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第六章 機械控制
風力發電系統中完成動能轉變成電能的發電機組裝是一件大事外，風車和發電機的組合如何面對亂亂吹的自然風環境也是個大問題。所有的風力系統都必需經得起風的考驗。因為風一定會亂吹，所所風力系統必需有應付常態運轉外的自我保護系統以應付突發的強烈陣風或強風。因為強風出現的時間飄忽不定，現代社會也不可能找個人或是您自己全天守在風車邊等著應付各種風力狀況。依照墨非定律事情都是在您離開的時候發生的，當然風車猶有過之而無不及。
大型風力系統有伺服馬達、水力馬達或是其它類似功能的機械與電腦程式結合的安全控制系統。大型風力系統的發電量高使用電腦自動控制系統是合乎經濟效益的，而您的小型風力發電系統用這種昂貴又會吃電的電腦控制系統似乎是不切實際，搞不好有時候發出來的電還不夠電腦系統使用咧。小型風力系統的安全可靠運轉問題沒做好可能會變成您的風力系統中費用最高的部份。比如說，突然的一陣強烈陣風您的風車翼片可能斷了、軸承破了、轉軸彎掉、支架倒了、發電機轉子破裂、線圈燒掉等有的沒有的讓您要花錢的事情發生。不要懷疑!!沒搞好一定發生。
總而言之，小型風力發電系統的控制系統要儘可能的簡單、可靠、耐用、實際、便宜。請先在您的大腦中建立一個觀念：
只要會動的元件一定會比較快壞掉或咬死。
只要會振動的，一定會振到掉下來為止。
閃電神出鬼没，沒有做保護早晚被打到。
只要水跑的進去的地方，封的再緊密水也一定會跑進去。
化約主義是搞風車最重要的法則。
所謂風車完美主義是增一個零件太多，少一個零件太少。
好的控制系統促進風車的最大潛能，可以大大的增加風車的風能產出，並且讓風車在任何的天氣狀況下存活。風力條件不良的時候使用停車裝置的做法比較簡單容易，但是若是能使用良性的控制系統，讓風車在多變的天氣條件下發揮最大的產能那會更好。
迎風之術
10kW以下的小型風力發電機，大部份都是利用尾翼設計控制風向。垂直軸式的風車沒有迎風不迎風的問題。少數下風型的水平軸式風車也不需要尾翼。小型上風型的水平軸式風車幾乎都是用尾翼做為迎風方式。
尾翼設計
每一個水平軸式風車都有一個控制左右旋轉(yaw)的軸承設計，目的是讓風自由的水平轉動。通過水平轉軸的垂直線稱為水平轉軸或左右轉軸(yaw axis)。尾翼是在尾桁上的風向標。風向標受風之後推動尾椼，尾桁藉水平轉軸的轉動將風車推向正面迎風。
尾翼要轉動風車的轉動動量(參見附錄公式)受下列參數影響：
水平轉軸摩擦力
風車翼片轉子的空氣動力係數(推力、自轉力..等等)
如果支架沒立好沒有垂直，會使得整座風車的重心傾斜，會發生向下晃動的作用力。
水平轉動動量的計算公式很簡單即尾桁長度乘以風向標受風的力。因此，風向標小則尾桁長度長，風向標大則尾桁長度短。側風對風向標產生的力的計算方式則是風向標的面積乘以風速的平方。詳細的公式參閱附錄的公式。
一些專家所累積的經驗法則是尾桁的長度和單一翼片的長度相當，即風車轉子的半徑，尾翼的中心點則是尾桁的末端。尾翼的固定端看尾翼的強度夠不夠或是採用十字交叉方式固定，增加其強度。
尾翼的面積大小視水平轉動軸及其它支架工程做的夠不夠完好；例如，支架是否垂直或者風車的重心是否位於水平轉軸的中心點上。如果水平轉軸可以轉的很順暢沒什麼阻力則尾翼可以很小。經驗法則的經驗值是：一般尾翼的大小大約是風車葉片轉子面積的1/30(3%)。
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圖6.1、各式各樣的風車尾翼設計
