TW201715150A - 流力發電裝置 - Google Patents

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Abstract

一種流力發電裝置，包含一個基座、一個轉動單元、一個驅轉單元，及數個發電單元。該基座包含一支軸桿，該轉動單元包括一個間隔樞設於軸桿外的內轉軸，及一個間隔樞設於內轉軸外的外轉軸。該驅轉單元可分別帶動內轉軸與該外轉軸往相反方向轉動。每一個發電單元包括一個安裝在內轉軸的內轉子，及一個安裝在外轉軸的外轉子，當內轉子與外轉子相對旋轉通過時，發電單元會產生感應電流輸出。藉由使外轉子與內轉子分別朝相反方向旋轉，能提高相對旋轉通過時的相對轉速，以提升發電單元的整體發電效率，進而減少材料成本。

Description

流力發電裝置
本發明是有關於一種發電機，特別是指一種利用風力、潮汐、洋流等推力來推動葉片旋轉以產生電力的流力發電裝置。
目前市面上已有相當多種利用風力、潮汐、洋流等推力來產生電力的流力發電裝置。參閱圖1和圖2，一種如台灣證書號數第M502286號新型專利所提出的外殼轉動式之發電機，包含一個基座9、一個驅動單元8，及至少一個發電單元7。該基座9包括一支軸桿91。該驅動單元8包括一個可轉動地間隔套置樞設於該軸桿91外的外轉軸81，及數個安裝於該外轉軸81且可受外力驅動而連動該外轉軸81繞著該軸桿91旋轉的葉片模組82。該發電單元7包括一個安裝在該外轉軸81並位於該外轉軸81與該軸桿91之間的轉子71，及一個安裝在該軸桿91並位於該轉子71與該軸桿91之間的定子72，藉由將定子72不動地位於中心並使轉子71圍繞於該定子72轉動的設計，當該轉子71被該外轉軸81帶動而相對旋轉通過該定子72時，會切割該轉子71與該定子72之間的磁力線，而使該發電單元7產生感應電流輸出，且轉動速度越快，發電的效率越好。
然而該發電機的設計，只有轉子71會隨著該等葉片模組82受到風力推動而轉動，該定子72是靜止不動的位於中心，因此該轉子71與該定子72之間的相對轉速相當有限，並無法有效的提升發電效率，且為了維持所需的發電量，難以降低該發電單元的材料成本，例如線圈的圈數無法降低，因此現有的發電機仍有待改善。
因此，本發明之目的，即在提供一種能提高發電效率並降低材料成本的流力發電裝置。
於是，本發明流力發電裝置，包含一個基座、一個轉動單元、一個驅轉單元，及至少一個發電單元。該基座包括一支沿一條軸線延伸的軸桿。該轉動單元包括一個可繞該軸線轉動且樞設於該軸桿外的內轉軸，及一個可繞該軸線轉動且間隔樞設於該內轉軸外的外轉軸。該驅轉單元包括數個安裝於該內轉軸且可受外力驅動而連動該內轉軸往一個第一轉動方向旋轉的第一葉片模組，及數個安裝於該外轉軸且可受外力驅動而連動該外轉軸往一個相反於該第一轉動方向的第二轉動方向旋轉的第二葉片模組。該發電單元包括一個安裝在該內轉軸並位於該內轉軸與該外轉軸之間的內轉子，及一個安裝在該外轉軸並位於該內轉子與該外轉軸之間的外轉子，該內轉子會被該內轉軸帶動而繞該軸線往該第一轉動方向旋轉，該外轉子會被該外轉軸帶動而繞該軸線往該第二轉動方向旋轉，當該內轉子與該外轉子相對旋轉通過時，該發電單元會產生感應電流輸出。
本發明之功效在於：透過該轉動單元與該驅動單元的設計，使該等發電單元的內轉子與外轉子能分別朝相反方向轉動，以提高該外轉子與該內轉子相對旋轉通過時的相對轉速，並提升該等發電單元的整體發電效率，進而降低該發電單元的材料成本。
