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第一章 一種狂野又溫柔?的自然資源
這本書是為了那些想要自己製作風車的人和那些喜歡做白日夢的人而寫的。之所以受到鼓舞而完成本書的原因是在替代技術中心Centre for Alternative Technology為一群來自各種不同背景的人開設的風能應用課程，這群人聚在一起彼此分享學習風能應用的刺激和興奮的經驗。許多當時有趣的事情因為本書空間有限而沒有寫進書裏，不過您還是可以在任何地方發現它們。有關於電學、力學、轉動動能等等應用到的基礎科學知識請參考學校的物理課本。有關於如何設置一台風車或是如何過著以風能為主的生活等等更深入的風能應用內容，就要請您看另外一本書了。 It’s a Breeze and Off the Grid (註：沒有電網只有微風吹拂的生活 – 我翻譯的啦…很抱歉本書台灣沒有譯作，因為連原文書都沒有…哈哈哈!!)。
風 – 狂野的自然資源
風能是自然資源的一種，而且給它有點搞怪不是太容易料理的。想學咱們老祖先莊子的”御風” (捕捉風能)嗎?這碼子事有點像是您已經有改裝的HONDA CIVIC可以飆了，郤想要在非洲飆羚羊。您不要奢望在您的郊區別墅裏的小花園架台小風車就想有用不完的免錢能源，也不要肖想在突然的衝動下就想在一個下午的時間搞出一套穩定有效率的風能系統。
先仔細看看那些能夠產生足夠能源的風車的大小吧!對您而言，這個風車計畫在您的現實生活環境中真的行得通嗎?您有造風車用的工作間和相關工具設備嗎?等您造好了風車，您確定您的風車有個好地方可以架設?就算可以架好了，您的風車可以安全無慮的運轉嗎?可以安全運轉的風車或不會擋到人家的視線惹人厭呢?
如果您的動機是為了讓環境更清潔，那麼小台的風車您就不用考慮了，它沒有辦法滿足您的需求。在您自己的家安裝風車或許可以替您節省一些能源。如果您是住在城巿裏的再生能源支持者，您最好先去問問您家附近的電力部門有關綠色能源的價錢，或是貢獻您的精力去贏得環境保護的辯論讓政府去建座風能農場。
想清楚了沒?如果您想清楚了，而且您有的是時間、有個可以豎立風車的好地理、永不熄滅的熱情，那麼開始搞您的風車吧!搞風車讓您感受及享受到那種硬到難以下嚥的滋味。那麼這本書就對您有點用處了!!再說一次，您搞風車時，還是小心一點!!
天下沒有白吃的午餐
在政府開始對風課稅之前，玩風是不要錢的啦!!所以啦，就有些人因為風不要錢就為風能會是一種有搞頭的”生意”。小心啊!!笨蛋!!如果真的有利可圖，您早就看到滿地的風車了。SO, 天下沒有白吃的午餐…玩風能也是這樣遵循墨非定律，要花錢的。
風是一種非常分散的、到處都有的、又怪怪的能源。要產出足夠的能源，風車就非大不可；風車要有高效率和穩定可靠的表現，機電工程不好也不行。照這樣算起來，風能一點都不便宜。如果您自己搞一台風車，您或許可以省下很多造風車的錢，但是它會用掉您很多更寶貴的時間。魚與熊掌不能得兼，認了吧!
