TWI744633B - 具舉升功能之往復式水力發電機構 - Google Patents

Abstract

本發明係提供一種具舉升功能之往復式水力發電機構，其包含：一固定架，其設有滑軌，以架設一往復移動架，往復移動架樞設有葉片，葉片係可受流體之流力產生推力而帶動往復移動架於滑軌呈直線運動，藉以透過萬向接頭傳動於連桿及曲柄旋轉，以驅動發電裝置發電；由於流體經葉片時產生推力，使推進滑桿朝一方向移動，而轉向馬達係可驅動調整葉片之角度，使流體對葉片產生反方向之推回力，如此產生往復循環運動，故可令連桿及曲柄旋轉而帶動發電裝置發電；葉片間可具有較大之空隙，使小型雜物可輕易流過，而不影響滑桿直線運動，且葉片之轉向運動也使雜物不易勾住葉片造成推力減少現象；捲揚機構可轉動往復移動架及固定架，使葉片擺動至水面上，使水中之大型雜物通過，再將葉片擺回流體中而如前述進行發電，此功能亦可用於洪汛水流高漲時期，僅需透過捲揚機構將葉片移離流體，並可防止本發明受洪汛而損壞；藉之，本發明可應用於低水頭之渠道發電，並具有高效率、體積小、不會卡附雜物、防汛及易維修之功效；此外，舉升亦使葉片離開水面，使維護更加容易。

Description

具舉升功能之往復式水力發電機構

本發明係提供一種具舉升功能之往復式水力發電機構，尤指一種藉由葉片係受流體之流力產生推力而帶動往復移動架直線運動，而藉由轉向馬達調整葉片之角度，使流體對葉片產生反方向之推回力，藉以產生往復循環之直線運動，並透過萬向接頭傳動於連桿及曲柄旋轉，藉此反覆，以驅動發電裝置發電者。

按，水力發電（Hydroelectric power）係運用水頭之位能，以於流動時產生動能，藉以推動發電裝置之輪機旋轉，進而帶動發電機發電者。

多數之水力發電，皆係屬大型水力發電，大型水力發電所需發電之條件包含水頭及流量等因素，為因應各條件，故所採用水力發電機之機型包含：衝擊式水輪機、反動式水輪機及反力式水輪機，其中，衝擊式水輪機包含有Pelton、Turgo及Cross Flow等機型，反動式水輪機則包含Deriaz、Vertical Francis及Horizontal Francis之機型，而反力式水輪機係包含Propeller輪流式水輪機、Kaplan輪流式水輪機、Bulb燈泡式水輪機及S-type管流式水輪機。

而依據台灣電力股份有限公司收購小水力電能實施辦法中，其定義容量未達20,000千瓦者適用，且聯合國及世界銀行更定義，小型（Small）水力發電為容量大於1,000千瓦且小於10,000千瓦者、迷你型（Mini）水力發電為容量大於100千瓦且小於1,000千瓦者，而微型（Micro）水力發電則為容量小於100千瓦者；顯見微水力之渠道水頭非常小，其與傳統式大型水力發電需要高水頭的條件不符；

而傳統式微水力渠道發電機，皆係採用旋轉式水車，如我國之「L.C.S.川流式水力發電系統」，其適合裝設於低水頭與低流量之低坡度（3/1,000 以上）渠道或圳路，適用流速為每秒1.5至5 公尺，適用流量則為25至30秒立方公尺，其建置費用約10 萬／瓩；惟此，傳統式微水力渠道發電機，其葉片方向係與渠道之水流平面平行，因此，其每一葉片係近乎等於渠道之寬度，故若渠道內具有雜物，如：漂流木、泥沙或垃圾，將予卡附於葉片，進而影響葉片之旋轉，更設者，將導致葉片損壞；此外，其葉片於進到水面時，將因撞擊而產生阻力，而具體產生旋轉作用時，則係需葉片進到水裡時才能發揮其作用，故其實際產生電力之成本高，且效果不彰；再者，傳統式微水力渠道發電機之體積極大，其極為不易搬運、架設及維修，故當於洪汛期時，並無法直接移除水面，而需仰賴大型吊車以進行拖吊，其將耗費諸多之時間、人力及金錢成本；且其架設成本極為高昂，而發電效益卻不彰顯，故其實用性仍具有極大之限制。