在本發明被詳細描述之前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。
參閱圖3與圖4，本發明流力發電裝置之第一實施例，包含一個基座1、一個轉動單元2、一個驅轉單元3，及數個發電單元4。
該基座1用以支撐該轉動單元2，並包括一支沿一條左右向的軸線L延伸的軸桿11。實施上該軸桿11可藉由一個支撐架12支撐於兩相反端，該支撐架12可垂直向下延伸或呈Y形；該軸桿11也可直接使其左右兩相反端分別安裝於兩個彼此間隔的建築物，只要能撐起該轉動單元2即可。補充說明的是，該支撐架12的底端可相對於地面水平轉動，該基座1可利用一個導流板來帶動該支撐架12轉動，使該流力發電裝置轉動至正面受風的位置，實施上，該基座1的設計，不以本實施例為限。
該轉動單元2包括可繞該軸線L轉動的一個內轉軸21及一個外轉軸22。該內轉軸21沿該軸線L長向延伸呈中空長管狀且樞設於該軸桿11外，該外轉軸22沿一條左右向延伸的軸線L長向延伸而呈中空長管狀且樞設於該內轉軸21外。該內轉軸21具有一個間隔樞設於該外轉軸22內且與該外轉軸22內外相配合界定出一個發電空間23的第一發電段211，及一個由該第一發電段211向該發電空間23外延伸的第一驅轉段212。補充說明的是，該內轉軸21與該軸桿11之間可利用軸承，使該內轉軸21能相對該等軸桿11轉動，且該內轉軸21與該外轉軸22之間也可利用軸承，使該內轉軸21與該外轉軸22之間能相對轉動。由於該軸線L為橫向延伸，使本實施例之發電裝置為垂直式橫臥型的發電機。
該驅轉單元3包括數個安裝於該內轉軸21之第一驅轉段212的外周面的第一葉片模組31，及數個安裝於該外轉軸22的外周面的第二葉片模組32。該等第一葉片模組31可受外力驅動而連動該內轉軸21往一個第一轉動方向C1旋轉。該等第二葉片模組32可受外力驅動而連動該外轉軸22往一個相反於該第一轉動方向C1的第二轉動方向C2旋轉。在本實施例中，該等第一葉片模組31與該等第二葉片模組32的構造相同，只是因為安裝的方向不同，而能分別帶動該內轉軸21往該第一轉動方向C1旋轉，帶動該外轉軸22往該第二轉動方向C2旋轉，但實施上該等第一葉片模組31與該等第二葉片模組32亦可為不同的葉片設計，只要能帶動該內轉軸21與該外轉軸22往相反方向轉動即可。
參閱圖3與圖5，在本實施例中，該等第一葉片模組31與該等第二葉片模組32皆為格柵式葉片模組的型態且數量分別為三個，以下僅以第一葉片模組31來說明其細部構造。
每一個第一葉片模組31具有一個格柵311、數個設置於該格柵311上的擺動葉片313，及一個方向導流板314。該格柵311具有數個間隔排列的穿透空間312。每一擺動葉片313用以可開啟地遮擋各別之穿透空間312，且僅能單向地往相反於該第一轉動方向C1的方向擺動來開啟各別之穿透空間312。當所述擺動葉片313受到與該第一轉動方向C1順向的流體推動時，會貼靠於該格柵311且覆蓋封閉與其對應的該穿透空間312，因而受到推力；當所述擺動葉片313受到與該第一轉動方向C1逆向的流體推動時，會擺動而開啟與其對應的穿透空間312，讓流體可經由該穿透空間312穿過，而不受到推力。
