TWI558913B - 垂直軸風力發電機之葉片旋角同步調節裝置 - Google Patents

Description

垂直軸風力發電機之葉片旋角同步調節裝置

本發明係隸屬一種垂直軸風力發電機之創作，特別係針對垂直軸風力發電機之葉片其旋角自動同步調節之功能加以設計之創作。

按，風力發電是目前最環保且無污染的能源之一，風力發電的過程是利用風力發電機葉片的空氣動力來產生升力，用以帶動轉軸旋轉，再透過軸系傳遞來驅動發電機產生電能。

一般的垂直軸風力發電機的葉片旋角多為固定型，並無法隨著風速或轉速的變化而做調整，然而當風速到達較高風速時，功率控制器必須切出停止發電以避免功率過高，將導致轉軸及其上之葉片轉速快速升高，結構須能承受高轉速所引發的巨大離心力，否則機組恐將因轉速過高而損毀，如此一來可發電的風速範圍將大受限制，無法充分利用風能進行發電，難以提高發電效益。

傳統的垂直軸風力發電機為避免切出停止發電時轉軸轉速過高，需增加額外的外部負載以降低轉速，但是當外部負載失效將難以保障風力機能長時間的安全運作，且在如颱風般的極端風速下，恐需人為進行停機作業，以避免機組損毀。

葉片類型大致可分為升力型與阻力型，近年來較多的應用是複合型(升力型+阻力型)，目的是將高發電效率之升力型葉片配上高扭力之阻力型葉片，補足了升力型葉片在低風速不易啟動的問題，但是也因為如此，受風面積較大的阻力型葉片，將導致在高風速時產生較大的風壓負荷，提高結構的成本，並且在 較高轉速的額定發電風速附近，也會因為阻力型的低轉速特性和尾流效應而拖慢轉速，造成發電效率大幅降低的缺點。

有鑑於此，本發明人乃針對前述習用創作問題深入探討，並藉由多年從事相關產業之研發與製造經驗，積極尋求解決之道，經過長期努力之研究與發展，終於成功的開發出本發明『垂直軸風力發電機之葉片旋角同步調節裝置』，以改善習用創作之問題。

本發明之主要目的，在於解決上述的問題而提供一種『垂直軸風力發電機之葉片旋角同步調節裝置』，其係令垂直軸風力發電機透過葉片的偏置與葉片根部透過樞軸結構，再利用自主調節回復之設計，達到可隨轉速同步調節各葉片旋角的功能，而得到穩定的運轉與功率輸出，達到同時提高效能與安全性之目的。另外，同步的調節可避免獨立的調節時，不一致的葉片旋角造成轉動的不平衡現象，使運轉上更為穩定安全。

緣於達成上述之創作目的，本發明『垂直軸風力發電機之葉片旋角同步調節裝置』其構成包含一垂直軸風力發電機，該垂直軸風力發電機之轉軸上利用一調整裝置組設有若干葉片，該調節裝置主要由二轉盤及一調節單元組成，該二轉盤係平行相對固設於該轉軸上，形狀為對應該等葉片之數量，亦即若葉片數量為三片時，則各該轉盤外圍係等分呈三角形狀，可供該等葉片二端之根部分別利用樞軸配合螺帽固定於該二轉盤等分之角隅位置；且各該葉片二端樞組於該二轉盤上時，至少一轉盤上形成有一限位槽孔，同時該葉片相對應該限位孔槽一端之板面上凸設有一擋部，當該葉片樞組於該轉盤上時，該擋部係穿套於該限位槽孔內，可將該等葉片旋角限制在轉軸轉矩較大的角度，令風力發電機更容易啟動旋轉，當風力發電機轉速過高，較大的離心力將使該等葉片旋角接觸限位槽孔的另一端，即可達到減速的效果，如此可以維持該等葉片具有一定的運轉轉速，避免有逆轉的情況發生。其次該調節單元係為一受拉時可產生一回復力之物件 ，固設於該等葉片之間，而將其具備之回復力平均作用於該等葉片，實際應用上，該調節單元可由若干彈簧組成，該等彈簧的數量係對應葉片之數目，並分別利用若干定位件將各該彈簧二端固設於相鄰二葉片之特定位置，令該等葉片具有隨轉速同步調節旋角之功能。藉此，利用該調整裝置組接該等葉片，而能在風力發電機運轉時，隨轉速同步調節各葉片旋角的功能，使功率能穩定且持續的輸出。

