垂直軸風車

第1章 風車的時代；為何要使用風力發電
1.1  地球環境問題
1.2　化石燃料的枯竭
1.3　三元悖論的解決
1.4　風力發電的貢獻
1.5　水平軸？垂直軸？─比較其風力渦輪─
1.6　邁向風力發電的時代

第2章　垂直軸風車的歷史
2.1　垂直軸風車的發展歷史
2.2　風力發電的創始者；詹姆士．布萊斯
2.3　垂直軸風車代表~桶形風車與打蛋型風車~
2.4　世界最大的垂直軸打蛋型風車~4MW Eole Project~
2.5　風車的新技術

第3章　風況與風力利用
3.1  風的特性
3.1.1  風能
3.1.2  風的種類
3.1.3  風速的高度分布
3.1.4  地形等原因造成風的變化
3.1.5  風速隨時間的變化
3.1.6  風的流動與空氣密度的變化
3.1.7  風向、風速分布
3.2  風況分析與可利用能源
3.2.1  韋伯分布
3.2.2  雷利分布
3.2.3  風力發電系統的性能與指標
3.2.4  可以取得的能源量
3.2.5  風的資源量；風況圖
3.3  日本的風力發電開發目標

第4章　風車的基礎知識
4.1　風車的種類與特徵
4.1.1　風車的種類
4.1.2　水平軸風車的種類與特徵
4.1.3　垂直軸風車的種類與特徵
4.2　風車的基礎原理
4.2.1　阻力型風車
4.2.2　升力型風車
4.2.3　阻力型風車與升力型風車的比較
4.3　風車的性能評估
4.4　風力發電系統的綜合效率

第5章  垂直軸風車的基礎知識
5.1　阻力型風車
5.2　升力型風車
5.3　打蛋型轉子
5.4　葉片的接合
5.5　為什麼垂直軸風車會轉動？
5.6　垂直軸風車的分析
5.7　垂直軸風車的寬高比
5.8　作用於垂直軸風車的離心力
5.9　垂直軸風車的性能計算
5.10　垂直軸風車的課題

第6章  垂直軸風車的開發
6.1　垂直軸風車
6.2　桶形風車的開發
6.3　美國、加拿大的打蛋型風車開發
6.4　印度垂直軸風車的開發
6.4.1　研究背景
6.4.2　打蛋型轉子的性能分析
6.4.3　曲線葉片風力渦輪
6.4.4　桶形轉子的風洞實驗
6.4.5　直線葉片風力渦輪
6.4.6　分析與評價
6.5　日本打蛋型風車的開發
6.5.1　東海大學直翼型垂直軸風電系統的研發
6.5.2　三菱電機的打蛋型風車開發
6.5.3　日本的垂直軸風車

第7章  垂直軸風車的空氣力學
7.1  風車內風速及速度降低率
7.2  風車的理論效率
7.3  垂直軸風車的基礎理論
7.4  垂直軸風車的基礎特性式
7.4.1  關於葉片的特性式
7.4.2  關於橫桿的特性式
7.4.3  風車整體的特性式
7.5  直線葉片垂直軸風車的氣流解析及其應用
7.6  風車理論效率的最大值(貝茲理論)
7.7  逐次計算法
7.8  性能計算結果（參數的變化對風車效率的影響）
7.8.1  弦周比和效率
7.8.2  葉片枚數和效率
7.8.3  支撐葉片橫桿數和效率
7.8.4  縱橫比和效率
7.8.5  葉片的安裝角度和效率
7.8.6  葉片形狀和效率
7.8.7  直線葉片垂直軸風車的性能計算的結論

第8章  垂直軸風車設計的基礎知識
8.1  風能與風車設計的基礎知識
8.1.1  風車設計的基礎知識
8.1.2  風力能源及其利用
8.1.3  風能系統設計風速的決定方法
8.1.4  風車的基礎理論
8.1.5  結構設計上的考慮
8.1.6  運作風速的定義
8.2  垂直軸風車的特徵和動作原理
8.2.1  垂直軸風車的分類
8.2.2  垂直軸風車的特徵
8.2.3  垂直軸風車的運作原理
8.2.4  風車性能的影響要素
8.3  直線翼垂直軸風車的設計和技術性課題
8.3.1  空氣動力結構物課題
8.3.2  固定螺距風車課題
8.3.3  風車運作問題
8.3.4  電力穩定課題
8.3.5  能源儲藏方式
8.3.6  結構材料課題

