集風式風力發電系統與追日式太陽能...

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集風式風力發電系統與追日式太陽能發電系統之效能評估

卓胡誼許心怡嵇建安

國立高雄應用科技大學電機工程系

摘要

目前的風力發電系統都無設置集風裝置，使得大多數的時間風力機的輸出無法達

到額定風速，而產生發電量不足的問題。因風力機的輸出與風速的三次方成正比，假

若能添加集風裝置，花費少許的金錢便可使發電量大幅提升，這將是非常值得施行的；

同時，目前大部分的太陽能發電系統都無設置追日裝置，當陽光斜射時，效率將會嚴重

降低。假若裝設追日裝置，將可使發電量大幅提升。故本研究以實測方式探討有無添加

集風裝置對風力發電機發電量的影響，以及設置追日裝置對太陽能發電系統發電量的影

響。

關鍵字：風力發電系統、太陽能發電系統、集風裝置、追日裝置

壹、前言

因應全球氣候變遷及環保意識的自覺，為了永續發展，依1997年「京都議定書」

之決議，2012年前主要工業發達國家溫室氣體排放量要在1990年的基礎上平均減少

5.2%[1]；且現在國際石油價格的不穩定，新油田開發困難，顯示石油終有用盡的一天，

全球能源短缺的趨勢愈發明顯。因此，世界各國都積極開發再生能源。在各種再生能源

之中，風力與太陽能因低污染、普遍性與技術較成熟等因素，是最受重視的項目。

風力的利用為一種古老的技術，主要用於推動水車與磨坊的動力，歐洲與美國，以

及中國等地區早就開始應用此種技術，當全球面臨金融風暴、能源危機及氣候的變遷、

環境污染日趨嚴峻，風能提供了一種乾淨可靠的解決方法。世界風能協會(World Wind

Energy Association, WWEA)全球風力報告資料統計至2009年底止，全球風力裝置容量

已達159.2GW[2]。

在歐洲一般配電網路無法到達的偏遠地區，以往多以柴油發電機分散型發電系統供

電。而目前發展之獨立配電網路，可以依需求來擴充或連結，由德國聯邦環境、自然保

護與核能安全部(Federal Ministry of Environment, Preservation of Nature and Nuclear

Safety, BUM)提出小型風力發電機開發計畫，其裝置容量約5KW，已可在獨立小型區發

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電站中運轉，在2004年於德國Kaiser-Wilhelm-Koog和Alte Schanze兩地進行測試計畫，

獲得令人滿意的結果，更小量生產小型風力發電機推廣至全球各國家特定地點測試，如

希臘亞素山、法國La Baume走廊、愛爾蘭克利半島、西班牙田納里夫等[3]。而德國、西

班牙、美國、丹麥、印度、義大利、荷蘭、日本以及英國等國家，風力發電的裝置容量

都高過1,000百萬瓦特 [4]。

又如中國大陸是一個風力資源相當豐富的國家，在風能開發政策的推動下，全國累

計安裝小型風力發電機近20萬台，對於中國大陸西部無電地區農牧民生產生活用電方面

亦發揮了重要的作用。目前中國大陸已有四十多個風力發電廠，總裝機容量達到七十六

萬千瓦。還預計在年平均風速達每秒七點九公尺的張北滿井風場，安裝三十台單機容量

一千五百千瓦的風力發電機，總裝置容量高達四十五兆瓦。此外，新疆托里三十兆瓦的

風電廠也在加緊進行 [4]。

臺灣位於歐亞陸塊與太平洋交界處，受這個獨特地理位置的影響，在氣候上有非常

明顯的東北季風與西南季風季節，加上中央山脈與福建武夷山系的地型效應，使得臺灣

的季風特別強勁。由於地理位置影響，臺灣蘊藏著豐富的風力資源，主要分佈於西部沿

岸、恆春半島及澎湖離島地區。根據工研院能資所研究資料，臺灣地區地面風場年平均

風速達到秒速5至6公尺以上的強風區域超過2,000平方公里，風力潛能約3,000MW，估

計臺灣地區至少有1,000MW以上陸上風能潛能。海上風能潛力方面，臺灣西海岸約有

2,000MW以上發展潛力，估計可安裝3,000 MW的風力發電機組。以2MW須要投資新臺

幣一億元估計，臺灣的風電產業將有1,500億元的潛在商機。截至2007年臺灣地區新增

裝置風力機容量為93.4MW，累計裝置容量為281.6MW，2006年風力發電產業年產值為

7億新臺幣。目前風力發電開發多集中於彰化縣以北沿海地區，已裝置風力發電機155

部，年發電量7.6億度/年，可提供家戶用電21萬戶 [5]。依據我國能源政策白皮書，臺灣

的風力發電量將從2004年的9MW，於2010年提升到2,159MW。風力發電佔總裝置容量

的配比，也將從2004年的0.02%，在2010年提升至4.2%[6]。因此，台電公司擬定「風力

發電十年發展計畫」，規劃在民國一百年前設置至少200部風力機組，總裝置容量達30

萬瓩以上。台電第一期計畫將裝設60部共10萬瓩的風力發電機組，預計在九十四年底可

全部完工商轉；而多家民間廠商亦積極規劃在桃竹苗、中彰、雲嘉南及屏東濱海地區大

規模開發 [7]。目前，耗資二億一千萬元，興建於屏東縣恆春鎮台電核三廠西邊的三座風

車，已經開始加入供電行列，預定運轉廿年。這三座風車，利用恆春地區長達半年以上

的落山風進行發電，每座每小時發電一千五百千瓦，每座距離二百公尺，基座加上葉片

則高達一百公尺，民眾只要經過屏鵝公路恆春南灣路段時，就可以看到，非常顯眼，已

成為恆春半島的新地標[4]。

風力發電機可區隔為大型風力發電機其目標為與電廠電網結合，小型風力發電機

則提供民眾另一種供電的選擇，主要供給住家與小型工商業使用，隨著風力發電機的技

術演進，風力發電漸漸跨入民生商用領域，甚至在具有足夠風能的區域有後來居上的潛

力。小型風力機與大型風機不同，可進入一般商業用途，如工廠屋頂、住家與商業節能

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大樓、郊區別墅、通信基地台、魚塭、離島、漁船。在臺灣，行政院國家科學委員會與

