TW201309907A - 導流載具型風能收集裝置 - Google Patents

Abstract

一種導流載具型風能收集裝置，係包含：一浮體，係具有一容置空間，該容置空間係填充有密度低於空氣之氣體，且該浮體係設有一浮力組件，用以調控該容置空間之氣體壓力及溫度；及二導風管，係共同貫穿該浮體之容置空間，且各該導風管凸伸於該浮體外之二端係設有一進風口及一出風口，該出風口之周壁設有相對位的一迎風部及一引流部，且該迎風部及引流部之間係成一切槽狀，該進風口及出風口係共同連通該導風管內的一導風道，該導風道內係設有一風力發電組件。

Description

導流載具型風能收集裝置

本發明係關於一種離地型風能收集裝置，特別是一種快速增加風力發電效率之導流載具型風能收集裝置。

現今風力發電不論選擇用水平式或垂直軸式風機，都會受到風場選址影響而降低其性能表現，當安置於地面時，更會受到地型風大氣邊界層流的影響，而降低其發電輸出。相對而言，高空之大氣氣流具有穩定風速及強勁風力之特性，若能開發出可滯空發電之裝置或系統，係為現今發展離岸式風力發電的另外選項之一。目前，利用高空氣流之水平軸式風力發電之裝置多採用塔式或立柱式結構，故容易衍生有製造成本較大、維修不易等缺點，再加上塔式或立柱式結構的設計高度有限，存在有無法隨高空氣候及時調節該風力發電機高度或迎風面向等缺點。如此，當高空風力太小或太大以致於風向改變時，都會影響該風力發電裝置的正常能量傳送機制，而無法徹底發揮應有的發電效率。

現今，極力發展具有運載發電機構功用之空浮載具(例如：飛艇、浮球等)，藉以將該發電機構運送於高空中進行風力收集與發電，且達到將電力傳輸至地面之目的，此發展已經成為再生能源利用的一種重要選項。例如，商用客機安置有一小型渦輪風扇發電機組，當飛機失去動力時，仍可借助相對速度產生必要電力，以供導航或通訊系統使用；再者，於文獻中也見，飛艇上搭載有風力發電裝置，以由該飛艇飄升於高空中，以獲取該風力發電裝置正常運轉所需要的風力，藉此達到如上所述將風能再利用以進行發電之功效。

由於習知於飛艇外搭載風力發電裝置時，係仰賴裝設於該飛艇外側的大型風扇，以由高空強勁的風力推動該些大型風扇而進行高空風力發電之機制。然而，大型風扇明顯需要耗費較大的動力，方能加以驅動風扇扇葉的旋轉，故往往必須待高空產生強勁風力時，才能驅動大型風扇的扇葉轉動，而進行高空風力發電作業。於此，該習知技術不僅無法維持高空風力發電的持續性，更衍生高空風力發電裝置所產生之發電效率明顯不足，且無法完善收集高空風能並加以利用等缺點。

此外，由於高空風力強勁且風的氣流方向不定，故往往容易造成該搭載有風力發電裝置之載具於高空產生劇烈的晃動，而影響該風力發電裝置的正常運轉機制，甚至難以於穩定的高度及狀態下，完整收集且運用高空中豐富的風力能源，以致於習知的技術設計於具體實施及其應用價值上明顯不足，故至今仍然無法完全取代傳統塔式或立柱式的風力發電機構，著實浪費於高空中所富含之風能。

