TWI762295B - 利用導流/自動調整吃水深度以增加發電效率的水輪發電裝置 - Google Patents

Abstract

一種水輪發電裝置，包括水輪發電單元以及漂浮導流單元。漂浮導流單元連接於水輪發電單元，用於將水流導引至水輪發電單元。具體來說，漂浮導流單元是將水流區分為湧升水流與下沉水流，湧升水流之水平高度高於下沉水流之水平高度。湧升水流會衝擊位於水面之上的葉片，相較於傳統的車輪式發電裝置，此種水輪發電裝置的葉片受力會更早，增強發電效率。下沉水流的高度是低於常態水面，使得葉片進入水面時的傾斜角度較為垂直，防止葉片大面積撞擊水面，提升使用壽命。水輪發電裝置還可藉由懸吊調節單元來調整吃水深度。

Description

利用導流/自動調整吃水深度以增加發電效率的水輪發電裝 置

本發明係涉及一種發電裝置，特別是關於一種水輪發電裝置。

傳統的車輪式發電裝置，其於渠道工作運轉時，實際接觸到水流的葉片很少，發電效率低下；並且，由於前面的葉片會擋到後面的葉片，也會致使有效受水衝擊的葉片很少，導致葉片產生的推力小，發電功率低。

若是為增加有效作用的葉片數，使得傳統車輪式發電裝置的葉片吃水較深，由於葉片吃水愈深，葉片進入水的傾斜角度會愈大，其背面會大面積撞擊水面，產生噪音與強大反向阻力，所產生的強大反向阻力會損傷葉片，降低使用壽命。

此外，傳統的車輪式發電裝置多為固定式的設計，但水渠內的水位深淺時常會受降雨量等因素的影響而變化。若水位低時，車輪式發電裝置的水輪吃水不足，則無法進行有效運轉發電。若水位高時，水流通常流速較快，水流會直接衝擊輪葉，進而造成輪葉的損壞，並且，水流高於輪 葉軸心的部位將提供逆運轉的衝力，反而有損於發電效率。

因此，本發明的主要目的在於提供一種水輪發電裝置、視標控制模組與視標生成方法，以解決上述問題。

本發明的目的在於提供一種水輪發電裝置，相較於傳統的車輪式發電裝置，此水輪發電裝置的有效受水衝擊之葉片數更多，葉片受水沖擊會更早，可增強葉輪推力，提升發電功率。並且，可使得葉片進入水面時的傾斜角度較為垂直，防止葉片大面積撞擊水面，提升使用壽命。

為達所述優點至少其中之一或其他優點，本發明的一實施例提出一種水輪發電裝置。此水輪發電裝置包括水輪發電單元以及漂浮導流單元。

水輪發電單元用於產生電力。漂浮導流單元連接於水輪發電單元，用於將水流導引至水輪發電單元。具體來說，漂浮導流單元是將水流區分為湧升水流與下沉水流，湧升水流之水平高度高於下沉水流之水平高度。

在一些實施例中，該水輪發電單元包括一車輪機、一水輪主軸、複數個葉片座、一第一錬輪、一第二錬輪、一錬條以及一發電機，該水輪主軸穿過該車輪機並連接於該第一錬輪，該第一錬輪透過該錬條耦接該第二錬輪，該第二錬輪連接於該發電機，該些葉片座是以該水輪主軸為對稱軸，均勻分佈於該水輪主軸的周圍，當該車輪機因該些葉片座被該水流衝擊而轉動時，該車輪機透過該水輪主軸帶動該第一錬輪轉動，該第一錬輪透過該錬條帶動該第二錬輪轉動，以使得該發電機進行發電。

在一些實施例中，各該葉片座內均勻設置有複數個葉片，該水輪主軸是位於該車輪機之周向中心。

在一些實施例中，該漂浮導流單元包括一導流湧升板、一第一浮筒組、一第二浮筒組、一第一支撐桿以及一第二支撐桿，該第一支撐桿之相對兩端分別連接該第一浮筒組與該水輪發電單元，該第二支撐桿之相對兩端分別連接該第二浮筒組與該水輪發電單元，該導流湧升板設置於該第一浮筒組與該第二浮筒組之間，用於將該水流區分為該湧升水流與該下沉水流。

