臺灣博碩士論文加值系統

本論文主要探討垂直軸式渦輪風力機葉片，自動調整可變螺距裝置角來提升風力機葉片效率，在高速風場下可適時降低發電機扭矩確保運轉效率。本研發係利用3D列印快速成型技術，提供一種垂直軸式渦輪風力機轉子，其係應用於一種中、小型風力發電機。風力機設置垂直方向轉動的複數球形葉片，垂直方向的葉片具有內、外部集風葉片。風力機運作時較不受空間及環境的限制，僅需微小風力即可垂直轉動，當風力小於葉片擺動間的磁力時，會呈現開放狀態，以增大受風面積。當風力增強到大於葉片擺動間的磁力時，離心力及負壓效應會使複數葉片閉合成為球體。該些葉片閉合呈球形具有強化扭力效果，此時僅有外部葉片受風力產生切線力作用，自然達到穩定風力機的轉速。當風速減弱後，該些葉片又回轉到開放狀態，使每個葉片皆能於上、下固定盤之角度限位槽間做弧形軌跡擺動。藉由這些葉片的調整來迎合風力達到設定轉速範圍，以確保風力機免於過速並可延長風力機壽命。在理論分析及量測方面，利用ANSYS有限單元分析軟體進行靜態結構分析，同時利用原動機實驗設計，以電源供應器控制驅動馬達轉速，取得該風力發電機的負載功率、扭力矩的關係曲線。利用紅外線測試儀量測風力機轉速，再比照原動機測試轉速與功率、扭力矩的關係曲線，即可得相對數值。葉片結構強度方面，利用非破壞性能檢測，配合ANSYS之模態分析及最佳化常數鑑定分析，找出葉片的自然頻率及最佳化材料常數係數。進行比對得知實驗與理論數據相當接近，說明其風力機葉片結構設計之功能性、完整性。

The purpose of this thesis is to develop a device for adjusting the variable pitch angles of the wind blades and to reduce the torque of the generator under high-speed wind field so that the operational efficiency of the vertical-axis wind turbine (VAWT) can be ensured. This research uses 3D printing rapid prototyping technology to provide a vertical-axis turbine rotor, which is applied to a medium and small type wind turbine. The wind turbine uses spherical blades rotating in the vertical direction, and the blades have inner and outer wind collecting blades. In this way, wind turbines are less restricted by space and environment during operation, and they can rotate vertically with only a slight wind. When the wind is less than the magnetic force between the swinging blades, blades will be open to increase swept area. When the wind increases to be greater than the magnetic force between the swinging blades, the centrifugal force and negative pressure effect will close blades into a sphere type. These blades in a spherical shape can strengthen the torsion effect. At this time, only the outer blades are affected by the wind to generate tangential force, which naturally stabilizes the rotational speed of the wind turbine. When the wind speed decreases, the blades open again, so that each blade can swing in an arc-shaped track between the angle-limit grooves of the upper and lower fixed disks. The adjustment of these blades to the wind keeps the wind turbine rotating in a certain speed range to ensure that the wind turbine is free from over-speed and the life of the wind turbine can therefore last longer. In terms of theoretical analysis and measurement, the ANSYS finite element analysis software is used for static structural analysis, and the prime mover experimental design is used to control the drive motor speed with the power supply to obtain the load power and torque relationship curve of the wind turbine generator.Using the infrared tester to measure the wind turbine speed, and then comparing the relationship curve between the prime mover's test speed, the power and torque can obtain the relative value.In terms of blade structure strength, using non-destructive performance testing, combined with ANSYS modal analysis and optimization constant identification analysis, we can find out the natural frequency of the blade and the optimized material constant coefficient. The comparison shows that the experimental data is quite close to the theoretical data, which verify the functionality and integrity of thedesign of the wind turbine blade structure.

