专利名称：运载工具的风力发电装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种风力发电装置，尤其是一种安装于运载工具外表面且能有效利用迎风面的低风阻风力发电装置。
背景技术：
近来由于石油资源愈来愈稀少，其价格变得非常昂贵，且因长期使用石油燃料而造成的温室效应及其它污染问题也日益严重。基于以上原因，运载工具如汽车等均朝向电动化方向发展，如电动车、混合动力车等，以降低对石油燃料的使用。
若与使用于内燃机运载工具的石化燃料比较，目前一般电动运载工具所使用的电池的电能储存容量相对很小，一次充电仅能行驶一段短的距离，且电池充电非常缓慢，需时甚久，这些电池技术问题为电动运载工具目前无法被推广使用的主因。为使电动运载工具的一次充电行驶距离能增长，在其上加装其它能源发电装置有其必要性，而且也要选择不会产生污染的能源，例如风力发电、太阳能发电和煞车能源回收等，其中又以风力发电能在行进时产生较大的电力。
风力发电其原理于运载工具行驶移动产生相对风速时，利用风力叶轮捕捉风的能量，将风的阻力一部分转变成电力，供运载工具上的电池充电或其它电器设备直接使用，以增加运载工具一次充电的行驶距离。
事实上，内燃机运载工具上也应安装风力发电装置。由于电子科技的进步，内燃机运载工具有电子化的趋势，其上配备电子导航设备、影音娱乐设备、计算机化控制系统等各种电子装置，样样都要消耗电能，势必需要加大内燃机所带动的发电机的功率，以便能产出更多电力满足其需求。内燃机的负荷也因此被加重，造成燃油更多的消耗。若内燃机运载工具上能加装风力发电装置以分担部份电能产出，则可采用较小功率的内燃机带动发电机，其结果便可减少内燃机的负荷、降低燃油的消耗以及废气的产生。
众多的运载工具风力发电装置专利，如美国专利US4254843、US5680032、US5850108、US6373145、日本专利特开平05-344604、特开2001-180397、特开2004-197728等将风力发电装置装设于运载工具内部，并于运载工具前端迎风面设置一或数个开口，导入气流以带动风力发电装置。将风力发电装置装设于运载工具内部虽可避免破坏运载工具的外观并避免增加额外风阻，但需大幅变更运载工具内部结构以便能与其搭配，且安装施工甚为复杂，因此不易被施行应用。
美国专利US3876925将风力发电装置装设于运载工具的外部顶端，装设拆卸较容易，但其外形非流线形状且没有与运载工具外形搭配。其或许可以捕捉较多风力，然在高速行驶时则可能产生极大风阻，甚致将风力发电装置吹离运载工具或损坏运载工具的顶部。
美国专利US3621930和US5746283等，亦将风力发电装置装设于运载工具的顶端外部上，并利用平行轴型风力叶轮(平行轴型为风力叶轮之旋转轴和风的方向平行，垂直轴型为旋转轴和风向垂直)。一般运载工具的行驶速度不定，低速和高速都会遭遇到，然平行轴型风力叶轮的叶片大都是固定攻角，只对某一小范围风速较具有空气动力效率，于其它风速时，其所产生的阻力可能远大于其所产生用来旋转叶轮的扭力。除非其叶片攻角可随运载工具的行驶速度而变化，否则平行轴型风力叶轮将于大部分的行驶速度中表现出没有效率。因此平行轴型风力叶轮较不适用于运载工具的风力发电装置。另外，这两个风力发电装置都将发电机直接装于风力叶轮后方，如此安排不但会降低气流通过叶轮的顺畅度而且也会增加额外的风阻。
美国专利US5287004和US6882059将风力发电装置装设于运载工具的特定部位，利用这些特定部位的构造和外形，以避免产生过高的风阻。但是这些特定部位只有在少数种类的运载工具上能被利用，因此无法推广。
