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TW202424350A - 仿蹺蹺板式水力發電裝置 - Google Patents

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TW202424350A
TW202424350A TW111147962A TW111147962A TW202424350A TW 202424350 A TW202424350 A TW 202424350A TW 111147962 A TW111147962 A TW 111147962A TW 111147962 A TW111147962 A TW 111147962A TW 202424350 A TW202424350 A TW 202424350A
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pulley
elongated box
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陳世雄
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陳世雄
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Abstract

本發明係關於一種仿蹺蹺板式水力發電裝置，包括長形箱體、水輪發電機組、支點結構及頂升機構，長形箱體具有容腔及隔板，隔板將容腔分隔出第一腔室和第二腔室，在隔板下方設有連通第一腔室和第二腔室的水流通道；水輪發電機組包括葉輪及發電機，葉輪設在水流通道中；支點結構設在長形箱體下方並位於其中間處；頂升機構設在支點結構的兩側邊；其中對長形箱體施加作用力後，長形箱體將以支點結構為中心產生傾斜，透過頂升機構對長形箱體的交互性地頂升，工作流體將於水流通道往復性地流動，並驅動葉輪旋轉而由發電機生成電力。另由於驅動長形箱體所需的電力小於水輪發電機組產生的電力，藉此能夠持續不間斷的生成電力並且輸出。

Description

仿蹺蹺板式水力發電裝置
本發明係有關一種水力發電裝置的技術，尤指一種仿蹺蹺板式水力發電裝置。
由於全球氣溫日漸暖化及石油儲藏量有限，使得對環境影響相對較低的再生能源，利用太陽能、風力、水力、洋流等天然資源取之不盡、用之不竭的特性來發電，已經蓬勃發展並成為爭相研究的課題。
其中利用太陽能和風力雖然可以產生電力，但其亦受到天候的影響，並無法穩定且持續性來生成電力。又，太陽能發電之熱電轉換效能和光電轉換效能，一直都無法被有效地提升，致使其所能輸出的電力相當有限。再者，風力發電受限於風場的限制、裝設的困難度及運作過程中所產生的高噪音等，都是極待加以克服的問題。
有鑑於此，本創作人遂針對上述現有技術，特潛心研究並配合學理的運用，盡力解決上述之問題點，即成為本創作人改良之目標。
本發明之一目的，在於提供一種仿蹺蹺板式水力發電裝置，其可不受到天候或是地域的限制，藉此能夠持續不間斷的生成電力。
為了達成上述之目的，本發明提供一種仿蹺蹺板式水力發電裝置，內部填注有一工作流體，包括一長形箱體、一水輪發電機組、一支點結構及一頂升機構，該長形箱體具有供所述工作流體填設的一容腔及一隔板，該隔板將該容腔分隔出一第一腔室和一第二腔室，在該隔板下方設有連通該第一腔室和該第二腔室的一水流通道；該水輪發電機組包括一葉輪及連接該葉輪的一發電機，該葉輪係設置在該水流通道中；該支點結構設置在該長形箱體下方並位於其中間處；該頂升機構設置在該支點結構的兩側邊；其中對該長形箱體施加一作用力後，該長形箱體將以該該支點結構為中心產生傾斜，透過該頂升機構對該長形箱體的交互性地頂升，所述工作流體將於該水流通道往復性地流動，並驅動該葉輪旋轉而由該發電機生成電力。
