第三章 遮陽板形式太陽光電板之氣動力特性實驗
第二節 實驗量測與模型規劃
本計畫研究重點為建物整合之太陽光電板風載重，利用模型安裝於風洞測 試段探討不同風向角因起的表面風壓變化。採用剛性(rigid)構造物模型設計，
變化不同幾何形狀的模型與風向角，氣動力實驗研究成果並與文獻資料相驗證。
氣動力實驗設置與內容規劃包括：
1. 建物整合太陽光電板模型系列實驗：本研究主要探討以遮陽板型式整合 太陽光電板的設計型式，依文獻資料，就建築物外掛之遮陽板而言，主 要可分為垂直式與水平式兩大類，遮陽板有不同間距變化的狀況。而水 平式遮陽板在整合光電板設置亦常有水平俯仰角的變化，本研究採用不 同排列方式的遮陽板式建物整合太陽光電板進行氣動力實驗，以掌握其 風荷載狀況。
2. 流場規劃：氣動力實驗所用之流場採用本所台南歸仁風雨風洞實驗室現 有之鄉村地況大氣邊界層流場，以模擬之邊界層厚度及規範中地況 C 之 邊界層厚度比例為實驗之幾何縮尺，取用 1/200。
3. 實驗控制參數：氣動力實驗研究主要探討不同風向角及遮陽板排列方式 對板面風壓影響，因此實驗參數控制以風向角、排列方向、光電板俯仰 角等為主。風向角的定義如圖 3-2 所示。
資料來源：本研究繪製
圖 3-3 模型風攻角定義
4. 氣動力模型製作
氣動力模型包括建築物與遮陽板兩部分，建築物模型以 5mm 厚之 壓克力板黏合，模型尺寸為寬 30cm、高 30cm、深 20cm，建築物模型
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表面未設風壓孔。
遮陽板模型以 1mm 薄金屬板製作，模型尺寸為 30 cm x2cm，版之 兩面相對應位置均佈設壓力孔，搭配壓力管線系統，量測風壓變化。有 安裝壓力孔的光電板模型有六組，各組間安插無風壓孔但相同尺寸的光 電板模型，板的間距不同，共有三種間距。水平及垂直遮陽板形式 BIPV 氣動力實驗模型如圖 3-3 所示。
(a)
(b)
圖 3-3 氣動力模型 (a)水平遮陽板 (b)垂直遮陽板
資料來源：本研究拍攝
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考慮如需增加陽光照射一般水平遮陽板會安裝為具有傾角的形 式，本研究遮陽板亦設計具備向下 15 度及 30 度傾角的水平遮陽板，進 行探討，氣動力設計與前述水平式遮陽板之氣動力模型一致，具備 6 組 有風壓孔的氣動力模型，其餘間格為單純相同傾角之平板，表現不同間 距的影響，模型如圖 3-4 所示。
(a)
(b)
圖 3-4 具有傾角的形式水平遮陽板氣動力模型(a) 向下 30 度傾角 (b) 向下 15 度傾角
資料來源：本研究拍攝
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一般水平遮陽板未必與建築物立面緊密結合，為了解與建築物之間 的間隙對於風荷載的影響，本研究遮陽板亦設計具備外推 5mm 及 10mm(對應外推比為遮陽板深度的 25%與 50%)的水平遮陽板模型進行 探討，氣動力設計與前述水平式遮陽板之氣動力模型一致，具備 6 組有 風壓孔的氣動力模型，其餘間格為單純相同傾角之平板，表現不同間距 的影響，模型如圖 3-5 所示。
(a)
(b)
圖 3-5 具有外伸形式水平遮陽板氣動力模型(a)外伸 5mm (b)外伸 10mm
資料來源：本研究拍攝
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建築物本體模型立面上採開放開口式設計，各不同型態水平遮陽板形式遮 陽板模型可鋪排鎖定在立面上，為表現間距比的變化，採用不同間距的無風壓 孔光電板模型穿插於氣動力模型間，產生變化不同的水平遮陽板形式太陽光電 板間距排列效果，本研究在間距變化方面包括 1cm、2cm 及 3cm 等，有風壓孔 的水平遮陽板形式太陽光電板模型數量均為 6 排。各板氣動力模型之上下版面 各均布風壓孔 20 個，因此一片水平遮陽板形式光電板氣動力模型表面即布設有 40 個風壓孔。
