臺灣博碩士論文加值系統

世界面臨能源危機，化石能源慢慢被再生能源取代（太陽能，風能，地熱能等），風力發電是大幅成長能源產業中的其中一項，小型垂直軸風機是風能中新興的產品，具有體積小、低噪音低震動的優勢，能夠在低風速的情況下進行發電，適合用在山區、海岸、公共設施及都會家庭使用。
本文旨在進行小型垂直軸風力發電機葉片的分析，規格選定4kW垂直軸風力發電機，垂直翼長四米，外型比較市面上幾家廠商之翼型後，垂直翼採用NACA3418，水平翼外型採用NACA0018，利用CFD軟體模擬分析效率、風洞實驗以及實機驗證，進行三片翼、五片翼效率測試，獲得最佳風力發電機的葉片設計。CFD模擬分析葉片的效率約為0.2，實際風機測試下葉片效率達0.30，比CFD模擬分析出來的效率還要好，達到我們當初所設定的目標葉片效率0.30。

關鍵詞：小型垂直軸風力發電機、再生能源、最佳葉片設計、CFD軟體模擬分析、風洞實驗

To address the lack of energy and global warming problem, people should develop clean and renewable energy resources. Renewable energy development is the world trends and is also the energy policy of Taiwan. The record shows that wind power generation worldwide has expanded with an annual growth rate of 25 percent since 1990. In recent years, the worldwide wind turbine installation capacity has dramatically increased. The global wind turbine market is expected to continue growing rapidly and stably, making wind turbines an increasingly important energy source.
Since 2007, MingDao University has set up a 2kW VAWT prototype that is test verified to have excellent performance. In 2010, to reach the goal of reducing carbon emissions and saving energy, the Ministry of Economic Affairs granted us a research project to develop the 4kW VAWT to provide the electrical power for small families or public power use in local communities.
Emerging markets need small sized VAWT (vertical-axis wind turbine) for residential energy supplement. MingDao university wind power R&D team has developed a 4kW VAWT system is response to this need. The development items include innovative blades, generator, power control and mast design. The newly developped 4kW VAWT system demonstrates superior performance. The average VAWT efficiency is 0.24 and the average Cp is 0.30. The preliminary results showed this approach has potential for future applications.

Keywords : VAWT, Renewable Energy, Innovative Blades

目錄
致謝 I
摘要 II
英文摘要 III
目錄 IV
圖目錄 VI
表目錄 IX
第一章 緒論 1
1.1 風力發電機發展歷史 1
1.2 研究動機與目的 6
1.3 文獻回顧 8
第二章 葉片設計 12
2.1翼型挑選 12
2.1.1 明道大學2kW風力發電機翼型 12
2.1.2 富田科技股份有限公司5kW垂直軸風力發電機翼型 13
2.1.3 均碩國際股份有限公司之5kW風力發電機翼型 14
2.2翼型效率分析 15
第三章 實驗規劃與建置 16
3.1 CFD模擬設備 16
3.2 風洞設備 16
3.3 風洞實驗之垂直軸葉片模型與發電機 16
3.4 風洞實驗量測設備 18
3.4.1 風速計 18
3.4.2 資料擷取系統 18
3.4.3 高功率電子負載 19
3.4.4 扭力感測器 19
3.5 4KW垂直軸風力發電機 20
3.5.1 葉片部分 20
3.5.2 發電機及煞車部分 21
3.5.3 控制系統 23
3.5.4 整機建置 25
第四章 研究方法與結果 31
4.1 CFD模擬驗證分析 31
4.1.1五片翼流場模擬分析 31
4.1.2三片翼流場模擬分析 40
4.1.3資料分析 43
4.2 風洞實驗 43
4.2.1測試方法 43
4.2.2測試驗證 44
4.2.3資料分析 51
4.3 4KW垂直軸風力發電機數據分析 52
第五章 結論與展望 56
5.1 結果討論 56
5.2 未來展望 58
參考文獻 60

