桃園市第63屆中小學科學展覽會

撓性主軸風力發電

壹、 前言（含研究動機、目的、文獻回顧）

一、研究動機:

目前我國最主要的電力來源是火力發電，但是進行火力發電的燃料燃燒過程會排放廢氣而造成空氣汙染及全球暖化，而且石化燃料的來源有限也造成未來潛在的電力短缺危機。所以本團隊成員於住家附近濱海處，可看到沿岸有許多高高聳立的風力發電機組透過風力而轉動發電，經過大家集思廣益後，我們選定以風力發電為主題進行研討，而彙整出下列常見的主要問題:

(一)台電公司的風力發電機組係大型風力發電，未能妥善運用較小風力發電。

本團隊成員於住家附近濱海處看到的都是大型風力發電機，經常看到風力不足時發電機的葉片並未轉動，所以未能妥善運用較小風力發電。

(二)中大型風力發電設立地點必須遠離住家，並需要大量土地興建風力發電場。

由於中、大型風力發電機會發出龐大的噪音，所以設立地點必須遠離住家，並需要大量土地興建風力發電場，才可以生產比較多的能源。

    基於前述風力能源運用的問題，我們決定發揮創意著手研究是否可以透過相關裝置針對較小風力善運用發電，為了方便聯結多個小型風力發電機的安裝而產生較大電力，本團隊擬針對「撓性主軸風力發電」進行設計、實作及測試，相關研究內容係與本團隊成員於本校的「物理」及「機械製造」等課程[1, 2]所學習的知識與技能相關，而由團隊成員親自動腦設計、動手製作裝置及進行相關測試。

二、研究目的：

   根據上述研究動機，本研究係針對「撓性主軸風力發電」進行設計、實作及測試，希望經由研究後，能達到下列目的:

(一)需能透過風力吹動本作品的風車葉片而帶動撓性主軸轉動發電機發電。   

(二)需能透過聯結多組風車及發電機進行發電。

(三)需能在較小風力下發電。

三、文獻回顧：

    基於前述研究目的，本團隊先蒐集相關資料瞭解風力發電機的種類[3,4]，依照發電機風車旋轉軸的方向，可以分為水平軸與垂直軸二種，其中，垂直軸風車不需要對風裝置，來自四面八方的風都可以推動風車旋轉，故較符合本研究的目的。垂直軸風車根據葉片受力情形又可以區分為阻力型及升力型:(1)阻力型風車以薩窩紐風車為代表，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;(2)升力型風車以達里厄風車為代表，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;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，但是不容易自行啟動。

    因此，本研究係採用垂直軸方式，並分別針對升力型及阻力型葉片進行設計與初步模擬後，再研擬採用撓性主軸聯結多組風車及發電機進行發電

貳、研究設備及器材：

    本研究進行「撓性主軸風力發電」的實作及測試，除使用SolidWorks及Inventor軟體進行作品設計及模擬外，並使用下列設備及器材，如圖1所示，包括:製作風車葉片及相關元件的3D列印機、製作支架的雷射切割機、以及作品測試時使用的鼓風機、三用電表及捲尺。

圖1  本研究之研究設備及器材。

參、研究過程或方法:

一、研究流程圖:

本研究之流程圖如圖2所示。

          圖2 本研究之研究流程圖。

我們先蒐集相關資料研讀討論後，針對擬採用的風車葉片進行設計及模擬，再採買相關零件進行作品的實作，並將作品進行測試及改良，最後再進行作品說明書之撰寫。

前述相關研究內容係與本團隊成員於本校的「物理」及「機械製造」[1-2]所學習的知識與技能相關，而由團隊成員討論規劃、動手製作及進行相關測試。

二、作品設計及模擬

基於前述升力型風車效率高，故本研究原本擬採用此項設計，而透過SolidWorks軟體進行升力式風力風車的設計及流動模擬，如圖3所示。此項流動模擬是為了檢測是否達到所需趨勢，依照白努利定律[5]，流速快則壓力小，流速慢則壓力大，因此產生出升力。因為分析結果並不理想，故放棄採用升力型風車。

圖3 升力型風車的設計及流動模擬。

接續透過SolidWorks軟體進行阻力型風車風車的設計及流動模擬，如圖4所示，從流場分析中可以觀察到，流速與壓力都有符合轉動趨勢。因此，本研究採用此項設計。

圖3 阻力型風車的設計及流動模擬。

三、執行製作

    本研究採購小型阻力型風力發電機，並以該市售發電機為基礎而完成撓性主軸風力發電的設計及製作，且另行設計及製作一支架以便安裝發電機進行測試。支架是使用Inventor軟體進行支架設計設計，如圖4所示，並透過雷射切割機製作元件(如圖1(b))後進行組裝。

