[[alternative]]Studies of aerodynamic characteristics of twist blades on small horizontal-axis wind turbines with shroud

碩士[[abstract]]本研究探討具翼緣擴散外罩及扭轉葉片對小型水平軸風力發電機之空氣動力特性影響，首先，以數值模擬軟體FLUENT探討翼緣擴散外罩在流場中之效應，結果顯示在外罩內部有加速性，這是因擴散角度與翼緣長度成線性比例的關係。再來以風洞實驗有無外罩、有無扭轉角度葉片及在不同風速與不同葉片數(solidities)下進行實驗。本論文為研究翼緣擴散外罩以及扭轉效應對功率、扭力輸出和風力發電機轉子之旋轉速度在高速(10~20米/秒)的實驗。而翼緣擴散外罩入口直徑為30公分、長度為10公分、擴散角度為30度、翼緣長度為3公分以及扭轉35度之扭轉葉片。結果顯示，設計出前緣擴散外罩可顯著的提升功率輸出、扭力輸出、小型風力發電機轉子之旋轉速度以及功率係數可能超過貝茲限制。翼緣擴散效應對於轉子性能取決於solidity和風速，隨著solidity和風速越大，翼緣擴散效應的影響就越小。功率係數和扭力係數則隨著風速逐漸增加趨於一恆定值，而在solidity為35-40%時有最大之功率輸出。結果也顯示出在不同轉子中，大翼尖扭轉葉片有最高的功率輸出。[[abstract]]This thesis studies the aerodynamic characteristics of a small horizontal-axis wind turbine with twisted blades and a shrouded diffuser with flange. First, a numerical study is conducted using a FLUENT software to investigate the effects of flanged diffusers on flow characteristics. Results show that the flow is accelerated inside the diffuser, which is roughly, linearly proportional to the diffuser angle and the flange length. Second, wind tunnel tests are conducted without and with the flanged diffuser, without and with twisted blade angle, under different wind speeds and blade numbers (solidities). These experiments investigate the flanged diffuser and twisted effects on the power, torque outputs, and rotor rotating speed of wind turbines at high wind speeds (10 to 20 m/s). The flanged diffuser has an inlet diameter of 30 cm, a length of 10 cm, a diffusion angle of 30o and a flange length is 3 cm, and the twisted blade has 35o twisted angle. Results show that the designed flanged diffuser may significantly increase the power output, torque output and rotor rotating speed of the small-size wind turbine, and the power coefficients may exceed the Betz’ limit. The flanged diffuser effect on these rotor performances depends on the solidity and wind speed. The higher the solidity and the wind speed are, the smaller the flanged diffuser effect is. The power coefficient and torque coefficient for the rotor with the flanged diffuser gradually approach constant values as the wind speed increases. Solidities of 35-40% have the maximum power output. The results also show that the twisted, large-tip blade rotor has the highest power output among the tested rotors.