TWI580862B - Turbine power plant - Google Patents

Description

渦輪發電裝置

本發明係關於一種發電裝置，尤指一種利用渦輪將風力轉換成電力的發電裝置。

自工業革命以來，全球所蘊藏的天然資源，例如煤礦、石油、天然氣等，均大量被開採。這使得天然資源的數量不斷地下滑，相對地其價格不斷地上漲，更甚者，以當今全球消耗天然資源的速度來看，天然資源將有耗盡的一天。

因此，為了解決天然資源急速消耗的問題，早在西元二十世紀便出現利用再生能源的發電裝置，其中一種便是風力發電機裝置。習知的風力發電機裝置是透過其風扇與發電機的轉軸相連而設，且受限於風扇的總受風面積小及風扇與發電機相連而設的影響，使得風力所造成的轉動動能轉換至電能的輸出效率偏低。

有鑑於此，如何設計一種風力發電裝置以提升風力所造成的轉動動能轉換至電能的效率，已成為當今業界欲解決的問題。

本發明係有關於一種渦輪發電裝置，當風力推動此渦輪發電裝置時，透過葉片的引導與調節，提升渦輪發電裝置轉動的動能，進而增加電能的輸出。

為達上述目的，本發明提供一種渦輪發電裝置，其包含一中心內軸、一渦輪上板框、一渦輪下板框、複數葉片以及一發電機組。渦輪上板框由中心內軸之一端穿過渦輪上板框之一重心位置。渦輪下板框由中心內軸之另一端穿過渦輪下板框之一重心位置，使得渦輪下板框相對設置於渦輪上板框。複數葉片分別包括一圓弧形的內葉及一圓弧形的延伸翼以形成一圓弧凹狀的受風面，其中內葉具有一內葉上部及一內葉下部，其分別固定於渦輪上板框與渦輪下板框之間，而延伸翼的一側部連接於內葉的一側部，使得延伸翼延展位於渦輪上板框及渦輪下板框外。發電機組包括一主動輪及一發電機。主動輪係連接於渦輪上板框(或渦輪下板框)，而發電機固定於中心內軸上並具有一傳動軸，其經由一傳動帶與主動輪連接，當主動輪隨渦輪上板框或渦輪下板框轉動時，即帶動傳動軸轉動，進而使發電機產生電力。

