CN102374129A - 一种垂直轴风力动能产生装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种垂直轴风力动能产生装置，主要包括塔台，其采用多楼层设计，内设多组风力机组，计算机控制上、下楼板侧面闸门墙来导引风能流向；该风力机组包括风机固定座，能量输出总成，利用轴承在固定座上设有圆形载重平台，可自由旋转，在平台上设有套管，套管外连接叶片总成，叶片总成上、下层衔接部固定在套管的上、下端，各衔接部连接有多个叶片模块，每一叶片模块包括多个阻力叶片，在阻力叶片外侧设有多个直立式升力叶片。本发明利用塔式风洞效应，用阻力叶片及直立式升力叶片组合来接收风能，利用阻力叶片90°垂直截风面，加上升力叶片侧向力，产生离心飞轮式转动，进而推动风机动能机构，通过机组惯性转动，产生持续性能量输出。

Description

一种垂直轴风力动能产生装置

技术领域

本发明是关于风力动能产生领域，特指塔式多层次风力机组，采用垂直轴方式配置的风力动能机构。本机组利用塔式的风洞效应，用阻力叶片及直立式升力叶片的组合来接收风能，利用阻力叶片90°垂直截风面，加上升力叶片侧向力，来产生离心飞轮式转动，进而推动风机动能机构；通过机组惯性转动，产生持续性能量输出，故此种以塔式多层次利用风洞效应，用阻力叶片与直立式升力叶片复合式旋转机构的垂直轴风力动能产生装置，也称风洞式垂直轴风力动能产生装置。

背景技术

人类已有数千年使用风能的历史。风力发电的原理是利用风力带动风车叶片或飞球转动，透过增速机将旋转的速度提升，促使发电机发电。

如图11、图12所示，传统运用风力能源的装置，使用三叶或多叶的“水平轴或垂直轴”式风车叶片或飞球来转动发电机机轴。叶片或飞球的转动，是源于气动力的作用(包括升力及阻力)，对叶片或飞球产生力矩，由力矩产生转动惯量，通过其动能转换成有用的机械能或电能。

水平轴风车的风力涡轮机转轴是与地面平行安装的，其需要偏航调整装置根据风向进行调整，以捕获最大的风能。现行水平轴风车占绝大比例，但水平轴风车难以克服地形风、乱流以及噪音过大的问题。

无论是水平轴或垂直轴，风车叶片均有如下缺点：

(一)叶片或飞球只能有效的利用部分风能，大部分的叶片或飞球因受风截面关系以及乱流等因素，有效风能转换率约在20％～30％之间。

实际上风向改变的情形中，约只剩原效率的七成，再经机电转换的耗损，输出效率更所剩无几。

(二)要产生巨大能量就必须设置更大的风力装置，除安装及拆解维修时相当困难，更增添工程成本。

(三)在强风作用下，叶片切风会产生明显乱流，加上风向改变的因素，当风力达到超强级数时，将可能对风力叶片造成损害，该风车得停止运作，以避免机件损坏。

(四)一般而言，风力强度正比于地表高度，故为了取得有效风力，风车最好设置在高处，当传统风车愈做愈大，不只重量、成本增加，同时也增加维修上的困难。

(五)风场上最难控制且最严重的就是乱流，风力机叶片大部分折损毁坏，都是因瞬间强力乱流，这也是目前市场上难以掌控的情形。

如图13所示，为提高应用风能问题，风力涡轮机应用空气动力学原理，其两个主要受力为上升力U(与风向垂直作用)与阻力D(与风向平行作用)。靠其叶片构造，可提升其空气动力性质。这样的改良叶片的形状断面类似于机翼。

另外，本申请的发明人为解决惯用的风力能源装置的问题，已经提出了美国发明第7,413,404号的“轨迹风帆动力产生装置/Sail WingType Windmill”。其采用垂直轴风力动能设计，利用“阻力叶片”来取得空气动力中的阻力，并在逆向时实时调整叶片角度以截取最大的风能，并避免在弱风时产生阻力。由此，得以产生较现有风力动能装置更佳的效能。

