18都節電大評比 創意加轉型才是王道

• 本文轉載自科技大觀園，原文為《等待風起之時：離岸風電催出綠能新願景！》
• 作者 / 科技大觀園特約編輯｜沈勤譽

據國際風力發電顧問公司 4C Offshore 的評比，全球排名前 50 名的優良風場，就有 17 處在臺灣，皆位於臺灣西部沿岸，集中於桃竹苗至臺中外海一帶。換言之，臺灣具備了發展離岸風電的絕佳地理條件。

因此，在臺灣西部濱海及澎湖地區，不管是陸域或海上，都可看到偌大而醒目的白色「巨型風車」矗立著，已經成為我們相當熟悉的風景；這數百座的風力發電機持續運轉，見證了臺灣從傳統能源往再生能源轉型的歷程，也推動著臺灣綠色能源的蓬勃發展。

談到綠能風電，德商 wpd 達德能源（2016 年併購英華威）是在台積極推展綠能的關鍵推手之一，2006 年在苗栗建置首座風力發電設施後，從此開啟國內風力發電的風潮。我們特別專訪達德能源董事長王雲怡，以其投入綠能產業 20 年的豐富經驗，為我們解析新能源的產業特性及發展趨勢，以及臺灣在綠色能源的產業契機，另外也針對有意投入綠能產業的年輕學子提出建議。

離岸風電的優勢：風場興建非常快速

「風力發電的原理很簡單，小時候大家一定都玩過風車，」王雲怡解釋說，利用葉片的轉動來驅動發動機，能量會轉換成機械能，再透過齒輪調速器將齒輪的速度提升，進而帶動發電機，經過升壓變壓器將電壓提升後，即可將電流併入台電電網供應電力。

至於陸域風電及離岸風電的差別，就在於前者的風機安裝在陸地上，後者則安裝在海上，會打樁到海底約 45~65 公尺深。由於臺灣陸域可供開發之優良風場已漸趨飽和，海上風場條件更佳，仍有不少離岸風電潛能可供開發，因此成為近來政府推動再生能源最重要之項目之一。

王雲怡表示，跟傳統電廠不同，風場的興建非常快速，把基樁打好後，將連接風機的柱子綁鋼筋、灌上水泥，然後把塔筒、機艙、葉片逐一放上去組裝起來即可，一隻風機的施工期間大約只要 4 至 5 週。

風電維運的挑戰——發電機組得「抗震抗颱」

雖然基本原理很簡單，但風電相關設備必須面臨風吹、日曬、雨淋，甚至國外還會下雪，必須設計出足以對抗大自然環境的規格，尤其臺灣每年都有不少颱風及地震，有些民眾會好奇，是否會對風機造成損害？

王雲怡說，「臺灣有非常嚴謹的地震建築規範，只要做好地質土壤分析再進行設計，耐震都沒有問題；至於颱風威脅，風機只要遇到中颱等級（風速約每秒 25 公尺）就會停機，最大則可承受每秒 70 公尺的風速，目前為止臺灣還沒出現過這麼強烈的颱風。」她強調：「我們從 2006 年興建的第一座風場至今，經歷過很多颱風及地震，到現在都屹立不搖，顯見耐震及耐颱的技術完全沒有問題。」

臺灣推動離岸風電比較大的挑戰在於，風場興建時對氣候及海象的要求很高，而臺灣海峽一帶的東北季風很強，考慮到風速、波浪、海流等條件，可以進行海上作業的天氣窗口（weather window）時間沒那麼長，只能在 3 至 10 月進行安裝；而陸域風電的土木工程比較不受影響，但進行吊裝作業時同樣需要考慮風速問題，通常也會避開東北季風盛行的冬季。

