TW201725317A - 利用結構體周圍流體發電之發電系統 - Google Patents

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Abstract

本發明係有關於一種利用結構體周圍流體發電之發電系統，該發電系統係設置於一流場，該流場中的流體形成一主要流向，該發電系統包括一支撐裝置以及一發電裝置，其中，該支撐裝置包括一支撐體，該支撐體上可定義一迎流區、一側流區、以及一渦流區其中至少一者；該發電裝置包括至少一發電單元以及一蓄電單元，其中，所述發電單元至少設置於該支撐體之該迎流區、該側流區、以及該渦流區中至少一者上。

Description

利用結構體周圍流體發電之發電系統
本發明係有關於一種利用結構體周圍流體發電之發電系統，尤指一種藉由流場流經結構體時，利用結構體的周圍所產生的流體的動能而發電之發電系統。
隨著地球資源日漸減少，全球暖化越來越嚴重，然人口依然不斷增長，對能源的需求日益增加，為了解決上述問題，科學家極力地尋求潔淨無汙染的替代能源，以取代目前使用石化燃料以及核能等發電方式。目前，太陽能以及風力發電積極地被討論，且已有一定規模的發展，但太陽能或風力發電皆受到氣候及地理位置的影響，發電量難以穩定。
相較之下，海洋中的能量相對穩定，且不分晝夜或天氣的影響，可視為較穩定的再生能源。海洋中有多種的能量可被利用於發電，舉例而言，如溫度差能、波浪能、潮汐能、洋流能等。海洋溫差能係將海水表層溫水與深層冷水的溫差轉換成能量，例如中華民國專利號TWI367990揭露了一種海洋溫差發電系統及其冷凝器；波浪能係利用海洋表面波浪運動所轉送的能量，例如中國專利公開號CN101000031A係揭露了一種利用水面波浪發電的設備；以及潮汐能係將漲退潮之間的位能轉換成電能，例如，美國專利號US4859866揭露了一種利用潮汐能發電之水輪機組合。然而，其 中海洋溫差能來源雖穩定，但其具有熱轉換效率不佳，深海冷水管路施工不易，且發電成本高等缺點。波浪能則受限於地形，僅有部分地區具有發展潛力，且有能量轉換效率低，固設於海床上容易受到海水腐蝕等缺點。再者，潮汐能亦受限於地形，需於潮差大的海岸區才有發展潛力，且海岸區容易有淤積以及設備腐蝕等缺點。
然而，洋流能係海水受到行星風系、地球自轉科氏力、海水密度差異、以及陸地分布的影響，而於大洋中形成的猶如河流之洋流，大規模的海水會向特定方向有規則地流動，其流動路徑大致上不會改變，且流速相對穩定，故洋流為海洋能中較為穩定的能源，其發電原理係利用海水流動的動能來產生電力。
目前利用洋流能發電之發電裝置已發展具有多種型態，如中華民國專利號TWI376453揭露了一種可迎向洋流流向的洋流發電裝置，其支撐柱係固設於水面下，並具有發電單元以及偵測單元，並利用偵測單元偵測洋流流向進而驅動支撐柱，使得發電單元之扇輪能持續面向洋流流向，進而提升發電效率。
另外，中國專利號CN203230524U揭露了一種欄網式立式海洋能發裝置，包括框架、浮筒平台、至少三個水輪機、至少三個發電模組，以及兩個欄網模組，該水輪機係平行設置於框架內，且藉該水輪機轉動以驅動發電模組而發電。
然而，如上述兩種利用洋流發電之發電裝置皆需耗費龐大成本建造海平面下的大型設備，再加上定期維護的成本，導致其投資報酬率不高，實際上有投入製備並進行發電的國家不多。
因此，如何提升洋流能之擷取效率以及降低洋流能發電裝置之製備成本，係目前發展洋流能發電的一大課題。
本發明目的之一係在於提供一種利用結構體周圍流體發電之發電系統，將其設置於一流場，該流場中的流體形成一主要流向，該發電系統包括：一支撐裝置以及一發電裝置，該支撐裝置包括至少一支撐體。該支撐體上可定義一迎流區、一側流區，以及一渦流區其中至少一者。其中，該迎流區係該支撐體上面朝一主要流向之表面，該側流區係該支撐體側向該主要流向之表面，以及該渦流區係該支撐體上背向該主要流向之表面。當該流體流經該支撐體，且接觸該迎流區時，於該迎流區處形成一向下流，當該流體流經該側流區時，於該側流區處形成一側向流，以及該流體於該渦流區處形成一渦流。該發電裝置係設置於該支撐裝置上，包括至少一發電單元，其中，所述發電單元係至少設置於該支撐體之該迎流區、該側流區、以及該渦流區中至少一者上。
