壓電式風力發電系統之設計與應用 - 高雄應用科技大學

工 程 科 技 與 教 育 學 刊 第 九 卷 第 二 期
民 國 一 ○ 一 年 六 月 第 223~235 頁
壓 電 式 風 力 發 電 系 統 之 設 計 與 應 用
黃 斯 瑜 、 黃 世 疇
國 立 高 雄 應 用 科 技 大 學 機 械 工 程 系
E-mail:shuang@cc.kuas.edu.tw
摘 要
本 文 以 壓 電 懸 臂 樑 為 發 電 元 件 , 利 用 轉 軸 與 壓 電 片 上 磁 鐵 之 磁 力 , 驅 使 壓 電 片 產 生 變 形 , 進 而 探 討 壓
電 懸 臂 樑 之 發 電 效 應 。 文 中 以 有 限 元 素 分 析 軟 體 ANSYS 對 壓 電 懸 臂 樑 進 行 靜 態 分 析 , 藉 以 瞭 解 壓 電 懸 臂 樑
之 應 力 及 應 變 分 佈 狀 態 。 實 驗 中 , 將 磁 鐵 黏 貼 於 風 扇 和 壓 電 懸 臂 樑 的 自 由 端 , 並 以 直 流 風 扇 作 為 轉 軸 之 驅
動 源 , 接 著 調 整 壓 電 懸 臂 樑 與 轉 軸 間 之 磁 鐵 間 距 , 探 討 其 對 發 電 量 的 影 響 。 研 究 中 將 發 電 系 統 之 壓 電 懸 臂
樑 增 加 至 四 組 , 裝 置 於 自 行 車 上 , 當 車 輪 轉 速 950rpm, 磁 鐵 排 列 為 一 吸 一 斥 , 磁 鐵 間 距 為 17mm 時 , 可 獲
22.7 伏 特 之 電 壓 輸 出 。
關 鍵 字 : 壓 電 懸 臂 樑 、 發 電 系 統 、 變 形
1. 前 言
隨 著 科 技 之 發 達 , 需 要 用 電 的 產 品 亦 趨 增 多 , 人 們 因 此 對 能 源 的 依 賴 也 越 來 越 重 , 但 地 球 上 的 能 源 並
非 全 是 取 之 不 盡 , 用 之 不 竭 , 某 些 能 源 終 將 有 耗 竭 之 時 , 因 此 管 理 能 源 的 使 用 及 新 能 源 的 研 究 開 發 , 一 直
為 全 球 所 關 注 之 議 題 , 基 於 替 代 能 源 的 開 發 及 環 保 意 識 的 抬 頭 , 全 球 的 能 源 發 展 均 已 朝 向 綠 色 能 源 為 發 展
重 點 。
壓 電 材 料 (Piezoelectric material) 可 分 為 壓 電 塑 膠 (PVF、Nolon 11) 與 壓 電 陶 瓷 (PZT、PLT) 兩 大 類 ,
是 一 種 可 以 將 機 械 能 與 電 能 互 換 的 材 料 。 一 般 壓 電 材 料 因 具 有 出 力 大 、 位 移 小 、 響 應 快 、 能 量 轉 換 率 高 、
無 電 磁 干 擾 等 優 點 , 所 以 常 應 用 於 工 業 上 , 例 如 : 感 測 元 件 、 麥 克 風 、 應 變 規 、 壓 電 變 壓 器 、 霧 化 器 等 。
1880 年 P. Curie 和 J. Curie 兄 弟 [1] 從 石 英 中 發 現 壓 電 效 應 ,1993 年 Hwang 等 人 [2] 及 1996 年 Chen 等 人
[3] 將 壓 電 片 以 懸 臂 樑 方 式 分 析 , 探 討 其 動 態 狀 態 , 可 得 知 其 自 然 頻 率 及 頻 率 響 應 圖 。1999 年 Chee[4] 等 人
以 Timoshenko 樑 之 理 論 為 基 礎 , 分 析 壓 電 懸 臂 樑 之 位 移 , 分 析 之 數 值 結 果 與 文 獻 相 符 。2000 年 Kobayashi
等 人 [5] 提 出 疊 層 式 壓 電 材 料 , 由 多 片 壓 電 元 件 組 合 而 成 , 薄 板 間 有 電 極 板 以 作 為 施 加 電 場 之 用 , 而 多 層 壓
電 元 件 主 要 目 的 為 增 加 形 變 量 。2001 年 Krommer[6] 以 尤 拉 - 伯 努 力 樑 理 論 為 基 礎 , 推 導 壓 電 複 合 樑 之 方 程
式 , 並 利 用 理 論 分 析 與 有 限 元 素 法 軟 體 , 皆 得 到 不 錯 的 結 果 。1998 年 由 Kymissis[7] 等 人 利 用 類 似 點 火 元 件
之 原 理 來 撞 擊 產 生 電 , 開 發 出 壓 電 鞋 , 前 底 面 使 用 可 撓 性 的 PVDF 壓 電 材 料 , 鞋 底 則 使 用 雙 模 態 壓 電 材 料 ,
於 行 走 時 腳 踩 壓 鞋 底 壓 電 材 料 造 成 壓 電 材 料 形 變 而 發 電 。
由 於 PZT 材 料 比 PVDF 具 有 更 高 的 壓 電 性 , 因 此 雙 模 態 壓 電 片 提 供 較 大 的 電 功 率 。2005 年 Priya 等 人
[8] 利 用 扇 葉 帶 動 旋 轉 軸 撥 動 壓 電 片 來 發 電 , 當 外 接 4.6 k 負 載 時 , 可 達 10.2mW 之 最 佳 輸 出 功 率 。2005
年 L.C. Rome[9] 等 人 設 計 一 個 由 機 械 能 轉 換 成 電 能 的 背 包 , 利 用 線 性 軸 承 和 一 組 彈 簧 讓 使 用 者 背 帶 所 產 生
的 垂 直 震 動 來 產 生 電 能 , 此 相 對 運 動 利 用 齒 輪 來 帶 動 旋 轉 發 電 機 進 一 步 產 生 電 能 。2007 年 Tien-Kan Chung
等 人 [10] 利 用 磁 鐵 個 數 來 倍 增 外 界 的 振 動 頻 率 , 並 對 其 做 磁 力 分 析 。2008 年 Challa 等 人 [11、12] 利 用 磁 鐵 掛
載 於 懸 臂 樑 之 自 由 端 , 藉 由 磁 力 來 達 到 調 頻 目 的 , 其 可 調 頻 範 圍 約 為 系 統 自 然 頻 率 的 0.3 至 1.4 倍 。
©2007 National Kaohsiung University of Applied Sciences, ISSN 1813-3851

