成品鋼材產(chǎn)量中重復統(tǒng)計鋼材的產(chǎn)生和風力機葉片設計與性能分析

HYPERLINK我國成品鋼材產(chǎn)量中重復統(tǒng)計鋼材的產(chǎn)生與推算中國鋼鐵工業(yè)協(xié)會信息統(tǒng)計部

摘要通過對我國建國以來材鋼比、鋼的連鑄比和鋼材綜合成材率等大量數(shù)據(jù)進行分析研究，以及與日本13年間材鋼比變化進行比較分析，指出近幾年來，我國公布的全國成品鋼材年產(chǎn)量中有一部分是被重復統(tǒng)計計算的鋼材，認為全國成品鋼材年產(chǎn)量中含有重復統(tǒng)計鋼材約從1994年前后開始。認為2004年，國家統(tǒng)計局公布的29738.7萬噸成品鋼材中約有4090.76萬噸鋼材被重復統(tǒng)計。提出了最接近正確值的全國成品鋼材估算公式。關鍵詞鋼鐵工業(yè)統(tǒng)計材鋼比重復材我國2004年年產(chǎn)鋼量27245.63萬噸，產(chǎn)鋼材量29738.7萬噸，鋼與鋼材比例（本文以下簡稱材鋼比）達到了109%；就是100噸鋼可以生產(chǎn)109噸鋼材，這是不可能發(fā)生的事情。這中間就是有個鋼材重復統(tǒng)計的問題，實際上也涉及到了對鋼材的綜合成材率的認同。本文企圖利用一些統(tǒng)計數(shù)據(jù)就這個問題進行分析研究，供大家進一步研究參考。一、我國建國以來材鋼比分析建國以來，我國國家領導人、鋼鐵行業(yè)的前輩們?yōu)榱虽撹F工業(yè)的發(fā)展，做出了不懈的努力，其中包括如何提高鋼產(chǎn)量，如何把鋼變成為國家經(jīng)濟建設中急需的有用鋼材，以及如何提高鋼的成材率等等。我國年產(chǎn)鋼量與年產(chǎn)鋼材量比例從1960年最低的1：0.63上升到了2004年的1:1.09。盡管在近幾年中有個鋼材重復統(tǒng)計的問題。但是，鋼鐵工業(yè)總的發(fā)展是迅速的；鋼鐵工業(yè)的基礎建設、生產(chǎn)工藝流程不斷完善；鋼鐵工業(yè)不斷采用新設備、新工藝，鋼鐵企業(yè)管理不斷進步，不斷提高鋼材的綜合成材率；這是我國年產(chǎn)鋼材量占年產(chǎn)鋼量比例不斷上升的主要因素。圖1、我國建國以來鋼產(chǎn)量與材鋼比變化比較

建國以來，我國材鋼比變化大致可以分為三個階段。第一階段從1949年到1971年前后，主要為調(diào)整期；材鋼比由1949年的1:0.89下降為1971年的1:0.68；年平均為1:0.7429。這一階段主要是國民經(jīng)濟建設對鋼材大量的需要，鋼鐵工業(yè)快速建設處在一個適應時期，主要表現(xiàn)為材鋼比在波動中下降。第二階段從1972年到1991年，主要為穩(wěn)定上升期；材鋼比由1972年的1:0.67上升為1991年的1:0.79；年平均為1:0.739。這一階段主要反映出鋼鐵工業(yè)建設規(guī)模逐步形成，鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)工藝流程、內(nèi)部管理逐步完善，造就了材鋼比逐年穩(wěn)步上升的環(huán)境。第三階段從1991年到2003年，主要為快速上升期；材鋼比由1991年的1:0.79快速上升為2004年的1:1.09；年平均為1:0.9447。這一階段主要反映出在國家實行計劃經(jīng)濟轉向市場經(jīng)濟后，鋼鐵工業(yè)快速發(fā)展；鋼鐵企業(yè)及時應用新技術、新工藝，鋼鐵企業(yè)管理進一步改進；同時在鋼材統(tǒng)計中“調(diào)出重復加工鋼材”的統(tǒng)計難度加大。造就了材鋼比逐年快速上升的環(huán)境，也出現(xiàn)了比較明顯的鋼材重復統(tǒng)計現(xiàn)象。圖2、我國建國以來材鋼比變化比較

二、我國與日本材鋼比變化比較本文選取我國與日本10年間材鋼比變化進行比較。可以看出，日本材鋼比變化比較平穩(wěn)，總體變化不大。我國材鋼比變化較大。其變化大致可以分為三個階段，第一階段是上升階段，由1991年的1:0.79上升到1995年的1:0.94；這一階段是合理上升階段。第二階段是波動平穩(wěn)階段，由1995年的1:0.94波動平穩(wěn)到1998年的1:0.94；這一階段是波動平穩(wěn)階段；反映了統(tǒng)計管理者調(diào)整的因素。第三階段是快速上升階段，由1998年的1:0.94快速上升到2003年的1:1.08；這一階段是不完全合理上升階段；充分暴露出在鋼材的統(tǒng)計過程中，統(tǒng)計工作者的無奈，解決不了重復加工鋼材的統(tǒng)計問題。圖3、我國與日本材鋼比變化比較

三、我國鋼鐵工業(yè)統(tǒng)計者在鋼材統(tǒng)計中扣除重復統(tǒng)計的努力通過以上對于我國建國以來材鋼比變化比較和我國與日本材鋼比變化比較，可以看出，我國近年來公布的成品鋼材產(chǎn)量和鋼產(chǎn)量的比例是不合理的。其中可能是產(chǎn)生了被重復統(tǒng)計的鋼材，我國鋼鐵工業(yè)統(tǒng)計者在鋼材統(tǒng)計中進行了大量的研究工作，為扣除重復統(tǒng)計作出了很大的努力。鋼材是一個可以多次加工的金屬材料，而且每一次加工后都有成為商品鋼材直接使用的可能。如，熱軋鋼板帶可以直接作為商品鋼材使用，也可以作為冷軋鋼板帶的原料使用；冷軋鋼板帶可以直接作為商品鋼材使用，也可以作為鍍鋅鋼板等涂、鍍層鋼板帶的原料使用；窄帶鋼可以直接作為商品鋼材使用，也可以作為焊接鋼管、冷彎型鋼的原料使用；甚至作為生產(chǎn)無縫鋼管用的管坯有時也可以代替鋼棒直接使用等等。因此，就出現(xiàn)了鋼材中的重復統(tǒng)計問題。我國鋼鐵戰(zhàn)線上的統(tǒng)計工作者為鋼鐵工業(yè)的發(fā)展作出了巨大的努力，其中包括在鋼材避免重復統(tǒng)計方法的研究和探索上。今年我們在全國范圍內(nèi)正式執(zhí)行新的《中國鋼鐵工業(yè)生產(chǎn)統(tǒng)計指標體系》。在新老鋼鐵工業(yè)生產(chǎn)統(tǒng)計指標體系中對于鋼材避免重復統(tǒng)計都做了相應的規(guī)定。1、老的鋼鐵工業(yè)生產(chǎn)統(tǒng)計指標體系中對于鋼材避免重復統(tǒng)計的相應規(guī)定由于原來的鋼鐵工業(yè)生產(chǎn)統(tǒng)計指標體系產(chǎn)生于計劃經(jīng)濟時期。在計劃經(jīng)濟時期，鋼材的再加工或使用都是由當時的主管部門冶金工業(yè)部直接管理的。因此，統(tǒng)計體系中提出了成品鋼材和“調(diào)出重復加工鋼材”的概念；冶金行業(yè)系統(tǒng)內(nèi)和系統(tǒng)外的概念。成品鋼材就是直接使用的商品鋼材；“調(diào)出重復加工鋼材”就是在由冶金工業(yè)部調(diào)撥的，在冶金行業(yè)系統(tǒng)內(nèi)流通需要進一步加工的作為原料使用的鋼材。