吳俊諆 副教授

中央大學機械系

目前市面上之小風機於低風速的情況下發電效果並不理想，為有效提升小風機低風速下的集能效率，本文介紹中原大學師生利用該校機械系內的風洞和模擬軟體開發的新型小風機葉片，也連帶說明中原大學投入風力發電的相關議題。 中原大學先前曾參與教育部「大專能源科技人才培育資源中心計畫」，執行"風能科技人才培育資源中心─風力機測試系統之設計與分析"計畫，培育大專能源科技人才，並投入風能相關技術之開發。2018年開始，中原大學參與教育部「潔淨能源系統整合與應用人才培育桃竹苗區域推動中心計畫」，於此期間亦參與科技部"人工智慧技術於風力發電預測與操作策略應用暨國際實證合作研究"計畫，以風機系統所需的風速資料與發電預測為出發，開發準確率之人工智慧預報系統，以提供台灣未來再生能源調度與風力機系統操作策略應用，並提高電網穩定、降低風機受陣風環境的危害。現今，在中原大學的實踐場域已發展有小風機的實驗風洞，並備有模擬軟體，以風機為人才培育之主要課題。

風源設備為一低速循環之大氣邊界層風洞（圖1），總體尺寸長寬高5.6 m×1.44 m×2.4 m，剛好可以放置在實驗室中。測試段的截面積為0.8 m×0.8 m，長1.5 m，將欲測之風機設置於此進行實驗，測試段壁面設有多個檢測圓孔，便於使用風速計量測此段風速，並透過兩側透明壁觀察欲測之風機其葉片轉動時的變形及震動之情況。動態扭力傳輸器可量測風機的扭力等，也可在測試段放置煙線觀察流過風機的流場分布型態。中原大學也使用ANSYS-Fluent來進行風機流場的分析與模擬，此軟體具有高效靈活的操作介面、與電腦輔助設計軟體聯結，以及幾何結構建模和網格切割的功能。

圖1 風洞測試。

此新型風機葉片有別於多微細長三葉片的傳統設計，採四葉式風機擁有較高的扭矩與較低的啟動風速，且噪音較少，適合架設於風速較低且人口密集的地區，可用來輔助城市照明系統。將加工完成的葉片、輪轂與支撐片組裝成風機（圖2及3）並於風洞進行葉片的風力發電測試隨著改變風速並分析發電量的變化。研發過程也使用ANSYS-Fluent模擬葉片於不同風速時與攻角的關係（圖4）。此設計採用大葉片面積葉片，並且搭配內藏於整流罩內的控制機構，使葉片於不同轉速下有合適的攻角角度，以增加其於不同風速下的集能效率。從此實驗證實於此風機在不同風速下最合適的攻角也不同，因此改變攻角設計是提升小風機發電效率的方法之一。

圖2 小風機組合圖。

圖3 小風機實體。

圖4 使用ANSYS-Fluent模擬小風機流場。