可發電葉片應用於混合式垂直軸風力發電系統的數值、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

可發電葉片應用於混合式垂直軸風力發電系統的數值、原 型製造與實驗之整合研究

研究成果報告(精簡版)

計 畫 類 別 ： 個別型

計 畫 編 號 ： NSC 99-2221-E-011-077-

執 行 期 間 ： 99 年 08 月 01 日至 100 年 07 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：陳書榮 碩士班研究生-兼任助理人員：鄭鴻基 博士班研究生-兼任助理人員：張正儒

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 10 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

可發電葉片應用於混合式垂直軸風力發電系統 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 99－2221－E－011－077

執行期間： 99 年 8 月 1 日至 100 年 7 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：陳書榮、鄭鴻基、鄭又嘉

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 7 月 31 日

II

摘  要 

隨著環保意識逐漸抬頭，再生能源的開發也加快腳步，且近年來 人類對於能源的需求變得越來越迫切，現有資源的過度開採與挖掘，

將使得人類賴以生存的現有資源正日趨減少。剩餘的產量恐怕還不夠 應付未來五十年使用，這將造成能源的危機，因為能源供應短缺以及 價格上漲而影響經濟，通常涉及到石油、電力或其他自然資源的短 缺，造成電力的生產價格上漲，使得生產成本增加。從一個消費者的 角度看來，汽車或其他交通工具所使用的石油產品，價格的上漲會降 低消費者的信心以及增加了他們的開銷。

整個計畫擬以三年為期限，目前所執行的第一年計畫已依規劃順 利完成了一些部份，數值模擬分析方面，已完成氣體動力之完整風機 模擬平台；接著在此模擬平台架構下，對舊型風力發電機的葉片翼形 與葉片外形做比較，及做氣體動力模擬分析。另一方面，同步在現有 自動化資料擷取與處理的風力機實驗平台下，架構出可進行最佳功率 控制之機制，將可以用來找出風力發電系統的最佳性能參數組合，綜 合來說，所有預定項目皆已依規劃完成，同時也已超進度完成部分第 二年工作項目。

第二年計畫分兩階段，第一階段以新型/舊型風力葉片做數值模擬

III

評估效能做比較，爾後將其太陽能與兩種葉片做結合比較；目前已完 成該型風力機葉片的建模與初步分析工作，同時已完成新型葉片的設 計圖，正在進行實作雛型機已供進行現場實測其性能，衣現在工作進 展，應能在今年底東北季風期間進行實測，有把握能在明年3月季風 結束前取得足夠測試數據，以供後續與數值分析比對工作。

綜合而言，透過此研究計畫，除了發展出一套新的能量擷取系 統，將風能及光能以新的互補方式及更好的效率來擷取能源外，更可 以經由本計畫的模擬、設計、製造及測試等經驗，不僅可以應用在大 型商用垂直軸風力發電機上，亦可以應用於都市景觀型能源產品上；

加上本研究以低成本開發，未來更可以使用於一般家庭或是偏遠地區 作為綠色能源使用，已達到節能減碳的實際效應。

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

V

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.