鋼鐵企業(yè)在統(tǒng)計時，既要統(tǒng)計成品鋼材，也要統(tǒng)計“調(diào)出重復加工鋼材”。鋼鐵企業(yè)年產(chǎn)鋼材量等于企業(yè)生產(chǎn)的成品鋼材加“調(diào)出重復加工鋼材”之和。而行業(yè)進行全國總數(shù)匯總時，只匯總企業(yè)報來的成品鋼材數(shù)。全國年產(chǎn)鋼材量是等于各個鋼鐵企業(yè)的成品鋼材之和，但不等于各個鋼鐵企業(yè)的年產(chǎn)鋼材量之和。在計劃經(jīng)濟條件下，這個體系是解決了鋼材重復統(tǒng)計問題。在當時的條件下，每年、每月全國或各省市區(qū)的成品鋼材數(shù)量中，不存在重復統(tǒng)計的鋼材。因為，“調(diào)出重復加工鋼材”是在冶金行業(yè)系統(tǒng)內(nèi)流通的，由冶金工業(yè)部調(diào)撥的，鋼鐵企業(yè)在統(tǒng)計時很容易分清楚成品鋼材和“調(diào)出重復加工鋼材”。但是進入90年代后，國家放開了鋼材計劃和調(diào)撥；鋼鐵企業(yè)的鋼材銷售渠道的多樣化；一大批鋼材經(jīng)營銷售商的崛起；使鋼鐵企業(yè)越來越無法知道鋼材的去向和用途。鋼鐵企業(yè)在統(tǒng)計時越來越難分清楚成品鋼材和“調(diào)出重復加工鋼材”的區(qū)別。一大批鋼鐵企業(yè)統(tǒng)計工作者努力想按規(guī)定進行統(tǒng)計，也心有余而力不足。進入二十一世紀后，老的鋼鐵工業(yè)生產(chǎn)統(tǒng)計指標體系中對于鋼材避免重復統(tǒng)計的相應規(guī)定形同虛設。2、新的鋼鐵工業(yè)生產(chǎn)統(tǒng)計指標體系中對于鋼材避免重復統(tǒng)計的相應規(guī)定經(jīng)過鋼鐵行業(yè)一大批統(tǒng)計工作者、研究工作者的許多年的努力，今年1月1日開始，鋼鐵行業(yè)在全國范圍內(nèi)正式執(zhí)行新的《中國鋼鐵工業(yè)生產(chǎn)統(tǒng)計指標體系》。為了避免鋼材重復統(tǒng)計做了相應的規(guī)定；在新鋼鐵工業(yè)生產(chǎn)統(tǒng)計指標體系中將過去由“調(diào)出方”統(tǒng)計重復量改為由“購入方”統(tǒng)計重復量的辦法。即由再加工的企業(yè)統(tǒng)計“外購國產(chǎn)鋼材中再加工成鋼材的耗用量”，在匯總全國成品鋼材總產(chǎn)量時，扣除各企業(yè)鋼材生產(chǎn)中作為原料耗用的外購國產(chǎn)鋼材量，并加上各企業(yè)的境內(nèi)訂貨者來料加工鋼材量，減去各企業(yè)的委外加工鋼材量。要保證匯總全國成品鋼材總產(chǎn)量，鋼鐵企業(yè)在按各種分類分別統(tǒng)計企業(yè)最終鋼材產(chǎn)量的同時，還需要另行分品種統(tǒng)計“外購國產(chǎn)鋼材中再加工成鋼材的耗用量”、“境內(nèi)訂貨者來料加工鋼材量”、“委外加工鋼材量”。為了解進口鋼材在國內(nèi)再加工生產(chǎn)中的耗量，企業(yè)還需要統(tǒng)計“外購進口鋼材中再加工成鋼材的耗用量”。新規(guī)定解決了統(tǒng)計者非常清楚鋼材是否要再加工問題。但是，統(tǒng)計過程比較老體系復雜一些。盡管新規(guī)定提出了全國成品鋼材總產(chǎn)量的匯總方法，也適用于各省市區(qū)成品鋼材總量的匯總。但是，各種規(guī)定中沒有明確鋼材生產(chǎn)企業(yè)要統(tǒng)計“外購企業(yè)所在地省市區(qū)內(nèi)鋼材中再加工成鋼材的耗用量”。因此，國家統(tǒng)計局每月統(tǒng)計的各省市區(qū)鋼材產(chǎn)量合計中含有了重復統(tǒng)計的鋼材。從一年來執(zhí)行的情況看，由于種種原因，各鋼鐵企業(yè)上報“外購國產(chǎn)鋼材中再加工成鋼材的耗用量”非常不理想，無法扣除鋼材總量中的重復統(tǒng)計量。也就是說，在現(xiàn)在每月統(tǒng)計局統(tǒng)計的全國及各省市區(qū)鋼材匯總數(shù)量中有重復統(tǒng)計鋼材量。這是不爭的事實。

四、我國鋼鐵行業(yè)生產(chǎn)鋼材綜合成材率分析1、我國產(chǎn)鋼前10名鋼鐵企業(yè)2001年綜合成材率比較2001年產(chǎn)鋼前10名的鋼鐵企業(yè)為寶鋼集團、鞍鋼、首鋼、武鋼、本鋼、馬鋼、攀鋼、包鋼、華菱集團、邯鋼。由于華菱沒有統(tǒng)計綜合成材率，所以由第11名唐鋼補進。圖4、我國產(chǎn)鋼前10名鋼鐵企業(yè)2001年綜合成材率比較2、我國產(chǎn)鋼前10名鋼鐵企業(yè)2002年綜合成材率比較2002年產(chǎn)鋼前10名的鋼鐵企業(yè)為寶鋼集團、鞍鋼、首鋼、武鋼、本鋼、邯鋼、馬鋼、唐鋼、攀鋼、華菱集團。由于華菱沒有統(tǒng)計綜合成材率，所以由第11名包鋼補進。圖5、我國產(chǎn)鋼前10名鋼鐵企業(yè)2002年綜合成材率比較3、我國產(chǎn)鋼前10名鋼鐵企業(yè)2003年綜合成材率比較2003年產(chǎn)鋼前10名的鋼鐵企業(yè)為寶鋼集團、鞍鋼、武鋼、首鋼、本鋼、唐鋼、馬鋼、邯鋼、攀鋼、包鋼0。圖6、我國產(chǎn)鋼前10名鋼鐵企業(yè)2003年綜合成材率比較三年來產(chǎn)鋼前10名鋼鐵企業(yè)綜合成材率平均都有所提高。從整個鋼鐵行業(yè)中鋼鐵企業(yè)綜合成材率比較，可以得出的基本概念是，生產(chǎn)普通鋼材品種的鋼鐵企業(yè)綜合成材率高于生產(chǎn)特殊鋼材品種的鋼鐵企業(yè)；生產(chǎn)鋼材品種單一的鋼鐵企業(yè)綜合成材率高于其它鋼鐵企業(yè)。4、我國鋼材綜合成材率變化比較分析我國鋼材綜合成材率逐年提高，由1995年的86.8%上升到2003年的94.9%，近幾年的數(shù)據(jù)為全國重點統(tǒng)計鋼鐵企業(yè)數(shù)據(jù)。我國鋼材綜合成材率變化比較

五、我國鋼的連鑄比變化比較及其對鋼材綜合成材率貢獻的分析1、我國鋼的連鑄比變化比較分析隨著鋼鐵工業(yè)的新技術、新工藝不斷涌現(xiàn)，冶金工業(yè)部歷屆領導人在整個鋼鐵行業(yè)中，不間斷的推進新技術和新工藝流程。其中，推進鋼的連鑄工藝水平，提高鋼的連鑄比是對鋼鐵工業(yè)有重大貢獻的項目之一。鋼鐵企業(yè)實現(xiàn)鋼水澆鑄由傳統(tǒng)模鑄到連鑄，對鋼材綜合成材率有很大地提高。我國連鑄發(fā)展很快，從1975年到1984年10年間連鑄比由3.9%增加到10.6%，增加了6.7個百分點；從1985年到1994年10年間連鑄比由10.8%增加到39.5%，增加了28.9個百分點；從1994年到2003年10年間連鑄比由39.5%增加到93.52%，增加了54個百分點；見圖12。圖8、我國鋼連鑄比變化比較2、我國鋼材綜合成材率與連鑄比變化比較分析本文對1995年到2003年間的鋼連鑄比和鋼材綜合成材率進行了對比分析。可以看出，鋼的連鑄比提高與鋼材綜合成材率的提高有正相關性，鋼的連鑄比由1995年的46.5%增加到2003年的93.5%，增加了47個百分點；鋼材綜合成材率由1995年的86.76%增加到2003年的94.88%，增加了8.12個百分點。通過比較分析，自1995年來鋼的連鑄比每增加10個百分點，鋼材綜合成材率就可以增加1.7個百分點；見圖13。圖9、我國鋼材綜合成材率與連鑄比變化比較