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黃 斯 瑜 、 黃 世 疇
2. 壓 電 懸 臂 樑 之 有 限 元 素 分 析
2.1 壓 電 片
本 文 所 使 用 的 壓 電 片 係 由 科 鳴 股 份 有 限 公 司 (Superex Technology) 所 生 產 之 壓 電 片 , 其 電 極 部 分 , 黃
色 銅 片 部 分 為 正 極 , 介 於 白 線 與 正 極 間 的 灰 色 部 分 為 負 極 , 如 圖 1 所 示 , 而 詳 細 規 格 如 表 1 所 示 :
圖 1
壓 電 片 外 型
表 1
壓 電 片 規 格 表
Description
SB6020008
Capacitance ( pF ) 170000
Length (mm) 60
Width (mm) 20
Thickness (mm) 0.8
Free Length (mm) 53
Total Deflection (mm) 2.6
Blocking Force (N) 0.3
2.2 有 限 元 素 分 析
本 節 透 過 有 限 元 素 分 析 軟 體 ANSYS 對 壓 電 懸 臂 樑 作 應 力 分 析 , 分 析 中 , 在 自 由 端 尖 端 輸 入 位 移 量 , 觀
察 壓 電 材 料 整 體 的 應 力 、 應 變 分 佈 圖 。
ANSYS 有 限 元 素 分 析 步 驟 如 下 :
1. 建 立 有 限 元 素 模 型
於 Pro/E 中 輸 入 相 關 之 尺 寸 參 數 建 立 模 型 , 並 轉 成 IGES 檔 匯 入 ANSYS 中 。
2. 材 料 設 定
在 建 構 模 型 後 , 針 對 元 件 上 不 同 材 料 進 行 材 料 性 質 的 設 定 , 其 中 壓 電 片 材 料 參 數 列 於 表 2, 黃 銅 、 磁
鐵 材 料 係 數 列 於 表 3。
3. 選 用 適 當 元 素 類 型
壓 電 材 料 可 選 擇 Solid 5 或 是 Solid 98, 其 兩 個 差 別 在 於 元 素 體 積 形 狀 ,Solid 98 為 三 角 錐 形 狀 , 所 以

