TW201700859A - 帆纜發電系統 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種帆纜發電系統，其係應用在風力驅動環境中，其包含：二個轉軸、轉盤、纜繩以及自動轉向帆機構，其中纜繩套在二個轉盤上，自動轉向帆裝設在纜繩上，轉軸之一裝設發電機。當風吹動自動轉向帆機構，自動轉向帆機構帶動纜繩，纜繩再帶動轉盤，使得轉軸旋轉帶動發電機，而自動轉向帆機構走到轉軸後會再反方向繞回來，整個運動路徑形成一迴圈，使發電機不斷旋轉產生電力。

Description

帆纜發電系統

本發明係關於一種風力發電系統；特別係關於一種利用帆纜以進行風力發電的系統。

目前在技術上，將風力的能量轉換為電能的轉換效率偏低。對比一般水平風機，其扇葉角度固定，僅在設計風速下可以獲得較佳效率。另外，現有可變動角度技術，用儀器偵測風向、風速以及前進速度，並用馬達帶動帆轉動，其設備結構複雜、重量大且價格不斐。

而以習知垂直軸風機來看的話，其扇葉一般為硬質，整個擷取風力的截面積中，位於最佳效率角度部份不多，還有一大部分是處於逆風狀態。

就風力發電原理來說，風能密度與風速立方成正比；擷取的風能大小與風向垂直的截面積成正比。材料越重，慣性越大，當風力減弱時，風將成為設備運作的阻力，所以材料越輕，效率越佳。

且阻力有二種，誘導阻力與寄生阻力，誘導阻力與帆形及帆角有關，且展弦比越大，阻力越小，而帆角越大阻力越大，寄生阻力則是風與帆摩擦產生，速度越快阻力越大，二者合力為一U型曲線，所以在一固定區間中的效率為最高，過快或過慢都不佳。

以習知傳統水平風機來看，為避免誘導阻力降低效率，需將扇葉做成細長狀，所以葉尖速度很高，而為了轉動慣量 以及平衡的考慮，以三葉為較常見的結構，但這樣大部份的風能就漏掉了。

而且傳統水平風力發電機，由於結構關係，塔柱必須高且粗，因為大部份的風是漏掉的，所以會用陣列式交錯排列，整個地面被切割的很凌亂，浪費空間

再者，習知一般風機扇葉成同心圓環繞轉軸，推動扇葉葉尖與與推動扇葉葉根所需的力量會有很大差異，但是同一時間扇葉葉尖與葉根所受到的風力是大致相同的，所以葉尖的力矩為最大，因為其內外圈轉矩不均，所以只有部分的扇葉在作功，部分扇葉是被拉著走。換句話說，僅有部分風力有利用到，而且還會有浪費的情況產生。

有鑑於此，如何提供一種具有高發電效率且安全的風力發電系統，即是本領域相關人員所極力企求的。

本發明之目的在於提供一種利用帆纜以進行風力發電的系統。

為了達成上述目的，本發明提供一種帆纜發電系統，其係應用在風力驅動環境中，其包含：至少二個轉軸，轉軸上裝設有轉盤，轉盤與轉軸垂直設置；纜繩，纜繩繞著該些轉盤形成一迴圈；自動轉向帆機構，其連結纜繩，自動轉向帆機構受風力之驅動，將可自動調整其所包含之自動轉向帆的帆角，亦即自動轉向帆之帆面與前進方向的夾角，不超過最佳帆角，其中最佳帆角為風向跟前進方向的夾角之一半；自動轉向帆機構受風力驅動並拉動纜繩往轉軸前進，自動轉向帆機構抵達轉軸後，將順著轉軸上的轉盤繞到另一端，且自動轉向帆機構仍將自動適應風力之驅動並自動調整其自動轉向帆的帆角不超過最佳帆角，藉以 持續拉動纜繩前進，以使纜繩週而復始不斷迴繞，而在迴繞的過程中，纜繩將驅動轉軸不斷旋轉；至少二個支撐柱，支撐柱有延伸支撐架至轉盤上下方，支撐架間以支撐線連結，用以形成自動轉向帆機構運行之軌道，同時用以限制自動轉向帆機構的前進方向使其不會傾倒；以及發電機，其裝設至轉軸上，發電機藉由轉軸不斷旋轉以帶動其發電。

