風力發電

1. 風力發電 • 指導老師 • 組 別第二組 • 組 員王烟輝 P980L161 郭恩綵 P980L102 郭俐宜 P980L120 陳姿嫻P980L131 陳瑞展P980L110

2. 目錄 1.前言 2. 風力發電 3. 發電的方法 4.風能 5.風的成因 6. 風力特性 7. 風力應用 8. 風力技術 9. 發電機介紹 10.發電與貯能 13.實例 11.電廠廠址選擇 14.結論 12.現況與發展

3. 一、前言 風力係取之無盡暨了無污染的能源，以風 力來發電既不需耗用燃料，不會排放二氧 化碳、產生灰渣等廢棄物，具有充分保護 環境、永續利用資源等優點，亦無安全上 之顧慮，而且容易裝設，且不似其他的發 電設施一般需要定期的保養維修 http://www.youtube.com/watch?v=qh8LhVku5hs&fmt=22

4. 二、風力發電 利用風力推動風車旋轉發電機，叫風力發電。風力發電主要是使用螺旋槳型風車，有時亦採用錐形或新式多 翼型等。 風力發電的優點是不會造成公害，而且取用不盡 風力發電使於1941年美國的vermont電力公司，建立第一個大型風力發電。

5. 風力發電(一) 風力發電也有困難，就是風向和風力時常改變，且無法將能量集中。 為了解決這些問題，所以需組合特殊裝置。目前已有3000千瓦的風力發電設備在運轉。

6. 三、發電的方法 中型風力發電裝置的內部，由風車翼、變距機構、加速器、發電機和方向控制用小風車所組成。變距 機構可以依風力大小改變風車翼的受風面積大小，以調整轉速使保持一定。方向控制用風車是依風向調整風車 翼，保持風車翼正面朝著風向。當加速器使風車的轉速﹝即每秒的旋轉次數﹞昇高到一定限度時才開始發電。這種發電設備，最高可發電10千瓦。

7. 發電的方法(一) 風力發電原理 風力發電是由空氣流動時產生的風壓，藉由空氣的氣動力作用（包括升力及阻力），推動風力機之葉片旋轉，進而帶動發電機轉動進而轉換成電能。 風力發電的效能 會受到之影響 1.風速 2.葉片設計 3.葉片受風面積 葉輪轉動基本原理

8. 發電的方法(二) 電能在利用上以及在能源轉換上，遠比其他能源來得方便，為了使電能能夠充分利用，還是得把風能轉變為電能，亦即進行風力發電。風力發電系統，最重要的就是風車，其次才是發電機和貯能裝置，剩下的就是整流、穩壓、換流等控制電路。

9. 發電的方法(三) 風車依轉軸的方向，可分為水平轉軸式和直立轉軸式(如下圖) 1.水平轉軸式的風車，發明較早，其葉片垂直於風 向﹝大多指沿地表流動的風﹞，分螺旋槳型、荷 蘭型、多翼型等. 2.直立軸的風車，其葉片圍繞直立軸而轉，不必調 整去正對風向﹝可接受四面八方任一方向來風﹞，構造簡單，價格較低廉，可分為打蛋器型﹝Dardeus﹞，Robinson圓筒型等。

10. 發電的方法(圖) 水平軸式風車中以「高速螺旋槳型」，直立軸中以「打蛋器型」效率較高。

11. 發電的方法(四) 1.水平軸式（螺旋槳式） 風車的旋轉軸是水平的，扇葉必須正對風向，所以其缺點是必須將 電機和控制設備安裝在塔上方且要有尾翼以改變風車方向。

12. 發電的方法(五) 2. 垂直軸式 風車的旋轉軸是垂直的，不論任何方向的風吹來都可以旋轉扇葉發電但風力不夠強扇葉將不會轉動。

13. 發電的方法(六) 發電機配合風車來裝設，故風車的大小或風力發電裝置的大小，往往用發電量來描述，一般發電達100KW的稱為大型機。目前建造風力發電系統發電的成本每度﹝KWH﹞分別為：1.5~3.5MW 的美金0.19元，350MW約為0.48元，小型的風車已達商業化階段，可供購置為自備電源。大型的製造修護運轉成本較高，以200KW至l000KW之間的較經濟。選用風力發電裝置應考慮；當地用電之需求，包括負載用電量、負載特性及種類，以及當地的風力特性。

14. 四、風能 • 風能和陽光一樣，是取之不盡，用之不竭的天態﹝再生﹞能源，全世界的風能蘊含量達一百兆MW﹝1014MW﹞，其中可用來發電的達一千萬MW﹝107MW﹞，在燃料日益短缺的今天，此能源自然不容忽視。人類自古就會便用風力，史料記載公元前兩千年，我國就有人利用風力作為汲取鹽水的動力。風隨處都有，遍布世界每個角落，但是在使用時卻必須選取有適當風力的地點:此外風力在運用上有一缺點，就是不穩定，時大時小，用做動力還好，如用來發電則較麻煩。

