TW201534815A - 被動式週期擺動裝置 - Google Patents

Abstract

一種被動式週期擺動裝置，主要包括一固定裝置以及一偏心轉動機構所構成；該固定裝置其中心設有一中心輪，而邊緣等分軸設複數旋轉軸與固持件，於旋轉軸旁構成一舵軸並受牽制力；該偏心轉動機構，係設置於固定裝置上，為以轉動輪與中心輪之間形成一偏心距離，該轉動輪再銜接連動轉盤，來形成連動轉盤被繞中心輪轉動，當該固持件在不同方位角分別產生不同的推動力，與連動轉盤活動樞接的多數連桿被帶動以形成牽制力而擺動固持件，當該固持件受牽制力而擺動時呈現繞著中心輪之週期性的變化。

Description

被動式週期擺動裝置

本發明係關於一種被動式週期擺動裝置，特別是指一種裝置可被動式地使翼片隨著其旋轉時之方位角產生傾角變化，用來改善垂直軸風力發電效率，以增加垂直軸風力發電機的競爭力。

台灣因屬海島地形，每年皆有半年以上的東北季風期，沿海、高山與外島許多地區，皆有年平均風速4m/s的表現，因此擁有良好的風場來架設風力發電機，加上風能產業已然成為世界趨勢，在知識運用與製造技術相對成熟下，平均每一度電所花費的平均成本也是逐年下降，故為政府綠色能源開發之首選。

風力發電機以型態來區分可以分為垂直軸風力發電機與水平軸風力發電機，其中前者使用的渦輪轉軸為垂直於地面，而後者使用的渦輪轉軸為水平或近水平於地面。

這兩種風力發電機的科技發展，是以作用在翼片的氣動力(推動力)作為轉動的驅動力，其中水平軸風力發電機可具有渦輪偏轉機制使渦輪能保持對風狀態，以達最佳 效率狀態。雖說垂直軸風力發電機相較之下較早被人利用，但在講求效率的前題下，風力能源被迫與石化能源作競爭，因而效率較佳的水平軸風力發電機成為近期風力能源開發的重心，因此就技術層面上來看，水平軸風力發電機的技術發展已達到成熟階段。

目前國內使用之風力發電機大部份都是以水平軸風機為主，且因發電成本之考量，水平軸風力發電機皆朝向大型風機發展，造成機動性不足、無法普及化及不適用於都會區使用…等問題；尤其在低風速及風向不穩定的地區。反之，能低風速運作且不具方向性之垂直軸風力發電機，則更較具競爭力。

垂直軸風力發電機發展至今，以運作模式分類可區分成兩種基本型式，分別為阻力型式的Savonius風力發電機與升力型式的Darrieus風力發電機；早期所使用的垂直軸風力發電機多半為阻力型式，因為其擷取風能效率較差，因此喪失競爭力而導致發展停滯，直到1929年升力型的垂直軸風力發電機的問世才打破僵局，此後升力型垂直軸風力發電機才廣泛地被研究與討論；而升力型風力發電機依據翼片不同的型式，可再劃分為為曲線葉片(curved-bladed)Darrieus風力發電機及直線葉片(straight-bladed)Darrieus風力發電機或稱為H-Rotor-Darrieus風力發電機。

然而垂直軸風力發電機的兩大問題點：一、風 力發電效率相較偏低。二、低風速較難達到啟動彎矩。而亟待加以改良。

本發明之目的即在於提供一種被動式週期擺動裝置，其中該固定裝置為轉動垂直軸與翼片連接最重要的結構；為使用複數根連桿來連接複數片翼片，但是當翼片受到氣動力(推動力)作用產生力量透過連桿傳至轉動垂直軸，進而帶動整台風力發電機開始轉動的同時，連桿承受非常大的彎矩，為了避免這個現象，本發明把各自獨立的連桿相互連接，改變成一個連動轉盤的固定裝置型態，連桿之間可以互相牽制，並且降低連桿受到彎矩所產生的變形問題。

本發明之次一目的係在於提供一種被動式週期擺動裝置，其中該轉動垂直軸為風力發電機最主要的結構，當固定裝置旋轉時將帶動轉動垂直軸做同步旋轉，且以轉動垂直軸為旋轉中心，進而帶動發電機轉動而產生電力；轉動垂直軸上下二處穿設固定二固定裝置的相對位置，並且決定風力發電機旋轉翼片的高度。