本發明還具有以下優點:
1.用相對小的作用力即能夠翻轉長形箱體產生左、右方向擺動，並透過工作流體驅動葉輪和發電機旋轉生成電力。
2.發電機所生成的一部分電力提供給升力機構，用來驅動長形箱體產生擺動，另一部分電力用來作為外界電力的供應，整體為淨輸出可永續發電。
3.本發明的裝置可置放陸地上任何地方，也可以設置在水槽中。
4.本發明的裝置是結合波浪與水力發電概念的再生能源設備，不受天候的影響，可以全天候24小時不間斷發電。
5.藉由速度調控器調整擺動的幅度(或角度)、頻率，因而可根據實際需求來產生電力。
6.藉由蓄電裝置的設置，可將發電機所生成的電力儲存起來，以備其它時段或特殊需求時使用，尤其是離網時段。
7.構造簡單，施力很小即可讓長形箱體產生翻轉。
8.主要的重量由支點結構作全部或大部分的承受，所以要讓長形箱體產生翻轉時，並不需要很大的作用力，即使是長形箱體偏向一側時，亦是如此。
9.因有彈性作用力或水浮力的輔助，所以將重的一側抬起不需要很大的作用力。
10.因為升力機構的設置，可達成省力效果。
有關本發明之詳細說明及技術內容，配合圖式說明如下，然而所附圖式僅提供參考與說明用，並非用來對本發明加以限制者。
請參閱圖1所示，本發明提供一種仿蹺蹺板式水力發電裝置，其主要包括一長形箱體10、一水輪發電機組20、一支點結構30及一頂升機構40。
長形箱體10其斷面可為矩形、橢圓形、圓形或其它各種幾何形狀，且其具有一容腔11，在容腔11內設有一隔板12而分隔出一第一腔室13和一第二腔室14，在隔板12下方設有連通第一腔室13和第二腔室14的一水流通道15。其中隔板12位於容腔11的中間位置，從而使第一腔室13和第二腔室14的容積相等。另在長形箱體10頂部的兩角端處分別設有一第一腔室拉力點16和一第二腔室拉力點17。
水輪發電機組20主要包括一發電機21及連接發電機21的一葉輪22，葉輪22是設置在水流通道15中，其具有複數渦輪葉片(Turbine)，藉以透過葉輪22的旋轉而帶動發電機21產生電力。
支點結構30設置在長形箱體10下方並位於長形箱體10的中間處，且形成在前述隔板12的正下方，支點結構30主要包括一支撐座31、一角板32及一軸承33，支撐座31固定在一下平台DP上，角板32固定在長形箱體10的底面，且角板32透過軸承33與支撐座31連接。
本實施例的頂升機構40為一對彈簧41、42，其分別設置在支點結構30的兩側邊。另，頂升機構40也可以是油壓裝置、氣壓裝置或其它施力器具。
在一實施例中，本發明仿蹺蹺板式水力發電裝置還包括一升力機構50(LD，Lifting Device)，其是設置在長形箱體10上方並連接長形箱體10，升力機構50為一省力機構，透過動滑輪的配置，讓要拉升長形箱體10的升力可遠小於工作流體WF的重量，因此可以較小的能量將工作流體WF抬起和翻轉流動，其所耗損的能量低，但產生的能量高的機構。
升力機構50主要包括一第一滑輪組51及一第二滑輪組55，第一滑輪組51設置在長形箱體10的左上方，且其主要包括一定滑輪511、二動滑輪512、一第一電動機513及一拉繩514，定滑輪511固定在一上平台UP，第一電動機513透過拉繩514的繞設以與定滑輪511和各動滑輪512連接，其中的一動滑輪512連接在長形箱體10的第一腔室拉力點16，如此以達成省力的效果。
