CN201155426Y - 垂直轴风叶能三面受风出力的风车结构 - Google Patents

Abstract

一种垂直轴风叶能三面受风出力的风车结构，是由基座、旋转轴、风叶组、发电装置、电控装置、蓄电池等组成，基座用以支撑整体结构组成荷重及安装位置，是以基座外壳下方螺接于塔架上，螺接风叶组的旋转轴安装在基座上，发电装置设置于基座上，通过齿轮组带动发电机旋转，产生电能，经整合控制后，输入蓄电池存放；电控装置设置于塔架下方，整合控制发电装置所产生的电能；本实用新型利用大自然风能，驱动上述结构，提供机械能输出，再使用发电装置进行发电，得以供应一般家庭用电、路灯用电、公共用电，其结构简单组装容易、高效率利用风能、且能改变整体造型美化环境，以及可加装彩色灯泡于风车内作为夜间灯光装饰，使本实用新型得以广泛应用。

Description

垂直轴风叶能三面受风出力的风车结构

技术领域

本实用新型是关于高效能垂直轴风车，具体地说是一种垂直轴风叶能三面受风出力的风车结构。

背景技术

近年来，各欧美先进国家或短缺石油资源国家，莫不大力发展替代能源，各种天然资源也先后开发出相对应的发电方式。替代能源标榜着无污染、无消耗的特点，目前较受注目的相关发展已有风力发电以及太阳能发电等；提供用电的需求，且易于推广。

人类自从发现电能以来，在物质文明上有了突飞猛进的成长，也大幅地改善了人类的生活。然而，随着生活的进步，人类对于电能的需求愈来愈高，对于电能的使用有着莫大的依赖，电力的使用已在生活层面广泛的应用，例如：家庭用电、营业用电、工业用电、公路的路灯、公共区域照明以及需要电力驱动运转的各式公共设施，皆需大量电能的消耗；即便夜间回到家中，打开电灯、空调或使用电脑、各式家用电器皆需使用电力，不仅实质须支付的电力费用相对可观外，也造成燃料发电厂极大的负担，进而对环境的污染影响甚巨；而在消耗这些能源的过程中，也不断提高资源的耗损，更甚严重的，即在于对环境的破坏，诸如：温室效应、异常气候、圣婴现象、酸雨等环境、气候异常的产生。

目前人类所熟知的发电技术中，最普遍的方法是燃烧石油，唯此法受限于燃烧原理，不仅消耗燃油迅速，且制造大量的废气、废热，严重影响生活环境。再者，石油仅限于少数国家所拥有，且容量有限，总有一天会使用殆尽，绝非长久之法。

为此，各国均在积极寻求替代能源的方案，不仅要求这些替代能源能取代石油，且更重要者，乃在于寻求一种无污染的新能源。而就目前所熟知的洁净能源中，大致包括有风力、太阳能、海浪等。太阳能是地球一切能量的来源，其产量惊人，但受限于现有技术，目前的太阳能应用效率极低，必须铺设大面积的太阳能板，方能取代少部份的传统发电，故对于面积有限、日照不足的国家并不适用。海浪发电的效能颇佳，但海浪的时间无法预估，故无法持续产生有效的能源；且海浪具有破坏性，很容易损坏动力机组；再者，海浪对于内陆国家亦无法适用，在目前并非良好的替代方法。

因此，在洁净能源的替代方案中，风力发电是目前相当成熟的技术，值得推广。风力发电的历史相当悠久，早在数个世纪前，欧洲即应用风车于面粉厂中的小麦磨粉工作，或是低洼地区的抽水工作。而风力来源存在于地球各处，各国皆可视其地形气候的现况，实行不同的配置。因此，目前使用风力发电的地区相当繁多，虽然无法取代火力发电，但仍有其一定的价值。

