風力發電葉片與電風扇葉片的不同  

風力發電葉片與電風扇葉片的不同

一、前言

風力發電的葉片做的都很細跟一根棍子似的為什麼呢?為什麼不做成像電風

扇一樣的大又寬的葉片那樣不是更容易被吹動麼? 因為這樣可以獲得更快的轉

速,即使風量沒有很大一樣可以輕易的就開始轉動,要是設計成像電風扇一樣的

葉片那會造成風的阻力很大,葉片容易失去平衡造成結構破壞甚至倒塌。

由能量的角度切入,風力發電機由兩大部份組成,其一為風力機,其二為發電

機,前者主要將風能轉換成機械能,後者主要將機械能轉換成電能,而風力機分

成許多型式,如按葉片轉軸於空間中的方向分類,可分成水平式風力機與垂直式

風力機兩種,如按風推動葉片的方式分類,可分成阻力型風力機與升力型風力

機,而垂直軸風力機阻力型的代表為Savonius 型,升力型的代表為Darrieus 型,

其也被應用於潮流發電。現代風力機逐漸發展成熟,能源轉換技術的提高,花費

效益比(costefficiency ratio)的降低,使 COE(cost of energy)達到經濟的水平,但

多數可達到低花費效益的風力機皆為氣動力效能改善的水平軸風力機,非主流的

Darrieus 型垂直軸風力機正經歷相當大的工程發展,逐漸提高了它的能見度。

二、理論探討

2-1、風力發電的葉片可以是1 片到N

一片轉速最快(如圖一),但因為平衡問題容易損壞;兩片轉速很快,但因轉速及平衡

問題還是容易損壞;三片轉速快,平衡也比較沒問題所以是主流用法;四片以上

轉速就急遽降低,但扭力增加(比較適合高扭力裝置)。

風力發電的葉片越大的話,其製造成本就會越貴,而且風力發電的基座也必須承

受更重的重量,最重要的是必須要有更大的風速才能使之轉動。例如,等直徑的

兩個葉片,一個三個大葉片,另一個是三個小葉片用同等的風速吹,則可以發現

大葉片所產生的能較小,小葉片所產生的能較大,直升機的螺旋槳跟竹蜻蜓都是

基於這樣的想法來設計的。一般風力發電的葉片因為比較小,而且細長,所需要

的風力就不需要那麼大,風力發電機對於扭力的需求並不是那麼的大,風速比較

重要,尤其是瞬間風速,所以會設計成只要一點點風就會轉的葉片。

由於葉片小所以使用發電功率較小的發電機,更容易使葉片轉動,由於大風並不

是無時無刻的,因此小功率的發電機會有更好的效能。

如果將風力發電機的葉片設計成家用電扇那麼大的樣子會產生兩種問題:

A.扇葉太密會對低風速(3m/sec ~15m/sec) 的自然風的流量產生很大阻力, 對提

取系統有效功率的效能大打折扣。

B.此種扇葉會有較大的質量, 旋轉時慣性也會較大, 但自然風力是很不穩定的流

, 如此一來當風速由快轉慢時, 因為慣性較大豈不就變成電風扇。

風力發電機的目的是要由風力中提取能量, 而不是如家用電扇那樣將電能轉移

成風力, 而且電扇的轉速是固定而自然風是很不穩定的 !!所以設計成細長的葉

, 越靠近軸心的葉片面積越大是有道理的 !!風力發電機的葉片越細長, 代表

其設計的相對轉速越快, 大型風力發電機還可以變換扇葉的角度以在不同風速

中提取最大功率轉換。

Snap2  

圖一、單葉片的水平軸風力發電

電風扇起源於1830 年,一個叫詹姆斯·拜倫的美國人從鐘錶的結構中受到啟

發,發明了一種可以固定在天花板上,用發條驅動的機械風扇。這種風扇轉動

扇葉帶來的徐徐涼風使人感到欣喜,但得爬上梯子去上發條,很麻煩。

1872 年,一個叫約瑟夫的法國人又研製出一種靠發條渦輪啟動,用齒輪鏈條裝

置傳動的機械風扇,這個風扇比拜倫發明的機械風扇精緻多了,使用也方便一些。

1880 年,美國人舒樂首次將葉片直接裝在電動機上,再接上電源,葉片飛速轉

動,陣陣涼風撲面而來,這就是世界上第一台電風扇。

100 多年過去了,電風扇一直沒有大的突破。直到近10 年來,電風扇才有了飛

速的發展,設計構思更加巧妙,款式花樣更加豐富,功能也趨向多樣化、時尚化。

2-1-1、為什麼現代風力發電機多是三個葉片?

