風力發電機恨天高，要再突破高度面臨技術瓶頸

風能從過去的昂貴形象，到如今成為最便宜能源選項，以美國來說，陸上風能已經是最便宜的能源來源，這樣巨大的轉變，主要推動力是風機規模的提升，更高更大的風機更能有效率的擷取更高空更穩定的風力，提升發電效率也同時提升容量因數（capacity factor），不過，如今已經恨天高的風機，要再繼續往上突破高度，已經面臨技術上的瓶頸。

根據美國風能協會（American Wind Energy Association，AWEA）資料，自 2000 年到 2018 年，美國電網規模的風機，平均高度從 58 公尺大幅成長到 88 公尺，平均扇葉直徑從 48 公尺成長到 116 公尺，可以看出風機規模的快速成長，而風機之所以如此急著長高長大，有很基本的原因。

據美國國家可再生能源實驗室（National Renewable Energy Laboratory，NREL）於 2019 年 5 月發表的報告《提升風機塔高：機會與挑戰》（Increasing Wind Turbine Tower Heights: Opportunities and Challenges），當塔高從 80 公尺提升到 110 公尺時，風機所接觸到的年平均風速，提升每秒 0.5~1 公尺速度；當塔高進一步從 80 公尺提升到 160 公尺時，風機所接觸到的年平均風速，提升每秒 1~1.5 公尺。

更高的風速，更穩定的風，讓更高的風機能享有更好的容量因數，報稿指出，當風機塔高從 80 公尺提升到 110 公尺時，風機的容量因數可提升 2~4%，當風機塔高從 110 公尺提升到 140 公尺時，容量因數可再提升 2~4%，當風機塔高進一步從 140 公尺提升到 160 公尺，容量因數還可再提高 1%。

容量因數即風機實際發電量，除以名目發電容量乘上發電時間的理論最大發電量，所得的比例，容量因數越高，代表風機實際上發出來的電越多，相對於建置成本，每度電的均化成本也就越低。研究顯示，在風力資源屬於邊緣的區域，塔高 110 公尺與 140 公尺的風機發電效果最好。

另一方面，高塔身搭配大扇葉（更大扇葉風機有更大名目發電容量）也有優勢，研究發現，4.5 百萬瓦風機，搭配 140 公尺高塔身，發電效率提升程度比 3 百萬瓦風機更佳。搭配高塔高與大扇葉，研究認為，以 80、110、140、160 公尺高塔身相比較，在美國 70~90% 的風場地點，160 公尺塔高的風機都將有最高效率。也就是說，就理論上而言，風機至少還有成長到 160 公尺塔高的趨勢，但是，要成長到如此高度，將需要塔身技術的突破。

需要新的建造高塔技術

據美國風能協會統計，目前美國風力資源最佳的區域，大多仍以 80 公尺塔高為主流，風力資源較差的區域，則使用 90 公尺以上塔高，目前美國全國共有 113 處風力發電場，總計 6,800 座風機塔高在 90 到 110 公尺之間，未來還將有總計名目發電容量超過 5 吉瓦的 31 處風場開發計畫預計使用 90 到 110 公尺之間塔高。目前超過 110 公尺塔高的陸上風機在美國還是少數，至 2019 年上半年，全美僅有 19 座 110 公尺以上塔高的風機。

美國風能協會認為，談到 110 公尺以上，甚至 140、160 公尺塔高，絕對是未來式，當打造如此高的塔身時，目前主流的鋼造風塔將不再合用，必須打造全新的高塔技術，要建造越高的風塔，不僅在結構設計強度上是相當的挑戰，如何才能夠堅固又不會重量太重，使得風塔重量本身成為自己的結構負擔？目前產業界發展的方式有鋼捲管法（rolled tubular steel）、混凝土技術以及鋼柵結構（lattice steel），或是以上 3 種的混合技術，到目前為止，其中還沒有明顯勝出的技術。

此外，對物流能力也是相當相當的考驗，目前主流的興建方式，將風塔組件在工廠先完成，載運至現地組裝，隨著塔身越高，組件體積重量更大、數量更多，這種做法可能不再划算，而可能是現地直接製造較具優勢。例如，混凝土技術可發展現地積層製造，也就是所謂混凝土 3D 列印，而不是目前主流的先完成預鑄混凝土再運到現地。

雖然越高處的風力越好，但要打造越高的風機，對塔身結構以及建造方式上也是越大的挑戰，但無論如何，在經濟誘因下，產業界終究會找出打造更高塔身的辦法，直到更高空的風力資源的經濟誘因，不足以抵銷塔身增高的成本為止。

（首圖來源：Unsplash）