修平科技大學機械工程學系

實務專題論文

風扇發電機構葉片分析

指導教授：洪振聰 班級： 四機三甲

組長： 李健豪 BA101015

組員： 蘇冠霖 BA101011 鐘偉哲 BA101050

吳駿宇 BA101503

中華民國一○四年五月二十六日

I

摘要

現在大家所重視的環保議題，能源耗竭樹木亂砍亂伐，石油也在近期百

年內使用完，要找新的替代能源也是遲早一天會耗盡，我們就想說能源靠自

然力量產生的能源既環保又無汙染，風力發電是我們首先要研究的方向，風

力發電也是近幾十年所在推廣善用，我們組別就想從風力發電葉片去做分析

並且研究效益大小。

本專題製作以應用 SolidWorkS 設計風力葉片，3D 列印製作實體風力葉

片，專題設計三種風力葉片，螺距分別為 200mm、600mm與 1000mm，並完成測

試平台，發電機構使用 2個發電機做串聯發電，經實驗結果顯示，200mm發電

量為 786 mA、600mm發電量為 647 mA以及 1000mm發電量為 556 mA，螺距越

小產生的發電效率越佳。

II

致謝

感謝我們的指導老師在百忙之中還抽空與我們一起討論專題，還有一起

同心協力的組員，以及協助我們加工 CNC 銑床的學長，使我們的作品能夠如

期完成，感謝所有這次幫忙我們專題的人。

III

目錄

摘要 .......................................................................................................................... I

致謝 ....................................................................................................................... III

目錄 ........................................................................................................................ IV

第 1 章緒論 .............................................................................................................. 1

1.1 前言 ................................................................................................................ 1

1.2 研究動機及目的 ............................................................................................ 1

1.3 風力發電介紹 ................................................................................................ 1

1.4風力發電原理 .................................................................................................. 6

1.5 時間進度管制 ................................................................................................ 6

1.6 工作分配 ........................................................................................................ 8

第 2 章研究方法 ...................................................................................................... 9

2.1 前言 ................................................................................................................ 9

2.2使用工具軟體介紹 .......................................................................................... 9

2.3SOILDWORKS CAD/CAM 模擬 ................................................................ 10

2.4SoftLathe/Mill加工模擬……………………………………………………11

2.4 工程圖 .......................................................................................................... 15

2.5 零件圖 .......................................................................................................... 16

2.6 葉片形狀設計與製作 .................................................................................. 18

第 3 章製作流程 .................................................................................................... 20

3.1 前言 .............................................................................................................. 20

3.2 3D 列印過程 ................................................................................................ 20

3.3 實際加工照片 .............................................................................................. 22

3.4 成品 .............................................................................................................. 25

第 4 章結果與討論 ................................................................................................ 26

4.1 前言 .............................................................................................................. 26

4.2 實驗步驟 ...................................................................................................... 26

4.3 風扇葉片分析比較 ...................................................................................... 26 IV

第 5 章結論與建議 ................................................................................................ 29

5.1 結論 ........................................................................ 2 錯誤! 尚未定義書籤。

5.2 建議 ........................................................................ 2 錯誤! 尚未定義書籤。

參考文獻 ................................................................................................................ 30

V

第一章緒論

1.1 前言

風的產生是由於太陽江地表的空氣加溫，空氣受膨脹便輕而往上升，熱

空氣上升後，低溫的重空氣就從四周橫向流入，因而形成空氣的流動，這就

是風。而我們將利用風來驅動我們的葉片來產生電力，並分析比較哪一種葉

片能夠獲得就多的電力

1.2 研究動機及目的

在臺灣，擁有半年以上的東北季風期，沿海、近海及離島許多地區的年

平均風速每秒皆超過 4∼5 公尺，是開發風力發電的基本條件。如此優越的風

場潛力，再加上我國自產能源貧乏，有 99％以上的能源消費均須仰賴進口，

因此開發自產能源及利用綠色能源更顯格外重要。風力發電成為臺灣再生能

源的最佳發電系統有其優勢條件。

我們都知道風扇葉片在旋轉時接上發電機，就能夠使其發電，不同

葉片形狀產生的發電效能不同，那到底哪種葉片形狀能夠得到最大的效能呢?

