TW201706498A - 葉輪及設有葉輪之自然能源發電裝置 - Google Patents

Abstract

本發明之葉輪(18)具備：主軸(22)，設置成繞著軸心自由旋轉；及葉片(24)，固定於該主軸(22)，藉由風力或水力驅動而繞著該軸心旋轉。該葉片(24)具有：平直部(28)，相對於該主軸(22)，於平行或垂直方向延伸；及葉片前端部(29)，從該平直部(28)之端部延伸，該葉片前端部(29)於包含該主軸(22)軸心的平面將該葉片前端部(29)切斷所成之剖面形狀，形成為分叉成由第1傾斜部分(29a)及第2傾斜部分(29b)所成的二分支之形狀，第1傾斜部分(29a)以隨著從基端往前端而從平直部(28)往一側遠離之方式傾斜，第2傾斜部分(29b)以隨著從基端往前端而愈往第1傾斜部分(29a)之相反側遠離之方式傾斜。

Description

葉輪及設有葉輪之自然能源發電裝置

本發明係關於葉輪及自然能源發電裝置，其係關於提高將葉片所受到之風力、水力或潮汐能轉換成轉動能之轉換效率，並提升葉片強度之技術。

自然能源發電裝置之風車或水車，大致分為水平軸式及垂直軸式兩大類，垂直軸式因不須對風向、水流方向、潮流方向進行控制，故用於較小型的風車或水車。

於垂直軸式發電用風車或水車中，為了提高將風力、水力或潮汐能轉換成轉動能之轉換效率，而設計葉片前端部形狀。例如，利用使葉片前端部傾斜往垂直主軸靠近，可將從風、水流或潮流所接收的能量有效地轉換成轉動能。將此傾斜的葉片前端部稱為副翼。藉由設置此副翼，可減少來自葉片前端之翼尖渦旋，而成為高效率之葉片(專利文獻1)。 ［先前技術文獻］ ［專利文獻］

專利文獻1：專利第4173727號公報

［發明欲解決之問題］ 自然能源發電裝置中，如何將葉片所受能量有效地轉換成轉動能，為極重要因素。此轉換效率(功率係數)理論上以16／27為極限(貝茲極限)。相對於此極限值，目前葉片轉換效率為0.3～0.45左右，為了提高此轉換效率，有必要進一步改良葉片。

圖12A係習知例之垂直軸式發電用風車或水車之葉片50之前視圖，圖12B係圖12A之XIIB-XIIB線剖面圖。此葉片50中，於將平直部51與副翼52所成之角度θ設為既定角度以下之情形時，可能有使應力集中於連接平直部51與副翼52之接合部53之疑慮。於此情形時，產生葉片強度上之問題。

若僅加大接合部53之角度θ時，因葉片全長La係由風車或水車尺寸所界定，故平直部51之長度Lv變短。此情形時，因受風面積或受水面積實質減少，而使該轉換效率下降。

亦可於確保平直部51之長度Lv之下，加大接合部53之角度θ。於此情形時，同樣因葉片50之全長La被界定，而使得副翼52之水平方向長度Lh變短。如此一來，減少翼尖渦旋之效果變差。

本發明旨在提供一種葉輪及設有葉輪之自然能源發電裝置，其可提高於葉輪中將葉片所受能量轉換成轉動能之轉換效率，並可提升葉片強度。 ［解決問題之方法］

本發明之葉輪，其具備：主軸，設置成繞著軸心自由旋轉；及葉片，固定於該主軸，藉由風力或水力驅動而繞著該軸心旋轉， 其特徵為： 該葉片具有：平直部，在相對於該主軸平行或垂直之方向延伸；及葉片前端部，從該平直部之端部延伸， 將該葉片前端部在包含該主軸軸心的平面予以切斷所成之剖面形狀，係形成為：分叉成由第1傾斜部分及第2傾斜部分所成的二分支之形狀，該第1傾斜部分以自基端越往前端越從該平直部朝一側遠離之方式傾斜，該第2傾斜部分以自基端越往前端越朝該第1傾斜部分之相反側遠離之方式傾斜。 該葉輪為風車或水車。

依據此構成，葉片前端部之該主軸剖面設為：以自基端越往前端而分別從平直部相互遠離之方式傾斜之剖面形狀。除了葉片前端部中之第1傾斜部分可減少來自該第1傾斜部分之葉片前端之翼尖渦旋外，葉片前端部中之該相反側之第2傾斜部分亦可減少來自該第2傾斜部分之葉片前端之翼尖渦旋。因此，葉片前端部整體而言可有效地減少來自葉片前端之翼尖渦旋。

特別是以第1、第2傾斜部分將葉片前端部分叉成二分支，故可確保第1傾斜部分之從葉片前端至平直部之水平方向長度加上第2傾斜部分之從葉片前端至平直部之水平方向長度所成之葉片前端部整體之水平方向長度為長。如此分叉成二分支之葉片前端部，與前述之傾斜成一段之情形時相較，不會於葉片前端部產生局部急遽彎曲部分，可確保葉片前端部整體之葉片前端部之水平方向長度為長。因此，於翼整體之長度為固定之情形時，可於確保葉片前端部之水平方向長度為期望長度之下，同時可確保平直部之長度為長，而得以確保所期望之受風面積或受水面積。如上所述，因除了可確實減少來自葉片前端之翼尖渦旋之外，且可確保所期望之受風面積或受水面積，故即使為少量的微風或低流速的水，亦可旋轉。又，因使葉片前端部之第1、第2傾斜部分以相互遠離之方式分叉成二分支，故相較於僅傾斜單側之葉片前端部，可減少彎曲力矩。

