CN112901413A - 垂直轴流体能量转换装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种垂直轴流体能量转换装置，其包含升力型叶片及马格努斯转子，该马格努斯转子由动力源驱动而自转并产生马格努斯升力且马格努斯转子经由连接组件连接于主轴体，因而使得主轴体旋转并进而使升力型叶片旋转，由于马格努斯转子的截面积较传统阻力型叶片为小，对垂直轴流体能量转换装置内的流场影响较小，使得升力型叶片的性能较佳，而整体装置效率亦较佳，此外本发明的马格努斯转子使垂直轴流体能量转换装置能够自行启动，且本发明使用的动力源仅需驱动马格努斯转子自转，不须推动整个装置，故具有成本较低且耗能较少的优势。

Description

垂直轴流体能量转换装置
技术领域
本发明涉及一种垂直轴流体能量转换装置，尤其涉及一种具有马格努斯转子以利用马格努斯效应驱动主轴体旋转，进而带动升力型叶片旋转，以将流体动能转换成机械能的垂直轴流体能量转换装置。
背景技术
为了地球环境的永续发展，开发对环境友善的绿色能源已成为趋势，而各界在绿色能源方面投入了相当大的资金与人力，其中流体动力的发电装置，例如风力发电及洋流发电等，由于具备取之不尽、不会产生二氧化碳等优点，使得利用流体动力的能量转换装置一直为各界努力发展的方向。
其中以风力发电为例，发电装置依叶片旋转轴转动的方向可分为水平轴与垂直轴两种，其中由于水平轴发电装置其叶片必须面对迎向风力的方向，故不适合设置于风向易变化的环境，且因发电机位于高处机舱内，具有维护较困难、重心高、结构弱以及成本较高的问题。至于垂直轴风力发电装置由于不需面对风向的装置，故适合设置于风向易变化的环境，且因发电机位于底部而具有重心低、结构稳固、维护容易及成本低的优势。
垂直轴流体能量转换装置依运作原理可分为阻力型叶片与升力型叶片两种类型，阻力型叶片可以在流动的流体中自行启动但效率较差，而升力型叶片则刚好相反，效率较高但难以自行启动，因此，常见将升力型叶片搭配阻力型叶片一起使用，请参阅图1，图1为第一种传统垂直轴流体能量转换装置的立体结构示意图，第一种传统垂直轴流体能量转换装置1’包含达里厄(Darrieus)升力型叶片2’及萨沃纽斯(Savonius)阻力型叶片3’，其中达里厄升力型叶片2’位于流体能量转换装置1’的外侧，此外，萨沃纽斯阻力型叶片3’设置于传统流体能量转换装置1’的中央转轴4’上而位于流体能量转换装置1’的内侧，其中萨沃纽斯阻力型叶片3’为两个半圆形的筒状构造，其横截面如图2所示，而利用萨沃纽斯阻力型叶片3’，可带动达里厄升力型叶片2’启动而转动。此外，请参阅图3，图3为第二种传统垂直轴流体能量转换装置的立体结构示意图，第二种传统流体能量转换装置5’包含直线翼升力型叶片6’及萨沃纽斯阻力型叶片3’，其中直线翼升力型叶片6’位于流体能量转换装置5’的外侧，萨沃纽斯阻力型叶片3’设置于传统流体能量转换装置5’的中央转轴4’上而位于流体能量转换装置5’的内侧，其中利用萨沃纽斯阻力型叶片3’，可带动直线翼升力型叶片6’启动而转动。上述两种垂直轴流体能量转换装置皆利用设置萨沃纽斯阻力型叶片，以克服升力型叶片难以自行启动的问题。
请参阅图4，其为典型的垂直轴流体能量转换装置的升力型叶片的叶尖速比与效率的波形图。如图所示，横轴为升力型叶片的叶尖速比(tip speed ratio,TSR)，叶尖速比的定义为叶片尖端速度(线速度而非角速度)与流体流速的比值，而纵轴为升力型叶片的效率，根据贝兹定理可知，流体能量转换的最高理论效率约为0.59，而如图4所示，采用升力型叶片的垂直轴能量转换装置实际最高效率在叶尖速比约为4.5时可达到0.45。然而，当叶尖速比小于2以下时，升力型叶片效率为0，表示输出功率为0，由于功率等于扭力乘以转速，因此垂直轴流体能量转换装置没有扭力输出，因此无法自行启动，必须借助额外的启动装置。而前述萨沃纽斯阻力型叶片3’的最佳理论效率约在叶尖速比为1时，故为了使升力型叶片与阻力型叶片同时达到最高效率，因此实际应用时通常将萨沃纽斯阻力型叶片3’的回转半径设计为升力型叶片的1/4左右，如图1及图3所示，因为在相同的主轴转速下，叶片尖端的速度与半径成正比，因此升力型叶片的速度会比阻力型叶片的速度快四倍，以期阻力型叶片与升力型叶片可以同时达到最佳效率。
然而当萨沃纽斯阻力型叶片3’的回转半径设计为较小，例如前述1/4的比例，则产生的扭力不足，仍无法在极低的流体流速下自行启动，因此传统方式是增加阻力型叶片半径或高度，以增大截面积使扭力增加，但也会造成该能量转换装置内的流场更加混乱而影响升力型叶片的性能，使该能量转换装置整体的效率下降，因此，以萨沃纽斯阻力型叶片3’作为启动装置，很难兼顾启动性与高效率的目的。此外，当流体流速过快时，萨沃纽斯阻力型叶片3’产生的大扭力反而会使该能量转换装置易于超速而发生危险。
