专利名称：垂直轴风力发电机及其叶臂的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种风力发电机，且特别涉及一种垂直轴风力发电机及其叶臂。
背景技术：
近年来，由于石油存量逐年的减少，能源问题已成为全球注目的焦点。为了解决能源耗竭的危机，各种再生能源的发展与利用实为当务之急，其中风力发电为世界各国开发环保能源最主要的方式之一。
在现有的风力发电机中，主要可分为水平轴与垂直轴两种不同形式，其中水平轴风力发电机是指风扇的旋转轴平行于地面，而垂直轴风力发电机则是指风扇的旋转轴垂直于地面。一般来说，垂直轴风力发电机相对于水平轴风力发电机而言，具有设计方法先进、制作成本低、起动风速低、噪音及光污小等众多优点，因此，具有更加广阔的市场应用前景。
一般垂直轴风力发电机的叶臂为圆柱状，并无特殊设计。但为了增加风力发电机的启动扭矩，以降低启动时所需的风速，部分厂商开发出具有不同形状的叶臂。举例而言，可参阅图1，本图示出一种传统垂直轴风力发电机的叶臂的剖面图。如图所示，此叶臂包含一第一平板120、一第二平板140、一支撑架160及一枢接板180，其中第一平板120与第二平板140的端面连接于枢接板180，而支撑架160连接于第一平板120与第二平板140之间。通过上述设计，第一平板120、第二平板140与枢接板180可共同形成一 V形剖面，以提升其受风阻力，从而降低启动时所需的风速。然而，V形剖面不仅不利于加工制造，在受风时，枢接板180更会产生应力集中的问题，故结构较为脆弱，为了增加结构强度所采用的支撑架160又势必会增加制造成本的负担。因此，设计者往往会受困于这两难的问题中，无法突破。发明内容
有鉴于此，本发明的一技术形式在于提供一种垂直轴风力发电机及其叶臂，其可有效克服上述现有技术所遭遇到的困难。
本发明的一目的在于提升风力发电机的启动扭矩，以降低风力发电机的启动风速，从而利于风力发电机在低风速时启动运转。
本发明的另一目的在于提供一种无应力集中处或结构脆弱处的风力发电机叶臂，不仅可有效克服结构脆弱的问题，更可省却支撑架的使用，进而节省制造成本。
为了达到上述目的，依据本发明的一实施方式，一种垂直轴风力发电机包含一发电机本体、至少一第一叶臂、以及至少一叶片。第一叶臂的一端连接于发电机本体的一表面，叶片连接于第一叶臂的另一端。其中，此第一叶臂包含一底板、两弧形部、以及两侧板。两弧形部分别延伸自底板的两端。两侧板分别连接于两弧形部。底板、两弧形部、以及两侧板共同定义一凹槽空间。
依据本发明的另一实施方式，一种垂直轴风力发电机的叶臂包含一底板、两弧形部、以及两侧板。两弧形部分别延伸自底板的两端。两侧板分别连接于两弧形部。底板、两弧形部、以及两侧板共同定义一凹槽空间。
通过以上技术手段，本发明的实施方式所提供的垂直轴风力发电机的叶臂可大体上形成无任何锐角的弧形剖面，故可有效消弭应力集中、结构脆弱等问题。此外，由于弧形剖面的受风面积比V形剖面更大，故所增加的扭矩更强，更能降低风力发电机所需的启动风速。另一方面，由于上述叶臂不具结构脆弱的问题，更可进一步省却支撑架的装设，从而降低制造成本。
以上所述仅用以阐明本发明的目的、达成此目的的技术手段、其所产生的功效以及其所产生的优点等等，本发明的具体细节将于下文中的实施方式及相关附图中详细介绍。
为让本发明的上述和其它目的、特征、优点与实施例能更明显易懂，所附图式的说明如下:
图1示出了一种传统垂直轴风力发电机的叶臂的剖面图。
图2示出了依据本发明一实施方式的垂直轴风力发电机的正视图。
图3为图2所示的叶臂的立体图。
图4示出了依据本发明一实施方式的叶臂的剖面图。
