理工學院優秀專題競賽論文
小型風力發電機環境流場分析
摘要
本研究目的是為了解八甲校區設立之小型風力發電機周遭環境對於其運轉的影響，並且找出較理
想之架設點，以及造成目前小型風力發電機，發電量不佳的原因。結合 Solid Work 進行建構模型，並
利用 Ansys Workbench 進行環境流場數值模擬分析。
關鍵字：風力發電機、流場分析、Ansys Workbench1. 前言
學校於民國一○一年九月架設了小型風力發電機，小 型風機座落於理工一館旁。苗栗每年約有半年以上之東北 季風期，在頗為強勁的東北季風吹襲下，照理應該擁有不 錯之風能潛力。但理工一館旁所架設之小型風機發電量卻 不如預期，經常看到發電機的葉片時轉時停，時慢時快， 且發現走進校門時風明明很大，但在走到風機底下時卻感 覺風減弱了許多。 由此判斷，可能是風與建築物以及周遭地形之影響所 造成的紊流，使風機周圍受風不理想，因此，決定探討是 什麼原因造成這樣的結果，又要利用什麼樣的方法去證明 原因的存在，是否有方法能排除問題 ? 讓日後若還有機會 再架設風力發電機時，利用我們所探討出的環境影響之原 因再加以排除，就有可能找到最佳理想的架設位置，並使 其發揮最大的效益。2. 文獻探討
2.1 環境風場模擬分析
國內過去對於風場環境模擬分析之相關研究，主要分 成了兩種方法:一為風洞試驗，二為數值模擬。2.1.1 風洞試驗
依據主建築物之設計圖及其周遭之地形圖、航照圖製 作模型，模型放置於風洞試驗段之中，在主建築物四周及 附近街道共設置 25 至 40 個量測點，量測相當於離實際地 面 1.5 ~ 2.0 公尺高度的風速。量測點位置的選擇取決於 行人常出沒的地方及風速可能會很大的地方，依序量測十 六個風向方位下各量測點的風速。風洞實驗之結果再配合 現地的風速氣象資料，評估主建築物周遭風場環境的舒適 性與安全性。2.1.2 數值模擬
數值模擬又可稱為 CFD 全名為 Computational Fluid Dynamics，中文稱之為“計算流體力學”，空氣力學亦為 一種流體力學，而 CFD 是利用電腦來建立物體格點(或稱 網格)再給予適當的條件下模擬流體，這其中包含流體的流 速、流向...等。 依據主建築物之設計圖及其周遭之地形圖、航照圖製作 電腦數值解析模型，建構基地開發後模型，設定網格分割 數，設定各項邊界條件，進行多個風向方位之環境風場模 擬。再與風洞實驗之結果及配合現地的風速氣象資料，評 估主建築物周遭風場環境受測點的舒適性與安全性。本研 究承接上述之方法選擇以數值模擬部分來進行分析風場模 擬探討環境與地形、建築等環境之影響。2.2 大氣邊界層風的型態
大 氣 層 中 最 接 近 地 表 的 部 份 稱 為 大 氣 邊 界 層 (Atmospheric Boundary Layer)，如圖 2.1 所示。其厚度大 約為數百公尺～1000 公尺之間，此高度內的空氣因受到地 表的摩擦阻力、溫度差異、地球自轉等影響，故空氣的流 動狀態較為複雜。但人類的生活起居絕大多數都在大氣邊 界層中，故大氣邊界層的重要性不可言喻。由地表至高度 約 50 ～ 100 公 尺 的 範 圍 內 的 氣 層 稱 為 大 氣 近 地 層 （Atmospheric surface layer），近地層中，風場會受到地表 粗糙度影響的區域稱為粗糙次層，亦是人類主要的活動範 圍。而在高度 500～1000 公尺之間，流場不受地表影響， 稱為外域層（Outer layer）。此外，大氣邊界層之上，受地 表 影 響 較 小 ， 水 平 流 速 成 均 勻 分 佈 ， 稱 為 自 由 層 （Freestream）。 圖 2.1 大氣邊界層2.3 建築物對風的影響
1.
