川流式小水力发电系统的制作方法

1.本发明涉及一种水力发电系统，特别是涉及一种川流式小水力发电系统。


背景技术：

2.中国台湾高山平原间高度落差大，在许多河川或水圳都会需要设置消能设施来消除上游高速流动的水往下冲击的动能，以减少河川地形及建设受水流冲击破坏。常见的消能设施的原理有水跃法(hydraulic jump)、空飘法或其他散能方法。其中，水跃法的设施例如有围兜式(apron)、斜兜式(sloping apron)等，空飘法的设施例如有滑雪跳板式(skijump bucket)，其他方法的设施例如有静水池(stilling basin)，包括导槽(chute)、石台(sill)、缓冲柱(baffle pier)等。
3.中国台湾平均年降雨量为2515毫米，且高山平原间高度落差大，理论上适合进行水力发电。但实际上，中国台湾冬季降雨量低，夏季遭逢台风时，则容易因暴雨而造成水量暴增。因此，利用河川水力进行发电的问题点在于，在冬季时，容易因水量过低导致发电量不易提升，而在夏季时，则可能因台风水量暴涨而冲毁发电机构。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种兼具消能及发电效果的川流式小水力发电系统。
5.本发明的川流式小水力发电系统，适用于架设于河川沟渠，并包含挡水墙、水门装置，及至少一个水力发电装置。
6.所述挡水墙以成角度于水流方向来延伸设置。
7.所述水门装置，以成角度于所述水流方向来延伸设置并连接所述挡水墙，与所述挡水墙相配合而能启闭地控制水流。
8.所述至少一个水力发电装置包括设置于所述挡水墙的水轮机，及受所述水轮机连动而发电的发电机，所述水轮机具有设置于所述挡水墙的集水流道，供所述水流由所述集水流道流入并进行发电，所述集水流道的最低高度低于所述水门装置于关闭时的稳定水位高度，并高于所述水门装置于完全开启时的稳定水位高度。
9.本发明的川流式小水力发电系统，所述发电机的设置高度高于所述水门装置于关闭时的稳定水位高度。
10.本发明的川流式小水力发电系统，所述水门装置为自动倒伏式水门。
11.本发明的川流式小水力发电系统，还包含传感装置及信号连接所述传感装置与所述水门装置的控制装置，所述控制装置根据所述传感装置的传感状况而控制所述水门装置开启或关闭。
12.本发明的川流式小水力发电系统，所述传感装置传感所述发电机的转速并反馈至所述控制装置，所述控制装置控制所述水门装置的开启程度而使所述发电机的转速位于并网速度区间。
13.本发明的川流式小水力发电系统，所述传感装置具有水位计、流量计、流速计中的
至少一个，所述控制装置根据所述传感装置传感的水流状况而控制所述水门装置开启或关闭。
14.本发明的川流式小水力发电系统，所述传感装置还传感所述发电机的负载状态并输出至所述控制装置，所述控制装置于水流量未到达使所述发电机满载发电时，控制所述水门装置完全关闭，于水流量到达使所述发电机满载发电时，所述控制装置动态调整所述水门装置的开启程度，而使流入所述水轮机的水量维持所述发电机在满载但不过载的情况。
15.本发明的川流式小水力发电系统，所述传感装置具有异物传感器，所述控制装置于所述异物传感器传感到水流中有异物时控制所述水门装置开启。
16.本发明的川流式小水力发电系统，所述控制装置具有控制主机及信号连接所述控制主机的远端控制器，所述控制主机根据所述远端控制器所输出的遥控信号控制所述水门装置开启或关闭。
17.本发明的川流式小水力发电系统，所述至少一个水力发电装置还包括连接所述水轮机与所述发电机的增速机，及电连接所述发电机的变压器，所述增速机用于将所述水轮机的转速提升后输出至所述发电机，使所述发电机的输出电力的频率调整为对应于电网频率，所述变压器用于将所述发电机的输出电力的电压调整为对应于电网电压。
