CN102828911A - 风洞式气流涡轮发电机 - Google Patents

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Abstract

一种风洞式气流涡轮发电机，包括一风洞装置，风洞装置包括由前而后连续设置的进气收缩管、测试段及排气扩散管，且进气收缩管的前端或排气扩散管的后端设有一风机，该风机与驱动马达连接；另，该测试段内设有气流涡轮机，气流涡轮机与发电机连接。借此，当电源导通以使驱动马达带动风机转动后，即会在风洞装置的测试段内形成高速的气流，驱使气流涡轮机转动，以产生电力，而该发电机所产生的所有电力，除了一部份是提供给驱动马达持续运转使用之外，多出的电力即能向外输出。

Description

风洞式气流涡轮发电机
技术领域
本发明是有关一种涡轮机发电机，尤指一种能以风机产生气流，再使气流加速后，以进行发电的风洞式气流涡轮发电机。
背景技术
近年来由于地球的石油即将面临耗尽的危机，世界各国皆不断的积极开发风力、水力、地热或太阳能等利用天然资源以产生电力能量的方法，以此来缓减石油能源消耗的速度。
其中，针对风力发电而言，一般是以增大风力发电涡轮机的涡轮叶片扫风面积做为增加发电功率的努力方向，而依据发电功率的计算公式：发电功率＝1/2(涡轮有效系数)×(空气密度)×(圆周率)×(涡轮半径)2×(风速)3，可知增加涡轮半径而使得涡轮叶片的扫风面积增加确实可以提高发电功率。只是，在实际应用时，涡轮半径增加得太大，相对的将使得整个风力发电涡轮机组的体积重量加大，大幅增加制造成本。
有鉴于此，为了改善上述之缺点，使风洞式气流涡轮发电机不但能在不使用风力的状态下，利用高速的气流以进行发电，且可减少发电涡轮机的体积重量，发明人积多年的经验及不断的研发改进，遂有本发明之产生。
发明内容
本发明之主要目的在提供一种能利用风洞装置所形成的文氏管效应，使高速的气流推动气流涡轮机转动，以进行发电的风洞式气流涡轮发电机。
本发明之次要目的在提供一种能直接以风机产生气流，再使气流加速，以进行发电的风洞式气流涡轮发电机。
本发明之又一目的在提供一种能将风洞装置直接容纳在一容器内，以方便使用者携带的风洞式气流涡轮发电机。
本发明之再一目的在提供一种能在有风状态时，以风力涡轮机驱使风机转动，让风机产生气流，再使气流加速，以进行发电的风洞式气流涡轮发电机。
为达上述发明之目的，本发明所设的风洞式气流涡轮发电机是包括一风洞装置、一驱动马达、一气流涡轮机以及一发电机。其中，该风洞装置包括一测试段，测试段的前端设有一进气收缩管，测试段的后端设有一排气扩散管；该连续设置的进气收缩管、测试段及排气扩散管内的气流是以风机进行强制导引，且进气收缩管的前端设有整流器，供整理进气成为层流。该驱动马达分别与风机及电源连接，以提供风机初始转动之动力；该气流涡轮机是设于风洞装置的测试段内；而该发电机是与气流涡轮机连接，供气流涡轮机转动时进行发电。
实施时，进气收缩管及排气扩散管分别为锥形管，进气收缩管较细的一端与测试段的前端连接，而排气扩散管较细的一端与测试段的后端连接。
实施时，该风机是设于进气收缩管的前端，所述的风机亦可设于排气扩散管的后端，同样可以强制导引气流通过测试段内的气流涡轮机，以进行发电。
实施时，该整流器是呈蜂巢状。
实施时，该风洞装置亦可为连续闭合式，亦即进气收缩管的前端与排气扩散管的后端连通，以形成连续循环的气流。
实施时，本发明更包括一容器，供容纳风洞装置于其中。
实施时，本发明更包括一风力涡轮机，其是与风机连接，以驱使风机转动。
实施时，更包括一控制器，该控制器分别与该电源、驱动马达及发电机呈电连接，能在发该电机达到预定的输出电力后，中断电源输出电力给驱动马达。
