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神祕的風力-能源大探索

時報出版_96
・2014/11/07 ・3439字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 483 ・五年級

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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?

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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。

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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。

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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。

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《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。

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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。

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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」。

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摘自《能源大探索》,時報出版

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出版品包括文學、人文社科、商業、生活、科普、漫畫、趨勢、心理勵志等,活躍於書市中,累積出版品五千多種,獲得國內外專家讀者、各種獎項的肯定,打造出無數的暢銷傳奇及和重量級作者,在台灣引爆一波波的閱讀議題及風潮。

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除了像風車一樣,風力發電機還能長成什麼樣?風機百百種,沒有扇葉還可以靠震動發電?!
PanSci_96
・2023/12/11 ・5185字 ・閱讀時間約 10 分鐘

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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?

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Heron’s Windwheel。圖/wikimedia
荷蘭式風車。圖/wikimedia

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。

垂直軸風機葉片的型態多樣且美觀。圖/PanSci YouTube

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?

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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。

反轉式直立渦輪(COUNTER-ROTATING VERTICAL TURBINES)。圖/World Wide Wind

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。

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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。

塔科馬海峽吊橋與氣流共振。

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。

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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。

圖/Altaeros Energies

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。

圖/wikimedia

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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最後也想請大家預測一下,20 年後風力發電的主力會是哪一種裝置呢?

  1. 漂在海面上的反轉式直立渦輪,感覺技術成熟後,施工成本可以降到很低
  2. 渦流震動發電棒,對環境傷害小,又不挑地方到處都能設置,積少成多
  3. 大型水平軸風機技術還是最成熟 成本也不斷破底,估計還是發電主力

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離岸風機建設又貴又麻煩,蓋的好處是什麼?又會對環境造成什麼影響?
PanSci_96
・2023/11/04 ・5785字 ・閱讀時間約 12 分鐘

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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。

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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。

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圖/giphy

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。

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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。

平均風速圖。圖/global wind atlas
平均風力功率圖。圖/global wind atlas

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。

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圖/giphy

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。

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圖/海洋委員會海洋保育署

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。

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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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最後也想問問大家,關於風力發電,你還有哪些問題呢?

  1. 風力發電的工作船有哪幾種?應用了哪些科技?
  2. 那麼大台的風力發電機水下基礎是怎麼蓋的?製程跟材料環保嗎?
  3. AI 能夠讓風力發電更穩定嗎?
  4. 更多想法,留言告訴我們吧

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PanSci_96
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太空種電?不受天氣影響的發電廠登場,人類將迎來能源自由?
PanSci_96
・2023/08/12 ・4585字 ・閱讀時間約 9 分鐘

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要核能、綠能、還是天然氣?大家不用吵了,因為讓我隆重介紹,宇宙太陽能準備登場,地球將進入能源自由,人類文明將邁入下一個時代!

雖然只是邁入第一步,但我沒有在開玩笑,美國、日本、歐盟、英國都陸續展開宇宙太陽能計畫,預計在太空中布下大量太陽能板,將取之不盡的能量,不分晝夜、不分天氣地將能量源源不絕的傳回地球。而且第一階段的測試,已經在宇宙中測試成功了!

宇宙太陽能真的可行嗎?我們離能源自由,還有多遠?

為什麼要去太空中進行太陽能發電?地面太陽能的困境

台灣要選擇哪種能源配比,各方論點各有道理。而同樣的問題,不只是台灣,對世界各國來說都是爭論不休的議題。面對這樣的困境,竟然有人提議往太空探索,去太空中進行大規模太陽能發電,並將能量傳回地球,成為宇宙太陽能電廠,一舉解決所有能源問題。可是就算不去太空,在地面上的太陽能近年來成長迅速,安裝量和產量都持續增加,為什麼非得跑到太空中去做一樣的事呢?

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雖然太陽能板的設置成本近年來降低很多,能不能穩定發電卻要看老天臉色,而且需要的佔地面積廣大。世界上只有少數幅員廣大,日照充足的國家可以打造 GW 等級的太陽能發電廠,像是印度,中國,以及中東地區。許多地方例如台灣,多以民間業者小規模發展為主,很難建設大規模的太陽能發電廠,如果要大規模使用農地、魚塭、屋頂種電,也有許多問題等待解決。

不過只要把太陽能搬到外太空,就可以大喊:「解開束縛、重生吧!太陽能,我還你原型!」

首先,太空中可以接收到更多的陽光。由於太空中沒有夜晚,所以軌道上的衛星幾乎可以 24 小時暴露在陽光之下。此外,太空中的陽光不會像地面上的冬天或傍晚,有傾斜入射的問題。太陽能板可以隨時指向太陽的方向,和太陽光的方向保持垂直,接受百分之百的陽光照射。根據計算,同一塊太陽能板放在太空中可以接受到的陽光量至少是地表的三倍以上。

