TW201716687A - 多層葉片式風力發電裝置 - Google Patents

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Abstract

一種多層葉片式風力發電裝置，可受沿一個流動方向流動的風所驅動，包含一個基座、一個第一轉軸，及數個第一葉片模組。該等第一葉片模組連接第一轉軸且沿第一轉軸之軸向方向間隔排列，每一個第一葉片模組具有數個由第一轉軸之徑向方向向外延伸的第一葉片，該等第一葉片模組可分別受風力驅動而連動第一轉軸往第一轉動方向旋轉。透過第一葉片模組的設計，能增加第一葉片的數量，並縮短第一葉片的葉片長度。以避免因為第一葉片上下橫跨的高度過大，導致上下氣流風速不一而出現受力不均的問題，讓第一葉片能平均受力地帶動第一轉軸順暢地運轉。

Description

多層葉片式風力發電裝置
本發明是有關於一種發電裝置，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多層葉片式風力發電裝置。
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1，一般普遍採用的水平軸式的風力發電裝置，包含一個基座90、一支可轉動地水平穿伸入基座90的轉軸91，及一個安裝在該轉軸91前端的葉片模組92。該葉片模組92包括三個彼此角度間隔地連接該轉軸91的葉片921，當該等葉片921受到風力驅動而連動該轉軸91繞其自身軸心旋轉時，該風力發電裝置就能進行發電。
目前全世界的水平軸式風力發電裝置均朝向大型化發展，主要是期望能提供更充足的電力，為了滿足此要求，該等葉片921的葉片長度必須高達50~75公尺，才能使該等葉片921有足夠的受風面積，來提供足夠的旋轉扭力，以帶動該轉軸91達到所需的轉速，也由於該等葉片921的長度較長，使得該風力發電裝置在運轉時，該等葉片921上下橫跨的高度相當大，使得該等葉片921的最高處與最低處的高度差可高達100公尺以上，然而在低空流場下，風的流速在不同高度下是呈現不均勻的分布，且高度差越大流速的差異也越大，若位於高處的葉片921與位於低處的葉片921所受到風力差異大，會導致該葉片模組92傾斜偏擺，運轉不順暢，而容易損壞。
此外，該等葉片921的葉片長度較長，也使得該等葉片921所承受的風力與力矩較大，往往會導致該等葉片921與該轉軸91的連接處，在長期運轉下容易損壞變形，因此現有的風力發電裝置仍有待改善。
因此，本發明之目的，即在提供一種能提高運轉順暢度且不易損壞變形的多層葉片式風力發電裝置。
於是，本發明多層葉片式風力發電裝置，可受沿一個流動方向流動的風所驅動，包含一個基座、一個第一轉軸，及數個第一葉片模組。該第一轉軸沿該流動方向軸向延伸，且可繞自身軸心轉動地安裝於該基座。該等第一葉片模組連接該第一轉軸且沿該第一轉軸之軸向方向間隔排列，每一個第一葉片模組具有數個由該第一轉軸之徑向方向向外延伸且彼此角度間隔的第一葉片，該等第一葉片模組的第一葉片可分別受風力驅動而連動該第一轉軸往一個第一轉動方向旋轉。
本發明之功效在於：透過該等第一葉片模組的設計，能增加該等第一葉片的數量，並縮短每一個第一葉片的葉片長度。以避免該等第一葉片上下橫跨的高度過大而出現上下受力不均的問題，進而讓該等第一葉片能平均受力地帶動該第一轉軸順暢的運轉。且該等第一葉片所承受的風力與力矩較小，也能使該等第一葉片與該第一轉軸的連接處不易損壞變形。
