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淺談發電機發展新趨勢 -「磁助力發電機」

2021-09-16

鄭博駿 研究助理

崑山科技大學


1.能源危機帶來再生能源的崛起

自二次工業革命以來,電能,成為人類在生活上不可或缺的能源,它為人類生活帶來極大的改變。石油、煤炭、核能等非再生能源成為了能量轉換的最大宗,它們帶來了方便,卻也對環境帶來了破壞。隨著地球暖化、臭氧層破洞等問題日漸浮上檯面。也因為這樣的問題,讓原本不屬於主流的再生能源,漸漸地得到人們的注意。

綠能科技,被大家廣義稱為綠能、綠能科技,其更涵蓋了創能、儲能、節能、系統整合這四大類別,再生能源的應用亦屬創能的一種,以再生能源取代核能發電,以我國為例,離岸風力發電與太陽能發電,在政府推動之下,亦成為了國內綠能發電最主流人物,逐漸取代原本的核能發電,更促進綠能科技產業的興起,發電機產業亦屬其中。

然而在綠能科技的發展歷史來看,從原本最初的節能減碳、隨手關燈等環保標語,可以看出降低碳排放量是綠能科技的最大宗旨。以工廠燃燒排放面向來看,廢熱回收、二次燃燒也是降低碳排放的技術。以降低碳排放量開始,逐漸發展出創能、儲能、節能、系統整合四大方針。

圖1 「磁助力發電機」,磁助力發電機為發電機的發展主軸之一,藉由磁場推動幫助轉子轉動,故稱磁助力發電機,提高發電機轉換效率約10~20%。

2.磁助力發電機與傳統型發電機的不同

發電機在綠能科技之中屬於創能類別,其原理是將機械能轉換成電能,雖然發電機在再生能源尚未成為能源發展主流時就已經使用,但傳統型的發電機由於材料上的選擇關係,將發電機固定線圈的外殼以矽鋼片製作,雖然矽鋼片可以導磁、提高了發電機線圈的材料強度,但卻帶來了磁滯損與重量,磁滯損是讓傳統發電機必須在高轉速下才會有電量的最大原因。

磁助力發電機,是軸向發電機的一種,其構造組成主要有三:非磁性材料、單一極磁力線切割導線、線圈順時針繞線。磁助力發電機跳脫了冷次定律所帶來的困擾,雖然其犧牲了部分的電量,但換來了無磁滯損與藉由磁場吸斥力輔助轉子轉動,其轉換效率比傳統發電機大約提升10%~20%,故能成為現代發電機的發展主軸之一,也因為磁助力發電機是藉由磁場推動轉子輔助轉動,故發明者稱之為”磁助力發電機”。磁助力發電機的應用

由於磁助力發電機由3D列印印製與組成,所以在實驗上縮短製程工時、且磁助力發電機可設計之結構自由度高,雖然以軸向發電機為設計方針,但由於3D列印帶來的方便,可以設計出不同結構的磁助力發電機。磁助力發電機,該技術國內由崑山科技大學與楷玟國際實業負責人蔡源禎先生;共同開發並且獲取國內發明專利。第一代磁助力發電機,是將其應用在風力發電上,將磁助力發電機以齒輪1:3的齒數比傳動且增速磁助力發電機,由於該作品已民眾實際互動體驗為導向設計,所以將發風力葉片改製成方向盤轉動,讓民眾可藉由實際體驗發電並且了解磁助力發電機與傳統型發電機的不同。

磁助力發電機由於結構設計自由度高,所以大體積可以設計應用於風力發電、火力發電等…發電機組,小可至民生應用等市場,磁助力發電機第二代應用,將發電機融入腳踏車中,其可以邊踩腳踏車邊發電,可幫助使用者更輕鬆騎乘腳踏車,更設有開關使用者可選擇將電能充入電池或者於USB應用,插手機充電等…,磁助力創能踩踏車更設有LED讓使用者在夜間騎乘更方便。磁助力創能踩踏車結合創能、儲能、節能、系統整合綠能科技四大方針,曾經亮相於2019年台灣創新技術博覽會,更榮幸受邀參加展前記者會與榮獲銀牌。

