TWI606178B - Power generator - Google Patents

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    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70Wind energy
    • Y02E10/74Wind turbines with rotation axis perpendicular to the wind direction

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  • Wind Motors (AREA)

Description

發電裝置
本發明係關於一種發電裝置,特別是一種旋轉式發電裝置。
由於地表空氣受熱後之空氣流動後會形成風,而風力發電裝機即係將風力轉換成電力之裝置。在習知風力發電機組之技術中,有水平軸式及垂直軸式風力發電機二種。
然而,無論係水平軸式或垂直軸式風力發電機,為獲得較大之風力發電效能,通常係以增加葉片受風面積為一重要之手段,如此將使得葉片尺寸巨型化。為了降低巨型化之葉片重量,習知技術即以高分子複合材料為原料,透過模製一體成型出巨型之葉片。而為了確保葉片之強度,習知技術必須以大型且笨重之模具來進行巨型葉片之模製程序,以獲得一體成型之完整單一葉片。
另外,習知垂直風力發電裝機具有一極大之缺點,即是,習知風力發電裝機僅可在一側之葉片上受風力,亦即,習知風力發電裝機之葉片之受風區域利用程度相當低,無法有效地利用風能,因此發電效能較低。
因此,有必要提供一創新且具進步性的發電裝置,以解決上述問題。
本發明係提供一種發電裝置,包括一軸柱及至少二葉片單元。該等葉片單元套設於該軸柱,且能繞該軸柱轉動,相鄰葉片單元轉動 之方向相反,每一葉片單元具有複數個臂部及複數個活動葉片,該等臂部自該軸柱朝外輻射延伸,每一活動葉片連接於相應臂部之一側,每一活動葉片於通過該軸柱之一第一徑向中心線後逐漸展開,且展開後不干涉相鄰葉片單元,該第一徑向中心線係平行一流體流向,每一活動葉片旋轉一旋轉角度後逐漸閉合。
藉由繞該軸柱反向轉動之相鄰葉片單元展開後之活動葉片,在該軸柱之二側形成有幾乎連續之受流體區域,如此可大幅增加受流體區域,以將流體能量之利用最大化,相較於習知發電裝置(如風力發電裝置)僅一側具有受流體區域,本發明之發電裝置可提升數倍於習知發電裝置之發電效能。
為了能夠更清楚瞭解本發明的技術手段,而可依照說明書的內容予以實施,並且為了讓本發明所述目的、特徵和優點能夠更明顯易懂,以下特舉較佳實施例,並配合附圖,詳細說明如下。
1‧‧‧本發明之發電裝置
11‧‧‧軸柱
12~17‧‧‧葉片單元
18‧‧‧基座
19‧‧‧軸柱之一第一徑向中心線
20‧‧‧軸柱之一第二徑向中心線
21‧‧‧磁性件
22‧‧‧傳感單元
23‧‧‧驅動單元
24‧‧‧太陽能板
121~171‧‧‧臂部
122~172‧‧‧活動葉片
122'‧‧‧活動葉片
231‧‧‧轉動裝置
2311‧‧‧馬達
2312‧‧‧齒輪
232‧‧‧轉動桿
M‧‧‧磁性軸套
W‧‧‧流體流向
圖1顯示本發明一實施例之發電裝置之示意圖;圖2a至2d顯示本發明一實施例之發電裝置之葉片單元運作過程之俯視圖;圖3至圖5顯示本發明具有不同組數臂部及活動葉片之葉片單元,其活動葉片完全閉合之時點之示意圖;圖6及圖7顯示本發明一實施例中設置有驅動單元之葉片單元之示意圖;及圖8顯示本發明另一實施例之發電裝置之示意圖。