另一方面，由國外案例 BIPV 亦有採雙層牆設計的可能性，因此外牆面與 內牆面之間距、外牆面開孔的孔隙率等對於牆面風載的影響，本研究亦進行討 論。本研究同時製作具備可調整不同間距及不同表面開口率的雙層牆建築物模 型，共製作四種不同間距的外牆模型與建築物本體結合進行實驗，建築物尺寸 與前述模型量體相同，具備可調整間距及不同開孔率的外層牆，牆面內外均分 布風壓孔以量測其風荷載，模型如圖 3-6 所示。
(a)
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(b)
圖 3-6 具有不同間距形式雙層外氣動力模型(a)間距 10mm (b)間距 50mm
資料來源：本研究拍攝
模型表面之風壓孔透過細管線製作之壓力傳感管線系統(tubing system)與量測儀器相接，管線材質為 PVC 因此具備良好的可撓性，不 致影響風壓信號傳送，模型實驗控制風壓孔數量在 256 個以下，利用本 所實驗室現有的電子式壓力掃描器量測模型屋頂上下面同步的風壓資 料。氣動力模型實驗量測時，透過旋轉工作平台，表現不同風向角對模 型風壓變化之效果。
圖 3-7 電子式壓力掃描模組
資料來源：本研究拍攝
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圖 3-8 壓力訊號處理系統
資料來源：本研究拍攝
壓力量測管線系統為實驗前經具白噪音(white noise)特性之擾動壓 力信號進行率定，驗證無扭曲頻率可達 35Hz 以上。管線系統連接至電 子式壓力掃瞄模組上的壓力輸入埠，電子式壓力掃瞄器以 64 個量測孔 為一模組，壓力量測模組安置於模型內部，模型規劃以鄰近 64 個孔位 規劃為同一壓力模組，分別接入電子式壓力掃瞄器。表面風壓量測使用 之壓力掃描器(ZOC33/64 PX 如圖 3-4)，該系統每個單一模組有 64 個壓 力輸入管( pneumatic inputs )，對應 64 個壓電式壓力感應器，每一壓力 感應器皆可單獨校正。輸入管藉由內徑 1mm PVC 管連接至模型量測點 以量測壓力。各模組接連接至壓力訊號處理系統(RAD BASE 3200 如圖 3-5)，此系統可支援類比數位之轉換，最高可支援 8 個模組，其解析度 達 16bits，最大採樣頻率為 500Hz，傳輸介面為 USB，具備網路控制及 傳輸功能。本研究之採樣頻率為 256Hz，每次實驗採樣 120 秒，擷取之 資料轉換完成之後藉由此系統傳至個人電腦供儲存及分析之用。
5. 表面風壓係數：
由實驗量測所得之板面風壓資料首先將計算其表面風壓均值、擾動 值等，以完整掌握表面風壓分佈情形。氣動力係數定義如下所示：
平均風壓係數 2
2
1 U
CP P
(1)
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圖 3-9 各風壓孔淨風壓平均值配合貢獻面積加權計算各項整體風荷 載係數
資料來源：本研究繪製
圖 3-10 整體風壓係數定義
資料來源：本研究繪製
7. 氣動力模型實驗方案
氣動力實驗以探討各種不同水平遮陽板形式光電板排列方式產生 的風荷載為主，因此研究的前階段規劃實驗如表 3-1 所示。
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表 3-1 水平遮陽板形式光電板陣列排列方式
編號 配置說明 示意圖 備註
1
水平遮陽板 形式太陽光
電板
間距比：
0.5, 1, 1.5
2
垂直遮陽板 形式太陽光
電板
間距比：
0.5, 1, 1.5
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