能源部門正經歷一場關鍵性的變革，至2050年，預估未來電網中將併入高比例的再生能源，屆時將達30%或更高的發電占比。該報告針對未來電力系統的發展提出更為宏觀的願景與規劃，就全球發電量而言，風力發電的比例將有望超越關鍵的50%，於此定調出風力發電的「宏觀願景」。但值得注意的是，「宏觀願景」不僅止於帶來指標性的樂觀預測，更需全面落實風力發電的關鍵技術創新，降低發電成本，進而提升風能於電力系統中的價值。就現況風力發電產業已經於2017年達到500千兆瓦（gigawatts）的裝機容量，並在2016年產出電力約佔全球電力需求的5%。而持續的技術創新，也使陸上和離岸風能發電的發電均化成本（Levelised Cost of Electricity, LCOE）也顯著下降，發電均化成本意指電廠在預期營運壽命內產生每度電的電力所需要的成本。簡而言之，發電機組設備、安裝和操作成本降低，但各組渦輪機的產能卻是增加，風力發電有望成為最符合成本效益的能源發電技術，從而促進風力發電拓展佈局。

由此可知，關鍵領域的技術創新，將有助於風力發電成本降低與提高發電價值，以期風力為電網提供更可靠和可調度的能源、更高的容量價值（capacity value）與革新的電網服務，透過提高風力發電的可靠度和穩定度來優化電力需求結構，核心技術層面的研發投入是當務之急。因此，該報告聚焦於風力發電之核心技術，由不同面向切入探討分析技術創新，以實現在未來電網結構中，風力發電超越關鍵的50%高占比的宏觀願景。報告擬訂兩大風力技術創新具體目標：ㄧ、降低風力發電的成本，使其低於天然氣燃料和太陽能發電的成本。二、強化風力發電廠營運效能，以期迎頭趕上傳統火力發電廠規模，成為電力系統提可靠、靈活、與深具彈性的供電選擇。

該報告定義出風力發電的關鍵技術未來方向，囊括六大領域：一、大氣科學和預測，二、風力渦輪機技術和設計，三、製造和工業化，四、發電廠控制與營運，五、電網整合，六、離岸技術。

一、大氣科學和預測：妥善利用氣候資源，將大氣科學原理應用於能源管理，像是氣象預測資料，例如數值天氣預報（numerical weather prediction, NWP）能提供短期預測和長期能源評估所需之數據資訊。就風力發電而言，短期預測反映出數天內氣候變化的物理過程進而掌握穩定的風向與風速；而長期能源評估方面，長期氣候觀察累積了短期預測中環環相扣之氣候變化的物理過程與大氣現象，可應用於風力發電機組設置上的風險管理。

二、風機技術和設計：在未來預計風機將朝大型化發展，其技術操作原理為，當地表高度增加，風速增強，地表的摩擦影響也越小，因此大型風機具有良好的輸出功率、發電成本也能隨之下降。轉子（rotor）為風機轉換應用風能最重要的零組件之一，葉片（blade）固定於輪轂(hub)組成轉子，當風吹動時開始繞軸旋轉，進而帶動發電機發電，於此利用風的動能轉換成電能。當風機朝向大型化發展，葉片長度隨之增加，如此一來當受風面積愈大，就能提高擷取風能的效益。再者，轉子約佔風電機組百分之十的重量，因此發展趨勢需要更為成熟的轉子設計，其中葉片材質為關鍵，力求材料減輕重量並提高硬度， 例如增加複合材料的使用，可降低載荷峰值及轉動力矩，減少疲勞破壞，提高發電效率。
傳統上，風力發電廠的測量系統若欲取得數據必須實地測量，例如，風速是透過安裝在塔架上的杯型風速計所測得，這些裝置通常安裝於測風塔，提供風速、風向、溫度等資訊。至今，測風塔仍被普遍使用，但是其空間覆蓋範圍和可及的高度明顯受到限制。當大型風機成為趨勢，先進感測與控制方法將為優化測量系統提供關鍵對策。換言之，遙測設備可在遠距進行測量，能突破空間限制；若應用於風機，最常見的技術應用有聲波雷達（sodar）、光學雷達（lidar）和雷達（radar），分別利用聲音、光和無線電來進行風場分析。

