CN104763583A - 风力机 - Google Patents

Abstract

一种风力机，其为一垂直轴风力机，包括一轴心、多支长臂及多个受风板片。该轴心直立地设置，这些长臂连接于该轴心，这些受风板片装设于这些长臂上。这些受风板片能受风压而弯曲，产生的曲面推力来推动这些长臂，使该轴心旋转。藉此，不必设计高塔柱，低重心又安全，也不必设置复杂的追风向设备，可使构造简化，成本降低。

Description

风力机

技术领域

本发明在于提供一种风力机，尤指一种以风力作为动力的以受风板片推动长臂的风力机。

背景技术

按，人类利用天然能源，以风力作为动力已经好几千年，目前各式各样的垂直轴风力机效率低或大型化不容易，所以世界上大型的风力机皆以水平轴的三叶片风力机为主，但其必需具有追踪风向的设备，所以构造复杂，也须建立高塔柱，其造价昂贵，尤其主要机构机舱房（Nacelle）设在很高塔柱的顶端，维修困难，若发生火灾扑救不易。另，风力机的发电机、齿轮箱、追踪风向的控制设备都设在高塔柱的顶端，非常重，且因为重心在上，而头重脚轻，被强风吹倒的情况时有发生。

综上所述，本发明人有感上述缺陷可改善，乃特潜心研究并配合学理的应用，终于提出一种设计合理且有效改善上述缺陷的本发明。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，在于提供一种以受风板片推动长臂的风力机，不必设计高塔柱，低重心又安全，也不必设置复杂的追风向设备，可使构造简化，成本降低。

为了解决上述的技术问题，本发明提供一种以受风板片推动长臂的风力机，其为一垂直轴风力机，包括：一轴心，该轴心直立地设置；多支长臂，这些长臂连接于该轴心；以及多个受风板片，装设于这些长臂上；这些受风板片能受风压而弯曲，推动这些长臂，使该轴心旋转。

本发明至少具有下列的优点：

本发明是利用吊车的吊臂具有很大承载的观念，建构本发明的大型垂直轴风力机，而推动风力机轴心旋转的是以吊载重负荷的长臂；在每一支长臂装设一个或多个受风板片，吸取风能。受风板片以其能受风压弯曲，产生的曲面推力推动长臂，推动风力机轴心旋转。

本发明也利用吊车的吊臂易于升降高低，可任意设定高度，或设定伸缩臂长的观念，尤其桁架结构的长臂能有很长的跨距，很大的承载，风力机长臂越长，其转矩扭力也越强；长臂越长，若设定仰角往高处伸长，越高吸取风力也越强，节省了高塔柱的须求。

本发明以受风板片推动长臂的风力机，因不必设计高塔柱；又重量很重又很昂贵的机舱房可设在风力机正中央底下，这样低重心是最安全，对未来在海上设风力发电机工程上将简单化，因低重心除作为风力发电外还可做各种动力应用。甚至也适合作为船舶的动力，不必设置这些复杂的追风向设备，不拘任何风向的风压风力都可吸取利用。

为使能更进一步了解本发明的特征及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，然而所附图式仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制者。

附图说明

图1为本发明风力机的立体图（长臂以仰角运转的形态）。

图2为图1的局部详图。

图3为图1的长臂以水平运转形态的示意图。

图4为图1的长臂降低形态的示意图。

图5为本发明小型化风力机的立体示意图。

图6为以俯视的角度解说图5的平面示意图。

图7为本发明风力机另一实施例的立体图。

图8为图7的部分放大的示意图。

图9为图7的部分放大的另一示意图。

【符号说明】

1机舱房                   2长臂

2A长臂                    2B长臂

2C长臂                    2D长臂

3受风板片                 3A受风板片

3B受风板片                3C受风板片

3D受风板片                4 房屋

5 轴心                    6旋转盘座

7活动关节                 8Ｈ型钢梁

9轴心支撑体               10中央支持塔

11钢丝缆绳                12伸缩杆

12A活动关节               12B活动关节

12C活动关节               13支撑骨干

14前端                    15后端

A风力机                   B旋转方向

C风向

具体实施方式

[第一实施例]

请参阅图1，本发明提供一种以受风板片推动长臂的风力机，在本实施例中，该风力机A包括一机舱房1、多支长臂2及多个受风板片3，这些长臂2可设置于机舱房1上，这些受风板片3安装于这些长臂2上。

