CN108105026A - 利用离心力达成可自动调整风翼迎风角度的垂直轴风车 - Google Patents

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Abstract

一种利用离心力达成可自动调整风翼迎风角度的垂直轴风车包含多个风车组件、一旋转轴及一立柱。风车组件包含一风翼、至少一支架以及至少一摆动转轴。支架的一第一端固定于旋转轴，一第二端设有至少一摆动转轴，此旋转轴设置于此立柱，此风车组件以此立柱为支点旋转。此摆动转轴的转轴元件固定在风翼上，此转轴元件利用轴心元件结合在此支架的第二端，令此风翼以小于正负90度的角度在此摆动转轴的轴心元件上摆动。此风翼具有一第一翼面积与一第二翼面积，且此第一翼面积必须小于此第二翼面积，当风翼于0度角时，此重心线必须与此摆动转轴的一轴心延伸线的离心力方向的投影重叠，但此重心线与此摆动转轴的此轴心延伸线不得实际重叠在一起。

Description

利用离心力达成可自动调整风翼迎风角度的垂直轴风车
技术领域
本发明涉及一种利用离心力达成可自动调整风翼迎风角度的垂直轴风车。
背景技术
目前，风力发电都是利用风力带动叶片旋转，来驱动发电机运作进行发电，且用以进行风力发电的叶片，必须配合风向，以迎风面的方向，让叶片受风力的带动而旋转，进而带动发电机运作。不过，风向会因气候、季节、环境等而有所不同，一般的风力发电的大型风力机，风轮大都是水平轴结构，常因风向的改变随时必须调整其迎风面，通过风力带动旋转，但因体积大、成本高、有不易设立及昂贵的维护成本。另外，较小型的风车，虽有垂直轴结构的风力机，可以不受风向改变的影响，但叶片的角度大部分固定并不能调整，因此，一旦风力变小，叶片就不能发挥伯努利效应而效率降低。目前虽然有些叶片具有可调整角度结构，如图1所示。此结构通常都需通过额外的辅助元件来达成，例如弹簧或连动元件等。这类辅助元件不仅增加风力机的成本，且有经常性损坏维修的困扰。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种利用离心力达成可自动调整风翼迎风角度的垂直轴风车。
根据本发明的实施例，提供一种可自动调整风翼迎风角度的垂直轴风车包括多个风车组件、一旋转轴及一立柱。此至少一风车组件包含一风翼、至少一支架以及至少一摆动转轴。此至少一支架的一第一端固定于旋转轴，一第二端设有一摆动转轴，此旋转轴设置于此立柱，此风车组件以此立柱为支点旋转。此摆动转轴包括一轴心元件及一转轴元件，此转轴元件固定在风翼上，此转轴元件利用此轴心元件结合在此支架的第二端，令此风翼以小于正负90度的角度在此摆动转轴的轴心元件上摆动。其中，此风翼具有一第一翼面积(迎风面)与一第二翼面积，此第一翼面积与此第二翼面积由此风翼的一重心线所区分，且此第一翼面积必须小于此第二翼面积，此重心线乃是一条穿过此风翼的一重心点的一延伸假想线，当此风翼于0度角时，此重心线(此延伸假想线)必须与此摆动转轴的一轴心延伸线的离心力方向的投影重叠，但此重心线与此摆动转轴的此轴心延伸线不得实际重叠在一起。
根据本发明的一具体实施方式，其中此风翼于0角度时，风翼垂直于其离心力方向；此摆动转轴的此轴心延伸线与此风翼的此重心点之间的距离必须大于0。
根据本发明的一具体实施方式，其中此可自动调整风翼迎风角度的垂直轴风车进一步还可包含至少一定位器，且此至少一定位器可设置于此风翼、或此至少一支架、或此至少一摆动转轴、或此旋转轴上的至少一适当位置上。
根据本发明的一具体实施方式，其中此定位器为45度角时，可获得最佳的启动反作用力。
