[[alternative]]Design and implementation of a new vertical axis wind turbine system

碩士[[abstract]]由於全球二氧化碳的高排放量造成溫室效應，使用無環境污染的風力來發電已成為選擇之一。但傳統的垂直軸式風力發電系統效率不彰，在高耗能時代不受人們青睞。因此，本論文統合各專門學術的理論，設計出一種高效率的新型垂直軸風力發電系統。 在觀察各式風車優缺點後，對風車葉片與發電機之設計做詳細的研究且加以改良。理論上，我們使用電磁場有限元素分析軟體Ansoft分析磁路，並討論如何使用田口方法驗證永久磁鐵的尺寸設計，讓各參考因素最佳化以求得最大磁通量，進而改善電壓調整率。實作上，我們運用無需追風、低噪音的垂直結構體，加上高揚力之達流斯葉片，搭配最佳阻力之攪拌型葉片，結合無鐵心直驅式永磁發電機，製作出不同以往的新型垂直軸風力發電系統。 在葉片方面，比較數種不同阻力之攪拌型葉片與沙伯紐斯葉片在低風速下輔助起動的性能與高風速下對運轉的阻礙程度，在比較後，決定採用效率較好的半球殼狀攪拌型葉片與達流斯葉片結合應用於系統當中。 在發電機方面，首先吾等使用的三相同步交流發電機，以環氧樹脂包覆線圈，取代矽鋼片疊成之鐵心來固定線圈，所以不具槽隙轉矩效應(槽吸現象)，因此能在扭力極低(微風)的情況下輕易轉動。其次應用直接驅動的原理，不須齒輪箱等傳動器就可將具有相同轉速特性的葉片及發電機連接在一起。最後配合外轉式永久磁鐵，故無須激磁繞組等複雜元件，即能大幅提升發電效率。 本文所述乃建構一種屬於可輔助電廠的小容量分散式獨立型發電系統，後端可搭配交/直流功率轉換器跟升/降壓直流截波器電路用於各種電器上或存於蓄電池中。[[abstract]]Because a large quantity of carbon dioxide produced in the whole world causes to intensify the greenhouse effect, using the pollutionless wind power in the power-generating system is one way not to worsen the situation. However, due to its low efficiency, the traditional vertical axis wind power system is not popular in the high energy-consuming age. Consequently, based on many fundamental theories, this thesis intends to design a new vertical axis wind turbine system with high efficiency. After considering the advantages and disadvantages of different kinds of windmill, this thesis thoroughly studies the design of the windmill blade and the generator and further their improvements. Theoretically, this thesis uses the software Ansoft to analyze the magnetic circuit by the finite element method and also discusses the way to design the size of the permanent magnet by Taguchi method in order to improve the rate of voltage regulation. Practically, this thesis uses a low-noise vertical structure without pursing the wind combined with a lift-type Darrieus blade and a best drag-type paddle blade and a permanent magnet generator without iron core to implement a new vertical axis wind turbine system. Many kinds of paddles and Savonius blade are compared on the performance of self-start function at low speed and hindering on rotation at high speed. The result shows that the cup paddle has better efficiency and thus is used with Darrieus blade in this thesis. In the generator, first epoxy covering the coil winding instead of iron core of laminated silicon steel is used to fix the coils in the three-phase synchronous alternator. Since the generator does not induce the cogging torque effect because of the coreless design, it can rotate easily under the breeze situation. Second, based on the principle of direct drive, the transmission device without gearbox can combine the blade and the generator of the same speed together. Finally, with the external rotating permanent magnet, the generator does not need the complex components such as the exciter in order to increase the power-generating efficiency. The proposed system is intended to establish a small distributed power system to assist the power generation in the power station. The system can be connected to the ac / dc power converter and the buck / boost dc chopper circuit to be applied in the various electric equipments or stored in the battery set.