TW201350674A - 風力發電裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明關於產生能量的風力發電裝置(1)，特別是藉由周圍空氣移動產生的電力，該裝置包含一氣流道(3)，在氣流道中周圍空氣形成流過通道的氣流，其中氣流道(3)包含一形成邊界的外部套管(5)，以及錐形、如漏斗剖面的第一節(A)，第一部分的周圍空氣進入第一節且加速；在本質上等剖面的第二節(B)中，存在一轉子(20)，藉由周圍空氣表層流被設定轉動，其中第二節(B)包含管狀延伸(67)；第二節(B)的管狀延伸(67)延伸進第三節(C)，第三節(C)包含一錐形、管狀入口漏斗(44)，包圍管狀延伸(67)且允許第二部分的周圍空氣進入氣流道(3)；第二節(B)的管狀延伸(67)終止在第四節(D)，第四節(D)包含氣流道最小剖面的平面(“零”平面)，第一和第二部分的周圍空氣在第四節(D)流動；擴張的第五節(E)；第五節(E)隨後的第六節(F)，至少安排一個空氣加速裝置(11)。

Description

風力發電裝置
本發明關於產生能量的風力發電裝置，特別是藉由周圍空氣移動產生的電力。
由習知EP 1,916,415 B1產生電力的風力發電裝置。此習知技術之風力發電裝置包含一氣流道，在此氣流道中周圍空氣形成氣流，而流過流道，其中在風力發電裝置入口處的空氣加速裝置會加速被捲入的周圍空氣，接著流入後續的錐形部分，再進一步加速。在下一節中，周圍空氣表層流造成轉子旋轉，之後氣流被導入對應於出口節的展開部分，其中提供一個額外的空氣加速裝置，之後將流動的空氣送回到環境中。
根據EP 1,916,415 B1之風力發電裝置產生的能量，以流入的周圍空氣冷卻原理為基礎，周圍空氣在出口的溫度遠低於在入口時。根據EP 1,916,415 B1之風力發電裝置的設計策略，發明者持續在系統上努力，例如，在風力發電裝置的原理上，以大幅增加效率為目標，提供風力發電裝置極高的發電效率。
由相關的習知技術繼續進行，因此本發明的目的為提出比習知技術更有效率的風力發電裝置，即由周圍空氣的移動產生更多能量。
以專利範圍第1項之形態達成本目標。
根據本發明，風力發電裝置包含：錐形、如漏斗剖面的第一節(A)，第一部分的周圍空氣在此進入且加速；本質上等剖面的第二節(B)存在一轉子，可由周圍空氣表層流設定為轉動，其中第二節(B)包含一管狀延伸；第二節(B)的管狀延伸延長到第三節(C)，第三節(C)包含包圍管狀延伸的一錐形、管狀入口流道，允許第二部分的周圍空氣進入氣流道；第二節(B)的管狀延伸終止在第四節(D)，且第四節包含氣流道最小剖面平面(“零”平面)，第一和第二部分的周圍空氣流經第四節；展開的第五節(E)；和隨後的第六節(F)，其中安排至少一個空氣加速裝置。
驚訝地發現藉由允許第二部分的周圍空氣進入和省略測量被空氣加速裝置影響的入口區域第一部分和第二部分周圍空氣流入，可正向影響效率。風力發電裝置因此能得到相當大的能量。
最少一個空氣加速裝置位在出口處，可避免如空氣加速裝置的旋轉風扇造成周圍空氣流入的負面效應。
將風力發電裝置建造成模組是有優勢的，至少從第一到第六節，其中每節可容易的和臨近節互相連接。以製造、運送、組裝、保養和維修而言，這提供了巨大優勢。個別模組可以分開製造和運送；快速組裝；如果必要，替換個別模組很容易。
