CN201326516Y - 风力发电设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型为一种风力发电设备，是于一轮毂上以等角度环绕组设有多个叶片，当受到风力时，叶片会带动轮毂转动，轮毂会再带动转轴旋转，进而带动发电机进行发电。本实用新型是利用叶片与转轴夹设的角度变化及叶片投影面积的总和与圆形扫掠面积的比例变化，扩大叶片面积而广纳风力，增大升力的发生，并可使气流流动顺畅，亦即可同时提高旋转数与扭转力，以提高发电效率，并可降低成本及增加维修方便性。

Description

风力发电设备

技术领域

本实用新型涉及一种风力发电设备，尤指一种可提高发电效率、降低成本及增加维修方便性的风力发电设备。

背景技术

风力发电是利用风力带动风车转子转动，以将风力(风能)转换为旋转机械能，再带动发电机发电。

目前用于风力发电的风车大致可分为：依所利用的空气特性可分为阻力型(高扭转力低旋转数)与升力型(高旋转数低扭转力)；依转轴传动方式可分为垂直轴式与水平轴式；依叶片相对于风向的位置可分为上风式与下风式等。

以阻力型与升力型的风车为例，于设计上有二大考虑要素，即旋转速与扭转力：

旋转速：在周速比的研究中，流入风速显现在风车叶片的前端运转速度，根据不同的条件，该速度可达流入风速的5倍到10倍，而具有同样周速比的风车，小型风车的旋转速会比大型风车为高。故考虑到高转速此一优点，目前世界上大部分用于发电的风车都是选择用三片叶片的飞机螺旋桨形状的螺旋翼。然而，这种风车虽然具有高转速的优点，但是扭转力低，所以为了提高扭转力，必须将风车大型化，但只要一大型化，旋转速就会变低，所以大部分这种类型的风车都会使用旋转增速机。

扭转力：为了要强化扭转力，首先必须要尽可能的接受风力。于现有叶片的扫掠面积与叶片全投影面积比(弦周比，solidity)的研究中可明白得知，叶片投影面积的总和越大，越能形成高扭转力。因此上述利用三片如同羽毛般的螺旋桨的螺旋翼叶片型风车，所能接受的风力实嫌太小，而入力小的话，出力也小，无法期待高扭转力。

实用新型内容

为了解决现有技术的问题，本实用新型的目的是制作出同时具有高旋转数与高扭转力的风车以提升发电效率，为此本实用新型提供一种风力发电设备。

本实用新型的一较佳实施例的风力发电设备包含一支架、一转轴、一发电机以及一风车。其中，支架设置于一地面或适当的建筑物上；发电机组设于支架上并可在支架上水平转动；转轴为水平可转动地枢设于发电机内并相距地面一预定高度。

风车包含一轮毂及多个叶片，轮毂为组设于转轴，多个叶片是以等角度环绕组设于轮毂上并沿转轴的径向向外凸伸，并分别与转轴的径向夹设一角度(pitch angle)，风车并具有一圆形扫掠面积，每一叶片具有一投影面积，且风车上所有叶片的投影面积的总和与圆形扫掠面积的比例为介于50％至100％之间。

通过上述叶片与转轴夹设的角度的变化，例如15度、20度、25度、30度、45度、60度、75度等，并通过叶片的投影面积的总和与圆形扫掠面积的比例变化，例如50％、60％、75％、80％、90％、100％等，即可扩大叶片面积而广纳风力，增大升力的发生，并可使气流流动顺畅，亦即可在不需要将风车大型化的情况下，同时提高旋转数与扭转力，以提高发电效率。再者，上述的结构设计极为简单，于制造上极为方便，故可降低成本及增加维修方便性。

上述的风力发电设备尚可包含另一风车(第2风车)，其结构可与前述的风车(第1风车)大致相同或不同，此另一风车可组设于转轴上而与第1风车在转轴轴向上相邻或与第1风车在转轴轴向上相隔发电机而设。同时，第2风车的圆形扫掠面积的半径可小于第1风车的圆形扫掠面积的半径，以便气流可从较小尺寸的第2风车流入后，再通过并带动较大尺寸的第1风车，而不会产生气流受干扰以致不顺畅的情形。

轮毂可呈一立方体形状，例如正立方体形状或长立方体形状，叶片分别组设于与转轴的轴向平行的立方体轮毂的四个侧面上，且叶片的数量较佳为四个并分别组设于四个侧面。每一侧面可分别包含一沟槽，例如沿侧面的对角线延伸，叶片的边缘嵌入沟槽并以适当紧件例如螺丝来固定。每一侧面可另外设置一固定片以进一步固定叶片。为求增大叶片面积而广纳风力，每一叶片边缘的长度为大于每一侧面沟槽的长度。

本实用新型的有益效果，本实用新型是利用叶片与转轴夹设的角度变化及叶片投影面积的总和与圆形扫掠面积的比例变化，扩大叶片面积而广纳风力，增大升力的发生，并可使气流流动顺畅，亦即可同时提高旋转数与扭转力，以提高发电效率，并可降低成本及增加维修方便性。