1‧‧‧帆纜發電系統

101‧‧‧轉軸

102‧‧‧轉軸

103‧‧‧轉盤

104‧‧‧轉盤

200‧‧‧纜繩

2‧‧‧自動轉向帆機構

21‧‧‧自動轉向帆

22‧‧‧自動轉向帆

23‧‧‧C字型帆組架

151‧‧‧支撐柱

152‧‧‧支撐柱

153‧‧‧支撐架

154‧‧‧支撐架

6‧‧‧發電機

210‧‧‧帆面

220‧‧‧帆面

X‧‧‧風向角

Y‧‧‧最佳帆角

1531‧‧‧支撐線

1532‧‧‧支撐線

1533‧‧‧支撐線

1534‧‧‧支撐線

211‧‧‧卡榫結構

221‧‧‧卡榫結構

212‧‧‧風向板

222‧‧‧風向板

213‧‧‧帆角控制器

223‧‧‧帆角控制器

800‧‧‧C字型支架

900‧‧‧C字型支架

801‧‧‧橫桿

802‧‧‧橫桿

810‧‧‧連接裝置

910‧‧‧連接裝置

2001‧‧‧關閉控制線

3001‧‧‧彈簧

250‧‧‧上基準桿

251‧‧‧橫桿

2002‧‧‧開啟控制線

3002‧‧‧彈簧

260‧‧‧二分之一連桿

261‧‧‧下基準桿

2003‧‧‧重設線

第1圖為帆纜發電系統之結構立體圖；第2圖為最佳帆角之定義與計算說明圖；第3圖係自動轉向帆機構的細部立體圖；第4圖係自動轉向帆機構的細部立體圖，主要是針對C字型帆組架的組成做更進一步說明；以及第5圖係為自動轉向帆之有關卡榫結構、風向板與帆角控制器之立體圖，主要是針對卡榫結構、風向板與帆角控制器間的動作流程說明。

以下將透過實施例來解釋本發明內容，其係關於一種帆纜發電系統。然而，本發明之實施例並非用以限制實施本發明之任何特定的環境、應用或特殊方式。因此，關於實施例之說明僅為闡釋本發明之目的，而非用以限制本發明。需說明者，以下實施例及圖式中，與本發明非直接相關之元件均已省略而未繪示；且為求簡易瞭解起見，各元件間之尺寸關係並非依照實際比例繪示出。

如第1圖所示，係為帆纜發電系統1之結構立體圖，其係應用在風力驅動環境中透過本系統1將可有效利用風力 以進行發電。

帆纜發電系統1包含至少二個轉軸，在第1圖所繪示之結構立體圖中，係繪示為二個轉軸，分別為轉軸101與轉軸102；另外還包括纜繩200、自動轉向帆機構21與22；至少二個支撐柱，在第1圖所繪示之結構立體圖中，係繪示為二個支撐柱，分別為支撐柱151與支撐柱152，以及發電機6。

其中，轉軸101、102上裝設有轉盤103、104，轉盤103、轉盤104分別與轉軸101、轉軸102垂直設置。

纜繩200繞著轉盤103、104形成一迴圈；自動轉向帆機構2，如圖中所繪示，其係由兩個自動轉向帆21與22所組成為一組且自動轉向帆21與22係設置在C字型帆組架23上；自動轉向帆機構2連結纜繩200，自動轉向帆機構2受風力之驅動，將可自動調整其所包含之自動轉向帆21與22的帆角(亦即自動轉向帆21與22之帆面210、220與前進方向的夾角)，不超過最佳帆角。

至於何謂最佳帆角，其定義與計算請參見第2圖，如第2圖所示，其中，最佳帆角Y為風向跟前進方向的夾角X(風向角)之一半。而本發明之特色之一就在於透過本發明之系統1即可在無須任何電子產品偵測以及額外動力推動自動轉向帆21、22的情況下，只靠單純機械結構與自然風力，即可自動維持在不超過最佳帆角Y，亦即小於等於最佳帆角Y之角度，其在任何風向、風速及設備運作速度下，都可取得該速度時的最佳效率。

回歸到第1圖，自動轉向帆機構2將受風力驅動並拉動纜繩200往轉軸102前進，自動轉向帆機構2抵達轉軸102後，將順著轉軸102上的轉盤104繞到另一端，也就是從原本所在的該端，繞到另外一端，做了個轉彎，因風向不變，自動轉向 帆機構2將自動適應風向調整其自動轉向帆21、22的帆角到另一側，且使其不超過最佳帆角Y，藉以持續拉動纜繩200前進，以使纜繩200週而復始不斷迴繞，而在迴繞的過程中，纜繩200將驅動轉軸101、102不斷旋轉；而當整片風力施力在整個自動風向帆21、22上時，自動風向帆21、22就像打陀螺般拉動纜繩200在轉軸101、102的最外圈施力。

除此之外，帆纜發電系統1尚包含至少二個支撐柱151、152，在本圖中其實就即為二個支撐柱151與152，支撐柱151、152另外並有延伸支撐架153、154至轉盤103、104上下方，支撐架153、154間以支撐線1531、1532、1533、1534連結，其中支撐線1531~1534係用以形成自動轉向帆機構2運行之軌道，且支撐線1531~1534亦同時起了用以限制自動轉向帆機構2之前進方向使其不會傾倒之功用。

