TW201732148A - 隨潮汐海流自動轉向、漩渦、外罩、垂直、磁浮、無軸心渦輪機之結構 - Google Patents

Abstract

摘要本發明為有關一種隨潮汐海流自動轉向、漩渦、外罩、垂直、磁浮、無軸心渦輪機之結構，主要結構包括：一隨潮汐海流自動轉向的方向板、一進水口、一漩渦形成器一個上寬下窄縮喉管型(Venturi)倒錐狀體的壓差式外罩體、至少一排水口、一推動旋轉的渦輪葉片組、一與該渦輪葉片組同步旋轉之發電機轉子軸承組、及一位於該渦輪葉片組中心之渦輪中心軸，藉此利用漩渦形成器將進水口引入的流體形成漩渦，進入外罩體.在外罩體內，流體以渦輪中心軸為漩渦中心旋轉，地心引力及地心軸造成的角動量變化而改變流體行進方向，使流體因陀螺進動現象，形成持續下沉漩渦，及該排水口總面積大於該引流口總面積，來維持該外罩體內流體不會滿溢，使流體陀螺進動現象持續，維持渦輪葉片組旋轉而帶動發電機發電。

Description

隨潮汐海流自動轉向、漩渦、外罩、垂直、磁浮、無軸心渦輪機之結構

發明人基於本身對於海流發電方面的興趣，自身投入研究，於103年4月1日取得具自動轉向渦輪之結構中華民國專利證書發明第I 432642號，又於103年10月3日提出壓差式渦輪機之結構，申請案號103134512。在提出壓差式渦輪機之結構後，發明人因恐壓差式渦輪機進水時流速對垂直葉片組啟動力不足，經不斷繼續的研究，提出本發明一種隨最強潮汐海流自動轉向(專利證書發明第I 432642號)、漩渦、外罩垂直(於103年10月3日提出，申請案號103134512)、磁浮、無軸心渦輪之結構，加強形成漩渦的動能，作為補強壓差式渦輪機之結構的進一步改進。

本發明是關於一種利用自動隨最強潮汐海流方向轉向的功能，隨時可導入最強的海流，然後導入的海流因地心引力流體下落，經分流介面分成二股水流，再經漩渦水道，形成漩渦下旋，進入縮喉管(Venturi)型外罩體，流體在縮喉管(Venturi)型外罩體內，因地心引力及地心軸造成的角動量變化而改變流體行進方向，使流體形成持續陀螺進動現象，形成下沉漩渦，以推動渦輪葉片的渦輪機之結構。同時因海流發電渦輪機、發電機放置於海底，保養維修困難，故本發明採用磁浮、無軸心渦輪機之結構。

按，綠能發電技術中無法利用垂直向下的風力(如落山風)，或改變海流成為垂直的流體。目前風力發電乃單向迎風而發電，至於海流發電則以海流的單向水準渦輪機葉片或漲退潮的雙向水準渦輪機葉片為主之發電方式，而垂直風力渦輪機必須要有風力才能轉動葉片發電。當流體(潮汐流、海流或風力)接近葉片時，水平渦輪機葉片在自由空間裡因流體帶動最外層的促動盤(Actuator Disk)旋轉，再流進葉片背面面向圓心的轉軸區，且整個流動過程中，流體與自由空間處於相同的壓力狀態，但因葉片的轉動會截取流體的能量而降低流動速度，導致渦輪機無法持續轉動。

又，為使流體持續流動，必須要有限度的擴散空間，致使流體轉變為機械能有最高上限，故世界海流發電協會認為海流流速至少要每秒鐘2公尺才有利用價值。然而，水平渦輪機葉片置於開放式海底轉動時，因海底水壓巨大，水平渦輪葉片容易斷裂，實際的案例，發生在2011年蘇格蘭澳克尼歐洲海流能源中心，置放世界最大的雙面水準潮流渦輪機，AK-1000，在不到3秒鐘內2支葉片立刻斷裂。

(AK-1000 tidal turbine at the European Marine Energy Centre(EMEC)in Orkney,Scotland,in August 2011)

而，垂直渦輪葉片尖端速度較小，自啟能力低、啟動扭力不足，難以加速至發電的速度，另外，如第八圖之慣用固定垂直葉片發電機之風速流向示意圖所示：用軸杆9-1連接於軸心9-2的垂直渦輪葉片9，不但軸杆91容易斷裂，且風容易向兩側分散，無法集中。

