[OWF]Wind Turbine Generator風力發電機知識
目錄
1.前言
2.簡介
3.風機技術分析
4.著名風機葉片大廠
5.風場選址規劃
6.除役前言
進了風電業不能不了解風力發電原理，於是我在Coursera修了丹麥技術大學DTU的 Wind Energy，閱讀公司內部講義。想利用筆記和網路上的影片介紹給大家。
簡介
風電就是利用風吹動風機葉片，將旋轉的動能經過發電機轉換成電能，再透過電力設備輸送到電網
How Wind Power Works
風機的歷史：風機從埃及和巴比倫發源，被東征軍帶到西方
現代風機結構：有垂直和水平軸風機，垂直軸風機限於guy wire(牽索)有高度限制，所以水平軸比較適合發電
風機控制: (見下方分析)
能源經濟，在美國風能約(0.04~0.1USD/KWh)
1MW 大約可以供給1000家庭用電一年
政府誘因:風機擁有者得到政府tax credit可以轉售給能源公司使其滿足綠能規範、政府補貼
Wind Turbine Cost: How Much? Are They Worth It In 2020?
風機技術分析
以台灣Formosa II風場的風機Simens Gamesa SG 8.0–167 DD的Spec
可以看到以下關鍵數據:
IEC Wind class:I, S
Rotor diameter:167 m
Blade length:81.4 m
Nominal power:8MW
permanent magnet generator
The High Wind Ride Through (HWRT) system:when wind is stronger than 25m/s, the turbine shut down itself
IntegralBlade® technology:fiberglass-reinforced epoxy blade to be cast in one piece.
PS.IEC=International Electrotechnical Commission
Wind Turbine components
-Nose Cone
-Rotor=Hub(blade cuff)+blades+spinner+Pitch bearing and system
-Nacelle(shaft, brake, gearbox, generator, transformor )
-Tower
-Foundation: Monopile, Jacket, Tripod ,floating
Blade design — formula for power generated by a wind turbine
P =0.5*ρ*Cp*A*V^3
ρ (Air Density): changes with height above sea level
Cp varies with tip speed ratio and pitch angle
A is the swept area of the circle
V(Wind speed): generally increase with height, ground roughness is also a factor
PS. tip speed ratio λ= ωR/V
Lift (L) : Force normal to relative inlet velocity W1
Drag (D) : Force parallel to relative inlet velocity W1
葉片長度和發電量:發電量跟葉片長度平方成正比(見上方公式)
葉片流體力學造成lift和drag使葉片轉動(見上方公式)
What makes a wind turbine rotate
風機為何三個葉片?三個葉片使塔架承受的風壓平均
風機為什麼都順時針轉?葉片設計剛好使lift向右
Manufacturing of wind turbine blade
葉片由玻璃纖維強化樹脂、木板材、碳纖維、導電金屬…所組成
在模具上，透過樹脂硬化堆疊而成，而後上下模透過超音波合在一起，最後做表面處理和上漆。最難之處是讓樹脂充分澆注以及真空袋不破掉。
Degree of freedom
風機有三個轉向自由度
-Pitch Control System 俯傾角
Hydraulic
當低風速時旋轉葉片垂直風向以擷取風能， 可獲得較低的啟動風速，當風速大時則使葉片Pitch角度增加，以減少葉片擷取風能，避免轉速過大，並保護葉片。
-Yaw System 迎風面轉向角度
在機組接近起動風速時由機艙頂部風向計weather vane測得 之風向與機艙方向作比較，使風機對準風向迎 風動作
-Azimuth 葉片轉動角度
rotation of rotor 風機葉片轉動
通常颱風來葉片azimuth方向會鎖死
Generator
Online Courses
關於更多可以免費報名Wind Energy by Technical University of Denmark (DTU) on Coursera,只是證書要49USD，我完成後截圖證明。這對於找風電公司有加分，內容大綱如下：
Week1 Introduction to wind energy
Week2 Wind profiles and wind resources
Week3 Economics of wind energy and wind turbine technology and components
- Economics of wind energy
-Simple payback time
-Net present value
-Levelised cost of energy LCoE
find all the cost(capital investment+O&M cost+decommissioning cost) and amortise the cost to the future say 20 years of commisioning. Then Divide the annual cost by annual energy production(AEP) and compare with electricty sale price to calculate the profit - Wind turbine technology and components
Week4 Wind Turbine Design and Manufacturing
Week5 Structural Design of Wind Turbine Blades+Wind turbine rotor speed control strategy
著名風機葉片大廠
所有風機廠商名單，以下舉台灣常聽到的
STX : 韓國廠，最大2MW
Enercon：德國廠
Hitachi ：在台灣彰化TPC專案導入
Vestas : 丹麥,生產CIP彰芳西島風場 V174–9.5 MW ,rotor diameter 174m,85m blade
Siemens Gamesa : 西門子併購西班牙Gamesa，在台灣苗栗海能風場導入
GE: 風機 Haliade-X 14MW , 葉片107m
風場選址規劃
考量因素
(一)風場特性 (二)土地取得及其利用現況 (三)輸配電狀況 (四)生態保育影響 (五)地質及施工條件 (六)交通運輸狀況
年均風速4.0m/s以上的地區即具有開發風力發電之潛力例如：農田、山脊、海岸邊、河道旁
利用風速和時間曲線 和風機性能曲線 可以估算發電量
Site Layout風機佈置間距
由於台灣地區盛行東北/西南季風的氣候特性， 風力機合理之設置間隔為迎風面間距2~4D(D:葉片直徑)， 縱向間距為4~6D以上可避免下方風機受影響
除役
業界正在找尋如何更有效回收葉片的科技
