一種小型流體發電裝置的製作方法
2023-06-03 04:20:31
專利名稱：一種小型流體發電裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種發電裝置，具體涉及一種利用水喉或自來水或同類型的供水系統的水流以產生電力之發電裝置。
背景技術：
由於近年來的能源需求不斷上升，及關注環境保護的意識亦不斷提高，使用及發展無汙染、不需燃料、及可持續再生的能源是近年的趨勢。水力發電乃是一項符合真正環保原則的能源再生方法。但是，建設大型的水力發電系統涉及昂貴的設備，亦須要有地理環境的配合。於低水力，功率少於50kW的地方，是沒有經濟效益的。
在現代社會裡，供水系統是一個不可缺少的室內設施。在寒冷的區域，供水系統很多時亦多包括一臺熱水器，以便供應溫水。一般來說，用者多數以燒氣體或用電力將水加熱。這兩個方法在把水加熱的同時，亦消耗了大量額外的能源。
一般室內供水，溫度於35-40℃的範圍內，用途最為廣泛，可用作洗澡、洗滌餐具和衣物、洗手或作其它的清潔用途。然而，在夏天時，一般室溫為25-30℃，與未經加熱的水溫相近。即是說，只要把水溫提高約5-10℃，便可使水達致理想可使用的溫度。而現時大部份的加熱水方法是先把水過度加熱，再用冷水混合使水溫達致適當可用的範圍，這種方法亦浪費不少能源。
美國專利6,792,201曾提及使用水龍頭的水力發電，從而直接把所產生的電力直接驅動電熱爐來加熱自來水的概念。該發明於一般情況是不實際的，這是因為由於能量是守恆的，水龍頭的水所有的能量，包括動能及位能，即使全部轉化為熱能，也不可能支持實時加熱水5-10度所需的能量。由於水的比熱十分之大，如把水每加熱10度，每1公升水需要大約42000焦耳的能量。
發明內容
本實用新型所要解決的技術問題是針對上述現有技術的不足，提供了一種利用用水喉或自來水或同類型的供水系統的水流所產生的電力發電之裝置，該裝置同時通過其所接耗電裝置之結構及材料本身所具備的特性，可提高水的品質。
本實用新型所提出的技術方案是一種小型流體發電裝置，包括定子和轉子，其特徵在於所述轉子上為至少一個以上槳葉構成的水車輪或渦輪，其上設有至少一個可供流體或液體出入之入口和出口，中心位置設有可與定子相配合之轉軸，所述定子通過交-直流轉換器與耗電裝置相連；
所述轉子包括金屬線圈，而定子包括磁鐵或帶磁性的材料；所述定子包括金屬線圈，而轉子包括磁鐵或帶磁性的材料；所述渦輪為衝動式輪機或反動式渦輪機，或螺旋槳推進器；所述耗電裝置為熱電塊，其中熱電塊可為以下結構熱電塊為至少一塊以上半導體材料構成的板塊結構，其外表面包覆有高傳熱係數面板；熱電塊為至少一級以上重疊而成或平行排列構成；熱電塊側面或兩側面貼合有在其固體-液體相變時可產生潛熱的相變材料；熱電塊為夾層形狀之結構，其內、外表面分別貼合有由相同的能量吸放特性材料構成的板塊；熱電塊為夾層形狀之結構，其外表面分別貼合有由相同的能量吸放特性材料構成的板塊，內表面與具高傳熱係數的物料塊緊密貼合；熱電塊內表面與具高傳熱係數的物料塊通過具有高傳熱係數之膏體緊密貼合；熱電塊內表面之具高傳熱係數的物料塊外表面為不規則形狀；所述耗電裝置還可為由發光二極體紫外光燈。
所述耗電裝置還可為充電器或水流速計或水溫溫度計。
本實用新型利用供水系統之水喉或自來水或同類型的供水系統的水流所具有一定的壓力、位能和動能，衝擊轉子上所設槳葉帶動其轉軸作切割磁力線運動，可使定子產生的電力驅動小型的耗電裝置，然後利用其耗電裝置本身所具有的特性，可加熱水或對水進行殺菌處理，提高了水喉水或自來水品質，節約能源。同時由於水力發電所產生的電能還可用作後備電源裝置，於停電或電力不足的情況下，作為補給。本實用新型針對再生能源的需求，並旨在普及和提高再生能源的經濟效益，是一個現代化的智能型環保裝置。
