文獻回顧

(一) 風力發電機

垂直軸風力機其實早在古埃及就有被人利用的紀錄，但直到最近 幾十年才有研究機構或學者進一步做出有系統的研究。Sandia Lab.[2]

將相關研究畫分為四個部份，分別為：(1) 氣體動力，研究風力發電 機各部件的氣動特性，並討論其與風力發電機表現的關係；(2) 動態 結構特性，研究風力發電機的振動特性與結構強度之間關係的課題；

(3) 可靠度，討論風力發電機的可靠度；(4) 系統工程，討論風力發 電機的效率、製造成本，發電成本與維修等方面之間關聯性與最佳組 合。這些研究多藉由實際測試或數值模擬之方法來了解風力發電機的 種種特性與評估，並且提供了許多有關垂直軸風力發電機的資訊與研 究方法，以下即為本計畫從所回顧的相關文獻中，所得到有助於本計 畫進行的資訊。

1975 年，Strickland[3]提出一套預測 Darrieus type 風力發電機氣 動表現的數值模形－Multiple Streamtube，係將整個計算範圍沿風向 切分成數個相互獨立的小區域來做計算，如圖 1-8 所示。1976 年，

Blackwell, Sullivan, Reuter 與 Banas 等[4]提出對 Darrieus type 風力發 電機，在氣動、結構、可靠度與系統工程等四方面的簡介與實驗方法，

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並且利用無因次化後的轉速對實驗所得的相關數據做整理，藉此了解 風力發電機的各項特徵。

1977 年，Blackwell 與 Sheldahl 等[5]在風洞中測量一具直徑為 2 公 尺 的 Darrieus type 風 力 發 電 機 ( 該 發 電 機 具 有 五 個 葉 片 ， 以 NACA0012 為葉片翼形)，在不同風速與轉速下的氣動表現，並根據 其結果，建議一 Darrieus type 風力發電機之 Solidity 應介於 0.2~0.5 之間，以得到較好的功率輸出。同年，Blackwell 與 Sheldahl 等[6]在 一般大氣下對一具直徑為5m、具有 3 片以 NACA0012 為葉片翼形的 Darrieus type 風力發電機作實際測試(圖 1-9)，並利用統計方法－

Method of Bin，將不同時間所測得的資料，以其所對應之風速作分 段，再將不同風速區段內的資料作平均後才加以做其他運算使用，可 為評估風力發電機可靠度之統計方式。

1978 年，Klimas 與 Sheldahl 等[7]對 SIMOSS(Simple Momentum Single Streamtube) 、 DART(Darrieus Turbine) 、 DARTER(DART Elemental Reynolds Number)與 PAREP(Parameteric Representation)，這 四種預測 Darrieus type 風力發電機的數值模型之預測結果與實驗結 果作比較，並提出各個預測模型的適用範圍與使用限制。

1980 年，Sheldahl, Klimas 與 Feltz 等[8]，將 Blackwell 與 Sheldahl 等[6]於 1977 年所測試時所使用的 Darrieus type 風力發電機的葉片外

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形改為Hub-to-Hub(如圖 1-10 所示且以 NACA0015 為葉片翼形，並重 複進行相同之實驗，實驗結果發現葉片外形為 Hub-to-Hub 的氣動表 現較原先為佳。

1985 年，Johnson 與 King 等[9]開發出一針對二維、邊界層發生 高度分離現象的紊流模型，其預測結果較一般非針對性的紊流模型為 佳。1997 年，Wolfe 與 Ochs 等[10]以 CFD 方法研究 S809 之翼形的氣 動特性，其以二維的方式作數值模擬，其模擬結果顯示，當攻角使得 流場發生分離現象時，

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1998 年，Brian[11]對垂直軸風力發電的相關研究做整理與歸納的 動作，指出風力發電機的葉片翼形為 cambered 形式較對稱形式者有 較好的氣動表現與啟動性，以及藉就由增加葉片弦長與弦長比，都可 以有效的增進風力發電機的氣動表現。

2003 年，嚴坤政[12]為了探討風力發電機葉片在各個仰角度時，

葉片邊界流場的氣動阻力影響發電機轉子所產生的制動現象，其研究 除了利用數位質點顯像測速系統(DPIV)做實驗架設外，並運用了 CFD 套裝軟體 FLUENT 來進行模擬分析。藉實驗分析中觀測到葉片在不 同仰角度阻力的變化，並將其結果與數值模擬結果交叉比對，獲知增 大風力發電機葉片的仰角度相對會減少葉片的氣動阻力，而風力發電 機之仰角主要受其葉片下風處之渦漩互動所造成。

