臺灣博碩士論文加值系統

本論文是關於研製一個風力發電機的發電機系統。簡而言之，本論文研究的目的是研究發電機與葉片轉子之間的匹配問題，並製作出一台微型風力發電機。首先我們依風力發電機之需求，決定發電機之定功率，再決定所需之額定電壓，此時也決定了額定電流，此時便決定了感應線圈的粗細，利用公式算出線圈匝數。有了以上的數據後，並繪製cad檔，設計我們的發電機之外型。並將所設計出的發電機放上動力台量測數據，量測出發電機的額定數據之後與設計葉片之去做匹配，看是否能達到當初設計之需求，再一步一步更改設計讓發電機能發揮葉片最大效能，並使風力發電機能達到更高的效率。並根據發電機與葉片之匹配，能使發電機的製作方向更明確。

The research investigates the establishment of the wind turbine system. To put it simply, our research focuses on how to deal with the compatibility of a wind turbine with rotor blades and then produce a miniature wind turbine. First of all, we determined the power rating of a generator with the demand of a wind turbine. Then, we settled the rated insulation voltage and the degree of thickness of the induction coil and calculated the number of the winding turns. Those data having been prepared, we established a cad file to illustrate and design the model of a wind turbine and began our experiment on our model. We tested our model and calculated the nominal data of the turbine. After organizing the data, we matched the rotor blades with the wind turbine and observed whether our models would meet the demand of our design. Step by step, we changed our design to improve the wind turbine to maximize the efficiency. From the process, we analyzed the compatibility of a generator with its rotor blades to find out a way to produce an efficient wind turbine.

致 謝 I
摘要 II
Abstract III
目錄 IV
圖目錄 VII
表目錄 X
第一章 緒論 1
1.1研究背景 1
1.2研究動機 4
1.3文獻回顧 5
第二章 發電機設計理論 7
2.1風力發電機簡介 7
2.2風力發電機系統簡介 8
2.2發電機簡介 13
2.2.1磁鐵與磁性材料簡介 13
2.2.2發電機之原理 14
第三章 實驗設備簡介 17
3.1大型風洞設備 17
3.1.1大型風洞 17
3.1.1小型風力發電機模型 19
3.1.2速度量測系統 20
3.1.3轉速計 20
3.1.4量測顯示與控制系統 21
3.1.5大氣狀態量測裝置 22
3.2發電機測試平台 23
3.2.1發電機測試平台 23
3.2.2 頻率控制系統 24
3.1.4高功率可調繞線瓷管電阻 25
3.1.5 72W直流發電機 26
第四章 發電機製作 27
4.1永久磁鐵式發電機 27
4.1.2發電機的架構 27
4.2無鐵芯盤式發電機 30
4.2.1發電機簡介 30
4.2.2發電機的架構 30
第五章 實驗結果與討論 35
5.1 發電機性能測量方法 35
5.1.1開路電壓測量方法 35
5.1.2 閉路特性曲線測量方式 36
5.1.3 額定功率曲線量測方法 37
5.2風力發電機性能測量與分析 38
5.2.1 開路電壓曲線 38
5.2.2閉路曲線 39
5.2.3 發電機功率-轉速特性曲線 40
5.2.4發電機轉矩-轉速特性曲線 41
5.3發電機與葉片特性匹配分析 42
5.3.1發電機與葉片特性匹配分析 42
5.3.2風力發電機額定曲線量檢測法 48
5.3.3發電機與葉片特性匹配分析驗證 50
第六章 總結與未來展望 52
6-1總結 52
6-2未來與展望 53
參考文獻 54

