天气与发电究竟有多缠绵?带你一窥科学的「风中奇缘」

为什么要研究「风力发电」与「气候」的关系?

我国拥有得天独厚的风力资源,但要把风力运用于生产能源,「可预测性」是极其重要的条件。郭志禹副研究员将气象预报所使用的WRF 模型,比对在风场实际测得的天候数据,再把得到的结果应用于风力发电的效能预测上。对于能源政策的拟定、资源配置、机械设备维运时程安排等,都提供非常重要的参考。

风是什么颜色?迪士尼电影《风中奇缘》里的宝嘉康蒂公主,问了这个难解的问题。但对郭志禹来说,这问题一点也不难。

风,是绿色的。

唯有抓得住风,绿电发展才有着落

人类利用风力的历史非常悠久,从文艺复兴时代就开始了。到了1970 年代,北欧掀起了一股研发再生能源的热潮,开始使用几十层楼高的大风车,从看不见的风中,攫取能源。

台湾海峡的两侧,就是目前全球最佳的风场之一,此处的冬季季风,堪称世界上名列前茅的优质风力资源。有如此出色的风能条件,需要有好的学术研究来辅助。

以往,我国绿能产业界关注的是如何制造效率更好的发电设备,然后外销获利。但要同时减少碳排放,再生能源这个领域,就需要转个弯,从「使用者」的角度来思考问题。

风力发电的「使用者」来说,最重要的,就是风力的「可预测性」。

这就是郭志禹研究最初的问题意识。透过风力,今天可以发多少电?明天、后天、下周又是多少?这攸关如何调配各种发电方式的基载配置,是使用者必须知道的答案。为了解答这些问题,郭志禹没有气象学的背景,却一头埋进了天气的预测模型里面。

看天吃饭也要靠家伙,WRF 为你掌握局部地区天气

风力发电可以算是一门「看天吃饭」的生意,要懂得「看天」,气象预报就是一门必修学分。WRF模式(The Weather Research and Forecasting Model),是由美国数个科研机构在2000年开发成功、气象学界用来预测「局部地区」天候状况的模型。郭志禹的研究团队,也是采用这套模型做为研究基础,并且选定风力条件极佳的彰化沿海「福海电场」作为研究场域。

彰滨一带,整个冬天都吹着强劲的东北季风,平均风速可以达到每秒12 公尺以上(相当于六级风),这是福海雀屏中选成为研究场域的原因之一;另一个原因,则是郭志禹研究团队和经营此地风场的永传能源公司,有十分愉快的合作研究经验。永传在此架设的测风塔,提供了很珍贵的研究数据。

「虽然测风塔是很传统的工具,但那些顶尖科技,不管是卫星影像、雷达回波等等,还是需要它的数据来进行校准,是非常重要的设备。」郭志禹形容着科技「反璞归真」那一面。

于是,在把WRF 的模拟资料和场域的真实数据比对之后,郭志禹的团队发现,两者相当吻合,足见WRF 模型对于福海风场一带的气候状况,有不错的预测能力。

 

到底是谁扯后腿?原来是断不开的「尾流」

在掌握WRF 模式的预测能力之后,郭志禹团队的挑战才正要开始。风力资源固然全球数一数二,但面积上却不如北欧的北海风场那样辽阔。因此,「地狭机稠」成了在地风场的特殊现象。可能每隔10 公里就有一处风场,让海峡像是风场的集合住宅,空间一拥挤,邻居之间难免容易有纠纷。

风场与风场之间,会不会相互干扰影响呢?这是郭志禹企图解答的下一个问题。「尾流」,就是这个问题中的关键因素。

三十层楼高的风机,转动着巨大的叶片,就好像是矗立在海中的一支支巨大打蛋器,虽然不至于把大气搅成一锅蛋花汤,但的确会改变风场中大气的混合机制,连带对于水气凝结、降水的分布,以及热传导的物理系统,都会造成影响。

「尾流」对于风力发电影响最巨的,就是减弱风速。

风机的扇叶从空气中汲取了动能,那风的速度自然会随之下降,下降的程度,会随着距离慢慢递减。郭志禹的研究团队,分析大量的数据之后发现,风通过风机之后,风速下降超过1 公尺(每秒)的区域,面积竟然广达100 平方公里左右。

速度下降1 公尺(每秒),有那么严重吗?别小看这1 公尺,请看这张图表:

从图中曲线可以发现,风速大约在12(m/s)以上时,可以进入最佳的发电效率。彰滨一带的季风平均风速,正好就落在这个区间。然而,若风速受上游风场影响稍稍下降,来到9~10(m/s)左右,发电效率衰退会非常明显。在这个范围里,差1公尺,即可能造成二到三成发电效率损失

再加上前面提及的,风场如此密集,上风处的第一台风机,可以当头好壮壮的领头羊,下风处的第二台就没那么好运,第三台、第四台……尾流效应依序叠加,最后会产生巨大的影响。除了发电效率之外,尾流导致忽快忽慢的风速,也会减损下游风机的使用寿命,连维运成本和时程都要重新估计。

郭志禹团队的这个发现,对风力发电产业来说弥足珍贵。未来将可以据此,把天候及尾流因素纳入考虑,提出更佳的规划,甚至建立精准的预测模型。

「就像渔民看电视会看渔业气象,我们要做的就是风力发电产业可以看的『风电气象』!」郭志禹笑着说。

风电失落的一角:跨领域的合作发展

话锋一转,郭志禹提到了自己在学术之外的兴趣,是潜水。国内外许多海底胜景,都是他探访的目标。在几次潜水的过程中,他看到了海底的沉船、或是人工鱼礁,里面丰富的海洋生态,让他印象深刻。

从那时起他就深信,「人为改变」并不一定会对于环境产生伤害,重要的是人类要在与环境的共存方式之中,取得「环境保护」和「经济开发」的平衡。环评,只是起点,后续对于环境的监测更重要。讲到这,郭志禹对于当前的风力发电政策规划,提出了重要的意见:

要发展风力发电产业,真正关键的该是土木营建与海洋工程技术。

此言一出,让采访的我们有些意外,毕竟土木并不是他的学术领域,跟这份研究的问题意识与成果也并不相关。

但郭志禹表示,在外海架设风机,风场地质会影响风机基础。彰滨海底的沉积地质太过松软,对于常常会因风向而「侧向受力」的风机来说十分不利,风力从迎风面不断推拔风机。要克服这个因素以及在离岸环境下施工,土木营建与海洋工程技术才是关键。

郭志禹认为,外国的风机相关机电与系统整合科技领先台湾许多,与其竞逐利润日低的风机制造外销的产业模式,不如正视利用在地的优势,强化风机基础与支撑结构设计与工法,累积具参考价值的珍贵数据资料,再拿来和外国进行技术交流。

这一段,虽然不属于他的直接研究范畴,但述说时,郭志禹表情中蕴含的积极热切仍未丝毫减少。或许是因为对他来说,做研究从来就不只是做研究。怎么帮助这块土地、这个世界更好,才是他心中不曾动摇的想望。

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