為加強這些優勢，每一節安裝在一底座上，每個 底座可移動，增加了處理個別模組的方便性。
舉例來說，使用安裝在底座的支撐輪或支撐滾筒可達到移動性，其中，支撐輪在任何方向或軌道上可自由移動。
在較佳實施例中，轉子是包含定子之渦輪機的一部分，在氣流道中也具有支撐轉子的定子。定子支撐可旋轉的轉子軸承，且包含導引空氣元件，該元件導引流入的第一部分周圍空氣以較佳的攻角到轉子的葉片。
因此，發電機可產生電力，轉子連接到和另一驅動發電機齒輪嚙合的齒輪。因此藉由選擇合適的齒輪對可簡單導入此設計。
另外，轉子可以用皮帶或鏈條傳動連接到發電機，鏈條傳動連接到發電機的驅動輪。
發明的風力發電裝置不只可用在產生電力，也可當作傳送相當大扭矩的工具機或提供相當轉速驅動給其他工具機或工作裝置。例如一部分的名單包含研磨機、壓床和幫浦。
有益的觀察在第二節的管狀延伸出口到稱為第四節”零平面”的最小剖面平面之間的距離，決定於第二節的管狀延伸的內直徑。因為各節模組化的設計，因此可憑經驗決定管狀延伸最佳的位置，例如，相對第三到第六節簡單去移動第一和第二節。
在另一實施例中，也可由氣流道外側支撐轉子，例如，支撐轉子的組件可以安裝在氣流道的外側，讓干擾氣流的組件可以遠離氣流道。
在最佳實施例中，至少一個空氣加速裝置設計成 風扇。該風扇最好包含可由馬達設定轉動的葉輪。
習知的風扇設計具有驅動軸承的馬達，在驅動軸 承上安裝葉輪或風扇的葉片。或者，偏好在氣流道外側安裝風扇的馬達。可達到下列優點：首先，風扇直徑可以更小。這導致風力發電裝置整體長度大幅減少，也降低了摩擦力的損失。
外部安裝的馬達可使用合適的技術手段，如皮帶 驅動去驅動風扇。這提供了第二項優點，換句話說，馬達產生的熱不會轉移到出口區域的空氣氣流。這很重要，因為增加空氣氣流的熱量對風力發電裝置的效率有負面影響。
根據發明的風力發電裝置之最佳實施例，提供擴 張出口管或出口漏斗形狀的第七節接在第六節之後。藉由風扇的轉子葉片最適當設計，可強迫空氣往擴張出口管的傾角相關方向流動。這更進一步增加風力發電裝置的效率。
連同下圖來詳細描述第一實施例，發明的風力發 電裝置設置，基本上是水平的。然而，它也可以被設置為垂直，其中偏好入口在頂部而出口在底部。因為冷空氣比熱空氣重，比周圍空氣冷的空氣向下導流，會正面影響風力發電裝置的效率。
如同上述已提過，干擾空氣表層流對風力發電裝 置的效率有負面影響。為此，連接到轉子的驅動裝置被外殼包覆具有優勢，其中外殼可以用相關流體力學去最佳化(如液滴形狀等)。
為了增加能量的產出，如風力發電裝置的效率， 可藉提供套管內表面適當的低摩擦力塗裝去減少周圍空氣流 動的摩擦阻力，而最佳化由管狀套管包圍的氣流道。
管狀延伸為等剖面或沿氣流方向展開也是有益 的。
隨下列圖式之描述可得到本發明額外的細節、特 徵和優勢。
A‧‧‧第一節
B‧‧‧第二節
C‧‧‧第三節
D‧‧‧第四節
D1‧‧‧第四之一小節
D2‧‧‧第四之二小節
E‧‧‧第五節
F‧‧‧第六節
G‧‧‧第七節
H‧‧‧第八節
I‧‧‧第九節
1‧‧‧風力發電裝置
3‧‧‧氣流道
5‧‧‧外部套管
7‧‧‧入口區域
9‧‧‧出口區域
11‧‧‧空氣加速裝置
13‧‧‧空氣加速裝置
15‧‧‧渦輪機
17‧‧‧支撐結構
19‧‧‧定子
20‧‧‧轉子
21‧‧‧箭頭
27‧‧‧支撐結構
30‧‧‧圓形流入裝置
31‧‧‧入口漏斗
32‧‧‧水平加強支桿
