TWI772994B - 渦流動力發電結構 - Google Patents

Abstract

本發明係提供一種渦流動力發電結構，其包含一圓筒腔體、一驅動機構及一發電機構，圓筒腔體包括有一流體入口及一流體出口，流體入口位於圓筒腔體之側面，流體出口位於圓筒腔體之端面中央，外部流體自流體入口以切線方向進入圓筒腔體後，沿著該圓筒腔體的內壁繞行成為渦流，最後轉向流體出口排出；驅動機構設於圓筒腔體內，進入圓筒腔體之流體使驅動機構轉動；發電機構連接驅動機構，被驅動機構致動而發電；藉此，可使本發明之過流體動力發電結構達到結構簡潔、易於裝設、便於維修、降低成本以及有效發電之目標。

Description

渦流動力發電結構

本發明係有關於一種利用渦流動力發電的結構，尤指一種利用圓筒腔體創造渦流並使其加速的機構，並在圓筒腔體內使用通透性葉片組吸收渦流中的動能以發電的裝置。

按，現今大型風力發電的一般設計是採用水平軸三葉片渦輪的塔柱型構造，這種設計至少有下列缺點：(1)葉片結構精細，製造成本高昂；(2)葉片結構巨大，運輸困難；(3)葉片和發電機都在高處，裝設不易且維修不便；(4)機組重心在塔的頂端，靜態應力不穩定，且葉片的受力不平均，動態應力不穩定；(5)裸露的葉片及支架易在強風中受損；(6)風力太弱或太強都影響發電的效能；(7)風能利用率較低；(8)葉片旋轉時對飛行物造成危險；(9)低頻噪音干擾生態；(10)使用年限短；(11)難以更新；(12)難以回收。以上各項缺點都無法解決，因而有待研發改進者。

按，一般習用的大型水平軸風力發電機，其缺點在於：其葉片脆弱，高重心，構造複雜，製造困難，運輸困難，建造困難，保養困難，對鳥類產生危險，噪音，難以更新拆除及回收，綜合而言，其使用壽命短，成本極高。習用的垂直軸風車的缺點是：有脆弱的垂直軸及葉片，無法抵抗強風，故無法大型化。

本發明人已注意到US4452562A前案，該前案與本案明顯的差異如下： 前案的集風塔有內壁和外壁，兩壁之間有空間，集風塔的頂端完全敞開，底部與下方的進風室相通，進入方形進風室之氣流無法形成渦流，故氣流並不會如龍捲風般自動加速。本案的圓筒腔體為單層壁構造，頂端除中心部分外全被覆蓋，其底端並無開口及進風室，氣流係由圓筒腔體側面的複數個流體入口進入，再由頂端中心之流體出口排出，因而在圓筒腔體內形成類似於龍捲風的完整風場。

前案之渦輪及轉軸在集風塔與進風室之間，該渦輪之葉片並非為通透性的構造，故氣流只掠過葉片一次，葉片無法回饋動能使氣流再增速。

本案複數通透性葉片及驅動軸都在圓筒腔體內部，沒有進風室，流入流體衝擊複數通透性葉片後，仍可維持其螺線形路徑並加速，如龍捲風一般的增強渦流。

本發明人曾以CFD模擬本發明中圓筒腔體內的流體，結果證實：圓筒腔體內形成渦流，渦流的外圍流速較低，渦流的中心流速較高，渦流的外圍呈現高壓，渦流的中心呈現低壓，渦流的中心流向出口，以上六種特徵均與氣旋及龍捲風一致；根據以上原理，因而研發出創新的裝置以解決現存風力發電的所有問題。