經濟部能源委員會亦曾委託學術單位於台南傳統養殖業場所進行小型風力與太陽能發電

研究，評估電力節能效益 [8]。

臺灣為一缺乏礦產的海島，能源的生產原料，主要仰賴進口燃油、燃煤及核能，原

料不僅受制於外國，且因使用石化燃料，而造成之環境污染也始終無法消除。而風能是

自產能源，利用風能可減少對進口石化能源的依賴，達成能源多元、分散性及自主性的

目標。近年風力發電技術更趨成熟，發電成本逐漸下降，若以20年為風力發電機使用期

限及分攤折舊成本，我國臺灣地區風力發電每度電的成本約為2.01元至2.41元 [9]，風能

的發展成本已頗為低廉。

本研究以位於國立高雄應用科技大學育賢樓的樓頂裝置之風速風向計實際量測之風

速資料和風力發電機實際量測之發電量資料，探討有無添加集風裝置對風力發電機發電

量的影響，以加速風能的應用與推廣。

另一方面，不論在偏遠的高山或海邊，城市或鄉村，沙漠或離島，富國或窮國，一

律都可以利用太陽能，因此，在原油價格飆漲的國際局勢下，太陽能成為各國爭相發展

的新能源。許多國家都由政府制定高額補助計畫，極力發展太陽能。美國加州公用事業

委員會於2006年1月12日通過決議，未來十年內，將由州政府補助30億美元，鼓勵州民

在屋頂上裝置太陽光電板，發電量盼達3,000百萬瓦，約相當於可提供2.2百萬戶電力需

求，減少不必要增建6座大型現代化火力發電廠[10]。日本自1994年起推動7萬戶計畫，並

提供低利融資貸款，減免國稅5％、地方稅7％，2004年日本太陽光電技術研發經費即約

30億新台幣。德國自1999年至2004年推動十萬戶計畫，政府的補助預算粗估約達11億

馬克，並提供10年無息貸款。另外也保證太陽光電系統所發出的電力，電力公司必需以

3倍的市價向其收購[11]。而澳洲、西班牙、印度等國也都積極推廣太陽能的使用。在非

洲，一項獲得約旦親王支持、斥資逾50億英鎊（約合新台幣3334億元）的非洲太陽能發

電計畫，可望提供歐盟國家六分之一的電力所需，同時還能減少碳排放。這項名為「沙

漠科技」的計畫，並獲歐洲各國以及摩洛哥、阿爾及利亞、利比亞、約旦與其他中東與

非洲國家的工程師與政治人物的支持。歐洲國家將提供經營電廠與興建原型電廠所需的

初步經費，稍後將由銀行、金融機構與各國政府將接管興建方案，估計未來30年的建造

經費會超過2000億英鎊（新台幣13兆） [12]。

台灣地處亞熱帶，尤其中南部地區有北回歸線經過，全年日照充足，是發展太陽能

系統非常理想之地區，不過由於目前太陽能板轉換效率偏低，且太陽能板價格又相當昂

貴，因此，造成目前台灣的太陽能系統大部分只限於政府少數的示範系統，民眾願意投

入運用少之又少，急待技術提升與成本降低來產生更大的誘因，所以，如何增加太陽能

板吸收的太陽光能是非常值得研究的課題。

目前大部分的太陽能發電系統，都沒有設置追日裝置，因為太陽每天會由東往西

移動，沒有追日功能的固定式太陽能發電系統，在上午與下午陽光斜射時，效率嚴重降

低，若裝設追日裝置，將可使發電量大大提升。所以，本研究以位於國立高雄應用科技

220

大學育賢樓的樓頂裝置之固定式與追日式太陽能發電系統，實際量測之發電資料，探討

有無添加追日裝置對太陽能發電系統發電量的影響，以促進太陽能的推廣與應用。

貳、風力發電

因為地球自轉，不同地域對太陽輻射吸收不均所造成的溫度差等因素，所引起的空

氣流動就是風。十九世紀末丹麥的氣象學家保羅‧拉‧庫爾（Poul La Cour）製造了第

一部風力發電機，風力發電機主要是藉由空氣的流動來轉動葉片，把風能轉換成電能，

近年來由於技術的進步，使風力機的輸出效率提高到20∼45％[13]。

風吹在葉片上所產生的力F為[14]風吹在葉片上所產生的力 F為[14]

( )a oF AV V V (1)其中 F的單位為(公斤-公尺/秒 2)，ρ為空氣密度(公斤/立方公尺)，A為葉片

掃過區域的截面積(平方公尺)，Va為葉片位置的平均風速(公尺/秒)，V為進入葉片的風速(公尺/秒)，Vo為離開葉片的風速(公尺/秒)。則在葉片轉軸產生的功率 P為

2 ( )a a oP F V AV V V (2)

該功率等於風經過葉片的動能變化，亦即為

2 21 ( )2 oP M V V (3)

其中M為經過葉片的風(空氣)的重量

aM AV (4)

將(4)式代入(3)式，並運用(2)式與(3)式相等的關係可求得1 ( )2a oV V V (5)

將(5)式代入(2)式可求得

2 21 ( ) ( )4 o oP A V V V V (6)

將(6)式對離開葉片的風速 Vo微分可求得

1 ( ) ( 3 )4 o o

o

dP A V V V VdV

(7)

令(7)式等於零，可求得 P的最大值發生在離開葉片風速 Vo為進入葉片風速

V的 1/3倍時，亦即

3oVV (8)

將(8)式代入(6)式可求出 P的最大值為

33max max

8 127 2 pP AV C AV (9)

其中 Cpmax為 0.59，為風力機葉片理想最高效率。不過，因為一定會有損失，故此理想值不可能達到，所以，通常將風力機葉片轉軸產生的功率寫為

221

312 pP C AV (10)

其中 Cp為風力機葉片的效率。

5

312 pP C AV (10)

其中 Cp為風力機葉片的效率。

每部風力機的 Cp值皆不同，但是，同一部風力機的 Cp值可藉由調整葉片的

角度而改變，一般風力機的運轉控制，呈現如圖 1所示的五個區域:

圖 1風力機輸出曲線圖

第一、尚未啟動區：因風速小於啟動風速，風力機無法啟動，呈現停機狀態。

第二、固定 Cp區：風速介於啟動風速與額定風速之間，控制策略為隨風速之變

化，調整葉片的角度，使 Cp保持於最佳值，以便使發電量為最大。

第三、固定功率區: 風速介於額定風速與”接近”切離風速之間，控制策略為隨風速之變化，調整葉片的角度，使輸出保持於額定值，防止機組因長時間過

載，而減少可使用之年限。

第四、煞車減速區:風速介於”接近”切離風速與切離風速之間，控制策略為隨風速之變化，調整葉片的角度，並啟動煞車裝置，開始減速，以預防風力機

在萬一突然超過切離風速時，無法立即停機而遭受損害，不過，因為煞車

減速的關係，輸出將逐漸下降。

第五、強制停機區：風速超過切離風速，為了避免風力機因風力太強而造成損壞，

必須採取強制停機的措施。

由(10)式可知:風力機的輸出與風速的三次方成正比，因此，裝設風力機的位址必須選擇風速較強的地區。但是，同一地點在不同高度的風速也會不一樣，假

設某一地點在 h1(公尺)高度的風速為 V1(公尺/秒)，在 h2(公尺)高度的風速為V2(公尺/秒)，則存在以下關係式

輸出

風速

尚未

啟動

區

固定

Cp區

固定功率區煞車

減速

區

強制停機區

啟動

風速

額定風速接近切離風速

切離

風速

每部風力機的Cp值皆不同，但是，同一部風力機的Cp值可藉由調整葉片的角度而改

變，一般風力機的運轉控制，呈現如圖1所示的五個區域：

圖1 風力機輸出曲線圖

第一、尚未啟動區：因風速小於啟動風速，風力機無法啟動，呈現停機狀態。

第二、固定Cp區：風速介於啟動風速與額定風速之間，控制策略為隨風速之變化，調整

葉片的角度，使Cp保持於最佳值，以便使發電量為最大。

第三、固定功率區: 風速介於額定風速與“接近”切離風速之間，控制策略為隨風速之

變化，調整葉片的角度，使輸出保持於額定值，防止機組因長時間過載，而減少

可使用之年限。

第四、煞車減速區：風速介於“接近”切離風速與切離風速之間，控制策略為隨風速之

變化，調整葉片的角度，並啟動煞車裝置，開始減速，以預防風力機在萬一突然

超過切離風速時，無法立即停機而遭受損害，不過，因為煞車減速的關係，輸出

將逐漸下降。

第五、強制停機區：風速超過切離風速，為了避免風力機因風力太強而造成損壞，必須

採取強制停機的措施。

由(10)式可知:風力機的輸出與風速的三次方成正比，因此，裝設風力機的位址必須

選擇風速較強的地區。但是，同一地點在不同高度的風速也會不一樣，假設某一地點在

h1(公尺)高度的風速為V1(公尺/秒)，在h2(公尺)高度的風速為V2(公尺/秒)，則存在以下

風吹在葉片上所產生的力 F為[14]( )a oF AV V V (1)

其中 F的單位為(公斤-公尺/秒 2)，ρ為空氣密度(公斤/立方公尺)，A為葉片掃過區域的截面積(平方公尺)，Va為葉片位置的平均風速(公尺/秒)，V為進入葉片的風速(公尺/秒)，Vo為離開葉片的風速(公尺/秒)。則在葉片轉軸產生的功率 P為

2 ( )a a oP F V AV V V (2)

該功率等於風經過葉片的動能變化，亦即為

2 21 ( )2 oP M V V (3)

