風力能源與風力發電系統設計

隨著地球暖化的日益嚴重與石油貯存量的日漸減少，再生能源已成為人類今後能源發展的趨勢，而再生能源中風力能源、太陽能源由於具有無污染、不需能源費用、及隨處可取取之不盡等的優點，更成為主要發展的領域。本書論述風力資源的潛在可應用量、風的特性、風車的設計條件、及風力能源的應用方法、與可使風力能源實用化的能源轉換系統等。對於了解風力能源與風力發電系統設計的基礎知識，是風力發電研究、設計實用的參考書。

台灣四面環海、地形多山，氣候與地形環境與日本極相近，因此日本風力發電的發展歷程極具有參考價值，在今日風力能源應用實用化的時代，因涉及到極廣泛的學術領域，因此本書乃委請了在日本風力能源應用相關領域具代表性的專家十六人共同執筆。本書的內容足以提供能源相關領域的高職、專科、大學、研究所的學生、及企業、研究機構等的研究人員、技術人員、企畫、管理部門的實務者、與政府部門負責環境、能源相關領域企畫、政策的人員有關風力能源的充分知識。

第一章 風車與風力發電的發展歷史
1-1　二十世紀前的風力應用技術
1-2　風力發電發展歷史
[一]　風力發電產生的背景
[二]　風力發電的開創者群像
[三]　丹麥為中心發展出的風力發電
[四]　二十世紀風車技術的發展

第二章 風的特性與風力資源
2-1　風的頻譜
2-2　地面高度風速的分佈
[一]　對數定律
[二]　冪定律
2-3　風速的頻度分佈
2-4　風力能源
2-5　地形與風
[一]　日本全國各地的地形風
[二]　海峽與山峽的強風
[三]　環山氣流
2-6　風況圖
[一]　地區性的風況預測系統（LAWEPS）
[二]　風況圖
[三]　歷年的風速變化

第三章 風車設置評估
3-1　風與風能
3-2　風的特徵
[一]　海岸風
[二]　山谷風
[三]　季節風
[四]　低氣壓或高氣壓形成的風
[五]　颱風
[六]　地域性的地形風
3-3　風特性的分析統計
[一]時、月、年平均風速
[二]風速的風向別頻度分佈
[三]風速的等級別頻度分佈
[四]魏布爾分佈
[五]風力的能量密度（風能密度）
3-4　年發電量
3-5　風況資料的應用
[一]風的觀測機構
[二]全國風況圖
3-6　影響風況的各項因數
[一]地表粗度
[二]地形
[三]障礙物
3-7　風況預測
[一]應用風觀測資料的風況的預測
[二]應用氣象模擬的風況的預測

第四章 風車的基礎理論
4-1　風車的種類與特點
[一]風車的種類
[二]水平軸型風車與垂直軸型風車
[三]升力型風車與阻力型風車
4-2　風車的迴轉原理
[一]升力與阻力
[二]升力型風車
[三]阻力型風車
4-3　風車的性能評估
[一]動力係數（輸出係數）
[二]扭力係數
[三]推力係數
[四]周速比
[五]葉片投影面積比
4-4　風車的理論最大效率
[一]升力型風車的最大動力係數
[二]阻力型風車的最大動力係數

第五章 風力渦輪機的空氣力學
5-1　風車的基礎理論
5-2　水平軸風車
[一]水平軸風車的特性解析方法與動作原理
[二]直徑20 m的水平軸風車
[三]關於水平軸風車的設計
5-3　垂直軸風車
[一]垂直軸風車的種類
[二]垂直軸風車的特性
[三]風車性能的推算與空氣力學
[四]影響風車性能的因素
[五]垂直軸風車用葉片的型式
[六]風車週圍氣流的動態
[七]關於垂直軸風車的設計

第六章 風力發電系統的設計
6-1　概念設計
[一]風車的型式
6-2　設計應考慮的事項
[一]標準規格
6-3　安全性、可靠性（reliability）
[一]控制裝置與安全系統
[二]其他有關安全的檢討
[三]冗置性
[四]安全系統作動時設備運轉的再起動（復原）
[五]安全保護裝置
6-4　負載
[一]解析條件的設定
[二]基於IEC負載標準的解析
[三]颱風時風力負載的計算條件實例
6-5　風力發電系統的構成要素
[一]葉片概要
[二]葉片連接器
[三]驅動系統
[四]風向對正器系統
[五]葉片傾斜角可變機構的設計
[六]發電機
[七]其他設備
[八]基座與地基的規畫、設計
[九]地基的設計
[十]風車性能的計測

第七章 風力渦輪機與發電機的控制
7-1　風力渦輪機
[一]轉數控制
[二]方位控制
[三]停止運轉功能
7-2　發電機與運轉方式
[一]發電機
[二]運轉方式
7-3　風力發電系統
[一]風力渦輪機的輸出（動力）係數
[二]風力發電機的輸出控制

第八章 風力發電系統
8-1　大型系統的併聯
[一]發電方式與併聯方式
[二]「系統併聯技術要項索引與「分散電源系統併聯技術指南」
[三]高壓併聯
[四]特高壓併聯
[五]歐洲製風車的特徵
[六]日本國內風力發電的併聯概況
8-2　小型獨立電源式風車系統
[一]　小型風車的特色
[二]小型風車導入的形態
[三]小型風車導入應注意事項
8-3　能量的貯存與穩定化（電力的穩定化裝置）
[一]頻率變動產生的原因
[二]頻率變動（有效電力變動）的控制對策
[三]超高速飛輪的特性
[四]超高速飛輪電力穩定化裝置的優點
[五]今後發展的趨勢
8-4　海上風力發電
[一]海上風力發電的發展現況與今後展望
[二]次世代的主流「漂浮型」海上風力發電系統
[三]國家專案推動的海上風力發電今後展望

第九章 風力應用系統
9-1　風車的最佳運轉條件
9-2　風力抽水幫浦的種類與特性
[一]風車與幫浦的組合
[二]抽水性能
[三]風力抽水系統的簡易推算法
9-3　應用風力的壓縮機驅動系統
9-4　應用風力的熱能轉換系統
[一]風力熱能轉換方式的種類與特點
[二]風力熱能轉換系統的應用實例
[三]風力熱能轉換系統的展望
9-5　混合系統（混合發電系統）
[一]各種混合系統的特點
[二]應用實例

第十章　風力應用的經濟效益評估
10-1 年發電量的預測與計算
[一]應用箱型法的發電量計算方式
[二]應用魏布爾分佈法的發電量計算方式
[三]應用實測數據的魏布爾分佈近似法
[四]預估發電量的修正
10-2 風況的長期預測
[一]年的平均風速的變動
[二]氣候的變動
10-3 風速垂直分佈的推算
10-4 風速感測器的精度測定

第十一章　風力應用對環境的影響
11-1 噪音
[一]噪音影響的現狀
[二]避免或降低噪音影響的對策
11-2 電波干擾
[一]風車造成電波干擾的現況
[二]避免或降低對電波干擾的對策
11-3 生態
[一]對生態造成影響的現況
[二]避免或降低對生態影響的對策
11-4 景觀
[一]對景觀影響的現況
[二]避免或降低對景觀影響的對策

第十二章　風力發電的展望
12-1 風力發電的標準化與認證
[一]風力發電系統標準化發展歷程
[二]現行的規格概要與審議的過程
[三]風力發電的認證
12-2 風力發電的展望
[一]風力發電發展面臨的課題
[二]風力發電今後的展望
參考文獻