這裡涉及到一個概念:葉片尖速比,也就是風力發電機葉片尖端速度與正常風速

之間的比值。為了使風力發電機的能量轉化效率係數更高,風機設計中儘量採用

更大的葉尖速比,也就是葉片越少越好;另一方面,葉片越少,葉片的轉速就會

越高,從而切割空氣產生的噪音就會越大[1,2,3,4]

另外,受製造工藝的限制,葉片越少,可靠運行的葉片長度也會越短,從而捕獲

風能的能力也會降低。經過實踐,兩個葉片和三個葉片的風電機可以達到的轉化

效率最高;而三個葉片的設計由於可以顯著的降低噪音、啟動無死角、力學結構

優勢明顯等超過了兩葉片設計的應用(如圖二)[5]

扇葉多寡對轉速的影響  

圖二、扇葉多寡對轉速的影響

2-1-2、為什麼電風扇不適合用來發電?

一般賣場和電器行買到的電風扇,幾乎都是使用交流感應電動機。這種電動機的

線圈置於定子上,線圈除了以電來產生磁場以外,另外產生相差90 度的磁場。

加上交流電的相位交變,讓兩組磁場的合成向量隨著時間改變位置,形成旋轉磁

場。轉子是鐵心外面包覆鋁,本身不帶磁場,也不通電,僅有鐵材的些餘剩磁。

定子的旋轉磁場讓轉子的鋁感應出渦電流,和旋轉磁場產生作用力,進而推動轉

子,讓轉子跟著旋轉磁場旋轉[6,7]

因為是交流電磁感應的原理,故名「交流感應式電動機」。不過也因為是電磁感

應的原理,轉子和旋轉磁場間一定會存在速差,這樣才能持續產生渦電流和作用

力。速差越大,力矩越大,最後會和扇葉的空氣負載達成平衡,維持一定轉速。

所以電風扇當發電機時轉子本身沒有供電,也沒有磁場,僅有鐵材的少許微弱剩

磁。線圈切割磁場才能發電,所以可以想見,發電效率一定是差到不行。而且這

個發電量還跟鐵材的剩磁強度有關,你家的電風扇,和隔壁老王家的電風扇,即

便是同廠牌同型號,發出來的電量也不會是一樣的。

簡言之,電風扇的確是可以發電但因為根本就不是設計來發電的,所以即便是能

發出少許電力,也是少得可憐。別說拿來使用了,搞不好連推動二極體LED

能量都不夠。能發電的是永磁式的電動機,例如玩具車裡面的直流馬達,或是可

利用剩磁的自激式發電機,但這個就扯太遠了,這裡不討論。

電腦的散熱風扇就是無刷馬達,外側轉子是永磁磁極,旋轉轉子會讓內側定子的

線圈切割磁場而生電力,但會是交流電。而且發出電壓若過高,會把風扇內電路

板上的驅動IC 給燒掉,甚至擊穿跑到外面,把主機板燒掉。

我們發現電風扇的葉片並非是一平面,而是一扭轉的曲面,這是因為要更符合流

體力學,讓風力集中更強的設計。

目前普通電風扇的扇葉角度設計的是將空氣往前吹,電風扇在轉動時,扇葉後方

會產生低氣壓,而這低氣壓會使得空氣流向氣壓較高那一方,這也就是為什麼會

在風扇後方感覺到有股"吸力"

電風扇葉片轉動時,葉片的斜角會與空氣產生磨擦,空氣會被「推走」,同時被

推走的空氣會對葉片產生一股作用力。這是牛頓發現的「作用力與反作用力」原

理然而被推走的空氣,就是我們皮膚可以感覺到的「風」[8,9,10]

2-1-3、葉片數量目前普遍看到都是以三片為主

這是因為一片和兩片都因沒有形成一個面而難以平衡。

葉片數愈多,模具愈不好做,良率可能下降,

每一片的機械強度也愈差,相對的塑料就不能用回收料。

如果葉片數量再增加,甚至就必須改用金屬材質了。

因此愈少愈好三片是一個最低可接受的數量。

那為什麼不做偶數片呢?