为便于对本发明能有更深入的了解，兹详述于后：
附图说明
图1为本发明的第一实施例的剖面示意图。
图2为本发明的第一实施例的使用状态图。
图3为本发明的第二实施例的剖面示意图。
图4为本发明的第三实施例的使用状态图。
图5为本发明的第四实施例的剖面示意图。
图6为本发明的第五实施例的剖面示意图。
【主要元件符号说明】
Figure BSA00000515559200031
具体实施方式
请参阅图1所示，其为本发明风洞式气流涡轮发电机1的第一实施例，是包括一风洞装置2、一整流器3、一风机4、一气流涡轮机5、一发电机6、一驱动马达7以及一控制器8。
该风洞装置2为连续开放式(Continuous Open-Circuit Type，COCWT)，包括由前而后连续设置的一进气收缩管21、一测试段22及一排气扩散管23。其中，进气收缩管21及排气扩散管23分别为锥形管，且进气收缩管21的前端较粗，进气收缩管21的前端内设有蜂巢状的整流器3，进气收缩管21的后端较细，该较细的一端是与测试段22的前端连接。而排气扩散管23较细的前端是与测试段22的后端连接，排气扩散管23较粗的后端内设置一风机4。该测试段22为圆形管，该气流涡轮机5是同轴定位在测试段22内，而发电机6是设于测试段22的外部，且该气流涡轮机5经由一传动装置51以与发电机6连接。实施时，该传动装置51为一齿轮变速箱，该齿轮变速箱为数个具不同齿数的齿轮所组成，以借助不同齿数比降低输出转速。所述的传动装置51亦可为数个具不同直径的皮带轮以皮带连接而成，同样可以在气流涡轮机5转动时，传送动力给发电机6。另，该发电机6亦可同轴连接在气流涡轮机5的后端，同样可让发电机6发电。
该驱动马达7是同轴固定在风机4的后端，以供电源9导通时，以驱动马达7带动风机4转动，使风洞装置2内形成由前端向后端流动的气流。实施时，该驱动马达7亦可与风机4分离，并经由间接连动的减速装置使风机4转动。而该控制器8是分别与电源9、驱动马达7及发电机6呈电连接。
借此，如图2所示，当电源9导通使驱动马达7转动，以提供风机4初始转动之动力时，即可在风洞装置2内形成强制导引的气流，让气流由风洞装置2的前端向后端的方向流动；借助进气收缩管21前端的整流器3的整流作用，即可整理进气成为顺畅的层流；而借助文氏管效应，则可使气流在风洞装置2的测试段22内高速流动，以推动气流涡轮机5的叶片转动，并带动发电机6进行发电。
此时，当发电机6持续发电，并达到控制器8所预先设定的输出电力后，在控制器8的控制下，即会中断电源9的输出，改由发电机6提供给驱动马达7持续运转的电力。而由于发电机6运转所产生的电力远大于提供给驱动马达7持续运转的电力，因此，多余的电力部份即可向外输出。
实施时，该电源9为电池组，所述的电源9亦可为辅助交流发电机组(AC Auxiliary Power Unit)；该发电机6亦可以一机两用的起动发电机(Starter/Generator)取代。而该风机4亦可设置于进气收缩管21的前端，同样可以具有强制导引气流的作用。
在上述结构中，根据空气动力学的原理，定量空气以等熵流动(Isentropic Flow，无热能进出)通过本发明的测试段22内的气流涡轮机5时，其能量关系表示如下：
mCPT+1/2mV2＝Constant
m：定量空气的质量
CP：定量空气的等压比热
T：定量空气的绝对温度
V：定量空气的流速
mCPT：定量空气的内能
1/2mV2：定量空气的动能
在0～30℃的常温下，上述定量空气的内能约为其动能之数百倍，而在实验显示定量空气通过本发明的气流涡轮机5后，空气温度会略微下降，表示其所含内能部份转化为气流涡轮机5的叶片转动的动能，因此符合能量不灭定率。
