垂直軸風車(1)-基本原理與分類:升力型/阻力型

由於環保的需求與對抗全球暖化,發展再生能源已刻不容緩,其中除太陽能外,以風能最受矚目。而人類為了利用風能而發明了風車(Wind Turbine),距今已有好幾個世紀之久。 風車可以將風能轉變為風車旋轉的機械能,其主軸產生的扭力可以用來驅動負載,例如發電機或抽水幫浦,以作為發電或灌溉之用。風車根據旋轉軸的方向,可以分為水平軸與垂直軸二種:

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水平軸風車-Horizontal Axis Wind Turbine (簡稱HAWT):

此類風車的旋轉軸 平行於地面,外部結構包含塔架,機艙,輪轂,葉片,是最常見的風車形式,水平軸風車的效率很高,可達 0.45 左右,目前風力發電即是以三葉片的水平軸風車為主流。

Horizontal Axis Wind Turbine image

垂直軸風車-Vertical Axis Wind Turbine (簡稱VAWT):

顧名思義,此類風車的旋轉軸垂直於地面,也垂直於風的流向,因為大部份的風是沿著地面吹的。由於垂直軸風車不需要 對風(又稱偏航/Yaw)裝置,來自四面八方的風都可以推動風車旋轉,是其一大特色。垂直軸風車根據運作的原理,可以分為 阻力型,以及 升力型

阻力型風車以薩窩紐風車為代表,是由芬蘭工程師 薩窩紐(Savonius)於 1922 年發明,其構造為兩個半圓筒,分別朝軸心外偏移,由於一面是凸面(阻力小),一面是凹面(阻力大),兩側因風的阻力不同而造成旋轉,這種風車容易啟動但效率低(根據文獻效率約 0.18 左右),因為阻力葉片的轉速慢,通常無法超越風速。阻力型風車雖然效率低,但低速扭力大,常用於抽水或作為啟動升力型垂直軸風車之用。

圖1:薩窩紐(Savonius)阻力型風車

升力型垂直軸風車以 達里厄(Darrieus)風車為代表,是由法國工程師 達里厄(Darrieus)於1926年發明,是以若干個截面形似機翼外形的升力葉片產生的升力,來驅動風車旋轉。常見的 達里厄 風車具有彎曲的葉片,可將葉片所受的離心力轉變成拉伸力,由於造形類似打蛋器也被稱為打蛋型風車。而直線型葉片的 Darrieus 風車也被稱為 H 型轉子風車。

圖2:達里厄(Darrieus)- 打蛋型轉子風車
圖3:達里厄(Darrieus)H 型轉子/直線翼風車

達里厄風車運轉時,葉片的速度可以高於風速好幾倍,因此效率高(可達 0.4左右),但是不容易自行啟動,原因是靜止或低速時葉片的攻角無法維持在適當的範圍,難以產生足夠的升力,因此常見把升力葉片搭配阻力葉片 以提升啟動性,這就是為何常見的達里厄風車,會設計成如圖2的原因。

雖然通常垂直軸風車效率較水平軸為低,但理論上其實差不多,且垂直軸風車可以接受任何方向的風,因此不需要對風機構,且發電機可以安裝在主軸下方,重心較低 也使得結構簡單,更具備在不穩定的氣流中也能運作的特點,因此適合安裝在地形複雜的環境,例如山區,城市中的高樓…等,因此垂直軸風車雖然尚未有大規模成功的商業運轉,但仍具有發展的潛力。


 


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