2008/04/05
經濟部能源局
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▓撰文：翁鳳英
人類在社會化高度發展的時代裡，享受日新月異的科技所帶來的便利和舒適，例如只要在開關上輕輕一按，電燈即亮，彷如白晝，這樣簡單的動作，應該是以前農業社會裡只能點著油燈的人們所想像不到的。
也許讀友在打開水龍頭即有水，開啟按鈕即有電的世界中，很難想像沒有水和電的生活。事實上，全世界有20億人口生活在沒有電的環境，而這只計算開發中國家的鄉村，還不包括其他不為人知的地方。在歐洲，也有200萬人生活在輸電網以外的地區，像是小島或其他山區。
記得2006年初，因為氣候異常的因素，導致德國西南部大停電，向來就注重水電穩定供應的德國，二戰之後頭一遭的大斷電引發社會的高度關注，也凸顯集中供電的缺點，以及區域分散供電的必要性。尤其是地理形勢較為特殊，一般配電網路無法到達的地區，小型區域供電站成為最理想的選擇。
德國小型風機開發計畫
在歐洲，一般配電網路無法到達的地區，多以柴油發電機為主要結構的分散型系統來供電。以往結合數個小型系統來供電的作法，因其系統擴建有其困難性，但現在有更多獨立型交流電系統（AC）配電網提供可能性和選擇，不論是以柴油發電機、太陽能光電板、水力發電或風機所產生的電能，都可以進入在地區的配電網路中。
這類獨立配電網路可以依需求和經濟能力許可來擴充或連結，近年來科學家已密集投入研究其技術和設備，目標為開發出混合型小型獨立發電站，供應小區域用電。
由德國聯邦環境、自然保護與核能安全部（Federal Ministry of Environment, Preservation of Nature and Nuclear Safety, BMU）所支持的小型風力發電機開發計畫，其裝置容量為5瓩，已可使用在獨立小型區域發電站中。
像這類小型風機具有重量輕、容易取得、故障率低、輸出電量極佳化，因而建造成本低，可以使用在偏遠的地區或也可抵擋較極端的天候狀況。它的配件也以節省成本並達到最佳效能為最大目標，其中扇葉和發電機是造價最昂貴的部分。
供應與需求
要確認哪些國家沒有足夠的電力供應並不難，然而哪些地點才是設置分散型電力系統的理想地方卻需要考慮幾個因素，例如：基礎設施、氣候和經濟能力等。以小型自主系統來供電的想法已有若干可靠的市場分析，分析報告主要的目標在於，決定那些國家適合使用前述裝置容量為5瓩的風機，目前所鎖定的國家包括：美國、印度、澳洲、英國和中國大陸。 該報告不僅將人口分布情形、國民生產毛額和風力狀況列入考量，還將這些國家國內適合行銷小型風機，和執行分散型電力能源供應計畫的市場結構也納入研究範疇之內。
很多小型風機都能輸出幾瓩的電力，而且目前為止都只是小量生產。這種大小特別的風機因小量生產，因而價格常是一般標準風機的2～3倍，在很多情形下，它的電力設備也無法直接連接至現代混合電力系統提供分散需求。
以目前的科技水準來說，也可以在具極端天氣狀況的地點裝置小型風機，但是機械必須嚴格符合國際IEC 61400標準。以下條列小型風機的開發計畫技術要求，包括：
一、最大承受風速為每秒65公尺；
二、發電機轉子的轉速低，因而所產生的噪音也低；
三、機械外殼必須高度防潮蝕和防沙蝕；
四、運作溫度範圍為-25～50°C之間；
五、適合不同伏特數的配電系統，如：三相式發電機（400V╱50Hz）和單相式發電機（240V╱60Hz）；
六、可用人力安裝並不需要太多的技術支援；
七、機械安全度高；
八、不需要特別技術知識即能運作；
九、可靠性高；
十、機械壽命長，且不需要常常維修。
十一、低運轉噪音。
系統設計：多一點不如少一點
設計前述風機的最大挑戰在於增加機械本身的可靠度並減少維修機會，為達到此目標，以電子設備零件取代以往容易發生故障的機械組件，配有特殊轉子設備的小型風機即能自動偵測風速，不需要再安裝風速過強時關閉風機的控制器。由於該小型風機常被安裝於偏遠山區或海邊，因此要特別注重機身的防潮、防沙與防海風腐蝕的特點。發電機艙的重量也要注意，不宜太重，強調容易搬運與安裝。