地球上陽光傾斜入射的問題示意圖。圖/PanSci YouTube

另外,地球的大氣其實幫我們阻隔了許多陽光,保護地表上的我們不會被瞬間曬傷。就算是晴朗無雲的日子,大氣層還是會散射掉許多的陽光。太空中的太陽輻射比地表強上不少,大約多了 40% 左右。

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綜合前面所說的,只要把現有的光電材料放到衛星軌道上,就可以輕鬆獲得約四倍的發電量。此外還不需要任何占地,不會對環境生態帶來負面影響。

太空種出的電要怎麼運回地球?

你可能會好奇,在太空中收穫這麼多太陽能,要怎麼運回地球給大家使用呢?難道要存在電池裡再回收嗎?科幻大師艾西莫夫早在 1941 年就想過這個問題了。在他的短篇小說《理性》中,各個太空站會再收集太陽能之後,用微波光束將能量傳送至不同行星,也就是遠距無線傳輸能量。

雖然這種技術在當時屬於科幻情節,但現在的我們知道這樣的技術在原理上可能辦到的。在我們介紹無線獵能手環那集,我們有提到電磁波傳遞能量的問題,就是能量會以波源為中心向外發散,並且能量隨著距離快速衰減。想要高效率傳輸能量,如果不想接條線,就必須使用指向性的波源,將能源都集中到一點。

現在,我們使用多個天線組成陣列,並調整他們的相位,讓各個天線發出的微波產生干涉,形成筆直前進的單方向微波束,將能量精準發射到遠處的一個點。除此之外,因為選擇的電磁波頻段是微波,就像手機訊號可以穿過牆壁到你的手機一樣,特定頻率的微波也能穿透大氣層或雲層的阻擋。即使地球上的我們是下雨天,宇宙太陽能仍能透過微波將能量傳至地表,大幅降低天氣造成的影響。

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所以,只要把所有太陽能板發射到地球同步軌道上,讓它們在軌道中展開,組裝成大還要更大,邊長長達數公里的超大太陽能板。這樣空中太陽能發電廠就會一直維持在天空中的某一點,地面的我們,只要蓋個微波接收站就可以了。當然要將所有設備發射到地球同步軌道上所費不貲,較可行的做法是先用火箭將衛星射入高度較低的低地球軌道中,再利用衛星本身的離子噴射等方式把自己慢慢推到地球同步軌道。

太空太陽能發電廠概念圖。圖/Space.com

這個主意,在 1968 年工程師 Peter Glaser 就在 Science 期刊上提出,還向美國政府申請了專利。當時,美國能源局和 NASA 也覺得這個概念挺「有趣」的,針對宇宙太陽能做了一系列的調查並提出了正式的可行性報告。不過當時各方面的技術未成熟,無法進行測試。最重要的是,要把一整個太陽能發電廠射到太空,實在要花太多錢,產出的電根本就不敷成本。

好消息是,太空運輸成本近年來已經降低很多。SpaceX 的獵鷹九號火箭將每公斤物質運到低地球軌道的成本,只需要約三千美元,是過去使用太空梭運載的二十分之一。這讓宇宙太陽能的可能性,從僅只於科幻,搖身一變成為潛力無窮的未來能源。

宇宙太陽能離我們有多遠?

從美國、英國、歐盟到日本,都已經放話要加入這場全新的太空能源競賽。領跑者之一是日本的太空機構,宇宙航空研究開發機構 JAXA,預計在 2025 年前後展開從太空向地面送電的實驗,並在 2030 年左右開始試運轉宇宙太陽能機組,是有生之年就能看到的成果!

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從宇宙航空研究開發機構 JAXA,預計在 2025 年前後展開從太空向地面送電的實驗,並在 2030 年左右開始試運轉宇宙太陽能機組。圖/PanSci YouTube

這個時程也不是信口開河,日本在 1980 年代左右便開啟了宇宙太陽能計畫。經過數十年的規劃與研發, JAXA 已在 2015 年進行地面測試,成功將電能傳輸到 55 公尺外的接收天線,驗證遠距傳輸能量的可行性。這個實驗相當重要,因為在發射成本的問題解決之後,宇宙太陽能要面對的下一個難題,就是如何有效地從外太空軌道遠距送電。雖然我們已經知道可以透過干涉的方法,讓微波束直線前進,但實際運作時,還是會有一個很小的發散角,不會完全平行。

