TW201741528A - 水力發電設備 - Google Patents

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Abstract

一種水力發電設備，包含一個設置於該坡頂部以蓄積該河段的水的攔砂壩、一個設置於該坡底部並可被水帶動而產生電能的發電裝置、一個由該攔砂壩往該發電裝置延伸連接的引水管，及一個平壓塔，該引水管包括一個可供水流動而將水的位能轉換成動能的引水通道。透過將該引水管延伸設置於該山坡段，能充分利用該山坡段自然形成的高低落差來使該引水管內的水產生動能，進而驅動該發電裝置進行發電，以充分地利用自然資源發電。

Description

水力發電設備
本發明是有關於一種發電設備，特別是指一種建構在山坡地的水力發電設備。
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、火力等發電方式，較為環保且低污染。一般的河川沿著山坡地順流而下時，山坡的垂直落差會使河川產生相當大的水力動能，但在現有的水力發電領域中，並無法大量有效地利用河川沿山坡流下所產生的動能來進行發電，尤其是在高低落差達一千公尺以上的山坡地中，河川的水力也相對增多，若無加以利用上述河川的動能來進行發電，實在是水力發電的一大浪費，因此本發明的目的在於提供一種結構新穎並利用山坡地的高低落差以及該河川的水來進行發電的水力發電設備。
因此，本發明之目的，即在提供一種結構新穎且能充分利用河川沿山坡流下所產生之動能來進行發電的水力發電設備。
於是，本發明水力發電設備，建構於一個山坡段，並透過一個河段來進行發電，該山坡段包括一個位於頂端的坡頂部，及一個位於底端的坡底部，該水力發電設備包含一個設置於該坡頂部以蓄積該河段的水的攔砂壩、一個發電裝置、一個引水管，及一個平壓塔。該發電裝置設置於該坡底部，並包括一個可被水帶動而轉動的轉動單元，及一個能被該轉動單元帶動而產生電能的發電單元。該引水管由該攔砂壩往該發電裝置延伸連接，並具有一個鄰近該攔砂壩的高處部、一個鄰近該發電裝置且高度低於該高處部的低處部，及至少一個可供水由該高處部往該低處部流動而將水的位能轉換成動能的引水通道。該平壓塔由該引水管向上直立延伸，且可供該引水通道的水向上流。
本發明之功效在於：透過將該引水管延伸設置於該山坡段，以充分利用該山坡段自然形成的高低落差來使該引水管內的水產生動能，進而驅動該發電裝置進行發電，因此能充分利用山坡的高地落差，或者上游水庫與下游水庫之間沒被利用的垂直高低落差，來發電以增加發電量。
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與圖2，本發明水力發電設備之第一實施例，建構於一個山坡段81，並透過一個河段91來進行發電。該山坡段81包括一個位於頂端的坡頂部811，及一個位於底端的坡底部812，在本實施例中，該山坡段81為一個自然形成的斜坡，該坡頂部811的高度高於該坡底部812，且該坡頂部811與該坡底部812的高度落差則根據該山坡段81的坡度及長度而定。該河段91為自然形成於該山坡段81的水流，並由該坡頂部811往該坡底部812流動，且該河段91具有一個位於該坡頂部811的上游端911，及一個位於該坡底部812的下游端912。
該水力發電設備包含一個攔砂壩1、一個發電裝置3、一個引水管2、一個沉砂池21、一個平壓塔4，及一個尾水渠道5。該攔砂壩1設置於該坡頂部811，高度低矮介於1至30公尺而可攔截該河段91，並與該山坡段81相配合界定出一個用以蓄積該河段91的水的儲水空間。
該發電裝置3設置於該坡底部812，並包括一個沿一條直立軸線L上下延伸的外軸管31、一個位於該外軸管31內並可被該引水管2的水帶動而運轉的轉動單元32，及一個能被該轉動單元32帶動而產生電能的發電單元33。
