TW201627572A - 波浪發電裝置 - Google Patents

Abstract

本發明係提供一種波浪發電裝置，包括浮動主體以及耦接於浮動主體的發電單元，浮動主體係設置於一流場中並隨流場的波浪起伏，且當波浪入射至浮動主體或其附近的擋板並反射時，波浪的反射波會與入射波疊加形成合成波而推動浮動主體進行往復運動；其中，發電單元係因應浮動主體的往復運動而發電。

Description

波浪發電裝置

本發明係關於一種發電裝置，尤其係關於一種波浪發電裝置。

綠能發電是現今人類最關注的議題之一。目前最為普及的發電方式不外乎是太陽能發電與風力發電，但無論其發電效率的多寡，太陽能發電與風力發電仍存在無可避免的缺陷，也就是說，太陽能發電與風力發電會被晝夜變化或天氣變化所限制，能源的來源十分不穩定，例如一旦入夜或是陰天時，太陽能發電即無法蓄電，又例如一旦遇到無風的時候，風力發電即無法運行。於是，亟需一種能夠二十四小時不停穩定作動的自然能源發電方式。

而有鑑於海洋波浪中蘊藏著巨大的能量，且波浪能具有可再生、儲量大、分布廣等優勢，特別是由於台灣四面環海，海岸線長達1448公里，波瀾浪濤終年不斷，且每年約有半數以上的時間吹襲東北季風，5公尺以上的波浪高度時有所見，而東北角海域整個冬季的平均波浪高度亦超過2公尺，因此發展波浪發電備受台灣重視與關注；當然，其它海島型國家或是擁有較長海岸線的國家亦是如此。

依據美國內政部(U.S.Department of Interior)所發表的波浪能源白皮書的分類，現有的波浪發電裝置約可分為下列四類：第一，終端型態(Terminators)發電裝置，其與波浪入流方向垂直，並利用波浪運動與其 空氣室的耦合關係，引導空氣氣流以推動空氣渦輪進行發電，其如震盪水柱式(Oscillating Water Column,OWC)波浪發電機：第二，衰減型態(Attenuators)發電裝置，其為與波浪入流方向平行之多區段的長方形浮體，並經由裝有液壓泵(吸入和排出流體活)的多個活動鉸連接在一起，相鄰的兩個浮筒間產生角度和距離的變化而啟動液壓泵，進而使高壓油推動液壓馬達並帶動發電機，其如英國海洋電力傳輸公司所設計的海蛇號(Pelamis)波浪發電機；第三，單點截能型態(Point Absorbers)發電裝置，其係利用浮標隨著波浪運動上下起伏，再藉由齒條齒輪機構驅動一永磁式發電機產生電力；第四，溢流型態(Overtopping Devices)發電裝置，其係以儲水槽儲蓄波浪入流的水量，再利用水位差推動水輪機發電。惟上述各類型的波浪發電裝置係為熟知本技藝人士所知悉，在此即不再與以贅述。

然而，上述各類型的波浪發電裝置仍存在許多缺陷。第一，發電效率不佳，僅約10%~30%；原因在於，在波浪能的組成上，動能與位能各佔有50%的比重，但上述各類型的波浪發電裝置都只利用了部份的位能而讓動能流失，故其發電效率會遠低於50%；第二，建置、營運成本高，維護困難；原因在於，波浪發電裝置須要經常性的維護以防因海水腐蝕、貝殼海藻寄生等造成的機械損害，但由於上述各類型的波浪發電裝置大都具有運作時的水深限制而需設置在離岸邊或堤防較遠處，如此一來將導致維護或修復的困難，更因此大幅增加營運成本。

根據以上的說明可知，習知的波浪發電裝置具有改善的空間。

本發明之一目的在提供一種充分利用波浪高度變化特性並減少波浪動能流失的波浪發電裝置，以進而提升發電效率，本發明之另一目的在提供一種可設置於近岸海堤的波浪發電裝置，以利波浪發電裝置的建構、維護、修復以及電力傳輸，有助於降低營運成本。

