風力發電始自19世紀未歐洲，其中最令人驚異的是，雖然世界各國都曾參與風電的發展，但是領頭羊卻是像丹麥這樣的小國。小國發展技術的瓶頸丹麥應有盡有，從稀少的人口（1960年代450萬人，至今接近但仍不足600萬人）、狹小的市場、大型企業的匱乏、到有限的研發經費與人才，丹麥一應俱全，但是卻依舊領導世界風電的發展。這不是安徒生的童話，而是國家、市場與公民社會互動而成就產業的精彩故事。
「丹麥概念」基礎的由來
1887年由蘇格蘭人James Blyth建立了世界最早的風力發電機之一，他以四塊布帆建造而成，其產生的電力僅足以點亮 10 個燈泡和一台小型車床。不久後他發現透過手動調整布帆控制葉輪（rotor）速度的設計，不易操作，因此還為此設計出垂直軸風力發電機（Vertical-Axis Wind Turbine, VAWT）。最近則有研究指出，最早的風力發電機是由奧地利人Josef Friedländer於1883年打造的6.6公尺Halladay風力發電機，此風力發電機在當時是被安裝於維也納國際電氣展覽會上為電池充電。Blyth的風電機雖然稍晚，但是他提出的風機設計三個基本準則卻十分重要：一、隨時可運作，二、無需長期看顧，三、能承受最強烈的風，並且能夠充分利用它。Blyth的準則成為日後聞名於世的「丹麥概念」基礎。
這個階段的風機主流設計是上風型（Upwind），葉片數量多為4片，更有6片或多片的設計。最大功率的風機則是由有「丹麥愛迪生」之稱的Poul la Cour所建造的，最大功率已經達到18 kW，他還透過風洞測試發現迎風面積較小（葉片面積較小且葉片較少）的風機功率會更大。
航空工程發展影響風力發電機的設計
受到一次世界大戰的影響，航空工程快速發展並影響風力發電機的設計，風能與航空業的結合，帶來了許多新的設計概念，如1919年丹麥哥本哈根北部地區的電力公司的Agricco風力發電機首度採用了翼型葉片，而帶動雙葉片及三葉片設計成為風力發電機市場主流。雖然，雙葉片成本較低，但是德國學者Ludwig Prandtl及Ulrich Hütter發現，在「尖端速度比率」（tip speed ratio, TSR）4-7的時候，三葉片的效率更高。
Ulrich Hütter具有航太背景，在應用複合材料及玻璃纖維材料於風機設計上有很大的貢獻。透過研究他還提出風機能補抓的能量取決於「掃掠面積」（Swept Area）的概念。1940年代他為德國汽車業Allgaier公司所設計的WE-10風機葉輪增加到 11.27公尺，掃掠面積達到100平方米，搭配10kW發電機，使風機比功率（Specific Power, W/m2）達到100W/平方公尺，幾乎是同期 Smith-Putnam風機的五分之一。雖然Ulrich Hütter偏好的下風型（Downwind ）、兩葉片的設計最終被證明在商業上不可行，但他所提出的大掃掠面積、小發電機尺寸（低比功率）的概念，能在中、低風速下獲得更多的能量擷取，加上額定風速下，發電功率與掃掠面積成正比，這使得低比功率風機更能順應各種風速條件，而更具發電上的成本優勢。這個概念，後來也被丹麥工程師採用，而得以在兆瓦級風機市場維持競爭力。
克服強風的風機設計
除此之外，風機也需要能承受強風。為了避免風速過快，造成風機運作時發生損壞，早期的風機透過具自動控制裝置的百葉窗（self-regulating shutters）來調節運轉速度。到了1920年代，翼型風機興起，世界各地包括德國、丹麥、蘇格蘭、法國、英國開始發展相關的煞車技術。其中，最具標誌性的是丹麥工程師Johannes Juul提出的「可變式葉尖」（pitchable blade tips）概念：當葉輪超速時，葉片外側部分可自動改變旋角以保護風機免於損壞；他所設計的風機，同時結合了失速調節（stall control）與可變螺距葉尖兩種技術。
Juul為丹麥電力公司SEAS設計的第一座風力發電機設置於Vester Egesborg，這座風機比較類似實驗機，設計上納入他所提出的可變式葉尖技術，但為了節省成本，仍選擇了雙葉片、下風式設計。不過，他很快就發現這樣的設計支撐性不足，於是後續他為Bogø及Gedser兩地設計的新型風機，將機艙改為上風式，採用三葉片設計並為葉片增加支柱和支撐，並同時結合了可變式葉尖技術。後來，這樣的設計被稱為「丹麥概念」（The Danish Concept）。雖然風機的主要理論，都不是由丹麥工程師所提出，但丹麥工程師透過做中學，並開放的接納所有可行的技術，而建立起風機的主流技術。
到了1960年代，風力發電技術已非常完備與普及，但是因為成本過高，無法取代水力發電廠和燃煤發電廠。直到世界能源危機出現，才讓風力發電成為經濟上可行的選擇之一，但同時卻也面臨價格更便宜但有爭議的核能競爭。