33‧‧‧支桿
34‧‧‧凸緣環
35‧‧‧水平加強支桿
36‧‧‧發電機
37‧‧‧支撐結構
38‧‧‧底座
39‧‧‧底座
40‧‧‧凸緣環
41‧‧‧滾輪
43‧‧‧支撐滾輪
44‧‧‧管狀入口漏斗
45‧‧‧流入裝置
47‧‧‧驅動軸承
49‧‧‧驅動輪
51‧‧‧底座
53‧‧‧支撐輪
54‧‧‧渦輪機管
55‧‧‧葉片
56‧‧‧軸心
57‧‧‧轉子軸承
58‧‧‧葉片
59‧‧‧渦輪機管
60‧‧‧驅動輪
61‧‧‧似屋頂結構
63‧‧‧支桿
64‧‧‧凸緣環
65‧‧‧齒輪皮帶
66‧‧‧管狀套管
67‧‧‧管狀延伸
68‧‧‧平面
69‧‧‧凸緣環
70‧‧‧凸緣環
71‧‧‧零平面
72‧‧‧凸緣環
73‧‧‧管狀出口漏斗
74‧‧‧馬達軸承
75‧‧‧凸緣環
76‧‧‧驅動輪
77‧‧‧凸緣環
78‧‧‧出口漏斗
79‧‧‧馬達
80‧‧‧葉輪
81‧‧‧套管
82‧‧‧加強結構
83‧‧‧底座
84‧‧‧垂直支撐
85‧‧‧盤
86‧‧‧支撐輪
87‧‧‧擴張出口管
89‧‧‧擴張出口漏斗
圖1顯示發明的風力發電裝置之側面示意圖，分成數個獨立的部分；圖2顯示圖1風力發電裝置的剖面圖；圖3顯示由入口區域到零平面的放大剖面圖；圖4顯示始於零平面的出口區域放大剖面圖；以及圖5顯示根據圖4出口區域替代實施例的側面圖。
在附圖中，相同的元件和組件被指定為相同的參考號碼。
圖1顯示發明的風力發電裝置1之第一較佳實施例的側面示意圖。風力發電裝置1以模組型式設計，包含第一節A，第二節B，第三節C，第四節D，第五節E，第六節F，第七節G，第八節H，及第九節I。如圖1中所示，基本上第四節D的設計為對稱且包含一邊界平面，在此稱為”零平面”71，在發明的風力發電裝置1之入口(或入口區域)及出口(或出口區域)之間形成邊界。第四節D因此細分為兩小節D1和D2。整體而言，發明的風力發電裝置1的入口(或入口區域)包含A，B，C，及D1；而出口(或出口區域)包含D2，E，F， G，H，及I。風力發電裝置1包含由第一節A延伸到最終節I的氣流道3。氣流道3被如金屬薄板製成的管狀外套管5包覆。氣流道包含基本的圓形剖面。
在第一節A中，氣流道3包含連續錐形的入口漏斗31。第一部分的周圍空氣進入此入口漏斗31。在第二節B中，氣流道包含有渦輪機管54、59及管狀延伸67的基本等剖面表面，將根據圖3更進一步詳細的說明。
風力發電裝置1包含具有另一個入口漏斗44的第三節C，入口漏斗44錐形連續變細，且第二部分的周圍空氣進入。此空氣也沿著管狀延伸67的外表面流動。
在第四節D的中間是邊界表面，稱為”零平面”71，具有由第一部分周圍空氣和第二部分周圍空氣組合之最小的流量通道剖面，如第一和第二部分周圍空氣流過此通道。零平面71在入口區域7和出口區域9之間形成邊界。根據圖3至圖5，下面會詳細描述這兩個區域。
在第五節E，氣流道3再度向外變寬，且由兩個空氣加速裝置連接下一節，如第六節F。第六節F包含基本的等剖面。
在第七節G，氣流道3更進一步變寬，且由兩個額外的空氣加速裝置13連接著第八節H。第八節H包含基本的等剖面。最終，在第九節I風力發電裝置1終止，在此氣流道擴張更多。
為了節省空間，發電機36設置在第一節A外側。它包含安裝驅動輪49的驅動軸承47，接下來連接渦輪機15 的驅動輪60。
