本研究之浮體式波浪發電系統受波浪起伏造成共振箱水柱上下振盪，此水柱上下運動壓縮氣室內空氣，利用空氣驅使葉片轉動，並帶動發電機發電。承襲McCormick（1976）所發展出來的理論，在浮體加上直線軸承及鋼管樁使浮體式波浪發電系統裝置能在垂直（Heave）方向運動。本文中利用田口方法找出波浪發電系統幾何形狀最佳尺寸，並製作浮體式波浪發電系統模型並進行水工模型實驗。實驗結果發現：（1）在共振箱直徑34公分時葉片轉速比共振箱直徑29公分葉片轉速還大；（2）葉片形狀以四葉弓角15度為最佳其次為八葉弓角15度；（3）在週期（T）1.06秒、波高（H）10公分及共振箱沒水深（ ）27公分時發電量為最大。

In this thesis, a device by applying the oscillating water column in a well-like resonant chamber installed in a floating structural system is studied experimentally. The device was designed to utilize the oscillation motion of the water inside the resonant chamber and then the pressure variation of the air to drive the air-turbine system. When connected to a electric power generation system this device may convert the wave power to electric power.
A theory assuming independence between the motion of floating structure and the heave of waves inside the resonant chamber, derived by McCormick (1976 ) is adopted in this study. During the experimental tests four groups of test were carried out depending on the parameters that are to be evaluated for the effectiveness of the power conversion, namely, the rotation speed of the turbine with or without the power generator attached, the relative wave-height variation between the incident wave and waves in the well-like resonance chamber and the actually generated electric potential. For each group of test five sets of wave-height from 6 cm to 10 cm and four sets of period of wave, namely, 0.89, 0.92, 1.06, 1.20-second are applied.

中文摘要
英文摘要
目錄……………………………………………………………………….…….Ⅰ
圖目錄…………………………………………………………………………..Ⅳ
表目錄…………………………………………………………………………..Ⅸ
照片目錄………………………………………………………………………..Ⅹ
符號說明……………………………………………………………………….XI
第一章 緒論…………………………………………………….……………...1
1-1前言………………………………………………………………………..1
1-2文獻回顧…………………………………………………………………..2
1-3研究動機…………………………………………………………………..3
1-4研究目標…………………………………………………………………..3
1-5本文架構……………………………………………………………...…...4
第二章 波浪發電系統設計……………………………………………………..6
2-1 基本假設……………………………………………….…………….…..6
2-2 共振箱水柱運動方程式…………………………………………...…….6
2-2-1 共振箱水柱底部壓力……………………………………………….7
2-2-2 共振箱水柱內部波高…………………………...…………………..8
2-3 浮桶垂直運動方程式………………………………………….…..….....8
2-3-1 浮桶底部壓力………………………………………………...……..9
2-3-2 浮桶垂直位移…………………………………………………...…..10
2-4 共振箱水柱相對位移……………………………...…………………….10
2-5 共振箱沒水深最佳尺寸設計………………………………………….....11
2-6 共振箱直徑最佳尺寸設計……………………………………………….11
