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風力發電原理與展望

 

風力發電原理與展望

電機系 陳偉倫助理教授      

  我國自產能源匱乏,一級能源諸如天然氣、石油、煤炭及鈾礦等,其進口比例隨著經濟成長由1984年的 88.8%,逐年增加至2004年的 97.9%,年平均成長量達 6.4%。能源的大量使用,相對造成溫室氣體 ( 如二氧化碳、硫化物等 ) 的排放量同步上升。因此,如何提昇既有能源之效率、降低污染,提高再生能源比例及降低進口能源依賴,將是創造台灣新能源產業發展之重要關鍵。  

風力發電技術

  風能泛指流動的空氣所具備的動能,其主要是由於太陽的輻射能傳送到地球表面時,因為地表受熱不均勻,造成各地溫差之不同,進而形成氣壓差,再加上地球的自轉,最後引發空氣之流動。因此,可以說風能是由太陽能轉化而來的。

  其中 Cp 與風速、風力機的轉速及風力機葉片的設計參數有關。此外,由式中可發現當葉輪直徑越大,風力機所輸出的功率就越高。

  表一為某功率係數 ( power coefficient ) Cp= 0.15 之橫軸式風力發電機,當風速達 20 m/s 且葉輪直徑為 4 m 時,風力機所輸出的功率高達 9 kW;然而,一般而言當風速低於 4 m/s 時,雖然風力機仍具有發電能力,通常不會令其發電,以避免風速過低時風力機切離 /投入電力系統的次數過於頻繁,此時的風速稱為切入風速 ( cut-in wind speed )。反之,通常當風速高於 25 m/s 時,則鎖住風力機轉子並暫停發電,以避免超速運轉,此時的風速稱為關機風速  ( shut-down wind speed )。

▼表一、在不同風速及葉片直徑組合下風力機輸出功率

風力機

輸出功率

風速

2.2m/s

4.5m/s

10m/s

20m/s

葉片直徑

1m

1

6

70

560

2m

3

25

280

2,300

3m

7

60

630

5,000

4m

12

100

1,120

9,000

 本校地理環境與風力發電

  本校座落於林口台地上,向東遠眺台北盆地,綿延台北斷層及新莊斷層形成之溝狀地理結構,當流動的空氣進入此結構時,瞬間受到壓縮而 具隧道效應增加風速 ( 如圖一所示 )。此外,北向八里海口,冬天的北風因連續受到觀音山、林口台地地勢逐漸升高的山丘效應而增加風速 ( 如圖二所示 ),終年平均風速超過 10 m/s。因此,假設安裝一部 Vestas 風力機廠商所生產之 V66 風力機 ( Cp = 0.35葉輪迎風面積為 3,421 m2 ) 進行發電,所創造的平均功率將高達 1,030 kW,約佔本校 95 8 月份契約容量 ( 8,550 kW ) 12%,因此十分適合發展風力發電的研究。 

電機系風力發電現況

  由於本校擁有極佳的風力及日照資源,對於再生能源的發展及研究上極具優勢,目前電機系已經採購一套市電併聯型風力-太陽能發電系統,包含兩部 900 W 的風力發電機組及 3 kW 的太陽能發電模組。在安裝測試初期,主要以風力機電氣特性的研究及電能轉換裝置之設計為主;未來,可以透過系所間之合作進行風力機模型之 CFD 流場分析,並研究低阻力葉片及高效率電能轉換裝置的設計,以完成機電系統的整合研究,相信在不久的未來,風力發電將成為本校極具代表性的重要特色。

 
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