摘要 I
Abstract II
目錄 III
表目錄 VIII
圖目錄 X
第一章緒論 1
1.1前言 1
1.2文獻回顧 2
1.3研究動機與目的 2
1.4 研究流程 3
第二章葉片元素動量法 4
2.1一維動量理論(One-Dimensional Momentum Theory) 4
2.2 可變螺距裝置角葉片設計 7
2.3 葉片元素 8
2.4 馬格納斯效應原理 10
第三章 ANSYS分析與最佳化鑑定設計 13
3.1 ANSYS設計與分析 13
3.1.1 ANSYS模型設計 13
3.1.2 ANSYS分析葉片模態流程(以Solid46、Shell91元素為例進行分析) 13
3.1.3 ANSYS葉片分析元素型態介紹 14
3.2 多起始點最佳化理論 14
3.2.1最佳化設計 14
3.2.2 多起始點方法 15
3.2.3區域極小值 16
3.2.4總域極小值 18
3.3最佳化材料常數鑑定設計 19
3.3.1薩瓦尼葉輪彈性常數最佳化鑑定 19
3.3.2渦輪葉片彈性常數最佳化鑑定 21
第四章風力機結構零組件設計 24
4.1葉片設計 24
4.1.1 S型薩瓦尼Savonius葉片設計 24
4.1.2球型渦輪葉片設計 26
4.1.3球型渦輪上下固定圓盤設計 27
4.1.4 磁環設計 28
4.2風力機葉輪設計 29
4.2.1 S型薩瓦尼Savonius葉輪設計 29
4.2.2 球型渦輪設計 29
4.3垂直軸風力機骨架結構設計 30
4.4葉輪系統的主要功能特色 31
第五章垂直軸式風力機系統製作 33
5.1 3D列印技術及產品應用 33
5.1.1 3D列印快速成型技術 33
5.1.2 3D列印快速成型步驟 34
5.2葉輪轉子旋轉系統 34
5.2.1薩瓦尼葉輪轉子膠合成型製作 35
5.2.2球型渦輪葉片膠合成型製作 36
5.2.3渦輪轉子膠合成型製作 37
5.3風力機機台組裝 38
5.3.1風力機支撐骨架結構 38
5.3.2風力機葉輪及骨架機台組裝 38
5.3.3發電照明設備 40
第六章風力機葉片分析及量測實驗 41
6.1風力葉片之模態實驗 41
6.1.1渦輪葉片之模態實驗 41
6.1.2薩瓦尼葉輪之模態實驗 42
6.2葉片模態實驗及最佳化 43
6.2.1模態量測實驗結果 43
6.2.2 材料常數最佳化鑑定 44
6.2.2.1 PLA材料層常數最佳化鑑定 44
6.2.2.2 最佳化分析結果 46
6.2.2.3 Von Mises應力分析結果 47
6.3原動機扭力試驗 48
6.3.1原動機扭力試驗設計 48
6.3.2原動機扭力試驗量測 49
6.3.3原動機扭力試驗量測討論 50
6.3.3.1原動機空轉無負載－轉速VS.扭力矩 50
6.3.3.2原動機有負載－轉速VS.電功率、扭力矩 51
6.3.3.3原動機轉速VS.預測電功率、實際電功率準確性驗證 51
6.4風洞測試實驗 52
6.4.1風洞測試實驗平台設計 52
6.4.2風洞測試實驗量測 52
6.5不同球型渦輪結構性能測試實驗 53
6.5.1三組球型渦輪結構設計 53
6.5.2三組球型渦輪結構性能比較－風速VS.轉速 53
6.5.3三組球型渦輪結構性能比較－風速VS.扭力矩 54
6.5.4三組球型渦輪結構性能比較－風速VS.電功率 54
6.5.5三組球型渦輪結構性能討論 55
6.6無外輔助葉片之葉輪性能實驗 55
6.6.1固定型葉輪 55
6.6.2旋轉型葉輪 56
6.6.3固定型與旋轉型葉輪比較 56
6.7無外輔助葉輪干擾係數與機械功率係數 57
6.7.1薩瓦尼葉輪及球型渦輪干擾係數與機械功率係數比較－固定型葉片 57
6.7.2薩瓦尼葉輪及球型渦輪干擾係數與機械功率係數比較－旋轉型葉片 58
6.7.3薩瓦尼葉輪及球型渦輪干擾係數與機械功率係數討論 58
6.8薩瓦尼葉輪與球型渦輪串聯運轉的影響比重 59
6.9固定型葉輪與旋轉型葉輪性能係數 60
6.9.1固定型葉輪之功率與功率係數 60
6.9.2旋轉型葉輪之功率與功率係數 61
6.10旋轉型葉輪作用力平衡關係 62
6.10.1旋轉型葉輪瑪格納斯力效應 62
6.10.2旋轉型葉輪轉速、向心力、磁力性能 63
6.10.3旋轉型葉輪轉速、向心力矩、磁力矩性能 64
6.10.4旋轉型葉輪作用力平衡關係討論 64
第七章結論 65
7.1結論 65
7.2未來展望 67
參考文獻 68
著作 147

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