如图14所示，此技术在迎风面取得最大风能时，在阻力叶片的后方，会形成负压F，此区对旋转中的叶片造成反向推力形成阻力，降低风力使用的效能。另在控制旋转角度时，凸轮轴上，在导槽内滑动时因其设计只有Y轴与X轴组合，故在逆向回转时在X轴向上会出轨(参见图7A、图7B)，由此可见，上述惯用物品仍有缺陷，实非好的设计，亟待加以改良。

发明内容

本发明的第一个目的，旨在提供一种能控制风能稳定机构的装置，将风场上的高低流、侧向流有效控制在一定的风洞方向，以得到稳定的风力动能输出。

本发明的第二个目的，旨在采用塔式多层次机构，乘载多组机组运转，其运用楼层设计及计算机控制闸门墙来引导风能流向，有效控制垂直轴风力动能装置的风压。

本发明的第三个目的，旨在提供一种“流水式阻力叶片”的设计，是在阻力叶片截风面负载时，利用叶片上所设计的斜孔将负载风能流至叶片负面形成流水式阻力叶片，并能改善一般阻力叶片所产生的风阻效应，提高风能与机械能的转换效率技术的装置。

本发明的第四个目的，旨在提供一种机构设计，其设计取得流水式阻力叶片与风向保持90°垂直面，使风向永远指向截面，以稳定风力动能输出的垂直轴风力动能产生装置。

本发明的第五个目的，旨在提供一种由流水式阻力叶片及直立式升力叶片推动惯性飞轮旋转的垂直轴风力动能产生装置。

本发明的第六个目的，旨在提供一种利用飞轮所产生的惯性及离心力，作为储能并提高输出能量的稳定度，以及有效提升平衡效能的垂直轴风力动能产生装置。

本发明的第七个目的，旨在机组零组件均模块化，且可单独更换使用，全数使用一般工程材料与制造技术，使其机组拥有制造周期短、施工维修成本低、安全且安装方便的最佳垂直轴风力动能装置。

本发明的以塔式多层次利用风洞效应，用阻力叶片与直立式升力叶片复合式旋转机构的风洞式垂直轴风力动能产生装置，包括：

塔台，采用多楼层设计，内设多组风力机组利用计算机控制上、下楼板侧面闸门墙来导引风能流向；该风力机组进一步包括：

风机固定座，用来提供其它结构的承载；

能量输出总成，利用轴承在固定座上设有圆形载重平台，可自由旋转，在平台上设有套管，该套管套置在该圆形载重平台外部且可一体旋转，套管外连接叶片总成，此叶片总成具有上、下层衔接部，该两个衔接部固定在套管的上、下端，各衔接部连接有多个叶片模块，每一叶片模块包括多个阻力叶片，其阻力叶片一端设置有旋转轴，该旋转轴末端设有凸轮轴，设置凸轮深入轨迹控制导槽，通过轨迹利用X.Y.Z.三轴方向运动可使凸轮完全伏贴在轨迹上，同时带动阻力叶片调整角度。叶片模块在阻力叶片外侧设有多个直立式升力叶片，受风时升力叶片会产生偏压，推动总成旋转；在升力叶片最外侧设有飞轮，当离心飞轮式转动时，会有储能及平衡两种功用，维持能量输出。套管底部有圆形载重平台，其中心连接输出轴，用以连接发电机进行发电，以及方向定位总成，具有旋转导引管，设置在圆形载重平台上，设有轴承可独立旋转，该旋转导引管表面设置轨迹控制导槽，而方向定位总成顶部则有风向定位座，此座后端具有导流尾板，使风向定位座保持迎向风面，依风向可带动旋转导引管旋转，能自动调整叶片总成的迎风角度。

