臺灣博碩士論文加值系統

摘 要
目前全世界的風力發電系統主要有兩種：(1)水平軸式風力發電機系統、(2)垂直軸式風力發電機系統，本文係研究其模型及實體製作。首先收集及研讀風力發電機相關文獻；然後進行水平軸式(包括傳統一種及創新八種)和垂直軸式(包括傳統一種及創新八種)的風力發電機葉片模型之研究，採用的創新方法學為仿生學(Bionics)及萃智(TRIZ)理論，其中有三種垂直軸式葉片使用萃智理論創新；有八種水平軸式葉片及五種垂直軸式葉片使用仿生學創新；然後使用3D建模軟體(SpaceClaim、SolidWorks、AutoCAD)繪製圖形及RP 3D印表機(FORTUS 360mc)製作模型，再藉由一套風力發電機實驗平台(WINDTRAINER)，裝上風力發電機葉片模型，並調整風速大小(4 m/s~12 m/s)，對各種風力發電機葉片模型逐一測試其發電電壓、電流，然後比較其發電功率Pa值及發電效率係數Cp值之優劣，找出好的水平軸式及垂直軸式風力發電機葉片。
經研究發現，水平軸式Cp 值第一為賓特利型葉片、第二為幸運草造型葉片；垂直軸式Cp值第一為太極扭旋葉片、第二為台灣造型葉片。另外，商業廣告、招徠顧客的創新風力發電機葉片，有賓特利型葉片及台灣造型葉片其Cp值佳，棒球組造型葉片雖然頗吸引人，但Cp 值需再改善，這些以吸引顧客為導向的創新葉片乃是超越了傳統風力發電機葉片造型的思維。其次，在實體製作方面，採購並安裝一台300W垂直軸風力發電機、弧型葉片、螺旋型葉片、一支3米高塔柱、一台控制器、兩顆蓄電池及一個LED路燈負載等，搭配一台PC及安裝監控軟體做測試，在2014年冬季、2015年蘇迪勒颱風和杜鵑颱風過境期間及冬季、2016年的尼伯特颱風過境期間及冬季，均獲得極佳的發電量。最後，本研發成果可提供教學、研究使用，而創新葉片已參加國際發明展獲獎，為校爭光。

ABSTRACT
The global wind power systems at present include two main types: (1) horizontal axis wind turbine (HAWT) system, and (2) vertical axis wind turbine (VAWT) system. This paper studied on wind blade models development and reality manufacture. First, the researcher collected and read related literature of wind power systems. Second, the researcher studied on HAWT blade (including one traditional model and eight innovative models) and VAWT blade (including one traditional model and eight innovative models), and adopted the methodologies of Bionics and TRIZ to innovate. There are three VAWT blades used TRIZ theory, eight HAWT blades and five VAWT blades used Bionics. Third, the researcher used 3D direct modeling software (e.g. SpaceClaim, SolidWorks and AutoCAD) to draw the figures, and used RP 3D printer (FORTUS 360mc) to manufacture the wind blade models. Fourth, the researcher also used an experiment device (WINDTRAINER) to propel and measure the voltages, currents of the wind blade models, adjusted the wind speed (4 m/s~12 m/s), compared their watts (Pa) and rotor power coefficient (Cp). Thus, the researcher can find the higher efficient wind blades of HAWT and VAWT types.
The researcher found the best Cp value of HAWT blade is Bentley type, the better Cp value is four-leaved clover type; and the best Cp value of VAWT blade is Tai-Chi spiral type, the better CP value is Taiwan shape type. The other, the better Cp value of commercial advertisement for attracting the customers are Bentley type and Taiwan shape type. The baseball set shape wind blade is quite attractive, but its Cp value needs to be improved. These customer oriented innovative wind blades are designed to go beyond the thinking of the traditional wind blade models. The next, in the area of reality manufacture, we purchased and installed one 300W type VAWT power system (including an arc type blade, a Spiral type blade, a generator, a cylinder about 3 meters in height, a controller, two batteries, and a load of LED streetlamp). We used one PC and its monitor package to test and analyze this system functions. The wind power system got more watts (Pa) during the winter in 2014 typhoon Soudelor and typhoon Dujuan and the winter in 2015,and typhoon Nepartak and the winter in 2016. Finally, this research result is valuable in teaching and R&D of wind power generation. Furthermore, we use these innovative wind blades to take part in some international invention exhibitions and won some prize that can win the honor for CTU.

