低风速风力发电装置制造方法
【专利摘要】根据本发明，通过采用以直立叶片乃至多级块构成、内侧形成有重叠领域的拖式叶片，具有从静止状态使风力发电机的叶片旋转的启动扭矩大、并且旋转转矩强的工作特征，外侧采用机翼型叶片加快叶尖速比大于1以上的旋转加速度，使其不受风向的限制并在风小时也能引起旋转动力有效发电，并不受场所和位置的限制以低廉的费用安装，此外对环境无害可有效实施风力发电。
【专利说明】低风速风力发电装置
【技术领域】
[0001]本发明是低风速风力发电装置的相关内容。其具体内容为在低风速地区也可增大叶片的旋转转矩，并在叶片开始旋转的同时最大化叶尖速比，从而增加旋转动力的效率来引起发电的低风速风力发电装置相关内容。
【背景技术】
[0002]能源能给我们带来很多好处。但寒流和暴雪、暴雨和干旱、泥石流、台风、酷热等地球的异常气温现象从几年前开始严重更新了地球历史上的最高纪录。发生这种异常气候的原因被认为是使用化石燃料而引起的地球温室效应。世界各国领悟到此现实后，为了开发无公害原料，投资很多资金努力去寻找可脱离化石燃料的未来可使用能源和可代替石油或煤炭等化石燃料的新能源，并为了解决能源问题竭尽全力进行研究开发。
[0003]脱离化石能源，人类可追求的未来新能源都有太阳能、风能、人工太阳、氢气能、利用海水的能源、生物能源等各种类型。其中，风能即可环保也可再生，故被视为未来新能源。与在阴天或夜间受限制的太阳能相比，风力发电只要有风就能24小时随时发电。风，这自然因素既无限又清洁，故风能的代替燃料价值受到了人们的认可。风能既不污染大气，也不排除废料。因此，风能具有发展新代替能源的足够可能性。但在低风速地区，风向瞬间转变的可变性和风速(2?6m/sec)低等原因,在发电容量信用(Capacity Credit)方面,风力发电不能完全代替现有发电所能提供给私人发动机(私人消费用发电)或备转容量等资源的有效容量。因此，急需开发经济效益好及效率高的分散发电网用低风速风力发电装置。
[0004]低风速地区的年平均风速是2?6m/sec，故安装额定风速为12m/sec的风速用风力发电机对大型发电机来说超过4倍的容量、对中型发电机来说也超过了其容量，因此投资浪费很多。世界风力发电机制造公司丹麦的Vestas社或其他有名制造企业的风力发电机产品的发动机额定风速为12m/SeC，故不适合在低风速地区使用。
[0005]并且低风速地区的风向不稳定，产生很多偏摇(Yawing)现象，故不能进行高效率发电。
[0006]太阳和云造成的地表面温差引起风，而低风速地区风的风向变化多多，并雷诺数的变化及其严重。但随着世界绿色成长潮流，不可放弃该自然能源。在低风速地区安装很多发电扭矩不足的大容量风力发电机，但这仅仅是给别人看的设置容量，实际上与投资回收的发电量有很大的差距，故在经济分析或绿色能源开发等方面来说是很遗憾的事情。
[0007]因此，迫切需要开发符号2?6m/SeC低风速特性的风力发电技术，并有效利用风力资源。
[0008]发明的详细说明
[0009]技术课题
[0010]本发明是为了解决以往的问题而提案的，其目的是提供高效率低风速风力发电装置。本发明装置在内侧具备拖式叶片，其可在风小的情况也可最大化发动扭矩，并在拖式叶片间形成重叠部分来增大旋转转矩。此外，在外延上安装具有加速旋转作用的机翼型叶片，在叶片开始旋转的同时最大化叶尖速比来增加旋转动力的效率。
[0011]课题解决手段
[0012]为了达到上述目的而提供的本发明装置的构造如下。从一观点来说，提供一种低风速风力发电装置，其特征为，其包括可旋转型长圆柱型长杆中央竖井；与上述中央竖井结合的盖板中心部上形成具有长形槽的轴结合部，并为了增大旋转转矩以轴结合部为基准形成重叠领域，并固定相同旋转方向；中心轴由杆身构成的情况，上述重叠领域的重叠比是，半圆间重叠X轴间距(e)减去中心轴的杆身直径(e’)，再除以半圆直径⑷即可。中心轴由拖式叶片支撑，即无杆身的情况，半圆间重叠X轴间距(e)除以半圆直径(d)而形成的半圆环形的拖式叶片；与上述拖式叶片的外周面与支座连接，并与拖式叶片合为一体旋转从而最大化叶尖速比的机翼型叶片；及位于上述中央竖井的延长线上并受到中央竖井的旋转动力而发电的发电模块。
[0013]依照美国航空宇宙局(NACA)Airfoils Series 和NREL Airfoil Family (Nat1nalRenewable Energy Laboratory (美国能源部国立再生能源研究所)，需很多实验的爱迪生多模型测试方法，如表I (叶片缩小模型)制造结合内侧拖式叶片和外侧的机翼型叶片各个缩小模型后
[0014][表 I]
[0015]
叶片缩小模型(Prototype)Specificat1n
fl十片圆周2.198m
—叶片宽度0.7m
—叶片高度 0.3m _叶片面积__0.21m2_
[0016]表2 是 4.0m/sec 的风洞机(Wind Tunnel)
[0017][表2]
[0018]
风洞机(Wind Tunnel)Specificat1n
Dimens1n1.5m(w) x 1.9m(h) x 6m(I)
Test Sect1n Dimens1n1.2m(w) x 0.6m(h) x 1.5m(l)
TypePush Type (推式)
Fan blowerSiroco fan 1.4kW x 2
Maximum Wind Speed4.0m/sec
[0019]如下表3所不，按5种几何参数(Geometrical Parameter),在4.0m/sec风速条件下各得到了发动机输出端无负荷(No Load)时和有负荷(Load)时的TSR(Tip SpeedRat1, λ,叶尖速比和叶片旋转RPM和功率系数(Power Coefficient,效率)相关的实验结果O
[0020][表3]
[0021] 分类/I何参数(Geometrical Parameter)
I外侧端部从半圆延长的延长角度(Θ )
--柿式
2半圆间的Y轴间距(a)比率，上
--叶片
3重叠领域的重叠比率
4叶片厚度比率^机翼型^
5迎角角度叶片
[0022]表3中的几何参数详细评价所需的TSR (Tip Speed Rat1, λ,叶尖速比，叶片速度和风速之比)使用以下计算式。
[0023][计算式I]
ITtJin \ Rtii*-'■ 1\
[0024]JdK(A) =^—-
' V 60 V
[0025]其中，R是叶片转子半径，ω是旋转角速度(rad/s), N是叶片旋转rpm, V是风速即为 4.0m/sec。
[0026]功率系数(Cp, power coefficient)由以下计算式算出。
[0027][计算式2]
[0028]P = €ρφ MR2V^)
[0029]其中，P是功率，P是空气密度，V是风速，R是叶片转子半径，Cp是功率系数(Cp, power coefficient)。表 4 到表 8 是表 3 中五种几何参数(Geometrical Parameter)达到最佳功率系数(Cp,效率)时的各个条件下，个别对此几何参数(GeometricalParameter)详细分类实验后相互比较的表格。
[0030]表4是比较拖式叶片半圆的延长角度(Θ )离中心点
[0031]-10。，-5。，-3。，0。，3。，10。，20。, 30° , 35° , 40° , 50° 单位时得到的实验结果。
[0032][表4]
[0033]
延长角度无负荷(No Load)有负荷(Load)
(Θ)RPM TSR RPM TSR 功率(watt)功率系数 ?
