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再生能源:風的故事–從風車到風力機

風是大自然賜予人類的寶藏,取之不盡用之不竭。風能是乾淨的,具有能源與環保雙重貢獻。一座座風車轉動出人類能源的新希望。
 
 
 
風從哪裡來

風是常見的自然現象,其形成源於地球自轉,以及區域性太陽輻射熱吸收不均造成的溫度差異,而引起的空氣循環流動,小規模者如海陸風、山谷風,大規模者如東北季風。風速大小一般以每秒幾公尺或是蒲褔氏風級(The Beaufort Scale,為了能有效地估計及紀錄風速,在1805年,由一位英國海軍上將,Sir Francis Beaufort, 1774 - 1857,編造了一個表,名為蒲福氏風級表。蒲福氏風級表最初只能適用於海上,它是觀察航行的船隻狀態及海浪而編制。後來也適用在陸上,而它是觀察煙、樹葉及樹枝的搖動、或旗幟的搖動而編制。蒲福氏風級表是由1 ~ 12來編制,但在某些國家,在12風級後再加上13 ~ 17等級,但普遍來說,風級表只由1 ~ 12等級。)表示,風速愈高其所蘊藏的能量也愈大。夏季時微風徐徐吹過,讓人覺得心曠神怡,但颱風來時,強勁的風速捲起滔天巨浪、摧毀樹木及建築物,令人驚怖,可想見風的能量是何等的巨大。

人類使用風力能源的歷史由來已久,數千年前即已懂得利用風力推動船隻航行。根據文獻,一千年前中國及古波斯即利用風車汲水、灌溉及磨碎穀物。後來風車經荷蘭、希臘等歐洲國家加以改良後,更進而發揚光大,成為中世紀歐洲重要的動力來源。

然而十八世紀末工業革命後,由於煤炭、石油等化石燃料及蒸氣機的大量使用,傳統風車被取代而逐漸式微。儘管如此,歐美對風能應用的研究並未停止,十九世紀末丹麥的氣象學家保羅‧拉‧庫爾(Poul La Cour)製造了第一部風力發電機,自此風能技術的研發乃朝發電發展。後來因為大型發電廠使用煤炭及石油以生產廉價的電力,使得昂貴又不穩定的風力遂逐漸被市場所淘汰。

但一九七○及八○年代兩次能源危機後,科學家體認到過度仰賴化石能源並非長遠之計,故除了努力提升使用效率及宣導節約外,也致力於開發再生能源技術,風力發電的研究因而再度蓬勃。再加上歐美國家環保意識抬頭,民眾普遍關心傳統發電產生的污染問題,清潔的風力能源遂受到相當的重視。風力機的研究在既有的風車基礎上,再融入近代科技後,其性能與效益皆大幅提升。現在風力發電已經是再生能源中最經濟、使用最廣泛的技術之一,尤其在歐洲風能已經是目前非常重要的電力來源。

風力發電機主要是藉由空氣的流動來轉動葉片,把風能轉換成電能。葉輪受風吹而轉動,因此葉輪氣動性能對風力機輸出效率具有決定性的影響,近年來由於葉片的設計應用了航太技術,大大地提高了風力機的輸出效率。但風力機尚無法轉換全部風能,輸出效率僅介於20 ~ 45%間。目前商業化風力機都使用微電腦監控,可隨風速、風向的變化而自動啟動、關機、迎風轉向,並具遠距監控及異狀保護功能。正常狀況下可自動運轉,不需人員操作,因此有「無人電廠」的稱呼。

風吹過地面時,會因障礙物的影響而減弱,離地面愈高風速愈大,因此為擷取更多風能,除須改進扇葉氣動性能及傳動發電系統效率外,也要增加塔架高度以提高迎風風速,或增大葉輪直徑以增加受風面積,因此風力機乃不斷地朝大型化發展。目前全球最大的風力機裝置容量是4.5 千瓩,其葉輪直徑達114公尺,遠超過波音七四七巨無霸飛機的翼展,其塔架高度更高於120公尺,可稱得上是地球上最大最高的轉動體。

由於風力資源對於風力發電機的發電量極為重要,在規劃時也需考量設置區域的風性、地理條件是否能提供穩定而充足的風。風速越高的地區,風力發電機能擷取的風能愈多,經濟效益會愈好;風向穩定少亂流的環境對風力發電機的磨耗也較低,運轉壽齡可提高。一般而言,風力機宜設置於開闊區域,如海濱、防風林、田埂、漁塭、河海堤、山脊等。風力機機座占地不大,並不影響地面原有的用途,在丹麥、德國及西班牙等國家皆可見風力機與農牧共生使用。

利用風力發電好處多多

風力能源永不耗竭
 人類追求經濟成長及現代化的結果使得能源大量消耗,然而地球的化石燃料蘊藏量有限,終有一日將沒有石油可用。然而風力發電卻不一樣,由於擷取的是大自然的風能,只要太陽及地球仍在運行即無匱乏之虞,故是一種能讓人們永續使用的再生能源。

風力發電無污染 大家都知道火力發電會排放大量二氧化碳及污染物質,嚴重破壞環境,影響生態並造成全球暖化;核能發電雖不像火力發電般排放污染物質,但溫排水可能影響海洋生態,而且核廢料的問題也會造成人們的恐懼。反觀風力發電不但不會排放二氧化碳及污染物質,更沒有放射性物質的困擾,是非常乾淨的能源,因此廣受注重環境保護國家的歡迎,成為應用最多的再生能源之一。

