風能

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可再生能源
Wind turbine

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風能
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生物燃料
生物能

多座風力發電機組成風力電廠
德國一處風力發電機。從旁邊的樹可知其約略的大小。
中國甘肅的一處風力發電機

風能是因空氣流做功產生的一種可利用的能量。空氣流具有的動能稱風能。空氣流速越高,它的動能越大。用風車可以把風的動能轉化為的有用的機械能;而用風力發動機可以把風的動能轉化爲有用的電力,方法是透過傳動軸,將轉子(由以空氣動力推動的扇葉組成)的旋轉動力傳送至發電機。到2008年為止,全世界以風力產生的電力約有 94.1 百萬千瓦,供應的電力已超過全世界用量的1%。風能雖然對大多數國家而言還不是主要的能源,但在1999年到2005年之間已經成長了四倍以上。

風能是風的能量轉換成可利用的能量形式,例如使用風力渦輪機產生電力,風車產生機械動力,風泵抽水排水,或風帆推動船。在現代,渦輪葉片將氣流的機械能轉為電能而成為發電機。在中古與古代則利用風車將蒐集到的機械能用來磨碎穀物或抽水。

一間大型的風力發電廠可以由連接輸電網的數百台風力發動機組成。

風能量是豐富、可再生、分佈廣泛、不產生污染,也不會排放溫室氣體

我們把地球表面一定範圍內,經過長期測量、調查與統計得出的平均風能密度的概況稱該範圍內能利用的依據,通常以能密度線標示在地圖上。

人類利用風能的歷史可以追溯到西元前,例如帆船,但數千年來,風能技術發展緩慢,沒有引起人們足夠的重視。但自1973年第一次石油危機以來,在常規能源告急和全球生態環境惡化的雙重壓力下,風能作為新能源的一部分才重新有了長足的發展。風能作為一種無污染可再生的新能源有著巨大的發展潛力,特別是對沿海島嶼,交通不便的邊遠山區,地廣人稀的草原牧場,以及遠離電網和近期內電網還難以達到的農村、邊疆,作為解決生產和生活能源的一種可靠途徑,有著十分重要的意義。即使在發達國家,風能作為一種高效清潔的新能源也日益受到重視,比如:美國能源部就曾經調查過,單是德克薩斯州南達科他州兩州的風能密度就足以供應全美國的用電量。

2003年美國的風力發電成長就超過了所有發電機的平均成長率。自2004年起,風力發電更成為在所有新式能源中已是最便宜的了。在2001年風力能源的成本已降到20世紀6、70年代時的五分之一,而且隨著大瓦數發電機的使用,下降趨勢還會持續。[1][2]

偏遠地區經濟與觀光發展[編輯]

位於西班牙東北方Aragon的La Muela,總面積為143.5平方公里。1980年起,新任市長看好充沛的東北風資源而極力推動風力發電。近20年來,已陸續建造450座風機(額定容量為237 MW),為地方帶來豐富的利益。當地政府並藉此規劃完善的市鎮福利,吸引了許多人移居至此,短短5年內,居民已由4,000人增加到12,000人。La Muela已由不知名的荒野小鎮變成眾所皆知的觀光休閒好去處。
另法國西北方的Bouin原本以臨海所產之蚵及海鹽著名,2004年7月1日起,8座風力發電機組正式運轉,這8座風機與蚵、海鹽三項,同時成為此鎮之觀光特色,吸引大批遊客從各地湧進參觀,帶來豐沛的觀光收入。

風的能量[編輯]

估計地球所吸收的太陽能有1%到3%轉化為風能,總量相當於地球上所有植物通過光合作用吸收太陽能轉化為化學能的50到100倍。 上了高空就會發現風的能量,那兒有時速超過160公里 (100 英哩160 km/h 100 mph)的強風。這些風量最後和地表及大氣間摩擦而以各種熱能方式釋放。

風的成因[編輯]

  • 太陽照射極地赤道的不均勻使得地表的受熱不均勻。
  • 地表溫度上升的速度較海面快。
  • 大氣中同溫層如同天花板的效應加速了氣體的對流。
  • 季節的變化。
  • 科氏力

吸收風能因素[編輯]