所以我們這次專題主要就做出三個不同螺旋距離的風扇葉片，讓我們知道哪

一種是能夠得到最大的功率的葉片。

1.3 風力發電介紹

人類利用風力來加強工作效率的歷史悠久(如下表一)，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。西元 1800 年

時荷蘭利用風車進行排 水、輾粉、榨油、製材等工作的風車。後經京都議定

書簽訂風力發電因此而盛行。

1

表一:風力發電史

西

元

前

36

世

紀

西

元

前

19

世

紀

西

元

前

10

世

紀

西

元

10

世

紀

西

元

12

世

紀

西

元

15

16

世

紀

西

元

17

世

紀

西

元

18

世

紀

西

元

19

世

紀

非洲 灌溉

亞洲 灌 溉

磨坊

美洲 抽 水

灌溉

歐洲 磨坊 汲 水

轉 石

臼

灌 溉

輾粉

排 水

製 材

榨 油

輾粉

↑

2

近年來，由於面臨能源缺乏之危機及溫室效應之影響，使生質能源與再

生能源變成現代研究之主流！風力發電則在京都議定書簽訂後漸受重視而盛

行。 因面臨能源缺乏危機，每個再生能源都得到重視。在這些在生能源當中，

引起我 最大的興趣就是風力發電，為何我對風力發電有興趣？因風力是源源

不絕的能 量，在日常生活中風也是不可或缺的能源之ㄧ，因而研究此主題。

圖一:水平式發電機↑圖二:垂直式發電機↑

風力發電機由於所需要之成本較低，且不造成環境污染，因此現代許多

研究人員朝這個方向邁進，但因各國地理環境不同，所以製成的風車形式也

有所不同，也更帶動各地區得觀光產業。一. 風力發電種類及構造說明 根據

葉片轉動的方式亦可分為垂直式與水平式(如上圖一、圖二)，對於垂直式而

言，可根據貝茲定律產生 59%的電功率。根據地理環境不同大致上可分為 離

岸式與陸上式兩種(如下圖三、圖四)，其之比較如下(表二)。若以葉片的樣

式 來做比較可分為:多葉式型、三葉式型、雙葉式型、單葉式型等…… 所謂

的貝茲定律，是目前風力發電做出最高電功率的定律，亦是目前風 力的極

限。

3

表二:離岸式與陸上式之比較

離岸式 陸岸式

發電量及平穩度 因海面較平穩無阻礙，所以發電量較大

陸面凹凸不平風力常受

阻，所以發電量較小 所需成本 因在海中建設較為麻

煩，所以需求成本較高 因在路上只需考慮到地

形是否適合建設，所以成

本較低 所需技術 因離開地面所需技術也

較高 在陸上物資方面較容易

運輸所需技術較為普通 生態系影響 海面上生物較少，所以影

響較小 在陸上飛禽較多，所以較

可能影響生態系 風力發電所帶來的經濟

效應 在海面上不太容易興起

觀光事業，所以帶來的經

濟效應較低

路上容易興起觀光事

業，所以常常帶來大批觀

光遊客 風力發電的壽命影響 在海面上長受海浪與海

風的侵蝕較容易損壞減

短壽命

在路面上若無劇烈的地

殼運動壽命較為長

風力發電的地理位置 在海上不佔用空間 在陸上因陸地面積有限，可建之風力發電也有

限 兩種風車共同的特性 都是以風力為主要動力，大多是以水平式作其運轉

方式，對大自然影響較小也較環保

4

圖三:陸上式發電機↑圖四:離岸式發電機

1.4 風力發電原理

風力發電的原理，是利用風力帶動風車葉片旋轉，再透過增速機將旋轉

的速度提升，來促使發電機發電。依據目前的風車技術，大約是每秒三公尺

的微風速度（微風的程度），便可以開始發電，並產生風速在每秒十三至十五

公尺時（大樹幹搖動的程度）的輸出力道。