圖目錄
圖1-1 2008年10大風力發電製造商 2
圖1-2 SAVONIUS垂直軸風力發電機 4
圖1-3 DARRIEUS垂直軸風力發電機 4
圖1-4 GIROMILL垂直軸風力發電機 4
圖1-5 混和型風力發電機 4
圖1-6 1931年DARRIEUS 提出的風力機原型[2] 6
圖1-7 台灣地區10M高度年平均風速圖[6] 7
圖2-1 明道大學2KW風力發電機 12
圖2-2 TWT11813 -05-BA642翼型 13
圖2-3 富田5KW垂直軸風力發電機 13
圖2-4 富田5KW垂直翼翼型 14
圖2-5 均碩5KW垂直軸風力發電機 14
圖2-6 均碩5KW NACA3418垂直翼翼型 15
圖3-1 風洞實驗用垂直翼葉片模型 17
圖3-2 永磁三相發電機 17
圖3-3 發電機電源控制箱 18
圖3-4資料擷取系統與高功率電子負載 19
圖3-5 扭力計與扭力傳感器 20
圖3-6 水平支撐翼模具 20
圖3-7 垂直翼模具 21
圖3-8 Π型葉片組合 21
圖3-9 Π型葉片塗彩 21
圖3-10發電機及煞車圖 22
圖3-11 4KW發電機動力測試 22
圖3-12風力發電控制器 24
圖3-13煞車控制盤 24
圖3-14 PLC控制器 24
圖3-15 4KW風機葉片秤重 25
圖3-16葉片秤重數據 26
圖3-17 風力發電機挖地基 26
圖3-18 風力發電機灌漿 27
圖3-19 風力發電機立塔柱 27
圖3-20 吊上組合好的風機系統 28
圖3-21 4KW垂直軸風力發電機系統 28
圖3-22 葉片螺桿鏽蝕情形 29
圖3-23 葉片螺桿更換 29
圖3-24 葉片螺桿更換新舊對比情況 30
圖3-25 更換螺桿後之4KW垂直軸風力發電機 30
圖4-1五片翼(不含水平支撐翼)剖面速度場暫態圖 31
圖4-2五片翼(不含水平支撐翼)剖面壓力場暫態圖 31
圖4-3五片翼(不含水平支撐翼)三維網格暫態圖 31
圖4-4五片翼(無水平支撐翼)V=2 M/S分析數據圖 32
圖4-5五片翼(無水平支撐翼)V=5 M/S分析數據圖 33
圖4-6五片翼(無水平支撐翼)V=10 M/S分析數據圖 33
圖4-7五片翼(無水平支撐翼)V=12 M/S分析數據圖 34
圖4-8五片翼(無水平支撐翼)V=14 M/S分析數據圖 35
圖4-9五片翼(不含水平支撐翼)三維動態模擬功率係數與翼尖速度比 35
圖4-10五片翼(含水平支撐翼)剖面速度場暫態圖 36
圖4-11五片翼(含水平支撐翼)剖面壓力場暫態圖 36
圖4-12五片翼(含水平支撐翼)三維網格暫態圖 36
圖4-13五片翼(含水平支撐翼)V=2 M/S分析數據圖 37
圖4-14五片翼(含水平支撐翼)V=5 M/S分析數據圖 38
圖4-15五片翼(含水平支撐翼)V=10 M/S分析數據圖 38
圖4-16五片翼(含水平支撐翼)V=12 M/S分析數據圖 39
圖4-17五片翼(含水平支撐翼)V=14 M/S分析數據圖 40
圖4-18五片翼含水平支撐之三維動態模擬功率係數與翼尖速度比 40
圖4-19三片翼動態網格三維模擬結果之風機鄰近速度場 41
圖4-20三片翼動態網格三維模擬結果切面速度場1 41
圖4-21三片翼動態網格三維模擬結果切面速度場2 41
圖4-22三片翼(含水平支撐翼)V=10 M/S分析數據圖 42
圖4-23各風速下三片翼三維動態模擬功率係數與翼尖速度比 42
圖4-24風洞實驗風速對應RPM趨勢圖 44
圖4-25風洞實驗風速6.1 M/S實驗數據圖 45
圖4-26風洞實驗風速7.9 M/S實驗數據圖 46
圖4-27風洞實驗風速9.7 M/S實驗數據圖 46
圖4-28風洞實驗風速11.4 M/S實驗數據圖 47
圖4-29風洞實驗風速12 M/S實驗數據圖 48
圖4-30風洞實驗風速13.7 M/S實驗數據圖 48
圖4-31風洞實驗風速14.5 M/S實驗數據圖 49
圖4-32風洞實驗風速15.3 M/S實驗數據圖 50
圖4-33風洞實驗風速16.7 M/S實驗數據圖 50
圖4-34風洞實驗各風速之數據圖 51
圖4-35風洞實驗各風速下RPM對應扭力圖 51
圖4-36 4KW風力發電機功率曲線圖 52
圖4-37 4KW風力發電機整機效率圖 53
圖4-38 4KW風力發電機葉片效率圖 53
圖4-39 4KW風力發電機RPM VS 功率圖 54
圖4-40 4KW風力發電機風速VS RPM圖 54
圖4-41 4KW風力發電機ΛVS CP圖 55
圖5-1 各類型風車CP和翼尖速度比關係曲線 58

