國立臺北大學通識教育中心 能源概論 通識課程 (Week 8) 進度 : 風力發電 水力發電 李育明 國立臺北大學公共事務學院自然資源與環境管理研究所教授 April 10, 2009 授課大綱 風力發電 風與風力發電簡介 風力機發展概況 台灣風力發電計畫 風力發電相關問題 風力發電停看聽 水力發電 水力發電技術簡介 台灣水力發電概況 水力開發與環境保育 水力發電停看聽 2 風的小常識 蒲福風級表 成因 : 地球自轉及太陽熱輻射不均, 引起空氣的流動 風速 : 一般隨高度增加而變大, 且深受地形地貌的影響 風向 : 風花圖顯示主要風向及風速的發生頻率 台灣西北部以東北季風為主風向, 且風速遠大於西南季風 風力強弱 : 蒲福風級表 風花圖 (wind rose) 蒲福風級 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 17 無風 calm 大風 gale 烈風 strong gale 狂風 storm 風之稱謂 軟風 light air 輕風 slight breeze 微風 gentle breeze 和風 moderate breeze 清風 fresh breeze 強風 strong breeze 疾風 near gale 暴風 violent storm 颶風 hurricane 颶風 hurricane 煙直上 有葉之小樹開始搖擺 一般敘述 僅煙能表示風向, 但不能轉動風標 人面感覺有風, 樹葉搖動, 普通之風標轉動 樹葉及小枝搖動不息, 旌旗飄展 塵土及碎紙被風吹揚, 樹之分枝搖動 樹之木枝搖動, 電線發出呼呼嘯聲, 張傘困難 全樹搖動, 逆風行走感困難 小樹枝被吹折, 步行不能前進 建築物有損壞, 煙囪被吹倒 樹被風拔起, 建築物有相當破壞 極少見, 如出現必有重大災害 1 公尺 / 秒 =3.60= 公里 / 時 =2.24= 哩 / 時 =1.94= 浬 / 時 每秒公尺 m/s 不足 0.3 0.3-1.5 1.6-3.3 3.4-5.4 5.5-7.9 8.0-10.7 10.8-13.8 13.9-17.1 17.2-20.7 20.8-24.4 24.5-28.4 28.5-32.6 32.7-36.9 56.1-61.2 每時浬 kts 不足 1 1-3 4-7 8-12 13-16 17-21 22-27 28-33 34-40 41-47 48-55 56-63 64-71 109-118 3 http://www.cwb.gov.tw/v5/education/knowledge/data/dict/kn_all.htm 4
利用風力不是新鮮事 風力發電簡介 基本原理 : 風能擷取係利用風車葉片將風之動能動能轉變為傳動軸的機械能, 傳動軸帶動發電機, 機械能轉變為電能電能輸出 風能與風速三次方及葉輪面積成正比 P = 1/2ρv 3 πr 2 (P: 風能 ρ: 空氣密度 v: 風速 r: 葉輪半徑 ) 發電效率 : 理論上限 59.3%,, 目前技術最高可達 50% 資料來源 : 95 年度大學院校能源教育通識課程推動計畫 結案報告 5 6 風力發電系統組成 葉片 : 受氣動作用, 將風能轉為機械能 發電機 : 將機械能轉為電能 增速器 : 利用增速齒輪提升轉速帶動發電機 機艙 : 包覆發電機及機電控制系統 塔架 : 支持風機之機艙及迴轉系統 煞車系統 : 以控制停機或減速 轉向系統 : 轉動機艙以調整至葉片垂直風向 控制系統 : 控制機組轉速 溫度 電流 電壓 發電量 警報及停機等, 確保安全運轉 7 資料來源 : 95 年度大學院校能源教育通識課程推動計畫 結案報告 8
