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小型風力發電與魚塭養殖用電結合之技術評估 -- 系統規劃設計與建置

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小型風力發電與魚塭養殖用電結合之技術評估 -- 系統規劃設計與建置. 學生 : 陳威滄. 大綱. 一 、 前言 二 、 研究動機與目的 三 、 風能利用現況 四 、 風力發電系統之簡介 五 、 電力系統規劃設計 六 、 基地風力潛能 七 、 系統之規劃設計與建置技術 八、結論 國內風力發電應用概況 ( 補充資料 ). 一 、 前言.

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小型風力發電與魚塭養殖用電結合之技術評估--系統規劃設計與建置小型風力發電與魚塭養殖用電結合之技術評估--系統規劃設計與建置

學生:陳威滄

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大綱
  • 一、前言
  • 二、研究動機與目的
  • 三、風能利用現況
  • 四、風力發電系統之簡介
  • 五、電力系統規劃設計
  • 六、基地風力潛能
  • 七、系統之規劃設計與建置技術
  • 八、結論
  • 國內風力發電應用概況(補充資料)
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一、前言

在積極開發電源及地球環保漸趨嚴謹的條件下,我國電力能源的開發與使用面臨極大困難,許多因應方案因而被提出,如:推展汽電共生、提升能源效率與電力生產力、改善產業結構、擴大天然氣發電、積極開發新能源與電力事業自由化等,特別是新能源的積極開發。

雖然新能源與傳統發電方式(火力發電、核能發電…)相比,其發電密度稍低且成本高。然而技術的精進,即可控制供應的穩定;同時改變營運方式,由「中央集中」式全國電力聯網概念變成「區域分散」和「因地制宜」方式,即可彌補缺陷。

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二、研究動機與目的

過去數年來,風力發電已成為全球成長最快速的再生能源發電。到2001年底,全球已有46個國家應用風力發電,總裝置容量已至25,000MW,預估年發電量逾500億度。

希望未來20年的大型風機發展中,國家的能源政策能給予風能系統最大的補給配套措施。歐洲和美國的工業性研究計劃中,預計在2010年裝置容量,分別要達到11,500MW和10,000MW。

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台灣地區為海島型氣候,風力資源豐富,冬季盛行東北季風,夏天亦不乏西南季風及海陸風氣流吹拂,沿海地區風力潛能相當高。台灣地區為海島型氣候,風力資源豐富,冬季盛行東北季風,夏天亦不乏西南季風及海陸風氣流吹拂,沿海地區風力潛能相當高。

在上述「新能源開發」、「分散式能源利用」與「區域產業能源」之概念下,十分值得進行小型風力發電系統的應用技術。

因此本研究在台南市政府建設局漁業課之建議與協調下,以位處市郊城西里虱目魚示範養殖場為研究對象,進行小型風力發電系統之規劃設計與設置工作。

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三、風能利用現況

在離地10公尺所測得的平均風速有5m/s以上,風能就足夠發展了。此外必須考慮一些環境因素,如風性、曝露性佳且不受外物遮擋、交通便利….。

近年來,風力發電已有往離岸式發展的趨勢,主要的場址是在淺海海域地區。因為在海上通常風速較大,有很好的風力資源,並且風速平穩少亂流。

不過,缺點是難以評估當地情況,以及設備的維護成本較高,比陸地風力機組貴上60%左右。

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世界各國風能利用現況

近年來全球風力發電之裝置量急遽增加,2002年全球風力發電有7,227MW的增設容量,雖然增設容量成長率只有6﹪,相較以往為1996年以來最低,也遠低於2001年的成長率(52﹪),然而過去5年增設容量的平均成長率亦有35.7﹪之高,且迄至2002年底累積容量已超過32,000MW,預估年發電量可達620億度。

全球累積容量以歐洲的佔有率(75﹪)最高,仍位居領先地位。其中又以德國為之最,達歐洲全部佔有率的53﹪,依次才為西班牙、丹麥、美國,而去年新擠進前十名者有澳大利亞、荷蘭兩個國家,日本則為亞洲的新興市場。