有鑑於此，確實有必要發展一種能完整收集及運用高空強勁風能之風能收集裝置，且穩定滯留於適當高度且風力強勁穩定之高空，以解決如上所述的各種問題。

本發明之主要目的乃改善上述缺點，以提供一種導流載具型風能收集裝置，其係能夠運用高空風場之特性而完整收集風能，以提升高空風吹氣流速度與密度，且增加風能發電效率者。

本發明之次一目的係提供一種導流載具型風能收集裝置，係能夠以飛行器般優異的氣動力構形降低高空阻力及降低氣流方向變化之姿態影響，而穩定滯留於高空之適當高度者。

本發明之再一目的係提供一種導流載具型風能收集裝置，係能夠利用溫差所產生的浮力作用而主動調控上升或下降之高度，以保持於高空之適當高度者。

為達到前述發明目的，本發明之導流型風能收集裝置，係包含：一浮體，係具有一容置空間，該容置空間係填充有密度低於空氣之氣體，且該浮體係設有一浮力組件，用以調控該容置空間之氣體壓力及溫度；及二導風管，係共同貫穿該浮體之容置空間，且各該導風管凸伸於該浮體外之二端係設有一進風口及一出風口，該出風口之周壁設有相對位的一迎風部及一引流部，且該迎風部及引流部之間係成一切槽狀，該進風口及出風口係共同連通該導風管內的一導風道，該導風道內係設有一風力發電組件。

本發明之浮體係具有一導流部，該導流部之主軸係與該導風管之進風口相對應，該導流部係由該浮體所延伸的一軸線形成弧形截面，且由該導流部沿該浮體外周壁沿伸出仿機身之流線型。該浮力組件係具有一耐壓體及一溫控單元，該溫控單元係與耐壓體相連接，用以控制該耐壓體之溫度，且該耐壓體之外壁設有一阻隔層，以防止熱散失。

其中，該耐壓體係設於該浮體之容置空間，且該耐壓體係具有一容室，該容室係用以填充與該容置空間相同之低密度上升氣體，該上升氣體係為高溫高壓狀態。且，該耐壓體另設有數調氣控制單元，該數調氣控制單元係設於該耐壓體之周壁，用以交換該耐壓體之容室及該浮體之容置空間的氣體。再者，該溫控單元係與該浮體相結合，且設置於該浮體之外周壁，該溫控單元係由數太陽能板連接一加熱件而成，該加熱件係伸入至該耐壓體之容室內。甚至，該浮體另結合有一支撐件，該支撐件係連接於地面，用以牽引該浮體，且該支撐件係為內裝有電纜線的一鋼索，該支撐件一端固定於該地面，且該支撐件另一端係固定於該浮體之外壁。

其中，該風力發電組件係具有一風機葉片組及一發電機，該風機葉片組係裝設於該導風道內，且位於該縮徑部，該發電機係與該風機葉片組相互以傳動軸連接，且設置於該浮體之容置空間內。且，該出風口係成一切槽狀，該切槽凸出處形成該迎風部，該迎風部表面受風壓形成一局部高壓區，且該切槽凹入處形成該引流部，該引流部受氣流擾動相對產生一局部低壓區，以增加進氣量。

此外，該浮體之側壁增設相對應的數輔助翼，各該輔助翼係分別設置於該浮體之中心及尾端處，且各該輔助翼另設有可旋擺之控制舵，以提供額外的升力及方向控制之穩定性。

為讓本發明之上述及其他目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉本發明之較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：請參照第1及2圖所示，其為本發明一較佳實施例，該導流載具型風能收集裝置係包含一浮體1及二導風管2，該二導風管2係共同貫穿該浮體1。

該浮體1係可以選擇為一軟性件(例如：橡膠氣球等)，較佳係選擇具有飛機氣動力構型之軟性件，用以承裝密度低於空氣之上升氣體，較佳係填充氦氣，藉以供給該浮體1適當之浮力而懸留於空中。該浮體1係具有一容置空間11，該容置空間11係用以填充上升氣體，較佳係充填常溫常壓之氦氣，藉以產生強大之浮力，而使該浮體1達到滯空之效果。於本實施例中，該浮體1係具有一導流部12，該導流部12係沿該浮體1所延伸的一軸線X形成弧形截面(詳見第2圖所示)，較佳係成仿飛機構型之機鼻，特別係由該導流部12沿該浮體1外周壁沿伸出仿機身之流線型，藉此降低該浮體1之阻力，同時達到誘導高空氣流大量流入該導風管2之功效。甚至，更可以選擇於該浮體1之側壁增設相對應的數輔助翼W，該數輔助翼W較佳係為仿飛機構形之襟翼、水平或垂直尾翼，且分別設置於該浮體1之中心及尾端處，除產生必要之升力外，也用以降低高空風力及風向改變對該浮體1所造成之姿態影響，達到該浮體1穩定滯留於高空之功效，本實施例更能於各該型態之輔助翼W設有可旋擺之控制舵H，用以控制該浮體1於高空之運動，以確保該導風管2之進風口正對於高空氣流流動方向。其中，由該軸線X所延伸之平面係將該浮體1區分為二區段，其一包含有導流部12之區段較佳係由硬質材料製成，以穩定高空風流經該導流部12所能產生的邊界層流。藉此，係能降低空氣阻力及避免邊界層流分離與紊流之發生。