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2005 年，孫明宗[13]針對風力機常用之 NACA 翼形，建立水平 軸式風力發電機葉片快速設計之程序及軟體，讓風力機葉片設計者於 視窗介面輸入葉片幾何資料、額定風速及額定轉速(角速度)等參數 後，即可快速計算出風力機葉片各截面效率及整支葉片之效率，提供 設計截面分佈之參考，其結果可得知，葉片效率主要由葉片各截面之 攻角及節距角分佈來決定。而能改善葉片效率之設計方式，分別為 1. 轉動葉片節距角；2. 整支葉片之截面設計不同翼形，儘可能降低 各截面翼形之相對厚度；3.風力機使用可變轉速之非同步發電機，使 風力機能隨著風速改變而改變角速度。然而即使改變整支葉片的節距 角，亦無法得到明顯的效率增加。因此，基於簡化機構與控制的原則 下，則應設計固定節距角之葉片。

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(a) 上視圖

(b) 側視圖

圖 1- 8 Multiple Streamtube 數值模型示意圖

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(a) 實際測試平台

(b) 測試平台裝置示意圖

圖 1- 9 Blackwell 與 Sheldahl 等之實驗裝置

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(a) 原葉片外形

(b) 葉片外形為 Hub-to-HubDarrieus type 風力發電機 圖1- 10 風力發電機葉片外型比較

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(二) 薄膜太陽能電池

太陽能電池的發展最早可以追溯到法國物理學家 Bequerel，在 1839 年所發現的「光生伏特效應」(PhotovoltaicEffect)。1876 年 Adams 與 Day 在硒 (Se)的全固態元件中也觀察到類似的光電流現象。到了 1883 年第一個太陽能電池 (硒的光生伏特電池)被美國科學家 C.

Fritts 研製出來。此後光生伏特效應陸續在 Cu-Cu2O、硫化鉛及硫化 鉈等材料系統中被發現，這些早期的太陽能電池，光電轉換效率多在 1% 以下，且為薄膜式 Schottky 接面(SchottkyJunction)之元件。太陽 能電池的研發於 1954 年有一項重大進展，Chapin、Fuller 與 Pearson 三人在貝爾實驗室成功研製出效率為 6% 的單晶矽太陽能電池，奠 定了實用的光生伏特發電基礎。

1975 年，Walter Spear 和 Peter LeComber[23]在矽烷氣體中加入 phosphine 或 diborane，製備出具半導體性質的非晶矽薄膜。此摻雜技 術引起了人們的廣泛注意，其原因有以下兩點，其一為此材料的許多 特性可被應用於半導體和薄膜太陽能電池，例如1μm 厚的 a-Si:H 薄 膜即可吸收約90%的可用太陽能；其二是利用於射頻電漿，亦即化學 氣相沈積法可在低溫下(100℃~400℃)進行，且可製備大面積(大於 1 平方公尺)的非晶矽薄膜。

1977 年 Staebler 和 Wronski[24]首先提出，非晶矽薄膜受長時間

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光照後其光、暗導電率會降低，但經過 150℃、30 分鐘的退火後，即 會恢復為光照前性質。1980 年，Wolf[25]和 Loferski 等人[26]為了模 擬出理想的參數，而將矽晶片用於太陽能電池。他們發現當若減少矽 晶片的厚度，雖然相對的整體體積會減少，但是卻可以得到較高的電 壓。在他們的研究當中發現最佳的矽晶片厚度約為30μm，也證實了 在低層(low surface)複合速度的重要性。2001 年，Honsberg[27]用熱力 學中的卡諾關係式(Carnotrelation)來計算太陽能電池的效能。他發現 太陽光譜可以用 5900K 的黑體做估算，若將邊界條件從黑體轉成陸 地來計算，亦可以得到最高效能的 85%，其結果得知光譜中最佳的光 子轉換的區域，圖1-11 為而半導體能寬帶的轉換效能圖。

2003 年，Geotzberger 等人[28]針對薄層矽晶片的太陽能電池的適應度 做研究，如圖 1-12 所示。對於矽晶片的吸收較弱的部分，為了去瞭 解高攻角內部的反射情形，光捕獲的量測是其中一個很重要的技術；

這 部 分 可 以 使 用 Lambertian 背 向 反 射 器 (Lambertian backside reflector），或具有特殊結構的表面鏡的背向反射器。2005 年，

Geotzberger 等人[29]對於這個世紀的太陽光電做一調查，(如圖 1-13 所示)，可以看到這幾年來效能最好的材料為矽晶體，在未來幾年的 效能還有提高的趨勢；而在最右邊的曲線是以較少的數據做出來的結 果，主要是針對未來可能有新材質所提出的假設性預估。

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圖 1- 11 半導體能寬帶的轉換效能關係圖

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圖1- 12 材質顆粒與太陽能效率圖

圖1- 13 過去與未來預測太陽能材質效能圖

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