羅元隆(2020)曾經提及我國目前積極發展替代能源，風力發電更是其中最重要的一環，並且因為風機技術掌握於外國風機設計公司等受限原因，因此目前國內僅能間接獲取風力機基底的反力歷時並進行下部結構的設計。基於以上考量，本研究利用淡江大學風工程研究中心第一號大氣邊界層風洞實驗室進行風機縮尺模型的氣動力實驗，利用縮尺模型量測風機基底風力係數變化。離岸風機主要分布範圍靠近沿海一帶。當風吹過海平面時，水面會因不穩定現象而產生小的波紋和漣漪，成為風前進的粗糙表面。根據海氣象研究，海洋地況風速剖面較符合指數律α = 0.1 ～ 0.14的大氣紊流流場。因此，本研究藉由風洞試驗模擬海上流場，並對風速剖面進行分析。以日本規範AIJ 2015建議的參考值模擬D地況，接著以建築物風洞模擬中常見的C地況(α = 0.15)，平坦開闊地面或草原地況，與D地況進行平均風速、紊流強度及紊流積分尺度等剖面的比較。並繪製參考度(輪鼓高)的風速頻譜，以確認本研究模擬之流場可靠性。
　　接著本研究以常見之實場風機進行縮尺相似性的探討，得出所需之縮尺比例後，進行風機模型之製作與氣動力風洞試驗。試驗過程中，本研究利用高靈敏度的六力平衡儀進行風力量測(Fx, Fy, Fz, Mx, My, Mz)。六力平衡儀的主要功能為將各軸之力與彎矩同時且連續以高精度品質輸出，採樣頻率可達 8000 Hz，並增置一數位訊號處理器以解決當訊號高速輸出時，產生之軸間偏移與雜訊等問題。本研究實驗中，採樣頻率為1000 Hz，採樣時間為5分鐘，採樣長度為300,000個資料點。分析時採用每段分成8,192點，接著針對“風力機風攻角”與“葉片轉角”兩項參數去做改變，藉此來研究各種組合下的風力係數變化特性。藉由六力平衡儀量測到的基底剪力及彎矩，進行實場的一秒移動平均，接著計算平均風力係數、擾動風力係數及風力頻譜等重要風場參數。以“葉片轉角”跟“風攻角”分類繪製出各曲線圖，同時比對兩個地況的差異性，並加以探討每個係數值其主要受到的影響原因。另外，本研究亦參考J. Jonkman(2009)針對5MW Reference Wind Turbine此海上機型的定義及設計，其中，本研究亦與OpenFAST軟體所輸出之風力歷時進行比較，探討以風洞實驗為主以及以目前國際社會常用之風場模擬軟體為主的差異性。

Wind power generation is an alternative energy source in future development. It comes from the fact that the wind turbine technology is mastered by the foreign wind turbine design companies. Therefore, we can only obtain the time series of the reaction from the wind turbine foundation from and carry out the structural design. Based on the above considerations, this study uses the wind tunnel of Tamkang University to do the aerodynamic experiment of the wind turbine model, and uses the model to measure the changes in the basic force coefficients of the wind turbine.
　　The main distribution of the offshore wind turbines is close to the coastal area. When the wind blows over the sea level, the water surface will produce small ripples and ripples due to instability, then become a rough surface for the wind to move forward. According to marine meteorological research, the wind profile of the ocean terrain is more consistent with the atmospheric turbulence flow field with the power law profile α = 0.1 ~ 0.14. Therefore, this study simulates the offshore flow through wind tunnel tests and analyzes the wind profile.
　　In the first stage, use the reference value recommended by the Japanese standard AIJ 2015 to simulate the D terrain, and compare it with the average wind speed, turbulence intensity and integral scale of the common C terrain (α = 0.15) profile in the wind tunnel simulation, and afterward confirm the reliability of the flow simulated in this study with the wind speed spectrum of the reference degree (high of the wheel drum).
　　In the second stage, using the model of the wind turbine to do the aerodynamic experiment of the wind tunnel. During the experiment, this study uses a high-sensitivity six-force balancer to measure the force reaction. Then, the study changes the two parameters which are "the wind attack angle of wind turbine " and "blade rotation angle" to study the characteristics of force coefficient under various combinations, and compare the differences between the two terrain conditions, and then discuss the reason for mainly affected for every factor value.
　　After the two stages, this study also compares the wind time serious output by the OpenFAST software, and explores the difference between the wind tunnel experiment and the wind flow simulated in software commonly used in the international community.