迎風面渦漩(Upstream vortex)：當風遇到高層建築物時， 部份氣流會由建築物上方與兩側加速地繞過去，部份氣 流 沿建築物的迎風面向下切，在建築物的前方形成渦漩，如 圖 2.2 所示，此種下切氣流又稱為掀裙風。建築物的迎風 面愈寬愈大，下切氣流愈強。組別:■實作組□設計組
圖 2.2 迎風面渦漩 2. 建築物尾流(Building wake)：當風遇到建築物時，會在 建築物的後方形成流場紊亂的尾流區。而大的建築物因為 分離剪力流在兩側容易發生再接觸(Reattachment)現象，削 減氣流的動量，尾流區內的紊流相對較弱。因為尾流區的 氣壓低於大氣壓力，故越過建築上方的氣流會受到背風面 之負壓力的吸引，向下及向建築物後方流動，成一個氣流 迴旋的場，如圖 2.3 所示。 圖 2.3 建築物尾流 3. 角隅強風(Corner flow)：當氣流要由建築物兩側繞過去 時，流體會有加速的現象。同時在角隅處，會產生渦漩分 離的現象，造成建築物角隅兩側有較強的風速。建築物角 隅的細部設計與幾何形狀會影響到此處的風場，譬如矩形 的建築物，渦漩會發生在角隅處；但圓弧形的建築物，渦 漩分離點則與表面粗糙度有關，如圖 2.4 所示。 圖2.4 角隅強風
3. 研究方式
3.1 研究流程
本研究選用分析軟體為 ANSYS Workbench，環境模型 由 Solid Work 建立。模擬出的分析結果再與相關文獻進行 比較，藉此得到結論，以瞭解小型風力發電機環境流場是 否適合風機，流程如圖 3.1 所示。 圖 3.1 研究流程
3.2 軟體之簡介與分析流程
ANSYS Workbench 是 ANSYS 裡面的附屬應用程式， ANSYS Workbench 提供了現代工業應用最廣泛、最深入的 先進工程仿真技術的基礎框架。全新的項目視圖概念將整 個仿真過程緊密的組合在一起，來引導用戶通過簡單的操 作完成複雜的多物理場分析流程。
ANSYS Workbench 相較於傳統分析軟體 ANSYS 增加 了許多功能，ANSYS Workbench 所提供的 CAD 雙向參數 互動、網格劃分、全面的參數管理和無縫集成的優化工具 等，使 ANSYS Workbench 成為非常具有優勢的分析軟體。 總結以上論述本研究選用 ANSYS Workbench 而不用使用傳 統的 ANSYS 來進行風場模擬。 ANSYS Workbench 分析流程概說: 使用 ANSYS Workbench 來做流場分析，大略分為以下 四個步驟，如表 3.1 所示。
3.3 環境模型
風力發電機環境流場分析，是以八甲校區理工一館旁 風機之環境所做的流場分析。所用之模擬環境如圖 3.2 所 示，圖片說明如下: 1. 理工一館。 2. 理工一館旁東南走向山坡。 3. 小型風機旁之施工圍牆。 圖 3.2 理工一館旁環境模型
4. 模擬結果與討論
4.1 模擬結果 1
結果 1 是以建築物南方當作進風面(南風)來做模擬， 箭頭指向為進風方向，如圖 4.1 所示。 圖 4.1 模擬結果 1 圖 4.2 模擬結果 1 局部放大圖，由圖 4.2 可得知: 當 風 流過建築物上方後，會於建築物與山坡、施工圍牆之間的 空曠地帶形成建築物尾流。尾流會沿著建築物東北面流 動，此方向之風，會使小型風機附近形成兩種以上之風向， 不利於風機轉動。 圖 4.2 模擬結果 1 局部放大圖4.2 模擬結果 2
結果 2 是以圍牆方向當作進風面(東北風)來做模擬， 箭頭指向為進風方向，此方向之風將於風機底下形成些許 紊流，對風機有相對的影響，如圖 4.3 所示。 圖 4.3 模擬結果 2 為了讓結果 2 更容易辨識，在此將流場區域分為上、 下層，並以模擬結果 2 之局部放大圖做解說，如圖 4.4 所示。 由圖 4.4 可得知: 風進入時遇到第一個障礙物施工圍 牆，上層風持續前進不受影響。當遇到建築物時向下流動。 而下層風受到施工圍牆阻擋，向上擠壓越過圍牆後， 造成圍牆後有段無風區域。繼續往前流動後遇到上層風向 下流動的影響，造成建築物前方產生迎風面渦漩。 圖 4.4 模擬結果 2 局部放大圖4.3 模擬結果 3
結果 3 是以建築物東南方當作進風面(校門方向)來做 模擬，箭頭指向為進風方向。並且除了本棟建築物(理工一 館)外，亦加入了理工二館來做模擬。此方向之風較利於風 機，如圖 4.5 所示。 圖 4.5 模擬結果 3 此方向進風會於理工二館到理工一館之間形成迎風面渦 漩，如圖 4.6 所示。 圖 4.6 模擬結果 3 局部放大圖
