TWI521137B - 利用地熱蒸氣進行循環之重力發電裝置 - Google Patents

Description

利用地熱蒸氣進行循環之重力發電裝置

本發明是有關於一種發電裝置，特別是指一種利用地熱蒸氣進行循環之重力發電裝置。

隨著科技之進步與人口之增加，因過度使用化石能源，使得能源消耗量日益劇增，不僅大量排放二氧化碳導致溫室效應，更造成全球氣候變化異常。因此，解決能源缺乏問題與減少溫室氣體排放，以成為各國政府之重要課題，亦是人類得以永續地生活必須改變的當務之急。

其中，解決能源缺乏問題，除了開發再生能源外，如太陽能、風力，及水力發電等之自然能源的應用也是為一大重點，近年來隨著能源轉換技術之提高，業界開始研發有關廢熱能回收再利用之相關技術，使能源缺乏問題出現一道新曙光。

所謂的「地熱能源」是源自地殼內部的天然熱能，這種能量來自地球內部的熔岩，在地殼破裂的地方也就是板塊構造邊緣，由於地殼板塊互撞或裂漲造成火山活動，導致區域性地溫升高，大量熱能傳到淺部，可供我們開發利用，由於地球內部的地熱經由這些地區傳至地表，其熱量巨大無比，蘊藏量非常豐富，因此，便有利用地熱或該噴發蒸汽作為發電能量的發電方式，目前的技術已能對這種集中在地殼淺部的地熱能源，予以開發利用，在各種新替代能源中，地熱已被大量開發利用。將來如果技術更進步 ，可開發較深的地熱時，則熱能源源不絕，故地熱能源常被稱為永不枯竭的資源。

參閱圖1，為中華民國新型第M399911號專利「重力發電裝置」，該專利案為本案發明人之先前申請案，揭露一種運用自然能源發電的裝置，該重力發電裝置包含一發電單元11、一第一重力單元12，以及一第二重力單元13。該發電單元11包括一發電機111，以及一能連動該發電機111發電的轉軸112，該第一重力單元12包括一連接於該轉軸112上的第一纜繩121、一連接於該第一纜繩121另一端的第一箱體122，該第二重力單元13包括一連接於該轉軸112上的第二纜繩131、一連接於該第二纜繩131另一端的第二箱體132。

藉由該第一重力單元12與該第二重力單元13的設計，並利用交互注水、洩水的方式，使該第一箱體122與該第二箱體132的整體重量改變並能上下移動，進而使該第一重力單元12能相對於該第二重力單元13在一第一發電位置與一第二發電位置之間移動，並藉此帶動該發電單元11的轉軸112轉動而能連動發電機111發電，因此能將位能轉換為電能，以達到環保的需求。習知所揭露之重力發電裝置是適用於設置在海上、河邊，或是瀑布旁等具有位能差的自然環境之水力來發電，有鑒於此，本案發明人更悉心研究其它可利用自然之環保能源發電，相較於水力設置於地面上的不穩定性，地熱能屬於為較可靠的自然能源，目前已知的地熱發電是運用地熱之蒸氣推動發電機的俥 葉轉動，以達到發電之目的，而若欠缺良好的熱交換技術，將無法有效利用以取得發電能源，一般的地熱井容易釋放硫化氫和二化硫等造成環境的污染及危害人體健康的有毒氣體，且地熱蒸氣中含較高的礦物質，容易累積阻塞管路，且其成分會使發電機俥葉產生凝垢，使俥葉轉動變慢、或甚至無法再轉動，會造成發電效率降低，此時就需更換新的發電機，所以實用性與成本確實難以大量推廣。有鑑於此，有必要提供一種可將地熱能量有效利用，以解決能源危機問題之設計。

