TWI880811B - 河流灌溉渠道水力發電裝置、系統及其螺旋機組 - Google Patents

Abstract

本發明涉及一種水力發電裝置、系統及其螺旋機組，係主要安裝於河流、灌溉渠道等之流水場域，讓微流水的速度進入預鑄的外管內，以帶動該外管內部所設置的一具有阿基米德螺旋之螺旋傳動軸，其中該螺旋傳動軸創新採用三片式的外螺旋葉片組，以協助該螺旋傳動軸之轉動，同時在該螺旋傳動軸的尾端上方處加裝一連動件及一無段增速機，以產生扭力並轉動一發電機，讓微弱水流流速能夠達到水力發電機的發電轉速要求。

Description

河流灌溉渠道水力發電裝置、系統及其螺旋機組

本發明涉及一種再生能源裝置之領域，尤指提供裝設於河流灌溉渠道的一種水力發電裝置之範疇。

按，水力發電係指利用水流動的能量來產生電力的一種再生能源。在河流、灌溉渠道中，水流流動的流速提供了水力發電機的動力資源，可以透過適當的各種設備和機械技術轉化動能來驅動發電機產生電能。而且，相較於傳統的能源裝置，河流及渠道的水力發電係具有較低的環境影響，不產生溫室氣體和其他污染物排放，對水資源的消耗也相對較少等許多優點，使得水力發電成為發展再生能源的重要項目之一，並得到了政府和社會的鼓勵與支持。

隨著全球對再生能源的需求增加，有些國家已開始大規模地建設河流及渠道的水力發電裝置，為更廣泛的地區提供清潔能源，並推動當地的經濟發展；再者，近年來，全球水力發電技術不斷地創新和提升，包括水輪機設計的改進、發電機效率的提高等。

一種安裝於河流或渠道的習知水力發電裝置，如中國專利第CN115467774A號「微型水力發電裝置」，係揭露透過傳動機構的設置，使得水流經過螺旋狀槳葉，並帶動傳動軸轉動，經過傳動軸轉動後同步帶動發電機來進行發電，將電能用於山區、農村的簡易發電照明裝置，達到節能的效果；另將螺旋狀槳葉一側墊高，水從上流流過來的時候被高出的擋板擋住，水位上升後，水就會經過螺旋狀槳葉流出，從而帶動螺旋狀槳葉和軸轉動，實現發電目的。

然而，上述該習知水力發電裝置的螺旋狀槳葉係設為單一螺旋葉片予以纏繞於一傳動軸上，且需要較大的水流動力才能推動驅動；再者，上述該習知水力發電裝置的螺旋狀槳葉的高度位置相較於地面是固定，無法隨著水位進行高度位置之調整，若河流或渠道處於低水位期時，便無法進行發電。

緣此，有鑑於上述習知水力發電裝置存在著需要較大水力動能才能致動發電，以及其高度位置無法隨著水位自動調整之問題，本發明人乃窮極心思，研究開發出一種河流灌溉渠道水力發電裝置、系統及其螺旋機組，故本發明之主要目的在於:提供低勢能的微水力流動驅動，就能夠發電的一種螺旋機組；本發明之次要目的在於:提供可隨著水位高低浮動的一種水力發電裝置；本發明之再一目的:提供可串聯或/及並聯多個水力發電裝置，以構成一種水力發電系統；本發明之另一目的在於:提供可清潔流水場域的一種水力發電裝置。

因此，為達上述目的，本發明螺旋機組係運用了如下技術手段，係包含有:一外管，係在其內壁設有一內螺旋葉片組，並在該外管所設一入口處及一出口處設有二樞座；及一螺旋傳動軸，係在一轉軸的周圍設有一外螺旋葉片組，且該轉軸的二端接設於該二樞座，又該外螺旋葉片組對應該內螺旋葉片組；藉由該內螺旋葉片組與該外螺旋葉片組皆設為至少一螺旋葉片以構成形成至少一螺旋狀流道路徑，據以提供低勢能的微水力流動驅動。

