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論文中文名稱:建築造型結合小型風力發電系統效益之研究 [以論文名稱查詢館藏系統]
論文英文名稱:A Study of the benefits of the architectural modeling combined with small wind power [以論文名稱查詢館藏系統]
院校名稱:臺北科技大學
學院名稱:工程學院
系所名稱:土木與防災研究所
畢業學年度:101
出版年度:102
中文姓名:涂宜潔
英文姓名:Yi Jie Tu
研究生學號:100428045
學位類別:碩士
語文別:中文
口試日期:2013-05-27
論文頁數:121
指導教授中文名:林正平
指導教授英文名:Cheng-Ping Lin
口試委員中文名:張寬勇;湛淵源
口試委員英文名:KUAN-YONG JHANG;YUAN-YUAN DAN
中文關鍵詞:小型風力發電機建築造型再生能源屋頂流場CFD
英文關鍵詞:Small Wind TurbinesArchitectural modelingRenewable EnergyRoof flow fieldCFD
論文中文摘要:近年來日常生活與各產業之能源使用量皆急遽增加,而其能源種類繁多,使用上大多以高汙染能源為主,造成全球氣候變遷及環境污染。然而台灣地狹人稠,高層建築物多,倘若能將風力發電與建築物充分結合利用,考慮能於都市建築物大範圍架設風力發電,將可發揮台灣地區風力發電潛能,提升台灣地區風力發電之發展與依賴度。
回顧過去研究發現,氣流會沿著建築物屋頂迎風面形成上升氣流,使流體產生分流現象,而建築造型種類繁多,不同造型建築物將影響屋頂氣流強弱,故如何把風有效引導到屋頂為研究主要課題。
本研究以改變屋頂造型,使用流體力學模擬軟體,模擬流場環境變化;再以建築頂部風機高度歸納出流場風速效益,整理建築物屋頂較佳造型和風機組較具效益的擺放位置。最後以風力發電理論公式,針對風機架設高度變化之發電效益,並計算出整體發電效益分析,提供未來設計所需應用組合決策參考。
論文英文摘要:In recent years, the demand for energy in daily life and industrial has enhanced gradually. Nowadays, there are wide variety of energy which most of them are high-polluting have caused climate change and environmental pollution around the world. However, there are more people and tall buildings in Taiwan, in case of using a combination of wind power and buildings, think to erect of wind power wide range in urban buildings, will be able to exert potential and enhance the development of wind power in Taiwan.
According to the past studies, the airflow turn into the updraft along the windward side of the roof of building, cause the fluid generated shunt phenomenon. A wide variety of architectural modeling, the shapes of building may affect the strength of roofs airflow, and therefore how to effectively guide the wind to the roof as the main research topics.
This study in order to change the roofs shapes, using fluid mechanics simulation software, the mock flow-environmental changes. Using the wind machine highly in top of the building summed up the effectiveness of the flow field velocity, summarized the better shape of the roof and wind crew more cost-effective placed. Finally, using wind power generation theory, against benefit of the wind machine erection height variation, and calculate the overall power generation benefit analysis in order to be able to provide the required application of the decision-makers in the future reference.