風力機示意圖 主流產品 : 水平軸式 上風型 三葉片 葉片長度 風力機的結構與種類 風力機容量 葉片長度 轉子中心高度 基底直徑 基地面積 轉子中心高度 2000 kw 40 m 65 ~ 80 m 4 m 300m 2 基底直徑 資料來源 : 95 年度大學院校能源教育通識課程推動計畫 結案報告 9 http://wind.erl.itri.org.tw/knowledge/why-content.htm 10 風力機的分類方式 風力機 ( 風車 ) 型態 劃分依據 主軸與水平面的相對位置 葉輪相對於風向的位置 葉片數量 葉片工作原理 風力機發電機組容量大小 風力機的種類 水平軸式 垂直軸式 上風式 下風式 多葉片室 少葉片式 ( 以二葉及三葉效率最高 ) 升力型 阻力型 小型 中型 大型機組 http://wind.erl.itri.org.tw/knowledge/why-content.htm 11 資料來源 : 認識綠色新能源 12
現代風機發展概況 自 20 世紀 70 年代起, 從丹麥與德國發展起來 全球風力發電裝置容量 1997 年全球裝置容量 7.6GW 2007 年達 94.1GW, 10 年成長 11 倍 2008 年成長 29%,, 達 120GW 現代風機特徵 : 純發電 風機大幅架高 13 資料來源 : 95 年度大學院校能源教育通識課程推動計畫 結案報告及網路更新資料 14 風力發電機製造商 世界十大風力發電國 (2006 年 ) Bonus ( 丹麥 ):2004 年被西門子 (Siemens) 併購 Enercon ( 德國 ) Enron ( 美國 ) Gamesa ( 西班牙 ) MADE ( 西班牙 ) Mitsubishi 三菱 ( 日本 ) Nordex ( 德國 ) NEG Micon ( 丹麥 ): 2003 年被 Vestas 併購 Siemens ( 德國 ) Suzlon ( 印度 ) 金風科技 ( 中國 ) 華銳風電 ( 中國 ) Vestas ( 丹麥 ):: 在全球風力發電市場市佔率達三成以上, 海上風力渦輪發電機市場更高達七成, 為目前風力發電機市佔率最高的製造廠商 資料來源 : 維基百科,http://zh.wikipedia.org/wiki/ 風力發電廠 15 Stiebler, M. (2008). Wind Energy Systems for Electric Power Generation, Springer, Berlin. 16
離岸式風力發電 (offshore wind power) 台灣地區平均風速及風能密度 1990 年瑞典建立第一個離岸式風力發電機 離岸式風力發電機一般設在離海岸約 2 km 的海上, 水深 5~10 m 處 (b) 台灣地區 50m 高之平均風能密度 ( 100W/m 2 ) 分佈圖 丹麥 Middelgrunden 離岸式風力發電場 台灣的風力資源分佈以西部沿海及澎湖離島最為豐沛風力發電潛能陸上約 100 萬瓩, 海上約 200 萬瓩 江懷德呂威賢羅聖宗顏志偉, 我國離岸式風力發電場發展之可行性評估, 太陽能及新能源學刊, 第八卷 第二期, 民國 92 年 12 月 17 資料來源 : 工研院能資所 中央大學大氣物理研究所合作研究計畫結案報告 (2003) http://140.96.175.37/map/landmap/landmap.htm 18 台灣風力發電簡史 1961 年, 台電在澎湖白沙首建一部 50 瓩風力機, 進行發電試驗 1984 1990 1990 年間, 工研院能資所自行開發 4 瓩 40 瓩 150 瓩三種風 力機, 並在湖口台地成功運轉 1991 年, 台電在澎湖七美鄉裝設兩部商業化的 100 瓩風力機 1996 年, 中央氣象局在彭佳嶼設置一部 10 瓩風力機與光電混合發 電系統, 提供氣象測站用電 2000 年, 台塑麥寮工業園區設置四部 660 瓩的風力機, 是台灣第一 處風力發電場 2001 年, 台電在澎湖本島中屯地區設置四部 660 瓩的風力機, 並於 2005 再擴增 4 部 2002 年, 竹北正隆紙廠春風發電示範系統 : 二部 1,750 瓩機組 2004 年, 核能一廠的石門風力場完工運轉 2006 年, 苗栗竹南及後龍 :25: 部風力機, 總容量約 5 萬瓩 2007 年, 彰工風力發電站共設置 23 部風力機, 每部裝置容量 2,000 瓩, 總裝置容量 46,000 瓩 2008 年, 國內風力發電累計裝置容量為 34.7 萬瓩 台灣風力發電 : 白沙七美初試啼聲 民國 54 年在澎湖在澎湖白沙白沙首建一台 50kW 風機 民國 79 年在澎湖在澎湖七美七美再建二台 100kW 風機 民國 79 年工研院在工研院在湖口湖口設置風力機試驗場 資料來源 : 認識綠色新能源 及網路更新資料 19 http://wind.erl.itri.org.tw/wind.html 20
