具集風罩垂直軸阻力型風發電機空氣動力特性最佳化之數值研究

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Title:	具集風罩垂直軸阻力型風發電機空氣動力特性最佳化之數值研究
Authors:	江紫維;陳增源;歐陽寬;李世鳴
Keywords:	垂直軸風力發電;集風罩;田口法;Flow Vision;數值模擬
Date:	2023-11-18
Issue Date:	2023-12-04 12:05:47 (UTC+8)
Abstract:	作為綠能的一種，風能因取之不盡且無汙染，為取代傳統石化燃料的重要替代能源之一。風力發電機作為擷取風能並轉換為電能的主要裝置，因此風機的操作性能直接影響到風能的轉化率。因風機的功率係數(CP)與轉子的轉速成正比，因此具有高轉速特性的風機，表示具有較佳之操作性能。本研究以CFD軟體FlowVision模擬具集風罩之垂直軸阻力型風力發電機，並以田口法求得風機的最佳參數，使風機具有最高的轉速。模擬之風機，其轉子直徑3.5公分、高29公分，集風罩內徑6公分、外徑64.2公分、高31公分。控制因子為轉子的葉片直徑大小(5公分、6.7公分、8.375公分)、轉子的葉片數(6、8、10片)，和集風罩的導片數(6、8、10片)，並將風速(8m/s及4m/s)作為干擾因子。本研究選用L_9 (3^4 )直交表規劃實驗條件，並利用因子水準反應分析，探討各控制因子對風機轉速的重要性。結果顯示葉片直徑8.375公分、8葉片數及6導片數為最佳水準組合，在風速8m/s及4m/s的情況下，轉速分別為464.57RPM及227.66RPM。經由因子水準反應分析，三個參數中，集風罩的導片數對實驗結果的影響最大，其次是轉子的葉片數，最後是轉子葉片直徑大小。使用田口法的加法模式預測各實驗條件的轉速，再與數值模擬計算所得之轉速比較，誤差皆小於0.2%，顯示田口法所獲得之模型具有想當可性度。挑選由田口法分析所得之最佳與最差兩種水準組合，比較在風速8m/s條件下的CP-TSR如上圖，顯見經最佳化參數後，風機性能的提升。兩種水準組合條件下的速度流場如下圖。
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