風力機系統的發展與介紹內容 風力機的歷史與發展 風能的興起與市場 風力機系統介紹 風力機的應用 風力機事故與維修 環境與風場 建築美學與城市擾流 台灣風能的發展
內容 風力機的歷史與發展 風能的興起與市場 風力機系統介紹 風力機的應用 風力機事故與維修 環境與風場 建築美學與城市擾流 台灣風能的發展 風能的利用 The First Use of Wind Energy 風能 動能 Reed boats were used by common seafarers in ancient Mesopotamia, Egypt and The Amazon, possible as early as 6000 BC, nobody knows when a sail was first attached.
風能的利用 風能 機械能 三千年前的波斯便利用風力機來作碾米和提水等用途 風能的利用 風能 機械能 萊茵河三角洲 (Rhine river delta) 的沼澤地用風機來作排水與農作物灌概用
風力機的起源 ( 風能 機械能 電能的應用 ) The first automatically operated wind turbine, built in Cleveland in 1887 by Charles F. Brush. It was 60 feet (18 m) tall, weighed 4 tons and powered a 12kW generator James Blyth's electricity generating wind turbine in 1891 The first MW wind turbine Smith-Putnam wind turbine As a result of the collaboration between Palmer C. Putnam and the Smith Company in the United States, the Smith-Putnam wind turbine was erected in 1941. This 1.25 MW 2-bladed prototype with a steel rotor, 53 m in diameter. This AC power supply remained the largest wind turbine ever built for some 40 years. 但僅運轉 23 天 (1941.10.19) 便遭強風摧毀
Johannes Juul s 200kW Gedser upwind wind machine built in 1956 The three-bladed upwind turbine with electromechanical yawing and an asynchronous generator was a pioneering design for modern wind turbines, although its rotor with guy wires looks a bit old fashioned today. Stall control. It ran for 11 years without maintenance. 1975 重建 by NASA 德國 Stuttgart 大學 (Ulrich Hütter) 1949 年建立,6kW, 直徑 11.26m, 高度 9.9m, 額定 9m/s, 86U/min, 發電機 \1500rpm, twist aerodynamic blade
Danish Concept A hybrid of J. Juul s turbine with U. Hütter s blade is the Danish Concept + = three-bladed upwind turbine with electromechanical yawing and an asynchronous generator twist aerodynamic blade The Emergence of Modern Wind Power, by Maegaard, Krenz & Palz 風力機的發展 Arena-M5000 SWAY Harakosan 1.5MW 1888-12kW 1941-1.25MW (D17m) (53m) 1949 年 6kW 1956-200kW Enercon ALSTOM 6MW Sea Titan Vestas V90 Fuhrländer FL30-30kW 1984 Enercon Enercon E16/55kW 1985 1990 1994 1996 2000 2000 onshore 2004 offshore
內容 風力機的歷史與發展 風能的興起與市場 風力機系統介紹 風力機的應用 風力機事故與維修 環境與風場 建築美學與城市擾流 台灣風能的發展 風能的興起 能源的枯竭 價格高漲及石油危機 (1973[$3 >13], 1979[$15 >39], 1990[$14 >40]) 環境的汙染及氣候的變遷 1997 年 12 月於日本京都簽署 京都議定書, 規範 38 個國家及歐盟, 以個別或共同的方式控制人為排放之溫室氣體數量以期減少溫室效應對全球環境所造成的影響 大風機 2009 年 12 月哥本哈根氣候變遷會議之減碳目標更推動風能的利用 小風機 各國政府的獎勵政策及推動更加速風力機市場的蓬勃發展 風力機發電成本的下降