壓 電 式 風 力 發 電 系 統 之 設 計 與 應 用 225
Solid 98 較 適 合 用 於 不 規 則 且 位 移 量 大 的 模 型 。Solid 5 為 四 方 體 形 狀 、 具 八 個 節 點 、 六 個 自 由 度 的 耦 合 場
元 素 。 對 此 壓 電 懸 臂 樑 分 析 而 言 , 四 方 體 元 素 所 受 的 變 形 相 對 於 三 角 錐 較 為 準 確 , 但 差 異 不 大 , 非 壓 電
材 料 則 使 用 Solid 95 結 構 元 素 。 元 素 類 型 設 定 完 成 後 , 使 用 Meshing 進 行 網 格 分 割 , 如 圖 2 所 示 。
4. 給 定 負 載 及 邊 界 條 件
於 分 析 中 假 設 壓 電 片 、 黃 銅 片 與 磁 鐵 皆 為 理 想 接 合 , 於 固 定 端 施 加 邊 界 條 件 UX = UY = UZ = 0, 負 載
為 自 由 端 之 位 移 量 , 給 予 自 由 端 位 移 量 後 觀 察 整 個 壓 電 懸 臂 樑 的 應 力 、 應 變 分 布 , 如 圖 3、4 所 示 。 由 分 析
結 果 可 知 , 最 大 應 力 發 生 於 懸 臂 樑 之 固 定 端 , 最 大 應 變 則 發 生 於 自 由 端 上 。 由 於 壓 電 片 為 一 脆 硬 性 材 質 ,
不 可 夾 持 , 所 以 需 增 加 一 黃 銅 片 用 於 夾 持 , 並 將 壓 電 片 黏 貼 於 黃 銅 片 基 板 上 。
圖 2
壓 電 片 之 有 限 元 素 模 型
表 2
壓 電 片 參 數 表
參 數 名 稱 ( 單 位 )
s m N
E 2
( / )
d( C / N )
( Fm / ) 0
參 數 數 值
16.5 4.78 8.45 0 0 0
4.78 16.5 8.45 0 0 0
8.45 8.45 20.7 0 0 0
10
0 0 0 43.5 0 0
0 0 0 0 43.5 0
0 0 0 0 0 42.6
0 0 0 0 741 0
0 0 0 741 0 0
10
274 274 593 0 0 0
12
8.854
10
3130 0 0
T
( F / m)
0 3130 0
0
0 0 3400
3
( kg / m )
7500
12
12
材
料
表 3 材 料 參 數 表
性 質
彈 性 係 數 E(GPa) 浦 松 比 密 度 (g/cm3)
黃 銅 100.6 0.35 8.45
磁 鐵 190 0.25 7.92

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黃 斯 瑜 、 黃 世 疇
圖 3 應 力 圖 圖 4 應 變 圖
3. 壓 電 式 風 力 發 電 系 統 之 設 計 分 析
本 實 驗 以 直 流 風 扇 作 為 壓 電 發 電 系 統 的 驅 動 源 , 運 用 調 整 輸 入 之 電 壓 來 控 制 轉 軸 轉 速 , 研 究 中 將 透 過
觀 察 不 同 之 轉 軸 轉 速 、 壓 電 懸 臂 樑 與 轉 軸 間 之 磁 鐵 間 距 、 磁 鐵 數 量 與 壓 電 懸 臂 樑 擺 放 方 向 , 來 探 討 其 發 電
性 能 , 並 將 其 應 用 於 自 行 車 上 。
3.1 壓 電 懸 臂 樑 固 定 架 之 設 計
本 實 驗 是 以 磁 力 驅 使 壓 電 片 產 生 變 形 , 所 以 在 固 定 架 之 材 料 選 擇 運 用 上 需 使 用 不 具 磁 性 的 材 質 , 避 免
磁 鐵 與 各 部 件 間 之 磁 力 相 互 作 用 , 影 響 壓 電 片 之 變 形 。 在 固 定 架 本 體 上 選 擇 以 鋁 合 金 6061 為 材 料 , 因 鋁 合
金 具 有 高 強 度 、 質 量 輕 、 耐 蝕 性 且 無 磁 性 等 優 點 , 並 搭 配 電 木 檔 塊 及 塑 膠 螺 絲 、 螺 帽 , 用 以 固 定 壓 電 懸 臂
樑 及 鎖 附 各 個 部 件 , 因 電 木 及 螺 絲 、 螺 帽 皆 為 不 具 磁 性 之 材 質 , 故 不 會 對 磁 鐵 產 生 作 用 。 轉 軸 方 面 因 以 風
力 為 驅 動 源 , 且 實 驗 時 需 以 電 壓 控 制 轉 速 進 行 測 試 , 所 以 選 用 直 流 無 刷 風 扇 作 為 轉 軸 驅 動 器 , 用 以 驅 動 轉
軸 。
因 懸 臂 樑 與 轉 軸 上 的 磁 鐵 間 距 亦 為 實 驗 的 項 目 之 一 , 其 間 距 需 可 進 行 調 整 , 所 以 在 設 計 上 於 固 定 架 本
體 上 挖 一 凹 槽 , 使 壓 電 片 固 定 檔 塊 可 於 凹 槽 內 進 行 位 置 調 整 。 壓 電 懸 臂 樑 固 定 架 相 關 示 意 圖 及 尺 寸 如 圖 5
所 示 。