此外，这两个风力发电装置都将旋转式发电机直接连接于风力叶轮轴两端，意图使装置简单化。然一般风力叶轮转速大约每分钟几百转，而旋转式发电机有效率的发电转速需数千转以上，因此将旋转式发电机同轴连接于风力叶轮轴两端并不容易获得有效率的发电，根据法拉第定律(Faraday’s Law)，发电机所产生的电压E＝-dΦB/dt，其中t为时间，ΦB为磁通量，若欲在较低转速下获得相同的电压则需增加磁场强度，即使用较大型、转速可较慢的旋转式发电机。但是将较大型的发电机同轴设置于风力叶轮轴两端的结构，必定会在风力叶轮轴的两端形成较大的空间，而增加迎风面积，使得整个装置的风阻相对地提高。
整体而言，将风力发电装置设置在运载工具内部的好处是不会增加额外的风阻，但是却必需变更运载工具的内部设计与配置方式，在安装上较为复杂，甚至会影响内部的人员乘坐空间，故而在推广使用上较为困难。而将风力发电装置设置于运载工具外表面，是为了使风力发电装置容易被安装，但却因为前述的风力发电装置并无将迎风面作有效利用的设计，因而增加了额外的风阻，造成运载工具的动力源(如内燃机)的额外损耗，进而使得风力发电装置的发电效能在扣除动力源的额外耗损后效益不张，而仍难以被大量推广应用。
有鉴于此，本发明的发明人经过不断地研究思考，而以使风力发电装置的迎风面被有效利用的技术来解决前述诸多缺点，进而达到增进发电效益效果。
发明内容
本发明主要目的在于解决前述问题，而提供一种运载工具的风力发电装置，其主要将发电机与叶轮作不同轴的设置，使得发电机能被叠置于组成迎风面的入风部份、流线部份或传动部份中，以将传动部份所占的迎风面比例大幅降低，从而达到有效利用迎风面功效。
为达前述目的，本发明风力发电装置具有一机壳以供安装于运载工具的外表面，而该机壳内组设的叶轮为垂直轴型，且该叶轮经由传动机构来带动发电机，使该发电机与该叶轮呈非同轴设置的形态，而该机壳对应该叶轮设有一入风口与一出风口，并且该机壳对应该入风口设有一流线板，以由该流线板降低风阻并且将风导引进入该入风口，该入风口所在一面定义为一迎风面，而该迎风面由入风口所形成的入风部份、流线板所形成的流线部份以及传动机构所形成的传动部份所组成，并且该发电机被叠置于入风部份、流线部份或传动部份中，藉此降低传动部份所占的迎风面比例，而能将迎风面作最有利的运用。
图1本发明的立体外观图；图2为图1中A-A剖线的剖视图；图中主要示意机壳的第一、二容置部与叶轮及传动机构的配置关系；
图3为图1中B-B剖线的剖视图；图中主要示意于机壳的第一容置部中设置叶轮的配置示意图；图4为图1中C-C剖线的剖视图；图中主要示意于机壳的第二容置部中设置传动机构与发电机的示意图；图5为本发明迎风面的构成示意图；图6为本发明的风力发电装置装设于汽车的实施状态一；图7为本发明的风力发电装置装设于汽车的实施状态二；图8为本发明的风力发电装置装设于船只的实施状态三；图9为先前技术发电机与叶轮同轴设置的结构示意图；图10为本发明第二实施例的第二容置部中设置传动机构与发电机的示意图；图11为本发明第二实施例迎风面的构成示意图；主要组件符号说明外表面10风力发电装置1机壳11 隔板12第一容置部13第二容置部14入风口131 出风口132遮挡网133、134 流线板15叶轮2 轴21叶片22 侧板23传动机构3 曲柄31连杆32 发电机4轴41本体42电力调节控制装置43流线板15A 传动机构3A第一皮带轮31A 第二皮带轮32A皮带33A 发电机4A转轴41A发电机91叶轮92
入风部份I流线部份G传动部份D具体实施方式
请参阅图1至图5，其为本发明所选用的实施例。首先，本发明的风力发电装置供安装于运载工具的外表面，使该运载工具行驶移动时所产生的风力能用来推动该风力发电装置。
