TW201419716A - 力能發電系統及裝置 - Google Patents

Abstract

本發明乃關於新穎之力能發電系統及裝置，尤指一種利用一起動馬達經由配合之驅動及傳動裝置以將傳動力矩加以放大後驅動一組串聯之大小飛輪組接力聯所生慣性力矩，由末端飛輪驅動發電機以輸出電力作功，並將部分電力回授給起動馬達之發電系統及裝置。該系統包括：起動馬達；經第一驅動裝置由起動馬達驅動旋轉之第一飛輪；由第一飛輪驅動旋轉之第一傳動裝置；經第二驅動裝置由第一傳動裝置驅動旋轉之第二飛；經做為變速裝置之第二傳動裝置驅動旋轉而產生電力以供外界器具使用之發電機，發電機；及將發電機所產生之電力加以變電而保持所需之電流及電壓之後供使用及部分回授給起動馬達之變電器。其中，自起動馬達、第一驅動裝置、第一飛輪、第一傳動裝置、第二驅動裝置、第二飛輪、第二傳動裝置至發電機係構成機械式串聯系統，而自發電機、變電器至起動馬達則構成部分電氣式回授系統；如此整個系統構成機電混合式封閉回路。

Description

力能發電系統及裝置

本發明乃關於新穎之力能發電系統及裝置，尤指一種利用一起動馬達經由配合之驅動及傳動裝置以將傳動力矩加以放大後驅動一組串聯之大小飛輪組接力聯所生慣性力矩，由末端飛輪驅動發電機以輸出電力作功，並將部分電力回授給起動馬達之發電系統及裝置。

迄今為止，眾所週知之傳統電力產生機械，不外乎為利用燃料的燃燒能或蒸汽能來驅動渦輪機以帶動發電機利用水力以驅動發電機，利用風力以驅動發電機等等。上述種種發電裝置，除了利用自然界之水力及風力做為能源來驅動發電裝置者之外，其他利用燃料之發電裝置在運轉期間會不斷消耗大量能源，如電源、石油、煤碳及其他燃料。利用水力、風力者，雖不必浪費上述能源，卻受到地形、位置、天候之限制，且所佔用空間甚大，設備及維修費用甚昂貴，因此，小規模用途受到很大限制。

近來，有利用太陽能，或潮汐或海浪的能量來發電之裝置，然而此種裝置同樣受到地形、天候之限制，所佔空間甚大，設備費用更是昂貴。

此外，上述發電裝置中使用石油、煤碳等燃料者，還會造成空氣污染、地球暖化等公害問題。

是以，提供一種低能源消費且設備費用低廉，更能不受地形、天候、空間限制，復易於控制並能適於小規模及廣泛應用的電力產生裝置實為業界所期盼。

本發明之主要目的，在提供一種新穎的電力產生系統，乃 為針對消除上述問題而開發，其係利用小電力起動馬達驅動大小二飛輪串聯接力傳動所產生旋轉慣性力矩之放大配合傳動及驅動手段及電能之回授，以維持飛輪持續帶動發電機運轉而輸出電力以作功者。

本發明之次一目的，在提供一種發電裝置，只需耗費相當少的外部起動動力以驅動大小二飛輪旋轉，待各飛輪旋轉達到所需轉速以上之後，即可藉經傳動裝置放大力矩之大飛輪所生之慣性動力驅動發電機以輸出大電能之同時，將部分輸出電能回饋給起動馬達，以產生補助驅動力，如此交叉相互支援而得以自力式維持發電機持續之運轉。而多餘之電力則可供外界各種使用電能之機械裝置及電氣器具使用。

本發明之另一目的，在提供一種電力產生裝置，其中包含由一小一大之一組(二個)飛輪，而驅動前端之第一飛輪之輸出係經由一組傳動裝置將力矩放大後，輸入末端第二飛輪做為動力，以驅動匹配之能量發電機，此發電機將輸出電力可直接供電氣機械器具使用，並將部份電力回授起動馬達，以維持整個系統之運轉。

