TWI554680B - 以受風板片推動長臂的風力機 - Google Patents

Description

以受風板片推動長臂的風力機

本發明在於提供一種風力機，尤指一種以風力做為動力的以受風板片推動長臂的風力機。

按，人類利用天然能源，以風力做為動力已經好幾千年，目前各式各樣的垂直軸風力機效率低或大型化不容易，所以世界上大型的風力機皆以水平軸之三葉片風力機為主，但其必需具有追蹤風向的設備，所以構造複雜，也須建立高塔柱，其造價昂貴，尤其主要機構機艙房(Nacelle)設在很高塔柱的頂端，維修困難，若發生火災撲救不易。另，風力機的發電機、齒輪箱、追蹤風向的控制設備都設在高塔柱的頂端，非常重，且因為重心在上，而頭重腳輕，被強風吹倒的情況時有發生。

綜上所述，本發明人有感上述缺失可改善，乃特潛心研究並配合學理之應用，終於提出一種設計合理且有效改善上述缺失之創作。

本發明所要解決的技術問題，在於提供一種以受風板片推動長臂的風力機，不必設計高塔柱，低重心又安全，也不必設置複雜的追風向設備，可使構造簡化，成本降低。

為了解決上述的技術問題，本發明提供一種以受風板片推動長臂的風力機，其為一垂直軸風力機，包括：一軸心，該軸心直立的設置；數支長臂，該些長臂連接於該軸心；以及數個受風板片，裝設於該些長臂上；該些受風板片能受風壓而彎曲，推動該些長臂，使該軸心旋轉。

本發明至少具有下列的優點：本發明是利用吊車之吊臂具有很大承載的觀念，建構本發明的大型垂直軸風力機，而推動風力機軸心旋轉的是以吊載重負荷的長臂；在每一支長臂裝設一個或數個受風板片，吸取風能。受風板片以其能受風壓彎曲，產生的曲面推力推動長臂，推動風力機軸心旋轉。

本發明也利用吊車之吊臂易於昇降高低，可任意設定高度，或設定伸縮臂長的觀念，尤其桁架結構的長臂能有很長的跨距，很大的承載，風力機長臂越長，其轉矩扭力也越強；長臂越長，若設定仰角往高處伸長，越高吸取風力也越強，節省了高塔柱的須求。

本發明以受風板片推動長臂的風力機，因不必設計高塔柱；又重量很重又很昂貴的機艙房可設在風力機正中央底下，這樣低重心是最安全，對未來在海上設風力發電機工程上將簡單化，因低重心除做為風力發電外還可做各種動力應用。甚至也適合做為船舶的動力，不必設置這些複雜的追風向設備，不拘任何風向的風壓風力都可吸取利用。

為使能更進一步瞭解本發明的特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明的詳細說明與附圖，然而所附圖式僅提供參考與說明用，並非用來對本發明加以限制者。

1‧‧‧機艙房

2‧‧‧長臂

2A‧‧‧長臂

2B‧‧‧長臂

2C‧‧‧長臂

2D‧‧‧長臂

3‧‧‧受風板片

3A‧‧‧受風板片

3B‧‧‧受風板片

3C‧‧‧受風板片

3D‧‧‧受風板片

4‧‧‧房屋

5‧‧‧軸心

6‧‧‧旋轉盤座

7‧‧‧活動關節

8‧‧‧H型鋼樑

9‧‧‧軸心支撐體

10‧‧‧中央支持塔

11‧‧‧鋼絲纜繩

12‧‧‧伸縮桿

12A‧‧‧活動關節

12B‧‧‧活動關節

12C‧‧‧活動關節

13‧‧‧支撐骨幹

14‧‧‧前端

15‧‧‧後端

A‧‧‧風力機

B‧‧‧旋轉方向

C‧‧‧風向

圖1為本發明風力機的立體圖(長臂以仰角運轉的形態)。

圖2為圖1的局部詳圖。

圖3為圖1的長臂以水平運轉形態的示意圖。

圖4為圖1的長臂降低形態的示意圖。

圖5為本發明小型化風力機的立體示意圖。

圖6為以俯視的角度解說圖5的平面示意圖。

圖7為本發明風力機另一實施例的立體圖。

圖8為圖7部份放大的示意圖。

圖9為圖7部份放大的另一示意圖。

[第一實施例]

