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研究生： 張尊堯
Chun-Yao Chang
論文名稱： 小型複合式風力發電機結構設計與分析
Structural Design and Analysis of Small Compound Wind Turbine
指導教授： 程金保
Cheng, Chin-Pao
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 機電工程學系
Department of Mechatronic Engineering
論文出版年： 2011
畢業學年度： 99
語文別： 中文
論文頁數： 83
中文關鍵詞： 風力發電機 、水平軸式 、複合式風機葉片 、有限元素分析
英文關鍵詞： wind turbine, horizontal axis type, compound wind turbine blades, finite element analysis
論文種類： 學術論文
相關次數： 點閱：251  下載：17 
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    • 現在一般商業用的風力發電機葉片形式多為水平軸式，雖然具有較高風能轉換效率，但是因葉片需直接迎風，並隨風向變化而旋轉風力發電機機身，長期使用下容易造成風機葉片受風力作用影響而斷裂情形。本研究欲改善此一問題，將自行設計複合式風力發電機葉片，將水平軸式風力發電機葉片以垂直軸式加以改良。實驗的主要目的，在使用計算流體力學軟體對加上外罩的三葉片風力發電機進行分析，以確認此複合式葉片運轉可行性。經由模擬分析後發現在葉片攻角36度時因推力值較高適合啟動葉片，而葉片攻角0度時比其他葉片攻角可獲得較高的風能轉換效率。藉由不同入口風速去測試風能轉換效率發現Cp值並未顯著變化，研判此複合式風力機內部具穩態流場特性。

    Owing to the higher conversion efficiency of wind energy, the general commercial wind turbine blades are mostly horizontal axis types in recently. However, the blades need to against directly the wind flow, and follow the change of wind flow direction to rotate the fuselage of the wind turbine generator. So, it may cause the fracture situation of blades by strong wind force after a long-period operation. In order to improve this situation, this study will design a compound wind turbine blades system by modifying the vertical axis type blades. The main purpose of this study is to use the software with guards on the three-blade wind turbine analysis, and confirms the operation of this compound wind turbine blades system is feasible. The analysis result show, the blade angle of attack at 36° has higher thrust to starting the wind turbine. The blade angle of attack at 0° has higher energy transformation efficiency than other angles of attack. If we change wind velocity the energy transformation efficiency were not different, so we can have more steady flow field for this compound wind turbine.

