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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?

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2015/12/13 ・6267字 ・閱讀時間約 13 分鐘 ・SR值 586 ・九年級

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本文由第二期能源國家型科技計畫(NEP-II)能源政策之橋接及溝通小組贊助,泛科學策劃執行。

文/廖英凱(泛科學專欄作者)

source:Andreas Klinke Johannsen
source:Andreas Klinke Johannsen

從千年前的風車磨坊,到今日海邊偶爾可見的風力發電機。使用風力是個歷史悠久且成熟的能量來源。而因應氣候變遷的減碳需求,風力發電在發電過程中不排碳;建置完成後,又能自給自足不需仰賴進口,能降低國家對外的能源依賴程度。在未來幾年內,風力發電必然是個需要積極開發的能源選項。

然而,風力發電因為利用風的能量,除了會有因風速影響而有不穩定的問題外,單一風機的功率也不高,需要建置多架風機才能對全國或較大區域的用電量有所助益。在目前的政策規劃中,考量滿發時數、可用面積,並排除對當地居民、生態環境影響與設置困難度等的條件下,預估在2020年時,可建置450架裝置容量總計1.2GW的陸域風力發電[1]

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同一份計畫也預估在2020至2030年間,因台灣環境地狹人稠,在陸域上將難以找到其他可安裝大型風機的地點。例如近年剛落幕的苑裡反瘋車自救會與德商英華威集團爭議,即是因風車設置距離與環境影響而引發一系列的環境運動[2]。此外,我國風力發電效率較高的時節集中在冬季,與夏季的用電高峰剛好錯開,也是一相當可惜的自然限制[3]。若要更大化地運用風力資源,一個備受期待的努力方向就是「離岸風機」了。

圖片1
風機高度示意圖[4]

佇立海中的超大型風車

離岸風機原理很直觀,實作略麻煩。目前的技術是利用深度在60m以內的海床,在海床上打入海底基樁,並在基樁上架設風機。同時也鋪設海底電纜,並視狀況來架設海上變電站與氣象觀測塔,最後將電纜連接回陸上變電站,併入陸上電網。

由於設置於海域上,對於空間需求與鄰避效應的壓力大大降低,因此可以興建更大的風扇來取得更多電力,也可以增加興建高度以避開受到地面磨擦力而減弱的氣流。就今年開始規劃中的 Vestas V164風力發電機來說,他的風扇直徑長達164公尺,單一葉片的長度,就與A380客機的翼寬79.8公尺接近[5](50米級超大型巨人表示:________),國際能源總署(IEA)更預估在2020年時,風機的直徑將發展至252公尺[6]!!

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從離岸風機的開發架設流程來看,開發單位首先須針對可能開發的地點,進行1-5年的開發前調查,此階段的調查需要研究當地的風能狀況、地震與颱風等自然條件,評估如鳥類遷徙等生態特色,以及水下噪音、施工品質等環境影響;以及因地制宜尋找或設計適宜技術與設備。

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當評估可行後,再進行為期1-2年的海床基樁、海底電纜鋪設、風機與變電站安裝施工。安裝完成後的風機,還須持續提供如同汽車定期保養的「運維工程」,預計這些風機至少可使用20年。當然,當使用年限到了之後,這些離岸風機也需除役拆除,或是視情況重建或延役[7]

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樂觀成長的國際趨勢  

這些技術的進展與產業的成熟,伴隨著對環境的重視與經濟考量的投資。近年來,全球陸域風力或是離岸風力都有著穩定的成長。全球風能理事會(GWEC)預估,2015-2018年間全球風力發電裝置容量預計會有12-14%的年成長率[8]。離岸風力在2014年全球也有1713MW的新增裝置容量,比起2013年有著24%的成長率。這些近年興起的離岸風力,主要集中在歐洲與中國。其中排名前三名的英國、丹麥、德國,就佔了全球總量的77%[9]

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2014-2018年,全球風力發電市場預估
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2014各國離岸風機裝置容量排行

若想要在台灣更好地發展離岸風機,我們可以從這些名列前茅的國家,找到一些值得學習效法的特點:

英國

英國是世界上離岸風機裝置容量最多的國家。估計在2020年時,離岸風機可提供英國17%的電力供應。他的首要優勢來自於英國緊鄰北海與大西洋,是歐洲風能潛力最佳的區域,英國貿易投資署(UKTI)預計在2020-2030年間,英國的離岸風機開發潛能將超過40GW。

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在政策面的支持上,2012年5月,英國政府推出了管制傳統石化能源、支持低碳能源的能源法草案[10]。經濟層面上,也由政府出面修改電力市場機制、提供財務支持、並說服銀行提高融資意願,並規劃綠色投資銀行 (Green Investment Bank)來協助離岸風機業者取得資金。然而英國並沒有製造離岸風機機組的產業,但英國本土企業利用過去強勢海權而打下的海洋工程基礎,在海事施工、海底電纜佈纜與製造、整體工程承包監製上都有雄厚的經驗與規模作為發展離岸的良好基礎[11]

