CN102261312A - 进气增速的水平轴风力涡轮机发电装置 - Google Patents

Abstract

一种进气增速的水平轴风力涡轮机发电装置，包括一锥形管，该锥形管的外部设有风力涡轮机，该锥形管的内部设有同轴向的发电涡轮机及增速涡轮机，该发电涡轮机连接发电机，以于空气由锥形管的进气端进入，并由排气端排出时，让发电涡轮机转动以进行发电；而该增速涡轮机连接一加速装置的一端，该加速装置的另一端连接风力涡轮机，以此在风力涡轮机迎风转动时，让增速涡轮机加速转动，使锥形管内的空气加速，从而提高发电涡轮机的转动速率。

Description

进气增速的水平轴风力涡轮机发电装置

技术领域

本发明涉及一种风力涡轮机发电装置，特别涉及一种不但能有效提升发电功率，且可大幅减少风力发电涡轮机的整体体积重量的进气增速的水平轴风力涡轮机发电装置。

背景技术

近年来由于地球的石化能源即将面临耗尽的危机，世界各国皆不断的积极开发风力、水力、地热或太阳能等利用天然资源以产生电力能量的方法，以此来缓减石油能源消耗的速度。

其中，针对风力发电而言，一般是以增大风力发电涡轮机的涡轮叶片扫风面积做为增加发电功率的努力方向，而依据发电功率的计算公式：发电功率＝1/2(涡轮有效系数)×(空气密度)×(圆周率)×(涡轮半径)2×(风速)3，可知增加涡轮半径而使得涡轮叶片的扫风面积增加确实可以提高发电功率。然而，在实际应用时，涡轮半径增加得太大，相对的将使得整个风力发电涡轮机组的体积重量加大，大幅增加制造成本。

有鉴于此，为了改善上述的缺点，使进气增速的水平轴风力涡轮机发电装置不但能有效提升发电功率，且可减少风力发电涡轮机的体积重量，发明人积多年的经验及不断的研发改进，遂有本发明的产生。

发明内容

本发明的主要目的在提供一种能产生双重的空气加速作用，以提高发电功率的水平轴风力涡轮机发电装置。

本发明的次要目的在提供一种能在一般风力状况下，让空气到达风力发电涡轮机的风速增加，以提高发电的功率，而在强风时，可避免产生过多加速的风力，以确保风力发电涡轮机正常运作的水平轴风力涡轮机发电装置。

本发明的又一目的在提供一种能在大自然的风力持续增加时，将强风阻挡在进气端外侧，以避免因扫风叶片的受风力量太大而造成风力发电涡轮机损坏的水平轴风力涡轮机发电装置。

为达上述发明的目的，本发明所设的进气增速的水平轴风力涡轮机发电装置包括一锥形管及设于锥形管外部的自然风力涡轮机，该锥形管包括进气端及排气端，该锥形管的内部设有同轴向的发电涡轮机及增速涡轮机，该发电涡轮机连接发电机，以于空气由锥形管的进气端进入，并由排气端排出时，让风力发电涡轮机转动以进行发电；且该增速涡轮机的一端连接加速装置的一端，该加速装置的另一端连接风力涡轮机，以此在风力涡轮机迎风转动时，让增速涡轮机加速转动，使锥形管内的空气加速，从而提高风力发电涡轮机的转动速率。

实施时，该进气端为锥形管较粗的一端，风力涡轮机设于进气端的前方，增速涡轮机设于进气端的内部，而排气端为锥形管较细的一端，该发电涡轮机设于排气端的内部。

实施时，该进气端亦可为锥形管较细的一端，排气端为锥形管较粗的一端，而风力涡轮机设于排气端的后方，该增速涡轮机设于排气端的内部，该发电涡轮机设于进气端的内部

实施时，该加速装置为一齿轮变速箱，以凭借不同齿数的齿轮组合结构，提高输出转速。

实施时，本发明更包括一前锥形管，该前锥形管较细的一端连结锥形管的进气端。且该前锥形管包括多个片体，任一片体的前端边长比后端边长更长，而该锥形管为多边形管，该片体的后端枢接于多边形进气端的一边，且进气端的一边与片体以一回复元件连接，供片体向后转动后能回复原位，且多个片体的后端以可同步转动的方式连结。

实施时，本发明更包括一阻风结构，该阻风结构包括多个阻风片组，该阻风片组包括一多边形片体及一框架，该多边形片体枢接于框架上，而锥形管为多边形管，该锥形管较细的一端设为进气端，该框架与进气端的一边以一弹性件连接，该多边形片体的前端长度比后端长度短，该多边形片体上设有一导风区，且该多个框架的后端以可同步转动的方式连结，以使各多边形片体闭合呈一角锥形，以阻挡空气通过进气端。