於本發明中，該結構體為該支撐裝置，舉例而言，該支撐裝置可為一柱體，或任何一種用於支撐陸上、河流上、或海上機構之軸柱，該支撐裝置主要係一種有流場經過之任一軸柱，例如可為陸上風力發電機構、離岸風力發電機構、海上石油鑽探台、或海上儲油台等機構之支撐軸柱，以便設置於該支撐體上之所述發電單元，並可被驅動而發電。舉例而言，當該海上機構為離岸風力發電裝置時，該離岸風力發電的支撐軸柱可為單樁式、三腳式、或管架式等，皆可做為本發明之該支撐裝置。或者，當該支撐裝置係一海上機構時，可藉由纜線將該支撐裝置設置於海床上， 使得該發電系統係漂浮於海水中。此外，該支撐裝置之形狀並無特別的限制，可為本領域中使用作為各種支撐軸柱之任一幾何形狀，例如可為正方柱體、圓柱體、三角柱體、或長方柱體等。
於本發明之一較佳實施態樣中，所述發電單元係至少一選自渦輪發電裝置或震動式發電裝置所組成之群組，其設置位置並無特別的限制。舉例而言，當所述發電單元設置於迎流區時，至少一所述發電單元可為該渦輪發電裝置，且該渦輪發電裝置係利用該向下流驅動而發電；或者，至少一所述發電單元亦可為震動式發電裝置，且該震動式發電裝置係利用該主要流向之該流體或該向下流驅動而發電。當所述發電單元設置於該側流區時，至少一所述發電單元可為渦輪發電裝置，且該渦輪發電裝置係利用該側向流驅動而發電；或者，至少一所述發電單元亦可為震動式發電裝置，且該震動式發電裝置係利用該側向流驅動而發電。再者，當所述發電單元設置於該渦流區時，至少一所述發電單元為該震動式發電機，且該震動式發電機係利用該支撐體後方之渦流驅動而發電。
於本發明中，該渦輪發電裝置可為本領域中任何一種悉知之渦輪發電機，例如可具有一個以上之扇葉，其係藉由流體的流動以驅動該扇葉旋轉，將其動能轉換為電能，舉例而言，可為垂直軸渦輪機或水平軸渦輪機。該震動式發電裝置可為本領域中任何一種悉知之震動式發電裝置，將震動能轉換為電能，例如可為靜電型、電磁感應型、磁致伸縮型、或壓電型等震動式發電裝置。
於本發明中，上述之所述發電單元可僅設置於迎流區、側流區、或渦流區等其中任一個區域，例如僅有迎流區的發電效率較佳而值得 設置發電單元時，或者當發電單元係設置於海岸堤防處故僅有迎流區時；或者，所述發電單元可選擇性地設置於迎流區、側流區、以及渦流區等其中兩個區域；所述發電單元更可同時設置於迎流區、側流區、以及渦流區等三個區域，並無特別的限制，可視流場的型態以及地理環境等因素而設置所述發電單元。此外，設置於同一區之發電單元的數量並無特別的限制，可視發電單元的樣式以及發電效率而設計。
於本發明之另一實施態樣中，該支撐裝置更包括至少一中空區，其具有一第一開口以及一第二開口，並貫穿該支撐體，其中，該第一開口係設置於迎流區，該第二開口係設置於側流區或渦流區，使得該流體可通過中空區，並設置至少一發電單元於中空區內。而於一較佳實施態樣中，設置於該中空區內之發電單元為渦輪發電裝置或震動式發電裝置。
於本發明之一較佳實施態樣中，該支撐裝置可更包括設置於該迎流區之一導流面，當該流場接觸該導流面時，係將該流場導流為該向下流，並將該向下流導送至設置於該迎流區之發電單元以驅動所述發電單元。其中，該導流面的形態並無特別的限制，可為自該支撐裝置向外延伸的殻體以形成該導流面，亦可為由該支撐裝置內凹之凹面作為該導流面。舉例而言，該導流面可為該支撐裝置上呈現內凹之弧形殻體，但其殻體的形狀並無特別的限制。當流體沿該流場的主要流向而流經該迎流區時，該導流面可匯聚大量的流體，使得更多流體於該迎流區形成該向下流以驅動發電單元，增加發電單元的發電效率。
另外，於本發明之一較佳實施態樣中，該發電裝置可包括一蓄電單元，係設置於該支撐體上或該支撐體內，並電性連接所述發電單元。
