专利名称：风驱动装置及其组合装置的制作方法
技术领域：
本发明有关于一种风驱动装置，尤指一种具有大致上与风向成直角的旋转轴线的
风力发动机。
背景技术：
近年来在环保意识高涨及油价持续攀升的全球趋势下，再生能源如风力发电市场开始急速成长，在模组化风力机并联运转方面，Becker等人曾于美国专利US-7132760中提出将垂直轴风力机以水平方式放置并运转的风力发电系统，虽然失去多向迎风的优点，但由于垂直轴装置具有视觉冲击性相对较低及安全性较高的优点，故适合直接装置在住宅楼顶，不过由于Becker的设计过于强调阻力叶片的外观设计，除效能低落之外，制造成本也相对太高，因此始终未能大量生产。 而为解决Darrieus型风力机因固定pitch而不易起动的问题，Gorlov在美国专利US-5451137中提出螺旋式叶片的设计，稍后由Cochrane在其英国专利GB-2404227中采用其构想并修改为适用于风力机的设计。螺旋式叶片有连续性的不定攻角，启动时不易死锁，因此没有Darrieus型风力机难以自行启动的问题，然而螺旋状的翼截面叶片其制造难度较高，在难以降低成本的限制下也不易推广。 因此Kelland于美国专利US-4456429中提出将H-type式叶片斜置的设计，其启
动效能较传统H-type叶片略高，但启动后的发电性能仍差，因此始终未能普及。 在国内专利方面，第1284180号发明专利中提出将多架垂直轴风力机叶片以共轴
配置的方式并联运转的设计，然而叶片设计效率太低，而且维持垂直安装的配置，局限了并
联模组的发展。第M288334号新型专利中利用阻力式叶片配合棘轮的设计，确实能有效提
升起动性能，然而过于复杂的机构也使得制造及维修成本相对提高。 由上述简介可知，目前国际上的研发主流是朝向建造更巨大且昂贵的机型，此一趋势并不适合国内产业发展。模组化风力机利用规格化组件及并联运转的配置，可以用数量补足传统小型风力机设计的不足，而且安装更具弹性，没有塔架或场地的限制，因此可以用相对较低的成本达到洁净发电的目的，但由于本岛的商用风场几乎都已被财团持有，因此发展小型模组化风力机以应用在公共建设或住宅区，将成为风力发电市场新的发展及出路，然而，目前市面上小型风力机大多有低速起动时性能较差的缺点，因此并不适合装置于风速相对较低例如都市或住宅等区域。 本申请人鉴于已知技术中存在的缺陷，经过悉心试验与研究，终于创作出本发明的风驱动装置，以克服上述缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种风驱动装置，以非对称的方式配置叶片斜角，不但可使启动扭矩大幅提称，而且可用模组化并联运转的方式，弥补单一模组在供电时的不稳定度，以大幅提升小型风力机系统对于复杂流场空间的适应度，并提高风力发电的机动性及
4普及
图2 :为多种常见的翼剖面的示意图； 图3 :为本发明的风驱动装置的前视图； 图4 :为本发明的风驱动装置的侧视图； 图5 :为本发明的风驱动装置与已知风力机间的迎风角度与输出扭矩的比较图 图6 :为本发明的风驱动模组的示意图； 图7 :为本发明的风驱动模组的前视图； 图8a 图8d :分别为本发明的风驱动模组的应用示意图； 图9 :为本发明的风驱动装置的变化实施方式的示意图。 附图标号 1 :风驱动装置 ll:翼片 lla:翼片 llb:翼片 llc:翼片 12 :翼片架 12b :翼片架 13 :基架 13b :基架 14a :轴承 15:减重孔 W:翼展 b :下缘长度 bl、b2、b3:安装槽
9 :迎风角度 M:输出扭矩 Mx、 MY :已知风力机的输出扭矩 M工本发明所提出的风驱动装置的输出扭矩 61 :风驱动模组 RR :竖轴