图5示出了叶臂的宽度及高度的比例与阻力系数之间的关系图。
图6示出了叶臂的导圆角半径及宽度的比例与阻力系数之间的关系图。
图7示出了依据本发明另一实施方式的叶臂的剖面图。
图8示出了依据本发明又一实施方式的叶臂的剖面图。
图9示出了图2的实施方式的立体图。
其中，附图标记说明如下:
120:第一平板
140:第二平板
160:支撑架
180:枢接板
200:第一叶臂
220:第一叶臂
240:第一叶臂
300:第二叶臂
320:第二叶臂
340:第二叶臂
400:叶片
402:内表面
404:第一部分
406:第二部分
408:上表面
420:叶片
440:叶片
500:发电机本体
602:底板
604a:弧形板
604b:弧形板
606a:侧板
606b:侧板
608:凹槽空间
620:宽度
622:高度
624:导圆角半径
702:底板
704a:弧形板
704b:弧形板
706a:侧板
706b:侧板
802:底板
804a:弧形板
804b:弧形板
806a:侧板
806b:侧板具体实施方式
以下将以附图揭露本发明的多个实施方式，为明确说明起见，许多实务上的细节将在以下叙述中一并说明。然而，应了解到，这些实务上的细节不应用以限制本发明。换言之，在本发明部分实施方式中，这些细节是非必要的。此外，为简化图式起见，一些习知惯用的结构与组件在图式中将以简单示意的方式绘示的。
图2示出了依据本发明一实施方式的垂直轴风力发电机的正视图。如图所示，本实施方式所揭露的垂直轴风力发电机主要包含一发电机本体500、一第一叶臂200以及一叶片400，其中第一叶臂200的一端连接于发电机本体500的一表面，叶片400连接于第一叶臂200的另一端。图3为图2所示的第一叶臂的立体图。如图所示，第一叶臂200包含一底板602、两弧形部604a、604b、以及两侧板606a、606b。弧形部604a与604b分别延伸自底板602的两端。侧板606a连接于弧形部604a,侧板606b则连接于弧形部604b。底板602、弧形部604a与604b、以及侧板606a与606b共同定义一凹槽空间608。上述的凹槽空间608用以迎风或受风，以利第一叶臂200的转动。
通过以上技术手段，本实施方式所提供的第一叶臂200可通过底板602、弧形部604a与604b、以及侧板606a与606b形成无任何锐角的弧形剖面，故可有效消弭应力集中、结构脆弱等问题。此外，于底板602、弧形部604a与604b、以及侧板606a与606b所定义的凹槽空间608内，其受风面积比传统V形剖面的叶臂更大，故所增加的扭矩更强，更能降低风力发电机所需的启动风速。
如图2所示，本实施方式所揭露的垂直轴风力发电机进一步包含一第二叶臂300，其一端连接于发电机本体500相对于该第一叶臂200的另一表面。举例而言，如本图所不，第一叶臂200连接于发电机本体500的上表面，而第二叶臂300连接于发电机本体500的下表面。第二叶臂300的另一端连接于第一叶臂200所连接的叶片400。具体而言，叶片400具有一内表面402，其面对发电机本体500。第一叶臂200连接于内表面402的一第一部分404，而第二叶臂300连接于内表面402的一第二部分406。具体而言，上述的第一部分404位于发电机本体500投影至叶片400的内表面402的投影位置405的一侧，而第二部分406位于发电机本体500投影至叶片400的内表面402的投影位置405的另一侧。举例而言，第一部分404位于投影位置405的上侧，而第二部分406位于投影位置405的下侧。以此，第一叶臂200与第二叶臂300可分别从叶片400的内表面402上的两个不同区域连接至发电机本体500,以提升结构的稳定性。
