臺灣博碩士論文加值系統

本研究結合空氣動力學與有限元素分析軟體，進行3 MW級三葉片水平軸式風力機葉片外形的多目標最佳化設計。首先使用風場模擬軟體TurbSim進行各種風速下之風場模擬，並以FAST模擬風力機的運轉模式並輸出其轉子轉速、總發電量及葉片受環境風之氣動力及力矩等資訊，作為有限元素模型之負載及邊界條件。以Xfoil氣動力學軟體計算出翼形截面之升阻係數，其後代入公式計算出各分段翼形之最佳弦長與安裝角，並於ANSYS中建立風力機葉片之參數化模型，進行風力機複合材料葉片其材料分佈的最佳化設計。葉片截面使用NREL的三種翼型系列：S818、S825及S826為基礎對各分段翼形進行比例融合，並以B-Spline曲線連接成葉片外形，空心葉片中則以箱型翼樑作為補強。欲設計出擁有最低質量並可承受運轉狀態時延翼展方向之拉伸及壓縮應力，以及葉片之自然頻率需與風力機之操作頻率保持距離以預防共振，因此針對在根部之unidirectional材料其厚度進行設計，並以比例關係對葉片部份中此材料的厚度值進行設計。第一次最佳化設計中葉片總質量為16,668 kg，在增加截面段數與設計參數後，再次進行第二次的最佳化設計後，成功達到應力負荷與遠離操作頻率的限制，並得到葉片總質量為11,642 kg的輕量化最佳葉片。

This research combines aerodynamics and finite element analysis software packages to perform multi-objective optimal blade shape designs for a 3 MW horizontal-axis wind turbine. First, a wind field simulation program, TurbSim, was used to create the time-varying load acting on the turbine. A wind turbine simulation code, FAST, was utilized to calculate the turbine’s rotor speed, generated power and applied aerodynamic forces and moments, with an input file modified from the FAST’s sample file no. 12. Some of the simulation outcomes were then fed into a finite element parametric model as the applied loads. Meanwhile, an aerodynamics software program, XFoil, was employed to compute the lift and drag coefficients of various airfoil shapes, which were then used to analyze the best chord lengths and twist angles for the turbine blades’ airfoil-shaped cross sections. Finally, the optimal material distribution of the hollow blades made of composite materials was achieved by optimizing the finite element parametric model under the ANSYS environment. The blade cross sections are based on NREL airfoils S818, S825 and S826, and connected by B-spline surfaces. Also, the rotor blades are reinforced by box-spar to improve their strength. To design minimum-weight blades with stress constraints satisfied and their natural frequencies well separated from the turbine rotor’s operating speed, material thicknesses for various blade segments were chosen as the design variables during the optimization process. Two cases were studied in this research. For the first case, the final optimized mass was 16,668 kg. The second case increased the numbers of the divided blade segments and the design variables. As a result, the total mass of the blade was further reduced to 11,642 kg with both stress and frequency constraints satisfied.

摘要 ......................................................................................................... i.
致謝 ......................................................................................................... iii.
目錄 ......................................................................................................... iv.
表目錄 .................................................................................................... vii.
圖目錄 .................................................................................................... viii.
第一章 緒論 ......................................................................................... 1.
1.1 前言 .......................................................................................... 1.
1.2 風力發電機簡介 .................................................................... 2.
1.3 文獻回顧 ................................................................................. 4.
1.4 研究目的 ................................................................................. 7.
第二章 研究方法及步驟 .................................................................. 9.
2.1 研究方法 ................................................................................. 9.
2.1.1 最佳化設計理論 ............................................................ 9.
2.1.2 一階梯度法 .................................................................... 10.
2.1.3 風場模擬軟體TurbSim ................................................. 12.
2.1.4 氣動力學模擬軟體AeroDyn ........................................ 12.
2.1.5 風力機動力學模擬軟體FAST ...................................... 13.
2.1.6 氣動力計算軟體XFoil .................................................. 14.
2.1.7 有限元素分析與ANSYS .............................................. 15.
2.1.8 風力機葉片多目標外形最佳化設計 ............................ 15.
2.2 研究步驟 ................................................................................. 22.
第三章 風力機葉片之靜態分析與動態模擬 .............................. 24.
3.1 FAST之風力機動態模擬 ...................................................... 24.
3.1.1 模擬風場與葉片參數 ..................................................... 24.
3.1.2 FAST模擬結果 ............................................................... 24.
3.2 ANSYS風力機葉片動態模擬 .............................................. 27.
3.2.1 有限元素模型建構－鋁合金 ........................................ 29.
3.2.2 有限元素模型建構－複合材料 .................................... 30.
3.2.3 分析結果 ........................................................................ 34.
第四章 風力機葉片外形最佳化設計一 ....................................... 35.
4.1 風力機葉片翼型規劃 ............................................................ 35.
4.2 風力機葉片翼型最佳化設計 ............................................... 37.
4.3 風力機葉片之風力負載 ....................................................... 40.
4.4 葉片外形之最佳化設計 ....................................................... 43.
4.4.1 風力機葉片參數化模型建構 ........................................ 43.
4.4.2 有限元素網格與邊界條件設定 .................................... 43.
4.4.3 最佳化數學模型 ............................................................ 45.
4.4.4 最佳化設計結果 ............................................................ 46.
4.5 結果與討論 ............................................................................. 51.
第五章 風力機葉片外形最佳化設計二 ....................................... 52.
5.1 風力機葉片翼型規劃 ............................................................ 52.
5.2 風力機葉片翼型最佳化設計 ............................................... 54.
5.3 風力機葉片之結構最佳化設計 ........................................... 57.
5.3.1 風力機葉片參數化模型建構 ........................................ 57.
5.3.2 有限元素網格 ................................................................ 58.