請參閱圖1，本發明提供一種以受風板片推動長臂的風力機，在本實施例中，該風力機A包括一機艙房1、數支長臂2及數個受風板片3，該些長臂2可設置於機艙房1上，該些受風板片3安裝於該些長臂2上。

圖1為長臂2以仰角運轉的形態示意圖。長臂2的長度及設置的角度並不限制，例如長臂2可為50公尺長，以設定約30度角往上延伸，則長臂2頂端距離地面已經35公尺以上，這個實施例顯現不須建很高塔柱，就可以運轉的直徑100公尺的大型垂直軸風力機。

如圖1所示，是以受風板片3推動長臂2的風力機A，其長臂2以仰角(約30度角)運轉的形態。本實施例為一種垂直軸風力機A，推動軸心旋轉的是四支長臂2，在每一支長臂2上裝設四個受風板片3，該些受風板片3用以吸取風能。當風力以風向C吹向風力機A；全部的受風板片3受風壓，推動長臂2，推動風力機A轉動，往旋轉方向B旋轉。

為吸取更多的風能，在長臂2之間，適當的間距，儘量多設置受風板片3(例如圖1與圖3)數量越多受風面積越多，吸取風 的推力也越多，每一長臂2皆裝設數個受風板片3，該些受風板片3沿著長臂2的長度方向間隔的設置於該些長臂2上。若以圖1與圖2所示，雖是每一支長臂2上裝載四個受風板片3，然在實務上是可以裝載更多的受風板片3，又如圖中範例所示，其每支長臂2是以三角桁架構造，三角桁架內部空間也可裝設數個受風板片3，這都是增加受風面積的方法。

長臂2是利用吊車之吊臂能夠吊載重負荷，我們日常看到的吊車長臂外觀造型可呈四方型、三角型、弧形或可伸縮型等，並不限制外觀造型。本實施例為三角桁架長臂型，因為其結構強又輕又具能很長的跨距，臂越長的風力機的轉矩、扭力也越強大。

風力機A可以建置在可以住人的建築物，例如房屋4的屋頂。可住人的房屋4只是表示比較優的土地利用空間，是示意住在沿海或具有風力場的居民房屋的屋頂可建置大型的風力發電機。但房屋4與風力機A並無必要的關係，亦即本發明的風力機A並不限制建置在房屋4上。但如圖示的房屋4必須要以鋼構建築，要具堅強的結構以負擔風力機A的重量與嚴密的防雷擊措施。

風力機的機艙房1可建置在房屋4屋頂的中央。本發明以受風板片3推動長臂2的風力機A做為垂直軸風力發電的最大優點就是，機艙房1設在風力機A正中央底部。若是做風力發電用途，機艙房1內部設備則可設置增速齒輪箱、發電機、制動器、轉速控制器、液壓系統、AVR及變頻器等控制的儀電設備，以上這些都是風力發電機習知與慣用設施，故未揭示在圖式以免贅述。

進一步的，可包括一中央支持塔10及數條鋼絲纜繩11，能以鋼絲纜繩11拉住長臂2與中央支持塔10，亦即鋼絲纜繩11一端連接於長臂2，鋼絲纜繩11另一端設置於中央支持塔10，且連接於捲揚機(圖略)，連接於長臂2的鋼絲纜繩11及捲揚機等可構成控制長臂升降機構。因為以鋼絲纜繩11及捲揚機拉住長臂2是吊車或吊塔慣用的昇降機構，故不再加以贅述。最重要是，該些長臂2的拉控鋼絲纜繩11一定要同步，以令該些長臂2同步昇降。在本發明的另一實施例中，也能為油壓伸縮長臂型或油壓昇降長 臂型，亦即能以油壓裝置伸縮或昇降長臂2，以油壓裝置構成控制長臂升降機構，如此就不需設置中央支持塔10與鋼絲纜繩11，故鋼絲纜繩11與中央支持塔10不一定要具備，可予以省略。

