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系統識別號 U0002-2007201111511600
中文論文名稱 小型水平軸式風力發電系統之研製
英文論文名稱 Research and Development of Small Horizontal-axis Wind Turbine System
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 99
學期 2
出版年 100
研究生中文姓名 簡名硯
研究生英文姓名 Ming-Yan Jian
學號 698430120
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2011-06-27
論文頁數 106頁
口試委員 指導教授-陳增源
指導教授-張文宇
委員-管衍德
委員-陳慶祥
委員-湯敬民
中文關鍵字 小型風力發電系統  特性曲線  微控制器系統 
英文關鍵字 Small-scale Wind turbine System  Characteristics Curves  Micro-controller System 
學科別分類 學科別應用科學航空太空
中文摘要 本論文關於研製一組能裝置於行動車輛之小型水平軸式風力發電系統。具體來說,本論文研究轉子葉片與發電機之間特性匹配問題,並利用微控制器,發展一組發電機輸出控制系統。藉由發電機測試平台量測發電機之特性,並將發電機與現有葉片特性結合來評估匹配之可用性。本系統設計之控制器以單晶片PIC16F917為控制核心,透過軟體的規劃和控制,並且配合升壓模組與降壓式轉換器電路,來達到最大功率追蹤、充電控制與發電機過載保護之目標。
本論文設計之控制器系統,以13V定電壓輸出提供鉛酸電池進行充電控制,並且提供12V與5V USB型式之直流電力輸出,以實驗與實作之方式驗證其可行性。當風力發電機裝置於電動車輛上,藉由車輛的移動讓風力發電機產生電力,並提供電池充電之能力,其增加電動車輛之續航力。對於12V電力輸出能提供電子產品使用,而5V USB型式之電力輸出能提供手機充電、LED燈...等,更能提升小型風力發電機的實用性與方便性,達到綠色能源節能之目標。
英文摘要 This thesis is concerned with the research and development of a small horizontal-axis wind turbine system for moving vehicles. Specifically, this study investigates the characteristics matching problems between the rotor blade and generator, and develops a generator output control system using a micro-controller. The characteristics of some available generators are tested using a generator test bench. These generators are combined with the existing rotor blades to evaluate the matching availability. The controller designed of this system uses a microchip PIC16F917 to control the core through the planning and controlling software, with the boost and buck converter module circuit, to achieve objectives of maximum power tracking, charging control and generator overload protection.
The design of the controller system from the study, applying to constant voltage of 13V for providing lead-acid battery to charge and provides 12V and 5V USB-type connector for DC electricity outputs, by using experiment and implementation to test and verify feasibility. When installing the wind turbine in vehicles, the wind turbine starts generating electricity with vehicle moving, and providing battery charge ability is able to extend the endurance of electrical vehicles. The 12V electricity output can be used to electronics, while the 5V USB-type electricity output can be used for charging the cell phone, led light, and so on. These enhance the usefulness and convenience of small wind turbines to achieve the goal of green energy saving.
論文目次 致謝... I
中文摘要.................................................................................................. II
英文摘要................................................................................................. III
目錄....................................................................................................... V
圖目錄.................................................................................................... X
表目錄................................................................................................. XVII
符號說明............................................................................................. XVIII
第一章 緒論............................................................................................. 1
1.1 研究背景.............................................................................................1
1.2 研究目的.............................................................................................2
1.3 研究內容大綱.......................................................................................3
1.4 文獻回顧.............................................................................................4
第二章 小型風力發電系統介紹....................................................................6
2.1 風力發電機..........................................................................................6
2.2 風力發電之原理...................................................................................8
2.3 葉片與發電機特性匹配分析.................................................................11
2.4 發電機種類........................................................................................16
2.4.1 直流發電機.................................................................................... 16
2.4.2 盤式無鐵心發電機...........................................................................17
2.4.3 永磁式同步交流發電機.....................................................................17
