马格努斯效应垂直轴风车 之特性展示

自从1852年马格努斯效应(Magnus effect)被人们熟知,很自然地便尝试以此来推动风车,以水平轴风车而言,其构造如下图所示,并不难理解,然而,若以垂直轴方式来实现,其圆柱型转子在迎风面与背风面的旋转方向必须相反,扭矩才不会互相抵消,进而推动风车。早期只能利用齿轮连杆的方式来製作,由于结构太过笨重而不易实现。近年来,得益于半导体技术突飞猛进,微控制器与马达驱动技术已逐渐成熟,要实现这个概念已非难事,以下的影片便将此原始概念真实的展现出来 …

以马格努斯效应推动的水平轴风车,如下图所示:以马格努斯效应推动的垂直轴风车,如下方影片示:

优点与缺点

如影片中所展示的,马格努斯效应垂直轴风车起动非常快速,且速度可调整,即使面对强风也能够控制转速或停止。相较于传统的 (Darrieus) 升力型风车难以自起动且强风时不易停止而言,可控性是梦幻级别的。而且,转子的形状只是单纯的圆柱,不像传统风车需具备流线型剖面,因此更易于製造。然而,转子在迎风面与背风面的转向必须相反,因此马达必须不停地变换方向,使得耗电量较大。

改善效率的方法

转子马达耗电较大的问题,必须加以解决,主要手段为:

  1. 减轻转子的惯量 利用轻质的材料或做成中空充气的构造,使惯量减轻,以降低马达的起动电流。
  2. 选用低速大扭力的马达 宽而扁或外转子,低 KV 值的马达可以有更大的起动扭力且较为省电。
  3. 回收马达减速时的能量,并供应给正在加速的马达使用 利用能量回升技术与共直流母线便可达成,这是马达驱动领域的成熟技术。
  4. 改善转子的升阻比 可增加风车效率,传统为增加长宽比使转子更为细长,并在两端加上端板,本站随后也会提出创新的做法。

经过上述的手段,当超过一定风速时,风车产生的能量便可超过马达的耗能。

视为大马达 而非风车

不一定非得把它视为风车,旋转的圆柱在风中可以产生大扭力[註 1],可直接用来做功,不必经过减速机就能推动负载,用于低洼地区的抽水或许是个有意义的应用,也利用了一部分风能,能够节省电费。转子也能够用来起动达里厄(Darrieus)升力型风车,当风车起动后转子即可停止自转,就不会再消耗能源了,可以参考=> 马格努斯+达里厄混合式风车

Ref. 达里厄(Darrieus)风车的基本特性

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[註 1] 马格努斯效应装置产生的扭力大于传统被动式风车,即使以大扭力着称的阻力型(Savonius)风车也相形失色。


 


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