於一較佳實施例中，本發明提供一種波浪發電裝置，包括：一浮動主體，設置於一波浪流場中並隨該波浪流場之波浪起伏，且被由該波浪流場之波浪的一反射波與一入射波所疊加形成之一合成波推動而進行一往復運動；以及一發電單元，耦接於該浮動主體，並因應該浮動主體之該往復運動而產生電能。

於一較佳實施例中，該浮動主體包括一板體，且該板體垂直或接近垂直於該波浪流場之一浪流方向，以供該波浪流場之波浪入射至其上並產生反射。

於一較佳實施例中，該板體上設置有一擋板結構，用以於該合成波上升時供該波浪流場之波浪推動而使該板體向上運動，及/或用以於該合成波下降時因應該波浪流場之波浪的重力而使該板體向下運動。

於一較佳實施例中，該擋板結構係包括一開口向下之波浪形弧狀結構。

於一較佳實施例中，該板體具有一障礙表面，且該擋板結構包括由該障礙表面向外延伸之一上斜擋板結構以及一下斜擋板結構。

於一較佳實施例中，該板體之一板體密度係輕於或接近於該波浪流場之一液體密度。

於一較佳實施例中，該板體呈中空狀，用以供一液體填入其中。

於一較佳實施例中，波浪發電裝置更包括設置於該浮動主體之一下游處並垂直或接近垂直於該波浪流場之該浪流方向之一固定擋板，而該浮動主體具有平行或接近平行於該波浪流場之該浪流方向之複數個板狀結構，且任二該板狀結構之間係供該波浪流場之波浪通過；其中，該波浪流場之波浪係於通過該浮動主體後入射至該固定擋板並產生反射，以使該合成波推動該浮動主體進行該往復運動。

於一較佳實施例中，該發電單元包括一滑軌以及用以沿著該滑軌移動之一滑塊，且該滑塊連接於該浮動主體。

於一較佳實施例中，該發電單元係為一線性運動發電單元或 一圓周運動發電單元。

於一較佳實施例中，本發明亦提供一種波浪發電裝置，包括：一主結構，包括一浮動主體，且該主結構設置於一波浪流場中，用以供該波浪流場之波浪入射至其上並產生反射，以將該波浪流場之波浪的動能轉換為位能，進而使該浮動主體隨著該波浪流場之波浪進行起伏之一起伏量被提升；以及一發電單元，耦接於該浮動主體，且該發電單元之一發電量係相關於該浮動主體隨著該波浪流場之波浪進行起伏之該起伏量。

於一較佳實施例中，該浮動主體包括一板體，且該板體垂直或接近垂直於該波浪流場之一浪流方向，以供該波浪流場之波浪入射至其上並產生反射。

於一較佳實施例中，該板體上設置有一擋板結構，用以於該合成波上升時供該波浪流場之波浪推動而使該板體向上運動，及/或用以於該合成波下降時因應該波浪流場之波浪的重力而使該板體向下運動。

於一較佳實施例中，該擋板結構係包括一開口向下之波浪形弧狀結構。

於一較佳實施例中，該板體具有一障礙表面，且該擋板結構包括由該障礙表面向外延伸之一上斜擋板結構以及一下斜擋板結構。

於一較佳實施例中，該板體之一板體密度係輕於或接近於該波浪流場之一液體密度。

於一較佳實施例中，該板體呈中空狀，用以供一液體填入其中。

於一較佳實施例中，該主結構更包括設置於該浮動主體之一下游處並垂直或接近垂直於該波浪流場之該浪流方向之一固定擋板，而該浮動主體具有平行或接近平行於該波浪流場之該浪流方向之複數個板狀結構，且任二該板狀結構之間係供該波浪流場之波浪通過；其中，該波浪流場之波浪係於通過該浮動主體後入射至該固定擋板並產生反射，以使該合成波推動該浮動主體進行該往復運動。

