超乎想像！突破天際的風力發電「巨塔」

你有騎車被擊落的經驗嗎？比馬路更危險的是，水鳥可能在天上飛著飛著，就被巨大的風機送去投胎。

不是，風機蓋那麼大幹嘛？既然核電有小型核電廠，風電應該也要有小型版吧？

事實上除了大型水平軸式風機外，我們還有轉向不同的垂直軸式風機、天上飛的高空風力發電機，甚至靠抖抖抖就能發電的風力發電棒。等等，這真的能發電嗎？

為何需要新的風力發電技術？

從古巴比倫人和古埃及人的時代，「風」就被視為構成世界的元素之一，因此人類也很早就開始研究如何運用風的能量。古希臘時代，有一款叫做 Heron’s Windwheel 的風琴，就是利用風力驅動風車，並帶動幫浦為風琴不間斷送風。在這之後，中國和歐洲相繼出現各種風車來替人們進行農務工作，例如大家熟悉的荷蘭式風車。雖然現在常見的現代風力發電機組個頭大很多，但構造與荷蘭式風車沒有太大差異，都是扇面垂直於地面，並且扇葉轉軸和風向平行的水平軸式風車結構。但這種已經用了幾百年的風車設計，真的是最理想的發電方式嗎？有沒有更新穎的設計構造可以用來捕捉更多風能呢？

先來說說大家熟悉的水平軸式風車，國際間最普遍的風力發電機組是三葉式的水平軸，台灣西海岸的諸多風力發電場採用的也是這類設計。你曾經好奇，為什麼扇葉是三葉的嗎？或是不知不覺就認為，三葉就是最正常的結構？既然推動風車的力量來自於扇葉，不是越多扇葉就能獲得更多能量嗎？而且看看風車，扇葉的面積明明就不大，旁邊都是空隙，這些能量不是浪費了嗎？實際上也確實不是越多扇葉越好，其中牽涉到許多複雜的因素。簡單來說，更多的葉片會帶來更多的風阻，也會降低葉片旋轉的速度，因此從三葉增加到四葉或五葉所帶來的效率成長非常少。也就是你如果有 12 支扇葉，4 座三葉發電機的發電量，會高於 3 座四葉發電機的發電量。因此，在單支風機的建設成本就是億元起跳的情況下，三葉成為最佳選擇。

對了，雖然更多葉的風機較少見，但反過來說，還真的有雙葉片，甚至單葉片的機組設計。畢竟較少的葉片代表較低的建造成本，以及較快的轉速。但是，單一葉片在旋轉時並不穩定，需要在對面方向額外加裝重物來平衡重量，顯得多此一舉。那雙葉呢？它的問題在於扇葉角度在隨風向調整時，容易產生震動而不穩定，對扇葉和機組的強度要求也更高。在綜合因素考量下，現在大多數的風電機組都是採用三個葉片的設計。

有水平軸式風車，就有垂直軸式風車，也就是轉軸與風向平行的風車。在台灣，你可能在某些工廠或是房屋屋頂上能看到它，我不是指工廠的排風球哦，而是看起來由幾根弧形線條構成的裝置。為什麼要設計成垂直的呢？因為比起水平軸發電機有一個特定的面風向。垂直軸的優勢在於不論風來自哪個方向，它都可以發電，不需要特別轉向；此外，它也不需要水平軸式風車長長的扇葉，相對不占空間，甚至能做成各種美感十足的設計。這幾個優點讓它特別適合設置在都會區中，用來捕捉方向不固定的小規模氣流，因此台灣有些地方就可以看到這種以垂直風力供電的路燈。

不過城市內的風畢竟還是有限，為路燈或是小型家電發發電可以，但要能成為支撐整個城市的電力，還不及海上那些水平軸式巨無霸。在外海，不僅可以設置葉片長度超過 100 公尺的巨型風機，外海的風能，就是比內陸強烈且穩定。但這些巨無霸雖然會為我們帶來戰力，也會波及無辜。雖然風機遠離人類居住的地方，但外海還是有其他原始住民的，短暫地把人類的文明，建立在其他物種的痛苦之上　最後還是會害到整體。然而，巨大風機施工和運轉的噪音會干擾到海中生物，扇葉旋轉還會擊落蝙蝠和鳥類。雖然我們在上一集，有提到可以透過驅離或是扇葉塗黑的方式，讓其他生物注意到風機的存在，進而減少誤傷。但我們有沒有全新的設計，可以一勞永逸？

