CN105840419A - 垂直轴式风力机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种垂直轴式风力机，包含一基座、二叶片构造、二翼片及一转向构造，各该叶片构造分别与该基座侧向相接，各该翼片分别与各该叶片构造相接，且各该叶片构造分别设于该基座与各该翼片之间，各该叶片构造及各该翼片分别用于承受风力作用，进而掣动该基座旋转，该转向构造用于调节各该翼片的受风攻角；各该叶片构造分别包含一第一桁杆、一第二桁杆及一叶片，分别与该基座相接；该翼片是呈直立状的升力型翼片，且各该翼片两端分别与该第一桁杆及该第二桁杆枢接；该叶片顶缘与该第一桁杆活接，该叶片底缘与该第二桁杆邻靠。结合升力型的翼片与阻力型的叶片，兼具高风速环境下的运转效率及较低的风速即可启动运转的优点。

Description

垂直轴式风力机

技术领域

本发明涉及一种风力发电设备，进一步而言，尤指一种捕捉风力并将风能转换为机械能，用于驱动发电机运转发电的垂直轴式风力机。

背景技术

风力发电设备主要由风力机(Wind Turbine)及发电机组成，风力机主要是借着空气流动转动叶片以撷取风的动能，进而将风能转换为机械能驱动发电机运转产生电能。

风力机可依据主轴与地面的相对位置，区分为水平轴式风力机与垂直轴式风力机两类，水平轴式风机的主轴与水平面平行，垂直轴式风机的主轴则与水平面垂直，风力机也可依据叶片的工作原理，区分为升力型风力机与阻力型风力机两类。

升力型风力机的启动性差，需要较高的风速始能启动运转，但升力型风力机在高风速环境下的运转效率较佳，故升力型风力机通常设置于空旷且平均风速较高的地区。

阻力型风力机的启动性佳，较低的风速即可启动运转，但阻力型风力机的运转效率及稳定性较低。

发明内容

本发明主要目的在于提供一种垂直轴式风力机，用于受风作用旋转，据此驱动发电机运转发电。

本发明是一种垂直轴式风力机，包含一基座、二叶片构造、二翼片及一转向构造，其中，该基座用于驱动发电机运转，各该叶片构造分别与该基座侧向相接，各该翼片分别与各该叶片构造相接，且各该叶片构造分别设于该基座与各该翼片之间，各该叶片构造及各该翼片分别用于承受风力作用，进而分别掣动该基座旋转；

各该叶片构造分别包含一第一桁杆、一第二桁杆及一叶片，其中，该第一桁杆及该第二桁杆的一端分别指向该基座的轴心，并与该基座相接，该第一桁杆及该第二桁杆的另一端分别向该基座外侧的空间延伸；

该翼片直立状设于该第一桁杆及该第二桁杆之间，该翼片是机翼形的升力型翼片；

各该翼片分别于顶端凸伸一第一轴杆，底端凸伸一第二轴杆，该第一轴杆与该第一桁杆轴枢，该第二轴杆与该第二桁杆轴枢，据使各该翼片分别与该第一桁杆及该第二桁杆相对旋转；

该转向构造包含一转向轮、一风舵、一导引盘、二连杆及二转盘，其中，该转向轮是椭圆形的凸轮，且该转向轮与该基座枢接，该风舵与该转向轮顶端相接，该导引盘与该基座轴接，该导引盘辐射状穿设二长形的导槽，各该导槽据该基座的轴心形成对称，各该转盘分别与各该轴杆轴接，各该连杆一端枢设一滚轮与该转向轮的轮缘侧向相靠，且各该滚轮的轮轴分别进入各该导槽，各该连杆的另一端分别与各该转盘偏心处枢接；

该叶片设于该基座与该翼片之间，该叶片顶缘与该第一桁杆活接，据使该叶片受风力及重力的作用而往复摆动，该叶片底缘与该第二桁杆邻靠，据使该第二桁杆对该叶片的摆动形成单向限止。