12a:翼片架 12c:翼片架 13a :基架 14 :轴承 14b :轴承 16 :动力输出装置 a :上缘长度 al、a2、a3 :安装槽 R :旋转轴 S :风速 a :夹角
具体实施例方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照
本发 明的具体实施例，然本发明的实施例并非用以限定本发明的实施型态。 请参阅图l，其为本发明的风驱动装置的整体结构示意图。图1中揭示的风驱动装 置1主要是以翼片11 (包括了翼片11a、llb及11c)、翼片架12 (包括了翼片架12a与12b) 及基架13(基架13a与13b)所构成。翼片11的外观呈长条状，定其总长度称为翼展W，而
其宽度为固定，翼片ii在沿着翼展w的方向呈笔直状，在垂直于翼展w的方向的翼剖面形
状则如同机翼的翼剖面，较佳的情况为翼片ll是一个能够在风场中提供升力(lift)的直 线状机翼(airfoil)，翼片11的翼剖面视图请参阅图2，图2中揭示了常见的翼剖面共10 种，为了提供升力，通常建议翼片的11的上缘长度a应大于下缘长度b，但也允许上缘长度 a等于下缘长度b，而翼片11的前视图则如图3中对本发明的风驱动装置的前视图所揭示， 由图3中即可清楚的看出，本发明所使用的翼片11在翼展方向是呈笔直状，也就是翼片11
6建议设计为直线型，其意义在于便利翼片的生产与制造。事实上除了以上所揭露的方式外， 翼片11的实施方式仍存有多种可能的变化，在非常简化的实施方式中，翼片11的外观最简 单可为如图1及图3的结合所揭示，仅为一个长条状的叶板，或者在另一种可能的变化实施 方式中，翼片11两端的宽度甚至无需相同。本发明中所揭露的翼片11也称为叶片(blade)。
请再继续参阅图l，多个翼片11a、llb及lie以能够保持着相互平行的方式装设 于翼片架12a与12b上，翼片架12的外型经特殊设计为对称弧形(arc)结构，能够有效加 强翼片架12的强度，翼片架12上更有多个减重孔15，能够有效减轻翼片架12的重量，因 此翼片架12同时具备高强度与轻量化的特性，翼片架12与基架13a与13b之间则通过轴 承14(包括了轴承14a及14b)相连接，轴承14a及轴承14b的联机形成了旋转轴R，翼片 架12将以旋转轴R为中心而相对于基架13旋转，由于多个翼片11a、llb及11c装设于翼 片架12a与12b上时是保持彼此间的相互平行，因此旋转轴R与任何一片翼片11a、llb或 llc的翼展之间会存在一个夹角a，通常在已知风力机中，夹角a =0° ，但本发明的风驱 动装置的夹角a应大于0°度。 为了同时兼具轻量化及高强度的特性，翼片11的材质较佳为合金钢、镁合金、铝 合金、钛合金、碳纤维、玻璃纤维、玻璃金属、复合材料、上述材质的组合或其它在技术上可 制作翼片11的材质均可用于制作本发明的翼片ll，翼片架12的材质较佳为合金钢、镁合 金、铝合金、钛合金、碳纤维、玻璃纤维、玻璃金属、复合材料、上述材质的组合或其它在技术 上可制作翼片架12的材质均可用于制作本发明的翼片架12。 本发明的风驱动装置l在受风后，翼片11以旋转轴R为中心旋转并带动翼片架12 同步旋转，在翼片架12上的轴承14连接动力输出装置16，本发明的风驱动装置1通过动力 输出装置16将翼片受风后旋转产生的动力输出，动力输出装置可为一个传动装置或一个 变速箱，传动装置或变速箱可再连接其它装置如链条(图中未示出)等装置而将动力传输 至发电机(图中未示出)等设备，或者动力输出装置16可为一个直驱(direct-drive)式 发电机，直驱式发电机直接接受来自风驱动装置1的动力并转换为电能。