風能可以通過風車來提取。當風吹動渦輪時,風力帶風車動繞軸旋轉,使得風能轉化爲機械能。而風能轉化量直接與空氣密度、渦輪掃過的面積和風速的平方成正比。

渦輪因需要提取能量而令風減速,這限制了渦輪的速度。1919年,德國物理學家阿爾伯特認為,不管如何設計渦輪,渦輪最多只能提取風中59%的能量。現今正在運作的渦輪所能達到的極限約為30%,此推進器類型為turbines。[3]其實際效率範圍從1%到20%,類型為渦輪機,像是一個三維垂直軸為35%的渦輪 Darrieus 或Gorlov渦輪。

2002年位於科羅拉多的李大農場設施所測風速(紅色)和產生的能量(藍色)。直方圖顯示被測量的數據,而曲線是相同的平均風速分布(Raleigh模式)。能源是風直接通過一個直徑100米的圓圈而計算的。一年通過這個圈子的總能量為15.4千兆瓦小時。

因風常變化,並且給定地點所得的數值並不代表風力發電機在那裡實際可以產生的能量。為了估計在某一特定位置的風速頻率,經常使用機率分佈函數來處理被觀察的數據。不同的地點的風速不盡相同,但韋伯分布可較準確地反映在各個地點每小時的風速分布。韋伯分布中形狀參數等於2時是瑞利分布,因此瑞利分布常被作為一個更粗略但更簡單的模型。

由於許多風能是由高風速所產生,可用的能量一大半來自瞬間的風速。所以無法像使用燃料的火力發電廠一樣,可以依照用電需求來調整發電量。

由於風速並不穩定,因此風力發電整年發電量的計算方法與其他能源不同。安裝良好的風力發電機實際的發電量可達35%,跟一般使用燃料的發電廠的渦輪機相比(1000kW的風力發電機),每年可發電量最多可到350kW。雖然風能輸出的功率是難以預測的,但每年發電量的變化應在幾個百分比之內。

因風能不能持續產生,常以抽水蓄能電站或其他方法來儲存風能以保持電力能持續供應,這大約增加25%費用。

風能利用技術的不斷革新,使這種豐富的無污染能源正重放異彩。據估計,二三十年內,風力發電量將要佔歐洲共體(歐盟)電佔全國總電力的30%左右。    風是地球上的一種現象,它是由太陽輻射熱引起。太陽照射到地球表面,地球表面各處受熱不同,產生溫差,從而引起大氣的對流運動形成風。據估計到達地球的太陽能中雖然只有大約2%轉化為風能,但其總量仍是十分可觀的。全球的風能約為2.74×109MW,其中可利用的風能為2×10^7MW,比地球上可開發利用的水能總量還要大10倍。

人類利用風能的歷史可以追溯到公元前,但數千年來,風能技術發展緩慢,沒有引起人們足夠的重視。但自1973年世界石油危機以來,在常規能源告急和全球生態環境惡化的雙重壓力下,風能作為新能源的一部分才重新有了長足的發展。風能作為一種無污染和可再生的新能源有著巨大的發展潛力,特別是對沿海島嶼,交通不便的邊遠山區,地廣人稀的草原牧場,以及遠離電網和近期內電網還難以達到的農村、邊疆,作為解決生產和生活能源的一種可靠途徑,有著十分重要的意義。即使在已開發國家,風能作為一種高效清潔的新能源也日益受到重視。

然而,風力機組的裝置將造成景觀上的嚴重破壞,也會對在空中飛行鳥類和蝙蝠類造成生命的威脅。

風力發電廠[編輯]

風力發電廠是在同一地點的一群風力渦輪機用來產生電力。一個大型風力發電廠可能包括幾百個獨立的風力渦輪機,並覆蓋數百平方英里的擴展區域,但在渦輪機之間的土地仍然可用於農業或其他用途,但是許多機種都有噪音過大的問題、因此必須遠離住家。風力發電廠既可以位於在陸地上,也可以位於在海洋上。

風能應用[編輯]

內蒙古草原上的風力發電機

風能優點[編輯]

  • 風能設施日趨進步,大量降低生產成本,是再生能源中相當具有經濟競爭力及發展潛力的;在許多情況下,風力發電成本已經足以與傳統發電相比,甚至在一些地方(如美國中西部),風力已經比燃煤發電便宜很多。
  • 風能設施多為立體化設施,在適當地點使用適當機器,對陸地和生態的破壞較低。
  • 風力發電是可再生能源,空氣污染及碳排放很少,其他環境成本也低。
  • 風力發電可以是分散式發電,沒有大型發電設施過於集中的風險。

風能缺點[編輯]