目錄	I
表目錄	III
圖目錄	V
 第一章 緒論	1
1.1 研究動機	1
1.2 研究方法與內容	2
1.3 論文架構	3
 第二章 文獻回顧	5
 第三章 理論背景	7
3.1 大氣邊界層特性	7
3.2 基礎鈍體空氣動力學	12
3.3 結構物之整體設計風載重	13
3.4 力平衡儀量測原理與架構	16
3.5 基礎隨機振動學	19
 第四章 實驗設置與數據處理分析	21
4.1 風洞設備	21
4.2 大氣邊界層流場模擬	22
4.3 風機縮尺模型介紹	23
4.4 風速測量	24
4.5 風力量測	26
4.6 實驗數據與採樣分析	28
4.7 軟體模擬探討風力發電機	30
 第五章 實驗結果與討論	37
5.1 高層建築與風力機之受力趨勢比較	37
5.2 風洞實驗流場與TurbSim流場之比較	43
5.3 風力機葉片轉角0度在不同風攻角下之特性	48
5.4 風力機風攻角0度於不同葉片轉角下之特性	54
5.5 風力機不同葉片轉角與不同風攻角之特性	61
5.6 風洞實驗與FAST分析探討	64
 第六章 結論與建議	67
6.1 結論	67
6.2 未來建議	68
參考文獻	69
附錄A		72

 
 
表目錄
表3 1地況指數律參數(建築物耐風設計規範及解說[8]、日本規範AIJ[9])	8
表3 2不同地況之地表粗糙長度	8
表4 1力平衡儀原廠性能	27
表4 2本研究實驗之相似性比例縮尺	28
表4 3IECstandard參數定義	32
表 4 4紊流特性參數	32
表 5 1風洞實驗與FAST模擬之平均風力係數比對	65
表 5 2風洞實驗與FAST模擬之擾動風力係數比較	65
表 5 3風洞實驗與FAST模擬之最大風力係數比較	66
表 5 4風洞實驗與FAST模擬之最小風力係數比較	66

 
 
 
圖目錄
圖 3 1 自由震動模型結構頻率示意圖	18
圖 3 2 風洞實驗渦散頻率示意圖	18
圖 4 1風洞內擾流板及粗糙元素示意圖	21
圖 4 2 C、D地況之平均風速剖面、紊流強度剖面、紊流機分長度剖面	22
圖 4 3風力機縮尺模型	23
圖 4 4訊號擷取器(左)與壓力轉換器(右)	25
圖 4 5皮托管	25
圖 4 6力平衡儀示意圖	26
圖 4 7力平衡儀各構件圖	26
圖 4 8擾流/模型規格設定示意圖	30
圖 4 9氣象邊界條件示意圖	31
圖 4 10非IEC氣象邊界條件示意圖	31
圖 4 11空間相干參數示意圖	32
圖 4 12FAST V8軟體數入與輸出流程[17]	33
圖 4 13部分結構動力設定示意圖	34
圖 4 14氣動力輸入檔15版本部分示意圖	34
圖 4 15FASTCertTestCases表部分示意圖	35
圖 4 16基本設定示意圖	35
圖 4 17開啟與關閉功能示意圖	36
圖 4 18輸入文件檔名示意圖	36
圖 4 19輸出檔設定示意圖	36
圖 5 1高層建築(圓柱,方柱)與風力機之平均風力係數比較	39
圖 5 2高層建築(圓柱,方柱)與風力機之擾動風力系數比較	40
圖 5 3高層建築(圓柱,方柱)與風力機之最大風力系數比較	41
圖 5 4高層建築(圓柱,方柱)與風力機之最小風力系數比較	42
圖 5 5(上)A(中)B(下)C紊流之U向平均風速、紊流強度、紊流積分尺度剖面(42m/s)	45
圖 5 6(上)A(中)B(下)C紊流之V向平均風速、紊流強度、紊流積分尺度剖面(42m/s)	46
圖 5 7(上)A(中)B(下)C紊流之W向平均風速、紊流強度、紊流積分尺度剖面(42m/s)	47
圖 5 8葉片轉角0度於各風攻角之平均風力係數分布	50
圖 5 9葉片轉角0度於各風攻角之擾動風力係數分布	51
圖 5 10葉片轉角0度於各風攻角之最大風力係數分布	52
圖 5 11葉片轉角0度於各風攻角之最小風力係數分布	53
圖 5 12不同葉片轉角示意圖	55
圖 5 13風攻角0度於各葉片轉角之平均風力係數分布	56
圖 5 14風攻角0度於各葉片轉角之擾動風力係數分布	57
圖 5 15風攻角0度於各葉片轉角之最大風力係數分布	58
圖 5 16葉片轉角0度於各風攻角之最小風力係數分布	59
圖 5 17 C(右)、D(左)地況之風力係數頻譜比較	60
圖 5 18 C(左)、D(右)地況之平均風力係數比較(含各葉片轉角及風攻角)	62
圖 5 19 C(左)、D(右)地況之擾動風力係數比較(含各葉片轉角及風攻角)	63
圖 A 1(上)A(中)B(下)C紊流之u向平均風速、紊流強度、紊流積分尺度剖面(50m/s)	72
圖 A 2(上)A(中)B(下)C紊流之v向平均風速、紊流強度、紊流積分尺度剖面(50m/s)	73
圖 A 3(上)A(中)B(下)C紊流之w向平均風速、紊流強度、紊流積分尺度剖面(50m/s)	74
圖 A 4(上)A(中)B(下)C紊流之u向平均風速、紊流強度、紊流積分尺度剖面37.5m/s	75
圖 A 5(上)A(中)B(下)C紊流之v向平均風速、紊流強度、紊流積分尺度剖面37.5m/s	76
圖 A 6(上)A(中)B(下)C紊流之w向平均風速、紊流強度、紊流積分尺度剖面37.5m/s	77