要充份应用风力进行发电，良好的风车结构乃为必须的产品，但就目前的垂直轴风力发电机技术中，其产生的能效却相当低落，造成无谓的损失，但垂直轴风力发电机有其一定的优势，如结构简单，放于高架上平衡良好，如有良好设计即能接收四面八方的风能，但事实上垂直轴风力发电机其受风旋转风叶有一半顺风一半逆风，设计上并不容易处理，因此目前市面上使用率不高，皆因为无法有效解决风叶一半顺风一半逆风所造成抵销风能的问题。目前的垂直轴风车的应用，例如：碗型的类似风速计，其优点是启动扭力大，缺点是逆风旋转回来碗型阻力很大，所以能效很差；叶片型(达流斯型)的垂直轴风车由于叶片细小，受风斜面角度又小所以启动风速要求较高，无法微风启动，风能利用也低，后来有人将两者结合使用，但其两者的缺点仍在，只是改善了微风启动，但整体使用能效仍不是很好。

由此可知，前述的技术仍有缺失有待改进，本案创作人即鉴于前述缺失，乃着手加以创新，终能研发完成本件一种垂直轴风叶能三面受风出力的风车结构，应用于风力发电提供广泛用电及独立用电公路路灯使用。

实用新型内容

本实用新型的主要目的，在于提供一种垂直轴风叶能三面受风出力的风车结构，其内容是户外四面八方吹来的风能均能利用，不需方向舵、尾翼来确定迎风面，如加装方向舵及前逆风区挡风板结构时转速可以增加约一倍，则都能获得高迎风面积、低阻力，来撷取风能，以利使用风能发电，提供风能最佳使用效率。

本实用新型的另一个目的，在于提供一种垂直轴风叶能三面受风出力的风车结构，其内容为结构简单、造价便宜、加工容易、高空运转稳定等特点以应用风能，其外观的型体易于艺术化，可美化市容景观，作为供应大众用电或路灯用电，及农、渔、牧业抽水、打气都有高能效的发电运用。

可达成上述目的一种垂直轴风叶能三面受风出力的风车结构，其内容包括：一基座，该基座上设有一发电装置、一旋转轴座、一安装用法兰座等，该基座用以支撑本实用新型的组成荷重及安装位置，是以一基座外壳下方螺接于塔架上，其中空壳内安置有发电装置，该基座上方轴心安装有一轴承轴接旋转轴。一旋转轴，该旋转轴上装设有风叶组螺接座，用以螺接风叶组，其下方以相距的两轴承轴接在基座上，上轴承之上另有安装一止推轴承，用以承载风叶组重量，其最下方螺接一增速齿轮组再由齿轮组螺接发电装置高速发电。一风叶组，是由多个风叶轮组成，以单一个或是4个、8个、12个风叶轮组成风叶组、风叶轮由两个圆板做上下座，中间夹着风车叶片，风车叶片由3个以上奇数组成，例如3、5、7、9片风叶，等角度平均分布排列，安装在上下圆板中，采用奇数原因是使轴后方的风叶，在受风区域时不会被轴前的风叶片挡到进入的风；例如本实用新型采用一个风叶轮内每层使用5片风叶片，共4层风叶轮，故共有20片风叶，则受风区域为360度再除以20片风叶，如此每层间隔18度，由