5.3.3 風力負載與邊界條件設定 ............................................ 59.
5.3.4 最佳化數學模型 ............................................................ 61.
5.3.5 最佳化設計結果 ............................................................ 62.
5.4 結果與討論 ............................................................................. 68.
第六章 結論 ......................................................................................... 69.
參考文獻 ................................................................................................ 71.


表 目 錄

表3.1 葉片複合材料配置方式 ........................................................... 31.
表3.2 各分段複合材料厚度規劃表 .................................................. 31.
表4.1 風力機葉片翼型截面規劃 ...................................................... 35.
表4.2 各截面翼型之最佳升阻係數與攻角 ..................................... 38.
表4.3 最佳氣動力翼型計算結果 ...................................................... 39.
表4.4 風力機葉片各截面材料厚度 .................................................. 44.
表4.5 最佳化計算結果 ....................................................................... 48.
表5.1 風力機葉片翼型截面規劃 ...................................................... 52.
表5.2 各截面翼型之最佳升阻係數與攻角 ..................................... 54.
表5.3 最佳氣動力翼型計算結果 ...................................................... 56.
表5.4 風力機葉片各截面材料厚度 .................................................. 58.
表5.5 風力機葉片各截面材料厚度(續) ........................................... 59.
表5.6 最佳化計算結果 ....................................................................... 65.

圖 目 錄

圖1.1 (a)水平軸式風力機之各組件；(b)台灣北部濱海地區的風力發電機 ................................................................................................................ 3.
圖2.1 一階梯度法迭代流程 ................................................................. 11.
圖2.2 FAST分析流程 ........................................................................... 14.
圖2.3 葉片截面上區域座標之定義 .................................................... 18.
圖2.4 風力機葉片各角度位置 ............................................................. 20.
圖2.5 風力機葉片多目標最佳化設計研究流程 ............................... 23.
圖3.1 FAST所使用的葉片座標系統 .................................................. 26.
圖3.2 (a)轉子轉速，及(b)發電機發電量之模擬結果 ...................... 26.
圖3.3 (a)作用於葉片根部xb座標方向之剪力，以及(b)作用於葉片根部yb座標方向之力矩 ................................................................................. 26.
圖3.4 NREL三種翼型(a) S818；(b) S825；(c) S826 ...................... 27.
圖3.5 圓斷面及S818, S825, S826翼型斷面 ..................................... 28.
圖3.6 蒙皮後構成之風力機葉片外形 ..................................................... 28.
圖3.7 風力機葉片之有限元素網格 .................................................... 29.
圖3.8葉片之前4個自然頻率及模態振形，(a)模態一 (0.416 Hz)；(b)模態二 (1.679 Hz)；(c)模態三 (1.714 Hz)；(d)模態四 (4.013 Hz) .... 30.
圖3.9 葉片複合材料配置方式 ............................................................. 31.
圖3.10 複合材料葉片之有限元素模型，內部為翼樑位置 ............ 33.
圖3.11 葉片之前4個自然頻率及模態振形，(a)模態一(0.491 Hz)；(b)模態二(1.375 Hz)；(c)模態三(1.453 Hz)；(d)模態四(3.318 Hz) ........ 33.
圖4.1 風力機葉片各分段之翼型截面 ................................................ 36.
圖4.2 各截面翼型之CL / CD 與角之關係 .................................... 38.
圖4.3 氣動力Ft與Fn之位置 ............................................................. 41.
圖4.4 第1分段上的(a)x, (b)y, (c)z三個方向之加速度，及(d)x, (e)y, (f)z三個方向之力矩 ...................................................................................... 41.
圖4.5 第1分段上的(a)切線方向氣動力Ft與 (b)正向氣動力Fn .... 42.
圖4.6 (a)風力機葉片實體模型，(b)以另一角度顯示 ...................... 43.
圖4.7 (a) 風力機葉片有限元素模型，(b)邊界條件及負載， (c)平板翼樑與箱型翼樑位置 ...................................................................................... 45.
圖4.8 最佳化設計迭代過程(a)、(b)設計變數， (c)、(d)限制條件及(e)目標函數 ....................................................................................................... 48.
圖4.9 最佳設計風力機葉片(a)翼展方向之應力分布，及 (b)局部放大 ................................................................................................................ 49.
圖4.10最佳設計之風力機葉片前5個自然頻率與其模態振形 ...... 50.
圖5.1 風力機葉片各分段之翼型截面 ................................................ 53.
圖5.2 各截面翼型之CL / CD 與角之關係 .................................... 55.
圖5.3 (a)風力機葉片實體模型， (b)以另一角度顯示 .................... 57.
圖5.4 風力機葉片之(a)有限元素模型網格，與(b)內部翼樑位置 .................................................................................................................. 58.
圖5.5 第1分段上的(a)切線方向氣動力Ft與(b)正向氣動力Fn ...... 59.
圖5.6 第1分段上的(a)x, (b)y, (c)z三個方向之加速度，及(d)x, (e)y, (f)z三個方向之力矩 ...................................................................................... 60.
圖5.7 邊界條件及負載 ......................................................................... 61.
圖5.8 初始模型之應力分布 ................................................................. 63.
圖5.9 最佳化設計迭代過程(a)、(b)設計變數，(c)、(d)限制條件及(e)目標函數 ........................................................................................................... 64.
圖5.10 最佳設計風力機葉片(a)翼展方向之應力分布，及(b)局部放大；(c)葉片另一側之應力分布，及(d)局部放大 .......................................... 66.
圖5.11 最佳設計之風力機葉片前5個自然頻率與其模態振形 ................................................................................................................ 67.