龍捲風具有強大的動能，因此本發明乃在簡潔結構的圓筒腔體內創造小型龍捲風，並利用圓筒腔體內通透性的葉片組，以收集該龍捲風的動能發電。

為達上述目的，本創作採用如下的技術手段：本發明係一種渦流動力發電結構，包括：一圓筒腔體、一驅動機構及一發電機構，該驅動機構設於該圓筒腔體內。

於上述渦流動力發電結構中，流體流入圓筒腔體後成為渦流，渦流使驅動機構轉動。

於上述渦流動力發電結構中，該發電機構連接該驅動機構，由驅動機構致動發電機構發電。

於上述渦流動力發電結構中，該圓筒腔體包含至少一流體入口及至少一流體出口，該流體入口設於該圓筒腔體之側面，該流體出口設於該圓筒腔體之端面中央。

於上述渦流動力發電結構中，該流體入口具有至少一流量調節部，以控制外部流體進入該圓筒腔體之流量。

於上述渦流動力發電結構中，外部流體自該流體入口以切線方向進入該圓筒腔體，流入流體沿著該圓筒腔體的內壁前進成為渦流，以螺線狀向軸線流動，在到達軸線附近時，轉向流體出口。最後由該流體出口排出。

於上述渦流動力發電結構中，該驅動機構包括一轉軸及一葉片組，該轉軸活動設置於該圓筒腔體的軸線上，該葉片組固定設置於該轉軸上。

於上述渦流動力發電結構中，葉片組具有呈輻射狀分佈之多數支架，各葉片設置於該支架上，各葉片呈平面狀、網狀、格狀或柵狀。

於上述渦流動力發電結構中，該圓筒腔體內的流入流體推動該葉片組，該葉片組帶動該轉軸轉動，該轉軸驅動該發電機構進行發電。

於上述渦流動力發電結構中，該轉軸具有至少一調速器，以調節該轉軸之轉速。

於上述渦流動力發電結構中，該轉軸至少一端具有一連接部，可以連接發電機構，及在堆叠圓筒腔體時連接多數圓筒腔體內的多數驅動機構。

為了讓 貴審查委員對本創作有更進一步的了解，茲佐以圖式詳細說明本創作如下：

(1):圓筒腔體

(11):流體入口

(12):流體出口

(13):流量調節部

(14):轉軸支架

(15):腔體內壁

(16):軸線

(17):徑向線

(18):同心圓

(2):驅動機構

(21):轉軸

(22):葉片組

(221):支架

(222):葉片

(23):調速器

(3):發電機構

(31):發電機

(41):流入流體

(42):流出流體

(43):流體分子

(51):螺線形路徑

(52):氣壓梯度力

(53):科氏力

(54):向量合力

第1圖係本發明第一實施例之外觀結構示意圖。

第1A及1B圖係本發明第一實施例圓筒腔體之上視圖及圓筒腔體之側視圖。

第2A、2B、2C、2D及2E圖係本發明第一實施例驅動機構及各種葉片示意圖。

第3A圖係本發明第一實施例發電機構之上視示意圖。

第3B圖係本發明第一實施例發電機構之側視示意圖。

第4A圖係本發明第一實施例圓筒腔體內流體路徑之上視示意圖。

第4B圖係本發明第一實施例圓筒腔體內流體路徑之側視示意圖。

第4C圖係本發明第一實施例第4A圖之A部作用力分析圖。

第5A圖係本發明第二實施例圓筒腔體內流體路徑之上視示意圖。

第5B圖係本發明第二實施例圓筒腔體內流體路徑之側視示意圖。

第6圖係本發明第三實施例複數個圓筒腔體及驅動機構堆叠組合之發電結構示意圖。

請參閱第1圖至第6圖所示，係分別為本發明各種實施例之示意圖，如圖所示：本發明係一種渦流動力發電結構，其包括有一圓筒腔體1、一驅動機構2及一發電機構3。

如第1圖所示，該圓筒腔體1包含至少一流體入口11及一流體出口12，該流體入口11設於該圓筒腔體1之側面，該流體出口12設於該圓筒腔體1之端面中央，外部流體自該流體入口11以切線方向進入該圓筒腔體1內，然後由該流體出口12流出；如第1A及1B圖所示，流體入口11處具有一流量調節部13，本實施例中之流量調節部13可為一門體，該流量調節部13可調節該流體入口11的開啟或關閉，以控制外部流體進入該圓筒腔體1之流量。