另外，從該第一葉片模組31的整體來看，該第一葉片模組31還包括一連接該內轉軸21的內側315，以及一相反於該內側315且於該徑向方向上遠離該內轉軸21的外側316，該方向導流板314位於該外側316，且略呈弧形長板片狀，並沿該第一轉動方向C1反向延伸，相反地，該第二葉片模組32的方向導流板則是沿該第二轉動方向C2反向延伸，該方向導流板314能在該第一葉片模組31受到流體推動時，限制該流體的流動，以避免流體分散而降低旋轉扭力。
當有流體沿一個如圖5所示由前往後的施力方向F施力時，根據上述說明並配合圖5可知，後上方的第一葉片模組31所受到的該施力方向F與該第一轉動方向C1順向，因此會受到推力；後下方的第一葉片模組31所受到的該施力方向F與該第一轉動方向C1逆向，因此不會受到推力，相配合下，該等第一葉片模組31就能帶動該內轉軸21繞著該軸線L往第一轉動方向C1旋轉。另外，位於前方的第一葉片模組31的擺動葉片313會因為轉動時所產生之與該第一轉動方向C1反向的逆向流場，而擺動開啟與其對應的穿透空間312，以降低風阻。
因此，設計上只要讓該第一葉片模組31之擺動葉片313與該第二葉片模組32之擺動葉片313單向擺動的方向相反，就能讓該等第一葉片模組31與該等第二葉片模組32的轉動方向相反，也就是，該等第一葉片模組31往第一轉動方向C1旋轉，該等第二葉片模組32往第二轉動方向C2旋轉。
參閱圖4與圖6，該等發電單元4是沿著該軸線L排列設置於該發電空間23內，每一個發電單元4包括一個安裝在該內轉軸21之第一發電段211的外周面並位於該外轉軸22與該內轉軸21之間的內轉子41，及一個安裝在該外轉軸22內周面並位於該內轉子41與該外轉軸22之間的外轉子42。該內轉子41會被該內轉軸21帶動而往第一轉動方向C1轉動，該外轉子42會被該外轉軸22帶動而往第二轉動方向C2轉動。
該內轉子41具有一個環繞安裝於該內轉軸21之第一發電段211外周面的內環座411，及三組安裝於該內環座411並繞著該軸線L等角度間隔分布的電樞繞組412。每一個電樞繞組412具有兩個徑向相背地對稱設置於該內環座411外周面的電樞芯座413，及一組圈繞安裝於該等電樞芯座413的電樞線圈414。需要說明的是，本實施例設計有該內環座411，並將該等電樞芯座413同體連接於該內環座411，是為了方便該內轉子41的製造與組裝，實施上，該等電樞芯座413亦可直接安裝於該內轉軸21之第一發電段211的外周面，不以本實施例為限。
在本實施例中，該等電樞芯座413與該內環座411同體相連，並共同由數片相同形狀且沿該軸線L排列的導磁片相疊而成。該等導磁片是由導磁材料製成，當然實施上該等電樞芯座413與該內環座411亦可為單一導磁塊一體成型的結構設計，不以本實施例為限。該等電樞線圈414可利用Y形接法或Δ形接法連接在一起。
該外轉子42具有一個環繞安裝於該外轉軸22內周面的外環座421，及三組安裝在該外環座421並繞著該軸線L等角度間隔分布的磁極對422。每一組磁極對422具有兩個徑向相對地對稱設置於該外環座421之內周面的磁芯座423，及一組圈繞安裝於該等磁芯座423以產生磁場的場繞線圈424。需要說明的是，本實施例設計有該外環座421，並將該等磁芯座423同體連接於該外環座421，是為了方便該外轉子42的製造與組裝，但實施上，該等磁芯座423亦可直接安裝於該外轉軸22的內周面即可，不以本實施例為限。