图1为长臂2以仰角运转的形态示意图。长臂2的长度及设置的角度并不限制，例如长臂2可为50米长，以设定约30度角往上延伸，则长臂2顶端距离地面已经35米以上，这个实施例显现不须建很高塔柱，就可以运转的直径100米的大型垂直轴风力机。

如图1所示，以受风板片3推动长臂2的风力机A，其长臂2以仰角（约30度角）运转的形态。本实施例为一种垂直轴风力机A，推动轴心旋转的是四支长臂2，在每一支长臂2上装设四个受风板片3，这些受风板片3用以吸取风能。当风力以风向Ｃ吹向风力机A；全部的受风板片3受风压，推动长臂2，推动风力机A转动，往旋转方向Ｂ旋转。

为吸取更多的风能，在长臂2之间，适当的间距，尽量多设置受风板片3（例如图1与图3）数量越多受风面积越多，吸取风的推力也越多。若以图1与图2所示，虽是每一支长臂2上装载四个受风板片3，然而在实务上是可以装载更多的受风板片3，又如图中范例所示，其每支长臂2是以三角桁架构造，三角桁架内部空间也可装设多个受风板片3，这都是增加受风面积的方法。

长臂2利用吊车的吊臂能够吊载重负荷，我们日常看到的吊车长臂外观造型可呈四方型、三角型、弧形或可伸缩型等，并不限制外观造型。本实施例为三角桁架长臂型，因为其结构强又轻又具有很长的跨距，臂越长的风力机的转矩、扭力也越强大。

风力机A可以建置在可以住人的建筑物，例如房屋4的屋顶。可住人的房屋4只是表示比较优的土地利用空间，是示意住在沿海或具有风力场的居民房屋的屋顶可建置大型的风力发电机。但房屋4与风力机A并无必要的关系，也即本发明的风力机A并不限制建置在房屋4上。但如图示的房屋4必须要以钢构建筑，要具有坚强的结构以负担风力机A的重量与严密的防雷击措施。

风力机的机舱房1可建置在房屋4屋顶的中央。本发明以受风板片3推动长臂2的风力机A作为垂直轴风力发电的最大优点就是，机舱房1设在风力机A正中央底部。若是作风力发电用途，机舱房1内部设备则可设置增速齿轮箱、发电机、制动器、转速控制器、液压系统、AVR及变频器等控制的仪电设备，以上这些都是风力发电机已知与惯用设施，故未披露在图式以免赘述。

进一步地，可包括一中央支持塔10及多条钢丝缆绳11，能以钢丝缆绳11拉住长臂2与中央支持塔10，也即钢丝缆绳11一端连接于长臂2，钢丝缆绳11另一端设置于中央支持塔10，且连接于卷扬机（图略），连接于长臂2的钢丝缆绳11及卷扬机等可构成控制长臂升降机构。因为以钢丝缆绳11及卷扬机拉住长臂2是吊车或吊塔惯用的升降机构，故不再加以赘述。最重要是，这些长臂2的拉控钢丝缆绳11一定要同步，以使这些长臂2同步升降。在本发明的另一实施例中，也能为油压伸缩型长臂或油压升降型长臂，也即能以油压装置伸缩或升降的长臂2，以油压装置构成控制长臂升降机构，如此就不需设置中央支持塔10与钢丝缆绳11，故钢丝缆绳11与中央支持塔10不一定要具备，可予以省略。

请参阅图2，为图1的局部详图。风力机A可具有一轴心5及一旋转盘座6，轴心5直立地设置，轴心5的一端连接于旋转盘座6，使两者结合成一体，轴心5及旋转盘座6可以通过焊接及车削等方式制成。旋转盘座6上设置中央支持塔10，中央支持塔10塔内部空间就是可设置卷扬机的空间。

这些长臂2可分别设置在旋转盘座6的四个对边，使这些长臂2通过旋转盘座6连接于轴心5，从而可利用这些长臂2推动轴心5旋转。这些长臂2可分别以活动关节7与旋转盘座6连接，也即这些长臂2一端（下端）是以活动关节7连接于旋转盘座6。活动关节7使长臂2能活动具有升降功能之外，也能传承受风板片3推力推动这些长臂2总合的巨大推力能量传导于旋转盘座6上。

进一步地，机舱房1顶部可设有钢梁8，可包含四支的Ｈ型钢梁8，与中央部的轴心支撑体9以非常坚固焊接结合在一起，可用以支撑整台风力机A的全部重量。轴心5穿设于轴心支撑体9中，轴心支撑体9内部装置多个能承受重力的轴承与润滑油（图略），能使轴心5滑润无阻的顺畅转动。

