109 年 國立臺灣大學生物機電系碩士班乙組《生物產業機械》

此題主要考查太陽能光電轉換的基礎原理以及人造光源在太陽能板發電上的應用。

1.a) 太陽能板的作動原理

太陽能板，又稱太陽能電池板或光伏板（Photovoltaic panel），其核心是利用半導體材料的光伏效應（Photovoltaic effect）將太陽光能直接轉換為電能。

原理步驟說明：

1. 光子吸收與電子激發： 太陽能電池的主要材料是半導體，最常見的是矽（Si）。當太陽光中的光子照射到半導體材料上時，如果光子的能量大於半導體的能隙（band gap），這些光子就會被半導體吸收，並將能量傳遞給半導體中的電子。這使得電子從價帶（valence band）躍遷到導帶（conduction band），成為自由電子，同時在價帶留下一個電洞（hole）。
2. 產生電子-電洞對： 吸收光子能量後，原本束縛在原子中的電子被激發出來，成為自由移動的載子，而其離開的位置則形成一個帶正電的電洞。這樣就產生了電子-電洞對。
3. 形成內部電場： 為了使這些產生的電子和電洞能夠有效地分離並定向流動，太陽能電池內部需要有一個內建電場。這通常是通過在半導體材料中形成 P-N 接面（P-N junction）來實現的。P 型半導體含有較多帶正電的電洞，N 型半導體含有較多帶負電的電子。當 P 型和 N 型半導體緊密接觸時，在接面處會形成一個內建電場（或稱空間電荷區）。
4. 載子分離與定向： 這個內建電場的作用是將產生的電子-電洞對分離。來自 P 區的光子激發的電子會被電場推向 N 區，而電洞則被推向 P 區。這樣，N 區積累了較多自由電子，P 區積累了較多電洞。
5. 形成電壓與電流： 由於 N 區電子過剩，P 區電洞過剩，在 P-N 接面的兩側就產生了電位差，形成電壓。當將外部電路連接到太陽能電池的 P 區和 N 區（通過金屬電極）時，自由電子就會從 N 區流向 P 區，經過外部電路形成電流，從而對外部設備供電。

繪圖說明：

（請想像此處有一簡單示意圖，包含以下元素）

• 一個 P-N 接面結構。
• P 型半導體（上方或下方）和 N 型半導體。
• P-N 接面處的空間電荷區（或稱為耗盡層），以及內建電場方向（從 N 區指向 P 區）。
• 太陽光（光子）照射到半導體表面。
• 電子-電洞對的產生。
• 內建電場作用下，電子向 N 區移動，電洞向 P 區移動。
• 連接到外部電路的 P 型和 N 型電極。
• 外部電路中電子流動的方向（從 N 區經外部電路流向 P 區）。

1.b) 人工光源對太陽能板發電的影響

此題主要探討水力發電的再生能源屬性、不同型式的分類及其優缺點。

2.a) 水力發電的再生能源屬性

結論： 水力發電是屬於再生能源的一種。

理由： 再生能源是指來自自然界、可以不斷循環再生或取之不盡、用之不竭的能源。水力發電的能源來源是水的位能，而水循環是地球上一個持續不斷的自然過程：太陽照射使地表水蒸發，形成水蒸氣；水蒸氣在高空凝結成雲；雲中的水滴或冰晶在重力作用下以降水（雨、雪）形式落回地表，匯集成河流、湖泊，最終流入海洋。這個過程不斷重複，使得水體能夠持續地補充和流動，為水力發電提供了源源不斷的動力。因此，水力發電所利用的水能是可再生的。

2.b) 水力發電的型式與構造

水力發電主要根據水庫或水源的特徵以及發電廠的設計來劃分。常見的型式包括：

1. 水庫式水力發電 (Impoundment Hydropower)
2. 川流式水力發電 (Run-of-River Hydropower)
3. 抽水蓄能式水力發電 (Pumped-Storage Hydropower)

