臺灣博碩士論文加值系統

波浪能與風能都是一種取之不盡又用之不竭的乾淨能源，然而，在能源匱乏且地球暖化日益嚴重的時代，它們仍未被大量開發利用。本研究主要的波浪能應用原理，是利用海水質量與波浪速度所產生的動量打在一組具有力臂的碗狀葉片上，或是利用風速推動碗狀葉片，使其產生角動量轉動中心軸，然後再帶動發電機構產生電力。為了使該等葉片能不受波浪或風吹方向影響，並且讓轉軸所承受之正、反向角動量淨值達到最大，本研究除了在碗狀葉片外型曲面上做設計以得到最大之曲面面積，同時也將力臂設計成可折彎的兩段式，如此可減短背向運轉之力臂而達到減小背向角動量之目的。除此外，本研究之設計還包含在碗狀葉片之上開設數個孔洞，並在其上裝置彈性簧片，使波浪或風打在碗狀葉片內側時能關閉孔洞，但在從背側來時開啟，如此也可減小背向阻力或背向角動量。另外，本研究之碗狀葉片內側於設計時增加了一些隔板，該等隔板可讓波浪或風打擊在碗狀葉片內側後能具有較大的反彈角度，如此可以增加速度差而增大動量以及角動量之產生。經由上述多項改良設計，一對分處於轉軸兩方之碗狀葉片，其淨角動量輸出可以大為提升，如此便可讓波浪或風力發電之效益提高，而有機會成為具商業價值的乾淨能源產生方式。
依據所設計之模型進行理論分析與實體測試顯示，運轉之效益可以增加一倍以上，進一步以開設孔洞的碗狀葉片模型來進行實測，當波浪或風打在碗狀葉片內側時能關閉孔洞，但在從背側來時開啟，顯現出減小背向阻力所提升的運轉效率可以達到50％以上，如此便增加了發電的商業運轉可能性。

Ocean wave and wind energy are kinds of huge and never ended energy, in the time of rapid developing and energy deficit, both of them should be exploited to content human beings need. In this research, a mechanism for capturing the ocean wave as well as wind energy is designed, which contains a set of bow shape propellers fixed to a rotatable pole by a fordable arms, when ocean wave or wind hit the bow shape propellers, the line momentum of the concave surface should higher than the convex surface. The angular momentum is the product of line momentum and arm length, if length of arm in convex side is shortened with a fordable device, then the difference of angular momentum with the other side will be increased. In order to enlarge the momentum difference on both concave and convex side, holes with one way stop are setting up, when the wave or wind come from convex side, holes will open to lower the resistance and line momentum. Except that, some strips are fixed onto the concave surface to change the return angle of the wave or wind so as to increase the line or angular momentum.
According to the theoretical calculation, the efficiency of wave energy capture mechanism with improving device can be 100% higher than the one without. Also, by practical testing with the real modal only with one way stop hole, almost 50% higher efficiency obtained no matter it was driven by wave or wind.

致謝
中文摘要
英文摘要
目錄...................................................I
表目錄.................................................IV
圖目錄.................................................V
照片目錄...............................................VII
第一章 緒論.........................................1
1-1前言.............................................1
1-2研究動機.........................................2
1-3 國內外海洋能開發現況............................4
1-3-1海洋能源的介紹.................................4
1-3-2波浪能發電現況.................................4
1-3-3海流發電現況...................................5
1-3-4台灣目前的現況.................................7
1-3-5系統發展的必要性...............................8
1-4文獻回顧.........................................10
1-4-1 應用波浪數值模式推算台灣海域波浪特性..........13
1-4-2波浪溯升高預測模式之研究......................20
1-4-3海洋波浪能收集系統研究........................21
1-4-4台灣化學纖維股份有限公司......................23
1-5本文架構........................................24

第二章 風能與波浪能發電機構設計方法.................25
2-1結構設計........................................25
2-2機構功能分析....................................28
2-3折彎力臂對機構之角動量..........................30
2-4具開口簧片碗狀葉片對機構之角動量................30

