在50kW風力發電機中,外罩式風力發電機的外罩,到底遭遇到何種問題呢?起先,結構設計的方向是剛性結構,亦即不斷提高外罩的剛度以達小變形,其目的是要避免外罩結構遭受到損壞。然而,外罩剛度過高會導致風力發電機失去自動對向的能力,因而我打算把外罩變更改為採取柔性結構設計。
一、RIB加勁格網式
我評估過格網狀外罩,但是此做法非常費工,其製作成本非常高昂。在ANSYS做結構分析方面,我是採用實體對面做線切割,在內部以面對線條做網格,對兩道面在空間建立肋條(rib),此做法可以精準的定義肋條。RIB的製造技術,我有實際見過其過程,整套做法算高價施工,外罩會導致過高的費用,不是良好的工法選擇。我在50kW葉片的結構分析,已經使用肋條的加勁建模方式,因而大型葉片必須使用肋條加勁。我的肋條建模方式,採用空間直接建模,並不存在技術障礙。
二、ㄇ型單元組合式
在外罩研發階段,有實際做出的一種嘗試性的選擇,採用多個ㄇ型單元外罩的組合模式,此外罩結構設計肇因於剛度不足是失敗品。我採用結構實驗,經由實測證實其撓曲強度不足,無法在真實風力環境正常營運。此構造型式有機會可行,然而外罩單元厚度會很厚,其問題仍然取決於成本高昂,其成本不如RIB加勁格網式。
三、夾層填充泡棉式
我認為,外罩必然有相當程度的厚度,此時崨豹科技實際的老闆陳世雄教授,乃提出外罩填充泡棉的夾層式複合結構。換言之,外罩採用的是積層材料的柔性結構,亦即外罩採用的是薄殼結構設計,實際填充輕盈的泡棉在支撐薄殼實體。此構造觀念相當於I型鋼,上、下翼版為外罩薄殼實體,腹版為填充泡棉維持剪力強度。泡棉的填充密度高低,將取決於外罩迎風向風力的剪力強度,以其彈性變形抗衡橫風向風力的剪力。外罩的質量過高,將影響外罩受風自動轉向,因而要精確控制薄殼和泡棉。此構造型式未被實作,因為同事都認為其自動轉向會有困難。
Jetpro Technology, Inc.: JPS-200
大型風力發電機的轉向,幾乎都是靠風速風向計去追蹤風向,然後自動控制轉向馬達讓風力發電機轉向。崨豹科技要憑靠外罩導致自動轉向,對此特色的堅持是無法實作落實的關鍵原因。以技術研發成功的產品來說,JPS-200無轉向馬達及其自動控制系統。JPS-200的3片ㄇ型單元外罩,採用均質塑膠材料經射出成形的製程,此乃是小型風力發電機的適當做法,不適用於積層材料的大型風力發電機。在彰濱工業區,JPS-200的原型機,其外罩在颱風後遭遇到破壞,因而外罩有稍微增厚提高強度。颱風瞬間最大陣風,有可能些微超越設計風速,尤其彰濱工業區是在海邊,其風速本來即高於平地風速。
不存在的產品的結構設計,要顧及原特色和標榜的條件,否則產品會變得難以掌握和控制。
References
一、RIB加勁格網式
我評估過格網狀外罩,但是此做法非常費工,其製作成本非常高昂。在ANSYS做結構分析方面,我是採用實體對面做線切割,在內部以面對線條做網格,對兩道面在空間建立肋條(rib),此做法可以精準的定義肋條。RIB的製造技術,我有實際見過其過程,整套做法算高價施工,外罩會導致過高的費用,不是良好的工法選擇。我在50kW葉片的結構分析,已經使用肋條的加勁建模方式,因而大型葉片必須使用肋條加勁。我的肋條建模方式,採用空間直接建模,並不存在技術障礙。
二、ㄇ型單元組合式
在外罩研發階段,有實際做出的一種嘗試性的選擇,採用多個ㄇ型單元外罩的組合模式,此外罩結構設計肇因於剛度不足是失敗品。我採用結構實驗,經由實測證實其撓曲強度不足,無法在真實風力環境正常營運。此構造型式有機會可行,然而外罩單元厚度會很厚,其問題仍然取決於成本高昂,其成本不如RIB加勁格網式。
三、夾層填充泡棉式
我認為,外罩必然有相當程度的厚度,此時崨豹科技實際的老闆陳世雄教授,乃提出外罩填充泡棉的夾層式複合結構。換言之,外罩採用的是積層材料的柔性結構,亦即外罩採用的是薄殼結構設計,實際填充輕盈的泡棉在支撐薄殼實體。此構造觀念相當於I型鋼,上、下翼版為外罩薄殼實體,腹版為填充泡棉維持剪力強度。泡棉的填充密度高低,將取決於外罩迎風向風力的剪力強度,以其彈性變形抗衡橫風向風力的剪力。外罩的質量過高,將影響外罩受風自動轉向,因而要精確控制薄殼和泡棉。此構造型式未被實作,因為同事都認為其自動轉向會有困難。
大型風力發電機的轉向,幾乎都是靠風速風向計去追蹤風向,然後自動控制轉向馬達讓風力發電機轉向。崨豹科技要憑靠外罩導致自動轉向,對此特色的堅持是無法實作落實的關鍵原因。以技術研發成功的產品來說,JPS-200無轉向馬達及其自動控制系統。JPS-200的3片ㄇ型單元外罩,採用均質塑膠材料經射出成形的製程,此乃是小型風力發電機的適當做法,不適用於積層材料的大型風力發電機。在彰濱工業區,JPS-200的原型機,其外罩在颱風後遭遇到破壞,因而外罩有稍微增厚提高強度。颱風瞬間最大陣風,有可能些微超越設計風速,尤其彰濱工業區是在海邊,其風速本來即高於平地風速。
不存在的產品的結構設計,要顧及原特色和標榜的條件,否則產品會變得難以掌握和控制。
References
- 黃慶民(2016,09.27)外罩式風力發電機的可行性評估,黃慶民土木
- 沈觀林、胡更開(2006.09)複合材料力學,清華大學出版社