風力技術篇 第三章 風車葉片轉子的設計

30

第三章(2/2)風車葉片轉子的設計

圖、AutoCAD繪製的翼片圖

圖、自製的CNC車床

44

圖3.14、葉片接頭有鉸鏈調整角度設計的下風型風車

因為風車葉片位在支架的後端，風通過支架後將風車車轉子轉動；因此，每轉一圈葉片就損失大部份的推力。鉸鏈連接設計的葉片旋轉過程中持續不斷的前後搖擺產生葉片與轉子基座間的撞擊，因此葉片連接基座部份會斷開或是葉片受不了震動而斷裂飛出去。

活動鉸鏈設計也用在單葉片的風車上，同樣的也有單邊承受重量問題。活動鉸鏈也不適用於上風型風車，因為突如其來的強風會讓活動葉片撞到支架。

另外一種比較特別的下風型轉子設計是所謂的”抗左右搖晃設計(not yawing)”。這種設計很難把尾翼放上去，有的是連尾翼也不採用。這種設計有一種特殊的現象就是在一特定的尖端速度比時，這種下風型風車會反過來變成上風型風車，解釋起來有點困難，但是看到時會覺得很神奇。

垂直軸型風車

原始的垂直軸式風車在圖3.6稍加介紹其工作原理是利用動物牽引連桿所產生的阻力型機械設計。風連計也是採用同樣的原理，其型風車的最大特徵是它的尖端速度比非常的穩定。因為是比較原始的設計，效率低又轉速低，所以沒什麼競爭力。

圖3.15、風車葉片轉子位置不同的風車種類

1 2 3
4567

圖、水平軸(1)上風式、(2)無尾翼下風式。垂直軸(3)Savonious式、(4)Darrieus式、(5)高速H型、(6) Savonious和Darrieus混合型、(7)、Savonious變型

比較有名的垂直軸式風車有Savonius (S)型和Darries(打蛋器)型(圖3.15)。其中低轉速的Savonius (S)型很受到DIY愛好者歡迎。Savonius (S)型風車的啟動扭力大在低風速時很容易轉動，拿來當旋轉廣告牌、屋頂的排風扇等等非常實用。但是，它的動力係數很低而且因為轉的很慢也不利於應用於發電用途。Savonius (S)型的最大動力係數才0.15，比水平軸式風車少了0.3，即能量截取量只有水平風車的1/3。

事實上也有高轉速和高動力係數的升力型的垂直軸式風車。這類風車和水平式風車一樣是利用升力推動風車轉子。

升力型垂直軸式風車運轉也是要具備低(高效率)的阻/升力比值。為了達到這個目標，升力型垂直軸式風車的翼片攻角必需要很小。攻角小升力高風車轉子轉速升高，逆風風速也相對升高，使得攻角要小以避免失速現象的發生。這表示升力型垂直軸式風車有很高的尖端速度比率。高尖端速度比率型的風車葉片設計就一定是葉片少而且翼片很窄的流力型翼片。

圖、古典、創意、藝術、生活、未來…風車轉動著未來

46

圖3.16、垂直軸式風車離心力與升力兩種作用力的方向

高轉速垂直軸式風車的材料疲勞問題

窄翼流線型的高轉速垂直軸式風車的翼片必需承受離心力及升力所造成彎曲壓力，而兩種作用力的方向都是水平方向的力。

早期的高速H型風車轉子離心力和升力都作用在與地面垂直的葉片轉軸上。Darrieus型或是打蛋器型風車的離心力作用利用翼片彎曲成扁楕圓型而將作用力抵消。這種變形可以以用條固定索將其固定，而離心力增加的是張力不會造成彎曲。但是，水平方向來回的推力(升力)持續作用在翼片上。這個強大的作用力強加在翼片上，下場就是承載的基座受不了以及翼片強度不夠產生材料疲勞而斷裂或是軸承破裂。垂直軸式風車在1980年代流行過一陣子，但是高損耗原因使其在巿場上逐漸萎縮。近年來垂直軸式風車因材料科學技術進步以及經驗累積，又有公司推出新型的垂直軸式風車。

水平軸式風車翼片雖然也承受著巨大的水平方向的升力，但是水平軸式風車比較穩定也不會逆轉也因此損壞情形也較垂直軸式風車來的低些。超大型的水平軸式風車會發生重力翻轉問題。這個問題不在本書的討論範圍。

風車葉片轉子風罩

在風車葉片轉子周圍加裝風罩壓迫風進入狹窄的隧道口，提高風速，此種作用稱為”風洞效應”(圖3.17)。加裝風罩是一個相當不錯的設計，因為風罩使得通過風車轉子的風速增加，相對的也使轉速提高。風罩的主意雖然不錯，可是實際施工則有大問題，因為這麼大的風罩除了在施工上有困難之外，它的龐大體積遇到強風時可能無法承受的起。

圖3.17、加裝風罩的風車葉片轉子的風進出示意圖

2004年ENECO公司推出一款加裝風罩的風車設計，看起來很有創意也將風罩功能發揮的很好。它採連續式風罩設計，每一組風罩提升風速1.5~1.8倍，相對的同尺寸的風車的功率輸出提高80%，是一個很不錯的設計(圖)。詳細說明請參考ENECO公司網址： http://www.warp-eneco.com/index.php。同輸出功率其成本遠低於傳統三葉水平風車，而且是採用模組化設計與組裝。

WARP塔及其單元模組

圖、ENECO公司連續式風罩設計的WARP TOWER

有時候風車風罩的設計是利用周圍建築物的特性或是將風罩設計在建築物之內。例如：高受風地區的高塔或是燈塔，可利用砌牆方式將風導向風罩而加以加速，進而達到提高風車發電效能的目標。雖然，理論上是沒有問題的，但是在建築物邊搞個大風罩，它的造價太高、美感不佳甚至很醜、遇到颱風天還可能幫倒忙，SO…可行性實在不高。

結語

能否設計出最棒的風車翼片和最具聰明智慧的風車轉子，唯一受限於人們意想天開的大腦不規則運轉。大部份各式各樣的風車種類大概都已經被人們試過它們的性能和表現了。當然，您可以試試玩玩各種風車和翼片的製作。製作風車最難的是您不在風車上加一些沒用的東西或是添加一些創意想法設計，您會受不了。不管怎麼說上風型、水平軸式、三片流線型翼片、尖端速度6(您所處的台灣地區是否適用尖端速度6，請查閱貴地區的氣象資料)的風車設計大概都會讓您成功的製造出您的風車。

酷到不行!!!

天空之城之空中力發電機!!

人類的想像力和創造力和這台風車一般…