第一章 風力渦輪機簡介
風車到風力發電機
古代人類創造出風車與帆船等風力機械，運用風能改善了生活與環境。在歐洲西部的荷蘭，全國有一半的面積低於海拔1米，被稱為低地國。荷蘭人克服天然地理環境限制，先築堤之後再用風車抽出海水，創造出海埔新生地，所以才有「上帝造人，荷蘭人造陸」這句諺語。
在美國的中西部地區，為了能在乾旱的土地種植，利用多葉片的風力渦輪機，抽取地下水灌溉農作物，雖然多葉片的渦輪轉速並不快，但多葉片可以大幅增加力矩帶動幫浦。此外人們在電力尚未普及的世代，都曾運用風車驅動石磨運轉，將穀物、麥子碾磨成麵粉，說明風能可以部分取代騾、馬等獸力作為動力源。
在19世紀中，法拉第(Michael Faraday)誕生了發電機，緊接著愛迪生(Thomas Alva Edison)發明出實用的電燈泡。世界正式由蒸氣時代邁進電氣時代。發電機要維持運轉提供電能，當時的人們優先考慮是利用燃燒煤炭的火力發電，或是將河流築堤攔壩以水力發電。
使用風力驅動渦輪葉片帶動發電機，一方面是風能具有間歇不穩定的特質，加上當時的渦輪葉片效率不佳，風力發電的概念僅僅是作為實驗性質，並未大量普及使用。但是這狀況在二次世界大戰能源稀缺，以及現今為了降低排放溫室氣體的訴求下發生改變。
現代的風力發電機，誕生在北歐的丹麥。其中最重要的關鍵人物，我認為是保羅‧拉‧庫爾(Poul la Cour)，他是位氣象學家，所以自然會想到利用穩定吹拂的西風，驅動位於丹麥日德蘭半島的風力發電機。同時他也是位發明家，在研究荷蘭風車之後，發現平板狀的渦輪葉片效率不佳，在參考流體力學的原理，葉片修改為機翼流線型的剖面後大幅提升效率，並利用電解水產生氫氣儲能，順利解決風能不穩定、無法持續提供能源的問題。
庫爾同時還具備高中教師的身份，他撰寫了數學和幾何方面的教科書，說明了風力發電機的渦輪機葉片原理，是借用數學幾何中的螺旋觀念。到了第二次世界大戰時期，納粹德國統治丹麥，此時丹麥鄉間早已遍佈源自庫爾設計的風力發電機，以分散式發電(Distributed Generation)渡過戰爭期間的能源短缺。
早先在風車上的葉片，只是模仿划船的槳，僅僅具有平板的形狀。現代的風力發電機，具備高效率的渦輪葉片，渦輪葉片的設計近似於螺旋，為了達到旋轉一週前進一個螺距的距離，要設計槳葉尖端的角度要小，槳葉內側根部的角度必須大。這原理就像行走螺旋樓梯一樣，螺旋樓梯的內側坡度大，螺旋樓梯的外側坡度就小許多。
現代大型風力渦輪機技術十分成熟，發電成本已經大幅下降，因為無需購置燃料，也不需要大量人工操縱與維修，費用就是要在長達20年的運作壽命中，分期攤提風力發電的建構成本，已經可以與煤炭成本相互競爭。風力發電的過程中，不會排放損害自然環境的溫室氣體，還能創造嶄新的工作機會。
風力渦輪機種類
風力渦輪機的種類繁多，先從容易識別的外觀來判斷，依照風力發電機渦輪葉片的轉軸方向，可以區分為：垂直軸風機(vertical axis wind turbine)與水平軸風機(horizontal-axis wind turbine)兩大類型。
垂直軸風機的轉軸與風向垂直，優點是能夠善用捕捉來自不同方向的風，而發電機安裝在底座讓重心較為穩定，維護也十分簡單方便，適用在風向不穩定的都市叢林內，缺點就是發電效率較差。
反觀水平軸風機，渦輪的轉軸是平行於風向。渦輪葉片所受到的合成風，是由真實風與旋轉風所合成，當然發電效率會比垂直軸風機較佳，所以商業上大規模風場所使用的，幾乎都是大型水平軸風力發電機。
