TW201725316A - 水力發電裝置 - Google Patents

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Abstract

一種水力發電裝置，適用於設置在一水域，該水域包含沿一個流動方向流動的流體，該水力發電裝置包含一個壩堤單元、一個驅動單元，及一個能被驅動單元帶動而產生電能的發電單元。該壩堤單元將水域區隔出彼此間隔的高水位區域及低水位區域，定義一條橫跨流動方向的軸線，該驅動單元包括一個沿軸線延伸的軸桿，及一個繞著軸桿螺旋延伸的葉片，該葉片具有一個位於軸桿下方並可受到流體推動而帶動軸桿轉動的下葉側。本發明是利用流體的流速、水位的高低差以及葉片螺旋延伸的設計，能讓驅動單元不間斷地受到流體推動來產生電能，相當環保且低汙染。

Description

水力發電裝置
本發明是有關於一種發電裝置，特別是指一種利用水流推力來發電的水力發電裝置。
近年來，開發低成本無汙染的發電系統逐漸受到重視，例如風力發電、太陽能發電、水力發電等，上述發電方式是利用天然資源來進行發電，相對於石油、煤碳……等火力等發電方式，較為環保且低污染。本發明的目的在於提供一種利用潮汐或河川的水力來發電之水力發電裝置以供另類的綠色能源選擇。
因此，本發明之目的，即在提供一種能利用潮汐或河川的水力發電且結構新穎的水力發電裝置。
於是，本發明水力發電裝置，適用於設置在一水域，該水域包含沿一個流動方向流動的流體，該水力發電裝置包含一個壩堤單元、一個驅動單元，及一個發電單元。該壩堤單元包括一個將該水域區隔出彼此間隔的一個高水位區域及一個低水位區域的壩體，及一個設置於該壩體且連通該高水位區域與該低水位區域的通口，該通口可供流體沿該流動方向從該高水位區域流入該低水位區域。定義一條橫跨該流動方向的軸線，該驅動單元包括一個可繞該軸線轉動地位於該通口內的軸桿，及至少一個連接該軸桿且繞著該軸桿螺旋延伸的葉片，該葉片具有一個位於該軸桿上方的上葉側，及一個位於該軸桿下方的下葉側，該下葉側可受到流體推動而帶動該軸桿轉動。該發電單元能被該驅動單元帶動而產生電能。
本發明之功效在於：透過該壩堤單元、該驅動單元與該發電單元的設計，能讓從該高水位區域流入該低水位區域的流體，利用本身的流速以及流體受該驅動單元之阻礙，使該流體於通口產生之水位高低差來推動該驅動單元轉動，以帶動該發電單元產生電能，且透過該葉片螺旋延伸的設計，能讓該驅動單元不間斷地受到流體推動來產生電能，相當環保且低汙染。
在本發明被詳細描述之前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。
參閱圖1、圖2與圖3，本發明水力發電裝置之第一實施例，適用於設置在一個例如河川或海洋的水域900，該水域900包含一個底床901，及沿一個流動方向F地於該底床901上方流動的流體902。該水力發電裝置包含一個壩堤單元1、一個驅動單元2、一個發電單元3，及一個護床單元4。
該壩堤單元1包括一個固定設置於該底床901並將該水域900區隔成彼此間隔的一個高水位區域903及一個低水位區域904的壩體11，及一個設置於該壩體11且連通該高水位區域903與該低水位區域904的通口12。該高水位區域903中的流體902的水位高於該低水位區域904中的流體902的水位。該通口12可供流體902沿除該自身原本流動速度並因該流體902被本水力發電裝置阻擋而抬高水位，兩者合成之力量進而產生流動方向F而從該高水位區域903流入該低水位區域904。