附图说明

参阅以下有关本发明较佳实施例的详细说明及其附图，将可进一步了解本发明的技术内容及其目的功效；有关该实施例的附图为：

图1为本发明以塔式多层次利用风洞效应，用阻力叶片与直立式升力叶片复合式旋转机构的垂直轴风力动能产生装置的立体图；

图2为该垂直轴风力动能产生装置的平面图；

图3为该垂直轴风力动能产生装置的风力机组的立体结构剖视图；

图4为该垂直轴风力动能产生装置的旋转导引管区域结构放大图；

图5为本发明的塔台式结构立体图；

图5A为本发明的塔台框架以显示风力机组设置位置的结构示意图；

图6为该垂直轴风力动能产生装置的阻力叶片结构立体图；

图6A为该垂直轴风力动能产生装置的直立式升力叶片结构立体图；

图6B为该垂直轴风力动能产生装置的飞轮式惯量单元结构立体图；

图7为该垂直轴风力动能产生装置的凸轮轴的结构立体图；

图7A为该凸轮轴的动作示意图(一)；

图7B为该凸轮轴的动作示意图(二)；

图7C为该凸轮轴的动作示意图(三)；

图8为本发明之铰链单元的结构立体图；

图9为本发明采取全直立式升力叶片的结构设计立体图；

图10为本发明采取全阻力叶片的结构设计立体图。

图11为现有的垂直轴风车的外观示意图；

图12为现有的水平轴风车的外观，以及叶片形状影响风力分布的动作示意图；

图13为现有的水平轴风车的风力分布原理图；以及图14为发明人先前技术的结构缺点示意图。

主要组件的附图标记说明

1风机固定座            2方向定位总成

21旋转导引管           22轴承

23轨迹控制导槽         24风向定位座

25导流尾板             3能量输出总成

30叶片总成             31输出轴

32套管                 321延伸套管

322轴承          323轴承

33衔接部         34叶片模块

341支架          342拉绳

35阻力叶片       351旋转轴

352斜孔          353铰链单元

354叶片          36直立式升力叶片

37飞轮式惯量单元 38凸轮轴

381凸轮          382转轴

383迫紧块        384弹簧

385球型转轴      39圆形载重平台

4天线与仪表座    40导管

41轴承           5塔台

51闸门墙         52风孔

6飞轮            7煞车盘

F负压            U升力

D阻力

本发明的最佳实施方式

如图1至图5A所示，本发明所提供的以塔式多层次利用风动洞效应，用阻力叶片与直立式升力叶片复合式旋转机构的垂直轴风力动能产生装置，主要提供有塔台5，采用多楼层设计，内设多组风力机组利用计算机控制上、下楼板侧面闸门墙51来导引风能流向，该闸门墙51可依据风向、风速选择打开或关闭，以形成供风量进出的风洞，抑制乱流的发生。且该闸门墙51上另设置有防止强风的风孔52，当风压过大时，可将闸门墙51放下以阻挡瞬间阵风，但通过风孔52仍能流入适当的风压以进行工作。

该风力机组进一步包括有：风机固定座1、能量输出总成3、方向定位总成2与天线与仪表座4。

该风机固定座1固定设置在塔台5上，主要用来提供其它构件的承载，以便进行其它构件的组装。因为该实施并非本申请所要求保护的，在此不予赘述。

该能量输出总成3底座设置有一圆形载重平台39，是以轴承322支持在风机固定座1而可自由旋转，在圆形载重平台39上设有一套管32，该套管32套置在该圆形载重平台39外部且可一体旋转。该套管32外连接叶片总成30，此叶片总成30具有上、下层衔接部33，该两个衔接部33固定在套管32的上、下端，各衔接部33连接有多个叶片模块34，每一叶片模块34包括多个阻力叶片35，其阻力叶片35一端设置有旋转轴351，该旋转轴351末端设有凸轮轴38，该凸轮轴38设置凸轮381深入轨迹控制导槽23，通过轨迹利用X.Y.Z.三轴方向运动可使凸轮381完全伏贴在轨迹上，同时带动阻力叶片35调整角度。叶片模块34在阻力叶片35外侧设有多个直立式升力叶片36，受风时升力叶片36会产生偏压，推动总成旋转；在升力叶片36最外侧设有飞轮6(如图2)，该飞轮6由外侧的多片叶片共构所形成配重，当飞轮6以离心飞轮式转动时，会有储能及平衡两种功用，维持能量输出。套管底部有圆形载重平台39，其中心连接输出轴31，用以连接发电机(图未示出)进行发电。

