第八章 支架
支架和支持塔說簡單很簡單，說複雜也可以寫本專書來介紹。本書是討論小型風車，所以著重重點和精要做介紹，不講的太複雜。
因為風量、密度、風速和風的品質與高度成正比，所以在安全的範圍內，支架越高越好。架在樹叢後面的風車永遠都不會發揮最大潛能。
支架的種類：牽引索及獨立型
大家比較不喜歡有牽引索的支架，它看起來比較醜、繩子拉的遠遠的讓人覺得受到侵入和干擾而且它也比較容易因為被拉扯或锈蝕而毀壞。獨立型的看起來比較好，但是它需要較高的強度使它變的比較重也比較貴。搞到最後，大家還是選擇便宜的牽引索固定的支架，沒有什麼好考慮的，便宜最要緊!!SO…本章只介紹牽引索固定的支架。
圖、風車用的牽引索型支架(tilt-up tower)
要多堅固才夠力?
您必需確定所有的牽引索、勾環、固定錨等等固定用零組件要夠粗壯才承受得起拉力。以下說明如何逐步求得適當的部件尺寸大小。
預估您的結構物在生命周期內需要承受的最大作用力。立支架的作用力和吹颱風是風車會遇到的最差環境條件也是作用力最大的發生時刻。
計算這些作用力如何作用到風車的各個部件上。將作用於風車上的作用力換算成牽引索的張力，您需要應用數學的動量點分析(taking moments about a point)。承受動量的最明顯的點就是支架的基部。牽引索固定的位置也是一個重要的位置。
在計算出安全工作負載數值(safe working load，SWL)和破裂張力後，乘以安全係數5做為決定零組件的規格。如果無法確切知道破裂張力，以安全工作負載的2倍(即荷重檢測負載，proof load)做為強度檢驗的標準。
圖7.1、作用於升降型支架的力
升舉作用力
您可以很輕鬆的就算出風車和支架的重量。把風車連支架豎立起來的過程通常不會太順利。常常會出現一些討厭的副作用使得升舉時比實際的作用力高出2倍。因為升舉過程是動態的作用力，所以您的安全係數要加2倍。
因為支架太多種，本書只介紹斜向上舉式支架。這種支架的特徵是基座有一個鉸鏈可以讓支架很容易的上升和下降。升降用的牽引索穿過輔助起重桿(又稱為台棒，gin pole)的頂部，可以確定升降作業作用力大小所需的操作半徑(圖8.1)。
牽引索的作用半徑大致和輔助起重桿的長度相同。輔助起重桿越長，升降風車和支架所需的拉力就越小。吃力最大的位置是風車和支架平躺在地面的時候，這時候所需的拉力最大(圖8.1)。當它升起來之後，所需的拉力就越小。
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圖8.2、暴風作用在牽引索型支架上的作用力
暴風的超強作用力負載
暴風負載作用在支架上作用力取決於作用於支架的風速和支架的受風面面積。假設最大陣風風速是50m/s (110mph)，則每平方公尺的受風面需承受250公斤的力。
如果此時風車是處在停機或是轉速變慢的情形下，您可以用投影區域計算作用在風車上的推力。如果此時風車是處於偏向迎風的運轉狀態，最大推力就會受到偏向控制系統限制而降低。
作用在牽引索固定的支架的風的推力等於作用在前方牽引索的張力(圖8.2)。
牽引索式的支架最可取的功能是所有的彎曲變形動量都被牽引索分攤掉了。因此，您不需要把支架底部埋到地下。您只需要個墊子防止支架下陷沈到土裏。。
支架作業實作
水管
小型風車最常用的也是簡單的支架是牽引索固定的支架。鋼管加工容易、重量輕利於升舉作業、也很容易的就可以切割、鑽孔和焊接。管材還有一個好處是電纜可以放在管材裏面密封比較安全。資源回收場有很多各式各樣的管材，請善加利用。表8.1告訴您多大的風車需要什麼尺寸的支架材料。
管材的攻牙(螺蚊)部份強度大大的減弱，很容易因受力而折斷，不可忽略這個問題而使用被攻過牙的管材。
