3D列印風力發電機之效能分析

專題名稱 3D列印風力發電機之效能分析

專題描述 地球持續暖化,綠色能源的發展迫在眉捷。我們拆解了廢棄吊扇,利用線圈組件結合3D列印之機構,製作風力發電機。我們依據不同數量的磁鐵排列、不同葉片組合及不同葉片曲度,分析風力發電機之最佳效能組合。

隊伍名稱 「豐」力女孩

指導老師 陳錦松 蘇子傑

參賽學生 黃佑淇 張胤竺 陳羿潔 

序號檔案內容上傳者
10作者 Warren Miller
來源 https://www.edntaiwan.com/news/article/20180712NT01-How-3D-printing-is-revolutionizing-production-and-design
描述 3D列印如何徹底改變生產和設計
張胤竺
9作者 EnergyTrend
來源 https://technews.tw/2018/08/08/offshore-wind-is-likely-the-next-big-u-s-renewable-sector/
描述 相較於太陽能與陸上風電,離岸風電在美國的發展較為緩慢,美國首座離岸風電 Block Island 才在 2018 年 1 月正式運轉,不過隨著新專案加速部署,未來美國離岸風電裝置量有望超過 10,000MW,成為該國新一代再生能源發展主將。
張胤竺
8作者 巴斯夫網站
來源 https://www.basf.com/tw/zh/we-create-chemistry/creating-chemistry-magazine/quality-of-life/Innovative-uses-for-3D-printing.html
描述 3D列印實際上並不是什麼新鮮事物,首個專利早在1986年獲得頒發。但這項技術在近年來發展迅速:世界各地的新應用層出不窮,涵蓋了醫學、消費品和建築等各種領域。
張胤竺
7作者 雷鋒網
來源 https://www.google.com.tw/search?ei=yMG1W_3HJ4yX8gXunojoDw&q=3d%E5%88%97%E5%8D%B0%E6%87%89%E7%94%A8&oq=3d%E5%88%97%E5%8D%B0&gs_l=psy-ab.1.5.35i39j0l9.74.74..5249...0.0..0.97.97.1......0....1..gws-wiz.......0i71.RYkngdZbemo
描述 3D 列印的想法 30 年前就有人提出來了。隨著 3D 技術的發展和普及。甚至在 Amazon 已有 3D 列印機出售了,3D 技術帶來了無限可能
張胤竺
6作者 經濟部推動綠色貿易專案辦公室
來源 https://www.greentrade.org.tw/zh-hant/publication/%E7%B6%A0%E8%89%B2%E7%94%A2%E6%A5%AD%E5%A0%B1%E5%91%8A/%E8%87%BA%E7%81%A3%E9%A2%A8%E5%8A%9B%E7%99%BC%E9%9B%BB%E7%94%A2%E6%A5%AD%E7%99%BC%E5%B1%95%E7%8F%BE%E6%B3%81%E8%88%87%E6%9C%AA%E4%BE%86%E5%B1%95%
描述 在全球高度重視氣候變遷議題與追求永續發展的趨勢中,綠色能源的應用已為世界各國重點發展領域,也是各國能源戰略布局與相互競逐的新興產業。風力發電為綠能能源產業中重要的一環,現階段全球風力發電產業以陸域風電占比較大,但其成長趨緩;離岸風電占比較小但成長快速,受到各界矚目,未來持續為離岸風電發展重點。
陳羿潔
5作者 劉瑞弘
來源 https://scitechvista.nat.gov.tw/c/sZMf.htm
描述 有關風力發電,你一定要知道的十件事
全球風能協會於今年2月指出,全球風力發電去年增加了17%,總發電量首度超越了核能發電量。此極高的成長率讓人不得不注意一下這個風能究竟有什麼樣的吸引力,讓全世界競相投入開發設置。
陳羿潔
4作者 謝惠子
來源 https://energymagazine.tier.org.tw/Cont.aspx?CatID=&ContID=53
描述 為什麼大型風機大多是三個葉片?如果多裝幾個葉片,是不是就可以讓風機轉動得快一點、讓發電效率再更高一些......
陳羿潔
3作者 李建興
來源 https://www.gvm.com.tw/article.html?id=42527
描述 2014年,國際工程顧問公司4C Offshore發表數據指出,全球20大最適合發展離岸風電的場域,台灣就占八成。
黃佑淇
2作者 蕭子訓
來源 http://eip.iner.gov.tw/msn.aspx?datatype=YW5hbHlzaXM=&id=MTU3
描述 早在十九世紀末,第一部風力發電機便已問世,然當時由於經濟效益及效率皆不高的因素,並未被廣泛使用,但經過全球兩次石油危機後,再加上全球暖化議題逐步升溫,風力發電近年來已成為重要的可再生能源選項。
黃佑淇
1作者 梁役丞,曾俊元
來源 http://www.shs.edu.tw/works/essay/2008/03/2008031811540611.pdf
描述 人類利用風力來加強工作效率的歷史悠久,從西元前 3600 年古埃及利用了風車來從事抽水灌溉農田。西元 1500 年~1600 年間歐洲使用的風車,是以葉片旋轉經過齒輪傳動來運轉石臼和汲水機。
黃佑淇

