能量撷取设备.pdf

本发明揭露一种能量撷取设备，以撷取来自流体的波动能量，其包括固定结构、漂浮构件、连接构件、以及撷能模块。固定结构是配置相对于流体静止。漂浮构件是配置以漂浮于流体上。连接构件枢接于漂浮构件以及固定结构。撷能模块是配置以撷取连接构件相对于漂浮构件或固定结构进行枢转时所产生的能量。

权利要求书
1.  一种能量撷取设备，其特征在于，用于撷取一流体波动的能量，该能 量撷取设备包括：
一固定结构，是配置相对于该流体静止；
一漂浮构件，是配置以漂浮于该流体上；
一连接构件，具有一前端枢接部以及一后端枢接部，其中该连接构件通过 该前端枢接部枢接于该漂浮构件，且该连接构件通过该后端枢接部枢接于该固 定结构；以及
一撷能模块，是配置以撷取该连接构件相对于该漂浮构件或该固定结构进 行枢转时所产生的能量。

2.  根据权利要求1所述的能量撷取设备，其特征在于，该漂浮构件包括：
一杆件，一端枢接于该连接构件，并可绕一前端枢转轴进行枢转；以及
一本体，连结于该杆件的另一端，其中该本体沿平行于该第一枢转轴的方 向朝相反两侧延伸。

3.  根据权利要求2所述的能量撷取设备，其特征在于，该前端枢接部以 及该后端枢接部的间距与该杆件的长度的比值是介于约0.2至约1之间。

4.  根据权利要求2所述的能量撷取设备，其特征在于，该本体的延伸断 面为不均匀断面。

5.  根据权利要求1所述的能量撷取设备，其特征在于，该撷能模块包括 一前端撷能构件，设置于该漂浮构件与该连接构件之间。

6.  根据权利要求1所述的能量撷取设备，其特征在于，该撷能模块包括 一后端撷能构件，设置于该固定结构与该连接构件之间。

7.  根据权利要求1所述的能量撷取设备，其特征在于，还包括一第一弹 性构件，设置于该漂浮构件与该连接构件之间，以维持该漂浮构件的位置。

8.  根据权利要求1所述的能量撷取设备，其特征在于，该连接构件包括 一邻近该前端枢接部的前端部以及一邻近该后端枢接部的后端部，其中该连接 构件连接该第一弹性构件的位置是位于该前端部与该前端枢接部之间，以控制 能量撷取设备的频率响应。

9.  根据权利要求1或7所述的能量撷取设备，其特征在于，还包括一第 二弹性构件，设置于该固定结构与该连接构件之间，以控制能量撷取设备的频 率响应。

10.  一种能量撷取设备，其特征在于，用于撷取一流体波动的能量，该能 量撷取设备包括：
一悬浮构件以及一漂浮构件，是配置以漂浮于该流体上；
一连接构件，具有一前端枢接部以及一后端枢接部，其中该连接构件通过 该前端枢接部枢接于该漂浮构件，且该连接构件通过该后端枢接部枢接于该悬 浮构件；以及
一撷能模块，是配置以撷取该连接构件相对于该漂浮构件或该悬浮构件进 行枢转时所产生的能量。

11.  根据权利要求10所述的能量撷取设备，其特征在于，该漂浮构件包 括：
一杆件，一端枢接于该连接构件，并可绕一前端枢转轴进行枢转；以及
一本体，连结于该杆件接的另一端，其中该本体沿平行于该第一枢转轴的 方向朝相反两侧延伸。

