壹、研究動機

一、讓自行車發電能更便利及實用

現行自行車最普遍使用的發電方式係可經由與車輪接觸而帶動發電之「摩擦發電機」，需於騎乘前調整是否使其車輪接觸而帶動發電，而無法於騎乘中操控發電機作動。然而，自行車騎乘狀況並非一成不變，若在上坡路況仍然使用發電機，經常會造成騎乘困難，反之，當下坡或平坦路段時，若未能及時使用發電機，將使發電量不足而無法有效供電。

二、讓自行車可於煞車時回收電能

    現行的自行車使用煞車時係使煞車塊摩擦車輪而到減速之目的，亦即，透過煞車塊及車輪之磨耗而造成動能損失，故不但損失了動能外，也要定期花錢更換過度磨耗之煞車塊及車輪。   

貳、研究目的：

    一、使自行車在騎乘中可操控發電機之作動方式

    我們希望設計一種「騎乘中能控制作動方式」之發電機，係針對現行自行車使用之「摩擦發電機」進行改良而加裝操控功能，而使自行車於騎乘中可於握把操控發電機的作動方式，故可配合地形而及時調整是否摩擦車輪發電，減少不必要的行車阻力或增加發電機的發電量。

    二、使自行車煞車時，發電機能輔助煞車，也能回收廢能

    我們希望上述「騎乘中能控制作動方式」之發電機於煞車時也能連動作用，故將進一步設計煞車連動機構，而使本創作之發電機於煞車時除能輔助煞車，也能回收煞車時的廢能，而有利於提升發電量。

    三、使發電機發的電能能穩定輸出，儲存後便能分配能源

     發電機發電時之輸出電能需先透過5V穩流器，才能穩定輸出電力，除了及時供電給警示燈外，可將充電至電池儲電，然後再由電池供電給磨耗的3C產品或其他電子產品使用。

叁、研究設備及器材：

    一、設備：    

  圖1. 自行車停車架         圖2. 手機架            圖3.自行車測速器

 圖4. USB一公二母線            圖5.三用電表        圖6. USB電流電壓檢測儀

    二、使用工具：       

   圖7. 剪刀、膠帶及束帶                 圖8. 其他手工具

   三、研究材料：

        圖9. 自行車摩擦發電機                圖10.發電機作動控制器(與煞車連動)

         圖11. 控制發電機作動裝置                      圖12. 煞車連動機構

          圖13.  5V穩壓器                       圖14. 自改USB後煞車警示燈

肆、研究過程:

    一、研究流程圖:

圖15. 本創作之研究流程圖

本創作之研究流程圖如圖15所示，我們先收集自行車發電機相關資訊[1, 2]研讀討論後，繪製作品架構圖，再參照作品架構圖進行材料詢價及購買，然後進行作品製作，並將作品進行測試及改良，最後再進行書面報告之撰寫。

二、繪製架構

   本創作係一「具煞車連動及可隨時操控發電功能之自行車」，使自行車於騎乘過程中可於行進時發電並儲能，而可更進一步在煞車時連動發電機進行費能回收。如我們利用AutoCAD所繪製的圖16及圖17所示，其於一較佳之實施方式可包含:(1)摩擦發電機本體、(2)發電機作動控制器(可於煞車連動)、(3)控制發電機作動裝置、(4)煞車連動機構、(5) 自改USB後煞車警示燈，前述之摩擦發電機1係安置於該發電機作動控制器2之裝置上，該發電機組1、2係採用合適位置，而於自行車輪胎邊處。該加裝的控制發電機作動裝置3和煞車連動機構4則安裝於自行車的前方把手。而自改USB後煞車警示燈5則安裝自坐墊下方。

圖16. 本創作之示意圖。        

圖17. 自改USB後煞車警示燈之內部示意圖。

前述之該發電機1係由旋轉摩擦的頭部會貼上幾圈的磨耗膠布7，然後經由發電機交流連接線8傳輸到5V穩壓器5內部進行壓力轉換。然後可經由我們自改USB後煞車警示燈線9再傳出到自改USB後煞車警示燈6，也可連接其他USB線的機器。