也如圖1所示，在下面更仔細說明，適當的支撐 結構17支撐A至I每一節。A至I每一節的全部支撐結構輪流支撐各別底座39。底座39包含專屬的支撐輪41，所以每個A至I模組部分可以個別移動。
圖2顯示圖1發明的風力發電裝置之剖面示意 圖。特別標注渦輪機15的定子19和轉子20，在下面圖3至圖5中會仔細說明。此外，箭頭21代表第二部分周圍空氣的流動。在出口區域9，我們更清楚看到設計成風扇型式的空氣加速裝置11和13。
接著參考根據圖2放大入口區域7的剖面圖圖3。 在第一節A包圍氣流道3的入口漏斗31，作為接受箭頭21所指之第一部分周圍空氣，包含在前端一圓形流入裝置30。入口漏斗31安裝在支撐結構17上，舉例說明支撐結構17如下所述設計。
支撐結構17包含互相連接的垂直支撐樑(或支桿 33)及水平支撐(或加強支桿32及35)。水平支撐支桿32及35在水平方向，及與氣流道3之橫軸方向延伸。入口漏斗31安放在如框架的支撐結構17上。支撐結構17則是放置在設計成平盤的底座39上。因此第一節A可移動或傳送，支撐滾輪41安裝在底座39上，這些滾輪支撐整個第一節A，且使之可動。
相對於流入裝置30的入口漏斗31終端，固定一 用來連接漏斗和凸緣環40的凸緣環34，凸緣環40又固定到渦輪機管54。藉由可拆卸接頭，如螺栓和螺帽，兩凸緣環34和 40可以相連形成連續氣流道3且可再次互相斷開。
在圖3的剖面圖中，位於剖面平面之外描述的元件以虛線繪製。
第二節B容納如渦輪機15形式的能量產生或轉換裝置。渦輪機15包含有轉子軸承57的轉子20和轉子葉片58。具有軸心56的定子19支撐插入的轉子軸承57。定子包含葉片55，葉片55具有將進入的周圍空氣以特定角度轉向並抵達轉子20的葉片58上。渦輪機管54包圍定子19，且渦輪機管59包圍轉子20。
第二節B包含如框架形的支撐結構27，支撐結構27包含複數個垂直及水平支撐或支桿63，安裝在如平盤型元件的底座51上。平盤型元件51安放在支撐輪53上，所以第二節B也是可移動的。
支桿63被如屋頂結構的61覆蓋，可吸收力量。
如圖3，因為發電機36位在氣流道3之後，所以用虛線描繪。發電機36用垂直及水平的支桿安放在支撐結構37上。支撐結構37安放在設計成類似底座39及51的平盤之底座38上。因此發電機可移動，底座38再度安放在支撐滾輪43上。
渦輪機管59之後是管狀延伸67，是渦輪機16的流出管。在此討論的例子，管狀延伸67和渦輪機管54及59具有相同直徑。舉例來說，設置凸緣環64去連接相關的支撐結構支桿63。
轉子20被外部輪緣60圍繞。藉由適當的齒輪皮 帶65，輪緣可傳送驅動力至發電機36的驅動環49上，驅動環安裝在發電機軸承47上。
管狀延伸67延伸穿越發明的風力發電裝置1的整 個第三節C直至第四節D的第一小節D1。第三節C包含箭頭21所示之第二部分周圍空氣流入裝置45的入口漏斗44。
如圖3所示，第二部分周圍空氣沿著管狀延伸67 外部流動，直到抵達管狀延伸67終點的平面68；由此平面到零平面71距離和管狀延伸67內直徑相關。相對於第三節和其他C至I節，因為第一節A和第二節B可以像一個單位般移動，可憑經驗找到平面68的最佳位置，即管狀延伸67出口到零平面71之間最佳距離，且在此永久設定平面68位置。
第三節C的入口漏斗44，如同第一節A的入口漏 斗31，安放在具有垂直支撐33及水平加強支桿32和35，如框架般的支撐結構17上，其中支撐結構17本身安放在盤型底座39上。盤型底座39接續安放在支撐輪41上，因此可移動。