該轉動單元32包括一個沿該軸線L長向延伸的轉軸321，及一個同軸設置於該轉軸321並可被水驅動而連動該轉軸321往一個轉動方向轉動的水輪機葉片322。在本實施例中，該外軸管31與該轉動單元32相配合為軸流式的反擊式水輪機，但實施上，亦可為混流式、斜流式或貫流式的反擊式水輪機、衝擊式水輪機，或是台灣專利申請號105203154的態樣等，只要能利用水的壓力轉換成動能之後，來使該轉動單元32轉動即可，不以本實施例為限。該發電單元33設置於該轉軸321的頂端，並能將該轉軸321轉動的動能轉換為電能，由於該發電單元33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。
該引水管2由該攔砂壩1往該發電裝置3延伸連接，並具有一個連接該攔砂壩1的高處部23、一個連接該發電裝置3的外軸管31且高度低於該高處部23的低處部24，及一個由該高處部23往該低處部24延伸的引水通道22。該引水管2一般為高壓鋼管，以承受該引水管2巨大的管內水壓，但實施上，該引水管2亦可為玻纖、碳纖、水泥或陶瓷等材質製成的高壓管，且在本實施中，將該引水管2部分埋入該山坡段81的土壤內，藉此能透過該山坡段81的土壤重量所施加的覆土壓力，來增加對該引水管2之管內水壓的圍束力，以避免該引水管2因管內水壓過大而破裂。並且可降低洪汛期，洪水滾動大、小石頭及當河川發生土石流時，大石頭的掃掠力破壞該引水管2。
該沉砂池21設置於該坡頂部811並鄰近於該高處部23，且圍繞界定出一個沉砂空間211。在本實施例中，該沉砂空間211位於該引水通道22的延伸路徑上，而將該引水通道22分成一個連通該攔砂壩1與該沉砂空間211的上引水段221，及一個連通該沉砂空間211與該發電裝置3的下引水段222。該沉砂空間211具有一個連通該上引水段221的進水口212，及一個連通該下引水段222的出水口213。該沉砂空間211的截面積大於該進水口212與該出水口213的截面積，且該進水口212與該出水口213相互錯開，使得該引水管2內的水經由該上引水段221流入該沉砂空間211時會急遽地降低流速，以利於進行沉澱，之後再流入該下引水段222，而該沉砂空間211的底部低於該進水口212與該出水口213，能用來聚積沉澱的砂石。在本實施例中，該沉砂空間211、該進水口212與該出水口213的截面積為沿垂直於該引水管2之延伸方向截斷的面積。
該平壓塔4呈管狀地由該引水管2向上直立延伸，並鄰近於該低處部24，且頂端的高度由水錘力道與水頭損失的分析結果決定。當該發電裝置3因故障或維修而關閉時，該引水管2的水就無法流入該發電裝置3，但此時攔砂壩1的水會繼續流入該引水管2，而使得該引水管2內產生瞬間高壓，本實施例透過該平壓塔4的設計，能使該引水管2的水瞬間壓力向上轉換成位能，來減緩引水管2內的瞬間高壓，藉此降低該引水管2內的水壓，以避免該引水管2破裂。
該尾水渠道5由該發電裝置3的外軸管31的底端往該河段91之下游端912水平延伸，以將該外軸管31內的水導引至該河段91，在本實施例中，該尾水渠道5為圓管狀並埋入該山坡段81的土壤內，但由於該引水管2內的水經過該發電裝置3後會大幅減少動能，因此該尾水渠道5的設計不需考慮到管內水壓，因此不以圓管設計為必要，亦可為向外開放的溝渠，不以本實施例為限。
本發明水力發電設備架設時，會將該攔砂壩1架設於該河段91的上游端911，並於該攔砂壩1內蓄積該河段91一部分的水，該河段91另一部分的水會繼續往下流動，接著，將該引水管2沿該河段91延伸地埋入該山坡段81，藉由該山坡段81的高低落差，能自然地將該引水管2內的水的位能轉換成動能。
本實施例發電的過程如下，當攔砂壩1蓄積的水流入該引水管2後，會先於該沉砂空間211進行沉澱，此時，該引水管2內的水會因為截面積增加而降緩流速，讓水中的石礫、泥沙等雜質因為流速降緩而向下沉降於該沉砂空間211的底部，由於該沉砂空間211的底部低於該出水口213，因此大部分的石礫會向下沉降而無法流入該出水口213，並淤積於該沉砂空間211底部。由於該攔砂壩1低矮，泥沙不易沉澱，所以於其下游增設該沉砂池21，以增加泥沙沉澱的效率，但實施上不以增設該沉砂池21為必要。
