅外線輻射膜：省電60％；辦公室的桌機都換成筆電，省電10％，加上太陽能省下24％，總計省下94％！
圖片來源／鍾嘉雯攝影
資料來源／黃秉鈞教授
節能不做 創能儲能再多也沒用
「我一輩子研究太陽能，但是我不迷信太陽能，因為我太瞭解它了。」談到能源議題，黃秉鈞不以太陽能為優先，反而一再強調節能的重要，原因無他，不節能，再怎麼增加能源都沒用。
「我舉個例，太陽能熱水器推廣幾十年了，根據統計，推廣之前每個人每天洗澡用熱水大概15公升，安裝太陽能熱水器後，熱水一開就來，每個人每天用量平均變成50公升！這樣耗電會比較少嗎？」
能源隨手可得，反而成為浪費的根源，當用電量節節高升，供給面只能被動追趕，將成為永無止盡的耗能大賽。如何解決？首先就得從節約能源下手。
從機械系辦公室的實例可知，最簡單也最快速的節能，就是從空調、照明這兩位「用電大戶」入手。綠基會調查，空調與照明用電占全國總電力消耗的26％，若將熱水用電的4.7％加上，已占總用電量3成。在黃秉鈞眼中，只要這3成節下一半電力，就能省下15％電力。「調查顯示，全國的空調機有3千萬台，每年市場賣出120萬台，如果舊換新以1：1計算，大概是30年可以更新一輪，目前服役中、超過10年的舊型空調機至少還有1千萬台。空調設備的發展很快，10年以上的老舊空調機如果換成新型高效率的機種，省電一半以上沒問題！」
將老舊空調機汰舊換新，將照明更換成省電的LED燈，全國用電量就減下15％。根據台電資料，近幾年來核電占比18％，在再生能源努力提高占比之時，若能有效節電，有可能僅需補足3％的電力缺口，搭配節流的非核之路可以好走許多。
汰換老舊耗能設備來節能，並不是新鮮事，而是產業界行之有年的努力。經濟部能源局委託綠基會及工研院輔導產業節能，長期推廣耕耘之下，台灣的產業節能已經達到世界一流的水準。黃秉鈞擔任能源局節約能源績優廠商評審團的召集人，每年帶著10幾位委員到幾十家工廠現場查看並帶回資料，對於產業節能的績效也十分瞭解。「現在不論是哪些產業，能源耗比（能源成本除以公司營業額）平均僅占1～5％，耗比占5％以上的產業，表示耗能多或產品價值較低，都已經很難經營了。應該運用智慧，考慮轉型。」產業節能成為轉型的契機，下一步，則是住商要努力了。
分散式儲能出發點：減少電網負擔 卸除尖載警訊
照黃秉鈞理論，節能可省下15％用電量，但談用電，怎能只論節流，不提開源？我們目前仍有98％能源仰賴進口，政府目前力推的太陽光電與風力發電，是缺乏自產能源的我國較有機會大量裝設、提高能源自給率的再生能源。
太陽光電目標裝置容量20GW，屋頂目標設置3GW、地面目標設置17GW，風力發電目標4.2GW，政府用心無庸置疑。能源局近期已盤點1.2萬公頃閒置土地，如公家機關、工廠等屋頂可裝屋頂型太陽光電，嚴重地層下陷地、水庫或埤塘等水域空間可裝地面型（含浮動型）太陽光電，要讓光電達標，全力衝刺不留一分餘力。
不過，將太陽光電與離岸風電等再生能源全部匯入電網的做法，黃秉鈞則持保留態度。「政府保障太陽光電有20年的收購費率，一定有益於推廣，但一來成本太高，若達到20GW目標，可能會破產或大漲電價；二來，短時間內大量裝設太陽光電，饋線不足的話，裝好了也無法送電；第三，現行電網沒有偵測設備，即使有也無法準確預測每個太陽光電廠的瞬間未來發電量，當太陽能突然升高或降低，容易造成電網不穩；最後是裝設密度太高，一片雲過來，太陽光電1小時內就可能減少80％電力，電網怎麼調度？」
他舉去年（2016）6月6日台電的發電資料為例，併入電網中的太陽光電，50分鐘內就從372MW降至105MW，也就是每10分鐘減少14％電力。當太陽光電達到20GW的裝置容量目標，14％就是2,800MW，一座核三廠裝置容量約1,000MW，10分鐘內調度3座核電廠補缺口，談何容易？
圖片來源／黃秉鈞教授
與大家耳熟能詳、地廣人稀的歐洲再生能源大國如德國相比，台灣實在太小，又有山地多、平原少的限制，密集裝設下，電網容易不穩。但不是因此就不發展再生能源，黃秉鈞認為，分散式自用的太陽光電，可從需求端減輕電網調度的供電負擔，是可行的解決之道。分散式太陽光電的靈感來自德國。