於本發明之另一較佳實施態樣中，該支撐體可更包括形成於該側流區之一導流溝槽，係將該流場導流為該側向流，並將該側向流導送至設置於該側流區之所述發電單元以驅動所述發電單元。其中，該導流溝槽係平行於該主要流向，且所述發電單元係設置於該導流溝槽中。該導流溝槽的形狀並無特別的限制，舉例而言，可為圓弧型，方形等。當該流體流經該側流區時，該導流溝槽可匯聚較大量的流體以形成該側向流，並驅動設置於該導流溝槽中之所述發電單元，以增加所述發電單元的發電效率。此外，該導流溝槽的數量並無特別的限制，可於該支撐體之該側流區上形成複數個導流溝槽，並於該導流溝槽中設置複數個發電單元。
此外，於本發明中，該流場可為一風場、一河流場、或一海流場，其中，較佳為海流場，而海流場中，較佳為洋流場。
本發明所提供之發電系統即利用流體通過一結構體時所產生的向下流、側向流、或渦流作為能量來源，並藉由發電單元將該能量轉換為電能以達到發電的效果。此外，本發明所提供之發電系統可附加至原有的多種陸上、河流上、或海上機構，如陸上風力發電機構、岸邊海流發電機構、離岸風力發電機構、海上石油鑽探台、或海上儲油台等機構，以充分利用環境中流場的動能，增加發電的效率，並以原有的各種機構作為本發明之發電系統之支撐裝置，可降低製備的成本。
1、14‧‧‧流體
2‧‧‧支撐體
10‧‧‧主要流向
11‧‧‧向下流
12‧‧‧側向流
13‧‧‧渦流
21‧‧‧迎流區
22‧‧‧側流區
23‧‧‧渦流區
31、31’、32、32’、33、34‧‧‧發電單元
41‧‧‧導流面
42‧‧‧導流溝槽
44‧‧‧中空區
441‧‧‧第一開口
442‧‧‧第二開口
50‧‧‧發電陣列模組
51‧‧‧鋼纜
52‧‧‧海床
圖1係洋流流體流經一支撐體時所產生不同流向之立體示意圖。
圖2係本發明一較佳實施態樣中，定義支撐體上不同區域之前視立體示意 圖。
圖3係本發明一較佳實施態樣中，定義支撐體上不同區域之後視立體示意圖。
圖4係本發明一較佳實施態樣中，設置發電單元之前視立體示意圖。
圖5a、5b係本發明一較佳實施態樣中，設置發電單元之局部放大示意圖。
圖6係本發明另一較佳實施態樣中，設置發電單元之前視立體示意圖。
圖7係本發明一較佳實施態樣中，設置發電單元之後視立體示意圖。
圖8係本發明一較佳實施態樣中，形成導流面之立體示意圖。
圖9係本發明另一較佳實施態樣中，形成導流面之立體示意圖。
圖10係本發明一較佳實施態樣中，形成導流溝槽之立體示意圖。
圖11係本發明一較佳實施態樣中，形成一中空結構之立體示意圖。
圖12係本發明一較佳實施態樣中，設置於海底之發電陣列模組示意圖。
圖13係本發明另一較佳實施態樣中，設置於海底之發電陣列模組示意圖。
以下係藉由特定的具體實施例說明本發明之實施方式，熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地了解本發明之其他優點與功效。惟需注意的是，以下圖式均為簡化之示意圖，圖式中之元件數目、形狀及尺寸可依實際實施狀況而隨意變更，且元件布局狀態可更為複雜。本發明亦可藉由其他不同的具體實施案例加以施行或應用，本說明書中的各項細節亦可基於不同觀點與應用，在不悖離本發明之精神下進行各種修飾與變更。
下文係以離岸風力發電裝置之軸柱做為本發明之該支撐 體，以及以洋流作為該流場為例，說明該流場中的流體接觸該支撐體時所產生的向下流、側向流、以及渦流。請參照圖1，其中，該支撐體2係設置於海中洋流流體1流經處，於本圖式中，所繪示之洋流流體1係沿一主要流向10朝該支撐體2前進，當該流體1接觸該支撐體2面朝該主要流向10之表面時，該流體1會因受力而往下方流動，以形成一向下流11。另外，部分流體係由於該支撐體2而受到擠壓，並於該支撐體2側向該主要流向10之表面形成一被壓縮之一側向流12。再者，部分流體通過該支撐體2之後，被該支撐體2分離之流體則擾動或結合形成一渦流13，再釋放流動。以下所記載之實施態樣係以海洋洋流作為流場的範例。
請參見圖2，其為本發明發電系統中，位於一洋流流場上之一支撐體2之前視立體圖，該支撐體2上可定義一迎流區21、一側流區22、以及一渦流區23，其中，當流體1流經該支撐體2並接觸該迎流區21時，會因受力而於該迎流區21形成一向下流11；而當該流體1流經該側流區22時，於該側流區22處之流體受到擠壓，而於該側流區22形成一側向流12。另外請參照圖3，其係位於一洋流流場上之該支撐體2之後視立體圖，當該流體1通過該支撐體2時，被該支撐體2分離之流體則擾動或結合，於並於該渦流區23形成一渦流13。