序號封面照內容說明上傳者
6類別 youtube影片
名稱 3D列印風力發電機組件影片
說明
我們發力發電機的機構組件都是由3D列印輸出,我們覺得很有成就感,不過真的是很花時間。
陳羿潔
5類別 相簿集
名稱 發電機裝置尺寸測量與3D繪圖
說明
我們用游標卡尺測量發電機線圈的組件,然後在123D繪圖出發電機的結構。
陳羿潔
4類別 相簿集
名稱 串接兩層葉片之發電機效能測試
說明
我們發現串接兩層葉片,因葉片吃到風力的面積增加,轉速也增加,效能比單葉片好。
張胤竺
3類別 相簿集
名稱 不同葉片角度之效能測試
說明
我們利用量角器控制二個頁片間的夾角,來測試發電機的效能。我們發現在夾角30度的時候,發電機會有最佳效能。
張胤竺
2類別 相簿集
名稱 葉片數量之發電機效能測試
說明
我們依序增加葉片,測試發電機產生的電壓值,同時記錄實驗數據。
黃佑淇
1類別 youtube影片
名稱 40度葉片角度之效能測試影片
說明
我們發現40度的角度有最佳效能,峰對峰有21V,有效值為7.1V
黃佑淇

序號內容上傳者
10作者 陳羿潔
標題 實驗磁鐵數量與發電機效能之關係
內容
在測試中我們實驗了磁鐵數量與發電機效能之關係,我們將磁鐵依照二、四、八、十六顆磁鐵排序,在過程中,我們發現十六顆磁鐵轉不動,我們推測可能是因為十六顆磁鐵的磁力太重,造成風力轉不動發電機,不過二、四、八顆磁鐵都能轉動,其中轉最好的磁鐵數量是八顆磁鐵十二個扇葉串接,它產生的峰對峰值及電壓,是當中最高的。

陳羿潔
9作者 張胤竺
標題 測試葉片角度
內容
在測試葉片角度與發電機效能和測試葉片角度與發電機效能之關係的時候,我們先將葉片串接好,再開始測試角度,由於我們是用串接的方式來連接葉片,所以如果說太用力的話,葉片和葉片的連接處便會斷掉,必須再列印一個葉片,我們反覆測試多次,測是最佳的善業角度為40度。

