五月，在美國加州是櫻桃開始採收的季節，每年此時的周末，總有絡繹不絕的車流從舊金山灣區前往灣區東北方的櫻桃果園。令遊客印象深刻的是，途中會經過一大片佈滿了巨大「風車」的山谷，景象甚是壯觀。在貧瘠偏遠的山谷中，為何要架設這些巨大的「風車」呢？其實這些並不是普通的風車，遊客們看到的是位於加州中谷區Altamont Pass，全美最早設置的風力發電廠機組。

圖一：位於加州中谷的Altamont Pass Wind Farm
圖片圖片來源：http://commons.wikimedia.org/wiki/File%3AAltamont_Pass_Wind_Farm.jpg

風力發電發展歷程

人類很早就懂得利用風力。在水上，風推動船帆幫助人們乘船到達目的地；在陸上，風推動風車將水抽到高處灌溉農田及提供飲水。根據資料，世界上第一個風力發電機，是1887年由蘇格蘭的一位大學教授所建造（註1）。無論是128年前教授家後院，那座10公尺高，可提供一戶人家照明所需電力的發電機，或是在現代超過200公尺高，發電率高達800萬瓦的發電機組，兩者的發電原理其實非常類似。如圖二所示，從古至今，風力發電的原理都是利用風轉動葉片，再經過轉軸帶動發電機加速轉動，最後由發電機內磁場感應產生電流。

圖二：風力發電機組的原理
圖片圖片來源：http://epa.gov/climatestudents/solutions/technologies/wind.html

既然人類文明很早就懂得如何駕馭風力，而風力發電的原理又沒有重大的改變，為何風力發電的普及率一直都不高呢？簡單來說，風力發電有兩個重大缺陷：風源的不穩定性以及效率低。

「風」是大規模的氣體流動現象，風也是氣象的一部分，它隨著四季變遷以及大氣層氣壓流動變化而飄忽不定。與燃燒天然氣、煤礦，或是核能相比，風力並不是一個穩定的動力來源，再加上每單位的火力或是核能發電機組可提供更高的供電量，因此風力發電一直無法成為供電的主力。在19、20世紀科技大步躍進的同時，人們為了滿足逐漸升高的電力需求而廣建火力發電廠及發展核能發電，但建造風力發電廠的意願始終不高，相關技術也停滯不前。直到20世紀末期，環保意識抬頭，風力發電這個舊技術才開始得到關注。

環保意識抬頭 促進綠能開發

當人們意識到，大量排放二氧化碳到大氣層中會造成溫室效應，使得地球的氣候改變，導致不正常暴雨、乾旱以及沙漠化現象擴大，威脅到人類文明生存時，減少或是控制二氧化碳排放量，已成為全世界都迫切希望解決的問題。其中，佔二氧化碳排放量最大宗的火力發電廠，自然成為眾矢之的，亟欲擺脫的負擔。而核能發電的安全性一直備受質疑，核廢料的處理更是燙手山芋，這些因素促使世界各國重新思考能源政策，環保再生能源逐漸受到重視。

風力、太陽能、地熱、甚至潮汐，這些取之不盡、用之不竭的天然資源，都是可以用來發電又不會造成環境負擔的綠能選項。風力發電在這些綠能選項中，可說是技術發展最早，門檻最低的能源選擇，因此大規模發展最為迅速。

圖三：2013美國溫室效應氣體來源分布圖
圖片來源： 美國環保局網站http://www.epa.gov/climatechange/ghgemissions/sources.html

風力發電在美國

加州是美國最早發展風力發電的地方，早在1980年代，加州就開始大規模的興建風力發電廠，領先其他各州，直到2006年才被德州趕上，目前發電量在全美各州排名第二。

圖四：1999年美國各州風力發電的發電量 單位: 百萬瓦(megawatts，MW)
圖片來源： 美國能源部網站 http://apps2.eere.energy.gov/wind/windexchange/wind_installed_capacity.asp

圖五：2014年美國各州風力發電的發電量 單位: 百萬瓦(MW)
圖片來源： 美國能源部網站 http://apps2.eere.energy.gov/wind/windexchange/wind_installed_capacity.asp

圖四與圖五分別為1999年與2014年美國各州風力發電容量的統計。兩相比較下，很清楚地顯示這五年來風力發電在美國的確有極大的進展。

早期風力發電機組的發電量小，需要足夠大的風才能帶動轉軸發電，結構上也不夠堅固。近幾年逐漸發展出更新、更好的風力發電機組，機組的高度提高，因此可以接收更穩定的氣流；機組的結構採用更堅固的材質，可以抵擋強風的吹襲；更大的葉片設計，使得每個機組可以接收更多的風力；轉軸的設計也更有效率，只需7.5公尺/小時以上的風就可以產生電力。這些設計上的改進，使得原先被視為不適合風力發電的地區也有機會運用風電能源。

市場擴大後，風力發電的成本降低，風電所帶來的經濟效應升高，更加速了風力發電的接受程度。美國能源部曾在2008年宣示，希望在2030年前，風力發電的產能可以超過20%的全美用電量（註2），2014年風力發電的總量約佔全美所需電量的4.5%，雖然離達成目標還有一段路要走，但換個角度來看，風力發電在美國仍然有很大的商機。未來在地廣人稀，具備穩定風源的美國中北部五大湖區，如愛荷華州、明尼蘇達州、密西根州等各州，風力發電不僅將帶來新的就業機會，讓閒置的土地得到利用，更能為環保減碳盡一份心力。

