風力發電市場與技術發展概觀

http://compotechasia.blogspot.com/2007/11/blog-post_20.html

作者：藍偉庭/IEK 產業分析師

隨著時代的進步與科技的發達，人類對能源之需求愈來愈多，能源耗損的速度也越來越快，燃燒石化燃料獲取所需能源的同時，也排放出大量的二氧化碳、二氧化硫及廢棄煙塵等，使得全球性異常的氣候變遷現象愈來愈明顯，同時也加速對於地球環境的破壞，嚴重影響到人類的健康與未來的生活環境。

傳統能源如汽油、燃煤及天然氣等石化燃料，由於地球蘊藏量逐漸減少，使用成本將愈來愈高，國際原油2003年第二季開始，每桶原油價格自25美元附近節節上升至目前90美元以上，加上環保意識抬頭，使得人類對其需求將逐漸減少，世界各國政府更配合「京都議定書」之決議，採取各種手段，除了減少各種石化燃料之使用外，亦鼓勵開發各種可能的再生能源(如風力、水力、太陽能及生質能)，訂定期限再生能源須佔全國能源需求達到若干比例之目標。其中風力發電每度發電成本約為新台幣1.8 元，以與傳統能源發電成本相差無幾，又比新能源中的太陽光電發電成本每度電約為新台幣16元的價格低廉許多，吸引許多國家投入風力發電市場與技術之開發，根據國際能源總署(IEA)統計自2001年IEA會員國每年投入風力發電總研發經費均保持在120百萬美元附近，佔所有再生能源研發經費的15%左右，可看出許多國家對於風力發電的發展不遺餘力。

風力發電介紹
風力發電的原理，是利用風力帶動風車葉片旋轉，再透過增速齒輪箱將旋轉的速度提高，來促使發電機發電。依據目前的風力發電機技術，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。一般大型風力發電機通常採用水平軸型式，它由葉輪、增速齒輪箱、發電機、控制系統及塔架等部件所組成。

葉輪的作用是將風能轉換為機械能，它由氣體流動性能良好的葉片裝在輪軸上所組成，低速轉動的葉輪通過傳動系統，經由增速齒輪箱增速，將動力傳遞給發電機以產生電能，最後將所產生之電能經由電力轉換與變壓與電力系統公司併聯傳輸至用戶端。上述這些組件都安裝在機艙內，整個機艙由高大的塔架來支撐。由於風向會經常改變，為了有效地利用風能，必須要有自動迎風的裝置，它根據風向感測儀測得的風向信號，由控制器控制Yaw轉向機構，驅動小齒輪再推動塔架上的大齒輪，使整個機艙藉由此自動控制的系統，能夠一直對向迎風面。另外亦於葉片上設置Pitch調整機構，因應不同風向與風速，以調整葉片至適當角度。再者，為了使風力發電機不同組件達到成功的發電，風力發電機需要一機電整合之系統控制技術，使得各次系統能聯合一起操作，確保於正常條件下運轉以獲取所需之電力輸出需求與安全監控要求。

全球風力發電市場成展快速
2006年全球風力發電市場新增裝置容量持續的創新高，新增15,016MW，與2005年新增裝置容量相比，成長了30%，2001-2006 年全球風力發電新增裝置容量年複和成長率為14.04%；2006年全球風力發電累計裝置容量達到74,306MW，累計裝置容量較2005年的 59,399MW，成長25%，2001-2006年全球風力發電市場累計裝置容量年複和成長率為24.4%。

2006年全球風力發電市場大幅的成長，主要來自於美國政府實施PTC(Production Tax Credit)法案，針對風力發電產生電力，提供生產稅抵減，驅動了美國風力發電市場的成長，使美國2005與2006連續兩年成為全球風力發電最大的新增裝置容量市場，2005年新增 2,431MW，2006年新增2,454MW。2006年美洲其他國家風力發電裝置情形，加拿大新增裝置容量776MW，巴西新增裝置容量 199.6MW，總計2006年美洲地區風力發電新增裝置容量為3,515MW，比2005年新增裝置容量2,617MW，成長34.14%，2006年美洲風力發電新增裝置容量佔全球風力發電新增裝置容量市場的23.4%，累計裝置容量為13,577MW。