[1]桂人傑，「臺灣風力發電元件與設備技術發展分析」，臺灣風力發電的現況與展望研討會會議資料，工研院產業經濟與趨勢研究中心主辦，中華民國96年11月14日，台北。
[2]工業技術研究院，「風力機關鍵元件開發計畫」，經濟部能源科技研究發展計畫九十五年度執行報告，計畫編號：95-D0245，中華民國96年4月。
[3]Hau, E., 2006, “Wind Turbines, Fundamentals, Technologies, Application, Economics,” Springer-Verlag, Berlin, Germany.
[4]Ekelund, T., 2000, “Yaw control for reduction of structural dynamic loads in wind turbines,” Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, Vol. 85, pp. 241-262.
[5]Maalawi, K. Y., 2007, “A model for yawing dynamic optimization of a wind turbine structure,” International Journal of Mechanical Sciences, Vol. 49, pp. 1130-1138.
[6]Bazeos, N., Hatzigeorgiou, G. D., Hondros, I. D., Karamaneas, H., Karabalis, D. L. and Beskos, D. E., 2002, “Static, seismic and stability analyses of a prototype wind turbine steel tower,” Engineering Structures, Vol. 24, pp. 1015-1025.
[7]Lavassas, I., Nikolaidis, G., Zervas, P., Efthimiou, E. and Doudoumis, I. N., 2003, “Analysis and design of the prototype of a steel 1-MW wind turbine tower,” Engineering Structures, Vol. 25, pp. 1097-1106.
[8]Yoshida, S., 2006, “Wind turbine tower optimization method using a genetic algorithm,” Wind Engineering, Vol. 30, No. 6, pp. 453-470.
[9]Uys, P. E., Farkas, J., Jarmai, K. and van Tonder, F., 2007, “Optimization of a steel tower for a wind turbine structure,” Engineering Structures, Vol. 29, pp. 1337-1342.
[10]Negm, H. M. and Maalawi, K. Y., 2000, “Structural design optimization of wind turbine tower,” Computers & Structures, Vol. 74, pp. 649-666.
[11]Maalawi, K. Y. and Negm, H. M., 2000, “Optimal frequency design of wind turbine blades,” Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, Vol. 90, pp. 961-286.
[12]Díaz Casás, V., Lopez Peňa, F., Duro, R. J. and Lamas, A., 2005, “Automatic aerodynamic design of a wind turbine through evolutionary techniques,” IEEE Workshop on Intelligent Data Acquisition and Computing System: Technology and Applications, Sept. 5-7, 2005, Sofia, Bulgaria.
[13]Díaz Casás, V., Lopez Peňa, F. and Duro, R. J., 2006, “Automatic design and optimization of wind turbine blades,” International Conference on Computational Intelligence for Modeling Control and Automation, and International Conference on Intelligent Agents, Web Technologies and Internet Commerce, CIMCA-IAWTIC’06, 2006.
[14]Jureczko, M., Pawlak, M. and Mężyk, A., 2005, “Optimization of wind turbine blades,” Journal of Material Processing Technology, Vol. 167, pp. 463-471.
[15]Vitale, A. J. and Rossi, A. P., 2008, “Computational method for the design of wind turbine blades,” International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 33, pp. 3466-3470.