12.  根据权利要求10所述的能量撷取设备，其特征在于，该前端枢接部 以及该后端枢接部的间距与该杆件的长度的比值是介于约0.2至约1之间。

13.  根据权利要求10所述的能量撷取设备，其特征在于，该本体的延伸 断面可为不均匀断面。

14.  根据权利要求10所述的能量撷取设备，其特征在于，该撷能模块包 括一前端撷能构件，设置于该漂浮构件与该连接构件之间。

15.  根据权利要求10所述的能量撷取设备，其特征在于，该撷能模块包 括一后端撷能构件，设置于该悬浮构件与该连接构件之间。

16.  根据权利要求10所述的能量撷取设备，其特征在于，该悬浮构件与 该漂浮构件的重量比大于3以上。

17.  根据权利要求10所述的能量撷取设备，其特征在于，还包括一第一 弹性构件，设置于该漂浮构件与该连接构件之间，以维持该漂浮构件的位置。

18.  根据权利要求17所述的能量撷取设备，其特征在于，该连接构件包 括一邻近该前端枢接部的前端部以及一邻近该后端枢接部的后端部，其中该连 接构件连接该第一弹性构件的位置是位于该前端部与该前端枢接部之间，以控 制能量撷取设备的频率响应。

19.  根据权利要求10或17所述的能量撷取设备，其特征在于，还包括一 第二弹性构件，设置于该悬浮构件与该连接构件之间，以控制能量撷取设备的 频率响应。

说明书能量撷取设备
技术领域
本发明关于一种能量撷取设备，特别是关于一种用于撷取来自流体波动能 量的能量撷取设备。
背景技术
随着世界的原油的蕴藏量急速地减少，具有洁净、永续、低含碳量、低污 染等优点的再生能源，譬如：太阳能、风力、地热、海洋能、生质能以及燃料 电池等，已逐渐地受到世人的重视。在这些洁净能源中，波浪能发电是利用海 浪波动的能量，转换为推动涡轮机的旋转动能，再利用发电机产生电力或直接 输出轴功率。
一般而言，波浪发电设备的类型有震荡水柱型(Oscillating water column)、 冲击型(Oscillating Wave Surge)、越波型(Overtopping device)、潜没压差式 (Submerged pressure differential)、点吸收型(Point absorber)、减衰型(Attenuator)。 但前述的系统在能量传递中，由于机构系统较为复杂，使得动能转换为电能的 效率不彰。
此外，海洋波浪能量受风力与气候等影响，不同季节与区域，其波浪波高 与周期呈现机率分布，且波浪能量外力也将不同。因此，如何在各种不同环境 条件下，仍能有效撷取波浪能量，也一直受到研究。
综合上述，一种能够减少能量转换的损失且能有效撷取流体波动能量的能 量撷取设备即被高度需求。
发明内容
有鉴于此，本发明的一目的即在于提供一种能量撷取设备，以撷取来自流 体波动能量。
根据本发明的一实施例的能量撷取设备，其包括固定结构、漂浮构件、连 接构件、以及撷能模块。固定结构是配置相对于流体静止。漂浮构件是配置以 漂浮于流体上。连接构件具有前端枢接部以及后端枢接部。连接构件通过前端 枢接部枢接于漂浮构件，且连接构件通过后端枢接部枢接于固定结构。撷能模 块是配置以撷取连接构件相对于漂浮构件与固定结构进行枢转时所产生的能 量。
在上述实施例中，漂浮构件包括杆件以及本体。杆件的一端枢接于连接构 件，并可绕前端枢转轴进行枢转。本体连结于杆件的另一端。并且，本体沿平 行于第一枢转轴的方向朝相反两侧延伸。
在上述实施例中，前端枢接部以及后端枢接部的间距与杆件的长度的比值 是介于约0.2至约1之间。
在上述实施例中，本体的截面可为任意形状，本体的延伸断面可为不均匀 断面。
在上述实施例中，撷能模块包括一前端撷能构件，设置于漂浮构件与连接 构件之间。
在上述实施例中，撷能模块包括一后端撷能构件，设置于固定结构与连接 构件之间。
在上述实施例中，第一弹性构件设置于漂浮构件与连接构件之间，以维持 漂浮构件的位置。
