TWI401611B - 混合能源發電系統的裝置容量配置方法 - Google Patents

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Description

混合能源發電系統的裝置容量配置方法
本發明是一種裝置容量最佳化的方法，尤其是指一種混合能源發電系統的裝置容量配置方法。
近期環保議題升溫，而能源使用效率的提升以及能源的永續使用更是重要的課題之一，因此，有關於再生能源的技術便應運而生。其中風力以及太陽能光電池發電系統是目前技術開發最成熟之再生能源，且燃料電池近年來也展現了其未來的發展潛力。
太陽能光電池發電系統的優點為無放射性汙染、耐用且維修費低等等，且在其轉換效率逐年提升以及半導體工業大幅躍進的影響下，使太陽能發電系統的成本持續降低並逐漸接近經濟實用化。而就風力發電來說，其優點為沒有污染且不會破壞臭氧層，目前也越來越受到支持及重視。另外，燃料電池發電系統的優點主要包括有高效率、幾乎是零汙染以及架構彈性等。此類再生能源之研發技術近年來持續快速發展中。
然而上述之能源系統在發展技術上都尚有缺點有待克服，例如太陽能光電池以及風力發電量相當依賴天氣的狀況，而燃料電池則是發電成本昂貴。有鑑於上述缺失，混合能源發電系統便被提出，其中不同能源可以透過不同特性去互相補足其缺失，比起單一能源發電，混合能源發電系統除了成本較低外，更可以提供高品質以及可信賴之電量予用戶端。
而至於混合能源發電系統裝置容量的設置配比，習知的技術中有提出考慮各種能源不同的裝置型號，找出成本最低的組合，但其缺點為並未考慮設置場址實際發電效率以及場地等限制因素，並且無法貼切的根據設置場址實際環境做出最佳比例的配置。因此，習知的混合能源發電系統的設置方式仍存有值得改進之處。
有鑑於此，本發明提出混合能源發電系統的裝置容量配置方法，可根據不同設置場址的實際需求與環境因素來配置最適合該場址的能源裝置容量的比例，以進一步降低設置成本及提供穩定的電力來源。本發明的混合能源發電系統並不侷限於特定的能源系統，舉例來說，混合能源發電系統可以包含太陽能發電系統與風力發電系統，也可以是水力發電系統、地熱發電系統或生質能發電系統等，甚至可以是柴油引擎發電系統或火力發電系統等，端看設置場址的實際需求來建構能源系統的種類。
根據本發明的一方案，提供一種混合能源發電系統的裝置容量配置方法，以找出該混合能源發電系統的一裝置容量組合，其中混合能源發電系統包括有複數能源系統。方法步驟包含：依據至少一個環境參數，計算分別對應於該些能源系統的複數容量因子及複數最大裝置容量，其中容量因子是所對應的能源系統實際發電功率與理想發電功率的比值。
接著，根據一總裝置容量、該些最大裝置容量以及該些容量因子，處理得到該裝置容量組合。並且，根據該裝置容量組合，即可計算該混合能源發電系統的一系統費用以及一回收成本。其中產生該裝置容量組合是找出該些能源系統所分別對應的複數裝置容量，使各個該能源系統的該容量因子與該裝置容量相乘的總和能夠供應該總裝置容量。
然後，根據系統費用以及回收成本，即可計算得到一成本回收年份，並判斷依據使用者需求所設定的一預計回收年限是否大於該成本回收年份，若預計回收年限並未大於成本回收年份，則再回到設計裝置容量組合的步驟，以找出另一種裝置容量組合。其中該成本回收年份代表該系統費用與回收成本抵銷的時間。接著判斷是否所有的裝置容量組合都已被計算，若判斷仍有未計算的該裝置容量組合，則回到執行處理得到還未計算過的該裝置容量組合的步驟；若判斷所有的該裝置容量組合都已被計算，則將該成本回收年份最小的該裝置容量組合設定為該混合能源發電系統的最佳化配置。
又其中，該些能源系統可以是太陽能發電系統、風力發電系統、水力發電系統、地熱發電系統、生質能發電系統、燃料電池發電系統或儲能系統(如二次電池)中任意兩種以上的組合。上述環境參數可以是設置場址制高點且無遮蔽可裝設能源系統的設置面積，以推算出可設置的最大裝置容量，也可以是溫度、風速、照度、水流量、水流速、地熱載體量、地熱溫度以及生質物量等等，以推算對應於各種能源系統的容量因子。當然，本發明並不限制發電系統的種類，可以是任何種類的能源系統，除了上述太陽能、風力、燃料電池、水力、地熱、生質能之外，也能夠是傳統能源如柴油引擎、火力甚至是核能等等，而各種能源系統也會有其所需要考量的環境參數，以制定出該能源系統於該設置場址的最大裝置容量與容量因子。
另外，上述回收成本可以是一節省電費或是一販賣利潤，其中節省電費是將混合能源發電系統生成的電力完全應用於一用電負載所能減少的電費，而販賣利潤則是將所產生的電力完全販賣給至少一電力收購端所獲得利潤。
當然，根據本發明的另一方案，混合能源發電系統所產生的電力也可以是部份自我使用而部份販賣，可以依據使用者需求設定一自我使用裝置容量以及一販賣裝置容量，其中自我使用裝置容量是將混合能源發電系統生成之電力作自我使用的容量，而販賣裝置容量則是將混合能源發電系統生成之電力作販賣的容量。
步驟中可以分別估算自我使用裝置容量組合與販賣裝置容量組合，找出最有效率的組合再相加，以得到總裝置容量組合。其中估算自我使用裝置容量組合的步驟包含：根據自我使用裝置容量、最大裝置容量以及容量因子，處理得到一自我使用裝置容量組合，接著依據自我使用裝置容量組合，來計算一自我使用系統費用，並且依據自我使用裝置容量，計算將混合能源發電系統生成的部份電力應用於用電負載所能節省的節省電費。然後，根據自我使用系統費用以及節省電費，處理得到自我使用成本回收年份，其中自我使用成本回收年份是自我使用系統費用與節省電費抵銷的時間。
