垂直軸風力發電機的數值、原型製造與實驗之整合研究

行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告

垂直軸風力發電機的數值、原型製造與實驗之整合研究(第 3 年)

研究成果報告(完整版)

計 畫 類 別 ： 個別型

計 畫 編 號 ： NSC 96-2221-E-011-053-MY3

執 行 期 間 ： 98 年 08 月 01 日至 99 年 10 月 31 日 執 行 單 位 ： 國立臺灣科技大學機械工程系

計 畫 主 持 人 ： 林顯群

計畫參與人員： 碩士班研究生-兼任助理人員：王世宇 碩士班研究生-兼任助理人員：郭岱鑫 碩士班研究生-兼任助理人員：鄭又嘉 博士班研究生-兼任助理人員：王子綜 博士班研究生-兼任助理人員：施顯章

報 告 附 件 ： 出席國際會議研究心得報告及發表論文

處 理 方 式 ： 本計畫可公開查詢

中 華 民 國 100 年 01 月 31 日

I

行政院國家科學委員會補助專題研究計畫 成 果 報 告

垂直軸風力發電機的數值、原型製造與實驗之整合研究

計畫類別： 個別型計畫

計畫編號： NSC 96－2221－E－011－053－MY3 執行期間： 96 年 8 月 1 日至 99 年 10 月 31 日 執行機構及系所：國立台灣科技大學機械系

計畫主持人： 林顯群

計畫參與人員：王子綜、王世宇、施顯章、郭岱鑫 鄭又嘉、鄭鴻基

成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)： ■完整報告

本計畫除繳交成果報告外，另須繳交以下出國心得報告：

□赴國外出差或研習心得報告

□赴大陸地區出差或研習心得報告

■出席國際學術會議心得報告

□國際合作研究計畫國外研究報告

處理方式：得立即公開查詢

中 華 民 國 100 年 1 月 31 日

II

摘 要

為增進台灣在國際上的競爭力，政府積極推動並補助潔淨能源之 設置，許多機關已裝設小型太陽能與風力發電，但至今風力發電設備 100％依賴進口，風力發電機的相關研究更是缺乏。台灣地狹人稠、

無太多合適的地點可供裝設水平軸風力發電機，加上垂直軸風力發電 機具有任何方向的風只要達到一定風速即可運轉發電、不需追蹤風向 的特性，且其發電機組多半位於地面，具方便安裝、操作與維修等優 點，適合應用在家庭或農場等用電需求小的用戶。有鑑於此，本計劃 便結合了氣動力理論、數值模擬、原型製作、風洞與實際測試等多方 努力，設計及建造出了一發電量為 400 瓦之垂直軸風力發電機。

本三年期計畫於第一年建立了一有效預測垂直軸風力發電機之

CFD 數值模擬平台，並針對重要幾何參數（葉片數、半徑）經由模

擬平台，進行流場與氣動分析而得到較佳的設計，來供第二年進行風

力發電機之原型機製造，而振動結構分析能量部份，是由 ANSYS 軟

體來分析。接著在第二年實際製作了實驗平台以及初步改良風力機設

計的工作，同時多方面搜尋小型發電機系統的資料，並評估其性能與

可行性，從中找出了效率較高之發電機設備，來搭配所設計的風車建

立起整個風力發電系統；CFD 數值模擬平台的部分，基本上改良了

第一年的結果，並設計出一新型垂直軸風力發電機，且做了氣動力的

III

模擬分析。第三年的工作為進行發電機組之實作與原型機製作組裝，

並與製造完成之風力發電機整合成為一完整的風力發電機系統，以及 全尺寸風力發電機系統現場測試。最後成功的在台灣科技大學國際大 樓頂樓作為全尺寸風力發電最後測試之場所，並且改良了原型機，將 參數做了最佳化的調整。而實驗平台之資料擷取系統係利用 NI 公司 的 Data Acquisition 資料擷取卡，將高樓平台的各種感測器與風力發 電機之發電參數等類比訊號，轉成數位訊號傳送至電腦；並以圖形化 程式語言 LabVIEW 撰寫一套能即時監測風場環境以及風力發電機所 有之輸入與輸出實驗數據，並依風速分類存檔紀錄之。

綜合歸納本計畫成功的建立了垂直軸風力發電的數值模擬平 台，不但可以省去大量的實驗材料成本與時間，並已完成此三年期的 結合”CFD/結構振動/原型製作/性能實驗”的整合型之垂直軸風力發 電機的計畫案，已建立起

（1）可靠的三維數值流場分析平台、

（2）可拆式、多功能的風力發電機測試平台、

（3）功能強大的自動化實驗資料擷取系統，可供長期進行風力發電 機的性能測試。

關鍵字：垂直軸風力發電機、氣體動力學、計算流體力學、大尺度渦流模

擬、可拆式、多功能的風力發電機測試平台。

IV

Abstract

To meet with the challenge generated by energy crisis, Taiwan

government has started to encourage the utilization of clean and reversible

energy. Wind energy is considered as the most economic and practical

alternative among all the possible sources. The vertical-axis wind turbine is

known as an appropriate candidate for the small-scale power generator

system due to its low cost, easy installation, and insensitivity to the wind

direction. Therefore, this three-year research project develops a vertical-axis

wind turbine generator system with a 400W power output. An integrated effort,

combined with theory, numerical simulation, prototype fabrication, and the on-site

measurements, is established to form a systematic R&D scheme for designing wind-turbine

generator system. The first-year work is focused on the identification of key design parameters

and their ranges, determination of the relevant geometry of prototype, and establishment of

simulation platform for both aerodynamic and structure/vibration aspects. Later, the designing

procedures are carried out for the prototype and experiment platform, which can be used for

flow field, impact, vibration, and noise tests. During the second year, further modifications on

the prototype design are imposed based on the numerical outcomes of a comprehensive

parametric study. In addition, prototype and experimental platform will be manufactured and

assembled together for executing the performance experiments on this improved prototype. In

the last year, the wind turbine is combined with the generator system to form a complete

wind-turbine-generator power system for performing the on-site tests. This full-scale operating

test on the wind farm can serve as the essential reference for any needed modification. Finally,

this systematic design procedure is applied to the large-scale commercial vertical-axis wind

turbine with a 10 kW power generation.