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2、圖3與圖4，本發明多層葉片式風力發電裝置之第一實施例，本發明為水平軸式的風力發電裝置，並可受沿一個流動方向F流動的風所驅動。該風力發電裝置包含一個基座1、一個第一轉軸2、三個第一葉片模組3，及數個單轉發電模組4。
該基座1用以支撐該第一轉軸2，在本實施例中，該基座1包括一個支撐柱11，及一個設置於該支撐柱11頂端並可供該第一轉軸2穿設的座體12，該座體12界定出一個第一發電空間13。實施上該基座1可設計成能相對於地面水平轉動，並利用一個導流板來帶動該基座1轉動，使本發明能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。
該第一轉軸2沿該流動方向F軸向延伸，且可繞自身軸心轉動地穿設於該座體12，並沿著該流動方向F長向延伸。該第一轉軸2包括一個朝向該流動方向F的迎風端21，及一個背向該流動方向F的背風端22。補充說明的是，在本實施例中該座體12是利用數個軸承，以供該第一轉軸2可轉動地穿設，但實施上不以本實施例為限。
該等第一葉片模組3，連接該第一轉軸2且沿該第一轉軸2之軸向方向間隔排列。在本實施例中，該等第一葉片模組3的數量為三，但實施上，該等第一葉片模組3的數量亦可為二、四或五以上，不以本實施例為限。每一個第一葉片模組3具有數個由該第一轉軸2之徑向方向向外延伸且彼此角度間隔的第一葉片31。每一個第一葉片31呈長條板狀，當該等第一葉片31受到沿該流動方向F的風力驅動時，會連動該第一轉軸2往一個第一轉動方向C1旋轉，且該第一轉動方向C1與該流動方向F相互垂直，而成為水平軸式的風力發電裝置。
該等第一葉片31能沿著與該流動方向F垂直的第一轉動方向C1轉動的原因在於：每一個第一葉片31具有一個與該流動方向F呈一傾斜角度的風切面311，當風沿該流動方向F流動而與該等第一葉片31的風切面311接觸後，會被該等風切面311引導而改變流動方向F，此時，風對該等風切面311所產生的作用力，就能驅動該等第一葉片31轉動，而將動能傳遞至該等第一葉片31。
每一個第一葉片31的葉片長度L1為該第一葉片31從該第一轉軸2徑向向外延伸的長度，而該等第一葉片模組3之第一葉片31的葉片長度L1，由該第一轉軸2的該迎風端21往該背風端22逐漸增加，也就是說，越靠近該流動方向F的下游處的第一葉片31其葉片長度L1越長，反之越靠近該流動方向F的上游處的第一葉片31其葉片長度L1越短，如此一來，就能避免相對位於上游處的第一葉片31完全遮擋到相對位於下游處的第一葉片31，以增加位於下游處的第一葉片31與風的接觸面積。
此外，該等第一葉片模組3的第一葉片31彼此錯開，在本實例中，該等第一葉片模組3的數量為三，且每一個第一葉片模組3之第一葉片31的數量為三，因此在設計上，是讓每一個第一葉片模組3的第一葉片31彼此呈360/3=120度角度間隔，而每兩相鄰第一葉片模組3的第一葉片31彼此錯開360/（3×3）=40度，也就是說，從圖4的視角來看，該等第一葉片模組3的第一葉片31會呈放射狀的分布，且從葉片長度L1最短之兩相鄰第一葉片31所夾角度間反向沿著該第一轉動方向C1，例如從三點鐘方向沿著逆時針方向C1到十一點鐘方向，依序由葉片長度L1最短的第一葉片31排列到葉片長度L1最長的第一葉片31。透過該等第一葉片模組3的第一葉片31彼此錯開的設計，使風能依序穿過鄰近該迎風端21的第一葉片模組3後，來依序驅動遠離該迎風端21的第一葉片模組3。
