風力發電

博驛企業/SWED工程師 徐楨

  300年來人類一直在使用再生能源,一直到19世紀工業革命後,才大量使用石化能源,內、外燃機的大量使用、燃煤發電廠的快速發展.促使溫室氣體在近100年來急劇上升,也引發研究地球氣候變遷的各國專家及不同領域科學家不斷的提出警告,地球目前之溫室效應演變之方向若不加以改變.將引發人類未來生存環境產生不可逆轉的浩劫。

  地球目前及未來的環境負面因素,皆因人類食、衣、住、行、育樂所需過程中,大量使用石化能源,所產生大量溫室氣體所致。因此,道理很明顯若欲改變溫室效應之最終結果-物種大毀滅、人類生存環境的災難擴大,其方法便是終止或取代現有的石化能源使用。

  但是終止使用石化能源在目前及可見之未來是不可能的事,然加速取代石化能源之開發卻是先進國家,地球村的一員應努力的方向,我們期望這樣的努力,能使我們的後代子孫不致於生活在比我們更惡劣的生存環境。

  處在這個年代,面對人類生存環境變遷的決擇點上,我們政府、家庭及個人應該怎麼想、怎麼做,才能讓我們賴以生存的環境免於急速惡化,這是大家的課題。

  今天感謝各位的蒞臨,在這裡我想有別於大部分的科學家所提出的呼籲,及感性的訴求,而提出比較具體可行的解決方案,供有能力改變現狀之有心人士參考。尤其是在獲取再生能源之應用技術及設備建構成本這些議題上。

  大功率再生能源的高技術及高資金門檻一直是阻礙再生能源大量取得的主要因素之一,因此降低技術及資金門檻,才能更有效的降低再生能源的取得成本、擴大產能,進而加速取代部分石化能源,使全球減碳之國際目標值早日達成。 林肯說過:許多事情就是這樣,做對了未必得到獎勵,但做錯了, 就一定受到懲罰。

  若請問大家,未來地球氣候會變得如何,相信絕大部分的人都會眉頭深鎖,就林肯先生的話來省思地球未來溫室效應下的結果,會是獎勵還是懲罰? 人類百年來的能源政策是做對還是做錯? 今日科技之昌明,科學家們不斷發覺、統計的最新證據會說明長期地球環境變遷的方向!

  首先我們來回顧近30年來全世界先進國家在這方面的努力,而仍在運行之綠色能源計畫包括(風能、太陽能、氫能、地熱、洋流、海浪、潮汐、沼氣、核融合、軌道太陽能微波….. ) 關心環境的人都注意到了,居然有那麼多種類的綠能發電設施,但是不說各位可能不知道,這些綠能發電設施在發電的過程中,都在追求同一個目標:不產生或避免產生溫室氣體 CO2。

  我們來了解為何風力發電會在這個時代被拿來大力發展,它真的有機會能取代石化能源嗎?

它的優點:

1.取之不絕,用之不盡,相當乾淨 2. 沒有燃料問題。 3. 不會產生輻射與二氧化碳等公害。 4. 建造費用低廉,較水力、火力或核能發電廠的建造費用便宜很多。

它的缺點:

1. 風力有地域性:印象當中,桃園到雲林沿海一帶都是風力發電廠的地帶,需要靠無物體阻擋的地方,也就是風量及平均風速高的地方才有適合建造。

2. 風力不確定性:在台灣有強勁的夏季西南氣流與冬季東北季風吹襲,風力不穩定,風力和風向時常改變,能量無法集中。

3. 發電成本過高:風力發電雖沒有燃料成本,但在台灣沒有一貫生產大型風機的廠商,所以都要國外進口建造,由於又是地區性的建造,政府還要徵地才有辦法去蓋風力發電廠。而國外進口的機件一旦故障,維修曠日廢時成本更高。

4. 維修緊急搶救問題:風力發電廠是一座很高大的機器,幾年前新聞才報導過,新竹沿海一帶其中一座的風力發電機莫名其妙的燒起來,又因為風機太高消防雲梯車沒辦法搶救就這樣眼睜睜的看他燒壞,損失估計兩億新台幣以上。(撥風機事故照片) 

5. 供電不足:因為風向、風力不穩定,所以供電量小且不足。據台電說明風力發電廠的裝置容量對整體供電影響不大,由於風能無法被控制,風力發電廠幾乎無法時時刻刻都處於滿載之發電狀態,雖然提高了裝置容量,卻無法使發電量有效增加,使得風力發電廠幾乎都被當成輔助電力來增加供電,可靠度並無法像核能、火力發電廠來當成基載電力使用。

6. 風太大、太小也不能用來發電: 啟動風速:3~4 公尺/秒、  關機風速:25 公尺/秒, 換句話說即使現在有風,但是不在此特定條件內是無法發電的。

7. 風力發電在生態上的問題是可能干擾鳥類遷徙飛行。

8. 在一些地區、風力發電的經濟性不足,例如台灣在電力需求較高的夏季及白日、是風力較少的時間。夏季無法穩定供電的風力發電機組,台電已經將之視為完全沒有淨尖峰能力的發電設備。我們若在風和日麗的夏季去西部延海一遊大家就能看到一整列無法努力工作的風車。

9. 風機葉片高速旋轉產生之噪音及影子,影響附近居民生活情緒與健康問題。

10. 風力發電之不穩定性主要是因為風力難以預測,風力發電裝置容量愈多對電網之衝擊愈大。( 美國 德州 Wed Feb 27, 2008 8:11pm EST Loss of wind causes Texas power grid emergency)