有鑑於此，吾等發明人乃潛心進一步研究微型水力發電，並著手進行研發及改良，期以一較佳發明以解決上述問題，且在經過不斷試驗及修改後而有本發明之問世。

爰是，本發明之目的係為解決前述問題，為達致以上目的，吾等發明人提供一種具舉升功能之往復式水力發電機構，其包含：

一固定架、一往復移動架、至少一葉片、一轉向馬達及一發電裝置；

其中，固定架，係用以架設於一具有流體流動之流道，該固定架設有至少一滑軌；

往復移動架，係滑動設置於所述滑軌，且該往復移動架係可沿所述滑軌而於一橫向方向直線往復移動，該往復移動架樞設有複數轉軸，所述轉軸分別設有可伸入流體之葉片；所述葉片分別連結並樞設於一傳動桿，相鄰之所述葉片及其對應連接之所述傳動桿及轉軸間形成平行四邊形機構，使每一所述葉片的轉向可同步，令該轉向馬達轉動其一所述葉片角度，其餘之所述葉片即同步轉向，藉使所述葉片受流體之流力產生推力而帶動該往復移動架朝橫向方向直線往復移動；

在一實施例中，該往復移動架頂端及底端分別橫向設置有一上支架及一下架支架，該上支架及該下支架於對應所述轉軸處分別固設有一軸承，令所述轉軸對應樞設於對應之所述軸承；

就往復移動架移動於固定架之滑軌之結構而言，在一實施例中，該固定架於其前端處、後端處及頂端處分別設有所述滑軌；該往復移動架由前架、頂架及後架組成，且分別設有一個或多個滑塊，藉以分別滑動設置於滑軌；

一發電裝置，其係接設於該往復移動架，並將往復運動轉換成旋轉運動，藉以帶動該發電裝置發電；就往復移動架將直線運動轉換為旋轉運動而言，係於往復移動架固設有一移動座，該移動座設有一萬向接頭，且該萬向接頭樞設有一連桿，該連桿相對該萬向接頭另一端樞設有一曲柄，該連桿之長度係大於該曲柄，該曲柄於相對該傳動桿一端垂直樞設於一軸桿，該軸桿係接設於該發電裝置；藉之，於該移動座進行直線往復移動時，將帶動該連桿及該曲柄繞該軸桿轉動，並帶動該軸桿旋轉，藉以透過軸桿之旋轉而驅動該發電裝置而發電者。

而單一或複數葉片間，可具有大空隙，使小型雜物容易流過，且葉片受轉向機構之轉向，也使雜物不易勾住葉片造成推力減少之現象。

為令本案於具有大型雜物或洪汛時可揚起，因此，本發明更包含二支撐座，其係用以架設於該流道，每一支撐座設有軸管，該固定架兩末端分別直立設置有一立架，所述立架分別設置有一圓軸，所述圓軸係分別對應樞設於所述軸管內，並與該萬向接頭及該軸桿位於同一中心線，使固定架被揚起時，透過萬向接頭，可令連桿及曲柄亦可被揚起而不被干涉，使本發明位於不同平面之往復運動及舉升運動皆可完成；就舉升運動而言，是藉由固定架設有一舉升支架；並設置一捲揚機構，以捲放設置有一繩體，該繩體係受一滑輪支撐，且該繩體相對於該捲揚機構之末端係固設於該舉升支架，藉以令該捲揚機構可透過繩體捲收該固定架、往復移動架及葉片，使該固定架、往復移動架及葉片透過圓軸樞轉而受力揚起或下擺；藉以於水中無大型雜物時，可將葉片擺下使深入水中，進行如上述之往復式運動而發電，如有大型雜物時，則可透過捲揚機構舉升固定架、往復移動架及葉片，以將葉片擺上離開水面，使雜物流過；於洪汛期時，亦僅需如前述，將葉片擺上離開水面，即不會影響水流或致使本發明受損。

