臺灣博碩士論文加值系統

本文以研究海流發電中的水平軸式水渦輪機為主題，首先利用葉片元素動量理論設計出水渦輪機之葉片外型，並透過計算流體力學軟體Fluent來進行數值模擬與計算，計算出流體通過單一水渦輪機時，其所產生的扭力、功率及效率，探討自由流速與轉速對水渦輪機性能的影響。並深入探討兩台水渦輪機在不同相對間距下以及三台水渦輪在不同相對間距以及前後距離下，其相互之間的影響。研究結果顯示，自由流速與葉片轉速的不同，對水渦輪機的性能有顯著的影響。當兩台水渦輪機同時運作時，其流場與單一水渦輪機運作時不同，進而影響其鄰近的水渦輪機。而當三台水渦輪機在不同左右間距以及前後間距的排列方式下，對其性能的相互影響性也有所差異，本文在比較其結果後，發現適當安置水渦輪機之位置可以提升水渦輪機之性能。

This thesis aims to investigate the performance of a horizontal water turbine in ocean current. The design of the water turbine is based on the Blade Element Momentum theory to begin with. As the water current flows past a single turbine, the water inflow velocity and the rotational speed are the parameters to be investigated. Furthermore, the interaction of more than two turbines due to the relative distance is also discussed. The relative distance encompasses both the front and the back. The results show that the water inflow velocity and the turbine rotational speed influence the performance of the turbine. When two turbines function simultaneously, the flow field is different from the one of a single turbine and thus influences the performance of the other turbines in the vicinity. Lastly, the site arrangement of three turbines is discussed, and it is revealed that a proper arrangement can enhance the performance of the turbines.

中文摘要………………………………………………………………Ⅲ
英文摘要………………………………………………………………IV
目錄……………………………………………………………………V
圖目錄………………………………………………………………VIII
表目錄…………………………………………………………………XIV
符號說明………………………………………………………………XV
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 ........................................... 3
1.4 海流能源介紹 ....................................... 5
1.5 各式海流渦輪機分類與發展情形 ....................... 7
1.6 海流發電廠的構想 .................................. 10
1.7 研究方法與目的 .................................... 12
第二章 基本理論與葉片設計 ............................... 14
2.1 洋流發電系統簡介 ................................... 14
2.2 動量理論分析 ....................................... 14
2.3 葉片元素理論 ....................................... 19
2.4 葉片設計之參數介紹 ................................. 22
2.4.1 葉片數目 ....................................... 23
2.4.2 翼剖面形狀 ..................................... 24
2.4.3 葉尖速度比與弦周比 ............................... 25
第三章 研究方法 ......................................... 27
3.1 數值方法 ........................................... 27
3.2 統御方程式 ......................................... 28
3.3 紊流模式 ........................................... 29
3.4 SIMPLE 演算法 ...................................... 29
3.5 模型建構與邊界條件設定 ............................. 30
3.5.1 模型之建構 ....................................... 30
3.5.2 邊界條件之設定 ................................... 31
3.6 求解流場 ........................................... 32
3.7 網格驗證與計算域獨立驗證 ........................... 33
第四章 結果與討論 ....................................... 35
4.1. 單一水渦輪機的輸出性能 ........................... 35
4.1.1 單一水渦輪機在不同流速下的輸出性能 .............. 35
4.1.2 流體通過水渦輪機的流速變化 ...................... 36
4.2.探討兩台水渦輪機在不同相對間距對水渦輪機性能的影響 37
4.2.1 相同轉動方向 ................................... 37
4.2.2 不同轉動方向 ................................... 39
4.3. 探討三台水渦輪機在不同相對間距對水渦輪機性能的影響 40
4.3.1 探討前方的兩台水渦輪機的相對間距為2D ............ 40
4.3.2 探討前方的兩台水渦輪機的相對間距為3D ............ 42
4.3.3 探討前方的兩台水渦輪機的相對間距為4D ............ 43
4.3.3 探討前方的兩台水渦輪機的相對間距為5D ............ 44
第五章 結論與建議 ....................................... 46
參考文獻 ................................................ 48

【1】Blue Energy, http://www.bluenergy.com/
【2】Bahaja, A.S., Battena, W. M. J. and McCannb, G.,“Experimental verifications of numerical predictions for the hydrodynamic performance of horizontal axis marine current turbines. ”ScienceDirect of Renewable Energy,32,pp.2479-2490, 2007.
【3】Clean Current Power System Inc., http://www.cleancurrent.com/
【4】Design Foil Demo,http://www.dreesecode.com/
【5】Fluent，http://www.fluent.com/
【6】Hammerfest Stroem, http://www.hammerfeststrom.com/
【7】Lunar Energy, http://www.lunarenergy.co.uk/
【8】Manwell, J.F., McGowan, J.G.and Rogers, A.L., “Wind Energy Explained–Theory,Design and Application,”, 2002.
【9】Marine Current Turbine Ltd, http://www.marineturbines.com/
【10】Martin Mechali, Rebecca Barthelmie, Sten Frandsen, Leo Jensen, Pierre-Elouan Rethore, “Wake effects at Horns Rev and their influence on energy pro-duction.”
【11】Peter, F., “Marine Current Turbines:feedback on experience so far,”
http://www.marineturbines.com , 2004
【12】Sylvain Antheaume, Thierry Maıtre and Jean-Luc Achard, “Hydraulic Darrieus
turbines efficiency for free fluid flow conditions versus power farms
conditions.”ScienceDirect of Renewable Energy,33,pp.2186-2198, 2008.
【13】Seung Ho Lee, Sang Hyuk Lee a, Kyungsoo Jang, Jungeun Lee and Nahmkeon
Hur , “A numerical study for the optimal arrangement of ocean current
turbine generators in the ocean current power parks .” Current Applied Physics,2009
【14】Tidal Energy Pty Ltd, http://www.tidalenergy.net.au/
【15】Thomas, H.,“3D-Simulation of the Wake of a Wind Turbine,”DEWI Magazine No.18,February(2001).
【16】UIUC Airfoil Coordinates Database,
http://www.ae.uiuc.edu/m-selig/ads/coord_database.html
【17】經濟部能源局，http://www.moeaboe.gov.tw/Default.aspx
【18】英國“獨立報”，http://news.independent.co.uk/，2007年4月24
【19】徐泊樺，顏志偉，“淺談我國海洋能源之開發前景”，物理雙月刊，29卷3期，2007年6月。
【20】經濟部能源委員會，“臺灣能源統計年報(九十年）”，2002年。
【21】經濟部能源委員會，“臺灣能源統計年報(九十七年）”，2009年。
【22】經濟部能源局，“能源統計-能源安全指標”，2007。
【23】劉正千，“2008世界地球日特刊”，p.3，2008。
【24】蘇達貞，鍾珍，“海洋能源的魅力”，科學發展，383期，2004年11月。
【25】江易儒，“風力機葉片數目對性能的影響”，金屬中心，2006。
【26】黃正利，陳正泰，“漫談風車氣動力技術”，機械工業，278期，2006。
【27】羅際航，“具不同翼型葉片的水平式風力機之數值模擬”，國立台灣科技大學機械工程系碩士論文，2006。
【28】李文毅，“水平軸式水渦輪機之設計”，國立中山大學機械與機電工程學系碩士論文，2008。
【29】王汝美，“週期性海流對水渦輪機特性的影響”，國立中山大學機械與機電工程學 系碩士論文，2009。