本研究採用田口方法最佳化具管道微型水平軸風力發電機（HAWT）的葉片幾何結構，以提升其輸出功率係數。研究涵蓋了轉子的三個主要幾何參數：葉片數量(8葉片、10葉片、12葉片)、阻塞比(50%、60%、70%)和螺距角(25o、30o、35o)，並且搭配無扭轉與大葉尖比例的葉片。使用FlowVision軟體進行數值模擬水平軸風力發電機，並利用直交表簡化其模擬過程和最佳化其參數，根據因子交互作用與變異數分析後，確定最佳化的設計方案為8片葉片、阻塞比為60%以及30度的螺距角，其中螺距角對轉子性能影響最為顯著，其次是葉片數量，最後是阻塞比。在最佳化幾何條件下，最大功率係數CP,max達到0.432，比最差葉片幾何設計高出39%。此外，探討了風力發電機的空氣動力特性，相較於最差的葉片幾何設計，最佳化的葉片能更有效地使風流進入封閉的風道裡，並且在葉片的迎風面與背風面間的產生較大壓力差異。

This study utilizes the Taguchi method to optimize the blade geometry of a micro horizontal-axis wind turbine (HAWT) to enhance its power coefficient. The research covers three primary geometric parameters of the rotor: number of blades (8 blades, 10 blades, 12 blades), solidity ratio (50%, 60%, 70%), and pitch angle (25°, 30°, 35°), coupled with blades featuring no twist and high aspect ratio. Numerical simulations of the horizontal-axis wind turbine were conducted using FlowVision software, and the simulation process was simplified using orthogonal arrays to optimize its parameters. Based on factorial interaction and variance analysis, the optimized design was determined to be 8 blades with a solidity ratio of 60% and a pitch angle of 30°. Among these parameters, the pitch angle had the most significant impact on rotor performance, followed by the number of blades, and solidity ratio last. Under the optimized geometric conditions, the maximum power coefficient Cp,max reached 0.432, representing a 39% improvement over the worst blade geometry design. Furthermore, the aerodynamic characteristics of the wind turbine were investigated, showing that optimized blades effectively channel wind flow into the enclosed duct compared to suboptimal designs, creating a greater pressure difference between the windward and leeward surfaces of the blades.

目錄

摘要	i
目錄	iii
圖目錄	vi
表目錄	ix
符號說明	x
第一章、前言	1
1.1研究背景	1
1.2 風力發電機	2
1.3研究目的	4
1.4文獻回顧	5
第二章、研究方法	10
2.1田口方法	10
2.1.1 品質特性與理想機能	11
2.1.2控制因子(Control Factors)	12
2.1.3干擾因子(Noise Factors)	14
2.1.4直交表(Orthogonal Arrays)	14
2.2水平軸風力發電機外型設計	15
第三章、	數值模擬	19
3.1統御方程式	19
3.2邊界條件	20
3.3網格設定	22
3.3.1初始網格(Initial Grid)	22
3.3.2網格加密(Adaptation)	23
3.3.3網格獨立性	25
3.4紊流模型	26
第四章、	結果	30
4.1數值模擬結果	30
4.1.1 S/N比之因子效應分析	32
4.1.2 平均值之因子效應分析	36
4.1.3變異數分析（Analysis of Variance,ANOVA）	39
4.1.4因子之交互作用	41
4.2最佳與最差組合之比較	44
第五章、結論	62
5.1結論	62
5.2未來展望	63
參考文獻	64
附錄 68
 