例如：直徑2公尺的風車轉子其轉動時掃過的面積大約是3平方公尺，因此最小的尾翼面積大約是0.1平方公尺。請注意這個尺寸是指發電用的三片式轉速較高的風車為主，如果您的風車是翼帆式有較大的受風面型的風車，您的尾翼就必需要大些。
高瘦形的尾翼的效率比細長形的高，不同造型的影響倒不是頂大的。基本上，造型好不好看是大比較重視的。好吧!!如果您的藝術天份高於對機械精確表現的愛好，您還是發揮您的創意設計一個很炫又很酷的尾翼，不需太在意管機械合理性的完美表現吧!!圖6.1弄了幾個不怎麼樣的尾翼造型供您參考參考。
找塊板材來把它裁成尾翼的造型。使用類似鋁片之類薄片材或金光閃閃的材料的人多留意這類材料的耐久性及強度，不要被風一吹就變形。合板做成的比較耐用，比較”樸拙”。
不要懷疑也不要驚訝，為什麼您風車的尾翼很容易壞掉或是掉下來。因為尾翼必需承受風車的共振和其它風力作用在機械設計上所產生的任何振動。千萬不要低估長期持續不斷的搖擺和振動。突然來一陣的陣風壓力、風車葉片轉子的左右晃動、發電機的嗡嗡動作響聲。這些由風所引發的亂七八糟機械作用力加成起來都作用在尾翼上。因此，小小尾翼的固定一定要永遠的堅固牢靠，不然掉下來就會變的很危險。
大一點的風車使用其它的方法使風車迎風。古老的玉米磨坊風車是使用手動的水平轉向軸控制方式。這種風車的尾翼部份連接著一根指向地面的長桿子，磨工就利用這根子把風車推向最佳迎風面的位置。就算現代時刻，您也可以用一根工地用腳手架的鐵棍夾在原型試驗風車尾翼部充當短時間控制風車轉向的工具。如果風車轉太快面臨失控狀況時，您可以用這桿子將它轉開防止意外發生。很明顯的這種人工操作的工作無聊又煩人，一點都不好玩。而且請操作時特別要小心注意上方的風車，有時候會有東西在操作過程中掉下來。
18世紀時為了解決風車”迎風”的問題，於是乎發明一種便宜的機械裝置。這種裝置是在大風車後面在直角相交的位置裝一個小風車，利用一堆齒輪和皮帶轉水平轉軸使大風車迎風。這種風車尾翼就不是一片平板而是複雜的機械裝置，這種裝動作緩慢但是非常的穩定可靠接近於完美。
現代大型風車大量使用電動或水力驅動方式取代尾翼的轉向功能，所以您看不到大型風車有長尾巴。這種轉向驅動系統是獨立的，它必需在大風車開始轉動後提供能源驅動轉向系統後才能進行轉向。
防止超速及過載
小型風力發電系統裝一台大發電機用於應付超級風等各種風況盡全力無時無刻都要發出最大電能的做法既不經濟也不聰明。但是搞台不夠大的發電機無法概括承受所有風車接收的能量也不太好，因為當風車轉子轉速超過發電機負載時，風車轉子會發生超速、產生強大的離心力、無法忍受的噪音和振動。換言之，您和您的風車的生命都有危險了。如果您的風車直徑超過1公尺，您需要有防止超速的設備。
有一種利用離心力的空氣剎車，它有點像是摩托車油門的節流閥：這種裝置適合短時間運轉使用，長時間作用不太好。這種做法會截取更多的風能使得風車轉子承受更多不必要的力。另一種做法是在第一次接觸時，風車在強風或颱風的時候儘量減少截取到的風能的量以減低風車轉子的負載避免發生超速的問題。
一般常用的有兩種控制系統，利用空氣動力學原理限制風車轉子截取的風能：
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圖、離心力控制的翼片轉動減少風阻的機械原理
偏向側風型：
此種裝置是將整座風車利用水平軸轉動的方式，讓風車葉片轉子以側面對著風，而不以正面迎風。風車葉片轉子側面迎風很明顯的降低風剖面，同時也減少了風能的截取量。翼片控制型：
