第 3 章 氣象塔儀器設置
3.4 風速計規格
3.4
風速計規格
3.4.1 通則
風速計為量測風速之儀器，風力機功率性能量測時應使用符合 3.4.2 要求之杯型風速計(cup anemometer)執行量 測。
3.4.2 杯型風速計分類
杯型風速計之分類由等級數字與等級類別指定之，如 1.7A、2.5B、2.5S。等級數字 k 為根據影響參數範圍(influence parameter ranges)決定其值，可應用兩種方法決定之。第一種方法是運用一般性影響參數範圍，獲得等級數字 k1，其值與風速計響應偏差之評估相關，而風速計響應偏差是經由影響參數範圍中改變所有影響參數而得。在
(non-isotropic turbulence)
1/1/1 (isotropic turbulence)
空氣溫度 (℃) 0 40 -10 40
空氣密度 (kg/m3) 0.9 1.35 0.9 1.35
平均氣流入射角度( ° ) -3 3 -15 15
註：
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杯型風速計為分類而進行之風速測定評估，可由風洞(wind tunnel)試驗、其他實驗室試驗、現場試驗(field test) 和相關模型與外插方法求得。完整的評估方法宜涵蓋風洞試驗與現場試驗，並且交互確認試驗之結果。杯型風 速計的評估確認程序宜包含對杯型風速計操作造成影響之基本特性：
- 角度響應特性(angular response)。
- 由於不同轉子加速與減速力矩而造成的動態效應(dynamic effects)。
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圖3-9
風洞風速8m/s下杯型風速計之扭矩量測[3]
(c) 軸承摩擦力矩量測
杯型風速計之軸承摩擦力矩量測，應以飛輪代替杯型風速計轉子，利用對應於 20 m/s 的轉速測得減 速度以量測轉子之摩擦力矩。量測轉子之摩擦力矩為軸承之摩擦力矩與飛輪之空氣摩擦力矩，其中 飛輪之空氣摩擦力矩要從實測力矩中扣除。圖 3-10 為軸承摩擦力矩量測結果範例。
圖3-10
軸承摩擦力矩量測範例[3]
至少應評估同一類型的 2 具風速計。任何會影響杯型型風速計摩擦力矩的任何外部幾何形狀的變更、
或內部設計改變時，就要重新評估風速計。
風速計於投入功率性能試驗前，建議用符合該項類別之內容來確認風速計的幾何形狀。
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3.4.4 性能評估範例
實際評估杯型風速計時，可採取以下兩種範例之方法，但亦可採取其他評估方法，然這些方法須包含確認程序 及 3.4.3(a) ~3.4.3(c)之三項基本特性。
(a) 根據風洞試驗、實驗室試驗與現場量測比對之杯型風速計評估法 (i) 不同平均氣流入流角在擾流下的角度響應特性
(1) 0°之平均氣流
對於不同之平均氣流入流傾角來計算擾流中的角度響應。例如，在一平坦的測量現場，宜 先考慮平均氣流入流角為 0°的情況，擾流的情況用擾流強度(turbulence intensity, TI)來表 示，如下式。
TI = σu/𝑈
其中σu為水平風速標準差，𝑈為平均水平風速。
杯型風速計在擾流狀況下的角度響應特性取決於擾流的垂直分量，而水平風速之標準差 應小於垂直風速之標準差(應使用σv= 0.8𝜎u，其中σv為垂直風速標準差)。
關於不同擾流強度的氣流入流機率參考圖 3-11。
圖3-11
不同擾流強度下垂直風速分量之機率分佈[3]
(假定水平風速與垂直風速標準差的比例固定)
其後將圖 3-11 給定之機率乘上所有角度的角度特性與理想餘弦之差異，參考圖 3-12，所 得之值代表特定擾流強度下實測風速計與理想風速計的偏差。重覆上述步驟即可獲得實 測風速計在不同擾流強度下之結果，參考圖 3-13。在圖 3-13 中擾流強度為 10%時實測風 速計與理想餘弦響應的相依度為 0.993。
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圖3-12
實測響應與理想響應之偏差值與對應發生機率[3]
圖3-13
不同擾流強度下實測風速計與理想餘弦響應相依度[3]
(2) 從-20°至 20°之平均氣流
若在複雜地形中，平均氣流角度不為 0°之情況，在某一平均氣流入流角下，其氣流入流 角度之機率有其最大值，參考圖 3-14。對於平均氣流入流傾角範圍為-20°至 20°(並以 5°
為量測間距)且垂直風速的擾流強度會改變時，須計算風速計之響應且須記錄與理想餘弦 響應的偏差值(參考圖 3-15)。從這些結果可定義出等級 1 級的風速計其平均氣流入流角與 擾流強度的範圍。在前述的操作範圍內，該等級的風速計與理想餘弦響應之間的偏差小於 1%。
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圖3-14
3種不同平均入流角度之機率分佈[3]
圖3-15
不同擾流強度下與不同平均入流角度之實測響應與理想餘弦響應之相依度[3]
(ii) 非穩定(non-stationary)氣流條件造成之動態效應
因杯型風速計角度特性造成的非穩定氣流，除了影響上述的角度響應偏差外，亦可能會產生動 態效應，稱為空氣動力超速(aerodynamic over-speeding)，此動態效應須以現場試驗進行探討。現 場試驗需在 30 m 的高度，將待分類的杯型風速計與校正過的超音速風速計進行量測比較，以了 解此風速計與擾流強度相關的超速影響程度。與擾流強度相關之超速效應(用杯型風速計與超音 速風速計測量值的斜率之差異表示)宜量測並記錄之，參考圖 3-16。
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圖3-16
風速計不滿足斜率標準之範例[3]
(iii) 軸承摩擦力
風速計在風洞內進行校正時，其試驗溫度通常為室溫，但實際情況中風速計會在廣大的溫度範 圍下操作，因此在該溫度範圍下宜調查風速計輸出的偏差值，等級 1 級之風速計在該溫度範圍 下，其輸出偏差值不宜超過 1%。
根據上述程序，由於偏差可能為正值或負值，故在功率曲線量測之操作影響參數範圍內，1 級風 速計總偏差值不宜超過 1%。
(b) 根據風洞實驗、實驗室試驗與杯型風速計模型之評估方法 (i) 評估方法
根據風洞實驗與實驗室內所測出之杯型風速計的基本特性，以及杯型風速計的數值模型與計算 資料，決定出所有影響參數範圍的響應。
(ii) 杯型風速計之模型建立
杯型風速計模型須符合下述兩條件，始得用於任何響應之計算：
(1) 模型符合風速計(於風洞試驗與實驗室試驗測得)之所有基本特性，包含角度響應特性、與 風速比相關之扭矩係數以及摩擦力等。
(2) 模型符合風速計本身的物理特性，如轉子慣量、風速計測速杯面積與測速杯距離中心的半 徑值等。
藉由驅動扭矩之微分方程式求得杯型風速計之響應，其中轉子扭矩為空氣動力扭矩(𝑄𝐴)與摩擦 力扭矩(𝑄𝑓)之合，方程式如下：
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