小型風力發電原理

發電原理

風力機藉由空氣的氣動力作用轉動葉片，將風的動能轉換成電能。風能與風葉掃撂面積及風速三次方成正比，風速愈大，風能愈高，可產出的電力也愈多，因此選擇良好的風場極為重要！至於實際發出功率則必須考慮葉片效率、傳動機械效率、發電機效率與電力轉換器效率等因素。
在能量轉換的過程中，會發生些許損耗，以致於風力機無法將全部風能轉換成電能。一般而言，風力機將風能轉換為電能的輸出效率約20～40％。

圖一 風力發電公式圖

風能與風葉掃撂面積及風速三次方成正比

考慮葉片效率、傳動機械效率、發電機效率與電力轉換器效率等因素，實際發出功率為：

風的特性

由於地表為一粗糙表面，空氣與地面之間存在摩擦力，以致於近地表空氣的運動速度較低，而愈往高空，風速愈大！這也告訴我們，風力機架設的高度不宜過低，更何況地面上的樹木、建築物等，都會影響風的行進，造成擾流。台灣都市的建築物密度高，產生擾流的現象也多，為了減少擾流的干擾，將風力機設置在屋頂為一個方法。在英國，也有許多小型風力機系統設置在屋頂的案例。

圖二 風速與高度的關係

資料來源：Carbon Trust (2008)

圖三 建築物與擾流的關係

資料來源：Carbon Trust (2008)

小型風力發電機

技 術 大 綱

國 際 電 工 委 員 會 標 準 61400-2 所 規 定 的 小 型 風 力 發 電 機 設 計 規 範 適 用 於 葉 片 掃 掠 面 積 少 於 200 平 方 米 或 者 直 徑 小 於 17 米 的 風 力 發 電 機 。 小 型 風 力 發 電 機 的 額 定 功 率 可 以 在 大 約 100 瓦 到 幾 萬 瓦 之 間 。 本 部 分 會 重 點 介 紹 額 定 功 率 數 千 瓦 以 下  的 風 電 機 ， 這 些 風 電 機 大 多 輸 出  直 流 電 ﹝ 一 般 把 永 磁 發 電 機 輸 出 加 以 整 流 ﹞ 而 非 交 流 電 。 它 們 主 要 應 用 於 獨 立 供 電 系 統 形 式 （ 有 時 與 光 伏 板 聯 用 ） 為 蓄 電 池 充 電 。 小 型 風 力 發 電 機 也 可 以 裝 於 屋 頂 。 不 過 ， 這 種 應 用 方 法 相 對 較 新 ， 仍 須 累 積 更 多 實 踐 經 驗 。

如 同 在 大 型 風 力 發 電 機 - 技 術 大 綱 部 分 所 介 紹 一 樣 ， 可 以 用 如 下 公 式 計 算 通 過 一 定 面 積 的 風 力 功 率 ：

功 率 = 1/2 X 空 氣 密 度 X 面 積 X （ 速 度 ） ^3

其 中 ，

功 率 單 位 為 瓦 特
空 氣 密 度 單 位 為 千 克 / 立 方 米
面 積 指 氣 流 的 橫 截 面 積 ， 單 位 為 平 方 米
速 度 單 位 為 米 / 秒 。

在 大 型 風 力 發 電 機 - 技 術 大 綱 部 分 介 紹 過 的 ， 關 於 下 所 列 課 題 的 內 容 ， 基 本 上 都 適 用 於 小 型 風 力 發 電 機 。 本 部 分 接 下 來 的 部 分 ， 將 重 點 介 紹 特 別 關 於 小 型 風 力 發 電 機 的 幾 方 面 要 點 。

• 風 力 發 電 機 的 工 作 原 理
   
• 風 力 發 電 機 的 功 率 曲 線
   
• 風 力 發 電 機 的 額 定 輸 出 功 率
   
• 風 力 發 電 機 的 類 型
   

小 型 風 力 發 電 機 通 常 包 括 三 個 主 要 組 成 部 分 － 風 輪 、 帶 尾 舵 的 機 艙 、 以 及 塔 杆 或 其 他 安 裝 構 架 。 絕 大 多 數 小 型 風 力 發 電 機 都 屬 於 橫 軸 式 ， 不 過 也 有 少 數 屬 於 豎 軸 式 。

對 於 大 多 數 風 電 機 ， 風 輪 無 需 變 速 箱 直 接 驅 動  發 電 機 。 由 於 輸 出  直 流  電  ， 風 電 機 風 輪 轉 動 速 度 取 決 於 風 力 強 度 。 風 小 的 時 候 風 輪 轉 動 速 度 較 慢 ； 而 當 風 越 來 越 大 的 時 候 ， 風 輪 轉 動 速 度 會 越 來 越 快 。