張胤竺
8作者 張胤竺
標題 磁場的威力實驗
內容
我們今天要測試磁鐵多寡是否影響3D列印盤的運轉速度,這個實驗可說是一項大挑戰,因為我們運用的磁鐵是強力磁鐵,所以,只要不小心或不注意,我們的就會被調皮的磁鐵夾得非常緊,甚至有可能破皮。
我們以2、4、8個磁鐵做主角,並以扇葉3、4、6、12片做為配角,藍色扇葉與黃色扇葉之間的角度以30度為標準。原本我們有想用到16個磁鐵,但發現太重了,無法讓3D列印盤轉動,所以,縮短為8個磁鐵就好了。
我們會將磁鐵扣入3D列印盤的內凹槽,之所以這樣做是因為,磁鐵無論相吸或相斥都會有磁場(越多越磁場越大),加上我們用的線圈與磁鐵會產生電力,藉此運轉3D列印盤,所以線圈其實是最大的實驗主角。

張胤竺
7作者 陳羿潔
標題 葉片數量測試
內容
今天我合另一個組員在做實驗,這個實驗主要是測試葉片片數對速度的影響(也就是操作變因)。我負責記錄,另一個組員負責做實驗。首先先把強力磁鐵裝進3D列印盤的底部,共有四顆(S對S,N對N),裝完以後把葉片和3D列印盤組裝好,就可以把它裝在線圈上了,不過組裝葉片是一大困難之一,因為印出來不是那麼的標準,所以有些組裝後發現太鬆的也有,正要組裝卻因為太緊而裝不進去的也有,最後只好用鉗子把寬度做調整,但力道太大會把它用斷,力道太小它也不會改變。接下來把示波器打開,連接上線圈後,測試顯示的電壓是否正常(如果不正常,要先讓機器歸零,或是調整磁體的N或S)。

陳羿潔
6作者 黃佑淇
標題 撰寫結論
內容
今天下午我留下來打結論,我重新想了想我們所做的這個發電機的優點,重新整理我們之前所做的所有實驗數據,並將每個研究重點重新撰寫在結論上,我細心的重新編排、歸納資料,然後打出了結論,過程中我對於我們的實驗又更進一步的了解,我也有詢問師長、學長姐,使我的結論結構更加完整。這讓我想起在參加第58屆科展的時候,評審給了我們的作品許多建議,我們這次的作品將以前的作品依據之前評審的建議加以改良,成為了我們現在的成品,在過程中我十分開心,學到了很多,又可以接觸到在國一國二學習不到的寶貴知識與經驗,不過我覺得最重要的還是與隊友一起合作、互相幫助還有探索未知領域的精神,這讓我和另外兩個同學,在這小論文中有更加了解彼此,我們也一起探借了許多問題,並試圖去解決,希望我們未來的比賽可以獲得好的成績,這不僅是為了學校榮譽,也是代表著我們努力的結果呢!

黃佑淇
5作者 張胤竺
標題 角度測試
內容
前幾天做完了扇葉長度的實驗後,我們今天要做的實驗是,將藍色扇葉和黃色扇葉以10度、20度、30度......一直到50度的角度扭轉,要在3D列印盤上扣入12片扇葉,並測試每增加10度會有怎樣的變化。
當我們測試到將扇葉轉成50度時,我們發現40度以後的度數慢慢地漸少3D列印盤運轉的速度,所以實驗結果是,將扇葉轉成40度是能夠增加3D列印盤運轉速度的最佳度數。
此外,我們還將小型電風扇也從0度運轉到60度,看看對於3D列印盤有何影響。
我們發現如果將小型電風扇的底部對準50度是能讓3D列印盤增加運轉的速度,這兩次的實驗可以證明,扇葉的角度有無和電風扇的角度有無是會影響3D列印盤運轉的速度。

張胤竺
4作者 黃佑淇
標題 撰寫文稿
內容
今天下午我們在教室內撰寫文稿及做實驗,我是負責文稿的,在撰寫文稿時,我上網查了一些有關發電的資料,發現了綠能的使用在台灣發電的量遠比核能和火力發的電量少,台灣最近花了非常多的金費在建造離岸風電上,希望能完成2025無核家園的夢想,核能占台灣發電量由96年之16.7%降至12.0%。