近年来，也有将升力型叶片加上可变螺距的设计，使叶片可依据流体流动的方向改变角度以自行启动，但这样会因为活动零件增加而使得结构更为复杂而脆弱并且昂贵。另外，直接在中央转轴处装设启动马达来提升转速，虽然是一个解决自行启动的方法，但因中央转轴连接整个能量转换装置，惯量不轻，马达仍需搭配减速装置才具有足够的扭力，且需要使用变频器与离合器，除了增加成本外也造成额外的耗能，因此，垂直轴能量转换装置长久以来未见有普遍的成功应用。
因此，实有必要发展一种垂直轴流体能量转换装置，以解决现有技术所面临的前述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种垂直轴流体能量转换装置，可达成自行启动、效率较佳、成本及耗能较低的优势。
为达上述目的，本发明的一较广实施方式为提供一种垂直轴流体能量转换装置，将流体的动能转换成机械能，且包含至少一升力型叶片、主轴体、至少一马格努斯转子以及连接组件。主轴体具有第一轴心，主轴体可以第一轴心为轴而旋转。每一马格努斯转子包含动力源及第二轴心，每一动力源选择性驱动对应的马格努斯转子以对应的第二轴心为轴自转。连接组件用以连接主轴体及对应的马格努斯转子，使得每一马格努斯转子在自转时产生马格努斯效应的升力，通过连接组件为力臂而形成扭力，且每一马格努斯转子位于迎向流体流动方向的第一面或背对流体流动方向的第二面时，驱动马格努斯转子的自转方向相反，以施以主轴体相同旋转方向的扭力，进而带动主轴体以第一轴心为轴而旋转，同时每一马格努斯转子则以第一轴心为轴进行公转，且连接组件更用以连接主轴体及对应的升力型叶片，使得每一升力型叶片于主轴体通过马格努斯转子的带动而旋转时一起被带动以第一轴心为轴进行旋转，当升力型叶片旋转的速度超过一速度阈值时，升力型叶片的效率提升，使升力型叶片产生的扭力超过流体的阻力与主轴体的摩擦力，便能带动主轴体以第一轴心为轴持续旋转，其中马格努斯转子以第一轴心为轴进行公转的半径小于升力型叶片以第一轴心为轴进行旋转的半径，且马格努斯转子与升力型叶片的数量可以不同。
本发明的有益效果在于，本发明的垂直轴流体能量转换装置包含至少一升力型叶片及至少一马格努斯转子，其中由于马格努斯转子的自转产生马格努斯升力且马格努斯转子经由连接组件连接于主轴体，使得垂直轴流体能量转换装置利用马格努斯转子的马格努斯升力以达成启动升力型叶片的效果。此外，由于本发明的马格努斯转子通过动力源以驱动进行自转，通过提升马格努斯转子的自转速度就可获得所需的升力，因此马格努斯转子的直径可设计为较小，相较于传统萨沃纽斯阻力型叶片，本发明的马格努斯转子的截面积较小，因此对垂直轴流体能量转换装置内的流场影响较小，使得本发明的升力型叶片的性能较佳，所以垂直轴流体能量转换装置的整体效率亦较佳。
附图说明
图1为第一种传统垂直轴流体能量转换装置的立体结构示意图。
图2为图1所示的传统垂直轴流体能量转换装置的萨沃纽斯阻力型叶片的截面示意图。
图3为第二种传统垂直轴流体能量转换装置的立体结构示意图。
图4为典型的垂直轴流体能量转换装置的升力型叶片的叶尖速比与效率的波形图。
图5A为本发明第一实施例的垂直轴流体能量转换装置的立体结构示意图。
图5B为图5A所示的垂直轴流体能量转换装置的俯视图。
图6为图5A所示的垂直轴流体能量转换装置的马格努斯转子的运作示意图。
图7为图5A所示的垂直轴流体能量转换装置的电路方块示意图。
图8为图5A所示的垂直轴流体能量转换装置的主轴体及多个马格努斯转子的XY平面定义图。
图9为图5A所示的垂直轴流体能量转换装置的每一马格努斯转子的驱动信号的速度波形图。
图10为图5A所示的垂直轴流体能量转换装置的升力型叶片的叶尖速比与效率的波形图。
图11为图5A所示的垂直轴流体能量转换装置的控制单元的内部控制的部分方块示意图。
图12A为本发明第二实施例的垂直轴流体能量转换装置的立体结构示意图。
图12B为图12A所示的垂直轴流体能量转换装置的俯视图。
图13A为本发明第三实施例的垂直轴流体能量转换装置的立体结构示意图。
图13B为图13A所示的垂直轴流体能量转换装置的俯视图。
图14为本发明第四实施例的垂直轴流体能量转换装置的俯视图。
图15为本发明第五实施例的垂直轴流体能量转换装置的升力型叶片的立体结构示意图。
图16A为本发明第六实施例的垂直轴流体能量转换装置的立体结构示意图。
图16B为图16A所示的垂直轴流体能量转换装置的俯视图。
图17A为本发明第七实施例的垂直轴流体能量转换装置的立体结构示意图。
图17B为图17A所示的垂直轴流体能量转换装置的部分结构剖面图。
图17C为图17A所示的垂直轴流体能量转换装置的另一实施例的部分结构剖面图。
附图标记如下：
1’、5’：传统流体能量转换装置
2’：达里厄升力型叶片
3’：萨沃纽斯阻力型叶片
4’：中央转轴
6’：直线翼升力型叶片
1、1a、1b、1c、1d、1e：垂直轴流体能量转换装置
W：流体
2：主轴体
21：第一轴心
3：升力型叶片
4：马格努斯转子
41：动力源
42：第二轴心
43：端板
5：连接组件