請參閱圖2，為圖1的局部詳圖。風力機A可具有一軸心5及一旋轉盤座6，軸心5直立的設置，軸心5的一端連接於旋轉盤座6，使兩者結合成一體，軸心5及旋轉盤座6可以通過焊接及車削等方式製成。旋轉盤座6上設置中央支持塔10，中央支持塔10塔內部空間就是可設置捲揚機的空間。

該些長臂2可分別設置在旋轉盤座6的四個對邊，使該些長臂2通過旋轉盤座6連接於軸心5，從而可利用該些長臂2推動軸心5旋轉。該些長臂2可分別以活動關節7與旋轉盤座6連接，亦即該些長臂2一端(下端)是以活動關節7連接於旋轉盤座6。活動關節7使長臂2能活動具有昇降功能之外，也能傳承受風板片3推力推動該些長臂2總合的巨大推力能量傳導於旋轉盤座6上。

進一步的，機艙房1頂部可設有鋼樑8，可包含四支的H型鋼樑8，與中央部的軸心支撐體9以非常堅固焊接結合在一起，可用以支撐整台風力機A的全部重量。軸心5穿設於軸心支撐體9中，軸心支撐體9內部裝置數個能承受重力的軸承與潤滑油(圖略)，能使軸心5滑潤無阻的順暢轉動。

當該些長臂2推動旋轉盤座6旋轉時，扭力轉動的巨大能量即由軸心5穿過軸心支撐體9導入機艙房1內部，進而傳動增速齒輪箱使發電機運轉或發揮能量。

請參閱圖3，為本發明長臂以水平運轉形態的示意圖，另請同時對照圖1與圖4，可揭示風力機A之長臂2舉昇或降低高度，以對應大自然風力弱風、強風及狂風等之不穩定的風速變化。當風速太強(例如風速超過每秒15公尺)則可適當的降低長臂2高度，風速越強長臂2就控制對應降越低，藉控制長臂昇降機構改 變長臂2高度對應風力強弱，以達到調控風力機軸心5保持穩定的轉速。

請參閱圖4，為本發明長臂降低形態的示意圖，降至最底欲停止運轉。若是遇有颱風警報、龍捲風警報，為了安全風力機的長臂2，甚至可以鎖固於地面，或在完全無風的季節，風力機的長臂2降至地面，以避免妨礙景觀。

以受風板片3推動長臂2的風力機A；在圖1與圖3所舉實施例是四支長臂型，當然也可為更多支的長臂型，也可為三支長臂型或兩支長臂型，長臂2支數愈多，軸心5轉速愈慢但扭力轉矩愈大。長臂2支數愈少，軸心5轉速會愈快但扭力轉矩愈小。

為了方便於解說受風板片3運作原理，將圖3簡略與縮小化成為如圖5所示比較小型的風力機，其包括四支長臂2，每支長臂2上只示意裝設一個受風板片3，藉以解說以受風板片3推動長臂2的風力機運轉的原理。受風板片3的一端(前端14)配置有一支撐骨幹13，該支撐骨幹13連接於相對應的長臂2，以此支撐骨幹13做為支撐整個受風板片3的張開力與重量，並且靠此支撐骨幹13連結在強固的長臂2上，而受風板片3的支撐骨幹13之後到另一端(後端15)，整個板片的大部份面積是任其發揮彈性自由活動，使其能受風壓而彎曲吸取風能。受風板片3受到風向C的風壓，相對應風壓強弱程度而彎曲，產生曲面推力推動長臂2，推動風力機軸心5旋轉。

