智慧型風力發電之現況與展望 陳謨星教授 2003年12月13日

一. 美國電能來源分析 二. 美國再生能源市場分析 三. 風電能源的利幣 四. 風電能源的成本 五. 風力發電投資報酬研究 六. 風力發電特性

美國電能來源分佈 2002年底之統計 煤(56%) 再生能源(3%) 天然氣(12%) 水力(10%) 核能(19%)

美國再生能源市場分佈 2002年底之統計 Biomass(121.2MW, 8.6%) Small Hydro(10.5MW, 0.7%) Geothermal(60.4MW, 4.3%) Wind(1215.4MW,86%) Solar(6.1MW, 0.4%) 來源：Lori Bird “Status of Green Power marketing in the US,” Wind Power 2003

風電能源的利弊 不排放CO2、SOx、NOx等污染空氣、造成溫室效應的物質 沒有煤灰、核廢料、河川生態變化的問題 不需要燃料 裝設一座風車所需時間甚短 成本持續下降 -- 從80年代至今降幅達75%以上 隨著設計的進步運轉維修成本也持續下降 配合電力電子的應用對電力系統的電壓、功率因素、供電品質等都有幫助

風電能源的利弊 單一地區風速不定，發電量未必隨心所欲 風象預測的誤差容易造成系統調度的困難，結果AGC機組容量、備轉容量都需調整 如果使用感應發電機而沒有配套設備，可能使電壓穩定問題惡化 風象好的地區未必有足夠的輸電線 風車葉片旋轉造成的噪音、對飛鳥的威脅 對景觀的衝擊

風電能源的成本 建設成本($/kW)的下降 整體風電能成本($/kWhr)的下降 設計技術、使用材料的進步 單一機組容量的增加 風車需求量(或市場)的增加 施工時程的縮短 整體風電能成本($/kWhr)的下降 尋覓風電廠址(Siting)技術的進步 容量因素(Capacity factor)之提高 運轉維修成本之降低

風力發電建設成本研究 （US DoE、EPRI等1997年報告） 假設條件： 項　　　目 1996 2000 2005 2010 2020 2030 Wind farm size (MW) 25 37.5 50 Unit capacity (kW) 500 750 1000 Number of units Hub height (M) 40 60 70 80 90 100 Rotor diameter (M) 38 46 55 Swept area (M2) 1,134 1,662 2,376

風力發電建設成本研究 （US DoE、EPRI等1997年報告） 每kW容量成本(美元)： 項　　　目 1996 2000 2005 2010 2020 2030 Rotor, hub assembly 185 180 190 160 150 140 Tower 145 195 215 235 Generator 50 45 55 40 Control, Power electronics 155 100 90 75 65 Drive train, Shaft brake, Nacelle, Yaw system 35 30 Turbine FOB including profit 750 560 570 530 520 510 Balance of station 250 135 125 Total installed cost 1000 720 675 655 635

風力發電建設成本研究 （US DoE、EPRI等1997年報告） 單一機組建設成本(千美元)： 項　　　目 1996 2000 2005 2010 2020 2030 Rotor, hub assembly 92.5 135.0 190.0 160.0 150.0 140.0 Tower 72.5 108.8 185.0 195.0 215.0 235.0 Generator 25.0 33.8 55.0 50.0 45.0 40.0 Control, Power electronics 77.5 105.0 100.0 90.0 75.0 65.0 Drive train, Shaft brake, Nacelle, Yaw system 107.5 37.5 35.0 30.0 Turbine FOB including profit 375.0 420.0 570.0 530.0 520.0 510.0 Balance of station 125.0 142.5 145.0 Total installed cost 500.0 562.5 720.0 675.0 655.0 635.0

風力發電運轉實績研究 （US DoE、EPRI等1997年報告） 風力等級：Class 4 (50米高處風速7.0~7.5 m/s) 項　　　目 1996 2000 2005 2010 2020 2030 Energy delivered (GWHr/year) 57 99 154 159 164 168 Net annual energy/rotor area (kWHr/M2) 1011 1192 1294 1334 1385 1412 Capacity factor (%) 26.2 30.2 35.1 36.2 37.6 38.3 Annual efficiency (% of theoretical Max.) 65.0 71.8 75.3 75.4 76.4 76.2 Annual losses (% of gross energy) 17.5 12.5 11.0 10.0 Availability (%) 98 Total installed cost (美元/kW) 1000 750 720 675 655 635 Total installed cost (百萬美元) 25.0 28.1 36.0 33.8 32.7 31.7 Cost per swept area (美元/M2) 441 338 303 284 276 267 Annual O&M cost (千美元/Unit) 10.4 11.7 11.3 11.1 Annual O&M cost (美元/kW) 20.00 13.87 11.70 11.30 11.10 Levelized overhaul & replacement cost (美元/kW/year) 4.80 4.30 3.60 3.10 2.20 2.10 Annual land lease (% of revenue) 3.0 2.5

