海流發電系統之輸出功率田口方法分析及高性能電力轉換器設計

©2007 National Kaohsiung University of Applied Sciences, ISSN 1813-3851

海流發電系統之輸出功率田口方法分析及高性能電力轉換器設計

蘇琨祥1_、趙愷倫1_、郭見隆2 1. _{國立高雄應用科技大學 電機工程學系} 2. _{國立高雄第一科技大學 系統資訊與控制研究所} E-mail: kljawkimo@gmail.com

摘 要

本文主要目的以海流能量為動力來源之發電技術。海流發電系統主要關鍵性的工程技術為發展高效率 的渦輪扇葉，採用原動機模擬實際海流狀況，讓海流發電系統的發電機組將海流能量有效率地轉為機械能 並轉為電能，再使用電力轉換器加以轉出與儲存分配。最後，利用實驗設計之田口方法及雙反應曲面法找 出影響海流發電系統發電機輸出功率的齒輪比、流速、扇葉等效內徑及扇葉等效半徑之參數進行最佳化設 計，以達到發電效能最大輸出功率。 關鍵詞：海流發電、電力轉換器、田口方法、雙反應曲面法、輸出功率

1. 前 言

18 世紀工業革命興起，人類對於能源的需求可說開啟了新的一頁，各式各樣便利人類生活的機械陸續 產生，這樣的演進也使得現今的人們能享有富裕與舒適的生活品質。現今的人類對電力、石油或者天然氣 等的依賴可說是密不可分，從交通工具的汽車、火車、飛機及船隻，到家家戶戶裡電器用品，這也說明了 能源的消耗日漸增加。近年來由於許多原本落後的未開發或者開發中國家的陸續興起，更加速了有限的石 化相關能源消耗並正逐漸耗盡，除此之外，近年來環保意識的抬頭與全球氣候異常與暖化的現象日漸嚴重， 這也讓全球各國意識到替代能源的重要性，相關的法令也如雨後春筍般的設立，其中最著名的莫過於在1997 年12 月日本京都的｢第三次締約國大會｣中簽署的｢京都議定書｣並於隔年的 3 月 16 日開放簽署[1]，其主要 目的就是在於規定各國的二氧化碳排放量並設法減低。此一約定看似普通，但卻默默的影響著未來能源的 發展走向，而且對於未簽約國，還有可能會遭到貿易制裁與報復。議定書上詳細規定，2012 年前，主要工 業發達國家需平均減少以1990 年為基礎的溫室氣體排放量 3.7%。 至於替代能源基本上泛指石油、煤、天然氣、核能之外的能源，可包含太陽、風、地熱、海水溫差、 海流、波浪、潮汐等的可再生的能源[2]、[3]、[4]。而其中在目前最為廣為利用與研究的就以風力、太陽能 為主，但許多海洋國家卻也對於海流發電這塊充滿興趣，特別是我國四面環海更是除了發展風力和太陽能 之外另外一個極具潛力的方向。海流發電又可分為一般動態式與靜態式，動態式係利用海洋中海流的流動 力推動水輪機發電，台灣地區可供開發海流發電以黑潮流速強、流幅窄和厚度大而著稱。雖然海流發電技 術在台灣的應用相較於太陽能而言算是更少，但這或許對我國而言也是另外一種能源發展選項也說不定 [5]、[6]、[7]。

2. 直流馬達模擬水輪機

表1 發電機基本參數表 轉子外徑(半徑) 132.29(mm) 轉子內徑(半徑) 114.15(mm) 定子外徑(半徑) 113.65(mm) 定子內徑(半徑) 87.65(mm) 氣隙 0.5(mm) 定子鐵心長 37(mm) 定子齒數 36 轉子極數 24 相數、槽數、極數 3、36、24 每極每相槽數 1/2 匝數 90 為了模擬海流流動，帶動水輪機，轉動永磁同步發電機進而產生電壓，我們在永磁同步發電機前端， 架設了一台直流電動機，利用耦合的技術，將兩台電機作一連動軸，使直流電動機轉動能夠帶動永磁同步 發電機，將兩台馬達都固定在鋁架上面示意圖如圖1(a)。圖 1(a)中有轉子、定子部分為永磁同步發電機，而 在圖中右邊的馬達是為直流馬達，也就是要模擬海流帶動水輪機的原動機。 本文所使用的永磁同步發電機是為一凸極式的同步發電機，其轉子結構如圖1(b)，平均分布了 24 個磁 極在上面，磁鐵表面為凸極型式的永久磁鐵，定子結構如圖 1(c)，36 槽一大一小方式排列，目的為讓磁力 線均勻分布，此為外轉子式永磁同步發電機。 在各類型小型發電機中以永磁式同步發電機使用最為廣泛，其永磁式同步發電機具有下列各項優點： 穩定度較高、不需外加直流激磁電源、構造簡單、裝置成本較低、易於操作與低維修成本、較適用於小型 直驅式海流輪機、及無電刷式轉子，可靠度高。本論文中將採用永磁同步發電機作為發電系統。 (a)模擬海流發電示意圖 (b)轉子實體結構圖 (c)定子實體結構圖 圖1 海流發電示意圖與發電機結構圖