如图3所示，第二叶臂300可相似于第一叶臂200，其亦包含一底板602、两弧形部604a、604b、以及两侧板606a、606b。弧形部604a与604b分别延伸自底板602的两端。侧板606a连接于弧形部604a，侧板606b则连接于弧形部604b。底板602、弧形部604a与604b、以及侧板606a与606b共同定义一凹槽空间608。上述的凹槽空间608用以迎风或受风，以利第二叶臂300的转动。
于部分实施方式中，第一叶臂200与第二叶臂300均用以连接叶片400与发电机本体500，其功能、结构相近，为了简化说明书及附图，以下所述的“叶臂”可代表第一叶臂200或第二叶臂300。
图4示出了依据本发明一实施方式的叶臂的剖面图。本图可代表图2的第一叶臂200沿着A-A线所剖或第二叶臂300沿着B-B线所剖的剖面图。于本实施方式中，侧板606a与侧板606b两者实质上为平行。具体而言，侧板606a与侧板606b相互平行,且其平行方向与底板602垂直，而弧形板604a可大致上呈四分之一圆弧，以连接互相垂直的底板602与侧板606a。相似地，弧形板604b亦可大致上呈四分之一圆弧，以连接互相垂直的底板602与侧板606b。以此，底板602、弧形板604a与604b、以及侧板606a与606b所共同形成的剖面大致上呈U形，无任何折角，故可解决应力集中、结构脆弱的问题。此外，本实施方式所提供的具有U形剖面的叶臂可产生较传统叶臂更大的受风面积，故可提高受风量，增加扭矩。
于本实施方式中，叶臂(可为第一叶臂200或第二叶臂300)具有一宽度620，其可定义为侧板606a或606b远离弧形部604a或604b的一端至底板602的距离。叶臂(可为第一叶臂200或第二叶臂300)具有一高度622，其可定义为侧板606a与侧板606b之间的距离。弧形板604a具有一导圆角半径624。
图5示出了叶臂的宽度620及高度622的比例与阻力系数(Drag Coefficient,Cd)之间的关系图。如图所示，当宽度620与高度622的比值越大时，其所产生的阻力系数越小，则越利于运转。然而，除了阻力系数之外，本实施方式亦考虑凹槽空间608 (请并参阅第3图)的大小，以提高凹槽空间608所能接受的受风量。于部分实施方式中，宽度620与高度622实质上相等，亦即宽度620与高度622的比例约为1，以同时兼具低阻力系数及高受风量的效果。需注意者为，以上宽度620与高度622的比例仅用以解释，而非限制本发明，使用者亦可依需求自行调整。
图6示出了叶臂的导圆角半径624及宽度620的比例与阻力系数之间的关系图。如图所示，当导圆角半径624与宽度620的比值越大时，阻力系数越小。进一步而言，当导圆角半径624与宽度620的比值大于0.33时，阻力系数的下降幅度会趋于平缓。于部分实施方式中，导圆角半径624实质上为宽度620的0.33倍至0.35倍之间，以降低阻力系数。举例而言，导圆角半径624可为宽度620的0.35倍。需注意者为，以上导圆角半径624与宽度620的比例仅用以解释，而非限制本发明，使用者亦可依需求自行调整。