電池折舊
未來趨勢顯示從使用電池儲存電能的小型獨立風力發電系統和從電力公司買電來用兩者之間的比較可知，前者怎麼看怎麼評估都沒有什麼搞頭。就算您把電池費用不列入計算，也還是沒啥搞頭。您的電池或許在壞掉之前可以撐個7年吧，但是您會發現這段期間自己的風力發電機發電省下的電費剛好只夠換電池。
上述比較顯示出以電池儲電的方式在城巿中應用的方式是行不通的。(還有其它行不通的原因，例如：城巿裏建築物阻擋而導致風速低、一堆亂流、還有鄰居看您的風車不爽會捉狂…)。因為電力公司的系統安裝保養和拉電線的費用就會比風能系統高，所以在郊外或是比較偏遠地區設一個風力發電系統比較有點搞頭。因為風能系統在這種地區可表現出較優的經濟性及可靠性。
俗擱大碗的資源回收場
我是一個資源回收再利用的環保志工兼資源回收場的顧客。因為資源回收場可以收集到做風能系統要用到的電纜、電池、焊接用的鋼板、鋁片、開關等等物料。不用擔心，使用資源回收的材料不會降低您的風能系統的品質。花同樣的錢，您可以在資源回收場買到更多或更重的相同物料。不要不好意思進去挖寶，老闆賣給您比送去回收加工廠更好賺。(注意：到資源回收廠買東西，要用點您的辨別能力。尤其是電池，電池是因為壞掉了才會被送到資源回收廠，在買之前可是要用電壓表量一量，免得買到”壞”電池，了錢又沒用。)
所有的東西進了資源回收場本來只有一個原因，那就是”壞掉了”；但是現在郤有很多東西常常是因為人們追求現代化而進了資源回收場。所以，您可能從資源回收場買的東西有可能是功能完好的。
環境成本
每一種能源都有一定的環境成本，當然風能也不會是例外。雖然風能是乾淨可再生的，但是它還是有一些負面的因素存在。至少風車造成的污染是看得到的，環境也是會被污染的。
噪音
噪音有兩個主要來源：葉片轉動和機械裝置運轉發出的噪音。葉片轉動噪音通常不是個大問題。葉片轉動的聲音聽起來有點像是風吹過樹梢的聲音或是小河淌水聲，事實上風車片產生的噪音也真的和這些聲音混在一起聽不太出來。
機械產生噪音的來源主要是振動、發電機或是齒輪變速箱發出像蜜蜂一樣嗡嗡叫的聲音。這種嗡嗡的低頻聲音會使得有些人捉狂的，特別是那些睡不著覺醒著的人。其它的人(通常是風車主人)對電池充電的聲音就覺得太美妙而睡的比誰都好。
視線干擾
通常視線干擾的問題會是比噪音更容易讓人關注的環境污染焦點。一個人心目中光鮮亮麗的夢幻風車，在另外一個人的眼睛看到的可能是非常不順眼的東西。通常風車對擁有者特別有吸引力和魅力，尤其是自己製作的風車更是再美不過了。或許您的鄰居願意接受風車在他們家附近轉啊轉的，但是您也需要一些得體的外交手腕來獲得鄰居的接受度。
您希望獲得多少風能?
風能魔咒，您一定要記住它!!
電源(瓦特)是指從風中獲得能量的比率，由表1.1中可以得知您所期望的一台多大尺寸的風車在多大的風速下能為您產生多少電能。表1.1的基本假設是風車可以利用風的總能量的15%。風能獲取百分比就是所謂的動力係數(power coefficient，通常用Cp表示)。為什麼只能從風中截取那麼一點百分比的能量呢，在以後章節會為您加以說明。
表1.1 瞬間輸出的風能 (瓦特) 表
風速
2.2公尺/秒
4.5公尺/秒
10公尺/秒
20公尺/秒
8公里/小時
16公里/小時
35.2公里/小時
70.4公里/小時
5英哩/小時
10英哩/小時
22英哩/小時
44英哩/小時
葉片直徑 1公尺
1
6
70
560
葉片直徑 2公尺
3
25
280
2,300
葉片直徑 3公尺
7
60
630
5,000
葉片直徑 4公尺
12
100
1,120
9,000
這個表說明一台風車可能產生多少能量的基本觀念。假設條件是最大動力係數0.15。例如，一台直徑2公尺的風車在每秒10公尺的風速下，可能產出280瓦特的電力。請注意：不要笨笨的認定表格裏的數字是絶對值。在實際情況下，產生的電能介於200到400瓦特之間，其間差異來自您所獲得的動力係數值大小。
台灣的風1 – 颱風
那一定會很高興，而且會這麼想。颱風天一定會發出很多電囉…話雖如此，在颱風天時您的風車不是轉太快發電機或是變速箱受不了燒掉、就是葉片斷掉、最慘的是可能連基座都倒了、也有可能被雷打到電池炸掉、系統燒掉連命都玩掉。切記!!颱風天時，您的風車也要做防颱措施。
