CN2779096Y - 一种小型流体发电装置 - Google Patents

Abstract

一种小型流体发电装置，包括定子和转子，其特征在于所述转子上为至少一个以上桨叶构成的水车轮或涡轮，其上设有至少一个可供流体或液体出入之入口和出口，中心位置设有可与定子相配合之转轴，所述定子通过交－直流转换器与耗电装置相连。其中耗电装置可为热电块、发光二极管紫外光灯，或作为水温调节、消毒杀菌、作温度、流速的显示等。本实用新型提供了一种利用用水喉或自来水或同类型的供水系统的水流所产生的电力发电之装置，该装置通过其所接耗电装置之结构及材料本身所具备的特性，提高水的品质。另外，还可用作后备电源装置，于停电或电力不足的情况下，作为补给，可普及和提高再生能源的经济效益，是一个现代化的智能型环保装置。

Description

一种小型流体发电装置

技术领域：

本实用新型涉及一种发电装置，具体涉及一种利用水喉或自来水或同类型的供水系统的水流以产生电力之发电装置。

背景技术：

由于近年来的能源需求不断上升，及关注环境保护的意识亦不断提高，使用及发展无污染、不需燃料、及可持续再生的能源是近年的趋势。水力发电乃是一项符合真正环保原则的能源再生方法。但是，建设大型的水力发电系统涉及昂贵的设备，亦须要有地理环境的配合。于低水力，功率少于50kW的地方，是没有经济效益的。

在现代社会里，供水系统是一个不可缺少的室内设施。在寒冷的区域，供水系统很多时亦多包括一台热水器，以便供应温水。一般来说，用者多数以烧气体或用电力将水加热。这两个方法在把水加热的同时，亦消耗了大量额外的能源。

一般室内供水，温度于35-40℃的范围内，用途最为广泛，可用作洗澡、洗涤餐具和衣物、洗手或作其它的清洁用途。然而，在夏天时，一般室温为25-30℃，与未经加热的水温相近。即是说，只要把水温提高约5-10℃，便可使水达致理想可使用的温度。而现时大部份的加热水方法是先把水过度加热，再用冷水混合使水温达致适当可用的范围，这种方法亦浪费不少能源。

美国专利6,792,201曾提及使用水龙头的水力发电，从而直接把所产生的电力直接驱动电热炉来加热自来水的概念。该发明于一般情况是不实际的，这是因为由于能量是守恒的，水龙头的水所有的能量，包括动能及位能，即使全部转化为热能，也不可能支持实时加热水5-10度所需的能量。由于水的比热十分之大，如把水每加热10度，每1公升水需要大约42000焦耳的能量。

发明内容：

本实用新型所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供了一种利用用水喉或自来水或同类型的供水系统的水流所产生的电力发电之装置，该装置同时通过其所接耗电装置之结构及材料本身所具备的特性，可提高水的品质。

本实用新型所提出的技术方案是：

一种小型流体发电装置，包括定子和转子，其特征在于所述转子上为至少一个以上桨叶构成的水车轮或涡轮，其上设有至少一个可供流体或液体出入之入口和出口，中心位置设有可与定子相配合之转轴，所述定子通过交-直流转换器与耗电装置相连；