較佳者，可進一步包含一上軸承座，用以套設中心內軸，使中心內軸固定於渦輪上板框之重心位置，藉以使渦輪上板框轉動平順。

較佳者，可進一步包含一下軸承座，用以套設中心內軸，使中心內軸固定於渦輪下板框之重心位置，藉以使渦輪下板框轉動平順。

較佳者，渦輪下板框為一風扇，風扇具有複數導風板，藉以利用上升氣流做為推動或輔助渦輪轉動之用。

較佳者，複數葉片之數量為八片，藉以得到最穩定之轉動效果。

較佳者，渦輪上板框的框緣處分別設置一延伸翼上軸承座以樞接各延伸翼的一上延伸節點，以使延伸翼的轉動更佳順暢穩定。

較佳者，渦輪下板框的框緣處分別設置一延伸翼下軸承座以樞接各延伸翼的一下延伸節點，以使延伸翼的轉動更佳順暢穩定。

本發明係再提供一種渦輪發電組，其包括複數個上述之渦輪發電裝置與結合架，透過該些結合架可使渦輪發電裝置向上堆疊，增加發電量。

進者，上段所述之結合架可包括一三角外框與一固定插槽，固定插槽與三角外框之間連接複數根連接桿，藉此使得各渦輪發電裝置可穩定向上堆疊。

在參閱圖式及隨後描述之實施方式後，技術域具有通常知識者便可瞭解本發明之其他目的，以及本發明之技術手段及實施態樣。

1‧‧‧渦輪發電裝置

11‧‧‧中心內軸

13‧‧‧渦輪上板框

15‧‧‧渦輪下板框

17‧‧‧葉片

17a‧‧‧內葉

17b‧‧‧延伸翼

17c‧‧‧內葉上部

17d‧‧‧內葉下部

19‧‧‧發電機組

19‧‧‧發電機組

21‧‧‧受風面

23‧‧‧延伸翼上軸承座

25‧‧‧延伸翼下軸承座

25a‧‧‧下延伸節點

27‧‧‧導風板

31‧‧‧上軸承座

32‧‧‧下軸承座

61‧‧‧主動輪

63‧‧‧發電機

631‧‧‧傳動軸

65‧‧‧傳動帶

71‧‧‧錐形太陽能板

F‧‧‧框架

F1‧‧‧結合架

F2‧‧‧柱體

F11‧‧‧三角外框

F12‧‧‧固定插槽

F13‧‧‧連接桿

第1圖係為本發明渦輪發電裝置之外觀示意圖。

第2圖係為本發明渦輪上板框與發電機組之間的結構圖。

第3圖係為本發明渦輪發電裝置之上方局部立體圖。

第4圖係為本發明渦輪發電裝置拿掉渦輪上板框後之上方局部立體圖。

第5圖係為本發明渦輪發電裝置之下視圖。

第6圖係為本發明發電機組之立體示意圖。

第7圖係為本發明渦輪發電裝置於組裝一錐形太陽能板後之示意圖。

第8圖係為風力進入本發明實施例之葉片後的走向示意圖。

第9圖係為風力進入本發明實施例之渦輪下板框之走向示意圖。

第10圖係為用於架設本發明實施例之結合架立體示意圖。

第11圖係為第10圖所示架體之俯視圖。

第12圖係為渦輪發電裝置利用結合架堆疊的立體示意圖。

第13圖係為本實施例之渦輪上板框與渦輪下板框的作動立體示意圖。

以下將透過實施例來解釋本發明內容，然而，本發明的實施例並非用以限制本發明需在如實施例所述之任何環境、應用或方式方能實施。因此，關於實施例之說明僅為闡釋本發明之目的，而非用以直接限制本發明。

請參考第1圖，其係為本發明渦輪發電裝置之外觀示意圖。渦輪發電裝置1包含一中心內軸11、一渦輪上板框13、一渦輪下板框15、複數葉片17以及一發電機組19。渦輪上板框13用以使中心內軸11之一端穿過渦輪上板框13之一重心位置。舉例來說，渦輪上板框13若為一圓形板框， 則該圓形板框的圓心即為重心位置。另外，本實施例於圖中所繪製之腳架係為其中一種，其底部設置有輪子，故具移動能力，可用於展示或是搬運使用，但並不以此為限，故於圖中以虛線強調，於此合先敘明。

請配合第2圖與第13圖所示。為了使渦輪上板框13能夠更穩定地於中心內軸11轉動，在中心內軸11與渦輪上板框13之間設置一上軸承座31，使得渦輪上板框13可相對於該中心內軸11旋轉。同理，中心內軸11之另一端穿過渦輪下板框15之一重心位置，使得渦輪下板框15相對設置於渦輪上板框13，並且為了使渦輪下板框15在轉動時能夠更加穩定，因此在中心內軸11與渦輪下板框15之間設置一下軸承座32並將該下軸承座32套設中心內軸11，使渦輪下板框15可相對於中心內軸11轉動。由於軸承座的設置係為習知元件，舉凡用於使渦輪上板框13或渦輪下板框15相對於中心內軸11轉動的元件，例如是止推軸承、深溝軸承、軸向軸承座或是徑向軸承座，皆為等效之元件。另，實施本發明時，發電機組19可設置於渦輪上板框13的上方或渦輪下板框15的上方。為方便說明，本發明僅例舉如第1圖所示發電機組19設置於渦輪上板框13上的樣式，而發電機組19設置於渦輪下板框15之樣式為熟悉此技藝之人可由此輕易推得，故於此不再詳述。