政策與觀念水到渠成！綠電接受度大增

投入新能源產業達 20 年，王雲怡深刻感受到各界對再生能源的認知與態度的巨大轉變。過去臺灣只有傳統的火力發電、核電這類集中式大型電廠，主管機關較缺乏再生能源知識，當時她跟主管機關報告時，告知風力發電一度電的成本只要 2.5 元，長官非常驚訝，因為他們還停留在一度 5 元的認知。

「臺灣 98% 都是採用進口燃料，吃掉我們非常多的國內生產毛額（Gross Domestic Product；GDP），長年維持低電價都是靠政策補貼，嚴重扭曲電價結構，因此臺灣各部門的能源效率指數也居世界末段班，排名最浪費能源的第十七名。」王雲怡指出臺灣傳統能源使用模式的缺點。

所幸透過各界對政策及觀念的大力推動，達德能源等開發商也積極提供歐洲及世界的發展經驗，獲得政府參考採納、並具體落實為再生能源政策，改變了臺灣能源市場及結構。2017 年 1 月《電業法》修正通過後，開啟綠電交易自由化的新紀元，從發電、售電到用戶這條路終於打通，打破國營電力事業壟斷的局面。

另一個關鍵政策是，臺灣引進德國推廣再生能源的 Feed-In Tariff（FIT）制度——對綠電保證整批躉購，有效鼓勵開發商投入建置風場，投資者也樂於參與其中。相較於傳統由政府補助企業購買設備、但無法保證設備被完善維護，2000 年開始德國首創的躉購制度讓開發商自行投資，由政府以躉購費率保證收購綠電 20 年，相關制度展現絕佳的成效，已獲得世界超過 70 個國家採用。

政策目標明確，風電國家隊指日可待

2016 年政府確立能源轉型的主軸，明確訂出 2025 年再生能源佔發電比例提升到 20%，為再生能源注入一劑強心針。王雲怡強調：「我們擁有發展太陽能、風電、地熱、海洋能的優異條件；以風力發電為例，臺灣西部的風力品質很好，而這一帶剛好是臺灣人口密度高的地區，這是老天賜予我們的禮物！」

「但開發商看的不是風能品質，而是政策支持度！」王雲怡坦言，只要政策目標明確，並提供適當的誘因與機制來創造市場，不僅國內外的開發商會積極投資，企業也會主動採用再生能源，創造正向循環；尤其現在許多國家或國際大廠都要求出口要取得「再生能源憑證」，企業都搶著購買，臺灣的再生能源前景值得期待。

令她振奮的是，現在各單位都注意到綠能，科技業、金融業、投資業也積極佈局，無論從市場經濟或社會責任的角度來說，各界對綠色能源的接受度愈來愈高。

值得一提的是，綠能不僅扮演守護環境、潔淨能源的角色，也是推動產業創新的火車頭之一。經濟部為了推動風電設備國產化，明確規範開發商應採用 50% 以上的國產化設備，未來更希望能夠組成國家隊，一起爭取海外市場的龐大商機。

臺灣風電 20 年，最難的不是工程——是溝通

王雲怡投入臺灣風電產業 20 餘年，一路走來最感到困難之處，並非海外技術轉移或施工上的難題，而在於如何說服政府單位及民眾，接受新興的再生能源觀念。王雲怡舉例：「當初在蓋示範風場前，得先舉辦公聽會，讓當地民眾理解風場與民眾的利害關係，例如可能產生的噪音、風場造成當地景觀驟變，甚至是土地使用等問題。」

但「溝通」兩字寫起容易做起來難！由於達德能源無法取得里民個資，光是要委請里長組織大部分里民到場就相當耗時耗力，遇到里民參加意願低迷時，還得租用選舉用的廣播小貨車，在當地廣為宣傳，懇請鄉親來參與公聽會。

王雲怡表示，溝通工作一度讓她疲於奔命，但所幸投入大量時間心力溝通後，風場建設如今已步上正軌，總算是甘之如飴；她表示，投入風電產業 20 年，最讓她感到成就感的除了《電業法》修正，為風電在臺扎根打下基礎外，就是讓大部分的民眾認識何為「風電」，成為臺灣人能所接受的再生能源選項。

