風力能應用的介紹
工業技術研究院，能源與環境研究所
新能源技術組 顏文治主任
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風力能應用的介紹 工業技術研究院，能源與環境研究所 新能源技術組 顏文治主任
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風力發電 風能和太陽能一樣是取之不盡、用之不竭的再生能源，在燃料日益短缺的今天，此能源自然不容忽視。風隨處都有，遍布世界每個角落，但是在使用時卻必須選取有適當風力的地點。利用風力推動風車旋轉發電機，叫風力發電。
風力在運用上有一缺點，就是不穩定，時大時小，因此作為發電用時，小型風力機採用蓄電池儲存電力，而大型風力機直接將電力連接至電網系統，作為售電的商業運轉方式（這是一般風力發電開發投資公司進行的能源事業），如圖一及圖二所示。
目前的風力機技術，大約是每秒3公尺的微風速度（微風的程度），才可以開始發電，而一般都市區域，年平均風速甚至不到每秒2公尺，風速在每秒13-15公尺時（大樹幹搖動的程度）才能有額定輸出，一般當風速超過每秒25公尺就會主動進行煞車控制風力機停止運轉，目前全世界風力機耐風極限最佳者約在每秒70公尺。
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圖一 小型風機與蓄電池的連接方式 |
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風力發電貯能方式 風力發電時，發電量與風速的立方成正比，由於電力輸出時大時小，因此採行各種貯能方式，以資調節，這些方式包括： 1. 採用蓄電池組，發電多時存起來，發電不足時，由蓄電池供電給負載，這種方法適用於小型風力發電。蓄電池與負發電機間接有交直流轉換器，整流器和控制電路。 2. 與其他發電方式之供電系統相併聯，例如附近的配電電路是由火力、水力或核能發電廠接出來的，那麼經由控制系統就可以使兩者併聯互通有無。 3. 採用「氫能」儲能，風力發出的電可用來製取「氫」氣﹝例如電解水﹞，氫可以儲存、運送也很方便，需要能量時，利用燃料電池即可立即發電，以供應用。 4. 配合「太陽能」發電，由於太陽能與風能有互為消長的現象，尤其在台灣地區，夏季日照充分，冬季風力冷冽，這樣所謂的風光互補的系統，逐漸應用到路燈是非常不錯的。
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風力機型式 風力機主要是使用螺旋槳型風車（葉片式，泛稱為水平軸式風力機），或是採用錐形、打蛋型或新式多翼型（泛稱為垂直式風力機）等。目前商業運轉中的風力機機組從200W到1kW或10kW的小型風力機，也有數百kW到2000kW或5000kW（即5MW）的大型風力機，如圖三至五所示，而現在全世界測試中的最大風力機（三葉片式）額定發電容量高達7,500kW。台灣目前安裝完工且進行商業運轉發電的最大機組是2,300kW，裝設於彰濱工業區，在東北季風強盛之際（風速每秒超過14米）就可以每小時發電2,300度電，在平時足可供應2,000戶家庭使用。
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圖三 小型水平式風力機 |
圖四 小型垂直式風力機 |
圖五 大型風力機 |
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風力發電機組壽命 風力發電機組除了氣動性能要佳（所以要設計優異的葉片翼型，同時也會採用電腦控制葉片的轉動），以吸收最多的風能。另一重要的需求即結構要強固牢靠，以能耐久運轉，長期發揮運轉發電效益。目前風力機的壽命，一般以20年為設計基準，由於科技及材料的進步，現今商業化風力機的性能及可靠度不斷提昇，目前各大廠商之風力機的可用率可達97∼99%，相較於1980年代的50∼60%已提高甚多。由於風力機係轉動體，且處於室外需承受各種風霜雨雪及雷電等自然環境之考驗。風力機要能可靠耐久，除了機組之結構安全設計能耐得住長期動態運轉的應力負荷外，亦須有額外的安全保護系統以避免發生重大故障或損害，另外定期的維護保養亦不可免。 |
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風力場址之選擇 風力場址之選擇應蒐集該地區之氣象資料，以了解風速之平均值及變動情形，還有風向的分析也很重要。由風力變動之長期資料，決定適當地點，然後設立風速測塔，收集風速分佈資料，所測得的風速換算可以得到一整年的發電量，藉此評估整體投資設置的經濟效益。台灣東北季風盛行，越靠近西部沿海區域風況甚佳，但是隨著往內陸移動，受到建築物及地形的干擾，風況減少甚多，見圖六所示。 北部從桃園之大園到新屋沿海，新竹之新豐到香山一帶，苗栗之後龍至苑裡沿海一帶；整個中部沿海，自通宵、大甲、經梧棲、大肚，一直到彰濱及麥寮沿海區域，可以說是台灣地區風況十分良好的地域，平均滿發時數約在2,600-3,200小時（滿發時數是經過一整年風速量測後，經過累加分析所得到的值，這個值直接乘以風力機額定發電容量便得到年發電量），若要論風況最好的區域則莫過於澎湖，在過去六年的運轉記錄上，曾有一年的滿發時數接近4,000小時之多。 