CN112145341A - 垂直轴式风力发电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种垂直轴式风力发电机，其水平方向的叶片具有内、外部集风叶片，运作时较不受空间及环境的限制，仅需微小风力即可垂直转动，当风力小于叶片与固定盘上磁铁的磁力时，会呈现开放状态，以增大受风面积；但当风力增强到大于叶片与固定盘上磁铁的磁力时，离心力会使叶片闭合成为球型，该复数叶片展开呈球形具有强化扭力效果，此时仅有外部集风叶片受风的面积为最小化，自然达到稳定风力发电机的转速，当风速减弱后，该复数叶片又回转到开放状态，使每个叶片都能于第一固定盘与第二固定盘的角度限位槽间做弧形轨迹摆动，凭借该复数叶片的调整来迎合风力达到设定转速范围，以保护风力发电机机构及延长风力发电机寿命为目的。

Description

垂直轴式风力发电机

技术领域

本发明涉及一种垂直轴式风力发电机，尤指一种应用于中、小型风力发电机，而风力发电机设置有水平方向转动的复数叶片，水平方向的叶片于运作时较不受空间及环境的限制，仅需微小风力即可转动的风力发电机。

背景技术

工业科技得以长足的进步，很大的部分是归功于电力的发明，由于电力可供一般家庭及产业使用，随着各种制造业的兴起及追求智能家电的生活，全球的电力消耗几乎年年都在成长，也因此也造成极大的电力缺口，各国传统电力主要来源不外乎是火力发电及核能发电，火力发电必须消耗极多的燃油，势必造成燃油资源的枯竭，同时又造成极大的空气污染；核能发电是发电最有效率的能源，但随着全球不定时的核能灾害，加强了人们对于核能的的恐惧，反核的声浪也随之高涨，造成各国极力找替代能源来取代前述二种主力能源。

替代能源又称为绿色能源，是利用自然环境的各种力量来推动发电机或进行电力的储存，绿色能源主要为太阳能、风力、水力及海浪，其中风力发电系通过风力带动扇叶旋转，旋转的所产生的机械能经由发电机作动以转换成电能。一般大型水平轴式风力发电机结构为一高耸的支撑柱，再于支撑柱上端设置一垂直方向的十字形扇叶，凭借强劲的风力方能驱动扇叶转动，该种大型风力发电机体积大、成本高及设置地点受限(多半为海边或风力强劲地区)，故无法进行推广普及。再者，该种大型风力发电机的扇叶为固定式，无法随着风向做调整，当风力太强的时候，风力发电机也是无法运转的，并不是风力发电机的问题，而是怕风力过强，会造成转数过快，超过了发电机的额定转数，会使发电机烧毁，所以在风力太强时，大型风力发电机也是无法运转的，因此风力条件无法配合时，会造成大型风力发电机无法运作，直接影响了发电效能，季节及气侯的变动一直是绿色能源最大的变数，制作出能使外界环境不利因素影响较小的风力发电机，是从事此行业者所努力的目标。

现有垂直轴式风力发电机如图1所示是现有的风力发电机整体结构图，主要包含一翼型叶片1、一旋转轴11、一支撑梁12、一发电机组13及立向塔架14。风力发电机系在一立向塔架14上端所结合的一风力发电机组13，主要是一旋转轴11于周缘辐射状设有复数翼型叶片1，所述的这些翼型叶片1系呈弯弧翼形状，且该旋转轴11向与风的行进方向垂直，据使该翼型叶片1受到风力吹拂时，得以引动该旋转轴11旋转，进而驱动发电机组13运转。然而季风的风向随着季节的转变各有不同，当风向改变而翼型叶片1无法调节改变来对应时，翼型叶片1经常受到偏斜风向的推力勉强运转时，容易使翼型叶片1因不正常的应力而受伤损坏产生疲劳、老化等问题。另一方面，一般翼型叶片1大小尺寸和设计形状是固定的，在风速较低时因翼型叶片1面积不够大，拦阻风能不良，致使发电机组13无法充份发挥功效；其次，风力机所提供给发电机组13的机械能，系随着风速的增强而增强，当遇到疾风以上(＞14m/s)，为避免伤害发电机组13及充电***，必须停止旋转或调整叶片受风角度。许多风力发电机的额定风速设在约12m/s，而停止发电风速设在约15m/s，两者差距不大，难得有较强的风速而期望能转速满载发电时，却往往又遭遇到必须防止运转过速而刹车的缺点，影响发电效率及总发电量。是故，本案发明人为改善上述目前翼型叶片1强度及发电机组13稳定性能等缺点，积极进行研究实用新型设计、制造一种质轻高强度且加工省时，凭借翼型叶片1结构拦截风能的方式来达到风速较低转速时能够产生良好的机械能，并且翼型叶片1的风阻也可以随着风速的增强而调整，因此，可将风力发电机和发电机组13的匹配从微风到强风都能保持在安全匹配范围内的调整来迎合风力自动达到设定转速范围，以保护风力发电机机构及延长风力发电机寿命及效率为目的，经多方试验后终得创新且可供产业利用，是为本发明所欲解决的课题。

发明内容

故，发明人有鉴于上述的问题与缺失，乃搜集相关资料，经由多方评估及考量，始设计出此种风力发电机的发明诞生。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种垂直轴式风力发电机，其特征在于，包括：

一发电机，利用风力驱动复数叶片带动一传动转轴以产生电力；以及

复数叶片，设置于该发电机的该传动转轴外部，受风力产生旋转来带动该传动转轴，该复数叶片一端形成一第一开口且其另一端形成有一第二开口，该第一开口顶侧设置有一第一固定盘，该第一固定盘与每个叶片通过一旋转支柱与一旋转柱进行枢接；该第二开口底侧设置有一第二固定盘，该第二固定盘与每个叶片通过该旋转支柱与该旋转柱进行枢接，并使每个叶片都能于该第一固定盘与该第二固定盘之间各具有的一角度限位槽做弧形摆动。