但缺點是不斷的調整渦輪葉片正面迎風，就需要方向舵或伺服馬達。導致塔柱與發電機的機艙間，轉向機構會十分複雜。而且發電機、齒輪箱維修時要攀爬到塔柱頂上的發電機艙十分麻煩。
最簡單的方法是在渦輪機與機艙後端，加裝垂直安定面，這安定面設計就像滑翔機尾部的垂直安定面一樣，能提供左、右偏航的安定性。加裝垂直安定面面是小型水平軸風力發電機常見的作法。
但是大型商業使用的風力發電機，在發電機的機艙頂部，加裝測量風速、風向等氣象儀器。再由伺服馬達直接驅動讓機艙旋轉。雖然氣象儀器、伺服器馬達等會讓此建置水平軸風力渦輪發電機的費用提高，但是長期能正面迎風，所發出的電能獲益會更為可觀。
第二種方法是將渦輪機設計在塔柱之後，這種風力渦輪機稱為背風式轉子(Down wind rotor)。當然這種方法的缺點也顯而易見，就是塔柱會稍微阻擋風場，背風式風力渦輪機的效率會約略減損一些。
第三種是風罩式風力渦輪機(Shrouded wind turbine)。風罩達到可以調整左、右偏航，還能降低渦輪葉片的渦流，並達到集中風場效益等。
無論是加裝垂直安定面、背風式風機或是風罩式風機，共同設計都是採穩定平衡設計概念，即是支點或轉軸在前方，氣動力所作用的點，如垂直安定面、背風的轉子、風罩等位於後方，即容易回復至平衡點而達到穩定平衡狀態。
風車除了區分為：「垂直軸風機」與「水平軸風機」之外，還可以區分為：「阻力型風車」、「升力型風車」兩大類型。
先以帆船順風航行說明阻力，下圖的帆船，當風向與帆船的航行方向相同時，此帆面受到風吹拂產生阻力，使帆船順風航行。當然這艘帆船的航行速度，絕對不會超過風速。
外觀像是風杯型風速計的垂直軸阻力型風車，利用各葉片所受的阻力不相等，凹面的葉片受到風的阻力較大，而凸面的葉片則受到風的阻力較小，導致各葉片受力不平均開始旋轉。可想而知，此阻力型風車的葉片轉速應該不會很快，其葉片尖端的速率並不會比風速快。
並非所有的垂直軸風車均為阻力型風車，如大流士轉子(Darrieus Rotor)外觀像是直立攪蛋器，就是升力型設計葉片，其發電效率會比垂直軸阻力型 (Savonlus Rotor)好一些。為了提升渦輪葉片帶動發電機的效率，就需要讓葉片的速率比風速快，這時候便需要「升力型」的葉片設計。
帆船高聳的帆面，可以想成直立的機翼，當風向與帆船的航向相互垂直，也就是帆船進行側風航行時，如果仔細調整帆面角度，使帆面與合成風夾大約5°~10°左右的角度，這又稱為攻角(Attack angle)，此時帆面會產生較大的升力與較小的阻力，而此升力是與合成風向垂直，使帆船側風航行。
調整適當的攻角，其升力可以是阻力的好幾倍，這部分原理的細節會留到後面再詳談，也就是說帆船側風航行的速度，比起順風航行還要更快許多，這就打破傳統俗諺：「一路順風」的迷思觀念。
水平軸的風力渦輪機葉片，除了受到真實風的作用，因為葉片旋轉後同時還會有旋轉風作用，利用向量合成的概念，將真實風與旋轉風合成為「相對風」，如果葉片角度設計適當，會同時產生相當大的升力，與較小的阻力。如果升力在旋轉面的分力，大於阻力在旋轉面的分力，此渦輪葉片就開始旋轉了。
葉片旋轉後受到遠比真實風更快的「相對風」作用，而且產生比阻力更大的升力帶動葉片旋轉，導致「升力型風車」的效率是遠大於「阻力型風車」。不過「升力型風車」葉片各段的角度設計，要比阻力型葉片更加困難許多。