因此，本發明之目的，即在提供一種利用地熱蒸氣進行循環之重力發電裝置，包含一地熱井、一封蓋、一發電單元、一導管單元，及一冷凝單元。

該地熱井設置於地面下方，該封蓋設置於該地熱井上，包括二設置於該封蓋上之穿孔。該發電單元設置於地面，包括一發電機、一能連動該發電機發電的轉軸、一連接於該轉軸上的第一纜繩、一連接於該第一纜繩另一端的第一箱體、一相對連接於該轉軸另一側上的第二纜繩，及一連接於該第二纜繩另一端的第二箱體，且該第一、二纜繩是分別穿過該封蓋上之二穿孔。該導管單元包括一設置於該地熱井中用以導引地熱蒸氣之主管、一設置於該主管上之控制閥、一連接該主管之第一分管，及一連接該主管之第二分管，該控制閥可控制啟閉該第一、二分管，且該第一分管對應設置於該第一箱體上，該第二分管對應設置於該第二箱體上。該冷凝單 元設置於該導管單元上，用以冷凝該主管所導引之地熱蒸氣而變成水，再經由該第一、二分管輸出至該第一、二箱體中。

本發明之有益功效在於，藉由該導管單元之主管所導引之地熱蒸氣，經由該冷凝單元將該地熱蒸氣變成水，再經由該第一、二分管輸出至該第一、二箱體中進行交互注水、洩水的動作，使該第一、二箱體的整體重量改變並上下移動，藉此帶動該發電單元的轉軸轉動而能連動該發電單元的發電機發電，以將位能轉換為電能，達到自然能源發電的目的。

有關本發明之相關申請專利特色與技術內容，在以下配合參考圖式之三個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。

在進行詳細說明之前，應注意的是，類似的元件是以相同的元件編號來表示。

參閱圖2、3，及4，為本發明利用地熱蒸氣進行循環之重力發電裝置之第一較佳實施例，該利用地熱蒸氣進行循環之重力發電裝置包含一地熱井2、一封蓋3、一發電單元4、一導管單元5、一冷凝單元6，及一蓄電單元7。

在該第一較佳實施例中，該地熱井2是設置於具有地熱之區域，由地面向下鑽井約2000~3000公尺左右深度，該封蓋3是蓋設於該地熱井2上方，且該封蓋3上設置有二個穿孔31，值得一提的是，該封蓋3是使用水泥材質將該地熱井2封閉，以避免該地熱井2內之地熱蒸氣釋放出 環境污染及危害人體健康的有毒氣體。

該發電單元4設置於地面，包括一發電機41、一能連動該發電機41發電的轉軸42、一連接於該轉軸42上的第一纜繩43、一連接於該第一纜繩43另一端的第一箱體44、一相對連接於該轉軸42另一側上的第二纜繩45，及一連接於該第二纜繩45另一端的第二箱體46，且該第一纜繩43與該第二纜繩45是分別穿過該封蓋3上之二穿孔31並與該第一、二箱體44、46固定。

在此應注意的是，連接於該轉軸42之第一纜繩43與該第二纜繩45的長度實質上是相等長的，且該轉軸42受該發電機41連動時，該第一纜繩43與該第二纜繩45是反相纏繞於該轉軸42上的，且該第一、二箱體44、46是由耐高溫之材質所製成。

該第一箱體44包括一形成於該第一箱體44上的第一頂部開口441、一形成於該第一箱體44上的第一出水口442、一用以控制該第一出水口442啟閉的第一開關443，及一設置於該第一開關443上以控制該第一開關443作動的第一定時器444。

該第二箱體46同樣包括一形成於該第二箱體46上的第二頂部開口461、一形成於該第二箱體46上的第二出水口462、一用以控制該第二出水口462啟閉的第二開關463，及一設置於該第二開關463上以控制該第二開關463作動的第二定時器464。

由於該第一開關443與該第二開關463為電磁閥，且 該第一定時器444與該第二定時器464是可控制第一、二開關443、463作動的電子元件，因此利用時間自動控制的方式使該第一、二開關443、463控制該第一、二出水口442、462啟閉，得以確保運作的穩定性。