因此，本发明具有以下的优点：

1、本发明能在一般风力状况下，产生双重的空气加速作用，因此，不但可提高发电的功率，且可有效降低风力发电涡轮机的重量、体积，并降低生产成本。

2、本发明能在强风时，降低通过风力发电涡轮机的风力速度，因此，可避免在强风下产生更高速的风力，以确保风力发电涡轮机能正常运作。

3、本发明能在具有破坏力的强风下，在锥形管的进气端形成一阻风的结构以阻止空气进入，因此，可避免造成风力发电涡轮机损坏。

为便于对本发明能有更深入的了解，兹详述于后：

附图说明

图1为本发明的第一实施例的剖面示意图；

图2为本发明的第一实施例的使用状态图；

图3为本发明的第二实施例的剖面示意图；

图4为本发明的第三实施例的局部立体外观示意图；

图5为图4的A部份的局部放大图；

图6～图8为本发明的第三实施例的使用状态图；

图9为本发明的第四实施例的局部立体外观示意图；

图10～图12为本发明的第四实施例的使用状态图。

附图标记说明：进气增速的水平轴风力涡轮机发电装置1；锥形管11；进气端111；排气端112；尾翅113；发电涡轮机12；发电机13；增速涡轮机14；风力涡轮机15；加速装置16；前锥形管2；片体21；锥形空间22；翼片23；导气孔24；第一枢接部25；枢接孔251；枢轴252；回复元件253；第一锥齿轮254；第二锥齿轮255；第二枢接部4；阻风结构3；阻风片组31；三角形片体32；平面321；导风区322；框架33；枢接杆331；导气空间34；枢接孔41；枢轴42；弹性件43；第三锥齿轮44；第四锥齿轮45。

具体实施方式

请参阅图1所示，其为本发明进气增速的水平轴风力涡轮机发电装置1的第一实施例，包括一锥形管11、一发电涡轮机12、一发电机13、一增速涡轮机14、一风力涡轮机15以及一加速装置16。其中，该锥形管11包括一进气端111、一排气端112以及一设在排气端112上的尾翅113，该进气端111为锥形管11较粗的一端，该排气端112为锥形管11较细的一端。该发电涡轮机12容置定位于该排气端112的内部，且发电涡轮机12连接发电机13，以于发电涡轮机12转动时进行发电。而该增速涡轮机14容置定位于进气端111的内部，该增速涡轮机14与发电涡轮机12同轴向设置；此外，该风力涡轮机15由数个风扇叶片所组成，该风力涡轮机15设于该进气端111的前方，且风力涡轮机15的后端连接加速装置16，该加速装置16的后端连接该增速涡轮机14。实施时，该加速装置16为一齿轮变速箱，该齿轮变速箱为数个具有不同齿数的齿轮所组成，以借助于不同齿数比提高输出转速。所述的加速装置16亦可为数个具有不同直径的皮带轮以皮带连结而成，同样可以在风力涡轮机15转动时，经由加速装置16提高增速涡轮机14的转动速率。

由此，如图2所示，当风力涡轮机15因尾翅113迎风转动时，通过加速装置16即可让增速涡轮机14加速转动，使空气由锥形管11的进气端111加速进入锥形管11内，并经由锥形管11截面积的逐渐缩小，在空气由排气端112排出时，让已加速的空气再加速一次，以达到双重的加速效果，提高发电涡轮机12的发电效率。

请参阅图3所示，其为本发明进气增速的水平轴风力涡轮机发电装置1的第二实施例，其与第一实施例不同之处在于：该进气端111为锥形管11较细的一端，该排气端112为锥形管11较粗的一端，该风力涡轮机15设于排气端112的后方，该增速涡轮机14设于排气端112的内部，该发电涡轮机12设于进气端111的内部。此外，该锥形管11的进气端111向前连结于一前锥形管2较细的一端，使概略呈一文氏管的形状。该尾翅113安装在风力涡轮机15的后方，使整个装置保持迎风方向。

由此，自然风力使风力涡轮机15转动，带动增速涡轮机14由锥形管11吸入大量空气，当空气经由前锥形管2较粗的一端到达锥形管11的进气端111时，即可让推动发电涡轮机12的风速增加，以提高发电涡轮机12发电的功率。而通过增速涡轮机14的向后抽气，则可让通过发电涡轮机12的空气再次加速，同样能有效提高发电涡轮机12的发电效率。

请参阅图4所示，为本发明进气增速的水平轴风力涡轮机发电装置1的第三实施例，其中，该锥形管11为多边形管，该前锥形管2包括四个片体21。任一片体21的前端边长比后端边长更长，且各片体21的后端枢接于锥形管11的四边形进气端111的一边，以此使四个片体21框围形成一锥形空间22，让具有一般风速的空气通过锥形空间21而到达进气端111的风速增加，从而提高发电涡轮机12的发电功率。实施时，所述的进气端111亦可为具有三边以上的多边形，而片体21的数量与多边形的边数相同。