此型的控制的方式不轉動整座風車的轉向，而是針對每一翼片進行左右旋轉控制以改變攻角的方式降低升力而達到減少風能截取量的目的。
轉動整座風車的偏向側風型控制系統的優點是構造簡單，缺點是控制的精準度不是很高；但是翼片控制型風車的優點則是反應迅速，缺點是控制系統較複雜。偏向側風型風車在亂流多風向風速變來變去的區域的輸出功率也比較差。相較之下，翼片控制型的反應靈敏快速，但是小型風車因為翼片不大，所以翼片控制系統不容易裝設。另外，翼片控制系統需要一個與動件連接的連接器，這個連接器必需能夠承受作用在翼片上的衝力和動量作用下尚能穩定可靠的進行調整動作。一般這種控制是使用彈簧控制。因為翼片控制型風車大部份是大型風車在用的，本書不多做討論，點到為止。
迎風面的轉離
有一大堆專利設計的防止超速減少迎風面降低轉速的控制系統。例如：自動收帆、自動帆或是鉸鏈型尾翼等等尾翼的安全設計。它們的工作原理都很類似，都是利用風作用在風車轉子上的壓力而動作的。當風速增加時，作用在風車轉子的推力也增加，推力增加到一臨點之後啟動自動帆機制，然後風車的迎風面就轉離。
此時風車是水平轉軸方式偏離以側面迎風或是以翹頭方式讓風車轉子正面朝上減少受風面。兩種方法的結果都是使得風車正面斜著迎風。這個作用降低風車轉子的轉速進而減少功率的輸出。在實際情形下，在不考慮風車轉子迎風角度的條件下，風車的功率輸出取決於轉子的轉軸方向的推力大小。因此，只要能控制推力大小使它保持定值，我們就可以控制風車。
側向自動帆系統之秘技
首先讓我們想像一下風車藉由水平軸轉動的方式使風車轉子以側面迎風的畫面。我們利用風對風車轉子的推力驅動自動帆系統。作用在風車轉子上的推力是在轉軸中心。如果轉子的軸心不位在水平轉軸的中心線上而是有些許的偏移，那麼風的推力也會形成水平軸轉動的作用力，而將風車轉子推向側面迎風(圖6.2)。
當然啦!!在正常的風速情況下，我們可一點都不希望風把風車轉子推成廁面迎風，希望風車轉子正面迎風以截取最大動能。因此，我們可以做一個10%風車轉子掃過面積的大尾翼抵抗偏離的水平轉動作用力。這個尾翼在風車轉子的另一端相反位置以20度攻角的方式安裝。如此，尾翼產生一個互補的作用力扺銷作用在風車轉子上的推力的水平轉動動量。
它的作用原理是當風速增加至額定風速時，此時風車的輸出效率最大。超過這個風速，風車的尾翼必需自動的轉到旁邊，讓風車以水平旋轉方式轉移使風車轉子側向迎風。換言之，尾翼的互補動量必需要有精準的上限，當風的推力造成偏離的水平轉動動量超過這個互補動量(數值)時，尾翼允許風車轉子轉動以側面迎風。
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轉動後側向迎風的風車轉子速度因此而下降、降低了風對軸的推力達到動平衡之後輸出功率降低。您也不需要在此時讓風車同時停下來。偏及把風車推向正面迎風的互補動量範圍，確保作用在風車轉子的推力值維持定值；相對的，在任一的風速下風車的發電輸出是恆定的。
圖6.2、水平轉軸偏向控制系統
大部份尾翼的互補動量值會比設計的比較小一點，使風車的自動帆系統較早動作。這設計的自動帆系統很容易在高風速條件下動作(圖6.3)，使得發電效率直直落。這麼做的好處是比較安全不容易發生超速過載的情形，但是這種設計也不是很穩定。例如：在亂流區，亂流因為尾翼的互補動量小，可能突然一下子就把風車給轉向側向迎風，突然產生強大的廻轉力作用在翼片上，會使得翼片突然承受強大的彎曲作用力，沒搞好片受不了就斷掉了。
自動帆尾翼的製作
風車轉子的偏離水平軸心的位置越遠，尾翼就必需越大才有辦法維持風車轉子正面迎風。經驗法則的建議是最小的偏離距離是風車轉子直徑的4%。例如：直徑2公尺的風車轉子，風車轉子的偏離距離最少要8公分。請特別注意這個現象：