又，自我用電的步驟中還包括：判斷依據使用者需求所設定的自我使用預計回收年限是否大於自我使用成本回收年份，若自我使用預計回收年限並未大於該自我使用成本回收年份，則回到計算自我使用裝置容量組合的步驟。然後，判斷是否所有的自我使用裝置容量組合都已被計算，若仍有未被計算的自我使用裝置容量組合，則再回到計算自我使用裝置容量組合的步驟。
而估算販賣裝置容量組合的步驟包含：根據販賣裝置容量、最大裝置容量以及容量因子，處理得到販賣裝置容量組合，並依據販賣裝置容量組合，來計算販賣系統費用，接著依據販賣裝置容量，計算將混合能源發電系統生成的部份電力販賣給電力收購端所能獲得的販賣利潤。然後，根據販賣系統費用以及販賣利潤，處理得到販賣成本回收年份，其中販賣成本回收年份是販賣系統費用與販賣利潤抵銷的時間。
又，販賣電力的步驟還包括：判斷依據使用者需求所設定的販賣預計回收年限是否大於販賣成本回收年份，若販賣預計回收年限並未大於販賣成本回收年份，則回到計算販賣裝置容量組合的步驟。然後，判斷是否所有的販賣裝置容量組合都已被計算，若仍有未被計算的販賣裝置容量組合，則再次回到計算販賣裝置容量組合的步驟。
若上述所有的自我使用裝置容量組合以及販賣裝置容量組合都已被計算，則將自我使用成本回收年份最小的自我使用裝置容量組合與販賣成本回收年份最小的販賣裝置容量組合相加得到總裝置容量組合，並將該總裝置容量組合設定為混合能源發電系統的最佳化配置。
藉由上述裝置容量配置的方法，便能找出其中各個發電系統的最佳容量組合，並使混合能源發電系統在能夠供應需求的情況下以最低成本設置，提昇混合能源發電系統的使用效率以及供電穩定性。
以上之概述與接下來的實施例，皆是為了進一步說明本發明之技術手段與達成功效，然所敘述之實施例與圖式僅提供參考說明用，並非用來對本發明加以限制者。
如上所述，本發明提供一種混合能源發電系統的裝置容量配置方法，其特點之一是能夠依據設置場址的環境參數與使用者的情境需求來配置各能源系統的裝置容量，為了找到最符合經濟效益的裝置容量配置，本發明提出一種容量因子的概念，在本發明的一種實施例中，發電系統的容量因子k cf 可以定義為：
k cf =P /P rate
其中，P 為該發電系統實際發電量，而P rate 則為發電系統全時滿載發電量。
請參照第一圖以及第二圖，分別為裝置容量配置系統10以及混合能源發電系統20的一種實施例之方塊圖，其中該裝置容量配置系統10即是用以設計配置混合能源發電系統20中各種能源系統的裝置容量。本實施例中，裝置容量配置系統10中可以包括有一處理單元101、一輸入單元103以及一環境偵測單元105，處理單元101可以依據環境偵測單元105所偵測的環境參數S env 以及依據使用者設定的輸入參數S input (像是使用者需求或是情境設定)來設計混合能源發電系統20中各個能源系統的裝置容量組合D sol 。
而混合能源發電系統20中可以包含有複數個能源系統，用以產生電力以提供給用電負載30或是進行販賣。在本實施例中，混合能源發電系統20的能源系統有太陽能發電系統203、風力發電系統205以及燃料電池發電系統207。當然，本發明並不限制能源系統的種類，任何再生能源、傳統能源甚至是儲能系統(像是二次電池)都可作為混合能源發電系統20中的能量來源，在此因方便說明，僅舉出太陽能、風力以及燃料電池為實施態樣，其數學模型如下：
(1)　太陽能發電系統203：
太陽能電池是由許多P-N接面的半導體所組成，可將光能轉換為電能輸出，因此可以假設太陽能電池經陽光照射後如同電流源一般而供應負載使用。太陽能電池之等效電路如第三A圖所示，圖中I ph 表示太陽能電池的光電轉換模組401經光照射後產生之光電流，D j 表示一個P-N接面二極體，R s 與R sh 分別代表太陽能電池內部的等效串聯電阻及等效並聯電阻，V 與I 則為太陽能電池的輸出電壓及輸出電流，輸出至負載403。透過等效電路並結合P-N接面半導體的特性，可將太陽能電池等效數學模型表示如下：
其中I sat 是太陽能電池逆向飽和電流，q 為一個電子所含電荷量(1.6×10-19 庫侖)，A 為太陽能電池理想因數(A=1～5)，k 為波茲曼常數(1.38×10-23 J/K)，而T 為太陽能電池溫度(絕對溫度K)。
由上述方程式可以得知太陽能電池的一些基本特性，如太陽能電池在沒有照光的情況下，光電流為零，此時太陽能電池好比普通的二極體，而在太陽能電池短路時，電壓為零，短路電流約等於光電流。
(2)　風力發電系統205：
對風力發電系統205而言，擷取風能之機構為風力發電機組，首先定義風機葉片之翼端速度比λ如下：
λ=r ω m /ν
其中r 為風力機葉片半徑，ω m 為發電機機械轉速，ν為風速。此外，風力發電之功率係數為翼端速度比之函數C p =f g ( λ) ，不同葉片之風力機組具有不同功率係數與翼端速度比之對應關係。發電機所產生之機械功率P m (W)正比於空氣密度ρ(kg/m3 )、葉片旋轉面積A (m2 )、功率係數C p 以及風速ν的立方，其機械功率可表示為：
P m =0.5 ρAC p ν 3
(3)　燃料電池發電系統207：
燃料電池是一種直接將燃料之化學能轉換為電能的裝置，運作原理可解釋為水電解的逆反應。燃料電池其系統示意如第三B圖所示，包括陽極電極405、陰極電極407(Electrode)、電解質薄膜409(Electrolyte Membrane)以及集電器411(Current Collector)等。陽極電極405及陰極電極407的反應式如下：
陽極：H 2 → 2H + +2e -
