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電力系統節能暨負載管理
國立勤益科技大學
電機工程系
張隆益 博士
主辦單位: 經濟部能源局 執行單位: 財團法人台灣產業服務基金會
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目 錄
前言
電力設備
電能管理與節能措施
電力系統之節能與節費方式
照明節約能源
節能績效分享
結論與討論
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前 言
有正確節能觀念
有效率使用能源
該用則用、能省則省
由少量累積成多量
由小量累積成大量
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4
電力設備
變壓器
電動機(抽水機)
電梯
空調(中央、分離、窗型)
照明
熱水爐(開飲機、加熱器)
事務設備(電腦、影印機)
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電力系統架構
斷路器斷路器 斷路器 斷路器
斷路器 斷路器
斷路器
TPC
變壓器11.4KV/208-
120V
300KVA
變壓器11.4KV/380-
220V
500KVA變壓器
11.4KV/220V
500KVA
變壓器11.4KV/380V
500KVA
斷路器
變壓器11.4KV/208-
120V
300KVA
變壓器11.4KV/220V
500KVA
MOF
小型電器及插座
抽水機電動機
中央空調 照明及小型電動機
小型電器及插座
抽水機電動機
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電能管理與節能措施
目的
藉由減少用電量、 提高設備運轉效率、
抑低尖峰需量、平穩負載及提高功率因數
等方式, 以達電能更有效使用並降低電力
成本。
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7
最高用電需量(Max kW)檢討
尖離峰最高用電需量檢討
裝置最大需量控制器
運轉與卸載方式檢討
負載率改善方法
儲能設備
產程調整
控制方式
管理方法
負載分配
線徑擴大
避免超約運轉
高功率因數器具
裝設改善功因設備
儲能設備
間接性生產
適當契約容量
最大需量控制
提高負載率
移轉尖峰用電負載
減少用電浪費
減少線路損失
提高功率因數
增加離峰用電量
高效率用電設備
電力需量(kW)
電力量(kWH)
電能管理
電能管理方法
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電力系統節能措施
負載管理 減少功率(kW)需量
減少電能量(kWh)消耗
轉移尖峰用電至離峰時段
建立電能需量監控系統
提高變壓器使用效率
功率因數改善裝置
改進電動機使用效率
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電業或用戶從事影響電力負載型態,以達到抑低尖峰負載,拉高離峰負載,移轉系統負載為目的的一切活動。
電力系統節能措施 負載管理
負載因數與離峰比分析
1.
• 負載因數(LF)應愈高愈佳,表示用電負載愈穩定,可以訂定最適當之契約容量,不致浪費不必要之基本電費負擔,降低生產之用電成本,一般正常情況之負載因數在0.7以上。
• 如負載因數低於0.7以下,應即檢討,並分析產生尖峰之原因,並設法改善。
kW
/kWH
kW
/kWH
年最高需量
年時數年年負載因數
月最高需量
月時數月月負載因數
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2.
通常離峰比高負載因數亦必高,除契約容量可降低,減少基本電費支出外,並可充分享受低廉之離峰基本電費及流動電費(請參考電價表),可降低生產之用電成本。
離峰比小於0.4以下,應即檢討,並分析可運用離峰電力之方法。
kWHkWHkWH
kWH
kWH
kWH(OPR)
月離峰月半尖峰月尖峰
月離峰用電量
月用電量
月離峰用電量月離峰比
kWH
kWH
年用電量
年離峰用電量年離峰比
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負載管理
價格策略
負載控制
用電改善
設備提昇
時間電價、可停電力 季節電價、即時電價
直接控制空調負載 直接控制熱水器
改善用電效率 改變製程
使用離峰設備 使用儲能設備 使用自行發電設備
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電力系統節能措施
減少功率(kW)需量
用電需量就是負載或稱功率(單位為瓩、kW),例如:開飲機的功率約為1.5 kW;馬達10HP(馬力)功率約為7.5 kW。如果停止或暫時使用就可減少功率消耗,可降低尖峰需量,亦可降低用電超約受罰。
。
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13
電力系統節能措施
減少電能量(kWh)消耗 電器設備消耗功率(kW)乘上使用時間,就是「消耗電能量」,單位為(瓩時、kWh ,俗稱為度) 。如:使用2000 W 電磁爐燒開水 1小時(h),總耗電 2000 Wh,或 2 kWh也就是 2度電;電腦250 W 必需使用4小時,才消耗1度電。減少電能量亦可降低用電度數,所以可減少流動電費支出。
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電力系統節能措施
轉移尖峰用電至離峰時段
將尖峰時間仍在運轉的用電設備,作調查統計,看看哪些用電設備可以移轉到離峰時間運轉。例如;自來水給水泵、排水泵排水、電能熱水器加熱等設備。此項措施除了可以降低尖峰超約外,另可以減少尖峰流動電費支出。
