風力發電真好玩

推薦序、前言

第一章 風力渦輪機簡介
風車到風力發電機
風力渦輪機種類
風力發電機構造
功率與貝茲定律
風梯度與風力發電
Windy App 簡介

第二章 旋轉的機翼
簡單機械～螺旋
升力與阻力
渦輪機與螺旋槳有何不同？
螺距與轉速關係
週速比(Tip Speed Ratio)
飛機木渦輪葉片

第三章 大力士風車
大力士風車材料
葉片設計與製作
塑膠瓦楞板槳轂
風車輪軸與底座
風車調整與競賽

第四章 風力發電科學活動
反轉式風力發電機
自適應可變螺距葉片
「抽吸效應」減少阻力
雙層式水平軸渦輪葉片
超級電容與機械儲能
發電機教具模組
風能教育推廣

第五章 測轉速與電功率
手機壓力風速計
利用阻力測量風速
測量渦輪機葉片轉速
風力發電機與冷次定律
調整負載測量電功率

附錄
風力發電機接喇叭
炫光風力發電機
垂直軸風力發電機
樂高抽水風車
盤式發電機原理
KidWind風能競賽介紹
製作簡易風洞
大力士風車功率計算

 

前言

　　現在的中小教育政策，標榜著素養導向、雙語教學等議題，其實這些議題並不是目前學生最欠缺的。我們需要的是：能統整各類知識、動手實踐與解決問題的能力，然而這樣的訓練，並不能透過目前學校制式的分科課程來培訓。

　　有系統的學習，不能漫無目標吸收零星碎片化知識，是要將各領域知識拿來實際運用，這需借助主題整合，本書主題就是「風力發電」，包含數學的螺線與三角函數，科技的木工、電工與製圖技巧，科學的流體力學、電學、大氣等知識，最後以工程學眼光進行問題解決與最佳化。

　　所以「風力發電」這主題是：科學Science、科技Technology、工程Engineering 與數學 Math，縮寫 STEM 的絕佳示例。

　　臺灣電力目前有80%依賴火力發電，燃燒化石燃料的代價，除了花費燃料錢，還會製造大量二氧化碳等溫室氣體。若採用風力渦輪機，帶動發電機就可以持續產生電力。

　　而臺灣的位置得天獨厚，無論是冬天的東北季風或者是夏季的西南季風，通過臺灣海峽時就像個漏斗狀，可以增加風速。所以臺灣從桃園沿著彰化海岸到澎湖之間的海域，就十分適合架設風力發電機。

　　早期荷蘭將風車用於磨麥與抽水，現代丹麥使用風電遠超50%的電力來源。工業強國德國，風能佔比超過20% 的電力。中國大陸佔世界1/3 風力發電機裝置容量，逐擺脫大量用煤產生霧霾與污染。只可惜在2022年臺灣風能僅占 2% 電力來源，還有很大的進步空間。

　　本書內容共分為六個章節。

　　第一章是「風力渦輪機簡介」，認識風力渦輪機歷史、種類、構造，風場等概念。

　　第二章為「旋轉的機翼」。說明螺旋槳、渦輪葉片基本上都是旋翼，也就是旋轉的機翼，並且介紹作用在機翼或葉片上的升力與阻力。

　　第三章「大力士風車」。這一章先談談大力士風車的由來，並且從生活週遭的紙杯動手製作葉片，以塑膠瓦楞板製作槳轂。純粹利用風車帶動輪軸拉起重物，讓同學理解能在最短的時間內，快速拉起最重的物體，就是功率好的風車。

　　第四章「風力發電科學活動」。以講故事的方式談風能科學概念，逐步轉換成科學研究議題，再到指導學生參加競賽。或是從開發風能教具，舉辦學生營隊或是教師交流經歷，線上教學媒體、電視科學節目的錄製，以及風能教具發表會的活動紀錄。

　　第五章「測轉速與電功率」。利用巴爾沙木製作渦輪葉片，調控負載大小後依照規劃週速比運轉發電，這時候需自製壓力風速計、轉速計，以及電能感應器測量電功率。

　　附錄中收錄好幾種風力發電教具、設計KidWind競賽的渦輪葉片、製作簡單風洞、測量與計算大力風車的功率等關於風能的資料。

　　本書規劃建立風能的基本知識，還開設了「科技小教室」、「科學小教室」、「軟體小教室」，作為理論與實際之間的連結。還強調動手能力。最後是工程訓練，要經歷許多步驟：從分析問題、尋找變項與關聯性繪出函數關係，再由疊圖比較發現「解決問題」的方法，這也是工程師的任務。解決問題的過程中深具挑戰，「培養小小工程師」這也是撰寫本書的目標之一。