參考圖1,其顯示本發明一實施例之發電裝置之示意圖。本發明之發電裝置包括一軸柱及至少二葉片單元。在圖1所示之實施例中,其用於發電之流體係為氣體(如風),可理解的是,在其他應用中,用 於發電之流體可為液體,但不以此為限。
該發電裝置1包括一軸柱11及六個葉片單元12~17。該軸柱11固設於一基座18。該等葉片單元12~17套設於該軸柱11,且該等葉片單元12~17能繞該軸柱11轉動,在本實施例中,相鄰葉片單元轉動之方向相反,例如:相鄰葉片單元12、13繞該軸柱11轉動之方向相反,相鄰葉片單元13、14繞該軸柱11轉動之方向相反...,相鄰葉片單元16、17繞該軸柱11轉動之方向相反。在本實施例中,該等葉片單元12~17分別具有一磁性軸套M,各該磁性軸套M間隔套設於該軸柱11,該等葉片單元12~17係分別透過各該磁性軸套M繞該軸柱11轉動,但不以此方式為限。
在本實施例中,該等葉片單元12~17之結構相同,僅以該葉片單元12為例進行說明,其他葉片單元13~17在此不再加以敘述。
圖2a至2d顯示本發明一實施例之發電裝置之葉片單元運作過程之俯視圖。配合參考圖1及圖2a至2d,該葉片單元12具有複數個臂部121及複數個活動葉片122,該等臂部121自該軸柱11朝外輻射延伸,且各該臂部121的一端固設於該磁性軸套M,每一活動葉片122連接於相應臂部121之一側。
每一活動葉片122於通過該軸柱11之一第一徑向中心線19後沿一展開方向(在圖2a至2d中為垂直紙面之方向)逐漸展開,該展開方向實質上垂直該第一徑向中心線19,該第一徑向中心線19係平行一流體流向W。然而,展開後之活動葉片122不干涉相鄰葉片單元13。相對於該第一徑向中心線19,每一活動葉片122旋轉一旋轉角度後逐漸閉合。
請再參閱圖1,為防止該等葉片單元12~17因自身重力影響而堆疊在一起,以致轉動時發生相互摩擦,在本實施例中,該發電裝置1另包括複數個磁性件21,各該磁性件21設置於各該磁性軸套M之間, 且各該磁性件21之磁性係與各該磁性軸套M之磁性相同,以利用同性相斥原理所產生之磁浮效果,讓各該磁性軸套M彼此分離,進而可防止該等葉片單元12~17堆疊及相互摩擦。
要注意的是,本發明之發電裝置之每一葉片單元可具有二組、三組、四組、五組或更多組之臂部及活動葉片。在本實施例中,該發電裝置1之該葉片單元12具有四組之臂部121及活動葉片122及122'(如圖2a至2d所示)。
當一活動葉片122通過該第一徑向中心線19後,該活動葉片122開始逐漸展開(如圖2a所示),以增加受流體面積。較佳地,該活動葉片122在該旋轉角度θ為45度之前完全展開(如圖2b所示),使得後續之受流體面積持續為最大。當該旋轉角度θ接近135度時〔該活動葉片122與相鄰活動葉片122'(下一個通過該第一徑向中心線19之活動葉片)對稱於該軸柱11之一第二徑向中心線20〕,該活動葉片122開始逐漸閉合(如圖2c及圖2d所示),因為此時下一個活動葉片122'已經擋住了該活動葉片122之受流體路徑,該活動葉片122幾乎無法受到流體動力,且若此時該活動葉片122維持展開狀態,反而會產生阻力而降低能量產生效率。
因此,較佳地,當該活動葉片122與相鄰活動葉片122'所在之臂部對稱於該軸柱11之該第二徑向中心線20時,該活動葉片122進行閉合。
在以下圖3至圖5中,係以如上述之葉片單元12及其元件符號為例,說明具有不同組數臂部及活動葉片之葉片單元,其活動葉片閉合之時點。