因為在做動平衡校正時,基數葉片比較容易校正旋轉中心[11]

例如分別改變三個葉片的重量,就可以讓旋轉中心向六個方向移動。

如果是四個葉片,分別改變每一片的重量,只能讓旋轉中心向四個方向移動

(因為相對的兩片兩兩重疊了)

因此,基數片比偶數片更利於做動平衡校正。

2-1-4、無葉片電風扇

但也有不用葉片之電風扇,如「戴森空氣倍增器」這種無葉桌上型電風扇,用的

就是不同於以往傳統的葉片式電風扇:

英國電器商利用擠壓並導引空氣氣流的原理,開發出不用葉片的電風扇,宣稱比

傳統葉片風扇更安全,沒有惱人的葉片旋轉聲,也很容易清理。這台稱為“戴森

空氣倍增器”的電風扇,外形像一隻巨大的指環。它能產生強有力的涼爽空氣,

而且安靜無聲,也比傳統電扇安全。另外,它清洗起來也比傳統電風扇方便得多,

從此不用為清理扇葉上積滿的灰塵發愁了。

這款名為「戴森空氣倍增器」的桌上型風扇,利用位於圓柱形底座的馬達從底部

進氣孔吸入空氣(如圖三),然後將氣流推向上方的氣流導引環,從導引環上一.

三公釐 寬的細縫推送出來,每秒可吹出四百零五公升的宜人涼風,空氣從導引

環往前送出時,會牽引導引環後方和旁邊空氣,讓空氣產生流動。研發人戴森爵

士說,這樣產生的氣流比任何傳統葉片式電風扇都還溫和,而且氣流穩定,不像

葉片式電風扇氣流有「抖振」現象,也不會有葉片旋轉的惱人噪音,而且不用擔

心葉片傷人手指又好清理。

“戴森空氣倍增器”和傳統電風扇一樣,能90 度角擺動。不同的是,它還能通

過人為控制發生燈光變化。戴森爵士是英國最知名的發明家之一。他在發佈會上

表示,他是在發明自動烘手機的時候突然得到靈感。他說,烘手機運作時會吸入

周邊空氣,形成一道氣流「刮過」使用者手上水氣,同樣道理應也能用在電風扇

[12,13]

戴森空氣倍增器原理  

圖三、戴森空氣倍增器原理

無葉片風扇有分10 吋、12 吋兩種桌扇版(如圖四)10 吋的電扇要價300 英鎊(約 台

1 5000 )12 吋則要價330 英鎊(約台幣1 6500 ),近日Dyson 宣佈

也推出AM02 大廈扇(Tower Fan)與AM03 立扇(Pedestal Fan)版本。AM02

高約100 公分,每秒可吸入33 公升空氣、並放大16 倍後吹出;AM03 每秒同樣

可吸入33 公升空氣、放大18 倍後吹出,同時也具 備高度與角度調整以及擺頭

等功能。目前這兩款風扇訂價為美金449.99 元,約合新台幣14,400 元。

各種尺寸的戴森空氣倍增器  

圖四、各種尺寸的戴森空氣倍增器

2-2、無葉片的風力發電

風力渦輪葉片有噪聲,不小心的蝙蝠和鳥也會被殺死,而且風力渦輪機從外觀上

看起來,就知道安裝不是一件輕而易舉的事。紐約有一家設計公司,叫做工作室

DNAAtelier DNA),他們有一個替代方案就是挖溝渠放置葉片支撐風桿(如圖

)。就像香蒲一樣的風桿會發電,因為風會使它們搖擺。

這項設計要求有1203 根「風桿」,每根風桿都是180 英呎高,配套的混凝土基座

33 66 英呎寬。這種碳纖維風桿會以樹脂加固,風桿底部約有一英呎 寬,

向上逐漸變細,到頂部約2 英吋。每個風桿都包含交替層的電極和陶瓷光盤,這

些都是用壓電材料製成,在受到壓力時會產生電流。就風桿來說,風桿在風中搖

動時,光盤就被壓縮,從而產生電荷[14,15]

