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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:楊文政
研究生(外文):Wen-JengYang
論文名稱:小型水力發電機之研製
論文名稱(外文):Design and implementation of a small scale water power generator
指導教授:周榮華周榮華引用關係
指導教授(外文):Jung-Hua Chou
學位類別:碩士
校院名稱:國立成功大學
系所名稱:工程科學系專班
學門:工程學門
學類:綜合工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2012
畢業學年度:100
語文別:中文
論文頁數:52
中文關鍵詞:小型水力發電機可用能高速運轉永磁式發電機
外文關鍵詞:Small-Hydraulic Power GeneratorAvailably EnergyHigh-Speed Permanent Magnet Generator
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台灣天然資源缺乏,大部分的能源都仰賴進口。在能源短缺的情況下,如何讓有限的能源發揮最大功效,是值得深思和研究的問題。
為了使水資源更有效被利用,本論文研發一台小型水力發電機,可使一般的水龍頭不只是流出水量,還可以產生電能,即在用水的同時也能產生電能,增加水的可用能的使用率。根據發電機原理利用強力磁石,設計出一款體積小、構造簡單、成本低且可高速運轉的永磁式發電機。利用位於三樓約10公尺高的蓄水池水,流經管路到水箱,並使用噴嘴來加速流體的流速,使流體產生較大的衝擊力,進而推動水輪機葉片產生高速迴轉,再帶動發電機發電。
經實驗後得到,在約1 kgf/cm 的水龍頭壓力下,經噴嘴加速後,水的流速約12.2 m/s、轉子轉速約5500 rpm,發電機無載時產生的感應線電壓為45V,可驅動20顆10000 mcd串連的LED燈亮,當LED並聯時則可點亮100顆以上。水輪機轉換總效率為26%。

Abstract
In Taiwan, we all know that most of oil and water energies are relied on import. Due to energy shortage, it will be worth to think and research about how to maximize the effectiveness of Taiwan’s limited natural resources.
In order to use water resources effectively, the purpose of this study is to develop a Small-Hydraulic Power Generator, which let’s the faucet not only provide water, but also release energy. This will increase the usage of availably water energy for electricity. According to the principle of the generator, we design a High-Speed Permanent Magnet Generator with a small and simple structure and low cost. Water from a reservoir which is located on the third floor of about 10 meter’s high flows through the pipe to the tank, via and use the nozzle to accelerate the fluid velocity. Thus high velocity water impacts the turbine blade to produce a high-speed rotation to drive the generator to generate electricity.
Test results show that a hydrostatic head of about 1 kg/cm under the faucet can have a water flow rate of about 12.2 m/s and rotor speed of about 5500 rpm after acceleration through the nozzle. The line induced electromotive force the generator with no-load is 45 V. This can light series connected 20 pcs 10000 mcd LEDs, or 100 pcs LEDs by shunt connection. The total efficiency is about 26%.

摘要 I
Abstract II
誌謝 III
目錄 IV
表目錄 VI
圖目錄 VII
符號說明 IX
第一章 緒論 1
1-1 前言 1
1-2 研究動機 1
1-3 文獻回顧 2
第二章 水輪機之形式與理論 11
2-1 水輪機之理論 11
2-2 水輪機之種類 12
第三章 同步發電機之原理 14
3-1 永磁式發電機 14
3-2 永久磁性材料簡介 16
3-2-1 磁滯曲線 17
3-2-2 永久磁石 18
3-3 小型發電系統 19
第四章 小水力發電機之設計 21
4-1 發電機基本條件決定 22
4-2 發電機的轉子型態 24
4-3 定子繞線方式及導線選用 25
4-4 水輪機動葉輪設計 27
4-5 水箱及噴嘴設計 28
4-6 多台發電機組合設計 29
第五章 實驗方法與結果 31
第六章 結論與建議 47
6-1 結論 47
6-2 建議 48
參考文獻 50

表目錄
表1.1 文獻各發電機相關尺寸結構數據表 6
表1.2 本文發電機相關尺寸結構數據表 7
表1.3 有鐵芯與無鐵芯設計比較 8
表3.1 各種磁石優缺點 19
表5.1 環境測試結果 31
表5.2 I型A葉輪測試 32
表5.3 I型B葉輪測試 32
表5.4 I型C葉輪測試 33
表5.5 I型發電機無載測試數據 35
表5.6 I型發電機有載固定水量測試數據 37
表5.7 I型發電機有載轉速固定測試數據 38
表5.8 ψ1.5 mm的噴嘴最佳搭配運轉測試 39
表5.9 ψ2 mm的噴嘴最佳搭配運轉測試 39
表5.10 ψ2 mm的噴嘴配合E葉輪負載225 Ω測試 40
表5.11 ψ1.5 mm的噴嘴配合F葉輪負載600 Ω測試 40
表5.12 II型發電機無載測試 43

圖目錄
圖1-1 低轉速輪軸發電機結構 3
圖1-2 小容量風力發電機結構 3
圖1-3 Halbach 磁石平行排列方式 4
圖1-4 Halbach 磁石圓形排列方式 4
圖1-5 参仟瓦低頓轉扭矩風力發電機結構 5
圖1-6 行星式軸向磁通永磁無鐵芯無刷單向交流發電機 5
圖1-7 小型風力發電機結構 6
圖1-8 佩爾吞水輪發電機組示意圖 9
圖1-9 法蘭西氏水輪發電機組示意圖 10
圖1-10 螺旋槳水輪機組示意圖 10
圖3-1 無鐵芯無導引磁路結構之發電機 15
圖3-2 磁滯曲線 17
圖3-3 太陽能發電系統 20
圖4-1 發電機設計流程 21
圖4-2 發電機之單相等效電路圖 23
圖4-3 表面黏著法轉子 24
圖4-4 內藏轉子槽內 24
圖4-5 轉子結構 25
圖4-6 波繞方式 26
圖4-7 I型發電機組合圖 26
圖4-8 II型發電機組合圖 26
圖4-9 葉輪種類 27
圖4-10 水柱與葉片上緣垂直 28
圖4-11 葉片傾斜角70˚ 28
圖4-12 螺旋槳式葉輪 28
圖4-13 水箱立體剖面圖與噴嘴照 29
圖4-14 行星式組合發電機 30
圖4-15 行星式組合發電機(無載電壓180 V) 30
圖5-1 現場裝設 31
圖5-2 管路流程圖 31
圖5-3 直徑1.5 mm噴嘴推動各葉輪之比較 33
圖5-4 直徑2.0 mm噴嘴推動各葉輪之比較 34
圖5-5 I型發電機無載測試 34
圖5-6 I型發電機電壓-轉速 35
圖5-7 固定水量外接等效負載電路圖 36
圖5-8 固定水量測試 37
圖5-9 固定水量在不同負載輸出時之功率與效率 38
圖5-10 固定轉速測試 38
圖5-11 ψ2mm噴嘴之流量-功率 40
圖5-12 ψ1.5 mm噴嘴之流量-功率 41
圖5-13 II型發電機無載測試 44
圖5-14 疊繞法 44
圖5-15 波繞法 44
圖5-16 理想電壓波形 45
圖6-1 切線水柱與凹型葉輪 49

參考文獻
[1] 林肯編,低轉速輪軸發電機之研發,逢甲大學電機工程學系碩士論文,2005年.
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(http://www.upwind.eu/media/811/Deliverable_1B2.b.1.pdf, Date:2011-11-15)

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