TWI480462B - Wind power for wind power generation - Google Patents

Description

風力發電用風車

本發明係有關於風力發電用風車及其製造方法

就垂直軸垂直翼型之風力發電而言，為了要經由風力讓風力發電用輪葉產生回轉，是利用風力施加於輪葉片上所產生的阻力，及利用輪葉回轉時所產生的揚力而進行發電。

以利用阻力之風力發電而言，因重視受風面積故採用一般所習知的之偏置半圓筒式(Savonius)，雖然風速僅是每秒1公尺(1m/秒)程度之微風即足以讓輪葉回轉，但回轉中產生無法產生超過風速以上之回轉扭矩。又以利用揚力之風力發電而言，採用與飛機機翼相同形狀之回轉輪機(gyro-mill)形式亦為一般所習知，但在微風時卻不足以讓輪葉回轉。

在考慮這些問題後作成一提案，利用具有與飛機機翼相同形狀輪葉之回轉輪機型風車，將輪葉內面側之一部分予以切除而得以利用微風在開始回轉初期產生阻力並讓輪葉回轉(例如特許文獻1)。

特許文獻1：特許第3451085號公報

如上所述之風車，因為將輪葉內面側之一部分切除，而無法解決回轉中產生之風的紊流問題。因此而使得揚力減少，並降低了原來所應有之回轉扭矩，而無法達成得到高發電量之風力發電的目的。

但在習知的垂直軸垂直翼型風力發電機中，雖是利用將鋁合金薄板予以彎曲加工後作成具有與飛機機翼相同形狀之輪葉，因難以將輪葉前緣部分作成具有均一性的形狀，故在空氣流動時會產生紊流之問題，同時因強度維持困難，而有發生扭曲變形之虞。

故本發明之目的是提供一種微風即能起動，能抑制回轉中伴隨產生風之紊流，且具有極佳發電效率之風力發電用風車。

本發明之風力發電用風車是在與垂直軸正交之面內，以該回轉軸為中心於既定之角度間隔設置複數個輪葉，且前述輪葉具有1.0以上揚力係數之流線形翼形，並在相對於翼弦而位於前述回轉軸側之面上，自前緣起相對於翼弦為55%~95%之範圍內設置開口部。

還有在本發明中，相對於前述回轉軸側之面而言，前述開口部之面積為30%~5%。

還有在本發明中，設置有複數個開口部。

還有在本發明中，前述開口部之構件較前述輪葉之前部為薄。

本發明申請專利範圍第1項中所記載之輪葉製造方法，是前述輪葉中至少有一部分是利用鋁合金壓出成形方法製作之製造方法。

還有本發明是，利用鋁合金壓出成形方法製作出前述輪葉之前述前部的製造方法。

還有本發明是，在前述連結部之端部位置以對應於後側構件之厚度而設置段部，並在此段部上配置前述後側構件之前側的前述前部中，作成具有中空部的製造方法。

還有本發明是，在前述前部上設置連接後側構件之連結部的製造方法。

還有本發明是，將前述後側構件作成較前述前部之厚度為薄的製造方法。

還有本發明是，利用鋁合金壓出成形製作出前述連結部的製造方法。

還有本發明是，備置有連接前述前部與前述連結部之連結裝置的製造方法。

還有本發明是，在前述連結裝置中備置有設置於前述前部及前述連結部中一方之嵌合部，及設置於前述前部及前述連結部中另一方之嵌合受部的製造方法。

利用上述之構造，經由開口部之阻力即使微風亦可以起動，而在利用輪葉揚力回轉之高風速域內，由於在輪葉回轉軸側之面上，距離前緣為相對於翼弦55%~95%之位置內設置前述開口部，讓造成阻力之回轉軸側面上因風流動所產生之紊流得以減少，而可以得到高回轉扭矩。

