一張圖讀懂風力發電

內容簡介

　　5G、AI時代必看入門書

　　GOOGLE、台積電等各大企業都在研究的綠色能源

　　◎第一本圖解專書，由臺灣大學工程科學及海洋工程系教授林輝政──審訂

　　◎臺灣風能學術研討會指定用書

　　臺灣擁有全世界最看好的風力發電區，

　　想瞭解這個永續能源的構造與未來發展，

　　就看這本書！

　　風力發電時代來臨！

　　你知道嗎？

　　全球排名前十大具開發潛能的離岸風場，九個在臺灣沿海。

　　風力發電被譽為「最乾淨的能源」，被世界各國推崇且急欲跟進。

　　風力發電具有：

　　（1）豐富

　　（2）廉價

　　（3）無窮盡

　　（4）隨處皆有

　　（5）無污染

　　（6）可再生利用……等特色。

　　本書以圖解淺顯易懂地說明風力發電歷史、構造與最新資訊，讓更多人瞭解這項潛力驚人的明日之星。

　　◎何謂風力發電

　　防止地球暖化，取代石油的王牌、世界最早的風力發電、風力發電的用途與環保價值

　　◎風與風力發電

　　哪些風車適合風力發電？風力可以百分之百抽取嗎？生活中的風力發電

　　◎風力發電的結構

　　風車的內部構造為何？風車葉片要幾片才好？風車尺寸與輸出功率有何關聯？風車無時無刻都在旋轉嗎？

　　◎風車的種類與使用方式

　　水平軸風車的種類「螺旋槳型，荷蘭型，多葉片型」、垂直軸風車的種類「桶型轉子型，打蛋型，橫流型」

　　◎如何建造風力發電機

　　風力發電機要建在哪裡？風車的發電成本如何？

　　◎風力發電Q&A

　　風車能撐過颱風嗎？不會被雷擊嗎？鳥會撞上風車嗎？風車的壽命有幾年？

作者介紹

作者簡介

牛山泉（うしやまいずみ）

　　1942年出生於長野縣長野市。

　　1971年修得上智大學理工研究所博士學位，曾任足利工業大學機械工程系專任講師、助教授，於1985年升任教授。1998年擔任空中大學客座教授，同年擔任中國浙江工業大學客座教授，同年任職足利工業大學綜合研究中心主管，2008年任職足利工業大學校長，2014年擔任利工業大學法人理事長。

　　○主要學會活動：日本機械學會會員，前日本太陽能學會會長，前日本風力能源協會會長，NEDO新能源產業技術綜合開發機構風力委員會委員長，NEF新能源基金會企劃委員會委員長及風力委員會委員長，EWEA歐洲風力能源協會會員，TIMS國際風車水車學會會員，英國風車水車保存協會終身會員等等。

　　○主要得獎經歷：日本機械學會畠山獎，WREC國際再生能源會議先鋒獎，美國機械學會太陽及先進能源部門成就獎，協助科學技術普及啟發˙文部科學大臣獎，日本風力能源協會成就獎，國際合作推廣協會學術獎勵，日本風工學會出版獎等等。

　　○主要著作：《風力能源基礎》Ohm社（2005），《風力能源讀本》Ohm社（2005），《風車工學入門》森北出版（2004），《輕鬆的風車入門》三省堂（1991），《小型風車手冊》Power社（1980），《風與風車的故事》成山堂（2008）等許多著作。

審訂者簡介

林輝政

　　專長：複合材料、結構力學、風力能源

　　現職：臺灣大學工程科學及海洋工程系教授

　　學歷：臺灣大學造船工程博士

　　經歷：澎湖科技大學校長、副校長

　　澎湖科技大學海洋資源暨工程學院院長

　　臺大與工研院合設奈米科技研究中心副主任

　　Visiting Professor, Dept. of Information and Electrical Eng.,

　　UMBC, U.S.A.

　　Visiting researcher, Lab. of Material Science and Engineering,

　　NIST, U.S.A.

　　臺灣大學工程科學及海洋工程系教授、系主任、所長

　　臺灣大學造船及海洋工程系教授、系主任、所長

　　Visiting scholar, School of Aeronautics and Astronautics, Purdue

　　University, U.S.A.

譯者簡介

李漢庭

　　1979年生，畢業於海洋大學電機系，自學日文小成。2003年進入專利事務所開始從事翻譯工作，2006年底開始從事書本翻譯。領域從電機專利文件乃至於小常識、生活醫學、科技等等的中日對譯，樂於在工作中吸收新知識。目前嚐試將觸角延伸到特殊造型與影像創作，有各方面之作品。往後仍希望能接觸更多領域，增加知識廣度，同時磨練文筆。譯有《3小時讀通奈米科技》（世茂出版）、《3年300人超速人脈養成術》（智富出版）。