當偏離距離過小時，風車轉子會自己想辦法調整出一個最佳狀況。風車轉子自我調適的方法是在不同風速條件中調整出一個特定尖端速度。這個特定的尖端速度會產生一個自定位動量，這個自定位動量會完全的抵銷控制系統的作用。如果風車轉的偏離距離很小的時候，在特定條件下風車轉子會在沒有尾翼幫忙的情況下，會出現自己水平轉而正面迎風的”靈異現象”喔。
圖6.3、功率與風速的關係圖
比較明顯的尾翼設計是”加重彈簧設計型”，這種設計在風速強推力大於彈簧拉力時，尾翼會摺起來使得互補動量消失促使風轉子轉向側向迎風。彈簧的缺點是容易因為天氣變化和金屬疲勞而損壞，也因為損壞而改變了彈簧本身產生的互補動量。彈簧伸長時，張力增加。彈簧張力亦隨作用半徑(即彈簧到鉸鏈的距離)而變。這一型的控制方式簡單，但是彈簧的作用力不穩定是一大問題。
因此，最好的自動帆尾翼控制系統是利用重力將尾翼拉到固定工作位置產生作用的方式而不是利用彈簧。這種控制系統的設計是尾翼裝設在一個傾斜的鉸鏈上。在正常低風速運轉狀態下，尾翼板是垂直向下的(圖6.4)。
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圖6.4、利用重力操作的自動尾翼偏向操作系統
有時候互補動量會有所變動，原因是尾翼板受風吹而產生左右搖擺的情形。在實際操作上，尾翼亂晃的問題不嚴重尚可忍受。
一個更簡單的設計是使用固定尾翼的風向標，這種設計的尾翼板懸掛在尾桁上的鉸鏈下。這種設計的小缺點是運轉時的精確性差一點，但是抵抗超強颱風的抗性很強。它的抗風原理是翼板與風向正交，當強風來時，整個尾板可以完全的打橫變成與風平行，讓互補動量消失產生水平轉動而使風車轉子側向迎風。
抬頭系統
另一種讓風車轉子不正面迎風的設計是在風車的下方裝一個可以上下轉動的軸承，當強風來時，推力把風車轉子往上推使風車轉子”抬頭”以朝向天空的方式側向迎風(圖6.6)。抬頭控制系統和偏向側風的自帆系統一樣的普遍，沒什麼確切的原因和理由，好像和設計者先前累積經驗有關。抬頭系頭在亂流狀態下會出現一個奇特的廻轉動量的現象。
圖6.5、鉸鏈式(側旗式)尾翼偏向系統
抬頭系統和偏向側風型控制系統一樣，都需要互補動量的設計提供保持風車轉子正面迎風的作用力。通常這個設計是利用風車和發電機本身的重量維持風車正面迎風的狀態。當風的推力增強時，風車被推離中心點使得互補動量消失，促使風車轉子往上抬頭。抬頭過程會出現強風來馬上抬頭沒風了又馬上慢慢的掉回原來位置的動作，會有重覆的往前撞擊的動作。遇到亂流區就慘了，重覆撞擊的動作會一再的重覆。
您可以用條彈簧拉住風車前頭，補償互補動量的損失，但是風車最好還是不要用彈簧比較好。如果您不得不使用彈簧，選條不锈鋼的彈簧，不锈鋼彈簧比較粗而且抗拉力強。使用中，請三不五時檢查是否有金屬疲勞的現象。圖6.7是種需要產生兩種額外互補動量的抬頭控制系統設計。兩種都不錯，但是也有各自的缺點，日本早期設計的風車喜歡用這種控制系統。至於為什麼我也不知道!!參考參考唄!!基本上最後一張圖我是搞不太懂它是怎麼抬頭的。
停機系統
有停機系統設計的風車是會讓大伙兒感到比較心安的。但是，一旦停機系統發揮作用，就表示您的風車錯過了一個發揮作用的機會。風車沒風時不會做功是一件很慘的事；只要有風就一定要讓風全天候的工作發揮最大效能。
好的控制系統必需能夠自動的配合各種不同的風速及風力條件而運行不墜。但是如果發生嚴重的風車轉子不平衡、發電系統失去作用，緊急停機作用就會派上用場。當然，在有風的情形下，要先把風車轉子停下來，才能把它從支架或高塔上御下來。
