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神祕的風力-能源大探索

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菲立普.馬羅從經驗中得知,要注意從沙漠吹進洛杉磯盆地的風。

「那天晚上這裡吹起沙漠風,也就是吹過山口、既熱又乾的聖安娜風,這種風會使你的頭髮捲起來、讓你緊張、皮膚發癢。吹聖安娜風時,什麼事都可能發生。」
但是小說中的偵探馬羅或是作者雷蒙.錢德勒沒有想到,加州的風居然可以推動一項全球產業。加州的大風促使風力變成今天世界最大、成長最快的再生能源。美國的風力發電十年成長十倍;十年來,德國風力發電設備大約占再生能源總產能的六○%。

風力發電已經變成大型產業,規模卻還很小,只占全美國總發電量的二%。風力發電也比其他發電方式貴,不過成本已經逐漸下降。

風力發電未來發展的希望還是很高,美國能源部的目標是在二○三○年前,把風電提高到占美國總發電量的二○%。另一項研究預測,二○三○年前,風力發電可能占全球發電量的二二%,這麼遠大的目標可能達成嗎?

風力發電碰到幾個問題。風力發電愈成功,占電力系統中的發電量愈多,就愈難和現有的發電系統整合。風不會吹個不停,風的力道時強時弱,因此風力發電會斷斷續續,我們需要電時不見得能夠供電,結果,風力發電和太陽能發電一樣,都不適合提供不間斷的基礎負載發電。風力不強時,另三分之二時間需要不同的電源。為了補足風力發電的不足,需要另行投資傳統發電方式,因此產生額外的成本。風力發電斷斷續續,也為管理整套電網和平衡不同電源製造很多困擾。此外,風力發電廠經常分散在遠離人口密集的地方,因此需要新建大量輸電系統。

今天的風力發電機很龐大,一座二十五層樓高的風力發電機,電子設備、電腦控制和工程可能很複雜,但基本原理並不複雜。大自然免費提供原料—風力,地球轉動和陽光照射會產生風,原因是地球表面凹凸不平(高山深谷和海洋造成這種情況);陽光照射時,空氣會膨脹變輕,向上飄浮,造成真空,比較冷的空氣會急速衝進來,填補真空,這種流動可能像微風一樣溫柔,也可能像暴風雨一樣猛烈。陽光直接影響空氣溫度,所以風力發電可以當成是一種太陽能。

傳統風車捕捉風的動能,再轉化為機械能,機械能由發電機轉化為電力,大型風力發電機就像一座小型發電廠。風是免費的,但電力系統無法免費;電力系統利用風力大量產生電力,透過輸配電網把電力送給用戶。整套系統要花多少錢?其他備用投資金額要多少錢?這些限制是否侷限了風力發電?這些問題都值得討論,也是神祕風力發電的一環:風力發電可以大到什麼程度?在滿足未來電力需求方面,能夠扮演多大的角色?

免費風力

人類最早用風力吹動船帆,補充划槳手的人力,使船在水面上航行。陸上的風車可以追溯到一千多年前,目的是提供機械能,以便研磨穀物,推動包括抽水、灌溉和排水在內的水資源管理,大量減少耗時、費力的舂打穀物和搬運用水的勞動。

西元十世紀前,原始的風車已經在波斯出現,後來傳到伊斯蘭世界、中國和歐洲。在中世紀的英國,風車代表農村的創業家希望逃避當時當權者的控制,貴族和教會小心翼翼守護河岸使用權,推動碾磨穀物的水車。這種壟斷是財富和權力的來源,因為婦女如果能從水車取得穀物,就不必每天耗費好幾小時,辛苦、單調的舂打穀物。

十二世紀時,英國沙福克郡伯里聖艾德蒙茲修道院可怕的參森方丈,控制附近的河岸,只有他的水車可以運轉。一位名叫赫伯特的老教士為了避開參森的壟斷,建造了一座早期的風車。參森因為有人膽敢挑戰他壟斷碾磨穀物的權力,下令拆除風車。赫伯特義正詞嚴的反駁說:「每個人都應該享受免費的風的好處。」唉!可惜這句自由的吶喊更激怒參森方丈,把赫伯特的風車夷為平地。

但是科技不會靜止不動,風車在英國各地像雨後春筍般冒出來,數量多達幾千個,後來遍及歐洲各地。雖然隨從桑丘.潘沙告訴唐.吉訶德「那些東西一定是風車」,唐.吉訶德還是拿著矛,向「三十多個可怕的巨人」進攻,塞凡提斯筆下高貴的騎士因此跌倒在地上,留下「攻擊風車」的說法。

風車後來變成荷蘭自然風景中常見的一部分,風車不僅用來碾磨穀物,也用來抽乾沼澤和湖泊裡的水,在新建堤防後面開闢很多可耕土地。歐洲的風車有很多工業用途,如榨橄欖油、製造火藥、推動鼓風爐的風箱。一位歷史學家寫道,風車和水車廣泛利用,「表示人類依賴動物或植物取得動力的傳統方式崩潰,隱約宣告工業革命的來臨。」從十四世紀到十九世紀蒸汽和煤炭出現的幾百年當中,估計全歐洲工業能源的四分之一來自風力。