同理，第二滑輪組55設置在長形箱體10的右上方，且其主要包括一定滑輪551、二動滑輪552、一第二電動機553及一拉繩554，定滑輪551固定在一上平台UP，第二電動機553透過拉繩554的繞設以與定滑輪551和各動滑輪552連接，其中的一動滑輪552連接在長形箱體10的第二腔室拉力點17。
此外，各動滑輪512、552的數量並不限於圖示所揭露的兩個，也可以是三個或三個以上，藉以達到更佳的省力效果。
請續參閱圖2所示，其中各符號說明如下:
CG1:左側箱體重心位置
CGW1:左側工作流體重心位置
L1:第一腔室拉力點至支點的力臂
LB1:左側箱體重心至支點的力臂
LF1:第一滑輪組對長形箱體拉力
LF11:第一電動機拉力
LS1:左側彈簧至支點的力臂
LW1:左側工作流體重心至支點的力臂
SF1:左側彈簧作用力
WB1:左側箱體重力
WW1:左側工作流體重力
CG2:右側箱體重心位置
CGW2:右側工作流體重心位置
L2:第二腔室拉力點至支點的力臂
LB2:右側箱體重心至支點的力臂
LF2:第二滑輪組對長形箱體拉力
LF22:第二電動機拉力
LS2:右側彈簧至支點的力臂
LW2:右側工作流體重心至支點的力臂
SF2:右側彈簧作用力
WB2:右側箱體重力
WW2:右側工作流體重力
W:支撐重力
列表如下:
   力 力臂 扭力 方向
左側箱體 WB1 LB1 WB1×LB1 逆時針
左側工作流體 WW1 LW1 WW1×LW1 逆時針
左側彈簧 SF1 LS1 SF1×LS1 順時針
左側升力 LF1 L1 LF1×L1 順時針
   力 力臂 扭力 方向
右側箱體 WB2 LB2 WB2×LB2 順時針
右側工作流體 WW2 LW2 WW2×LW2 順時針
右側彈簧 SF2 LS2 SF2×LS2 逆時針
右側升力 LF2 L2 LF2×L2 逆時針
整體的扭力(Torque,順時針為正,逆時針為負)，T=(-WB1×LB1-WW1×LW1+SF1×LS1+LF1×L1)+(WB2×LB2+WW2×LW2-SF2×LS2-LF2×L2)。
若T＞0，傾向順時針旋轉；若T＜0，傾向逆時針旋轉。
前述各參數中固定值為WB1和WB2，其它參數WW1、WW2、SF1、SF2、LF1和LF2則為變動值，在所示圖中，當工作流體WF傾斜至右側時，將造成右側工作流體WF重WW2＞WW1，但是相對的彈簧的頂升力SF2＞SF1，傾向逆時針旋轉，只要適當的選擇彈簧的規格及尺寸，即可使長形箱體10相對容易的往逆時針方向旋轉，因此可以降低LF2所需施加的作用力，使總體工作流體WF的重量雖然偏向右側，但相對容易達到逆時針方向旋轉的需求，進而將工作流體WF傾流入第一容置室13，而工作流體WF在流動的過程中會經過水流通道15，並驅動葉輪21旋轉並透過發電機22產生電力的輸出。
請參閱圖3所示，在一實施例中，本發明仿蹺蹺板式水力發電裝置還包括一電力傳輸系統60，前述水輪發電機組20的發電機21所生成的電力將經由一電纜線電性連接電力傳輸系統60，電流經過整流器61後分成兩條路徑，其中之一路徑是依序經由一逆變器62後，次經由一升壓裝置63予以升壓後，再將電力匯入一電網64；其中在整流器61和逆變器62之間可增設一蓄電器65，藉以達成儲能及穩壓的作用。另一路徑是先經過一蓄電箱66，繼之再經過一速度調控器67後，連接至前述升力機構50，透過速度調控器67來調整升力機構50的上升、下降之速度的大小，即能控制長形箱體10的翻轉角度大小及頻率，進而控制水的流量以及發電量的大小。
請參閱圖4及圖5所示，操作時，當長形箱體10的左側在最高位置時，長形箱體10的右側則在最低位置，工作流體WF將積蓄到第二容置室14中，第二滑輪組55要施以向上的作用力LF2(見於圖2)，實際上只需出力LF22，其中LF22=1/4LF2。因為彈簧的作用力SF2＞SF1，所以使得LF2變得相對的小，而真正施力LF22則更小。
