TW201331467A - 小型風力發電裝置 - Google Patents

Abstract

本發明係以提供一種可以設置在自然的微風,或人為的風等定量吹之風或不穩定吹之風存在的場所之小型風力發電用葉輪及外殼為目的。在解決手段方面,本裝置係利用風所持有之阻力能量之水平軸型風力發電裝置,其特徵為不但葉輪可作成小型,且即使風速在1~1.5m/s也可能充分發電。再者,承受風之葉輪係對於軸方向螺旋狀地安裝,並由外殼覆蓋著。在此外殼的周圍有裝入鐵心之線圈與磁鐵對於軸方向交互地被安裝著。藉此,極數可大幅增加,又,因設置在圓周的磁鐵與安裝在葉輪前端的磁鐵之間產生斥力。所以葉輪的旋轉即使在低速旋轉也可進行充分的發電。

Description

小型風力發電裝置 發明領域

本發明係關於即使微風也可使葉輪旋轉之小型風力葉輪之旋轉機構，及與發電機構成為一體之小型風力發電裝置。

風力發電的種類，由利用風所持有的能量進行區分，可分為水平軸風車與垂直軸風車。此種情況，不論其葉輪的形狀為何，大都為利用升力的形狀，而利用阻力的形狀很少。可是無論其為任何形狀，為了利用風能使葉輪旋轉，一年平均風速不在3m/s以上，則不能發揮其作為風力發電裝置之功能乃為現況。但是，在市街上一年平均風速可到達3m/s以上的場所可說幾乎沒有。像今日為了改善對於使用核能發電之電力需求，非更促進自然能源的利用不可。而作為其一環，有很多的風力發電裝置已被實用。其中小型風車有下述專利文獻1~4被揭示。

以前之代表性小型風力發電裝置，在水平軸風車的葉輪有螺旋槳型葉輪。然而，此等小型風力發電之葉輪有不少之問題點，其普遍缺點摘要如下。

1.風力弱時，葉輪不會旋轉。

2.隨著葉輪的旋轉，會發生聲音。

3.當葉輪旋轉時，會有接觸等的危險。

4.為了對應風的強弱，有需要使用附屬零件、或對於在 流動的上下方向改變葉輪的設置角度。

除了上述之外，例如根據文獻1使用2座不同直徑的螺旋槳，將直徑小的風車安裝在上游側，將直徑大的風車設置在下游側，有效地截取風的流動。因此，在2基一組之垂直旋轉軸的外側旋轉軸與內側旋轉軸分別使用旋轉方向相反之單翼離合軸承或棘輪，在其2組之同軸旋轉軸的一方具備發電機的轉子，在另一方的旋轉軸具備定子，藉由其等之相對旋轉獲得1到2倍的與流速等值之發電能。

此種情況，關於單翼離合軸承，在使用條件上會有其問題點，例如，耐久性低，無法負荷旋轉數之急劇之環境條件的變化，或發生滑動等，在像使用條件過於激烈之風力發電裝置的情況，某種程度有需要在短期間定期的進行更換。又，在棘輪方面，亦有若非對於較輕負載方法則規格上會有困難，或容易脫落、或會發生棘輪聲音等，在組裝上會有限制。在此等零件發生問題時，將需要進行全面拆卸、組裝，會花費維修的費用(例如專利文獻1、2)。

垂直型葉輪有迴轉型葉輪。又，根據文獻2在葉輪方面，必需將旋轉翼的仰角隨著旋轉翼的位置、速度、風向的變化，做適當的對應。又，雖有採取會將旋轉翼之仰角自動的變化使其成為適當之對策，但對於風的瞬間變化之延遲所造成之混亂，以致發生増加旋轉體之不穩定等的問題(例如專利文獻3、4)。

【先行技術文獻】 專利文獻

專利文獻1：日本專利公開2008-63961號

專利文獻2：日本專利公開2010-63968號

專利文獻3：日本專利公開2010-150999號

專利文獻4：日本專利公開2008-63961號

發明概要

然而，此等小型風力發電之葉輪有很多的問題點，普遍的缺點摘要如下。

1.風力弱時，葉輪不會旋轉。

2.隨著葉輪的旋轉，會發生聲音。

3.當葉輪旋轉時，會有接觸等的危險。

4.為了對應風的強弱，有需要使用附屬零件、或對於在流動的上下方向改變葉輪的設置角度。

除了以上之外，例如根據文獻1時使用2座不同直徑的螺旋槳，將直徑小的風車安裝在上游側，將直徑大的風車設置在下游側，有效地截取風的流動。因此，在2基一組之垂直旋轉軸的外側旋轉軸與內側旋轉軸分別使用旋轉方向相反之單翼離合軸承或棘輪，在其2組之同軸旋轉軸的一方具備發電機的轉子，在另一方的旋轉軸具備定子，藉由其等之相對旋轉獲得1到2倍的與流速等值之發電能。