第三章 風能與波浪能擷取機構製作實驗.................33
3-1 海象觀測.......................................33
3-2實驗機構製作....................................54
3-2-1 主體支架與軸承...............................54
3-2-2 碗狀葉片之設計製作...........................58
3-2-3 模具加工流程.................................64

第四章 實驗結果與討論.................................68
4-1 波浪實驗條件設定與環境.........................68
4-2 直徑25 mm半球形未沖孔碗狀葉片.................69
4-2-1 利用潮汐帶動實驗.............................69
4-2-2 利用波浪帶動實驗.............................70
4-3 直徑80 mm 有孔式碗狀機構葉片 .................72
4-3-1利用潮汐帶動實驗..............................72
4-3-2 利用波浪帶動實驗 ............................73
4-4 兩者均附加風力之實驗...........................75
4-4-1風力發電原理..................................75
4-4-2風力發電機各项特性分析........................75
4-4-3實驗設置地點條件..............................80
4-5 實驗值與討論...................................84

第五章...............................................92
5-1 結論..........................................92
5-2 建議..........................................94

參考文獻.............................................95



表目錄

表1-1風能經濟效益表..................................23
表3-1台灣西岸外埔海象觀測表..........................34
表3-2台灣東岸花蓮海象浮標觀測表......................36
表3-3台灣東岸花蓮海象觀測表..........................37
表3-4花蓮6/5日沿海即時海況..........................41
表3-5花蓮資料浮標6/1~6/5日~5 日逐時資料表...........46
表3-6其它地區即時海況................................53
表3-7模具材料表......................................67
表3-8波浪機構材料表..................................67
表4-1台灣西岸/澎湖縣風力調查表.......................81
表4-2潮汐帶動能量擷取機構實驗結果(葉片型態比較)......84
表4-3潮汐帶動能量擷取機構實驗結果(裝置位置比較)......85
表4-4波浪帶動能量擷取機構實驗結果(葉片型態)..........86
表4-5波浪帶動能量擷取機構實驗結果(裝置位置比較)......88
表4-6利用風力帶動能量擷取機構之實驗結果..............90


圖目錄

圖2-1出力機構示意圖..................................26
圖2-2近海平台或船體安裝示意圖........................26
圖2-3具有折彎功能之力臂機構示意圖....................27
圖2-4碗狀葉片開孔與彈性簧片之設置示意圖..............27
圖2-5曲面分析例......................................29
圖2-6 碗狀葉片正向曲面格框設計.......................29
圖3-1海象觀測系統 ...................................33
圖3-2外埔風時序圖....................................34
圖3-3外埔氣溫/海水表面溫度時序圖.....................35
圖3-4外埔潮位時序圖..................................35
圖3-5外埔站電壓時序圖................................36
圖3-6花蓮風時序圖....................................37
圖3-7花蓮氣溫/海水表面溫度時序圖.....................38
圖3-8花蓮測站氣壓時序圖..............................38
圖3-9花蓮潮位時序圖..................................39
圖3-10花蓮站電壓時序圖...............................39
圖3-11中央氣象局花蓮海象與浮標觀測位置...............40
圖3-12花蓮浮標浪高時序變化圖.........................42
圖3-13花蓮浮標波浪週期時序變化圖......................42
圖3-14花蓮風力時序變化圖.............................43
圖3-15花蓮浮標陣風時序變化圖.........................43
圖3-16花蓮浮標海溫時序變化圖.........................44
圖3-17花蓮浮標氣溫時序變化圖.........................44
圖3-18花蓮浮標氣壓時序變化圖.........................45
圖4-1 CP 與 λ 的關係特性曲線圖......................79
圖4-2風力發電機的輸出功率與風速和電壓的關係圖........79
圖4-3台灣風力資源分布圖..............................80