還有利用上述之構造，因開口部面積所占比率較小之故，能進一步減少因風流動所產生之紊流。

還有利用上述之構造，因包括複數個開口部，能在起動之時有效率的捕捉住風。

還有利用上述之構造，經由增加具有較大風阻之前部的厚度，以確保前部之強度，及減少開口部之構件厚度，以達成輕量化。

利用相關製造方法作成之上述構造，係採用鋁合金壓出成形方法，可以確保均一的肉厚及形狀。

還有利用上述之構造，可以確保產生較大風阻之前部具有相當的強度及形狀均一性。

還有利用上述之構造，可以經由作出中空部來增加強度。

還有利用上述之構造，可以將後側構件連結至連結部上。

還有利用上述之構造，可以經由減少後側構件之厚度，而達成輕量化。

還有利用上述之構造，可以確保連結部之強度及形狀均一性。

還有利用上述之構造，經由將後側構件之前側配置於段部之方式，可以將發生於前部與後側構件間之段差予以消除。

還有利用上述之構造，可以經由連結裝置將前部與連結部予以連結。

還有利用上述之構造，可以經由嵌合部與嵌合受部間之嵌合讓前部與連結部相互連結。

關於本發明之較佳實施形態係參照附件圖面予以詳細說明。而申請專利範圍中所記載之本發明的內容並不受限於以下所說明之實施形態。又、以下說明中之各項構成，也不必需是本發明之必要要件。在各實施例中經由採用與習知所不同的新型風力發電用風車，而得到前所未有的風力發電用風車，並針對該風力發電用風車予以說明。

實施例1：

針對本發明之實施例參照附件圖面加以說明如下。第1圖~第6圖中揭示本發明實施例1，如該等圖中所示，垂直軸型之風車1之中心處備置垂直方向之回轉軸2。在此回轉軸2周圍沿著圓周方向以等間隔配置著複數個輪葉3，在此實施例中係將3片輪葉3、3、3與前述回轉軸2平行配置，亦即前述輪葉3是在與前述回轉軸2垂直之面上以等角度間隔(在本實施例中是採120度間隔)沿著相同半徑之圓周方向而配置。

前述輪葉3是位於由前述回轉軸2中成放射狀所延伸出之支撐臂4之前端，並以相對於該支撐臂4之既定角度加以固定。又複數個支撐臂4是沿輪葉3長度方向設置，在本實施例中係設置2個支撐臂。

前述輪葉3之外皮是由鋁合金或鈦合金等之輕金屬，或是纖維強化樹脂(FRP)等複合材之薄板狀材料所作成。又、輪葉3之翼形是具有1.0以上並以1.0~1.4為佳之揚力係數之流線形，尤其是如非對稱翼輕型飛機(離陸重量5700kg以下之飛機)中主翼所採用之形狀，例如以4字系翼形、RAF翼形、回流式(Goettingen)翼形等為佳。然後將翼形中凸出較大之面(外周側之面)作為輪葉3之表面5，將翼形中凸出較小之面(內周側之面)作為輪葉3之內面6，此內面為朝向回轉軸側之面。

在前述輪葉3中設置用以連接前述表面5側與前述內面6側之連結材7，此連結材7是由與輪葉3外皮相同的薄板狀材料所構成，經由連結材7來防止輪葉3於回轉中變形。在圖中之8是上端與前述回轉軸2連結之發電機，此發電機8是設置於立柱(Pole)9上。

在此例中前述輪葉3之前部11係利用鋁合金之壓出成形品所作成，此前部11是由位於前述連結材7前側之中空部12，及位於前述連結材7後側並各自延伸之表面連結部13及內面連結部14，所形成之一體狀構造，並沿著壓出成形之長度方向具有連續之相同斷面。在前述表面連結部13之後端側，由內側凹陷之段部15形成表面裝配部16，又在前述內面連結部14之後端側，由內側凹陷之段部17形成內面裝配部18，在前述表面裝配部16之外面，利用固定裝置之鉸釘(Rivet)20將較前述前部11為薄之板材所形成之表蓋材19加以固定，又在前述內面裝配部18之外面，利用鉸釘(Rivet)20將較前述前部11為薄之板材所形成之內蓋材21加以固定。然後經由段部15、17作出在前述之表面5及內面6間未產生段差之構造。又、在前述表面連結部13及內面連結部14之後端，形成內側折彎成近似於直角之折曲緣部13A、14A。如此則表蓋材19及內蓋材21構成了後側構件。