当这些长臂2推动旋转盘座6旋转时，扭力转动的巨大能量即由轴心5穿过轴心支撑体9导入机舱房1内部，进而传动增速齿轮箱使发电机运转或发挥能量。

请参阅图3，为本发明长臂以水平运转形态的示意图，另外，请同时对照图1与图4，可披露风力机A的长臂2举升或降低高度，以对应大自然风力弱风、强风及狂风等不稳定的风速变化。当风速太强（例如风速超过每秒15米）则可适当的降低长臂2高度，风速越强长臂2就控制对应降越低，通过控制长臂升降机构改变长臂2高度对应风力强弱，以达到调控风力机轴心5保持稳定的转速。

请参阅图4，为本发明长臂降低形态的示意图，降至最底欲停止运转。若是遇有台风警报、龙卷风警报，为了安全风力机的长臂2，甚至可以锁固于地面，或在完全无风的季节，风力机的长臂2降至地面，以避免妨碍景观。

以受风板片3推动长臂2的风力机A；在图1与图3所举实施例是四支长臂型，当然也可为更多支的长臂型，也可为三支长臂型或两支长臂型，长臂2支数愈多，轴心5转速愈慢但扭力转矩愈大。长臂2支数愈少，轴心5转速会愈快但扭力转矩愈小。

为了方便于解说受风板片3运作原理，将图3简略与缩小化成为如图5所示比较小型的风力机，其包括四支长臂2，每支长臂2上只示意装设一个受风板片3，藉以解说以受风板片3推动长臂2的风力机运转的原理。受风板片3的一端（前端14）配置有一支撑骨干13，该支撑骨干13连接于相对应的长臂2，以此支撑骨干13作为支撑整个受风板片3的张开力与重量，并且靠此支撑骨干13连接在强固的长臂2上，而受风板片3的支撑骨干13之后到另一端（后端15），整个板片的大部分面积是任其发挥弹性自由活动，使其能受风压而弯曲吸取风能。受风板片3受到风向Ｃ的风压，相对应风压强弱程度而弯曲，产生曲面推力推动长臂2，推动风力机轴心5旋转。

请参阅图5，为本发明小型化的以受风板片推动长臂的风力机长臂固定水平正常运转形态的立体示意图；请参阅图6，为本发明以俯视的角度解说图5的平面示意图，以旋转轨道圆环来形容受风板片受风向Ｃ的风压而弯曲的相对应关系的说明图。

为了说明更方便对照图5与图6相互对照一致的关系，将四支长臂2分别区分成长臂2A、长臂2B、长臂2C及长臂2D。四个受风板片3分别区分成受风板片3A、受风板片3B、受风板片3C及受风板片3D。图6以俯视角度形容图5的四个受风板片3A、3B、3C及3D，受风板片在旋转到的每一个角度，受风向Ｃ的风压而弯曲变化状况。四个受风板片3A、3B、3C及3D受风压弯曲的曲面，即产生向前推的力量，推动长臂2A、2B、2C及2D向前而旋转，也即旋转中的受风板片不断受风向Ｃ的风压，对应风压程度与角度左右弯曲，进而产生向前的推力，不断地推动长臂，推动风力机轴心旋转。

在图6所示的旋转轨道中，以实线代表标示方位上的四支长臂2A、2B、2C及2D上的受风板片3A、3B、3C及3D对应风向Ｃ的风压弯曲状况。为了更清楚形容，又用虚线代表标示假如方位上的四支长臂2A、2B、2C及2D上的受风板片3A、3B、3C、及3D对应风向Ｃ的风压弯曲状况。

进一步说明图5所示的实施例，风力机在正常水平运转形态是风力机A上推动风力机运转的四支长臂；每一支长臂上只装设一个受风板片，共四个受风板片3A、3B、3C及3D，每个受风板片与其配置的支撑骨干13，全部立正垂直。

受风板片能够受风的原理，最基本特征是要一端刚硬，一端比较柔弱有弹性，所以其中的每一个受风板片一端（前端14）配置支撑骨干13，使其刚硬。还靠此支撑骨干13支撑整个受风板片的张开力与重量并且靠支撑骨干13连接在强固的长臂上。

受风板片3A的前端14配置支撑骨干13，连接在长臂2A上；受风板片3B的前端14配置支撑骨干13，连接在长臂2B上；受风板片3C的前端14配置支撑骨干13，连结在长臂2C上；受风板片3D的前端14配置支撑骨干13，连接在长臂2D上。

