TW201915313A - 風力發電系統及適用風力發電的導風裝置 - Google Patents

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Abstract

一種風力發電系統，是在一發電機連接一轉軸，在轉軸配置一浮動的葉片組，該葉片組既能與轉軸同向轉動，又能順著轉軸的軸向往復運動。一適用於風力發電系統的導風裝置包括：多個環繞葉片組周圍的增壓通道，每個增壓通道的容積從一入口往一出口的方向逐漸縮減；一渦流室，界定為導風裝置內側圍成的區域，該渦流室通往增壓通道與一減壓室，該減壓室設在活動筒沿轉軸軸向移動的位置。如此，本發明的風力發電系統可在渦流室集中風力，透過葉片組將風力轉換電力。而且，減壓室成為葉片組的避風港，免遭強風摧毀，讓高度升降與風力強度掛鉤，除了提供合理的減速機制以外，還能有效降低發電機的故障率。

Description

風力發電系統及適用風力發電的導風裝置
本發明涉及風力發電的技術領域，特別是指一種風力發電系統，以及適用該風力發電的導風裝置。
地球的能源逐漸耗竭，不得不尋求替代能源，來解決生活所需的資源。風力發電是無污染的綠色能源，更符合環境保護之需求。
如台灣第I532914號專利案公開的風力發電設備，用一轉軸將一扇葉與一發電機連在一起。該轉軸大致平行於地表，故風力發電設備統稱為橫式風力發電設備。
又，台灣第M515592號專利案的風力發電裝置，該轉軸沿垂直地表的縱向立在發電機上面，故風力發電裝置泛稱為直式風力發電裝置。
直式風力發電裝置的轉軸連接幾扇葉片，這些葉片的高度固定不變，接收的風力強，轉軸的旋轉速度快；風力弱、轉速慢。欠缺減速機制，故發電機易損毀。
再者，直式風力發電裝置無法改善風力的強度，將風力與電力的轉換效率不彰。
因此，如何改善風力發電系統，就成為本發明亟待 解決的課題。
鑒於此，本案發明人提供新的風力發電系統，主要目的之一在於：採用浮動的結構，讓葉片既能與轉軸同向轉動，又能順著轉軸的軸向往復運動，使葉片的高度與風力強度具備直接關聯性，加上合理的減速機制，有效降低故障率。
本發明風力發電系統主要目的之一在於：提升風力的強度，改善風力轉換電力的效率。
緣於上述目的之達成，本發明風力發電系統包括：一發電機，其有一轉子，該轉子連接一轉軸；一葉片組，包括：一活動筒，其配置在轉軸上，該活動筒既能與轉軸同向轉動，又能順著轉軸的軸向往復運動；若干主葉片，每個主葉片與活動筒設計為一體；一架體，其在轉軸外圍且固定不動；以及一導風裝置，其被架體支持而環繞葉片組外圍，該導風裝置包括：多個環繞葉片組周圍的增壓通道，每個增壓通道的容積從一入口往一出口的方向逐漸縮減；一渦流室，界定為導風裝置內側圍成的區域，透過出口使渦流室與增壓通道彼此相通；一減壓室，其設在活動筒沿轉軸軸向移動的位置，該減壓室與渦流室彼此相通。
當導風裝置外界的氣體從入口到出口，該氣體壓力經過增壓通道的提升而進入渦流室，推動主葉片驅使活動筒連帶 轉軸同向旋轉，以致發電機的轉子將風力轉換成電力輸出。
當渦流室的風力過強，該活動筒沿轉軸的軸向移到減壓室，減弱氣體施予主葉片的作用力，相對降低轉軸被活動筒帶動的旋轉速度。
本發明提供一種適用於風力發電系統的導風裝置，包括：二平板，每個平板是環形的板材；多個導風管與多個增壓通道，這些導風管連接於二平板之間，每個導風管有一入口與一出口，該增壓通道形成於導風管內部，其容積從入口往出口方向逐漸縮減；以及至少一隔板與一渦流室，該隔板連接二平板與導風管鄰近出口的部位，該渦流室被隔板圍在導風裝置的中央，藉由導風管的出口使渦流室和增壓通道彼此相通。
當導風裝置外界的氣體從入口到出口，該氣體壓力經過增壓通道的提升而進入渦流室。
