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研究生: 陳國忠
Kevin - (Ken) Chen
論文名稱: 葉片扭轉角對水平式風力機性能影響之數值研究
Numerical Study of HAWT with Twisted Blade
指導教授: 林顯群
Sheam-Chyun Lin
口試委員: 陳呈芳
Chen-Fang Chen
李基楨
Ji-Jen Lee
莊福盛
Fu-Sheng Juan
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: 2005
畢業學年度: 93
語文別: 中文
論文頁數: 148
中文關鍵詞: 水平式風機扭轉角
外文關鍵詞: HAWT, Twist
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  • 自從西元1,970年兩次石油能源危機之後,環境污染和氣候異常等兩大議題就成為全世界關心之議題,目前再生能源的發展趨勢正隨著風機之運轉逐漸變得更有吸引力,這是因為風力發電具有豐沛、潔淨和燃料免費之特色,今日興建風力電廠已成為我國能源發展之重要標的。本研究以國家『水與綠計畫』為研究動機,以自行設計之三種不同翼尖,利用FLUENT 6.1.22之有限元素法進行數值模型之建立和計算,以通過葉輪質量流率和極限風速為模擬條件,來分析各種扭轉角度在不同風速下之流場情形與比較。在數值模擬之結果方面,扭轉角度介於-15~-25度之間都有不錯之數值,但以-25度最好,比較扭轉角-25和0度在葉輪固定轉速10 RPM和風速15 m/s情況下之數值,葉輪可用風力可提升17%,質量流率增加14,729 kg/s;其他在設定停止和啟動運轉之指定風速間均獲得良好之改善,且可以降低入口風速在數值模型中對於翼尖極限風速之影響,減少風能密度流失、增加葉輪獲得可用風力,對於風機效能之提升幫助頗大。


    Since the second energy crises happened in 1970s, environment pollution and weird climate have become the important tasks in the world. Therefore, while the wind turbine started running, the trend of developing the renewable energy became more attractive than ever. So far, building the wind power plant becomes one of the most promising projects for Taiwan to develop the whole country’s energy resources after evaluating the wind energy’s characters like its clean and abundant resource without any fuel cost. The motivation of this research is based on the National Water and Green project proposed by government in Taiwan. In this research, three HAWTs (horizontal axial wind turbine) with different blade tips are designed and evaluated their power output and flow patters by taking advantage of the CFD code (Fluent). Then, various twists on the impeller blade are included to enhance the power generation of HAWT. The comparing criterions are the extreme wind speed at the blade tip and mass flow rate crossing the rotor. According to the numerical results, the power outputs of wind turbine are pretty good for the twist angle ranging from -15 to -25 degrees. However, the best result is presented at the case of -25 degree. By comparing the calculated outcomes of HAWTs operating at 15 m/s wind velocity and 10 rpm rotor speed, the improvements on the average power efficiency and airflow rate are 17% and 14,729 kg/s for the twist angle changing from 0 to -25 degrees. Moreover, several wind speeds ranging from the cut-in to cut-out wind speeds are considered in this study. It is concluded that the case of -25 degrees yields a better performance and a smaller extreme wind speed at blade tip than the case of zero twist for all wind speeds considered here.

    中文摘要 …i 英文摘要 …ii 誌謝 …iii 目錄 …iv 圖索引 …viii 表索引 …xiii 符號索引 …xiv 第一章 緒論 …1 1.1 前言 …1 1.2 風機的發展趨勢 …2 1.3 國家發展計畫 …4 1.4 研究動機與方法 …7 第二章 風及風能資源 …15 2.1 風能 …15 2.2 寇里奧利力 …17 2.3 受地理環境所影響的風能 …19 2.4 風的測量 …21 2.4.1 風能密度與高度變化 …22 2.4.2 風的隨機性變化 …23 2.4.3 風玫瑰圖、風力等級與風力曲線圖 …24 2.5 台灣風能資源及分佈 …25 第三章 風力機的基本理論及構造 …34 3.1 風力機之原理 …35 3.1.1 貝茲理論 …35 3.1.2 公式整理 …39 3.2 風力機型式 …39 3.2.1 水平/垂直軸式風力機 …40 3.2.2 上風/下風式風力機 …41 3.3.3 按葉片數目區分 …42 3.3 葉輪控制與與葉片材質 …43 3.4 風力機的功率 …45 3.5 風機構造與專有名詞解釋 …47 第四章 實體與數值模型 …57 4.1 實體模型 …57 4.1.1 NACA翼剖面 …58 4.1.2 葉片設計 …60 4.1.3 葉輪、機艙和塔架 …65 4.2 數值模型 …66 第五章 數值分析 …79 5.1 統御方程式 …80 5.2 紊流模式 …82 5.3 SIMPLE理論 …84 5.4 邊界條件 …85 5.4.1 進、出口的邊界條件 …86 5.4.2 固體的邊界條件 …87 5.4.3 葉輪的邊界條件 …88 第六章 數值結果與討論 …92 6.1 格點驗證 …92 6.2 數值判別基準 …94 6.3 翼尖外型與風速之影響 …96 6.4 不同扭轉角之影響 …99 6.4.1 順時針扭轉角度之比較 …101 6.4.2 逆時針扭轉角度之比較 …102 6.4.3 不同風速在最佳扭轉角之流場分析 …105 6.5 模擬之總結 …107 6.5.1 質量流率 …108 6.5.2 平均速度 …110 6.5.3 平均壓力 …111 第七章 結論與建議 …136 7.1 結論 …136 7.2 建議 …137 7.3 台灣風電之現況 …140 7.3.1 風電之隱憂 …141 7.3.2 獎勵投資 …142 參考文獻 …145 作者簡介 …148

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