所述的垂直轴式风力机中，该第二桁杆在邻向该叶片处形成缓冲部，以吸收消减该叶片与该第二桁杆彼此间的相对冲击。

所述的垂直轴式风力机中，该缓冲部是吸收冲击力的材料构成的垫体。

所述的垂直轴式风力机中，该叶片的一面为第一面，该叶片于该第一面相对的另一面为第二面，该第二面与该第二桁杆邻靠，该叶片是弯弧状片体，且该第一面是凹弧面，该第二面是凸弧面。

所述的垂直轴式风力机中，该叶片的宽度由该叶片的顶缘向底缘递减。

所述的垂直轴式风力机中，该叶片凭借一枢接器与该第一桁杆活接。

所述的垂直轴式风力机中，各该导槽分别于内部设置一弹簧，各该弹簧分别在一端与各该导槽邻近该基座的一端相接，各该弹簧分别在另一端与各该轮轴连结，以使各该滚轮与该转向轮的轮缘保持接触。

本发明结合升力型的翼片与阻力型的叶片，使得本发明兼具升力型风力机在高风速环境下的运转效率较佳及阻力型风力机在较低的风速即可启动运转的优点，本发明进一步凭借叶片构造的构成，而可在更低的风速条件下启动运转。

附图说明

图1是实施例1的立体图；

图2是实施例1的前视图；

图3是图2的3－3剖视图；

图4是图2的4－4剖视图；

图5是实施例1的俯视示意图，显示实施例1承受来自前方气流的作动状态；

图6是实施例1位于基座右侧的叶片承受来自前方气流的左侧示意图；

图7是实施例1位于基座左侧的叶片承受来自前方气流的左侧示意图；

图8是实施例2的立体图；

图9是图8的部份放大图；

图10是实施例2的前视图；

图11是图10的11－11剖视图；

图12是图10的12－12剖视图；

图13是图10于转向轮及导引盘的部份放大图；

图14是实施例2的转向构造于转向轮部份的俯视示意图，显示转向轮与导引轮相对作动的状态；

图15是实施例2的转向构造于第一连杆与第一转盘部份的俯视示意图，显示第一连杆掣动第一转轴旋转的作动状态(一)；

图16是实施例2的转向构造于第一连杆与第一转盘部份的俯视示意图，显示第一连杆掣动第一转轴旋转的作动状态(二)；

图17是实施例2的转向构造于第一连杆与第一转盘部份的俯视示意图，显示第一连杆掣动第一转轴旋转的作动状态(三)；

图18是实施例2受风作动旋转状态的俯视示意图，显示翼片与风向的相对状态；

图19是实施例2受风作动旋转状态的俯视示意图，显示风向改变时，翼片与风向的相对状态；

图20是实施例3的前视图；

图21是图20的21－21剖视图；

图22是图20的22－22剖视图；

图23是实施例4的前视图；

图24是实施例5的前视图；

图25是实施例6的前视图。

附图标记说明：基座10；轴孔12；叶片构造20；第一桁杆21；第二桁杆22；缓冲部222；叶片24；第一面242；第二面244；枢接器25；叶片构造30；第一桁杆31；第二桁杆32；缓冲部322；叶片34；第一面342；第二面344；枢接器35；翼片40；第一轴杆41；第二轴杆42；翼片50；第一轴杆51；第二轴杆52；转向构造60；转向轮61；风舵62；接杆611；轴承612；导引盘63；导槽632；连杆64；滚轮642；轮轴644；连杆65；滚轮652；轮轴654；转盘66；转盘67；弹簧68；杆件90；风力F；夹角θ1；夹角θ2；第一力矩M1；第二力矩M2；气流W。