於一較佳實施例中，該發電單元包括一滑軌以及用以沿著該滑軌移動之一滑塊，且該滑塊連接於該浮動主體。

於一較佳實施例中，該發電單元係為一線性運動發電單元或一圓周運動發電單元。

1‧‧‧波浪發電裝置

1’‧‧‧波浪發電裝置

9‧‧‧波浪流場

11A‧‧‧浮動主體

11B‧‧‧浮動主體

11C‧‧‧浮動主體

11D‧‧‧浮動主體

12‧‧‧發電單元

13‧‧‧固定擋板

14‧‧‧主結構

111A‧‧‧板體

111B‧‧‧板體

111C‧‧‧板體

111D‧‧‧板體

112A‧‧‧擋板結構

112B‧‧‧擋板結構

112C‧‧‧擋板結構

112D‧‧‧板狀結構

121‧‧‧滑塊

122‧‧‧滑軌

911‧‧‧水質點

912‧‧‧反射波

913‧‧‧入射波

914‧‧‧合成波

1111‧‧‧障礙表面

1121‧‧‧上斜擋板結構

1122‧‧‧下斜擋板結構

1123‧‧‧上斜擋板結構

1124‧‧‧下斜擋板結構

1125‧‧‧斜槽上表面

1126‧‧‧斜槽下表面

D1‧‧‧浪流方向

D2‧‧‧反射波方向

D3‧‧‧入射波方向

圖1：係為本發明波浪發電裝置於第一較佳實施例之結構示意圖。

圖2：係為供圖1所示波浪發電裝置設置之波浪流場的一較佳示意圖。

圖3：係為圖2所示波浪流場之波浪經由圖1所示波浪發電裝置之浮動主體或其下游端之固定擋板反射後所產生之反射波與入射波疊加形成合成波的概念示意圖。

圖4：係為圖1所示浮動主體的結構示意圖。

圖5：係為本發明波浪發電裝置之浮動主體於第二較佳實施例之結構側視圖。

圖6：係為本發明波浪發電裝置之浮動主體於第三較佳實施例之結構側視圖。

圖7：係為本發明波浪發電裝置於第四較佳實施例之部份結構側視圖。

圖8：係為圖7所示浮動主體之前視圖

請參閱圖1~圖3，圖1為本發明波浪發電裝置於第一較佳實施例之結構示意圖，圖2為供圖1所示波浪發電裝置設置之波浪流場的一較佳示意圖，圖3為圖2所示波浪流場之波浪經由圖1所示波浪發電裝置之浮動主體或其下游端之固定擋板反射後所產生之反射波與入射波疊加形成合成波的概念示意圖。首先說明供波浪發電裝置1設置的波浪流場9。波浪流場9 中構成波浪91的水質點911通常按圓形或近圓形之軌道旋轉，且水質點911所形成之圓圈軌道稱為波浪軌跡(wave orbit)；其中，每米寬波浪91所含能量E如下所示：，且ρ以及H分別代表流體的密度以及波高；又由於動能與位能各佔有50%的比重，故每米寬波浪91所含位能PE以及動能KE分別為： 由此可知，波浪91所含能量E(位能PE以及動能KE)係與其波高H的平方成正比，亦即當波浪91的波高H越高時，波浪發電裝置1具有較大的發電量。

再者，波浪發電裝置1包括浮動主體11A以及發電單元12，浮動主體11A設置於波浪流場9中並隨波浪流場9的波浪91起伏，且浮動主體11A係供波浪流場9的波浪91入射至其上並產生反射，以使波浪流場9之波浪91的一反射波912與一入射波913疊加形成一合成波914，其歷程如圖3中(a)~(f)所示，進而推動浮動主體11A進行往復運動；其中，發電單元12係耦接於浮動主體11A，並因應浮動主體11A的往復運動而產生電能。

