111 年 國立臺灣大學生物機電系碩士班乙組《生物產業機械》

本題主要在於了解風力發電機的基本構造與設計原理。

a) 風力發電機的構造主要包含以下幾個部分：

1. 葉片 (Rotor Blades)：將風的動能轉換為旋轉動能。通常為空氣動力學設計，以最大化效率。
2. 輪轂 (Hub)：葉片安裝於此，並連接到主軸。
3. 主軸 (Main Shaft)：連接輪轂和齒輪箱，將葉片的旋轉傳遞。
4. 齒輪箱 (Gearbox)：將主軸的低轉速提升為發電機所需的較高轉速。
5. 發電機 (Generator)：將機械能轉換為電能。
6. 輪轂箱 (Nacelle)：容納齒輪箱、發電機、控制器等主要組件，通常安裝在塔架頂端。
7. 塔架 (Tower)：支撐輪轂箱和葉片，將發電機抬升至較高的高度，以獲取更強勁的風力。
8. 尾舵 (Tail Vane)：用於調整風力機的迎風方向，使其葉片始終對準風向。

簡圖示意：

本題主要探討氫能技術的應用瓶頸、質子交換膜燃料電池 (PEMFC) 的原理及其在汽車領域的優勢。

a) 氫能技術在大規模商業應用上，面臨的關鍵問題包括：

• 氫氣生產成本高昂：目前主要的製氫方法，如蒸汽重組天然氣 (SMR)，仍依賴化石燃料，且純化過程耗能。綠氫（利用再生能源電解水）的生產成本仍然偏高，難以與現有能源競爭。
• 儲存與運輸困難：氫氣密度低，需要高壓儲存（700 bar）或極低溫液化，這對儲存容器、運輸管線和基礎設施的要求極高，成本也高。同時，氫氣易洩漏，安全問題是首要考量。
• 基礎設施不足：加氫站的佈建數量遠遠不足，限制了氫燃料電池汽車的普及。大規模氫能應用需要龐大的基礎設施投資。
• 效率問題：從能源生產、儲存、運輸到最終使用，氫能的整體轉換效率（Well-to-Wheel efficiency）可能低於其他能源形式，尤其是在與電力直接比較時。
• 安全疑慮：儘管氫氣本身不易燃燒，但在空氣中濃度達到一定範圍時，遇火源極易爆炸。公眾對氫氣安全性的認知和接受度是推廣的挑戰。
• 材料腐蝕與耐久性：氫氣的滲透性可能導致金屬材料脆化（氫脆），影響儲存和運輸設備的長期可靠性。

b) PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) 的運轉原理如下：
PEMFC 是一種電化學裝置，將化學能直接轉換為電能。其核心是質子交換膜，通常由一種特殊的聚合物製成，只能允許質子 (H⁺) 通過，而電子 (e⁻) 和氣體則不能。

運轉過程：

1. 陽極 (Anode)：氫氣 (H₂) 被送入陽極。在催化劑（通常是鉑）的作用下，氫氣分子解離成質子 (H⁺) 和電子 (e⁻)。
   $2H_2 \rightarrow 4H^+ + 4e^-$
2. 質子傳輸：陽極產生的質子 (H⁺) 通過質子交換膜到達陰極。
3. 電子傳輸：電子 (e⁻) 無法通過質子交換膜，因此必須通過外部電路流向陰極，形成電流。這就是我們利用的電能。
4. 陰極 (Cathode)：氧氣 (O₂) 被送入陰極。在催化劑的作用下，陰極的質子 (H⁺)、電子 (e⁻) 和氧氣 (O₂) 發生反應，生成水 (H₂O)。
   $O_2 + 4H^+ + 4e^- \rightarrow 2H_2O$
   總反應式為：

本題主要在於說明四衝程柴油引擎的運作過程。柴油引擎與汽油引擎的主要區別在於其點火方式和燃燒過程。柴油引擎是通過壓縮空氣使溫度升高，再噴入柴油使其自燃，而非依靠火星塞點火。

四衝程柴油引擎的作動原理包含四個主要階段，分別是：進氣、壓縮、動力（燃燒與膨脹）和排氣。

1. 進氣衝程 (Intake Stroke)：

   • 活塞從上死點 (Top Dead Center, TDC) 向下移動至下死點 (Bottom Dead Center, BDC)。
   • 進氣門打開，排氣門關閉。
   • 純空氣被吸入汽缸。
   • 此時汽缸內的壓力降低，形成負壓。

2. 壓縮衝程 (Compression Stroke)：

   • 活塞從下死點 (BDC) 向上移動至上死點 (TDC)。
   • 進氣門和排氣門均關閉。
   • 汽缸內的空氣被劇烈壓縮，體積減小，壓力急劇升高，溫度也隨之大幅升高（通常可達 700-900°C）。
   • 壓縮比 (Compression Ratio) 遠高於汽油引擎。