当风力以风向Ｃ吹向风力机A，风力机A上的每一个受风板片3A、3B、3C及3D的支撑骨干13之后到后端15，整个板片大部分面积是任其发挥弹性自由活动，也即是每一个受风板片从其支撑骨干13之后到后端15，整个板片大部分面积因比较柔弱有弹性任其自由活动，任其受风向Ｃ的风压而自由弯曲（弯曲的状况请对照图6）而产生弯曲的曲面推力，进而推动长臂，推动风力机轴心旋转；图式是往旋转方向B的方向旋转（如果想往B的反方向旋转，只要将每一个受风板片装置在长臂的反边）。

很多种板材都可制作受风板片，但为了吸取风能最高效率，受风板片的制造材料性质选择弹性越佳的，其吸取风能效率越好。

[第二实施例]

以受风板片推动长臂的风力机，若是因地型因素或环境因素，其长臂是设定固定角度或高度的，长臂因没有具有升降功能或伸缩功能，就必须在风力机的受风板片上设置可调控倾斜度的机构，才能面对大自然的狂风无限的摧毁力。与因应大自然弱风、强风及狂风等不稳定的变化。受风板片调控倾斜度机构的说明图如图7、图8及图9所示，受风板片3可连接有伸缩杆12等调控倾斜度机构。当愈弱风，受风板片3愈立正垂直，受风面积愈大。当风速太强，受风板片3调控愈倾斜，受风面积愈小。当大自然狂风愈强，将受风板片3调控愈极倾斜。以调控受风板片3倾斜度的机构对应风力强弱变化，无论风力大小，均能维持对长臂2稳定推力，使风力机轴心5保持稳定的转速。

图7为本发明以受风板片推动长臂的风力机的受风板片倾斜的形态立体示意图。若将图7与图5相对照，即看到四个受风板片3A、3B、3C及3D明显倾斜差异，为了说明受风板片的调控倾斜机构，为了更清晰，把图7部分放大，成为图8与图9以便对照说明。

请参阅图8为图7部分放大的示意图，是示意受风板片3立正垂直的形态，此立正垂直的受风板片可吸取最大风能，使受风板片3受风压可产生弯曲，产生曲面推力的状况，可推动长臂2来推动风力机运转，也就是如图5所示，风力机正常运转形态下，受风板片3与其配置的支撑骨干13全部立正垂直，其伸缩杆12是收缩到上最顶点。

请参阅图9，其为图7部分放大的示意图，是示意受风板片3倾斜的形态，受风板片3愈倾斜，就愈不能吸取风能，也就如图7所示，风力机的受风板片3倾斜形态，其伸缩杆12是伸到下最底点，受风板片3与其配置的支撑骨干13极倾斜，风力机已欲停止运转。

由图8的示意图与图9的示意图，显示受风板片与其配置的支撑骨干13，要连接到长臂2之间是通过活动关节12A、活动关节12B、活动关节12C及伸缩杆12，也即伸缩杆12的一端通过活动关节12A连接于长臂2，另一端通过活动关节12B连接于受风板片3，且受风板片3通过一活动关节12C连接于长臂2。由控制伸缩杆12的伸与缩的程度来控制受风板片3的倾斜角度。

图7的示意图比照图5的示意图，最为重要是全部的受风板片3调控倾斜机构要一致的作动，一定要同步调整与全部的受风板片3同步的倾斜角度。

调控受风板片倾斜度的机构说明示意图在图7对照图8与图9，为了方便解说是以油压缸伸缩杆12推动示意，实务上也可以用电动马达、油压缸驱动调控倾斜度或利用离心力。当长臂2运转速度超过一设定值，受风板片3因离心力张开而倾斜，因愈倾斜而减少了受风面积达到自动控制转速，维持风力机恒定转速。以上这些手段方法都是已知的机械设计，不再加以赘述。

以受风板片推动长臂的风力机之中全部图式所举的范例，受风板片是长方型，但实务上受风板片无论三角型或弧形、较美观的各种造型都可应用，受风板片的造型最重要是以能达到最高吸取风能效率与美感上能配合长臂整体造型。

综上所述，本发明以受风板片推动长臂的风力机，确实具有实用性，具有应付大自然风力是弱风、强风及狂风等不稳定变化的能力，可利用长臂升降机构改变长臂高度，或通过控制受风板片的倾斜度机构，达到调控风力机轴心保持稳定的转速或达到风力机稳定的能量输出。若为了更安全性的考虑此两种控制机构也可以一起应用。而制造长臂技术已经非常成熟，各种吊车吊臂的应用，强度佳又轻巧又安全。控制升降机构无论是利用油压机方式或卷扬机方式，都已经是很成熟很可靠的技术。