2-6-1 田口方法………………………………………………………….….12
2-6-2 設計參數之選擇…………………………………………………...13
2-6-3 直交表實驗………………………………………………………...13
2-6-4 變異數分析（ANOVA）…….…………………………………....16
2-7 發電裝置設計………………………………………...………………...17
2-7-1 空氣閥門設計………………………………...…………………....17
2-7-2 葉片翼型形狀之選定……………………………...……………....18
2-7-3 直流發電機…………………………………………...………..…..18
第三章 水工模型實驗……………………………………………………..…..28
3-1 相似理論………………………………………………………………..28
3-2 模型形狀縮尺…………………………………………………………...29
3-3 實驗模型製作…………………………………………………………..30
3-3-1 浮桶及固定樁…………………………………………………..….30
3-3-2 氣室與氣閥………………………………………………………...30
3-3-3 直流發電機製作…………………………………………………...31
3-4 實驗儀器及設備………………………………...……………………...31
3-5 實驗佈置………………………………………………………………..32
3-6 實驗波浪條件…………………………………………………………..32
3-7 實驗參數設定…………………………………...……………………...32
3-8 實驗步驟………………………………………………………………..33
3-8-1 共振箱波高量測…………………………………………………….33
3-8-2 風扇葉片轉速量測…………………………………………….……33
3-8-3 電壓值量測…………………………………………………….……33
第四章 實驗結果與討論………………………………………………….…...44
4-1 未加發電機……………………………………………………………...44
4-1-1 共振箱直徑34公分未加發電機各葉片轉速………………………44
4-1-2 共振箱直徑29公分未加發電機各葉片轉速………………………44
4-2 輸入波高與共振箱水柱相對波高之比較……………………………...45
4-2-1 共振箱直徑34公分…………………………………………………45
4-2-2 共振箱直徑29公分…………………………………………………45
4-3 附加發電機葉片轉速………………………………….………………..46
4-3-1 共振箱直徑34公分附加發電機葉片轉速………………………..46
4-3-2 共振箱直徑29公分附加發電機葉片轉速………………………..46
4-3-3 共振箱直徑34公分發電量………………………………………..47
4-3-4 共振箱直徑29公分發電量………………………………………..47
4-3-5 共振箱直徑34公分發電功率……………………………………..47
4-3-6 共振箱直徑29公分發電功率……………………………………..47
4-4 浮桶與共振箱水柱自然震動頻率分析……………………………….…...48
4-5 實驗值與數值模擬之討論…………………………………………………48
4-6 實驗值與田口方法比較分析………………………………………………49
第五章 結論與建議…………………………………………………………..…90
5-1 結論………………………………………………………………...……..90
5-2 建議………………………………………………………………...……..91
參考文獻…………………………………………………..……………...……...92
附錄 A…………………………………………………….………...…...………94
附錄 B…………………………………………………………………...………96






圖目錄
圖2-1 浮體式波浪發電系統示意圖……………………….….………….……..23
圖2-2 田口方法流程…………………………………………………………….24
圖2-3 參數效果圖……………………………………………………………….24
圖2-4 浮體式波浪發電系統氣室內部詳圖…………………………..….……..25
圖2-5 四葉弓角15度……………………………………………………………25
圖2-6 四葉弓角36度……………………………………………………………26
圖2-7 八葉弓角15度……………………………………………………………26
圖2-8 八葉弓角36度……………………………………………………………27
圖2-9 葉片與外圍間隙圖……………………………………………………….27
圖3-1 浮桶詳圖……………………………………………………..…………...37
圖3-2 波浪上升時氣室詳圖………………………………….…………………38
圖3-3 波浪下降時氣室詳圖………………………………….…………………38
圖3-4 實驗水槽佈置圖………………………………………………………….39
圖4-1 四葉弓角15度，在不同週期及波高之葉片轉速圖……………………50
