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傳動系統應用於小型風力發電機被動式旋角控制

摘要"

本方案為了解決小型風力機於高風速下可以穩定發電不停機之需求,設計一個以摩托車內之變速系統零件「普利盤」作為被動式全新概念之變旋角機構,不需要外來之電力以及外來之訊號源來改變旋角,是透過普利盤旋轉離心力之特性,帶動傳動齒輪,驅使葉片旋角改變,使其高風速下不用煞車,即可降低運轉轉速,可達到躲避強風、保護葉片及維持一定發電量為目的,並通過小型風洞實驗測試,可觀察到其被動式旋角控制機構於系統之可行性。

關鍵詞:普利盤(Disk pulley)、風洞(Wind tunnel)、被動式旋角控制(Passive pitch control)、小型風力機(Small wind turbine)

前言

隨著全球風力發電快速發展,全球風電市場呈現大者恆大,小者恆小之需求,而台灣根據每年再生能源電能躉購費率之訂定,已將原本小型風力機裝設容量級距從10kW提高至30kW,今(108)年陸域風力裝置容量級1瓩以上不及30瓩,每度之躉售電價為7.8759元,累積至目前已接近百件小型風力機設置,其裝設容量已達0.58MW。為增加小型風力機之普及性與未來裝置容量,於歷年風力機損壞研究中,可發現傳統風力機面臨狂風或強陣風時,都必須緊急煞車並停機,以避免風力葉片或機組,因承受過大壓力而造成過度負荷,進而累積疲勞應力,導致折損等相關問題,而大型風力機因擁有足夠電力,可將系統設定為主動式控制,使整體系統可達IEC Class 1或T級之抗颱程度,但小型風力機則礙於發電量低,為了安全性,常透過三相短路方式,進行保護系統,因長時間地剎放,容易造成輪轂轉軸磨損之情形,而為了安全性導致發電機發電效率大幅降低,此狀態反而無法達到風力機之性能,更浪費台灣西部沿岸風場之優勢。因此發展被動式安全穩定機制,是未來小型風力機所面臨之課題。

小型風力發電機型式介紹與
匹配探討

小型風力機於市場上,因安全性、裝置容量及環境評估上,受到使用者眾多之考驗,如圖1所示,依據系統可區分為垂直軸(VAWT)、水平軸(HAWT)、兩者合併交叉型(CAWT),垂直軸適合架設於風向混亂區域,例如都市區域;水平軸適合風向穩定區域,例如沿海區域;以台灣環境風能觀察,位處於亞洲季風區,東北與西南季風穩定,有發展之潛力,但國內使用者普遍接受度不高,一則主要國內電網架設普及,電費與他國相比便宜許多,另一則是擔心颱風天,系統面臨危險性與平時轉動時,高、低頻噪音,以及能否於平常風況下,可以穩定發電之問題,這都會影響後續之運維成本,導致回收年限延長。
但不管風力機裝置容量之大小,它都必須長時間於戶外持續運轉,又或者是於高風速下,系統該煞車而沒煞車,造成葉片呈現失速,加速轉上去,在種種因素下,便會造成風力機系統上之崩潰,因此除了追求高轉換效率外,結構之高可靠性與機構上之高安全性,則是大家所共同需克服之難題。因此從系統端來探討,葉片與發電機性能上之匹配性為影響系統好壞之最重要關鍵,以發電機為例,其設計時之裝置容量會比葉片之額定功率大兩倍以上,避免發電機於三相短路時,煞車扭矩不夠,導致葉片於高風速下持續運轉,呈現失速現象,如圖2所示,長時間煞車運轉,將導致內部燒毀,但又不能將發電機規格無限放大,這會使發電機成本增加,因此許多系統會透過機構上之設計,讓葉片於高風速下產生較低之扭力,例如偏航系統、旋角系統等,來保護整個風
力機。
本案例以200W小型水平軸風力機系統為開發測試對象,首先透過自行開發之葉片與發電機,與所設計傳動系統之機構,進行系統搭接整合,最後將整機系統置於風洞進行實驗驗證機構功
能性。

葉片設計理論

1915年英國的F.W.蘭徹斯特,以及1920年的A.貝茲所指出,當自由氣流由於風是空氣之流動,如果以速度V之空氣通過面積A時,如圖3表示,並將空氣做以下理想假設:
1.  空氣為不可壓縮且穩態之流體。
2.  空氣假設無磨擦。
3.  假設風力發電機為無限多葉片。
4.  假設推力產生之所在為一個面。
5.  無旋轉尾流。
6. 上游和下游的靜壓力等於風力發電機周圍的靜壓力。...更多內容,請見《機械新刊》雜誌

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