TW201410974A - 具有升阻力型複合式葉片結構之風力發電機 - Google Patents

Abstract

一種具有升阻力型複合式葉片結構之風力發電機，係包含：一發電組件，該發電組件之一端樞設有一中心軸；及一扇葉組，該扇葉組設於中心軸外周，該扇葉組設有數個第一扇葉及數個第二扇葉，該第一扇葉之一端連結中心軸，該第一扇葉之另一端連結第二扇葉，且該第一扇葉具有相對之一迎風面及一背風面，該第二扇葉係位於該第一扇葉之背風面，該第二扇葉具有相對之一第一導流面及一第二導流面，且該第一導流面係與第一扇葉之背風面形成一進風道，該進風道內設有一徑縮部。

Description

具有升阻力型複合式葉片結構之風力發電機

本發明係關於風力發電機，特別是一種結合升力型葉片及阻力型葉片以提高發電效率之風力發電機。

為因應全球氣候變遷與環境保護意識高漲，各國掀起一陣研發新能源或開發綠色能源之熱潮，其中，風力發電的應用已經成為非常重要的再生能源選項之一，藉著空氣流動轉動葉片以擷取風的風能，進而帶動發電機而發電，發電的能量來源不僅受到的限制較少，發電的過程也能相對減少對環境的惡性負擔。

風力發電機的葉片型式，可依照葉片的工作原理區分為阻力型葉片及升力型葉片。其中，阻力型葉片的起動力矩小，在低風速時可輕易被風力推動，但高風速時風能轉換率損失大，而升力型葉片雖然在低風速之啟動力矩大，但在高風速時則有較佳之發電效率。因此，結合阻力型葉片與升力型葉片，將可利用該阻力型葉片之低風速啟動特性牽引該升力型葉片轉動，且在高風速時利用該升力型葉片產生較大之風能轉換率以提高發電效率。

請參照第1圖所示，係為習知結合阻力型葉片及升力型葉片之風力發電機之立體外觀圖，該風力發電機係包含一阻力型風扇91、一升力型風扇92及一基座93。該阻力型風扇91具有一中心軸911，該中心軸911的外周設有數阻力型葉片912；該升力型風扇92具有數升力型葉片921， 各該升力型葉片921係藉由數個徑向肋922連接於該中心軸911，令該阻力型風扇91及升力型風扇92係呈同步轉動。該基座93內部具有一發電機931，且該中心軸911之一端成可樞轉的設置於該基座93並連接該發電機931，令該基座93可支撐該阻力型風扇91及升力型風扇92旋轉。因此，當阻力型風扇91及升力型風扇92受自然風力吹拂而旋轉時，該發電機931之轉子與該中心軸911同步轉動，並因為該發電機931之轉子與定子間的磁感應而產生電力，以形成風力發電之效益。

惟，該習知結構之各阻力型葉片912均具有一迎風面及一背風面，當其中一阻力型葉片912之迎風面受自然風力吹拂作用而產生一正向轉動力矩時，其它相鄰的阻力型葉片912之背風面也可能同時受該風力作用，而產生一逆向轉動力矩，該逆向轉動力矩會抵消一部分之正向轉動力矩，造成風能轉換率的損失，因而影響該風力發電機之發電效率。

該習知結構之升力型葉片921係藉由自然風力通過其內、外表面時所造成的風速差以產生旋轉力矩，然而，習知結構之升力型葉片921的截斷面形狀大多為均一厚度之平板或彎弧板片形式，或為類似水滴形狀之對稱型式，使該升力型葉片921之內、外表面的風速差較小，造成發電效率不佳。

綜合上述，有必要提供一種具有升阻力型複合式葉片結構之風力發電機，係能夠減少阻力型葉片912之背風面產生之逆向轉動力矩，以降低風能轉換率的損失，更能夠 提升該升力型葉片921之內、外表面之風速差，以提高該具有升阻力型複合式葉片結構之風力發電機之發電效率。