風力發電

一八八三年,愛迪生的珍珠街發電廠開張才一年,大家就開始思考風力是否比煤炭更適於發電。《科學人》寫道:「風是現成又有力的自然力量,人類居然完全不利用,真是難以想像。」不過風「缺乏一致性,時而狂暴、時而完全平靜,總是不穩定又反覆無常。」《科學的美國人雜誌》指出一個非常重要問題,就是風力斷斷續續又不穩定:「我們如何儲存白天或晚上、週日或上班日產生的電力,把不需要的電力儲存起來,供有需要時利用,問題就在這裡。」

《科學人》問:「誰能解決這個問題?」

這個人是愛迪生的勁敵查爾斯.布拉士,戶外照明用的布拉士弧光燈一直是愛迪生燈泡的主要競爭者,一八八○年時,約有六千個布拉士弧光燈照亮全美城市,布拉士因此變成富翁。

一八八七年,布拉士在克里夫蘭歐幾里德大街住家的後院,也就是世界最著名石油大亨洛克斐勒住的「百萬富翁街」下,開始解決風力和電力問題。布拉士建造一座高十八.二九公尺的風車,接上地下室的發電機和一組電池,把他的豪宅照的燈火通明。布拉士的機器是第一次真正由風力產生的電力。

《科學的美國人雜誌》一面稱讚布拉士,一面提醒讀者,不要以為風力免費,產生的照明就會「很便宜,實際上,風力發電廠成本太貴,根本不是免費的東西。」最後布拉士向現實屈服,接上對手愛廸生的發明—比較方便的城市集中發電電力系統,但布拉士證明風力可能成為電力的來源。

城市集中發電的電廠快速成長,不表示風力發電沒有市場,孤立的美國農莊和牧場還是需要風力發電。

為了滿足這些人的需求,工程師兼創業家發展出小型發電風車,並配備儲存電力的電池。傳統風車主要用於抽水,發電風車功能比較多,可以提供農場和牧場家庭照明,減輕辛苦、重複的體力工作。

北達科他州農村男孩賈可布兄弟拔得頭籌。會開小飛機的馬塞勒斯.賈可布觀察小飛機上的螺旋槳運轉後,設計出風車葉片。他們的廣告宣稱:「風力!世界最便宜電力,每座農場都可以利用。」他們也行銷包括電冰箱、威化餅乾製造機之類的賈可布牌家電,他們大約賣了三萬台風力發電機,其他廠商賣了數十萬台。

羅斯福的新政最後摧毀了美國農場和牧場上的很多風車。一九三○年代末期,農村電氣化管理局支持農村電氣合作社,把電線和輸配電網拉到各地,提供優質電力,此後二十年裡,風力發電不再是美國農場和牧場的電力來源。

風車爬上圓丘

一九四一年春冬之際,一隊又一隊的卡車準備把五百噸重的設備和零件、包括兩個各重八噸的葉片,送上爺爺圓丘,車附著力沿著陡峭的泥土路面緩慢向上爬,髮夾彎處幾乎寸步難行。爺爺圓丘離佛蒙特州拉特蘭市約二十公里,工人在這座獨立山頭費盡心力,興建一座可以產生一千五瓩電力的風車,這種發電量當時堪稱大到無法想像。

負責建風車的人是普特南出版社創辦人的孫子帕爾默.普特南。小普特南畢業於麻省理工學院,當過一陣子出版社總經理後,發現自己喜好工程,因此跑到比屬剛果擔任地質學家,後來在鱈魚角蓋了一棟房子,卻發現﹁風速和電費都超高﹂,解決之道顯而易見,就是風力發電。

普特南找來一流團隊,包括美國若干最傑出的科學家和一流公司,其中奇異電氣負責準備電力裝置。爺爺圓丘地處偏遠,難以接近,入選的原因是風力品質一流。

一九四一年秋天,山上五三.三四公尺高的風車已經開始發電,像火力發電廠一樣,送電到佛蒙特州中央公共服務公司的輸配電網,而不是對單一農場供電。普特南的重要貢獻是發現風電可以匯入輸配電網,不必獨立運作,可以融入現有系統,不必互相競爭。

這座風車運轉順利,到二次大戰中期,才因機械故障,停止運作,當時普特南正在為諾曼地登陸設計兩棲登陸艇、擬定太平洋戰場的兩棲作戰戰略。他的風車到一九四五年才修好,不過幾星期後,一片八噸重的葉片掉到山腰,風車發電的故事告一段落,此後風車再也沒有修好。

不過幾十年來,棄置在爺爺圓丘上五三.三四公尺的高塔已經變成明燈,證明風力發電可行。

一九七四年,有一位科學家對國會某個委員會解釋:這座風力發電機「是今天風力發電的先驅」。

摘自《能源大探索》,時報出版

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時報出版

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