2002/08/05
經濟部能源局
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▓撰文：陳芃
在跨入21世紀的同時，全球風力發電的裝機容量達到1,850萬瓩，已達我國平均電力負載的三分之二左右，昭示著風力發電的蓬勃前景，風力機的設計與製造更成為明星產業之一。新一代的風力機發電效能較昔日有倍數的提升，在政府積極推動再生能源發電的同時，國人有必要對風力機有更進一步的瞭解。
人類使用風力的歷史相當悠久，在利用風能的工具上，風車是最令人熟悉不過的。以往，風車提供的動力是農產品加工、汲水灌溉的好幫手；今日，風車主要的用途轉變成綠色電力的製造者，提供無污染、不須使用燃料的發電方式。今昔之間，風車扮演的角色不同，但是旋轉葉片提供動力的概念依然未曾改變。
風力發電所使用的風力機，其實就是風車與發電系統的結合。在外型上，風力機看起來比傳統風車更流線、更簡潔；在實際運用上，現代風力機強調符合流體力學與低耗損的設計，也使得能源轉換效率達到更理想的境界。
百變造型，其來有因
一般來說，風力的運用可分為純粹利用風阻與空氣動力升力兩種型態。純粹利用風阻的型態多出現於老式風車，僅利用葉片對風的阻力，推動葉片以產生動力，效率自然不高，同時受到多方面的限制（風向、風力大小），現今已經甚少使用。目前，風力發電的風力機幾乎都利用空氣動力學的上升力原理，對於機組的葉片均經過最適化設計，可以達到最大的轉葉效率。
發電用的風力機必須能在固定轉速下運作，方能穩定有效的提供電力，而這也是風力發電廠的必要條件，因此風力機的葉片與動力輸出多被設計成可調整的型式，在某些機組中尚有平衡各葉片間負載的設計。
風力機設計的良窳與否攸關發電效率，而螺旋槳的設計也依使用目的而各有不同：低速型風車所需葉片數多，扭矩較大；高速型風車轉速快，所需葉片較少。常見風力機的機螺旋槳多為兩片或是三片扇葉，就是因為其發電效率較高；但是就另一方面來說，發電效率好的雙葉式風力機，就必須以其他方式克服結構易受到震動的困難點。
尺寸大小，各有不同
談到發電量，風力機的單機發電能力可由20瓩的迷你型一直到2,000瓩的巨無霸，但目前廣泛受到利用的仍是600至1,000瓩左右的機種，如國內台塑麥寮的660瓩機組、澎湖中屯的600瓩機組等。不過因為技術的進步，風力機有漸趨大型化的趨勢，國內目前亦已有單機發電量1,000瓩以上的機組在規劃之中。
發電量越大的風力機，體積也越龐大。根據立方定律（law of the cubic），風力產生的動力與葉片長度平方成正比，與風速立方成正比，即風速增加一倍，風力增加為八倍。由此可知，除了葉片的幾何形狀需要做最適化設計外，大小也是一項重點。
以我國澎湖的中屯風力示範機組來看，葉片直徑43.7公尺，總高度約46公尺，最大輸出為600瓩；美國夏威夷Kahuku的風力機組，葉片直徑約為97.5公尺，總高度58.5公尺，最大輸出可以達到3,000瓩以上，其葉片尺寸已達到中屯機組的兩倍以上。
整體規劃，時地制宜
當然，風力機不是越大越好，而是需要因時地而制宜的。風力發電的設置需要考量整體的環境狀況，包括：風量、場地、環保、安全等因素，而這些因素，也常影響風力機的設計以及風力電廠的規劃。
風力發電廠屬於「眾志成城」的形態，也就是需要相當密度的機組合力提供電力，然而風力機由於尾流擴散的原因，機組建置的方式顯得格外重要，方能達到儘量利用風能；另一方面，新型的風力機除朝發出更大能量的方向努力外，在內部設計上也希望儘量的降低機件運轉所產生的摩擦力，致使風能的功率受損。在中屯示範風力機組上，採用的就是無齒輪箱以降低阻力的設計。
因為運作時有隱藏的危險性，所以安全是風力機除了高效率要求外的一大重點。風力機的設計標準，一般均可承受該裝置地區百年內所出現的最高風速以上，如中屯機組的耐風速就為每秒65公尺，相當於17級風以上。同時，風力機運轉時的聲音可能對於環境造成影響，故降低噪音也成為風力機改良的重點之一。
新興產業，前景可期
由於自70年代起就致力推行風力發電，丹麥的風力機技術目前執世界之牛耳，而德國這個世界風力發電量最大的國家，其風力機的技術與市場佔有率亦緊追在丹麥之後。除此之外，美國、日本、歐洲各國也都有眾多的廠商投注於風力機的開發工作。
目前全球風電的發展可說是「風起雲湧」，風力機的相關產業自然水漲船高，掌握技術領先也為上述國家帶來了豐厚的獲利。我國部份地區極具風力發電的潛能，政府亦積極推動使用再生能源的政策，也許在不久的將來，遍佈的風車景象將成為國內景觀的新指標。