第三章 試驗計畫與結果
第一節 試驗儀器及條件建立
一、試驗儀器：
（1） 風洞：
本所風洞本體(如圖 3-1 及圖 3-2)為一垂直向的封閉迴路系統，總長度為 77.9m，最大寬度為 9.12m，最大高度為 15.9m。整個風洞本體具有 2 個測試 區段，第一測試區中配置有 2 個旋轉盤，第一座旋轉盤直徑 1m，安置於距 測試區入口處 3m 處，從事一般流體力學研究；第二座旋轉盤直徑 3m，置 於可移動式軌道上，定位於距測試區入口端約 25.5m 處，並以機械控制使其 做旋轉及上下運動，將以建築物受風力作用的空氣動力學研究及污染擴散試 驗為主，空風洞最大風速為 30 m/s。第二測試區則配置一座旋轉盤，其距離 風洞本體整流段出口 15m 處，轉盤直徑為 3m，主要用途以橋梁測試為主，
空風洞最大風速為 20 m/s。本次試驗於本試驗室第一測試段之第 1 旋轉盤進 行，並採均勻流方式進行，風扇轉速監測係由風洞操控面板控制馬達轉速，
並藉由控制台監測。
圖 3-1 風洞實驗館
（資料來源：本研究整理）
（2） 六力平衡儀
六力平衡儀（Force Banlance）
外徑: 191mm ,高: 51mm
Load Range: F
X
、FY
為±315 N ; FZ
為 630 N;M
X
、MY
、MZ
為 63 N-m 非直線性: 定格 0.5%以下 遲滯現象: 定格 0.5%以下溼度飄移: 定格 0.3% /℃以下 容許過負荷: 定格 500%
輸 出 解 析 度 :Full Scale 1/16384(14bit A/D conveter)
操作溫度: 0~45℃，相對溼度: 0~90% RH 供電系統
操作電壓需求: 120 VAC(108-132 VAC, 60HZ) 操作溫度: 0~45℃
相對溼度: 0~90% RH 輸出電壓: + 15 VDC 訊號傳輸模組
操作電壓: +15 VDC 操作溫度: 0~45℃
相對溼度: 0~90% RH
類比輸出電壓(Analog output): +/- 10VDC
類比訊號傳輸盒
類比/數位轉換器
NI CompacDAQ-9172(analog-digital)。本系統最 高可連結 8 個模組。
時間解析度(Timing resolution)為 50ns。
取樣頻率(Sampling rate)最高可達 3.2MHz。配合 四個 NI 9215 模組，每個模組共有四個訊號輸入 端，並具有同步取樣功能(sample and hold)，可 同步取樣±10V 的四個輸入通道，電壓輸出解析 度可達 0.3mV。取樣頻率為 100kHz。解析度：
16-bit，可以 USB 傳輸至電腦存取資料。
圖 3-2 六力平衡儀設備圖
（資料來源：本研究整理）
（3） 多頻道電子壓力掃描器
用來同步擷取作用於結構表面各點的瞬時風壓，經過適當的處理便可得到結 構系統所受之平均風力、擾動風力以及外牆所受之局部風壓。本研究所採用 之儀器為 SCANIVALVE 公司產品，其元件包括：
1. 壓力訊號處理系統(RADBASE3200)
a. 最多可支援 8 組類比訊號轉換成數位訊號之轉換器(A/D MODULE) b. 最多可支援 8 組壓力感應模組，共 512 個壓力量測點。.
c. 其類比訊號轉換成數位訊號(A/D convert)解析度達 16bit。
d. 最大採樣速率可達 500 Hz。
e. 採用 USB 介面傳輸。
f. 具備網路控制與傳輸功能。
2. 類比/數位模組(RAD A/D 3200 module)
a. 連接電子式壓力掃描模組並進行訊號轉換。b. 連接電磁式氣閥並控制壓力輸入模式。
3. 電磁式氣閥(MSCP Solenoid control pack) 4. 電子式壓力掃描模組(ZOC 33/64Px)
a. 具 64 組壓力輸入管
b. 量測範圍：±10 inH
2
O or ±1 psi or ±2.5 kPa。.c. 量測精度：±0.15% 最大量測範圍。誤差範圍為±0.2%.