黃佑淇
3作者 張胤竺
標題 敲打的實驗
內容
今天運用3D列印機製做出來的3D列印盤、扇葉和自行準備的小型電風扇,準備開始今天的實驗。
我們共列印出1個黃色列印盤和12片藍色扇葉,列印盤共有12個凹槽,分別放入12片扇葉,從一片扇葉開始實驗,一直放到12片扇葉,發現放入偶數扇葉轉得比奇數扇葉還要快。但充滿好奇心的我們,(另製相同大小相同長度的黃色扇葉,並扣入藍色扇葉的凹槽)加長了扇葉長度,發現加長的扇葉(藍色的扇葉加上黃色的扇葉)運轉的速度比只扣入藍色扇葉運轉的速度還要好,同時也發現放入加長過的偶數扇葉效果比放入加長過的奇數扇葉難還要佳。
加長扇葉長度的過程中,用壞了幾片扇葉,所以,用3D列應機重製了幾片藍色、黃色扇葉,但是,也找到方法如何不敲壞扇葉。今天做了個蠻有趣又新奇的實驗。

張胤竺
2作者 黃佑淇
標題 實驗
內容
在實驗我們的風力發電機的過程中,我們目前遇到了一些問題,例如:1.發電機放置磁鐵的3D列印盤無法有效固定磁鐵,會使磁鐵黏在線圈上。所以我們目前想到的方法就是將放置磁鐵的地方用小紙張加厚厚度,讓磁鐵緊緊地卡在上面,不至於會那麼容易就掉下來,黏在線圈上。2.在固定用4個磁鐵測試電壓時,磁鐵可能不是NNNN等距排列,4個N中有一個S,便會使電壓不正常,或是波型很醜。所以在測試電壓之前我們都會先檢查四個磁鐵會不會都是同樣的磁極,再開始做實驗,確保實驗數據正確。3.在放置葉片時,如果角度沒有對準好,敲好的葉片會磨損。所以必須一直對準同一個角度敲葉片,才不會磨損,並且葉片的長是12公分,卡進葉片的地方是4公分,所以必須分成三等份,上中下都要剛好4公分,所以必須要用尺量上下各是公分,多一分不行,少一分也不行,才不會影響實驗的結果。

黃佑淇
1作者 黃佑淇
標題 閱讀文獻資料
內容
這幾天我找了許多有關風力發電的文獻資料,發現風力發電的方式有浮在海面上的風力發電機,或是離岸風力發電等的幾種發電方式,且全世界適合發展離岸風電的地方台灣就占八成,所以我認為台灣是一個非常適合發展離岸風電的地方,而且台灣現在也在推廣離岸風電,看到離岸風電的同時,我也在想像著我們的設計的風力發電機是否也可以推廣出去呢?

黃佑淇

序號封面簡介(摘要)上傳者
5書名 離岸風力發電
作者 約翰.泰威德爾, 葛塔諾.高
出版社 世茂
簡介(摘要)
本書介紹離岸發電的工程、製造、維修以及氣候等知識,為參考西歐地區的發展應用狀況。
目前大部分大尺度風機的數據及經驗都來自於陸域風場,而海上結構物的設計、安裝和操作經驗則源自於海上的石油及天然氣工業,海洋風能的知識主要來自於航海。