请同时参阅图1及图4，图4为本发明的风驱动装置的侧视图，为了使多个翼片 11a、llb及llc以能够保持着相互平行的方式装设于翼片架12a与12b上，并使得旋转轴R 与任何一片翼片lla、llb或llc的翼展之间的夹角a >0° ，经计算后，本发明采用非轴对 称(non-axis-symmetry)的设计方式将翼片11a、llb及llc布置在翼片架12a与12b上， 如图1及图4中所揭示，在翼片架12a或12b上分别设置有两个系列的安装槽，即第一系列 安装槽al、 a2及a3以及第二系列安装槽bl、 b2及b3，原则上第一系列的安装槽al、 a2及 a3的联机或第二系列的安装槽bl、 b2及b3的联机近似正三角形，原则上对于同一片的翼 片架12而言，所有的翼片11a、llb及llc的一端都应装设在同一系列的安装槽中，如同在 图1中所揭示的，装设在翼片架12b上的翼片11a、llb及llc的一端均是被装设在第一系 列的安装槽al、a2及a3中，而设在翼片架12a上的翼片11a、llb及llc的一端均是被装设 在第二系列的安装槽bl、b2及b3中，经由上述的装设，最后固定在翼片架12上的翼片11， 可满足多个翼片ll以能够保持着相互平行的方式装设于翼片架12上且同时旋转轴R与任 何一片翼片ll的翼展之间的夹角a >0° ，并且翼片11相对于转动轴R之间为非轴对称。 上述的设计通常导致翼片11在靠近翼片架12处两端的质心(center of mass)并非与该 旋转轴R重合，因此设计翼片11时应尽量使整体质心(center of mass)落于该旋转轴R。
请参阅图5，为本发明的风驱动装置与已知风力机间的迎风角度与输出扭矩的比
较图。定义旋转轴R的垂直方向与风向之间的夹角为迎风角度e 、风速为s以及风驱动装
置或风力机的输出扭矩为M，图5是在S = lm/s、 a =15°以及0° < e < 360°的条件 下，连续测量在不同9之下，本发明的风驱动装置或已知风力机所能产生的输出扭矩M。由 图5中用于与本发明的风驱动装置比较的已知风力机有两种，一种为轴对称且a =0°的 风力机X及另一种轴对称且a =15°的风力机Y，已知风力机的输出扭矩Mx及MY的表现 分别以虚线表示，而本发明提出的风驱动装置为非轴对称且a =15° ，其输出扭矩M工的表 现则以实线表示，从图5中可看出，在迎风角度e =0° (正面迎风)时，本发明所提出的 风驱动装置所能够产生的输出扭矩M工是已知风力机的输出扭矩Mx及MY的二倍以上，其显 示相比已知风力机，本发明能够以更低的风速启动，特别是当夹角a的范围落在r < a < 30°时，即使在非常低的风速下(小于2m/s)，翼片11受风后仍可轻易转动并产生动力 输出，经实验后确知，与本发明同规模的已知小型风力机其启动风速约在2. 5 3. 5(m/s)， 但本发明的风驱动装置其启动风速可降至2.0(m/s)以下，约介于1.0 2.0(m/s)之间。当 夹角a的范围落在3r < a <60°时也可实施本发明，但效果较差，即无法获得较低的 启动风速。 前述的风驱动装置1更可多个组合成一风驱动模组，请同时参阅图6及图7，其中 图6为本发明的风驱动模组的示意图，图7为本发明的风驱动模组的前视图。以模组化的观 点而言，本发明的风驱动装置1可视为一个基本的风驱动单元，可将多个风驱动装置1组合 在一起形成一个风驱动模组，如此可令本发明享有模组化的各种优点。图6及图7中的风 驱动模组61是由多个风驱动装置1的一端，翼片架12a及12b共用基架13及轴承14 (也 可不共用基架13及轴承14c)组合所构成。 一种组合多个风驱动装置1的可能方式为，可 令每一风驱动装置1彼此之间的旋转轴R落在同一条虚拟直线上，但反之彼此之间的旋转 轴R若并未落在同一条虚拟直线上也为并联组合多个风驱动装置1的可能方式。图6及图 7中的两个风驱动装置1之间的翼展W呈波浪状，但也可为锯齿状或微笑状与锯齿状的组合 或其它可能的组合方式。