小 型 風 力 發 電 機 沒 有 像 大 型 風 力 發 電 機 的 那 種 轉 向 機 械 裝 置 。 不 過 小 型 風 力 發 電 機 的 尾 舵 可 以 自 動 調 整 風 電 機 的 方 向 ， 使 轉 子 面 對 來 風 。

當 風 力 過 強 的 時 候 ， 過 載 控 制 機 制 會 啟 動 以 保 護 風 力 發 電 機 免 受 損 壞 。 一 種 常 用 的 方 法 叫 做 捲 摺 ﹝ 又 稱 「 折 尾 」 ﹞ 機 制 ， 即 是 整 個 風 輪 會 扭 轉 以 減 少 其 面 向 來 風 方 向 的 投 射 掃 掠 面 積 。

與 大 型 風 力 發 電 機 不 同 的 是 ， 小 型 風 力 發 電 機 的 轉 動 葉 片 沒 有 避 雷 條 。

香 港 天 文 台 在 香 港 一 些 偏 遠 地 區 的 自 動 氣 象 站 一 直 是 用 小 型 風 力 發 電 機 發 電 供 測 量 和 通 訊 設 備 使 用 。 此 外 市 區 也 有 一 些 小 型 風 力 發 電 機 ， 主 要 供 研 究 和 示 範 項 目 使 用 。

由 於 規 模 細 小 ， 小 型 風 力 發 電 機 的 發 電 單 位 成 本 要 高 於 大 型 風 力 發 電 機 。 而 且 由 於 小 型 風 力 發 電 機 的 轉 速 更 快 ， 其 產 生 的 噪 音 也 就 更 大 。

此動畫說明小型風力發電機。以上的段落描述小型風力發電機。

風力發電原理

風能轉換靠風力機，主要是藉由空氣流動轉動葉片並帶動發電機來發電。葉片越長，其受風面積越大，所能擷取的風能就越多。一般而言，風力機之輸出電能約與葉輪直徑平方成正比，與風速三次方成正比。

風力發電機構造

一、擷取風能 – 葉片轉子：受氣動作用，繞軸旋轉，將風能變成機械能。二、葉片轉子 – 齒輪箱：轉子所獲得的機械能接著帶動齒輪箱。三、齒輪箱 – 發電機：轉換時須利用增速齒輪箱提升轉速，帶動發電機。四、尾舵：隨著氣流帶動機體轉動，使葉片正面迎風。五、塔架：用來支撐風力機，並使風力機的迴轉中心有一定的高度。六、機艙：保護風力機的傳動發電機與部分機電控制系統。

風力發電原理

風能轉換靠風力機，而風力機主要是藉由空氣流動（即風）轉動葉片來發電。
葉輪(rotor)為風力機轉換利用風能最重要的系統之一，葉片鎖定於輪轂 (hub)構成葉輪，受風吹之空氣動力作用（包括升力及阻力）繞軸旋轉，擷取風的動能，進而轉換成有用的電能。
依據目前的風車技術，大約是每秒三公尺的微風速度（微風的程度），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。

風力發電系統種類

風力發電躉購費率

111年度風力發電設備電能躉購費率

註1：離岸風力發電設備適用本表之躉購費率者，於躉購期間當年度發電設備實際發電量每瓩4,200度以上且不及每瓩4,500度之再生能源電能，依固定20年躉購費率之百分之七十五躉購，躉購費率為3.4926元/度；躉購期間當年度發電設備實際發電量每瓩4,500度以上之再生能源電能，依固定20年躉購費率之百分之五十躉購，躉購費率為2.3284元/度。

風力發電系統設置條件

1.設置地點： (1)陸上風機設置–設置於農田、山脊、海岸線、防風林、沙漠等開闊區域，其設置準則以最低風速需大於 5 m/s，避免設置於人口密度高的地區，以免噪音干擾居民生活；至少要離房屋約300公尺，其噪音即可降至45dB（分貝）。

(2)離岸風機設置–位於5公尺水深等深線以上海域，距離海岸線5公里寬的緩衝距離，以減少對陸地生態、沿海漁業之影響。

2.空間需求：風力發電系統依使用機組型式、葉片結構型態及 運轉原理等差異，設置容量每瓩（kW）所遮蔽面積約為二至五平方公尺，風機高度約為二至六公尺。

3.配置方式：為了減少機組間紊流的影響，風力發電機設置方向應盡量與主風向垂直，機組間應彼此距離扇葉直徑的3-6倍，以免因遮風效應降低電能產量。

圖片來源：工研院