图8可以看出一个圆360度中，每个90度区域皆分配5片风叶，如此排列使重量能平均分配，亦使风叶组运转更加平稳，而每支风叶采取3种接受风力设计，外层叶片约20度斜面，在迎风面0度区域，得到风吹在叶面上的侧分力，使风叶组旋转，而内层叶片约20度斜面，在迎风面180度轴后区域，接收风吹在叶面上的侧分力，使风叶组旋转；内外两片风叶斜角不同，且在迎风面90度区域时不受力，将两片风叶设计成后端相连，就成尖角状凹槽碗状，在90度区域来接受风能，这样碗槽型风叶，在90度区域接受风能效率最高，此设计集碗型风叶及斜面型风叶的特性于一体，这种结构亦有微风启动的功能，且能产生较大扭力，并能接收高效率风能使受风区域达到180度以上，比水平轴三片风叶还高，而该风叶组的碗槽型风叶在0度区域时，外侧斜面受风时，产生风吹在叶面上的侧分力而旋转，碗槽型风叶在90度区域受风时，碗槽内灌满风，产生最大推力旋转，碗槽型风叶在180度轴后区域时，内侧斜面受风时，产生风吹在叶面上的侧分力而旋转；但从180～270～359度区域之间，风叶则逆风旋转产生阻力，能降低阻力，就能保持旋转动能，因此在碗槽底部使用两片尖角型叶面，以利前进时降低风阻，来保持转动力，另外在碗槽底部两片尖角型叶面上，设有多个孔洞，在碗槽内侧并装设多个活门，当逆风旋转产生风阻时，此活门被风掀开，风从大洞中顺利通过，有效减低风阻，保持风叶轮转动力，如此的搭配使整体风车旋转更有力，亦可将风叶顶部向前倾斜5～10度让活门斜躺，这样活门的密合度增加，开闭活动方式更加理想；当天气激烈变化产生瞬间阵风时，此活门被风掀开避开阻力，可以减少塔架的受力，不会弯曲或倾倒，且瞬间阵风能量能全数被风车吸收；当天气激烈变化产生瞬间侧风或背风等乱流时，方向不规则的风能，在碗槽内的风力瞬间由正压变成负压，这时活门被掀开，让逆风通过化去阻力，如此的活门机构，让碗槽型叶片内活门自动调整，全数化除旋转阻力；此风叶组主要接受风能的前、后斜面及碗槽均接受了风能，故本实用新型是任何方向的风能，都能吸收而旋转，能高效率带动发电装置；此风叶组由多个风叶轮串叠组成，本实用新型是由4个风叶轮串成，当这4个风叶轮的圆径，在大小做变化，便能组合成圆筒型、球型、水果型、工艺型等不同造型，或是各种左右对称的圆径组合的造型；一发电装置，设置于基座上，藉由上述机构运动产生的机械能，通过一增速齿轮组，带动发电机旋转，产生电能，经整合控制后，输入蓄电池存放；一电控装置，该电控装置设置于塔架下方，并整合控制发电装置所产生的电能；一蓄电池，放置于塔架下方，由电控装置管理，该蓄电池存放着风力发电机产生的电能，该蓄电池并得以供应电器用品电源；一微型发电装置，随风叶组旋转发电，点亮在风叶上的彩色灯泡、LED(发光二极管)灯，灯光随风车旋转，在夜间造成美丽灯光效果。

