風力發電機之能量儲存 授課老師: 凌 拯 民 博士 研 究 生: 陳 建 宏 學 號: M9820122 1 1

大綱 前言 風力發電原理 多翼對流型風力發電 集風式風力發電機 高空型風力發電機 壓縮空氣儲能 液化氣體儲能 結論 2 2

前言 根據歐洲風能協會(European Wind Energy Association, EWEA)的 評估報告，2020年全球的風力發電裝置容量，可占全球發電總裝置容量 的12%。 儘管風力發電的優點甚多，但卻有先天上無法克服的缺點，即風能是一種不穩定的能源，其具有隨機性與間歇性的特質，風力發電的輸出會隨著風力的大小而變化，所以不易掌控，因此可預知，當風力發電與電力公司之電力系統併聯運轉後，勢必會對系統的運轉方式、電力品質及安全帶來衝擊，此外，與傳統發電方式相比，風力發電的容量較小，且額定電壓較低，因此大多於配電系統上併網運轉，但傳統配電系統於規劃設計時，並未將風力發電之併網運轉納入考慮，因而使得風機併聯衝擊無法避免，未來將可能成為推展風力發電上的一大礙，為因應未來能源發展之趨勢，並降低風力發電所帶來的負面影響。 國內未來將建立數座大型風場，隨著未來風力發電配比增加，必須檢視其對輸電系統之影響，在較脆弱之獨立電力系統，必須審慎評估及設法改善，並研訂併聯辦法。 3 3

風能的效益 風力發電並不能將所有的風力能源轉換成電力，理論上最高轉換效率約為59％，實際上大多數的葉片轉換風能效率約介於30％～50％之間，經過機電設備轉換成電力後的總輸出效率約介於20％～45％之間，由於風力發電機的經濟效益取決於發電效率，所以目前的風力發電機多為水平軸式。

風力發電原理 風力發電的原理，是利用風力帶動風車葉片旋轉，再透過增速機將旋轉的速度提升，來促使發電機發電。依據目前的風車技術，大約是每秒三公尺的風速，便可以開始發電，並產生風速在每秒十三至十五公尺時（大樹幹搖動的程度）的輸出力道。

蒲福風級 風之稱謂 一 般 敘 述 每秒公尺 m/s 無風 calm 煙直上 不足 0.3 1 軟風 light air 無風 calm 煙直上 不足 0.3 1 軟風 light air 僅煙能表示風向，但不能轉動風標 0.3-1.5 2 輕風 slight breeze 人面感覺有風，樹葉搖動，普通之風標。 1.6-3.3 3 微風gentle breeze 樹葉及小枝搖動不息，旌旗飄展。 3.4-5.4 4 和風moderatebreeze 塵土及碎紙被風吹揚，樹之分枝搖動。 5.5-7.9 5 清風 fresh breeze 有葉之小樹開始搖擺。 8.0-10.7 6 強風strong breeze 木枝搖動，電線發出呼呼嘯聲，張傘難。 10.8-3.8 7 疾風near gale 全樹搖動，逆風行走感困難。 13.9-7.1 8 大風gale 小樹枝被吹折，步行不能前進。 17.2-0.7 9 烈風strong gale 建築物有損壞，煙囪被吹倒。 20.8-4.4 10 狂風storm 樹被風拔起，建築物有相當破壞。 24.5-8.4 11 暴風violent storm 極少見，如出現必有重大災害。 28.5-2.6 12 颶風hurricane 極少見，其摧毀力極大。 32.7-6.9

多翼對流型風力發電 傳統的三葉風葉式電機，需要在機組裡裝設一台風源方向偵測機，藉予方便搜尋有助穩定最大風向的吹拂；但假如當偵測機有損壞、故障時，又要發費大筆的經費來維修。 使用多翼對流型風力發電，它的葉片是成垂直軸流型狀，而可以受到四面八方的風源，不需再加以裝設風向偵測機，而能穩定的轉動著葉片，相較以往的三葉風葉式發電機，需要有廣闊的區域，才能夠架設，故完整裝設一台風力發電機需要花費上億元的金費才能完工，而在設備維修的方面也需要花費上百、千萬的經費來修復。

