理工學院優秀
專題競賽論文
小
型水力發電
設計
與製作
Design and Implementation of Hydropower
System
摘要
本
研究為
小
型水力發電
之設計與實作
，
構想
來自
日常生活中只要有水流動
，
就有可利用的水能，
例如：家中的水龍頭
、
水管、澆花器、水塔等
都可以轉變成可用的電能
，
本
專題之
水輪機
機構以
反動
式水輪機
之
上射型
為設計之架構
、
發電機部分以圓盤型
永磁
式發電機為設計之系統
，
而整體結構採用
不導磁的塑鋼、壓克力板，
以及
結
合
Ansys
電
磁場模擬
設計出
滿足
預期發電量之
參數
，
並
把實體製做
出來
。
關鍵字：
水輪機
、
發電機
、
Ansys
、
Solid works
1.
前言
人類自工業革命大量使用石化燃料，帶來許多的便利
性，但也對地球造成了全球增溫和氣候變遷加劇等現象，
對整個自然生態各個層面造成了許多負面衝擊，自
1997
年
12
月聯合國在
京都，通過京都協議書後全球積極的提倡節
能外，也減少排放溫室氣體，所以
開發綠色再生能源如水
力發電、風力發電、太陽能、生質能的綠色產業。
[
1
]
在所有的再生能源技術中
，水
能較其他大型再生能源
更具經濟價格優勢
[
2
]
，因此過
去數年
來水
力發電
在再生
能
源
中所佔
比例最
大
，所以設計
此小
型水力發電也可配置在
住家、
商業大樓等減少電費的支出
。
2.
文獻探討
2.1
小型
水
力發電
之
研
發動機
全世界各國對水力
能開發的動機各有不同，隨時間的
推移，其動機也
隨時
間
變化，以下從經濟、環境
、
技術
三
個方面進行分析。
2.1.1
經濟面
1.
經濟最優化：
可
在一般大樓或是家庭住戶中，
將
小
型水力發電
機
裝置於水龍頭後
，
將
一般使用不到的水
力能
儲存起來
並轉換成電能
，
並達到減少電費的開銷
。
2.
提高能源供應
水準：有
些國家需
要
靠進口石油或其
它燃料來維持國
內的電力供應，水力
能的開發可以減少對
燃料進口的
依賴，
進
而提升能源供應水準。
3.
促進能源產業升級：
小型
水力發電
屬於
新興
產業，
其技術之研發、展示到商業化，最終進入市場，將
能源產
業
帶來新的動力，成為國民經濟的新經濟成長點。
2.1.2
環境面
傳統發電系統在運轉時會產生諸多汙染物：煙塵、
SO
2
、
CO
2
等，除了地區局部性的污染外，全
球暖化導致氣
候環境的變遷更是嚴重，相比之下
水力
發電在
啟用
後
則
是
零二氧化碳及
零
環境汙染
的永續發電系統。
2.1.3
技術面
隨著科技進步，使具有
高強度且質量輕的材
質出現
、
電
腦設計技術的進步和自動控制技術的改進，以及機械、
電器、電子元件製造技術之
成熟，都將使
水力
發電技術朝
向高功率、高效率、高穩定性及全
自動化的方向發展。
[
3
]
2.2
小型水力
發電機之
優點
小型水力
發電機
體積小
安裝方便，
不會造成環境
汙
染，
能架設於狹小之空間
；材質輕，不必擔心過重而壓壞水管，
且
啟動力不大就
可
運作
；
設計簡單、易拆卸、
維修方便。
[
4
]
3.
研究
方式
3.1
研究
步驟
了解本研究的研究
目標後，
可將系統分為兩
大部分
研
究：
發電機
、
水輪機
；
針對
兩大部分蒐集
相關
的
資料
與
討
論
後
，
計算水輪機理論轉速，再
由
Ansys
電
磁場模擬
對發
電機
分析：設計硬體並對
問題
進行改良
；
水輪機參考反動
式水輪機設計
，最後將
水輪機
和
發電機
結合成
小型水力發
電系統
，
最後
製作成實體小型水力發電機，
研究過程
如
圖
1
所示
。
組別
:
█實作組□設計組
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