小型垂直轴具离心力伸缩叶片风力发电机-建国科技大学.PDF

ME-23 小型垂直軸具離心力伸縮葉片風力發電機 指導老師：楊士震 組員：林俊廷 林材茂 李祐典賴右山 林祐賞黃聖凱 建國科技大學 機械工程系 一、簡介： 傳風力發電機依照結構與運轉方式可分為水平式與垂直式風力機，水平軸與垂直軸風力發電 機受風力方向影響，一般而言垂直軸風力機不需要像水平軸風力機必須採用迎風裝置，所以 可大量節省成本，因此近年來開始受到廣泛關注，具有相當大的發展空間。 二、動機： 本專題作品以『小型垂直軸複合式葉片風力發電機開發製作』為創作主題。考慮到是否能以 複合式葉片為基準，再加以改變設計以提高發電效率的想法下，我們想出在升力型葉片的支 撐桿上設計組升縮式機構，原由為升力型葉片之旋轉範圍越大，產生的扭力也隨之增加，在 此前提之下，把支撐桿改成『可伸縮式機構』，利用葉片在風大高轉速所產生的強大離心力 使葉片旋轉範圍再隨之向外增加，風小轉速減慢而離心力變小時，伸縮機構內部設計將會使 支撐桿往內返回，使整體恢復至啟動狀態，避免應外型改變而造成阻力型葉片無法帶動升力 型葉片。 三、功能： 本組作品將阻力型葉片與升力型葉片相互結合，當低風速下升力型葉片無法產生足夠升力來 克服發電機扭力時，可以靠阻力型葉片低風速啟動高扭力的性質，帶動升力型葉片，當產生 足夠的升力時候，則開始由升力型葉片開始進行旋轉加速，大幅改善垂直軸風力發電機的發 電效率。 結合上述葉片各條件的優點，並在升力型葉片支撐架上加裝調整機構，可以依據各種風場條 件下，藉由離心力來自動調整葉片的旋轉直徑，最大的特色在於依風速的大小來自動調整最 佳的旋轉直徑，大幅提升葉片的風能利用效率。 四、特色： 垂直軸式風力機具備有效利用 360°任何方向的風能，以及啟動風速低、風能利用率高、噪音 小等優點。本作品分別以『垂直軸複合式葉片』及『離心式伸縮機構』為創作主題。如何設 計出垂直軸風力發電機葉片，同時具備有低風速啟動、提高轉速，並可以依據各種風場條件 自動調整旋轉直徑，則是本作品研發創作的最大特色。 五、原理： 風機葉片設計開發主要以空氣動力學理論為基礎，配合 Solid-work 繪圖軟體進行葉片外型設 計與 ANSYS FLUENT CAE 軟體進行流場氣動力分析。藉由計算流體力學(Computational Fluid Dynamics, CFD) 進行流場分析模擬可驗證葉片功能的可行性，進一步求得輸出扭力、 功率係數及各相關數據，並結合雷射切割、滾軋成型、CNC 車床加工之加工製程技術，開 發小型垂直軸風力發電機複合式葉片，進一步以此模擬方式進行葉片的改善設計，建構更為 良好的新型垂直軸風力機複合式葉片。 ME-23 六、設備： 1.低風速風洞系統 2.UT372 反射式光電感測器 3.TUNA-20 風速傳送器 4.多功能量測系統 七、運用時機： 本作品屬於低風速啟動之特性，未來將應用於低風速且紊流較大之住宅區或偏遠山區，實務 應用於如城市路燈、高速公路、景觀燈等微風環境使用之小型發電系統，也可以推廣至家庭 電器用電，並配合蓄電池有效將電力作儲存或直接應用，達到自給自足的目的，風力發電機 便是電力小型供給站的輔助系統。 八、指導老師評語： 本組專題以小型垂直軸複合式葉片風力發電機模型開發製作為主題，首先以 CAD 軟體設計 風機葉片實體模型，接著配合 CAE 軟體進行風機流場與扭力輸出計算，藉由電腦模擬分析 結果驗證，此外，透過快速原型、快速模具以及 CNC 加工製作風機葉片，本組作品充分結 合目前能源科技主題以及機械專業技能，一方面讓同學學習到專題製作的精神，完成之專題 製作成品更能充分讓同學獲得能源科技的專業職能與技術學習。 九、業界