15. 風能(一) • 與其他自然能源，如太陽能、海洋、地熱等相比，風的能量密度還是蠻高的﹝風速在每秒10公尺時，每平方公尺的面積上，可獲得356瓦的能量﹞，而且風是最潔淨的能源，運轉時噪音也很小，不會引起公害；唯一對生態環境的不良影響，就是規劃，造形欠佳的風車會破壞自然景觀，以及大型風車的扇葉，可能傷及空中的飛禽和昆蟲。對偏遠的山區離島，運用風力發電，可收節省輸電費用或燃料費用之益處。

16. 風能的優點 一、能量巨大，取之不盡，用之不竭。 二、週而復始，可以再生。 三、分佈廣泛，利用方便。 四、不污染環境，不破壞生態。 五、就地可取，無須長途運輸。

17. 風能缺點 一、風的不穩定性高，發電品質較不穩定。 二、受地形影響大，地區差異顯著。 三、降低土地利用價值 四、風能產生電力有限 五、轉動時產生噪音。 六、影響鳥類棲息生態。

18. 風力發電的限制 一、以臺灣而言，風力發電效率在夏季用電 尖峰反而最低，無法支援夏季尖峰的電 能供給。 二、風力發電需要廣大的土地作為風能場， 土地取得上有所困難。

19. 五、風的成因 • 風能來自太陽能，風的成因，可以說是地球接受太陽能後，遇大氣溫度不平衡時，而產生空氣的流動。 • 由於地球與太陽相對運動的結果，使地球上不同緯度、不同地形﹝高度﹞的地方，產生季節及日夜的溫度變化，而氣流之流動又愛各地方溫度、氣壓、地形的影響，因此各地方的風向、風速均時時在變。 • 但大體而言，每一地方都隨地形、季節而有一特定的風向和平均風速，例如海邊往往有海陸風，白天往海吹，晚上往陸地吹，在山邊別有山風，白天往山上次，晚上往山下吹，叉在山頂峭壁常有亂流，在山溝常有所謂風口的強風區，因此我們必須熟悉各地風力的特性，才能有效運用它。

20. 風的形成(一) 風是一種常見的自然現象，其形成是源自於地球自轉及太陽輻射熱，引起的空氣循環流動的自然現象。

21. 六、風力特性 • 風力賴風車﹝又叫風力機﹞來捕捉，所能得到風能之公式為：P=0.37x10 - 4AV3 • 式中P為功率單位是千瓦﹝KW﹞，A為風車扇葉之截面積，單位公尺﹝m﹞，V為平均風速，單位是每秒公尺﹝m/s﹞。由公式可知，欲獲得較大的風力，必需採用較大尺寸的風車，對正風向，接收平均風速較高的風。 • 風向和風速是風力的重要指標;一般所說的風向，是指十分鐘內所曾出現各方向之總平均﹝主要方向﹞，以十六方位﹝如南南東，西北西﹞標示，風速除了用﹝長度/時間﹞來表示外，也可以用自然界受風吹動的情景來描述，這種描述稱為蒲氏風級﹝Beaufort scale﹞。

22. 蒲福氏風級表

23. 風力特性(一) 目前氣象局測候所，每天觀測風速八次，每次以10分鐘內的平均風速代表該三小時之風速;欲運用風力應進行更細密的觀測;並長時期記錄，以了解最大風速以及亂流發生的情形。10分鐘內如果有瞬時風速大於此平均值達5公尺/秒時，就稱之為出現陣風。 一般小型風力發電裝置，所要求的起動風速為3公尺/秒額定風速20公尺/秒，遇56公尺/秒強風則停機，實際發電時，風車扇葉面積每平方公尺約只能發 124W(平均風速10米/秒)的電力。

24. 七、風力應用 • 由於風力的變動性，所以風力適於直接應用於產生動力，推動機械﹝例如研磨、灌溉等﹞，如果發電的話，也較適於電熱﹝用製熱油、熱水、熱蒸汽﹞用途，因電熱裝置本身會儲存熱能，因此對所發電能的大小，電壓的高低，較不在意﹝電動機就不行了﹞。如果想要利用風力發電供一般用電的話，那麼就必須另接裝貯能裝置，來調節有無;當風力多的時候，它可貯能，風力少時，它可釋放能量，彌補風力之不足。

