第四章 研究成果與探討
第一節 風洞實驗結果
一、單片太陽能光電板
圖 4.1 為 α=20o和25o風向角(β)0o時，上、下板面縱軸中心線平均壓力分佈。
在上板面平均壓力係數(CP(up))分佈顯示，由於氣流經過板面前緣在 x/c<0.5 區域 產生迴流區(圖 4.2 所示)，CP(up)值由板面前緣逐漸下降，在x/c=0.24 產生負壓力 極大值，隨著往下游處移動，C(up)值逐漸上升之後呈平緩分佈，其C(up)值介於0
~ -0.25 之間。在下板面平均壓力係數(C(low))均為正壓值，靠近前緣處 C(low)值較 高其原因主要受到氣流衝擊，往下游處移動Cp(low)分佈明顯下降，當x/c>0.3 時，
C(low)緩慢上升再下降，分佈情況相較於上板面壓力較為平坦。比較 α=20o和25o
上板面壓力分佈，隨著攻角增加，迴流區負壓程度增強，x/c=0.4~1.0 變化差異不 明顯。下板面Cp(low)分佈趨勢相同，α=25o之Cp(low)值整體略高於α=20o，並無明 顯差異。
圖 4.3 為 α=20o和25o風向角0o時，分別截取x/c=0.1、0.24 和 0.5 位置上、
下板面橫風向平均壓力分佈(Cps)。在 x/c=0.1 和 0.24 上板面 Cps趨近平坦分佈，
但在x/c=0.5 呈∩分佈，原因為受到邊角渦流影響，氣流由下板面往上板面翻捲，
在邊緣區域產生較大負壓區。受攻角上升影響，x/c=0.1、0.24 兩處在 α=25o條件 下，上板面Cps明顯低於 α=20o，但在x/c=0.5 壓力分佈差異不明顯。另外在下板 面三處截面 Cps分佈顯示 α=25o略高於 α=20o。上述上、下板面壓力分佈結果與 Chung 等人(2011)研究長寬比 1.97 之斜板壓力分佈趨勢相同。
x / c
0 . 0 0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . 8 1 . 0
Cp
- 2 . 0 - 1 . 5 - 1 . 0 - 0 . 5 0 . 0 0 . 5 1 . 0
0o
o y / w = 0 . 5 S o lid s y m b o l: u p p e r s u r f a c e H o llo w s y m b o l: lo w e r s u r f a c e
圖
4.1 風向角 0
o，上、下板面順風向C
p分佈(資料來源：本研究整理)
圖
4.2 風向角 0
o流場示意圖(資料來源：本研究繪製)
第四章 研究成果與探討
顯觀察到 Cp(up)分佈受風向角影響產生順時針旋轉，在左側角渦流區縮小右側角 渦流區擴大。β=30o(4-4(c))左側角渦流區消失，而右側角渦流區往上游處移動，
在板面上緣與右側產生圓錐渦流(conical vortices)，這現象在 β=45o更為明顯，並 且負壓程度明顯大於 β=30o。當 β>45o(4-4(d))，圓錐渦流隨風向角增加範圍逐漸 縮小。在β=90o(4-4(g))結果發現，圓錐渦流負壓區域已消失，右側面轉為迎風向，
此處產生迴流區，其Cp(up)分佈型態近半圓型，但在x/c=0、1 兩側並無角渦流產 生。當β>90o，Cp(up)值由負壓隨風向角增轉為正壓，靠近板面下緣壓力明顯大於 上緣處，上板面原本承受上升力轉為下壓力。
(a) β=0° (b) β=15° (c) β=30°
(d) β=45° (e) β=60° (f) β=75°
第四章 研究成果與探討
(g) β=90° (h) β=105° (i) β=120°
(j) β=135° (k) β=150° (l) β=165°
(m) β=180°
圖
4-4 不同風向角情況下，上板面 C
p壓力分佈(資料來源：本研究繪製)
圖4-5 顯示下板面平均壓力分佈(Cp(low))，由 β=0o(4-5(a))結果發現，由於氣 流直接衝擊下板面往兩側流動往上板面捲起，因此Cp(low)兩側壓力明顯小於中心
位置。Cp(low)分佈型態同樣隨著風向角增加呈順時針旋轉，當風向角增加至75o
(4-6(f))，Cp(low)由正壓值轉為負壓值。當β>90o，下板面由迎風面逐漸轉為背風面。