本实用新型的优点与积极效果为：

本实用新型的风车叶片能有效利用大自然风能，不论风从四面八方任何方向吹来，或风向瞬间的改变，本机构均能全数有效应用；只要装上发电装置能转换风能的设备，就得以获得高效电能。本风叶轮设计简单装配方便，视需求得以增加并装配多个风叶轮于塔架上，来增加面积撷取风能，其外型能配装成多种造型，来美化环境；且其风车轮内可以装设微型发电机，藉由旋转产生电能，提供灯泡发光，灯泡能替换不同颜色及造型，点缀夜间公共区域的景致。

附图说明

请参阅以下有关本实用新型一较佳实施例的详细说明及其附图，进一步了解本实用新型的技术内容及其目的功效；有关该实施例的附图为：

图1为本实用新型的各部分示意图；

图2为本实用新型的立体图；

图3为本实用新型的各部分细部示意图；

图4为本实用新型的风叶轮立体图；

图5a为本实用新型的风叶轮旋转相关位置示意图之一；

图5b为本实用新型的风叶轮旋转相关位置示意图之二；

图5c为本实用新型的风叶轮旋转相关位置示意图之三；

图6a为本实用新型的碗槽型叶片斜躺活门示意图；

图6b为图6a中的局部放大示意图；

图7为本实用新型的风叶轮间隔18度安装主视图；

图8为本实用新型的风叶轮间隔18度安装俯视图；

图9a为本实用新型的风叶轮不同外径搭配示意图之一；

图9b为本实用新型的风叶轮不同外径搭配示意图之二；

图9c为本实用新型的风叶轮不同外径搭配示意图之三；

图9d为本实用新型的风叶轮不同外径搭配示意图之四；

其中：1为基座，11为法兰盘，12为发电机座，13为上轴承，14为下轴承，15为止推轴承，2为旋转轴，21为齿轮组，22为上风叶轮座，23为下风叶轮座，24为轴承孔，3为风叶组，31为风叶轮，31a为下层风叶组，31b为二层风叶组，31c为三层风叶组，31d为上层风叶组，31e为上圆板，31f为下圆板，32为碗槽型叶片，33A为第一风叶面体，34B为第二风叶面体，35C为第三风叶面体，36D为第四风叶面体，37为碗槽，38为第一活门，39为第二活门，4为发电装置，5为塔架，6为电控装置，7为蓄电池，8为微型发电装置，81为直线微型发电机，82为发电机用磁铁块，83为微小型风力发电机，9为彩色灯泡。

具体实施方式

本实用新型的最较佳实施方式

请参阅图1至图9d所示，本实用新型是提供一种垂直轴风叶能三面受风出力的风车结构，特别指一种接受四面八方吹来的风能，带动发电装置产生能量，其主要包括：

一基座1，一旋转轴2，一风叶组3，一发电装置4，一塔架5，一电控装置6，一蓄电池7，一微型发电装置8，一彩色灯泡9；该基座1，是提供整体结构的重量支撑及安装，基座1下方设有法兰盘11，螺接于塔架5上，其中基座1内设有用于安装发电装置4的发电机座12，基座1轴心设有轴承孔24，安装止推轴承15、上轴承13、下轴承14用以轴接旋转轴2，止推轴承15是用以支撑旋转轴2及风叶组3的重量；该基座1是提供后述结构的承载与连结，以接收后述机构产生的风能转为机械能，再转化成电能使用；该旋转轴2，轴接在上、下轴承13、14及止推轴承15上，旋转轴2下方直接螺接增速的齿轮组21，再由齿轮组21螺接发电装置4进行发电；旋转轴2上方螺接有上风叶轮座22及下风叶轮座23，用以安装风叶组3，下风叶轮座23螺接下层风叶组31a，上风叶轮座22螺接上层风叶组31d；旋转轴2接收风吹动该风叶组而旋转之力，将机械能传递给下方齿轮组，通过齿轮组再传递至发电装置；该风叶组3是由一至多个风叶轮31串在旋转轴2上组成，本实用新型是以四个风叶轮31螺接组成风叶组3，本实用新型使用五个碗槽型叶片32组成风叶轮31做代表，由于使用奇数风叶，当要使每个90度区域内的叶片数相同，则采用4层风叶轮或8层或12层风叶轮，串在一起，能让风叶组旋转更平稳。下层风叶组31a螺接在旋转轴2的下风叶轮座23上，上层风叶组31d螺接在旋转轴2的上风叶轮座22上；另下层风叶组31a螺接二层风叶组31b，二层风叶组31b螺接三层风叶组31c，三层风叶组31c螺接上层风叶组31d。

本实用新型亦能以另一种方式组合：旋转轴2为四方管型，风叶组3中间孔具有多个四方孔型，将多个风叶轮31每个间隔18度(五等份)，套入四方型旋转轴2上，盖上风叶轮座22螺接上层风叶组31d是更简单的组合方式。

