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能源小學堂

海上的發電英雄-風力發電

2021/06/17

風力發電近年在全球迅速發展,全球風力發電機裝置容量總計高達743GW,相當於幫助地球每年減少11億噸的二氧化碳排放,是重要的再生能源之一。[註1]

然而,人類雖運用風力早已有數千年的歷史,但過去多是用於農業灌溉用途的風車。是什麼契機讓人類開始透過風力轉變成發電使用呢?風力發電近年又分別在地域限制、風機種類、機組技術上取得那些革命性的創新呢?就讓本次能源小學堂,帶大家一探風力發電的秘密。

 
(安能集團位於德國下薩克森州漢諾威市以北的布赫霍爾茲陸上風場/圖片來源:EnBW)

從風車到風力發電機
數千年前人類就知道使用風的動能來幫助日常生活,風普遍被使用於農業與灌溉上。歷史記載公元前17世紀時,巴比倫王國的漢摩拉比皇帝就將風力運用在他的灌溉渠道工程。人類歷史發展到中世紀時,在中東村落常見許多用於農業用途的小型風車,隨後貿易商人與十字軍將這項產糧工程傳往歐洲,荷蘭人在尺寸上進行了改良,在萊茵河畔建造了一個又一個的大型風車,而這些來自西方的移民者最終將風車技術傳遍了整個西半球。[註2]

工業革命後,人們開始研究風能如何幫助發電。十九世紀末丹麥鄉間理化老師拉庫爾(Poul la Cour)為了幫助家鄉現代化便開始改良風車,最終於1891年,第一座使用風力發電的發電機開始運轉,拉庫爾也因此被稱為「現代風力發電機之父」。然而風力發電時至1970年後才真正被各國普遍重視,二戰後爆發的石油危機改變了全世界對能源的看法,人們開始更為重視石油以外的替代能源,風力發電廠與風機得以逐漸普及化。


(現代風力發電之父拉庫爾在丹麥鄉間建造的兩座風力發電機/圖片來源 : Danish wind industry association)

從陸地到離岸,風力發電在地域上的突破
隨著風力發電迅速發展,風場所需的土地面積越來越廣,風機也因此開始朝向海域邁進,而位於海上的離岸風機不但突破傳統陸上地域的限制,也由於位於寬廣的海平面上,較少的摩擦力能帶來更穩、更強勁的風速,讓產電效率更為充足且穩定。

歐洲是發展風力發電的先驅,世界第一座離岸風場(溫德比風場)即於1991年建立於丹麥。時至今日,全球多數離岸風場遍布於北海、波羅的海,以及英國和中國的沿岸地區。由安能集團所建造的德國第一座商轉離岸風場Baltic 1即位於波羅的海,並於2011正式商轉。


(Baltic 1共有21座風機,每年約發電 48.3MW,滿足五萬戶家庭的年用電需求/圖片來源 : EnBW)

從水平到垂直軸,風機種類的突破
風力發電機按照其設計與結構,可分為水平軸與垂直軸風力發電機兩種類型:

水平軸風力發電機(HAWT)
水平軸風力發電機的轉動軸與風向平行,依轉子葉片的數量可分為單葉、雙葉、三葉或多葉型,其中三葉水平軸風機是目前世界上最常見的風力發電方式。由於水平軸風機發電會受風向所影響,通常會在風機機艙上搭建偏航系統,讓風機能隨風向來調整葉片所面對的方向。

垂直軸風力發電機(VAWT)
垂直軸風力發電機的轉動軸與風向垂直,因此發電量不受風向轉變而影響。相較於水平軸風機,重直軸風機轉速相對慢、產電量較低,但擁有不受地形影響、噪音小、機艙靠近地面因此方便維修等優點。現在垂直軸風機常被搭建於水平軸風機的現存風場中幫助供電,例如將垂直軸風機建於海上變電站旁的海上人工平台上,為離岸風場補充更多電力。[註3]

 
(位於加拿大魁北克的世界上最高的垂直軸風機,高達110米/圖片來源 : 維基百科)

隨著科技發展,現在更研發出無葉片的風力發電機,利用空氣力學中渦度效應來產電。[註4]

力求突破,安能集團在風電技術上的革新
作為德國百年歷史的能源公司,安能致力於研究能源的更多可能,在離岸風機機組工程技術上也取得了需許多開創性里程碑:

浮動式離岸風機 Nezzy²
Nezzy²是安能集團正在開發的浮動式離岸風機,它不再需要海底基樁,而是透過浮動式基座連結海床上的錨來讓風機「漂浮」在海面上,突破了傳統離岸風場開發50公尺水深的海域限制,開創離岸風場的更多可能。[註5]

TenneT離岸變流平台
在安能位於德國北海即將開發的風場He Dreiht中,將輸電至電網的工程使用了具革命性且節省成本的新技術。不同於過往併網到獨立的海上變電站(OSS)的作法,直接將66kV電纜併網到TenneT離岸變流平台,進而免去造價高昂的海上變電站,省下大量成本。除此之外,本專案中將使用潛水團隊和水下機器人來完成海底佈纜的作業。[註6]

離岸風機的裝置容量革新
為了增加產電效率,安能使用更輕且不帶傳動裝置的最新型直驅式風機技術,離岸風電機組的尺寸愈做愈大,裝置容量也隨之提升。以安能於2011年正式商轉的德國首座離岸風場Baltic 1為例,轉子葉片直徑長達93公尺,每支風機的裝置容量是2.3MW;而去年落成的德國最大離岸風場Hohe See & Albatros,單一風機的轉子葉片直徑已成長到154公尺,裝置容量更倍增到7MW。


(離岸風電機組大小和裝置容量持續革新,預估安能He Dreiht風場建設時,每座風機的裝置容量將超過10MW /圖片來源 : EnBW)

近年再生能源的迅速發展締造了完整的綠能生態圈,不僅加速了能源產業的發展,更連貫帶動製造業、海事產業、金融投資業等相關產業,創造了許多工作機會。過去離岸風電由於技術難度和地域限制,單支風機造價成本遠高於陸域風電,但近年在風力發電技術上的持續革新下,離岸風電裝置的建設成本已經逐年下降[註7],門檻不再像以前一樣高不可攀,已經發展成歐洲的重要電力來源之一。

新科技為再生能源帶來無限潛能,隨著全球永續環保意識提升,風力發電的技術將持續取得突破和進展,可望未來綠電的供給將更多元、發電更穩定,為永續家園創造更多機會與可能。

參考資料
註1: 世界風能協會-2021全球風能報告 
註2: U.S. Energy Information Administration 
註3: Peace, Steven (June 1, 2004). "Another Approach to Wind".  
註4: Wired- The Future of Wind Turbines? No Blades 
註5: EnBW- Floating wind turbine: Nezzy²
註6: 安能全球發展互動手冊
註7: Recharge- Offshore wind power price plunges by a third in a year: BNEF

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