表目錄
表1-1 1980年代小型風力裝置的設計目標 3
表3-1 發電機製造規格 22
表3-2 4KW發電機動力測試數據 23
表4-1五片翼(無水平支撐翼)V=2 M/S分析數據 32
表4-2五片翼(無水平支撐翼)V=5 M/S分析數據 32
表4-3五片翼(無水平支撐翼)V=10 M/S分析數據 33
表4-4五片翼(無水平支撐翼)V=12 M/S分析數據 34
表4-5五片翼(無水平支撐翼)V=14 M/S分析數據 34
表4-6五片翼(含水平支撐翼)V=2 M/S分析數據 37
表4-7五片翼(含水平支撐翼)V=5 M/S分析數據 37
表4-8五片翼(含水平支撐翼)V=10 M/S分析數據 38
表4-9五片翼(含水平支撐翼)V=12 M/S分析數據 39
表4-10五片翼(含水平支撐翼)V=14 M/S分析數據 39
表4-11三片翼(含水平支撐翼)V=10 M/S分析數據 42
表4-12風洞實驗空載測試數據 44
表4-13風洞實驗風速6.1 M/S測試數據 45
表4-14風洞實驗風速7.9 M/S測試數據 45
表4-15風洞實驗風速9.7 M/S測試數據 46
表4-16風洞實驗風速11.4 M/S測試數據 47
表4-17風洞實驗風速12 M/S測試數據 47
表4-18風洞實驗風速13.7 M/S測試數據 48
表4-19風洞實驗風速14.5 M/S測試數據 49
表4-20風洞實驗風速15.3 M/S測試數據 49
表4-21風洞實驗風速16.7 M/S測試數據 50

一、中文部分
牛山泉,三野正洋,“小型風車手冊”,2010.12
中央大學台灣風能查詢系統, http://www.atm.ncu.edu.tw/93/wind/main.asp
謝承翰,“垂直軸風力機扭力與功率的檢測與模擬”,國立成功大學,航空太空工程學系,碩士學位
垂直軸風力機葉片流場析分析案結案報告, 均豪精密工業股份有限公司.

二、英文部分
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Islam, M., Ting, D. S.-K.,and Fartaj, “Design of a Special-purpose Airfoil for Smaller-Capacity Straight-Bladed VAWT”, Wind Engineering Vol. 31,No. 6,pp 401-424, 2007.
Islam, M., Ting, D. S.-K.,and Fartaj, A., “Aerodynamic Models for Darrieus-Type Straight-Bladed Vertical Axis Wind Turbines”, Renewable & Sustainable Energy Reviews, Vol. 12, No. 4, pp.1087-1109,2008.
Eriksson, S., Bernhoff, H. and Leijon, M., “Evaluation of Different Turbine Concepts for Wind Power,” Renewable and sustainable energy reviews, Vol. 12, pp. 1419-1434, 2008.
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