108 年 國立臺灣大學生物機電系碩士班乙組《生物產業機械》

本題主要在於了解學生對於再生能源的選擇與應用。

(a) 在陽光充足且風力充沛的環境下，最適合的再生能源裝置是太陽光電與風力發電的結合，也就是所謂的「風光互補」系統。理由如下：

1. 陽光充足：表示太陽光電發電具有極高的發電潛力，可以有效利用太陽能。
2. 風力充沛：表示風力發電同樣具有良好的發電條件，可以利用風能。
3. 互補性：太陽能和風能具有一定的互補性。例如，白天陽光較強時，太陽能發電量較大；而夜晚或陰天時，風力發電可能表現更佳。這種互補性可以提高能源供應的穩定性，減少對電網的依賴。
4. 環保與永續性：太陽能和風能都是清潔、無污染的再生能源，符合永續發展的趨勢。

綜合以上考量，風光互補系統能夠最大化地利用該場域的自然資源，提供穩定且環保的能源。

(b) 以風光互補系統為例，其重要部件與作動方式說明如下：

裝置示意圖（請自行繪製，以下為部件說明）：

• 太陽能板 (Solar Panel/PV Module)：
  • 重要部件：由多個太陽能電池串並聯組成，通常安裝在支架上，面向太陽。
  • 作動方式：當太陽光照射到太陽能電池時，光伏效應會將光能轉換為直流電能。
• 風力發電機 (Wind Turbine)：
  • 重要部件：包含葉片 (Blade)、輪轂 (Hub)、機艙 (Nacelle，內含發電機、齒輪箱等)、塔架 (Tower)。
  • 作動方式：風吹動葉片旋轉，帶動機艙內的發電機產生交流電能。
• 直流/交流轉換器 (Inverter)：
  • 重要部件：連接太陽能板和風力發電機（若風力發電機產生的是交流電）與儲能系統或電網。

本題考查內燃機的兩種基本工作循環：四衝程與二衝程引擎的原理與差異。

核心觀念： 引擎透過燃燒燃料產生動力，其工作循環的設計決定了能量轉換的效率、結構複雜度與適用性。四衝程引擎每完成一個動力輸出需要四個活塞行程，而二衝程引擎則僅需兩個行程。

解題步驟：

首先，需要理解「衝程」(Stroke) 的定義，即活塞從汽缸上死點 (Top Dead Center, TDC) 到下死點 (Bottom Dead Center, BDC) 或反之的運動過程。四衝程引擎包含進氣、壓縮、動力（燃燒）、排氣四個獨立的行程；二衝程引擎則將這四個過程合併在兩個行程中完成。

繪圖與說明：
（請自行繪製四衝程與二衝程引擎的簡化示意圖，包含活塞、汽缸、進氣閥、排氣閥、火星塞、進氣口、排氣口、掃氣口等關鍵部件。）

四衝程引擎 (Four-Stroke Engine)：
四衝程引擎每做功一次（產生動力），活塞需要上下往復運動四次（曲軸旋轉兩圈）。其四個衝程分別為：

1. 進氣衝程 (Intake Stroke)：
   • 活塞從上死點向下移動，進氣閥打開，燃油與空氣的混合氣被吸入汽缸。
   • 曲軸旋轉 180 度。
2. 壓縮衝程 (Compression Stroke)：
   • 活塞從下死點向上移動，進、排氣閥均關閉，壓縮混合氣。
   • 曲軸旋轉 180 度。
3. 動力衝程 (Power/Combustion Stroke)：
   • 活塞到達上死點附近時，火星塞點燃被壓縮的混合氣，產生爆炸。
   • 高壓氣體推動活塞向下移動，曲軸旋轉 180 度，產生動力。
   • 此時進、排氣閥均關閉。
4. 排氣衝程 (Exhaust Stroke)：
   • 活塞從下死點向上移動，排氣閥打開，將燃燒後的廢氣排出汽缸。
   • 曲軸旋轉 180 度。