還有在圖中之22為設置於前述前部11上之複數個小螺釘孔(Vis hole)，設置在前述中空部12內而位於連結材7之兩端角部的2處，及前側的2處之位置。

在輪葉3中相對於支撐臂4之裝配位置，設置支撐臂支持構件31，此支撐臂支持構件31係由中央部31A及兩側之側部31B、31B而形成近似字形狀，將該中央部31A沿著表面連結部13及表蓋材19之內面配置，利用中央部31A上之複數個铆釘20固定於表蓋材19上，並將該等側部31B、31B之前側固定配置於前述表面連結部13及內面連結部14之間。然後在前述支撐臂支持構件31上之中央部31A側位置，作出用來鑲嵌前述折曲緣部13A之受溝部131A，並再於前述支撐臂支持構件31之側部31B之外緣處，作出用來鑲嵌前述折曲緣部14A之受溝部131B。並再利用固定構件之小螺釘32將支撐臂支持構件31之前側固定於前述連結材7上。

在前述內面連結部13上相對於支撐臂4之裝配位置處形成插通孔33，將支撐臂受材34插入此插通孔33內，並在將前述支撐臂4之前端插入此支撐臂受材34之同時，讓該前端嵌入前述側部31B、31B之間，然後在輪葉3內將複數個螺栓35插穿過側部31B、31B及支撐臂受材34，並以螺帽35A予以螺合，以此方式將支撐臂受材34固定於輪葉3中。接著將支撐臂4由外鑲嵌入突出於輪葉3之支撐臂受材34內，再利用複數個螺栓35及螺帽35A將支撐臂4固定於支撐臂受材34上。而前述之支撐臂受材34因是由鋁合金之壓出成形品所作成，故為一實心材料。以此方式利用前述之支撐臂支持構件31、支撐臂受材34、螺栓35及螺帽35A等，構成將支撐臂4固定於輪葉3上之支撐臂固定裝置36。

在前述輪葉3長方向之兩端部設置蓋板41將該端部予以封塞。此蓋板41是利用斷面成近似L字形狀之固定構件42加以固定，並利用铆釘20將此固定構件42上之一側片42A固定在輪葉3之內面，而前述固定構件42上另一側片42B則利用铆釘20將其固定於前述蓋板41上。然後在蓋板41之前側位置，以圖示中未顯示之小螺釘插穿過該蓋板41，並將這些小螺釘螺合固定於前述小螺釘孔22內。

還有在前述固定構件42之一側片上，形成讓前述折曲緣部13A嵌入之受溝部131A，並在前述支撐臂支持構件31中側部31B之外緣處，形成讓前述折曲緣部14A嵌入之受溝部131B。

在前述輪葉3之前述內面6上形成複數個開口部51、51…。此開口部51，是依據翼之空力特性而設置於前緣52與後緣53之間，位於自前緣52起55%~95%之範圍內，並以75%~95%之範圍內為佳，設置複數個開口部51、51…，這些開口部51、51…之合計面積為內面6面積的30%~5%，並以20%~5%為佳。以此方式讓輪葉3具有低雷諾數(Reynolds number)而形成能產生高揚力係數之翼形，同時於高風速域時能減少空氣流動而在內面6側產生紊流之構造。