環境的汙染 風能與石化燃料 另根據台電評估, 每發一度電 (1kWh) 需使用燃煤 0.37kg 燃油 0.25L 或 0.165kg 燃氣, 平均約可減少 0.532 kg CO 2 的排放 carbon dioxide 970g CO 2 nitric oxide 0.73g NO sulfur dioxide 1.48g SO 2 Dust 0,04g 風能補助 獎勵政策 各國政府的補助措施有助長再生能源的推動 獎勵政策 固定電價系統制定優惠電價數量由市場決定 有利風機的推展 固定電量系統制定再生能源電量價格由市場決定 設備補助 : 美國 (30%) 英國 (1000 英鎊 /kw) 丹麥 德國 西班牙 較有利垂直軸風機的推展 固定收購價格 : 中國 (NT2.53/1.24) 英國 (NT15/3.8) 台灣 (NT8.17/2.3) 日本 (JP55) 較有利水平軸風機的推展 稅賦抵減 : 美國 ( 愛荷華 50% 無息貸款 ) 競比系統 : 英國 愛爾蘭 法國 可交易綠色憑證系統 : 英國 瑞典 比利時 義大利
岸風機智慧型電網 風能補助 國家及政策 風力機的發展與市場關係 1980-20kW 小型風力機 1990-300kW 中型風力機 2000-2000kW 大型風力機 風力機市場 小者恆小 (10kW 以下 )? 大者恆大 (2MW 級以上 ) 分散式發電集中式發電家用市場微型供電& 分散式電力能源 陸休閒農場 離島 社區等域100~200kW( 新開發 ) 風站機P<1kW P<5kW P<10kW 微型供電站 : 風光互補 (<500W) 基地台 綠建築 大廈公共用電 離島等 離
全球新增與累計容量 (1996~2013) 全球新增容量 全球累計容量 2013 前 10 新增與累計裝置國家 2013 前 10 新增裝置國家 2013 前 10 累計裝置國家 (GWEC, 2013) 世界前十新建風力發電裝置容量國家 世界前十累計風力發電裝置容量國家
2013 年系統廠新增裝機排名 Others, 18.5% Vestas, 13.2% Sewind, 2.2% Sinovel, 2.3% Goldwind, 10.3% DEC, 2.3% Envision, 3.1% Enercon, 10.1% XEMC, 3.2% Nordex, 3.4% Mingyang, 3.7% GE, United Power, 4.9% 3.9% Gamesa, 4.6% Suzlon Group, 6.3% Siemens, 8.0% From: MAKE Consulting 風力機市場分析 ( 發展與市場趨勢 ) 陸域風力機用於離岸 (VestasV80, SIEMENS 3.6MW 等 ) 2004 年離岸風力機的開發與研究 RePower 5M( 成功 ) Enercon E112(??) 2015 年後離岸開始大量架設 >5MW 離岸風機 (Siemens, Areva, Alstom, Vestas, Mitsubishi, Gamesa, etc) 1997 年 12 月京都議定書 2MW 興起 2009 年 12 月哥本哈根會議 ~ 行政院長劉兆玄宣布 2009 年為台灣再生能源發展條例啟動元年 ( 刺激小風力機興起 )
求與銷售間還有很大成長空風力機市場分析 ( 小型風力機 kw 數分析 ) 現代家庭的基本用電 因非全部同時啟用打 8 折約 2.5kW 介於 2~3kW 300W 200W 50W 500W 300W 美國家庭平均 5000 W 600W =3000W 1000W 10Wx5=50W 一般在家用電 1/3 發電機 CF 也約 1/3 偏遠地區離網用電 ( 如內蒙 ) 200W 500W 以下 衛星電視 100W 50W 風力機市場分析 ( 小型風機市場趨勢 ) 基本上可由以下曲線, 看出中小型風力發電機組未來發展趨勢 需全球銷售值 (AWEA 依該國廠商樣本調查 ) 單位 : 百萬美元 全球銷售值 (AWEA+BWEA+ 中國 + 日本 ) 全球市場需求值推估 ( 歐美日市場 + 新興 / 第三世界國家 ) 35,000 31,359 2009) 30,000 25,000 USD67 E USD128 E 27,269 USD25 E USD49 E USD1.6E USD3.3 E 23,712 20,000 19,760 17,183 15,000 14,813 12,881 10,916 9,826 10,000 7,709 9,251 8,619 6,703 6,408 7,305 4,685 5,025 5,779 4,887 5,572 2,254 3,962 4,250 5,000 2,587 3,001 3,542 1,117 1,340 1,562 1,812 2,156 968 1,120 64 77 112 133 159 188 225 275 325 389 448 520 603-2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 ( 資料來源 : AWEA/BWEA/ 中國風能協會 / 日本矢野經濟研究所 /UN Environment Program, 金屬中心 ITIS 計畫整理, 有關全球中小風機市場銷售及需求值統計資料則沒有像大型風力機市場那麼齊全, 但主因無價廉物美風力機間
風力機市場分析 ( 汰舊與換新 ) Liberalisation and Repowering Programs caused Damage 2002 to 2011 風力機市場分析 ( 汰舊與換新 ) Installed Capacity per Year (Germany) / Installierte Leistung pro Jahr (Deutschland) Quelle: WindEnergy Study 2008; Husum WindEnergy