再且，該浮體1係設有一浮力組件13，用以調控該容置空間11內的上升氣體壓力及溫度，且該浮力組件13係具有一耐壓體131及一溫控單元132，該溫控單元132係與耐壓體131相連接，用以供熱於該耐壓體131內所需充填之氣體。

於本實施例中，該耐壓體131係設於該浮體1之容置空間11，且該耐壓體131係具有一容室R，該容室R係用以填充與該容置空間11相同之上升氣體，較佳係充填高溫高壓之氦氣，用以平衡該容置空間11的氣體壓力及溫度。該耐壓體131另設有數調氣控制單元V，該數調氣控制單元V係設於該耐壓體131之周壁，用以連通該耐壓體131之容室R及該浮體1之容置空間11，使得該容室R與容置空間11內的氣體進行交換。其中，該耐壓體131係可以選擇為各式耐高溫高壓之容器，較佳係選擇為鋼製體，藉以維持高溫高壓氣體擠壓衝擊時的耐受性，特別還可以對應該浮體1的外型設計而選擇該耐壓體131的適當態樣；甚至，該耐壓體131之外壁較佳係具有隔熱絕緣之效果，特別係於該耐壓體131之外壁設有一阻隔層(未繪示)，藉以防止該容室R內的熱散失；此外，該數調氣控制單元V係可以選擇任意連接如感應致動件、幫浦等構件，以達成該容室R與該容置空間11內氣體交換之目的，係為熟悉該技藝者所能理解，故於此不再加以贅述。

該溫控單元132係與該浮體1相結合，且較佳係設置於該浮體1之外周壁，用以供熱於該耐壓體131內所填充之氣體。於本實施例中，該溫控單元132係可以選擇由黏合、焊合等方式固著於該浮體1之頂面(如第1圖之圖面所示)，且較佳係由數太陽能板排列而成，以由該數太陽能板直接吸收太陽光能轉換為電能及熱能並加以利用，達到提升太陽光能吸收效率之功效。且，該溫控單元132係連接於該耐壓體131之容室R，用以將所吸收之太陽光能轉化為熱能，而對該耐壓體131之容室R內之氣體加熱。其中，該溫控單元132可以為任意實施態樣，特別係選擇由該數太陽能板連接一加熱件(未繪示)，且該加熱件較佳係伸入至該耐壓體131之容室R內，且與該耐壓體131之壁面相互密合，藉以提升該溫控單元132供熱於該耐壓體131之容室R之效率。

此外，該浮體1更可以另結合一支撐件14，該支撐件14係連接於地面，用以牽引該浮體1。本實施例之支撐件14較佳係為內裝有電纜線(未繪示)的一鋼索，且特別是固定於該浮體1之下方(如第2圖之圖面所示)，以由電纜線傳遞風能轉換之電力能於地面再利用。

該二導風管2係各成一中空管體，較佳係為一煙囪式導風管，該二導風管2係貫穿該浮體1之容置空間11，且各該導風管2凸伸於該浮體1外之二端係設有一進風口21及一出風口22，該進風口21係與該浮體1之導流部12相互對應，且該進風口21及出風口22係共同連通該導風管2內的一導風道23，該導風道23係用以供高空氣流於內部整流流通，且該出風口22之周壁設有相對位的一迎風部221及一引流部222，藉以透過該迎風部221及引流部222形成相對氣壓差，以於該出風口22產生拔風作用，達到增加進氣量之功效。