風力發電還能長什麼樣？

面對目前風力發電的困境，有人重新思考風力發電的構造，提出全新的設計。其中一種便是漂浮式的離岸風電機組。

我們為了獲得更多風能，近年來積極發展離岸風電廠，作法非常簡單，就是把原本在陸地上的風電整根插到海床上。這光想起來就是非常浩大的工程曠日廢時，而且成本高，施工過程中產生的水底噪音也會影響到海洋生態。

可是海上的風就是比陸地上強上好幾倍，這麼香的風力來源怎麼能放著不用呢？來自挪威的公司 World Wide Wind 提出了一種浮標式風電機組，省去了海底工程的麻煩。這種風電機組採用垂直軸的設計，這樣機組就不會被海風吹著跑。整個裝置可以靠著海面下的配重平衡地直立在海面上，除了電纜之外不須要任何固定措施。這大大地擴展了離岸風電的發展空間。許多最佳的風場位在離岸較遠的深海區域，我們沒辦法在這些海床上豎立巨大的水平軸風車，這時候就可以透過漂浮式構造來擴張風電的勢力範圍。

不只如此，最特別的是，它是以兩組旋轉方向相反的葉片組成，因此被取名為反轉式直立渦輪（COUNTER-ROTATING VERTICAL TURBINES）。這麼做不只可以讓旋轉時更加穩定，還可以增加發電效率。由於發電用的渦輪是透過兩組扇葉之間的相對旋轉來發電，所以反向旋轉就像是用雙手擰毛巾一樣，等於收集到幾乎兩倍的能量。而且因為上下兩組扇葉所接收的風來自水平方向，所以彼此干擾並不大，展現了垂直軸風電的獨特優勢。一般的水平軸風車可沒有辦法玩這套，因為風在流過第一組葉片之後就會變成速度較慢的亂流。

垂直軸提供了新選擇，但只要有軸，發電機就是會旋轉，還是有機會擊落海面上飛行的生物。如果要不傷及鳥類，看來……只能讓風機不旋轉了嗎？等一下，風機不旋轉還能發電嗎？誒，還真有可能。一家西班牙的新創能源公司 Vortex Bladeless 在幾年前開發出了全新的「渦流」發電技術，就是這根抖動的棒子。

不要懷疑，這個像搖頭娃娃一樣左右震動的棒子是一種完全不需要扇葉的渦流震動發電機。奇怪了，為什麼風吹會造成這種震動呢？原來當有空氣流經過圓柱狀的物體時，會在後方形成不穩定的渦流，讓物體產生左右震動的現象。如果振動頻率剛好和物體的自然頻率接近，便會產生出乎意料的強大共振。1940 年代，有座位在美國的塔科馬海峽吊橋，就是因為氣流共振導致扭曲斷裂，所幸最後無人傷亡。這個威力強大的現象如今也被拿來進行發電。

而這根風力發電棒的尺寸和材質，都經過特別設計來和渦流產生共振。它的上半部可以自由的晃動，位於底部的磁鐵和線圈接著可以將震動轉換為電能。這種設計不只看起來很有趣，產生的噪音也小很多，還能減少對鳥類的威脅。甚至因為沒有快速轉動的葉片，也能設置在靠近人群的都市環境中。目前一根約三公尺高的裝置，在有風的情況下可以產生一百瓦的電力。想像一下，只要把高速公路分隔島上排滿這種震動發電機，就能產生很可觀的電能。對了　這就像一個人訂閱泛科學看似影響不大，但如果每個人都同時按下訂閱泛科學，就能給我們莫大的支持與力量，麻煩各位了，跟我們一起共振吧！