風力機市場分析 ( 汰舊與換新 ) Before Windparks Simonsberg in Schleswig- Holstein, Germany Average : Half number of turbines = three times higher energy yield After Source : BWE 內容 風力機的歷史與發展 風能的興起與市場 風力機系統介紹 風力機的應用 風力機事故與維修 環境與風場 建築美學與城市擾流 台灣風能的發展
Wind Energy System Definition P m 1 V 2 3 A c p Wind turbine system mech el IV Electric energy Wind site P m ρ 輸出功率空氣密度 旋轉 V C P 設計風速葉片輪效率 氣流 η mech η el 機械效率 電器效率 昇力 阻昇力 2 A R 葉輪面積 葉輪囀動基本原理 Wind Energy System Site Wind Turbine System
風機系統與設計流程 陸域風機 風 地震 雷擊 離岸風機海浪海流 系統規劃 & 設計 零組件設計與分析 ( 監控系統 ) 零組件製造 系統組裝與測試 陸域 Onshore 風場規劃與架設 風力機系統簡介 安置地點旋轉軸大小風向葉片控制葉片數目傳動系統發電機電力轉換轉向系統依塔架 陸域 (Onshore 海域(Offshore) 水平式 垂直式大 中 小 (<200m 2 ) 三型上風型 下風型旋角控制 失速控制一片式 兩片式 三片式等變速箱型 直驅同步 非同步 / 感應式 永磁式併市電 獨立型 Hybrid yaw control downwind 尾翼混凝土管柱 圓柱鋼管 鋼構桁架
e-power for future 海陸域風力機 風機事業部 33 Noordoostpolder Wind Farm 大型風力機的應用 ( 併網系統 )
陸域型風機(onshore wind turbine) Japan 離岸風力發電示意圖 South Australia
Offshore wind turbine development 成熟成熟穩定發展中研究開發中 離岸風力發電 (Offshore wind turbine)
風力機系統簡介 安置地點旋轉軸大小風向葉片控制葉片數目傳動系統發電機電力轉換轉向系統依塔架 陸域 (Onshore 海域(Offshore) 水平式 垂直式大 中 小 (<200m 2 ) 三型上風型 下風型旋角控制 失速控制一片式 兩片式 三片式等變速箱型 直驅同步 非同步 / 感應式 永磁式併市電 獨立型 Hybrid yaw control downwind 尾翼混凝土管柱 圓柱鋼管 鋼構桁架 典型之風力機分類及構造 水平軸風力機 垂直軸風力機
垂直式風力發電機 (VAWT) 昇力型 Lift-type 阻力型 Drag-type Development of the Lift type VAWT America and Canada from 1980 start to develop 1985 reach the top point Over 500 VAWTs in two wind farms in California. One in Altamont Pass near San Francisco, and one in Tehachapi Pass near Bakersfield. The biggest VAWT is 3.8MW. (high 100m, width 60m) The original design life is 20 years, but only 4 year(1992) operated. Reason : too heavy weight and extra pressure from 6 guy wire, causing the rotor bearing severe wear After 1992 no body develop the VAWT Cap-Chat 3.8MW (100m*60m)
Development of the Lift type VAWT Swept area A=0.6bh bad Start up difficult Swept area A=bh Start up good difficult Swept area A=0.9bh middle Start up improve Darrieus H 型 Helical Improvement of the Lift type VAWT Before 2000 Japan Improve start-up D.S.(Darrieus Savonius) VAWT America Rangi and South wind turbine(1972) 2007 China TYPMAR 2005 Taiwan Hi VAWT INER With Guy Wire
Compare between HAWT and VAWT Wind field across a vertical axis wind turbine VAWT HAWT Torque type Sine wave Linear Maximal Cp 0.3 0.5 Fatigue VAWT HAWT Amplitude High Low HAWT Torque VAWT Torque Cycle Many Little Life Short Long So more the blade number better the efficiency, but there are limit. 垂直軸風力機 qr5 VAWT450 (130kW) 宏銳 Cap-Chat 3.8MW (100m*60m) Hi-VAWT DS-3000 Turbina SKWID
