风力发电市场与技术发展概观

随着时代的进步与科技的发达，人类对能源的需求愈来愈多，能源耗损的速度也越来越快，燃烧石化燃料获取所需能源的同时，也排放出大量的二氧化碳、二氧化硫及废弃烟尘等，使得全球性异常的气候变迁现象愈来愈明显，同时也加速对于地球环境的破坏，严重影响到人类的健康与未来的生活环境。传统能源如汽油、燃煤及天然气等石化燃料，由于地球蕴藏量逐渐减少，使用成本将愈来愈高，国际原油2003年第二季开始，每桶原油价格自25美元附近节节上升至目前90美元以上，加上环保意识抬头，使得人类对其需求将逐渐减少，世界各国政府更配合“京都议定书”之决议，采取各种手段，除了减少各种石化燃料之使用外，亦鼓励开发各种可能的再生能源(如风力、水力、太阳能及生质能)，订定期限再生能源须占全国能源需求达到若干比例之目标。其中风力发电每度发电成本约为人民币0.4元，以与传统能源发电成本相差无几，又比新能源中的太阳光电发电成本每度电约为人民币3.7元的价格低廉许多，吸引许多国家投入风力发电市场与技术之开发。

ㄧ、风力发电介绍

风力发电的原理，是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速齿轮箱将旋转的速度提高，来促使发电机发电。依据目前的风力发电机技术，大约是每秒3m/s的微风速度（微风的程度），便可以开始发电。图1即为风力发电示意图。一般大型风力发电机通常采用水平轴型式，它由叶轮、增速齿轮箱、发电机、控制系统及塔架等部件所组成，如图2所示。 

叶轮的作用是将风能转换为机械能，它由气体流动性能良好的叶片装在轮轴上所组成，低速转动的叶轮通过传动系统，经由增速齿轮箱增速，将动力传递给发电机以产生电能，最后将所产生之电能经由电力转换与变压与电力系统公司并联传输至客户端。风力发电机能量转换过程示意图如图3所示。上述这些组件都安装在机舱内，整个机舱由高大的塔架来支撑。由于风向会经常改变，为了有效地利用风能，必须要有自动迎风的装置，它根据风向感测仪测得的风向信号，由控制器控制Yaw转向机构， 驱动小齿轮再推动塔架上的大齿轮，使整个机舱藉由此自动控制的系统，能够一直对向迎风面。另外亦于叶片上设置Pitch调整机构，因应不同风向与风速，以调整叶片至适当角度。再者，为了使风力发电机不同组件达到成功的发电，风力发电机需要一机电整合之系统控制技术，使得各次系统能联合一起操作，
确保于正常条件下运转以获取所需之电力输出需求与安全监控要求。　　

二、全球风力发电市场成展快速

2006年全球风力发电市场新增装置容量持续的创新高，新增15,016MW，与2005年新增装置容量相比，增长了30%，2001年-2006年全球风力发电新增装置容量年复和增长率为14.04%；2006年全球风力发电累计装置容量达到74,306MW，累计装置容量较2005年的59,399MW，增长25%，2001-2006年全球风力发电市场累计装置容量年复和增长率为24.4%。　　
　
2006年全球风力发电市场大幅的增长，主要来自于美国政府实施PTC(Production Tax Credit)法案，针对风力发电产生电力，提供生产税抵减，驱动了美国风力发电市场的增长，使美国2005与2006连续两年成为全球风力发电最大的新增装置容量市场，2005年新增2,431MW，2006年新增2,454MW。2006年美洲其它国家风力发电装置情形，加拿大新增装置容量776MW，巴西新增装置容量199.6MW，总计2006年美洲地区风力发电新增装置容量为3,515MW，比2005年新增装置容量2,617MW，增长34.14%，2006年美洲风力发电新增装置容量占全球风力发电新增装置容量市场的23.4%，累计装置容量为13,577MW。

欧洲仍是全球风力发电新增装置容量最大之地区，2006年欧洲风力发电新增装置容量7,682MW，占全球新增装置容量的51 %，与2005年新增装置容量6,373MW，增长20.5%，欧洲风力发电新增装置容量的增长主要来自于德国新增装置容量达到2,233MV，超出市场预期，以及欧洲的风力发电新兴市场崛起，如2006年法国与葡萄牙在风力发电市场快速的发展。欧洲是全球风力发电市场发展最为快速的地区，因此累计装置容量高达48,627MW，占全球累计装置容量的65%。

