科技議題

首頁> 科技議題 - 能源科技> 2018年風能技術市場報告
2018年風能技術市場報告 2018 Wind Technologies Market Report
2019/08
Wind Energy Technologies Office within the U.S. Department of Energy’s Office of Energy Efficiency and Renewable Energy
https://www.energy.gov/sites/prod/files/2019/08/f65/2018%20Wind%20Technologies%20Market%20Report%20FINAL.pdf
2018年風能技術市場報告由美國能源部(United States Department of Energy)出版,聚焦於美國陸域風力發電與公用事業規模的風能,論述該國風電市場發展趨勢。該報告指出,美國風力新增發電容量(capacity additions)在2018年成長亮眼,歸功於聯邦激勵措施提供了強而有力的政策支持架構。然而,預計從2021年聯邦政府將逐步取消產品稅賦抵免(Production Tax Credit, PTC),爾後風電技術成本和績效的持續改善勢必成為提升風力新增發電容量的主力推手,以期為公用事業、私人企業與其他電力購買者提供具有價格優勢的風能。

就風電產業整體而言,其產業結構包含了設備製造、風場規劃養護與發電營運等三大區塊,而風力發電產業之核心為風機系統的優化,技術發展目標著重於提升風機發電容量、有效增加能源轉換效率和成本管理。該報告統整出觀察美國風機技術趨勢,論述範疇囊括了:風機尺寸、輪轂高度(hub height)、轉子直徑(rotor diameter)、比功率(specific power)與國際電工委員會標準(International Electrotechnical Commission(IEC)Class)。

一、風機邁向大型化
為了優化風場佈局成本和與商業運轉效益,風機尺寸邁向大型化,仍是趨勢,不論是風機發電容量、轉子直徑與輪轂高度均呈現成長態勢。需要注意的是,大型風機的定義為風機的總高度達到500 英尺,而非單就延伸輪轂的高度,因此塔架與轉子尺寸皆為影響因素。而總高度超過500英尺的風機則為技術創新的指標,在美國500英尺以上的建築物稱之為超高層建築。以2018年美國新裝風機為例,其平均額定容量為2.43 MW,較前一年成長5%,若以1998-1999為基準,漲幅高達239%。2018年的平均轉子直徑為115.6公尺,較2017年成長2%,比1998-1999年成長141%,而2018年的平均輪轂高度為88.1公尺,比上一年成長2%,自1998-1999年以來成長57%。於此,轉子直徑比輪轂高度更顯著增加;一般而言風機之輸出電能與轉子直徑平方成正比,輪轂高度的延伸能擷取更多的風能。輪轂高度和轉子直徑為直接影響發電效益的兩大容量因素,各電廠固然有其系統最高之發電容量,但並不代表能如實產出該標準發電量,還會受容量因數影響。

二、大型轉子風機為主導
如上所述,當全球風力發電的技術主流以大型風機為主,尤其加大轉子尺寸在風電產業漸居於主導地位,零組件代工廠也導入大型轉子之物料組件。在2009年,尚無風機使用直徑大於或等於100公尺的轉子;到了2018年,已經有99%新安裝的風機使用前述尺寸之轉子。直徑達110公尺或更大型的轉子則從2012年開始進入市場;在2018年,市場佔有率已達87%。在未來,轉子直徑超過120公尺的風機之比例將持續成長,其市場佔有率在2018年已達30%。在商業應用上,過去的二十年中,轉子直徑與風機額定容量的成長幅度超越輪轂高度的成長比例,主因為輪轂高度的增加仍有結構設計與材料強度上的技術瓶頸。

三、低比功率風機為趨勢
目前主流風機多是為了低風速風場所設計,隨著風機技術日新月異,除了具體提高產量、降低營運和維護成本,風機設計在未來需能因應多元化的風力資源,以利更大規模的佈局與應用。在過去的二十年中,轉子的平均掃掠面積(葉片在旋轉時掃過的面積,以平方公尺為單位)的成長特別顯著,超越了平均額定容量的成長,帶來比功率下降的結果,比功率為風機每平方公尺葉片面積發電容量。追本溯源來說,最初風機的設計雖以開發高速風場為目標,近年隨著對低風速風場的重視,因而技術發展走向比功率降低的技術規格。為低風速風場量身定做的低比功率風機,目的在擷取低風速下的最大風能,因此大型轉子風機就不需裝在強急風處而導致承受過度的壓力。在其他條件皆均等的情況下,較低的比功率將提高容量因數,因為僅需低風速,每瓦額定風機功率就能有更多的轉子掃掠面積,從而帶來更大效益的能量擷取。此外,在額定風速下,發電功率與轉子掃掠面積成正比,低比功率風機能順應各種風速的條件,使其具備成本優勢。

四、低風速風場為風機佈局主力
美國風機佈局將持續以風速較低的場域為主力,在2018年新裝置的風機,其裝設地點之平均風速為每秒7.8公尺(m / s)。技術的創新提高了低風速渦輪機(輪轂高度增長與更低的比功率)的普及性,因此更加速低風速風場的開發。低比功風機具有適用於高低風速場域之優勢,且經常以高塔架(高於90公尺的塔架)結構為主,裝設地點主要在美國大湖區和東北地區。就實務上觀察,在2016至2018年間,在低風速風場中,高塔架風機擁有較高的市佔率;且當高塔架設置於風切(wind shear)高於平均水準的地點時,其經濟效益最高。風切是風速與方向的突然變化所產生的切力,倘若變化越顯著,產生的切力也會增強,風切越大風機所能獲得的能量也越大。

五、符合國際電工委員會標準
國際電工委員會成立於1906年,為國際標準化組織之先驅,專責制定電力工程和電子工程相關範疇之國際標準化,美國亦為會員國成員。針對風電產業,該標準設定了關於風機壽命的關鍵環節,從選址時該場域特性(包含:平均風速、陣風因素與擾流(turbulence)強度)到測試、組裝與風機營運,詳實提供完整的分析評估架構。分類標準中的第三級風機(Class 3 turbine)適用於低風速場址(7.5 m / s及以下),第二級風機(Class 2 turbine)用於中等風速場址(需達8.5 m / s),而第一級風機(Class 1 turbine)適用於更高風速之場址(需達10 m / s)。低風速風場的積極開發使第三級風機成為近年來美國風電市場的主流,且美國所有商用風機的設計均需符合國際電工委員會系列標準,協助營運者兼顧風機安全性與風場選址佈局效益。而台灣風場開發、風機設計規格與認證也是採用該委員會所制定的IEC 61400系列之規格標準。
陳霈
英文