TW201741550A - 垂直軸風力發電機可變葉片傾角機構 - Google Patents

Abstract

一種垂直軸風力發電機可變葉片傾角機構，係包含有一座體及主軸；數個與主軸固定連接之連接樑；數個與連接樑活動結合之葉片；以及一連接主軸、各連接樑與各葉片之可變葉片傾角機構。藉此，透過本機構改變葉片傾角可降低風力發電機之啟動力矩，使風力發電機在低風速下即可以啟動，並讓風力發電機在較高風速下，改變葉片傾角使其向內變小，而讓葉片之轉動力矩變小，進而降低發電機轉速，使風力發電機維持在額定轉速繼續運作，透過垂直軸風力發電機可變葉片傾角機構之作用，具有提高風力發電機之切出風速，使風力發電機之運作風速範圍提高，以增加風力發電機之發電量之功效。

Description

垂直軸風力發電機可變葉片傾角機構

本發明係有關於一種垂直軸風力發電機可變葉片傾角機構，尤指涉及一種無需做主動控制，可讓風力發電機在較高風速下，令葉片傾角向內變小，使葉片之轉動力矩變小，進而降低發電機轉速，使風力發電機維持在額定轉速繼續運作者。

以能量觀點而言，風力發電機主要是利用葉片擷取氣流之動能透過轉子轉換成機械轉動能量，再利用發電機將轉動機械能轉換成電能。由於風場之風速及風向一直隨著時間變化，使得發電機之輸出不穩定。當風速低時，發電機轉速太慢使得系統無法抽載；若風速過高時，轉速太快超過發電機其額定輸出太多易造成發電機之損壞，為了風機能在額定功率下運轉，需要控制風機轉子之轉速不要超過額定轉速，可以持續運轉以提高發電量。 就風機葉片連接方式而言，可分為固定傾角與可變傾角兩種裝置。一般固定傾角之風力機，利用葉型在較高風速時攻角產生變化，受空氣動力之分流或失速來降低效能，將輸出功率限制在一定範圍內，稱為失速節制（stall regulation）。然而該失速節制為較早期之設計，僅能得到折衷之輸出曲線。 具有可變傾角葉片之風力機，可配合風速變化自動調整傾角以獲得較佳之輸出曲線，稱為傾 角節制（pitch regulation）。在高風速時可以調整葉片之傾角，以減少風之推力，除了避免過高之輸出，亦可以降低風機啟動風速。 排除主動式之葉片調變保護設計，現有風機之可變式機械調變保護裝置隱含以下缺點： 1. 結構複雜。 2. 組裝不易。 3. 較容易增加機體結構負荷（影響機體壽命與運作安全）。 4. 結構強度不足。 多數大型風機之葉片大多具有可變傾角之設計，控制方面採用主動回授控制，藉由風速計與轉速計之回授適時的調整風機葉片之傾角，因需主動控制系統，故成本較高。垂直軸風機在設計時，因成本考量，大多採用失速節制之方式來設計葉片及機構，然而此方式所設計出來之風機無法在不同風速下獲得最佳效率，故，ㄧ般習用者係無法符合使用者於實際使用時之所需。