繪圖說明與構造：

（請想像此處有三張簡化的示意圖，分別代表上述三種型式）

1. 水庫式水力發電

• 構造：
  • 水庫 (Reservoir)： 位於河流上游，通常由一座大型水壩（Dam）攔截河水形成。水庫的作用是儲存大量的水，並提供穩定的水頭（Head，即水面與渦輪機之間的垂直高度差）。
  • 大壩 (Dam)： 結構複雜，用於攔蓄水流、抬高水位，並控制放水。
  • 進水口 (Intake)： 位於水壩附近，是水進入輸水道前的通道。通常設有攔污柵（Trash Rack）以過濾雜物。
  • 輸水道 (Penstock/Water Conduit)： 從進水口連接到發電廠，將高處的水引導至渦輪機。可以是壓力鋼管或明渠。
  • 發電廠 (Powerhouse)： 內有發電機組，包括渦輪機（Turbine）和發電機（Generator）。
  • 渦輪機 (Turbine)： 接收高速水流的衝擊或壓力，將水能轉換為機械能（旋轉）。常見的有佩爾頓式（Pelton）、法蘭西斯式（Francis）、龍骨式（Kaplan）等，依水頭高低選擇。
  • 發電機 (Generator)： 與渦輪機同軸連接，將機械能轉換為電能。
  • 尾水路 (Tailrace)： 發電後的水流從渦輪機排出，通過尾水路匯回河流下游。
  • 溢洪道 (Spillway)： 當水庫水位超過安全高度時，用於排泄多餘的水量，防止潰壩。

2. 川流式水力發電

• 構造：
  • 取水口 (Diversion Weir/Dam)： 通常是較小的攔河堰，用於抬高水位，將部分水引入發電廠，但儲水能力有限，主要依賴河流本身的流量。
  • 導水渠/輸水道 (Headrace Canal/Penstock)： 將取水口的水引入發電廠。
  • 發電廠 (Powerhouse)： 結構與水庫式類似，但規模可能較小。
  • 渦輪機 (Turbine)： 通常選擇適合低水頭、大流量的渦輪機，如卡普蘭式（Kaplan Turbine）。
  • 發電機 (Generator)。
  • 尾水路 (Tailrace)： 發電後的水流排回河流。
• 特點： 幾乎無水庫儲水功能，發電量隨河流流量季節性變化大。

3. 抽水蓄能式水力發電

• 構造：
  • 上部水庫 (Upper Reservoir)： 位於高處。
  • 下部水庫 (Lower Reservoir)： 位於低處。
  • 壓力水道 (Headrace/Penstock)： 連接上下水庫。

此題考查二行程柴油引擎的原理以及其被取代的技術。

3.a) 二行程柴油引擎的作動原理

二行程引擎是指活塞在曲軸旋轉一圈（360度）內完成一個完整的工作循環（包括進氣、壓縮、燃燒、排氣）的引擎。柴油引擎是壓燃式引擎，靠壓縮空氣至高溫，再噴入柴油使其自燃。二行程柴油引擎的設計相對較少見於主流應用，且其進排氣方式與汽油二行程引擎有差異。這裡主要描述常見的二行程循環概念，並融入柴油引擎的壓燃特性。

原理步驟說明：

二行程引擎通常利用活塞在汽缸內的上下運動來控制進、排氣口的開啟與關閉，並輔以掃氣（Scavenging）過程。

第一行程：活塞下行（動力行程與掃氣行程）

1. 燃燒與膨脹： 在上一個循環的末端，燃料（柴油）已噴入高溫壓縮的空氣中並自燃，產生高壓燃氣推動活塞向下運動。這是動力行程。
2. 排氣口開啟： 當活塞下行至一定位置時，活塞下方的裙部會打開排氣口（Exhaust Port）。燃燒後的廢氣開始從汽缸排出。
3. 掃氣口開啟與掃氣： 活塞繼續下行，當其運動到更下方時，會打開掃氣口（Transfer Port 或 Intake Port）。此時，進入曲軸箱（Crankcase）的預壓縮空氣（或燃油混合氣，在汽油二行程中）會通過掃氣道（Transfer Duct）被泵入汽缸。
4. 掃氣過程： 這些新進來的氣體（在柴油引擎中是預壓的空氣）具有一定的壓力，會從掃氣口進入汽缸，利用其壓力將殘餘的廢氣從排氣口擠出。這個過程稱為掃氣（Scavenging）。柴油引擎的掃氣主要目的是將新鮮空氣充入汽缸，為下一個壓縮行程做準備。