所述的垂直轴式风力发电机，其中，该复数叶片于闭合时呈一球体，且该复数叶片一端形成一第一开口，该复数叶片另一端形成一第二开口，该第一开口或该第二开口具有一中空开口直径，该第一开口至该第二开口的距离是一开口间距，该复数叶片所形成该球体水平方向最宽处是一横幅，该中空开口直径与该横幅具有一预定比值，使流入气流能够往该第一开口底侧及该第二开口顶侧处流散，该预定比值范围是1：1至1：3，若该预定比值数据趋近1：1，即代表椭圆体接近于圆柱体；若该预定比值数据趋近1：1.5，即代表椭圆体接近于球体；相对地，若预定比值数据趋近1：3，代表椭圆体接近扁椭圆体。

所述的垂直轴式风力发电机，其中，该发电机与该复数叶片的外部设有一机台骨架，该机台骨架上设有一圆环，该圆环由三个第一环片及三个第二环片所交错组成，每一个第一环片或每一个第二环片的二端都各设有一环片凸块及一环片凹槽，组装该三个第一环片、三个第二环片二端的该环片凸块及该环片凹槽，以形成环环相扣的该圆环，该三个第一环片、三个第二环片内环处设有复数极***错的一第四磁铁组。

所述的垂直轴式风力发电机，其中，该复数叶片内侧设置有一内部集风叶，用以增加该复数叶片开启时的受风面积，该内部集风叶与该叶片内侧的夹角范围是10至60度；而该复数叶片外侧各设置有一外部集风叶，用以增加该复数叶片闭合时的受风面积及维持时间，该外部集风叶与叶片外侧的夹角范围是10至60度，该叶片的左侧部分设有该内部集风叶及该外部集风叶，且该左侧部分的形状及重量大于该叶片右侧，以形成单方向旋转。

所述的垂直轴式风力发电机，其中，该复数叶片内嵌入同一极性的一第三磁铁组，且于该风力发电机外部圆环设置有复数极***错的一第四磁铁组，以使该第三磁铁组、该第四磁铁组之间产生相吸及相斥的力量，以辅助该复数叶片产生转动及抑止该复数叶片产生超速转动。

所述的垂直轴式风力发电机，其中，该第三磁铁组、该第四磁铁组之间产生相吸及相斥的力量时，于该复数叶片外侧该第三磁铁组左、右磁铁各都是以该复数叶片侧边为基准线的夹角与范围各以5度至15度与10度至20度的角度，全部装置同极性的永久磁铁或磁铁。

所述的垂直轴式风力发电机，其中，该第三磁铁组、该第四磁铁组之间产生相吸的力量时，该叶片外侧的该第三磁铁组以该叶片侧边为基准线的夹角范围为10度角至20度的角度在右方装置一个N极磁铁面向圆环内侧有两组该第四磁铁组，其中较高位置一第一组第四磁铁组以夹角范围为15度至30度的角度左方装置一个S极磁铁，形成磁铁面相互面对，并且安装在该圆环的磁铁以相同的对等角度装置才能彼此相吸引。

所述的垂直轴式风力发电机，其中，该第三磁铁组、该第四磁铁组之间产生相斥的力量时，该叶片外侧的第三磁铁组以该叶片侧边为基准线的夹角范围为以5度角至15度的角度在左方装置一个N极磁铁面向圆环内侧较低位置的一第二组第四磁铁组以夹角范围0度至10度的角度右方装置一个N极磁铁，形成磁铁面相互面对，并且安装在该圆环的磁铁以相同的对等角度装置才能彼此相斥。

所述的垂直轴式风力发电机，其中，该第一固定盘与该第二固定盘上设有与该旋转支柱与该旋转柱枢接的一旋转支柱孔洞与一角度限位槽，该角度限位槽的长宽弧度是叶片的移动范围，范围是以旋转支柱孔洞的中心为基准外扩5度～50度间。

所述的垂直轴式风力发电机，其中，该旋转柱上方嵌入磁铁，且于第一固定盘与第二固定盘嵌入磁铁，第一固定盘与第二固定盘的角度限位槽中，靠近外圆的孔则会嵌入第一磁铁，使其与叶片上旋转柱的磁铁产生相斥，靠近圆心的孔洞会嵌入第二磁铁，使内孔洞的磁铁与叶片上旋转柱的磁铁成为相吸，使该第一磁铁、第二磁铁之间产生相斥及相吸的力量，以辅助该复数叶片产生转动及抑止叶片产生超速转动，进而使复数的叶片同时间安定的自动关闭或打开。

本发明的主要优点乃在于提供一种垂直轴式风力发电机，其中风力发电机设置水平方向转动的复数叶片，水平方向的叶片于运作时较不受空间及环境的限制，仅需微小风力即可转动，该复数叶片的第一开口下方更设置有第一固定盘，第一固定盘与每个叶片通过一旋转支柱进行连接；第二开口上方设置有第二固定盘，第二固定盘与每个叶片通过一旋转支柱进行连接，并使每个叶片都能于第一固定盘与第二固定盘之间做弧形摆动，主体是靠着三支螺杆圆柱、方管三角板及圆环所支撑着，圆环的功效就是同时抓住三支螺杆圆柱，以稳定主体，解决受扭力不均所造成得晃动，同时凭借叶片的调整来迎合风力，以保护风力发电机机构及延长风力发电机寿命的目的。