Vestas V47-660 風力發電機結構 麥寮風力示範系統 總裝置容量 :2,640: 瓩機型 : 四部丹麥 Vestas V47-660 kw 輸出功率 :660: 瓩 ( 於 15 公尺 / 秒風速 ) 啟動風速 :4: 公尺 / 秒關機風速 :25: 公尺 / 秒最大耐風速 :70: 公尺 / 秒葉輪直徑 :47: 公尺葉片材料 : 強化玻璃纖維轉速 :28.5: 轉 / 分塔高 :45: 公尺 Vestas V47-660 風力發電機輸出曲線 1. Blade: 葉片 8. Oil cooler: 油溫冷卻器 15. Yaw control: 轉向控制 2. Blade hub: 葉輪輪轂 9. Cardan shaft: 萬向接軸 16. Gear tie rod: 齒輪箱支撐桿 3. Blade bearing: 葉片軸承 10. Primary generator: 主發電機 17. Yaw ring: 轉向齒輪盤 4. Main shaft: 主傳動軸 11. Service crane: 維修用小吊車 18. Yaw gears: 轉向齒輪 5. Secondary generator: 副發電機 12. Pitch cylinder: 旋角控制桿 19. VMP top control unit: 塔頂控制單元 6. Gearbox: 齒輪箱 13. Machine foundation: 機組座架 20. Hydraulic unit: 油壓控制單元 7. Disc brake: 碟式煞車 14. Tower: 塔架 http://wind.erl.itri.org.tw/demonstration/specification.htm 21 http://wind.erl.itri.org.tw/demonstration/specification.htm 22 台灣風力發電 : 中屯風力一舉成功 民國 90 年在澎湖白沙鄉中屯中屯完成 4 台 600kW 風機 民國 93 年底增建 4 台同型風機 Enercon-600 竹北春風電廠丹麥 Vestas V66 1.75 MW 2 座 塔高 60 公尺 扇葉直徑 66 公尺 台電風力十年發展計畫 目標自民國 91~100 100 年完成風機 146 部或總裝置容量 27.1 萬瓩 風力發電第一期計畫 :60 部風力機組, 總裝置容量約 9.9 萬瓩 已完工商轉 : 石門風力 (6( 台 660 瓩 ) 恒春風力 (3( 台 1500 瓩 ) 大潭電廠 (3( 台 1500 瓩 ) 桃園大園觀音 (20( 台 1500 瓩 ) 台中電廠 (4( 台 2000 瓩 ) 台中港區局部 (5( 台 2000 瓩 ) 新竹香山 (6( 台 2000 瓩 ) 台中港區 (13( 台 2000 瓩 ) 預估每年發電量 2 億 7 千萬度 風力發電第二期計畫 :58 部風機, 總裝置容量為 11.6 萬瓩 包括彰工風力 雲林麥寮 桃園大潭海堤區及雲林四湖等廠址 預估每年發電量可達 3 億 4 千萬度, 預計於 99 年底全部興建完成 彰工風力 (23( 台 2000 瓩 ) 麥寮風力 (15( 台 2,000 瓩 ): 已完工 風力發電第三期計畫 :28 部風力機組, 總裝置容量約 5.6 萬瓩 彰濱工業區線西區 彰化王功 雲林麥寮 桃園大潭等廠址 離島風力 : 金門金沙風力 2 部, 裝置容量約 0.4 萬瓩, 預計於 99 年 6 月完工商轉 ; 澎湖湖西風力 6 部風機, 裝置容量約 0.51 萬瓩, 預計於 100 年 7 月完工商轉 http://wind.erl.itri.org.tw/wind.html 23 http://www.taipower.com.tw/left_bar/power_life/power_development_plan/telegraphic_transmission.htm 24