本發明之另一目的係在於提供一種被動式週期擺動裝置，其中該偏心轉動機構必須安裝在風力發電機轉動垂直軸上或下端，因為偏心轉動機構必須對轉動垂直軸有相對轉動運動，且須靠轉動垂直軸做支撐，同時偏心轉動機構是以風向為參考依據，亦即以風向與同水平面之垂直於風向 的方向為偏心轉動機構之參考座標軸，使偏心轉動機構能迫使風力發電機渦輪之翼片在轉動時能根據風向作被動式週期性擺動以達到最佳的效率，故在偏心轉動機構上加上了指向裝置，使偏心轉動機構與指向裝置同步連動，此指向裝置作用就像是水平軸風力發電機的尾翼一樣，對於不同方向吹來的風，氣動力(推動力)作用於指向裝置上產生扭矩，使指向裝置與偏心轉動機構被迫偏轉而指向風的方向，因而使風力發電機渦輪之翼片之被動式擺動能以風向為其參考依據。

本發明之又一目的係在於提供一種被動式週期擺動裝置，其中偏心轉動機構最主要的功能是使風力發電機的翼片達到被動式週期性變化傾角，利用轉動垂直軸的中心輪與偏心轉動機構之轉動輪之間的偏心距離，來形成轉動輪上的複數固定點到達複數翼片的長度隨翼片方位角不同而改變，但僅用相同的長度連桿做連接，進而拉動翼片產生傾角改變，此翼片傾角將隨轉動輪繞著轉動垂直軸的中心輪旋轉而呈週期性變化。

本發明之再一目的係在於提供一種被動式週期擺動裝置，其中偏心轉動機構轉動方向時，連接複數片翼片的複數根連桿也會跟著被帶動，導致翼片傾角發生改變，並利用偏心轉動機構之指向裝置以使偏心轉動機構隨著不同風向的改變達到相對於風向之固定偏擺位置，進而使翼片傾角之被動式擺動能以風向為其參考依據。

可達成上述發明目的之被動式週期擺動裝置第一實施例，包括有：一固定裝置，其中心設有一中心輪，而邊緣等分軸設複數旋轉軸與固持件，於旋轉軸旁構成一舵軸並受牽制力；一偏心轉動機構，係設置於固定裝置上，為以轉動輪與中心輪之間形成一偏心距離，該轉動輪再銜接連動轉盤，來形成連動轉盤被繞中心輪轉動，當該固持件在不同方位角分別產生不同的推動力，與連動轉盤活動樞接的多數連桿被帶動以形成牽制力而擺動固持件，當該固持件受牽制力而擺動時呈現繞著中心輪及轉動垂直軸之週期性的變化。

可達成上述發明目的之被動式週期擺動裝置第二實施例，包括有：一支撐裝置，用於支撐一轉動垂直軸，該轉動垂直軸外並設置一中心輪；二固定裝置，為保持一間距穿設固定於轉動垂直軸上下二處，且各固定裝置其邊緣等分軸設一固持件，並以旋轉軸(螺栓)與固定裝置樞接，並於旋轉軸旁受牽制力而擺動固持件；複數翼片，其上下各處係被二固持件設在該固定裝置，以使其在固定裝置上擺動，並連結二固定裝置，當氣動力(推動力)作用於翼片上產生升力，並透過固定裝置傳 遞到轉動垂直軸產生轉動扭矩；一偏心轉動機構，係設置於固定裝置上，為以轉動輪經由連結齒輪與中心輪接觸帶動，該轉動輪再銜接連動轉盤，經由中心輪與轉動輪之間的偏心距離，來形成連動轉盤被轉動而繞著轉動垂直軸旋轉時，與連動轉盤活動樞接的複數支連桿被帶動以形成牽制力而擺動複數個固持件，當該複數個固持件受牽制力而擺動時呈現週期性的變化，使該固定在固持件之複數個翼片在不同方位角分別產生不同的翼片傾角，而產生不同的氣動力(推動力)，進而在轉動垂直軸產生不同的旋轉扭矩。

