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
作者簡介：
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。
章節試閱
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。
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...
推薦序
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
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...
作者序
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。
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、...
目錄
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
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
...
TAAZE 讀冊生活
金石堂
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五南文化廣場網路書店