圖1為本實用新型實施例一結構示意圖；圖2為本實用新型實施例二結構示意圖；圖3為本實用新型實施例三結構示意圖；圖4為本實用新型實施例四結構示意圖；圖5為本實用新型實施例五結構示意圖；圖6為本實用新型實施例六結構示意圖；圖7為本實用新型實施例七結構示意圖；
圖8為本實用新型熱電塊結構實施例一示意圖；圖9為本實用新型熱電塊結構實施例二示意圖；圖10為本實用新型熱電塊結構實施例三示意圖；圖11為本實用新型實施例八結構示意圖；圖12為本實用新型實施例九結構示意圖。
具體實施方式
目前一般所用的供水系統之水由水源(例如從儲水缸、或供水泵)到達用戶的水龍頭時，帶有一定的壓力、位能和動能，當水從水龍頭射出時，其壓力會瞬間變成大氣壓力。根據伯努利定理(Bernoulli’s law)計算，管內流體的壓力及每一立方單位所帶的動能和位能相加是一個常數。在沒有外助的力量下，水龍頭或水管所產生的能源，是可由其儲水缸的高度，或水泵的功率而計算出來。由水龍頭或水管的水流所產生的能量，可用以下方程式(方程式一)計算方程式一P＝(0.837×Q×H)/33,000P功率(單位瓦特)Q水流速度(單位立方尺/每公鍾)H水源與發電裝置的高度距離(尺)如根據方程式一的計算方法，每分鐘出水約10公升(即0.35立方尺)的水流，可產生約15至20瓦特的電力。將功率與時間相乘時，所得出的正是產生的電能。
本實用新型依據上述研究結果，設計了一可利用供水系統之水流由水源到達用戶的水龍頭時，所產生的壓力、位能和動能用以發電之裝置。它包括有定子和轉子，所述轉子上設有可供流體或其它液體出入之入口和出口，其中心設有與轉子相連之轉軸，該轉軸一端裝有多個槳葉，構成一水車輪或渦輪結構，其中渦輪可以是衝動式輪機或反動式渦輪機，或螺旋槳推進器，轉軸之另一端置於定子上對應開設的軸心內。當水流流過轉子上槳葉時，在其重力作用下，可令其旋轉，以帶動轉軸做同步旋轉。由於轉軸置於定子軸心內，轉動時可做切割磁力線的運動，為抗衡磁力定子會產生電流，該產生的電流不大，可轉化成其它能量，作驅動小型耗電裝置之用，如驅動耗電較少的熱電材料、發光二極體(LED)紫外光燈，透過如水溫調節、消毒殺菌、作溫度、流速的顯示等，以提高水的品質，或作後備電源之用，從而實現了本實用新型所要達到的目的。
本實用新型可接駁於水龍頭的出水位置，或接駁於水管中。整個裝置，於不需要時，可隨意拆走。
圖1～圖7、圖11～圖12展示了本實用新型各種應用之實施例。
如圖1所示，本實施例包括至少一個定子104和至少一個轉子110，所述轉子110和定子104可分別由金屬線圈，或者是由磁鐵或帶磁性的材料組成，轉子110與轉軸103相連，該轉軸103一端裝有至少一個以上槳葉102，構成一水車輪或渦輪結構，另一端置於定子104上對應開設的軸心內。在槳葉102上，設有至少一個可供流體出入之入口108和出口109，可供水流101輸入和輸出。當水流101流過槳葉102時，在其重力作用下，可使槳葉102做旋轉運動，帶動轉軸103作同步旋轉。由於轉軸103置於定子104軸心內，而定子104為金屬線圈，或者是由磁鐵或帶磁性的材料構成，因而轉動時可做切割磁力線的運動，為抗衡該磁力，定子104會產生電流105。在定子104之輸出端，接有交一直流轉換器106，可將由定子104產生的交流電轉換為直流電流105，交-直流轉換器106同時與耗電裝置相接。