图7示出了依据本发明另一实施方式的叶臂的剖面图。具体而言，本图可为图2的第一叶臂200沿着A-A线所剖或第二叶臂300沿着B-B线所剖的剖面图。于本实施方式中，叶臂(可为第一叶臂200或第二叶臂300)包含一底板702、两弧形部704a、704b、以及两侧板706a、706b。本实施方式与图4所不的实施方式主要差异在于底板702呈弧形。于部分实施方式中，底板702与弧形部704a及704b的曲率可实质上相同。另外，相似于图4所示的实施方式，弧形部704a与704b分别延伸自底板702的两端，侧板706a连接于弧形部704a，而侧板706b则连接于弧形部704b。以此，底板702、弧形板704a与704b、以及侧板706a与706b所共同形成的剖面大致上呈U形，无任何折角，故可解决应力集中、结构脆弱的问题。此外，本实施方式所提供的具有U形剖面的叶臂可产生较传统叶臂更大的受风面积，故可提高受风量，增加扭矩。
图8示出了依据本发明又一实施方式的叶臂的剖面图。具体而言，本图可为图2的第一叶臂200沿着A-A线所剖或第二叶臂300沿着B-B线所剖的剖面图。于本实施方式中，叶臂(可为第一叶臂200或第二叶臂300)包含一底板802、两弧形部804a、804b、以及两侧板806a、806b。本实施方式与图7所示的实施方式主要差异在于侧板806a及806b均呈弧形。另外，相似于图4及图7所示的实施方式，弧形部804a与804b分别延伸自底板802的两端，侧板806a连接于弧形部804a，而侧板806b则连接于弧形部804b。以此，底板802、弧形板804a与804b、以及侧板806a与806b所共同形成的剖面大致上呈弧形，无任何折角，故可解决应力集中、结构脆弱的问题。此外，本实施方式所提供的具有弧形剖面的叶臂具有较传统叶臂更大的受风面积，故可提高受风量，增加扭矩。
图9为图2的实施方式的立体图。如图所示，本实施方式所提供的垂直轴风力发电机包含三第一叶臂200、220及240、三第二叶臂300、320 (可并参阅图2)及340、三叶片400、420、及440、以及一发电机本体500。第一叶臂200与第二叶臂300分别连接于发电机本体500的两相对表面，并连接于叶片400的两个不同区域。相似地，第一叶臂220与第二叶臂320 (可并参阅图2)分别连接于发电机本体500的两相对表面，并连接于叶片420的两个不同区域。又相似地，第一叶臂240与第二叶臂340分别连接于发电机本体500的两相对表面，并连接于叶片440的两个不同区域。
于部分实施方式中，三支叶片400、420、及440彼此的距离可为相等。于部分实施方式中，第一叶臂200、220、及240与第二叶臂300、320 (可并参阅图2)及340的长度可为相等。于部分实施方式中，叶片的上表面的一端为弧状，另一端具有尖角，例如叶片400的上表面408所示。
虽然本发明已以实施方式揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求书所界定的范围为准。
权利要求
1.一种垂直轴风力发电机，包含: 一发电机本体； 至少一第一叶臂，该第一叶臂的一端连接于该发电机本体的一表面，该第一叶臂包含: 一底板； 两弧形部，分别延伸自该底板的两端； 两侧板，分别连接于该两弧形部，其中该底板、该两弧形部、及该两侧板共同定义一凹槽空间；以及 至少一叶片，连接于该第一叶臂的另一端。
2.如权利要求1所述的垂直轴风力发电机，其中该第一叶臂的该两侧板为平行的。
3.如权利要求1所述的垂直轴风力发电机，其中该第一叶臂的宽度与高度相等； 其中该第一叶臂的该宽度定义为该第一叶臂的该侧板远离该第一叶臂的该弧形部的一端至该第一叶臂的该底板的距离； 其中该第一叶臂的该高度定义为该第一叶臂的该两侧板之间的距离。
4.如权利要求3所述的垂直轴风力发电机，其中该第一叶臂的该弧形部具有一导圆角半径，该导圆角半径为该第一叶臂的该宽度的0.33倍至0.35倍之间。
5.如权利要求1所述的垂直轴风力发电机，其中该第一叶臂的该底板呈弧形。