[16]Selwin Rajadurai, J., Christopher, T., Thanigaiyarasu, G. and Nageswara Rao, B., 2008, “Finite element analysis with an improved failure criterion for composite wind turbine blades,” Forsch Ingenieurwes, Vol. 72, pp. 193-207.
[17]Jackson, K. J., Zuteck, M. D., van Dam, C. P., Standish, K. J. and Berry, D., 2005, “Innovative design approaches for large wind turbine blades,” Wind Energy, Vol. 8, pp. 141-171.
[18]Kamoun B., Afungchui, D. and Abid, M., 2006, “The Inverse design of the wind turbine blade sections by the singularities method,” Renewable Energy, Vol. 31, pp. 2091-2107.
[19]Malcolm, D. J. and Hansen, A. C., 2006, “WindPACT Turbine Rotor Design Study,” Subcontract Report NREL/SR-500-32495, Revised April 2006, National Renewable Energy Laboratory, Golden, Colorado, USA.
[20]Bir, G. and Migliore, P., 2004, “Preliminary Structural Design of Composite Blades for Two- and Three-Blade Rotors,” Technical Report NREL/TP-500-31486, September 2004, National Renewable Energy Laboratory, Golden, Colorado, USA.
[21]Griffin, D. A., 2001, “WindPACT Turbine Design Scaling Studies Technical Area 1-Composite Blades for 80- to 120-Meter Rotor,” Subcontract Report NREL/SR-500-29492, April 2001, National Renewable Energy Laboratory, Golden, Colorado, USA.
[22]杜逸龍、陳俊龍、張倉榮，「以類神經網路推估風力發電機發電量－以麥寮風力發電廠為例」，2009台灣風能學術研討會，2009年12月11日，台灣，台北，291-295頁。
[23]張守仁、黃國饒、廖景輝、曾瑞堂，「應用有限元素方法探討MW級單階增速行星齒輪系之動態特性」，2009台灣風能學術研討會，2009年12月11日，台灣，台北，154-159頁。
[24]劉童斌、陳坤男、許佳舜、陳品揚，「風力機塔架之外形最佳化設計」，2009台灣風能學術研討會，2009年12月11日，台灣，台北，211-215頁。
[25]徐彬堯，「風車葉片運動模擬與動態分析」，國立成功大學航空太空工程學系碩士論文，2005。
[26]鄭泗滄、尤芳忞、陳興加、徐彬堯、翁慶隆，「鋁合金材料應用於風車葉片之研究」，第二屆台灣風能學術研討會論文集，2007年12月11日，台灣，台北，87-92頁。
[27]李雅榮、鍾承憲、詹育禔、劉哲元，「FRP風力機葉片之積層與材料特性探討」，第二屆台灣風能學術研討會論文集，2007年12月11日，台灣，台北，98-103頁。
[28]鐘承憲、吳兆誠、何智南，「MW級風力機FRP葉片在GL規範下之破壞分析探討」，2009台灣風能學術研討會，2009年12月11日，台灣，台北，203-209頁。
[29]蔡國忠、江昭慶，「風力發電機葉片流固耦合分析」，2009台灣風能學術研討會，2009年12月11日，台灣，台北，100-104頁。
[30]李雅榮、詹育禔、鍾承憲，「FRP風力機葉片於氣動力作用下流固耦合之探討」，2009台灣風能學術研討會，2009年12月11日，台灣，台北，172-178頁。
[31]劉瑞弘、王彥傑，「風力機於強風下運轉效益評估」，2009台灣風能學術研討會，2009年12月11日，台灣，台北，120-123頁。
[32]Laino, D. J., Hansen, A. C., “User’s Guide to the Wind Turbine Dynamics Computer Software AeroDyn.” Salt Lake City, Utah, USA, Windward Engineering, LC, August 2001.
[33]Jason, M. J., and Marshall, L. B. Jr., 2005, “FAST User’s Guide,” Technical Report NREL/EL-500-38230, August 2005, National Renewable Energy Laboratory, Golden, Colorado, USA.
[34]牛山泉，「風車工學入門 -從基礎理論到風力發電技術-」，國立澎湖科技大學，2009。
[35]Germanischer, L., 2003, “Rules and Guidelines IV–Industrial Services–Guideline for the Certification of Wind Turbine.”