圖2 為「第一代磁助力發電機」,第一代磁助力發電機,以方向盤代替葉片方式轉動,讓民眾體驗且互動瞭解磁助力發電機原理,圖中為發明者之一,林慶全博士於2019台灣創新技術博覽會,講解發電機原理。

 

3.磁助力發電機於國際上的趨勢

磁助力發電機最早發跡於泰國,加拿大、土耳其、日本、韓國、中國等各國相繼以磁助力發電機的技術作為發展方針,2013年4月,在瑞士日內瓦舉行的發明家博覽會,土耳其阿律德茲博士曾經展示磁浮動力機,由此可見藉由磁力推輔助轉動的技術概念,一直是世界各國的動力機、發電機的發展方針。

然而磁助力發電機的宗旨是以磁場幫助推動轉子,盡可能地降低負載所造成的阻力與摩擦、傳導造成的能量耗損,進而達到提高發電機的轉換效率。由於該技術概念類似永動機卻非永動機,雖然轉換效率高達90%,但要突破100%,由於能量守恆原理,所以技術上必須有相當大的突破,甚至是”不可能”的任務。

圖3 為「磁助力創能踩踏車」,磁助力創能踩踏車,以磁助力發電機為核心技術、使用者可藉由開關選擇將電力儲存或者應用於USB手機充電,是一台結合創能、儲能、節能與系統整合的腳踏車,圖中為發明者之一,崑山科技大學機械工程系 陳長仁教授,於2019年台灣創新技術博覽會接受講解磁助力創能踩踏車的採訪。

4.結論

磁助力發電機雖然以部分電能換取輔助發電機轉子推動,但目前研發成果發電功率為100~150(W),其發電機體積極小,未來更可能發展出高功率之發電機。綠能科技的興起,雖然是技術上的一大考驗,但能改善非再生能源對地球環境的衝擊,並且對新生代的我們減少負擔及傷害,綠能科技更可能結合工業4.0,帶來安全又便利的生活,磁助力發電機,藉由作品培養大家對綠能科技的觀念,雖然發電機只是藏匿於大機械結構中的一小部分,卻扮演著能源轉換與創造電能的重要角色。

圖4 為「發電機線圈組」,發電機線圈組,磁助力發電機結合三項要素: 非磁性材料、單一極磁力線切割導線、線圈順時針繞線。磁助力發電機線圈亦使用非磁性材料製作外殼,改善傳統矽鋼片所帶來的磁滯損。

 

 

 

參考文獻

1.2018年陳長仁、蔡源禎、林慶全、王俊超、陳文昌等人申請一項發明專利並且取得專利證書,一種磁助力發電機,透過線圈與磁力線切割排列,以線圈產生之磁場推輔助動轉子,並且發電。

2.2018年鄭博駿等人申請之新型專利,磁助動力人力踩踏車,踩踏時低扭力亦可發電,證明磁助力發電機有低阻力的特色。

3.2018年Hesam addin Yousefian et al.提出一種永磁同步發電機,優點在於體積、重量更小,可產生更多能量,且較少損耗,適合用在風力發電。

4.2019年Masamichi Murayama et al.專注於使用感應式電動機且具有飛輪進行儲能,具有簡單的構造,而且不用大型的逆變器控制。

5.2019年,林慶全論文,磁助發電機有低阻力的特性,當然阻力減少,發電量會降低,所以為了解決此問題,特別研究線圈位置變換與增加反相線圈設計,單向發電效率可達47.5%,這是一般引擎發電機無法達到的。

6.2019年,鄭博駿論文,磁鐵種類:本研究中將磁鐵設為A項控制因子,可分為N35、N48釹鐵硼磁鐵,其中N48釹鐵硼磁鐵高斯值較N35多,故磁場強度較N35強,則用以切割導線可感應出較強之電流。

7.2019年S. Eriksson的研究小組以增加感應線圈的數目,並利用氣體動力論來增加轉子的轉速,以達到高功率之風力發電機。然而其感應線圈僅能放置於一側,且光是定子的直徑即須達886 mm,再加上帶動轉子轉動的葉片,整組機具將十分龐大,並不適用於台灣。

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