還有輪葉3之翼弦54，係配置成相對於輪葉3之風向(相對於回轉方向T之法線方向)而言，成0度~5度之角度。又、圖中之W是風之吹送方向。

因此在低風速域之起動時，複數個輪葉3承受風力，由於位於輪葉3後部之開口部51使後側產生較大的風阻，經由此空氣阻力讓輪葉3朝向前方回轉而獲得起動扭矩。

另一方面，在周速比為1以上之高風速域時，是利用在輪葉3上產生之揚力讓輪葉回轉，此時由於開口部51係位於輪葉3之後方，沿著內面6自前緣52流向後緣53之空氣不易產生紊流，故能獲得高回轉扭矩。

以此方式本實施例中，在與回轉軸2垂直之面內，以回轉軸2為中心在既定角度處設置複數個輪葉3，形成揚力係數為1.0以上具有流線形狀翼形之輪葉3的風力發電用風車，由於在相對於翼弦54而位於回轉軸側之內面6，係自前緣52起算以相對於翼弦長55%~95%之範圍內設置開口部51，可以利用產生於開口部51之阻力使得微風亦能起動，而在利用輪葉3之揚力回轉之高風速域，由於在離輪葉3之內面6的前緣52起算相對於翼弦長55%~95%之範圍內設置開口部51，讓形成阻力之內面6的風流動時之紊流得以減少，而可以獲得獲得高回轉扭矩。

還有以此方式在本實施例中，由於相對於面向回轉軸側之內面6而言，開口部51所占面積為30%~5%，故能進一步減少風流動時之紊流。

還有以此方式在本實施例中，由於設置複數個開口部51，故在起動時可以有效率的捕捉住風。

還有以此方式在本實施例中，由於作為開口部51之構件的內蓋材21是較輪葉3之前部11為薄，可經由讓承受較大風阻之前部11具有較大厚度，來確保前部11之強度，及經由減少開口部51之構件厚度，達成輕量化。

還有以此方式在本實施例中，申請專利範圍第1項中所記載之輪葉製造方法，係將輪葉3之至少一部分採用鋁合金壓出成形方法製造，可以經由鋁合金之壓出成形而確保均一的肉厚及形狀。

還有以此方式在本實施例中，由於輪葉3之前部11是採用鋁合金壓出成形方法製造，可以確保產生較大風阻之前部11具有相當的強度及形狀均一性。

還有以此方式在本實施例中，由於在前部11中作出中空部12，而可經由此中空部12來增加強度。

還有以此方式在本實施例中，由於在前部11上設置有表面及內面連結部13、15，分別用來連接後側構件中之表蓋材19及內蓋材21，可以將表蓋材19及內蓋材21連接至表面及內面連結部13、15上。

還有以此方式在本實施例中，由於後側構件中之表蓋材19及內蓋材21是較前部11之厚度為薄，經由減少表蓋材19及內蓋材21之厚度，可以達成輕量化。

還有以此方式在本實施例中，由於連結部13、15係採用鋁合金壓出成形方法製造，可以確保連結部13、15之強度及形狀均一性。

還有以此方式在本實施例中，由於在連結部13、15之端部位置以對應於後側構件中表蓋材19及內蓋材21之厚度而設置段部15、17，再將表蓋材19及內蓋材21之前側配置於此段部15、17上，可以將發生於前部11與表蓋材19及內蓋材21間之段差予以消除。

還有以實施例上之效果而言，由於在前部11上設置小螺釘孔22，可以利用小螺釘簡便的將蓋板41等裝配於端部上。

實施例2：

第7圖所示為本發明之實施例2，其中與上述實施例1相同之部分附具有相同的符號，將該相同部分之詳細說明予以省略後說明如下。在此實施例中，前部11是由中空部12及與該中空部12分開設置之分割部61所構成，此分割部61是利用板狀之後連結材62將前述表面連結部13及內面連結部14之前端連接而形成近似字形，在前述連結材7上設置溝狀之嵌合溝7A，在前述後連結材62上形成與前述嵌合溝7A相互嵌合之嵌合部62A。然後由這些作為嵌合受部之嵌合部溝7A及嵌合部62A來構成連結裝置63。且前部11及分割部61分別都是由鋁合金壓出成形品所作成。並又在中空部12內，位於連結材7之兩端角部2處、中央側2處及前側2處位置上設置前述小螺釘孔22。