根据本发明的一具体实施方式，其中此风翼的前端为圆弧造型，翼身可以是机翼造型，也可以是薄片状的平板造型，但都必须是符合流体力学的流线型。
根据本发明的一具体实施方式，其中此风翼可由一框架与一软性材质组成，此软性材质固定于此框架的左右两相对应边，此软性材质，例如是帆布。
根据本发明的一具体实施方式，其中此支架可为一线悬吊结构，两端利用细绳固定悬吊风翼，并令其可随风摆动。此线悬吊结构可由至少一弧型或一U字型支架与至少一线悬吊元件组成，此线悬吊元件穿过该风翼或经由至少一固定于风翼的悬吊臂穿过并固定该风翼，且此线悬吊元件的两端分别固定于此弧形支架上。此线悬吊结构利用弧型支架经由线悬吊元件提供一张力，在风翼因风力偏转时，该张力配合离心力的作用而令风翼得到一较为快速反应的角度调整。
本发明提供的可自动调整风翼迎风角度的垂直轴风车的优点和效益在于：
可自动调整风翼迎风角度的垂直轴风车利用风的动力及离心力两力的平衡来改变风翼的迎风角度，故可在微风环境中即可带动风车转动，亦可置入缓慢的洋流中利用水流发电。所以本发明是极具产业及商业价值的。
附图说明
图1为具有叶片改变角度的风车的示意图。
图2是根据本发明一实施例，说明一种可自动调整风翼迎风角度的垂直轴风车。
图3A是说明风翼的摆动转轴如何以正负的α角度摆动。
图3B与图3C为俯视图，用以说明风翼正负45度角的摆动状态。
图4为至少一定位器设置于在支架上的示意图。
图5为一俯视图，用以说明可自动调整风翼迎风角度的垂直轴风车其风翼受到风力作用时前后的状态。
图6为平板型风翼的示意图。
图7以软性材质与框架结合的风翼的示意图。
图8为以线悬吊支撑风翼的实施范例。
图9为以线悬吊支撑风翼的另一实施范例。
附图标记说明：
20 可自动调整风翼迎风角度的垂直轴风车
21 风车组件
211 风翼
211a 第一翼面积
211b 第二翼面积
211c 重心线
211d 重心点
211e 虚拟断面
212 支架
212a 第一端
212b 第二端
213 摆动转轴
213a 轴心元件
213b 轴心延伸线
213c 转轴元件
22 旋转轴
23 立柱
410 定位器
610 风翼
710 风翼
711 框架
712 软性材质
713 支架
810 支架
811 弧型支架
812 线悬吊元件
813 风翼
910 支架
911 弧型支架
912 固定部
913 线悬吊元件
920 悬吊臂
930 风翼
具体实施方式
本发明的垂直轴风车是利用风力及离心力两力的平衡来改变风翼的迎风角度，使风车能够在微风的环境中，即可发挥风车最大的效能。
垂直轴风车概分为扬力型风车与阻力型风车。此扬力型风车的风能转换效率较高，但在低风速时则启动不易。阻力型风车可在低风速下启动，但风能转换效率却非常低。本发明则利用风力及离心力的平衡作用使风翼的角度可自动调整，来达到在低风速下即可自力启动，并在高风速下亦可利用伯努利定律(Bernoulli's principle)产生扬力加速风车的转动。
本发明的风车使用可自由摆动的风翼，因风翼支点前后的翼面积不对称而在风力作用下产生偏转，风翼随风偏转时因反弹风力而产生一反作用力来推动风翼移动，当风翼沿着一圆周移动而产生离心力时，因风力切入的角度随时在改变，风翼则随着风力与离心力的平衡作用，随时调整风翼迎风角度的大小，并获得最佳的反作用力，当离心力大时，意即转速较快时，风翼偏转的角度变小，在伯努利定律的作用下有扬升力的产生，风车进而转变成扬力型风车，可得较高的风能转换效率。