於本實施例中，該出風口22較佳係可以形成一切槽狀，由該切槽凸出處形成該迎風部221，及由該切槽凹入處形成該引流部222，如此，當外界空氣流經該迎風部221時，於該迎風部221表面形成一局部高壓區A，且自該局部高壓區A流至該引流部222時，於該引流部222處可以產生一局部低壓區B，以透過該局部高壓區A與局部低壓區B所存在的氣壓差，使得流經該引流部222之氣流形成渦流對，並於該出風口22形成拔風作用，藉以驅使該導風道23內的氣體自該出風口22排出，達到提升本發明快速集風之功效。

另外，本實施例還可以選擇於該導風道23內另設有一縮徑部231，該縮徑部231係位於該進風口21與出風口22之間，且為該導風道23中截面積最小之通道。該縮徑部231係由該導風管2之內徑漸縮而成，較佳係形成沙漏狀，以自該進風口21延伸至該縮徑部231，並於該縮徑部231形成最小面積通道，再由該縮徑部231沿徑向方向逐漸擴大，以延伸至該出風口22，形成一恢復區，藉此不僅能增強該導風道23的集風效果，更可以加速該氣流自該進風口21導入而至該出風口22排出之效率，達到短時間內引入大量氣流於該導風道23之功效。

請再參照第2圖所示，於該導風管2之導風道23內還可以另設有一風力發電組件24，用以將該導風管2收集之風能加以利用。於本實施例中，該風力發電組件24係具有一風機葉片組241及一發電機242，該風機葉片組241係裝設於該導風道23內，且較佳係位於該縮徑部231，以透過經該縮徑部231加速之氣流，提升該風機葉片組241的旋轉速度以輸出軸功。其中，該風機葉片組31之扇葉較佳係設於易受風之方向，以利該導風道23之高速氣流能帶動該風機葉片組241之扇葉高速旋轉，而產生一軸功之機械能。該發電機242係與該風機葉片組241相互以傳動軸連接，且較佳係設置於該浮體1之容置空間11內，以避免位於該導風道23而增加氣流流動之阻力。藉此，透過進入該導風道23內的快速導入氣流，係能順勢推動該風機葉片組241產生機械能，並將該機械能透過該發電機242轉換成一電能，達到於高空利用自然風能驅動發電之功效。甚至，該風機葉片組241還可以作為抽氣輔助用，而於外界風流不足時，能藉由啟動該風機葉片組241加速高空氣流進入該導風管2之流量，以維持該導風管1的較佳進風狀態，而使該發電機242於高空達到持續利用風能發電之功效。

請參照第3及4圖所示，當本發明導流載具型風能收集裝置於實際使用時，係先於該浮體1之容置空間11內充填常溫常壓氦氣，且同時於該耐壓體131之容室R內充填高溫高壓氦氣，以由該氦氣密度低於空氣且加上該浮體1內氦氣溫度高於外界空氣所供給之浮力，緩緩使該空浮載具飄升於空中，並由該支撐件12牽引該空浮載具於上空的適當飄升方向。此時，係能透過該浮體1仿機身構型所設計之數輔助翼W，增加該浮體1於高空的升力與穩定性，並透過該浮力組件13的調控，平衡該浮體1之容置空間11內的上升氣體溫度及壓力，使之保持與外界適當的溫度差，而可以維持該浮體1穩定滯留於高空風速較為強勁且風量相對顯著之區域。

當該浮體1穩定滯留於高空時，高空風流係由該浮體1之導流部12沿該浮體1的仿機身流線型設計，順勢導入該導風管2，使得風流由該導風管2之進風口21流通於該導風道23。同時，該出風口22之迎風部221係迎向外界風流的流向，而外界風流則可流過該迎風部221，以於該迎風部221表面形成該局部高壓區A。當該局部高壓區A之氣流順勢流過該出風口22之切槽時，因壓力梯度的存在而使氣流瞬間加速，並且於該引流部222處產生該局部低壓區B，最終使氣流於該引流部222發生邊界層流分離現象，而引發該氣流形成渦流對，更因該出風口22之壓力可相對於該導風道23內之壓力而具有相對壓差，而導致拔風作用的產生，以帶動該導風管2之導風道23內部的流通之氣流快速排出，且同時不斷自該導風管2之進風口21引入大量風流，而於該導風道23內進行氣流的整流與快速流動。甚至，當該導風道23內之風流經該縮徑部231時，更產生質量守恆之風流加速之效果，而能直接以強勁的風流驅動該風機葉片組241之扇葉，仰賴該風機葉片組241之單級或多級扇葉旋轉產生機械能，並將該機械能透過該發電機242轉換成一電能，以達到於高空利用自然風能驅動發電之功效。