照片目錄

照片2-1開孔式機構葉片背面............................31
照片2-2開孔式機構葉片正面............................32
照片3-1上部培林......................................54
照片3-2底部培林......................................55
照片3-3中間傳動軸....................................56
照片3-4八等分支架....................................57
照片3-5支架徹面折彎角度為90度.......................57
照片3-6第一種無孔碗狀半球形沖壓圖....................58
照片3-7直徑25mm的半球形葉片.........................59
照片3-8半球形葉片中間鑽4mm...... ....................59
照片3-9碗形葉片成形生產..............................60
照片3-10直徑80mm的碗狀葉片..........................61
照片3-11碗形中間沖孔.................................62
照片3-12直徑40mm的圓孔..............................62
照片3-13單向孔蓋機構.................................63
照片3-14公模仁.......................................64
照片3-15母模仁.......................................65
照片3-16撥料板.......................................65
照片3-17模具組合圖..............,,,,,,,,,............66
照片3-18公母模組合詳圖...............................66
照片4-1直徑25mm半球形未沖孔碗狀葉片潮汐帶動離岸20公尺...69
照片4-2直徑25mm半球形未沖孔碗狀葉片潮汐帶動離岸30公尺...70
照片4-3直徑25mm半球形未沖孔碗狀葉片波浪帶動離岸10公尺....70
照片4-4直徑25mm半球形未沖孔碗狀葉片波浪帶動離岸15公尺...71
照片4-5直徑25mm半球形未沖孔碗狀葉片波浪帶動離岸20公尺....71
照片4-6直徑80mm有孔式碗狀機構葉片潮汐帶動離岸20公尺.....72
照片4-7直徑80mm有孔式碗狀機構葉片潮汐帶動離岸30公尺.....73
照片4-8直徑80mm有孔式碗狀機構葉片波浪帶動離岸10公尺.....73
照片4-9直徑80mm有孔式碗狀機構葉片波浪帶動離岸15公尺......74
照片4-10直徑80mm有孔式碗狀機構葉片波浪帶動離岸20公尺.....74
照片4-11台灣西岸風力測試圖................................82
照片4-12風能無孔式帶動海岸上約20公尺.....................82
照片4-13風能有孔式帶動海岸上約50公尺....................83

[1]網站再現資料
http://cct.me.ntut.edu.tw/ccteducation/greenenergy/
[2]網站再現資料(中央氣象局)
http://www.cwb.gov.tw/V7/index.htm
[3]可再生能源概論，新文京圖書公司出版，鍾金明編著

[4]能源概論，高立圖書公司出版，陳維新著

[5]新能源，新文京圖書公司出版，李方正編著

[6]崑山科技大學：波浪發電之改良，專利證書號M298646(運用領域~綠色能源)。
[7]網站在線資料(台灣實驗室網) http://www.taiwanlab.com.tw/protocol/show.asp?id=8804
[8]國立中山大學海洋環境及工程學系所論文：浮式結構物應用於波浪發電研究，作者：鄭敏良。
[9]標準與測試技術，綠色科技工程與應用研討會論文集，2010年。
[10]淡江大學機械與機電工程學系：波浪能結合壓電膜發電，作者：謝仲豪、陳彥良、李嘉憲。
[12]第32界海洋及海岸工程研討會論文集：波浪發電系統評估與波浪能開發分析，顏志偉，2010年12月，高雄海洋科技大學。
[13]第33界海洋及海岸工程研討會論文集：千瓦級波浪發電系統之研究，陳韋民等，2011年12月，高雄海洋科技大學。
[14]國立成功大學水利及海洋工程研究所碩士論文：模擬浮子位移與功率應用於波浪發電之研究，陳俊嘉，2009年5月。
[15]國立成功大學系統及船舶機電工程研究所碩士論文：岸基震盪水柱式波浪發電系統設計，林繼謙，2009年7月。
[16]國立中山大學海洋環境及工程學系研究所碩士論文：應用波浪數值模式推算台灣海域波浪特性，作者：陳家銘~中華民國 九十六年六月。
[17]逢甲大學水利工程學系碩士班碩士論文：波浪溯升高預測模式之研究，作者：馬樹翎~中華民國九十五年七月。
[18]國立中山大學 海洋環境及工程研究所碩士論文：海洋波浪能收集系統研究，作者：黃士銘~中華民國97年7月。
[19]東華書局台灣能源應用書籍：風力發電，作者：邵承矩 著。