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風力發電專題報導(二):風力發電-有風就可來電的發電廠

我國為全球公認之風能資源豐富地區,有發展風力發電的自然條件,這是老天爺賦予給台灣地區的天然資源。政府立法通過的「再生能源發展條例」,更建立了我國發展再生能源之法治基礎及重要推動里程碑;政府為發展風力發電,已推動「千架海陸風力機」計畫,目標於2030年前達成總裝置容量為4,200百萬瓦(MW)。本文將由政府正逐步重視風力發電的發展中,介紹風力發電的基本發電原理,說明風力發電廠所採用的風力機設備之種類及其優缺點
 
 
 
為善用國內豐富再生能源天然資源,馬總統於2014年4月22日世界地球日接見國內環保團體代表時表示,政府積極推動的「千架海陸風力機」的計畫,將以合理的電力躉購費率,以及保障收購20年等獎勵誘因,鼓勵國內業者投入發展風力發電等綠色新能源產業。

台灣乃是全球公認之風能資源豐富地區,有發展風力發電的自然條件,這是老天爺賦予給台灣地區的天然資源。政府立法通過的「再生能源發展條例」,更建立了台灣發展再生能源之法治基礎及重要推動里程碑;政府為發展風力發電,已推動「千架海陸風力機」計畫,目標擬於2030年前達成總裝置容量為4,200百萬瓦(MW)。由此可知,政府乃逐步重視風力發電的發展,以下將介紹風力發電的基本發電原理,並說明風力發電廠所採用的風力機設備之種類及其優缺點。

風力資源的好壞對風電場或風力發電廠的發電效益極為重要,故在規劃時即需考量擬設置地點的風能特性,以及地理條件是否能形成穩定且充足的風能。風速越高的地區,風力發電機獲得的風能越多,相對的經濟效益越好;風向穩定且紊流少的環境對風力發電機本身的磨耗較低,機組亦較不易受損,運轉壽命也較長;故宜慎選周遭環境,設置地點應盡量避免處於受建築物、樹木遮檔產生擾流的影響範圍內。而近年來民眾環保意識高漲,社會抗爭頻傳,設置前須能納入當地公民意見,以降低類似苑裡抗爭之情況發生。

風電場最主要的發電設備即為風力發電機。風力發電機設備,主要由塔架、葉片與發電機等3大關鍵元件所構成,葉片與發電機等主要構件由塔架支撐至適當高度,是構成風力發電廠的必要條件。風力發電的原理是利用風力帶動葉片旋轉,葉片連接主軸,轉動發電機產生電力;發電機所產生之電力可直接使用於單一家庭或單一建築,亦可直接連結至電網提供更大範圍之用電需求。然,在風能轉換成電能的能量轉換過程中,會發生些許損耗,以致於風力機無法將全部風能轉換成電能;一般而言,現代風力機將風能轉換為電能的輸出效率約20~45%。

目前市面上較常見的風力發電機可分為水平軸式與垂直軸式2大類。水平軸風力機(horizontal-axis wind turbine;HAWT)的葉片旋轉主軸與地面平行,即葉片在風驅動下繞著水平軸旋轉;垂直軸風力機(vertical-axis wind turbine;VAWT)的旋轉主軸與地面垂直,即葉片環繞著垂直地面的軸旋轉。

水平軸風力機需藉由尾舵或是帶有馬達之轉向控制來調整風力機葉片旋轉中心保持迎風方向,因風向改變與擾流將會造成水平軸風力機運轉效能有所下降。垂直軸風力機是為了設置在都會區風向較不穩定所發展出來的類型,不受風向改變的影響,能隨時接收來自四面八方的風,因不需要調整風力機葉片與風向位置,因此對於風向改變所受到的影響較小。

水平軸風力機的優點在於:傳動設計具多樣性、起動性能佳、振動較小、運轉效率較高;而垂直軸風力機的優點在於:葉片外型設計具多樣性、可利用360°的風向、啟動風速低、風能利用率高、噪音較小。大致上來說,水平軸風力機效率較高,但噪音較大,每千瓦成本較低;而相較於水平軸式風力機,垂直軸風力機發電效率較低,噪音較低,每千瓦成本較高,因此水平軸風力機最好設置在空曠地區,空氣流動穩定且沒有障礙物的地方,而垂直軸風力機應用較多於接近都會地區,尤其在風向變化大的地方,消費者需依需求選擇適當型式的風力機。

根據市場調查公司Navigant Research/BTM Consulting的統計,截至2013年底,全球風力發電累計安裝量為322十億瓦(GW),風力機設備單機容量規格以1.5百萬瓦(MW)至2.5百萬瓦(MW)為主流,離岸風電則以3百萬瓦(MW)至5百萬瓦(MW)為主,且全球前10大的風力機製造商均採用水平軸式風力機,故市場上大型風力發電廠設置仍以水平軸式風力機為主;但大型垂直軸式風力機仍為部分先進國家積極研究中,且小型垂直軸式風力機市場已有許多成功應用案例。國內已設置風力發電亦以水平軸式風力機為主,但於風向變化較大且較不穩定之都會區,垂直軸式風力機乃相當具有發展之潛力。(本文由科技部補助「新媒體科普傳播實作計畫─電機科技新知與社會風險之溝通」執行團隊撰稿/103年/07月)

責任編輯:黃承揚|英商牛津儀器海外行銷有限公司
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