2.5 最大功率追蹤介紹..............................................................................18
2.5.1 擾動觀察法.....................................................................................19
2.6 DC/DC切換式轉換器介紹....................................................................21
2.6.1 升壓式轉換器..................................................................................21
2.6.2 降壓式轉換器..................................................................................23
2.7 本論文系統架構與程式介面.................................................................25
2.7.1 本文電力系統架構...........................................................................25
2.7.2 MPLAB軟體程式介面......................................................................26
2.7.3 數據擷取系統介面...........................................................................28
第三章 實驗設備與實驗量測方法.............................................................. 29
3.1 大型風洞設備....................................................................................29
3.1.1 速度量測系統.................................................................................30
3.1.2 量測顯示與控制系統........................................................................31
3.1.3 大氣狀態量測裝置...........................................................................31
3.2 小型風力發電機組..............................................................................32
3.2.1 轉速與扭力量測系統........................................................................33
3.3 人工風場...........................................................................................34
3.3.1 人工風場控制系統...........................................................................35
3.4 發電機性能量測系統與發電機規格介紹................................................35
3.4.1 發電機測試平台..............................................................................35
3.4.2 頻率控制系統.................................................................................36
3.4.3 負載控制系統.................................................................................37
3.4.4 30W直流發電機.............................................................................38
3.4.5 65W直流發電機..............................................................................38
3.4.6 50W交流發電機..............................................................................39
3.4.7 30W盤式發電機..............................................................................39
3.4.8 高功率可調繞線瓷管電阻.................................................................40
3.5 發電機性能量測方法..........................................................................41
3.5.1 開路電壓量測方法...........................................................................41
3.5.2 負載特性量測方法...........................................................................42
3.6 風力發電機功率曲線量測方法.............................................................43
第四章 實驗結果與討論........................................................................... 44
4.1 發電機性能量測與分析........................................................................44
4.1.1 發電機開路電壓與負載特性...............................................................44
4.1.2 發電機電壓-轉速特性.......................................................................47
4.1.3 發電機電流-轉速特性.......................................................................47
4.1.4 發電機功率-轉速特性.......................................................................48
4.1.5 發電機轉矩-轉速特性.......................................................................48
4.2 發電機與葉片特性匹配分析.................................................................49
4.3 本論文發電機與葉片匹配選擇..............................................................53
4.3.1 風力發電機功率曲線量測.................................................................54
第五章 硬體製作與實測結果..................................................................... 77
5.1 充電控制電路....................................................................................78
5.2 降壓式轉換器電路..............................................................................78
5.3 電流與電壓偵測電路...........................................................................79
5.4 MOSFET驅動IC電路...........................................................................81
5.5 PIC16F917微處理器............................................................................81
5.6 本論文控制器系統…...........................................................................83
5.7 最大功率追蹤軟體規劃…....................................................................83