其中M為經過葉片的風(空氣)的重量

aM AV (4)

將(4)式代入(3)式，並運用(2)式與(3)式相等的關係可求得1 ( )2a oV V V (5)

將(5)式代入(2)式可求得

2 21 ( ) ( )4 o oP A V V V V (6)

將(6)式對離開葉片的風速 Vo微分可求得

1 ( ) ( 3 )4 o o

o

dP A V V V VdV

(7)

令(7)式等於零，可求得 P的最大值發生在離開葉片風速 Vo為進入葉片風速

V的 1/3倍時，亦即

3oVV (8)

將(8)式代入(6)式可求出 P的最大值為

33max max

8 127 2 pP AV C AV (9)

其中 Cpmax為 0.59，為風力機葉片理想最高效率。不過，因為一定會有損失，故此理想值不可能達到，所以，通常將風力機葉片轉軸產生的功率寫為

222

關係式

22 11

ahV Vh

(11)

其中 a為該地點地表的摩擦係數。各種地形的摩擦係數如表 1。

6

22 11

ahV Vh

(11)

其中 a為該地點地表的摩擦係數。各種地形的摩擦係數如表 1。

表 1各種地形的摩擦係數地形摩擦係數

海面 0.1草原 0.15高的農作物區域 0.2一般房舍的村落 0.3高樓大廈的都市 0.4

假設某一高的農作物區域，在 2(公尺)高度的風速為 6(公尺/秒)，則由公式(2-11)可知:在 10(公尺)高度的風速為 8.3(公尺/秒)，在 20(公尺)高度的風速為9.5(公尺/秒)，在 30(公尺)高度的風速為 10.3(公尺/秒)，在 40(公尺)高度的風速為10.9(公尺/秒)，在 50(公尺)高度的風速為 11.4(公尺/秒)，在 60(公尺)高度的風速為 11.8(公尺/秒)，因為離地面愈高，障礙物就愈少，風速就愈大，因此，為了擷取更多風能，必須要增加塔架的高度。

此外，由(10)式可知:風力機的輸出與風力機葉片掃過區域的截面積成正比，所以，為了擷取更多風能，必須增大葉輪直徑以增加受風面積，而在增大葉輪直

徑的同時，也必須增加塔架的高度，才能防止葉片打到地面，或防止葉片打到由

塔架附近經過的人、車等物。基於上述理由，使風力機不斷朝大型化發展。

雖然風力發電蓬勃發展，可是由(10)式可知:風能與風速的三次方成正比。但是，由於目前商用風力發電機大多設計於風速達到大約 2.5(m/s)開始發電，於風速達到 15(公尺/秒)發電機輸出額定值，於風速達到 25(公尺/秒)停止發電。換句話說，目前商用風力機的額定風速大多為 15(m/s)，遠高於台灣與全球各地的平均風速，故風力發電最主要的缺點即為:大多數時段發電機輸出都遠小於額定值。以台灣為例，台灣較適合開發風力發電地區的平均風速約為 5~6(公尺/秒)，由公式(10)可知:風能與風速的三次方成正比，假設風力發電機設計於風速達到15(公尺/秒)發電機輸出額定值，則當風速為 5(公尺/秒)，發電機輸出將只能達到額定值的 3.7%而已，當風速為 6(公尺/秒)，發電機輸出將只能達到額定值的 6.4%而已。即使在風速較高的澎湖等離島，假設平均風速為 8(公尺/秒)，則發電機輸出也將只能達到額定值的 15%而已[15]。所以，風力發電雖然可能 24 小時都在發電，但是，大多數時段發電機輸出都遠小於額定值。因此，沒有使用集風裝置

的風力發電機，例如中華民國專利第 I328644號「氣動力式自動追蹤風向之風車」[16]，中華民國專利第M372395號「小型磁懸浮風力發電機」[17]，中華民國專

表1 各種地形的摩擦係數

假設某一高的農作物區域，在2(公尺)高度的風速為6(公尺/秒)，則由公式(2-11)可

知 :在10(公尺)高度的風速為8.3(公尺 /秒)，在20(公尺)高度的風速為9.5(公尺 /秒)，在

30(公尺)高度的風速為10.3(公尺/秒)，在40(公尺)高度的風速為10.9(公尺/秒)，在50(公

尺)高度的風速為11.4(公尺/秒)，在60(公尺)高度的風速為11.8(公尺/秒)，因為離地面愈

高，障礙物就愈少，風速就愈大，因此，為了擷取更多風能，必須要增加塔架的高度。

此外，由(10)式可知:風力機的輸出與風力機葉片掃過區域的截面積成正比，所以，

為了擷取更多風能，必須增大葉輪直徑以增加受風面積，而在增大葉輪直徑的同時，也

必須增加塔架的高度，才能防止葉片打到地面，或防止葉片打到由塔架附近經過的人、

車等物。基於上述理由，使風力機不斷朝大型化發展。

雖然風力發電蓬勃發展，可是由(10)式可知:風能與風速的三次方成正比。但是，由

於目前商用風力發電機大多設計於風速達到大約2.5(m/s)開始發電，於風速達到15(公尺

/秒)發電機輸出額定值，於風速達到25(公尺/秒)停止發電。換句話說，目前商用風力機

的額定風速大多為15(m/s)，遠高於台灣與全球各地的平均風速，故風力發電最主要的缺

點即為:大多數時段發電機輸出都遠小於額定值。以台灣為例，台灣較適合開發風力發

電地區的平均風速約為5~6(公尺/秒)，由公式(10)可知:風能與風速的三次方成正比，假

設風力發電機設計於風速達到15(公尺/秒)發電機輸出額定值，則當風速為5(公尺/秒)，

發電機輸出將只能達到額定值的3.7%而已，當風速為6(公尺/秒)，發電機輸出將只能達

到額定值的6.4%而已。即使在風速較高的澎湖等離島，假設平均風速為8(公尺/秒)，則

發電機輸出也將只能達到額定值的15%而已 [15]。所以，風力發電雖然可能24小時都在發

電，但是，大多數時段發電機輸出都遠小於額定值。因此，沒有使用集風裝置的風力發

電機，例如中華民國專利第I328644號「氣動力式自動追蹤風向之風車」 [16]，中華民國

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專利第M372395號「小型磁懸浮風力發電機」 [17]，中華民國專利第I326741號「低風速

啟動之內轉式風力發電機」[18]與中華民國專利第M375772號「可偏航式風力發電裝置」[19]等，大多數時段發電機輸出都遠小於額定值。而且在不同的風速下，風力發電機的輸

出也跟著改變，造成風力系統輸出不穩定的印象。

因此，有人提出集風式風力發電的概念，以集風裝置將到達風力機的風速提高，

則因風力發電量與風速的3次方成正比，故可以大幅增加發電量，例如中華民國專利第

M316329號「風力發電裝置」 [20]、美國專利公開第7605491號「集風式風力發電裝置」[21]、中華民國專利第496475號「風車之結構改良」 [22]，中華民國專利第168238號「垂