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電力系統節能措施
需量是指需量時限內有效電力的平均值,所謂需量時限是由電力公司規定,一般而言15分、30分及60分較常用,目前台灣電力公司的規定是15分鐘。
超約在契約容量10%以下部分按二倍計收基本電費。
超過契約容量10%部分按三倍計收基本電費。
建立電能需量監控系統
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需量控制曲線圖
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整合式電力監控系統
監控系統於電能管理之應用
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一、變壓器的效率
額定負載運轉時
部份負載運轉時
電力系統節能措施
額定銅損額定鐵損額定輸出功率
額定輸出功率
額定銅損負載率額定鐵損額定輸出功率負載率
額定輸出功率負載率
2)(
提高變壓器使用效率:
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二、減少變壓器損失的方法 1.變壓器運轉方式與負載特性的合理配合,減少損失的運轉原則如下:
負載因數較高,即負載變化小,故變壓器組可作較高效率之運轉。
一般變壓器滿載時銅損與鐵損之比為3時,負載率在57.7%效率最高。
燈力併供可提高負載因數。 負載因數不高亦不低,譬如有連續尖峰時間之後,通常有相當長時間的輕載者,於尖峰時間內將所有變壓器並聯運轉,離峰時間,停用部份變壓器。
三相的負載因數偏低時,採用V-V變壓器供電較為有利。
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2.選擇適當變壓器容量
高壓受電用戶電力變壓器容量,不得超過每月平均用電量之四倍。
40.0(DF) 變壓器容量
最高負載變壓器需量因數則
25.0變壓器容量
平均電力即
625.0)LF( 最高負載
平均負載負載因數假如
二、減少變壓器損失的方法(續)
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為檢討計算方便,實用上可依下列方式分析處理。
當月變壓器之需量因數 DF =
當DF<0.4時
三相變壓器:
停用負載太輕的變壓器,將該負載轉接其他可供利用的變壓器。
三台單相變壓器:
使用三台單相變壓器供給三相電源的場合,負載太輕時,利用其中二台改成v-v接線供電,停用一台。
當DF>0.8時,計劃更換大容量變壓器或適當增加組別。
變壓器容量
最高 pf/kW
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2019/9/20 24
3Ø 1,000kVA
22.8/220/380V
3Ø 1,000kVA
22.8/220/380V
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3Ø 10,000kVA
22.8/11.4kV 3Ø 10,000kVA
22.8/11.4kV
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26
3. 將不必要之變壓器停止運轉
4. 採用低損失型鐵心(矽鋼片)變壓器
5. 採用高效率節能或非晶質鐵心變壓器
6. 降低變壓器運轉溫度。
7. 定期檢點維護保養
二、減少變壓器損失的方法(續)
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功率因數偏低,會使線路總電流增大,且造成線路及變電設備的損失增加。依台電公司有關規定:
每月用電之平均功率因數不及80%時,每降低1%,該月總電費應增加千分之1。
每月用電之平均功率因數超過80%時,每超過1%,該月總電費則減少千分之1。
22 KVARHKWH
KWH
平均功率因數
電力系統節能措施 功率因數改善
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各種負載之功率因數
負載種類 功率因數﹪
滿載 半載 無載
感 應 電 動 機
三相
1馬力 10馬力 100馬力
1000馬力(20極) 1000馬力(60極)
82 86 86 80 68 62 66 72
68 72 72 66 50 43 45 54
16 14 11 6 5 21 18 17
單相
1/8馬力 1/4馬力 1/2馬力
白熾燈及電熱 日光燈
同步電動機 電扇、電冰箱、空氣調節器
電鐘 收音機
交流電弧熔接機 電氣爐
低週波感應爐 高週波感應爐
100 50~95 可調整 50~75 50 70~95 30~40 85 60~80 10~20
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改善功率因數之效益
增加供電設備(電源)的實質供電容量。
減少供電系統的功率損耗。
降低供電線路的電壓損失。
降低線路電流
節省電費。
1cos
cos
1
2
2
21
S
SS
])cos
cos(1[ 2
2
1121
LLL PPP
)tantancos(costan
tan1212
1
2
1
2
XR
XR
e
e
)()1000/0.1(
%)80(%)(
流動電費基本電費
改善後功因減收電費
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改善功率因數之效益
30
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電容器裝設原則與方式
1. 在電力系統中,安裝電容器以提高功率因數時,其裝置位置宜儘量靠近負載點,以增大效益。
2. 大型機器,如感應電動機、感應爐、整流器、電弧爐、電焊機等,以裝設個別電容器,效果較佳。