[[tableofcontents]]誌 謝 I 中文摘要 II 英文摘要 III 圖片目錄 IX 表目錄 XIV 符號說明 XV 第一章 緒論 1 1-1 研究動機 1 1-2 文獻回顧 9 1-3 研究目的 11 第二章：實驗設備與量測儀器 12 2-1實驗設備 12 2-1-1 大型風洞 12 2-1-2小型風力發電機模型 13 2-2實驗測量儀器 13 2-2-1速度量測系統 13 2-2-2扭力量測系統 14 2-2-3轉速計 14 2-2-4量測顯示與控制系統 14 2-2-5大氣狀態量測裝置 14 第三章 研究方法 19 3-1 數值方法 19 3-1-1數值模擬流程 19 3-2 風洞系統實驗方法 21 3-2-1風洞系統實驗流程 21 第四章 實驗結果與討論 27 4-1外罩效率之數值模擬 27 4-1-1擴散角度 27 4-1-2翼緣長度 29 4-1-3數值模擬結果 32 4-2 小型風力發電機空氣動力特性之實驗 42 4-2-1擴散外罩之增益效應 42 4-2-2數值與實驗比較 43 4-3葉片之扭轉角度 48 第五章 結論 73 5-1 外罩之影響 73 5-2扭轉葉片之影響 74 第六章 未來展望 76 參考文獻 77 附錄 81 圖片目錄 圖1-1 水平軸式風力發電機[2] 6 圖1-2 水平軸式風力機之構造圖[3] 7 圖1-3 垂直軸式風力發電機表[2] 7 圖2-1 大型風洞 15 圖2-2 裝設NACA4415型葉片的風力發電機模型 15 圖2-3 皮托管 16 圖2-4 橫向與縱向之位移平台 16 圖2-5 速度、扭力、轉速量測系統 17 圖2-6 量測顯示與控制系統 17 圖2-7 大氣狀態量測裝置 18 圖3-1-1 此為二維流場中模擬外罩之網格圖 20 圖3-1-2 CFD求解流程圖 24 圖3-2-1 具外罩效率實驗流程圖 25 圖3-2-2 小型風力發電機效率實驗流程圖 26 圖4-1 擴散外罩示意圖 33 圖4-2 在10米/秒下不同擴散角度之速度增益圖 33 圖4-3 在X/D為0.1、0.3下不同擴散角度下之速度增益圖 34 圖4-4(A) 為固定外罩平板之擴散角度為0度 34 圖4-4(B) 為固定外罩平板之擴散角度為30度 35 圖4-4(C) 為固定外罩平板之擴散角度為50度 35 圖4-5 為固定外罩擴散角度為0度，距入口5CM處的速度增益圖 .36 圖4-6 為固定外罩擴散角度為20度，距入口5CM處速度增益圖 ...36 圖4-7(A) 擴散角度為0度時，H/D=0.05之速度分布圖 37 圖4-7(B) 擴散角度為0度時，H/D=0.15之速度分布圖 37 圖4-7(C) 擴散角度為0度時，H/D=0.25之速度分布圖 38 圖4-8 分別在擴散角度為0°、20°下，X/D為0.1、0.3時之速度增益圖 38 圖4-9 NACA4415翼型外罩在不同擴散角度的速度分布圖 39 圖4-10 NACA4415翼型外罩在X/D為0.1、0.3下不同擴散角度下之速度增益圖 39 圖4-11(A) NACA4415翼型外罩在10米/秒、擴散角度10度時流場速度分布圖 40 圖4-11(B) NACA4415翼型外罩在10米/秒、擴散角度20度時流場速度分布圖 40 圖4-11(C) NACA4415翼型外罩在10米/秒、擴散角度30度時流場速度分布圖 41 圖4-12 在10米/秒下擴散角度30度有無FLANGE之比較圖 41 圖4-13 數值模擬在自由流10米/秒、擴散角度30度時速度分布圖 42 圖4-14 外罩示意圖 44 圖4-15 在垂直方向上不同速度下入口處之分布圖 44 圖4-16 在垂直方向上不同速度下距5公分處之分布圖 45 圖4-17 在垂直方向上不同速度下出口處之分布圖 45 圖4-18 在水平方向上不同速度下距入口8公分處之分布圖 46 圖4-19 在水平方向上不同速度下距出口處4.5公分之分布圖 46 圖4-20 在10米/秒、擴散角度30度時，數值模擬與實驗數值在距入口處8公分處的速度比較圖 47 圖4-21 在10米/秒、擴散角度30度時，數值模擬與實驗數值在距外罩出口4.5公分處之速度比較圖 47 圖4-22 NACA4415之示意圖 56 圖4-23 在12米/秒下不同扭轉葉片之CP-TSR圖 56 圖4-24 在12米/秒下不同扭轉葉片之TORQUE-RPM圖 57 圖4-25 在不同風速下40度大翼尖6葉片之POWER-RPM圖 57 圖4-26 在不同風速下40度大翼尖6葉片之CP-TSR圖 58 圖4-27 在不同風速下40度大翼尖6葉片之TORQUE-RPM圖 58 圖4-28 在12米/秒下具外罩40度大翼尖6葉片在不同位置之POWER-RPM圖 59 圖4-29 在12米/秒下40度大翼尖6葉片有無外罩之POWER-RPM圖 59 圖4-30 在14米/秒下40度大翼尖6葉片有無外罩之POWER-RPM圖 60 圖4-31 在不同風速下具外罩6葉片之POWER-RPM圖 60 圖4-32 在不同風速下具外罩6葉片之CP-TSR圖 61 圖4-33 在不同風速下具外罩6葉片之TORQUE-RPM圖 61 圖4-34 不同大小格網示意圖，左:1.3公分*1.3公分，右:0.65公分*0.65公分 62 圖4-35 具外罩在14米/秒下40度大翼尖不同網子之POWER-RPM 圖 62 圖4-36 在12米/秒下不同葉片數之POWER-RPM圖 63 圖4-37 在12米/秒下不同葉片之POWER-RPM圖 63 圖4-38 在不同風速下無外罩12葉片之POWER-RPM圖 64 圖4-39 在不同風速下無外罩12葉片之TORQUE-RPM圖 64 圖4-40 在不同風速下具外罩12葉片之POWER-RPM圖 65 圖4-41 在不同風速下具外罩12葉片之TORQUE-RPM圖 65 圖4-42 在不同風速下無外罩6葉片與發電機之匹配圖 66 圖4-43 在不同風速下具外罩6葉片與發電機之匹配圖 66 圖4-44 在不同風速下無外罩12葉片與發電機之匹配圖 67 圖4-45 在不同風速下具外罩12葉片與發電機之匹配圖 67 圖4-46 四葉片示意圖 68 圖4-47 六葉片示意圖 68 圖4-48 七葉片示意圖 69 圖4-49 八葉片示意圖 69 圖4-50 九葉片示意圖 70 圖4-51 十二葉片示意圖 70 表目錄 表1-1 世界風能報告[1] 8 表4-1 各類葉片之起動風速表 71 表4-2 無外罩6葉片與12葉片性能參數比較 72 表4-3 具外罩6葉片與12葉片性能參數比較 72[[note]]學號: 698430138, 學年度: 9