TWI381615B - 對轉式發電機 - Google Patents

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    • F03D1/02—Wind motors with rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor  having a plurality of rotors
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    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
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Description

對轉式發電機
本發明是有關於一種發電機，特別是有關於一種具有雙扇葉組對轉以達到高效率發電之對轉式發電機。
電力是現代生活不可或缺的重要能源，無論食衣住行無不需要倚賴電力運行。絕大多數的現有發電方式，如火力、核能、水力、潮汐、風力發電等，最終都是藉由流體推動扇葉組，此扇葉組可為風扇組或渦輪組，以驅動第一感應單元(可為感應線圈組，通常又稱為「轉子」，或磁場，通常又稱為「定子」)與第二感應單元(相對第一感應單元為磁場，通常又稱「定子」，或感應線圈組，通常又稱「轉子」)相互作用產生電流，達到發電之效。
上述傳統發電技術的第一感應單元與第二感應單元採用「一固定一旋轉」的設計，在此設計中，旋轉的第一或第二感應單元的轉速越高則發電量越高，故在扇葉流體效率相同的條件下若要增加發電量，則通常必須透過加大扇葉尺寸(特別是直徑)來達成。但是，加大扇葉尺寸或轉速卻又會同時增加扇葉旋轉時的應力負荷，此外，增加轉速還會增加軸承的摩擦損耗，因此扇葉的尺寸或轉速愈大，其製造之技術要求愈高，造價亦愈高，在諸多考量下，扇葉有其無法進一步改變的瓶頸。
為能充分提高流體發電(例如風力發電或渦輪發電)之發電量，且在不增加製造難度及成本的考量下，本發明人 基於多年從事研究開發與諸多實務經驗，提出對轉式發電機，以作為改善上述缺點之實現方式與依據。
有鑑於上述習知技藝之問題，本發明之一目的就是在提供一種對轉式發電機，以提升習知風力或渦輪發電的發電量並紓緩於提升發電量時遭遇的加工技術瓶頸。
根據本發明之一目的，提出一種對轉式發電機，其包含一軸體、一第一扇葉組、一第一感應單元、一第二扇葉組及一第二感應單元。第一扇葉組設置於軸體之一端，並以軸體為軸心以一第一速度轉動。第一感應單元設置於軸體內並與第一扇葉組連接，且第一扇葉組帶動第一感應單元轉動。第二扇葉組設置於軸體之另一端，且與第一扇葉組平行設置，此第二扇葉組相較於第一扇葉組具有較高的能量提取率，且第二扇葉組以軸體為軸心以一第二速度朝向與第一扇葉組轉動之相反方向轉動。第二感應單元設置於軸體內相對第一感應單元，並與第二扇葉組連接，且第二扇葉組帶動第二感應單元相對第一感應單元反方向轉動。
其中，軸體係與來流方向水平，且第一扇葉組設置於軸體迎接來流的一端。此第一扇葉組由複數個第一扇葉所組成，各第一扇葉的一端以等間隔設置於軸體一端。第二扇葉組相較於第一扇葉組具有較高的能量提取率，且此第二扇葉組由複數個第二扇葉所組成，各第二扇葉的一端以等間隔設置於軸體另一端。第一扇葉的攻角或尺寸與第二扇葉不同，且第一扇葉與第二扇葉係為同軸配 置，藉以使第一扇葉組與第二扇葉組在同一道來流作用下，分別以第一速度及第二速度朝相反方向轉動，並帶動第二感應單元與第一感應單元相對轉動。
其中，第一感應單元係具有複數個感應磁鐵，且第二感應單元係具有複數個感應線圈；或第一感應單元具有複數個感應線圈，第二感應單元具有複數個磁鐵，且感應磁鐵與感應線圈對應配置。
其中，軸體內或可進一步設有一第三感應單元介於第一感應單元及第二感應單元之間，且第三感應單元具有複數個感應線圈，第一感應單元及第二感應單元具有複數個磁鐵，且各磁鐵與各感應線圈對應配置。
此外，根據本發明之目的，又提出一種對轉式發電機，其包含一軸體、一第一扇葉組、一第一感應單元、一第二扇葉組及一第二單元。第一扇葉組設置於軸體的一端，並以此軸體為軸心以第一速度轉動。第一感應單元設置於軸體內，並與第一扇葉組連接，此第一扇葉組帶動第一感應單元轉動。第二扇葉組設置於軸體的另一端，且與第一扇葉組平行。此第二扇葉組以軸體為軸心以第二速度朝向與第一扇葉組轉動之相反方向轉動。第二感應單元設置於軸體內並相對於第一感應單元，此第二感應單元與第二扇葉組連接，且第二扇葉組帶動第二感應單元相對第一感應單元轉動。
