一張圖讀懂風力發電

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！

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。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。

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

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