2006年是亚洲风力发电市场发展最为快速的一年，新增装置容量为3,657.8MW，较2005年新增装置容量2,110.4MW，大幅增长73%，主要是因为中国大陆风力发电市场增长66%，与印度市场增长42%，2006年亚洲风力发电新增装置市场占全球24.35%，累计装置容量为10,598.7MW。

2006年风力发电市场市场趋势，风力发电发展最早的欧洲虽然仍是新增装置容量最大的市场，但新增装置容量的增长已趋缓，主要是欧洲风力发电累计装置容量最大的几个国家除德国仍保持新增装置容量的增长外，西班牙的新增增长率至2005年开始已呈现连续两年负增长，丹麦的风力发电新增装置容量已降至个位数(MW)的幅度增加，未来要带动欧洲风力发电市场的增长，就要看欧洲的风力发电新兴市场的崛起如法国、葡萄牙与英国等以及离岸型风力发电市场的发展；此外中国大陆与印度大幅应用风力发电，带来亚洲风力发电市场快速增长，从中国大陆与印度明确制定风力发电装设目标来看，亚洲仍是未来几年风力发电最为蓬勃发展之市场。

三、全球风力发电市场的预测

根据BTM预测，2007年风力发电市场新增装置容量将达18,800MW，累计装置量达到93,106MW，到2011年全球风力发电市场新增装置容量达到33,500MW，累计装置容量达到203,151MW，2007-2011年全球风力发电市场新增装置容量复合增长率为15.5%，累计装置容量增长率为21.5%。

此外，BTM也预测美国未来5年风力发电累计装置容量将超过欧洲德国的累计装置容量；亚洲国家的中国大陆与印度每年风力发电新增装置容量也将超过欧洲任何一个国家的新增装置容量，中国大陆与印度未来几年风力发电市场将有显着的增长；但欧洲未来仍是风力发电新增装置市场最大之区域，尽管德国与西班牙新增装置容量增长趋缓，但取而代之的是葡萄牙、法国与英国等新兴发展的风力发电国家新增装置容量的增长。　　　

四、主要国家发展动向

美国是2006年风力发电新增装置容量最大之国家，第2名与第3名分别为德国与印度，前三大风力发电新增装置市场占全球新增比率的43%。在欧洲法国、葡萄牙与英国则是新兴发展市场，也是欧洲未来发展最为快速的新增装置的国家。亚洲国家的印度新增装置容量则是首次挤进前3大，中国大陆也前进到全球新增装置容量的第5大市场，2005年新增装置容量第10名的澳洲则挤出前10大，加拿大则是新进入前10大的国家。全球风力发电的应用愈来愈广泛，2000年全球四大新增装置容量之市场，占全球新增装置容量的82%，2006年全球10大新增装置容量之市场，占全球新增装置容量的85%，由于风力发电的技术稳定性高，应用风险性小，因此愈来愈多国家采用风力发电做为新兴能源的发电方式之一。以下就2006年全球前10大新增装置容量之市场进行分析。

美国
美国PTC(Production Tax Credit)法案延至2008年底结束，PTC(Production Tax Credit)法案带动美国2005年-2006年风力发电新增装置容量大幅增长。美国联邦政府通过再生能源配比(Renewable Portfolio Standard，RPS)，授权各州政府订定适用各州的再生能源配比，PTC与RPS的政策让风力发电在美国市场具有良好之发展，不仅让美国在2005与2006年成为全球第1大新增装置市场，预测2007年-2011年美国风力发电新增装置容量为22,400MW，每年新增装置容量仍为全球第1大市场，2011年累计装置容量达到34,035MW，在2010年-2011年间，累计装置容量将超越德国，成为风力发电应用的第一大市场。　
　
德国
从2003年开始，德国风力发电市场连续3年衰退，一般预测认为德国风力发电市场将持续衰退，直到离岸型风力发电市场崛起。但2006年德国风力发电市场却呈现增长趋势，新增装置容量2,233MW，与2005年相比增长23%。主要原因在于良好的管理机构运作与再生能源的价格保障制度(Renewable Energy Feed-In Tariffs，Refit)，驱动德国风力发电市场的增长。