3. 裝置高壓電容器方式,以集中裝置於變電站之高壓母線,此種裝置方法投資最少,惟僅對裝置地點之電源端較具效益。
4. 高低壓電容器併裝方式,通常以變壓器容器之6%為高壓電容器容量,以抵消變壓器之無效電力,而低壓用電設備容量較大者,以裝設個別低壓電容器為宜,至於小型零星設備,以集中在低壓配電盤母線裝設低壓電容器較為便利與實用。
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5. 低壓電動機個別裝設電容器,以裝置於電動機操作器負載側,且須能與該電動機同時啟閉電源最為理想。
6. 裝置電容器容量以提昇功率因數至95%為原則。若月平均功率因數達100%者,亦應檢討相角是否在超前狀態運轉。若月平均功率因數低於50%者,應檢討電錶是否有故障情形(或是工廠停產,僅變壓器鐵損負載)。
電容器裝設原則與方式 (續)
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電力系統節能措施
改進電動機使用效率
一、選用容量適當的馬達
75%至100%負載之效率最佳。
使用容量太大的馬達 需要較多的投資。
運轉時因效率低耗電量高,必須付出更全的電費。
二、馬達汰舊換新 採用高效率電動機
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三、選擇效率高的馬達
IE 說明 International Energy + Number IE 1 高效率 Standard Efficiency IE 2 優級效率 High Efficiency IE 3 超高效率 Premium Efficiency IE 4 超優級效率 Super Premium Efficiency
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四、減少馬達空轉損失
馬達空轉時的耗電量為額定容量的10%。
每次空轉時間超過2分鐘時,可考慮加裝連動開關控制。
一般電動機空轉的損失,以3.7kW(5馬力)的工作機械為例,實測電力損失為0.44kW,如以一年運轉300天,一天中有1小時的空轉,則一年就有132kWH的電力損失。
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五、選擇適當傳動方式
皮帶傳動效率 70%~90%
鏈條傳動效率 75%~85%
齒輪傳動效率 93%~96%
直接連接效率 100%
六、改善電動機功率因數
可減少損失。損失愈少,電動機的能源效率愈高。
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選定適當配電方式,如儘量採用三相配電及採用較高電壓傳輸等。
儘可能將高壓線配電至負載中心,使到各用電設備之低壓線路減短。
對電壓變動敏感之器具,應單獨配線,並加大配線容量。
對無效功率進行合理補償,改善功率因數。 三相電壓保持平衡。 合理選擇變壓器,利用設備自身特性減少電
壓降損耗。
%)(10
)sincos((%)
2KV
XRKVA 電壓降
改善電壓降的方法:
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一、如何訂契約容量
經常契約容量:尖、離峰時間皆可使用之用電容量,係依夏月尖峰時間用電需量訂定。
非夏月契約容量:非夏月尖離峰時間皆可使用之用電容量,如非夏月尖峰時間用電需量大於經常契約容量,則依其超出之部分另訂之。
離峰契約容量:僅離峰時間可使用之用電容量,如離峰時間用電需量大於經常契約容量與非夏月契約容量之和,則依其超出部分另訂之。
最適契約容量決定
電力系統節費方式
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二、適當的契約容量 可減少超約罰款及電費支出。
考量全年度之尖離峰負載型態。
並非不超約是最經濟。
三、契約容量過高 學校須繳較多的基本電費。
電力公司須設置較大的設備,造成使用率偏低。
四、契約容量偏低 最高用電需量超過契約容量,超出
契約容量10%的以下部份,按二倍計收基本電費。
契約容是10%以上部份,按三倍計收基本電費。
增加契約容量時,須繳線路補助費。
最適契約容量決定(續)
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契約容量種類 (1).二段式 用戶須依夏月及非夏月與尖、離峰時間用電需量訂定契約容量。
經常契約容量係依夏月尖峰時間用電需量訂定。
如非夏月尖峰時間用電需量大於經常契約容量,則依其超出之部分另訂非夏月契約容量。
如離峰時間用電需量大於經常契約容量與非夏月契約容量之和,則依其超出部分另訂離峰契約容量。
電力系統節費方式
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契約容量種類(續)
(2).三段式 用戶須依尖峰、半尖峰及離峰時間用電需量訂定契約容量。
經常契約容量係依尖峰時間用電需量訂定。
如半尖峰時間用電需量大於經常契約容量,則依其超出之部分另訂半尖峰契約容量。
如離峰時間用電需量大於經常契約容量與半尖峰契約容量之和,則依其超出部分另訂離峰契約容量。
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電費之計算(二段式時間電價):
總電費=基本電費+流動電費 +超約罰款 +(-)功率因數調整費
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超約用電如何計收
計收原則
用電容量超出其契約容量時,超出容量在契約容量10%以下部分按二倍計收基本電費,超出容量超過契約容量10%部分按三倍計收基本電費。
尖、離峰時間均超約用電,離峰時間超約瓩數應扣除尖峰時間超約瓩數後(負值免計),按上款標準計費。
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c. 實際範例:
資料來源:經濟部能源局 學校節約能源技術手冊
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某大學8 月份實際用電之電費通知單。電費單右側是該月份各項實際用電讀數,「表別」:1/3 分別代表尖峰/離峰指數,4 代表無效電力指數,6/8 分別代表尖峰/離峰需量。以最關鍵的最高需量(6)為例:
抄錶指數(15.942-15.052) ×電錶倍數 2000 = 1780 kW
最高需量1780 kW,契約容量1300kW,尖峰用電252000 度,離峰用電132000 度,功率因數99 %。
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各項費用(適用夏月電價)計算如下:基本電費 213 元/kW × 1,300 kW = 276,900 元
尖峰電價 252,000 度 × 1.96 元/度 = 493,920 元
離峰電價 132,000 度 × 0.77 元/度 = 101,640 元
超約附加費:
(10%以內部分)213 元/kW ×2 ×(1300 ×10%) = 55,380 元
(超過10%部分)213 元/kW ×3 ×(1780-1300 ×110%) = 223,650 元
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功因調整(276,900+493,920+101,640)×(99-80)×0.0015=-24,865 元
營業稅 (276,900+493,920+101,640+55,380+223,650-24,865)×5% =56,331 元
應繳總金額1,182,956 元
註:
實際流動電費=尖峰電價+離峰電價=493,920 + 101,640 = 595,560元
電價單流動電費(營業稅內含於流動電費欄)=595,560+56,331=651,891 元
(97年後電價有調整,可上台電網站查詢電價表)
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高發光效率, 長壽命光源
低耗能電子式安定器
高效率燈具
整體照明控制設計
LED照明燈具
照明節約能源
綠色照明之考量
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光源選用原則
發光效率
色溫
演色性
使用壽命
維護成本
依使用場合, 上列原則有不同的優先度
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50
光源選用原則(續)
避免眩光
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光源眩光
光源選用原則(續)
燈管裸露造成眩光 採用格柵式燈具避免眩光
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利用自然環境的省能設計
採用清玻璃為窗戶材料:可獲85%之晝光。
採用遮陽板擋住太陽能:採光即可不受季節與開窗朝向之影響,外遮陽可省電12%,內遮陽可省電3%。
採用高窗採光:可提供較深且均勻之晝光。
採用導光板輔助晝光,可達成省能效果。
保持窗玻璃之乾淨:六個月未清洗玻璃,採光效果降低40%左右。
室內牆壁採用淡色:可提高屋內光線漫射效果節省電源。
照明省能方法(續)
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電源之控制方法
(1)手動控制(Manual Control) 雖然可依人們的習慣與行為來控制照明開關,但在照明控制系統設計時,仍宜優先考慮下列數項:
每個獨立的工作空間,均應有其獨立的開關。
大型開放式辦公空間,應分成若干區域,以利各區域單獨控制。
使用多管螢光燈時,應設置各燈管之分段組合開關。
作業標的之照明(Task Lighting),應單獨設置控制開關。
大型空間之外周區與核心區應"絕對獨立"控制。
照明省能方法(續)
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電源之控制方法(續) (2)自動控制(Automatic Control) 為消除人為控制不當所造成之能源損耗,自動控制可按工作環境之視覺需求,地域氣候條件,建築方位等因素加以設計。其控制方法有下列六種:
就特定空間及工作時段,予以定時控制。
以定時器設定每次持續時間,例如:儲藏室。
以測光器設定作業區域固定照度,再配合畫光 利用,自動決定點燈。(可藉以決定更換光源或清除灰塵)
以微電腦計算室溫與照度,以調和自然採光,節省照明與空調能源。
以門之啟閉控制室內照明(例如:衣櫥、檔案室等)。
照明省能方法(續)
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4.電源迴路控制方法
照明省能方法(續)
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5.燈具配置方式
照明省能方法(續)
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5.燈具配置方式(續)
照明省能方法(續)
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節能績效分享
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參考文獻
曾國雄、譚旦旭編著”工業配電設計”高立圖書公司
邱天基、陳國堂編著”電機機械”全華圖書股份有限公司
大同公司
華城電機公司
士林電機公司
財團法人台灣產業服務基金會
財團法人綠色生產力基金會
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63
報 告 結 束
Q&A