TWI778856B

TWI778856B - 洋流發電裝置

Info

Publication number: TWI778856B
Application number: TW110141400A
Authority: TW
Inventors: 穆凌吉; 侯天恩; 黄盛煒; 郭振華; 邱永芳; 李傳宗; 邱逢琛; 蔡進發; 洪于婷; 陳冠宇
Original assignee: 國家海洋研究院
Priority date: 2021-11-05
Filing date: 2021-11-05
Publication date: 2022-09-21
Also published as: TW202319638A

Abstract

本發明係一種洋流發電裝置，其包含有至少一發電機組、一翼型浮體及至少一重心調整模組。發電機組將海流的動能轉換為電能，其包含一發電機及一葉輪，葉輪受海流的帶動而轉動；翼型浮體連接發電機組；重心調整模組設於翼型浮體，且具有一配重塊及一定位機構。配重塊為固體且可相對翼型浮體移動，配重塊的密度大於海水的密度，並且與海水隔絕。定位機構連接配重塊，並且控制配重塊相對翼型浮體的位置，進而透過控制配重塊的重心位置來控制翼型浮體的重心位置。藉此，重心調整模組沒有海洋生物附著的問題，可大幅改善機構動作可靠度並減少維護需求。

Description

洋流發電裝置

本創作係涉及一種水力發電機，尤指一種將洋流動能轉換為電能的水力發電機。

請配合參閱圖9所示，現有技術中的洋流發電裝置91由繫纜92錨定於海床並浮游於水層中運作。洋流發電裝置91具有一翼型浮體911及一葉片發電機912，葉片發電機912尾端的葉片會被洋流推動而旋轉發電，翼型浮體911控制葉片發電機912的指向及深度。具體來說，傳統的翼型浮體911內排列有多個水櫃(圖中未示)，藉由將外界的海水灌入或排出特定位置的水櫃便可改變翼型浮體911的重心位置，使翼型浮體911的姿態對應產生變化，藉此調整葉片發電機912的指向以及洋流發電裝置91的深度。

舉例來說，當遭遇劇烈天氣而需要將洋流發電裝置91下沉至較深水域來躲避風浪時，將海水灌入翼型浮體911前側的水櫃，同時將翼型浮體911後側水櫃內的海水排出，此時翼型浮體911的後側(即尾端)會因重心位置變化而向上轉動，進而使洋流發電裝置91會因翼型浮體911的升力方向變化而下沉至較深水域。

然而，傳統的洋流發電裝置91是透過水櫃吸入或排出外界的海水來調整姿態，因而具有以下缺點：

第一，水櫃內部以及進排水相關機構容易有海洋生物附著，容易導致水櫃及相關機構動作不良甚至造成故障，並且需定期清理附著的海洋生物而使傳統的洋流發電裝置91維護麻煩且昂貴。

第二，海水的密度不高，需要設置大型的水櫃才能有效地改變翼型浮體911的重心位置，因而導致翼型浮體911的體積龐大，造成運輸、佈放及維修作業時十分麻煩且昂貴。

第三，承上，因海水密度不高且水櫃進排水速度有限，翼型浮體911的姿態無法快速調整。當周遭海流變化較快時，翼型浮體911的姿態不易保持穩定，失控受損的風險較高。

第四，水櫃排水時需要灌入壓縮空氣來將內部的海水擠出，但產生壓縮空氣需要消耗大量的電力，因而影響裝置的發電效率。

因此，現有技術的洋流發電裝置實有待加以改良。

有鑑於前述之現有技術的缺點及不足，本創作提供一種不透過海水調整姿態的洋流發電裝置以提高可靠性並且降低成本。

為達到上述的創作目的，本創作所採用的技術手段為設計一種洋流發電裝置，包含：至少一發電機組，其用以將海流的動能轉換為電能，且包含一發電機；一葉輪，其可轉動地設於該發電機的一端，並且用以受海流的帶動而轉動；該葉輪的旋轉軸心的延伸方向定義為一縱向；一翼型浮體，其連接該至少一發電機組；該翼型浮體為流線型，當海流沿該縱向流經該翼型浮體時，該翼型浮體產生升力；至少一重心調整模組，其設於該翼型浮體，且具有：一配重塊，其為固體且可相對該翼型浮體移動；該配重塊的密度大於海水的密度；該配重塊與海水隔絕；一定位機構，其連接並可移動該配重塊，並且控制該配重塊於該縱向的位置，進而透過控制配重塊的重心位置來控制該翼型浮體的重心位置。