V

目 錄

摘 要...II ABSTRACT... IV 目 錄...V 圖 索 引...VIII 表 索 引... IXI 符號索引... XII

第一章 緒論...1

1.1 垂直軸風力發電機簡介...2 

1.2 文獻回顧 ...9 

1.3 研究動機與目的 ...16 

1.4 研究方法與執行步驟 ...18 

第二章 第一年之計劃實施成果 ...21

2.1 數值模擬平台之建立 ...21 

2.1.1 模型簡化與邊界設定 ...21

2.1.2 模擬與實驗之結果比對 ...23

2.1.3 誤差修正...29

VI

2.2 實驗平台之設計 ...35 

第三章 第二年之計劃實施成果 ...40

3.1 研究流程 ...40 

3.2 研究成果 ...46 

第四章 實驗平台裝設及測試 ...49

4.1 實驗平台搭建之事前工作 ... 4749 

4.1.1 屋頂基座搭建...49

4.1.2 避雷設備之搭建...56

4.1.3 氣象桿設置... 5959

4.2 實驗平台搭建 ...63 

4.2.1 角鐵結構設計...63

4.2.2 發電機...66

4.2.3 資料擷取系統...66

4.3 實驗量測與結果分析 ... 6869 

第五章 第三年之計劃實施成果 ...74

5.1 研究流程 ...74 

5.2 研究成果 ... 7777 

5.2.1 風力發電機作全尺寸現場測試 ...77

VII

5.2.2 原型機之改良...81

5.2.3 最佳化設計...90

第六章 計劃之成果與結論彙整 ...92

6.1 風力機之氣動力數值平台 ...92 

6.2 垂直軸風力發電之實驗平台...93 

6.3 風力發電機之改良與最佳化 ...94 

第七章 計畫成果自評 ...96

參考文獻...102

VIII

圖 索 引

圖 1- 1 水平軸風力發電機示意圖...4

圖 1- 2 垂直軸風力發電機示意圖(D

)...5

圖 1- 3 流體流經葉片產生渦漩示意圖...5

圖 1- 4 S

風力發電機 ...6

圖 1- 5 H-

風力發電機...6

圖 1- 6 M

S

數值模型示意圖 ...13

圖 1- 7 B

與 S

等之實驗裝置...14

圖 1- 8 風力發電機葉片外型比較...15

圖 2- 1 第一年工作流程圖...22

圖 2- 2 數值模型之邊界設定與幾何示意圖 ...24

圖 2- 3 驗證之風力發電機示意圖...25

圖 2- 4 驗證案例之計算區域與轉子部份的網格分佈 ...26

圖 2- 5 驗證案例之模擬與實驗結果比較...28

圖 2- 6 流體相對於支撐臂速度之示意圖...31

圖 2- 7 各種簡單幾何外形之阻力係數圖 ...31

圖 2- 8 修正後數値驗證模擬值與實驗結果比較...33

圖 2- 9 風力發電機實驗平台示意圖...377

圖 2- 10 風力發電機之整體設計圖 ...38

IX

圖 2- 11 風力發電機之設計與改良流程圖...39

圖 3- 1 第二年工作流程圖...41

圖 3- 2 實驗平台實體完成圖...42

圖 3- 3 數值模型之邊界設定與幾何示意圖 ...42

圖 3- 4 發電機實測圖...45

圖 3- 5 新型風力發電機葉片安裝...45

圖 3- 6 國立台灣科技大學國際大樓屋頂...45

圖 3- 7 加長葉片轉軸長度之安全係數分佈（18 米風） ...48

圖 4- 1 實驗平台水泥基座位置圖...51

圖 4- 2 水泥基座設計圖 ...52

圖 4- 3 安全桿與安全纜繩搭建...53

圖 4- 4 水泥基座實體搭建...54

圖 4- 5 避雷針之安全範圍示意 ...58

圖 4- 6

避雷針實體 ...58

圖 4- 7 氣象測試儀器之實體圖 ...61

圖 4- 8 實驗平台之角鐵結構...64

圖 4- 9 額定轉速 300 之 300W 發電機...67

圖 4- 10 發電機轉速對電壓之關係...70

圖 4- 11 不同阻抗下轉速對電壓之關係...70

X

圖 4- 12 不同阻抗下周速比對輸出功率係數之關係 ...71

圖 5- 1 第三年工作流程圖...75

圖 5- 2 擷取系統硬體實圖...76

圖 5- 3 半徑 1 公尺原型風車之實驗曲線...79

圖 5- 4 半徑 1 公尺原型風車之氣動性能...80

圖 5- 5 半徑 2 公尺原型風車之實驗曲線...83

圖 5- 6 半徑 2 公尺原型風車之氣動性能...84

圖 5- 7 改型風車外觀圖...85

圖 5- 8 半徑 1 公尺改型風車之實驗曲線...86

圖 5- 9 半徑 1 公尺改型風車之氣動性能...87

圖 5- 10 半徑 1.5 公尺改型風車之實驗曲線...88

圖 5- 11 半徑 1.5 公尺改型風車之氣動性能...89

圖 5- 12 各風車實驗之性能曲線比較...91

圖 5- 13 半徑與風車效率關係...91

圖 7- 1 模擬平台建立程序...98

XI

表 索 引

表 1- 1 垂直軸風力發電機與水平軸風力發電機的優缺點 ...7

表 1- 2 各類垂直軸風力發電機之各項比較...8

表 2- 1 驗證目標之風力機幾何與操作狀況...25

表 2- 2 數値驗證模型之網格分佈...27

表 2- 3 驗證案例之模擬與實驗結果 ...27

表 2- 4 修正後之輸出扭力係數的模擬值 ...34

表 2- 5 測量誤差評估...34

表 4- 1 永磁式同步電動機額定規格...68

表 7- 1 可供推廣之研發成果資料表 (I)...99 

表 7- 2 可供推廣之研發成果資料表 (II) ...100

XII

符號索引



CL

無限長時之升力係數

C

弦長比為

時之升力係數 C

誘發阻力係數

a0

升力曲線斜率 TSR 操作周速比

CT

輸出扭力係數

CP

輸出功率係數

Vin

入口風速

dij

C

阻力係數

Dij

產生之阻力

扭力損失

c 每月平均風速之尺度參數

k 形狀參數

1

第一章 緒論

從人類的發展史可很容易的發覺，對能源的使用量與依賴程度直 接反應了人類於各方面的進步，尤其在工業革命後，能源的使用量更 是急速增加，發展至今，人類幾乎是沒有能源就無法生存。至今人類 仍是以會產生高污染(如火力發電所燃燒之燃煤或石油等)、高風險(如 核能發電)，以及會有使用枯竭等問題的能量來源與使用方式為主；