目 錄
摘 要 I
ABSTRACT III
誌 謝 V
目 錄 VI
圖目錄 X
表目錄 XVI
符號說明 XX
第一章 緒論 1
1.1 研究背景與動機 1
1.2 研究目的 1
1.3 論文架構 2
第二章 文獻探討 4
2.1 風力發電基本原理 4
2.1.1 風力發電公式之來源 4
2.1.2 貝茲理論與風力發電機最大發電效率 6
2.2 風力發電機系統型式及發電量 8
2.2.1 風力發電機系統型式及組成 8
2.2.2 大中小型風力發電機之分級 8
2.3 風力發電機工程設計 12
2.4 風力發電機測試標準與驗證 14
2.5 風力發電機葉片維護 15
2.6 風力發電機之雷擊保護 16
2.7 風力發電對電力品質與都市環境的影響 17
2.8 離岸風場技術、市場及發展 19
2.9 國際與台灣風力發電之現況與展望 23
2.10 儲能系統技術及市場發展 26
2.11 仿生學的起源、定義及發展階段 30
2.12 萃智(TRIZ)創新方法簡介 31
第三章 研究方法 33
3.1 本研究使用之創新方法 33
3.2 3D創新概念直接建模軟體簡介 35
3.3 水平及垂直軸式風力發電機葉片模型設計 40
3.4 RP 3D快速成型機簡介 43
3.5 水平軸式風力發電機葉片模型製作 48
3.6 垂直軸式風力發電機葉片模型製作 53
3.7 風力發電訓練實驗組WINDTRAINER簡介 59
3.8 風力發電機葉片模型測試方法 60
3.9 市售300W垂直軸式風力發電機之初步研究 61
第四章 實驗結果與研究發現 66
4.1 水平軸式風力發電機各型葉片模型發電功率測試 66
4.2 垂直軸式風力發電機各型葉片模型發電功率測試 79
4.3 水平軸式風力發電機各型葉片模型發電效率係數測試 94
4.4 垂直軸式風力發電機各型葉片模型發電效率係數測試 96
4.5 水平軸式風力發電機各型葉片模型發電功率及發電效率係數比較 99
4.6 垂直軸式風力發電機各型葉片模型發電功率及發電效率係數比較 109
4.7 水平及垂直軸式風力發電機葉片之相關價值 118
4.8 市售300W垂直軸式風力發電機實際測試資料統計及分析 120
第五章 結論與建議 130
5.1 結論 130
5.2 未來研究方向與建議 136
參考文獻 137
附錄一：2015台灣彰化國際青少年發明展(TCIYIE)暨海報競賽金牌獎 144
附錄二：2015台灣彰化國際青少年發明展(TCIYIE)暨海報競賽銅牌獎 145
附錄三：2015第九屆波蘭國際發明展暨發明競賽銀牌獎 146
附錄四：2016 IIIC第七屆國際創新發明競賽金牌獎 147
附錄五：2017第二十屆莫斯科阿基米德國際發明展銀牌獎 148

參考文獻
[1]白宏堯，“風力發電應用與發展--風力發電的研發創新”PPT，
二林工商電機科演講講義，2013年8月27日。
[2]簡詔群，“風力發電原理”PPT，再生能源與節能技術研習手冊，
教育部技職司，2007年8月9日。
[3]劉瑞弘，“風力發電系統與控制技術” PPT，工研院機械與系統
所—風力發電設備技術部，工研院產業學院「新興能源系列」課
程講義，2008年4月10日。
[4]嚴強、蔣超奇，“論水平軸風力發電機效率”，上海麟風風電設
備有限公司，www.sawt.com.cn，頁 1-6。
[5]中國科普博覽，“風力發電”， http://www.kepu.net.cn/gb/
technology/new_energy/web/a4_n19_nn48.html，2016年6月14
日擷取。
[6]馬振基，“永續可再生能源－垂直軸中小型風力發電機”，
Sustainable Industrial Development Bimonthly 再生能源 能源管
理專輯，2009年8月，頁 32-37。
[7]馬利艷，“風力發電產業回顧與展望”PPT，工研院 IEK，2008
年11月12日。
[8]林朝源，“風力發電機設計與製造”PPT，建國科技大學演講講
義，2006年8月14日。
[9]J. Smith, A. Huskey, D. Jager, J. Hur, Wind Turbine Generator
System Power Performance Test Report for the Entegrity EW50
Wind Turbine, National Renewable Energy Laboratory, 22 March
2011, Page 6-16.