前述之發電機作動控制器2與控制發電機作動裝置3、煞車連動機構4安裝，該發電機作動控制器2之外有可安裝煞車線與發電機連動線10的連動線和發電機作動線11有中空圓形的內徑可同時安裝兩條線。當只該控制發電機作動裝置3作動於該自行車輪胎邊上時，該後煞車並不會作煞車；該控制發電機作動裝置3作動時按壓煞車連動機構4便可直接煞車，而發電機會更貼近輪胎以輔助煞車。若無用控制發電機作動裝置3直接進行煞車時，煞車連動機構4便會控制發電機與煞車一起進行連動煞車，結束煞車後，便會回到原本吳作棟的位置。

該自改USB後煞車警示燈5是於普通警示燈改裝，先將普通警示燈內的正、負極找出，然後焊接兩條電線在焊接點12上進行焊接，在警示燈的外殼找事當的點進行鑽孔，將焊接好的線穿過孔並連接成自改USB後煞車警示燈連接點後，經由一條有USB頭14的自改USB後煞車警示燈線9的線可插入5V穩壓器5的USB孔中使車燈15發亮。

    三、製作過程

作品元件製作與組裝

(a)自行車組裝          (b)發電機作動機構製作及組裝     (c)5V穩壓器安裝及連接發電機                         

(d)安裝控制發電機作動機構      (e)組裝連動煞車機構    (f)安裝煞車連動線及控制發電機作動線

(g)自改USB後煞車警示燈製作     (h)安裝自改USB後煞車警示燈     (i)安裝手機架及自行車測速器                         

(j)完成作品

作品測試圖

 (1)控制裝置無作動     (2)控制裝置作動      (3)無煞車狀態        (4)煞車狀態

    四、作品完成圖

   圖18. 發電機作動裝置(左)及摩擦發電機本體(右)      圖19. 作品組裝完成圖

伍、研究結果

測試工具規格

    一、摩擦發電機規格：12V6W

    二、5V穩壓器: AC 6V~12V

    三、USB電流電壓檢測儀: 輸入電壓 DC3-8V

輸入電流      DC0-3A

輸出電壓      DC3-8V

輸出電流      DC0-3A 

    四、手機電量表

第一種測試:

測試騎乘時速

騎乘時速約:18km/hr~12km/hr

平均時速15km/hr

測試距離

       測試距離為圖21一圈的距離，距離約:1.5km

      本作品已於茄苳里埤塘公園測試，作品測試路徑如圖20紅線所示。   

圖20. 本作品於茄苳里埤塘公園測試路徑

    本作品在黑點處開始測試，測試方式分為第一種不使用發電機騎乘及第二種使用發電機騎乘兩種。在第一種不使用發電機騎乘的狀況下，以15km/hr的時速測了三次數據:第一次測試已騎乘一圈做紀錄，紀錄內容如圖21所示。第二次測試已騎乘一圈做紀錄，紀錄內容如圖22所示。第三次測試已騎乘兩圈做紀錄，紀錄測試如圖23所示。

     圖21.第一次騎乘約花費4:12             圖22.第二次騎乘約花費4:15

 圖23.第三次(一次騎兩圈)測試約花費8:24

在第二種使用發電機騎乘的狀況下，以15km/hr的時速測了三次數據:第一次測試已騎乘一圈做紀錄，紀錄內容如圖24所示。第二次測試已騎乘一圈做紀錄，紀錄內容如圖25所示。第三次測試已騎乘兩圈做紀錄，紀錄測試如圖26所示。

圖24.第一次騎乘約花費4:27 並充入23.6mAh    圖25.第二次騎乘約花費4:19並充入21.4 mAh

圖26.第三次(一次騎兩圈)測試約花費8:38並充入43.7mAh

      以上為我們第一種測試內容，在不使用發電機騎乘的狀況下圖21、22、23所記錄的電量呈現耗能的狀態；而在第二種使用發電機騎乘的狀況下，圖24、25、26所記錄的電量呈現充電的狀態並可有效的延後使用時間，若使用時間拉長，呈現的效果會比較好。若手機在飛航模式下式充電的效果會更好。

