震盪水柱式波能擷取系統為一種新式的防波堤設計，其功能不僅可以保護海中結構物亦可以擷取波浪之能量。擷取到的波浪能，先轉換為空氣動能，再經由渦輪系統轉換為電能；此能源為取之不盡用之不竭的綠色能源，且造價低廉維護方便，又有保衛國土之功能，可謂一舉多得。震盪水柱式波能擷取系統(OWC)所採用的發電渦輪為威爾斯渦輪，其具有較高的啟動風速，與在高速氣流的狀態下有一轉速臨界值，上述兩點使得威爾斯渦輪在低波浪能的狀態下無法有效地運轉維持發電機的運作，而在高波能的狀態下無法有效地擷取更多氣流速度能。本文設計六種渦輪，並利用水工模型實驗模擬現地之波浪情形，觀察各渦輪的轉速以及發電效能。
本文將針對震盪水柱式波能擷取系統設計六種渦輪系統、15組波浪條件並考慮出風口導流系統，探討震盪水柱式波能擷取系統之氣流速度、能量擷取率之影響。並架設6組渦輪系統探討在不同波浪條件下對於渦輪轉速與發電效能之影響。由水工模型實驗可以得知，在相同渦輪葉片蓋口率的情況下，不同葉片幾何設計會有不同的轉速，其中不對稱葉片設計之轉速會大於傳統式對稱葉片。而在相同渦輪葉片幾何設計下，蓋口率越大者其轉速也越快。可動式渦輪與固定式渦輪之轉速比較可以得知，固定式渦輪的轉速較快。實驗結果發現改變渦輪葉片設計可以有效的提高渦輪轉速，進而提升發電效能與穩定性。

The Oscillating Wave Column converter is a kind of new style breakwater design. Its function not only can protect the structure in the sea can also capture the wave energy. It converts the captured wave energy into air kinetic energy, and converted to electrical energy by the turbine system. This energy is inexhaustible green energy, with low cost, easy maintenance, and the function of defending the homeland, can be described as multiple purposes. The power generation system of Oscillating Wave Column converter is Wells turbine which has high starting wind speed and rotational speed threshold in the state of high-speed air flow. These two points make the Wells turbine in the state of low wave energy can not effectively rotate to maintain the operation of the generator ,and can not effectively capture more air speed energy in the state of high wave energy. In this paper, the design of six kinds of turbines, and the use of hydraulic model experiments to simulate the current situation of the waves to observe the turbine speed and power generation efficiency.
In this paper, we design six kinds of warrants system and 15 groups of wave conditions for the oscillating water column wave energy retrieval system. The influence of the dimensionless front aperture ratio on the reflectance, air velocity, internal wave height and energy extraction rate of the oscillating water column wave energy acquisition system is discussed. In terms of turbine design, different blade geometries have different rotational speeds at the same turbine blade cover rate, and asymmetric blade design will be faster than traditional symmetrical blades. In the same turbine blade geometric design, the cover rate of the greater the speed of its faster. The comparison between the rotational speed of the movable type turbine and the fixed type turbine shows that the fixed type turbine has a faster rotation speed. Experimental results show that the turbine blade design can effectively improve the turbine speed, thereby enhancing power generation efficiency and stability.

中文摘要 i
Abstract ii
目錄 iv
圖次 vii
表次 xvii
符號說明 xviii
渦輪編號說明 xviii
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 文獻回顧 2
1.2.1台灣海洋能發展狀況 2
1.2.2波浪擷取系統之種類及作用原理 3
1.2.3威爾斯渦輪之相關研究 4
1.3研究動機與目的 4
1.4本文架構 5
第二章 理論及設計 9
2.1有限翼展機翼理論 9
2.2流體力學白努利定律理論 11
2.3渦輪選用及介紹 12
2.4威爾斯渦輪模型設計 13
2.4.1 NACA0021數據文獻 13
2.4.2扇葉幾何選定 13
2.4.3 渦輪葉片面積之改變 14
2.4.4可動式渦輪設計 14
2.4.5各渦輪比較 15
2.5導流系統設計 15
2.6模型繪製與製作 16
第三章 水工模型實驗 31
3.1模型相似理論及縮尺 31
3.2震盪水柱波能擷取系統模型製作 32
3.3實驗儀器及設備 32
3.4實驗佈置 34
3.5實驗條件 34
3.6實驗模型參數 35
3.7實驗步驟 35
3.7.1波高量測 35
3.7.2氣流速度量測 36
3.7.3 無負載風扇轉素之量測 36
3.7.4有負載風扇轉速量測與電壓紀錄 36
第四章 水工結果分析與討論 45
4.1水工模型對於不同波浪條件下之實驗結果比較 45
4.1.1流速度結果比較 45
4.1.2能量擷取率結果比較 45
4.2 威爾斯渦輪轉速實驗成果 46
4.2.1固定式負載渦輪扇葉幾何變化轉速測試 46
4.2.2固定式負載渦輪扇葉蓋口率變化轉速測試 46
4.2.3可動式負載渦輪扇葉蓋口率變化轉速測試 47
4.2.4可動式渦輪與固定式渦輪轉速比較 47
4.3威爾斯渦輪發電實驗成果 47
4.2.1固定式負載渦輪扇葉幾何變化發電測試 47
4.3.2固定式負載渦輪扇葉蓋口率變化電壓測試 48
4.3.3可動式負載渦輪扇葉蓋口率變化電壓測試 48
4.3.4可動式渦輪與固定式渦輪電壓比較 49
第五章 結論與建議 74
5.1結論 74
5.2建議 75
參考文獻 76
附件A 氣流速度圖 79
附件B 渦輪轉速 85
附件C電壓圖 106