所述转子包括金属线圈，而定子包括磁铁或带磁性的材料；

所述定子包括金属线圈，而转子包括磁铁或带磁性的材料；

所述涡轮为冲动式轮机或反动式涡轮机，或螺旋桨推进器；

所述耗电装置为热电块，其中热电块可为以下结构：

热电块为至少一块以上半导体材料构成的板块结构，其外表面包覆有高传热系数面板；

热电块为至少一级以上重叠而成或平行排列构成；

热电块侧面或两侧面贴合有在其固体-液体相变时可产生潜热的相变材料；

热电块为夹层形状之结构，其内、外表面分别贴合有由相同的能量吸放特性材料构成的板块；

热电块为夹层形状之结构，其外表面分别贴合有由相同的能量吸放特性材料构成的板块，内表面与具高传热系数的物料块紧密贴合；

热电块内表面与具高传热系数的物料块通过具有高传热系数之膏体紧密贴合；

热电块内表面之具高传热系数的物料块外表面为不规则形状；

所述耗电装置还可为由发光二极管紫外光灯。

所述耗电装置还可为充电器或水流速计或水温温度计。

本实用新型利用供水系统之水喉或自来水或同类型的供水系统的水流所具有一定的压力、位能和动能，冲击转子上所设桨叶带动其转轴作切割磁力线运动，可使定子产生的电力驱动小型的耗电装置，然后利用其耗电装置本身所具有的特性，可加热水或对水进行杀菌处理，提高了水喉水或自来水品质，节约能源。同时由于水力发电所产生的电能还可用作后备电源装置，于停电或电力不足的情况下，作为补给。本实用新型针对再生能源的需求，并旨在普及和提高再生能源的经济效益，是一个现代化的智能型环保装置。

附图说明：

图1为本实用新型实施例一结构示意图；

图2为本实用新型实施例二结构示意图；

图3为本实用新型实施例三结构示意图；

图4为本实用新型实施例四结构示意图；

图5为本实用新型实施例五结构示意图；

图6为本实用新型实施例六结构示意图；

图7为本实用新型实施例七结构示意图；

图8为本实用新型热电块结构实施例一示意图；

图9为本实用新型热电块结构实施例二示意图；

图10为本实用新型热电块结构实施例三示意图；

图11为本实用新型实施例八结构示意图；

图12为本实用新型实施例九结构示意图。

具体实施方式：

目前一般所用的供水系统之水由水源(例如从储水缸、或供水泵)到达用户的水龙头时，带有一定的压力、位能和动能，当水从水龙头射出时，其压力会瞬间变成大气压力。根据伯努利定理(Bernoulli’s law)计算，管内流体的压力及每一立方单位所带的动能和位能相加是一个常数。在没有外助的力量下，水龙头或水管所产生的能源，是可由其储水缸的高度，或水泵的功率而计算出来。由水龙头或水管的水流所产生的能量，可用以下方程式(方程式一)计算：

方程式一：P＝(0.837×Q×H)/33,000

          P：功率(单位：瓦特)

          Q：水流速度(单位：立方尺/每公钟)

          H：水源与发电装置的高度距离(尺)

如根据方程式一的计算方法，每分钟出水约10公升(即0.35立方尺)的水流，可产生约15至20瓦特的电力。将功率与时间相乘时，所得出的正是产生的电能。

本实用新型依据上述研究结果，设计了一可利用供水系统之水流由水源到达用户的水龙头时，所产生的压力、位能和动能用以发电之装置。它包括有定子和转子，所述转子上设有可供流体或其它液体出入之入口和出口，其中心设有与转子相连之转轴，该转轴一端装有多个桨叶，构成一水车轮或涡轮结构，其中涡轮可以是冲动式轮机或反动式涡轮机，或螺旋桨推进器，转轴之另一端置于定子上对应开设的轴心内。当水流流过转子上桨叶时，在其重力作用下，可令其旋转，以带动转轴做同步旋转。由于转轴置于定子轴心内，转动时可做切割磁力线的运动，为抗衡磁力定子会产生电流，该产生的电流不大，可转化成其它能量，作驱动小型耗电装置之用，如驱动耗电较少的热电材料、发光二极管(LED)紫外光灯，透过如水温调节、消毒杀菌、作温度、流速的显示等，以提高水的品质，或作后备电源之用，从而实现了本实用新型所要达到的目的。

