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工業技術研究院

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工業技術與資訊月刊

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離岸式風力發電 海上風神威力再起

文/張彥文

人類利用風力發電的起源甚早,19世紀末丹麥的氣象學家保羅‧拉‧庫爾(Poul La Cour)即建造了世界上第一台的風力發電機。隨著近年來石油危機及地球暖化的效應影響,各類型替代能源快速發展,全球風力發電也持續成長。根據世界風能協會(World Wind Energy Association)發布的報告指出,2009年全球風力發電的總裝置容量超過159GW(百萬瓩),所發出的3,400億度電力,約占全球發電總量的2%。

不過在全球的風力發電量中,超過98%都是來自於陸域式風力發電機,僅有不到2%是來自所謂的「離岸式風力發電」。所謂的離岸式風力發電,簡而言之即是將風力發電機裝置在海上,利用較陸地上大20%的海上風力,讓風力發電機可以較陸域式平均多出40%的電力產能。

離岸式成本仍高

雖然離岸式風力發電的效能較佳,但因為其裝置成本是陸域式的1.5至2倍,因此還無法普及。工研院綠能與環境研究所所長童遷祥指出,再生能源是21世紀的發展重點,大家都在談這個題目,也都投入許多資源,什麼樣的項目值得進一步的研發呢?「只要是價格還無法跟化石燃料競爭的,就表示技術還不夠成熟,若要當成替代能源,就還需要投入研發」。童遷祥說,目前替代能源中,以風力發電的成本最低,尤其陸域式風力發電機的發電成本已經和化石燃料相當接近,因此建置的數量最高,而離岸式則還無法與化石燃料競爭。

離岸式風力發電機成本高的最主要原因,為裝置在外海,牽涉到運輸、吊裝及輸電等成本,而且目前均以陸域機種直接搬到海上使用,並未考慮離岸式風力發電機的需求與陸域式不盡相同。不過,現在世界各國都在研發海上專用的風力發電機,以期降低成本。例如,離岸式風力發電機將走向大型化,裝置容量朝5百萬瓦(5MW)以上機型發展,來降低造價成本。又如離岸式風力發電機裝置在海上,往往因風浪使維修更困難,所以穩定度及可靠度也必須較陸域式風力發電機為高。此外,由於離岸風力發電機還涉及海底地基及電纜鋪設等基礎建設工程,這些部分要如何降低成本,也都是考量的課題。

為了降低離岸式風力發電機的成本,工研院機械所的研發團隊,在經濟部能源局專案支持下,決定先從風力發電機的關鍵技術著手。童遷祥表示,成本與可靠度是目前離岸風力發電機研發的兩大課題,例如,目前的風力發電機,為了避免葉片造成的噪音,所以轉速都有限制,在受限的轉速下,就必須在風力機系統內裝設增速齒輪箱來提高發電機的轉速,但是增速齒輪箱既增加了發電機的重量,也提高了製造成本。

高溫超導體的契機

為了解決這個問題,工研院便研究以高溫超導體來當做發電機的轉子(發電機構造中繞固定中心轉動的部分)。童遷祥解釋,高溫超導體的特性,是體積小但是帶大電流,因此可以產生很強的磁場,將巨大的扭力直接轉換成電力,而省去增速齒輪箱。如此一來,以高溫超導體做為風力發電機轉子的技術,既可以降低風機的重量及成本,可靠度也隨之提升,是非常適合離岸式風力發電機使用的前瞻技術。

童遷祥進一步說明,高溫超導體是僅1微米厚、4毫米寬的薄膜,目前尚無大規模商業應用,因此成本偏高,這也是工研院目前針對高溫超導體應用的研發重點,希望能夠突破目前高溫超導體電流密度的上限。當高溫超導體每單位電流的成本小於純銅導線的2倍時,就可以讓這種材料大量運用在風力發電機上,也就能跟美國高溫超導體的領導廠商American Superconductor或Super Power等談合作案,帶動國內離岸式風力發電機的產業起飛。

在進行技術研發的同時,其實商業化的布局也在進行當中。工研院於2010年7月底,促成了國內產業界和中國相關單位簽訂一份備忘錄,雙方共同合作,投入離岸式風力發電機的技術開發及生產製造。兩岸之所以致力於離岸式風力發電機的開發,是因為台灣、福建和浙江等台灣海峽沿岸,都具備極佳的風場條件,可以做為離岸式風力發電機的裝設地點。