有一個很簡單就可以做成水平轉動軸的方法是在小號管材支架的頂部套一個大號的管材就成了。水平轉軸的製作和焊接位置及構造圖在圖8.3，尾翼的軸承則是採用圖6.2的設計。這個設計可以讓電纜直接放到中空管材裏面，尾翼轉軸頂部可以用一個保特瓶蓋子蓋好防止進水。這個支架連接部份的設計很陽春，不過倒是蠻管用的。
發電機的安裝方式取決於使用發電機的種類，但是不管是安裝哪一種發電機都必需有一定的偏離垂直主軸的距離，這樣子自動偏向設計的尾翼控制系統才能運作。
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表8.1、管材直徑與風車轉子半徑的關係
風車轉子直徑
管材直徑俗稱(英制)
真實管材直徑(公制)
1 公尺
1.5吋
48.3 mm
2 公尺
2吋
60.3 mm
3 公尺
4吋
114.3 mm
5公尺
5吋
165.1 mm
圖8.3、用鐵管材料做成的水平轉軸及尾舵轉軸的構造組合圖
表8.2、鋼索規格與負荷
直徑
一般負荷
(SWL)安全負荷
(Proof load)斷裂負荷
(Breaking load)6 mm
400 Kg
800 Kg
2,000 Kg
8 mm
700 Kg
1,400 Kg
3,500 Kg
牽引支架管材時的注意事項：
最上面的牽引索的固定位置儘量接近翼片尖端的位置。其它的牽引索的固定位置則在風車的下方。牽引索越多，支架比較容易調整風車與地面的垂直線。請注意!!因為風車翼片受風的關係會產生向後彎曲的變形，如果您的牽引索太接近翼片，翼片就有可能在運轉時打到牽引索而報廢。
牽引索的地面固定點離中心點越遠越好。半徑大小的牽引索固定方式勢必需要拉的很緊風車才不會晃動，而拉的太緊很容易造成支架彎曲變形的垂直軸線偏離而使風車產生不平衡振動。
為了要讓支架更挺直，在上部牽引索固定位置至基部的中間(6公尺)位置安裝另外一組牽引索。
每一層的牽引索至少要3條，4條的設計對於風車和支架升降作業比較方便。如果您使用比較便宜的線材，6~8條牽引索的設計也行。
牽引索的材質
在臨時的位置設置一公尺直徑的小型風車用纖維做的繩子當牽引索就可以了。藍色的聚丙烯塑膠約便宜又好用。打結要打好，附近不要有牛，牛喜歡咬這種繩子。
圍籬用的鐵絲也是便宜的材料，適用於直徑2.5公尺的風車。圍籬用的鐵絲要用鉗子和其它工具才能作業。
鋼索
鋼索是牽引索的最佳材料，對應付大型風車或是業餘人士都是上上之選。請找個專家協助您準備相關的零件，例如勾環、錨勾等。使用這些零件要計算出它們的匹配強度，確保安全負載。
鋼索的切割有專門的工具，一般供應商會切剪成您要的長度然後在兩頭用C型扣夾裝上一個環眼。您最好只做單邊，在現場作業時再依據實際的長度自己用工具剪斷做環眼。
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圖8.4、鋼索的收尾方式及固定夾的使用方式
在鋼索的尾端做環眼您需要一個環眼嵌環和至少三組固定夾。嵌環放在鋼索環眼的內部防止鋼索變形及保護鋼索。固定夾的用途則是固定鋼索防止環眼鬆脫，固定夾有很多種，功能都差不多(圖8.4)通常用於尾部。
當您壓緊鋼索時，U型扣夾可以把兩條鋼索夾緊，所以U型扣夾一般用在主索上。扣夾的鞍部靠近主索部份。
使用螺絲扣(turnbuckle)或是繫緊螺絲(rigging screw)接緊牽引索(圖8.5)。避免使用開口勾環做為終端連接固定。開口勾環強度較弱有時候會因為張力拉扯彎曲變形或是斷裂或是牽引索滑出勾環而脫落。使用螺絲扣時兩端使用眼型接頭或是鉗口(或者兩者並用)，千萬不要用開口型勾環。
眼型接頭可以很容易的勾環連接。您小心的打開嵌環，就可以直接塞一個嵌環在眼型接頭內。打開嵌環的最好的方法是用扭轉的方式(圖8.5)。
鉗口很好用，塞嵌環或是用螺絲鎖鐵板都很容易(圖8.6)。一片當做定樁的鋼片上，可以連接很多組螺絲扣，每一個螺絲扣可以固定一條牽引索。側索需要用到勾環做額外的調整用。
