TWI567296B - 波浪能量擷取裝置 - Google Patents

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顏志偉
陳韋銘
吳孟儒
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    • Y02E10/30—Energy from the sea, e.g. using wave energy or salinity gradient

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Description

波浪能量擷取裝置
本發明係關於一種能量擷取裝置，特別是一種波浪能量擷取裝置。
隨著能源危機與溫室效應的日趨嚴重，發展低成本且可有效利用的再生能源是政府單位迫在眉睫的重要議題。由於台灣四面環海，先天環境適用於波浪發電，故若能善加利用此項天然資源，可望有效舒緩台灣電力供給的壓力。
波浪本身運動模式具有六個自由度，包含縱移(Surge)、橫移(Sway)、起伏(Heave)之平移運動及橫搖(Roll)、縱搖(Pitch)、平擺(Yaw)之旋轉運動。依據前人研究，相較於僅擷取起伏方向的能量，若能同時擷取起伏與縱移兩個維度的波浪能量，將可以提高波浪發電機組之發電量與效率。
本發明在於提供一種波浪能量擷取裝置，透過本身具有回復力的設計解決機構安裝上的限制，與藉由調整質量塊位置的設計改變浮力件的定傾高度(GM)去匹配波浪週期，達到發電轉換效率的提升。
本發明所揭露的波浪能量擷取裝置，包含有一基座、一第一桿件、一第二桿件及一浮力件。第一桿件樞設於基座。第二桿件樞設於第一桿件。浮力件固設於第二桿件。
本發明所揭露的波浪能量擷取裝置，包含有一基座、一第一桿件、一第二桿件、一浮力件及一質心調整件。第一桿件樞設於基座。第二桿件樞設於第一桿件。浮力件固設於第二桿件。質心調整件可活動地設於第一桿件。其中來改變波浪能量擷取裝置的扶正力矩。
根據上述本發明所揭露的波浪能量擷取裝置，透過浮力件及可旋轉之第一桿件與第二桿件來設定波浪能量擷取裝置的扶正力矩，使波浪能量擷取裝置的扶正力矩能夠匹配於波浪的周期，以提升出波浪能量擷取裝置的擷取寬度比(正比於發電效率)。
以上關於本發明內容的說明及以下實施方式的說明係用以示範與解釋本發明的原理，並且提供本發明的專利申請範圍更進一步的解釋。
10‧‧‧波浪能量擷取裝置
100‧‧‧基座
200‧‧‧第一桿件
210‧‧‧樞接段
220‧‧‧第一延伸段
230‧‧‧第二延伸段
300‧‧‧第二桿件
310‧‧‧樞接端
320‧‧‧連接端
400‧‧‧浮力件
500‧‧‧扶正力矩調整件
550‧‧‧第一驅動馬達
560‧‧‧第一螺桿
600‧‧‧重塊
700‧‧‧質心調整件
750‧‧‧第二驅動馬達
760‧‧‧第二螺桿
800‧‧‧視重調整件
810‧‧‧本體
811‧‧‧開口
820‧‧‧擋板
第1圖為根據本發明第一實施例所述之波浪能量擷取裝置的立體示意圖。
第2圖為第1圖之側視示意圖。
第3圖為不同扶正力矩下，波浪之周期與波浪能量擷取裝置之擷取寬度比的關係示意圖。
第4圖與第5圖為第1圖之波浪能量擷取裝置的運作示意圖。
第6圖為根據本發明第二實施例所述之波浪能量擷取裝置的立體示意圖。
第7圖為第6圖之側視示意圖。
第8圖為波浪之周期與波浪能量擷取裝置之擷取寬度比的關係示意圖。
第9圖為根據本發明第三實施例所述之波浪能量擷取裝置之視重調整件打開的立體示意圖。
第10圖為第9圖之視重調整件關閉的立體示意圖。
請參閱第1圖至第2圖。第1圖為根據本發明第一實施例所述之波浪能量擷取裝置的立體示意圖。第2圖為第1圖之側視示意圖。
本實施例之波浪能量擷取裝置10適於耦接一發電裝置(未繪示)，以透過波浪能量擷取裝置10的作動來驅使發電裝置產生電能。詳細來說，波浪能量擷取裝置10包含一基座100、一第一桿件200、一第二桿件300、一浮力件400、一扶正力矩調整件500及一重塊600。波浪能量擷取裝置10更包含一第一驅動馬達550及一第一螺桿560。