本創作的特色在於，調整翼型浮體姿態時，只需以定位機構調整配重塊的位置便可達到調整翼型浮體的重心位置之功效。藉此，本創作具有以下優點：

第一，重心調整模組(即定位機構與配重塊)可以完全不接觸海水，因此沒有海洋生物附著的問題，可大幅改善機構動作可靠度、減少維護需求、並且降低維護費用。

第二，配重塊可以是密度遠高於海水的金屬塊，此時即便是小型的配重塊也能有效地改變翼型浮體的重心位置，也就是說，本創作以小型的配重塊取代大型的水櫃，藉此能大幅縮減體積，在運輸、佈放及維修作業時較為方便且節省成本。

第三，因配重塊為固體且體積可以設計得較小，因此定位機構能夠迅速地移動配重塊，進而能夠快速調整翼型浮體911的姿態，使本創作能夠在海流變化較快的狀況下能夠維持姿態穩定；簡單來說，配重塊使本創作不易因惡劣海象而受損，並且還能在較惡劣的海像中持續發電而無須躲避至較深水域。

第四，因配重塊為固體且體積可以設計得較小，移動配重塊所需耗費的電力遠小於水櫃排水所需的電力，藉由減少運作時消耗的電力來提升發電效率。

進一步而言，所述之洋流發電裝置，其中該至少一重心調整模組的該定位機構具有一螺桿，其貫穿螺合該配重塊；該螺桿與海水隔絕；一驅動件，其選擇性地驅動該螺桿轉動，進而控制該配重塊相對該翼型浮體的位置。

進一步而言，所述之洋流發電裝置，其中該至少一重心調整模組具有一防水殼，其設於該翼型浮體的內部並且形成有一密閉且乾燥的內部空間，該配重塊設置於該防水殼的該內部空間中。

進一步而言，所述之洋流發電裝置，其中該至少一重心調整模組的數量為複數，該等重心調整模組包含：至少一縱向重心調整模組，該至少一縱向重心調整模組的該定位機構控制相對應的該配重塊於該縱向的位置；至少一橫向重心調整模組，該至少一橫向重心調整模組的該定位機構控制相對應的該配重塊於一橫向的位置；該橫向與該縱向相互垂直。

進一步而言，所述之洋流發電裝置，其中該翼型浮體沿該縱向的相對兩側緣分別為一前緣及一後緣，該前緣為該翼型浮體用以迎接海流的一側緣；該至少一橫向重心調整模組位於該前緣及該至少一縱向重心調整模組之間。