如图1所示，本发明的风力发电装置1具有一机壳11，该机壳11供安装于运载工具的外表面10。再请参阅图2，该机壳11内部设有一隔板12，该隔板则将该机壳内部区隔成一第一容置部13与一第二容置部14，该第一容置部13供枢设一叶轮2，而该机壳11对应该叶轮2设有穿透至该第一容置部13的一入风口131与一出风口132(如图3所示)，并且该机壳11对应该入风口131设有一流线板15，以由该流线板15降低此一部份的风阻，并将风导引进入该入风口131。且该入风口131与该出风口132分别设有一遮挡网133、134，以防止异物进入。
请参阅图3，该叶轮2为垂直轴型叶轮，其具有一轴21，该轴21结合有三片以上的叶片22(本实施例图中以六片绘示)，且各叶片22两端分别固定在两侧板23上，该二侧板23并固定于该轴21，使该叶轮2能通过该轴21枢设于该机壳11的入风口131与出风口132之间，以由运载工具行驶移动时所产生的风力推动叶片22，而带动该叶轮2旋转。
而该叶轮2的轴21穿伸至该第二容置部14而与一传动机构3连接，如图4所示，并经由该传动机构3带动一发电机4，使运载工具行驶移动所产生的风力推动叶轮2时经由传动机构3来带动发电机4进行发电。
请参阅图5，将该入风口所在的一面定义为该风力发电装置的迎风面，该迎风面由入风口所形成的入风部份I、流线板所形成的流线部份G以及传动机构所形成的传动部份D所组成，并且该发电机被叠置于入风部份I、流线部份G或传动部份D中。请同时参阅图2与图5，对照机壳11的内部空间来看，迎风面的入风部份I及流线部份G对应于机壳11的第一容置部13，而传动部份D则对应于第二容置部14。
于本实施例中，该发电机4为一线性发电机，如图4所示，其具有一轴41，该轴41被穿置于一本体42中(线性发电机的结构属习知，故不了予赘述)，且该传动机构3为一旋转变线性机构，该旋转变线性构件由一曲柄31与一连杆32枢接组成，该曲柄31与该叶轮的轴21连接，而该连杆32相对于与该曲柄31枢接的一端与该线性发电机的轴41连接，使叶轮带动曲柄31旋转时经由连杆32带动该线性发电机的轴41相对于该本体42作直线往复运动，通过磁通量的变化而发电。
当然，前述旋转变线性构件亦可增加相关构件以达变速之功用，让线性发电机的效能更显著。
本发明的发电机4还可装设一电力调节控制装置43与发电机电性连接，用来将发电机所产生的电力先转变为适当的电压和电流，再传给运载工具作为直接使用或充电使用。
其中该叶轮2的两个侧板23的设置可强化叶片22与轴21之间的连接关系，让叶轮2高速转动时不至发生叶片22脱落问题，亦可通过对该二侧板23的配重设计，使二侧板于叶轮旋转时产生飞轮的效果，而增益叶轮的工作效能。
而本发明的风力发电装置1可以如图6所示设置于汽车底盘靠近后轮后方的部位，此一装设位置较不会影响汽车外观，且可通过后轮的扰动气流增加入风口的进风效益；如图7所示，安装于汽车引擎盖或车顶顶面或汽车的侧面；如图8所示设置于船只的外表面，这些不同形式的设置都可以利用运载工具行驶移动时所产生的风力推动叶轮旋转来带动发电机发电。
本实施例选用线性发电机的原因，是由于该线性发电机呈扁平状，因此可将该线性发电机设置于第二容置部14中，使其重叠落在组成迎风面的传动部份中，如此一来，传动部份D的体积会较小，使其占迎风面的比例远小于入风部份及流线部份。
就风力发电装置的结构来看，设置于第一容置部中的叶轮是将风力转为机械能的主要构件，因此叶轮与入风口愈大时可捕捉的风力愈大，但是入风口的尺寸受到叶轮尺寸的相对限制，对照机壳11的内部空间来看，迎风面的入风部份I及流线部份G正好对应于机壳11的第一容置部13，亦即对应叶轮的大小，所以第一容置部扣除入风口以外部份的大小是不变的。