圖4-2 四葉弓角36度，在不同週期及波高之葉片轉速圖……………………..50
圖4-3 八葉弓角15度，在不同週期及波高之葉片轉速圖……………………..51
圖4-4 八葉弓角36度，在不同週期及波高之葉片轉速圖……………………..51
圖4-5 四葉弓角15度，在不同週期及波高之葉片轉速圖……………………..52
圖4-6 四葉弓角36度，在不同週期及波高之葉片轉速圖……………………..52
圖4-7 八葉弓角15度，在不同週期及波高之葉片轉速圖……………………..53
圖4-8 八葉弓角36度，在不同週期及波高之葉片轉速圖……………………..53
圖4-9 四葉弓角15度，在不同週期及波高之葉片轉速圖……………..………54
圖4-10 四葉弓角36度，在不同週期及波高之葉片轉速圖……………………54
圖4-11 八葉弓角15度，在不同週期及波高之葉片轉速圖……………………55
圖4-12 八葉弓角36度，在不同週期及波高之葉片轉速圖……………………55
圖4-13 四葉弓角15度，在不同週期及波高之葉片轉速圖……………………56
圖4-14 四葉弓角36度，在不同週期及波高之葉片轉速圖……………………56
圖4-15 八葉弓角15度，在不同週期及波高之葉片轉速圖……………………57
圖4-16 八葉弓角36度，在不同週期及波高之葉片轉速圖………..………….57
圖4-17 四葉弓角15度，在不同週期及波高之葉片轉速圖……………………58
圖4-18 四葉弓角36度，在不同週期及波高之葉片轉速圖……………………58
圖4-19 八葉弓角15度，在不同週期及波高之葉片轉速圖………….………...59
圖4-20 八葉弓角36度，在不同週期及波高之葉片轉速圖……………………59
圖4-21 四葉弓角15度，在不同週期及波高之葉片轉速圖………...….………60
圖4-22 四葉弓角36度，在不同週期及波高之葉片轉速圖……………………60
圖4-23 八葉弓角15度，在不同週期及波高之葉片轉速圖……………………61
圖4-24 八葉弓角36度，在不同週期及波高之葉片轉速圖……………………61
圖4-25 週期0.89秒，輸入波高與共振箱水柱波高比較圖（實線為輸入波高、虛線為共振箱水柱波高）………………………………………………………..62
圖4-26 週期0.92秒，輸入波高與共振箱水柱波高比較圖（實線為輸入波高、虛線為共振箱水柱波高）………………………………………………………..62
圖4-27 週期1.06秒，輸入波高與共振箱水柱波高比較圖（實線為輸入波高、虛線為共振箱水柱波高）………………………………………………………..63
圖4-28 週期1.2秒，輸入波高與共振箱水柱波高比較圖（實線為輸入波高、虛線為共振箱水柱波高）………………………………………………………..63
圖4-29 週期0.89秒，輸入波高與共振箱水柱波高比較圖（實線為輸入波高、虛線為共振箱水柱波高）………………………………………………………..64
圖4-30 週期0.92秒，輸入波高與共振箱水柱波高比較圖（實線為輸入波高、虛線為共振箱水柱波高）………………………………………………………..64
圖4-31 週期1.06秒，輸入波高與共振箱水柱波高比較圖（實線為輸入波高、虛線為共振箱水柱波高）………………………………………………………..65
圖4-32 週期1.2秒，輸入波高與共振箱水柱波高比較圖（實線為輸入波高、虛線為共振箱水柱波高）………………………………………………………..65
圖4-33 週期0.89秒，輸入波高與共振箱水柱波高比較圖（實線為輸入波高、虛線為共振箱水柱波高）………………………………………………………..66
圖4-34 週期0.92秒，輸入波高與共振箱水柱波高比較圖（實線為輸入波高、虛線為共振箱水柱波高）………………………………………………………..66
圖4-35 週期1.06秒，輸入波高與共振箱水柱波高比較圖（實線為輸入波高、虛線為共振箱水柱波高）………………………………………………………..67
圖4-36 週期1.2秒，輸入波高與共振箱水柱波高比較圖（實線為輸入波高、虛線為共振箱水柱波高）………………………………………………………..67
圖4-37 週期0.89秒，輸入波高與共振箱水柱波高比較圖（實線為輸入波高、虛線為共振箱水柱波高）………………………………………………………..68
圖4-38 週期0.92秒，輸入波高與共振箱水柱波高比較圖（實線為輸入波高、虛線為共振箱水柱波高）………………………………………………………..68
圖4-39 週期1.06秒，輸入波高與共振箱水柱波高比較圖（實線為輸入波高、虛線為共振箱水柱波高）………………………………………………………..69
圖4-40 週期1.2秒，輸入波高與共振箱水柱波高比較圖（實線為輸入波高、虛線為共振箱水柱波高）…………………...…………………………………...69
圖4-41 週期0.89秒，輸入波高與共振箱水柱波高比較圖（實線為輸入波高、虛線為共振箱水柱波高）………………………………………………………..70
圖4-42 週期0.92秒，輸入波高與共振箱水柱波高比較圖（實線為輸入波高、虛線為共振箱水柱波高）………………………………………………………..70