如图3、图5a～5c所示，安置第一风叶面体33A、第四风叶面体36D在与迎风面成一相对斜角约20度，让风在0度区吹第一风叶面体33A时在叶面上产生侧分力而旋转，并与在180度区风吹第四风叶面体36D在叶面上产生侧分力而旋转，第一、二、三、四风叶面体33A、34B、35C、36D围成碗槽型叶片32在迎风面90度区时，碗槽口朝风，让风灌入碗槽内，产生最大推力使风叶组强力旋转；第二、三风叶面体34B、35C为了减少180～359度的逆风阻力，藉由上述设计，第二、三风叶面体34B、35C能在逆风区域前进时将风切分成两半分流，化解大部分逆风阻力，每片碗槽型叶片32，从迎风面0度、转到90度、转到180度、转到270度、转回迎风面359度，这时在迎风面碗槽型叶片32的外侧叶片第一风叶面体33A，与风向成大约20度斜角，在330度～95度区域受风能侧推力，旋转风叶组3；在迎风面当碗槽型叶片32转到10度～160度时风能灌入碗槽37内，此时第一、二活门38、39因风压而紧闭，产生推力旋转风叶组3，在90度区域会产生最大推力来旋转风叶组3；在迎风面碗槽型叶片32的内侧叶片第四风叶面体36D，与风向成大约20度斜角，在75度～200度轴后区域受风能侧推力，旋转风叶组3；在迎风面碗槽型叶片32其第二风叶面体34B，与第三风叶面体35C设计成尖角型，对着逆风用尖角消除逆风阻力，又其碗槽37内面设有第一、二活门38，39在逆风区200度～330度会被逆风掀开让风顺利通过，消去大部分旋转阻力；碗槽型叶片32其外侧尖角型第二风叶面体34B内设的第一活门38因靠圆径外侧旋转，所以线速度较快，且圆型风叶组3外侧风速较强，所以第一活门38会先被逆风吹掀开来，且掀开角度会较大(如图6a、6b所示)，整个会比第三风叶面体35C内设的第二活门39更早掀开、掀开角度又高，所以第一活门38的安装位置高于第二活门39，让两组活门作用时不会互相干扰，如让碗槽型叶片32安装斜躺约5～10度能让第一、二活门38、39因重量斜躺在叶面上可以增加碗槽内受风时的密封度。

如图7、图8所示，本案采用5片碗槽型叶片32，使用4层风叶轮31，5×4＝20片，每层碗槽型叶片32，安装时相隔18度，从图8看每层碗槽型叶片32，安装时每片相差18度，会产生像阶梯状一样逐层爬升，这样从图8可看出一个圆360度中，每个90度角区域内均有分配5片碗槽型风叶32，这样重量平均分配，能让风叶组3比单一层更平衡运转；安排阶梯状风叶这样也能让风叶组3更能在微风启动，因为能产生高推力的碗槽37最少会有两个正对着风，接受风能而启动旋转；当天气产生瞬间阵风时第一、二活门38、39被风掀开避开阻力，可以减少塔架5的受力，不会弯曲或倾倒，且瞬间阵风能量能全数被风叶组3吸收，当天气产生瞬间侧风或背风等乱流时这四面八方来的不规则风能，在碗槽37内的风力瞬间由正压变成负压，这时第一活门38被掀开大洞，让逆风顺利通过化去阻力，这样的第一、二活门38、39机构，让碗槽型叶片32内的第一活门38、第二活门39自动调整，全数化除旋转阻力；主要接受风能的前后斜面第一风叶面体33A、第四风叶面体36D及碗槽37转一圈时共5片×3面＝15面，在230度受风区域内受风作用，接受各方风能，故本实用新型是任何方向的风能都能吸收而旋转，能高效能带动发电装置4。

如图9a～9d所示，在风叶组3的圆径大小做变化，由多个风叶轮31相叠组合变化，便能成为艺术型如圆筒型、球型、水果型、葫芦型、对称字型、灯笼型等或是各种依地方特色工艺、人文风情等，不同型体来美化环境。

将微型发电装置8螺接在风叶组3内，随风车旋转发电，点亮螺接在风叶组3上的彩色灯泡9或LED灯，其微型发电装置8，可为：如微小型风力发电机83四个对称螺接在上层风叶组31d上，或是直线微型发电机81，将发电机用磁铁组82螺接在基座1上，将直线微型发电机81四个对称螺接在下层风叶组31a上，都可以随风叶组3旋转发电，点亮彩色灯泡9在夜间看起来很漂亮，制造美丽灯光效果，美化景观，此装置在任何型式的水平轴风车叶片、垂直轴风车叶片均可以安装，均可以创造独特的艺术灯光效果。

如图1所示，当风叶组3受到四面八方吹来的风，获得风能带动整个风叶组3旋转，风叶组3螺接旋转轴2，旋转轴2跟着一起旋转，旋转轴2下方螺接发电装置4，发电装置4经旋转轴2带动而发电，发电装置4将所输入的机械能转为电能，再经过电控装置6，转换为适合条件电能后，储存此电能于蓄电池7中；上述发电装置亦能替换为抽水装置或空压装置，将水由低处抽往高处，得以广泛应用于农、渔、牧业，或以空压装置产出高压空气可应用于工业、制造业或渔业。