依空气动力的理论可知空气阻力D＝Cd(1/2)ρV2A，其中Cd为空气阻力系数，与装置的外形有关，ρ为空气密度，V为空气速度，A为装置的迎风面的面积。实际实施时仅A与Cd之值可改变，本发明为了降低风阻系数Cd，因此将第一容置部所形成的迎风面扣除掉入风口及边框肉厚(即入风部份)以外的部份巧妙地设计成向前延伸的流线板，如此不但可以有效降低风阻，还可以引导风进入入风口中，此一流线板的部份即形成了组成迎风面的流线部份。以此观之，本发明的入风部份与流线部份都已被设计成能利用风的有效结构。
组成迎风面的传动部份的设计便成为影响迎风面积A能否有效利用的重点。本发明有鉴于先前技术中发电机91均与叶轮92(垂直轴型)同轴设置，如图9所示，而于叶轮一侧轴向延伸形成较大空间增加了不必要的迎风面积。因此本发明采取发电机与叶轮非同轴设置的形态，使得叶轮轴向延伸的空间只需设置传动机构，而可大幅缩减第二容置部(即迎风面的传动部份)所需的空间，比较图9与图5即可发现，本发明传动部份D明显缩小了约三分之二。
由于传动机构仍需占据一定的空间，且本实施例所选用的线性发电机呈扁平状，因此可以将线性发电机叠设置在第二容置部中，而不会增加第二容置部(即迎风面的传动部份)的空间。
本发明的风力发电装置的迎风面中，入风部份与流线部份均为有效利用风的设计，因此可作最有效化设计，而无法利用风的传动部份一如前述已被设计得较小，并且将流线板15延伸到传动部份D；亦即本发明将传动部份所占的迎风面比例大幅降低，并降低整体的风阻，而可达到有效利用迎风面的功效。
更进一步而言，本发明运载工具风力发电装置由于通过有效利用迎风面的设计，使迎风面的风阻降低，因此能有效降低因增设发电装置所产生的损耗，换言之，若将本发明安装于电动运载工具上时，能有效增长一次充电的行驶距离；若本发明安装于内燃机运载工具上时，则能减少内燃机的负荷，降低燃油的消耗以及废气的产生。
当然，本发明仍存在许多例子，其间仅局部之变化。请参阅图10及图11，其本发明的第二实施例，其中该发电机4A为一旋转式发电机，该旋转式发电机被叠置于组成迎风面之流线部份G中，如图11所示，该旋转式发电机具有一转轴41A与该传动机构3A连接，而该传动机构3A为一皮带轮组，该皮带轮组具有一结合于叶轮轴的第一皮带轮31A与一结合于该旋转式发电机的转轴41A的第二皮带轮32A，以及绕设于第一、二皮带轮之间的一皮带33A，且该第一、二皮带轮的直径不相等，使该皮带轮组具有变速效果，让叶轮转动时能经由该皮带轮组带动该旋转式发电机进行发电。
于本实施例中，将旋转式发电机设置在流线板15A下方空间中，亦即使发电机4A与组成迎风面的流线部份G叠置，而传动机构3A是一皮带轮组，其所占据的空间相当小，因此组成迎风面的传动部份能被最小化设计，而达到与前述第一实施例相同功效。
就本实施例采用旋转式发电机的型态而言，除了可以将发电机设置于前述的流线板下方空间中，使发电机与流线部份叠置之外，亦可将发电机设置于机壳后方重叠于入风部份(图中未示)，此一设置型式所达到的效果也是相同的。
再者，亦可将前述第二实施例中的皮带轮组置换成齿轮组(图中未示)或链条传动机构，使该叶轮转动时能经由该齿轮组带动该旋转式发电机进行发电。如此亦可达到与前述实施例相同功效。
除了前述各实施例的变化外，亦可再对部份零件作简单的变化，例如叶轮的叶片形状不论设计成平板状或曲弧状等一般性的等效变换；或者将流线板从平板状变化成弧面的形态；或者将第一容置部的内壁面设计成配合叶轮的圆弧状；甚至进一步将组成迎风面的传动部份的外形设计成流线形以降低迎风面的风阻，这些简单的变化都在本发明技术涵盖的范围之内。