歐洲仍是全球風力發電新增裝置容量最大之地區，2006年歐洲風力發電新增裝置容量7,682MW，佔全球新增裝置容量的51 %，與2005年新增裝置容量6,373MW，成長20.5%，歐洲風力發電新增裝置容量的成長主要來自於德國新增裝置容量達到2,233MV，超出市場預期，以及歐洲的風力發電新興市場崛起，如2006年法國與葡萄牙在風力發電市場快速的發展。歐洲是全球風力發電市場發展最為快速的地區，因此累計裝置容量高達 48,627MW，佔全球累計裝置容量的65%。

2006年是亞洲風力發電市場發展最為快速的一年，新增裝置容量為3,657.8MW，較2005年新增裝置容量2,110.4MW，大幅成長 73%，主要是因為中國大陸風力發電市場成長66%，與印度市場成長42%，2006年亞洲風力發電新增裝置市場佔全球24.35%，累計裝置容量為 10,598.7MW。

2006年風力發電市場市場趨勢，風力發電發展最早的歐洲雖然仍是新增裝置容量最大的市場，但新增裝置容量的成長已趨緩，主要是歐洲風力發電累計裝置容量最大的幾個國家除德國仍保持新增裝置容量的成長外，西班牙的新增成長率至2005年開始已呈現連續兩年負成長，丹麥的風力發電新增裝置容量已降至個位數(MW)的幅度增加，未來要帶動歐洲風力發電市場的成長，就要看歐洲的風力發電新興市場的崛起如法國、葡萄牙與英國等以及離岸型風力發電市場的發展；此外中國大陸與印度大幅應用風力發電，帶來亞洲風力發電市場快速成長，從中國大陸與印度明確制定風力發電裝設目標來看，亞洲仍是未來幾年風力發電最為蓬勃發展之市場。

全球風力發電市場的預測
根據BTM預測，2007年風力發電市場新增裝置容量將達18,800MW，累計裝置量達到93,106MW，到2011年全球風力發電市場新增裝置容量達到33,500MW，累計裝置容量達到203,151MW，2007-2011年全球風力發電市場新增裝置容量複合成長率為15.5%，累計裝置容量成長率為21.5%。
此外，BTM也預測美國未來五年風力發電累計裝置容量將超過歐洲德國的累計裝置容量；亞洲國家的中國大陸與印度每年風力發電新增裝置容量也將超過歐洲任何一個國家的新增裝置容量，中國大陸與印度未來幾年風力發電市場將有顯著的成長；但歐洲未來仍是風力發電新增裝置市場最大之區域，儘管德國與西班牙新增裝置容量成長趨緩，但取而代之的是葡萄牙、法國與英國等新興發展的風力發電國家新增裝置容量的成長。

主要國家發展動向
美國是2006年風力發電新增裝置容量最大之國家，第二名與第三名分別為德國與印度，前三大風力發電新增裝置市場佔全球新增比率的43%。在歐洲法國、葡萄牙與英國則是新興發展市場，也是歐洲未來發展最為快速的新增裝置的國家。亞洲國家的印度新增裝置容量則是首次擠進前三大，中國大陸也前進到全球新增裝置容量的第五大市場，2005年新增裝置容量第十名的澳洲則擠出前十大，加拿大則是新進入前十大的國家。全球風力發電的應用愈來愈廣泛，2000年全球四大新增裝置容量之市場，佔全球新增裝置容量的82%，2006年全球十大新增裝置容量之市場，佔全球新增裝置容量的85%，由於風力發電的技術穩定性高，應用風險性小，因此愈來愈多國家採用風力發電做為新興能源的發電方式之一。以下就2006年全球前十大新增裝置容量之市場進行分析。