請參照第5圖所示，當本發明之導流載具型風能收集裝置於高空承受多變之氣候時，係透過該數輔助翼W所設置的控制舵H，控制該浮體1於高空的翻滾、傾斜、偏擺等運動姿態。藉此，係利於本發明之導流載具型風能發電裝置能因應高空氣候、風力、風向等多變的環境，而具有穩定空浮且可以持續引入風流，達到較佳高空風能發電之效率。例如：利用該襟翼W所設置之控制舵H上、下旋擺，以使該浮體1產生翻滾運動(如第5圖之D1路徑所示)；利用該水平尾翼W所設置之控制舵H上、下旋擺，以使該浮體1產生傾斜運動(如第5圖之D2路徑所示)；利用該垂直尾翼W所設置之控制舵H上、下旋擺，以使該浮體1產生搖擺運動(如第5圖之D3路徑所示)。其中，本發明仿飛機構型設置於該數輔助翼W之控制舵H，其操作原理係為所熟悉該技藝者所能理解，故於此僅作粗略說明，容不詳加贅述。

經由上述，本發明導流載具型風能收集裝置係透過該導風管2搭載於該浮體1之設計，而能於該浮體1上升至富含強勁風能之高空時，由該導風管2之出風口22所產生的拔風效應，加速高空風流導入該導風管2之效率；同時，自該導流部12沿該浮體1的仿機身流線型設計，更能誘導高空風流順勢導入該導風管2，並提升風力發電機組運轉所需之風能密度。藉此，於該導風道23內維持穩定流通的風流，並透過該縮徑部231的整流加速特性，使得該導風道23內的風流高速衝擊該風機葉片組241，而驅動該風機葉片組241之單級或多級扇葉旋轉而產生機械能，並將該機械能經由該發電機242轉換為電能，以達到增加高空風能發電效率之功效。甚至，藉由該浮體1所設置的該浮力組件13，適時進行該容置空間11與容室R內的氣體交換，以作為本發明自主動力式的調控機制，藉此維持該容置空間11內氣體與外界的溫度差，而保持該浮體1所具有的較佳飄升浮力，使得本發明之導流載具型風能收集裝置可以達到穩定滯留於較佳高度之功效，以此收集高空中所富含之風能。

本發明之導流載具型風能收集裝置，其係能夠完整收集及運用高空風能，以提升風力發電機組運轉所需之風能密度，達到增加高空風能發電效率之功效。

本發明之導流載具型風能收集裝置，係能夠避免高空風力及氣流方向之影響，且透過主動調控上升或下降之高度，達到穩定滯留於高空適當高度之功效。

雖然本發明已利用上述較佳實施例揭示，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者在不脫離本發明之精神和範圍之內，相對上述實施例進行各種更動與修改仍屬本發明所保護之技術範疇，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

[本發明]

1．．．浮體

11．．．容置空間

12．．．導流部

13．．．浮力組件

131．．．耐壓體

132．．．溫控單元

14．．．支撐件

2．．．導風管

21．．．進風口

22．．．出風口

221．．．迎風部

222．．．引流部

23．．．導風道

231．．．縮徑部

24．．．風力發電組件

241．．．風機葉片組

242．．．發電機

A．．．局部高壓區

B．．．局部低壓區

R．．．容室

V．．．調氣控制單元

W．．．輔助翼

H．．．控制舵

X．．．軸線

D1、D2、D3．．．運動路徑

第1圖：本發明導流載具型風能收集裝置之立體示意圖。

第2圖：本發明導流載具型風能收集裝置之剖面示意圖。

第3圖：本發明導流載具型風能收集裝置之立體作動圖。

第4圖：本發明導流載具型風能收集裝置之剖面作動圖。

第5圖：本發明導流載具型風能收集裝置之立體控制圖。

1．．．浮體

11．．．容置空間

12．．．導流部

13．．．浮力組件

131．．．耐壓體

132．．．溫控單元

14．．．支撐件

2．．．導風管

21．．．進風口

22．．．出風口

221．．．迎風部

222．．．引流部

23．．．導風道

231．．．縮徑部

24．．．風力發電組件

241．．．風機葉片組

242．．．發電機

A．．．局部高壓區

B．．．局部低壓區

R．．．容室

V．．．調氣控制單元

W．．．輔助翼

H．．．控制舵

X．．．軸線

Claims (12)