前言
推薦序
第1章何謂風力發電
1 為何目前風力發電越來越多？「防止地球暖化，取代石油的王牌」
2 全世界都有風力發電在運轉「世界的風力發電正在蓬勃發展」
3 世界最早的風力發電「丹麥的P. 拉克爾是風力發電之父」
4 日本唯一量產過的小型風車「曾經活躍於北海道的山田風車」
5 風力發電有何優點？「能源！高安全性，刺激經濟，創造就業」
6 風力變成電力「以風車發電，送到城鎮與家庭中」
7 風力發電的各種用途「不同用途有不同利用型態」
8 風力發電的環保價值「探討風力發電的環保貢獻度」
9 世界上的風力發電機廠商「以丹麥為首的演進史」

第2章風與風力發電
10 風來自何處「從全球規模的風到地區規模的風」
11 風所吹起的全球化「風力推動的大航海時代演變為全球化」
12 風力能源「風中隱藏有巨大的能量」
13 日本吹著什麼樣的風？「從巨觀來看，風對日本貢獻良多」
14 風要如何測量？「世界標準的杯型測量」
15 以統計學調查什麼風吹了多少「韋伯（Weibull）分布」
16 難以捉摸的風也可以預測嗎？「以風力預報擬定發電計畫」
17 風車如何旋轉？「升力與阻力」
18 哪些風車適合風力發電？「螺旋槳型風車最適合」
19 風力可以百分之百抽取嗎？「貝茲（Betz）與蘭徹斯特（Lanchester）」
20 實際上從風力之中能取出多少電力？「自然風約有40%可轉換為電力」
21 生活中的風力發電「風有這麼多用途！」

第3章風力發電的結構
22 風力發電的結構為何？「以風車旋轉的力量轉動發電機」
23 風車的內部構造為何？「機艙之中有加速機、發電機等重要元件」
24 風車葉片要幾片才好？「實用風車三片最好」
25 如何決定風車葉片的形狀？「平面形狀與剖面形狀」
26 風車葉片使用何種材料？「輕、堅固、容易生產」
27 不怕風向產生變化嗎？「風車會自動將旋轉面對準風向」
28 風車慢慢轉也能發電嗎？「定速發電機與變速發電機」
29 風車轉速可以改變嗎？「失速控制與可變螺距機構」
30 風車尺寸與輸出功率有何關聯？「風車輸出功率與大小成正比」
31 風車無時無刻都在旋轉嗎？「風車有使用風速範圍」
32 風車轉動的是何種發電機？「主流為感應發電機與同步發電機」

第4章風車的種類與使用方式
33 風車有哪些種類「風車使用歷史悠久，種類繁多」
34 水平軸風車的種類「螺旋槳型，荷蘭型，多葉片型等等」
35 垂直軸風車的種類「桶型轉子（Savonius）型，打蛋（Darrieus）型，橫流（cross flow）型等等」
36 水平軸風車與垂直軸風車，誰領風騷？「目前水平軸較佔優勢，但未來將如何發展？」.
37 如何測量風車的性能？「轉矩、功率、葉尖速度比（TSR）」...88
38 竟然有這麼怪的風車？「馬格努斯（Magnus）風車，太陽煙囪（Solar Chimney）風車等等」
39 帥氣的風車「追求風車的設計感」
40 這樣可以讓風車威力升級「用筒子集風，加上小葉片等等」
41 風力發電可以先儲存再使用嗎？「獨立電源與系統連結」
42 風與光的混合系統「WISH系統將拯救世界」

第5章如何建造風力發電機
43 風力發電機要建在哪裡？「需要有風吹，有公路，有電纜」
44 大型風車組裝「大型吊車在工地大顯身手！」
45 風車建設程序為何？「調查、設計、手續、工程，然後運轉」
46 風力農場的風車排列原則是？「讓風車彼此不會互相干擾」
47 什麼風車才算好風車？「設備使用率與時間運轉率」
48 風車成本大約多少錢？「藉由大型化與量產效果來降低價格」
49 風車的發電成本如何？「風力發電是成本模範生」

第6章風車時代已經來臨
50 日本可以建造幾座風車？「日本也能建造很多風車！」
51 城鎮規模的風力發電「將風災轉變為資源，以風力發電振興鄉鎮」
52 風力發電的電力收購制度「日本也該實現收購制度」
53 風力發電能減排多少二氧化碳？「風力的二氧化碳排放量是火力的1/30」
54 風車是否會影響景觀？「打造有觀光價值的風車」
55 風力發電對產業和就業有幫助嗎？「風車產業是促進就業的救星」
56 追求風力發電社會的諸多國家「以風力發電供應全世界12%的電力」
57 開發中國家的風力發電「世界上有二十憶人過著沒有電的生活」
58 終於陸，始於海「在海上排列風車」
59 海上風力發電，努力終獲成果！「北海是風力發電之海」
60 巴塔哥尼亞將是二十一世紀的科威特「在強風不斷的巴塔哥尼亞發展風力、水電解氫」
61 以風力發電供給總電力的20%「佔總電源的比例」

第7章風力發電Q&A
62 風車在不同季節的輸出是否會不一樣？「季風帶的風，冬強夏弱」
63 能撐過颱風嗎？不會被雷擊嗎？「抗颱風與雷擊的日本型風車」
64 鳥兒會撞上風車嗎？「如何避免鳥擊」
65 風車的噪音可以承受嗎？「低頻噪音較有問題」
66 風車的壽命有幾年？「風車壽命參考值是二十年」
67 風車為何會故障？「最怕打雷和颱風」