VI

目    錄

摘 要 ... I   Abstract ... IV   目 錄 ... VI   圖 索 引 ... IXI  

第一章 緒論 ... 1  

1.1 前言 ... 1

1. 2 風力/太陽能混合型系統簡介 ... 3

1.3 文獻回顧 ... 17

1.4 研究動機與目的 ... 28

1.5 研究方法與執行步驟 ... 29

第二章 本年之計劃實施成果 ... 33  

第三章 數值模擬平台之建立 ... 38  

3.1 氣體動力流場模擬 ... 38

3.2 風車流場分析 ... 44

3.2.1 模擬與實驗之結果比對 ... 44

3.2.2 誤差修正 ... 50

VII

第四章 實驗平台之裝設及測試 ... 56  

4.1 實驗平台搭建之事前工作 ... 56

4.1.1 屋頂基座搭建 ... 56

4.1.2 避雷設備之搭建 ... 63

4.1.3 氣象桿設置 ... 66

4.2 實驗平台搭建 ... 70

4.2.1 角鐵結構設計 ... 70

4.2.2 發電機 ... 73

4.2.3 資料擷取系統 ... 73

4.3 實驗量測與結果分析 ... 76

第五章 現場實驗測試... 81  

5.1 實驗方法與步驟 ... 81

5.2 實驗結果 ... 87

5.2.1 原型風車 ... 87

第六章 風力發電系統最佳功率平台 ... 92  

6.1 原型風車 ... 92

6.2 改型風車 ... 95

6.3 實驗結果分析 ... 102

VIII

6.3.1 葉片數 ... 104

6.3.2 半徑 ... 104

第七章 計劃之成果與結論彙整 ... 106  

7.1 計劃之成果 ... 106

7.1.1 流場數值模擬平台之建立 ... 106

7.1.2 實驗平台之裝設及測試 ... 106

7.1.3 現場實驗測試 ... 107

7.1.4 最佳功率平台 ... 108

7.2 未來規劃 ... 108

第八章 計畫成果自評... 111  

參考文獻 ... 114  

IX

圖    索    引

圖 1- 1 風力/太陽能混合型系統之應用實例 ... 6

圖 1- 2 獨立型之風力/太陽能混合系統的架構 ... 7

圖 1- 3 風力發電機示意圖 ... 8

圖 1- 4 垂直軸風力發電機 ... 9

圖 1- 5 太陽能電池之種類與效率 ... 15

圖 1- 6 可撓曲的薄膜太陽能電池 ... 16

圖 1- 7 太陽電池之發電原理 ... 16

圖 1- 8 M

S

數值模型示意圖 ... 21

圖 1- 9 B

與 S

等之實驗裝置 ... 22

圖 1- 10 風力發電機葉片外型比較 ... 23

圖 1- 11 半導體能寬帶的轉換效能關係圖 ... 26

圖 1- 12 材質顆粒與太陽能效率圖 ... 27

圖 1- 13 過去與未來預測太陽能材質效能圖 ... 27

圖 2- 1 風車測試平台之系統架構 ... 34

圖 2- 2 第一年之工作流程圖 ... 35

圖 3- 1 台灣科技大學的國際大樓屋頂 ... 40

圖 3- 2 風力發電機之實際裝置地點 ... 41

X

圖 3- 3 大樓模擬之計算區域與網格分佈 ... 42

圖 3- 4 實際裝置地點之流場分佈 ... 43

圖 3- 5 實際裝置地點與參考資料之距屋頂高度-風速比較 ... 43

圖 3- 6 驗證之風力發電機示意圖 ... 46

圖 3- 7 驗證案例之計算區域與轉子部份的網格分佈 ... 47

圖 3- 8 驗證案例之模擬與實驗結果比較 ... 49

圖 3- 9 流體相對於支撐臂速度之示意圖 ... 52

圖 3- 10 各種簡單幾何外形之阻力係數圖[17] ... 52

圖 3- 11 修正後數値驗證模擬值與實驗結果比較 ... 54

圖 4- 1 實驗平台水泥基座位置圖 ... 58

圖 4- 2 水泥基座設計圖 ... 59

圖 4- 3 安全桿與安全纜繩搭建 ... 60

圖 4- 4 水泥基座實體搭建 ... 61

圖 4- 5 避雷針之安全範圍示意 ... 65

圖 4- 6 避雷針實體 ... 65

圖 4- 7 氣象測試儀器之實體圖 ... 68

圖 4- 8 實驗平台之角鐵結構 ... 71

圖 4- 9 額定轉速 300 之 300W 發電機 ... 74

圖 4- 10 發電機轉速對電壓之關係 ... 79

XI

圖 4- 11 不同阻抗下轉速對電壓之關係 ... 79

圖 4- 12 不同阻抗下周速比對輸出功率係數之關係 ... 80

圖 5- 1 風力發電機轉速與輸出功率特性曲線圖 ... 82

圖 5- 2 實驗步驟流程圖 ... 84

圖 5- 3 發電機轉速對電壓實驗值 ... 86

圖 5- 4 半徑 1 公尺原型風車之實驗曲線 ... 90