         圖4 本作品的支架設計圖。

    繼而本研究採購或自製的發電機安裝在支架上進行測試, 說明如下:

(一) 市售剛性軸風力發電機:如圖5所示，其風車係透過剛性軸帶動右側發電機。

         圖5 市售剛性軸風力發電機。

(二) 市售改裝撓性軸風力發電機:如圖7所示，其風車係改藉由二撓性軸分別帶動左/右二側發電機，其撓性軸安裝方式係在發電機軸上加裝連結軸採過盈配合，為了增加干涉並於發電機軸與連結軸之間加入紙，連結軸材料係「鐵氟龍管」，在鐵氟龍管徑向部份開貫穿孔，使用銷與撓性軸做連結，係將撓性軸放入電機軸中心，將發電軸上的孔與撓性軸的孔對齊，插入銷固定，此連結方式便於更換葉片，又保有足夠強度。撓性軸使用材料為「鍍錫銅線」，銷的材料則為釘書針（鐵）。

圖7 市售改裝撓性軸風力發電機。

(三) 仿市售撓性軸風力發電機:如圖8所示，係將圖7中的葉片改採3D列印，以利後續研發，其風車係藉由二撓性軸分別帶動左/右二側發電機。

圖8 仿市售撓性軸風力發電機。

(四)三葉片串連撓性軸風力發電機: 如圖9所示，係包括二市售葉片及一3D列印，葉片間係藉由撓性軸連接，其風車並藉由二撓性軸分別帶動左/右二側發電機。

圖9 三葉片串連撓性軸風力發電機。

肆、研究結果:

經由上述說明，本研究已經針對採購或自製的發電機安裝在支架上並開啟鼓風機進行發電功率測試,如圖10所示。

圖10風力發電機安裝在支架上進行發電功率測試。

本項測試係在鼓風機固定風速下，改變各風力發電機與鼓風機的距離下量測各發電機的電壓及電流，繼而換算得出發電功率，如圖11所示，說明如下:

一.改用撓性軸後係由二撓性軸分別帶動左/右二側發電機，而市售剛性軸風力發電機帶動右側發電機，故改用撓性軸後之發電功率較大。

二. 市售改裝撓性軸風力發電機與仿市售撓性軸風力發電機二者之發電功率差別不大，顯示採用3D列印的葉片可適用於風力發電。

三.三葉片串連撓性軸風力發電機在較接近鼓風機時(小於30cm)的發電功率最大，在較遠離鼓風機時(大於40cm)的發電功率反而較小，主因推測是因為具有三葉片之故，故在較接近鼓風機時(小於30cm)的大風量足以帶動三葉片而產生較大功率，而在較遠離鼓風機時(大於40cm)的小風量恐較不足以帶動三葉片而致功率較小。

圖11各風力發電機與鼓風機在不同距離下之發電功率。

伍、討論

一、本研究採用「撓性主軸風力發電」有何優勢?

    根據前述測試結果，採用「撓性主軸風力發電」可設計加裝更多組葉片及連接更多發電機，在風量足夠下預期可獲得更大發電功率。

二、本研究採用「撓性主軸風力發電」要如何用於較小風力下發電?

    如前述，「撓性主軸風力發電」可設計加裝更多組葉片及連接更多發電機，故有利於充分應用小風力下發電，另外，可再精進降低風車的重量，而有利於增加發電功率。

陸、結論

    本研究已完成「撓性主軸風力發電」的設計、實作及測試，透過科學性的觀察與紀錄，歸納出下列結論:

    一、採用「撓性主軸風力發電」可設計加裝更多組葉片及連接更多發電機，在風量足夠下可獲得更大發電功率。

    二、本作品中採用3D列印的葉片與市售材質葉片二者之發電功率差別不大，顯示採用3D列印的葉片可適用於風力發電。。

    三、可再精進降低風車的重量，而有利於應用「撓性主軸風力發電」於小風力下發電。

柒、参考文獻資料      

[1] 許信凱、姜智軒，“物理B下冊”，謳馨事業股份有限公司，109年2月出版。

[2] 王千億、王俊傑，“機械製造下冊”，科友圖書股份有限公司，111年6月出版。

[3] 維基百科，“風力發動機”， 111年9月下載於

https://zh.wikipedia.org/zh-tw/風力發動機。

[4] 台達伺服 ezASD 軟體專頁，“垂直軸風車(1)－基本原理與分類：升力型／阻力型”， 111年9月下載於http://smartservo.org/vawt-basic-principle/。

[5] 維基百科，“升力”， 111年9月下載於

https://zh.wikipedia.org/zh-tw/升力。