JAXA 已在 2015 年進行地面測試,成功將電能傳輸到 55 公尺外的接收天線,驗證遠距傳輸能量的可行性。圖/PanSci YouTube

失之毫釐。差之千里。地球同步軌道離地表可是有三萬六千公里,小小的發散角到地面就會嚴重發散,地面的接收天線尺寸也不可能無限擴張。這任務的難度差不多等於要從操場的一端用雷射筆打到另一端的蚊子,非常困難。JAXA 的天線雖然目前還未達到需要的準度,但是發散角已經能控制在 0.15 度左右,足以從較低的低地球軌道傳輸能量回地球,做初步的測試。

從還處在規劃階段的日本,瞬間移動到地球的另一端,美國的研究團隊,在這個月已經宣布取得重大突破。加州理工學院的宇宙太陽能計畫在今年初,成功讓一個小型測試模組,乘著 SpaceX 的獵鷹 9 號前進低地球軌道,進行太空中的實際測試。這個小型模組包含三個小實驗。第一個實驗是測試宇宙太陽能板的結構、封裝、以及展開並組裝的程序。第二個實驗則是要在 32 種不同的光電材料中,找出哪種在太空中效果最好。第三則是要測試微波傳輸能量在太空中的可行性。

測試宇宙太陽能板的結構、封裝、以及展開並組裝的程序。圖/caltech.edu

就在今年的 6 月 1 號,團隊宣布他們設計的可彎曲天線陣列,在太空中成功傳送能量到三十公分外的接收天線,點亮了 LED 燈。雖然距離只有短短的 30 公分,但是整個實驗暴露在外太空的環境中進行,證明他們的設計可以承受最嚴苛的環境條件。做為測試,他們也嘗試讓天線發射能量到遠在地球表面,大學實驗室的屋頂上。並且,還真的被他們量測到了數值。儘管規模不大,但這是宇宙太陽能第一次的軌道測試,結果相當振奮人心。

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可彎曲天線陣列。圖/PanSci YouTube
右方為可彎曲天線陣列(發射端),左邊為接收端的 LED 燈泡。圖/caltech.edu

如此看來,技術的發展似乎相當樂觀。可是要用於民生發電,成本是很大的重點。宇宙太陽能真的符合經濟效益嗎?或是我們該把資源留給其他選項呢?

宇宙發電廠符合經濟效益嗎?

根據美國能源情報署 EIA 的資料,1GW 發電容量的發電廠,傳統燃煤發電廠的初期建設成本,大約是一千億台幣,核電廠大約是兩千億台幣。那宇宙太陽能呢?每 1kW 的發電需要二十公斤的材料,1GW 就需要兩萬公噸。目前 SpaceX 獵鷹重型火箭運送每公斤材料進入軌道,需要三萬台幣。也就是說,光是將設備全部送上太空的運輸成本,就需要六千億的驚人花費。再加上太陽能板與相關設備的建置成本,以地面型太陽能發電廠為參考的話,大概還要多花500億台幣。而 JAXA 方面的預估,打造第一座 1GW 宇宙太陽能至少需要一兆兩千億日圓,雖然比我們用獵鷹重型火箭預估的還要低,但仍是一筆龐大費用。

各種發電方式的成本與性能表現。圖/美國能源情報署 EIA

那宇宙太陽能真的只是將鈔票往太空撒,空有理想的計畫嗎?當然不是,有兩個讓科學家不放棄的理由——首先是未來建造成本一定會下修。太空的發射成本相比 50 年前,已經少了兩個零,在 SpaceX 的發展下,還在持續地快速減少。另一方面,太陽能材料的輕量化工程也持續在進行,每 kW 發電重量只有十公斤或以下的太陽能材料已經不是虛構。新式的太陽能材料,我們未來也會陸續介紹。這兩個因素加乘在一起,一兆兩千億日圓的成本,很有機會在幾年內就減少為十分之一或更少。

發射火箭的成本逐年降低。圖/futuretimeline.net

更重要的是,宇宙太陽能一但建置完成,就會成為可做為基載能源的再生能源,減少對石化燃料的依賴。甚至因為主要設備都在太空,地面只需要建設接收站,可能將解決許多偏遠地區的能源問題,一舉改變全世界的能源型態。而且與許多八字還沒一撇的發電方式相比,宇宙太陽能已經算是距離現實很接近的選項,也難怪各個國家紛紛搶著要發展這塊領域。不過雖說是永續能源,還是有許多方面值得深入研究。例如要把幾萬公噸的材料射到軌道中,需要排放多少的火箭廢氣?一但規模化,這些巨大的宇宙太陽能板是否會成為小行星的標靶,或在一次的太陽風暴過後,讓軌道中堆滿太空垃圾?

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宇宙太陽能究竟能不能成為可靠的新興未來能源,從想都不敢想,到開始精算成本,相信我們很快就會知道答案。

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