基座100可漂浮於海面上或是固定於岸邊。
第一桿件200之一端樞設於基座100。
第二桿件300具有相對的一樞接端310及一連接端320。第二桿件300之樞接端310樞設於第一桿件200遠離基座100之一端。此外，第一桿件200與第二桿件300的長度比值(D1/D2)介於0.5與1.5之間。
浮力件400固設於第二桿件300，且浮力件400之中心至第二桿件300之樞接端310保持一第一距離D3。浮力件400之中心至第二桿件300之連接端320保持一第二距離D4，第一距離D3與第二距離D4間的比例為2比3。第一桿件200的運動自由度及第二桿件300之運動自由度使浮力件400可相對於基座100沿圓形或橢圓形的軌跡運動，而非沿曲線來回擺動。此外，在本實施例中，浮力件400之外形例如為直筒狀。
值得注意的是，上述第一距離D3與第二距離D4間的比例為2比3係利用力平衡公式推導，作為設計的初步依據，但實際上因浮力件400切 水面積不同，此值將會進行調整。換言之，只要第一桿件200、第二桿件300及浮力件400之GM(定傾中心高度)>0即可。因此，上述第一距離D3與第二距離D4間的比例並不限於2比3。
扶正力矩調整件500例如為一鐵塊，並可滑動地設於第二桿件300。
第一驅動馬達550設於第二桿件300。第一螺桿560連接第一驅動馬達550之輸出軸並螺合於扶正力矩調整件500。第一驅動馬達550可驅動第一螺桿560轉動而令扶正力矩調整件500相對第二桿件300滑動，使扶正力矩調整件500可沿第一螺桿560的延伸方向朝樞接端310或連接端320滑移。藉此，來調整扶正力矩調整件500之重心與浮力件400之浮心間的距離而令波浪能量擷取裝置10之扶正力矩匹配於波浪之周期。
在本實施例中，扶正力矩為定傾中心高度(GM)的函數，其中定傾中心高度與波浪能量擷取裝置10之重心至浮心距離(GB)、浮力件400的面積二次矩(I)及浮力件400的排水體積(V)有關，其關係式為。當定傾中心高度(GM)大於零時，浮力件400與扶正力矩調整件500會提供縱移與起伏雙向的回復力矩來驅使浮力件400相對於基座100沿圓形或橢圓形的軌跡運動，並令第二桿件300相對第一桿件200反復擺動。
扶正力矩的大小亦會影響波浪能量擷取裝置10的發電效率。詳細來說，請參閱第3圖。第3圖為不同扶正力矩下，波浪之周期與波浪能量擷取裝置之擷取寬度比的關係示意圖。
第3圖中透過模型相似理論進行比尺縮放進行數值模擬呈現一第一效能曲線、一第二效能曲線及一第三效能曲線，這三條效能曲線分別對應 不同扶正力矩。其中，第一效能曲線對應的扶正力矩小於第二效能曲線對應的扶正力矩小於第三效能曲線對應的扶正力矩。從第4圖中可知，當縮小比尺之波浪周期(T)約小於1.7秒時，第一效能曲線優於其他條效能曲線，其最佳擷取寬度比(正比於發電效率)約為0.48。也就是說，波浪周期(T)小於1.7秒時，扶正力矩越小越佳。當波浪周期(T)約大於1.7秒時，第三效能曲線優於其他條效能曲線。也就是說，波浪周期(T)大於1.7秒時，扶正力矩越大越佳。因此，波浪能量擷取裝置10在設計上與使用上，需對應波浪周期(T)來調整波浪能量擷取裝置10的扶正力矩，以對應裝置10的最佳波浪能量擷取效率。
重塊600固定於第二桿件300之連接端320，用以調整波浪能量擷取裝置10的扶正力矩。
接著，描述波浪能量擷取裝置10的實際運用情形。請參閱第4圖至第5圖。第4圖與第5圖為第1圖之波浪能量擷取裝置的運作示意圖。
舉例來說，如第4圖與第5圖所示，基座100安裝於岸邊陸地，且浮力件400自然垂放於海面。由於本實施例之波浪能量擷取裝置10係採雙旋轉桿形式，使浮力件400具有較大的運動空間。因此，當浮力件400受到波浪之起伏與縱移的外力作用時可沿圓形或橢圓形軌跡位移，並令第二桿件300相對第一桿件200反復運動。值得注意的是，波浪能量擷取裝置10可耦接一發電裝置(未繪示)，以透過第二桿件300的旋轉運動來驅使發電裝置產生電能。詳細來說，第二桿件300與發電裝置間例如可透過傘齒輪組(未繪示)與連接桿(未繪示)的搭配來傳動，以透過第二桿件300的旋轉運動來帶動發電裝置之輸入軸(未繪示)轉動。