^1KT^198L 811681.53^L 62 0.201^
^^202L 851731.56^L 65 0.204^
^^i)6L 891771.62^L 67 0.207^
0。2061.891771.62一L67一—0.206一
3°^210L 921801.65^L 70 0.211^
5°^211L 931801.65^lT71 0.211 ^
^10°^213L 951821.67^L 74 0.216^
20°2161.98~?84~1.69 1.79 0.222
^30°^2212Γθ21881.72^L85^^0.229^
^35°^2192.00^1871.71^Ol 0.224^
^40°^199L 821701, 56^L57 0.195^
50。188丨1.7 5 52丨 1601.47 1.43 0.177
[0034]表5 是以拖式叶片半圆直径(d) -0.05，0.00，0.05，0.10，0.20，0.25，0.30 为单位实验后得到的拖式叶片半圆间的Y轴间距(a)。
[0035][表5]
[0036]
Υ?由间距无冤葡讲0 Load) __SiM^(Load)
(a)^RPM^^TSR^RPM^TSR^ 功率(watt)功率系数 Cp
-0.05216 L 98185lT69 L 800.223
^(ΓΟΟ219 27(31187L71 L 820.226
^θΤθ5221 2Γθ2188L72 L 850.229
0:1:0 —— 216 —— L 98 ——185—L 69— — 1: 80 ——0「223 —
0.20212 1.941811.66 LH0.212
—0.25^209 1.91—179— 1.64 1.690.210
—0.30207 1.901771.62 1.670.207
[0037]表6是拖式叶片重叠领域的重叠比率为0%，5%，10%，13%，16%，22%，25%，28
% ,32% , 34%，40%，50%单位时得到的实验结果比较表格。
[0038][表6]
[0039]
无负荷(No Load)有负荷(Load)
重叠领域的重叠比率为酬I ibR RPMTSR I功率I功率系数
(watt)Cp
0% 174 L 59 147L35 L280.159^
5% 176 L61 150L37 L320.164^
10% 178 L 63 152L39 L330.165^
13% 103 1.86 1741.59 1.640.203
16% 196 L 80 167L53 L520.188^
—22% ^199— 1.82 1701.56 1.570.195
25% 221 ^ 2.02 1881.72 L850.229^
28% 196 L 80 167L53 L52O, 188^
32% 178 L 63 152L39 L330.165^
34% 176 Γ61 150L37 L320.164^
40% 156 L 43 132L21 LU0.138^
一 50% 151 1.38 1281.17 1,010.125
[0040]表7是机翼型叶片的叶片厚度比率为9.0% , 10.0% , 15.0% , 15.5% , 17.5% , 18.0%，23.0%，25.0%，30.0%，32.5%，35.0%单位时得到的实验结果比较表格。
[0041][表7]
[0042]
I无负荷(No Load)有负荷(Load)
翼型叶片的叶片厚度比率_ I TSR——RPMTSR 功率功率系数
(watt)Cp
9Γθ% 95 (Χ 87 79(LT2 (λ 490.061^
10.0% 99 0.91^θΤ76 0 520.064^
—15.0% ^156 1.43 ~ 1321.21 1.110.138
15.5% 177 L 62 1511.38 1.32^0.164^
17.5% 190 L 74 162L48 L440.179^
18.0% 200 L83 171L57 L580.196^
23.0% 221 2702 188L72 L 850.229^
25.0% 214 L 96 1831.68 1.75^0.217^
30.0% 208 L 90 178L63 L 680.208^
32.5% 201 L 84 172L58 L580.196^
—35.0% 183 1.68 1561.43—| 1.400.174
[0043]表8是机翼型叶片的迎角为-10°到30°时，以1°为单位进行实验后得到的实验结果比较表格。
[0044][表8]
[0045]
无负荷(No Load)有负荷(Load)
机翼型叶片的迎角酬I TSR ——RtMTSRI功率I功率系数?