18.本发明的有益效果在于：通过设置连接的所述挡水墙与所述水门装置拦阻水流，并将所述水力发电装置架设于所述挡水墙，能使水流在一般情况下流入所述水力发电装置而进行发电，当有大水时则通过开启所述水门装置而使洪水绕过所述水力发电装置而由所述水门装置宣泄。如此，可以于平时确保发电量稳定，也能防止暴雨造成溢流淹水的灾害，并能通过所述水力发电装置取代原本的消能工，将原本需要消耗的动能转化为发电收益。
附图说明
19.图1是本发明川流式小水力发电系统的一个实施例应用于河川沟渠的俯视示意图；
20.图2是所述实施例的不完整的侧视示意图；
21.图3是所述实施例的方块示意图；及
22.图4、图5是所述实施例的水门装置以油压式自动倒伏堰实施时的俯视示意图及运作示意图。
具体实施方式
23.参阅图1、图2及图3，本发明川流式小水力发电系统的一个实施例，适用于架设于河川沟渠，并利用河川沟渠中的水流进行发电。
24.其中，本发明适合架设于河川沟渠中具有适当的落差(例如:0.5～10米的落差)及较大的流量(例如：1立方米/秒(cms)以上的流量)处，以获得较佳的发电效率。
25.所述实施例包含一个挡水墙2、一个水门装置3及至少一个水力发电装置4，优选地还包含一个传感装置5、一个控制装置6及一个栅栏装置7。其中，为达到最佳发电效率，较佳是每1～7立方米/秒(cms)的流量就对应设置一架所述水力发电装置4。
26.所述挡水墙2以成角度于水流方向(如图1的空心线头所示)来延伸设置。
27.所述水门装置3以成角度于所述水流方向来延伸设置并连接所述挡水墙2，与所述挡水墙2相配合而连接河川两侧的堤岸9，用于能启闭地控制水流。其中，所述水门装置3为自动倒伏式水门，例如：充气橡皮坝或如图4、图5所示的油压式自动倒伏堰等，于图4、图5中，所述油压式自动倒伏堰具有一个用于拦截水流的水门31、两个油压杆32及一个用于控制所述油压杆32的油路箱33，所述油压杆32设置于所述水门31两侧，并分别设置于所述挡水墙2与其中一个堤岸9，通过所述油压杆32的伸缩而使所述水门31开启及关闭，其中，图5的实线表示所述水门装置3完全开启时的位置，假想线表示所述水门装置3完全关闭时的位置，并且，所述水门31的高度仅为示意，本领域技术人员能自行依需求而调整。所述油压杆32的位置较佳是高于所述水门31的高度(尤其是油压缸的部分)，如此，可以减少所述油压杆32浸泡水中而受水流泥沙毁损的机率。自动倒伏式水门的特色在于，可以在无电力状态下自重倒伏，因此，在遭遇大水或是受灾断电时，仍然可以因水的冲力或重力而自动倒伏，不仅具有方便进行控制且减少设置成本的优势，还兼具自动安全保护功效。由于充气橡皮坝或油压式自动倒伏堰的运作细节皆为此业界所熟悉的内容，在此不赘述。
28.参阅图1、图2及图3，所述水力发电装置4包括一个水轮机41、一个受所述水轮机41连动而发电的发电机42，及一个连接所述水轮机41与所述发电机42的增速机43。
29.所述水轮机41头尾两端分别设置于所述挡水墙2与河川沟渠底部，具有一个设置于所述挡水墙2的集水流道411及一个高度低于所述集水流道411的出水口412，供水流由所述集水流道411流入并由所述出水口412流回下游的河川沟渠，所述集水流道411的最低高度低于所述水门装置3于关闭时的稳定水位高度(如图2所示，图2中的所述水门装置3的虚线为示意，主要说明所述水门装置3于关闭时的高度)，并高于所述水门装置3于完全开启时的稳定水位高度，此处稳定水位高度指所述水门装置3开启或关闭时，水位于一般(非洪水时)情况下到达稳定时的高度。借此，当所述水门装置3关闭时，水流会由所述集水流道411流入而带动所述水轮机41转动，并连动所述增速机43、所述发电机42而发电，当所述水门装置3完全开启时，水流则会避开所述水力发电装置4而经由所述水门装置3流入下游。
30.于本实施例中，所述水轮机41使用螺旋式水轮机(如阿基米德水轮机)实施，但所述水轮机41也能使用其他合适的机构形式，并不限于此。