論文目次:目錄

中文摘要 i
英文摘要 ii
誌謝 iv
目錄 v
表目錄 vii
圖目錄 ix
第一章 緒論 1
1.1 研究背景 1
1.2 研究動機 4
1.3 研究目的 5
1.4 研究方法與工具 5
1.5 研究範圍與限制 6
1.6 研究流程 7
第二章 文獻回顧 8
2.1 小型風力發電機之定義與發展現況 8
2.2大氣地表邊界層 11
2.3 建築造型 11
2.4建築環境風場 12
2.5 風力發電機之型式 14
2.6 國外建築風力發電設計案例 16
2.7 相關研究文獻 19
2.8 文獻回顧小結 23
第三章 研究方法及工具 24
3.1 CFD數值模擬介紹與作業流程 24
3.2 風力發電理論公式 25
3.3 成本效益分析方法 28
第四章 模型建構 29
4.1 環境風場資料及建築物相關參數設定 29
4.2 數值條件設定及收斂標準 32
4.2.1 環境流場條件設定說明 32
4.2.2 鬆弛因數及收斂條件 33
4.2.3 收斂標準 34
4.3 變化參數及風機高度設定 35
4.3.1 變化參數設定 35
4.3.2 風機高度設定 37
第五章 模擬結果與分析 39
5.1 建築造型風場流速模擬結果 39
5.1.1風場流速模擬 39
5.1.2屋頂造型整體發電功率比較 101
5.2 成本效益估算及分析 102
5.2.1 基本參數與假設 102
5.2.2內部報酬率(IRR)分析 103
5.2.3 淨現值(NPV)分析 106
5.2.4內部報酬率與淨現值方案必較 109
第六章 結論與建議 114
6.1 結論 114
6.2 建議 115
參考文獻 116


表目錄

表1.1 2011年我國電力來源 1
表1.2 我國發電及輸配電過程所產生之環境汙染 2
表1.3 全球風力累積裝機容量 3
表1.4 風能利用價值分等 4
表2.1 小型風力發電機之定義 8
表2.2 小型風力發電機之細分類 9
表2.3 不同地況之邊界層高度 11
表2.4 幾何造型示意 12
表2.5 單棟建築物周邊氣流特性示意 13
表2.6 風力發電機相關文獻 19
表2.6 風力發電機相關文獻(續) 20
表2.7 小型風力發電機相關文獻 20
表2.8 建築物風場相關文獻 21
表2.8 建築物風場相關文獻(續) 22
表2.9 風力發電成本效益相關文獻 22
表2.9 風力發電成本效益相關文獻(續) 23
表4.1 環境風場參數 29
表4.2 風機規格資料 31
表4.3 環境流場之基本假設 32
表4.4 鬆弛係數設定 33
表4.5 離散化演算法與求解模式之選擇 33
表4.6 斜切造型、圓弧造型、階梯造型組設定表 35
表5.1 風力發電躉購費率表 103
表5.2 斜切造型風機內部報酬率 103
表5.2 斜切造型風機內部報酬率 (續) 104
表5.3 圓弧造型風機內部報酬率 104
表5.4 階梯造型風機內部報酬率 105
表5.5 斜切造型淨現值 106
表5.6 圓弧造型淨現值 107
表5.7 階梯造型淨現值 108
表5.8 案例變因統整 109
表5.9 斜切造型風機內部報酬率投資 109
表5.10 圓弧造型風機內部報酬率投資 109
表5.11 階梯造型風機內部報酬率投資 110
表5.12 風機淨現值投資 112
表5.13 風速高度位置 112
表5.13 風速高度位置(續) 113


圖目錄

圖1.1 台灣風力資源分佈圖 3
圖1.2 研究流程圖 7
圖2.1 全球各型風力發電機成長趨勢 9
圖2.2 全球中小型風力發電機發展趨勢 10
圖2.3 水平軸式風力發電機 14
圖2.4 垂直軸式風力發電機 15
圖2.5 巴林世界貿易中心 16
圖2.6 邁阿密COR大廈 17
圖2.7 斯特拉塔 17
圖2.8美國奧克拉荷馬醫學研究基金會 18