壓 電 式 風 力 發 電 系 統 之 設 計 與 應 用 227
圖 5
壓 電 懸 臂 樑 固 定 架 示 意 圖 (a) 固 定 架 (b) 固 定 架 外 型 尺 寸 (c) 壓 電 懸 臂 樑 組
3.2 實 驗 步 驟
在 本 實 驗 將 探 討 磁 力 作 用 方 式 、 轉 軸 轉 速 、 壓 電 懸 臂 樑 與 轉 軸 間 之 磁 鐵 間 距 與 壓 電 懸 臂 樑 固 定 方 向 對
電 壓 的 關 係 , 實 驗 系 統 設 備 架 構 圖 如 圖 6, 實 驗 如 下 :
實 驗 1. 轉 速 對 電 壓 之 影 響 :
將 兩 顆 磁 鐵 裝 置 於 轉 軸 , 一 組 壓 電 懸 臂 樑 裝 置 於 固 定 架 上 , 壓 電 懸 臂 樑 與 轉 軸 之 磁 鐵 間 距 固 定 為
20mm, 調 整 電 源 供 應 器 輸 出 之 電 壓 以 控 制 轉 軸 轉 速 600rpm~1300rpm, 以 光 學 式 轉 速 計 量 測 確 認 之 , 並
將 壓 電 懸 臂 樑 與 轉 軸 上 之 磁 鐵 以 相 吸 、 相 斥 及 一 吸 一 斥 的 方 式 排 列 並 進 行 測 試 並 以 示 波 器 量 測 其 電 壓
值 , 每 間 隔 50rpm 紀 錄 一 次 數 值 。
實 驗 2. 磁 鐵 間 距 對 電 壓 之 影 響 :
將 轉 軸 轉 速 固 定 於 650rpm, 調 整 壓 電 懸 臂 樑 與 轉 軸 間 之 磁 鐵 間 距 17mm~22mm, 以 相 吸 、 相 斥 、 一
吸 一 斥 方 的 方 式 排 列 磁 鐵 並 進 行 測 試 , 並 由 示 波 器 量 測 其 電 壓 , 每 間 隔 1mm 紀 錄 一 次 數 值 。
實 驗 3. 磁 鐵 數 量 對 電 壓 的 關 係 :
將 磁 鐵 數 增 加 至 四 顆 重 複 實 驗 1, 並 由 示 波 器 量 測 其 電 壓 , 觀 察 磁 鐵 數 量 對 電 壓 之 關 係 。
實 驗 4. 懸 臂 樑 固 定 方 向 對 電 壓 之 影 響 :
將 實 驗 1 之 壓 電 懸 臂 樑 的 固 定 方 向 依 序 變 更 並 進 行 實 驗 , 並 由 示 波 器 量 測 其 電 壓 , 以 觀 察 壓 電 懸 臂
樑 在 不 同 之 方 向 下 對 電 壓 之 關 係 。

