水力發電及儲電供電系統教學模型製作 Hydroelectricity 陳佐銘 黃獻元 鄧彥成 黃長川 國立聯合大學能源工程學系 1.緒論: 本專題為水力發電的設計與製作，製作水力發電裝置可分為兩部分，機械系統和電力系統。在機械系統中， 我們採用兩種方式的水流，分別是川流式跟瀑布式，將水衝擊的力量藉由水輪、轉動軸，轉動軸再藉由齒 輪組提高轉速，將動能傳到發電機主軸，進而帶動發電機。發電機所發出的直流電輸送到電池裡進行儲存(或 稱為(電池充電)，達到發電與儲存電能的目的。我們再將所電池儲存起來的直流電藉由逆變器轉成交流電 110V 的家庭用電;進一步測試家用電器需要多少水力的發電，我們也藉著此測試，改變不同的轉速比，使 自行車發電達到最佳的效率。 關鍵字:水力發電、汽車發電機、複式齒輪系、鉛酸電池、逆變器。 2.文獻探討: • 水的落差在重力作用下形成動能，從河流或水庫等高位水源處向低位處引水， 利用水的壓力或者流速衝擊水輪機，使之旋轉，從而將水能轉化為機械能，然 後再由水輪機帶動發電機旋轉，切割磁力線產生交流電。 • 而低位水通過吸收陽光進行水循環分布在地球各處，從而回復高位水源。 • 川流式發電廠： • 一年的大部分時間依河川的自然流量運轉，流量大時，輸出電力可達設計時全 廠總容量。流量小時， 可能只輸出全廠容量不到三分之一的電力。當河川流量 大於全廠總發電用所需的水量時，多餘的水量無法利用，只好直接排放到下游 去。 3.研究方法: 圖 1 自行車發電能源轉換流程圖 表一 能量轉換系統所包含的元件或設備 能源 機械能 電能 儲能 電能轉換 家用電 風力 水力 太陽能 人力 燃料電池 … 皮帶 複式齒輪 型星齒輪 鍊條 引擎 發電機 太陽能板 燃料電池 鉛酸電 池. 鋰電池 電池 Power Inverter 逆變壓器 12dcv~ 110acv 電腦 電風扇 台燈 音響…
上圖一是我們本次專題的整個流程，每一次的能量轉換均需透過一個儀器。首先以水力衝擊 水輪帶動齒輪組所產生的機械能，透過發電機轉換成直流電，再經由鉛酸電池儲存，所儲存的電 能透過逆變器把直流電轉成交流電，最後把電傳送到電器上，使其可以正常的運作。我們把水力 發電分成機械系統和發電系統兩部分研究。 機械系統: 圖二 水力發電機整體結構 圖三 複式齒輪組 圖四 行星式齒輪組 圖二為水力發電的整體結構。整個機械系統包含水輪帶動轉動軸的齒輪的變速系統（如圖三）， 在藉由轉動軸和發電機前的行星式齒輪組嚙合（如圖四）。圖三為複式齒輪組，轉速比為 8：1， 圖四為行星式齒輪組，轉速比為 3 : 1，所以總共為 24 : 1。 發電系統： 圖五 發電系統電路圖
圖中我們可以看到有四個元件，其中一個元件是由安培計和伏特計所組成，另外三 個分別是汽車用的發電機，汽車用的鉛酸電池，還有一個是 power inverter（逆變器）， 因發電機所輸出的是直流電，所以要經由逆變器轉成交流電 110v。而使用電池進行儲能 的目的，是因為光靠水沖擊水輪，發電機不足以同一時間提供多個電器所需用電，所以 加裝電池可以在平常衝擊水輪時進行充電，以備以後使用。此電力系統的電路組成，為 安培計和電池串連，和發電機並連；發電機和電池並連；伏特計和電池並連；電池和 power inverter（逆變器）並連，這就是整個電力系統的連接方法。 4.研究結果與討論: 目前水力發電的抽水馬達是用 2 馬力，每小時耗費電力為 2 HP *745 W/HP =1500W。但 是整套水力發電的發電量為 20 A * 12.5 V=240~250W。誤差原因是因為衝擊式跟川流式 的出水關係。而整套系統的發電效率為 240/1500=0.16 大致上發電效率約為 16%左右。 5.結論與建議: 專題是整合我們大學所學的，例如我們水力發電中，機械能轉成電能，電能儲存起來 再轉換成交流電，最後變成家庭用電，這過程需要做許多研究，而這些研究都會用到以 前所學，例如機構學、電工學、電路實驗、應用力學等，這可以說是對我們這些科目做 再一次的複習，並且拿來應用，這就是所謂的做中學。 我們認為在做專題的同時，也可以結合業界的參訪，像是水力發電，我們可以到相 關的公司去參訪，了解如何把水力發電做的更完善，還有水力發電的發展會碰到哪些困 難，和如何為消費者量身打造一台水力發電機而吸引消費者。若有這種機會，我們必定 會面臨到前所未有的困難和挑戰，但這或許會對我們的能力更進一步的提升。