六、最接近正確值的全國成品鋼材估算方法我國每年成品鋼材數(shù)量是大家非常關心的問題。許多研究關心鋼鐵工業(yè)的領導、專家學者和鋼鐵工業(yè)戰(zhàn)線的工作者，為了對宏觀形勢有一個總趨勢的把握，都希望知道或估算出最接近正確值的年產(chǎn)成品鋼材數(shù)量，特別是自2000年我國公布的鋼材年產(chǎn)量大于鋼年產(chǎn)量之后。目前，對于鋼材年產(chǎn)量中的重復鋼材估算方式很多，數(shù)量也很不統(tǒng)一。大多數(shù)鋼鐵行業(yè)中的專家使用直接扣除法，即：將可能被進一步加工的鋼材從總產(chǎn)量中扣除掉；這需要非常豐富的經(jīng)驗和對鋼材加工過程的了解；同時也是非常復雜的，這需要了解鋼材細品種的當年產(chǎn)量和對可能被進一步加工的鋼材產(chǎn)量的了解。一些老專家學者在研究中用當年鋼產(chǎn)量乘以85%來折算出年產(chǎn)成品鋼材數(shù)量；這種方法簡單，只要知道當年全國鋼的年產(chǎn)量，就能推算出當年的全國成品鋼材年產(chǎn)量。但是，需要正確了解鋼材的綜合成材率。沿用85%鋼材綜合成材率，是對于我國鋼鐵工業(yè)工藝流程變化不了解的結果。近10年來，我國鋼的連鑄比由40%增加到94%，對鋼材綜合成材率貢獻很大。國際上的一些對中國鋼鐵形勢分析專家更是采用了一個極為簡單的辦法，就是把我們公布的鋼材年產(chǎn)量打一個九折后，即認為是接近正確值的年產(chǎn)成品鋼材數(shù)量。這種方式對于判斷我國接近正確值的年產(chǎn)成品鋼材數(shù)量是不科學的，也是不準確的（見圖11）；但是與2000年、2002年、20003年數(shù)據(jù)較為接近。本人估計是由于2000年我國公布的年產(chǎn)成品鋼材數(shù)量第一次超過了年產(chǎn)鋼數(shù)量，引起國際上研究中國鋼鐵形勢專家的注意，而將中國專家研究發(fā)表的2000年年產(chǎn)成品鋼材重復計算量，進行簡單類推。本人2004年建議的估算公式為：全國成品鋼材量=（全國鋼產(chǎn)量+進口鋼坯錠量-出口鋼坯錠量）×鋼材綜合成材率其中：1）、全國鋼產(chǎn)量除了加上進口鋼坯錠量、減去出口鋼坯錠量外，還應減去鑄鋼水量、加上進口再加工鋼材量，考慮到我國目前實際情況可以忽略不計；2）、鋼材綜合成材率應該使用當年全國鋼材綜合成材率，但是，我國目前還沒有統(tǒng)計全國鋼材綜合成材率，而且全國重點統(tǒng)計單位鋼材綜合成材率也要等到第二年的6月左右才能統(tǒng)計出來；因此，建議使用當年或前一年全國重點統(tǒng)計單位鋼材綜合成材率來替代。下面以2004年鋼27278萬噸,成品鋼材29723萬噸(國統(tǒng)計局公報數(shù))為例，按建議公式進行估算：2004年全國成品鋼材量=（27278+390-615）×94.88%=25668(萬噸)29723--25668=4055(萬噸)即：通過估算，國家統(tǒng)計局公報公布的29723萬噸成品鋼材中有約4055萬噸鋼材被重復統(tǒng)計。通過計算估計的最接近正確值的2004年成品鋼材數(shù)量應該是25668萬噸。

七、國家公布的我國成品鋼材中產(chǎn)生重復統(tǒng)計鋼材的時候及數(shù)量通過以上分析研究，我國近年來公布的成品鋼材中肯定是產(chǎn)生了被重復統(tǒng)計的鋼材。根據(jù)以上推薦的公式，來分析研究公布的成品鋼材中產(chǎn)生重復統(tǒng)計鋼材的時候及數(shù)量。通過計算我們可以看出公布的成品鋼材中含有重復統(tǒng)計鋼材的，大約是從1994年前后開始的；其數(shù)量見圖10；其所占公布的成品鋼材比率和所占計算的成品鋼材比率見圖11。圖10、我國成品鋼材公布數(shù)據(jù)與計算數(shù)據(jù)變化比較圖11、我國成品鋼材重復統(tǒng)計鋼材量所占的比率及其變化比較

八、結語1、我國年產(chǎn)鋼量與年產(chǎn)鋼材量比例從1960年最低的1：0.63上升到了2004年的1:1.09；鋼的連鑄比從1975的3.9%增加到2003年的93.52%；鋼材綜合成材率由1995年的86.8%上升到2003年的94.9%。我國國家領導人、鋼鐵行業(yè)的前輩們和現(xiàn)在鋼鐵戰(zhàn)線上的領導者及同仁為此作出了重大貢獻。2、鋼鐵企業(yè)實現(xiàn)鋼水澆鑄由傳統(tǒng)模鑄到連鑄，對鋼材綜合成材率貢獻很大。根據(jù)對1995年到2003年間的鋼連鑄比和鋼材綜合成材率進行了對比分析，在此期間鋼的連鑄比每增加10個百分點，鋼材綜合成材率就可以增加1.7個百分點。3、我們也看到，近幾年來，我國公布的全國鋼材年產(chǎn)量中有一部分是被重復統(tǒng)計計算的鋼材。我國公布的成品鋼材年產(chǎn)量中含有重復統(tǒng)計的鋼材約從1994年前后開始。2004年，國家統(tǒng)計局公報公布的29738.7萬噸成品鋼材中有約4090.76萬噸鋼材被重復統(tǒng)計。2003年1月份以來，實施新的《中國鋼鐵工業(yè)生產(chǎn)統(tǒng)計指標體系》后，由于種種原因，每月統(tǒng)計局統(tǒng)計的全國及各省市區(qū)鋼材匯總數(shù)量中沒有扣除鋼材重復統(tǒng)計量；也就是說，其中存在鋼材重復統(tǒng)計量。4、建議要進一步完善新《中國鋼鐵工業(yè)生產(chǎn)統(tǒng)計指標體系》，同時要加強宣傳、培訓，加大執(zhí)行力度。促使鋼鐵企業(yè)自覺認真統(tǒng)計、填寫、上報“外購國產(chǎn)鋼材中再加工成鋼材的耗用量”和“外購企業(yè)所在地省市區(qū)內(nèi)鋼材中再加工成鋼材的耗用量”等等。以保證每月、每年統(tǒng)計的全國成品鋼材數(shù)量和各省市區(qū)成品鋼材數(shù)量的正確。5、在當前狀況下，為了研究宏觀趨勢的需要，建議統(tǒng)一估算全國年產(chǎn)成品鋼材數(shù)量的方法。