一、試驗儀器 (一) 風洞
本研究使用內政部建築研究所風雨風洞實驗室進行太陽能板模型氣動力實 驗研究，風洞設施為一封閉式的循環風洞(如圖 3-1)，具有兩組測試區(第一測試 區4 m × 2.6 m ×36.5 m、第二測試區 6 m × 2.6 m × 21 m)，本研究採用第一測試 段進行風洞試驗，該測試段具兩組迴轉盤，第一座旋轉盤直徑1 m，中心點距來 流入口端3 m，第二座旋轉盤直徑 2.6m 至 3m，中心點距來流入口端 25.3 m，本 研究將模型安裝於第一座旋轉盤旋轉台中央，使用數控旋轉台旋轉模型，表現不 同風向角的效果，流場條件以均勻流場進行試驗。
圖
3-1 內政部建築研究所環境風洞示意圖 (資料來源：本研究整理)
(二) 多頻道電子壓力掃描器
本研究使用由SCANVALVE 公司所生產的多頻道電子壓力掃描器(如圖 3-2)，
同步擷取量測物表面的瞬時風壓。規格如表3-1 所示。
表
3-1 多頻道電子壓力掃描器規格
量測範圍 ±10 in H2O or ± 1 psi or ±2.5 kPa 量測精度 ±0.15%
誤差範圍 ±0.2%
資料擷取速度 40 kHz 輸出電壓 ±2.5V 操作溫度範圍 0°C~60°C
(資料來源：本研究整理)
圖
3-2 多頻道電子壓力掃描器 (資料來源：本研究整理)
二、試驗模型
目前市面常見太陽能板尺寸如表3.2 所示。Chou 等人(2014)已透過風洞實驗 針對長寬比(L/W)為 1.97 的太陽能光電板，於 60%縮尺模型條件下，探討太陽能 光電於不同風向角情況下氣動力現象。本研究針對長寬比 1.65 製做 60%縮尺模 型進行表面壓力量測。
表
3-2 常見太陽能光電板尺寸
L×W (mm) 長寬比(L/W) 1956×992 1.97 1640×992 1.65
第三章 太陽能光電板氣動力特性研究 1490×992 1.50
1324×992 1.33
(資料來源：本研究整理)
三、試驗安裝
本研究針對長寬比1.65 製做 60%縮尺模型進行表面壓力量測，在模型之上、
下版面共安裝318 個風壓孔，風壓孔以內徑 1.2 mm PVC 細管線連結至壓力掃描 閥，為避免壓力管線過長發生訊號衰減，每組壓力管線長度為30 cm。利用電子 式壓力掃描器量測模型上、下板面風壓資料，取樣頻率為250Hz，取樣數 32768。
為獲得太陽能光電板發電最大效益，其板面需傾斜與當地緯度相同角度和太 陽光垂直。台灣位處北緯22.5o，因此本研究針對模型在傾斜角(α)為 20o與25o進 行風壓量測，同時透過旋轉台改變角度，模擬不同風向角(β)對模型上、下板面風 壓變化，以模型下板面正對來流方向為0o，以15o為間距，量測範圍為0o~180o。 模型安裝示意圖如圖3-3 所示，實驗參數整理如表 3-3。
圖 3-3 太陽能光電板試驗配置示意圖
(資料來源：本研究繪製)
圖 3-4 太陽能光電板風洞試驗圖
(資料來源：本研究繪製)
表 3-3 風洞試驗參數
參數 內容
傾斜角(α) 20°、25°
風向角(β) 0°~180°，每 15°量測乙次
(資料來源：本研究整理)
為有效利用空間，多數太陽能板安裝於住宅或廠房屋頂，本研究將製作1/20 建築物在屋頂上方安裝6 排陣列太陽能板，物理模型參數如表 3.4 所示，模型示 意圖如圖3-4 所示，其中風向由左側流經右側定義為風向角 0o，以每15o為區間 模型逆時針旋轉至180o，共量測13 次。取樣頻率為 250Hz，取樣數為 32768。
表
3-4 物理模型參數
建築物原尺寸 (B×D×H) 10m×10m×9m 建築物高寬比及深寬比 1, 1
太陽能光電板原尺寸 (L×W×t) 1.64m×0.992m×0.4m 太陽能光電板傾斜角 25°
太陽能板離屋頂高度(h) 0.27, 1.5, 3m (h/K=0.4, 1.8, 3.3)
(資料來源：本研究整理)
第三章 太陽能光電板氣動力特性研究
圖 3-5 陣列式太陽能光電板安置於建築屋頂上物理模型配置示意 圖
(資料來源：本研究繪製)
圖 3-6 陣列式太陽能光電板安置於建築屋頂上實驗圖
(資料來源：本研究繪製)
x y
四、資料分析
首先將實驗量測所得風壓資料計算平均風壓值和擾動風壓值，以完整 掌握表面風壓分佈情形。如(1)和(2)式所示:
平均風壓係數 Cp=1P̅
2ρU̅2 (1)
擾動性風壓係數 CP' =√
1
N∑Ni=1(Pi-P̅)2 1
2ρU̅2 (2)
其中P 為風壓時序列資料，
p
為平均壓力，為擾動性風壓的均方根值，ρ 為空氣密度，U̅為平均風速。
將上、下板面壓力積分後計算升力係數CL，如(3)式所示:
CL=1FL
2ρAU̅2 (3) 其中FL為模型整體升力值，A 為板面面積。
由於各壓力點位並非常態分佈或甘保分佈，若使用經驗公式計算極值將 會失真，因此將各點位量測得時序列壓力訊號透過概率密度分佈計統計數據 分佈型態，實際計算得約99.8 信心區間之上下限，並積分壓力值計算 CL上、
下限區間探討在不同風向角條件下極值升力分佈。
第二節 CFD 方法說明
一、物理模型參數