    目錄 摘要 I Abstract II 誌謝 III 目錄 IV 表目錄 VII 圖目錄 VIII 符號說明 XI 第一章 緒論 1 1.1 前言 1 1.1.1 風的形成與特性 1 1.1.2 風力發電機概述 3 1.1.3 風力發電機分類 3 1.1.4 風力發電機特性比較 4 1.2 流體分析概述 5 1.2.1 風力發電機葉片性能表示 5 1.2.2 動量理論 6 1.2.3 葉片元素理論 7 1.3 研究動機與方法 8 1.3.1 研究動機 8 1.3.2 文獻回顧 9 1.4 論文架構 10 第二章 基本理論介紹 19 2.1 貝茲定理 19 2.2 風力發電機風能轉換效率 20 2.3 流體力學概述 21 2.3.1 數值分析方法 22 2.3.2 統御方程式 23 2.4 風力發電機葉片性能 25 第三章 實驗模型與設備 27 3.1 初階實驗模型 27 3.1.1 模型外觀概述 27 3.1.2 模型基本資料 28 3.2 流力分析軟體介紹 28 3.2.1 計算流體力學方法 28 3.2.2 計算流體動力學求解過程 28 3.2.3 FLUENT軟體介紹 30 3.3 網格劃分與分析方法 31 第四章 研究方法 38 4.1 初階模型流場分析 38 4.1.1 前處理流程 38 4.1.2 求解器設定流程 38 4.1.3 初階模型流場選擇 39 4.2 修正後初階模型流場分析 40 4.2.1 修正後初階模型 40 4.2.2 流場模型最佳網格數選擇 40 4.2.3 初階模型流場設定 40 4.2.4 初階模型流場分析 41 4.3 安裝第一階葉片流場分析 42 4.3.1 葉片攻角設計 42 4.3.2 葉片翼型設計 42 4.3.3 第一階葉片模型前處理流程 42 4.3.4 第一階葉片模型求解設定流程 42 4.3.5 第一階葉片各葉片攻角求解 43 4.3.6第一階葉片不同入口風速比較 44 第五章 結果與討論 68 5.1 未安裝葉片初階模型流場分析 68 5.1.1 速度流場分析 68 5.1.2 流場向量分析 68 5.2 安裝第一階葉片模型流場分析 68 5.2.1 速度流場分析 68 5.2.2 模型推力值比較 69 5.2.3 初階模型風能轉換效率計算 69 5.3 安裝第一階葉片不同入口風速模擬分析 69 5.4 自製簡易複合式風力機外型及測試 70 第六章 結論 80 6.1 初階模型設計說明 80 6.2 安裝第一階葉片結果 80 6.3 未來研究方向 81 參考文獻 82 表目錄 表 1-1 蒲福氏風級表 12 表 1-2 風力發電機分類 12 表 1-3 各型風力機風能轉換效率比較表 13 表 3-1 NACA-4415型翼形基本參數表 33 表 4-1不同網格數量速度流場分布誤差與實驗時間比較表 45 表 4-2 修正初階模型與加裝導流片流場速度表 45 表 4-3 安裝第一階葉片不同葉片攻角流場速度表 46 表 4-4 不同入口風速速度流場比較表 46 表 5-1 初階模型與修正後初階模型速度流場比較表 72 表 5-2 不同葉片攻角速度流場比較表 72 表 5-3 不同葉片攻角風能轉換效率表 73 表 5-4 不同入口風速葉片攻角36°風能轉換效率表 73 圖目錄 圖 1-1 發電機葉片翼尖速度比對應風能轉換效率圖 14 圖 1-2 Vestas V47-660/200KW風力發電機構造圖 14 圖 1-3 水平軸式風力發電機 15 圖 1-4 垂直軸式風力發電機 15 圖 1-5 動量理論分析模型圖 16 圖 1-6 葉片元素理論分析模型圖 16 圖 1-7 葉片翼剖面攻角及受力示意圖 17 圖 1-8 風力發電機零組件失效頻率與停機時間圖 17 圖 1-9 具外罩式擴散器型風力機外觀圖 18 圖 2-1 固相比Sr與翼尖速度比λ關係圖 26 圖 3-1 原始風力發電機概念圖 34 圖 3-2 初階導風罩風力發電機外觀圖 34 圖 3-3 風力機葉片直角座標系統 35 圖 3-4 NACA-4415型葉片翼剖面外觀圖 35 圖 3-5 NACA-4415型葉片升力係數性能圖 36 圖 3-6 初階NACA-4415型葉片外觀圖 36 圖 3-7 CFD分析流程圖 37 圖 3-8 初階模型網格圖 37 圖 4-1 原始初階模型流場網格圖 47 圖 4-2 Z=－0.5 m平面Standard設定（上圖）與RNG設定（下圖）流場速度分布圖 48 圖 4-3 Y=2.1 m平面Standard設定（上圖）與RNG設定（下圖）流場速度分布圖 49 圖 4-4 Z=－0.5 m平面Standard設定（上圖）與RNG設定（下圖）流場壓力分布圖 50 圖 4-5 Y=2.1 m平面Standard設定流場速度分布圖 51 圖 4-6 修正後初階模型圖 51 圖 4-7 網格數0.6百萬（上圖）、1.0百萬（中圖）及1.2百萬（下圖）Y＝ 2.2 m平面速度流場分布圖 52 圖 4-8 修正後初階模型（由上至下）Y ＝2.2 m、2.1 m、2.0 m及1.9 m處V＝3.0 m/s以上流場速度分布圖（編號1、2、3表葉片欲設置位置） 53 圖 4-9 修正後初階模型Z＝－0.5 m內流場向量圖 54 圖 4-10 初階模型（上圖）Y＝2.2 m速度流場分布與加裝3片（中圖）與6片（下圖）導流片Y＝2.3 m速度流場示意圖 55 圖 4-11 葉片攻角安裝示意圖 56 圖 4-12 葉片攻角0°時Y＝2.2 m（上圖）及Y＝1.9 m（下圖）處1~3號葉片速度分布圖 57 圖 4-13 葉片攻角0°時1號（上圖）2號（中圖）3號（下圖）葉片翼剖面速度流場向量圖 58 圖 4-14葉片攻角12°時Y＝2.2 m（上圖）及Y＝1.9 m（下圖）處1~3號葉片速度分布圖 59 圖 4-15 葉片攻角12°時1號（上圖）2號（中圖）3號（下圖）葉片翼剖面速度流場向量圖 60 圖 4-16葉片攻角24°時Y＝2.2 m（上圖）及Y＝1.9 m（下圖）處1~3號葉片速度分布圖 61 圖 4-17 葉片攻角24°時1號（上圖）2號（中圖）3號（下圖）葉片翼剖面速度流場向量圖 62 圖 4-18葉片攻角36°時Y＝2.2 m（上圖）及Y＝1.9 m（下圖）處1~3號葉片速度分布圖 63 圖 4-19 葉片攻角36°時1號（上圖）2號（中圖）3號（下圖）葉片翼剖面速度流場向量圖 64 圖 4-20葉片攻角48°時Y＝2.2 m（上圖）及Y＝1.9 m（下圖）處1~3號葉片速度分布圖 65 圖 4-21 葉片攻角48°時1號（上圖）2號（中圖）3號（下圖）葉片翼剖面速度流場向量圖 66 圖 4-22 初階模型各葉片攻角推力值 67 圖 4-23 初階模型各葉片不同入口風速(a)來流風速(b)尾流風速趨勢圖 67 圖 5-1 原始初階模型（上圖）與修正後初階模型（下圖）速度向量圖 74 圖 5-2 不同葉片攻角風能轉換效率圖 75 圖 5-3 不同入口風速葉片攻角36°風能轉換效率圖 75 圖 5-4 不同入口風速風能轉換效率圖 76 圖 5-5 不同入口風速Z＝－0.5 m速度流場分布圖 77 圖 5-6 不同入口風速各葉片攻角葉片轉換功率圖 78 圖 5-7 簡易複合式風力機外觀圖 78 圖 5-8 簡易複合式風力機水平軸式葉片旋轉圖 79 圖 5-9 簡易複合式風力機風杯式葉片旋轉圖 79

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