附图说明

图1为本实用新型第一较佳实施例的立体图；

图2为本实用新型第一较佳实施例的俯视图；

图3为本实用新型第一较佳实施例的轮毂的立体图；

图4为本实用新型第一较佳实施例的圆形扫掠面积与叶片面积关系的示意图；

图5为本实用新型第二较佳实施例的轮毂的立体图；

图6为本实用新型第三较佳实施例的轮毂的立体图；

图7为本实用新型第四较佳实施例的叶片的正视图；

图8为本实用新型第四较佳实施例的圆形扫掠面积与叶片投影面积关系的示意图；

图9为本实用新型第五较佳实施例的立体图；

图10为本实用新型第五较佳实施例的俯视图；

图11为本实用新型第五较佳实施例的圆形扫掠面积与叶片投影面积关系的示意图；以及

图12为本实用新型第六较佳实施例的俯视图。

【主要元件符号说明】

1         发电机

2         风车

21，24    轮毂

22，25    叶片

222       边缘

231，241  侧面

232，242    沟槽

233         固定片

24          中心孔

3           另一风车

31          轮毂

32          叶片

4           支架

5           螺丝

6           转轴

7           调向尾翼

8           地面

9           鼻锥

a，a1，b    角度

A，D，E     圆形扫掠面积

B，C，F     投影面积

r1，r2      半径

具体实施方式

请参阅图1，其显示本实用新型的一较佳实施例的风力发电设备，此风力发电设备包含一支架4、一转轴6、一发电机1以及一风车2。

附图中的支架4为直立组设于一地面8上，例如一般平地、海边、山坡的地面等，若本实用新型采小型化设计，则可将支架4组设于一般住宅、环保屋等建筑物的屋顶，以供家庭或小地区范围使用。

发电机1为组设于支架4上并可在支架4上水平转动，此发电机1的结构为该领域的人所熟知的技术，故不加以赘述。

转轴6为水平可转动地枢设于发电机1内并相距地面8一预定高度，此预定高度可视当地的风力变化而设计，且转轴6于枢设时，是以水平方式正对风力来源。

于转轴6上可组设现有的调向装置，例如调向尾翼7，以使风车2可依风力来源自动地进行方向调整，以正对风力来源。

请同时参阅图1至图4，附图中的风车2包含一轮毂21及多个叶片22。于本实施例中，轮毂21呈一正立方体形状并包含与转轴6的轴向分别平行的四个侧面231，每一侧面231分别包含一沟槽232沿侧面231的对角线延伸。轮毂21具有一中心孔24可供转轴6穿过，使二者同轴同步转动。

每一叶片22呈矩形平坦薄片状，较佳为长方形，并具有一边缘222其长度大于侧面231的沟槽232的长度。叶片22的边缘222嵌入沟槽232并以螺丝5锁固而组设于轮毂21的侧面231上，叶片22沿转轴6的径向向外凸伸。叶片22分别与转轴6的径向夹设一角度a，四个叶片22系以等角度环绕轮毂21。于本实施例中，因轮毂21呈正立方体形状且沟槽232系沿侧面231的对角线延伸，故角度a为45度。

图4显示风车2具有一圆形扫掠面积A，即装设在轮毂21上的叶片22于旋转时，叶片22因旋转而扫掠过的圆形面积，同时，每一叶片22自身有一投影面积B，所有叶片22的投影面积B的总和与圆形扫掠面积A的比例为介于50％至100％之间，于本实施例中，大约为70％。

上述的风力发电设备于操作时，风车2正对风力来源方向(如图1箭号所示)，当气流流经叶片22时，叶片22旋转，进而带动轮毂21与转轴6转动，转轴6再带动发电机1进行发电。

于实际应用上，可于轮毂21前方加装一鼻锥9，其具有流线形状而可使气流流动更为顺畅。

图5显示一改进的实施例中，其主要结构与上述实施例相同，唯一差别在于立方体形状的轮毂21的每一侧面231额外固设沿沟槽232平行的L字型固定片233，因此，叶片22(参阅图1)除了嵌入于沟槽232外，可再附着于此固定片233增加稳固性。固定片233的附着方式例如可以螺丝(图未示)锁固。当然，亦可仅使用固定片233而不使用沟槽232，且固定片233可视叶片22状况改变其大小。

图6显示于一修改的实施例中，轮毂24设计为长立方体形状，因此当侧面241的沟槽242沿着对角线延伸时，叶片与转轴的径向间的夹设角度a1随即改变，例如图式中的a1为30度。亦即若沟槽242沿轮毂对角线延伸时，变化轮毂24的长宽高尺寸，即可改变该夹设角度(即每一叶片与转轴的径向所夹设的角度随每一侧面以对角线延伸的沟槽变化)。

图7与图8显示叶片的另一实施例，其显示叶片25经设计为有一弧形边缘，故风车上的4个叶片25的投影面积C的总和可完全填满圆形扫掠面积D，如此可还增加叶片25广纳风力的面积。

