TW201723307A - 風力發電裝置及其轉子組件 - Google Patents

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Abstract

一種風力發電裝置，包括定子組件及轉子組件。定子組件包含有一殼體及設於殼體的第一導磁模組。轉子組件可轉動地設置於殼體內並包含有轉動件與設於該轉動件的第一磁力模組。轉動件具有柱體及螺旋式葉片，螺旋式葉片與殼體之間形成有間隙，並且螺旋式葉片是以介於21~55度的螺旋角設置在柱體外緣，而螺旋式葉片的長度為0.8~1.5螺距。螺旋式葉片能承受風力而使轉子組件相對於定子組件旋轉，以使第一磁力模組與第一導磁模組產生感應電流。此外，本發明另提供一種風力發電裝置的轉子組件。

Description

風力發電裝置及其轉子組件
本發明是有關一種發電裝置，且特別是有關於一種風力發電裝置及其轉子組件。
習用的風力發電裝置大都是透過風力驅使葉片轉動而後產生能量，而上述習用風力發電裝置所產生的能量大都依循風能公式：E=1/2(ρtsυ3)。其中，ρ為空氣密度(千克/米3)；υ為風速(米/秒)；t為時間(秒)；S為截面面積(米2)。須說明的是，既有風力發電裝置的製造業者大都認為上述截面面積(S)僅適用於單層葉片的構造(如同風扇的扇葉)。
據此，基於習知風力發電裝置的製造業者對於風能公式之截面面積的解釋過於狹隘，進而導致風力發電裝置發展受到侷限。
本發明實施例在於提供一種風力發電裝置及其轉子組件，透過螺旋式葉片的中心軸長度與螺旋角之設計，用以提升轉動件的轉矩力與風力變換效率，進而有效地改善習用風力發電裝置所可能產生的缺失。
本發明實施例提供一種風力發電裝置，包括：一定子組件，其包含有：一殼體，其內側包圍形成有一流動通道，並且該殼體定義有一軸線；及一第一導磁模組，其設於該殼體；以及一轉子組件，其可轉動地設置於該殼體的流動通道內，該轉子組件包含有：一轉動件，其具有一柱體及相連於該柱體外緣的至少一螺旋 式葉片，該柱體能以該軸線為軸心而轉動，該至少一螺旋式葉片與該殼體之間形成有一間隙，並且該至少一螺旋式葉片是以介於21~55度的一螺旋角設置在該柱體外緣，而該至少一螺旋式葉片對應於該軸線的長度為0.8~1.5螺距(pitch)；及一第一磁力模組，其設於該轉動件的該至少一螺旋式葉片上；其中，該至少一螺旋式葉片能承受一風力而使該轉子組件相對於該定子組件旋轉，以使該第一磁力模組與該第一導磁模組產生感應電流。
本發明實施例另提供一種風力發電裝置的轉子組件，包括：一轉動件，其具有一柱體及相連於該柱體外緣的至少一螺旋式葉片，該至少一螺旋式葉片是以介於21~55度的一螺旋角設置在該柱體外緣，而該至少一螺旋式葉片對應於該柱體中心線的長度為0.8~1.5螺距；以及一第一磁力模組，其安裝於該轉動件的該至少一螺旋式葉片上。
綜上所述，本發明實施例所提供的風力發電裝置及其轉子組件，透過螺旋式葉片的中心軸長度與螺旋角之設計，藉以提升轉動件的轉矩力，進而取得較佳的風力變換效率。
另，由於風力發電裝置的螺旋式葉片之受風面積較大，使轉動件所產生之轉矩力會大於習知風車所產生之轉矩力。
因此，即使所述風力發電裝置的螺旋式葉片採用較小的尺寸，依舊可使風能有效的變換成動力，藉以風力發電裝置能夠實現高發電量之小型發電裝置。
為使能更進一步瞭解本發明之特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明之詳細說明與附圖，但是此等說明與所附圖式僅係用來說明本發明，而非對本發明的權利範圍作任何的限制。
100‧‧‧發電裝置
1‧‧‧定子組件
11‧‧‧殼體
111‧‧‧流通管
112‧‧‧支撐部
113‧‧‧流動通道
12‧‧‧第一導磁模組
121‧‧‧第一導磁單元
1211‧‧‧芯部
1212‧‧‧線圈
1213‧‧‧導通件
122‧‧‧彈性導磁毛刷
13‧‧‧第二導磁模組
