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系統識別號 U0002-0807201011483600
中文論文名稱 小型風車流場數值模擬與效能分析
英文論文名稱 The Flow Field Simulation and Performance Analysis of Small Wind Turbines
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 航空太空工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Aerospace Engineering
學年度 98
學期 2
出版年 99
研究生中文姓名 許朔甄
研究生英文姓名 Shuo-Chen Hsu
電子信箱 697430428@s97.tku.edu.tw
學號 697430428
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2010-06-28
論文頁數 87頁
口試委員 指導教授-陳慶祥
委員-陳增源
委員-管衍德
中文關鍵字 CFD  小型風力機  FLUENT  翼尖小翼 
英文關鍵字 CFD  Small wind turbine  FLUENT  Winglet 
學科別分類 學科別應用科學航空太空
中文摘要 本文以數值模擬小型風力發電機風車之流場分析與空氣動力特性,並使用計算流體力學套裝軟體FLUENT 6.3.26版求解Navier-Stokes方程式。網格系統為非結構性網格,並以葉片周圍轉動網格模擬風車葉片轉動之情形。
本文採用NACA-2415以及NACA-4415作為風車葉片翼型,並以不同葉片螺距角、翼展、入口風速以及加裝翼尖小翼進行模擬,並將模擬結果與實際相同大小之風車於風洞內測試所得之實驗值做比對,來驗證數值模擬結果應用於實際風車作為效能分析之可行性,並探討風車葉片在不同外型下的空氣動力特性與最佳輸出效能。
經過數值模擬結果與實驗值的比對後發現,在葉片尖端速度比小於7時所得的模擬值相當接近於實驗值,但在尖端速度比太大的情況下,模擬數值與實驗值的比對仍有誤差存在,關於此部分的問題仍待解決。在將葉片加裝winglet後,可提升葉片的效能。而入口風速大時,也可得到較高的效能。當風速為8m/s,某些轉速下會出現突然升高的效能係數,未來還需要進一步的研究,但和實驗值的趨勢大致上還是相同。模擬數值的結果大部分與實驗值的趨勢相同,在尖端速度比不大時,數值模擬能相當準確的預測風車性能。
英文摘要 This thesis investigated the flow field and performance of small wind turbines. A CFD software package, FLUENT, was used to solve the Navier-Stokes equations to obtain the flow field. The numerical results were compared with experimental data.
Two airfoils, NACA-2415 and NACA-4415, were used to manufacture the turbine blades. The effects of several parameters which might affect the performance of wind turbines were studied. They were blade attack angle, blade span, inlet velocity, airfoil shape, and winglet.
Several conclusions can be drawn from the comparison of numerical and experimental results. First, the comparison of power coefficient is very close when the tip speed ratio is smaller than 7. The agreement is not good at larger tip speed ratios. The reasons need to be further investigated. Second, the power coefficient is higher for larger inlet velocities.
Third, increasing the blade span enhances the power coefficient. Fourth, NACA-4415 has a better power coefficient than that of NACA-2415 due to its higher lift coefficient. Fifth, the installation of winglet can increase the power coefficient a little, the effect is not strong.
論文目次 目錄 III
表目錄 V
圖目錄 VI
第一章 序論 1
1.1研究背景與動機 1
1.2風力發電發展現況 4
第二章 風力發電概論 9
2.1風的產生 9
2.2 風能原理 11
2.3風力發電機種類 21
2.4風力發電系統構造 25
第三章 研究方法 26
3.1數值方法 27
3.2模型建立與網格系統 33
3.2.1網格驗證 37
3.3邊界條件設定 38
3.4實驗設備 42
第四章 結果與討論 49
4.1實驗結果與模擬數值比對 49
4.2模擬數值綜合比對 67
第五章 結論與未來展望 76
參考文獻 78
附錄 論文簡要版 80
表1-1 再生能源與石化能源的ICC值比較[2] 2
表1-2 2009全球風力機組裝置容量排名前十名國家 6
表2-1 蒲福氏風級表[8] 10
表3-1 不同網格數目所得之轉矩比較值 37
表4-1 風速10m/s、NACA2415翼型、 52
表4-2 風速10m/s、NACA2415翼型、螺距角7.5度 52
表4-3 風速10m/s、NACA2415翼型、螺距角15度 52
表4-4 風速8m/s、NACA2415翼型、螺距角7.5度 57
表4-5 風速10m/s、NACA2415翼型、葉片長度0.24m 58
表4-6 入口風速10m/s、NACA4415翼型、螺距角5度 60
表4-7 入口風速10m/s、NACA4415翼型、螺距角7.5度 60
表4-8 入口風速8m/s、NACA4415翼型、螺距角7.5度 61
表4-9 入口風速10m/s、NACA2415翼型加裝winglet、螺距角7.5度 63
表4-10 入口風速8m/s、NACA2415翼型加裝wingle、螺距角7.5度 64
表4-11 入口風速8m/s、NACA2415翼型加裝winglet II、螺距角7.5度 66
圖1-1 Energy ball V100[4] 3