其中該內螺旋葉片組的內徑大於該外螺旋葉片組的外徑；又該螺旋傳動軸所設該內螺旋葉片組與該外螺旋葉片組皆設為三個螺旋所構成，以構成形成三個螺旋狀流道路徑。

其中該外管的至少一側設有一歧管通道；又該外管的外部增設有一框架，而該二樞座係從該框架的二端朝該框架的中心軸向下延伸出；另在該外管所設該入口處、該出口處與該框架的兩端之間增設有二內縮部或/及緊鄰該外管所設該入口處兩側的該框架上分別設有一擋板。

而本發明河流灌溉渠道水力發電裝置，係使用上述該螺旋機組，其包含有:該螺旋機組，係將該螺旋機組的尾端設為一動力輸出端；及一發電機組，係設於該螺旋機組所設該框架的頂端，並在該發電機組所設一動力輸入端與該螺旋機組所設一動力輸出端之間接設一連動件。

其中另包含一浮動單元，係接設於該螺旋機組所設該框架的頂端，並部分緊鄰於該發電機組的周圍；另在該螺旋機組所設框架的兩側邊分別設有數個套環。

其中該發電機組更包含有一發電機接設一無段增速機，且該無段增速機上設有該動力輸入端。

另外，本發明河流灌溉渠道水力發電系統，係使用上述該河流灌溉渠道水力發電裝置，其包含有:一固定架，係更包含有二側架或一懸吊架，且該二側架或該懸吊架分別架設於一流水場域的兩側；及至少一個河流灌溉渠道水力發電裝置，係將其接設於該二側架之間或該懸吊架的底部。

其中該二側架上分別設有數支樁桿，又該至少一個螺旋機組的框架所設數個套環則皆套入於該數支樁桿上。

其中將該河流灌溉渠道水力發電裝置設為數個，並將該數個河流灌溉渠道水力發電裝置之間以數個連接件、電線將其進行串聯或/及並聯後，再以對應該數支樁桿的數個套環皆套入於該對應數支樁桿。

其中在該河流灌溉渠道水力發電系統的上游前端處安裝有一漂流物收集裝置，而該漂流物收集裝置係更包含有一網攔、一輸送帶及一收集箱，其中該網攔設於橫跨於該流水場域的兩岸邊且為局部斜向設置，而該輸送帶結合該收集箱則設於該流水場域的至少一岸邊並緊靠於該網攔。

本發明運用上述技術手段，可以達到如下功效:

1.本發明的螺旋機組係藉由該內螺旋葉片組與該外螺旋葉片組皆設為至少一個或數個螺旋葉片，以構成至少一個或數個螺旋狀流道路徑來形成轉動式水文，以協助該螺旋傳動軸動能夠轉動，據以提供低勢能的微水力流動驅動發電，打破既有水力發電依賴高位能、高勢能的迷思；換言之，若能善用國內有17個個農田水利處，且依據每個水利處的每一個圳頭的水流速度，均可採用本發明機組、裝置及系統，將有益於國內的綠能供電。

2.本發明的水力發電裝置可隨著河流灌溉渠道之流水場域的水位高低進行浮動，換言之，無論流水場域的水位高或低，均能夠進行發電，進而提升水力發電的效能。

3.本發明的水力發電系統可視流水場域的寬度、長度及深度，透過數個連接件與電線，將數個本發明水力發電裝置進行串聯或/及並聯，藉以達到所要發電需求之經濟效益。

4.本發明的水力發電系統可在其上游前端裝設有該漂流物收集裝置，可以把該流水場域內漂流而來的垃圾、樹枝或落葉等漂流物透過該漂流物收集裝置予以集中，以避免該等漂流物干擾並影響本發明之水力發電。