51：第一连接部
52：第二连接部
V1：角速度
V2：流体速度
F：升力
61：流体检测单元
62：主轴体检测单元
63：控制单元
64：驱动电路
P1：第一检测信号
P2：第二检测信号
V：驱动信号
S1：第一叶尖速比
S2：第二叶尖速比
S3：第三叶尖速比
Emax：最大值
E0：设定值
th1：第一阈值
th2：第二阈值
161：微分器
162：减法器
163：第一控制器
164：第二控制器
K1：实际转速信号
K2：目标转速命令
K3：主轴体转速误差信号
K4：波形振幅信号
22：本体
23：套筒
24：第一轴承
25：第二轴承
26：离合器
261：第一侧
262：第二侧
8：固定座
81：圆形通孔
9：基座
具体实施方式
体现本发明特征与优点的一些典型实施例将在后段的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的方式上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及图示在本质上当作说明之用，而非架构于限制本发明。
请参阅图5A、图5B及图6，其中图5A为本发明第一实施例的垂直轴流体能量转换装置的立体结构示意图，图5B为图5A所示的垂直轴流体能量转换装置的俯视图，图6为图5A所示的垂直轴流体能量转换装置的马格努斯转子的运作示意图。如图所示，本发明的垂直轴流体能量转换装置1置于流体W中，例如风力或水流时，可将流体W的动能转换成主轴体2的机械能以带动负载，若用于带动发电机便可进行发电，垂直轴流体能量转换装置1包含主轴体2、至少一升力型叶片3、至少一马格努斯转子4及连接组件5。
主轴体2具有第一轴心21，第一轴心21由贯穿主轴体2的顶端中点及主轴体2的底端中点的轴线所构成，主轴体2可以第一轴心21为轴而旋转。于本实施例中，升力型叶片3的数量为两个，且弯曲的升力型叶片3构成形似打蛋器的结构，故又称为打蛋型叶片，两个升力型叶片3相间隔且平均地环绕主轴体2设置，而马格努斯转子4的数量为三个，三个马格努斯转子4相间隔且平均地环绕主轴体2设置，如图5B所示，然而不以此为限。而每一马格努斯转子4包含动力源41及第二轴心42。第二轴心42由贯穿马格努斯转子4的顶端中点及马格努斯转子4的底端中点的轴线所构成。动力源41可为但不限为马达或引擎，且每一动力源41选择性驱动对应的马格努斯转子4以对应的第二轴心42为轴自转。而当马格努斯转子4位于流动的流体W中，马格努斯转子4可通过自身的旋转以产生马格努斯效应的升力，如图6所示，其以其中一个马格努斯转子4作为示例，其中马格努斯转子4为一圆柱构造，且可自转，例如以顺时针方向自转，且角速度为V1，而相对于流体W的速度为V2，因此马格努斯转子4依据马格努斯效应产生升力F，而升力F的大小与马格努斯转子4的角速度V1及相对于流体速度V2成正比，且方向垂直马格努斯转子4相对于流体W的速度V2的方向，当马格努斯转子4的自转方向改为逆时针方向，所产生的升力F的方向也会相反。
于本实施例中，连接组件5包含多个第一连接部51及多个第二连接部52。每一第一连接部51用以连接主轴体2及对应的马格努斯转子4的顶部，或用以连接主轴体2及对应的马格努斯转子4的底部，当每一马格努斯转子4在自转时产生的马格努斯效应的升力，与第一连接部51形成的力臂作用而产生扭力，使得主轴体2以第一轴心21为轴进行旋转。每一第二连接部52固定于主轴体2上，并用以连接主轴体2及对应的升力型叶片3，使得每一升力型叶片3于主轴体2通过马格努斯转子4的带动而旋转时一起被带动以主轴体2的第一轴心21为轴进行旋转，当升力型叶片3旋转的速度超过一速度阈值时，例如在叶尖速比为2.5时，升力型叶片3的效率提升，使升力型叶片3产生的扭力超过流体W的阻力与主轴体2的摩擦力，此时即使动力源41关闭，使马格努斯转子4停止自转，每一升力型叶片3所产生的扭力，仍足以让主轴体2旋转的转速继续提升，以风力发电为例，此时主轴体2便可以带动发电机开始进行发电。
由上可知，本发明的垂直轴流体能量转换装置1包含至少一升力型叶片3及至少一马格努斯转子4，其中由于马格努斯转子4的自转产生马格努斯升力且马格努斯转子4经由连接组件5连接于主轴体2，使得垂直轴流体能量转换装置1利用马格努斯转子4的马格努斯升力以达成启动升力型叶片3的效果。此外，由于本发明的马格努斯转子4通过动力源41以驱动进行自转，通过提升马格努斯转子4的自转速度就可获得所需的升力，因此马格努斯转子4的直径可以设计得较小，相较于传统萨沃纽斯阻力型叶片，本发明的马格努斯转子4的截面积较小，因此对垂直轴流体能量转换装置1内的流场影响较小，使得本发明的升力型叶片3的性能较佳，故垂直轴流体能量转换装置1的整体效率亦较佳。
