专利名称：风能转换系统的制作方法
技术领域：
本发明属于一种能量转换装置，特别是指一种风能转换系统。
目前，已有使用风车及空气压缩机将风能转换为压缩空气贮存使用，如用来发电的有美国专利第4055950；4236083及4447738即为其中数例。
风车的设计亦有使用于风动轮机中，包含各种形状的动叶轮片及角度装设于一整流罩内以导引风吹过叶片，如美国专利第1025428；4021135；4140433；4132499；4143992；4324985及4720640号等皆是。
上述已有技术的主要目的之一是要获得较高的转速，因此叶片的配置旨在使空气流能快速通过设备，叶片的形状及位置力求不干扰空气流动。
已有技术遭遇的问题之一是在持续强风吹动时，该等设施可能急转失控而烧毁。而在低速或间歇性风吹时，则无法产生持续能量，因此需稳定的风速始能产生足够的能量，如电力。
本发明的目的即在提供一风能转换系统以贮存能量，如压缩空气。依据本发明，自低速的空气流动中可撷取能量，本发明的装置及叶片配置方式可使相邻叶片之间造成互动，因而在低速时可产生转距。本发明的装置可收集空气流而非使之快速通过，因而可获取更多的能量。再者本发明的叶片形状，位置及配置方式可防止急转失控，亦即实质上有制动的效果。
本发明风能转换系统的特征在于，包括一风动轮机装置；及一传动机构与风动轮机连接以传送风动轮机的能量到一空气压缩装置；风动轮机包含一文管型式的覆环其内有一转子，转子及覆环之间装设多数枚叶片，至少有一叶片是以平板材料形成有一头端子一尾端形成大致呈倒置的平底锅状的截面；叶片的尾端有一凸像朝向头端；多数的叶片其位置与空气流向风动轮机的方向大致呈32度；覆环有一圆筒状尾部自文式管的尾端延伸而成；转子与覆环形成环形圆；包括一支架及承载设备以支持风动轮机装置，一可转动的心轴与转子连结且与之同一轴心，该心轴是自支架及承载设备延伸而出可供风动轮机据以旋转；传动机构包括一曲柄圆盘连接心轴的另一端，曲柄圆盘上有一偏心梢枢接一连杆的一端；当心轴驱动曲柄圆盘转动时，连杆的另一端可作上下往复运动；其中连杆的另一端连接一空气活塞及汽缸组合，使连杆另一端的上下往复运动可驱动活塞在汽缸组合并随连杆上下运动及旋转；一承载器以支持活塞及汽缸组合并可随连杆上下运动及旋转；及一支撑装置以支持风动轮机及传动机构可使之以支架为轴心朝风流方向转动。
为了进一步了解本发明的特征及技术内容，请详细参阅以下有关发明的详细说明与附图，其中
图1是本发明实施例的前视2是根据图1实施例的侧视3是根据图1及图2的叶片放大截面4是根据图1及图2的局部放大及剖开5是根据图4的部份端视6是根据图3叶片可能变化的位置7是叶片的各种可能截面8是本发明另一实施例前视9是根据图8实施例的侧视图请参照图1及图2依据本发明的风动轮机装置10是装设在一支架12上经由一传动机构14与一空气压缩装置16连接以将风能转换为压缩空气。风动轮机装置10的基本结构包括一覆环18大致形成文式管形状，有一进气端20，喉部22，排气端24及尾端26。其中心部有一转子28以装设叶片于其四周。转子与覆环之间形成文式管效应，宜以金属板如铝板制成。转子具有一体成型的心轴30其是装设在风轴31上可据以旋转。如图4、5所示，支架12的上端有一垂直轴72其侧有一垂直凸缘33其侧再焊接一水平管臂32，管臂前后端各有一轴承34、36，风车轴31是架设于轴承34、36内可在管臂32内旋转。心轴30的另一端设一曲柄圆盘38其上设一偏心梢42与一连杆40一端的孔眼44内的轴承46相枢合，因此当心轴30、31转动时，曲柄圆盘38亦随之转动，因而经由偏心梢42驱动连杆38亦随之转动，因而经由偏心梢42驱动连杆40作上下往覆运动。
连杆40的另一端经由一管接头48与一活塞杆50连接，再驱动一汽缸活塞52，其另一端连接另一轴54再接一万向接头56，其下接一轭58再接一固定器60其是固定在支架12上。
根据上述的构造，当心轴30、31转动而带动曲柄圆盘38旋转，又驱动连杆40作上下往覆运动时，活塞杆50亦作上下往覆运动，因而可上下压缩汽缸52产生压缩空气，如图1、4所示汽缸上一两端各接出一气管62、63，单向阀64、65，控制阀66、67再连通到一压缩空气贮气筒70，因此因风力吹动风车旋转所产生的风能便可经由本发明的装置转换成压缩空气贮存之。
本发明尚可做各种变化以配合各种不同情况，如偏心梢42距曲柄圆盘38中的中心距离可调大或调小使汽缸活塞位移亦随之改变。
又顾及风吹的方向可能改变；垂直轴7 2是可以在垂直的支持圆筒76内转动，圆筒76内设有轴承78及止推轴承80以利垂直轴72的转动。因此风车尾端26的方向可随风向A而调整改变。当垂直轴72转动时，轭58亦以其下的支持梢59为中心而旋转以资配合。
图3、6、7表示叶片的构造，其中图3是本发明建议一实施例，其尺寸形状如下a＝4寸，b＝11.5寸，c＝4.125寸，d＝0.562寸，角度e＝130度，f＝127度，g＝90度，使用的材料为11号铝材，是大致为平面板材成型的，首尾两端相对弯起如倒置的平底锅。
