高效率垂直軸風力發電與風光互補能源 技術發展 ~ 產學合作研究計畫 計畫書說明 ~ 國立中央大學電機工程學系 林法正教授 國立台灣科技大學電機系 黃仲欽副教授

1. 高效率垂直軸風力發電與風光互補能源 技術發展 ~產學合作研究計畫計畫書說明~ 國立中央大學電機工程學系 林法正教授 國立台灣科技大學電機系 黃仲欽副教授 國立中央大學機械系 黃以玫教授 國立中央大學機械系 吳俊諆副教授 國立聯合大學電機系 江炫樟教授 宏銳電子股份有限公司

2. 大綱 • 計畫背景與目標 • 計畫組織及分工 • 技術關聯圖 • 計畫內容說明 • 時程規劃與預期成果 • 經費運用規劃 • 各子計畫經費分配 • 計畫主持人與共同主持人個人資料 • 計畫主持人與共同主持人近三年執行或申請之能源相關研究計畫

3. 計畫背景與目標 • 計畫背景 • 風力發電為近乎取之不盡、用之不竭、且無污染的能源。台灣地處東亞季風盛行區域內，冬季有強勁的東北季風，夏季則有豐沛的西南氣流，常年風向穩定，風速不小，非常具有發展風能的潛力。 • 由於台灣地窄人稠，因此針對市區與郊區或較不適合裝設大型風力機或中小型水平軸風力機之地點，發展中小型垂直軸風力發電系統有其必要性。 • 為保證裝設地點之電源供應不會因天候狀況而匱乏，因此需要發展風能與太陽光電能互補且具儲能功能之發電系統，並可市電併聯或獨立供電。 • 目前台灣的廠商以發展10kW以下之小型垂直軸風力機為主，由於容量過小，較難開展國內市場且缺乏國際競爭力。 • 計畫目標 • 本計畫主要與宏銳電子股份有限公司合作發展能接受各種風向、高效率、低噪音、組件少且易維護之中小型垂直軸(Vertical Axis)風力機與發電機之整機設計與系統整合，以達成風力發電系統技術本土化之目標。 • 第一、二年先發展一套50kW垂直軸風力機並與20kW太陽能模組互補為風光發電系統，並具備微電網(Micro Grid)併聯功能。 • 第三年再將垂直軸風力機與發電機容量擴大為150kW。

4. 計畫組織及分工

5. 技術關聯圖 • 50kW及150kW風光互補系統之電力轉換結合了UPS、電源供應器、市電併聯技術、風力發電控制技術，大功率轉換器技術、風力機塔架及葉片設計與製作。 • 國內比較欠缺的是大功率轉換器、風力機塔架及葉片之設計與製作。另外風光互補系統則須整合所列技術，門檻相當高，目前全世界尚無類似產品推出。 圖1 技術關聯圖