请参阅图7、图8及图9并配合图5A、图5B及图6，其中图7为图5A所示的垂直轴流体能量转换装置的电路方块示意图，图8为图5A所示的垂直轴流体能量转换装置的主轴体及多个马格努斯转子的XY平面定义图，图9为图5A所示的垂直轴流体能量转换装置的每一马格努斯转子的驱动信号的速度波形图。如图所示，本发明的垂直轴流体能量转换装置1还包含流体检测单元61、主轴体检测单元62、控制单元63及至少一驱动电路64。流体检测单元61用以检测流体W的流速及流向，以输出第一检测信号P1。主轴体检测单元62用以检测主轴体2沿第一轴心21旋转的转动角度，以输出第二检测信号P2。控制单元63与流体检测单元61及主轴体检测单元62相连接，以接收第一检测信号P1及第二检测信号P2，控制单元63利用流体W流动的方向及主轴体2沿第一轴心21旋转的角度计算出角度差值，并由角度差值计算出每一马格努斯转子4与流体W流动的方向的夹角，进而得出对应的驱动信号V，经由对应的驱动电路64以输出至对应的动力源41，以驱动对应的马格努斯转子4自转。
根据图8，主轴体2垂直于XY平面的原点O处，且定义X轴的方向朝向流体W的来向，因此，本发明的垂直轴流体能量转换装置1存在迎向流体W流动的方向的第一面(例如为图8中Y轴右侧)及背对流体W流动的方向的第二面(例如为图8中Y轴左侧)。而且迎向流体W流动的方向的第一面与背对流体W流动的方向的第二面的马格努斯转子4的自转方向必须相反，才能使每一马格努斯转子4对主轴体2施以同方向的扭矩。因此，以其中任一马格努斯转子4为例，图9中所规划的速度波形中，在马格努斯转子4与流体W流动方向的夹角位于0度到90度与270度到360度时的转向为第一转向，在该夹角位于90度到270度时的转向为第二转向。所以马格努斯转子4在以第一轴心21为轴而公转时，其自转方向会不停变换，而为了使马格努斯转子4的加减速平缓以避免震动，故本实施例将每一马格努斯转子4的速度规划为弦波，请参阅图9，但并非限制于此，亦可为三角波、梯形波、方波或其他任何可变换方向的波形。
控制单元63通过每一驱动信号V控制处于第一面的对应的马格努斯转子4的动力源41，使处在第一面的所有马格努斯转子4朝一第一转向自转并且依据各马格努斯转子4进行公转的旋转角度与流体W流动的方向间的角度差值而动态地调整其自转转速。此外，控制单元63亦通过每一驱动信号V控制处于第二面的对应的马格努斯转子4的动力源41，使处在第二面的所有马格努斯转子4朝相反于该第一转向的一第二转向自转并且依据各马格努斯转子4进行公转的旋转角度与流体W流动的方向间的角度差值而动态调整其自转转速。通过控制每一马格努斯转子4的自转以获得马格努斯升力，并以第一连接部51为力臂，造成推动主轴体2旋转的扭矩，以带动主轴体2朝向第一转向旋转。
于一些实施例中，控制单元63根据第一检测信号P1取得流体W的流速，且根据第二检测信号P2得到主轴体2旋转的角速度，其中由于升力型叶片3利用第二连接部52连接于主轴体2而以主轴体2的第一轴心21为轴进行旋转，因此将主轴体2的旋转角速度乘以升力型叶片3的旋转半径，就可以得到升力型叶片3的线速度，再除以第一检测信号P1的流体W的流速就可以取得升力型叶片3的线速度与流体W的流速之间的比值(即升力型叶片3的叶尖速比)，公式如下，
叶尖速比＝叶片的线速度/流体的流速＝(叶片的角速度×叶片的旋转半径)/流体的流速……(1)，且上述第(1)式经整理，即可得到叶片的角速度(rad/sec)的计算公式如下，
叶片的角速度＝(叶尖速比×流体的流速)/叶片的旋转半径……(2)，而上述第(1)式及第(2)式中的叶片同时适用于升力型叶片3与马格努斯转子4。
由于垂直轴流体能量转换装置1的工作效率与升力型叶片3的叶尖速比关系密切，以风力发电而言，风场中的风速随时都在变化，即使主轴体2的转速不变，升力型叶片3的叶尖速比也随时在波动，使得工作效率不佳，因此必须控制升力型叶片3的叶尖速比以维持较佳的工作效率，请参阅图10并配合图5A至图9，其中图10为图5A所示的垂直轴流体能量转换装置的升力型叶片的叶尖速比与效率的波形图。如图所示，横轴表示升力型叶片3的线速度与流体W的流速之间的比值(即升力型叶片3的叶尖速比)，纵轴表示垂直轴能量转换装置1的效率，由图上可看出，当升力型叶片3的叶尖速比小于或等于第一叶尖速比S1时，该效率为0，而当升力型叶片3的叶尖速比增加至第二叶尖速比S2时，则垂直轴流体能量转换装置1的效率为最大值Emax，而当升力型叶片3的叶尖速比增加至第三叶尖速比S3时，垂直轴流体能量转换装置1的效率又降低为0。而达到效率最大值Emax时，对应的第二叶尖速比S2其数值主要受该升力型叶片3的弦周比(Solidity)影响，通常数值为4至5之间，本领域技术人员可轻易由实验得到，故于此不再赘述。