d. 資料擷取速度：40 kHz (單獨一點最大掃描速度)。
e. 輸出電壓：±2.5 V。
f. 操作溫度範圍：0 ℃ to 60 ℃。
g. 試驗中將各個風壓孔之壓力訊號經 PVC 管傳遞至壓力感應器模組，
其量得訊號傳至壓力訊號處理系統計算後所得壓力值傳回電腦。
5. 外接電源供應器
電磁式氣閥須另外接電源，供電需求為 24 伏特之直流電源。
6. 外接氣體壓力源
外接氣體之壓力須調整至 65 psi，若使用高壓鋼瓶氣體，則須確認高壓 鋼瓶內部壓力高於 200 psi 以避免鋼瓶內之雜質與水氣入侵，進而損害或 污染儀器。
類比/數位訊號控制基座模組電子式 壓力掃描模組
電磁式氣閥 類比/數位訊號控制基座之電源供應器
USB 延長裝置 USB 延長裝置之電源供應器
外接電源供應器(電磁式氣閥用) 外接氣體壓力源
圖 3-3 多頻道電子壓力掃描器設備圖
（資料來源：本研究整理）
（4） 風速計及皮托管
1. 風速計：為精確便捷且可即時瞭解測試區來流風速，採用由TSI公司生 產之熱線式風速計，型號為8465。該風速計量測速度由 0～50m/s。相關 性能規格如表 3-1。
表 3-1 風速計規格性能
該量測設備經過 CALP-EC-Q001(V1.6)校正。本研究將風速計設置模型 最高處附近，高度約 100cm，以利做為模型高度的附近的參考風速。
2. 皮托管(Pitot tube)：在本試驗中採用皮托管進行來流場靜壓力及參考風速 量測，主要目的在於量測結果參考。皮托管是由內外兩管組合而成，其 內管為滯流管，管口正對流向，外管的管壁有小孔連通到一個側管利用 內外兩管的壓力差異計算流速所量測到的壓力差值，係利用伯努利方程 式(Bernoulli equation)，即依據下列計算式出相應之風速。本研究作為風 速計時設置於風洞來流入口上方，作為靜壓力時，則設置於模型附近，
高度約 50cm，以利做為模型高度的附近的參考風速。由皮托管所量測到 的壓力差值，利用薄膜型壓力轉換器，將壓力差以電壓形式輸出至壓力 轉換電壓顯示器，再透過 NI 資料擷取系統，將資料傳回電腦，依據伯 努利方程式(Bernoulli equation)計算出相應之風速。計算式如下：
P
1
γ
a
+ Z1
+V1
2g =P
2
γ
a
+ Z2
+V2
2g V1 2
2g = P
2
γ
a
−P1
γ
a
V
1
= P2
γ
a
− P1
γ
a
, ,
2
u
u
V q
ρ
∞
∞
∞
=
圖 3-4 風速計及電源供應器
（資料來源：本研究整理）
二、試驗條件
（1） 模型製作
經過前期研究及文獻蒐集發現，如欲直接瞭解光電板模組與支架的關係，
坊間通常會應用電腦模擬計算軟體（如 ETABS、MIDAS、SAP2000 等）來 推算支架結構應力分配。惟本研究認為，由於利用電腦模擬軟體，容易受到 環境參數設定的影響，進而影響計算結果與實際試驗結果的差距；而若欲將 光電板與支架置於風洞試驗，又容易因為風洞、儀器設備及縮尺條件的限制，
往往無法以全尺寸的方式來進行，本所過去承接相關委託檢測試驗案時，也 常有類似情形發生。為了瞭解風力的分佈，通常會採用 2 種方式來進行，首 先可以採用風力模型，透過基底受力情形，依據各分（樓）層的高度來進行 分配計算；另外，可採用風壓模型，將各表面風壓量測資料，進行積分計算，
同樣也可以得到各分（樓）層的力量，當然，所設計的模型與風場縮尺等條 件，也都必須考量，如此才能得到相當接近於真值的近似結果。不過，由於 光電板模型的設置環境條件，誠如本研究文獻蒐集所述，內容種類相當多，
而相關廠商業者也曾多次聯繫本所亟欲檢測光電板直接受風的抗風能力，然 又苦於目前規範尚無整體直接受風檢測的相關標準與規範，因此，本研究仍 嘗試以規劃試驗的方式來進行，並依據各次會議結論與建議，試驗模型將分 別以風力模型及風壓模型，進行風風洞試驗吹試，以利瞭解模組與支架間相 互的關係。
