TWM611102U - 川流式小水力發電系統 - Google Patents

Abstract

一種川流式小水力發電系統，包含二河堤、一水門單元、一連通管，及一發電單元。該等河堤設置於一流道兩側。該水門單元連接該等河堤，可啟閉地控制水流。該連通管包括一位於該水門單元上游的上游入口，及一位於該水門單元下游的下游出口，該上游入口之高度低於該水門單元於關閉時之穩定水位高度。該發電單元包括一設置於該上游入口且受水流帶動而轉動的水輪機，及一連接該水輪機且受該水輪機連動而發電的發電模組。藉此，水流在一般情況會流入該水輪機而進行發電，當有大水時則藉由開啟該水門單元而使大部分的洪水經由該水門單元宣洩。

Description

川流式小水力發電系統

本新型是有關於一種水力發電系統，特別是指一種川流式小水力發電系統。

台灣高山平原間高度落差大，在許多河川或水圳都會需要設置消能設施來消除上游高速流動的水往下沖擊的動能，以減少河川地形及建設受水流衝擊破壞。常見的消能設施之原理有水躍法(hydraulic jump)、空飄法或其他散能方法。其中，水躍法之設施例如有圍兜式(apron)、斜兜式(sloping apron)等，空飄法之設施例如有滑雪跳板式(ski jump bucket)，其他方法之設施例如有靜水池(stilling basin)，包括導槽(chute)、石台(sill)、緩衝柱(baffle pier)等。

台灣平均年降雨量為2515毫米，且高山平原間高度落差大，理論上適合進行水力發電。但實際上，台灣冬季降雨量低，夏季遭逢颱風時，則容易因豪大雨而造成水量暴增。因此，利用河川水力進行發電之問題點在於，在冬季時，容易因水量過低導致發電量不易提升，而在夏季時，則可能因颱風水量暴漲而沖毀發電機構。

因此，本新型之目的，即在提供一種兼具消能及發電效果的川流式小水力發電系統。

於是，本新型川流式小水力發電系統，適用於架設於一流道，並包含二河堤、一水門單元、一連通管，及一發電單元。

該等河堤適用於沿該流道延伸地設置於該流道兩側。

該水門單元為自動倒伏式水門，連接該等河堤，可啟閉地控制水流。

該連通管包括一位於該水門單元上游的上游入口，及一位於該水門單元下游且連通該上游入口的下游出口，該上游入口之高度低於該水門單元於關閉時之穩定水位高度。

該發電單元包括一設置於該上游入口且受水流帶動而轉動的水輪機，及一連接該水輪機且受該水輪機連動而發電的發電模組。

本新型之功效在於：藉由設置該水門單元攔阻水流、設置連通該水門單元上下游的該連通管，並搭配將該水輪機設置於該上游入口以帶動該發電模組進行發電，可使水流在一般情況下流入該水輪機而進行發電，當有暴雨或大水時，則可藉由開啟該水門單元而使大部分的洪水經由該水門單元宣洩。如此，不僅可以於平時確保發電量穩定，亦可藉由該發電單元取代原本之消能工，將原本需要消耗的動能轉化為發電收益。

參閱圖1、圖2及圖3，本新型川流式小水力發電系統之一實施例，適用於架設於河川溝渠，並利用河川溝渠中的水流進行發電。

其中，本新型適合架設於河川溝渠中具有適當之落差(例如:0.5~10公尺之落差)及較大之流量(例如：1立方公尺／秒(cms)以上之流量)處，以獲得較佳的發電效率。

該實施例包含二河堤2、一水門單元3、一連通管4，及一發電單元5。其中，該實施例較佳是還包含一感測單元6及一控制單元7。

該河川溝渠界定一供水流流動的流道9，該等河堤2適用於沿該流道9延伸地設置於該流道9兩側。每一河堤2包括一堤壁21、一由該堤壁21向上延伸的設置座22，及一沿該堤壁21設置的軌道23。

該水門單元3連接該等河堤2，可啟閉地控制水流。該水門單元3為自動倒伏式水門，例如可為充氣橡皮壩或本實施例所示的油壓式自動倒伏堰等。該水門單元3具有二分別設置於該等設置座22的油壓桿31，及一連接該等油壓桿31且用以攔截水流的水門32，該水門32藉該等油壓桿31之伸縮而開啟及關閉。其中，圖1、4之實線表示該水門單元3完全開啟時之位置，假想線表示該水門單元3完全關閉時之位置。該等油壓桿31之位置較佳是高於該水門32的高度(尤其是油壓缸的部分)，如此，可以減少該等油壓桿31浸泡水中而受水流泥沙毀損的機率。自動倒伏式水門之特色在於，可以在無電力狀態下自重倒伏，因此，在遭遇大水或是受災斷電時，仍然可以因水的衝力或重力而自動倒伏，不僅具有方便進行控制且減少設置成本之優勢，還兼具自動安全保護功效。由於充氣橡皮壩或油壓式自動倒伏堰之運作細節皆為此業界所熟悉的內容，在此不贅述。

