風力發電真好玩

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。

前言

現在的中小教育政策，標榜著素養導向、雙語教學等議題，其實這些議題並不是目前學生最欠缺的。我們需要的是：能統整各類知識、動手實踐與解決問題的能力，然而這樣的訓練，並不能透過目前學校制式的分科課程來培訓。

有系統的學習，不能漫無目標吸收零星碎片化知識，是要將各領域知識拿來實際運用，這需借助主題整合，本書主題就是「風力發電」，包含數學的螺線與三角函數，科技的木工、電工與製圖技巧，科學的流體力學、電學、大氣等知識，最後以工程學眼光進行問題解決與最佳化。

所以「風力發電」這主題是：科學Science、科技Technology、工程Engineering 與數學 Math，縮寫 STEM 的絕佳示例。

臺灣電力目前有80%依賴火力發電，燃燒化石燃料的代價，除了花費燃料錢，還會製造大量二氧化碳等溫室氣體。若採用風力渦輪機，帶動發電機就可以持續產生電力。

而臺灣的位置得天獨厚，無論是冬天的東北季風或者是夏季的西南季風，通過臺灣海峽時就像個漏斗狀，可以增加風速。所以臺灣從桃園沿著彰化海岸到澎湖之間的海域，就十分適合架設風力發電機。

早期荷蘭將風車用於磨麥與抽水，現代丹麥使用風電遠超50%的電力來源。工業強國德國，風能佔比超過20% 的電力。中國大陸佔世界1/3 風力發電機裝置容量，逐擺脫大量用煤產生霧霾與污染。只可惜在2022年臺灣風能僅占 2% 電力來源，還有很大的進步空間。

本書內容共分為六個章節。

第一章是「風力渦輪機簡介」，認識風力渦輪機歷史、種類、構造，風場等概念。

第二章為「旋轉的機翼」。說明螺旋槳、渦輪葉片基本上都是旋翼，也就是旋轉的機翼，並且介紹作用在機翼或葉片上的升力與阻力。

第三章「大力士風車」。這一章先談談大力士風車的由來，並且從生活週遭的紙杯動手製作葉片，以塑膠瓦楞板製作槳轂。純粹利用風車帶動輪軸拉起重物，讓同學理解能在最短的時間內，快速拉起最重的物體，就是功率好的風車。

第四章「風力發電科學活動」。以講故事的方式談風能科學概念，逐步轉換成科學研究議題，再到指導學生參加競賽。或是從開發風能教具，舉辦學生營隊或是教師交流經歷，線上教學媒體、電視科學節目的錄製，以及風能教具發表會的活動紀錄。

第五章「測轉速與電功率」。利用巴爾沙木製作渦輪葉片，調控負載大小後依照規劃週速比運轉發電，這時候需自製壓力風速計、轉速計，以及電能感應器測量電功率。

附錄中收錄好幾種風力發電教具、設計KidWind競賽的渦輪葉片、製作簡單風洞、測量與計算大力風車的功率等關於風能的資料。

本書規劃建立風能的基本知識，還開設了「科技小教室」、「科學小教室」、「軟體小教室」，作為理論與實際之間的連結。還強調動手能力。最後是工程訓練，要經歷許多步驟：從分析問題、尋找變項與關聯性繪出函數關係，再由疊圖比較發現「解決問題」的方法，這也是工程師的任務。解決問題的過程中深具挑戰，「培養小小工程師」這也是撰寫本書的目標之一。

推薦序、前言

第一章 風力渦輪機簡介
風車到風力發電機
風力渦輪機種類
風力發電機構造
功率與貝茲定律
風梯度與風力發電
Windy App 簡介

第二章 旋轉的機翼
簡單機械～螺旋
升力與阻力
渦輪機與螺旋槳有何不同？
螺距與轉速關係
週速比(Tip Speed Ratio)
飛機木渦輪葉片

第三章 大力士風車
大力士風車材料
葉片設計與製作
塑膠瓦楞板槳轂
風車輪軸與底座
風車調整與競賽

第四章 風力發電科學活動
反轉式風力發電機
自適應可變螺距葉片
「抽吸效應」減少阻力
雙層式水平軸渦輪葉片
超級電容與機械儲能
發電機教具模組
風能教育推廣

第五章 測轉速與電功率
手機壓力風速計
利用阻力測量風速
測量渦輪機葉片轉速
風力發電機與冷次定律
調整負載測量電功率

附錄
風力發電機接喇叭
炫光風力發電機
垂直軸風力發電機
樂高抽水風車
盤式發電機原理
KidWind風能競賽介紹
製作簡易風洞
大力士風車功率計算

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。