6. 計畫內容說明 • 本計畫工作重點： • 1.電力控制系統：700V DC Bus為架構主幹，可提供三相AC獨立電源輸出及市電並聯輸出，AC to DC與DC to DC Converter與DC to AC Inverter，均採模組化設計。 • 2.市電併聯輸出：具有孤島偵測與微型電網併聯之功能。 • 3.風光互補：結合風力發電及太陽能發電與最大功率控制(MPPT)，提高發電效率與穩定性。 • 4.低噪音：搭配選用低噪音的寂靜性扇葉及風力發電機。 • 5.最佳化效能：配合各地風場與日照特性，做元件最佳化效能選用及調整，以期效率極大化。 • 6.高風能轉換效率：風速12m/sec時，風力機功率係數可達0.35並進入定功率區運轉，當風速達每20m/sec時，風力機自動停止運轉。 • 7.全自動煞車系統：考量發電性能確保及安全性需求，在中風速域時需自動防止過渡迴轉而啟動升力型副葉片來抑制葉片的迴轉數。 • 8.垂直軸風力機葉片之設計：在360度的受風狀態下也能安定運轉，採用高耐風強度之碳纖材料，以達到剛性和輕量化及安全的目標，並配合風機之整體空氣動力學之設計，提高風機之功率係數。 • 9.發電機設計原則：選用直接驅動(Direct Drive)外轉子或內轉子多極發電機，並採用無鐵心架構，因此在迴轉時不會產生抵抗力，亦不會產生迴轉音，並可在低速迴轉時產生電力，以達到高效率發電和低故障率，並結合軸向及徑向磁場結構，以提高發電機功率密度。 • 10.塔架設計：考慮塔架結構在強風或強震時之震動與安全性，加強耐強風及耐腐蝕性分析，並研究材料加工及處理方式，以防鹽害及空氣中化學性粉塵侵蝕。 • 11.太陽光電模組：採用已通過IEC 61215認證規範，具高光電轉換效率之矽晶太陽能光電模組。 • 12.電池儲能：工作於獨立型系統時，當太陽能與風力發電之輸出功率大於負載所能吸收時，為了維持直流電壓的穩定，蓄電池將執行充電控制模式，將多餘的再生能源儲存於蓄電池中；負載需要時，再執行放電控制模式。

7. 計畫內容說明 圖2 垂直軸風力發電機輸出功率對發電機轉速特性曲線 圖4 50kW/150kW垂直軸發電機與風光互補發電系統方塊圖 圖3 宏銳電子公司iWIND 4 kW風機葉片，圖示1為升力型副葉片，圖示2為扭曲型主葉片

8. 計畫內容說明 • 子計畫一：風力發電用高效率發電機分析與設計 (黃仲欽副教授) • 採用多極性永磁式發電機與風車直接耦合，不需額外齒輪機構，以期達到低噪音、低頓轉矩、低慣量及高效率之特性。 • 新型發電機結構之設計，採用軸向磁場之無鐵心繞組架構以及徑向磁場之永磁式發電機結合，同一機構具有類似兩個發電機如圖6，如此可以提高功率密度並減少慣量。 • 第一年將完成10kW的模組化的混合型發電機並採用5個10kW模組的機構串聯方式，組合為50kW的容量。其中繞組可分為兩組三相接線，分別為軸向型發電機及徑向型發電機。第二年以25kW為模組化，同樣採用二個模組串聯方式組合50kW容量。第三年為50kW模組並作3個模組串聯以達到150kW的容量。 圖5 (a)徑向永磁式電機示意圖；(b)軸向永磁式電機馬達示意圖； (c)結合徑向與軸向之永磁式發電機之示意圖

9. 計畫內容說明 • 子計畫二：垂直軸風力機塔架動態分析與設計 (黃以玫教授) • 第一部分將著重於風機塔架與葉片的結構強度與振動分析；第二部分將探討葉片(包含副葉片)受風力振動時所發出之噪音。目的為尋求一塔架的更佳設計，使得風機運轉時塔架的位移更小、設計更精簡、安全性更高，及達到系統運轉時更加寧靜之目標。 • 本計畫風機葉片長度達10m以上，塔架高度可能至少需為15m，故在塔架設計之初即需要進行動態力學分析，以達到安全、穩定、耐用之目的。垂直軸風力發電機50kW塔架設計案例如圖7所示。 • 計畫執行第一年以有限元素法分析原始設計塔架之自然頻率，以便確定能避開風機葉片轉動之頻率區帶，並引入子計畫三中所得出之風機葉片受力分佈，進行塔架之動態力學分析，以預測塔架在風機運轉之狀況下的位移。第二年中，判斷塔架強度較弱之處，加以補強與修正設計及進行塔架固定座的設計。第三年則進行葉片結構及噪音分析與外型修正，並進行系統整合測試與技術轉移。 圖6 垂直軸風力 發電機50kW塔架設計