具体实施方式

如图1及图2所示，实施例1包含一基座10、二叶片构造20、30及二翼片40、50，其中，该基座10用于驱动发电机图中未示运转发电，该基座10于底端沿轴向凹陷一轴孔12，据使一杆件90轴向插入该轴孔12与该基座10轴接，该杆件90可以是所述发电机的主轴，据使该基座10驱动发电机运转，该基座10也可选择利用一传动构造图中未示连动所述的转子旋转，基于该基座10利用所述的传动构造连动所述的转子旋转，该杆件90用于连接该传动构造，所述的传动构造可以选择采用一至数个不等的齿轮、皮带轮、传动皮带、链轮或传动链条等的机械元件组成，由于所述的传动构造乃熟习机械传动领域人士所能轻易想见的既有技术，且与本发明的技术特征并无必然关联，恕不详述该传动构造的具体构成。各该叶片构造20、30分别与该基座10侧向相接，各该翼片40、50分别与各该叶片构造20、30相接，且各该叶片构造20、30分别设于该基座10与各该翼片40、50之间。

各该叶片构造20、30及各该翼片40、50分别用于承受风力作用，进而分别掣动该基座10旋转，据使所述的发电机运转发电。

各该叶片构造20、30分别包含一第一桁杆21、31、一第二桁杆22、32及一叶片24、34，其中，该第一桁杆21、31及该第二桁杆22、32分别为长形杆体，该第一桁杆21、31及该第二桁杆22、32的一端分别指向该基座10的轴心，并与该基座10相接，该第一桁杆21、31及该第二桁杆22、32的另一端分别向该基座10外侧的空间延伸，该第一桁杆21、31位于该第二桁杆22、32顶缘的空间，且该第一桁杆21、31与该第二桁杆22、32彼此形成斜向。

该叶片24、34是设于该基座10与该翼片40、50之间的片体，该叶片24、34顶缘与该第一桁杆21、31活接，据使该叶片24、34受风力及重力的作用而往复摆动，该叶片24、34凭借一枢接器25、35与该第一桁杆21、31活接，使该叶片24、34依据该枢接器25、35为中心往复摆动，该枢接器25、35可以是铰炼，但不限于铰炼，该叶片24、35底缘与该第二桁杆22、32邻靠，请配合图3及图4所示，该叶片24、34的一面为第一面242、342，该叶片24、34于该第一面242、342相对的另一面为第二面244、344，该第二面244、344与该第二桁杆22、32邻靠，据使该第二桁杆22、32对该叶片24、34的摆动形成单向限止，该第二桁杆22、32于邻向该叶片24、34处形成一缓冲部222、322，该缓冲部222、322是可吸收冲击力而弹性变形的材料例如：橡胶、乳胶或泡棉构成的垫体。

各该翼片40、50分别直立状设于该第一桁杆21、31及该第二桁杆22、32之间，该翼片40、50的顶端与该第一桁杆21、31相接，该翼片40、50的底端与该第二桁杆22、32相接，该翼片40、50是机翼形的升力型翼片，空气流动通过该翼片40、50两侧时，该翼片40、50两侧的气流流速形成速差，对该翼片40、50形成升力作用，进而促使该基座10旋转，该翼片40、50的具体形状是风力机领域人士所熟习的既有技术。

如图1及图5至图7所示，当风由实施例1的前方吹向实施例1时，风对各该叶片24、34分别形成指向后缘方向的气流W。其中：

位于该基座10右侧的该叶片24的第一面242形成承受风力F作用的迎风面，该第二桁杆22于该叶片24的后缘形成支撑作用，气流W无法掣动该叶片24依据该枢接器25为中心向后旋摆作动，该叶片24与风力F之间的夹角θ1为90°或趋近于90°，风力F作用于该叶片24的正向力，形成如第五图所示指向逆时针方向的一第一力矩M1。