3. 系統硬體轉換器電路架構

本文所使用之系統主要分為功率因數校正電路、隔離型全橋式轉換器、返馳式轉換器及單相換流器電 路，如圖2 所示為本文的系統硬體架構圖。

永磁同步 發電機 功率因數 校正器 隔離型全橋 式轉換器

+

-電池 反馳式 轉換器 單相全橋式 換流器 負 載 微控制器 AC 80~110V DC 160V DC 14V DC 14V DC 145V AC 100~110V 圖2 系統硬體架構圖 3.1 功率因數校正電路設計 本文利用 UC3854 功因校正控制晶片，有著接近於 1 且穩定的功因值，也擁有著高功率的輸出，其原 理是利用乘法器的架構和平均電流的控制法則，對於功因校正的控制領域方面是相當值得參考的。本節主 要是以UC3854 為主，分析其原理和建立其模型[8]、[9]。 3.1.1 UC3854 晶片簡介 UC3854 是一個 16PIN 的功因校正晶片，其功能方塊圖如圖 3，其內部的重要核心包括電流誤差放大 器、電壓誤差放大器、類比乘除法器、震盪器、定頻脈衝寬度調變器，還有自行產生一穩定的參考電壓 7.5V。 圖3 UC3854 功能方塊圖 其腳位說明如表2。

表2 腳位說明

腳位 說 明 腳位1 GND（ground）所有電壓的參考準位。

腳位2

PKLIM（peak limit）此腳位與電流感測電阻的負電壓端相連接，且連接一電阻至 pin 9 來抵消 與 pin 1 之間的負電流感測訊號，提供突波電流的過電流保護，當電位被拉到負壓時，馬上使 輸出的脈波關閉。

腳位3 CA OUT（Current Amplifier Output）此腳位為電流放大器之輸出，能感測線電流並下命令給 PWM 迫使校正電流。

腳位4 ISENCE 此腳位為電流放大器的反向端，此腳位電壓應避免低於-0.5V。

腳位5 MULTOUT（Multiplier Output and Current Sense Plus）此腳位為電流放大器之非反向端，也為 IC 內部類比乘法器之輸出，此腳位電壓應避免低於-0.5V。

腳位6 IAC（input AC current）此腳位為 IC 內部類比乘法器輸入之一，輸入訊號是利用電阻將來自輸_{入端整流器的電壓轉換成電流形式。} 腳位7 VA OUT（Voltage Amplifier Output）此腳位為電壓放大器之輸出，可用來控制功率因數校正器

的輸入功率等級。

腳位8 VRMS（RMS line voltage）輸入端整流器接上二階濾波電路至此腳位，適當的保持在 1.5V~3.5V 之間，其功用在於當輸入端電壓訊號發生變動時，功因值將保持不變。

腳位9 REF（voltage reference output）當 Vcc 和 ENA 腳位為高電位時，此腳位將產生一精確 7.5V 參 考電壓，可接一0.1μF 或以上之陶瓷電容，來增加穩定度。

腳位10 ENA 此腳位為邏輯訊號輸入，當為高電位時，PWM 輸出、參考電壓及震盪器將致能。 腳位11 VSENSE（voltage amplifier inverting input）此腳位為電壓放大器之反向輸入端，將升壓電路之