(watt；
zKT ^330T30028(126θΤθ50.006^
53049045041(Π70.021^
zA0 ^76(Χ 70065060(λ 300.037^
^HOLOl094(Χ 860Γ600.074^
—-2° — 1461.341.140.960.119
-1。 1611,47138L26?Τ?70.145一
0° ^178L 63152L39L330.165^
1° ^184L 69157L44L410.175^
2° 191L 75163L49L450.180^
3。 1971,80168L54Γ530.190一
4° ^200L83171L57L580.196^
5° ^201L 84172L58L580.196^
6° 207L 90177L62L 670.207^
V 2121,94181L66LH0.212^
8° 214L 96183L68L 750.217^
9° ^215L 97184L69L 790.222^
10° ^216L 98185L69L 800.223^
IT ^2202^01188L72L 830.227^
IT 2202ΓθΙ188L72L 830.227^
IT ^2212Γθ2188L72L 850.229^
14° ^2192Γθ1187L71L 810.224^
一 15° 一 2141.961.681.770.219
16。 2131,95182Γθ7LU0.216一
17° ^207L 90177L62L 680.208^
18° ^204L 87174L59L580.196^
19° 198L81169L55L580.196^
20。 1891,73162L48Γ430.177一
2Γ ^180L 65154L41L390.172^
22° ^177L62151L38L320.164^
23° 165?ΤδΙ141L29?ΤΤθ0.148^
24。 1491,36127?ΤΤδLOO0.124一
25° 135L24115L050910.113^
2Τ ^117L 07100(Χ92(Γ690.086^
27° ^104(Γ95089(Χ82(Γδβ0.069^
28° ^99(Γ91085(178(ΓδΟ0.062^
2Τ 880810750690.051 ^
一 30。 730.670620.570.320.040
[0046]通过上述实验结果得知，从拖式叶片的外侧端部延长的延长角度(Θ )离半圆的中心点延长30°时的功率系数(Cp)比O。时增加10.6%，拖式叶片的半圆间Y轴间距(a)为-5/110(-0.05)至1/5(0.25)时的功率系数(Cp)大于0.210比较有效。此外，还能确认，拖式叶片重叠领域的重叠比率为5%至34%时的功率系数(Cp)大于0.164，尤其是重叠领域的重叠比率为25%时的功率系数(Cp)比没有重叠领域(重叠比O)时增加44.0%，机翼型叶片的机翼厚度比率为17.5%至32.5%时的功率系数(Cp)大于0.179，机翼型叶片的迎角为3°至19°以内时的功率系数(Cp)大于0.190。结合这五种几何参数(GeometricalParameter)达到最高功率系数(Cp，效率)时的详细结果生产低风速风力发电系统，则其功率系数(Cp，效率)应比缩小模型的功率系数(Cp，效率)高。
[0047]另外，拖式叶片的叶尖速比为1.0时，叶片无法产生能使叶片转速变大的转矩，故如表9所示拖式叶片直径(Id)应设计为整个叶片直径(Td)的20%至46%以内，这样即使机翼型叶片的叶尖速比达到最大值5.0，也不会因为拖式叶片的叶尖速比为1.0而妨碍机翼型叶片的旋转动力。
[0048][表9]
[0049]
拖式叶片直径(Id) /拖式叶片叶尖速比为I时的
整个叶片直径(Td)机為.型叶片的最大叶尖速比
I ^ 14%I / 0.10 = 10.00 ?I / 0.14 = 7.143
15%I / 0.15 = 6.667
—16%—I / 0.16 = 6.250 ~ 17% — I / 0.17 = 5.882
18%I / 0.18 = 5.556
19%I / 0.19 = 5.263
20%I / 0.20 = 5, 000
—21%—I / 0.21 = 4.762
22% I / 0.22 = 4.545
23% I / 0.23 = 4.348
24% I / 0.24 = 4.167
25% I / 0.25 = 4, 000
26% I / 0.26 = 3.846
27% I / 0.27 = 3.703
~28%I / 0.28 = 3.571
[0050]
29%I / 0.29 = 3, 448
30%I / 0.30 = 3.333
31%I / 0.31 = 3.226
32%I / 0.32 = 3.125
—33% —I / 0.33 = 3.030
34%I / 0.34 = 2.941
35%I / 0.35 = 2.857
36%I / 0.36 = 2.778
37%I / 0.37 = 2.703
38%I / 0.38 = 2.632
39%I / 0.39 = 2.564
40%I / 0.40 = 2.500
41%I / 0.41 = 2.439
—42% —I / 0.42 = 2.381
43%I / 0.43 = 2.326
44%I / 0.44 = 2.273
45%I / 0.45 = 2.222
46%I / 0.46 = 2, 174
47%I / 0.47 = 2.128
48%I / 0.48 = 2.083
49%I / 0.49 = 2.041
~50%一I / 0.50 = 2.000
51%I / 0.51 = 1.961
52%I / 0.52 = 1.923
53%I / 0.53 = I, 887
54%I / 0.54 = 1.852
55%I / 0.55 = 1.818
—56?99%I / 0.56 = 1.786 ~ I / 0.99 二 1.010