導讀
離岸風能的利用將是人類歷史上一個主要的新發展,也是第一次大規模的工程結構安裝在海上。這些自動運轉的動態機器,期望它們能以97%以上的可用率運轉至少20年,這是非常艱鉅的挑戰。
陳羿潔
4書名 圖解風力發電入門
作者 牛山泉
出版社 世茂
簡介(摘要)
地球的急速暖化讓全世界科學家正盡全力試圖找出最適當的替代性能源。在各種替代性能源中,各國可自產、不會產生二氧化碳、對環境負擔較低的電力來源之一,除了太陽能之外就是風能。本書以圖解與簡潔的說明將風力發電歷史、風力發電的構造與最新資訊介紹給您,期望藉此有更多人了解風力發電的構造與未來。
導讀
風力發電這項替代性能源同時具有(1)豐富、(2)廉價、(3)無窮盡、(4)隨處皆有、(5)無污染、(6)可再生利用等特色。身為地球上的一份子,我們需要多了解風力發電,本書由淺至深為您介紹:◎何謂風力發電◎風與風力發電◎風力發電的結構◎風車的種類與使用方式◎如何建造風力發電機◎風力發電Q&A
陳羿潔
3書名 認識綠色能源
作者 李育明
出版社 新自然主義
簡介(摘要)
你知道嗎?我們正處於全球暖化與能源恐慌的危機時代!
  反觀,太陽照耀地球1小時的能量,相當於人類消耗365天的能量總和,由此可見,善加利用太陽所形成的太陽能、生質能、風力、水力、海洋能,以及地熱等六大再生能源,就能逐步減輕對傳統化石能源的依賴,同時減緩地球暖化造成的氣候災難等威脅。
  全書提供許多減碳抗暖化的新知與法寶,邀請大家以具體行動響應再生能源,並安享節能生活,像是開車族可以讓愛車添加生質燃料、日照多且強的住家可加裝太陽能熱水器或太陽光電設備、風吹得夠強的地方可考慮安裝風力機,以及改用高效率的省能家電、隨手關燈……。
別小看一個人的力量,從現在起過低碳簡樸生活,人人都可以是地球的救星!
導讀
一、提高對地球暖化與能源危機意識:對抗地球暖化,請響應再生能源與節能減碳,讓地球的未來更安全、也更健康!
二、倡導可永續的能源教育:能源教育中之節約能源與再生能源,有必要從行動中、從生活中落實。
三、傳達再生能源的科普知識:以淺顯易懂且圖文並茂的方式,傳達再生能源的科普知識,將有助於政策的執行,鼓勵民眾以率先使用再生能源為榮。
四、分享推廣再生能源成果:介紹這幾年來國際上及台灣發展再生能源的成果,提供經驗分享、使用效益,以及政府獎勵方案……,以做為追隨者的參考。
五、以普及使用帶動新商機:期待共同打造台灣為綠色能源島,使台灣能源來源更多元、能源自主性提高,有助於台灣朝向低耗能、低污染的產業結構邁進。
張胤竺
2書名 綠色能源島
作者 艾倫‧杜蒙
出版社 艾倫‧杜蒙
簡介(摘要)
愛護地球,大家都知道;非核家園,大家都想要,但,要怎麼做才能擁有?
這裡有座神奇的風之島,
擷取大自然的寶藏,創造自給自足的用電,
他們是怎麼辦到的?
現在就跟我們一起飛向這座神奇風之島,
體驗全新的能源開發之旅。
一位科學家發現,這座神奇的風之島,只要一颳起強風,就能生產許多電力。他想,風可以產生電力,那利用太陽或者農作物也可以發電嗎?他決定試試看……
這是發生在丹麥薩姆索島的真實故事。原本長期倚賴海底電纜傳送電力的薩姆索島,因著一天次的大停電,改變了島上居民的用電想法。在一位長期關注再生能源的老師,薛恩.赫曼森的號召之下,全島總動員,攜手開發再生能源。2010年,薩姆索島已經可以依靠風力發電、收集太陽能、燃燒稻草產生熱能等方式來生產電力,不但供應了全島的用電,甚至提供給島外的丹麥人使用。這座創造奇蹟的「綠色能源島」因此成為世界的典範。這個故事也證明了,只要懷抱遠大的夢想並且同心協力,我們都能朝永續能源的目標邁進,扭轉未來。
