臺灣博碩士論文加值系統

近幾年來，工業迅速蓬勃發展，故大量排放二氧化碳到地球大氣層造成全球暖化，極端氣候災害不斷，可再生能源所產生的污染與廢棄物相對較少，風力能源為可再生能源之一；因風力發電機長期受風吹日曬，長期下來可能造成看不到的損害，所以需定期維護監控並及時發現故障以降低危險與成本。
本研究於台中港清水高美海濱，利用遠距微波雷達系統IBIS檢測風車塔柱的振動頻率並針對第十八號風車塔柱進行分析及利用一維頻率域連續解1DC程式模擬風車塔柱的振動頻率，最後再利用時域頻譜分析程式觀察出現其他振動頻率時的頻率變化。
研究結果發現遠距微波雷達系統IBIS檢測分析後，風速的強弱是會影響頻率的大小及出現其他的振動頻率；一維頻率域連續解1DC程式模擬風車塔柱可看出隨EI值的降低頻率也會隨著降低，越高的位置(離轉子越近的段數)EI值降幅產生的影響較不明顯；時域頻譜程式分析後可推知葉片與塔柱的重疊在風速較強時對IBIS監測是有影響的，塔柱在較高的監測位置可能無法整體反應實際的所有振動頻率，在較低的監測位置則無此狀況。

Wind turbine towers are in need of condition monitoring so as to lower the cost of unexpected maintenance such as collapse caused by the wind gust in extreme weather conditions. Experimental studies concerned with the vibration analyses of turbine towers are very rare due to difficulties on in-situ measurements. Current research applied remote displacement measurements to wind turbine towers using a microwave interferometer IBIS. The recorded data sequences were analyzed both in frequency domain and time-frequency domain. The results showed that multiple dominant frequencies probably were resulted from varying wind conditions in the time of measurements. Numerical analysis was also performed using spectral finite elements based on a beam model. The effect of reduced stiffness proves to cause decrease in the dominant frequency. Increase in the added mass at the free end of the beam model also decreases the dominant frequency.

摘要 I
ABSTRACT II
誌謝 III
目錄 IV
圖目錄 VII
表目錄 XI
第一章 緒論 1
1.1研究動機與目的 1
1.2研究方法 1
1.3研究流程 2
第二章 文獻回顧 4
2.1小型風力發電機葉片之熱影像法檢測與熱學分析 4
2.2 遠距微波雷達系統應用於風力發電機結構檢測之初步研究 6
2.3風力發電機現況監測技術與方法 7
2.4使用微波傳感器測試運轉中的風力發電塔 10
2.5一維頻率域連續解1DC 12
2.6小結 14
第三章 IBIS原理與儀器檢測結果 15
3.1遠距微波雷達系統 15
3.2檢測介紹 17
3.3檢測結果 19
3.3.1 第九號風力發電機 19
3.3.2第十八號風力發電機 23
3.3.2-1 2013.08.19檢測結果 23
3.3.2-2 2013.11.13檢測結果 27
3.3.2-3 2013.12.31檢測結果 31
3.3.3第十五、十六、十七、十八號風力發電機(群塔) 35
第四章 理論基礎 40
4.1 簡單樑模型原理 40
4.2一維頻率域連續解方程式1DC原理 46
4.3 1DC程式與理論解分析驗證 47
4.4 1DC程式模型介紹 49
4.5 1DC程式模擬結果 51
4.5.1 未加質量 ，EI值未改變 51
4.5.2 改變質量，EI值未改變 52
4.5.3 100噸質量，EI值改變 53
