國立勤益科技大學 102年度教師研發成果展 工 程 學 院 發表人：冷凍系吳友烈教師

4. 作品特色

2. 內容說明

1. 作品摘要

作品名稱：結合風力與太陽能之綠色供水系統

5. 結論

3. 實驗成果

為了避免未來能源耗盡以及降低全球暖化的現象，如何節能減碳將變成一個重要的課題，而抽水設備的節能將是個重要的設計。有效的降低抽水馬達的用電量即採用風力及太陽能的配合，減少馬達在運轉中所需的電量。然而要以風力驅動不外乎就是需要風速大的區域，例如沿海地區、高山上等。 我們設計一結合風力垂直式及太陽能發電之智慧抽水系統並進行模組之建構，對於再生能源議題，模擬風場中風車抽水的效能做測試，觀察風場中風車轉動所需的風量，亦利用風洞來模擬外風場風速強度(3m/s~11m/s)，觀察不同風速下風車搭配泵浦的抽水量，來判斷浮球控制器是否導通，並且由風速計觀察外風場的風速，若小於透過PID控制器所設定的風速值，太陽能蓄電池則提供電給沉水馬達，以繼續維持抽水之功能。

針對西部沿海的空曠地區，利用外風場風力充足的有利條件下，使垂直式風車加上太陽能發電取代傳統的電力。因此本設計就是利用垂直式風力機轉動齒輪進而拉動氣缸將風力轉換成動力抽水，若水塔內的浮球開關ON且外風場風速小於設定值時，此時會利用西部沿海太陽充足的有利條件讓太陽能板充電至電瓶以提供電力給沉水馬達使用，若風力大於設定值且浮球開關OFF時則又切換至風力驅動水車。所以此專題計畫重要的議題在於如何使風車可以有高效能的抽水，及無風時如何切換至由太陽能蓄電池供應電量。

節能抽水模組風洞測試

為了測試風車在室外的風速下，觀測風車帶動泵浦的抽水量，故使用風洞調整風速大小來模擬外風場風速帶動風車，以量測風車在該風速下所帶動泵浦進行的抽水量，並搭配轉速計測量各風速下之風車的轉速，對此模擬兩種狀況進行測量，一為放置一支氣缸量測風速與轉速，二為放置二支氣缸量測風速與轉速。其結果表一、二及圖1~5所示

表(一) 一支氣缸之風量與轉速 表(二) 二支氣缸之風量與轉速

風速 (m/s)

轉速 (rpm)

流量 (LPM)

4 9.44 0.144

5 56.67 0.86

7 128.3 2.2

9 176.9 3.22

10 195.7 3.6

11 214.5 3.97

風速 (m/s)

轉速 (rpm)

流量 (LPM)

4 16.14 0.144

5 96.87 0.861

7 201.6 1.875

9 271.94 2.576

10 302.97 2.873

11 334 3.17 圖1 風車轉速與風速量測

圖2 一支氣缸與二支氣缸轉速與風速曲線圖 圖3 一支氣缸與二支氣缸流量與風速曲線圖

圖4 一支氣缸與二支氣缸流量與轉速曲線圖 圖5 無載、一支氣缸、二支氣缸風速與轉速曲線圖

風車配合上再生能源(太陽能發電)供應沉水馬達，當外風場無法風車時可利用再生能源驅動沉水馬達以維持持續抽水效能。另配合風速感測裝置，感應外風場風速並傳至PID控制器做一訊號控制，當外風場風速高於設定值風速且浮球開關ON時 ，此時沉水馬達將停止，完全由風車進行抽水，反之，外風外風場風速低於設定值風速且浮球開關ON時，此時將啟動沉水馬達，以維持抽水系統的循環。此模組結合再生能源並搭配智慧型控制可維持節約能源之目的。

圖6 控制電路示意圖 圖7 泵浦示意圖

圖8 結合風力與太陽能之綠色供水系統成品圖 圖9 系統配線控制示意圖

由沉水馬達水量測試的結果可得知沉水馬達實際流量為3.5 L/min，再進行對本研發的系統進行風洞測試，實驗得知針對不同的風速，得到不同的轉速，以及水量對沉水馬達進行節能評估效率，如圖10所示 再依照台中梧棲區9月白天平均風速5.18m/s而言，沉水馬達額定功率為10W，並由圖10得知，以一支氣缸進行抽水時，可省掉沉水馬達20%的電量(相當於2W)，以二支氣缸進行抽水時，則可省掉24.6%的電量(相當於2.46W)。然而，若風速越高 ，則省電率更高，如二支泵浦風速達到11m/s時，可完全取代沉水馬達進行抽水，因此，由實驗結果可知，本系統不論是以一支氣缸為泵浦或是以二支氣缸為泵浦，均可達到節能減碳的效果。

圖10 節能效率圖

參與學生：陳建安、邱潤佐