俯瞰很像孔雀開屏的風桿電場建在阿布扎比市郊,遠處的高樓就是阿布扎比市。  

圖五、俯瞰很像孔雀開屏的風桿電場建在阿布扎比市郊,遠處的高樓就是阿布扎比市。

這個想法的產生,是來自試圖找到天然的動力學模型,能夠用來產生能量,工作

DNA 的創始合夥人達里奧·怒茲-阿蒙尼(Darío Núez-Ameni)解釋是:在馬斯

達的這項提案中,風桿電場跨越28 萬平方英呎。怒茲-阿蒙尼說,初步估計,它

的發電量將相當於一座覆蓋同樣面積的傳統風電場。

每一個基座都略有不同,而且都有些坡度,以便雨水將匯聚到混凝土之間的區

域,這樣有助於植物生長。這些基座構成一種公共的公園空間,但卻具有技術服

務的目的。每一個基座都包含一個扭矩發電機,它把風桿的動能轉換成電能是採

用了一種減振器氣缸,類似於麻省劍橋黎凡特電源公司(Levant Power)開發的

那種。

風並不恆定,所以怒茲-阿蒙尼說,有兩個大型間隔室置於整個風站下部,會像

電池一樣儲存能量。這個想法是基於現有的水力發電蓄能系統。水從上層隔室流

經渦輪機,進入下層隔室,這樣就釋放存儲的能量,直到風又吹起來。

每一根風桿頂端,都有一個LED 指示燈,燈亮就表示風在吹。燈越亮,風越大。

燈不亮,就說明空氣是靜止的。該公司預計,這些風桿會在空氣中自然地運動,

就是振動和搖擺。

「風桿完全是無聲的,它們的景觀有些像我們經常在田野中看到的,就像小麥或

沼澤中的蘆葦。我們希望,生活在它們附近的人會喜歡步行著穿過這片場地,特

別是在夜晚,就可以漫步在風桿營造的群星閃爍的天空下。」怒茲-阿蒙尼說。

完工後,一根風桿的發電量應該會和一個風力渦輪機一樣多,而它們的優勢在

於,發電量會提高,因為有高密度排列的風桿。這樣的密度不可能適合傳統渦輪

機,因為渦輪機的間距必須是轉輪直徑的三倍左右,這是為了避免亂流。但是風

桿的運行就可以利用空氣亂流,所以它們就可以安裝成更緊密地排列在一起。」

怒茲 -阿蒙尼說。

怒茲-阿蒙尼還說,公司目前正在致力於把風桿創意用在水下。這就叫波桿,它

的整個系統將上下翻轉,而發電是利用洋流流動和波浪。該公司的長期的目標是

在美國建立一個大型系統,要麼在陸地上要麼在水裡。

2-3、三葉片扇葉的缺陷

目前市場上的風輪和葉片主要是引進的西方傳統的「三葉片風輪」技術。該技術

雖然是風力發電機的傳統理論,但是隨著風電領域有識之士與專家學者的多年研

究試驗,發現該理論存在很大誤區。「三葉片風輪」技術存在以下錯誤觀念:

其一,由於受前蘇聯(1931)參考直升機螺旋槳製造的一台大型風力發電機的影

響,「三葉片風輪」的設計一直搬用直升機螺旋漿的設計理論為其所用。其實螺

旋漿的機械原理和風輪的機械原理是有本質上的區別的。風輪的設計目的是為了

利用流動的空氣的動能而得到帶動發電機旋轉的機械能;螺旋漿的設計目的是為

了克服地心引力而利用空氣的浮力(如圖六)。風輪本體的運動性質是葉片控制輪軸

旋轉,葉片是主動、輪軸是被動;螺旋槳本體的運動性質是與風輪恰恰相反,是

輪軸控制葉片旋轉,輪軸是主動的,葉片是被動。這兩種機械的設計目的不同,

運動性質截然相反,是不能相提並論的[16]

葉片對風阻的影響  

圖六、葉片對風阻的影響

其二,「三葉片風輪」的葉片幾何形狀不合理,導致葉片本體產生力矩損失嚴重

葉片迎風產生旋轉力矩原理,是一種典型的「重心」在中間的一種「槓桿原理」。

葉片頂部上的點一定是迎風產生力矩的值最大,而根部上的點一定是迎風產生力

矩值最小的,葉頂處的施力是極具利用價值的。所以設計葉片時,在條件允許的

情況下,葉片頂部應設計的儘量寬一些,以便使葉片更有效地利用風能在葉頂部

產生的力矩。因葉片是繞軸旋轉的,所以距離軸心越近的點的運行軌跡周長越

短,距離軸心越遠的點的運行軌跡周長越長。因此,在風輪迎風旋轉時,距離軸

心越近的點的線速度越低,距離軸心越遠的點的線速度越高,根據這種風輪旋轉

時的圓周運動特性,所以說,葉片形狀應該越靠近軸心處越窄,距離軸心越遠處

應該越寬。即葉片每一點的寬度應與這個點的線速度相吻合,葉片頂部越寬其獲

得的風能也將越大,風的利用率也會提高。

「三葉片風輪」的葉片幾何形狀不符合上述原理,其形狀主要是受飛機螺旋槳影

響,飛機螺旋槳根部粗頂部尖細,主要是考慮整個槳葉在旋轉過程中能夠產生平

穩的提升力,防止槳葉切割空氣沿徑向產生大小不一的升力引起震動,損壞槳

葉。而風力發電機風輪葉片獲取動力將動力傳給發電機軸心,不存在平衡升力的

問題。所以,「三葉片風輪」的葉片幾何形狀設計並不符合空氣動力學原理,導

致葉片本體產生力矩損失嚴重,風能利用率低[17]

