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標 題: [科學發展] 風的故事－從風車到風力機
發信站: 政大狂狷年少 (01/05/06 23:54:58 Thu)
風的故事－從風車到風力機 < 摘自科學發展月刊383期 2004年11月 6∼13頁 >
風是大自然賜予人類的寶藏，取之不盡用之不竭。風能是乾淨的，具有能源
與環保雙重貢獻。一座座風車轉動出人類能源的新希望。
撰文：呂威賢（國家工業技術研究院 能源與資源研究所潔淨能源技術組）
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風從哪裡來
風是常見的自然現象，其形成源於地球自轉，以及區域性太陽輻射熱吸收不
均造成的溫度差異，而引起的空氣循環流動，小規模者如海陸風、山谷風，大
規模者如東北季風。風速大小一般以每秒幾公尺或是蒲褔氏風級表示，風速愈
高其所蘊藏的能量也愈大。夏季時微風徐徐吹過，讓人覺得心曠神怡，但颱風
來時，強勁的風速捲起滔天巨浪、摧毀樹木及建築物，令人驚怖，可想見風的
能量是何等的巨大。
人類使用風力能源的歷史由來已久，數千年前即已懂得利用風力推動船隻航
行。根據文獻，一千年前中國及古波斯即利用風車汲水、灌溉及磨碎穀物。後
來風車經荷蘭、希臘等歐洲國家加以改良後，更進而發揚光大，成為中世紀歐
洲重要的動力來源。
然而十八世紀末工業革命後，由於煤炭、石油等化石燃料及蒸氣機的大量使
用，傳統風車被取代而逐漸式微。儘管如此，歐美對風能應用的研究並未停止，
十九世紀末丹麥的氣象學家保羅•拉•庫爾（Poul La Cour）製造了第一部風
力發電機，自此風能技術的研發乃朝發電發展。後來因為大型發電廠使用煤炭
及石油以生產廉價的電力，使得昂貴又不穩定的風力遂逐漸被市場所淘汰。
但一九七○及八○年代兩次能源危機後，科學家體認到過度仰賴化石能源並
非長遠之計，故除了努力提升使用效率及宣導節約外，也致力於開發再生能源
技術，風力發電的研究因而再度蓬勃。再加上歐美國家環保意識抬頭，民眾普
遍關心傳統發電產生的污染問題，清潔的風力能源遂受到相當的重視。風力機
的研究在既有的風車基礎上，再融入近代科技後，其性能與效益皆大幅提升。
現在風力發電已經是再生能源中最經濟、使用最廣泛的技術之一，尤其在歐洲
風能已經是目前非常重要的電力來源。
風力發電機主要是藉由空氣的流動來轉動葉片，把風能轉換成電能。葉輪受
風吹而轉動，因此葉輪氣動性能對風力機輸出效率具有決定性的影響，近年來
由於葉片的設計應用了航太技術，大大地提高了風力機的輸出效率。但風力機
尚無法轉換全部風能，輸出效率僅介於20∼45％ 間。目前商業化風力機都使
用微電腦監控，可隨風速、風向的變化而自動啟動、關機、迎風轉向，並具遠
距監控及異狀保護功能。正常狀況下可自動運轉，不需人員操作，因此有「無
人電廠」的稱呼。
風吹過地面時，會因障礙物的影響而減弱，離地面愈高風速愈大，因此為擷
取更多風能，除須改進扇葉氣動性能及傳動發電系統效率外，也要增加塔架高
度以提高迎風風速，或增大葉輪直徑以增加受風面積，因此風力機乃不斷地朝
大型化發展。目前全球最大的風力機裝置容量是4.5 千瓩，其葉輪直徑達114
公尺，遠超過波音七四七巨無霸飛機的翼展，其塔架高度更高於120公尺，可
稱得上是地球上最大最高的轉動體。
由於風力資源對於風力發電機的發電量極為重要，在規劃時也需考量設置區
域的風性、地理條件是否能提供穩定而充足的風。風速越高的地區，風力發電
機能擷取的風能愈多，經濟效益會愈好；風向穩定少亂流的環境對風力發電機
的磨耗也較低，運轉壽齡可提高。一般而言，風力機宜設置於開闊區域，如海
濱、防風林、田埂、漁塭、河海堤、山脊等。風力機機座占地不大，並不影響
地面原有的用途，在丹麥、德國及西班牙等國家皆可見風力機與農牧共生使用。
利用風力發電好處多多風力能源永不耗竭：人類追求經濟成長及現代化的結
果使得能源大量消耗，然而地球的化石燃料蘊藏量有限，終有一日將沒有石油
可用。然而風力發電卻不一樣，由於擷取的是大自然的風能，只要太陽及地球
仍在運行即無匱乏之虞，故是一種能讓人們永續使用的再生能源。
風力發電無污染：大家都知道火力發電會排放大量二氧化碳及污染物質，嚴
重破壞環境，影響生態並造成全球暖化；核能發電雖不像火力發電般排放污染
物質，但溫排水可能影響海洋生態，而且核廢料的問題也會造成人們的恐懼。
反觀風力發電不但不會排放二氧化碳及污染物質，更沒有放射性物質的困擾，
是非常乾淨的能源，因此廣受注重環境保護國家的歡迎，成為應用最多的再生
能源之一。風力發電是自產能源：大自然的風完全不用進口，是道地的自產能
源，多加利用可減低對進口石油、煤炭等的依賴，且促進能源多元化，在國家
安全考量上亦有其戰略意義。另外在經濟與社會層面，風力發電可製造工作機
會，例如其零組件的生產、運輸、組裝、維護等，都可為設置風力發電機的當
地帶來相當的就業機會。
< 待續 >
