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系統識別號 U0002-2607201016313300
中文論文名稱 小型水平軸式風力發電機空氣動力特性探討
英文論文名稱 Studies of aerodynamic characteristics of small horizontal-axis 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 劉立仁
研究生英文姓名 Li-Jen Liu
學號 697430444
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2010-06-28
論文頁數 61頁
口試委員 指導教授-陳增源
委員-管衍德
委員-陳慶祥
中文關鍵字 水平軸式風力發電機;風力發電 
英文關鍵字 wind turbines 
學科別分類 學科別應用科學航空太空
中文摘要   本研究實驗探討小型風力發電機之空氣動力特性,實驗參數包括風速、葉片外型、葉片數、葉片阻塞比及葉片螺距角等,使用之葉片為NACA2415及NACA4415兩種翼型之無扭角葉片,並連接於一直徑15公分的錐形輪轂。實驗設備包括一全長9米、測試斷面1.3米x1.3米之開放型風洞,皮托管風速量測系統、轉速計、扭力計及模擬負載之電子式煞車系統。本研究之風洞阻塞比(blockage ratio)約為28.3%,因此,先就風洞阻塞效應作探討;結果顯示,風洞阻塞效應與風力發電機功率係數,尤其是葉片螺距角,有很大關聯,且修正有一極限值,最大之功率係數修正約27%,在低尖速比及高葉片螺距角下,則僅需作少許修正。在葉片空氣動力特性方面,較低的螺距角、寬度較窄的翼尖,有較高的葉片效率,但也需較高之啟動風速;而葉片增加雖有助於能量擷取,藉以降低啟動風速與增加低速領域的使用,但卻可能因重量而減低最高葉片轉速。
英文摘要 This research experimentally investigated the aerodynamic characteristics of small horizontal-axis wind turbines in a 1.3 m x1.3 m wind tunnel. The experimental parameters include blade number, tip chord length, wind speed, solidity ratio, and pitch angle. The turbine blades are no twisted. Two types of airfoil, NACA2415 and NACA4415, are used in this research. Turbine blades were attached to a cone hub with a base diameter of 15 cm, which was connected to a measurement apparatus including torque, rotor rotating speed, axial force sensors, and a brake system. The whole apparatus was placed on a support located in the middle of the tunnel test section. A pitot-static tube measured wind velocities. Effects of tunnel blockage on the turbine power coefficients were first determined by measuring the tunnel velocities with and without rotors using a pitot-static tube under various test conditions. Results show that the rotor blockage factor (BF) depends strongly on the rotor tip speed ratio (TSR), the blade pitch angle (β), and the tunnel blockage ratio (BR). The larger the TSR and BR are, the smaller the BF is. The BF approaches a constant value when the TSR exceeds a certain value. This study also shows that the blockage correction is less than 5% for a BR of 10%. No blockage correction is necessary for small TSR under all of the investigated conditions, and for the investigated blade pitch angle of 25o. In the blade aerodynamic aspect, results show that small blade pitch angle and short tip chord length have higher blade efficiencies, but also have higher starting wind speeds. Larger number of blades may have more energy extract, lower starting wind speed but also have lower RPM because of the weight.
論文目次 目錄
誌謝 I
論文中文摘要 II
論文英文摘要 III
目錄 IV
圖片目錄 VI
符號說明 IX
第一章:序論 1
1-1 研究背景 1
1-2 文獻回顧 15
1-3 研究目的 17
第二章:實驗器材 18
大型風洞 18
小型風力發電機模型 19
速度量測系統 21
轉速計 23
扭力量測系統 23
量測顯示與控制系統 24
大氣狀態量測裝置 25
第三章:研究方法 26
3-1 研究參數 26
3-2 風洞系統實驗流程 27
3-3 水平軸式風力發電機和螺旋槳飛機 34
第四章:實驗結果 36
4-1 阻塞比實驗結果 36
4-2 無外罩水平軸式風力發電機效率實驗 43
第五章:結論 55
第六章:未來展望 57
參考資料 59

圖片目錄
圖1-1:A.D.2008年台灣的主要能源供應比例圖 4
圖1-2:水平軸式風力發電機 7
圖1-3:垂直軸式風力發電機的一種,Darrieus型 7
圖1-4:水平軸式風力發電機結構 8
圖1-5:水平軸式風力發電機之風能擷取示意圖 10
圖1-6:空氣流經旋轉葉片斷面速度圖 14
圖2-1:大型風洞 19
圖2-2:裝設NACA4415型葉片的風力發電機模型 20
圖2-3:小型風力發電機模型葉片之裝置點 21
圖2-4:皮托管 22
圖2-5:皮托管的操控平台 23
圖2-6:風力發電機模型上之速度、扭力、轉速量測系統 24
圖2-7:量測顯示與控制系統 25
圖3-1:NACA2415及NACA4415翼型 26
圖3-2:12片葉片之發電機轉子示意圖 27
圖3-3:尋找皮托管之配置位置方法的量測參考點示意圖 28
圖3-4:阻塞比實驗流程圖 31
圖3-5:小型風力發電機效率實驗流程圖 33
圖3-6:風力發電機和旋翼機的葉片比較圖 35
圖4-1:在6葉片、β=7.5°、BR=26%下,BF與尖速比以及轉速在四個不同風速下之關係 37
圖4-2:在12葉片、β=7.5°、BR=26%下,BF與TSR在四個不同風速下之關係 38
圖4-3:在6葉片,V=10m/s的狀況下,BF與TSR於不同β角下之關係圖 39
圖4-4:6葉片、V=10m/s、β=7.5°時,於不同Blockage Ratio下之BF-TSR關係 42
圖4-5:6葉片、V=10m/s、Blockage Ratio為17.5%於不同β角之BF-TSR關係 42
圖4-6:12葉片、V=8m/s下,於不同的β角進行量測後所得之Torque-RPM關係的結果 44
圖4-7:12葉片、V=8m/s下,於不同的β角進行量測後所得之Cp-TSR關係的結果 44
圖4-8:12葉片、NACA2415、β=7.5°於不同自由流流速下進行實驗之Cp-RPM圖 45
圖4-9:6葉片、β=7.5°、NACA2415、不同翼尖弦長在自由流流速分別為8m/s和10m/s下,所獲得之Cp-TSR關係比較圖 46
圖4-10:6葉片、β=7.5°,NACA2415及NACA4415在風速分別為8m/s及10m/s下進行之Cp-TSR比較 48
圖4-11:6葉片、NACA4415翼形、之葉片在V=8m/s、10m/s下在低β角下之Cp-TSR效率比較圖 49
圖4-12:NACA4415、翼尖弦長較短之葉片在6葉片、8葉片、12葉片時,於不同β角下之啟動風速 50
圖4-13:β=7.5°、NACA4415翼形於6葉片及8葉片,在V=8m/s下所得之Cp-TSR實驗結果 52
圖4-14:β=7.5°、NACA4415翼形於6葉片、8葉片及12葉片在V=8m/s下所得之Cp-TSR實驗結果 52
圖4-15:NACA4415、6葉片、V=10m/s的狀況下,β=5°之無扭轉及翼尖5°、翼根20°之扭轉葉片之Cp-TSR比較 54
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