而受风板片制造只要注重耐用度与弹性性质，制造材料不论铝板、不锈钢板或各种金属板或合成树脂纤维板、耐龙板、PC板、PE板、FRP板、塑料板、橡胶板或各种板材，甚至硬质帆布，甚至木板，都可因地制宜采用，将是非常便宜，因此将可促进贫穷落后地区或国家能够大量利用风能机会。

本发明以受风板片推动长臂的风力机，将大型风力发电机的风车原本是艰巨工程，原本是高深的技术领域与须很高昂费用工程变平凡化，变成简单易做，风力发电将会因此发电成本更低廉而更普及化，人类将更广泛应用此上天所赐与取之不尽、用之不竭的干净能源─风力。

以受风板片推动长臂的风力机，若在外观设计上未来继续演化，除了吸取风能最大效率考虑外，受风板片造型更美感化与长臂更有弧线更有美丽线条造型，搭配了力学工程与美学工程，风力机设计有风时升起，无风时降下，将可解除已知三叶片式水平轴立式大型风力发电机风车，妨碍美丽风景、妨碍天际线美景。也将造福沿海贫苦居民，每年受强劲海风袭击的苦难，风将来成为他们天赐的财富，未来的渔民不但补鱼赚钱，也可补风赚钱，因风能可制造氢气瓦斯。船的动力也少用引擎与油耗，船舶也能以本发明受风板片推动长臂的风力机作为动力。

然而，以上所述仅为本发明的优选实施例，非意欲局限本发明的专利保护范围，故举凡运用本发明说明书及图式内容所为的等效变化，均同理皆包含于本发明的权利要求保护范围内，合予陈明。

Claims (17)

1.一种风力机，其特征在于，所述风力机为一垂直轴风力机，且所述风力机包括：

一轴心，所述轴心直立地设置；

多支长臂，所述长臂连接于所述轴心；以及

多个受风板片，装设于所述长臂上；

所述受风板片能受风压而弯曲以推动所述长臂，使所述轴心旋转。

2.根据权利要求1所述的风力机，其特征在于，所述风力机进一步包括一旋转盘座，所述轴心的一端连接于所述旋转盘座，所述长臂分别设置在所述旋转盘座上，使所述长臂通过所述旋转盘座连接于所述轴心。

3.根据权利要求2所述的风力机，其特征在于，所述长臂分别通过活动关节与所述旋转盘座连接。

4.根据权利要求3所述的风力机，其特征在于，所述风力机进一步包括一中央支持塔及多条钢丝缆绳，所述中央支持塔设置于所述旋转盘座上，所述钢丝缆绳的一端连接于所述长臂，所述钢丝缆绳的另一端设置于所述中央支持塔上且连接于卷扬机。

5.根据权利要求1所述的风力机，其特征在于，所述长臂分别连接有控制长臂升降的机构。

6.根据权利要求1所述的风力机，其特征在于，所述长臂设置于一机舱房上，所述机舱房的顶部设有一轴心支撑体，所述轴心穿设于所述轴心支撑体中。

7.根据权利要求1所述的风力机，其特征在于，所述长臂的数量为两支、三支或四支。

8.根据权利要求1所述的风力机，其特征在于，所述长臂呈四方型、三角型或弧形。

9.根据权利要求1所述的风力机，其特征在于，所述长臂为伸缩型长臂、油压升降型长臂或桁架结构。

10.根据权利要求9所述的风力机，其特征在于，所述长臂为油压伸缩型长臂。

11.根据权利要求1所述的风力机，其特征在于，所述长臂呈仰角运转形态、水平运转形态或降低的形态。

12.根据权利要求1所述的风力机，其特征在于，每一个所述受风板片的一端配置有一支撑骨干，所述支撑骨干连接于相对应的长臂。

13.根据权利要求1所述的风力机，其特征在于，所述受风板片立正垂直地或倾斜地设置于相对应的长臂上。

14.根据权利要求1所述的风力机，其特征在于，所述受风板片为具有弹性的板材。

15.根据权利要求1所述的风力机，其特征在于，所述受风板片分别连接有调控倾斜度的机构。

16.根据权利要求15所述的风力机，其特征在于，所述调控倾斜度的机构包含伸缩杆、油压缸或电动马达。

17.根据权利要求1所述的风力机，其特征在于，所述受风板片呈长方型、三角型或弧形。