圖4-43 週期1.06秒，輸入波高與共振箱水柱波高比較圖（實線為輸入波高、虛線為共振箱水柱波高）………………………………………………………..71
圖4-44 週期1.2秒，輸入波高與共振箱水柱波高比較圖（實線為輸入波高、虛線為共振箱水柱波高）………………………………………………………..71
圖4-45 週期0.89秒，輸入波高與共振箱水柱波高比較圖（實線為輸入波高、虛線為共振箱水柱波高）………………………………………………………..72
圖4-46 週期0.92秒，輸入波高與共振箱水柱波高比較圖（實線為輸入波高、虛線為共振箱水柱波高）………………………………………………………..72
圖4-47 週期1.06秒，輸入波高與共振箱水柱波高比較圖（實線為輸入波高、虛線為共振箱水柱波高）………………………………………………………..73
圖4-48 週期1.2秒，輸入波高與共振箱水柱波高比較圖（實線為輸入波高、虛線為共振箱水柱波高）………………………………………………………..73
圖4-49 附加發電機，在不同週期及波高之葉片轉速圖…….…………………74
圖4-50 附加發電機，在不同週期及波高之葉片轉速圖……………………….74
圖4-51 附加發電機，在不同週期及波高之葉片轉速圖……………………….75
圖4-52 附加發電機，在不同週期及波高之葉片轉速圖……………………….75
圖4-53 附加發電機，在不同週期及波高之葉片轉速圖……………………….76
圖4-54 不同週期下，沒水深27公分、波高7公分之電壓歷時圖……………...76
圖4-55 不同週期下，沒水深27公分、波高8公分之電壓歷時圖……………...77
圖4-56 不同週期下，沒水深27公分、波高9公分之電壓歷時圖……………...77
圖4-57 不同週期下，沒水深27公分、波高10公分之電壓歷時圖…………….78
圖4-58 不同週期下，沒水深24公分、波高7公分之電壓歷時圖……………...78
圖4-59 不同週期下，沒水深24公分、波高8公分之電壓歷時圖……………...79
圖4-60 不同週期下，沒水深24公分、波高9公分之電壓歷時圖……………...79
圖4-61 不同週期下，沒水深24公分、波高10公分之電壓歷時圖…………….80
圖4-62 不同週期下，沒水深21公分、波高8公分之電壓歷時圖……………...80
圖4-63 不同週期下，沒水深21公分、波高9公分之電壓歷時圖……………...81
圖4-64 不同週期下，沒水深21公分、波高10公分之電壓歷時圖…………….81
圖4-65 不同週期下，沒水深27公分、波高9公分之電壓歷時圖……………...82
圖4-66 不同週期下，沒水深27公分、波高10公分之電壓歷時圖….…………82
圖4-67 不同週期下，沒水深24公分、波高9公分之電壓歷時圖……………...83
圖4-68 不同週期下，沒水深24公分、波高10公分之電壓歷時圖…………….83
圖4-69 沒水深27公分，在不同週期及波高之功率圖…………………………84
圖4-70 沒水深24公分，在不同週期及波高之功率圖…………………………84
圖4-71 沒水深21公分，在不同週期及波高之功率圖…………………………85
圖4-72 沒水深27公分，在不同週期及波高之功率圖…………………………85
圖4-73 沒水深24公分，在不同週期及波高之功率圖…………………………86
圖4-74同一個共振箱沒水深度，不同波高與週期之葉片端空氣速度理論值..86
圖4-75同一個共振箱沒水深度，不同波高與週期之葉片端空氣速度實驗值..87
圖4-76 同週期，不同波高與共振箱沒水深度之葉片端空氣速度理論值…….87
圖4-77 同週期，不同波高與共振箱沒水深度之葉片端空氣速度實驗值…….88
圖4-78 同共振箱沒水深、週期，不同波高與共振箱半徑之葉片端空氣速度理論值………………………………………………………………………………88
圖4-79 同共振箱沒水深、週期，不同波高與共振箱半徑之葉片端空氣速度實驗值………………………………………………………………………………89















表目錄
表2-1 設計參數與控制因子表…………………………………………………………19
表2-2 L32直交表…………………………………………………………………19
表2-3 葉片端空氣速度直交表………………………………………………….20
表2-4 各水準之SN Ratio平均值表…………………………………………………21
表2-5 變異數分析表…………………………………………………………………...21
表2-6彈簧參數…………………………………………..…….………………...22
表3-1 模型與實體縮尺表……………………………………………………….34
表3-2 浮桶材料……………………………………...…………………………..34
表3-3 氣室材料……………………………………….…………………………35
表3-4 實驗參數表…………………………………………………….…………36















照片目錄
照片3-1 直線軸承………………………...……………………………………..40
照片3-2 浮桶實體………………………………………………………….……40
照片3-3 氣室與共振箱實體……………………………………………….……41
照片3-4 氣閥彈簧裝置……………….…………………………………………41