请参阅图9至图11所示的本实用新型的另一实施例，于转轴6上再组设有另一风车3(或称第2风车)，其以发电机1隔开上述风车2(或称第1风车)。风车3与风车2的结构基本上相同但尺寸不同，即同样包含一轮毂31及多个以等角度环绕组设于轮毂31上并沿转轴6的径向向外凸伸的叶片32，叶片32与转轴6的径向夹设一角度b，较佳为45度。

风车3于转动时亦会形成一圆形扫掠面积E，每一叶片32具有一投影面积F，且所有叶片32的投影面积F的总和与圆形扫掠面积E的比例介于50％至100％之间，于本实施例中，约为70％。

图中显示，风车3的叶片尺寸小于风车2的叶片尺寸，因此，如图11所示，风车3的圆形扫掠面积E的半径r2小于风车2的圆形扫掠面积A的半径r1，如此当风力由较小的风车3流入时，其气流可顺畅地流到后方并再带动风车2。在同一转轴6组设多个风车(风车2与风车3)的情况下，可提高扭转力而不需要将叶片大型化。

于风车2与另一风车3皆组设于同一转轴6的情况下，因风车2与风车3的尺寸大小不同，故风车2与风车3于开始启动旋转时所需的风力大小也不相同。当风力流入时，会先造成具有较小尺寸的风车3旋转，此时，因风车2与风车3同轴，风车3开始旋转所产生的扭转力可作为风力继续流入而再带动风车2旋转时的辅助。

当然，对于熟习此项技术者而言，风车2与风车3亦可以分开的转轴但同轴心的方式带动不同或相同的发电机进行发电，此为现有技术，故不另赘述。

图12显示本实用新型的另一实施例，其与图9至图11的实施例的差别仅在于风车2与风车3相邻排列方式。

上述风车的轮毂与叶片的材质并不限制，且风车可依照设立地点及风速来决定叶片的尺寸大小、形状等。叶片可以挠性材质或非挠性材质制造，若为挠性材质，叶片可随风力大小以及风车旋转速度而会产生些微的挠性曲度变化。另外，叶片亦可视需要而以二或更多片重叠制造，此时，可在二个叶片之间设置加强肋以增加叶片强度。

上述风车的旋转方向并不限定，顺时针或逆时针旋转皆可，即上述各实施例的风车虽附图表示为逆时针旋转，但采顺时针旋转的设计亦可。

本实用新型亦可以其它的特定形式来实施，而不脱离本实用新型的精神和重要特性。因此上文所列的实施例在各方面都应认为是例示性而非限制性，所有的改变只要合乎权利要求的意义和范围或其等效，均应包含在本实用新型所欲主张的范畴内。

Claims (10)

1、一种风力发电设备，其特征在于，包含：

一支架，设置于一地面或建筑物上；

一发电机，组设于该支架上并在该支架上水平转动；

一转轴，水平可转动地枢设于该发电机内并相距该地面一预定高度；以及

一风车，包含一轮毂及多个叶片，该轮毂组设于该转轴，该多个叶片是以等角度环绕组设于该轮毂上并沿该转轴的径向向外凸伸，并分别与该转轴的径向夹设一角度，该风车并具有一圆形扫掠面积，每一叶片具有一投影面积，且所有叶片的投影面积的总和与该圆形扫掠面积的比例为介于50％至100％之间。

2、如权利要求1所述的风力发电设备，其特征在于，该轮毂为呈一立方体形状并包含与该转轴的轴向分别平行的四个侧面，该多个叶片个别组设于该四个侧面。

3、如权利要求2所述的风力发电设备，其特征在于，该轮毂的每一侧面分别包含一沟槽，且每一叶片分别包含一边缘，其对应嵌入该沟槽。

4、如权利要求3所述的风力发电设备，其特征在于，每一叶片的该边缘的长度大于每一侧面的该沟槽的长度。

5、如权利要求3所述的风力发电设备，其特征在于，每一侧面的该沟槽为沿该轮毂的对角线延伸。

6、如权利要求5所述的风力发电设备，其特征在于，每一叶片与该转轴的径向所夹设的该角度随每一侧面以对角线延伸的该沟槽变化。

7、如权利要求2所述的风力发电设备，其特征在于，每一侧面并分别设置一固定片以固定该多个叶片。

8、如权利要求1所述的风力发电设备，其特征在于，该多个叶片呈平坦薄片状。

9、如权利要求1所述的风力发电设备，其特征在于，还包含一另一风车，其包含一轮毂及多个叶片，该轮毂组设于该转轴上，该多个叶片是以等角度环绕组设于该轮毂上并沿该转轴的径向向外凸伸，并分别与该转轴的径向夹设一角度，该另一风车并包含一圆形扫掠面积，每一叶片具有一投影面积，且所有叶片的投影面积的总和与该圆形扫掠面积的比例为介于50％至100％之间。

10、如权利要求9所述的风力发电设备，其特征在于，该另一风车的圆形扫掠面积的半径小于该风车的圆形扫掠面积的半径。

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