有關本發明所採用之技術、手段及其功效，茲舉一較佳實施例並配合圖式詳細說明於後，相信本發明上述之目的、構造及特徵，當可由之得一深入而具體的瞭解

(10)‧‧‧垂直軸風力發電機

(11)‧‧‧塔架

(12)‧‧‧發電機

(13)‧‧‧轉軸

(20)‧‧‧調節裝置

(21)‧‧‧轉盤

(211)‧‧‧樞孔

(212)‧‧‧限位槽孔

(22)‧‧‧調節單元

(221、222、223)‧‧‧彈簧

(224)‧‧‧定位件

(30、30’)‧‧‧葉片

(31、31’)‧‧‧本體

(32、32’)‧‧‧根部

(321)‧‧‧擋部

(322)‧‧‧軸孔

(323)‧‧‧定位孔

(41)‧‧‧樞軸

(42)‧‧‧螺帽

第一圖：係本發明第一實施例之立體組合圖。

第二圖：係本發明第一實施例之立體分解圖。

第三圖：係本發明第一實施例之平面及局部剖面示意圖。

第四圖：係本發明調節單元組設之上視示意圖。

第五圖：係本發明第二實施例之立體組合圖。

第六圖：係本發明第二實施例之上視示意圖。

第七圖：係本發明調節單元之起始旋角示意圖。

第八圖：係本發明調節單元之最大旋角示意圖。

請參閱第一~八圖所示，本發明『垂直軸風力發電機之葉片旋角同步調節裝置』其構成包含一垂直軸風力發電機(10)，該垂直軸風力發電機(10)上利用一調節裝置(20)組設若干葉片(30)，其中：

該垂直軸風力發電機(10)係一塔架(11)上設置一發電機(12)，該發電機(12)再利用一轉軸(13)與該調節裝置(20)組接。

該調節裝置(20)係由二轉盤(21)及一調節單元(22)組成，該二轉盤(21)係平行相對鎖固於該轉軸(13)上，外圍可供該等葉片(30)等角度樞組結合；實際應用之結構設計，該二轉盤(21)之形狀係對應該等葉片(30)之數量，亦即若葉片(30)數量為三片時，則該二轉盤(21)外圍係等分呈三角形狀，並於等分之角隅位置形成樞孔(211)，可供該等葉片(30)二端樞固於該樞孔(211)位置。其次該調節單元(22)係固設於該等葉片之間，為一承受外來拉力時可累積一回復力，並外來力量解除時釋放回復力之物件，而將其具備之回復力平均作用於該等葉片(30)。實施例的應用上，該調節單元(22)可為彈簧、氣壓或液壓機構，本創作係以彈簧為應用之說明實施例。