該驅動單元2包括一個位於該通口12且兩相反端分別可轉動地安裝於該壩體11的軸桿21，及一個連接於該軸桿21外圍的葉片22。定義一條水平延伸且橫跨該流動方向F的軸線L。該軸桿21沿該軸線L直線延伸。該葉片22繞著該軸桿21螺旋延伸，並具有一個位於該軸桿21上方的上葉側23，及一個位於該軸桿21下方的下葉側24。在本實施例中，流體902的水位低於該軸線L，因此位於流體902的水位上方的該上葉側23不會受到流體902推動，而位於流體902的水位下方的該下葉側24會受到流體902推動而帶動該軸桿21轉動，但實施上，流體902的水位亦可低於該軸線L或略高於該軸線L，只要讓該下葉側24受到流體902推動，而帶動該軸桿21轉動即可，不以本實施例為限。
細部來看該葉片22的形狀結構，該葉片22具有數個沿該軸桿21間隔排列且相互連接成螺旋狀的螺環圈25。每兩相鄰螺環圈25間隔界定出一個間隔通道20。每一個螺環圈25具有一個繞著該軸桿21螺旋延伸360度並與該流動方向F呈一傾斜角度的螺旋基壁251，及一個由該螺旋基壁251遠離該軸桿21之一側往該軸線L的一個軸向方向延伸的螺旋圍壁252。實施上，該等螺旋基壁251與該軸桿21之間可額外透過補強肋來加強穩定度。該螺旋圍壁252可為空心設計，來降低該葉片22的整體密度，使該葉片22的密度能趨近於流體密度。
透過該螺旋基壁251與流動方向F之間的傾斜角度設計，能使流體902接觸該螺旋基壁251後，被該等螺旋基壁251引導而改變流動方向F，並對該螺旋基壁251產生作用力，而將動能傳遞給該葉片22以驅動該葉片22轉動。再利用該螺旋圍壁252來增加該螺環圈25與流體902的接觸面積，以進一步提供流體902對該螺環圈25的作用力，且由於該螺旋圍壁252是橫擋於該流動方向F，因此還能用來收集流體902並限制流體902，使流體902流經該螺環圈25時，能完整地將動能傳遞給該葉片22，來進一步提供該葉片22旋轉扭力。
該發電單元3包含兩個分別設置於該等壩體11的發電機31，該等發電機31與該軸桿21連結設置，而可將該軸桿21轉動的動能轉換成電能，實施上可利用軸向磁場發電機或徑向磁場發電機等發電機來轉換電能，由於該等發電機31的類型眾多且為習知技術，並非本發明之重點，故在此不再詳述。
該護床單元4包括一個沿著該軸線L的軸向方向延伸地位於該下葉側24下方且設置於該底床901上的堵水門檻41。該堵水門檻41貼近於該葉片22的下葉側24，使流體不易從該堵水門檻41與該下葉側24之間的縫隙通過。
該護床單元4的設計是用來保護該底床901的完整性。由於流體902流經該驅動單元2時會向下沖刷該底床901，若該底床901未設置該護床單元4，長期沖刷下來會對該底床901造成破壞甚至產生凹口，導致部分的流體902經由凹口流過，而讓該驅動單元2無法完整地受到流體902推動。而本發明透過於該底床901上設置該護床單元4，能避免流體902直接沖刷該底床901而將該底床901的砂石掏空， 相當實用且具有水土保持的概念。
本發明水力發電裝置實施時，可應用於河川或海洋等水域900：
當本發明應用於河川時，由於河川是由上往下流動，因此該壩堤單元1橫跨攔阻該水域900時，會於上游側形成該高水位區域903，亦即圖2右側的水域900；並於下游處形成該低水位區域904，亦即圖2的左側的水域900，該水域900的流體902除本身自身原有的流動外，亦因本水力發電裝置於該通口12的阻擋，而使該流體902的水位抬高，並使該流體902會從該高水位區域903經由該通口12流入該低水位區域904，使該驅動單元2能被經由該通口12流過的流體902推動而轉動，另外，實施上可於該水力發電裝置的上游加裝一個攔截單元（圖未示），例如柵欄或網子等，以避免樹枝、垃圾、動物死屍進入該通口12，來保護該驅動單元2，值得一提的是，本發明若是安裝於坡度較陡的河川或防汛期較易氾濫的河川，該攔截單元的強度必須設計成能夠抵擋大型石塊或重物的撞擊。