第3圖為本發明渦輪發電裝置之斜上視圖。第3圖中所示的各葉片17的設計均相同，因此第3圖中僅例舉一葉片17標號說明即可，其餘的葉片17便不再贅述。葉片17包括一圓弧形的內葉17a及一圓弧形的延伸翼17b，兩者形成一圓弧凹狀的受風面21。關於更詳細的葉片17與渦輪上板框13、渦輪下板框15之間的結構，請參考第4圖。

第4圖係為本發明渦輪發電裝置隱藏渦輪上板框13後之上視圖。各葉片17的內葉17a具有一內葉上部17c及一內葉下部17d，內葉上部17c固定於渦輪上板框13，而內葉下部固定於渦輪下板框15。延伸翼17b的一側部相鄰於內葉17a的一側部，而其連接的方式係在渦輪上板框13的框緣處設置一延伸翼上軸承座23以樞接延伸翼17b的一上延伸節點(因被延伸翼上軸承座23覆蓋，故圖未示)。同理，請參考第5圖，在渦輪下板框15的框緣處設置一延伸翼下軸承座25以樞接延伸翼17b的一下延伸節點25a。如此一來，延伸翼17b便可因應氣流的方向、大小與內外壓力差而自動地以上延伸節點與下延伸節點25a為中心而自行轉動調節，藉以可減少阻力，提升轉動效率。

於此，需特別強調的是，由於本發明的所有葉片17均不與中心內軸11相連，所有葉片17受到風力推動而帶動渦輪上板框13與渦輪下板框15轉動，但中心內軸維持不轉動，所以當渦輪上板框13與渦輪下板框15轉動時，整個渦輪發電裝置1可以穩定而不產生噪音。尤其是相對於習知以軸柱與葉片同時旋轉的型式，此種型式容易因長時間受不規則的氣流所產生的震動影響，使得軸柱在旋轉中因磨損而產生傾斜或晃動，導致噪音的產生；反之，本發明實施例的中心內軸固定不動，故大幅降低磨損所造成的傾斜或晃動以及噪音。

再請配合第8圖所示氣流流動示意圖(於此所述之氣流即為風所產生的流動)，當氣流A自圖示中的右上往左下流動時，會對行經的延伸翼17b產生一推力，使得延伸翼17b相對於內 葉17a向外轉動，而使延伸翼17b的受風面21與氣流A行徑更接近垂直，延伸翼17b所受到的推力即會帶動渦輪上板框13與渦輪下板框15轉動，同時導引氣流A沿受風面21進入。又，根據百努力定律(Bernoulli's principle)，當氣流A抵達受風面21後，其流速因受阻轉向而降低，相對於行經延伸翼17b背風面的氣流A速度並未降低，導致受風面21的空氣壓力較大於背風面的空氣壓力，故除了風力本身推動的力量，藉由壓力差將再對葉片產生推力，提升整體旋轉的動力。接著，當氣流A行經內葉17a時，將會對內葉17a產生一推力，此為風力於本實施例中的第二次利用。又，當氣流A接近中心內軸11時，會壓縮氣流而產生壓力協助整體旋轉時的穩定性，故具減少晃動與降低噪音的功效。最後，氣流A將如圖中所示方向往其他壓力相對較低處流動而導出。此外，當圓弧凹狀的葉片17的受風面21逆風時，則延伸翼17b將因風力向延伸翼17b的背面施壓以及壓力差的原因，使得延伸翼17b會向內轉動，此種自動調節的機制可減少轉動的阻力。

另，於較佳的實施方式中，當所有延伸翼17b向內完全閉合時(非受風力影響)，各延伸翼17b將與渦輪上板框13及渦輪下板框15的框緣皆實質上地切齊。換言之，當所有延伸翼17b都閉合時，則此渦輪發電裝置1的外觀將為一圓筒狀。