風力發電運轉實績研究 （US DoE、EPRI等1997年報告） 風力等級：Class 6 (50米高處風速8.0~8.8 m/s) 項　　　目 1996 2000 2005 2010 2020 2030 Energy delivered (GWHr/year) 78 133 199 203 210 213 Net annual energy/rotor area (kWHr/M2) 1327 1596 1671 1711 1765 1797 Capacity factor (%) 35.5 40.4 45.3 46.4 47.9 48.7 Annual efficiency (% of theoretical Max.) 70.4 78.9 80.2 80.3 81.3 81.4 Annual losses (% of gross energy) 12.5 7.5 6.5 5.5 Availability (%) 98 Total installed cost (美元/kW) 1000 750 720 675 655 635 Total installed cost (百萬美元) 25.0 28.1 36.0 33.8 32.7 31.7 Cost per swept area (美元/M2) 441 338 303 284 276 267 Annual O&M cost (千美元/Unit) 10.0 10.4 11.7 11.3 11.1 11.0 Annual O&M cost (美元/kW) 20.00 13.87 11.70 11.30 11.10 Levelized overhaul & replacement cost (美元/kW/year) 4.80 4.30 3.60 3.10 2.20 2.10 Annual land lease (% of revenue) 3.0 2.5

風力發電投資報酬研究(1/4) Carried out by Dr. Ken with UTA 假設條件： 政府沒有任何獎勵措施 總裝置容量100 MW Capacity factor 0.49 容量成本740 $/kW 維護成本 11.70 $/year 利息成本 6.5% Levelized fixed cost 6.62% Plant availability 97% 折舊年限10年 Levelized overhaul & replacement cost 3.6 $/year

Levelized O&M Cost($/年) 風力發電投資報酬研究(2/4) Before payout： Levelized Investment Cost($/年) Levelized O&M Cost($/年) Total Cost ($/年) Gen. ($/千度) 風能市場價格 Revenue Net Profit Payout (年) Yield (%) 30 12,490,884 6,058,396 5.50 8.19 4,901,612 1,530,876 6,432,488 15.45 35 14,572,698 8,140,210 4.76 11.00 40 16,654,512 10,222,024 4.20 13.81 45 18,736,326 12,303,838 3.76 16.63 After payout： Levelized O&M Cost($/年) Total Cost ($/年) Gen. Cost ($/千度) 風能市場價格 Revenue Net Profit 30 12,490,884 10,960,008 1,530,876 3.68 35 14,572,698 13,041,822 40 16,654,512 15,123,636 45 18,736,326 17,205,450

風力發電投資報酬研究(3/4) 假設條件： 政府提供獎勵措施 Levelized fixed cost 4.00% 總裝置容量100 MW Capacity factor 0.49 容量成本740 $/kW 維護成本 11.70 $/year 利息成本 6.5% Levelized fixed cost 4.00% Plant availability 97% 折舊年限10年 Levelized overhaul & replacement cost 3.6 $/year

Levelized O&M Cost($/年) 風力發電投資報酬研究(4/4) Before payout： Levelized Investment Cost($/年) Levelized O&M Cost($/年) Total Cost ($/年) Gen. ($/千度) 風能市場價格 Revenue Net Profit Payout (年) Yield (%) 30 12,490,884 8,898,183 4.54 12.02 2,960,000 1,530,876 4,490,876 10.79 35 14,572,698 10,979,997 4.03 14.84 40 16,654,512 13,061,811 3.62 17.65 45 18,736,326 15,143,625 3.28 20.46 After payout： Levelized O&M Cost($/年) Total Cost ($/年) Gen. Cost ($/千度) 風能市場價格 Revenue Net Profit 30 12,490,884 11,266,183 1,530,876 3.68 35 14,572,698 13,347,997 40 16,654,512 15,429,811 45 18,736,326 17,511,625

風力發電運轉實績 加州主要風電場的平均Capacity Factor 來源： Wind Performance Report Summary 2000-2001, California Energy Commission

風力發電成本持續下降 來源：AWEA (America Wind Energy Association) and DoE

風力發電成本下降趨勢 條件： 100 units, 30-year levelized cost in 2002 dollars 來源： “Wind Power Today”, Office of Energy Efficiency and Renewable Energy, DoE

全球風力發電裝置容量成長 估計 來源： AWEA

全球主要風力發電場裝置容量 (2002年底為止，單位：MW) 風 電 場 2002年新增設 2002年底總量 德國 3,247 12,000 (38.6%) 西班牙 1,493 4,830 (15.5%) 美國 410 4,685 (15.1%) 丹麥 497 2,880 (9.3%) 印度 195 1,702 (5.5%) 義大利 103 785 (2.5%) 荷蘭 217 688 (2.2%) 英國 87 552 (1.8%) 中國 68 469 (1.5%) 日本 140 415 (1.3%) 全球總量(含其他地區) 6,868 31,128 (100%) 來源： AWEA

2002年底止美國風電裝置容量 (單位：MW) 來源： Global Energy Concepts, Inc.