所述耗電裝置為由熱電材料(thermoelectric materials)構成的熱電塊107，熱電材料是一種可將電能與熱能交互轉變的材料。熱電塊107為由半導體材料構成的板塊結構，其外表面包覆有高傳熱係數面板，可實現電能和熱能的轉換。1823年，德國人T.Seebeck發現由兩種不同金屬接合成的線路上，若兩接點間有溫差時，即會產生電壓，(通常稱溫差電現象)，這個現象即是熱電產生器(thermoelectric generator)之工作原理。12年後，法國人J.C.A.Peltier則發現若於由兩種不同金屬接合成的線路上連通電流，其中一接點會放熱而另一接點則會吸熱。而這個現象即是熱電致冷器(thermoelectric cooler)之工作原理。而後的100年，由於一般材料的熱電效率低，沒有引起科學家廣泛的興趣，熱電現象這個領域幾乎停滯不前。一直到1954年，有使用較高電熱效應的半導體材料，將熱電致冷器成功的冷卻至0℃以下，引起了廣大關注。根據上述原理，熱電材料可以配製成板狀。板狀的熱電材料包含有兩面，發熱一面可用作把水加熱用途，發冷的一面可用作把水冷卻。
本實用新型通過將水流101衝擊槳葉102所產生的電流105用作驅動包覆有高傳熱係數材料的熱電塊107，當出口109排出的水流101從熱電塊107流過時，可對其進行加熱，以提高水的溫度，可替代電熱爐或其它裝置加熱自來水，以節約能源。
如圖2所示，本實施例它包括至少一個定子104和至少一個轉子110，所述轉子110和定子104可分別由金屬線圈，或者是由磁鐵或帶磁性的材料組成，轉子110與轉軸103相連，該轉軸103一端裝有至少一個以上槳葉102，構成一水車輪或渦輪結構，另一端置於定子104上對應開設的軸心內。槳葉102上設有至少一個可供流體出入之入口108和出口109，可供水流101輸入和輸出。當水流101流過槳葉102時，在其重力作用下，可令其旋轉，使轉軸103同步旋轉。由於轉軸103置於定子104軸心內，轉動時可做切割磁力線的運動，使定子104產生電流105。在定子104之輸出端，接有交-直流轉換器106，可將由定子104產生的交流電轉換為直流電流105，交-直流轉換器106與熱電塊107相接。所述熱電塊107可為由半導體材料構成的板塊結構，其外表面包覆有高傳熱係數面板，包含有兩面，其中一板面上設有相變材料板201，該相變材料板201為潛熱型儲能換熱材料構成，根據相變材料本身所具有的潛熱儲能功能，當水流101流經熱電塊107時，可通過其發熱的一面將水加熱，而發冷的一面可將水冷卻，如不需要冷水時，該面亦可以通過相變材料板201把低溫儲存。同樣地，熱電塊107亦可用於將水降溫，如不需要熱水時，可通過相變材料板201把熱力儲藏起來。
如圖3所示，本實施例結構與實施例一結構基本相同，所不同的是從槳葉102排出之出口水流被分成二條支流301，分別流向熱電塊107的兩個表面，可同時提供熱水和冷水。由於能量是恆守的，用作把水加熱所增加的能量(加熱一面)相等於熱電板吸熱一面(冷凍一面)所吸收的能量及驅動熱電塊107的熱能之和。
由此所產生的能量，可用以下方程式(方程式二)計算(方程式二)熱電塊加熱所需的能量＝熱電塊吸熱一面所吸收的能量用作把水加熱 +驅動熱電塊的熱能(電壓×電流×時間)由於驅動熱電塊107的能量(電壓×電流×時間)是全部水龍頭或水管水力發電產生的電能，亦是非常有限的能源。要把水有效加熱，便要提高熱電材料吸熱一面所吸收的能量，可從熱電塊107選料方面入手，如採用高熱電優值的熱電材料。
熱電塊107需要有高的導電性以避免電阻所引起電功率之損失。同時亦需具有低熱傳導係數以使冷熱兩端的溫差不致因熱傳導而改變。材料的熱電效率可定義一熱電優值(Thermoelectric figure of merit)ZT來評估ZT＝S2Tσ/κ其中S為熱電勢(thermoelectric power or Seebeck coefficient)，T為絕對溫度，σ為電導率(electrical conductivity)，κ為熱傳導係數(thermal conductivity)。為了有一較高之熱電優值，ZT，一材料必需有高的熱電勢(S)，高的電導與低的熱導。在本實用新型中，熱電材料的熱電優值需ZT＞1。