如此，因可得到長的平直部之長度，故可提高將葉片所受能量轉換成轉動能之轉換效率。又，藉由確保葉片前端部之水平方向長度為期望長度，可確實減少從葉片前端所產生的翼尖渦旋，且可減緩葉片前端部之局部彎曲角度，故可分散作用於葉片前端部之彎曲部之應力，可提高葉片之強度。

本發明之一實施形態中，亦可為：該葉片之平直部相對於該主軸平行延伸，該葉片於從該主軸往半徑方向遠離之位置，藉由該支持體而連結於該主軸。亦即，該葉輪亦可為直線翼垂直軸型葉輪。此情形時，可提高作用於葉片之升力與阻力之比。又 可以高周速比得到大的扭矩。

本發明之一實施形態中，亦可為：該葉輪係該垂直軸式之風力發電用之風車，於上下方向延伸的複數片之該葉片，從該垂直主軸遠離而設於該垂直主軸的周圍，於該風車設置於地球北半球之情形時，該各葉片的橫剖面形狀為俯視觀察下以風力產生旋轉成逆時針旋轉之旋轉力的形狀。

於小型風力發電機之開發過程中，得知：藉由將葉片之旋轉方向界定為特定方向，即使以微風之能源亦可使葉片旋轉。具體而言，於位於北半球之日本，藉由將垂直軸型風車之於上下方向延伸之葉片之方向上下翻轉而安裝於主軸來進行確認，結果得知與右旋相比，於相同條件下左旋旋轉較佳。於北半球，由於地球自轉，從颱風、漩渦甚至排水口漩渦全部為左旋(逆時針旋轉)。此一般認為係由於地球自轉所產生之柯氏力作用所致。另一方面，由於該葉片剖面形狀，當葉片受到風力，根據流經該葉片雙面之空氣流速差所產生之升力，可決定風車之旋轉方向。 依據此構成之風車，於設置於北半球之情形時，因各葉片之橫剖面形狀為以風力產生旋轉成俯視為逆時針旋轉之旋轉力之形狀，故鄉對於習知之具有順時針旋轉之葉片之垂直軸式風力發電用風車，可有效利用地球自轉所產生之作用，而減少旋轉阻抗，於相同條件下可旋轉多數葉片。因此，使用具有垂直主軸之發電用風車，可以更小的風之能源進行發電。

本發明之一實施形態中，該葉片之該平直部亦可相對於該主軸往半徑方向外方延伸。亦即，該葉輪亦可為水平軸式葉輪。

本發明之自然能源發電裝置，具備：本發明之任一實施形態之葉輪；及藉由該葉輪所驅動之發電機。依據此構成，可較習知品更能提高將葉片所受能量轉換成轉動能之轉換效率。因此，特別是垂直軸式中，可於以往無法設置之場所，設置此自然能源發電裝置。又，因較習知品可更提高葉片強度，故例如可達到減少葉片材料或提高維修性。

本發明之一實施形態之自然能源發電裝置中，亦可為：該發電機係自激式發電機，該發電機具備：輸出鐵芯，捲繞著輸出繞組；及磁場鐵芯，捲繞著主磁場繞組及副磁場繞組，該輸出鐵芯及磁場鐵芯之其中一者為定子，另一者為轉子，該各磁場繞組連接著整流機構，利用該葉片旋轉使得該定子與轉子相對旋轉而得到發電電力，該發電機更具備：初期激磁機構，使產生發電初期激磁所需程度之磁力。

此構成之情形時，因該發電機為自激式，不需用為他激之供電，故構成簡單，又，不需要賦予磁場之永久磁鐵，而頓轉扭矩亦不成問題程度地。因頓轉扭矩小，故可以小的扭矩開始作動。開始作動時需有磁場，若有殘餘磁通則可開始作動，但因長期放置或維修，可能會使殘餘磁通消失，若殘餘磁通消失則無法開始作動。然而，因設置該初期激磁機構，使得確實之開始作動得以進行。因成為磁場之磁通隨著旋轉而增大，故初期激磁所需之磁通僅為少許，對該頓轉扭矩之影響亦小，可以少許扭矩開始旋轉而進行發電。

如此，自激式且設有該初期激磁機構之發電機，具有可以少許扭矩進行旋轉且可確實進行發電之優點。另一方面，具有前述之分叉成二分支之葉片前端部之葉輪可提高轉換效率。特別是，藉由將具有分叉成二分支之葉片前端部之垂直主軸型之葉輪與自激式且設有該初期激磁機構之發電機相組合，即使於習知自然能源發電裝置中發電效率差之環境下，亦可進行所需之充分發電。又，將即使藉由微風或低流速之水亦可產生旋轉之葉輪的優點與可以少許扭矩旋轉而發電之發電機之特徵有效組合，而使習知自然能源發電裝置中以少許微風或低流速之水無法發電之發電成為可能。

