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研究生: 莊定諺
Chuang, Dean
論文名稱: 運用太陽能與滑翔翼板增加水下載具續航時間之評估
Evaluate the use of Solar Energy and Hydrofoil on Underwater Vehicle for Longer Navigation Time
指導教授: 林忠宏
Lin, Chung-Hung
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: 2008
畢業學年度: 96
語文別: 中文
論文頁數: 101
中文關鍵詞: 模擬翼板太陽能
外文關鍵詞: solar panel, hydrofoil, simulation
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  • 本論文之主要目的,在於設計規劃可裝置在水下載具上的系統,用以增加其續航時間以及航行距離,並且模組化控制器與各感測元件及驅動裝置間之連結電路,使載具兼具維修方便與美觀的功用。藉由充電系統的增加與滑翔翼板的裝設,前者可讓載具在不斷電的狀況下持續工作,後者則是用以增加前進距離。
    開源節流是續航時間長短與否的關鍵,開源的部份是將載具殼體換成透明壓克力材質,這樣方可在載具上利用太陽能電池與鋰蓄電池,使載具可利用在水面上的時間進行充電,以達到電力充足的需求。節流則是利用電路的設計讓載具內部需做動的裝置,在透過嵌入式控制器控制後能進行斷電的動作,以達到節流的目的。模組化的電路設計是透過電路板與各式接頭的應用,達到整合電路、減少體積、方便維修及功能擴充性佳的目的。此外,各式接頭的設計可預防在連接線路時發生短路而造成儀器損毀,同時亦可在使用者的需求下增加或減少功能,大幅降低配線時的困難與時間。
    航行距離的增加則是在下沉或上浮過程中施與一前進的動力,為達此目的,在設計上此載具裝有主動式的動力-推進馬達,以及被動式的動力-滑翔翼板。推進馬達可提供前進的動力給載具,而滑翔翼板除了可減緩載具下沉的速度之外,亦可由滑其外型設計提供前進的分力供滑翔之用。
      本論文已完成低功率的水下載具雛形,透過實驗驗證太陽能電池確實能於水面下發電,且其發電量除了可供載具於省電狀態下之用電,亦可供鋰離子電池充電用。於模擬分析翼板翼型後,以選擇升阻力比較大之翼型安裝於載具上,並使載具於安裝翼板後能有較遠之航行距離。

    The main purpose of this thesis is to design a system on the Underwater Vehicle which can increase the navigation time and distance. By modulizing the circuits between the controller and each individual devices can provide the convenience of maintenance and better appearance. The rechargeable system can let the Underwater Vehicle work continuously, also by the use of hydrofoils increases the navigation distance.
    How to develop and save energy is the key factor on the navigation time. By exchanging the aluminum shell to an acrilan shell, we can use solar panels and lithium batteries to generate and store electric energy while floating on the water surface. By designing the circuits and the embedded controller, we can cut off the power inside the Underwater Vehicle in order to save energy. Modulized circuits are accomplished by the use of circuit board and individual connectors, which can decrease the space occupied by excrescent circuits, and also provide the convenience on repairing and expansion. Individual connectors can avoid the cause of short circuit or misconnection which might cause damage to the instruments while connecting electric lines. In the meantime, the user can add or reduce the functions on the electric board which can reduce the difficulty and time when assembling the lines.
    Undoubtedly, in order to increase the navigation distance, it is inevitably to develop a forward force while sinking or floating, to achieve this approach the Underwater Vehicle has an active propel motor and a pair of hydrofoil. The propel motor may provide the force which can let the Underwater Vehicle go forward, and the hydrofoil not only will slow the sinking speed of the Underwater Vehicle, but also provide forward force for the Underwater Vehicle by designing the hydrofoil profile.
    This thesis have already accomplished the embryo design of a low-power Underwater Vehicle, and by the use of solar energy and hydrofoil which can achieve the practicability in increasing the navigation ability and distance, so that it can provide reference for further use.

    摘要 I Abstract II 致謝 III 目錄 IV 表目錄 VI 圖目錄 VIII 符號說明 1 第一章 緒論 2 1-1研究動機與目的 2 1-2文獻回顧 3 1-3研究方法 8 1-4章節摘要 9 第二章 太陽能充電與鋰離子電池蓄電系統 11 2-1 太陽能電池發電原理 11 2-2 太陽能電池選定 12 2-3 測試過程與結果 13 2-3-1 實驗室測試過程與數據結果 15 2-3-2 太陽下測試過程與數據結果 19 2-4 測試結論 22 2-5 傳統電池與鋰離子電池的比較 23 2-6 鋰離子電池之優缺點與種類構造 25 2-6-1鋰離子電池之種類與構造 25 2-6-2鋰離子電池之優缺點 27 2-7 鋰電池的選定 29 2-8 充放電測試 30 2-8-1 放電測試 31 2-8-2 充電測試 33 2-9 測試結論 35 第三章 量測與動力組件之規格與控制電路 36 3-1 量測組件 36 3-1-1 壓力計 36 3-1-2 電阻尺 37 3-1-3 陀螺儀 38 3-2 動力組件 39 3-2-1 沉水馬達 39 3-2-2 俯仰水幫浦 40 3-2-3進排水馬達 42 3-2-4 配重塊翻轉馬達 42 3-3 位置回報與控制組件 43 3-3-1 GPS 接收定位模組 43 3-3-2 GSM 位置回報 44 3-3-3 Wincom控制器 46 第四章 系統組裝與電路整合 48 4-1 組件位置與固定方式 48 4-1-1 電力設備 48 4-1-2 動力組件 51 4-1-3 量測組件 54 4-1-4 回報裝置與控制系統 55 4-2 內部配線模組化與整合 56 4-2-1 電力配線模組化 57 4-2-2 訊號連結模組化 63 4-2-3 各艙區連結板之模組化與整合 64 第五章 電力評估 73 5-1工作行程一次之耗電量評估 74 5-2載具待機時之耗電量 76 5-3充電過程耗電量與天數評估 77 5-4充電時機 77 第六章 翼型之分析模擬與選擇 80 6-1 選擇分析模擬之兩種翼型 81 6-2 分析模擬過程 82 6-2-1 分析方式 82 6-2-2 前處理作業 83 6-2-3 分析之參數設定 85 6-2-4 後處理與優劣比較 87 6-3 求解艏俯30∘時之分析 92 參考文獻 98 自述 101

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    校外:2008-08-19公開
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