因此，本發明的風力發電系統中，該葉片組與轉軸採用浮動的結構，讓主葉片既能與轉軸同向轉動，又能順著轉軸的軸向往復運動。故渦流室集中風力，透過葉片組將風力轉換電力。而且，減壓室成為葉片組的避風港，免遭強風摧毀，讓高度升降與風力強度掛鉤，除了提供合理的減速機制以外，還能有效降低發電機的故障率。
其次，本發明的導風裝置適用於風力發電系統，藉 由增壓通道來提升風力強度，改善風力轉換電力的效率。
接下來，配合必要的圖式，對本發明的結構、裝置及/或使用、流程做詳盡地說明，幫助閱覽者充分的理解本案技術的核心及效能。
10‧‧‧風力發電系統
11‧‧‧發電機
12‧‧‧支撐物
13‧‧‧電線
14‧‧‧轉子
15‧‧‧轉軸
15A、15B‧‧‧虛擬線
16‧‧‧升降孔
16A‧‧‧低點
16B‧‧‧高點
16C‧‧‧彎折段
16D‧‧‧第一角度
16E‧‧‧第二角度
20‧‧‧架體
21‧‧‧支桿
22‧‧‧連接件
22A‧‧‧銜接部
23‧‧‧橫架
24‧‧‧軸承
25‧‧‧第一接桿
251、261‧‧‧凸部
252、262‧‧‧凹部
253、263‧‧‧突點
254、264‧‧‧缺口
255、265‧‧‧孔
26‧‧‧第二接桿
27‧‧‧緊固件
28‧‧‧束帶
30‧‧‧活動筒
31‧‧‧引導桿
32‧‧‧主葉片
33‧‧‧副葉片
34‧‧‧螺旋槳
40‧‧‧導風裝置
41‧‧‧導風管
42‧‧‧平板
43‧‧‧入口
44‧‧‧出口
45‧‧‧增壓通道
46‧‧‧擋風板
47‧‧‧減壓室
48‧‧‧渦流室
49‧‧‧導流部
50、51、52、53、54‧‧‧風向
60‧‧‧套管
61‧‧‧滑座
62‧‧‧直軌
70‧‧‧底盤
71‧‧‧排風口
72‧‧‧馬達
73‧‧‧齒輪
74‧‧‧齒條
75‧‧‧立柱
80‧‧‧引流通道
81‧‧‧循環流道
82‧‧‧開口
83‧‧‧隔板
84、84A、84B‧‧‧副流板
第1圖是本發明風力發電系統第一實施例的示意圖；第2圖是轉軸的局部放大圖；第3、4圖是導風裝置的俯視、側面局部放大圖；第5~10圖是風力發電系統第二實施例的支桿分解、組合、端視，以及導風裝置的側視、局部放大與剖視等圖；第11、12圖是副流板其他實施例的示意圖；第13、14圖是導風裝置其他實施例的俯視、剖視圖。
如第1~4圖所示，繪製本發明風力發電系統10的第一實施例，其固定在一如建築物頂部或地表通風處的支撐物12為佳，有利於氣體流動的作用力(亦稱風力)轉換成電能。
在本實施例中，該風力發電系統10具體結構包括：一發電機11、一架體20、一葉片組與一導風裝置40等。其中，該發電機11牢固在支撐物12，其有一個轉子14，該轉子14連接一根轉軸15。所述的轉子14在發電機11自轉產生直流電或交流電，通過至少一條連接於發電機11的電線13，將交流電輸出至一譬如電 視或冰箱的電器；或者，該電線13把直流電輸出到一玩具或充電式直流電池。
所述的轉軸15有一升降孔16，該升降孔16區分一低點16A與一高點16B，並在高點16B到低點16A的部位形成一彎折段16C。順著第2圖縱向畫一條虛擬線15A，這條虛擬線15A通過升降孔16的高點16B，並與升降孔16從高點16B到彎折段16C的部位夾有一第一角度16D，該第一角度16D等於或小於10°。另外，順著第2圖橫向畫一條虛擬線15B，這條虛擬線15B通過升降孔16的低點16A，並與升降孔16自低點16A到彎折段16C的部位夾有一第二角度16E，該第二角度16E等於或小於10°。