在上述实施例中，连接构件包括一邻近前端枢接部的前端部以及一邻近后 端枢接部的后端部，其中连接构件连接第一弹性构件的位置是位于其前端部与 其前端枢接部之间，以控制能量撷取设备的频率响应。
在上述实施例中，能量撷取设备还包括一第二弹性构件，设置于固定结构 与连接构件之间，以维持连接构件的位置。
根据本发明的另一实施例的能量撷取设备，其包括悬浮构件、漂浮构件、 连接构件、以及撷能模块。悬浮构件以及漂浮构件是配置以漂浮于流体上。连 接构件具有一前端枢接部以及一后端枢接部。连接构件通过前端枢接部枢接于 漂浮构件，且连接构件通过后端枢接部枢接于悬浮构件。撷能模块是配置以撷 取连接构件相对于漂浮构件与悬浮构件进行枢转时所产生的能量。
在上述实施例中，前端枢接部以及后端枢接部的间距与杆件的长度的比值 是介于约0.2至约1之间。
在上述实施例中，本体的截面可为任意形状，本体的延伸断面可为不均匀 断面。
在上述实施例中，撷能模块包括一前端撷能构件，设置于漂浮构件与连接 构件之间。
在上述实施例中，撷能模块包括一后端撷能构件，设置于悬浮构件与连接 构件之间。
在上述实施例中，第一弹性构件设置于漂浮构件与连接构件之间，以维持 漂浮构件的位置。
在上述实施例中，连接构件包括一邻近前端枢接部的前端部以及一邻近后 端枢接部的后端部，其中连接构件连接第一弹性构件的位置是位于其前端部与 其前端枢接部之间。
在上述实施例中，能量撷取设备还包括一第二弹性构件，设置于悬浮构件 与连接构件之间，以控制能量撷取设备的频率响应。
在上述实施例中，悬浮构件与漂浮构件的重量比值需大于3以上。
上述能量撷取设备，可有效撷取漂浮构件在纵移(surge)以及起伏(heave) 方向上的能量，进而使得能量撷取设备能量转换效率得以提升，进而降低发电 成本。
附图说明
图1显示本发明的一实施例的能量撷取设备的示意图；
图2显示本发明的浮体能量吸收率与流体运动周期的关系图；
图3显示本发明的一实施例的发电系统的示意图；
图4显示本发明另一实施例的发电系统的示意图；
图5显示本发明另一实施例的能量撷取设备的示意图。
具体实施方式
以下将特举数个具体的较佳实施例，并配合所附附图做详细说明，图上显 示数个实施例。然而，本发明可以许多不同形式实施，不局限于以下所述的实 施例，在此提供的实施例可使得揭露得以更透彻及完整，以将本发明的范围完 整地传达予同领域熟悉此技艺者。
参照图1，其显示本发明的一实施例的能量撷取设备100的示意图。能量 撷取设备100是用于撷取来自一流体波动能量，例如：海浪波动能量。在一实 施例中，能量撷取设备100包括一固定结构110、一连接构件120、一漂浮构 件130、一第一弹性构件140、一第二弹性构件150、以及一撷能模块160。
固定结构110是固定于一平面50（例如：海床）之上，并相对流体51静 止。固定结构110邻近其下端部111的部分是沉浸于一流体51（例如：海水） 当中，且固定结构110邻近其上端部113的部分是垂直伸出于流体51的表面 （例如：海水表面）。在一实施例中，固定结构110伸出于流体51的长度是 大于流体51最大高度与最低高度的高度差。举例而言，固定结构110伸出于 流体51的长度是大于能量撷取设备100所设置的海域的潮差。是以，当流体 位于最大高度时，固定结构110邻近其上端部113的部分不会沉浸于流体51 当中。关于此特征所产生的功效将于后方关于能量撷取设备100的作动方法进 行说明。
连接构件120包括一前端枢接部125以及一后端枢接部127。在一实施例 中，前端枢接部125是邻近于连接构件120的前端部121。前端枢接部125与 前端部121相隔一距离。后端枢接部127是位于连接构件120的后端部123 上。连接构件120通过前端枢接部125枢接于漂浮构件130，且连接构件120 通过后端枢接部127枢接于固定结构110。通过上述配置，连接构件120可相 对于漂浮构件130绕一前端枢转轴P1进行枢转，并且连接构件120可相对于 固定结构110绕一后端枢转轴P2进行枢转。在一实施例中，前端枢转轴P1 与后端枢转轴P2是彼此相互平行。然本发明并不仅此为限，前端枢转轴P1 亦可相对于后端枢转轴P2歪斜。通过上述配置，能量撷取设备100具有二个 自由度的运动能力。