第五章結果與討論 58
5.1遠距微波雷達系統檢測十八號風力風電機 58
5.2時域頻譜分析 61
5.2.1 第十八號風力發電機之時域頻譜分析結果 62
(一) 2013.08.19分析結果 62
(二) 2013.11.13分析結果 65
(三) 2013.12.31分析結果 70
5.2.2 第十八號風力發電機之IBIS反射點對應塔柱實際垂直距離 72
(一) 垂直高度相近之反射點的分析結果比較 74
(二) 改變振幅門檻值比較三筆資料結果 76
5.3 一維頻率域連續解1DC程式分析結果 83
第六章 結論與建議 85
6.1結論 85
6.2建議 86
參考文獻 87
附錄 89












圖目錄
圖2- 1發電機故障樹分析圖[3] 9
圖2- 2 儀器照射風車示意圖及風車葉片角頻率示意圖 11
圖3- 1遠距微波動態位移測量儀[2] 16
圖3- 2 階狀頻率連續雷達波之(A)波形及(B)頻譜示意圖[2] 16
圖3- 3雷達之(A)水平[2]與(B)垂直有效檢測範圍[4] 16
圖3- 4風力發電機系統與現地檢測照片 18
圖3- 5風力發電機塔柱結構系統IBIS檢測即時位移時域訊號 20
圖3- 6 20秒訊號各反射位置之即時位移圖 20
圖3- 7風力發電機塔柱結構系統IBIS檢測位移頻率域15分鐘 20
圖3- 8風力發電機塔柱結構系統IBIS檢測FDD模態分析 21
圖3- 9風力發電機塔柱結構系統IBIS檢測模態振型 22
圖3- 10 風力發電機塔柱結構系統頻率圖 22
圖3- 11風力發電機塔柱結構系統IBIS檢測即時位移時域訊號 24
圖3- 12 20秒訊號各反射位置之即時位移圖 24
圖3- 13風力發電機塔柱結構系統IBIS檢測位移頻率域5分鐘訊號 24
圖3- 14風力發電機塔柱結構系統IBIS檢測FDD模態分析 25
圖3- 15風力發電機塔柱結構系統IBIS檢測模態振型 25
圖3- 16風力發電機塔柱結構系統頻率圖 26
圖3- 17風力發電機塔柱結構系統IBIS檢測即時位移時域訊號 28
圖3- 18 20秒訊號各反射位置之即時位移圖 28
圖3- 19 風力發電機塔柱結構系統IBIS檢測位移頻率域10分鐘訊號 28
圖3- 20風力發電機塔柱結構系統IBIS檢測FDD模態分析 29
圖3- 21風力發電機塔柱結構系統IBIS檢測模態振型 30
圖3- 22風力發電機塔柱結構系統頻率圖 30
圖3- 23風力發電機塔柱結構系統IBIS檢測即時位移時域訊號 32
圖3- 24 20秒訊號各反射位置之即時位移圖 32
圖3- 25風力發電機塔柱結構系統IBIS檢測位移頻率域5分鐘訊號 32
圖3- 26 風力發電機塔柱結構系統IBIS檢測FDD模態分析 33
圖3- 27風力發電機塔柱結構系統IBIS檢測模態振型 34
圖3- 28風力發電機塔柱結構系統頻率圖 34
圖3- 29風力發電機塔柱結構系統IBIS檢測即時位移時域訊號 36
圖3- 30 20秒訊號各反射位置之即時位移圖 36
圖3- 31風力發電機塔柱結構系統IBIS檢測位移頻率域12分鐘訊號 36
圖3- 32風力發電機塔柱結構系統IBIS檢測FDD模態分析 37
圖3- 33風力發電機塔柱結構系統頻率圖 38
圖3- 34風力發電機塔柱結構系統IBIS檢測FDD模態分析 39
圖4- 1一維頻率域連續解方程式(A) 1DC模擬圖(B)塔柱剖面圖 50
圖4- 2一維頻率域連續解方程式-整體頻率模擬 51
圖4- 3一維頻率域連續解方程式-圖4-2局部放大 51
圖4- 4一維頻率域連續解方程式-整體頻率模擬 52
圖4- 5一維頻率域連續解方程式-圖4-4局部放大 52
圖4- 6第一段EI值降幅-整體頻率模擬 53
圖4- 7第一段EI值降幅-圖4-6局部放大 53
圖4- 8第二段EI值降幅-整體頻率模擬 54
圖4- 9第二段EI值降幅-圖4-8局部放大 54
圖4- 10第三段EI值降幅-整體頻率模擬 55
圖4- 11第三段EI值降幅-圖4-10局部放大 55
圖4- 12第十段EI值降幅-整體頻率模擬 56
圖4- 13第十段EI值降幅-圖4-12局部放大 56
圖4- 14第十一段EI值降幅-整體頻率模擬 57
圖4- 15第十一段EI值降幅-圖4-14局部放大 57
圖5- 1時域頻譜分析程式介面 61
圖5- 2時域頻譜單筆資料分析(A)反射點23(B)反射點35(C)反射點40 64
圖5- 3時域頻譜單筆資料分析(A)反射點20(B)反射點30(C)反射點47 67
圖5- 4反射點85時域頻譜分析(A)全部分析結果(B)第0秒~100秒 69
