臺灣博碩士論文加值系統

垂直軸風力機具有低噪音、結構簡單的優點，易與居住環境結合，因此在綠能市場具有龐大的發展潛力。本文主旨是利用計算流體力學方法，分析一組200W的H型垂直軸風力發電機的運轉性能，以建立開發更高效能機種的基礎。本文先建構此垂直軸風力機的俯視剖面結構與二維流體模擬所需的網格空間，再以數值模擬軟體CFdesign進行模擬實驗與分析。較低網格密度的模擬結果顯示，在相同風速下，即使風力機開始運轉的起始轉速不同，仍然會達到幾乎相同的最終平衡轉速；而在相同風速與起始轉速下，風力機的最終轉速則不受轉子轉動慣量的不同而改變。若風力機葉片的支點在1/2弦長處且葉片切線仰角介於5°~10°，或風力機葉片的支點在離前緣1/4處且葉片切線仰角介於10°~15°，系統的最終轉速與角加速度都遠大於原本切線仰角0°的結構，這部份成果將是開發高效能垂直軸風力機的重要參考指標。另外，透過靜態轉矩分析，我們發現切線仰角的抬升確實增加了轉矩大小，同時在一個周期中轉矩的變化曲線，清楚呈現單峰曲線比雙峰曲線更能有效提升轉速與加速的效果，對於流體與垂直軸風力機葉片交互作用提供理論研究的參考方向。

Vertical axis wind turbines (VAWT) has the advantages of low running noise, simple structure and easy to integrate with the living environment. It has become more popular in the green energy market. To develop wind turbines with higher efficiency, the computational fluid dynamics (CFD) method has been applied to study the static characters and dynamic performance of one 200W H-type VAWT. Cross section profile of blades and a two-dimensional space has been created first. Numerical simulations are then performed by CFD software CFdesign. Simulation results show that the wind turbine under the same inlet wind speed had run to approach the same angular velocity even they started with different initial angular velocities. Wind turbines with different moment of inertia are found to have the same equilibrium angular velocity for the same inlet wind speed and initial rotational speeds. Blades with larger elevation angles tangential to the rotating circle are found to increase the turbine performance significantly in our simulation results. Blades which are hold at 1/2 chord length with tangential elevation angles 5°~10° and hold at 1/4 chord length with angles 10°~15° have the highest equilibrium rotating speed. It indicates these kinds of setup for blades are optimized. Static torque analysis results show that one peak curves have better acceleration effect to wind turbine rotors. This phenomenon may support a new evidence for theoretical study of wind turbine aerodynamics.