因此利用將嵌合部62A嵌合於嵌合溝7A中，並相對於中空部12讓分割部61沿著長度方向移動之方式，就可以將兩者連接成一體化構造。

以此方式在本實施例中，由於配置了將前部11與連結部13、15相互連結之連結裝置63，可以利用連結裝置63讓前部11與包括著連結部13、15之分割部61相互連結。

又以此方式在本實施例中，由於連結裝置63中包括著嵌合部62A及作為嵌合受部之嵌合溝7A，並分別設置於前部11及具有連結部13、15的分割部61中之一方及另一方上，可以經由嵌合部62A及嵌合溝7A間之相互嵌合，將前部11與連結部13、15予以相互連結。

又本發明並不受限於前述之實施例，亦可能具有其它各種不同之實施形態。

1．．．風車

2．．．回轉軸

3．．．輪葉

4．．．支撐臂

5．．．表面

6．．．內面

7．．．連結材

11．．．前部

12．．．中空部

13．．．表面連結部

14．．．內面連結部

15．．．段部

16．．．裝配部

17．．．段

18．．．裝配部

19．．．表蓋材(後側構件)

21．．．內蓋材(後側構件)

31．．．支撐臂支持構件

51．．．開口部

52．．．前緣

53．．．後緣

54．．．翼弦

7A．．．嵌合溝(嵌合受部)

62A．．．嵌合部

63．．．連結裝置

第1圖係揭示本發明實施例1風車之正面圖。

第2圖係揭示本發明實施例1輪葉之背面圖。

第3圖係揭示本發明實施例1風車之平面圖。

第4圖係揭示本發明實施例1輪葉之剖面圖。

第5圖係揭示本發明實施例1輪葉之要部的背面圖。

第6圖係揭示本發明實施例1輪葉之要部的剖面圖

第7圖係揭示本發明實施例2輪葉之要部的剖面圖

1．．．風車

2．．．回轉軸

3．．．輪葉

4．．．支撐臂

5．．．表面

6．．．內面

8．．．發電機

9．．．立柱

51．．．開口部

Claims (3)

1. 一種風力發電用風車，其特徵在於：於中心處備置垂直方向之回轉軸，以該回轉軸為中心於既定角度間隔設置複數個輪葉，並將該輪葉平行配置於該回轉軸的周圍，前述輪葉是具有1.0以上揚力係數之流線形翼形，該翼形中凸出較大之面作為表面，該翼形中凸出較小之面作為內面，該輪葉之外皮是由鋁合金或鈦合金等之輕金屬，或是纖維強化樹脂等複合材之薄板狀材料所作成，該輪葉的前部具有中空部，在該前部設有連結後側構件之連結部，該連結部由分別從該中空部向後側延伸的表面連結部及內面連結部所構成，作為後側構件之表蓋材連結於該表面連結部，作為後側構件之內蓋材連結於該內面連結部，在相對於翼弦而為位於回轉軸側之面的該內面，自前緣起算以相對於翼弦長55%~95%之範圍內設置複數開口部，該複數開口部的合計面積為該內面之面積的30%~5%，該前部是由該中空部及與該中空部分開設置之分割部所構成，該分割部是利用板狀之後連結材將該表面連結部及內面連結部之前端連接而形成近似字形，在該中空部的連結材上設置溝狀之嵌合溝，在該後連結材上形成與前述嵌合溝相互嵌合之嵌合部，藉由該嵌合溝及該嵌合部之嵌合將該中空部及該分割部連結。
2. 如申請專利範圍第1項所述之風力發電用風車，該 複數開口部設置於自前緣起算以相對於翼弦長75%~95%之範圍內，該複數開口部的合計面積為該內面之面積的20%~5%。
3. 如申請專利範圍第1或2項所述之風力發電用風車，其中該表蓋材及該內蓋材較前述輪葉之該前部為薄。