圖8.5、不同種鋼索連接螺絲扣及繫緊螺絲
圖8.6、鉗口型螺絲扣的實際應用組合
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為了防止人為破壞或是螺絲扣意外的鬆脫，您需要用一條安全索將螺絲扣、眼型接頭、鉗口依圖8.6的方式纒繞。最後將安全索的兩端用固定夾固定在一起，以確保牽引索的接頭斷開時有保護裝置保護風車不致於倒下。
圖、Stud & Jaw型繫緊螺絲在支架主桿上的應用舉例
另一種比較便宜的替代方法是使用電力公司埋電線桿常用的螺絲扣定樁法。定樁法是先在土裏埋一個橫桿當定錨(老外都叫這玩意兒為死人樁)，再用一根露出地面粗鐵條穿過橫桿固定住，鐵桿另一端再和牽引索相連接。鐵棒的頂部車螺紋，放上調整螺絲就可以調整牽引索的位置和鬆緊。
一般用M12號(23號)左右的大螺絲帽用在鐵棒上做為調整牽引索的固定螺絲就可以了，而底部穿過橫桿的鐵棒同樣也用這種螺絲固定後埋入土裏(圖8.7)。
這種做法牽引索不需要用到嵌環。支架頂部也可以用勾環環取代有環眼的牽引索，您可以將牽引索穿過勾環另一端當做對稱張力固定位置。風車的振動可能會使得牽引索磨到支架的管材，因此勾環的裝設及牽引索的拉法要注意一下，不要讓索與支架接觸。
圖8.7、自製可調整的固定樁
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定樁
水泥塊
最簡便的定樁就是一塊埋在土裏的強化水泥。一立方公尺大約有2噸多重，足以承受3公尺直徑以下的風車拉力(注意：此處指一般條件下，使用前您最好還是要以牽引索的半徑距離算一下拉力強度)。水泥樁的做法很簡單，就是先在預定地挖一個洞，然後把水泥倒進去。
在倒完水泥尚未凝固前，請依照圖8.8的做法在上部綁上一些鐵條強化水泥樁，這些鐵條要完全埋在水泥裏，不可露出水泥外，露出在外的鐵條會引起锈蝕而減低強度。
圖8.8、水泥塊做成的固定樁裝設示意圖及商品化固定樁
然後將有環的鐵棒或是鐵板埋入水泥塊中做為牽引索連接點。如果水泥摏要兼做起重機用途，起重用的把手要分開來裝設。連接牽引索的鐵棒的角度要和牽引索一樣朝向支架的中心點。鐵棒的長度也要入水泥塊的中心點內，必要時鐵棒或鐵板底部也可以焊一根橫桿增加抗拉強度。
錨桿支護(rock bolt)
如果您設置風車的位置的地下是岩層，那麼用錨桿支護會比水泥塊便宜又有效。最簡單的錨桿支護是那種外有容器內有環氧樹脂的那種，您只要把它放在岩石孔洞或銑好的洞中，用鐵錘敲進去就成了。您如果怕它的拉力強度不夠就依照2倍安全工作負載檢測就可以知道。一般來說，錨桿支護是很可靠的。
死人樁(dead men)
埋在土裏的物件(死人樁)是很好的固定錨。繩子或是圍籬用的鐵絲不適合用來連接死人樁，原因是這類東西接觸土壤易锈蝕。您需要用厚一點的材料來連接死人樁。一般牽引索是和露出地表的鐵鏈或是螺絲連接。
挖一個洞埋進一根鐵管或是處理過的木頭。深度則取決於計算所得的拉力強度，通常50公分到1公尺深的深度就很夠了。如果您還是不放心拉力強度夠不夠如果您還是不放心拉力強度夠不夠就做一下安全負載測試。
籬巴用的柱子或是其它的棒樁
2.5公尺直徑以下的風車和低牽引索角度的拉法(牽引索半徑大於支架高度)，您可以用簡單的打樁法打樁當做固定錨使用。拉力強度是否足夠全部受制於土壤質地，越鬆的土壤拉力強度越小。
鋅鐵管或是籬巴用的柱子打埋到土裏和牽引索呈一定角度。有勾環的車輪半軸也很適合用來當固定錨。鋼或鐵棒很容易就可以打進深層土壤中做固定樁也不錯。
支架的升舉
可升降的支架是因為底部使用了一個鉸鏈，因此可以比較容易的升降。加裝輔助起重桿可以很輕鬆的將支架上舉(圖8.1)。有一些支架的牽引索要透過輔助起重桿的協助，才不會在中段的部份產生彎曲。