由申請專利範圍及／或說明書及／或圖式所揭示之至少2個構成所成之任意組合，亦包含於本發明。特別是，申請專利範圍之各請求項之2個以上之任意組合，亦包含於本發明。

參考圖1至圖5，說明本發明之實施形態之葉輪及自然能源發電裝置。圖1係此實施形態之葉輪18之剖視俯視圖。圖2為此葉輪18之前視圖。此葉輪18係葉片24於上下方向延伸而成之所謂直線翼垂直軸型葉輪(垂直軸式葉輪)。如圖1及圖2所示，自然能源發電裝置19具備：葉輪18；及由該葉輪18所驅動之發電機26(後述)。葉輪18具有：作為旋轉體之轉子Rt；及作為固定體之固定基台Kd。固定基台Kd具有：支持板體20；框體21；及基台25。支持板體20係載置於接地面之平板狀板體，於該支持板體20頂面設置著基台25。於此基台25內部，設有後述之發電機26。

框體21具有：複數(此例為4根)支柱21a，從支持板體20往上方延伸；複數連結構件21b，於水平方向連結該等支柱21a；及複數架設構件21c。複數連結構件21b包含：上段之複數連結構件21b，將相鄰之支柱21a之上端部彼此相互連結；及下段之複數連結構件21b，將相鄰之支柱21a之下端附近部相互連結。在上段(圖2上側)之連結構件21b中所限定之連結構件21b、及與此連結構件21b相對之連結構件21b之間，架設著架設構件21c。又，於下段(圖2下側)之連結構件21b中所限定之連結構件21b、及與此連結構件21b相對之連結構件21b之間，架設著架設構件21c。

轉子Rt具有：垂直主軸(主軸)22；支持體23；及葉片24。於各架設構件21c、21c之長邊方向中間部，分別介隔著軸承27、27而旋轉自如地支持著垂直主軸22。垂直主軸22於上下方向延伸，此垂直主軸22之下端部延伸至基台25內部。從垂直主軸22之長邊方向中間附近部起，以分別往半徑方向外方延伸之方式，設置複數支持體23。該等支持體23例如設置成：於該葉輪18之前視中為平行，且於同葉輪之俯視中為同相位。

於複數支持體23之兩側前端部，分別設置葉片24。於此例中，於上下之支持體23、23之一端部，連結著一片葉片24；於上下之支持體23、23之另一端部，連結著另一片葉片24。該等葉片24、24，以垂直主軸22為中心，設置於相位差180度之位置。各葉片24沿上下方向延伸，以於框體21中不相干擾之方式，設置於同框體21內。各葉片24接受來自各方向之風或水，而環繞著垂直主軸22之軸心L1旋轉。

圖3A係此葉輪之葉片24之前視圖；圖3B係圖3A之IIIB-IIIB線剖面圖。如圖3A、3B所示，葉片24具有：平直部28；及分別從該平直部28之長邊方向兩端延伸而成葉片前端部29、29。平直部28及各葉片前端部29、29係由相同材料一體形成。平直部28與垂直主軸22(圖2)相平行而延伸，且於圖3A之前視中，於上下方向之任一位置中皆為相同寛度。又，如圖3B所示，平直部28形成為：於上下方向之任一位置中皆為相同厚度。

圖4係圖3B之IV-IV線剖面圖。如圖1及圖4所示，複數(此例為2片)葉片24各自在與垂直主軸22之軸心L1(圖2)相垂直之平面切斷所見之橫剖面，相對於葉片24之旋轉方向為非對稱，並且，將於同剖面成為較厚側之部分(同圖4上側部分)設為各葉片24之旋轉方向前端。再者，將各葉片24之平直部28之外側面28a設為往半徑方向外方凸出之彎曲面；將平直部28之內側面28b的大部分設為平坦面28ba。

又，亦可不將內側面28b的大部分設為平坦面28ba，而將內側面28b設為曲率半徑大於外側面28a之彎曲面。平直部28之內側面28b中，與外側面28a之圓周方向一端(圖4上側)之接合部，成為圓弧面28bb。該圓弧面28bb與平坦面28ba之接合部，以無段差而平滑連續之方式形成。

平直部28之內側面28b與外側面28a之圓周方向另一端(圖4下側)之接合部，則形成為成銳角之角部。於平直部28之內側面28b之平坦面28ba中靠近圓弧面28bb之部分，連結著支持體23之前端部。該平坦面28ba相對於支持體23之長邊方向成為垂直的平面，此垂直的平面沿上下方向延伸。

如圖2及圖3A、3B所示，葉片前端部29、29係用以減少來自各葉片前端之翼尖渦旋之所謂副翼。該葉片前端部29於包含該軸心L1之平面將該葉片前端部29切斷所見之剖面(主軸剖面)之形狀，形成為分叉成由第1傾斜部分29a及第2傾斜部分29b所成的二分支之形狀，第1傾斜部分29a以隨著從基端往前端而愈靠近垂直主軸側之方式傾斜(換言之，以從平直部28往一側遠離之方式傾斜)，第2傾斜部分29b以隨著從基端往前端而愈往垂直主軸側之相反側遠離之方式傾斜(換言之，以往第1傾斜部分29a之相反側遠離之方式傾斜)。上下之葉片前端部29、29相對於平直部28之長邊方向中間部之中心線L2，形成為成線對稱的相同形狀。