本发明的次要优点乃在于该复数叶片内侧更各设置有一内部集风叶，用以增加该复数叶片打开状况时的受风面积，凭借叶片结构拦截风能的方式增加启动扭力，达到风速较低时能够产生良好的机械能，以达到微风即可快速运转效果。

本发明的另一优点乃在于该复数叶片外侧更各设置有一外部集风叶，用以维持该复数叶片闭合状况时的受风面积风能及定速运转时间，以保护风力发电机机构及延长风力发电机寿命及效率为目的。

本发明的再一优点乃在于该旋转柱上方嵌入磁铁，且于第一与第二固定盘嵌入磁铁，第一与第二固定盘的角度限位槽中，靠近外圆的孔则会嵌入第一磁铁，使其与叶片上旋转柱的磁铁产生相斥，靠近圆心的孔洞会嵌入第二磁铁，使内孔洞的磁铁与叶片上旋转柱的磁铁成为相吸，使该第一、二磁铁之间产生相斥及相吸的力量，以辅助该复数叶片产生转动及抑止叶片产生超速转动，进而使复数的叶片同时间安定的自动关闭或打开。

本发明的再一优点乃在于该复数叶片内嵌入同一极性的第三磁铁组，且于该风力发电机外部圆环结构设置有复数极***错(即指N极及S极磁铁交错设置)的一第四磁铁组，以使该第三、四磁铁组之间产生相吸及相斥的磁场合力，而类似于电动机(马达)的动作原理，以辅助该复数叶片产生微风启始转动及抑止叶片强风产生超速转动。

本发明的再一优点乃在于风力小于叶片上磁铁的磁力时，会呈现开放状态，以增大受风面积；但当风力增强到大于磁力时，会使叶片闭合成为球型；该复数叶片呈球形具有强化扭力效果，此时受风的面积为最小化，自然达到降低风力发电机的转速，当风速稳定后，该复数叶片又回到开放状态，且该叶片结构本身的左右侧边不等同重量差异，因应风力发电机旋转速度可以让复数的叶片同时间安定的自动打开或关闭，利用风力使叶片结构的左右侧边不等同重量差、叶片结构的内外气流压力差、离心力、磁铁的吸引力及排斥力等等的物理作用现象，当风力发电机旋转时可让复数的叶片同时间实现并维持长期安定的自动打开与关闭功效，使叶片失去部分挡风的作用，也降低帮助主轴运转的推力，达到风力过大时能够继续安全使用的目的。

附图说明

图1是现有的风力发电机整体结构图。

图2是本发明的风力发电机结构图。

图3是本发明的风力发电机叶片开启的俯视图。

图4是本发明的风力发电机叶片闭合的俯视图。

图5是本发明的风力发电机叶片闭合的立体图。

图6是本发明的第一固定盘的结构图。

图7是本发明的第二固定盘的结构图。

图8A是本发明的风力发电机的骨架结构图。

图8B是本发明的风力发电机的圆环零件结构图。

图8C是本发明的风力发电机组合结构图。

图9是本发明的风力发电机叶轮开启与圆环结构位置的俯视图。

图10是本发明的风力发电机叶轮闭合与圆环结构位置的俯视图。

图11是本发明的风力发电机的***图。

图12是本发明的风力发电机椭圆形叶轮型态的示意图。

图13是本发明的串接复数组风车单元的结构图。

附图标记说明：1-翼型叶片；11-旋转轴；12-支撑梁；13-发电机组；14-立向塔架；2-叶片；21-外部集风叶；22-内部集风叶；23-旋转支柱；24-旋转柱；25-磁铁；26-第三磁铁组；3-第一固定盘；31-角度限位槽；32-旋转支柱孔洞；33-第一磁铁；34-第二磁铁；35-滚珠轴承；36-下圆柱支撑盘；4-第二固定盘；41-角度限位槽；42-旋转支柱孔洞；43-第一磁铁；44-第二磁铁；45-滚珠轴承；46-上圆柱支撑盘；5-圆环；51-第一环片；52-第二环片；53-环片凸块；54-环片凹槽；55-环片圆孔；56-第四磁铁组；561-第一组第四磁铁组；562-第二组第四磁铁组；6-发电机；61-中心转轴；62-传动转轴；63-驱动转轴；64-联轴器；65-发电机固定盘；66-传动盘；7-机台骨架；71-下层方管三角板；72-中层方管三角板；73-上层方管三角板；74-下滚珠轴承座；75-上滚珠轴承座；76-六角螺丝帽；77-螺杆圆柱；78-脚柱盘；8-叶轮开口直径与横幅比例关系；81-圆柱体；82-球体；83-扁椭圆体；84-中空开口直径；85-开口间距；86-横幅；9-风车单元；91-第一风车叶轮单元；92-第二风车叶轮单元；93-第三风车叶轮单元；F-磁场合力；x1-内部集风叶与叶片内侧的夹角；x2-外部集风叶与叶片外侧的夹角；y1-第三磁铁组右方磁铁与叶片侧边的夹角；y2-第三磁铁组左方磁铁与叶片侧边的夹角；y3-第四磁铁组左方磁铁与叶片侧边的夹角；y4-第四磁铁组右方磁铁与叶片侧边的夹角；z-以中心转轴为基准而叶片旋转时开启角度。

具体实施方式

为达成上述目的及功效，本发明所采用的技术手段及其构造，兹绘图就本发明的较佳实施例详加说明其特征与功能如下，以利完全了解。

请参阅图2至图13所示，是本发明的风力发电机结构图、风力发电机叶片开启的俯视图、风力发电机叶片闭合的俯视图、风力发电机叶片闭合的立体图、第一固定盘的结构图、第二固定盘的结构图、风力发电机的骨架结构图、风力发电机的圆环零件结构图、风力发电机组合结构图、风力发电机叶轮开启与圆环结构位置的俯视图、风力发电机叶轮闭合与圆环结构位置的俯视图、风力发电机的***图、风力发电机椭圆形叶轮型态的示意图及串接复数组风车单元的结构图，由图中可清楚看出，其中本发明的垂直轴式风力发电机主要包括有一发电机6，其利用风力驱动一传动转轴62以产生电力，本发明的风力发电机构件及连接关系如下：