民間業者的風力機組 資料來源 : 95 年度大學院校能源教育通識課程推動計畫 結案報告 25 資料來源 : 95 年度大學院校能源教育通識課程推動計畫 結案報告 26 風力發電計畫之執行 規劃 施工 營運及維修 更新 規劃工作重點 : 廠址勘選 機組佈置機組佈置 發電量估計 成本估計成本估計 經濟分析經濟分析及環境影響評估環境影響評估等 廠址勘選準則 : 首先排除排除風能不佳的地點, 如平均風速小於 4 m/s 區域 排除法律禁止開發地區禁止開發地區如軍事管制區 特定水保區等 避免位於環境敏感區如自然保留區 野生動物保護區等 應遠離城鎮聚落, 與民宅保持 300 公尺距離 應避免與當地其他開發計畫嚴重牴觸或衝突之區域 現場開闊空曠, 上風處無高大障礙物, 最好能獲得地形上風加速作用 風力發電停看聽 風力, 是淨潔的綠色能源, 有助於二氧化碳排放減量 => 3.6 g/kwh (637 g/kwh) 台灣的風力資源豐沛, 單位發電成本也低於燃油 燃氣 火力 風力機零組件產業 : 建立本土維修支援本土維修支援體系 風力和太陽能一樣, 深受地理條件地理條件和氣候影響, 因此會有風力來源不穩定 風力忽大忽小 風向時常改變, 使得風力發電效果有限, 宜興建之前多方評估適合的風力場所 風力發電機的噪音噪音問題和問題和鳥擊鳥擊事件, 都應該設法研發改進並在事前審慎規劃, 將環境影響程度降到最低 資料來源 : 95 年度大學院校能源教育通識課程推動計畫 結案報告 27 資料來源 : 認識綠色新能源 28
風力發電對鳥類之影響 轉速慢 葉片面積大 不會是 絞肉機絞肉機 美國加州小型風機 影響鳥類遷徙遷徙 覓食覓食路徑 間距大於 500 ~ 700 公尺 防範措施 : 廠址鳥類生態調查, 避開野鳥保護區 風機佈置避免切割鳥類棲地與覓食地 風機安裝警示或驅鳥裝置 噪音問題 影響水中生物? 特殊造型風力機 29 朱銘隆, 台灣風電產業的展望,2006 再生能源發展與評估模式研討會, 國立臺北大學 30 低噪音風力發電機組 風力發電機組與景觀之結合 朱銘隆, 台灣風電產業的展望,2006 再生能源發展與評估模式研討會, 國立臺北大學 31 朱銘隆, 台灣風電產業的展望,2006 再生能源發展與評估模式研討會, 國立臺北大學 32
水力發電 水力發電特色 水力發電過程中不排放二氧化碳, 可說是潔淨之綠色能源 壩體建築與機組製造 : 排放少量的 CO 2 水力發電是目前再生能源中應用最久且最為成熟之發電技術 水力發電可在短時間內迅速啟動, 有效因應尖峰負載時段之電力需求 其它再生能源 ( 太陽能 風力 生質能 地熱能及海洋能 ) 則受天候地理條件限制, 無法立即 瞬時提供電力 可調度的電力 調頻與 全黑啟動全黑啟動 34 水力發電技術簡介 水力發電原理 利用水自高處流向低處, 由高位能降至低位能之位能差, 在低處利用此位能差作功, 推動水輪機軸心旋轉將位能差轉成機械能, 再經由水輪機軸心旋轉帶動連接於水輪機上方之發電機軸心旋轉, 藉由導線切割磁力線切割磁力線會在導線上產生電流原理 ( 法拉第定律 ), 再將機械能轉換為電能, 發出之電利用輸電線送至用電地點, 可提供各種不同用途, 例如電氣化鐵路 捷運 工廠用電 照明及家用電器設備等 因此, 以水力推動機械, 使其作功, 並轉換成電能此即為水力發電 水力發電技術簡介 理論水力 P = 9. 8 Q H 其中, P 為理論水力, 單位為瓩 (kw) Q 為流量, 單位為立方公尺 / 每秒 (cms) H 為高低差或落差, 單位為公尺 (m) 理論水力指水流所作的功完全轉換成電能 發電出力 : 實際上, 水輪機及發電機等機械設備, 會因各種磨擦損失部份機械能, 故實際發電出力發電出力為理論水力再乘上水輪機效率水輪機效率及發電機效率發電機效率 發電量 = 發電出力 發電時間 資料來源 : 95 年度大學院校能源教育通識課程推動計畫 結案報告 35 36
