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一張圖讀懂風力發電

一張圖讀懂風力發電

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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)。
 

目錄

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
 

 
  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
 

詳細資料

  • ISBN:9789865408176
  • 叢書系列:科學視界
  • 規格:平裝 / 160頁 / 14.8 x 21 x 1 cm / 普通級 / 雙色印刷 / 初版
  • 出版地:台灣
 

內容連載

◎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。

會員評鑑

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2021/05/10
劇透警告
在天然氣接收站和藻礁議題搶佔新聞版面的同時,台灣政府的能源政策逐漸被大眾關注。相信大家都會認同對環保較為友善的再生能源,是改善發電汙染的一帖藥方,然而政客、名嘴的口水多過茶,從沒有向大眾開誠佈公各種發電方案的良莠。即然如此,我們也可以自食其力,看這本「一張圖讀懂風力發電」來補充科普知識,初步瞭解再生能源中的要角「風力發電」,做為日後評判政府能源政策的基本素養。作者牛山泉在日本是知名的風力發電專家,致力於推動日本風車產業的發展。書中雖然對部份專有名詞像轉距、功率、阻力系數、葉尖速度比缺乏淺顯的解釋,但已經提供夠多的風電知識。他開宗明義地說明風力發電有減少環境負擔、取代即將枯竭的石油、風力是純自產能源、帶來經濟效益的四大項優點。

用風力來發電,歷經如下多階段的能量轉換,太陽能->大氣->風能->風車->機械旋轉能->發電機->電能。取出的能量和受風面積成正比,因此風車越大效率越高。也和風速的三次方成正比,找到擁有強風的風場,等同是挖到源源不絕的石油。從風力中取得的最終電能,可以用四種方法來運用,分別是拿來充電(電池)、直接連接負載(幫浦汲水、連接電器)、和內燃機一起使用、最後是連接電力系統(賣電)。風車的運轉型式有兩種,阻力型風車、升力型風車(效率比阻力型提高50%)。理論模型已經確認,人們最多可以從自然風中取得59%的能量,而因為空氣力學損秏、機械損秏、電機損秏等原因,實際我們只能抽取40%的風力轉成能源。根據能量的用途,中間將會產生額外的秏費,熱轉換(最多45%)、汲水發電(最多16%)、發電機發電(最多40%)、電解水成氫(最多12%)、蓄電池充電(最多30%)。

風車類型有水平軸風車的螺旋槳型、多葉片型、荷蘭型、風帆型,垂直軸風車的桶型轉子型、橫流型、垂直旋翼型、打蛋型。垂直軸風車的優點有不限定風向、葉片對稱架構穩定、發電機位於下方。火力、核能發電在開始運轉後,幾乎保持一定的額定輸出,風力發電則不同,實際輸出多在額定輸出以下。因此得搭配其它定額式的發電方式(火力、水力、核能),建置智慧電力網路,才能引進風力這種變動電源,相互調節形成穩定的供電系統。

固定價格賣電制度是丹麥的國家政策,也是推動風車產業的幕後功臣。離岸風力發電將是未來的趨勢,浮體式離岸風車和垂直軸打蛋型風車也許會是明日之星。阿根廷的巴塔哥尼亞,擁有全年不息的強烈西風荒野,建置風車發電再用來電解水提煉氫氣,最後成為氫氣的輸出大國。台灣的澎湖也是世界聞名的強風區,可惜政府目前沒採取像阿根廷一樣的政策,不然能量自主的比重肯定能提高。風力發電的問題也不少,像不同季節風力發電的輸出有顯著差異。電擊是最常見造成風車故障的主因,因為零件來自國外,維修時程拉長會影響設備使用率。環保人士關心的鳥擊事件其實不常見,但建置風車時確實要避開候鳥路徑。風車的噪音有國際標準限制,但產生的低頻噪音才是難以克服的問題。景觀問題則是見人見智,也可以藉由設計讓公車外形融入自然景觀中。風力發電王國丹麥已經達成18%的風力發電灌輸率(風車電力/電力系統容量),台灣擁有令它國稱羨的離岸風場,應該好好把握,投入資源發展離岸風電,讓國家的能源政策更加多元且能永績經營。
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