请参阅图3所示，其为本发明风洞式气流涡轮发电机1的第二实施例，其中，该气流涡轮机5后端的排气扩散管23的内壁上是设有一边界层吸出器(Boundary Layer Sucker)231，借以吸出因受气流涡轮机5的叶片搅乱而贴住或靠近排气扩散管23内壁的气流边界层，使气流向后顺畅流动。该进气收缩管21的前端内部设有一加热器211，借以在进入进气收缩管21内的温度过低时，对通过进气收缩管21的气流加热，以防止气流降至0℃以下水气结冰，而造成气流涡轮机5的叶片损坏。实施时，该加热器211亦可设置在整流器3的内部，同样可以对通过进气收缩管21的气流加热。另，该排气扩散管23的外周缘是套接一热交换器232，借以在通过测试段22内的气流温度下降并通过排气扩散管23的内部时，提供外界管路的热交换使用。
请参阅图4所示，其为本发明风洞式气流涡轮发电机1的第三实施例，其与第一实施例不同之处在于：第一实施例的风洞装置2为连续开放式，而本实施例的风洞装置2为连续闭合式(ContinuousClosed-Circuit Type，CCCWT)，亦即，本实施例的进气收缩管21的前端是与排气扩散管23的后端连通，以形成气流的循环管路。
请参阅图5所示，其为本发明风洞式气流涡轮发电机1的第四实施例，其中，该风洞装置2、整流器3、风机4、气流涡轮机5、发电机6、驱动马达7及控制器8皆以微型化，以供容纳于一容器91内。借此，当本发明置放于室外时，可以独立供电，而置放于室内时，则可取代一般的电力。
请参阅图6所示，其为本发明风洞式气流涡轮发电机1的第五实施例，其中，该风机4的后方是连接一加速装置92，该加速装置92的后端连接一风力涡轮机93。实施时，该加速装置92为一齿轮变速箱，该齿轮变速箱为数个具不同齿数的齿轮所组成，以借助不同齿数比提高输出转速。所述的加速装置92亦可为数个具不同直径的皮带轮以皮带连接而成，同样可以在风力涡轮机93转动时，经由加速装置92提高风机4的转动速率。
此时，当风力涡轮机93因风力转动，控制器8即会中断电源9的输出，以停止驱动马达7输出动力给风机4。但风机4仍可以经由风力涡轮机93的驱动，迫使空气由进气收缩管21的前端加速通过排气扩散管23，从而使发电机6持续发电，让发电机6所产生的电力完全向外输出。
请参阅下表所示，为世界著名的连续穿音速风洞(ContinuousTransonic Wind Tunnels，TWT)的测试段的各项数据。
Figure BSA00000515559200071
Figure BSA00000515559200081
其中，当气流涡轮机5置入世界著名的连续穿音速风洞(ContinuousTransonic Wind Tunnels，TWT)的测试段，以形成本发明的具体结构时，其发电功率计算如下。
(1)以NASA的闭合式连续穿音速风洞(TCCWT)为例，当本发明的气流涡轮机5置入该风洞的测试段内，且该测试段的截面积与气流涡轮机5的叶片的扫风面积相同时，依发电功率的公式计算如下：
发电功率＝1/2(0.3)(1.21)(16×16×0.0929)(1.12×341)3＝238MW(百万瓦)
其中，去除包括风机动力及气流在风洞装置2内部的摩擦、乱流损失大约为28MW之后，本发明在此种风洞型式的发电效率为(238-28)/238＝88.24％
(2)以俄国型号T-108的闭合式连续穿音速风洞(TCCWT)为例，当本发明的气流涡轮机5置入与该风洞具有相同面积的测试段后，
发电功率＝1/2(0.3)(1.21)(1×1)(1.7×341)3＝35(MW)
发电效率为(35-16.88)/35＝51.77％
(3)以日本三菱重工的开放式连续穿音速风洞(TOCWT)，当本发明的气流涡轮机5置入与该风洞具有相同面积的测试段后，