此種情況，關於單翼離合軸承，在使用條件上會有其問題點，例如，耐久性低，無法負荷旋轉數之急劇之環境條件的變化，或發生滑動等，在像使用條件過於激烈之風 力發電裝置的情況，某種程度有需要在短期間定期的進行更換。又，在棘輪方面，亦有若非對於較輕負載方法則規格上會有困難，或容易脫落、或會發生棘輪聲音等，在組裝上會有限制。在此等零件發生問題時，將需要進行全面拆卸、組裝，會花費維修的費用。

又，根據文獻3,4則在葉輪方面，必需將旋轉翼的仰角隨著旋轉翼的位置、速度、風向的變化，做適當的對應。又，雖有採取會將旋轉翼之仰角自動的變化使其成為適當之對策，但對於風的瞬間變化之延遲所造成之混亂，以致發生増加旋轉體之不穩定等的問題。

在近年利用風揚力之螺旋槳型風車，其中周速比(之周速/風速)在10倍以上的螺旋槳型風車，因其製造成本便宜而己多數在市上銷售。但是，其發電所需要之最低風速雖為3m/s，但在市街中平均風速會超過3m/s的地方幾乎沒有，從這一點看，即使設置風車，亦有不旋轉、不發電等的問題發生。

根據本發明，由於將接受風之葉片螺旋狀地設置於軸方向，可將風力有效地吹向葉輪表面。因此，即使在微風狀態也可使葉輪充分地旋轉。

再者，在葉輪前端帶有磁鐵N極與S極之葉輪、或者安裝有裝上N極與S極永久磁鐵之葉輪、在覆蓋葉片之外殼的圓周方向與軸方向也交互安裝有發電用之線圈與永久磁鐵。

此種情況，葉輪一旦旋轉，被安裝在葉輪之磁鐵表面N極、或者S極與外殼側之磁鐵表面N極或S極之間被設計成能使其斥力的效果發揮到最大限度。此種情況，第一手段係，將所謂外殼側之永久磁鐵N極與S極、以及角度θ及θ’設置成非對稱。在此，θ及θ’之角度係為把360°做n等分之角度。又，永久磁鐵N、S極、及線圈之表面角度α，係在0~15°之範圍使其變化。

因此藉由風力與磁力之相乘效果，即使極微小的風也可使葉輪有效率地旋轉。提供如此發電機與將磁鐵設置於葉輪及外殼之風力發電系統。再者，為了使發電力及旋轉力増強，第二手段係，在葉輪的前端安裝永久磁鐵，並使磁鐵的表面為N極，或成為S極。而且，在覆蓋葉輪之外殼的圓周方向，安裝線圈，在線圈的一方安裝S極。藉此，由於安裝永久磁鐵之葉輪旋轉，在葉輪之永久磁鐵N極與線圈之間產生磁場，並在與安裝在相反側之S極之間使磁場結束。將上述作用成為一體而可獲得更強的發電力。再者，第三手段係，在葉輪安裝N．S極，被安裝於外殼之線圈係，對稱地被安裝。藉由將此彼此對稱之線圈以線圈線連接，可獲得與上述同様的發電力。又，第四手段係，將安裝在葉輪前端之磁鐵使其表面會成為N極或S極之任一方。而且、在外殼側之圓周方向要安裝線圈。此種情況也可獲得強力的發電力。透過此等的組合，予以解決上述課題，為本發明之特徴。

根據本發明，當風從上游側朝向下游側流動之際、葉 輪內之流動會引起剝離而成為紊流。此為發生聲音的主要原因。為了使此紊流成為層流的流動，在葉輪的表面施以微小凹凸的加工。

藉此，可抑制葉片表面流動之剝離的發生，使其成為層流流動。因此，藉由將外殼覆蓋之葉輪內的流動，使其成為無紊流之順暢的流動，可使葉輪的旋轉效率提高，並同時可抑制聲音的發生。

再者，此葉片係，將其葉一片一片的端部以重疊的方式被安裝、導程角ν的角度係以10°~85°之範圍螺旋狀地被設置。此種情況，葉輪係，依照使用場所使用適用之葉輪。即，被設計成可以使用在大致一定的風吹拂之場所，葉的構造或風的變動較多之場所、或者大多吹強風之場所。