本人在2004年建議的估算公式為：全國成品鋼材量=（全國鋼產(chǎn)量+進口鋼坯錠量-出口鋼坯錠量）×鋼材綜合成材率飛機工程系專題製作報告風力機葉片設計與性能分析指導教授:學生:年12月24日專題審定書航空技術學院飛機工程系學生所製作之專題題目：風力機葉片設計與性能分析符合飛機工程系學生專題畢業(yè)水準特此證明專題評審委員：指導教授：系主任：年12月24日專題製作版權聲明及授權書本專題組員保證專題之作品及報告相關資料，並無侵害他人智慧財產(chǎn)權、隱私權之情事，如有侵害他人權益及觸犯法律之情事發(fā)生，立書人願自行負責一切法律責任。專題之成果及書面全文資料版權同意授予空軍航空技術學院，並於符合著作權法規(guī)定學術研究範圍內(nèi)均同意無償使用。立書人簽名：年12月24日摘要本次研究所要目的因上學期採取實做小型風力發(fā)電機，僅有實做無法了解到在風力發(fā)電時所需求的精密數(shù)據(jù)，故本學期採取利用電腦軟體來運算如何以固定的葉片規(guī)格來計算出更高的功率以發(fā)揮更好的發(fā)電效率，應用到的程式如:Xfoil、Excel、VBA，在不同的攻角、周速比及風速下計算出升力係數(shù)與阻力係數(shù)，比較葉片的效能，計算如何利用最小的消耗獲得最大的能量，另外本組還利用講義上的公式設計出能夠計算周速比(TSR)、剖面系數(shù)(Ci)、相對風角(φi)、節(jié)拒角(θp)，藉由這些數(shù)據(jù)，就能夠互相比較葉片的性能差異。目錄摘要 1目錄 3圖表目錄 5第一章緒論 71-1前言1-1-11-1-2風速 91-1-3風向 101-1-4風力的分級 111-1-5目前臺灣地區(qū)風力發(fā)電概況 121-2風能 131-2-1優(yōu)點與缺點 151-2-2應用 161-3風車背景 171-4目的 21第二章系統(tǒng)原理 232-1系統(tǒng)架構 232-1-12-1-22-1-3風力發(fā)電機之分類 252-2製作原理 252-2-1實際輸出電力 262-2-2風速 272-2-3葉輪直徑 272-2-4葉片數(shù)目 272-3工作原理 28第三章結果與討論 313-1結果 313-2數(shù)據(jù)資料 44第四章結論與未來發(fā)展 454-1未來發(fā)展 45參考文獻 46圖表目錄圖形圖3.風力原理圖4.轉子葉片的工作理圖5.簡化之風力機結構圖(左)圖6.Excel運算程式………33圖7.Excel運算程式………34圖8.攻角與升力係數(shù)關係圖圖9.攻角與阻力係數(shù)關係圖圖10.風速與攻率關係圖圖11.周速比與各葉片功率係數(shù)圖圖12.周速比與各葉片功率係數(shù)圖圖13.周速比與各葉片功率係數(shù)圖圖14.周速比與各葉片功率係數(shù)圖圖15.周速比與各葉片功率係數(shù)圖圖表表1.風力發(fā)電機分類表6.風速與功率關係表表7.風速與功率關係表表8周速比與各葉片功率係數(shù)表表9.周速比與各葉片功率係數(shù)表表10.周速比與各葉片功率係數(shù)表表11.周速比與各葉片功率係數(shù)表第一章緒論早在19世紀初，風力已被廣泛的用來推動船舶、鋸木、磨麥，取水等動力上，直到1850年後，廉價的化石燃料和電力大量供應後，風力的利用才逐漸減少。

今日對於風力的利用首先考慮用於發(fā)電，所不為一利用風力發(fā)電的電力系統(tǒng)。大型\o"風力發(fā)電機"風力發(fā)電機所提供的電力價格和傳統(tǒng)燃料電廠的電力價格相近。地球所蘊藏的化石燃料存量有限，為了防範化石燃料枯竭後所造成的能源危機，促使各國致力於各式再生能源開發(fā)，以期降低對化石燃料的依賴。再加上目前全球所面臨的暖化問題，而產(chǎn)生碳排放量的公共議題。因此投資再生能源可以降低二氧化碳的排放量，減輕目前的環(huán)境問題。臺灣資源缺乏，目前所使用的能源均仰賴進口，必須加速開發(fā)本土各種再生能源。臺灣地理位置及氣候條件影響，造成臺灣每年夏季的西南季風、冬季的東北季風。擁有固定風向且持續(xù)不斷的季風，使臺灣在發(fā)展風力發(fā)電上擁有優(yōu)勢。根據(jù)能源局資料臺灣年平均風速每秒大於4公尺的區(qū)域，總面積為2,000平方公里，可開發(fā)的風能潛力估計為300萬瓩。海洋大學郭金泉教授並指出由環(huán)保及節(jié)約能源的觀點來看，建造一部風力發(fā)電機並且持續(xù)運轉20~30年後，所產(chǎn)生的能量是其製造、維修、運轉和拆除所需要能量目前臺灣的風力發(fā)電是以大功率為主，但是大型的風力機組受到場地限制只能被侷限在某一地區(qū)，而無法將臺灣各地豐沛的風力資源妥善利用。因此本文論文目標為製作一組高效率小型風力發(fā)電系統(tǒng)，能夠應用在空地、農(nóng)地甚至建築物屋頂?shù)容^小空間。藉由小型化的風力發(fā)電機組，將再生能源推廣到一般家庭用戶，而不再侷限於臺電及獨立電廠。隨著世界經(jīng)濟蓬勃發(fā)展，世界各國對於能源的需求量亦逐年增加，近來石化能源的短缺造成油價的上漲，讓各國均已意識到能源短缺的危機，因此，除了提高能源之使用效率外，尋找新的替代能源是刻不容緩的課題。其中，「再生能源」更是令人矚目的發(fā)展領域，除了可以彌補能源不足之問題外，亦可降低對環(huán)境污染之程度，歐美各先進國家早已積極投入相關之研究，如：風力發(fā)電、太陽能發(fā)電、水力發(fā)電、生質(zhì)能等。其中風力發(fā)電因發(fā)電成本的降低，在過去十年來世界各國風力發(fā)電的裝置容量正以驚人的速度成長中，迄2006年底，世界各國的總裝置容量達已73,904MW，發(fā)展?jié)摿Σ蝗莺鲆?，世界風能組織預測在2010年全球總裝置容量將到達160,000MW。(參考世界風能組織WWEA網(wǎng)站：/home/index.php)1-1風1-1太陽照射\o"極地"極地和\o"赤道"赤道的不均勻使得地表的受熱不勻；地表溫度上升的速度較海面快；大氣中\(zhòng)o"同溫層"同溫層如同天花板的效應加速了氣體的對流；季節(jié)的變化；\o"科里奧利力"科氏力；月亮的反射比率1-1風速是指\o"空氣"空氣相對於地球某一固定地點的運動速率。在日常生活中，我們把空氣的移動稱之為「\o"風"風」。風速通常都用於量度室外空氣流動的速度。亦有情況需要量度空內(nèi)空氣流動的速率，但比較少見。風速對我們的日常生活佔有很重要的地位：不論是\o"天氣預報"天氣預報、\o"航空"航空及\o"航海"航海的作業(yè)、建造及土木工程都需要參考風速。高風速會引起不良的後果，而對於特定成因的高風速，我們都會給予專有的名詞去辨別，例如：\o"烈風"烈風、\o"颶風"颶風、\o"颱風"颱風等。風速的量度有兩種：量化的量度，我們可以利用\o"風速計"風速計。一般來說，風速計都採用\o"節(jié)"節(jié)來作量度單位，但亦有採用\o"米每秒"米每秒或\o"公里每小時"公里每小時的；在沒有風速計時，我們亦可透過觀察來推斷處身環(huán)境的風速。一般來說，都會採用\o"蒲福氏風級"蒲福氏風級來作參考指標。