[0051]例如，风速12m/SeC的条件下，整个叶片直径(Td)为4m的情况，拖式叶片直径(Id)为整个叶片直径(Td)的20%时，拖式叶片直径(Id)为0.8m，计算拖式叶片的最大叶尖速比为1.0时的rpm。代入上述[计算式I]得出286rpm,位于末端的机翼型叶片直径(Td) 4m的叶尖速比也从5.0变为286rpm。即拖式叶片直径(Id)为整个叶片直径(Td)的20%时拖式叶片的转速为286rpm，机翼型叶片的叶尖速比从5.0变为机翼型叶片旋转286rpm，故机翼型叶片叶尖速比为5.0为止不妨碍拖式叶片的旋转。
[0052]整理上述实验结果得出的本发明特征是，拖式叶片直径(Id)应为整个叶片直径(Td)的20%至46%,上述拖式叶片的外侧端部从半圆延长,但延长角度(Θ)从半圆的中心点延长至3°到35°以内时效率高。此外，上述拖式叶片是半圆间的Y轴间距(a)为拖式叶片半圆直径⑷的-5/110至1/5间距时效率高。
[0053]另外，上述拖式叶片的重叠领域的重叠比分为中央竖井的中心轴由杆身构成和中心轴由拖式叶片支持而无杆身的两种情况。如图2(a)所示，中心轴由杆身构成时，重叠领域的重叠比是从半圆间重叠的X轴间距(e)减去中心轴的杆身直径(e’)后除以半圆直径(d)，最好应在5 %至34 %以内，如图2 (b)所示，中心轴由拖式叶片支持无杆身时，重叠领域的重叠比是半圆间重叠的X轴间距(e)除以半圆直径(d),最好应在5至34%以内。
[0054]g卩，图2(a)中中心轴的杆身直径(e’)为O (zero)时，其重叠领域的重叠比与图2(b)的重叠比相同。风通过拖式叶片(123)后，通过对面拖式叶片(124)的风的重叠领域的重叠比在5%至34%以内时，功率系数(Cp)大于0.162，这比重叠比率25%并无重叠领域(重叠比O)时的功率系数(Cp)大44.0%。
[0055]此外，上述机翼型叶片的旋转加速度越大，则机翼厚度除以翼弦线长度得出的机翼厚度比率越容易处于17.5%至32.5%以内的范围内，并上述机翼型叶片的迎角处于3°至19°以内。
[0056]另外，由多数个上述机翼型叶片组成，并具备盖住上述拖式叶片的上端和下端的盖板，则能更坚固地支撑，并以相同间距连接上述盖板使其与拖式叶片连为一体旋转。
[0057]为了坚固地支撑，上述拖式叶片的外包面支座(131)需要一定的厚度。为了防止支座(131)厚度妨碍叶片的旋转，截面应设计为翼型来防止妨碍旋转动力，并有利于提高叶尖速比。
[0058]其中，作为低风速风力发电装置的第一实施例(图1)，上述拖式叶片和机翼型叶片以与上述中央竖井平衡直立为特征。
[0059]此外，作为第二实施例(图8)，上述拖式叶片在长度方向上由多级大单元块构成，上述大单元块与相邻大单元块(a，b，c，d)构成60°到180°的角度，并以与上述机翼型叶片与中央竖井平行直立为特征。
[0060]另外，作为第三实施例(图11)，上述拖式叶片在长度方向上由多级小单元块构成，上述小单元块与相邻小单元块(a，b，c，d，e，f..)构成1°至19°以内一定角度扭曲形状，并以与上述机翼型叶片与上述中央竖井平行直立为特征。
[0061]此外，作为第四实施例(图12)，上述拖式叶片在长度方向上由多级大单元块构成，上述大单元块与相邻大单元块(a，b，c，d)构成60°到180°的角度，上述机翼型叶片在长度方向上由多级小单元块构成，上述小单元块与相邻小单元块(a，b，c，d, e, f...)构成以1°至19°以内一定角度扭曲形状为特征。
[0062]另外，作为第五实施例(图13)，上述拖式叶片和翼型叶片各在长度方向上由多级小单元块构成，上述小单元块与相邻小单元块(a, b, c，d, e, f...)构成以1°至19°以内的一定角度扭曲形状为特征。
[0063]上述拖式叶片和机翼型叶片也可以由透明体构成，在拖式叶片和机翼型叶片的透明体内部或不透明体外部设置LED，显示广告及地标为最佳选择。
[0064]此外，上述低风速风力发电装置以垂直，水平及以一定角度倾斜安装为特征。尤其是，利于水平安装的位置为楼房屋顶，此时可减小塔的高度即可减少费用，并有利于事后管理(A/S)，如果14(d)所示，以模块为单位可在水平方向无限安装并增设。
[0065]从另一观点来说，本发明提供一种低风速风力发电装置，其特征为，其包括可旋转型长圆柱型长杆中央竖井；与上述中央竖井结合的盖板中心部上形成具有长形槽的轴结合部，并为了增大旋转转矩以轴结合部为基准形成重叠领域的重叠比，固定为同向旋转的半圆环形拖式叶片单元和上述拖式叶片单元的外周面连接于支座(131)而使叶尖速比最大化的机翼型叶片单元形成小型块单元段，并堆积上述段而具备的叶片；及位于上述中央竖井的延长线上的、并受到上述中央竖井的旋转动力而发电的发电模块；使在风小的地区也能增大上述叶片的旋转转矩，并以在上述叶片开始旋转的同时最大化叶尖速，从而增加旋转动力的效率来发电。
[0066]其中，以上述段对相邻段形成1°至19°范围内的一定角度扭曲形状或直立形状为特征。
[0067]此外，上述拖式叶片直径(Id)为整个叶片直径(Td)的20%至46%，外侧端部从半圆延长，但延长角度(Θ)从半圆的中心点延长至3°到35°以内时效率高。此外，上述拖式叶片是半圆间的Y轴间距(a)为拖式叶片半圆直径⑷的-5/110至1/5间距时效率闻。
[0068]另外，上述拖式叶片的重叠领域的重叠比分为中央竖井的中心轴由杆身构成和中心轴由拖式叶片支持而无杆身的两种情况。如图2(a)所示，中心轴由杆身构成时，重叠领域的重叠比是从半圆间重叠的X轴间距(e)减去中心轴的杆身直径(e’)后除以半圆直径(d)，最好应在5%至34%以内，如图2 (b)所示，中心轴由拖式叶片支持无杆身时，重叠领域的重叠比是半圆间重叠的X轴间距(e)除以半圆直径(d),最好应在5至34%以内。
[0069]g卩，图2(a)中，中心轴的杆身直径(e’)为O (zero)时，其重叠领域的重叠比与图2(b)的重叠比相同。风通过拖式叶片(123)后，通过对面拖式叶片(124)的风的重叠领域的重叠比最好在5%至34%以内。
[0070]此外，上述机翼型叶片单元以机翼厚度比率在17.5%至32.5%以内，迎角是3°至19°以内为特征。
[0071]另外，上述支座(131)的截面为翼型形状为特征。
[0072]根据本发明的低风速风力发电系统是以包括形成重叠领域的重叠比，并由设为同向旋转而固定的半圆环形拖式叶片和与上述拖式叶片的外周面连接而使叶尖速比最大化的机翼型叶片构成的，在第I项至第16项中所记载的多数低风速风力发电装置；监督并远程调控上述低风速风力发电装置的异常有无，动作状态等的中央管制中心；依照上述中央管制中心的调控命令控制低风速风力发电装置的动作，并向中央管制中心报告低风速风力发电装置状态的控制部；及储存上述低风速风力发电装置中产生的电能并必要时转换为电能供应的蓄电池；为特征。