本实用新型可接驳于水龙头的出水位置，或接驳于水管中。整个装置，于不需要时，可随意拆走。

图1～图7、图11～图12展示了本实用新型各种应用之实施例。

如图1所示，本实施例包括至少一个定子104和至少一个转子110，所述转子110和定子104可分别由金属线圈，或者是由磁铁或带磁性的材料组成，转子110与转轴103相连，该转轴103一端装有至少一个以上桨叶102，构成一水车轮或涡轮结构，另一端置于定子104上对应开设的轴心内。在桨叶102上，设有至少一个可供流体出入之入口108和出口109，可供水流101输入和输出。当水流101流过桨叶102时，在其重力作用下，可使桨叶102做旋转运动，带动转轴103作同步旋转。由于转轴103置于定子104轴心内，而定子104为金属线圈，或者是由磁铁或带磁性的材料构成，因而转动时可做切割磁力线的运动，为抗衡该磁力，定子104会产生电流105。在定子104之输出端，接有交一直流转换器106，可将由定子104产生的交流电转换为直流电流105，交-直流转换器106同时与耗电装置相接。

所述耗电装置为由热电材料(thermoelectric materials)构成的热电块107，热电材料是一种可将电能与热能交互转变的材料。热电块107为由半导体材料构成的板块结构，其外表面包覆有高传热系数面板，可实现电能和热能的转换。1823年，德国人T.Seebeck发现由两种不同金属接合成的线路上，若两接点间有温差时，即会产生电压，(通常称温差电现象)，这个现象即是热电产生器(thermoelectric generator)之工作原理。12年后，法国人J.C.A.Peltier则发现若于由两种不同金属接合成的线路上连通电流，其中一接点会放热而另一接点则会吸热。而这个现象即是热电致冷器(thermoelectric cooler)之工作原理。而后的100年，由于一般材料的热电效率低，没有引起科学家广泛的兴趣，热电现象这个领域几乎停滞不前。一直到1954年，有使用较高电热效应的半导体材料，将热电致冷器成功的冷却至0℃以下，引起了广大关注。根据上述原理，热电材料可以配制成板状。板状的热电材料包含有两面，发热一面可用作把水加热用途，发冷的一面可用作把水冷却。

本实用新型通过将水流101冲击桨叶102所产生的电流105用作驱动包覆有高传热系数材料的热电块107，当出口109排出的水流101从热电块107流过时，可对其进行加热，以提高水的温度，可替代电热炉或其它装置加热自来水，以节约能源。

如图2所示，本实施例它包括至少一个定子104和至少一个转子110，所述转子110和定子104可分别由金属线圈，或者是由磁铁或带磁性的材料组成，转子110与转轴103相连，该转轴103一端装有至少一个以上桨叶102，构成一水车轮或涡轮结构，另一端置于定子104上对应开设的轴心内。桨叶102上设有至少一个可供流体出入之入口108和出口109，可供水流101输入和输出。当水流101流过桨叶102时，在其重力作用下，可令其旋转，使转轴103同步旋转。由于转轴103置于定子104轴心内，转动时可做切割磁力线的运动，使定子104产生电流105。在定子104之输出端，接有交-直流转换器106，可将由定子104产生的交流电转换为直流电流105，交-直流转换器106与热电块107相接。所述热电块107可为由半导体材料构成的板块结构，其外表面包覆有高传热系数面板，包含有两面，其中一板面上设有相变材料板201，该相变材料板201为潜热型储能换热材料构成，根据相变材料本身所具有的潜热储能功能，当水流101流经热电块107时，可通过其发热的一面将水加热，而发冷的一面可将水冷却，如不需要冷水时，该面亦可以通过相变材料板201把低温储存。同样地，热电块107亦可用于将水降温，如不需要热水时，可通过相变材料板201把热力储藏起来。

如图3所示，本实施例结构与实施例一结构基本相同，所不同的是从桨叶102排出之出口水流被分成二条支流301，分别流向热电块107的两个表面，可同时提供热水和冷水。由于能量是恒守的，用作把水加热所增加的能量(加热一面)相等于热电板吸热一面(冷冻一面)所吸收的能量及驱动热电块107的热能之和。

由此所产生的能量，可用以下方程式(方程式二)计算：

(方程式二)：

热电块加热所需的能量＝热电块吸热一面所吸收的能量

用作把水加热          +

                      驱动热电块的热能

                      (电压×电流×时间)

