五南官網-風力發電真好玩

小五南-少年博雅
風力發電真好玩

作　　者：吳明德
出版社別：小五南
書　　系：少年博雅
出版日期：2024/01/01(1版1刷)
ＩＳＢＮ：978-626-366-363-3
E I S B N：無
書　　號：4R0A
頁　　數：120
開　　數：16K
定　　價：320元
優惠價格：253元

KidWind in Asia競賽推薦叢書

專業推薦
李世光 臺灣大學應用力學所及工程科學與海洋工程系特聘教授
林輝政 臺灣大學工程科學與海洋工程系退休教授
周鑑恆 萬能航空系副教授

圖解風力發電機，從理論到實作、流體實驗、科展、風能競賽小寶典

本書特色：
歷史：螺旋演化成螺旋槳
數學：旋轉風與真實風作用
科技：使用美工刀安全
物理：功率、馬力的定義
科展：反轉式風力渦輪機
實驗：測量電功率及轉速

吳明德

任職麗山高中，教授物理及專題。開發教具指導科展，榮獲臺北市科展指導老師獎(2020)、全國科展指導老師獎(2012)、物理教育學會中學教學獎(2011)、旺宏科學指導教師獎(2011)、教育部教學卓越獎金質獎(2007)等肯定。

出版七本書涵蓋：小說、光電科技、科展製作、物理學習與機器人。發表20餘篇科普、科教與航空模型等文章，刊於《科學研習》、《物理教育學刊》、《科學月刊》、《科技報導》、《物理雙月刊》、《麗山學報》、《遙控世界》等期刊。

高中在航空社接觸流體力學。就讀臺大工科海洋博班，研究風力發電。2019年起擔任「KidWind」風能競賽裁判。並與「雜學校」、台電「電幻一號所」合作開發針對國、高中的風能教具。

推薦序

倡導環保與永續的再生能源，對於臺灣的重要性逐日增加，但是對於能源教育尤其是風能的部分，多半是針對大專學生，也側重在學術理論的部分，很少風能方面書籍是為中學生撰寫。

很高興《風力發電真好玩》這本書出版，對於中學生是十分適合的風能入門教材，除了科學原理以外，也包含動手製作風力渦輪機教具，以及量測轉速、風速與功率等科學實驗。

作者吳明德是位經常帶領學生，參加科學競賽的指導老師。本書還特闢一個章節，專門探究與風能相關的科學活動，從指導過的科展研究主題為例，介紹流體力學與風能領域。

本書不只對於想參加科學活動學生是很有幫助。還有對於科學老師要如何開發教具，帶領同學進行研究、舉辦營隊活動，以及撰文投稿與發表等，吳老師將他的多年教學經驗公開分享。

想協助中學階段孩子，認識能源科技的家長，還有熱愛科學想要學理與實作的學生，或是熱血的中、小學的科學教師。慎重推薦《風力發電真好玩》這本書。

李世光教授
財團法人工業技術研究院董事長
財團法人資訊工業策進會董事長
臺灣大學應用力學所及工程科學與海洋工程系特聘教授



推薦序

過去世界大量使用化石燃料，造成地球溫室氣體大幅上升，氣候暖化異常，巨風暴雨等天災頻傳，因此，環境保護、永續發展成為現代顯學，綠能、再生能源為大家所重視。

臺灣也大力發展風電、太陽光電、地熱等再生能源，在西海岸大規模建設離岸風機，從設計、製造，到組裝、架設，到最後維護、保養風機，都需要不同領域的專業人士參與。目前國內尚欠缺相關專業人才，也尚未建立完整的產業結構，現階段只能高薪聘用大量的外籍人士。

培訓風能專業人才，眼光不能僅針對大專生，或是侷限在理論知識，還需要從中、小學生開始著手，瞭解風能知識，更需要動手實作印證學理，讓年輕學子在未來就業中願意投身在風能產業。

《風力發電真好玩》這本書，作者親自繪製大量圖片，鉅細靡遺解釋背後的科學原理。本書適合作為對風力發電有興趣的民眾，或是大專、高中選修課程風能入門之教材。所研發的風力發電教具，還能動手完成許多測試與實驗。

現代風力發電的發展，與航空、材料與電力工程的大幅進步有密切的關係，作者指導學生參加風能相關科學競賽，並指出目前風力發電還有許多範疇有進步空間。這對於風能科展有興趣的中小學生，甚至是研究生都能有所幫助。

作者吳明德同時也是麗山高中的物理老師，他告訴讀者：老師除了教書授課外，還擔負社會教育的責任，吳老師在分享舉辦科學營隊、教師交流與發表文章，這些經歷時，讓我們看到教育不是政策或口號，而是視為終身志業的熱忱。


林輝政教授
審定：《圖解風力發電入門》、《小型風車手冊》、《基礎風力能源》、《風車工學入門》等書籍
曾任春雨工廠董事長、澎湖科技大學校長
臺灣大學工程科學與海洋工程系退休教授