當本發明應用於海洋時，壩堤單元1會圍籬區隔出一個區域，在海洋漲潮時，該區域外的水位上漲而形成該高水位區域903的水位，亦即圖2的右側水域，而該區域內則形成該低水位區域904，亦即圖2的左側水域900，此時，該高水位區域903的水會不斷流入該低水位區域904，帶動該驅動單元2轉動，此時，該低水位區域904會不斷累積水量，直到與該高水位區域903的水位趨近於等高；當海洋退潮時，該區域外的水位會下降，而區域內的水位則維持不動，使得該低水位區域904與該高水位區域903互換，造成該水域900的流動方向F在漲潮與退潮時產生反向。另外，實施上可於該水力發電裝置的前後兩側皆加裝該攔截單元，藉此不管是漲潮或退潮，皆能完整地保護該驅動單元2。
接著，為了使該葉片22能順利轉動，該驅動單元2在設置時必須讓該軸桿21略高於該水域900的經常性水位，使得該葉片22的下葉側24位於該水位下而可受到流體902推動，該葉片22的上葉側23位於該水位上而不會受到流體902推動，藉此，當該水域900的流體902從高水位區域903經由該通口12流入該低水位區域904時，會流經該驅動單元2而推動該下葉側24，而形成讓該葉片22轉動的力矩，使該葉片22繞著該軸線L沿如圖2所示的轉動方向R轉動，進而帶動該等發電機31產生電能。
需要說明的是，當本發明應用於海洋時，當漲潮時可能會遇上每月二次大潮而讓流體902的水位高於該軸線L，導致該上葉側23也受到流體902推動而降低該驅動單元2的旋轉扭力，但因為該下葉側24是完整地受到流體902推動，因此不會嚴重影響到該驅動單元2的轉動。
參閱圖2，以下細部說明流體902經過該驅動單元2時的推動情況，且在以下說明中定義圖2的右邊為本發明前側，圖2的左邊為本發明的後側，且圖2中僅顯示其中一個螺環圈25，其餘螺環圈25被其遮擋。在流體902由本發明的前側沿該流動方向F流經該驅動單元2時，部分流體902會先接觸該等螺環圈25之螺旋圍壁252的前側部分，而對該葉片22產生如圖2及圖3所示的推力F1。
同時，另一部分的流體902會流入該等間隔通道20，此時，流體902會由高水位區域903流入低水位區域904，而透過高低差加速流動，在接觸到該等螺環圈252之螺旋基壁251對該葉片22產生一個如圖3所示的推力F3，在接觸到該等螺環圈252之螺旋圍壁252的後側部分時，對該葉片22產生一個如圖2及圖3所示的推力F2。
因此，透過該葉片22之螺環圈25的形狀設計，能讓流體902完整地接觸到該葉片22，並將動能傳遞給該葉片22。
參閱圖4與圖5，補充說明該驅動單元2的另一個實施態樣，該驅動單元2還具有數個彼此角度間隔地繞著該軸線L螺旋設置於該葉片22的擋壁26，每兩相鄰擋壁26角度間隔一個間隔角度A。每一個擋壁26由該葉片22向該軸桿21延伸，在本實施例中，每一個擋壁26的側邊分別連接其中一個螺環圈25的螺旋圍壁252與螺旋基壁251以及該軸桿21，而能穩固地固定於該葉片22，每一個擋壁26具有一個沿一個該軸線L的徑向方向延伸的擋面261。
透過該擋壁26的設置，當流體902自該流動方向F迎來並流入該等間隔通道20時，會推動位於該軸桿21下方的擋壁26，而對該等擋壁26產生如圖5所示的推力F4，以進一步提供該葉片22旋轉扭力。在本實施例中，該等螺環圈25的數量為3，並將該間隔角度A設計為135度，使得該等擋壁26平均地圍繞該軸桿21，且隨著該葉片22轉動，能恆維持有三或四個擋壁26位於該下葉側24。實施上，該間隔角度A可依使用者所需進行設計，不以此為限。
補充說明的是，該驅動單元2還可具有數個彼此角度間隔地繞著該軸線L螺旋設置於該葉片22的扇葉（圖未示），每一個扇葉由該葉片22沿該徑向方向向外延伸，而使該驅動單元2能如同水車一般的受力，更進一度提供該葉片22旋轉扭力。