請參閱第6圖與第7圖。第6圖為根據本發明第二實施例所述 之波浪能量擷取裝置的立體示意圖。第7圖為第6圖之側視示意圖。本實施例與上述第1圖相似，故僅針對相異處進行說明。
本實施例之第一桿件200包含一樞接段210、一第一延伸段220及一第二延伸段230。第一延伸段220與第二延伸段230自樞接段210朝相反方向延伸。樞接段210樞設於基座100。第二桿件300樞設於第一延伸段220遠離樞接段210之一端。
波浪能量擷取裝置10更包含一質心調整件700、一第二驅動馬達750及一第二螺桿760。
本實施例之質心調整件700可滑動地設於第一桿件200之第二延伸段230。但並不以此為限，在其他實施例中，質心調整件700可滑動地設於第一桿件200之第一延伸段220。
第二驅動馬達750設於第二延伸段230。第二螺桿760連接第二驅動馬達750並螺合於質心調整件700。第二驅動馬達750可驅動第二螺桿760轉動而令質心調整件700相對第二延伸段230滑動，進而調整波浪能量擷取裝置10的質心。
波浪能量擷取裝置的質心改變對浪能量擷取裝置之發電效率的影響請參閱第8圖。第8圖為波浪之周期與波浪能量擷取裝置之擷取寬度比的關係示意圖。
第8圖的模擬結果係在扶正力矩最佳化的前提下，再增加質心調整件700的效果所呈現出之波浪之周期與波浪能量擷取裝置10之擷取寬度比的關係示意圖。其中，扶正力矩最佳化是指先依據上述第3圖之關係示意圖將波浪能量擷取裝置10之擷取寬度比與波浪的周期兩個數據來調整波浪能量擷取 裝置10的最佳扶正力矩。接著，第8圖係以質心調整件700的重量為30公斤且質心調整件700至第一桿件200與基座100的樞接點的距離D5為60公分為例進行縮小比尺模擬。從模擬結果來看，增設質心調整件700來改變波浪能量擷取裝置10之質心可讓波浪能量擷取裝置10之擷取寬度比(正比於發電效率)達0.64。
值得注意的是，上述波浪能量擷取裝置10同時具有扶正力矩調整件500與質心調整件700，但並不以此為限，在其他實施例中，也可以僅具有質心調整件700。
請參閱第9圖與第10圖。第9圖為根據本發明第三實施例所述之波浪能量擷取裝置之視重調整件打開的立體示意圖。第10圖為第9圖之視重調整件關閉的立體示意圖。
本實施例與上述第6圖的差異在於，本實施例用一視重調整件800取代上述實施例中的質心調整件700。視重調整件800包含一本體810及多個擋板820。本體810懸掛於第二延伸段230。本體810具有一開口811。些擋板820可活動地設於本體810而可封閉或露出開口811，並透過開口811的大小來模擬質心調整件700的質心調整效果。詳細來說，實際使用時，視重調整件800會置於海裡，當開口811變大，則海水的阻力減小，使得第一桿件200的轉動速度變快。當開口811變小，則海水的阻力增大，使得第一桿件200的轉動速度變慢，進而藉由開口811變化所造成的阻力變化來模擬質心調整件700位置變化所產生的效果。
值得注意的是，上述波浪能量擷取裝置10同時具有扶正力矩調整件500與視重調整件800，但並不以此為限，在其他實施例中，也可以僅具有 視重調整件800。
根據上述本發明所揭露的波浪能量擷取裝置，透過可相對第二桿件滑動的扶正力矩調整件來調整波浪能量擷取裝置的扶正力矩，使波浪能量擷取裝置的扶正力矩能夠匹配於波浪的周期，以提升出波浪能量擷取裝置的擷取寬度比(正比於發電效率)。
此外，波浪能量擷取裝置可透過可相對第一桿件滑動的質心調整件來調整波浪能量擷取裝置的質心位置，進而進一步提升波浪能量擷取裝置的擷取寬度比(正比於發電效率)。
再者，波浪能量擷取裝置可透過視重調整件的開口大小變化來模擬質心調整件位置變化所產生的效果。
雖然本發明的實施例揭露如上所述，然並非用以限定本發明，任何熟習相關技藝者，在不脫離本發明的精神和範圍內，舉凡依本發明申請範圍所述的形狀、構造、特徵及數量當可做些許的變更，因此本發明的專利保護範圍須視本說明書所附的申請專利範圍所界定者為準。
10‧‧‧波浪能量擷取裝置
100‧‧‧基座
200‧‧‧第一桿件
300‧‧‧第二桿件