陰極：1 /2O 2 +2H + +2e - → H 2 O
燃料電池輸出電壓方程式如下：
V FC =E Nernst -V act -V ohmic -V con
其中E Nernst 代表燃料電池可逆電壓、V act 代表燃料電池克服活化能所損失電位、V ohmic 代表燃料電池歐姆極化所損失之電位，而V con 則代表濃度極化所造成之電位損失。燃料電池輸出功率可表示為：
P s =n *V FC *i FC
其中n 代表燃料電池單電池數目、V FC 代表燃料電池輸出電壓，以及i FC 代表燃料電池輸出電流。
在建立各種能源之數學動態模型後，未來評估各場址裝置混合能源的裝置容量比例時，可利用該場址之環境、氣候資訊搭配所建立各種能源之數學動態模型找出其容量因子，並配合所提出之混合能源裝置容量最佳化機制找出該場址裝設混合能源發電系統20之黃金比例。
復參照第二圖，混合能源發電系統20可以更包含有一能源轉換系統201、一電解系統209、一儲氧系統211以及一儲氫系統213，能源轉換系統201耦接於太陽能發電系統203、風力發電系統205以及燃料電池發電系統207，接收該些發電系統所產生的電力，將電力進行變壓、濾波、整流等處理，並分配給用電負載30或是進行販賣。
電解系統209耦接於太陽能發電系統203以及風力發電系統205，可以將風力發電系統205和太陽能發電系統203的額外電力作利用，將水進行電解以產生氧氣與氫氣並分別傳送至儲氧系統211和儲氫系統213作儲存，以進行販賣或是在緊急用電時供應給燃料電池發電系統207來產生電力。換句話說，氫氣是燃料電池發電系統207的主要燃料，而氧氣是進行反應時的助燃氣體，因此，燃料電池發電系統207加上儲氫系統213可視為一儲能系統，將能源儲存起來以備不時之需。也就是說，混合能源發電系統20中的能源系統除了是能夠自行產生電力的發電裝置外，也能夠是儲存電力的系統，像是上述的燃料電池發電系統207加上儲氫系統213，或是二次電池等等。
由於環保意識抬頭，以及溫室效應所帶來之二氧化碳汙染問題，全世界正積極推廣及發展再生能源，將來各種再生能源發電系統技術開發都將日臻成熟，因此本發明所提出之混合能源發電系統20之架構除了上述所提出技術已開發成熟之太陽能光電池發電系統、風力發電系統以及燃料電池之外，未來還可包括潮汐發電、水力發電、地熱以及生質能等其他再生能源也將可彈性加入本文所提出之混合能源發電系統20，而除了再生能源以外，根據不同設置場址之需求，本發明所提出之混合能源發電系統20也可搭配如柴油引擎以及火力發電等傳統能源，此混合能源發電系統20架構將不侷限於某幾種特定能源，而是根據不同設置場址之實際需求建構出最適合當地場址且多元化組合之混合能源發電系統20。
接著，請參照第四圖，為本發明混合能源發電系統20的裝置容量配置方法的一種實施例的流程圖，適用於裝置容量配置系統10。該方法包括：依據使用者需求設定一總裝置容量(S401)，在本實施例中，設置總裝置容量可以是包括收集該設置場址的一歷史用電資訊、依據該歷史用電資訊得到一契約用電容量、定義超約用電量P 2p 和P 3p ，並將總裝置容量設定為相同於超約用電量P 2p 加上P 3p 。其中P 2p 和P 3p 分別代表超過契約用電容量10%以內和10%以上之用電量。一般用戶端使用電量超過契約容量時，電力公司都會對用戶端的收附加費用，若想降低用電成本，這是必須克服之一大課題，因此在本實施例中便以超約用電量作為總裝置容量的舉例。當然，總裝置容量也可直接設定為契約用電量或是其他的設定方式，端看使用者的需求。
然後，步驟中還包含：依據至少一環境參數，得到該些能源系統所能配置的最大裝置容量(S403)。在本實施例中的能源系統可以是太陽能發電系統203、風力發電系統205或燃料電池發電系統207，而計算該些能源系統最大裝置容量所需的環境參數可以是設置場址制高點且無遮蔽可裝設太陽能板的設置面積A s ，或是設置場址容納風力機且風場良好的設置面積A w 等等。當然，依據不同的能源系統，所需要考慮的環境參數也會不同。
而於本實施例中，燃料電池發電系統207因為本身發電不受到氣候等外部因素影響，且發電成本較貴，又因無論任何場址常常都需要有緊急用電量的供應，因此緊急備用能源系統便可以設計為是燃料電池發電系統207，並將緊急用電需量設定為燃料電池發電系統207的裝置容量，也就是將燃料電池裝置容量cap f 設定為能夠完全供應緊急用電需量。值得注意的是，雖說本實施例的燃料電池發電系統207的裝置容量cap f 的設定方式是看緊急用電量，但在一般正常用電時，燃料電池發電系統207仍可正常供電，不一定是在緊急用電時才供電。
然後，依據環境參數得到能源系統的容量因子(S407)，其中容量因子是所對應之能源系統實際發電功率與理想發電功率的比值。在本實施例中，用以計算容量因子的環境參數可以是設置場址當地的溫度、風速以及照度等，所得到的容量因子可以是太陽能發電系統203的容量因子fac s ，以及風力發電系統205的容量因子fac w 。依據不同的能源系統，所需要考慮的環境因素也會不同，像是水力發電系統就需要考慮水流量與水流速，地熱發電系統需要考慮地熱載體的量(像是蒸氣與水)以及地熱溫度，而生質能發電系統則需要考慮生質物的量(像是木材、動物屍體等生物產生的有機物)等等。
另外，依據使用者的情境需求，可以得到一預計回收年限(S409)，接著，依據總裝置容量、最大裝置容量、容量因子fac s 以及fac w ，裝置容量配置系統10便可得到裝置容量cap s 以及cap w 的組合(S411)，其中裝置容量cap s 是太陽能發電系統203在混合能源發電系統20中所配置的裝置容量，而裝置容量cap w 則是風力發電系統205在混合能源發電系統20中所配置的裝置容量，其負載端與容量因子關係式如下：