台灣的處境和薩姆索島十分相似,在我們思索非核家園的當頭,透過這個真實的故事,讓大家思考未來的道路該如何選擇?讓孩子體認環境保護的重要,也讓孩子發散思考替代能源的使用,激發孩子的創造力。
本書於每個主題後開闢一個小專欄如:「非再生能源」、「再生能源」、「能源自主」、「地球暖化」、「風能」及「節約能源」等科學知識,進一步為孩子解說相關的知識,讓其具備基礎的概念。
導讀
西元2008年7月,當世界油價飆漲的時候,我正在一個插畫會議返家的途中,在《紐約客》雜誌上,我讀到一篇由伊麗莎白‧柯伯特(Elizabeth Kolbert)所寫的文章「風之島」,那是我第一次認識薩姆索島和那裡的居民。它讓我想起1970年代的石油危機,當時我還是個孩子,我注意到住家附近有人正在興建太陽能板,試圖節約能源,以減少對石油的依賴。看到這篇報導,第一時間我便知道薩姆索會是個很棒的圖畫書題材。在隨報導所附的照片裡,風力渦輪發電機位在綠油油草地的遠方,上方一片藍天,藍天中襯著幾朵白雲,正好足夠讓我畫下幾個突發奇想的點子,於是我拿起筆開始作畫。
發生在薩姆索島上的,不單單只是風力發電一件事而已,而是全島居民齊心協力,決心成為一個能源自主的地方。薩姆索雖然是一個特別多風的地方,但也因為社區居民充分利用了生質能和太陽能才能如此。薛恩‧赫曼森在2008年時被時代雜誌封為「環境英雄」,他是一位卓越非凡的領導人和發言人,但是,如果沒有島民熱情支持的話,他也是無法達成目標的。
感謝法蘭西斯‧福斯特(Frances Foster),莉莎‧葛萊福(Lisa Graff),瑪琳納‧浪頓(Malene Lunden),米蒂‧克萊默(Mette Kramer),布萊恩‧傑爾(Brian Kjær),以及葛瑞格‧班尼迪斯葛伯(Greg Benedis-Grab)的幫忙,讓這本書誕生,尤其要特別感謝薛恩‧赫曼森(Søren Hermansen),不僅給我企劃上的建議,同時也是第一個告訴我風之島事件的人。
為了讓故事順利進行,有些事件的時間順序被簡化了,像是約翰‧全柏格的大型發電機事實上是薩姆索島上第一座風力發電機,比布萊恩‧傑爾的小型發電機還要早。總之,只要風一吹起,他們兩個人就會非常開心,全島的居民也如此!當心囉!抓緊你的帽子!
張胤竺
1書名 科學實驗王31:電磁鐵與發電機
作者 徐月珠
出版社 三采出版社
簡介(摘要)
了解磁鐵與電流的各種科學原理,例如磁鐵的性質、磁場與電場、電磁鐵,以及馬達與發電機在生活中的應用範圍等。
導讀
書中同一個社團的四個同學一起去探討磁鐵與發電機的應用,過程中經歷了許多失敗,例如在模擬磁浮列車的時候,都不成功,後來把線圈捲的比原先多,再加上電池,便測試成功了。
黃佑淇

序號書面報告說明上傳者
1說明 我們3D列印發電機的優點:
1. 只須微弱的風即可發電。
2. 發電機本體輕便、好攜帶。
3. 我們使用廢棄吊扇中的線圈,廢物再利用。
4. 線圈朝下,不會被葉片干擾發電效果。
5. 成本低、可自行調整顏色。
6. 可以利用手機連線充電。
7. 可以當作中小學能源教育的的教材或教具,容易拆解與組裝,非常適合給國中
小學生作為實驗的器具。
缺點:列印太花時間啦。
黃佑淇

序號書面報告說明上傳者
1說明 3D列印風力發電機之效能分析黃佑淇