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系統識別號 U0026-0812200914363321
論文名稱(中文) 全尺寸小容量風力發電系統風車下游流場特性實驗研究
論文名稱(英文) Experimental Study on Flow Properties Behind a Full-scaled Low Capacity Wind Power System
校院名稱 成功大學
系所名稱(中) 航空太空工程學系專班
系所名稱(英) Department of Aeronautics & Astronautics (on the job class)
學年度 96
學期 2
出版年 97
研究生(中文) 林信助
研究生(英文) Hsin-Chu Lin
電子信箱 p4794114@mail.ncku.edu.tw
學號 p4794114
學位類別 碩士
語文別 中文
論文頁數 95頁
口試委員 指導教授-蕭飛賓
口試委員-江志煌
口試委員-許掙強
中文關鍵字 氣動力功率係數  風力發電機  誘導係數 
英文關鍵字 Wind turbine  Aerodynamic power coefficients  Induction factors 
學科別分類
中文摘要 本論文主要探討小容量風能發電系統發電效能之表現。為了迎合實際全尺寸風能系統之量測與分析,風力發電機將在一特別設計之低速風洞測試段中以靜態皮托管來量測在各種不同的轉速下之上游與下游的流體速度及流場分佈。此研究利用量測風力發電下游的速度差推導出其阻力、誘導係數及功率係數等,並將此估計的參數值與實驗量測的數據做比較。根據擴散段測試區之校正速度分佈,其穩態平均速度範圍大約落在每秒5~10公尺左右。從實驗中得知,此範圍之中心流場速度並無明顯的速度驟降,而且最佳測試段坐落於擴散段出口下游50公分處。由實驗結果顯示,在發電系統有阻抗負載的狀況下,在風速7m/s下有最佳的117.04瓦特發電功率發生,其功率係數為0.16,誘導係數為0.082,而估計之阻力為35N,功率係數為0.28。此風速下的風力發電機轉速約在600 rpm以下,而隨著轉速增加,氣動力功率係數、誘導係數與阻力亦隨之增加。於此同時功率係數也呈現類似的趨勢,惟實驗結果顯示估算出之參数值略高於實際量測的結果。此一誤差來源可能是肇因於發電機上之電阻阻抗所發生的溫度效應。本文所建構之量測系統、實驗方法及結果,將可用以提供未來風力發電系統分析所需之概念及數據基礎。
英文摘要 This thesis studies the flow properties behind a small capacity wind power system and investigates its power efficiencies in a low-speed wind tunnel. In order to facilitate the full-scaled wind power system inside the wind tunnel, the test section is specially designed and constructed for measuring the velocity distributions by means of pitot-static tube. The flow properties for measurements include the forward and downstream velocities behind the wind turbine with different electric load states and the rotation speeds of the wind turbines will change accordingly. The drag force, induction factors and aerodynamic power coefficients are first estimated to construct the preliminary analysis for the wind power system to be and compared with the experimental results of the circuit power coefficients. According to the calibrations of velocity profiles at the divergent sections, the steady state mean velocity ranges between 5m/s and 10m/s. There are no abrupt drops of velocities in the center line of the operating test sections, and the best location of testing areas is at 50cm behind the exist of the divergent section. The experimental results show that under the electric resistance type load, the best generation power, power coefficient and induction factors are respectively equal to 117.04W, 0.16 and 0.082 at 7m/s, while the estimates of the drag forces and aerodynamic power coefficient are equal to 35N and 0.28, respectively. As the rotation speed of the wind turbine below 600RPM at 7m/s, the increase of the rotation speed follows the increases of the power coefficient, induction factors and drag force. The tendency of the aerodynamic power coefficients is similar but higher than the experimental results of the generation power coefficients. This discrepancy of power coefficients is believed to be due to possibility of the temperature effect on the electric resistance type load to cause the lower power generation. All the experimental results in the present thesis and the construction of measurement systems can provide a data base and further experimental purposes for the design and analysis of wind power generation systems.
論文目次 目 錄
誌 謝 I
中 文 摘 要 II
英 文 摘 要 III
目 錄 IV
表 目 錄 VII
圖 目 錄 VIII
符 號 表 XII
第一章 簡介 1
1.1 前言 1
1.2 目前台灣地區風力發電概況 3
1.3 研究動機與目的 6
1.4 研究內容與大綱 7
第二章 文獻回顧及基礎理論 9
2.1 文獻回顧 9
2.2 風場特性 13
2.3 風力發電原理 14
2.4 貝茲極限(Betz limit) 16
第三章 實驗設備與實驗方法 22
3.1 低速風洞 (Wind Tunnel)及新增建之管道設備 22
3.1-1 低速風洞(Wind Tunnel) 22
3.1-2 新增建管道設備之撓性段 22
3.1-3 新增建管道設備之連接段 23
3.1-4 新增建管道設備之整流段 23
3.1-5 新增建管道設備之擴散段 24
3.2 皮托管及壓力轉換計(Pitot Tube and Pressure Transducer) 25
3.3 量測與資料擷取系統(Analog/Digital Converter) 25
3.3-1 類比/數位轉換器 25
3.3-2 轉速錶 26
3.3-3 三用電錶 26
3.3-4 電感型近接開關 27
3.3-5 大電流高功率直流電子負載 27
3.4 風力發電機組 28
3.4-1 三相交流直流整流器 29
3.5 皮托管校驗程序與結果 29
3.5-1 校驗儀器架設 29
3.5-2 校驗程序及結果 30
3.6 新增建設備管道之擴散段流場速度量測方法 31
3.6-1 無風力發電機組負載狀態下量測方式 31
3.6-2 有風力發電機組負載狀態下量測方式 32
3.7 風機之發電功率估測 32
3.7-1 槳葉功率輸入估計 32
3.7-2 電路功率輸出量測 34
第四章 實驗結果與討論 35
4.1 無風機下新建擴散段出口流場性能分析 36
4.2 風機運轉下後端流場量測結果分析 37
4.3 風力發電機組功率及轉速量測 40
4.4 風力發電機效益討論 41
第五章 結論與建議 43
5.1 結論 43
5.2 建議 45
參考文獻 47
自 述 95
參考文獻 參考文獻
[1] 世界風能組織WWEA網站:http://www.wwindea.org/home
[2] 徐瑞鐘,工研院材料中心, 『能源運用青年公民共識會議」,再生能源與現況,2005。
[3] 藍偉庭,工研院IEK-ITIS計畫,『我國風力發電產業之概況』,民國95年。
[4] 台灣電力公司『台電新增電源計畫』網站:http://www.taipower.com.tw/
[5] 陳芙靜,『小型風力發電機組市場概況』,民國95年。
[6] Barlow, Jewel B./Rae, William H./Pope, Alan, “Low-speed wind tunnel testing” , 1913.