如此下去，於民國 70 年代發生之能源危機必然再度發生，且將使得 地球變的不適合生物生存。所幸多數國家已意識到問題的嚴重性，投 入大量的物力與人力在替代能源之開發與應用上，並且訂定各種法規 與協議(如京都議定書)，以規範或鼓勵用新一代能源取代傳統能源，

來減少傳統能源的使用量。用以取代傳統能源之新一代能源，必須具 有安全、乾淨、再生週期短與容易取得等特性，而符合這些特性之能 源稱之為「綠色能源(Green Power)」 ，包含有： （1）再生能源(Renewable Energy)，如太陽能(風能、熱能與電能等)、水力、生質能、海洋能與 地熱等；與（2）回收能源(Recycle Energy)，如廢熱與廢物能等。

根據國際能源署(International Energy Agency，簡稱 IEA)在 2006

年所發布的能源技術展望中[1]，預測在 2050 年時，雖然石化能源仍

為主要之能源供應，但由於各技術之成熟，使得再生能源的成本下降

2

（其中風力發電之成本，最低更可達 0.04 美元/千瓦小時） ，其在電源 結構中所占比重將從 18％成長至 34％。這對台灣而言，是一大利多，

因為台灣仰賴進口國外的石化燃料為主要能源，隨時會有因國際原油 價格上漲而失去競爭力的問題，但台灣東臨太平洋，位在季風氣候 區，擁有相當豐富的海上與陸上風力資源，利用此一條件發展風力發 電，將可以取代傳統的發電廠，減少對石化燃料的依賴，如此台灣在 能源方面將可自給自足，並可提升在國際上的競爭力。

1.1 垂直軸風力發電機簡介

要利用風能，首先要將變化無序的流動空氣所具有的動能變換成 流動有序的機械旋轉動能，這就需要借助於風力機。風力發電機依其 轉軸與風向之間的角度，可分為二大類：水平軸風力發電機與垂直軸 風力發電機；前者之轉軸與風向平行，稱為 Horizontal Axis Wind Turbine(簡稱 HAWT，圖 1-1)，而後者之轉軸與風向相互垂直，稱為 Vertical Axis Wind Turbine(簡稱 VAWT，圖 1-2)。

垂直軸的風力發電機相較於水平軸風力發電機，雖其效率有稍微

低一些(表一)，但具有較低的製造成本、較可靠的機械結構、體積較

小等的好處，但是在研發設計上垂直軸風力發電機卻比水平軸風力發

電機還要難，主要是因為垂直軸的氣動特性較水平軸還要複雜。對水

平軸發電機而言氣體只會通過葉片ㄧ次，而對垂直軸風力發電機而言

3

事情並非如此單純，如圖 1-3 所示，當氣流流經上游的葉片時會產生 一對的渦漩(Vortex)，而此渦漩會再通過下游的葉片，而此複雜、混 亂的氣流更會直接的影響到發電機的性能。

垂直軸風力機有很多種形式，但基本上可區分為三類，分別為 Savonius Type、Darrieus Type 與 H Type。Savonius Type 風力發電機的 外觀如圖 1-4 所示，係利用流體流經其半圓形葉片時所造成的阻力產 生轉動所須之力矩，具有高扭力輸出但效率較差的特性，常被拿來作 為大型風力發電機的啟動輔助裝置；而 Darrieus Type 風力發電機的外 觀如圖 1-2 所示，係利用流體流經其葉片時所造成的升、阻力產生轉 動所須之力矩，具有低扭力輸出但效率佳的特性，但其啟動特性不 佳，所須之啟動風速比起兩者來的高，多應用於大型風力發電機；H Type 風力發電機的外觀如圖 1-5 所示，其外形與 Darrieus Type 風力 發電機類似，但葉片外形為長直形，其氣動特性與 Darrieus Type 風力 發電機類似，但由於發生於葉片兩端的渦旋會造成能量損失，因此其 效能與同尺寸的 Darrieus Type 風力發電機稍差。但其結構十分堅固，

製造成本低且適合大型化，故為本計劃選為設計垂直風力發電機之目

標。

4

圖 1- 1 水平軸風力發電機示意圖[2]

5

圖 1-2

圖 1- 2 垂直軸風力發電機示意圖(Darrieus type)[13]

圖 1- 3 流體流經葉片產生渦漩示意圖

6

圖 1- 4 Savonius type 風力發電機

圖 1- 5 H type 風力發電機

7

表 1- 1 垂直軸風力發電機與水平軸風力發電機的優缺點[2]

風力發電轉子及整體系統 風 力 發 電

機型式 水平軸風力發電機 垂直軸風力發電機。

台 灣 發 展

現況 完全仰賴進口 至今台灣無人進口亦無人發展

實 際 能 量

變換效率 15~35% 20~30%

啟動風速 3~5 m/sec 小型< 3 m/sec；中型<4.5m/s 額 定 發 電

風速 12~15 m/sec 12~15 m/sec

優點

效率高、設計單純、技術 成熟

可適應風速、風向不穩定問題，架設 高度低、佔地面積不大、噪音低、易 維修、易裝設

缺點

對風向，亂流非常敏感，

需空曠地，架設高度高，

裝設水平度要求高需專 業， 噪音大，維修難

效率稍低，目前之研發與量產技術未 成熟

適用場所

大型風力發電廠需專業 規劃,或偏遠空曠地,裝設 限 制 大 , 小 型 風 力 發 電 因 噪 音 及 不 定 風 向 問 題，不適用於人口居住 區；僅適用於偏遠地區

市區之高樓頂樓,或獨立建物等裝設限 制少。低噪音，可適用於人口居住區。

使風力分散性發電理想可實現。

8

表 1- 2 各類垂直軸風力發電機之各項比較 啟動性 最大效率 結構強度 製造成本

Savonius Type ○ □ ○ ◎ Darrieus Type □ ○ ◎ ◎ H Type ◎ ○ ○ ○

○－良好；◎－可接受；□－不佳。

9

1.2 文獻回顧

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.[3]

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[4]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 1-6 所示。1976 年，

Blackwell, Sullivan, Reuter 與 Banas 等[5]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，

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。

10

1977 年，Blackwell 與 Sheldahl 等[6]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[7]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 1-7)，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[8]對 SIMOSS (Simple Momentum Single Streamtube) 、 DART (Darrieus Turbine) 、 DARTER (DART Elemental Reynolds Number)與 PAREP (Parametric 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[9]，將 Blackwell 與 Sheldahl

等[7]於 1977 年所測試時所使用的 Darrieus type 風力發電機的葉片外

形改為 Hub-to-Hub(如圖 1-8 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

11

表現較原先為佳。

1985 年，Johnson 與 King 等[10]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[11]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， ^{k  } 紊流模型便不適用。

