臺灣博碩士論文加值系統

地球暖化的危機與石化燃料價格的高漲，再加上環保意識抬頭，減少碳排放與開發替代能源成為現今廣受各國重視的議題。其中，綠色能源的開發亦是蓬勃發展，例如：太陽能、風力發電、潮汐、地熱、生質燃料等。相關調查的資料顯示台灣有良好風場與豐富的風能，相當適合風力發電相關產業的發展。然而，國內目前風力發電產業的關鍵技術皆掌握於國外廠商，對於最重要之葉片相關研究亦較為缺乏。
本研究主要是希望藉由對葉片與塔架的應力分析來設計與製作一小型風力機的安全裝置，以保護葉片與塔架在強風下(如颱風)不至於受到損害。本研究的進行步驟首先依據額定參數設計一小型風力發電機的葉片，並利用ANSYS®來模擬葉片各翼形截面外部在不同風速與轉速下的流場，進而得到各翼形截面表面之壓力分佈。從這些壓力分佈的數據資料可得葉片所受到之轉軸扭矩、延風向的受力分佈與風力機輸出功率。接著，經由將模擬所得之輸出功率與風洞實驗數據比較來確認模擬分析的正確性之後，可將模擬所得之轉軸扭矩、沿風向的受力分佈、與轉速設為邊界條件，以COSMOSWorks®來進行葉片與塔架的應力分析。最後，將風力機葉片可安全運轉與塔架不遭受破壞的最大風速設為設計條件，設計與製作安全裝置。
研究結果顯示，(1)風機葉片扭矩與延風向受力之模擬有些許的高估，形成提高安全係數的效果；(2)葉片上之最大應力的位置與實例破壞的位置相符合；(3)從風速與應力關係預測葉片可承受之風速約為15 m/s；(4)依據塔架應力分析可知使用鋼索可減少塔架所承受之應力約62%，塔架頂端擺動位移減少約86%；(5)所設計的安全裝置經實驗證明符合理論計算中啟動參數之設定，並且能如預期的方式運作。

The crisis of global warming and rising fossil fuel prices, coupled with the rise of environmental awareness, the requirement of reducing carbon emissions and developing renewable energy resources becomes a popular issue that draws the national attention. Among the renewable energy resources, the development of ‘green energy’ is booming, such as: solar energy, wind power, tidal energy, geothermal energy, biofuels …etc. According to some related assessment studies, due to the geographic and climate conditions, Taiwan possesses abundant wind energy that makes it suitable for the development of wind-power industry. However, because that the key technology of large-sized wind turbines lies in the hands of foreign manufacturers and there are rare domestic relevant research works on the blades, it is unfavorable to the development of domestic wind power industry.
To mend this situation, in this study we continue from the previous works of our laboratory to improve the performance of a small-sized wind turbine. The steps are first based on the rated parameters to design a small wind turbine blade, then use ANSYS® to calculate the pressure distribution of the external flow field at different angular velocities and wind speeds on the blade surface at each section whose profile is given according to NACA wing sections. The pressure distribution on each section can be integrated to achieve the torque and the power output from the shaft and the normal force and the bending moment on the structure of the wind turbine. Comparing the power calculated from the simulations with the power derived from experiments in a wind tunnel we can verify the accuracy of the numerical model. From the simulations we can calculate the moments about the shaft and the axis perpendicular to the shaft as the boundary conditions for COSMOSWorks® in the stress analysis on the blades and the tower. Finally, we can designate the wind speed that induces the maximum stress under the yielding strengths of the materials of the blade and the tower as the maximum wind speed of safe operation.
The results show that, (1) Even though the blade torque and the normal force are slightly overestimated, there is an effect of increasing the safety factor in the design work; (2) The position on the blade of maximum stress matches the destruction point in an example; (3) From the results of stress analysis, the maximum wind speed of safe operation is about 15 m/s; (4) According to the results of the stress analysis, using steel cables on the tower reduces the maximum stress by 62% and the magnitude of the displacement at the tower top by 86%; (5) The mechanism of the designed and fabricated safety device can be activated according to the theoretical setting values and function correctly as expected.