本發明之主要目的係在於，克服習知技藝所遭遇之上述問題並提供一種改變葉片之傾角使攻角改變，進而降低其昇力係數，以減少驅動主軸轉動之力矩，達到在高風速時其發電功率會維持在額電功率之下運作之垂直軸風力發電機可變葉片傾角機構。 本發明之次要目的係在於，提供一種降低啟動風速以提高低風速時之發電功率之垂直軸風力發電機可變葉片傾角機構。 本發明之另一目的係在於，提供一種達到運作方式無須耗費額外電力 、結構簡單、易於組裝、便於維修、製作成本低、佔用空間小以及無須變更風力發電機本體結構之功效之垂直軸風力發電機可變葉片傾角機構。 為達以上之目的，本發明係一種垂直軸風力發電機可變葉片傾角機構 ，係包括一底座，其上連接有一主軸，該主軸之下部及上部分別固定一第一主軸固定片及一第二主軸固定片，構成以該主軸為旋轉中心點做圓周運動以帶動風力發電機運作；數個連接樑，係與該主軸固定連接，每一連接樑包含上連接樑及下連接樑；數個葉片，係經由數個運動對與各連接樑活動結合，每一葉片上設有一相對於其中心呈偏心位置之運動對，該運動對包含分別固設於該葉片上、下端之上連接頭及下連接頭，且該上、下連接頭之位置對稱，該偏心位置係在該葉片離心力產生轉動力矩使得該葉片會繞著該運動對轉動之重心作葉片傾角向內或向外之位置，以形成重心偏移；以及一可變葉片傾角機構，係與該主軸、各連接樑及各葉片連接，其包含一環狀旋轉塊、數條鋼繩、數個定滑輪及數個彈簧，該環狀旋轉塊係穿設於該主軸中並結合在該第一主軸固定片上，其外圈環設有數個接頭，各鋼繩經由各定滑輪引導連接各葉片及該環狀旋轉塊外圈上各接頭，各鋼繩與各定滑輪之間係作純轉動，而該環狀旋轉塊外圈上各接頭透過各彈簧與該第一主軸固定片相連接，令各葉片、各鋼繩、該環狀旋轉塊及各彈簧之作動同步產生相互連動，配合各葉片所誘生之轉動力矩產生改變各葉片傾角方向之離心力，同時各鋼繩拉動該環狀旋轉塊轉動，使各彈簧隨離心力大小呈伸長或收縮狀。 於本發明上述實施例中，該底座係鎖固於風力發電機塔架上。 於本發明上述實施例中，該主軸具有四段階層，分別為第一階層、第二階層、第三階層及第四階層，每一階層之半徑由下而上減小，以第一階層半徑最大，第四階層半徑最小，而該第一主軸固定片係鎖固於第一階層，該環狀旋轉塊係活設於第二階層，該第二主軸固定片係鎖固於第三階層。 於本發明上述實施例中，該環狀旋轉塊內圈係與第二階層形成旋轉對。 於本發明上述實施例中，各運動對之位置係鄰近各葉片之翼前緣。 於本發明上述實施例中，各下連接樑係鎖固於該第一主軸固定片，而各上連接樑係鎖固於該第二主軸固定片，各上連接樑、下連接樑再透過各上連接頭、下連接頭與各葉片連接。 於本發明上述實施例中，各定滑輪係設於各下連接樑一側沿邊上，使各鋼繩一端連接於各葉片，另一端沿各下連接樑一側沿邊穿過各定滑輪後銜接於該環狀旋轉塊各接頭上。 於本發明上述實施例中，各下連接樑一側沿邊上係設有至少二定滑輪。 於本發明上述實施例中，各彈簧一端接設於該環狀旋轉塊各接頭上，另一端固設於該第一主軸固定片上。 於本發明上述實施例中，各葉片所擷取動能對該主軸所產生之轉動力矩相較於葉片傾角90°大時，所誘生之離心力令葉片傾角向外，同時拉動各彈簧伸長，反之令葉片傾角向內，各彈簧收縮變短。