直軸式風力機葉片之構造」[23]等，都採用固定集風裝置。不過，採用固定集風裝置來使

風速提高也有嚴重的缺點，假設固定集風裝置使風速提高三倍，則當風速為9(m/s)，原

本發電機輸出可以達到額定值的21.6%，但因固定集風裝置使到達風力機的風速提高三

倍，變成27(m/s)，大於切離風速25(m/s)，將使風力機進入強制停機區，必須被迫停止

發電。當風速為15(m/s)，原本發電機輸出可以達到額定值，但因固定集風裝置使到達

風力機的風速提高三倍，變成45(m/s)，大於切離風速25(m/s)，將使風力機進入強制停

機區，必須被迫停止發電。

由此可知：雖然固定集風裝置可以使風力機在低風速時的輸出變得較穩定，但也

會使風力機在原本可正常運轉的風速，因風速被提高過多，反而必須被迫停止發電。因

此，可調集風式風力發電便應運而生，中華民國專利第M376644號「外轉垂直式風力發

電機」[24]，中華民國專利第522201號「集風式風力發電的方法與設備」[25]，都藉著改變

集風裝置的方向、入口大小、出口大小等方式來提高使輸出穩定的調控能力，當集風後

的風速低於額定風速時上述方法相當有效，可是，當集風後的風速高於額定風速時上述

方法都是把原本可利用的風能捨棄，造成浪費。

中華民國專利第M293976號「具有集風裝置的風力發電系統」 [26]首先提出可調整的

集風裝置，用控制驅動裝置使可動集風裝置沿著導軌移動，使可動集風裝置部分或全部

收納到固定集風裝置中，消耗的能量比較少，而且原本可利用的風能不會被捨棄，而能

轉移到副風力機加以利用，而且可在不同的風速下，藉由調整集風裝置，使經集風後到

達風力發電機的風速儘量維持固定，使風力發電機的輸出可保持平穩，並增加發電量，

可以解決風力發電隨著風速變化而跟著巨幅變化的主要缺點。但是，過高的集風效果，

可能反而造成在原本可發電的風速範圍，因過高的集風效果，使經集風後到達風力發電

機的風速過高，超過切離風速，反而被迫停機。因此，中華民國專利第M333474號「風

大時免停機的風力發電系統」 [27]又提出進一步可調整的集風裝置，來避免上述的缺失。

參、集風式風力發電的效能評估

一、裝設地點

本研究以位於國立高雄應用科技大學育賢樓的樓頂裝置之風速風向計實際量測之風

224

速資料和風力發電機實際量測之發電量資料，來探討有無添加集風裝置對風力發電機發

電量的影響。原本風力發電系統應該裝設在四周無遮蔽阻擋、風力充足的地點，但是，

受到相關法令與學校可用地點等諸多限制，最後被迫裝設於國立高雄應用科技大學育賢

樓的樓頂，而且被嚴格限制高度，再加上裝設地點的周圍有兩面圍牆及一建築物分別包

圍南、北、東方，如圖2所示。因此，造成風速低，而且只有西風較不受到阻擋，難免

對實測結果產生不良影響，不過，在此先天條件嚴重受限的情況下，獲得的結果依然

顯示有添加集風裝置對風力發電機發電量具有非常正面的影響。所以，由此結果更可相

信，若能將集風裝置應用於具有良好風能的場地，應能獲得更好的效果。

二、風力機規格

本研究使用我國宏銳電子股份有限公司生產之 iW301型號垂直軸式風力發電機

(VAWT)(額定輸出功率300Watts)，規格如表2所示。

8

量測之風速資料和風力發電機實際量測之發電量資料，來探討有無添加集風裝置

對風力發電機發電量的影響。原本風力發電系統應該裝設在四周無遮蔽阻擋、風

力充足的地點，但是，受到相關法令與學校可用地點等諸多限制，最後被迫裝設

於國立高雄應用科技大學育賢樓的樓頂，而且被嚴格限制高度，再加上裝設地點

的周圍有兩面圍牆及一建築物分別包圍南、北、東方，如圖2所示。因此，造成風速低，而且只有西風較不受到阻擋，難免對實測結果產生不良影響，不過，在

此先天條件嚴重受限的情況下，獲得的結果依然顯示有添加集風裝置對風力發電

機發電量具有非常正面的影響。所以，由此結果更可相信，若能將集風裝置應用

於具有良好風能的場地，應能獲得更好的效果。

圖 2實測系統裝設地點之俯視圖

二、風力機規格

本研究使用我國宏銳電子股份有限公司生產之iW301型號垂直軸式風力發電機(VAWT)(額定輸出功率300Watts)，規格如表2所示。

圖2 實測系統裝設地點之俯視圖

表2 垂直軸式風力發電機規格

9

表 2垂直軸式風力發電機規格風機型號 iW301

額定功率(Watts) 300額定風速(m/s) 12旋轉結構垂直軸式(VAWT)

啟動風速(m/s) ＜1切入風速(m/s) 2.5耐風限度(m/s) 60葉片長度(m) 1.2旋轉輪直徑(m) 1.2發電機型式永磁發電機

電控器型式智慧型(MPPT)電控器剎車系統雙剎車系統(ABS/手動)

圖 3右側為沒有集風裝置的風力機，左側為有集風裝置的風力機

為了比對，我們裝設2組完全相同的風力機，1組沒有集風裝置，另1組有集風裝置，如圖3所示。沒有集風裝置的風力機位於西側，因南、北、東方的風有被阻擋，因此，沒有集風裝置的風力機可接收到較多風能。有集風裝置的風力機

位於東側，以4片不繡鋼片組成4個簡單的集風裝置，因南、北、東方的風有被阻擋，再加上西方來的風必須先經過沒有集風裝置的風力機，因此，先天條件嚴重

225

圖3 右側為沒有集風裝置的風力機，左側為有集風裝置的風力機

9

表 2垂直軸式風力發電機規格風機型號 iW301

額定功率(Watts) 300額定風速(m/s) 12旋轉結構垂直軸式(VAWT)

啟動風速(m/s) ＜1切入風速(m/s) 2.5耐風限度(m/s) 60葉片長度(m) 1.2旋轉輪直徑(m) 1.2發電機型式永磁發電機

電控器型式智慧型(MPPT)電控器剎車系統雙剎車系統(ABS/手動)

圖 3右側為沒有集風裝置的風力機，左側為有集風裝置的風力機

為了比對，我們裝設2組完全相同的風力機，1組沒有集風裝置，另1組有集風裝置，如圖3所示。沒有集風裝置的風力機位於西側，因南、北、東方的風有被阻擋，因此，沒有集風裝置的風力機可接收到較多風能。有集風裝置的風力機

位於東側，以4片不繡鋼片組成4個簡單的集風裝置，因南、北、東方的風有被阻擋，再加上西方來的風必須先經過沒有集風裝置的風力機，因此，先天條件嚴重

為了比對，我們裝設2組完全相同的風力機，1組沒有集風裝置，另1組有集風裝

置，如圖3所示。沒有集風裝置的風力機位於西側，因南、北、東方的風有被阻擋，因

此，沒有集風裝置的風力機可接收到較多風能。有集風裝置的風力機位於東側，以4片

不繡鋼片組成4個簡單的集風裝置，因南、北、東方的風有被阻擋，再加上西方來的風

必須先經過沒有集風裝置的風力機，因此，先天條件嚴重受限。此外，因為經費有限，

初步只能以4片不繡鋼片組成4個簡單的集風裝置，尚無法使用中華民國專利第M293976

號與中華民國專利第M333474號提出的可調整集風裝置。

三、資料記錄方式

資料每1分鐘紀錄一次，包含「平均風速」、「平均風向」、「最大風速」、「最

小風速」，以及2部風力發電機之發電量。

四、平均風速之風玫瑰圖

圖4至圖13為每月平均風速之風玫瑰圖，由2010年和2011年各個月份之風玫瑰圖顯

示以西風為盛行風向，其次為11月到1月的西北西風向及6月到10月的南南東風向。這是

因為裝置風力機之周圍建築將東南北方都包圍，只有西方未受包圍，所以風速風向計大

多都顯示西方。

226

10

受限。此外，因為經費有限，初步只能以4片不繡鋼片組成4個簡單的集風裝置，尚無法使用中華民國專利第M293976號與中華民國專利第M333474號提出的可調整集風裝置。


資料每1分鐘紀錄一次，包含「平均風速」、「平均風向」、「最大風速」、「最小風速」，以及2部風力發電機之發電量。


圖4至圖13為每月平均風速之風玫瑰圖，由2010年和2011年各個月份之風玫瑰圖顯示以西風為盛行風向，其次為11月到1月的西北西風向及6月到10月的南南東風向。這是因為裝置風力機之周圍建築將東南北方都包圍，只有西方未受包

