綠色能源與材料科技 (四): 風能

綠色能源與材料科技 (四): 風能

在整理完「未來材子領袖營」講稿後，意猶未盡，決定對其他比較具未來性的綠色能源現況及展望作進一步了解，涵蓋範圍包括風能、核能以及奈米發電機等。

三、風能

風能是指風所產生的能量，利用風力拉帆航行、風車來磨穀或抽水是各地人們長年習用的技術；目前主要應用為風力發電。

風力發電由於風機的改良進展，岸上風力發電已成為一種低成本的發電方式，但許多機種都有噪音過大的問題、因此必須遠離住家，且土地資源需求較高。離岸風力發電比岸上風力發電更強、更穩定，但建造和維護的成本則更高。小型的岸上風力發電廠可以作為一種微型發電，為電網提供一些電力，或是為隔離於電網之外的偏遠地區提供電力來源。

低成本的發電方式

由於風能量豐富、分佈廣泛、碳排放相較於火力發電低甚多，為許多國家積極推動的永續能源以及可再生能源技術之一。並且對比於燃燒化石燃料，風能對環境的影響較小。現今風能已為全球電力供應的主要來源之一， 世界風能協會於2021年3月發布「2021全球風能市場報告」，指出2020年陸域及離岸風電合計新增93 GW裝置容量，創下歷史新高紀錄，累積裝置容量達743 GW。由其他資料顯示2020年全球風力與太陽能發電占全球總發電量9.4%。而其中風力發電約三分之二。

2020年風電累積裝置容量

至2050年風電年增率達6.4%

估計地球所吸收的太陽能有1%到3%轉化為風能，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。1919年，德國物理學家貝茲認為，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）。現今正在運作的風力發電機所能達到的極限約為40%。大多數風力發電機實際效率範圍從20%到40%。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公尺。

貝茲定律

風能與風速的三次方成正比

許多風機的高度超過100公尺。

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佈函數來分析該地的風速歷史數據。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。

隨著地區的風力發電增加，可能需要更多像是燃氣發電可快速調整輸出的電廠來備用或穩定電網，或是需要升級電網。但在許多的狀況下，可以使用電力管理技術來解決這些問題，像是調度不同的再生能源與不同地理分佈的發電機組，向鄰近區域的進出口電源、存儲能量等方法。此外天氣預報可以為風力發電可能的變化做準備，進而減少須要的備用發電容量。舉例來說，丹麥全年風力發電占總發電量 43%，但某些日子發電量較本身所需高出達 40%，得以利用先進電網將電力出口到鄰近國家如德國、挪威與瑞典。

丹麥風電可達所需140%

世界風能協會報告中預期風能市場未來前景仍強勁，在未來5年內(2021-2025) 預計複合年均增長率為4.0％，每年將增加超過94 GW，共超過469 GW的新裝置容量，此外，政府政策支持(例如躉購制度、生產稅收抵免、競標專案以及國家或州級設定之再生能源目標等) 仍然是風能裝置容量成長的主要驅動力。

未來5年預計複合年均增長率為4.0％

根據美國國家可再生能源實驗室，風力渦輪機主要由鋼製成（佔渦輪機總質量的 66-79%）；玻璃纖維、樹脂或塑料（11-16%）；鐵或鑄鐵（5-17%）；銅（1%）；和鋁（0-2%）。而主要挑戰在葉片材料，目前多用玻璃纖維強化樹脂；對超長葉片，需用碳纖維強化樹脂，但較格高昂影響成本效益，某些較長葉片則採用混合玻璃纖維與碳纖維強化樹脂，兼具所須機械性質與經濟性。另一方面，對於廢棄葉片，尤其是纖維強化樹脂，的符合永續經營原則處理，是材料科技可以發揮的地方。

風力渦輪機葉片構造

80米長葉片安裝前