[[alternative]]Investigations of aerodynamic characteristics of vertical-axis wind turbines

碩士[[abstract]]本研究分為兩個部分，第一部分探討改變垂直軸風機尺寸及不同種翼型來探討功率上輸出的影響，其使用參數包含葉片重量、旋轉半徑、弦長、對稱翼與非對稱翼，結果顯示，以半徑30cm、弦長15cm、葉片長30cm且利用對稱翼所得到Power輸出則會較高。 第二部分探討利用導風罩來提升阻力型風機的功率，導風罩構造包括頂部和底部的圓板，它們之間放置了一些平板，且這些平板與導風罩內徑相切，在數值研究上發現導風板片數12、8、6、4的內部流場皆為渦流形式，則在實驗研究上以4片所增加的Power為最高、12片為最低，在導風罩設計上除了Power增加率外，對稱性也是十分重要的，綜合以上以六片導風罩為最佳，但升力型風機不適合用於內部流場為渦流的導風罩。[[abstract]]The thesis studies the aerodynamic characteristics of vertical-axis wind turbines, which is divided into two parts. The first part of this study experimentally investigates the effects of rotor geometries on the turbine Power output, including the airfoil type, blade weight, rotor diameter, airfoil chord length. The results show that the rotor with symmetric airfoil, chord length of 15 cm, blade length of 30 cm and rotor radius of 30 cm exhibits the highest Power output among the test rotors. The second part of this thesis investigates the effects of stator on the drag-type rotor Power output, which is placed around the rotor. The stator includes top and bottom circular plates, and a number of flat plates placed between them. These flat plates are arranged equal-angled and tangent to a circle, which direct some air into the interior of the stator, and block some air from the stator. In this way, a vortical flow is able to be created inside the stator, which always forces the drag-type blades rotated during their rotation motion. Numerical investigations of the 4-, 6-, 8-, and 12-plate stators indicate that vortical flows are generated inside the stators. The experimental investigations show that the 4-plate and 12-plate stators have the highest and lowest effects on rotor Power output, while they are the most and least sensitive to the wind direction, respectively. In summary, the 6-plate stator exhibits the optimum effect on rotor Power output.