TWI720835B

TWI720835B - 風力發電裝置

Info

Publication number: TWI720835B
Application number: TW109107475A
Authority: TW
Inventors: 谷振義
Original assignee: 谷振義
Priority date: 2020-03-06
Filing date: 2020-03-06
Publication date: 2021-03-01
Also published as: TW202134534A

Abstract

一種風力發電裝置，用以解決習知風力發電機組遭遇瞬間強風而損壞的問題。係包含：至少三個導風滾筒，各該導風滾筒具有一頂蓋及一底盤分別位於各該導風滾筒的上底面及下底面，及數個直立葉片位於各該導風滾筒的側面，各該直立葉片的兩端分別連接該頂蓋及該底盤，該頂蓋及該底盤分別具有一樞轉部；一傳動支架，具有一主軸及數個旋轉臂，該數個旋轉臂輻向環設於該主軸，該數個導風滾筒的樞轉部分別連接該數個旋轉臂；及一固定座，該傳動支架之該主軸可旋轉地結合於該固定座。

Description

風力發電裝置

本發明係關於一種風力動能轉換機組，尤其是一種能夠抵抗瞬間強風破壞的風力發電裝置。

習知的風力發電裝置係仰賴自然風力推動扇葉，使扇葉轉動作功於發電機，係可以將風能轉換為電能以方便儲存或輸送能源，用於滿足生活中的能源需求。但是，自然界的風力強弱不穩定且無法控制，當風力減弱至不足以推動扇葉時，發電機停止輸出電力；當風力增強至超過扇葉的結構強度或發電機的負載時，可能導致扇葉壽命減少或發電機迴路過熱毀損等問題。

習知的風力發電裝置係透過增設變速箱克服風力不穩定的問題，變速箱可以在風力動能不足時提高轉速，避免發電機停止運轉，及在動能遽增時調降發電機運轉效率，避免發電機過載。惟，透過變速箱轉換並傳遞能量係導致額外的能量耗損，又，變速箱僅能夠保護發電機，而無法減輕扇葉所承受的瞬間風壓。

有鑑於此，習知的風力發電裝置確實仍有加以改善之必要。

為解決上述問題，本發明的目的是提供一種風力發電裝置，可以抵抗強風侵擾發電過程。

本發明的次一目的是提供一種風力發電裝置，可以提升動能轉換電能的效率。

本發明的又一目的是提供一種風力發電裝置，可以改善轉動平衡及減少能量損耗。

本發明的再一目的是提供一種風力發電裝置，操作便利且適用於不同工作環境。

本發明全文所述方向性或其近似用語，例如「上(頂)」、「下(底)」、「內」、「外」、「側面」等，主要係參考附加圖式的方向，各方向性或其近似用語僅用以輔助說明及理解本發明的各實施例，非用以限制本發明。

本發明全文所記載的元件及構件使用「一」或「一個」之量詞，僅是為了方便使用且提供本發明範圍的通常意義；於本發明中應被解讀為包括一個或至少一個，且單一的概念也包括複數的情況，除非其明顯意指其他意思。

本發明的風力發電裝置，包含：至少三個導風滾筒，各該導風滾筒具有一頂蓋及一底盤分別位於各該導風滾筒的上底面及下底面，及數個直立葉片位於各該導風滾筒的側面，各該直立葉片的兩端分別連接該頂蓋及該底盤，該頂蓋及該底盤分別具有一樞轉部，各該導風滾筒由一軸線貫穿，該軸線通過該二樞轉部的中心；一傳動支架，具有一主軸及數個旋轉臂，該數個旋轉臂輻向環設於該主軸，該數個導風滾筒的樞轉部分別連接於該數個旋轉臂；及一固定座，該傳動支架之該主軸可旋轉地結合於該固定座。

據此，本發明的風力發電裝置，藉由位於外側的該數個導風滾筒的分散導引風力，再由各該導風滾筒的自轉帶動內側的主軸旋轉並轉換為電能，係可以避免強風直接作用於該主軸而導致結構受損或電機過載，係具有抵抗強風及延長發電機組使用壽命等功效。