德国是全球第一个风力发电累计装置容量超过20,000MW的国家，超过第2大累计装置市场的美国，将近有一倍之多。德国近几年虽然风力发电市场的增长有趋缓，但每年仍以1,500MW的速度增加，2006年德国风力发电已占全国发电量的7%，风力发电在德国发电市场已扮演重要之角色，而且德国在全球风力发电市场仍将是领导之地位。预测2007年-2011年德国风力发电市场新增装置容量将增加9,300MW，2011年累计装置容量达到29,952MW。 

印度
由于印度需要电力来支持每年快速增长的经济，印度风力发电市场自2003年开始大幅增长，2006年印度风力发电新增装置容量1,840MW，累计装置容量达到6,228MW，成为全球第4大风力发电累计装置市场，仅次于德国、美国与西班牙，印度风力发电市场为了因应经济增长下对于电力的需求，未来几年印度风力发电市场仍将呈现增长趋势，预测2007年-2011年印度风力发电市场新增装置容量将增加11,800MW，2011年累计装置容量达到18,028MW。 

西班牙
2006年西班牙风力发电市场新增装置容量11,600MW，为欧洲第2大新增装置市场、全球第3大新增装置市场，预测2007年-2011年西班牙风力发电市场新增装置容量将增加9,500MW，2011年西班牙风力发电市场将超过20,000MW，累计装置容量达到21,114MW，驱动西班牙风力发电市场增长的主要原因为稳定的电价收购以及良好与广大的风场场址，鼓励风厂开发商投资兴建风场，2006年西班牙风力发电已占全国发电量的8%，西班牙政府已明确制定2010年风力发电发展达20,000MW装置目标，为达到此目标达成，至2010年西班牙仍是全球风力发电市场增长快速的国家之一。

中国大陆
2006年底，中国大陆内地已有16个省、市、自治区建成了91个风电场，新增装置容量为1,334MW，累计装置容量为2,588MW，装置容量前3位的省区分别为内蒙、广东和河北。中国大陆制定2015年再生能源比例须达全国用电比例的10%，因此明确订定风力发电装置目标，2010年装置目标为5,000MW，2015年为10,000MW，2020年将达30,000MW之目标，但以目前风力发电市场发展速度，5,000MW的装置容量目标预估将会在2008年提前完成，由制定的风力发电装置目标来看，至2020年为止，中国大陆风力发电市场均将快速素的发展。

法国
法国是欧洲在风力发电市场新兴崛起的国家，由于风力发电固定收购电价（8.36 EUR cents/KWh）高于其它欧洲国家的收购价格，驱动2006年风力发电市场的增长，2006年法国风力发电市场新增装置容量810MW，较2005年增长79.4%，累计装置容量为1,585MW，法国也制定2010年风力发电装置目标为13,500MW，2015年为17,000MW，虽然装置目标高于市场的增长预测，但也可以看出法国对于风力发电发展之企图心。

加拿大
2006年是加拿大在风力发电市场快速增长的一年，新增装置容量为776MW，较2005年增长224%，累计装置容量为1,459MW，加拿大自2005-2010年实施风力发电租税减免政策（Wind Power Production Incentive，WPPI），驱动风力发电市场的增长，加拿大风能协会(Canadian Wind Energy Association，CanWEA)制定2010年风力发电装置目标达10,000MW，但预测此累计装置容量约为2015年才会达到此目标。

英国
2006年英国风力发电新增装置容量631MW，较2005年增长41%，其中装置容量90MW的Barrow风厂兴建完成，2006年英国风力发电累计装置容量为1,967MW。2010年英国制定再生能源须占全国发电量的10%，预测2007年-2011年英国风力发电市场新增装置容量将增加8,900MW，2011年累计装置容量达到10,867MW。

葡萄牙
2006年葡萄牙风力发电新增装置容量629MW，较2005年增长25%，累计装置容量为1,716MW。2010年葡萄牙制定风力发电装置目标为5,000MW，预测2007年-2011年葡萄牙风力发电市场新增装置容量将增加3,800MW，2011年累计装置容量达到5,516MW。