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丹麥

丹麥是世界離岸風機裝置容量排行第二的國家,早在1991年就興建了世界第一座離岸風場 Vindeby Project[12]。丹麥也預計在2020年時,風力發電可達到全國50%的電力供應,甚至在2030年時淘汰燃煤與燃油,最終在2050年時,主要利用風力發電、生質能與其他再生能源搭配來達成完全使用再生能源的目標[13]

為了達到這樣的目標,丹麥政府採用了多項措施來支持風力發展,例如政府的補貼計畫與固定電價的躉購、離岸風機的招標與相關項目特許、建立更有效率的離岸風機招標程序已降低開發成本、建立連結德國與瑞典的新電網。預計風力發電的發展趨勢,將由2011年時的3.95GW (約28%)。在2020年成長至5.45GW (約50%)的裝置容量[14]

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2010-2050 丹麥能源消耗類別趨勢[15]
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德國

德國在2010年4月,建置了首座離岸風場Alpha Ventus[16],是全世界第12個擁有離岸風機的國家,因近年來發展迅速,離岸風機裝置容量已躍升世界第三。但德國早在2000年通過再生能源法(Erneuerbare Energien Gesetz, EEG)時,就制定了離岸風機的固定電價收購制度(Feed-in Tariff, FIT)做為業者參與開發的誘因與保障。2002年1月,德國政府公布離岸風電發展策略(Strategy of the German Government on the use of off-shore wind energy[17]),訂定了離岸風力在2001-2030年間的發展目標,也明訂離岸風機的開發原則應同時考量經濟與投資安定性、科技發展與適法性,並以不危害漁業、航運與自然生態為前提[18]

在陸續經過2001-2003的三座離岸風力研究平台完工;2005-2010 離岸風場Alpha Ventus的籌備與建造;以及2009年EEG修法提高FIT費率。歷經10年的發展,最終使德國完成了離岸風力硬體架設、法規制定與FIT費率合理化、以及航運、漁業與自然生態監控評估等完整開發架構。

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成功的關鍵因素是?

雖然各國自然環境、經濟規模與政治形態不盡然相同。但從這些離岸風力發展領先的經驗中,大致可以歸納出幾點成功的關鍵因素,我們也可以從這幾點因素來整理我國在發展離岸風機時應特別關注的面向:

1. 良好風場品質

興建風力發電首要條件當然是良好的風場,例如英國就坐擁了歐洲風能潛力最佳的區域。而對於台灣來說,因有夏季西南氣流與冬季東北季風的影響,在竹南到彰濱,以及恆春和澎湖沿海與海域均是良好的建置點,特別例如澎湖地區年平均風速更高達9.7m/s以上。「4C Offshore」統計世界各地23年來平均風速,發現在全世界排名前20的風況觀測地中,就有12個位於台灣,其中一個位在台中沿海,剩下11個均位於台灣海峽內[19]

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然而,與歐洲國家相比,我國在風機設置上,需特別考量颱風、地震、以及高溫高濕這幾項不穩定因素。例如適合發展離岸風力的台灣海峽,有一定機率是颱風侵襲的主要路徑[20]。因此在風機結構強度、葉片與支撐基礎等,都需要特別針對本地環境來格外設計與調整。此外,台灣氣候變遷科學報告亦指出,近六十年來,台灣多數區域的強風日數有明顯減少趨勢,若減少趨勢[21]未有改變,將會影響風力發電的效益。

2. 風機技術研發與產業發展

風機技術的掌握與產業的建立,也有助於離岸風力的開發,甚至是成為重要的外銷項目。以全世界的風機製造商來說,德商西門子(Siemens)在2014年就囊括了歐洲86%的離岸風機製造[22]。我國因起步較晚,在風機相關技術研發與零組件製造工業仍未有足夠規模。但因風力發電需特別考量在地環境特徵,若以此為研發重點來推動關鍵零組件國產或設計,就能降低進口風機因「水土不服」而故障失能的憾事。在持續推動下更能提升風電產業自給率、降低成本並提供綠能產業的就業甚至外銷機會。

3. 基礎技術與海事工程經驗

離岸風機的海域開發技術門檻高,需相當倚重海事工程的技術與設備。就英國來說,雖然缺乏本土風機製造商,但既有海事工程與海底佈纜的強大技術,是英國得以發展離岸風力的關鍵因素之一。然而各區域的海洋環境並不相同,施工品質與效率需仰賴在地團隊的經驗與設備投資。但是國內市場目前僅有小型船機,海底打樁機的能量也都不足,可吊重1000噸、吊高100公尺 以上的大型吊船也缺乏引進或新建[23]。這部分仍須仰賴政府或海事工程業者投入資金才得以符合需求。甚至是未來在引進大型風機時,還需要考慮動輒五十公尺以上風機葉片的陸路運輸方式。