圖2.9 杜拜旋轉大樓 18
圖3.1 CFD數值模擬計算流程圖 25
圖3.2 風力發電電能轉換過程 27
圖4.1 邊界條件示意圖 30
圖4.2 環境風場與建築相關位置示意圖 31
圖4.3 疊代運算殘差圖 34
圖4.4 斜切造型設定說明圖 36
圖4.5 圓弧造型設定說明圖 36
圖4.6 階梯造型設定說明圖 36
圖4.7 研究模擬變因參數示意圖 37
圖4.8 塔高模擬示意圖 38
圖5.1 屋頂流場環境模擬圖(O00、A00、T00) 39
圖5.2 屋頂風機測點風速(O00、A00、T00) 40
圖5.3 斜切造型O01屋頂流場 41
圖5.4 斜切造型O01屋頂風機測點風速 41
圖5.5 斜切造型O02屋頂流場 42
圖5.6 斜切造型O02屋頂風機測點風速 42
圖5.7 斜切造型O03屋頂流場 43
圖5.8 斜切造型O03屋頂風機測點風速 43
圖5.9 斜切造型O04屋頂流場 44
圖5.10 斜切造型O04屋頂風機測點風速 44
圖5.11 斜切造型O05屋頂流場 45
圖5.12 斜切造型O05屋頂風機測點風速 45
圖5.13 斜切造型O06屋頂流場 46
圖5.14 斜切造型O06屋頂風機測點風速 46
圖5.15 斜切造型O07屋頂流場 47
圖5.16 斜切造型O07屋頂風機測點風速 47
圖5.17 斜切造型O08屋頂流場 48
圖5.18 斜切造型O08屋頂風機測點風速 48
圖5.19 斜切造型O09屋頂流場 49
圖5.20 斜切造型O09屋頂風機測點風速 49
圖5.21 斜切造型O10屋頂流場 50
圖5.22 斜切造型O10屋頂風機測點風速 50
圖5.23 斜切造型O11屋頂流場 51
圖5.24 斜切造型O11屋頂風機測點風速 51
圖5.25 斜切造型O12屋頂流場 52
圖5.26 斜切造型O12屋頂風機測點風速 52
圖5.27 斜切造型O13屋頂流場 53
圖5.28 斜切造型O13屋頂風機測點風速 53
圖5.29 斜切造型O14屋頂流場 54
圖5.30 斜切造型O14屋頂風機測點風速 54
圖5.31 斜切造型O15屋頂流場 55
圖5.32 斜切造型O15屋頂風機測點風速 55
圖5.33 斜切造型O16屋頂流場 56
圖5.34 斜切造型O16屋頂風機測點風速 56
圖5.35 斜切造型O17屋頂流場 57
圖5.36 斜切造型O17屋頂風機測點風速 57
圖5.37 斜切造型O18屋頂流場 58
圖5.38 斜切造型O18屋頂風機測點風速 58
圖5.39 斜切造型O19屋頂流場 59
圖5.40 斜切造型O19屋頂風機測點風速 59
圖5.41 斜切造型O20屋頂流場 60
圖5.42 斜切造型O20屋頂風機測點風速 60
圖5.43 圓弧造型A01屋頂流場 61
圖5.44 圓弧造型A01屋頂風機測點風速 61
圖5.45 圓弧造型A02屋頂流場 62
圖5.46 圓弧造型A02屋頂風機測點風速 62
圖5.47 圓弧造型A03屋頂流場 63
圖5.48 圓弧造型A03屋頂風機測點風速 63
圖5.49 圓弧造型A04屋頂流場 64
圖5.50 圓弧造型A04屋頂風機測點風速 64
圖5.51 圓弧造型A05屋頂流場 65
圖5.52 圓弧造型A05屋頂風機測點風速 65
圖5.53 圓弧造型A06屋頂流場 66
圖5.54 圓弧造型A06屋頂風機測點風速 66
圖5.55 圓弧造型A07屋頂流場 67
圖5.56 圓弧造型A07屋頂風機測點風速 67
圖5.57 圓弧造型A08屋頂流場 68
圖5.58 圓弧造型A08屋頂風機測點風速 68
圖5.59 圓弧造型A09屋頂流場 69
圖5.60 圓弧造型A09屋頂風機測點風速 69
圖5.61 圓弧屋頂流場環境模擬圖A10 70
