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研究生：	張瀚文 Chang, Han-Win
論文名稱：	船舶裝設天帆之機電整合控制研究及實測 Mechatronic Control of the Skysails on the Ship
指導教授：	楊世安 Yang, Shih-An
共同指導教授:	黃正清 Huang, Cheng-Ching
學位類別：	碩士 Master
系所名稱：	工學院 - 系統及船舶機電工程學系 Department of Systems and Naval Mechatronic Engineering
論文出版年：	2010
畢業學年度：	98
語文別：	中文
論文頁數：	101
中文關鍵詞：	船舶、天帆、節省能源、機電整合
外文關鍵詞：	Ship, Skysail, Energy Saving, Mechatronic
相關次數：	點閱：69 下載：12
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天帆(Skysail)類似大型風箏，已由德國研究實測於大型貨輪，以達節能減碳的目的。本研究將天帆裝設至中小型柴油引擎船舶，利用在空中天帆的拉力，以輔助船舶的引擎動力輸出。研究內容探討不同天帆形狀及長寬比，對天帆拉力之影響變化，以設計適合之天帆形狀。
本研究進一步設計並實作天帆之機電控制系統，主系統機具包括變頻馬達、變頻器、減速機、控制齒輪、捲線器、控制電路板、控制監控面板等。整合後之控制系統可控制天帆之收放速度、水平角及仰角，達到控制天帆在空中之最大有效風面的目的。
本研究最後進行海上實測，量測天帆在空中不同角度之拉力對船速的影響及引擎轉速降低之變化，進而推算出節省之耗油率。結果顯示相對風速4級以上才適用天帆，天帆仰角40~60度可在空中產生最大有效受力風面。以相對風速5級、引擎轉速1500RPM、船速5.2節及天帆仰角45度之情況下，固定引擎轉速時，船速可增加32%；相同條件下，固定船速時，引擎轉速可降低10%，研究結果顯示船舶裝設天帆可獲得節能減碳的成效。

The skysails are similar to the parasails, and have already been tested on the cargo vessels in German. In this study, we set a skysail on small- and medium-sized vessels, so as to use the pulling force of the skysail to decrease the power output of the engine. In this study, we discuss the effects of different shapes and aspect ratios of the pulling force of the skysails.
We have further designed and applied the mechatronic control system, including variable frequency motors, inverters, reducers, control gears, coils, control circuit boards and control panel monitors. The system can control the rope coil speed, horizontal angle and elevation angle.
The skysail has been tested in the real sea, we calculate the rate of fuel saving. The result shows that the skysail is applicable when the relative wind speed is over level 4, and 40 to 60 degree of elevation angle will be the most. In the condition of relative wind speed of level 5, engine speed 1500rpm and ship speed 5.2knots, the speed of ship increases 32%; under the same condition and ship speed, the engine speed decreases 10%.

