环境监控与系统平台整合智慧型电力系统的终端应用

冷氣節能使用變頻空調
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配合減碳潮流實現 智慧電力系統的終端應用
自由貿易的興起 節能減碳將成為阻擋貨物進口的藉口
• 自京都議定書、巴里島路線圖到哥本哈根會議，節能減碳 之議題已成為國際爭論焦點。
• 近年來無論是歐盟、東協組織的形成，自由貿易、零關稅 蔚成趨勢。
• 對於一些產業保護的國家，國內產品的競爭將面對未來零 關稅情形，將排碳、碳稅等轉嫁於貨品上，將成為國際貿 易阻擋進口的藉口。
環境監控與系統平台整合智慧型電力系統的終端應用
李達生
Da-Sheng Lee
國立台北科技大學 - 機電學院 副院長 - 能源科技研究中心 主任 - 能源與冷凍空調工程系 教授 - 國科會民生系統節能研發辦公室 共同主持人
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智慧的終端應用
• 運用數位電表(AMR)監控電力，運用感測網 路(Sensor network)監控環境，均為今日成 熟之技術，可實現生活中節能、舒適、安全 監控種種先進應用。
doi:10.1016/j.future.2011.04.014.
3
Review of smart metering & smart grid development
由智慧電表到智慧
電網的發展架構，
參考自S.S.S.R.
Depuru et al.
2011, Renewable
and Sustainable
機構合作，安裝數位電表用於耗能解析以及
設備故障診斷之用。
• 下圖最左為實際設備，中圖為即時用電量數
據，可用於設備使用狀況診斷，最右圖則為
逐時用電量紀錄，可解析一日、一月乃至整
年之能源消耗情形。
kW
A連鎖(b)店ㄧ日總耗電圖 25
20
15
10
5
0
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22
Popular support
Good
Sales
Yield
Low Cost
High Revenue
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Business Model for distributing electricity
Infrastructure
Power generator
Generating electricity
Fuels
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電子化 碳排放 管理平台
商
品
Controller 智慧電錶
碳
生
排
產
放
資
iEN 管理平台
佐
訊
證
資
料
碳排放量相關感測器 如溫濕度 等環境控制訊息 以及 相關電力調節資訊
原料 運送 加工 生產 運送 上架
RFID
IEN
RFID讀寫器讀取 加工前的碳排放量 傳送盤查系統記錄
感測器進行設備控 制，並傳送感測數
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BEMS: 兼顧舒適度與能源節約的管理
• 結合了能源消耗與環境解析，可在維 持環境舒適的情況下，降低能源的使 用量。
• 如右邊圖示為台北科技大學以影像技 術調查人員舒適度情形。
• 上圖則為分布之網路節點，以太陽能 驅動可達無須電池使用之目的。
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Review of Building Energy Management System
然而，終端應用的實現在現今困難重重，究 其原因，並非在於技術瓶頸，而是商業模式 不正確使然。
Business Model Framework
Adapted from Osterwalder A, Pigneur Y (2009) Business Model Generation. A Handbook for Visionaries, Game Changers, and Challengers. OSF
9
數位電表與智慧電網發展困境
• 儘管數位電表與智慧電網看來應用潛力無窮，但目前發展 在國內外仍然面臨瓶頸。
• 在國外方面，主要是智慧電網標準的不能統一，美國國家 標 準 與 技 術 局 (National Institute for Standards and Technology，NIST)在2010年1月發表的智慧電網標準框 架之更新版，該組織目前旗下有8個工作小組，參與成員 超過800位，但相關工作十分繁重，希望有更多義工參與。 參考資料: Smart meters wait on home net spec，by Rick Merritt.
High Cost Structure
Carbon Footprint
Internet of Things Increase
Low Revenue Add‐on Value
取而代之，以電力資訊運用創造附加價 值，將能為榨不出利益的電價，創造額 外的附加價值。
結合雲端技術實現 智慧電力系統的終端應用
在此情況下，以節能做為號召的環境監 控整合平台，很難取得賺錢的終端應用。
Add-on Value to electricity distribution
Infrastructure Value
Customer
Necessary
New Technologies
Cloud computing
Not only provide electricity but also deliver electricity usage information to
Data from Emerson co., ltd
實際案例-便利超商環境與節能管理
• 台北科技大學與國內連鎖便利超商合作，安 裝數位電表，另於賣場內安裝環境中物理量， 如溫度、濕度、照度、風速等，除解析商店 能源消耗特性外，亦可由其環境特性之分析， 了解其能源消耗的成因為何。
• 較諸單一數位電表，BEMS提供了更多功能。
• BEMS可兼顧能源效耗與環境舒適等多重目標，在國外亦 累積多年發展經驗，統計各項應用與控制指標，以期全面 達成建築物自動化與節約能源之控制。
• 資料參考自J.A. Clarke et al. 2002, Energy and Buildings 34, pp.933–940
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台灣BEMS分級制度
• 國內電信業者將多處國中小之數位電表，以 google連結 資訊後，構成一電網雛型。
• 透過此平台，可即時查詢區域內任一國小的即時用電量， 進行區域化集成式管理。
• 利用此平台，已可達成簡單的區域用電負載管理，減少不 必要的發電備轉，相關資訊尚可用於行為分析等，數位電 網與人類使用行為結合，應用範圍可進一步拓展。
雲端節能平台
雲端節能概念利用節能服務網路，反向將 客戶投入節能設備所獲得之效果，透過網 路資訊散佈，若其後有消費者據此資訊， 添購設備，極發揮了廣告效益，並能由此 由設備製造商補貼相關廣告費用。
電力使用資訊可以拿來賺錢!!