參閱圖1、圖2及圖3，該連通管4埋設於該河川溝渠底部，包括一位於該水門單元3上游的上游入口41、一位於該水門單元3下游且連通該上游入口41的下游出口42、一由該上游入口41延伸至該下游出口42的管壁43，及一由該管壁43鄰近該上游入口41處向內延伸的限位部44。其中，該上游入口41之高度低於該水門單元3於關閉時之穩定水位高度，並高於該水門32於完全開啟時，該水門32之頂端(圖1中標示321處)的高度。此處穩定水位高度指該水門單元3關閉時，水位在一般(非洪水時)情況下到達穩定時之高度。藉此，當該水門單元3關閉時，水流會由該上游入口41流入而帶動該發電單元5進行發電，接著由該下游出口42流出而回歸水道。當該水門單元3完全開啟時，大部分的水流則會經由該水門單元3流入下游，如此，可避開洪水造成該發電單元5過度運轉而損毀。

值得一提的是，該管壁43位於上游且界定該上游入口41之一端(圖1中標示431處)，較佳是高於該河川溝渠底部，如此，可以減少該河川溝渠底部之泥沙或石頭滾入該發電單元5而導致損毀之情況。

該發電單元5包括一設置於該上游入口41且受水流帶動而轉動的水輪機51、一連接該水輪機51受該水輪機51連動而發電的發電模組52、一設置於該等河堤2且供該發電模組52設置的基座53，及複數設置於該基座53及該等軌道23且用以帶動該基座53沿該等軌道23滑動的滑輪54。

該水輪機51具有一具有複數供水流流通之通孔512的外殼511、一設置於該外殼511內的扇葉組513、一連接該扇葉組513與該發電模組52的動力軸514，及複數設置於該外殼511且供該動力軸514穿設的軸承515。該外殼511設置於該上游入口41且向下靠抵於該限位部44。該扇葉組513受水流驅動而轉動，並帶動該動力軸514旋轉而連動該發電模組52發電。其中，該水輪機51可為軸流式、渦輪式或卡布蘭式(Kaplan turbine)等形式的水輪機。

其中，藉由將該基座53設置於該等堤壁21上，並將該發電模組52設置於該基座53上，可使該基座53與該發電模組52之設置高度皆高於該水門單元3於關閉時之穩定水位高度。如此，不論是在一般發電或是在該水門單元3開啟而洩洪時，都可以減少該發電模組52浸泡水中而造成損耗的機會。

於本實施例中，該水輪機51之外殼511是設置於由該管壁43向內延伸的該限位部44上，但實際應用時，亦可以是配合該水輪機51之外殼511的形狀而於該上游入口41內設置一個水輪機座(圖未示)供該水輪機51嵌設，以獲得更佳的穩固效果。

該發電模組52具有一連接該動力軸514的變速器521、一連接該變速器521的發電機522，及一電連接該發電機522的控制器523。其中，該變速器521為增速器，該發電機522可為感應式或直流、同步等形式之發電機。該控制器523控制該發電機522之運作而使該發電機522之輸出電力能符合電力公司要求的電力規格，以供該發電機522之輸出電力能輸出至電力公司的饋線，而提供給電力公司或附近用戶使用。由於上述調整輸出電力以符合電力公司要求之細節為此業界所熟悉的內容，在此不贅述。

該感測單元6用以感測水流、該水門單元3的開啟狀態及該發電機522之負載狀態。該感測單元6可以使用水位計、流量計、或流速計來感測水流之水位、流量、流速等資訊。例如，水位計可使用壓力、重量、浮力、導電、電容、光電、超音波、微波等原理的感測方式，流量計、流速計可使用壓差式、機械式、熱流式、超音波式等感測水流量的感應器。該感測單元6可藉由使用光電式、角度及直線距離編碼器、位置感應開關等裝置感測該水門單元3，以得到該水門單元3的開啟狀態。該發電機522之負載狀態可藉由量測該發電機522之電流及電壓而判斷。由於此部分技術為本技術領域中具有通常知識者根據以上說明可以推知擴充細節，因此不多加說明。