[0073]其中，上述低风速风力发电装置的拖式叶片及机翼型叶片由段形成而直立或扭曲状叠积时，在段的中央设置可以变换段角度的驱动部及感应段间扭曲角的。上述控制部可根据中央管制中心传送的段角度来调控段驱动部的驱动，并使叶片的整体形状从直立状变换为扭曲状或从扭曲状变换为直立状。
[0074]发明效果
[0075]根据本发明的低风速风力发电装置，大体上是直立或扭曲构造，内侧采用拖式叶片提高其从静止状态使其启动风力发电机叶片旋转的扭矩大并启动转矩强的特征，故叶尖速比可在短时间内达到1，外侧采用机翼型叶片加快叶尖速比大于I以上的旋转加速度，使其不受风向的限制并在风小时也能引起旋转动力有效发电，并不受场所和位置的限制以低廉的费用安装，此外对环境无害可有效实施风力发电。
[0076]另外，与螺旋桨型风力发电机相比，叶片转子半径较小、噪音较低，不需要高技术系统或装置，故可以廉价的费用安装。利用以前同数额的投资费用，可安装更多风力发电机，可极大化发电量，并正确及快速地树立国家的低风速发电的未来开发方向，这对创造经济及实用性绿色能源非常有效。
[0077]图纸简单说明
[0078]图1是根据本发明一观点的低风速风力发电装置的第一实施例立体图。
[0079]图2是根据本发明的低风速风力发电装置中拖式叶片的重叠领域重叠比相关说明图。
[0080]图3是根据本发明的低风速风力发电装置中拖式叶片直径相关说明图。
[0081]图4(a)?(C)是根据本发明的风速风力发电装置中机翼型叶片的叶片厚度比率及迎角角度相关说明图。
[0082]图5是根据本发明图示低风速风力发电装置具备多数机翼型叶片的图。
[0083]图6是根据本发明图示低风速风力发电装置中的机翼型叶片可从支座拆卸的图。
[0084]图7是根据本发明图示速风力发电装置中的支座由翼型形成的图。
[0085]图8是根据本发明一观点图示的低风速风力发电装置的第二实施例正面图。
[0086]图9(a)是从0° ,90° , 180°，270°角度望图8的低风速风力发电装置中的拖式叶片(4段多级大型块)的图，图9(b)，(c)是说明从0° ,90° , 180°，270°角度望由3段，2段多级大型块构成的拖式叶片时的图。
[0087]图10(a)?(C)是图示图8的第二实施具备多数(2个，3个，4个)机翼型叶片的图。
[0088]图11是根据本发明一观点图示的低风速风力发电装置的第三实施例正面图。
[0089]图12是根据本发明一观点图示的低风速风力发电装置的第四实施例正面图。
[0090]图13是根据本发明一观点图示的低风速风力发电装置的第五实施例正面图。
[0091]图14到图16是根据本发明一观点图示的低风速风力发电装置的实施例的水平、垂直及斜面安装时的图。
[0092]图17是根据本发明一观点标示低风速风力发电装置中的风向及作用的图。
[0093]图18是根据本发明一观点说明低风速风力发电装置的立体图。
[0094]图19是根据本发明图示低风速风力发展系统构成的简略图。
[0095]图20是图示图19的低风速风力发电系统中段驱动部及感应器的图。
[0096]为实施发明的最佳形状
[0097]关于本发明的上述目的、特征及其他优点，为了更明确内容请参考附件图和详细的实施例说明。利用附件图详细说明本发明的低风速风力发电装置及利用其低风速风力发电系统。为了本明细表，除了个别指出以外，图面上的同一号码是同一个组成成分。
[0098]图1是图示根据本发明一观点的低风速风力发电装置的第一实施例图，图2是说明中央竖井中心轴由杆身构成的情况和中心轴由拖式叶片支撑无杆身的情况下，本发明低风速风力发电装置拖式叶片的重叠领域重叠比的图，图3是说明拖式叶片直径(Id)和机翼型叶片直径(Td)的图，图4是说明本发明低风速风力发电装置中机翼型叶片的迎角及机翼厚度比率的图。从一观点上的低风速风力发电装置(100)包括图1至图15中所示的中央竖井(110)，拖式叶片(120)，机翼型叶片(130)，发电模块(140)。
[0099]首先，如图1所示，中央竖井(110)可分为中心轴由杆身构成的情况和中心轴由拖式叶片支撑无杆身的情况。这些中央竖井为了风力发电装置的发电安装成可旋转状态。此夕卜，其直接受发电产生的旋转力或外部风引起的旋转力的影响，故应安装地比较牢固使其对外部风强或旋转力的大小不受太大的影响。
[0100]拖式叶片(120)应形成在与中央竖井(110)结合的具有长形槽(121)的轴结合部(122)中心部，并为了额外产生半圆形状的一对拖式叶片(123,124)的旋转转矩，以轴结合部(122)为基准形成重叠领域的重叠比，并固定为同向旋转。参考图2详细说明一下，一个拖式叶片(123)的一侧端离轴结合部(122)的一侧段保持一定比率的隔离距离，另一侧端设为面向离轴结合部(122)的另一侧。此外，另一个拖式叶片(124) —侧端离轴结合部
(122)的另一侧端保持一定比率的隔离距离，另一侧端设为面向轴结合部(122)的一侧，故一对拖式叶片(123，124) —侧端以轴结合部(122)为基准叠积成重叠领域。
[0101]其中，拖式叶片(120)重叠领域的重叠比，如图2(a)所示，中央竖井中心轴由杆身构成时是半圆间重叠的X轴间距(e)减去中心轴的杆身直径(e’)后除以半圆直径⑷，最好应在5%至34%以内，如图2(b)所示，中心轴由拖式叶片支持无杆身时是重叠领域的重叠比是半圆间重叠的X轴间距(e)除以半圆直径(d),最好应在5至34%以内。
[0102]g卩，图2(a)中，中心轴的杆身直径(e’)为O (zero)时，其重叠领域的重叠比与图2(b)的重叠比相同。风通过拖式叶片(123)后，通过对面拖式叶片(124)的风的重叠领域的重叠比最好在5%至34%以内。
[0103]另外，拖式叶片(120)的外侧端部以一定的角度从半圆延长，这时延长角度(Θ)最好在3°至35°以内。
[0104]此外，拖式叶片(120)的拖式叶片(123，124)半圆间的Y轴间距(a)最好设为半圆直径(d)的-5/110至1/5间距。