補充說明的是，在本實例中，該等第一葉片模組3的數量為三，且每一個第一葉片模組3之第一葉片31的數量為三，因此每兩相鄰第一葉片模組3的第一葉片31彼此錯開40度，但實施上，每兩相鄰第一葉片模組3的第一葉片31彼此錯開的角度，會依該等第一葉片模組3的數量以及每一個第一葉片模組3之第一葉片31的數量而定。例如該等第一葉片模組3的數量為四，且每一個第一葉片模組3之第一葉片31的數量為五，則每兩相鄰第一葉片模組3的第一葉片31彼此錯開的角度為360/（4×5）=18度。
該等單轉發電模組4沿該第一轉軸2間隔設置於該第一發電空間13，每一個單轉發電模組4包括一個安裝在該座體12的普通定子41，及一個安裝在該第一轉軸2的普通轉子42。當該等第一葉片模組3受到風力推動時，會帶動該第一轉軸2轉動，而帶動該普通轉子42相對於該普通定子41旋轉以產生感應電流輸出。實施上，本發明亦可僅包含一個單轉發電模組4，不以本實施例為限
本發明多層葉片式風力發電裝置，使用時，當風沿該流動方向F流動而到達最靠近該流動方向F上游處的第一葉片模組3時，會驅動最靠近該流動方向F上游處第一葉片模組3產生旋轉扭力，而未觸碰到該第一葉片模組3的風，例如從每兩相鄰之第一葉片31間穿過的風，以及位於以葉片長度L1作為半徑所界定出的圓周區域之外的風，會繼續往該流動方向F流動。
由於位於相對下游處的第一葉片模組3與位於相對上游處的第一葉片模組3彼此錯開，且位於相對下游處的第一葉片模組3的葉片長度L1較長，因此繼續往該流動方向F流動的風能順利驅動位於相對下游處的第一葉片模組3產生旋轉扭力，而未觸碰到該第一葉片模組3的風，也就是上述從每兩相鄰的第一葉片31間穿過的風，或者位於以葉片長度L1作為半徑所界定出的圓周區域之外的風，會繼續往該流動方向F流動。
依此類推下來，沿該流動方向F的風就能驅動到最下游的第一葉片模組3來產生旋轉扭力，最後，該等第一葉片模組3能相配合帶動該第一轉軸2繞著該第一轉動方向C1轉動。
由於該等第一葉片模組3都能受到風力驅動，因此在能達到足夠受風面積的情況下，本發明能透過增加該等第一葉片31的數量，來縮短每一個第一葉片31的葉片長度，使得每一個第一葉片模組3的葉片長度L1相較於習知的葉片長度可以縮短許多，而該等第一葉片模組3相配合能仍然能提供足夠的旋轉扭力。
透過上述設計，能縮短該等第一葉片31上下橫跨的高度，就不會出現習知葉片受力不均的問題，使得該等第一葉片31能平均受力地帶動該第一轉軸2順暢的運轉。而且該等第一葉片31的長度較短也能減少所承受的風力與力矩，使該等第一葉片31與該第一轉軸2的連接處不易損壞變形。
且將該等第一葉片模組3間隔設置於該第一轉軸2，可將該等第一葉片模組3對該第一轉軸2的扭力均勻分散於該第一轉軸2上，使該第一轉軸2的平均受力轉動，以降低該第一轉軸2扭轉變形的情況。
綜上所述，本發明多層葉片式風力發電裝置，透過該等第一葉片模組3的設計，能避免該等第一葉片31因上下受力不均而傾斜偏擺的問題，讓該等第一葉片31能平均受力地帶動該第一轉軸2順暢的運轉，也能使該等第一葉片31與該第一轉軸2的連接處不易損壞變形，故確實能達成本發明之目的。
參閱圖5、圖6與圖7，本發明多層葉片式風力發電裝置之第二實施例，與該第一實施例不同之處在於：本實施例不包含該等單轉發電模組4，而還包含一個第二轉軸5、一個第二葉片模組6，及數個第一雙轉發電模組7。本實施例的該等第一葉片模組3的數量為二，但實施上，該等第一葉片模組3的數量亦可為三、四或五以上，不以本實施例為限。
該第二轉軸5沿該流動方向F軸向延伸，且可繞自身軸心轉動，在本實施例中，該第一轉軸2不穿設於該座體12，改由該第二轉軸5穿設於該座體12，而該第一轉軸2呈中空圓筒狀地間隔套設於該第二轉軸5外。該第二轉軸5的局部區域延伸於外，以供該第二葉片模組6安裝。該第二轉軸5與該第一轉軸2徑向內外間隔而相配合界定出一個第二發電空間50。