[7] 陳信賓,『低速低亂度閉迴路風洞之研製與測試』,國立台灣大學應用力學研究所碩士論文, 1994。
[8] Snyder, W. H., “The EPA Meteorological Wind Tunnel – It’s design Construction and operating characteristics”, Environmental Science Research Laboratory, North Carolina, EPA-600/4-79-051, 1979.
[9] 高義明,『內整部建研所環境風洞校驗及二維鈍形體空氣動力流場實驗研究』,國立成功大學航空太空工程學系碩士論文, 2005。
[10] 『大陸地區研究機構實驗室建置規劃成果考察報告』,內政部建築研究所, 2002。
[11] Wittwer, A. R. and Moller, S. V., “Characteristics of the Low-Speed Wind Tunnel of the UNNE”, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, Vol. 84, pp. 307-320, 2000.
[12] Hansen, S. O. and Sorensen, E. G., “A new Boundary-Layer Wind Tunnel at the Danish Maritime Institute”, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, Vol. 18, pp. 213-224, 1985.
[13] Balendra, T., Shah, D. A., Tey, K. L. and Kong, S.K. “ Evaluation of Flow Characteristics in the NUS-HDB Wind Tunnel”, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics , Vol.90, pp. 675-688, 2002.
[14] Alfredsson, P.H. and Dahlberg, J.A, “A preliminary wind tunnel study of windmill wake dispersion in various flow conditions”, Technical Note AU-1499. 1979.
[15] 江培宏,『風車尾流效應之實驗研究』,國立中央大學土木工程系碩士論文, 2007。
[16] 陳世雄,王晟桓,『50kW外罩式風力發電機之空氣動力設計分析』,第二屆台灣風能學術研討會論文集, 台灣台北, 2007。
[17] David, M. E. and Forrest, S. S., “Wind Turbine Engineering Dseign”, Kluwer Academic Pub, 1987.
[18] Maalawi, K. Y., and Negm, H. M., “Optimal frequency design of wind turbine blades”, Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 90:961-986, 2002.
[19] 陽明電機公司網站http://www.fotek.com.tw/page1.htm
[20] 日本歐姆龍公司網站http://www.omron.com.tw/
[21] 博計電子公司網站http://www.prodigit.com/hp-c.htm
[22] 廣州紅鷹能源科技有限公司網站http://www.hyenergy.com.cn/
[23] 中央氣象局網站http://www.cwb.gov.tw/
[24] 中國國家標準局網站http://www.cnsonline.com.tw/
[25] 周辰穎,『陣風效應對風力發電機發電量影響之實驗研究』, 國立中央大學土木工程系碩士論文, 1996。
[26] WIND FORCE 12, “A Blueprint to Achieve 12% of the World’s Electricity from Wind Power by 2020”, GWEC June 2005.
[27] 蕭飛賓,白啟正,『400W複合式風力機葉片設計與分析』,第15屆三軍官校基礎學術研討會論文集, 台灣高雄, 2008。
[28] Frankovic, B. and Vrsalovic, I. “New high profitable wind turbines” , Renewable Energy 24:491-499, 2001.
[29] Jung, S. N., No, T. S., and Ryu, K. W., “Aerodynamic performance prediction of a 30kW counter-rotating wind turbine system”, Renewable Energy 30:631-644, 2005.
[30] Hsiao, F-B and Bai C-J, “Parametric Analysis and Investigation on Blade of Micro Wind Turbine”, Nation Symposium on System Sciece and Engineering, 2008.
[31] Hsiao, F-B and Bai C-J, “Using CFD Computation for Aerodynamic Performance Design and Analysis of Horizontal Axis Wind Turbine Blade”, The 15th Computational Fluid Dynamics Conference, Kaohsiung Taiwan, 2008.
[32] 蕭飛賓,蔡逸峰,王地寶,白啟正,吳明芳,『由全球風能產業探討台灣風能發展現況』,第四屆兩岸能源與環境永續發展研討會, 大陸青島, 2008。
[33] 蕭飛賓,江志煌,蔡逸峰,白啟正,『微型風力發電葉片設計』,中國機械工程學會第二十四屆全國學術研討會論文集, 台灣桃園, 2007。
[34] 蕭飛賓,江志煌,黃崇能,王地寶,蔡逸峰,『非穩態操作件下小型風力電機系統之物理模型建立』,中華民國系統科學與工程會議, 台灣宜蘭, 2008。
[35] 鍾定宏,『以改善齒槽扭矩為目的之永磁式發電機的最佳化參數設定』,中華民國系統科學與工程會議, 台灣宜蘭, 2008。
論文全文使用權限
  • 同意授權校內瀏覽/列印電子全文服務,於2008-09-01起公開。
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