228
黃 斯 瑜 、 黃 世 疇
實 驗 5. 電 壓 與 電 容 的 存 電 關 係 :
將 實 驗 時 壓 電 懸 臂 樑 產 生 之 交 流 電 經 全 橋 式 整 流 電 路 轉 換 為 直 流 電 , 以 不 同 之 電 容 及 電 壓 搭 配 進 行
測 試 。
圖 6
發 電 實 驗 系 統 設 備 架 構 圖
3.3 實 驗 結 果
實 驗 1. 轉 速 對 電 壓 之 影 響 :
將 壓 電 懸 臂 樑 與 轉 軸 間 之 磁 鐵 間 距 固 定 於 20mm, 調 整 輸 出 電 壓 以 控 制 轉 軸 轉 速 於 600rpm~
1300rpm, 並 以 光 學 式 轉 速 計 確 認 轉 速 , 每 隔 50rpm 紀 錄 一 次 數 據 , 於 不 同 之 磁 力 作 用 下 , 改 變 轉 軸 轉 速
來 觀 察 磁 力 作 用 、 轉 速 與 電 壓 間 之 關 係 。 經 實 驗 結 果 得 知 , 當 轉 速 改 變 時 電 壓 與 頻 率 亦 隨 之 改 變 , 由 圖 7、
8 得 知 , 磁 鐵 在 相 吸 及 相 斥 之 磁 力 作 用 時 , 於 700rpm 時 有 4V 之 高 電 壓 值 產 生 , 之 後 隨 轉 速 之 增 加 電 壓
緩 慢 降 低 , 另 於 1300rpm 時 有 最 高 6.5V 之 高 電 壓 產 生 。 磁 鐵 於 一 吸 一 斥 之 磁 力 作 用 下 , 隨 著 轉 速 加 快 電
壓 亦 隨 著 增 高 , 轉 速 於 950rpm 時 有 最 高 7.5V 之 電 壓 產 生 , 其 後 隨 著 轉 速 增 加 電 壓 卻 相 對 降 低 , 如 圖 9
所 示 。
圖 7
磁 鐵 相 吸 時 轉 速 與 電 壓 關 係 圖

壓 電 式 風 力 發 電 系 統 之 設 計 與 應 用 229
圖 8
磁 鐵 相 斥 時 轉 速 與 電 壓 關 係 圖
圖 9
磁 鐵 一 吸 一 斥 時 轉 速 與 電 壓 關 係 圖
實 驗 2. 磁 鐵 間 距 對 電 壓 之 影 響 :
調 整 電 源 供 應 器 輸 出 之 電 壓 , 控 制 轉 軸 轉 速 於 650rpm, 並 以 光 學 式 轉 速 計 確 認 之 , 調 整 懸 臂 樑 與 轉
軸 間 之 磁 鐵 間 距 , 因 磁 鐵 間 距 小 於 17mm 時 , 隨 著 系 統 作 動 壓 電 懸 臂 樑 的 擺 動 幅 度 改 變 , 懸 臂 樑 與 轉 軸
之 磁 鐵 間 距 相 近 時 會 吸 住 , 大 於 22mm 時 , 量 得 之 電 壓 值 又 過 小 , 故 將 磁 鐵 間 距 調 整 範 圍 設 定 為 17mm
~22mm。 實 驗 結 果 , 由 圖 10 可 得 知 , 當 壓 電 懸 臂 樑 與 轉 軸 磁 鐵 間 距 越 小 時 , 量 得 之 電 壓 越 大 , 於 磁 鐵
間 距 17mm 時 , 可 得 7.5 伏 特 之 電 壓 。
圖 10
磁 鐵 間 距 與 電 壓 關 係 圖