想卡位綠能產業？語言能力很關鍵

「石化燃料已是末路，綠能則是未來趨勢，」王雲怡認為綠色能源還有很多進步空間，未來一定會愈來愈便宜，而且還有地熱、海洋能源等新技術不斷發展，不僅有很好的前景，而且可以獲得社會認同及價值，是年輕人可以貢獻一輩子的產業。

至於投入綠能產業應具備何種特質與技能？王雲怡強調：「新能源是全新產業，一開始一定會遇到很多困難，必須要有一定的受挫能力及抗壓性，另外要有足夠的創造力；在專業領域方面，只要具備土木、機械、造船或理工背景，其他專業都可透過在職訓練培養，最重要的是要跟全世界人才溝通，必須具備較佳的英文能力。」

隨著地球永續的議題受到大家重視，現在對新能源有興趣的年輕學子愈來愈多。王雲怡認為，開發商清一色是外商，會引進最先進的標準與要求，提供友善的工作環境與紮實的訓練，雖然有時在海上工作比較辛苦，但相信可以帶來很高的成就感與自我肯定，是很符合時代潮流的職涯選擇。

參考資料

• 「乘風」突破綠能瓶頸，臺灣離岸風電大未來——專訪臺大機械系教授楊鏡堂
• 海面上的超大型離岸風機，是抵禦氣候變遷和提高能源自主的瑪利亞之牆嗎？
• 4C Offshore－〈Global Offshore  Wind Speeds Rankings〉
• 經濟部能源局－〈離岸風力發電規劃場址申請作業要點〉
• 風力發電單一服務窗口－〈潛力場址〉
• 海上巨型風扇的支撐者——水下結構

• 本文依據 恆水創電 110 年 12 月 9 日新聞稿 改寫

文／郭椀濘、李先泰

為了地球的永續發展，台灣已將 2050 年淨零碳排列為重要政策目標，行政院也擬於2022年初提出路徑草案，檢討整體能源政策；為了實現淨零碳排目標，能源新創企業「恆水創電」9日與比利時台北辦事處共同舉辦記者會，發表與比利時水輪機製造商 TURBULENT 共同研發的超低落差機組「Turbulent S」，該機組針對台灣水利環境設計，只要 1.28m 超低落差即可發電，有助於微水力發電在台扎根。

比利時台北辦事處處長文浩德 Frédéric VERHEYDEN 致詞指出，比利時綠能產業擁有許多領先技術，為潔淨能源的先驅，是台灣發展能源最理想的合作夥伴，與台灣離岸風電領域已有深入合作，十分樂見 TURBULENT 與恆水創電在嶄新領域攜手共進，「台比合作將發展美好且綠化的台灣，為全球的淨零願景貢獻心力。」

恆水創電股份有限公司創辦人兼執行長鄒飛逯表示，推動「水利建設內建發電」是恆水創電的企業使命。他強調，台灣具有得天獨厚的水力發電條件，不但水力豐沛，地勢更是山高水急。然而，在河川渠道中卻有許多緩解水流力道的消能設施（如消波塊），以小水力發電的觀點來看相當可惜。

鄒飛逯指出，若運用發電機組取代消能設施，用水流動能發電，就能使消能設施創造能量，既可兼顧設施安全，又能創造最乾淨的綠能，堪稱一舉數得，而這也是恆水創電的初衷。鄒飛逯強調：「思維轉個彎，水利基礎建設就是小電廠，每一滴水都能發好幾次電！」

針對 TURBULENT 機組的技術優勢，鄒飛逯指出，TURBULENT 垂直渦流水輪機的特色是韌性極強且應用場域廣泛。強韌的葉片讓機組不怕垃圾及泥沙堵塞（以Turbulent S為例，可容納直徑 25cm 的物體通過），一體成型的設計亦可抗震；若遇到強風豪雨導致河川水位暴漲，也有對應的斷電機制，讓發電機組自動跳離電網，在條件嚴苛的場域中仍可穩定運作。