進一步而言，所述之洋流發電裝置，其中該至少一重心調整模組的該配重塊的材質為金屬。

進一步而言，所述之洋流發電裝置，其中該翼型浮體為一中空體，並且形成有一密閉的水密空間；至少一重心調整模組設於該翼型浮體的該水密空間中。

10:發電機組

11:發電機

12:葉輪

20:翼型浮體

21:前緣

22:後緣

23:第一側面

24:第二側面

30:重心調整模組

301:縱向重心調整模組

302:橫向重心調整模組

31:配重塊

32:定位機構

321:螺桿

322:驅動件

33:防水殼

331:內部空間

91:洋流發電裝置

911:翼型浮體

912:葉片發電機

92:繫纜

L:縱向

T:橫向

圖1為本創作的立體外觀圖。

圖2為本創作的立體元件分解圖。

圖3為本創作的上視示意圖。

圖4為本創作的重心調整模組的剖視示意圖。

圖5及圖6為本創作沿圖3的A-A割面線的部份剖視示意圖，顯示本創作透過移動縱向重心調整模組的配重塊來調整俯仰角。

圖7及圖8為本創作沿圖3的B-B割面線的剖視示意圖，顯示本創作透過移動橫向重心調整模組的配重塊來調整橫搖角。

圖9為現有技術的洋流發電裝置的使用示意圖。

請參閱圖1至圖3所示，本發明之洋流發電裝置包含二發電機組10、一翼型浮體20及複數重心調整模組30。洋流發電裝置透過一繫纜錨定於海床。

前述之二發電機組10可將海流的動能轉換為電能。各發電機組10包含一發電機11及一葉輪12，葉輪12可轉動地設於發電機11的一端。葉輪12會受海流的帶動而轉動，發電機11將葉輪12的轉動轉換為電能。二發電機組10的二葉輪12相互平行，葉輪12的旋轉軸心的延伸方向定義為一縱向L。在其他較佳的實施例中，本創作也可以只有一個發電機組10。

前述之翼型浮體20連接二發電機組10，並且沿一橫向T延伸。橫向T與前述縱向L較佳地相互垂直，但不以完全垂直為限，其夾角也可稍微偏離90度。翼型浮體20為流線型，且翼型浮體20沿縱向L的剖面較佳地為NACA翼形。當海流沿縱向L流經翼型浮體20時，翼型浮體20產生升力。翼型浮體20較佳地為一中空體，並且形成有一密閉的水密空間。

翼型浮體20沿縱向L的相對兩側緣分別為一前緣21及一後緣22，前緣21為翼型浮體20迎接海流的一側緣；翼型浮體20沿橫向T的相對兩側面分別為一第一側面23及一第二側面24。

請配合參閱圖3至圖5所示，重心調整模組30設於翼型浮體20，各重心調整模組30具有一配重塊31及一定位機構32，並且較佳地具有一防水殼33。配重塊31為固體且可相對翼型浮體20移動，配重塊31的密度大於海水的密度，並且配重塊31與海水隔絕，即配重塊31完全不接觸海水。具體來說，配重塊31為一金屬塊體，且配重塊31較佳地為鉛塊。

定位機構32連接並可移動配重塊31，並且控制配重塊31相對翼型浮體20的位置，進而透過控制配重塊31的重心位置來控制翼型浮體20的重心位置。在本實施例中，定位機構32具有一螺桿321及一驅動件322，螺桿321貫穿螺合配重塊31，並且螺桿321與海水隔絕。驅動件322根據翼型浮體20的姿態需求來驅動螺桿321正向或反向轉動，進而控制控制配重塊31相對翼型浮體20的位置；驅動件322較佳地為一馬達。定位機構32不以透過螺桿321螺合帶動配重塊31為限，僅要能控制配重塊31的移動即可。

防水殼33設於翼型浮體20的內部並且形成有一密閉且乾燥的內部空間331(如圖4所示)，配重塊31及螺桿321的螺紋段設置於防水殼33的內部空間331中以確保配重塊31及螺桿321的螺紋段能保持乾燥及潤滑，藉此延長使用壽命。

在本實施例中，重心調整模組30設置於翼型浮體20內的水密空間中，藉以降低防水殼33的強度及密封性要求，可減輕防水殼33重量，但重心調整模組30不以設置於翼型浮體20內部為限；在其他較佳實施例中(圖中未示)，重心調整模組30可外掛於翼型浮體20外，藉此重心調整模組30的長度不會被翼型浮體20的尺寸限制，可進一步增加配重塊31的移動行程，以相同質量的配重塊31達到更好的重心調整效果，進而可降低整體重量。

在本實施例中，重心調整模組30可根據其配重塊31的移動方向而區分為縱向重心調整模組301及橫向重心調整模組302，其中各縱向重心調整模組301的定位機構32的螺桿321沿縱向L延伸，藉此使定位機構32控制相對應的配重塊31於縱向L的位置；各橫向重心調整模組302的定位機構32的螺桿321沿橫向T延伸，藉此使定位機構32控制相對應的配重塊31於橫向T的位置。更進一步來說，橫向重心調整模組302位於翼型浮體20的前緣21及縱向重心調整模組301之間。在其他較佳實施例中，重心調整模組30的數量可以視情況而只有一個，並且重心調整模組30可沿縱向L、橫向T或其他方向延伸，僅要重心調整模組30能夠有效控制翼型浮體20的重心位置即可。