圍，所以風速風向計大多都顯示西方。

五月

0%

10%

20%

30%

40%

50%N

NNE

NE

ENE

E

ESE

SE

SSES

SSW

SW

WSW

W

WNW

NW

NNW

圖 4國立高雄應用科技大學育賢樓之風速測站 2010年 5月平均風速玫瑰圖

六月

0%

10%

20%

30%

40%N

NNE

NE

ENE

E

ESE

SE

SSES

SSW

SW

WSW

W

WNW

NW

NNW


10

受限。此外，因為經費有限，初步只能以4片不繡鋼片組成4個簡單的集風裝置，尚無法使用中華民國專利第M293976號與中華民國專利第M333474號提出的可調整集風裝置。


資料每1分鐘紀錄一次，包含「平均風速」、「平均風向」、「最大風速」、「最小風速」，以及2部風力發電機之發電量。


圖4至圖13為每月平均風速之風玫瑰圖，由2010年和2011年各個月份之風玫瑰圖顯示以西風為盛行風向，其次為11月到1月的西北西風向及6月到10月的南南東風向。這是因為裝置風力機之周圍建築將東南北方都包圍，只有西方未受包

圍，所以風速風向計大多都顯示西方。

五月

0%

10%

20%

30%

40%

50%N

NNE

NE

ENE

E

ESE

SE

SSES

SSW

SW

WSW

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WNW

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六月

0%

10%

20%

30%

40%N

NNE

NE

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E

ESE

SE

SSES

SSW

SW

WSW

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WNW

NW

NNW


圖4 國立高雄應用科技大學育賢樓之風速測站2010年5月平均風速玫瑰圖



11

七月

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10%

20%

30%

40%N

NNE

NE

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ESE

SE

SSES

SSW

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WSW

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八月

0%

10%

20%

30%

40%N

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NE

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E

ESE

SE

SSES

SSW

SW

WSW

W

WNW

NW

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九月

0%5%

10%15%20%25%30%

NNNE

NE

ENE

E

ESE

SE

SSES

SSW

SW

WSW

W

WNW

NW

NNW


227




11

七月

0%

10%

20%

30%

40%N

NNE

NE

ENE

E

ESE

SE

SSES

SSW

SW

WSW

W

WNW

NW

NNW


八月

0%

10%

20%

30%

40%N

NNE

NE

ENE

E

ESE

SE

SSES

SSW

SW

WSW

W

WNW

NW

NNW


九月

0%5%

10%15%20%25%30%

NNNE

NE

ENE

E

ESE

SE

SSES

SSW

SW

WSW

W

WNW

NW

NNW


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七月

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10%

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40%N

NNE

NE

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ESE

SE

SSES

SSW

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WSW

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八月

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10%

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40%N

NNE

NE

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E

ESE

SE

SSES

SSW

SW

WSW

W

WNW

NW

NNW


九月

0%5%

10%15%20%25%30%

NNNE

NE

ENE

E

ESE

SE

SSES

SSW

SW

WSW

W

WNW

NW

NNW


12

十月

0%

10%

20%

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40%N

NNE

NE

ENE

E

ESE

SE

SSES

SSW

SW

WSW

W

WNW

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NNW


十一月

0%

10%

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40%N

NNE

NE

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E

ESE

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SSES

SSW

SW

WSW

W

WNW

NW

NNW


十二月

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20%

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40%N

NNE

NE

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E

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SE

SSES

SSW

SW

WSW

W

WNW

NW

NNW


228




12

十月

0%

10%

20%

30%

40%N

NNE

NE

ENE

E

ESE

SE

SSES

SSW

SW

WSW

W

WNW

NW

NNW


十一月

0%

10%

20%

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SSES

SSW

SW

WSW

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NNW


十二月

0%

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WSW

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十月

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十一月

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SSW

SW

WSW

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NW

NNW


十二月

0%

10%

20%

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NNE

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SW

WSW

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一月

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20%

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40%N

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WSW

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二月

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NE

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E

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SSES

SSW

SW

WSW

W

WNW

NW

NNW


五、月實際量測發電量之比較

表3為沒有集風裝置風力發電機與有集風裝置風力發電機之月發電量比較表，圖14為沒有集風裝置風力發電機與有集風裝置風力發電機之月發電量比較圖，我們可以明顯看出在5、7、8、9、10月時，有集風裝置風力發電機之月發電量比沒有集風裝置風力發電機之月發電量多。其中效果最好的是在2010年9月，有集風裝置風力發電機之發電量比沒有集風裝置風力發電機之發電量，約多出

32.37%，顯示該月份集風效果佳，主要原因是颱風前幾天尚未停機之前，以及午後雷陣雨導致風速大幅提高的緣故。其它月份，效果不明顯，甚至有集風裝置風

力發電機之發電量反而比沒有集風裝置風力發電機之發電量少的情況，探究其原

因，應是因市區風速過低，集風效果尚未超過集風板的摩擦損耗所致。表4為每月份風速分級表，其中9月風速1~2公尺/秒有1天，風速2~3公尺/秒有10天，風速3~4公尺/秒有10天，風速4~5公尺/秒有6天，風速5~6公尺/秒有2天，大多數時間風速都小於4公尺/秒，可明顯看出市區風速過低，再加上裝置風力機之周圍建築

229


13

一月

0%

10%

20%

30%

40%N

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NE

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SSW

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WSW

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二月

0%10%

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50%N

NNE

NE

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E

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SSES

SSW

SW

WSW

W

WNW

NW

NNW



表3為沒有集風裝置風力發電機與有集風裝置風力發電機之月發電量比較表，圖14為沒有集風裝置風力發電機與有集風裝置風力發電機之月發電量比較圖，我們可以明顯看出在5、7、8、9、10月時，有集風裝置風力發電機之月發電量比沒有集風裝置風力發電機之月發電量多。其中效果最好的是在2010年9月，有集風裝置風力發電機之發電量比沒有集風裝置風力發電機之發電量，約多出

32.37%，顯示該月份集風效果佳，主要原因是颱風前幾天尚未停機之前，以及午後雷陣雨導致風速大幅提高的緣故。其它月份，效果不明顯，甚至有集風裝置風

力發電機之發電量反而比沒有集風裝置風力發電機之發電量少的情況，探究其原

因，應是因市區風速過低，集風效果尚未超過集風板的摩擦損耗所致。表4為每月份風速分級表，其中9月風速1~2公尺/秒有1天，風速2~3公尺/秒有10天，風速3~4公尺/秒有10天，風速4~5公尺/秒有6天，風速5~6公尺/秒有2天，大多數時間風速都小於4公尺/秒，可明顯看出市區風速過低，再加上裝置風力機之周圍建築


表3為沒有集風裝置風力發電機與有集風裝置風力發電機之月發電量比較表，圖14

為沒有集風裝置風力發電機與有集風裝置風力發電機之月發電量比較圖，我們可以明顯

看出在5、7、8、9、10月時，有集風裝置風力發電機之月發電量比沒有集風裝置風力發

電機之月發電量多。其中效果最好的是在2010年9月，有集風裝置風力發電機之發電量

比沒有集風裝置風力發電機之發電量，約多出32.37%，顯示該月份集風效果佳，主要原

因是颱風前幾天尚未停機之前，以及午後雷陣雨導致風速大幅提高的緣故。其它月份，

效果不明顯，甚至有集風裝置風力發電機之發電量反而比沒有集風裝置風力發電機之發

電量少的情況，探究其原因，應是因市區風速過低，集風效果尚未超過集風板的摩擦損

耗所致。表4為每月份風速分級表，其中9月風速1~2公尺/秒有1天，風速2~3公尺/秒有

10天，風速3~4公尺/秒有10天，風速4~5公尺/秒有6天，風速5~6公尺/秒有2天，大多數

時間風速都小於4公尺/秒，可明顯看出市區風速過低，再加上裝置風力機之周圍建築將

東南北方都包圍，使集風效果尚未超過集風板的摩擦損耗，導致無法呈現集風效果。此

外，台灣11、12月盛行的東北季風，則因東南北方向的風被擋住而無法展現威力，該月

份有集風裝置風力發電機之發電量反而比沒有集風裝置風力發電機之發電量少。

230

14

將東南北方都包圍，使集風效果尚未超過集風板的摩擦損耗，導致無法呈現集風

效果。此外，台灣11、12月盛行的東北季風，則因東南北方向的風被擋住而無法展現威力，該月份有集風裝置風力發電機之發電量反而比沒有集風裝置風力發電

機之發電量少。

表 3月發電量比較表

月份每月實際量測發電量(WH) 有集風裝置增加量與百分比

沒有集風裝置有集風裝置增加量(WH) 增加百分比

5月 70.2638 74.4399 4.1761 5.94%6月 37.1917 32.8645 -4.3272 -11.63%7月 74.3724 81.2226 6.8502 9.21%8月 50.374 50.8746 0.5006 0.99%9月 225.557 298.5778 73.0208 32.37%

