認識離岸風機

2018-12-25

林韋廷研究員

工業技術研究院綠能與環境研究所


  人類在數百年前就已經知道可以透過風車、利用風力來驅動水車灌溉,而時至近代,風能的發電潛力更是受到重視,儼然成為世界各國投入發展的重要再生能源。

  相較於古時的風車,現代風力發電機的結構當然是複雜的多,甚至可能有高達8,000個零件1,但是它的基本概念其實仍然相當簡單:將風能轉換為機械能,再將機械能轉換為電能。我們可以把傳統的風機結構簡化如下面的圖1──當葉片擷取風能時,就能轉動內部的主傳動軸、將風能轉換為機械能,接著再透過齒輪箱轉動較小的齒輪以增加轉速,驅動發電機產生電能。

 

 

圖1:簡化的風力發電機結構圖

(參考資料:美國能源部能源效率與再生能源辦公室2;繪圖:懂能源粉絲團)

而在這結構中,零件多意味著損壞的機會也增加,尤其是齒輪、皮帶,其中齒輪箱這種傳統的風機元件,重量特重、價格也高昂,而且又屬於易超載、損壞率高的元件3。因此,目前世界的發展趨勢為直驅式(direct-drive)風機,又稱為無齒輪風機,亦即是不需要仰賴齒輪箱來轉換至高轉速齒輪,只需要較低的轉速,就足以使發電機產生電力,而且除去易耗損的元件,當然也降低了維修的次數與維護成本。

除了內部元件之外,離岸風機為了能夠更有效獲取風能,並希望增加葉片掃過的面積以擷取更多的風能,以及希望能夠有更快、更穩定的風可以取得,風機的設計也就需要持續改進,並且也要尋找更多更適合、更有利於發電的風場,甚至於是過去難以利用、卻有更高潛力的風場:海洋。幸而現在因為發電與資訊科技、海事工程、運輸技術的進步,風力發電效率大幅地提升、成本也逐漸下降,在海上設置離岸風力發電機也成為世界上許多國家相當看好的能源方針。在1990年代,如英國、丹麥已經著手研發離岸風力發電技術;1991年,丹麥建設、營運了世界第一座離岸風力發電場Vindeby4,而後來Middelgrunden 40MW也在2000年商業運轉5。美國第一座離岸風電裝置則是在2016年架設於羅德島海岸附近;台灣則是在2016年完工併聯位於苗栗縣外海的海洋竹南風力發電場,並且在2017年正式營運,成為台灣首座正式營運的離岸風力發電場。可以說離岸風力發電是個相當年輕、也具有發展潛力的電力來源。

  關於離岸風力發電,大家一定也還是有許多疑問想瞭解,下面我們就來當個好奇寶寶,從幾個不同的切入點來認識離岸風力發電吧!

Q: 為什麼風機葉片要這麼細,而不像電扇一樣大片?

  由於風能與風速、風機葉片掃過的面積有關(與風速的3次方、葉輪面積成正比),所以葉片當然會希望能夠越長越好。而為什麼葉片又要做得那麼細、而不像是電扇一樣這麼大片呢?

圖2:風機的葉片為什麼又細又長、而不像電風扇

(繪圖:懂能源粉絲團)

這就要考量到風機的主要目的──希望能夠盡量有效率的擷取風力,而相較於像電風扇那樣寬大的葉片,細長的葉片所需風量更小,就能夠開始轉動;而且寬大的葉片其重量必定仍然非常驚人,不單單是運送及安裝的困難度增加,也因為阻力更高、且更容易失去平衡,提高損壞、倒塌的可能性。但即便是細長的葉片,做得越長、越大型,所需的材料與成本也理所當然會更高,所以仍必需要再針對葉片的形狀進行設計與改良,提高獲取風力的效率,這也需要有長期的研發過程與專業人員的投入。此外,風機葉片除了需要輕質材料,強度、剛度也要足夠抵禦如颱風天時的極端強風、耐疲勞性能,此外如耐腐蝕、避雷等也是重要考量,在設計時都必須考量諸多因素,以減少未來維護次數,降低成本與風險。

  所以說,風機葉片在設計時,要能夠達到成本更降低、更穩定、且更有效率的擷取風能,背後有著許多功臣埋首於創新發想及科學試驗,並持續經驗累積,也才能夠讓風能的應用有更多的機會與潛力。

Q: 離岸風機到底有多高?

  在瞭解葉片為什麼要又細又長的原因之後,一般人沒有辦法實際在海洋的現場看見風機,可能還是很難想像,究竟離岸風機實際上有多高呢?以下我們就來做個比較:

圖3:風機大小比一比

(繪圖:懂能源粉絲團)

在上圖中,最左邊箭頭指的小黑點就是一般人類,再來依序為自由女神像(93m)、初代哥吉拉(50m)、海洋竹南風力發電場6MW風機(輪轂高度110m)、以高雄85大樓(378m)、台北101大樓(509m),最右邊的則是通用電氣公司(GE)正在進行建設的Haliade-X 12 MW風機,在3~5年建成之後,很可能會是世界最大的離岸風機,包含葉片甚至有260公尺高!與台灣最高的建築物101大樓、85大樓比較,想像風機是多麼巨大的建築,而這些建築還必須在海上建設完成,這將是多浩大的工程。

Q: 為什麼離岸風機要蓋這麼高?

