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绳柱风车发电系统 作者：周鉴恒????文章来源：作者惠赐????点击数：8781????更新时间：2011-3-15 风力发电的商业运转先天上有两项主要缺点：一、地面风速较小，风能密度不高，以致于功率较大的风车尺寸都必须很大，且须装设在塔柱上；二、地面风速变化相当大，有时甚至无风，因此一般风车的利用率，约仅为预计利用率的19％至35％左右。气象研究显示：高空长年吹拂强劲且稳定的风。本研究提出绳柱风车的构想，利用风筝将风车拉升至高空，使风车稳定平衡而迎风发电，产生稳定可靠且功率较符实用的电力输出，满足一般用电的需求。这项创作涉及电磁学、力学的重要概念以及气象知识，启发风力发电之创新；适合学生组队研制，寓教于乐，经实际操作，发展出一种效果颇佳的教学模式。 2010，第十一卷第一期，13-22）? 前言 太阳光照射地表，引起大气的流动，于是形成风，地球获得的太阳能约有2%转变成风能，因此风力也是一种太阳能。人类利用风力的历史极长，从在海上航行的各种帆船，到乡间用来抽水、磨面粉的古老风车，都是发思古幽情的杰作。 由于大量使用化石能源，使得近年来二氧化碳排放量和大气中二氧化碳浓度都创了历史新高，温室效应使得地球暖化的现象日益严重，所衍生的气候异常、粮食欠收、生态破坏等问题，后果堪虑；再加上各国竞相使用化石能源，造成油价节节上涨，国际关系紧张，洁净的风力能源又再度受到重视。 ?风车1,2,3大致可分为扬力（lifting force）型和阻力（drag force）型两种。考虑风能的转换效率，现代的风力发电机大都采用扬力型风车，并且大量借助航天科技，使得风车的材料、构造等均臻于完善。扬力型风车包括达利欧（Darrieus）型的垂直轴风车和常见的水平轴式旋桨风车。 然而风能的利用有其特征：（一）空气的流动造成风。质量为m的空气，如果它的速度为V，则它的动能为??。单位时间流过风车旋转面的空气体积，可以表示成风车旋转面之面积A与风速V?之乘积，这个空气体积AV?再乘空气密度ρ，即得单位时间流过的空气的质量m，此时风的动能流过风车旋转面的功率为： ??????????????????…………………?(1) 风车截获风的动能而输出的功率L可表示为： ?????????????????????????????…………………?(2) ?其中Cp为由风车性能决定的输出系数，亦即风车得到风能之功率正比于风车的受风面积，也正比于风速的三次方。这说明风速对风力发电的重要性。 气象研究显示：高空长年吹拂强劲且稳定的风4。风速随高度变化的情形，由各种实验得知一般可用下列方程式表示5： ????????????????????????…………………?(3) 其中，V1高度的风速，?为风速零的高度。假若距离地面?=1公尺处的风速为零，高度=100公尺处的风速为10 m/s，则高度?=1000?公尺处的风速为15 m/s，忽略空气密度的变化，1000公尺高空的风能功率约是100公尺高处风能功率的3.4倍。（二）更重要的是，接近地面的风速时大时小，这使得风力发电设备有时无法正常发电，闲置风力发电设备的时间因此常相当长，风力发电的不稳定性也成为实用的障碍和困扰；高空的风速也较稳定，例如:统计美国田纳西州奥克里奇上空1.6公里处五年间每日的平均风速，和同一地点其他高度处五年间每日的平均风速5，显见高度愈高，风速愈稳定，由数据曲线可知风车若设在1.6公里的高空，风车即24小时连续不断受到风速8-10 m/s的风吹拂，即可发出较稳定的电力，而可24小时不停发电。先进国家投入庞大的人力物力开发高空风能，有不少创新的构想6。 研究动机以及涉及的科学概念 一、 在绿能研发上的价值 针对风力发电输出功率不稳定、风力发电设备利用率偏低、以及风能密度低、大型风车造价昂贵、风车之塔柱高度有限、成本较高、受地形与地貌限制、须设置追随风向的装置等缺点，本文研发利用风筝（或其他飞行器）吊挂空中风力发电机至高空的绳柱风车系统7，利用高空稳定且强劲的风力转动空中风力发电机，产生稳定可靠的电力。 二、?在物理学的教学方面。 因为技职校院学生在学理和理论之掌握较生疏，再加上许多学生由于语文能力弱，阅读和理解造成困难，因为数学能力不足，以致于公式或抽象的概念无法建立，课堂上较为死板、理论推导或数学公式计算的传统教学方式，实有强人所难之嫌，于枯燥又不易理解的课堂讲演之中，往往抹杀了学生的兴趣，非但勤苦难成，事倍功半，有时甚至徒劳无功，学生除了没有长进和收获之外，还养成对学习望而生畏、排斥和恐惧学习的心理，尤其充分实证了黑板教学的失败和无能为力。 加上大环境的改变，学生在求学期间，始终未能面对学习的困难，并加以克服，从而建立成功学习的经验。学习成功的经验其实是学生最重要的收获。学习成功的经验就像任何成功的经验一