級數
風的名稱
風 的 說 明
颱風等級
速 度
０
無 風
毫無風的感覺，炊煙筆直向上。
0～0.2
１
軟 風
炊煙斜升，可看出風向。
0.3～1.5
２
輕 風
有風吹在臉上的感覺，樹葉搖動。
1.6～3.3
３
微 風
樹葉與小樹枝被吹動。
3.4～5.4
４
和 風
旗幟飄動不止，紙張飛揚，且有風沙。
5.5～7.9
５
清 風
池塘的水面波浪起伏。
8.0～10.7
６
強 風
張傘困難，大樹枝搖動，電線吹的呼呼作響。
10.8～13.8
７
疾 風
樹全身搖動，逆風行走困難。
13.9～17.1
８
大 風
寸步難行，樹枝被折斷。
輕度颱風
17.2～20.7
９
烈 風
煙囪被吹倒，屋頂瓦片被吹翻。
20.8～24.4
10
狂 風
樹木被連根拔起，房屋會遭受嚴重災害。
24.5～28.4
11
暴 風
風力更強，許多建築物被吹壞。
28.5～32.6
12
颶 風
災害更大
中度颱風
32.7～36.9
13
颶 風
37.0～41.4
14
颶 風
41.5～46.1
15
颶 風
46.2～50.9
16
颶 風
強烈颱風
51.0～56.0
17
颶 風
56.1～61.2
超級強烈颱風
>67
風的總能量取決於空氣密度(大約每立方公尺1.2公斤)、風速及風車轉子的尺寸大小。其中以風速為風能大小的主要決定因子(如表1.1所示)。較強的風速每秒鐘攜帶較大量的空氣通過轉子，而每公斤重的風所產生的動能則是以風速的平方計算。所以，風速升高則風能明顯的升高。
風車的螺旋槳、扇葉、風帆、葉輪、葉片掃過的面積的計算方法是直徑的平方。一般風車的葉片和轉子是組合在一起，所以就稱之為風車轉子(rotor)。不要把風車轉子和發電機裏的轉子搞混了。
本書附錄有列出風能相關的數學方程式，您可以用它來計算風車能量輸出功率。有一個好的方法是搞台有安裝任何一種試算表(Lotus 123, Excel, Spreadsheet…)功能的電腦幫您算會比較快一點。
例：我們預計要製作一台300瓦特(watt)的風車。但是我們從上面表格就可以算出直徑多少公尺的風車才可以產生300w的電力。
解： D(直徑) = (P/(Cp*rho/2*Pi/4*V3))0.5
= (300/(0.15*1.2/2*3.14/4*103))0.5
= 2.06公尺
如您在表1.1中所看到的，風能的變化是非常大的。微風情況下只能發出幾瓦的電力。所以啦，要設計一台在微風時能有效轉換風能，又要能在每秒14公尺以上的疾風下發出大量電流而產生電湧下存活的風車是很不容易的。
風和現代的都會男女一樣善變，也因此電能輸出也是高低起伏變化多端。我們必需在有風的時候將它截流發電、在沒風的時候有個儲存系統可以取出保存電能加以利用或是有個備源系統可以供應。從前磨玉米粉的磨工都會先儲存一些磨好的玉米粉供給客人的需求，到有風的時候就加緊磨玉米。可是當今郤變成使用附電池的小型風電系統將過剩的電能用電池儲存起來，在無風發電的時段使用。兩者的差別是很大的。
預測風能截取量的快速方法介紹
風能截取量是指在一定時間內平均電能乘以時間。風能截取量取決於風車本身的性能及其設立的位置。
位置條件
平均風速(公尺/秒)
平均風速(英哩/小時)
有樹和建築
3
6
有樹籬的空地
4.5
10
開濶地(山頂或海邊)
6
13
另一種算法(比值)的結果表
地形會造成風速差異，不同地形的風速和空曠平地的風速比值（如下
表）可以推算相似地形下的風速。不同地形下風速與平坦地面風速比值表如下所示。
地 形
平 地 平 均 風 速
3~5米／秒
6~8米／秒
比 值
山間盆地
0.95~0.85
0.85~0.75
彎曲河谷地
0.80~0.70
0.70~0.60
山瘠背風坡
0.90~0.80
0.80~0.70
山瘠迎風坡
1.10~1.20
1.10
風速平均時的風車平均輸出電能和瞬間輸出電能是不相同的。平均電能輸出是用來判斷風車葉片能產生的電能。
例：開濶地的平均風速是5公尺/秒。平均輸出電能及瞬間輸出電能為多少?
Pm(平均輸出電能) = 0.14*D2*Vm3 = 0.14*22*53 = 70 watts
例：240瓦特輸出電能共7小時，一天有24小時。則平均輸出電能是多少?