大型風力發電機通常採用"水平軸"型式，它由風葉輪、變速箱(加速齒輪箱)、

發電機、偏移裝置、控制系統、塔架等部件所組成。 風葉輪的作用是將風能

轉換為機械能，它是由氣體流動性能良好的葉片裝在輪軸上所組成，低速轉

動的風葉輪通過傳動系統 經由加速齒輪箱來增速，將動力傳導給發電機。上

述這些組件都安裝在機艙內，整個機艙由高大的塔架支撐，由於風向會 經常

改變，為了有效地利用風能，必須要有自動迎風的裝置，根據風向感測儀測

得的風向信號，再由控制器來控制偏移電機， 驅動小齒輪去推動塔架上的大

齒輪，使整個機艙藉由此自動控制的系統，能夠保持正確對向迎風面。

風力發電設置地點須風性良好（風期長、平均風速大、風力平穩）且不受遮

擋；並考慮地理環境適宜及交通便利，以減少投資成本並增加出力。一般常

設於田埂、河堤、防風林、山脊等，海邊因不受阻檔亦為極佳之設置場所。

現在全球之趨勢為朝離岸式發展，以利用海上更佳之風能及節省陸地資源。

1.5 時間進度管制

5

本專題研究內容共分為資料收集及研究、手繪設計模型、模型比例計算、Solid

Works 製作模型、模型腳架設計、實驗設備安裝與測試、模型比較跟改良、風

扇電量輸出比較、整理分析比較、結案報告撰寫與製作等 10 項，各工作項目

時程進度如下圖所示。

表三:計畫進度管制圖

月次

工作項目

第 1 月

第 2 月

第 3 月

第 4 月

第 5 月

第 6 月

第 7 月

第 8 月

第 9 月

第 10 月

第 11 月

第 11 月

備 註

1.資料收集及研究

2.手繪設計模型

3.模型比例計算

4.Soildworks 製作模型

5.模型腳架設計

6.實驗設備安中與測試

7.模型比較跟改良

8.風扇葉片電量輸出比較

9.整理分析比較

10.結案報告撰寫與製作

預定進度累計百分比 10% 15% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 85% 95% 100%

預定進度實際進度

職稱 班級 學號 姓名 工作

6

1.6 工

作分

配

表四 : 工作分

配

組長 機械三甲 BA101015 李健豪

搜尋資料

計畫構想

報告製作

組裝測試

影印文件

組員 機械三甲 BA101011 蘇冠霖

搜尋資料

計畫構思

報告製作

零件繪製

產品構思

產品繪圖

組員 機械三甲 BA101050 鐘偉哲

搜尋資料

計畫構思

內容編輯

報告製作

零件繪製

組員 機械三甲 BA101503 吳駿宇

搜尋資料

計畫構思

零件繪製

產品組裝

實際測試

7

第二章研究方法

2.1 前言

本章是我們使用到的軟體之說明

2.2 使用工具軟體介紹

1.Solidworks 3D模型設計介紹

設計:以 Solid work製圖轉成 STL檔

◎ SolidWorks 是第一套以 Windows 為基礎的 3D CAD 建模(modeling)

軟體。

◎ SolidWorks 包括了 3 種重要的模式(mode)，且彼此之間存在雙向關

連(bidirectional associativity)：

1.零件(Part mode)

2.組合件(Assembly mode)

3.工程圖(Drawing mode)

◎ 改變視角 (changing the view)

在 SolidWorks 世界裡，操作「視角」(view)是精通 SolidWorks 最

重要的技巧之一；因此，學習如何有效率(efficiently)及有效(effectively)