參閱圖6，補充說明該驅動單元2的又一個實施態樣，該驅動單元2包括數個彼此角度間隔地圍繞連接該軸桿21的葉片22，每一個葉片22繞著該軸桿21螺旋延伸，在本實施態樣中，該等葉片22的數量為六，且繞著該軸桿21彼此角度間隔60度，且每一個葉片22繞著該軸桿21螺旋延伸120度，但實施上，該等葉片22的數量、該等葉片22彼此角度間隔的角度以及每一個葉片22繞著該軸桿21螺旋延伸的角度，可依使用者所需進行設計，不以本實施例為限。
參閱圖1、圖2與圖3，綜上所述，本發明水力發電裝置，透過該壩堤單元1、該驅動單元2與該發電單元3的設計，能讓從該高水位區域903流入該低水位區域904的流體902，利用本身的流速以及水位的高低差來推動該驅動單元2轉動，以帶動該發電單元3產生電能，且透過水位高低差來加速流體902的流速，以及該葉片22的形狀設計，還能夠有效地提供該葉片22所需的旋轉扭力，故確實能達成本發明之目的。
參閱圖7、圖8與圖9，本發明水力發電裝置之第二實施例，與該第一實施例不同之處在於：該軸桿21具有一支沿該軸線L長向延伸的支軸211，及一個可繞該軸線L轉動地樞設於該支軸211外的外轉軸212，該葉片22繞著該外轉軸212螺旋延伸。該發電單元3不包括該等發電機31，而包括安裝在該外轉軸212與該支軸211之間的一個轉子32及一個定子33。該轉子32安裝於該外轉軸212的內周面，該定子33安裝於該支軸211的周面且與該轉子32相對應，在該轉子32被該外轉軸212帶動而相對旋轉通過該定子33時，該發電單元3會產生電能。
在本實施例中，該轉子32具有數組環繞該軸線L的磁極對321，該定子33具有數組環繞該軸線L的電樞繞組331。該等磁極對321可利用外激式、串激式、分激式或複激式的方式來產生磁場。當該轉子32的磁極對321相對旋轉通過該定子33的電樞繞組331而切割磁力線時，該等電樞繞組331就能產生感應電流。
實施上，該轉子32的磁極對321與該定子33的磁極對321的組數可依所需發電機的規格增減，例如該轉子32具有三組磁極對321，該定子33僅具有一組電樞繞組331，則形成三相二極的發電機，或者該轉子32僅具有一組磁極對321，該定子33具有三組電樞繞組331，則形成單相六極的發電機，或者該轉子32具有三組磁極對321，該定子33具有六組電樞繞組331，則形成三相十二極的發電機，因此設計上不以本實施例為限。
補充說明的是，該等磁極對321與該等電樞繞組331亦可相反設置，亦即該定子33具有該等磁極對321以產生磁場，該轉子32具有該等電樞繞組331以產生感應電流，並利用數個滑環（圖未示）分別將感應電流接出，不以本實施例的形式為限。
惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
1‧‧‧壩堤單元
11‧‧‧壩體
12‧‧‧通口
2‧‧‧驅動單元
20‧‧‧間隔通道
21‧‧‧軸桿
211‧‧‧支軸
212‧‧‧外轉軸
22‧‧‧葉片
23‧‧‧上葉側
24‧‧‧下葉側
25‧‧‧螺環圈
251‧‧‧螺旋基壁
252‧‧‧螺旋圍壁
26‧‧‧擋壁
261‧‧‧擋面
3‧‧‧發電單元
31‧‧‧發電機
32‧‧‧轉子
321‧‧‧磁極對
33‧‧‧定子
331‧‧‧電樞繞組
4‧‧‧護床單元
41‧‧‧堵水門檻
900‧‧‧水域
901‧‧‧底床
902‧‧‧流體
903‧‧‧高水位區域
904‧‧‧低水位區域
A‧‧‧間隔角度
L‧‧‧軸線
F‧‧‧流動方向
F1‧‧‧推力
F2‧‧‧推力
F3‧‧‧推力
F4‧‧‧推力
R‧‧‧轉動方向