水力發電技術簡介 水力發電設施 一般水力發電廠包括發電水路設施發電水路設施 電廠 ( 發電機及控制室 ) 開關場及輸電線路開關場及輸電線路等 水力發電設施 發電水路設施則包括上游溪流攔水或儲水之上池, 引水之進水口結構 頭水隧道 ( 或引水渠道 ) 頭水平壓塔 ( 或前池 ) 壓力鋼管 主閥 水輪機 吸出管 尾水隧道尾水隧道及尾水平壓塔 ( 或尾水庭及重力式尾水路 ) 尾水出口結構最後銜接下游溪流或下池 ( 抽蓄電廠 ) 等 資料來源 : 95 年度大學院校能源教育通識課程推動計畫 結案報告 37 資料來源 : 認識綠色新能源 38 水力發電技術簡介 水路式發電 因地質因素不適合興建高壩之溪流, 可興建較低之攔水堰攔水堰以攔蓄溪流量, 由取水口取水經沉砂池及引水路引水路至前池 ( 平水池 ), 再銜接壓力鋼管進入電廠水輪機, 最後由尾水路尾水路排回溪流 水庫式發電 若河川兩岸狹窄且地質許可興建高壩, 於其上游形成可儲蓄水量之庫容, 若庫容可調節每日之流量者稱之為者稱之為調整池 ; 可調節四季之流量者稱之為水庫水庫 由壩上游設發電進水口引水經埋設於壩身內之壓力鋼管至設於壩下游之 ( 或直接設在壩體內 ) 發電廠, 發電後排回下游溪流 水路式發電 39 資料來源 : 95 年度大學院校能源教育通識課程推動計畫 結案報告 40
水庫式發電 台灣水力發電概況 水力發電之分類 大水力 小水力 : 裝置容量小於 2 萬瓩稱小水力 慣常水力 抽蓄水力 ( 非再生能源 ) 台灣地區水力電廠合計 42 座, 總裝置容量 4,500.1 千瓩, 佔電力系統配比 11.4% 慣常水力 40 座, 裝置容量 1,726 千瓩, 其中小水力電廠計 23 座, 裝置容量 129.28 千瓩 抽蓄水力 2 座, 裝置容量 2,774.1 千瓩 明潭 大觀二廠 資料來源 : 95 年度大學院校能源教育通識課程推動計畫 結案報告 41 42 大甲溪水力發電機組 慣常水力 大甲溪發電廠 (1104.365MW) 4 分廠 3 處機組共 21 部機組 德基 ( 分廠 ) 青山 ( 分廠 ) 谷關 ( 分廠 ) 天輪 ( 分廠 ) 馬鞍 ( 機組 ) 3x78=234 4x90=360 4x45=180 4x22.5=90 1x105=105 2x66.735=133.47 后里 ( 機組 ) 2x0.475=0.95 德基水庫 社寮 ( 機組 ) 1x0.945=0.945 43 資料來源 : 認識綠色新能源 44
抽蓄水力 水力開發與環境保育 水力開發之環境保育作法 環境影響 : 蓄水庫淹沒區及河川自然及河川自然生態及景觀生態及景觀之維護 引水隧道 尾水路尾水路開發之地質擾動 水輪機與發電機發電機運轉之環境影響 環境影響評估法 規劃階段 : 將環境影響減低措施納入開發規劃 施工階段 : 施工機具與土方清運 運轉階段 : 持續的環境監測作業 水力電廠除役? 長江三峽水力計畫 : 水庫淹沒區淹沒區造成的遷村 生態衝擊 古蹟破壞古蹟破壞的影響, 以後要緬懷長江三峽的人文史蹟, 可能只能從古詩中去想像了 資料來源 : 認識綠色新能源 45 46 世界兩大水力發電計畫 水力發電停看聽 水力發電是很潔淨的再生能源, 由於水力發電廠啟動迅速 運轉靈活運轉靈活 故障率少 可靠性大, 能順應能負載瞬時變化, 又能調節系統的電壓與頻率, 在電力系統中一直扮演著重要角色 => 全黑啟動機組 台灣水力發電已有百年歷史, 目前發電量也是我國再生能源中占比最高, 未來應該要改善與增進現有水力發電的能力, 可有效增加水力發電的利用率 然而, 台灣地區因受地形地形 地質地質及水文氣象水文氣象等天然條件的限制下, 優良的水力廠址不多, 或許可以獎勵小規模的水力發電, 讓涓滴珍貴的資源都能被充分利用, 相信亦會達到可觀的成效 資料來源 : 95 年度大學院校能源教育通識課程推動計畫 結案報告 47 資料來源 : 認識綠色新能源 48