利用结构体周围流体发电的发电系统的制作方法

本发明涉及一种利用结构体周围流体发电的发电系统，进一步涉及一种通过流场流经结构体时，利用结构体的周围所产生的流体的动能而发电的发电系统。

背景技术：

随着地球资源日渐减少，全球变暖越来越严重，然人口依然不断增长，对能源的需求日益增加，为了解决上述问题，科学家极力地寻求洁净无污染的替代能源，以取代目前使用石化燃料以及核能等发电方式。目前，太阳能以及风力发电积极地被讨论，且已有一定规模的发展，但太阳能或风力发电皆受到气候及地理位置的影响，发电量难以稳定。

相较之下，海洋中的能量相对稳定，且不分昼夜或天气的影响，可视为较稳定的再生能源。海洋中有多种的能量可被利用于发电，举例而言，如温度差能、波浪能、潮汐能、洋流能等。海洋温差能将海水表层温水与深层冷水的温差转换成能量，例如中国台湾专利号twi367990公开了一种海洋温差发电系统及其冷凝器；波浪能利用海洋表面波浪运动所转送的能量，例如中国专利公开号cn101000031a公开了一种利用水面波浪发电的设备；以及潮汐能将涨退潮之间的位能转换成电能，例如，美国专利号us4859866公开了一种利用潮汐能发电的水轮机组合。然而，其中海洋温差能来源虽稳定，但其具有热转换效率不佳，深海冷水管路施工不易，且发电成本高等缺点。波浪能则受限于地形，仅有部分地区具有发展潜力，且有能量转换效率低，固设在海床上容易受到海水腐蚀等缺点。再者，潮汐能也受限于地形，需于潮差大的海岸区才有发展潜力，且海岸区容易有淤积以及设备腐蚀等缺点。

然而，洋流能即海水受到行星风系、地球自转科氏力、海水密度差异、以及陆地分布的影响，而在大洋中形成的犹如河流的洋流，大规模的海水会向特定方向有规则地流动，其流动路径大致上不会改变，且流速相对稳定，故洋流为海洋能中较为稳定的能源，其发电原理是利用海水流动的动能来产生电力。

目前利用洋流能发电的发电装置已发展具有多种型态，如中国台湾专利号twi376453公开了一种可迎向洋流流向的洋流发电装置，其支撑柱固设在水面下，并具有发电单元以及侦测单元，并利用侦测单元侦测洋流流向进而驱动支撑柱，使得发电单元的扇轮能持续面向洋流流向，进而提升发电效率。

另外，中国专利号cn203230524u公开了一种栏网式立式海洋能发装置，包括框架、浮筒平台、至少三个水轮机、至少三个发电模块，以及两个栏网模块，该水轮机平行设置于框架内，且通过该水轮机转动以驱动发电模块而发电。

然而，如上述两种利用洋流发电的发电装置皆需耗费庞大成本建造海平面下的大型设备，再加上定期维护的成本，导致其投资报酬率不高，实际上有投入制备并进行发电的国家不多。

因此，如何提升洋流能的撷取效率以及降低洋流能发电装置的制备成本，是目前发展洋流能发电的一大课题。

技术实现要素：

本发明的目的之一在于提供一种利用结构体周围流体发电的发电系统，将其设置于一流场，该流场中的流体形成一主要流向，该发电系统包括：一支撑装置以及一发电装置，该支撑装置包括至少一支撑体。该支撑体上可定义一迎流区、一侧流区，以及一涡流区中的至少之一。其中，该迎流区是该支撑体上面朝一主要流向的表面，该侧流区是该支撑体侧向该主要流向的表面，以及该涡流区是该支撑体上背向该主要流向的表面。当该流体流经该支撑体，且接触该迎流区时，在该迎流区处形成一向下流，当该流体流经该侧流区时，在该侧流区处形成一侧向流，以及该流体在该涡流区处形成一涡流。该发电装置设置于该支撑装置上，包括至少一发电单元，其中，所述发电单元至少设置于该支撑体的该迎流区、该侧流区、以及该涡流区中的至少之一上。

