美國國家可再生能源實驗室新資料,風能容量因數最高可達 65%

作者 | 發布日期 2015 年 08 月 25 日 7:45 | 分類 能源科技 , 風力 follow us in feedly
Flickr/Timothy Tolle

風能容量因數隨著風能產業技術進步,正在快速提升,2000 年時美國風力發電機平均容量因數(Capacity Factor)為 30%,2014 年已經提升到 33%,而隸屬於美國能源部的美國國家可再生能源實驗室(National Renewable Energy Laboratory,NERL)最新資料則以 35% 為目標,顯示全美國可達 35% 容量因數的潛在風場高達總面積近 6 成,而風能容量因數最高更可達 65%以上。



所謂容量因數,指發電機實際運轉後的發電量,除以發電容量乘上運轉時間計算出來的理論最大發電量,所除出來的比率,例如燃氣發電廠因為應變能力佳,往往作為調控使用,尖峰時才開啟,離峰時停機,由於沒有一年到頭一直啟用,其容量因數大約不到 50%。以風能而言,當風小於風機最適合的風速時,就無法達到最大發電能力,過去容量因數大約為 3 成上下。

早期風力發電機都以高風速風場為目標,只有在極少數特別適合發電的風速下,才能達到名目上的發電容量,因此容量係數偏低,近年來的趨勢是越來越重視低風速風場的表現,針對低速風場的風機,只要一般風速就能達成目標,也因此,其容量因數也就相對提升。2000 年時美國風機平均容量係數為 30%,2014 年已經提升到 33%,隨著風機越來越高大,技術越來越進步,也越來越針對低速風場研發,風能的容量因數進步的速度可望大為加速。

美國國家可再生能源實驗室資料以容量因數 35% 為目標檢視美國的風能潛力:若使用的是 2008 年技術、塔高 80 公尺的風機,在美國大陸相連的 48 州之中,有 186.8 萬平方公里面積潛在風場可達成容量因數 35% 以上;若使用 2014 年技術、塔高 110 公尺的風機,則可達容量因數 35% 以上風場面積增加到 408.1 萬平方公里;若使用近未來技術、塔高 140 公尺風機,則進一步增加到達 550.9 萬平方公里,佔總面積約近 6 成。

 

技術進步,讓可用風場面積倍增

48 州總體而言,若使用 2008 年技術、塔高 80 公尺的風機,最高容量因數大約為 50%,而 2014 年技術、塔高 110 公尺風機,最高容量因數已提升到 55% 以上,近未來技術、塔高 140 公尺風機的最高容量因數更可望超過 65%。

若各州檢視,以風能資源相當良好的北達科達州來說,若使用 2008 年技術風機,容量因數最高僅能達到 50%,但 2014 年技術下,幾乎全數風場容量因數都能超過 50%,分布於 53% 到 60% 之間,若以近未來技術,則全數風場容量因數都可超過 60%,可見技術進步下,對容量因數提升的差異之顯著。南達科他州、內布拉斯加州、堪薩斯州的情況也都相當類似。

而風能資源較差的加州,若使用 2008 年技術風機,容量因數 35% 以上風場僅有 3,283 平方公里,使用 2014 年技術,則跳增到 2.6 萬平方公里,容量因數 35% 以上風場面積大增為近 8 倍,若使用近未來技術,則再跳增到 5.76 萬平方公里,容量因數 35% 以上風場面積大增為 17.55 倍。可看出風能技術的進步,讓可用風場面積倍增再倍增的威力。

容量因數提升,同樣名目發電容量的風力發電機,可發出更多電力,相對的以每度電計算的均化成本也就降低,風場的輸配線路容量以最大發電能力為準,當容量因數越高,輸配線路的利用率也越高,相對來說攤提成本也更低,而容量因數越高,也代表風能的發電情況越穩定,並且,在不對外輸出電力的前提下,風能可佔比率越高。

一般認為,以不對外輸出電力為前提時,風能佔總發電量最大比率上限,就大約等於其容量因數。舉個簡化的例子:假設某國風能容量因數平均為 5 成,則風能若達到最大發電能力時,發電量為平均的 2 倍,若以不輸出電力為前提下,風能最大建設上限,就是最大發電能力時發電量不超過全國的電力需求,也就是說,風能最高只能達到 5 成;若是建設超過此一比率,就會發生當氣候條件配合,使風能達到最大發電量時,發電量超出全國用電,而必須售電給鄰國的情況,如丹麥有時風能可達全國用電的 120%,多出的 20% 就必須賣給鄰國,否則就只能離線浪費掉。

美國有 6 成國土都能成為容量因數 35% 以上的潛在風場,也就表示美國風能可望發展到超過 35% 以上,若是如此,相較於 2014 年美國燃煤發電佔總發電量 39%,燃氣發電佔 27%,美國風能在近未來有可能超氣趕煤,甚至取代燃煤的地位,美國國家可再生能源實驗室資料可說為美國風能發展點出了光明的前途。

(首圖來源:Flickr/Timothy Tolle CC BY 2.0) 

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