25. 風力應用(一) 風能從風車收集轉換為機械能，再經發電機、泵、攪拌式發熱器等轉換為其他型式的能量，必要時經過壓縮空氣、氫、蓄電池等貯存或運送，最後即可應用於各種能源消耗設備，以上這個流程即為風能的能源利用系統。 任何風力夠大且適當的地方都可以購置風力發電裝置發電，因此目前風力發電的應用可以說非常廣泛，例如離島山區偏遠地區、工地、營地、山莊、浮島、燈塔、電臺、中繼站等地用做自備電源或輔助電源，供照明、電動儀具、電器、灌溉、通訊、空調、加熱等用。

26. 八、風力技術 • 全球風力發電快速成長中全球風力發電從歐洲百萬瓦級的風力場到大陸山東農村的小型風力發電，正在快速擴張中。美國風能協會AWEA報導： • 從1996-2002年7年間世界風力發電能力年平均成長率為31.3%， • 1996年底世界風力發電總能力只有6,070MW，至2002年底已達31,128MW。 • 其中2002年新增容量為6,868MW。全球風力發電最高的國家是德國，2002年底總容量為12,001MW，其次是西班牙的4,830MW，美國則從排名第二跌落至第三，2002年底總容量為4,685MW。

27. 風力技術(一) 圖風力發電基本構造

28. 風力技術(二) 風力發電因能取代有限資源且較其他大型再生能源如太陽能、生質原料、水力等更具價格優勢故受到「重用」，其成本已從1980年代US$0.38/kwh降至2001年US$0.04/kwh，此價格已能與美國某地區石化發電成本抗衡，美國能源部2020年的成本目標為US$0.02~0.025/kwh，其短程計劃則為2005年發電量增加1倍，使之佔美國發電量5%，2010年再增加1倍，以滿足3百萬家庭用量。

29. 風力技術(三) 葉片複材化成為關鍵技術風力發電最關鍵的部分是葉片，葉片的設計及選材決定發電性能與功率，目前風力葉片已是100%的複材產品，此決定了複材工業成為風力發電裝置中的樞紐地位，目前全球風力發電葉片被三大製造廠所瓜分，合佔葉片市場85%-95%，它們是LM Glasfiber (Lunderskor 丹麥)、Vestas Wind Systems A/S (Ringk O bing 丹麥)及Enercon ( Aurich 德國 )。

30. 風力技術(四) 由於複合材料在風力發電上的應用實際上就是在風力發電轉子葉片上的應用，此葉片的設計、結構、選材、工法、製造、測試、實驗乃至生產必須緊密結合，其發展趨勢更是朝大功率，長葉片方向邁進，目前1.5MW~2.5MW的單機功率葉片長度達50m已不稀奇，甚至朝3.0MW-5.0MW及葉片長度50m以上的風力發電機邁進。為了達到大葉片輕量化的目的，選擇碳纖/環氧為材質的需求亦愈高。

31. 風力技術(五) 風力發電廠商各具特色LM Glasfiber是世界最大的風力葉片製造商，佔全球40%，金額高達28.3億丹麥克朗，擁有5.0KW-2.5MW的系列產品，包括旋角( pitch )控制和失速( stall )控制兩種，長度重44英呎至128英呎不等。目前採用VARIM製程生產大型葉片，用手積層製造小型葉片，其方式是將葉片分成上下兩部分個別製造材料包括碳/玻纖，環氧/不飽和聚酯樹脂，巴沙木或發泡蕊材，在抽真空填充及硬化後，在葉片內部安裝網圈然後將兩半黏和，再用手工研磨及去除多餘黏著劑，其膠殼具有抗紫外線且非反射的表面特性，因此不必再塗漆，維修的需求性低。

32. 風力技術(六) Vestas Wind Systems也是主要風力發電機機及葉片製造商，它是世界上第一個製造旋角控制風力發電機的廠商，1995年在丹麥建立世界第一座的離岸風力廠。 其他幾個具特色的風力發電設備製造廠包括： (一 )Northern Power Systems ( Waitfield, Vt. ) ：正從事製造寒帶地區使用的 100KW 風力發電機，其葉片長度30呎，可在零下50℉運轉。 ( 二 )TPI Composies, Inc. ( Warren, R. I )：是Northern的風力葉片供應商，以 SCRIMP專利工法製造，採非旋角( pitch )控制，可免除低溫下拆卸。葉片長 度分別為30、54、75呎，採用電腦3D設計。 ( 三 )Bergey Windpower Co. ( Norman, OKla )：生產小型風力發電機達20年，可 與公共電力網連線供家庭或公司使用，其產品有1、1.5、10及15KW不等，所 有葉片由Strongwell以拉擠成型製造提供，採用乙烯酯樹脂( 具較佳延展性 )。 ( 四 )Southwest Windpower ( Flagstaff, Ariz )：屬全球最大的小型風力發電機公 司( 小於3KW )，專供偏遠地區家庭用電及開發中的國家農村等使用，採多樣 化製程生產葉片，包括以30%短碳纖PBT射出成型的400W發電機葉片，並針 對3000KW發電機葉片進行手積層製造最適化設計。

33. 風力技術(七) 由於風力發電的持續擴大，未來百萬瓦的風力發電機、大型葉片、高電塔及離岸風力廠將遍佈推廣，對複合材料工業而言，碳纖維的應用將更形重要，由於葉片的鋼度受到重視，為避免大氣紊流造成葉片顫動或週期載荷導致疲勞破壞，加上葉片朝大型化發展，未來使用碳纖的需求更高.