图2是根据本发明一实施例，说明一种可自动调整风翼迎风角度的垂直轴风车。如图2所示，可自动调整风翼迎风角度的垂直轴风车20包括多个风车组件21、一旋转轴22及一立柱23；至少一风车组件21包含一风翼(wing)211、至少一支架212以及至少一摆动转轴213。至少一支架212的一第一端212a固定于旋转轴22，一第二端212b设有一摆动转轴213，旋转轴22设置于立柱23，风车组件21以立柱23为支点旋转。摆动转轴213包括一轴心元件213a及一转轴元件213c，转轴元件213c固定在风翼211上，转轴元件213c利用轴心元件213a结合在支架212的第二端212b，令风翼211以小于正负90度的角度在摆动转轴213的轴心元件213a上摆动。风翼211具有一第一翼面积(迎风面)211a与一第二翼面积211b，第一翼面积211a与第二翼面积211b由风翼211的一重心线211c所区分，且第一翼面积211a必须小于第二翼面积211b，重心线211c乃是一条穿过风翼重心点(center of gravity)211d的一延伸假想线，重心线211c(延伸假想线)必须与摆动转轴213的一轴心延伸线213b的离心力方向投影重叠，且重心线211c与轴心延伸线213b不得实际重叠在一起。
其中，为清楚说明重心线211c如何区分第一翼面积211a与第二翼面积211b，将重心线211c向风翼211的两翼侧对称处直线延伸，使其形成一虚拟断面211e。虚拟断面211e(如虚线所示框线)则可将风翼211切割成前后两个部分，前段(迎风面)的外侧面积为第一翼面积211a，后段的外侧面积则为第二翼面积211b。
图3A是说明风翼的摆动转轴如何以正负的α角度摆动。如图3A所示，风翼211设置于支架212而容许有α角度的摆动，当风向改变时，风翼211所受到风力的方向也随着改变，风翼随风摆动时，最大角度则不超过正负α角度的偏转。
图3B与图3C为俯视图，用以说明风翼正负45度角的摆动状态。请同时参考图3B与图3C，图3B与图3C分别说明风翼受到初始风力的作用而产生偏转，此垂直轴风车的最佳启动偏转角度为正负45度角，可以使风车发挥最大的启动效率。
本发明的可自动调整风翼迎风角度的垂直轴风车，进一步可包含至少一定位器。图4为至少一定位器设置在支架上的示意图。图4所示，支架212设有至少一定位器410。至少一定位器410可设定风翼211的启始摆动角度，当风力吹来时，风翼211因风力作用而向一方偏转，但因定位器410的阻挡，而令风翼211面对风向产生一偏角。此偏角可使风翼211得到一反作用力推动风翼211，进而达到自力启动的目的。
图5为一俯视图，用以说明可自动调整风翼迎风角度的垂直轴风车其风翼受到风力作用时的状态。如图5所示，可自动调整风翼迎风角度的垂直轴风车20受到风力作用方向(如图中左边箭头所示)，原风翼211的位置(虚线)因风力作用而被改变为风翼211的位置(实线)，而图中的三个风翼211分别位于不同的风向受力角度。因在风力与离心力的平衡作用下，使得风翼角度位置的改变有所不同。
图6为平板型风翼的示意图。如图6所示，风翼610为流线型的设计。风翼610的前端(迎风力方向)为圆弧造型，风翼610的翼身可以是机翼造型，也可以是薄片状的平板造型，但都必须是符合流体力学的流线型，进而使风翼610具有低风阻的效果。
图7为以软性材质与框架结合的风翼的示意图。如图7所示，风翼710包含一框架711与一软性材质712，框架711固定于支架713，软性材质712固定于框架711的左右两相对应边。此软性材质，例如是帆布。
图8为以线悬吊支撑风翼的实施范例。如图8所示，支架810包含至少一弧型支架811与至少一线悬吊元件812。线悬吊元件812穿过风翼813，且线悬吊元件812的两端分别固定于弧形支架811上。