圖5係圖3B之V部亦即上側之葉片前端部29之放大圖。又，如前所述，因上下之葉片前端部29、29成為線對稱之相同形狀，故僅對上側之葉片前端部29附上符號進行詳細說明，對於下側之葉片前端部29，則賦予與圖3B中上側之葉片前端部29為相同之符號，而省略其詳細說明。如圖3B及圖5所示，第1傾斜部分29a及第2傾斜部分29b之基端，接合於平直部28之長邊方向前端30。

第1傾斜部分29a形成為：於該主軸剖面中，隨著愈往前端而愈往垂直主軸側緩慢彎曲。該第1傾斜部分29a之主軸剖面，包含：垂直主軸側之內面側部分29aa；及與該內面側部分29aa為相反側之外面側部分29ab。內面側部分29aa無段差而圓滑地接合於平直部28之內側面28b。內面側部分29aa、外面側部分29ab，各由預設的曲率半徑Ra、Rb所形成。該等內面側部分29aa、外面側部分29ab之曲率中心C1、C2，例如，位於平直部28與垂直主軸22(圖2)之中間附近，且與平直部28之長邊方向前端30為大致相同高度。該等內面側部分29aa、外面側部分29ab之曲率中心C1、C2，設定於相異位置。又，第1傾斜部分29a形成為：該主軸剖面之厚度t1隨著愈往上端而變愈薄之剖面形狀。又，曲率半徑Ra、Rb，例如，由實驗或模擬等結果而適當設定。

第2傾斜部分29b形成為：於該主軸剖面中，隨著愈往前端而愈往該垂直主軸側之相反側緩慢彎曲。該第2傾斜部分29b之主軸剖面包含：無段差地接合於平直部28之外面側28a之內面側部分29ba；及與該內面側部分29ba為相反側之外面側部分29bb。該等內面側部分29ba、外面側部分29bb，各由預設的曲率半徑所形成。此外，與第1傾斜部分29a為大致相同構成。但是，第2傾斜部分29b之水平方向長度Lhb，設定為較第1傾斜部分29a之水平方向長度Lha為短。葉片前端部整體之水平方向長度為：第1傾斜部分29a之水平方向長度Lha加上第2傾斜部分29b之水平方向長度Lhb之值(Lha＋Lhb)。

依據以上所述之葉輪18之葉片24，葉片前端部29之主軸剖面設為：隨著從基端往前端而分別往垂直主軸側與其相反側傾斜之剖面形狀。除了葉片前端部29中之第1傾斜部分29a可減少來自該第1傾斜部分29a之葉片前端之翼尖渦旋外，葉片前端部29中之第2傾斜部分29b亦可減少來自該第2傾斜部分29b之葉片前端之翼尖渦旋。因此，葉片前端部整體而言可有效地減少來自葉片前端之翼尖渦旋。

特別是以第1、第2傾斜部分29a、29b將葉片前端部29分叉成二分支，故可確保第1傾斜部分29a之從葉片前端至平直部28之水平方向長度Lha加上第2傾斜部分29b之從葉片前端至平直部28之水平方向長度Lhb所成之葉片前端部整體之水平方向長度(Lha＋Lhb)為長。如此分叉成二分支之葉片前端部29，與前述之傾斜成一段之情形時相較，不會於葉片前端部29產生局部急遽彎曲部分，可確保葉片前端部整體之葉片前端部29之水平方向長度(Lha＋Lhb)為長。因此，於翼整體之長度為固定之情形時，可於確保葉片前端部29之水平方向長度(Lha＋Lhb)為期望長度之下，同時可確保平直部28之長度Lv為長，而得以確保所期望之受風面積或受水面積。如上所述，因除了可確實減少來自葉片前端之翼尖渦旋之外，且可確保所期望之受風面積或受水面積，故即使為少量的微風或低流速的水，亦可旋轉。又，因使第1、第2傾斜部分29a、29b以相互遠離之方式分叉成二分支，故相較於僅傾斜單側之葉片前端部，可減少彎曲力矩。

如此，因可得到長的平直部28之長度Lv，故可提高將葉片24所受能量轉換成轉動能之轉換效率。又，因藉由確保葉片前端部29之水平方向長度(Lha＋Lhb)為期望長度，可確實減少從葉片前端所產生的翼尖渦旋，且可減緩葉片前端部29之局部彎曲角度，故可分散作用於葉片前端部29之彎曲部之應力，可提高葉片24之強度。

葉片前端部29因設為隨著從基端往前端而寛度愈窄的尖細形狀，故相較於如將葉片前端設為平坦形狀之情形，可更減少翼尖渦旋。因此，可更提高將葉片24所受能量轉換成轉動能之轉換效率。

又，第1傾斜部分29a之內面側部分29aa、外面側部分29ab，亦可設為由相同曲率半徑所構成，且將第1傾斜部分29a之該主軸剖面之厚度t1設為於上下方向之任一位置中皆為相同壁厚。第1傾斜部分29a之內面側部分29aa、外面側部分29ab，亦可分別設為：從基端起至某固定位置為止由預定曲率半徑所構成，而從該固定位置起至前端為止由二次曲線等拋物線形之曲線所構成。此曲率半徑與拋物線形曲線之關係亦可相反。亦可將其他曲率半徑與拋物線形曲線加以複合組合而成。第2傾斜部分29b亦可與前述第1傾斜部分29a進行相同改變。

亦可相對於一根垂直主軸22於上下方向設置複數段之葉片24。此情形時，可增加葉片24相對於葉輪之設置面積之受風面積。又，葉片片數不限於每一段為2片，亦可為3片以上。