本研究在此也特別說明，太陽能光電板吸光效果、材質及相關系統非本 研究重點，因此，本研究僅針對其外觀樣式及傾斜角度來考量。若考慮文獻 與實務上設置，當位居北半球時，方向應朝向正南方，才能獲得最長日照；
反之，在南半球時則相反。至於安裝角度，則需視安裝地點所在的經緯度而 定，一般而言，過去相當多研究會考量 10~30 度間，惟多數研究及產品開發 中指出，以臺灣而言，地理位置平均落在 23.5，因此傾（仰）角則應在 23.5 度附近。
1. 縮尺風力試驗模型： 由於本所目前可直接量測基底受力的試驗 儀器，係以六力平衡儀（Force Banlance），該儀器設備重點整
理如圖 3-2。一般在檢測建築物的直接受力，均以縮尺模型鎖固 於該儀器上方，而模型必須為剛性不變形，才能在風洞吹試過 程中量測到各方向的分力（矩）資料。因此，考量前期研究 1/10 的單片板光電板模型尺寸，恰可於進行風力量測，並行瞭解該 種縮尺方式，基底各方向的分力，以利進行比對計算。
A. 該光電板模型以參考市面上太陽能光電板常見單元尺寸 為主，經過蒐集各廠商的型號，以茂迪股份有限公司為生 產的 XS-72 系列的產品單元長 1956mm×989mm 為參考，
係以 1 片光電板型式，單元尺寸為 2m x 1m，縮尺為 1/10，
所以光電板的尺寸經縮尺後以 200mm×10mm 的壓克力板 製成，為了得到該模型基底受力，並避免模型變形或扭曲 而影響量測結果，模型支架部分特別予以強化，亦即假設 該模型為剛性不變形。
B. 本研究選用傾（仰）角 20 度（α）為試驗條件，相關圖 說如圖 3-5。
圖 3-5 風速計及電源供應器
（資料來源：本研究整理）
圖 3-6 太陽能光電板模型（茂迪公司生產的 XS-72 系列）
（資料來源：茂迪股份有限公司、本研究整理）
20cm
α=20°
2. 縮尺風壓試驗模型：為了更瞭解單片型光電板的風壓情形，本 研究將以 1/5 縮尺比例，直接進行風壓量測。經過文獻蒐集，
並透過工研院綠能所的協助，支架部分選用推進工業有限公司 所生產的鋁合金支架型式，縮尺為 1/5。在經過與業界先進訪談 後，目前光電板除了特別要瞭解光電板發電功率及單片檢測外，
通常都會以陣列方式設置，以利於大面積發電，因此，本研究 除了考量單片型外，也將進行陣列型的探討。本研究也特別感 謝推進工業有限公司協助，依據本研究需求，提供相關技術圖 說。
A. 單片型（1×1）：單片型支架型式，相關圖說如圖 3-7，縮 尺為 1/5。光電板傾（仰）角 15 度（α）。
B. 陣列型（2×3）：單片型支架型式，相關圖說如圖 3-8 及圖 3-9，縮尺為 1/5。光電板傾（仰）角約為 30 度（α）。
圖 3-7 單片型（1×1）規格尺寸圖
（資料來源：推進工業有限公司、本研究整理）
圖 3-8 單片型（2×3）規格尺寸側視圖
（資料來源：推進工業有限公司、本研究整理）
圖 3-9 單片型（2×3）規格尺寸上視圖
（資料來源：推進工業有限公司、本研究整理）
3. 全尺寸風力試驗模型：誠如前述，本所在進行相關委託檢測試 驗案時，對於全尺寸的風力試驗，在目前風洞試驗設備條件下，
尚有眾多限制，為了瞭解全尺寸與模型試驗的關係，也將嘗試 於後續進行量測。至於量測主體在考量儀器設備尺寸後，將採 用單片型（1×1），而光電板則選用安集科技股份有限公司所生 產的 ACP-M660 系列的產品（單元長 1632mm×995mm），試驗目
前安排於期中審查後進行，詳細內容也將於期末報告中呈現。
4. 為瞭解各來流量對光電板受風影響，將變化不同來流風向角β，
4. 為瞭解各來流量對光電板受風影響，將變化不同來流風向角β，