在本发明中，该结构体为该支撑装置，举例而言，该支撑装置可为一柱体，或任何一种用于支撑陆上、河流上、或海上机构的轴柱，该支撑装置主要是一种有流场经过的任一轴柱，例如可为陆上风力发电机构、离岸风力发电机构、海上石油钻探台或海上储油台等机构的支撑轴柱，以便设置于该支撑体上的所述发电单元，并可被驱动而发电。举例而言，当该海上机构为离岸风力发电装置时，该离岸风力发电的支撑轴柱可为单桩式、三脚式或管架式等，都可做为本发明的该支撑装置。或者，当该支撑装置是一海上机构时，可通过缆线将该支撑装置设置于海床上，使得该发电系统漂浮于海水中。此外，该支撑装置的形状并无特别的限制，可为本领域中使用作为各种支撑轴柱的任一几何形状，例如可为正方体、圆柱体、三角柱体或长方体等。

在本发明的一较佳实施方案中，所述发电单元是至少一选自涡轮发电装置或震动式发电装置所组成的群组，其设置位置并无特别的限制。举例而言，当所述发电单元设置于迎流区时，至少一所述发电单元可为该涡轮发电装置，且该涡轮发电装置利用该向下流驱动而发电；或者，至少一所述发电单元也可为震动式发电装置，且该震动式发电装置利用该主要流向的该流体或该向下流驱动而发电。当所述发电单元设置于该侧流区时，至少一所述发电单元可为涡轮发电装置，且该涡轮发电装置利用该侧向流驱动而发电；或者，至少一所述发电单元也可为震动式发电装置，且该震动式发电装置利用该侧向流驱动而发电。再者，当所述发电单元设置于该涡流区时，至少一所述发电单元为该震动式发电机，且该震动式发电机利用该支撑体后方的涡流驱动而发电。

在本发明中，该涡轮发电装置可为本领域中任何一种已知的涡轮发电机，例如可具有一个以上的扇叶，其通过流体的流动以驱动该扇叶旋转，将其动能转换为电能，举例而言，可为垂直轴涡轮机或水平轴涡轮机。该震动式发电装置可为本领域中任何一种已知的震动式发电装置，将震动能转换为电能，例如可为静电型、电磁感应型、磁致伸缩型或压电型等震动式发电装置。

在本发明中，上述的所述发电单元可仅设置于迎流区、侧流区或涡流区等其中任一个区域，例如仅有迎流区的发电效率较佳而值得设置发电单元时，或者当发电单元设置于海岸堤防处故仅有迎流区时；或者，所述发电单元可选择性地设置于迎流区、侧流区以及涡流区等其中两个区域；所述发电单元更可同时设置于迎流区、侧流区以及涡流区等三个区域，并无特别的限制，可视流场的型态以及地理环境等因素而设置所述发电单元。此外，设置于同一区的发电单元的数量并无特别的限制，可视发电单元的样式以及发电效率而设计。

在本发明的另一实施方案中，该支撑装置更包括至少一中空区，其具有一第一开口以及一第二开口，并贯穿该支撑体，其中，该第一开口设置于迎流区，该第二开口设置于侧流区或涡流区，使得该流体可通过中空区，并设置至少一发电单元于中空区内。而于一较佳实施方案中，设置于该中空区内的发电单元为涡轮发电装置或震动式发电装置。

在本发明的一较佳实施方案中，该支撑装置可进一步包括设置于该迎流区的一导流面，当该流场接触该导流面时，将该流场导流为该向下流，并将该向下流导送至设置于该迎流区的发电单元以驱动所述发电单元。其中，该导流面的形态并无特别的限制，可为自该支撑装置向外延伸的壳体以形成该导流面，也可为由该支撑装置内凹的凹面作为该导流面。举例而言，该导流面可为该支撑装置上呈现内凹的弧形壳体，但其壳体的形状并无特别的限制。当流体沿该流场的主要流向而流经该迎流区时，该导流面可汇聚大量的流体，使得更多流体在该迎流区形成该向下流以驱动发电单元，增加发电单元的发电效率。

另外，在本发明的一较佳实施方案中，该发电装置可包括一蓄电单元，设置于该支撑体上或该支撑体内，并电性连接所述发电单元。

在本发明的另一较佳实施方案中，该支撑体可进一步包括形成于该侧流区的一导流沟槽，将该流场导流为该侧向流，并将该侧向流导送至设置于该侧流区的所述发电单元以驱动所述发电单元。其中，该导流沟槽平行于该主要流向，且所述发电单元设置于该导流沟槽中。该导流沟槽的形状并无特别的限制，举例而言，可为圆弧型，方形等。当该流体流经该侧流区时，该导流沟槽可汇聚较大量的流体以形成该侧向流，并驱动设置于该导流沟槽中的所述发电单元，以增加所述发电单元的发电效率。此外，该导流沟槽的数量并无特别的限制，可在该支撑体的该侧流区上形成多个导流沟槽，并于该导流沟槽中设置多个发电单元。