该方向定位总成2具有旋转导引管21，设置在圆形载重平台39上，并与圆形载重平台39之间设有轴承22可独立旋转，该旋转导引管21表面设置该轨迹控制导槽23，而方向定位总成2顶部则有一风向定位座24，此风向定位座24后端具有一导流尾板25，使风向定位座24保持迎向风面，依风向可带动旋转导引管21旋转，能自动调整叶片总成30的迎风角度。

而该天线与仪表座4向下延伸有一导管40，导管40穿置在该风机固定座1、能量输出总成3、方向定位总成2的中心，且该导管40与风机固定座1、方向定位总成2与输出轴31之间以轴承41间隔而不妨碍个别转动。通过该导管40使顶端天线与仪表座4或是避雷针的导线向下延伸到地面上，以提供其它用途。

如图3所示，该叶片总成3的套管32底部连接有延伸套管321，该延伸套管321的边缘内折而扣在风机固定座1底部，并在延伸套管321与风机固定座1之间设置有轴承323，藉以强化该能量输出总成3的偏摆稳定性，并可避免雨水或灰尘污染，以维持长时间的运转。该套管32外部设置有煞车盘7，以便停机进行维修等工作。

如图1所示，该叶片总成30的各叶片模块34或衔接部33之间另以支架341或拉绳342串联，以增加稳定性。该支架341或拉绳342的路径得经过阻力叶片35的最大展开处，其目的在使该阻力叶片35受到瞬间过大风力时，得以接触支架341或拉绳342而防止破坏。

如6所示，为减少叶片风阻，本发明利用可调整角度的阻力叶片35，在顺向时放下以接受最大的风压，而在逆向迎风面时则使阻力叶片35上扬，让风力自阻力叶片35两侧流过；同时，该阻力叶片35的表面设置有斜孔352，该斜孔352在顺向时可导引部份风力往前方流走，以避免在该阻力叶片35的背风面形成阻力，故可大幅减少叶片风阻的产生。

如图6A、图6B所示，为增加旋转惯量，本发明将最外侧的升力叶片36提高质重以形成一飞轮式惯量单元37，该飞轮式惯量单元37与外侧多片升力叶片36共构所形成飞轮6，通过较大的质重以及较长的力矩，可在旋转时自然产生惯量而维持转动，使该能量输出总成3在旋转启动后即可长时间惯量平衡转动，而减少对于稳定风力的依赖。

而该直立式升力叶片36与飞轮式惯量单元37的截面呈机翼造型，利用伯努利定律，使直立式升力叶片在风力流过时，可自然产生升力而推动该能量输出总成3旋转。

如图4、图7至图7C所示，为良好维持该阻力叶片35迎风角度，必须让该凸轮381常态深入轨迹控制导槽23中。由于该旋转导引管21截面为圆形，当该凸轮381旋转时，其与该轨迹控制导槽23的相对距离经常会有所改变。因此，本发明的凸轮轴38以转轴382连接有迫紧块383，该迫紧块383受一弹簧384支持，且该迫紧块383一端设置有一球型转轴385，该凸轮381则设置在该球型转轴385上。

由此，该凸轮381一开始会接触到轨迹控制导槽23的底部(图7A)，当叶片总成30转动时，该凸轮轴38会在轨迹控制导槽23中移动，并牵引该凸轮381在X、Y轴平面上偏移，导致该凸轮381偏离轨迹控制导槽23的底部(图7B)，此时该弹簧384即会产生推力经由迫紧块383推动凸轮381往Z轴方向移动，而该球型转轴385则可在轨迹控制导槽23高低变化时，保持该凸轮381常态深入轨迹控制导槽23中(图7C)，利用X.Y.Z.三轴方向运动使凸轮381完全伏贴在轨迹控制导槽23上。

如图8所示，在实际天候中，可能因瞬间强大风力而使该阻力叶片35受损，故本发明在该阻力叶片35与旋转轴351之间设置有铰链单元353，该铰链单元353根据实际情况可预设张开时所需的力量，当该阻力叶片35受到瞬间强大风力而超过默认值时，可通过张开铰链单元353的叶片354而缓冲阻力叶片35所受的冲击，以维持该阻力叶片35的结构强度。