意大利
2006年意大利风力发电新增装置容量417MW，较2005年衰退7%，但累计装置容量突破2,000MW为2,118MW。意大利制定的2010年风力发电装置容量目标达2,500MW，预估在2007年将可以提前达到，主要原因为具吸引人的电价收购价格与可交易凭证系统(Tradable Certificates)运作良好，预测2007年-2011年意大利风力发电市场新增装置容量将增加4,800MW，2011年累计装置容量达到6,918MW。

五、技术发展概况

陆域型风力机仍是当前全球风力机产品之主流，产品规格朝向大型化风力机方向发展，虽然会面临大型零组件在陆上运输时之挑战，但仍有许多风力机系统厂商致力于大型风力机之发展，如Enercon从早期装置容量4.5MW、叶片112m之大型风力机，提升至6MW装置容量、叶片114m之大型风力机，Vestas已商业化生产3MW之风力机，Siemens则生产3.6MW大型风力机，而Repower则生产5MW之大型风力机。

由表4 2003年-2005年全球风力机产品规格趋势可知，“Small WTGs”<750kW规格之风力机从2003年占整体产品规格的6.9%衰退至2005年的3.6%，呈现每年衰退之趋势，而“Mainstream”750-1,500kW规格之风力机，2003年750-1,500kW规格之风力机占整体产品规格的55.8%，2004年则为50.9%，2005年则为53.2%，750-1,500kW规格之风力机仍为全球风力机产品规格之大宗，而“MW-Class”1,501-2,500kW规格之风力机2003年占有率从36.4%增长至2004年的42.8%，2005年也仍保持四成以上之占有率，“Multi-MW Class”>2,500kW由于Vestas已商业化生产装置容量3MW级之风力机，2005年其占有率增长至2.4%。

由表5 2005年全球风力机产品规格可知，“MW-Class”1,501-2,500kW规格之风力机，2005年装置2,378支，装置容量共4,570MW，平均每单位装置容量为1.922MW，市占率超越1,000-1,500kW的34.1%而为40.8%，“MW-Class”1,501-2,500kW将是未来全球风力机市场之主流规格。

由表6各规格风力机领导厂商排名可知，全球风力机第1大厂Vestas，在“Small WTGs”<750kW、“MW-Class”1,501-2,500kW与“Multi-MW Class”>2,500kW皆居于领导地位，只有在“Mainstream”750-1,500kW规格中，GE WIND占有领先之地位。

由表7可知，装置容量大于1,500kW风力机之厂商，2005年占有率最大之厂商为Vestas，装置容量为2,252MW，占整体大于1,500kW风力机的46.5%，Enercon则紧追在后，装置容量为1,257MW，占整体大于1,500kW风力机的26%，第3名为Siemens，装置容量为493MW，占整体大于1,500kW风力机的10.2%。

六、全球风力机产品技术发展趋势

(一)朝向“Multi-MW Class”技术规格发展
表5为全球风力发电市场中主要商业化MW级风力机技术规格，可以发现 “MW-Class”1,501-2,500kW在商品化产品中扮演主要之地位，占整体商品化产品规格的75%。此外全球风力机技术规格已开始朝向“Multi-MW Class”>2,500kW技术规格发展，其中已商业化之产品为Vestas装置容量3MW、叶片直径为90M、Enercon装置容量4.5MW，叶片直径为112/114M。
下一世代“Multi-MW Class”>2,500kW风力雏型机于2002年开始测试，Prokon Nord其产品装置容量5MW之风力机为第一个离岸型风力发电测试项目，Repower的M5 装置容量5MW之风力机也于北海进行测试，Enercon也将其4.5MW之风力机提升至6MW之装置容量，叶片直径增加至114M。