(240*7)/240 = 70 watts (註：電池損失不列入計算)
從表1.2可知，直徑2公尺的風車在平均風速每秒4.5公尺的條件下，其平均輸出電能為51瓦特。這個數字是粗略估計的，在實際條件下30到80瓦特的輸出電能都可能發生。
表1.2 平均輸出電能(瓦特)
平均風速
3公尺/秒
4.5公尺/秒
6公尺/秒
7英哩/小時
10英哩/小時
13英哩/小時
葉片直徑 1公尺
4
13
30
葉片直徑 2公尺
15
51
121
葉片直徑 3公尺
34
115
272
葉片直徑 4公尺
60
204
483
風車電能可以驅動什麼?
風車平均輸出電能要和用戶的平均需求電能相當才可以。一般的歐洲人的家庭平均用電都在100W以上。有時候會用到好幾千瓦，但是大部份的時間不會用任何的電器。2001年臺灣每人平均用電7075度。34個OECD國家僅澳洲、 奧地利(7095)、 比利時(7808)、 加拿大、 芬蘭、 冰島、 日本(7336)、 盧森堡、紐西蘭、挪威、瑞典、瑞士(7563)、及美國等13國比臺灣高。到了2002年台灣每人平均用7389度。也就是說每天平均使用20KW，每小時用電843W。一家4口就需要3,373W。算一算，4口之家搞一台4公尺直徑吹6公尺/秒的風也沒法滿足電力需求的。那還要搞下去嗎?別担心，這是平均用電，大部份的電都被工廠用掉了啦，4口之家一天10度左右就很多了。
所以啦，以歐洲5口之家為例，風力發電平均輸出電能500W是需要的。但是，如果那個5口之家懂得使用省電燈泡和電器而且不在低風速時使用電熱器的話，使用平均輸出電能100W的風車供電也不是不可能。那台灣咧?省電之家看樣子沒搞個200W是不太夠力的，遇到熱的半死的夏天，冷氣一吹…強風來發電都不太夠的樣子。
效能：風能跑哪去了呢?
在表1.1和1.2中，我們假設的動力係數是0.15。而實際上，動力係數的數值取決於能量轉換過程中每一步驟所造成的損失。有些甚至是在還沒開始就損失掉了。
貝茲定理(Betz’s theorem)
亞伯特貝茲(1926)提出能量轉換公式，因為是他提出的，所以就用他的名字貝茲當做定理的名稱。
為了從風中截取能量，風速就必需被減低。把風中所有的風能提取出來的方法就是讓風停止。但是這樣做的結果就是靜止的風全部累積在風車前面，擋住後面的風使得後面的風進不來。所以啦，您只好讓風帶點風速從葉片中間穿過吹走，也因為風吹走了，動能也就損失了。
依據貝茲定理計算的話，最佳及人們希望達到的動力係數是59.3%，但是，實測值會低很多的原因是尚有下列數項損失。
摩擦力(阻力)造成的能量損失
風車的葉片將風能轉變成軸功率(shaft power)。稍後我們再討論葉片數目少且為細長型的高轉速風車和葉片多且轉型的低轉速風車間的差異。快速轉動的風車葉片會引發空氣動力學中所謂的阻力(drag)。
阻力會把風車葉片拖住而造成截取風能過程中的能量浪費和消耗，因此風車葉片要做的越流線越符合空氣動力學越好。就算是最佳葉片設計的翼剖面(airfoil section)型葉片也會10%的風能損失。而您自製的風車葉片的能量損失當然就更多了說。
機械摩擦力造成的能量損失
軸承、電刷、及其它像是變速箱或飛輪系統等等機械設計也會產生摩擦力而造成能量損失。這些機械摩擦阻力在風速增加時會有稍許的增加。所以當風車在強風下努力發電時，機械摩擦阻力損耗只佔總能量損失的一點點百分比。但是，在微風的情況下，摩擦阻力所造成的能量損耗和強風情況下是截然的不同。在微風條件風量很小的情形下，只產生相當低的轉子扭力。
機械摩擦阻力消耗明不明顯就要看您的風車性能和設計好不好了。如果風車是您唯一的電力來源，在微風情形下您的風車就必需要有高效率輸出；那麼在設計上風車葉片就必需不使用變速箱直接轉動發電機。至於那些省掉買發電機或是皮帶傳動的錢錢只用風車燒熱水洗澡的人，直驅式設計的風車就有那麼一點用處了。直驅式風車在微風輕輕的情況下，工作表現很不錯。