同時一般海流渦輪機必須使用葉片帶動主軸(Shaft)推動發電機，有主軸轉動 的發電機，需用齒輪箱(Gear Box)加減速、培林軸承(Bearing)潤滑油減少磨擦，而且必須定期維修保養。

綜上所述，是以，要如何解決上述慣用之問題與缺失，即為本發明之發明人與從事此行業之相關廠商所亟欲研究改善之方向所在者。

故，本發明之發明人有鑒於上述缺失，乃搜集相關資料，經由多方評估及考慮，並以從事此行業累積之多年經驗，經由不斷試作及修改，始設計出此種隨潮流方向自動轉向的功能，(中華民國專利證書發明第I 432642號)隨時導入最強的海流，然後海流因地心引力流體下落，經水分流介面分成二股水流，再經漩渦水道，流體形成漩渦下旋，進入上寬下窄縮喉管(Venturi)型外罩體(於103年10月3日提出，申請案號103134512)，漩渦流體產生兩倍直線運動動能，以推動渦輪機葉片持續旋轉的渦輪機之結構的發明。

本發明之主要目的在於：

1.將平行的流體，轉變為垂直的漩渦流體，平行的流體因為位能的變化(下落)，而且流動距離增加(下落)的流體流速。

2.上寬下窄縮喉管型外罩體內降低葉片運轉時的空間壓力，同時利用外罩體內流體產生陀螺進動現象產生下沉漩渦，又因漩渦是一種動能向漩渦中心滅絕(Annihilation)的運動，其動能是直線運動的兩倍，所以被引進密閉上寬下窄縮喉管型外罩體的流體，流速會增加，故渦輪機葉片轉速會加快，發電量也會增加。

為達成上述目的，本發明之主要結構包括：

1.自動隨最強潮汐海流方向轉向的進水管口1.2與方向板1-1。

2.漩渦形成器2，由水分流介面分成二股水流，經漩渦水道2-1，流體形成漩渦下旋。

3.漩渦形成器2與隨最強潮汐海流方向自動轉向結構體中間1-5,2-2系由永久磁鐵形成磁浮溝，懸空旋轉，不必使用承軸(Bearing)。

4在上寬下窄縮喉管型之外罩體3、至少一形成於該外罩體底面之排水口3-4，排水口3-4的面積一定要大於進水管口面積1-2。

5.一收容於該外罩體內之渦輪葉片組3-1。

6.一由該渦輪葉片組延伸凸出於排水口3-5並與該渦輪葉片組3-1同步旋轉。

7.及位於該渦輪葉片組中心，且穿設於該排水口之渦輪中心杆3-9(漩渦中心)。

8.渦輪葉片系包含至少上下分別與各該渦輪葉片連結之環扣3-3，而且渦輪葉片組底部環扣系由永久磁鐵製成與使用永久磁鐵製成的上寬下窄縮喉管型之外罩體內底部支撐環3-8懸形成磁浮，懸空旋轉，不必使用承軸(Bearing)。

9.發電機防水罩由凸出於底部排水口渦輪葉片組3-5及相接防水罩下發電機轉子承軸(Armatures)4-1組成。發電機發電由外罩體底面的偶數渦輪葉片組，和下面銜接的發電機轉子轉軸(Armature)4-1一起帶動，因此不需要發電機馬達主軸軸心(Shaft)。

10.發電機外殼4-3與底板6由永久磁鐵製成，形成磁浮，懸空旋轉，不必使用承軸(Bearing)。

本發明之次要目的在於：本發明在大氣中可完全不受風速、風向或地點的限制，例如：落山風，利用上述結構在外罩體內產生旋風，創造最大流體速度，必要時更 可在底部加裝負壓抽風機加快空氣流速並增加垂直渦輪葉片的轉速，以增加發電量(示意圖十二)。

藉由上述技術，可以解決慣用垂直渦輪機葉片所存在之無法應用垂直流體，同時流體動能被迫向垂直風葉圓柱體兩邊分散、自啟能力較低及葉片軸杆容易斷裂的問題點加以突破，並且使用永久磁鐵達到減少磨擦，由渦輪葉片組與轉子轉軸(Armature)4-1一起帶動發電機，不需要發電機馬達主軸軸心，達到減少維修保養，不需更換潤滑油，實現進步的實用性環境保護。