位于该基座10左侧的该叶片34的第二面342形成承受风力F作用的迎风面，气流W促使该叶片34据该枢接器35为中心向后旋摆，使得该叶片34与风力F之间的夹角θ2趋近于或大于0°并小于90°，风力F越大时，夹角θ2越小，风力F作用于该叶片34的正向力，形成如图5所示指向顺时针方向的一第二力矩M2。

据前所述，叶片24受风力F作用时，该第二桁杆22对该叶片24形成支撑，该叶片24不会据枢接器25为中心旋摆，夹角θ1的角度不变，另一叶片35依据枢接器35为中心旋摆，夹角θ2的角度下降，第一力矩M1大于第二力矩M2，进而促使该基座10旋转，相较于既有的风力机，本发明可在更低的风速条件下启动运转。

再者，当来自前方气流促使实施例一由图5所示状态，循逆时针方向旋转约90°至180°范围的过程中图中未示，一叶片24的第二面244形成承受风力作用的迎风面，气流促使该叶片24据该枢接器25为中心向后旋摆，另一叶片34的第一面342形成承受风力作用的迎风面，气流促使该叶片34据该枢接器35为中心向着一第二桁杆32反向旋摆，直至该叶片34的第二面344与该第二桁杆32接触，风力作用于各该叶片24、34产生的力矩，可使得实施例一持续旋转。

进一步而言，该叶片34反向旋摆并与该第二桁杆32接触时，凭借该缓冲部322吸收消减该叶片34与该第二桁杆32彼此间的相对冲击，据此提高该叶片34与该第二桁杆32的使用寿命，并降低该叶片34与该第二桁杆32彼此接触时的撞击声响。

实施例2是由实施例1变化而得，如图8至图10所示，实施例2包含一基座10、二叶片构造20、30、二翼片40、50及一转向构造60，其中，该基座10及该叶片构造20、30与实施例1相同。

如图11及图12所示，各该翼片40、50分别于顶端凸伸一第一轴杆41、51，底端凸伸一第二轴杆42、52，该第一轴杆41、51与该第一桁杆21、31轴枢，该第二轴杆42、52与该第二桁杆22、32轴枢，据使各该翼片40、50分别据该第一轴杆41、51及该第二轴杆42、52与该第一桁杆21、31及该第二桁杆22、32相对旋转。

如图8至图13所示，该转向构造60包含一转向轮61、一风舵62、一导引盘63、二连杆64、65及二转盘66、67，其中，该转向轮61是椭圆形的凸轮，且该转向轮61底端与该基座10枢接，该风舵62与该转向轮61顶端相接，据使该风舵62掣动该转向轮61随着风向变化而旋转作动，该导引盘与该基座10相接，据使该基座10与该导引盘63连动旋转，且该转向轮61底端凸伸一接杆611，该接杆611延伸于该导引盘63轴心，并凭借一轴承612与该导引盘63枢接，据使该转向轮61与该导引盘63彼此相对旋转，该导引盘63与该转向轮61顶缘相邻，该导引盘63辐射状穿设二长形的导槽632，各该导槽632依据该基座10的轴心形成对称，一转盘66一第一轴杆41轴接，另一转盘67与另一第一轴杆51轴接，各该连杆64、65于一端枢设一滚轮642、652，各该滚轮642、652分别与该转向轮61的轮缘侧向相靠，且各该滚轮642、652的轮轴644、654分别进入各该导槽632，各该连杆64、65的另一端分别与各该转盘66、67偏心处枢接，据使各该连杆64、65分别凭借各该转盘66、67掣动各该翼片40、50往复旋摆作动；各该导槽632分别于内部设置一弹簧68，各该弹簧68分别于一端与各该导槽632邻近该基座10的一端相接，各该弹簧68分别于另一端与各该轮轴644、654连结，凭借各该弹簧68分别对各该轮轴644、654提供指向该基座10轴心的弹性作用力，使各该滚轮642、652分别与该转向轮61的轮缘保持接触。