10月 91.9596 95.6986 3.739 4.07%11月 55.9646 51.2347 -4.7299 -8.45%12月 138.7871 107.4964 -31.2907 -22.55%1月 97.6279 57.7079 -39.92 -40.89%2月 56.4171 44.0754 -12.3417 -21.88%

0

10000

20000

30000

40000

50000

99年5月 99年6月 99年7月 99年8月 99年9月 99年10月 99年11月 99年12月 100年1月 100年2月

固定與追日太陽能發電系統之發電量比較圖

追日太陽能發電系統

固定太陽能發電系統

圖 14有無集風裝置風力發電機之發電量比較圖

14

將東南北方都包圍，使集風效果尚未超過集風板的摩擦損耗，導致無法呈現集風

效果。此外，台灣11、12月盛行的東北季風，則因東南北方向的風被擋住而無法展現威力，該月份有集風裝置風力發電機之發電量反而比沒有集風裝置風力發電

機之發電量少。

表 3月發電量比較表

月份每月實際量測發電量(WH) 有集風裝置增加量與百分比

沒有集風裝置有集風裝置增加量(WH) 增加百分比

5月 70.2638 74.4399 4.1761 5.94%6月 37.1917 32.8645 -4.3272 -11.63%7月 74.3724 81.2226 6.8502 9.21%8月 50.374 50.8746 0.5006 0.99%9月 225.557 298.5778 73.0208 32.37%

10月 91.9596 95.6986 3.739 4.07%11月 55.9646 51.2347 -4.7299 -8.45%12月 138.7871 107.4964 -31.2907 -22.55%1月 97.6279 57.7079 -39.92 -40.89%2月 56.4171 44.0754 -12.3417 -21.88%

0

10000

20000

30000

40000

50000





圖 14有無集風裝置風力發電機之發電量比較圖

表3 月發電量比較表

圖14 有無集風裝置風力發電機之發電量比較圖

表4 每月份風速分級表

註：每月有少數幾天因資料擷取系統故障或颱風停機而沒有資料

15

表 4每月份風速分級表

天數

風速

小於 1公尺/秒1~2公尺/秒

2~3公尺/秒

3~4公尺/秒

4~5公尺/秒

5~6公尺/秒

月份

5月 0 2 13 13 3 06月 1 4 14 7 0 07月 2 2 9 13 5 08月 0 1 14 11 1 09月 0 1 10 10 6 210月 1 4 15 8 2 011月 1 5 18 6 0 012月 0 6 20 5 0 01月 1 2 23 1 0 02月 0 1 14 5 0 0

註：每月有少數幾天因資料擷取系統故障或颱風停機而沒有資料

六、日實際量測發電量之比較

因東南北方向的風被擋住，由每月發電量不易看出集風效益，故再以每日發

電量進行比較。

表5為沒有集風裝置風力發電機與有集風裝置風力發電機之日發電量比較表，我們可以明顯看出在8月19日，有集風裝置風力發電機之日發電量比沒有集風裝置風力發電機之日發電量多出579.8%。換句話說，集風裝置使風力發電機當天的發電量增加為沒有集風裝置風力發電機當天發電量的6.8倍。因安裝地點先天條件不良，因此只在少數風速較高的日子，展現集風的效果。若能選擇在優良

風場，以少許的金錢增加集風裝置，而能一直使風力發電機每天的發電量增加為

沒有集風裝置風力發電機當天發電量的好幾倍，將是非常值得的投資。假設1部風力發電機的造價10萬元，佔地面積10平方公尺，於裝設地的平均風速每月可發電100WH。在不加裝集風裝置的前提下，若每月要獲得600WH的發電量，則必須裝設6部風力發電機，總計需花費60萬元，佔地面積60平方公尺。若以加裝集風裝置的方式，並假設集風裝置可達本研究相同效果，則只需裝設1部風力發電機(造價10萬元)，再加裝集風裝置(4片不繡鋼片與支架造價10萬元)，總計只需花費20萬元，佔地面積只需15平方公尺(裝集風裝置使佔地面積加大)，但因集風裝置使風力發電機的發電量增加為6.8倍，則每月可獲得680WH的發電量。

231

表5 日發電量比較表

六、日實際量測發電量之比較

因東南北方向的風被擋住，由每月發電量不易看出集風效益，故再以每日發電量進

行比較。

表5為沒有集風裝置風力發電機與有集風裝置風力發電機之日發電量比較表，我們

可以明顯看出在8月19日，有集風裝置風力發電機之日發電量比沒有集風裝置風力發電

機之日發電量多出579.8%。換句話說，集風裝置使風力發電機當天的發電量增加為沒有

集風裝置風力發電機當天發電量的6.8倍。因安裝地點先天條件不良，因此只在少數風

速較高的日子，展現集風的效果。若能選擇在優良風場，以少許的金錢增加集風裝置，

而能一直使風力發電機每天的發電量增加為沒有集風裝置風力發電機當天發電量的好幾

倍，將是非常值得的投資。假設1部風力發電機的造價10萬元，佔地面積10平方公尺，

於裝設地的平均風速每月可發電100WH。在不加裝集風裝置的前提下，若每月要獲得

600WH的發電量，則必須裝設6部風力發電機，總計需花費60萬元，佔地面積60平方公

尺。若以加裝集風裝置的方式，並假設集風裝置可達本研究相同效果，則只需裝設1部

風力發電機(造價10萬元)，再加裝集風裝置(4片不繡鋼片與支架造價10萬元)，總計只需

花費20萬元，佔地面積只需15平方公尺(裝集風裝置使佔地面積加大)，但因集風裝置使

風力發電機的發電量增加為6.8倍，則每月可獲得680WH的發電量。

16

表 5日發電量比較表

日期

每日實際量測發電量(WH) 有集風裝置增加量與百分比

沒有添加集風

裝置

有添加

集風裝置增加量(WH) 增加百分比

5月 1日 2.1858 3.4337 1.2479 57.09%5月 2日 0.8771 1.4592 0.5821 66.37%5月 7日 2.6437 4.1895 1.5458 58.47%

7月 24日 0.4786 1.3627 0.8841 184.73%7月 25日 0.7194 1.1303 0.4109 57.12%8月 18日 1.1546 2.4553 1.3007 112.65%8月 19日 0.1599 1.087 0.9271 579.8%8月 25日 3.6122 5.6418 2.0296 56.19%8月 26日 0.4682 1.6267 1.1585 247.44%9月 1日 20.6873 38.8618 18.1745 87.85%9月 2日 7.1982 10.8953 3.6971 51.36%

9月 20日 28.5714 47.5318 18.9604 66.36%10月 2日 2.4536 3.9498 1.4962 60.98%10月 22日 20.8188 32.2095 11.3907 54.71%10月 23日 20.6775 32.3697 11.6922 56.55%11月 1日 3.2165 6.095 2.8785 89.49%11月 14日 0.5289 1.059 0.5301 100.23%