參考圖3,其顯示本發明發電裝置之每一葉片單元12具有二組臂部121及活動葉片122之示意圖,較佳地,當旋轉角度θ為180度時,該活動葉片122係完全閉合。參考圖4,其顯示本發明發電裝置之每一葉 片單元12具有三組臂部121及活動葉片122之示意圖,較佳地,當旋轉角度θ為150度時(亦即,該第一徑向中心線19與該第二徑向中心線20之夾角角度90o+該活動葉片122與相鄰活動葉片122'所在之臂部的二分之一夾角角度60o),該活動葉片122係開始閉合,並且在旋轉角度θ至180度之前完全閉合。參考圖5,其顯示本發明發電裝置之每一葉片單元12具有五組臂部121及活動葉片122之示意圖,較佳地,當旋轉角度θ為126度時(亦即,該第一徑向中心線19與該第二徑向中心線20之夾角角度90o+該活動葉片122與相鄰活動葉片122'所在之臂部的二分之一夾角角度36o),該活動葉片122係開始閉合,並且在旋轉角度θ至180度之前完全閉合。其他具有不同組數臂部及活動葉片之葉片單元,其活動葉片閉合之時點以此類推。
當一活動葉片122開始展開至旋轉角度θ小於90度時(如圖2a及2b所示),受該活動葉片122阻擋之流體會使得每一活動葉片122可產生較大之轉動力矩,藉此產生較大之能量。
圖6及圖7顯示本發明一實施例中設置有驅動單元之葉片單元之示意圖。配合參考圖1、圖6及圖7,在本實施例中,該發電裝置1另包括至少一傳感單元22及複數個驅動單元23。該傳感單元22設置於該軸柱11上,較佳地,該傳感單元22設置於該軸柱11之頂部(但不以此為限),用以測量該流體流向、流體流速及活動葉片122之位置。在本實施例中,每一驅動單元23設置於相應臂部121且連接相應之活動葉片122,並依據該流體流向及相應之活動葉片122位置控制該活動葉片122之展開,或依據該流體流向及相應之活動葉片122之旋轉角度控制該活動葉片122之閉合。
此外,在本實施例中,各該驅動單元23包括一轉動裝置231及二轉動桿232,各該轉動裝置231設置於各該臂部121,該等轉動桿232連接各該轉動裝置231,且該等轉動桿232能帶動活動葉片,在本實施例 中,該等轉動桿232係連接活動葉片。較佳地,各該驅動單元23之轉動裝置231包括一馬達2311及二齒輪2312,該馬達2311能驅動其中之一齒輪2312,該等齒輪2312相互嚙合,且各該驅動單元231之轉動桿232連接各該齒輪2312。
當該馬達2311驅動其中之一齒輪2312時,該等齒輪2312之旋轉方向係會相反(一順時針旋轉,另一逆時針旋轉),以帶動各該轉動桿232往各自相應方向旋轉,進而能帶動活動葉片進行展開或閉合動作。如圖6所示,該等活動葉片122之展開角度約為180度。另如圖7所示,該等活動葉片122呈現逐漸閉合狀態。
配合參閱圖1、圖6及圖7,該傳感單元22另可用以測量一流體流向偏擺角度(即不同時間點測得不同流體流向之角度差)。每一驅動單元23可依據該流體流向、該流體流向偏擺角度及相應之活動葉片122位置控制該活動葉片122之展開,或依據該流體流向、該流體流向偏擺角度及相應之活動葉片122之旋轉角度控制該活動葉片122之閉合。
舉例說明,該流體流向偏擺角度為5度,可控制該活動葉片122通過該第一徑向中心線19後延遲至少5度才展開,較佳地可進一步考慮增加一安全角度,例如該流體流向偏擺角度為5度、安全角度為2度,則可控制該活動葉片122延遲7度之後才展開,如此可避免展開後之活動葉片122與相鄰葉片單元(例如:葉片單元13)產生干涉。
再參考圖1,繞該軸柱11反向轉動之該等葉片單元12~17,其展開後之活動葉片122~172在該軸柱11之二側形成有幾乎連續之受流體區域,如此可大幅增加受流體區域,以將流體能量之利用最大化,相較於習知發電裝置(如風力發電裝置)僅一側具有受流體區域,本發明之發電裝置1可提升數倍於習知發電裝置之發電效能。
在本發明發電裝置1之運作過程中,展開之活動葉片122~172阻擋流體後進行轉動,而轉動之動力可直接或間接傳輸至一負載裝置 (未圖示),使得該負載裝置轉動做功,以完成流體發電過程。可理解的是,該負載裝置不僅可作為發電之用,亦可作為機械能或其他任何形式之能量轉換之用。
