小型风力发电与地区产业能源结合之效益评价.docx

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小型风力发电与地区产业能源结合之效益评价

小型風力發電與地區產業用電結合之設置技術評估

-以台南市安南區養殖漁業為例-

陳威滄*

摘要

在「新能源開發」、「分散式能源利用」與「區域產業能源方案」之概念下，進行評估產業需電特性、區域自然環境力的利用、與最適電源開發三者整合考量之效能評估研究。

由於台南地區傳統養殖業盛行，產業所在沿海地區的風力潛能相當高，值得進行小型風力發電系統的應用技術與經濟性評估，因此本研究以實作技術發展為主，擇定合適規模類型之養殖場所，進行實測基地風力潛能分析、產業用電模式與量值分析、小型風力發電系統之規劃、裝置與運轉測試等工作；同時紀錄分析運轉電力數據，以評估小型風力發電系統之技術性、節能效益與操作可行性，以提升小型風力發電系統之應用價值與民眾接受度。

關鍵詞：

新能源【文獻1】、風力發電、養殖、地區產業、分散式能源利用

1、前言

在積極開發電源及地球環保漸趨嚴謹之條件下，我國電力能源開發與使用面臨極大困難，許多因應方案被提出，特別是無污染新能源的開發，更是吾人通往未來「綠色」「矽島」之新出路。

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（decentralizedproduction&storageofelectricity）」和「因地制宜」方式，即可彌補缺陷【文獻2】。

換言之，吾人得以由「積少成多」的「分散式能源開發」概念出發，重新思索台灣新的電力開發、配送與管理模式。

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

沿海地區產業由於風力潛能相當高，在「新能源開發」、「分散式能源利用」與「區域產業能源方案」之概念，十分值得進行小型風力發電系統的應用技術與經濟性評估，在產業需電特性、區域自然環境力的利用與最適電源開發三者整合考量的前提下，進行效能評估研究。

2、風能利用現況

2-1世界各國風能利用現況

近年來環保意識抬頭，民眾普遍關心傳統發電方式產生的污染問題，而風能為自產之再生能源，利用其發電具低環境污染特性，清潔的風力能源逐步受到重視，而被大量的運用。

經過歐美等國長期的研發後，現今風力機的單機容量、性能及可靠度不斷提升，風力發電對於全球電力供應的可行性大大提升。

就需求面而論，近年來全球之裝置量急遽增加，2002年全球風力發電已有7227MW的增設容量，雖然增設容量成長率只有6﹪，相較以往，是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32000MW，預估年發電量可達620億度。

自1998年起近五年全球累積容量平均成長率達33.2﹪，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。

2-2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【文獻3】，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；然由於其潔淨能源之本質，多加利用可減少傳統化石燃料之使用，發揮輔助能源之功能，促進國內能源之多元化與自主性，實值得國內加以重視及積極開發利用。

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，經濟部能源會於91年6月配合行政院「挑戰2008：

國家發展重點計畫」修正我國風力發電之長程推廣目標：

既於2020年總開發容量達1500MW，其中陸域為1000MW；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。

【文獻4】

圖1我國風力發電設置逐年目標

3、風力潛能分析

3-1風力潛能分析方法

由於風功率與風速成三次方的正比關係（P~V3），在評估風力發電機的設置基地時，該地之風速「品質」即顯得相當重要，而風速受到天候、地形、設置高度與地表粗糙度等影響，不斷地變動著，因此要正確評估當地的風力潛能，是相當費時且昂貴的。