1. 一種導流載具型風能收集裝置，係包含：一浮體，係具有一容置空間，該容置空間係填充有密度低於空氣之氣體，且該浮體係設有一浮力組件，用以調控該容置空間之氣體壓力及溫度；及二導風管，係共同貫穿該浮體之容置空間，且各該導風管凸伸於該浮體外之二端係設有一進風口及一出風口，該出風口之周壁設有相對位的一迎風部及一引流部，且該迎風部及引流部之間係成一切槽狀，該進風口及出風口係共同連通該導風管內的一導風道，該導風道內係設有一風力發電組件。
2. 依申請專利範圍第1項所述之導流載具型風能收集裝置，其中，該浮體係具有一導流部，該導流部之主軸係與該導風管之進風口相對應，該導流部係由該浮體所延伸的一軸線形成弧形截面，且由該導流部沿該浮體外周壁沿伸出仿機身之流線型。
3. 依申請專利範圍第1或2項所述之導流載具型風能收集裝置，其中，該浮體之側壁增設相對稱的數輔助翼，各該輔助翼係分別設置於該浮體之中心及尾端處，且各該輔助翼另設有可旋擺之控制舵。
4. 依申請專利範圍第1或2項所述之導流載具型風能收集裝置，其中，該導風道內另設有一縮徑部，該縮徑部係位於該出風口與進風口之間，且由該導風管之內徑漸縮而成該導風道中截面積最小之通道。
5. 依申請專利範圍第4項所述之導流載具型風能收集裝置，其中，該風力發電組件係具有一風機葉片組及一發電機，該風機葉片組係裝設於該導風道內，且位於該縮徑部，該發電機係與該風機葉片組相互以傳動軸連接，且設置於該浮體之容置空間內。
6. 依申請專利範圍第1或2項所述之導流載具型風能收集裝置，其中，該出風口係成一切槽狀，該切槽凸出處形成該迎風部，且該切槽凹入處形成該引流部。
7. 依申請專利範圍第1或2項所述之導流載具型風能收集裝置，其中，該迎風部表面受風壓形成一局部高壓區，且該引流部受風擾流相對產生一局部低壓區。
8. 依申請專利範圍第1或2項所述之導流載具型風能收集裝置，其中，該浮力組件係具有一耐壓體及一溫控單元，該溫控單元係與耐壓體相連接，用以控制該耐壓體內氣體之溫度，且該耐壓體之外壁設有一阻隔層。
9. 依申請專利範圍第8項所述之導流載具型風能收集裝置，其中，該耐壓體係設於該浮體之容置空間，且該耐壓體係具有一容室，該容室係用以填充與該容置空間相同之上升氣體，該上升氣體係為高溫高壓狀態。
10. 依申請專利範圍第8項所述之導流載具型風能收集裝置，其中，該耐壓體另設有數調氣控制單元，該數調氣控制單元係設於該耐壓體之周壁，用以交換該耐壓體之容室及該浮體之容置空間的氣體。
11. 依申請專利範圍第8項所述之導流載具型風能收集裝置，其中，該溫控單元係與該浮體相結合，且設置於該浮體之外周壁，該溫控單元係由數太陽能板連接一加熱件而成，該加熱件係伸入至該耐壓體之容室內。
12. 依申請專利範圍第1或2項所述之導流載具型風能收集裝置，其中，該浮體另結合有一支撐件，該支撐件係連接於地面，用以牽引該浮體，且該支撐件係為內裝有電纜線的一鋼索，該支撐件一端固定於該地面，且該支撐件另一端係固定於該浮體之外壁。