本發明之再一目的，在提供一種電力產生裝置，飛輪設有離心加重體，以便於飛輪轉速達到所定轉速以上時，能藉離心力向外移，而增大輸出轉矩；同時藉改變加重體之重量以改變較矩之大小。

本發明之又一目的，在提供一種電力產生裝置，驅使飛輪持續旋轉之傳動及驅動裝置係採鏈輪鏈帶傳動方式，且其中驅動鏈帶與飛輪之接觸點係設於連接飛輪中心軸線與驅動鏈帶接觸點之連線對水平中心線向旋轉方向偏移一角度之位置。

本發明之又一目的，在提供一種電力產生裝置，其構造及裝置簡單，任何大小工廠均可設置，適於大量生產，復可大量節省能源，且殆無公害問題產生，並可適用於廣泛用途者。

根據上述目的所提供發電系統及裝置，基本上係利用大小飛輪之直徑及質量差，以及經由傳動裝置增大之動力差，來行 交叉互相驅動而維持二飛輪之持續旋轉及保持慣性能量，並經大飛輪之輸出軸輸出動力以驅動發電機，發電機所產生之電力除作動外，部分則回饋至驅動小飛輪旋轉之起動馬達，此馬達所需電力小，消耗有限，故可維持系統在所期相當長之時間內運轉，此種系統顯然是一種前所未有之突破性發明，可能帶來革命性之省能代替性動力。

本發明之其他目的、功效及特點，可由以下實施例之詳細構造說明配合附圖而可獲進一步之了解：系統原理說明：按第一圖表示本發明力能發電系統之流程方塊圖。此系統主要係由：一起動馬達M，第一驅動裝置10，第一飛輪20，第一傳動裝置30，第二驅動裝置40，第二飛輪50，變速裝置60，發電機70及內設有蓄電器81之變電器80所構成。

在此系統中，馬達M係藉由適當的離合手段C可切離傳動的與用來驅動第一飛輪20的第一驅動裝置10機械式連結，因此馬達M所產生之輸出力矩可經由離合路C及第一驅動裝置10驅動第一飛輪20旋轉。飛輪20一旋轉，其輸出力矩經由第一傳動裝置30放大並傳達至用來驅動第二飛輪50的第二驅動裝置40，以驅動第二飛輪50旋轉。由於第二飛輪50之直徑較第一飛輪20大，所產生旋轉力矩也相對變成較第一飛輪20大。此第二飛輪50通常採用例如第一飛輪20之2倍大，於是其輸出之旋轉力矩依直徑比可放大至第一飛輪20之兩倍。第二飛輪50之輸出經由也是第二傳動裝置之變速裝置60變速至足夠旋轉數後，傳動終端之發電機70，此發電機70即可產生電力輸出以供各種使用電力之機械裝置或器具使用，同時，也分出部份電力經由變電器80變電變壓後回授至起動馬達M，以激勵馬達M持續旋轉並經第一驅動裝置10維持第一飛輪20持續旋轉，於是第二飛輪50經由一連串之傳動裝置等 30、40、60持續帶動發動機70旋轉。在此系統中，馬達M與變電器80之間及馬達M與外來電源P之間之電路上設有變換開關S，以便在發電機70產生電力供外界使用之外由蓄電器81儲積部分至足供負載及馬達M使用時，切換為使用系統所產生之電力以取代外來電源P之電力來帶動運轉，唯系統電力不足以繼續帶動維持運轉時，方切換回外來電源P供電，以維持整個系統之運轉，容後說明。