再者，各该第一轴杆41、51于各该第一桁杆21、31与相邻的各该翼片40、50之间，可进一步选择性地分别轴枢一止推轴承图中未示，据此提高各该翼片40、50与各该第一桁杆41、51相对枢转的顺畅度。

风吹向实施例2时，该风舵62受到风力作用而保持与风向平行，该风舵62对该转向轮61的牵引作用，使得该转向轮61仅在风向改变时随着风向变化而旋转，该转向轮61并不随着该基座10的旋转而旋转。

当风促使实施例2旋转的过程中，该翼片40、50据该基座10为中心回旋运动，回旋运动的该翼片40、50分别凭借该第一轴杆41、51、第一、二转盘66、67，使该第一、二连杆64、65及各该滚轮642、652绕行着该基座10轴心回旋运动，如图13所示，由于该转向轮61具有长短不同外径的形状特性，各该滚轮642、652沿着该转向轮61的轮缘滚转，连带促使各该连杆64、65邻向该基座10的一端分别沿着各该导槽632往复位移。

由于各该连杆64、65分别驱动各该翼片40、50往复旋摆的作动模式相同，以下例示说明一连杆64驱动位于该基座10右侧的一翼片40作动的过程，另一连杆65驱使位于该基座10左侧的另一翼片50作动的过程则不重复说明。

如图14至图16所示，由于一连杆64的一端与一转盘66偏心处枢接，该连杆64往复运动，连动该转盘66往复旋摆，该转盘66旋转时则凭借该轴杆41带动该翼片40往复旋摆。相同的作动模式，另一连杆65的往复运动驱使另一翼片50往复旋摆。

请配合图8及图17所示，实施例2受风作用而旋转，且风向不变时，由于风向未改变，该风舵62保持与气流W方向平行，不会随着该基座10的旋转而作动，该导引盘63与该转向轮61相对旋转，各该连杆64、65分别往复运动，各该翼片40、50分别旋摆作动，实施例2旋转过程中，各该翼片40、50分别于两个90°角的旋转行程范围内，各该翼片40、50与气流W之间保持着预设的攻角。

请配合图8及图18所示，实施例2受风作用而旋转，且风向改变时，该风舵62受气流W作用而连动该转向轮61旋转，由于该导引盘63与该转向轮61相对旋转，使得实施例2旋转过程中，各该翼片40、50分别于两个90°角的旋转行程范围内，各该翼片40、50与气流W之间保持着预设的攻角。

据前所述，实施例2运转的过程中，该转向构造60使各该翼片40、50在较大的旋转行程范围内保持预设的受风攻角，并凭借各该翼片40、50的回旋运动，气流W对各该翼片40、50形成的升力现象，提供掣动该基座10旋转的力矩，并凭借升力型的该叶片构造20、30提高风力机的运转效率及稳定性。再者，凭借各该弹簧68的弹力作用使各该滚轮642、652与该转向轮61的轮缘保持接触，可在相当的运转行程范围中，根据该转向轮61所设定的方位调整各该翼片40、50的受风攻角，从而提升各该翼片40、50受风形成的升力。

相较于既有的升力型风力机在运转过程中，升力型的翼片仅能在甚微小的旋转行程范围内保持预设的攻角，实施例2的各该翼片40、50则分别于两个90°角的旋转行程范围内，保持着与气流W形成预设的攻角。

实施例3是由实施例2变化而得，实施例3与实施例2相同的构成，恕不详细赘述；如图19至图21所示，叶片24、34是弯弧状片体，且第一面242、342是凹弧面，第二面244、344是凸弧面。

实施例4是由实施例2变化而得，实施例4与实施例2相同的构成，恕不详细赘述；如图22所示，叶片24、34的宽度是由该叶片24、34的顶缘向底缘递减。

实施例5是实施例2变化而得，实施例5与实施例2相同的构成，恕不详细赘述；如图23所示，各叶片构造20、30分别包含一第一桁杆21、31、一第二桁杆22、32及数片叶片24、34，其中，各该叶片24、34并列状分别与该第一桁杆21、31活接，据此，当风力机的设备规模较大时，单一的各该叶片24、34的重量不致过大，而可易于受风力作用而作动，避免对启动运转的低风速条件形成不利影响。