在一些實施例中，該漂浮導流單元還包括一第一連接板、一第二連接板、複數個第一浮筒夾持件、複數個第二浮筒夾持件，該第一浮筒組包括複數個第一浮筒，該第二浮筒組包括複數個第二浮筒，該些第一浮筒夾持件對應套接於該些第一浮筒上，並貫穿該第一連接板，以使得該些第一浮筒呈上下排列分佈，該些第二浮筒夾持件對應套接於該些第二浮筒上，並貫穿該第二連接板，以使得該些第二浮筒呈上下排列分佈，該第一連接板與該第二連接板是彼此面對面設置。

在一些實施例中，該第一連接板與該第二連接板具有卡勾部，卡合於該水輪發電單元，以加強該水輪發電單元與該漂浮導流單元間的連接，該車輪機之末端凸出於該第一浮筒組與該第二浮筒組。

在一些實施例中，水輪發電裝置還可包括一懸吊調節單元，連接於該水輪發電單元，用於調節該水輪發電單元之吃水深度。

在一些實施例中，該懸吊調節單元包括一支撐架、一掛勾件以及一配重調節單元，該支撐架之相對兩端分別連接該掛勾件與該配重 調節單元，該掛勾件連接於該水輪發電單元，該配重調節單元用於調節該水輪發電單元之吃水深度。

在一些實施例中，該配重調節單元包括一彈簧件以及至少一砝碼，該支撐架之相對兩端分別固定有一第一滑輪與一第二滑輪，該第一滑輪與該第二滑輪係透過一繩索連接，且該繩索之相對兩端分別連接該彈簧件與該掛勾件，該彈簧件背離該繩索之一側連接該砝碼。

在一些實施例中，該支撐架係一旋轉式支撐架。

因此，利用本發明所提供之水輪發電裝置，藉由漂浮導流單元將水流區分為湧升水流與下沉水流之設置，被導引至高處的湧升水流會衝擊高處的葉片，增加有效受水衝擊作用的葉片數量，且使得葉片受水沖擊更早，增強葉輪推力，提升發電功率；被導引至低處的下沉水流則可使得葉片進入水面時的傾斜角度更為垂直，防止葉片大面積撞擊水面，提升使用壽命。

上述說明僅是本發明技術方案的概述，為了能夠更清楚瞭解本發明的技術手段，而可依照說明書的內容予以實施，並且為了讓本發明的上述和其他目的、特徵和優點能夠更明顯易懂，以下特舉較佳實施例，並配合圖式，詳細說明如下。

10:水輪發電裝置

100:水輪發電單元

110:車輪機

120:水輪主軸

130:葉片座

135:葉片

140:第一錬輪

150:第二錬輪

160:錬條

170:發電機

200:漂浮導流單元

210:導流湧升板

220:第一浮筒組

225:第一浮筒

230:第二浮筒組

235:第二浮筒

240:第一支撐桿

250:第二支撐桿

260:第一連接板

265:卡勾部

270:第二連接板

275:卡勾部

280:第一浮筒夾持件

290:第二浮筒夾持件

300:懸吊調節單元

310:支撐架

320:掛勾件

330:配重調節單元

332:彈簧件

334:砝碼

340:第一滑輪

350:第二滑輪

360:繩索

W:水流

U:湧升水流

S:下沉水流

α:傾斜角度

A1:正常流動區

A2:加速區

A3:導流區

A4:葉片受力旋轉區

A5:擴散區

所包括的圖式用來提供對本申請實施例的進一步的理解，其構成了說明書的一部分，用於例示本申請的實施方式，並與文字描述一起來闡釋本申請的原理。顯而易見地，下面描述中的圖式僅僅是本申請的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提 下，還可以根據這些圖式獲得其他的圖式。在圖式中：

