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作者:楊哲彰(2005-08-20);推薦:徐業良(2005-08-21)
附註:本文為申請95年國科會∕原能會科技學術合作研究計畫計畫書。

小型風力發電機監測系統之設計

計畫中文摘要

台灣非常有潛力發展風力發電,除發電機本身設計外,相關監測系統之設計,以及如何結合感測技術與如網際網路等通訊科技,作自動化、遠距之長期監控,也是風力發電上很重要之研究課題。本計畫的目的在以單晶片網路伺服器為基礎的分散式資料伺服架構,建立一套小型風力發電機監測系統,監測項目包括氣候與環境監測、風力發電機噪音監測、以及發電機運轉狀況監測。本計畫將以元智大學現有之小型風力發電機為監測系統之測試、驗證平台,預計以二年時間完成監測系統之設計、雛形開發、及功能測試。

關鍵詞:風力發電、遠端監測

計畫英文摘要

Wind power has great potential in Taiwan. How to combine sensing and communication technologies to construct a long-term remote monitoring system for wind power generator is also an important research issue. The purpose of this project is to develop a remote monitoring system based on the “distributed data server” concept for small wind power generator. This project will use the small wind power generator currently established in YZU as our testing platform, and we plan to complete the prototype and the testing of this system in two years.

Keywords: wind power, remote monitoring

1.     近五年內主要研究成果說明

計畫主持人徐業良教授過去五年(2000/8~2005/7)主持或共同主持國科會計畫共23件,產學合作計畫共16件,發表學術期刊論文17篇,國內外專利7篇,並有多項技術移轉,主持研究計畫經驗豐富,研究成果也十分豐碩。近年徐業良教授研究的重點將放在「遠距居家照護(tele-homecare)」相關技術與產品之研發,包括居家健康監測系統,及居家照護機器人之開發,在遠距監測技術上之開發已有具體成果,對於感測系統設計、遠端監測、以單晶片網路伺服器(此部分為本計畫共同主持人吳昌暉副教授之專長)為基礎的分散式監測系統,都有相當經驗,並已有具體可用之技術。本計畫另一位共同主持人魏榮宗副教授則在電力系統研究上有相當傑出的貢獻,特別是再生能源如燃料電池、風力發電、太陽能發電的電力監控上有豐富的實務經驗。三位教授過去有長期合作經驗,合作默契極佳,且對此計畫提供不同專長,應能成功完成本項計畫。

2.     研究計畫之背景及目的

風力發電機利用風力機將風能轉換為機械能,接著利用發電機將機械能轉換為電能,依目前的技術,每秒大約3公尺的微風速度,便可以開始發電,輸出之電能調節後可為市用交流電、或轉換成直流電後以蓄電池儲存。常見風力發電機的構造如圖1所示,各元件功能說明如下:

(1)   發電機:將機械能轉換為電能

(2)   傳動軸:將葉片轉動的機械能傳遞至發電機

(3)   葉片:利用風力帶動旋轉,將風能轉換為機械能

(4)   葉片軸承:負荷葉片轉子的軸承,除連接葉片外,亦連接傳動軸

(5)   控制單元:調節轉向以及轉速比

(6)   風向、風速計:測量風向與風速

(7)   塔架:支撐風力機

1. 風力發電機構造【http://www.tepco.co.jp/

風力發電機組依據發電功率可區分為小型、中型、及大型三類(如圖2),小型風力發電機一般定義為發電量低於10KW者,其葉片半徑約7m以下,由於此類型風機發電量低,因此除了提供市電之外,亦可轉換為直流電,以蓄電池儲存。發電量達10KW100KW者為中型,超過100KW者為大型,其葉片直徑超過100m,塔架高度也超過100m,所有的發電機組都可與市電系統構成並聯網路。

2. 1.5Mw大型(左)、100KW中型(中)以及10KW小型(右)風力發電機

台灣石化能源短缺,幾乎完全依賴進口,但台灣優越的地理位置與環境氣候,使得全台大部分面積都有不錯的風能密度,是台灣豐富的天然再生能源之一。目前歐美先進國家對於風力發電之技術與裝置已達成熟階段,商品化與應用化也已相當普及,台灣亦非常有潛力發展風力發電,尤其是小型風力發電機裝置,正是目前發展的趨勢,其優點為構造簡單、造價低廉,當需要大量發電時亦可連合起來構成一個大的風場(wind farm)使用。風力發電除發電機本身設計外,相關監測系統之設計,包括對於氣候、環境,以及發電機運轉狀況的監測,也是必須注意的重點。如何結合感測技術與如網際網路等通訊科技,作自動化、遠距之長期監控,是風力發電上很重要之研究課題。

本計畫的目的在以單晶片網路伺服器為基礎的分散式資料伺服架構,建立一套小型風力發電機監測系統,監測項目包括氣候與環境監測(如風向、風速、溫度、濕度等)、風力發電機噪音監測、以及發電機運轉狀況監測(如葉片轉速以及風力發電之電壓、電流、功率等)。元智大學目前架設一座研究用之小型風力發電機組(如圖3),系統規格如表1,最大發電功率為1400W,並結合太陽能發電系統,與現有市電系統構成並聯式供電網路。本計畫將以元智大學現有之小型風力發電機為監測系統之測試、驗證平台,預計以二年時間完成監測系統之設計、雛形開發、及功能測試。