圖 5- 5 半徑 1 公尺原型風車之氣動性能 ... 91

圖 6- 1 半徑 2 公尺原型風車之實驗曲線 ... 93

圖 6- 2 半徑 2 公尺原型風車之氣動性能 ... 94

圖 6- 3 改型風車外觀圖 ... 97

圖 6- 4 半徑 1 公尺改型風車之實驗曲線 ... 98

圖 6- 5 半徑 1 公尺改型風車之氣動性能 ... 99

圖 6- 6 半徑 1.5 公尺改型風車之實驗曲線 ... 100

圖 6- 7 半徑 1.5 公尺改型風車之氣動性能 ... 101

圖 6- 8 各風車實驗之性能曲線比較 ... 103

圖 6- 9 半徑與風車效率關係 ... 105

圖 7- 1 第二年計畫之工作流程 ... 110

XII

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 ... 11

表 1- 2 各類垂直軸風力發電機之各項比較 ... 12

表 3- 1 驗證目標之風力機幾何與操作狀況 ... 46

表 3- 2 數値驗證模型之網格分佈 ... 48

表 3- 3 驗證案例之模擬與實驗結果 ... 48

表 3- 4 修正後之輸出扭力係數的模擬值 ... 55

表 3- 5 測量誤差評估 ... 55

表 4- 1 永磁式同步電動機額定規格 ... 75

表 8- 1 可供推廣之研發成果資料表 ... 112

XIII

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   1.1 前言

在哥本哈根登場的「全球氣候變化綱要公約締約國會議」，敲定 在二○一二年到期的京都議定書後，為因應全球暖化的威脅，將大幅 要求世界各國大幅減少排放二氧化碳的總量；而二氧化碳排放量高居 全球第二十二位的台灣，被要求承諾減量的壓力大增。根據國際環境 智庫最新公佈的評比，台灣未來一年在對抗暖化的展望，全球僅排47 名，並較上一年滑落了15名，不但落後我國經濟主要競爭對手南韓，

幾乎要與碳污染大國中國大陸與美國同掛車尾。

由於能源短缺與環境保護意識日漸高漲，再生能源的發展已成為

一重要的研究課題，而風能相較於其它再生能源而言，擁有較高的能

量 轉 換 效 率 與 成 本 優 勢 ， 因 此 受 到 高 度 的 注 目 。 而 由 Danish

WindIndustry Association 得 知 ， 世 界 的 風 能 總 能 量 潛 力 為 1.91 ×

10

W，大約是目前世界總能耗的3倍，如果風能的1%被利用，就可

以減少世界3%的能量消耗；若是將風能之3%實際用於發電，則可以

產生世界總電量的8% ~ 9%，這也是目前在生能源中重要的開發目標

以投資的角度來看，這波節能減碳風潮中，風能、太陽能及生質能這

三大次產業缺一不可，例如美國宣佈將以現金補助計畫取代原有的生

2

產稅收抵免補貼；而中國其風力發電的電力保證買回政策，亦持續推 升當地風力發電產業高度成長，預計此部份將對風能產業有利，未來 風力發電廠商之成長動能是可以期待。

台灣屬海島型國家、地小人稠，工業生產與經濟活動密集又活 絡，因此若是在都市內發展中小型風力發電技術，不但可以不浪費陸 地上的風能資源，更能使台灣的對外能源仰賴度降低。而在太陽能發 電方面，全台的太陽能輻射雖呈分散式分佈，但其能量強度大多不 高，平均每平方公尺不到1000瓦，因此地理位置與土地面積就成為太 陽能蘊藏量的關鍵。同時，能源消耗密度也影響了太陽能的可替代 性，依2000年幾個先進國家公佈的統計結果做比較，以單位國土面積 耗能來說，台灣排名第一，是美國的10倍、日本的近2倍、德國的近3 倍、荷蘭的1.3倍。在地小人稠的環境限制下，台灣要使太陽能具有 舉足輕重的替代性，必須有不同的做法，例如將之與風力發電作互補 性的整合，以形成一完整可靠的混合式替代能源方案。

為了能夠進一步提升小型垂直軸風力發電機的效能，本計畫在主 持研究團隊之以前的風力機成為基礎下，除了將結合不同型式的垂直 軸風力發電機進行最佳化的設計外，更將會採用將風力發電及太陽能 發電合併的新型混合系統；本計畫將研發一套創新的設計建構技術，

將太陽能薄膜塗裝於風力發電機的葉片上，以達到更有效率的利用既

3

有材質，開發出一套可靠且高效能的風/光能混合之發電系統，以下 針對創新的風力/太陽能混合型系統作簡介。

1. 2 風力/太陽能混合型系統簡介

於單一再生能源的使用易受到環境因素影響而無法發揮其作 用，而結合風力及太陽能發電之混合系統，可有效克服風力機在無風 時或太陽能電池在陰天、夜間時無法發電的缺陷；在有風、有太陽的 環境下更可產生加乘的效果，能有效地利用再生能源。一般而言，風 力/太陽能混合型系統是把時風力發電與太陽能電池發電併聯的發電 系統，兩系統產生的電力同時供應負載或蓄電池充電使用，依有/無 與市電網併聯分成市電併聯型(Grid-Connected)和獨立型(Stand-Alone) 兩種。