該第二葉片模組6具有數個由該第二轉軸5之徑向方向向外延伸且彼此角度間隔的第二葉片61。每一個第二葉片61呈長條板狀，當該等第二葉片61受到沿該流動方向F的風力驅動時，會連動該第二轉軸5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，由於該第二葉片模組6安裝的位置相對於該等第一葉片模組3是位於該流動方向F的下游處，因此該等第二葉片61的葉片長度L2大於該等第一葉片31的葉片長度L1，以避免相對位於上游處的第一葉片31完全遮擋到相對位於下游處的第二葉片61。
該等第一雙轉發電模組7沿著該第二轉軸5之軸向方向排列設置於該第二發電空間50內，每一個第一雙轉發電模組7包括一個安裝在該第一轉軸2的第一轉子71，及一個安裝在該第二轉軸5的第二轉子72。該第一轉子71會被該第一轉軸2帶動而往第一轉動方向C1轉動。該第二轉子72會被該第二轉軸5帶動而往第二轉動方向C2轉動。實施上，本發明亦可僅包含一個第一雙轉發電模組7，不以本實施例為限。
在本實施例中，該第一轉子71與該第二轉子72皆由鐵芯與圈繞於該鐵芯的線圈組成，使用時，會先使該第一轉子71產生磁場，當風沿該流動方向F吹來時，該等第一葉片模組3會帶動該第一轉軸2往第一轉動方向C1轉動；該第二葉片模組6會帶動該第二轉軸5往第二轉動方向C2轉動，此時，該第一轉子71與該第二轉子72會相對旋轉通過，而使該第二轉子72切割該第一轉子71所產生的磁場，並產生感應電流輸出，上述感應電流可利用數個滑環（圖未示）分別將接出。但實施上，該第一轉子71與該第二轉子72亦可相反設計，亦即該第二轉子72會產生磁場，該第一轉子71會產生感應電流，不以本實施例的形式為限。
由於該第一轉子71與該第二轉子72皆會轉動，且往相反方向轉動，使得該第一轉子71與該第二轉子72之間的相對轉動速度將較於第一實施例的轉子42與定子41之間的相對轉動速度有較佳的提升，進而提升發電效率。也正因為本實施例的設計能提升發電效率，因此在設計上，本實施例可相對減少該等第一雙轉發電模組7的數量，或者相對減少每一個第一轉子71與每一個第二轉子72的線圈數量，來節省材料成本，並提供與該第一實施例相同的發電效率，相當符合經濟效益。
如此一來，不僅能改善習知葉片受力不均的問題，也能降低材料成本。當然，實施上，若不減少第一雙轉發電模組7的數量，並維持每一個第一轉子71與每一個第二轉子72的線圈數量，則可相對提高本發明的發電效率。
補充說明的是，實施上該第二轉軸5與該第一轉軸2的樞設結構亦可相反設置，亦即該第二轉軸5呈中空圓筒狀，而該第一轉軸2可轉動地間隔樞設於該第二轉軸5內，另外，該第二葉片模組6也可位於該流動方向F的上游處，且該等第二葉片61的葉片長度L2小於該等第一葉片31的葉片長度L1，不以本實施例為限。
參閱圖8，本發明多層葉片式風力發電裝置之另一實施態樣，與第二實施例不同之處在於，該風力發電裝置還可包含一個第三轉軸80、一個第三葉片模組81，及數個第二雙轉發電模組82。該第二轉軸5不穿設於該座體12，改由該第三轉軸80穿設於該座體12，而該第二轉軸5呈中空圓筒狀地間隔套設於該第三轉軸80外。該第三轉軸80的局部區域延伸於外，以供該第三葉片模組81安裝。
該第三葉片模組81受到沿該流動方向F的風力驅動時，會連動該第三轉軸80往一個相反於該第二轉動方向的第三轉動方向旋轉，也就是說，該第三轉動方向與該第一轉動方向同向，此時該第一雙轉發電模組7與第二雙轉發電模組82皆會產生感應電流。
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‧‧‧支撐柱