在該第一較佳實施例中，是裝設一台發電機41與一個可轉動且水平地穿設於該發電機41以連動該發電機41發電的轉軸42，實際實施時，亦可以裝設兩台發電機41於該轉軸42之兩側，不應侷限於該第一較佳實施例中所揭露。

該導管單元5包括一設置於該地熱井2中用以導引該地熱蒸氣之主管51、一設置於該主管51上之控制閥52、一連接該主管51之第一分管53，及一連接該主管51之第二分管54，該控制閥52可控制啟閉該第一分管53與該第二分管54，且該第一分管53是對應設置於該第一箱體44上方，該第二分管54是對應設置於該第二箱體46上方。

值得一提的是，該第一分管53與該第二分管54是受該控制閥52之控制而啟閉，在該第一分管53開啟時，該第二分管54就關閉，在該第二分管54開啟時，該第一分管53就關閉。

該冷凝單元6設置於該導管單元5上，用以冷卻凝結該主管51所導引之地熱蒸氣，以將蒸氣凝結成水，再經由該導管單元5之第一分管53與該第二分管54，分別通過該第一頂部開口441與該第二頂部開口461，而注入該第一箱體44與該第二箱體46。其中，該冷凝單元6包括一設置於該導管單元5上的散熱器61。在該第一較佳實施例 中，該散熱器61可以是以散熱鰭片形式呈現或是水冷等散熱型態。

該蓄電單元7是設置地面上且與該發電單元4電性連接，用以儲存該發電單元4之發電機41所發出之電力，而該蓄電單元7所儲存之電力可轉換為穩定功率的電流輸出並廣泛地運用在工業、農業、商業及家庭等途徑上。

依據上述硬體架構，實際實施本案時，地熱蒸氣經由該主管51所導引並經冷凝之後變成水，這些水會順著該主管51進入該第一、二分管53、54中。此時，藉由該控制閥52控制該第一分管53與該第二分管54之啟閉，即可令這些水分別注入該第一、二箱體44、46中，利用該第一、二箱體44、46注水重量的時間差，就可以使該第一箱體44能相對於該第二箱體46在一第一發電位置與一第二發電位置之間移動，亦即該第一、二箱體44、46上下移動的態樣。

在該第一發電位置時，該第一箱體44含水的總重量大於該第二箱體46的重量，此時該第一箱體44會向下降並拉動該第一纜繩43連動該轉軸42轉動開始發電，進而使該第二箱體46位於該第一箱體44的相對上方，且該第二纜繩45捲繞於該轉軸42上。

當該第一箱體44上之第一定時器444到達設定之開啟時間，該第一定時器444作動該第一開關443以控制該第一出水口442開啟，使盛裝於該第一箱體44內的水，由該第一出水口442向外流出，而該第一定時器444到達設定 之關閉時間時，即作動該第一開關443控制該第一出水口442關閉，接著該控制閥52開啟該第二分管54以將水由該第二頂部開口461注入該第二箱體46內。

在該第二發電位置時，該第二箱體46含水的總重量大於該第一箱體44的重量，此時該第二箱體46會向下降並拉動該第二纜繩45連動該轉軸42轉動再度開始發電，進而使該第一箱體44上升位於該第二箱體46的相對上方，且該第一纜繩43捲繞於該轉軸42上。

當該第二箱體46上之第二定時器464到達設定之開啟時間，該第二定時器464作動該第二開關463以控制該第二出水口462開啟，使盛裝於該第二箱體46內的水由該第二出水口462向外流出，而該第二定時器464到達設定之關閉時間，即作動該第二開關463控制該第二出水口462關閉，接著該控制閥52開啟該第一分管53以將水由該第一頂部開口441注入該第一箱體44內。

