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研究生:李柏昌
研究生(外文):LEE,PO-CHANG
論文名稱:黑潮發電的水下水渦輪機葉片設計
論文名稱(外文):Waterwheel Turbine Design in Kuroshio
指導教授:潘煌鍟潘煌鍟引用關係
指導教授(外文):PAN,HUANG-HSING
口試委員:陳豪吉陳景文卓明遠陳建旭戴聿彤
口試委員(外文):CHEN,HO-JICHEN, JING-WENCHO,MING-YUANCHEN,JIAN-SHIUHDAI,YU-TUNG
口試日期:2017-05-15
學位類別:博士
校院名稱:國立高雄應用科技大學
系所名稱:土木工程與防災科技研究所
學門:工程學門
學類:土木工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2017
畢業學年度:105
語文別:中文
論文頁數:112
中文關鍵詞:太陽行星式葉片水輪機渦輪機電力黑潮能量轉換效率
外文關鍵詞:Solar-planetary bladeWaterwheelTurbineElectricityKuroshioEnergyconversion efficiency
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太平洋海域之一的黑潮經過台灣東部,提供了一種清潔的海洋能源。為了收集黑潮,我們需要建造適合流量小於1.5m/s的高性能水渦輪發電機。水輪機的常規葉片通常固定在旋轉盤上,這導致由於推力的抵消而使旋轉盤旋轉延遲。在研究中,我們提出了一個新的水輪機葉片-太陽行星式葉片,來提高能源轉換效率。在台灣烏山頭壩下游的嘉南大圳進行現場實驗,實驗結果得知,當流速從0.5m/s變化到1.2m/s時,具有太陽行星式葉片的水輪機裝置,可以將輸出功率從3.3kw提高到13.8kW;在1.0m/s水速與導管功率係數1.22下的功率輸出達到7.51kW。實驗結果與固定式葉片相比,所提出的太陽行星式葉片可以提昇能量轉換效率,提高發電效率。
Kuroshio, one of ocean currents in the Pacific, passing through the eastern Taiwan provides a kind of clean ocean energy. For collecting Kuroshio power, we need to build high performance turbine generators suitable for flow speed less than 1.5m/s. Conventional blades of waterwheel turbine are usually fixed to the rotating disk, and this leads to retard the rotation of the rotating disk due to the counteraction of the thrust. In this study, we present a new waterwheel blade, solar-planetary type blades, to upgrade energy conversion efficiency. A preliminary experiment was conducted at Gia-nan irrigation ditch located on the downstream of Wushantou dam in Taiwan. Experimental results indicate that waterwheel apparatus with solar-planetary type blades can raise the output power from 3.3 kW to 13.8 kW when the flow speed varied from 0.5 m/s to 1.2 m/s. At 1.0 m/s water velocity, the power coefficient is 1.22 and power output reaches 7.51 kW. Compared with fixed type blades, the proposed rotatable blades can improve the power generation efficiency and enhance energy conversion efficiency.
目 錄
中 文 摘 要………………………………………………………………….. i
英 文 摘 要………………………………………………………………….. ii
致 謝………………………………………………………………………….. iii
目 錄………………………………………………………………………….. v
圖 目 錄……………………………………………………………………… viii
表 目 錄……………………………………………………………………… xi
第一章 緒論 ………………………………………………………………....1
1.1研究動機…………………………………………………………………...1
1.2研究目的 …………………………………………………………………3
1.3研究方法…………………………………………………………………4
1.4研究步驟………………………………………………………………….. 5

第二章 文獻探討與回顧…………………………………………………….6
2.1 海洋能源介紹…………………………………………………………….6
2.2台灣海洋能可行性分析 ……………………………………………….6.
2.3洋流發電機組及設備發展……………………………………………….10.
2.4我國黑潮發電發展現況…………………………………………………..12
2.5載具……………………………………………………………………….. 15

第三章 工程概述及黑潮水渦輪機設計…………………………………….17
3.1工程概要內容……………………………………………………………..17
3.1.1綠島自然環境背景…………………………………………………..17
3.1.2台灣綠島黑潮發電地點……………………………………………..19
3.1.3黑潮發電載具佈放方式……………………………………………..22.
3.2舵片設計…………………………………………………………………..23
3.3黑潮發電的舵片型式……………………………………………………..25
3.4黑潮水渦輪設計發想…………………………………………………….. 27
3.5黑潮發電水渦輪設計及型式…………………………………………….. 32
第四章 計算之理論依據…………………………………………………….37.
4.1流體力學理論……………………………………………………………..37
4.1.1質量守恆方程式(連續方程式)………………………………………37
4.1.2動量守恆方程式(Navier-Stoke方程式)……………………………..38.
4.1.3能量守恆方程式……………………………………………………...39
4.2 ANSYS理論依據…………………………………………………………40
4.2.1應力與應變…………………………………………………………...40
4.2.2三維應力與應變……………………………………………………..41
4.3材料的力學理論…………………………………………………………..46
4.3.1材料的力學性質……………………………………………………..46
4.3.2靜態線性應力分析…………………………………………………...50
4.3.3材料的破壞準則……………………………………………………..51