如图9所示，本发明在实际操作时，可针对设置地区的风力分布进行该叶片模块34的调整。例如在风力较弱的地区，通过增加可随时产生推力的直立式升力叶片36分布，可以将微弱的风量作最有效的应用，达成能量输出的目的。此时可进行阻力叶片35的减少设计，甚至于完全以直立式升力叶片36取代阻力叶片35，不仅得以发挥功能，也可简化控制阻力叶片的设计。

如图10所示，同样地，对于风力较强的地区，本发明也可增加阻力叶片35的分布，并减少直立式升力叶片36的数量，以将充沛的风量作最有效的应用，达成能量输出的目的。甚至可以完全以阻力叶片35取代直立式升力叶片36，藉以简化整体的设计。

通过前述以阻力叶片及直立式升力叶片推动旋转的垂直轴风力动能产生装置，其更有以下优点：

1.本发明采用塔式多层次机构，乘载多组机组运转，其运用楼层设计及计算机控制闸门墙来引导风能流向，有效控制垂直轴风力动能装置的风压，使整部机组的构造简单、重量轻，运转可靠度高，制造及维修成本低廉。

2.该以阻力叶片及直立式升力叶片推动旋转的垂直轴风力动能产生装置采用机构设计取得叶片与风向成90°垂直面，风指向永远迎向风面。

3.启动风速限制低，低速时仍可将能量转存于储能箱，到达一定储存量时即可进行发电，发电效率高，单位发电成本低。

4.采用轻量化设计，并强化机构与结构强度，当强风来袭时非但不需要停机，反而可以产生高能量输入，进行满载发电。

上述详细说明是针对本发明其中一个可行的实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技术的精神所做的等效实施或变化，均应包含于本申请的权利要求中。

Claims (11)

1.一种以塔式多层次利用风洞效应，用阻力叶片与直立式升力叶片复合式旋转机构的风洞式垂直轴风力动能产生装置，其包括：

塔台，采用多楼层设计，内设多组风力机组，利用计算机控制上、下楼板侧面闸门墙来导引风能流向；

所述风力机组进一步包括：

风机固定座，用来提供其它结构的承载；

能量输出总成，利用轴承在固定座上设有圆形载重平台，可自由旋转，在圆形载重平台上设有套管，该套管套置在该圆形载重平台外部且可一体旋转，套管外连接叶片总成，此叶片总成具有上、下层衔接部，该两个衔接部固定在套管的上、下端，各衔接部连接有多个叶片模块，每一叶片模块包括多个阻力叶片，其阻力叶片一端设置有旋转轴，该旋转轴末端设有凸轮轴，设置凸轮深入轨迹控制导槽，通过轨迹利用X.Y.Z.三轴向运动可使凸轮完全伏贴在轨迹上，同时带动阻力叶片调整角度；叶片模块在阻力叶片外侧设有多个直立式升力叶片，受风时升力叶片会产生偏压，推动总成旋转；在升力叶片最外侧设有飞轮，当离心飞轮式转动时，会有储能及平衡两种功用，维持能量输出；套管底部有圆形载重平台，其中心连接输出轴，用以连接发电机进行发电，以及方向定位总成，具有旋转导引管，设置在圆形载重平台上，设有轴承可独立旋转，该旋转导引管表面设置轨迹控制导槽，而方向定位总成顶部则有风向定位座，此座后端具有导流尾板，使风向定位座保持迎向风面，同时带动旋转导引管旋转，能自动调整叶片总成的迎风角度。

2.如权利要求1所述的以塔式多层次利用风洞效应，用阻力叶片与直立式升力叶片复合式旋转机构的风洞式垂直轴风力动能产生装置，其设有天线与仪表座，向下延伸有导管，该导管穿置在风机固定座、能量输出总成与方向定位总成的中心，各细部装置间以轴承间隔，该导管顶端有仪器、天线或避雷针等，能将导线通过导管延伸到地面上。

