以風力壓縮空氣儲能系統之效率評估與無段變速控制器設計

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研究生：	蔡峻宇 Tsai, Jyun-Yu
論文名稱：	以風力壓縮空氣儲能系統之效率評估與無段變速控制器設計 Efficiency Analysis and Controller Design of CVP in a Pneumatic Wind Energy Storage System
指導教授：	蕭德瑛 Shaw, Dein
口試委員:	蔡宏營 Tsai, Hung-Yin 陳彥升 Chen, Yen-Sheng
學位類別：	碩士 Master
系所名稱：	工學院 - 動力機械工程學系 Department of Power Mechanical Engineering
論文出版年：	2011
畢業學年度：	99
語文別：	中文
論文頁數：	123
中文關鍵詞：	壓縮空氣、風能儲能系統、飛輪、控制器設計、無段變速器
外文關鍵詞：	compressed air, pneumatic wind storage system, flywheel, controller design, continuously variable planetary transmission
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本研究是要設計一無段變速控制器，能根據風速以及飛輪轉速自動調整其變速比，使飛輪更快速且有效率的累積至可壓縮空氣的轉速，並使風車操作在最大輸出功率下，讓風能轉換成壓縮空氣的效率能提升。
本研究會先介紹善用風力壓縮空氣儲能的系統架構及系統中各部份的功能，敘述整體系統如何將風中的能量轉換成壓縮空氣作儲存。
本研究將照著變速控制器設計流程圖的步驟依序來進行分析與設計，以機械式變速控制器為首要目標來設計，完成後評估其效率與可行性，同時設計電子式變速控制器。
控制器設計完成後，本研究繪製一效率比較圖，比較風車直接驅動空壓機的效率與本研究設計的飛輪儲能系統壓縮空氣的效率，藉此獲得一參考比較的基準。

The purpose of this research is to design a controller of a continuously variable planetary transmission(CVP). The controller can adjust the gear ratio based on wind speeds and the rotational speed of a flywheel. With this controller, the flywheel can rapidly reach the rotational speed which is suitable for compressing the air into a tank. Also, a wind turbine can be operated at the best efficiency point with this controller. Therefore, the efficiency of transforming wind energy into compressed air improves.
Structure of pneumatic storage system with the turbine as well as the flywheel and how each part functions will be introduced. How the wind energy transforms into the compressed air in the system will also be illustrated.
The process of designing the controller is followed in the research. A mechanical controller is a priority to design, and the efficiency and the availability are analyzed after the design of mechanical controller. If the result is not as good as estimated, the design of an electronic one will be adopted.
After the design of the controller is finished, an efficiency comparison will be proceeded as a reference to improve. The two systems compared are one which punches the air directly driven by the turbine and another, we design, which punches the air by the energy stored in the flywheel.

第一章    緒論    1
1    前言    1
2    背景    2
3    研究動機    5
4    研究目的    7
第二章    文獻回顧與原理    8
1    系統文獻回顧    8
1.1    將不穩定風力儲能後再輸出之方法    8
1.2    自然資源之儲能再生系統及其方法    9
1.3    Method and apparatus for energy harvesting using rotational energy storage and release    10
2    控制器文獻回顧    11
3    風力發電機演進歷史    17
4    無段變速作動原理    19
4.1    CVT運作原理    19
4.2    NuVinci CVP運作原理    21
5    扇葉與入風角度的關係    23
6    風力直接壓縮空氣儲能    26
第三章    系統架構    28
1    系統架構圖    28
2    部件功能說明    28
3    系統作動流程    35
第四章    變速控制器設計    36
1    控制器設計流程圖    36
2    單變數無段變速系統作動情況分析    39
3    構想符合分析之機構設計    40
3.1    單變數控制器架構    40
3.2    單變數控制器能量輸入來源    42
3.2    單變數控制器機構設計    43
4    機構理論可行性分析    45
4.1    單變數控制器理論運作    45
4.2    普利珠施力估算    46
4.3    整體力量估算    49
5    單變數控制器製作    51
6    單變數控制器實際運作情況    52
6.1    單變數控制器簡化測試    52
6.2    變速器阻力探討    54
6.3    變速器施力探討    56
7    效率與功能實現性評估    62
第五章    電子式控制器設計    64
1    電子式控制器設計流程    64
2    處理器選用    65
3    風速計、轉速計與致動器選用    67
3.1    風速計選用    68
3.2    轉速計選用    69
3.3    致動器選用    70
4    處理器的訊號接收與輸出    71
4.1    處理器端風速計訊號的接收    72
4.2    處理器端轉速計訊號的接收    72
4.3    致動器端處理器訊號的接收    72
5    處理器的運算法則    73
第六章    風力直接壓縮空氣儲能系統與飛輪儲能壓縮空氣系統的效率比較    77
1    效率比較圖繪製流程    77
2    風車直接驅動空壓機效率量測    79
2.1    風車提供的力矩與風速、轉速的關係    80
2.2    空壓機所需力矩與壓力、轉速的關係    81
2.3    變速比的決定    83
2.4    動態平衡轉速    87
2.5    效率計算    88
3    飛輪儲能壓縮空氣系統效率量測    91
3.1    設定接合轉速    92
3.2    變速比分析    95
3.2.1    重新設定風速與轉速範圍    97
3.2.2    IVT設計    98
3.3    飛輪儲能壓縮空氣系統效率模擬    102
3.4    飛輪儲能壓縮空氣系統效率計算    109
4    效率比較討論    111
4.1    風力直接壓縮空氣儲能系統與飛輪儲能壓縮空氣系統的效率討論    111
4.2    電力驅動空壓機效率討論    116
第七章    結論與未來展望    118
1    結論    118
2    未來展望    120
參考資料    122

                                

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全文公開日期本全文未授權公開 (校內網路)
全文公開日期本全文未授權公開 (校外網路)

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