此外，该片体21的前端设有一机翼形翼片23，该翼片23的一面概略为一平面，反向于该平面的另一面概略为一曲面，该片体21的前端与翼片23之间形成一导气孔24。

请同时参阅图4所示，该锥形管11的进气端111的一边设有一第一枢接部25，该第一枢接部25设有枢接孔251，而一枢轴252穿过该枢接孔251及片体21的后端，使该片体21的后端枢接于第一枢接部25上。该枢轴252上套接一扭转弹簧，该扭转弹簧的两端分别连接片体21的后端及第一枢接部25，以此使片体21向后转动后能回复原位，该扭转弹簧作为回复元件253。

如图5所示，该枢轴252的一端轴接一第一锥齿轮254，枢轴252的另一端轴接一第二锥齿轮255，且一枢轴252上的第一锥齿轮254与另一个相邻且呈垂直方向配置的枢轴252上的第二锥齿轮255相啮合，以此在一片体21转动时，能连动相邻的片体21，使各片体21同步转动。

由此，如图6、图7所示，在一般风力状况下，空气由锥形空间22的前端进入，并在抵达进气端111时，让风速增加，以提高发电涡轮机12的发电功率。而当进入锥形空间22前的风力大于回复元件253所预设而可使片体21定位的力量时，由于各翼片23的作用，将使得各片体21同步向后转动收折。

而如图8所示，当片体21向后转动收折时，由于一部份的空气会穿过片体21的前端与翼片23之间的导气孔24，并流过翼片23的曲面，使翼片23的曲面与平面部份产生不同的压力差，因此，片体21将继续向后转动收折。而当风力减弱时，凭借回复元件253的回复力量，则会让各片体21向前转动而回复原状。

请参阅图9所示，为本发明进气增速的水平轴风力涡轮机发电装置1的第四实施例，其中，该锥形管11的进气端111的一边设有一第二枢接部4，该锥形管11的进气端111连接一阻风结构3，且该阻风结构3包括多个阻风片组31，任一阻风片组31包括一个三角形片体32及一框架33。

该三角形片体32的一面概略为平面321，反向于该平面321的另一面概略为一机翼形曲面，该曲面作为导风区322。实施时，所述的三角形片体32亦可以四边形或具有四边以上的多边形片体取代。而该框架33概略呈梯形状，其前端设有一枢接杆331，供穿过三角形片体32后，使三角形片体32枢接于框架33上，并使三角形片体32的后端与第二枢接部4之间形成一导气空间34。

该第二枢接部4设有枢接孔41，而一枢轴42穿过该枢接孔41及框架33的后端，使该框架33的后端与第二枢接部4枢接。该枢轴42上套接一扭转弹簧，该扭转弹簧的两端分别连接框架33的后端及第二枢接部4，以此使框架33向前转动后能回复原位，该扭转弹簧作为弹性件43。此外，该枢轴42的一端轴接一第三锥齿轮44，枢轴42的另一端轴接一第四锥齿轮45，且一枢轴42上的第三锥齿轮44与另一个相邻且呈垂直方向配置的枢轴42上的第四锥齿轮45相啮合。

由此，如图10、图11所示，当多个框围呈锥形空间22的片体21向后转动，但大自然的风力仍持续增强时，由于三角形片体32的机翼形导风区322的作用，将让三角形片体32迎风定位在框架33上。而如图12所示，当风力继续增强，使三角形片体32的平面321与导风区322的间的压力差大于弹性件43的预设回复力量时，将使得各框架33同步转动，并使各三角形片体32闭合呈一概略角锥的形状，以阻挡强风在进气端111的外侧。

请参阅下表所示，为本发明与美国奇异公司生产的LM487型风力涡轮机的发电效率比较。

	LM487型风力涡轮机	本发明
			涡轮有效系数	0.3	0.3
空气密度	1.21Kg/m3	1.21Kg/m3
			风力涡轮机的叶片直径	100米	10米
风扇叶片扫风面积	7854平方米	78平方米
			锥形管进气端直径		3米
发电涡轮机的扫风面积		0.6平方米
			总重(视塔高而定)	140～180吨	5～8吨
发电功率	2463千瓦	2940千瓦