在本實施例中，該等磁芯座423與該外環座421同體相連，並共同由數片相同形狀且沿著該軸線L排列的導磁片相疊而成。該等導磁片是由導磁材料製成以增加磁場強度，當然實施上該等磁芯座423與該外環座421亦可為單一導磁塊一體成型的結構設計，不以本實施例為限。
該等場繞線圈424通入電力時就能產生磁場，實施上，該等場繞線圈424可利用外激式、串激式、分激式或複激式的方式來產生磁場，或者每一組磁極對422亦可直接利用一對永久磁鐵來產生磁場，不以本實施例為限。
當外轉子42的該等磁極對422與該內轉子41的該等電樞繞組412相對旋轉通過時，該等電樞線圈414就會產生感應電流輸出，並利用數個滑環（圖未示）分別將感應電流接出，當然輸出時可利用一個整流器（圖未示）來將產生出的感應電流由交流轉換成直流，惟其並非本發明之重點所以不再說明。
本發明流力發電裝置的每一個發電單元4有三組磁極對422與三組電樞繞組412所以為三相六極的發電裝置，但實施上，該磁極對422與該電樞繞組412的組數可依發電需求增減，例如該外轉子42僅具有一組磁極對422，該等電樞繞組412的組數為三，則形成三相二極的發電裝置，或者該磁極對422的組數為三，該內轉子41僅具有一組電樞繞組412，則形成單相六極的發電裝置，或者該磁極對422的組數為六，該等電樞繞組412的組數為三，則形成三相十二極的發電裝置，因此設計上不以本實施例為限。
參閱圖3、圖6與圖7，本發明流力發電裝置使用時，當例如風力、潮汐、洋流等外力沿施力方向F推動該驅轉單元3時，該等第一葉片模組31會帶動該內轉軸21往該第一轉動方向C1旋轉，並連動該內轉子41旋轉；同時，該等第二葉片模組32會帶動該外轉軸22往該第二轉動方向C2旋轉，並連動該外轉子42旋轉，當該外轉子42與該內轉子41相對旋轉通過時，會切割該外轉子42所產生的磁場，而產生感應電流輸出。
由於該外轉子42與該內轉子41皆會轉動，且往相反方向轉動，使得該外轉子42與該內轉子41之間的相對轉動速度大幅提升，進而大幅提升發電效率，最佳地，本實施例可達到習知轉子與定子相對轉動速度的將近兩倍。也正因為本發明的設計能提升發電效率，因此，在與習知發電機提供相同發電量的情況下，本實施例可相對減少該發電空間23中之發電單元4的數量，或者相對減少該等電樞線圈414與該等場繞線圈424的圈數，來降低該等發電單元4、該等電樞線圈414與該等場繞線圈424的材料成本，藉此可降低本發明所需的花費，相當符合經濟效益。當然，本發明若不減少該發電單元4的數量或該等電樞線圈414與該等場繞線圈424的圈數，則可相對增加發電量。
補充說明的是，本發明的該外轉子42具有該等磁極對422以產生磁場，該內轉子41具有該等電樞繞組412以產生感應電流，但實施上該等磁極對422與該等電樞繞組412亦可相反設置，亦即該內轉子41具有該等磁極對422以產生磁場，該外轉子42具有該等電樞繞組412以產生感應電流，並利用數個滑環（圖未示）分別將感應電流接出，不以本實施例的形式為限。
綜上所述，本發明流力發電裝置，透過該轉動單元2與該驅轉單元3的設計，使該等發電單元4的內轉子41與外轉子42能分別朝相反方向轉動，以提高該外轉子42與該內轉子41相對旋轉通過時的相對轉速，進而提升該等發電單元4的整體發電效率。此外，由於可增加發電效率，因此在能提供所需發電量的情況下，可相對減少該等發電單元4的數量，或者相對減少該等電樞線圈414與該等場繞線圈424的圈數，來降低材料成本，藉此降低本發明所需的花費，相當符合經濟效益，故確實能達成本發明之目的。