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資料來源:(AWEA, 2003 Global Wind Energy Market Report )

根據美國風能學會的報告顯示,每瓩的風力發電成本,已從1980年代早期的(美金)38分,降至今日的美金3~6分。風力發電的成本與其他發電方式相比,不但已具競爭力,預期還會持續降低。

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台灣地區風能應用之可行性與現況

國內嚴重缺乏自給能源,超過96﹪的發電燃料必須仰賴進口,近年來由於國內能源逐漸出現短缺現象,加上核電因政治因素面臨停擺、復工等非技術性外部影響,國內電力供應勢必在短期之內受到嚴重的考驗,因此尋找替代性能源乃當務之急。

由於台灣地理位置得宜,風力資源相當豐富,主要分佈於西部沿海與澎湖離島等地區。年平均風速可達5~6m/s以上,風能密度達250W/m2以上,甚具開發潛力。

依據風能評估結果,經濟部能源會預計於2020年總開發容量達1,500MW,其中陸域為1,000MW;而海域則為500MW。初步規劃我國風力發電設置逐年目標如圖1所示。

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圖1.我國風力發電設置逐年目標

資料來源:(工研院能資所, 2003 )

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四、風力發電系統之簡介

早期,風力發展大多是運用於交通運輸及農業水利上。直到19世紀末,由丹麥人“Paul La Cour”製造了世界上,第一台風力發電機,而開啟風能的時代,他也因此被尊為風力機之父。

風力發電機藉由風的氣動力轉動風扇,轉動方式包括升力及阻力,對葉片產生轉動扭矩,帶動齒輪發電機,進而產生電力。一般來說,風力發電機無法將風能全部轉換為電能,平均輸出效率約在20%至40%之間。

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目前主流風力機為水平軸、三葉式翼型風力發電機最為常見。而此種風機特色:目前主流風力機為水平軸、三葉式翼型風力發電機最為常見。而此種風機特色:
  • 3葉片有穩固輪軸旋轉翼的功能,可是市面上樣式還是有雙葉片及單葉片。
  • 葉片是強化玻璃纖維的製成品。
  • 藉由調整尾翼的傾斜角度來控制電力產量。
  • 鋼管或鋼鐵縛綁而成的塔架。

接下來是垂直軸式風力機,到目前為止,只有少數的型式被應用在工業上,有趣的是這種機型的旋轉翼,要藉由發電機發動,葉片傾斜角度是固定在軸上不能更改的。

資料來源:(工研院能資所, 2003 )

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分類

發電量(kW)

葉片半徑(m)

最大轉速(rpm)

應用層面

微型(micro)

1

1.5

700

小型用電負載

中微型(mid-range)

5

2.5

400

郊區房舍

小型(mini)

20-50

5

200

近郊小社區

大型、小型風力發電系統的應用邏輯是截然不同的:大型風力發電系統主要為提高國內電力容量,因而藉由電力聯網之併接,將所產生的電力加入商用電力容量之中;而小型風力發電系統著重於「自給自足」的概念,將所產生的電力應用於合適之區域產業中,以減少對於商用電力之需求,其主要貢獻在於降低國內電力之尖峰負載。

表1.小型風力發電機之分類

資料來源:(Mukund R. Patel, 1999, Wind and Solar Power System, CRC Press)

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2~3倍葉片直徑

為避免機組間有擾流情況影響,一般風力機配置方式是依照風行的方向調整。設置機組時如與主風向垂直時,則機組間應該至少相距葉輪直徑的2到3倍;如與主風向平行則要相距5到6倍以上。

此外,為了獲得更好的發電效能,設置環境通常選擇風大且較偏遠的地方,並與住家保持距離,避免噪音干擾。且應避開通訊或雷達站。

5~6倍葉片直徑

風向

資料來源:(Mukund R. Patel, 1999, Wind and Solar Power System, CRC Press)