1998 年，Brian[12]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[13]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。

2005 年，孫明宗[14]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

12

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。

13

(a) 上視圖

(b) 側視圖

圖 1- 6 Multiple Streamtube 數值模型示意圖

14

(a) 實際測試平台

(b) 測試平台裝置示意圖

圖 1- 7 Blackwell 與 Sheldahl 等之實驗裝置

15

(a) 原葉片外形

(b) 葉片外形為 Hub-to-HubDarrieus type 風力發電機

圖 1- 8 風力發電機葉片外型比較

16

1.3 研究動機與目的

台灣因介於玉山山脈及福建武夷山脈間，潛藏風能非常豐富；但 因為台灣地狹人稠之地理特性，造成除少數海邊荒地適合大型水平軸 之風力發電廠裝設外，陸地上並無太多合適的地點可供水平軸風力發 電裝置。分析原因乃水平軸風力發電機對於風向非常敏感，唯有其軸 心之方向與風向平行時，才能得到較好的氣動表現，故其需要持續追 蹤風向並依風向調整軸心方向，且必須有較大之空曠地形或極高之裝 置高度，而台灣陸地恰為多山或人口稠密都市，使得水平軸風力發電 之發展有著在地形上的限制。另外，水平軸風力發電機之發電機組位 於整個塔座頂端，在機組安裝、維修或意外搶救時，會有相當之困難；

如先前新竹市海山漁港附近的台電風力發電機，就曾發生過失火，但 因發電機組過高而無法搶救之事件。

反觀垂直軸形式之風力發電機，具有不需特定之風向，任何方向

的風只要達到一定風速即可啟動運轉發電；且發電機組多半位於地

面，具有方便安裝、操作與維修等優點，另外其機械結構較為簡單可

靠，製造與維護的成本相對較低，相當適合應用在一般家庭或農場等

這一類用電需求較小的用戶。若政府能大力推廣，使有良好風力條件

地區的家庭都能架設風力發電機，如此一來，不但政府可以減少各個

大型發電廠的發電量，減低國內對石化燃料的使用量，增進我國在國

17

際上的競爭力，而架設風力發電機的用戶更可以節省電費，同時也有 機會切入目前仍未形成寡佔之中小型風力機生產，再國內建立一新興 的替代能源產業，大量行銷至世界各地。

目前在風力發電機方面的相關研究，仍然是以水平軸之風力發電 機為主，針對水平軸風力發電機的研究與預測模型皆較垂直軸風力發 電機為多，且運轉中的大型風力發電機亦多為水平軸之風力發電機，

其基本上是一個技術成熟且為歐美各國所寡制之行業；我國市場不 大，不足以支持此型風力發電機之生產，同時多項技術取得不易，在 多個重要組件上皆有甚多的專利阻礙，進入此行業之難度甚高、不易 成功。

至於垂直軸風力發電機方面，雖然這幾年才開始有愈來愈多的工

程師或科學家開始對垂直軸風力發電機感到興趣，並投入研究與開發

的行列；但對其有系統的研究早從 1971 年便開始，至今已有超過 30

年的時間，而國內對風力發電機的研究是最近幾年才開始，且多以水

平軸風力發電機為研究對象，關於垂直軸發電機的研究，在我國仍屬

一片處女地。故本計劃以設計出一部發電量為 400 瓦之垂直軸風力發

電機及提出一套設計方法為目標，整個計劃以三年為執行期限。

18

1.4 研究方法與執行步驟

本三年期計畫結合氣動力理論、數值模擬、原型製作、風洞與實 際測試等多方之努力，設計出並建造出一發電量為 400 瓦之垂直軸風 力發電機。整個計劃大致分為五部份，分別為

1. 風力發電機重要參數界定與文獻回顧

在計劃執行的時間裡，經大量的收集相關研究文獻，並以條 列的方式整理各文獻所提供的資訊，如：流場特徵、結構特性、

可靠度、數值模擬模型與其預測結果、實驗方法、實驗結果、實 驗資料處裡方法…等等；並從中選擇了一個合適的目標作為與模 擬結果比較的對照實驗載具，並藉由這些資訊，了解以往在垂直 軸風力發電機之成果與缺失，並界定重要之尺寸與氣動力參數，

以及相關之參數選用範圍，以作為研究設計研發之基礎。

2. 數值模擬平台之建立

為節省時間與原型試作之成本支出，利用模擬的方式作為評

估風力發電機表現的依據，其中模擬包含了流場與振動結構兩大

方面；經由一系列參數分析之數值結果分析比較，確認初步之最

佳化設計，再進行實體製作與測試工作，建立起一套可信的模擬

19

模型。而本計劃採用泛用型的數值模擬軟體並且與也與實驗值做 比較，更確立了該模型的可信度。

3. 實驗平台之建立

本計劃為節省參數分析實驗所需之時間，設計出一可同時測量不 同參數且方便架設之實驗平台，並搭配建構一全自動化的資料擷取與 分析軟體，提供省人力且 24 小時的無人測試平台。

4. 垂直軸風力發電機之設計

藉由參考文獻配合所建立之模擬平台為評估與設計之工具，

最後建構出一套系統化之設計模式與性能評估程序，並找出了相 對最佳化設計之原型機參數與尺寸。

5. 實際測試實驗

藉由所建立完成之實驗平台，規劃出了一完善的風力發電機 運轉模式的性能分析，並對設計之風力發電機做實際測量，將實 驗數據與模擬結果做比較。最後將模擬與實驗的結果對風力發電 機做了進一步的改善，並達成了預定的目標。

本計劃實行的第一年，做了重要參數界定與文獻收集及整理，以

及成功的建立了模擬平台與設計原型機與架設實驗平台之工作。在計

20

劃實行的第二年，利用模擬平台完成了對初期設計之原型機的改良，

以及與實驗平台製造、建立及試車動作。同時亦完成了原型機的製作

與發電組的建構，並對原型機做實驗風洞測試的工作。到了第三年成

功的將風力發電機與發電機組作整合、組裝與試車，並對整組風力發

電機系統作全尺寸現場測試，最後將之前的模擬與實驗結果做出進一

步的結論。最後本計畫將之前的模擬、設計、製造與測試等數據，應

用於大型商用的垂直軸風力發電機(發電量約為 10~50 千瓦)的開發

上，並以數值模擬來完成 10 千瓦之垂直軸風力發電機組之完整氣動

力數值流場分析、與振動結構分析等。

21

第二章 第一年之計劃實施成果

在計劃執行第一年的初期，吾人歸納參考所收集的文獻資料決定 了原型機的相關幾何與操作參數的範圍，同時建立了氣體動力與動態 結構模擬平台的工作，並以文獻資料之數據作為比較的對象，以確立 了模擬平台的準確性。在模擬平台建立後，便以數值模擬的方式對風 力發電機的葉片翼形與葉片外形，做氣體動力與振動結構的設計與分 析。在第一年的後半期，便依照先前所界定之尺寸、與其它相關參數，

