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系統識別號 U0002-2101201414160600
中文論文名稱 具外罩水平及垂直軸風力發電機特性探討
英文論文名稱 Performance Studies of Horizontal-axis and Vertical-axis Wind Turbines with Shrouds
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 102
學期 1
出版年 103
研究生中文姓名 陳彥佑
研究生英文姓名 Yen-Yu Chen
學號 601430407
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2013-01-09
論文頁數 88頁
口試委員 指導教授-陳增源
委員-張文宇
委員-陳慶祥
中文關鍵字 水平軸風力發電機  垂直軸風力發電機  擴散外罩  漩渦流集風罩  阻力型轉子  風洞實驗 
英文關鍵字 HAWT  VAWT  Flanged diffuser  Vortical stator assembly  Drag-type rotor  Wind tunnel test 
學科別分類 學科別應用科學航空太空
中文摘要 本研究可分為兩部分,第一部分為水平軸風力發電機搭配擴散外罩,探討不同的葉片及擴散外罩擴散角度的空氣動力特性,並與發電機匹配。本研究以不同螺距角度與不同的葉片葉根與葉尖比例Cr/Ct作比較。結果顯示,螺距角度為30度以及Cr/Ct為0.3時,大幅提升功率和扭矩輸出。比較擴散外罩不同擴散角度後,顯示擴散角度30度之擴散外罩有具有較佳效果。本研究將葉片與發電機做匹配,證實能帶動扭矩小的發電機並發電。
  第二部分探討應用於阻力型垂直軸風力發電機之漩渦流集風罩,本研究利用集風罩使氣流於集風罩內部產生漩渦流原理,搭配阻力型葉片,使阻力型轉子轉動至任何位置時,皆能受到空氣正向推力的作用。數值模擬顯示集風罩內部確實產生漩渦流結構。本研究比較導流板不同片數、長度及風向角度後,實驗結果顯示,6片導流板、長度24公分之漩渦流集風罩有較佳特性,搭配集風罩後,直徑只增加80%,但功率輸出可達到7~10倍。轉子啟動風速也降至1m/s左右。
英文摘要 The thesis studies of horizontal-axis and vertical-axis wind turbines with shrouds, which is divided into two parts. Part 1 investigates the aerodynamic characteristics of horizontal-axis wind turbine (HAWT) with different flanged diffusers and blades. Results show that larger power output is obtained when the pitch angle of the blades is fixed at 30°, and the chord length ratio between the blade root and tip is fixed at 0.3. Flanged diffuser diffusion angle of 30° have larger power output.
Part 2 investigate a vortical stator assembly (VSA) which was developed to improve the rotor performance, surrounding a drag-type, vertical-axis wind turbine (VAWT). The design was created to generate vortical flow inside the VSA; thus, the rotor blades always generate positive torque because they rotate in the same direction as the vortical flow. A numerical simulation was performed to verify the flow structures around and inside the VSAs. The experimental results indicated that VSAs can substantially augment the rotor performance, depending on the number and length of the guide vanes used. The augmentation ratios of the rotor power outputs with the VSA were between 7 and 10 under the investigated wind speeds 6 m/s, and wind directions between 0° and 50°. The diameter of the rotor integrated VSA increased by less than 80%. Results also show that the rotor starting speed was reduced to approximately 1 m/s.
論文目次 摘要 ii
Abstract iii
目錄 iv
圖目錄 vii
表目錄 xi
符號說明 xii
第1章 緒論 1
1-1 研究背景 1
1-2 風力發電機簡介 3