(二)采主动式旋角控制技术
风力机系统厂商为了减小机组承受的载荷与提高转换效率，各厂商均采用不同于传统怠速的控制方式，而采用主动怠速或是旋角控制的方式，其中旋角控制的方式是将调整叶片螺距与转向动力单元来获取最佳的风动力，因为风的变化强烈，风力机必须拥有叶片调整的能力，甚至短暂的一阵风，都须尽可能使风力机有效的、平稳的生产电力，其主要目的是让风力机在风速度、转子速度和电力的输出之间得到最理想的动力。也就是为了使发电机的速度保持经常不变，透过叶片螺距与转向的调整，以获得有效率的、稳定的电力输出。因此风力发电机的效率主要依靠机舱上轮毂的叶片精确的迎向风的方向，同时和转向动力单元与风力发电机的控制相互配合，使叶片始终处于迎风力态，充分利用风能，也是最新的风力机控制方式，目前已商转之风力机如De Wind、Ecotecnia、Enercon、Fuhrlander、Nordex、REPOWER、Gamesa、GE Wind与Vestas均已使用旋角控制。

(三)发电机布置型式趋势
发电机也为风力机内主要组件之一，传动机构与发电机的搭配型式决定风力发电机布置型式，现代市场主要风力发电机布置可归纳为：(1)传统型搭配异步双馈式感应发电机(DFIG)；(2)直驱式无齿轮箱型(Gearless)搭配同步发电机；(3)复合型(Hybrid)搭配同步发电机。

(1)传统型搭配异步双馈式感应发电机(DFIG)
此型布置其叶片吸收风能时叶轮(Rotor)的转速较低(大部份风力发电机在5-20rpm之间)，经由传动机构及齿轮箱将主传动轴(Main Shaft)增速，以提高转速给发电机。如此做法可使发电机定子之极数大幅减少，其尺寸可大幅缩小，其重量及成本也较低。此型布置为现代风力发电机最常见之布置。此型布置最常见发电机为双绕线式(Double Fed)感应发电机。

此型布置风力机之优点为整体重量较轻、生产成本较低、安装及保养容易、重量分布较平均，转向动力传动机构及其轴承承受之不平衡负荷较小，所使用之技术与组件制造皆臻成熟及组件供货商较多。缺点为轴承与齿轮箱(Bearing & Gearbox)等所需保养工作较多，机组所需空间较大，故机舱亦较大。非轴向负荷及扭矩传递途径经过轴承及齿轮箱，较易造成磨损及故障。电网电压不稳定时，易造成齿轮箱过载损坏。齿轮箱损坏是目前此型发电机较大之维修问题所在，也造成此型发电机之维护成本增高。此问题肇因于早期风力机在设计时，负荷有低估的嫌疑。目前齿轮箱制造厂家使用较大之设计负荷及安全系数，此问题已获得改善。

(2)直驱式无齿轮箱型(Gearless)搭配同步发电机
此型布置之风力机特点为其叶轮(Rotor) 不经齿轮箱增速，直接驱动发电机，发电机的转速较低，所需发电机之极数较多，其发电机尺寸相对较大、发电机及机舱重量也较重。

此型布置风力机之优点为无齿轮箱，没有传统型搭配异步双馈式感应发电机(DFIG)所面临齿轮箱之问题。直驱式之组件数量较少，所需保养工作较少，安装及保养较容易，机组所需空间较少，机舱较短、体积较小。而此型布置风力机之缺点为同步发电机所需极数较多，直径需求较大，其发电机尺寸相对较大，发电机及机舱重量也较重及重量分布较不平均，其转向动力传动机构及其轴承将承受较大不平衡负荷，发电机须为特制，品价格较高及轮壳(Hub)较大，会减少叶片根部作用面积。

(3)复合型(Hybrid) 搭配同步发电机
此型风力发电机布置介于前面二者之间，其传动机构经由一阶增速齿轮箱将主传动轴(main shaft)增速以提高转速给发电机。但因其增速比较小，可减少发电机之极数，其重量及成本也介于两者之间。

此型布置风力机之优点为有齿轮箱，但其增速比小于传统型搭配异步双馈式感应发电机(DFIG)，且其齿轮箱负荷相对较小，发生齿轮箱问题之机率较低。整体重量及生产成本介于二者之间。机组所需空间较少，机舱较小。此型布置风力机之缺点为重量分布较不平均，同步发电机为特制品价格会较高。空间小，安装及保养较不容易，散热效果较差。整合式发电机及齿轮箱、Hub组合维修不易，可能需要整组拆下回厂才能处理。