該控制單元7信號連接該水門單元3、該發電單元5與該感測單元6。該控制單元7根據該感測單元6的感測狀況而控制該水門單元3的啟閉程度。

其中，該控制單元7可根據水流狀況而控制該水門單元3開啟或關閉，例如，於水位、流量、或流速大於預定值時，即控制該水門單元3部分開啟或完全開啟，以達到能於緊急狀況或水量暴增時快速宣洩洪水，避免堵水溢流等情況，此時，較佳是搭配控制該發電機522同時跳脫而停機運轉，減少該發電機522損毀之可能。

並且，該控制單元7較佳是內建緊急全開的模式，在例如跳電或水流失控時，會迅速控制該水門單元3完全開啟，以避免淹水溢流，而達到零災害之需求。

於實際應用時，由於許多農田灌排渠道及山坑排水或區域排水皆有較大之流量，可挑選其中具有合適之落差且歷年來之最大洪峰可由該水門單元3無害通過的地點進行設置。

參閱圖1、圖2及圖4，於組裝時，在建造該等河堤2、該水門單元3與該連通管4後，將該水輪機51吊起並對準該上游入口41放入，待放置穩定後以螺絲將該水輪機51與該管壁43鎖固，接著，將該基座53及該滑輪54設置於該水輪機51上方，並將該發電模組52連接該水輪機51之該動力軸514後，即完成組裝。

而當該水輪機51需要維修時，只需先如圖4所示將該發電模組52拆離該動力軸514，接著將該基座53沿該軌道23滑離該水輪機51上方，即可使用吊車將該水輪機51吊起進行維修。

參閱圖1、圖2及圖3，於實際運作時，在一般流量的情況下，該感測單元6感測水流狀況、該水門單元3的開啟程度及該發電機522之負載狀態，於水流量及水壓未到達使該發電機522滿載發電時，該控制單元7控制該水門單元3完全關閉，使水流都由該上游入口41流入該水輪機51並進行發電。當水流量繼續增加而使該發電機522滿載發電時，該控制單元7開始動態調整該水門單元3之開啟程度，而使流入該水輪機51的水量及水壓能使該發電機522維持在滿載但不過載的情況，如此，可以使發電機522提供最佳發電效率，並避免過大的水流量及水壓會損害該發電模組52。

當暴雨或颱風而使水量暴增時，該控制單元7控制該水門單元3完全開啟，使大部分的水流量可以經由該水門單元3宣洩，如此，可以減少該發電單元5受大水衝擊而損毀的機率。

值得一提的是，該控制單元7亦可利用機械學習及預測模型調整該水門單元3的開啟時間及開啟狀態，進而達到更佳的發電效果或洩洪效果。

參閱圖5，當該河川溝渠寬度較寬且水流量較大時，亦可於該河川溝渠上設置複數川流式小水力發電系統。其中，為達到最佳發電效率 並兼顧安裝便利性，較佳是每1~7立方公尺／秒(cms)的流量就對應設置一川流式小水力發電系統。

如圖5中所示，將該河川溝渠界定為二流道9，並於每一流道9設置一川流式小水力發電系統。其中，位於該河川溝渠中間之河堤2可以整併為單一個河堤2。

參閱圖1、圖2及圖3，經由以上的說明，本實施例的功效如下：

一、藉由設置該水門單元3攔阻水流、設置連通該水門單元3上下游的該連通管4，並搭配將該水輪機51設置於該上游入口41以帶動該發電模組52進行發電，可使水流在一般情況下流入該水輪機51而進行發電，當有暴雨或大水時，則可藉由開啟該水門單元3而使大部分的洪水經由該水門單元3宣洩。如此，不僅可以於平時確保發電量穩定，亦可防止豪雨造成溢流淹水之災害、確保水路安全，並可藉由該發電單元5取代原本之消能工，將原本需要消耗的動能轉化為發電收益，並使用發電收益作為河川設施的維護成本，或將電能就近供應附近用戶使用。再者，發電後之水流會流回下游之水路，因此，並不影響原本溝渠的灌溉或排水效果，符合環保綠能發電之需求。

再搭配使用自動倒伏式水門實施該水門單元3，可以藉由自動倒伏式水門可以在無電力狀態下自重倒伏的特性，在遭遇大水或是受災斷電時，仍然可以因水的衝力或重力而自動倒伏，故能達到自動安全保護的功效。並且，自動倒伏式水門控制複雜度較低，設備較簡單，造價便宜，並具有可無人式管理之優點。