推薦序

臺灣近年正在進行以大規模離岸風電為基礎的能源轉型計劃，全力提高風電在臺灣電力所佔的比例，這項計劃將深遠影響國家的未來。積極建構本土風電產業鏈、風電系統的建造、維修與運營科技在地化、風電技術之國際合作與交流等配套工作，也都已經如火如荼地次第展開。然而，千頭萬緒之中，這項計劃根本的成敗關鍵，卻在於風電人才的培養。

此時此刻，風電的科學教育，可謂重中之重、刻不容緩。吳明德老師任教於以科學教育名聞遐邇的麗山高中，長期挹注心力於各項頗具發展潛力的科學主題，成績斐然，見解獨到。

風力發電是吳老師最為擅長的主題之一。吳老師自幼著迷於航空，精通飛行知識。現代風車的原理、設計和運作，其實就是航空科技的應用，在指導優秀的麗山學生探究風電科技之餘，不但對其中的奧秘瞭若指掌，更磨練出大量動手實作的寶貴經驗。

基於他對風力發電的精湛理解，吳明德老師創作了這本《風力發電真好玩》的新書，將深入的風電原理轉譯成散發著漫畫童趣的精美圖畫、以及平易近人的娓娓解說，讀來令人賞心悅目，心領神會，而在風電領域登堂入室；更難能可貴的是，吳老師從豐沛的實作經驗中萃取精華，在書中分享了簡易可行的巧妙訣竅，引導讀者自製出合乎空氣動力學的風車，並提出操作、測試這些自製風車的精彩實驗。全書文字酣暢淋漓、圖文並茂，對提升風電科技教育品質而言價值連城。

令人欽佩的是才氣縱橫的吳老師更重視身為教育工作者的社會責任，經常透過各種科教活動、節目、會議等，與國內外的教師與學生分享珍貴心得，基於腳踏實地的真實經驗，熱心擔任諸如KidWind風力競賽等科教活動的評審，做出有本有源的中肯評分，鼓勵著無數年輕學子精益求精、青出於藍。

周鑑恆
萬能航空系副教授
2022年物理教育教學獎得主

第一章 風力渦輪機簡介

風車到風力發電機
古代人類創造出風車與帆船等風力機械，運用風能改善了生活與環境。在歐洲西部的荷蘭，全國有一半的面積低於海拔1米，被稱為低地國。荷蘭人克服天然地理環境限制，先築堤之後再用風車抽出海水，創造出海埔新生地，所以才有「上帝造人，荷蘭人造陸」這句諺語。

在美國的中西部地區，為了能在乾旱的土地種植，利用多葉片的風力渦輪機，抽取地下水灌溉農作物，雖然多葉片的渦輪轉速並不快，但多葉片可以大幅增加力矩帶動幫浦。此外人們在電力尚未普及的世代，都曾運用風車驅動石磨運轉，將穀物、麥子碾磨成麵粉，說明風能可以部分取代騾、馬等獸力作為動力源。

在19世紀中，法拉第(Michael Faraday)誕生了發電機，緊接著愛迪生(Thomas Alva Edison)發明出實用的電燈泡。世界正式由蒸氣時代邁進電氣時代。發電機要維持運轉提供電能，當時的人們優先考慮是利用燃燒煤炭的火力發電，或是將河流築堤攔壩以水力發電。

使用風力驅動渦輪葉片帶動發電機，一方面是風能具有間歇不穩定的特質，加上當時的渦輪葉片效率不佳，風力發電的概念僅僅是作為實驗性質，並未大量普及使用。但是這狀況在二次世界大戰能源稀缺，以及現今為了降低排放溫室氣體的訴求下發生改變。

現代的風力發電機，誕生在北歐的丹麥。其中最重要的關鍵人物，我認為是保羅‧拉‧庫爾(Poul la Cour)，他是位氣象學家，所以自然會想到利用穩定吹拂的西風，驅動位於丹麥日德蘭半島的風力發電機。同時他也是位發明家，在研究荷蘭風車之後，發現平板狀的渦輪葉片效率不佳，在參考流體力學的原理，葉片修改為機翼流線型的剖面後大幅提升效率，並利用電解水產生氫氣儲能，順利解決風能不穩定、無法持續提供能源的問題。

庫爾同時還具備高中教師的身份，他撰寫了數學和幾何方面的教科書，說明了風力發電機的渦輪機葉片原理，是借用數學幾何中的螺旋觀念。到了第二次世界大戰時期，納粹德國統治丹麥，此時丹麥鄉間早已遍佈源自庫爾設計的風力發電機，以分散式發電(Distributed Generation)渡過戰爭期間的能源短缺。

早先在風車上的葉片，只是模仿划船的槳，僅僅具有平板的形狀。現代的風力發電機，具備高效率的渦輪葉片，渦輪葉片的設計近似於螺旋，為了達到旋轉一週前進一個螺距的距離，要設計槳葉尖端的角度要小，槳葉內側根部的角度必須大。這原理就像行走螺旋樓梯一樣，螺旋樓梯的內側坡度大，螺旋樓梯的外側坡度就小許多。