照片3-5 直流發電機……………………………………………………….……42
照片3-6 波高計…………………………………………………………….……42
照片3-7 測速槍…………………………………………………………….……43
照片3-8 浮體式波浪發系統整體模型………………………………….………43















符號說明
g：重力加速度
ρ：海水密度
z：沒水深
h：水深
D1：鋼管樁直徑
a：振幅
ω：頻率
：流速勢
k：波數
T：週期
H：波高
L：波長
A：共振箱水柱截面積
A1：氣室端截面積
：共振水柱內空氣速度
：氣室空氣速度
：共振箱水柱沒水深
：浮桶沒水深
Po：共振箱水柱底端壓力
Pi：共振箱水柱內部壓力
p：浮桶底端壓力
η：入射波形
：共振箱水柱內部波高
b：線性阻尼係數
b1：線性阻尼係數
c：回復係數
：浮桶垂直位移
：浮桶外半徑
：共振箱半徑
：氣室端口半徑
m：浮桶質量
ma：附加質量
TSS：總平方和
CF：校正數
G：彈性係數
：線材直徑
n：有效圈數
D：平均值徑

1. McCormick, M. E., “A Modified Linear Analysis of A Wave-Energy Conversion Buoy,” Ocean Engineering, Vol. 3, pp. 133-144, 1976.
2. McCormick, M. E., “Analysis of a Wave Energy Conversion Buoy,” Journal of Hydronautics, Vol. 8, pp .77-82, 1974.
3. McCormick, M. E., CARSON, B., and RAU, D., “An Experimental Study of a Wave-Energy Conversion Buoy,” Marine Technol. Soc. J. 9, pp 39-42, 1975.
4. McCormick, M. E., “Ocean Engineering Wave Mechanics,” Wiley-Interscience Division of John Wiley & Sons, New York, 1973.
5. Hochstadt, H., “Special Function of Mathematical Physics,” Holt, Rinehart & Winston, New York, 1961.
6. McCormick, M. E., “Ocean Wave Energy Conversion,” Wiley-Interscience Division of John Wiley & Sons, New York, 1981.
7. McCormick, M. E., and Surko, S., “An Experimental Study of the Performance of the Counter-Rotating Wave Energy Conversion Turbine,” Journal of Energy Resources Technology, (ASME), Vol. 111, pp. 167-173, 1989.
8. GREEN, W. L., CAMPO, J. J., PARKER, J. E., and MILLER, J. A., “Wave Energy Conversion With an Oscillating Water Column on a Fixed Offshore Platform, ”Journal of Energy Resources Technology, (ASME), Vol. 105, pp. 487-491, 1983.
9. Rolfes, M. H., “Variations on the Oscillating Water Column Wave Energy Device,” Master Of Science thesis, Massachusetts Institute Of Technology, Cambridge, Mass., Oct.,1981.
10. Masuda, Y., ”Wave Activated Generator,” International Colloquim on the Exposition of the Oceans, Bordeau, France (March 1971).
11. BERTIN, JOHN J. “Aerodynamics for engineers.” Prentice-Hall, Inc., Englewood Cliffs, N.J., 1979.
12. 吳瑞祥, “防波堤式波浪發電之研究,” 國立中山大學海洋資源研究所碩士論文, 1996.
13. 蘇達貞、鍾珍, “海洋能源的魅力,” 科學發展月刊, 383期, 頁數28∼33, 2004.
14. 籃重凱, “軸流風扇翼型與角度對性能曲線的影響,”國立清華大學工程與系統科學研究所碩士論文, 2004.
15. 蘇朝墩, “產品穩健設計（田口品質方法的介紹和應用）,”中華民國品質學會,1998.
16. 郭金棟, “海岸工程,”中國土木水利工程學會,1993.