風力發電原理與製作過程之研究

1. 風力發電原理與製作過程之研究 製作：陳俊佑 指導老師：湯銘勝老師

2. 壹、研究動機 在我四年級時，資優班辦了一個「北海岸一日遊」的戶外教學。在途中看到石門附近一帶的山丘上有一座又一座的風扇在轉，問老師後得知這是風力發電機。後來，我去查它的相關資料之後，才知道風力發電不會像火力發電排放廢氣或是核能發電排放熱水導致海洋生態不平衡、珊瑚白化等環境污染問題。所以我再三考慮後，決定要了解風力發電的原理和方法來做這次獨立研究的主題。

3. 貳、研究目的 一、瞭解風力發電的原理 二、比較不同發電的方法與風力發電的差異 三、製作小型風力發電機

4. 参、研究方法 一、資料蒐集 二、文獻探討 三、實物製作

5. 一、風力發電的簡介 風力發電是利用風力帶動風車葉片旋轉，然後透過增速機將旋轉的速度提升，來增加轉速，促使發電機發電。

6. 一、風力發電的簡介 (一)機械的組成與運作 (二)發電效率 (三)轉動速度 (四)發展歷史

7. (一)機械的組成與運作 風力發電機主要包含三部分：風葉輪、機艙和塔柱。大型與電網接駁的風力發電機的最常見的結構，是橫軸式三葉片風葉輪，並安裝在直立管狀塔柱上。 風力發電剖面圖 ←

8. 電機的最常見的結構，是橫軸式三葉片風葉輪，並安裝在直立管狀塔柱上。電機的最常見的結構，是橫軸式三葉片風葉輪，並安裝在直立管狀塔柱上。 除了風葉輪和塔架二部分以外，機艙部分的零件上包括變速箱、加速齒輪箱、發電機、偏移裝置、控制系統等。

9. 風力發電大都採用「水平軸式」的風力發電機。風力發電大都採用「水平軸式」的風力發電機。 風葉的作用是將風能轉換為機械能，由氣體流動性能良好的葉片裝在輪軸上低速轉動，然後通過傳動系統，經由「加速齒輪箱」來增速，將動力傳導給發電機。

10. 整個機艙由高大的塔架支撐著，因為風向會經常改變，為了有效的利用風能，必須要有讓自己隨時保持向風的狀態，根據「風向感測儀」測得的風向信號，再由「控制器」來控制偏移裝置，驅動小齒輪去推動塔架上的大齒輪，使整個機艙藉由此自動控制的系統，能夠保持正確的對向迎風面。整個機艙由高大的塔架支撐著，因為風向會經常改變，為了有效的利用風能，必須要有讓自己隨時保持向風的狀態，根據「風向感測儀」測得的風向信號，再由「控制器」來控制偏移裝置，驅動小齒輪去推動塔架上的大齒輪，使整個機艙藉由此自動控制的系統，能夠保持正確的對向迎風面。

11. (二)發電效率 現代風力發電機採用空氣動力學原理(註1)，就像飛機的機翼一樣。風並不是「推」動風葉輪葉片，而是風葉輪旋轉並不斷橫切風流。 風力發電機的風葉輪並不能將所有風力的能量轉化成電能。而目前風力發電最大的極限是提取風力的59.3% (註2)，而且大多數的風力發電機只能提取風功率的40%或是更少。 註1：是流體力學的一個分支,主要研究物體在空氣或其他吹過葉片形成葉片正反面的壓差，這種壓差會產生昇力，令風氣體中運動時而產生各種力。 註2：根據Betz定律

12. (三)轉動速度 不像小型風力發電機，大型風力發電機的風葉輪轉動相當慢。 較簡單的風力發電機是採用固定速度的。通常採用兩個不同的速度：在弱風的情況下用低速和在強風的情況下用高速。這些定速風力發電機的感應式異步發電機能夠直接發產生電網頻率的交流電。 較新型的風力發電機是可以變速的，利用可變速操作，風葉輪的空氣動力效率可以得到改善，從而提取更多的能量，而且在弱風的情況下噪音比定速風力發電機更低。因此，變速的風力發電機設計比起定速風力發電機較受歡迎。

13. 設置於塔底或是設置於塔柱內的變壓器可提升發電機的電壓到配製電網電壓。所有風力發電機的功率輸出是隨著風力而變的。強風下最常見的兩種限制功率輸出的方法（以此限制風葉輪所承受壓力,避免風輪損壞。）是失速調節和斜角調節。設置於塔底或是設置於塔柱內的變壓器可提升發電機的電壓到配製電網電壓。所有風力發電機的功率輸出是隨著風力而變的。強風下最常見的兩種限制功率輸出的方法（以此限制風葉輪所承受壓力,避免風輪損壞。）是失速調節和斜角調節。 使用失速調節的風力發電機，超過額定風速的強風會導致通過葉片的氣流產生亂流，使風葉輪失速。當風力過強時，葉片尾部制動裝置會動作，讓風葉輪停止運轉。