請參閱圖5，為本發明小型化的以受風板片推動長臂的風力機長臂固定水平正常運轉形態的立體示意圖；請參閱圖6，為本發明以俯視的角度解說圖5的平面示意圖，以旋轉軌道圓環來形容受風板片受風向C的風壓而彎曲之相對應關係的說明圖。

為了說明更方便對照圖5與圖6相互對照一致的關係，將四支長臂2分別區分成長臂2A、長臂2B、長臂2C及長臂2D。四個受風板片3分別區分成受風板片3A、受風板片3B、受風板片 3C及受風板片3D。圖6以俯視角度形容圖5的四個受風板片3A、3B、3C及3D，受風板片在旋轉到的每一個角度，受風向C的風壓而彎曲變化狀況。四個受風板片3A、3B、3C及3D受風壓彎曲的曲面，即產生向前推的力量，推動長臂2A、2B、2C及2D向前而旋轉，意即旋轉中的受風板片不斷受風向C的風壓，對應風壓程度與角度左右彎曲，進而產生向前的推力，不斷的推動長臂，推動風力機軸心旋轉。

在圖6所示的旋轉軌道中，以實線代表標示方位上的四支長臂2A、2B、2C及2D上的受風板片3A、3B、3C及3D對應風向C的風壓彎曲狀況。為了更清楚形容，又用虛線代表標示假如方位上的四支長臂2A、2B、2C及2D上的受風板片3A、3B、3C、及3D對應風向C的風壓彎曲狀況。

進一步說明圖5所示的實施例，風力機在正常水平運轉形態是風力機A上推動風力機運轉的四支長臂；每一支長臂上只裝設一個受風板片，共四個受風板片3A、3B、3C及3D，每個受風板片與其配置的支撐骨幹13，全部立正垂直。

受風板片能夠受風的原理，最基本特徵是要一端剛硬，一端比較柔弱有彈性，所以其中的每一個受風板片一端(前端14)配置支撐骨幹13，使其剛硬。亦靠此支撐骨幹13支撐整個受風板片的張開力與重量並且靠支撐骨幹13連結在強固的長臂上。

受風板片3A的前端14配置支撐骨幹13，連結在長臂2A上；受風板片3B的前端14配置支撐骨幹13，連結在長臂2B上；受風板片3C的前端14配置支撐骨幹13，連結在長臂2C上；受風板片3D的前端14配置支撐骨幹13，連結在長臂2D上。

當風力以風向C吹向風力機A，風力機A上的每一個受風板片3A、3B、3C及3D的支撐骨幹13之後到後端15，整個板片大部份面積是任其發揮彈性自由活動，也即是每一個受風板片從其支撐骨幹13之後到後端15，整個板片大部份面積因比較柔弱有彈 性任其自由活動，任其受風向C的風壓而自由彎曲(彎曲的狀況請對照圖6)而產生彎曲的曲面推力，進而推動長臂，推動風力機軸心旋轉；圖式是往旋轉方向B的方向旋轉(如果想往B的反方向旋轉，只要將每一個受風板片裝置在長臂的反邊)。

很多種板材都可製做受風板片，但為了吸取風能最高效率，受風板片的製造材料性質選擇彈性越佳的，其吸取風能效率越好。

[第二實施例]

以受風板片推動長臂的風力機，若是因地型因素或環境因素，其長臂是設定固定角度或高度的，長臂因沒有具昇降功能或伸縮功能，就必須在風力機的受風板片上設置可調控傾斜度的機構，才能面對大自然的狂風無限的摧毀力。與因應大自然弱風、強風及狂風等不穩定的變化。受風板片調控傾斜度機構的說明圖如圖7、圖8及圖9所示，受風板片3可連接有伸縮桿12等調控傾斜度機構。當愈弱風，受風板片3愈立正垂直，受風面積愈大。當風速太強，受風板片3調控愈傾斜，受風面積愈小。當大自然狂風愈強，將受風板片3調控愈極傾斜。以調控受風板片3傾斜度的機構對應風力強弱變化，無論風力大小，皆能維持對長臂2穩定推力，使風力機軸心5保持穩定的轉速。

