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焦點專欄

小型風力機介紹與發展趨勢

  • 發佈日期:2018/7/26
  • 資料來源:本站
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小型風力機介紹與發展趨勢

風力發電產業發展概況
       風力發電可分為大型風力發電與中小型風力發電,兩者一般以750kW為界,以上為大型風力發電,以下則為中小型風力發電。大型風電約佔市場99.5%,中小型風電約佔0.5 %。台灣最早跨入風力發電產業為1980年代初期,當時因應能源危機,政府委託工研院陸續開發4kW,15kW與150kW風力發電機,而後能源危機解除便停止開發工作。
      隨著2000年政府公佈「風力發電示範系統設置補助辦法」,以及2004年政府開放民營電廠,我國風電市場開始逐步成長.2005年開始,全球風力發電市場步入快速成長期,台灣廠商開始投入風力發電零組件開發,包括葉片,鑄件,變壓器等。至2012年政府公佈「風力發電離岸系統示範獎勵辦法」,並於2013年1月公告三家示範案得標廠商(福海,海洋,台電)。在2016年10月我國完成首座離岸風電示範機組 - 海洋竹南風力發電場,自此我國風電發展由陸域逐步朝向離岸發展。
       根據2017新興能源產業年鑑 - 全球產業個論[文獻1],全球風力發電產業主要可分為風力發電製造業,風力發電服務業及風力發電業等三個部分,在風力發電製造業包括風力發電機之原材料,零組件及系統組裝等,另外還有風力發電系統周邊設備,如電纜,變電站,陸域風力發電塔架與土建設施,以及離岸風電水下基礎等周邊產業鏈;風力發電服務業的部分,主要有風場規劃(工程設計,申請作業,財務規劃等),風場營造工程及營運後的運維工作等;在風力發電業部分,主要以風場經營管理為主,如綜合電業廠商,獨立電力供應商等。以台灣為例,綜合電商為台灣電力公司,而獨立電力供應商則有英華威,福海風力發電及海洋風力發電等。
      我國風力發電產業約計50家左右[如圖1]分為材料,零組件,系統及營運維護,產業鏈結構完整。在零組件部分,較具指標性的廠商有上緯(樹脂),永冠(鑄件),中鋼機械(塔架),信邦(電纜)等。在系統部分,中小型風機約有20家左右的開發商,而大型風力機則以東元電機具其指標性。

[圖1] 臺灣風力發電機產業鏈結構(詳細說明如上述內容)

小型風力機應用技術介紹
       小型風力機發電原理系主要利用自然環境的風能,當風吹轉動葉片,會帶動發電機產生髮電。而小型風力機的形式,可分為水平軸式(Horizontal Axis)與垂直軸式(Vertical Axis) )兩種[如圖2]。

[圖2]水平軸與垂直軸式小型風力機(詳細說明如上述內容)

      水平軸式風力機轉速快,噪音大,但發電功率係數較大,其發電環境,需設置於年平均達5公尺/秒至15公尺/秒之風場環境,才可擁有最佳發電效能。垂直軸式風力機轉速慢,噪音小,但發電功率係數也較水平軸式小。因為具備轉速慢及低噪音的特性,故裝設地點限制條件相對較少,且在低風速即可啟動,在低平均風速區的總發電量比水平軸式佳。若將垂直軸式與水平軸式相互比較,可歸納其優缺點如下:

垂直軸式小型風力機
不受環境地形亂流,較不受各場址之環境地形差異變數之干擾,可解決地形風問題,適用於障礙物多之建築 (如高樓及市區)
假設高度及精確度之限制少,可DIY容易普及
可達低風速啟動
風力發電效能較低,但產生噪音較小
整合市電併聯技術,可適用於各種場合
水平軸式小型風力機
整合應用於風況良好穩定、障礙物少之建築
轉速太快,噪音較高
風機間之間距較長,設置限制較多

     小型風力機(Small Wind Turbine)之定義,各國說法略有不同,依據「小型風力機之國際應用趨勢及其國內研發技術現況」[文獻2]之整理,國際間對小型風力機定義定義如下[表1]。

國家 部門/協會 機型分類 額定功率 (kW) 補充說明
國際 International Electrotechnical Commission 小型風力機 ≈ 50 IEC 61400-2定義小型風力機的 轉子掃掠面積要小於200 m2 , 發電功率在50 kW以下,電壓 在1000 V AC或是1500 V DC以 下
加拿大 Natural Resources Canada (NRCan) Canadian Wind Energy Association (CanWEA) 迷你型風力機 0.3 - 1 根據Marbek Resource Consultants公司調查結果
小型風力機 1 - 30  
中國 Renewable Energy & Energy Efficiency Partnership (REEEP) 小型風力機 < 100 依據近年中國小型風力發電機 的國家政策及研究方向
德國 Bundesverband WindEnergie (BWE) 小型風力機 < 75 依據BWE-Marktübersicht spezial-Kleinwindanlagen資料
英國 RenewableUK 微型及小型風力機 < 50 額定功率小於50 kW的風力發 電機
Microgeneration Certification Scheme (MCS)
美國 American Wind Energy Association (AWEA) 小型風力機 < 100 根據AWEA的報告[Small Wind Report 2010]及其近年在全球小 型風力發電機市場的研究