童遷祥舉例,一般認定風力發電機每一年全速運轉的時數,也就是所謂的「每年滿發小時」,若是可達到2,200小時以上,就算是有效率的優良風場。而澎湖一帶,就可以達到4,000小時,若是能夠突破高溫超導的技術,配合這一帶極佳的風場條件,可望創造極大的電力和產業效益。若以單項替代能源對化石能源的替代率能達到5%為標準,來篩選優先投入研發的項目,以未來十年的技術水準來衡量,風力發電的機會最高。

此外,台灣的機電、電控、資訊、鋼構元件等相關工程產業技術能力,也有一定的水平,再加上國內業者已具備開發風力發電機中基本元件的能力,對產業來說已具備相當堅實的基礎。

若以全世界的替代能源來看,風力發電也是潛力無窮的產業,童遷祥表示,根據研究,若要在不影響全球經濟的前提下,降低二氧化碳的排放,需要各國極大的努力,例如在50年內將風力發電的總量提升至2,000GW,也僅能達到降低二氧化碳排放總目標的七分之一。根據世界風能協會的推估,2020年全球風力機組累計裝置容量就將上看1,900GW,若以每瓦1.5美元的建置成本計算,總產值將達2.85兆美元,因此各國目前對推動風力發電可謂不遺餘力。

依據經建會管制考核處的資料指出,目前全世界共有12個國家擁有離岸式風力電場,前三大都位於歐洲,分別是英國、丹麥及荷蘭,其中丹麥的Horn Rev II,更是全世界裝置容量最大的離岸式風力電場。

研發及產業環境的突破

除了發電效率高之外,離岸式風力發電更因為海上氣流穩定,風力發電機疲勞負載較小,壽命可提高25%;而且台灣地小人稠,要尋找大面積的土地開發陸域式風力電場的難度甚高,又容易碰上景觀、噪音及土地徵收等問題。面積廣闊、靜風期短,每年可發電時數較高的海洋,就成為風力發電下一階段重要的發展方向。

經濟部在2007年即已公告「第一階段設置離岸式風力發電廠方案」,申請備案時間至2010年8月底止,此一階段的總裝置容量以300MW為上限。由於離岸式風力發電廠申設過程涉及漁業、海巡、國防、航政、環評等業務,童遷祥建議,離岸式風力發電廠應由政府主導,用工業區的模式開發,由政府出面統合上述相關業管單位,再讓相關業者來申設電廠。目前經濟部則是設有單一窗口受理,簡化相關程序以協助業者申請,並邀集其他單位成立聯合審查小組,以加速審查時效,促進離岸式風力發電產業發展。

風力機組是相當具有地域特色的產品,未來發展離岸式風力發電機,必須考量台灣周圍海域的風速、風向、潮汐、波浪、水下溫度、海中生態、海底岩盤狀況等數十項變數,是極為複雜的工程,因此離岸式風力發電機並不是直接把陸域式搬到海裡就可以發電,必須依照各地不同的海洋環境重新設計。尤其在台灣,更需要考慮到防颱及耐震的因素,童遷祥舉例,像是扇葉部分就必須採用玻璃纖維加碳纖維的複合材質,才能應用於強風的氣候。另外,台灣高溫高濕多鹽害的環境,也讓許多歐美風力發電機產生水土不服的情形,因此,將台灣在ICT產業的強項技術,用於風力機在特殊環境下健康狀況的遠端監控,也是重要的研究項目之一。

要發展離岸式風力發電,必須讓此一產業能夠生根在地化,才能達成能源自主及減低二氧化碳排放的目標。未來台灣若能在關鍵技術上有所突破,再透過國際合作引進國外相關技術,製造出適合台灣海域的離岸式風力發電機,才真正有機會讓此一新興領域形成產業力量。

小辭典:高溫超導體

超導態(superconducting state)就是當一個物質在某個溫度之下時,出現零電阻及完全抗磁性。1911年,荷蘭物理學者昂尼斯(H. K. Onnes)觀察到汞金屬在4.15K(絕對溫度)時,電阻突然消失,之後凡具備此特殊電性的狀態,即被定名為超導態。但超導體材料必須在低溫的狀態下,才具有零電阻及完全抗磁性,直到1987年高溫超導體的發現,節省高額的冷卻費用,才讓超導體材料得以廣泛應用。



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