指導教授推薦書……………
口試委員會審定書…………
授權書 iii
誌謝 v
摘要 vi
Abstract vii
目錄 ix
圖目錄 xi
表目錄 xiv
第一章 緒論 1
1.1 研究背景 1
1.2 文獻回顧 4
1.3 研究動機 8
1.4 研究目的 9
第二章 研究方法 10
2.1 風力發電機葉片力學理論 10
2.1.1 升力、阻力與攻角 10
2.1.2節距角與相對風速角 15
2.1.3 轉矩 16
2.2 葉片設計 18
2.3 葉片分析 20
2.4 風洞實驗 23
2-5 離心力 27
2.6 應力分析 27
2.7安全裝置設計與分析 30
2.7.1 安全裝置設計 30
2.7.2 安全裝置分析 31
2.8 塔架 35
第三章 結果與討論 36
3.1 葉片應力分析 36
3.2 塔架分析 40
3.3 安全裝置啟動條件 45
3.4安全裝置製作 45
3.5 實驗結果 48
第四章 結論與未來展望 50
4.1 結論 50
4.2 未來展望 50
參考文獻 52
附錄A COSMOSWorks®應力分析步驟 54

圖目錄
圖1-1 主要能源的種類[4] 2
圖1-2 全球風力發電裝機容量[5] 2
圖1-3 台灣再生能源發展之現況[5] 4
圖1-4 水平軸式風力機[8] 5
圖1-5 垂直軸式風力機[8] 6
圖1-6 側翼式控制方式防強風機構[9] 7
圖1-7 側方偏向式防強風機構[9] 7
圖1-8 上方偏向式防強風機構[9] 8
圖1-9 尾舵偏轉式防強風機構[11] 8
圖1-10 測試實驗斷裂之葉片 9
圖1-11 斷裂葉片之斷口細部圖 9
圖2-1 風力發電機翼型截面攻角與昇力係數之關係[9] 11
圖2-2 水平軸式風力發電機面向空氣流動之示意圖[11] 12
圖2-3 水平軸式風力發電機面向空氣流動之力矩簡圖 12
圖2-4 葉片元素示意圖 13
圖2-5 翼型截面各部位名稱[14] 13
圖2-7 水平軸式風力發電機之葉片幾何分析 15
圖2-8 葉片截面示意圖 16
圖2-9 葉片元素示意圖[12] 16
圖2-10 壓力與截面關係圖 17
圖2-11 剪力中心示意圖[16] 19
圖2-12 葉片模型與翼型截面 19
圖2-13 B1葉片3D模型圖 20
圖2-14翼型截面外部流場壓力分佈圖 20
圖2-15發電機輸出功率與理論功率之關係 22
圖2-16 Cp與TSR之關係 22
圖2-17 x方向力矩與角速度之關係 23
圖2-18 B2葉片TSR與CP之關係 24
圖2-19 B3葉片TSR與CP之關係 25
圖2-20 B2葉片發電機輸出功率與理論功率之關係 25
圖2-21 B3葉片發電機輸出功率與理論功率之關係 26
圖2-22 B2葉片3D模型圖 26
圖2-23 舉例之單一葉片角速度與離心力之關係圖 27
圖2-24 應力分析拘束示意圖 28
圖2-25 My轉矩設定示意圖 28
圖2-26 Mx轉矩設定示意圖 29
圖2-27 離心力設定示意圖 29
圖2-28 安全裝置做動原理示意圖 30
圖2-29 安全裝置示意圖 31
圖2-30 阻力係數與雷諾數[18] 32
圖2-31 阻力係數與雷諾數[18] 33
圖2-32 安全裝置彈簧示意圖 33
圖2-33 塔架力系示意圖 35
圖3-1 模型分析局部網格圖 37
圖3-2 葉片變形圖 37
圖3-3 葉片最大應力位置圖 38
圖3-4 葉片最大應力剖面圖 38
圖3-5 B1葉片應力圖 39
圖3-6 B2葉片應力圖 39
圖3-7 塔架分析圖(未使用鋼索) 42
圖3-8 塔架分析圖(使用鋼索) 42
圖3-9 B1葉片塔架應力圖 43
圖3-10 B2葉片塔架應力圖 43
圖3-11 塔架受力方向示意圖 44
圖3-12 塔架受力方向示意圖 44
圖3-13 安全裝置3D模型圖 45
圖3-14 安全裝置細部模型圖 46
圖3-15 安全裝置與風力發電機組裝完成3D模型圖 46
圖3-16 安全裝置細部放大圖 47
圖3-17 安全裝置組裝完整實體圖 47
圖3-18 安全裝置實體作動完成圖 48
圖3-19 安全裝置測量示意圖 49
圖3-20 安全裝置測量量計細部示意圖 49