接著，經過沉砂後的水會從該出水口213流入該下引水段222，並在流動過程中將位能轉換成動能，再流入該外軸管31，此時，流入該外軸管31的水會帶動該轉動單元32轉動，進而帶動該發電單元33產生電能。最後，當該外軸管31的水流經該轉動單元32後，會向下流入該尾水渠道5，並對應流回該河段91的下游端912，如此一來，就能充分利用該山坡段81的高低落差，以及該河段91的水來進行發電。
綜上所述，本發明水力發電設備，透過將該引水管2延伸設置於該山坡段81，以充分利用該山坡段81自然形成的高低落差來使該引水管2內的水的位能轉換成動能，進而驅動該發電裝置3進行發電，故確實能達成本發明之目的。
參閱圖3，本發明水力發電設備之第二實施例，與該第一實施例之結構大致相同，不同之處在於：本實施例的該引水管2具有兩個引水通道22。該沉砂池21具有兩個分別連通該等引水通道22之上引水段的進水口，及兩個分別連通該等引水通道22之下引水段的出水口，該平壓塔4由該等引水通道22之下引水段的後端匯合處向上延伸，透過數量較多的引水通道22，能分流該引水管2內的水以增加流量，能使本實施例能應用於流量較大的河段91。
實施上，該引水通道22的數量亦可為三或四個以上，可依河段91的流量增減數量，不以本實施例為限。
參閱圖4與圖5，本發明水力發電設備，適合數個成一組地建構在一個山坡地8，並透過一個河川9來進行發電。該山坡地8包括三個由上而下接續延伸的山坡段82、83、84，該河川9包括三個由上而下接續延伸並分別對應該等山坡段82、83、84的河段92、93、94。由於該等山坡段82、83、84與該等河段92、93、94的構造，已於該水力發電設備6的第一實施例說明，故在此不再贅述。為方便以下說明，將該等山坡段82、83、84區分為位於上方的上山坡段82、位於中間的中山坡段83與位於下方的下山坡段84，以及將該等河段92、93、94區分為位於上方的上河段92、位於中間的中河段93與位於下方的下河段94。
圖5的水力發電設備6的數量為五個，且其構造，已於該水力發電設備6的第一實施例與第二實施例說明，故在此不再贅述。其中一個水力發電設備6設置於該上山坡段82，並為第一實施例的態樣；其中另兩個水力發電設備6並排設置於該中山坡段83，且皆為第一實施例的態樣；其中又兩個水力發電設備6並排設置於該下山坡段84，且該兩個水力發電設備6中的其中一個為第一實施例的態樣，其中另一個為第二實施例的態樣。
設置於該上山坡段82的該水力發電設備6，會透過該上河段92的水來進行發電，並將水排回該上河段92，接著，該上河段92的水再流入該中河段93；設置於該中山坡段83的該等水力發電設備6，會透過該中河段93的水來進行發電，並將水排回該中河段93，接著該中河段93的水再流入該下河段94；設置於該下山坡段84的該等水力發電設備6，會透過該下河段94的水來進行發電，並將水排回該下河段94。
一般來說，該上河段92的流量較小，因此僅於該上山坡段82設置一個該水力發電設備6；該中河段93的流量通常較該上河段92大，所以於該中山坡段83設置有兩個該水力發電設備6，來分散該中河段93的流量，該下河段94的流量又比該中河段93大，所以於該下山坡段84設置有兩個該水力發電設備6，且其中一個水力發電設備6為有分流構造的第二實施例，來增加流量。
透過上述設計，可根據該山坡地8的坡度變化來分段架設該等水力發電設備6，並根據該河川9的流量變化來設計該等水力發電設備6的態樣及數量，藉此能夠沿著該河川9完整地利用該山坡地8的坡度與高低落差來進行發電，由於河川9除了主河道外，又可分為大、中、小型支流，如此則可由單一線狀主河道分成大、中、小型支流的網狀分布，使該等水力發電設備6的分佈由原先的單一線狀演變成區域面狀的水力發電資源開發。
需要說明的是，該山坡地8的該等山坡段82、83、84的數量亦可為二或四以上，而該河川9的該等河段92、93、94亦可對應為二或四以上。該等水力發電設備6的數量亦可為二、三、四或六以上，並根據該等山坡段82、83、84的坡度及該等河段92、93、94的流量來決定分別設置於該等山坡段82、83、84的數量，不以本實施例的設置方式為限。
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‧‧‧攔砂壩