挑選了合適的實驗儀器與高度適應性之實驗平台的設計；相關工作流 程如圖 2-1 所示，關於模擬平台之建立、原型機之設計與實驗平台之 建立的理論、方法與進行步驟詳述如下。

2.1 數值模擬平台之建立

建立一能有效模擬預測垂直軸風力發電機的數值模擬模型，將在 對實際模型做適度之簡化後，進行數值模擬相關的驗證工作，並與實 驗結果做比對與分析。

2.1.1 模型簡化與邊界設定

為能夠簡化模擬的困難度以及網格數目的縮減，本研究忽略中心

的旋轉軸與流體沿垂直軸方向的運動對流場所造成之影響，亦即將之

22

圖 2- 1 第一年工作流程圖

23

視為無限長，以二維的方式進行模擬。數值模擬的幾何外型如圖 2-2 所示，分為內部定子、轉子與外部定子三部份，其中只有轉子部分會 轉動，本文採用滑動網格的方式處裡，因此在與轉子內部與外部的界 面設為分界面邊界(Interface B.C.)。同時為了能符合風力發電機實際 運作情形，在上游的邊界設為速度入口；至於上、下兩邊界為了避免 有額外能量傳遞至風力機，造成模擬結果為高估之情況，因此與下游 出口同樣設為流出出口，而左右兩面由於將風力發電機視為無限長，

則設定為對稱邊界。

2.1.2 模擬與實驗之結果比對

為了近一步了解建立之數值模型在實際應用時的可靠度與誤

差，將以 Chua[15]的實驗為目標進行模擬，相關的風力發電機外型尺

寸與操作情形如表 2-1 與圖 2-3 所示。該風力發電機採用三葉、葉形

為 NACA0015、弦長 0.07 公尺之葉片，半徑為 0.25 公尺、高度為 0.5

公尺，而操作風速在 4.46m/s 之下。數值模型的網格分佈如表 2-2 與

圖 2-4 所示，總網格數為 51,678，其中轉子的部份為 29,229、內部定

子為 9,438、外部定子為 13,011。模擬結果如表 2-3 與圖 2-5 所示，綜

合看來模擬與實驗的結果趨勢大致相符，可是在周速比為 2 與 2.5

時，兩者之誤差相當大，但這 並非代表數值模型之結果不可信，而

24

圖 2- 2 數值模型之邊界設定與幾何示意圖

25

圖 2- 3 驗證之風力發電機示意圖 表 2- 1 驗證目標之風力機幾何與操作狀況

操作風速(m/s) 4.46

操作周速比(TSR) 1、2、2.5、3

葉片數 3

葉片翼形 NACA0015

弦長(m) 0.07

半徑(m) 0.25

高(m) 0.5

支撐臂×6 23.5 mm × 12.5 mm × 2 mm

26

(a) 計算區域網格

(b) 轉子區域網格

圖 2- 4 驗證案例之計算區域與轉子部份的網格分佈

27

表 2- 2 數値驗證模型之網格分佈

總網格數 51,678

轉子 29,229

內部定子 9,438

外部定子 13,011

表 2- 3 驗證案例之模擬與實驗結果

TSR 1 2 2.5 3

CT

0.0024 0.041 0.046 0.019 模擬值

CP

0.0024 0.0818 0.0116 0.0583

CT

0.0014 0.024 0.026 0.011 實驗值

CP

0.0014 0.0480 0.0663 0.0330

28 0

0.01 0.02 0.03 0.04 0.05

1 1.5 2 2.5 3

TSR

Torque Coefficient

模擬值 實驗值

(a) 輸出扭力係數與周速比之關係

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14

1 1.5 2 2.5 3

TSR

Power Coefficient

模擬值 實驗值

(b) 輸出功率係數與周速比之關係

圖 2- 5 驗證案例之模擬與實驗結果比較

29

是在一開始的時候，為了降低網格數量，減少運算時所需之時間與硬 體資源所進行的簡化造成的。其中包含忽略轉軸所產生的影響，以及 由於將整組風力發電機葉片視為無限長，而以二維的形式模擬，因此 在翼端產生之渦流、支撐臂在旋轉時所造成的能量損耗未被納入、以 及其它非氣動力學所產生之損失(如所使用軸承造成的摩擦力等)。若 將這些損失納入模擬結果加以修正，可以得到相當不錯的結果。

2.1.3 誤差修正

造成模擬誤差的因素主要為葉片的弦長比為有限值，產生之渦流 所造成的能量損失，支撐臂造成的能量損失與摩擦損失等的修正方式 將依序介紹於下。

(1) 翼端渦流損失修正項

依照 Kirke[17]中所提及的方法，可藉由下式對葉片所產生之升 阻力進行修正

AR 1 a C C

0 L L_AR





 ^

(2.2)

AR C_{D_I} C^L_AR



 (2.3)

其中

、 C

分別為無限長與弦長比為

時之升力係數，而 C

30

為誘發阻力係數、

為升力曲線斜率(約為 1.9  )。由此可得無限長之 葉片升力係數約為實際的 1.26 倍，所產生的誘發阻力係數約為升力 係數的 0.07 倍，由於升力型垂直軸風力發電機主要由葉片產生之升 力驅動運轉，阻力則是給予發電機一反向力量，故推估模擬的結果約 略會比實際結果高約 1.2 倍左右。

(2) 支撐臂損失修正項

由於模擬對象所使用的支撐臂為平板，在運轉期間產生的阻力，

造成相當的能量損失。若將支撐臂沿徑向分成數段，且忽略流體沿該 方向的運動，則藉由圖 2-6 所示的速度三角形，可求得流體相對於該 段支撐臂的正向速度為

 

 

ij g

rel V V R V

V  i  cos





 (2.4) 其中

為入口風速。

進而求得其雷諾數，再配合圖 2-7[18]找出相對應的阻力係數

以得到其產生之阻力

arm

2

A

2

1 



ij C V

D ij

 (2.5) 其中

，為該段支撐臂的投影面積。並套入下式以求支撐臂 在該角度位置下的扭力損失為







i i ij

j D r

T

1

(2.6)