電力產生系統起動時，是先使用外來電源啟動馬達M並經由離合器C來驅動第一驅動裝置10旋轉，於是第一驅動裝置10帶動第一飛輪20旋轉。第一飛輪20旋轉即經由第一傳動裝置30驅動第二驅動裝置40旋轉，於是第二驅動裝置40帶動第二飛輪50旋轉。第二飛輪50旋轉即經由也是第二傳動裝置之變速裝置60將轉速變速至所定轉速後，帶動發電機70旋轉以產生電力輸出以供各種使用電力之機械裝置或器具等使用。此輸出電力通常需經變電器80變電(變流及變壓)後供使用，變電器80並設有蓄電器81以將電力蓄積後，將部分電力回授給起動馬達M來驅動第一驅動裝置10，以便繼續驅動第一飛輪20旋轉，結果，第二飛輪50乃如前述般依次被傳動而持續帶動發電機70旋轉。如此循環進行遂可維持系統之運轉。運轉中，由於大飛輪之第二飛輪50所輸出之旋轉慣性力矩足可驅動大容器發電機70，所產生之電力，足可供外接機器或器具在定額內使用之外，分流部分至耗電較小之起動馬達M綽綽有餘，系統乃得以持續運轉。在此第二飛輪50藉其大旋轉半徑及轉速所生大於第一飛輪20成倍數以上(視二飛輪20及50之直徑及質量與轉速比而定)之慣性旋轉力經由第二傳動裝置60來驅動發電機70產生電力供使用。在上述系統中，有一基本要求，即在同轉速之下，第二飛輪50所產生的慣性力矩能有至少為第一飛輪20之一倍以上為宜。換言之，第二飛輪50之直徑及質量最好為第一飛輪20之二倍以上為宜。

第二圖至第四圖表示本發明之動力產生裝置之一具體實施例之示意圖，此裝置具有一起動馬達M，其軸藉由離合器C連結於第一驅動裝置10，此驅動裝置10包括二組鏈輪帶組，即構成第一組的鏈輪11、12及鏈帶13，及構成第二組的鏈輪14、15及鏈帶16，鏈輪11直接由馬達M驅動，而終端鏈帶16係藉部分鏈節與第一飛輪20之外周一體形成之鏈輪部20a之數個鏈齒相嚙合，以驅動第一飛輪20旋轉。第一飛輪20之軸S1之一端設有將其轉矩傳至第二驅動裝置40之第一傳動裝置30。在本實施例中，第一傳動裝置30係採用一組鏈輪鏈帶組及一組曲軸連桿組構成之複合傳動系，包括：設於旋轉軸S1上由第一飛輪20帶動之鏈輪31，從動側之鏈輪32，繞掛於鏈輪31與32之間之傳動鏈帶33所構成之鏈輪鏈帶組；以及由固定在鏈輪32之軸S2上之連桿34，可樞動的樞接在連桿34之一端之長連桿35，樞接在此長連桿35末端之連桿36所構成之曲軸連桿組。連桿36用來驅動第二驅動裝置40之輸入端鏈輪41。第二驅動裝置40係由上述構成曲軸之連桿36驅動旋轉，包括鏈輪41、42及繞於此二鏈輪間之鏈帶43，以及鏈輪44、45及繞於此二鏈輪間之鏈帶46所組成之二鏈輪鏈帶組。鏈輪41係設於連桿36之軸S3上，又，輸出端鏈帶46係藉部分鏈節嚙合於第二飛輪50外圓周一體形成之鏈輪50a之數個鏈齒，以驅動第二飛輪50旋轉。