話說回來，這種振動發電的轉換效率終究是比渦輪旋轉發電低，能夠捕獲的風量也較少。它的競爭優勢則在於較低的建造和維護成本，或許適合和太陽能互補為住家和都市地區提供電能。此技術已經在多年前證明可行，但目前在設計與量產方面仍處於開發階段，還須要更多的時間和資金才有辦法進入大規模生產。

講完了海上與陸地上的風機，最後，既然要靠風發電，那麼風能最豐沛的高空，能不能也來發電一下呢？

高空的發電量會更高嗎？

最早在 2014 年就有 Altaeros Energies 這家公司嘗試這個做法。他們將風電機組裝在氦氣的飛船中央，放到離地表三百到六百公尺的高空。在這高度的風速比地表快上兩倍左右，由於風能正比於風速的三次方，所以風能是地面的八倍。這些風能會在高空就轉為電能，之後透過纜線傳回地上。除了電纜以外，也會有幾條固定纜線可讓地面人員控制氣球的高度與方向。

除了用氦氣球搭載發電機外，也有一些設計是透過風箏來將小型風電機組放到空中，形成隨到隨用的風力發電裝置。不過可以想像的是，雖然高空發電可以節省地面空間，還能取得豐沛的風能。但不論是汽球還是風箏，在維護上肯定需要投入更多的成本。如果要大規模設置，對於鳥類或是飛安的影響又是另外一個問題。目前，這些浮空風電裝置最大的優勢是它們絕佳的機動性，可以為遠離電網的偏遠地區，或是臨時性的研究站提供電力。又或是如果在大型演唱會的上空放一顆風力發電氣球來為活動供電，那好像也是挺浪漫的。

雖然今天講到那麼多有創意的設計，但大多數的新創能源公司，都會因為現實上的競爭力不足而永遠停留在模型階段，還無法進入商業化生產。短期內的風力能源，還是得靠興建更多岸上和離岸的大型風電機組來扛起。不過，未來再生能源的需求只會持續地增加，我們確實需要有更多新想法、新設計，尤其是能廣泛設置，同時對環境影響低的新型態發電方式。而隨著材料科學的進步，當這些新設計的成本下降，我們就有機會在生活周遭看到它。

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北風和太陽，你賭誰贏？

台灣為了發展綠能卯足全力，風力與太陽能是最受關注的兩大巨頭。這幾年太陽能就像開了加速器，建置量扶搖直上，產生的討論與爭議當然也不少。但在風光併行的策略中，風機的關注度似乎就沒有那麼高。

最主要的原因，大概就是太陽能板近年大量設置，甚至出現在我們的周圍，因此產生更多對於環境影響的討論。

然而風機不比太陽能，單一支風機隨便就超過 20 層樓高，十分巨大。不僅建設成本較高，也需要蓋在遠離人群的地方。

但是，為何風機一定要如此巨大，甚至跑到外海去蓋呢？那麼巨大的風機，對環境生態會造成多少衝擊？

到海上去蓋風機有什麼好處呢？

蓋在海上，遠離陸地的風車我們稱為離岸風機。雖然風電的新聞版面不如光電，但其實一直有持續在進展。例如今年 6 月，台中外海的渢妙風場，就才剛遞交行政契約簽署文件，該地的最大裝置容量預計有 1800MW。

但即便如此，我們還是能感受到風力發電的開發比光電吃力許多。其中原因是，要將風力發電廠從陸上搬到海上，要付出的代價可不小。根據經濟部的資料，如果用年發電量一百萬瓦來算，設置離岸風電的裝置成本約 1 億 5 千～1 億 7 千萬元，幾乎是陸域風電廠的三倍。此外，離岸風電開發流程也比陸域長，經過前期的選址調查與評估後，還要另外花 1～2 年安裝水下基礎，才能建置風力發電裝置。既然如此，在討論離岸風電之前，我們應該先問問，跑去海上找風電有什麼優勢呢？

最常聽到的理由是噪音的影響。風力發電運轉過程持續發出低頻噪音，對周圍環境帶來噪音污染，引起居民反彈。環保署原本規定，風機與最近建築物距離 250 公尺以下就必須做環評，不過由於近年來仍爭議不斷，今年初更修法將門檻提高到 500 公尺。

