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高空風力發電系統技術概論及發展前景 [趨勢新知]
種類:其他公告  發布單位:技術處  發布日期:2021-01-13 11:15
作者:林晏平/工研院

一、高空風力發電系統發展歷程

高空風力發電機系統(Airborne Wind Energy Systems, AWESs)的目的為攫取傳統風力發電機系統無法觸及的高空風能,系統可達高度多設計在離地300~500公尺處,宣稱更具成本效益且發電容量因數更高,目前全球約有60家企業及研究機構投入系統概念及原型開發,大多集中於歐洲地區。

二、高空風力發電系統技術分類

高空風力發電系統主要由飛行系統、地面系統以及連接兩者的纜繩組成,透過三者互動將風能轉換為電能。電力轉換模式可概分為地面發電(Ground Generation)及空中發電(On-board Generation)兩類,前者意謂著電力轉換發生在地面系統,後者則是在飛行系統上。

三、高空風力發電系統技術發展機會與挑戰

(一)機會:豐沛穩定高空風能、低硬體製造成本、新興應用情境

越靠近地面,因地貌崎嶇使風況不穩定也不易預測,隨著高度上升,風速越強且相對安定,傳統風力發電系統輪轂約落在100~250公尺,高空風力發電系統的利基在於可獲取超過該高度的高空風能,且不需要廣闊空間即可設置。製造所需材料大幅降低是高空風力發電系統的另一項優勢,業者大多宣稱每MW可較傳統風力機系統削減80~90%的材料用量,如此一來可縮短製造時間,有利於大量生產。在輕量化的前提下引申出其他特性:可攜性及易安裝,使高空風力發電系統可應用在地勢險惡的山區、海床極深的離岸區域,也有業者主打可作為災難後的離網備用電力、用於供電給偏遠地區工程、需要機動性的軍事行動或遠洋移動的大型船舶等。

(二)挑戰:提升系統可靠度、調和既存管制法規、發電成本競爭力低

高空風力發電系統發展至今已整合多領域技術以實現原型製作,但在可靠度上仍未達到商用水準,尚須克服飛行器全自動起降、堅固但輕量的新型材料、確保運作中安全性以及最小化維運人力需求等問題。新技術出現也對既有管制法規造成衝擊,當前高空風力發電系統原型測試依各地航空相關法規取得許可,並以個案模式處理,若要大規模設置且長期營運則須考量更多因素,如安全性控管、視覺衝擊、噪音等級等,仍要等技術達成熟階段才能討論如何合理管制。雖高空風力發電系統開發者多給出相當樂觀的發電成本預估,但在實際量產前參考價值不高,且此技術最大的競爭對手非傳統風力發電─而是近十年來成本下滑劇烈的太陽光電,若沒有進一步資本挹注,短期內難以快速降低發電成本。

四、高空風力發電系統產業動態

由於高空風力發電系統均未開始正式販售,是否能取得政府或其他企業資金存續關鍵,數家開發進程較領先者均受惠於投資者資金挹注,得以完成大型原型系統實驗。

五、結論

高空風力發電系統設計差異甚大,技術難度較低的地面發電類型宣稱將在一兩年內達到商用水準,主打可攜帶的特性,先由利基市場開始切入;技術複雜度較高的空中發電系統發展相對停滯,面臨投資人收回資金或選擇轉換產業發展等狀況。攫取高空風能用於發電的概念相當引人注目,但在目前能源價格相對偏低、COVID-19疫情帶來不確定性的種種狀況下,高空風力發電系統面臨的挑戰遠比機會來得大,要成為具競爭力的發電技術仍需足夠的資金挹注及技術突破以突圍。
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更新日期:2020-04-28

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