第二飛輪50之旋轉軸S4之一端係連設將第二飛輪50之轉速變速並將轉矩傳至終端之發電機70之變速裝置60，此變速裝置60也是第二傳動裝置。此變速裝置或第二傳動裝置60在本實施例中係採用由鏈輪61、62及鏈帶63，鏈輪64、65及鏈帶66，鏈輪67、68及鏈帶69之三組鏈輪鏈帶組構成之傳動變速裝置。裝置之末端鏈輪68固定於發電機70之主軸S5以驅動發電機發電輸出電力以供各種使用電力之機器裝置及器具之用。發電機70輸出之電力，經過變電器80變流變壓後供外接電氣器具或機械使用，其中部分電力則經過變換開關 SW，回授給起動馬達M來帶動系統運轉。按變換開關SW係用來在一定條件下(容後詳述)從外接電源切換為自生電力，或由自生電力切換為外接電源以維持馬達M之輸入電力所需。按此變換開關SW之切換動作，可藉習知之微處理器或電腦依電壓、電流或轉速等變化而自動控制，因非本發明之標的，在此不另詳述。又，變壓器80並設有蓄電器81，以將負載時使用仍有餘額電力或無負載下發電機70空轉時所生電力加以儲存以供使用。此系統之最大利點為，馬達M起動時使用外接電源，當發電機70經轉矩及轉速放大之二組飛輪組串聯驅動產生電力足供負載之電氣器具使用而仍有餘額時，方分流部分自生電力回授給馬達使用；而當電力不足以分流回授時，則變換開關SW會自動切換回使用外接電源以維持系統運轉，因此，在馬達不使用外接電源期間，亦即能使用自生電力運轉之期間，自可節省該段期間內所需外接電能之消耗，而如果自生電力之運轉能維持更長更久，則節能更大。

當然，在整個系統(裝置)運轉中，機械構件間所產生之傳動及摩擦損失已預先算計在馬達M之負載內，故只要馬達能繼續運轉，即能維持整個系統運轉，在此附帶說明。

在本實施例中、第一及第二傳動裝置30及60係分別採用鏈輪鏈帶組傳動裝置及鏈輪鏈帶組與連桿組組成之複合傳動裝置，但並不限定於此種裝置安排。熟習於此技術者顯然可瞭解，傳動裝置亦可利用全齒輪式或皮帶與皮帶輪式或其他機械傳動桿方式或其任意組合方式之適匹傳動裝置。但無論選擇使用何種傳動裝置，必須使驅動第二飛輪50之轉矩及轉速增加至可驅動發電機70旋轉。在此例中，第一傳動裝置30係配置在二飛輪20與50之間，但不限於此安排，顯然可知尚可做其他適應之安排。又，同理，第二傳動裝置60亦可做適當之配置。此外，鏈輪鏈帶組之組數未必照實施例之組數配置，要者，最終轉矩及轉速能符合所期者，並無限制。至於第一及第二驅動裝置10及40之分別與第一及第二飛輪20及50之鏈齒嚙合 之鏈帶16及46之傳動接合部X最好設在通過飛輪20、50之軸心之徑向水平線沿著飛輪20、50之旋轉方向順向向下傾斜一角度θ間之任何位置。該角度θ為0°~45°之間，但是以10°~30°為佳。

其次，就構成如上之動力產生裝置之運作情形說明如下：首先，啟動馬達M，馬達M即經由離合器C、第一驅動輪10驅動第一飛輪20旋轉，此飛輪20再經由第一傳動裝置30之鏈輪帶組及曲軸連桿組驅動第二驅動輪40以驅動第二飛輪50旋轉。第二飛輪50旋轉後，經由第二傳動裝置60驅動發電機70旋轉以產生電力。此電力經電路輸入變電器80變壓及變流後可供電氣機械及器具使用，或經蓄電器81儲存後供使用，在此之同時，分出部分電力回授給馬達M使之繼續旋轉以維持系統之持續運轉。在此，馬達M以系統自生電力之驅動必需是在整個系統順利運轉而蓄電器81或發電機70尚有足夠電力回授時方會作用。此時，變換開關SW即自動切換脫離外接電源而改用自生電力。若發電機70之電力不足供馬達M使用時，則變換開關SW會自動切回外接電源供電給馬達繼續運轉。上述變換開關SW之切換動作，可藉由微處理器或電腦來控制達成，因屬習知技藝，在此不另贅述。