所述的架體20由多根支桿21、若干連接件22與一橫架23組成。這些支桿21分別立在轉軸15外圍且固定不動，支持橫架23懸空於發電機11上方。每根支桿21的根部牢固於支撐物12，藉由鉚固與螺鎖手段之一，在支桿21中段配置相應的連接件22。該橫架23在發電機11上方，其中央鑲嵌一軸承24。該軸承24介於橫架23與轉軸15之間，除了讓轉軸15平穩地沿著垂直軸向豎立在發電機11以外，還能降低轉軸15相對橫架23轉動的摩擦力。
所述的葉片組有一活動筒30，該活動筒30與若干主葉片32、多個副葉片33、多個螺旋槳34設計為一體。從配置的角度切入，該活動筒30套在轉軸15上，用一根引導桿31穿過活動筒30與轉軸15的升降孔16，限制活動筒30既能驅使轉軸15同向轉動，又能順著轉軸15的軸向往返於升降孔16的低點16A和高點16B 之間。此刻，該主葉片32在活動筒30的中段位置，而且副葉片33和螺旋槳34在主葉片32兩側(或上、下方)。
具體而言，該引導桿31負擔葉片組的總重量，在重力影響下，引導桿31墜落於升降孔16的低點16A為常態，達到活動筒30配置轉軸15既能與轉軸15同向轉動，又能順著轉軸15軸向往復運動支結構功能。
外界的氣體吹向葉片組，該主葉片32被風力推動，驅使活動筒30繞著轉軸15旋轉。該活動筒30旋轉的動能，通過引導桿31傳遞至升降孔16壁面，連帶轉軸15與轉子14隨著活動筒30同向旋轉，該發電機11開始執行風力轉換電力作業。同時，該活動筒30的旋轉，讓副葉片33和螺旋槳34也一起轉動。
轉動的螺旋槳34配合流動的氣體產生上浮現象，以浮力抗衡葉片組的總重量，幫助引導桿31順著第二角度16E從升降孔16的低點16A來到彎折段16C，並沿著第一角度16D往高點16B持續移動，直到引導桿31受阻於升降孔16的高點16B壁面為止。如此，該活動筒30的軸向位移量，大致等於升降孔16從低點16A到高點16B的垂直距離，相對改變主葉片32到支撐物12的高度差。這項功能是有效的，避免主葉片32遭受強勁的風力推動，進而讓轉軸15維持在一定的轉速範圍，防止轉子14與發電機11被外力破壞。尤其是在風力過強時，該引導桿31配合升降孔16的預防機制更加顯著。
其次，轉動的副葉片33會引導氣體從葉片組的下方 排出，避免紊流減弱主葉片32或螺旋槳34的轉動效能。
接著，所述的導風裝置40是環形結構體，其被架體20支持而環繞在葉片組外圍。該導風裝置40是固定不動的，能與支撐物12維持不變的高度或距離。在本實施例中，透過鉚固與螺鎖手段之一，將三個突出於導風裝置40外側的銜接部22A(見第3圖)結合相應的連接件22(見第1圖)，就能完成導風裝置40與架體20的固定作業。
另外，所述的導風裝置40有多個增壓通道45，這些增壓通道45環繞葉片組周圍，每個增壓通道45的容積從一入口43往一出口44的方向逐漸縮減。當導風裝置40外界的氣體依風向50(見第1圖)從入口43到出口44，並順著風向52(見第3圖)經過增壓通道45提升氣壓。此刻，該風向52可能是直的或渦卷的。
該導風裝置40還有一減壓室47與一渦流室48。該渦流室48界定為導風裝置40內側圍成的區域，透過出口44使渦流室48與增壓通道45彼此相通。前述的增壓氣流經由出口44進入渦流室48，偏向於循環式風向53(見第3圖)的形成。如此，該轉軸15通過渦流室48中央，支持葉片組的主葉片32接收增壓氣流的作用力，推動活動筒30連帶轉軸15同向旋轉，輕鬆完成風力轉換電力作業。
所述的減壓室47設在活動筒30沿轉軸15軸向移動的位置，其與渦流室48是相通的。當渦流室48的風力過強，該活動筒30沿轉軸15的軸向移到減壓室47，減弱風力施予主葉片32的強 度，相對降低轉軸15被活動筒30帶動的旋轉速度，避免轉子14或發電機11遭受不必要的損害。
