實驗結果分析

將四組風車實驗之各米風的功率係數與尖速比作平均，將結果與 數學模型繪至同一圖表內(圖6.8)，以便於分析比較各實驗的結果。從 圖中可以看到各實驗值的曲線分佈皆落在理論模型的曲線內，而最高 的功率係數只約為理論效率的五至六成，其間有不小的落差，造成兩 者間產生的差距有諸多的原因；包括風場的紊亂程度、機械零件在傳 動過程的磨差損耗、發電機的電能轉換效率、和風車葉片材質的重量 等因素皆會造成能量損耗。而本風車由於還具有葉片翻轉的機制，估 計其翻轉過程中產生的阻力也是能量損失的主因。

實驗組中以改型半徑1.5公尺風車的功率係數最高，最高功率係數 約為6.5%，發生在尖速比0.45附近；其次為原型半徑2公尺風車，其 最高功率係數約為5.6%，發生在尖速比0.5附近。接著是改型半徑1公 尺風車，最高功率係數為5.2%，位在尖速比0.32附近，而最低的是原 型半徑1公尺風車，其最高的功率係數僅2%上下。此外，尖速比分佈 的範圍與高低則是以原型半徑2公尺風車的實驗為最高且最廣，接著 為改型半徑1.5公尺風車，再來是改型半徑1公尺風車，最後同樣是原 型半徑1公尺風車。由上述可知在相同半徑下，改型風車的風能轉換 效率較原型高，且隨著半徑的增加，曲線頂點(最大功率係數)會朝向 較高的尖速比位置移動。在改型半徑1.5公尺與原型半徑2公尺的實驗

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0.00%

2.00%

4.00%

6.00%

8.00%

10.00%

12.00%

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

TSR

Cp

理論模型

原型半徑2公尺

原型半徑1公尺

改型半徑1公尺

改型半徑1.5公尺

圖6- 8 各風車實驗之性能曲線比較

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中，最大功率係數所落在的尖速比位置皆較理論模型值0.35為高，推 估其為葉片翻轉機制所造成的結果；代表風車需要轉得更快才能達到 最佳的能量轉換效率。歸納此四組實驗，主要可分為半徑和葉片數這 兩個主要的操作參數，下面將由實驗結果分別分析探討其對於風車的 影響。

6.3.1 葉片數

從實驗的結果，可發現改型風車性能曲線的表現較原型佳，而兩 者最主要的差異即為掃風面積內的葉片數。改型風車有較多的葉片，

可在相同的掃風面積內產生較大的風阻力和扭力，充分利用了掃風面 積，因此計算其功率係數的結果較大。同時扭力係數也會增大，顯示 能讓風車更易啟動。

6.3.2 半徑

由實驗比較圖中可發現隨著風車半徑的增長，其特性曲線的尖速 比會分布越高且越廣，顯示增加風車葉片長度，可使風車的轉速增大 同時擴大其操作範圍。探究其原因在於葉片材質的輕量設計；本風車 葉片係使用碳纖維棒與螺絲將塑膠PP瓦愣板固定在中空的不鏽鋼條 上，長一公尺的葉片僅重七佰公克，而阻風面積達0.33平方公尺，擁 有極佳的阻力重量比。所以將葉片增長，對風車力矩的正面貢獻遠大

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於風車重量增加的負面效果。隨著葉片長度的增加，風車的旋轉力矩 將逐漸凌駕於重量，此時風車的轉換效率也會提升，而當葉片無限長 時，旋轉力矩遠大於重力並支配風車的運轉，在不考慮與發電機匹配 的情況下，推測風車的轉換效率將達到一極限值，其風車特性曲線也 將最接近數學模型(圖6.9)，而其間的落差即為葉片周期性翻轉產生的 阻力使然。因此在風車葉片強度足夠的範圍內，增加葉片的長度可提 升轉速和效率的作用。

圖6- 9 半徑與風車效率關係

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