輸出電壓引入，來達到系統穩壓之功用。

腳位12 Rset 此腳位接一電阻至地，用來產生震盪器之工作頻率。

腳位13 SS（Soft Start）此腳位連接一電容至地，用來保護 IC 做軟啟動之用。 腳位14 Ct（oscillator timing capacitor）此腳位接一電容至地，用來產生震盪。 腳位15 VCC 此腳位需連接一至少 17V 的穩定電源，供給 IC 正常工作。 腳位16 GT DRV（gate drive）此腳位為 PWM 之輸出，將輸出 15V 之脈波訊號，需接至少 10Ω 電阻至 切換元件之gate 端。 3.1.2 UC3854 電路說明 UC3854 功因校正原理如圖 4 所示，將電路分為幾個部分，電路設計將在以下分別說明。 圖4 UC3854 功因校正原理

3.1.2.1 乘法器電路的設定 UC3854 的乘除法器是一類比乘除法器，其輸出是電流形式，而輸入分為三個部分：一、除法部份 為V_FF的平方訊號。二、乘法部分為整流後線電壓，利用電阻引入其電流的形式。三、乘法部分為電壓 誤差放大器的輸出訊號。 3.1.2.2 前饋電壓信號 此腳位的回授電壓主要是將整流後的線電壓經過一個二階低通濾波器到UC3854 的VFF腳位，如圖 5(a)所示。而V_FF是平方電路的輸入信號，UC3854 的平方電路通常操作在 1.4 伏特到 4.5 伏特的電壓範 圍。UC3854 內部有一個箝制電路可以在輸入電壓信號超過了這個電壓等級的情況下將VFF限制在低於 4.5 伏特。電路設計如(1)。 ( ) 3 1 2 3 in av FF ff ff ff ff V V R R R R = × + + (1) ( ) in av V _{為輸入電壓之平均值} 3.1.2.3 震盪器的頻率 set I 是震盪器的充電電流，它的值將由Rset所定義，而震盪器的震盪頻率是由計時電容與其充電電 流來設定，計時電容的電容值將由(2)決定。 1.25 t set s C R f = × (2) t C 是計時電容的電容值， fs是切換頻率 3.1.2.4 電流控制迴路 電流控制迴路部分，輸出電感電流

i

L經由感測電阻以電壓的形式進入電流誤差放大器的反向端， 而非反相端的訊號為乘除法器的輸出電流I_mo乘上一電阻R_mo，如圖 5(b) 所示。 3.1.2.5 電壓控制迴路 電壓控制迴路部分，輸出電壓V_o經由分壓進入電壓誤差放大器的反向端，而非反相端的訊號為參 考電壓7.5V，如圖 5(c)所示。 (a)前饋電壓信號模型圖 (b)電流誤差放大器圖 (c)電壓控制迴路模型 圖5 前饋電壓信號、電流誤差放大器圖與電壓控制迴路模型電路原理

3.1.3 應用 UC3854 功率因數校正硬體電路 功率因數校正電路主要包含橋式整流器、升壓轉換器與 UC3854 週邊控制電路，控制器回授訊號主 要包含交流電源端經由橋式全波整流後將電壓訊號、電流感測電阻訊號以及輸出端分壓回授訊號，藉由 此三回授訊號來達到功率因數校正控制，表3 為功率因數校正電路參數值。 表3 功率因數校正電路參數值 L 1mH Co 330uF Rff1 910kΩ Rff2 91kΩ Rff3 20kΩ Cff1 0.1uF Cff2 0.47uF Rvi 510kΩ Rvd 10kΩ Rvf 180kΩ Rcf 47nF Rci 4kΩ Rcz 24kΩ Ccz 620pF Ccp 62pF Ct 820pF Rset 15kΩ fs 100kHz 3.2 隔離型全橋式電源轉換器電路 圖6 所示為隔離型全橋式電源轉換器電路[10]、[11]，此種結構須使用四個功率電晶體來當交換開關。 由於半橋式轉換器結構，雖然電晶體耐壓可以選擇較低之值，但是電晶體導通時電流會加倍，而推挽式轉 換器之結構，雖然電晶體承受電流較小，但電晶體耐壓需較大的值，因此我們為了保留半橋式電壓特性及 推挽式電流特性，所以採用全橋式轉換器之電路結構。此種電路較適合使用在高功率電路。 Q1 Q2 Q3 Q4 D1 D2 D3 D4 D5 D6 Vs Is C1 L Co R Np Ns1 Ns2 iL VL + -io + -Vo 圖6 全橋式電源轉換器電路 3.3 返馳式轉換器電路