14. 使用斜角調節的風力發電機，每片葉片能夠以縱向為軸而旋轉，葉片角度隨著風速不同而轉變，從而改變風葉輪的空氣動力性能。當風力過強時，葉片轉動至迎氣邊緣面向來風，從而使風葉輪停止、剎車。使用斜角調節的風力發電機，每片葉片能夠以縱向為軸而旋轉，葉片角度隨著風速不同而轉變，從而改變風葉輪的空氣動力性能。當風力過強時，葉片轉動至迎氣邊緣面向來風，從而使風葉輪停止、剎車。

15. (四)發展歷史 可以發電的風力發電機最初出現在十九世紀末。自二十世紀八十年代起，這項技術不斷地發展並日漸成熟，適合工業應用。近二三十年，典型風力發電機的風葉輪直徑不斷增大，而額定功率也不斷提升。 在二十一世紀初，風力發電機最具經濟效益的額定輸出功率範圍在600千瓦至750千瓦之間，而風葉輪直徑則在40公尺至47公尺之間。當時所有製造商都有生產這類風力發電機。新一代的兆瓦級風力發電機是以這類機種作為基礎發展出來的。

16. 二零零七年初，有一些製造商開始製造903.0兆瓦風力發電機，甚至有些風葉直徑達100公尺。這些大型風力發電機生產額定功率為幾兆瓦，而風葉輪直徑達到約90公尺的風力發電機（例如VestasV力發電機主要市場是歐洲。）在歐洲，適合風力發電的地方日漸減少，因此有迫切性安裝發電能力高的風力發電機。二零零七年初，有一些製造商開始製造903.0兆瓦風力發電機，甚至有些風葉直徑達100公尺。這些大型風力發電機生產額定功率為幾兆瓦，而風葉輪直徑達到約90公尺的風力發電機（例如VestasV力發電機主要市場是歐洲。）在歐洲，適合風力發電的地方日漸減少，因此有迫切性安裝發電能力高的風力發電機。 另一類更大型、為海上應用而設計的風力發電機，已經完成設計並製成原型機。例如REPower公司設計的風力發電機風葉輪直徑達126公尺，功率達5兆瓦。

17. 二、風力發電的類型 (一)橫軸式風力發電機 (二)垂直軸式風力發電機 (三)其他

18. 二、風力發電的類型 根據葉片固定軸的方位，風力發電機可以分為橫軸和垂直軸兩個種類。橫軸式風力發電機工作時轉軸方向與風向一致，垂直軸式風力發電機轉軸方向與風向成直角。橫軸式風力發電機通常需要不停地變向以保持與風向一致。而豎軸式風力發電機則不必如此，因為它可以收集不同來向的風能。

20. (一)橫軸式風力發電機 橫軸式風力發電機利用對風控制裝置，確保葉片能迎向風源，而垂直軸式風力發電機則可接收任何方向的風。一般而言，由於垂軸風力發電機的高度比較矮，加上發電裝置裝在地上，因此比較方便維修。但是由於橫軸風力發電機效能較高，因此最為普及。

21. (二)垂直軸式風力發電機 風葉輪軸線的安裝位置與水平面垂直的風力發電機稱垂直軸風力發電機。常見的結構有「S」型風葉輪、戴瑞斯式風葉輪和旋翼式風葉輪三種。 戴瑞斯式風力發電機組，國內曾有人研製並安裝運行，但運行時間不長就損壞了。

22. 旋翼式風力發電機組也有人研究並試運行過。它可以不像水平軸風力發電機那樣要求迎風裝置，但它同樣存在超過工作速度需要限速的問題。為了限速，其機構必然複雜，其結構簡單的優點就不復存在了。而旋翼式風力發電機組由於一些技術難題仍未得到解決，因此還沒有進入實際應用階段。旋翼式風力發電機組也有人研究並試運行過。它可以不像水平軸風力發電機那樣要求迎風裝置，但它同樣存在超過工作速度需要限速的問題。為了限速，其機構必然複雜，其結構簡單的優點就不復存在了。而旋翼式風力發電機組由於一些技術難題仍未得到解決，因此還沒有進入實際應用階段。