進一步而言，請參閱圖4，其為圖1所示浮動主體的結構示意圖。浮動主體11A包括設置有多個擋板結構112A的板體111A，且板體111A垂直或接近垂直於波浪流場9之浪流方向D1；於本較佳實施例中，擋板結構112A包括由其障礙表面1111向外延伸之一上斜擋板結構1121以及一下斜擋板結構1122，上斜擋板結構1121位於下斜擋板結構1122的上方，且上斜擋板結構1121用以於合成波914上升時供波浪流場9之波浪91推動而使板體111A向上運動，而下斜擋板結構1122用以於合成波914下降時因應波浪流場9之波浪91的重力而使板體111A向下運動。

其次，由圖2所示波浪91可知，不同水深處的波浪91，其水質點911會從事相同週期、不同半徑的圓週運動，故較佳者，但不以此為限，多個擋板結構112A係散佈設置於整體板體111A上，以吸取不同水深處的波浪能量。

又，於本較佳實施例中，發電單元12係為一線性運動發電單元，並呈一框架型式，且發電單元12包括分別連結於浮動主體11A之板體111A二端的二滑塊121以及分別供二滑塊121設置於其中的二滑軌122；其中，當浮動主體11A之板體111A被波浪91的入射波913與反射波912所疊加的合成波914推動而進行往復運動時，二滑塊121會被驅使沿著二滑軌122上下起伏運動，進而驅動發電單元12進行發電。

特別說明的是，請再度參閱圖3，當波浪91的受到障礙表面1111的阻礙時，波浪91的入射波913(方向D3)會與反射波912(方向D2)疊加而產生兩倍波高的合成波914，此乃波浪流場9之波浪91的動能轉換為位能所至，而如此設計令浮動主體11A之板體111A被推動的起伏量加倍，進而增加波浪發電裝置1的發電量。

較佳者，但不以此為限，本案浮動主體11A之板體111A係被設計為中空狀，用以供液體適度地填入其中，如此有助於將浮動主體11A的整體密度調整至輕於或接近於波浪流場9之液體的密度，以利浮動主體11A能與波浪91周期同步運動。

於一較佳實施例中，藉由將液體適度地填入板體111A中而調整浮動主體11A的容積，可使其一半沈浸於波浪流場9中而另一半浮於波浪流場9上，因此浮動主體11A上具有足夠的空間令入射波913與反射波912疊加，進而兼顧因兩倍波高所致的上升運動與因重力作用所致的下降運動。

當然，上述僅為實施例，熟知本技藝人士皆可依據實際應用需求而進行任何均等的變更設計。舉例來說，發電單元12亦可改採用圓周運動發電單元12，亦即透過滑塊曲柄結構等機構件使線性運動轉換為圓周運動以推動圓周運動發電單元，進而節省發電成本；惟，線性運動轉換為圓周運動所需的機構設計係為熟知本技藝人士所知悉，在此即不再予以贅述。再舉例來說，浮動主體的板體或其擋板結構亦可被變更設計為其他形式，以下進一步說明。

請參閱圖5，其為本發明波浪發電裝置之浮動主體於第二較佳實施例之結構側視圖。本較佳實施例之浮動主體11B大致類似於本案第一較佳實施例中所述者，在此即不再予以贅述。而本較佳實施例與前述第一 較佳實施例不同之處在於，擋板結構112B的設計，上斜擋板結構1123位於下斜擋板結構1124的下方，且下斜擋板結構1122用以於合成波914上升時供波浪流場9之波浪91推動而使板體111B向上運動，而上斜擋板結構1124用以於合成波914下降時因應波浪流場9之波浪91的重力而使板體111B向下運動。

