江榮城

台電綜合研究所

博士

一、前言

為解決化石能源造成的環境污染問題，風力是一種可以考慮的替代能源。風是地球自轉、太陽熱輻射不均、以及地球公轉影響所形成的空氣流動現象。藉由空氣流動的氣動力作用（包括升力及阻力）轉動葉片，以擷取風的動能，進而轉換成電能，即稱為風能。風能與風速的三次方成正比，即風速越大風能越高。但風力機無法將全部風能轉換為電能，其輸出效率約為20∼40%。

近十年來全球風力發電的發展相當快速。從1999年開始每年突破4,000 MW以上之成長速度，平均每年成長約30%，即每三年成長約一倍。歐洲風能協會（European Wind Energy Association，簡稱EWEA）在2002年5月全球風力發電發展潛力評估報告“Wind Force 12”， 估計於2020年風能可提供全球12%的發電裝置量。此外，歐洲再生能源協會（European Renewable Energy Council，簡稱EREC﹞亦預測於2040年全球可能將有50%能源來自再生能源。

根據丹麥風能協會報導，迄2006年1月份全球風力發電裝置容量已達56,813 MW，約為台灣地區總發電量之1.62倍（台灣地區總發電量，含所有IPP與大潭電廠，迄2006年1月底為35,054 MW）。其中世界風力裝置容量第一名的德國其總裝置量為18,100 MW，超過台灣地區總發電量之一半。

台灣由於95%以上的能源從國外進口，為降低能源進口依賴，積極開發本土新能源，即再生能源與潔淨能源，乃成為目前能源發展的重要目標。盱衡各類再生能源發電技術現況，除水力發電外，以風力發電技術屬最成熟。

二、緒論

利用風車葉片擷取風的動能並將之轉換為機械能的方式包括抽水、灌溉、磨坊、發電。由於將風能轉換為電能加以利用並不須耗費其他自然資源，因此風力發電已成為現代再生能源應用主流之一，例如傳統式風車(wind mill)、現代式風力發電機 (wind turbine)、與風力發電場(wind farm)。

風力發電之應用方式目前以風力發電機與電力網併聯(grid connection)為主。另外，離島、偏遠地區等電力網無法普及之處，可應用風力機單獨運轉供電，或與柴油機、太陽光電裝置等混合系統(hybrid system)運轉供電。

風力機宜設置於開闊地區（如海濱、防風林、田埂、漁塭、河海堤、山脊等﹞。風機機座占地可多重利用，例如丹麥、荷蘭及德國等國家皆允許風機與農林漁牧共生使用。風力機可單台使用，亦可多台使用，甚至可百台以上成為風場使用。這些風場景觀亦可成為觀光景點，在丹麥、西班牙、德國、美國加州皆有成功實例。風力發電地點除土地開闊地區（例如美國加州Altamont Pass及Tehachapi山區﹞外，地狹人稠國家如丹麥、荷蘭、比利時等亦廣泛利用田野、海堤、鄉村道旁、燃煤電廠碼頭、液態天然氣(liquid natural gas, LNG)碼頭、防波堤、以及空地設立風力發電機。因風力發電技術已趨成熟，機組可靠度提高，運轉上極為安全，風力發電機可與農牧用地共存，甚至可往海上發展。在水深15公尺內之海邊因風速大且穩定而被考慮做為離岸風場，其所裝置的風力機皆為2 MW以上之大型機組。

台灣東北季風盛行，沿海、高山及離島諸多地區之風能蘊藏量十分可觀。根據丹麥BTM顧問報導，台灣風場發電率(capacity factor, CF)為30%。在眾多調查國家中居第二名，僅次於英國，如表1所示[1, 2]，與代表本島之六輕風場調查結果30.6%相近[3]。足見台灣為一極佳之風力發電開發場所，除德商對台灣風場有極高開發意願外，國人應善加利用。

表1各國風場發電率（丹麥BTM雜誌報導）

註：

*Estimated Average Full Load Hours（評估全載發電小時數）：全年8,760小時中，發電量累積之全載發電小時數。

**Estimated Average Capacity Factor（評估平均發電率）：年平均發電率為全載發電小時數除以全年8,760小時，台灣30%表示全年累積有2,630全載發電小時。

三、風力發電史

根據文獻記載，風車、風機或風輪機(windmill)之最早應用，很可能為波斯人於西元200年前，利用垂直軸風輪機(vertical-axis windmill)帶動石磨機來研磨五榖雜糧。其後，木製水平軸風輪機(horizontal-axis windmill)，亦被廣泛應用於五榖雜糧研磨，這類風輪機最常見於希臘、義大利等地中海國家。至十一世紀風輪機已盛行於中東回教世界，嗣後於十三世紀被十字軍東征之戰士傳回歐洲。十四世紀後，荷蘭取得風車設計與應用之領先地位，並開始將之廣泛應用於萊茵河三角洲(Rhine river delta)沼地排水與農作物灌概。十七世紀中，美國已大量使用平均不超出1馬力之小型多葉片風車來取水與排水。迄十九世紀中，荷蘭國內已有超過9,000台風車被廣泛應用於各種用途，而丹麥亦已有2,500台工業級風輪機提供全國近25% (40,000 hp)之工業動力用途（非發電用途）[4]。