接著，說明本發明之第2實施形態。於以下說明中，對於對應各形態中在先前形態所述事項之部分賦予相同參考符號，而省略重複說明。於僅說明構成部分之情形時，對於構成之其他部分，若無特別記載，則與先前所述形態相同。從相同構成可得到相同作用效果。並非僅為於實施之各形態中具體所述部分之組合，若組合不會特別產生問題，則亦可將實施形態部分互相組合。

圖6A係第2實施形態之葉輪之葉片24A之上半部之前視圖；圖6B係圖6A之VIB-VIB線剖面圖。此葉輪，係葉片24A之平直部28A相對於主軸22往半徑方向外方延伸而成之水平軸式葉輪。亦即，主軸22設置成可繞著該軸心L1自由旋轉，於此主軸22之外周，在圓周方向以固定間隔，固定著複數(例如，2～5片左右：圖6A中僅顯示一片)葉片24A。從圖6A所示之前視中，葉片24A之平直部28A形成為從基端往前端而逐漸變寬。其他則為與前述第1實施形態為相同構成。葉片24A距離主軸22之旋轉軸心愈遠，愈可大幅確保扭矩。又，使葉片前端部29傾斜之方向，可設為朝向主軸22之基端側，亦可設為朝向主軸22之前端側。依據此構成，使平直部28A形成為隨著從基端往前端而寛度愈寬，亦即面積愈大，因此可更提高大幅確保扭矩之平直部28A之前端之轉換效率。又，因如前所述使葉片前端部29成為分叉成二分支之剖面形狀，故可提高將葉片24A所受能量轉換成轉動能之轉換效率，並可提升葉片24A之強度。

使用圖7及圖8，說明本發明之第3實施形態之葉輪(亦即風力發電用風車)、及自然能源發電裝置(亦即風力發電裝置)。圖7係此實施形態之風力發電用之葉輪(風車)18之剖視俯視圖。此風車18係葉片24於上下方向延伸而成之所謂直線翼垂直軸型風車。此風車18設置於北半球。於以下說明中，對於對應各形態中在先前形態所述事項之部分賦予相同參考符號，而省略重複說明。於僅說明構成部分之情形時，對於構成之其他部分，若無特別記載，則與先前所述形態相同。從相同構成可得到相同作用效果。並非僅為於實施之各形態中具體所述部分之組合，若組合不會特別產生問題，則亦可將實施形態部分互相組合。

圖8係針對圖7所示之本實施形態之葉片24，顯示與第1實施形態之圖4所示之剖面為相同位置之橫剖面之剖面圖。如圖7及圖8所示，複數(此例中為2片)葉片24之橫剖面，形成為與風向無關而將旋轉方向界定為特定方向(以圖7箭頭R1所示之逆時針旋轉)之形狀。亦即，複數葉片24各自在與垂直主軸22之軸心L1相垂直之平面切斷所見之橫剖面，相對於葉片24之旋轉方向為非對稱，並且，將於同剖面成為較厚側之部分(同圖8下側部分)設為各葉片24之旋轉方向前端。再者，將各葉片24之平直部28之外側面28a設為往半徑方向外方凸出之彎曲面；將各葉片24之平直部28之內側面28b之大部分設為平坦面28ba。

又，除了將內側面28b之大部分設為平坦面28ba之外，亦可將內側面28b設為曲率半徑大於外側面28a之彎曲面。平直部28之內側面28b中，與外側面28a之圓周方向一端(圖8下側)之接合部，成為圓弧面28bb。此圓弧面28bb與平坦面28ba之接合部，以無段差而平滑連續之方式形成。

平直部28之內側面28b與外側面28a之圓周方向另一端(圖8上側)之接合部，形成為成銳角之角部。於平直部28之內側面28b之平坦面28ba中靠近圓弧面28bb之部分，連結著支持體23之前端部。該平坦面28ba成為相對於支持體23之長邊方向成垂直的平面，此垂直的平面沿上下方向延伸。

如此之葉片24若受風，則沿著外側面28a之流速較沿著內側面28b之流速為快，葉片周圍之壓力分布中，外側面28a之負壓變大。因此，葉片整體產生從內側面側往外側面側之升力L。如圖8所示，在此，將藉由以葉片24的旋轉所產生之相對風速v與風速u之合成風速w而於葉片產生之升力設為L。如此一來，升力L與阻力D之t方向之合成成分(Lt－Dt)，成為葉片24之旋轉方向之力。

將具備與風向無關而將旋轉方向界定為逆時針旋轉之前述複數葉片24之風車18設置於北半球時，相對於具有習知之順時針旋轉之葉片之垂直軸式風力發電用風車，可有效利用因地球自轉所產生之柯氏力而減少旋轉阻抗，於相同條件下可旋轉多數葉片24。因此，使用具有垂直主軸22之發電用風車18，可以較少風力能源進行發電。風車18因係直線翼垂直軸型風車，故可提高作用於葉片24之升力與阻力之比。又，可以高周速比得到大的扭矩。