銅導線造成的能量損失
風經過風車轉子傳導，由風能轉換成機械能，再來就是磁能轉變成電能的步驟。磁能轉變成電能的位置在發電機裏的線圈。電流在電線裏流動也是有產生阻力的，阻力產生的結果就是電線發熱。
這種阻力來自電流通過銅線時，銅線所產生的”阻抗”。計算公式有這些：
銅線面積(W面積) = W宜徑2 * 0.785 (單位 mm2)
電阻值 = [(電線長度*2)/銅線面積]/50 (單位 歐姆)
壓降 (V drop) = 電阻值 * 電流 (單位 伏特)
電流 = 瓦特/電壓 (單位 安培)
能量損失 = 壓降 * 電流 (單位 瓦特)
用粗一點的銅線阻抗會低一些，相對的線圈會比較重價錢也比較高，但是有必要這麼做。
阻抗會因溫度升高而升高，也就是說電線越熱阻抗就越大，能量損失就越大。而且這是一種惡性循環，當電流通過阻抗發生釋出熱能，使得電線變熱，而變熱又升高電線的阻抗值，阻抗值升高又使得電流通過電線時的產生更多的熱能釋出。持續惡性循環的結果就是電線越來越熱，最後就把絶緣層燒掉，銅線短路線圈燒掉。這個電力阻抗問題對您的風車發電效率產生一定的能量損失，所以在設計您的風車時，不管何時何地，您都必需考慮到發電機的降溫問題。
銅線造成的能量損失與電流的平方成正比。當發電機是在微風情況下工作，也就是在發電機部份負載下工作，銅線所造成的損失不大。有的發電機是採用磁場線圈(field coil)設計，用以產生穩定的電流，能量耗損比較小。而這種設計的發電機其所產生的能量消耗比較接近機械性能量損耗。但是呢，在微風的情況下，這種發電機會耗損風車葉片所產生的所有能量，您會發不出半點電來。
磁場線圈( field coil) 永磁機
還有不要忘記將電源傳送到各個電器上所使用的電纜，也是會造成電能耗損的。如果傳輸的距離越遠，那麼電纜要越粗越好。如果電纜粗到有點可笑或是價錢高到受不了時，那麼您就必需調高供電電壓。電壓越高傳輸相同量的電能，其損耗相對的比低電壓的較低一些。高壓電表示電纜傳輸耗損較少，這就是為什麼台灣的天空很高壓，到處都是高壓電塔的原因了。但是不要忘了電壓越高危險性就相對的升高，安全上要注意。舉個例子吧!!使用相同的電纜傳送電力時，用12伏特傳送的電能損失是240伏特的400倍。嚇人唄!!!
磁鐵造成的能量損失
大部份的發電機都有一個共同的問題，那就是磁造成的能量損耗。磁鐵造成的損耗很有學問也很重要，容後專章特別報導。
整流器(rectifier)造成的能量損失
一般小型的風力發電機都是使用永磁機(permanent magnetic generator)當做發電機，永磁機產生的電流是交流電。電池充電及放電是直流電。所以啦，直流電變交流電，交流電變直流電的”轉換器”沒有裝是不行的。那個轉換器就是整流器。
圖：整流器的電路圖(上左)、傳統整流器(上右)、矽偶極電路圖(下左)、半導體整流器
現代新型的整流器是以矽偶極(silicon diode)的半導體製造的，它的構造較傳統整流器簡單、價格也更便便宜、性能更可靠。但是，每一件存在世界上的玩意兒，都會耗掉一定百分比的能量。(有人開始在打半導體整流器的腦筋，整流器的另一端搞不好會有電跑出來)。規則很簡單：每一個偶極大約用掉0.7伏特的電壓。當電流進入整流器後，連續通過兩個偶極總共造成1.4伏特的電壓損失。換言之，想要有12伏特的直流電輸出，輸入電壓就必需是13.4伏特。這表示又有能量損失了，算一算大概有10%的能量在通過整流器後損失掉。
同理，升高電壓可以降低整流器的電能損耗。例如：24伏特的整流器的電壓損失和12伏特的整流器同樣都是1.4伏特，但是24伏特的整流器的電能損我大概只有5%。
17
風能
100%
59%
53%
(59%的90%)
42%
(=53%的80%)
貝茲定理
摩擦力
銅
損
耗
輸入
輸出
41%風能逸散
10%消耗掉
20%變成熱能
圖：風能在能量轉換步驟過程的能量損失
損耗是如何加成的?