10. 計畫內容說明 • 子計畫三：垂直軸風力機葉片之氣動力分析與設計(吳俊諆副教授) • 第一年以翼形元素方法分析如圖4所示宏銳電子公司現有4kW小型垂直軸風力機的葉片，建構一套氣動力與風力機扭力/功率的設計方法，提供宏銳公司進行工程設計。 • 第二、三年進行進階的葉片氣動力分析，將利用計算流體力學對中小型垂直軸風力機(50kW和150kW)葉片做氣動力分析與設計，包括：(1)葉片氣動力特性分析；(2)流場分析以驗證風能轉換電能之性能；(3)計算葉片表面壓力分佈，以供有限元素軟體進行結構分析、試驗及複合材料製作葉片之可靠強度。 • 宏銳公司針對新開發的50kW風力機的葉片外型有二種原型設計，如圖8(a)與圖8(b)所示，以計算流力方式分析這二種葉片的氣動力特性，可提供修改葉片原型設計參考。葉片設計完成後下一階段的工作為葉片製作，程序分為二個步驟：(1) CNC加工製作模具，(2)葉片製作。

11. 計畫內容說明 • 子計畫四：風光互補交/直流與直/直流轉換器與儲能系統之設計 (江炫樟教授) • PV模組必須隨日照度改變其工作電壓以持續操作在最大功率點，才能發揮其最大效益。 • 風力發電機系統的功率-轉速P-ω特性曲線受到風速大小的影響，對中小型風力發電機而言，風速變化較PV電池照度變化更為加快速且頻繁，因此將採用感測直流側電壓及電流計算輸出功率，並以改變直流電壓方式間接調整WTG轉速達到MPPT。 • 再生煞車時能源儲存於蓄電池中。 • 工作於獨立型系統時，當太陽能與風力發電之輸出功率大於負載所能吸收時，為了維持直流電壓的穩定，蓄電池將執行充電控制模式，將多餘的再生能源儲存於蓄電池中，當太陽能與風力發電之輸出功率小於負載所需要時，再執行放電控制模式。 • 子計畫四研製風力與太陽能混合之三相多功能混合式發電系統如圖10所示。 圖8 三相多功能、風光互補、混合式發電系統架構

12. 計畫內容說明 子計畫五：風光互補直/交流轉換器與微電網併聯功能之設計 (林法正教授) 本系統與微電網路併聯時具備優異過渡(Ride-through)能力，當微電網路產生短路等故障造成電壓遽降時，本系統可忍受低電壓一段時間不同步跳脫，避免因微電網系統發電量與用電量嚴重不平衡，導致整體微電網系統崩潰。 設計主動式孤島偵測功能，提供本地負载時，可在孤島運轉及併聯運轉間平穩轉換，對於電壓驟降、故障、停電等，風光互補發電系統可利用本地資訊自動轉變到獨立運轉模式，迅速根據負載要求而控制發電系統出力，在孤島運轉模式與併聯運轉模式之間平穩的轉換。 圖9 子計畫五系統架構圖

13. 計畫主持人個人資料 • 計畫主持人 • 林法正教授：現服務於國立中央大學電機系，近年的研究成果著重於先進電動機驅動與控制、非線性與智慧型控制理論發展與應用、電力電子及機電整合方面之研究，穫致多項研究成果。 • 歷年研究成果發表於SCI國際期刊論文近150篇，其中IEEE與IEE(現改名為IET)期刊論文共120篇，並獲得多項專利。 • 林教授曾執行國科會三年期”智慧型控制之風力驅動感應發電系統之研製”整合型研究計畫與電力工程學門研究發展規劃。 • 共同主持人 • 黃仲欽副教授：現服務於國立台灣科技大學電機系，近年的研究成果著重於再生能源發電系統、永磁同步電動機與發電機設計、驅動系統及開關型電源供給器等電力電子相關研究。 • 黃以玫教授：現服務於國立中央大學機械系，近年之研究成果主要是在主動式壓電式吸振器用於結構之減振與減噪、開孔平板受到移動聲源影響之振動與聲場分析、旋轉樑之動態反應及熱交換器管陣之流沖振動。 • 吳俊諆副教授：現服務於國立中央大學機械系，近年之研究成果著重於開發太陽追蹤器和追日技術來整合高聚光太陽發電(HCPV)系統，以及應用計算流體力學於電子晶片的散熱－微流道冷卻系統和板式熱交換器的單相和二相流分析。 • 江炫樟教授：現服務於國立聯合大學電機系，近年之研究成果主要是在再生能源發電系統研究，可分為市電並聯太陽能發電系統、小型PV式電並聯系統及太陽能與風力混合發電系統之研製。