中文摘要 …………………………………………………………………… I
ABSTRACT…………………………………………………………………II
誌謝 ……………………………………………………………………… III
目錄 ………………………………………………………………………… V
圖目錄…………………………………………………………………… VIII
表目錄……………………………………………………………………… XI
第一章  緒論 ……………………………………………………………… 1
    1.1 前言 ……………………………………………………………… 1
    1.2 研究背景 ………………………………………………………… 3
    1.3 研究目的 ………………………………………………………… 4
    1.4 文獻回顧 ………………………………………………………… 6
第二章  天帆理論基礎 …………………………………………………… 8
    2.1 天帆氣象知識 …………………………………………………… 9
        2.1.1 風的形成 ………………………………………………… 9
        2.1.2 風的種類………………………………………………… 10
        2.1.3 風的等級………………………………………………… 12
    2.2 天帆力學原理…………………………………………………… 15
        2.2.1 天帆起飛原理…………………………………………… 15
        2.2.2 天帆力學平衡…………………………………………… 18
        2.2.3 天帆平衡法則…………………………………………… 20
第三章  天帆作動原理及設計…………………………………………… 22
    3.1 天帆作動原理…………………………………………………… 23
    3.2 天帆之設計……………………………………………………… 26
        3.2.1 天帆形狀設計…………………………………………… 27
        3.2.2 天帆操控線設計………………………………………… 32
        3.2.3 天帆操控把手設計……………………………………… 36
        3.2.4 天帆安全性及經濟性設計……………………………… 38
第四章  天帆機電控制系統……………………………………………… 41
    4.1 天帆角度控制及操作平臺……………………………………… 42
    4.2 航向擷取控制…………………………………………………… 44
    4.3 風速風向擷取…………………………………………………… 46
    4.4 全球衛星定位系統(GPS) ……………………………………… 48
    4.5 天帆機電控制系統儀器配置…………………………………… 53
第五章  天帆系統海上實測……………………………………………… 54
    5.1 試驗船隻選定…………………………………………………… 54
        5.1.1 自強一號拖網漁船……………………………………… 54
        5.1.2 新順航壹號流刺網船…………………………………… 57
    5.2 第一次出海實測………………………………………………… 60
        5.2.1 實驗目的與步驟………………………………………… 60
        5.2.2 實驗結果………………………………………………… 63
        5.2.3 實驗相關照片…………………………………………… 65
    5.3 第二次出海實測………………………………………………… 68
        5.3.1 實驗目的與步驟………………………………………… 68
        5.3.2 實驗結果………………………………………………… 71
        5.3.3 實驗相關照片…………………………………………… 73
第六章  海上實驗結果與討論…………………………………………… 77
    6.1 新順航壹號流刺網漁船加裝天帆之機電整合效益…………… 77
        6.1.1 加裝天帆船速增加之比較……………………………… 77
        6.1.2 加裝天帆船耗油量降低之比較………………………… 81
    6.2 架設天帆後降低溫室氣體之排放量測………………………… 89
第七章  結論……………………………………………………………… 94
    7.1 結果討論………………………………………………………… 94
    7.2 檢討與建議……………………………………………………… 97
參考文獻…………………………………………………………………… 99

                                    

(1)台灣帆船網
http://www.sailing.org.tw/
(2)林金東譯，「遙控模型帆船與動力艇」，台北市徐氏基金會出版，P20，民國70年5月初版
(3)林金東譯，「遙控模型帆船與動力艇>>2-2帆的類型」，台北市徐氏基金會出版，P20，民國70年5月初版
(4)聯合新聞網，『風箏拉貨輪燃料省一半』
http://mag.udn.com/mag/world/storypage.jsp?f_MAIN_ID=326&f_S UB_ID=3004&f_ART_ID=102344
(5)船舶與港口-船舶種類>>複合式多能源船http://ship.nmmst.gov.tw/shipkind/shipkind08_01.asp
(6)台灣帆船網>>新手資訊>>帆船演化史
http://www.sailing.org.tw/
(7)白鯨天帆號skysail
http://www.skysails.info/
(8)柴茂智、劉忠著，「風箏的製作與放飛」，台北市國家出版社，P59，民國91年12月初版
(9)中央氣象局¬-蒲福風級標準
http://www.cwb.gov.tw/
(10)柴茂智、劉忠著，「風箏的製作與放飛」，台北市國家出版社，P64，民國91年12月初版
(11)風箏飛行原理
http://hgc.hkcampus.net/~hgc-is/s2/flying_principle.htm
(12)張文炳著，「風箏設計‧製作」，台北市西江書局出版，P12，民國66年3月初版
(13)台灣風箏衝浪推廣中心>>技術交流分享區
http://www.tkc.tw/modules/newbb/viewtopic.php?topic_id=106&forum=6
(14)台灣風箏衝浪推廣中心
http://www.tkc.tw/
(15)C Kite天帆與 Bow Kite天帆比較
http://www.cabrinhakites.com/kites-technology/bow-kite-advantages
(16)經濟部能源局>>能源產業溫室氣體減量資訊網>>知識館>>能源及電力的CO2排放係數
http://verity.erl.itri.org.tw/EIGIC/knowledge_9_detail.aspx?PostID=366
(17)漁業資訊服務網>>統計與出版品>>漁政與漁情統計>>漁業統計年報
http://www.fa.gov.tw/userfiles/oldfa//chnn/statistics_publish/statistics/year_book/2008c/97tab05-1.pdf

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