的使用它是非常重要的。

表四:SolidWorks 應用軟體

8

2. 3D列印技術介紹

3D列印（英語：3D printing），又稱增材製造（Additive Manufacturing，

AM），屬於 快速成形技術 的一種。它是一種以數字模型檔案為基礎的直接製

造技術，可以基本製造任意形狀三維實體。3D列印運用粉末狀金屬或塑料等

可粘合材料，通過逐層堆疊累積的方式來構造物體，即「積層製造」。3D列

印與傳統的機械加工技術不同，後者通常採用切削或鑽孔技術（即減材工藝）

實作。 過去在模具製造、工業設計等領域，3D列印技術常常被用於製造模型，

現正逐漸用於一些產品的直接製造。特別是一些高價值產品（比如 髖關節

或 牙齒，或一些飛機零部件）已經有使用這種技術列印而成的零部件，意味

著「3D列印」這項技術的普及。

3D列印通常是採用數位技術材料印表機來實作。這種印表機的產量以及

銷量在二十一世紀以來就已經得到了極大的增長，其價格也正逐年下降。

該技術在珠寶，鞋類，工業設計，建築，工程和施工（AEC），汽車，航空航

天，牙科和醫療產業，教育，地理資訊系統，土木工程，槍枝以及其他領域

都有所應用。

我們使用3D列印機，它是屬於快速成形技術的一種，它是一種數位模型

檔案為基礎直接製造幾乎任意形狀三維實體的技術。3D列印運用粉末狀金屬

或塑料等可粘合材料，透過逐層堆疊累積的方式來構造物體。

使用的型號是 CUBE 3D 2代

圖五:CUBE 3D列印機

9

http://zh.wikipedia.org/wiki/%E8%8B%B1%E8%AF%ADhttp://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%BF%AB%E9%80%9F%E6%88%90%E5%9E%8Bhttp://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%85%B3%E8%8A%82http://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%85%B3%E8%8A%82http://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%89%99%E9%BD%BF

2.3SOILDWORKS CAD/CAM 模擬

圖六:SolidWorks設刀路加工面板模擬圖七:SolidWorks繪畫風扇面板

圖七:SolidWorks設刀路加工模擬面板圖八:SolidWorks設刀路加工面板

10

2.4 SoftLathe/Mill 加工模擬試刀具路徑

(右視) (上視)

圖九:SoftMILL 刀具路徑加工面板(上) 圖十:SoftMIL 刀具路徑加工面板(上)

(前視) (後視)

圖十一:SoftMILL 刀具路徑加工面板(上) 圖十二:SoftMILL 刀具路徑上板

11

(前視) (右視)

圖十三:SoftMILL 刀具路徑加工面板(下) 圖十四:SoftMILL 刀具路徑加工

(上視) (右視)

圖十五:SoftMILL 刀具路徑加工面板(下)圖十六:SoftMILL 刀具路徑加工面板

12

(後視) (後前視)

圖十七:SoftMILL 刀具路徑加工面板(下) 圖十八:SoftMILL 刀具路徑加工面

(右視) (等角視)

圖十九:SoftMILL 刀具路徑加工面板(下) 圖二十:SoftMILL 刀具路徑加工面

13

(等角視) (等角視)

圖二一:SoftMILL 刀具路徑加工面圖二二:SoftMILL 刀具路徑加工面

14

2.4 工程圖

圖二三:風扇面板(上)

圖二四:園柱

圖二五:風扇面板(下)

15

2.5 零件圖

圖二六:零件上板

圖二七:零件下板

圖二八:圓柱(長)

圖二九:圓柱(短)

16

圖三十:馬達座

圖四十:馬達

圖四一:組合圖 1

圖四二:組合圖 2

17

2.6 葉片形奘設計與製作

螺旋距離 200 (圖四十一)

螺旋距離 600 (圖四十二)

螺旋距離 1000 (圖四十三)

18

200mm螺旋距離 (圖四十四)