第三節可連接到第四節D，入口漏斗44的出口側 及第四節的入口側都具有凸緣環69，凸緣環69彼此可簡單連接及斷開。
在D1小節，第四節D包含一形同另一入口漏斗的 管狀套管66，延伸至零平面71。在入口的零平面71或入口區域7，入口區域最後一個凸緣環70位在管狀套管66上；這個凸緣環配合氣流道3的管狀出口漏斗73的凸緣環72。第四節D的兩D1及D2小節也包含支撐結構32、33及35，被底座39支撐，整個安放在支撐輪41上。
如圖4所示，第四節D由另一個凸緣環連接器34 連接到另一個出口漏斗78，在此所示的例子，出口漏斗78以和出口漏斗73以不同的角度擴張。
出口或出口區域9，詳如圖4所示，包含一系列連 接區域，換句話說，為第四節D的D2小節，第五節E，第六節F，第七節G，第八節H，第九節I。如圖4所示，具有支撐和支桿32、33及35的支撐結構17再一次支撐氣流道3，其中底座39上的支撐滾輪41再一次支撐支撐結構17，因此個別節具有可動性。
設置凸緣環34、75及77，不只能簡單連接各節之間，也能在保養時斷開等等。第五節E的出口漏斗78擴張到第六節F，在第六節F安裝的兩風扇11可透過凸緣環77斷開。風扇包含安裝在馬達軸承74上可轉動的葉輪或葉片80，由馬達79驅動。葉輪80安裝在驅動輪76上。
在第六節F和第八節H中，套管或管81包圍氣流道3。在第八節H，再次安裝兩個風扇13，和風扇11具有相同的設計，但尺寸較大。參考數字82指定為風扇套管81的加強結構。
第七節G延伸在第六節F和第八節H之間；第七節設計為擴張漏斗87的型式。在具有兩個風扇13的第八節H之後，是一額外節，換句話說，是具有擴張出口漏斗89的第九節I。
圖4顯示本發明出口區域9的第一實施例。原則上，風力發電裝置1可只包含兩個風扇11中的一個風扇，且 第G至H節是任選的。需要越多的風扇去供應越大的能量。
如前已解釋過，在氣流道3阻礙空氣流動是不利 於整體風力發電裝置的效率。圖5顯示風扇11及13的替代實施例，其中馬達79由氣流道3側向偏移，葉片80可由馬達軸承74上的驅動輪76驅動。例如，也可藉由皮帶驅動，為了進一步減少氣流道中的干擾，設置於氣流道中皮帶驅動的外殼(未顯示)可由流體力學的觀點適當設計。
馬達79安裝在底座83上，底座83安放在垂直支 撐84上。在其他組件或節的例子中，支撐安裝在盤85上，盤85可在支撐輪86上運行，使得具有軸承74和驅動輪76的馬達79可以移動。
本發明的風力發電裝置，藉由周圍空氣的移動回 收，創造能量，特別是電力，其中風扇的電力消耗遠小於渦輪機供應的能量，歸功於流經渦輪機的氣流之冷卻。
本發明的另一項優勢來自於由氣流道3排出的氣 流溫度遠低於進入的氣流，使得它適合用在氣候控制(冷卻)系統。
A‧‧‧第一節
B‧‧‧第二節
C‧‧‧第三節
D‧‧‧第四節
D1‧‧‧第四之一小節
D2‧‧‧第四之二小節
E‧‧‧第五節
F‧‧‧第六節
G‧‧‧第七節
H‧‧‧第八節
I‧‧‧第九節
1‧‧‧風力發電裝置
3‧‧‧氣流道
5‧‧‧外部套管
7‧‧‧入口區域
9‧‧‧出口區域
11‧‧‧空氣加速裝置
13‧‧‧空氣加速裝置
15‧‧‧渦輪機
17‧‧‧支撐結構
19‧‧‧定子
20‧‧‧轉子
21‧‧‧箭頭
31‧‧‧入口漏斗
36‧‧‧發電機
39‧‧‧底座
41‧‧‧滾輪
