風力發電的機會與挑戰

撰文／吳彥儒 （台灣經濟研究院助理研究員）

人類很早就知道如何利用風力的能量，遠在西元紀元前就懂得利用風能作為帆船的動力來源，或將風能轉換為機械能用來磨碎穀物或灌溉，但數千年來風能技術發展緩慢，直至20 世紀因環保課題，人們才重新重視風能資源，並廣泛應用於發電，以取代傳統的化石能源。

風能分布廣泛，蘊藏量巨大，若善加規劃利用，即可作為便宜可靠的電力來源，用風力來發電已成為各國推廣再生能源的重點項目，如何從國際發展脈絡找尋成功經驗，是我國未來擴大風能利用的重要關鍵。

風力發電的起源

在中世紀的歐洲，風力一直扮演重要的動力來源， 但直到1887 年才由美國的查爾斯‧弗朗西斯‧柏許（Charles Francis Brush）製造出世上第一座發電用的風車，該風車以雪松木製成144個葉片，其葉片直徑達17公尺，發電裝置容量為12瓩，可惜該風車雖能運轉，但其發電效率仍相當低。後來經過丹麥氣象學家保羅‧拉‧庫爾（Paul La Cour）加以改良，發現減少葉片將有助於提高發電機的葉片轉速，使發電效率提升，並於1897年完成兩座風力發電機測試，自此風能開始廣泛應用於發電用途。

雖然風力發電機在19世紀末已完成初步雛形，但是技術發展或是設置的情形也相當有限，尤其目前主流的百萬瓦（MW）等級大型風力發電機，更是間隔了一個世紀後才問世，1995年9 月丹麥NEG Micon 公司首次於丹麥埃斯比約市（Esbjerg）的西部設置裝置容量1,500 kW之風力發電機。自1998年起，百萬瓦級風力發電機市場開始起飛，各國的風力發電市場趨勢已明確朝向大型化的機組規格，同時，百萬瓦等級的風力發電機亦是未來離岸風場最理想的選擇，能更有效的利用風力資源。

發展風力發電可增加能源自主率

風力發電是潔淨無汙染的再生能源，除無須依賴燃料外，也不會產生空氣污染或輻射問題，是兼具環境保護與提升國家能源自主的重要資源。此外，近年來大型風力發電技術進步快速，其單位發電成本比太陽光電、地熱發電等再生能源都要便宜，目前部分大型風力發電單位成本甚至比若干化石燃料發電更為低廉，顯示風力發電不僅環保，而且還相當具有經濟效益。

風機產業是製造業的新活水

風力發電機從基座、塔架、發電機、葉片一直到電纜與變電設施，每一項都需要不同的工業技術參與或支援，一座風力發電機的完整生命週期裡，從金融服務、各部件的製造、施工裝設、營運維護到機組除役回收，每個環節都可創造嶄新的商機，風力發電的興起也同步刺激許多產業一併進行技術與服務升級，並挹注鋼鐵、電線電纜、機械、重電工程、化工材料、土木工程等產業投入相關開發所需要的資金，故風力發電之產業發展可替產業注入新的活水，創造倍數的經濟產值。

此外，風力發電機在迎風吹拂時，葉片旋槳會以規律的節奏整齊轉動，一字排開的大量風力機不僅壯觀且饒富趣味，亦能吸引遊客目光，成為熱門景點，進而帶動觀光商機。

國際風力發電發展現況

根據21 世紀再生能源政策網（REN21）今年度全球再生能源現況報告指出，截至2014年底全球風力發電設置量最大的國家是中國大陸，總裝置容量高達114.6 GW，其次依序是美國、德國、西班牙及印度，而中國同時也是2014年在風力發電投資最多金額且新增設置量最多的國家，將一大堆再生能源發展先進國家遠遠拋在後頭，穩坐全球風力發電第一名的寶座。但如果以人口數平均來看，人均總設置量最多的國家是丹麥，其後依次為瑞典、德國、西班牙及愛爾蘭，清一色是歐洲國家，中國大陸則未擠進前5名，顯示近年中國雖然在風力發電的投資上呈現快速成長，且設置量也躍居世界第一，但以人均角度觀察風力發電的普及程度時，發現歐洲仍然是居於領先地位。

離岸風力是未來發展的趨勢

觀察風力發電技術的發展趨勢，在發電機的設計上，單機裝置容量、塔架高度與葉片長度均有朝巨大化的方向發展。根據美國能源部的資料顯示，美國在2014年新安裝的風力發電機，平均單機裝置容量已超過1.9MW，相較1998 - 1999年增加約172%，在塔架高度及葉片直徑部分，2014年平均塔高為82.7 公尺，葉片直徑為99.4公尺，分別比1998—1999年增加48％及108％，這些巨大化的技術發展有助於風力發電機捕獲更多風能資源，以彌補後續開發風況場址較差之劣勢（好的風場已漸漸被開發殆盡）。另由於陸域風場終究有其開發極限，故在2000年左右，英國等歐洲國家即開始嘗試將風力發電拓展至潮間帶與近海區域，此已成為未來風力發電的發展趨勢。

至於在發電機的設計，近年則是朝向低風速設計，藉以有效利用風況次佳地區之風能，若以國際電工委員會（International Electrotechnical Commission, IEC）公布的風力發電機分級來看，美國的主流機組已經由IEC Class 2（塔高位置年平均風速8.5 公尺／ 秒）進步到IEC Class 3（塔高位置年平均風速7.5公尺／秒），且IEC Class 3的風力發電機在2014年已占新安裝機組68%。

同時以各種政策組合來推廣風力發電

由於各國所具備的風力發電工程技術與發展條件各不相同，所以對風力發電推展政策上也有極大的差異，我們可以將推廣政策或措施概略分為電能躉購制度（Feed-in Tariff, FIT）、再生能源發電配比制度（Renewable Portfolio Standard, RPS）、政府招標、優惠融資及租稅抵免，研發補助及設備補貼等不同方式，各國大多以各種政策組合鼓勵風力發電推動，藉由多管齊下的方式來達成發展目標。從彙整表中可以發現，目前風力發電推展較成功之國家均以電能躉購制度作為主要政策，並輔以其他配套措施。

電網基礎建設是未來風力發電之最重要的挑戰

中國大陸與德國在近幾年都開始面臨電網饋線容量不足的問題，產生風力發電產能過剩的狀況，故中國大陸的電網企業至今仍須以「棄風措施」—亦即降低風電併入電網的速度，以因應風力發電遠超過電網建設速度的窘境。反觀德國的因應做法，則是計畫建造總長度達1,876公里的電網高速公路，藉由將德國北部及東部利用風力所發之電力輸送到西部及南部，以為未來德國核電廠全部除役後準備。未來各國在風力發電的推展上，仍然有賴電網建設的配合，風力發電才有機會持續在電力發電結構中占有更大的比重。

各國風力發電推廣政策與措施彙整／資料來源：台灣經濟研究院–研究報告

關鍵字：風力發電,再生能源,發電效率,電網饋線