返馳式轉換器（Flyback Converter），也有人稱之為振鈴扼流圈轉換器（Ring Choke Converter）[12]，結 構如圖7 所示。通常應用在高電壓或低功率使用的電源使用，一般常設計在高功率電源轉換器的輔助電源， 可以做多組正負電源輸出提供系統電源使用。

圖7 返馳式轉換器電路 3.4 單相換流器電路 換流器是將直流輸入電壓轉換成交流輸出電壓的一種轉換器架構，動作原理是利用開關元件的切換來 完成，其廣泛的利用在交流馬達驅動與不斷電電源供應器的應用場合[13]。一般介紹換流器有分為電壓源與 電流源換流器。假設換流器輸入電源端的直流側有電容或電池而形成低阻抗，我們稱為直流電壓源，一般 稱之為電壓源換流器。反之，換流器輸入電源端的直流側有電感形成高阻抗，我們視為直流電流源，一般 稱之為電流源換流器。本論文以電壓源換流器為主，並且利用脈波寬度調變切換技術完成電路設計。 3.5 硬體電路實驗結果分析與探討 實驗結果分析主要分為功率因數校正電路、隔離型全橋式轉換器、返馳式轉換器及單相換流器電路。 3.5.1 功率因數校正電路負載測試 功率因數校正電路主要包含橋式整流器、升壓轉換器與 UC3854 週邊控制電路，控制器迴授訊號主 要包含交流電源端經由橋式全波整流後將電壓訊號、電流感測電阻訊號以及輸出端分壓迴授訊號，藉由 此三迴授訊號來達到功率因數校正控制。 實驗的規劃，是透過海流發電系統所產生出來的電壓，變動負載功率，觀察功因校正的情況，分別 量測在三種不同負載（400Ω、800Ω、1200Ω）狀況下的交流側電壓Vac、交流側電流Iac、電感電流iL、

快速傅立葉轉換（Fast Fourier Transform，FFT）以及總諧波失真率（Total Harmonic Distortion，THD）， 圖8 為 100kHz 頻段的閘極信號與連續導通下電感電流充放電波形。

圖9(a)為功率因數校正前Vac、Iac波形，圖10(a)為 60Hz 頻段的電感電流波形，圖 11(a)為 FFT 波形

及圖 12(a)為諧波頻譜圖。其中，校正前Iac與電感電流波形，已經扭曲變形導致功率因數大幅降低，由 FFT 及諧波頻譜圖可以明顯地看出電流 60Hz 基本波以及奇次諧波 dB 值。 圖9(b)為功率因數校正後Vac、Iac波形，圖10(b)為 60Hz 頻段的電感電流波形，圖 11(b)為 FFT 波形 及圖 12(b)為諧波頻譜圖。其中，校正後Iac波形已經與電壓波形幾乎相互重疊，功率因數也大幅提高， 電感電流波形也變為連續導通模式，而FFT 及諧波頻譜圖可明顯看出經過功率因數校正電路後，奇次諧 波大幅的降低，如表4 所示。

圖8 負載測試(400Ω)為 100kHz 頻段的閘極信號與電感電流波形 (a)負載測試(400Ω)功率因數校正前Vac、Iac波形 (b)負載測試(400Ω)功率因數校正後Vac、Iac波形 圖9 負載測試(400Ω)功率因數校正前後Vac、Iac波形 (a)負載測試(400Ω)功因校正前電感電流波形 (b)負載測試(400Ω)功因校正後電感電流波形 圖10 負載測試(400Ω)功率因數校正前後 60Hz 頻段的電感電流波形 Voltage Current Voltage Current Vgs il