第9章  垂直軸風車的設計
9.1  垂直軸風車的設計重點
9.1.1  一般與負載條件設定
9.1.2  變動負荷與疲勞
9.2  垂直軸風車的設計方法
9.2.1  設計組成因素
9.2.2  風車渦輪
9.2.3  設計
9.2.4  直線翼垂直軸風車的設計條件
9.2.5  直線翼垂直軸風車的靜態負荷
9.2.6  直線翼垂直軸風車的振動負荷
9.2.7  直線翼垂直軸風車的強度保證條件
9.2.8  設計運作風速的定義
9.2.9  設計運作轉速的定義
9.2.10  安全係數
9.2.11  各部份應力分析
9.2.12  各部份振動分析
9.2.13  標準設計規格
9.3  翼型的設計
9.3.1  翼型的開發
9.3.2  TWT系翼型的設計方法
9.3.3  2維翼型實驗
9.3.4  實驗結果的表示算式
9.3.5  低雷諾數設計高性能TWT系列葉片的方法
9.3.6  最佳翼型
9.4  TWT翼型與風車特性
9.4.1  旋轉角與轉矩係數
9.4.2  旋轉時相對風速產生的空氣動力
9.4.3  旋轉角與葉片攻角
9.4.4  最佳翼型與風車特性
9.5  風車與發電設備的整合
9.5.1  風力發電裝置
9.5.2  整流方式風力用發電裝置
9.5.3  新型發電裝置
9.5.4  其他發電機的特徵
9.5.5  發電裝置的應用
9.6  垂直軸風車的控制
9.6.1  風車特性
9.6.2  垂直軸風車的質量特性
9.6.3  垂直軸風車的負載特性
9.6.4  垂直軸風車的運動方程式
9.6.5  垂直軸風車的模擬
9.7  垂直軸風車的結構設計
9.7.1  垂直軸風車的受力
9.7.2  垂直軸風車的構造力學特性
9.7.3  垂直軸風車振動的分析方法
9.7.4  垂直軸風車的振動
9.7.5  垂直軸風車的設計風速
9.7.6  垂直軸風車運轉的考量
9.7.7  垂直軸風車靜態負荷的設計
9.7.8  垂直軸風車振動負荷的考量
9.7.9  垂直軸風車的設計方法
9.8  產品支援
9.8.1  總體管理系統的重要性
9.8.2  小型風車的應用
9.8.3  併聯電源的利用型態
9.8.4  小型風車的併聯具體範例
9.9  安全系統
9.10  垂直軸風車的設計範例
9.10.1  底角風速、風能密度、設計風速的決定方法
9.10.2  主要設計
9.10.3  風車性能

第10章  實地測試
10.1　實驗用直線翼垂直軸風車實地測試
10.1.1　風車的特徵與性能
10.1.2　風車的控制裝置
10.2　直線翼垂直軸風車的實地測試
10.2.1　實地測試範例（1）
10.2.2　實地測試範例（2）
10.2.3　實地測試範例（3）
10.2.4　實地測試範例（4）
10.2.5　實地測試範例（5）
10.3　實際風況下的風車效率計算式

第11章  風力發電的環境影響
11.1　風力發電的環境評估
11.1.1　噪音
11.1.2　電磁干擾
11.1.3　景觀
11.2　對生態系影響：野鳥的影響
11.3　風能的環境面
11.4　風力發電的公眾接納性
11.5　風力渦輪的運作及環境的影響
11.6　圓滿的環境評估

第12章  垂直軸風車的利用與展望
12.1　風車的最佳運作條件
12.2　風力抽水幫浦的種類與特性
12.2.1　風車與幫浦的組合
12.2.2　抽水性能
12.2.3　風力抽水系統的簡易推算法
12.3　風力的熱能轉換
12.3.1　風力熱能轉換方式的種類與特徵
12.3.2　風力熱能轉換系統的實際範例
12.3.3　風力熱能轉換的展望
12.4　中小規模的風力利用
12.4.1　農漁業的風能利用
12.4.2　地方自治團體風能利用的展望
12.5　垂直軸風車的海上風力發電
12.5.1　海上風力發電的現狀
12.5.2　海上風力發電的未來
12.5.3　日本的海上風力發電的可能性
12.5.4　浮動型海上風力發電系統
12.5.5　浮動型海上風力發電的海上電解工廠
12.5.6　日本的海上風力發電課題

後記
索引

序言

　　日本的風能研究開發為國家計畫中，陽光計畫的一環，科學技術廳實施小型風車實證測驗的「風TOPIA」計畫也是從昭和53年（1978年）開始，那年以前開始，本書的筆者們已隨同國立研究所、民間企業，以及民間團體的10多名研究者，在研究風能利用可能性的科學技術廳資源調查所風力委員會中學習。此委員會提出的課題內容廣泛，包括日本的風力資源潛在量、風的特性、風車的設計條件，或是風能的利用方法及為了實行其方法的風能轉換系統等。其成果已統整為對科學技術廳極有利用價值的報告，但是關係人士以外幾乎沒有人知道。