請同時參閱第4圖及第5圖，具體而言，當圓弧凹狀的葉片17的受風面21迎風時，將推動渦輪上板框13及渦輪下板框15轉動，並將其轉動的動能經過發電機組19而輸出電能。除了風 力對葉片17所直接產生的推力外(風力方向與葉片於垂直時所產生的推力最大)，再加上壓力差關係，使得本實施例整體在旋轉時所產生的扭力會較僅風力推動的習知風機大，故發電效能亦相對地較習知風機提升許多。

此外，渦輪下板框15可進一步為一風扇，此風扇具有複數導風板27(請見第5圖)，而複數導風板27又可對應固定各葉片17，所以當導風板27迎風時(如第9圖箭頭所示)，氣流亦會對導風板27產生推力，另外，風扇的複數導風板27亦可受上升氣流而推動，如此一來，結合側向風力與上升風力的方式更增加渦輪發電裝置1的轉動動能。另，當側向風力或上升風力自此進入後，會對渦輪上板框13產生一向上推力，可抵消大部份施予上軸承座與下軸承座在垂直向所承受向下的重力，藉此使上軸承座與下軸承座的磨損降至最低，提升使用壽命。

更佳者，可使此八片延伸翼17b具有相同之大小，且間距相同，其不但輸出效率佳，製造組裝更加便利。

請參考第6圖，其係為本發明發電機組19之示意圖。發電機組19包括一主動輪61及至少一發電機63。本實施例中，主動輪61係設置於渦輪上板框13，故主動輪61將隨渦輪上板框13一同轉動。各發電機63分別固定於中心內軸11上且各具有一傳動軸631，其經由一傳動帶65與主動輪61連接，當主動輪61隨渦輪上板框13轉動時，即帶動傳動軸631轉動，進而使各發電機63運作產生電力。另，於圖式中的發電機63數量係以五個為例，然而，發電 機63的數量並不侷限於所示數量，可以為一個或是複數個，其數量的差異僅在於總生成電量的多寡。在其它實施方式中，主動輪61也可設置於渦輪下板框15，而發電機63亦配合調整設置，由於此為一般簡易的等效置換，故於此不予贅述。

第7圖為本發明渦輪發電裝置1於組裝一錐形太陽能板71後之示意圖。由於本發明渦輪發電裝置1為一獨立的個體，所以還可另行於渦輪上板框13的上面再組裝錐形太陽能板71。藉以增加電能的產生，並且可運用錐形太陽能板71的造形，增加受風面積，又，錐形太陽能板71會隨著旋轉，使其各片太陽能板71得以輪流接受陽光的直射，將避免因長時間固定照射產生高溫導致電能轉換效率降低的問題，再者，旋轉狀態可避免飛禽類站立於上，可減少因糞便沾黏阻擋光線的情況。進者，藉由中心內軸11固定不旋轉之設計，可於頂端設置航警燈、風向計、風速計或是避雷針，以做為保護或是數據量測之用。

又，請再參閱第10-12圖所示，本發明渦輪發電裝置1可結合框架F向上堆疊另一組渦輪發電裝置1，藉此可增加受風面積與發電量，這亦是習知技術中所無法達到的優點之一。其中，框架F係包含複數個結合架F1，中心內軸11的上下兩端係分別固定於任二結合架F1之間，故可如第12圖所示之垂直向上堆疊數個渦輪發電裝置1。另，各結合架F1之間可進一步使用數個柱體F2相互連結，以增加穩定性。再者，各結合架F1係包括一三角外框F11與一固定插槽F12，固定插槽F12與三角外框F11之間利用數根連接 桿F13連接，例如圖中係經由三根連接桿F13與三角外框F11的各邊連接。

綜上所述，由於本發明渦輪發電裝置1的內葉片17a與延伸翼17b皆為可拆卸之設計，這使得當葉片的受風面21迎風時以順時針方向轉動時，此渦輪發電裝置1可適用於南半球；當葉片的受風面21迎風時以逆時針方向轉動時，此渦輪發電裝置1可適用於北半球。此外，由於習知的風力發電機係以葉片轉動而帶動一中心軸旋轉，使得其裝置運作時不僅轉動動能轉換電能的效率差，而且震動劇烈並發出噪音。然而，本發明渦輪發電裝置運作時透過內外壓力差的調節、平衡，故穩定、不發出噪音，且轉換電能的效率大大提升。