3. 動力衝程 (Power Stroke / Combustion and Expansion Stroke)：

   • 當活塞接近上死點時，燃油噴射器 (Injector) 將高壓柴油以細霧狀噴入高溫高壓的汽缸空氣中。

本題主要探討農業耕作中的犁耕目的，以及圓碟犁與圓碟耙這兩種農具的區別。

a) 犁耕（Ploughing）是農業生產中最基礎、最重要的耕耘作業之一，其主要目的包括：

• 翻土與埋藏雜草、殘株：將土壤表層的雜草、作物殘株、有機質翻到土壤深層，使其分解，增加土壤有機質含量，同時減少雜草種子在表層的萌發。
• 打破土壤結塊，改善土質：將緊實、結塊的土壤翻鬆，破壞其結構，增加土壤的孔隙度，有利於空氣、水分和養分的滲透與流通，改善土壤的通氣性、透水性和耕性。
• 促進種子萌發與作物生長：鬆軟的土壤有利於種子發芽，提供良好的生長環境，促進根系伸展。
• 病蟲害防治：將可能帶有病菌或蟲卵的表層土壤埋入地下，有助於減少下一季作物病蟲害的發生。
• 平整土地：在某些情況下，犁耕也有助於平整田地，方便後續的播種、灌溉等作業。

b) 圓碟犁 (Disc Plough) 與圓碟耙 (Disc Harrow) 雖然都使用圓碟作為耕耘部件，但其設計、功能和作業方式有顯著不同：

• 圓碟犁 (Disc Plough)：

  • 結構：通常由一組或兩組（前後對置）傾斜的圓碟組成，圓碟角度可調。圓碟邊緣鋒利，具有較強的切削和翻土能力。
  • 功能：主要用於 翻土 作業。其圓碟以較大的傾斜角度插入土壤，將土壤翻轉並拋向一側，能有效翻埋作物殘株和雜草。
  • 作業特性：對土壤的擾動較大，翻土深度較深，適用於硬質土壤、有雜草的土地，或作為初次耕耘。
  • 結構特點：圓碟通常安裝在獨立的支架上，每個圓碟的耕耘角度可以獨立調整，以控制翻土效果。

• 圓碟耙 (Disc Harrow)：

  • 結構：通常由兩組（前後對置）傾斜的圓碟組成，前組圓碟傾斜方向與後組相反，形成「X」或「V」字形。圓碟邊緣可能鋒利，也可能較鈍。
  • 功能：主要用於 碎土、平整和混合 土壤。

本題主要在於說明真空式播種機的運作原理。真空式播種機是一種精準播種機，利用真空吸附種子，以確保每穴播種量準確且單粒播種。

真空式播種機的運作原理主要依賴於真空產生器、種子盤、種子和吸嘴（或稱為播種單元）。

1. 真空產生：播種機上裝有真空泵或風扇，持續產生負壓（真空）。
2. 種子盤 (Seed Plate)：種子盤上開有許多與種子大小相匹配的孔洞。
3. 真空吸附：當種子盤旋轉或移動到種子箱上方時，種子盤的孔洞下方會連接到真空系統。真空作用力將單粒種子吸附在種子盤的孔洞表面。
   • 關鍵點：種子的表面需要有足夠的附著力，或者種子本身具有一定的黏性，才能被真空吸附住。
4. 種子輸送：種子盤繼續運動，將吸附了種子的部分轉移到播種區域。
5. 播種（落種）：
   • 當種子盤運動到播種點上方時，種子盤的孔洞與真空系統的連接會被切斷（例如通過一個氣閥或機械裝置）。
   • 同時，在種子盤的另一側，可能有一個「脫種器」（Seeder Release Mechanism）或「氣吹裝置」（Air Blow-off），例如用壓縮空氣短暫吹拂種子盤背面，或者利用離心力，將吸附在種子盤上的種子推落。
   • 種子隨即落入土壤中的播種穴（或溝）內。
6. 重複循環：種子盤繼續旋轉，再次回到種子箱上方，重複吸附、輸送、播種的循環。

簡圖示意：

本題主要探討葉菜類蔬菜的可行採收機構，以及如何利用感測技術將其升級為智慧型採收系統。

a) 葉菜類蔬菜（如生菜、菠菜、小白菜等）的採收機構，常見的一種可行型式是 帶式採收機構 (Belt Harvester)，尤其適用於平整的田地。此類機構通常設計有：

• 切割裝置 (Cutting Mechanism)：通常位於機構前方，用於將葉菜類蔬菜的基部切割下來。常見的有旋轉刀盤 (Rotary Disc Cutter) 或往復式刀片 (Reciprocating Blade)，它們能夠精確地在土壤表面或特定高度進行切割。
• 輸送帶 (Conveyor Belt)：切割下來的葉菜會被輸送到一個或多個輸送帶上。這些輸送帶通常由橡膠或食品級塑膠製成，以避免損傷葉菜。輸送帶的設計可以讓葉菜沿著一個方向移動，並進行初步的整理。
• 分選與收集裝置 (Sorting and Collection Device)：在輸送帶的末端，可能配有初步的分選裝置，去除雜質或不合格的葉菜。最終，葉菜會被收集到儲存箱或直接裝袋。
• 行走與驅動系統 (Walking and Drive System)：整個機構需要有輪子或履帶，以及動力系統（如引擎或電動馬達）來驅動其在田間移動和運作。

簡圖示意 (側面視圖)：

      [農機牽引/自走] --> [行走輪/履帶]

               ┌───────────┐
               │  動力系統   │
               └─────┬─────┘
                     │
      ┌────────────┴───────────┐
      │      採收機構主體        │
      ├────────────┬───────────┤
      │  切割裝置    │  輸送帶     │
      │ (旋轉刀盤/往復刀) │ (收集葉菜) │
      └────────────┴───────────┘
                     │
                     ▼
            [初步分選/收集箱]

這個機構能有效地一次性完成切割、搬運和初步收集的動作，提高採收效率。

b) 為了使上述的葉菜採收機構達到智慧型採收，可以加裝以下感測元件及其功能：

1. 視覺感測系統 (Vision Sensing System)：
   • 元件：高解析度攝影機（可見光、多光譜或高光譜攝影機）、LED 照明。
   • 功能：
     • 葉菜辨識與定位：識別葉菜的種類、位置、大小、形狀和生長狀態。