第二種測試

  本作品運用了圖20的路徑運用15km/hr騎乘一圈，每10秒煞車一次，記錄其中煞車時所儲存的電。第一圈騎乘時間為5:05，所儲存的電量為2.3mAh如圖27；第二圈騎乘時間為5:10，所儲存的電量為2.0mAh如圖28；第三次騎乘(一次騎兩圈)時間為10:00，所儲存電量為4.5mAh如圖29。

     圖27. 第一次騎乘時間為5:05        圖28.第二次騎乘時間為5:10

    圖29.第三次騎乘(兩圈) 時間為10:00

本作品運用了約15m的斜坡(圖30)來測量煞車時發電機連動機構所充的電。煞車時間約10秒，測量的電量為0.2mAh，如圖31所示。

                          圖30.   15m的斜坡

              圖31.約煞車10秒所充的電

另外，我們也拍攝自改USB後煞車警示燈的照片，如圖32、33。

圖32.為室內手轉煞車可見煞車燈亮

圖33.為室外騎乘煞車可見煞車燈亮

陸、討論

    一、問：此發電機和其他發電機有甚麼差別？

        答：本作品為摩擦發電機，與花鼓發電機和盤式發電機有幾項差異。(1)本發電機     

            價格都比其他發電機來的低，與花鼓發電機就有好幾倍的價差。(2)與盤式發      

             電機比較上，摩擦阻力比較小。

    三、問：發電機的摩擦是否會造成輪胎的磨耗？

        答：當發電機在摩擦時，發電機會裹上幾圈的膠帶當磨耗品，因此輪胎便不會受                                                                                                                                   

            到發電機太大磨耗。

    四、問：發電機控制作動裝置是如何做出？

        答：我們利用變速器可前後移動的作動方式，將它改裝為發電機上的控制機構。  

    五、問：此作品若充電子產品，自行車需多少速度?

        答：在我們測試下，手機一般需12km/hr的速度才能行充電，但若使用行動充電

            器，便能直接儲存發電機所發出的電量。    

柒、結論

    透過此次科展的作品研究，我們改良原本廢棄的普通自行車重新組裝後，加裝煞車連動發電及可於握把操控發電機作動之機構，除可於煞車時回收電能外，也能在自行車行進時，隨時操控發電機之作動。本作品的費用低、環保、節能、安全及材料取得容易，非常適合推廣應用於各類普通的自行車。藉由上述創作過程及成果，我們於此次科展有下列結論：

    一、應用所學而製造一種能提供能源的機器

    我們將學校所學之機械原理及繪圖與實作的能力，應用來改良傳統上作為代步工具的普通自行車，使它能產生的功效如此之大，讓我們學到思考與解決問題的方法與動機，對未來綠能的研究應有相當大的助益。

    二、對節能減碳及行車安全的貢獻

    目前機器腳踏車大都採用電動馬達或內燃機引擎，係為耗能裝置且會運作過程造成空氣汙染，因此許多的地方都開始推廣運用自行車；本作品係以自行車騎乘之作用時間而讓作品能在行進過程中作動發電，而可更進一步為節能減碳做出貢獻。在行車過程中，發電機因煞車連動的關係，能在煞車時輔助煞車有利於行車安全，煞車時還能回收一些的電力呢!

    三、未來擴大研究之方向

    此作品未來之應用，除了能應用於各類型的自行車之外，若能持續提升發電機的功用，便能對世界帶來許多的綠能源，也能大幅減少世界的污染和資源的消耗。

捌、参考文獻                                                     

[1]露天拍賣, 自行車腳踏車磨電發電機105年07月26日，取自   http://goods.ruten.com.tw/item/show?21639756121889

[2] 山頂洞人的磨電燈（磨電機），充電裝置測試分享, 105年07月13日，取自   https://www.mobile01.com/topicdetail.php?f=318&t=3369767。