其中，軸體係與來流方向垂直，且第一扇葉組由複數個第一扇葉與複數個第一架體所組成，各第一扇葉藉由各 第一架體以等間隔環設於軸體一端，使各第一扇葉平行於軸體。第二扇葉組由複數個第二扇葉與複數個第二架體所組成，且各第二扇葉藉由各第二架體以等間隔環設於軸體另一端，使各第二扇葉平行於軸體。第一扇葉組與第二扇葉組安裝角度不同，藉以使第一扇葉與第二扇葉朝不同方向旋轉，並帶動第二感應單元與第一感應單元相對轉動。
其中，第一感應單元係具有複數個感應磁鐵，且第二感應單元係具有複數個感應線圈；或第一感應單元具有複數個感應線圈，第二感應單元具有複數個磁鐵，且感應磁鐵與感應線圈對應配置。
其中，軸體內或可進一步設有一第三感應單元介於第一感應單元及第二感應單元之間，且第三感應單元具有複數個感應線圈，第一感應單元及第二感應單元具有複數個磁鐵，且各磁鐵與各感應線圈對應配置。
承上所述，依本發明之對轉式發電機，其可具有一或多個下述優點：
(1)此對轉式發電機，藉由軸體水平於來流配置，並藉由兩扇葉組扇葉的偏轉角度或尺寸或其他設計的不同，使兩扇葉組的能量提取率不同，在各扇葉組轉速較傳統設計的單組扇葉轉速低的情況下，卻能產生兩倍以上的發電量，或在與傳統設計的單組扇葉轉速相同時，擁有四倍左右的發電量，大幅提高風力或渦輪發電的發電量。
(2)承上，此軸體水平於來流配置的對轉式發電機除提升發電量外，可以同時降低扇葉的轉速並降低軸承的磨耗，進而降低扇葉製造的難度，或在使用相同製造工藝下提升壽命，這些因素能有效降低風力或渦輪發電的成本，增加風力或渦輪發電的競爭條件。
(3)承上，此軸體水平於來流配置的對轉式發電機，不僅可以應用於風力發電，更可進一步應用於各種流體發電機(水力、火力、核能、潮汐發電之渦輪發電機)中，透過流體流經同軸配置且能量提取率不同的對轉扇葉組，達到高效率發電的目的。
(4)此對轉式發電機，藉由軸體垂直來流配置，相較於同尺寸(高度、寬度)的採用傳統技術的垂直式發電機，採本設計可擁有二至四倍發電量(採用一個前文提及的軸體與二個扇葉組)或數倍發電量(採用複數個前文提及的軸體與超過二個扇葉組)。
(5)承上，此軸體垂直於來流配置的對轉式發電機，亦可稍微降低扇葉的轉速，以在發電量提高的同時減少磨耗並簡化扇葉的製造工藝或提升壽命。
請參閱第1圖，其係為本發明之對轉式發電機之第一實施例之第一態樣示意圖。圖中，對轉式發電機1包含軸體10、第一扇葉組20及第二扇葉組30，且第一扇葉組20及第二扇葉組30分別設置於軸體10的兩端。軸體10係水平於來流方向設置，且第一扇葉組20係設置於軸體10迎接來流的一端，第二扇葉組30係設置於軸體10的另一端。
在本實施例中，為了固定軸體10，更進一步設有支撐桿11，且支撐桿11的一端固設於軸體10兩端之間，另一端固設於平面12上，使軸體10垂直於支撐桿11並與平面12平行，以成為水平式風力發電機之態樣，及本實施例之第一態樣，但並不以此為限。亦可如第2圖所示之第二態樣，在一空心管體13內，將軸體10以複數個支架14懸空固定於空心管體13的軸心，而成為渦輪發電機之態樣，即為本實施例之第二態樣。
在第一實施例中，軸體10內設有第一感應單元40及第二感應單元50，且第一感應單元40與第一扇葉組20連接，第二感應單元50與第二扇葉組30連接。第一扇葉組20包含複數個第一扇葉21，各第一扇葉21之一端等間距環設於軸體10的一端。第二扇葉組30包含複數個第二扇葉31，各第二扇葉31之一端以等間距環設於軸體之另一端，且第一扇葉組20之能量提取率低於第二扇葉組30。
在本實施例中，第二扇葉31的攻角或尺寸大於第一扇葉21。由於第一扇葉組20與第二扇葉組30同軸設置於軸體10的兩端，當來流(例如：風或其他工作流體)流過對轉式發電機1時，第一扇葉組20與第二扇葉組30會以軸體10為軸心朝相反方向轉動。在本實施例中，第一扇葉組20以逆時針方向轉動，而第二扇葉組30以順時針方向轉動，但並不以此為限，亦可為順、逆時針方向對調。其中，第一扇葉組20直接迎接來流，第二扇葉組30則承接流過第一扇葉組20的工作流體。在風力發電應用中，可以追風裝置來確保第一扇葉組20總是能直接迎接來流。