其三,以「三葉片風輪」為代表的傳統風輪設計,存在誤區,那就是「葉片寬度、

葉片數與轉速成反比」。不可否認,寬葉片與窄葉片相比,寬葉片在旋轉過程當

中產生的阻力較大,但是,同時寬葉片迎風面受風壓力也比窄葉片大。風輪之所

以轉動是因為葉片所受風的正壓力大於風輪旋轉過程中葉片所受阻力,而壓力和

阻力均遵循物理學壓力等於壓強乘以受壓面積,即F=P*SF,葉片所受壓力;P

葉片單位面積所受壓強;S,葉片受壓有效面積)。因為同等條件下風壓不變,

所以葉片受力大小與葉片的有效受壓面積有關。因此,可以看出同等條件下寬葉

片風輪較窄葉片風輪更容易接受和吸收風能,風輪獲得的能量更多,風輪更容易

轉動,轉速更高。同樣道理,相同條件下的風輪,其葉片數不同獲得的風能也將

不同,葉片多則獲取風能更多,風輪更容易啟動,風輪轉速也會更高。

由以上論述可知,「三葉片風輪」為代表的傳統風輪設計中所說的「葉片寬度、

葉片數與轉速成反比」是不正確的,應該成正比才對[18,19]

風輪轉速與哪些因素有直接的關係,根據理論和實驗得出如下結論:

  • 葉片長、厚、重量大、寬,角度大轉速慢。
  • 葉片短、薄、重量輕,窄,角度小轉速快。

2-3-1、葉片長轉速慢,葉片短轉速快

風輪葉片長旋轉時葉尖經過的周長軌跡就長,而葉片短其經過的周長軌跡就短,

而葉片的葉尖速度與風輪轉速有關,風輪葉尖速越快葉尖劃過一週的時間越短,

風輪轉速就越高。葉片是吸收風能帶動輪轂轉動的動力源泉,其被風驅動,速度

在極限情況下與風速相同,不可能超過風速。在風速不變的情況下,假設長葉片

和短葉片葉尖速均與風速相同長葉片葉尖經過的周長比短葉片長,所以其旋轉一

週使用的時間比短葉片要長,其旋轉速度肯定要低於短葉片的旋轉速度。所以,

葉片長風輪轉速慢,葉片短風輪轉速快。

2-3-2、葉片厚轉速慢,葉片薄轉速快

風輪葉片形狀相同,其在相同外界條件下,迎風面所受空氣壓力相同,側壓力相

同,而葉片越厚行進過程中空氣阻力越大,葉片越薄行進過程當中空氣阻力越

小,所以葉片越薄其側壓力與阻力的合力越大,越有利於提高葉片旋轉速度,越

有利於風輪旋轉。所以,葉片厚風輪轉速慢,葉片薄風輪轉速快。

2-3-3、葉片重量大轉速慢,葉片重量輕轉速快

風輪葉片形狀相同,在相同外界條件下,葉片越重風輪需要的啟動風速越高,風

吹動風輪旋轉過程中所要克服的機械部分的摩擦阻力越大,越不利於風輪旋轉,

風輪旋轉越慢;葉片越輕所需克服的阻力越小,風輪旋轉越快。所以,葉片重量

大風輪轉速慢,葉片重量輕風輪轉速快。

2-3-4、葉片寬轉速慢,葉片窄轉速快

風輪直徑相同,葉片寬度不同,其轉速快慢也不一樣。葉片寬風輪旋轉時,旋轉

平面轉動時轉動寬度大不利於減小風阻力,葉片所受阻力大;如果將三個寬葉片

變成六片寬度只有原來葉片一半的葉片,同樣裝到風輪上,風輪迎風面積沒變,

但是風輪旋轉時,旋轉平面轉動寬度變小,有利於減小風阻力,有利於風輪旋轉。

所以,葉片寬風輪轉速慢,葉片窄風輪轉速快。

2-3-5、葉片角度大轉速慢 ,葉片角度小轉速快

風輪直徑相同,葉片形狀大小相同,葉片角度大,其旋轉過程當中所受的空氣阻

力大,不利於風輪轉動,風輪轉速慢;葉片角度小,其旋轉過程當中所受的空氣

阻力小,有利於風輪轉動,風輪轉速快。所以,葉片角度大風輪轉速慢,葉片角

度小風輪轉速快。

2-3-6、葉片角度大側壓力大啟動風速小,葉片角度小側壓力小啟動風速大

風輪由靜止狀態下接受風能啟動時,風輪葉片只受到迎風向風的壓力,由於風輪

沒有旋轉不擠壓葉片旋轉方向上的空氣,所以沒有空氣帶來的旋轉阻力。相同外

界條件下,葉片角度大側壓力大,風輪沿旋轉方向上的合力大,有利於風輪啟動;

葉片角度小側壓力小,風輪沿旋轉方向上的合力小,不利於風輪啟動。所以,葉

片角度 大側壓力大風輪啟動風速小,葉片角度小側壓力小風輪啟動風速大。

2-3-7、葉片迎風面凹,風能利用率高,葉片迎風面凸,風能利用率低

外界條件相同的情況下,風輪葉片迎風面凹,風在通過葉片時,葉片對風的阻力

較大,即風對葉片付出的力要大,即風對葉片做的功要多;相反,葉片迎風面凸,

風 通過葉片時,葉片對風的阻力較小,即風對葉片付出的力要小,即風對葉片

做的功要少。所以,葉片迎風面凹,風能利用率高,葉片迎風面凸,風能利用率

[20]

2-3-8、 葉片多風能利用率高,葉片少風能利用率低

外界條件相同的情況下,風輪葉片多,風輪能夠更有效地接受和吸收通過風輪旋

轉面內的風能;風輪葉片少,風輪有效接受和吸收通過風輪旋轉面內的風能相對

較 少。試想,相同條件下三葉片風輪與六葉片風輪接受和吸收的風能肯定是不

一樣的,所以,葉片多風能利用率高,葉片少風能利用率低。

2-4、葉片複材化成為關鍵技術

風力發電最關鍵的部分是葉片,葉片的設計及選材決定發電性能與功率,目前風

力葉片已是100%的複材產品,此決定了複材工業成為風力發電裝置中的樞紐地

位,目前全球風力發電葉片被三大製造廠所瓜分,合佔葉片市場85%-95%,它

們是LM Glasfiber (Lunderskor 丹麥)Vestas Wind Systems A/S (Ringk Ø bing

)Enercon ( Aurich 德國 )