由于驱动热电块107的能量(电压×电流×时间)是全部水龙头或水管水力发电产生的电能，亦是非常有限的能源。要把水有效加热，便要提高热电材料吸热一面所吸收的能量，可从热电块107选料方面入手，如采用高热电优值的热电材料。

热电块107需要有高的导电性以避免电阻所引起电功率之损失。同时亦需具有低热传导系数以使冷热两端的温差不致因热传导而改变。材料的热电效率可定义一热电优值(Thermoelectric figure of merit)ZT来评估：

ZT＝S²Tσ/κ

其中S为热电势(thermoelectric power or Seebeck coefficient)，T为绝对温度，σ为电导率(electrical conductivity)，κ为热传导系数(thermal conductivity)。为了有一较高之热电优值，ZT，一材料必需有高的热电势(S)，高的电导与低的热导。在本实用新型中，热电材料的热电优值需ZT＞1。

如图4所示，本实施例结构与实施例二结构基本相同，所不同的是从桨叶102排出之出口水流被分成二条支流301，分别流向与热电块107相连之两相变材料板401、402的表面。两相变材料板分别为高温相变材料板401和低温相变材料板402，其低温相变材料板402在其液体-固体相变时所产生的潜热，须大于热电块107发热所吸收的能量；其高温相变材料板401其固体-液体相变时所需要的潜热，须大于热电块107吸热所放出的能量。将它们外加于热电块107之两个表面时，亦可同时提供热水和冷水，其加热或冷却温度更稳定。

如图5所示，本实施例亦包括至少一个定子104和至少一个转子110，所述转子110和定子104可分别由金属线圈，或者是由磁铁或带磁性的材料组成，转子110与转轴103相连，该转轴103一端装有至少一个以上桨叶102，构成一水车轮或涡轮结构，另一端置于定子104上对应开设的轴心内。转子110上设有至少一个可供流体出入之入口108和出口109，可供水流101输入和输出。当水流101流过桨叶102时，在其重力作用下，可令其旋转，使转轴103同步旋转。由于转轴103置于定子104轴心内，转动时可做切割磁力线的运动，可使定子104产生电流105。在定子104之输出端，接有交-直流转换器106，交-直流转换器106与紫外灯501相接。通过由定子104产生的交流电转换为直流电流105，可用来驱动由发光二极管(LED)紫外光灯501。由于发光二极管(LED)紫外光灯501所需要的电能较小，能产生260-400nm范围的紫外光线，可用作杀菌用途，提高供水的品质。

如图6所示，本实施例与实施例五基本相同，所不同的交-直流转换器106是与相互串接的发光二极管(LED)紫外光灯501相连。而这种串接的发光二极管(LED)紫外光灯501所产生的紫外光线更强，杀菌效果更好。

如图7所示，本实施例包括至少一个定子104和至少一个转子110，所述转子110和定子104可分别由金属线圈，或者是由磁铁或带磁性的材料组成，转子110设有与转轴103相连，该转轴103一端装有至少一个以上桨叶102，构成一水车轮或涡轮结构，另一端置于定子104上对应开设的轴心内。转子110上设有至少一个可供流体出入之入口108和出口109，可供水流101输入和输出。当水流101流过桨叶102时，在其重力作用下，可令其旋转，使转轴103同步旋转。由于转轴103置于定子104轴心内，转动时可做切割磁力线的运动，可使定子104产生电流105。在定子104之输出端，接有交-直流转换器106，交-直流转换器106与充电器701相接。由水流101产生的直流电压可用作给充电器701充电，或驱动其它直流电压的耗电设备，如水流速计或水温温度计等，或作后备电源装置，于停电或电力不足的情况下，作为补给。

图8展示了本实用新型热电块107之结构实施例一。如图所示，该热电块107为一装配成夹层形状之结构，其内、外表面分别贴合有由相同的能量吸放特性材料构成的板块801、802。其中夹层内的体积，相等于夹层内可容纳的水体积，热电块107的效能，须足够把该体积的水于离开该夹层前加热或冷冻至理想温度。

