風能

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可再生能源
Wind turbine

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主題可再生能源主題

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。
中國新疆的風力發電場,由天山電力公司建造。

風能是因空氣流動而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。全世界以風力產生的電力在2008年共約2192億度,當年風力供應電力佔全世界用電量的1%,在2014年時全球風力發電量已增長到佔總用電量3%。風能雖然對大多數國家而言還不是主要的能源,但在2000年到2014年之間已經成長了二十四倍。

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、分布廣泛、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,交通不便的偏遠山區,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三次方成正比。風吹過風機渦輪(Wind turbine)而使得風速減弱,這也限制了渦輪可提取的能量。1919年,德國物理學家貝茲(Betz, 1885-1968)認為,不管如何設計渦輪,風機最多只能提取風中59%的能量,此稱為貝茲極限定律(Betz limit)。現今正在運作的渦輪所能達到的極限約為35%。[3]大多數風機實際效率範圍從5%到25%。風力發電機又可分為水平軸風力發電機垂直軸風力發電機,垂直軸風力發電機又分為幾種,譬如Darrieus風機或Gorlov風機。

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(Rayleigh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。

因為自然界中的風速常變化,並且給定地點所得的潛勢風能(Potential wind energy)並不代表風力發電機在該處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,必須使用風速機率分布函數來分析該地的風速歷史數據。風力發電最常用的風速機率函數為韋伯分布[[(Weibull distribution)],可較準確地反映在各個地點每小時的風速機率分布。韋伯分布中形狀參數k = 2時便是萊利分布(Rayleigh distribution),萊利分布的另一參數可由平均風速來換算,因此萊利分布常被作為一個較粗略但更簡單的機率模型。

因為地表附近,高度愈高,風速愈大。而風能是與風速的三次方成所正比,所以風機高度愈高,發電量愈多,因此現今有許多風機的高度都超過100 m。

因為自然界中的風速並不穩定,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。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,風力發電量將要占歐洲共體(歐盟)電占全國總電力的30%左右。

風力發電廠[編輯]

風力發電廠(wind farm)是在同一地點的一群風力發動機用來產生電力。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。
  • 風力發電機隨時可以卸載,增加電網穩定性。

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。
  • 大型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]

風力發電自80年代開始受到歐美各國重視以來,至今全球風力發電量每年快速成長。

全球風力裝置容量
全球風電 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009
裝置量(MW) 17,934 24,835 31,866 39,878 47,935 59,186 74,089 94,091 121,797 160,139
發電量(GWh) 29,480 38,484 53,019 63,396 85,552 104,305 133,145 170,607 219,159 277,839
佔全球發電量比 0.19% 0.25% 0.33% 0.38% 0.49% 0.57% 0.70% 0.86% 1.08% 1.38%
全球風電 2010 2011 2012 2013 2014 2015
裝置量(MW) 197,736 238,997 284,646 320,944 372,961
發電量(GWh) 343,364 436,480 525,141 640,709 706,174
佔全球發電量比 1.60% 1.97% 2.32% 2.76% 3.00% [5]
全球風力發電裝置量前十國(2015年)[6]
國家 風電裝置量

百萬瓦(MW)

 中華人民共和國 145,362
 美國 74,471
 德國 44,947
 印度 25,088
 西班牙 23,025
 英國 13,603
 加拿大 11,205
 法國 10,358
 義大利 8,958
 巴西 8,715
歐盟風力發電量前十國(2015年)[7]
國家 風電發電量

百萬千瓦時(GWh)

 德國 87,975
 西班牙 48,380
 英國 38,010
 法國 21,100
 瑞典 16,500
 義大利 14,589
 丹麥 14,100
 葡萄牙 11,878
 波蘭 9,830
 荷蘭 7,237

各國政策目標[編輯]

2020年各國再生能源佔發電量比例之目標[8]

國家 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%
臺灣 臺灣 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[9]

  • 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。

參考文獻[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 (PDF). Journal of Energy Resources Technology. December 2001, 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. ^ BP: Statistical Review of World Energy 2015
  6. ^ 來源 Global Wind Energy Council:Global Wind Report 2015 PDF}}
  7. ^ Observ'ER Wind energy barometer 2016. 
  8. ^ Renewables 2010 Global Status Report
  9. ^ 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]