當長形箱體10呈一水平狀態時，第一容置室13和第二容置室14內的工作流體WF相等，彈簧的作用力SF2=SF1，相對的LF22較小的力，即可使長形箱體10持續逆時針方向旋轉，當工作流體WF持續朝第一容置室13流入時，第一容置室13內之工作流體WF的重量會在很小的LF22力量作用下，即能持續讓長形箱體10旋轉至另一傾斜方向(如圖5所示)，此時長形箱體10的左側在最低位置，長形箱體10的右側則在最高位置，此時施力在左側，升力LF1(見於圖2)即可使長形箱體10順時針方向旋轉，至另一水平狀態後；繼之，再到達最初始的狀態，如此周而復始不斷地翻轉擺動。
請參閱圖6所示，本發明仿蹺蹺板式水力發電裝置，除了可為上述實施例外，亦可如本實施例之型態，其是將升力機構50的第一滑輪組51和第二滑輪組55設於一水槽8上方並且予以固定，長形箱體10、水輪發電機組20和支點結構30設置在水槽8中，並於水槽8中注入一水81，當長形箱體10的樣態如圖6所示時，第二腔室14內的工作流體WF最多，重量最大，沒入水81中的體積最大，因此第二腔室14側的箱體產生的向上浮力SF2＞第一腔室13側的箱體產生的向上浮力SF1，即是透過一水浮力(即:頂升機構)來替換前述實施例的各彈簧41、42，其作動方式和原理與前述實施例相同，因此不再重覆贅述。此外，前述的水槽8亦可以是在湖中或海中，亦具有同樣的效果。
請參閱圖7所示，本實施例之升力機構50A主要包括一電動機56及一鋼索57，電動機56設於長形箱體10和水槽8上方並且予以固定，鋼索57的中段捲繞電動機56的轉輪，鋼索57的兩端則分別連接第一腔室拉力點16和第二腔室拉力點17，藉以通過電動機56的正反轉來帶動長形箱體10產生周而復始不斷地翻轉擺動。
綜上所述，本發明仿蹺蹺板式水力發電裝置，確可達到預期之使用目的，而解決習知之缺失，又因極具新穎性及進步性，完全符合發明專利申請要件，爰依專利法提出申請，敬請詳查並賜准本案專利，以保障發明人之權利。
10:長形箱體 11:容腔 12:隔板 13:第一腔室 14:第二腔室 15:水流通道 16:第一腔室拉力點 17:第二腔室拉力點 20:水輪發電機組 21:發電機 22:葉輪 30:支點結構 31:支撐座 32:角板 33:軸承 40:頂升機構 41、42:彈簧 50、50A:升力機構 51:第一滑輪組 511:定滑輪 512:動滑輪 513:第一電動機 514:拉繩 55:第二滑輪組 551:定滑輪 552:動滑輪 553:第二電動機 554:拉繩 56:電動機 57:鋼索 60:電力傳輸系統 61:整流器 62:逆變器 63:升壓裝置 64:電網 65:蓄電器 66:蓄電箱 67:速度調控器 8:水槽 81:水 DP:下平台 UP:上平台 WF:工作流體
圖1 係本發明仿蹺蹺板式水力發電裝置組合剖視圖。
圖2 係本發明仿蹺蹺板式水力發電裝置受力圖。
圖3 係本發明之電力傳輸系統方塊圖。
圖4 係本發明仿蹺蹺板式水力發電裝置使用狀態剖視圖(一)。
圖5 係本發明仿蹺蹺板式水力發電裝置使用狀態剖視圖(二)。
圖6 係本發明之另一實施例組合剖視圖。
圖7 係本發明之又一實施例組合剖視圖。
10:長形箱體
11:容腔
12:隔板
13:第一腔室
14:第二腔室
15:水流通道
16:第一腔室拉力點
17:第二腔室拉力點
20:水輪發電機組
21:發電機
22:葉輪
30:支點結構
31:支撐座
32:角板
33:軸承
40:頂升機構
41、42:彈簧
50:升力機構
51:第一滑輪組
511:定滑輪
