離岸風電:風機技術的未來

撰文|蘇建翰

●快速成長中的風電產業

風力發電正在蓬勃發展,這一波產業榮景預期仍會持續下去。全球風能委員會(Global Wind Energy Council, GWEC)指出,以裝置容量──即發電機組的發電能力(實際發電量會小於裝置容量)──來說,2017年全球新增了52GW [1],這個數字乍聽之下有些陌生,比較一下台灣目前的各能源加總的裝置容量為41GW [2]或許能有一些概念。

表一 全球累計風電裝置容量(資料來源: GWEC)

表一顯示了由2001年到2017年逐年全球累計風電裝置容量。目前全球的總裝置容量已經提高到539GW,且近幾年來皆以超過一成的速度持續增長,根據GWEC的估計在2022年能達到840GW的規模。

由於陸域面積的限制、鄰避效應的考量,以及海上可利用風力資源較佳,因此近年來,離岸風電逐漸吸引眾人的目光,在外海建設由風機陣列組成的風力發電場成為發展乾淨能源的選項之一。

●離岸風機的尺寸

圖一 風機尺寸示意圖 (圖片來源: 自繪)

今年(2018)四月,一座裝置容量達8.8MW的離岸風機在蘇格蘭海外高高豎起,由丹麥公司維斯塔斯(Vestas Wind System)打造。塔架高109公尺,扇葉長82公尺,塔身頂端所安置的發電機組重量為五百公噸。圖一展示了風機尺寸的示意圖。從圖上可見,在這巨無霸面前,無論體型最大的動物藍鯨或者有空中女王之稱的波音747都相對小了一號。

對於風場的營運商來說,每台風機的發電能力越高當然越好,在這般需求下,持續製造出擁有更高發電能力的風機也就理所當然成為製造商的目標。想要擁有更高發電能力的風機,直覺上的做法便是加大現有設計的尺寸。然而,考量到現有的風機已經如此巨大,倘若現行的技術沒有做出相對應的革新,在追求更大裝置容量的道路上,風機的製造很快就會遇到結構上的問題。

歐盟的風電計畫InnWind曾提出估算,如果要用現有的技術打造出20MW的風機,單單是發電機艙便會重達1100公噸,三個扇葉重為40公噸並且各自長達125公尺。為了要支撐這些部位,塔架本身需要重達1800公噸,並且伸出海面170公尺高。想要降低重量以減輕結構的負擔並使製造更為容易,則在發電機組上,勢必需要做出不同以往的設計。 

●兩種輕量化技術藍圖

發電機組主要由「轉子」和附有線圈的「定子」兩個部分組成,當風吹過風機,能量便會透過扇葉的轉動提供給轉子轉動的動能,轉子上或者附有永久磁鐵,或者附有線圈構成的電磁鐵,再透過電磁能的轉換產生電力,使定子最後能輸出電力。

要使得發電機組得以輕量化,目前有兩個方案,第一個是在機組的設計上使用超導體,第二個方案則是利用永久磁鐵,採用稱為虛擬直線驅動(Pseudo Direct Drive, PDD)的設計。

當溫度低於臨界溫度時,超導體的電流密度相當高,相對於傳統的導體如金屬銅等,在相同的尺寸下可以乘載更多的電流、產生更強的磁場進行能量轉換。反過來說,同樣的發電容量目標下,在電磁鐵中採用超導體可以減少重量。基於成本的考量,目前將超導體應用於風機的計畫多採用二硼化鎂作為材料,然而由於超導體必須運作在相當低溫的環境,因此如何維持適當的溫度,尤其又是在運補不易的離岸環境,是設計上的一大挑戰。

另一方面,由於永久磁鐵價格的遽降,搭配PDD的結構設計成為有力的競爭者。PDD主要由三層的圓柱殼體構成,外層殼體為定子,中間層的殼體連結著扇葉為轉子,轉子轉動時會帶動內外殼層上磁鐵產生的磁場交互作用,產生足以進行電磁能轉換的高速轉動。透過「懸浮」的設計,主要結構之間以空氣隙隔離,而非傳統的機械結構,因此得以減少重量,更重要的是這個設計能夠省去傳統齒輪組運作時的能量磨耗,使發電效率增加1%到2%。這效率增加看似不多,但在平均壽命預計達25年的風機上,累積可達的差異便顯得相當巨大。

●離岸風機的未來

從目前的情況看來,考量到價錢以及冷卻系統有無導致的維護問題,PDD似乎是佔了些先機,然而這兩種方案相關的研究都還在進行,僅部分進入試驗性生產測試階段,相關的技術還在不停地研發改進,離岸風機未來主流設計為何的爭論才正要開始。

 

參考資料:
[1] http://gwec.net/
[2] https://www.taipower.com.tw
[3] https://spectrum.ieee.org/green-tech/wind/the-troubled-quest-for-the-superconducting-wind-turbine

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