[0105]另外，如图3所示，拖式叶片(120)的直径(Id)应设计为整个叶片直径(Td)的20%至46%以内。此时，若拖式叶片(120)的叶尖速比为I时，叶片无法产生能使叶片的转速变大的转矩，即叶尖速比大于I时妨碍机翼型叶片的转子速度，故应小于整个叶片直径(翼型末端的直径)。
[0106]这样设计的拖式叶片(120)承担风力发电的发动扭矩。
[0107]机翼型叶片(130)的平截面形状为一端是椭圆型，另一端是越往末端越细的机翼型，并由支座(131)连接到拖式叶片(123，124)外周面。
[0108]如图4(a)所示，机翼型叶片(130)根据机翼使飞机浮起来的原理，越增加旋转加速度，机翼厚度比率(Wing Thickness Rat1)越容易在17.5%至32.5%以内。此外，如图4(b), (c)所示,机翼型叶片(130)的迎角(Angle of Attack)最好设计为3°至19°以内。其中，机翼厚度比率(Wing Thickness Rat1)是机翼厚度除以翼弦线长度，迎角(Angle ofAttack)是翼型翼弦线(Chord Lin,翼弦线)和气流的角度。
[0109]此外，如图5(a)，(b), (C)所示，拖式叶片(120)外侧具有多数个机翼型叶片
(130)。由2个或3个构成时的旋转扭矩比由4个构成时小，但可以减少因模具注射制造的叶片制造原价。由4个构成时的旋转扭矩比由2个或3个构成时大，但叶片的整体重量增力口，并由扭曲结构设计时制造原价会增加，故设计时应考虑旋转扭矩引起的发电效果和投资回收期间(折旧)。
[0110]另外，如图6(a)，(b), (c)，(d)所示，机翼型叶片(130)可从支座(131)拆卸。机翼型叶片(130)与支座(131)由螺栓连接即可拆卸，机翼型叶片(130)破损时容易交换及修理，可简单交换破损的机翼型叶片(130)使用，故可延长风力发电装置的寿命，也可减少维持费用。
[0111]其中，如图7所示，为了坚固地支撑拖式叶片(120)和机翼型叶片(130)，支座
(131)需要一定的厚度。但为了防止支座(131)厚度妨碍叶片的旋转，并增加旋转转矩，最好把支座(131)的形状设为翼型。
[0112]发电模块(140)是位于中央竖井(110)的延长线上，并受中央竖井(110)的旋转驱动力产生电能的一种发电机。
[0113]从低风速风力发电装置外侧进入的风通过内侧拖式叶片(123)的内部产生拖式叶片(120)的旋转力。通过拖式叶片(123)的风通过半圆间重叠领域通过面对的拖式叶片
(124)，则可额外产生旋转转矩，最大可以达到44%。此外，机翼型叶片(130)产生浮力，并产生I以上的叶尖速比。
[0114]上述低风速风力发电装置根据整个形态可分为各种实施例。
[0115]如图1所示，第一实施例是低风速风力发电装置的最基本的形状，是由拖式叶片(120)和机翼型叶片(130)与中央竖井(110)平行直立形状构成的。
[0116]图8图示根据本发明一观点的低风速风力发电装置的第二实施例正面图，图9(a)是说明从0° ,90° , 180°，270°角度望图8的拖式叶片(4段多级大型块)的图，图9(b)，(c)是说明从0° ,90° , 180°，270°角度望由3段，2段组成的多级大型块的图，图10(a)?(c)图示图8的第二实施例中具备多数个机翼型叶片的图。
[0117]如图8所示，第二实施例应在拖式叶片(120)的长度方向按一定间距区分形成块单元，形成长度方向均分为4个左右的大单元块。此外，这些大单元块应与相邻大单元块(a，b，c，d)成60°至180°扭曲角度。
[0118]另外，机翼型叶片(130)与中央竖井(110)平行直立。如图10(a)?(c)所示，可由多数个直立形状的机翼型叶片(130)构成。如图所示，机翼型叶片(130)具备盖住拖式叶片(120)的上端和下端的盖板(125，126，127，128，129)，盖板(125，126，127，128，129)与机翼型叶片由支座(131)连接，并与拖式叶片(120)连成一体旋转。
[0119]图11是图示根据本发明一观点的低风速风力发电装置的第三实施例正面图，图12是图示根据本发明一观点的低风速风力发电装置的第四实施例正面图，图13是图示根据本发明一观点的低风速风力发电装置的第五实施例正面图。
[0120]如图11所示，第三实施例中拖式叶片(120)在长度方向由多级小单元块构成，小单元块与相邻小单元块(a，b，c，d，e，f..)构成1°至19°范围以内的一定角度形成扭曲形状，机翼型叶片(130)与上述中央竖井(110)平行直立。
[0121]如图12所示，第四实施例中拖式叶片(120)与第二实施例相同，在长度方向上都由多级大单元块构成，大单元块与相邻大单元块(a，b，c，d)构成60°至180°角度形成扭曲形状，机翼型叶片(130)由在长度方向以一定间距区分的多级小单元块构成，小单元块与相邻小单元块(a，b，c，d，e，f...)构成1°至19°范围内一定角度形成扭曲形状。
[0122]此外，如图13所示，第五实施例中拖式叶片(120)和机翼型叶片(130)都由在长度方向上具有一定间距区分的多级小单元块构成，小单元块与相邻的小单元块(a, b, C，d, e, f.…)构成1°至19°范围内一定角度形成扭曲形状。
[0123]图14至图16是本发明的低风速风力发电装置的实施例安装为垂直，水平及以一定角度倾斜的图。图14(a)?(e)是本发明的第一至第五实施例水平安装状态的图，图15(a)?(k)是代表性实施例垂直安装状态的图，图16(a)，(b)是实施例倾斜安装状态的图。
[0124]如图所示，低风速风力发电装置由拖式叶片(120)及机翼型叶片(130)构成，并可叠积一个或多数个叶片模块，一个或多数个叠积叶片模块可按垂直型，水平型，一定角度倾斜型或此以外角度等各种安装环境合理安装，并只要有风即可适用。
[0125]另外，拖式叶片(120)和机翼型叶片(130)也可以由透明体构成，在拖式叶片
(120)和机翼型叶片内部或外部设置LED，并可设置在夜间或雾天提示风速发电系统安装位置的警惕等功能。
[0126]如图17所示，根据一观点，从低风速风力发电装置外侧进入的风通过由形成直立或扭曲形状形成的拖式叶片(120)内部，使拖式叶片(120)的启动扭矩及使其机动力最大化，通过拖式叶片(123)的风通过半圆间重叠领域通过对面的拖式叶片(124)，则可额外产生旋转转矩，最大可以达到44%，故在拖式叶片(120)旋转过程中对机翼型叶片(130)产生浮力，可最大化其叶尖速比。