1‧‧‧固定裝置

11‧‧‧中心輪

12‧‧‧旋轉軸

13‧‧‧固持件

14‧‧‧舵軸

2‧‧‧偏心轉動機構

21‧‧‧轉動輪

211‧‧‧連結齒輪

22‧‧‧連動轉盤

23‧‧‧滑動軌道

24‧‧‧連桿

241‧‧‧引導軸

25‧‧‧控制連接線

26‧‧‧輔助連桿

261‧‧‧交點轉軸

27‧‧‧搖擺軸

28‧‧‧指向裝置

3‧‧‧支撐裝置

31‧‧‧轉動垂直軸

4‧‧‧翼片

圖1為本發明被動式週期擺動裝置之俯視圖；圖2為該偏心轉動機構之示意圖；圖3為該偏心轉動機構之第二方向之示意圖；圖4為該固定裝置、翼片以及偏心轉動機構之動作；圖5為本發明被動式週期擺動裝置之支撐裝置其立體與局部放大示意視圖；圖6為該被動式週期擺動裝置之立體組合示意圖；圖7為圖6其A部分之局部放大示意圖；圖8為圖6之分解圖；圖9為該固定裝置、翼片以及偏心轉動機構之分解圖； 圖10為圖9其B部分之局部放大示意圖；圖11為該固定裝置、翼片以及偏心轉動機構之底部立體組合圖；圖12為圖11其C部分之局部放大示意圖；圖13為該偏心轉動機構之立體局部放大示意圖；示意圖；圖14為該偏心轉動機構之俯視放大示意圖；圖15為偏心轉動機構於第一位置時，該連桿拉動翼片產生傾角改變之示意圖；以及圖16至圖18為該偏心轉動機構分別在第二、第三及第四位置時，四根連桿也會跟著被帶動，導致翼片傾角發生改變之示意圖。

請參閱圖1至圖4，本發明所提供之被動式週期擺動裝置，主要包括有：一固定裝置1以及一偏心轉動機構2所構成。

該固定裝置1其中心設有一中心輪11，而邊緣等分軸設複數旋轉軸12與固持件13，於旋轉軸12旁構成一舵軸14並受牽制力；該偏心轉動機構2係設置於固定裝置1上，為以轉動輪21與中心輪11之間形成一偏心距離，該轉動輪21再銜接連動轉盤22，來形成連動轉盤22被繞中心輪11轉 動，當該固持件13在不同方位角分別產生不同的推動力與連動轉盤22活動樞接的多數連桿24被帶動以形成牽制力而擺動固持件13，當該固持件13受牽制力而擺動時呈現繞著中心輪11之週期性的變化。

接續，請參閱圖5至圖7為本發明之裝置應用於垂直軸風力發電機之組合機構；該支撐裝置3用於支撐一轉動垂直軸31，該轉動垂直軸31外並設置一中心輪11；該轉動垂直軸31為風力發電機最主要的結構，當二固定裝置1旋轉時必須帶動轉動垂直軸31做同步旋轉，且以轉動垂直軸31為旋轉中心，帶動發電機產生電力。轉動垂直軸31上下二處穿設固定二固定裝置1的相對位置，並且決定風力發電機的翼片4的高度。

該固定裝置1為保持一間距穿設固定於轉動垂直軸31上下二處，且各固定裝置1其邊緣等分軸設一固持件13，並以旋轉軸12與固定裝置1樞接，並於旋轉軸12旁設一舵軸14(rudder axle)以受連桿24的牽制力而擺動固持件13，如圖8至圖9所示；該翼片4其上下各處係被二固持件13設在該固定裝置1，以在二固定裝置1上繞旋轉軸12擺動，並連結固定二固定裝置1，當氣動力(推動力)作用於翼片4上產生升力，進而使二固定裝置1傳遞力量到轉動垂直軸31產生轉動扭矩；當翼片4受到氣動力(推動力)產生升力及旋轉時產 生離心力，此二力量將由固持件13傳遞到二固定裝置1上，且因為兩者之間有相對轉動運動，故旋轉軸12(係為一螺栓)必須具備抵抗剪切應力(Shear Stress)的能力；當二固定裝置1開始旋轉時，固持件13也隨之產生小幅度的擺動以帶動翼片4改變傾角，因此在二固定裝置1與固持件13兩者之間容許有相對擺動，擺動的頻率是隨著轉動垂直軸31旋轉一圈也呈現一次週期性變化，屬於頻率非常頻繁的運動。