19

第三章製作流程

3.1 前言

本章是我們操作 3D 列印的過程與在工廠加工時的照片以及成品的組合

圖

3.23D 列印過程

圖四十五:3D 列印操作圖四十五:3D 列印製作風扇

圖四十六:3D 列印風扇 (螺距 1000mm) 圖四十七:3D 列印馬達座

20

圖四十八:風扇 600mm 螺距圖四十九:3D 列印底座

圖五十:3D 列印風扇圖五一:3D 列印風扇

21

3.3 實際加工照片

圖五十二:操作車床製作圓柱圖五十三:操作鋸床製作圓柱

圖五十四:操作車床製作圓柱圖五十五:操作鋸床製作圓柱

22

圖五十六:組裝圓柱模板圖五十七:CNC 製作風扇面板

圖五十七:操作 CNC 製作風扇面板圖五十八:操作 CNC 製作風扇面板

23

圖五十九:操作車床製作圓柱圖六十:組裝完成面板圓柱

圖六十一:組裝完成面板圓柱圖六十二:製作面板前 24

3.3 成品

(前視)

(上視) (右視)

(下視)

圖六十三:成品各個視角

25

第四章結果與討論

4.1 前言

本章是測試的步驟和分析出來的結果

4.2 實驗步驟

風吹往葉片，使葉片旋轉，接到電壓處，來分析比較哪一個葉片能夠得

到最大功率。

風

葉片

量 測

輸出電壓

分 析

比較

26

4.3 風扇葉片分析比較結果

單一馬達

200 螺旋距離圖六十四

600 螺旋距離圖六十五

1000 螺旋距離圖六十六

27

串連馬達

200mm 螺旋距離圖六十七

600mm 螺旋距離圖六十八

1000mm 螺旋距離圖六十九

28

第五章結論與建議

5.1 前言

本章由以下數據可看出哪種葉片的發電量相對較好

5.2 結論

葉片螺距

馬達數量

200mm 螺距

600 螺距

1000mm 螺距

單一馬達

350mA

320mA

278mA

串連馬達

786mA

647mA

556mA

表五:根據分析比較之後得知，螺旋角越小，葉片轉動的速度越快，發電

量越大。

5.3 建議

這次我們使用的材料是塑膠材，在加工時因材料硬度不夠，以致材料微

彎，以後可以採用較硬的材料。

29

參考文獻

1.圖解風力發電，作者：馬振基，發行日期 2009/10/09

2.風力能源與風力發電系統設計，編著：牛山泉，發行日期 2011年 11月

3.壓氣機、風扇葉片自動優化設計，作者：周正貴，發行日期 2013/12/1

4.風車工學入門，從基礎理論到風力發電技術，作者：牛山泉，發行日期

2010/8/12

5.Arduino 電風扇設計與製作 The Design and Development of an Electronic

Fan by Arduino Technology，作者：曹永忠，發行日期 2013/8/25

30

http://search.books.com.tw/exep/prod_search.php?key=%E9%A6%AC%E6%8C%AF%E5%9F%BA%2F%E6%A0%A1%E8%A8%82%EF%BC%9B%E6%9D%8E%E4%BF%8A%E5%B3%B0%2F%E4%B8%BB%E7%B7%A8%EF%BC%9B%E6%99%82%E7%92%9F%E9%BA%97%E3%80%81%E6%96%BD%E9%B5%AC%E9%A3%9B%E3%80%81%E5%96%BB%E6%8D%B7%2F%E5%89%AF%E4%B8%BB%E7%B7%A8&f=author

第一章緒論前言研究動機及目的風力發電介紹風力發電原理時間進度管制工作分配

第二章研究方法2.1前言2.2使用工具軟體介紹2.3SOILDWORKS CAD/CAM 模擬2.4 SoftLathe/Mill加工模擬試刀具路徑圖九:SoftMILL刀具路徑加工面板(上) 圖十:SoftMIL刀具路徑加工面板(上)

2.4工程圖2.5零件圖2.6葉片形奘設計與製作

第三章製作流程3.1前言3.23D列印過程3.3實際加工照片3.3成品

第四章結果與討論4.1前言4.2實驗步驟4.3風扇葉片分析比較結果

第五章結論與建議5.1前言5.2結論5.3建議

參考文獻