藉由交錯地洩水、注水，使該第一、二箱體44、46能持續地在該第一發電位置與該第二發電位置間往復移動，進而使該轉軸42能持續地往復轉動，並同時連動該發電機41發電，藉此將地熱蒸氣轉化為水的位能再轉換為電能，以達到自然能源發電的需求。

在該第一較佳實施例中，該第一箱體44與該第二箱體46可以是具容納一公噸水的箱體，藉由該第一、二箱體44、46下沉時的重力加速度，還可以提高瞬間發電量以進一步增加發電效率。

參閱圖5、6，為本發明利用地熱蒸氣進行循環之重力發電裝置之第二較佳實施例，該第二較佳實施例與該第一較佳實施例大致相同，相同之處於此不再贅述，不同之處在於，該第一箱體44包括一形成於該第一箱體44上而能將水排出外界的第一洩水口445、一能封閉該第一洩水口445的第一止水件446，及一用以控制該第一止水件446以封閉該第一洩水口445的第一控制件447。且該第二箱體46包括一形成於該第二箱體46上而能將水排出外界的第二洩水口465、一能封閉該第二洩水口465的第二止水件466，及一用以控制該第二止水件466以封閉該第二洩水口465的第二控制件467。

特別說明的是，該第一洩水口445、該第二洩水口465、該第一止水件446、該第二止水件466、該第一控制件447，及該第二控制件467，之設置態樣可以有多種變化，目地是為了洩出該第一箱體44與該第二箱體46內所容裝的水，且控制該第一洩水口445、該第二洩水口465啟閉用，不應侷限於該第二較佳實施例中所揭露。

參閱圖7，為本發明利用地熱蒸氣進行循環之重力發電裝置之第三較佳實施例，該第三較佳實施例與該第一較佳實施例大致相同，相同之處於此不再贅述，不同之處在於，該發電單元4更包括二設置於該地熱井2中的轉向滑輪47及一用以停止該第一、二箱體44、46滑落之剎車件48，該第一、二纜繩43、45是經由該二轉向滑輪47連接該第一、二箱體44、46。在該第三較佳實施例中，該剎車件 48是設置於該轉軸42上，當該轉軸42的轉動速度大於預設速度時，該剎車件48便開始作動輸出反向作用力使該轉軸42之轉速變慢，該第一、二箱體44、46之滑落速度亦會相對變慢，提供該第一、二箱體44、46下沖時的緩衝能力，避免整體裝置因作用力過大而受損，由於該剎車件48之實施形式有很多種，數量也可以不限於一個，不應以該第三較佳實施例中所揭露為限。

該主管51穿過該封蓋3以連通該地熱井2，藉由該主管51直接將該地熱井2內之地熱蒸氣導引至該冷凝單元6，以冷卻凝結該主管51所導引之地熱蒸氣，當地熱蒸氣凝結成水之後，再經由該導管單元5之控制閥52控制該第一分管53與該第二分管54，分別通過該第一頂部開口441與該第二頂部開口461，而注入該第一箱體44與該第二箱體46。

該發電機41設置於地面靠近該封蓋3處，該第一、二纜繩43、45是穿過該封蓋3之穿孔31，再經由該二轉向滑輪47連接該第一、二箱體44、46，故該發電機41能具有多種的設置態樣。由於該地熱井2中的壓力會使地熱蒸氣直接衝到該地熱井2的頂端，並經由該封蓋3進入該主管51中，該第三較佳實施例是相對於該第一較佳實施例，提供另一種利用該主管51於該地熱井2中導引地熱蒸氣的設置態樣。

地熱之蘊藏量及其發電潛力為學界公認，無庸置疑，且地熱與地球同壽，幾無耗竭之虞。傳統地熱發電是利用 地熱蒸氣上衝的力量使俥葉轉動發電，其發電能力有限，本發明利用地熱蒸氣變成水之後再以其重力進行發電的方式，可以最大化機械設計該轉軸42發電，每次該轉軸42轉動所發出的電量絕對遠遠大於習知的俥葉發電，更何況進行重力發電時，由於重力加速度而使該轉軸42快速轉動，其所發出的瞬間發電量還會爆增，發電潛力不容小覷。