圖5- 5時域頻譜單筆資料分析(A)反射點22(B)反射點31(C)反射點37 71
圖5- 6時域頻譜單筆資料分析(A)8月份(B)11月份(C)12月份 75
圖5- 7八月份-振幅門檻值為-30 78
圖5- 8十一月份-振幅門檻值為-30 80
圖5- 9十二月份-振幅門檻值為-30 82
附圖A- 1 時域頻譜單筆資料分析 89
附圖A- 2時域頻譜單筆資料分析 90
附圖A- 3時域頻譜單筆資料分析 91
附圖A- 4時域頻譜單筆資料分析 92
附圖A- 5時域頻譜單筆資料分析 93
附圖A- 6時域頻譜單筆資料分析 94
附圖A- 7時域頻譜單筆資料分析 95
附圖A- 8時域頻譜單筆資料分析 96
附圖A- 9時域頻譜單筆資料分析 97
附圖A- 10時域頻譜單筆資料分析 98
附圖A- 11時域頻譜單筆資料分析 99
附圖A- 12時域頻譜單筆資料分析 100
附圖A- 13時域頻譜單筆資料分析 101



表目錄
表2- 1 戶外及室內實驗影像分析結果 4
表2- 2 ANSYS有限元素模擬分析結果 4
表2- 3現況監測技術-風力發電機狀態監控信號處理方法[3] 8
表2- 4 IBIS檢測結果分析 10
表3- 1雷達操作參數規格[2] 16
表3- 2風力發電機系統規格一覽表 17
表3- 3風力發電機系統構件重量一覽表[16] 17
表3- 4第九號風車檢測資料 19
表3- 5第十八號風車檢測資料 23
表3- 6第十八號風車檢測資料 27
表3- 7第十八號風車檢測資料 31
表3- 8群塔風車檢測資料 35
表4- 1 1DC理論與模型數值分析表(塔柱厚度設定為0.2m) 47
表4- 2 100噸質量1DC理論與數值分析表(塔柱厚度設定為0.2m) 48
表4- 3材料參數設定 49
表5- 1 2013.08.19檢測結果 59
表5- 2 2013.11.13檢測結果 59
表5- 3 2013.12.31檢測結果 59
表5- 4一小時平均風速 60
表5- 5葉片振動頻率 60
表5- 6時域頻譜程式設定參數 62
表5- 7時域頻譜程式設定參數 65
表5- 8反射點85-擷取四段時間 68
表5- 9時域頻譜程式設定參數 70
表5- 14第十八號風力發電機系統規格 72
表5- 15實際塔柱尺寸 72
表5- 16風車之IBIS反射點至地面的垂直高度及對應實際塔柱段數 73
表5- 10 IBIS檢測數據 74
表5- 11八月份-振幅門檻值為-30 76
表5- 12十一月份-振幅門檻值為-30 79
表5- 13十二月份-振幅門檻值為-30 81
表5- 17質量改變之頻率變化 83
表5- 18第一至第六段EI值降幅之頻率變化 83
表5- 19第七至第十一段EI值降幅之頻率變化 84
表5- 20第一至第十一段之振動頻率平均值與標準差 84
附表A- 1每視窗重複前面訊號20%，振幅門檻值:-30dB 89
附表A- 2每視窗重複前面訊號40%，振幅門檻值:-30dB 90
附表A- 3每視窗重複前面訊號60%，振幅門檻值:-30dB 91
附表A- 4每視窗重複前面訊號80%，振幅門檻值:-30dB 92
附表A- 5每視窗重複前面訊號20%，振幅門檻值:-50dB 93
附表A- 6每視窗重複前面訊號40%，振幅門檻值:-50dB 94
附表A- 7每視窗重複前面訊號60%，振幅門檻值:-50dB 95
附表A- 8每視窗重複前面訊號80%，振幅門檻值:-50dB 96
附表A- 9比較三筆相同垂直高度資料，視窗點數:1024點 97
附表A- 10比較三筆相同垂直高度資料，視窗點數:2048點 98
附表A- 11比較三筆相同垂直高度資料，視窗點數:4096點 99
附表A- 12 反射點74細部分析 100
附表A- 13 反射點80細部分析 101

1.何厚緯，「小型風力發電機葉片之熱影像法檢測與熱學分析」，碩士論文，朝陽科技大學營建工程系所，台中，2013
2.許耿蒼、鄭家齊、江支弘、柯盈慈，「遠距微波雷達系統應用於風力發電機結構檢測之初步研究」，第16屆非破壞研討會，2012
3.Fausto Pedro García Márquez, Andrew Mark Tobias, Jesús María Pinar Pérez, Mayorkinos Papaelias，”Condition monitoring of wind turbines: Techniques and methods”，Renewable Energy 46，2012， P.169-178