如圖所示，該調節單元(22)可由若干呈環狀排列之彈簧(221、222、223)組成，該等彈簧(221、222、223)的數量係對應葉片(30)之數目，且係該二轉盤(21)上皆設有相同數量及相同排列結構之彈簧，並分別利用若干定位件(224)將各該彈簧(221、222、223)二端分別固設於相鄰二葉片(30)之根部特定位置，令每一側相鄰二彈簧的二端係同時與該所有葉片連動結合，且每一彈簧都產生一預置拉力，而能在受拉時可產生一回復力並將其具備之回復力平均作用於該等葉片，並與該等葉片旋轉產生的離心力取得平衡，令該等葉片(30)具有隨轉速同步調節旋角之功能，達到隨轉速自主調整風能擷取效率之效果。又該等彈簧(221、222、223)二端利用定位件(224)固定於二相鄰之葉片(30)上時，各該定位件(224)固定位置係位於相同之圓心半徑上。進一步說明的是，所謂位於相同之圓心半徑上有二種組合型態，其一係所有彈簧二端皆位於相同之圓心半徑上，另一種型態則係所有彈簧二端係分別位於二相同之圓心半徑上，如第四圖所示，該等彈簧相同一邊之定位件(224)固定位之係 位於相同之圓心半徑上。又該二轉盤(21)上用以供該等葉片(30)結合之部位適當處，分別形成有一長弧狀之限位槽孔(212)，供該等葉片(30)樞組時限制定位之用。

該等葉片(30)係二端分別利用一樞軸(41)配合螺帽(42)樞固於該二轉盤(21)對應之樞孔(211)處，其與轉軸(13)結合之形式可為打蛋形(Φ形)或H形，茲分別說明於后： 首先，如第一~三圖所示，打蛋形之葉片(30)係由呈彎弧狀之本體(31)二端分別固設平直狀之根部(32)組成，各該根部(32)內緣適當處貫穿有一軸孔(322)，用以供該樞軸(41)穿設；並於各該根部(32)外端相對該二轉盤(21)之板面適當處形成定位孔(323)，用以固設一擋部(321)，當各該葉片(30)二端樞組於該二轉盤(21)上時，相對二根部(32)之擋部(321)係穿套該二轉盤(21)對應之限位槽孔(212)內。

再者，如第五、六圖所示，H型之葉片(30’)係由一呈直立狀之本體(31’)上下二端適當處分別固接平直狀之根部(32’)組成，各該根部(32’)外端相對該二轉盤(21)之板面適當處同樣凸設有擋部(321)，用以供葉片(30’)樞組時穿套該二轉盤(21)對應之限位槽孔(212)內。

上述二實施例使用時，當轉軸(13)剛開始旋轉時，因作用於質心m點位置的離心力F較小，即使有較大的力矩X，產生的旋角轉矩(M)也未能使得該調節單元(22)產生太大的伸長變化，使得葉片(30)停留在可提供較大轉軸轉矩(T)的旋角位置，有利於啟動運轉(如第七圖所示)。而當轉速持續增加時導致離心力加大，較大的旋角轉矩(M)使得調節單元(22)開始伸長，葉片隨旋角轉矩(M)方向轉動，最終形成最大的旋角位置時，此葉片旋角可提供極小轉軸轉矩(T)，轉速將不再 增加且能穩定保持(如第八圖所示)。其次上述限位槽孔(212)與擋部(321)之結構設計，當轉軸(13)靜止時，可將該等葉片(30、30’)旋角限制在轉軸轉矩較大的角度，令風力發電機更容易啟動旋轉，當風力發電機轉速過高，較大的離心力將使該等葉片(30、30’)旋角接觸限位槽孔(212)的另一端，即可達到減速的效果，如此可以維持該等葉片(30、30’)具有一定的運轉轉速，避免有逆轉的情況發生。而若該調節單元(22)因疲勞損壞而失聯，透過限位槽孔(212)的限位，可使葉片(30、30’)旋角轉至轉軸轉矩最低的角度，使其轉速維持容許轉速之下，可達到失效安全的保護功能。

承上述，本創作風力發電機在於低風速範圍，葉片(30、30’)通常需要較大的旋角(大於0度)以提供較大的轉軸轉矩使發電機轉速提升，當轉速提升至額定轉速附近時，一般約0度左右的葉片旋角可得到較高的效率，當轉速大於額定轉速時，負的旋角能提供較差的效率，能有效地降低運轉轉速，避免轉速與功率超出設計允許範圍，能有效的達到過轉速與過功率的保護，特別的是不需切出停止發電，在高風速仍可穩定運轉發電，提高發電效益。