水平軸風力機分類 downwind 大風機 主動失速調節變槳調節變速恒頻調節 減少機械應力, 陣風能量可以被風力機的轉動慣量吸收 較簡單的槳距控制 提高系統的風能利用率 upwind upwind yaw control 小風機 定槳距失速調節被動式變槳距調節 downwind tail control 水平軸風力機示意圖 upwind downwind wind
Instability of the Wind Instability of the Wind Instability of the Wind Speed (Turbulence) Instability of the Wind Direction (EDC, ECD) EDC:Extreme direction change ECD:Extreme coherent gust with direction change From IEC Guideline EDC max. 160 /6Sec Normally not considered Vortex is mistaked as EDC or ECD 垂直式風力機問題 ( 蘋果日報 )
水平軸與垂直軸風力機之一般比較 水平軸 風向用轉向系統追風離地面遠風速高 穩 受擾流影響小效率低風速 Cp 高, 高風速 Cp 低 ( 安全 ) 發電成本低振動能量高 轉動慣量小, 加速快, 易跳過共振點結構葉片離心力為軸向, 強度高, 不易變形 垂直軸 不需轉向系統離地面近風速低 亂 受擾流影響大 低風速 Cp 低, 高風速 Cp 高 ( 危險 ) 發電成本高 ( 效益一半 成本一倍 ) 能量低 轉動慣量大, 加速慢, 易停留於共振點, 無法高速運轉 葉片受離心力影響易變形軸承在底部易擺頭式運轉, 上端一定要拉鋼纜加強 分析動態分析成熟動態分析不成熟 低轉速型 Stall 高轉速型 MPPT 阻力型 Savonius 轉速低 昇力型 Darrieus 與轉速有關 ( ) 起動 益 依情況而定效噪音 低轉速 ( ) 高轉速 ( ) 振動 低轉速 ( ) 高轉速 ( ) 差Compare between the 3kW WT TECO H3000 Windspot 3.5kW HYE HY3000 HI-VWAT DS3000 NIKKO 風流鯨 NWG-4K Rated Power[kW] 3.0 3.5 3.0 3.0 4.0 Max. Power[kW] 4.4 4.2 3.5 2.3 4.0 Diameter D(m) 4.2 4.1 3.05 d4/h4.2 4.4 Swept area[m 2 ] 13.85 13.2 7.3 16.8 15.2 Cut-in Speed[m/s] 2.5 3.0 3.0 4.0 3.0 Rated speed[m/s] 11/11.5 11/13 11/12?? 11/14 Rotating speed[rpm] 360 250 550 230 Noise(dB)(m/s) <65(11) 45(8) <65(11) 65(10)
大小風力機的區分 小型風力機 (Small wind turbine) 的定義為掃掠面積 <200m 2 以下, 產生的電壓在 1,000Vac 或 1,500Vdc 以內的風機 1 A=200m 2 3 D=15.965m P V A c p 2 V design =11m/s, Cp=0.3 P=48.9kW 風 速 Cp=0.2 Cp=0.3 Cp=0.4 Cp=0.5 10 24.5 36.8 49.0 61.3 11 32.6 48.9 50.0 65.3 81.6 12 42.4 63.5 84.7 105.9 國家日本美國歐洲中國大陸 小風機定義未滿 20kW 未滿 100kW 未滿 50kW 未滿 50kW Basic parameters for wind turbine classes 風機主要是依據參考風速 V ref 及紊流變數 I ref (turbulence parameter) 來分類 Wind turbine class I II III IV S V ref (m/s) 50 42.5 37.5 30 Values specified V ave (m/s) 10 8.5 7.5 6 by the V e50 (m/s) 70 59.5 52.5 42 designer IEC A 0.16 大 61400-1 B 0.14 風 I 機 ref C 0.12 IEC 61400-2 I 15 0.18 a 2 年平均風速 V ave =0.2V ref 極限風速 V e50 (z)=1.4v ref (z/z hub ) 0.11 (3 秒鐘 ) V ref :50 年一次的十分鐘量測之極限平均參考風速 A: 高紊流特性類型 ; B: 中紊流特性類型 ; C: 低紊流特性類型 I ref : 在軸轂處 (hub) 風速 15m/s 時 10 分鐘之紊流強度平均值 1 I15 15 avhub a 1 I 15 : 在軸轂處 (hub) 風速 15m/s 時之紊流強度特徵值 a: 上列方程式之無因次之斜率變數 小風機
風機行為分類及技術 Alstom 6MW 低 風機容量 600W 技術層次 BARD_5MW 20kW 50kW 1.5MW 2.0MW 高 微型 ( 不考慮地基 ) 高轉速 (>500rpm) 越過振頻被動式控制 Toy & Hobby 慣量小加減速快 小型 (<50kW) 轉速高 (<500rpm) 越過第一振頻被動式控制 20kW<P<2MW 運轉多在第一振頻以下被動式 (Stall) 及主動式 (Pitch) 控制變形量可不考慮傳統 GB(2 點或 3 點支撐 ) P>1.5MW 運轉在第一振頻以下多為主動式控制大變形 Compact Hybrid PM TECO 3kW AIR-X 400W Harakosan Z72 Enercon E126 INER C25A Fuhrländer FL1250 TECO TFC2000 Multibrid M5000 Britannia 10MW 小風機發展與構造 失速控制 擺尾機制 主動變槳及轉向 核研所 25kW 電力電子 抽載 被動變槳