若以模组化的观点观察本发明，风驱动装置的较佳尺寸为翼展W 的长度约在2公尺左右，而以旋转轴R至地面的高度约为0. 5公尺左右，也就是以旋转轴R 作为圆心，约1公尺的转动直径，但本发明的尺寸非因此而局限于以上尺寸，较上述尺寸更 大或较小的尺寸也可用于实施本发明。 本发明所提出的风驱动装置能够应用的范围相当广泛，请参阅图8，图8a 图8d 中分别展示了本发明的风驱动模组61装设于大型厂房的屋顶、装设于公路边、普通民房的 屋顶及桥梁底部的示意图。图8中的揭示已非常确定地表明了本发明广泛的应用层面。
本发明所提出的风驱动装置较佳的实施方式为依照以上所述的方式进行水平安 装(horizontal installation)，即旋转轴R与地表面间约成水平，但本发明也可以垂直安 装的方式实施(vertical installation)，即旋转轴R与地表面间约成垂直，请参阅图9，图 9展示了一种以垂直安装方式实施本发明的风驱动装置的示意图，即在风驱动装置1的旋 转轴R的位置上安装竖轴RR，而将原本的水平安装改变为垂直安装。或者，若拟以垂直安装 的方式实施本发明的风驱动装置1时，另一种可能的实施方式为利用已知技术中的H-type 风力机的架构，而将H-type风力机的叶片或翼片的装配角度调整为非对称于旋转轴，并使 叶片的翼展与旋转轴之间产生适当夹角。
总结而言，本发明构想出一种不需塔架支撑而可直接附着或安装于建筑物或结构
物的风驱动装置或风力机装置，此装置结合了模组化并联运转及翼片角度配置设计，可在
低风速时产生较大的扭矩，并由此提升启动性能，本发明对于视觉冲击或生态影响的程度
也相对较轻微，因此本发明可应用于传统风力发电系统无法装设的空间，并可利用设计上
的弹性适应各种场所地形，以实现零排放低污染的绿色发电愿景。
故本发明的风驱动装置所具有的多种强势优点至少包括了 (1)本发明可以水平安装，即旋转轴与地表面间约成水平，具有高度安全性、降 低视觉冲击、降低对环境的冲击及降低对生态的冲击并可与环境融合，具有高度的亲和性 (friendliness)。 (2)本发明的水平安装具有强整合性，可轻易地与建筑物的外观设计整合为一体。
(3)由于本发明的风驱动装置只需低风速即可工作，因此无须再另行设置安装风 力机的高塔，将风力机设于塔上以获得足够的启动风速，因此相比选择安装已知风力机，选 择安装本发明的风驱动模组可节省大量的施工成本。 (3)本发明的风驱动装置非常适用于都市，都市中由于建筑物林立，导致都市中的 风场通常非常紊乱且风速通常不高，本发明的低启动风速的风驱动装置，特别适合装设于 上述场合。 (4)本发明的旋转轴可以垂直轴式(vertical axis)配置，即将旋转轴与风向成 直角配置，具有低工作噪音与降低视觉冲击的功效。 (5)本发明为模组化设计，可组合多个本发明的风驱动装置而形成一个风驱 动模组，经由组合多个风驱动装置的方式，本发明对于地形变化具有相当强的适应性 (ad即tability)及弹性(flexibility)，可安装于具有复杂地貌处。 (6)本发明的直线型翼片容易生产与制造，也可有效降低本发明的风驱动装置的 制作成本。
(7)本发明的风驱动装置的结构简单，大幅降低复杂度，易于大量制作与生产，并 增加可靠度(reliability)，且不易损耗而具有耐用性(durability)。
(8)本发明的风驱动装置的外观设计简单，新颖美观，且易于装配与施工，装配后 无须频繁维修或保养，具有简易性(easiness)。 (9)本发明的风驱动装置不排放任何会破坏环境的污染物，零污染(zero emission)，不破坏环境且高度环保，更具有永续性(sustainability)。