12‧‧‧座體
13‧‧‧第一發電空間
2‧‧‧第一轉軸
21‧‧‧迎風端
22‧‧‧背風端
3‧‧‧第一葉片模組
31‧‧‧第一葉片
311‧‧‧風切面
4‧‧‧單轉發電模組
41‧‧‧普通定子
42‧‧‧普通轉子
5‧‧‧第二轉軸
50‧‧‧第二發電空間
6‧‧‧第二葉片模組
61‧‧‧第二葉片
7‧‧‧第一雙轉發電模組
71‧‧‧第一轉子
72‧‧‧第二轉子
80‧‧‧第三轉軸
81‧‧‧第三葉片模組
82‧‧‧第二雙轉發電模組
C1‧‧‧第一轉動方向
C2‧‧‧第二轉動方向
F‧‧‧流動方向
L1‧‧‧葉片長度
L2‧‧‧葉片長度
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是一個立體圖，說明現有的風力發電裝置； 圖2是一個立體圖，說明本發明多層葉片式風力發電裝置的第一實施例； 圖3是一個剖視側視示意圖，說明該第一實施例的內部結構； 圖4是一個前視圖，說明該第一實施例的運轉過程； 圖5是一個立體圖，說明本發明多層葉片式風力發電裝置的第二實施例； 圖6是一個剖視側視示意圖，說明該第二實施例的內部結構； 圖7是一個前視圖，說明該第二實施例的運轉過程；及 圖8是一個剖視側視示意圖，說明本發明多層葉片式風力發電裝置的另一實施態樣。
1‧‧‧基座
11‧‧‧支撐柱
12‧‧‧座體
2‧‧‧第一轉軸
21‧‧‧迎風端
22‧‧‧背風端
3‧‧‧第一葉片模組
31‧‧‧第一葉片
311‧‧‧風切面
C1‧‧‧第一轉動方向
F‧‧‧流動方向
L1‧‧‧葉片長度

Claims (6)

  1. 一種多層葉片式風力發電裝置，可受沿一個流動方向流動的風所驅動，包含： 一個基座； 一個第一轉軸，沿該流動方向軸向延伸，且可繞自身軸心轉動地安裝於該基座；及 數個第一葉片模組，連接該第一轉軸且沿該第一轉軸之軸向方向間隔排列，每一個第一葉片模組具有數個由該第一轉軸之徑向方向向外延伸且彼此角度間隔的第一葉片，該等第一葉片模組的第一葉片可分別受風力驅動而連動該第一轉軸往一個第一轉動方向旋轉。
  2. 如請求項1所述的多層葉片式風力發電裝置，其中，該第一轉軸包括一個朝向該流動方向的迎風端，及一個背向該流動方向的背風端，該等第一葉片模組之第一葉片的葉片長度由該迎風端往該背風端逐漸增加。
  3. 如請求項1或2所述的多層葉片式風力發電裝置，其中，該等第一葉片模組的第一葉片彼此錯開。
  4. 如請求項3所述的多層葉片式風力發電裝置，其中，葉片長度最短之兩相鄰第一葉片所夾角度間，該等第一葉片模組的第一葉片反向沿著該第一轉動方向依序由葉面長度最短的第一葉片排列到葉片長度最長的第一葉片。
  5. 如請求項1或2所述的多層葉片式風力發電裝置，還包含一個第二轉軸，及一個第二葉片模組，該第二轉軸沿該流動方向軸向延伸，且可繞自身軸心轉動地與該第一轉軸間隔樞設，該第二葉片模組具有數個由該第二轉軸之徑向方向向外延伸且彼此角度間隔的第二葉片，該等第二葉片可受風力驅動而連動該第二轉軸往一個相反於該第一轉動方向的第二轉動方向旋轉。
  6. 如請求項5所述的多層葉片式風力發電裝置，還包含至少一個第一雙轉發電模組，該第一雙轉發電模組包括一個安裝在該第一轉軸並能被該第一轉軸帶動而往該第一轉動方向旋轉的第一轉子，及一個安裝在該第二轉軸並能被該第二轉軸帶動而往該第二轉動方向旋轉的第二轉子，當該第一轉子與該第二轉子相對旋轉通過時，該第一雙轉發電模組會產生感應電流輸出。
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