〔圖1A〕是本發明水輪發電裝置的結構示意圖。

〔圖1B〕是本發明水輪發電裝置的工作原理示意圖。

〔圖2〕是本發明水輪發電裝置的導流示意圖。

〔圖3〕是本發明水輪發電單元的結構示意圖。

〔圖4〕是本發明漂浮導流單元的結構示意圖。

〔圖5〕是本發明水輪發電單元與漂浮導流單元的結合示意圖。

〔圖6〕是本發明懸吊調節單元的結構示意圖。

本文所公開的具體結構和功能細節僅僅是代表性的，並且是用於描述本發明的示例性實施例的目的。但是本發明可以通過許多替換形式來具體實現，並且不應當被解釋成僅僅受限於本文所闡述的實施例。

在本發明的描述中，需要理解的是，術語“中心”、“橫向”、“上”、“下”、“左”、“右”、“豎直”、“水準”、“頂”、“底”、“內”、“外”等指示的方位或位置關係為基於附圖所示的方位或位置關係，僅是為了便於描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或組件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。此外，術語“第一”、“第二”僅用於描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性或者隱含指明所指示的技術特徵的數量。由此，限定有“第一”、“第二”的特徵可以明示或者隱含地包括一個或者更多個該特徵。在本發明的描述中，除非另有說明，“多個”的含義是兩個或兩個以上。另外，術語“包括”及其任何變形，意圖在於覆蓋不排他的包含。

在本發明的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規定和限定，術語“安裝”、“相連”、“連接”應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個組件內部的連通。對於本領域的普通技術人員而言，可以具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。

本文所使用的術語僅僅是為了描述具體實施例而非意圖限制示例性實施例。除非上下文明確地另有所指，否則本文所使用的單數形式“一個”、“一項”還意圖包括複數。還應當理解的是，本文所使用的術語“包括”和/或“包含”規定所陳述的特徵、整數、步驟、操作、單元和/或組件的存在，而不排除存在或添加一個或更多其他特徵、整數、步驟、操作、單元、組件和/或其組合。

請參閱圖1A、圖1B和圖2，圖1A是本發明水輪發電裝置10的結構示意圖，圖1B是本發明水輪發電裝置10的工作原理示意圖，圖2是本發明水輪發電裝置10的導流示意圖。需要說明的是，圖1B為圖1A的平面簡易示圖，並簡化圖1A中的具體結構，圖2中省略了水輪發電裝置10中的部分結構，以清晰表達水流W之流向。為達所述優點至少其中之一或其他優點，本發明的一實施例提供一種水輪發電裝置10，是藉助水力以進行發電的裝置。如圖中所示，水輪發電裝置10包括水輪發電單元100以及漂浮導流單元200。

水輪發電單元100是藉助水流W衝擊而進行發電的發電裝置。漂浮導流單元200連接於水輪發電單元100，用於將水流W導引至此水輪 發電單元100，以助於提升水輪發電單元100的發電功率。如圖1B所示，將整個水渠劃分定義為多個區域，沿水流W流動方向起依序是正常流動區A1、加速區A2、導流區A3、葉片135受力旋轉區A4、以及擴散區A5。

正常流動區A1是指水流W正常流動的區域，還未受到本發明水輪發電單元100的相關作用。

加速區A2是用於加速水流W進入水輪發電單元100的流速，其可以是藉由第一浮筒組220與第二浮筒組230之設置來加速水流W流動速度，達到增加推動葉片135的力量及提高水輪發電單元100發電功率的目的，更為詳細的說明可參照下文對應於圖4和圖5的內容。

請一併參照圖2，在導流區A3中，此漂浮導流單元200會將流經的水流W區分為湧升水流U與下沉水流S，湧升水流U的水平高度是高於下沉水流S的水平高度。被導引至高處的湧升水流U會衝擊高處的葉片135，增加有效受水衝擊作用的葉片135數量，並且，使得葉片135受水沖擊更早，最終增強葉輪推力，提升發電功率。被導引至低處的下沉水流S則會使得葉片135進入水面時的傾斜角度更為垂直，防止葉片135大面積撞擊水面，提升使用壽命。也就是說，下沉水流S的水流面高度是低於常態水流W液面高度，使得葉片135受水流衝擊的區域比常態水流W液面低，則葉片135會以更為垂直的角度去接觸下沉水流S液面，防止葉片135大面積撞擊水面。