图9为以线悬吊支撑风翼的另一实施范例。如图9所示，支架910可由一弧型支架911、至少一固定部912及至少一线悬吊元件913组成。至少一悬吊臂920穿过并固定于风翼930。固定部912设置于弧型支架911上，至少一线悬吊元件913穿过悬吊臂920，并线悬吊元件913分别固定在固定部912。此线悬吊结构利用弧型支架911经由线悬吊元件913提供一张力，在风翼930因风力偏转时，该张力加上离心力的作用而令风翼930得一较为快速反应的角度调整。其中，弧型支架可为U字型设计。
综上所述，根据本发明的垂直轴风车利用风的动力及离心力的平衡作用来改变风翼的迎风角度，故可在微风环境中即可带动风车转动，亦可置入缓慢的洋流中利用水流发电。所以本发明是极具产业及商业价值的。
然而，以上本发明的附图及说明，仅为本发明的实施范例而已，非为用以限定本发明的保护范围，本领域技术人员依据本发明的精神，所作的变化或修饰，皆应涵盖在以下本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种可自动调整风翼迎风角度的垂直轴风车，包括多个风车组件、一旋转轴及一立柱；至少一该风车组件包含一风翼、至少一支架以及至少一摆动转轴；
至少一该支架的一第一端固定于该旋转轴，一第二端设有至少一该摆动转轴；
该旋转轴设置于该立柱，该风车组件以该立柱为支点旋转；以及
该摆动转轴包括一轴心元件及一转轴元件，该转轴元件固定在该风翼上，该转轴元件利用该轴心元件结合在该支架的该第二端，令该风翼以小于正负90度的角度在该摆动转轴的该轴心元件上摆动；
其中，该风翼具有一第一翼面积与一第二翼面积，该第一翼面积为迎风面，该第一翼面积与该第二翼面积由该风翼的一重心线所区分，且该第一翼面积必须小于该第二翼面积，该重心线乃是一条穿过该风翼的一重心点的一延伸假想线，当该风翼于0度角时，该重心线必须与该摆动转轴的一轴心延伸线的离心力方向的投影重叠，该重心线为延伸假想线，但该重心线与该摆动转轴的该轴心延伸线不得实际重叠在一起。
2.如权利要求1所述的可自动调整风翼迎风角度的垂直轴风车，其中该风翼于0角度时，该风翼垂直于其离心力方向。
3.如权利要求1所述的可自动调整风翼迎风角度的垂直轴风车，其中该轴心延伸线与该重心点之间的距离必须大于0。
4.如权利要求1所述的可自动调整风翼迎风角度的垂直轴风车，进一步还包含至少一定位器，且至少一该定位器设置于该风翼、或至少一该支架、或至少一该摆动转轴、或该旋转轴上的至少一适当位置。
5.如权利要求4所述的可自动调整风翼迎风角度的垂直轴风车，其中该定位器为45度角时，获得最佳的启动反作用力。
6.如权利要求1所述的可自动调整风翼迎风角度的垂直轴风车，该风翼的前端为圆弧造型，翼身是机翼造型或是薄片的平板造型，必须符合流体力学的流线型。
7.如权利要求1所述的可自动调整风翼迎风角度的垂直轴风车，该风翼由一框架与一软性材质组成，该软性材质固定于该框架的左右两相对应边。
8.如权利要求1所述的可自动调整风翼迎风角度的垂直轴风车，该支架由至少一弧型支架与至少一线悬吊元件组成，该线悬吊元件直接穿过该风翼或经由一悬吊臂穿过并固定于该风翼上，且该线悬吊元件的两端分别固定于该弧型支架上，并以一定的张力将该风翼悬吊于其上固定该风翼，使之垂直于离心力的方向。
9.如权利要求8所述的可自动调整风翼迎风角度的垂直轴风车，至少一该弧型支架为U字型造型。
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