此外，在本发明中，该流场可为一风场、一河流场或一海流场，其中，较佳为海流场，而海流场中，较佳为洋流场。

本发明所提供的发电系统即利用流体通过一结构体时所产生的向下流、侧向流或涡流作为能量来源，并通过发电单元将该能量转换为电能以达到发电的效果。此外，本发明所提供的发电系统可附加至原有的多种陆上、河流上或海上机构，如陆上风力发电机构、岸边海流发电机构、离岸风力发电机构、海上石油钻探台或海上储油台等机构，以充分利用环境中流场的动能，增加发电的效率，并以原有的各种机构作为本发明的发电系统的支撑装置，可降低制备的成本。

附图说明

图1是洋流流体流经一支撑体时所产生不同流向的立体示意图。

图2是本发明一较佳实施方案中，定义支撑体上不同区域的前视立体示意图。

图3是本发明一较佳实施方案中，定义支撑体上不同区域的后视立体示意图。

图4是本发明一较佳实施方案中，设置发电单元的前视立体示意图。

图5a、5b是本发明一较佳实施方案中，设置发电单元的局部放大示意图。

图6是本发明另一较佳实施方案中，设置发电单元的前视立体示意图。

图7是本发明一较佳实施方案中，设置发电单元的后视立体示意图。

图8是本发明一较佳实施方案中，形成导流面的立体示意图。

图9是本发明另一较佳实施方案中，形成导流面的立体示意图。

图10是本发明一较佳实施方案中，形成导流沟槽的立体示意图。

图11是本发明一较佳实施方案中，形成一中空结构的立体示意图。

图12是本发明一较佳实施方案中，设置于海底的发电数组模块示意图。

图13是本发明另一较佳实施方案中，设置于海底的发电数组模块示意图。

符号说明：

流体1、14支撑体2

主要流向10向下流11

侧向流12涡流13

迎流区21侧流区22

涡流区23发电单元31、31’、32、32’、33、34

导流面41导流沟槽42

中空区44第一开口441

第二开口442发电数组模块50

钢缆51海床52

具体实施方式

以下通过特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技艺的人士可由本说明书所公开的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。只是需注意的是，以下附图均为简化的示意图，附图中的组件数目、形状及尺寸可依实际实施状况而随意变更，且组件布局状态可更为复杂。本发明也可通过其他不同的具体实施案例加以施行或应用，本说明书中的各项细节也可基于不同观点与应用，在不悖离本发明的精神下进行各种修饰与变更。

下文以离岸风力发电装置的轴柱做为本发明的该支撑体，以及以洋流作为该流场为例，说明该流场中的流体接触该支撑体时所产生的向下流、侧向流以及涡流。请参照图1，其中，该支撑体2设置于海中洋流流体1流经处，在本附图中，所绘示的洋流流体1沿一主要流向10朝该支撑体2前进，当该流体1接触该支撑体2面朝该主要流向10的表面时，该流体1会因受力而往下方流动，以形成一向下流11。另外，部分流体由于该支撑体2而受到挤压，并在该支撑体2侧向该主要流向10的表面形成一被压缩的一侧向流12。再者，部分流体通过该支撑体2之后，被该支撑体2分离的流体则扰动或结合形成一涡流13，再释放流动。以下所记载的实施方案以海洋洋流作为流场的范例。

请参见图2，其为本发明发电系统中，位于一洋流流场上的一支撑体2的前视立体图，该支撑体2上可定义一迎流区21、一侧流区22、以及一涡流区23，其中，当流体1流经该支撑体2并接触该迎流区21时，会因受力而在该迎流区21形成一向下流11；而当该流体1流经该侧流区22时，在该侧流区22处的流体受到挤压，而在该侧流区22形成一侧向流12。另外请参照图3，其位于一洋流流场上的该支撑体2的后视立体图，当该流体1通过该支撑体2时，被该支撑体2分离的流体则扰动或结合，并在该涡流区23形成一涡流13。