本發明係關於一種河流灌溉渠道水力發電裝置、系統及其螺旋機組，係主要安裝於河流、灌溉渠道等之流水場域，例如:農田圳路、台電水力發電尾水…等，以藉由微水流動能的驅動，來發展水力之再生能源。其中該螺旋機組A係主要提供將其沉入河流或灌溉渠道中，將流水場域之微水流的線性流動的動能，轉化成旋轉動能，以便後續提供驅動發電機來進行發電，而該螺旋機組A的實施例，如圖1、圖3及圖4所示，其包含有:一外管1及一螺旋傳動軸2。

其中該外管1，係在其內壁10採預鑄或成型加工方式有一內螺旋葉片組11或無設該內螺旋葉片組11，並在該外管1所設一入口處12及一出口處13設有二樞座14。且該螺旋傳動軸2，係在一轉軸21的外周圍纏繞設有一外螺旋葉片組22，且該轉軸21的二端接設於該二樞座14，以利該螺旋傳動軸2相對於該外管1進行旋轉，且該內螺旋葉片組11的內徑(D)大於該外螺旋葉片組22的外徑(d)，以利於該螺旋傳動軸2安裝於該外管1內；但若該外管1的內壁10無設該內螺旋葉片組11時，該外螺旋葉片組22的外徑(d)略小於該外管1的內壁10孔徑，以利於該螺旋傳動軸2安裝於該外管1內。

又該外螺旋葉片組22對應該內螺旋葉片組11，且該內螺旋葉片組11與該外螺旋葉片組22皆設為至少一個或數個螺旋葉片(較佳為三個螺旋葉片)所構成，故藉由該內螺旋葉片組11與該外螺旋葉片組22的螺旋葉片至少一個、數個或三個，來共同構成形成至少一個、數個或三個螺旋狀流道路徑3，據以提供低勢能的微水力流動的動力就能夠驅動該螺旋傳動軸2旋轉。

特別說明，本發明螺旋機組A的較佳實施例，如圖2至圖4所示，係在該外管1的外部增設有一框架4，而該二樞座14係從該框架4的二端朝該框架4的中心軸x向下延伸出，其中在該樞座14更包含有一軸承，以承接螺旋傳動軸2的端部；另在該外管1所設該入口處12、該出口處13與該框架4的兩端之間增設有二內縮部41或/及緊鄰該外管1所設該入口處12兩側的該框架4上分別設有一擋板44(如圖12所示)，而該內縮部41或該擋板44具有引導水流進入該外管1內。前述該框架4有利於與本發明其它元件作相鄰連接，例如:浮動單元6、發電機組5等元件進行連接。

另外，可在該外管1的一側或兩側分別增設有一歧管通道15(如圖3所示)，藉由該歧管通道15可以增加該螺旋機組A的外管1之進水量，讓較多的水流推動其轉軸21的快速轉動，據以提供增進後續水力發電的發電效率。

關於本發明河流灌溉渠道水力發電裝置B1；B2，如圖5至圖8所示，係主要提供將河流、灌溉渠道之流水場域的微水流所轉化成旋轉動能，再將該等旋轉動能轉化成電能，故在上述該螺旋機組A增設包含有:一發電機組5，係設於該螺旋機組A所設該框架4的頂端，並在該發電機組5所設一動力輸入端53與該螺旋機組A所設一動力輸出端23之間接設一連動件54，其中該動力輸出端23與該連動件54較佳態樣分別設為齒盤與鏈條；以及一浮動單元6，係接設於該螺旋機組A所設該框架4的頂端，並部分位於該發電機組5的附近，其中該浮動單元6可以是中空管體、管狀或球狀的氣囊。特別說明，上述該浮動單元6並非本發明河流灌溉渠道水力發電裝置B的必要元件，亦可捨棄不用(如圖11所示)而形成不具漂浮功能的河流灌溉渠道水力發電裝置B2。

而本發明河流灌溉渠道水力發電裝置B1的較佳實施例，係將該螺旋機組A所設框架4的側邊分別設有數個套環42，而該數個套環42除了可應用於吊裝外的功能，還可運用於該河流灌溉渠道水力發電裝置B1自身漂浮時的定位功能。且前述該等較佳實施例的該發電機組5更包含有一發電機51接設一無段增速機52，且該無段增速機52上設有該動力輸入端53，而該動力輸入端53較佳態樣亦設為齒盤。