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圖6.6、彈簧式抬頭偏向控制系統
圖6.7、無彈簧式抬頭偏向控制方法
小型風車很少有機械剎車。在風速不低的時候要把風剎住的剎車要大而且要做的好才能把風車穩穩的停下來。若您想採權宜之計或是折衷辦法的機械剎車，基本上沒什麼大用處。好的風車剎車有三個特性：
一點都不便宜
在風車機艙內佔據空間或是把風車的外型搞的怪模怪樣。
剎車的可靠度需要經過定期維修和不斷的測試。
基於上述三項理由，還是不要裝機械剎車比較好。
剎車開關和加熱器
永磁交流發電機在很低的風速下依然正常的工作的原因是磁通量永遠存在。如果您利用”剎車開關”把交流電電線全連接在一起讓輸出電路變成短路，交流發電機會在線圈和電纜內產生大量的電流。甚至在無電壓銅損失狀況下浪費大量的電力將風車翼片拖住讓它失速。這種剎車開關的剎車方法很有效。
剎車開關是防止風車不當啟動的好方法。但是這個”剎車”的好方法不見得是把風車”停住”的好方法。這種剎車方式有兩個問題：
有一些發電機在滿載發電時剎車開關在開(on)狀態時產生的扭力只比關(off)狀態增加一點點，根本剎不住。原因是發電機本身受到發電機內部感抗限制了自己的電流大小。加掛此類交流發電機的風車使用這種剎車開關裝置是沒有辦法將風車剎住的，除非風速降低至一定的臨界轉速以下剎車才能發揮功用。問題速度降下來還要剎車做什麼?您說是吧!!(註：交流電的電線上接一個適當大小的加熱器並將剎車開關打開可以確保在下一個平靜的風況下將風車停下來。
其它種類的發電機則會在您把電線接在一起產生短路形成剎車開關的時候輸出大量電流，”突然”用力的要把風車停下來。因為突發的作用力太大，對翼片產生難以接受的作用力，有可能因此把風車轉子搞破。
剎車開關如果遇到電纜斷線的電力中斷時，會變的很不可靠。因為負載被移除阻抗消失，致使風車超速。這和沒有接線的剎車開關是相同的錯誤應用方式，因此，剎車開關也不會發生任何作用。
除了上述的缺點外，剎車開關還算是不錯的控制方法，原因是它除了讓您多買一個大一點的開關外，不會再多花您半毛錢。如果您只在把風車立起來升高的時候，裝一個剎車開關是值得的。另外一種做法是接一個加熱器可以很有效的防止風車的超速，而且是一個很不錯的自動開關喔。
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捲揚機械
使用機械剎車裝置停止風車轉動，還不如透過纜線的捲揚機將風車停下來。纜線固定在尾翼或是將風車往後拉讓風車抬頭看天而讓風車停下來。捲纜機械的缺點如下：
如果您要把風車升高時，風車轉子沒有朝天空而朝側邊時，捲線器沒有辦法讓風車停下來。
剎車用的電纜很容易風化腐蝕，需要經常塗油保養防止纜線卡死。
剎車纜線和電力電纜一樣從上頭垂到地面上，這兩種纜線長的很類似常常會因風吹來吹去而打結在一起。
有一招簡單又好用，那就是用電力電纜當做剎車纜線用，您唯一要注意的是不要用力過猛把纜線扯斷就成了。
當然啦!!您錢多時也可以用直流變頻伺服馬達拉纜線或是應用其它種類的剎車。您也可以用汽車雨刷馬達轉動螺栓控制減速桿的方式控制風車。因為種裝置是靠電流大小驅動的，所以可以自動偵測是否轉速超過甚至可以偵測出電池是否已經充飽要斷電。風車的減速和剎車的機械控制大概就這麼幾招，已經被用到不要用了，不過出狀況還是三不五時的發生。
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