風能之應用

前言:

        人類利用風能的歷史非常早。遠在公元前,即已發明利用風力轉動風車的裝置,在十八、九世紀曾盛及一時。工業革命後,因石油、煤等大量開採及電力的普及而逐漸沒落。近一、二十年來,能源危機逐漸凸顯,於是風力能又再度受到重視,歐美先進國家無不積極研究與利用。尤其科技進步,現代風力機與已往的風車,無論是性能、構造及發電效益上均有長足的進步。目前風力機的銷售額已達每年五億美金以上,全世界總裝置容量近二百萬仟瓦;年發電量約達32億度,相當於35萬公秉油當量,可減低傳統能源的依賴,預計未來市場仍將持續穩定成長。台灣為一海島,自產化石能源貧乏,但由於位處東北季風帶上,頗具風能潛力,在能源缺乏及污染問題困擾之際,如何有效利用此一自然乾淨的自然能源,實係一迫切需要之課題。

說明:

        利用風能的途徑與方法風能的優點是無污染,且不虞匱乏。但風力並非持續不斷,且有不穩定與間歇性的缺點。故欲有效利用風能,可採三種方式:

1)間斷式使用:如抽水灌溉,水產養殖,居民、牲畜用水。使用動力不必持續穩定,偶有間斷亦無妨。

2)儲存式使用:如利用電池、飛輪、抽蓄等儲能方式,將動力貯存,以供無風時使用。

3)並聯式使用:可將風力機與水力、火力發電係統並聯配合,風小或無風 時以水力或火力立即補充,使電力供應穩定持續。

原理:

        風力發電機主要是藉著空氣流動(即風)轉動葉片以擷取風的動能,進而轉換成有用的機械能或電能。葉片轉子受風吹而轉動,係源於氣動力的作用(包括升力及阻力)對葉片產生轉動扭矩。一般而言,風力發電機無法利用全部之風能。理論上,葉片氣動轉換之極限效率為59.3%。大多數葉片的轉換效率約在30%~45%之間,經由機電轉換之後,風力發電機的輸出效率約在20%~40%之間。風力發電機性能較佳者首推兩葉片及三葉片水平軸高轉速翼型風力發電機。而美國多葉片及荷蘭式風車則效率較低。

  風力發電機在風速達到「啟動風速」時才開始發電,風速超出額定值時,風率轉速雖升高,但其發且功率不變,直到風速高達「截止風速」時,風車會自動停止,以保護整個系統。

未來展望:

            在減低污染的效益上,風力發電不會製造SOX NOX 及懸浮微粒等污染,能保護地區性空氣、水及土壤的品質。風能也不會產生引起溫室效應的CO2CH4CON2O等問題,幫助減緩全球性的氣候暖化。以最重要的溫室氣體CO2而言,風能每度電僅產生約7.8公克的CO2,遠低於燃煤、油、天然氣所製造的CO2量,如圖二所示。風力發電所取代的主要是中載電廠,取代的乃是製造最多CO2污染的燃煤電廠。在此情形下,風力發電每發一度電將減少約980公克的CO2 排放,將發電轉型為風力發電將大大的降低台灣的CO2 污染。相較之下,低污染的風力發電也不會製造核能發電所產生上萬年核廢料難以處理的問題。地方上所生產的風能也避免石油、核廢料運輸過程中發生意外事件的污染風險。