如第1圖所示，該驅動機構2設於該圓筒腔體1內。

如第2A圖所示，於本發明之第一實施例中，該驅動機構2包含一轉軸21及一葉片組22，該轉軸21活動設於圓筒腔體1的軸線位置，該葉片組22固定設置於該轉軸21上，流入流體推動該葉片組22，該葉片組22帶動該轉軸21旋轉，使驅動機構2產生動能。

如第2B圖所示，於本發明之第一實施例中，該葉片組22具有一呈輻射狀分佈之支架221及多數葉片222，該支架221固定設置於該轉軸21上，各葉片222設於該支架221上，流入流體推動該葉片組22的各葉片222，其中各葉片222可呈網狀(如第2B圖)、格狀(如第2C圖)、柵狀(如第2D圖)或平面狀(如第2E圖)，因各葉片222具有可通透性，故流入流體可通過葉片222，使各葉片222都產生推力。

如第3A及3B圖所示，於本發明之第一實施例中，該轉軸21具有至少一調速器23，而本實施例中該調速器23可為離心式調速器，藉此，可利用該調速器23於該轉軸21轉動時調節轉速，以配合需求。

如第3B圖所示，該發電機構3係連接於驅動機構2之一端，該發電機構3由該驅動機構2之動能加以驅動，以使該發電機構3內之發電機31進行發電。

如第4A及4B圖所示，本發明之渦流動力發電結構可架設於陸地、河流或海洋，將外部流體(例如：風)以切線方向導入該流體入口11，使該流體入口11的壓力為正風壓，由於圓筒腔體1的特殊結構，使流入流體41依螺線形路徑51前進，而流體出口12的方向與風向相垂直，風壓為零，故圓筒腔體1內形成流場，腔體內壁15的氣壓最高，向軸線16方向漸減，流體出口12的氣壓最低，類似一個微型氣旋系統。

本發明係引導外部流體自該流體入口11以切線方向進入該圓筒腔體1內，流入流體41因慣性及後方持續的壓力而前進，自腔體內壁15沿螺線形路徑51流向軸線16，然後流向流體出口12，流入流體41推動葉片組22而使轉軸21旋轉並產生動能(如第2A圖)，該動能驅動該發電機構 3之轉軸進行發電(如第3B圖)。

如第4A圖及第4C圖所示，本發明之第一實施例，腔體內壁15和軸線16之間有氣壓梯度，螺線形路徑51上的流體分子43承受氣壓梯度力52，其方向指向軸心16，流體分子43也承受科氏力53，其方向與螺線形路徑51相垂直，科氏力53與氣壓梯度力52產生向量合力54，向量合力54使流體分子43的速度v增加，且流體分子43的旋轉半徑循螺線形路徑51而縮小，使角速度ω增加，根據公式：科氏力F=-2m(ωv)，F、ω、v三者互相正回饋而同步增加，圓筒腔體1使流入流體41自動加速。

如第5A及5B圖所示，本發明之第二實施例，為使圓筒腔體1內流入流體41自動加速的結構，其中圓筒腔體1係呈扁平狀，其流體入口11呈喇叭狀之結構以配合流入流體的增量。

請參閱第6圖所示，於本發明之第三實施例，該驅動機構2之轉軸21的至少一端可設一連接部(圖中未顯示)，各驅動機構2以連接部進行連接，如此可依實際需求連接多數個驅動機構2，並利用末端的連接部連接發電機構3，以使本發明能更符合實際之需求。

於本發明之第一實施例中，當流入流體41為水時，圓筒腔體1可設置於河底或海底，為符合實際之需求，發電機構3可設置於圓筒腔體1的頂端，流體出口12可設於底端，用導管導向水流的下游。