關於本發明河流灌溉渠道水力發電系統C包含一固定架7，如圖5至圖8、如圖11至圖14所示所示，係主要提供嵌制定位具漂浮功能的河流灌溉渠道水力發電裝置B1與不具漂浮功能的河流灌溉渠道水力發電裝置B2的螺旋機組A沉入水道內，以利將河流、灌溉渠道之流水場域的微水流的動能轉化成電能，其中該固定架7係更包含有二側架71或一懸吊架72，且該二側架71或該懸吊架72係分別架設於一流水場域9的兩側的岸邊91。當該固定架7設為二側架71時，各側架71上分別設有數支樁桿711，而該數支樁桿711沉入於水中。然後再將該河流灌溉渠道水力發電裝置B1接設於該二側架71之間，即將該螺旋機組A的框架4對應該數支樁桿711所設數個套環42皆套入於該數支樁桿711上，以利於該螺旋機組A可漂浮於該流水場域9的水位上，以利該河流灌溉渠道水力發電裝置B1沉入於該流水場域9中。

而當該固定架7設為該懸吊架72時，如圖11至圖14所示，即以該懸吊架72來取代該二側架71，並將該河流灌溉渠道水力發電裝置B2接設於該懸吊架72的底部，且該懸吊架72係由一個或數個ㄈ型桿所構成，而該懸吊架72的二端則固定於該流水場域9的二岸邊91處，以利該河流灌溉渠道水力發電裝置B2沉入於該流水場域9中。特別說明，該河流灌溉渠道水力發電裝置B2較適用於水位高低較不變化的該流水場域9。

另外，請參閱圖14所示，本發明河流灌溉渠道水力發電系統C可更包含一漂流物收集裝置8，係安裝在該河流灌溉渠道水力發電系統C的上游前端處，用以收集該流水場域9內垃圾雜物之漂流物，而該漂流物收集裝置8係更包含有一網攔81、一輸送帶82及一收集箱83，其中該網攔81設於橫跨於該流水場域9的兩側岸邊91，且該網攔81最好為局部斜向設置，而該輸送帶82結合該收集箱83則安裝於該流水場域9的至少一側岸邊91並緊靠於該網攔81，讓該網攔81可以過濾該流水場域9內的漂流物，並藉由局部斜向設置的網攔81讓該漂流物漂往該輸送帶82的入口處後，有利該輸送帶82再將這些漂流物輸送至該收集箱83內，以避免位於該流水場域9內的漂流物干擾並影響本發明之水力發電。

而本發明河流灌溉渠道水力發電系統C的較佳實施例，如圖9、圖10及圖14，係將該河流灌溉渠道水力發電裝置B1設為數個，並將該數個河流灌溉渠道水力發電裝置B1之間以數個連接件43、電線將其進行串聯或/及並聯後，再以對應該數支樁桿711所設數個套環42套入於該數支樁桿711，俾利於嵌制定位具漂浮功能的該數個河流灌溉渠道水力發電裝置B1。

換言之，本發明河流灌溉渠道水力發電系統C可視流水場域9的寬度、長度及深度，透過數個連接件43與電線，將該數個水力發電裝置B1；B2進行串聯或/及並聯，以及是否須採用具漂浮功能的水力發電裝置B1、不具漂浮功能的水力發電裝置B2，藉以達到所要發電需求之經濟效益。

因此，本發明機組及其所構成的裝置、系統等均要安裝於河流、灌溉渠道等之流水場域9，讓微流水的速度能夠進入預鑄的該外管1內部，藉由微流水流經該內部該內螺旋葉片組11與該外螺旋葉片組22一起共同形成一道或數道螺旋狀流道路徑3後，能夠帶動位於該外管1內的該螺旋傳動軸2，即該螺旋傳動軸2創新採用三片式的外螺旋葉片組22會協助該螺旋傳動軸2之轉動，並在該螺旋傳動軸2的尾端(即該動力輸出端23)上方處加裝該連動件54、該無段增速機52及其該動力輸入端53，以產生扭力來轉動該發電機51，讓微弱水流流速能夠達到水力發電機的轉速要求。