[表1] 各國之小型風力發電機定義


小型風力機應用領域及市場
      參考IEK研究資料「文獻3」及「台灣綠色產業報告 - 我國風力發電產業發展現狀與未來展望」[文獻4]指出,2017年全球風力發電新增裝置量為49,219MW,較2016年52,414MW下降6.1%。2017年全球風力發電市場規模約826億美元,較2016年891億美元下滑7.3%。新增裝置量下降主因為全球最大的陸域風電市場 - 中國大陸,其電網建設速度趕不上風電,造成嚴重「棄風」現象,導致中國當局對新申請風場從嚴審查,造成新增裝置量下滑,使得中國大陸在2018年之棄風現像已獲得減緩。第二大市場美國的風電租稅優惠將於2021年終止,因未來美國政策的不確定性及中國風電市場的回溫,預估2018年全球風力發電新設置量將達到54,751MW,將比2017年成長11.2%。而在2018年全球風力發電有四大趨勢值得關注,分別為全球離岸風電市場持續成長擴大,陸域風電發展持平;歐洲離岸風電競爭激烈,競標單價逐漸下滑;新技術新型式離岸風電機組更迭快速;浮體式離岸風電逐漸展露,朝大量開發應用邁進。

      整體而言,全球風力發展趨勢仍以大型風力機為主,小型風力機累計設 置容量遠不及大型風力機組。雖然小型風力機的發電效能遠不及大型風力 機,但因設置成本低廉,可設置於低風速的環境中,因此成為許多電力基礎 設施不足的地區的供電來源。依據ITIS產業評析[文獻5]指出,常見之應用範 圍如離島、農牧場等地區,或是可做為住家或防災中心的輔助電源設施,若 於美國、英國、日本及韓國等先進國家,主要將小型風力機應用於低碳城市 上,與建築物結合成為輔助電力供應來源[如表2]。

應用領域 應用產品類型 主要應用市場 風力機瓦數
離島、偏遠地區 離島、偏僻地區發電 中國大陸、印度、東南亞、非洲 10kW-50kW
農牧場與商業用途 農地灌溉、水井抽水幫浦、工廠/大樓用電、郊區賣場/百貨公司用電、第三世界醫療救護 美國、中國大陸、東南亞 5kW-50kW
併網型家庭用電、輔助用電源 大樓公共設施用電、帆船/漁船停泊時電池充電、海上補助電源、融雪設備用電源、警署/消防站等災害時通訊用輔助電源、無線電基地台、海軍平台電源等 美國、英國、日本、中國大陸 0.3kW-50kW
電池蓄電、設施用輔助電源 各式充電器如高爾夫球手推車、電動機車電池、標誌/看板/路燈照明用電/、養殖魚塭、溫室栽培用電、灑水系統等 美國、英國、日本、韓國 1kW以下

[表2] 全球主要國家小型風力機應用領域與市場

小結
       在全球風力發電市場中,小型風力機是屬於小眾產品,主要因為其發電效能較差,不適合大規模開發。但小型風力機在市場上仍有其產品定位,如在都會區將小型風力機與建築結合,透過小型風力機使其成為輔助電力供應來源;而在無電力設施或電力設施不完善的偏遠地區,也可透過成本低安裝容易的小型風力機來作為小規模供電。因此中小型風力機之裝置容易,且發電成本較為低廉且回收期短,在中國大陸,非洲,南美洲,東南亞等國家之電網尚未普及之地區,對離網/獨立型的小型風力機仍有其相當需求。
       此外,小型風力機所需投入之研發經費較低,且投資風險較小。近年來吸引不少國內業者投入開發。經濟部標檢局為確保我國小型風力機之產品品質及性能安全,目前已訂定CNS15176-2及CNS15176-2-1兩個國家標準。在產品檢測方面,則已設有兩處標準檢驗局(七股及澎湖)所支持成立的小型風力機標準測試場,並完成國際認證。目前我國在10 kW以下小型風力機已建構出完整的供應鏈,可百分之百自製,而且廠商在中國大陸,東南亞及中南美洲等,亦已透過自主佈建的方式,發展當地小型風力機市場。
       小型風力機雖然是進入門檻低,市場族群小,屬於具有地域性的再生能源技術。但我國已經可以達到百分百自製該如何針對小眾的市場提供最貼切的服務,準確地切入目標市場,將是小型風機業者需要積極面對研究的課題。

資料來源:
[文獻1]康志堅,2017新興能源產業年鑑 - 全球產業個論,ITIS智網,2017年6月。
[文獻2]鄭景木,林彥廷等,小型風力機之國際應用趨勢及其國內研發技術現狀,第三卷第一期,第117-126頁,台灣能源期刊,2016年3月。
[文獻3]康志堅,2018年全球風力發電產業四大趨勢,IEK中心,2018年2月。
[文獻4]康志堅,台灣綠色產業報告 - 我國風力發電產業發展現狀與未來展望,經濟部推動綠色貿易專案辦公室,2018年2月。
[文獻5]宋承穎,台灣小型風力機多元應用市場分析,ITIS產業評析,2014年04月。



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