風能通過系統的每一步驟都帶有一定百分比的能量。把每一步驟排成一列畫成圖表示出來(上圖)就可以計算風能的動力係數。還好整個風能系統啟動的風是不要錢的，由圖中您可以看到每一步驟都以不同方式造成能量損失，最後只剩下42%左右。同樣的能量損耗情形也出現在滿街跑的車上，每台車子裏那個吃油的引擎把石油轉換成動能推動車子的同時也產生大量的熱能，只是沒半家車廠有設計將這些損耗能源回收或是再利用提高效能。
基礎設計
風車葉片轉子要和發電機相匹配
先決定風車葉片轉子的大小，您就會傾向選擇一個較大的發電機，這樣子您就會在風下獲得較多的電能。如果您是先決定發電機的大小，您也會想要選擇一個較大一點的葉片轉子，目的是在微風的時候獲得最大的電能。
大發電機配一台小風車是很難獲得穩定的電力輸出，搞出這種風車的話，您會很失望的。更慘的是，這種設計的發電機在低負載時的發電效率是很低很低的。小發機配上大風車轉子設計在微風的時候可以很容易的達到最大電源輸出而且提供較穩定的電能供應。而這種大轉子設計的缺點如下：
l 需要更大更穩定的鐵架或支架支撐。
l 低轉速運轉。
l 強風時需要更多的控制方法。
一般較常採用的折衷辦法是選擇一個在風速大約每秒10公尺條件下，產生最大功率輸出的發電機。請回頭參考表1.1或是表1.3。
除了發電機和轉子的匹配很重要之外，另外一項很重要的參數就是風車葉片轉子的轉速。想要了解轉速就必需先了解能量/速度之間的關係囉。
尖端速度比率（tip-speed ratio）
尖端速度比率指的是風車葉片尖端的速度與自由流動空氣流的速度的比率。這個參數說明了風車轉子的動力係數(又稱作功率係數)。這個係數是德國物理學家 Albert Betz 發現的，這個係數不會超過 0.593。在實際應用設計時，一般的設計的葉片性能很少能在尖端速度比率為 7 的時候，動力係數能超過 0.4。
尖端速度比X是設計風車的重要係數，它的的定義如下：
X=ΩR／V
其中Ω為風車轉速，R為葉片旋轉半徑，V為風速，所以X的意義就是翼尖切線速度與風速之比，X值若大於3，這座風車為高速風車，若比值小於3的是低速風車，高速風車的轉速快，所以需要的翼片較少，反之，低速風車的轉速慢，所以需要的翼片較多。高速風車和低速風車在應用上的最大區別是低速風車的輸出扭矩大，高速風車的效率高。所以，使用於要出力機構，例如抽水機，就用低速風車。而一般大型發電用風車，因為以效率為主要考量因素，多採用高速風車。要達到最大效率，翼片的翼形多設計的和航空用機翼剖面差不多的設計。
圖1.2 尖端速度比率與動力係數的關係
是不是尖端速度越高越好呢?當然不是囉，因為尖端速度越高，相對的噪音也越大，如果您想要有一個安靜的生活，尖端速度最少維持在80公尺/秒左右。
尖端速度比率是一個神奇的數字，它可以很簡單切要的表示出風車葉片和轉子的特性。風車轉子很難時時刻刻都維持在最佳的轉速條件(600rpm，每分鐘600轉)。反過來說，最佳轉速是取決於風速、葉片直徑和尖端速度比。
由上圖您可以發現風車轉子的最佳效能表現的尖端速度比率的值固定在7。但是不可避免的風車轉子非得在不同的風速轉動以致於尖端速度比率也不會是個定值。因為這樣所以任何特殊設計的轉子，它的動力係率(Cp)變化取決於尖端速度比。最好的方式就是在一定的風速範圍內，以設計或是調整方式調校出您的轉子的尖端速度比值。
圖1.2表示一個傳統風車葉片轉子的最大動力係數的尖端度比率是7。些微的風速或是轉速差異對比值的影響不會太大。如果轉速相較於風速明顯的過低，就叫做失速，效率輸出表現就降低。如果風車轉子負載沒了(通常是電線回路的電線斷掉)，轉子就會越轉越快一直到達到一特定速度為止，那時候風車變成完全沒有效率也因為動能不足速度就上不去了。大部份風車的超過正常的尖端速度時，風車會產生很大聲的噪音和警告聲。
第3章會教各位如何設計一個特定尖端速度比的風車轉子。
18
發電機的特性
風車轉子持續一直加速到發電機(負載)吸收風車產生的所有動能。如果風車轉子和發機匹配良好，風車轉動後就會達到最佳的尖端速度比，這表示風車從風中截取最大量的能量。
發電機也有發電機本身最佳的運轉速度。例如，發電機的轉速變化伴隨所產生的電壓也會跟著變化。發電機通常需要高一點的轉速產生高一些的電壓。原因是如果您發電機因為轉運過低相對的電壓也過低，而您的發電機後面接著充電電池，發電機發出的電壓若是沒有超過電池電壓，電無法充進電池，您所發出的低電壓電能就完沒電能輸出。
發電機產生電能是靠一種切入速度(cut-in speed)，也就是軸轉速(shaft speed))所產生的。發電機最大功率輸出所需的轉速稱之為額定轉速(rated speed)。要達成上述三種發電機需要的轉速，那麼風車轉子喜歡在多快的風速下產生多快的轉速提供發電機所需的三種轉速，就是一門學問了哩!