表目錄
表1-1 2020年各國再生能源佔發電量比例目標[5] 3
表1-2 2005全球風力發電裝機容量排名[6] 3
表2-1 B1葉片設計參數 18
表2-2 風力發電機安全裝置尺寸表 31
表2-3 安全裝置細部尺寸 34
表3-1 B1葉片之操作點數據 36
表3-2 B2葉片之操作點數據 36
表3-3 使用B1葉片之塔架分析結果數據表 41
表3-4 使用B2葉片之塔架分析結果數據表 41
表3-5 風速15 m/s安全裝置啟動數據 45

[1] 台灣環境資訊協會(Taiwan Environmental Info Association, TEI)環境資訊中心(Taiwan Environmental Information Center, TEIC)，網站http://e-info.org.tw/。
[2] 呂威賢，“風的故事─從風車到風力機”，科學簡訊 383期，頁6-13，2004年11月。
[3] 經濟部能源局 網站：http://www.moeaec.gov.tw/。
[4] Shell energy scenarios 2050, http://www.shell.com/.
[5] 經濟部，“永續能源政策綱領”，民國九十七年六月五日。
[6] 英華威風力發電集團，網站http://www.infra-vest.com/TC/4-3.htm。
[7] 台灣風力發電設備產業聯誼會網站：http://www.twtia.org.tw /index.aspx。
[8] J.F. Manwell, J.G. McGowan and A.L. Rogers, “Wind energy,” John Wiley & Sons Ltd, 2002.
[9] 賴耿陽，“小型風車設計及製造”，復漢出版社，民國九十年。
[10] 陳軍、袁華堂編著、陳憲偉校訂，“新能源材料”，五南出版社， 出版日期：2008年03月25日。
[11] 風技綠能科技股份有限公司，網站：http://www.windtek.com.tw/。
[12] 林伯峰，“風力機產業技術之趨勢分析”，機械工業雜誌，工業技術研究院 278期，頁27-50，民國九十五年五月。
[13] Grant Ingram, “Wind Turbine Blade Analysis using the Blade Element Momentum Method” Version 1.0, School of Engineering Durham University, December 13, 2005.
[14] 莊宏瑋，“風力發電機葉片快速設計軟體之建立與其最佳化”，長庚大學機械工程研究所碩士論文，民國九十四年六月。
[15] 黃正利、陳正泰，“漫談風車葉片氣動力技術”，機械工業雜誌 278期，工業技術研究院，頁68-85，民國九十五年五月。
[16] 藍禕愷，“小型風力發電機葉片設計與製作”，長庚大學機械工程研究所碩士論文，民國九十七年七月。
[17] 台灣化學纖維股份有限公司，“台化丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)塑膠粒物性彙總表”，網站：http://www.fcfc.com.tw/Plastic /TW/PRODUCT/abs_char/ae8200.htm
[18] Clayton T. Crowe, Donald F. Elger, and John A. Roberson, “Engineering Fluid Mechanics,” Eighth Edition，John Wiley & Sons, Inc. 2005.
[19] 黃俊琦，“ 金屬材料手冊”，機械技術出版社，頁116-117，民國八十三年五月。