電併聯型多應用在住宅、辦公大樓、醫院和工廠等用電量較大的 場所，其主要的電力來源以市電為主，以風力太陽能混合系統為輔；

如圖1-1(a)為香港九龍醫院頂樓之太陽能及風力混合的發電系統，最

高可生產約2000瓦能量，可提供幾個病房的用電。而獨立型大都應用

在路燈、灌溉抽水系統等小型用電系統，以及市電網未到達的偏遠地

區使用，如圖1-1(b)為風力太陽能混合型LED路燈。

4

於本計劃將研發建置的系統為獨立型，所以在此針對獨立型做詳 細介紹，圖1-2所示為獨立型風力太陽能混合系統架構。如圖所示，

獨立型風力太陽能混合系統主要是由風力發電機(WindTurbine)、太陽 能電池(Photovoltaic)、充電控制器(Charge Controller)、功率控制器

（Power Conditioner）、蓄電池組(Battery storage)、直/交流轉換器

（Inverter）等所構成。

(一)垂直軸風力發電機

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，如圖1-3(a)所示；而後者之轉軸 與風向相互垂直，如圖1-3(b)所示。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（見表1） ，但具有較低的製造 成本、較可靠的機械結構、體積較小等的好處適合放置於在風速小且 氣流紊亂的都市叢林使用；像是裝設在大樓的屋頂，所以這類的小型 發電系統越來越常見，可提供局部地區自行供電能力，也將成為都市 大樓的新景觀。

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、Darrieus、H Type與之前研究計畫成果所開發新式垂直軸風

5

力發電機。Savonius Type風力發電機的外觀如圖1-4(a)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2-4(b)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，但其起動特性不佳，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

2-4(c)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，唯其結構十分堅固，製造成本低且適合大型

化。而參考先前的研究成果所開發出的新式垂直軸風力發電機如圖

1-4(d)所示，是以平板作為葉片因此當流體流經葉片所造成阻力來推

動風力機所需之力矩，雖然在高風速下效率沒一般升力型高，但具有

高啟動性與高扭力輸出等特性，且葉片呈90度交叉排列因此具有多方

向性擷取風向的功能其效率也較Savonius高，非常適合風力發電機高

扭力輸出快速啟動的特性。

6

(a)九龍醫院頂樓之太陽能/風力混合的發電系統

(b)風力/太陽能 LED 路燈

圖 1- 1 風力/太陽能混合型系統之應用實例

7

圖 1- 2 獨立型之風力/太陽能混合系統的架構

8

(a) 水平軸風力發電機示意圖[1]

(b) 垂直軸風力發電機示意圖(Darrieus type)[12]

圖 1- 3 風力發電機示意圖

9

(a) SavoniusTyp

(b) Darrieus Type

圖 1- 4 垂直軸風力發電機

10

(c) H Type

(d) 新式垂直軸風力發電機

圖 1-4 垂直軸風力發電機(續)

11

表 1- 1 垂直軸風力發電機與水平軸風力發電機的優缺點[1]

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。

12

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。

13

(二)薄膜太陽能電池

由於太陽能取之不盡、用之不竭，加上其發電不會有額外的廢棄 物產生且安全性高，故太陽光發電備受大家期待。太陽能電池發展至 今，仍以單晶矽與多晶矽太陽能電池為主流，而矽基薄膜太陽能電池 (微晶矽與非晶矽)市場亦逐漸成長；除了矽基太陽能電池外，尚有Ⅲ -Ⅴ及Ⅱ-Ⅵ族等無機化合物太陽能電池；不過前者的成本太高，而後 者則有穩定性差及環保問題之考量。對於上述各種無機太陽能電池而 言，有機薄膜太陽能電池(圖1-5a)雖尚未進入市場，卻是國內外相繼 投入研究的重點方向，這類電池雖然目前光電轉換效率較低(圖 1-5b)，不過其製程簡單、成本低廉，且具有透光性、大面積製造及 與可撓式基板相結合(圖1-6)的優點，尤其是可撓性與質輕的特點，非 常適合與本研究團隊目前發展中的新式垂直軸風力發電機，若可將之 貼露在平板式的葉片上發電，如此一來即可形成一混合式的風力/太 陽能發電系統，以加強風力發電機之效能並提供一穩定之電力輸出來 源。