據上所述之具舉升功能之往復式水力發電機構，其中，該流道更設有一阻擋塊，其置於該固定架之下流側，用以抵抗所述葉片伸入流動中的流體時產生的水阻力，使該固定架能被阻擋塊固定住；藉可支撐住本發明之固定架，防止葉片受水流衝擊而產生水流方向之位移，並可令葉片確實垂直於水面，進而利用葉片轉向角度調節，使得到大的往復橫移力量推動往復移動架移動，以確保發電效率。

據上所述之具舉升功能之往復式水力發電機構，其中，該軸桿於一末端係接設於一變速裝置A，該變速裝置A另端設有一飛輪，該飛輪另端設有一變速裝置B，該發電裝置設有一傳動軸，該變速裝置B係連接於該傳動軸；一般而言，往復移動架的移動頻率N1無法太高，而飛輪轉速N2越快，其儲存動能越大，使系統更穩定，發電裝置的額定轉速N3也是高的，因此，N2＞ N3＞＞ N1，因N2＞＞N1，故設計變速裝置A，用以將往復移動架較低之往復速度N1轉換成高轉速的N2，進而利用變速裝置B將該飛輪之轉速N2轉換成對應於該發電裝置之轉速N3；因動力來源是往復式運動端，先將能源傳到飛輪後，再傳給發電裝置，飛輪高速旋轉具有吸能、放能的穩定作用，可使發電裝置轉速穩定，達到穩定輸出電力的效果。

關於吾等發明人之技術手段，茲舉數種較佳實施例配合圖式於下文進行詳細說明，俾供  鈞上深入了解並認同本發明。

請先參閱第1至7圖所示，本發明係一種具舉升功能之往復式水力發電機構，其包含：

一固定架1，其係用以架設於一具有流體F流動之流道F，該固定架1設有至少一滑軌11；

一往復移動架2，其係設置於所述滑軌上11，且該往復移動架2係可沿所述滑軌11而於一橫向方向直線往復移動，該往復移動架2樞設有至少一轉軸21，所述轉軸21分別設有一可伸入流體F之葉片3；所述葉片3分別連結並樞設於一傳動桿4；一轉向馬達5，其係傳動於其一所述轉軸21，藉以往復調整對應之所述葉片3對於流體F方向之角度；相鄰之所述葉片3及其對應連接之所述傳動桿4及轉軸21間形成平行四邊形機構，使每一所述葉片3的轉向可同步，令該轉向馬達5轉動其一所述葉片3角度，其餘之所述葉片即同步轉向；藉使所述葉片3受流體F之流力產生推力Fx而帶動該往復移動架2朝橫向方向直線往復移動；

就傳動桿4樞接所述葉片3之結構而言，在一實施例中，係於所述葉片3頂端分別設有一定位軸31，所述定位軸31係對應穿組於該傳動桿4；而為令葉片3整體同步旋轉其角度之流暢性及穩固性，故較佳者，係於該往復移動架2頂端及底端分別橫向設置有一上支架22及一下支架23，該上支架22及該下支架23於對應所述轉軸21處分別固設有一軸承221、231，令所述轉軸21對應樞設於對應之所述軸承221、231；

就往復移動架2滑動設置於固定架1之滑軌11而言，在一具體之實施例中，如第2、7圖所示，係該固定架1於其前端處、後端處及頂端處分別設有所述滑軌11；

該往復移動架2分別對應該固定架1之前端處、頂端處及後端處具有一前架24、頂架25及後架26，前架24、頂架25及後架26分別設有一個或多個滑塊27，藉以分別滑動設置於該固定架1位於其前端處、頂端處及後端處之所述滑軌11；藉此配置，可以減少摩擦之方式移動，使葉片3可有效傳遞動力，且位於頂端之滑軌11及對應之滑塊27，係可用以支撐往復移動架2及葉片3整體之重量W，而前端處及後端處之滑軌11及滑塊27，則係可承受水流對於所述葉片3之推力Fy及產生之力矩，藉以避免所有施力集中於單一滑軌11，提升滑軌11及之滑塊27使用年限；在一實施例中，亦可於該流道F更設置有一阻擋塊111，其置於該固定架1之下流側，用以抵抗所述葉片3伸入流動中的流體時產生的水阻力，使該固定架1能被阻擋塊111固定住，並藉以限制固定架1之位置，令葉片3伸入流體時可垂直於水面，藉以確保水流可有效作用於葉片3；就阻擋塊111之設置位置而言，在一實施例中，其係可設置於流道F兩側之壁面，藉以達致止擋固定架1之功效。