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丹麥風力開發業者在運輸長達83.5m的風機葉片[24]

4. 政策支援、經濟誘因、合理FIT費率

再生能源由於初期投入成本較高,離岸風力這樣的新興技術也有比較高的風險與變數,更需仰賴政策的支持,以及政府對於合理電價收購的保障。我國自2012年起也提出了「千架海陸風力機」的開發計畫,在再生能源發展條例中也有躉購費率的制定[25]。有研究建議在設計離岸風力躉購費率時,除補貼以縮短與其他能源的價格競爭差距,也應考量是否應該額外給予風險補助[26]。然政策與經濟層面有更多複雜面向需考量,這可能還需要更多資料與討論來設計出更合理的政策。

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5. 環境影響評估與政策溝通

離岸風力的發展,也勢必會造成一定程度的環境破壞。因此開發前期的環境評估、施工期間的監督,以及遇到衝突時的緩解措施和價值判斷取捨更顯重要。德國政府以「離岸風電發展策略」的制訂來確立漁業和環境保護的優先。為緩解對漁業的影響,技術上也有學者提出結合海上養殖的多功能離岸風力來減低離岸風機對漁業的損失[27];在政策上,彰化「福海離岸風力發電計畫」也以提供當地居民工作機會與回饋金的補償來緩解衝突與影響[28]。 

若未來要能好好發揮澎湖的優質風能,也有近年來爭議未停的「台澎海底電纜」事件待決。例如有民眾與政治人物主張電纜鋪設會破壞海洋生態[29][30],也有人認為電纜會有漏電與電磁波傷害[31]。雖然部分爭議來自於資訊的落差,但也有部分爭議來自環保與開發的兩難。然而,若要將澎湖的離岸風力送回本島使用,我們也勢必要在未來幾年內,妥善處理好海底電纜的工程設計與政策溝通。

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不遠的未來

盤點目前我國對於離岸風力的開發步驟,自2012年公布「千架海陸風力機計畫」起,目前已選定了苗栗竹南外海一座,彰化芳苑外海兩座的淺海區域(水深20m以內)示範風場。預計2015年三座示範風場完成海上氣象觀測塔,2016年三座示範風場各完成兩部示範機組,2020年時三座示範風場完成商轉,共提供320MW的裝置容量。

利用在示範風場的建設期間累積技術經驗,在2020-2030年間,逐步往水深較深處開發,目標在2030年時興建600架,裝置容量共3GW的離岸風力。在持續支持和投入下,必然會帶來一波可觀的學術研究需求與產業發展趨勢。期許在不久的將來,在茫茫大海中佇立於飄搖風雨間的白色巨塔,將是遏止氣候變遷危害與提高我國能源自主率的守護高牆。

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更多相關請參考:離岸風電知識網

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除了蚯蚓、地震魚和民間達人,那些常見的臺灣地震預測謠言
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/02/29 ・2747字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

災害性大地震在臺灣留下無數淚水和難以抹滅的傷痕,921 大地震甚至直接奪走了 2,400 人的生命。既有這等末日級的災難記憶,又位處於板塊交界處的地震帶,「大地震!」三個字,總是能挑動臺灣人最脆弱又敏感的神經。

因此,當我們發現臺灣被各式各樣的地震傳說壟罩,像是地震魚、地震雲、蚯蚓警兆、下雨地震說,甚至民間地震預測達人,似乎也是合情合理的現象?

今日,我們就要來破解這些常見的地震預測謠言。

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漁民捕獲罕見的深海皇帶魚,恐有大地震?

說到在坊間訛傳的地震謠言,許多人第一個想到的,可能是盛行於日本、臺灣的「地震魚」傳說。

在亞熱帶海域中,漁民將「皇帶魚」暱稱為地震魚,由於皇帶魚身型較為扁平,生活於深海中,魚形特殊且捕獲量稀少,因此流傳著,是因為海底的地形改變,才驚擾了棲息在深海的皇帶魚,並因此游上淺水讓人們得以看見。

皇帶魚。圖/wikimedia

因此,民間盛傳,若漁民捕撈到這種極為稀罕的深海魚類,就是大型地震即將發生的警兆。

然而,日本科學家認真蒐集了目擊深海魚類的相關新聞和學術報告,他們想知道,這種看似異常的動物行為,究竟有沒有機會拿來當作災前的預警,抑或只是無稽之談?

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可惜的是,科學家認為,地震魚與地震並沒有明顯的關聯。當日本媒體報導捕撈深海魚的 10 天內,均沒有發生規模大於 6 的地震,規模 7 的地震前後,甚至完全沒有深海魚出現的紀錄!