請配合參閱圖5及圖6所示，縱向重心調整模組301可控制翼型浮體20的俯仰角。所謂俯仰角即以橫向T為軸的旋轉姿態，而使翼型浮體20的前緣21與後緣22產生相對高度變化。

請配合參閱圖5所示，欲使洋流發電裝置下沉時，將縱向重心調整模組301的配重塊31朝翼型浮體20的前緣21移動，此時移翼型浮體20的重心與浮心之間的相對位置會使翼型浮體20的前緣21向下傾斜，並使洋流發電裝置因翼型浮體20的升力方向而下沉至較深水域。

請配合參閱圖6所示，欲使洋流發電裝置上浮時，將縱向重心調整模組301的配重塊31朝翼型浮體20的後緣22移動，此時移配重塊31的位置改變會導致翼型浮體20的重心與浮心之間的距離改變，進而使翼型浮體20的姿態轉變為後緣22向下傾斜，並使洋流發電裝置因翼型浮體20的升力方向變化而上浮至較淺水域。

請配合參閱圖7及圖8所示，橫向重心調整模組302可控制翼型浮體20的橫搖角。所謂橫搖角即以縱向L為軸的旋轉姿態，而使翼型浮體20的第一側面23與第二側面24產生相對高度變化。

在本實施例中，橫向重心調整模組302的數量為複數，多個橫向重心調整模組302沿橫向T排列，但不以此為限，在其他較佳的實施例中，橫向重心調整模組302的數量也可以只有一個，並且橫向重心調整模組302沿橫向T從翼型浮體20第一側面23延伸至第二側面24(即橫向重心調整模組302橫跨翼型浮體20)，如此更能強化橫向重心調整模組302調整姿態的功效。

請配合參閱圖7所示，欲使洋流發電裝置處於第一側面23低於第二側面24的橫搖狀態時，將橫向重心調整模組302的配重塊31朝翼型浮體20的第一側面23移動，此時移翼型浮體20的重心與浮心之間的相對位置會使翼型浮體20產生第一側面23低於第二側面24的橫搖，進而使翼型浮體20的升力產生朝向第一側面23的橫向分力。此橫向分力可抵消海流對葉輪12產生的橫向力，降低用於將洋流發電裝置錨定於海床之繫纜的張力，進而降低洋流發電裝置的姿態控制難度。

請配合參閱圖8所示，欲使洋流發電裝置處於第二側面24低於第一側面23的橫搖狀態時，將橫向重心調整模組302的配重塊31朝翼型浮體20的第二側面24移動，此時配重塊31的位置改變會導致翼型浮體20的重心與浮心之間的距離改變，進而使翼型浮體20的升力產生朝向第二側面24的橫向分力。

綜上所述，本創作調整翼型浮體20姿態時，只需以定位機構32調整配重塊31的位置便可達到調整翼型浮體20的重心位置之功效。藉此，本創作的定位機構32與配重塊31可以完全不接觸海水以提高可靠度並降低維護需求及費用。此外，高密度的配重塊31可以利用較小的空間有效地改變翼型浮體20的重心位置，藉此大幅縮減體積以方便運輸、佈放及維修。再者，配重塊31能夠被定位機構32迅速地移動，進而能夠快速調整翼型浮體20重心，使本創作在惡劣海象中生存性較佳並且能持續發電。最後，移動配重塊31所需耗費的電力較小，可提升整體發電效率。

以上所述僅是本創作的較佳實施例而已，並非對本創作做任何形式上的限制，雖然本創作已以較佳實施例揭露如上，然而並非用以限定本創作，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本創作技術方案的範圍內，當可利用上述揭示的技術內容作出些許更動或修飾為等同變化的等效實施例，但凡是未脫離本創作技術方案的內容，依據本創作的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬於本創作技術方案的範圍內。