(a)負載測試(400Ω)功率因數校正前 FFT 波形 (b)負載測試(400Ω)功率因數校正後 FFT 波形 圖11 負載測試(400Ω)功率因數校正前後 FFT (a)負載測試(400Ω)功率因數校正前之諧波頻譜圖 (b)負載測試(400Ω)功率因數校正後之諧波頻譜圖 圖12 負載測試(400Ω)功率因數校正前後之諧波頻譜圖 表4 功率因數與總諧波失真校正前後比較表 負載(Ω) THD(%) H3(%) H5(%) H7(%) H9(%) PF 400 101.72 82.01 53.13 25.44 12.27 0.357 800 118.98 87.39 64.93 41.37 24.31 0.285 校正前 1200 128.96 90.44 70.28 49.63 32.40 0.285 400 6.06 5.79 1.55 0.29 0.85 0.996 800 5.24 4.48 2.49 0.66 0.87 0.994 校正後 1200 4.92 4.14 2.39 0.89 0.74 0.993 3.5.2 隔離型全橋式轉換器電路對電池充電測試 此電路主要是將前級的功率因數校正電路輸出電壓，饋入隔離型全橋式轉換器電路，並且對12V 電 池充電。圖13(a)為隔離型全橋式轉換器 Q1,Q2 閘極信號、圖 13(b)為隔離型全橋式轉換器 Q3,Q4 閘極信 號、圖13(c)為隔離型全橋式轉換器 Q1,Q2 汲極信號、圖 13(d)為隔離型全橋式轉換器 Q3,Q4 汲極信號。 圖14 為隔離型全橋式轉換器電路對電池充電之充電電流動態響應時間，其中，Ifeedback 為回授電流動態 響應時間，主要是利用電流感測器，把值抓回單晶片做閉迴路運算，電流動態響應時間大約是2.5ms。

(a)隔離型全橋式轉換器 Q1,Q2 閘極信號 (b)隔離型全橋式轉換器 Q3,Q4 閘極信號 (c)隔離型全橋式轉換器 Q1,Q2 汲極信號 (d)隔離型全橋式轉換器 Q3,Q4 汲極信號 圖13 隔離型全橋式轉換器 Q1,Q2,Q3,Q4 閘極、汲極信號 圖14 隔離型全橋式轉換器電路對電池充電之電流動態響應時間 3.5.3 返馳式轉換器電路負載測試 此電路主要是將隔離型全橋式轉換器電路輸出電壓，饋入返馳式轉換器電路，升壓至140V，目的是 讓下一級的換流器可以輸出交流電110V 所設計的電路。圖 15(a)返馳式轉換器閘極信號，圖 15(b)至圖 15(d) 為變動負載（1000Ω、1250Ω、1500Ω）所量測到的電壓動態響應時間。其中，Vfeedback 為回授電壓動態 響應時間，主要是利用電阻分壓，把值抓回單晶片做閉迴路運算。Vout 為輸出電壓動態響應時間，經過 閉迴路的設計之後，電壓動態響應時間大約是50ms。表 5 為不同負載測試電壓與電流量測值。

(a)返馳式轉換器閘極信號 (b)負載測試(1000Ω)電壓動態響應時間

(c)負載測試(1250Ω)電壓動態響應時間 (d)負載測試(1500Ω)電壓動態響應時間 圖15 返馳式轉換器電路負載測試

表5 返馳式轉換器電路電壓與電流量測值

負載(Ω) Vin(V) Iin(A) Vout(V) Iout(A) 效率(%)

1000Ω 14 1.60 143 0.14 89.38 1250Ω 13.9 1.27 144 0.11 89.73 1500Ω 13.9 1.07 145 0.095 92.62 3.5.4 單相換流器電路負載測試 此電路主要是將返馳式轉換器電路輸出電壓，饋入單相換流器電路，而脈波寬度調變的切換方式採 用單極性脈波寬度調變如圖16(a)所示，圖 16(b)至圖 16(d)為變動電風扇強、中、弱檔，其內阻抗(Z)定為 60Hz 時分別為檔位強檔306.82 21.6∠ 0、中檔405 0∠ 0C 與弱檔450 0∠ 0來做分析，再經過一階RC 低通濾波 器所量測到的交流電壓，電流波形則是利用電流探棒所量測。 (a)單極性脈波寬度調變信號 (b)電風扇強檔時電壓與電流波形圖 Vfeedback Vout Vfeedback Vout Vfeedback Vout Current Voltage

(c)電風扇中檔時電壓與電流波形 (d)電風扇弱檔時電壓與電流波形 圖16 單相換流器電路負載測試

4. 田口品質工程

實 驗 設 計 就 是 要 設 計 及 收 集 所 關 心 的 觀 測 值 及 研 究 各 種 可 能 因 數 對 品 質 特 性 的 影 響 ； 因 數 實 驗 （Factorial Experiment）就是要設計一實驗以檢視各因數的效果，可分為全因數實驗與部份因數實驗，舉凡 實驗設計是考慮所有可能的因數水準組合，則此設計稱之全因數實驗；若只將其中一部分進行實驗，則此 設計稱之部份因數實驗；在全因數實驗中，當因數數目或水準數增加時，實驗次數會變得很大，因此必需 利用部份因數實驗，但是部份因數實驗可能無法檢出各因數間之交互作用及保證實際製造條件中可獲得實 驗結果的再現性，因此必需搭配直交表（Orthogonal Array）的實驗計劃，方得完美[14]。 4.1 參數設計 參數設計又稱為穩健設計（Robust Design），其主要目的是要決定產品或製程的參數設定值，使其對雜 音變數的敏感性最小，因此藉由參數設計，我們可以找到一組最佳參數水準組合，使得平均值與目標值一 致，且變異最小。