如圖4所示，本實施例結構與實施例二結構基本相同，所不同的是從槳葉102排出之出口水流被分成二條支流301，分別流向與熱電塊107相連之兩相變材料板401、402的表面。兩相變材料板分別為高溫相變材料板401和低溫相變材料板402，其低溫相變材料板402在其液體-固體相變時所產生的潛熱，須大於熱電塊107發熱所吸收的能量；其高溫相變材料板401其固體-液體相變時所需要的潛熱，須大於熱電塊107吸熱所放出的能量。將它們外加於熱電塊107之兩個表面時，亦可同時提供熱水和冷水，其加熱或冷卻溫度更穩定。
如圖5所示，本實施例亦包括至少一個定子104和至少一個轉子110，所述轉子110和定子104可分別由金屬線圈，或者是由磁鐵或帶磁性的材料組成，轉子110與轉軸103相連，該轉軸103一端裝有至少一個以上槳葉102，構成一水車輪或渦輪結構，另一端置於定子104上對應開設的軸心內。轉子110上設有至少一個可供流體出入之入口108和出口109，可供水流101輸入和輸出。當水流101流過槳葉102時，在其重力作用下，可令其旋轉，使轉軸103同步旋轉。由於轉軸103置於定子104軸心內，轉動時可做切割磁力線的運動，可使定子104產生電流105。在定子104之輸出端，接有交-直流轉換器106，交-直流轉換器106與紫外燈501相接。通過由定子104產生的交流電轉換為直流電流105，可用來驅動由發光二極體(LED)紫外光燈501。由於發光二極體(LED)紫外光燈501所需要的電能較小，能產生260-400nm範圍的紫外光線，可用作殺菌用途，提高供水的品質。
如圖6所示，本實施例與實施例五基本相同，所不同的交-直流轉換器106是與相互串接的發光二極體(LED)紫外光燈501相連。而這種串接的發光二極體(LED)紫外光燈501所產生的紫外光線更強，殺菌效果更好。
如圖7所示，本實施例包括至少一個定子104和至少一個轉子110，所述轉子110和定子104可分別由金屬線圈，或者是由磁鐵或帶磁性的材料組成，轉子110設有與轉軸103相連，該轉軸103一端裝有至少一個以上槳葉102，構成一水車輪或渦輪結構，另一端置於定子104上對應開設的軸心內。轉子110上設有至少一個可供流體出入之入口108和出口109，可供水流101輸入和輸出。當水流101流過槳葉102時，在其重力作用下，可令其旋轉，使轉軸103同步旋轉。由於轉軸103置於定子104軸心內，轉動時可做切割磁力線的運動，可使定子104產生電流105。在定子104之輸出端，接有交-直流轉換器106，交-直流轉換器106與充電器701相接。由水流101產生的直流電壓可用作給充電器701充電，或驅動其它直流電壓的耗電設備，如水流速計或水溫溫度計等，或作後備電源裝置，於停電或電力不足的情況下，作為補給。
圖8展示了本實用新型熱電塊107之結構實施例一。如圖所示，該熱電塊107為一裝配成夾層形狀之結構，其內、外表面分別貼合有由相同的能量吸放特性材料構成的板塊801、802。其中夾層內的體積，相等於夾層內可容納的水體積，熱電塊107的效能，須足夠把該體積的水於離開該夾層前加熱或冷凍至理想溫度。
圖9展示了本實用新型熱電塊107之結構實施例二。如圖所示，該熱電塊107亦為一裝配成夾層形狀之結構，其外表面分別貼合有由相同的能量吸放特性材料構成的板塊801，內表面與具高傳熱係數的物料塊901緊密貼合，水流101從兩相對高傳熱係數的物料塊901之間通過。所述的具高傳熱係數的物料塊901是非常穩定的物料，如銅之類的物料，可直接接觸經過發電裝置流出來的水流101，而把熱能高效率地傳送給水或從水中有效地吸收熱能。所述的具高傳熱係數的物料塊901接觸水流101的一面可以是不規則的形狀，以減慢水流101的速度及提高把熱傳播於水的效能。同時，具有高傳熱係數的膏體(如矽油)可用作將高傳熱係數的物料塊901牢固貼於熱電塊107上，可加強熱傳播的效能。