前文中所謂的「能量提取率」定義為「扇葉組提取的能量對來流能量的比值」，η≡Efan/Eflow，其中Eflow與Efan分別為來流所含能量與扇葉組自來流提取之能量。迎接來流的第一扇葉組20之能量提取率為η1，第二扇葉組30的能量提取率為η2，其中第二扇葉31藉由攻角或尺寸大於第一扇葉21者或其他設計，使得η2大於η1。
在傳統發電機的轉子與定子的關係多是定子固定不動，轉子相對定子轉動，其中定子為磁鐵組，轉子為感應線圈組，並在轉子相對定子轉動時產生感應電流，以達到發電目的，或是「定子」(磁鐵組)相對於「固定的『轉子』(線圈組)」轉動以產生感應電流。第一實施例中，第一感應單元40係以感應線圈表示，第二感應單元50係以磁鐵盤表示，但並不以此為限，亦可相互交換配置。藉由第一扇葉組20與第二扇葉組30於軸體10兩端同軸設置，使與第一扇葉組20連接的第一感應單元40及與第二扇葉組30連接的第二感應單元50產生相對轉動，在相同來流能量(如風力)下，本實施例之對轉式發電機1的發電量至少為單獨使用同尺寸的第二扇葉組與傳統發電機設計(定子動轉子不動或順序顛倒)時(以下簡稱「傳統設計」)的兩倍，同時由於第一與第二扇葉組轉速均較單扇葉組傳統佈局之扇葉組轉速為低，故對扇葉與軸承的加工精度要求較低，或在相同工藝下顯著提升壽命。除此之外，也可在工藝技術相同於傳統設計的情況下，藉由放大扇葉組的尺寸以使兩扇葉組轉速與傳統設計相同，此 時壽命相同但發電量可提升至四倍左右。
請參閱第3圖及第4圖，其係為本發明之對轉式發電機之第二實施例之第一態樣示意圖及本發明之對轉式發電機之第二實施例之第一態樣上視圖。在第二實施例中，軸體10係垂直於來流方向設置，第一扇葉組20包含複數個第一扇葉21及複數個第一架體22，第二扇葉組30包含複數個第二扇葉31及複數個第二架體32。
為固定對轉式發電機1，本實施例中更於軸體10的一端設有支撐桿11，且軸體10垂直於平面12。第一扇葉21藉由第一架體22等間隔環設於軸體10的一端，第二扇葉31藉由第二架體32等間隔環設於軸體10的另一端，圖中，第二扇葉組30較第一扇葉組10靠近支撐桿11，但並不以此為限。
在本實施例中，第一扇葉組與第二扇葉組的設計參數(尺寸等)可同可不同，但藉由相異的安裝角度以確保旋轉方向相反。並請參閱第5圖，其係為本發明之對轉式發電機之第二實施例之第二態樣側視圖，第二態樣係使用複數N個扇葉組搭配複數(N-1)個軸體的配置，且相鄰的扇葉組旋轉方向彼此相反。在第5圖中，第一扇葉組20係與第一感應單元40連接，第二扇葉組30係與第二感應單元50連接，且第二感應單元50及第二扇葉組30係延伸至第二組軸體10，並以此類推。在本實施例中，係以三組軸體10搭配各二組第一扇葉組20及第二扇葉組30，但並不以此為限，其軸體10及各扇葉組的數量亦可依需求改變。
第一實施例與第二實施例的配置方式雖有不同，但發電原理相同，係藉由第一扇葉組20與第二扇葉組30相對設置於軸體10的兩端，且第一扇葉21與第二扇葉31攻角不同，當來流流過對轉式發電機1時，第一扇葉組20與第二扇葉組30會以軸體10為軸心朝向相反方向轉動。
又由於第一扇葉組20與第二扇葉組30於軸體10兩端相對設置，且第二扇葉21的安裝角度與第一扇葉31不同，使與第一扇葉組20連接的第一感應單元40及與第二扇葉組30連接的第二感應單元50產生相對轉動。在相同流體能量(如風力)下，扇葉相對轉動的對轉式發電機1的發電量至少為使用同尺寸的第二扇葉組與傳統發電機設計(定子動轉子不動或順序顛倒)時的兩倍至四倍。
請參閱第6圖，其係為本發明之對轉式發電機之第三實施例示意圖。第三實施例與第一實施例大致相同，其差異僅在於軸體10內更進一步設有第三感應單元60介於第一感應單元40及第二感應單元50之間。在本實施例中，第三感應單元60係以感應線圈表示，且第一感應單元40及第二感應單元50係以磁鐵盤表示，並藉由第一扇葉組20帶動第一感應單元40相對第三感應單元60轉動，第二扇葉組30帶動第二感應單元50相對第三感應單元60轉動，且轉動方向與第一感應單元40相反，藉以達到相較於傳統設計二至四倍之發電量。
請參閱第7圖，其係為本發明之對轉式發電機之第四實施例示意圖。第四實施例與第二實施例大致相同，其差異僅在於軸體10內更進一步設有第三感應單元60介於第一 感應單元40及第二感應單元50之間。同於第三實施例，在本實施例中，第三感應單元60係以感應線圈表示，且第一感應單元40及第二感應單元50係以磁鐵盤表示，並藉由第一扇葉組20帶動第一感應單元40相對第三感應單元60轉動，第二扇葉組30帶動第二感應單元50相對第三感應單元60轉動，且轉動方向與第一感應單元40相反，藉以達到相較於傳統發電二倍以上之發電量。