藉此，風速在大於一定以上之場所，被設置於葉片之弾性較弱之窗部分的葉片，會承受風而被折彎至下游側的方向。據此，因為風會從被折彎空間部分穿過，所以其被設計成葉輪不會超過一定的旋轉數以上。

再者，在強風的場所，葉片的一部會朝向旋轉方向之反方向開啟。藉此，有使葉輪之旋轉減弱之煞車作用。此等，不像在以前被使用之小型風力發電裝置，在風速大的情況不安裝煞車裝置或減速機，亦不致於破壞發電裝置而可安全地進行發電。此即藉由提供如此葉輪，而可解決上述之課題。

根據本發明，習知之小型風力發電裝置之葉片大半為露出狀態，而在旋轉中接觸葉片所造成等的故障多。本裝 置由於藉由外殼將葉輪的周圍覆蓋，因此可防止因接觸等所造成的故障。再者，本裝置由於提供外殼與葉輪可多數安裝發電所需要的極數，因此即使葉輪的旋轉為低速旋轉也可獲得充分的發電效果。此即藉由提供如此之小型風力發電裝置，以解決上述之課題。

像在小型風力發電裝置之葉輪直徑較小的情況，若非提高葉輪的旋轉數，則無法獲得高發電力為其缺點，但為了提高葉輪的旋轉數，一般要使用增速機。在本發明，為藉由在外殼的圓周部分與軸方向設置多數的線圈與永久磁鐵，利用發電力與永久磁鐵的斥力，提供葉輪即使在低速旋轉，也可獲得高發電力者。藉此， 本發明不需要為了獲得發電力之增速機。因此，可避免由於增速機之使用而產生機械之損耗，及由歯輪等所發生之聲音。

【圖式簡單說明】

第1圖係根據本發明最佳實施例之外殼、葉輪的概要圖。

第2圖係根據本發明最佳實施例之外殼、葉輪內之從A-A剖面之側視圖。

第3圖係根據本發明最佳實施例之線圈-永久磁鐵的安裝中心位置，④為顯示線圈的中心線、⑤為永久磁鐵的中心線。

第4圖係顯示根據本發明最佳實施例之設置在外殼-葉輪的線圈-磁鐵之安裝狀態的剖視圖。

第5圖係根據本發明最佳實施例之葉輪的詳細圖。

第6圖係根據本發明最佳實施例之具備吹孔的葉輪之詳細圖。

第7圖係根據本發明最佳實施例之附有自動煞車葉輪的詳細圖。

第8圖係根據本發明最佳實施例之顯示圓周上之發電線圈位置的概要圖。

第9(a)圖，係顯示在葉輪的前端將N極為表面之永久磁鐵，在外殼將線圈、在外殼周圍將複數的S極永久磁鐵安裝，使發電力更強化之發電機構的概要圖。

第9(b)圖，係顯示在葉輪的前端將N極或S極為表面之永久磁鐵，在外殼將複數線圈安裝之發電機構的概要圖。

第9(c)圖，係為根據本發明之最佳實施例，在葉輪的前端將N極或S極為表面之永久磁鐵，在外殼周圍將複數線圈安裝之發電機構的概要圖。

第10(a)圖，係為根據本發明之最佳實施例，係在葉輪前端安裝表面為N極或S極之永久磁鐵，在外殼的圓周面安裝帶狀或環狀的N極或S極之永久磁鐵。並顯示磁鐵的斥力之概要圖。

第10(b)圖，係為根據本發明之最佳實施例，係在葉輪前端安裝表面為N極或S極之永久磁鐵，在外殼的圓周面安裝表面為N極或S極之永久磁鐵。並顯示磁鐵的斥力之概要圖。

用以實施發明之形態

以下、根據作為範例舉出之本發明最佳實施例與圖面，關於本發明進行詳細說明，以促進更進一步的理解。

根據本發明，小型風力發電裝置之葉輪，係如第1圖所示，在外殼1內葉輪被安裝在軸上。此葉輪，係如螺絲狀成為持有導程角ν之螺旋狀，葉輪係持有2片、3片、4片...Z片之葉片，又，葉輪帶有磁鐵，此材料係帶有輕磁性之材料(例如，塑膠磁鐵材料)、或者，安裝永久磁鐵之葉輪。一方面，外殼之上游，係被安裝有彎曲狀的管，使流進葉輪之風被設計成會均勻地流入。再者，在外殼側，對於圓周方向與軸方向，線圈與永久磁鐵以表面角度為α交互地被配置。此種情況之旋轉方向N，係被組裝成可對應於左、右旋轉的方式。