又，相較於習知技術，本發明之中心內軸為無外軸之設計，與習知技術需透過外軸與其他元件連接之結構完全不同，因此，本發明之中心內軸的設置將較習知技藝簡易。再者，本發明類似陀螺轉動之原理，當其開始運轉之後，轉動中心固定不偏移，整體會自動維持動平衡狀態，其優點在於可忽略小質量元件所帶來的影響，換言之，即使各組裝用的鎖固元件質量不完全相同，導致各相對位置的重量未絕對對稱，也不會影響整體在轉動時的中心位置，又，倘若在運轉時受到輕微的外力推抵或搖晃震動，亦可因此特性而在短時間恢復正常轉動，此些也是本發明的優點之一。

上述之實施例僅用來例舉本發明之實施態樣，以及闡釋本發明之技術特徵，並非用來限制本發明之範疇。任何熟悉 此技術者可輕易完成之改變或均等性之安排均屬於本發明所主張之範圍，本發明之權利範圍應以申請專利範圍為準。

11‧‧‧中心內軸

13‧‧‧渦輪上板框

15‧‧‧渦輪下板框

17‧‧‧葉片

17a‧‧‧內葉

17b‧‧‧延伸翼

19‧‧‧發電機組

21‧‧‧受風面

Claims (8)

1. 一種渦輪發電裝置，包含：一中心內軸；一渦輪上板框，該渦輪上板框之一重心位置係被該中心內軸之一端穿過，並且可以該中心內軸為中心進行轉動；一渦輪下板框，該渦輪下板框之一重心位置係被該中心內軸之另一端穿過，使得該渦輪下板框相對設置於該渦輪上板框，並且可以該中心內軸為中心進行轉動，其中該渦輪下板框為一風扇，該風扇包含複數導風板；複數葉片，分別包括一圓弧形的內葉及一圓弧形的延伸翼，其中該內葉包含一內葉上部及一內葉下部，其分別固定於該渦輪上板框與該渦輪下板框之間，而該延伸翼的一側部連接於該內葉的一側部，使得該延伸翼延展於該渦輪上板框及該渦輪下板框外；以及一發電機組，包括：一主動輪，係設置於該渦輪上板框或該渦輪下板框；至少一發電機，分別固定於該中心內軸上並具有一傳動軸，其經由一傳動帶與該主動輪連接，當該主動輪隨該渦輪上板框或該渦輪下板框轉動時，即帶動該傳動軸轉動，進而使該至少一發電機產生電力。
2. 如請求項1所述之渦輪發電裝置，更包含一上軸承座，用以套設該中心內軸，使該中心內軸固定於該渦輪上板框之該重心位 置。
3. 如請求項1所述之渦輪發電裝置，更包含一下軸承座，用以套設該中心內軸，使該中心內軸固定於該渦輪下板框之該重心位置。
4. 如請求項1所述之渦輪發電裝置，其中該圓弧形的延伸翼之數量為八片，且各該圓弧形的延伸翼的尺寸相同。
5. 如請求項1所述之渦輪發電裝置，其中該渦輪上板框的框緣處分別設置一延伸翼上軸承座以樞接各該延伸翼的一上延伸節點。
6. 如請求項1所述之渦輪發電裝置，其中該渦輪下板框的框緣處分別設置一延伸翼下軸承座以樞接各該延伸翼的一下延伸節點。
7. 一種渦輪發電組，係包括複數個如請求項1所述之渦輪發電裝置與複數個結合架，各該渦輪發電裝置的中心內軸係設置於任二結合架之間，藉由該結合架的一固定插槽固定該渦輪發電裝置的中心內軸且各結合架間係連接數個柱體。
8. 如請求項7所述之渦輪發電組，其中該結合架係包括一三角外框與一固定插槽，該固定插槽與該三角外框之間連接複數根連接桿。