P total =fac s *cap s +fac w *cap w +fac f *cap f
其中下標f 、s 、w 分別是代表燃料電池、太陽能以及風力，而fac 和cap 則分別代表容量因子與裝置容量。
接著，依據上述所求得的裝置容量組合，裝置容量配置系統10便能計算混合能源發電系統20的一系統費用Cost (S413)，以及計算使用混合能源發電系統20產生的電力所能節省的一節省電費M r (S415)。
在本實施例中，計算系統費用Cost 可以包括計算該混合能源發電系統20的一設置成本I k 、一維護費用以及一殘餘價值(k代表的是各個能源系統，在本實施例中是s(太陽能)、w(風力)、f(燃料電池)，當然，實際在運用時並不限定是這幾種能源系統，也不限定個數多少，在此只是因方便說明而舉例)，公式為：
1.　設置成本I k ：
I s =cost s *cap s
I w =cost w *cap w
I f =cost f *cap f
其中cost w 、cost s 和cost f 分別代表風力發電系統205、太陽能發電系統203以及燃料電池發電系統207每千瓦之裝置費用，而cap w 、cap s 和cap f 分別代表風力發電系統205、太陽能發電系統203以及燃料電池發電系統207的裝置容量。
2.　殘餘價值 ：
隨著混合能源發電系統20開始運作，其系統之價值也將逐年下降，因此必須考慮系統隨著使用年限的增加其價值的變化，混合能源發電系統20之殘餘價值表示如下：
其中以及代表風力發電系統205、太陽能發電系統203以及燃料電池發電系統207之殘餘價值，回收價值約為設置成本1/10，β是代表通貨膨脹率、γ是銀行之利率，N p 是系統使用年限。
3.　維護費用 ：
又，隨著混合能源發電系統20開始運作，每年都有其維護費用，以確保系統可正常運作，其系統維護費用表示如下：
其中以及代表風力發電系統205以及太陽能發電系統203之維護費用，每年之維護費用約為設置成本5%以及1%，燃料電池則是可使用一定時間(例如4000小時)，年限一到即直接換新，沒有維護費用之問題，而v 是代表維護費用成長率、γ是銀行之利率，N p 則是系統使用年限。
至於節省電費M r 的部份，在本實施例中，可以包含所節省的超約罰款M p 、基本電費M b 、流動電費M f 以及二氧化碳減量費。
1.　避免超約罰款M p
M 2p =(sm cap_cost *sm mon +wt cap_cost *wt mon )*2 *P 2p
M 3p =(sm cap_cost *sm mon +wt cap_cost *wt mon )*3 *P 3p
M p =M 2p +M 3p
其中M 2p 和M 3p 代表超約2倍和3倍罰款，P 2p 和P 3p 代表超過契約容量10%以內和10%以上之用電量，sm mon 和wt mon 分別是代表電力公司所公告之夏月與非夏月數目，sm cap_cost 和wt cap_cost 代表夏月與非夏月契約容量每千瓦之費用。
2.　節省基本電費M b
M b =(sm cap_cost *sm mon +wt cap_cost *wt mon ) *(P w +P s )
其中P w 和P s 分別代表風力發電系統205以及太陽能發電系統203之實際功率(裝置容量乘上容量因子)，sm mon 和wt mon 分別是代表電力公司所公告之夏月與非夏月數目，sm cap_cost 和wt cap_cost 代表夏月與非夏月契約容量每千瓦之費用。由於燃料電池成本較高以及壽命較短，因此主要應用於緊急用電，在本實施例計算基本電費時不將燃料電池納入考慮。
3.　節省流動電費M f
M f =(P w +P s ) *h *d *eg cost
其中P w 和P s 分別代表風力發電系統205以及太陽能發電系統203之實際功率(裝置容量乘上容量因子)，h 及d 分別代表一天24小時以及一年365天，eg cost 代表電力公司一度電平均價格，在此一樣考慮到燃料電池成本較高以及壽命較短，因此主要應用於緊急用電，在本實施例計算流動電費時也不將燃料電池納入考慮。
4.　二氧化碳減量費用
其中P w 和P s 分別代表風力發電系統205以及太陽能發電系統203之實際功率(裝置容量乘上容量因子)，h 及d 分別代表一天24小時以及一年365天，代表電力公司所公告減少每公噸CO2 之減量費用，代表平均一度電產生所造成CO2 的量，在此一樣考慮到燃料電池成本較高以及壽命較短，因此計算CO2 減量費用時也不將燃料電池納入考慮。
根據上述所考慮之條件，可得每年節省電費M r 如下：
復參考第四圖，該流程還包括：依據系統費用以及節省電費，裝置容量配置系統10便可計算得到一成本回收年份(S417)。接著，裝置容量配置系統10判斷預計回收年限是否大於成本回收年份(S419)。若判斷結果為否，便回到步驟S411尋找另一種裝置容量組合；若判斷結果為是，則紀錄目前最短的成本回收年份(S421)。接著，判斷是否已經將所有裝置容量組合都模擬完畢(S423)。若判斷結果為否，同樣回到步驟S411尋找另一種裝置容量組合；若判斷結果為是，則將最短成本回收年份的該裝置容量組合作為混合能源發電系統的最佳化配置(S425)。