14. 計畫主持人近三年執行或申請之能源相關研究計畫

15. 計畫關鍵性技術 新型發電機結構之設計，採用軸向磁場之無鐵心繞組架構以及徑向磁場之永磁式發電機結合，同一機構具有類似兩個發電機如圖6，如此可以提高功率密度並減少慣量。 (a)徑向永磁式電機示意圖；(b)軸向永磁式電機馬達示意圖；(c)結合徑向與軸向之永磁式發電機之示意圖 • 新開發的50kW風力機的葉片外型設計，材質採用玻璃纖維，其葉片表面之粗糙造度低於一般鋁質葉片，且葉型採混合雙翼型設計因此風力機之效率可達0.35以上。

16. 計畫關鍵性技術 風光互補直/交流轉換器具備微電網併聯功能之設計本系統與微電網路併聯時具備UL1741規範之優異過渡(Ride-through)能力，當微電網路產生短路等故障造成電壓遽降時，本系統可忍受低電壓一段時間不同步跳脫，避免因微電網系統發電量與用電量嚴重不平衡，導致整體微電網系統崩潰。設計主動式孤島偵測功能，提供本地負载時，可在孤島運轉及併聯運轉間平穩轉換，對於電壓驟降、故障、停電等，風光互補發電系統可利用本地資訊自動轉變到獨立運轉模式，迅速根據負載要求而控制發電系統出力，在孤島運轉模式與併聯運轉模式之間平穩的轉換，並具有微電網peer-to-peer及plug and play之特性。

17. 計畫預期成果 本計畫預期成果如表1所示： 技術項目\年度 第一年 第二年 第三年 發電機設計、分析 發電機設計、分析 混合型發電機設 10kW 25kW 50kW 高效率發電機 與試作及結構串聯成 與試作及結構串聯成 計、分析與製作及 150kW 50kW 50kW 之製作 之製作 發電機設計與技轉 塔架設計、製作、 塔架振動與葉片結構及噪音分析 50kW 塔架設計與技轉 垂直軸風力機塔架 150kW 安裝與測試 葉片設計之修正及 葉片與風力機氣動力分 葉片設計、製作與 50kW 50kW 垂直軸風力機葉片 析 葉片設計與技轉 測試 150kW / / / / 直 交流與直 直流轉換 交 直流與直 直流轉 儲能系統、製作與 系統修正與 50kW 50kW 50kW 150kW 器與儲能系統 換器設計、製作與測試 風光互補系統測試 系統設計與技轉 / / 直 交流轉換器與微電 直 交流轉換器設 微電網併聯系統設 系統測試與修正及 50kW 50kW 50kW 系統設計與技轉 網併聯系統 計、製作與測試 計、製作與測試 150kW 表1 各子計畫預期成果

18. 計畫技轉項目 • 計畫技轉項目： • 10kW發電機設計、25kW發電機設計、50kW混合型發電機設計及150kW發電機設計。 • 塔架振動與葉片結構及噪音分析軟體。 • 50kW與150kW塔架設計。 • 50kW與150kW葉片與風力機氣動力分析軟體。 • 50kW與150kW交/直流與直/直流轉換器設計軟硬體。 • 50kW及150kW直/交流轉換器設計與微電網併聯系統設計軟硬體。