1-1-3風向風向是指\o"風吹（頁面未存在）"風吹來的\o"方向"方向。通常是透過基本\o"方向"方向或\o"方位度（頁面未存在）"方位度來了解。有各種各樣的儀器用來測量風向，如\o"風向袋"風向袋和\o"風向標"風向標。它的工作原理在於盡量減少移動的空氣阻力。\o"風向標"風向標所指的方向是與風向相同。\o"風向袋"風向袋所指的方向是與風向相反。現(xiàn)代儀器包括電子\o"風速"風速計，它的功能亦可測計風速和風向。當現(xiàn)代\o"工具"工具不可使用，就得使用一些原始方法了解風向。原始方法是透過弄濕\o"食指"食指，然後指向\o"天"天去測試風向。這時手指感到?jīng)鏊囊粋染褪秋L吹來的\o"方向"方向。感到?jīng)鏊脑蚴怯伸禱o"空氣"空氣流過手指，手指上的\o"水份"水份\o"蒸發(fā)"蒸發(fā)因而失\o"熱能"熱能。同樣的原理是用來衡量\o"露點"露點（使用吊索乾濕，比人類手指更精確），然而，「手指技術」非常\o"潮濕"潮濕或極\o"熱"熱條件下是作用不大的。1-1風之強弱程度，通常用風力等級來表示，而風力的等級，可由地面或海面物體被風吹動之情形加以估計之。目前國際通用之風力估計，係以\o"蒲福風級"蒲福風級為標準。蒲福氏為英國海軍上將，於1805年首創(chuàng)風力分級標準。先僅用於海上，後亦用於陸上，並屢經(jīng)修訂，乃成今日通用之風級。實際風速與蒲福風級之經(jīng)驗關係式為：Ｖ=0.836*(Ｂ^(3/2))Ｂ為蒲福風級數(shù)，Ｖ為風速（單位：公尺／秒）一般而言，風力發(fā)電機組起動風速為2.5公尺/秒，臉上感覺有風且樹葉搖動情況下，就已開始運轉發(fā)電了，而當風速達28~34公尺/秒時，風機將會自動偵測停止運轉，以降低對受體本身之傷害。1-1-5目前臺灣地區(qū)風力發(fā)電概況近年來由於風力發(fā)電機葉片材質(zhì)技術與風力機機電設備的進步，使得風力發(fā)電的成本大幅降低。世界各國如：丹麥、荷蘭、德國及美國等國家都極力地在發(fā)展風力發(fā)電產(chǎn)業(yè)。其中又以丹麥的風力發(fā)電總量佔全國發(fā)電量將近20%為最。而丹麥的國家地理特性又與臺灣類似，均為海島型的國家，四面環(huán)海，具備有良好的風能發(fā)展天然條件。臺灣地區(qū)因屬海島地形，強烈的東北季風吹拂時間約長達3~6個月，許多海岸地區(qū)的年平均風速均達到5m/s以上，根據(jù)工研院能資所研究指出，此類強風區(qū)域超過2000km^2，風力潛能約4,000MW，如考慮人文及地物因素，保守估計，臺灣地區(qū)至少有1,000MW以上陸上潛勢風能可供開發(fā)。而海上風能潛力方面，據(jù)估計，在臺灣西海岸約有2,000MW以上的發(fā)展?jié)摿Γ粑磥碚c民間能攜手合作，全力開發(fā)臺灣地區(qū)的風力能源，相信將減少臺灣地區(qū)對外來能源的依賴。臺灣目前風力發(fā)電廠之現(xiàn)況，臺電公司部分：第一期計畫共設置60部風力機組，總裝置容量約9.9萬瓩其中包括石門風力(6臺×660瓩)、恒春風力(3臺×1500瓩)、大潭電廠(3臺×1500瓩)、桃園大園觀音(20臺×1500瓩)、新竹香山(6臺×2000瓩)、臺中電廠(4臺×2000瓩)、臺中港區(qū)(18臺×2000瓩)，於94年底前盡數(shù)完工，第二期計畫包括彰工風力(21臺×2000瓩)、雲(yún)林麥寮、桃園大潭海堤區(qū)及雲(yún)林四湖等廠址，共計63部風機，總裝置容量為12.6萬瓩，離島有澎湖湖西風力(6臺×850瓩)，約0.51萬瓩，預計97年7月全部完工，第三期計畫包括林口、彰濱工業(yè)區(qū)、王功、永興、雲(yún)林麥寮、臺南海汕洲等濱海防風林區(qū)，規(guī)劃再設置52臺風力機組，民間部分竹南、大鵬(21×2000瓩)、新豐、竹北、大安、彰濱、鹿港等7個風場合計約13.56萬瓩，並與臺電簽訂售購契約將多餘之電力以每度二元售給臺電公司。1-2風能風能是因空氣流\o"做功"做功而提供給人類的一種可利用的\o"能量"能量。空氣流具有的\o"動能"動能稱風能?？諝饬魉僭礁?，動能越大。人們可以用\o"風車"風車把風的動能轉化為旋轉的動作去推動\o"發(fā)電機"發(fā)電機，以產(chǎn)生電力，方法是透過傳動軸，將轉子（由以空氣動力推動的扇葉組成）的旋轉動力傳送至發(fā)電機。到\o"2008年"2008年為止，全世界以風力產(chǎn)生的電力約有94.1百萬\o"千瓦"千瓦，供應的電力已超過全世界用量的1%。風能雖然對大多數(shù)國家而言還不是主要的能源，但在\o"1999年"1999年到\o"2005年"2005年之間已經(jīng)成長了四倍以上?，F(xiàn)代利用\o"渦輪"渦輪葉片將氣流的\o"機械能"機械能轉為\o"電能"電能而成為\o"發(fā)電機"發(fā)電機。在中古與古代則利用風車將蒐集到的機械能用來磨碎穀物或抽水。風力被使用在大規(guī)模風農(nóng)場為全國電子柵格並且在小各自的渦輪為提供電在被隔絕的地點。風能量是豐富、近乎無盡、廣泛分佈、乾淨與緩和溫室效應。我們把\o"地球"地球表面一定範圍內(nèi)。經(jīng)過長期測量，調(diào)查與統(tǒng)計得出的平均風能密度的概況稱該範圍內(nèi)能利用的依據(jù)，通常以能\o"密度線（頁面未存在）"密度線標示在地圖上。人類利用風能的歷史可以追溯到西元前，但數(shù)千年來，風能技術發(fā)展緩慢，沒有引起人們足夠的重視。但自\o"1973年"1973年\o"世界石油危機（頁面未存在）"世界石油危機以來，在常規(guī)能源告急和全球\o"生態(tài)環(huán)境"生態(tài)環(huán)境惡化的雙重壓力下，風能作為新能源的一部分才重新有了長足的發(fā)展。風能作為一種無\o"污染"污染和\o"可再生能源"可再生的新能源有著巨大的發(fā)展?jié)摿?，特別是對沿海島嶼，交通不便的邊遠山區(qū)，地廣人稀的草原牧場，以及遠離電網(wǎng)和近期內(nèi)電網(wǎng)還難以達到的農(nóng)村、邊疆，作為解決生產(chǎn)和生活能源的一種可靠途徑，有著十分重要的意義。即使在發(fā)達國家，風能作為一種高效\o"清潔能源"清潔的新能源也日益受到重視，比如：\o"美國能源部"美國能源部就曾經(jīng)調(diào)查過，單是\o"德克薩斯州"德克薩斯州和\o"南達科他州"南達科他州兩州的風能密度就足以供應全美國的用電量。1-2-1風能優(yōu)點與缺點優(yōu)點風能為潔淨的能量來源。風能設施日趨進步，大量生產(chǎn)降低成本，在適當?shù)攸c，風力發(fā)電成本已低於傳統(tǒng)的發(fā)電方法。風能設施多為不立體化設施，可保護陸地和生態(tài)。風力發(fā)電是可再生能源，很環(huán)保。