[1]
張雅程、賴啟銘，(2014) ，“極端風況下離岸風力發電機之受力影響”，成功大學土木工程研究所。
[2]
羅元隆，(2020)，“利用風洞試驗探討縮尺風機模型上部結構於受風下的氣動力特性”，台灣風能學術研討會論文
[3]
B. J. Jonkman，(2016)，“TurbSim User’s Guide v2.00.00”，National Renewable Energy Laboratory.
[4]
	Jonkman,J.,Butterfield,S.,Musial,W.,Scott,G.,(2009),“Definition of a 5-MW Reference Wind Turbine for Offshore System Development”,National Renewable Energy Laboratory,Technical Report NERL/TP-500-38060.
[5]
王錫福，(2019)，“離岸風力機與支撐結構負載分析FAST(數值分析軟體)-分析程序書與負載分析案例報告”，台北科技大學。
[6]
劉瑞弘，“風力機結構負載與共振模態之分析”，工業技術研究院機械與系統所風力發電設備技術部。
[7]
中華民國風工程協會，(2016)，“風工程理論與應用”，中華民國風工程協會。
[8]
內政部營建署，(2015年1月)，“建築物耐風設計規範及解說”，詹式書局。
[9]
日本建築學會，(1996)，“日本規範(AIJ Recommendations for Loads on Buildings) ”，日本建築學會。
[10]
許育誠，(2007)，“風力發電機對環境風場影響之評估”，淡江大學土木工程研究所。
[11]
A. G. Davenport, (1961), “The Spectrum of Horizontal Gustiness Near the Ground in High Winds”, J. Royal Meteorol Soc., 87, p194-211.
[12]
J. C. Kaimal, (1972), “Spectral Characteristics of Surface Layer Turbulence”, J. Royal Meteorol Soc., Vol.87, pp.563-589.
[13]
J. D. Holmes,(2001), “Wind loading of structures”, Spon Press.
[14]
A. Kareem, (1981), “Wind excited response of buildings in higher modes”, J. Struct. Div., ASCE, Vol.107, no. ST4, pp.701-706.
[15]
Kawai, H., (1998), “Effect of corner modifications on aeroelastic instabilities of tall buildings”, J. of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, Vol.74-76, p719-729
[16]
IEC 61400-1. Wind Turbines-Part 1：Design requirement, (2005), International Electrotechnical Commission
[17]
Bonnie Jonkman, J. Jonkman, (2016), FAST V8.16.00a-bjj, National Renewable Energy Laboratory
[18]
李紹緯，(2020)，“考慮風向性對局部設計風載重的影響” ，淡江大學土木工程研究所。