中文摘要…………………………………………………………………………………… i
英文摘要…………………………………………………………………………………… ii
致謝……………………………………………………………………………………… iv
目錄………………………………………………………………………………………… v
表目錄……………………………………………………………………………………… viii
圖目錄……………………………………………………………………………………… ix
第一章 緒論……………………………………………………………………………… 1
1.1 前言…………………………………………………………………………… 1
1.2 研究背景與動機…………………………………………………………… 2
1.3 文獻回顧與研究目的………………………………………………………… 3
1.4 本文綱要……………………………………………………………………… 4
第二章 風力發電系統架構介紹…………………………………………………………… 5
2.1 簡介………………………………………………………………………… 5
2.2 風力的形成與風的特性…………………………………………………… 5
2.2.1 風的形成……………………………………………………………… 5
2.2.2 風的特性……………………………………………………………… 6
2.3 風力機發電原理與特性……………………………………………………… 6
2.3.1 風力發電機種類………………………………………………………… 7
2.3.2 風速與風能分布………………………………………………………… 7
2.3.3 貝茲法則………………………………………………………………… 8
2.3.4 空氣密度……………………………………………………………… 9
2.3.5 轉子葉片掃過面積……………………………………………………… 10
2.3.6 翼尖速度比……………………………………………………………… 10
2.4 風力機系統結構……………………………………………………………… 11
2.4.1 水平軸式風力發電機…………………………………………………… 11
2.4.2 垂直軸式風力發電機………………………………………………… 11
2.4.3 風力發電機葉片介紹…………………………………………………… 12
第三章 風力發電機數值模擬軟體與葉片理論…………………………………………… 13
3.1 前言…………………………………………………………………………… 13
3.2 數值模擬軟體………………………………………………………………… 13
3.2.1 DesignFOIL……………………………………………………………… 14
3.2.2 Gambit…………………………………………………………………… 14
3.2.3 CFdesign………………………………………………………………… 14
3.3 葉片元素動量理論………………………………………………………… 15
3.3.1 動量理論……………………………………………………………… 15
3.3.2 葉片元素理論………………………………………………………… 16
3.3.3 葉片元素動量理論……………………………………………………… 17
3.4 層流、紊流模式與雷諾數…………………………………………………… 19
3.4.1 層流、紊流模式………………………………………………………… 19
3.4.2 雷諾數…………………………………………………………………… 19
3.5 葉片升阻比…………………………………………………………………… 20
3.6 二維流體數學模式…………………………………………………………… 21
第四章 H型風力機數值模擬邊界設定…………………………………………………… 22
4.1 以DesignFOIL建立葉片剖面模型………………………………………… 22
4.2 H型垂直軸風力機系統建模……………………………………………… 24
4.2.1 NACA 0015風力機葉片匯入…………………………………………… 24
4.2.2 風力機結構與模擬空間………………………………………………… 24
4.2.3 風力機葉片切線仰角設定……………………………………………… 25
4.3 風力機動態運轉模擬系統…………………………………………………… 27
4.3.1 匯入風力機幾何圖至CFdesign模擬軟體……………………………… 27
4.3.2 流體空間邊界條件……………………………………………………… 28
4.3.3 流體空間初始條件……………………………………………………… 29
4.3.4 風力機及流體空間的網格劃分………………………………………… 30
4.3.5 風力機之材質條件……………………………………………………… 32
4.3.6 風力機起始轉速設定…………………………………………………… 33
4.3.7 系統之紊流模式及智能求解設定……………………………………… 34
4.4 風力機靜態轉矩模擬系統…………………………………………………… 35
4.4.1 匯入風力機幾何圖至CFdesign模擬軟體……………………………… 35
4.4.2 流體空間的邊界條件…………………………………………………… 36
4.4.3 流體空間之初始速度…………………………………………………… 37
4.4.4 風力機及流體空間的網格劃分………………………………………… 38
4.4.5 風力機之材質條件…………………………………………………… 40
4.4.6 風力機起始轉速設定…………………………………………………… 40
4.4.7 流體空間之紊流模式及智能求解設定………………………………… 41
4.5 H型垂直軸風力機系統模擬流程圖……………………………………… 42
第五章 H型垂直軸風力機模擬實驗結果分析………………………………………… 44
5.1 風力機模擬空間的流場……………………………………………………… 44
5.2 轉動慣量對風力機轉速的影響……………………………………………… 45
5.3 起始轉速對風力機最終轉速的影響………………………………………… 45
5.4 葉片切線仰角角度對風力機轉速的影響…………………………………… 47
5.5 改變風力機葉片支點對平衡轉速的影響…………………………………… 49
5.6 網格尺度對平衡轉速的影響………………………………………………… 51
5.7 葉片支點不同對靜態轉矩的影響…………………………………………… 52
5.8 葉片模擬與實測的比較……………………………………………………… 55
第六章 總結與未來研究動向……………………………………………………………… 56
6.1 總結………………………………………………………………………… 56
6.2 未來研究動向………………………………………………………………… 57
參考文獻…………………………………………………………………………………… 58
簡歷………………………………………………………………………………………… 60

[1]中國風能協會，「2008年世界風能報告」http://www.cwea.org.cn/download/display_info.asp?id=29
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