圖7為本發明以受風板片推動長臂的風力機之受風板片傾斜的形態立體示意圖。若將圖7與圖5相對照，即看到四個受風板片3A、3B、3C及3D明顯傾斜差異，為了說明受風板片的調控傾斜機構，為了更清晰，把圖7部份放大，成為圖8與圖9以便對照說明。

請參閱圖8為圖7部份放大的示意圖，是示意受風板片3立正垂直的形態，此立正垂直的受風板片可吸取最大風能，是受風板片3受風壓可產生彎曲，產生曲面推力的狀況，可推動長臂2，推動風力機運轉，也就是如圖5所示，風力機正常運轉形態下， 受風板片3與其配置的支撐骨幹13全部立正垂直，其伸縮桿12是收縮到上最頂點。

請參閱圖9為圖7部份放大的示意圖，是示意受風板片3傾斜的形態，受風板片3愈傾斜，就愈不能吸取風能，也就如圖7所示，風力機的受風板片3傾斜形態，其伸縮桿12是伸到下最底點，受風板片3與其配置的支撐骨幹13極傾斜，風力機已欲停止運轉。

由圖8的示意圖與圖9的示意圖，顯示受風板片與其配置的支撐骨幹13，要連結到長臂2之間是通過活動關節12A、活動關節12B、活動關節12C及伸縮桿12，亦即伸縮桿12一端通過活動關節12A連接於長臂2，另一端通過活動關節12B連接於受風板片3，且受風板片3通過一活動關節12C連接於長臂2。由控制伸縮桿12的伸與縮的程度，控制受風板片3的傾斜角度。

圖7的示意圖比照圖5的示意圖，最為重要是全部的受風板片3調控傾斜機構要一致的作動，一定要同步調整與全部的受風板片3同步的傾斜角度。

調控受風板片傾斜度的機構說明示意圖在圖7對照圖8與圖9，為了方便解說是以油壓缸伸縮桿12推動示意，實務上也可以用電動馬達、油壓缸驅動調控傾斜度或利用離心力。當長臂2運轉速度超過一設定值，受風板片3因離心力張開而傾斜，因愈傾斜而減少了受風面積達到自動控制轉速，維持風力機恆定轉速。以上這些手段方法都是習知的機械設計，不再加以贅述。

以受風板片推動長臂的風力機之中全部圖式所舉的範例，受風板片是長方型，但實務上受風板片無論三角型或弧形、較美觀的各種造型都可應用，受風板片的造型最重要是以能達到最高吸取風能效率與美感上能配合長臂整體造型。

綜上所述，本發明以受風板片推動長臂的風力機，確實具有實用性，具有應付大自然風力是弱風、強風及狂風等不穩定變化 的能力，可利用長臂昇降機構改變長臂高度，或藉控制受風板片的傾斜度機構，達到調控風力機軸心保持穩定的轉速或達到風力機穩定的能量輸出。若為了更安全性的考量此兩種控制機構也可以一起應用。而製造長臂技術已經非常成熟，各種吊車吊臂的應用，強度佳又輕巧又安全。控制昇降機構無論是利用油壓機方式或捲揚機方式，都已經是很成熟很可靠的技術。

而受風板片製造只要注重耐用度與彈性性質，製造材料不論鋁板、不銹鋼板或各種金屬板或合成樹脂纖維板、耐龍板、PC板、PE板、FRP板、塑膠板、橡膠板或各種板材，甚至硬質帆布，甚至木板，都可因地制宜採用，將是非常便宜，因此將可促進貧窮落後地區或國家能夠大量利用風能機會。

本發明以受風板片推動長臂的風力機，將大型風力發電機的風車原本是艱鉅工程，原本是高深的技術領域與須很高昂費用工程變平凡化，變成簡單易做，風力發電將會因此發電成本更低廉而更普及化，人類將更廣泛應用此上天所賜與取之不盡、用之不竭的乾淨能源-風力。