本实用新型风叶轮31能依造需求不同，做出直径大小不同风叶组3，又可以将多个较小风叶轮31串成很高，让风叶组3受风面积增加，用在场地小但需求要高的设备上，如小型风叶组3可以应用在路灯使用，如中型风叶组3可以应用在一般家庭、农、牧、渔产业使用，如大型的大风叶组3适合工厂或1000kw以上风电厂使用。

上述详细说明是针对本实用新型的一可行实施例的具体说明，惟该实施例并非用以限制本实用新型的专利范围，凡未脱离本实用新型技艺精神所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。

Claims (7)

1.一种垂直轴风叶能三面受风出力的风车结构，其特征在于：包括有：

一基座(1)，该基座(1)上设有发电装置(4)、旋转轴座、安装用法兰座，用以支撑风车整体结构的组成荷重及安装位置的基座(1)，是以一基座外壳的下方螺接于塔架(5)上，基座(1)内安置有发电装置(4)，且基座(1)上方轴心安装有轴承轴接旋转轴(2)；

一旋转轴(2)，是以相距的两轴承轴接在基座(1)的轴承上，下端螺接齿轮组(21)或发电装置(4)，其上端设有风叶轮座并螺接一风叶组；

一风叶组(3)，由多个风叶轮(31)组成，该风叶轮(31)串叠于旋转轴(2)，并螺接在该旋转轴(2)的风叶轮座内，在该风叶轮(31)内设有奇数个以上的碗槽型叶片，该碗槽型叶片(32)有两个风叶面体加上碗槽本体皆受风力吹动而旋转，该碗槽底的风叶面体是依尖角状配置，在碗槽内双面上开有两洞并分别设有一活门。

一发电装置(4)，设置于基座(1)上，通过上述机构将风能转为机械能再转到发电装置，电能经电控装置整合后输入一蓄电池存放及使用；

一电控装置(6)，放置于塔架(5)上，并整合控制发电装置所产生的电能；

一蓄电池(7)，放置于塔架(5)上，由电控装置(6)管理，该蓄电池存放风能所带动发电装置产生的电能，该蓄电池用以供应电器用品电源；

一微型发电装置(8)，装在该风叶轮上并经风叶轮旋转产生电能。

2.按权利要求1所述的垂直轴风叶能三面受风出力的风车结构，其特征在于：该风叶组是由一至多个风叶轮串在旋转轴上使用，且该风叶轮每层分别相差等角度安装。

3.按权利要求1所述的垂直轴风叶能三面受风出力的风车结构，其特征在于：该风叶轮内碗槽型叶片是由四个面体排列组成，并使该碗槽型叶片于俯视时呈尖角状。

4.按权利要求1所述的垂直轴风叶能三面受风出力的风车结构，其特征在于：该碗槽型叶片在碗槽内的两面体上设有多个孔洞，并分别于该孔洞上装设一活门。

5.按权利要求1所述的垂直轴风叶能三面受风出力的风车结构，其特征在于：该风叶轮是由上、下两圆板加上多个碗槽型风叶组成，且上、下两圆板以圆心为基准向外平均角度辐射出多等份辐射线，并在该辐射线上打有以利上、下两风叶轮相互螺接的孔，上下两风叶轮以差角方式组装，能产生多种搭配选择，让风叶轮上下层叶片，装成上下一直线或错开成阶梯状。

6.按权利要求1所述的垂直轴风叶能三面受风出力的风车结构，其特征在于：该风叶轮组合可以将大小不同直径风叶轮串在旋转轴上形成圆柱型、球型、水果型、工艺型的不同造型。

7.按权利要求1所述的垂直轴风叶能三面受风出力的风车结构，其特征在于：该风叶内安装微型发电装置，而风叶上安装有一彩色灯炮，在风叶旋转微型发电机发出电能，得以点亮风叶上的彩色灯泡，作为夜间景观美化使用。

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