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系統識別號 U0002-2109200710325600
中文論文名稱 風力發電機對環境風場影響之評估
英文論文名稱 A Discussion on Effect of Wind Environment by Wind Turbines
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 土木工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Civil Engineering
學年度 95
學期 2
出版年 96
研究生中文姓名 許育誠
研究生英文姓名 Yu-Cheng Hsu
學號 694310052
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2007-07-18
論文頁數 125頁
口試委員 指導教授-張正興
委員-商能洲
委員-吳重成
中文關鍵字 風力發電機  計算流體力學  環境風場  滑動網格 
英文關鍵字 wind turbine  CFD  wind environment  slide mesh 
學科別分類 學科別應用科學土木工程及建築
中文摘要 由於環保意識的抬頭,綠色能源不斷的受到重視,尤其以風力發電機此類
對於環境較少干擾的能源最受青睞。在大量的風力發電機裝設的同時,風力發
電機製造商與學者並未有提出相關對於風力發電機運作時可能造成環境風場
影響的評估報告,故有必要針對造成環境風場影響進行研究。
本研究期望藉由風洞試驗配合計算流體力學找尋兩者的相關性,並建立出
一套可預測風力發電機干擾環境風場的評估方法。由於風洞試驗無法滿足風力
發電機在流體力學中相似性縮尺下的物理行為,所呈現出得風場並非實場真正
的流況。本研究將嘗試以風洞試驗所擷取到的流場特性與數值模擬作一比較,
尋求出最佳的數值模式和參數設定,再以此一數值模式和參數設定來模擬實際
尺寸的風力發電機,利用此數值結果配合風洞試驗來評估對環境風場之影響。
在數值模擬的技術上則選用滑動網格,曾針對過動態網格與滑動網格概略性的
性能測試,經過比較後吾人認為並無太大的差異。然而,在風力發電機的數值
預測方面,其結果風速剖面仍與風洞實驗有相同趨勢,但數值量級確有部分差
距,而在紊流強度方面則有明顯相近的結果。
當氣流通過風力發電機,風速有明確的驟減趨勢,但流場卻變得更加紊
亂。干擾後的流場在經過舒適度評估標準,位於風力發電機後方不遠處,其舒
適度評估風速有顯著增加的現象,越遠離則舒適度評估風速有逐漸降低的趨
勢。
英文摘要 Because of environmental consciousness to rise and develop, the green energy
has been paid attention to constantly. The kind of energy which is less likely to
interfere with the environment is especially favored, for instance, the wind turbine.
While a large number of wind turbine have been installed, not many relevant studies
and reports have proven that the function of wind turbine would not influence the wind
environment. Therefore, a further study of the wind turbine to influence the wind
environment should be developed.
This research is expected to find the correlation of the wind turbine and the wind
environment by using wind tunnel experiment and computational fluid dynamics to set
up a assessment method to predict wind environment. Since the wind tunnel
experiment can't (reflect) satisfy the real flow field of the wind turbine, the study is
attemped to find the best mode and parameter by comparing the numerical simulation
with the flow characteristic of wind tunnel experiment. The mode and parameter are
set up to imitate the real dimensions of the wind turbine. The result is then utilized to
cooperate with wind tunnel experiment to assess the influence on wind environment.
Slide mesh is selected for use on the technology of the numerical simulation for there
is not much difference after comparing the function test of dynamic mesh and slide
mesh. However, in the result of the numerical prediction of wind turbine, the wind
velocity profiles have the same trends with the wind tunnel experiment results and the
results of the turbulent intensity profile are close to wind tunnel data.
While the wind flow pass through the wind turbine, the wind speed has the
tendency of decreasing in downstream, but the airflow becomes more disorderly. The
turbulence intensity increases. The comfortable wind speed calculated by pedestrian wind comfort criteria increases in the region of just downstream of turbin. Other
regions of downstream have lower comfortable wind speed than before wind turbine
installed.
