双轴型风力发电系统之创新设计与制作-ctuedutw.DOC

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双轴型风力发电系统之创新设计与制作-ctuedutw

雙軸型風力發電系統之創新設計與製作 白宏堯 建國科技大學電機工程系所 e-mail: phy@.tw 摘要 風力發電系統,(1)水平軸式風機系統系統具有教學研究之價值。 關鍵詞:風力發電、軸風機、垂直軸風機、風機、創新設計緒論 研究動機 近年來氣候持續暖化災地震頻傳,已造成全球經濟成長傷害及社會問題等,加速刺激人類投入研發替代能源(太陽能、風力、生質能及廢棄物能源)、能源新利用(燃料電池、淨煤氣化、氫能源)及節能減碳[]的腳步,筆者在這股「綠能革命」風潮中希望能略盡棉薄之力,乃投入本校風力發電團隊的整合型研究計畫。研究目的本文之研究目的有: 探討風力發電系統相關文獻,了解水平軸式、垂直軸式之各種風機研發、應用及優缺點。 台雙軸新,風力發電系統之優劣。 文獻探討 (一) (二)(2003)指出:風力發電機有三類--(1)同步式發電機(SG)、(2)永磁式發電機(PMG)、及(3)非同步式感應發電機(IG)。傳統上最常用者為感應發電機,同步發電機也已逐漸普及,而小容量風力發電機則常使用永磁式同步發電機,因其構造簡單,可適用於偏遠、人蹤罕至且無電力供應之處[6]。 : 目前風機系統之種類 主軸與水平面相對位置 水平軸式、垂直軸式 葉輪相對於風向的位置 上風式、下風式 葉片數量 少葉片多葉片 風力發電的優點:(1)風取之不盡。(2)減少環境污染。(3)技術相對成熟。(4)在再生能源中成本相對較低。(5)風力發電可以靈活運用,可併網離網運作。(6)可與其他能源組成互補發電系統。(7)小型風機可操作與應用範圍更廣。缺點:(1)大型風機受限於風場。(2)噪音問題。(3)安全考量。(4)技術掌握在國際大廠中。大型風機(250kW~5MW)小型水平軸風機(400W~50kW)小型垂直軸風機(400W~150kW)之優缺點(三)風力發電機近期研究文獻及其新技術 羅宗義(2008)指出:本研究係針對小型垂直軸風機葉片進行流場的數值分析,研究發現:無論在低風速(4m/s)或在高風速(12m/s) 的環境下,對稱翼型(NACA0018)者在動能、扭矩的輸出性能(大約4倍)皆優於弧形翼型者(NACA4412)。換言之,對稱翼型比弧形翼型更適用於垂直軸型風力發電機[10]。 郭俊賢(2008)指出:本研究針對教學用途,開發出一套翼片數為4、迴轉半徑0.5m,可於2m/s微風下啟動,並在風速達4m/s時開始對6V蓄電池充電,且擁有基本的過度充電保護功能之小型風力充電系統,包含「高速螺旋槳型水平軸式風車」、「充電系統」、「發電量量測紀錄系統」與「旋翼型垂直軸式風車」四個部份,對其效能測試結果顯示本系統是一台適合於台北市區風況下運作的小型風力充電系統,亦能夠進行教學展示[11]。 張婷婷、王紅霞、代澤兵(2008)指出:本研究對垂直軸風力機主軸結構進行優化設計,選擇達里厄Φ型葉片為例,實驗結果發現:以改變截面圓管重量為目標函數進行優化設計後,重量減少48.21%,而強度和穩定度都能滿足結構應力的要求,可大大降低風力發電機組之成本[12]。 莊加華(2008)指出:本文探討翼尖小翼對風機輸出功率的影響,主要是利用翼尖小翼提高風機的升力並降低其阻力,以提高風機的輸出功率。首先運用動量理論、葉片元素理論與貝茲極限理論以計算出葉片的額定轉速與葉片的各斷面半徑、弦長、相對風速角、節距角、攻角,及輪轂半徑、葉尖速度、輸出功率與功率係數;再運用商用軟體Gambit建構流場的網格,Fluent進行流場的解析,研究發現:風機葉片若使用小翼能提高其功率,不論小翼的迎風角度會何值,證明此方法是可行的[13]。 蔡耀庭(2009)指出:本研究利用CFD分析軟體,針對垂直軸式風力發電機葉片流場提出一套有效的數值模擬方法,可以同時分析出Savonius型以及Darrieus型兩種主要垂直軸式葉片的效能趨勢;在實測方面,則成功驗證風洞實驗的準確性[14]。 林昆瑩(2009)指出:本文主要在設計及製造風力發電機的葉片,在設計出葉片的尺寸規格後,利用葉片的形狀設計出模具,並使用樹脂轉注成型的製程,將複合材料應用在葉片的結構上,完成複合材料風力發電機葉片製作及測試[15]。 張端等五人(2010)指出:一種新型風力發電機,設計Z型旋輪葉片於垂直軸式風機上,並將風葉與發電機結合為一體,可減少發電裝置的體積[16]。 劉立仁(2010)指出:本研究探討小型風力發電機之空氣動力特性,實驗參數包括風速、葉片外型、葉片數、葉片阻塞比及葉片螺距角等,研究發現:較低的螺距角、寬度較窄的翼尖,有較高的葉片效率,但也需較高之啟動風速;而葉片增加雖有助於能量擷取,藉以降低啟動風速與增加低速領域的使用,但卻可能因重量而減低最高葉片轉速[17]。 錢杰、張錦光、吳俊(2010)指出:一種小型低風速風力發電機之新翼

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