其次，使用圖9至圖11，共同說明發電機26。於基台25(圖2)內部，設置藉由垂直主軸22(圖2)的旋轉使後述的轉子5旋轉而進行發電之發電機26。圖9係發電機26之發電機本體1之剖視前視圖及電路圖之組合說明圖。圖9中，發電機26之發電機本體1，具有：環狀定子4；及轉子5，在該定子4之中心周圍旋轉自如地設置於該定子4之內側。例如，此轉子5與前述垂直主軸(圖2)連結於同軸。定子4具有輸出鐵芯6及輸出繞組7。此實施形態為應用於2極發電機之例，輸出鐵芯6於圓環狀軛鐵部6a之圓周方向的2處，形成往內側凸出之齒狀磁極部6b。於各磁極部6b捲繞著該輸出繞組7。

如圖10所示，各磁極部6b之輸出繞組7，以於輸出鐵芯6之相鄰磁極部6b之內徑側相對之磁極面出現相異磁極之方式串聯。輸出繞組7之兩端成為端子7a、7b，如圖9所示，於該等端子7a、7b連接外部負載3，而從發電機將電流取出至外部。

如圖9及圖10所示，轉子5具有：磁場鐵芯8；及捲繞於該磁場鐵芯8之主磁場繞組9及副磁場繞組10。磁場鐵芯8於具有中心孔之鐵芯本體8a之外周，於圓周方向並排設置往外徑側凸出之複數齒狀之磁極部8b。此磁極部8b相對於輸出鐵芯6之一個磁極部6b，分別設置3個。

主磁場繞組9橫跨捲繞於相鄰2個磁極部8b、8b，此橫跨捲繞於2個磁極部8b、8b之各主磁場繞組9，以於2個成組之相鄰磁極組彼此之磁極面出現相異磁極之方式串聯。副磁場繞組10與磁場繞組9僅位移一個磁極部8b份之相位，與主磁場繞組9相同，橫跨捲繞於相鄰2個磁極部8b、8b。此橫跨捲繞於此2個磁極部8b、8b之各副磁場繞組10，以於2個成組之相鄰磁極組彼此之磁極面出現相異磁極之方式串聯。將主磁場繞組9及副磁場繞組10之各串聯連接體之兩端之端子，分別以符號9a、9b、10a、10b示於圖10。

如圖11所示，於主磁場繞組9並聯連接著整流元件(整流機構)11，於主磁場繞組9，流過整流元件11可流過的方向之電流。副磁場繞組10與主磁場繞組9相串聯，且串聯連接著整流元件(整流機構)12，於副磁場繞組10僅流過與主磁場繞組9為相同方向之電流。圖中之箭頭表示電流流過方向。

此發電機26於具有如此副磁場繞組10構成之自激型發電機中，具有可產生發電初期激磁所需程度的磁力之初期激磁機構2。如圖9所示，於輸出繞組7，磁化用電源14經由開關機構13與外部負載3並聯連接。磁化用電源14與開關機構13構成初期激磁機構2。開關機構13使用半導體開關元件或有接點之開關。磁化用電源14係2次電池或電容器等之蓄電機構。外部負載3為2次電池之情形時，亦可將其用為磁化用電源。

為了進行磁化，只要使既定大小的電流以極短時間流過即可。磁化程度，只要為可得到用以開始發電之初期激磁所需的剩磁之程度即可，以電流大小與開關機構13之啟動時間加以設定。開關機構13之開關操作，係藉由開關控制機構15而進行。開關控制機構15，例如，於監視用以檢測轉子5的旋轉之旋轉檢測機構16之檢測信號，而檢測到轉子5從靜止狀態開始旋轉時，則使開關機構13僅啟動磁化所需的設定時間。

又，當轉子5之旋轉之停止時間為短時，因剩磁充分殘留，因此，開關控制機構15亦可以依據設定條件而使開關機構13啟動之方式(如僅於設定時間以上之轉子5停止後開始旋轉之情形時，使開關機構13啟動)，進行控制。又，亦可僅於即使成為既定旋轉數亦未開始發電之情形時進行磁化；亦可於每個既定時間發電機旋轉停止時進行磁化。

此實施形態中，輸出繞組7連接著磁化用電源14，但如圖11所示，亦可磁場繞組9、10經由開關機構13而連接著磁化用電源14。於此例時，磁化用電源14亦可為2次電池或電容器。為了進行磁化，只要使既定大小的電流以極短時間流過即可。與圖9之實施形態相同，開關機構13藉由開關控制機構15進行開關控制。

以下，說明轉子5旋轉而進行發電時之動作。圖11所示，於主磁場繞組9並聯連接著整流元件11，因此於主磁場繞組9，流過整流元件11可流過的方向之電流。因此，產生由可流過主磁場繞組9之電流所決定方向之磁通。又，藉由電磁感應，使得於防止與產生電流的磁通為同方向之磁通減少之方向，流過電流；而於阻止磁通增加之方向，不流過電流。因此，可防止磁通之減少，但不會防止磁通之增加。於副磁場繞組10，串聯連接著整流元件12，且僅流過與主磁場繞組9為相同方向之電流。

如圖9至圖11所示，藉由輸出鐵芯6或磁場鐵芯8之剩磁，使電流流過主磁場繞組9。利用此電流，使得利用主磁場繞組9所產生的磁通而使交鏈於副磁場繞組10之磁通改變，而於副磁場繞組10產生電壓。利用此電壓，副磁場繞組10藉由主磁場繞組9供給電流，而使得流過主磁場繞組9之電流增加。副磁場繞組10於電壓未誘發而不供給電流之情形時，回流電流經由整流子11流至主磁場繞組9，而維持主磁場繞組9之磁通。