[0127]图18是说明本发明另一观点的低风速风力发电装置的立体图。
[0128]另一个观点上的低风速风力发电装置(200)包括可旋转型长圆柱型长杆中央竖井(210);与上述中央竖井(210)结合的盖板(125，126，127，128，129)中心部上形成具有长形槽的轴结合部(221)，并为了增大旋转转矩以轴结合部(221)为基准形成重叠领域的重叠比，并固定相同旋转方向的半圆环形拖式叶片单元(222)和与上述拖式叶片单元(222)的外周面与支座连接，并最大化叶尖速比的机翼型叶片单元(223)形成小型块单元段，上述段叠积而成的叶片(220);受位于上述中央竖井(210)的延长线上的上述中央竖井(210)的旋转驱动力而产生发电的发电模块(230)。
[0129]中央竖井(210)和发电模块(230)与一观点说明相同，故省略有关中央竖井(210)和发电模块(230)的说明。
[0130]叶片(220)的拖式叶片单元(222)和机翼型叶片单元(223)形成小型块单元的段。此外，上述段与相邻段构成1°至19°范围内的一定角度的扭曲形状或直立形状。
[0131]其中，拖式叶片单元(222)直径为整个叶片直径(Td)的20%至46%以内，外侧端部从半圆延长，但延长角度(Θ)从半圆的中心点延长至3°到35°以内时效率高。此外，上述拖式叶片是半圆间的Y轴间距(a)为拖式叶片单元(222)半圆直径(d)的-5/110至1/5间距。
[0132]另外，拖式叶片单元(222)的叠领域的重叠比分为中央竖井中心轴由杆身构成和中心轴由拖式叶片支持而无杆身的两种情况。如图2(a)所示，中心轴由杆身构成时，重叠领域的重叠比是从半圆间重叠的X轴间距(e)减去中心轴的杆身直径(e’)后除以半圆直径(d)，最好应在5%至34%以内，如图2 (b)所示，中心轴由拖式叶片支持无杆身时，重叠领域的重叠比是半圆间重叠的X轴间距(e)除以半圆直径(d),最好应在5至34%以内。
[0133]g卩，图2(a)中，中心轴的杆身直径(e’)为O (zero)时，其重叠领域的重叠比与图2(b)的重叠比相同。风通过拖式叶片(123)后，通过对面拖式叶片(124)的风的重叠领域的重叠比最好在5%至34%以内。
[0134]此外，机翼型叶片单元(223)分为翼型形状的机翼部和连接机翼部和拖式叶片单元的支座(131)。其中，机翼型叶片单元(223)根据机翼使飞机浮起来的原理，越增加旋转加速度，机翼厚度比率越容易在17.5%至32.5%以内，机翼迎角越容易在3°至19°以内。
[0135]上述扭曲形状叶片(220)，从外侧进入的风通过由扭曲形状形成的拖式叶片单元(222)的内部，使拖式叶片单元(222)的启动扭矩及机动力最大化，并在拖式叶片单元(222)旋转过程中往下方向漏出使拖式叶片单元(222)的旋转转矩增大，使机翼型叶片单元(223)产生浮力，最大化叶尖速比。
[0136]如上所述，本发明的低风速风力发电装置大体上是直立或是扭曲构造，内侧采用拖式叶片提高其从静止状态使其启动风力发电机叶片旋转的扭矩大并启动转矩强的特征，外侧采用机翼型叶片加快叶尖速比大于I以上的旋转加速度，使其不受风向的限制并在风小时也能引起旋转动力有效发电，并不受场所和位置的限制以低廉的费用安装，此外对环境无害可有效实施风力发电。
[0137]图19是利用本发明低风速风力发电装置的低风速风力发电系统的大致组成图，图20是图示图19的低风速风力发电系统中段驱动部及感应器的图。
[0138]如图19，图20所示，本发明低风速风力发电系统包括低风速风力发电装置(300)，中央管制中心(400)，控制部(500)，蓄电池(600)。
[0139]低风速风力发电装置(300)形成叠领域的重叠比，并安装包括固定相同旋转方向的半圆环形状拖式叶片和与上述拖式叶片的外周面连接并使叶尖速比最大化的机翼型叶片的上述一观点上的低风速风力发电装置(100)和上述另一观点上的低风速风力发电装置(200)中一个以上的低风速风力发电装置。
[0140]其中，低风速风力发电装置(300)的拖式叶片及机翼型叶片由段(310)构成，并以直立或扭曲状态叠积时，段的中央具有可变换段角度的驱动部(320)和可以感应段(310)间扭曲角度(夹角)的感应器(330)。
[0141]中央管制中心(400)监督并无线远程调控低风速风力发电装置的异常有无，启动与否，动作状态等。此外，根据风向往控制部传送段的角度，以直立形状叠积的段(310)变换为扭曲形状，以扭曲形状叠积的段(310)变换为直立形状。
[0142]低风速风力发电装置(300)包括控制部(500)，其根据央管制中心(400)的调控命令控制低风速风力发电装置(300)的动作，向中央管制中心(400)报告低风速风力发电装置(300)。此外，根据从中央管制中心(400)传送的段角度，控制段驱动部(320)的驱动，使叶片的整体形状从直立形状变换为扭曲形状或从扭曲形状变换为直立形状。即中央管制中心(400)传送段的角度，则驱动段的驱动部(320)变换各段(310)的角度，并接收感应段(310)变换角的感应器(330)的信号停止驱动部(320)的驱动，调控段(310)的角度。
[0143]蓄电池(600)储存低风速风力发电装置(300)产生的电能，需要时转换为电提供给段的驱动部(320)，感应器(330)，控制部(400)等。
[0144]如上所述，本发明低风速风力发电系统可由中央管制中心(400)无线远程调控多数个低风速风力发电装置(300)，实时监督多数低风速风力发电装置(300)的状态，对异常现象迅速采取适当的措施。此外，根据风向调整段的角度，使叶片的整个形状从直立形状变换为扭曲形状或从扭曲形状变换为直立形状，故不受风向的影响，风小时也可有效实施风力发电。
[0145]以上说明了本发明的实施例，本发明不限于上述特定的实施例。即在不偏离本文所附的专利权利要求的思想及范畴的条件下，具有本发明相关【技术领域】的基本知识的人即可对其进行变更及修正，并所有适当的变更和修正等同物应包括在本发明的范畴。
[0146][符号说明]
[0147]100: 一观点上的低风速风力发电装置
[0148]110:中央竖井120:拖式叶片