第2圖，係在外殼之圓周上被安裝有發電用線圈以及促進旋轉力之永久磁鐵。此種情況，如在第4圖所示，被安裝在圓周方向之線圈④係對於圓周方向對稱地被設置。對此被安裝在圓周方向之永久磁鐵，係N極與S極以θ及θ’之角度非對稱地被設置。此，係在被施於葉片之永久磁鐵⑤的N極與S極藉由風力旋轉時，對於外殼側之N極與葉輪之N極的兩面隔著間隙接觸時，因為磁鐵彼此之斥力，會使葉輪朝向強化旋轉方向作用。

另一方面，其與非對稱側之外殼側之N極與葉片側之S極，因會相互吸，而引使旋轉力朝減弱方向作用。將此N 極與S極之角度θ及θ’，藉由如第2圖所示之方式錯開，而使吸引力減弱。藉由此等的作用，對於斥力的全表面會持有間隙而重合時，N極與S極會有1/4~1/5左右的表面積重合的方式將角度錯開，而使相對於斥力，吸引力會成為1/4~1/5左右，所以斥力總為較大。

第3圖，係對於線圈設置角度為對稱，而永久磁鐵之N極、S極之角度為非對稱之情況，以中心線顯示之例。

第4圖係顯示在外殼側的圓周方向交互地安裝線圈與永久磁鐵，在葉輪的前端安裝有永久磁鐵的N極與S極。此種情况線圈的鐵心及永久磁鐵的表面持有角度α，為使發電力與葉輪的斥力更強化之發電機構的例。

本發明之小型風力發電裝置的葉片，係如第5圖所示，在葉片②的表面，被加工有凹凸之微小槽。藉由設置此溝槽在葉片表面的附近，流體不會引起剝離而成為層流。因此從上游側向下游側流出之際、可抑制葉片之切風聲音。

如第6圖所示之葉片，係葉片之中以實線描劃的範圍，為弾性較弱之材質。對此，外側係為弾性較強之材質。因此，在一定以上之風速的情況，弾性弱之材質部分⑥係向下游側撓曲，使碰到葉片表面之風量直通到下游側。藉此，葉輪之旋轉，係設計成為．會上升到一定以上之結構。

第7圖表示，風速在為強風(例如，颱風或季節風)之場所，弾性弱之葉片部分會逆向旋轉方向打開。藉此，從葉片飛出之葉片的一部會完成自動煞車的任務，擔任使旋轉勢力減弱之煞車，而使旋轉數不會上升而能自動地控 制。

本發明之小型風力發電裝置，係如第1圖所示，藉由以外殼包圍葉輪，可防止葉輪之旋轉所造成的接觸事故。藉此，可保證使用時之安全性。除此之外，在葉片之下游側不需安裝發電機等之附屬裝置，因此風在下游側不會紊亂，所以可防止在下游側發生之風的噪音。此亦即在上述之外有使風發生之聲音減弱的作用。又，藉由在外殼側設置線圈，如在第8圖所示，電極之數目可在圓周方向6極，在軸方向設置X列。如此即為可增加電極之數目設計。

例如，將極數作為72極之發電所需要的旋轉數顯示於下。

在此、N：旋轉數、f：循環、n：極數。

為了使此(1)式之旋轉數在低速也可能發電，藉由製作出如本裝置之結構，在更小的風也可能發電。

第9(a)圖，係顯示在葉輪的前端安裝N極為表面的永久磁鐵、在外殼為線圈、以及複數的永久磁鐵S極，使發電力更強化之發電機構的例。

第9(b)圖，係顯示在葉輪的前端，將永久磁鐵使其表面為N極與S極對稱地安裝，在外殼將複數線圈安裝於圓周。此種情況，線圈係對稱被此由線圈線連接。藉此，使發電力更強化之發電機構的例。

第9(c)圖，係顯示在葉輪前端，將永久磁鐵使其表 面為N極或S極地安裝，在外殼的圓周則安裝複數之線圈。藉此，使發電力更強化之發電機構的例。

第10(a)圖，係在葉輪前端，將永久磁鐵使其表面為N極或S極地安裝，在外殼的圓周面安裝帶狀或環狀的N極或S極永久磁鐵。藉此，使葉輪的旋轉力更強力之例。

第10(b)圖，係在葉輪前端，將永久磁鐵使其表面為N極或S極地安裝，在外殼的圓周面將永久磁鐵，使其表面為N極或S極地安裝。藉此，使葉輪的旋轉力更強力之例。

【產業之可利用性】

上述之發明，係由於使用以前之風力發電未被使用之葉輪，可期待提高小型風力發電裝置之效率。藉此，人工地產生風之場所、或利用自然界之風的風力發電裝置成為可能，為削減地球暖化能助一臂之力。