如圖10至圖12所示，該偏心轉動機構2係設置於二固定裝置1上，為以轉動輪21經連結齒輪211與中心輪11接觸被帶動，該轉動輪21銜接連動轉盤22，經由中心輪11與轉動輪21之間的偏心距離，來形成連動轉盤22被繞著中心輪11及轉動垂直軸31轉動時，與連動轉盤22活動樞接的多數連桿24被帶動以形成牽制力而擺動固持件13，當該固持件13受連桿24的牽制力而擺動時呈現繞著中心輪11及轉動垂直軸31之週期性的變化，造成該翼片4在不同方位角分別具有不同的翼片傾角並產生氣動力(推動力)，進而在轉動垂直軸31產生不同的旋轉扭矩。

為更詳盡說明本發明，請參閱圖1與圖13，本發明的二固定裝置1為轉動垂直軸31與翼片4連接最重要的結構；當翼片4受到氣動力(推動力)作用產生力量，透過二固定裝置1傳至轉動垂直軸31而產生旋轉力矩，此為主要氣動力(推動力)傳導的路徑，另外翼片因旋轉產生之離心力 亦透過此路徑傳導，因而翼片4、固持件13及二固定裝置1為主要力量承受之原件；而所產生之旋轉力矩帶動整台風力發電機開始轉動的同時，連接翼片4及固接在偏心轉動機構2上的連動轉盤22活動樞接之連桿24將繞著轉動垂直軸31旋轉；此時連桿24在繞著轉動垂直軸31作偏心旋轉同時將沿連桿24軸向產生前進及後退之運動，進而擺動複數翼片4；二固定裝置1與轉動垂直軸31對鎖，其中為了傳遞轉動垂直軸31轉動所造成兩個零件的剪切應力，在二固定裝置1與轉動垂直軸31上面都有加入鍵槽，以避免螺絲受到橫向的剪切應力。

如圖2至圖4與圖14所示，該偏心轉動機構2係安裝在風力發電機的轉動垂直軸31上，因為偏心轉動機構2必須對轉動垂直軸31有相對轉動運動，且須靠轉動垂直軸31做支撐，再加上因為偏心轉動機構2為了使之能被動地找到最好的偏擺角度，而在偏心轉動機構2上加上了指向裝置28，此指向裝置28作用就像是水平軸風力發電機的尾翼一樣，對於不同方向吹來的風，氣動力(推動力)作用於指向裝置28上產生彎矩，使指向裝置28與偏心轉動機構2被強迫偏轉而達到一個較佳的偏擺位置。所以為了不讓指向裝置28所產的渦流影響到翼片4的風場，最好的偏心轉動機構2放置位置係位於轉動垂直軸31上方，此處因為位於整體風力發電機的頂端，指向裝置28可以連結偏心轉動機 構2而往上設置，其風場受到指向裝置28所影響的情況相較之下較小。

本發明的偏心轉動機構2是最主要的功能是使風力發電機的翼片4達到被動式變化傾角，利用轉動垂直軸31的中心輪11與轉動輪21之間的偏心距離，來形成活動樞接在連動轉盤22之連桿24的引導軸241與轉動垂直軸31的距離不同，但僅用相同長度的連桿24做連接該連桿24的引導軸241及固持件13的舵軸14，進而拉動翼片4產生傾角改變，如圖15所示；其中圖16至圖18為偏心轉動機構2轉動方向時，連桿24也會跟著被帶動，導致翼片傾角發生改變，以使翼片傾角達到最佳狀態。翼片4隨著轉動垂直軸31轉動而改變在不同的方位角度上，偏心轉動機構2上四根連桿24也會隨著翼片4繞著轉動垂直軸31轉動，藉此當轉動垂直軸31轉到不同角度時，翼片傾角的改變也會呈現週期性的變化。而此變化隨著不同的機構狀態與連桿24長度也會有所差異。