3. 併網式小型風力發電機(Fortis Passat 1400

1. 併網式小型風力發電機規格

風力發電機

製造廠商

FORTIS

型號

Fortis Passat 1400

額定功率

1400W

葉片半徑

3.12 m

起始風速

3 m/s

截止風速

12 m/s

併網型單相反流器

製造廠商

SMA (USA)

型號

Sunny Boy 110U

最大輸入功率

1500 W

輸入電壓範圍

139 to 400V (DC)

最大輸出功率

1100 W

輸出電壓範圍

211 to 264 V (AC)

併網型風力發電系統規格

供電型式

並聯型

系統輸出電壓

單相 220V (AC)

感測器

交流電壓、交流電流、發電功率以及機械瓦時計

3.     研究方法、進行步驟及執行進度

4為本計畫中小型風力發電機監測系統之架構規劃。以下分為監測項目、監測資料處理與儲存、以及資料傳輸架構等三部分說明之。

(1) 監測項目

監測項目部分,分為風場氣候環境及發電機運轉狀況監測等兩類項目規劃。風場氣候環境中,初步規劃監測項目包括風向、風速、溫度、濕度以及風力發電機風爆音造成之噪音等項目,發電機運轉狀況則主要包括葉片轉速以及風力發電之電壓、電流、功率等。同時可配合其他綠色能源裝置,如太陽能、燃料電池發電系統等做整體監控規劃,可擴充監測項目及功能如太陽照度,以及太陽光電、燃料電池發電之電流、電壓等監測項目。

4. 風力發電監測系統之架構規劃

(2)監測資料處理與儲存

目前商業化的風力發電機組,在安全的考量下,多已採用兩套獨立的安全制動機制,且為失效(fail-safe)保護設計,一者有異常狀況發生即使發電機組停止運轉,或者以PC作長期運轉監控。對小型風力發電機而言,若每組風力發電機機組都以PC來監控,所花費的成本將很高,且風力發電環境條件嚴苛,平常較難到達作現場維護,監測系統本身的可靠度更顯重要。

如圖4所示,本計畫規劃之風力發電監測系統以單一風力發電機為單位,不使用PC作監控,而採用單晶片網路伺服器為基礎的分散式資料伺服器(distributed data server)。與PC相較,以單晶片網路伺服器為基礎的分散式資料伺服器有低成本、能適應嚴苛環境、不當機、不受病毒攻擊等優點,更適合風力發電監測系統。各感測器感測訊號以無線或有線方式傳輸至分散式資料伺服器,經初步處理後儲存於此,而各個分散式資料伺服器的監測資料可由遠端管理中心的PC存取。

(3)資料傳輸架構

長期、大量、穩定的監測,必須要有大頻寬、可靠度高、基礎建設完備的傳輸平台,網際網路顯然是最佳選擇。如前所述監測資料經初步處理後儲存於分散式資料伺服器,每一分散式資料伺服器都有一IP位址,管理中心或維修中心再定時以批次方式透過網際網路分批下載各風力發電機分散式資料伺服器內的監測資料,避免在網際網路上直接傳輸監測訊號原始資料,如此可降低網際網路傳輸負擔,也增加傳輸之安全性與可靠度。分散式資料伺服器本身具備事件驅動(Event Driven)的能力,異常事件發生時能夠以指定通訊方式,如電子郵件或手機簡訊等通知管理中心或維修中心。

本計畫進行步驟與執行進度如圖5所示,本計畫第一年期先針對監測項目、監測資料處理與儲存兩部分進行研究,包括透過研究文獻探討等方式瞭解風力發電機監測項目及規格,並尋找相關感測器、建立相關感測技術,同時並要研究各感測器訊號的擷取與無線傳輸、規劃感測器資料儲存格式,並實際設計製作完成分散式資料伺服器原型後,將系統實際建置於元智大學的小型風力發電機上進行測試,檢視分散式資料伺服器是否能正確擷取、儲存所有感測器資訊。

5. 進行步驟與執行進度

本計畫第二年主要工作則在建構完成一資料傳輸架構,包括網際網路資料傳輸平台及事件驅動訊息傳輸平台。同時也要建構完成遠端監測之軟體介面,初步規劃將以VB撰寫,至少應具備即時監測資料讀取、長期歷史資料統計、與使用者定義與維護等三個介面。最後將以至少四個月時間建立模擬之管理中心,實際長期模擬測試,除一般功能性測試外,重點還包括長期監測之可靠性測試,驗證從感測器到分散式資料伺服器、網際網路、到管理中心之資料傳輸路徑之穩定性。

4.     預期完成之工作項目及成果

本計畫最終目標在於開發一套可供商品化實際應用之小型風力發電機監測系統原型。各年度預期完成之工作項目及成果條列如下:

第一年:

l          完成風力發電機監測項目及規格規劃。

l          完成相關感測技術的建立。

l          完成各感測器訊號的擷取與無線傳輸技術開發。

l          完成感測器資料儲存格式規劃。

l          實際設計製作完成分散式資料伺服器原型。

l          確認分散式資料伺服器是否能正確擷取、儲存所有感測器資訊。

第二年:

l          建構完成網際網路資料傳輸平台。

l          建構完成事件驅動訊息傳輸平台。

l          建構完成遠端監測之軟體介面,包括即時監測資料讀取、長期歷史資料統計、與使用者定義與維護等三個介面。

l          建立模擬之管理中心,完成實際長期模擬測試,確認從感測器到分散式資料伺服器、網際網路、到管理中心之資料傳輸路徑之穩定性。