以及一發電裝置6，其係藉由往復移動架2之線性往復運動，轉換為圓周旋轉運動而令發電裝置6發電，具體舉例而言，該往復移動架2更固設有一移動座28，該移動座28設有一萬向接頭29，且該萬向接頭29樞設有一連桿291，該連桿291相對該萬向接頭29一端樞設有一曲柄292，該連桿291之長度係大於該曲柄292，該曲柄292於相對該傳動桿4一端垂直樞設於一軸桿293，該軸桿293係接設於該發電裝置6；藉之，於該移動座28隨往復移動架2進行直線往復移動時，將藉由萬向接頭29及連桿291之剛性，配合萬向接頭29與連桿291之樞設點，與連桿291及曲柄292之樞設點及長度差異，將令連桿291及曲柄292朝一方向繞該軸桿293進行旋轉運動，並藉以帶動該軸桿293旋轉，使透過軸桿293之旋轉而驅動該發電裝置6而發電；且在一實施例中，該發電裝置6可為3千瓦至100千瓦之微型發電機。

藉此，由於流道F內之水流，因具有流速動能及微斜度，並具有單一之流向，而葉片3係呈翼狀設置，因此，於一旋轉角度下，將受水流之流力Fy及橫向推力Fx，轉向馬達5可調整適當葉片3角度，使產生大的橫向移動推力Fx 及小的阻力Fy。

其具體形狀以及角度設置，係屬習知技術，且本發明並不予限定葉片3之具體形狀，故在此不予贅述；而推力係如前述，並如第3、5圖所示，當往復移動架2位於固定架1之左方時，轉向馬達5將透過其一所述轉軸21調整對應之葉片3呈第3、5圖所示之位置，相鄰葉片3及傳動桿4形成平行四邊形機構，故當葉片3受轉向馬達5轉動而改變角度時，傳動桿4將可對應推動其他葉片3，使所有葉片3之角度同步，且當所述葉片3轉向至第5圖所示之位置時，將受流體F之流力產生向右移動之推力Fx，進而帶動往復移動架2朝右方移動。

並如第4圖及第6圖所示，當往復移動架2移動至固定架1之最右端時，係可控制轉向馬達5如前述者，轉動葉片3至第6圖所示之位置，藉以令葉片3因應流體F之流力Fy產生向左移動之推力Fx，進而帶動往復移動架2移動至固定架1之左端，而當移動至固定架1之最左端時，即係可控制轉向馬達5再將葉片3轉動至如第3、5圖所示之位置，使往復移動架2向固定架1之右方移動，如此反覆，即可達致線性往復運動之功效。

而對於轉向馬達5之控制方式所在多有，在一實施例中，係可於往復移動架2裝設位置感測器（圖未繪示），而轉向馬達5可為步進馬達，藉以依據往復移動架2之位置而令轉向馬達5調整所述葉片3於第一推力位置或第二推力位置，惟其僅係舉例說明，並不以此作為限定。

並如第1、3、4圖所示，由於一般而言，往復移動架2的移動頻率N1無法太高，為令其移動可進行有效之發電，故軸桿293於一末端係接設於一變速裝置A7，該變速裝置A7另端設有一飛輪8，該飛輪另端設有一變速裝置B7’，該發電裝置6設有一傳動軸61，該變速裝置B係7’連接於該傳動軸61；因往復移動架2的移動頻率N1無法太高，而飛輪8轉速N2越快，其儲存動能越大，使系統更穩定，發電裝置6的額定轉速N3也是高的，因此，N2＞ N3＞＞ N1，而因N2＞＞N1，故設計變速裝置A7，用以將往復移動架2較低之往復速度N1轉換成高轉速的N2，進而利用變速裝置B7’將該飛輪8之轉速N2轉換成對應於該發電裝置6之轉速N3；因動力來源是往復式運動端，先將能源傳到飛輪8後，再傳給發電裝置6，飛輪8高速旋轉具有吸能、放能的穩定作用，可使發電裝置6轉速穩定，達到穩定輸出電力的效果。