光電半導體的原理是利用光電效應可以將光線的輻射能轉成電

能，其發電原理參見(圖1-7)；首先太陽光照射在太陽電池上，光子穿

透反射防止膜打在P型半導體及N型半導體，將矽原子中的電子激發

出來，而產生電子和電洞對，這些電子和電洞均會受到內建電位的影

14

響，分別被N型及P型半導體吸引，而聚集在兩端。此時外部如果用 電極連接起來，形成一個迴路，這就是太陽電池發電的原理。利用太 陽電池發電是一種可再生的環保發電方式，發電過程中不會產生二氧 化碳等溫室氣體，不會對環境造成污染。對於太陽電池來說最重要的 參數是轉換效率，目前在實驗室所研發的矽基太陽能電池中，單晶矽 電池的最高轉換效率為29%、多晶矽電池為24%、非晶矽為17%。目 前商用的太陽能電池，結晶矽就佔9成以上，為目前太陽能電池的主 流，這是因為過去幾十年的半導體工業之需求，已使的結晶矽技術成 熟化，間接地也降低了生產成本。以下為相關裝置的介紹。

(a)充電控制器：為了保護蓄電池、防止過充電，絕大部分的太陽 能獨立發電系統中均包含了充電控制器。

(b)功率控制器：功率控制器兼具風力發電機最大功率追蹤控制 與充電控制器之功能。

(c)蓄電池：將能量作適當的儲存，以提供在日照不足或無風的情 況下之電力來源。

(d)直交流轉換器：將直流電轉換成交流電，才能供給交流負載

做使用。

15

(a)太陽能電池材料種類

(b)太陽能電池效率

圖 1- 5 太陽能電池之種類與效率

16

圖 1- 6 可撓曲的薄膜太陽能電池

圖 1- 7 太陽電池之發電原理

17

1.3 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，

18

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

19

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，

^

紊流模型便不適用。

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。

20

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。

21

(a) 上視圖

(b) 側視圖

圖 1- 8 Multiple Streamtube 數值模型示意圖

22

(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

23

(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

24

(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

25

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。

26

圖 1- 11 半導體能寬帶的轉換效能關係圖

27

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

28

1.4 研究動機與目的

目前國內小型垂直軸風車產品漸漸發展成熟，已朝應用於一般小 型家庭發電發展，在國內外皆有廠商開發及販售類似系統；其中垂直 軸小型風力發電機非常適合在風速小且氣流紊亂的都市叢林使用，例 如是裝設在大樓的屋頂，因此特別受到研究者的關注。但目前所開發 出的小型垂直軸風車的風能轉換效率大都在20~30%(最高不超過 32%)，並且這些數據皆是在有穩定風速下的風洞得到的，當這些風 車安裝在戶外開放紊亂的風場中，其實際轉換效率也就更差了。同時 大多的安裝戶並無評估風場之風能的專業能力，另一方面業者也是抱 持著有生意做就好的態度，不會為主動為消費者提出專業的評估與建 議;造成所安裝的風車容量不符合風場蘊含之風能，加以戶外的風也 是時有時無，所以風車時常可以看見風車不轉動的情況，使風車成為 昂貴的裝飾品。

如此耗費能源與資源製造的風車卻未能發揮應有的功能，產生更

多的浪費是不符合發展綠色能源的原意，若將其與太陽能板並聯組成

一套混合型風/光能發電系統，則不僅能提高發電量，同時兩者具互

補性質，可以有效改善＂沒風就沒電＂或是＂沒太陽就沒電＂的缺

失；這類的小型發電系統會越來越常見，能有效提供部分地區自行供

電能力，更成為都市住宅大樓的新景觀。但目前的太陽能風力混合系

29

統雖然在風車不轉時，還可藉由太陽電池發電，但體積龐大的太陽能 板在擁擠的都市中更有佔用空間的問題；而由文獻回顧可知道薄膜類 型太陽能電池類型薄如紙、可撓曲特性，使其可以貼覆在風力發電機 之葉面上使用，而其質輕的特性更有機會與風車葉片結合，除了強化 垂直風力發電機之性能外、也不會對風車產生太大的重量影響。

因此本計畫擬將薄膜型太陽能電池貼附在風車葉片上，開發製作 新型太陽能風力混合發電系統，實驗與研究薄膜型太陽能電池在運轉 葉片上的發電表現，以瞭解其與風車葉片結合的可能性。計劃先設計 出一小型之混合式垂直軸風力發電機，接著與薄膜型太陽能電池做出 結合，並以歸納成果後提出一套設計方法為目標；整個計劃擬以三年 為執行期限。