5. 結論與建議
5.1 理想風機位置與目前位置比較
1. 小型風機理想架設位置條件: A. 風機的塔架盡可能的高，因為離地面越高，風速越 大， 氣流更平穩。 B. 在平坦的地區，小型風力發電機機的推薦安裝高度不 低於 8m。樹木及各類建築對氣流會形成障礙，氣流 在這些障礙的前方與後方均會形成一個滯緩而混亂 的紊流區域，應該避免將風機裝在這類區域內。 C. 塔架高度至少要比 100m 內的最高障礙物高出 2m （100m 內盡量避免有建築物）。 D. 年吹風期長。 E. 風向變化小。 F. 風力平穩。 2. 學校現有小型風機架設位置: 現有小型風機架設點，距離建築物(理工一館)較近， 並且靠近校園後方之山坡地。周圍有許多障礙物阻礙風的 行進，如圖 5.1 所示，並且根據第四章之模擬結果得知， 該處為容易產生多種紊亂的紊流區域，形成多種風向，因 而造成小型風機發不易接收單一方向的風。 圖 5.1 小型風機架設點5.2 八甲校區理想假設點
1. 圖 5.2 為八甲校區全域圖，圖中每個圓圈直徑皆為 100m 的圓圈。 2. 黑色圓圈為目前小型風機之架設點。 3. 紅色圓圈是假設理想位置，分別位於大學湖兩側。其符 合第五章 5.1 節之理論，直徑 100m 內需盡量避免有建 築物。 圖 5.2 八甲校區全域圖誌謝
感謝恒耀工業股份有限公司吳榮彬董事長捐贈 1.2kW 水平軸式小型風力發電機一組，提供聯合大學機械系教學 研究之用。 國立聯合大學機械工程學系黃勝銘老師專題指導參考文獻
[1] 高昇敬，“矩形建築物高寬比對其周遭風場影響之研 究”，國立中央大學 碩士論文，2000。 [2] 士林電機士林廠新建工程風場環境模擬評估計畫。 http://www.cc.ntut.edu.tw/~wwwsegb/new_page_5.htm [3] 曹源暉，“建築物風洞實驗之應用與展望” http://www.abri.gov.tw/utcPageBox/CHIMAIN.aspx?ddsPageI D=CHIMDCA&Epr HadDBID=41&DBID=761#top [4] 葉泰和，“台灣風場風能評估方法分析”。 http://www.hvac-net.org.tw/archive/100052733.pdf [5] 虎門科技股份有限公司。 http://www.cadmen.com/Page/ [6] 黃慶民，“50kW 風力發電機複合材料葉片設計分析與 製作”，義守大學 機械與自動化工程學系，2007。 [7] 張景鐘，“台灣地區自然風場風速剖面之探討” ，國 立台灣海洋大學，河海工程學系， 碩士學位論文，2009。 [8]周俊宏，“風速特性對風力發電量之影響評估” 南台 科技大學，電機工程研究所，碩士學位論文，2007。 [9] 黃志弘、蔡豐懋，“街廓量體型態改變對於都市風場 與懸浮微粒 PM10 分佈 之影響” 國立台北科技大學，建築 與都市設計研究所，碩士學位論文， 2005。 [10]風力能技術背景。 http://wais.ee.kuas.edu.tw/energyworld/powerworld/ main/chap04-topics/1.reports/EA/wind/3.htm [11]綠能知識:小型風力發電機安裝地點選擇。 http://www.energytrend.com.tw/knowledge/20120315-3 480.html [12]國立聯合大學，八甲校區配置圖。 http://120.105.144.202/UIPWeb/wSite/public/Attachm ent/f1334127547789.jpg [13]林和毅，“利用 MM5 模式評估台灣地區風能蘊藏量之 研究”，大氣物理研究所，碩士論文，2000。 [14]卓勇志，“邊界層中雙棟並排矩形建築之表面風壓量 測”，國立中央大學，土木工程研究所，碩士論文，2001。 [15]朱佳仁，“國立中央大學大型環境風洞之簡介”，國 立中央大學，土木工程 學系，1997。 [16]朱佳仁，“高層建築物風場環境評估規範研議”，內 政部建築研究所研究報 告，2000。
