風力發電是怎麼回事？

THE MERIT TIMES

文／周鑑恆 2023-05-12

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圖／樹下繪本

文／周鑑恆

從扭曲出漂亮弧線的細長葉片，清一色慢條斯理轉動的三葉風車，到連接在風車後方圓滾滾的直驅式發電機(或增速齒輪箱與發電機)，這些都是有學理根據，為了盡可能獲得最多風能並轉換成可用電力，而精心設計、製造與運作的喔。

因為風電是目前發展最迅猛的綠能產業，難免有所謂的商業機密，生產風電設備的廠商都不會大肆張揚自家的智慧財產，所以完整的參考資料寥寥無幾。但是，這項很適合台灣發展的綠能科技，也不至於複雜到難以理解，小朋友們有興趣一窺堂奧嗎？

風電科技橫跨領域

一個完整的風力發電系統包括了：風車、增速齒輪以及有適當負載的發電機。其中，現代風車葉片與飛機機翼，都是受到升力(lift)而發揮它們的功能，風車基本上是航空工程的應用。現代風車葉片好似機翼，不同之處在於：機翼在空氣中平移運動，但風車葉片在風中向著垂直風速的方向轉動，所以風車葉片看起來比機翼更為奇特。

風車的用途是從風中獲得最大比例的風能(此比例的上限是59.3%，稱為貝茲極限)。因此，為了避免相鄰葉片間相互干擾，風車不能轉得太快，但也不能轉得太慢，否則會平白流失太多葉片之間的風能。由此可知，葉片數目愈多，風車的最佳轉速就一定愈慢，風車必須以既不太快也不太慢的最佳轉速轉動，才能獲得最多的風能。

在理想狀況下，發電機發出的電力，會盡量減少消耗在發電機內部，而盡量成為可用電力供給用戶使用。發電機輸出電壓和輸出電流的乘積，就代表輸出可用電力的功率。輸出的電功率愈大，就提供愈多的可用電力，也就可以同時運轉愈多的電器。在此同時，就必須用較大的扭力、以更快的轉速轉動發電機。

最佳轉速最大扭力

一般而言，風車的最佳轉速，會遠小於一般發電機在理想狀況下發電時的轉速；以最佳轉速轉動的風車，又會產生遠大於一般發電機所需的扭力。增速齒輪的功能，就是同時使得風車和發電機都在各自理想的狀況下轉動，以便從風中攫取最多的風能，並且幾乎都轉換成可用電力。所以增速齒輪的重要性不容小覷。

事實上，如果用其他的動力機械轉動發電機，同樣也要考慮如何讓兩者都在各自的理想狀況下運轉。

人類使用風力歷史

人類使用風能的歷史，以遠溯到西元前4、5000年，在地中海、印度洋區域、中國東海沿岸，都出現利用風力推動的小型原始帆船。最早的風車則起源於西元前2世紀的波斯。時至今日世界各地都有就地取材、別具特色的傳統風車，流轉之間散發著令人心曠神怡的恬靜與祥和。有趣的是，機翼、船帆、風車葉片都必須在雷同的條件下才會受到升力；受側風吹拂而向前航行帆船，與在風中轉動的現代風車，兩者利用升力的特異方式則如出一轍。

風洞

風洞(wind tunnel)是一種形成氣流環境的實驗設備，通常風洞總有收縮通道的部分，以便氣流流到實驗區時速度均勻，風洞中也有各種整流設計，以消弭妨礙實驗的渦流和紊流。在早期研發新飛行器的過程中，風洞有著無可取代的地位。由於計算流體力學(Computational Fluid Dynamics)軟體工具逐漸成熟，一部分風洞測試可藉電腦模擬來完成，有效地節省研發的時間和資源。

KidWind風力能源亞洲聯賽

今年的KidWind風力能源亞洲聯賽，將於今年10月在桃園體育館、國立自然科學博物館和台南長榮大學舉行初賽。

報名日期：即日起至2023年9月25日(一)下午5點整。

KidWind Challenge風力能源亞洲聯賽，是源自於美國的非營利科教活動，與眾多一般的風電競賽迥然不同。參加Kidwind 競賽的隊伍，必須完成由風車、增速齒輪以及發電機構成的完整系統。先了解原理，再親自動手。風車必須完全自製；接著依據測試的實驗數據，決定現成齒輪或自製齒輪組的增速比；同時調整主辦單位提供的發電機之外接電阻大小。此外電阻代表風電系統的用戶。

比賽時在負壓風洞中，運轉各隊自製的風力發電系統，用儀器測出外電阻消耗電能的功率，也就是說，測量整個系統提供給外電阻電能的功率。這代表風電系統「能夠供給多少的可用電力」。因為真實風電系統的設計目的，同樣也在於提供最多的可用電力，這樣的計分方式，就要求參賽師生研製真實風電系統的迷你簡化版，然而麻雀雖小，五臟俱全，比賽的焦點，於是就在於從做中學，了解真實風電系統的所有要點，啟發更多小科學家投入風電的發展，大幅提高比賽的科教意義和實用價值。

歡迎小讀者們踴躍參加KidWind競賽，一起體驗風電科技的全貌，共同見證台灣能源畫時代的蛻變。

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