因此，垂直轴流体能量转换装置1更可利用控制马格努斯转子4的自转速度与自转方向而控制升力型叶片3的旋转速度，从而改变升力型叶片3的叶尖速比使垂直轴流体能量转换装置1的工作效率保持最佳，使用者可依据需求而制订升力型叶片3的目标叶尖速比操作于第一阈值th1及第二阈值th2之间，其中第一阈值th1小于第二叶尖速比S2，且第二叶尖速比S2小于第二阈值th2，使工作效率维持在设定值E0及最大值Emax之间。例如，当升力型叶片3的叶尖速比在第一阈值th1及第二阈值th2之间时，工作效率已满足需求，此时可关闭动力源41，使马格努斯转子4停止自转，以节省耗能。然而，当升力型叶片3的叶尖速比小于第一阈值th1(即对应于升力型叶片3的效率小于设定值E0)时，输出对应的驱动信号V驱动马格努斯转子4的动力源41的运作，使得马格努斯转子4产生与升力型叶片3的旋转方向相同的扭矩，因此升力型叶片3的旋转速度增加，使升力型叶片3的叶尖速比亦增加，再回到第一阈值th1与第二阈值th2之间，使效率维持于设定值E0及最大值Emax之间。此外，当升力型叶片3的叶尖速比大于第二阈值th2(即对应于升力型叶片3的效率小于设定值E0)时，通常不必驱动马格努斯转子4自转来降低叶尖速比，因为，只要负载的扭矩特性搭配得宜，当叶尖速比过高时，负载(例如发电机)本身的扭矩大于主轴体2所输出的扭矩，因此，自然会使主轴体2的转速降低，使升力型叶片3的叶尖速比回到第一阈值th1与第二阈值th2之间。然而，当流体W的流速过快而使主轴体2的转速超过负载的额定转速时，为了避免负载烧毁而发生危险，可输出对应的驱动信号V驱动马格努斯转子4的动力源41的运作，使得马格努斯转子4产生与升力型叶片3的旋转方向相反的扭矩，使主轴体2的旋转速度降低，避免超过负载的额定转速而发生危险。因此，本发明的垂直轴流体能量转换装置1可在更高的流体速度下安全运作，而不必立即启动煞车以停止运作，因此可以提高垂直轴流体能量转换装置1的设备使用率。
于一些实施例中，控制单元63于主轴体2沿第一轴心21旋转的实际转速小于目标转速时控制每一马格努斯转子4的自转速度的振幅增大，控制单元63于主轴体2沿第一轴心21旋转的实际转速等于目标转速时控制每一马格努斯转子4的自转速度的振幅维持不变，控制单元63于主轴体2沿第一轴心21旋转的实际转速大于目标转速时控制每一马格努斯转子4的自转速度的振幅减小，以控制主轴体2的实际转速追随目标转速，实施方式说明如后。
请参阅图11，其为图5A所示的垂直轴流体能量转换装置的控制单元的内部控制的部分方块示意图。如图所示，控制单元63包含微分器161、减法器162、第一控制器163以及第二控制器164。微分器161与主轴体检测单元62相连接，用以接收第二检测信号P2，并将检测主轴体2沿第一轴心21自转的角度的第二检测信号P2进行微分，而取得主轴体2实际旋转的速度，得到并输出主轴体2的实际转速信号K1。减法器162与微分器161相连接，用以接收实际转速信号K1，且减法器162用以将目标转速命令K2减去实际转速信号K1，以得到主轴体2的转速误差信号K3，其中目标转速命令K2可采用升力型叶片3于最佳效率时对应的第二叶尖速比S2带入第(2)式而计算得出，且目标转速命令K2不可超过主轴体2与负载所能承受的最高转速。
第一控制器163与减法器162相连接，用以接收主轴体转速误差信号K3，第一控制器163根据主轴体转速误差信号K3，利用PID演算法则输出波形振幅信号K4，但不仅限于利用PID演算法则进行计算。第二控制器164与第一控制器163相连接，用以接收波形振幅信号K4，于本实施例中，第二控制器164将该振幅信号K4乘以一余弦函数以作为对应马格努斯转子4的驱动信号V，如图9所示的速度波形图可以一函数K4·COS(θ+Δ)表示，其中θ为每一马格努斯转子4与流体W流动的方向的夹角，Δ为一角度补偿值，由于马格努斯转子4除了受到升力作用外，也受到阻力的作用，故在实务上，规划动力源41的驱动信号V时，可利用角度补偿值Δ调整图9所示的速度波形图的相位，使得整体垂直轴流体能量转换装置1的效能提升，其中角度补偿值Δ可由实验所得到为实际转速信号K1的函数，而若不使用角度补偿，则将角度补偿值Δ带入0即可。
请参阅图12A及图12B，其中图12A为本发明第二实施例的垂直轴流体能量转换装置的立体结构示意图，图12B为图12A所示的垂直轴流体能量转换装置的俯视图。如图所示，本实施例的垂直轴流体能量转换装置1a包含主轴体2、至少一升力型叶片3、至少一马格努斯转子4及连接组件5，其中垂直轴流体能量转换装置1a的主轴体2、至少一升力型叶片3、至少一马格努斯转子4及连接组件5分别与图5A所示的垂直轴流体能量转换装置1的主轴体2、至少一升力型叶片3、至少一马格努斯转子4及连接组件5相似，且相似的元件标号代表相似的元件结构、作动与功能，故于此不再赘述。而相较于图5A的升力型叶片3为打蛋型，本实施例的升力型叶片3为直线翼型，此外，本实施例的马格努斯转子4的数量为两个，且每一马格努斯转子4的两端可分别具有圆形薄板构成的端板43，且端板43的直径大于对应的马格努斯转子4的直径，此外，马格努斯转子4的圆柱表面，可具有块状或长条状的凸起(未附图)，用以增强马格努斯效应，且本实施例的连接组件5并不限为图12A所示的杆状结构，通常采用流线型翼型(如NACA0012的外形)以减少阻力，而每一第二连接部52用以连接主轴体2及对应的升力型叶片3。此外，每一第二连接部52与相邻的第一连接部51并不限设置于主轴体2的同一平面上，且每一第二连接部52与相邻的第一连接部51的夹角可为但不限为90度。
