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研究生:吳佳隆
研究生(外文):Chia-Long Wu
論文名稱:風機系統之整合與性能提升研析
論文名稱(外文):Wind Power System Integration and Performance Enhancement
指導教授:傅鶴齡傅鶴齡引用關係
指導教授(外文):Ho-Ling Fu
口試委員:陳世雄丁鏞
口試委員(外文):Shih-Hsiung ChenYung Ting
口試日期:2013-01-14
學位類別:碩士
校院名稱:中國文化大學
系所名稱:機械工程學系數位機電碩士班
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2013
畢業學年度:101
語文別:中文
論文頁數:59
中文關鍵詞:LabView風能轉換係數定期維修氣動力即時監控掃描平台葉片翼型
外文關鍵詞:LabViewWind energy conversion factorRegular maintenanceAerodynamicsReal-time monitoringScanning platformBlade airfoil
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本論文分三大部分,系統建立與測試、維修計劃建立及風機性能
提升。文中以文化大學1.8~2.4KW 風機為研析工具,從風機按規格安
裝(民國97 年)到正常啟動,至今的累積發電量為4020.7 kwh(風機
1:2585.6 kwh、風機2:1435.1 kwh),透過LabView 人機介面線上即
時監控,建立數據庫(數據及影像)配合現場目視檢驗,作維修執行前
之工作。在系統建立後要定期維修保養,作系統之維修研究,依風機
之現況,依年月日時,分為一天(即時檢查)、3 個月(季檢)及一年(年
檢)之時程,維修方式分為目視觀察、現場維修及進廠維修等方式,
訂定維修計畫,使風機系統在維修中進行性能保固及壽命延長,進而
提升其安全性、可靠度及耐用度,以減少風機故障發生的機率,使風
機更能發揮其效益。在性能提昇方面,為量測風機葉片,透過已執行
之國科會計畫「風能系統葉片3-D 實體量測系統自製、量測數據、
資料分析與應用」(已於2011 年9 月圓滿完成),建立一3D 葉片掃描
平台,以此3D 葉片掃描平台,配合現有風機系統,量測現有風機葉
片,求得葉片翼型3D 模型之剖面,再分析其剖面之氣動力特性,帶
入現有的數學模式,求取實測風力之風能轉換係數,作為未來改進之
依據。
整合完成風機之建立,其成果,一方面系統之建立厚植於校園,
再繼續維持其能量於學生自我訓練,以為未來進入業界之延續性,最
後為提升風機現有之特性,使風機之功率曲線及係數作全面性提昇,
使風機實際效率能增加,在過程中因風機維修得當使全機成本減少,
且風機產生之電力,直接提供給學校體育館,間接減少學校開支。
在全文撰寫過程中,雖經多次校稿,可能仍有筆誤之處,感謝專
家學者能告知,以為後續學弟們修訂之參考。
This thesis is divided into three parts: the system establishment and
inspection technique, maintenance procedure set up and enhance the wind
turbine performance.
The wind turbine which we used to study in here is 1.8~2.4 KW
wind turbine in P.C.C.U. Campus—installed since 2008.The power is
already cumulated 4020.7kwh.
Through LabView/the man-machine interface, we process in
real-time monitoring on line by campus network. We have three stages
maintenance—every day (immediate inspection), three month (quarter
inspection) and every one year (annual inspection).
In performance improvement topic in here ,we through the
implementation of NSC Project” Home-Made 3-D Image Measuring
Instrument” to integrate a 3D blade scan platform to obtain the profile of
the blade airfoil 3D model, then put aerodynamic parameters into existing
mathematical model to enhance the energy conversion coefficient as a
basis for future improvement.