在β=120o(4-6(i))發現靠近右下角邊緣處產生明顯負壓區，其原因為氣流由此方向
吹向模型，在該區域下板面與地面間形成一空穴區，而氣流在此處產生捲動形成 負壓區。在β=135o(4-6(j))此處負壓區範圍與強度達到最大，之後隨著風向角增加 而縮小進而消失。上述上、下板面壓力分佈結果與 Chou 等人(2014)研究長寬比 1.97 之斜板壓力分佈趨勢相同。
(a) β=0° (b) β=15° (c) β=30°
(d) β=45° (e) β=60° (f) β=75°
(g) β=90° (h) β=105° (i) β=120°
第四章 研究成果與探討
(j) β=135° (k) β=150° (l) β=165°
圖
4-5 不同風向角情況下，下板面 C
p壓力分佈(資料來源：本研究繪製)
圖 4-6 顯示上板面擾動壓力分佈(Cp')，當 β=0o(4-6(a))時，在板面兩側發生 最大值區域，原因為邊角渦流和中心迴流區兩者產生交互作用。隨著風向角增加 至30o(4-6(c))，發生Cp'極值區域消失。在β=45o(4-6(d))，Cp'極值發生在靠近右側 上緣處，此為圓錐渦流發生位置。β=60o~105o(4-6(e)~(h))之Cp'分佈已無明顯極值 產生，β=120o~180o(4-6(i)~(j))之Cp'值明顯降低，最大值僅0.10，原因為模型上板 面由背風面逐漸轉為迎風面，無明顯壓力擾動變化。
(a) β=0° (b) β=15° (c) β=30°
(d) β=45° (e) β=60° (f) β=75°
(g) β=90° (h) β=105° (i) β=120°
(j) β=135° (k) β=150° (l) β=165°
圖
4-6 不同風向角情況下，上板面擾動壓力分佈(C
p') (資料來源：本研究繪製)
圖4-7 顯示下板面擾動壓力分佈(Cp')，由於 β=0o~60o(圖 4-7(a)~(e))下板面皆 為迎風面，因此無明顯壓力擾動現象發生，值得注意的是在β=75o右上角迎風處 Cp'壓力值明顯上升。在β=90o(圖 4-7(g))右半面壓力擾動變化更為明顯，其值約為 0.25。原因為板面右側轉為迎風面，因此靠近右側處產生迴流區產生壓力擾動現 象。在β=90o~180o(圖 4-7(g)~(l))條件下，下板面逐漸轉為背風面，因此該風向角 區間Cp'值皆比上板面Cp'分佈來得高。值得注意的是 β=120o~150o(圖 4-7(i)~(k))之 Cp'分佈，氣流由右下角吹向太陽能板模型，在右下邊角處型成空穴區，此處風壓
第四章 研究成果與探討
(j) β=135° (k) β=150° (l) β=165°
第四章 研究成果與探討 在屋頂處形成角渦流(conical vortex)，氣流衝擊各板面右側角落位置。當 β>45o時，
所有各排正壓分佈區域隨之減少。在β>90o，板面負壓隨風向角增加而些微上升，
但幅度並不明顯。
圖4.12 顯示上板面 Cp’分佈，在 β=0°結果顯示，在第一排 Cp’分佈無明顯壓 力擾動發生，但在第二排至第四排Cp’值明顯高於第一排，原因為受到屋頂迴流 區影響產生較大擾動壓力。隨著β 增加上板面 Cp’值明顯降低，當 β=90o~180o時，
上板面轉為迎風面，各排靠近下緣處Cp’逐漸上升，β=180o最為明顯。
圖4.13 顯示下板面 Cp’分佈，在 β=0°結果顯示各排 Cp’值明顯高於上板面，
隨著 β 增加至 30o和 45o，第一排靠近右側角落受角渦流影響，此處產生壓力擾 動極值，其值高達0.7。當 β=60°時，第一排右側擾動壓力極值區消失。隨著 β 增 加，各板面左側 Cp’明顯逐漸降低，在 β=180°時壓力擾動程度減小，其 Cp’值趨 近於 0，但值得注意的是在第六排下緣處 Cp’略高於其餘區域，原因為受到迴流 氣流衝擊而產生較高壓力擾動。
β=0° β=30°
β=45° β=60°
第四章 研究成果與探討
β=75° β=90°
β=120° β=180°
圖
4.10 上板面 C
P分佈(資料來源：本研究繪製)
β=0° β=30°