图4是根据本发明的一较佳实施方案，在该支撑体2上的该迎流区21以及该侧流区22上设置发电单元的立体示意图。请一并参照图5a，图5a是图4所绘示的发电系统的局部放大图，为了将该向下流11流动的动能转换为电能，故在该迎流区21上设置了多个涡轮发电装置作为发电单元31，且方向朝上，以便通过向下流11驱动以产生电能。另外，请参照图5b，图5b是图4所绘示的发电系统的另一局部放大图，为了将该侧向流12流动的动能转换为电能，故在该侧流区22上设置了多个涡轮发电装置作为发电单元32，且方向朝前(即面对侧向流12的方向)，以便由侧向流12驱动以产生电能。

图6是根据本发明的另一较佳实施方案，在该支撑体2上该迎流区21以及该侧流区22上设置发电单元的立体示意图。图6绘示在该迎流区21以及该侧流区22上交互设置不同种类的发电单元31、31’、32、及32’，其中，该些发电单元31、32以涡轮发电装置为例；该些发电单元31’、32’以震动式发电装置为例。

图7是在该支撑体2上的该涡流区23上设置多个发电单元33的立体示意图，由于该支撑体2后方的涡流不具稳定方向性，且难以预知其流动状态，故设置于该涡流区23的发电单元33以震动式发电装置为例，利用不稳定的涡流所产生的震动能，以驱动震动式发电装置产生电能。

接着，如图8所示，在一较佳实施方案中，可在该迎流区21上形成一向外延伸的一导流面41，该导流面41可汇集流体1以接触该迎流区21并形成向下流11，以增加可驱动设置于该迎流区21的发电单元31的动能。此外，如图9所示，在另一较佳实施方案中，该导流面41可为该支撑体2内凹的一弧面，也可汇集流体1接触该迎流区21并形成向下流11，增加可驱动设置于该迎流区21的该些发电单元31的动能。

另外，如图10所示，在另一较佳实施方案中，该侧流区22上可形成多个导流沟槽42，以汇集侧向流12，增加可驱动设置于该些导流沟槽42中的发电单元32的动能。

接着请参考图11，在一较佳实施方案中，该支撑体2可进一步包括一中空区44，该中空区44具有一第一开口441以及一第二开口442，并贯穿该支撑体1，在该中空区44中可设置多个发电单元34，该些发电单元34由通过该中空区44的流体14而驱动，并产生电能。

在上述本发明的实施方案中，蓄电单元(图中未示出)电性连接至该些发电单元上以储蓄电力，蓄电单元可设置于该支撑体上，或是设置于该支撑体内，蓄电单元可进一步通过电缆线(图中未示出)将蓄电单元中的电力输出至须用电的设备(图中未示出)上。此外，前述实施方案以单一直立式支撑体为例，然而该支撑体也可以是各种形式，如多个支撑体共同构成的栅栏式或网格式结构，只要针对其流向变化而对应配置发电单元，即可达到本发明的效果，故本发明对于支撑体的结构变化不作限制。

因此，当该支撑装置包括多个支撑体，且多个支撑体共同构成栅栏式或网格式结构时，该发电系统可构成一发电数组模块。例如，图12是绘示一种设置于海底的发电数组模块示意图，该发电数组模块50包括多个支撑体2，以及设置于该些支撑体上的多个发电装置，该些发电装置中的多个发电单元31、32针对其流向变化而对应配置，故可依上文所述，视其对应的流向变化而设置涡轮发电装置或震动发电装置。此外，由本发明的发电系统所构成的该发电数组模块除了可如图12所示固定在海床52上以外，更可如图13所示，通过钢缆51固定在海床52上，使得该发电数组模块50漂浮在海水中。

综上所述，本发明利用流场中的流体接触支撑体后的流向变化，于支撑体上对应设置发电单元，来将流体的动能转换成电能，较佳如洋流通过柱体时，局部流向变化所产生的向下流、侧向流或涡流，该柱体于海平面以上的结构仍能发挥其原有的功能，如离岸风力发电机构或海上石油钻探台，故本发明不需花费额外的庞大建造成本。然而，本发明的应用不限于此，只要是流场中流体具有一定动能、然后朝向支撑体而产生局部流向变化者，即可有效运用本发明，包含陆上、河流流道中的支撑体，甚至是面对海流冲击的岸边堤防。

上述的实施例仅用来例举本发明的实施方案，以及阐释本发明的技术特征，并非用来限制本发明的保护范畴。任何熟悉此技术的人可轻易完成的改变或等同的安排均属于本发明所主张的范围，本发明的权利保护范围应以权利要求的范围为准。