肆、太陽能發電

太陽能電池主要的功能在將光能轉換成電能，但是，必須讓入射光與太陽能

電池垂直，才能使太陽能電池獲得最多光能。可是，目前大部分的太陽能發電系

統，都沒有設置追日裝置，因為太陽每天會由東往西移動，沒有追日功能的固定

式太陽能發電系統，在上午與下午陽光斜射時，效率嚴重降低，因此，許多追日

裝置陸續被提出，例如中華民國專利第 M374595 號「浮力式太陽能追日系統」[28]，中華民國專利第 I268332 號「不用馬達的太陽能追日系統」[29]，中華民國專利第 I281016號「具有導光裝置的太陽能系統」[30]，中華民國專利第 I268333號「不用馬達的氣囊式太陽能追日系統」[31]，中華民國專利第M390433號「太陽能追日結構之改良」[32]，中華民國專利第M375130號「追日系統裝置」[33]，中華民國專利第 M371231 號「太陽能追日改良構造」[34]，中華民國專利第M362970號「磁控式追日裝置」[35]等。據研究顯示，具有追日功能的太陽能發電系統可以比固定式的太陽能發電系統增加約 50%的發電量。但是，持續追日也可能耗費太多能源，所以獲准中華民國專利第 M284856 號與美國發明專利 US 7,607,427號以及澳洲發明專利 2006202796號的「彈簧式追日裝置」[36-38]，首

232

肆、太陽能發電

太陽能電池主要的功能在將光能轉換成電能，但是，必須讓入射光與太陽能電池垂

直，才能使太陽能電池獲得最多光能。可是，目前大部分的太陽能發電系統，都沒有設

置追日裝置，因為太陽每天會由東往西移動，沒有追日功能的固定式太陽能發電系統，

在上午與下午陽光斜射時，效率嚴重降低，因此，許多追日裝置陸續被提出，例如中華

民國專利第M374595號「浮力式太陽能追日系統」 [28]，中華民國專利第I268332號「不

用馬達的太陽能追日系統」 [29]，中華民國專利第I281016號「具有導光裝置的太陽能系

統」 [30]，中華民國專利第I268333號「不用馬達的氣囊式太陽能追日系統」[31]，中華民

國專利第M390433號「太陽能追日結構之改良」 [32]，中華民國專利第M375130號「追

日系統裝置」 [33]，中華民國專利第M371231號「太陽能追日改良構造」 [34]，中華民國

專利第M362970號「磁控式追日裝置」[35]等。據研究顯示，具有追日功能的太陽能發電

系統可以比固定式的太陽能發電系統增加約50%的發電量。但是，持續追日也可能耗費

太多能源，所以獲准中華民國專利第M284856號與美國發明專利US 7,607,427號以及澳

洲發明專利2006202796號的「彈簧式追日裝置」[36-38]，首先提出1日3次追日模式，1天

之中，只在上午、中午與下午進行3次追日動作，結果顯示，依然可以比固定式的太陽

能發電系統增加約31.33%的發電量。反過來說，原本使用4片光電板，若採用此專利的

技術，則只要3片光電板即可達到相同效果，但成本降低許多，與目前固定式的系統比

較，效率具有突破性的改善。而中華民國專利第M308397號「彈簧式追日裝置之改良」[39]，更改良成可以適用於斜屋頂與斜坡。至於中華民國專利第I328098號「追日裝置之

改良」[40]，則使用記憶合金等隨溫度變化材料，達成免耗能的追日裝置。由於具有追日

功能的太陽能發電系統可以比固定式的太陽能發電系統增加許多發電量，所以，本研究

以實測方式探討設置追日裝置對太陽能發電系統發電量的影響。

伍、追日式太陽能發電的效能評估

一、裝設地點

本研究以位於國立高雄應用科技大學育賢樓的樓頂裝置之太陽能發電系統實際量測

資料，來探討有無添加追日裝置對太陽能發電系統發電量的影響。原本太陽能發電系統

應該裝設在四周無遮蔽阻擋、日照充足的地點，但是，受到相關法令與學校可用地點等

諸多限制，最後被迫裝設於國立高雄應用科技大學育賢樓的樓頂，裝設在集風式風力發

電機的上方，如圖2所示，因為裝設地點的東方有電梯機房，西南方有一高大建築物，

造成上午及下午會有部分被遮蔭的狀況(圖2即為拍攝者在西南方之高大建築物上往下拍

攝的照片，該建築物當時正好對太陽能發電系統形成遮蔭)，難免對實測結果產生不良

影響，不過，在此先天條件嚴重受限的情況下，獲得的結果依然顯示有添加追日裝置對

太陽能發電系統的發電量具有非常正面的影響。所以，由此結果更可相信，若能將追日

233

裝置應用於具有良好日照的場地，應能獲得更好的效果。

二、太陽能板規格

目前大多數的太陽能電池均以豐富的矽為主要材料，常見的太陽能電池依照矽的結

晶構造不同主要可區分為單晶矽太陽能電池、多晶矽太陽能電池、非晶矽太陽能電池及

化合物太陽能電池。單晶矽太陽能電池的光電轉換效率最好，但成本最高；而非晶矽太

陽能電池的光電轉換效率最差，但成本較低。太陽電池除了矽之外，也有週期表中Ⅲ族

元素與Ⅴ族元素，及Ⅱ族元素與Ⅳ族元素所構成之化合物半導體太陽能電池，具有較高

的性能，但價格偏高，較難普及化。效率與成本是太陽能電池在運用時須考量的重要因

素，所以了解各種太陽能電池的優缺點是非常重要的。表6為本次實驗所採用的太陽能

板規格。

為了比對，我們裝設2組完全相同的太陽能板，1組沒有追日裝置(2片)，位於東方

與西方，另1組有追日裝置(2片)，位於北方與南方，如圖3所示，有追日裝置的太陽能

板下方有較粗的支柱。此外，因為經費有限，初步只能以馬達驅動追日裝置，尚無法使

用中華民國專利第I328098號提出的免耗能追日裝置。


資料每1分鐘紀錄一次，包含沒有追日裝置的太陽能板與有追日裝置的太陽能板之

「電壓」、「電流」與「功率」。

四、固定式與追日式太陽能發電系統之月實際量測發電量比較

表7為固定式與追日式太陽能發電系統之月發電量比較表，圖15為固定式與追日式

太陽能發電系統之月發電量比較圖。我們可以明顯看出，每個月追日式太陽能發電系

統之月發電量都比固定式太陽能發電系統之月發電量多。尤其在2010年6月，追日式太

陽能發電系統之月發電量比固定式太陽能發電系統之月發電量，約多出224.22%，顯示

追日效果佳。不過，因為固定式太陽能板位於東方與西方，正好是比較容易被遮蔭的位

18

表 6多晶矽太陽能板規格太陽能板類型多晶矽

開路電壓(V) 23.355短路電流(A) 12.6158最大功率(W) 217.558最大峰值電壓(V) 18.643最大峰值電流(A) 11.6694太陽能電池面積(cm2) 243.40模組面積(cm2) 16377.70

為了比對，我們裝設2組完全相同的太陽能板，1組沒有追日裝置(2片)，位於東方與西方，另1組有追日裝置(2片)，位於北方與南方，如圖3所示，有追日裝置的太陽能板下方有較粗的支柱。此外，因為經費有限，初步只能以馬達驅動

追日裝置，尚無法使用中華民國專利第I328098號提出的免耗能追日裝置。


資料每1分鐘紀錄一次，包含沒有追日裝置的太陽能板與有追日裝置的太陽能板之「電壓」、「電流」與「功率」。

四、固定式與追日式太陽能發電系統之月實際量測發電量比較

表7為固定式與追日式太陽能發電系統之月發電量比較表，圖15為固定式與追日式太陽能發電系統之月發電量比較圖。我們可以明顯看出，每個月追日式太

陽能發電系統之月發電量都比固定式太陽能發電系統之月發電量多。尤其在2010年6月，追日式太陽能發電系統之月發電量比固定式太陽能發電系統之月發電量，約多出224.22%，顯示追日效果佳。不過，因為固定式太陽能板位於東方與西方，正好是比較容易被遮蔭的位置，所以，上述追日效果有被高估的現象。

