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研究生: 王世宇
Shih-yu Wang
論文名稱: 風力發電機於大樓屋頂之流場分析
Flow Simulation of a VAWT on the Building Roof
指導教授: 林顯群
Sheam-chyun Lin
口試委員: 陳呈芳
none
莊福盛
none
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工程學院 - 機械工程系
Department of Mechanical Engineering
論文出版年: 2010
畢業學年度: 98
語文別: 中文
論文頁數: 17
中文關鍵詞: 垂直軸風力發電機女兒牆
外文關鍵詞: VAWT, parapet wall
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風力發電機發展至今,已漸漸開始應用於一般小型家庭發電,在國內外皆有許多的廠商開發及販售;而許多販售之風力發電機之性能測試,皆是以平地為基本模型進行量測或是以風洞實驗取得其性能數值。然而,安裝於高樓或是裝置基地加高的風力發電機,其實際風場必定與平地實驗測試大不相同;而一般之風場量測觀察,亦是以區域性的量測為主,無法得知風場可能因建築物而造成局部風場之改變,更無從了解其對風力發電機的性能影響。因此本研究選用啟動性較佳的垂直軸風力發電機- Savonius風力機為對象,針對其運轉情形的流場及速度場之變化作討論分析;同時模擬此風力機在不同風場(平地、樓頂)及女兒牆後方不同位置下,所得到的流場與氣動力性能,以供架設風力發電機有可靠之參考。接著就不同高度的女兒牆進行系統化的參數模擬,並將所得到的結果作無因次分析的比較,以提供未來風力發電機在裝置前,可先依實際女兒牆後之風場進行評估。最後將建造出一台快拆式、可置換且裝機安全的風力發電機測試平台,進行實體風力發電機實際測式的工作,並且分析風力發電機所得到的性能數據,以供未來進行此測試平台之可靠參考。


Small scale wind power development has grown exponentially nowadays, lots of green-energy companies are trying to develop and make business to harvest wind energy. Most of their products performance are tested on-field and/or in the wind tunnel; however, the wind turbines’ performance deviate significantly when they are installed on the top of building due to local flow patterns. Therefore, realizing the corresponding performance influence caused by geometrical parameters becomes an urgent need and the goal of this research. At first, the installation position effect to vertical axis wind turbine’s (VAWT’s) performance technique is discussed step by step, by using numerical. The start-up ability, flow pattern, and performance characteristics are compared between the on-field and on the top of building installations. In addition, this investigation also discussed about the flow pattern behind the parapet wall and the performance of VAWT setting up at various locations behind the parapet wall with different height, and results being applied to VAWT on the building’s rooftop. Furthermore, a dimensionless analysis is performed to generalize these entire problems. Finally, a VAWT prototype is fabricated and installed on the flexible experiment platform to measure the power coefficient of wind turbine and make comparison with the corresponding simulation results. In summary, this integrated research successfully combines the simulations and experimental together to provide the capability to estimate the possibility in harvesting wind energy and reliable informations related with installing the wind turbine on the rooftop.

摘要 I Abstract II 致謝 IV 目錄 V 圖目錄 IX 表目錄 XIII 符號索引 XIV 第一章 緒論 1 1.1 前 言 1 1.2 文獻回顧 4 1.2.1 阻力型風力發電機 5 1.2.2 數值模擬相關研究 10 1.2.3 風力發電應用於都市相關文獻 15 1.3 研究目的與方法 17 1.4 本文大綱 20 第二章 風力發電機簡介 23 2.1 發展歷史與趨勢 23 2.2 風力機之工作原理及相關參數 28 2.2.1 貝茲動量理論 28 2.2.2 相關參數簡介 32 2.3 風力機種類 33 2.3.1 水平軸/垂直軸式風力發電機 33 2.3.2 升力/阻力型風力發電機 36 2.3.3 結合或安置於建築物之風力發電機 41 第三章 數值模擬方法 47 3.1 統御方程式 47 3.2 紊流與紊流模式 49 3.2.1 紊流 49 3.2.2 紊流模式 55 3.2.3 壁面函數(Wall Function) 57 3.2.4 紊流模式的壁面法則 61 3.3 邊界條件 62 3.4 數值計算方法 63 3.4.1 求解流程 63 3.4.2 離散方法 65 3.4.3 速度與壓力耦合 75 第四章 流場數值模擬分析 78 4.1 含女兒牆大樓屋頂之流場分析 80 4.1.1 含女兒牆大樓模型之建立 80 4.1.2 含女兒牆之大樓流場分析 84 4.1.3 簡化含女兒牆之大樓流場及分析 86 4.2 風力機於大樓屋頂之流場分析 90 4.2.1 風力機模型建立 90 4.2.2 風力機之氣動力分析 94 4.3 平地流場之風力發電機性能比較 98 4.3.1 平地流場之數值模擬 98 4.3.2 大樓及平地流場之風力機性能比較 100 4.4 於女兒牆後方不同位置之風力機性能分析 103 4.4.1 風力發電機裝置高度固定在1.5m 104 4.4.2 風力發電機裝置高度固定在2 m 108 第五章 女兒牆後方之流場分析 117 5.1 參數規劃與流場設定 118 5.2 流場模擬結果與分析 118 5.2.1 女兒牆後方流場分析 123 5.2.2 裝置風力機位置討論與案例介紹 129 5.3 無因次分析 130 5.3.1 無因次公式推導 130 5.3.2 案例應用與說明 137 第六章 實驗平台裝設及測試 141 6.1 實驗平台搭建之事前工作 141 6.1.1 屋頂基座之搭建 141 6.1.2 避雷設備之搭建 148 6.1.3 氣象桿設置 151 6.2 實驗平台搭建 155 6.2.1 角鐵結構設計 155 6.2.2 發電機 158 6.2.3 資料擷取系統 158 第七章 結論與建議 167 7.1結論 167 7.2建議 169 參考文獻 171

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無法下載圖示 全文公開日期 2015/07/07 (校內網路)
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