1‧‧‧自動隨潮流方向轉向的進水管

1-1‧‧‧自動隨潮流方向轉向的方向檔板

1-2‧‧‧自動隨潮流方向轉向的進水口

1-3‧‧‧自動隨潮流方向轉向的進水口檔板吊鉤

1-4‧‧‧自動隨潮流方向轉向的進水口檔板(僅第一次置入流體使用

1-5‧‧‧自動隨潮流方向轉向的磁浮溝

2‧‧‧漩渦形成器

2-1‧‧‧水分流器分成二股漩渦水道

2-2‧‧‧漩渦形成器磁浮溝

2-3‧‧‧漩渦水道支撐柱

3‧‧‧外罩體

3-1‧‧‧葉片組

3-1A‧‧‧8片葉片組

3-1B‧‧‧12片葉片組

3-1C‧‧‧16片葉片組

3-2‧‧‧外罩體吊鉤

3-3‧‧‧葉片組上下環扣

3-4‧‧‧排水口

3-5‧‧‧葉片組延伸凸於該排水口

3-6‧‧‧排水口出水口檔板(僅第一次置入流體使用)

3-7‧‧‧外罩體頂蓋

3-8‧‧‧外罩體內底部掛環(磁浮)

3-9‧‧‧漩渦中心園柱

4‧‧‧發電機

4-1‧‧‧轉子轉軸

4-2‧‧‧靜子

4-3‧‧‧發電機底座磁浮溝

5‧‧‧渦輪機結構體支撐腳

6‧‧‧渦輪機結構體底座板

9‧‧‧銜接中心軸杆垂直葉片

9-1‧‧‧軸杆

9-2‧‧‧中心軸

C‧‧‧地心軸

F‧‧‧地心重力

L‧‧‧角動量

V_A‧‧‧流體速度

V_B‧‧‧下沈速度

V_C‧‧‧切線速度

第一圖 系為本發明較佳實施例之立體圖。

第二圖 系為本發明較佳實施例之側面剖解圖。

第三圖 系為本發明較佳實施例之平行的水流，轉變為垂直的漩渦水流圖。

第四圖 系為本發明較佳實施例之垂直葉片組示意圖。

第五圖 系為本發明較佳實施例之縮喉管型之外罩體與垂直葉片組示意圖。

第六圖 系為本發明較佳實施例之外罩體底面之排水口與發電機銜接示意圖。

第七圖 系為本發明較佳實施例之發電機圖。

第八圖 系為系為慣用固定垂直葉片發電機之風速流向示意圖。

第九圖 系為本發明較佳實施例之陀螺進動現象示意圖。

第十圖 系為本發明較佳實施例之下沉漩渦動能向中心滅絕(Annihilation)的運動示意圖。

第十一圖 系為本發明一較佳實施例之使用狀態圖。

第十二圖 系為本發明又一較佳實施例之使用狀態圖。

為達成上述目的及功效，本發明所採用之技術手段及構造，茲繪圖就本發明較佳實施例詳加說明其特徵與功能如下，俾利完全瞭解。

請參閱第一圖、第二圖、第三圖、第四圖、第五圖、第六圖所示，系為本發明較佳實施例之立體圖、剖視圖及分解圖，由圖中可清楚看出本發明系包括：一個自動隨最強潮汐海流方向轉向的進水管口1.2、方向板1.1，向最強潮汐海流方向轉向，將平行的流體，轉變為垂直的流體，平行的流體因為位能的變化(自由落體)，動力增加，在一個漩渦形成器2.由水分流介面分成二股水流，經漩渦水道2-1，流體形成漩渦下旋，動力再因自由落體、向心力及流動距離增加，而動力再增加。二股漩渦水道2-1的載重由漩渦水道支撐柱2-3支撐。自動隨最強潮汐海流方向轉向的進水管底部.與漩渦形成器2銜接處2-2使用永磁磁鐵製成，形成磁浮溝1-5，沒有摩擦力懸空旋轉，因而不必使用承軸(Bearing)，減少爾後的維修、保養及磨損。第一次置放時，務必將自動隨潮流方向轉向的進水口檔板1-4及上寬下窄縮喉管型之倒錐狀外罩體3的排水口出水口檔板3-6關上，以保持結構體內無水的狀態。

垂直下落的流體由水分流介面分成二股水流，經漩渦水道2-1，流體形成漩渦下旋，進入一個上寬下窄縮喉管型(Venturi)之倒錐狀之外罩體3；外罩體頂蓋3-7系永遠密封，維持外罩體3內的壓力，永遠小於外罩體3外的壓力，置放於該外罩體3內渦輪葉片組3-1，渦輪葉片組3-1系包含渦輪葉片，(渦輪葉片可以每45度=8葉片組3-1A，30度=12葉片組3-2B，20度=18葉片組3-1C)，葉片組上下由環扣3-3銜接，葉片組下部環扣片與外罩體內底部支撐環3-8使用永磁磁鐵製成， 形成磁浮，懸空旋轉，減少摩擦力，加速轉速，同時不必使用承軸(Bearing)。且渦輪葉片3-1與渦輪中心軸3-9是沒有軸杆連接的形式，所以沒有軸杆斷裂的問題，而且漩渦的流體可以在渦輪葉片組合3-1自由流動。