摘要 .................................................... I
Abstract ................................................ III
誌謝 ....................................................... IV
目錄 ....................................................... V
圖目錄 ..................................................... VII
表目錄 .......................................... X
第一章 緒論 ................................................... 1
1.1 前言 ......................................................... 1
1.2 文獻回顧 ........................................................ 2
1.3 研究目的 ............................................... 4
第二章 風機系統建立 ............................................... 5
2.1 風機系統 ................................................ 5
2.2 風機電力分配系統 ............................................. 8
2.3 避雷系統 ............................................... 10
2.4 網路監控系統..................................... 13
第三章 風機整體維修及檢測 ................................ 19
3.1 目視法(即時檢查) ........................................ 19
3.2 地面檢查工作(季檢) ...................................................................... 20
3.3 發電機和塔架內部線路及葉片檢查更換(年檢) ............................ 22
3.4 維修實況 .................................................. 23
第四章 風機系統精進-風機葉片性能提升 ...................................... 30
4.1 Whisper500 風機性能分析 ............................................. 31
4.2 Skystream 風機性能分析 ............................................. 33
4.3 風機葉片力分布與攻角選擇 ................................. 35
4.4 Whisper500 葉片3D 模型分析 ............................. 37
第五章 系統整合及測試.................................................. 42
第六章 結論 ....................................... 46
參考資料 .................................................... 47
圖 2-1 文化大學之Skystream3.7 風機 ........................................ 6
圖2-2 風速與功率圖之理論與實際狀況比較(5m/s~13m/s) ...................... 6
圖2-3 實際電表(左:2585.6 kwh;右:1435.1 kwh) ....................... 7
圖2-4 風機系統架構圖 ............................................ 8
圖2-5 風機電力分配圖 ....................................... 9
圖2-6 蓄電池系統(共16 個深循環電池) .................................... 9
圖2-7 風機安裝突波保護器內時,內部計數器起始數字為4 ............................ 11
圖2-8 2011 年10 月3 日風機遭到突波擊中,塔柱內燒毀之開關...................... 12
圖2-9 2011 年10 月3 日風機遭到突波擊中後,突波保護器內計數器顯示6,表
示突波擊中2 次 ................ 12
圖2-10 突保護器系統圖 ............................... 12
圖2-11 風機數據數位顯示牆 ............................................. 13
圖2-12 風機遠端攝影機畫面 .................................................. 14
圖2-13 風機監控系統資料截取程式........................................ 14
圖2-14 連線後之風機監控系統(人機介面) ............................. 15
圖2-15 風機資料存檔 .............................................. 16
圖2-16 MATLAB 程式,圖中為擷取2010 年10 月5 日之風速資料並繪出圖形,顯
示在圖4-17 .................. 16
圖2-17 用MATLAB 繪出2010 年10 月5 日的風速圖 ....................... 17
圖2-18 用MATLAB 繪出2010 年10 月5 日的電流圖 ............................ 17
圖2-19 網路人機監控畫面 .................................................. 18
圖3-1 遠端目視法所觀測到之風機 ............................................... 20
圖3-2 檢查接線及配電箱 ..................................................... 21
圖3-3 檢查塔柱基座螺絲有無鬆脫(裝設後鎖緊及劃線) .................. 21
圖3-4 連接蓄電池兩極,用電表量測蓄電池電量現況 ....................... 21
圖3-5 塔柱內部線路檢查 ................................................... 23
圖3-6 檢查塔柱內部線路(含塔柱開關、突波保護器及連接線路) ................... 24
圖3-7 升起吊車吊籃,將人員送至風機準備檢查 .............. 24
圖3-8 吊車將人員送至風機葉片近處作目視檢測 ...................... 25
圖3-9 拆下wireless 天線及鬆開螺絲 .................................... 25
圖3-10 打開風機上蓋,檢查風機發電機情況 ............................... 26
圖3-11 檢查發電機內部線路 ................................ 26
圖3-12 檢查風機繼電器 ............................................. 27
圖3-13 檢查風機輪軸 ....................................... 27
圖3-14 檢查風機變頻器及wireless 電路板 .................................... 28
圖3-15 檢查電容........................................................ 28
圖3-16 風機繼電器鏽蝕情況 ................................................ 29
圖3-17 風機電路板鏽蝕情況 ............................................... 29
圖3-18 風機電容鏽蝕情況 .................................................. 29
圖4-1 3-D 掃描平台 ................................................. 30
圖4-2 葉片剖面分析流程圖 ............................................... 30
圖4-3 Whisper500 風機風速與電流關係圖................................. 31
圖4-4 Whisper500 風機風速發電量關係圖....................................... 31
圖4-5 Whisper500 風機風速與Cp 值關係圖 ................................. 32
圖4-6 風速與電流關係圖 ............................................ 33
圖4-7 風速發電量關係圖 .................................. 33
圖4-8 風速與Cp 值關係圖 ................................. 34
圖4-9 風機葉片之力分析 ...................................... 35
圖4-10 當V>rw 時,攻角變化圖 ......................................... 35
圖4-11 當V≈rw 時,攻角變化圖 ............................................... 36
圖4-12 當V<rw 時,攻角變化圖 ................................. 36
圖4-13 葉片(Whisper500)系統座標圖 ................................. 37
圖4-14 Whisper 500 葉片各截面示意圖 ........................ 37
圖4-15 Whisper 500 葉片各段之截面積 ........................... 38
圖4-16 安裝角角度、翼剖面弦長與葉片長度關係圖 ........................ 38
圖4-17 whisper500 葉片按不同長度切取之剖面 ............................... 39
圖4-18 whisper500 葉片按由固定端向外1661mm 處切取之剖面做量測各段長度......... 40
圖4-19 XFoil 軟體計算出NACA4418 攻角8~16 度之CL 值 ..................... 41
圖5-1 舊人機資料截取系統介面 ................................................ 42
圖5-2 新人機資料截取系統介面 .............................................. 43
圖5-3 Skyview 軟體遠端連線畫面 ........................................... 44
圖5-4 Skyview 軟體,發現風機Braking 燈沒亮之異常畫面 ...................... 44
圖5-5 Skyview 軟體,發現風機Braking 燈有亮起之正常畫面 ...................... 45
表 4-1 Whisper500 風機風速與Cp 值表 ........................... 32
表4-2 Skystream3.7 風速與Cp 值表 ........................................ 34
表4-3 葉片各剖面計算之結果 ............................................. 41
[1] 傅鶴齡、游書銘,“Whisper500 風力發電機失效分析及可靠度提升研討",
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[16] 張偉強,“利用Modbus RTU 結合遠端處理技術之監控系統設計",中國文
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