而且台灣的陸域風機已經發展了二十幾年，優良風場飽和後，接下來如何權衡容量擴張和環境影響成為一大課題。因此往海上發展便成為重要的選項。

不過除了沒地可用這個原因之外，從發展的角度來看，更吸引人的因素其實是海上更加豐沛的風電資源。之前我們在介紹「宇宙太陽能」那集的時候，有提到科學家考慮將太陽能板送到遠離地表的太空中，好避開夜晚與雲層的影響，能不分天氣接收直接日照。

建置離岸風電也是一樣的道理，遠離陸地的平坦海面可以讓氣流暢行無阻。相較之下，陸地上的建築物，植物，地形等等都會顯著地拖慢地表附近的風速。更進一步，越往上空，風速被地表建物影響的幅度就越小。因此風機一支比一支高大，原因除了受風面積增加之外，在於高處的風能也更加豐沛。

最重要的是，風能和風速的三次方成正比，也就是說，風速只要快兩倍，風力發電的功率就會直接翻八倍。因此風速幾乎可以說是頭號考量因子，而高風速的外海也成為了最佳的選擇。

平常站在海邊，海風就已經常讓人站不穩了，但其實從平均風速資料可以看到，台灣海峽附近離海岸線十公里以外的海上風速更是快上許多。尤其台灣海峽北半部相較其他鄰近海域，蘊含的風能可說是相當驚人。這是因為台灣海峽位在中央山脈和中國的武夷山脈中間，兩座山脈形成天然管道，而且方向剛好與盛行的東北季風與西南季風方向一致，每當季風流過山脈中間時，就會加速通過形成強勁的風場，就像兩座高樓大廈中間總是吹著強風一樣。

說到這裡，台灣要發展離岸風電，可說是需求與資源兼備。從 2012 年 7 月，經濟部公告「風力發電離岸系統示範獎勵辦法」開始，台灣的離岸風電已經發展超過十年。不過，離岸風電近期進度有待追趕。根據 109 年經濟部能源轉型白皮書台灣風力發電推動方案，2025 年離岸風力發電累計設置容量的目標是 5.7 GW。但統計到今年五月，離岸風力發電裝置容量只有 1.15 GW，雖然預估到年底達 2 GW，但還是不夠快，這也讓經濟部原本預計 2025 年達成的再生能源佔比 20% 目標，延至 2026 年 10 月才可能達標。。在政府與企業積極向海借地來蓋風力發電廠時，遇到了什麼問題呢？

離岸風電對環境有影響嗎？

儘管我們剛剛提到，離岸風電對岸上居民影響較小，但是對於海上的居民就不是這麼一回事了。舉例來說，首當其衝的就是空中飛的鳥與蝙蝠。風力發電機組的葉片高速旋轉，時常讓空中的鳥類與蝙蝠閃避不及而撞擊死亡。一篇 2013 年的研究估計，北美洲的風電扇葉每年殺死的鳥隻數量約介於 14 萬到 32 萬之間，雖然這是針對北美陸域的調查，但由於台灣海峽也是許多鳥類跟蝙蝠的遷徙路線，豎立在台灣海峽的風力發電機必然會成為不少生物的絕命終結站。

面對這類的鳥擊事件，許多較新的風力發電機組開始引進新型態的防鳥設計。像是在機組周圍裝設音波偵測器、熱感應器，藉此來監控鳥類與蝙蝠活動，並依據監測結果停機降載。此外，還有一份 2020 年的研究將風電機組的其中一個扇葉塗黑，並發現該機組的鳥擊事件數量降低 70%。研究人員表示這是因為單一的黑色扇葉可以減少高速旋轉的動態模糊，讓鳥類看得更清楚。不過比起這些預防措施，最根本的做法是從謹慎的選址做起，讓風場遠離鳥類的聚居地，例如候鳥遷徙路徑上的濕地或是過境棲地，降低風機和鳥類接觸的機會。