雖然經過多年的宣導，民間對於風力發電的接受程度逐漸提高，但政府的鼓勵措施仍然是新興能源產業不可或缺的重大推手。前兩年由於國會紛爭，使得美國的再生能源減稅法令暫時失效，造成2013年美國風力發電產業前所未見的衰退，直到新的減稅措施通過立法，2014年才恢復成長，由此可見政府的能源政策對風力發電產業影響甚大。美國民間希望將再生能源的鼓勵措施永久化，而不是每隔幾年就需要國會重新審查的呼聲也越來越高。

美國如此積極的擁抱風力，環保意識更高的歐洲呢？

歐洲積極開發離岸風力

荷蘭以風車聞名於世，歐洲各國對於風力的應用並不陌生。丹麥是歐洲最早發展風力發電的國家之一，早在1970年代就開始研發風力發電機組。目前全球最大風力發電機製造公司是丹麥的Vestas公司，而德國西門子(Siemens)專門生產風力發電機的子公司Siemens Wind Power，其前身是丹麥一家製造灌溉系統的公司Danregn，在2004年被西門子收購。

美國以陸上風力發電為主，但歐洲不像美國如此得天獨厚，有許多適合建造風力發電廠的土地，因此歐洲人對於發展離岸風力發電(Off-shore Wind Power)不遺餘力。所謂的離岸風力發電，是將風力發電機組架設在離岸不遠的淺水區。與陸地相比，開闊的海上沒有屏蔽，風力更強，可提供更多的發電動能。但離岸風力發電機組必須能夠承受更大的風阻，架設比較困難，維護的成本也比陸上機組高出許多。然而人定勝天，技術上的困難終究可以突破。1991年全世界第一個離岸風力發電廠在丹麥外海成立，至今除了丹麥之外，英國、德國、荷蘭、比利時、瑞典等國皆投入相當的資源來發展離岸風力發電，所得到的成果也相當可觀。

圖六：丹麥哥本哈根外海的離岸風力發電廠
圖片來源： 維基百科圖庫http://commons.wikimedia.org/wiki/File:DanishWindTurbines.jpg

圖七：離岸風力發電技術示意圖
圖片來源： http://www.boem.gov/.../Foundations.jpg

中國的崛起

中國在經濟快速發展的同時，對於綠能產業也投注相當的關注。早在2005年，中國政府就通過了可再生能源法案，積極輔導民間企業發展各項再生能源。在風力發電方面，中國的內蒙古及新疆等地有豐沛的風能資源，相當適合風力發電，因此近幾年風力發電產業在中國以驚人的成長率迅速開展中。不僅是架設與經營風力發電廠，在製造生產風力發電機組方面，藉由供給內需的優勢，中國公司也已經佔據重要地位。根據2014年11月發表的Energy Digital期刊分析，全世界前10大生產風力發電機組的公司當中，中國公司就佔了三位（註3）。

世界風能協會(World Wind Energy Association, WWEA)統計（註4），2014年底全球風力發電總容量已達到3700億瓦，其中，中國風力發電的年成長率超過25%，居世界之冠。中國的風力發電的安裝容量雖然位居世界第一，但機組實際運行的比例卻不高，因此，就實際發電量而言，仍然落後美國。這顯示中國在努力安裝風力發電機組的同時，電網的設計與管理仍未臻完備，對於已安裝機組的維護與監控，還需要多加努力。

圖八：2014年止各國風力發電容量統計
圖片來源：WWEA http://www.wwindea.org/wp-content/uploads/2015/02/top12.jpg

風力發電未來的展望

圖九：1996-2018全球風力發電安裝容量趨勢圖
* : 預估值
資料來源：Global Wind Energy Council GWEC

綠能減碳是全世界各國的共同目標，如何開發既安全，又不會對環境造成額外負擔的電力資源，已經成為經濟發展的重要課題。風力發電這個古老的技術，正以全新的面貌展現在世人面前，但風力發電的未來，並非從此「一帆風順」。

首先，經過一段時間的開發後，陸地上可建置風力發電的地點將越來越少，人類勢必要前往海上尋求更多適合風力發電的位置。即便是土地資源相對豐富的美國，也正在積極尋求離岸風力發電的可能性。2012年美國政府已制定法令，希望在不影響海洋生態與保存整體海岸環境的情況下，吸引民間成立美國的離岸風力發電廠。台灣西岸與澎湖離島附近海域，有廣大適合設置風力發電廠的淺水區，因此台灣想要大規模的發展風力發電，可以借鏡歐洲的經驗，離岸風力發電廠是值得重視的方向。

另外，風力的不可預期，使得風力發電的供給存在不確定性。以台灣為例，夏季正是用電的高峰期，卻是風力最弱的季節；而冬天用電量相對低，但卻有最充裕的風源。為了平衡這種季節的不穩定性，與調節供需面的失衡，科學家希望能發展新的儲電技術，例如大型的儲電廠，將多餘的電力儲存起來，等有需要的時候再釋放出來。若是儲電技術能夠得到突破，全面使用再生能源的目標，將不再是遙不可及的夢想！

備註

1. 資料來源：維基百科：http://en.wikipedia.org/wiki/Wind_power
2. 詳見美國能源部網頁：http://energy.gov/eere/wind/20-wind-energy-2030-increasing-wind-energys-contribution-us-electricity-supply
3. Energy Digital  Issued November 2014  http://issuu.com/energydigital/docs/energydigital-november2014/41?e=12457992/9854388
4. 資料來源：世界風能協會　http://www.wwindea.org/wp-content/uploads/2015/02/top12.jpg

作者： 徐文芝 現任： 北美智權 教育訓練處 研發創新顧問 經歷: 美國Marvell公司 資深工程師 美國普渡大學電機工程碩士 專精技術領域：數位ＩＣ設計、影像處理、記憶體控制、系統晶片設計

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