原型風車

半徑1公尺的原型風車實驗結果如圖5.4所示，本次實驗共進行了 六組不同大小之電阻值量測，分別為7.2、9.6、13、20、50及98歐姆，

由5.4(a)可以看到風車之轉速與風速幾乎是呈線性關係；而曲線的斜 率由隨著電阻值增加而提升，代表負載變小，風車會轉得越快。此一 結果相當符合物理現象；圖5.4(b)為發電機功率與風車轉速之對應關 係圖，可以發現兩者為大致呈二次方正比的關係。原因在於功率是發

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電機電壓的平方除電阻值，且發電機電壓與轉速是線性關係，由此可 知實驗數據趨勢確實反應出正確的物理現象。而將各電阻實驗之相同 風速點連結即可顯現出在其風速下的風力發電機輸出功率曲線。隨著 電阻增大，功率也逐漸上升，並在某一電阻值下會得到最大的功率，

接著逐漸下降。且每一風速之最佳功率皆發生在不同的電阻值；風速 越大，其最佳電阻值就越小，原因在於較大的風速可承受較大的負載。

另外隨著風速的上升，其最大輸出功率的成長幅度明顯增大；如7米 風的最大輸出功率約比6米風多出10瓦、8米風約比7米風多出約15瓦、

而到了12米風時比11米風多出約30瓦，反映出風能的增長為風速的三 次方關係。由此曲線可大致評估出風力發電機之最大輸出功率、最大 轉速與最佳運轉曲線，由圖可知最佳電阻值在13歐姆上下之區間，在 12米風下之最大轉速約為45RPM，而最大輸出功率約為115瓦，能量 轉換效率約2.5%。圖5.5為風車之氣動性能圖，分為功率係數Cp與扭 力係數C_T這兩個無因次參數描述。由圖5.5(a)功率特性圖可以看到風 車的尖速比與功率係數是隨著風速上升而增加，顯示風速越大轉速越 快；但功率係數卻在9米風時達到最大(約2.5%)，之後稍稍下降；而 在5、6、7米等較低的風速下，轉速與效率就顯得較為低落，推測其 原因有二；一是產生的力矩較小，推動風車轉動較為困難。另一方面 是風車的葉片在翻轉過程中會產生阻力，其大小與速度成反比，而在

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低風速下，葉片的翻轉速度較慢，因此造成較大的能量損失。圖5.5(b) 為力矩特性，可看到分佈在低尖速比的曲線趨勢並不符合阻力型風車 的特性，而在較高的尖速比才顯現出來。其主要的原因歸咎於低轉速 下，風力發電機的效率較為低落使然。如果以扭力計來測量即可避免 此區段風車與發電機間力矩匹配的問題。

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第六章 風力發電系統最佳功率平台

為了找出此種風力機的最佳功率平台，並配合上個章節發現實驗 結果的缺失，吾人將風車半徑增加至2公尺，以期獲得更大的阻風面 積和力矩。實驗結果如圖6.1所示，由於風車的力矩提升非常多，因 此必須提高負載。由於實驗期間遭受颱風侵襲，將風車葉片吹毀，故 只進行了三種電阻值實驗，分別為1.2、2.4、及4.8歐姆。所幸實驗 資料已足夠找到最佳功率的區段。

6.1 原型風車

由圖6.1(b)可看到風力發電機的輸出功率大幅提升，在14米風下最 高可達到約650瓦。而風車轉速也跟著提升，同一風速下，在輕負載 時最快可能達到每秒一圈。圖6.2為風車之氣動性能圖，可以看到多 數風速的最佳效率多分布在4~5%，同時尖速比也分部的較高較廣，

顯示其效率較不會如上個實驗突然地劇降。而資料中以9米風的效率 為最高，風速再上去，效率反而會下降，顯示隨著風速加大，風車轉 速的增加幅度會亦趨減小，使得風能轉換效率下降。由此可見本風力 發電機的氣動特性。圖6.2(b)可見各風速(除5米風外)之力矩係數分佈 曲線皆明顯地表現出阻力型風車的特性，其值也較上個實驗增加許 多，表示風車之力矩大大提升，啟動性能得到改良。

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