本發明之主要目的係提供一種具有升阻力型複合式葉片結構之風力發電機，該風力發電機能夠減少阻力型葉片之背風面產生之逆向轉動力矩，以降低風能轉換率的損失。

本發明之次一目的係提供一種具有升阻力型複合式葉片結構之風力發電機，該風力發電機能夠提高升力型葉片之相對二表面的風速差，以提升發電效率。

為達到前述發明目的，本發明所運用之技術手段包含有：一種具有升阻力型複合式葉片結構之風力發電機，係包含：一發電組件，該發電組件之一端樞設有一中心軸；及一扇葉組，該扇葉組設於中心軸外周，該扇葉組設有數個第一扇葉及數個第二扇葉，該第一扇葉之一端連結中心軸，該第一扇葉之另一端連結第二扇葉，且該第一扇葉具有相對之一迎風面及一背風面，該第二扇葉係位於該第一扇葉之背風面，該第二扇葉具有相對之一第一導流面及一第二導流面，且該第一導流面係與第一扇葉之背風面形成一進風道，該進風道內設有一徑縮部。

本發明之一種具有升阻力型複合式葉片結構之風力發電機中，任相鄰的第一扇葉間，係以其中一第一扇葉之迎風面與另一第一扇葉之背風面相互對應。

本發明之一種具有升阻力型複合式葉片結構之風力發電機中，該第二扇葉之第一導流面係一弧凸面，且該第一導流面之曲率大於該第二導流面之曲率。

本發明之一種具有升阻力型複合式葉片結構之風力發電機中，該第二扇葉另設有一連接部，該連接部係連接於該第一扇葉之背風面周緣位置。

本發明之一種具有升阻力型複合式葉片結構之風力發電機中，該第二扇葉之第一導流面係面向第一扇葉之背風面，且該第一導流面係面向該中心軸。

本發明之一種具有升阻力型複合式葉片結構之風力發電機中，該徑縮部係進風道中截面積最小之通道。

本發明之一種具有升阻力型複合式葉片結構之風力發電機中，該第一扇葉係一阻力型葉片，且該第二扇葉係一升力型葉片。

本發明之一種具有升阻力型複合式葉片結構之風力發電機中，該第一扇葉之迎風面係一彎弧凹面，且該第一扇葉之背風面係一彎弧凸面。

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：本發明所述之「阻力型(drag-type)扇葉」之作動原理係為垂直於扇葉表面之風力推動扇葉，並產生一旋轉力矩，以帶動該扇葉旋轉。該「扇葉」名詞可以使用「葉片」 代替，係熟悉該技藝者可以理解。

本發明所述之「升力型(lift-type)扇葉」之作動原理係為平行於該扇葉之氣流通過該扇葉之相對二表面時，由於該扇葉之相對二表面之形狀差異，使通過該相對二表面之氣流產生流速差異，且使該氣流流速慢之一表面受到較大的壓力，且該壓力係垂直於該扇葉之相對二表面，進而帶動該扇葉旋轉。該「扇葉」名詞可以使用「葉片」代替，係熟悉該技藝者可以理解。

請參照第2及3圖所示，本發明之具有升阻力型複合式葉片結構之風力發電機係包含一發電組件1及一扇葉組2；該發電組件1之一端樞設有一中心軸11，該扇葉組2係設於中心軸11外周，因此當該扇葉組2受自然風力吹拂而旋轉時，可驅使該發電組件1產生電力，以形成風力發電之效益。

該扇葉組2係包含數個第一扇葉21及數個第二扇葉22，該扇葉組2係設置於該中心軸11之外周位置，且該第一扇葉21之一端連結中心軸11，該第一扇葉21之另一端連結第二扇葉22；該第一扇葉21係一阻力型扇葉，且該第二扇葉22係一升力型扇葉。

該第一扇葉21具有相對之一迎風面211及一背風面212，該迎風面211較佳係一彎弧凹面，該背風面較佳係一彎弧凸面，且任二相鄰的第一扇葉21之迎風面211與另一第一扇葉21之背風面212相互對應。