為了使第二飛輪50之轉矩能隨其旋轉速度而比例增加，如第五圖所示，飛輪50之輪輻部51可設置至少一對在直徑上對稱配置之離心加重體W，此離心加重體W可隨飛輪50旋轉時所生離心力而徑向移動自如。第一實施例中，加重體W係可沿著輪輻部51所設導槽52徑向滑動自如。但為了飛輪靜止時能將加重體W拉回導槽52之接近輪軸軸心之一端，導槽52之側壁可設置如假想線所示之彈簧裝置以保持加重體W之定位。加重體W係可裝卸之構造，因此可藉改變加重體W之重量而改變飛輪50所產生轉矩之大小，以配合用戶所需。在本實施例中，加重體W係設於第二飛輪50，事實上必要時第一飛輪20亦可設置加重體W，自不待言。

另一實施例中，雖未圖示在第二飛輪50之輸出側亦可增加一直徑比第二飛輪50更大之第三飛輪，第二飛輪50將輸出力經由第三傳動裝置及第三驅動輪(未圖示)傳達至第三飛輪，第三飛輪所產生更大之輸出力用來驅動發電機70。

在此附帶說明，本發明之系統及裝置並非永動機，而是一種省能機械動力裝置，其係以外接電源啟動馬達經由傳動裝置來驅動以一對大小飛輪為主而終端為發電機之整個系統後，在該系統足以利用飛輪之慣性能量之助維持運轉並使發電機產生滿載電力足夠供給負載端機械或器具使用而仍有餘額電力時，或因終端暫無負載而空轉時，將該餘額電力或無負載時所生電力部分或全部儲存於與變電箱並設之蓄電器，而達足供回授給起動馬達使用時，方藉變換開關切斷外來電源而改用來自蓄電器之自生電力繼續運轉；待該系統因供負載使用之電力消耗超過所定額，而不足以回授給馬達使用以維持系統持續運轉時，再由變換開關切回外接電源繼續維持系統運轉，換言之，只有在必要時方使用外接電源，其餘則儘可能使用自生電力為主或為輔，因此可節省能源。

本發明因構成如上，而具有節省能源，殆無污染，構造簡單，製造容易，成本低廉之力能發電系統，其在工業上用途可期待。

以上係僅就本發明一可取實施例加以說明，而事實上熟嫻於此技術領域之人士尚可從本發明之基本構成上做種種之修飾及變更而不脫離本發明之精神，凡此應視為涵蓋在本發明申請專利範圍之內。

M‧‧‧馬達

10‧‧‧第一驅動裝置

20‧‧‧第一飛輪

30‧‧‧第一傳動裝置

40‧‧‧第二驅動裝置

50‧‧‧第二飛輪

60‧‧‧第二傳動裝置(變速裝置)

70‧‧‧發電機

80‧‧‧變電器

81‧‧‧蓄電器

51‧‧‧輪輻部

52‧‧‧導槽

53‧‧‧彈簧裝置

11,12,14,15‧‧‧鏈輪(第一驅動裝置)

13,16‧‧‧鏈帶(第一驅動裝置)

31,32‧‧‧鏈輪(第一傳動裝置)

33‧‧‧鏈帶(第一傳動裝置)

34,35,36‧‧‧連桿

41,42,44,45‧‧‧鏈輪(第二驅動裝置)

43,46‧‧‧鏈帶(第二驅動裝置)

61,62,64,65,67,68‧‧‧鏈輪(第一傳動裝置)

63,66,69‧‧‧鏈帶(第一傳動裝置)

S,S1~S5‧‧‧軸

SW‧‧‧變換開關

C‧‧‧離合器

θ‧‧‧角度

W‧‧‧加重體

第一圖表示本發明力能發電系統之流程方塊圖；第二圖表示依本發明力能發電系統構成之裝置之一實施例示意圖；第三圖表示第二圖之裝置之左側視局部示意圖；第四圖表示第二圖之裝置之右側視局部示意圖；第五圖表示設有離心加重體之飛輪之一實施例示意圖；

M‧‧‧馬達

10‧‧‧第一驅動裝置

20‧‧‧第一飛輪

30‧‧‧第一傳動裝置

40‧‧‧第二驅動裝置

50‧‧‧第二飛輪

60‧‧‧第二傳動裝置(變速裝置)