請參閱『第１圖～第６圖』所示，係分別為本發明之外觀示意圖、本發明之局部構件示意圖、本發明可變葉片傾角機構之未啟動狀態示意圖、本發明可變葉片傾角機構之啟動狀態示意圖、本發明之低風能擷取率上視示意圖、及本發明之高風能擷取率上視示意圖。如第１圖及第２圖所示：本發明係一種垂直軸風力發電機可變葉片傾角機構，係包含一底座１、數個連接樑２、數個葉片３、以及一可變葉片傾角機構４所構成。 上述所提之底座１係可鎖固於風力發電機塔架上，其上連接有一主軸１１，該主軸１１之下部及上部分別固定一第一主軸固定片１２及一第二主軸固定片１３，構成以該主軸１１為旋轉中心點做圓周運動以帶動風力發電機運作。 該數個連接樑２係與該主軸１１固定連接，每一連接樑２包含上連接樑２１及下連接樑２２。 該數個葉片３係經由數個運動對３１與各連接樑２活動結合，每一葉片３上設有一相對於其中心呈偏心位置之運動對３１，該運動對３１包含分別固設於該葉片３上、下端之上連接頭３１１及下連接頭３１２，且該上、下連接頭３１１、３１２之位置對稱，該偏心位置係在該葉片３離心力產生轉動力矩使得該葉片３會繞著該運動對３１轉動之重心作葉片傾角向內或向外之位置，以形成重心偏移。 該可變葉片傾角機構４係與該主軸１１、各連接樑２及各葉片３連接，其包含一環狀旋轉塊４１、數條鋼繩４２、數個定滑輪４３及數個彈簧４４，該環狀旋轉塊４１係穿設於該主軸１１中並結合在該第一主軸固定片１２上，其外圈環設有數個接頭４１１，各鋼繩４２經由各定滑輪４３引導連接各葉片３及該環狀旋轉塊４１外圈上各接頭４１１，各鋼繩４２與各定滑輪４３之間係作純轉動，而該環狀旋轉塊４１外圈上各接頭４１１透過各彈簧４４與該第一主軸固定片１２相連接，令各葉片３、各鋼繩４２、該環狀旋轉塊４１及各彈簧４４之作動同步產生相互連動，配合各葉片３所誘生之轉動力矩產生改變各葉片３傾角方向之離心力，同時各鋼繩４２拉動該環狀旋轉塊４１轉動，使各彈簧４４隨離心力大小呈伸長或收縮狀。 上述主軸１１具有四段階層，分別為第一階層、第二階層、第三階層及第四階層，每一階層之半徑由下而上減小，並以該主軸１１之第一階層半徑最大，而該第一主軸固定片１２係鎖固於第一階層，各下連接樑２２再鎖固於該第一主軸固定片１２，各葉片３再透過各相對應之運動對３１之下連接頭３１２與各下連接樑２２連接，各運動對３１位置不在各葉片３質量中心位置，而是比較靠近翼前緣，使各葉片３相對於各運動對３１係有偏心位置。 該主軸１１之第二階層半徑次之，該環狀旋轉塊４１係活設於第二階層，且該環狀旋轉塊４１內圈與第二階層形成旋轉對，各彈簧４４一端接設於該環狀旋轉塊４１各接頭４１１上，另一端固設於該第一主軸固定片１２上，並以至少二定滑輪４３設於各下連接樑２２一側沿邊上，使各鋼繩４２一端連接於各葉片３，另一端沿各下連接樑２２一側沿邊穿過各定滑輪４３後銜接於該環狀旋轉塊４１各接頭４１１上。 該主軸１１之第三階層半徑比第二階層半徑小，並以該主軸１１之第四階層半徑最小。該第二主軸固定片１３鎖固於第三階層，各上連接樑２１再鎖固於該第二主軸固定片１３，各葉片３再透過各相對應之運動對３１之上連接頭３１１與各上連接樑２１連接。 是以，每一葉片３會分別與相對應之上連接樑２１、下連接樑２２透過運動對３做連接，各葉片３亦透過各鋼繩４２連接該環狀旋轉塊４１，該環狀旋轉塊４１分別與該主軸１１及該第一主軸固定片１２連接。而該第一主軸固定片１２及該第二主軸固定片１３皆為固定在該主軸１１上不動之固定元件，只有各葉片３、各鋼繩４２、該環狀旋轉塊４１及各彈簧４４為可動元件。如是，藉由上述揭露之結構構成一全新之垂直軸風力發電機可變葉片傾角機構。 當本發明於運作時，由於風能帶動葉片３以主軸１１為旋轉中心點做圓周運動時，葉片３因作圓周運動而產生離心力，又因葉片３相對於葉片３與連接樑２之運動對３１係有偏心位置，故離心力會產生轉動力矩使得葉片３會繞著運動對３１轉動。