1990年起，德國實施千屋計畫，政府補助7成經費，供千戶人家裝設1～5kW裝置容量的太陽能系統，到了1995年，有2,250戶響應，總裝置容量達到5.6MW。一個千屋計畫，引出了比預期多上2、3倍的用戶申請。
若要確實將再生能源用在刀口上，採搭配儲能系統的太陽光電，也才能達到平抑尖載的效果。黃秉鈞說明：「尖峰用電落在白天中午，光電跟用電尖載同步，確實可以緩解白天的電力供應情形。不過你看去年夏天的資料，一天有3個尖載落在早上10點、下午2點和晚上7、8點，當白天以太陽能供電平抑尖載後，一天最高峰就移到晚上7、8點了。當太陽下山，風力發電也不足（受東北季風影響，秋冬是風力發電高峰），電力調度就會有困難。」
炎熱的夏季，空調、照明等電力需求節節上升，到了涼爽的秋冬，用電量較低，電廠機組也進入歲修期程，同樣可能產生備轉容量率不足的情形，自發自用的分散式儲能，減低住商的電力需求，或許是個解方。
而在黃秉鈞眼中，儲能不只是小家戶可以做，電力公司更應該做！有儲能的電網才是穩定的電網，蓋儲電站也比發電廠便宜。使用傳統的鉛酸電池，儲電站不像手機電池需要帶著走，即使體積較大、較重也無妨。而加上儲能，尖峰與離峰的電力調度將能更加穩定。
觀念轉型 才能促成能源轉型
參照能源局成立產業、商業及政府機關節約能源技術服務團的經驗，透過全面節約能源體檢的方式，推動能源大用戶能源查核輔導、訂定節能目標與改善方案、執行用電器具、車輛及漁船引擎效率管理等，這樣完善的機制，黃秉鈞認為住商用戶也可比照辦理。
「我們想組1個住商綠能服務團，透過電力公司調出資料，針對用電量大的住商用戶，主動服務到家做能源診斷、耗能分析、提出改善方案、協助經費補助，讓小家庭也可以節能。先做小規模的示範計畫，也可以補助裝設太陽光電與儲能系統跟冷凍空調照明設備更新，一邊做、一邊追蹤數據，若確定可行，過幾年就可以具體推行到全國百萬屋！」
考慮發電成本，黃秉鈞並不認為住商用戶要做到太陽能供應百分百的自用電，而是對用電超過700度的用戶喊話。由於台灣採階梯電價，用越多單價越高，超過700度以上每度電費用超過6元，若裝設太陽能加蓄電系統，成本一樣落在6、7元之間，只要提供20～30％自用電力，將單價較高的用電以太陽能取代，就可以達到不賠本又降尖載的效用。依照台電數據，每月用電量超過700度的用戶有130萬戶，裝起來亦是不小的數字。
對用電戶來說，6、7塊一度的電費貴不貴？剛好打平，不虧本但也很難發財，那為什麼要做？黃秉鈞認真地說：「再生能源不該是發財工具，台灣人也不全是經濟動物。如果你裝太陽光電時會問，幾年可以回本？我想問，你買電視機、電冰箱有沒有在算幾年回本？太陽能發電是綠色商品，為了維護環境而使用再生能源，是值得做的事，也是應該做的事，有能力付出的，就要付出。」
能源使用要考慮成本，但絕對不是只有成本，這點，黃秉鈞深有感觸。10年前太陽能熱水器推廣開始推廣，他曾認為必定會失敗，畢竟《太陽能熱水系統推廣獎勵辦法》（2000年）僅補助太陽能熱水系統每平方公尺新台幣1千至1千5百元（離島最高3千元），比起每平方公尺8,190元的裝設成本，還要自費5,000元／平方公尺，成本並不便宜。誰知第1年申請就有5,000多件，隔年（2001年）上升到13,154件！現在每年還維持3萬戶的安裝量，打破了他對台灣人都是經濟動物的想像。
在工研院後續做的問卷調查中，也顯示這群熱水器的客戶，首重安全（避免瓦斯爆炸意外）、次要舒適（全天供應熱水）、三講環保。這些願意為了安全、舒適和環保的地球付出的人，是發電自用分散式太陽能系統可能的目標客群；如何讓更多人願意為了能源永續的理念付出，則是每一個關心社會、思考未來的公民應該要為之努力的。（沒錯！筆者就是在跟各位讀者們喊話呢！）
而對談到太陽能就眼睛發光的黃秉鈞來說，研究成果可以落實到生活中，真的是非常美好的事，持續鑽研各式各樣的太陽能實驗，是他一輩子都不會疲倦的事吧！
圖片來源／鍾嘉雯攝影
關鍵字：太陽光電,節能,儲能,空調照明