β=45° β=60°
β=75° β=90°
β=120° β=180°
圖
4.11 下板面 C
P分佈(資料來源：本研究繪製)
第四章 研究成果與探討
β=0° β=30°
β=45° β=60°
β=75° β=90°
β=120° β=180°
圖
4.12 上板面 C
P’分佈
(資料來源：本研究繪製)
β=0° β=30°
β=45° β=60°
β=75° β=90°
β=120° β=180°
圖
4.13 下板面 C
P’分佈
第四章 研究成果與探討
Panel 1 Panel 2 Panel 3 Panel 4 Panel 5 Panel 6
圖
4.14 各排板面 C
L分佈(資料來源：本研究繪製)
Panel 1,
第四章 研究成果與探討
佈，由結果觀察到，在Row 1 負壓強度高為最高，次之 Row 2，往下游移動 Cp 值逐漸上升，Row 3~Row 6 趨近相同。值得注意的是，Row 1 分佈型態以中心線 為對稱分佈，在左右兩側下緣出現負壓極值。當板面離地高度增加時，以h/K=1.8 和3.3 為例，在 Row 1 之 Cp 分佈無明顯變化，然而在 Row 2 在左右兩側和下緣 Cp(up)隨 h/K 增加而明顯增強。Row 3~Row 6 隨高度增加無明顯變化。
圖4.17 顯示下板面 Cp 分佈結果，由於 Row 1 下板面為迎風面，因此受來流 風衝擊，Row 1 上緣測得 Cp 為正值，左右兩側為負壓值，顯示氣流經過板面產 生往上翻捲(Chung 等人，2011)。由於 Row 2 下板面與屋頂間形成空穴區，受到 迴流泡強力吸力效應影響，因此在 Row 2 上緣測得較大負壓值，隨著往下游移 動，Row 3 上緣負壓程度明顯減弱，Row 4~Row 6 幾乎成均勻分佈。當 h/K=1.8 時，Row 1 正壓區域與 Row 2 負壓區域明顯擴大，在 Row 3~Row 6 下緣 Cp 略為 上升。當h/K 增加至 3.3，Row 1 左右側邊負壓區域明顯縮小，顯示 Row 1 承受 來流衝擊力隨h/K 增加而上升，然而 Row 2 下緣 Cp 明顯上升，整體負壓程度高 於h/K=0.4，但是在 Row 3~Row 6 並無明顯變化。分析板面壓力擾動值(Cp')，上 板面Cp'繪製於圖 4-18。h/K=0.4 結果顯示各排 Cp'(up)幾乎呈均勻分佈，當 h/K=1.8 和3.3 時，Row 2 板面上方明顯受到小尺度迴流泡擾動(Pratt and Kopp，2013)，
因此板面Cp'(up)值為所有板面中最高，逐漸往下游處移動至 Row 3，由於迴流泡 影響程度與範圍較Row 2 來得小，因此板面上緣 Cp'(up)值逐漸略微降低，然而 Row 4~Row 6 其 Cp'(up)值下降至 0.20 左右。值得注意的是 Cp'(low)分佈(圖 4-19)，同樣隨著板面離地高度增加，Row 2 壓力擾動值明顯上升，在 h/K=3.3，
Cp'(low)值達到 0.62 遠高於其他位置。因此 h/K 增加，明顯觀察到 Row 2 上板面 氣流擾動強度遠大於h/K=0.4，明顯 Row 2 容易發生結構振動。
(a)h/K=0.4
(b)h/K=1.8
(c)h/K=3.3
圖
4-16 C
p(up)分佈(a)h/K=0.4(b) h/K=1.8(c) h/K=3.3(資料來源：本研究繪製)
(a)h/K=0.4
第四章 研究成果與探討
(b)h/K=1.8
(c)h/K=3.3
圖
4-17 C
p(low)分佈(a)h/K=0.4(b) h/K=1.8(c) h/K=3.3(資料來源：本研究繪製)
(a)h/K=0.4
(b)h/K=1.8
(c)h/K=3.3
圖
4-18 C
p'
(up)分佈(a)h/K=0.4(b) h/K=1.8(c) h/K=3.3(資料來源：本研究繪製)
(a)h/K=0.4
第四章 研究成果與探討
(b) h/K=1.8
(c) h/K=3.3
圖
4-19 h/K=0.4、C
p'
(low)分佈(a)h/K=0.4(b) h/K=1.8(c) h/K=3.3(資料來源：本研究繪製)
第二節 數值模擬結果