圖目錄

圖2-1 田口方法流程圖	10
圖2-2葉片數量	13
圖2-3 葉片角度	13
圖2-4 NACA 4415 翼型	16
圖2-5 輪轂尺寸	16
圖2-6 水平軸風力機尺寸(CM)	17
圖2-7 30O擴散外罩	18
圖2-8 轉子與外罩的相對位子示意圖	18
圖3-1 邊界條件設定	21
圖3-2 實驗驗證之邊界條件示意圖	21
圖3-3 模擬戶外之邊界條件示意圖	22
圖3-4 網格分布圖	23
圖3-5 外罩進階加密網格	24
圖3-6 轉子葉片進階加密網格	24
圖3-7 網格獨立性	26
圖3-8 各種紊流模式與實驗值的比較	27
圖4-1 在10 M/S下各組CP -TSR圖	31
圖4-2 在16 M/S下各組CP -TSR圖	32
圖4-3 S/N比的因子水準反應圖	35
圖4-4 平均值的因子水準反應圖	38
圖4-5 因子A與因子B交互作用圖	42
圖4-6 因子A與因子C交互作用圖	43
圖4-7 因子B與因子C交互作用圖	44
圖4-8 最佳幾何參數組合全流域速度分布圖	45
圖4-9 最差幾何參數組合全流域速度分布圖	45
圖4-10 最佳幾何參數組合迴流區細部流場向量圖	46
圖4-11 最差幾何參數組合迴流區細部流場向量圖	46
圖4-12最佳幾何參數組合Y/R=0(X-Z平面)截面處的渦流	47
圖4-13 最佳幾何參數組合Y/R=0.3(X-Z平面)截面處的渦流	47
圖4-14最佳幾何參數組合Y/R=0.8(X-Z平面)截面處的渦流	48
圖4-15 最佳幾何參數組合Y/R=0.9(X-Z平面)截面處的渦流	48
圖4-16 最佳幾何參數組合Y/R=1.1(X-Z平面)截面處的渦流	49
圖4-17 最佳幾何參數組合Y/R=1.3(X-Z平面)截面處的渦流	49
圖4-18最差幾何參數組合Y/R=0(X-Z平面)截面處的渦流	50
圖4-19 最差幾何參數組合Y/R=0.3(X-Z平面)截面處的渦流	50
圖4-20 最差幾何參數組合Y/R=0.8(X-Z平面)截面處的渦流	51
圖4-21 最差幾何參數組合Y/R=0.9(X-Z平面)截面處的渦流	51
圖4-22最差幾何參數組合Y/R=1.1(X-Z平面)截面處的渦流	52
圖4-23 最差幾何參數組合Y/R=1.3(X-Z平面)截面處的渦流	52
圖4-24 最佳幾何參數組合風機周圍速度雲圖	53
圖4-25 最差幾何參數組合風機周圍速度雲圖	54
圖4-26 最佳和最差幾何參數組合的管道入口速度分佈	54
圖4-27 最佳幾何參數組合外罩入口風速	55
圖4-28 最佳幾何參數組合外罩出口風速	55
圖4-29 最差幾何參數組合外罩入口風速	56
圖4-30 最差幾何參數組合外罩出口風速	56
圖4-31 最佳幾何參數組合轉子壓力(迎風面)	57
圖4-32最佳幾何參數組合轉子壓力(背風面)	57
圖4-33 最差幾何參數組合轉子壓力(迎風面)	58
圖4-34 最差幾何參數組合轉子壓力(背風面)	58
圖4-35 最佳幾何參數組合葉片壓力剖面	59
圖4-36 最差幾何參數組合葉片壓力剖面	59
圖4-37 在10m/s風速下最佳與最差組合之CP -TSR圖	60
圖4-38 在16m/s風速下最佳與最差組合之CP -TSR圖	60
圖4-39 最佳幾何參數組合在不同風速下CP -TSR圖	61
圖4-40 最差幾何參數組合在不同風速下CP -TSR圖	61


表目錄

表2-1 L9(34)直交表	15
表2-2葉片葉根與葉尖尺寸表	17
表4-1田口法S/N比表(L9(34)直交表)	30
表4-2 S/N比的因子反應表	34
表4-3平均值的因子反應表	37
表4-4變異數分析表	39
表4-5因子A與因子B交互作用表	42
表4-6因子A與因子C交互作用表	42
表4-7因子B與因子C交互作用表	43

參考文獻
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[28] CAPVIDIA.FlowVision 3.12.04 User Guide.
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