5.8 實測結果...........................................................................................85
5.8.1 風力發電機過載保護測試.................................................................85
5.8.2 最大功率追蹤測試...........................................................................86
5.8.3 定電壓13V充電測試.........................................................................88
5.8.4 定電壓12V和5V負載端輸出測試........................................................89
第六章 結論與未來展望........................................................................... 91
6.1 結論.................................................................................................91
6.2 未來展望...........................................................................................92
參考文獻............................................................................................... 93
附錄..................................................................................................... 95
附錄A PIC16F917程式規劃..................................................................... 95
附錄B 研討會論文簡易版....................................................................... 101

圖目錄
圖 2-1: 典型水平軸式風力發電機..........................................................7
圖 2-2: 典型垂直軸式風力發電機..........................................................7
圖2-3: 風經過葉片所能擷取之風能示意圖........................................11
圖 2-4: 風力發電系統架構圖................................................................12
圖 2-5: 風力發電系統功率流程圖........................................................12
圖 2-6: 負載曲線於最大功率曲線前後示意圖....................................14
圖 2-7: 風力發電機於不同負載、風速之下匹配點示意圖..................15
圖 2-8: 風力發電功率-轉速之特性曲線..............................................18
圖 2-9: 擾動觀察法系統架構圖............................................................20
圖 2-10: 擾動觀察法控制流程圖..........................................................20
圖 2-11: 升壓式直流轉換器電路..........................................................21
圖 2-12: 升壓式轉換器連續導通模式:(a)開關導通 (b)開關截止.....22
圖 2-13: 降壓式轉換器之電路..............................................................23
圖 2-14: 升壓式轉換器連續導通模式:(a)開關導通 (b)開關截止.....24
圖 2-15: 風力發電機電力系統架構圖..................................................26
圖 2-16: MPLAB IDE軟體介面............................................................27
圖 2-17: ICD2單晶片模擬器.................................................................27
圖 2-18: 數據擷取系統介面..................................................................28
圖 3-1: 大型風洞設備............................................................................30
圖 3-2: 皮托管裝置................................................................................30
圖 3-3: 量測顯示與控制系統................................................................31
圖 3-4: 大氣狀態量測裝置....................................................................32
圖 3-5: 小型水平軸式風力發電機組....................................................32
圖 3-6: 葉片裝置之輪穀........................................................................33
圖 3-7: 風力發電機之轉速與扭力量測系統........................................34
圖 3-8: 人工風場外觀圖........................................................................34
圖3-9: 人工風場控制系統外觀圖........................................................35
圖3-10: 發電機測試平台......................................................................36
圖 3-11: 頻率控制系統與轉速、扭力顯示器........................................37
圖 3-12: 負載控制系統與電壓、電流顯示器........................................37
圖 3-13: 30W直流發電機......................................................................38
圖 3-14: 65W直流發電機......................................................................38
圖 3-15: 50W交流發電機......................................................................39
圖 3-16: 30W盤式交流發電機..............................................................39
圖 3-17: 500W高功率可調繞線瓷管電阻............................................40
圖 3-18: 發電機開路電壓量測流程圖..................................................41
圖3-19: 發電機負載特性量測流程圖...................................................42
圖3-20: 風力發電機功率曲線量測流程圖...........................................43
圖 4-1: 30W盤式發電機開路電壓,Voltage-Speed關係圖..................57
圖 4-2: 65W直流發電機開路電壓,Voltage-Speed關係圖.................57
圖 4-3: 30W直流發電機開路電壓,Voltage-Speed關係圖.................58
圖 4-4: 50W三項交流發電機開路電壓,Voltage-Speed關係圖.........58
圖 4-5: 30W盤式發電機負載特性,於不同轉速之下Voltage-Current
關係圖........................................................................................59
圖 4-6: 65W盤式發電機負載特性,於不同轉速之下Voltage-Current
關係圖........................................................................................59
