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研究生： 林泓谷
Lin, Hung-Ku
論文名稱： 8kW太陽能電動船系統設計之研究
System Design of an Eight Kilowatt Solar Powered Boat
指導教授： 趙儒民
Chao, Ru-Min
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： 2018
畢業學年度： 106
語文別： 中文
論文頁數： 124
中文關鍵詞： 阻力 、結構輕量化 、太陽能 、分散式 、永磁馬達 、電力直驅
外文關鍵詞： Resistance, Structure Light-weight, PV Energy, Distributed Photovoltaic System, Permanent Magnet Synchronous Motor, Electric Direct-drive
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    • 由於近年來政府提倡再生能源發展，促使國內育樂船隻逐漸結合再生能源，而國內電動船大多在設計過程中，船上所搭載的電力設備及追求較高性能表現與船速的結果，將造成額外的能源消耗。本研究透過船型與阻力估算，評估推進系統之消耗功率。結構法規驗證方面將BV船級協會法規(NR-500)以LabVIEW程式進行整合，並以石門二號太陽能電動船驗證其可行性，透過結構驗證及輕量化與船型阻力估算達到系統節能之目的。
    創能方面，以分散式太陽能發電系統架構，搭配研究室所開發之功率優化器(DC-DC Converter)與PV控制器(MPPT Controller)進行發電，資料的傳送與接收，則透過中央控制器(Central Controller)回傳至電腦進行監控，並以頂樓作為實驗場進行五片平面分散式系統與十片弧狀分散式發電測試；藉此驗證分散式系統應用，並於高雄愛河測試系統的可靠度。
    動力系統結合永磁同步馬達，以RS-485通訊技術實現馬達控制之應用，並以LabVIEW程式進行操作流程上的整合與控制，藉此模擬實際操船情形並達到驗證其可行性。本研究以結合阻力估算、船體重量評估、太陽能電力直驅與永磁馬達的推進等，建立一套8kW太陽能電動船的設計典範，期待能提供未來太陽能電動船設計之重要參考依據。

    The main content for this study is to evaluate the consumption of motor power by the type of ship and estimates of resistance. To achieve the purpose of energy conservation by structure verification, light-weight, estimates of resistance and its feasibility through Shimen No.2 solar powered boat, by integrated Bureau Veritas (BV) rules with regulations (NR-500) due to the structure verification process.
    Regards the creation of energy, in order to verified and test whether MPPT controller is reliable or not in Kaohsiung Love River, we use the distributed photovoltaic (DPV) system, Power Optimizer and MPPT controller, which were invented by our laboratory, to generate electricity. For transmitting and receiving data, it will be transfer back and under control by central controller then having electricity testament by flat-shaped and arc-shaped distributed PV systems on the roof as a filed for experimental.
    To verify the feasibility of combination with propulsion system and permanent magnet synchronous motor (PMSM) by simulated the actual shipping situation, we used the technology of RS-485 communication to specification the usage of motor and to be integrated and controlled by LabVIEW program. To establish a model of 8kW solar powered boat for reference, we had combined the resistance estimation, weight estimation, PV power direct-drive and propulsion of permanent magnet synchronous motor, we deeply believe this designing of solar powered boat will be an important reference data in the future with highly expectation.

    摘要 II 致謝 V 目錄 VI 表目錄 IX 圖目錄 XI 符號表 XIX 第一章 緒論 1 1.1 研究動機與目的 1 1.2 文獻回顧 5 1.3 研究方法 7 1.4 論文架構 9 第二章 船型與阻力 10 2.1 船型介紹 10 2.1.1 單體船(Monohull) 10 2.1.2 雙體船(Catamaran) 10 2.2 阻力估算 14 第三章 船體結構計算與驗證 17 3.1 負荷種類與計算方式 17 3.1.1 波浪負荷(Wave Load)計算方法 18 3.1.2 拍擊負荷(Slamming Load)計算方法 21 3.1.3 衝擊負荷(Impact Load)計算方法 27 3.1.4 負荷計算程式介紹 28 3.1.5 結構強度驗證程式介紹 30 3.2 BV法規結構計算與驗證 31 3.2.1 船底結構計算 32 3.2.2 內船側負荷計算 40 3.2.3 外船側負荷計算 45 3.2.4 橫跨甲板船側負荷計算 49 3.3 BV法規結構強度驗證 54 3.3.1 BV法規結構強度計算方法 54 3.3.2 BV法規結構強度驗證 59 3.4 重量估算 68 第四章 船舶適用之太陽能系統 74 4.1 太陽能電池特性與等效電路 74 4.1.1 太陽能電池介紹 74 4.1.2 功率優化器 77 4.2 太陽能發電系統種類 82 4.2.1 市電併聯型太陽能發電系統 82 4.2.2 獨立型太陽能發電系統 82 4.2.3 集中式太陽能發電系統 82 4.2.4 分散式太陽能發電系統 83 4.2.5 星狀分散式太陽能發電系統 84 4.3 分散式系統設計與測試 85 4.3.1 通訊方式介紹 85 4.3.2 模擬架構與軟硬體介紹 86 4.3.3 分散式發電系統規劃與測試 89 4.3.4 高雄太陽能船系統 101 第五章 永磁馬達控制系統 104 5.1 通訊方式介紹 104 5.2 RS-485資料結構 105 5.2.1 寫入詢問訊框(Write Query Massage) 105 5.2.2 寫入回答訊框(Write Normal Response Massage) 109 5.2.3 讀取詢問訊框(Read Query Massage) 109 5.2.4 讀取回答訊框(Read Normal Response Massage) 110 5.2.5 錯誤機制(Error Check) 111 5.3 軟硬體測試方法與架構 112 第六章 結果與討論 118 6.1 8kW太陽能電動船之規劃與建議 118 6.2 結論 121 6.3 未來展望 121 參考文獻 123

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