131‧‧‧第二導磁單元
2‧‧‧轉子組件
21‧‧‧轉動件
211‧‧‧柱體
212‧‧‧螺旋式葉片
2121‧‧‧容置槽
22‧‧‧第一磁力模組
221‧‧‧磁石
2211‧‧‧磁極端
222‧‧‧磁導體
223‧‧‧位置調整單元
2231‧‧‧彈簧
2232‧‧‧固定框架
2233‧‧‧活動框架
23‧‧‧第二磁力模組
L‧‧‧軸線
C‧‧‧中心線
F‧‧‧磁力迴圈
G‧‧‧間隙
θ‧‧‧螺旋角
S1、S2、S3、S4、S4’、S4”、S5、S5’、S5”‧‧‧曲線
圖1為本發明風力發電裝置的立體示意圖。
圖2為圖1的俯視示意圖。
圖3為圖1的局部剖視示意圖(僅殼體部位進行剖面)。
圖4為本發明發電裝置的另一轉子組件立體示意圖。
圖5為本發明風力發電裝置的轉動件示意圖。
圖6為本發明風力發電裝置的測試示意圖(一)。
圖7為本發明風力發電裝置的測試示意圖(二)。
圖8為圖2沿VⅢ-VⅢ剖線的局部剖視示意圖。
圖9為圖8的作動示意圖。
請參閱圖1至圖10，其為本發明的一實施例，需先說明的是，本實施例對應圖式所提及之相關數量與外型，僅用以具體地說明本發明的實施方式，以便於了解其內容，而非用以侷限本發明的權利範圍。
如圖1至圖3所示，本實施例為一種風力發電裝置100，包括有一定子組件1以及安裝於上述定子組件1內的一轉子組件2,並且轉子組件2能相對於定子組件1轉動，藉以使風力發電裝置100產生電力。以下將先分別就定子組件1與轉子組件2的構造作一說明，而後再介紹定子組件1與轉子組件2之間的對應關係。
請參閱圖2和圖3所示，所述定子組件1包含有一殼體11及設置於殼體11上的一第一導磁模組12。上述殼體11包含有長條狀的一流通管111以及兩支撐部112。其中，所述流通管111於本實施例為內徑一致之圓管，並且流通管111包圍界定有一流動通道113。再者，所述流通管111定義有通過流動通道113的一軸線L，並且上述軸線L於本實施例中即相當於流通管111之中心線，但不以此為限。所述兩支撐部112分別安裝於流通管111的相反兩側部位內(如圖1中的流通管111左側與右側)，並且每個支撐部112的構造適於使風流入與流出該流動通道113。
所述第一導磁模組12包含有數個第一導磁單元121及數個彈 性導磁毛刷122，該些第一導磁單元121分布於殼體11的流通管111，而有關第一導磁單元121分布於殼體11之數量與密度可依據設計者之需求而加以調整，在此不加以限制。
進一步地說，每個第一導磁單元121包含有兩金屬之芯部1211、分別纏繞於上述兩芯部1211的兩線圈1212、及連接該兩芯部1211的一導通件1213(如：金屬材料、矽鋼片、鐵片)。其中，上述兩芯部1211與導通件1213之間可以是一體連接或是可分離地連接，並且每個第一導磁單元121可透過其芯部1211固定於殼體11的流通管111，而上述每個芯部1211定義有大致垂直於該軸線L的一中心線C。需說明的是，本實施例的第一導磁單元121雖是以線圈1212纏繞於芯部1211作一說明，但不受限於此。舉例來說，所述第一導磁單元121亦可無須包含有芯部1211。
所述彈性導磁毛刷122的數量大致等同於第一導磁模組12中的芯部1211數量，以使每個芯部1211裝設有一個彈性導磁毛刷122，亦即，該些彈性導磁毛刷122分別安裝於遠離殼體11流通管111的該些芯部1211末端上，並且彈性導磁毛刷122位於流動通道113內。其中，上述彈性導磁毛刷122於本實施例中是由數個具備彈性的金屬線所排列而成。上述彈性金屬線的兩端分別定義為固定端與自由端，並且該些彈性金屬線的固定端是被直接或間接地固定於相對應的芯部1211上，而該些金屬線的自由端較佳為不會刮傷其所接觸的元件(如：下述磁石221的磁極端221)。此外，本實施例的第一導磁模組12雖以設有彈性導磁毛刷122為例，但第一導磁模組12於實際應用時，亦可無須設有彈性導磁毛刷122。