230
黃 斯 瑜 、 黃 世 疇
實 驗 3. 磁 鐵 數 量 對 電 壓 之 影 響 :
將 轉 軸 磁 鐵 數 量 增 加 至 四 顆 重 複 實 驗 1, 由 圖 11 可 得 知 , 兩 顆 磁 鐵 時 , 在 壓 電 懸 臂 樑 與 轉 軸 磁 鐵 相
吸 、 相 斥 狀 態 下 , 於 700rpm 及 1300rpm 有 高 電 壓 值 產 生 , 在 一 吸 一 斥 狀 態 下 , 於 950rpm 有 高 電 壓 值 產
生 。 由 圖 12 可 得 知 , 四 顆 磁 鐵 時 , 在 相 吸 、 相 斥 狀 態 下 於 650rpm 有 最 高 之 電 壓 產 生 , 在 一 吸 一 斥 狀 態
下 , 電 壓 隨 著 轉 軸 轉 速 之 增 加 而 增 高 。 綜 合 圖 11、 圖 12 之 實 驗 數 據 可 得 知 , 相 吸 狀 態 下 , 四 顆 磁 鐵 於
650rpm 時 產 生 之 電 壓 與 兩 顆 磁 鐵 於 1300rpm 時 之 電 壓 相 近 , 約 為 7 伏 特 , 相 斥 狀 態 下 , 四 顆 磁 鐵 於 650rpm
時 之 電 壓 與 兩 顆 磁 鐵 於 1300rpm 時 產 生 之 電 壓 亦 相 近 , 約 為 5 伏 特 。
圖 11
轉 軸 兩 顆 磁 鐵 與 電 壓 關 係 圖
圖 12
轉 軸 四 顆 磁 鐵 與 電 壓 關 係 圖
實 驗 4. 懸 臂 樑 固 定 方 向 對 電 壓 之 影 響 :
將 實 驗 1 之 壓 電 懸 臂 樑 組 固 定 方 向 依 序 變 更 , 並 進 行 測 試 , 以 示 波 器 量 測 其 電 壓 。 由 圖 13、14、15
可 得 知 , 隨 著 壓 電 懸 臂 樑 固 定 方 向 改 變 , 輸 出 之 電 壓 亦 跟 著 變 動 , 但 其 值 差 異 不 大 。

壓 電 式 風 力 發 電 系 統 之 設 計 與 應 用 231
圖 13
磁 鐵 相 吸 時 懸 臂 樑 固 定 方 向 與 電 壓 關 係 圖
圖 14
磁 鐵 相 斥 時 懸 臂 樑 固 定 方 向 與 電 壓 關 係 圖
圖 15
磁 鐵 一 吸 一 斥 時 懸 臂 樑 固 定 方 向 與 電 壓 關 係 圖
實 驗 5. 電 容 充 電 實 驗 :
經 由 上 述 實 驗 得 知 壓 電 懸 臂 樑 在 不 同 之 條 件 參 數 作 用 下 會 產 生 不 同 之 電 壓 , 為 了 能 將 產 生 之 電 壓 加
以 儲 存 利 用 , 需 將 產 生 之 交 流 電 轉 為 直 流 電 。 此 實 驗 為 使 用 全 橋 式 整 流 電 路 整 流 , 並 將 整 流 後 之 直 流 電
暫 存 於 電 容 中 。 如 圖 16 所 示 , 使 用 4 個 2 極 體 (1N4004), 分 別 為 D1、D2、D3、D4, 當 輸 入 電 壓 Vin 為

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黃 斯 瑜 、 黃 世 疇
正 電 壓 時 ,D1、D2 通 路 ,D3、D4 斷 路 , 因 此 輸 出 電 壓 Vout 為 正 電 壓 , 反 之 , 當 輸 入 電 壓 Vin 為 負 電 壓
時 ,D3、D4 通 路 ,D1、D2 斷 路 , 輸 出 電 壓 Vout 亦 為 正 電 壓 , 由 此 將 交 流 電 轉 為 直 流 電 , 以 方 便 將 電 能
儲 存 在 電 容 (C) 中 , 再 經 由 示 波 器 觀 察 電 壓 大 小 。 使 用 固 定 之 1 uf 之 電 容 , 調 整 轉 軸 轉 速 控 制 壓 電 懸
臂 樑 輸 出 之 電 壓 , 觀 察 在 不 同 電 壓 輸 入 下 , 電 容 充 電 所 需 之 時 間 , 實 驗 結 果 如 圖 17 所 示 , 可 得 知 , 輸 入
之 電 壓 雖 不 同 , 但 電 容 趨 近 於 飽 和 所 需 之 時 間 並 不 隨 電 壓 的 高 低 而 變 動 。 以 固 定 之 3V 電 壓 對 0.1uf 、
1 uf 、10uf 之 電 容 進 行 充 電 實 驗 , 觀 察 在 同 輸 入 電 壓 下 , 不 同 之 電 容 充 電 所 需 之 時 間 , 結 果 如 圖 18 所
示 ,10uf 充 電 飽 和 所 需 時 間 約 8 秒 ,1 uf 充 電 飽 和 所 需 時 間 約 0.8 秒 ,0.1uf 充 電 飽 和 所 需 時 間 約 0.1
秒 , 可 得 知 在 固 定 的 輸 入 電 壓 下 , 隨 著 電 容 越 大 , 達 到 飽 和 所 需 之 時 間 亦 越 久 。
V in
V out
圖 16
全 橋 式 整 流 電 路
圖 17
不 同 電 壓 下 電 容 充 電 時 間 圖