[[tableofcontents]]誌謝 i 中文摘要.ii 英文摘要 iv 目錄 v 圖目錄 viii 表目錄 xii 符號說明 xiii 第一章 前言 1 1.1研究背景 1 1.2風力發電機簡述 5 1.2.1水平軸式 5 1.2.2垂直軸式 5 1.3文獻回顧 8 1.4研究目的 12 1.5論文架構 12 第二章 空氣動力學概論 15 2.1風能的原理 15 2.2理論功率係數上限 15 2.2.1貝茲極限(Betz limit) 15 2.2.2達裏厄（Darrius）型風機功率係數極限 21 第三章 實驗設備與量測儀器 25 3.1實驗設備 25 3.1.1大型風洞 25 3.1.2垂直軸風力發電機模型 26 3.2實驗測量儀器 26 3.2.1風速量測系統 26 3.2.2量測顯示與控制系統 27 3.2.3大氣狀態量測裝置 27 3.2.4轉速計 27 第四章 研究方法 32 4.1風洞系統實驗方法 32 4.1.1風洞實驗流程 32 4.2葉片製作方法 33 4.2.1葉片製作流程 33 4.2.2輕量化葉片製作流程 34 4.3數值方法 35 4.3.1數值模擬原理 35 4.3.2數值模擬流程 35 第五章.實驗結果與討論 43 5.1垂直軸風力機外型探討 43 5.1.1葉片重量 43 5.1.2旋轉半徑 44 5.1.3葉片弦長 46 5.1.4複合式風力機探討 49 5.1.5 對稱與非對稱葉片 51 5.2導風罩之數值模擬與實驗 54 5.2.1導風板片數模擬 54 5.2.2阻力型風力機具導風罩的空氣動力實驗 63 5.2.3 H型風力機具導風罩的空氣動力實驗 69 第六章.結論與未來展望 72 6.1結論 72 6.2未來展望 74 參考文獻 75 附錄 79 圖目錄 圖 1-1石油燃料現況[1] 1 圖 1-2能源的使用週期 2 圖 1-3歐洲海上風電年裝機容量[2] 4 圖 1-4各國風能使用量 4 圖 1-5水平軸風車 7 圖 1-6垂直風力機三種形式[3] 7 圖 1-7研究架構圖 14 圖 1-8研究架構圖 14 圖 2-1一維風力機示意圖 15 圖 2-2一維風力機控制體積示意圖 17 圖 2-3風車控制體積 18 圖 2-4.Cp、Ct理論分布 20 圖 2-5各種風車的功率係數圖[7] 23 圖 3-1風洞進氣段 28 圖 3-2風洞測試段 28 圖 3-3風洞渦輪機 29 圖 3-4H型風機 29 圖 3-5皮托管 30 圖 3-6顯示與量測系統 30 圖 3-7大氣狀態量測儀器 31 圖 3-8轉速計 31 圖 4-1.風洞操作的流程圖 36 圖 4-2.NACA0024上、下翼面 37 圖 4-3.加工參數 37 圖 4-4.NACA0024粗加工模擬 38 圖 4-5.NACA0024精加工模擬 38 圖 4-6.NACA0024N.C檔 39 圖 4-7.葉片製造流程圖 39 圖 4-8葉片銑切(粗加工 ) 40 圖 4-9葉片銑切(精加工 ) 40 圖 4-10輕量化葉片製作流程 41 圖 4-11雕刻機工作平台 41 圖 4-12輕量化葉片骨架 42 圖 4-13輕量化葉片 42 圖 5-1不同葉片重量風速與轉關係圖 44 圖 5-2旋轉半徑20公分風機與30公分風機Power and RPM比較 45 圖 5-3旋轉半徑20公分風機與30公分風機Torque and RPM比較 46 圖 5-4.NACA0024不同弦長示意圖 47 圖 5-5不同弦長風機 Power and RPM比較 48 圖 5-6.不同弦長風機 Torque and RPM比較 比較 48 圖 5-7桶型風車 50 圖 5-8.Hybrid turbine and H-blade turbine Power and RPM 比較 50 圖 5-9.Hybrid turbine and H-blade turbine Torque and RPM 比較 51 圖 5-10 NACA0024示意圖 52 圖 5-11 NACA4424示意圖 53 圖 5-12 對稱與非翼Power and RPM比較 53 圖 5-13 對稱與非翼Torque and RPM比較 54 圖 5-14 八片導風罩示意圖 56 圖 5-15 八片導風罩速度向量圖 57 圖 5-16 十片導風罩示意圖 57 圖 5-17 十片導風罩速度向量 58 圖 5-18 十二片導風罩示意圖 58 圖 5-19 十二片導風罩速度向量圖 59 圖 5-20 風速6m/s不同導風板數的速度增益圖 59 圖 5-21 八片導風罩示意圖 60 圖 5-22 八片導風罩速度向量 60 圖 5-23 六片導風罩示意圖 61 圖 5-24 六片導風罩速度向量圖 61 圖 5-25 四片導風罩示意 62 圖 5-26 四片導風罩速度向量圖 62 圖 5-27 阻力型風機 66 圖 5-28 導風罩的成品 67 圖 5-29 不同型式導風板Power and RPM比較 68 圖 5-30 不同導風板片數Torque and RPM比較 68 圖 5-31 升力型風機 70 圖 5-32 H型風機有無外罩之Power and RPM比較 71 圖 5-33 H型風機有無外罩之Torque and RPM比較 比較 71 表目錄 表 1-1三種風力發電的差異[4] 8 表 5-1阻力型風機不同外罩效率比較圖 67 表 5-2 H型風機有無外罩效率比較圖 70[[note]]學號: 600430440, 學年度: 10