以受風板片推動長臂的風力機，若在外觀設計上未來繼續演化，除了吸取風能最大效率考量外，受風板片造型更美感化與長臂更有弧線更有美麗線條造型，搭配了力學工程與美學工程，風力機設計有風時昇起，無風時降下，將可解除習知三葉片式水平軸立式大型風力發電機風車，妨礙美麗風景、妨礙天際線美景。也將造福沿海貧苦居民，每年受強勁海風襲擊之苦難，風將來成為他們天賜的財富，未來的漁民不但補魚賺錢，也可補風賺錢，因風能可製造氫氣瓦斯。船的動力也少用引擎與油耗，船舶也能以本發明受風板片推動長臂的風力機做為動力。

惟以上所述僅為本發明之較佳實施例，非意欲侷限本發明的專利保護範圍，故舉凡運用本發明說明書及圖式內容所為的等效變化，均同理皆包含於本發明的權利保護範圍內，合予陳明。

1‧‧‧機艙房

2‧‧‧長臂

3‧‧‧受風板片

4‧‧‧房屋

6‧‧‧旋轉盤座

8‧‧‧H型鋼樑

9‧‧‧軸心支撐體

10‧‧‧中央支持塔

11‧‧‧鋼絲纜繩

A‧‧‧風力機

B‧‧‧旋轉方向

C‧‧‧風向

Claims (12)

1. 一種以受風板片推動長臂的風力機，其為一垂直軸風力機，包括：一軸心，該軸心直立的設置；數支長臂，該些長臂連接於該軸心；以及數個受風板片，裝設於該些長臂上，且每一長臂皆裝設數個受風板片，該些受風板片為具有彈性的板材，該些受風板片沿著長臂的長度方向間隔的設置於該些長臂上；該些受風板片能受風壓而彎曲，推動該些長臂，使該軸心旋轉，該些長臂分別連接有控制長臂升降機構，用以改變該些長臂的高度，使該些長臂能呈仰角運轉的形態。
2. 如請求項1所述之以受風板片推動長臂的風力機，其中進一步包括一旋轉盤座，該軸心的一端連接於該旋轉盤座，該些長臂分別設置在該旋轉盤座上，使該些長臂通過該旋轉盤座連接於該軸心。
3. 如請求項2所述之以受風板片推動長臂的風力機，其中該些長臂分別以活動關節與該旋轉盤座連接。
4. 如請求項3所述之以受風板片推動長臂的風力機，其中進一步包括一中央支持塔及數條鋼絲纜繩，該中央支持塔設置於該旋轉盤座上，該些鋼絲纜繩一端連接於該些長臂，該些鋼絲纜繩另一端設置於該中央支持塔，且連接於捲揚機。
5. 如請求項1所述之以受風板片推動長臂的風力機，其中該些長臂設置於一機艙房上，該機艙房頂部設有一軸心支撐體，該軸心穿設於該軸心支撐體中。
6. 如請求項1所述之以受風板片推動長臂的風力機，其中該些長臂設有兩支、三支或四支。
7. 如請求項1所述之以受風板片推動長臂的風力機，其中該些長臂呈四方型、三角型或弧形。
8. 如請求項1所述之以受風板片推動長臂的風力機，其中每一受風板片的一端配置有一支撐骨幹，該支撐骨幹連接於相對應的長臂。
9. 如請求項1所述之以受風板片推動長臂的風力機，其中該些受風板片立正垂直或傾斜的設置於相對應的長臂上。
10. 如請求項1所述之以受風板片推動長臂的風力機，其中該些受風板片分別連接有調控傾斜度機構。
11. 如請求項10所述之以受風板片推動長臂的風力機，其中該調控傾斜度機構包含伸縮桿、油壓缸或電動馬達。
12. 如請求項1所述之以受風板片推動長臂的風力機，其中該些受風板片呈長方型、三角型或弧形。