多翼對流型風力發電 圖1 離心抽風機，台灣工廠屋頂免電力通風器加入發電機系統，試圖改善傳統的三葉風葉式電機的缺失，並以不需要花費龐大資金來設置，在物件形狀體積等各方面，亦會增加替代電力能源開闢了許多廣闊的空間利用，而使再生能源進入一項創新突破性的研究里程碑。 圖1 離心抽風機 8 8

多翼對流型風力發電 多翼對流型風力發電若更進一步研發使電量達到生活環境用電需求，那相較與傳統三片風葉式風力發電機可得到以下之優勢： 1.不受風源風向的限制、影響電量輸出。 2.機器成本低，施工易，設備安裝維修費用少。 3.機件不需現場組立完成機組，維修便利。 4.風力發電在用風輸送、環境保護等有其便利，供電量尚穩定。 5.不需要在鄰近海邊或置於高山上。 6.適合在建築屋頂、公園或交通安全照明等使用。(如圖2~4所示) 7.風切無噪音，不會有影響鄰近居民生活起居。

多翼對流型風力發電 圖2 圖3 圖4

集風式風力發電機 圖4 集風式雙風力發電塔運用了雙高塔之間會自然形成風洞效應的原理，同時再透過安裝多數的集風杯來捕捉風力,帶動內部風機葉片運動,達到發電的效果。 圖5 則是透過安裝簡單的遮蓋與建築物屋簷產生類似風洞結構，達到集風效果。

高空型風力發電機 圖6 同一地區離地高度越高的地方,該處的風速與風能密度都會比較高! 這也是為什麼水平式大型風力發電機的塔柱高度隨著單機發電功率的增加而同步增高,帶動更大型的風機葉片與發電機。 圖7 的飄浮風力發電機則是進一步運用飛船的優勢,讓飛船帶著風車與發電機在高空盤旋,同時持續發電。

壓縮空氣儲能 因為風力大小都不是可以控制的,使得風能發電系統的發電量就非常不穩定! 因為風力大小都不是可以控制的,使得風能發電系統的發電量就非常不穩定!        為了達到更安全與有效率的使用風能再生能源發電系統發出的電力, 透過儲能技術,先將不穩定供應的能量先儲存起來,然後再轉換成可以穩定輸出能量的方式釋出能量! 再進一步透過發電機來穩定供電!無疑的突顯了儲電解決方案的進一步需求。   壓縮空氣原本就是用來儲存離峰用電時段生產的多餘電力的有效方法之一!做法就是將多餘的電能啟動空氣壓縮機將空氣壓縮送入高壓儲存槽中,讓電能轉為壓縮空氣來儲放! 等到需要使用時,再將壓縮空氣輸出加入蒸氣渦輪機中驅動發電機來發電如圖8所示:

壓縮空氣儲能 圖8 一種將不穩定風力儲能後再輸出之方法

壓縮空氣儲能 這個裝置就是利用大型空氣壓縮機系統（compressed air energy storage (CAES)），以儲存剩餘電力在三千英尺的地底下。根據報導，美國已經有一些州政府開始開發這種綠色能源相關的建設；西班牙和丹麥，風力發電已佔了供電體系的10%。

壓縮空氣儲能 此系統利用離峰電力將空氣壓縮灌入人造地下高壓空氣儲存槽(典型壓力約75 bar)。當系統負載處於尖峰時再釋放此高壓空氣，並與燃料（一般為天然氣）混合燃燒產生蒸氣推動發電機發電。由於高壓空氣可節省約一般天然氣發電用量的三分之二，因此大幅降低發電成本。