34. 風力技術(八) 根據世界風力協會(World Wind Energy Association）於2010年3 月發布「2009 年世界風力報告」（World Wind Energy Report2009）指出，該年全球風力機組總設備容量業達159.213GW(億瓦)，並提供3,400 億度電力，約滿足全球2%的電力需求。 2009 年新增設備38.312 GW，較2008 年總設備容量120.903GW 增加31.7%。該協會推估2010 年總設備容量將達203.5GW，2020 年全球風力機組累計設備容量將上看1,900 GW，約為2009 年總設備容量之12 倍。

35. 風力技術(九) 目前風力發電設備容量前3 名分別為美國、中國、德國，這3 個國家的風力機組容量計86.946 GW，約佔全球的55%。 若再加上第3、第4 位的西班牙及印度，則前5 個國家合計117.02GW，約佔全球風力機組容量3/4。顯示風力發電技術成熟且前景看好，世界各國對風力發電推廣，不遺餘力。 在現有的風力機組容量159.213 GW 中，以陸上型風力機組佔多數，海洋型風力機組僅1.9559 GW，約佔1.23%。

36. 風力技術(十)

37. 風力技術(十一)

38. 風力技術(十二)

39. 風力技術(十三)

40. 風力技術(十四) 最緊密的多兆瓦的風力渦輪組： 齒輪箱，發電機整體設計 額外的平台，為海上直升機停機板

41. 風力技術(十五) 多重劃化的設計：剪式自由2.5MW

42. 風力技術(十六) 魚翅型刀片與風暴控制

43. 風力技術(一七)

44. 九、發電機介紹 • 現代風車解剖圖 1.氣流讓風力葉輪的葉片升起，使轉軸每分鐘可旋 轉15~60圈。 2.傳動裝置讓高速軸每分鐘旋轉1200~1800圈，發電 機就會產生交流電。由於風速時大時小，因此需 要控制器內的電力整合電路，才能產生60赫茲的 穩定輸出。 3.偏搖傳動裝置可讓旋轉翼保持正對著風。 4.在緊急狀況或進行維修的時候，可以利用煞車來 停止旋轉翼。 5.馬達、齒輪和軸承會讓葉片以最佳的角度對著風， 使升力達到最大，或者在風力太強時將葉片轉開； 由於風力是隨風速的立方增加，因此風速太高可 能會把發機燒壞。

45. 發電機介紹(一) 風力發電機的結構由風車翼、變矩裝置、加速器、方向控制用小風車、發電機等組成， 優點：不會造成公害而且取用不盡。 缺點：風力不穩定，風力和風向時常改變，能量 無法集中。

46. 發電機介紹(二) 1 .葉片(blade)：風力發電主要由葉片轉動來帶動。 2 .齒輪箱(Gearbox)：由葉片帶動大齒輪轉動小齒輪產生更大的發電能 ，但也 可能因齒輪卡死而停止作功。 3 .發電機(Primary generator)：由永久磁鐵切割磁力線產生正副電流。 (1)靜子(ststor)：由靜子鐵芯及靜子線圈組成，主要作用產生磁力線 (2).轉子(Rotor)：由磁鐵N 極及S 極組成，用以切割磁力線。 4 .轉向控制器(Yaw cantrol):在風吹的方向不同時，依風向方位做改變 5 .整流粒(Diode)：重整電流，使之變成直流電。 6 .儲電裝置：儲存所產生的電流，以供給意外的需求。 支柱部分 1.基座(Bose)：主要以穩定風力發電機，類似建築物的地基。 2.塔架(Tower)：支撐整個風力發電機重量的柱狀物。

47. 發電機介紹(分解圖)

48. 2.風力發電機裝置(續) 風力發電機分類 分類依據 描述 分類名稱 水平軸式、垂直軸式 主軸與地面相對方向 旋轉軸結構 風力機葉片位置 風力機相對於風向位置 上風式、下風式 永磁式發電機、同步發電機、感應發電機 發電機種類 發電機類型 風力機葉片受力情形 風力機葉片工作原理 升力型、阻力型

49. 發電機介紹(三)

50. 發電機介紹(四)