綜上所述，本發明在同類產品中實有其極佳之進步實用性，同時遍查國內外關於此類結構之技術資料、文獻中亦未發現有相同的構造存在在先，是以，本發明實已具備發明專利要件，爰依法提出申請。

上述實施例，僅用以舉例說明本發明，據以在不離本發明精神之範圍，熟習此項技藝者憑之而作之各種變形、修飾與應用，均應包括於本發明之範疇者。

(10)‧‧‧垂直軸風力發電機

(11)‧‧‧塔架

(12)‧‧‧發電機

(20)‧‧‧調節裝置

(21)‧‧‧轉盤

(212)‧‧‧限位槽孔

(22)‧‧‧調節單元

(221、222、223)‧‧‧彈簧

(224)‧‧‧定位件

(30)‧‧‧葉片

(31)‧‧‧本體

(32)‧‧‧根部

(321)‧‧‧擋部

(41)‧‧‧樞軸

(42)‧‧‧螺帽

Claims (5)

1. 一種垂直軸風力發電機之葉片旋角同步調節裝置，其構成包含一垂直軸風力發電機，該垂直軸風力發電機之轉軸上組設有若干葉片，其特徵在於：該等葉片係利用一調節裝置結合於該轉軸上，該調節裝置之組成包括二轉盤及一調節單元，該二轉盤係平行相對固設於該轉軸上，外圍可供該等葉片等角度樞組結合，而該調節單元係由若干呈環狀排列之彈簧組成，該等彈簧的數量係對應葉片之數目，並利用若干定位件將每一彈簧的二端分別固設於相鄰二葉片之根部特定位置，令每一側相鄰二彈簧的二端係同時與該所有葉片連動結合，且每一彈簧都產生一預置拉力，而能在受拉時可產生一回復力並將其具備之回復力平均作用於該等葉片，並與該等葉片旋轉產生的離心力取得平衡，令該等葉片具有可隨轉速同步調節各葉片旋角的功能，達到隨轉速自主調整風能擷取效率之效果使功率能穩定輸出。
2. 依據申請專利範圍第1項所述之垂直軸風力發電機之葉片旋角同步調節裝置，其中該等葉片與轉軸結合之形式可為打蛋形(Φ形)或H形。
3. 依據申請專利範圍第1項所述之垂直軸風力發電機之葉片旋角同步調節裝置，其中該二轉盤之形狀與調節單元數量係對應該等葉片之數量，亦即若葉片數量為二片以上時，如三片，則各該轉盤外圍係等分呈三角形狀，可供該等葉片二端之根部分別利用樞軸配合螺帽樞固於該二轉盤等分之角隅位置。
4. 依據申請專利範圍第1或第3項所述之垂直軸風力發電機之葉片旋角同步調節裝置，其中各該葉片二端樞組於該二轉盤上時，各該轉盤對應結合該葉片之部份適當處形成有一限位槽孔，同時該葉片相對應該限位孔槽一端之板面上凸設有一擋部，當該葉片樞組於該轉盤上時，該擋部係穿套於該限位槽孔內，可將該等葉片旋角限制在轉軸轉矩(T)較大的角度，令風力發電機更容易啟動旋轉，當風力發電機轉速過高，較大的離心力將使該等葉 片旋角接觸限位槽孔的另一端，即可達到減速的效果，如此可以維持該等葉片具有一定的運轉轉速，且可避免有逆轉的情況發生，若該調節單元因疲勞損壞而失聯，透過槽孔的限位可使葉片旋角轉至轉軸轉矩(T)最低的角度，使其轉速維持容許轉速之下，可達到失效安全的保護功能。
5. 依據申請專利範圍第1項所述之垂直軸風力發電機之葉片旋角同步調節裝置，其中該等彈簧二端利用定位件固定於二相鄰之葉片上時，各該定位件固定位置係位於相同之圓心半徑上。