310‧‧‧樞接端
320‧‧‧連接端
400‧‧‧浮力件
500‧‧‧扶正力矩調整件
550‧‧‧第一驅動馬達
560‧‧‧第一螺桿
600‧‧‧重塊

Claims (10)

  1. 一種波浪能量擷取裝置，包含有：一基座；一第一桿件，樞設於該基座；一第二桿件，該第二桿件具有相對的一樞接端及一連接端，該第二桿件之該樞接端樞設於該第一桿件；一浮力件，固設於該第二桿件；一重塊，該重塊固定於該第二桿件之該連接端；一扶正力矩調整件，該扶正力矩調整件可活動地設於該第二桿件；以及一第一驅動馬達及一第一螺桿，該第一驅動馬達設於該第二桿件，該第一螺桿連接該第一驅動馬達，該扶正力矩調整件螺合於該第一螺桿，該第一驅動馬達可驅動該第一螺桿轉動而令該扶正力矩調整件相對該第二桿件滑動；其中，該第一驅動馬達及該第一螺桿調整該扶正力矩調整件之重心與該浮力件之浮心間的距離而令該波浪能量擷取裝置之扶正力矩匹配於波浪之周期該波浪能量擷取裝置之扶正力矩匹配於波浪之周期。
  2. 如請求項1所述之波浪能量擷取裝置，更包含一質心調整件，可活動地設於該第一桿件。
  3. 如請求項2所述之波浪能量擷取裝置，其中，該第一桿件包含一樞接段、一第一延伸段及一第二延伸段，該第一延伸段與該第二延伸段自該樞接段朝相反方向延伸，該樞接段樞設於該基座，該第二桿件樞設於該第一延伸段，該質心調整件可活動地設於該第二延伸段。
  4. 如請求項3所述之波浪能量擷取裝置，更包含一第二驅動馬達及一第二螺桿，該第二驅動馬達設於該第二延伸段，該第二螺桿連接該第二驅動馬達，該質心調整件螺合於該第二螺桿，該第二驅動馬達可驅動該第二螺桿轉動而令該質心調整件相對該第二延伸段滑動。
  5. 如請求項1所述之波浪能量擷取裝置，更包含一視重調整件，該第一桿件包含一樞接段、一第一延伸段及一第二延伸段，該第一延伸段與該第二延伸段自該樞接段朝相反方向延伸，該樞接段樞設於該基座，該第二桿件樞設於該第一延伸段，該視重調整件包含一本體及多個擋板，該本體懸掛於該第二延伸段，該本體具有一開口，該些擋板可活動地設於該本體而可封閉或露出該開口。
  6. 如請求項1所述之波浪能量擷取裝置，其中，該第一桿件之相對端兩分別樞接於該基座與該第二桿件，該第一桿件與該第二桿件的長度比值介於0.5與1.5之間。
  7. 如請求項1所述之波浪能量擷取裝置，其中，該浮力件之外形為長條狀。
  8. 一種波浪能量擷取裝置，包含有：一基座；一第一桿件，該第一桿件包含一樞接段、一第一延伸段及一第二延伸段，該第一延伸段與該第二延伸段自該樞接段朝相反方向延伸，該樞接段樞設於該基座；一第二桿件，該第二桿件具有相對的一樞接端及一連接端，該第二桿件之該樞接端樞設於該第一桿件之該第一延伸段；一浮力件，固設於該第二桿件； 一質心調整件，可活動地設於該第一桿件之該第二延伸段；以及一重塊，該重塊固定於該第二桿件之該連接端；其中，該波浪能量擷取裝置之扶正力矩匹配於波浪之周期。
  9. 一種波浪能量擷取裝置，包含有：一基座；一第一桿件，樞設於該基座；一第二桿件，該第二桿件具有相對的一樞接端及一連接端，該第二桿件之該樞接端樞設於該第一桿件；一浮力件，固設於該第二桿件；以及一質心調整件，可活動地設於該第一桿件；一重塊，該重塊固定於該第二桿件之該連接端；其中，該波浪能量擷取裝置之扶正力矩匹配於波浪之周期。
  10. 一種波浪能量擷取裝置，包含有：一基座；一第一桿件，該第一桿件包含一樞接段、一第一延伸段及一第二延伸段，該第一延伸段與該第二延伸段自該樞接段朝相反方向延伸，該樞接段樞設於該基座；一第二桿件，該第二桿件具有相對的一樞接端及一連接端，該第二桿件之該樞接端樞設於該第一桿件之該第一延伸段；一浮力件，固設於該第二桿件；以及一視重調整件，該視重調整件包含一本體及多個擋板，該本體懸掛於該第二延伸段，該本體具有一開口，該些擋板可活動地設於該本體而可封閉或 露出該開口；一重塊，該重塊固定於該第二桿件之該連接端；其中，該波浪能量擷取裝置之扶正力矩匹配於波浪之周期。
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