如第３圖所示，風力發電機剛啟動時，葉片３未產生偏心之轉動力矩，此時彈簧４４未受力，葉片３傾角向外，此時葉片３所擷取動能對主軸１１所產生之轉動力矩相較於葉片傾角90°時大，風力發電機較容易啟動；若環境風速變大，葉片３所擷取之轉動力矩增加，主軸１１轉速就會變快，葉片３離心力會帶動傾角向內，同時鋼繩４２會拉動環狀旋轉塊４１轉動，進而拉動彈簧４４伸長，彈簧４４之拉力會與葉片３離心力達到一個平衡之狀態，如第４圖所示。 相同原理，若環境風速變小，葉片３所擷取之轉動力矩減少，主軸１１轉速就會變慢，葉片３離心力會帶動傾角向外，同時鋼繩４２會拉動環狀旋轉塊４１轉動，進而彈簧４４收縮變短，彈簧４４之拉力會與葉片３離心力達到一個平衡之狀態，如第３圖所示。 如第５圖及第６圖所示，該可變葉片傾角機構４之保護機制未啟動前，各葉片３迎風角保持在風能擷取效率較高之方向（即各葉片３之初始角度），當受到強風拉高轉速後，各葉片３之迎風方向改為低擷取效率角位，也因此各葉片３轉速將迅速降低達到保護發電機作用。如第５圖所示，當可變葉片傾角機構４未啟動時，各葉片３所誘生之離心作用力尚不足以克服彈簧４４之阻力（即此時風力發電機可能保持靜止或是低轉速狀態），因此，各彈簧４４處於未伸長狀態，此時各葉片３則保持在初始位置，亦即高風能擷取效率之迎風角位。而第６圖則為各葉片３轉速過高之狀況，由於各葉片３誘發之總離心作用力超過彈簧４４之阻力，因此，葉片３傾角開始向內轉動，透過鋼繩４２之連接使得環狀旋轉塊４１轉動，連帶彈簧４４被拉長。當風況緩和之後，由於彈簧４４所儲存之彈力位能高於離心效應，彈簧４４會拉動環狀旋轉塊４１轉動，再透過鋼繩４２將各葉片３回復到初始位置。 本發明為提高風力發電機運作效率，針對垂直軸風力發電機開發設計可變葉片傾角機構，無需做主動控制，其可達到之效果包含： 一、轉速超過額定之發電功率時可降低轉速。 二、降低啟動風速以提高低風速時之發電功率。 可變葉片傾角機構之最重要目的就是轉速之控制，當風速大到使轉速超過發電額定功率時，如果不做任何控制，將會導致發電機燒毀；透過可變葉片傾角機構改變葉片之傾角後其攻角也改變，可降低其昇力係數，減少驅動主軸轉動之力矩；與傳統失速節制裝置比較，本發明所提可變葉片傾角機構之優點係在高風速時其發電功率會維持在額電功率之下運作，可排除傳統失速節制裝置會有發電功率下降之問題。 可變葉片傾角機構之最後目的就是降低啟動風速以提高低風速時之發電功率，由於風速及風力發電機葉片之轉速是不斷地在改變，所以風與葉片之相對速度及其攻角也是一直在改變，從氣動力學可知昇力係數與其攻角係相關的，為了要在較小之風速得到較高之能量轉換效率，需適當地轉動其葉片之角度，如此可得到適合之攻角，提昇昇力係數，以維持風力發電機之發電功能與效率。而達到運作方式無須耗費額外電力、結構簡單、易於組裝、便於維修、製作成本低、佔用空間小以及無須變更風力發電機本體結構之功效。 綜上所述，本發明係一種垂直軸風力發電機可變葉片傾角機構，可有效改善習用之種種缺點，透過本機構改變葉片傾角可降低風力發電機之啟動力矩，使風力發電機在低風速下即可以啟動，並讓風力發電機在較高風速下，改變葉片傾角使其向內變小，而讓葉片之轉動力矩變小，進而降低發電機轉速，使風力發電機維持在額定轉速繼續運作，透過垂直軸風力發電機可變葉片傾角機構之作用，具有提高風力發電機之切出風速，使風力發電機之運作風速範圍提高，以增加風力發電機之發電量之功效，進而使本發明之産生能更進步、更實用、更符合使用者之所須，確已符合發明專利申請之要件，爰依法提出專利申請。 惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍；故，凡依本發明申請專利範圍及發明說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