因為下沉漩渦是一種動能向中心滅絕(Annihilation)的運動(第九圖，第十圖)，所以必須用漩渦圓心柱3-9永遠保持一個漩渦中心，使漩渦永遠無法向中心滅絕(Annihilation)，永遠在上寬下窄縮喉管型(Venturi)之倒錐狀之外罩體內3保持向中心滅絕的動能。加上地心重力F與地心軸C造成角動量L的改變，呈現陀螺進動現象第九圖，而在北半球形成逆時鐘旋轉態樣的漩渦，又流體在此狀態下因其原本的流體速度V_A與地心重力F產生的下沉速度V_B之交互作用，使流體形成一下沉流向漩渦中心的切線速度V_C，V_C=√2V_A，此速度為直線運動的√2倍，據漩渦的動能是直線運動的兩倍，所以渦輪葉片的尖端速度比提高，因此具有足夠的能量來推動渦輪葉片組3-1轉動。

上寬下窄縮喉管型(Venturi)之倒錐狀之外罩體排水口3-4外，渦輪葉片組延伸凸於該排水口3-5、並與該渦輪葉片組3-1同步旋轉並帶動發電機4發電。外罩體排水口3-4總面積大於自動隨潮流方向轉向的進水口1-2總面積，維持外罩體3內水位不會滿溢，使外罩體3內水壓力永遠小於外罩體3外的壓力，渦輪葉片組3-1永遠在轉動。

發電機由外部包覆一防水罩4，防水罩上面是上寬下窄縮喉管型之倒錐狀外罩3，凸於該外罩體底面的偶數渦輪葉片3-5。防水罩下麵是銜接發電機轉子的各別轉軸(第七圖Armatures)4-1。所以，發電機發電由外罩體底面的渦輪葉片3-5，和 下面銜接的發電機轉子轉軸4-1一起帶動，因此不需要發電機馬達主軸軸心(Shaft)。

發電機外殼與渦輪機結構體底座板6銜接處，使用永磁磁鐵形成發電機底座磁浮溝4-3，懸空旋轉，沒有摩擦阻力，因而不必使用承軸(Bearing)。

本發明沒有發電機主軸軸心(Shaft)，沒有齒輪變速箱，不必使用承軸(Bearing)，不必使用潤滑油，整組渦輪機懸浮沒有摩擦阻力，可持續轉動發電，更具有高耐久度，為高效率之發電設備。故，本發明可設置于海洋、河川、湖泊、水庫、大型工業區廢水集水池、甚至置入深或淺海域也可維持其正常運作(第十一圖)。

當整個結構體要置放於水體中之前，應將進水口蓋1-4封閉進水口1-2，及出水口擋板3-6封閉出水口3-4，在置放完成後，發電機電纜線接頭拉至電網接上後，用鐵鍊掛在吊孔1-3將進水口蓋1-4吊上，水自排水口3-4排出時，會將出水口擋板3-6自動衝開。

再請參閱第十二圖所示，系為本發明又一較佳實施例使用狀態圖，由圖中可清楚看出本發明完全不受風速、風向、地點的限制，可設於落山風區、工業區、工廠、辦公大樓頂樓、住家大樓頂樓等，利用外罩體3內垂直渦輪葉片組3-1與空氣的對流形成旋風，必要時可於外罩體3底部3-4設置一負壓抽風機，增加風速，以加快垂直渦輪葉片組3-1的轉速，創造固定的最大流體速度，增加發電量。

惟，以上所述僅為本發明之較佳實施例而已，非因此即局限本發明之專利範圍，故舉凡運用本發明說明書及圖示內容所為之簡易修飾及等效結構變化，均應同理包含于本發明之專利範圍內，合于陳明。