(10)本发明的风驱动装置高度适用于绿建筑(green building)或生态建筑 (ecology architecture)。 虽然本发明已以具体实施例揭示，但其并非用以限定本发明，任何本领域的技术 人员，在不脱离本发明的构思和范围的前提下所作出的等同组件的置换，或依本发明专利 保护范围所作的等同变化与修饰，皆应仍属本专利涵盖之范畴。
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权利要求
一种风驱动装置，用于将风转换为动能，其特征在于该装置包括一基架；一翼片架，以一轴承而与该基架相连接且一旋转轴通过该轴承，该翼片架以该旋转轴为中心而相对于该基架旋转；多个翼片，每一所述翼片具有呈笔直状的一翼展，所述翼片以所述翼展相互平行的方式装设于该翼片架，且该翼展与该旋转轴间的一夹角大于零度。
2. 如权利要求1所述的风驱动装置，其特征在于该装置还包括一动力输出装置。
3. 如权利要求2所述的风驱动装置，其特征在于该动力输出装置为一直驱发电机、一变速箱或一传动装置。
4. 如权利要求3所述的风驱动装置，其特征在于该直驱发电机直接接受来自该旋转轴的旋转动力。
5. 如权利要求1所述的风驱动装置，其特征在于该翼片架的材质为合金钢、镁合金、铝合金、钛合金、碳纤维、玻璃纤维、玻璃金属、复合材料或上述材质的组合。
6. 如权利要求1所述的风驱动装置，其特征在于该翼片的材质为合金钢、镁合金、铝合金、钛合金、碳纤维、玻璃纤维、玻璃金属、复合材料或上述材质的组合。
7. 如权利要求1所述的风驱动装置，其特征在于该旋转轴与风向成直角。
8. 如权利要求1所述的风驱动装置，其特征在于该旋转轴与地面成直角。
9. 如权利要求1所述的风驱动装置，其特征在于该旋转轴与地面成平行。
10. 如权利要求1所述的风驱动装置，其特征在于所述翼片的整体质心落于该旋转轴。
11. 如权利要求l所述的风驱动装置，其特征在于所述翼片是以非轴对称的方式装设于该翼片座。
12. 如权利要求l所述的风驱动装置，其特征在于该夹角是介于r < a <60°之间。
13. —种风驱动装置的组合装置，其特征在于该组合装置包括多个如权利要求1所述的风驱动装置。
14. 如权利要求13所述的风驱动装置的组合装置，其特征在于所述风驱动装置是共用该基架或该轴承。
15. —种水平安装垂直轴式的风驱动模组，其特征在于该风驱动模组包括多个如权利要求l所述的风驱动装置。
16. 如权利要求15所述的水平安装垂直轴式的风驱动模组，其特征在于所述风驱动装置是共用该基架或该轴承。
17. —种低起动风速的模组化风力机，其特征在于该模组化风力机包括多个如权利要求l所述的风驱动装置。
18. 如权利要求17所述的低起动风速的模组化风力机，其特征在于所述风驱动装置是共用该基架或该轴承。
19. 一种动力装置，其特征在于该动力装置包括一叶片架，以一轴承而与一基架相连接且一旋转轴通过该轴承；多个叶片，所述叶片以相互平行的方式装设于该叶片架，其中每一所述叶片与该旋转轴间的一夹角大于零度。
20.如权利要求19所述的动力装置，其特征在于所述叶片为直线型叶片。
全文摘要
本发明为一种风驱动装置，该装置用于将风转换为动能，其包括一基架；一翼片架以一轴承而与该基架相连接，且一旋转轴通过该轴承，该翼片架以该旋转轴为中心而相对于该基架旋转；多个翼片，每一所述翼片具有呈笔直状的一翼展，所述翼片以所述翼展相互平行的方式装设于该翼片架，且该翼展与该旋转轴间的一夹角大于零度。
文档编号F03D11/00GK101749176SQ20081017945
公开日2010年6月23日 申请日期2008年11月28日 优先权日2008年11月28日
发明者刘书玮, 李宜宸, 胡斯远, 颜文治 申请人:财团法人工业技术研究院