三、製造和工業化：如上所述，在過去數十年中，風機朝大尺寸發展，為風力發電廠帶來了顯著的規模經濟（economies of scale）和更低的能源成本。就實際層面而言，風力發電機組主要零組件大型化的趨勢，為大型風力發電機組現場安裝、製造與運輸工程帶來了新的挑戰。大部分用於陸上風機之商用風力發電機塔架的最大直徑，或是其葉片最大弦長，仍受到公路與鐵路運輸規格的限制。而現正崛起的3D列印、先進材料、先進感測器、與數位化技術也為風電機組零組件大型化製程帶來嶄新契機。例如：採用3D列印模具製造主要零件，如葉片（blades）、機艙（Nacelle）、輪轂（Hub）等。葉片為風機的關鍵零件，製程改善與先進材料的應用，優化了葉片壽命，也等同確保風電機組的營運穩定。3D列印可將葉片原型分段輸出，組合成模具，使其可澆鑄出完整的葉片，可縮短開發時間及降低成本，並解決尺寸過大不利運送的困境。再者，在大型風機上安裝感測器，並結合無人機進行巡檢，可即時監測風機的健康狀況，降低人工檢測的風險。此外，人工智慧等數位化技術使風電機組設備的故障診斷上有顯著的進步，透過即時紀錄風機運行時的相關資訊，來辨別過程是否正常或判斷故障類別，以提供更精準的風電機組管理。

四、發電廠運作模式：近年來，對於風力發電廠運作的研究思維，從偏重以風機為中心，轉向以電廠為中心的觀點。從宏觀角度看風力發電廠之運作，將風力發電置於電廠內整合運作而非單純獨立控制和操作，共同管理電廠內的各種再生能源與電量調度，藉此能有效控制電廠成本與實現未來的電網數位化。具體而言，風力發電廠控制需進行優化以減少負載，如：透過提高零件使用可靠度和耐用度，與提升渦輪機使用壽命以降低營運支出( operating expense, OPEX) 。另外，強化風力發電廠的預測性維護系統，如：改善電廠內感測器的設計與佈局，進而提供即時全域風場評估，再根據流場分析結果修正葉片設計。此外，數位化趨勢亦是技術創新重點，像是發電系統進行發電排程測試時，也能透過演算法及機器學習，模擬出未考慮之風力；另外還能導入機器人於離岸風力電場專用碼頭進行巡檢任務。

五、電網整合：電網整合觀點主要聚焦於電力系統的運作調度，因為其中50%以上的風能，受到地形、高度、時間的影響，產生發電量變動過大的問題，現行的創新技術多側重於掌握這類即時資訊，例如監測發電量與進行負載預測，補足電網短期服務的能力，目的在維持電力系統的穩定度。而未來整體電力系統布建與調度將由集中型轉變為分散型，由強化能源供應轉變為重視需求管理，並朝向提供具成本優勢與永續的能源。例如：以電力電子技術可將再生能源產生的能量轉換為電能，並配有儲能裝置，可儲存多餘電能，以滿足供電品質和安全，亦可解決再生能源發電不足時產生的孤島模式。

六、離岸風電技術：離岸風力發電以現有技術為基礎進行更新，在創新的製造技術環境下改進製造和安裝流程，可加速推動離岸風電之建置與相關產業供應鏈標準化。離岸風電分為固定式及浮動式，浮動式雖成本高於固定式，但具備不受海底地形或地質條件限制，環境衝擊低等優勢，未來可透過設備標準化與規格化縮短產程，簡化浮動式離岸風機的安裝複雜度，而達到降低採購與建造成本的目標。創新技術發展方面，新型風機朝向下風式、雙葉片、垂直軸式風機的設計方向。垂直軸式風機有別於水平軸式，其發電機組安裝於底部，重心低且便於組裝與維護。此外，垂直軸式的設計無風向限制，可將360度的風能轉換為電能，提高發電效率，因此成為未來發展趨勢。雖然，離岸技術的發展起步較晚，但關鍵技術創新將使離岸風電有望成為未來的電力系統的生力軍。