圖 4-7: 30W直流發電機負載特性,於不同轉速之下Voltage-Current
關係圖........................................................................................60
圖 4-8: 50W交流發電機負載特性,於不同轉速之下Voltage-Current
關係圖........................................................................................60
圖 4-9: 30W盤式發電機於不同負載之下Voltage-Speed關係圖........61
圖 4-10: 65W直流發電機於不同負載之下Voltage-Speed關係圖......61
圖 4-11: 30W直流發電機於不同負載之下Voltage-Speed關係圖......62
圖 4-12: 30W盤式發電機於不同負載之下Current-Speed關係圖......62
圖 4-13: 65W直流發電機於不同負載之下Current-Speed關係圖......63
圖 4-14: 30W直流發電機於不同負載之下Current-Speed關係圖......63
圖 4-15: 30W盤式發電機於不同負載之下Power-Speed關係圖........64
圖 4-16: 65W直流發電機於不同負載之下Power-Speed關係圖........64
圖 4-17: 30W直流發電機於不同負載之下Power-Speed關係圖........65
圖 4-18: 30W盤式發電機於不同負載之下Torque-Speed關係圖.......65
圖 4-19: 65W直流發電機於不同負載之下Torque-Speed關係圖.......66
圖 4-20: 30W直流發電機於不同負載之下Torque-Speed關係圖.......66
圖 4-21: 平板6葉片、扭轉30°與30W直流發電機於不同風速、
負載之下Torque-Speed匹配關係圖......................................67
圖 4-22: 平板6葉片、扭轉30°與65W直流發電機於不同風速、
負載之下Torque-Speed匹配關係圖......................................67
圖 4-23: NACA4415、短翼尖、6葉片、β=7.5°與30W直流發電機
於不同風速、負載之下Torque-Speed匹配關係圖................68
圖 4-24: NACA4415、短翼尖、6葉片、β=7.5°與65W直流發電機
於不同風速、負載之下Torque-Speed匹配關係圖................68
圖 4-25: NACA4415、6葉片、β=5°與30W直流發電機於不同風速、
負載之下Torque-Speed匹配關係圖......................................69
圖 4-26: NACA4415、6葉片、β=5°與65W直流發電機於不同風速、
負載之下Torque-Speed匹配關係圖......................................69
圖4-27: NACA2415、12葉片、β=7.5°與30W直流發電機於不同風
速、負載之下Torque-Speed匹配關係圖..........……………..70
圖4-28: NACA2415、12葉片、β=7.5°與65W直流發電機於不同風
速、負載之下Torque-Speed匹配關係圖............................... 70
圖4-29: NACA2415、12葉片、β=7.5°與65W直流發電機於不同風
速、負載之下Power-Speed匹配關係圖..................................71
圖4-30: NACA2415、12葉片、β=7.5°與65W直流發電機於不同風
速、負載之下Power-Wind Speed匹配關係圖........................71
圖4-31: NACA4415、6葉片、β=5°與50W交流發電機於不同風速
、負載之下Torque-Speed匹配關係圖....................................72
圖4-32: NACA2415、12葉片、β=7.5°與50W交流發電機於不同風
速、負載之下Torque-Speed匹配關係圖................................72
圖4-33: NACA4415、大翼尖6葉片、β=40°與30W直流發電機於不
同風速、負載之下Torque-Speed匹配關係圖........................73
圖4-34: NACA4415、大翼尖6葉片、β=40°與65W直流發電機於不
同風速、負載之下Torque-Speed匹配關係圖........................73
圖4-35: NACA4415、大翼尖6葉片具外罩、β=40°與30W直流發電
機於不同風速、負載之下Torque-Speed匹配關係圖............74
圖4-36: NACA4415、大翼尖6葉片具外罩、β=40°與65W直流發電
機於不同風速、負載之下Torque-Speed匹配關係圖............74
圖4-37: NACA4415、6葉片、β=5°連接30W直流發電機於風速
8m/s、10m/s之下Torque-Speed關係圖................................75
圖4-38: NACA4415、6葉片、β=5°連接65W直流發電機於風速
8m/s、10m/s之下Power-Speed關係圖..................................75
圖4-39: NACA4415、6葉片、β=5°連接65W直流發電機於風速
8m/s、10m/s之下Torque-Speed關係圖................................76
圖4-40: NACA4415、6葉片、β=5°連接65W直流發電機於風速
8m/s、10m/s之下Power-Speed關係圖..................................76
圖5-1: 風力發電機控制器架構圖........................................................ 77
圖5-2: 繼電器切換電路圖.................................................................... 78
圖5-3: 降壓式轉換器電路圖................................................................ 79
圖5-4: 發電機輸入電壓與電流偵測電路............................................ 80
圖5-5: 電池電壓與輸出電流偵測電路................................................ 80
圖5-6: 功率晶體驅動電路圖................................................................ 81
圖5-7: PIC16F917腳位圖..................................................................... 82
圖5-8: 控制器實體圖............................................................................ 83
圖5-9: 擾動觀察法控制流程圖............................................................ 84
圖5-10: 於不同風速之下最大功率追蹤Power-Wind Speed關係圖.. 85
圖5-11: 於負載10歐姆、不同風速之下,Power-Duty Cycle關係圖.. 86
圖5-12: 於負載20歐姆、不同風速之下,Power-Duty Cycle關係圖.. 87
圖5-13: 於負載50歐姆、不同風速之下,Power-Duty Cycle關係圖.. 87
圖5-14: 於不同風速之下,定電壓充電Voltage-Wind Speed關係圖.. 88
圖5-15: 於不同負載之下,12V定電壓輸出Voltage-Current關係圖.. 89
圖5-16: 於不同負載之下,5V定電壓輸出Voltage-Current關係圖.... 90
圖5-17: 連接12V照射燈….................................................................. 90
圖5-18: 連接5V USB式LED燈…....................................................... 90

表目錄
表4-1: 30W風力發電機於風速8m/s,各項數據量測.......................... 54
表4-2: 30W風力發電機於風速10m/s,各項數據量測........................ 55
表4-3: 65W風力發電機於風速8m/s,各項數據量測.......................... 55
表4-4: 65W風力發電機於風速10m/s,各項數據量測........................ 56
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[22] http://www.learn-c.com/tc4429.pdf
[23] http://www.datasheetdir.com/PIC16F917+PIC-Microcontrollers
論文使用權限
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