其實台灣早在四十多年前即已開始進行風力發電應用之研究。1960年初台電曾於澎湖白沙鄉設置一台當時相當先進之50瓩級風力發電機，進行風力發電應用試驗。但由於其效率不顯著，加上國內再生能源風氣未開，直到1980年，為因應能源危機，經濟部能源局才有政策性風力發電研究案推出。例如1980至1990年間，陸續委託能資所完成4瓩、40瓩、150瓩三型風力發電機的研發及運轉試驗；同時完成台灣地區風能潛力初步評估，其結果顯示陸上風力發電潛能可達1,000 MW以上。長期的風力發電研究與統計雖已證實台灣具有相當發展潛力，惜因油價偏低、風力發電缺乏市場機緣，計畫因而中止。

台電公司為推廣應用此一珍貴的天然能源，於十多年前開始進行一系列的離島風力資源評估、廠址遴選、以及建廠規劃研究；並於1991年在澎湖七美鄉裝設兩部商業化風機（2台´100 kW），進行風力/柴油機併聯示範運轉試驗，為國內第一座先導型風力發電廠[5]。但因用電負載小、容量相對過大、以及場址亂流問題，效果不佳。另外，與其他再生能源混合使用之應用實例則有1996年中央氣象局於彭佳嶼設置之一部10 kW風力機與光電混合發電系統提供氣象測站用電。台灣早期之研究與試驗風場實際運轉照片如圖1所示[6~10]。

近年來國內已陸續完成麥寮六輕風場（V47-0.66 MW*4台=2.64 MW，2000年12月商轉）、澎湖中屯風場（E40-0.6 MW*8台=4.8 MW，第一期2001年10月商轉）、竹北春風風場（V66-1.75 MW*2台=3.5 MW，2002年10月商轉）、以及核能一廠石門風場（V47-0.66 MW*6台=3.96 MW，2004年1月商轉）之風力機，相關風場實際運轉照片如圖2所示[6~11]。

圖 1 相關風場實照圖

圖 2 台灣運轉中風場實照圖

四、國內風場運轉經驗

圖3與圖4分別為台塑六輕風場（未補助投資額90佰萬元，補助後投資額52佰萬元)與台電澎湖中屯風場（未補助投資額148佰萬元，補助後投資額113.5佰萬元）之每月滿載發電量、總發電量、發電率（實際發電量除以額定發電量百分比）與平均風速趨勢圖。

圖 3 六輕風場每月輸出電力、發電率與平均風速趨勢圖

圖 4 中屯風場每月輸出電力、發電率與平均風速趨勢圖

根據圖3與圖4以及六輕風場與中屯風場之差異比較（表2）可得下列結論：

(一)六輕風場平均風速為6.59 m/s，中屯風場平均風速為9.47 m/s。

(二)六輕風場發電率為30.6%，中屯風場發電率為42.27%。

(三)六輕風場四年之年平均生產毛額為14.05百萬，若扣除10%維護費用，則淨年平均生產毛額為12.645百萬，補助後投資額52佰萬元，估算約需4.1年才能回收（年生產百萬元毛額與補助後投資額之回收年限，不含土地成本初估，假設每度電保證收購價為2.0元新台幣，維護與雜項費用為每年營收之10%）。

(四)中屯風場三年之年平均生產毛額為17.758百萬，若扣除10%維護費用，則淨年平均生產毛額為15.982百萬，補助後投資額113.5佰萬元，估算約需6.4年才能回收（從中屯風場到變電所約有12公里之地下電纜，投資額較高）。

(五)中屯風場平均風速高達9.47 m/s。其在2003年12月之發電率高達82.5%，三年之平均發電率為42.27%，遠高於本島之六輕風場。足見離島風力發電條件優於本島。

(六)台灣地區主要風能集中在冬天。夏秋兩季常見颱風襲台。颱風來襲前後常有額外之強勁風能，是颱風唯一優點。

表2 六輕風場與中屯風場之差異比較

台電風力發電第一期計畫已於2006年二月全數完工，投資總額約45億元。廠址位於六個不同地點，合計60部，總裝置容量為98.96 MW（見表3）。此外，德商英華威將於今年陸續完成近50 MW之風力開發案。台灣地區預計至2010年將有500 MW之總裝置容量。