請參閱圖6，其為本發明波浪發電裝置之浮動主體於第三較佳實施例之結構側視圖。本較佳實施例之浮動主體11C大致類似於本案第一較佳實施例中所述者，在此即不再予以贅述。而本較佳實施例與前述第一較佳實施例不同之處在於，擋板結構112C係為一開口向下之波浪形弧狀結構，且波浪形弧狀結構係依據圖2所示之波浪軌跡而被設計；同樣地，波浪形弧狀結構亦用以於合成波914上升時供波浪流場9之波浪91推動而使板體111C向上運動，並於合成波914下降時因應波浪流場9之波浪91的重力而使板體111C向下運動。

請參閱圖7與圖8，圖7為本發明波浪發電裝置於第四較佳實施例之部份結構側視圖，圖8為圖7所示浮動主體之前視圖。本較佳實施例之波浪發電裝置1’大致類似於本案第一較佳實施例中所述者，在此即不再予以贅述。而本較佳實施例與前述第一較佳實施例不同之處在於，波浪發電裝置1’更包括設置於浮動主體11D之下游處並垂直或接近垂直於波浪流場9之浪流方向D1的固定擋板13(其與浮動主體11D可被視為一主結構14)，且浮動主體11D具有平行或接近平行於波浪流場9之浪流方向D1的複數個板狀結構112D，且任二板狀結構112D之間的空間(貫穿浮動主體11D)係供波浪流場9之波浪91通過；其中，當波浪流場9之波浪91通過任二板狀結構112D之間的空間後會入射至固定擋板13並產生反射；同樣地，當由波浪91的入射波913與反射波912所疊加產生的合成波914上升時，合成波914會推動板狀結構112D，進而使浮動主體11D向上運動，而當合成波914下降時，則因應波浪流場9之波浪91的重力而使浮動主體11D向下運動。

當然，上述皆僅為實施例，熟知本技藝人士皆可依據實際應用需求而進行任何均等的變更設計。舉例來說，若海堤(圖未示)的設置接近於垂直壁面，則波浪發電裝置可不包括固定垂直板，而令入波浪流場之波 浪通過浮動主體之任二板狀結構之間的空間後於垂直壁面的海堤上與反射波疊加產生合成波，進而驅動浮動主體進行往復運動。

根據以上的說明可知，本發明波浪發電裝置的優勢在於：第一、充分利用波浪高度變化的特性，改善習知讓波浪動能流失的缺陷，有效提升發電效率；第二、除了可設置於離案處，亦可設置於近岸海堤，以利波浪發電裝置的建構、維護、修復以及電力傳輸，有助於降低營運成本；第三、可帶來抵禦海岸或建築的地基被波浪沖蝕的功效，進而取帶防波堤的建設。是以，本案極具產業利用價值。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，並非用以限定本發明之申請專利範圍，因此凡其它未脫離本發明所揭示之精神下所完成之等效改變或修飾，均應包含於本案之申請專利範圍內。

1‧‧‧波浪發電裝置

11A‧‧‧浮動主體

12‧‧‧發電單元

111A‧‧‧板體

112A‧‧‧擋板結構

121‧‧‧滑塊

122‧‧‧滑軌

1111‧‧‧障礙表面

1121‧‧‧上斜擋板結構

1122‧‧‧下斜擋板結構

Claims (20)

