小型風車手冊

　　精通系列03∕臺大出版中心 出版∕本書附【小型風車設計圖例】
　　臺灣大學工程科學及海洋工程學系 林輝政教授  審定
　　日本長賣二十年之風能研究 & 風車自製指南

　　《小型風車手冊》是日本足利工業大學，牛山 泉校長的風能著作之一，本書在日本長賣二十年，並再版五次，足見日本在風能研究方面的大力推廣及熱衷程度。

　　本書內容較偏科普，適合一般大眾閱讀，且提供許多自己動手製作風車的知識，對於有興趣自製風車的讀者來說，應是一本相當不錯的參考用書。

　　對人類而言能源是文明的根基，足以被稱之為生命。能源在昔日和空氣一樣，與我們極為貼近，但我們卻沒有意識到它的存在。不過，從1973年的石油危機，到現今愈見嚴重的能源問題，終於到了人類必須用其睿智的頭腦找出替代石油的新能源的時代了。

　　儘管至今尚未找到適合的替代能源，但真的沒有新的資源嗎？仔細思量，想必會發現在我們的身邊就有太陽能、光能、風能、水力能、生質能等豐富的自然資源，這些資源都有再生性，且在轉換的過程中不會產生汙染物質，這也是這些資源的魅力之一。在這當中，對人類來說風能可以說是最古老且貼近人類生活、非常熟悉的能源。

　　以荷蘭型風車為代表，中世到近世紀的歐洲諸國都以風力為最大的動力來源；美國自開拓時代以來，也有600萬架的風車用在抽水及發電等。相對於歐美的風能發展到一定成熟的程度，日本雖然過去有風車的輸入與發展，但風能利用技術卻沒有扎根。由於風能也是最為成熟的綠色能源之一，但知識技術的不足將會影響到風能的利用。

　　要利用風能時，必須結合氣象、航空、機械、電力、控制、土木、環境等極廣範圍的知識，筆者們的專業領域為熱力學及空氣力學，或許撰寫風車工學這樣跨領域的書籍並不是很恰當，但本書是抱持著將日本風能協會所提出的迫切問題點，以及筆者平日花心思蒐集、累積而成的資料及知識技術等加以整理的心態完成的。本書的內容可說是風力利用的入門到專門的橋樑。

　　對於業餘人士來說，即使有難以理解的地方，但在一定程度內即使跳過一部分只理解概要，也能充分達成目的，應該有助於實際的製作，希望本書能有助於能源問題的改善。雖然本書並非以技術教育為目的而撰寫，希望能作為高中職或大學的風車研究指南，並有所貢獻。

作者簡介

牛山泉

　　工學博士
　　日本足利工業大學校長

三野正洋

　　日本大學生產工學院講師

審訂者簡介

林輝政 博士

　　國立臺灣大學工程科學及海洋工程學系教授
　　國立澎湖科技大學校長

第1章 風車利用概論
1.1 風的產生
1.2 風隨時間的變化
1.2.1 風在1天中的變化（日變化）
1.2.2 風隨季節產生的變化
1.3 風隨高度的變化
1.4 風的變動性
1.4.1 風的性質（亂流）
1.4.2 風向的變動
1.5 風的局部性
1.6 風的觀測和數據
1.6.1 風的觀測
1.6.2 風的數據
1.7 風能的蘊藏量
1.7.1 地球總風能的估計
1.7.2 日本風能分布
1.7.3 日本的蘊藏量估計
1.8 風能利用的歷史和現狀（小型風車）
1.8.1 風車的起源
1.8.2 風車的普及
1.8.3 風車的最盛期
1.8.4 風力發電的誕生和實用化
1.8.5 日本的風能使用
1.9 風能利用的未來

第2章 風車的設置場所
2.1 風車的設置場所
2.2 設置於平地的情況
2.3 設置於山脊或山頂的情況
2.4 根據植披判斷設置場所
2.5 風車裝置的氣象障礙
2.5.1 亂流
2.5.2 強風
2.5.3 風切
2.5.4 結冰或積雪
2.5.5 雷
2.5.6 鹽害
2.5.7 沙塵
2.6 在建築物上或附近設置風車的情況
2.7 根據風速判斷設置場所
2.8 日本風能的候選地點

第3章 風車的基礎知識
3.1 風車獲得的能量
3.2 風車的種類和特徵
3.2.1 水平軸風車的種類和特徵
3.2.2 垂直軸風車的種類和特徵
3.2.3 特殊風車
3.3 風車的性能表現
3.3.1 風車性能的特性係數
3.3.2 輸出功率、轉數和風速的關係