五、追日式太陽能發電的經濟效益評估

假設1組(2片)沒有追日裝置(固定式)的太陽能板(含支架)造價6萬元，於裝設地的平均日照每月可發電15000WH。若加裝追日裝置，須增加1.5萬元。在不加裝追日裝置的前提下，若每月要獲得90000WH的發電量，則必須裝設6組，總計需花費36萬元。若以加裝追日裝置的方式，並假設追日裝置可使太陽能發電系統增加50%的發電量，則只需裝設4組(造價24萬元)，再加裝4組追日裝置(造價6萬元)，總計只需花費30萬元，每月就可獲得90000WH的發電量。

六、太陽能發電系統與風力發電系統互補的探討

風力發電系統與太陽能發電系統都容易受天候影響，相對於傳統火力與水力

等基載電廠，顯得較不穩定。由於俗話說「風和日麗」、「狂風暴雨」，似乎日

表6 多晶矽太陽能板規格

234

置，所以，上述追日效果有被高估的現象。

五、追日式太陽能發電的經濟效益評估

假設1組(2片)沒有追日裝置(固定式)的太陽能板(含支架)造價6萬元，於裝設地的平

均日照每月可發電15000WH。若加裝追日裝置，須增加1.5萬元。在不加裝追日裝置的

前提下，若每月要獲得90000WH的發電量，則必須裝設6組，總計需花費36萬元。若以

加裝追日裝置的方式，並假設追日裝置可使太陽能發電系統增加50%的發電量，則只需

裝設4組(造價24萬元)，再加裝4組追日裝置(造價6萬元)，總計只需花費30萬元，每月就

可獲得90000WH的發電量。

六、太陽能發電系統與風力發電系統互補的探討

風力發電系統與太陽能發電系統都容易受天候影響，相對於傳統火力與水力等基載

電廠，顯得較不穩定。由於俗話說「風和日麗」、「狂風暴雨」，似乎日照強烈時，風

速就相對小；反之，當風速大時，通常日照較弱。

19

照強烈時，風速就相對小；反之，當風速大時，通常日照較弱。

表 7固定與追日太陽能發電系統之發電量比較表

月份每月實際量測發電量(WH) 追日型增加量與增加百分比

固定型追日型增加量(WH) 增加百分比

5月 16419.071 42563.8109 26144.7399 159.23%6月 12136.7232 39349.8509 27213.1277 224.22%7月 18090.4308 44029.1218 25938.691 143.38%8月 15233.777 37982.6537 22748.8767 149.33%9月 15930.1227 39539.5926 23609.4699 148.21%

10月 13372.5578 38511.0208 25138.463 187.99%11月 15024.2078 34187.7134 19163.5056 127.55%12月 13748.3134 26926.5821 13178.2687 95.85%1月 11166.0031 19505.2854 8339.2823 74.68%2月 11672.121 27685.0598 16012.9388 137.19%

0

10000

20000

30000

40000

50000





圖 15固定式與追日式太陽能發電系統之發電量比較圖

表7 固定與追日太陽能發電系統之發電量比較表

圖15 固定式與追日式太陽能發電系統之發電量比較圖

235

表8 風力發電系統與太陽能發電系統月發電量比較表

20

表 8風力發電系統與太陽能發電系統月發電量比較表月份月發電量(WH)

沒有集風裝置

的風力系統

固定式太陽能

系統

有集風裝置的

風力系統

追日式太陽能

系統

5月 70.2638 16419.071 74.4399 42563.81096月 37.1917 12136.7232 32.8645 39349.85097月 74.3724 18090.4308 81.2226 44029.12188月 50.374 15233.777 50.8746 37982.65379月 225.557 15930.1227 298.5778 39539.592610月 91.9596 13372.5578 95.6986 38511.020811月 55.9646 15024.2078 51.2347 34187.713412月 138.7871 13748.3134 107.4964 26926.58211月 97.6279 11166.0031 57.7079 19505.28542月 56.4171 11672.121 44.0754 27685.0598

因此，有人提出將太陽能發電系統與風力發電系統整合成1個系統，形成互補，使整體發電量較為穩定。本研究以位於國立高雄應用科技大學育賢樓的樓頂

裝置之太陽能發電系統與風力發電系統實際量測資料，來探討將太陽能發電系統

與風力發電系統整合成1個系統形成互補的可行性。表8為本研究風力發電系統與太陽能發電系統月發電量比較表，由表8的數據似乎顯示兩者並無明顯的互補關係。不過，因為本研究的裝設地點並非優良風場，而日照也有被遮蔭現象，所以

上述兩者並無明顯的互補關係的結果，恐怕仍需再進一步以更多地點與系統的實

測資料加以驗證。

陸、結論

本研究以實測方式探討有無添加集風裝置對風力發電機發電量的影響，以及

設置追日裝置對太陽能發電系統發電量的影響，可獲得以下結論:(1) 集風式風力發電系統花費少許的金錢添加集風裝置可使發電量大大提升，以本研究為例，集風裝置使風力發電機當天的發電量最多增加為沒有集風裝置

風力發電機當天發電量的6.8倍。(2) 安裝風力發電系統必須慎選具有優良風場的地點。以本研究為例，因安裝地點先天條件不良，因此只在少數風速較高的日子，展現集風的效果。

(3) 由於圖4至圖13之風玫瑰圖顯示西風為本研究風力發電機裝設地點的主要風向，因此，若加強西方的集風裝置，或只在西方裝設集風裝置，應可以最低

的成本獲得良好的集風效果。

(4) 由表7實測數據可知，追日式太陽能發電系統每月的發電量，均高於固定式太陽能發電系統。

(5) 因太陽能板價格昂貴，以追日裝置提高單一太陽能板的發電量，相對地，在

因此，有人提出將太陽能發電系統與風力發電系統整合成1個系統，形成互補，使

整體發電量較為穩定。本研究以位於國立高雄應用科技大學育賢樓的樓頂裝置之太陽能

發電系統與風力發電系統實際量測資料，來探討將太陽能發電系統與風力發電系統整合

成1個系統形成互補的可行性。表8為本研究風力發電系統與太陽能發電系統月發電量比

較表，由表8的數據似乎顯示兩者並無明顯的互補關係。不過，因為本研究的裝設地點

並非優良風場，而日照也有被遮蔭現象，所以上述兩者並無明顯的互補關係的結果，恐

怕仍需再進一步以更多地點與系統的實測資料加以驗證。

陸、結論

本研究以實測方式探討有無添加集風裝置對風力發電機發電量的影響，以及設置追

日裝置對太陽能發電系統發電量的影響，可獲得以下結論：

(1) 集風式風力發電系統花費少許的金錢添加集風裝置可使發電量大大提升，以本研

究為例，集風裝置使風力發電機當天的發電量最多增加為沒有集風裝置風力發電

機當天發電量的6.8倍。

(2) 安裝風力發電系統必須慎選具有優良風場的地點。以本研究為例，因安裝地點先

天條件不良，因此只在少數風速較高的日子，展現集風的效果。

(3) 由於圖4至圖13之風玫瑰圖顯示西風為本研究風力發電機裝設地點的主要風向，

因此，若加強西方的集風裝置，或只在西方裝設集風裝置，應可以最低的成本獲

得良好的集風效果。

(4) 由表7實測數據可知，追日式太陽能發電系統每月的發電量，均高於固定式太陽

236

能發電系統。

(5) 因太陽能板價格昂貴，以追日裝置提高單一太陽能板的發電量，相對地，在相同

總發電量的需求下，追日式太陽能發電系統將可比固定式太陽能發電系統安裝較

少的太陽能板，達到降低成本的效果。

(6) 由表8的數據似乎顯示風力發電系統與太陽能發電系統兩者並無明顯的互補關

係。不過，因為本研究的裝設地點並非優良風場，而日照也有被遮蔭現象，所以

上述兩者並無明顯的互補關係的結果，恐怕仍需再進一步以更多地點與系統的實

測資料加以驗證。

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集風式風力發電系統與追日式太陽能...

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