鄒飛逯也說，TURBULENT 的機組體積小且易於施作，可與水利設施合為一體，多元發展性高。更關鍵的是，機組的設計也讓河道中的生物能無害通過葉片，可兼顧生態友善：「頂多讓通過的生物感到暈眩，但不會造成傷害。」

而為徹底運用台灣的水力潛能，恆水創電與TURBULENT整合雙方專業，經過兩年場域資料蒐集及田野調查，為台灣水力環境量身設計 Turbulent S超低落差小水力發電機組，為台灣打造最佳化機組。

Turbulent S可應用於台灣多數水力環境中，因其有效落差高度僅1.28m，所需流量為2cms (每秒2立方米)，無論在灌溉溝渠跌水工、自然河川、淨水與汙水處理廠、給排水、水保設施等場域，都有極大發揮空間，讓鄒飛逯喊出「一落差一機組，一渠道一電廠」的綠能願景。

為推動台灣小水力產業發展，恆水創電與TURBULENT已簽訂合作備忘錄，授權Turbulent S機組國產化，比照風電模式在台灣落地生產。

恆水創電總經理廖弘毅指出，Turbulent S國產化不僅有助提升產業技術，更可確保長期料件供應與技術服務。「作為生命週期20至30年的基礎建設，國產化將能確保小水力發電在台灣長久發展、穩定維運；」廖弘毅總結，「這將是小水力發電在台灣遍地開花的重要一步！」

今日恆水創電也正式與台灣小水力綠能產業聯盟簽約入會，強調日後將會有緊密合作。對此聯盟洪正中理事長表示：「小水力發電是最環保再生能源，為對環境最友善的發電方式，小水力為台灣再生能源第三棒，聯盟與恆水創電公司將會持續為再生能源努力。」

2021.12.12 PM 0:24 更新：原版本文中之「水頭」為英文 Hydraulic Head 之意，為單位重量液體通過泵所獲得的能量，單位為公尺(m)。為便於理解，改為「落差」。

本文轉載自中央研究院研之有物，泛科學為宣傳推廣執行單位。

• 採訪撰文｜郭雅欣
• 美術設計｜林洵安

回收廢熱的熱電材料

在全球面臨能源轉型之際，再生能源的發展大多著重在太陽能、風力、水力、生質燃料等。然而近年，隨著奈米科技的發展，可將廢熱轉為電力的熱電材料也逐漸嶄露頭角。中央研究院物理研究所陳洋元研究員踏足熱電材料的研究已有十幾年，在他眼中，熱電材料極具能源發展潛力。

熱電轉換再興起

身處能源轉型的關鍵時刻，我們不由得擔心，再生能源真的足以補上電力缺口嗎？還有沒有其他新興的發電方法呢？有的！用廢熱發電，聽起來很不錯吧？畢竟在日常生活中，我們也受夠廢熱了。汽車、冷氣等機械廢熱，加上太陽的輻射熱等，這些煩人的廢熱如果能拿來發電，實在是個好主意。

熱電材料就是熱生電的關鍵，它能將（沒用的）熱轉化成（好用的）電。近年來，熱電材料逐漸發展起來，中研院物理所研究員陳洋元從 2006 年起開始研究熱電材料，他說：「熱電材料的發電效率已經有很大的進展！」在不久的未來，熱電材料的應用將愈來愈廣泛，成為能源轉型時代的重要一角。