31

圖 2- 6 流體相對於支撐臂速度之示意圖

圖 2- 7 各種簡單幾何外形之阻力係數圖[18]

32

最後將位在各個角度位置的損失加以平均，即推測出單一支撐臂 所造成之扭力損失





j

Tj

T m

1 (2.7)

(3) 摩擦損失修正項

Chua[15]在實驗中所使用風力發電機的慣量相當小，整個轉子部 份不到 1 公斤，故軸承的摩擦所造成之影響相當小，以周速比等於 2 為例，僅造成

減少約

，故可忽略不計。

經由上述進行誤差修正後的結果如表 2-4 與圖 2-8 所示，整條效

率曲線都落在量測誤差範圍內(請參考表 2-5)，證實本文所建立之數

值模型能夠確實且有效的模擬預測垂直軸風力發電機的氣動表現。

33 0

0.01 0.02 0.03 0.04 0.05

1 1.5 2 2.5 3

TSR

Torque Coefficient

原始模擬值 修正模擬值 實驗值

(a) 輸出扭力係數與周速比之關係

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14

1 1.5 2 2.5 3

TSR

Power Coefficient

原始模擬值 修正模擬值 實驗值

(b) 輸出功率係數與周速比之關係

圖 2- 8 修正後數値驗證模擬值與實驗結果比較

34

表 2- 4 修正後之輸出扭力係數的模擬值

TSR 1 2 2.5 3

有限長葉片修正 0.002 0.032 0.037 0.015

支撐臂修正 0.00062 0.0039 0.0057 0.0079

修正後模擬值 0.00137 0.028 0.031 0.0075

誤差(%) -2.13 18.75 20.38 -31.18

表 2- 5 測量誤差評估[16]

誤差 上限(％) 下限(％)

CT

＋29 －23

CP

＋42 －28

35

2.2 實驗平台之設計

實驗平台之設計是根據本計劃所關切的重要參數，決定所需量 測的物理量及測量儀器，並依此設計出一具有高適應性、架設方便，

且各個儀器可同時執行測量動作而不會互相干涉的實驗平台，同時此 平台可容許測試之風力機輕易變更重要參數，實驗平台的配件如下：

(1) Pitot Tube：置於風力發電機的上、下游兩處，將架設在有滑 軌的支架上，以減少移動時所需之時間。

(2) 壓力轉換計：為能及時紀錄 Pitot Tube 所量得之壓力，使用 壓力轉換計將壓力值轉為電子訊號傳入終端電腦，進行記錄 與計算之工作。

(3) 轉速計：藉以測量風力發電機之轉速。

(4) 扭力轉換計：藉以測量風力發電機的轉矩大小。

(5) 加速規：用以測量風力發電機在靜止以及轉動時的振動情 況，可配合音槌使用。

(6) 音槌：配合加速規使用，可得風力發電機的動態結構特性。

(7) 噪音計：用以量測風力發電機運作時的噪音值

(8) FFT 機器：用以處理及紀錄藉由(5)、(6)、(7)三項儀器所得

之振動資料，以了解風力發電機的動態結構與所產生噪音

的特性。

36

上述儀器所測得之資料都將以電子訊號的方式傳給終端電腦，以供後 續做儲存與進一步處理分析，詳見圖 2-9 及圖 2-10。

3. 原型機之設計

由於 H-type 風力發電機的葉片為長直形，幾何外型較為單純，

容易作簡化的動作，分析起來也較為簡單，同時其構造十分堅固，非 常適合大型化的應用（如 10KW 之機型）故本計畫是以直徑為 2m、

高 2m、葉片弦長為 0.1m 的 H-type 風力發電機為原型機的基本型，

來執行多項數值模擬與設計作業。

且利用數值模擬平台針對數種不同葉片翼形，但尺寸與操作條件 均相同的 H Type 風力發電機執行氣動表現的系列模擬，來挑選出氣 動表現優異的適用葉片翼形；同時對不同葉片外形的垂直軸風力發電 機作振動結構模擬，最後找出各類葉片外形的自然頻率與振動特性，

來提供機構設計之參考基礎，並避免選用在操作時會產生共振或結構

特性不適合使用的葉片外形，實驗的流程圖如圖 2-11。

37

(a) 發電裝置示意圖

(b) 實驗平台示意圖

圖 2- 9 風力發電機實驗平台示意圖

38

圖 2- 10 風力發電機之整體設計圖

39

圖 2- 11 風力發電機之設計與改良流程圖

第一年設計工作項目 第二年改良設計工作

40

第三章 第二年之計劃實施成果

計畫執行的第二年，其工作流程如圖 3-1 所示。本期進行了實驗 平台實際製作、建立與架設，以及改良風力機設計的工作(詳見圖 3-1)，同時多方面收尋小型發電機系統的資料，並評估其性能，從中 找出效率較高之發電設備，配合所設計的原型機建立起整個風力發電 系統；並依照改良設計後的原型機繪製各種加工圖與加工規則，自行 製造了全尺寸原型機/縮小尺寸原型機與不同實驗參數所需之零件。

另外，為了能了解所設計之原型機的實際使用狀況，必須進行全尺寸 現場測試，因此吾人也必須找尋一可提供風速大且穩定的測試場所，

並對該場地風速與風向作測量與資料收集，以更進一步了解該場地的 風能資訊，第二年相關之執行項目與成果詳述如下。

3.1 研究流程

(I) 實驗平台實際製作、建立與架設

針對在第一年完成設計的實驗平台所需之零件，繪製種加工圖

與加工規範，並結合各項資源(自行加工或部分委外)完成各種組件

製作，最後進行組裝、試車等工作以架設起整個實驗平台，供風力

發電機作實際測試之工作。此階段目前已順利完成，如圖3-2 所示。

41

圖 3- 1 第二年工作流程圖

42

圖 3- 2 實驗平台實體完成圖

圖 3- 3 數值模型之邊界設定與幾何示意圖

43

(II) 原形機之改良設計

利用模擬平台模擬不同葉片數、葉片弦長與葉片安裝角等參 數組合下，風力發電機的氣動表現，與模擬不同轉軸尺寸(如長度與 半徑等參數)、材質與吸震材料之使用下，風力發電機的結構特性，

並依模擬結果提出關於各個參數之間該如何搭配之建議。最後依原 型機設計之模擬分析經驗與結論，提出了一可達預定目標的風力發 電機設計。在此年度藉由第一年的結果作改良，進而設計出一新型 垂直軸風力發電機，並針對其氣體動力模擬部分加以分析研究，圖 3-3 為典型的數值模型之邊界設定與幾何示意圖。