升力型叶片3的施作，可采用常见的NACA0018或NACA2412翼形，其具有很高的升阻比(20倍以上)，所以能够在4倍以上的叶尖速比下运转，如图4所示，然而，众所周知的马格努斯转子4的升阻比通常运作在3倍附近，而远低于升力型叶片3的升阻比，所以，马格努斯转子4必须在比升力型叶片3低的叶尖速比下运转，否则会产生极大的阻力使效率不佳。由于马格努斯转子4与升力型叶片3旋转的角速度相同，根据第(1)式可知，任意叶片(包含升力型叶片3与马格努斯转子4)的叶尖速比与该叶片的旋转半径成正比，因此，马格努斯转子4以第一轴心21为轴公转的半径必须小于升力型叶片3以第一轴心21为轴旋转的半径，通常马格努斯转子4以第一轴心21为轴公转的半径为小于1/2倍升力型叶片3以第一轴心21为轴旋转的半径，使每一马格努斯转子4与相邻的升力型叶片3之间的距离大于该马格努斯转子4与主轴体2之间的距离，使每一马格努斯转子4尽量远离相邻的升力型叶片3，以免影响升力型叶片3附近的流场，以便每一升力型叶片3的性能可充分发挥，而提升整体的效能，且为了减少马格努斯转子4的阻力，每一马格努斯转子4的高度(沿着第一轴心21的方向的长度)宜小于升力型叶片3的高度，以减少马格努斯转子4的截面积，如此更有助于效能提升。
请参阅图13A及图13B，其中图13A为本发明第三实施例的垂直轴流体能量转换装置的立体结构示意图，图13B为图13A所示的垂直轴流体能量转换装置的俯视图。如图所示，本实施例的垂直轴流体能量转换装置1b包含主轴体2、至少一升力型叶片3、至少一马格努斯转子4及连接组件5，其中垂直轴流体能量转换装置1b的主轴体2、至少一升力型叶片3、至少一马格努斯转子4及连接组件5分别与图5A所示的垂直轴流体能量转换装置1的主轴体2、至少一升力型叶片3、至少一马格努斯转子4及连接组件5相似，且相似的元件标号代表相似的元件结构、作动与功能，故于此不再赘述。而相较于图5A的升力型叶片3为打蛋型，本实施例的升力型叶片3为直线翼型，此外，本实施例的连接组件5仅包含两个第一连接部51，且每一第一连接部51的两端分别连接升力型叶片3及主轴体2，而每一马格努斯转子4连接于对应的第一连接部51的中段，使每一马格努斯转子4位于对应的升力型叶片3及主轴体2之间，且每一马格努斯转子4与相邻的升力型叶片3之间的距离大于该马格努斯转子4的圆柱的直径，以避免影响该升力型叶片3的性能。
请参阅图14，其中图14为本发明第四实施例的垂直轴流体能量转换装置的俯视图。如图所示，本实施例的垂直轴流体能量转换装置1c包含主轴体2、至少一升力型叶片3、至少一马格努斯转子4及连接组件5，其中垂直轴流体能量转换装置1c的主轴体2、至少一升力型叶片3、至少一马格努斯转子4及连接组件5分别与图5A所示的垂直轴流体能量转换装置1的主轴体2、至少一升力型叶片3、至少一马格努斯转子4及连接组件5相似，且相似的元件标号代表相似的元件结构、作动与功能，故于此不再赘述。而相较于图5A的升力型叶片3为打蛋型，本实施例的升力型叶片3为直线翼型，亦可为螺旋翼型叶片，如图15所示，且升力型叶片3的数量及马格努斯转子4的数量皆为三个。而第二连接部52为杆状结构，且连接于主轴体2及对应的升力型叶片3之间，而每一第二连接部52与相邻的第一连接部51之间的夹角为60度，然并不以此为限。
请参阅图16A及图16B，其中图16A为本发明第六实施例的垂直轴流体能量转换装置的立体结构示意图，图16B为图16A所示的垂直轴流体能量转换装置的俯视图。如图所示，本实施例的垂直轴流体能量转换装置1d包含主轴体2、至少一升力型叶片3、至少一马格努斯转子4及连接组件5，其中垂直轴流体能量转换装置1d的主轴体2、至少一升力型叶片3、至少一马格努斯转子4及连接组件5分别与图5A所示的垂直轴流体能量转换装置1的主轴体2、至少一升力型叶片3、至少一马格努斯转子4及连接组件5相似，且相似的元件标号代表相似的元件结构、作动与功能，故于此不再赘述。而相较于图5A的升力型叶片3为打蛋型，本实施例的升力型叶片3为直线翼型，且升力型叶片3的数量及马格努斯转子4的数量皆为一个，此外，本实施例的第一连接部51的数量为一个，且第二连接部52的数量也为一个且为杆状结构，连接于主轴体2及升力型叶片3之间。