葉片135受力旋轉區A4是指葉片135受水流W衝擊而帶動車輪機110旋轉，進而使得發電機170進行發電。具體而言，高處的葉片135是受湧升水流U衝擊而轉動，且此處葉片135由於背面無水阻擋，故無相應阻力，轉速更快，增強發電功率；低處的葉片135大多是受下沉水流S的水平 衝擊而轉動，且由於下沉水流S的高度更低，葉片135會是以更為豎直的狀態與其接觸，進而使得葉片135所受推力更強，增強發電功率。更為詳細的說明可參照下文對應於圖3的內容。

擴散區A5是用於擴散釋放水流W的區域。當具有流速的水流W將能量傳給水輪發電單元100後，流出的流速會變慢，如果水流入口和出口的寬度一樣，在入口和出口相同流量條件(連續性定理)下，出口水位會升高，這造成堵塞現象，水流減少，功率下降。本發明設計擴散區A5以解決此問題。在一實施例中，本案係使得第一浮筒組220與第二浮筒組230之尾端間距大於第一浮筒組220與第二浮筒組230之頭端間距，其中，頭端與尾端是沿著水流W流動方向定義而成，換言之，水流W會先流入較為狹窄的頭端，再由較為寬闊的尾端流出，避免堵塞現象的發生，保證發電功率。不過，本案亦不限於此。在其他實施例中，如圖1B中所示，可使得水輪發電單元100的車輪機110之末端凸出於第一浮筒組220與第二浮筒組230，使得車輪機110排出的水流區域更為廣闊(相較於水流流入車輪機110的區域而言)，如此一來，水流的出口區域會大於水流的入口區域，也可解決上述問題。或是，車輪機110之水流出口處的寬度大於水流入口處的寬度，亦可免除堵塞現象，增加發電效率。

在一實施例中，如圖3所示，水輪發電單元100包括車輪機110、水輪主軸120、複數個葉片座130、第一錬輪140、第二錬輪150、錬條160以及發電機170。水輪主軸120穿過車輪機110並連接於第一錬輪140。第一錬輪140透過錬條160耦接第二錬輪150，以使得第一錬輪140可帶動第二錬輪150同步轉動。第二錬輪150連接於發電機170。該些個葉片座130是以水 輪主軸120為對稱軸，均勻分佈於水輪主軸120的周圍。各個葉片座130內均勻設置有複數個葉片135。當水流衝擊葉片座130及葉片135時，會使得整個車輪機110轉動起來，車輪機110透過水輪主軸120帶動第一錬輪140轉動，接著，第一錬輪140透過錬條160帶動第二錬輪150轉動，第二錬輪150的轉動可以使得發電機170進行發電。

在一實施例中，水輪主軸120是位於車輪機110之周向中心，以均勻發電。不過本案亦不限於此，依據實際地形、操作需求等，水輪主軸120亦可以是設置於偏離中心之區域。

在一實施例中，如圖4和圖5所示，漂浮導流單元200包括導流湧升板210、第一浮筒組220、第二浮筒組230、第支撐桿以及第二支撐桿250。第一支撐桿240之相對兩端分別連接第一浮筒組220與水輪發電單元100，第二支撐桿250之相對兩端分別連接第二浮筒組230與水輪發電單元100，以將漂浮導流單元200與水輪發電單元100連接在一起。

導流湧升板210設置於第一浮筒組220與第二浮筒組230之間，用於將水流W區分為湧升水流U與下沉水流S。導流湧升板210具有一定的傾斜角度α，此傾斜角度α範圍介於10度至60度之間，包括10度與60度，以保證湧升水流U的流速、衝擊葉片135的角度與力量。

進一步看，漂浮導流單元200還包括第一連接板260、第二連接板270、三個第一浮筒夾持件280以及三個第二浮筒夾持件290。第一浮筒組220包括三個第一浮筒225，第二浮筒組230包括複數個第二浮筒235。三個第一浮筒夾持件280是分別對應套接於三個第一浮筒225上，並皆貫穿第一連接板260，以使得三個第一浮筒225呈上下排列分佈，保證浮力。三個第 二浮筒夾持件290是分別對應套接於三個第二浮筒235上，並皆貫穿第二連接板270，以使得三個第二浮筒235呈上下排列分佈，保證浮力。