熱電材料的歷史要回溯到 200 年前，德國科學家西貝克（Thomas Seebeck）在 1821 年發現，材料兩端的溫度差會形成電位差，稱為「西貝克效應」。也就是說，同一種材料只要兩端溫度不同，兩端之間就會產生電壓；反之，在材料兩端賦予電壓時，兩端之間就會產生溫度差。科學家因此定義了西貝克係數 S = ^∆V⁄_∆T，表示同一種材料下，溫度差愈大，輸出電壓越大，「換句話說，一個有溫差的材料，等於可以視為一個乾電池。」陳洋元解釋。這便是熱電材料的基本物理機制。

找出最優質的熱電材料

由於每一度溫差產生的電壓就是「西貝克係數」，直觀來說，西貝克係數愈大的材料，在同樣的溫差下輸出的電壓愈大，是愈好的熱電材料。不過陳洋元補充說，熱電材料除了西貝克係數要高之外，「導電性也要好，除此之外，導熱率不能太好，否則溫差一下子就熱平衡掉了。」考量各種條件之後，科學家訂出了熱電材料的優質係數 ZT 值=（^δS2⁄_κ）T，其中 σ 是導電係數、S 是西貝克係數，κ 是導熱率，T 是絕對溫度。

導電性好、西貝克係數高，而且導熱率要低。這是優質熱電材料的三大條件。

於是，研究熱電材料的科學家從幾十年前開始，便朝著符合這些條件的方向努力。陳洋元說：「金屬的導熱都太好了，並不適合當作熱電材料。目前主要的做法是用各種半導體材料，搭配不同的摻雜元素及比例，來找出最佳化的 ZT 值。」

全世界各研究團隊多年下來，針對各種材料組合及摻雜比例，找出了不少值得關注的熱電材料候選者（如下表）。「你可以從中發現，多數的熱電材料都是溫度愈高，ZT 值愈高，在 600°C~700°C 的高溫會表現得很好。」陳洋元笑說：「只有一種材料適合在室溫運作，就是鉍-銻-碲（BiSbTe），目前為止無人能出其右。而且科學家大概 50 年前就發現它了，它保持世界紀錄至今 50 年。」

控制晶格和缺陷，不讓熱傳過去！

找到優秀的材料搭配和比例還不夠！要提升熱電效果，還有一個重要因子：減低熱電材料的導熱率。微觀來看，就是精細地調控材料晶格或內部缺陷。

晶格是材料的骨架，熱的本質是晶格振動，而熱傳導的本質便是晶格裡的原子以振動方式將能量傳遞給鄰近原子。因此，阻礙能量傳遞的方式，就是調控材料內原子的排列，以期達到導熱差、導電好的最終目的。

理想上可以利用「超晶格」，當不同種類的原子像三明治一般層層交替堆疊時，界面的原子與鄰近原子尺寸、重量都不同，這會造成晶格排列不順暢（晶格不匹配），彼此的振動能量也不易傳遞，大部分都會反彈回來，也就達到「導熱不佳」的效果了。

種類不同、尺寸與重量皆不同的原子間，由於晶格不匹配，振動比較不易傳遞，導熱率因此降低。

陳洋元進一步解釋，超晶格的每一層材料厚度、比例都必須嚴格控制，「因為我們只希望導熱率降低，但不希望影響到電子的移動。」也因此，這項製程「非常困難，需要的設備也很昂貴。超晶格結構如果要做到一張紙那麼厚，可能必須鍍膜上萬次，成本很高，東西也做不大。換言之，超晶格在學理上可行，但實際應用上有困難。」

「我們可以選擇退而求其次的做法。」陳洋元說。例如在材料裡刻意摻雜一些雜質，或製造晶格的空缺，包括：點缺陷、空位、差排、疊差等。以這些缺陷的數量來控制材料特性，在盡量不影響導電的狀況下降低熱傳導率。「這是比較簡單可行的做法。」

熱電材料自有用武之地

熱電材料在實際應用上，發展得比其他再生能源慢，主要原因還是在發電效率不夠好。目前在室溫下最好的熱電材料，轉換效率約 3~4%，相較之下，太陽能發電目前的轉換效率約在 15~20%。這也是熱電材料在能源發展上較少被提及的主因。