美國風電蓬勃發展之推動力 聯邦政府階層 PTA (Production Tax Credit)：1992年實施，給予每度風電1.5分(隨物價指數調整)的Tax Credit，此法案迄今延期兩次，最近一次將於2003年年底期滿 (REPI) Renewable Energy Production Incentive：給予每度風電1.5分(隨物價指數調整)的Tax Credit，針對沒有聯邦稅義務之業者 容許風電設施加速折舊，投資稅捐抵免

美國風電蓬勃發展之推動力 聯邦政府階層--政策影響風電投資意願 來源： “Wind Power Outlook 2003,” AWEA

美國風電蓬勃發展之推動力 州政府階層 RPS(Renewable Portfolio Standards)：13州採用，規定銷售電能中再生能源之數量或比例 SBC(System Benefits Charge)：從IOU銷售額中徵收部份金額成立基金(System benefits fund)，用於支持再生能源及提高能源效率 減(豁)免銷售稅、公司稅或房地產稅等

美國風電蓬勃發展之推動力 州政府階層-- 德州RPS規定2009年再生能源必須達2000MW REC(Renewable Energy Credit) 1 MWHr再生能源 = 1 REC 再生能源業者每產生1000度電可獲得一個REC，其REC則可售於需要者 電力零售商必須購買規定數量的REC，否則受罰

美國風電蓬勃發展之推動力 州政府階層-- 其他州RPS規定 加州2017年前再生能源必須佔20% 紐約州提議2013年前佔25% 明尼蘇達2015年前佔10% 內華達州2015年前佔15% 馬里蘭州2009年前佔11% 辛辛那提2009年前佔13%

美國風電蓬勃發展之推動力 其他因素 天然氣價格之鉅幅波動 民眾的支持：願意付額外電費購買Green Power、支持投資再生能源、提高能源效率 免負擔Ancillary Services之義務 風力發電機設備成本之下降

美國風電蓬勃發展之推動力 其他因素--天然氣價格之鉅幅波動 來源： “Wind Power Development in Texas,” Mike Sloan, Virtus Energy Research Associates, WindPower 2003

美國風電蓬勃發展之推動力 其他因素--民眾的支持 德州Utilities調查發現用戶願意每個月多付 $5為再生能源 $2為能源效率 $0為燃煤發電、天然氣發電 同一調查顯示71%受訪民眾贊成Utilities在再生能源的投資費用可全部或局部分攤到電費中，只有2%主張不要投資於再生能源 對於能源的選擇，同一調查發現 49%選擇使用再生能源(Wind, Solar, Biomass) 31%主張節約使用(Energy efficiency) 14%選擇用天然氣，煤等 5%主張向外購買

美國風電蓬勃發展之推動力 其他因素--民眾的支持 全美有32州有電力公司推展Green Power Pricing計劃 共有270,000用戶(含3,800非住宅區用戶)參與此計劃，大約全國用戶的1% Green power price約2.5~2.9￠/kWHr 平均住宅區用戶每月為此多付5.0美元

風力發電特性

影響發電量的因素 風車葉片掃過之面積A 風力系數Cp 空氣密度r 風速V

高度與地面粗糙度對風速影響 同一地區之風速與地面粗糙度及測量點距地表高度有關 地面粗糙度系數a 地(區)面情況 a 地面平坦無障礙物 0.10 草高約一呎之平坦地區 0.15 高農作物之農田，矮樹、灌木區 0.20 樹林區 0.25 種有樹木、灌木之小市鎮 0.30 有高大建築之城市 0.40

高度與地面粗糙度對風速影響

高度與地面粗糙度對風速影響

高度與地面粗糙度對風速影響 V = V0(h/h0)a 可應用於500米以下之高度 來源： Schwartz & Elliott, DoE/NREL Report, May 1995

風力的分級 Class Resource Potential 風力密度 (Watt/M2) 50米高風速* (米/秒) 1 Poor 0~200 0.0~5.6 2 Marginal 200~300 5.6~6.4 3 Fair 300~400 6.4~7.0 4 Good 400~500 7.0~7.5 5 Excellent 500~600 7.5~8.0 6 Outstanding 600~800 8.0~8.8 7 Superb 800~1600 8.8~11.1 * Based on k = 2 in Weibull probability distribution function

風力系數Cp 風力系數取決於風車TSR(Tip speed ratio)

風車系數 風車系數：為發電機輸入對風力之比 V為葉片upstream風速之，Vo為其downstream風速

運轉於最大風力點 不同風速下控制風車轉速在最大風力點 V1<V2<V3

風速與風力發電控制 三個控制區：Constant Cp, power-limited and speed-limited

轉矩與轉子速度特性 不同風速下轉矩與轉子速度之特性 V1<V2

發電量與轉子速度特性 不同風速下發電量與轉子速度之特性 V1<V2

轉子效率及發電量與TSR

風力發電機運轉實績 Vestas 1650 kW風力發電機

風力發電機驅動方式 單一定速驅動及雙定速驅動

風力發電機驅動方式 變速驅動

風力發電機驅動方式 1997年止風力發電機驅動方式之百分比 雙定速(45%) 變速(20%) 單定速(35%)

風力發電機轉速控制方式 Pitch(36%) Tilt(34%) Yaw(10%) Stall(8%) None(12%)