[[tableofcontents]]第一章 緒論 1 1.1 研究動機 1 1.2 研究方法 3 1.3 研究貢獻 4 1.4 論文架構 5 第二章 風力發電之葉片分析與設計 6 2.1 風力發電概論 6 2.1.1 風車產生能量之原理 6 2.1.2 風車葉片之特性 9 2.2 風車之種類 12 2.2.1 水平軸風車發展出之類型 14 2.2.2 垂直軸風車發展出之類型 16 2.3 本系統葉片之設計理論 22 2.3.1 葉片數目與材質之決定 23 2.3.2 葉型與尺寸之設計 27 第三章 風力發電之發電機分析與設計 38 3.1 發電機之種類 38 3.1.1 直接驅動之發電機 38 3.1.2 發電機之繞線方式 48 3.2 本系統發電機之設計理論 52 3.2.1 電、磁能參數之設計 53 3.2.2 發電機尺寸與極數之決定 59 3.3 發電機設計之驗證與最佳化 63 3.3.1 運用Ansoft進行系統設計之驗證 63 3.3.2 運用田口方法進行發電機最佳化之驗證 68 3.3.2.1 簡介田口方法 69 3.3.2.2 決定控制因子與直交表 70 3.3.2.3 信號雜訊比及反應圖 73 3.3.2.4 變異量分析 76 第四章 風力發電系統之數據量測與分析 79 4.1 風力發電機之後端設備 79 4.1.1 儲能設備之規格設計 80 4.1.2 量測數據之監控系統 82 4.2 本系統之實驗結果 84 4.2.1 數種規格之發電機的特性比較 84 4.2.2 數種阻力型葉片的特性比較 89 第五章 結論 96 5.1 實驗結論 96 5.2 未來研究方向 97 參考文獻 99 附錄 102 圖目錄 圖1.1 傳統的垂直軸風力發電系統效率 4 圖2.1 空氣流穿越風車葉片之情形 7 圖2.2 各種葉片的 與 之關係 10 圖2.3 各種葉片的 與 之關係 11 圖2.4 周速比與容積比之關係 11 圖2.5 各類水平軸式風車 13 圖2.6 各類垂直軸式風車 13 圖2.7 大型水平軸螺旋槳式風力發電機內部結構 15 圖2.8 小型水平軸螺旋槳式著名機型：Air-X系列 16 圖2.9 作用於達流斯葉片的各種應力 18 圖2.10 沙伯紐斯葉片將氣流轉換成阻力之過程 19 圖2.11 不同達流斯葉片數目的效率與周速比關係 23 圖2.12 在風向固定下， 與 之葉片受另外兩葉片尾流的影響， 呈現負轉矩和降低轉速的狀態。 24 圖2.13 建物周圍的亂流 25 圖2.14 不同的葉片結構對亂流之反應速度 26 圖2.15 各種構造的葉片 27 圖2.16 翼型的定義 29 圖2.17 各種達流斯葉片剖面 30 圖2.18 用模具將葉片折彎過程 30 圖2.19 NACA 0015葉片的剖面 31 圖2.20 在周速比與效率關係之下的容積比(雷諾數為 時) 32 圖2.21 方形與橢圓形之面積比例為1 : 0.657 33 圖2.22 沙伯紐斯葉片其二葉型及三葉型之結構 34 圖2.23 二葉型之間隙直徑比對氣流的影響 35 圖2.24 三葉型之角度對氣流的影響 35 圖2.25 本系統之混合翼風力發電機(半球殼) 36 圖2.26 本系統之混合翼風力發電機(圓錐體) 37 圖3.1 本系統發電機之剖面結構 40 圖3.2 弗來明右手定則應用於本系統之發電機 41 圖3.3 小型風力機之增速齒輪機構 42 圖3.4 各種用鐵心固定線圈的方式 43 圖3.5 具有鐵心之風力發電機(水平軸式Air-X系列) 44 圖3.6 運用環氧樹脂包覆線圈繞組 45 圖3.7 各種永久磁鐵之減磁曲線 46 圖3.8 N極、S極間隔排列之永久磁鐵，中間為軸承(bearing) 47 圖3.9 本系統之直驅式無鐵心永磁同步發電機 47 圖3.10 三相平行繞線 48 圖3.11 單相平行繞線之發電機 49 圖3.12 Y接法相跟相、線跟線之間電壓電流的比例 50 圖3.13 三相疊繞線圈 51 圖3.14 一區之三相疊繞法 52 圖3.15 風洞中各風速下測得本系統之風車特性曲線(適當負載) 54 圖3.16 各極數下之線圈節距 62 圖3.17 在Ansoft中發電機之透視模型 64 圖3.18 Ansoft中各部件之材質 65 圖3.19 模擬發電機之磁路 66 圖3.20 模擬發電機之磁通密度 67 圖3.21 應用田口方法之流程 70 圖3.22 S / N比之反應圖 75 圖4.1 獨立型風力發電系統 79 圖4.2 充電器規格設計之步驟 82 圖4.3 監控系統線路 83 圖4.4 Y接與 接之無載和負載測試 85 圖4.5 數種規格之線圈其無載與負載測試(紅色為比較點) 88 圖4.6 數種形狀尺寸之阻力型葉片 90 圖4.7 無載與負載特性之交叉測試(紅色曲線為功率與電流之關係、 藍色曲線為電壓與電流之關係) 93 圖4.8 10匝發電機與各葉片之轉速與功率關係 94 圖5.1 半球殼之迎風面與逆風面受氣流之影響程度 97 圖5.2 由Halbach所提之逼磁陣列 98 表目錄 表1.1 我國再生能源發展之過去情況與未來目標 2 表2.1 二維柱體(柱體長度為b)的阻力係數 21 表2.2 三維物體的阻力係數 22 表3.1 各風速下之額定功率與轉速 55 表3.2 發電機繞組因數之設計值 57 表3.3 各極數之節距因數 62 表3.4 發電機模擬之各部件尺寸 64 表3.5 控制因子與水準選擇(紅色為實際設計值) 71 表3.6 直交表所模擬之峰值磁通密度 72 表3.7 望大特性之S / N比 74 表3.8 S / N比之反應表 75 表3.9 各因子之主效果與實驗誤差 78 表4.1 數種阻力型葉片在微風下輔助風車起動之風速 91 表4.2 發電機搭配阻力不同之葉片可發揮的效率 95[[note]]學號: 692350076, 學年度: 9