512:動滑輪
513:第一電動機
514:拉繩
55:第二滑輪組
551:定滑輪
552:動滑輪
553:第二電動機
554:拉繩
DP:下平台
UP:上平台
WF:工作流體

Claims (14)

  1. 一種仿蹺蹺板式水力發電裝置，內部填注有一工作流體，包括: 一長形箱體，具有供所述工作流體填設的一容腔及一隔板，該隔板將該容腔分隔出一第一腔室和一第二腔室，在該隔板下方設有連通該第一腔室和該第二腔室的一水流通道； 一水輪發電機組，包括一葉輪及連接該葉輪的一發電機，該葉輪係設置在該水流通道中； 一支點結構，設置在該長形箱體下方並位於其中間處； 以及 一頂升機構，設置在該支點結構的兩側邊； 其中對該長形箱體施加一作用力後，該長形箱體將以該支點結構為中心產生傾斜，透過該頂升機構對該長形箱體的交互性地頂升，所述工作流體將於該水流通道往復性地流動，並驅動該葉輪旋轉而由該發電機生成電力。
  2. 如請求項1所述之仿蹺蹺板式水力發電裝置，其還包括一升力機構，該升力機構係設置在該長形箱體上方並連接該長形箱體。
  3. 如請求項2所述之仿蹺蹺板式水力發電裝置，其中該升力機構包括一第一滑輪組及一第二滑輪組，該第一滑輪組和該第二滑輪組分別設置在該長形箱體的角端且彼此相互對應。
  4. 如請求項3所述之仿蹺蹺板式水力發電裝置，其中該第一滑輪組包括一定滑輪、複數動滑輪、一第一電動機及一拉繩，該長形箱體設有一第一腔室拉力點，該定滑輪固定在一上平台，該第一電動機透過該拉繩的繞設以與該定滑輪和各該動滑輪連接，其中的一該動滑輪連接在該第一腔室拉力點。
  5. 如請求項3或4所述之仿蹺蹺板式水力發電裝置，其中該第二滑輪組包括一定滑輪、複數動滑輪、一第二電動機及一拉繩，該長形箱體設有一第二腔室拉力點，該第二滑輪組的該定滑輪固定在一上平台，該第二電動機透過該第二滑輪組的該拉繩的繞設以與該第二滑輪組的該定滑輪和各該動滑輪連接，其中該第二滑輪組的一該動滑輪連接在該第二腔室拉力點。
  6. 如請求項2所述之仿蹺蹺板式水力發電裝置，其中該升力機構包括一電動機及一鋼索，該長形箱體設有一第一腔室拉力點和一第二腔室拉力點，該電動機設於該長形箱體上方並且固定，該鋼索的中段捲繞該電動機，該鋼索的兩端則分別連接該第一腔室拉力點和該第二腔室拉力點。
  7. 如請求項2所述之仿蹺蹺板式水力發電裝置，其還包括一電力傳輸系統，該水輪發電機組所產生電力經由一電纜線電性連接該電力傳輸系統。
  8. 如請求項7所述之仿蹺蹺板式水力發電裝置，其中電流經過一整流器後分成兩條路徑，其中之一路徑是依序經由一逆變器，再經由一升壓裝置予以升壓後，再將電力匯入一電網；另一路徑是先經過一蓄電箱，再經過一速度調控器後，連接至該升力機構。
  9. 如請求項8所述之仿蹺蹺板式水力發電裝置，其中在該整流器和該逆變器之間還設有一蓄電器。
  10. 如請求項1所述之仿蹺蹺板式水力發電裝置，其中該頂升機構為一對彈簧，各該彈簧分別設置在該支點結構的兩側邊。
  11. 如請求項1所述之仿蹺蹺板式水力發電裝置，其中該頂升機構為一水浮力。
  12. 如請求項1所述之仿蹺蹺板式水力發電裝置，其中該隔板位於該容腔的中間位置，從而使該第一腔室和該第二腔室的容積相等。
  13. 如請求項12所述之仿蹺蹺板式水力發電裝置，其中該支點結構對應形成在該隔板的正下方。
  14. 如請求項13所述之仿蹺蹺板式水力發電裝置，其中該支點結構包括一支撐座、一角板及一軸承，該支撐座固定在一下平台上，該角板固定在該長形箱體的底面且透過該軸承與該支撐座連接。
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