(III) 發電機系統建構

目前小型發電機系統技術已相當成熟，市面上以已有數個供應

來源，研究小組將多方面收尋資料與評估性能，從中找出效率較高

之發電設備，並配合所設計的原型機建立起整個風力發電系統。並

初步評估發電機(Generator)之效率約在85％上下，應足以提供本計

劃研發風力發電機之使用；而最後採用的為新高能源科技公司所提

供 1kW 之發電機，其效率可達到9成以上，如圖3-4為發電機實際

量測之情況。

44

(IV) 原型機之製造

依照原型機的設計繪製各種加工圖與加工規則，自行製造全 尺寸原型機/縮小尺寸的原型機與不同實驗參數所需之零件，唯部 分難以加工之零件將委外製作。圖 3-5 為新型風力發電機的葉片安 裝過程。

(V) 全尺寸現場測試地點尋與觀測

找尋一可提供風速大且穩定的測試場所，並對該場地風速與

風向作測量與資料收集，以更進一步了解該場地的風能資訊。目

前已選定本校(台灣科技大學)國際大樓之屋頂，為全尺寸現場測試

地點，而該階段也於第二年順利達成。圖 3-6 為全尺寸現場之測試

地點。

45

圖 3- 4 發電機實測圖

圖 3- 5 新型風力發電機葉片安裝

圖 3- 6 國立台灣科技大學國際大樓屋頂

46

3.2 研究成果

第二年研究主要為實驗平台實際製作、建立與架設，以及改良風 力機設計的工作，並找出效率較高之發電機設備，配合所設計的原型 機建立起整個風力發電系統。

本研究亦應用有限元素套裝軟體 ANSYS 進行新型垂直軸風車 原型，進行模擬在各種風速下運轉，相關結構的應力反應與其安全係 數分析，藉此評估原型機之可靠度再予以改良設計。從模擬結果發 現，原型機結構最脆弱的地方為葉片軸，在風速較大的情況下，例如 14m/s 運轉情況或颱風天煞車停機情形，其安全係數皆低於1，為此 吾人針對葉片軸進行設計改善，改善方式為加長葉片轉軸（如圖 3-7），在有限元素模擬中，吾人將葉片軸內的轉軸加長到葉片軸安 全係數小於1 的孔洞之後；結果轉軸孔洞的安全係數落在3 附近，立 即將安全係數提升了不少。雖然這樣的改良必須增加材料，風車軸重 量會增加影響氣動性能，但爲保險起見，本研究選擇這個方法做結構 改善。

另外由主軸的模擬結果得知最大應力會產生在轉動主軸突出固

定主軸的端點，但其安全係數即使在最極端的風速下，如颱風(18m/s)

下其安全係數仍有2，表示主軸基本上是安全無虞的。縱使模擬結果

顯示在10m/s 以上的高風速下結構穩定，不過新型垂直軸風車之運轉

47

風速原本就是設計在10m/s 內，所以為避免高速風對風車結構帶來不

良的影響，或產生一些意外，只要風速超過10m/s，吾人即會利用固

定主軸與實驗平台間設計的轉動機構，將風車倒下停止運轉，以避免

意外產生。關於發電機設計部分，最後採用的為新高能源科技公司所

提供 1kW 之發電機，其效率可達到9成以上。

48

圖 3- 7 加長葉片轉軸長度之安全係數分佈（18 米風）

49

第四章 實驗平台裝設及測試

為能夠有效量測風力發電機於大樓屋頂的性能，吾人在此建立一 可拆式風力發電機測試平台。此測試平台不僅在安裝上安全可靠，於 風力發電機的類型及發電機的置換上亦非常的方便，有利於後續研究 的進行。本章節將仔細介紹整體平台的製作及實際測試結果的分析。

4.1 實驗平台搭建之事前工作

4.1.1 屋頂基座搭建

首先於屋頂製作測試平台之基柱，以提供平台搭架作業上有一穩 定的參考及組裝基準。選擇此風力發電機測試平台之位置，考量如下：

1. 台灣東北季風的風向：

此地點為之對面方向無其他大樓的遮蔽，即為無障礙之迎風 向地點。

2. 女兒牆高度：

此地點之女兒牆所造成的流場擾動現象較少，並且在靠近屋

頂的樓層外部有製作遮陽板，亦有阻擋上升氣流的作用，將可使

屋頂的流場更趨於穩定

50

3. 結構承載：

經計算其結構適用吾人所設計之實驗平台。

結合上述三點因素，再配合分析後的位置搭配安全的工作範圍，吾人 選定此位置為實驗平台製作地點。

在裝置風力機下水泥基座的位置上也參考以上結果，如圖 4.1 所 示。平台位置與女兒牆前後的距離為 2m、與左邊女兒牆距離為 1.8m，

水泥基座從屋頂向上算起高度為 0.7m。由於水泥基座（圖 4.2）將承 受最大為 500Kg 的重量，所以在結構上必須非常的強，故在此設計 其鋼筋結構將與大樓鋼筋結構合在一起；同時在水泥基座上預留四顆 螺牙（M14×1.5）桿件，可提供之後平台組裝之基準點。在安全考量 上，吾人設計在屋頂四周加建安全桿（如圖 4.3 所示），拉起纜繩製 作一安全護欄，更提供日後在工作上，工作者穿配扣繩扣緊於安全纜 繩上，以減少工作之危險性。此外，圖中的小型起重機為可拆式，為 方便於日後在搬運大型器材上的使用，實際搭建出來之水泥基座如圖 4.4 所示。

在高度的考量上，根據雜項執照的相關規定，若基柱高度超過 1.5m 必須另外進行申請，其程序相當費時費工；故吾人在此將基柱 高度設為 1.5m，並且當非量測時，會將其風力發電整體結構往下降，

以合乎相關政策規定。

51

（a） 上視圖

（b） 側視圖

圖 4- 1 實驗平台水泥基座位置圖

52

圖 4- 2 水泥基座設計圖

53

(a) 安全立桿

(b) 安全立桿連結外觀

圖 4- 3 安全桿與安全纜繩搭建

54

(a) 鋼筋結構

(b) 水泥基座（未上防水）

圖 4- 4 水泥基座實體搭建

55

(c) 水泥基座

(d) 水泥基座上之螺絲

圖 4-4 水泥基座實體搭建（續）

56

4.1.2 避雷設備之搭建

為考量到工作時的安全以及在測試風力發電機性能時對風車與 實驗平台的保護，另外架設一避雷設備，已確保安全，此節小將對避 雷設備做一簡單之說明。

風力發電機組在自然環境下工作，不可避免會受到自然災害的影 響，由於現在科學技術的迅速發展，風力發電的單機容量也愈來愈 大，為了吸收更多的能量，其裝置的高度也隨之增高；相對的，也增 加了被雷擊的風險，雷擊成了自然界中對風力發電機組安全營運危害 最大的一種災害。民國九十七年九月在新竹香山的六座發電機組中，