請參閱圖2和圖3所示，所述轉子組件2可轉動地設置於殼體11的流動通道113內，且轉子組件2包含有能以上述軸線L為軸心而轉動的一轉動件21及裝設於轉動件21的一第一磁力模組 22。其中，所述轉動件21包含有一柱體211及相連於柱體211外緣的一螺旋式葉片212，上述柱體211的兩端分別樞設於殼體11的兩支撐部112中心，並且柱體211的中心線於本實施例中與上述軸線L重疊。對應於軸線L的螺旋式葉片212長度，其大於螺旋式葉片212相對於軸線L的高度(相當於螺旋式葉片212邊緣至軸線L的距離)。所述螺旋式葉片212的邊緣沿垂直軸線L的一徑向方向凹設形成有至少一容置槽2121(如圖11，上述徑向方向平行於所述中心線C)。再者，螺旋式葉片212之邊緣相對於軸線L的距離，其大於彈性導磁毛刷122相對於軸線L的最小距離(即該些彈性金屬線自由端與軸線L的距離)。
此外，圖3所示的轉動件21是以柱體211上形成有單個螺旋式葉片212為例，但本實施例亦可依需求加以調整變化。舉例來說，如圖4所示，本實施例的轉動件21可在其柱體211上形成有多個螺旋式葉片212，並且每個螺旋式葉片212可視設計者要求而能於特定位置上形成有容置槽2121，以供相對應的第一磁力模組22設置。
須說明的是，所述螺旋式葉片212對應於柱體211中心線(即相當於軸線L)的長度大致為0.8~1.5螺距，例如：1螺距、1.1螺距、或1.2螺距。再者，所述螺旋式葉片212與殼體11之間形成有一間隙G，並且螺旋式葉片212是以介於21~55度的一螺旋角Θ(helix angle，如圖5)設置在柱體211外緣。補充說明一點，圖5中的螺旋線即相當於螺旋式葉片212相連於柱體211的位置，而螺旋角Θ則定義為螺旋線之切線與軸線L所形成之夾角。
進一步地說，在特定風速條件(如圖6中的曲線S1表示風速6m/s、曲線S2表示風速8m/s、曲線S3表示風速10m/s)下，對於轉動件21設有不同螺旋角Θ的螺旋式葉片212之情況進行實驗，可得出如圖6所示的結果。由圖6可知：當所述螺旋式葉片212 以21~55度的螺旋角Θ設置在柱體211外緣時，轉動件21能使風力發電裝置100具備有較佳的轉速。反之，當所述螺旋式葉片212以21~55度以外的螺旋角Θ設置在柱體211外緣時，螺旋式葉片212會使風流變亂，造成轉動件21所能獲得的轉矩力受到影響，亦即，將使轉動件21無法取得較佳的轉矩力。
更詳細地說，當所述風力發電裝置100的應用環境不同時，轉動件21應設有合適螺旋角Θ的螺旋式葉片212，藉以使風力發電裝置100能達到較佳的運作狀態。其中，依環境例如是將風力發電裝置100安置在不可移動的地點(如：屋頂)，藉以接收自然風力，而所謂自然風力的風速可能極大(如：颱風)或極小，所以風力發電裝置100的螺旋式葉片212需有相對應的設計，藉以避免螺旋式葉片212因風速過大而損壞。而例如是將風力發電裝置100安置在可移動的物體(如：汽車)，藉以在物體移動的過程中接收風力，此時的風力之風速較為穩定且可預測及可控制，所以風力發電裝置100可進行相對應的設計，藉以提升風力發電裝置100的運作效率。
據此，經實際實驗測試得知：在所述環境之下，螺旋式葉片212的螺旋角Θ較佳為22~32度(下述稱之為螺旋角Θ小之態樣)；而在可預測及可控制之環境下，螺旋式葉片212的螺旋角Θ較佳為40~50度(下述稱之為螺旋角Θ大之態樣)，並且上述螺旋角Θ約為45度時可得到更佳的轉矩力。
為佐證上述的螺旋角Θ數據，於不同風速之下進行轉動件21之轉速測試，結果如圖7所示，由此可知：當風速到達特定值以上時，螺旋角Θ大之態樣(如圖7中的曲線S4、S4’、S4”)會使轉動件21的轉速隨著風速上升而增快，此使得轉動件21之螺旋式葉片212易被強風(如：颱風)所吹毀，但螺旋角Θ小之態樣(如圖7中的曲線S5、S5’、S5”)則是能使轉動件21的轉速維持平緩， 不易受強風所影響。