當然，鳥擊的威脅是陸域和離岸風電都會有的難題。而離岸風電雖然遠離我們居住的陸地，不會對我們產生噪音危害。但建造和運轉期間所帶來的「水下噪音」，卻對當地，也就是海洋生態帶來不可忽略的影響，也因此成為離岸風場環評的一大關注重點。

在建造離岸風電機組時，需要先在海床上打樁作為固定的基礎，才能繼續往上建造風力發電機組。打樁的過程就等於將一根超大的釘子打入海床中，會產生極大的撞擊聲，雖然打樁的噪音是短期的，蓋好之後就不會再有了，但在運轉期間，離岸風場也會和陸上機組一樣發出低頻的嗡嗡聲。不論是打樁還是運轉的噪音，都會在海水中傳遞，影響到海中生物的生存。

由於聲音在水中傳遞速度快，損耗低，加上海水中光線不足，能見度較低。魚類跟海洋哺乳類等生物的聽覺自然演化得比視覺靈敏，讓他們有了非常廣闊的聽覺「領域」。因此從生態保育的觀點來看，海底噪音跟地上的噪音一樣，需要嚴密的監控和管制，否則會對海洋生物的感知與溝通能力帶來極大的影響。

環保署在 2022 年的二月將海事工程打樁噪音的規範訂為單一次打樁不能超過 190 分貝、打樁超過 160 分貝的次數不能超過總打樁次數的 5%。國內研究也建議打樁開始前 30 分鐘，必須確認沒有鯨豚在方圓 750 公尺內；並以緩啟動模式開始打樁，讓附近鯨豚可以及時迴避。畢竟，瀕臨絕種的中華白海豚就棲息在台灣西岸中段的沿海區域，和最有開發潛力的風場地區高度重疊，因此在設立風場時需要格外地謹慎。

離岸風電可能帶來的環境負擔，需要在建造前以及運轉期間持續監控。但目前台灣發展離岸風電遇到的最大瓶頸，其實並不是環評與選址等環境問題，而是其他供應面的限制。

離岸風機的施工問題

前幾年在 COVID-19 疫情的籠罩下，各項工程與供應運輸時程難免延宕，國內離岸風電的建置進度大幅落後。此外，政府政策、國外廠商的商業決策、以及資金流動等等現實問題，都影響到台灣離岸風電的發展。

離岸風機的建設，不是選址選好了就萬事解決，這些巨型建築的架設也是一大挑戰。要知道，過去 3MW 的陸域風機，葉片的長度就可能超過 30 公尺。建設在外海，裝置容量超過 10MW 的離岸風機，葉片的長度會超過 100 公尺，整支風機的高度更可能來到 260 公尺，蓋一座風機就像是在蓋一座摩天大樓。

要在海面上搭建如此龐大的建物十分具有挑戰性，各個大型組件需要先在陸地上做好，運到港口，再由工程船隻載到海上進行組裝。

而能攜帶並安裝這些部件的「安裝船」是台灣目前最欠缺的。而且不只台灣，近年來為了趕上對再生能源的需求，從歐盟到中國等國家的離岸工程開發案不斷成長，相關船隻的需求和價格也水漲船高。這使得台灣開發商想要租到合適的工程船變的越來越困難，已經做好的組件只能放在港口等待安裝。

面對這樣的困境，國內造船產業也有所回應。在今年六月，台灣國際造船宣布，亞洲最大的海事工作船「環海翡翠輪」已經完成交船。全長 216.5 公尺、寬 49 公尺，甲板面積有相當於 1.3 座足球場的超大面積，足以提供進行離岸風電水下基礎及大型風機的運輸與安裝作業。目前環海翡翠輪已經行程滿檔，工程已排程至 2025 年。

結語

雖然目前進度落後，但根據政策的規劃，台灣還是會持續興建離岸風場，往能源轉型的目標前進。

但除了劃更多區域、建造更大型的風機，風力發電還有別的玩法嗎？除了常見的水平軸三葉式風車之外，我們還有沒有其他的選擇？在拚發電量以外，有沒有對生態影響更低的風力發電方式？如果你也對其他型態的風力發電有所好奇，就請使出超級感謝，或加入會員來敲碗吧！如果你看不過癮，也可以看我們與 taiwan keywords 合作的這一集，看我如何挑戰爬上 23 層樓高的風機。