连接构件120可以利用多种方式与固定结构110以及漂浮构件130进行枢 接，例如透过单一枢接点或多个枢接点绕前端枢转轴P1或后端枢转轴P2进行 枢转。另外，连接构件120可以利用铰炼结构或者其他任何可进行枢转的结构 与固定结构110以及漂浮构件130进行枢接。
漂浮构件130包括一杆件131以及一本体133。杆件131的后端部1311 是枢接于连接构件120的前端枢接部125，且杆件131的前端部1313是连结 于本体133。在一实施例中，连接构件120的前端枢接部125以及后端枢接部 127的间距L1是小于杆件131的长度L2。在一实施例中，连接构件120的前 端枢接部125以及后端枢接部127的间距L1与杆件131的长度L2的比值是 约介于约0.2至约1之间，借此提升能量撷取效率。
本体133是配置以漂浮于流体51上。在一实施例中，本体133具有圆形 的截面，且实质上具有长条形的态样。具体而言，本体133是沿平行于前端枢 转轴P1的方向自杆件131的前端部1313朝二个相反方向延伸。然，本体133 的长度及截面形状可视应用进行调整，并不受上述实施例所限制。在另一实施 例中，本体133的截面可为任意形状，且本体133的延伸断面可为非均匀断面。
值得注意的是，在一实施例中，本体133是固定于杆件131的前端部1313， 本体133与杆件131之间不具有运动能力。杆件131与本体133的一部分或整 体可以利用一体成形的方式制成。或者，本体133可以利用任何适当的方式（例 如：锁固）固定于杆件131的前端部1313。
第一弹性构件140设置于连接构件120与漂浮构件130之间。在一实施例 中，第一弹性构件140为一线性弹簧，其一端是连结于连接构件120位于前端 枢接部125与前端部121之间的部分，且其另一端是连结于杆件131。第一弹 性构件140是配置用以提供漂浮构件130一回复力，借此提升能量撷取效率与 控制能量撷取设备100的频率响应（Frequency Response）。
第二弹性构件150设置于连接构件120与固定结构110之间。在一实施例 中，第二弹性构件150为一线性弹簧，其一端是连结于固定结构110，且其另 一端是连结于连接构件120。第二弹性构件150是配置用以提供连接构件120 一回复力，借此控制能量撷取设备100的频率响应。
值得注意的是，在上述实施例中，虽然能量撷取设备100包括第一弹性构 件140以及第二弹性构件150，但并不仅此为限。在另一实施例中，能量撷取 设备100仅包括第一弹性构件140。连接构件120相对于固定结构110的运动 不受限制。在另一实施例中，能量撷取设备100仅包括第二弹性构件140，漂 浮构件130相对于连接构件120的运动不受限制。
在另一未图示的实施例中，第一弹性构件140以及第二弹性构件150分别 为一扭转弹簧（Torsion Spring），且第一弹性构件140以及第二弹性构件150 是分别设置于前端枢接部125以及后端枢接部127当中。
撷能模块160配置用以撷取连接构件120相对于漂浮构件130或固定结构 110进行枢转时所产生的动能。撷能模块160可包括一或多个撷能构件。在一 实施例中，撷能模块160包括一前端撷能构件161以及一后端撷能构件163。 前端撷能构件161是设置于连接构件120与漂浮构件130之间，并配置用以撷 取连接构件120相对于漂浮构件130进行枢转时所产生的动能。后端撷能构件 163是设置于固定结构110与连接构件120之间，并配置用以撷取连接构件120 相对于固定结构110进行枢转时所产生的动能。可以理解的是，撷能模块160 的撷能构件的数量不受上述实施例所限制。依照不同应用，撷能构件的数量可 以适当增加或减少。另外，撷能模块160的型态亦不应受上述实施例所限制。 撷能模块160可为任何具有将力学能转变为电能的能量转换装置，例如:线性 发电机、扭转发电机或者液压发电机等。