值得注意的是：每個螺旋槳34比主葉片32靠近減壓室47，幫助活動筒30宛如直升機般往減壓室47方向位移。一旦葉片組的重量總和克服螺旋槳34上升的浮力，該引導桿31連同活動筒30一起從升降孔16的高點16B回歸到低點16A，卻不影響轉軸15隨著活動筒30同向旋轉的功能。
其次，每個副葉片33比主葉片32遠離減壓室47，有助於渦流室48的氣體依風向51(見第1圖)朝著發電機11排放。
具體而言，該導風裝置40包括：多個導風管41、二平板42、一擋風板46與一隔板83組成。其中，每個導風管41是錐形體，直徑大的一端界定為入口43，直徑小的一端視為出口44。所述的增壓通道45形成於導風管41內部，其容積是從入口43往出口44方向逐漸縮減的。
這些平板42外側銜接導風管41的入口43，平板42內側藉由隔板83連接各個導風管41鄰近出口44的部位。因為平板42是圓環形板材，所以導風裝置40是環形結構體。如此，該渦流室48被隔板83圍在導風裝置40的中央，限制各個導風管41的出口44朝向主葉片32而非轉軸15，才能引導增壓通道45的加壓氣體順著風向53(見第3圖)進入渦流室48中。
該擋風板46立在二平板42之一且圍成減壓室47。該轉軸15通過減壓室47，使擋風板46環繞轉軸15周圍。因此，該減 壓室47在活動筒30軸向移動的位置，而且直通渦流室48，不僅用擋風板46擋住周圍的風，使減壓室47的氣壓比渦流室48還要低，還能減弱主葉片32所接收的風力強度，相對降低轉軸15的旋轉速度，避免轉子14或發電機11受損。
另外，該導風管41有若干導流部49(見第4圖)，每個導流部49依渦旋方向突出於導風管41面對增壓通道45的部位，有助於風向52(見第3圖)依渦卷式流動。
第5~10圖是風力發電系統的第二實施例，其構造與第一實施例大致相同，差異處在於：
第一、該架體是組合式結構體，不僅架體和轉軸的高度能夠增長，而且葉片組與導風裝置也能一層又一層地架設在轉軸上。
如第5~7圖所示，舉支桿21為例，詳細說明增長的構造。該支桿21由一第一接桿25與一第二接桿26組成，二者端部形狀是對稱的。質言之，該第一接桿25(或第二接桿26)是圓的管體，其端部因應一凸部251(或261)的突出，從而形成一高度落差的凹部252(或262)。所述的凸部251(或261)與凹部252(或262)都是對稱的半圓形狀，允許二孔255(或265)沿縱向排列地貫穿凸部251(或261)中央。一塊突點253(或263)隆起於凸部251(或261)的頂面，並在凹部252(或262)對應的位置陷入一道缺口254(或264)。
所述的第一接桿25以凸部251合併第二接桿26的凹 部262，等於第二接桿26以凸部261併入第一接桿25的凹部252，足以彌補第一或第二接桿25、26的高度落差。此刻，該突點253(或263)鑲嵌於凹部262(或252)，阻止第一、第二接桿25、26相互轉動。用一組譬如螺絲或鉚釘的緊固件27，分別穿過二凸部251、261對應的孔255、265，使第一、第二接桿25、26結合在一起，相對延長支桿21的總高度。另外，一雙束帶28套在二凸部251、261外圍，拘束第一、第二接桿25、26不輕易分開。
該支桿21的組合式構造，能夠使用於轉軸。如此，該支桿21與轉軸都能無限制的增長，不僅增加架體的高度，也能讓葉片組與導風裝置一層又一層地架設在轉軸上。
第二、該導風裝置40相對支撐物的高度或距離，是能夠加以調整的。
如第7~10圖所示，多個軌道結構配置在架體與導風裝置40之間。每個軌道結構有一滑座61，所述的滑座61結合一固定在支桿21的套管60。該軌道結構還有一直軌62，直軌62一端連接導風裝置40，另端結合於滑座61而可順著支桿21長度方向來回移動。換句話說，這些軌道結構支持導風裝置40相對轉軸位移，調整主葉片32在渦流室48的位置。