1. 蔡繼張，「定壓式壓電換能器知壓電元件優化」，國立中山大學海洋環境及工程學系，碩士論文，2011。
2. 林繼謙，「岸基震盪水柱是波浪發電系統之設計」，國立成功大學，系統及船舶機電工程學系，碩士論文，2009。
3. 林志遠 、戴明杉 、林坦霆 、王永正 、張達元 ，「小型威爾斯渦輪葉片設計改良與製造驗證」，全國精密製造研討會論文集，2012。
4. 交通部運輸研究所，「可循環式綠色能源結合港灣結構物以建構綠色港灣之發展研究(1/4)」，2013。
5. 交通部運輸研究所，「可循環式綠色能源結合港灣結構物以建構綠色港灣之發展研究(2/4)」，2014。
6. 鄭敏良，「浮式結構物應用於波浪發電之研究」，國立中山大學海洋環境及工程學系，碩士論文，2006。
7. 劉佳營，「水柱震盪式新渦輪葉片設計製作」，南台科技大學機械系，專題製作成果報告，2014。
8. 梁乃匡，「氣幕式氣力揚升人工湧升流初步研究」，第 23 屆海洋工程研討會論文集，2001。
9. 江懷德，管路元件的阻抗特性，機械月刊，第十九卷，第十二期，1993。
10. B. E. Launder and D. B. Spalding, “Mathematical Models of Turbulence ” Academic Press ,1972.
11. C. C. Lin, D. G. Dorrell and M. F. Hsieh, “A Small Segmented Oscillating Water Column Using a Savonius Rotor Turbine”, International Conference on sustainable Energy Technologies, ICSET 2008, Singapore, 2008.
12. Chen, X., Li, Y., Teng, B., (2006.) “Numerical and simplified methods for the calculation of the total horizontal wave force on a perforated caisson with a top cover.” Coastal Engineering, Vol. 54, Issue 1, pp. 67-75, 2007.
13. C. W. Hirt and B. D. Nichols, “ Volume of Fluid (VOF) Method for the Dynamics of Free Boundaries. ” Journal Of Computational Physics,Vol.39,pp.201-225,1981.
14. D. G. Dorrell, M. F. Hsieh and C. C. Lin, “A Multi-Chamber Oscillating Water Column using Cascaded Savonius Turbines”, ECCE 2009, San Jose, 2009.
15. Fenton,J.D.and Mckee W.D. “On calculating the lengths of water waves.” Coastal Engineering ,Vol. 104,pp.499-513,1990.
16. Finite Wing Theory , University of Notre Dame , Teaching ,
doi：https://www3.nd.edu/~atassi/Teaching/ame 60639/Notes/finitewing.
17. Finnegan W, Goggins J. “Numerical simulation of linear water waves and wave structure interaction”. Ocean Eng ,Vol.43: pp.23-31, 2012.
18. Goda,Y.and Y. Suzuki“Estimation of incident and reflected wave experiments ”,Proc 15th Coastal Eng.Conf,pp.828-845,1976.
19. Liu Z, Hyu B-S, Hong K. “Practical design and investigation of the breakwater
OWC facility in China. ”Proceedings of 8th European Wave and Tidal Energy
(EWTEC 2009) Conference, Uppsala, Sweden , pp. 275, 2009
20. Mansard,E.P.D. and E.R.Funk“The measurment of incident and reflected specral using a least squares method”, Proc 17th Coastal Eng.Conf,pp.154-172,1980.
21. ROTOR BLADE DESIGN FOR A WELLS TURBINE , European Patent Office Bibliographic data: PT2245298 (E) ,2011
22. S Takahashi, H Nakada, H Ohneda, “Wave Power Conversion by a Prototype Wave Power Extracting Caisson in Sakata Port”,23rd Coastal Engineering Conference , pp 3440-3453,1992 .
23. Shinya Okuhara , Manabu Takao , Akiyasu Takami , Toshiaki Setoguchi，「Wells Turbine for Wave Energy Conversion」Techno Center, Matsue College of Technology, Matsue, Japan，Open Journal of Fluid Dynamics, 2013。
24. WELLS TURBINE HAVING PASSIVE ROTOR BLADE DISPLACEMENT , European Patent Office Bibliographic data: PT2217803 (E) ,2011