23. (三)其他 1.逆風及順風風力發電機： 逆風風力發電機是一種風葉輪面向來風的橫軸式風力發電機。對於順風風力發電機，來風是從風葉輪的背後吹來，而大多數的風力發電機是逆風式的。

24. 2.單葉片、雙葉片和多葉片風力發電機： 葉片的數目由很多因素決定，其中包括空氣動力效率、複雜度、成本、噪音、美學要求等等。大型風力發電機可由一片、兩片或是多片葉片構成。 葉片較少的風力發電機通常需要更高的轉速以提取風中的能量，因此噪音比較大。而如果葉片太多，它們之間會相互排斥而降低系統效率。所以目前三葉片風力發電機是多葉片的主流。從美學角度上看，三葉片的風力發電機看上去較為平衡和美觀。

25. 3.岸上風電場： 岸上風電系統可以僅有一台風力發電機，也可以由多台風力發電機線性排列或方陣排列形成風電場。風電場的風力發電機相流效應，嚴重減低後排風力發電機的功率輸出。為了配合運送大型設備到安裝現場，須要建設道路。另外亦須要建設輸電線，把風電場的輸出連接到電網接入點。 ← 岸上風電場

26. 三、各種發電方式的比較： c

27. 三、各種發電方式的比較 (一)各種發電方法所需的材料總量及工時之比較 (二)各類型發電方法的廢棄物體積之比較 (三)各種發電方法對環境的衝擊

28. (一)各種發電方法所需的材料總量及工時之比較：(一)各種發電方法所需的材料總量及工時之比較：

29. (二) 各類型發電方法的廢棄物體積之比較：

30. 各類型發電方法均會產生廢棄物。核能發電的廢棄物包括低階放射性廢料、使用過核燃料、以及鈾-235濃縮過程中所產生含量較低的鈾-235。各類型發電方法均會產生廢棄物。核能發電的廢棄物包括低階放射性廢料、使用過核燃料、以及鈾-235濃縮過程中所產生含量較低的鈾-235。 燃煤發電的廢棄物則包括煤渣、除汙裝置所收集之微塵及殘餘物。 太陽能發電廢棄物的來源則是來自於晶片製造過程中所產生的廢棄物，包括許多極具毒性的氣體，例如：甲矽烷(silane)、砷化氫(arsine)、磷化氫(phosphine)、二硼烷(diborane)等。 這些廢棄物的處理都需要特別而昂貴的技術，而風力發電機，除了報廢的設備之外，幾乎不產生廢棄物。

31. (三)各種發電方法對環境的衝擊 1.燃煤： 部份產煤國利用露天開採的方式採煤，也就是直接使用重機械將岩石及泥土挖起，再做進一步的篩選。露天採煤的方式，對環境帶來相當大的衝擊，礦區會留下數十平方公里，深達一百公尺的「大洞」，挖出的岩石經過雨水的沖刷，造成岩石內的有毒重金屬的滲出，雨水再將重金屬帶到礦場附近的河流或進入地下水，對生態帶來浩劫。在印度Singrauli，超過20萬的居民因為流離失所，喪失謀生的依靠。

32. 燃煤發電方法對環境最大的衝擊來自於煤燃燒所釋放出的硫化物、氮氧化物、及微塵，其排放量與使用的煤、電廠的除汙設備、及電廠容量因數有關。燃煤發電方法對環境最大的衝擊來自於煤燃燒所釋放出的硫化物、氮氧化物、及微塵，其排放量與使用的煤、電廠的除汙設備、及電廠容量因數有關。 燃煤電廠會釋放大量的二氧化碳氣體到外界環境，二氧化碳被認為是地球大氣溫室效應轉強的主要原因。此外，燃煤中含有長半衰期的放射性物質鈾及釷，這些長半衰期核種的衰變會形成各種放射性物質，對人類及生物造成輻射。

33. 2. 燃油： 燃油的開採相對於露天煤礦的開採，其影響略小。但是燃油的運輸會對環境帶來衝擊。1967年Torrey Canyon 油輪的船難，大約3千萬加侖原油洩到英吉利海峽及附近海灘。1989年美國Exxon石油公司的油輪釋放了超過1千萬加侖的原油到Prince William Sound，共花費了20億美元的清理經費，也對環境及生態帶來了巨大的影響。