以上所述，係本發明之較佳實施例，本發明並不受後述在申請專利範圍所記載之架構與特定使用方式之限制，在．違離本發明之精神的範圍內，可適當地變更其架構與使用方式，此種情况應解釋包含在本發明之保護範圍。

①‧‧‧本體外殼

②‧‧‧葉輪

③‧‧‧細腰管

④‧‧‧發電線圈

⑤‧‧‧永久磁鐵N極．S極

⑥‧‧‧自動吹抜付葉輪

⑦‧‧‧自動煞車付葉輪

⑧‧‧‧方向舵

N‧‧‧葉輪旋轉數

θ、θ’‧‧‧線圈及永久磁鐵安裝角度

α‧‧‧線圈及永久磁鐵的表面角度

ν‧‧‧葉輪安裝導程角度

第1圖係根據本發明最佳實施例之外殼、葉輪的概要圖。

第2圖係根據本發明最佳實施例之外殼、葉輪內之從A-A剖面之側視圖。

第3圖係根據本發明最佳實施例之線圈-永久磁鐵的安裝中心位置，④為顯示線圈的中心線、⑤為永久磁鐵的 中心線。

第4圖係顯示根據本發明最佳實施例之設置在外殼-葉輪的線圈-磁鐵之安裝狀態的剖視圖。

第5圖係根據本發明最佳實施例之葉輪的詳細圖。

第6圖係根據本發明最佳實施例之具備吹孔的葉輪之詳細圖。

第7圖係根據本發明最佳實施例之附有自動煞車葉輪的詳細圖。

第8圖係根據本發明最佳實施例之顯示圓周上之發電線圈位置的概要圖。

第9(a)圖，係顯示在葉輪的前端將N極為表面之永久磁鐵，在外殼將線圈、在外殼周圍將複數的S極永久磁鐵安裝，使發電力更強化之發電機構的概要圖。

第9(b)圖，係顯示在葉輪的前端將N極或S極為表面之永久磁鐵，在外殼將複數線圈安裝之發電機構的概要圖。

第9(c)圖，係為根據本發明之最佳實施例，在葉輪的前端將N極或S極為表面之永久磁鐵，在外殼周圍將複數線圈安裝之發電機構的概要圖。

第10(a)圖，係為根據本發明之最佳實施例，係在葉輪前端安裝表面為N極或S極之永久磁鐵，在外殼的圓周面安裝帶狀或環狀的N極或S極之永久磁鐵。並顯示磁鐵的斥力之概要圖。

第10(b)圖，係為根據本發明之最佳實施例，係在葉輪 前端安裝表面為N極或S極之永久磁鐵，在外殼的圓周面安裝表面為N極或S極之永久磁鐵。並顯示磁鐵的斥力之概要圖。

①‧‧‧本體外殼

②‧‧‧葉輪

③‧‧‧細腰管

④‧‧‧發電線圈

⑤‧‧‧永久磁鐵N極．S極

⑥‧‧‧方向舵

Claims (5)

1. 一種小型風力發電裝置，係承受風能之葉輪與產生發電之發電機，其特徵在於：將葉輪螺旋狀地設置於軸方向，並在葉輪的前端安裝永久磁鐵，磁鐵的表面為N極，或成為S極；再者，在葉輪的外周藉由外殼將葉輪覆蓋；在此外殼，有裝入發電用鐵心之線圈，或僅線圈多數個被安裝在圓周方向與軸方向；再者，在圓周方向與軸方向安裝多數個為了増強葉輪的旋轉力之永久磁鐵，線圈與永久磁鐵則對於軸方向交互地被安裝著。
2. 如申請專利範圍第1項之小型風力發電裝置，其中前述發電裝置，係在覆蓋葉輪之圓周方向與軸方向安裝有多數個發電用線圈，又，在葉輪的前端安裝有永久磁鐵的N極或S極；
3. 如申請專利範圍第1項之小型風力發電裝置，其中前述葉輪係螺旋狀的葉輪，此葉輪的片數係以2~n片安裝在軸上。
4. 如申請專利範圍第1項之小型風力發電裝置，其中前述葉輪係對覆蓋葉輪之外殼的圓周方向與軸方向，有永久磁鐵以一定的角度被安裝，又，在葉輪的前端，亦有永久磁鐵表面以一定的角度被安裝，被安裝在此外殼的永久磁鐵，對於圓周方向，其N極與S極以θ及θ’非對稱地被設置。
5. 如申請專利範圍第1項之小型風力發電裝置，其中前述葉輪係以一定之導程角大小，一片一片的葉片螺旋狀地被安裝在軸方向，在此葉片的一部有彈性較弱的部分(窗)。