1.風向及風速的觀測：

風的強弱程度，通常用風力等級來表示，而風力的等級可由地面或海面物體被風吹動之情形加以估計之。

目前國際通用之氣象風力估計，係以蒲福風級為標準。

【文獻5】

B為蒲福風級數，V為風速（單位：

m/s）

如果要做更準確、更詳細的資料分析，則需增設一些短期固定測站，及活動式測站做實測調查，將短期資料與長期氣象資料配合整理分析應用。

若欲裝設風力機的高度（H2）不恰為觀測風速的高度（H1），則可利用海爾曼（G.Hellman）提出的式子，做一換算：

在地面高H1之風速V1，升高至H2後之V2為：

其中，α為地表摩擦係數（FrictionCoefficient）

表1地表摩擦係數（FrictionCoefficient）【文獻6】

各類地形

α

湖、海洋和平滑堅硬的地表

0.10

在平坦的地表

0.15

高的農作物和灌木

0.20

樹林茂密的城市

0.25

有一些樹與灌木的小城鎮

0.30

存在高建築物的都會區

0.40

研究對象基地地形，屬於平坦的地表，因此α值設定為0.15。

2.風力資料的蒐集與整理：

風力資料的蒐集經長期觀測與記錄後，利用風速機率分佈曲線，來預測未來的風速曲線使我們易於瞭解：

（1）無風狀況，或風速不足以啟動風機的時間有多長

（2）最常出現的風速範圍為何（3）額定輸出與出現機率大小。

此風速機率分佈可用韋氏機率密度函數（WeibullProbabilityDistribution）h（v）來作分析：

【文獻6】

其中，

h（v）

=風速v在某個時間段之出現機率，單位：

﹪

v

=風速，單位：

m/s

k

=形狀參數（shapeparameter），單位：

無因次

c

=尺度參數（scaleparameter），單位：

m/s

k與c是重要的參數，而參數k、c可由平均風速V及標準差σ求出：

C=V/0.89

V=cγ（1+k）

σ2=c2（γ（1+2/k）-γ（1+1/k））（γ：

GammaFunction）

3.風能評估與選站：

嚴謹的站址選擇，包含考量統計氣候學，數值模擬及在大氣風洞中做自然界的模擬。

一般挑選風力站，可依循下列原則：

（1）依據長期氣象資料與短期實測數據整理分析結果。

（2）選擇地理環境適宜，交通及維護方便的處所，可減少設備投資成本及維護費。

（3）根據季風的方向和地形、地物、流體力學的知識來判斷並決定站址。

3-2基地風力潛能

　　由於基地位置附近並無相關氣象站，因此自行於基地漁舍旁裝設氣象站a（儀器廠牌：

DAVISInstruments）及氣象站b（儀器廠牌：

JaunteringEE-04WindSensor，JaunteringHL10Dataacquisitionsystem），量測風速、風向、溫度、濕度、雨量等因子，每筆資料採樣時間設定為10分鐘，整理後的風速資料（表2）將可提供後續實際運轉時，風能效益分析之用。

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

k（形狀參數）

2.37

2.46

2.03

3.11

1.65

1.94

2.19

1.84

1.9

4.02

3.17

3.04

c（尺度參數）

4.51

4.14

3.66

4.14

2.42

2.03

3.14

1.89

2.75

2.99

4.1

4.59

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）

169.95

142.47

110.31

136.58

52.36

26.36

77.22

22.58

60.64

125.89

133.85

173.31

表2氣象站a91年風速實測資料分析

圖3氣象站b

圖2氣象站a

四、小型風力發電系統之建置技術

小型風力發電機之架設正確與否，將影響未來運轉時的安全性及效率，而架設過程中，需按照操作手冊的步驟程序進行，以免發生意外危險。

1.塔架基座之建設：

塔架設置最好選擇使用土地面積小，所需地基較淺的位置，再由塔架所需面積，避開交通及漁作區域和鄰近建築物。

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，基於安全性我們無法將塔架直接建置於地面，以避免塔架倒塌或折損，因此必須先設置塔架的基座，如圖4所示。

以18米三腳塔架的高度為例，其基座必須要2.5公尺見方、1.5公尺深、兩層鋼筋。

2.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，如圖5所示，以便風力發電機組裝完成後，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。

另外風機的電池，應有特殊的保護電路，以避免充放過度頻繁，或使用過度而失去作用。

3.本體之裝設：

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，如圖6所示。

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，在拉線的同時必須順便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。

風機所使用之電線，必須要有良好的絕緣，避免漏電，接點處須作防鏽的處理，減少觸電的可能性。

4.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：

【文獻7】

（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）。

5.定期檢修：

小型風力發電機為了維持其正常及安全的運作，我們必須定期檢查保養及維修（如圖7）。

檢查工作事項如下表：

（1）電力系統監測數據。

（2）風力發電機外觀。

（3）檢查塔架外觀。

（4）檢查電池。

（5）檢查螺絲是否鬆動。

圖5電盤之配置

圖4塔架架設之基座

圖7風力發電機之定期檢修與保養

圖6風機本體之裝設

五、電力評估

在完成小型風力發電系統之建置後，吾人特進行有關於電力方面之評估。

測量小型風力發電機實際發電情形包括，電壓電流波型、發電量、電力品質、電池狀態等，並將實際發電量與利用風速量測資料所預估之發電量作比較。

5-1發電量與風速特徵

圖8為氣象站a，在22日到27日之量測風速，虛線所示為氣象站a離地4公尺所量測之風速，平均1.71m/s，推估至15公尺之風速，平均2.08m/s。

經韋氏機率密度函數計算配合風力發電機能量輸出曲線，計算其發電量繪製圖9，估算發電量總合為7.6kWh。

並與實際電力量測所得之發電量比較，實際