更進一步地說，支撐線1531~1534除用來形成自動轉向帆機構2之前進通道，固定其姿態外，並有承擔其重量，使轉軸101、102不用承擔這些沒有做功的重力，減少震動，增加效率，也減少轉軸101、102的轉動慣量。

最後則為發電機6，發電機6係可單獨裝設在轉軸101或102上；亦或轉軸101與102皆裝設上。在第1圖中係繪是發電機6係裝設至轉軸102上，也就是說，發電機6便是藉由風力帶動自動轉向帆機構2，自動轉向帆機構2再拉動纜繩200，而不斷回繞的纜繩200再驅動轉軸102不斷旋轉，藉以帶動發電機6進行發電。

如第3圖所示，請合併參照第1圖，係自動轉向帆機構2的細部說明圖，其中自動轉向帆機構2係由自動轉向帆21、22與C字型帆組架23所組成，自動轉向帆21、22皆設置在C字型帆組架23上。

另外，自動轉向帆21、22的帆面皆係為三角形，亦即為三角帆，而使用三角帆的目的在於獲得白努利效應，屬於浮力方式，較阻力式(如四角帆)效率要高許多。

再者，自動轉向帆21、22上分別設置有卡榫結構211與221、風向板212(因角度關係在第3圖中未繪示，請參考第4圖)與222，以及帆角控制器213與223。

至於卡榫結構211與221、風向板212、222與帆角控制器213與223之間的動作流程將說明如下，同時為更清楚明瞭，請一併參考第5圖之編號標示。

如第5圖所示，其同樣為自動轉向帆機構2的細部說明圖，然而第5圖旨在說明卡榫結構211與221、風向板212與222、與帆角控制器213與223之間的動作流程：茲以一側卡榫結構211為例，當卡榫結構211向上移動時，將鎖住自動轉向帆21，向下移動時則自動轉向帆21可以擺動；其中自動轉向帆21尚包含關閉控制線2001，其連接彈簧3001，然後經過上基準桿250到橫桿251再到卡榫結構211上方，橫桿251為風帆橫桿，上基準桿250固定為自動轉向帆21的前進方向；自動轉向帆21尚包含開啟控制線2002，其連接另一彈簧3002，然後經過二分之一連桿260到下基準桿261再到卡榫結構211下方，二分之一連桿260為最佳帆角指示方向，當最佳帆角大於自動轉向帆21的帆角，將使彈簧3002拉伸長度大於彈簧3001，使下方拉力大於上方，卡榫結構211因而開啟；當最佳帆角小於自動轉向帆21的帆角，將使彈簧3002拉伸長度小於彈簧3001，使下方拉力小於上方，卡榫結構211因而關閉。

自動轉向帆21尚包含下方一重設線2003，從橫桿251連接二方之一連桿260再連接卡榫結構211下方。

請合併參閱第1圖，當自動轉向帆機構2過轉盤 104時，風向板212先轉到另一側，使橫桿251與二分之一連桿260的延伸桿連線為最長，因而拉動卡榫結構211向下移動，使自動轉向帆21可以跟著轉動到與風向板212同側。

請合併參閱第1圖與第4圖，而第4圖係延續第3圖，主要係針對C字型帆組架23的組成做更進一步說明。如第4圖所示，C字型帆組架23係由兩個C字型支架800、900所構成，而C字型支架800、900之間再透過橫桿801、802以彼此連接，自動轉向帆機構2便是透過C字型帆組架23以架設在支撐線1531、1532、1533、1534上，同時C字型帆組架23上尚設置有連接裝置810、910以與纜繩200連接，使得自動轉向帆機構2能在運行時一併拉動纜繩200。

值得一提的是，連接裝置810與910與纜繩200的接合處中，有一處會是固定的，而另一處則是活動的，其目的在於讓自動轉向帆機構2在經過轉盤103或104能順利過彎不會打到轉盤103或104之用。

縱上所述，本發明具有以下優點：

1、帆纜發電系統採用三角帆，使用三角帆以獲得伯努利效應，屬於浮力方式，較阻力式(如四角帆)效率要高許多，同時與風力產生作用的面積近乎一半，加上回程又用了另外近一半，所以在扇葉相同運作面積中，帆纜發電系統同一時間與風產生交互作用的面積非常高。。

2、本發明之系統能自動取得最佳帆角，無須任何電子產品偵測以及額外動力推動帆，只靠單純機械結構與自然風力，即可自動取得最佳帆角，在任何風向風速及設備運作速度下，都可取得該速度時的最佳效率。