當電流供給至主磁場繞組9，主磁場繞組9所產生之磁通變大，因此交鏈於副磁場繞組10之磁通亦變大，而對主磁場繞組9供給更大電流。如此，主磁場繞組9之電流逐漸增加，而產生發電所需之磁通。利用輸出鐵芯6及磁場鐵芯8之相對運動，輸出繞組7的交鏈磁通改變而產生電壓。

如上所述，於轉子5進行旋轉期間進行發電，但若轉子5於某種程度長時間停止，則輸出鐵芯6及磁場鐵芯8皆無剩磁，或剩磁不充足，而無法開始發電。因此，於此實施形態中，於轉子5停止後之旋轉開始時，使初期激磁機構2之開關機構13啟動，而從磁化用電源14對輸出繞組7流入磁化電流，使輸出鐵芯6磁化。如上所述因若繼續旋轉則磁通逐漸變大，因此磁化程度只要能得到用於開始發電之初期激磁所需之剩磁的程度即可。故磁化僅需以極短時間流過既定大小之電流。藉由此磁化，即使於轉子5長時間停止後，亦可利用再度旋轉而確實開始發電。

於設置開關機構13之實施形態之情形時，於轉子5停止後之旋轉開始時，使初期激磁機構2之開關機構13啟動，從磁化用電源14對主磁場繞組8流過磁化電流，使磁場鐵芯8磁化。於使磁場鐵芯8如此磁化之情形時，即使於轉子5長時間停止後，亦可開始發電。

依據本實施形態之發電機26，可得到如下優點。因發電機26為自激式發電機，不需用為他激之供電，故構成簡單，又，不需要賦予磁場之永久磁鐵，而頓轉扭矩亦不成問題程度地小。因頓轉扭矩小，故可以小的扭矩開始作動。開始作動時需有磁場，若有殘餘磁通則可開始作動，但因長期放置或維修，可能會使殘餘磁通消失，若殘餘磁通消失則無法開始作動。然而，因設置該初期激磁機構2，使得確實之開始作動得以進行。因成為磁場之磁通隨著旋轉而增大，故初期激磁所需之磁通僅為少許，對該頓轉扭矩之影響亦小，可以少許扭矩開始旋轉而進行發電。

如此，自激式且設有該初期激磁機構2之發電機26，具有可以少許扭矩進行旋轉且可確實進行發電之優點。另一方面，前述之具有分叉成二分支之葉片前端部29之垂直主軸型葉輪18，具有即使以微風或低流速之水亦可旋轉之優點。因此，藉由將具有該傾斜之葉片前端部29之垂直主軸型之葉輪18與自激式且設有該初期激磁機構2之發電機26相組合，使得可將即使藉由微風或低流速之水亦可產生旋轉之葉輪18的優點與可以少許扭矩旋轉而發電之發電機26之特徵有效組合，而使習知自然能源發電裝置中以少許微風或低流速之水無法發電之發電成為可能。

雖為自激式發電機，但因設置可以產生發電初期激磁所需磁力程度使發電機之任一鐵芯之磁化之初期激磁機構2，故即使於旋轉停止後、拆解維修後或低速旋轉，亦可確實開始發電。此初期激磁機構2雖設為必要，但此初期激磁機構2只要為以產生發電初期激磁所需磁力程度能進行磁化者即可，故相較於他激式發電機之外部電源，可以相當小型達成。

又，於上述實施形態中，以定子4側設為輸出鐵芯6，而以轉子5側設為磁場鐵芯8，但亦可與此相反，將定子4側設為磁場鐵芯9、10，而將轉子5側設為輸出鐵芯6。又，於上述實施形態中，係為2極發電機，但亦可為4極、8極、16極等的多極發電機。又，發電機不限於自激式發電機，亦可為他激式發電機或其他各種形式的發電機。

發電機26亦可使用以永久磁鐵產生磁場的同步發電機。亦可對於1根垂直主軸22設置複數發電機26，而藉由該1根垂直主軸22的旋轉使各發電機26個別發電。

以上，根據實施形態說明用以實施本發明之形態，但本次所揭示之實施形態於各方面皆為例示，並不以此為限。本發明之範圍非以上述說明而以專利請求範圍所示，且包含與專利請求範圍為均等含意及範圍內之所有變更。