以上所述实施例的揭示系用以说明本发明，并非用以限制本发明，故举凡数值之变化与等效组件的置换，仍应隶属本发明范畴。
权利要求
1.一种运载工具的风力发电装置，其安装于运载工具的外表面，通过该运载工具的行驶移动而产生风力来推动风力发电装置，其特征在于，该风力发电装置具有一机壳以供安装于运载工具的外表面，该机壳内组设有一叶轮，该叶轮为一垂直轴型风力叶轮，且该叶轮经由一传动机构带动一发电机，使该发电机与该叶轮呈非同轴设置的形态，而该机壳对应该叶轮设有一入风口与一出风口，并且该机壳对应该入风口设有一流线板，以由该流线板降低风阻，并将风导引进入该入风口，该入风口所在的一面定义为该风力发电装置的迎风面，而该迎风面由入风口所形成的入风部份、流线板所形成的流线部份以及传动机构所形成的传动部份所组成，并且该发电机被叠置于入风部份、流线部份或传动部份中。
2.根据权利要求1所述的运载工具的风力发电装置，其特征在于，该发电机为一线性发电机，而该传动机构为一旋转变线性机构，该线性发电机被叠置于组成迎风面的传动部份中，其具有一轴，该轴被穿置于一本体中，以由该旋转变线性机构带动该轴相对该本体作往复线性移动，通过磁通量的变化而发电。
3.根据权利要求2所述的运载工具的风力发电装置，其特征在于，该旋转变线性机构由一曲柄与一连杆枢接组成，该曲柄与该叶轮连接，而该连杆相对于与该曲柄枢接的一端与该线性发电机的轴连接，使叶轮带动曲柄旋转时经由连杆带动该线性发电机的轴作直线往复运动。
4.根据权利要求1所述的运载工具的风力发电装置，其特征在于，该发电机为一旋转式发电机，该旋转式发电机被叠置于组成迎风面的入风部份或流线部份中，该旋转式发电机具有一转轴与该传动机构连接，通过由该传动机构带动该转轴旋转来进行发电。
5.根据权利要求4所述的运载工具的风力发电装置，其特征在于，该传动机构为一皮带轮组，该皮带轮组具有一结合于叶轮的第一皮带轮与一结合于该旋转式发电机的转轴的第二皮带轮，以及绕设于第一、二皮带轮之间的一皮带，使该叶轮转动时能经由该皮带轮组带动该旋转式发电机进行发电。
6.根据权利要求1所述的运载工具的风力发电装置，其特征在于，该叶轮具有一轴，该轴结合有三片以上的叶片，使该叶轮能通过该轴枢设于该机壳的入风口与出风口之间，以由运载工具行驶移动时所产生的风力推动叶片，而带动该叶轮旋转。
7.根据权利要求6所述的运载工具的风力发电装置，其特征在于，该叶轮更具有两侧板，该两侧板固定在该轴上，且各叶片的两端分别固定在该两侧板上。
8.根据权利要求1所述的运载工具的风力发电装置，其特征在于，该流线板概呈斜面的形态，以将运载工具行驶移动时所产生的风导引进入该入风口。
9.根据权利要求1所述的运载工具的风力发电装置，其特征在于，该流线板概呈弧面的形态，以将运载工具行驶移动时所产生的风导引进入该入风口。
10.根据权利要求1所述的运载工具的风力发电装置，其特征在于，组成迎风面的传动部份的外形进一步设计成流线形以降低迎风面的风阻。
全文摘要
一种运载工具的风力发电装置，用于安装在运载工具的外表面，并通过垂直轴型风力叶轮捕捉风力，使运载工具行驶移动时产生的风力推动叶轮旋转，再由叶轮经传动机构来推动与叶轮不同轴设置的发电机进行发电。重要的是，风力发电装置的迎风面由入风口所形成的入风部分、流线板所形成的流线部分以及传动机构所形成的传动部分所共同组成，并且发电机是被叠置在入风部分、流线部分或者是传动部分中，使得风力发电装置的迎风面能被更有效地利用。
文档编号B60L8/00GK1945008SQ20051010821
公开日2007年4月11日 申请日期2005年10月8日 优先权日2005年10月8日
发明者陈文庆, 邹健伟, 陈彦羽 申请人:上银科技股份有限公司