圖10展示本實用新型熱電塊107裝配成管道式結構之實施例。如圖所示，該熱電塊107由至少四塊以上熱電板1001組成管道形式，水流101從管道內壁流過，管道內壁須要有相同的能量吸放特性。其中管道內的體積，相等於管道內可容納的水體積，熱電板1001的效能，須足夠把該體積的水於離開該管道前加熱或冷凍至理想溫度。
如圖11所示，本實用新型實施例定子104、轉子110及其它部件與實施例一相同，所不同的是其熱電塊107由至少一塊以上的板塊組成。多塊組成的熱電板107發熱的一面重於發冷的一面1101，熱電塊107的電源經由交流電、直流電轉換器106從流體發電裝置提取。
如圖12所示，本實用新型實施例之轉子110相對定子104旋轉時所產生的電流105用以驅動交流電耗電系統1201。
權利要求1.一種小型流體發電裝置，包括定子和轉子，其特徵在於所述轉子上為至少一個以上槳葉構成的水車輪或渦輪，其上設有至少一個可供流體或液體出入之入口和出口，中心位置設有可與定子相配合之轉軸，所述定子通過交—直流轉換器與耗電裝置相連。
2.根據權利要求1所述的小型流體發電裝置，其特徵在於所述轉子包括金屬線圈，定子包括磁鐵或帶磁性的材料。
3.根據權利要求1所述的小型流體發電裝置，其特徵在於所述定子包括金屬線圈，轉子包括磁鐵或帶磁性的材料。
4.根據權利要求1所述的小型流體發電裝置，其特徵在於所述渦輪為衝動式輪機或反動式渦輪機，或螺旋槳推進器。
5.根據權利要求1所述的小型流體發電裝置，其特徵在於所述耗電裝置為熱電塊。
6.根據權利要求1所述的小型流體發電裝置，其特徵在於所述耗電裝置為發光二極體紫外光燈。
7.根據權利要求1所述的小型流體發電裝置，其特徵在於所述耗電裝置為充電器或水流速計或水溫溫度計。
8.根據權利要求5所述的小型流體發電裝置，其特徵在於所述熱電塊為至少一塊以上半導體材料構成的板塊結構，其外表面包覆有高傳熱係數面板。
9.根據權利要求5或8所述的小型流體發電裝置，其特徵在於所述熱電塊為至少一級以上重疊而成或平行排列構成。
10.根據權利要求5或8所述的小型流體發電裝置，其特徵在於所述熱電塊側面或兩側面貼合有在其固體-液體相變時可產生潛熱的相變材料。
11.根據權利要求5或8所述的小型流體發電裝置，其特徵在於所述熱電塊為夾層形狀之結構，其內、外表面分別貼合有由相同的能量吸放特性材料構成的板塊。
12.根據權利要求5或8所述的小型流體發電裝置，其特徵在於所述熱電塊為夾層形狀之結構，其外表面分別貼合有由相同的能量吸放特性材料構成的板塊，內表面與具高傳熱係數的物料塊緊密貼合。
13.根據權利要求12所述的小型流體發電裝置，其特徵在於所述熱電塊內表面與具高傳熱係數的物料塊通過具有高傳熱係數之膏體緊密貼合。
14.根據權利要求12所述的小型流體發電裝置，其特徵在於所述熱電塊內表面之具高傳熱係數的物料塊外表面為不規則形狀。
專利摘要一種小型流體發電裝置，包括定子和轉子，其特徵在於所述轉子上為至少一個以上槳葉構成的水車輪或渦輪，其上設有至少一個可供流體或液體出入之入口和出口，中心位置設有可與定子相配合之轉軸，所述定子通過交－直流轉換器與耗電裝置相連。其中耗電裝置可為熱電塊、發光二極體紫外光燈，或作為水溫調節、消毒殺菌、作溫度、流速的顯示等。本實用新型提供了一種利用用水喉或自來水或同類型的供水系統的水流所產生的電力發電之裝置，該裝置通過其所接耗電裝置之結構及材料本身所具備的特性，提高水的品質。另外，還可用作後備電源裝置，於停電或電力不足的情況下，作為補給，可普及和提高再生能源的經濟效益，是一個現代化的智能型環保裝置。
文檔編號F03B13/00GK2779096SQ20052005415
公開日2006年5月10日 申請日期2005年1月28日 優先權日2005年1月28日
發明者羅瑞真, 陳耀偉 申請人:羅瑞真, 陳耀偉