2‧‧‧初期激磁機構
3‧‧‧外部負載
4‧‧‧定子
5‧‧‧轉子
6‧‧‧輸出鐵芯
6a‧‧‧軛鐵部
6b‧‧‧磁極部
7‧‧‧輸出繞組
7a、7b‧‧‧端子
8‧‧‧磁場鐵芯
8a‧‧‧鐵芯本體
8b‧‧‧磁極部
9‧‧‧主磁場繞組
9a、9b‧‧‧端子
10‧‧‧副磁場繞組
10a、10b‧‧‧端子
11、12‧‧‧整流元件(整流機構)
13‧‧‧開關機構
14‧‧‧磁化用電源
15‧‧‧開關控制機構
16‧‧‧旋轉檢測機構
18‧‧‧葉輪
19‧‧‧自然能源發電裝置
20‧‧‧支持板體
21‧‧‧框體
21a‧‧‧支柱
21b‧‧‧連結構件
21c‧‧‧架設構件
22‧‧‧垂直主軸(主軸)
23‧‧‧支持體
24、24A‧‧‧葉片
25‧‧‧基台
26‧‧‧發電機
27‧‧‧軸承
28、28A‧‧‧平直部
28a‧‧‧外側面
28b‧‧‧內側面
28ba‧‧‧平坦面
28bb‧‧‧圓弧面
29‧‧‧葉片前端部
29a‧‧‧第1傾斜部分
29b‧‧‧第2傾斜部分
29aa‧‧‧內面側部分
29ab‧‧‧外面側部分
29ba‧‧‧內面側部分
29bb‧‧‧外面側部分
30‧‧‧長邊方向前端
50‧‧‧葉片
51‧‧‧平直部
52‧‧‧副翼
53‧‧‧接合部
C1、C2‧‧‧曲率中心
D‧‧‧阻力
Dt‧‧‧t方向之阻力
Kd‧‧‧固定基台
L‧‧‧升力
Lt‧‧‧t方向之升力
L1‧‧‧軸心
L2‧‧‧中心線
La、Lv‧‧‧長度
Lh、Lha、Lhb‧‧‧水平方向長度
R1‧‧‧箭頭
Ra、Rb‧‧‧曲率半徑
Rt‧‧‧轉子
t‧‧‧方向
t1‧‧‧厚度
u‧‧‧風速
v‧‧‧相對風速
w‧‧‧合成風速
θ‧‧‧角度

從參考附加圖式之以下較佳實施形態之說明，當可更能明瞭理解本發明。然而，實施形態及圖式僅用於圖示及說明，而非用以限定本發明之範圍。本發明之範圍由附加之申請專利範圍所限定。附加圖式中，複數圖式中之相同符號，係表示相同或相當之部分。 ［圖1］本發明之第1實施形態之葉輪之剖視俯視圖。 ［圖2］同葉輪之前視圖。 ［圖3A］同葉輪之葉片之前視圖。 ［圖3B］圖3A之IIIB-IIIB線剖面圖。 ［圖4］圖3B之IV-IV線剖面圖。 ［圖5］圖3B之V部之放大圖。 ［圖6A］本發明之第2實施形態之葉輪之葉片之前視圖。 ［圖6B］圖6A之VIB-VIB線剖面圖。 ［圖7］本發明之實施形態之風力發電用之風車之剖視俯視圖。 ［圖8］針對圖7所示之葉片中，顯示與圖4所示剖面為相同位置之橫剖面之剖面圖。 ［圖9］將本發明之實施形態之發電機之發電機本體之剖視前視圖與電路圖組合後之說明圖。 ［圖10］將同發電機本體展開成直線狀之說明圖。 ［圖11］同發電機本體之電氣電路構成之電路圖。 ［圖12A］習知例之葉輪之葉片之前視圖。 ［圖12B］圖12A之XIIB-XIIB線剖面圖。

24‧‧‧葉片

28‧‧‧平直部

28a‧‧‧外側面

28b‧‧‧內側面

29‧‧‧葉片前端部

29a‧‧‧第1傾斜部分

29b‧‧‧第2傾斜部分

30‧‧‧長邊方向前端

L2‧‧‧中心線

Lha、Lhb‧‧‧水平方向長度

Claims (6)

1. 一種葉輪，其具備：主軸，設置成繞著軸心自由旋轉；及葉片，固定於該主軸，藉由風力或水力驅動而繞著該軸心旋轉，其特徵為： 該葉片具有： 平直部，在相對於該主軸平行或垂直之方向延伸；及 葉片前端部，從該平直部之端部延伸， 將該葉片前端部在包含該主軸軸心的平面予以切斷所成之剖面形狀，係形成為：分叉成由第1傾斜部分及第2傾斜部分所成的二分支之形狀，該第1傾斜部分以自基端越往前端越從該平直部朝一側遠離之方式傾斜，該第2傾斜部分以自基端越往前端越朝該第1傾斜部分之相反側遠離之方式傾斜。
2. 如申請專利範圍第1項之葉輪，其中， 該葉片之平直部相對於該主軸平行延伸，該葉片於從該主軸往半徑方向遠離之位置，藉由該支持體而連結於該主軸。
3. 如申請專利範圍第2項之葉輪，其中， 該葉輪係風力發電用風車，朝上下方向延伸的複數片之該葉片，從該垂直主軸遠離而設於該垂直主軸之周圍，於該風車設置於地球北半球之情形時，該各葉片之橫剖面形狀為以風力產生俯視觀察下朝逆時針方向旋轉之旋轉力的形狀。
4. 如申請專利範圍第1項之葉輪，其中， 該葉片之該平直部相對於該主軸往半徑方向外方延伸。
5. 一種自然能源發電裝置，其具備： 如申請專利範圍第1至4項中任一項之葉輪；及 藉由該葉輪所驅動之發電機。
6. 如申請專利範圍第5項之自然能源發電裝置，其中， 該發電機係自激式發電機，具備： 輸出鐵芯，捲繞著輸出繞組；及 磁場鐵芯，捲繞著主磁場繞組及副磁場繞組， 該輸出鐵芯及磁場鐵芯之其中一者為定子，而另一者為轉子，該各磁場繞組連接著整流機構，利用該葉片旋轉使得該定子與轉子相對旋轉而得到發電電力， 該發電機更具備： 初期激磁機構，使產生發電之初期激磁所需程度之磁力。