壓 電 式 風 力 發 電 系 統 之 設 計 與 應 用 233
圖 18
同 電 壓 下 電 容 充 電 時 間 圖 (a)10uf (b)1uf (c)0.1uf
3.4 壓 電 式 風 力 發 電 系 統 之 應 用
近 年 來 , 隨 著 油 價 高 漲 、 環 保 意 識 提 昇 、 自 然 樂 活 的 生 活 觀 念 風 行 , 自 行 車 運 動 因 此 越 來 越 盛 行 , 隨
著 車 上 的 電 子 配 備 增 多 , 所 以 將 此 發 電 系 統 應 用 於 自 行 車 上 , 使 其 可 自 主 供 電 , 以 達 到 節 能 減 碳 之 效 果 。
本 實 驗 將 發 電 系 統 固 定 於 自 行 車 前 方 , 如 圖 19 所 示 。
以 電 風 扇 模 擬 行 駛 時 所 產 生 的 風 吹 動 轉 軸 扇 葉 , 使 其 轉 動 , 由 圖 20 可 知 , 隨 著 轉 軸 轉 速 不 同 電 壓 也 隨
著 變 更 , 於 轉 速 950rpm 可 得 最 高 之 22.7 伏 特 電 壓 。 將 產 生 之 電 壓 搭 配 全 橋 式 整 流 電 路 , 儲 存 在 電 容 上 ,
並 將 其 連 接 至 LED 可 使 其 持 續 發 亮 , 達 到 夜 間 警 示 之 效 果 , 如 圖 21。

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黃 斯 瑜 、 黃 世 疇
圖 19
發 電 系 統 應 用 圖
圖 20
轉 速 與 電 壓 關 係 圖
圖 21
發 電 系 統 點 LED 燈 圖

壓 電 式 風 力 發 電 系 統 之 設 計 與 應 用 235
4. 結 論
本 文 以 懸 臂 樑 的 彎 曲 系 統 作 為 設 計 基 礎 , 設 計 一 簡 易 固 定 架 固 定 壓 電 懸 臂 樑 , 並 利 用 強 力 磁 鐵 之 磁 力
使 壓 電 懸 臂 樑 發 生 形 變 造 成 壓 電 效 應 , 並 搭 配 使 用 全 橋 式 整 流 電 路 , 將 產 生 之 電 能 儲 存 於 電 容 中 , 形 成 一
壓 電 懸 臂 樑 發 電 系 統 。 於 實 驗 中 , 以 有 限 元 素 分 析 軟 體 ANSYS 分 析 壓 電 懸 臂 樑 , 以 瞭 解 壓 電 懸 臂 樑 之 應 力
及 應 變 分 佈 , 並 藉 由 調 整 轉 軸 轉 速 、 壓 電 懸 臂 樑 與 轉 軸 間 之 磁 鐵 間 距 與 排 列 方 式 、 轉 軸 磁 鐵 數 量 與 壓 電 懸
臂 樑 之 設 置 方 向 來 探 討 其 對 電 壓 之 關 係 , 並 用 電 容 將 產 生 之 電 壓 儲 存 加 以 利 用 。 且 將 壓 電 懸 臂 樑 發 電 系 統
應 用 於 自 行 車 上 , 轉 速 於 950rpm, 可 產 生 最 高 之 22.7V 電 壓 , 搭 配 全 橋 式 整 流 電 路 , 可 將 產 生 之 電 能 儲 存
於 電 容 上 , 用 以 點 亮 LED 燈 , 達 到 自 主 供 電 及 夜 間 警 示 之 效 果 。 其 中 , 轉 軸 以 風 力 能 為 驅 動 源 , 壓 電 懸 臂
樑 則 以 磁 力 為 作 動 力 故 無 損 耗 問 題 , 既 不 產 生 廢 棄 物 , 也 不 會 造 成 污 染 , 可 將 對 地 球 的 污 染 降 至 最 低 , 形
成 一 環 保 可 持 續 使 用 的 綠 色 能 源 。
本 研 究 承 蒙 國 科 會 補 助 , 計 畫 編 號 :NSC 96-2221-E-151-064, 特 此 致 謝 。
致
謝
參 考 文 獻
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