參閱圖8，本發明流力發電裝置之一第二實施例，與該第一實施例之結構大致相同，不同之處在於：本實施例的每一個第一葉片模組31與該第二葉片模組31的格柵311徑向往外延伸的長度較長，每一個第一葉片模組31與每一個第二葉片模組32還具有數個設置於該格柵311向外延伸之部分且呈碗形的風杯317。實施上也可每一個第一葉片模組31僅設置該等擺動葉片313；每一個第二葉片模組32僅設置該等風杯317，抑或是相反設置，不以本實施例為限。
參閱圖9，本發明流力發電裝置之第三實施例，與該第一實施例之結構大致相同，不同之處在於：該軸線L為上下直立延伸，因此本實施例的發電裝置為垂直式直立型發電機，可於本發明預定安裝場地先行架設一個直立的柱狀物以作為該軸桿11，該柱狀物可例如但不限於：電線桿、路燈、建築物之支撐桿柱，或者為樹木之樹幹，等任何柱狀結構。該軸桿11的截面形狀可以是任何形態，可以為三角柱、四角柱、圓柱、H形柱…等等。本實施例之該軸桿11之底部伸入地面下。該內轉軸21的該第一驅轉段212由該第一發電段211向上延伸。該外轉軸22包括一個供該等第二葉片模組32安裝的第二驅轉段221、一個間隔位於該第二驅轉段221下方的第二發電段222，以及一連接於該第二驅轉段221與該第二發電段222間且由上往下逐漸徑擴的徑擴段223。該內轉軸21的該第一發電段211與該外轉軸22的該第二發電段222及該徑擴段223共同界定出該發電空間23。
由於直立式發電裝置具有360°水平受風的優點，因此可適用於風向不定的地面風，相當具有市場競爭力。且透過上述的結構設計，讓本發明可直接利用路面上、各種環境、場合所現有的柱狀物作為本發明的軸桿11，於應用上非常方便，可安裝的地點相當廣泛，讓本發明相當具有市場競爭力，對於風力發電產業有非常大的助益。另外，由於該外轉軸22將該發電單元4完全包覆住，具有防雨水、露水與降雪的功能，且該徑擴段223由上往下逐漸徑擴的設計，當下雨、下雪或結露水時有助於水分順著徑擴段223外表面落至地面。
惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
1‧‧‧基座
11‧‧‧轉軸
12‧‧‧支撐架
2‧‧‧轉動單元
21‧‧‧內轉軸
211‧‧‧第一發電段
212‧‧‧第一驅轉段
22‧‧‧外轉軸
221‧‧‧第二發電段
222‧‧‧第二驅轉段
223‧‧‧徑擴段
23‧‧‧發電空間
3‧‧‧驅轉單元
31‧‧‧第一葉片模組
311‧‧‧格柵
312‧‧‧穿透空間
313‧‧‧擺動葉片
314‧‧‧方向導流板
315‧‧‧內側
316‧‧‧外側
317‧‧‧風杯
32‧‧‧第二葉片模組
4‧‧‧發電單元
41‧‧‧內轉子
411‧‧‧內環座
412‧‧‧電樞繞組
413‧‧‧電樞芯座
414‧‧‧電樞線圈
42‧‧‧外轉子
421‧‧‧外環座
422‧‧‧磁極對
423‧‧‧磁芯座
424‧‧‧場繞線圈
C1‧‧‧第一轉動方向
C2‧‧‧第二轉動方向
F‧‧‧施力方向
L‧‧‧軸線