第二行程：活塞上行（壓縮行程與進氣）

1. 掃氣口關閉： 活塞開始向上運動，首先封閉掃氣口。
2. 進氣（至曲軸箱）： 在活塞上行時，汽缸內的壓力降低，曲軸箱內的壓力相對升高。這時，如果曲軸箱內有進氣閥（Reed Valve 或 Piston Valve），新鮮空氣會通過進氣口進入曲軸箱（或在某些設計中，活塞上行時，其下方的裙部會產生負壓，從而吸入空氣進入曲軸箱）。
3. 壓縮： 活塞繼續上行，封閉了排氣口和掃氣口。汽缸內的空氣被壓縮，溫度和壓力急劇升高。
4. 噴油與自燃： 當活塞接近上止點（Top Dead Center, TDC）時，燃油噴射器將柴油噴入高溫高壓的空氣中，柴油瞬間自燃，開始燃燒，產生高壓燃氣，推動活塞進入下一個動力行程。

繪圖說明：

（請想像此處有兩張簡化圖，展示活塞在上下止點附近時汽缸內的情況）

圖一：活塞下行（動力與掃氣）

• 活塞位於上部，下方已打開排氣口和掃氣口。
• 燃燒室內高壓燃氣正在推動活塞向下。
• 新鮮空氣（或預壓縮空氣）通過掃氣口從下方進入汽缸，將廢氣從排氣口擠出。
• 曲軸箱內可能處於正壓狀態，準備將掃氣進氣送到汽缸。

圖二：活塞上行（壓縮與進氣）

• 活塞位於下部，正在向上運動。
• 掃氣口和排氣口已被活塞封閉。
• 汽缸內空氣被壓縮，溫度升高。
• 曲軸箱內可能正在吸入新鮮空氣（通過進氣口進入曲軸箱）。

此題主要探討無人機在農業上的應用，包括其是否屬於農業機械、無人機的分類及其在植保應用中的噴頭安裝方式。

4.a) 無人機是否屬於農業機械的範疇

結論： 是的，無人機（特別是專門為農業應用設計的無人機）屬於農業機械的範疇。

理由： 農業機械的定義是：為提高農業生產效率、減輕勞動強度、降低生產成本、改善農產品品質而設計、製造和使用的各種機械設備。無人機，尤其是農業無人機，正是為了實現這些目的而被開發和應用於農業生產中。

具體應用與理由：

1. 提高生產效率： 農業無人機可以快速、大面積地進行噴灑農藥、施肥、播種、授粉、監測作物生長狀況等作業，其效率遠高於傳統人工或履帶式機械。
2. 減輕勞動強度： 傳統的噴藥、施肥等工作非常耗費體力，無人機的應用大大減輕了農民的勞動負擔。
3. 降低生產成本： 通過精準噴灑和作業，減少農藥、肥料的浪費，同時節省人力成本。
4. 改善農產品品質與管理：
   • 精準農業 (Precision Agriculture)： 無人機搭載多光譜、高光譜相機或熱成像儀，可以獲取作物生長數據，幫助農民精準判斷作物健康狀況、水分、養分需求，進行精準施策，提高產量和品質。
   • 病蟲害預警與防治： 通過航拍監測，及早發現病蟲害跡象，並及時進行精準噴藥，減少損失。
5. 作業環境適應性： 無人機可以在地形複雜、濕滑或不便傳統機械進入的農田進行作業。

因此，儘管無人機在技術上與傳統的拖拉機、聯合收割機等不同，但其在農業生產中的功能和目標與農業機械一致，故應歸類為現代農業機械。

4.b) 無人機的機型結構劃分

無人機（UAV, Unmanned Aerial Vehicle）根據其飛行原理和結構，主要可分為以下幾種常見的機型：

1. 固定翼無人機 (Fixed-wing UAV)

   • 結構特點： 擁有固定機翼（類似飛機），通過機翼產生的升力來維持飛行。通常配備推進式或牽引式螺旋槳發動機，或噴氣式發動機（大型無人機）。
   • 飛行原理： 依靠前進速度產生空氣動力學升力。
   • 特點：
     • 續航時間長： 由於結構效率高，通常比旋翼無人機飛行時間更長。
     • 飛行速度快： 能夠以較高的速度進行長距離飛行。
     • 載荷能力強： 對於相同尺寸，通常能攜帶較重的載荷。
     • 作業範圍廣： 適合大面積的測繪、巡檢、監控等任務。
   • 限制：
     • 起降要求： 需要跑道或彈射/回收裝置，無法垂直起降（VTOL），在狹小空間或複雜地形下起降困難。
     • 懸停能力差： 無法在空中長時間懸停，不適合需要精確定位或點對點作業的任務。
     • 操控複雜： 起降和飛行控制相對複雜。