第4章 風車系統的基本設計
4.1 能量需求量的推定
4.1.1 電力負載的推定
4.1.2 機械負載的推定
4.2 風車的輸出功率和能量
4.3 風力利用裝置
4.3.1 風車的能量轉換特性
4.3.2 風力的利用裝置

第5章 風車的空氣力學設計
5.1 風車葉片
5.1.1 風車葉片的空氣力學
5.1.2 風車葉片的設計角度
5.1.3 風車葉片的剖面形狀
5.1.4 風車葉片的面積和弦周比
5.1.5 風車葉片的平面形狀
5.2 風車葉片的設計法
5.2.1 葉片形狀的決定
5.2.2 圖式設計法
5.2.3 葉片元素理論設計法

第6章 風車系統的構造設計和機械設計
6.1 風車的構造設計
6.1.1 風車葉片的離心力
6.1.2 風車葉片的阻力
6.1.3 風車的扭矩
6.1.4 螺旋槳的角動量和尾翼的負荷
6.1.5 風車裝置的負荷條件
6.1.6 風車的安全設計
6.2 風車的機械設計
6.2.1 風車的轉速控制
6.2.2 風車的方向控制
6.2.3 風車葉片的材質和構造
6.2.4 帆型和桶形風車的葉片
6.2.5 葉片和軸轂的接合部分
6.2.6 風車的加速機構
6.3 支撐塔
6.4 支撐塔的地基

第7章 風力利用裝置的構成要素
7.1 發電機
7.1.1 汽車用交流發電機的原理和構造
7.1.2 汽車用交流發電機的性能
7.1.3 交流發電機的風力發電
7.1.4 其他的發電機
7.2 蓄電池和變壓器
7.2.1 蓄電池和其種類
7.2.2 蓄電池的原理
7.2.3 蓄電池的性質
7.2.4 蓄電池的用途
7.2.5 充電的知識
7.2.6 蓄電池的保養
7.2.7 換流器
7.3 抽水幫浦
7.4 曝氣和防止結凍
7.5 風能的熱轉換和儲存
7.5.1 能源的利用結構
7.5.2 風力熱轉換方式

第8章 經濟性
8.1 小型風電裝置的經濟性評價
8.2 小型風電裝置的電力成本
8.3 小型風車輸出功率的成本計算
8.3.1 兩種風車裝置的成本比較
8.3.2 計算成本所需數據

第9章 世界的小型風車
9.1 小型、微型風力發電機製造商
9.2 代表性的抽水風車製造商
9.3 日本小型風車製造商及經銷商

第10章 實際的製作
10.1 實際風電裝置自製例
10.1.1 茅野勝義氏的例子
10.1.2 金綱均氏的例子
10.2 自製風車的大小和形狀
10.2.1 風車大小的極限
10.2.2 製作的風車種類
10.3 木製葉片的製作法
10.4 發電機的配線
10.5 數個新的構想
10.5.1 桶形風車的性能提升
10.5.2 垂直軸高速風車的起動
10.5.3 風向固定時的風車裝置
10.6 自製風車構造的例子
10.7 軸承和集電環
10.7.1 軸承
10.7.2 集電環
10.8 簡易計算法

附件：設計圖上的風力發電機
[A] 0.9H桶形風車
[B] 0.45 螺旋槳型風車

精選文獻
1. 風相關
2. 風車相關
3. 空氣力學相關
4. 發電機及電動機相關
5. 轉換及儲存相關
6. 文獻補充

索引

序言

　　2008年10月與同仁拜訪日本足利工業大學，牛山 泉校長熱情接待，派專人介紹該校的「風和光的廣場」、「迷你、迷你博物館」，對於足利工業大學在能源科技方向的研究與成果，印象相當深刻，也非常佩服。這次的拜訪可說收穫非常豐盛。拜訪中，牛山校長也介紹他的多本風能著作，包括《風車工學入門》、《基礎風力能源》、《垂直軸風車》、《小型風車手冊》等，並贈送其著作《風車工學入門》。

　　見面過程中，牛山校長提到《小型風車手冊》在韓國及中國大陸都有翻譯版，而臺灣卻有盜版情形，令他非常失望。本人回國後馬上聯繫盜版的臺灣出版商，在行政院新聞局的協助下，要求所有的盜版品下架。在完成《風車工學入門》、《基礎風力能源》二本書的翻譯後，為了使「小型風車手冊》能合法在臺灣出版，因此繼續完成《小型風車手冊》的翻譯出版工作，使臺灣讀者也能合法閱讀，獲得該書所提供知識。

　　《小型風車手冊》內容比較科普，適合一般大眾閱讀，而且提供許多自己動手製作風車的基本知識，對於有興趣自製風車的讀者應是一本相當不錯的參考書。

林輝政
2009.11.31