風力發電是自產能源 大自然的風完全不用進口,是道地的自產能源,多加利用可減低對進口石油、煤炭等的依賴,且促進能源多元化,在國家安全考量上亦有其戰略意義。另外在經濟與社會層面,風力發電可製造工作機會,例如其零組件的生產、運輸、組裝、維護等,都可為設置風力發電機的當地帶來相當的就業機會。

風力發電具分散式特性 傳統大型、集中式發電機組如核能與燃煤發電的能源效率低,且在輸送過程中也會造成電力的損失,因此分散式發電已成為電力系統發展的新趨勢。風力發電機可分散設置於各地區,減少輸電損失,並可滿足區域的尖峰負載,降低供電成本。

風力發電具觀光效益 風力發電場在適當的配置下,可使當地的景觀更有特色,甚至有景觀再造的功效。根據歐洲國家調查顯示,風力發電場附近有超過80%的居民支持風力發電,認為使當地風景更具特色。

風力發電是輔助性能源 風能來自大自然,有時大有時小,因此風力發電具有輸出不穩定的特性。在臺灣地區,冬季時東北季風強勁,使得風力發電量甚為可觀,但夏季缺電時,卻因為西南季風微弱而發電量有限,因此風力發電在現階段僅能做為輔助性能源,無法完全取代傳統發電。

歐美國家大量開發利用

由於風力發電技術成熟與量產應用有成,使得成本迅速降低。一些風力資源較豐富的國家,已開始大量開發利用,尤其因屬綠色發電,故愈來愈受到人們的支持,近年來安裝容量急遽增加,近五年的平均成長率高達35%,可說是不景氣中少數的高成長產業。迄二○○三年底,全球的裝置容量已近四千萬瓩,足以提供歐洲四千七百萬人的生活用電。

目前全球共有46個國家利用風力發電,主要分布在歐洲及美洲,前三名分別是德國、美國及西班牙。而亞洲的印度、日本及中國大陸亦名列前十名。德國在九○年代初僅有少許的風力機應用,但在其優異的工業基礎與政策鼓勵下,十年來其風力發電裝置容量呈驚人的指數成長,遠高於其他國家。西班牙則由於風力資源豐富與政策的獎勵,裝置容量也快速成長,二○○○年甚至超越丹麥成為歐洲第二。至於丹麥本是風力發電開發的先驅,由於政府的重視及鼓勵,再加上持續研發,不斷提升風力機性能,造就了成功的風電產業,目前丹麥所生產的風力機約占全球市場的50%。

臺灣風力資源豐富

臺灣位於最大陸塊與最大海洋交界處,明顯的東北季風與西南季風季節交替,具有豐富的天氣變化。加上臺灣海峽兩側山脈形成「狹管」的地形效應,季風吹過時受到擠壓而加速,因此冬季風力相當強勁。依據工研院能資所與中央大學大氣物理所共同研究完成的風能分布圖顯示,臺灣地區風力資源相當豐富,主要分布在臺灣海峽、西部沿海與澎湖離島等地區,年平均風速每秒可達5 ~ 6公尺以上,甚具開發潛力。主要的風能蘊藏區域包括:北部從桃園的大園到新屋沿海,新竹的新豐到香山一帶,苗栗的後龍至苑裡沿海一帶;整個中部沿海,自通宵、大甲、經梧棲、大肚,一直到彰濱及麥寮沿海一帶;南部的嘉南沿海及屏東墾丁等地也富風力潛能。由於西部沿海大多是農田、漁塭及防風林,地區廣闊可與農漁業共生利用,非常適合大規模風力發電的開發。

國內風能研發應用早在民國五十年就已開始,臺電公司曾在澎湖白沙鄉設置一臺50瓩級風力發電機進行試驗。而工研院能資所也在民國七十一至七十九年間進行長期而系統性的風能研究,除了分區完成臺灣地區的風能潛力評估,並在新竹湖口風力試驗場陸續完成4瓩、40瓩、150瓩三型風力發電機的開發。可惜因當時油電價格偏低且風力發電成本仍高,缺乏市場機緣而中止研發,國內風能應用因此未能有進一步的發展。

政府獎勵,帶動設置風潮

風力發電在中斷近十年後,相較於國外之蓬勃發展而國內卻遲遲未能展開,政府為加速推動國內風力發電應用,參考國外成功的經驗,於八十九年初發布施行「風力發電示範系統設置補助辦法」提供設備補助,獎勵民間投入設置風力發電示範系統。工研院能資所配合執行「風力示範推廣計畫」,技術輔導民間設置風力發電系統,以建立國內運維技術經驗,促進民眾對淨潔風力能源的瞭解,營造推廣應用環境;同時配合發展風場評估模式,完成臺灣地區風力潛能分布圖,並進行陸域及海域可用風力發電場址評選規劃,為進一步開發風力發電利用舖路。在工研院能資所的協助輔導下,目前完成共8,540瓩之裝置容量,包括雲林麥寮2,640瓩、澎湖中屯2,400瓩以及竹北春風3,500瓩等三座風力發電示範系統。

四年多來在經濟部能源局與工研院能資所的努力下,透過資源勘查、技術輔導、示範補助與宣導推廣,已初步達成推廣成果並帶動國內風力發電應用的風潮。目前已有民間業者與臺電公司等正積極規劃在臺灣西海岸大規模開發風力發電。臺電公司已擬定「風力發電十年發展計畫」,規劃在民國一百年前設置至少200部風力機組,總裝置容量達30萬瓩以上。臺電第一期計畫將裝設60部共10萬瓩的風力發電機組,預計在九十四年底可全部完工商轉;而多家民間廠商亦積極規劃在桃竹苗、中彰、雲嘉南及屏東濱海地區大規模開發。在未來的五年內,臺灣西海岸將可看見一座又一座的風力機迎風運轉,生產乾淨的綠色能源。
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