2‧‧‧引水管
21‧‧‧沉砂池
211‧‧‧沉砂空間
212‧‧‧進水口
213‧‧‧出水口
22‧‧‧引水通道
221‧‧‧上引水段
222‧‧‧下引水段
23‧‧‧高處部
24‧‧‧低處部
3‧‧‧發電裝置
31‧‧‧外軸管
32‧‧‧轉動單元
321‧‧‧轉軸
322‧‧‧水輪機葉片
33‧‧‧發電單元
4‧‧‧平壓塔
5‧‧‧尾水渠道
6‧‧‧水力發電設備
7‧‧‧水庫
8‧‧‧山坡地
81‧‧‧山坡段
811‧‧‧坡頂部
812‧‧‧坡底部
82‧‧‧上山坡段
83‧‧‧中山坡段
84‧‧‧下山坡段
9‧‧‧河川
91‧‧‧河段
911‧‧‧上游端
912‧‧‧下游端
92‧‧‧上河段
93‧‧‧中河段
94‧‧‧下河段
L‧‧‧軸線
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是一個剖視示意圖，說明本發明水力發電設備的第一實施例設置於一個山坡段； 圖2是一個俯視示意圖，說明該實施例； 圖3是一個俯視示意圖，說明本發明水力發電設備的第二實施例； 圖4是一個剖視示意圖，說明本發明的水力發電設備數個成一組地設置於一個山坡地；及 圖5是一個俯視示意圖，說明該等水力發電設備設置於該山坡地。
1‧‧‧攔砂壩
2‧‧‧引水管
21‧‧‧沉砂池
211‧‧‧沉砂空間
212‧‧‧進水口
213‧‧‧出水口
22‧‧‧引水通道
221‧‧‧上引段
222‧‧‧下引段
23‧‧‧高處部
32‧‧‧轉動單元
321‧‧‧轉軸
322‧‧‧水輪機葉片
33‧‧‧發電單元
4‧‧‧平壓塔
5‧‧‧尾水渠道
81‧‧‧山坡段
811‧‧‧坡頂部
812‧‧‧坡底部
91‧‧‧河段
24‧‧‧低處部
3‧‧‧發電裝置
31‧‧‧外軸管
911‧‧‧上游端
912‧‧‧下游端
L‧‧‧軸線

Claims (8)

  1. 一種水力發電設備，建構於一個山坡段，並透過一個河段來進行發電，該山坡段包括一個位於頂端的坡頂部，及一個位於底端的坡底部，該水力發電設備包含： 一個攔砂壩，設置於該坡頂部以蓄積該河段的水； 一個發電裝置，設置於該坡底部，並包括一個可被水帶動而轉動的轉動單元，及一個能被該轉動單元帶動而產生電能的發電單元； 一個引水管，由該攔砂壩往該發電裝置延伸連接，並具有一個鄰近該攔砂壩的高處部、一個鄰近該發電裝置且高度低於該高處部的低處部，及至少一個可供水由該高處部往該低處部流動而將水的位能轉換成動能的引水通道；及 一個平壓塔，由該引水管向上直立延伸，且可供該引水通道的水向上流。
  2. 如請求項1所述的水力發電設備，還包含一個設置於該引水管的沉砂池，該沉砂池圍繞界定出一個與該引水通道相連通的沉砂空間。
  3. 如請求項2所述的水力發電設備，其中，該引水管具有一個連通該攔砂壩與該沉砂空間的上引水段，及一個連通該沉砂空間與該發電裝置的下引水段，該沉砂空間具有一個連通該上引水段的進水口，及一個連通該下引水段的出水口，該沉砂空間的截面積大於該進水口與該出水口的截面積，且底部低於該進水口與該出水口。
  4. 如請求項3所述的水力發電設備，其中，該沉砂池鄰近於該高處部，該平壓塔鄰近於該低處部。
  5. 如請求項4所述的水力發電設備，其中，該引水管包括兩個引水通道。
  6. 如請求項4所述的水力發電設備，其中，該引水管埋入該山坡段中。
  7. 如請求項4所述的水力發電設備，其中，該發電裝置還包括一個連接該引水管且沿一條軸線上下延伸的外軸管，該轉動單元設置於該外軸管內，並包括沿該軸線長向延伸的轉軸，及一個同軸設置於該轉軸且可被水驅動而連動該轉軸往一個轉動方向轉動的水輪機葉片，該發電單元設置於該轉軸的頂端，並能將該轉軸轉動的動能轉換為電能。
  8. 如請求項7所述的水力發電設備，該河段由該坡頂部往該坡底部流動，並具有一個位於該坡頂部的上游端，及一個位於該坡底部的下游端，其中，該水力發電設備還包含一個由該外軸管往該河段之下游端延伸以將該外軸管內的水導引至該河段的尾水渠道。
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