現代大型風力渦輪機技術十分成熟，發電成本已經大幅下降，因為無需購置燃料，也不需要大量人工操縱與維修，費用就是要在長達20年的運作壽命中，分期攤提風力發電的建構成本，已經可以與煤炭成本相互競爭。風力發電的過程中，不會排放損害自然環境的溫室氣體，還能創造嶄新的工作機會。

風力渦輪機種類
風力渦輪機的種類繁多，先從容易識別的外觀來判斷，依照風力發電機渦輪葉片的轉軸方向，可以區分為：垂直軸風機(vertical axis wind turbine)與水平軸風機(horizontal-axis wind turbine)兩大類型。

垂直軸風機的轉軸與風向垂直，優點是能夠善用捕捉來自不同方向的風，而發電機安裝在底座讓重心較為穩定，維護也十分簡單方便，適用在風向不穩定的都市叢林內，缺點就是發電效率較差。

反觀水平軸風機，渦輪的轉軸是平行於風向。渦輪葉片所受到的合成風，是由真實風與旋轉風所合成，當然發電效率會比垂直軸風機較佳，所以商業上大規模風場所使用的，幾乎都是大型水平軸風力發電機。

但缺點是不斷的調整渦輪葉片正面迎風，就需要方向舵或伺服馬達。導致塔柱與發電機的機艙間，轉向機構會十分複雜。而且發電機、齒輪箱維修時要攀爬到塔柱頂上的發電機艙十分麻煩。

最簡單的方法是在渦輪機與機艙後端，加裝垂直安定面，這安定面設計就像滑翔機尾部的垂直安定面一樣，能提供左、右偏航的安定性。加裝垂直安定面面是小型水平軸風力發電機常見的作法。

但是大型商業使用的風力發電機，在發電機的機艙頂部，加裝測量風速、風向等氣象儀器。再由伺服馬達直接驅動讓機艙旋轉。雖然氣象儀器、伺服器馬達等會讓此建置水平軸風力渦輪發電機的費用提高，但是長期能正面迎風，所發出的電能獲益會更為可觀。

第二種方法是將渦輪機設計在塔柱之後，這種風力渦輪機稱為背風式轉子(Down wind rotor)。當然這種方法的缺點也顯而易見，就是塔柱會稍微阻擋風場，背風式風力渦輪機的效率會約略減損一些。

第三種是風罩式風力渦輪機(Shrouded wind turbine)。風罩達到可以調整左、右偏航，還能降低渦輪葉片的渦流，並達到集中風場效益等。

無論是加裝垂直安定面、背風式風機或是風罩式風機，共同設計都是採穩定平衡設計概念，即是支點或轉軸在前方，氣動力所作用的點，如垂直安定面、背風的轉子、風罩等位於後方，即容易回復至平衡點而達到穩定平衡狀態。

風車除了區分為：「垂直軸風機」與「水平軸風機」之外，還可以區分為：「阻力型風車」、「升力型風車」兩大類型。

先以帆船順風航行說明阻力，下圖的帆船，當風向與帆船的航行方向相同時，此帆面受到風吹拂產生阻力，使帆船順風航行。當然這艘帆船的航行速度，絕對不會超過風速。

外觀像是風杯型風速計的垂直軸阻力型風車，利用各葉片所受的阻力不相等，凹面的葉片受到風的阻力較大，而凸面的葉片則受到風的阻力較小，導致各葉片受力不平均開始旋轉。可想而知，此阻力型風車的葉片轉速應該不會很快，其葉片尖端的速率並不會比風速快。

並非所有的垂直軸風車均為阻力型風車，如大流士轉子(Darrieus Rotor)外觀像是直立攪蛋器，就是升力型設計葉片，其發電效率會比垂直軸阻力型 (Savonlus Rotor)好一些。為了提升渦輪葉片帶動發電機的效率，就需要讓葉片的速率比風速快，這時候便需要「升力型」的葉片設計。

帆船高聳的帆面，可以想成直立的機翼，當風向與帆船的航向相互垂直，也就是帆船進行側風航行時，如果仔細調整帆面角度，使帆面與合成風夾大約5°~10°左右的角度，這又稱為攻角(Attack angle)，此時帆面會產生較大的升力與較小的阻力，而此升力是與合成風向垂直，使帆船側風航行。

調整適當的攻角，其升力可以是阻力的好幾倍，這部分原理的細節會留到後面再詳談，也就是說帆船側風航行的速度，比起順風航行還要更快許多，這就打破傳統俗諺：「一路順風」的迷思觀念。

水平軸的風力渦輪機葉片，除了受到真實風的作用，因為葉片旋轉後同時還會有旋轉風作用，利用向量合成的概念，將真實風與旋轉風合成為「相對風」，如果葉片角度設計適當，會同時產生相當大的升力，與較小的阻力。如果升力在旋轉面的分力，大於阻力在旋轉面的分力，此渦輪葉片就開始旋轉了。

葉片旋轉後受到遠比真實風更快的「相對風」作用，而且產生比阻力更大的升力帶動葉片旋轉，導致「升力型風車」的效率是遠大於「阻力型風車」。不過「升力型風車」葉片各段的角度設計，要比阻力型葉片更加困難許多。

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