由於複數連桿24機構的關係會造成複數翼片4的舵軸14在對轉動輪21軸心轉動時，會依照所在的方位角不同而轉動角速度不一致，而必須分開成複數組獨立的連桿24，因此為解決無法同步轉動的問題，則將複數連桿24組合於一個連動轉盤22，並在連動轉盤22內定義出複數相同半徑的滑動軌道23，使連桿24的引導軸241(guide axle)能在滑 動軌道23內自由移動且與轉動輪21中心永遠保持半徑的距離，如圖2所示。為了控制連動轉盤22的滑動軌道23能正確引導舵軸14處於正確的路徑，先以一控制連接線25連接轉動輪21與引導軸241，再於中心輪11與旋轉軸12的連接線上且於滑動軌道23移動路徑外的交點設置一交點轉軸261，再以一輔助連桿26連接該引導軸241與交點轉軸261，最後，將連桿24另端的搖擺軸27(rocking axle)連接於輔助連桿26上；當風力發電機轉動垂直軸31及二固定裝置1被轉動時會帶動上方的中心輪11，接續中心輪11帶動該偏心轉動機構2的轉動輪21，如此一來，當二固定裝置1改變在不同的方位角度上，因控制連接線25產生方位向與位置的變化，輔助連桿26的引導軸241將沿著滑動軌道23移動，進而造成輔助連桿26被相對帶動並擺動，並帶動搖擺軸27且連動該連桿24的舵軸14，使舵軸14產生牽制力而擺動固持件13，使得複數翼片4可以隨不同方位角取得接近於正弦函數的傾角改變量。

因為偏心轉動機構2上之轉動輪21與中心輪11之間的偏心距離與滑動軌道23的關係，使得複數翼片4的傾角改變量接近於正弦函數；故為了求得最理想的結果在偏心轉動機構2的連桿24上，本發明又能經由調整連桿24的長度以改變複數翼片4的變化傾角。如圖15至圖18所示，中心輪11為垂直軸風力發電機轉動垂直軸31的轉動圓心， 轉動輪21為偏心轉動機構2的轉動圓心，旋轉軸12為固持件13上轉動支點，旋轉軸12到舵軸14是翼型夾具上轉動點到偏心桿件連接點的長度，引導軸241到轉動輪21中心是連動轉盤22的半徑，搖擺軸27位於輔助連桿26的一半處(或任意處)，連桿24與輔助連桿26皆為可調整長度的機構。如果設計機構長度時，若假設旋轉軸12至舵軸14的距離為110mm，旋轉軸12至中心輪11中心的距離為540mm，中心輪11中心至轉動輪21中心的距離為47mm，轉動輪21中心至引導軸241的距離為125mm，附件1為輔助連桿26的長度為80mm，連桿24長度設定為465mm、470mm、475mm其翼片傾角變化量對方位角的關係圖；附件2為上述條件下且連桿24的長度為469mm，輔助連桿26長度設定為70mm、75mm、80mm、85mm、90mm其翼片傾角變化量對方位角的關係圖。此二附件係以10度為傾角變化之增益值，亦即傾角最大變化量為10度，此增益值可借由調整上述參數來改變。例如在上述條件下，連桿24的長度為469mm與輔助連桿26長度為80mm時，翼片傾角變化較為接近正弦函數。

附件1

綜上所述，本案不但在空間型態上確屬創新，並能較習用物品增進上述多項功效，應已充分符合新穎性及進步性之法定發明專利要件，爰依法提出申請，懇請 貴局核准本件發明專利申請案，以勵發明，至感德便。

11‧‧‧中心輪

12‧‧‧旋轉軸

13‧‧‧固持件

14‧‧‧舵軸

2‧‧‧偏心轉動機構

21‧‧‧轉動輪

22‧‧‧連動轉盤

23‧‧‧滑動軌道

24‧‧‧連桿

241‧‧‧引導軸

25‧‧‧控制連接線

26‧‧‧輔助連桿

261‧‧‧交點轉軸

27‧‧‧搖擺軸

28‧‧‧指向裝置

Claims (7)