考慮混合能源發電系統20之使用壽命時(一般太陽能板以及風力機使用壽命為20年)，若系統費用Cost 扣掉節省電費M r 無法在使用壽命年限或是使用者所設定的預計成本回收年份內成為負值，其系統費用Cost 即無法回收。
接著請參照第五圖，為本發明混合能源發電系統20的裝置容量配置方法的另一種實施例之流程圖，包括：設定總裝置容量(S501)；依據環境參數得到能源系統的最大裝置容量(S503)；依據環境參數得到能源系統的容量因子(S507)；以及依據使用者需求設定預計回收年限(S509)。
接著，裝置容量配置系統10設計能源系統的裝置容量組合(S511)；計算系統費用(S513)；計算販賣利潤(S515)；計算成本回收年份(S517)；判斷預計回收年限是否大於成本回收年份(S519)；紀錄目前最短的成本回收年份(S521)；判斷是否已模擬完所有的裝置容量組合(S523)；以及將最短成本回收年份的該裝置容量組合作為混合能源發電系統20的最佳化配置(S525)。
第五圖與第四圖不同的地方在於，使用者是將混合能源發電系統20所產生的電力用於販賣。舉例來說，由於目前各國政府都大力鼓吹綠色能源發展，故也極力推廣電力公司收購再生能源發電之政策，在此也將同一套混合能源發電系統改採用電力公司收購再生能源之條件，觀察其成本回收概況如下：
R s =P s *b s *h *d
R w =P w *b w *h *d
其中P w 和P s 分別代表風力發電系統205以及太陽能發電系統203之實際功率(裝置容量乘上容量因子)，R s 以及R w 分別代表太陽能發電系統203以及風力發電系統205每年賣電給電力公司所得金額，b s 與b w 是電力公司公告收購太陽能發電系統203以及風力發電系統205每度電之費用。由於燃料電池目前各地政府尚未有提出收購政策，在此就不納入討論範圍，所以可得知當系統費用Cost 扣掉太陽能發電系統203以及風力發電系統205賣電給電力公司之金額R s 和R w 為負時，代表其系統費用已回收。當在預期回收年限回收時，將記錄目前最短回收年限N min 。在完成所有混合能源系統可能之組合後，其最短回收年限N min 之混合能源發電系統20裝置容量比例即為此場址之混合能源的黃金比例。
當然，根據使用者需求，混合能源發電系統20所產生之電力也可以是部份自我用電而部份進行販賣，如第六圖所示。步驟包含：依據使用者需求設定自我使用裝置容量以及販賣裝置容量(S601)，其中自我使用裝置容量是將混合能源發電系統生成之電力作自我使用的容量，而販賣裝置容量則是將混合能源發電系統生成之電力作販賣的容量。接著依據環境參數得到該些能源系統的最大裝置容量(S603)，以及依據環境參數得到該些能源系統的容量因子(S605)。
然後，本實施例因為有分電力自我使用與販賣兩種，因此這兩種流程是分別計算的。其中，電力自我使用的估算流程包括：依據使用者需求設定自我使用預計回收年限(S607)，並根據自我使用裝置容量、最大裝置容量以及容量因子，設計自我使用裝置容量組合(S609)。接著，依據自我使用裝置容量組合，來計算自我使用系統費用(S611)，並計算將混合能源發電系統生成的部份電力應用於用電負載所能節省的節省電費(S613)。然後，便可根據自我使用系統費用以及節省電費，處理得到自我使用成本回收年份(S615)，其中自我使用成本回收年份是自我使用系統費用與節省電費抵銷的時間。
接下來，步驟還包括：判斷自我使用預計回收年限是否大於自我使用成本回收年份，若自我使用預計回收年限並未大於自我使用成本回收年份(S617)，則回到步驟S609。若自我使用預計回收年限大於自我使用成本回收年份，便紀錄目前最短的自我使用成本回收年份(S619)。接著，判斷是否所有的自我使用裝置容量組合都已被計算(S621)，若仍有未被計算的自我使用裝置容量組合，則同樣回到步驟S609。
另一方面，電力販賣的估算流程的步驟包含：依據使用者需求設定販賣預計回收年限(S608)，並根據販賣裝置容量、最大裝置容量以及容量因子，設計販賣裝置容量組合(S623)。接著，依據販賣裝置容量組合，來計算販賣系統費用(S625)，並計算將混合能源發電系統生成的部份電力販賣給電力收購端所能獲得的販賣利潤(S627)。然後，便可根據販賣系統費用以及販賣利潤，處理得到販賣成本回收年份(S629)，其中販賣成本回收年份是販賣系統費用與販賣利潤抵銷的時間。
接著，判斷販賣預計回收年限是否大於販賣成本回收年份，若販賣預計回收年限並未大於販賣成本回收年份(S631)，則回到步驟S623。若販賣預計回收年限大於販賣成本回收年份，便紀錄目前最短的販賣成本回收年份(S633)。接著，判斷是否所有的販賣裝置容量組合都已被計算(S635)，若仍有未被計算的販賣裝置容量組合，則同樣回到步驟S623。
最後，將最小自我使用成本回收年份的自我使用裝置容量組合與最小販賣成本回收年份的販賣裝置容量組合相加得到總裝置容量組合，並將總裝置容量組合設定為混合能源發電系統的最佳化配置(S637)。
另外，上述的混合能源發電系統20中更可以包含有一緊急備用能源系統，其設定裝置容量的方式是依據設置場址的緊急用電量來作設定，使該緊急備用能源系統能夠在緊急時刻提供備用的電力。緊急備用能源系統可以是如上述的燃料電池發電系統207，也可以是其他任意種類的能源系統。
在此舉出一數據實例，本數據實施例中是將混合能源發電系統20運用於避免超約三倍罰款以及緊急備用電源。以某學校作為實際測試場址，根據該學校電力監控系統之資料，2009年用電超過契約容量10%以上為176kW，也就是總裝置容量必須要到達176kW。