发电功率＝1/2(0.3)(1.21)(2×2)(1.4×341)3＝78.34(MW)
发电效率为(78.34-28.13)/78.34＝64％
(4)以澳洲AMRL实验室的闭合式连续穿音速风洞(TCCWT)为例，当本发明的气流涡轮机5置入与该风洞具有相同面积的测试段后，
发电功率＝1/2(0.3)(1.21)(0.8×0.8)(1.6×341)3＝18.71(MW)
发电效率为(18.71-6.63)/18.71＝64.56％
(5)以南非CSIR的闭合式连续穿音速风洞(TCCWT)为例，当本发明的气流涡轮机5置入与该风洞具有相同面积的测试段后，
发电功率＝1/2(0.3)(1.21)(1.5×1.5)(1.4×341)3＝44(MW)
发电效率为(44-25)/44＝43.18％
由上述计算结果可知，当本发明以气流涡轮机5置入各种型式的风洞的测试段内时，皆可具有高发电效率，以向外输出。
因此，本发明具有以下之优点：
1、本发明能利用风洞装置所形成的文氏管效应，使高速的气流推动气流涡轮机转动，以进行发电，因此，不但不会消耗能源，且在发电过程中，也不会排放污染物，相当符合环保之要求。
2、本发明是直接以风机产生气流，再使气流加速，以进行发电，因此，在发电时并不会受到外在环境的限制。
3、当本发明的风洞装置及各元件微型化之后，即可直接容纳在一容器内，因此，不但能方便使用者携带，且能方便在室内或室外使用电力。
4、本发明在有风状态时，能以风力涡轮机驱使风机转动，让风机产生气流，再使气流加速，以进行发电，因此，可以节省驱动马达的电力消耗，以输出更多的电力。
综上所述，依上文所揭示之内容，本发明确可达到发明之预期目的，提供一种不但能在不使用风力的状态下，利用高速的气流以进行发电，且可方便使用者携带的风洞式气流涡轮发电机，极具产业上利用之价值。

Claims (10)

1.一种风洞式气流涡轮发电机，其特征在于，其包括：
一个风洞装置，包括一个测试段，该测试段的前端形成一个进气收缩管，该测试段的后端形成一个排气扩散管，该连续设置的进气收缩管、测试段及排气扩散管内的气流是以风机进行强制导引，且该进气收缩管的前端是设有一个供整理进气成为层流的整流器；
一个驱动马达，分别与风机及电源连接以提供风机初始转动之动力；
一个气流涡轮机，设于风洞装置的测试段内；以及
一个发电机，与气流涡轮机连接以供气流涡轮机转动时进行发电。
2.根据权利要求1所述的风洞式气流涡轮发电机，其特征在于，该进气收缩管及排气扩散管是分别为锥形管，该进气收缩管较细的一端是与测试段的前端连接，而排气扩散管较细的一端是与测试段的后端连接。
3.根据权利要求1或2所述的风洞式气流涡轮发电机，其特征在于，该风机设于进气收缩管的前端。
4.根据权利要求1或2所述的风洞式气流涡轮发电机，其特征在于，该风机设于排气扩散管的后端。
5.根据权利要求1或2所述的风洞式气流涡轮发电机，其特征在于，该整流器呈蜂巢状。
6.根据权利要求1或2所述的风洞式气流涡轮发电机，其特征在于，该进气收缩管的前端与排气扩散管的后端连通。
7.根据权利要求1或2所述的风洞式气流涡轮发电机，其特征在于，该排气扩散管的外周缘套接一个热交换器。
8.根据权利要求1或2所述的风洞式气流涡轮发电机，其特征在于，更包括一个容器，供容纳风洞装置于其中。
9.根据权利要求1或2所述的风洞式气流涡轮发电机，其特征在于，更包括一个控制器，该控制器分别与该电源、驱动马达及发电机呈电连接，能在发该电机达到预定的输出电力后，中断给驱动马达的电源输出电力。
10.根据权利要求1或2所述的风洞式气流涡轮发电机，其特征在于，更包括一个风力涡轮机，与风机连接，以驱使风机转动。
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