1973年的第一次的石油危機促使許多國家投入發展替代能源。在風力發電方面，包括美國、德國、瑞典、加拿大都提出了兆瓦（MW）等級的風機開發計畫，希望以大功率風機達成發電上的規模經濟，能夠在成本上取代核能及火力發電。
丹麥政府直接介入風電發展
石油危機讓各國政府直接介入風電發展，而非單純依賴私人企業。但是當丹麥政府試圖進入更先進的大型風機開發時，卻遇到了瓶頸。私人企業因為風險過高且無利可圖而不願意承接，最後是丹麥政府成立國營企業才順利進行。
當時在大型、先進技術的風機開發上，丹麥貿易及公用事業部也提出了「風電計畫」（Wind Power Programme），企圖開發直徑30公尺以上葉輪的風機，並計畫在 Northern Jutland 地區打造兩架630 kW Nibe 風機。但由於當時沒有一家丹麥民間公司願意承接，最後是由丹麥能源部與SEAS於1981年共同成立丹麥風能技術公司（Danish Wind Technology）來執行，並代表Elkraft電力公司在 Masnedø 建造了一座由五架750 kW風機組成的風場。另外，Elsam電力公司還設計了具有直徑60公尺葉輪、2 MW的Tjæreborg風力發電機。
這並非特例，而是顯示自由市場的侷限。在風險過高且無利可圖之下，沒有私人企業願意大力發展風電。儘管丹麥政府試圖替代自由市場的不足，但是並無法改變無利可圖的現狀。世界各國政府很快明瞭這個事實，知道風電尚未成熟，缺乏經濟效益，不值得大力發展。
當時各國政府手上的能源選項，除了風力發電，還有天然氣和核能發電。從成本及經濟效益來看來，為了取得生產的規模經濟，唯有兆瓦（MW）級的風力發電機才具有成本優勢。最終，上述各國這些計畫不是以失敗告終，就是僅成為少數基礎建設之一，對於後續風力產業發展影響微乎其微。
丹麥公民運動崛起，為風電帶來一線生機
就在自由市場面臨侷限、政府替代市場無能治本，風電發展因早熟而面臨腰斬之際，令人驚訝的是，丹麥公民運動的崛起，反而為風電帶來一線生機。丹麥政府趁機借力使力，讓其引導市場所發展的風力技術勝出，進而帶動1980年代丹麥風能產業的興起。
最初在評估替代能源時，丹麥電業協會（Danske Elværkers Forening，DEF）曾認為核能是化石燃料唯一可行的替代方案。但在1973年末，Elsam電力公司公佈了一份包含10個核電廠潛在選址的清單後，卻馬上遭到公民團體「核能資訊組織」（Organizationen til Oplysning om Atomkraft，OOA）的反對。其中，有八位科學家制定了一項替代能源計畫AE-Plan 83並與OOA共同發佈，他們在計畫中提出，丹麥應發展以天然氣和再生能源為主的分散式電力系統，並規畫在15個園區安裝1,500台1.25兆瓦（MW）的風力發電機，以滿足1995年12%的電力需求。
他們認為這項計畫可望帶來為丹麥帶來「更穩健、更安全的能源系統，降低實體規劃的限制，節省外匯支出，並創造更多就業機會」。公民運動導致丹麥政府最終於1985年決定取消核能發展，風力發電成為必要選項。
除此之外，OOA下的再生能源組織（Organizationen for Vedvarende Energi, OVE）也積極推動替代核能技術的運動。OVE認為，公共研究及能源政策並不足以推動能源產業的發展，更重要的是民眾本身的參與。其中，最具指標性的案例是，OVE在1975年召集了多位工程師參與風機的基本零件設計，並在Tvind Folk High School高中打造了一座53公尺高、2兆瓦（MW）的風力發電機，此外，OVE還舉辦風力會議（Wind Meetings），以社群的力量解決這個新興產業的技術問題，增強學習能力。正是這種開放合作的研發和產業策略，推動了具實用與可靠性的「丹麥概念」技術的發展，並維持了技術的開放性與可擴展性。
丹麥最初的風力市場是由私人或合作社（通常由10到30個家庭所組成）擁有的風機所組成，政府主要透過技術服務、風場投資補貼、變動的綠電發電補助和特定的躉購費率（Feed-In Tariff, FIT）政策來支持這個市場的發展。
在技術服務方面，自1978年起，隸屬於國家原子能研究所的「小型風機測試站」（Test Station for Smaller Wind Turbines）開始自願性地擔任顧問，協助廠商測試小型風機，到了1979年，測試站成為「整個產業的共同測試、諮詢和研發部門」，並協助為商業風機進行認證。丹麥電業協會則是於1979年制定了風機併網的接入及付費規則，允許個人和合作社將其風力渦輪機連接到電網。
民間為主力，政府從旁協助的丹麥模式