進一步來看，依據轉動件21的負載不同(相關於轉動件21所具備的磁石221數量)，會產生不同的結果。其中，在螺旋角Θ大之態樣之中，負載由小到大的排列分別為：曲線S4、曲線S4’、曲線S4”；在螺旋角Θ小之態樣之中，負載由小到大的排列分別為：曲線S5、曲線S5’、曲線S5”。據此，使用者可依據風力發電裝置100所需應用的環境之風力不同，面對各種負載選擇合適的螺旋角Θ態樣及所對應之轉動件21轉速。
請參閱圖8所示，所述第一磁力模組22包含有兩永久性之磁石221(如：磁鐵)、一長條狀的磁導體222(如：金屬材料、矽鋼片、或鐵塊)、及兩位置調整單元223。其中，所述兩位置調整單元223分別裝設於上述兩容置槽2121內，並且該兩磁石221分別位於兩容置槽2121內且分別裝設於所述兩位置調整單元223。所述磁導體222則埋設於螺旋式葉片212，並且上述兩磁石221分別抵接於磁導體222的相反兩端部。再者，所述磁導體222的相反兩端緣較佳為分別切齊於該兩磁石221彼此遠離的側緣，以使磁力能夠完整地被傳遞，但並不以此為限。
須說明的是，所述兩磁石221遠離柱體211的一端分別定義為兩磁極端2211，並且第一磁力模組22能經由上述兩磁極端2211分別發出磁性相異之磁力(例如：圖8中的左邊磁石221頂端為N極，右邊磁石221頂端為S極)，而所述其中一磁石221所產生的磁力能經由上述磁導體222而傳遞至其中另一磁石221。
其中，所述每個位置調整單元223於本實施例中包含有一彈簧2231、一固定框架2232、及一活動框架2233，但不排除省略部分元件或是以其他的構件替代。再者，所述彈簧2231可以是壓縮彈簧或拉伸彈簧、又或者以其他具有回復性的構件取代。
以上即為本實施例之定子組件1與轉子組件2的構造說明，以下接著介紹定子組件1與轉子組件2之間的運作流程及彼此間的對應關係。
請參閱圖8所示，當所述轉動件21呈靜止時，磁石221及活動框架2233皆位於容置槽2121之槽底上，此時磁石221相對於轉動件21(或其容置槽2121)的位置定義為一第一位置(如圖8所示)。
當所述發電裝置100外部的流體(如：風力)進入殼體11的流動通道113，以施予轉動件21之螺旋式葉片212一驅動力時，轉動件21將以軸線L為軸心旋轉，並且所述兩磁石221受到轉動件21轉動所產生的一離心力之驅動，而相對於轉動件21自上述第一位置沿遠離軸線L之方向朝一第二位置(如圖9所示)移動，並使每個位置調整單元223的彈簧2231儲有一回復力，以分別傾向驅使該兩磁石221回復至第一位置。其中，所述各個磁石221所在的第二位置是指遠離容置槽2121之槽底但未突伸出轉動件21邊緣(即容置槽2121之槽口)的位置。
因此，當所述轉動件21持續在旋轉時，所述兩磁石221及其活動框架2233皆保持於第二位置，亦即，兩磁石221與殼體11之流通管111內緣兩者保持在彼此最接近的距離，藉以使轉子組件2轉動至一預定位置時，第一磁力模組22的兩磁極端2211沿徑向方向分別面向其中一個第一導磁單元121的兩芯部1211(如圖9所示，於預定位置時，所述兩芯部1211之中心線C分別通過上述兩磁石2213)並與其彈性導磁毛刷122相抵接，進而使該兩磁石221自其磁極端2211所發出的磁力能分別沿經彈性導磁毛刷122而傳遞至上述兩芯部1211，以令纏繞於所述兩芯部1211上的線圈1212產生感應電流，達到發電之效果。
進一步地說，當轉子組件2以軸線L為軸心而轉動至預定位置時，由於第一磁力模組22的兩磁極端2211沿徑向方向分別面 向其中一個第一導磁單元121的兩芯部1211並且分別與兩芯部1211上的該兩彈性導磁毛刷122之自由端相抵接，以使兩磁石221自磁極端2211所發出的磁力能沿經第一磁力模組22(即兩磁石221與磁導體222)、彈性導磁毛刷122、與第一導磁單元121(即兩芯部1211與導通件1213)而構成一磁力迴圈F。進一步地說，由於所述第一導磁模組12所具有的第一導磁單元121為數個，所以當轉子組件2以軸線L為軸心而轉動時，第一磁力模組22能依序面向該些第一導磁單元121，使經由兩磁極端2211所發出的磁力沿經第一磁力模組22及其所面向的第一導磁單元12而構成上述磁力迴圈F。