在一实施例中，前端撷能构件161以及后端撷能构件163分别包括一直驱 式发电机，直驱式发电机利用来自流体51的能量产生电力或其他可利用的能 量。在另一实施例中，前端撷能构件161以及后端撷能构件163分别包括一液 压发电机，液压发电机利用来自流体51的能量产生电力或其他可利用的能量。 在一实施例中，撷能模块160未沉浸于流体51内，以增加撷能模块160使用 寿命，并利于维护。
继续参照图1，根据本发明的一实施，能量撷取设备100的操作方式说明 如下：当能量撷取设备100用于撷取流体51波动的能量时，漂浮构件130是 漂浮于流体51上。在一实施例中，漂浮构件130的延伸方向是与流体51波动 行进方向相垂直，借此提升能量撷取设备100的发电量。
接着，当流体51进行波动时，流体51可带动漂浮构件130相对于连接构 件120绕前端枢转轴P1进行枢转，以及/或者流体51可带动连接构件120相 对于固定结构110绕后端枢转轴P2进行枢转。如此一来，驱动撷能模块160 可撷取连接构件120相对于漂浮构件130或固定结构110进行枢转时所产生的 动能，进而产生电力或其他可利用的能量。
在一实施例中，由于能量撷取设备100具有二个自由度的运动能力，漂浮 构件130可以根据流体51不同运动方式适性调整其运动轨迹。举例而言，当 流体51于起伏(heave)方向D1上的动能大于流体51于纵移方向D2上的动能 时，漂浮构件130的中心将沿一实质呈一椭圆形的第一运动轨迹M2移动。漂 浮构件130对流体51于起伏方向D1的能量吸收率较高。当流体51于纵移方 向D2的能量大于流体51于起伏方向D1上的能量时，漂浮构件130将沿一实 质呈一椭圆形的第二运动轨迹M1移动。漂浮构件130对流体51于纵移方向 D2的能量吸收率较高。
请一并参照图1与图2，图2显示一浮体的能量吸收率（%）与流体51 运动周期（t）的关系图。由图2可以看出，流体51于不同周期进行运动时， 漂浮构件130对于各个方向上的能量吸收率有所不同。由于本实施例的漂浮构 件130具有适性调整其运动轨迹的特性，能量撷取设备100撷取能量的效率将 不受流体51运动周期影响，而产生明显差异。
本发明的能量撷取设备100的结构特征可因需求而加以变化，以下举例性 提供能量撷取设备100可能的实施方式：
请一并参照图1及图3，图3显示根据本发明的一实施例的发电系统1的 示意图。发电系统1包括一风机30以及一能量撷取设备100a。在图3中，能 量撷取设备100a与能量撷取设备100相同或相似的元件将施予相似的标号， 且其特征将不再说明，以简化说明书内容。能量撷取设备100a包括一固定结 构110a、一连接构件120a、一漂浮构件130a、一弹性构件140a、以及一撷能 模块（未图示于图3中），撷能模块160a为扭转发电机，隐藏于前端枢接部 125a或后端枢接部127a中。风机30是设置于固定结构110a的上端部113a， 并配置用于将风能转换成电能或其他可应用的能量。
连接构件120a通过一后端枢接部127a枢接于固定结构110a，且连接构件 120a通过一前端枢接部125a枢接于漂浮构件130a。在一实施例中，前端枢接 部125a以及后端枢接部127a分别具有二个枢接点，以与固定结构110a以及 漂浮构件130a进行枢接。在一实施例中，撷能模块（未图示于图3中）为扭 转发电机，设置于前端枢接部125a或后端枢接部127a中，并配置用以撷取连 接构件120a相对于漂浮构件130a或固定结构110a进行枢转时所产生的动能。