綜上所述，本發明之渦流動力發電結構，確實有效改進習知技術的缺失，藉由設置圓筒腔體、驅動機構與發電機構；其中圓筒腔體包括有流體入口及流體出口，流體入口設於圓筒腔體之側面，流體出口設於圓筒腔體之端面中央，使外部流體由流體入口以切線方向進入圓筒腔體，最後由流體出口排出；驅動機構設於圓筒腔體內包含一轉軸及一通透性葉片，由圓筒腔體內之流入流體衝擊通透性葉片以帶動轉軸旋轉，因為使用複數通透性葉片，可以維持流體的螺線形路徑及加速；發電機構連接驅動機構而由驅動機構之動能致動發電機，藉此可達到結構簡潔、易於裝設、 便於維修、降低成本以及有效發電之功效，而使本發明已具備實用性、新穎性及進步性等專利基本要件，爰依法提出發明專利申請。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例，當不得以此限定本發明實施之技術範圍，因此，凡參照本發明申請專利範圍與說明書內容所作之簡單等效變化與修飾，皆應仍屬本發明日後取得專利所涵蓋之權利範圍內。

(1):圓筒腔體

(11):流體入口

(12):流體出口

(13):流量調節部

(14):轉軸支架

(2):驅動機構

(21):轉軸

(3):發電機構

Claims (8)

1. 一種渦流動力發電結構，係包括：一圓筒腔體，其包含至少一流體入口及一流體出口，該流體入口設於該圓筒腔體之側面，該流體出口設於該圓筒腔體之端面中央，該外部流入流體自該流體入口以切線方向進入該圓筒腔體後，沿著圓筒腔體內壁作水平向旋轉，形成氣旋渦流，並繼續沿著螺線形路徑流向軸線，由於腔體內壁的氣壓最高，向軸線方向的氣壓漸減，流體出口的氣壓最低，形成一個微形氣旋系統，流體無需其他導流裝置便可加速轉向該流體出口排出，因而在圓筒腔體內形成類似龍捲風的風場；一驅動機構，其設於該圓筒腔體內，該驅動機構由該圓筒腔體內之流入流體推動以產生動能，其中該驅動機構包含一轉軸及一葉片組，該轉軸活動設於該圓筒腔體內的軸心，該葉片組固定設置於該轉軸上，以使該圓筒腔體內的流入流體可推動該葉片組，該葉片組帶動該轉軸轉動，葉片組上具多數可通透的葉片，流入流體之流體分子在衝擊葉片後，可自葉片的隙縫中穿過，沿螺線形路徑繼續流動並加速；及一發電機構，其連接該驅動機構，該發電機構由該驅動機構之動能加以驅動，以使該發電機構進行發電。
2. 依申請專利範圍第1項所述之渦流動力發電結構，其中該流入流體從流體入口以切線方向進入圓筒腔體內側，形成一可為流體自動加速之結構。
3. 依申請專利範圍第1項所述之渦流動力發電結構，其中該流體入口處具有一流量調節部，該流量調節部可調節該流體入口，以控制外部流體進入該圓筒腔體之流量。
4. 依申請專利範圍第1項所述之渦流動力發電結構，其中該發電機構可 設置於該圓筒腔體的任一端，該發電機構可在圓筒腔體內部或外部。
5. 依申請專利範圍第1項所述之渦流動力發電結構，其中該轉軸設有至少一調速器，以調節該轉軸之轉速。
6. 依申請專利範圍第1項所述之渦流動力發電結構，其中該葉片組具有一呈輻射狀分佈之支架及複數葉片，該支架固定設置於該轉軸上，各葉片設於該支架上，流入流體可以推動該葉片組之各葉片。
7. 依申請專利範圍第1項所述之渦流動力發電結構，其中該葉片係呈平面狀、網狀、格狀或柵狀。
8. 依申請專利範圍第1項所述之渦流動力發電結構，其中該轉軸之至少一端係設一連接部，該渦流動力發電結構為複數圓筒腔體堆疊而成，且各圓筒腔體內分別設置一驅動機構，而各驅動機構之轉軸以連接部進行連接。

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