第五章水輪機計算與試驗……………………………………………………54
5.1水輪機數值計算…………………………………………………………...54
5.1.1網格…………………………………………………………………...54
5.1.2初始條件及邊界條件………………………………………………...55
5.1.3計算結果……………………………………………………………...56
5.1.4葉片強度計算…………………………………………………...........61
5.2水輪機試驗………………………………………………………………...65
5.2.1試驗水輪機製作……………………………………………………...65
5.2.2試驗地點……………………………………………………………...76
5.2.3試驗方法……………………………………………………………...79
5.2.4試驗結果……………………………………………………………...81
第六章 結論及未來展望……………………………………………………..85
6.1結論………………………………………………………………………... 85
6.2未來展望…………………………………………………………………... 87
附錄A 適用在黑潮洋流發電之水渦輪機葉片(研討會)
附錄B NEW WATERWHEEL BLADES FOR POWER GENERATION IN KUROSHIO (期刊)
附錄C 博士學位考試委員提問及回應
口試照片
作者簡歷



圖 目 錄
圖1-1 研究流程圖……………………………………………......................... 5
圖2-1 SeaGen機組 .................... 11
圖2-2 OPENHydro渦輪發電機組…………………………………............... 11
圖2-3 可里奧利里1號…………………………………………..................... 12
圖2-4 工研院海流發電構想圖………………………………………………............ 13
圖2-5 中山大學海潮流發電雛型機測試……………………………............. 14
圖2-6 臺灣海洋大學海潮流發電葉片型式…………………………............. 14
圖2-7 無動力水下載具………………………………………………………. ................16
圖3-1 黑潮主流流徑示意圖………………………………………................. 18
圖3-2 綠島地圖………………………………………………………………. ................19
圖3-3 水面下(a)20m(b)40m(c)60m黑潮流速 (1991~2008)……………….. 20
圖3-4(a) 黑潮觀測站……………………………………………………………. ........21
圖3-4(b) 觀測站黑潮水文玫瑰圖(1991~2008)……………………………… 22
圖3-5 載具佈放方式示意圖[萬機鋼鉄工業股份有限公司,2010………….. 23
圖3-6 對稱翼形舵……………………………………………………………. ................25
圖3-7 扭轉舵.................................................. 26
圖3-8 反對稱鰭型翼舵…………………………….............…………………………. 26
圖3-9 升力式軸流水輪示意圖………………………………………………............ 28
圖3-10 傳統水車轉動示意圖…………………………………………………. ................29
圖3-11 水下傳統水車葉片作功情形…………………………………………........... 29
圖3-12 水下傳統水車改變水道方式葉片作功情形……………………….…..... 30
圖3-13 阻力式自轉式葉片水輪機研發設計構想……………………………...... 31
圖3-14 一半在水中的傳統水車機構…………………………………………. ................32
圖3-15 完全沒入水中的傳統水車機構……………………………………….............. 34
圖3.16 水渦輪機型式概念圖........................................35
圖3.17 渦輪機作功力量示意圖......................................35
圖4-1 水渦輪機型式概念圖………………………………………………….....................40
圖4-2 應變定義 (a)正向應變 (b)剪應變…………………………………........ 40
圖4-3 V點之三維應力狀態…………………………………......................... 42
圖4-4 二維平面應力……………………………………………..................... 43
圖4-5 (a)二維應力狀態的莫耳圓 (b)三維應力狀態的莫耳圓………......... 45
圖4-6 座標轉換後的應力狀態………………………………………................ 46
圖4-7 (a)受軸向負荷的桿 (b)延性材料的應力應變曲線……………......... 47
圖4-8 脆性材料的應力應變曲線……………………….......................... 49
圖4-9 柏松比定義(虛線為變形前,實線為變形後)……………………….. ........49
圖5-1 二維局部加密非結構性網格…………………………………............. 54
圖5-2 單一葉片輸出扭矩…………………………………………................. 57
圖5-3 單一葉片受力………………………………………………................ ........57
圖5-4 水渦輪機輸出扭矩………………………………………....................... 58
圖5-5 水渦輪機輸出總壓力圖………………………………………….............. 60
圖5-6 葉片結構計算網格……………………………………………… …….62
圖5-7 葉片施力……………………………………………………………….........................62
圖5-8 葉片的等效應………….........................................63
圖5-9 葉片的變形量………………………………………………………….......................64
圖5-10 渦輪發電機3D設計圖……………………………………………….....................65
圖5-11 渦輪發電機實體圖…………………………………………………….....................66
圖5-12 水輪機葉片及齒輪箱3D圖…………………………………………...................67
圖5-13 水輪機葉片及齒輪箱實體圖………………………………………….................67
圖5-14 葉片可隨著公轉而自轉之向量示意圖………………………………..............68
圖5-15 齒輪箱外觀及內部傳動示意圖………………………………………................69
圖5-16 齒輪箱內部解析圖……………………………………………………....................70
圖5-17 水渦輪永磁發電機布置圖……………………………………………..................73
圖5-18 水渦輪永磁發電機……………………………………………………....................73
圖5-19 增速機實體圖…………………………………………………………. ...............74
圖5-20 增速機3D圖………………………………………………………….. 74
圖5-19 烏山頭灌溉溝渠之北幹線如…………………………………………. 76
圖5-20 川流發電機之現地測試水道…………………………………............. 77
圖5-21 嘉南測試水道斷面圖……………………………………..................... 77
圖5-22 嘉南測試場佈置3D圖……………………………………………….. 77
圖5-23 嘉南測試場現場佈置圖…………………………………..................... 78
圖5-24 試驗用水渦輪機………………………………………………………...........78
圖5-25 水渦輪機試驗中………………………………………………………. 79
圖5-26 水輪機測試架構............................................ 80
圖5-27 試驗用水渦輪機性能曲線圖……………………................................. 83