3、可以設立大型帆，塔柱不高，且僅需要支持輕量的帆纜運動部份，所以塔柱無需高強度(不用太粗)，電機部份都在地面，容易維護且安全。

4、單一電機可以對應非常多的帆，取得大範圍風力，大幅減少裝置費用(風力發電設備成本以機電佔大部份)，且可在微風時依然有作用。

5、帆的重量較扇葉輕，慣性小，效率自然較高。傳統水平風機在高速運作時，扇葉葉尖速度高，加上是硬質材料，對飛鳥有危險，且有風切噪音，帆纜發電系統整體速度相同，速度較慢，沒有高速風切噪音，且材質柔軟，不會對飛鳥產生危害。

6、本發明之應用範圍廣，可在頂樓、建築物外牆、建築物間、空地、山谷間、山脊上運用，也可以充當防風林，景觀造景，在狹窄的地方一樣可用且不佔空間。

以上所述僅為本發明之較佳實施例而已，並非用以限定本發明之範圍；凡其它未脫離本發明所揭示之精神下所完成之等效改變或修飾，均應包含在下述之專利範圍內。

1‧‧‧帆纜發電系統

101‧‧‧轉軸

102‧‧‧轉軸

103‧‧‧轉盤

104‧‧‧轉盤

200‧‧‧纜繩

2‧‧‧自動轉向帆機構

21‧‧‧自動轉向帆

22‧‧‧自動轉向帆

23‧‧‧C字型帆組架

151‧‧‧支撐柱

152‧‧‧支撐柱

153‧‧‧支撐架

154‧‧‧支撐架

6‧‧‧發電機

210‧‧‧帆面

220‧‧‧帆面

1531‧‧‧支撐線

1532‧‧‧支撐線

1533‧‧‧支撐線

1534‧‧‧支撐線

Claims (4)

1. 一種帆纜發電系統，係應用在風力驅動環境中，其包含：至少二個轉軸，該轉軸上裝設有轉盤，該轉盤與該轉軸垂直設置；纜繩，該纜繩繞著該些轉盤形成一迴圈；自動轉向帆機構，其連結該纜繩，該自動轉向帆機構受風力之驅動，將可自動調整其所包含之自動轉向帆的帆角，亦即自動轉向帆之帆面與前進方向的夾角，不超過最佳帆角，其中該最佳帆角為風向跟前進方向的夾角之一半；該自動轉向帆機構受風力驅動並拉動該纜繩往轉軸前進，該自動轉向帆機構抵達該轉軸後，將順著該轉軸上的轉盤繞到另一端，且該自動轉向帆機構仍將自動適應風力之驅動並自動調整其自動轉向帆的帆角不超過最佳帆角，藉以持續拉動該纜繩前進，以使該纜繩週而復始不斷迴繞，而在迴繞的過程中，該纜繩將驅動該轉軸不斷旋轉；至少二個支撐柱，該支撐柱有延伸支撐架至該轉盤上下方，該支撐架間以支撐線連結，用以形成該自動轉向帆機構運行之軌道，同時用以限制該自動轉向帆機構的前進方向使其不會傾倒；以及發電機，其裝設至該轉軸上，該發電機藉由該轉軸不斷旋轉以帶動其發電。
2. 如申請專利範圍第1項所述之帆纜發電系統，其中該自動轉向帆機構係由該自動轉向帆與該C字型帆組架所組成，該自動轉向帆係設置在該C字型帆組架上，其中該自動轉向帆的 帆面係為三角帆，該自動轉向帆上設置有卡榫結構、風向板以及帆角控制器。
3. 如申請專利範圍第2項所述之帆纜發電系統，其中該C字型帆組架係由兩個C字型支架所構成，而C字型支架之間再透過橫桿以彼此連接，該自動轉向帆機構便是透過該C字型帆組架以架設在該支撐線上，同時該C字型帆組架上尚設置有連接裝置以與該纜繩連接，使得該自動轉向帆機構能在運行時一併拉動該纜繩。
4. 如申請專利範圍第2項所述之帆纜發電系統，其中當該卡榫向上移動時將鎖住該自動轉向帆，向下移動時則該自動轉向帆可以擺動；其中該自動轉向帆尚包含一關閉控制線，其連接一彈簧，然後經過橫桿到基準桿，該橫桿為風帆橫桿，該基準桿固定為自動轉向帆的前進方向；該自動轉向帆尚包含一開啟控制線，其連接另一彈簧，然後經過二分之一連桿到基準桿，二分之一桿為最佳帆角指示方向，當最佳帆角大於該自動轉向帆的帆角，將使該另一彈簧拉伸長度大於該彈簧，使下方拉力大於上方，該卡榫因而開啟；當最佳帆角小於該自動轉向帆的帆角，將使另一彈簧拉伸長度小於該彈簧，使下方拉力小於上方，卡榫因而關閉；該自動轉向帆尚包含下方一重設線，當該自動轉向帆機構過該轉盤時，該風向板先轉到另一側，使該橫桿與該二分之一桿的延伸桿連線為最長，因而拉動該卡榫向下移動，使自動轉向帆可以跟著轉動到與該風向板同側。