到大海深處找風去

撰文|蘇建翰

●風中電力如何來

除了太陽能發電以外,無論是火力、水力發電,或者是核能,常見的發電方式基本上都脫不了

從外部獲取動能推動渦輪,進而帶動發電機轉動產生電力的方式,這在風力發電上尤為外顯可見,扇葉轉呀轉的,風機中的發電機便是透過扇葉的轉動吸收風裡的動能轉換成我們可以使用的電能。

圖一 在理想無損耗的情況下,通過風機前後的功率。藍色為空氣夾帶的動能,和風速成正相關,紅色則為經由風機吸收轉換的電能(來源: 作者自繪)

根據貝茲極限定律,在極為簡化的模型中,即使在最理想的情況下,風機可以產生的最大電力約為六成通過風機前空氣動能[1]。由於空氣動能與風速成正相關,如果效率固定為六成,想要產生越多的電力,在技術可以運作的範圍,就得尋找風速越高的地區設置風機。  

●可持續的風力來源

若在果菜市場裡,下游零售商販賣某蔬果的單價為100元,假設零售商、中盤商、大盤商以及農民的獲利能力皆為五成售價,獲利依序為50、25、12.5、6.25元,雖然獲利能力相同,但實際上單位蔬果產生的利潤越往上游則越少。

風機多以陣列形式層層排列設置在風場中,雖然沒有前段例子裡上中下游的階層關係,風機的密度、分布方式等若沒有經過謹慎的設計,也會有這種發電量遞減的現象出現,風機的運作會受到鄰近風機的影響,因此並不能將每座風機視作獨立的個體。當風吹過前排風機時,風中所攜帶的一部分能量會被吸收轉換成電力,風速跟著下降,位在後排的風機只能在殘餘的風力中去獲取能量,而無法獲得與發電能力相稱的發電量。

圖二 考慮向下傳遞動能(深藍色)的補充,風場中的功率 (來源: 作者自繪)

因此,要評價一個風場的好壞,除了風速以外,風力能否持續——當一部分的能量被風機吸收轉換成電能之後,空氣的動能能否適時獲得補充——也是需要考慮的重要因素。空氣動能的補充有兩個來源,一個來自於水平方向上氣壓梯度所產生的空氣流動,另外一個則來自垂直方向上風速梯度造成向下傳遞的動能。可以想見,對於大範圍的風場而言,其發電能力將會受到向下傳遞動能補充速率的限制,而這個上限可以透過一個動能抽取速率(Kinetic Energy Extraction rate, KKE)的指標來量化,當KKE越高,代表單位面積的理論發電能力越強。

●整個大西洋都是你的風場?

目前已經有許多陸上以及近岸地區的風場投入運作,這些區域的風速受限於地表和空氣之間的摩擦力,發電能力也跟著遭到限制,隨著風力發電的發展,科學家開始將目光投向廣闊的海洋。數據指出,在中緯度地區開放海域的平均風速要比陸地上的風速高出七成,高風速雖然標誌著豐沛的風力能源,然而要成為一個良好的風場,我們還必須去檢驗開放海域上的風力能否持續受到補充。

在北半球中,大西洋的中緯度地區可能正潛藏著龐大風力,有科學家們便以這個區域為主體進行研究[2]。首先以大西洋中緯度地區作為海上風場的代表,另外以美國中部堪薩斯州作為陸域風場的代表,在風機密度相同的假設下,比較相同面積大小的區域下,這兩個不同地理位置風場的理論發電表現。研究結果顯示,無論是KKE或者是總發電量,大洋中的風場都有較好的數值,在最佳的情況下,其KKE甚至可以達到陸域風場的三倍之多,這個數據顯示大西洋中緯度區域的確擁有豐富且可持續的風力資源。

這個風力資源有多麼豐富呢?如果我們能夠在大西洋劃出一塊三百萬平方公里的區域來進行發電,則發電量將可以供應全球的電力需求,雖然風力資源有著季節性變化的特性,在夏季時的風力大為減少至冬季的兩成左右,基本上也可以應付一年裡大部分時期歐洲的電力所需。

●天下沒有白吃的午餐

當我們從大氣系統中拿走那麼多的能源,勢必需要付出一定程度的代價,研究結果指出,這個代價將會體現在海洋溫度的改變上:風場所在的地區,海溫有數度不等的上升,而在北極圈附近則大幅下降,有些地區甚至會有十三度的降幅。這麼劇烈的改變對氣候和我們的日常生活有什麼影響,都是需要進一步研究的課題。

此外,即使我們能順利將海上風力轉換成電力,如何將這些電力輸送回陸地,大量高擾動的電力如何順利併入現有的電網,這些問題的解決方案都還有待開發。這一份研究雖然是以一個理想情形下的簡化模型進行,因此得到的無論是KKE或是發電量都是高估的數值,然而這份研究結果初步顯示大海中潛藏著風力資源,給了科技發展的動機,帶我們看向大海更深處的遠方。

 

參考資料:

  1. 牛山泉(2009)。基礎風力能源。澎湖:國立澎湖科技大學
  2. A.Possner andK.Caldeira, “Geophysical potential for wind energy over the open oceans,” PNAS, vol. 114, no. 52, pp. 11338–11343, 2017.
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