二衝程引擎 (Two-Stroke Engine)：
二衝程引擎的設計較為簡潔，它利用活塞的運動來控制進、排氣口的開啟與關閉，並在曲軸旋轉一圈（兩個行程）內完成進氣、壓縮、動力、排氣四個過程。

1. 壓縮與進氣衝程 (Compression and Intake Stroke)：
   • 活塞從下死點向上移動（壓縮衝程）。
   • 在此同時，活塞下方的曲軸箱內形成負壓，透過進氣口將新的燃油與空氣混合氣吸入曲軸箱。
   • 活塞到達上死點附近時，火星塞點燃混合氣，產生爆炸。
2. 動力與排氣衝程 (Power and Exhaust Stroke)：
   • 爆炸產生的氣體推動活塞向下移動（動力衝程）。
   • 當活塞向下移動時，首先會打開排氣口，讓部分廢氣排出。

本題旨在測試學生對農用曳引機與農具連接方式、動力傳遞以及安全裝置的了解。

(a) 農用曳引機和承載式農具之間的連接機構

農用曳引機和承載式農具（如犁、播種機、耕耘機等）之間通常使用「三點懸吊系統」(Three-Point Hitch System) 來連接。

• 說明：三點懸吊系統由曳引機上的兩個下連結桿 (Lower Link Arms) 和一個上連結桿 (Top Link Arm) 組成。這三個連結點形成一個三角形，將農具固定在曳引機後方。
  • 兩個下連結桿通常是固定長度的，用於支撐農具的重量和提供左右的穩定性。
  • 上連結桿則是可調整長度的，用於調整農具的耕深或工作角度，並提供前後的穩定性。
  • 這種結構不僅能穩固地連接農具，還能讓曳引機根據地形自動調整農具的高度，保持耕作的平整性。

【答案】三點懸吊系統 (Three-Point Hitch System)。

(b) 承載式農具迴轉動力來源

承載式農具若需要迴轉的動力，通常是藉由農用曳引機上的「動力輸出軸」(Power Take-Off, PTO) 來獲得。

• 說明：
  • 動力輸出軸 (PTO)：這是曳引機的一個標準化旋轉軸，通常位於曳引機後方（也有前方PTO），以固定的轉速（如 540 rpm 或 1000 rpm）持續輸出動力。

本題主要在於測試學生對於整地機械中兩種基本犁具——板犁與迴轉犁——的認識，包括它們的功能和構造上的差異。

(a) 板犁 (Moldboard Plow) 與迴轉犁 (Rotary Plow) 的功能差異

• 板犁 (Moldboard Plow)：

  • 功能：主要用於翻耕土壤，將地表的土壤翻轉到下方，並將深層的土壤翻到地表。其主要作用是：
    1. 翻耕與混合：將土壤翻鬆，破壞土塊，並將作物殘渣、雜草、肥料等與土壤充分混合，有利於後續的播種。
    2. 埋藏雜草與殘渣：將地表的雜草、作物根莖等埋入土中，減少病蟲害傳播，並轉化為有機質。
    3. 改善土壤結構：透過翻耕，可以改善土壤的通氣性、透水性，減輕土壤板結。
  • 適用性：適合較輕至中等質地的土壤，在乾旱或非常黏重的土壤中可能效果不佳，且需要較大的牽引力。

• 迴轉犁 (Rotary Plow / Rotary Tiller / Rotavator)：

  • 功能：利用高速旋轉的刀具（Tines）來破碎、耕耘土壤。其主要作用是：
    1. 破碎與細化：能將土壤強力破碎成細小的土塊，並混合土壤，達到精細的耕作效果。
    2. 混合土壤：能將土壤、肥料、作物殘渣等進行更均勻的混合。
    3. 除草：高速旋轉的刀具能有效切斷並混合雜草。
  • 適用性：適用於多種土壤類型，尤其在土壤較硬、雜草較多或需要進行精細耕作的場合（如整地前的最終平整），效果顯著。它也可以用於翻埋作物殘渣。