叶片可以前置或后置方式设在风动轮机装置10上，如图6所示，实施显示后置方式效果较佳。
叶片是装设在介于覆环18及转子28之间的喉部22。实际测试时，使用十四枚叶片于八尺风车中，以各种不同速度测试。每两枚叶片相距约一尺，角度自6到45度之间(如图二h所示)。在36度时，需每小时七英哩的速度始能克服惰性使风车转动。一旦转动后，需风速每小时三英哩以维持其继续转动。当角度增大时，临界速度提高而转速加快。为获致最佳的低速效果，则叶片角度不宜过大。
理论上说，叶片的形状及位置宜使之捕集空气而非使空气自由通过。目的在造成两种效果，第一是引起空气动力的提升力，第二是相邻的叶片有助于提升力的增加。本发明使用的叶片在较小角度上时效果较使用风车标准叶片者为佳。本发明不致因持续加速而失控，因为相对风速的改变会使冲击角度接近零提升力的范围，因而产生制动效果。在运转时，本发明可获致更多的力，即使在低速时亦然。例如在风速为60到65mph时，最快转速约100rpm。
另一现象是减少叶片数目会增加速度。增加叶片则会增加转距但减少速度。
如图7所示的各种叶片形状亦在风洞中测试。图7J是以balsa的轻质木材形成的一般叶片，图7K是一般风扇用的塑胶片，图7L受美国专利第4655，122号所揭示的叶片；之后端附加以襟翼者；图7N是本发明的前置式叶片，图7P则是本发明的后置式叶片。
针对风车转子叶片或气坝对气流引起的转矩增长曾作各种实验，包括选择能产生最大力量者，在同一压力下空气流速及体积的关系等。其目的在决定获致最大力时叶片之间的空间及流速互动关系。初步测试使用八尺风车装设十四枚叶片，总共选用十七种不同叶片与形式，图7及为其中部份例。测试包括数阶段，首先每枚叶片以某一特定角度装设(自20度到35度，以5度逐渐变更之，有时包括15度)。叶片装设力求平衡。每次加以风速时，测量其最大提升力及角度。同时亦纪录下列数据1.最佳位置(前置或后置形式)。
2.获放最大力时两相邻叶片间的距离。
3.最大力时的叶片角度。
实验得知叶片间的空间安排甚为重要。叶片位置对力量亦有关。风洞测试得知，两叶片相互重叠安排，以后置方式，相隔的距离约为弦长的70％到75％时可获致最大力。
图8、9显示本发明的另一实施例，其中空气压缩装置100是经由一皮带轮装置162由轴心30带动运作。
由上述说明可知本发明的确提供一新颖的风能转换装置可以高效率地将风能转换成有用的能量。大部份已知的风力装置是设计用来泵送水或产生电力。本发明则旨在压缩空气。空气可无限期贮存于任何需要的地方而不会丧失能量，而电力则会逐渐漏失电能导致效率的损失，水则需泵引到高处以转换成位能。尤有进者，空气可以任何机械速度予以压缩，因此风力的大小及风车的转速不影响本发明的运作，而电力的产生需特定的频率，因此使用本发明的风能以转换及贮存压缩空气可大为简化系统结构及运作。
本发明的副产品之一是压缩空气过程中会产生热量，而此热量可经由热交换器予以撷取应用，是则经冷却的压缩空气可含有更高的单位容积能量，而产生的热量可用来作其他用途如以加热水，暖房或成为第二种能源。
权利要求
1.一种风能转换系统，其特征在于，包括一风动轮机装置；及一传动机构与风动轮机连接以传送风动轮机的能量到一空气压缩装置；风动轮机包含一文式管型式的覆环其内有一转子，转子及覆环之间装设多数枚叶片，至少有一叶片是以平板材料形成有一头端子一尾端形成大致呈倒置的平底锅状的截面。
2.按权利要求1所述的风能转换系统，其特征在于，其中叶片的尾端有一凸像朝向头端。
3.按权利要求1所述的风能转换系统，其特征在于，其中多数的叶片其位置与空气流向风动轮机的方向大致呈32度。
4.按权利要求1所述的风能转换系统，其特征在于，其中覆环有一圆筒状尾部自文式管的尾端延伸而成。
5.按权利要求1所述的风能转换系统，其特征在于，其中转子与覆环形成环形圆。
6.按权利要求1所述的风能转换系统，其特征在于，尚包括一支架及承载设备以支持风动轮机装置，一可转动的心轴与转子连结且与之同一轴心，该心轴是自支架及承载设备延伸而出可供风动轮机据以旋转；传动机构包括一曲柄圆盘连接心轴的另一端，曲柄圆盘上有一偏心梢枢接一连杆的一端；当心轴驱动曲柄圆盘转动时，连杆的另一端可作上下往复运动。
7.按权利要求6所述的风能转换系统，其特征在于，其中连杆的另一端连接一空气活塞及汽缸组合，使连杆另一端的上下往复运动可驱动活塞在汽缸组合并随连杆上下运动及旋转；一承载器以支持活塞及汽缸组合并可随连杆上下运动及旋转；及一支撑装置以支持风动轮机及传动机构可使之以支架为轴心朝风流方向转动。
全文摘要
本发明是一种风能转换系统，包括一风动轮机装设在一支持架上，风动轮机有一文式管状覆环，其内设有多数叶片于转子与覆环之间，叶片设计成空气翼片形状如倒置的平底锅截面，可以在低风速时能产生大的转距。
文档编号F03D1/00GK1148668SQ96109030
公开日1997年4月30日 申请日期1996年7月30日 优先权日1996年7月30日
发明者弗朗西斯J·麦卡比, 黄颂华 申请人:弗朗西斯J·麦卡比, 黄颂华