表 目 錄
表2-1 台灣海洋能比較………………………………..................................... 7
表2-2 再生能源發電潛能比較……………………................................... 9
表5-1 各行星齒輪數…………………………………………………………. 71
表5-2 渦輪發電機主要規格……………………………................................. 75
表5-3 川流試驗機現地測試記錄表…………………………………………. 82

1經濟部能源局, “2010年能源產業技術白皮書” , 2010。
2台灣電力公司, “台灣東部黑潮發電應用調查規劃”, 台灣電力公司技術報告, 1999。
3W. E. Johns, T. N. Lee, D. Zhang, R. Zantopp, C.-T. Liu and Y. Yang, “The Kuroshio East of Taiwan: Moored Transport Observations from the WOCE PCM-1 Array”, Journal of Physical Oceanography, Vol. 31, pp.1031–1053, 2001.
4F. Chen, “Kuroshio power plant development plan”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, Vol. 14, pp. 2655–2668, 2010.
5徐谷, 劉倬騰, 劉家瑄, 許明光, “台灣東部黑潮發電之芻議” , 台電工程月刊, Vol. 624, No. 3, pp. 81-89, 1999。
6唐存勇, 宋聖榮, 張翠玉, 溫良碩, 詹森, 楊燦堯, 宋國士, 王玉懷, 許樹坤, 陳宏宇, “台灣東部海域自然資源綜合性研究(I)---綠島海域流場、地形地質、水文與生態精密調查” , 行政院國家科學委員會, 2008。
7李承宇, “<海洋能發電>黑潮發電台灣能源救世主”, 聯合報,2009年1月9日。
8唐佩君, “黑潮洋流發電的利基” , 大紀元記者報導, 2007年6月24日。
9賴正義, “我國海洋溫差發展方向之探討” , 科技發展政策報導, 頁70-75, 2008年9月。
10郭啟榮, 徐泊樺, 顏志偉, “海流渦輪機之最新發展”, 機械月刊, Vol. 34, No. 7, 2008.
11盧展南等, “能源科技前瞻研究: 以海流發電提高再生能源利用之先期設計與驗證”, 行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告, 2008。
12蔡政瀚等, “我國沿海潮流發電評估與發電機組雛形研發”, 行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告, 2011。
13萬機鋼鉄工業股份有限公司, “黑潮發電簡報”, 2010年
14林春陽, “台灣黑潮發電興建之勞工作業表單製作”高應大碩士論文, 2011。
15國家海洋科學研究中心資料庫。
16劉晉奇, “固體力學的基本觀念” ,明志科技大學機械系, 2009。


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