　　在那之後，關心風能利用的人們，或是以實用化為目的參與企劃研究開發的人也漸漸增加，也出現了多本風能利用的相關著作，但實際上這些著作當中大多都沒有談及垂直軸風車。

　　現在，開始研究及開發風能利用已過了4個半世紀，伴隨環境問題浮上檯面，開始憂慮化石燃料資源的枯竭，為了解決此問題，對風力或太陽光等可再生能源抱持高度的期待。大眾將地球再生的希望託付在風能上，風車產業及風力發電產業也正步上軌道。

　　因此，在這個風能實用化時代裡，各界傳出希望能夠有一本關於垂直軸風車的正式參考書，而本書正能回應這項要求。海外的唯一一本垂直軸風車參考書，是由筆者們共同的友人－加拿大．蒙特利爾工科大學的伊歐．帕拉希繆教授撰寫的“Wind Turbine Design ~with Emphasis on Darrieus Concept”（2002年），但其內容著重於理論層面以及介紹過去加拿大和美國的打蛋形風車實驗結果為主，幾乎沒有提及設計的實際作法。

　　進入21世紀，在今年2007年日本風力發電的設備容量也超過100萬kW，大型風車的數量也超過2000座。另一方面，這些風車實際上無法適應日本的強風、亂流，或是雷擊等嚴苛的環境因素，而造成重大的損失。對應這些情況，新能源產業技術綜合開發機構（NEDO）正著手進行日本型風車的調查研究，但研究對象皆為往昔的水平軸螺旋槳型風車。

　　筆者們認為，垂直軸風車正是適合風向變動劇烈的日本的日本型風車。關氏在進行垂直軸風車研究的30年之中，起初將重點放在設計高性能的風車上，但是近幾年來，除此之外更強調要如何設計安全的風車，並如何運用，關於此點在本書中也明確的提出。

　　藉本書的出版，希冀日本的垂直軸風車研究及開發能夠更加活躍。另外，在海外從1970年代開始到1980年代前半，於加拿大、美國、英國等國進行的垂直軸風車研究與開發現已幾乎停止，但以此為契機，由日本傳遞垂直軸風車的信息，期許在21世紀迎接嶄新的垂直軸風車時代到來。

　　風能利用必須配合相當廣泛的跨學科領域合作，因此，本書自負其內容能夠滿足以能源相關領域的高專生、大學生、研究生，企業、研究機構等的研究人員、技術人員、經營管理部門的執行人員，甚至是自治團體的環境、能源相關的企劃、政策負責人等廣泛讀者群。

　　世界的風力發電導入量年年增加，尤其是歐洲諸國的進展狀況更是讓人瞠目結舌。另一方面，日本的風力發電導入也從1990年後半起開始，導入量急遽增加，2007年累積容量為160萬kWh，達到政府2010年目標的一半。

　　回想筆者們30年前開始致力於風力發電的研究開發時的事情宛如隔世，但是今後會因對於電力公司的風力發電購入限制，使風力發電的導入不一定會像現今順利的發展。

　　但是，目前的系統互連用大型風力發電系統，不論國內外都是以水平軸的大型螺旋槳型風車為優先考量，但是尤其在像日本國土有70％為山岳丘陵地等，地形複雜的風車設置地點，考慮到風車的方向控制及風切，甚至是輸送及設置的難易度，垂直軸風車為相當前景的。另外，在期許未來能有大規模展開的海上風力發電上，也因為轉子為軸對稱，重量設備位於下方的垂直軸風車本身結構安定，可說是浮動式海上風力發電的有力選項。

　　在風車的世界，因為技術的進步、材料及加工法的進步、社會狀況的改變等，使很多以前失敗的技術，在現在可以很容易的進行開發。利用升力的垂直軸風車則是此典型範例。

　　尤其是本書的第6章、第7章、第8章、第9章、以及第10章，為關和市歷經30年專心研究開發直線葉片垂直軸風車的研究大成，自負可讓此書成為極為有用的技術書。

　　另外，本書承蒙筆者們30年風能相關研究生活中許多國內外各方人士指教，在此再次向各位表示由衷的感謝。

　　本書若能為關心風力發電及環境問題的各位提供些許建議，便是筆者們最大的欣慰。最後，祈禱日本的風力發電能愈加活躍。