若當所述發電裝置100外部的流體(如：風力)不再進入殼體11的流動通道113時，所述轉動件21將逐漸減緩其旋轉速度直至靜止，此時，離心力小於回復力，而所述彈簧2231將同步逐漸釋放其回復力，以推抵固定框架2232與活動框架2233，進而驅使固定於活動框架2233的磁石221自第二位置移動至第一位置。
再者，如圖2至圖4所示，本實施例的定子組件1亦可於殼體11設有一第二導磁模組13，並且第二導磁模組13包含有數個第二導磁單元131，而本實施例的轉子組件2可於轉動件21的螺旋式葉片212上設有一第二磁力模組23。其中，由於第二導磁模組13與第二磁力模組23的構造與設置原理大置如同上述第一導磁模組12與第一磁力模組22，因而在此不再針對第二導磁模組13與第二磁力模組23加以贅述。
以上所述僅為本發明之較佳可行實施例，其並非用以侷限本發明之專利範圍，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
S1~S3‧‧‧曲線

Claims (9)

  1. 一種風力發電裝置，包括：一定子組件，其包含有：一殼體，其內側包圍形成有一流動通道，並且該殼體定義有一軸線；及一第一導磁模組，其設於該殼體；以及一轉子組件，其可轉動地設置於該殼體的流動通道內，該轉子組件包含有：一轉動件，其具有一柱體及相連於該柱體外緣的至少一螺旋式葉片，該柱體能以該軸線為軸心而轉動，該至少一螺旋式葉片與該殼體之間形成有一間隙，並且該至少一螺旋式葉片是以介於21~55度的一螺旋角設置在該柱體外緣，而該至少一螺旋式葉片對應於該軸線的長度為0.8~1.5螺距(pitch)；及一第一磁力模組，其設於該轉動件的該至少一螺旋式葉片上；其中，該至少一螺旋式葉片能承受一風力而使該轉子組件相對於該定子組件旋轉，以使該第一磁力模組與該第一導磁模組產生感應電流。
  2. 如請求項1所述之風力發電裝置，其中，該螺旋角進一步限定為40~50度。
  3. 如請求項1所述之風力發電裝置，其中，該螺旋角進一步限定為22~32度。
  4. 如請求項1至3中任一請求項所述之風力發電裝置，其中，對應於該軸線的該至少一螺旋式葉片長度，其大於該至少一螺旋式葉片相對於該軸線的高度。
  5. 如請求項1至3中任一請求項所述之風力發電裝置，其中，該第一導磁模組具有設於該殼體的一第一導磁單元以及設於該第一導磁單元且位於該殼體之流動通道的一彈性導磁毛刷，該第 一磁力模組具有能發出磁力的至少一磁極端；其中，當該轉子組件的柱體以該軸線為軸心而轉動至一預定位置時，該第一磁力模組的磁極端沿垂直該軸線的一徑向方向面向該第一導磁單元並與該彈性導磁毛刷相抵接，以使經由該磁極端所發出的磁力能沿經該彈性導磁毛刷而傳遞至該第一導磁單元。
  6. 一種風力發電裝置的轉子組件，包括：一轉動件，其具有一柱體及相連於該柱體外緣的至少一螺旋式葉片，該至少一螺旋式葉片是以介於21~55度的一螺旋角設置在該柱體外緣，而該至少一螺旋式葉片對應於該柱體中心線的長度為0.8~1.5螺距；以及一第一磁力模組，其安裝於該轉動件的該至少一螺旋式葉片上。
  7. 如請求項6所述之風力發電裝置的轉子組件，其中，該螺旋角進一步限定為40~50度。
  8. 如請求項6所述之風力發電裝置的轉子組件，其中，該螺旋角進一步限定為22~32度。
  9. 如請求項6至8中任一請求項所述之風力發電裝置的轉子組件，其中，對應於該柱體中心線的該至少一螺旋式葉片長度，其大於該至少一螺旋式葉片相對於該柱體中心線的高度。
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