其中，上表以风速12米/秒为例，本发明的进气端在经过加速后的风速为60米/秒，在进入发电涡轮机时的风速为300米/秒。

依发电功率的公式计算如下：

LM487风力涡轮机的发电功率＝1/2(0.3)(1.21)(7854)(12)³＝2463KW

本创作的发电功率＝1/2(0.3)(1.21)(0.6)(300)³＝2940KW

由上述计算结果可知，本发明与常用的LM487风力涡轮机在发电功率相接近的前提下，不但重量可大幅减轻，且可让整体体积大幅缩小。

因此，本发明具有以下的优点：

1、本发明能在一般风力状况下，产生双重的空气加速作用，因此，不但可提高发电的功率，且可有效降低风力发电涡轮机的重量、体积，并降低生产成本。

2、本发明能在强风时，降低通过风力发电涡轮机的风力速度，因此，可避免在强风下产生更高速的风力，以确保风力发电涡轮机能正常运作。

3、本发明能在具有破坏力的强风下，在锥形管的进气端形成一阻风的结构以阻止空气进入，因此，可避免造成风力发电涡轮机损坏。

综上所述，依上文所揭示的内容，本发明确可达到发明的预期目的，提供一种不但能产生双重的空气加速作用，以有效提升发电功率，且可在大自然的风力太强时，有效保护风力发电涡轮机，以避免损坏的进气增速的水平轴风力涡轮机发电装置，极具产业上利用的价值，爰依法提出发明专利申请。

Claims (10)

1.一种进气增速的水平轴风力涡轮机发电装置，其特征在于，包括一锥形管及设于该锥形管外部的一风力涡轮机，该锥形管包括一进气端及一排气端，该锥形管的内部设有同轴向的一发电涡轮机及一增速涡轮机，该发电涡轮机连接一发电机，使空气由锥形管的进气端进入，并由排气端排出时，能够使发电涡轮机转动；且该增速涡轮机的一端连接一加速装置的一端，该加速装置的另一端连接风力涡轮机，在风力涡轮机迎风转动时，使增速涡轮机加速转动，使锥形管内的空气加速。

2.如权利要求1所述的进气增速的水平轴风力涡轮机发电装置，其特征在于，该进气端为锥形管较粗的一端，该风力涡轮机设于进气端的前方，该增速涡轮机设于进气端的内部，而该排气端为锥形管较细的一端，该发电涡轮机设于排气端的内部。

3.如权利要求1所述的进气增速的水平轴风力涡轮机发电装置，其特征在于，该进气端为锥形管较细的一端，该排气端为锥形管较粗的一端，该风力涡轮机设于排气端的后方，该增速涡轮机设于排气端的内部，而该发电涡轮机设于进气端的内部。

4.如权利要求1、2或3所述的进气增速的水平轴风力涡轮机发电装置，其特征在于，该加速装置为一齿轮变速箱。

5.如权利要求3所述的进气增速的水平轴风力涡轮机发电装置，其特征在于，更包括一前锥形管，该前锥形管较细的一端连结锥形管的进气端，使空气经由前锥形管较粗的一端到达锥形管的进气端时，使推动发电涡轮机的风速增加。

6.如权利要求5所述的进气增速的水平轴风力涡轮机发电装置，其特征在于，该前锥形管包括多个片体，任一片体的前端边长比后端边长更长，而该锥形管为多边形管，该片体的后端枢接于多边形进气端的一边，且该进气端的一边与片体以一回复元件连接，供片体向后转动后能回复原位，且多个片体的后端以能够同步转动的方式连结。

7.如权利要求6所述的进气增速的水平轴风力涡轮机发电装置，其特征在于，该片体的前端更设有一翼片，供推动片体向后转动。

8.如权利要求7所述的进气增速的水平轴风力涡轮机发电装置，其特征在于，该进气端的一边设有一第一枢接部，供以一枢轴穿过后，使片体的后端枢接于第一枢接部上；而该枢轴的一端轴接一第一锥齿轮，枢轴的另一端轴接一第二锥齿轮，任两个相邻枢轴的第一锥齿轮及第二锥齿轮相啮合，以使各片体同步转动。

9.如权利要求5所述的进气增速的水平轴风力涡轮机发电装置，其特征在于，更包括一阻风结构，该阻风结构包括多个阻风片组，该阻风片组包括一多边形片体及一框架，该多边形片体枢接于框架上，而该锥形管为多边形管，该锥形管较细的一端设为进气端，该框架与进气端的一边以一弹性件连接，该多边形片体的前端长度比后端长度短，该多边形片体上设有一导风区，且该多个框架的后端以能够同步转动的方式连结，以使各多边形片体闭合呈一角锥形，以阻挡空气通过进气端。

10.如权利要求9所述的进气增速的水平轴风力涡轮机发电装置，其特征在于，该进气端的一边设有一第二枢接部，供以一枢轴穿过后，使框架的后端枢接于第二枢接部上；而该枢轴的一端轴接一第三锥齿轮，枢轴的另一端轴接一第四锥齿轮，任两个相邻枢轴的第三锥齿轮及第四锥齿轮相啮合，以使各框架同步转动。

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