其中，各該直立葉片垂直於該頂蓋及該底盤，且該數個直立葉片等間距環設於各該導風滾筒的側面。如此，該數個直立葉片可以平均導引側向氣流並最大化轉矩，係具有提升動能轉換效率的功效。

其中，各該軸線通過各該導風滾筒的質量中心。如此，各該導風滾筒可以繞各自的質量中心旋轉，係具有改善轉動平衡及減少能量損耗的功效。

其中，各該導風滾筒具有數個扇葉，該數個扇葉輻向設置於該頂蓋及該底盤的內圈，且該數個扇葉連接該二樞轉部的外周面。如此，該數個直立葉片與該數個扇葉可以共用結構，係具有減輕各該導風滾筒重量以提高轉速的功效。

其中，該數個扇葉形成相同攻角及等間距設置。如此，該數個扇葉可以平均導引上升氣流，係具有導風滾筒轉動平衡及減少振動的功效。

其中，各該旋轉臂具有一連接部，各該導風滾筒的樞轉部結合於各該旋轉臂的連接部。如此，各該導風滾筒可以樞接於旋轉臂的固定位置，係具有安裝便利及旋轉臂轉動平衡的功效。

其中，該數個旋轉臂分別設置於該主軸的兩端，該數個旋轉臂以該主軸為中心成等夾角輻向設置。如此，由該數個旋轉臂傳遞的向心力可以平均作用於該主軸上，係具有穩定該主軸旋轉的功效。

其中，該固定座具有一發電模組，該主軸結合於該發電模組之一轉子，該轉子可以隨該主軸同步且同軸旋轉，該轉子相對該發電模組之一定子旋轉。如此，該定子與該轉子相對旋轉可以產生電磁感應，係具有將動能轉換為電能的功效。

其中，該固定座具有一儲電模組，該儲電模組電性連接該發電模組。如此，該儲電模組可以儲存過剩的電力，係具有妥善運用電能的功效。

其中，各該軸線係鉛直線。如此，該數個導風滾筒的質量分佈容易達到平衡，係具有安裝便利的功效。

其中，各該軸線係沿該主軸旋轉的徑向方向朝外傾斜，各該軸線與鉛直線夾一第一傾斜角。如此，各該導風滾筒產生的向心力可以形成向上分量，藉此平衡該二樞轉部所承受的軸向力，係具有穩定旋轉過程及減少摩擦阻力的功效。

其中，各該軸線係沿該主軸旋轉的徑向方向朝外傾斜，在徑向方向各該軸線與鉛直線夾一第一傾斜角，各該軸線係沿該主軸旋轉的切線方向偏斜，在切線方向各該軸線與鉛直線夾一第二傾斜角。如此，除了平衡樞轉軸向力，各該導風滾筒還可以依據風向的變化調整迎風面的角度，係具有提升發電效率的功效。

其中，該第一傾斜角及該第二傾斜角的角度是5度~45度。如此，該數個導風滾筒的傾斜程度可以依據轉體的質量分佈及風向變化調整，係具有適用於不同環境條件的功效。

其中，該傳動支架之該數個旋轉臂係可輻向擺動地連接於該主軸，且該數個連接部是萬向接頭。如此，該數個導風滾筒的傾斜角度可以即時作調整，係具有安裝及操作便利的功效。

1:導風滾筒

11:頂蓋

12:底盤

13:直立葉片

14a,14b:樞轉部

15:扇葉

2:傳動支架

21:主軸

22:旋轉臂

23:連接部

3:固定座

L:軸線

C:向心力

θ₁:第一傾斜角

θ₂:第二傾斜角

〔第1圖〕本發明第一實施例的立體圖。

〔第2圖〕本發明第一實施例的局部構造放大圖。

〔第3圖〕沿第2圖的A-A線剖面圖。

〔第4圖〕本發明第一實施例的運轉情形上視圖。

〔第5圖〕本發明的使用情形圖。

〔第6圖〕本發明第二實施例的立體圖。

〔第7圖〕本發明第二實施例的側視圖。

〔第8圖〕本發明第三實施例的立體圖。

〔第9圖〕本發明第三實施例的第一角度側視圖。

〔第10圖〕本發明第三實施例的第二角度側視圖。

為讓本發明之上述及其他目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉本發明之較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：

