一張圖讀懂風力發電

◎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
風力發電，是以風車將風的動能轉換為機械旋轉能，再以該旋轉能轉動發電機來發電。因此，風力發電最大的特徵，就是不需要像以往的主要發電來源，也就是火力發電一般，使用煤礦、石油、天然氣等燃料，也不需要像核分裂發電一樣使用鈾燃料。
人類目前正面臨四大問題，也就是泝以地球暖化為首的環保問題；沴石油、天然氣等化石燃料的枯竭；沊能源自給自足率過低；沝刺激經濟與創造就業。邁入二十一世紀以來，全世界的風力發電數量急速增加，正是因為風力發電對解決以上的問題有莫大的幫助。
風力能源的特性就是豐富且廉價、環保且無窮盡、分布範圍廣、可再生使用。除了風力之外，沒有任何能源具此特性。
人類想要舒適生活，就必須消耗能源。但是以往使用石油與煤炭產生能源，會排放二氧化碳，而高濃度的二氧化碳會進而引起地球暖化。而且石油要經過數億年才能產生，如果維持目前的使用量，再過四十年就會完全耗盡。而核能發電的危險性與廢棄物處理也相當令人困擾。
因此，利用不會排放二氧化碳，又不會枯竭，而且沒有危險性的風來進行風力發電，成為一種趨勢。而且石油、煤礦、鈾礦等燃料有產地分布的因素，但是風卻是全世界所共享的能源。因此風力可以提高各國能源自給自足率，減少能源安全問題。更進一步來看，風力發電這項全新產業，正不斷創造更多工作機會。更進一步地與太陽能發電合併使用，可以有效減少開發中國家的無電村落。

◎風來自何處
──從全球規模的風到地區規模的風
風看不見也碰不到，而且難以捉摸，所以人們用風來形容不清楚、不穩定的東西。大約兩千年前所完成的《新約聖經》中也說過：「風隨著意思吹，你聽見風的響聲，卻不曉得從哪裏來，往哪裏去？」（約翰福音）。也有人會說：「今天吹的是什麼風？」風就是這麼難以捉摸的東西，但是最近人類藉著電腦與人造衛星的力量，大大推動了氣象學發展，因此地球上的風向也逐漸揭開神秘面紗。
那麼，為什麼會有風？答案是「太陽照射地球加溫，不同溫度的空氣之間形成了風」。太陽的能量，在烈日當頭的赤道附近最強，而在北極、南極等高緯度地區較弱。赤道附近的海面與陸地溫度較高，接觸這些地方的空氣就會變熱變輕，然後往上升。空氣上升，氣壓就降低，所以北半球會吹東北風，南半球會吹東南風。而為什麼沒有正北風跟正南風呢？那是地球自轉影響所致。
大氣從南北方往赤道移動，這種全球規模的大氣流動稱為「大氣大循環」，也稱為「信風」（trade wind）。空氣從氣壓高的地方往氣壓低的地方吹，就像風往赤道吹一樣，是風的基本原理。地球除了從南北方往赤道吹的風之外，還有地球自轉造成由西往東吹的「西風帶」。日本上空12 km到16 km這一段空間，就是由西往東吹的風。
除了這種全球規模的大風之外，還有隨著季節改變風向的「季風」，以及規模更小，以一天為週期的「海風、陸風」「山風、谷風」，或是在特殊氣象條件下才會產生的颱風、龍捲風等等。

◎風力發電的構造為何？
──以風車的旋轉力量轉動發電機
從風中抽取電力的原理，就是以風車將風的動能轉換為機械旋轉能，再用旋轉能推動發電機來發電。風車就相當於火力發電或核能發電的蒸氣渦輪機，或是水力發電的水力渦輪機。其他發電方式的渦輪機在機殼中高速旋轉，但是風力發電的風力渦輪機卻暴露在空氣中慢慢轉。
那麼風力發電到底使用哪種風車呢？目前絕大多數都是三葉片的螺旋槳型風車，高高的塔上裝著稱作機艙的大箱子，前端裝著螺旋槳型的轉子。機艙裡面有發電機、加速機構、變壓器等重要元件。機艙與塔之間有應對風向用的齒輪，可以讓整個機艙配合風向旋轉，保持風車旋轉面在迎風狀態。另外也裝置了可變螺距機構，讓風車葉片角度配合風力強弱改變。
而且發電機的種類也是個重要問題。目前最常用的方式是以加速齒輪將風車轉速提高到1500轉或1800轉，來推動感應發電機。另外，也有不靠加速機構，直接將風車旋轉傳遞到多極同步發電機上的風力發電機。這種做法的優點是零件種類少，省掉容易故障的加速機構；但是因為發電機會變得又大又重，目前成本還是太高。
另一方面，現在主流雖然是水平軸的螺旋槳型風車，但是垂直軸的打蛋型風車卻有構造簡單、零件較少、重心接近地面、安定性高等優點。而且最好的是不需要控制方向，在風向變化大的地方，相當具有發展潛力。

