TWI769921B

TWI769921B - 旋轉感應式海浪發電裝置

Info

Publication number: TWI769921B
Application number: TW110133454A
Authority: TW
Inventors: 劉百清
Original assignee: 劉百清
Priority date: 2021-09-08
Filing date: 2021-09-08
Publication date: 2022-07-01
Also published as: TW202311623A

Abstract

本發明為一種旋轉感應式海浪發電裝置，係設置於一集波體上，該旋轉感應式海浪發電裝置包含一浮筒、一傳動軸及一發電單元，其中該發電單元具有一轉子組件及設置在該轉子組件外圍之一感應線圈組件；當浮筒受海浪推動而旋轉時，可透過該傳動軸驅動該轉子組件同步旋轉，使得轉子組件中的各個超強磁鐵能與該感應線圈組件中的感應線圈交互感應，依據法拉第感應定律而產生電力。

Description

旋轉感應式海浪發電裝置

本發明關於一種海浪發電裝置，特別是指一種利用海浪推動浮筒而帶動發電機構運轉以產生電力之海浪發電裝置。

隨著能源危機問題日漸凸顯，開發綠色可再生能源顯然有其必要，波浪能亦是屬於一種取之不盡的清淨能源，因此已有許多學者提出海浪發電裝置的設計，將波浪動能轉換為電力。海浪發電裝置的設計主要是基於法拉第感應定律作為其發電原理，以直驅式海浪發電裝置(direct drive wave energy converter)為例，主要是利用一浮子帶動一滑動式磁鐵組，當浮子隨海浪上下運動時，該滑動式磁鐵組亦上下移動，裝設在一圓筒內部的線圈組件則保持不動，該滑動式磁鐵組與該線圈組件產生相對運動，因而產生交變磁場，按照法拉第感應定律，該線圈組件即可產生感應電動勢(電壓)。

因為該滑動式磁鐵組是由多個磁鐵直接堆疊而成，按照物理學的觀念，當多個磁鐵堆疊時，中央部分的磁極會彼此抵消、磁力變弱，其效果等同單一磁鐵的作用，對增加整體磁場的強度(Φ B)幾乎毫無幫助。另外，由於圓筒的直徑過大，導致裝設於圓筒內部的線圈組件所繞的匝數(N)相當有限，按照法拉第感應定律： ε=-d(N Φ B)/dt，其中(N Φ B)代表物件內之磁通連數(flux linkages)。

在整體磁場的強度(Φ B)及且線圈匝數(N)無法明顯提高的情形下，所能產生的感應電動勢ε勢必不大，導致直驅式海浪發電裝發電功率並不理想。

本發明的主要目的是提供一種「旋轉感應式海浪發電裝置」，改善現有海浪發電裝置之發電效率。

為達成前述目的，本發明之旋轉感應式海浪發電裝置係裝設於一集波體上，其中，該旋轉感應式海浪發電裝置包含：一浮筒，係設置於該集波體中並受海浪推動而旋轉；一傳動軸，係連接該浮筒並與該浮筒同步旋轉；一發電單元，包含：一轉子組件，包含一中心軸、一內輪轂、一外輪環與複數個超強磁鐵，其中，該中心軸係連接該傳動軸並由該傳動軸帶動旋轉，該內輪轂組設於該中心軸，該外輪環位於該內輪轂的外圍並與其相對緊密結合，該複數個超強磁鐵排列在該外輪環上；一感應線圈組件，係固定設置於該轉子組件的外圍並與該轉子組件相隔一間隙，該感應線圈組件包含有複數個用以與該超強磁鐵交互感應之感應線圈。

藉由上述架構，當海浪推動本發明中之浮筒產生旋轉時，可透過傳動軸同步帶動轉子組件的中心軸一同旋轉，令轉子組件中分佈排列的超強磁鐵與外圍之感應線圈交互感應而產生感應電動勢，有效地將海浪動能轉換為電能。