圖1-2 Swift wind turbine[5] 3
圖1-3 打蛋型風力機 4
圖1-4 全球風力機組裝置容量1996-2009 5
圖1-5全球風力發電市場預估2010-2014 6
圖2-1 風流經葉片的一維流線變化圖 11
圖2-2 軸向速度與流場壓力變化圖 12
圖2-3 一維風力機控制體積圖 13
圖2-4 沿著流線的一維風力機控制體積圖 14
圖2-5 各式風車之功率係數與尖端速度比之關係圖 18
圖2-6 容積比與尖端速度比之關係圖[11] 18
圖2-7 流入風速與切線速度合成[12] 19
圖2-8 葉片翼剖面之受力分析[12] 20
圖2-9 水平軸式風車種類[ 14] 23
圖2-10 垂直軸式風車種類[14] 24
圖2-11 Vestas V47-660/200KW風車結構[14] 25
圖3-1 控制體積離散化示意圖[15] 28
圖3-2 SIMPLE法則計算流程圖[17] 31
圖3-3 CFD求解流程圖[17] 32
圖3-4 三維風力機模型 34
圖3-5 不同葉片長度之風力機模型 34
圖3-6 NACA2415翼型加裝winglet之三視圖 35
圖3-7 NACA2415翼型加裝winglet之三視圖 35
圖3-8 三維網格種類 36
圖3-9 NACA2415翼剖面[18] 36
圖3-10 NACA4415翼剖面[18] 36
圖3-11出口邊界條件數值模擬結果比較圖 39
圖3-12 流場邊界條件示意圖 40
圖3-13 流場邊界條件 41
圖3-14 葉片周圍轉動網格 41
圖3-15 風洞全景 42
圖3-16 風洞測試段 43
圖3-17 測試段後方的漸擴管 43
圖3-18 測試段前方的皮托管 44
圖3-19 控制箱 45
圖3-20 小型風車 46
圖3-21 NACA4415及NACA2415截短葉片 46
圖3-22 風車葉片加裝winglet 47
圖3-23風車葉片加裝winglet 47
圖3-24 NACA2415加裝winglet 48
圖3-25 NACA2415加裝winglet近照 48
圖4-1 風速10m/s、NACA2415翼型、螺距角5度之Cp比較 49
圖4-2 風速10m/s、NACA2415翼型、螺距角7.5度之Cp比較 50
圖4-3 風速10m/s、NACA2415翼型、螺距角15度之Cp比較 50
圖4-4 轉速Rpm=1817.5,葉片周圍流場速度分布圖 53
圖4-5 轉速Rpm=1817.5葉片周圍流場速度分布放大圖 53
圖4-6 Rpm=1817.5整體流場速度分布圖 54
圖4-7轉速Rpm=2653.9葉片周圍流場速度分布圖 55
圖4-8 轉速Rpm=2653.9葉片周圍流場速度分布放大圖 55
圖4-9 Rpm=2653.9整體流場速度分布圖 56
圖4-10 風速8m/s、NACA2415翼型、螺距角7.5度之Cp比較 57
圖4-11 風速10m/s、NACA2415翼型、葉片長度0.24m之Cp比較 58
圖4-12 入口風速10m/s、NACA4415翼型、螺距角5度之Cp比較 59
圖4-13 入口風速10m/s、NACA4415翼型、螺距角7.5度之Cp比較 59
圖4-14 入口風速8m/s、NACA4415翼型、螺距角7.5度之Cp比較 61
圖4-15 NACA2415翼型加裝wingle、螺距角7.5度 62
圖4-16 入口風速10m/s、NACA2415翼型加裝winglet、螺距角7.5度之Cp比較 62
圖4-17 加裝winglet後的翼尖流場速度分布圖 63
圖4-18 入口風速8m/s、NACA2415翼型加裝wingle、螺距角7.5度之Cp比較 64
圖4-19 NACA2415翼型加裝wingle II、螺距角7.5度 65
圖4-20 入口風速8m/s、NACA2415翼型加裝winglet II、螺距角7.5度之Cp比較 65
圖4-21加裝winglet II後的翼尖流場速度分布圖 66
圖4-22 風速10m/s、NACA2415翼型、不同螺距角比較圖之Cp比較 67
圖4-23 NACA2415翼型、螺距角7.5度時不同葉片長度之Cp比較 68
圖4-24 NACA2415翼型、螺距角7.5度、不同風速之Cp比較 69
圖4-25 NACA4415翼型、不同螺距角之Cp比較 70
圖4-26 NACA4415翼型、螺距角7.5度、不同風速之Cp比較 71
圖4-27 風速10m/s、螺距角7.5度;不同翼型之Cp比較 72
圖4-28 風速10m/s、螺距角7.5度、NACA2415加裝winglet前後之Cp比較 73
圖4-29 風速8m/s、螺距角7.5度、NACA2415翼型加裝winglet II前後之Cp比較 74
圖4-30 風速8m/s、螺距角7.5度、加裝不同winglet之Cp比較 75

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[2]M.R. Patel, ”Wind and Solar Power systems,” CRC Press, pp.273-275,1999。
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[5]SWIFT, http://www.swiftwindturbine.com/
[6]全球風能協會網頁(GWEC, Global Wind Energy Council),http://www.gwec.net/
[7]台灣電力公司網頁,http://www.taipower.com.tw/
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[11]三野正洋,牛山泉,”小型風車設計與製造”,復漢出版社,2001。
[12]郭俊賢,”小型風力充電系統之開發”,大同大學機械工程研究所碩士論文,2008。
[13]徐彬堯,”風車葉片運動模擬與動態分析”,成功大學航空太空工程學系碩士論文,2005。
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[15]FLUENT User Guide, FLUENT Inc, 2006
[16]S.V. Patanker, D.B. Spalding, “A calculation processure for heat, mass and momentum transfer in three-dimensional parabolic flows,” Int J Heat Transfer, 15:1787-1806,1972
[17]王福軍,”計算流體動力學分析-CFD軟件原理與應用”,清華大學出版社,2004
[18]UIUC Airfoil Coordinates Database,http://www.ae.illinois.edu/m-selig/ads/coord_database.html
[19]LW-9237大型風洞操作手冊,瑞領可技股份有限公司。
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