在選擇風力發電設置場址除了風況因素以外，並須考慮安全及噪音問題，通常宜避免緊臨住家，按照國外的設置原則建議，風力機距離一般住家環境300公尺以上是聽不到葉片旋轉的噪音，一般田野、河堤、岸邊及山丘脊線均是設置風力機之良好地點，但須注意不要緊臨通訊站或雷達站以防干擾、同時避開鳥類生態保護區以免造成衝擊（海上風力電場在設置施工時則要注意不要影響到哺乳類動物），以及設置場址有無航空高度禁、限建之規定等。而另外在台灣由於電網必須進入台電系統，所以風場的位置如果距離台電公司的變電所過遠，則會增加初期的投資成本。 |
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全世界風力發電 截至2007年為止，全世界風力發電總裝置量已經達到94,030MW，其中以德國安裝容量最多（22,277MW，佔23.7%），接下來分別是美國（16,904MW，佔18%）、西班牙（14,714MW，佔15.6%）、印度（7,845MW，佔8.3%）及中國（5,875MW，佔6.2%）；而風力發電佔國家總電力比值最高的是丹麥（約20%）。2007年是風力機設置容量最多的一年（全球總計19,876MW），總體投資金額約有300億美金（相當於新台幣1兆元）。 由丹麥這一兩年的發展趨勢明顯看出來，一個國家陸域風場的開發終有其極限，繼之而起者為離岸式風力電場（就是所謂的海上風力發電）。離岸式風電場具有較高風能和較穩定風速的雙重優點，相對地發電量不僅高於陸地風場，而且少亂流的特性也延長風力機使用的壽命，又能夠避免陸地使用所產生的衝突，同時對於大量發展陸域風場國家的居民而言，陸域風力機造成的視覺障礙、噪音及陽光斜閃干擾等（也是一種生態問題）負面問題也一併解決。但是其缺點為成本較高，所以擴大其風電場規模為降低發電成本的可行之道之一。到2007年底全球離岸風力發電設置容量已經超過1,000MW，最大的一處風場容量超過160MW（80部，2MW的風力機），見圖七所示。
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圖七.離岸風力電場 |
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我國風力發電 我國政府於1980年起開始投入風力發電相關技術研究，截至1990年止累積了150kW風力機的研發製造能量，當時約有80%的自製能力。後來陸續有台電公司開始進行場址設置風力發電之可行性評估，包括彰化濱海工業區設立風力發電機可行性研究、澎湖本島風力發電示範計畫可行性研究及工程規劃研究、1995~1996年完成進行澎湖本島風力發電示範計畫（2,400 kW）可行性研究修訂（發電廠場址改為中屯地區）等。經濟部能源局自2000年起，在台灣地區推動「風力示範推廣計畫」，共完成三座示範系統總裝置容量為8.54MW（分別設置於雲林麥寮、澎湖中屯及新竹竹北等地），並順利帶動台灣電力公司及民間業者相繼投入陸域風能開發，從2004年7月起，政府以購電的方式（每度電2元）推動民間風電開發商投入建置風場，截至2007年為止，總計完成超過280MW裝置容量，分別由台電公司、英華威公司、台朔重工及正隆公司在十幾處風場設置使用中，見圖八所示。另外目前約有400-500 MW之裝置容量正申設籌建中，這些規劃設置的風力電場均位於主要之風能蘊藏較為豐富的區域，目前在陸域投資的風電公司除了前述幾家，尚有東鋼風電及台灣再生能源公司。
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圖八.台灣陸域風力電場
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由於我國陸域風場土地資源有限，對於推動離岸式風力發電已經成為政府推動的重點方向，同時亦將藉此落實產業發展的手段及目標（風力機國產化），因此工業技術研究院承接經濟部能源局計畫工作，進行離岸風力發電設置推動（含嘉義、彰濱外海風速量測，與英國合作進行離岸風電開發評估技術建立，建立台灣西海岸全區風能模擬分析，協助分析解決目前推動上可能遭遇的問題等內容）。另一方面經濟部亦就離岸式風力發電場設置進行分階段之公告開放方式，第一階段於2007年9月公告實施，最小設置容量50MW，最多則不超過120MW的風場登記，三年後將再評估後推動第二階段政策。在此之時，台電公司與民間永傳能源公司均在彰濱外海規劃離岸風場，若一切順利應有機會在2010年8月前提出籌設申請，在這之前，這兩家公司需要完成相關機關申請核可、環境影響評估及技術可行評估等多項工作。 風力發電除了產值高且在能源佔比上具有較大的貢獻，因此全世界多數風況較佳的國家均十分重視這個綠色能源的發展，我國也會趁此之勢大力發展，以落實節能減碳的目標。
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