请参阅图2所示，是本发明的风力发电机结构图，其中风力发电机包括：风力发电机设置有水平方向转动的复数叶片2，该复数叶片2设置于该发电机6的该传动转轴62外部，受风力产生旋转来带动该传动转轴62，该复数叶片2于运作时较不受空间及环境的限制，仅需微小风力即可转动，位于该复数叶片2下方的第一开口底侧更设置有第一固定盘3，第一固定盘3与每个叶片2通过一旋转支柱23进行连接；位于该复数叶片2上方的第二开口顶侧设置有第二固定盘4，第二固定盘4与每个叶片2通过一旋转支柱23进行连接，并使每个叶片2都能于第一固定盘3与第二固定盘4之间做弧形摆动。风力发电机的主体依靠三支螺杆圆柱77、三个方管三角板(71、72、73)及一圆环5做一支撑，该圆环5的功能就是同时圈住三支螺杆圆柱77以稳定力发电机的主体，以解决受扭力不均所造成的晃动，同时凭借该复数叶片2的调整来迎合风力，以保护风力发电机及延长风力发电机寿命的目的。

请参阅图3至图7所示，该复数叶片2上组装有两种圆柱体，一种是旋转支柱23，另一种为旋转柱24，该旋转支柱23二端各安装有滚珠轴承(35、45)，而使旋转支柱23可以顺利有效做一圆周旋动，并让旋转柱24可以在第一、第二固定盘(3、4)角度限位槽(31、41)做一弧形摆动。且该旋转柱24上方嵌入磁铁，且于第一与第二固定盘(3、4)嵌入磁铁，第一与第二固定盘(3、4)的角度限位槽31中，靠近外圆的孔则会嵌入第一磁铁33，使其与叶片2上旋转柱24的磁铁产生相斥，靠近圆心的孔洞会嵌入第二磁铁34，使内孔洞的磁铁与叶片2上旋转柱24的磁铁成为相吸，使该第一、二磁铁(33、34)之间产生相斥及相吸的力量，以辅助该复数叶片2产生转动及抑止叶片产生超速转动，进而使复数的叶片2同时间安定的自动关闭或打开。

请特别参阅图3所示，是本发明的风力发电机叶片开启的俯视图，为了使该复数叶片2容易受风旋转，在该复数叶片2旋转方向的最前端的内侧装设有内部集风叶22，该复数内部集风叶22犹如帆船的帆一样利用迎合风向，以获得高效前进方向的动力，因设有内部集风叶22才能捕捉到从该复数叶片2开口处吹入风力发电机的风能，让该复数叶片2产生扭力更容易旋转，用以该复数叶片2开启时拦截风能的方式增加启动扭力的受风面积，以使风力发电机的周遭环境处于弱风状态时，仍能驱动该复数叶片2进行转动，而内部集风叶22与叶片内侧的夹角x1的夹角范围是10度角至60度角，且内部集风叶22的尺寸是依照叶片2的外形弧线尺寸而订定，内部集风叶22的设置结构及角度系应用伯努利定律(Bernoulli’sprinciple)，风压流速高者将向风压流速低者移动，以使叶片2更容易受风转动。内部集风叶22的设置角度为本发明风力发电机的重点，且内部集风叶22的设置角度会影响到风力发电机的叶片2的吃风量，目前本发明风力发电机是将内部集风叶22的最佳角度设为50度，这些都为本发明的保护范围。

请参阅图4至图5所示，是本发明的风力发电机叶片闭合的俯视图及立体图，其中该复数叶片2外侧更各设置有一外部集风叶21，而外部集风叶21与叶片2外侧的夹角范围x2是10度角至60度角，且外部集风叶21外观为长矩形的弧片体，用以增加该复数叶片2闭合时的受风面积，而维持该复数叶片2的闭合时间是为了防止强风直接吹袭时，风力发电机的该复数叶片2无法维持转动速度而开启，进而造成内部机构直接被吹袭而造成损坏，在风速缓和的前，如果风力发电机继续以球体旋转时，可确保风力发电机可持续发电且能确保其持续安全的旋转。而无风、微风时状态时，可让风力发电机容易旋转的各叶片2外侧的外部集风叶21，维持风力发电机在高速旋转时而形成球体状态下发挥继续旋转的效果，该复数叶片2的外部集风叶21是为了让高速旋转而形成球体形状中受到适度的风压，而实现持续安全的旋转，目前本发明风力发电机是将外部集风叶21的最佳角度设为30度，这些都为本发明的保护范围。

请参阅图6至图7所示，是本发明的第一及第二固定盘的结构图，其中球形叶片2于第一开口底侧及第二开口顶侧处各设置一固定盘的结构，其中第一开口底侧设置有第一固定盘3，第一固定盘3与每个叶片2通过一旋转支柱23进行连接；第二开口顶侧设置有第二固定盘4，第二固定盘4与每个叶片2通过一旋转支柱23进行连接，每个叶片2的旋转支柱23二端各安装有两个滚珠轴承(35、45)，使叶片2能于第一固定盘3与第二固定盘4之间做弧形摆动，通过第一固定盘3及第二固定盘4的设置，同时在第一固定盘3中心处锁固于一下圆柱支撑盘36，以及第二固定盘4中心处锁固于一上圆柱支撑盘46后，利用一中心转轴61同时串接于该下圆柱支撑盘36及该上圆柱支撑盘46以形成固定结构，并使风力发电机的整体结构更加稳固，不易受强风吹袭产生损坏。同时请参阅图12所示，该第一开口至该第二开口的距离是一开口间距85，该复数叶片2所形成该球体水平方向最宽处是一横幅86，可利用复数叶片2所形成叶轮的中空开口直径84与横幅86比例关系，该中空开口直径84与横幅具有一预定比值1：1至1：3之间，使流入气流可以往第一开口底侧及第二开口顶侧处的中空开口直径84流散，不会产生背压影响风力发电机运转。