特別說明，本水力發電機之發明，若所使用的河流或灌溉渠道中的水力或動能過低時，在其初始啟動運作之前，最好增設並由一個電源啟動發電機51本身的運轉，以輔助帶動本機位於水中的螺旋傳動軸2於初始啟動時所需要龐大的扭力轉動。同時本發明運用馬達減速機之反向輸入的無段增速機52之增速運轉後，當速度達到發電機51所要的整個發電機組5的轉速(包括水中的螺旋傳動軸2及其轉軸21、動力輸出端23的齒盤及無段增速機52等構件)，即產生具一轉動慣性的特定轉速後，該等初始電源輔助便可以斷開於整個發電機組5，讓該發電機組5開始運用本發明運轉產生水力發電。

綜上所述，本發明係涉及一種河流灌溉渠道水力發電裝置、系統及其螺旋機組，係提供應用於河流或圳頭灌溉渠道，水力發電電廠排放之尾水，核電廠排放之冷卻水道…等等流體流速足夠之廠域之水力發電機組的裝置、系統及其螺旋機組與馬達減速機的反向輸入之機械原理成為增速機來佇立運轉本水力發電機，致本發明突破傳統水力發電依賴流體較高位能產生的高勢能帶來轉動的動能發電，本發明涉及一種再生能源裝置可以在較低位能的高低落差之水平式微勢能的流體流域，創造出更多的水平流體的流水水域也可以產生綠電及其發電機，尤指可提供裝設於河流、灌溉渠道的一種水力發電裝置之發電，且其構成機組、裝置與系統等均未曾見於書刊或公開使用，誠符合發明專利申請要件，懇請鈞局明鑑，早日准予專利，至為感禱；

需陳明者，以上所述乃是本案之具體實施例所運用之技術原理，若依照本案構想所作之改變，其所產生之功能及作用均未超出本說明書及圖式所涵蓋精神時，均應在本案之申請專利範圍內，合予陳明。

A:螺旋機組 B1、B2:河流灌溉渠道水力發電裝置 C:河流灌溉渠道水力發電系統 1:外管 10:內壁 11:內螺旋葉片組 12:入口處 13:出口處 14:樞座 15:歧管通道 2:螺旋傳動軸 21:轉軸 22:外螺旋葉片組 23:動力輸出端 3:螺旋狀流道路徑 4:框架 41:內縮部 42:套環 43:連接件 44:擋板 5:發電機組 51:發電機 52:無段增速機 53:動力輸入端 54:連動件 6:浮動單元 7:固定架 71:側架 711:樁桿 72:懸吊架 8:漂流物收集裝置 81:網攔 82:輸送帶 83:收集箱 9:流水場域 91:岸邊

［圖1］係為本發明螺旋機組之實施例示意圖。 ［圖2］係為本發明螺旋機組之另一實例施示意圖。 ［圖3］係為本發明圖2之縱剖面圖。 ［圖4］係為本發明圖2之端視圖。 ［圖5］係為本發明河流灌溉渠道水力發電裝置暨其系統之實施例示意圖。 ［圖6］係為本發明圖5的俯視圖及其實施態樣圖。 ［圖7］係為本發明圖5之縱剖面圖。 ［圖8］係為本發明圖5的端視圖及其實施例示意圖。 ［圖9］係為本發明河流灌溉渠道水力發電系統之另一實施例示意圖。 ［圖10］係為本發明河流灌溉渠道水力發電系統之另一實施例示意圖。 ［圖11］係為本發明河流灌溉渠道水力發電系統之另一實施例示意圖。 ［圖12］係為本發明圖11的俯視圖及其實施例示意圖。 ［圖13］係為本發明河流灌溉渠道水力發電系統之串接示意圖。 ［圖14］係為本發明之水力發電系統搭配一漂流物收集裝置之實施示意圖。

