風力發電真好玩

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。