由於複合材料在風力發電上的應用實際上就是在風力發電轉子葉片上的應用,此

葉片的設計、結構、選材、工法、製造、測試、實驗乃至生產必須緊密結合, 其

發展趨勢更是朝大功率,長葉片方向邁進,因為風力發電與KW 成本隨發電功

率增大而降低,舉例而言,1992-1999 年歐洲風力發電單機功率從 200KW 增至

700KW,葉片長度則從12m 增至22m2000 年功率增至900KW,葉片長度增

25m,目前1.5MW~2.5MW 的單機功率葉 片長度達50m 已不稀奇,甚至朝

3.0MW-5.0MW 及葉片長度50m 以上的風力發電機邁進。為了達到大葉片輕量化

的目的,選擇碳纖/環氧為材質的需求 亦愈高。

2-4-1、複材葉片製程不斷研發改進

至於葉片的製造工法主要分為兩種:即開模手工積層與閉模滲透製程,用預浸料

開模手工積層不需要昂貴的工裝設備,然效率較低,質量不穩定,通常只用於 生

產葉片長度較短與批量較小者。閉模浸滲技術用於大型葉片( 40m 以上 )及大批

量的生產,其效率高、成本低品質亦較穩定,一般有樹脂轉注法( RTM )或真空

樹脂擴散法( VARTM )也有利用拉擠成型製造的,其中以真空輔助方式較能達到

品質的要求,其關鍵點必須注意樹脂的黏度與流動性,模具注入孔的設計及相關

工藝參數,並儘量減少複 材的孔隙率,此外,風力發電轉子葉片要不斷更新設

計,例如為了保證與塔柱之間隙,除了提高葉片材料鋼度外,從設計角度可在風

力作用的反方向,把葉片設計成 預彎曲外形,然後在風力作用下,使預彎曲葉

片變直。又例如在轉子葉片設計中採用「彎曲扭轉」偶合效應,實現控制載荷和

應力,最終達到降低載荷峰值並減少疲 勞破壞的目的。

2-4-2、風力發電廠商各具特色

LM Glasfiber 是世界最大的風力葉片製造商,2002 年銷售了7232 個葉片,相當

2705MW 發電能量,佔全球40%,金額高達28.3 億丹麥克 朗,該公司擁有

5.0KW-2.5MW 的系列產品,包括旋角( pitch )控制和失速( stall )控制兩種,長度

44 英呎至128 英呎不等。該公司目前採用VARIM 製程生產大型葉片,用手

積層製造小型葉片,其方式是將葉片分成上下兩部分個別製 造,材料包括碳/

玻纖,環氧/不飽和聚酯樹脂,巴沙木或發泡蕊材,在抽真空填充及硬化後,在

葉片內部安裝網圈然後將兩半黏和,再用手工研磨及去除多餘黏著 劑,其膠殼

具有抗紫外線且非反射的表面特性,因此不必再塗漆,維修的需求性低。

Vestas Wind Systems 也是主要風力發電機機及葉片製造商,它是世界上第一個製

造旋角控制風力發電機的廠商,1995 年在丹麥建立世界第一座的離岸風力廠。

其他幾個具特色的風力發電設備製造廠包括:

Northern Power Systems ( Waitfield, Vt. ) :正從事製造寒帶地區使用的100KW

力發電機,其葉片長度30 呎,可在零下50℉運轉。

TPI Composies, Inc. ( Warren, R. I ):是Northern 的風力葉片供應商,以SCRIMP

專利工法製造,採非旋角( pitch )控制,可免除低溫下拆卸。葉片長度分別為30

5475 呎,採用電腦3D 設計。

Bergey Windpower Co. ( Norman, OKla ):生產小型風力發電機達20 年,可與公

共電力網連線供家庭或公司使用,其產品有11.510 15KW 不等,所有葉

片由Strongwell 以拉擠 成型製造提供,採用乙烯酯樹脂( 具較佳延展性 )