風車到風力發電機
古代人類創造出風車與帆船等風力機械，運用風能改善了生活與環境。在歐洲西部的荷蘭，全國有一半的面積低於海拔1米，被稱為低地國。荷蘭人克服天然地理環境限制，先築堤之後再用風車抽出海水，創造出海埔新生地，所以才有「上帝造人，荷蘭人造陸」這句諺語。
在美國的中西部地區，為了能在乾旱的土地種植，利用多葉片的風力渦輪機，抽取地下水灌溉農作物，雖然多葉片的渦輪轉速並不快，但多葉片可以大幅增加力矩帶動幫浦。此外人們在電力尚未普及的世代，都曾運用風車驅動石磨運轉，將穀物、麥子碾磨成麵粉，說明風能可以部分取代騾、馬等獸力作為動力源。
在19世紀中，法拉第(Michael Faraday)誕生了發電機，緊接著愛迪生(Thomas Alva Edison)發明出實用的電燈泡。世界正式由蒸氣時代邁進電氣時代。發電機要維持運轉提供電能，當時的人們優先考慮是利用燃燒煤炭的火力發電，或是將河流築堤攔壩以水力發電。
使用風力驅動渦輪葉片帶動發電機，一方面是風能具有間歇不穩定的特質，加上當時的渦輪葉片效率不佳，風力發電的概念僅僅是作為實驗性質，並未大量普及使用。但是這狀況在二次世界大戰能源稀缺，以及現今為了降低排放溫室氣體的訴求下發生改變。
現代的風力發電機，誕生在北歐的丹麥。其中最重要的關鍵人物，我認為是保羅‧拉‧庫爾(Poul la Cour)，他是位氣象學家，所以自然會想到利用穩定吹拂的西風，驅動位於丹麥日德蘭半島的風力發電機。同時他也是位發明家，在研究荷蘭風車之後，發現平板狀的渦輪葉片效率不佳，在參考流體力學的原理，葉片修改為機翼流線型的剖面後大幅提升效率，並利用電解水產生氫氣儲能，順利解決風能不穩定、無法持續提供能源的問題。
庫爾同時還具備高中教師的身份，他撰寫了數學和幾何方面的教科書，說明了風力發電機的渦輪機葉片原理，是借用數學幾何中的螺旋觀念。到了第二次世界大戰時期，納粹德國統治丹麥，此時丹麥鄉間早已遍佈源自庫爾設計的風力發電機，以分散式發電(Distributed Generation)渡過戰爭期間的能源短缺。
早先在風車上的葉片，只是模仿划船的槳，僅僅具有平板的形狀。現代的風力發電機，具備高效率的渦輪葉片，渦輪葉片的設計近似於螺旋，為了達到旋轉一週前進一個螺距的距離，要設計槳葉尖端的角度要小，槳葉內側根部的角度必須大。這原理就像行走螺旋樓梯一樣，螺旋樓梯的內側坡度大，螺旋樓梯的外側坡度就小許多。
現代大型風力渦輪機技術十分成熟，發電成本已經大幅下降，因為無需購置燃料，也不需要大量人工操縱與維修，費用就是要在長達20年的運作壽命中，分期攤提風力發電的建構成本，已經可以與煤炭成本相互競爭。風力發電的過程中，不會排放損害自然環境的溫室氣體，還能創造嶄新的工作機會。
風力渦輪機種類
風力渦輪機的種類繁多，先從容易識別的外觀來判斷，依照風力發電機渦輪葉片的轉軸方向，可以區分為：垂直軸風機(vertical axis wind turbine)與水平軸風機(horizontal-axis wind turbine)兩大類型。
垂直軸風機的轉軸與風向垂直，優點是能夠善用捕捉來自不同方向的風，而發電機安裝在底座讓重心較為穩定，維護也十分簡單方便，適用在風向不穩定的都市叢林內，缺點就是發電效率較差。
反觀水平軸風機，渦輪的轉軸是平行於風向。渦輪葉片所受到的合成風，是由真實風與旋轉風所合成，當然發電效率會比垂直軸風機較佳，所以商業上大規模風場所使用的，幾乎都是大型水平軸風力發電機。