1. 一種被動式週期擺動裝置，包括：一固定裝置，其中心設有一中心輪，而邊緣等分軸設複數旋轉軸與固持件，於旋轉軸旁構成一舵軸並受牽制力；一偏心轉動機構，係設置於固定裝置上，為以轉動輪與中心輪之間形成一偏心距離，該轉動輪再銜接連動轉盤，來形成連動轉盤被繞中心輪轉動，當該固持件在不同方位角分別產生不同的推動力，與連動轉盤活動樞接的多數連桿被帶動以形成牽制力而擺動固持件，當該固持件受牽制力而擺動時呈現繞著中心輪之週期性的變化。
2. 如申請專利範圍第1項所述之被動式週期擺動裝置，更包括有：一支撐裝置，用於支撐一轉動垂直軸，該轉動垂直軸外並設置一中心輪；二固定裝置，為保持一間距穿設固定於轉動垂直軸上下二處，且各固定裝置其邊緣等分軸設複數旋轉軸與固持件，並於旋轉軸旁構成一舵軸並受牽制力而擺動固持件；複數翼片，其上下各處係被二固持件設在該固定裝置，以在固定裝置其上繞旋轉軸擺動，並連結固定二固定裝置，當氣動力(推動力)作用於翼片上產生升力，進而使固定裝置傳遞力量到轉動垂直軸產生轉動扭矩；一偏心轉動機構，係設置於固定裝置上，為以轉動輪透過 連結齒輪與中心輪接觸被帶動，該轉動輪再銜接連動轉盤，經由中心輪與轉動輪之間的偏心距離，來形成連動轉盤被繞中心輪及轉動垂直軸轉動時，與連動轉盤活動樞接的多數連桿被帶動以形成牽制力而擺動固持件，當該固持件受牽制力而擺動時呈現繞著中心輪及轉動垂直軸之週期性的變化，使該翼片在不同方位角分別產生不同的翼片傾角及氣動力(推動力)，進而在轉動垂直軸產生不同的旋轉扭矩。
3. 如申請專利範圍第2項所述之被動式週期擺動裝置，其中該固定裝置開始旋轉時，固持件也隨之產生小幅度的偏擺以帶動翼片改變傾角，因此在固定裝置與固持件兩者之間容許有相對擺動，擺動的頻率是隨著轉動垂直軸旋轉一圈也呈現一次週期性變化的運動。
4. 如申請專利範圍第2項所述之被動式週期擺動裝置，其中該翼片隨著轉動垂直軸轉動改變在不同的方位角度上，轉動輪上多數連桿也會隨著翼片繞著轉動輪圓心轉動，藉此當轉動垂直軸轉到不同角度時，翼片傾角的改變也會呈現週期性的變化。
5. 如申請專利範圍第2項所述之被動式週期擺動裝置，其中該多數連桿為組合於一個連動轉盤，並在連動轉盤內定義出數個相同半徑的滑動軌道，使樞接在固持件的舵軸上的連桿的另一端之樞接的補助連桿之引導軸能在滑動軌道 內自由移動且與轉動輪中心永遠保持半徑的距離。
6. 如申請專利範圍第2項所述之被動式週期擺動裝置，其中該偏心轉動機構上中心輪與轉動輪之間的偏心距離與滑動軌道的關係，使得多數翼片的傾角改變量接近於正弦函數，為了求得最理想的結果在偏心轉動機構的連桿與輔助連桿上，能經由調整連桿長度以改變翼片的傾角變化的幅度。
7. 如申請專利範圍第2項所述之被動式週期擺動裝置，其中該連動轉盤的滑動軌道能正確引導舵軸處於正確的路徑，先以一控制連接線連接轉動輪與引導軸，再於中心輪與旋轉軸的連接線上且於滑動軌道移動路徑外的交點設置一交點轉軸，再以一輔助連桿連接該引導軸與交點轉軸，最後，將連桿另端的搖擺軸連接於輔助連桿上；當風力發電機轉動二固定裝置及垂直軸被轉動時會帶動上方的中心輪，接續中心輪帶動該偏心轉動機構的轉動輪後，使被帶動，如此一來，當二固定裝置改變在不同的方位角度上，因控制連接線與輔助連桿被引導軸相對帶動並擺動而以搖擺軸連動該連桿的舵軸，使舵軸產生牽制力而擺動固持件，使得複數翼片可以隨不同方位角取得接近正弦函數的傾角改變量。