表3 台電公司風力發電第一期計畫

五、結論與建議

(一)結論

1.台灣地區離島風力發電條件優於本島。

2.近十年來全球風力發電發展快速，平均每年成長32.5%，即每三年約成長一倍。

3.目前全球風力發電排名前五名國家分別為德國、西班牙、美國、丹麥、與印度。

4.風能推廣之能否成功，除需具備開發價值之風場外，必需有穩定且有利之能源政策。

5.西班牙將風力發電場裝置於經濟不振之地區，既可提供就業機會，亦可振興當地之經濟。

6.美國因再生能源法案之拖延與不定，致使其風能工業忽冷忽熱。在缺乏長期穩定的政策與措施下，美國之風力發電仍然充滿變數，值得國內發展再生能源之借鏡。

(二)建議

1.風機裝置成本近三年雖下降40%（從1百萬降至60萬美金/MW），但因其佔地廣大，土地成本偏高，未來發展海上風場可解決土地問題。

2.風機製造宜當地化與國產化，既可提升產業發展，亦可降低裝置成本。

3.提昇塔高與開發山坡地風場可改善夏天無風之缺點。

4.搭配太陽能與其他再生能源發電亦可改善夏天無風之缺點。

5.預測風速與風向可克服風力發電之不穩定性, 進而加入電力調度。

六、未來展望

(一)未來趨勢 ¾ 離岸風場：

丹麥是全球風力發電佔全國發電比率最高之國家。其截至2006年1月裝置容量為3,129 MW，佔全國總用電量近21%，部份時段負載因素高達88%。丹麥共有9個規劃與運轉中之離岸風場，合計577 MW，亦為發展離岸風場最成功之國家。全球截至2003年已完成14個離岸風場。圖5為部份離岸風機之實照圖。

圖 5  離岸風力發電機之實照圖

由於陸上風場可用之位置已漸飽和，離岸風場將是未來設置風力機之趨勢。台電電源開發處正積極著手於台灣西部海域尋找離岸風場之適合廠址，可行開發廠址初步評選如表4所示[12]。

表4 台灣西部海域離岸風場適合廠址之初步評選

註：平均風速為參考鄰近風速站之實測值。發電量以Vestas 3.0 MW之風機為參考。

(二)未來優勢

1.風機每MW之裝置成本不斷下降可減輕成本，加上發展海上風場可解決土地問題。

2.由於風機製造技術不斷改良，額定輸出之風速不斷下降，使得發展風力發電之場址更普及。

3.單機容量不斷提昇，亦可降低裝置成本與提高效率。

4.溫室變化改變四季溫度與颱風之襲台季節亦可彌補夏天無風之缺點。

5.台灣可藉由資訊產業優勢，進而發展風力、太陽能或其他再生能源發電相關製造產業。

七、參考文獻

1.BTW Consultant ApS, Denmark, March 2003.

2.BTW Consultant ApS, Denmark, March 2004.

3.江榮城、陳清嚴、張瑞杰、林世豪、張嘉文、賴一桂、鄭茂林、張燕全、王經緯、王永裕，“台灣地區風力發電發展現況調查”，中華民國第25屆電力研討會，國立成功大學電機系，11月，2004年。

4.Det Norske Veritas, A publication from DNV/Risø, Guidelines for Design of Wind Turbines, 2nd Edition, Copenhagen (Wind.Turbine.Certification@dnv.com) and Wind Energy Department, Risø National Laboratory (Certification@risoe.dk), ISBN 87-550-2870-5, 2002.

5.台電公司，台電電力事業經營現況，1994年。

6.葉惠青，“我國推動再生能的應用策略”， 經濟部能源局，11月，2004年。

7.江懷德，“風力發展技術與應用現況及未來展望”， 工研院能資所，11月，2004年。

8.江懷德、陳美蘭（2004年），“達成我國2010年風力發電目標之推動方案”，2004風能應用研討會論文集。

9.呂威賢，“我國風力發電推廣現況與展望”，太陽能及新能源學刊，中華民國太陽能及新能源學會，第八卷第一期，2003年。

10.何秉衡、張瑞杰、陳永宗、黃宣諭、郭芳楠、陳清嚴、張炯川、江榮城，“風力發電對系統衝擊之探討”，台電工程月刊，第657期，5月，2003年。

11.汪惠強，核一風力發電機組簡介， 台電林口訓練所，11月，2004年。

12.顏志偉，台灣西部海域離岸式風力發電廠址初步評選研究，工研院能資所與台灣電力公司，2004年.