1.5 研究方法與執行步驟

本計劃以三年為執行期限，以結合氣動力理論、動態結構特性理

論、數值模擬、風車製作、太陽能電池選用與實際測試等多方向來進

行，來建造測試和改良一混合型的垂直軸風力發電機，除建造一套系

統化之設計、製造與測試方法之外，並可供業界實務參考之系統化研

發模式為目標；整個計劃大致分為六部份，分別為：

30

（一）風力發電機類型和薄膜太陽能電池之選定

在計畫初期將多方面的參考各類相關文獻(尤其實驗方面的資 料)，將各文獻所提供的訊息，如流場特徵、結構特性、可靠度、數 值模擬模型與其預測結果、實驗方法與結果、實驗資料處裡方法等；

以條列的方式整理，藉以決定風力發電機實際可行之相關尺寸範圍，

以及合適的操作環境等重要參數，其中光電板組裝方式、材料、接合 形式，研究最佳固動方式以保護電池，並找到並改進太陽能電池之線 路安排及固定型式以保護線路，作為相關幾何模型與操作參數的範 圍，在計畫執行期間會持續收集相關文獻，以期減少後期設計所需之 時間。

（二）數值模擬平台之建立

為節省時間與原型試作之成本支出，在計畫初期將以模擬的方式

作為評估風力發電機表現的依據，模擬包含流場與結構振動兩大方

面；經由一系列參數分析之數值結果分析比較，確認初步之較佳化設

計，再進行實體製作與測試工作，以建立起一套可信的模擬模型；本

計劃採用泛用型的數值模擬軟體並且與現有的實驗值做比較，以確立

該模型的可信度。

31

（三）實驗平台之改良

為了節省參數分析實驗所需之時間，將改良原有之實驗平台設計 一可同時測量不同參數且方便不同種型風力機架設之實驗平台，以利 後續一系列之性能測試與驗證需求。

（四）垂直軸風力發電機混合太陽能電池之設計

初期將藉由參考文獻之歸納成果，來配合先前成果中所建立之新 式垂直式風車平台，做為評估與設計之樣品。並建構一套系統化之設 計模式與性能評估程序，以找出相對最佳化設計之垂直風力機參數與 尺寸。之後將選定太陽能電池的類型，研究最佳固動方式貼附葉片 上，再依據不同類型風力機之實驗結果做進一步的設計改良。

（五）實際測試實驗

藉由所改良之實驗平台，規劃一完善能兼顧起動（低風速）與操 作模式（中高風速）下，完整的風力發電機運轉模式的性能分析方式，

對設計之風力/太陽能混合型系統做實際測量，並將實驗數據與模擬 結果做比較。

（六）進一步之性能改善

藉由模擬與實驗的結果對風力發電機做進一步的改善，以期達到

32

強化發電效率之預設目標。

在時程與工作項目之配合上，本計劃實行的第一年，初期是選定 風力發電機之類型，並收集與整理文獻，以及建立完整氣動模擬平台。

在計劃實行的第二年，將利用第一年所分析的結果，將太陽能電 池結合風力發系統之葉片形成一套風力/太陽能混合型系統，並對此 系統做模擬平台的建立與實驗平台的測試，後期將開始比較新型風力 機實驗之工作，並對照其合理性。到了計劃實行的第三年，將新型風 力發電機與太陽能電池作改良，之後對整組風力/太陽能混合型系統 系統做出全尺寸最佳化的動作，並依之前的模擬與實驗結果做出進一 步的結論。並依此為依據，改善出表現符合預期甚至更好的風力/太 陽能混合型系統；最後將本計畫的模擬、設計、製造與測試等經驗，

應用於實務上應用方面，以作為未來實現模組化商業用家庭發電系統 之開發。目前執行的是第一年之工作，即完成選定新型的風力發電機 型式，完整的文獻回顧分析，以及數值模擬平台之建立。現在之進度 除了完成上述之工作外，並已完成新型風力機的設計圖面，已經在作 實體之製作，預期能在東北季風開始(即 10 月中)前完成，並在半年 內(即到明年 3 月底，東北季風結束前)，取得現場之性能測試資料，

以供後續分析工作。

33

第二章 本年之計劃實施成果

本年計畫首先參考先前的研究成果，並藉由所測試的不同垂直風 力發電機(VAWT)之特性了解，確認不同VAWT所組成的混合式風力 發電系統之可能性，以不同型式組合設計出的混合型垂直軸風力發電 機來；並藉由大量的收集太陽能發電相關之文獻，更進一步的了解了 太陽能薄膜電池各種特性，其中包含光電板組裝方式、材料、接合形 式，並考慮材料成本、使用方便性、結構安全性等，研究最佳固定方 式以保護電池，並改進太陽能電池之線路安排及固定型式以保護線 路，作為相關幾何模型與操作參數的範圍。