[0149]121:槽122:轴结婚部
[0150]123，124:拖式叶片125至129:盖板
[0151]130:机翼型叶片131:支座
[0152]140:发电模块
[0153]200:另一观点上的低风速风力发电装置
[0154]210:中央竖井 220:叶片
[0155]221:轴结合部222:拖式叶片单元
[0156]223:机翼型叶片单元230:发电模块
[0157]300:低风速风力发电装置
[0158]310:段 320:驱动部
[0159]330:感应器400:中央管制中心
[0160]500:控制部600:蓄电池
[0161]为实施发明的形状
[0162]低风速风力发电装置(300)形成叠领域的重叠比，并安装包括固定相同旋转方向的半圆环形状拖式叶片和与上述拖式叶片的外周面连接并使叶尖速比最大化的机翼型叶片的上述一观点上的低风速风力发电装置(100)和上述另一观点上的低风速风力发电装置(200)中一个以上的低风速风力发电装置。
[0163]产业上利用可能性
[0164]本发明为了得到具有最大效率低风速风能的风力发电量，组合拖式叶片(决定叶片开始旋转)和机翼型叶片(旋转开始的同时决定功率系数的效率(叶尖速比))时认证了重要的几何参数(Geometrical Parameter)的效率范围。重组合最大效率时的参数后得出的实验结果被确认为低风速风能可适用于产业上。
[0165]因此,本发明参考了风向和风速,雷诺数(Reynolds number),空气密度,大气状态，瞬间变化性等全世界各地风品质因素，故可有效设计并可提高风能转换功率，也能24小时连续提供风能。因此，与需要庞大安装面积并一天只能发电3?4个小时的太阳光发电相比，风能的有效发明技术具有较高的产业利用可能性。
[0166]尤其是，本发明的产品化是适用于5m/SeC左右风速地区，根据随高度变化而产生的风速变化，可在高层楼或公共住宅，小山等可容易得到很多风能的地区使用。在这些地区，与相同容量太阳光发电相比，可获得更多风力发电量，并可获得绿色能源，故竞争力比较大，适用于产业上的可能性高。
【权利要求】
1.一种低风速风力发电装置，其为风力发电的风力发电装置，其特征在于，上述低风速风力发电装置包括可旋转型长圆柱型长杆中央竖井；与上述中央竖井结合的盖板中心部上形成具有长形槽的轴结合部，并为了增大旋转转矩以轴结合部为基准形成重叠领域，并固定相同旋转方向，中心轴由杆身构成的情况，上述重叠领域的重叠比是，半圆间重叠X轴间距(e)减去中心轴的杆身直径(e’)，再除以半圆直径⑷即可；中心轴由拖式叶片支撑，即无杆身的情况，半圆间重叠X轴间距(e)除以半圆直径(d)而形成的半圆环形的拖式叶片；与上述拖式叶片的外周面与支座连接，并与拖式叶片合为一体旋转从而最大化叶尖速比的机翼型叶片；及位于上述中央竖井的延长线上并受到中央竖井的旋转动力而发电的发电模块；上述拖式叶片在长度方向由多级单元块组成，上述机翼型叶片平行直立与中央竖井。
2.一种低风速风力发电装置，其为风力发电的风力发电装置，其特征在于，上述低风速风力发电装置包括可旋转型长圆柱型长杆中央竖井；与上述中央竖井结合的盖板中心部上形成具有长形槽的轴结合部，并为了增大旋转转矩以轴结合部为基准形成重叠领域，并固定相同旋转方向，中心轴由杆身构成的情况，上述重叠领域的重叠比是，半圆间重叠X轴间距(e)减去中心轴的杆身直径(e’)，再除以半圆直径⑷即可；中心轴由拖式叶片支撑，即无杆身的情况，半圆间重叠X轴间距(e)除以半圆直径(d)而形成的半圆环形的拖式叶片；与上述拖式叶片的外周面与支座连接，并与拖式叶片合为一体旋转从而最大化叶尖速比的机翼型叶片；及位于上述中央竖井的延长线上并受到中央竖井的旋转动力而发电的发电模块；上述拖式叶片和上述机翼型叶片在长度方向由多级单元块组成。
3.根据权利要求1所述的低风速风力发电装置，其特征在于，上述拖式叶片在长度方向上由多级大单元块构成，上述大单元块与相邻大单元块构成60°到180°。
4.根据权利要求1所述的低风速风力发电装置，其特征在于，上述拖式叶片在长度方向上由多级小单元块构成，上述小单元块与相邻小单元块构成以1°到19°以内的一定角度扭曲形状。
5.根据权利要求2所述的低风速风力发电装置，其特征在于，上述拖式叶片在长度方向上由多级大单元块构成，上述大单元块与相邻大单元块构成60°到180°，并上述机翼型叶片在长度方向上由多级小单元块构成，上述小单元块与相邻小单元块构成以1°到19°以内的一定角度扭曲形状。
6.根据权利要求2所述的低风速风力发电装置，其特征在于，上述拖式叶片和机翼型叶片各在长度方向上由多级小单元块构成，上述小单元块与相邻小单元块构成以1°到19°以内的一定角度扭曲形状。
7.根据权利要求1或2所述的低风速风力发电装置，其特征在于，上述拖式叶片直径(Id)以整个叶片直径(Td)的20%至46%而形成。
8.根据权利要求1或2所述的低风速风力发电装置，其特征在于，上述拖式叶片以半圆间的Y轴间距(a)为拖式叶片半圆直径⑷的-5/110至1/5间距而形成。
9.根据权利要求1或2所述的低风速风力发电装置，其特征在于，上述拖式叶片重叠领域的重叠比为5%至34%以内。
10.根据权利要求1或2所述的低风速风力发电装置，其特征在于，上述机翼型叶片的机翼厚度比率为17.5%至32.5%以内。
11.根据权利要求1或2所述的低风速风力发电装置，其特征在于，上述机翼型叶片的迎角为3°至19°以内。
12.根据权利要求1或2所述的低风速风力发电装置，其特征在于，具备多数个上述机翼型叶片。
13.根据权利要求1或2所述的低风速风力发电装置，其特征在于，上述支座的截面为翼型的低风速风力发电装置。
14.根据权利要求1或2所述的低风速风力发电装置，其特征在于，上述拖式叶片和机翼型叶片与上述中央竖井平行直立。
15.根据权利要求1或2所述的低风速风力发电装置，其特征在于，上述拖式叶片或机翼型叶片上设置LED。
16.根据权利要求1或2所述的低风速风力发电装置，其特征在于，上述低风速风力发电装置可设置为包括垂直，水平和一定角度的倾斜度。
【文档编号】F03D11/00GK104169571SQ201280068445
【公开日】2014年11月26日 申请日期:2012年7月2日 优先权日:2012年2月3日
【发明者】李永元 申请人:李知垠