綜上所述，本發明之利用地熱蒸氣進行循環之重力發電裝置藉以在該地熱井2中，設置該第一箱體44與該第二箱體46，並藉由該導管單元5之主管51所導引的地熱蒸氣，送至該冷凝單元6使該地熱蒸氣變成水，再經由該第一分管53與該第二分管54分別輸出至該第一箱體44與該第二箱體46中，利用交互注水、洩水的方式，使該第一箱體44能相對於該第二箱體46持續地在該第一發電位置與該第二發電位置間往復移動，進而使該轉軸42能往復轉動，並同時連動該發電機41發電，藉此能將位能轉換為電能，如此有效地利用大自然的能源發電，且不會釋放出危害人體健康與造成環境污的有毒物質，故確實可以達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之三個較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明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。

2‧‧‧地熱井

3‧‧‧封蓋

31‧‧‧穿孔

4‧‧‧發電單元

41‧‧‧發電機

42‧‧‧轉軸

43‧‧‧第一纜繩

44‧‧‧第一箱體

441‧‧‧第一頂部開口

442‧‧‧第一出水口

443‧‧‧第一開關

444‧‧‧第一定時器

445‧‧‧第一洩水口

446‧‧‧第一止水件

447‧‧‧第一控制件

45‧‧‧第二纜繩

46‧‧‧第二箱體

461‧‧‧第二頂部開口

462‧‧‧第二出水口

463‧‧‧第二開關

464‧‧‧第二定時器

465‧‧‧第二洩水口

466‧‧‧第二止水件

467‧‧‧第二控制件

47‧‧‧轉向滑輪

48‧‧‧剎車件

5‧‧‧導管單元

51‧‧‧主管

52‧‧‧控制閥

53‧‧‧第一分管

54‧‧‧第二分管

6‧‧‧冷凝單元

61‧‧‧散熱器

7‧‧‧蓄電單元

圖1是一局部剖視示意圖，說明習知台灣新型第M399911號專利一種重力發電裝置；圖2是一局部剖視示意圖，說明本發明利用地熱蒸氣進行循環之重力發電裝置之第一較佳實施例；圖3是一局部放大示意圖，說明該第一較佳實施例中一第一箱體之態樣；圖4是一局部放大示意圖，說明該第一較佳實施例中一第二箱體之態樣；圖5是一局部放大示意圖，說明本發明之第二較佳實施例中該第一箱體之態樣；圖6是一局部放大示意圖，說明該第二較佳實施例中該第二箱體之態樣；及圖7是一局部剖視示意圖，說明本發明之第三較佳實施例。

2‧‧‧地熱井

3‧‧‧封蓋

31‧‧‧穿孔

4‧‧‧發電單元

41‧‧‧發電機

42‧‧‧轉軸

43‧‧‧第一纜繩

44‧‧‧第一箱體

45‧‧‧第二纜繩

46‧‧‧第二箱體

5‧‧‧導管單元

51‧‧‧主管

52‧‧‧控制閥

53‧‧‧第一分管

54‧‧‧第二分管

6‧‧‧冷凝單元

61‧‧‧散熱器

7‧‧‧蓄電單元

Claims (10)