请参阅图8A所示，是本发明的风力发电机的骨架结构图，其中风力发电机的机台骨架7包括有：第一固定盘3、第二固定盘4、圆环5、发电机6、中心转轴61、下层方管三角板71、中层方管三角板72、上层方管三角板73、下滚珠轴承座74、上滚珠轴承座75、螺杆圆柱77及脚柱盘78等零组件组合而成。请同时参阅图2、图8B所示，图8B是本发明的风力发电机的圆环零件结构图，可以看到于该发电机6与该复数叶片2的外部设有一机台骨架7，该机台骨架7上更设有一圆环5，该圆环5由三个第一环片51及三个第二环片52所交错组成，该三个第一、二环片(51、52)上两端都各设有一个环片凸块53及环片凹槽54。组装该三个第一、二环片(51、52)二端的该环片凸块53及该环片凹槽54，以形成环环相扣的该圆环5，该三个第一、二环片(51、52)内环处设有复数极***错(即指N极及S极磁铁交错设置)的一第四磁铁组56，再利用螺杆圆柱77贯穿环片孔洞55与对应六角螺丝帽76将三者互相锁固，以构成风力发电机的机台骨架7结构。风力发电机的该复数叶片2的开启与闭合是靠着风力大小来决定，当风力小于磁力时，风力发电机的该复数叶片2会呈现开启状态，以增加受风面积；当风力大于磁力，风力发电机的该复数叶片2就会呈现闭合状态，由于风力发电机内部并未设置任何叶片2的机械开关，所以叶片2的开启与关闭都仰赖外界风力强弱所产生离心力大小来决定。前述结构会造成一个问题，当风从一个特定方向来的时候，该复数叶片2的受风会有先后顺序，当该复数叶片2没有同时全数开启时，将造成受力不均的问题。连带使得机台骨架7产生些许的晃动，机台骨架7是靠着三支螺杆圆柱77所支撑着，而圆环5的功能就是同时圈住三支螺杆圆柱77以稳定机台骨架7，以解决受力不均所造成的晃动。

请参阅图8C所示，是本发明的风力发电机组合结构图，其中发电机结构及功能系利用外界风力驱动复数叶片2且带动传动盘66，连接至传动转轴62，并凭借联轴器64带动发电机6上的驱动转轴63转动，而发电机6固定于发电机固定盘65的上方，通过发电机将驱动转轴63产生的机械动能转换成电能，以产生电力。复数叶片2设置于中心转轴61外部，受风力动能产生旋转来带动驱动转轴63运转发电。

请参阅图9及图10所示，是本发明的风力发电机叶轮开启与圆环结构位置的俯视图及风力发电机叶轮闭合与圆环结构位置的俯视图。其中该复数叶片2内嵌入同一极性的第三磁铁组26左、右各设一个磁铁(本实施例第三磁铁组26都为N极磁铁伫立交错设置)，且于该风力发电机外侧的圆环5内侧设有复数极***错(即指N极及S极磁铁伫立交错设置)的第四磁铁组56的左、右侧各设一个磁铁，以使该第三、四磁铁组(26、56)之间产生相吸及相斥的磁场合力F(如箭头所示)，而类似于电动机(马达)的动作原理，以辅助该复数叶片2产生微风启始转动及抑止叶片2强风产生超速转动，在图9、图10中以较高位置第四磁铁组561为第一组，较低位置第四磁铁组562为第二组来称呼说明。但熟***(同高度)的位置上装置第三磁铁组26并以等距设置。为了运用磁铁的相吸性，在风叶片上全部装置同极性的第三磁铁组26。而该圆环5装设与第三磁铁组26上极性不同的第四磁铁组56。在这种情况下，该复数叶片2外侧的第三磁铁组26以叶片侧边为基准线的夹角y1范围为10度角至20度的角度，在其右方装置一个磁铁(N极)面向圆环5内侧有两组第四磁铁组56，其中较高位置的第三磁铁组右方磁铁与叶片侧边的夹角y3范围为15度至30度的角度在左方装置一个磁铁(S极)，形成磁铁面相互面对，并且安装在该复数叶片2外侧的圆环5磁铁以相同的对等角度装置才能彼此相吸引。为了运用磁铁的相斥性，在该复数叶片2上全部装置同极性的永久磁铁或磁铁。在圆环5与该复数叶片2上极性相同的永久磁铁或磁铁。在这种情况下，装设于该复数叶片2外侧的第三磁铁组以叶片侧边为基准线的夹角y2，其范围为以5度角至15度的角度，在左方装置一个磁铁(N极)面向圆环内侧较低位置的第二组第四磁铁组(562)以夹角y4，其范围0度至10度的角度在右方装置一个磁铁(N极)，形成磁铁面相互面对，并且安装在该复数叶片2外侧的磁铁以相同的对等角度装置才能彼此相斥。运用磁铁的相吸力与相斥力时，在该复数叶片2外侧每一个第三磁铁组26左、右磁铁各都是以叶片2侧边为基准线的夹角y1，其范围夹角以5度至15度与10度至20度的角度，全部装置同极性的永久磁铁或磁铁。而圆环5上所装置的第一组第四磁铁组561左方磁铁是与叶片2上的第三磁铁26为相反极性，每一个都是夹角y3以15度至30度的范围的角度并能往吸引方向装置，与该复数叶片2外侧的磁铁同为相同极性时，该圆环5上所装置的第二组第四磁铁组562右方磁铁是与该复数叶片2的第三磁铁组26为相同极性，每一个都是夹角y4以0度至10度的范围的角度并能排斥方向装置，且该圆环5所安装磁铁可以为复数组。在这种情况下，该复数叶片2外侧的永久磁铁或电磁铁，与安装于圆盘5上的永久磁铁或电磁铁是呈相同水平高度的位置上。而且该复数叶片2、圆盘5的永久磁铁或电磁铁的尺寸、磁力及数量取决于实际风力发电机的尺寸。