數值模擬分析方面，將進行建立氣體動力模擬平台的數值模型，

並以參考文獻之依據作為比較的對象，以確立此完整數值模擬平台的

合理性；接著便開始在此模擬平台架構下，對新型垂直軸風力發電機

的葉片數與葉片長度，做氣體動力的模擬分析。另一方面，同步在現

有自動化資料擷取與處理的風力機實驗平台（圖2.1），架構最佳功率

控制機制，除提供快速、可信賴的風場量測資訊外，也能正確地找出

風力發電系統的最佳性能。第一年後半部之研究重點，將比較風車數

值模擬與實驗的對照部分，以期達到兩者預估性能結果吻合；相關工

作流程圖如圖2-2所示。關於數值模擬平台、風力機之設計與最佳化

功率機制以及實驗平台架構的理論、方法與進行步驟詳述於下。

34

圖 2- 1 風車測試平台之系統架構

35

圖 2- 2 第一年之工作流程圖

36

(一) 流場數值模擬平台之建立

完整的風力發電機數值模擬，必須涵蓋流場與風車兩大部分。因 此以下分這兩部分加以介紹。

（a）氣體動力流場模擬

在流場的數值模擬部份，首先針架設風力機的場所建立一模型，

主要目的是為了瞭解該場地之邊界層影響的區域作分析及討論；本研 究將針對國立台灣科技大學國際大樓 14 樓，來研判是否適合設立風 力發電機之場所。

(b)風力機流場分析

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[14]的實驗為目標進行模擬，相關的風力發電機外 型尺寸與操作情形將於第三章做說明。

(二) 實驗平台之裝設及測試

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。

37

(三) 現場實驗測試

由先前的研究發現，新式垂直軸風力發電機非常適合與太陽能搭 配，故測試實驗平台之建置完成後，吾人接著於其上架設多葉片之新 式垂直軸風車做實際風場中的發電性能測試實驗。所得之實驗數據分 別繪製出對應曲線，以便了解風車之氣動特性。並與數學模型作比 較，檢視其趨勢是否符合物理現象，藉此亦可驗證測試平台量測系統 之正確性與可信度。

(四) 風力發電系統最佳功率實驗平台建置

為了往後與太陽能結合，故吾人先找出新式垂直軸風力發電機的

最佳風能功率實驗平台，以利將來能與太陽能做搭配。

38

第三章  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。

3.1 氣體動力流場模擬

在流場的數值模擬部份，首先針架設風力機的場所建立一模型，

主要目的是為了瞭解該場地之邊界層影響的區域作分析及討論；本研 究將針對國立台灣科技大學國際大樓14 樓（後面簡稱IB 大樓）之屋 頂為參考模型（如圖3.1 所示），而在之後的性能實驗亦將風力發電 機架設於此地點。

在開始進行模擬之前，必需針對模擬區域做一詳細的定義，本文

之模擬區域即為實際風力發電機的裝置地點，如圖3.2a 所示；在此

就整體大樓進行流場數值模擬，以瞭解屋頂上的受風情況。首先，將

其物理模型以CAD 軟體畫出（如圖3.2b 所示），且大樓模擬之計算

區域如圖3.3a 所示，發電機安裝位置距離上下邊界約為20 倍屋頂寬

度，上、下游區分別為屋頂寬度之12 與20 倍長；至於網格採用三角

網格為主（圖3.3b），整體網格數為2,931,079 個。由於該流場在秋冬

39

季受東北季風影響，故風向多以東北向為主，因此入口風速位置設為 東北向之主要入風口；同時邊界條件之設定方面，將入口風速設定為 均勻流，且在數值模型的邊界I 設為速度入口。

在模擬設定的部分，參照陳旭彥[34]對大樓流場的模擬設定，假 設為紊流、穩態及不可壓縮流場，且不考慮重力的影響。但在入風條 件設定的部分，因為考量完整建築物之外觀平順的結構，故其速度場 的部分設定為標準風梯度成長曲線[34]；而在本文研究的位置之建築 外觀結構的部分，在樓層間皆有設置遮陽板來阻擋上升氣流對於速度 的加成，且在此僅模擬的大樓12 樓到屋頂的區域，故在入風口設為 均勻流。

IB 大樓之流場分析結果如圖3.4 所示，可以發現在女兒牆後方及 屋頂後方，會產生回流區且流場較不穩定，本文評估此兩區較不適合 裝置風力發電機；如仔細觀察女兒牆後方區域，可看出流場因女兒牆 的出現而產生加速區，集中出現在女兒牆後1 m、高約1.5 m 的位置，