1-3 文獻回顧 10
1-4 研究目的 12
1-5 論文架構 12
第2章 實驗設備與量測儀器 14
2-1 實驗設備 14
2-1-1 大型風洞 14
2-1-2 微型風力發電機模型 14
2-2 實驗測量儀器 15
2-2-1 扭力量測系統 15
2-2-2 速度量測系統 15
2-2-3 量測顯示與控制系統 16
2-2-4 大氣狀態量測裝置 16
2-2-5 接觸式轉速計 16
2-2-6 非接觸式轉速計 16
2-2-7 發電機測試平台 17
2-2-8 頻率控制系統 17
第3章 研究方法 21
3-1 風洞系統實驗方法 21
3-2 數值方法 22
3-3 平板葉片製作方法 23
第4章 水平軸風力機實驗結果與討論 27
4-1 平板葉片具擴散外罩特性探討 27
4-1-1 不同螺距角之比較 27
4-1-2 不同擴散角度外罩之比較 31
4-1-3 不同葉片根部與尖部比例之比較 34
4-2 發電機特性 36
4-3 平板葉片與發電機組合之匹配 38
4-4 水平風力發電機組整合 40
第5章 垂直軸風力機實驗結果與討論 44
5-1 導流板不同片數實驗比較 46
5-2 導流板不同風向角度實驗比較 52
5-3 導流板不同長度實驗比較 57
5-4 導流板不同片數不同風向角度模擬 62
第6章 結論與未來展望 67
6-1 結論 67
6-2 未來展望 69
參考文獻 70
附錄 73

圖目錄
圖 1-1全球年新增風機裝置容量 1996-2012[1] 2
圖 1-2全球累計風機裝置容量 1996-2012[1] 2
圖 1-3水平軸式風力機[1] 4
圖 1-4垂直軸式風力機[2] 4
圖 1-5貝茲極限[3] 7
圖 1-6各種風車的功率係數圖[3] 8
圖 2-1大型風洞 17
圖 2-2十二葉片水平軸風力發電機 18
圖 2-3垂直軸式阻力型風力機 18
圖 2-4三相交流發電機 19
圖 2-5扭力計 19
圖 2-6皮托管 19
圖 2-7量測顯示裝置 20
圖 2-8大氣狀態量測裝置 20
圖 2-9發電機測試平台 20
圖 3-1五軸加工機 24
圖 3-2 Pro/e繪製翼型 25
圖 3-3設定加工工法及模擬切削狀況 25
圖 3-4葉片模擬、加工介面 26
圖 3-5葉片切削過程 26
圖 4-1不同風速下Power-螺距角比較 28
圖 4-2風速5m/s下不同螺距角之Power-RPM比較 29
圖 4-3風速6m/s下不同螺距角之Power-RPM比較 29
圖 4-4風速5m/s下不同螺距角之Torque-RPM比較 30
圖 4-5風速6m/s下不同螺距角之Torque-RPM比較 30
圖 4-6擴散角度30度(左)、擴散角度40度(右) 32
圖 4-7不同風速不同擴散角度外罩之Power-RPM比較 33
圖 4-8不同風速不同擴散角度外罩之Torque-RPM比較 33
圖 4-9風速5,6m/s下不同Cr/Ct之Power-RPM比較 35
圖 4-10風速5,6m/s下不同Cr/Ct之Torque-RPM比較 35
圖 4-11發電機不同轉速下Power-電阻比較 37
圖 4-12發電機不同電阻下Power-RPM比較 37
圖 4-13發電機不同電阻下Torque-RPM比較 38
圖 4-14葉片與發電機匹配Torque-RPM 39
圖 4-15葉片與發電機匹配Power-RPM 40
圖 4-16葉片與發電機整合成品 41
圖 4-17葉片與發電機整合成品之Power-RPM圖 41
圖 4-18葉片與發電機整合成品之Power-電流圖 42
圖 4-19葉片與發電機整合成品之Power-電壓圖 42
圖 4-20葉片與發電機整合成品之Power-電阻圖 43
圖 5-1垂直軸阻力型轉子 45
圖 5-2漩渦流集風罩 45
圖 5-3風速6m/s下不同導流板數之Power-RPM比較 48
圖 5-4風速6m/s下不同導流板數之Torque-RPM比較 49
圖 5-5風速8m/s下不同導流板數之Power-RPM比較 49
圖 5-6風速8m/s下不同導流板數之Torque-RPM比較 50
圖 5-7導流板4片尺寸 50
圖 5-8導流板6片尺寸 51
圖 5-9導流板8片尺寸 51
圖 5-10導流板12片尺寸 52
圖 5-11風速6m/s下不同導流板數Power-風向角度圖 54
圖 5-12風速8m/s下不同導流板數Power-風向角度圖 55
圖 5-13風速6m/s下6片導流板不同風向角度Power-RPM比較 55
圖 5-14風速6m/s下6片導流板不同風向角度Torque-RPM比較 56
圖 5-15風速8m/s下6片導流板不同風向角度Power-RPM比較 56
圖 5-16風速6m/s下6片導流板不同風向角度Torque-RPM比較 57
圖 5-17不同風速不同導流板長度Power-RPM比較 60
圖 5-18不同風速不同導流板長度Torque-RPM比較 60
圖 5-19風速6m/s下不同導流板長度Power-風向角度圖 61
圖 5-20風速8m/s下不同導流板長度Power-風向角度圖 61
圖 5-21風向角度0度12片導流板速度向量圖 64
圖 5-22風向角度0度8片導流板速度向量圖 64
圖 5-23風向角度0度6片導流板速度向量圖 65
圖 5-24風向角度0度4片導流板速度向量圖 65
圖 5-25風向角度40度6片導流板速度向量圖 66
圖 5-26風向角度40度4片導流板速度向量圖 66

表目錄
表 5-1阻力型風力機風速6m/s不同外罩效率比較表 48
表 5-2阻力型風力機風速8m/s不同外罩效率比較表 48
表 5-3風向角度0度不同風速不同導流板長度比較 59
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