请参阅图2至图11所示，图11是本发明的风力发电机的***图，其该叶片2的纵向中心为支点并且在叶片2旋转前进方向的侧边(叶片的左侧)比叶片2的右侧边重时，复数叶片2呈现为球形展开形态，且可形成单方向旋转，因此当环境呈现无风(当风力发电机不旋转时)状态及微风时，依据所有叶片2的左侧与右侧的不同重量差异，该复数叶片2的左侧边会向中心点方向倾斜有利于叶片2捕捉到风力，而形成容易旋转的内、外阻升型球体形状，对应该复数叶片2在高速旋转时会产生较大的离心力。依据此离心力该复数叶片2旋转前进方向的左侧(叶片2的左侧)会慢慢的远离该复数叶片2中心点，最后该复数叶片2会呈现为球体闭合状态，此时叶片2就成为不再只是阻升型受风力的形状，而以半阻升及半扬升型受风力的形状。当风力转弱时，旋转的离心力变小，在该复数叶片2旋转前进方向的左侧(叶片2的左侧)会慢慢的往该复数叶片2中心点靠近，此时该复数叶片2再度呈现阻升型受风旋转的形状。依据这种结构，所有的叶片2可以同时间并且实现长时间安定的自动打开或关闭。因为不会受到弹簧、油压、气压伸缩连杆等等强度的均衡、性能、寿命跟重量等的影响，可以提高叶片2的旋转动作的安定性，再来结构的简单化可让风力发电机整体轻量化，并可实现风力发电机高速的旋转并且让风力发电机在保养或维修上更简单更有效率。

本发明每一台是由六个叶片2所组成的，该复数叶片2是各别独立存在，在维修方面可以一次单独替换一个叶片2，不需要如现有离岸形的大型十字型叶片的风力发电机做整组替换。而叶片2的形状为向外凸出的弧形片，另外在该复数叶片2的旋转前进方向(左侧)的最前端的外侧装置有外部集风叶21，且其内侧装置有内部集风叶22，在叶片2的旋转前进方向的左侧部分的形状比叶片2右侧的重量还要重，且叶片2左侧部分的形状及重量大于其右侧，以形成单方向旋转。由于叶片2左、右侧的重量比不一样时，比较重的左侧一定会向该复数叶片2中心点倾斜形成叶片2可以接受到风力并容易旋转的球形状态。另外，叶片2的左侧部分具有流线型形状，叶片2内侧的凹槽呈现高风阻形状，很容易地接受风力而产生自转。叶片2的旋转前进方向(叶片左侧)的流线型，及叶片2内侧与外侧的外部集风叶21与内部集风叶22小叶片设置捕风角度，在相对于从叶片2左侧到右侧的流线型形状的情况下，向外扩展的基本角度和向外延伸的基本角度，经过设计叶片2左侧内侧的内部集风叶22和叶片2外侧的外部集风叶21的基本角度分别设定在10至60度的范围内，在旋转时，可以运用到阻升力和扬升力两股力量，实现风力发电机由低转速至高转速最后维持稳定速度自转。且该叶片2的顶端及底部的中心部设有旋转支柱23支撑及旋转前进方向设有旋转柱24旋转，而每一叶片2都有装设两个滚珠轴承(35、45)让叶片2容易转动。叶片2顶端及底部的轴承部件安装在第一、第二固定盘(3、4)上，这些固定盘(3、4)与发电机6的中心转轴61一起旋转。该复数固定盘(3、4)具有用于将轴承部件安装在叶片2顶端及底部的叶片2的中心部分处的凹槽旋转支柱孔洞(32、42)内，以及将旋转前进方向侧轴承部件安装在圆弧形角度限位槽(31、41)内。另外，该复数固定盘(3、4)上的旋转支柱孔洞(32、42)和角度限位槽(31、41)的形状是为一凹槽。旋转支柱孔洞(32、42)可让叶片2容易旋转。角度限位槽(31、41)可以设定叶片2的可移动范围(打开与关闭的角度)，同时让所有的叶片2可以统一的打开与或关闭，叶片2左侧在角度限位槽靠近该复数叶片2中心点的位置，此时叶片2的开启角度最大，此时叶片2内侧最容易受风形态。叶片2的轴承旋转支柱23的地方，叶片2左侧在角度限位槽(31、41)最远离该复数叶片2中心点的位置，此时叶片2是关闭状态且其内部不受风形状下。角度限位槽(31、41)的长宽弧度及旋转支柱孔洞(32、42)的直径尺寸会依照各种轴承大小来改变。角度限位槽(31、41)的长宽弧度是叶片2的移动范围，该移动范围是以旋转支柱孔洞(32、42)的中心为基准外扩5度～50度间。本发明的特征在于，在一旋转速度下能实现能使复数叶片2不需要其他机械开关，就能自动打开与关闭。在该复数叶片2高速旋转下所产生的离心力可让叶片2成为球体，使其不再承受过大风力的安全状态。但是，假设在预定的旋转速度达到前因离心力作用提早让整个该复数叶片2成为闭合状态的球体，在此状态下已呈球体的该复数叶片2的旋转数无法再提高，就有可能无法达到预定的发电量，为了让已呈球体的该复数叶片2到达预定旋转速度前不会成为闭合状态，及让叶片2持续维持在受风旋转形状下，在第一、第二固定盘(3、4)的角度限位槽(31、41)内离风力发电机中心轴近的地方，埋设了磁铁(34、44)，其功用是为了吸附贯串于叶片2的旋转柱(24)二端所嵌入的磁铁(34、44)，利用磁铁(34、44)的吸力来抵抗旋转时的离心力。当风力发电机的旋转速度变慢，离心力小于磁力，该复数叶片2会再度成为受风旋转的开放状态，利用该复数固定盘(3、4)与叶片2上磁铁(34、44)的磁力的相吸与相斥的力量使叶片2能在风力发电机低转速下持续维持在开启状态。此时，风力发电机持续旋转下并且转速稳定缓慢上升或是不上升的状态，此时就会产生发电量减少的现象。当还没达到预定风力发电机转速时，叶片2就必须随时保持在受风形状下。该复数固定盘(3、4)的角度限位槽(31、41)靠近该复数叶片2中心点的地方及远离该复数叶片2中心点的外侧及叶片2旋转前进方向的旋转柱24可装有轴承的地方设置磁铁25。该复数固定盘(3、4)的角度限位槽(31、41)及设置于外侧的磁铁(33、43)，与叶片2旋转前进方向的旋转柱24装有轴承的磁铁(34、44)，为了反斥力装上同极性的磁铁。该复数固定盘(3、4)的角度限位槽(31、41)在靠近发电机6的中心转轴61的地方为了吸引力安装异极性的磁铁。这磁铁的配置，可以上下或并排配置。运用磁铁的相吸力与相斥力的作用下在预定转速还没到来前运用磁铁相吸与相斥力下使叶片2处在受风状态下。另外，在叶片2的顶部第一、二固定盘(3、4)上的角度限位槽(31、41)内可加设排水孔洞以便于排水。