◎風力發電機要建在哪裡？
──需要有風吹、有公路、有電纜
目前全世界有十二萬座風車，其中一半建造在歐洲。歐洲人從中世紀開始就使用風車磨麵粉、汲水，已經有八百年以上的傳統了。丹麥、德國北部等地，地勢平坦，又吹著穩定的西風，還有強大的電力網路，可說是理想的風車設置點。
另一方面，最近日本也建造了1500座大型風車，建造地點大多是海岸，接下來是離海不遠的丘陵地。也就是說，風車要建造在整年都有強風的地方。光是「風強」還不夠，也需要能夠順利運輸巨大葉片及塔身的寬廣公路。而且附近如果沒有電纜可以輸送風力發電裝置所產生的電力，也是相當麻煩。所以要建造大型風力發電風車，必須「有風吹、有公路、有電纜」。
日本與歐洲相較之下，每年都會受到颱風、春天疾風等強風侵襲，而且國土的七成左右是山岳丘陵，地勢複雜；因此不僅風向混亂，道路也狹窄蜿蜒，很難運輸巨大的葉片與塔身。
至於北海道這種風強地廣的地區，則是因為缺乏電力網路，也沒辦法連接風力發電所產生的電力。此外，日本海岸地區的冬雷，是全球數一數二的強，這也是個大問題。可見日本有很多不利於風力發電設置的問題。
NEDO為了設計出能應付日本國內強風、亂流、雷擊等嚴苛自然環境的風車，花了三年討論制定出「日本型風車設計準則」，成為符合日本地形與氣候條件的風車設計新方針。

◎風車是否會影響景觀？
──打造具觀光價值的風車
將大型風力發電機設置在自然環境中，每個人都有不同的觀點，有人覺得好看，有人覺得礙眼。而且不只是風車而已，一樣東西是否妨礙景觀，取決於各種社會因素以及個人主觀，不是輕易能夠決定的事情。每個人對技術的理解程度，對能源的需求程度，以及對風車的了解程度都有影響。
一般的發電裝置，無論是蒸氣渦輪、水力渦輪還是天然氣渦輪，都是葉片在機殼中旋轉，從外面看不到葉片旋轉的樣子。但是風車用肉眼就能看到旋轉狀態，自然比較受人注目。活動物體的宣傳效果比靜止物體要大上幾十倍。
從之前經驗來看，大多數人對風力發電話題都抱持好感。而且根據風力農場建設前與運轉後的問卷調查來看，一旦開始運轉，國內外的居民大多都會從反對轉為支持。
至於國家公園，礙於法令限制，當然不能建造風車。地方政府也可能制定各自的景觀條例，保護當地景觀。從遠方看來，風車塔與葉片是白色的，但是近看會發現其實是有點藍的淺灰色。這是為了讓風車融入天空的顏色中，讓它們不至於太過顯眼。
另一方面，也有人極力嘗試讓風車融入自然環境中。例如下圖是德國牧場中所建造的風車，塔的下半部漆成與牧場相同的綠色，往上慢慢漸層變淺，形成一種與環境共存的配色。

◎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
大型風車是一種超大旋轉機械，包含了巨大的葉片（GFRP：玻璃纖維強化樹脂），安裝巨大葉片的輪轂（鑄造），需要精密加工的主軸（鍛造）、加速機（齒輪）、大型軸承，還有高科技的發電機、電力轉換裝置、控制裝置，還有油壓裝置、電動馬達、制動器等，機械零件與電子零件數量超過一萬件。一般汽車大約由三萬個小零件所構成，大型風車的零件數量雖然比汽車少，但是每個零件的附加價值都很高，可說是能夠發揮日本工業技術的產品。
大型風車與汽車一樣，都是由量產組裝產品，製造風車需要許多勞工與許多零件產業的支援。太陽能電池也是再生能源發電裝置，可以用自動化工程生產，但是風車不行，所以風車可以大為提升零件產業的規模與就業機會。
假設一年要生產五百座2MW等級的大型風車（1GW），機艙工廠就要有八百名員工，如果再加上設計之類的銜接作業，風車廠商就需要一千名員工。要是再加入葉片、加速機、發電機、軸承等零件製造員工，就業機會將是十到十五倍之多。
在2009年，全球風力發電產業相關勞工約有四十四萬人。也就是風車每年生產1MW，就創造出十五個就業機會。無怪乎各國政府期望風力產業能夠創造就業機會，因而大力推動。
日本風車製造建設業，目前僅佔全球市場的1～3%左右，不值一提，但是大型軸承、發電機、電源系統等零件產業則佔了10～50%之多。可見風力發電對日本產業與就業也有極大的吸引力。

◎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
風力發電，是以風車將風的動能轉換為機械旋轉能，再以該旋轉能轉動發電機來發電。因此，風力發電最大的特徵，就是不需要像以往的主要發電來源，也就是火力發電一般，使用煤礦、石油、天然氣等燃料，也不需要像核分裂發電一樣使用鈾燃料。
人類目前正面臨四大問題，也就是泝以地球暖化為首的環保問題；沴石油、天然氣等化石燃料的枯竭；沊能源自給自足率過低；沝刺激經濟與創造就業。邁入二十一世紀以來，全世界的風力發電數量急速增加，正是因為風力發電對解決以上的問...

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

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...

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

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...