垂直軸風車

《垂直軸風車》為第一本在日本發行有關垂直軸風車的書，也是世界上少有的有關垂直軸風車的書，作者關和市教授和牛山泉教授從1970年代初期便專心研究垂直軸風車，伴隨著地球暖化，環境問題浮上檯面，化石燃料資源的枯竭等問題，未來對風力或太陽光等可再生能源的利用，將是必須加速與強化面對的重要課題。而氣流不穩定的山丘與城市區域，垂直軸風車是相當適合應用在風向變動劇烈的地形中。

本書的出版除了呼應能源相關領域的大學生、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外，也能提供社會團體、能源企劃、政策決策人員等的需求。本書不僅提出垂直軸的理論內容，也紀錄下製作風機的經驗所得到的設計方法或運用訣竅，提出未來大量應用垂直軸風車的可能性。

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。

關　和市　（工學博士）

1963年：東海大學宇宙航空研究所航空力學組
1991年：東海大學開發技術研究所　教授
1997年：東海大學綜合科學技術研究所　教授
2006年：台灣．明道大學能源開發研究中心　教授

其他研究領域：
次音速、穿音速、超音速及倍音速空氣力學，人力飛機，高大隧道換氣，飛翔物體、行走物體、結構物體等的應用空氣力學，能源轉換工學，風車工學，風力發電系統。
日本大學理工學院兼任講師
NEDO風力綜合調查委員會委員，NEF評議員，日本風力能源協會會長。

著　作：風力発電Q&A（学献社, 2002）

牛山　泉 （工學博士）

1971年：上智大學大學院理工學研究科博士課程畢業

現　在：
足利工業大學副校長，大學院工學研究科教授，同學綜合研究中心長官。
中國．浙江工業大學客座教授，台灣．明道大學客座教授，上智大學、慶應義塾大學、國土交通大學、JICA筑波國際研修中心等的兼任講師。
專攻能源轉換工學。

著　作：
小型風車ハンドブック（パワー社,1980）
手作り風車ガイド（パワー社,1995）
さわやかエネルギー風車入門（三省堂,1991）
風車工学入門（森北出版,2002）
風力エネルギーの基礎（オーム社,2005）

審定者介紹
林輝政 博士

國立台灣大學工程科學及海洋工程系教授
國立澎湖科技大學校長

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