6.如权利要求5所述的垂直轴风力发电机，其中该第一叶臂的该底板与该第一叶臂的该弧形部的曲率相等。
7.如权利要求1所述的垂直轴风力发电机，其中该第一叶臂的该侧板呈弧形。
8.如权利要求1所述的垂直轴风力发电机，其中该垂直轴风力发电机还包含: 至少一第二叶臂，该第二叶臂的一端连接于该发电机本体相对于该第一叶臂的另一表面，该第二叶臂的另一端连接于该第一叶臂所连接的该叶片，该第二叶臂包含: 一底板； 两弧形部，分别延伸自该底板的两端； 两侧板，分别连接于该两弧形部，其中该底板、该两弧形部、及该两侧板共同定义一凹槽空间。
9.如权利要求8所述的垂直轴风力发电机，其中该叶片具有一内表面，面对该发电机本体； 其中该第一叶臂连接于该内表面的一第一部分，该第一部分位于该发电机本体投影至该叶片的该内表面的投影位置的一侧； 其中该第二叶臂连接于该内表面的一第二部分，该第二部分位于该发电机本体投影至该叶片的该内表面的该投影位置的另一侧。
10.如权利要求8所述的垂直轴风力发电机，其中该第二叶臂的该两侧板为平行。
11.如权利要求8所述的垂直轴风力发电机，其中该第二叶臂的宽度与高度相等； 其中该第二叶臂的该宽度定义为该第二叶臂的该侧板远离该第二叶臂的该弧形部的一端至该第二叶臂的该底板的距离； 其中该第二叶臂的该高度定义为该第二叶臂的该两侧板之间的距离。
12.如权利要求11所述的垂直轴风力发电机，其中该第二叶臂的该弧形部具有一导圆角半径，该导圆角半径为该第二叶臂的该宽度的033倍至0.35倍之间。
13.如权利要求8所述的垂直轴风力发电机，其中该第二叶臂的该底板呈弧形。
14.如权利要求13所述的垂直轴风力发电机，其中该第二叶臂的该底板与该第二叶臂的该弧形部的曲率相等。
15.如权利要求8所述的垂直轴风力发电机，其中该第二叶臂的该侧板呈弧形。
16.—种垂直轴风力发电机的叶臂,包含: 一底板； 两弧形部，分别延伸自该底板的两端；以及 两侧板，分别连接于该两弧形部，其中该底板、该两弧形部、及该两侧板共同定义一凹槽空间。
17.如权利要求16所述的垂直轴风力发电机的叶臂，其中该两侧板为平行的。
18.如权利要求16所述的垂直轴风力发电机的叶臂，其中该叶臂的宽度与高度相等； 其中该宽度定义为该侧板远离该弧形部的一端至该底板的距离； 其中该高度定义为该两侧板之间的距离。
19.如权利要求18所述的垂直轴风力发电机的叶臂，其中该弧形部具有一导圆角半径，该导圆角半径为该宽度的0.33倍至0.35倍之间。
20.如权利要求16所述的垂直轴风力发电机的叶臂，其中该底板呈弧形。
21.如权利要 求20所述的垂直轴风力发电机的叶臂，其中该底板与该弧形部的曲率相坐寸ο
22.如权利要求16所述的垂直轴风力发电机的叶臂，其中该侧板呈弧形。
全文摘要
一种垂直轴风力发电机及其叶臂，该垂直轴风力发电机包含一发电机本体、至少一第一叶臂、以及至少一叶片。第一叶臂的一端连接于发电机本体的一表面，另一端连接于叶片。其中，此第一叶臂包含一底板、两弧形部、以及两侧板。两弧形部分别延伸自底板的两端。两侧板分别连接于两弧形部。底板、两弧形部、以及两侧板共同定义一凹槽空间。本发明的垂直轴风力发电机的叶臂可大体上形成无任何锐角的弧形剖面，故可有效消弭应力集中、结构脆弱等问题。此外，由于弧形剖面的受风面积比V形剖面更大，故所增加的扭矩更强，更能降低风力发电机所需的启动风速。
文档编号F03D3/06GK103216382SQ20121001898
公开日2013年7月24日 申请日期2012年1月20日 优先权日2012年1月20日
发明者高瑞祥 申请人:台达电子工业股份有限公司