該第二扇葉22係位於該第一扇葉21之背風面212，且該第二扇葉22設有一連結部221，該連結部221連接於 該背風面212周緣位置，本實施例中，該連結部221係為相對之二連接板，但不以此為限；該第二扇葉22具有相對之一第一導流面222及一第二導流面223，該第一導流面222係與該第一扇葉21之背風面212相對，且該第一導流面222面向中心軸11；該第一導流面222係一弧凸面，且該第一導流面222之曲率較佳係大於該第二導流面223之曲率，該第二導流面223較佳為一平面，據此，當該第二扇葉22受自然風力吹拂時，通過第一導流面222之氣流流速會高於通過第二導流面223之氣流流速，令該第二扇葉22受到一朝向中心軸11的作用力；此外，該第一導流面222與相對之背風面212之間形成一進風道224，該進風道224內設有一徑縮部225，該徑縮部225係該進風道224中截面積最小之通道，據此，當自然風通過該徑縮部225時，亦會提升通過第一導流面222之氣流流速，更提升氣流通過第一導流面222及第二導流面223之氣流流速差，進而提升該第二扇葉22受到之朝向中心軸11的作用力。

本發明之具有升阻力型複合式葉片結構之風力發電機作動時，該風力發電機可接受來自四面八方的風力，而不受風向限制。當風力作用於該扇葉組2時，係可驅使數個第一扇葉21及數個第二扇葉22與該中心軸11同步旋轉，該發電組件1之轉子亦與該中心軸11同步轉動，並因為該發電組件1之轉子與定子間的磁感應而產生電力，以形成風力發電之效益。

當自然風力吹拂過該第一扇葉21及第二扇葉22周邊，在低風速的情況下，由於該第一扇葉21之啟動時需要 之轉動力矩小，可在低風速時輕易被風力推動，且該第二扇葉22係連結該第一扇葉21，因此當第一扇葉21開始轉動時，亦會帶動該第二扇葉22轉動。請參照第4圖所示，當第一扇葉21之迎風面211受到自然風力吹拂而產生一順時針轉動力矩時，與其相鄰之第一扇葉21之背風面212會同時受到該自然風力之作用而產生一逆時針轉動力矩；此時，設置於該產生逆時針轉動力矩之第一扇葉21的第二扇葉22亦會受到該自然風力吹拂作用，而產生一朝向中心軸11之作用力，且該作用力係能夠推動該第二扇葉22朝向順時針方向旋轉，產生一順時針轉動力矩，因此能夠減少該第一扇葉21產生之逆時針轉動力矩，進而減少風能轉換率的損失，而提高風力發電機之發電效率。

此外，該第二扇葉22之第一導風面222係一弧凸面，且該第一導風面222之曲率大於該第二導風面223之曲率，當自然風力吹拂過該第二扇葉22時，通過第一導風面222之氣流流速會高於通過第二導風面223之氣流流速，且該第一導風面222係與相對之第一扇葉21的背風面212之間形成一進風道224，且另設有一徑縮部225，該徑縮部225係進風道224中截面積最小之通道，故通過第一導風面222之氣流會於該徑縮部225產生加速行為，因而提高與通過第二導風面223之氣流流速差，進而增大該第二扇葉22受到朝向該中心軸11之作用力，更加提高該扇葉組2受到之總順時針轉動力矩，而提高風力發電機之發電效率。

在高風速的情況下，由於該第二扇葉22具有較大的 轉矩，因此當第一扇葉21及第二扇葉22被風力推動而開始旋轉之後，可利用該第二扇葉22提高發電效率。而且，透過第二扇葉22之第一導風面222及第二導風面223之曲率差異造成之流速差及氣流通過該徑縮部225產生之加速行為，產生較大之風速差以提升其轉矩，進而提升發電效率。

值得注意的是，以上雖已如第2、3及4圖之較佳實施例作為說明，當風力吹拂時，第二扇葉22會產生一順時針轉動力矩以減少第一扇葉21產生之逆時針轉動力矩，惟該轉動力矩之方向係根據該扇葉組2之配置方向而定，且該扇葉組2之配置方向係所屬技術領域人員可以理解及輕易衍生變化者，故以上雖舉順時針轉動之扇葉組為例說明，但並不以此為限。

綜上所述，本發明之具有升阻力型複合式葉片結構之風力發電機，該風力發電機係透過升力型扇葉產生之正向轉動力矩，抵銷阻力型扇葉之背風面產生之逆向轉動力矩，以降低風能轉換率的損失。