70‧‧‧發電機

80‧‧‧變電器

81‧‧‧蓄電器

SW‧‧‧變換開關

C‧‧‧離合器

Claims (10)

1. 一種力能發電系統，係由下列構件所構成：起動馬達，由外接電源起動；第一驅動裝置，由起動馬達經由離合器及傳動系驅動旋轉；第一飛輪，由第一驅動裝置驅動旋轉；第一傳動裝置，由第一飛輪驅動旋轉；第二驅動裝置，由第一傳動裝置傳動旋轉；第二飛輪，由第二驅動裝置驅動旋轉；第二傳動裝置，也是第二飛輪輸出端之變速裝置，由第一飛輪傳動旋轉；發電機，由第二傳動裝置驅動旋轉而產生電力，以供外接之使用電力之各種機械、裝置及器具使用；及變電器，將發電機所產生之電力部分加以變電而保持所需之電流及電壓之後回授給起動馬達；其中，自起動馬達、第一驅動裝置、第一飛輪、第一傳動裝置、第二驅動裝置、第二飛輪、第二傳動裝置至發電機係構成機械式串聯系統，而自發電機、變電器至起動馬達則構成電氣式回授系統，如此整個系統及構成機電混合式封閉回路。
2. 一種力能發電裝置，係由做為驅動源之起動馬達；第一驅動裝置，包含至少一組鏈輪鏈帶傳動組，而由馬達介以離合器驅動旋轉；第一飛輪，構成外周具有鏈齒之鏈輪兼能儲蓄動能之飛輪，而由第一驅動裝置之輸出側鏈條驅動旋轉；第一傳動裝置，包含至少一組鏈輪鏈帶組及一組連桿組，並由第一飛輪之輸出軸驅動而行旋轉及曲軸之複合運動；第二驅動裝置，包含至少一組鏈輪鏈帶傳動組，而由第一傳 動裝置傳動旋轉；第二飛輪，包含至少一組鏈輪鏈帶傳動組，而由第二驅動裝置之輸出側鏈條驅動旋轉；第二傳動裝置，包含至少一組鏈輪鏈帶傳動組，並由第二飛輪之輸出軸驅動旋轉；發電機，設在整個系統裝置之末端由第二傳動裝置之輸出側鏈輪驅動而產生電力；及變電器，用以將發電機產生之電力變壓變流為所定水平，並有回授電路接至起動馬達；所構成。
3. 依請求項2之力能發電裝置，其中第二飛輪之直徑及質量至少為第一飛輪之直徑及質量之二倍。
4. 依請求項3之力能發電裝置，其中該第一及第二飛輪為外圓周具有鏈齒而構成一鏈輪之飛輪。
5. 依請求項3或4之力能發電裝置，其中該第二飛輪之輪輻部設有至少一對徑向對稱配置可藉離心力徑向相對滑動自如之離心加重體。
6. 依請求項2之力能發電裝置，其中第一傳動裝置係將第一飛輪之輸出及轉速增幅至所定水平後輸入第二驅動裝置以驅動第二飛輪。
7. 依請求項2之力能發電裝置，其中該第一及第二驅動裝置係由二組匹配之鏈輪鏈帶組所構成。
8. 依請求項2之力能發電裝置，其中該第一傳動裝置係由一組鏈輪鏈帶組及一組雙曲柄式連桿組所構成。
9. 依請求項2之力能發電裝置，其中該第二傳動裝置係由二組以上之鏈帶輪鏈帶組所構成，以將第二飛輪之輸出轉速變速至匹配發電機所需轉速。
10. 依請求項2至5中任一項之力能發電裝置，其中該第一飛輪及第二飛輪中至少第二飛輪之輪輻部上設有至少一對在直徑上對稱配置之離心加重體，此加重體係可徑向滑動自如地收 容在上述輪輻部上所設導槽內。