本研究物理模型包含有單片太陽能光電板(L/W=1.65)及陣列式太陽能光電 板安裝於平屋頂上二種，其參數如表3-4 所示。其中單片太陽能光電板採用等比 例模型進行模擬，模型配置圖如圖3-3 所示。陣列式太陽能光電板安裝於平屋頂 配置示意圖如圖3-4 所示。建築模型係採用高寬比且深寬比為 1 之建築外形。太 陽能光電板模型採用L/W=1.65，安裝最高高度離地為 3 公尺，模擬縮尺為 1/10。
二、模擬網域與邊界條件 (一) 模擬網域
單片太陽能光電板及網域模擬示意圖如圖3-5 及圖 3-6 所示。其中單片太陽 能光電板以長邊(L)做為模擬網域之基準長度，模擬網域入口至太陽能光電板距
第三章 太陽能光電板氣動力特性研究 離為 5L，而太陽能光電板至網域出口距離為 10L；而陣列式太陽能光電板安裝 於平屋頂之模擬網域係以建築物深度 D 做為模擬網域之基準長度，其入口至建 築物模型距離為 5D；而建築物至出口距離為 10D。其考量主要係確保上游流場 可穩定發展，且下游到出口處的流場發展不會影響物理模型周圍流場。本研究單 片太陽能光電板模擬網格數目約為 1000 萬；陣列式太陽能光電板安裝於平屋頂 之模擬網格約為2500 萬。
圖
3-7 太陽能光電板模擬網域配置圖 (資料來源：本研究繪製)
圖
3-8 陣列式太陽能光電板安裝於平屋頂模擬網域配置圖
(資料來源：本研究繪製)
(二) 邊界條件
針對陣式太陽能光電板安裝於平屋頂建築上之模擬研究，採用「建築物耐風 設計規範及解說」中的C 地況做為來流入口條件。入口來流條件係採用 UDF 程 式方法撰寫，其速度剖面如圖3-7 所示。其他針對太陽能光電板、建築物及網域 壁面均假設為固定壁面、表面無滑移、無空透性與絕熱、壁面速度為0 m/s。
圖
3-9 入口速度剖面圖 (資料來源：本研究繪製)
三、數學模式 (一) 統御方程式
本研究假設為穩態、三維黏性流場，不考慮能量方程式，統御方程式分別為 連續方程式及動量方守恆。
1. 連續方程式(Continuity Equation) 連續方程式表示式為：
∂ρ
∂t∇∙(ρv⃗)=0 (4) 其中，ρ=1.225 kg/m3；t 為時間；▽為散度(divergence)，表各方向的變化率；
指數律 α = 0.15
第三章 太陽能光電板氣動力特性研究
本研究使用的紊流模式為Realizable k-ε 模式，是以雷諾平均值 Navier-Stokes 方程組(Reynolds-average Navier-Stokes Equations, RANS)加上紊流動能(k)及紊流 動能消散率(ε)方程式。 RANS 方程組與瞬時 Navier-Stokes 方程組具有相同型式，不同之處在於速 度及求解變量為時間平均量。
於理想氣體下，
G
b=-g
i μt (三) 壁面增強函數(Enhanced Wall Functions)由於k-ε 紊流模式僅適用於完全紊性流性場(Fully Turbulent Flows)中，而在 壁面上，因流體需遵守不滑動條件(No Slip Condition)，因此在近壁面處的流場流 速很小，使得層流效應較紊流效應明顯。對於由黏滯效應主宰的近壁區域需另行 處理。本研究使用壁面增強函數(Enhanced Wall Functions)進行近壁面之紊流計算，
其數學模學表示如下。
第三章 太陽能光電板氣動力特性研究 duturb+
dy+ = 1
ky[s'(1-βu+-Υ(ue)2)]1/2 dlam+
dy+=1+ay+
其中 α= μ
ρ2(u*)3 dp
dx ，β= σtqw
ρcpu*Tw
四、數值方法 (一) 有限體積法
本研究採用有限體積法(Finite Volume Method)進行數值求解。此方法以守恆 律為原則，對任一格點產生一控制體積，每個控制體積都有一個格點作為代表，
當物理量進出此一控制體積時，須遵守物理守恆之特性，進行各種積分型式之守 恆律做為離散化求解。而針對動量方程式，對流項係採用二階上風法(Second Order Upwind Scheme) 進 行 運 算 ， 擴 散 項 的 計 算 則 使 用 中 央 差 分 法 (Central Difference Scheme)
(二) SIMPLE 法則
本研究在壓力與速度的耦合方法採用SIMPLE 法則(Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equation)。此方法屬壓力修正法的一種，係透過「猜測-修正」的 過程，求解壓力場及速度場。求解過程中，首先給定假設之壓力場，對離散型式 之動量方程式求解，得出速度場。此過程中，由於壓力場為假設值，求出來的速 度場可能不會滿足連續方程式，因此需修正。其修正方法為由動量方程式的離散 型式中的壓力與速度關係，代入連續方程式，得到新的壓力修正方程式。再以新 的壓力修正方程式求出壓力修正值，接著再使用修正後的壓力場對離散之動量方 程式求解速度場，然後檢查是否收斂。若無法收斂，反覆前述過程，將修正過後 的壓力值作為初始值，代入進行運算，直至獲得收斂解。