Darrieus风机叶片数与扭转角度对风机性能的影响.PDF

Darrieus風機葉片數與扭轉角度對風機性能的影響 國立成功大學系統及船舶機電工程學系 博士後研究員謝銘峻 副教授 謝旻甫 摘要 本研究利用計算流體力學方法來探討葉片數與扭轉角度對 Darrieus 風機性能的影 響，葉片數取兩葉與三葉兩種，扭轉角則取 0 、30 、60 、90 四個角度來分析其功率係數 的變化。模擬結果顯示兩葉與三葉風機最大功率輸出值皆發生在 60 度扭轉角，三葉較 兩葉高出約15% 。三葉60度扭轉角與兩葉無扭轉角風機的最大功率輸出值相比，則高 出約24.5% ，然而三葉風機可操作的尖速比較兩葉風機低。90度扭轉角葉片雖在低尖速 比下的功率輸出較低，但在較高的尖速比下功率輸出最高，且可操作在較高的尖速比 下。而從轉矩變化可看出增加葉片數與扭轉角度可使得風機轉矩輸出更為均勻。 關鍵詞： Darrieus ，葉片數，扭轉角，計算流體力學 前言 為了減緩因全球暖化所造成的影響，節能減碳措施與再生能源的開發成為各國政府 未來的主要政策與方向。在目前已知的再生能源中，風力發電具備低成本且發電過程零 排碳等特點，故受到世界各國政府的大力推展，各研究單位也相繼投入人力進行相關研 究，以期降低對石化燃料的需求。目前風力發電方式依轉軸相對迎風方向主要可分為水 平軸式(HAWT)與垂直軸式(VAWT) 兩種，其中水平軸發電方式由於設計上轉軸與風同 向，使得葉片具有高尖速比 (tip speed ratio)與高效率的輸出，風機容量與發電量逐年大 幅攀升，但風機噪音大且需風向相對穩定的風場，使得風機設置位址有一定的限制，目 前朝離岸設置的方向發展。垂直軸式雖相較水平軸式輸出效率低，但因轉軸與風向垂 直，使得風機可吸收任何風向的能量，即使陣風或紊亂的氣流也可運轉，且風機噪音較 低，故位址設置的限制較小，在小型風機的應用上可填補水平軸式的不足，如陣風強的 高山與環境品質要求高的都市內等，其發電機裝置在地面上的特點也使得維護較水平式 風機來的簡單且便宜。 [1] Darrieus風機藉由翼型升力與阻力來產生轉矩發電，如圖 (1)所示，由於葉片在不同 圓周角位置會因風速與轉速所形成的等效速度不同，使得葉片感受到的攻角亦隨著位置 變化，因此流場變得十分複雜且分析困難。 Tani[2] 與 Hak[3]發現葉片操作在雷諾數 (Reynolds Number, Re= ， 、 為空氣密度與黏滯系數， 為風速， 為翼剖面 ρV C / µ ρ µ V C ∞ ∞ 弦長 )100,000 至500,000間，層流分離泡 (laminar separation bubble)對於葉片邊界層與其 失速特性佔有相當重要的地位。Migliore 等[4]與Hirsch 等[5]利用空氣動力學分析葉片分 別在曲線 (curvilinear)與直線(rectilinear)流場下的空氣動力特性，發現在高弦長半徑比下 流場曲度效應會影響葉片性能，尤其在高尖速比時。Timmer[6]則是量測 NACA0018翼 型在高攻角下的氣動特性，發現因失速時層流分離泡的形成，其升力在失速後會有遲滯 (hysteresis)的現象而無法回復原升力值，此重失速 (deep stall)現象造成升力損失而降低葉 片效率。Watson[7]認為 Darrieus風機本身無法自主轉動，主要是因為在操作點以下的尖 速比有一段區域其轉矩輸出為負值，若要達到自行啟動，風機外型須作修改以使所有尖 速比下其轉矩輸出皆為正值。Islam 等[8]有鑑於此，更進一步針對不同翼型氣動力特性 進行分析探討，條列出風機自行啟動所需的翼型特徵與氣動力特性，認為傳統 NACA(The National Advisory Committee for Aeronautics)對稱翼型並不適用於小型垂直