請參照第1圖所示，其係本發明風力發電裝置的第一實施例，係包含至少三個導風滾筒1、一傳動支架2及一固定座3，該數個導風滾筒1環設於該傳動支架2，該傳動支架2可旋轉地連接於該固定座3。

請參照第2及3圖所示，各該導風滾筒1係由一頂蓋11及一底盤12分別位於各該導風滾筒1的上底面及下底面，及數個直立葉片13位於各該導風滾筒1的側面，各該直立葉片13的兩端分別連接於該頂蓋11及該底盤12，各該直立葉片13較佳垂直於該頂蓋11及該底盤12，且該數個直立葉片13較佳以等間距環設，係可以導引側向氣流進入該數個直立葉片13之間的空隙，並由氣流推動該數個直立葉片13使各該導風滾筒1轉動；各該導風滾筒1具有二樞轉部14a、14b，該二樞轉部14a、14b分別位於該頂蓋11及該底盤12，並使該二樞轉部14a、14b的中心位於一軸線L上，且各該軸線L較佳通過各該導風滾筒1的質量中心，使各該導風滾筒1可以透過該二樞轉部14a、14b作平衡轉動。在本實施例中，該二樞轉部14a、14b係二軸承，各該軸線L係鉛直線。

另外，各該導風滾筒1還可以具有數個扇葉15，該數個扇葉15輻向設置於該頂蓋11及該底盤12的內圈，且該數個扇葉15連接該二樞轉部14a、14b的外周面。又，該數個扇葉15較佳成相同攻角及等間距設置，係可以導引上升氣流經由該數個扇葉15穿過各該導風滾筒1，並由氣流推動該數個扇葉15，具有驅動各該導風滾筒1旋轉的作用。

請參照第1及4圖所示，該傳動支架2係由一主軸21為旋轉中心，該傳動支架2具有數個旋轉臂22，該數個旋轉臂22可供該數個導風滾筒1的樞轉部14a、14b設置，使各該導風滾筒1可以由該樞轉部14a、14b樞接於該旋轉臂22旋轉，較佳該數個旋轉臂22分別設置於該主軸21的兩端，且該數個旋轉臂22較佳以該主軸21為中心成等夾角輻向設置，在本實施例中，各該旋轉臂22各具有一連接部23，使各該導風滾筒1的該二樞轉部14a、14b分別結合於該二旋轉臂22的該二連接部23。

請參照第1圖所示，該傳動支架2藉由該主軸21可旋轉地結合於該固定座3，該固定座3可以具有一發電模組，該主軸21結合於該發電模組之轉子，使該轉子可以隨該主軸21同步且同軸旋轉，而該轉子相對該發電模組之定子旋轉可以產生電力。又，該固定座3還可以包含一儲電模組，該儲電模組電性連接該發電模組，該發電模組產生的電力可以存放於該儲電模組，由該儲電模組將電能重新分配並做妥善運用，發電及儲電相關技術為本領域技術人員所熟悉，於此不再贅述。