大型風力機架構 DFIG: 雙饋感應發電機 PM: 永磁同步發電機 大型風力機傳動系統分類 風力機 無主軸 Enercon E112 4.5MW 500T 傳統型 兩點支撐 齒輪箱 緊湊型 Hybrid Vestas 3.0MW 140T 直驅 ( 無齒輪箱 ) 有主軸 PM 感應式發電機 三點支撐 融合型 Fusion 5.0MW 290T Multibrid GE 4.0-110 雙軸承 Haliade 150 6MW 一級變速 PM
傳動機構的演化 ( 液壓 ) 變速箱的發展 德國 Voith 公司發展之定速裝置 WinDrive 能讓輸出端的轉速維持在定轉速 風力機葉片數之比較 Less Blades More Blades Pros Cons Pros Cons G+GB smaller Easy erect Less blade cost Less Torque Higher V start, RPM, Noise & Vibration Stronger Yaw, Tower & Tower shadow P= Γ ω Better Torque Lower V start, RPM Better rotor balance G : Generator, GB : Gear box G+GB larger Extra blade cost 95%Energy 85.5%Energy 100%Energy 葉片周速比 λ=rω/v wind
風機塔架的發展 混凝土管柱型鋼構桁架型圓柱鋼管型 風機塔架的發展 葉輪直徑在 25m 以上, 輪轂中心高與葉輪直徑比約 1:1
風機塔架內部架構 電纜架 爬梯 電梯 安全索 安全導軌 elevator 工作台 照明設備 電控櫃 風機地基 Installation of loaddistribution matting
風力機的操控葉片控制 Stall regulation 固定角度旋翼控制或失速控制 Pitch Control 可變旋翼角度控制或旋角控制 轉向控制 Yaw Control Tail Control Downwind 剎車控制 氣動力煞車油壓 / 機械煞車電磁 / 電阻煞車 Wind Power electrical System Dump Load 3ΦAC DC Control Unit Rectifier Bridge AC/DC DC PV Inverter Booster Voltage Regulator DC/DC Stand alone Battery Wind Inverter (IGBT) DC Grid Utility Grid 3ΦAC Inverter DC/AC MPPT 1ΦAC Utility Grid
Inverter System 不可控二極體橋整 + BOOST + IGBT Inverter IGBT + IGBT backto-back vector controlled inverter IGBT + IGBT backto-back vector controlled inverter DFIG ~30%Inverter DFIG(Double feed induction generation)
Levels of control in a wind turbine with full scale, back to back power converter with a DC/DC stage 大型化後的運輸問題 Enercon E126 葉片分成兩段 Tower 每段最大以不超過 30m 為限以方便運輸
大型化後的運輸問題 陸域風力發電遭遇的問題
環保問題 德國 Fuhrländer 公司風場 73 雷達影響
產氫儲能系統 內容 風力機的歷史與發展 風能的興起與市場 風力機系統介紹 風力機的應用 風力機事故與維修 環境與風場 建築美學與城市擾流 台灣風能的發展
風力機的應用 (SMART GRID) 小型風力機的應用 TECO H3000 美國德州 Wal-Mart 應用 50kW 風機組 巴基斯坦 - 醫療救護 10kW 風機組 美國海軍 TACS Platforms 2x7.5kW 風機組 BroadStar AeroCam 宏銳東元 3kW 風力機 摩洛哥 - 抽水幫浦日本愛知博覽會 - 日本青森縣 - 電線監視器應用 2x10kW 風機組夜間照明 200W 風機組的電源系統 600W 風機組 Inhabitat Energy Ball TORISHIMA 集風罩風機 新高 應用 冬天的挪威 2x10kW 風機組 西班牙 CIEMET 地區 50kW 風機組 美國聖地牙哥 - 供帆船用電 400W 風機組 緁豹
小型風力機的應用 ( 併網系統 ) 小型風力機的應用 ( 風光互補併網系統 ) Wind Turbine 1 5 7 8 9 為小型風力機並網系統 2 3 4 8 9 為小型太陽能並網系統 Solar Controller Solar PV Solar Grid Tie Inverter Selling Power Ammeter Air Conditioner Refrigerator On Grid Wind Controller Dump load Lighting TV Grid Tie Wind Inverter Washing- Machine Distribution Box Buying Power Ammeter Wind & Solar Grid Tie System