本發明之具有升阻力型複合式葉片結構之風力發電機，該風力發電機係透過升力型扇葉之第一、第二導風面的曲率差，及設置升、阻力型扇葉之間的徑縮部，有效提高該升力型扇葉之第一、第二導風面的風速差，以提升發電效率。

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‧‧‧發電組件

11‧‧‧中心軸

2‧‧‧扇葉組

21‧‧‧第一扇葉

211‧‧‧迎風面

212‧‧‧背風面

22‧‧‧第二扇葉

221‧‧‧連結部

222‧‧‧第一導流面

223‧‧‧第二導流面

224‧‧‧進風道

225‧‧‧徑縮部

〔習知〕

91‧‧‧阻力型風扇

911‧‧‧中心軸

912‧‧‧阻力型葉片

92‧‧‧升力型風扇

921‧‧‧升力型葉片

922‧‧‧徑向肋

93‧‧‧基座

931‧‧‧發電機

第1圖：習知風力發電機之立體外觀圖。

第2圖：本發明之立體外觀圖。

第3圖：本發明之俯視示意圖。

第4圖：本發明之運轉示意圖。

1‧‧‧發電組件

11‧‧‧中心軸

2‧‧‧扇葉組

21‧‧‧第一扇葉

211‧‧‧迎風面

212‧‧‧背風面

22‧‧‧第二扇葉

221‧‧‧連結部

222‧‧‧第一導流面

223‧‧‧第二導流面

224‧‧‧進風道

225‧‧‧徑縮部

Claims (12)

1. 一種具有升阻力型複合式葉片結構之風力發電機，係包含：一發電組件，該發電組件之一端樞設有一中心軸；及一扇葉組，該扇葉組設於中心軸外周，該扇葉組設有數個第一扇葉及數個第二扇葉，該第一扇葉之一端連結中心軸，該第一扇葉之另一端連結第二扇葉，且該第一扇葉具有相對之一迎風面及一背風面，該第二扇葉係位於該第一扇葉之背風面，該第二扇葉具有相對之一第一導流面及一第二導流面，且該第一導流面係與第一扇葉之背風面形成一進風道，該進風道內設有一徑縮部。
2. 依申請專利範圍第1項所述之具有升阻力型複合式葉片結構之風力發電機，其中，任相鄰的第一扇葉間，係以其中一第一扇葉之迎風面與另一第一扇葉之背風面相互對應。
3. 依申請專利範圍第1項所述之具有升阻力型複合式葉片結構之風力發電機，其中，該第二扇葉之第一導流面係一弧凸面。
4. 依申請專利範圍第1或3項所述之具有升阻力型複合式葉片結構之風力發電機，其中，該第一導流面之曲率大於該第二導流面之曲率。
5. 依申請專利範圍第1項所述之具有升阻力型複合式葉片結構之風力發電機，其中，該第二扇葉另設有一連接部，且該連接部係連接該第二扇葉及第一扇葉之背風面 周緣位置。
6. 依申請專利範圍第1項所述之具有升阻力型複合式葉片結構之風力發電機，其中，該第二扇葉之第一導流面係面向第一扇葉之背風面。
7. 依申請專利範圍第1項所述之具有升阻力型複合式葉片結構之風力發電機，其中，該第二扇葉之第一導流面係面向該中心軸。
8. 依申請專利範圍第1項所述之具有升阻力型複合式葉片結構之風力發電機，其中，該徑縮部係該進風道中截面積最小之通道。
9. 依申請專利範圍第1項所述之具有升阻力型複合式葉片結構之風力發電機，其中，該第一扇葉係一阻力型葉片。
10. 依申請專利範圍第1項所述之具有升阻力型複合式葉片結構之風力發電機，其中，該第二扇葉係一升力型葉片。
11. 依申請專利範圍第1項所述之具有升阻力型複合式葉片結構之風力發電機，其中，該第一扇葉之迎風面係一彎弧凹面。
12. 依申請專利範圍第1項所述之具有升阻力型複合式葉片結構之風力發電機，其中，該第一扇葉之背風面係一彎弧凸面。