圖5.62 圓弧造型A10屋頂風機測點風速 70
圖5.63 圓弧造型A11屋頂流場 71
圖5.64 圓弧造型A11屋頂風機測點風速 71
圖5.65 圓弧造型A12屋頂流場 72
圖5.66 圓弧造型A12屋頂風機測點風速 72
圖5.67 圓弧造型A13屋頂流場 73
圖5.68 圓弧造型A13屋頂風機測點風速 73
圖5.69 圓弧造型A14屋頂流場 74
圖5.70 圓弧造型A14屋頂風機測點風速 74
圖5.71 圓弧造型A15屋頂流場 75
圖5.72 圓弧造型A15屋頂風機測點風速 75
圖5.73 圓弧造型A16屋頂流場 76
圖5.74 圓弧造型A16屋頂風機測點風速 76
圖5.75 圓弧造型A17屋頂流場 77
圖5.76 圓弧造型A17屋頂風機測點風速 77
圖5.77 圓弧造型A18屋頂流場 78
圖5.78 圓弧造型A18屋頂風機測點風速 78
圖5.79 圓弧造型A19屋頂流場 79
圖5.80 圓弧造型A19屋頂風機測點風速 79
圖5.81 圓弧造型A20屋頂流場 80
圖5.82 圓弧造型A20屋頂風機測點風速 80
圖5.83 階梯造型T01屋頂流場 81
圖5.84 階梯造型T01屋頂風機測點風速 81
圖5.85 階梯造型T02屋頂流場 82
圖5.86 階梯造型T02屋頂風機測點風速 82
圖5.87 階梯造型T03屋頂流場 83
圖5.88 階梯造型T03屋頂風機測點風速 83
圖5.89 階梯造型T04屋頂流場 84
圖5.90 階梯造型T04屋頂風機測點風速 84
圖5.91 階梯造型T05屋頂流場 85
圖5.92 階梯造型T05屋頂風機測點風速 85
圖5.93 階梯造型T06屋頂流場 86
圖5.94 階梯造型T06屋頂風機測點風速 86
圖5.95 階梯造型T07屋頂流場 87
圖5.96 階梯造型T07屋頂風機測點風速 87
圖5.97 階梯造型T08屋頂流場 88
圖5.98 階梯造型T08屋頂風機測點風速 88
圖5.99 階梯造型T09屋頂流場 89
圖5.100 階梯造型T09屋頂風機測點風速 89
圖5.101 階梯造型T10屋頂流場 90
圖5.102 階梯造型T10屋頂風機測點風速 90
圖5.103 階梯造型T11屋頂流場 91
圖5.104 階梯造型T11屋頂風機測點風速 91
圖5.105 階梯造型T12屋頂流場 92
圖5.106 階梯造型T12屋頂風機測點風速 92
圖5.107 階梯造型T13屋頂流場 93
圖5.108 階梯造型T13屋頂風機測點風速 93
圖5.109 階梯造型T14屋頂流場 94
圖5.110 階梯造型T14屋頂風機測點風速 94
圖5.111 階梯造型T15屋頂流場 95
圖5.112 階梯造型T15屋頂風機測點風速 95
圖5.113 階梯造型T16屋頂流場 96
圖5.114 階梯造型T16屋頂風機測點風速 96
圖5.115 階梯造型T17屋頂流場 97
圖5.116 階梯造型T17屋頂風機測點風速 97
圖5.117 階梯造型T18屋頂流場 98
圖5.118 階梯造型T18屋頂風機測點風速 98
圖5.119 階梯造型T19屋頂流場 99
圖5.120 階梯造型T19屋頂風機測點風速 99
圖5.121 階梯造型T20屋頂流場 100
圖5.122 階梯造型T20屋頂風機測點風速 100
圖5.123 屋頂斜切造型各風場發電功率 101
圖5.124 屋頂圓弧造型各風場發電功率 101
圖5.125 屋頂階梯造型各風場發電功率 102
圖5.126 斜切造型風機淨現值 110
圖5.127 圓弧造型風機淨現值 111
圖5.128 階梯造型風機淨現值 111
論文參考文獻:參考文獻

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