本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中： 圖1是一個前視圖，說明本發明水力發電裝置的第一實施例； 圖2是圖1沿著Ⅰ-Ⅰ線的斷面圖； 圖3是一個不完整的剖視俯視圖，說明該第一實施例的一個驅動單元的細部結構； 圖4是一個不完整的剖視前視圖，說明該第一實施例的驅動單元的另一實施態樣； 圖5是一個剖視側視圖，說明該第一實施例的驅動單元的另一實施態樣受到流體推動而轉動； 圖6是一個前視圖，說明該第一實施例的驅動單元的又一實施態樣； 圖7是一個前視圖，說明本發明水力發電裝置的第二實施例； 圖8是圖7沿Ⅱ-Ⅱ線的斷面圖；及 圖9是一個不完整的剖視俯視圖，說明該第二實施例的一個驅動單元的細部結構。
1‧‧‧壩堤單元
11‧‧‧壩體
12‧‧‧通口
2‧‧‧驅動單元
20‧‧‧間隔通道
21‧‧‧軸桿
22‧‧‧葉片
23‧‧‧上葉側
24‧‧‧下葉側
25‧‧‧螺環圈
3‧‧‧發電單元
31‧‧‧發電機
4‧‧‧護床單元
901‧‧‧底床
L‧‧‧軸線

Claims (10)

  1. 一種水力發電裝置，適用於設置在一水域，該水域包含沿一個流動方向流動的流體，該水力發電裝置包含： 一個壩堤單元，包括一個將該水域區隔出彼此間隔的一個高水位區域及一個低水位區域的壩體，及一個設置於該壩體且連通該高水位區域與該低水位區域的通口，該通口可供流體沿該流動方向從該高水位區域流入該低水位區域； 一個驅動單元，定義一條橫跨該流動方向的軸線，該驅動單元包括一個可繞該軸線轉動地位於該通口內的軸桿，及至少一個連接該軸桿且繞著該軸桿螺旋延伸的葉片，該葉片具有一個位於該軸桿上方的上葉側，及一個位於該軸桿下方的下葉側，該下葉側可受到流體推動而帶動該軸桿轉動；及 一個發電單元，能被該驅動單元帶動而產生電能。
  2. 如請求項1所述的水力發電裝置，其中，該葉片具有數個沿該軸桿間隔排列且相互連接成螺旋狀的螺環圈，每兩相鄰螺環圈間隔界定出一個間隔通道。
  3. 如請求項2所述的水力發電裝置，其中，每一個螺環圈具有一個繞著該軸桿螺旋延伸而與該流動方向呈一傾斜角度的螺旋基壁，及一個由該螺旋基壁遠離該軸桿之一側往該軸線的一個軸向方向延伸的螺旋圍壁。
  4. 如請求項1所述的水力發電裝置，其中，該驅動單元包括數個彼此角度間隔且繞著該軸桿螺旋延伸的葉片。
  5. 2或3所述的水力發電裝置，其中，該驅動單元還具有數個彼此角度間隔地繞著該軸線螺旋設置於該葉片的擋壁。
  6. 如請求項4所述的水力發電裝置，其中，每一個擋壁由該葉片向該軸桿延伸，且每一個擋壁具有一個沿該軸線的一個徑向方向延伸的擋面。
  7. 如請求項1至4中任一項所述的水力發電裝置，其中，該軸桿具有一支沿該軸線長向延伸的支軸、一個可繞該軸線轉動地樞設於該支軸外的外轉軸，該葉片連接於該外轉軸且繞著該外轉軸螺旋延伸，該發電單元包括安裝在該外轉軸與該支軸之間的一個轉子及一個定子，該轉子安裝於該外轉軸，該定子安裝於該支軸，在該轉子被該外轉軸帶動而相對旋轉通過該定子時，該發電單元會產生電能。
  8. 如請求項5所述的水力發電裝置，其中，該軸桿具有一支沿該軸線長向延伸的支軸、一個可繞該軸線轉動地樞設於該支軸外的外轉軸，該葉片連接於該外轉軸且繞著該外轉軸螺旋延伸，該發電單元包括安裝在該外轉軸與該支軸之間的一個轉子及一個定子，該轉子安裝於該外轉軸，該定子安裝於該支軸，在該轉子被該外轉軸帶動而相對旋轉通過該定子時，該發電單元會產生電能。
  9. 如請求項1至4中任一項所述的水力發電裝置，該水域還包含一個供流體於上方流動的底床，其中，該水力發電裝置還包含一個位於該下葉側下方且設置於該底床上以保護該底床的護床單元。
  10. 如請求項3所述的水力發電裝置，其中，每一個螺環圈的該螺旋基壁及該螺旋圍壁為空心。
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