風力發(fā)電有較少的環(huán)境污染缺點風力發(fā)電在生態(tài)上的問題是可能干擾鳥類，如\o"美國"美國\o"堪薩斯州"堪薩斯州的\o"松雞"松雞在風車出現(xiàn)之後已漸漸消失。目前的解決方案是離岸發(fā)電，離岸發(fā)電價格較高但效率也高。在一些地區(qū)、風力發(fā)電的經(jīng)濟性不足：許多地區(qū)的風力有間歇性，更糟糕的情況是如臺灣等地在電力需求較高的夏季及白日、是風力較少的時間；必須等待壓縮空氣等儲能技術發(fā)展。風力發(fā)電需要大量土地興建風力發(fā)電場，才可以生產(chǎn)比較多的能源。進行風力發(fā)電時，風力發(fā)電機會發(fā)出龐大的噪音，所以要找一些空曠的地方來興建?，F(xiàn)在的風力發(fā)電還未成熟，還有相當發(fā)展空間。1-2-2應用\o"發(fā)電"發(fā)電\o"帆船"帆船\o"抽水（頁面未存在）"抽水(\o"地下水"地下水或\o"海水"海水)與\o"灌溉"灌溉\o"磨坊"磨坊1-3風車背景荷蘭被譽為“風車之國”，風車是荷蘭的象徵。荷蘭座落在地球的盛行西風帶，一年四季盛吹西風。同時它瀕臨大西洋，又是典型的海洋性氣候國家，海陸風長年不息。這就給缺乏水力、動力資源的荷蘭，提供了利用風力的優(yōu)厚補償。荷蘭的風車，最早從德國引進。開始時，風車僅用於磨粉之類。到了16～17世紀，風車對荷蘭的經(jīng)濟有著特別重大的意義。當時，荷蘭在世界的商業(yè)中，佔首要地位的各種原料，從各路水道運往風車加工，其中包括：北歐各國和波羅的海沿岸各國的木材，德國的大麻子和亞麻子，印度和東南亞的肉桂和胡椒。在荷蘭的大港鹿特丹和阿姆斯特丹的近郊，有很多風車的磨坊、鋸木廠和造紙廠。隨著荷蘭人民圍海造陸工程的大規(guī)模開展，風車在這項艱鉅的工程中發(fā)揮了巨大的作用。根據(jù)當?shù)氐臐駶櫠嘤?、風向多變的氣候特點，他們對風車進行了改革。首先是給風車配上活動的頂篷。此外，為了能四面迎風，他們又把風車的頂篷安裝在滾輪上。這種風車，被稱為荷蘭式風車。18世紀末，荷蘭全國的風車約有12000架，每臺擁有6000匹馬力。這些風車用來碾穀物、粗鹽、菸葉、榨油，壓滾毛呢、毛氈、造紙，以及排除沼澤地的積水。正是這些風車不停地吸水、排水，保障了全國三分之二的土地免受沉淪和人為魚鱉的威脅。18世紀金德代克村就開始修建堅固的風車，保存至今仍然完好。世界遺產(chǎn)委員會決定將其列入世界文化遺產(chǎn)，是因為“金德代克—埃爾斯豪特的風車網(wǎng)絡系統(tǒng)是人工製作的突出景觀，它展示了人類的獨創(chuàng)性和堅韌性。當?shù)厝嗣褚揽堪l(fā)展水利技術和應用水利技術，用近千年時間，建設了這個排水系統(tǒng)，並且成功地保護了這片土地?！泵恳粋€風車就是一個風車塔房，呈圓錐形，牆壁自上而下向裡傾斜。風車的4l片長方形翼板固定在塔房頂部的風車上。塔房分幾層，分別為睡覺、吃飯之用，有的家族在風車塔房裡已生活了245年。20世紀以來，由於蒸氣機、內(nèi)燃機、渦輪機的發(fā)展，依靠風力的古老風車曾一度變得暗淡無光，幾乎被人遺忘了。但是，因為風車利用的是自然風力，沒有污染、耗盡之虞，所以它不僅被荷蘭人民一直沿用至今，而且也成為今日新能源的一種，深深地吸引著人們。目前，荷蘭大約有2000多架各式各樣的風車。位於荷蘭境內(nèi)的金德代克—埃爾斯豪特，尤以風車聞名遐邇，成為荷蘭一道獨特的風景線。在世界範圍內(nèi)，也沒有任何一個其他地方的風車比荷蘭的一個村鎮(zhèn)——金德代克—埃爾斯豪特的風車還要多。荷蘭這些風車的作用主要是將風力轉化為槳輪轉動得來的動力。從物理上講，就是將風能轉化為動能，從而將低處的水提上來，這個提水的工作現(xiàn)在已由電力驅動的抽水機代替。如今，荷蘭有一個是全歐洲最大的抽水站。金德代克位於鹿特丹附近，該村鎮(zhèn)坐落在被稱為阿爾布拉瑟丹低田的地區(qū)。荷蘭人圍海造成了阿爾布拉瑟丹低田（它們的海拔高度是低於海平面的），這些風車的作用則是將阿爾布拉瑟丹低田中多餘的水抽出來，由於這個低田地區(qū)一直是洪水的多發(fā)地區(qū)，所以在這兒建造風車的目的就是將多餘的水抽出，然後排放在存水區(qū)中。如果存水區(qū)的水位達到一個高度後，人們就再一次將水從存水區(qū)中抽出，然後排放到河流中。從公元1927年起，柴油機的抽水站就做了實際上的抽水工作。風車就不再被人們使用了。不過，在第二次世界大戰(zhàn)中，由於當時的柴油機缺乏燃料而不能驅動抽水機，因此，風車又一次得到使用，這也是人們最後一次使用風車進行抽水工作。如今，在夏季到來的一段時間裡，風車再次得以“使用”。不過，這時候，它主要用於旅遊者的觀光，遊客們沿著運河和河流散步，到近處細細觀看這些巨大的風車，欣賞這兒美麗如畫的風景。在其中一個風車所處的位置附近，當?shù)厝藗冞€建立了一個小型博物館，裡面有展覽，內(nèi)容是關於荷蘭有風車家庭的生活情況。荷蘭座落在地球的盛行西風帶，一年四季盛吹西風。同時它瀕臨大西洋，又是典型的海洋性氣候國家，海陸風長年不息。這就給缺乏水力、動力資源的荷蘭，提供了利用風力的優(yōu)厚補償。在我國，使用風車的歷史很早。在遼陽三道壕東漢晚期的漢墓壁畫上，就畫有風車的圖樣。這表明，風車在我國至少已有1700多年的歷史。明代開始應用風力水車灌溉農(nóng)田，并出現(xiàn)用于農(nóng)副產(chǎn)品加工的風力機械了。

在歐洲，第一架風車大約是出現(xiàn)在公元八世紀的時候。到十九世紀，風車的使用達到全盛時期。據(jù)記載，當時不僅荷蘭有一萬多架風車，美國農(nóng)村更有100多萬架風車。一直到本世紀初，多風的丹麥還保留有十多萬架風車。在英國、希臘等島嶼國家的鄉(xiāng)村中，都在廣泛地使用著風車。在一些動力資源缺乏和交通不便的草原牧區(qū)、沿海島嶼，仍然用它來抽水灌溉、碾米磨面、粉碎飼料，或用它驅動小型發(fā)電機來照明等等。1-4目的起初本組研究的目標是製作一臺簡易風力發(fā)電機，並且測試在不同的葉片下，哪種葉片比較適合讓發(fā)電機發(fā)揮出最大功率，其中考慮到葉片的翼形、攻角、材質(zhì)、重量……等等的多種因素。上述的因素不只會影響到功率的問題，最大的問題是否能讓風扇轉動起來，剛開始使用的是寶特瓶，輪轂是寶特瓶的瓶蓋，而將瓶身剪裁成三個葉片，角度各為120度。第二種葉片材質(zhì)為輕型木板，俗稱巴沙木板，將木板剪裁成三個葉片，並且將木板的末端削成一小根的支撐柱，輪轂也是寶特瓶的瓶蓋，將瓶蓋挖成三個適合讓木板的支撐柱可以插入的小洞，三個洞口的角度各為120度。第三種葉片的材質(zhì)為質(zhì)輕且耐斷的塑膠板，將塑膠板剪裁成三個葉片，並且輪轂是使用布丁盒，用三個螺絲釘穿過布丁盒內(nèi)壁，角度各為120度，然後把剛剛剪裁好的塑膠葉片插入螺絲釘頭固定住，因為塑膠板末端側面有一個一個的小洞，剛好可以插入螺絲釘頭，於是就利用它來支撐葉片。