4.1.1 信號雜因比（Signal to Noise ratio，S/N 比）

望大特性（Larger-The-Better）：一、品質特性是連續且非負值，範圍（0，∞）；二、目標值為∞（或 最大的可能值）；三、（iii）沒有調整因數。 SN 比公式如下。 ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − =

∑

= n i yi n 1 2 1 1 log 10

η

(3) 4.1.2 變異數分析（Analysis of Variance，ANOVA） 變異數分析的主要目的為應用統計檢定的方法來辨識個別因素之影響效果，並且利用貢獻度比來彌 補田口式實驗，無法研判各實驗參數對品質特性之影響能力及誤差程式等方面的缺陷。其基本公式如下。

總平方和（Total Sum of Squares）公式如下。

∑

= − = n i i CF TSS 1 2 η ₍₄₎ Current

(

)

N CF i 2

∑

=

η

(5) 變動：對於一因數A，具有 P 水準，且每一水準有 m 個觀測值，那麼此因數的平方和如下。

( ) ( )

( )

CF m A m A m A SS P A = + + + − 2 2 2 2 1 _... (6) 自由度DF：為各因數的自由度等於其水準數減一；總自由度等於全體實驗的個數減一；誤差自由度 為總自由度減所有因數自由度之和。 變異數：為因數的平方和除以其自由度，對於一因數A 變異數定義如下。 A A A DF SS V = ₍₇₎ 其中SSA 為 A 因數的變動，DFA 為 A 因數的自由度。 純變動：對於一因數A 純變動定義如下。 eT A A DF V SS SS′_A = − × (8) 其中

V

eT 為調合誤差的變異數。 變異比：為因數的變異數除以其調合誤差的變異數，對於一因數A 的變異比如下。 eT A A

V

V

F

=

₍₉₎ 貢獻度：為各因數所佔變異數的百分比，對於一因數A 的貢獻度定義如下。 % 100 × ′ = T A A SS SS ρ ₍₁₀₎ 4.2 發電機輸出功率之田口方法分析 本節主要以齒輪比、水流流速、扇葉等效內徑及扇葉等效半徑為物理基礎，並且結合田口方法，達到 發電機輸出功率最大化為設計目標。針對發電機的輸出功率做負載測試，且輸出功率越大越好，因此採田 口之望大設計，田口方法的主要控制因子如表 6 所示，圖 17 為渦輪扇葉外觀。

(a) (b) 圖17 渦輪扇葉外觀 表6 主要控制因子 水準 因子 水準一 水準二 水準三 A. 齒輪比(齒) 16 : 24 (第二齒) 18 : 21 (第三齒) 21 : 18 (第四齒) B. 水流流速(m/s) 1.86 2.23 2.60 C. 扇葉內徑(m) 0.045 0.060 0.075 其中，A 因子為齒輪比（水輪機/發電機）、B 因子為水流流速、C 因子為扇葉等效內徑。扇葉等效內徑 方面我們將內徑由小變大，將扇葉套上塑膠管增加內徑，如圖17 所示。負載測試為 200 歐姆之負載，藉由 上述因子設計過程之中，求得發電機最大輸出功率是主要的工作。由於本論文只使用三因子，其第四因子 並未使用但剩餘三因子仍具有直交性；故亦可選用

L

₉為本實驗配置之直交表，而整個實驗配置與實驗結果 如表7 所示。 表 7 發電機輸出功率之實驗配置結果 實驗值y 平均值 平均平方差 信號雜音比 L9 A B C 1 2 3 y MSD