第一連接板260與第二連接板270是彼此面對面設置。第一連接板260與第二連接板270具有卡勾部265、275，第一連接板260與第二連接板270是透過其卡勾部265、275卡合於水輪發電單元100，以加強水輪發電單元100與漂浮導流單元200間的連接。

在一實施例中，如圖1、圖6所示，水輪發電裝置10還包括懸吊調節單元300。懸吊調節單元300是連接於水輪發電單元100，用於調節水輪發電單元100之吃水深度。懸吊調節單元300包括支撐架310、掛勾件320以及配重調節單元330。支撐架310可固定於地面上，起到支撐整體的作用，支撐架310之相對兩端分別連接掛勾件320與配重調節單元330。掛勾件320連接於水輪發電單元100，為水輪發電單元100提供拉力。

配重調節單元330是用於調節水輪發電單元100之吃水深度。配重調節單元330包括彈簧件332以及至少一個砝碼334。支撐架310之相對兩端分別固定有第一滑輪340與第二滑輪350，第一滑輪340與第二滑輪350係透過繩索360進行連接，且繩索360之相對兩端分別連接彈簧件332與掛勾件320。彈簧件332背離繩索360之一側連接砝碼334。彈簧件332之設置，可緩衝車輪機110所受到的上下力量。配重砝碼334之數量可為多個，依實際配重需求而進行變更。

本發明是利用浮筒之浮力及配重調節單元330之設計來調整並維持水輪發電裝置10之吃水深度。具體來講，當水渠內的水位深淺受降雨量等因素的影響而變化時，本發明之水輪發電裝置10可自動調節吃水深 度，來達到較佳的發電效率。例如：當水位較高時，可增加配重調節單元330之重量(增加砝碼334)時，浮筒的實際浮力會縮小，則水輪發電裝置10之吃水深度較淺，保證發電效率；反之，當水位較低時，可降低配重調節單元330之重量(減少砝碼334)時，浮筒的實際浮力會增大，則水輪發電裝置10之吃水深度較深，保證發電效率。不過，本案亦不限於此。砝碼334亦可使用其他具有一定重量的結構來代替，換言之，配重調節單元330亦可是其他可調整自身重量的結構。

在一實施例中，該支撐架310係旋轉式支撐架310，當水輪發電單元100需吊出水面進行維修、更換等操作時，通過旋轉支撐架310，可快速便捷地吊出水輪發電單元100。

整體而言，首先水流W是自由流動至浮導流單元。接著，導流湧升板210會將水流W區分為湧升水流U與下沉水流S，在此過程中，由於二個浮筒組的設置，二個浮筒組之間會形成一個較為狹窄的水流入口，有助於提升水流W進入的流速，進一步提升水流W的衝擊力，增加葉輪受力，提升發電功率。後續，湧升水流U與下沉水流S共同衝擊葉片座130及葉片135，推動車輪機110運轉，使得發電機170進行發電。最後，水流W再從水流出口流出。

補充說明的是，本案之水輪發電單元100亦可是其它結構之發電裝置，意即，此水輪發電單元100只需是藉助水流推力進行發電的裝置即可。此外，在洪水等災難來臨時，本案之水輪發電裝置10可藉由懸吊調節單元300將水輪發電單元100與漂浮導流單元200懸吊起來，以避免水輪發電單元100與漂浮導流單元200遭受猛烈的洪水衝擊而損壞。

綜上所述，利用本發明所提供之水輪發電裝置10，藉由漂浮導流單元200將水流W區分為湧升水流U與下沉水流S之設置，被導引至高處的湧升水流U會衝擊高處的葉片135，增加有效受水衝擊作用的葉片135數量，且使得葉片135受水沖擊更早，增強葉輪推力，提升發電功率；被導引至低處的下沉水流S則可使得葉片135進入水面時的傾斜角度更為垂直，防止葉片135大面積撞擊水面，提升使用壽命。此外，如果只有浮筒而無懸吊配重設計時，吃水深就是固定的。本發明藉由懸吊調節單元300還可依需要來調整並維持水輪發電裝置10之吃水深度來達到最佳的效率。

藉由以上較佳具體實施例的詳述，是希望能更加清楚描述本發明的特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳具體實施例來對本發明的範疇加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請的專利範圍的範疇內。

