風力發電機恨天高,要再突破高度面臨技術瓶頸

發佈日期: 2019 年 09 月 16 日 14:09 | 作者: | 分類: 產業資訊

風能從過去的昂貴形象,到如今成為最便宜能源選項,以美國來說,陸上風能已經是最便宜的能源來源,這樣巨大的轉變,主要推動力是風機規模的提升,更高更大的風機更能有效率的擷取更高空更穩定的風力,提升發電效率也同時提升容量因數(capacity factor),不過,如今已經恨天高的風機,要再繼續往上突破高度,已經面臨技術上的瓶頸。

根據美國風能協會(American Wind Energy Association,AWEA)資料,自 2000 年到 2018 年,美國電網規模的風機,平均高度從 58 公尺大幅成長到 88 公尺,平均扇葉直徑從 48 公尺成長到 116 公尺,可以看出風機規模的快速成長,而風機之所以如此急著長高長大,有很基本的原因。

據美國國家可再生能源實驗室(National Renewable Energy Laboratory,NREL)於 2019 年 5 月發表的報告《提升風機塔高:機會與挑戰》(Increasing Wind Turbine Tower Heights: Opportunities and Challenges),當塔高從 80 公尺提升到 110 公尺時,風機所接觸到的年平均風速,提升每秒 0.5~1 公尺速度;當塔高進一步從 80 公尺提升到 160 公尺時,風機所接觸到的年平均風速,提升每秒 1~1.5 公尺。

更高的風速,更穩定的風,讓更高的風機能享有更好的容量因數,報稿指出,當風機塔高從 80 公尺提升到 110 公尺時,風機的容量因數可提升 2~4%,當風機塔高從 110 公尺提升到 140 公尺時,容量因數可再提升 2~4%,當風機塔高進一步從 140 公尺提升到 160 公尺,容量因數還可再提高 1%。

容量因數即風機實際發電量,除以名目發電容量乘上發電時間的理論最大發電量,所得的比例,容量因數越高,代表風機實際上發出來的電越多,相對於建置成本,每度電的均化成本也就越低。研究顯示,在風力資源屬於邊緣的區域,塔高 110 公尺與 140 公尺的風機發電效果最好。

另一方面,高塔身搭配大扇葉(更大扇葉風機有更大名目發電容量)也有優勢,研究發現,4.5 百萬瓦風機,搭配 140 公尺高塔身,發電效率提升程度比 3 百萬瓦風機更佳。搭配高塔高與大扇葉,研究認為,以 80、110、140、160 公尺高塔身相比較,在美國 70~90% 的風場地點,160 公尺塔高的風機都將有最高效率。也就是說,就理論上而言,風機至少還有成長到 160 公尺塔高的趨勢,但是,要成長到如此高度,將需要塔身技術的突破。

需要新的建造高塔技術

據美國風能協會統計,目前美國風力資源最佳的區域,大多仍以 80 公尺塔高為主流,風力資源較差的區域,則使用 90 公尺以上塔高,目前美國全國共有 113 處風力發電場,總計 6,800 座風機塔高在 90 到 110 公尺之間,未來還將有總計名目發電容量超過 5 吉瓦的 31 處風場開發計畫預計使用 90 到 110 公尺之間塔高。目前超過 110 公尺塔高的陸上風機在美國還是少數,至 2019 年上半年,全美僅有 19 座 110 公尺以上塔高的風機。

美國風能協會認為,談到 110 公尺以上,甚至 140、160 公尺塔高,絕對是未來式,當打造如此高的塔身時,目前主流的鋼造風塔將不再合用,必須打造全新的高塔技術,要建造越高的風塔,不僅在結構設計強度上是相當的挑戰,如何才能夠堅固又不會重量太重,使得風塔重量本身成為自己的結構負擔?目前產業界發展的方式有鋼捲管法(rolled tubular steel)、混凝土技術以及鋼柵結構(lattice steel),或是以上 3 種的混合技術,到目前為止,其中還沒有明顯勝出的技術。

此外,對物流能力也是相當相當的考驗,目前主流的興建方式,將風塔組件在工廠先完成,載運至現地組裝,隨著塔身越高,組件體積重量更大、數量更多,這種做法可能不再划算,而可能是現地直接製造較具優勢。例如,混凝土技術可發展現地積層製造,也就是所謂混凝土 3D 列印,而不是目前主流的先完成預鑄混凝土再運到現地。

雖然越高處的風力越好,但要打造越高的風機,對塔身結構以及建造方式上也是越大的挑戰,但無論如何,在經濟誘因下,產業界終究會找出打造更高塔身的辦法,直到更高空的風力資源的經濟誘因,不足以抵銷塔身增高的成本為止。

(合作媒體:科技新報。首圖來源:Unsplash

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