高效率照明換裝LED燈管
種種節能效益 乃至於感受可 透過網路資訊 散佈
• 然而，數位電表之普及，今日似乎仍仰賴台 電公營單位編列預算，感測器網路之應用， 亦是以政府補助之示範計畫為主，在台灣， 上述兩項技術均未見商業上大量普及。
• 究其原因，在於缺少智慧的終端應用 – 能賺到錢的應用模式!!
2
系統整合-由數位電表到智慧電網(Smart grid)
• 數位電表以MCU分析所得電流與 電壓值及其相位，可顯示三相電 壓值(V)、三相電流值(A)、耗電量 (kW)、伏安數(VA)、虛功量(VAR) 及功率因數(PF)等等數值，右圖為 北科大單晶片數位電表雛形。
Governmental support Popular support
Good Sales Poor
Three driving forces to determine
Cost Structure
Revenue Structure
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Business Model for ubiquitous access to digital content (Using smart phone)
Infrastructure
Value
Βιβλιοθήκη Baidu
Customer
Key Partners
Key Activities
Key Resources
Value Proposition
Customer Relations
Sales Channel
Customer Segments
Good Financials Poor
Pics from google website
5
數位電表與智慧電網所提供之功能
• 智慧電表利用數位量測電力資訊，可排除人工抄錶的交通 與人事等讀取電錶成本，大幅簡化用電計費架構。
• 對大電力用戶而言，與台電訂有契約容量，當用電超過一 定量，將被處以兩倍以上電費之罰款，大電力用戶使用數 位電表，將可預先得知即將超約，進一步降低非必要用電， 達成電費節約之目的。
• 在台灣智慧電網之發展，則是受限於一般家庭尖離峰用電 價格幾乎無差異，而大電力用戶則是尖離峰用電價格差僅 約2.22:1，因此數位電表發揮節約電費的功能不彰，導致 應用受挫。
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系統整合-連結環境感測與電量監控
• 將數位電表與環境感測 器結合，形成了建築物 能源管理系統 BEMS, Building Energy Management System
資料來源: 簡永和 能源報導 2010年9月
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BEMS發展的困境
• 較諸智慧電網概念，BEMS更進一步兼顧了環境因 子，貼近人類生活使用。
• 然而，在國外BEMS發展同樣面臨標準化問題，相 關 建 築 物 自 動 控 制 (BACnet, Building Automation Control Network)規範之整合，是 一龐雜的工作。
• 整合居家、住商住宅與工廠的
數位電表，形成數位電網，可
平抑尖離峰負載，提升能源效
益使用效益，又可藉此保障能
源使用安全。
• 參考資料: J. Gao, et al., 2011. A survey of
communication/networking in Smart Grids, Future
Generation Computer Systems,
Energy Reviews
15, pp. 2736–
2742
4
Green powerlink from google!!
Google Powermeter Wi-Fi Gateway
• 可隨時監控家中電器設備的能源消耗量減低節源開支
• 瀏覽歷史能源資料
• 預測能源消耗成本
• 設定能源預算且追蹤進展
hr
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總電
台灣電信業者提供數位電表安裝與節能服務
• 除實驗示範性質案例，國內電信業者近來積極跨入數位電 表通訊與能源管理應用，下圖為國內小學安裝數位電力看 板，以及用電超約的即時警告裝置。
• 數位看板可有效告知小學機電管理人員，用電量即將超約， 並由手動方式卸載，避免超約罰款。
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連結區域內單位用數位電表資訊構成電網雛形
• 當台灣地區1200多萬用戶多換裝智慧電表後，即形成智慧 電網，電力供應者可以更精確分析與掌控電力使用概況， 進而更有效規劃電力需求，避免過度發電與投資。
• 據非正式資料指出，智慧電網若能有效降低台電發電之備 轉容量，台灣幾乎可省下一座核能發電廠。
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實際案例-數位電表提供用電量測與分析
• 本案例為國立台北科技大學實際與國內商業
• 而在國內，儘管BEMS可充分利用數位化的管理， 進行有效率的運轉管理，有5 10％之節能成效， 甚至回收年限可縮短到1至2年內。
• 但面對國內低廉的電價，投資效益似乎仍不彰顯， 儘管智慧綠建築已成國內重點研究方向，大規模 的BEMS應用仍是可望而不可及。
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系統整合平台包含由數位電表聯結形成智慧 電網，以及整合電力與環境監控形成的建築 物能源管理系統，均為成熟的技術，且實際 應用亦有其價值。
Infrastructure
Value
Customer
Content provider, Telecom company
Download
Digital content
Good Financials
Not necessary for human living
Fans Internet
Smart phone users
Value Necessary for living
Customer
User All people
No special channel
Financials Poor
Governmental support Yield
Sales ???
High Cost Structure
Low Revenue
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由簡單經濟模式分析，即可知道，因為 電力是人們生活所必須，因此政府極力 補貼以確保供給無虞，使得電價幾乎全 為成本價格，無利潤可言。