『專欄』
◎容易搞混的風力發電輸出---何謂定額輸出？
◎風力發電的輸出與發電量
◎風力發電的收入與支出比是多少？要多久才能回本？
◎風力發電界的名人
◎風車（windmill）與風力渦輪機（wind turbine）有何差別？
◎哪裡可以買到小型風車？
文末資料「日本的小型風車購買處列表」
參考文獻
索引

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序

　　目前世界正積極研究地球暖化的問題。地球暖化的主因是二氧化碳排放，於是全球正大力推動風力發電，作為減少二氧化碳的王牌。

　
　　全球風力發電的累積開發容量，在2009年底達到了125GW-14萬座，相當於全球電力需求的1.4%（歐洲為4.4%）。光是2008年的新開發容量，就有每年28.2GW-2萬座，市場規模也達到五兆日圓。只要照這個規模成長下去，預計2020年風力發電就能達到全球電力供給的12%。

　　丹麥全國20%的電力由風力發電供應，美國推動綠色新政策，2030年之前要建造305GW-15萬座風力發電機，滿足全國20%的電力需求。

　　從以下四個理由，可以明白為什麼風力發電會發展的如此迅速。

　　（1）不會產生二氧化碳，對環境負擔較低的電力來源。

　　（2）是石油的替代能源之一。

　　（3）風力是各國自產的能源，可以保障能源安全。

　　（4）風力發電產業可以振興經濟，創造就業機會。

　　本書寫作時正值2009年12月，也是COP15（氣候高峰會）在哥本哈根召開的時間。然而會議中先進國家與開發中國家的對立，卻將減排溫室效應氣體這類的重要議題擱置不管。那麼，環境負擔較小的可再生能源，是否足以填補化石燃料減少的空缺？

　　日本一直以來都與其他先進國家不同，政策偏重太陽能發電，但是全世界正一面倒地努力開發風力發電。因為除了風力之外，沒有其他能源能同時具有（1）豐富、（2）廉價、（3）無窮盡、（4）隨處皆有、（5）無污染、（6）可再生利用等特色。

　　以往風力發電研發缺乏宣傳與資訊，是因為大眾並不了解風力的能源潛力。因此筆者寫作本書之目的，就是使一般大眾了解風力發電的歷史與最新資訊，同時說明日本風力發電有多大的潛力，足以防止地球暖化，推動大型產業。

　　我有幸在新能源普及啟發之棟樑機構，新能源基金會企劃委員會中提供一己之力，尤其是長年任職於風力委員會委員長，讓我獲得各位委員的大力相助。在此特別感謝同委員會第三分科會主審，負責「風力發電Q&A」章節的上田悅紀先生（三菱重工業有限公司），仔細閱讀我的原稿，給我適當建議，並協助校正。

　　本書若能增加大眾對風力發電之理解，幫助推廣風力發電，就是筆者的榮幸。

　　就個人來說，本書大半是在2009年夏天歐洲出差期間，於布拉格、布魯諾、巴黎等地的飯店所完成，是我一段難忘的回憶。而我也要感謝日刊工業新聞社出版局的三澤薰先生，大力幫助本書發行。

　　最後我由衷感謝我親愛的妻子，meine Liebe frau富士子，長久以來支持我這個一意孤行、熱愛研究的人，並已先我一步回歸天際。在此將本書獻給各位。

足利工業大學牛山泉

　　20世紀石化燃料大量消費，使得大氣中CO2含量急遽上升，造成大氣溫度增高、氣候異常，大風、大浪與大雨成為大氣常態，每年所造成的生命財產損失不可計數。另一方面，經過長期挖掘，石化燃料日愈枯竭，2007～2008年間全球油價的大漲，讓大家驚覺到地球資源的有限，如何應用綠色能源成為大家積極探討的課題。風能是目前發展最快、應用最廣、電力生產量最高、也是成本最便宜的綠能之一，因此，目前歐美亞洲各國無不積極投入風電發展。

　　日本足利工業大學牛山泉理事長，也是日本風能協會前會長，畢生從事風能相關研究，研究成果斐然，為推廣風能，在足利工業大學設置「風和光的廣場」及「迷你迷你博物館」，將風能研究成果陳列其中，作為推廣、展示與教學使用，其心志令人敬佩。

　　2010年初牛山教授寄給我他的最新著作《一張圖讀懂風力發電》，其內容淺顯易懂，而且大量使用圖表、漫畫、數據來呈現具體內容，是一本無論是初學者、學生、社會人士都能看得懂的風能入門書籍。收到這本書後，心想如果這本書也能譯成中文在臺灣發行，將非常有益於臺灣的風能發展，因此馬上與牛山教授聯繫並獲得同意在臺灣出版，由本人審訂、世茂出版社出版。由於本書的淺顯易懂，內容含蓋風能各個領域，因此特向大家大力推薦，期待能促進臺灣的風能應用與發展。

林輝政　教授

臺灣大學工程科學及海洋工程系

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