圖目錄
圖1-1：國際歷史石油價格 1
圖 1-2：2012全球風力發電機總裝容量[2] 3
圖2-1：典型水平軸式風力發電機 8
圖2-2：典型垂直軸式風力發電機 8
圖2-3：風力發電系統架構圖 9
圖2-4：風力發電系統功率流程圖 10
圖2-5：負載曲線於最大功率曲線前後示意圖 11
圖2-6：風力發電機於不同負載、風速之下匹配點示意圖 12
圖2-7：磁鐵與線圈切割示意圖 15
圖3-1：大型風洞 18
圖3-2：小型風力發電機模型 19
圖3-3：量測顯示與控制系統 21
圖3-4：大氣狀態量測裝置 22
圖3-5：發電機測試平台 23
圖3-6：頻率控制系統與轉速、扭力顯示器 24
圖3-7：500W高功率可調繞線瓷管電阻 25
圖3-8：72W 直流發電機 26
圖4-1：內轉子 29
圖4-2：外定子 29
圖4-3：盤式無鐵芯永磁發電機定轉子示意圖 30
圖4-4：盤式無鐵芯發電機之結構圖 31
圖4-5：盤式無鐵芯發電機之尺寸圖 32
圖4-6：定子尺寸圖 32
圖4-7：轉子尺寸圖 33
圖5-1：開路電壓測量方法流程圖 35
圖5-2：開路電壓測量方法流程圖 36
圖5-3：風力發電機功率曲線量測流程圖 37
圖5-4：開路電壓曲線 39
圖5-5：閉路曲線 40
圖5-6：發電機功率-轉速特性曲線 41
圖5-7：發電機轉矩-轉速特性曲線 42
圖5-6：72W 60V 1800rpm對60%8葉片具外罩torque-rpm圖 45
圖5-7：72W 60V 1800rpm對60%8葉片具外罩power-rpm圖 45
圖5-8：92W 70V 3200rpm對60%8葉片具外罩torque-rpm圖 46
圖5-9：92W 70V 3200rpm對60%8葉片具外罩power-rpm圖 46
圖5-10：162W 73V 3200rpm對60%8葉片具外罩torque-rpm圖 47
圖5-11：162W 73V 3200rpm對60%8葉片具外罩power-rpm圖 47
圖5-12：風力發電機額定曲線量檢測流程圖 49
圖5-13：72W 90V 1800rpm對60%8葉片具外罩power-rpm驗證匹配圖 51

表目錄
表4.1：發電機之研製數據 28
表4-2：盤式無鐵芯發電機設計規格表 34
表5-1：72w直流發電機額定數值 43
表5-2：92w直流發電機額定數值 44
表5-3：92w直流發電機額定數值 44
表5-4：162W 90V 3200rpm對60%8葉片具外罩匹配分析驗證 50

[1]國際歷史石油價，Available at: http://inflationdata.com/inflation/inflation_rate/historical_oil_prices_table.asp
[2] 世界風能協會，Available at: http://www.wwindea.org/technology/ch01/estructura-en.htm.
[3] 經濟部能源局網站。再生能源之風力發電介紹。網址: http://wind.itri.org.tw/wind.html.
[4] C. G. Justus, Winds and Wind System Performance, The Franklin
Institute Press, 1978.
[5] Nicholas P. Cheremisionff, Fundamentals of Wind Energy, Ann Arbor Science, 1979.
[6] Hanselman ,Brushless Permanent Magnet Motor Design,2nd, Magna Physics Publishing, 2006
[7] E. Muljadi, S. Drouilhet and R. Holz, “Analysis of Permanent Magnet Generator for Wind Power Battery Charging” IEEE Conference on Industry Applications, vol. 1, pp.541-548, 1996.
[8]李奇錄，可變繞組發電機應用於海流發電系統之研究，成功大學
系統及船舶機電工程學系碩士學位論文，民國97年。
[9] 蔡宗翰，風力用永磁發電機之特性分析，成功大學電機工程學系
碩士論文，民國96年。
[10] 吳梅豪，表面型永磁無刷直流馬達之設計，逢甲大學電機工程研
究所碩士，民國95年。
[11] 林繼謙，岸基震盪水柱式波浪發電系統成功大學電機工程學系碩
士論文，民國98年。
[12] 郭俊賢，小型風力系統之開發，大同大學機械工程研究所碩士論
文，民國97年。
[13]李聚儒，小型垂直軸風機無鐵芯軸向磁通永磁發電機研究，臺灣大
學機械工程研究所碩士，民國97年。
[14] 江炫樟，“電機機械”，全華科技圖書股份有限公司，民國86年。
[15] 張英彬、曾相彬、曹登發，第二版“電機機械”，新文京開發出版股
份有限公司，2004。
[16]簡名硯，小型水平軸式風力發電系統之研製，淡江大學航空太空工
程學系碩士學位論文，民國100年。
[17]洪呈緯，微型風力發電機外罩與葉片效應之空氣動力特性探討，淡
江大學航空太空工程學系碩士學位論文，民國101年。