論文目次 目錄
目錄...................................................................................................................I
圖目錄............................................................................................................ IV
表目錄.......................................................................................................... VIII
第一章 緒論.....................................................................................................1
1-1 前言.......................................................................................................1
1-2 研究動機................................................................................................1
1-3 研究方法................................................................................................1
1-4 研究內容................................................................................................2
第二章 文獻回顧..............................................................................................3
2-1 理論背景................................................................................................3
2-1-1 大氣邊界層......................................................................................3
2-1-2 阻塞效應..........................................................................................8
2-1-3 相似性.............................................................................................8
2-1-4 氣動現象........................................................................................10
2-1-5 風力發電機....................................................................................11
2-2 計算流體力學.......................................................................................13
2-2-1 控制方程式建立.............................................................................14
2-2-2 數值方法........................................................................................15
2-2-3 紊流模式........................................................................................17
2-2-4 邊界條件........................................................................................22
2-3 舒適度評估準則...................................................................................24
2-3-1 評估標準回顧.................................................................................24
2-3-2 風速風向發生機率計算..................................................................25
第三章 實驗設置與數值模擬步驟說明............................................................26
3-1 以風洞試驗探討風力發電機..................................................................26
II
3-1-1 風洞流場配置.................................................................................27
3-1-2 風速量測儀器.................................................................................28
3-1-3 轉速率定........................................................................................29
3-1-4 實驗數據的採樣技巧......................................................................29
3-1-5 風力發電機風場量測之步驟...........................................................30
3-2 以數值模擬探討風力發電機..................................................................31
3-2-1 滑動網格與動態網格技術之研究....................................................31
3-2-2 相似性初探....................................................................................32
3-2-3 氣彈力下風力發電機數值模擬方法................................................33
3-2-4 風力發電機數值模擬步驟...............................................................34
3-2-4 數值模擬的採樣技巧......................................................................37
3-3 舒適度評估步驟...................................................................................38
3-3-1 氣象資整理結果..............................................................................38
3-3-2 舒適性的評估方法.........................................................................38
第四章 結果分析............................................................................................39
4-1 風洞試驗結果.......................................................................................39
4-1-1 風力發電機風攻角、轉速及風速關係.............................................39
4-1-2 風力發電機對風速剖面的影響........................................................40
4-1-3 風力發電機對風速頻譜的影響........................................................40
4-2 數值模擬結果.......................................................................................41