[10]郭興家、張希良、張勝雄、林矩民，風力發電技術，新文京出
版社，2007年9月20日初版，頁22-25。
[11]台灣中小型風力機發展協會，“中小型風力機定義”，
http://www.small-wind.org.tw/content/wind/wind_info.aspx，
2016年6月17日擷取。
[12]劉萬琨、張志英、李銀風、越萍，風能與風力發電技術，五南
圖書出版股份有限公司，2011年09月14日初版，頁116-133。
[13]陳芙靜，“全球小型風力機測試驗證現況與展望”，金屬中心
產業研究組，2011年5月10日。
[14]吳元康等6人，“國內外小型風機測試標準與驗證機制的發展
現況”，台電工程月刊，第772期，2012年12月號，頁98-115。
[15]林輝政等8人，“風機葉片之逆向工程與修護評估技術之建
立”，台電工程月刊，第780期，2013年8月號，頁98-110。
[16]張宏展等7人，“風力發電機雷擊保護之研究”，台電工程月
刊，第726期，2009年2月號，頁19-31。
[17]郭政謙等6人，“風機及併聯系統於雷擊下之影響”，台電工
程月刊，第741期，2010年5月號，頁135-146。
[18]陳財富，“台灣風電場及發展--台電公司風力發電工程介
紹”PPT，建國科技大學演講講義，2011年4月28日。
[19]江榮城，“風力發電之發展現況與風力發電對供電品質之影
響”，台灣電力公司訓練所研習課程講義，2003年8月。
[20]葉泰和，“商業風場電力品質分析與風力發電模擬”，台電工
程月刊，第764期，2012年4月號，頁83-103。
[21]吳元康等5人，“小型風機安裝於都市環境下的研究回顧”，
台電工程月刊，第773期，2013年1月號，頁59-73。
[22]吳元康、王醴、林輝政、郭哲漁，“歐洲離岸風力發電的政策
與風場開發計畫之簡介”，台電工程月刊，第761期，2012年
1月號，頁83-98。
[23]吳元康、王醴、韓佳佑、趙皇佑，“離岸風場電力傳輸系統之
海底電纜的相關議題”，台電工程月刊，第763期，2012年3
月號，頁65-76。
[24]康志堅，“中國大陸離岸風電發展不順利對我國啟示”，工研
院產經中心，2013年08月30日。
[25]吳元康、陳盟仁、王醴、趙皇佑，“離岸風場採用典型三種排
列架構下之電力系統穩態與暫態分析”，台電工程月刊，第781
期，2013年9月號，頁32-51。
[26]康志堅，“上海東海大橋離岸風場開發歷程與對我國啟示”，
工研院IEK，2014年1月7日。
[27]康志堅，“日本離岸風電發展近況分析”，工研院IEK，2014
年1月7日。
[28]康志堅，“離岸風電開發風險評估”，工研院產經中心，2014
年1月23日。
[29]姚孝其、邱詠兆、郭玉樹，“再談國內與國際風力發電之現況
與展望”，台電工程月刊，第697期，2006年9月號，頁123-133。
[30]宋承穎，“台灣小型風力機多元應用市場分析”，itis智網，2014
年4月25日。
[31]宋承穎，“美國小型風力機市場現況與展望”，itis智網，2014
年8月26日。
[32]林薏茹，“西班牙設計這款「風力發電機」，竟然...沒有風扇！
而且成本更低更安全”， 科技新報 TechNews，2015年5月20
日。
[33]宋承穎，“全球小型風力機測試認證現況與發展”，金屬中心
產業研究組 ITIS計畫，2015年7月。
[34]張雅琪，“綠能科技創新產業政策下之台灣小風力機推廣應
用”，金屬中心MII ITIS計畫，2016年6月23日。
[35]林維林、陳炵焱、林幸慈、高志勇，“電池儲能技術商品化應用
趨勢研究”，工研院IEK，2009年10月31日。
[36]林幸慈，“電網儲能技術及市場發展趨勢”，工研院IEK，2009
年11月20日。
[37]鄭婉真，“全球大型儲能市場發展現況”，工研院IEK，2011
年7月22日。
[38]鄭婉真，“風力發電搭配儲能需求情境及市場趨勢分析”，工
研院 IEK，2012年10月5日。
[39]傅紅春，經濟仿生學，正中書局，1997年7月臺初版，頁1-2。
[40]葉家明，向生命系統學習：社會仿生論與生命科學，淑馨出版
社，1997年8月初版一刷，頁5-6。
[41]沙永傑，“TRIZ 簡介與基本應用”PPT，建國科技大學萃思理
論與應用研討會手冊，2007 年 12 月 28 日。
[42]TRIZ 40 by Solid Creativity，“The 40 TRIZ principles”，
http://www.triz40.com/aff_Principles_TRIZ.php，2016 年 6 月
17日擷取。
[43]皮托科技股份有限公司，“3D創新概念直接建模研習會DM，
“2012年，頁1-4。
[44]梁景華，Solidworks科技產品造型與機械設計，易習圖書：經緯
國際股份有限公司，2014年6月初版，頁1-2。
[45]台灣WORD，“AutoCAD”， http://www.twword.com/wiki/
AutoCAD，2016年7月12日擷取。
[46]普立得科技有限公司，“FORTUS 3D生產系統FORTUS
360mc”，http://www.3dprinting.com.tw/products_fdm_360mc.
asp，2016年7月12日擷取。
[47]馬路科技，“3D列印的原理與應用範疇”http://www.rat.com.tw/
工程服務部門介紹/3d列印的原理與應用範疇，2016年7月12日擷取。
[48]每日頭條，“當今全球3D列印三大主流技術是什麼”，
https://kknews.cc/tech/qjozq8.html，2016年7月12日擷取。
[49]普立得科技有限公司，“Fortus 360 mc”，http://www.
3dprinting.com.tw/2014/3dprinters/production_series/fortus_360m
c.asp，2016年7月12日擷取。
[50]皮托科技股份有限公司，“風力能源實驗組–學校教學用實驗
箱”，http://www.pitotech.com.tw/show_product.php?btype=9&
ltype= 394&id=394，2016年7月12日擷取。