请参阅图12所示，是本发明的风力发电机椭圆形叶轮型态的示意图，其中利用复数叶片2产生一叶轮开口直径与横幅比例关系8以形成不同型态椭圆体，其由左至右分别揭示有：一圆柱体81、一球体82及一扁椭圆体83，该复数复数叶片2于闭合时呈一椭圆体，且该复数叶片2一端形成第一开口(本实施例指复数叶片2闭合时上缘形成的开口)，该复数叶片2另一端形成第二开口(本实施例指复数叶片2闭合时下缘形成的开口)，该第一或第二开口具有一定中空开口直径84，该第一开口至该第二开口的距离是开口间距85设定固定值，该复数叶片2所形成椭圆体水平方向最宽处是一横幅86，中空开口直径84的代数为D与横幅86的代数为L，利用前述二个代数而可推算出一预定比值R＝D/L，若该预定比值R数据大1于即代表叶轮接近于内凹形的沙漏形体，易使流入气流产生背压影响风力发电机运转；若该预定比值R数据小于1即代表叶轮接近于外凸形的椭圆体，使流入气流可以往第一开口(下方)及第二开口(上方)处中空开口直径流散，不会产生背压影响风力发电机运转。该预定比值R范围是1：1至1：3，若该预定比值R数据趋近1：1，即代表椭圆体接近于圆柱体；若该预定比值R数据趋近1：1.5，即代表椭圆体接近于球体；相对地，若预定比值R数据趋近1：3，代表椭圆体接近扁椭圆体。

请参阅图13所示，是本发明的风力发电机传动转轴上串接复数组风车单元的结构图，其中发电机6的传动转轴62上更系纵向串接有复数组风车单元9，分别为第一风车叶轮单元91、第二风车叶轮单元92及第三风车叶轮单元93，以形成一高扭力风力发电机，凭借复数组风车叶轮单元所串接所产生的高扭力，即可制造大型风力发电机，驱动高功率发电模块来产生更高的发电量，而且相较于现有的十字扇叶的大型风力发电机，本发明的球体型风车及圆柱形乃因为其叶片的表面积大的关系其扭力也才会变大。同一设置的面积上要增加发电量的方法是可以将球体型及圆柱体型的风力发电机串联起来，只要一个中心轴一台加大型发电机就可以达成，且本实施例具有高发电效能、低制造成本、高安全性及易于安装的优点。

凭借上述图2至图13的揭示，即可了解本发明是一种垂直轴式风力发电机，主要为提供一种中、小型风力发电机，而中、小型风力发电机设置水平方向转动的复数叶片，水平方向的叶片于运作时较不受空间及环境的限制，仅需微小风力即可转动，该复数叶片在风力小于磁铁吸力时，呈现开放状态，以增大受风面积；但当风力增强大于磁力时，会使复数叶片闭合呈现一球体，该复数叶片呈球形具有强化扭力效果，此时受风的面积为最小化，自然达到降低风力发电机的转速，当风速稳定后，该复数叶片又回到开启状态，凭借该复数叶片的调整来迎合风力，以保护风力发电机机构及延长风力发电机寿命的目的，同时，其中该复数叶片内嵌入同一极性的磁铁组，且于该风力发电机外部圆环设置有复数极***错磁铁，该圆环预设排列有复数组磁铁组，以使该叶片与圆环磁铁组之间产生相吸及相斥的磁场合力量，而类似于电动机(马达)的动作原理，以辅助该复数叶片产生微风易于启始转动。