4-2-1 滑動網格與動態網格之比較...........................................................41
4-2-2 相似性探討....................................................................................42
4-2-3 數值模擬驗證風洞實驗流場情形....................................................42
4-2-4 利用數值模擬預測實場風場...........................................................43
4-3 風力發電機縮尺與原尺寸之比較..........................................................43
4-4 舒適度評估...........................................................................................44
III
第五章 結論與建議........................................................................................45
5-1 結論.....................................................................................................45
5-1-1 風洞試驗探討風力發電機...............................................................45
5-1-2 數值模擬探討風力發電機...............................................................46
5-1-3 風力發電機對行人風場之探討........................................................46
5-2 建議.....................................................................................................46
參考文獻........................................................................................................49

圖目錄
圖3-1-1 淡江大學大氣邊界層風洞實驗室平立面圖 51
圖3-1-2 海洋地況下風速剖面及紊流強度 51
圖3-1-3 錐形導流板基座寬度與流場關係圖 52
圖3-1-4 粗糙元素設計尺寸 52
圖3-3-1 梧棲氣象站各風向發生機率圖 53
圖3-3-2 梧棲氣象站各風向平均風速圖 (m/s) 53
圖4-1-1 風攻角與轉速率定實驗 54
圖4-1-2 風攻角、轉速及風速關係圖 54
圖4-1-3 風力發電機扇葉風攻角示意圖 55
圖4-1-4 熱風速儀與熱膜探針 55
圖4-1-5 風洞實驗示意圖 56
圖4-1-6 熱膜探針擺設位置示意 56
圖4-1-7 風力發電機外形示意圖 57
圖4-1-8 風洞試驗量測點示意圖 57
圖4-1-9 風力發電機興建前與興建後順風向後10 cm風速剖面之比較圖 58
圖4-1-10 風力發電機興建前與興建後順風向後20 cm風速剖面之比較圖 59
圖4-1-11 風力發電機興建前與興建後順風向後30 cm風速剖面之比較圖 60
圖4-1-12 風力發電機興建前與興建後順風向後40 cm風速剖面之比較圖 61
圖4-1-13 風力發電機興建前與興建後順風向後50 cm風速剖面之比較圖 62
圖4-1-14 風力發電機興建前與興建後順風向後60 cm風速剖面之比較圖 63
圖4-1-15 風力發電機興建前與興建後順風向後70 cm風速剖面之比較圖 64
圖4-1-16 風力發電機興建前與興建後順風向後80 cm風速剖面之比較圖 65
圖4-1-17 風力發電機興建前與興建後順風向後10 cm紊流強度之比較圖 66
圖4-1-18 風力發電機興建前與興建後順風向後20 cm紊流強度之比較圖 67
圖4-1-19 風力發電機興建前與興建後順風向後30 cm紊流強度之比較圖 68
圖4-1-20 風力發電機興建前與興建後順風向後40 cm紊流強度之比較圖 69
圖4-1-21 風力發電機興建前與興建後順風向後50 cm紊流強度之比較圖 70
圖4-1-22 風力發電機興建前與興建後順風向後60 cm紊流強度之比較圖 71
圖4-1-23 風力發電機興建前與興建後順風向後70 cm紊流強度之比較圖 72
圖4-1-24 風力發電機興建前與興建後順風向後80 cm紊流強度之比較圖 73
圖4-1-25 順風向垂直剖面平均風速變化圖 74
圖4-1-26 順風向垂直剖面紊流強度變化圖 74
圖4-1-27 順風向水平剖面平均風速變化圖 75
圖4-1-28 順風向水平剖面紊流強度變化圖 75
圖4-1-29 橫風向垂直剖面平均風速變化圖 76
圖4-1-30 橫風向垂直剖面紊流強度變化圖 76
圖4-1-31 風力發電機風速頻譜分析(下游干擾) 77
圖4-1-32 風力發電機風速頻譜分析(橫向干擾) 77
圖4-2-1 滑動網格Interface設定 78
圖4-2-2 滑動網格及動態網格設計尺寸 78
圖4-2-3 動態網格變形前 79
圖4-2-4 動態網格變形後 79
圖4-2-5 滑動網格與動態網格x方向速度場之比較 80
圖4-2-6 滑動網格與動態網格y方向速度場之比較 80
圖4-2-7 滑動網格與動態網格紊流強度之比較 80
圖4-2-8 相似性研究之計算值域 81
圖4-2-9 矩形扇葉運轉所造成流線圖 81
圖4-2-10 相似性研究x方向速度場比較圖 82
圖4-2-11 相似性研究y方向速度場比較圖 82
圖4-2-12 相似性研究紊流強度比較圖 82
圖4-2-13 數值模擬邊界條件設定 83
圖4-2-14 風力發電機計算值域 83
圖4-2-15 風洞試驗與數值模擬順風向後10 cm風速剖面之比較圖 84
圖4-2-16 風洞試驗與數值模擬順風向後20 cm風速剖面之比較圖 85
圖4-2-17 風洞試驗與數值模擬順風向後30 cm風速剖面之比較圖 86
圖4-2-18 風洞試驗與數值模擬順風向後40 cm風速剖面之比較圖 87
圖4-2-19 風洞試驗與數值模擬順風向後50 cm風速剖面之比較圖 88
圖4-2-20 風洞試驗與數值模擬順風向後60 cm風速剖面之比較圖 89
圖4-2-21 風洞試驗與數值模擬順風向後70 cm風速剖面之比較圖 90
圖4-2-22 風洞試驗與數值模擬順風向後80 cm風速剖面之比較圖 91
圖4-2-23 風洞試驗與數值模擬順風向後10 cm紊流強度之比較圖 92
圖4-2-24 風洞試驗與數值模擬順風向後20 cm紊流強度之比較圖 93
圖4-2-25 風洞試驗與數值模擬順風向後30 cm紊流強度之比較圖 94
圖4-2-26 風洞試驗與數值模擬順風向後40 cm紊流強度之比較圖 95
圖4-2-27 風洞試驗與數值模擬順風向後50 cm紊流強度之比較圖 96
圖4-2-28 風洞試驗與數值模擬順風向後60 cm紊流強度之比較圖 97
圖4-2-29 風洞試驗與數值模擬順風向後70 cm紊流強度之比較圖 98
圖4-2-30 風洞試驗與數值模擬順風向後80 cm紊流強度之比較圖 99
圖4-2-31 風力發機後10m處數值模擬x方向風速結果 100
圖4-2-32 風力發機順風向x方向風速分布情況 100
圖4-2-33 數值模擬預測實場順風向後20m風速剖面之比較圖 101
圖4-2-34 數值模擬預測實場順風向後40m風速剖面之比較圖 102
圖4-2-35 數值模擬預測實場順風向後60m風速剖面之比較圖 103
圖4-2-36 數值模擬預測實場順風向後80m風速剖面之比較圖 104
圖4-2-37 數值模擬預測實場順風向後100m風速剖面之比較圖 105
圖4-2-38 數值模擬預測實場順風向後120m風速剖面之比較圖 106
圖4-2-39 數值模擬預測實場順風向後140m風速剖面之比較圖 107
圖4-2-40 數值模擬預測實場順風向後160m風速剖面之比較圖 108
圖4-2-41 數值模擬預測實場順風向後20m紊流強度之比較圖 109
圖4-2-42 數值模擬預測實場順風向後40m紊流強度之比較圖 110
圖4-2-43 數值模擬預測實場順風向後60m紊流強度之比較圖 111
圖4-2-44 數值模擬預測實場順風向後80m紊流強度之比較圖 112
圖4-2-45 數值模擬預測實場順風向後100m紊流強度之比較圖 113
圖4-2-46 數值模擬預測實場順風向後120m紊流強度之比較圖 114
圖4-2-47 數值模擬預測實場順風向後140m紊流強度之比較圖 115
圖4-2-48 數值模擬預測實場順風向後160m紊流強度之比較圖 116
圖4-3-1 縮尺模型與實際風場順風向後10cm平均風速之比較圖 117
圖4-3-2 縮尺模型與實際風場順風向後10cm紊流強度之比較圖 118
圖4-4-1 順風向垂直剖面舒適度變化圖 119
圖4-4-2 順風向水平剖面舒適度變化圖 119

表目錄
表2-1-1 各地況之粗糙係數與邊界層厚度 120
表2-1-2 各地況之地表粗糙度 [4] 120
表2-2-1 各紊流模式類型優劣之比較 [15] 121
表2-3-1 學者研究結果與都是評估標準整理 (1) 122
表2-3-2 學者研究結果與都是評估標準整理 (2) 123
表2-3-3 學者研究結果與都是評估標準整理 (3) 124
表3-3-1 梧棲氣象站1961~1999年間各風向之偉柏機率分佈參數 125
參考文獻 參考文獻
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