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標 題: [科學發展] 風的故事－從風車到風力機
發信站: 政大狂狷年少 (01/05/06 23:54:58 Thu)
風的故事－從風車到風力機 < 摘自科學發展月刊383期 2004年11月 6∼13頁 >
風是大自然賜予人類的寶藏，取之不盡用之不竭。風能是乾淨的，具有能源
與環保雙重貢獻。一座座風車轉動出人類能源的新希望。
撰文：呂威賢（國家工業技術研究院 能源與資源研究所潔淨能源技術組）
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風從哪裡來
風是常見的自然現象，其形成源於地球自轉，以及區域性太陽輻射熱吸收不
均造成的溫度差異，而引起的空氣循環流動，小規模者如海陸風、山谷風，大
規模者如東北季風。風速大小一般以每秒幾公尺或是蒲褔氏風級表示，風速愈
高其所蘊藏的能量也愈大。夏季時微風徐徐吹過，讓人覺得心曠神怡，但颱風
來時，強勁的風速捲起滔天巨浪、摧毀樹木及建築物，令人驚怖，可想見風的
能量是何等的巨大。
人類使用風力能源的歷史由來已久，數千年前即已懂得利用風力推動船隻航
行。根據文獻，一千年前中國及古波斯即利用風車汲水、灌溉及磨碎穀物。後
來風車經荷蘭、希臘等歐洲國家加以改良後，更進而發揚光大，成為中世紀歐
洲重要的動力來源。
然而十八世紀末工業革命後，由於煤炭、石油等化石燃料及蒸氣機的大量使
用，傳統風車被取代而逐漸式微。儘管如此，歐美對風能應用的研究並未停止，
十九世紀末丹麥的氣象學家保羅•拉•庫爾（Poul La Cour）製造了第一部風
力發電機，自此風能技術的研發乃朝發電發展。後來因為大型發電廠使用煤炭
及石油以生產廉價的電力，使得昂貴又不穩定的風力遂逐漸被市場所淘汰。
但一九七○及八○年代兩次能源危機後，科學家體認到過度仰賴化石能源並
非長遠之計，故除了努力提升使用效率及宣導節約外，也致力於開發再生能源
技術，風力發電的研究因而再度蓬勃。再加上歐美國家環保意識抬頭，民眾普
遍關心傳統發電產生的污染問題，清潔的風力能源遂受到相當的重視。風力機
的研究在既有的風車基礎上，再融入近代科技後，其性能與效益皆大幅提升。
現在風力發電已經是再生能源中最經濟、使用最廣泛的技術之一，尤其在歐洲
風能已經是目前非常重要的電力來源。
風力發電機主要是藉由空氣的流動來轉動葉片，把風能轉換成電能。葉輪受
風吹而轉動，因此葉輪氣動性能對風力機輸出效率具有決定性的影響，近年來
由於葉片的設計應用了航太技術，大大地提高了風力機的輸出效率。但風力機
尚無法轉換全部風能，輸出效率僅介於20∼45％ 間。目前商業化風力機都使
用微電腦監控，可隨風速、風向的變化而自動啟動、關機、迎風轉向，並具遠
距監控及異狀保護功能。正常狀況下可自動運轉，不需人員操作，因此有「無
人電廠」的稱呼。
風吹過地面時，會因障礙物的影響而減弱，離地面愈高風速愈大，因此為擷
取更多風能，除須改進扇葉氣動性能及傳動發電系統效率外，也要增加塔架高
度以提高迎風風速，或增大葉輪直徑以增加受風面積，因此風力機乃不斷地朝
大型化發展。目前全球最大的風力機裝置容量是4.5 千瓩，其葉輪直徑達114
公尺，遠超過波音七四七巨無霸飛機的翼展，其塔架高度更高於120公尺，可
稱得上是地球上最大最高的轉動體。
由於風力資源對於風力發電機的發電量極為重要，在規劃時也需考量設置區
域的風性、地理條件是否能提供穩定而充足的風。風速越高的地區，風力發電
機能擷取的風能愈多，經濟效益會愈好；風向穩定少亂流的環境對風力發電機
的磨耗也較低，運轉壽齡可提高。一般而言，風力機宜設置於開闊區域，如海
濱、防風林、田埂、漁塭、河海堤、山脊等。風力機機座占地不大，並不影響
地面原有的用途，在丹麥、德國及西班牙等國家皆可見風力機與農牧共生使用。
利用風力發電好處多多風力能源永不耗竭：人類追求經濟成長及現代化的結
果使得能源大量消耗，然而地球的化石燃料蘊藏量有限，終有一日將沒有石油
可用。然而風力發電卻不一樣，由於擷取的是大自然的風能，只要太陽及地球
仍在運行即無匱乏之虞，故是一種能讓人們永續使用的再生能源。
風力發電無污染：大家都知道火力發電會排放大量二氧化碳及污染物質，嚴
重破壞環境，影響生態並造成全球暖化；核能發電雖不像火力發電般排放污染
物質，但溫排水可能影響海洋生態，而且核廢料的問題也會造成人們的恐懼。
反觀風力發電不但不會排放二氧化碳及污染物質，更沒有放射性物質的困擾，
是非常乾淨的能源，因此廣受注重環境保護國家的歡迎，成為應用最多的再生
能源之一。風力發電是自產能源：大自然的風完全不用進口，是道地的自產能
源，多加利用可減低對進口石油、煤炭等的依賴，且促進能源多元化，在國家
安全考量上亦有其戰略意義。另外在經濟與社會層面，風力發電可製造工作機
會，例如其零組件的生產、運輸、組裝、維護等，都可為設置風力發電機的當
地帶來相當的就業機會。
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