該學校重要資料庫皆設置於資訊服務處，因此必須不受電力公司電力系統故障的影響而保持正常運作。燃料電池在混合能源發電系統20中，因其發電價格較為昂貴，主要設計為扮演提供緊急用電之角色，因此預設燃料電池必須可提供資訊服務處之用電量。根據2009年該學校電力監控系統所提供資料，可得知其必須能提供約72kW之緊急用電量的電力，故設置其燃料電池之裝置容量cap f 為72kW，扣掉燃料電池之設置容量cap f =72kW，太陽能及風力必須提供共176-72=104(kW)以抑制超約三倍罰款。
考慮到該學校實際可裝設太陽能光電池以及風力發電系統之面積，一般每3坪可安裝1kW太陽能板，該學校頂樓共可裝設約210kW太陽能光電池系統，風力發電系統則可裝約為250kW。根據事先的模擬以及調查資料，可得知該學校所在地區的太陽能光電池發電系統與風力發電系統之容量因子fac s 和fac w 分別為10.7%以及34.33%，接著利用前文所述的混合能源發電系統20的裝置容量最佳化機制即可找出該學校裝設混合能源發電系統20之黃金比例。該學校場址環境分析所用到之參數如表1所示。
經由混合能源發電系統20動態模型整合及裝置容量最佳化機制，可將混合能源發電系統20於該學校場址設置回收年限整理如表2所示，資料顯示自我用電回收年限約為14年，若配合電力公司收購回收年限則拉長為17年，其主因在於該學校風力發電效益最高，但風力發電收購電價偏低所致。
本發明的混合能源發電系統20的裝置容量配置方法，可針對不同之設置場址量身訂定其設置混合能源發電系統20的裝置容量之黃金比例，除了實際評估設置場址實際裝設混合能源發電系統30之面積大小外，也提出了容量因子之概念，可更貼切了解設置場址當地各種能源可裝置之容量大小以及實際發電效率，透過考慮混合能源發電系統20之裝置費用以及成本回收，有助於找出最符合經濟效益之裝置比例。並且，也能夠依據使用者的情境模擬來調整裝置容量的比例，提昇混合能源發電系統的實用價值以及使用效率。
以上所述為本發明的具體實施例之說明與圖式，而本發明之所有權利範圍應以下述之申請專利範圍為準，任何在本發明之領域中熟悉該項技藝者，可輕易思及之變化或修飾皆可涵蓋在本案所界定之專利範圍之內。
10．．．裝置容量配置系統
101．．．處理單元
103．．．輸入單元
105．．．環境偵測單元
20．．．混合能源發電系統
201．．．能源轉換系統
203．．．太陽能發電系統
205．．．風力發電系統
207．．．燃料電池發電系統
209．．．電解系統
211．．．儲氧系統
213．．．儲氫系統
30．．．用電負載
401．．．光電轉換模組
403．．．負載
405．．．陽極電極
407．．．陰極電極
409．．．電解質薄膜
411．．．集電器
S401～S425．．．流程圖步驟說明
S501～S525．．．流程圖步驟說明
S601～S637．．．流程圖步驟說明
第一圖為本發明裝置容量配置系統的一種實施例之方塊圖；
第二圖為混合能源發電系統的一種實施例之方塊圖；
第三A圖為太陽能發電系統的等效電路示意圖；
第三B圖為燃料電池運作示意圖；
第四圖為本發明混合能源發電系統的裝置容量配置方法的一種實施例之流程圖；
第五圖為本發明混合能源發電系統的裝置容量配置方法的另一種實施例之流程圖；以及
第六圖為本發明混合能源發電系統的裝置容量配置方法的又一種實施例之流程圖。
S401～S425．．．流程圖步驟說明

Claims (15)

  1. 一種混合能源發電系統的裝置容量配置方法，該混合能源發電系統包括有複數能源系統，而該方法是以產生該混合能源發電系統中的該些能源系統的至少一個裝置容量組合，該方法包括：(a)導入一裝置容量配置系統，以配置與該混合能源發電系統中之能源系統相關之裝置容量，該裝置容量配置系統包括有一處理單元、一輸入單元以及一環境偵測單元，依據該環境偵測單元所偵測之至少一個環境參數，在該處理單元中計算分別對應於該些能源系統的複數容量因子及複數最大裝置容量，其中該些容量因子是所對應的該些能源系統實際發電功率與理想發電功率的比值；(b)藉由該裝置容量配置系統之該處理單元，根據一總裝置容量、該些最大裝置容量以及該些容量因子，計算該裝置容量組合，其中該總裝置容量為一契約用電容量、一超約用電量或是依據使用者需求所設定的容量；(c)藉由該裝置容量配置系統之該處理單元，依據該裝置容量組合，計算該混合能源發電系統的一系統費用；(d)藉由該裝置容量配置系統之該處理單元，計算因為運用該混合能源發電系統生成電力所回收的一回收成本；(e)藉由該裝置容量配置系統之該處理單元，根據該系統費用以及該回收成本，計算一成本回收年份，其中該成本回收年份代表該系統費用與該回收成本抵銷的 時間，並且判斷依據使用者需求所設定的一預計回收年限是否大於該成本回收年份，若該預計回收年限小於或等於該成本回收年份，則回到步驟(b)；以及(f)藉由該裝置容量配置系統，判斷是否所有的該裝置容量組合都已被計算；若判斷仍有未計算的該裝置容量組合，則回到步驟(b)以計算還未計算過的該裝置容量組合；若所有的該裝置容量組合都已被計算，則將該成本回收年份最小的該裝置容量組合設定為該混合能源發電系統的最佳化配置。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的混合能源發電系統的裝置容量配置方法，其中計算該裝置容量組合是依據以下公式找出該些能源系統所分別對應的複數裝置容量，公式為：P total =Σ i =1~M fac i *cap i 其中P total 為總裝置容量，M 為該些能源系統的個數，fac i 為該能源系統的該容量因子，而該cap i 為該能源系統的該裝置容量。