垂直軸風力發電機簡介

要利用風能，首先要將變化無序的流動空氣所具有的動能變換成 流動有序的機械旋轉動能，這就需要借助於風力機。風力發電機依其 轉軸與風向之間的角度，可分為二大類：水平軸風力發電機與垂直軸 風力發電機；前者之轉軸與風向平行，稱為 Horizontal Axis Wind Turbine(簡稱 HAWT，圖 1-1)，而後者之轉軸與風向相互垂直，稱為 Vertical Axis Wind Turbine(簡稱 VAWT，圖 1-2)。

垂直軸的風力發電機相較於水平軸風力發電機，雖其效率有稍微 低一些(表一)，但具有較低的製造成本、較可靠的機械結構、體積較 小等的好處，但是在研發設計上垂直軸風力發電機卻比水平軸風力發 電機還要難，主要是因為垂直軸的氣動特性較水平軸還要複雜。對水 平軸發電機而言氣體只會通過葉片ㄧ次，而對垂直軸風力發電機而言

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事情並非如此單純，如圖1-3 所示，當氣流流經上游的葉片時會產生 一對的渦漩(Vortex)，而此渦漩會再通過下游的葉片，而此複雜、混 亂的氣流更會直接的影響到發電機的性能。

垂直軸風力機有很多種形式，但基本上可區分為三類，分別為 Savonius Type、Darrieus Type 與 H Type。Savonius Type 風力發電機的 外觀如圖1-4 所示，係利用流體流經其半圓形葉片時所造成的阻力產 生轉動所須之力矩，具有高扭力輸出但效率較差的特性，常被拿來作 為大型風力發電機的啟動輔助裝置；而 Darrieus Type 風力發電機的外 觀如圖1-2 所示，係利用流體流經其葉片時所造成的升、阻力產生轉 動所須之力矩，具有低扭力輸出但效率佳的特性，但其啟動特性不 佳，所須之啟動風速比起兩者來的高，多應用於大型風力發電機；H Type 風力發電機的外觀如圖 1-5 所示，其外形與 Darrieus Type 風力 發電機類似，但葉片外形為長直形，其氣動特性與Darrieus Type 風力 發電機類似，但由於發生於葉片兩端的渦旋會造成能量損失，因此其 效能與同尺寸的Darrieus Type 風力發電機稍差。但其結構十分堅固，

製造成本低且適合大型化，故為本計劃選為設計垂直風力發電機之目 標。

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圖1- 1 水平軸風力發電機示意圖[2]

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圖 1-2

圖1- 2 垂直軸風力發電機示意圖(Darrieus type)[13]

圖1- 3 流體流經葉片產生渦漩示意圖

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圖1- 4 Savonius type 風力發電機

圖1- 5 H type 風力發電機

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表1- 1 垂直軸風力發電機與水平軸風力發電機的優缺點[2]

風力發電轉子及整體系統 風 力 發 電

機型式 水平軸風力發電機 垂直軸風力發電機。

台 灣 發 展

現況 完全仰賴進口 至今台灣無人進口亦無人發展

實 際 能 量

變換效率 15~35% 20~30%

啟動風速 3~5 m/sec 小型< 3 m/sec；中型<4.5m/s 額 定 發 電

風速 12~15 m/sec 12~15 m/sec

優點

效率高、設計單純、技術 成熟

可適應風速、風向不穩定問題，架設 高度低、佔地面積不大、噪音低、易 維修、易裝設

缺點

對風向，亂流非常敏感，

需空曠地，架設高度高，

裝設水平度要求高需專 業， 噪音大，維修難

效率稍低，目前之研發與量產技術未 成熟

適用場所

大型風力發電廠需專業 規劃,或偏遠空曠地,裝設 限 制 大, 小 型 風 力 發 電 因 噪 音 及 不 定 風 向 問 題，不適用於人口居住 區；僅適用於偏遠地區

市區之高樓頂樓,或獨立建物等裝設限 制少。低噪音，可適用於人口居住區。

使風力分散性發電理想可實現。

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表1- 2 各類垂直軸風力發電機之各項比較 啟動性 最大效率 結構強度 製造成本

Savonius Type ○ □ ○ ◎ Darrieus Type □ ○ ◎ ◎ H Type ◎ ○ ○ ○

○－良好；◎－可接受；□－不佳。

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