31.所述发电机42的设置高度较佳是高于所述水门装置3于关闭时的稳定水位高度，如此，不论是在一般发电或是在所述水门装置3开启而泄洪时，都可以减少所述发电机42浸泡水中而造成损耗的机率。其中，所述发电机42能依用途而选择使用感应式发电机、直流发电机或同步发电机等。当所述发电机42使用直流发电机时，需搭配设置一个电连接所述发电机42的变压器44，以将所述发电机42的输出电力的电压调整为对应于一个电网电压，即，将所述发电机42的输出电力的电压与电力公司的电网电压的误差值调整在能容许范围中。值得一提的是，此处所述变压器44也能依实际需求而变化为兼具变流器的功能的设备，并不限于此。由于所述变压器44或变流器等架构的细节为此业界所熟悉的内容，在此不赘述。
32.所述增速机43用于将所述水轮机41的转速提升后输出至所述发电机42，使所述发电机42的输出电力的频率调整为对应于一个电网频率，即，将所述发电机42的输出电力的频率与电力公司的电网频率的误差值调整在能容许范围中。借此，能将经所述变压器44、所述增速机43调整后的输出电力并网至电力公司的馈线，而提供给电力公司或附近用户使用。由于所述增速机43的细节架构为此业界所熟悉的内容，在此不赘述。
33.所述传感装置5能设计为用于传感下列其中至少一种信息：水流状况、所述水门装置3开启状态、所述发电机42的转速、所述发电机42的负载状态，与水流中是否存在异物，并将上述传感信息输出至所述控制装置6。
34.所述传感装置5能设置水位计51、流量计52、流速计53中至少一个来相应地传感水流的水位、流量、流速等信息。其中，水位计51能使用压力、重量、浮力、导电、电容、光电、超声波、微波等原理的传感方式，流量计52、流速计53能使用压差式、机械式、热流式、超声波式等传感水流量的传感器。所述水门装置3开启状态能通过使用光电式、角度及直线距离编码器、位置感应开关等装置传感所述水门装置3的开启位置而得。
35.所述发电机42的转速能通过设置霍尔传感器(hallsensor)进行传感，所述发电机42的负载状态能通过量测所述发电机42的电流及电压而判断。由于此部分技术为本技术领域中具有通常知识者根据以上说明可以推知扩充细节，因此不多加说明。
36.所述传感装置5能使用光学监视设备(例如：红外线传感器及接收器，或摄影模块搭配影像辨识)作为一个异物传感器54，用于辨识水流中是否存在异物。
37.所述控制装置6信号连接所述传感装置5与所述水门装置3，接收所述传感装置5所传感的信息，并据以控制所述水门装置3开启或关闭。
38.其中，所述控制装置6能根据水流状况而控制所述水门装置3开启或关闭，于水位、流量、或流速大于预定值时，即控制所述水门装置3部分开启或完全开启，以达到能于紧急状况或水量暴增时快速宣泄洪水，避免堵水溢流等情况，此时，较佳是搭配控制所述发电机42同时跳脱而停机运转，减少所述水力发电装置4损毁的可能。
39.所述控制装置6能于所述异物传感器54传感到水流中存在异物时，控制所述水门装置3开启以使异物能够通过而不至于冲撞损害所述水门装置3。
40.值得一提的是，所述控制装置6能设计为根据所述发电机42的转速控制所述水门装置3的开启程度，而使所述发电机42的转速位于一个并网速度区间，所述并网速度区间是对应于所述发电机42的输出电力的频率相容于所述电网频率。如此，可以通过调整所述水门装置3的开启程度而将所述发电机42的输出电力的频率调整为相容于所述电网频率(即，输出电力的频率与所述电网频率的误差值在能容许范围内)。当输出电力的频率、电压、相位与电力公司的电网中的频率、电压、相位的误差值皆在能容许范围内时，输出电力即可以自动并网至电力公司的馈线。
41.其中，所述控制装置6可以是只使用一个控制主机61实施，或是还具有一个信号连接所述控制主机61的远端控制器62，使用者可以通过所述远端控制器62输出一个遥控信号控制所述水门装置3开启、关闭或部分开启，或读取所述传感装置5的传感数据。所述远端控制器62能使用手机、个人电脑、或远端服务器实施，所述控制主机61与所述远端控制器62间的联机能为有线连接如使用rj45、rs232、rs485联机等，或为无线连接如使用wifi、4g、5g等通讯技术。