在導風裝置40底面固定一底盤70，透過至少一升降機構對底盤70施予作用力，決定導風裝置40停留在架體的高度位置。圖中，該升降機構有一馬達72，馬達72配置在底盤70而能驅使一齒輪73嚙接或咬合一齒條73。該齒條73牢固於一根立柱75側 邊，立柱75豎立在支撐物上面，支撐齒條73維持在固定不變的狀態。因此，該升降機構施予底盤70上升或下降的作用力，搭配前述的軌道結構來調節導風裝置40與支撐物的距離，改變導風裝置40停留在架體的高度位置。
第三、該底盤70有多個排風口71，每個排風口71與減壓室47在渦流室48兩旁。該副葉片33引導渦流室48氣體從排風口71流向外界。
第四、該導風裝置40具備引導增壓氣體進入渦流室48的輔助構造。簡單的說，該導風裝置40有多片隔板83、83A，這些隔板83、83A連接各個導風管41與二平板42，共同圍成多個循環流道81。每個循環流道81與渦流室48被隔板83分開，只能透過多個形成於隔板83的開口82，使循環流道81和渦流室48彼此相通。
該導風裝置40還有多個副流板84，這些副流板84牢固於平板42並圍成多個引流通道80。因為副流板84與擋風板46不在同一平板42上，所以引流通道80與減壓室47不在導風裝置40的同一邊。每個引流通道80被副流板84圍在平板42外部，其和循環流道81彼此相通。
順著風向54(見第9圖)，在導風裝置40外界的氣體經由引流通道80進入循環流道81，該氣體從隔板83的開口82流向渦流室48，對增壓通道45順著風向50(見第9圖)流出的加壓氣體具備輔助性的引導作用。
第五、在本實施例中，該副流板84的截斷面是傾斜 的。某些實施例，可以是凸曲面的副流板84A(見第11圖)；亦或凹曲面的副流板84B(見第12圖)。
第13、14圖是導風裝置40其他實施例，構造大致相同於第一實施例，差異處在於：首先，該導風裝置40的機能形狀是多角形環體，以致擋風板46、渦流室48均屬多角形為佳，不影響循環式風向53的形成。
其次，該銜接部22A的數量是四個，依等分固定在導風裝置40外圍。
雖然，該導風管41是角錐體。但是，該增壓通道45的容積仍從入口43往出口44的方向逐漸縮減，容許導風裝置40外面的流體(如空氣)順著風向50、52進入渦流室48。
再者，每個循環流道81由多片隔板83、83A配合導風管41壁面圍成，以致循環流道81配置在導風管41內部。同樣的，該引流通道80、循環流道81與隔板83的開口(未繪)相通，能夠引導流體順利通過增壓通道45。

Claims (10)

  1. 一種風力發電系統，包括：一發電機，其有一轉子，該轉子連接一轉軸；一葉片組，包括：一活動筒，其配置在轉軸上，該活動筒既能與轉軸同向轉動，又能順著轉軸的軸向往復運動；若干主葉片，每個主葉片與活動筒設計為一體；一架體，其在轉軸外圍且固定不動；以及一導風裝置，其被架體支持而環繞葉片組外圍，該導風裝置包括：多個環繞葉片組周圍的增壓通道，每個增壓通道的容積從一入口往一出口的方向逐漸縮減；一渦流室，界定為導風裝置內側圍成的區域，透過出口使渦流室與增壓通道彼此相通；一減壓室，其設在活動筒沿轉軸軸向移動的位置，該減壓室與渦流室彼此相通；當導風裝置外界的氣體從入口到出口，該氣體壓力經過增壓通道的提升而進入渦流室，推動主葉片驅使活動筒連帶轉軸同向旋轉，以致發電機的轉子將風力轉換成電力輸出；當渦流室的風力過強，該活動筒沿轉軸的軸向移到減壓室，減弱氣體施予主葉片的作用力，相對降低轉軸被活動筒帶動的旋轉速度。