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論文中文名稱:小型風力發電機於高層建築物之架設位置效益分析 [以論文名稱查詢館藏系統]
論文英文名稱:Benefit Analysis of Small Wind Turbines Installation on The High-rise buildings [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:100
出版年度:101
中文姓名:阮俊儒
英文姓名:Jiun-Ru Ruan
研究生學號:99428093
學位類別:碩士
語文別:中文
口試日期:2012-07-20
論文頁數:87
指導教授中文名:林正平
口試委員中文名:王偉哲;莊永忠
中文關鍵詞:小型風力發電機建築屋頂流場分流風機尾流成本效益分析
英文關鍵詞:Small Wind TurbinesBuildingsRoof Separated FlowWake Flow of Wind TurbineCost-Benefit Analysis
論文中文摘要:能源是我們日常生活及社會發展不可或缺的重要元素。台灣進口能源依存度高,因此如何在現今能源短缺的情況下,有效利用再生能源成為目前重要的課題。我國地小人稠,高層建物多,而當風機與建築結合時,屋頂區因風速強為較理想的裝設地點,但氣流在經過建築物時,因上升氣流影響,使流場遭破壞形成渦流;另外風機間位置也會影響到流場狀況,位於下風處風機會遭受到上風處風機的尾流影響,使其發電效益降低。
本研究先透過設定風機間距變因,再利用流體力學數值模擬軟體(CFD,Computational Fluid Dynamics),模擬風機尾流流場狀況。並利用風力發電理論公式,比較變因組風機之發電效益,再配合建築頂部流場模擬,歸納出建築物屋頂單位面積下較佳的風機擺放位置和數量,並作成本效益分析。
經程式模擬及敏感度分析後,可歸納出Y/r(風機水平間距/葉片半徑)=13.6後,下風處風機已近乎不受上風處風機影響;而當H/r (風機中心轉軸垂直間距/葉片半徑) =1.44,風機受尾流效應的影響已大幅縮減,此時如將Y/r縮小至7.2,並不影響下游風機發電效益,以其為準則,再以建築頂部穩流區限制高度來調整風機位置,整理出高層建築物上風機組較具效益的擺放位置與數量。研究案例經由成本效益分析後,可得淨現值(NPV)為NT$ 420,662,而躉購期滿所能獲得之終值(FV)為NT$ 1,976,543,其約為期初成本的1.24倍。案例於第11年還本,內部報酬率(IRR)為5.56%。
論文英文摘要:Energy is an indispensable element in our daily life and social development. Taiwan's requirement of imported energy is high and how can people do in this generations of energy shortage which is use of renewable energy effectively is becoming the important issue. There are large population and many tall building in our country. When the fan combined with the building, the roof area is the ideal location of installation due to the strong wind speed. Even though the flow has passed through the building, the effect of upward flow makes the flow field have been destruction then becoming the vortex. Furthermore, the fan location also affects the flow field situation, located downwind fan affected by the wake flow of wind turbine of upwind fan and dropped the benefit of generate electric power.
In this study, setting the fan spacing variables first, and then by the fluid dynamics software (CFD, Computational Fluid Dynamics) to simulation the situation of wake flow of wind turbine. Also, with the wind power theoretical formulas, analyzing each variables of generate electric power with the flow field simulation in the top of the building. To sum up the better location of fan placed with the number and manner under the roof of a building, and make the cost estimating analysis.
Through the simulation program analysis can be summarized when Y/ r (the fan level spacing / leaf radius) = 13.6, the downwind fan has barely affected by the upwind fan, this conclusion is similar to previous studies. When the H/ r (the vertical spacing of the fan center pivot / leaf radius) = 1.44, the effect of wake flow of wind turbine have been substantially reduced. As the Y / r drop to 7.2, there is no affect with the benefit of generate electric power of downwind fan. With it is a criterion, adjust the fan location by way of the height limit in the building at the top of the steady flow area, arranged the better location of fan placed with the number and manner at the top of building. Through the cost estimating analysis, net present value (NPV) is NT $ 420,662, and after the wholesale purchase period get the final value (FV) is NT $ 1,976,543, its about 1.24 times of the beginning of the cost, and then repayment of principal in the eleventh year, internal Rate of Return (IRR) of 5.56%.
論文目次:摘 要 i
英文摘要 ii
致謝 iv
目錄 v
表目錄 viii
圖目錄 ix
第一章 緒論 1
1.1 研究背景 1
1.2 研究動機 3
1.3 研究目的 4
1.4 研究方法與工具 4
1.5 研究範圍與限制 5
1.6 研究流程 6
第二章 文獻回顧 8
2.1 建築環境風場 8
2.1.1 單棟建築物周邊氣流特性 8
2.1.2 多棟建築物周邊氣流特性 11
2.1.3 大氣地表邊界層 12
2.1.4 CFD應用於建築內外流場之發展 13
2.2 尾流特性 14
2.2.1 尾流 14
2.2.2 風機之尾流 15
2.2.3 風機尾流對風機架設位置之影響 16
2.3 風力發電機之構造系統與型式 17
2.3.1 風力發電機之構造系統 17
2.3.2 風力發電機之型式 19
2.4 小型風力發電機之定義與發展現況 22
2.4.1 小型風力發電機之定義 22
2.4.2 小型風力發電機之發展現況 24
2.5 我國設置風力發電補助政策 26
2.5.1 再生能源電能躉購費率 27
2.6 相關研究文獻 28
2.7 文獻回顧小結 30
第三章 研究方法及工具 31
3.1 CFD數值模擬簡介與發展 31
3.1.1 CFD數值模擬簡介 31
3.1.2 CFD數值模擬軟體作業流程 32
3.1.3 CFD數值模擬之發展 33
3.2 CFD數值模擬理論基礎 34
3.2.1 理論方程式 34
3.2.2 紊流模式 35
3.2.3 數值近似方法 36
3.3 風力發電理論公式 37
3.4 成本效益分析方法 39
第四章 模型建構 44
4.1 環境風場參數設定及建築物參數設定 44
4.1.1 環境風場參數設定 44
4.1.2 模擬建物參數設定 46
4.2 風機相關資料設定 47
4.3 數值條件設定及收斂標準 48
4.3.1 環境流場條件設定說明 48
4.3.2 鬆弛因數及收斂條件 49
4.3.3 收斂標準與驗證 51
4.4 變因參數設定 53
第五章 模擬結果與分析 56
5.1 變因組模擬結果與分析 56
5.1.1 風機尾流模擬結果檢視 56
5.1.2 風機變因組發電功率比較 59
5.1.3 敏感度分析 62
5.1.4 風機變因組模擬小結 65
5.2 風機組架設位置選定與效益分析 65
5.2.1 建築物頂部流場分析 65
5.2.2 風機組架設位置設定 69
5.2.3 風機組架設數量與年發電量 70
5.3 成本效益估算與分析 72
5.3.1 基本參數與假設 73
5.3.2 財務決策分析 74
5.4 開口式高層建築流場模擬結果與分析 76
5.4.1 雙開口式建築流場模擬結果 76
5.4.2 開口高度對建築流場之影響性 77
第六章 結論與建議 81
6.1 結論 81
6.2 建議 81
參考文獻 83
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