在一實施例中，本發明係可如附件1所示，將該發電裝置6、飛輪7、變速裝置A7及變速裝置B7’係可被架設於一橋梁，以利於支撐本發明，惟其僅係舉例說明，並不以此作為限定。

藉此，本發明可予發電之適用範圍甚廣，可適用於水頭高度及/或流量較小之情形下進行發電，故可應用於河川，及相關工廠所排放汙水之渠道，而達致發電之效果，且本發明整體之體積較小，易於設置及維修，藉可提升本發明整體之適用性者。

如前所述，由於本發明之葉片3間，係相互平行且間隔排列者，故若水流中具有小型雜物，將可由葉片3間之空隙流過，且於葉片3進行角度旋轉時，亦可使雜物不易勾住葉片3造成推力減少之現象；而當水流中具有大型雜物時，為予進行其排除，故在一實施例中，如第3、4圖及第7圖所示，本發明具有二支撐座12，其係用以架設於橋梁B，每一支撐座12設有軸管121，該固定架1兩末端之頂端分別直立設置有一立架13，所述立架13分別水平設置有一圓軸14，所述圓軸14係分別對應樞設於所述軸管121內，並與該萬向接頭29及該軸桿293位於同一中心線，需特別說明的是，因萬向接頭29、圓軸13可如第3圖所示被設置於同一中心線上，並配合萬向接頭29之設計，可令連桿291及曲柄293亦可被揚起而不受其干涉，使本發明位於不同平面之往復運動及舉升運動皆可完成；就舉升運動而言，是藉由固定架1設有一舉升支架15，並設置一捲揚機構9捲放一繩體91，故該捲揚機構9係可為用以捲放繩體91之馬達；該繩體91係受一滑輪92支撐，滑輪92係架設於高於所述圓軸13處，並設於如附件1至3所示之橋梁，且該繩體91相對於該捲揚機構9之末端係固設於該舉升支架15；藉此，當水道內具有大型雜物，或於洪汛期時，係可如第8圖及附件1至3所示，藉由手動或遠端控制捲揚機構9進行繩體91之捲收，使繩體91以滑輪92為支點，藉以拉動於往復移動架2之舉升支架15，使往復移動架2及其所組接之葉片3與固定架1，將連同往復移動架2，以圓軸13為樞轉之支點而被轉動揚起，使葉片3擺出水面，進而使大型雜物可隨流水而通過，並可防止阻礙排洪，亦可避免本發明受洪汛而損壞，並於可正常運作時，可藉由捲揚機構9逐漸放開繩體91，使固定架1下擺而進行前述之往復運動而發電。

綜上所述，本發明所揭露之技術手段確能有效解決習知等問題，並達致預期之目的與功效，且申請前未見諸於刊物、未曾公開使用且具長遠進步性，誠屬專利法所稱之發明無誤，爰依法提出申請，懇祈  鈞上惠予詳審並賜准發明專利，至感德馨。

惟以上所述者，僅為本發明之數種較佳實施例，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書內容所作之等效變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

1:固定架11:滑軌111:阻擋塊12:支撐座121:軸管13:立架14:圓軸15:舉升支架2:往復移動架21:轉軸22:上支架221:軸承23:下支架231:軸承24:前架25:頂架26:後架27:滑塊28:移動座29:萬向接頭291:連桿292:曲柄293:軸桿3:葉片31:定位軸4:傳動桿5:轉向馬達6:發電裝置61:傳動軸7:變速裝置A7’:變速裝置B8:飛輪9:捲揚機構91:繩體92:滑輪F:流道B:橋梁

第1圖係本發明之俯視示意圖。 第2圖係本發明往復移動架定位於固定架之立體示意圖。 第3圖係本發明之前視暨使用狀態示意圖。 第4圖係本發明之前視暨另一使用狀態示意圖。 第5圖係第3圖葉片於第一推力位置並朝右方移動之使用狀態示意圖。 第6圖係第4圖葉片於第一推力位置並朝右方移動之使用狀態示意圖。 第7圖係本發明之側視示意圖。 第8圖係本發明之捲揚機構拉動舉升往復移動架及葉片之側視暨使用狀態示意圖。 附件1係本發明之使用狀態示意圖。 附件2係本發明於舉升過程之使用狀態示意圖。 附件3係本發明於舉升後之使用狀態示意圖。