实施例6是由实施例2变化而得，实施例6与实施例2相同的构成，恕不详细赘述；如图24所示，第一桁杆21、31与第二桁杆22、32彼此平行。

前述实施例2的叶片构造及翼片的数量可视需要变化，转向构造的连杆及转盘的数量则配合翼片的数量变化，据此构成各种不同的变换实施例，本发明的叶片构造及相应的翼片数量可以是两个或两个以上，不以前述各实施例的记载内容为限。

Claims (7)

1.一种垂直轴式风力机，其特征在于：包含一基座、二叶片构造、二翼片及一转向构造，其中，该基座用于驱动发电机运转，各该叶片构造分别与该基座侧向相接，各该翼片分别与各该叶片构造相接，且各该叶片构造分别设于该基座与各该翼片之间，各该叶片构造及各该翼片分别用于承受风力作用，进而分别掣动该基座旋转；

各该叶片构造分别包含一第一桁杆、一第二桁杆及一叶片，其中，该第一桁杆及该第二桁杆的一端分别指向该基座的轴心，并与该基座相接，该第一桁杆及该第二桁杆的另一端分别向该基座外侧的空间延伸；

该翼片直立状设于该第一桁杆及该第二桁杆之间，该翼片是机翼形的升力型翼片；

各该翼片分别于顶端凸伸一第一轴杆，底端凸伸一第二轴杆，该第一轴杆与该第一桁杆轴枢，该第二轴杆与该第二桁杆轴枢，据使各该翼片分别与该第一桁杆及该第二桁杆相对旋转；

该转向构造包含一转向轮、一风舵、一导引盘、二连杆及二转盘，其中，该转向轮是椭圆形的凸轮，且该转向轮与该基座枢接，该风舵与该转向轮顶端相接，该导引盘与该基座轴接，该导引盘辐射状穿设二长形的导槽，各该导槽据该基座的轴心形成对称，各该转盘分别与各该轴杆轴接，各该连杆一端枢设一滚轮与该转向轮的轮缘侧向相靠，且各该滚轮的轮轴分别进入各该导槽，各该连杆的另一端分别与各该转盘偏心处枢接；

该叶片设于该基座与该翼片之间，该叶片顶缘与该第一桁杆活接，据使该叶片受风力及重力的作用而往复摆动，该叶片底缘与该第二桁杆邻靠，据使该第二桁杆对该叶片的摆动形成单向限止。

2.如权利要求1所述的垂直轴式风力机，其特征在于，该第二桁杆在邻向该叶片处形成缓冲部，以吸收消减该叶片与该第二桁杆彼此间的相对冲击。

3.如权利要求2所述的垂直轴式风力机，其特征在于，该缓冲部是吸收冲击力的材料构成的垫体。

4.如权利要求1所述的垂直轴式风力机，其特征在于，该叶片的一面为第一面，该叶片于该第一面相对的另一面为第二面，该第二面与该第二桁杆邻靠，该叶片是弯弧状片体，且该第一面是凹弧面，该第二面是凸弧面。

5.如权利要求1所述的垂直轴式风力机，其特征在于，该叶片的宽度由该叶片的顶缘向底缘递减。

6.如权利要求1所述的垂直轴式风力机，其特征在于，该叶片凭借一枢接器与该第一桁杆活接。

7.如权利要求1所述的垂直轴式风力机，其特征在于，各该导槽分别于内部设置一弹簧，各该弹簧分别在一端与各该导槽邻近该基座的一端相接，各该弹簧分别在另一端与各该轮轴连结，以使各该滚轮与该转向轮的轮缘保持接触。