2. 旋翼無人機 (Rotorcraft UAV)

   • 結構特點： 通過旋轉的槳葉（旋翼）產生升力來飛行，類似直升機。根據旋翼數量，又可細分為：
     • 單旋翼無人機 (Single Rotor UAV)： 像傳統直升機，有一個主旋翼和一個尾旋翼（用於抵消扭矩和控制方向）。
     • 多旋翼無人機 (Multirotor UAV)： 最常見的類型，通常有三個（三旋翼）、四個（四旋翼，Quadcopter）、六個（六旋翼，Hexacopter）、八個（八旋翼，Octocopter）或更多旋翼。
   • 飛行原理： 通過改變各旋翼的轉速來控制升力、俯仰、滾轉和偏航，實現垂直起降、懸停和靈活機動。
   • 特點（以多旋翼為例）：
     • 垂直起降 (VTOL)： 無需跑道，可在狹小空間或複雜地形起降。
     • 懸停能力強： 可在空中長時間穩定懸停，適合精確攝影、監測、噴灑等任務。
     • 機動性高： 飛行靈活，可進行360度旋轉、橫移等。
     • 易於操控： 相較於固定翼，操作門檻相對較低。
   • 限制（以多旋翼為例）：
     • 續航時間短： 由於需要不斷消耗能量來維持懸停和飛行，電池消耗快，飛行時間通常較短（一般15-30分鐘）。
     • 飛行速度較慢： 相較於固定翼，飛行速度較慢。
     • 載荷能力相對較弱： 對於相同尺寸，攜帶的有效載荷相對較少。
     • 抗風能力較弱： 在強風天氣下飛行穩定性較差。

3. 混合型無人機 (Hybrid UAV)

   • 結構特點： 結合了固定翼和旋翼無人機的優點，通常設計有固定機翼提供升力，同時配備多個旋翼實現垂直起降

此題考查甘藷（地瓜）的機械收穫技術。

5. 機械收穫甘藷的可行型式

甘藷（Ipomoea batatas），又稱地瓜、番薯，是一種地下塊根作物。其採收機械需要能夠將埋藏在地下的塊根從土壤中挖掘出來，並將其與土壤、藤蔓分離，最終收集起來。由於甘藷塊根埋藏深度、枝葉纏繞、土壤條件（黏性、硬度）等因素的差異，機械收穫具有一定的挑戰性。

目前，甘藷的機械收穫主要有以下幾種型式，通常是組合式的設計：

1. 挖掘式收穫機 (Digger/Harvester)

這是最核心的部件，負責將甘藷從土中挖出。

• 原理與構造：

  • 挖掘鏟/犁 (Digging Share/Plough)： 類似於犁的功能，在甘藷株的下方土壤中劃開一個切口，將甘藷連同周圍的土塊一起翻起。
  • 振動篩網 (Vibrating Sieve/Screen)： 挖掘出的物料（甘藷、土、藤蔓）會被傳送到一個振動篩網上。篩網通過振動，將大部分的土壤篩入地下，同時將甘藷和藤蔓等較大的物體留在篩網上。
  • 分離裝置： 可能包含滾輪、耙齒或刷子等，用於進一步分離甘藷與殘餘的土壤、藤蔓。

• 繪圖說明：
  （請想像一個拖拉機牽引的機械後方，或自走式機械的底部）

  • 前方有一個V形或U形的挖掘鏟，插入土壤。
  • 挖掘鏟後方連接一個由振動馬達驅動的篩網。
  • 篩網上有不同大小的孔洞，土壤通過篩網掉落。
  • 甘藷和藤蔓在篩網上被震動，逐步向前移動。

2. 藤蔓切斷與清除裝置 (Vine Cutter and Remover)

甘藷的藤蔓（地上部分）常常纏繞在一起，會嚴重阻礙塊根的挖掘和分離，甚至損壞塊根。因此，許多收穫機都配備了切藤裝置。

• 原理與構造：
  • 旋轉刀具 (Rotating Blades)： 通常是圓盤鋸或滾筒式刀具，在挖掘鏟的前方或上方，將地表的藤蔓切斷。
  • 藤蔓輸送或拋灑裝置： 切斷的藤蔓可能被收集、壓縮後隨篩網一起處理，或者被直接拋灑到田埂上。