是以，本發明之隨潮汐海流自動轉向、漩渦、外罩、垂直、磁浮、無軸心渦輪之結構為可改善慣用之技術關鍵在於：

一、永遠對準最強的潮汐海流，將平行的水流轉變為垂直的漩渦水流，平行的水流因為(下落)位能的變化，而且流動距離增加水的流速增加。上寬下窄縮喉管型外罩體降低葉片運轉時的空間壓力，同時利用外罩體內，使引入的流體因自由落體及地心重力與地心軸造成的角動量變化，產生陀螺進動現象產生下沉漩渦，又因漩渦是一種動能向漩渦中心滅絕(Annihilation)的運動，其動能是直線運動的兩倍，所以被引進密閉上寬下窄縮喉管型外罩體空間的流體，流速會增加，故渦輪機葉片轉速會加快，發電量也會增加。

二、本發明完全不受風速、風向、地點的限制，利用外罩體3內垂直渦輪葉片組3-1與空氣的對流形成旋風，必要時可於外罩體3底部3-4設置一負壓抽風機，增加風速，以加快垂直渦輪葉片組3-1的轉速，創造固定的最大流體速度，增加發電量。

三、在隨潮汐海流自動轉向結構1-5與漩渦形成器之間的旋轉盤2-2、外罩體內底部支撐環3-8與葉片組下環扣3-3使用永久磁鐵，形成懸浮，加速旋轉，減少摩擦。

四、外罩體3底部葉片組延伸凸於排水口3-5直接與發電機外殼銜接，發電機外殼內部直接於轉子軸杆相接，所以發電機不需使用主軸(Shaft)。

綜上所述，本發明隨潮汐海流自動轉向，外罩、漩渦、垂直、磁浮、無軸心渦輪之結構為確實能達到其功效及目的，故本發明誠為一實用性優異之發明，為符合發明申請專利要件，爰依法提出申請，盼 審委早日核准本發明。倘若鈞局審委有任何疑問，請不吝來函指示，發明人定當竭力配合，實感公便。

1‧‧‧自動隨潮流方向轉向的進水管

2‧‧‧漩渦形成器

3‧‧‧上寬下窄縮喉管型之外罩體

4‧‧‧發電機

5‧‧‧渦輪機結構體支撐腳

6‧‧‧渦輪機結構體底座板

Claims (6)

1. 一種隨潮汐海流自動轉向、漩渦、外罩、垂直、磁浮、無軸心渦輪機之結構，其包括：一個足以承受流體衝擊力的方向板附著於進水管中間頂部、中間後部。一個漩渦形成器；由分流介面分成二股水流，再經漩渦水道，流體形成漩渦下旋。分流介面、漩渦水道可選形成順時鐘方向，或逆時鐘方向二者之一。漩渦形成器與潮汐海流方向自動轉向結構中間系由永磁磁鐵形成磁浮溝，懸空旋轉，不必使用承軸(Bearing)。一個上寬下窄縮喉管型倒錐狀體之外罩體一个發電機外包覆防水罩
2. 如申請專利範圍第1項所述之上寬下窄縮喉管型倒錐狀體之外罩體，其容置之渦輪葉片組系包含渦輪葉片，且該渦輪葉片組包含至少上下分別環扣與各渦輪葉片連結。下部渦輪葉片組環扣由永久磁鐵製造而成。
3. 如申請專利範圍第1項所述之上寬下窄縮喉管型倒錐狀體之外罩體，其外罩體內部底部有一支撐環，該支撐環由永磁磁鐵製造而成，與葉片組下部永久磁鐵環扣形成磁浮，懸空旋轉，不必使用承軸(Bearing)。
4. 如申請專利範圍第1項所述之隨潮汐海流自動轉向、漩渦、外罩、垂直、磁浮、無軸心渦輪機之結構，其發電機外包覆一防水罩。發電是由發電機外包覆防水罩上面銜接渦輪機外罩體凸出排水口的渦輪葉片組，發電機外包覆防水罩下面是直接插上發電機轉子的各別轉軸(Armatures)。外包覆防水罩上面凸出排水口的偶數渦輪葉片組和外包覆防水罩下面直接插上發電機轉子的各別轉軸一起轉動，因此不需要發電機馬達主軸軸心(Shaft)。
5. 如申請專利範圍第1項所述之上寬下窄縮喉管型倒錐狀體外罩體，其中該渦輪葉片組於該外罩體底部設置一負壓抽風機，系用於風力發電時供增加轉速。
6. 如申請專利範圍第1項所述之隨潮汐海流自動轉向、漩渦、外罩、垂直、磁浮、無軸心渦輪機之結構，其發電機外包覆防水罩，外包覆防水罩底部系由永磁磁鐵製造而成，與由永磁磁鐵製造而成之渦輪機結構體底座板形成磁浮，懸空旋轉，不必使用承軸(Bearing)。