3.如权利要求1所述的以塔式多层次利用风洞效应，用阻力叶片与直立式升力叶片复合式旋转机构的风洞式垂直轴风力动能产生装置，该方向定位总成的旋转导引管，与能量输出总成的圆形载重平台之间设有轴承，使该旋转导引管与能量输出总成分别设置在轴承内、外侧，或上、下侧，可个别独立旋转成为风向定位管。

4.如权利要求1所述的以塔式多层次利用风洞效应，用阻叶片与直立式升力叶片复合式旋转机构的风洞式垂直轴风力动能产生装置，其中该能量输出总成的圆形载重平台侧边连接有延伸套管，该延伸套管的边缘内折且扣在风机固定座底部，使该套管自外而内套置在风机固定座而能保持稳定；套管内置有底座，该底座与风机固定座之间设置有轴承，使该底座与风机固定座分别设置在该轴承内、外侧，或上、下侧而可个别旋转；该延伸套管另有一端固定在输出总成的圆形载重平台上成为一体，以确保能量输出总成旋转时保持稳定。

5.如权利要求1所述的以塔式多层次利用风洞效应，用阻力叶片与直立式升力叶片复合式旋转机构的风洞式垂直轴风力动能产生装置，其中该导流尾板由多个板块连接形成左、右两侧，并使该两侧导流尾板之间以连杆支撑以产生锥度，使该导流尾板能自动迎向气体移动方向，来控制方向定位总成导引凸轮旋转所需角度。

6.如权利要求1所述的以塔式多层次利用风洞效应，用阻力叶片与直立式升力叶片复合式旋转机构的风洞式垂直轴风力动能产生装置，其中该阻力叶片表面设置有斜孔可在阻力叶片截风负载时，将该负载由斜孔导引风向减少阻力叶片背风面的负压形成。

7.如权利要求1所述的以塔式多层次利用风动洞效应，用阻力叶片与直立式升力叶片复合式旋转机构的风洞式垂直轴风力动能产生装置，其中该阻力叶片与旋转轴之间具有铰链单元，当该阻力叶片受到瞬间强大风力时，可通过张开铰链单元的叶片而缓冲阻力叶片所受的冲击，以维持结构稳定。

8.如权利要求1所述的以塔式多层次利用风洞效应，用阻力叶片与直立式升力叶片复合式旋转机构的风洞式垂直轴风力动能产生装置，其中该凸轮轴以转轴连接有迫紧块，该迫紧块受弹簧支持，且该迫紧块一端设置有球型转轴，该凸轮则设置在该球型转轴上，由此利用X.Y.Z.三轴向运动，可保持该凸轮常态深入轨迹控制导槽中，使凸轮变成立体设计，可完全伏贴在轨迹上，以维持动作的稳定。

9.如权利要求1所述的以塔式多层次利用风洞效应，用阻力叶片与直立式升力叶片复合式旋转机构的风洞式垂直轴风力动能产生装置，其中设计有塔台，该塔台设计成多楼层，各楼层均设有以阻力叶片及直立式升力叶片推动旋转的垂直轴风力动能产生装置，每一楼层外设置有挡风闸门墙，由计算机控制的闸门墙可根据所测风向来调整闸门墙升降，且闸门墙上设有风孔来减低风压，运用楼层及闸门墙可控制高低流及侧向流，能有效维持风洞能量输出，也能控制垂直轴风力动能产生装置。

10.如权利要求1所述的以塔式多层次利用风洞效应，用阻力叶片与直立式升力叶片复合式旋转机构的风洞式垂直轴风力动能产生装置，可对风力强弱的地区进行区分，使用叶片模块模式，分别增加直立式升力叶片的分布，减少阻力叶片的配置，或以直立式升力叶片取代阻力叶片。

11.如权利要求1所述的以塔式多层次利用风洞效应，用阻力叶片与直立式升力叶片复合式旋转机构的风洞式垂直轴风力动能产生装置，其最外侧的升力叶片提高质重以形成飞轮式惯量单元，并结合外侧的多片叶片可共构形成飞轮，当以离心飞轮式转动时，可产生储能及平衡两功用。

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