有兩組就曾在當時遭受過雷擊；在國外亦有類似的事件發生，如中國 紅海灣風電廠，就有發生過多起雷擊事件，為了降低自然災害帶來的 損失，並做出有效防範，避雷針的裝置必為一重要課題。

避雷針的工作原理是使電流經由接地引線及接地電極放入大地 消耗能量。而避雷針的保護範圍相當重要，其保護角應涵蓋需保護對 象內之人員及建築物的安全保護，但即使如此，仍無法保護其保護範 圍內的電子電力設備，故在保護範圍內之電力電子設備仍須裝設避雷 器。避雷器的功能為防止電流侵入電力電子設備，將雷能量導出並予 以消耗吸收。

完整的避雷系統必須考慮到直流電以及感應電的防護，如加以細

57

分的話，則由以下六點保護計畫組成：

1. 將雷電攔截到最佳和已知的點，亦即避雷針。

2. 以安全的方法，經由特別設計下的導體，將雷電傳送到大地。

3. 將雷電的能量，以產生最小接地電位昇的方式，發散到大地。

4. 消除接地迴路，建立接地系統等電位。

5. 保護所有設備，以防止來自電力線之突波和暫態造成設備之破 壞和當機之損失。

6. 保護所有設備，以防止來自電信和信號線路之突波和暫態造成 設備破壞或當機。

若上述六點徹底執行，必可保護其保護圈內的人員、儀器等等的 安全，上述六點保護計劃之前三項即為建築物之直接雷保護，有關避 雷針之保護範圍；依照我國建築技術規則[ i ]規定，採用圓錐體保護，

保護角之計算係採用60º (一般建築物，參見圖4.5)或45º (危險品儲存 場所)。

本研究之避雷設備高約5m（圖4.6），在高度上及包含範圍的評 估，若以建築技術規則來計算，則在風力機的位置可容許之高度在 3.5m左右內為安全高度。加上此實驗平台在主軸的部分為可下降式，

若在天候不佳的情況下，可使整體風車向下降至屋頂地面，以使整體

實驗平台高度下降，在安全評估上又更為可靠。

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圖 4- 5 避雷針之安全範圍示意

圖 4- 6 避雷針實體

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4.1.3 氣象桿設置

為取得在實驗平台位置的風場資料，在此建立一氣象桿於測試平 台之附近（圖 4.7a），以擷取當地之風場資料提供實驗及模擬之氣象 參考依據。在氣象桿的組裝上，主要包含有風向標（圖 4.7b）、風速 計（圖 4.7c）、壓力計及溫度計（圖 4.7d），以下介紹這些氣象儀器之 規格。

（1） 風向標

本實驗使用之風向標的型號為 NPG#200P 的風向標，為業界標準 之風向標。其可塑性材質及不銹鋼零件可以抗拒腐蝕性的破壞，並提 供高度的強度重量比（Strength-to-weight ratio） 。其資料是藉由主體內 部的分壓計經直流電傳輸，最後以類比電壓輸出於控制器中擷取風向 資料。

（2） 風速計

本實驗用的風速計為 NRG #SI5100 的風速計，可量測的風速範

圍為 0 m/s 至 44.7 m/s，其輸入訊號範圍為 0 Hz~58 Hz、相對應的風

速為 0m/s ~44.7 m/s、而輸出為直流電。

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（3） 溫度計

使用的溫度計是 NRG #110S，為一耐久度相當好的積體電路的溫 度感應器，並提供高電位壓輸出訊號。其可擷取之溫度範圍為-40℃

到 52.5℃，電壓跟溫度的轉換公式如下：

C Voltage

Temp

 (  55 . 55 )  86 . 38 

（4） 壓力計

壓力計使用的型號為 NRG #BP20，為一絕對壓力感應器並提供 高電位壓輸出訊號，使用為材料為高強度的 PVC 材質。其可量測的 壓力為 15 kPa 至 115 kPa，輸出的訊號為線性類比電壓，壓力與電壓 轉換公式為

55 . 10 ) 79 . 21

(  

 Voltage

in pressure Absolute

以上的裝置將搭配 Labview 來做風場相關資料的擷取，以方便日

後計算周速比及相關風場相關資料的整理，若是持續加以記錄，更可

以針對此地做出一年 4 季的風向及風速的整理，做出一完整的風場玫

瑰圖，可作為日後不同風力機研究的參考資料。

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（a）氣象桿

（b） 風向標

圖 4- 7 氣象測試儀器之實體圖

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（c） 風速計

（d） 溫度計（左）及壓力計（右）

圖 4.7 氣象測試儀器之實體圖（續）

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4.2 實驗平台搭建

在實驗平台搭建主要分為三個項目，一是實驗平台角鐵結構的部 分，主要是設計及建造出一可以安裝發電機及風車的基底機構；二是 關於發電機量測的部分，此部分由台灣科技大學電機系所設計之 300W 永磁盤式無鐵心發電機，與雙層 Savonius 風車的連結方式為直 趨式帶動；三是以 Labview 設計一資料擷取系統，將氣象桿上的各種 感應器及風力發電機之發電參數等類比訊號，轉成數位訊號後傳到電 腦加以紀錄及資料處理。整體實驗平台最大的特色在於有良好的適應 度，即此實驗平台可以配合不同的發電機、主軸、葉片及裝置高度等，

以節省設計及製作新平台所浪費的時間及金錢成本。

4.2.1 角鐵結構設計

角鐵結構設計是以角鐵及鐵板做搭配（圖 4.8a），並進行尺寸裁

斷及鑽孔來組裝，在角鐵的部分有做預留孔的動作，目的是為了日後

在不同尺寸之風車或是發電機的組裝，使其可調整性加大，亦也增加

日後可測試之風力發電機的範圍。在主軸的部分，考量到日後風車組

裝作業的安全性，故將其設計為可下降式的結構（圖 4.8b）；在天候

不佳、需要安裝葉片、或是更換風車樣式

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（a）角鐵結構之示意圖

（b）角鐵結構（主軸下降）

圖 4- 8 實驗平台之角鐵結構

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（c）實體角鐵結構

圖 4.8 實驗平台之角鐵結構（續）