请参阅图17A及图17B，其中图17A为本发明第七实施例的垂直轴流体能量转换装置的立体结构示意图，图17B为第17A所示的垂直轴流体能量转换装置的部分结构剖面图。如图所示，本实施例的垂直轴流体能量转换装置1e包含主轴体2、至少一升力型叶片3、至少一马格努斯转子4及连接组件5，其中垂直轴流体能量转换装置1e的主轴体2、至少一升力型叶片3、至少一马格努斯转子4及连接组件5分别与图5A所示的垂直轴流体能量转换装置1的主轴体2、至少一升力型叶片3、至少一马格努斯转子4及连接组件5相似，且相似的元件标号代表相似的元件结构、作动与功能，故于此不再赘述。而相较于图5A所示的主轴体2，本实施例的主轴体2还包含本体22、套筒23及第一轴承24。主轴体2的第一轴心21由贯穿本体22的顶端中点及本体22的底端中点的轴线所构成，本体22可以第一轴心21为轴旋转。套筒23为中空的管状构造，且套筒23的内径大于本体22的外径，使得套筒23可套设于本体22的外侧。第一轴承24设置于本体22及套筒23之间，而套筒23及本体22通过第一轴承24而形成一同心结构，使得套筒23及本体22可分别独立地以第一轴心21为轴旋转，其中套筒23及本体22的转速可为不同。
此外，于本实施例中，主轴体2还包含离合器26，用以控制套筒23及本体22的啮合与脱离，离合器26可以是双方向作用或单方向作用，且离合器26包含第一侧261及第二侧262，离合器26的第一侧261用以固定于本体22，离合器26的第二侧262用以固定于套筒23。本实施例的马格努斯转子4的数量与升力型叶片3的数量皆为两个，然而并不受限于此，每一马格努斯转子4经由对应的第一连接部51而连接于套筒23，每一升力型叶片3经由对应的第二连接部52而连接于本体22上，此外，第一连接部51及第二连接部52设置于第一轴心21上的高度不同，因此连接于第一连接部51的马格努斯转子4及连接于第二连接部52的升力型叶片3可以分别独立地以第一轴心21为轴旋转，而避免马格努斯转子4与升力型叶片3产生碰撞。
当欲使升力型叶片3启动旋转时，可驱动动力源41使马格努斯转子4自转而产生马格努斯升力，并通过第一连接部51形成的力臂而产生扭力，使得套筒23以第一轴心21为轴而旋转，此时，控制离合器26为啮合状态，因此套筒23也会连带使本体22以第一轴心21而旋转，再经由第二连接部52便会带动升力型叶片3以第一轴心21为轴而旋转。而当升力型叶片3旋转的速度超过一速度阈值时，升力型叶片3便可产生足够的扭力使本体22持续旋转，不必靠马格努斯转子4提供的扭力，因此可以令马格努斯转子4停止自转以节省能源，并将离合器26脱离，使得套筒23不受任何扭力推动而停止旋转，由于本体22与套筒23脱离，升力型叶片3产生的扭力可以完全用于推动本体22旋转，不受马格努斯转子4的阻力拖累，因而使本装置的效率更为提高。因此本实施例中用以连接套筒23与马格努斯转子4的第一连接部51的长度可以设计的较长，使得启动时的扭力更大，以减少启动升力型叶片3所需的时间，当顺利启动后，将离合器26脱离，马格努斯转子4与第一连接部51产生的阻力便不会拖累本体22旋转，此外，当流体W的流速过快使得本体22的转速超过限制而发生危险时，仅需将离合器26啮合，马格努斯转子4与第一连接部51所产生的阻力，便足以使本体22减速停止，因此增加了一层安全机制并可大幅减少煞车的磨耗。
此外，于本实施例中，垂直轴流体能量转换装置1e安装于一基座9上，其中基座9可为固定面或塔架，且垂直轴流体能量转换装置1e还包含固定座8，固定座8固定于基座9上，且包含圆形通孔81，主轴体2的本体22穿设于圆形通孔81，且经由多个第二轴承25与固定座8相接触，使得本体22通过固定座8而支撑于基座9上，并以第一轴心21为轴而旋转。
而于一些实施例中，如图17C所示，固定座8为中空的管状构造，且固定座8的内径大于本体22的外径，且固定座8的外径小于套筒23的内径，因此固定座8得以穿设于本体22与套筒23之间。而固定座8以多个第一轴承24与套筒23相接触，且固定座8以多个第二轴承25与主轴体2的本体22相接触。因此，主轴体2的本体22与套筒23皆受到固定座8的支撑并可独立以第一轴心21为轴而旋转。如此使得离合器26脱离时，本体22除了不需推动套筒23旋转外，也不需承受套筒23与马格努斯转子4的重量，因为套筒23是通过多个第一轴承24由固定座8所支撑的，因此主轴体2的本体22所承受的重量较轻而摩擦力较小，使得效率得以增加。
综上所述，本发明的垂直轴流体能量转换装置包含至少一升力型叶片及至少一马格努斯转子，其中由于马格努斯转子的自转产生马格努斯升力且马格努斯转子经由连接组件连接于主轴体，使得垂直轴流体能量转换装置利用马格努斯转子的马格努斯升力以达成启动升力型叶片的效果。此外，由于本发明的马格努斯转子通过动力源以驱动进行自转，通过提升马格努斯转子的自转速度就可获得所需的升力，因此马格努斯转子的直径可设计为较小，相较于传统萨沃纽斯阻力型叶片，本发明的马格努斯转子的截面积较小，因此对垂直轴流体能量转换装置内的流场影响较小，使得本发明的升力型叶片的性能较佳，所以垂直轴流体能量转换装置的整体效率亦较佳。再者，本发明的升力型叶片不需做可变螺距的设计，即可利用马格努斯转子产生的升力使垂直轴流体能量转换装置自行启动，因此减少了活动的零件，故结构较为稳固，且相较传统直接设置动力源连接主轴体以提升转速，本发明仅需利用动力源驱动马格努斯转子自转，而不需驱动较为笨重的主轴体转动，因此所需的动力源功率较小，故本发明的垂直轴流体能量转换装置还具有成本较低且耗能较少的优势。