請參照第4圖所示，據由前述結構，各該導風滾筒1以成對之該二旋轉臂22的該二連接部23為中心進行自轉，且各該導風滾筒1以該主軸21為中心進行公轉，其中，自轉之旋轉角速度向量的方向係垂直於自轉的旋轉平面上，且公轉之移動速度向量的方向係公轉的切線方向，依據馬格納斯效應(Magnus Effect)，當一個物體旋轉的角速度向量與該物體移動的速度向量不重合時，將產生一個橫向力作用於該物體上，該橫向力的方向係垂直於該角速度向量及該速度向量，如第4圖所示，各該導風滾筒1所產生之橫向力係一向心力C，該向心力C之方向係由各該導風滾筒1中心往該主軸21延伸，該向心力C係各該導風滾筒1繞該主軸21進行公轉之圓周運動所需要的作用力，該向心力C之強度係正比於該角速度向量及該速度向量，因此，當風力持續帶動該數個導風滾筒1自轉時，該數個導風滾筒1可以維持公轉並透過該數個旋轉臂22帶動該主軸21轉動發電，而且各該導風滾筒1的自轉速度愈大所提供之各該向心力C愈大，使該主軸21獲得動力可以提升轉速並增加發電量。

本發明的風力發電裝置還可以具有一齒輪箱(圖未繪示)，該齒輪箱可以限制該主軸21的轉速，以避免該發電模組過載而毀損。藉此，各該導風滾筒1繞該主軸21的公轉速度降低，係可以導致各該導風滾筒1的切線速度向量減少而降低各該向心力C，而且該數個向心力C可以透過該傳動支架2之該數個旋轉臂22互相抵消，避免在減速過程中對該傳動支架2的結構造成破壞，達到抵抗強風吹襲的作用。另外，各該導風滾筒1的該二樞轉部14a、14b未連接該發電模組，因此，各該導風滾筒1的自轉速度不會直接影響發電效率，即使各該導風滾筒1在強風吹襲下加速自轉也不會導致發電過載。

請參照第5圖所示，本發明的風力發電裝置係可以裝設於路燈上，該數個導風滾筒1可以接收360度全方向的水平氣流作旋轉，還可以利用夜間路面的輻射熱所產生的上升氣流輔助運轉，所驅動產生的電力可立即用於夜間照明。

請參照第6及7圖所示，其係本發明風力發電裝置的第二實施例，穿過各該導風滾筒1之該二樞轉部14a、14b的各該軸線L係沿公轉的徑向方向朝外傾斜，使各該軸線L與鉛直線夾一第一傾斜角θ₁，且該向心力C的方向呈現上揚並與水平線夾該第一傾斜角θ₁，如此，該向心力C的向上分力係可以平衡該二樞轉部14a、14b所承受的軸向力，避免在該二樞轉部14a、14b的位置發生軸向振動，使各該導風滾筒1的自轉過程穩定且減少摩擦阻力，能夠提升轉速達到提高發電效率的作用。在本實施例中，該第一傾斜角θ₁的角度可以是5度~45度。

請參照第8至10圖所示，其係本發明風力發電裝置的第三實施例，穿過各該導風滾筒1的各該軸線L係沿公轉的徑向方向朝外傾斜，且各該軸線L還可以沿公轉的切線方向偏斜，如第9圖所示，在徑向方向各該軸線L與鉛直線夾該第一傾斜角θ₁，又，如第10圖所示，在切線方向各該軸線L與鉛直線夾一第二傾斜角θ₂，該傳動支架2之該數個旋轉臂22係可輻向擺動地連接於該主軸21，使該數個旋轉臂22可以在旋轉平面上的扇形區域作偏擺，且該數個連接部23可以是萬向接頭，使各該導風滾筒1之該第二傾斜角θ₂的角度可以透過各該旋轉臂22的偏擺作調整，如此，該數個導風滾筒1可以依據風向的變化調整迎風面的角度，達到有效利用風力及提升發電效率的作用。在本實施例中，該第一傾斜角θ₁及該第二傾斜角θ₂的角度可以是5度~45度。

綜上所述，本發明的風力發電裝置，藉由位於外側的該數個導風滾筒的分散導引風力，再由各該導風滾筒的自轉帶動內側的主軸旋轉並轉換為電能，係可以避免強風直接作用於該主軸而導致結構受損或電機過載，係具有抵抗強風及延長發電機組使用壽命等功效。

雖然本發明已利用上述較佳實施例揭示，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者在不脫離本發明之精神和範圍之內，相對上述實施例進行各種更動與修改仍屬本發明所保護之技術範疇，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。