技術發展概況
陸域型風力機仍是當前全球風力機產品之主流，產品規格朝向大型化風力機方向發展，雖然會面臨大型零組件在陸上運輸時之挑戰，但仍有許多風力機系統廠商致力於大型風力機之發展，如Enercon從早期裝置容量4.5MW、葉片112公尺之大型風力機，提升至6MW裝置容量、葉片114公尺之大型風力機，Vestas已商業化生產3MW之風力機，Siemens則生產3.6MW大型風力機，而Repower則生產5MW之大型風力機。

由表4 2003-2005年全球風力機產品規格趨勢可知，「Small WTGs」<750kw規格之風力機從2003年佔整體產品規格的6.9%衰退至2005年的3.6%，呈現每年衰退之趨勢，而「mainstream」750-1,500kw規格之風力機，2003年750->2,500kW由於Vestas已商業化生產裝置容量3MW級之風力機， 2005年其佔有率成長至2.4%。

由表5 2005年全球風力機產品規格可知，「MW-Class」1,501-2,500kW規格之風力機，2005年裝置2,378支，裝置容量共4,570MW，平均每單位裝置容量為1.922MW，市佔率超越1,000-1,500kW的34.1%而為40.8%，「MW-Class」 1,501-2,500kW將是未來全球風力機市場之主流規格。

由表6各規格風力機領導廠商排名可知，全球風力機第一大廠Vestas，在「Small WTGs」<750kw、「mw-class」>2,500kW皆居於領導地位，只有在「Mainstream」750- 1,500kW規格中，GE WIND佔有領先之地位。

由表7可知，裝置容量大於1,500kW風力機之廠商，2005年佔有率最大之廠商為Vestas，裝置容量為2,252MW，佔整體大於 1,500kW風力機的46.5%，Enercon則緊追在後，裝置容量為1,257MW，佔整體大於1,500kW風力機的26%，第三名為 Siemens，裝置容量為493MW，佔整體大於1,500kW風力機的10.2%。

全球風力機產品技術發展趨勢
(一)朝向「Multi-MW Class」技術規格發展
表五為全球風力發電市場中主要商業化MW級風力機技術規格，可以發現「MW-Class」1,501-2,500kW在商品化產品中扮演主要之地位，佔整體商品化產品規格的75%。此外全球風力機技術規格已開始朝向「Multi-MW Class」>2,500kW技術規格發展，其中已商業化之產品為Vestas裝置容量3MW、葉片直徑為90M、Enercon裝置容量4.5MW，葉片直徑為112/114M。
下一世代「Multi-MW Class」>2,500kW風力雛型機於2002年開始測試，Prokon Nord其產品裝置容量 5MW之風力機為第一個離岸型風力發電測試專案，Repower的M5 裝置容量5MW之風力機也於北海進行測試，Enercon也將其4.5MW之風力機提升至6MW之裝置容量，葉片直徑增加至114M。

(二)採主動式旋角控制技術
風力機系統廠商為了減小機組承受的載荷與提高轉換效率，各廠商均採用不同於傳統怠速的控制方式，而採用主動怠速或是旋角控制的方式，其中旋角控制的方式是將調整葉片螺距與轉向動力單元來獲取最佳的風動力，因為風的變化強烈，風力機必須擁有葉片調整的能力，甚至短暫的一陣風，都須儘可能使風力機有效的、平穩的生產電力，其主要目的是讓風力機在風速度、轉子速度和電力的輸出之間得到最理想的動力。也就是為了使發電機的速度保持經常不變，透過葉片螺距與轉向的調整，以獲得有效率的、穩定的電力輸出。因此風力發電機的效率主要依靠機艙上輪轂的葉片精確的迎向風的方向，同時和轉向動力單元與風力發電機的控制相互配合，使葉片始終處於迎風狀態，充分利用風能，也是最新的風力機控制方式，目前已商轉之風力機如De Wind、Ecotecnia、 Enercon、Fuhrlander、Nordex、REPOWER、Gamesa、GE Wind與Vestas均已使用旋角控制。