小型風機的扇葉材質為射出成型的強化塑膠玻璃纖維（Extruded Glass Fibre Reinforced Plastic, GFRP），此類材質不易發生機械疲勞，抗磨損並有極佳的抗紫外線功能。雖然扇葉設計很簡單，但適中的長度可防止扭曲變形，而能達成發電高效率。
如前所述，風機的扇葉能承受的風速高達每秒65公尺，也就是說在強烈颳風的情形下，仍能運轉正常，其原因在於扇葉具有彈性不易折斷，因此在每秒65公尺的情形下，扇葉彈性作用使扇葉有效半徑減少至67％並降低空氣阻力，使風機能夠運作如常。
彈性的連接系統
小型風機可與不同的配電系統連接，它可以與市電網路併聯，也可藉電池換流器自成獨立的配電網路。在美國適用的三相式發電機（400V╱50Hz）和單相式發電機（240V╱60Hz），它們的控管裝置外包以獨立的鑄鋁，因此具有相當良好的防護作用；除此之外，它也位於機座的下方，可方便人們藉資料介面收集資料並重設參數，也可用電話線或GSM數據交換機來遙控。
另外，若要和混合型發電系統配合使用，目前也有可調整式載量裝置，可以在獨立配電系統中將多餘的電力放出。控管裝置可以偵測到所有系統的運作狀態並啟動適合的應變措施。感應監測器也隨時確保機械運作安全，安全裝置仍包括防調速開關、震動感應器和溫度感應器等。
測試計畫開始
自2004年春天開始，德國結合產業界和學術界著手進行小型風機的測試計畫，選定的地點為Kaiser-Wilhelm-Koog和Alte Schanze兩地，前者的系統與市電網路併聯，後者則為獨立型配電網路。
在Kaiser-Wilhelm-Koog的測試主要在於風機的啟動系統、與市電網路的自動連接和中斷以及發電機組的開關等，另外發電機艙的安排位置也被特別地研究，因為若機座和機艙隨著風擺動（Yawing），則不能適度地發揮發電的功能。
在Alte Schanze的獨立型發電系統則是位於海平面400公尺以上的地區，雖然風速沒有海岸強，但卻有較明顯的亂流。設備本身為結合各2.6瓩的太陽能光電板和小型風機之「風光互補」，不與市電線路連接，採自行發電，另也配有一個柴油發電機供備用。
若是太陽能光電板和風機發電量太大，而電池本身也已充滿電，則熱電偶開關接通可以增加用戶端的供應。該測試計畫主要目標在於研究發電機組與電池AC╱DC交直流轉換器之間的配合運作，也在不同的運作情形下，觀察伏特、電流和頻率的變化。風機的轉子扭力和輸出，塔座和扇葉對風速的變化也列入考量範圍中。
「aeroSmart5」計畫
由Kaiser-Wilhelm-Koog和Alte Schanze兩地所獲得的測試資料結果非常令人振奮，因此已有小量生產的機型於全球國家中的特定地點運轉，而選定的地點都有特殊的天候狀況，如：高風速、溫差大、濕度高、多沙塵且空氣中含鹽量高等。
這些地區包括：希臘亞素山（Mount Athos╱獨立配電網路）、馬達加斯加島撒哈西佛塔（Madagascar, Sahasifotra╱獨立配電網路）、法國的La Baume走廊（La Baume Transit╱與市電網路併聯）、愛爾蘭克利半島（Cape Clear╱與市電網路併聯）、德國歐而山（Ore Mountains╱獨立配電網路）、德國歌亭根（Goettingen╱獨立配電網路）、西班牙田納里夫（Tenerife╱與市電網路併聯）等。
目前這些機組都已在測試中，期望測試時間為1年，所收集到的測試結果將做為生產機組重要的參考，該計畫以「aeroSmart5」命名，機組將在2008年中旬交貨，正式進入運轉。
值得注意的是，該小型風機原本的設計目標在於供應小電量需求的客戶，若客戶有較大的需求，也可併聯數個風機組來滿足需求。在這樣的思維下，也許裝置容量10瓩的發電機比5瓩的發電機更具經濟效益，因此目前也正著手進行裝置容量10瓩的發電機測試。（作者為本刊駐德國特約記者╱有興趣的讀友可逕行上網查詢：www.aerosmart.de）