42.其中，所述控制装置6较佳是内置紧急全开的模式，在例如跳电或水流失控时，会迅速控制所述水门装置3完全开启，以避免淹水溢流，而达到零灾害的需求。
43.其中，所述控制装置6能设置一个人机接口(图未示)供使用者更容易操作，例如能使用hmi或scada等实施。
44.所述栅栏装置7设置于所述水门装置3与所述水力发电装置4上游，能使用栅栏或
拦网等能供水流快速通过且能拦阻大体积异物的装置实施。
45.于实际应用时，由于许多农田灌排渠道及山坑排水或区域排水皆有较大的流量，能挑选其中具有合适的落差且历年来的最大洪峰能由所述水门装置3无害通过的地点进行设置。
46.在一般流量的情况下，所述传感装置5传感水流状况、所述水门装置3的开启程度及所述发电机42的负载状态，于水流量未到达使所述发电机42满载发电时，所述控制装置6控制所述水门装置3完全关闭，使水流都流入所述水轮机41并进行发电，于所述发电机42的转速到达所述并网速度区间时，将输出电力自动并网至电力公司的馈线进行送电。当水流量继续增加而使所述发电机42满载发电时，所述控制装置6开始动态调整所述水门装置3的开启程度，而使流入所述水轮机41的水量能使所述发电机42维持在满载但不过载的情况，如此，可以使发电机42提供最佳发电效率，并避免过大的水流量会损害所述水力发电装置4。
47.当暴雨或台风而使水量暴增时，所述控制装置6控制所述水门装置3完全开启，使大水可以绕过所述水力发电装置4而由所述水门装置3宣泄，如此，可以减少所述水力发电装置4受大水冲击而损毁的机率。
48.值得一提的是，所述控制装置6也能利用机器学习及预测模型调整所述水门装置3的开启时间及开启状态，进而达到更佳的发电效果或泄洪效果。
49.其中，所述控制装置6也能信号连接至一个数据及控制中心(图未示)，所述控制装置6能将所述传感装置5所量测的数据及历来的控制操作纪录输出至所述数据及控制中心，所述数据及控制中心则通过上述数据及存储的历年水量与时间关系、防淹水演算法、最佳发电演算法、发电淹水危机取得平衡演算法、紧急事件控制法等，回馈提供所述控制装置6更佳的控制运算法或是预测模型。
50.经由以上的说明，本实施例的功效如下：
51.一、通过设置连接的所述挡水墙2与所述水门装置3拦阻水流，并将所述水力发电装置4架设于所述挡水墙2，能使水流在一般情况下流入所述水力发电装置4而进行发电，当有暴雨或大水时，则能通过开启所述水门装置3而使洪水绕过所述水力发电装置4而由所述水门装置3宣泄。如此，不仅可以于平时确保发电量稳定，也能防止暴雨造成溢流淹水的灾害、确保水路安全，并能通过所述水力发电装置4取代原本的消能工，将原本需要消耗的动能转化为发电收益，并使用发电收益作为河川设施的维护成本，或将电能就近供应附近用户使用。再者，发电后的水流会流回下游的水路，因此，并不影响原本沟渠的灌溉或排水效果，符合环保绿能发电的需求。
52.二、通过使用自动倒伏式水门实施所述水门装置3，可以通过自动倒伏式水门可以在无电力状态下自重倒伏的特性，在遭遇大水或是受灾断电时，仍然可以因水的冲力或重力而自动倒伏，所以能达到自动安全保护的功效。并且，自动倒伏式水门控制复杂度较低，设备较简单，造价便宜，并具有能无人式管理的优点。
53.三、通过设置所述传感装置5传感水流状况及所述发电机42的负载状态，并据此动态调整所述水门装置3的开启程度，可以使发电机42提供最佳发电效率，并避免过大的水流量损害所述水力发电装置4。
54.四、通过设置所述异物传感器54，并搭配所述控制装置6于传感到异物时即控制所
述水门装置3开启而供异物通过，能保护所述水门装置3不受冲撞损害。
55.综上所述，本发明川流式小水力发电系统，确实能达成本发明的目的。
56.以上所述者，仅为本发明的实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，即凡依本发明权利要求书及说明书内容所作的简单的等效变化与修饰，皆仍属本发明的范围。