34. 石油的燃燒亦會排放氮化物及硫化物。民國88年，台電燃油電廠的總裝置容量為530萬仟瓦，總共排放了45,937公噸的硫化物，23,880公噸的氮化物，以及1,731公噸的微塵到外界，估計台電燃油電廠的二氧化碳排放量為2,116萬公噸。石油的燃燒亦會排放氮化物及硫化物。民國88年，台電燃油電廠的總裝置容量為530萬仟瓦，總共排放了45,937公噸的硫化物，23,880公噸的氮化物，以及1,731公噸的微塵到外界，估計台電燃油電廠的二氧化碳排放量為2,116萬公噸。 石油在使用前的提煉過程亦會污染環境，釋放有毒化學物質，如鉛、水銀、鎘、及砷到外界環境，這些污染物質會進入水源及食物鏈，對人體的健康造成影響。

35. 3. 燃氣： 使用燃氣發電確實較燃煤及燃油為乾淨，但是氮化物及硫化物的排放仍然不可避免。民國88年，台電燃氣電廠的裝置容量為431萬仟瓦，總共排放了140公噸的硫化物與1,858公噸的氮化物，以及530公噸的微塵到外界環境。

36. 4. 水力： 水力發電雖然不會排放污染物到環境，但水壩的建造會淹沒大片的土地，必須遷移許多居民與野生動物，水庫也會影響到附近，以及下游河川的生態。1964年阿斯萬(aswan)水壩修建前，尼羅河 (Nile river)下游漁獲量為31,000公噸。1968 年水壩完成後，漁獲量銳減為500公噸，造成 4,500 名漁民失業。

37. 5. 地熱： 利用地熱發電有數種不同的方法。如果是直接抽取地下的熱水會造成地層的下陷，而自地底抽出的水含有大量的礦物質，如不妥善的處理，會造成水污染。 如果是利用水流入地底加溫，成為水蒸汽來發電，注入的水有可能引起地震，而自地底流出之水蒸汽有可能攜帶有毒的化學物質。 利用地熱發電會造成地底放射性氫氣以及硫化氫的外釋。令人驚訝的是，加州的地熱發電廠所釋放的氫氣與核電所釋放的放射性核種所造成的影響差不多。

38. 6. 生質能： 利用生質能發電需要大片的土地；植物的種植也需要大量的肥料與殺蟲劑。雖然植物的燃燒不會產生二氧化硫，但亦會產生微量的灰塵和二氧化碳。 7. 風力： 風力發電不會造成空氣污染，但是有可能對發電裝置附近的鳥類，特別是猛禽類造成傷害。美國National Audubon Society 及U.S. Fish and Wildlife Service發出呼籲，希望重新檢討於猛禽類較多的區域，開發風力發電的可能性。歐洲的國家也有相似的想法。

39. 8. 太陽能： 太陽能發電在發電過程中，並不會造成空氣污染，但是在光電晶片的製造過程中會產生大量的有毒廢棄物。

40. 9. 核能： 核能發電的熱能來自核分裂，因此不會有空氣污染的問題，可是核分裂的過程中會產生大量的放射性物質。正常運轉的核電廠，會排放非常微量的放射性物質到外界環境，釋放到外界環境之放射性物質所造成的劑量可能小於環境背景輻射的千分之一。但是如果核能電廠發生嚴重的事故時，會有較大量的放射性物質釋放到外界環境，對環境及民眾造成傷害。還有核廢料的處理對環境有巨大影響，所以一直引起環保團體的強烈反對。

41. 四、製作小型風力發電機 (一)材料 (二)組裝步驟 (三)製作心得

42. 四、製作小型風力發電機 (一)材料：

44. (二)組裝步驟：

47. (三)製作心得： 在做完之後我發現LCD燈不會亮，所以我把電線的正負極倒裝，之後我發現葉片要轉特定方向LCD燈才會亮，因而判斷是直流電。並且了解，要先了解風葉逆風時的旋轉方向，才能測試電線裝置正確的正負極。

48. 伍、研究心得： 經過了這次的獨立研究，我學習到了風力發電機如何運轉、各種發電方式所產生的廢棄物及所需工時與材料等，雖然中途遇到一些瓶頸，如：製作風力發電機時的LCD不會亮、在網路上查不到所需資料及資料不完整等。 在這次的實驗之後我發現要先了解風葉逆風時的旋轉方向，才能測試電線裝置正確的正負極，也發現自己對作研究的方式有更進一步的認識。還是要特別感謝我的指導老師──湯銘勝老師，他教我排版、寫報告的技巧等，我完成了獨立研究，他幫我很大的忙，很高興可以完成這份研究報告。

49. 陸、參考資料： 一、風力發電Wind Power http://www.solar-i.com/wi.htm 二、機電工程署http://re.emsd.gov.hk/tc_chi/wind/large/large_to.html 三、各種發電方法的外部成本 http://www.gauss.com.tw/dyu/method.htm