綜合三個葉片比較出結果，第三種葉片塑膠板可以讓風扇順利的轉動且穩(wěn)定，至少讓5到6顆的LED燈發(fā)亮，原因為第一種葉片材質(zhì)過於柔軟，以致於會造成在一定的風速下，風扇會無法轉動；第二種巴沙木材質(zhì)的葉片，在一定的風速下，會讓葉片斷裂。之後本組因一本風力發(fā)電機使用手冊，讓本組決定改變目的，使用這本手冊的功率參數(shù)以及各項數(shù)據(jù)，進而製作一組葉片來測試，比較原作以及自作的差別。利用自己設計出來的程式，加入公式，來計算出各種會影響功率的數(shù)值，套用葉片的設計條件，例如：半徑、TSR、AOA、airfoil……等等，另外設計出一些圖表，來比較差別。第二章系統(tǒng)原理風的產(chǎn)生是由於太陽將地表的空氣加溫，空氣受熱膨脹變輕而往上升，熱空氣上升後，低溫的重空氣就從四周橫向流入，因而形成空氣的流動。風力發(fā)電機便是利用風力帶動風車葉片旋轉，再透過增速機將旋轉的速度提升，來推動發(fā)電機發(fā)電，依目前的風車技術，每秒大約3公尺2-1系統(tǒng)架構2-1-1風力發(fā)電機主要利用風力機將風能轉換為機械能，接著利用發(fā)電機將機械能轉換為電能，再利用蓄電池將能量儲存。常見風力發(fā)電機的構造如圖1所示，各元件功能說明如下。發(fā)電機：將機械能轉換為電能傳動軸：將葉片轉動的機械能傳遞至發(fā)電機葉片：利用風力帶動旋轉，將風能轉換為機械能葉片軸承：負荷葉片轉子的軸承，除連接葉片外，亦連接傳動軸控制單元：調(diào)節(jié)轉向以及轉速比風向、風速計：測量風向與風速塔架：支撐風力機圖1.外部元件2-1-2元件介紹如圖2所示：1.輪轂2.增速箱3.機艙罩4.聯(lián)軸器5.電控系統(tǒng)6.發(fā)電機7.冷卻器8.泵站9.偏航驅動10.偏航制動11.偏航軸承12.底座13.彈性底座圖2.內(nèi)部元件2-1分類依據(jù)描述分類名稱旋轉軸結構主軸與地面相對方向水平軸式(Horizontal-axistype)垂直軸式(Vertical-axistype)發(fā)電機種類發(fā)電機類型同步機(Synchronousgenerator)感應機(Asynchronousgenerator)轉子葉片位置轉子相對於風向位置上風式(Upwind)下風式(Downwind)轉子葉片受力情形轉子葉片工作原理升力型(Lift)阻力型(Drag)表1風力發(fā)電機分類2-2製作原理大型風力發(fā)電機通常採用水平軸型式，它由風輪、變速箱(加速齒輪箱)、發(fā)電機、偏移裝置、控制系統(tǒng)、塔架等部件所組成。風輪的作用是將風能轉換為機械能，它由氣體流動性能良好的葉片裝在輪軸上所組成，低速轉動的風輪通過傳動系統(tǒng)由加速齒輪箱增速，將動力傳導給發(fā)電機。上述這些組件都安裝在機艙內(nèi)，整個機艙由高大的塔架支撐，由於風向會經(jīng)常改變，為了有效地利用風能，必須要有自動迎風的裝置，它根據(jù)風向感測儀測得的風向信號，由控制器控制偏移電機，驅動小齒輪再推動塔架上的大齒輪，使整個機艙藉由此自動控制的系統(tǒng)，能夠一直對向迎風面。如圖3所示。圖3風力原理2-2-1實際輸出電力風力發(fā)電機並不能將所有流經(jīng)的風力能源轉換成電力，理論上最高轉換效率約為59%，實際上大多數(shù)的葉片轉換風能效率約介於30~50%之間，經(jīng)過機電設備轉換成電力能後的總輸出效率則約介於20%~45%。2-2-2風速風力發(fā)電機的電力輸出與風的速度有關，葉片能自風獲得之能量與風速的三次方成正比，市場上一般風力發(fā)電機的起動風速約介於2.5~4m/s，於風速12~15m/s時達到額定的輸出容量，風速更高時風力發(fā)電機的控制機構將電力輸出穩(wěn)定在額定容量左右。為避免過高的風速損壞發(fā)電機，大多於風速達20~25m/s範圍內(nèi)停機，一般採用旋角節(jié)制(pitchregulation)或失速節(jié)制(stallcontrol)方式來調(diào)節(jié)葉片之氣動性能及葉輪之輸出。2-2-3葉輪直俓風力發(fā)電機可擷取風能也約與葉輪直徑平方成正比，以目前商業(yè)化的中、大型風力發(fā)電機為例，容量600kW的機組葉輪直徑約45m，1000kW的機組葉輪直徑約55m左右，2000kW的機組葉輪直徑則約75m左右。2-2-4葉片數(shù)目葉片的數(shù)量亦影響風力發(fā)電機的輸出，一般而言多葉片的風車效率較低但機械力矩較高，適用於汲水等工作；少葉片型效率較高而力矩較低，其中又以2葉及3葉型效率最高。此外，現(xiàn)代風力發(fā)電機的葉片多採機翼翼型，以便更有效的擷取風能。2-3工作原理風力發(fā)電機依轉子葉片的工作原理分類，可分為升力型、阻力型兩種，以下將由流體力學中常見的白努力定律(Bernoulli’sPrinciple)出發(fā)，解釋升力、阻力產(chǎn)生的原因，並進一步介紹升力型、阻力型風力機的工作原理。當流體流經(jīng)機翼（葉片）時，機翼四周的壓力差會因為流速之不同而有所變化，如圖4所示，依據(jù)白努力定律可知機翼的上端相對機翼的下端會產(chǎn)生一負壓力，此壓力差便產(chǎn)生一升力，另外機翼表面粗糙程度及摩擦力會產(chǎn)生阻力。升力與阻力兩力向量大小與空氣密度ρ及葉片面積A成正比，和風速V二次方成正比，可分別表示如下： (1) (2)其中與分別是升力與阻力係數(shù)。圖5.左為簡化之風力機結構圖，圖5右為轉子葉片受風剖面圖。利用上述機翼受力之觀念，考慮風吹到風力機上，在轉子葉片上也會產(chǎn)生升力及阻力。因此，依據(jù)此觀念，可以將升力與阻力轉換為葉片之旋轉力FRotational及對轉子的軸推力FThrust如下所示： (3) (4)其中。由上述可知，阻力型風力機，其轉子葉片轉動的工作原理係利用阻力(＜)產(chǎn)生轉動，亦即遠大於的數(shù)值，此時葉片相對於風向所形成的角度較大，且有轉速慢、轉矩大的特性，傳統(tǒng)的風車即是依據(jù)此原理動作。而升力型風力機，轉子葉片轉動的工作原理係利用升力(＞)產(chǎn)生轉動，亦即遠大於的數(shù)值，此時葉片相對於風向所形成的角度較小，且有轉速快、轉矩小的特性，目前一般風力機即是依據(jù)此原理動作。第三章成果與討論3-1結果在風速為12m/s時，由BEM所測量得到的最大功率係數(shù)約0.48接著隨著風速的遞減，各風速下所得到的最大功率係數(shù)也隨著下降，如圖11、圖12、圖13、圖14與圖15。此現(xiàn)象有別於葉片元素動量理論在各風速下計算所得到的最大功率係數(shù)幾乎都相等，其原因為BEM所測量之數(shù)據(jù)為葉片運轉中實際三維流場分離作用之現(xiàn)象，並因為各風速各葉片轉速的變化，雷諾數(shù)也會有直接且明顯的變化，另外更考慮到葉尖失速所造成之壓力差。