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的風力發電系統，其中，該轉軸有一升降孔，該升降孔有一高點與一低點；該葉片組還有一引導桿，在活動筒套在轉軸時，該引導桿穿過活動筒與轉軸的升降孔，限制活動筒既能驅使轉軸同向轉動，又能順著轉軸的軸向在升降孔高點和低點之間往復運動。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的風力發電系統，其中，該升降孔有一彎折段，該彎折段在升降孔的高點和低點之間；一縱向通過升降孔高點的虛擬線，其與升降孔從高點到彎折段的部位夾有一第一角度，該第一角度等於或小於10°；一橫向通過升降孔低點的虛擬線，其與升降孔自低點到彎折段的部位夾有一第二角度，該第二角度等於或小於10°。
  4. 如申請專利範圍第1、2或3項所述的風力發電系統，其中，該葉片組還包括：多個與活動筒設計成為一體的螺旋槳，每個螺旋槳比主葉片靠近減壓室，有助於活動筒往減壓室方向位移。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的風力發電系統，其中，該葉片組還包括：多個與活動筒設計成為一體的副葉片，每個副葉片比主葉片遠離減壓室，有助於渦流室的氣體排放。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的風力發電系統，其中，多個軌道結構配置在架體與導風裝置之間，每個軌道結構支持導風裝置相對轉軸位移，調整主葉片在渦流室的位置；該導風裝置還包括：一底盤，其有多個排風口，每個排風口與減壓室在渦流室兩旁，引導渦流室氣體從排風口流向外界；一對底盤施予作用力的升降機構，決定導風裝置停留在架體的高度位置。
  7. 一種風力發電系統，包括：一發電機，包括：一轉子；一轉軸，其與轉子相連，該轉軸 沿垂直軸向豎立在發電機上面；一升降孔，其形成於轉軸，該升降孔有一高點與一低點；一葉片組，包括：一活動筒，其套在轉軸外；若干主葉片，每個主葉片與活動筒設計為一體；多個螺旋槳，每個螺旋槳與活動筒設計成為一體；多個副葉片，每個副葉片與活動筒設計成為一體，而且副葉片與螺旋槳在主葉片兩側；一引導桿，其穿過活動筒與轉軸的升降孔，限制活動筒既能驅使轉軸同向轉動，又能順著轉軸的軸向在升降孔高點和低點之間往復運動。
  8. 一種導風裝置，包括：二平板，每個平板是環形的板材；多個導風管與多個增壓通道，這些導風管連接於二平板之間，每個導風管有一入口與一出口，該增壓通道形成於導風管內部，其容積從入口往出口方向逐漸縮減；以及至少一隔板與一渦流室，該隔板連接二平板與導風管鄰近出口的部位，該渦流室被隔板圍在導風裝置的中央，藉由導風管的出口使渦流室和增壓通道彼此相通；當導風裝置外界的氣體從入口到出口，該氣體壓力經過增壓通道的提升而進入渦流室。
  9. 如申請專利範圍第8項所述的導風裝置，其中，該導風管有若干導流部，每個導流部依渦旋方向突出於導風管面對增壓通道的部位。
  10. 如申請專利範圍第8或9項所述的導風裝置，還包括：一擋風板與一減壓室，該擋風板立在二平板之一，該減壓室 被擋風板圍在沿軸向而與渦流室相通的位置；多個循環流道與多個開口，每個循環流道與渦流室被隔板分開，每個開口形成於隔板上，透過開口使循環流道和渦流室彼此相通；多個副流板與多個引流通道，每個副流板牢固於平板，其與擋風板不在同一平板上，每個引流通道被副流板圍在平板外部，其和循環流道彼此相通；當導風裝置外界的氣體經由引流通道進入循環流道，該氣體從隔板的開口流向渦流室，對增壓通道流出的加壓氣體具備輔助性的引導作用。
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