動力傳輸之方式可以是,將一動力輸出裝置(例如:傳動皮帶)連接該等葉片單元12~17之磁性軸套M及該負載裝置,由該動力輸出裝置間接傳輸動力至該負載裝置。可理解的是,動力之傳輸及電力之傳輸可為任何適當之方式,並不限定為上述之方式。
可理解的是,本發明之發電裝置1可另包括至少一太陽能板24,該太陽能板24可設置於該軸柱11之頂部(如圖8所示)。該太陽能板24可實質上平行於地面。可理解的是,該太陽能板24較佳係可依據太陽光方向而調整,使得該太陽能板24之受光面可儘量垂直於太陽光方向,以獲取最大之太陽光能量,進而產生最大之電能。
如此,本發明之發電裝置1不僅可將流體能量之利用最大化,以獲得較佳之發電效能,並且可同時利用該太陽能板24將太陽光轉換為電能,藉此可增加產生電能之總量。
上述實施例僅為說明本發明之原理及其功效,並非限制本發明,因此習於此技術之人士對上述實施例進行修改及變化仍不脫本發明之精神。本發明之權利範圍應如後述之申請專利範圍所列。
1‧‧‧本發明之發電裝置
11‧‧‧軸柱
12~17‧‧‧葉片單元
18‧‧‧基座
21‧‧‧磁性件
22‧‧‧傳感單元
23‧‧‧驅動單元
121~171‧‧‧臂部
122~172‧‧‧活動葉片
M‧‧‧磁性軸套

Claims (9)

  1. 一種發電裝置,包括:一軸柱;至少二葉片單元,套設於該軸柱,且能繞該軸柱轉動,相鄰葉片單元轉動之方向相反,每一葉片單元具有複數個臂部及複數個活動葉片,該等臂部自該軸柱朝外輻射延伸,每一活動葉片連接於相應臂部之一側,每一活動葉片於通過該軸柱之一第一徑向中心線後逐漸展開,且展開後不干涉相鄰葉片單元,該第一徑向中心線係平行一流體流向,每一活動葉片旋轉一旋轉角度後逐漸閉合,各該葉片單元另具有一磁性軸套,各該磁性軸套間隔套設於該軸柱,各該葉片單元之臂部的一端固設於各該磁性軸套;及複數個磁性件,各該磁性件設置於各該磁性軸套之間。
  2. 如請求項1之發電裝置,其中當每一葉片單元之一活動葉片所在之臂部旋轉至與相鄰的下一個活動葉片所在之臂部對稱於該軸柱之一第二徑向中心線,該活動葉片進行閉合,該第二徑向中心線垂直該第一徑向中心線。
  3. 如請求項1之發電裝置,另包括至少一傳感單元,該傳感單元係設置於該軸柱上,用以測量該流體流向、流體流速及活動葉片位置。
  4. 如請求項3之發電裝置,另包括複數個驅動單元,每一驅動單元設置於相應臂部,且每一驅動單元依據該流體流向及活動葉片位置控制活動葉片之展開,或依據該流體流向及每一活動葉片之旋轉角度控制活動 葉片之閉合。
  5. 如請求項3之發電裝置,其中該傳感單元另用以測量一流體流向偏擺角度。
  6. 如請求項5之發電裝置,另包括複數個驅動單元,每一驅動單元設置於相應臂部,且每一驅動單元依據該流體流向、該流體流向偏擺角度及活動葉片位置控制活動葉片之展開,且依據該流體流向、該流體流向偏擺角度及每一活動葉片之旋轉角度控制活動葉片之閉合。
  7. 如請求項4或6之發電裝置,其中各該驅動單元包括一轉動裝置及至少一轉動桿,各該轉動裝置設置於各該臂部,各該轉動桿連接各該轉動裝置,且各該轉動桿能帶動活動葉片。
  8. 如請求項7之發電裝置,其中各該驅動單元之轉動裝置包括一馬達及二齒輪,該馬達能驅動其中之一齒輪,該等齒輪相互嚙合,各該驅動單元之轉動桿連接各該齒輪。
  9. 如請求項1之發電裝置,其中各該磁性件之磁性係與各該磁性軸套之磁性相同。
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