以上说明对本发明而言只是说明性的，而非限制性的，本领域普通技术人员理解，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可作出许多修改、变化或等效，但都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种垂直轴式风力发电机，其特征在于，包括：

一发电机，利用风力驱动复数叶片带动一传动转轴以产生电力；以及

复数叶片，设置于该发电机的该传动转轴外部，受风力产生旋转来带动该传动转轴，该复数叶片一端形成一第一开口且其另一端形成有一第二开口，该第一开口顶侧设置有一第一固定盘，该第一固定盘与每个叶片通过一旋转支柱与一旋转柱进行枢接；该第二开口底侧设置有一第二固定盘，该第二固定盘与每个叶片通过该旋转支柱与该旋转柱进行枢接，并使每个叶片都能于该第一固定盘与该第二固定盘之间各具有的一角度限位槽做弧形摆动。

2.根据权利要求1所述的垂直轴式风力发电机，其特征在于，该复数叶片于闭合时呈一球体，且该复数叶片一端形成一第一开口，该复数叶片另一端形成一第二开口，该第一开口或该第二开口具有一中空开口直径，该第一开口至该第二开口的距离是一开口间距，该复数叶片所形成该球体水平方向最宽处是一横幅，该中空开口直径与该横幅具有一预定比值，使流入气流能够往该第一开口底侧及该第二开口顶侧处流散，该预定比值范围是1：1至1：3，若该预定比值数据趋近1：1，即代表椭圆体接近于圆柱体；若该预定比值数据趋近1：1.5，即代表椭圆体接近于球体；相对地，若预定比值数据趋近1：3，代表椭圆体接近扁椭圆体。

3.根据权利要求1所述的垂直轴式风力发电机，其特征在于，该发电机与该复数叶片的外部设有一机台骨架，该机台骨架上设有一圆环，该圆环由三个第一环片及三个第二环片所交错组成，每一个第一环片或每一个第二环片的二端都各设有一环片凸块及一环片凹槽，组装该三个第一环片、三个第二环片二端的该环片凸块及该环片凹槽，以形成环环相扣的该圆环，该三个第一环片、三个第二环片内环处设有复数极***错的一第四磁铁组。

4.根据权利要求1所述的垂直轴式风力发电机，其特征在于，该复数叶片内侧设置有一内部集风叶，用以增加该复数叶片开启时的受风面积，该内部集风叶与该叶片内侧的夹角范围是10至60度；而该复数叶片外侧各设置有一外部集风叶，用以增加该复数叶片闭合时的受风面积及维持时间，该外部集风叶与叶片外侧的夹角范围是10至60度，该叶片的左侧部分设有该内部集风叶及该外部集风叶，且该左侧部分的形状及重量大于该叶片右侧，以形成单方向旋转。

5.根据权利要求1所述的垂直轴式风力发电机，其特征在于，该复数叶片内嵌入同一极性的一第三磁铁组，且于该风力发电机外部圆环设置有复数极***错的一第四磁铁组，以使该第三磁铁组、该第四磁铁组之间产生相吸及相斥的力量，以辅助该复数叶片产生转动及抑止该复数叶片产生超速转动。

6.根据权利要求5所述的垂直轴式风力发电机，其特征在于，该第三磁铁组、该第四磁铁组之间产生相吸及相斥的力量时，于该复数叶片外侧该第三磁铁组左、右磁铁各都是以该复数叶片侧边为基准线的夹角与范围各以5度至15度与10度至20度的角度，全部装置同极性的永久磁铁或磁铁。

7.根据权利要求5所述的垂直轴式风力发电机，其特征在于，该第三磁铁组、该第四磁铁组之间产生相吸的力量时，该叶片外侧的该第三磁铁组以该叶片侧边为基准线的夹角范围为10度角至20度的角度在右方装置一个N极磁铁面向圆环内侧有两组该第四磁铁组，其中较高位置一第一组第四磁铁组以夹角范围为15度至30度的角度左方装置一个S极磁铁，形成磁铁面相互面对，并且安装在该圆环的磁铁以相同的对等角度装置才能彼此相吸引。

8.根据权利要求5所述的垂直轴式风力发电机，其特征在于，该第三磁铁组、该第四磁铁组之间产生相斥的力量时，该叶片外侧的第三磁铁组以该叶片侧边为基准线的夹角范围为以5度角至15度的角度在左方装置一个N极磁铁面向圆环内侧较低位置的一第二组第四磁铁组以夹角范围0度至10度的角度右方装置一个N极磁铁，形成磁铁面相互面对，并且安装在该圆环的磁铁以相同的对等角度装置才能彼此相斥。

9.根据权利要求1所述的垂直轴式风力发电机，其特征在于，该第一固定盘与该第二固定盘上设有与该旋转支柱与该旋转柱枢接的一旋转支柱孔洞与一角度限位槽，该角度限位槽的长宽弧度是叶片的移动范围，范围是以旋转支柱孔洞的中心为基准外扩5度～50度间。

10.根据权利要求9所述的垂直轴式风力发电机，其特征在于，该旋转柱上方嵌入磁铁，且于第一固定盘与第二固定盘嵌入磁铁，第一固定盘与第二固定盘的角度限位槽中，靠近外圆的孔则会嵌入第一磁铁，使其与叶片上旋转柱的磁铁产生相斥，靠近圆心的孔洞会嵌入第二磁铁，使内孔洞的磁铁与叶片上旋转柱的磁铁成为相吸，使该第一磁铁、第二磁铁之间产生相斥及相吸的力量，以辅助该复数叶片产生转动及抑止叶片产生超速转动，进而使复数的叶片同时间安定的自动关闭或打开。

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