10:浮筒

11:孔蓋

12:配重材

13:連接部

20:傳動軸

21:連接器

210:底座

211:固接板

22:緩衝片

30:發電單元

40:轉子組件

41:中心軸

42:內輪轂

43:外輪環

44:超強磁鐵

45:鐵塊

46:螺絲

47:凹槽

50:感應線圈組件

51:內輪件

52:外輪件

53:感應線圈

530:軟鐵心

531:線圈

532:環形墊片

61:第一軸承座

62:第二軸承座

63:第三軸承座

70:弧形鐵板

72:腳架

100:集波體

101:集波槽

102:防水圍牆

103:機電空間

104:濾網

105:溢流孔

106:上蓋

107:壓艙塊

G:間隙

圖1：本發明「旋轉感應式海浪發電裝置」裝設於集波體上的局部剖面立體示意圖。

圖2：本發明當中之浮筒與傳動軸結合後的局部剖面側視示意圖。

圖3：本發明裝設於集波體上的局部剖面側視示意圖。

圖4：本發明架設於集波體上的局部剖面俯視示意圖。

圖5：本發明架設於集波體上的局部剖面前視示意圖。

圖6：本發明當中的發電單元組設於機電空間內部之側視示意圖。

圖7：本發明當中的發電單元之局部放大圖。

圖8：本發明裝設於集波體上，當海浪湧入集波體時之側視使用狀態參考圖。

圖9：本發明應用於浮動式集波體之局部剖面立體示意圖。

圖10：本發明應用於浮動式集波體之局部剖面示意圖。

如圖1、3所示，本發明旋轉感應式海浪發電裝置主要係架設於一集波體100，其中本發明旋轉感應式海浪發電裝置主要包含有一浮筒10、一傳動軸20以及一發電單元30。在圖1的實施例中，在該集波體100形成有一集波槽101，該集波槽101兩側分別設有一防水圍牆102，於該防水圍牆102內部係形成一機電空間103。

進一步參看圖2，該浮筒10於集波體100的集波槽101中，能隨波浪之水位高低而升降，所述浮筒10以半沉浮於海水上為佳，也就是在平常時候，海水水面約位於浮筒10的一半高度處。在該浮筒10上可開設一開口，該開口連通浮筒10內部，於該開口處設置一孔蓋11，通過該開口可在該浮筒10內部填充配重材12以調整該浮筒10的總重量，使其能達到半浮沉的狀態。在該浮筒10的頂部係具有一連接部13，該連接部13用於結合該傳動軸20。

請參考圖1、3至5，該傳動軸20係固接於該浮筒10的連接部13，使得浮筒10在集波槽101中旋轉時，該浮筒10可同步帶動該傳動軸20旋轉。該傳動軸20的其中一端樞接於一第一軸承座61，該第一軸承座61可設置在其中一防水圍牆102其內部機電空間103的地面，該傳動軸20的另一端則是用於組設該發電單元30，該發電單元30裝設在另一側之防水圍牆102其內部的機電空間103，對於該發電單元30在下文將有更進一步的介紹。在本實施例中，該傳動軸20可由鑄件整體製造而成，在該傳動軸20上一體連接用於固接該浮筒10的一連接器21，該連接器21包含一底座210以及複數個間隔排列在該底座210頂面的固接板211，其中，該底座210上形成複數個開孔，可供螺絲穿過並結合在該浮筒10的連接部13，該傳動軸20則是穿過各固接板211並與其固定結合。在該連接器21與浮筒10的連接部13之間可裝設一或多個緩衝片22，例如橡皮墊，用以緩衝及密合該傳動軸20及浮筒10之間的結合。

前述傳動軸20的另一端係穿過該防水圍牆102，可先樞接於一第二軸承座61再結合該發電單元30。其中，該發電單元30包含了一轉子組件40及圍繞在該轉子組件40外圍的一感應線圈組件50。

該轉子組件40包含一中心軸41、一內輪轂42、一外輪環43與複數個超強磁鐵44，以及可進一步包含鐵塊45。該中心軸41的其中一端與該傳動軸20相互對接，可透過如法蘭或是同等功能的機構與該傳動軸20緊密連接，令該傳動軸20可帶動該中心軸41同步旋轉；該中心軸41的另外一端則是可樞接在一第三軸承座63。該內輪轂42及外輪環43以非磁性材料且非導磁性材料(如鋁合金、不鏽鋼等)所製成之構件為佳，以避免超強磁鐵44的磁吸作用。其中該內輪轂42的中心組設於該中心軸41，該外輪環43位於內輪轂42的外圍並可相對緊密結合，例如透過螺絲46相對鎖緊，在該外輪環43上設有複數個用以容置超強磁鐵44及鐵塊45的凹槽47，該等凹槽47的形狀與超強磁鐵44及鐵塊45相互適配。較佳而言，該超強磁鐵44加上鐵塊45的總數目為6的整數倍，例如6、12、18…，該超強磁鐵44並以相異磁極(N極、S極)交錯排列的方式分布設置於該外輪環43上，各超強磁鐵44與鐵塊45的形狀以梯形為佳，即超強磁鐵44其面向中心軸41的一端相對較寬，而朝向感應線圈組50的另一端相對較窄，此形狀設計可避免該超強磁鐵44與感應線圈組件50因彼此之間強力吸引，受到強大磁力吸出而從該外輪環43脫離。

該鐵塊45的較佳形狀在本實施例中亦是梯形，其數目可為奇數。本創作可進一步在地面設置一弧形鐵板70，當浮筒10受惡劣天候影響，被強烈海浪推送至最頂端附近時，超強磁鐵44可以開始跟固定在地面的該弧形鐵板70產生相吸，形成制動作用和煞車的效果，減小本發明損壞的機率。