小型風力機的應用 ( 風光互補 ) 東元 均碩康柏威新高能源 耀能 恆耀 崨豹 未來再生能源願景規劃示意圖 集中式發電 集中式發電 集中式發電 分散式發電 分散式發電 風光互補照明 集中式發電以 2MW 風力機及 50~100kW 太陽能集中發電為主分散式發電以 3kW 風力機及 5kW 以下太陽能模組為輔照明以風光互補及 LED 路燈為主
Smart Grid 及資通的應用 內容 風力機的歷史與發展 風能的興起與市場 風力機系統介紹 風力機的應用 風力機事故與維修 環境與風場 建築美學與城市擾流 台灣風能的發展
風機火災 風機遭受雷擊
風機葉片損毀 2008 年日本茨城縣筑波市 中國大陸風力發電機遭遇颱風侵襲情況 2006 年 8 月, 桑美颱風登陸時, 風電場 28 台風力發電機組中 (Vestas 660),20 台機組遭到不同程度的破壞, 當時曾測到 83m/s 的風速, 破壞位置位於葉片靠根部 1/3 長處
風機結冰 風機維護
內容 風力機的歷史與發展 風能的興起與市場 風力機系統介紹 風力機的應用 風力機事故與維修 環境與風場 建築美學與城市擾流 台灣風能的發展 風的成因 太陽熱輻射不均及地球自轉 引起空氣循環流動而形成風
風的成因及影響 Item Description Coast( 海邊 ) Sea breeze( 海風 ) Land breeze( 陸風 ) Mountain( 山邊 ) mountain wind( 山風 ) valley wind( 谷風 ) Global( 全球性 ) Seasonwind Boundary Layer Re Laminar flow Turbulence flow Urban heat island effect Influence of the Wake, Terrain, Building, Arrangement 地形影響 GOOD BAD
尾流 (wake) 風場 排列 Wake effects at Horns Rev and their influence on energy production 風場的選擇關鍵因素 : 不要選擇風向不穩且常 有驟風發生的地方, 主要是為了風機的穩定 運轉及機件的損耗及機件的損耗 風的等級 ( 蒲福風級表 ) 12km/h 風機適用範圍90km/h 蒲福風級表是英國海軍將領弗朗西斯. 蒲福 (Francis Beaufort) 於 1805 年根據風對地面物體或海面的影響程度而定出的風力等級, 按風力強弱分為 0~12 共 13 個等級 到了 20 世紀 50 年代因科技的進步, 再往上擴展至最高的 17 級
Typical power curve of a wind turbine 內容 風力機的歷史與發展 風能的興起與市場 風力機系統介紹 風力機的應用 風力機事故與維修 環境與風場 建築美學與城市擾流 台灣風能的發展
Built environment Wind Turbines (BWT) 綠能的發展及 FIT 的補助促成風力機往城裡移動及與建築融合的興起 Side-mounted to building roof-mounted ground-mounted near buildings buildingintegrated Examples of small wind turbines in the built environment 風力機與建築美學
風力機的應用與隱憂 Strata SE1, First Building in The World With Integral Wind Turbines in London December 31, 2010 1.5million The three five-bladed, 9m diameter wind turbines are rated at 19kW each. To produce 50Mwh/year of electrical power, which is approximately 8% of the building s total energy consumption. The turbines evidently rarely turn 噪音 振動 發電量非預期 (0% 非原 8%) 11pm-7am 停機 風力機的應用與隱憂 Bahrain World Trade Centre in Manama, Bahrain February 8, 2011 Filed Under: Cultural, Public Buildings 3X220kW Wind turbine, d=29m, 38 rpm geared down to 1500 rpm for generation. Produce 1100 megawatts per year 1. The air flow is often turbulent. 2. Noise and Vibration can be a problem 3. Safety Increases costs and Insurance 4. Poor measured performance
風力機的應用 發展的隱憂 1. 多未考慮建物與風力機間之互相影響 2. 多只考慮美觀, 未考慮風向 3. 未考慮風力機排列的影響 未來發展?
內容 風力機的歷史與發展 風能的興起與市場 風力機系統介紹 風力機的應用 風力機事故與維修 環境與風場 建築美學與城市擾流 台灣風能的發展 民國 50 年澎湖第一部 50 瓩風力機 國內在風能研發應用很早就開始, 民國 50 年台電公司曾在澎湖白沙鄉設置一台 50 瓩級風力發電機進行試驗 可惜失敗, 成為觀光景點, 從此台電對風力發電敬而遠之 真正能夠發電的風力發電機, 反而是台朔重工拔頭籌 民國 71 至 79 年間工研院的發展在兩次能源危機後, 政府為促進能源多元化, 在經濟部能源會的資助下, 工研院能環所於民國 71 至 79 年間開始進行長期而系統性之風能研究 一方面逐年分區完成台灣地區的風能潛力評估, 評估陸域可有 1GW 以上之風力發電潛能 ; 另一方面欲建立風力機研製技術能力, 並於新竹湖口風力試驗場陸續完成 4 瓩 40 瓩 150 瓩三型風力發電機的開發 可惜因當時油電價格偏低且風力發電成本仍高, 缺乏市場機緣而中止研發, 因此國內風能應用未能有進一步的發展