1. 一種利用地熱蒸氣進行循環之重力發電裝置，包含：一設置於地面下方之地熱井；一設置於該地熱井上之封蓋；一發電單元，設置於地面，包括一發電機、一能連動該發電機發電的轉軸、一連接於該轉軸上的第一纜繩、一連接於該第一纜繩另一端的第一箱體、一相對連接於該轉軸另一側上的第二纜繩，及一連接於該第二纜繩另一端的第二箱體；一導管單元，包括一設置於該地熱井中用以導引該地熱蒸氣之主管、一設置於該主管上之控制閥、一連接該主管之第一分管，及一連接該主管之第二分管，該控制閥可控制啟閉該第一、二分管，且該第一分管對應設置於該第一箱體上，該第二分管對應設置於該第二箱體上；及一冷凝單元，設置於該導管單元上，用以冷凝該主管所導引之地熱蒸氣而變成水，再經由該第一、二分管輸出至該第一、二箱體中；該第一箱體能相對於該第二箱體在一第一發電位置與一第二發電位置之間移動，在該第一發電位置時，該第一箱體位於該地熱井中的上方並承接該第一分管的水，該第二箱體位於該地熱井中的下方並排除所盛裝的水，以使該第一箱體的總重量大於該第二箱體的重量，該第一箱體藉由重力下降並帶動該轉軸轉動而使該第二箱 體上升，在該第二發電位置時，該第二箱體位於該地熱井中的上方並承接該第二分管的水，該第一箱體位於該地熱井中的下方並排除所盛裝的水，以使該第二箱體的總重量大於該第一箱體的重量，該第二箱體藉由重力下降並帶動該轉軸轉動而使該第一箱體上升，藉由交錯地洩水、注水，使該第一、二箱體能持續地在該第一發電位置與該第二發電位置間往復移動。
2. 依據申請專利範圍第1項所述之利用地熱蒸氣進行循環之重力發電裝置，其中，在該第一分管注水時，該第二分管就停止注水，在該第二分管注水時，該第一分管就停止注水。
3. 依據申請專利範圍第1項所述之利用地熱蒸氣進行循環之重力發電裝置，其中，該第一箱體包括一形成於該第一箱體上的第一頂部開口、一形成於該第一箱體上的第一出水口，及一用以控制該第一出水口啟閉的第一開關，該第二箱體包括一形成於該第二箱體上的第二頂部開口、一形成於該第二箱體上的第二出水口，及一用以控制該第二出水口啟閉的第二開關。
4. 依據申請專利範圍第3項所述之利用地熱蒸氣進行循環之重力發電裝置，其中，該第一箱體更包括一設置於該第一開關上以控制該第一開關作動的第一定時器，該第二箱體更包括一設置於該第二開關上以控制該第二開關作動的第二定時器。
5. 依據申請專利範圍第1項所述之利用地熱蒸氣進行循環 之重力發電裝置，其中，該第一箱體包括一形成於該第一箱體上的第一頂部開口、一形成於該第一箱體上而能將水排出外界的第一洩水口、一能封閉該第一洩水口的第一止水件，及一用以控制該第一止水件以封閉該第一洩水口的第一控制件。
6. 依據申請專利範圍第1項所述之利用地熱蒸氣進行循環之重力發電裝置，其中，該第二箱體包括一形成於該第二箱體上的第二頂部開口、一形成於該第二箱體上而能將水排出外界的第二洩水口、一能封閉該第二洩水口的第二止水件，及一用以控制該第二止水件以封閉該第二洩水口的第二控制件。
7. 依據申請專利範圍第1項所述之利用地熱蒸氣進行循環之重力發電裝置，其中，該發電單元更包括一連動該轉軸之剎車件，當該轉軸之轉動速度大於預設速度時便輸出反向作用力以停止該第一、二箱體滑落。
8. 依據申請專利範圍第1項所述之利用地熱蒸氣進行循環之重力發電裝置，更包含一用以儲存、輸出該發電單元所發出之電力的蓄電單元。
9. 依據申請專利範圍第1項所述之利用地熱蒸氣進行循環之重力發電裝置，其中，該冷凝單元包括一設置於該導管單元上的散熱器。
10. 依據申請專利範圍第1項所述之利用地熱蒸氣進行循環之重力發電裝置，其中，該發電單元更包括二設置於該地熱井中的轉向滑輪，該第一、二纜繩是經由該二轉向 滑輪連接該第一、二箱體。