但缺點是不斷的調整渦輪葉片正面迎風，就需要方向舵或伺服馬達。導致塔柱與發電機的機艙間，轉向機構會十分複雜。而且發電機、齒輪箱維修時要攀爬到塔柱頂上的發電機艙十分麻煩。
最簡單的方法是在渦輪機與機艙後端，加裝垂直安定面，這安定面設計就像滑翔機尾部的垂直安定面一樣，能提供左、右偏航的安定性。加裝垂直安定面面是小型水平軸風力發電機常見的作法。
但是大型商業使用的風力發電機，在發電機的機艙頂部，加裝測量風速、風向等氣象儀器。再由伺服馬達直接驅動讓機艙旋轉。雖然氣象儀器、伺服器馬達等會讓此建置水平軸風力渦輪發電機的費用提高，但是長期能正面迎風，所發出的電能獲益會更為可觀。
第二種方法是將渦輪機設計在塔柱之後，這種風力渦輪機稱為背風式轉子(Down wind rotor)。當然這種方法的缺點也顯而易見，就是塔柱會稍微阻擋風場，背風式風力渦輪機的效率會約略減損一些。
第三種是風罩式風力渦輪機(Shrouded wind turbine)。風罩達到可以調整左、右偏航，還能降低渦輪葉片的渦流，並達到集中風場效益等。
無論是加裝垂直安定面、背風式風機或是風罩式風機，共同設計都是採穩定平衡設計概念，即是支點或轉軸在前方，氣動力所作用的點，如垂直安定面、背風的轉子、風罩等位於後方，即容易回復至平衡點而達到穩定平衡狀態。
風車除了區分為：「垂直軸風機」與「水平軸風機」之外，還可以區分為：「阻力型風車」、「升力型風車」兩大類型。
先以帆船順風航行說明阻力，下圖的帆船，當風向與帆船的航行方向相同時，此帆面受到風吹拂產生阻力，使帆船順風航行。當然這艘帆船的航行速度，絕對不會超過風速。
外觀像是風杯型風速計的垂直軸阻力型風車，利用各葉片所受的阻力不相等，凹面的葉片受到風的阻力較大，而凸面的葉片則受到風的阻力較小，導致各葉片受力不平均開始旋轉。可想而知，此阻力型風車的葉片轉速應該不會很快，其葉片尖端的速率並不會比風速快。
並非所有的垂直軸風車均為阻力型風車，如大流士轉子(Darrieus Rotor)外觀像是直立攪蛋器，就是升力型設計葉片，其發電效率會比垂直軸阻力型 (Savonlus Rotor)好一些。為了提升渦輪葉片帶動發電機的效率，就需要讓葉片的速率比風速快，這時候便需要「升力型」的葉片設計。
帆船高聳的帆面，可以想成直立的機翼，當風向與帆船的航向相互垂直，也就是帆船進行側風航行時，如果仔細調整帆面角度，使帆面與合成風夾大約5°~10°左右的角度，這又稱為攻角(Attack angle)，此時帆面會產生較大的升力與較小的阻力，而此升力是與合成風向垂直，使帆船側風航行。
調整適當的攻角，其升力可以是阻力的好幾倍，這部分原理的細節會留到後面再詳談，也就是說帆船側風航行的速度，比起順風航行還要更快許多，這就打破傳統俗諺：「一路順風」的迷思觀念。
水平軸的風力渦輪機葉片，除了受到真實風的作用，因為葉片旋轉後同時還會有旋轉風作用，利用向量合成的概念，將真實風與旋轉風合成為「相對風」，如果葉片角度設計適當，會同時產生相當大的升力，與較小的阻力。如果升力在旋轉面的分力，大於阻力在旋轉面的分力，此渦輪葉片就開始旋轉了。
葉片旋轉後受到遠比真實風更快的「相對風」作用，而且產生比阻力更大的升力帶動葉片旋轉，導致「升力型風車」的效率是遠大於「阻力型風車」。不過「升力型風車」葉片各段的角度設計，要比阻力型葉片更加困難許多。