圖4係根據本發明之一較佳實施態樣，於該支撐體2上之該迎流區21以及該側流區22上設置發電單元之立體示意圖。請一併參照圖5a，圖5a係圖4所繪示之發電系統之局部放大圖，為了將該向下流11流動的動能轉換為電能，故於該迎流區21上設置了複數個渦輪發電裝置作為發電單元31，且方向朝上，以便藉由向下流11驅動以產生電能。另外，請參照圖5b， 圖5b係圖4所繪示之發電系統之另一局部放大圖，為了將該側向流12流動的動能轉換為電能，故於該側流區22上設置了複數個渦輪發電裝置作為發電單元32，且方向朝前(即面對側向流12的方向)，以便由側向流12驅動以產生電能。
圖6係根據本發明之另一較佳實施態樣，於該支撐體2上該迎流區21以及該側流區22上設置發電單元之立體示意圖。圖6係繪示於該迎流區21以及該側流區22上交互設置不同種類之發電單元31、31’、32、及32’，其中，該些發電單元31、32係以渦輪發電裝置為例；該些發電單元31’、32’係以震動式發電裝置為例。
圖7係於該支撐體2上之該渦流區23上設置複數個發電單元33之立體示意圖，由於該支撐體2後方之渦流不具穩定方向性，且難以預知其流動狀態，故設置於該渦流區23之發電單元33係以震動式發電裝置為例，利用不穩定之渦流所產生的震動能，以驅動震動式發電裝置產生電能。
接著，如圖8所示，於一較佳實施態樣中，可於該迎流區21上形成一向外延伸之一導流面41，該導流面41可匯集流體1以接觸該迎流區21並形成向下流11，以增加可驅動設置於該迎流區21之發電單元31之動能。此外，如圖9所示，於另一較佳實施態樣中，該導流面41可為該支撐體2內凹之一弧面，亦可匯集流體1接觸該迎流區21並形成向下流11，增加可驅動設置於該迎流區21之該些發電單元31之動能。
另外，如圖10所示，於另一較佳實施態樣中，該側流區22上可形成複數個導流溝槽42，以匯集側向流12，增加可驅動設置於該些導流溝槽42中之發電單元32之動能。
接著請參考圖11，於一較佳實施態樣中，該支撐體2可更包括一中空區44，該中空區44具有一第一開口441以及一第二開口442，並貫穿該支撐體1，於該中空區44中可設置複數個發電單元34，該些發電單元34係由通過該中空區44之流體14而驅動，並產生電能。
於上述本發明之實施態樣中，蓄電單元(圖未示)係電性連接至該些發電單元上以儲蓄電力，蓄電單元可設置於該支撐體上，或是設置於該支撐體內，蓄電單元可進一步藉由電纜線(圖未示)將蓄電單元中的電力輸出至須用電的設備(圖未示)上。此外，前述實施態樣係以單一直立式支撐體為例，然而該支撐體亦可以是各種形式，如多個支撐體共同構成的柵欄式或網格式結構，只要針對其流向變化而對應配置發電單元，即可達到本發明之效果，故本發明對於支撐體之結構變化不作限制。
因此，當該支撐裝置包括複數個支撐體，且複數個支撐體共同構成柵欄式或網格式結構時，該發電系統可構成一發電陣列模組。例如，圖12係繪示一種設置於海底之發電陣列模組示意圖，該發電陣列模組50係包括複數個支撐體2，以及設置於該些支撐體上之複數個發電裝置，該些發電裝置中之複數個發電單元31、32係針對其流向變化而對應配置，故可依上文所述，視其對應的流向變化而設置渦輪發電裝置或震動發電裝置。此外，由本發明之發電系統所構成之該發電陣列模組除了可如圖12所示固定於海床52上以外，更可如圖13所示，藉由鋼纜51固定於海床52上，使得該發電陣列模組50漂浮於海水中。
綜上所述，本發明利用流場中的流體接觸支撐體後的流向變化，於支撐體上對應設置發電單元，來將流體的動能轉換成電能，較佳如 洋流通過柱體時，局部流向變化所產生的向下流、側向流、或渦流，該柱體於海平面以上的結構仍能發揮其原有的功能，如離岸風力發電機構或海上石油鑽探台，故本發明不需花費額外的龐大建造成本。然而，本發明之應用不限於此，只要是流場中流體具有一定動能、然後朝向支撐體而產生局部流向變化者，即可有效運用本發明，包含陸上、河流流道中的支撐體，甚至是面對海流衝擊的岸邊堤防。