10:水輪發電裝置

100:水輪發電單元

110:車輪機

120:水輪主軸

130:葉片座

135:葉片

140:第一錬輪

150:第二錬輪

160:錬條

170:發電機

200:漂浮導流單元

210:導流湧升板

220:第一浮筒組

225:第一浮筒

230:第二浮筒組

235:第二浮筒

240:第一支撐桿

250:第二支撐桿

270:第二連接板

290:第二浮筒夾持件

300:懸吊調節單元

310:支撐架

320:掛勾件

330:配重調節單元

332:彈簧件

334:砝碼

340:第一滑輪

350:第二滑輪

360:繩索

Claims (7)

1. 一種水輪發電裝置，包括：一水輪發電單元；以及一漂浮導流單元，連接於該水輪發電單元，用於將一水流導引至該水輪發電單元，其中，該漂浮導流單元將該水流區分為一湧升水流與一下沉水流，該湧升水流之水平高度高於該下沉水流之水平高度；一懸吊調節單元，連接於該水輪發電單元，用於調節該水輪發電單元之吃水深度；其中，該懸吊調節單元包括一支撐架、一掛勾件以及一配重調節單元，該支撐架之相對兩端分別連接該掛勾件與該配重調節單元，該掛勾件連接於該水輪發電單元，該配重調節單元用於調節該水輪發電單元之吃水深度；該配重調節單元包括一彈簧件以及至少一砝碼，該支撐架之相對兩端分別固定有一第一滑輪與一第二滑輪，該第一滑輪與該第二滑輪係透過一繩索連接，且該繩索之相對兩端分別連接該彈簧件與該掛勾件，該彈簧件背離該繩索之一側連接該砝碼。
2. 如請求項1所述的水輪發電裝置，其中，該水輪發電單元包括一車輪機、一水輪主軸、複數個葉片座、一第一錬輪、一第二錬輪、一錬條以及一發電機，該水輪主軸穿過該車輪機並連接於該第一錬輪，該第一錬輪透過該錬條耦接該第二錬輪，該第二錬輪連接於該發電機，該些葉片座是以該水輪主軸為對稱軸，均勻分佈於該水輪主軸的周圍，當該車輪機因該些葉片座被該水流衝擊而轉動時，該車輪機透過該水輪主軸帶動該第一錬輪轉動，該第一錬輪透過該錬條帶動該第二錬輪轉動，以使得該發電機進行發電。
3. 如請求項2所述的水輪發電裝置，其中，各該葉片座內均勻設置有複數個葉片，該水輪主軸是位於該車輪機之周向中心。
4. 如請求項2所述的水輪發電裝置，其中，該漂浮導流單元包括一導流湧升板、一第一浮筒組、一第二浮筒組、一第一支撐桿以及一第二支撐桿，該第一支撐桿之相對兩端分別連接該第一浮筒組與該水輪發電單元，該第二支撐桿之相對兩端分別連接該第二浮筒組與該水輪發電單元，該導流湧升板設置於該第一浮筒組與該第二浮筒組之間，用於將該水流區分為該湧升水流與該下沉水流。
5. 如請求項4所述的水輪發電裝置，其中，該漂浮導流單元還包括一第一連接板、一第二連接板、複數個第一浮筒夾持件、複數個第二浮筒夾持件，該第一浮筒組包括複數個第一浮筒，該第二浮筒組包括複數個第二浮筒，該些第一浮筒夾持件對應套接於該些第一浮筒上，並貫穿該第一連接板，以使得該些第一浮筒呈上下排列分佈，該些第二浮筒夾持件對應套接於該些第二浮筒上，並貫穿該第二連接板，以使得該些第二浮筒呈上下排列分佈，該第一連接板與該第二連接板是彼此面對面設置。
6. 如請求項5所述的水輪發電裝置，其中，該第一連接板與該第二連接板具有一卡勾部，卡合於該水輪發電單元，以加強該水輪發電單元與該漂浮導流單元間的連接，該車輪機之末端凸出於該第一浮筒組與該第二浮筒組。
7. 如請求項1所述的水輪發電裝置，其中，該支撐架係一旋轉式支撐架。

Images