Southwest Windpower ( Flagstaff, Ariz ):屬全球最大的小型風力發電機公司(

3KW ),專供偏遠地區家庭用電及開發中的國家農村等使用,採多樣化製程生

產葉片,包括以30%短碳纖PBT 射出成型的400W 發電機葉片,並針對3000KW

發電機葉片進行手積層製造最適化設計。

2-5、風力發電機葉片材料的技術發展路線

葉片是風力發電機中最基礎和最關鍵的部件,其良好的設計、可靠的質量和

優越的性能是保證機組正常穩定運行的決定因素。惡劣的環境和長期不停地運

轉,對葉片的 要求有:比重輕且具有最佳的疲勞強度和機械性能,能經受暴風

等極端惡劣條件和隨機負荷的考驗;葉片的彈性、旋轉時的慣性及其振動頻率特

性曲線都正常,傳遞 給整個發電系統的負荷穩定性好;耐腐蝕、紫外線照射和

雷擊的性能好;發電成本較低,維護費用最低。

據國際諮詢公司UtiliPoint 總裁Bob Bellemare 稱:對於風力發電機而言,碳纖維

是即將來臨的潮流。一般較小型的葉片(22m )選用量大價廉的E-玻纖增強

塑料,樹脂基體以不飽和聚酯為主,也可選用乙烯酯或環氧樹脂,而較大型的葉

(42m 以上)一般採用CFRP CF GF 的混雜複合材料,樹脂基體以環氧

為主。GE 風能的葉片工程的全球經理Ramesh Gopalakrishnan 說,設計師們在尋

找輕質高強度材料的過程中,選擇了碳纖維應用於葉片設計中。因此,玻璃纖維

和碳纖維是目前葉片製造中最為重要的兩種材料。

為滿足上述要求,提高機組的經濟性,葉片的尺寸增大可以改善風力發電的經濟

性,降低成本。葉片長度從1980 年的4.5m 發展到今天的61.5m,容量從當初的

55kW 發展到今天的5MW1970 年的風力機葉片主要有鋼材、鋁材或木材製成,

今天選擇的材料以E-玻纖增強塑料(GFRP)居多,目前已開始採用碳纖維複合材

(CFRP),葉片材料的開發順應了葉片大型化和輕量化的方向發展。

2-5-1、木製葉片及布蒙皮葉片

近代的微、小型風力發電機也有採用木製葉片的,但木製葉片不易做成扭曲

型。大、中型風力發電機很少用木製葉片,採用木製葉片的也是用強度很好的整

體木方做葉片縱梁來承擔葉片在工作時所必須承擔的力和彎矩。

2-5-2、鋼樑玻璃纖維蒙皮葉片

葉片在近代採用鋼管或D 型型鋼做縱梁,鋼板做肋梁,內填泡沫塑料外覆

玻璃鋼蒙皮的結構形式,一般在大型風力發電機上使用。葉片縱梁的鋼管及D

型型鋼從葉根至葉尖的截面應逐漸變小,以滿足扭曲葉片的要求並減輕葉片重

量,即做成等強度梁。

2-5-3、鋁合金等弦長擠壓成型葉片

用鋁合金擠壓成型的等弦長葉片易於製造,可連續生產,又可按設計要求的

扭曲進行扭曲加工,葉根與輪轂連接的軸及法蘭可通過銲接或螺栓連接來實現。

鋁合金葉片重量輕、易於加工,但不能做到從葉根至葉尖漸縮的葉片,因為目前

世界各國尚未解決這種擠壓工藝。

2-5-4、玻璃鋼葉片

所謂玻璃鋼(glass fiber reinforced plastic,簡稱GFRP)就是環氧樹脂、不飽和

樹脂等塑料滲入長度不同的玻璃纖維或碳纖維而做成的增強塑料。增強塑料強度

高、重量輕、耐老化,表面 可再纏玻璃纖維及涂環氧樹脂,其它部分填充泡沫

塑料。玻璃纖維的質量還可以通過表面改性、上漿和塗覆加以改進。LM 玻璃纖

維公司現致力於開發長達54m 的全玻纖葉片,其單位kWh 成本較低。

2-5-5、玻璃鋼復合葉片

上世紀末,世界工業發達國家的大、中型風力發電機產品的葉片,基本上採

用型鋼縱梁、夾層玻璃鋼肋梁及葉根與輪轂連接用金屬結構的複合材料做葉片。

風力發電轉 子葉片用的材料根據葉片長度不同而選用不同的複合材料,目前最

普遍採用的是玻璃纖維增強聚酯樹脂、玻璃纖維增強環氧樹脂和碳纖維增強環氧

樹脂。美國的研究 表明,採用射電頻率等離子體沉積去塗覆E-玻纖,其耐拉伸

疲勞就可以達到碳纖維的水平,而且經這種處理後可以降低能實際上導致損害的

纖維間微振磨損。LM 玻璃纖維公司進一步開發以玻璃鋼為主,在橫樑和葉片端

部只少量選用碳纖維的61m 大型葉片,以發展5MW 的風力機。

2-5-6、碳纖維復合葉片

隨著發電單機功率的增大,要求葉片長度不斷增加,其在風力發電上的應用

也將會不斷擴大。對葉片來講,剛度也是一個十分重要的指標。研究表明,碳纖

(carbon fiber,簡稱CF)複合材料葉片剛度是玻璃鋼復合葉片的兩至三倍。雖

然碳纖維複合材料的性能大大優於玻璃纖維複合材料,但價格昂貴,影響了它在

風力發 電上的大範圍應用。因此,全球各大複合材料公司正在從原材料、工藝

技術、質量控制等各方面深入研究,以求降低成本。

昨天,我們用的是木製或金屬材料(如圖七);今天,我們用的是玻璃鋼;明天,我

們用的是碳纖維;那麼明天的明天,我們用的會不會是納米材料

各式各樣的風力葉片  

圖七、各式各樣的風力葉片

三、結論

風力發電機的扇葉要是像電風扇一樣設計成又寬又大,那將會面臨重量、成

本、轉速等不符合效率等問題,風量可能已經很大但是發電機還轉不快的問題,

而且強大的風阻會造成扇葉很容易損毀,總之電風扇扇葉是設計來產生風而不是

產生電,隨然也可將其當作風力發電用的扇葉,但那將會非常沒有效率。最主要

目的都是希望可以最有效擷取風的能量,葉片的設計無不千奇百怪到目前為止也

沒有一定的設計方式,說不定在不久的將來風力發電連葉片都不需要用也是有可

能的。

而且不會造成公害而且取用不盡。由於風力發電屬綠色電力,與傳統燃煤電

廠相比較,每發一度電平均約可減少1Kg 2CO 以及微量NOx2SO 等汙染物排

放,且據評估社會環境成本以及發電系統衍生的外部成本,包含環境以及健康的

損害、污染的消除、油路的保護等等,較煤炭、石油、天然氣及核能低甚許多。

四、參考文獻

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