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的混合能源發電系統的裝置容量配置方法，其中計算該系統費用包括依據以下公式計算該混合能源發電系統的一設置成本、一維護費用以及一殘餘價值，公式為： 其中，Cost 是該系統費用，M 是該些能源系統的個數，I i 為該能源系統的該設置成本，是該能源系統的該殘餘價值，則是該能源系統的該維護費用； 該設置成本的公式為：I i =cost i *cap i ，i =1~M 其中cost i 為該能源系統每千瓦的裝置費用，而cap i 則是該能源系統的該裝置容量；該殘餘價值的公式為： 其中k 為回收價值佔裝置費用的比率，β 是代表通貨膨脹率、γ 是銀行之利率，N p 是系統使用年限；以及該維護費用的公式為： 其中，q 是每年維護費用佔裝置費用的比例，v 是維護費用成長率。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的混合能源發電系統的裝置容量配置方法，其中該些能源系統為一太陽能發電系統、一風力發電系統、一水力發電系統、一地熱發電系統、一生質能發電系統、一燃料電池發電系統或一儲能系統中兩種以上的組合。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的混合能源發電系統的裝置容量配置方法，其中該環境參數為一溫度、一照度、一風速、一水流量、一水流速、一地熱載體量、一地熱溫度、一生質物量以及該些能源系統所能設置的一設置面積其中之一或其組合。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的混合能源發電系統的裝置 容量配置方法，其中該能源系統為一緊急備用能源系統，而該緊急備用能源系統的該裝置容量是依據設置場址的一緊急用電量來作設定。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的混合能源發電系統的裝置容量配置方法，其中該回收成本為一節省電費或一販賣利潤；該節省電費是代表將該混合能源發電系統所生成的電力完全應用於一用電負載所能減少的電費，而該販賣利潤則是代表將該混合能源發電系統所生成的電力完全販賣給至少一電力收購端所能獲取的費用。
  8. 如申請專利範圍第7項所述的混合能源發電系統的裝置容量配置方法，其中該節省電費為一超約罰款、一基本電費、一流動電費以及一二氧化碳減量費其中之一或其組合，該超約罰款M p 的公式為：M 2p =(sm cap_cost *sm mon +wt cap_cost *wt mon ) *2 *P 2p M 3p =(sm cap_cost *sm mon +wt cap_cost *wt mon ) *3 *P 3p M p =M 2p +M 3p 其中，M 2p 為超約2倍罰款，M 3p 為超約3倍罰款，P 2p 代表超約10%以內的用電量，P 3p 代表超約10%以上的用電量，sm mon 代表夏月數目，wt mon 代表非夏月數目，sm cap_cost 代表夏月每千瓦電力的費用，而wt cap_cost 則代表非夏月每千瓦電力的費用；該基本電費M b 的公式為：M b =(sm cap_cost *sm mon +wt cap_cost *wt mon ) *(Σ i =1~M P i ) 其中，P i 代表該能源系統的實際功率，M 代表該些能源系統的個數；該流動電費M f 的公式為：M f =(Σ i =1~M P i ) *h *d *eg cost 其中，h 代表每天的小時數，d 代表每年的天數，eg cost 代表1度電平均價格；以及該二氧化碳減量費公式為： 其中，代表減少每公噸CO2 之減量費用，代表平均1度電產生所造成CO2 的量；又其中，該電力收購端為一電力公司，而該販賣利潤的公式為：R i =P i *b i *h *d，i =1~M 其中R i 為該能源系統的販賣利潤，b i 是該電力公司收購該能源系統產生之每度電的費用。
  9. 一種混合能源發電系統的裝置容量配置方法，該混合能源系統包括有複數能源系統，而該方法是以產生該混合能源發電系統中的該些能源系統的至少一個總裝置容量組合，該方法包括：(a)導入一裝置容量配置系統，以配置與該混合能源發電系統中之能源系統相關之裝置容量，該裝置容量配置系統包括有一處理單元、一輸入單元以及一環境偵測單元，依據該環境偵測單元所偵測之至少一個環境參數，該處理單元計算分別對應於該些能源系統的複數容量因子及複數最大裝置容量，其中該些容量因子是該些能源系統實際發電功率與理想發電功率的比值；(b)依據使用者需求設定一自我使用裝置容量以及一販賣裝置容量，其中該自我使用裝置容量是將該混合能 