風力發電原理與展望

▲ 圖一、隧道效應 ( Tunnel Effect )
▲ 圖一、隧道效應 ( Tunnel Effect )
▲ 圖二、山丘效應 ( Hill Effect )
▲ 圖二、山丘效應 ( Hill Effect )
其中 m 為流動的空氣之質量（kg），Vw 為空氣流動的速度（m/s ）。
其中 m 為流動的空氣之質量（kg），Vw 為空氣流動的速度（m/s ）。
若假設 A 為與空氣流動方向垂直的某截面面積 ( 單位為 m2 )，ρ 為空氣之密度 ( 單位為 kg/m3 )，則其單位時間內穿過截面 A 的風能可表示為：
若假設 A 為與空氣流動方向垂直的某截面面積 ( 單位為 m2 )，ρ 為空氣之密度 ( 單位為 kg/m3 )，則其單位時間內穿過截面 A 的風能可表示為：
由上式可知，風能與風速的三次方成正比，然而理論上，對於一部葉輪迎風面積為 A 的橫軸式風力機而言：其最大的風能轉換為機械能之效率為 0.593，此即所謂的貝茲極限 ( Betz limit )，所以一般評估風力機所能擷取到的機械能時，通常將上式乘上一個功率係數 ( power coefficient ) Cp，來代表轉換後的機械功率：
由上式可知，風能與風速的三次方成正比，然而理論上，對於一部葉輪迎風面積為 A 的橫軸式風力機而言：其最大的風能轉換為機械能之效率為 0.593，此即所謂的貝茲極限 ( Betz limit )，所以一般評估風力機所能擷取到的機械能時，通常將上式乘上一個功率係數 ( power coefficient ) Cp，來代表轉換後的機械功率：

　

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年 8 月份契約容量 ( 8,550 kW ) 之 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。