台灣早期風力機的發展 工研院金門田埔風機 氣象局彭佳嶼風機 (1966/10kW) 七美先導型風場 (1991/100kW*2) 台塑麥寮六輕 ( 最早商轉 ) (2000/V47-660kW*4) 澎湖中屯風場第一期 (E40/600kW*4=2.4MW, 2001/10 商轉 ) 竹北春風風場 (V66/1.75MW*2=3.5MW, 2002/10 商轉 ) 核能一廠 (V47/660kW*6=3.96MW, 2004/1 商轉 ) 台灣本土風力機技術的墊定 25kW 實驗機 2005 年核研所投入風力機的發展 歷經 3 代 25kW 風力機的研發 墊定台灣自主的風力機技術
150kW 風機 設計分析 組裝調校 運轉測試 種類 : 水平及垂直式風機微型風機中小型風機大型風機離岸風機 核能研究所風機研發 台灣本土小風力機廠商 垂直軸 廠商 功率 經營形式 新高能源 (Hi-Energy) 70W*, 300W, 1.5kW, 自有品牌 3kW 鴻金達 (FGD) 3kW 自有品牌 凱沿 3kW 自有品牌 宏銳 (I-Wind) 300W, 2kW, 4kW, 自有品牌 10kW 均碩 (Apex-i) 200W, 5kW 自有品牌 東元 (TECO) 1kW 自有品牌 信達 (SINTA) 400W 自有品牌 富田 (Fukuta) 5kW, 400W* 自有品牌 康柏威 (Compowe) 100W*, 300W, 500W, 1kW 自有品牌 水平軸 廠商 功率 經營形式 東元 (TECO) 400W 2kW, 3kW, 自有品牌 5kW* 元皓 400W OEM 恒耀 (Boltun) 100W*, 300W, 600W, 自有品牌 1.2kW 崨豹 (Jetpro) 100W, 200W, 1kW*, 自有品牌 5kW* 耀能 (Power General) 300W, 400W, 500W, OEM 整合 1.5kW, 3kW 風技綠能 (Wind Tek) 2kW, 3.7kW 自有品牌 大銀 (HIWIN) 1kW, 10kW 自有品牌 上特 (Sunteck) 3kW, 7.5kW 自有品牌 台達電 (Delta) 400W, 1kW, 3kW 自有品牌 信達 (SINTA) 400W, 2kW 自有品牌 2009 超微 (Aerofortis) 250W, 600W, 1.2kW, 3.5kW, 9.5kW OEM 整合 / 自有品牌 2011 鎮源 (AREA Group) 1kW, 3kW, 10kW 自有品牌 OEM/ODM 核研所 (INER) 25kW, 150kW 研究機構 2005
台灣本土小風力機廠商 東元小型風力機 新高小型風力機 元皓小型風力機 耀能 ( 大陸紅鷹 ) 小型風力機 鴻金達 3kW 風力機 富田電機 5kW 風機 凱沿垂直風力機 大銀風力機 恒耀小型風力機 台灣本土小風力機廠商 ( 曾有 ) 風技綠能 名道大學 宏銳小型風力機 崨豹小型風力機 台達小型風力機 大賀型風力機 超維小型風力機
台灣本土中小風力機產業鏈的發展 葉片 發電機 齒輪箱 產業鏈 < 1kW 1kW~10kW 10kW~50kW 50kW~600kW >600kW >3MW 巨瀚 重億 磁震 擎洋華陽 先進複材 華陽 擎洋先進複材 華陽 X X 感應 X 東元 東元 東元 東元 東元 永磁 台達電 宏銳 利愛 宏銳 東元 利愛 東元 利愛 東元 東元 東元 永大精機 成大台朔重工 永大精機 橋星齒輪精機 成大精機 台朔重工橋星齒輪 輪轂 / 主軸鑄件 恒耀 一般廠商 恒耀 一般廠商 駐龍 一般廠商源潤豐 永冠 源潤豐 永駐龍 一般廠商冠 永冠 軸承 / 滑環 東培 東培 X X X X 併網電力轉換器 台達電 耀能 耀能 東元 東元 X X X 電線電纜與連接器 宏紀 宏紀 宏紀 宏紀 X X 塔架 / 基礎 一般廠商 一般廠商 力鋼 中鋼 力鋼 中鋼 力鋼 中鋼 X 液壓與電磁馬達驅動系統 ( 不需要 ) ( 不需要 ) 睿禹 睿禹 X X 原材料 上緯 中益 上緯 中益 上緯 中益 上緯 中益 上緯 中益上緯 監控 X X X X X X 系統整合 垂直軸宏銳 新高宏銳 富田 新高 X X X X 水平軸 ( 不需要 ) ( 不需要 ) 恒耀 崨豹 超維 耀能大賀 上特 恒耀 超維 瀚創 崨豹 耀能 核研所 崨豹 超維核研所 樂士 X X 設計與實體驗證崨豹 耀能超維 崨豹 耀能核研所 崨豹 X X X 註 :x 表示國內產業尚無能量資料來源 : 台經院調查整理, 2010.03. X 台灣本土風力機測試技術的發展 澎科大風車公園測試場 金工中心七股標準測試場 台灣大電力澎湖標準測試場