二、藉由設置該感測單元6感測水流狀況及該發電機522之負載狀態，並據此動態調整該水門單元3之啟閉程度，可以使發電機522提供最佳發電效率，並避免過大的水流量損害該發電模組52。

綜上所述，本新型川流式小水力發電系統，確實能達成本新型的目的。

惟以上所述者，僅為本新型之實施例而已，當不能以此限定本新型實施之範圍，凡是依本新型申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本新型專利涵蓋之範圍內。

2:河堤 21:堤壁 22:設置座 23:軌道 3:水門單元 31:油壓桿 32:水門 321:水門之頂端 4:連通管 41:上游入口 42:下游出口 43:管壁 431: 管壁位於上游之一端 44:限位部 5:發電單元 51:水輪機 511:外殼 512:通孔 513:扇葉組 514:動力軸 515:軸承 52:發電模組 521:變速器 522:發電機 523:控制器 53:基座 54:滑輪 6:感測單元 7:控制單元 9:流道

本新型之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中： 圖1是本新型川流式小水力發電系統的一實施例應用於河川溝渠的一剖視示意圖； 圖2是該實施例的一俯視示意圖； 圖3是該實施例的一方塊示意圖； 圖4是一剖視示意圖，說明該實施例的一水輪機的組裝過程；及 圖5是一俯視示意圖，說明於一河川溝渠中設置複數該實施例的情況。

2:河堤

21:堤壁

22:設置座

23:軌道

3:水門單元

31:油壓桿

32:水門

321:水門之頂端

4:連通管

41:上游入口

42:下游出口

43:管壁

431:管壁位於上游之一端

44:限位部

5:發電單元

51:水輪機

511:外殼

512:通孔

513:扇葉組

514:動力軸

515:軸承

52:發電模組

53:基座

54:滑輪

Claims (9)

1. 一種川流式小水力發電系統，適用於架設於一流道，並包含： 二河堤，適用於沿該流道延伸地設置於該流道兩側； 一水門單元，為自動倒伏式水門，連接該等河堤，可啟閉地控制水流； 一連通管，包括一位於該水門單元上游的上游入口，及一位於該水門單元下游且連通該上游入口的下游出口，該上游入口之高度低於該水門單元於關閉時之穩定水位高度；及 一發電單元，包括一設置於該上游入口且受水流帶動而轉動的水輪機，及一連接該水輪機且受該水輪機連動而發電的發電模組。
2. 如請求項1所述的川流式小水力發電系統，其中，該水門單元具有二分別設置於該等河堤的油壓桿，及一連接該等油壓桿且用以攔截水流的水門，該水門藉該等油壓桿之伸縮而開啟及關閉。
3. 如請求項2所述的川流式小水力發電系統，其中，該上游入口之高度高於該水門於完全開啟時其頂端之高度。
4. 如請求項2所述的川流式小水力發電系統，其中，每一河堤包括一堤壁及一由該堤壁向上延伸的設置座，該等設置座分別供該等油壓桿之一端設置。
5. 如請求項1所述的川流式小水力發電系統，其中，該連通管包括一由該上游入口延伸至該下游出口的管壁，及一由該管壁鄰近該上游入口處向內延伸的限位部，該限位部供該水輪機設置。
6. 如請求項5所述的川流式小水力發電系統，其中，該水輪機具有一具有複數供水流流通之通孔的外殼、一設置於該外殼內的扇葉組，及一連接該扇葉組與該發電模組的動力軸，該外殼設置於該上游入口且靠抵於該限位部，該扇葉組受水流驅動而轉動，並帶動該動力軸旋轉而連動該發電模組發電。
7. 如請求項1所述的川流式小水力發電系統，其中，每一河堤包括一堤壁及一沿該堤壁設置的軌道，該發電單元還包括複數設置於該等軌道的滑輪，及一架設於該等滑輪且供該發電模組設置的基座，該等滑輪用以帶動該基座沿該等軌道滑動。
8. 如請求項7所述的川流式小水力發電系統，其中，該基座與該發電模組之設置高度皆高於該水門單元於關閉時之穩定水位高度。
9. 如請求項1所述的川流式小水力發電系統，還包含一感測單元及一信號連接該水門單元、該發電單元與該感測單元的控制單元，該控制單元根據該感測單元的感測狀況而控制該水門單元的啟閉程度。

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