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參考資料

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我們的能源從哪裡來、往哪裡去？

全球每年對能源的需求量相當巨大，若用「瓩時」──即一度電這樣的度量單位──來表示會出現天文數字，因此改用「太瓦時」（TWh）來表示，太瓦時等於 10 億瓩時。

在一八〇〇年，全球約有 10 億人口，當時對能源的需求約為 6000 太瓦時；而且幾乎全部來自傳統的生質能源。到了二〇一七年，全球人口達到 76 億，發電量增加了 25 倍（156000 太瓦時）。

下圖顯示在二〇一七年全球主要能源消耗總量的百分比，其中近 8 成為化石燃料。其他再生能源包括風能、太陽能和地熱能，其中成長最快的是風場和太陽光電場。生質能源則主要來自傳統生質能源。

大約有 1/3 的全球能源消耗在將化石燃料轉化為電力和精煉燃料上。

剩下的稱為最終能源需求（final energy demand），是指用戶消耗掉的能源：每年約 10 萬太瓦時。

大約有 10％ 是來自開發中國家傳統生質能的熱，22％ 來自電力，38％ 用於供熱（主要來自化石燃料） 30％ 在交通運輸。熱能和電能主要都是用於工業和建築。汽油和柴油幾乎提供了所有用於運輸的燃料。

怎麼做比較不浪費？能量轉換效率大比拚！

我們看到供熱與供電一樣重要。兩者都可以用瓩時為單位，也就是一度電來測量，雖然電可以完全轉化為熱量，例如電烤箱，但只有一小部分以熱能形式存在的能量可以轉化為電能，其他的必然會散失到周圍環境裡。

在火力發電廠中，存在於化石燃料中的化學能會在燃燒後轉化為熱能。這會將水加熱，產生蒸汽，蒸汽膨脹推動渦輪的葉片，轉動發電機。只有一部分熱量被轉化成電力；其餘的熱量在蒸汽冷凝，完成循環時，就轉移到環境中，成了殘熱。

這份熱電轉化的比例可透過提升高壓蒸汽的溫度來增加，但受限於高溫下鍋爐管線的耐受度。

在一座現代化的火力發電廠中，一般熱能轉化為電能的效率約為 40％。若是在較高溫的複循環燃氣發電機組（combined cycle gas turbine，CCGT）裝置中，這個比例可提高到 60％。

同樣地，在內燃機中也只有一小部分的熱量可以轉化為車子的運動能量（動能）；汽油車的一般平均效率為 25％，柴油車則是 30％，而柴油卡車和公車的效率約為 40％。

另一方面，電動馬達的效率約為 90％，因此電氣化運輸將顯著減少能源消耗。這是提高效率和再生能源之間協同作用的一個範例，這將有助於提供世界所需的能源。

再生能源的過去跟未來

在十九世紀末，水力發電的再生資源幫助啟動了電網的發展，在二〇一八年時約占全世界發電量的 16％。而在再生能源──風能、太陽能、地熱能和生質能源──的投資上，相對要晚得多，是在二十世紀的最後幾十年才開始。

起初的成長緩慢，因為這些再生能源沒有成本競爭力還需要補貼。但隨著產量增加，成本下降，它們的貢獻開始增加。這些其他再生能源發電的占比已從二〇一〇年的 3.5％ 上升到二〇一八年的 9.7％，包括水力發電在內，再生能源的總貢獻量為 26％。

不過，就全球能源的占比，而不是僅只是考慮用戶消耗的電力來看，再生能源僅占約 18％，而傳統生質能則提供約 10％ 的能量。隨著太陽能和風能的成本在許多國家變得比化石燃料更便宜，它們在總發電量中的占比有望在未來幾十年顯著增加。

這世界花了很長的時間才意識到這一事實，從現在開始，再生能源勢必將成為主要的能源來源。

——本文摘自《【牛津通識課02】再生能源：尋找未來新動能》，2022 年 6 月，日出出版，未經同意請勿轉載。