有別於葉片元素動量理論計算所得到的功率係數(shù)是由各二維翼型之間進行疊加與積分所得，無法考慮到實際三維流場分離之現(xiàn)象，雖加入葉尖修正因子的考量，但由表4知道葉尖周速比與雷諾數(shù)之間的變化，而雷諾數(shù)的變化會直接影響到升阻力係數(shù)的變化。本研究是針對NACA0010、NACA1410與NACA2410翼型在三種不同雷諾數(shù)下(Re=1x10^5、Re=2x10^5、Re=3x10^5)，且攻角範圍為-5°至15°，所得到的升阻力係數(shù)，而葉片雷諾數(shù)近似的方法為：(1)當葉片各斷面的雷諾數(shù)小於1.5x10^5時都將雷諾數(shù)示為1.0x10^5；(2)當葉片各斷面的雷諾數(shù)大於或等於1.5x10^5且小於2.5x10^5都將雷諾數(shù)示為2.0x10^5；(3)當葉片各斷面的雷諾數(shù)大於或等於2.5x10^5都將雷諾數(shù)示為3.0x10^5，此分析過程中與BEM中葉片直接所得到之升阻力係數(shù)也會有一定之差距。在BEM過程中雖可將發(fā)電機的效率扣除以得到葉片之功率係數(shù)，但在葉片運轉過程中還有軸承(bearing)摩擦所產(chǎn)生的效率，此效率目前尚未有經(jīng)驗公式可運用，所以也是造成誤差原因之ㄧ。綜合上述，雖然葉片元素動量理論無法有效的考慮到實際三維流場分離的物理現(xiàn)象，但由圖11到圖15之實驗與理論的比對值可發(fā)現(xiàn)整體葉片性能分析之趨勢大致相互符合。在各風速下，葉尖周速比在5至6之間有最高的功率係數(shù)，接著功率係數(shù)值由兩側遞減。由圖11到圖15也可發(fā)現(xiàn)風力機在各風速下實際的工作範圍約在葉尖周速比為4至8之間，其中由BEM可發(fā)現(xiàn)在葉尖周速比為2至4之間會出現(xiàn)斷層之現(xiàn)象，此區(qū)間範圍是BEM無法測量之處，原因為葉片與電機之間有著扭矩相互抵抗的現(xiàn)象，此現(xiàn)象也延伸出葉片與發(fā)電機兩者間最佳匹配性的問題是存在的。葉片元素動量理論雖然無法考慮到實際三維流場分離的現(xiàn)象，但經(jīng)由此方法可快速的得到整體葉片性能分析之趨勢，是一套葉片進行初始性能分析可靠的方法。Inputwindspeed12.00TSR5.00Num.ofblade3.00airdensity1.225rotationalspeed73.17pitchangle0.00AirfoilInput1NACA0010OutputTorque12.31Power900.42Cp0.40圖6.Excel運算程式圖7.Xfoil應用程式表2.原作設計參數(shù)名稱數(shù)值單位功率(P)400瓦特(W)空氣密度(ρ)1.225kg/m^3額定風速(V)12m/s功率係數(shù)(Cp)0.18約假設0.44葉片半徑(R)0.82公尺(m)π3.14159度間隔0.0645m剖面10個tip0.82mroot0.175mtip-root之差0.645mTSR周速比5(TipSpeedRatio)B(Numberofblade)葉片3個Cl升力係數(shù)0.6AOA攻角4度表3.翼形剖面設計參數(shù)sec(剖面)ri(半徑)TSR(周數(shù)比)Ci(剖面?zhèn)S數(shù))φi(相對風角)θp(節(jié)拒角)10.181.070.3028.7624.7620.251.500.2622.4118.4130.321.940.2218.1714.1740.392.380.1915.2011.2050.462.820.1713.049.0460.533.250.1511.407.4070.613.690.1310.116.1180.684.130.129.085.0890.754.560.118.244.24100.825.000.107.543.54表4.XFOIL運算出數(shù)據(jù)AOACl(10^5)Cd(10^5)Cl(2*10^5)Cd(2*10^5)Cl(3*10^5)Cd(3*10^5)-5-0.43290.023-0.43960.0167-0.44640.01393-4-0.34440.01866-0.35050.01415-0.30260.01206-3-0.25480.01560-0.24270.01256-0.15240.01044-2-0.16730.01430-0.09150.01074-0.00860.00871-1-0.07970.013000.0520.009970.11370.0076500.06480.014530.26640.009320.23250.0070810.26930.015420.36840.008780.36310.006820.44480.014590.46270.008610.45880.0070430.56210.013480.56080.009030.5570.0078440.65980.013560.65590.010250.65410.0091650.74750.015470.74830.012150.7510.0108560.83320.018690.84070.014440.84790.0127470.92210.022720.93190.017050.94360.0147681.00820.027481.01940.021.0350.0171891.08720.034571.09590.024981.11460.02096101.14080.046101.16930.031671.18320.02609111.13110.061641.22360.039041.24270.03171121.05100.079711.20180.053471.25820.04023130.69260.150621.12720.070531.23210.05169140.69460.164830.89640.144651.16090.07356150.68880.176710.8820.181141.01160.12533圖8.攻角與升力係數(shù)關係圖圖9.攻角與阻力係數(shù)關係圖表5.風速與功率關係表Power(w)風速原創(chuàng)NACA0010NACA1410NACA2410420.0031.6635.0537.50535.0063.6370.4175.74660.00109.96121.67130.88790.00174.61193.21207.848120.00260.64288.40310.249190.00376.24414.92446.0810240.00516.11569.16611.9011330.00686.94757.55814.4412410.00900.429