Claims (10)

1.一种垂直轴流体能量转换装置，将一流体的动能转换成机械能，且包含：
至少一升力型叶片；
一主轴体，具有一第一轴心，该主轴体可以该第一轴心为轴而旋转；
至少一马格努斯转子，每一该马格努斯转子包含一动力源及一第二轴心，每一该动力源选择性驱动对应的该马格努斯转子以对应的该第二轴心为轴自转；
一连接组件，用以连接该主轴体及对应的该马格努斯转子，使得每一该马格努斯转子在自转时产生马格努斯效应的升力，通过该连接组件为力臂而形成扭力，进而带动该主轴体以该第一轴心为轴而旋转，同时每一马格努斯转子则以第一轴心为轴进行公转，且该连接组件更用以连接该主轴体及对应的该升力型叶片，使得每一该升力型叶片于该主轴体通过该马格努斯转子的带动而旋转时一起被带动以该第一轴心为轴进行旋转，当该升力型叶片旋转的速度超过一速度阈值时，该升力型叶片的效率提升，使该升力型叶片产生的扭力超过该流体的阻力与该主轴体的摩擦力，便能带动该主轴体以该第一轴心为轴而旋转，其中该马格努斯转子以该第一轴心为轴进行公转的一公转半径小于该升力型叶片以该第一轴心为轴进行旋转的一旋转半径。
2.如权利要求1所述的垂直轴流体能量转换装置，其中该垂直轴流体能量转换装置包含：
一流体检测单元，用以检测该流体的一流速与一流向，以输出一第一检测信号；
一主轴体检测单元，用以检测该主轴体以该第一轴心为轴旋转的一转动角度，以输出一第二检测信号；以及
一控制单元，用以接收该第一检测信号及该第二检测信号，利用该流体的该流向及该主轴体以该第一轴心为轴旋转的该转动角度而计算出一角度差值，并由该角度差值计算出每一该马格努斯转子与该流体的该流向的一夹角，进而得出对应的该动力源的一驱动信号，经由对应的一驱动电路以输出至对应的该动力源，以驱动对应的该马格努斯转子自转。
3.如权利要求2所述的垂直轴流体能量转换装置，其中该控制单元更根据该第一检测信号及该第二检测信号，将得到的该升力型叶片的一线速度除以该流体的该流速算出一叶尖速比，并根据该叶尖速比控制每一该马格努斯转子的一自转速度与一自转方向。
4.如权利要求3所述的垂直轴流体能量转换装置，其中该控制单元于该叶尖速比小于一第一阈值时，控制每一该马格努斯转子的该自转速度与该自转方向以产生与该升力型叶片的旋转方向相同的扭矩，使该升力型叶片的转速增加，而该控制单元于该叶尖速比大于等于该第一阈值时控制每一该马格努斯转子不自转，其中该第一阈值小于该升力型叶片的效率为一最大值时所对应的该叶尖速比。
5.如权利要求2所述的垂直轴流体能量转换装置，其中该控制单元于该主轴体以该第一轴心为轴旋转的一实际转速小于一目标转速时控制每一该马格努斯转子的一自转速度的振幅增加，该控制单元于该主轴体以该第一轴心为轴旋转的该实际转速等于该目标转速时控制每一该马格努斯转子的该自转速度的振幅维持不变，该控制单元于该主轴体以该第一轴心为轴旋转的该实际转速大于该目标转速时控制每一该马格努斯转子的该自转速度的振幅减少，以控制该主轴体的该实际转速追随该目标转速。
6.如权利要求1所述的垂直轴流体能量转换装置，其中该连接组件包含至少一第一连接部及至少一第二连接部，每一该第一连接部用以连接该主轴体及对应的该马格努斯转子，每一该第二连接部用以连接该主轴体及对应的该升力型叶片。
7.如权利要求1所述的垂直轴流体能量转换装置，其中该连接组件仅包含多个第一连接部，每一该第一连接部的两端分别连接对应的该升力型叶片及该主轴体，而每一该马格努斯转子连接于对应的该第一连接部的中段，使每一该马格努斯转子位于对应的该升力型叶片及该主轴体之间。
8.如权利要求1所述的垂直轴流体能量转换装置，其中该升力型叶片为打蛋型叶片、直线翼型叶片或螺旋翼型叶片。
9.如权利要求1所述的垂直轴流体能量转换装置，其中该主轴体包含一本体、一套筒及一离合器，该套筒为中空的管状构造，且该套筒的一内径大于该本体的一外径，使得该套筒套设于该本体的外侧，并以多个第一轴承与该本体相接触，使该套筒与该本体可分别独立环绕该第一轴心而旋转，该离合器用以控制该套筒及该本体的啮合与脱离，每一该马格努斯转子通过该连接组件连接于该套筒上，每一该升力型叶片通过该连接组件连接在该本体上，通过该离合器的作用，得以控制该马格努斯转子与该升力型叶片连动以该第一轴心为轴而旋转或该马格努斯转子不随着该升力型叶片而旋转。
10.如权利要求9所述的垂直轴流体能量转换装置，包含一固定座，该固定座固定于一基座上，该固定座为中空的管状构造，该固定座的一内径大于该本体的该外径，且该固定座的一外径小于该套筒的该内径，使该固定座得以穿设于该本体与该套筒之间，而该固定座以该多个第一轴承与该套筒相接触，且该固定座以多个第二轴承与该本体相接触，使该本体与该套筒皆受到该固定座的支撑并可分别独立以该第一轴心为轴而旋转。
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