A:螺旋機組

B1:河流灌溉渠道水力發電裝置

C:河流灌溉渠道水力發電系統

1:外管

12:入口處

13:出口處

14:樞座

2:螺旋傳動軸

21:轉軸

4:框架

41:內縮部

42:套環

5:發電機組

51:發電機

52:無段增速機

6:浮動單元

7:固定架

71:側架

711:樁桿

Claims (10)

1. 一種螺旋機組，係包含有: 一外管，係在其內壁設有一內螺旋葉片組，並在該外管所設一入口處及一出口處設有二樞座；及 一螺旋傳動軸，係在一轉軸的周圍設有一外螺旋葉片組，且該轉軸的二端接設於該二樞座，又該外螺旋葉片組對應該內螺旋葉片組； 藉由該內螺旋葉片組與該外螺旋葉片組皆設為至少一螺旋葉片以構成形成至少一螺旋狀流道路徑，據以提供低勢能的微水力流動驅動。
2. 如請求項1所述螺旋機組，其中該內螺旋葉片組的內徑大於該外螺旋葉片組的外徑；又該螺旋傳動軸所設該內螺旋葉片組與該外螺旋葉片組皆設為三個螺旋所構成，以構成形成三個螺旋狀流道路徑。
3. 如請求項1或2所述螺旋機組，其中該外管的至少一側設有一歧管通道；又該外管的外部增設有一框架，而該二樞座係從該框架的二端朝該框架的中心軸向下延伸出；另在該外管所設該入口處、該出口處與該框架的兩端之間增設有二內縮部或/及緊鄰該外管所設該入口處兩側的該框架上分別設有一擋板。
4. 一種河流灌溉渠道水力發電裝置，係使用請求項3所述螺旋機組，其包含有: 該螺旋機組，係將該螺旋機組的尾端設為一動力輸出端；及 一發電機組，係設於該螺旋機組所設該框架的頂端，並在該發電機組所設一動力輸入端與該螺旋機組所設一動力輸出端之間接設一連動件。
5. 如請求項4所述河流灌溉渠道水力發電裝置，其中另包含一浮動單元，係接設於該螺旋機組所設該框架的頂端，並部分緊鄰於該發電機組的周圍；另在該螺旋機組所設框架的兩側邊分別設有數個套環。
6. 如請求項5所述河流灌溉渠道水力發電裝置，其中該發電機組更包含有一發電機接設一無段增速機，且該無段增速機上設有該動力輸入端。
7. 一種河流灌溉渠道水力發電系統，係使用請求項4至6任一項所述河流灌溉渠道水力發電裝置，其包含有: 一固定架，係更包含有二側架或一懸吊架，且該二側架或該懸吊架分別架設於一流水場域的兩側；及 至少一個河流灌溉渠道水力發電裝置，係將其接設於該二側架之間或該懸吊架的底部。
8. 如請求項7所述河流灌溉渠道水力發電系統，其中該二側架上分別設有數支樁桿，又該至少一個螺旋機組的框架所設數個套環則皆套入於該數支樁桿上。
9. 如請求項8所述河流灌溉渠道水力發電系統，其中將該河流灌溉渠道水力發電裝置設為數個，並將該數個河流灌溉渠道水力發電裝置之間以數個連接件、電線將其進行串聯或/及並聯後，再以對應該數支樁桿的數個套環皆套入於該對應數支樁桿。
10. 如請求項7、8或9所述河流灌溉渠道水力發電系統，其中在該河流灌溉渠道水力發電系統的上游前端處安裝有一漂流物收集裝置，而該漂流物收集裝置係更包含有一網攔、一輸送帶及一收集箱，其中該網攔設於橫跨於該流水場域的兩岸邊且為局部斜向設置，而該輸送帶結合該收集箱則設於該流水場域的至少一岸邊並緊靠於該網攔。