一、數值模擬與實驗之比較
本研究透過數值模擬方法探討陣列式太陽能光電板分別安裝於固定高寬比 為1 及長寬比為 1/3、1、3 的平建築屋頂上之風荷載現象。本研究首先與陣列式 太陽能光電板安裝於長寬比為1 之建築物實驗結果進行比較，藉以進行驗證數值 資料結果之可靠性。圖 4-10 為太陽光電板第一排上表面實驗與數值模擬結果之 比較。由比較結果可得知，數值模擬方法與實驗結果趨勢一致。
圖
4-20 沿太陽能光電板縱軸中心線，數值模擬與風洞實驗之 C
p比 較圖(資料來源：本研究繪製)
二、不同建築長寬比情況下，陣列式太陽光電板淨風壓變化
圖4-11~4-13 為不同風向角(β)情況下，不同長寬比建築屋頂陣列式太陽能光 電板淨壓力係數分布圖。在β = 0°時，可以發現，第一排太陽能光電排承受強烈 的負壓力，而第二排後的太陽光電承受之壓力則明顯降低。其主要原因為，當風 流經第一排後，第一排太陽能光電板產生遮蔽效應，使得第二排後之太陽能光電 板幾乎無受到風壓作用。同樣現象亦可在β=15~45°(4-10(b)~(e)時可觀察到。此 外，當風向角改變時，可觀察到陣列式太陽光電板的壓力分佈亦隨之偏轉。值得 注意的是當β 在 15° ~ 45°區間時，可發現第一排光電板產生迎風角隅處產生局 部負壓，其原因主要係當風流經太陽光電板時產生圓錐型渦流所致。當β 大於 90
°時，太陽能光電板轉為承受正壓力。而當風向角為180°時，同樣可觀察到第一 排受風壓最大，第二排後的太陽能光電板，同樣因第一排的太陽光電板產生的遮 蔽效應，承受之壓力明顯較低。
第一排
第四章 研究成果與探討
第二排
第三排
(a) β=0° (b) β=15°
第一排
第二排
第三排
(c) β=30° (d) β=45°
第一排
第二排
第三排
(e) β=120° (f) β=180°
圖
4-21 陣列式太陽能光電板於長寬比為 1/3 之建築物淨壓力分布圖 (資料來源：本研究繪製)
第一排
第二排
第三排
第 四 排
第五排
第六排
(a) β=0° (b) β=15°
第一排
第二排
第三排
第四排
第五排 第六排
(c) β=30° (d) β=45°
第一排
第四章 研究成果與探討
第二排
第三排
第四排
第五排
第六排
(e) β=120° (f) β=180°
圖
4-22 陣列式太陽能光電板於長寬比為 1 之建築物淨壓力分布圖 (資料來源：本研究繪製)
第一排
第二排
第三排
第 四 排
第五排
第六排
第七排
第八排
第九排
第十排
(a) β=0° (b) β=15°
第一排
第二排
第三排
第四排
第五排 第六排
第七排
第四章 研究成果與探討
第八排
第九排
第十排
(c) β=30° (d) β=45°
第一排
第二排
第三排
第四排
第五排
第六排
第六排
第七排
第八排
第九排
第十排
(e) β=120° (f) β=180°
圖
4-23 陣列式太陽能光電板於長寬比為 3 之建築物淨壓力分布圖 (資料來源：本研究繪製)
二、不同建築長寬比情況下，女兒牆對陣列式太陽光電板淨風壓變化
圖4-14~4-16 為不同建築長寬比下，加設 1.2 公尺高的女兒牆對陣列式太陽 光電板淨風壓變化圖。由圖4-14~4-16 可觀察到，在有女兒牆的情況下，陣列式 太陽光電板第一排仍承受最大淨風壓，第二排後所承受的淨風壓相對較小，此原 因在於第一排太陽光電板產生的遮蔽效應影響。有關女兒牆對太陽光電板之淨風 壓影響，陳若華(2015)研究結果發現，當陣列式太陽光電板置於屋頂面上時，屋 頂女兒牆可降低太陽光電板的淨風壓，具有保護作用，有利於陣列式太陽光電板
圖4-14~4-16 為不同建築長寬比下，加設 1.2 公尺高的女兒牆對陣列式太陽 光電板淨風壓變化圖。由圖4-14~4-16 可觀察到，在有女兒牆的情況下，陣列式 太陽光電板第一排仍承受最大淨風壓，第二排後所承受的淨風壓相對較小，此原 因在於第一排太陽光電板產生的遮蔽效應影響。有關女兒牆對太陽光電板之淨風 壓影響，陳若華(2015)研究結果發現，當陣列式太陽光電板置於屋頂面上時，屋 頂女兒牆可降低太陽光電板的淨風壓，具有保護作用，有利於陣列式太陽光電板