4.Massimiliano Pieraccini, Filippo Parrini, Matteo Fratini, Carlo Atzeni, Paolo Spinelli，”In-service testing of wind turbine towers using a microwave sensor”，Renewable Energy 33，2008，P. 13–21
5.Chih-Hung Chiang, Chih-Peng Yu, Keng-Tsang Hsu, Chia-Chi Cheng, Ying-Tzu Ke, Yi-Ru Shih，”Remote monitoring and nondestructive evaluation of wind turbine towers”，Center for NDT, Chaoyang Univ. of Technology; Dept. of Construction Engineering, Chaoyang Univ. of Technology, 168 Gifong E. Rd., Wufong, Taichung 41349, TAIWAN，2014
6.林政勳，「細長混凝土桿之應用衝擊錘反應」，碩士論文，朝陽科技大學營建工程系所，台中，2002
7.王啟明，「擊反應於混凝土軸向構件勁度評估之可能性」，碩士論文，朝陽科技大學營建工程系所，台中，2005
8.謝逸儒，「模態曲率應用於混凝土梁損傷檢測」，碩士論文，朝陽科技大學營建工程系所，台中，2007
9.陳佑嘉，「受軸力梁桿件之基本振動特性」，碩士論文，朝陽科技大學營建工程系所，台中，2008
10.李雅玲，「研究預力鋼件振動模態頻率之變化」，碩士論文，朝陽科技大學營建工程系所，台中，2010
11.林巧玲，「針對單一結構探討桿件損壞之情況」，碩士論文，朝陽科技大學營建工程系所，台中，2010
12.ANIL K.CHOPRA，DYNAMICS OF STRUCTURES，Upper Saddle River,NJ 07458，WWW.prenhall.com
13.Chia-Chi CHENG, Ying-Tzu Ke, and Tsung-Che Liu (2012) ”Using One impact and one Receiver to Evaluate Debonding of Steel Plate Strengthened Concrete”, Third International Symposium on Computational Mechanics (ISCM III) Second Symposium on Computational Structural Engineering (CSE II), December 5-7, 2011, Taipei, TAIWAN
14.鄭家齊、江瑞驥、柯盈慈，以表面波頻散曲線檢測混凝土表面劣化層深度之初步研究，台灣混凝土學會2013年混凝土工程研討會，2013，12月，台北。
15.Chiang, C-H., Cheng,C-C., Hsu, K-T., Huang, C-L. (2014) Remote monitoring of tower vibrations of wind turbine systems. (in preparation)
Univ. of Technology, 168 Gifong E. Rd., Wufong, Taichung 41349,
TAIWAN，2014
16.湘電Z72風電機組總體技術說明，中國湘潭電機股份有限公司，http://www.docin.com/p-52554593.html
17.湘電風能有限公司技術文件Z72-2000安裝手冊，http://www.docin.com/p-102570160.html
18.Brincker R. ,Ventura C.E. ,and Andersen P. ,2001. ”Damping Estimation by Frequency Domain Decomposition ” ,Proceedings of 19th International Modal Analysis Conference(IMAC) ,Kissimmee,Florida,USA
19.Chih-Hung Chiang, Chi-Lung Huang, Keng-Tseng Hsu, Chia-Chi Cheng, Chih-Peng Yu (2015) “Time frequency analyses of vibrations of wind turbine towers,” SPIE 2015 Smart Structures NDE (in preparation).