找出最佳轉速 – 不是轉越快越好
表1.3是發電機的轉速與發電量、葉片直徑和尖端速度比率的關係表。先在第一欄中選出您想要的發電量。第一欄的發電量是發電機的額定發電量。第二欄建議您選擇一個適當尺寸大小的風車轉子直徑(以動力係數0.15，額定風速10 公尺/秒為計算依據)。其餘3~6欄則是顯示出不同的尖端速度比率值的發電機轉速。
表1.3 發電機轉速與電能、風車直徑、尖端速度比值關係表
電能
瓦特 (Watts)
風車直徑
公尺
尖端速度比值(TSR)
4
6
8
10
10
0.4
2,032
3,047
4,063
5,079
50
0.8
909
1,363
1,817
2,271
100
1.2
642
964
1,285
1,606
250
1.9
406
609
813
1,016
500
2.7
287
431
575
718
1,000
3.8
203
305
406
508
2,000
5.3
144
215
287
359
5,000
8.4
91
136
182
227
假設您需要產生250瓦特的電能、尖端速度是6，查表得知建議的風車直徑是1.9公尺，最佳的發電機轉速為609 rpm。
表1.3的好處是您可以很容易的查出製作風車系統所需的各項參數，但是應用表1.3製作小型的風車會有個天大的問題。那就是您在全世界不可能找到這麼低轉速的發電機。發電機轉速高一些，它的發電效能會較好。一般發電機的最大輸出功率的轉速設計是在1,500~3,000 rpm之間。有許多方法可以解決這個高轉速問題，而每一個解決方法各有它優缺點。容本書後續章節您介紹。以下列出數項解決問題的方法：
l 風車轉子和發電機之間利用變速箱提高轉速。
l 採用高一點的尖端速度比值。
l 在更高一點的風速下運轉。
l 發電機修改成低轉速。
l 自己做一個低轉速發電機。
l 提高風速。
您一定會馬上聯想到發電機的切入轉速問題。一般理想狀況下，切入轉速是額定轉速的1/3。尖端速度比率不變、額定風速10公尺/秒的條件下風車轉子的切入轉速是3.3公尺/秒。如果切入轉速高過額定風速的一半以上，就會出現低風速時達不到發電機最佳轉速的問題。
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結論
風車很好玩，但是絶對不是不要花錢的。搞風車不但會花掉您的錢，而且還會用掉您的時間，更慘的是您可能會對其它人的生活環境造成衝擊。利用本章所列的表格，您可以選出您所需要的風車大小。表格也告訴您在一定的假設條件下風能轉變成電能過程的各種損失原因和造成的損失量，總合計算出風能轉變成電能的動力係數。風車轉子與發電機兩者之間的轉速匹配是一個魚與熊掌不可兼得的兩難問題。高速風車的噪音很大聲，低轉速風車要在風車轉子和發電機之間加裝變速箱使得風變的笨重又浪費能源。
不要忘了萬物的生命和人們快樂的生活當然比您的風車重要。所以在本章您學會選出您所要的風車之後，下一章不是教您做風車而是要告訴您”風車安全”的觀念。然後再告訴您如何建造自己的風車，從風車轉子、配電系統、尾翼到支架的製作，一步一步教您實現您的夢想。
安全永遠排第一!!!
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