1:固定架

11:滑軌

12:立架

121:軸管

13:立架

14:圓軸

15:舉升支架

2:往復移動架

21:轉軸

22:上支架

221:軸承

23:下支架

231:軸承

24:前架

27:滑塊

28:移動座

29:萬向接頭

291:連桿

292:曲柄

293:軸桿

3:葉片

31:定位軸

4:傳動桿

5:轉向馬達

6:發電裝置

F:流道

Claims (5)

1. 一種具舉升功能之往復式水力發電機構，其包含：一固定架，其係用以架設於一具有流體流動之流道，該固定架設有至少一滑軌；一往復移動架，其係設置於所述滑軌上，且該往復移動架係可沿所述滑軌而於一橫向方向直線往復移動，該往復移動架樞設有至少一轉軸，所述轉軸分別設有一可伸入流體之葉片；所述葉片分別連結並樞設於一傳動桿；一轉向馬達，其係傳動於其一所述轉軸，藉以往復調整對應之所述葉片對於流體方向之角度；相鄰之所述葉片及其對應連接之所述傳動桿及轉軸間形成平行四邊形機構，使每一所述葉片的轉向可同步，令該轉向馬達轉動其一所述葉片角度，其餘之所述葉片即同步轉向；並使所述葉片受流體之流力產生推力而帶動該往復移動架朝橫向方向直線往復移動；一發電裝置，其係接設於該往復移動架，並將往復運動轉換成旋轉運動，藉以帶動該發電裝置發電；該往復移動架更固設有一移動座，該移動座設有一萬向接頭，且該萬向接頭樞設有一連桿，該連桿相對該萬向接頭另一端樞設有一曲柄，該連桿之長度係大於該曲柄，該曲柄於相對該傳動桿一端垂直樞設於一軸桿，該軸桿係接設於該發電裝置；藉之，於該移動座進行直線往復移動時，將帶動該連桿及該曲柄繞該軸桿轉動，並帶動該軸桿旋轉，藉以透過軸桿之旋轉而驅動該發電裝置而發電；以及二支撐座，其係用以架設於該流道，每一支撐座設有軸管，該固定架兩末端分別直立設置有一立架，所述立架分別設置有一圓軸，所述圓軸係分別對應 樞設於所述軸管內，並與該萬向接頭及該軸桿位於同一中心線；該固定架設有一舉升支架；一捲揚機構，其係捲放設置有一繩體，該繩體係受一滑輪支撐，且該繩體相對於該捲揚機構之末端係固設於該舉升支架，藉以令該捲揚機構可透過繩體捲收該固定架，使該固定架透過圓軸樞轉而受力揚起或下擺。
2. 如請求項1所述之具舉升功能之往復式水力發電機構，其中，該固定架於其前端處、後端處及頂端處分別設有所述滑軌；該往復移動架分別對應該固定架之前端處、頂端處及後端處具有一前架、頂架及後架，該前架、頂架及後架分別設有一滑塊，藉以分別滑動設置於該固定架位於其前端處、後端處及頂端處之所述滑軌。
3. 如請求項1所述之具舉升功能之往復式水力發電機構，其中，該往復移動架頂端及底端分別橫向設置有一上支架及一下架支架，該上支架及該下支架於對應所述轉軸處分別固設有一軸承，令所述轉軸對應樞設於對應之所述軸承。
4. 如請求項1所述之具舉升功能之往復式水力發電機構，其中，該軸桿於一末端係接設於一變速裝置A，該變速裝置A另端設有一飛輪，該飛輪另端設有一變速裝置B，該發電裝置設有一傳動軸，該變速裝置B係連接於該傳動軸；該變速裝置A係用以將往復移動架較低之往復速度N1轉換成高轉速的N2，進而利用變速裝置B將該飛輪之轉速N2轉換成對應於該發電裝置之轉速N3；該飛輪係用以使整體轉速更穩定，並可提升該發電裝置之發電效率。
5. 如請求項1至4項中任一項所述之具舉升功能之往復式水力發電機構，其中，該流道更設有一阻擋塊，其置於該固定架之下流側，用以抵抗所述葉片伸入流動中的流體時產生的水阻力，使該固定架能被阻擋塊固定住。

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