當速度4.5 m/s 的均勻風吹過，在加速區最高之風速可以達到6.7m/s。

由圖中亦可觀察到，由於在大樓的外觀之遮板設計，會有效的阻擋風 沿大樓壁面直接上升的氣流，而使在女兒牆附近向上的加成速度降 低。

比照陳旭彥對U 型大樓的研究[34]，文中對風場的觀測位置為屋

40

頂中央的位置往上算起（圖3.5），在屋頂高1m 至5m 區為因女兒牆 影響區域，而在5m 之後即變為穩定流場；在穩定流場的部分，他所 模擬的平均值約為5.72 m/s，而本研究所得到的值為5.12 m/s，其誤差 約為10%。此處所產生的誤差原因可能是，在本文所模擬的大樓外觀 有遮陽板阻擋上升的氣流，而使得在屋頂上的風速有所下降，但基本 上仍為可以接受的範圍內；故本文將根據此模型進行簡化，以期有效 進行後續含風力發電機的流場運算。

圖 3- 1 台灣科技大學的國際大樓屋頂

41

（a）實際裝置地點

（b）幾何模型

圖 3- 2 風力發電機之實際裝置地點

42

（a）計算區域

（b）網格分佈

圖 3- 3 大樓模擬之計算區域與網格分佈

43

圖 3- 4 實際裝置地點之流場分佈

圖 3- 5 實際裝置地點與參考資料之距屋頂高度-風速比較

44

3.2 風車流場分析

為了建立一套完整的模擬平台，本文先選用 H-type 之風力機來 做為模擬與實驗的驗證工作。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 3-6 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。

3.2.1 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[14]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 3-1 與圖 3-6 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

45

公尺，而操作風速在 4.46m/s 之下。數值模型的網格分佈如表 3-2 與

圖 3-7 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 3-3 與圖 3-8 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

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。

46

圖 3- 6 驗證之風力發電機示意圖 表 3- 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

47

(a) 計算區域網格

(b) 轉子區域網格

圖 3- 7 驗證案例之計算區域與轉子部份的網格分佈

48

表 3- 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 3- 3 驗證案例之模擬與實驗結果

TSR 1 2 2.5 3

模擬值

CT

0.0024 0.041 0.046 0.019

CP

0.0024 0.0818 0.0116 0.0583

實驗值

CT

0.0014 0.024 0.026 0.011

CP

0.0014 0.0480 0.0663 0.0330

49 0

0.01 0.02 0.03 0.04 0.05

1 1.5 2 2.5 3

TSR

T orq ue Co effic ie nt

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

P ow er Co effic ie nt

模擬值 實驗值

(b) 輸出功率係數與周速比之關係

圖 3- 8 驗證案例之模擬與實驗結果比較

50

3.2.2 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[16]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





 ^

(3.2)

AR C_{D_I} C^L_AR



 (3.3) 其中

、 C

分別為無限長與弦長比為

時之升力係數，而 C

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

51

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 3-9 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，其中

為入口風速。

 

 

ij g

rel V V R V

V  i  cos





 (3.4) 進而求得其雷諾數，再配合圖 3-10[17]找出相對應的阻力係數

dij

C

以得到其產生之阻力

arm

2

A

2

1 



ij C V

D ij

(3.5) 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

(3.6)

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 (3.7) (3) 摩擦損失修正項

Chua[14]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 3 . 5  10

，故可忽略不計。

經由上述進行誤差修正後的結果如表 3-4 與圖 3-11 所示，整條效

率曲線都落在量測誤差範圍內(請參考表 3-5)，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。

52

圖 3- 9 流體相對於支撐臂速度之示意圖

圖 3- 10 各種簡單幾何外形之阻力係數圖[17]

53

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 (3.7)

(3) 摩擦損失修正項

Chua[14]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 3 . 5  10

，故可忽略不計。

經由上述進行誤差修正後的結果如表 3-4 與圖 3-11 所示，整條效

率曲線都落在量測誤差範圍內(請參考表 3-5)，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。

54 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 3- 11 修正後數値驗證模擬值與實驗結果比較

55

表 3- 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 3- 5 測量誤差評估[15]

誤差 上限(％) 下限(％)

CT

＋29 －23

CP

＋42 －28

56

第四章 實驗平台之裝設及測試

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

57

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。

58

（a） 上視圖

（b） 側視圖

圖 4- 1 實驗平台水泥基座位置圖

59

圖 4- 2 水泥基座設計圖

60

(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

61

(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

62

(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）