藉由本發明之對轉式發電機的配置，不僅可以應用於風力發電，更可進一步將此結構應用於各種流體，透過流體帶動對轉的扇葉，達到發電的目的。
以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。
1‧‧‧對轉式發電機
10‧‧‧軸體
11‧‧‧支撐桿
12‧‧‧平面
13‧‧‧空心管體
14‧‧‧支架
20‧‧‧第一扇葉組
21‧‧‧第一扇葉
22‧‧‧第一架體
30‧‧‧第二扇葉組
31‧‧‧第二扇葉
32‧‧‧第二架體
40‧‧‧第一感應單元
50‧‧‧第二感應單元
60‧‧‧第三感應單元
第1圖係為本發明之對轉式發電機之第一實施例之第一態樣示意圖；第2圖係為本發明之對轉式發電機之第一實施例之第二態樣示意圖；第3圖係為本發明之對轉式發電機之第二實施例之第一態樣示意圖；第4圖係為本發明之對轉式發電機之第二實施例之第一態樣上視圖；第5圖係為本發明之對轉式發電機之第二實施例之第二態樣側視圖；第6圖係為本發明之對轉式發電機之第三實施例示意圖； 及第7圖係為本發明之對轉式發電機之第四實施例示意圖。
1‧‧‧對轉式發電機
10‧‧‧軸體
11‧‧‧支撐桿
12‧‧‧平面
20‧‧‧第一扇葉組
21‧‧‧第一扇葉
30‧‧‧第二扇葉組
31‧‧‧第二扇葉
40‧‧‧第一感應單元
50‧‧‧第二感應單元

Claims (7)

  1. 一種對轉式發電機，其包含：一軸體；一第一扇葉組，係設置於該軸體之一端，並以該軸體為軸心以一第一速度轉動，且該第一扇葉組迎接來流方向；一第一感應單元，係設置於該軸體內，並與該第一扇葉組連接，該第一扇葉組帶動該第一感應單元轉動；一第二扇葉組，係設置於該軸體之另一端，該第二扇葉組相較於該第一扇葉組具有較高的能量提取率，且與該第一扇葉組平行，該第二扇葉組以該軸體為軸心以一第二速度朝向與該第一扇葉組轉動之相反方向轉動，其中能量提取率係為扇葉於每單位時間自來流提取出的能量對單位時間內流過扇葉來流能量的比值；以及一第二感應單元，係設置於該軸體內相對該第一感應單元，並與該第二扇葉組連接，該第二扇葉組帶動該第二感應單元相對該第一感應單元轉動。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之對轉式發電機，其中該軸體係與來流方向水平，且該第一扇葉組係設置於該軸體迎接來流的一端，該第一扇葉組由複數個第一扇葉所組成，各該第一扇葉之一端係以等間隔設置於該軸體之一端。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之對轉式發電機，其中該第二扇葉組係由複數個第二扇葉所組成，各該第二扇葉之一端係以等間隔設置於該軸體之另一端。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之對轉式發電機，其中該第一扇葉之攻角或尺寸與該第二扇葉不同，且該第一扇葉與該 第二扇葉係為同軸配置，藉以使該第一扇葉組與該第二扇葉組在相同來流作用時分別以該第一速度及該第二速度朝相反方向轉動，並使該第二感應單元與該第一感應單元相對轉動。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之對轉式發電機，其中該第一感應單元係具有複數個感應線圈，該第二感應單元係具有複數個感應磁鐵，且各該感應磁鐵係與各該感應線圈對應配置。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之對轉式發電機，其中該第一感應單元係具有複數個感應磁鐵，該第二感應單元係具有複數個感應線圈，且各該感應磁鐵係與各該感應線圈對應配置。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之對轉式發電機，其中該軸體內更設有一第三感應單元介於該第一感應單元及該第二感應單元之間，且該第三感應單元係具有複數個感應線圈，該第一感應單元及該第二感應單元係具有複數個磁鐵，且各該磁鐵係與各該感應線圈對應配置。
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