  葉片設計得細長可以理解,但為什麼還需要把風機蓋得那麼高呢?這同樣是有科學依據的考量。要讓風機開始轉動需要有起動最低風速,而開始轉動之後希望能夠一直有風能夠讓風機持續轉動,所以對於風機來說,架設的風場能夠有穩定的風力、而且風期要夠長,當然是重要的考量之一。

圖4:為什麼風機要蓋得高

(繪圖:懂能源粉絲團)

由於靠近地面、海面的風速易受到干擾、產生亂流,因此不夠平穩,風速也較慢;高空的風速較快,也較地面平穩非常多,所以理想的作法就是讓風機設計得較高,能夠擷取到高空的風力。當然風速也會因地而異,知名的國際工程顧問與離岸風場統計公司4C Offshore,在其網站中6便有將全球風場進行風速排名,而前百名中,有非常高比例的風場就位於台灣海峽,尤其前50名之中幾乎全是台灣海峽的風場!這也顯示台灣離岸風電的龐大潛力,在2014年4C Offshore評定全球前20大最適合發展離岸風電的風場中,台灣就佔了其中的16名7。根據氣象局與能源局合作建置的氣象資訊綠能虛擬營運中心網站推估,台灣的離岸風能發電量潛力較高的是西北部海岸為主,目前在苗栗縣的海洋竹南風場是台灣第一座正式營運的離岸風場,未來在彰化外海也將會有其他建置計畫,成為離岸風電的重鎮。

圖 5:台灣四季離岸風電100m風能發電量評估

(資料來源:氣象資訊綠能虛擬營運中心8)

而根據上圖的四季評估情況,台灣不同季節的風能發電潛力也有差異,主要仍然是以秋、冬季為主,但台灣用電較高的季節仍是以夏季為主,因此即便台灣有相當高的離岸風電優勢,未來要面對的另一個挑戰將會是儲電的技術,以利於全年都能夠有效的利用風能所發的電力。

圖 6:過去五年台電逐月售電量,顯示夏季是用電高峰

(資料來源:工研院綠能所,地方電力智慧分析工具LEAT9)

Q: 台灣以及世界上其他國家對於風力發電的目標?

  世界上許多國家提高他們對於再生能源的重視程度,也紛紛設下了未來的目標,例如法國希望2030年再生能源發電量提高至40%10、荷蘭希望在2020年達到永續能源14%的目標11、澳大利亞於2020年達到33億度發電量(約23.5%)12;而其中針對風力發電,也有數個先進國家提出發電量或是裝置容量的目標與時程(如下表),即是希望能夠透過政策推動,促進產業發展、人才與資源的投入,以能夠及早利用風力取之不盡、用之不竭的優勢。此外,風力發電的價格穩定也是可能的優勢之一,由於通常20年固定費率,不受未來天然氣和煤炭價格波動影響,例如美國能源部的能源效率與再生能源辦公室過去曾估算,到2050年時可以為消費者省下2,800億美元的天然氣支出13。英國產業界也評估風機發展情形相當好14,預計可能在2020年陸上風電裝置容量就達到13GW15、2030年離岸風電則達到30GW14

表 1:不同國家的風能目標

我國同樣也設立再生能源與風力發電的未來目標:在2025年要達到再生能源發電量20%以上、離岸風電裝置容量要增加至5.5GW;目前累積到2018年8月全國的再生能源裝置容量已達482.5MW,其中風力發電約69.7MW。過去裝置容量成長率較高的是太陽光電為主,但風力發電量在近十年來已經提升了許多,而在未來離岸風力若持續發展,勢必也能為再生能源增添生力軍、幫助我們達成2025年的目標,提高台灣的能源自主性。

圖7:全台灣再生能源裝置容量趨勢(截至2018年4月)

(資料來源:工研院綠能所,地方電力智慧分析工具LEAT19)

圖8:全台灣歷年風力發電量(單位:百萬度)

(資料來源:台灣電力公司>發電資訊>資訊揭露>再生能源發電概況)

誠如本文前面所述,因為科技的進步,提升了離岸風電的機會與優勢,雖然就目前而言是新興的技術,但相信仍然可以樂見其成,期望未來有更多的創新與技術突破。現代的科技發展與演進有時真的超乎想像,像是iPhone第一代在2007年才推出,而短短十來年的光景,至今國內幾乎可說是人手一隻智慧型手機;在能源產業的研發投入與相關產業的結合之下,或許幾年後驀然回首,我們已經又默默的邁進一大步了呢!

 

 

1https://www.energy.gov/eere/wind/articles/top-10-things-you-didnt-know-about-wind-power

2https://www.energy.gov/eere/wind/animation-how-wind-turbine-works

3https://www.energytrend.com.tw/knowledge/20110616-1866.html

4https://www.eesi.org/files/offshore_wind_101310.pdf

5https://www.twtpo.org.tw/knowledge_show.aspx?id=24

6https://www.4coffshore.com/windfarms/windspeeds.aspx

7https://udn.com/news/story/6842/2958402

8http://greenmet.cwb.gov.tw/evaluation#

9https://public.tableau.com/profile/cheng.lun.lee#!/vizhome/_v1_4/sheet0_1

10https://www.gouvernement.fr/en/energy-transition

11https://www.government.nl/topics/renewable-energy/offshore-wind-energy

12http://www.environment.gov.au/climate-change/government/renewable-energy-target-scheme

13https://www.energy.gov/articles/wind-vision-new-report-highlights-robust-wind-energy-future

14https://www.businessgreen.com/bg/opinion/3062802/uk-wind-power-capacity-reaching-20gw-is-a-historic-milestone

15https://goo.gl/Nh84py

16https://www.energy.gov/eere/wind/20-wind-energy-2030-increasing-wind-energys-contribution-us-electricity-supply

17http://www.windenergy.org.nz/store/doc/Wind_Energy_2030_Document_Web.pdf

18https://english.rvo.nl/sites/default/files/2018/03/Letter-Parliament-Offshore-Wind-Energy-2030.pdf

19https://public.tableau.com/profile/cheng.lun.lee#!/vizhome/_v1_4/sheet0_1