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附加價值

風力發電廠在適當的配置下,可使當地的景觀更有特色,甚至有景觀再造的功效。為避免妨害自然景觀,風力發電機的外表都被塗抹成雪白色。

美國風能協會指出一部750瓩的風力機每年可發200萬度電,約可減少1,500噸二氧化碳排放量,相當於204甲樹林每年所吸收的貢獻量。因此風力發電的社會環境成本評估每度電僅0到0.1美分,比燃煤及燃油等傳統能源低了非常多。

風力機工業可提供就業機會,依據丹麥風能協會調查,西元2000年底風力發電業共提供全球超過五萬個工作機會。

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蓄電池

(Storage battery)

電力調控組

(Power Conditioner)

商用電力系統

充電控制器

(Charging control circuit)

直/交流轉換器

(DC/AC converter)

(Inverter)

商電併聯裝置

(Connection Sys.)

直流配電盤

(Connection box)

直流負載

(DC load)

交流負載

(AC load)

圖2. 本研究規劃之小型風力發電系統示意圖

五、電力系統規劃設計

由於風力的不確定性(無風狀態、風速不足以啟動葉片等),加上區域產業用電的間歇性質,小型風力發電系統除了發電本體外,尚須設置必要的附屬設備以降低缺電風險,如輔以蓄電系統、裝置緊急柴油發電機、與太陽能發電系統併接、與商用電力併接等。

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以下將簡單介紹常用小型風力發電系統電力構件:以下將簡單介紹常用小型風力發電系統電力構件:
  • 整流配電盤:整流配電盤可處理多組風力發電機產生的電力,配電盤內有輸入回路斷路端子(或簡易開關)、逆流防止二極體、突波吸收器、分流器、配線用遮斷器、誘導雷保護器等,
  • 蓄電系統設計:再生能源的應用,不論是風力發電或太陽能發電等,都必須面對間接性電力供需之特性。
  • 充電控制器:當蓄電池容量不足且外在電源(如風力、太陽光能、商業電力、緊急發電機等)存在時,充電控制器可自動將外在電源產生的電力回充至蓄電池中,且依周遭環境溫度的狀態自我補償。
  • 直交流轉換器:直交流轉換器(DC/AC converter, inverter)的主要功能是將產生的直流電轉為交流電,各廠家生產的直交流轉換器(inverter)功能大同小異,其劃分大概以10kW來分界點。
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在發展中國家,或是偏僻地區(像小島),其因應的能源配套型式:在發展中國家,或是偏僻地區(像小島),其因應的能源配套型式:
  • 小型(10-300KW)風力發電機供應居民的動力系統,同時也有柴油,或其它再生能源的發電型式(如水力或光電系統)。
  • 獨立的風力發電機(1,000-1,500KW)供電至一個或更多個孤立住處,另外為了能持續供應電力,只好藉由其它能量來源的補給。例如:柴油(小規模風力/柴油系統)或是藉由儲存系統,像電池、快慢調節渦輪抽水蓄能….等。
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風力發電因風力的時大時小,並非穩定的基載,無法當作主要的民生供電來源,但可與一般市電併聯使用,作為輔助性能源,大幅節省對於傳統能源的消耗。風力發電因風力的時大時小,並非穩定的基載,無法當作主要的民生供電來源,但可與一般市電併聯使用,作為輔助性能源,大幅節省對於傳統能源的消耗。

根據美國紐約世界展望機構的研究,風力發電每一年所提供的電力,比其它任何一項再生能源科技都還來的多。

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風能的優點是無污染、且不虞匱乏;但亦有其不穩定及間歇性的固有缺點,所以欲有效利用風能,可採以下三種方式:風能的優點是無污染、且不虞匱乏;但亦有其不穩定及間歇性的固有缺點,所以欲有效利用風能,可採以下三種方式:
  • 供應可間斷性之負載:如抽水供應灌溉,居民、牲畜及養殖用水,動力不必持續穩定,中間間斷亦無關係。
  • 裝置能源貯存系統:如電池、抽蓄發電等將風力發電或動能貯存,供無風時應用。
  • 與備用能源併聯使用:如以風力機與水力或市電配合,風大時用風力發電供應,風小或無風時備用之水力或市電立即補充。
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六、基地風力潛能

