風能與風車效率的計算方式（含影片）

風車的作用是從風裡擷取能量，風為流動的空氣，具有速度，也就具有動能。當風流經風車葉片，一部分的動能傳遞給風車使之轉動，風車獲得了能量，風則減少能量，因此流過風車後的風速會減慢。本文說明風能與風車功率及效率的計算方法，並提供影片，使之更淺顯易懂。

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風車旋轉一週，葉片掃過的面積稱為掃掠面積（記為A），當時風速為 V，空氣密度為 $\rho$ 。則T秒鐘流過的動能 E 就是：

總風能： $\begin{aligned} E&=\frac{1}{2}mV^2 \\ &=\frac{1}{2}\rho AVT \cdot V^2\\ &=\frac{1}{2}\rho AV^3 \cdot T \end{aligned}$

但我們關心的是功率，所以將時間 T 除去，得到風能功率 P：

風能功率： $P=\frac{E}{T} =\frac{1}{2}\rho AV^3 ............(1)$

風車的作用是將風能轉變為風車主軸旋轉的機械能，其功率 P’ 可由主軸的轉速乘以扭力來表示：

風車功率： $P' =$ 轉速(rad/sec) × 扭力(N-m) ……………..(2)

而風車的效率Cp，就是將總風能，轉變為風車主軸機械能的比例，效率愈高得到的機械能就愈多，定義如下：

風車效率： $C_p = \frac{P'}{P} ............(3)$

若已知風車效率，可將公式（3）整理並將公式（1）帶入，得到風車功率 P’：

風車功率： $P' = Cp \times \frac{1}{2}\rho AV^3 ............(4)$

所以，風車功率與效率 Cp，掃掠面積 A 以及風速 V 的3次方成正比，因此為了獲得更多的能量，除了提高效率以外，風車也愈造愈大，以增加掃掠面積，且往風速更強的地方設置，例如更高的高度或朝向離岸發展。