首部國人自製 2MW 大型陸域風機 : 東元 Rated Power TFC2000 2.0MW IEC Class IA IIA IIIB Rotor diameter Hub Height (m) 80m 86m 93m 70 70/80 100 Blade Length 39m 42m 45.3m Cut-in Wind Speed (m/s) Rated Wind Speed (m/s) Cut-out Wind speed (m/s) Generator System Life 3.5 12.5 11.5 11.0 25 25 20 PMSG 20 years 台灣風力發電產學研現況 學術單位 台灣大學 台科大 清華大學 交通大學 成功大學 中央大學 宜蘭大學 澎科大等機械 電機 材料 海洋工程相關系所 研發單位 工研院 葉資源量測評片新型材料 MW 級風力機關估鍵零組件開 中力小發型電風設力備機產測業推動發開發 風金屬中心 風試平台研究機構 產業聯盟 船舶設計中心 風力機葉片設計 大電力 風力機測試認證 台灣風能協會 台灣風力發電設備產業聯誼會 台灣中小型風力機發展協會 核研所 中小型風力機開發 國研院 海事技術開發 周邊支援體系 原材料 / 零組件 系統製造 風場開發 玻纖 / 碳纖 / 樹脂 葉片 / 模具發電機 / 電力轉換器 / 變頻器齒輪箱 控制系統 鑄件 / 鍛件 塔架 扣件 大型風力機 小型風力機 工程顧問 工程總包 風場開發與營運 維護服務 重億 上緯 長興化工紅葉風電 先進複材 華陽 磁震 / 益光 東元電機 利愛 華城 士林電機 耀能科技 台塑重工 成大精機東元電機 耀能科技永冠 源潤豐 台灣正昇 南隆中鋼機械 力鋼恆耀 芳生 東元電機 東元電機 新高能源 風技綠能 恆耀工業崨豹科技 台達電子 上銀科技 元皓能源 中興工程 怡興工程中興電工 星能 樂士 漢翔 怡興 陸上機組運輸與安裝 輸配線 GIS 開關 佳音重機士林電機 東元 大同亞力電機 海上工程施工樺棋營造陸域 : 台電 英華威離岸 : 台電 ; 上緯 永傳德商風電能源 梅翠風力工程
台灣風力發電現況及風能 根據工研院能資所研究分析指出, 台灣地區地面風場年平均風速, 達到 5 ~ 6 m/s 以上的強風區域超過 2,000 平方公里, 風力潛能約 4 GW, 如考慮人文及地物因素, 保守估計台灣地區至少有 1 GW 以上陸域風能潛能可供開發 而海上風能潛力方面, 據估計在台灣西海岸約有 2 GW 以上發展潛力, 合計台灣約有 3 GW 的裝置容量 而如未來在風力發電技術的大幅進步, 將有助於裝置容量之增加 所以風力發電在我國確實有其發展的潛力 千架海陸風力機計畫推動時程 年度 2012 2015 2020 2025 2030 陸域風力 MW( 架 ) 海域風力 MW( 架 ) 621 (314 架 ) 小計 621 (314 架 ) 866 (350 架 ) 0 15 (4 架 ) 881 (354 架 ) 1,200 (450 架 ) 600 (120 架 ) 1,800 (570 架 ) 1,200 (450 架 ) 1,800 (360 架 ) 3,000 (810 架 ) (2012 公布 ) 1,200 (450 架 ) 3,000 (600 架 ) 4,200 (1,050 架 ) 近幾年環保及民眾抗爭, 興建已趨緩 MW 100 101 102 103/4 台電 286.7 286.7 286.7 286.7 民間 231.5 272.9 323.0 339.1 六輕與中屯之比較 地方 時間及風場 麥寮六輕 (2000/12) Class III 澎湖中屯 (2001/10) Class I 風力機機種 Class I 4 台 V47-660kW(2.64MW) 4 台 E40-600kW(2.4MW) 風場 統計時間 ( 年 ) 平均風速 (m/s) 年平均發電量 (GWH) 年滿載發電量 (GWH) 發電率 (%) 毛年產額 ( 佰萬 ) 淨年產額 ( 佰萬 ) 未補助投資額 ( 佰萬 ) 補助後投資額 ( 佰萬 ) 回收年限 六輕 4 6.59 7.025 23.13 30.60 14.05 12.64 90 52 4.1 中屯 3 9.47 8.879 21.02 42.27 17.76 15.98 148 電網費用 113.5 7.1 麥寮六輕 澎湖中屯
台灣 Class I & EWM 70? 台灣本島而言 年平均風速 Vave 超 過7.5m/s的地區不多 如依 IEC 61400 1的分類應規劃為class III 台東成功曾測到87m/s的風速 以 class I的50年極限風速Ve50 =70m/s 而言又不夠 Class III + 50年的極限風速90m/s Class S Wind Energy System 風速 Site Wind Energy Turbine 葉片 輪轂 擾流 地形 機艙 風場 機械部份 傳動系統 發電機 排列 內外管路配線 障礙物 電氣部份 電力轉換 併市電 地質 監控部份 海浪 海流 控制系統 監測系統 海洋 支撐部份 轉向系統 塔架 海床 地基
資控電機&電子械&材料風場分析及規劃 大氣風電所需知識與技術 木海洋造船系統工程及規劃風力機行為及控制 控制程式及控制器 CMS & SCADA 發電機電力轉換器電能儲存 ( 電池 ) 電力電子驅動馬達電力系統工程配線電氣組件的製造 塔架及地基海事工程海象分析海洋防腐技術土空氣動力學多物體動態結構振動多軸系統旋轉振動隔振 FEM 應力及疲勞分析複合材料模具的製作軸承的選用材料的選用齒輪箱連軸器焊接氣液壓系統潤滑系統機械加工散熱系統機台灣風力發電發展之瓶頸及隱憂 國內小型風力機發展之偏差 : 多數廠商誤認垂直軸比水平軸佳 MPPT 概念 無系統規劃與系統設計觀念 政府雖推動小型風力機,2009 年台灣小型風力機廠商一窩蜂的擁入開發,2010 年因技術問題多數停滯,2012 年則多數已放棄 學界一般作的多是零組件技術及效率最優化, 系統整合有難度 ; 業界則作系統整合工作, 但礙於多是傳統產業, 技術上很多無法突破 政府推動千架海陸風機, 但負責之單位層級不高難以推動, 又怕被冠以圖利廠商之名, 應有擔當及魄力全力扶植一家廠商, 免得像陸域風機一樣全部國外廠商風機 已具備零組件加工技術, 但欠缺系統組合 ; 目前雖有心往系統規劃與設計發展, 但國內幾乎無人懂這方面技術 ; 需政府實質的協助與投入而非口頭的支援 另應仿效國外於行政院設一專責單位統籌處理, 避免像現各單位推責一事無成 風力機的制定都為 Class Ia 非因地制宜, 不切實際, 怕負責