44‧‧‧管狀入口漏斗
60‧‧‧驅動輪
66‧‧‧管狀套管
67‧‧‧管狀延伸
71‧‧‧零平面

Claims (15)

  1. 一種產生能量的風力發電裝置(1)，特別是藉由周圍空氣的移動產生電力，該風力發電裝置包含：一氣流道(3)，在通道中周圍空氣形成氣流，其中該氣流道(3)包含形成邊界的外部套管(5)；一第一節(A)，具有錐形、如漏斗剖面，一第一部分周圍空氣進入並被加速；一第二節(B)，具有基本等剖面，其中的一轉子(20)可由周圍空氣表層流設定轉動；其中該第二節(B)包含一管狀延伸(67)；其中該管狀延伸(67)延伸到一第三節(C)，包含包圍該管狀延伸(67)的錐形、管狀入口漏斗(44)，允許一第二部分的周圍空氣進入該氣流道(3)；其第二節(B)的管狀延伸終止在第四節(D)，包含氣流道最小剖面平面(“零”平面)，該第一部分和該第二部分周圍空氣流過；一第五擴張節(E)；以及接在該第五節(E)之後的一第六節(F)，至少安排一個空氣加速裝置(11)。
  2. 根據申請專利範圍第1項之風力發電裝置，其中最少關於該第一至該第六節(A至F)的模組設計，在該每節(A至F)中可簡單和臨近節連接。
  3. 根據申請專利範圍第1或2項之風力發電裝置，其中該每節(A至I)安裝在底座(39及51)上，在自身範圍內是可動的。
  4. 根據申請專利範圍第1至3項中任一項之風力發電裝置，其中該轉子(20)是渦輪機(15)的一部分，該轉子(20)含支撐的一定子(19)，也安排在該氣流道(3)中。
  5. 根據申請專利範圍第1至4項中任一項之風力發電裝置，其中該轉子(20)連接到和一驅動發電機(36)另一齒輪嚙合的齒輪。
  6. 根據申請專利範圍第1至4項中任一項之風力發電裝置，其中該轉子(29)連接到一皮帶或一鏈條驅動(60及65)，也連接到發電機的一驅動輪(49)。
  7. 根據申請專利範圍第1至6項中任一項之風力發電裝置，其中在該第二節(B)該管狀延伸(67)的出口和該第四節(D)最小剖面平面(71)之間的距離(68)靠該第二節(B)該管狀延伸(67)的內直徑而定。
  8. 根據申請專利範圍第1至3項中任一項之風力發電裝置，其中該轉子之一支撐結構安裝在該氣流道(3)之外。
  9. 根據申請專利範圍第1至8項中任一項之風力發電裝置，其中該空氣加速裝置是至少一個風扇(11)。
  10. 根據申請專利範圍第9項之風力發電裝置，其中該風扇(11)包含一葉輪或一葉片(80)，可由一馬達(79)設定為轉動。
  11. 根據申請專利範圍第10項之風力發電裝置，其中該風扇(11及13)的該馬達(79)設置在該氣流道(3)外側。
  12. 根據申請專利範圍第1至11項中任一項之風力發電裝置，其中設有如出口擴張管(87)形狀的一第七節(G)，緊接在該第六節(F)之後。
  13. 根據申請專利範圍第1、2、4至12項中任一項之風力發電裝置，其中基本設置為垂直方向，入口在頂部而出口在底部最佳。
  14. 根據申請專利範圍第5至13項中任一項之風力發電裝置，其中連接到該轉子(20)的驅動裝置被一外殼包覆。
  15. 根據申請專利範圍第1至14項中任一項之風力發電裝置，其中該管狀延伸(67)基本上是等剖面或沿氣流方向擴張。
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