「不過其實熱電材料在 600°C~700°C 的高溫下，轉換效率可以超過 10%。」陳洋元說。因此，幾年前美國一度打算將熱電材料用在汽車的廢熱回收，畢竟燃油引擎的油電轉換效率大約在 30% 左右。「剩下的 70% 都變成廢熱排出去了。如果能把其中 10% 的廢熱轉換成電能，等於是引擎效率的一大躍進。」不過後來，隨著電動車逐漸成為主流發展方向，這項應用也就失去關注了。

熱電材料就這樣無英雄用武之地了嗎？並不是。其實早在 30~40 年前，它就已經應用在太空科技上了。太空船或衛星發射到太空中之後，需要電能維持運作，除了太陽能以外，熱電也是重要的電力來源。陳洋元以航海家一號舉例，「它朝著太陽系外離去，過程中太陽光會愈來愈微弱，因此不能完全仰賴太陽能做為電力來源。」因此，航海家一號就有使用熱電技術，其中熱的來源是鈾、鈽等放射性材料，它們在衰變過程會放熱，與外太空趨近絕對零度的環境產生溫差，藉此發電。「這些放射性材料的半衰期是幾十億年，對我們來說像是萬年之毒，但對太空船來說，卻像是永恆的電力來源。」陳洋元說。

熱電轉換效率不佳，但對於缺乏電力來源、外界環境溫度極低，又不怕放射性汙染的太空科技來說，是很好的發電選擇。

此外，熱電材料不只能把熱轉換成電，也能反過來，利用材料兩端的電壓差回推來產生溫度差。也就是說熱電材料的應用不限於發電，它也能做為冷氣、冰箱等使用的溫度計；或是在熱電材料上外加電壓，產生電流，造成材料兩端的溫度差，做為冰箱、電腦 CPU 的致冷元件。

陳洋元也在近兩年，研究開發出薄型熱電晶片，裡面的結構是 128 對微小的 p 型、n 型半導體柱，就像 128 個小小的乾電池串聯一樣，能把熱電效應放大百倍。陳洋元解釋，雖然熱電效率不高，無法用在大型工廠等需要巨大電量的狀況，但這樣的晶片可以用來製作「熱電自充隨身電源」，應用在手機或電子手錶等隨身穿戴式電子裝置上，這類裝置需要的電量不高，但可能隨時有充電需求。「想像一下這樣的場景，你走在路上發現手機沒電了，於是拿出熱電自充隨身電源，利用自身體溫與室溫的溫差，幫手機緊急充電。」

隨著網際網路的發展，基地台熱點愈來愈多，這也讓陳洋元對於熱電材料的應用潛力更加樂觀。「在某些偏遠地帶，例如玉山的基地台，電力供給或許就不需要建置發電站，利用熱電材料（透過溫差發電的特性），只要送一桶瓦斯去就好，方便多了！」或者，熱電材料也能與太陽能互補，「因為太陽能發電使用的是太陽光，它的輻射熱並沒有被利用到，這一點可以用熱電材料來加強補足。」陳洋元說。

另外，陳洋元也正在與廠商合作，希望能製作中型、大型的發電機。陳洋元說：「一個熱電晶片大約能發 20 瓦的電，把 25 個晶片合起來，就能有 500 瓦。」儘管成本比一般發電機高，但熱電發電機具有輕巧、無噪音等優點，「我相信它在未來是一個機會。」

熱電材料的研究還在如火如荼的進展著，而陳洋元對它的未來也抱持著樂觀的態度。回頭看看熱電材料的優質係數 ZT 值，「只要我們想辦法降低導熱率，它理論上還能再拉高。」陳洋元說：「現在室溫下的 ZT 值最高是 1 點多，在不久的未來，我們很有可能就突破它了」