本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中： 圖1是一個不完整的立體圖，說明習知的發電機； 圖2是一個不完整的剖視側視圖，說明習知的發電機的內部結構； 圖3是一個不完整的立體圖，說明本發明流力發電裝置的第一實施例； 圖4是一個不完整的剖視前視圖，說明該第一實施例的內部結構； 圖5是圖4沿Ⅰ-Ⅰ線的剖面圖，說明該第一實施例的數個第一葉片模組受到流體沿一個施力方向施力； 圖6是圖4沿Ⅱ-Ⅱ線的剖面圖，說明該第一實施例的發電單元內部結構； 圖7是圖4沿Ⅲ-Ⅲ線的剖面圖，說明該第一實施例的運轉過程； 圖8是一個不完整的立體圖，說明本發明流力發電裝置的第二實施例；及 圖9是一個不完整的剖視側視圖，說明本發明流力發電裝置的第三實施例。
1‧‧‧基座
11‧‧‧轉軸
2‧‧‧轉動單元
21‧‧‧內轉軸
22‧‧‧外轉軸
3‧‧‧驅轉單元
31‧‧‧第一葉片模組
311‧‧‧格柵
313‧‧‧擺動葉片
314‧‧‧方向導流板
315‧‧‧內側
316‧‧‧外側
32‧‧‧第二葉片模組
C1‧‧‧第一轉動方向
C2‧‧‧第二轉動方向
L‧‧‧軸線
312‧‧‧穿透空間

Claims (8)

  1. 一種流力發電裝置，包含： 一個基座，包括一支沿一條軸線延伸的軸桿； 一個轉動單元，包括一個可繞該軸線轉動且樞設於該軸桿外的內轉軸，及一個可繞該軸線轉動且間隔樞設於該內轉軸外的外轉軸； 一個驅轉單元，包括數個安裝於該內轉軸且可受外力驅動而連動該內轉軸往一個第一轉動方向旋轉的第一葉片模組，及數個安裝於該外轉軸且可受外力驅動而連動該外轉軸往一個相反於該第一轉動方向的第二轉動方向旋轉的第二葉片模組；及 至少一個發電單元，包括一個安裝在該內轉軸並位於該內轉軸與該外轉軸之間的內轉子，及一個安裝在該外轉軸並位於該內轉子與該外轉軸之間的外轉子，該內轉子會被該內轉軸帶動而繞該軸線往該第一轉動方向旋轉，該外轉子會被該外轉軸帶動而繞該軸線往該第二轉動方向旋轉，當該內轉子與該外轉子相對旋轉通過時，該發電單元會產生感應電流輸出。
  2. 如請求項1所述的流力發電裝置，其中，該內轉軸具有一個間隔樞設於該外轉軸內且與該外轉軸內外相配合界定出一個發電空間的第一發電段，及一個由該第一發電段向該發電空間外延伸且供該等第一葉片模組安裝的第一驅轉段。
  3. 如請求項2所述的流力發電裝置，其中，每一個第一葉片模組與每一個第二葉片模組皆包括一個於徑向方向上遠離該軸線的外側，及一個位於該外側且呈弧形片狀的方向導流板，該第一葉片模組的方向導流板沿該第一轉動方向反向延伸，該第二葉片模組的方向導流板沿該第二轉動方向反向延伸。
  4. 如請求項3所述的流力發電裝置，其中，該軸線為左右橫向延伸。
  5. 如請求項3所述的流力發電裝置，其中，該軸線為上下直立延伸。
  6. 如請求項5所述的流力發電裝置，其中，該外轉軸包括一個供該等第二葉片模組安裝的第二驅轉段、一個間隔位於該第二驅轉段下方的第二發電段，以及一個連接於該第二驅轉段與該第二發電段間且由上往下逐漸徑擴的徑擴段，該內轉軸與該第二發電段共同界定出該發電空間。
  7. 如請求項3所述的流力發電裝置，其中，該內轉子具有至少一組安裝於該內轉軸的電樞繞組，該外轉子具有至少一組安裝在該外轉軸的磁極對，當該內轉子與該外轉子相對旋轉通過時，該電樞繞組會產生感應電流輸出。
  8. 如請求項3所述的流力發電裝置，其中，該內轉子具有至少一組安裝於該內轉軸的磁極對，該外轉子具有至少一組安裝在該外轉軸的電樞繞組，當該內轉子與該外轉子相對旋轉通過時，該電樞繞組會產生感應電流輸出。
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