(三)發電機佈置型式趨勢
發電機也為風力機內主要元件之一，傳動機構與發電機的搭配型式決定風力發電機佈置型式，現代市場主要風力發電機佈置可歸納為：(1)傳統型搭配非同步雙饋式感應發電機(DFIG)；(2)直驅式無齒輪箱型(Gearless)搭配同步發電機；(3)複合型(Hybrid)搭配同步發電機。

(1)傳統型搭配非同步雙饋式感應發電機(DFIG)
此型佈置其葉片吸收風能時葉輪(Rotor)的轉速較低(大部份風力發電機在5-20rpm之間)，經由傳動機構及齒輪箱將主傳動軸 (Main Shaft)增速，以提高轉速給發電機。如此做法可使發電機定子之極數大幅減少，其尺寸可大幅縮小，其重量及成本也較低。此型佈置為現代風力發電機最常見之佈置。此型佈置最常見發電機為雙繞線式(Double Fed)感應發電機。

此型佈置風力機之優點為整體重量較輕、生產成本較低、安裝及保養容易、重量分佈較平均，轉向動力傳動機構及其軸承承受之不平衡負荷較小，所使用之技術與元件製造皆臻成熟及元件供應商較多。缺點為軸承與齒輪箱(Bearing & Gearbox)等所需保養工作較多，機組所需空間較大，故機艙亦較大。非軸向負荷及扭矩傳遞途徑經過軸承及齒輪箱，較易造成磨損及故障。電網電壓不穩定時，易造成齒輪箱過載損壞。齒輪箱損壞是目前此型發電機較大之維修問題所在，也造成此型發電機之維護成本增高。此問題肇因於早期風力機在設計時，負荷有低估的嫌疑。目前齒輪箱製造廠家使用較大之設計負荷及安全係數，此問題已獲得改善。

(2)直驅式無齒輪箱型(Gearless)搭配同步發電機
此型佈置之風力機特點為其葉輪(Rotor)不經齒輪箱增速，直接驅動發電機，發電機的轉速較低，所需發電機之極數較多，其發電機尺寸相對較大、發電機及機艙重量也較重。

此型佈置風力機之優點為無齒輪箱，沒有傳統型搭配非同步雙饋式感應發電機(DFIG)所面臨齒輪箱之問題。直驅式之元件數量較少，所需保養工作較少，安裝及保養較容易，機組所需空間較少，機艙較短、體積較小。而此型佈置風力機之缺點為同步發電機所需極數較多，直徑需求較大，其發電機尺寸相對較大，發電機及機艙重量也較重及重量分佈較不平均，其轉向動力傳動機構及其軸承將承受較大不平衡負荷，發電機須為特製，品價格較高及輪殼(Hub)較大，會減少葉片根部作用面積。

(3)複合型(Hybrid)搭配同步發電機
此型風力發電機佈置介於前面二者之間，其傳動機構經由一階增速齒輪箱將主傳動軸(main shaft)增速以提高轉速給發電機。但因其增速比較小，可減少發電機之極數，其重量及成本也介於兩者之間。

此型佈置風力機之優點為有齒輪箱，但其增速比小於傳統型搭配非同步雙饋式感應發電機(DFIG)，且其齒輪箱負荷相對較小，發生齒輪箱問題之機率較低。整體重量及生產成本介於二者之間。機組所需空間較少，機艙較小。此型佈置風力機之缺點為重量分佈較不平均，同步發電機為特製品價格會較高。空間小，安裝及保養較不容易，散熱效果較差。整合式發電機及齒輪箱、Hub組合維修不易，可能需要整組拆下回廠才能處理。

原文連結：風力發電市場與技術發展概觀

更多由COMPOTECH Asia自製的影片：都在Yahoo!影片分享--CTOV On Demand

還沒成為COMPOTECH Asia網站的免費讀者嗎? 立即註冊

對文章有任何疑問或是意見嗎?歡迎在下方留下您的想法

近一步瞭解其他資訊：
COMPOTECH Asia 電子與電腦資訊網
CTOV Online Video