風力發電機的系統規劃設計前提,在於能夠確切地掌握基地風力潛能,由於本研究風機架設位置於郊區近海處,與最近的中央氣象站(台南站與永康站,皆位於市區)背景環境差異過大。

考量時空、地形地貌等改變,實著必要瞭解目前基地之風速實況,因此於基地魚舍旁自設氣象站,量測風速、風向、溫度、濕度、雨量等因子,每筆採樣時間設定為10分鐘,整理後的風速資料將可提供後續實際運轉時,風能效益分析之用。

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評估規劃流程

初步的風力站址選擇

風力資料進一步的調查分析

評估站址之風能淺力

選擇風能轉換系統

經濟效益評估

購置

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在台南市政府建設局漁業課之建議與協調下,本計劃將以位處市郊城西里虱目魚示範養殖場為評估對象,養殖面積約為一公頃,用電需求簡化為曝氧風車兩部,每部用電量1馬力。風力發電機運轉時期為九十一年度全年期,同時進行基地風力潛能量測分析。在台南市政府建設局漁業課之建議與協調下,本計劃將以位處市郊城西里虱目魚示範養殖場為評估對象,養殖面積約為一公頃,用電需求簡化為曝氧風車兩部,每部用電量1馬力。風力發電機運轉時期為九十一年度全年期,同時進行基地風力潛能量測分析。

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七、系統之規劃設計與建置技術
  • 系統規劃設計

由於本研究採用的風力發電機組設定為小型容量種類,因此各系統構件將以一般市面上常見小型風力發電系統所選配者為主,電力工程設計與施工規範亦以低壓受電用戶者為規範範圍。

用電需求:不同養殖作物種類、需氧量、養殖規模、相對水力循環設備、農舍內部配套設備等都會影響用電需求以及操作模式。

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風機規格

  • 3.12m rotor diamete
  • Rated power 1.4kW
  • Output 10m/s 1,000W
  • Tower 12-18m
  • 3 blades

資料來源:GaleForce passat 1.4kW的型錄

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風機建置過程

塔架基座之建設:由於整組風力發電機相當重,且必須承受往後風力吹拂震動,因此必須先建設塔架的基座。基座的設置要考量地基的穩定性(特別是如本案所處的魚塭潮濕地)、避開交通及漁作區域和鄰近建築物。

以本案18米三腳塔架的高度為例,其基座至少須2.5平方公尺、1.5公尺深、兩層鋼筋。

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電盤之配置:小型風力發電的裝設順序,最好選擇先裝好電盤,以便風力發電機組合完成後,可直接進行接線進入控制盤的工作。電盤之配置:小型風力發電的裝設順序,最好選擇先裝好電盤,以便風力發電機組合完成後,可直接進行接線進入控制盤的工作。

由於某些廠牌的風機備有電力煞車裝置,此種風力發電機,若不盡快接入控制盤加以煞車,若在裝設期間風速較大,使得風機轉速過快,將容易造成危險。

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本體之組裝:小型風力發電機之本體多半是跟塔架一起裝設的,先在地面上組裝完成後,裝上塔架再將塔架立起,機體的裝設首先從配線開始,安裝風機輸出至配電盤的線路,在拉線的同時順道拉一條避雷線連至塔架基座的鋼筋,以避免風機遭到雷擊而損壞。本體之組裝:小型風力發電機之本體多半是跟塔架一起裝設的,先在地面上組裝完成後,裝上塔架再將塔架立起,機體的裝設首先從配線開始,安裝風機輸出至配電盤的線路,在拉線的同時順道拉一條避雷線連至塔架基座的鋼筋,以避免風機遭到雷擊而損壞。
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塔架之豎立:一般來說塔架可分為三種型式,單柱式、三角塔架式、單柱拉線式。塔架架設大致有三種方式:

(1)為利用槓桿原理,使用鋼纜將塔架拉起。

(2)使用吊車等機具將塔架整個吊起安裝。

(3)使用油壓機將塔架推起(一般用於單柱型)。

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八、結論

若能正確的進行地方產業需電分析、選擇設置場地、風力淺能分析、設置場地之規劃、風機及儲電系統之規劃與選擇,在台灣小型風力發電將是一種簡單又實用,又符合地區產業自給自足的能源系統。

此外從風速氣象資料觀查發現,台南地區年平均風速約2.34m/s,自設氣象站年平均風速約3.75 m/s,這顯示台南市安南區沿海地區擁有較高得風力潛能。

而觀察每日風速的分布狀況,可發現冬季受到季風影響較大,全日皆受到季風吹拂,風速分布較為平均,夏季平均風速偏低,但是風速都集中在下午,因此還是有一定的發電量。

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風速資料分析

一月

二月

三月

四月

五月

六月

七月

八月

九月

十月

十一月

十二月

月平均風速(m/s)

4

3.7

3.2

3.7

2.2

1.8

2.78

1.68

2.44

3.59

3.67

4.12

該月風速分佈標準差

1.81

1.59

1.69

1.3

1.2

0.98

1.35

0.96

1.35

1.31

1.27

1.37

每日發電度數(kWh)

5.59

4.68

3.63

4.49

1.72

0.87

2.54

0.74

1.99

4.14

4.40

5.70

當月發電度數(kWh)

170

142.5

110.3

136.6

52.36

26.36

77.22

22.58

60.64

125.9

133.9

173.3

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國內風力發電應用概況(補充資料)

台灣為一海島地形,每年約有半年以上的東北季風期,沿海、高山及離島許多地區之年平均風速每秒皆超過4公尺,風能潛力相當優越。

根據調查顯示,台灣全省年平均風速每秒大於4公尺的區域,總面積約佔2,000平方公里,可開發的風能潛力估計約為300萬瓩。

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示範推廣成效:

  • 1986完成 40KW風力機研發。
  • 1987完成台灣風能潛力初步評估。
  • 1989完成150KW風力機研發。
  • 1991台電於澎湖七美裝設2部商業化100KW 風力機。
  • 1991~1993能資所協助台電進行澎湖本島風力發電示範計畫可行性研究、工程規劃研究 (赤崁地區)。
  • 1996中央氣象局於彭佳嶼裝設一部10KW風力機,與光電混合發電應用於氣象測站用電。
  • 2000雲林麥寮,國內第一座2.64MW示範系統設立。
  • 2001澎湖中屯2.4MW風力發電計畫。
  • 2002新竹竹北3.5MW春風風力發電系統。

資料來源:(工研院能資所, 2003 )

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在經濟部能源會資助下,工研院能資所利用中央氣象局長期,及17個自設測站短期風力資料,完成台灣地區風能潛力初估。評估結果陸上風力發電潛能可達100萬瓩以上,以台灣西海岸及澎湖離島地區最為適宜。在經濟部能源會資助下,工研院能資所利用中央氣象局長期,及17個自設測站短期風力資料,完成台灣地區風能潛力初估。評估結果陸上風力發電潛能可達100萬瓩以上,以台灣西海岸及澎湖離島地區最為適宜。

工研院能資所配合執行「風力示範推廣計畫」,對台灣地區風能開發潛力重新盤點,結果可達3,000MW以上(含陸上及淺海海域風能)。

而有關風能的推廣應用目標則訂為:短程(2000~2004年) 20MW(如果電業法及相關法規與獎勵措施通過及施行,則改為100MW);中程(2010年)500MW;長程(2020年)1,500MW。

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