圖8.9是幾種一般常用的鉸鏈式基座設計。別忘了要留一個電纜線的出口。
牽引升降式支架
您需要準備4個固定樁，分別位在正方型的4個角上(圖8.10)。
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圖8.9、鉸鏈式的支架基座
兩個固定側樁和中心鉸鏈成一直線，它的用途是用來支撐輔助起重桿。用來將支架和風車拉起來的固定樁位置稱之為起重樁。風車平放地面位置的固定樁稱為後位樁。
圖8.10、坡向、固定樁、升降風車支架關係圖
如果您所的地面不平有斜度，那麼側樁的海拔高度要一樣。後位樁在山坡上，起重樁在最低的坡面位置。
鉸鏈起重線要直
兩個側樁通過中心點的鉸鏈位置要直三者在位在同一條線上不可偏離。兩個側樁的的海拔高度要一樣，避免傾斜。而且鉸鏈的接頭要和側樁平行，這樣子支架才舉的起來，鉸鏈不要裝錯方向。
這條線如果不夠直，則在升降的過程中，兩條側樁的牽引索會拉的很緊的情形。此時您需要採取下列動作補救：
您需要一條後位牽引索控制支架的方向，防止輔助起重桿不平衡及導致後位固定樁位置晃動。
在降下支架及固定風車之前，必需將調整所有的牽引索到最適拉力平衡狀態。
調整牽引索
首先所有的螺絲扣要先放到最鬆的位置，免得到時候沒得調整。如果有多組牽引索先調整最底部的一組。在支架上放一個水平儀。當底部的支架已經調整到垂直地面，再往上調整較高位置的牽引索f 方向稱之為起重樁檢測就可以了。調整另一組牽引索後也要用水平儀確定支架與地面垂直
圖8.12、手動絞盤(Tirfor type hand wich)的外觀及使用情形
在調整過程中有些繩子需要調緊有些則需要調鬆。這個動需要一次就完全。鬆開繩子的固定夾用手拉緊。當繩子拉到夠緊以及支架已經垂直之後，鎖緊螺絲扣。
不要把牽引索拉太緊，如此會對支架和整個風車系統產生額外的負重。先用手轉螺絲扣，然後再用扳手轉一轉。如果支架沒有垂直地面，以調整螺絲扣的方式將支架校準。先放鬆一個螺絲扣調整後鎖緊，再對另一端螺絲扣做調整。
絞盤和滑輪系統
如果您有額外的預算或錢太多，手提拖拉及吊重機(tirfor type)的手動絞盤是很不錯的選擇。手動絞盤的廠牌很多，功能和構造都大同小異。
手動絞盤用於升降支架是很堅固的，它的動作慢而且安全。手提拖拉及吊重機是一套輕巧及利用控制杆拉動鋼索的搖曳拖吊機器。兩支控制杆-前進杆和後退杆可啟動鋼夾使鋼索拉動重物移動，鋼索向前或後移動須視乎使用哪一支控制杆。
手動絞盤是靠手的力量一次一次的掰動，因此繩子的長度有多長它就可以拉多遠。手動絞盤不錯用，唯一的缺點是很耗時間(圖8.12)。
手動絞盤的尺寸大小很多，每一個安全負重都不太一樣。如果您用到負重不高的絞盤，您可加裝滑輪組提高負重。用滑輪組用滑輪組，繩子就需要更長。
用車子拉
用車子拉抬支架是一個蠻吸引人的方法，車子馬力大拉力強而且大概每個人都有一台，不多花錢就可以應用。車子不像手動絞盤那樣有很好的控制性能，車子拉的快，沒搞好車子會在最後步驟毀掉您的風車，付出更高昂的成本。要用車子拉，請小心!!
車子會造成問題的原因主要是車速過快，下列三項有助於減低車子拉的缺點：
輔助起重桿的長度要增加
用滑輸使繩子的長度增加兩倍以上
低齒輪比的汽車比的汽車，(可以開的很慢的車子啦)。
結尾
第一次看到自己做的風車開始運轉第一次看到自己做的風車開始運轉然後風車把電能灌到電池時的快感是不可言喻的。如果架好時沒風，您就把它當做是個好預兆吧。這是您第一次感受到詭異的風能。當您成功的安裝一台風車發電系統後您會發現風停了好幾周。
希望您讀完本書之後有很爽的感覺以及學到一些您可以用上的新鮮事。本書限於章節及目的本書限於章節及目的，內容有限。欲知詳情就等新書出版吧。
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