總結功能差異：板犁主要以「翻轉」為主，將土壤層位顛倒，適合較深度的翻耕；迴轉犁則是以「破碎」、「混合」和「細化」為主，利用動力耕耘，效果更為精細，且能應對更多樣的土壤條件。

(b) 板犁與迴轉犁構造上的差異

（請自行繪製示意圖）

• 板犁 (Moldboard Plow)：
  • 構造：
    1. 犁體 (Plow Bottom)：這是核心部件，包含：
       • 犁頭 (Share/Coulter)：尖端部分，負責切入土壤，類似刀鋒。

本題主要考查學生對作物栽培技術的理解，特別是育苗移植的必要性，以及針對特定作物（鳳梨）設計種植機構的能力。

(a) 作物栽培需要經過移植的理由

作物需要經過移植，主要有以下幾個原因：

1. 延長生育期與提高產量：
   • 許多作物，特別是生長季節較長或對溫度敏感的作物（如番茄、辣椒、水稻、蔬菜類），在早期生長階段需要較溫暖的環境或較精細的管理。
   • 通過在育苗場或溫室內育苗，可以提供最佳的生長條件（溫度、水分、光照、養分），使幼苗在相對短的時間內獲得良好的發育。
   • 將已經培育好的健壯幼苗移植到大田，可以避開早期不利的環境條件，爭取更長的生長季節，從而提高產量和品質。
2. 節省種子與提高出苗率：
   • 對於一些種子細小、價格昂貴或發芽率不高的作物，直接播種在大田可能會浪費大量種子，且出苗不均勻。
   • 育苗可以精準播種，確保較高的出苗率，並在早期淘汰弱苗、病苗，只將健壯的苗移植，確保田間密度和均勻性。
3. 病蟲害防治：
   • 在可控的育苗環境下，更容易進行病蟲害的監測和防治，減少病苗、蟲苗進入大田的機會，從而降低田間的病蟲害發生率。
4. 品種篩選與改良：
   • 在育苗階段，可以進行品種的篩選、雜交或優良單株的選拔，為後續的栽培提供更優質的種原。
5. 適應特定栽培模式：
   • 例如，水稻通常需要育秧後再插秧，這樣可以實現機械化插秧，提高效率。
   • 有些作物需要分期播種，育苗可以方便地分批進行。

【答案】延長生育期、提高產量、節省種子、提高出苗率、便於病蟲害防治、便於品種篩選等。

(b) 適合鳳梨苗種植的機構設計

鳳梨（菠蘿）的種植與其他作物有所不同，它通常是利用吸芽 (suckers) 或頂芽 (crowns) 進行無性繁殖，且植株本身有刺，生長方式獨特。設計一種適合鳳梨苗種植的機構，需要考慮其特性。

機構設計概念： 考慮一種半自動化的「鳳梨苗栽植機」，能對準植株位置，並將吸芽或頂芽苗插入預備好的土壤中。

繪圖與部件說明：
（請自行繪製，以下為部件描述）

• 曳引機連接架 (Tractor Hitch Frame)：
  • 功能：將栽植機連接到曳引機上，提供移動動力。
  • 部件：標準的三點懸吊連接裝置。
• 種植單元 (Planting Unit)：
  • 功能：負責將單一鳳梨苗插入土壤。每個單元處理一株苗。
  • 部件：
    1. 苗儲存槽/導槽 (Seedling Hopper/Chute)：用於暫存鳳梨苗，並將苗引導至栽植點。