參考圖6、7所示，該感應線圈組件50可透過設置在機電空間103內部地面的腳架72固設於該轉子組件40的外側。該感應線圈組件50包含了一內輪件51、一外輪件52及複數個感應線圈53；該內輪件51與外輪件52為圓弧形而非完整圓形，該內輪件51與轉子組件40之間相隔一間隙G，該間隙的較佳距離為3~12mm，以利於超強磁鐵44對感應線圈53產生強大磁感應，從而產生較高的感應電壓和電流，提高發電效率。

該複數個感應線圈53則是固定設置在內輪件51及外輪件52之間。若超強磁鐵44的個數為n，在波能密度較小的場所，該複數個感應線圈53的數目多於超強磁鐵44的數目，例如感應線圈53的數目為2n-1，除了可以增加感應線圈53的數目，以產生更高的感應電壓之外，亦避免轉子組件40在轉動時產生頓轉現象，令轉動更為平順；但是在波能密度較大之處，由於扭力較大，超強磁鐵44設置的個數可以跟感應線圈53的個數相同，以產生較大的磁感應作用力。

每個感應線圈53具有一軟鐵心530以及纏繞在該軟鐵心530外表面的線圈531，該軟鐵心的530的相對兩端分別固定在形成於該內輪件51及外輪件52的鐵心容置孔內部，軟鐵心530之兩端可進一步分別套設一環形墊片532，藉由環形墊片532分別抵接於內輪件51與外輪件52的側面，使軟鐵心530更加的穩固。由該感應線圈53產生的電力，可透過導線傳遞至外部的集電設備，經過集電設備進行電力轉換或處理，使本發明產生之電力供應予負載。

以下進一步說明本發明旋轉感應式海浪發電裝置之兩種不同應用場合，圖1~圖6揭示將本發明組裝在一固定式的集波體100，該集波體100可由鋼筋混凝土構成，適用於近岸海域、碎波帶(surf zone)之前方。如圖4，在該集波槽101的入水口處可架設一濾網104用以阻隔海水中的垃圾漂浮物進入至集波槽101內，而過大的海浪亦可從集波槽101後方的溢流孔105向外流出，以保護浮筒10以及相關的機電設備免受破壞；在該集波體100的頂部係可設置一上蓋106，以蓋合該防水圍牆102與集波槽101的頂部，保護其內部之發電單元30。如圖8所示，當海浪自集波體100的集波槽101其入水口進入後，海浪可推動浮筒10旋轉，浮筒10旋轉將帶動傳動軸20一同旋轉，該傳動軸20帶動轉子組件40同步轉動，超強磁鐵44於旋轉過程中連續以N極、S極接近該固定設置的複數個感應線圈53，根據法拉第感應定律，繞設於軟鐵心530外周面的線圈531因磁場變化可產生感應電動勢(感應電壓)，從而產生感應電流，該感應電壓、感應電流將透過導線傳送至外部的的集電設備。當海水從集波槽101向外消退時，該浮筒10以相反的方向再次逆向旋轉，亦會帶動轉子組件40反向旋轉並產生感應電壓、感應電流。

再參考圖9、圖10所示的使用參考圖，本發明亦可應用在浮動式的集波體100，該集波體100的外形類似於船舶或平台並可漂浮在水面，在該集波體100的底部具有壓艙塊107使其整體重心降低，避免受海浪推動而翻覆，並在該集波體100的底面設置複數個錨鍊孔座108，以供繫縛錨碇鐵鍊，維持集波體100在水面上的靜穩狀態。該浮動式的集波體100內部空間亦形成有數個集波槽101，在集波槽101的一側形成入水口，相對的另一側形成溢流孔105，在各個集波槽101的左右相鄰兩面分別設有防水圍牆102，在防水圍牆102內部同樣供設置發電單元30。本發明浮動式集波體100的動作方式與前述說明相同，也是利用海浪推動該浮筒10而帶動發電單元30中的轉子組件40旋轉，使超強磁鐵44與感應線圈53相互感應而產生電力。

本發明旋轉感應式海浪發電裝置無論是裝設於固定式或浮動式的集波體100中，利用半浮沉於海水上之浮筒10接受海浪推動，無論是海水進入或退出該集波槽101時均能推動浮筒10旋轉而同步帶動轉子組件40，令轉子組件40中的超強磁鐵44與固定設置之感應線圈53交互感應而產生感應電動勢，有效地將海浪動能轉換電能，且本發明幾乎沒有動件，該浮筒10隨著海浪來回擺動並未接觸到防水圍牆102，減少浮筒10與周圍設備的摩擦力及磨損程度，也減少不必要的能量損失，達到較佳的發電效能。