１‧‧‧底座
１１‧‧‧主軸
１２‧‧‧第一主軸固定片
１３‧‧‧第二主軸固定片
２‧‧‧連接樑
２１‧‧‧上連接樑
２２‧‧‧下連接樑
３‧‧‧葉片
３１‧‧‧運動對
３１１‧‧‧上連接頭
３１２‧‧‧下連接頭
４‧‧‧可變葉片傾角機構
４１‧‧‧環狀旋轉塊
４１１‧‧‧接頭
４２‧‧‧鋼繩
４３‧‧‧定滑輪
４４‧‧‧彈簧

第１圖，係本發明之外觀示意圖。 第２圖，係本發明之局部構件示意圖。 第３圖，係本發明可變葉片傾角機構之未啟動狀態示意圖。 第４圖，係本發明可變葉片傾角機構之啟動狀態示意圖。 第５圖，係本發明之低風能擷取率上視示意圖。 第６圖，係本發明之高風能擷取率上視示意圖。

1‧‧‧底座

11‧‧‧主軸

12‧‧‧第一主軸固定片

13‧‧‧第二主軸固定片

2‧‧‧連接樑

21‧‧‧上連接樑

22‧‧‧下連接樑

3‧‧‧葉片

31‧‧‧運動對

311‧‧‧上連接頭

312‧‧‧下連接頭

4‧‧‧可變葉片傾角機構

41‧‧‧環狀旋轉塊

411‧‧‧接頭

42‧‧‧鋼繩

43‧‧‧定滑輪

44‧‧‧彈簧

Claims (10)

1. 一種垂直軸風力發電機可變葉片傾角機構，係包括： 一底座，其上連接有一主軸，該主軸之下部及上部分別固定一第一主軸固定片及一第二主軸固定片，構成以該主軸為旋轉中心點做圓周運動以帶動風力發電機運作； 數個連接樑，係與該主軸固定連接，每一連接樑包含上連接樑及下連接樑； 數個葉片，係經由數個運動對與各連接樑活動結合，每一葉片上設有一相對於其中心呈偏心位置之運動對，該運動對包含分別固設於該葉片上、下端之上連接頭及下連接頭，且該上、下連接頭之位置對稱，該偏心位置係在該葉片離心力產生轉動力矩使得該葉片會繞著該運動對轉動之重心作葉片傾角向內或向外之位置，以形成重心偏移；以及 一可變葉片傾角機構，係與該主軸、各連接樑及各葉片連接，其包含一環狀旋轉塊、數條鋼繩、數個定滑輪及數個彈簧，該環狀旋轉塊係穿設於該主軸中並結合在該第一主軸固定片上，其外圈環設有數個接頭，各鋼繩經由各定滑輪引導連接各葉片及該環狀旋轉塊外圈上各接頭，各鋼繩與各定滑輪之間係作純轉動，而該環狀旋轉塊外圈上各接頭透過各彈簧與該第一主軸固定片相連接，令各葉片、各鋼繩、該環狀旋轉塊及各彈簧之作動同步產生相互連動，配合各葉片所誘生之轉動力矩產生改變各葉片傾角方向之離心力，同時各鋼繩拉動該環狀旋轉塊轉動，使各彈簧隨離心力大小呈伸長或收縮狀。
2. 依申請專利範圍第１項所述之垂直軸風力發電機可變葉片傾角機 構，其中，該底座係鎖固於風力發電機塔架上。
3. 依申請專利範圍第１項所述之垂直軸風力發電機可變葉片傾角機 構，其中，該主軸具有四段階層，分別為第一階層、第二階層、第三階層及第四階層，每一階層之半徑由下而上減小，以第一階層半徑最大，第四階層半徑最小，而該第一主軸固定片係鎖固於第一階層，該環狀旋轉塊係活設於第二階層，該第二主軸固定片係鎖固於第三階層。
4. 依申請專利範圍第３項所述之垂直軸風力發電機可變葉片傾角機 構，其中，該環狀旋轉塊內圈係與第二階層形成旋轉對。
5. 依申請專利範圍第１項所述之垂直軸風力發電機可變葉片傾角機 構，其中，各運動對之位置係鄰近各葉片之翼前緣。
6. 依申請專利範圍第１項所述之垂直軸風力發電機可變葉片傾角機 構，其中，各下連接樑係鎖固於該第一主軸固定片，而各上連接樑係鎖固於該第二主軸固定片，各上連接樑、下連接樑再透過各上連接頭、下連接頭與各葉片連接。
7. 依申請專利範圍第１項所述之垂直軸風力發電機可變葉片傾角機 構，其中，各定滑輪係設於各下連接樑一側沿邊上，使各鋼繩一端連接於各葉片，另一端沿各下連接樑一側沿邊穿過各定滑輪後銜接於該環狀旋轉塊各接頭上。
8. 依申請專利範圍第１或７項所述之垂直軸風力發電機可變葉片傾 角機構，其中，各下連接樑一側沿邊上係設有至少二定滑輪。
9. 依申請專利範圍第１項所述之垂直軸風力發電機可變葉片傾角機 構，其中，各彈簧一端接設於該環狀旋轉塊各接頭上，另一端固設於該第一主軸固定片上。
10. 依申請專利範圍第１項所述之垂直軸風力發電機可變葉片傾角 機構，其中，各葉片所擷取動能對該主軸所產生之轉動力矩相較於葉片傾角90°大時，所誘生之離心力令葉片傾角向外，同時拉動各彈簧伸長，反之令葉片傾角向內，各彈簧收縮變短。