本題主要考查學生對無人機在農業應用中的兩大功能：農藥施噴與農地空拍的相關知識。

(a) 無人機農藥施噴噴頭種類、特點與限制

無人機噴灑農藥的噴頭需要能夠將藥液霧化成細小的液滴，以確保藥液均勻附著於作物表面並達到最佳防治效果。常見的噴頭種類有：

1. 離心式噴頭 (Centrifugal Nozzle / Spinning Disc Nozzle)：
   • 原理：利用旋轉的圓盤（通常是多層的）將藥液甩出，藉由離心力將藥液霧化成細小的液滴。
   • 特點：
     • 液滴大小可控：通過調整旋轉盤的轉速，可以控制液滴的大小，從微細霧到粗滴。
     • 均勻性高：能產生粒徑分布均勻的液滴，提高藥效。
     • 不易堵塞：由於沒有細小的孔徑，相對不易堵塞。
     • 耗能：需要額外的馬達來驅動旋轉盤。
   • 限制：
     • 成本較高：相較於壓力式噴頭，結構較複雜，成本較高。
     • 對風敏感：細小液滴容易受風力影響飄移，造成藥劑漂移 (drift)。
     • 需要電力驅動：需要額外的電力供應給旋轉馬達。
2. 壓力式噴頭 (Pressure Nozzle)：
   • 原理：藥液在高壓下通過一個具有特定大小和形狀的噴孔，藉由壓力差將藥液霧化成液滴。這是最常見的噴頭類型。
   • 特點：
     • 結構簡單，成本低：製造容易，價格便宜。
     • 種類多樣：有各種噴孔形狀和大小，可產生不同霧化效果（如扇形、錐形）。
     • 節能：由藥泵提供壓力，不需額外馬達驅動。
   • 限制：
     • 易堵塞：若藥液未過濾或有雜質，細小噴孔容易堵塞。
     • 液滴大小受壓力影響大：改變壓力會影響霧化效果和液滴大小，有時不易精確控制。
     • 藥劑漂移：若噴孔設計不當或壓力過高，產生的細小液滴仍有漂移問題。
3. 超聲波噴頭 (Ultrasonic Nozzle)：
   • 原理：利用超聲波振動將藥液霧化。
   • 特點：
     • 極細霧化：能產生非常細小的液滴，霧化效果極佳。
     • 精確控制：霧化過程穩定，液滴大小非常均勻。
   • 限制：
     • 成本極高：技術複雜，價格昂貴。
     • 耗電量大：需要較高的電力來產生超聲波。
     • 易受環境影響：對溫度、濕度等環境因素較敏感。
     • 藥劑漂移風險高：極細小的液滴非常容易被風吹散。

本題旨在考察學生對「智慧農機」概念的理解，並能結合具體農機（水稻收穫機械）進行闡述。智慧農機不僅是自動化，更強調數據、聯網、決策與優化。

核心觀念： 智慧農機是將先進的資訊技術（如感測、物聯網、大數據、人工智慧、導航定位）與傳統農機結合，使其具備自主決策、精準作業、效率優化和資訊化的能力。

智慧農機應具備的條件（以水稻收穫機械為例）：

1. 精準導航與定位系統 (Precision Navigation and Positioning System)：
   • 說明：具備高精度的 GPS (如 RTK-GPS) 或其他定位技術，能實現無人駕駛或輔助駕駛，精確控制行駛路徑，確保收割時的重疊率和邊界精度。
   • 智慧體現：避免重複收割或漏收，減少人力需求，提高作業效率和精準度。
2. 環境感知與識別能力 (Environmental Sensing and Recognition)：
   • 說明：搭載各種感測器（如光學攝影機、雷達、光達 LiDAR、土壤感測器等），能夠實時監測作物狀況（如稻穗飽滿度、倒伏程度、雜草密度）、土壤濕度、地形變化等。
   • 智慧體現：基於感測數據，農機可以自主調整作業參數（如收割速度、割台高度、脫粒滾筒轉速），以適應不同的作物長勢和環境條件，最大化收穫效率和品質，減少損失。
3. 作業參數自主優化與決策 (Autonomous Optimization and Decision Making)：
   • 說明：結合感測器數據、預設的作業模型和人工智慧演算法，農機能夠自主判斷最佳的作業策略，並自動調整相應的機械參數。
   • 智慧體現：例如，在遇到倒伏嚴重的稻田時，農機自動降低收割速度並調整割台角度；