馬格努斯效應垂直軸風車 之特性展示

自從1852年馬格努斯效應(Magnus effect)被人們熟知,很自然地便嘗試以此來推動風車,以水平軸風車而言,其構造如下圖所示,並不難理解,然而,若以垂直軸方式來實現,其圓柱型轉子在迎風面與背風面的旋轉方向必須相反,扭矩才不會互相抵消,進而推動風車。早期只能利用齒輪連桿的方式來製作,由於結構太過笨重而不易實現。近年來,得益於半導體技術突飛猛進,微控制器與馬達驅動技術已逐漸成熟,要實現這個概念已非難事,以下的影片便將此原始概念真實的展現出來 …

以馬格努斯效應推動的水平軸風車,如下圖所示:以馬格努斯效應推動的垂直軸風車,如下方影片示:

優點與缺點

如影片中所展示的,馬格努斯效應垂直軸風車起動非常快速,且速度可調整,即使面對強風也能夠控制轉速或停止。相較於傳統的 (Darrieus) 升力型風車難以自起動且強風時不易停止而言,可控性是夢幻級別的。而且,轉子的形狀只是單純的圓柱,不像傳統風車需具備流線型剖面,因此更易於製造。然而,轉子在迎風面與背風面的轉向必須相反,因此馬達必須不停地變換方向,使得耗電量較大。

改善效率的方法

轉子馬達耗電較大的問題,必須加以解決,主要手段為:

  1. 減輕轉子的慣量 利用輕質的材料或做成中空充氣的構造,使慣量減輕,以降低馬達的起動電流。
  2. 選用低速大扭力的馬達 寬而扁或外轉子,低 KV 值的馬達可以有更大的起動扭力且較為省電。
  3. 回收馬達減速時的能量,並供應給正在加速的馬達使用 利用能量回升技術與共直流母線便可達成,這是馬達驅動領域的成熟技術。
  4. 改善轉子的升阻比 可增加風車效率,傳統為增加長寬比使轉子更為細長,並在兩端加上端板,本站隨後也會提出創新的做法。

經過上述的手段,當超過一定風速時,風車產生的能量便可超過馬達的耗能。

視為大馬達 而非風車

不一定非得把它視為風車,旋轉的圓柱在風中可以產生大扭力[註 1],可直接用來做功,不必經過減速機就能推動負載,用於低窪地區的抽水或許是個有意義的應用,也利用了一部分風能,能夠節省電費。轉子也能夠用來起動 達里厄(Darrieus)風車,當風車起動後轉子即可停止自轉,就不會再消耗能源了,可以參考=>馬格努斯+達里厄混合式風車

Ref. 達里厄(Darrieus)風車的基本特性

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[註 1] 馬格努斯效應裝置產生的扭力大於傳統被動式風車,即使以大扭力著稱的阻力型(Savonius)風車也相形失色。


 


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