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智慧型風力發電之現況與展望,陳謨星教授2003年12月13日,1,一.美國電能來源分析二.美國再生能源市場分析三.風電能源的利幣四.風電能源的成本五.風力發電投資報酬研究六.風力發電特性,2,美國電能來源分佈,2002年底之統計,3,美國再生能源市場分佈,來源LoriBird“StatusofGreenPowermarketingintheUS,”WindPower2003,2002年底之統計,4,風電能源的利弊,不排放CO2、SOx、NOx等污染空氣、造成溫室效應的物質沒有煤灰、核廢料、河川生態變化的問題不需要燃料裝設一座風車所需時間甚短成本持續下降--從80年代至今降幅達75以上隨著設計的進步運轉維修成本也持續下降配合電力電子的應用對電力系統的電壓、功率因素、供電品質等都有幫助,5,風電能源的利弊,單一地區風速不定，發電量未必隨心所欲風象預測的誤差容易造成系統調度的困難，結果AGC機組容量、備轉容量都需調整如果使用感應發電機而沒有配套設備，可能使電壓穩定問題惡化風象好的地區未必有足夠的輸電線風車葉片旋轉造成的噪音、對飛鳥的威脅對景觀的衝擊,6,風電能源的成本,建設成本/kW的下降設計技術、使用材料的進步單一機組容量的增加風車需求量或市場的增加施工時程的縮短整體風電能成本/kWhr的下降尋覓風電廠址Siting技術的進步容量因素Capacityfactor之提高運轉維修成本之降低,7,風力發電建設成本研究（USDoE、EPRI等1997年報告）,假設條件,8,風力發電建設成本研究（USDoE、EPRI等1997年報告）,每kW容量成本美元,9,風力發電建設成本研究（USDoE、EPRI等1997年報告）,單一機組建設成本千美元,10,風力發電運轉實績研究（USDoE、EPRI等1997年報告）,風力等級Class450米高處風速7.07.5m/s,11,風力發電運轉實績研究（USDoE、EPRI等1997年報告）,風力等級Class650米高處風速8.08.8m/s,12,風力發電投資報酬研究1/4CarriedoutbyDr.KenwithUTA,假設條件政府沒有任何獎勵措施總裝置容量100MWCapacityfactor0.49容量成本740/kW維護成本11.70/year利息成本6.5Levelizedfixedcost6.62Plantavailability97折舊年限10年Levelizedoverhaulreplacementcost3.6/year,13,風力發電投資報酬研究2/4,Beforepayout,Afterpayout,14,風力發電投資報酬研究3/4,假設條件政府提供獎勵措施總裝置容量100MWCapacityfactor0.49容量成本740/kW維護成本11.70/year利息成本6.5Levelizedfixedcost4.00Plantavailability97折舊年限10年Levelizedoverhaulreplacementcost3.6/year,15,風力發電投資報酬研究4/4,Beforepayout,Afterpayout,16,風力發電運轉實績,加州主要風電場的平均CapacityFactor,來源WindPeranceReportSummary2000-2001,CaliforniaEnergyCommission,17,風力發電成本持續下降,來源AWEAAmericaWindEnergyAssociationandDoE,18,風力發電成本下降趨勢,條件100units,30-yearlevelizedcostin2002dollars來源“WindPowerToday”,OfficeofEnergyEfficiencyandRenewableEnergy,DoE,19,全球風力發電裝置容量成長,來源AWEA,20,全球主要風力發電場裝置容量2002年底為止，單位MW,來源AWEA,21,2002年底止美國風電裝置容量單位MW,來源GlobalEnergyConcepts,Inc.,22,美國風電蓬勃發展之推動力,聯邦政府階層PTAProductionTaxCredit1992年實施，給予每度風電1.5分隨物價指數調整的TaxCredit，此法案迄今延期兩次，最近一次將於2003年年底期滿REPIRenewableEnergyProductionIncentive給予每度風電1.5分隨物價指數調整的TaxCredit，針對沒有聯邦稅義務之業者容許風電設施加速折舊，投資稅捐抵免,23,美國風電蓬勃發展之推動力,聯邦政府階層--政策影響風電投資意願,來源“WindPowerOutlook2003,”AWEA,24,美國風電蓬勃發展之推動力,州政府階層RPSRenewablePortfolioStandards13州採用，規定銷售電能中再生能源之數量或比例SBCSystemBenefitsCharge從IOU銷售額中徵收部份金額成立基金Systembenefitsfund，用於支持再生能源及提高能源效率減豁免銷售稅、公司稅或房地產稅等,25,美國風電蓬勃發展之推動力,州政府階層--德州RPS規定2009年再生能源必須達2000MWRECRenewableEnergyCredit1MWHr再生能源1REC再生能源業者每產生1000度電可獲得一個REC，其REC則可售於需要者電力零售商必須購買規定數量的REC，否則受罰,26,美國風電蓬勃發展之推動力,州政府階層--其他州RPS規定加州2017年前再生能源必須佔20紐約州提議2013年前佔25明尼蘇達2015年前佔10內華達州2015年前佔15馬里蘭州2009年前佔11辛辛那提2009年前佔13,27,美國風電蓬勃發展之推動力,其他因素天然氣價格之鉅幅波動民眾的支持願意付額外電費購買GreenPower、支持投資再生能源、提高能源效率免負擔AncillaryServices之義務風力發電機設備成本之下降,28,美國風電蓬勃發展之推動力,其他因素--天然氣價格之鉅幅波動,來源“WindPowerDevelopmentinTexas,”MikeSloan,VirtusEnergyResearchAssociates,WindPower2003,29,美國風電蓬勃發展之推動力,其他因素--民眾的支持德州Utilities調查發現用戶願意每個月多付5為再生能源2為能源效率0為燃煤發電、天然氣發電同一調查顯示71受訪民眾贊成Utilities在再生能源的投資費用可全部或局部分攤到電費中，只有2主張不要投資於再生能源對於能源的選擇，同一調查發現49選擇使用再生能源Wind,Solar,Biomass31主張節約使用Energyefficiency14選擇用天然氣，煤等5主張向外購買,30,美國風電蓬勃發展之推動力,其他因素--民眾的支持全美有32州有電力公司推展GreenPowerPricing計劃共有270,000用戶含3,800非住宅區用戶參與此計劃，大約全國用戶的1Greenpowerprice約2.52.9￠/kWHr平均住宅區用戶每月為此多付5.0美元,31,風力發電特性,32,影響發電量的因素,風車葉片掃過之面積A風力系數Cp空氣密度r風速V,33,高度與地面粗糙度對風速影響,同一地區之風速與地面粗糙度及測量點距地表高度有關地面粗糙度系數a,34,高度與地面粗糙度對風速影響,35,高度與地面粗糙度對風速影響,36,高度與地面粗糙度對風速影響,VV0h/h0a可應用於500米以下之高度,來源SchwartzElliott,DoE/NRELReport,May1995,37,風力的分級,*Basedonk2inWeibullprobabilitydistributionfunction,38,風力系數Cp,風力系數取決於風車TSRTipspeedratio,39,風車系數,風車系數為發電機輸入對風力之比V為葉片upstream風速之，Vo為其downstream風速,40,運轉於最大風力點,不同風速下控制風車轉速在最大風力點,V1V2V3,41,風速與風力發電控制,三個控制區ConstantCp,power-limitedandspeed-limited,42,轉矩與轉子速度特性,不同風速下轉矩與轉子速度之特性,V1V2,43,發電量與轉子速度特性,不同風速下發電量與轉子速度之特性,V1V2,44,轉子效率及發電量與TSR,45,風力發電機運轉實績,Vestas1650kW風力發電機,46,風力發電機驅動方式,單一定速驅動及雙定速驅動,47,風力發電機驅動方式,變速驅動,48,風力發電機驅動方式,1997年止風力發電機驅動方式之百分比,49,風力發電機轉速控制方式,
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