[發明專利]垂直軸流體能量轉換裝置

在審

• 申請號: 202010995291.8
• 申請日: 2020-09-21
• 公開（公告）號: CN112901413A
• 公開（公告）日: 2021-06-04
• 發明（設計）人: 周中奇
• 申請（專利權）人: 周中奇
• 主分類號: F03D3/02
• 分類號: F03D3/02;F03D3/06;F03D7/06;F03B3/12;F03B15/00
• 代理公司: 隆天知識產權代理有限公司 72003
• 代理人: 聶慧荃;閆華

本發明公開一種垂直軸流體能量轉換裝置，其包含升力型葉片及馬格努斯轉子，該馬格努斯轉子由動力源驅動而自轉并產生馬格努斯升力且馬格努斯轉子經由連接組件連接于主軸體，因而使得主軸體旋轉并進而使升力型葉片旋轉，由于馬格努斯轉子的截面積較傳統阻力型葉片為小，對垂直軸流體能量轉換裝置內的流場影響較小，使得升力型葉片的性能較佳，而整體裝置效率亦較佳，此外本發明的馬格努斯轉子使垂直軸流體能量轉換裝置能夠自行啟動，且本發明使用的動力源僅需驅動馬格努斯轉子自轉，不須推動整個裝置，故具有成本較低且耗能較少的優勢。

技術領域

本發明涉及一種垂直軸流體能量轉換裝置，尤其涉及一種具有馬格努斯轉子以利用馬格努斯效應驅動主軸體旋轉，進而帶動升力型葉片旋轉，以將流體動能轉換成機械能的垂直軸流體能量轉換裝置。

背景技術

為了地球環境的永續發展，開發對環境友善的綠色能源已成為趨勢，而各界在綠色能源方面投入了相當大的資金與人力，其中流體動力的發電裝置，例如風力發電及洋流發電等，由于具備取之不盡、不會產生二氧化碳等優點，使得利用流體動力的能量轉換裝置一直為各界努力發展的方向。

其中以風力發電為例，發電裝置依葉片旋轉軸轉動的方向可分為水平軸與垂直軸兩種，其中由于水平軸發電裝置其葉片必須面對迎向風力的方向，故不適合設置于風向易變化的環境，且因發電機位于高處機艙內，具有維護較困難、重心高、結構弱以及成本較高的問題。至于垂直軸風力發電裝置由于不需面對風向的裝置，故適合設置于風向易變化的環境，且因發電機位于底部而具有重心低、結構穩固、維護容易及成本低的優勢。

垂直軸流體能量轉換裝置依運作原理可分為阻力型葉片與升力型葉片兩種類型，阻力型葉片可以在流動的流體中自行啟動但效率較差，而升力型葉片則剛好相反，效率較高但難以自行啟動，因此，常見將升力型葉片搭配阻力型葉片一起使用，請參閱圖1，圖1為第一種傳統垂直軸流體能量轉換裝置的立體結構示意圖，第一種傳統垂直軸流體能量轉換裝置1’包含達里厄(Darrieus)升力型葉片2’及薩沃紐斯(Savonius)阻力型葉片3’，其中達里厄升力型葉片2’位于流體能量轉換裝置1’的外側，此外，薩沃紐斯阻力型葉片3’設置于傳統流體能量轉換裝置1’的中央轉軸4’上而位于流體能量轉換裝置1’的內側，其中薩沃紐斯阻力型葉片3’為兩個半圓形的筒狀構造，其橫截面如圖2所示，而利用薩沃紐斯阻力型葉片3’，可帶動達里厄升力型葉片2’啟動而轉動。此外，請參閱圖3，圖3為第二種傳統垂直軸流體能量轉換裝置的立體結構示意圖，第二種傳統流體能量轉換裝置5’包含直線翼升力型葉片6’及薩沃紐斯阻力型葉片3’，其中直線翼升力型葉片6’位于流體能量轉換裝置5’的外側，薩沃紐斯阻力型葉片3’設置于傳統流體能量轉換裝置5’的中央轉軸4’上而位于流體能量轉換裝置5’的內側，其中利用薩沃紐斯阻力型葉片3’，可帶動直線翼升力型葉片6’啟動而轉動。上述兩種垂直軸流體能量轉換裝置皆利用設置薩沃紐斯阻力型葉片，以克服升力型葉片難以自行啟動的問題。

請參閱圖4，其為典型的垂直軸流體能量轉換裝置的升力型葉片的葉尖速比與效率的波形圖。如圖所示，橫軸為升力型葉片的葉尖速比(tip speed ratio,TSR)，葉尖速比的定義為葉片尖端速度(線速度而非角速度)與流體流速的比值，而縱軸為升力型葉片的效率，根據貝茲定理可知，流體能量轉換的最高理論效率約為0.59，而如圖4所示，采用升力型葉片的垂直軸能量轉換裝置實際最高效率在葉尖速比約為4.5時可達到0.45。然而，當葉尖速比小于2以下時，升力型葉片效率為0，表示輸出功率為0，由于功率等于扭力乘以轉速，因此垂直軸流體能量轉換裝置沒有扭力輸出，因此無法自行啟動，必須借助額外的啟動裝置。而前述薩沃紐斯阻力型葉片3’的最佳理論效率約在葉尖速比為1時，故為了使升力型葉片與阻力型葉片同時達到最高效率，因此實際應用時通常將薩沃紐斯阻力型葉片3’的回轉半徑設計為升力型葉片的1/4左右，如圖1及圖3所示，因為在相同的主軸轉速下，葉片尖端的速度與半徑成正比，因此升力型葉片的速度會比阻力型葉片的速度快四倍，以期阻力型葉片與升力型葉片可以同時達到最佳效率。