源發電系統生成之電力作自我使用的容量，而該販賣裝置容量則是將該混合能源發電系統生成之電力作販賣的容量；(c-1)根據該自我使用裝置容量、該些最大裝置容量以及該些容量因子，計算一自我使用裝置容量組合；(d-1)藉由該裝置容量配置系統，依據該自我使用裝置容量組合，來計算一自我使用系統費用；(e-1)藉由該裝置容量配置系統，依據該自我使用裝置容量，計算將該混合能源發電系統生成的部份電力應用於至少一用電負載所能節省的一節省電費；(f-1)藉由該裝置容量配置系統，根據該自我使用系統費用以及該節省電費，計算一自我使用成本回收年份，其中該自我使用成本回收年份是該自我使用系統費用與該節省電費抵銷的時間；(g-1)判斷依據使用者需求所設定的一自我使用預計回收年限是否大於該自我使用成本回收年份，若該自我使用預計回收年限小於或等於該自我使用成本回收年份，則回到步驟(c-1)；(h-1)判斷是否所有的該自我使用裝置容量組合都已被計算，若仍有未被計算的該自我使用裝置容量組合，則回到步驟(c-1)；(c-2)藉由該裝置容量配置系統，根據該販賣裝置容量、該些最大裝置容量以及該些容量因子，計算一販賣裝置容量組合；(d-2)藉由該裝置容量配置系統，依據該販賣裝置容量組合，來計算一販賣系統費用； (e-2)藉由該裝置容量配置系統，依據該販賣裝置容量組合，計算將該混合能源發電系統生成的部份電力販賣給至少一電力收購端所能獲得的一販賣利潤；(f-2)藉由該裝置容量配置系統，根據該販賣系統費用以及該販賣利潤，計算一販賣成本回收年份，其中該販賣成本回收年份是該販賣系統費用與該販賣利潤抵銷的時間；(g-2)判斷依據使用者需求所設定的一販賣預計回收年限是否大於該販賣成本回收年份，若該販賣預計回收年限小於或等於該販賣成本回收年份，則回到步驟(c-2)；(h-2)判斷是否所有的與該混合能源發電系統相關的該販賣裝置容量組合都已被計算，若仍有未被計算的該販賣裝置容量組合，則回到步驟(c-2)；(i)若所有的該自我使用裝置容量組合以及該販賣裝置容量組合都已被計算，則將該自我使用成本回收年份最小的該自我使用裝置容量組合與該販賣成本回收年份最小的該販賣裝置容量組合相加得到該總裝置容量組合，並將該總裝置容量組合設定為該混合能源發電系統的最佳化配置。
  10. 如申請專利範圍第9項所述的混合能源發電系統的裝置容量配置方法，其中產生該自我使用裝置容量組合或該販賣裝置容量組合，是找出該些能源系統所分別對應的複數裝置容量，使各個該能源系統的該容量因子與該裝置容量相乘的總和能夠供應該自我使用裝置容量或該販賣裝置容量，公式為：P =Σ i =1~M fac i *cap i 其中P 為該自我使用裝置容量或該販賣裝置容量，M 為該些能源系統的個數，fac i 為該能源系統的該容量因子，而該cap i 為該能源系統的該裝置容量。
  11. 如申請專利範圍第9項所述的混合能源發電系統的裝置容量配置方法，其中計算該自我使用系統費用或該販賣系統費用包括計算該混合能源發電系統的一設置成本、一維護費用以及一殘餘價值，公式為： 其中，Cost 是該自我使用系統費用或該販賣系統費用，M 是該些能源系統的個數，I i 為該能源系統的該設置成本，是該能源系統的該殘餘價值，則是該能源系統的該維護費用；該設置成本的公式為：I i =cost i *cap i ，i =1~M 其中cost i 為該能源系統每千瓦的裝置費用，而cap i 則是該能源系統的該裝置容量；該殘餘價值的公式為： 其中k 為回收價值佔裝置費用的比率，β 是代表通貨膨脹率、γ 是銀行之利率，N p 是系統使用年限；以及該維護費用的公式為： 其中，q 是每年維護費用佔裝置費用的比例，v 是維護費用成長率。
  12. 如申請專利範圍第9項所述的混合能源發電系統的裝置容量配置方法，其中該些能源系統為一太陽能發電系統、一風力發電系統、一水力發電系統、一地熱發電系統、一生質能發電系統、一燃料電池發電系統或一儲能系統中兩種以上的組合。
  13. 如申請專利範圍第9項所述的混合能源發電系統的裝置容量配置方法，其中該環境參數為一溫度、一照度、一風速、一水流量、一水流速、一地熱載體量、一地熱溫度、一生質物量以及該些能源系統所能設置的一設置面積其中之一或其組合。
  14. 如申請專利範圍第9項所述的混合能源發電系統的裝置容量配置方法，其中該能源系統為一緊急備用能源系統，而該緊急備用能源系統的該裝置容量是依據設置場址的一緊急用電量來作設定。
  15. 如申請專利範圍第9項所述的混合能源發電系統的裝置容量配置方法，其中該節省電費為一超約罰款、一基本電費、一流動電費以及一二氧化碳減量費其中之一或其組合，該超約罰款M p 的公式為：M 2p =(sm cap_cost *sm mon +wt cap_cost *wt mon ) *2 *P 2p M 3p =(sm cap_cost *sm mon +wt cap_cost *wt mon ) *3 *P 3p M p =M 2p +M 3p 其中，M 2p 為超約2倍罰款，M 3p 為超約3倍罰款，P 2p 代表超約10%以內的用電量，P 3p 代表超約10%以上的用電量，sm mon 代表夏月數目，wt mon 代表非夏月數目，sm cap_cost 代表夏月每千瓦電力的費用，而wt cap_cost 則代表非夏月每千瓦電力的費用；該基本電費M b 的公式為：M b =(sm cap_cost *sm mon +wt cap_cost *wt mon ) *(Σ i =1~M P i ) 其中，P i 代表該能源系統的實際功率，M 代表該些能源系統的個數；該流動電費M f 的公式為：M f =(Σ i =1~M P i ) *h *d *eg cost 其中，h 代表每天的小時數，d 代表每年的天數，eg cost 代表1度電平均價格；以及該二氧化碳減量費公式為： 其中，代表減少每公噸CO2 之減量費用，代表平均1度電產生所造成CO2 的量；又其中，該電力收購端為一電力公司，該販賣利潤的公式為：R i =P i *b i *h *d，i =1~M 其中R i 為該能源系統的販賣利潤，b i 是該電力公司收購該能源系統產生之每度電的費用。
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