壓縮空氣儲能 它的優點是儲能量大，且儲存高壓空氣的時間可長達一年，因此非常適合作為中長期的儲能系統。缺點是高壓空氣儲存槽受限於地理結構，並不是所有地質結構均可設計建造人工儲存槽。而合適的地質環境並不見得擁有天然氣及再生能源等資源，因此限制了與再生能源合成的應用。

壓縮空氣儲能 空氣壓縮儲能系統的概念早於三十多年前，目前全世界已有兩座大型空氣壓縮儲能系統：第一座位於德國Huntorf，由1978開始運轉。它的主要功能是作為緊急備用電力或是替代尖峰高成本電廠的能源。此座儲能系統包含兩個高壓空氣儲存槽(最大的氣壓達100 bar)，共計容量為310,000 (m3)，深度高達600m。空氣經由60MW的空氣壓縮機灌入儲存槽中，並每隔八小時充氣一次。此系統能夠在兩小時內供應290MW的電力。 第二座CAES建造於1991年，位於美國阿拉巴馬州之Mclntosh。此系統之建廠時間約為30個月，共計花費6千5百萬美金。它的功能亦為替代尖峰高成本電廠的能源，空氣儲存槽的容量超過500,000 (m3)，深度高達450m。此系統之額定容量為26小時可供應110MW。值得注意的是，此系統增加了廢熱回收系統，因此大幅降低25%的燃料使用。

美國阿拉巴馬州之Mclntosh

壓縮空氣儲能 近年來，一些研究已報導結合生質能(biomass)發電、風力發電，以及大型空氣壓縮儲能系統之可行性與經濟效益。 其概念為利用農作物之生質能燃料取代天然，並搭配傳統風能-空氣壓縮儲能系統。因此當負載尖峰時，將高壓空氣釋放，並與生質能混合燃燒產生蒸氣推動發電機發電。目前在美國中西部，擁有高密度的風能資源以及低成本的生質產能，因此這種系統 biofueled wind/CAES系統將被研究評估中。此外，地面上之空氣儲存槽亦在研究之中。

液化氣體儲能 其中圖10 液態氣體儲能系統運用在風力發電機作為緩衝儲能的系統安排示意圖。 主要是運用高壓液體來取代傳統純高壓空氣來儲存電力。在系統設計上，則是進一步將常壓液體 ( 水、鹽水或油 )打入高壓空氣槽內，透過氣體與液體的熱加換來提高液體的壓力,等到需要發電的時候,再輸出高壓液體來透過熱交換驅動蒸氣渦輪發電機來發電。 圖10

液化氣體儲能 圖9 利用高壓液體儲能裝置

結論 台灣缺點在於用電季節搭配不上發電季節,又無法儲電(目前技術與成本來講). 風場12月一過到3月都是滿載,夏季無風,而我們的用電高峰卻在風場不發電的夏季。而風力的大小也不能控制的，使的風力發電系統的發電量很不穩定。 為了達到更有效率的使用風能發電系統發出的電力，透過儲能技術，先將不穩定供應的能量先儲存起來，然後再轉換成可以穩定輸出能量的方式釋出能量! 之後，再進一步透過發電機來穩定供電!無疑的突顯了儲電解決方案的進一步。    

參考文獻 1. 林惠民、李家居、 廖國清、 吳榮慶、 歐庭嘉、 黃天枝 多翼對流型風力發電機之於能源研究應用 備註：1.本研究計畫參加97 年中華民國第48 屆中小學科 學展---土木建築 類群，榮獲第一名及最佳創意 獎項。 2.本研究設備創新發展巳向經濟部智慧財產局提出 申請在案，各廠商人士請勿仿冒觸犯『智慧財產 權』。 投資能源科技電子報期專題：中小型風力發電機，出刊日期 : 2009 / 10 /14   星期三“ 取自” http://blog.roodo.com/ernews

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