11.風機維修之關鍵技術掌握於原廠且因目前全球搶建風機,致原廠技師調度困難及備品採購補充困難,風機故障時待料時間長。

12.雷擊、高塩害、高飘沙致使風機電子零件故障率高。

13.葉片不耐高速旋轉疲勞損毀導致公安事件之風險。(撥風機葉片事故照片)

  我們台灣某大電力公司之風力發電機在96年8月至97年 7月實際發電之狀況,以其總發電量除以(/)總裝置量,我們可以獲得此裝置之總效能。 這些數據將提供我們更具意義的分析。

  有那麼多的風力、海浪、潮汐、太陽能…………..等等多樣的綠能發電系統都在出色的發展中,但是它們都有一個共同無法克服的問題—即是無法克服大自然的律動,所以截至目前為止,尚無一套系統能有效取代石化發電系統。

  雖然目前的風電系統發電量不大,看來又有那麼多的缺點及潛在風險,但是今年歐盟更決定投入50億歐元,做更積極的作為,美國總統 OBAMA 3/19/2009 發佈計畫未來每年更增加投資15億美元於風能及太陽能產業,在5/23日北京風力發電研討會的內容更說明了風力發電已然成為綠色能源的主流。

  但是我們也發現風力發電系統業者至今仍無法有效的駕馭大自然的腳步,當風太大,或風太小,乃至於瞬間無風時,此系統的應變能力對於電網的衝擊、高科技產業的製程傷害、民生用電的不穩定特性,仍是風電業者及國家能源發展決策者不可忽視的課題。

  我們同意風是最重要的綠色能來源,一如世界先進國家的看法。但讓我們來看看風電系統是否可有改進的地方,也許你想看到有什麼不同的內涵,或者說我們希望能怎麼改善會比較貼近市場未來的需求。

  我們剛剛看到的許多目前仍在發展中的風力發電系統都無可避免的面臨大自然的限制,而且至今尚無法有效改善的問題,就是,當無風或風速低於4m/sec的時候所有系統皆會停擺,無論是在海上、平面陸地或是山上,且當風速大於25m/sec絕大部分水平軸向風電機都要停機。

  所以答案呼之欲出,我們不能告訴業主或政府,我們會做不一樣的系統,但是工作區間、功能、效率與水平軸式風力發電幾乎一樣,或許在建造成本上每千瓦設備造價可以明顯降低,但即使如此使用者還是會考量使用時的維修及保養成本。

  因此全新的視野加上絕妙、創新的方法,亦需符合成本效益且相對較原來的運做模式更經濟實用,如此才有利於廣為推廣。

  我必需說明的是一切自然能的轉換都必需符合地球物理的定律,能量不會無中生有,總能也不會由小變大,凡是能量轉換必有功率的損失。 不同概念的功能設備是不可能以傳統風力發電機同樣的建構成本取得,這一點我們並不難理解。

  我們有理由、有證據相信此另類風機傳動機構可以比目前之水平風機在同一段時間軸上、同一軸向風面上取得2~2.5倍之動力,換句話說,即使傳動軸後之聯結發電機構類似,理論上我們可能可以得到較目前風機1.5~2倍以上之發電量(扣除損耗)。

  在此基礎上經過機件材料強度改善、實驗修正的努力、系統效率之改進提升後,使投資者取得2倍於傳統風能之投資價值是可以期待的。   聽起來是有點不可思議,但任何創新的方法不但要符合成本效益且要相對經濟實用。 我們相信平實的科技不能憑空創造(create)更多的能源,但適當的配置確能合理轉換風能,在等待神乎其技的高科技表現之前,在風力發電這個議題上,我們看到一大段值得努力的空間。

  世界科技近200年的演進,在機械、電機、流體力學的應用上有著很紮實的基礎,在風場應用的領域上,我們應投入更多的研發經費、人才,打造屬於台灣自己的另類風能技術,及優於傳統風力的投資報酬率,透過本土機械、電機、材料科學等人才組成R&D的核心競爭中心,開發風場多樣的應用技術,進而推廣於全世界,不讓歐美各國專美於前。

  而在數理的推論上顯示另類的風力發電驅動模式,在發電成效及相對穩定的特性上具有高度正面之義意。 也就是說我們除了可以同樣的設備壽命、同樣的資金規模,開發出更多、更穩定的能源。而且是開發出屬於台灣的 Know How,台灣 style 的風能產業。

  在美國一個新材料團隊往往花了數年的時間,才完成該新材料理論的推論,再加上數年才有機會推出市場。當然,那是所謂的高科技。

   而風就在我們國土上,人才也在我們國家裡,我們可用新材料,運用所學之基礎科學,加上國家政策支持、障礙排除、財務支援,我們即可向此優於傳統風電的系統邁向成功的第一階段------以近乎同樣的設備投資額獲取 1.5~2倍的電力及同步取得它項能源。

  面對環境長期生存發展之風險日愈明顯的世代,要找出正確的策略並不容易,影響的因素亦非常複雜,而略策就是解決風險影響的藝術。

(曾經在Discovery頻道--強者為王節目裡,有3種鳥分別用3種不同的方法來捕捉同一種目標--------魚。

  借此可說明捕捉風能技術雖不同,而其目的卻是相同-------捕捉最大之風能。

   而取得數據之比較及風能轉換多樣之應用價值,可協助來說明應用傳統風車之空氣動力學所產生之風力發電於未來並不是唯一最佳選項。