在一实施例中，能量撷取设备100a的漂浮构件130a包括一杆件131a以 及一本体133a。并且，本体133a包括一基座1331以及一漂浮元件1335。杆 件131a与基座1331是一体成形的结构。漂浮元件1335连结于基座1331连结 杆件131a的相反侧。基座1331与漂浮元件1335可以利用不同材质所制成。 举例而言，杆件131a与基座1331可由刚性高的材质所制成，例如：海洋工程 专用钢材；漂浮元件1335可由具有较小比重的材质所制成，例如：塑胶浮筒。
在一实施例中，发电系统1的风机30以及能量撷取设备100a是同时运作。 由于发电系统1同时通过风机30撷取风能并且通过能量撷取设备100a撷取流 体51波动的能量，发电系统1的发电量可以获得提升。
请一并参照图1及图4，图4显示根据本发明的一实施例的发电系统2的 示意图。发电系统2包括多个能量撷取设备100b。在图4中，能量撷取设备 100b与能量撷取设备100相同或相似的元件将施予相似的标号，且其特征将 不再说明，以简化说明书内容。在一实施例中，能量撷取设备100b包括一固 定结构110b、一连接构件120b、一漂浮构件130b、一弹性构件（未图示于图 4中）、以及一撷能模块（未图示于图4中）。
在一实施例中，固定结构110b是设置于一防波堤60的顶部61。由于防 波堤60是固定于平面50之上，因此固定结构110b是相对于流体51静止。连 接构件120b通过一后端枢接部127b枢接于固定结构110b，且连接构件120b 通过一前端枢接部125b枢接于漂浮构件130b。漂浮构件130b包括一杆件131b 以及一本体133b。本体133b漂浮于流体51上，并具有六边形的截面。弹性 构件（未图示于图4中）是设置于前端枢接部125b内部。撷能模块（未图示 于图4中）为扭转发电机，设置于前端枢接部125b或后端枢接部127b中，并 配置用以撷取连接构件120b相对于漂浮构件130b或固定结构110b进行枢转 时所产生的动能。
在一实施例中，由于发电系统2同时利用多个能量撷取设备100b撷取流 体51波动的能量，发电系统2的发电量可以获得提升。另一方面，通过防波 堤60的设置，发电系统2同时具有减弱流体51波动能量的目的，以保护建筑 70不受流体51波动能量所破坏。
参照图5，其显示根据本发明的一实施例的能量撷取设备100c的示意图。 在图5中，能量撷取设备100c与能量撷取设备100相同或相似的元件将施予 相似的标号，且其特征将不再说明，以简化说明书内容。能量撷取设备100c 与能量撷取设备100的差异在于，能量撷取设备100c以悬浮构件170取代固 定结构110。
悬浮构件170是配置以漂浮于流体51上，并与连接构件120的后端枢接 部127进行枢接。在一实施例中，悬浮构件170的与漂浮构件130的重量比需 大于3以上。通过上述配置，当漂浮构件130以及悬浮构件170受流体51带 动时，漂浮构件130相对于悬浮构件170进行相对运动，并通过撷能模块160 产生电力或其他可利用的能量。
应当理解的是，连接构件120与漂浮构件130的数量不应受上述实施例所 限制。在另一未图示的实施例中，能量撷取设备100c包括一悬浮构件170以 及多个连接构件120与漂浮构件130。每一连接构件120枢接于一漂浮构件 130，且悬浮构件170枢接于多个连接构件120。通过上述配置，能量撷取设 备100c的能量撷取效能将进一步提升。
虽然本发明已以较佳实施例揭露于上，然其并非用以限定本发明，本发明 所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些 许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求书所界定的范围 为准。