所以,在科學家眼中,地震魚僅僅是一種流傳於民間的「迷信」(superstition)。

透過動物來推斷地震消息的風俗並不新穎,美國地質調查局(USGS)指出,早在西元前 373 年的古希臘,就有透過動物異常行為來猜測地震的紀錄!

人們普遍認為,比起遲鈍的人類,敏感的動物可以偵測到更多來自大自然的訊號,因此在大地震來臨前,會「舉家遷徙」逃離原本的棲息地。

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當臺灣 1999 年發生集集大地震前後,由於部分地區出現了大量蚯蚓,因此,臺灣也盛傳著「蚯蚓」是地震警訊的說法。

20101023 聯合報 B2 版 南投竹山竄出蚯蚓群爬滿路上。

新聞年年報的「蚯蚓」上街,真的是地震警訊嗎?

​當街道上出現一大群蚯蚓時,密密麻麻的畫面,不只讓人嚇一跳,也往往讓人感到困惑:為何牠們接連地湧向地表?難道,這真的是動物們在向我們預警天災嗎?動物們看似不尋常的行為,總是能引發人們的好奇與不安情緒。

如此怵目驚心的畫面,也經常成為新聞界的熱門素材,每年幾乎都會看到類似的標題:「蚯蚓大軍又出沒 網友憂:要地震了嗎」,甚至直接將蚯蚓與剛發生的地震連結起來,發布成快訊「昨突竄大量蚯蚓!台東今早地牛翻身…最大震度4級」,讓人留下蚯蚓預言成功的錯覺。

然而,這些蚯蚓大軍,真的與即將來臨的天災有直接關聯嗎?

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蚯蚓與地震有關的傳聞,被學者認為起源於 1999 年的 921 大地震後,在此前,臺灣少有流傳地震與蚯蚓之間的相關報導。

雖然曾有日本學者研究模擬出,與地震相關的電流有機會刺激蚯蚓離開洞穴,但在現實環境中,有太多因素都會影響蚯蚓的行為了,而造成蚯蚓大軍浮現地表的原因,往往都是氣象因素,像是溫度、濕度、日照時間、氣壓等等,都可能促使蚯蚓爬出地表。

大家不妨觀察看看,白日蚯蚓大軍的新聞,比較常出現在天氣剛轉涼的秋季。

因此,下次若再看到蚯蚓大軍湧現地表的現象,請先別慌張呀!

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事實上,除了地震魚和蚯蚓外,鳥類、老鼠、黃鼠狼、蛇、蜈蚣、昆蟲、貓咪到我們最熟悉的小狗,都曾經被流傳為地震預測的動物專家。

但可惜的是,會影響動物行為的因素實在是太多了,科學家仍然沒有找到動物異常行為和地震之間的關聯或機制。

遍地開花的地震預測粉專和社團

這座每天發生超過 100 次地震的小島上,擁有破萬成員的地震討論臉書社團、隨處可見的地震預測粉專或 IG 帳號,似乎並不奇怪。

國內有許多「憂國憂民」的神通大師,這些號稱能夠預測地震的奇妙人士,有些人會用身體感應,有人熱愛分析雲層畫面,有的人甚至號稱自行建製科學儀器,購買到比氣象署更精密的機械,偵測到更準確的地震。

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然而,若認真想一想就會發現,臺灣地震頻率極高,約 2 天多就會發生 1 次規模 4.0 至 5.0 的地震, 2 星期多就可能出現一次規模 5.0 至 6.0 的地震,若是有心想要捏造地震預言,真的不難。 

在學界,一個真正的地震預測必須包含地震三要素:明確的時間、 地點和規模,預測結果也必須來自學界認可的觀測資料。然而這些坊間貼文的預測資訊不僅空泛,也並未交代統計數據或訊號來源。

作為閱聽者,看到如此毫無科學根據的預測言論,請先冷靜下來,不要留言也不要分享,不妨先上網搜尋相關資料和事實查核。切勿輕信,更不要隨意散播,以免造成社會大眾的不安。

此外,大家也千萬不要隨意發表地震預測、觀測的資訊,若號稱有科學根據或使用相關資料,不僅違反氣象法,也有違反社會秩序之相關法令之虞唷!

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​地震預測行不行?還差得遠呢!

由於地底的環境太過複雜未知,即使科學家們已經致力於研究地震前兆和地震之間的關聯,目前地球科學界,仍然無法發展出成熟的地震預測技術。

與其奢望能提前 3 天知道地震的預告,不如日常就做好各種地震災害的防範,購買符合防震規範的家宅、固定好家具,做好防震防災演練。在國家級警報響起來時,熟練地執行避震保命三步驟「趴下、掩護、穩住」,才是身為臺灣人最關鍵的保命之策。

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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

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

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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