位置香港南丫島的風力發電站
  • 風力發電在生態上的問題是可能干擾鳥類,如美國堪薩斯州松雞在風車出現之後已漸漸消失[4]。目前其中一個解決方案是海上離岸發電,離岸發電成本較高但效率也高;另一個解決方案則是小型垂直風力發電,這種風力發電可以架設在自家屋頂及後院。
  • 在部分地區,風力發電的經濟性不足,許多地區的風力為間歇性,更糟糕的情況是如台灣等地於電力需求較高的夏季及白日卻是風力較少的時段。這必須要等待儲能系統的發展。
  • 風力發電需要大量土地興建風力發電場,才可以生產比較多的能源。
  • 進行風力發電時,中大型風力發電機會發出龐大的噪音,所以設立地點必須遠離住家,或使用小型低噪音機種。

風力發電的發展[編輯]

全球發展現況[編輯]

全球風力裝置容量

風力發電自80年代開始受到歐美各國重視以來,至今全球風電發電量以每年30%的驚人速度快速成長。

前十個風力發電量國家(2010年)[5]
國家 風電裝機容量(兆瓦)
 中華人民共和國 44,733
 美國 40,180
 德國 27,215
 西班牙 20,676
 印度 13,066
 義大利 5,797
 法國 5,660
 英國 5,204
 加拿大 4,008
 丹麥 3,734
前十個歐盟風力發電國家(2010年12月)[6]
國家 風電發電量(億千瓦時)
 西班牙 42,976
 德國 35,500
 英國 11,440
 法國 9,600
 葡萄牙 8,852
 丹麥 7,808
 荷蘭 3,972
 瑞典 3,500
 愛爾蘭 3,473
 希臘 2,200

各國家/地區政策目標[編輯]

2020年各國家/地區再生能源佔發電量比例之目標[7]

國家/地區 2006 現況 2020 目標
瑞典 40.0% 49%
奧地利 23.0% 34%
丹麥 17.0% 30%
法國 10.0% 23%
西班牙 8.7% 20%
德國 5.8% 18%
義大利 5.2% 17%
荷蘭 2.4% 14%
英國 1.3% 15%
台灣 1.0% 8%(2025 年)

各國鼓勵政策[編輯]

目前世界各國的可再生能源推動制度,主要可分為[8]

  • 固定電價系統(fixed-price systems):由政府制訂可再生能源優惠收購電價,由市場決定數量。其主要之方式包括:
  1. 設備補助(investment subsidies):丹麥、德國及西班牙等在風力發電發展初期,皆採行設備補助的方式。
  2. 固定收購價格(fixed feed-in tariffs):德國、丹麥西班牙
  3. 固定補貼價格(fixed-premium systems)。
  4. 稅賦抵減(tax credits):美國。
  • 固定電量系統(fixed quantity systems):又稱可再生能源配比系統(renewable-quota system,美國稱為 Renewable Portfolio Standard),由政府規定再生能源發電量,由市場決定價格。其主要之方式包括:
  1. 競比系統(tendering systems):英國、愛爾蘭及法國。
  2. 可交易綠色憑證系統(tradable green certificate systems):英國、瑞典比利時義大利日本

兩種推動制度之用意為形成保護市場,透過政府的力量讓可再生能源於電力市場上更具投資效益,而其最終目的為提升技術與降低成本,以確保可再生能源未來能於自由市場中與傳統能源競爭。

參見[編輯]

注釋[編輯]

  1. ^ Chakrabarty, Gargi. Powering up. Rocky Mountain News. March 27, 2004 [2004-04-05].  (Internet Archive version)
  2. ^ E-Letter responses to: The Real Cost of Wind Energy. Science. [2006-04-21]. 
  3. ^ Gorban, Alexander N. Limits of the Turbine Efficiency for Free Fluid Flow. Journal of Energy Resources Technology. 2001.December, 123: 311–317 [2006-04-21]. 
  4. ^ 蝴蝶效應? 風力發電恐改變氣候 YAHOO! 奇摩新聞
  5. ^ World Wind Energy Report 2010 (PDF). Report. World Wind Energy Association. February 2011 [8-August-2011]. 
  6. ^ Spain becomes the first European wind energy producer after overcoming Germany for the first time. Eolic Energy News. 31 December 2010 [14 May 2011]. 
  7. ^ Renewables 2010 Global Status Report
  8. ^ 先進國家再生能源推動制度介紹 與 先進國家發展再生能源經驗之借鏡

外部連結[編輯]