風力發電-初章

一、風能基本原理

風能（Wind power, wind energy）是指風所產生的能量，即大規模氣體流動所產生能量以及其應用，主要應用為風力發電，係利用風帶動風力發動機運轉；另可用於非電力應用，例如帆船、風車等。在電力應用普及以前，人們就懂得利用風能，例如在西元前人們就已經用帆船橫渡大海，另外會利用風車來磨碎穀物或抽水。
空氣流動具有的動能稱風能，空氣流速越高，動能越大。用風車可以把風的動能轉化為有用的機械能，而用風力發動機可以把風的動能轉化爲電力，其原理為透過傳動軸，將轉子（由以空氣動力推動的扇葉組成）的旋轉動力傳送至發電機。

風能是風的能量轉換成可利用的能量形式，例如使用風力渦輪機產生電力、風車產生機械動力、風泵抽水或排水，或風帆推動船。在現代，渦輪葉片將氣流的機械能以發電機轉為電能。

風力發電機又可分為水平軸風力發電機和垂直軸風力發電機，垂直軸風力發電機又分為幾種，譬如Darrieus風機或Gorlov風機。

 1919年，德國物理學家貝茲認為，不管如何設計渦輪，風機最多只能提取風中59%的能量，此稱為貝茲極限定律（Betz Limit）。現今正在運作的風力發電機所能達到的極限約為40%。[18]大多數風力發電機實際效率範圍從20%到40%[19]。

風力發電的細長（高展弦比）的風機葉片，在低速有比較高效率。  

風速與發電量計算
2002年位於科羅拉多的李大農場設施所測風速發生的頻率（紅色）和產生的能量（藍色）。直方圖顯示被測量的數據，而曲線是相同的平均風速分布（Rayleigh模式）。能源是風直接通過一個直徑100米的圓圈而計算的。一年通過這個圈子的總能量為1,540萬度。

因為自然界中的風速常變化，並且給定地點所得的潛勢風能（Potential Wind Energy）並不代表風力發電機在該處實際可以產生的能量。為了估計在某一特定位置的風速頻率，必須使用風速機率分布函數來分析該地的風速歷史數據。風力發電最常用的風速機率函數為韋伯分布（Weibull Distribution），可較準確地反映在各個地點每小時的風速機率分布。韋伯分布中形狀參數 k=2 時便是瑞利分布（Rayleigh Distribution），瑞利分布的另一參數可由平均風速來換算，因此常被作為一個較粗略但更簡單的機率模型。

因為地表附近，高度愈高，風速愈大。而風能是與風速的三次方成所正比，所以風機高度愈高，發電量愈多，因此現今有許多風機的高度都超過100公尺。

因為自然界中的風速並不穩定，所以無法像使用燃料的火力發電廠一樣，可以依照用電需求來調整發電量。因此風力發電整年發電量的計算方法與其他能源不同。安裝良好的風力發電機實際的發電量可達40%，跟一般使用燃料的發電廠的渦輪機相比（1000kW的風力發電機），每年可發電量最多可到400kW。雖然風能輸出的功率是難以預測的，但每年發電量的變化應在幾個百分比之內。而在地球表面一定範圍內，經過長期測量、調查與統計得出的平均風能密度的概況，通常以密度線標示在地圖上。

因風能不能持續產生，常以抽水蓄能電站或其他方法來儲存風能以保持電力能持續供應，這大約增加25%費用。  

全球風力發電統計 

	2000	2001	2002	2003	2004	2005	2006	2007	2008	2009
裝置量(MW)	17,724	24,521	31,531	39,086	47,403	58,969	74,413	91,894	116,512	151,656
發電量(GWh)	31,419	38,390	52,331	62,916	85,116	104,086	132,859	170,686	220,569	275,929
佔全球發電量比	0.20%	0.24%	0.32%	0.37%	0.48%	0.56%	0.69%	0.85%	1.08%	1.36%
	2010	2011	2012	2013	2014	2015	2016	2017
裝置量(MW)	182,901	222,517	269,853	303,113	351,618	417,144	467,698	514,798
發電量(GWh)	341,565	436,803	523,814	645,721	712,407	831,826	959,468	1,122,745
佔全球發電量比	1.58%	1.96%	2.30%	2.75%	2.98%	3.42%	3.85%	4.39%

 接下來我們會對風力發電原理、使用定律、簡易實作、應用實作、未來各種風力發電裝置等作解說。