丹麥政府並提供30%的風機設置補助費用，以促進小型風機產業的發展。而且，為了確保補貼的有效性，申請的風機機型被要求要獲得小型風機測試站的認證才能獲得補助，強化了品質門檻與產業標準。在政府政策的支持下，丹麥小型風機每年銷售量達200台。1981年丹麥政府進一步提出《能源計畫》（Energy Plan 81），目標在2000年生產6萬台小型風機。即使1981年丹麥因遭遇兩場巨大風暴，造成了2%的風機毀壞，使得1982年市場需求減少一半，但卻藉由通過一項為期十年的「1984協議」（1984 agreement），帶動了「丹麥繁榮」（Danish boom），令丹麥國內風能市場大幅成長。
「1984協議」連結了政府補助、大型公用事業與社區的小型合作社，其內容包括，由大型公用事業公司支付私有或合作社小型風機35%的接入（併網）費用，大型公用事業公司也同意以生產和配送成本85%的價格購買合作社所有剩餘的電力，但政府要維持既有的風機設置補助計畫。
後來由於大型公用事業公司興起，為了將補助重點放在私人和合作社風力渦輪機市場，風機設置補貼逐漸取消，綠電發電補助（生產補貼或碳稅）維持到2000年，由大型公用事業公司支付35%的接入費用，以及以生產和配送成本85%的價格從合作社風力渦輪機購買所有剩餘電力的政策，則仍維持不變。
丹麥積極投入美國加州的風電
丹麥非常清楚本地市場狹小的限制，因此始終關注國際市場，希望能成為其他國家清潔能源需求的首選，尤其是美國加州。加州除了有良好的風力條件，在政策上，美國於1978年通過《國家能源法》（National Energy Act），將替代能源項目投資抵減稅額提高到20-25%（1980年該抵免額度增加至25%），1979年加州也通過了25%風力發電稅收抵免政策，加上《公共事業監管政策法》（Public Utility Regulatory Policies Act , PURPA）的規定，公用事業公司必須以優惠價格購買併網的風力發電（及其他可再生能源）電力，這些政策使得投資人幾乎可以無風險的獲利，因而引發了1981年的「加州風電熱（California wind rush ）」。丹麥便搶在此時進入加州市場。
丹麥對加州出口風機始於1983年，一開始是出口55kW 風機，後來由於加州市場對大型風機的需求，丹麥廠商開始提供100kW 以上的風機。由於丹麥本地創新系統的支持，丹麥廠商能夠很快在既有的基礎上開發更大型的風機，並輸出到加州。丹麥出口加州的風機數量很快就超過了國內市場。丹麥風機雖然比美國風機更大、價格更高，但「丹麥概念」風機可靠度更高，很快地就在加州的惡劣氣候下勝出。在1985年的巔峰時期，丹麥有高達近3,500台風機出口到加州，到了1992年，加州有43%的風機來自丹麥，其中，現今知名的Vestas風力系統公司，本來只是一家丹麥本土的農機具公司，也在這波加州風電熱中獲得大幅成長。
丹麥風電的發展絕非一帆風順
回顧丹麥風力產業的發展，並非由單一政策或單一計畫所主導，政府角色雖然至關重要，中途甚至一度成立國營企業替代市場，但終非長久之計，更多的是扶植、支持並輔助市場。自由市場是發展風電的最終歸宿，但自由市場無法獨自存在，私人企業甚至一度因風險與利潤而退出風電市場。
丹麥風電的發展也並未因主流技術（丹麥概念）的興起或大眾市場（加州風力市場）的出現，就一帆風順。在市場與國家之外，多數人經常忽略公民社會在產業發展所扮演的角色。丹麥成熟的公民力量，在國家與市場之間，始終扮演重要的角色。要不是不隸屬任何政黨的公民團體「核能資訊組織」挺身而出，結合學術界與公民，從反核、提出替代方案、規劃能源願景，到發展社群推廣風力技術、解決技術問題，不會有公民所有權及開放公民電廠接入電網售電的政策，風能的政治及市場利基也不會出現。
而丹麥政府以法團主義框架（corporatist script）為基礎的制度設計，承認、邀請各種社會組織和利益團體參與政策制定，而得以銜接國家、市場與公民團體，令三者得以正向互動，也是產業發展的重要關鍵。再生能源產業的發展之所以困難，是在於其本身具有產業發展、社會福祉及環境保護的三重性，不僅需要政府、電力公司、民間企業與公民團體各司其職，而且還要能夠相互加成，加州風電熱只是剛好提供了丹麥風力產業一個商業化及規模化的契機。
儘管每一個國家的發展經驗都是獨一無二，但是丹麥經驗對於台灣發展風電有重要啟示，我們將在下一篇文章續談台灣的風電產業。
沈榮欽，作家。法國INSEAD博士，對市場與企業組織感興趣。
莊皓鈞，政治大學科技管理博士，對創業議題有濃厚興趣，本來想進學術圈，卻意外地踏入不同產業新創公司，但仍持續做研究，希望能將個人的學術素養及科學精神推廣至產業。
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