上述的實施例僅用來例舉本發明的實施態樣，以及闡釋本發明的技術特徵，並非用來限制本發明的保護範疇。任何熟悉此技術者可輕易完成的改變或均等性的安排均屬於本發明所主張的範圍，本發明的權利保護範圍應以申請專利範圍為準。
1‧‧‧流體
10‧‧‧主要流向
2‧‧‧支撐體
21‧‧‧迎流區
22‧‧‧側流區
31、32‧‧‧發電單元

Claims (12)

  1. 一種發電系統，設置於一流場，該流場中的流體形成一主要流向，該發電系統包括：一支撐裝置，包括至少一支撐體，該支撐體上可定義一迎流區、一側流區、以及一渦流區其中至少一者，其中，該迎流區係該支撐體上面朝該主要流向之表面；該側流區係該支撐體側向該主要流向之表面；以及該渦流區係該支撐體上背向該主要流向之表面；其中，當該流體流經該支撐體，且接觸該迎流區時，於該迎流區處形成一向下流；當該流體流經該側流區時，於該側流區處形成一側向流；以及該流體於該渦流區處形成一渦流；以及一發電裝置，係設置於該支撐裝置上，包括至少一發電單元，其中，所述發電單元係至少設置於該支撐體之該迎流區、該側流區、以及該渦流區中至少一者上。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之發電系統，其中，所述發電單元係選自由渦輪發電裝置、及震動式發電裝置所組成之群組。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之發電系統，其中，當所述發電單元設置於該迎流區時，至少一所述發電單元為該渦輪發電裝置，且該渦輪發電裝置係利用該向下流驅動而發電。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之發電系統，其中，當所述發電單元設置於該迎流區時，至少一所述發電單元為該震動式發電裝置，且該震動式發電裝置係利用該主要流向之該流體或該向下流驅動而發電。
  5. 如申請專利範圍第2項所述之發電系統，其中，當所述發電單元係設置於 該側流區時，至少一所述發電單元為該渦輪發電裝置，且該渦輪發電裝置係利用該側向流驅動而發電。
  6. 如申請專利範圍第2項所述之發電系統，其中，當所述發電單元係設置於該側流區時，至少一所述發電單元為該震動式發電裝置，且該震動式發電裝置係利用該側向流驅動而發電。
  7. 如申請專利範圍第2項所述之發電系統，其中，當所述發電單元係設置於該渦流區時，至少一所述發電單元為該震動式發電裝置，且該震動式發電裝置係利用該渦流驅動而發電。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之發電系統，其中，該支撐裝置更包括至少一中空區，其具有一第一開口以及一第二開口，並貫穿該支撐體，其中，該第一開口係設置於該迎流區，該第二開口係設置於該側流區或該渦流區，使得該流體通過該中空區，並設置至少一所述發電單元於該中空區內。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之發電系統，其中，設置於該中空區內之所述發電單元為該渦輪發電或震動式發電裝置。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之發電系統，其中，該支撐裝置更包括設置於該迎流區之一導流面，當該流場接觸該導流面時，係將該流場導流為該向下流，並將該向下流導送至所述發電單元以驅動所述發電單元。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之發電系統，其中，該支撐裝置更包括形成於該側流區之一導流溝槽，且所述發電單元係設置於該導流溝槽中，該導流溝槽係將該流場導流為該側向流，並將該側向流導送至所述發電單元以驅動所述發電單元。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之發電系統，其中，該發電裝置更包括至少 一蓄電單元，係設置於該支撐體上或該支撐體內，並電性連接至所述發電單元。
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