1. 一種波浪發電裝置，包括：一浮動主體，設置於一波浪流場中並隨該波浪流場之波浪起伏，且被由該波浪流場之波浪的一反射波與一入射波所疊加形成之一合成波推動而進行一往復運動；以及一發電單元，耦接於該浮動主體，並因應該浮動主體之該往復運動而產生電能。
2. 如申請專利範圍第1項所述之波浪發電裝置，其中該浮動主體包括一板體，且該板體垂直或接近垂直於該波浪流場之一浪流方向，以供該波浪流場之波浪入射至其上並產生反射。
3. 如申請專利範圍第2項所述之波浪發電裝置，其中該板體上設置有一擋板結構，用以於該合成波上升時供該波浪流場之波浪推動而使該板體向上運動，及/或用以於該合成波下降時因應該波浪流場之波浪的重力而使該板體向下運動。
4. 如申請專利範圍第3項所述之波浪發電裝置，其中該擋板結構係包括一開口向下之波浪形弧狀結構。
5. 如申請專利範圍第3項所述之波浪發電裝置，其中該板體具有一障礙表面，且該擋板結構包括由該障礙表面向外延伸之一上斜擋板結構以及一下斜擋板結構。
6. 如申請專利範圍第2項所述之波浪發電裝置，其中該板體之一板體密度係輕於或接近於該波浪流場之一液體密度。
7. 如申請專利範圍第6項所述之波浪發電裝置，其中該板體呈中空狀，用 以供一液體填入其中。
8. 如申請專利範圍第1項所述之波浪發電裝置，更包括設置於該浮動主體之一下游處並垂直或接近垂直於該波浪流場之該浪流方向之一固定擋板，而該浮動主體具有平行或接近平行於該波浪流場之該浪流方向之複數個板狀結構，且任二該板狀結構之間係供該波浪流場之波浪通過；其中，該波浪流場之波浪係於通過該浮動主體後入射至該固定擋板並產生反射，以使該合成波推動該浮動主體進行該往復運動。
9. 如申請專利範圍第1項所述之波浪發電裝置，其中該發電單元包括一滑軌以及用以沿著該滑軌移動之一滑塊，且該滑塊連接於該浮動主體。
10. 如申請專利範圍第9項所述之波浪發電裝置，其中該發電單元係為一線性運動發電單元或一圓周運動發電單元。
11. 一種波浪發電裝置，包括：一主結構，包括一浮動主體，且該主結構設置於一波浪流場中，用以供該波浪流場之波浪入射至其上並產生反射，以將該波浪流場之波浪的動能轉換為位能，進而使該浮動主體隨著該波浪流場之波浪進行起伏之一起伏量被提升；以及一發電單元，耦接於該浮動主體，且該發電單元之一發電量係相關於該浮動主體隨著該波浪流場之波浪進行起伏之該起伏量。
12. 如申請專利範圍第11項所述之波浪發電裝置，其中該浮動主體包括一板體，且該板體垂直或接近垂直於該波浪流場之一浪流方向，以供該波浪流場之波浪入射至其上並產生反射。
13. 如申請專利範圍第12項所述之波浪發電裝置，其中該板體上設置有一擋板結構，用以於該合成波上升時供該該波浪流場之波浪推動而使該板體 向上運動，及/或用以於該合成波下降時因應該該波浪流場之波浪的重力而使該板體向下運動。
14. 如申請專利範圍第13項所述之波浪發電裝置，其中該擋板結構係包括一開口向下之波浪形弧狀結構。
15. 如申請專利範圍第13項所述之波浪發電裝置，其中該板體具有一障礙表面，且該擋板結構包括由該障礙表面向外延伸之一上斜擋板結構以及一下斜擋板結構。
16. 如申請專利範圍第12項所述之波浪發電裝置，其中該板體之一板體密度係輕於或接近於該波浪流場之一液體密度。
17. 如申請專利範圍第16項所述之波浪發電裝置，其中該板體呈中空狀，用以供一液體填入其中。
18. 如申請專利範圍第11項所述之波浪發電裝置，其中該主結構更包括設置於該浮動主體之一下游處並垂直或接近垂直於該波浪流場之該浪流方向之一固定擋板，而該浮動主體具有平行或接近平行於該波浪流場之該浪流方向之複數個板狀結構，且任二該板狀結構之間係供該波浪流場之波浪通過；其中，該波浪流場之波浪係於通過該浮動主體後入射至該固定擋板並產生反射，以使該合成波推動該浮動主體進行該往復運動。
19. 如申請專利範圍第11項所述之波浪發電裝置，其中該發電單元包括一滑軌以及用以沿著該滑軌移動之一滑塊，且該滑塊連接於該浮動主體。
20. 如申請專利範圍第19項所述之波浪發電裝置，其中該發電單元係為一線性運動發電單元或一圓周運動發電單元。