η

1 1 1 1 47.05 49.20 46.66 47.64 4.41E-04 33.55 2 1 2 2 54.29 54.81 51.40 53.50 3.50E-04 34.56 3 1 3 3 18.12 19.03 19.03 18.73 2.86E-03 25.44 4 2 1 2 34.53 33.78 34.45 34.25 8.53E-04 30.69 5 2 2 3 8.08 8.82 8.65 8.52 1.38E-02 18.59 6 2 3 1 80.01 82.30 81.66 81.32 1.51E-04 38.20 7 3 1 3 3.46 3.56 3.33 3.45 8.42E-04 10.75 8 3 2 1 61.94 63.06 62.38 62.46 2.56E-04 35.91 9 3 3 2 77.88 74.91 77.75 76.85 1.70E-04 37.71 由式(11)至式(19)可得如表 8 之回應表。

3

(

4 5 6

)

2 ₃ 1 A = η +η +η ₍₁₂₎

(

7 8 9

)

3 ₃ 1 A =

η

+

η

+

η

₍₁₃₎

(

1 4 7

)

1 3 1 B = η +η +η ₍₁₄₎

(

2 5 8

)

2 3 1 B = η +η +η ₍₁₅₎

(

3 6 9

)

3 3 1 B =

η

+

η

+

η

₍₁₆₎

(

1 6 8

)

1 3 1 C =

η

+

η

+

η

₍₁₇₎

(

2 4 9

)

2 ₃ 1 C =

η

+

η

+

η

₍₁₈₎

(

3 5 7

)

3 3 1 C =

η

+

η

+

η

₍₁₉₎ 表8 發電機輸出功率之實驗配置結果 因子 水準 A B C 1 31.18 25.00 35.89 2 29.16 29.69 34.32 3 28.12 33.78 18.26 Max-Min 3.06 8.79 17.63 根據表8 可畫出回應圖，如圖 18 所示。.

圖18 發電機輸出功率之回應圖 由各因子之S/N 比回應表可得知三因子之最佳組合為其中一組，進行變異數分析，其分析結果如表 9， 其中

e

為誤差，

e

_T為誤差調和；即忽略因子之和，

T

為總和。將最佳控制因子S/N 比與直交表 9 組實驗之 平均S/N 比由下式計算可得最佳 S/N 比值。

(

A1 B3 C1

)

2 optimal avg

η

=

η

+

η

+

η

− ×

η

(20) (31.18 33.78 35.89) 2 29.49 41.87 optimal

η

= + + − × = 其中

η

avg

=

(33.55 34.56 25.44 30.69 18.59 38.20 10.75 35.91 37.71) / 9 29.49

+

+

+

+

+

+

+

+

=

表9 發電機輸出功率之變異數分析 因子 變動

S

自由度DF 變異

VA

純變動 ' SS 變異比

VR

貢獻度

ρ

A 14.55 2 7.274 14.55 1.1096 2.0351 B 116.01 2 58.005 116.01 8.8496 16.2291 C 571.16 2 285.581 571.16 43.5697 79.9019 e 13.11 2 6.5546 13.11 - 1.8339 T e - 0 - - - - T 714.83 8 - - - 100 最後根據回應圖可得到之最佳組合為A B C_{1 3 1}。由於最佳組合不在直交表裡，因此須再作確認實驗，以 確定此組合是否為最佳。最後以16:24 齒輪比（水輪機端齒輪數/發電機端齒輪數）、水流流速 2.60(m/s)與扇 葉等效內徑0.045(m)，進行確認實驗，得到海流發電系統發電機輸出功率為 84.11W、82.56W 與 83.59W 將 這三筆取平均值得到83.42W，確實為最大值。

結 論

本文對於海流發電系統發電機的輸出功率進行田口方法、分析，並且針對影響發電機輸出功率的因子 進行討論。然後將發電機所發出的電量利用電力轉換器電路，儲存於蓄電池並且供電於負載。經由水槽實 驗，的確驗證了海流發電的可行性，並且歸納了以下幾點：一、本文主要利用鋼架、渦輪扇葉、原動機、 發電機、齒輪、皮帶等等器材，架設實驗所需要的海流發電系統，並且成功地模擬出實際海流的情形。二、

變動可以保持系統功率因數值的穩定。三、隔離型全橋式轉換器電路與返馳式轉換器電路均以微控制器達 到對電流與電壓閉迴路控制。四、本文針對海流發電系統之發電機輸出功率進行分析，利用實驗設計之田 口方法，並且可以預測到發電機輸出功率的最佳解。五、發電機之輸出效應與體積受其轉速影響重大，故 當以海流直驅發電時，應謹慎設計與選擇葉片，使發電機能設計在高一點的額定轉速，防止體積過大，效 能不佳。

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