图9展示了本实用新型热电块107之结构实施例二。如图所示，该热电块107亦为一装配成夹层形状之结构，其外表面分别贴合有由相同的能量吸放特性材料构成的板块801，内表面与具高传热系数的物料块901紧密贴合，水流101从两相对高传热系数的物料块901之间通过。所述的具高传热系数的物料块901是非常稳定的物料，如铜之类的物料，可直接接触经过发电装置流出来的水流101，而把热能高效率地传送给水或从水中有效地吸收热能。所述的具高传热系数的物料块901接触水流101的一面可以是不规则的形状，以减慢水流101的速度及提高把热传播于水的效能。同时，具有高传热系数的膏体(如硅油)可用作将高传热系数的物料块901牢固贴于热电块107上，可加强热传播的效能。

图10展示本实用新型热电块107装配成管道式结构之实施例。如图所示，该热电块107由至少四块以上热电板1001组成管道形式，水流101从管道内壁流过，管道内壁须要有相同的能量吸放特性。其中管道内的体积，相等于管道内可容纳的水体积，热电板1001的效能，须足够把该体积的水于离开该管道前加热或冷冻至理想温度。

如图11所示，本实用新型实施例定子104、转子110及其它部件与实施例一相同，所不同的是其热电块107由至少一块以上的板块组成。多块组成的热电板107发热的一面重于发冷的一面1101，热电块107的电源经由交流电、直流电转换器106从流体发电装置提取。

如图12所示，本实用新型实施例之转子110相对定子104旋转时所产生的电流105用以驱动交流电耗电系统1201。

Claims (14)

1、一种小型流体发电装置，包括定子和转子，其特征在于所述转子上为至少一个以上桨叶构成的水车轮或涡轮，其上设有至少一个可供流体或液体出入之入口和出口，中心位置设有可与定子相配合之转轴，所述定子通过交—直流转换器与耗电装置相连。

2、根据权利要求1所述的小型流体发电装置，其特征在于所述转子包括金属线圈，定子包括磁铁或带磁性的材料。

3、根据权利要求1所述的小型流体发电装置，其特征在于所述定子包括金属线圈，转子包括磁铁或带磁性的材料。

4、根据权利要求1所述的小型流体发电装置，其特征在于所述涡轮为冲动式轮机或反动式涡轮机，或螺旋桨推进器。

5、根据权利要求1所述的小型流体发电装置，其特征在于所述耗电装置为热电块。

6、根据权利要求1所述的小型流体发电装置，其特征在于所述耗电装置为发光二极管紫外光灯。

7、根据权利要求1所述的小型流体发电装置，其特征在于所述耗电装置为充电器或水流速计或水温温度计。

8、根据权利要求5所述的小型流体发电装置，其特征在于所述热电块为至少一块以上半导体材料构成的板块结构，其外表面包覆有高传热系数面板。

9、根据权利要求5或8所述的小型流体发电装置，其特征在于所述热电块为至少一级以上重叠而成或平行排列构成。

10、根据权利要求5或8所述的小型流体发电装置，其特征在于所述热电块侧面或两侧面贴合有在其固体-液体相变时可产生潜热的相变材料。

11、根据权利要求5或8所述的小型流体发电装置，其特征在于所述热电块为夹层形状之结构，其内、外表面分别贴合有由相同的能量吸放特性材料构成的板块。

12、根据权利要求5或8所述的小型流体发电装置，其特征在于所述热电块为夹层形状之结构，其外表面分别贴合有由相同的能量吸放特性材料构成的板块，内表面与具高传热系数的物料块紧密贴合。

13、根据权利要求12所述的小型流体发电装置，其特征在于所述热电块内表面与具高传热系数的物料块通过具有高传热系数之膏体紧密贴合。

14、根据权利要求12所述的小型流体发电装置，其特征在于所述热电块内表面之具高传热系数的物料块外表面为不规则形状。

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