為什麼風力機多是三個葉片?

2017/07/26 |整理:謝惠子 點閱人次: 1092

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圖片來源/台電公司

為什麼大型風機大多是三個葉片?如果多裝幾個葉片,是不是就可以讓風機轉動得快一點、讓發電效率再更高一些呢?


閒逸的夏日午後,非常適合穿著夾腳拖、戴上大圓草帽,到海邊逐浪去。

若你來到台中的高美濕地,矗立眼前的是地平線上一支又一支的大型風機,在藍天白雲的映襯下,夏風引著三葉風機圓舞律動,如此寫意平和的畫面,還隱藏著潔淨發電的堅定意志。

你可曾想過,為什麼三葉風機是最常見到的?


越多葉片就越好嗎?

風力發電的原理,是利用風力帶動風機的葉片旋轉,再透過增速機將旋轉的速度提升到相當高的轉速,來驅動發電機發電。而在這個過程當中,風機葉片的數量、材料、長短、與重量等因素,會直接影響到電能產生的效率與設置成本的高低。

然而,葉片數量越多,發電效率就會更高嗎?其實並不然。

以單葉、二葉、三葉、四葉來看,單葉是美國國家航空暨太空總署發明設計用來做實驗的,基本上轉速不夠快也較少見到。二葉的額定轉速算快,發電效率較單葉提高了不少,但是因為輪轂結構特殊,平衡力不如三葉來得好,機械疲勞問題也比三葉大。由二葉進展到三葉時,發電效率會再提高,可是從三葉再提高到四葉、五葉之後,科學家發現發電效率的提高變得十分有限,也因此整體發電效率已經趨於平緩了。

從雁子飛行的「人字形」說起!

我們也可以從雁鳥在秋天南飛的長途旅程中,為什麼會排成「人字形」的排序方式來說明。從空氣動力學的角度,可以解釋為:如果排成一路縱隊形的話,領頭的雁鳥在振翅飛翔時所產生的氣旋尾氣,會直接干擾到排在後頭的第二隻,讓牠的飛行變得吃力,但人字形可以降低氣流擾動與達到飛行平衡目的,這就是「人字形」的原因。

同樣的道理,因為三葉風機葉片之間的夾角各是120度,當第一個葉片受風切轉過去時,氣流一樣會產生擾動,但是經過轉動120度到達下一個位置時,擾動已經消失,可以讓風機的運轉得到最佳的平衡。再加上多了一片葉片,重量增加,成本也會提高,所以,這也是為什麼風機多是三葉的原因。因為三葉風機可說是現代CP值最高的選擇。


兼顧發電效率、成本與環境考量

大型風機都是水平橫軸式的,屬於阻力型的傳動方式,如同小朋友的玩具小風車,風迎面而來,葉片就會受到阻力推送而轉動。

不過風機並不是越大型、葉片越長就越好;一來因為葉片越長,材料強度會增加,重量越重,轉動時離心力會更大,反而容易扯斷軸心,而且葉片重,支撐的機柱就要跟著增強,除了增加機柱的風壓荷重外,建造成本當然就會提高;二來,葉片過長,尾端的尖端效應(風切效應)會呈倍數增加,這時就容易產生噪音。

因此,基於發電效率、成本、環境(噪音)等的考量,以及經過長時間驗證後,三葉片是較為適用的風機型式。風起的日子,遠遠望著三葉風機,依然覺得像是一幅畫,可是千萬不要忘了――它們的存在是正在為我們帶來潔淨的能源。


關鍵字:風力發電,發電效率,成本,三葉風機

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