(57)【要約】【課題】  風力発電機のブレード構造を提供する。【解決手段】本発明の風力発電機のブレード構造は、軸心から放射状に複数のブレード片を設置し、ブレード片の末端は外カバーを設置し、且つ、各ブレード片は外カバーを連動して回転する。これにより、ブレードが風力発電機に装着された後、風力により気流をブレード片の迎風面に帯動して、徐々に拡大、縮小、或いは、拡大、縮小する異なる形式の外カバーにより、気流を加速して、風力発電の効率を大幅に向上させ、ブレードの体積を減少させる。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
風力発電機のブレード構造であって、軸心、及び、前記軸心から放射状に設置された複数のブレード片と、からなり、前記ブレード片の末端に外カバーを環設することを特徴とする風力発電機のブレード構造。
【請求項２】
前記軸心は、外向けに同心で、少なくとも一つの連接環を設置し、前記連接環と前記軸心間は、複数のブレードを設置し、前記連接環のもう一側は外向けに、複数のブレード片を設置し、これらのブレード片の末端は外カバーを環設することを特徴とする請求項１に記載の風力発電機のブレード構造。  
【請求項３】
前記連接環と前記軸心間のブレード数量は、前記連接環と前記外カバー間のブレード数量より少ないことを特徴とする請求項２に記載の風力発電機のブレード構造。
【請求項４】
前記外カバーは、第一周縁と第二周縁を有し、前記第一周縁から前記第二周縁間は延伸段を形成し、前記第一周縁の円径は、前記第二周縁の円径より小さく、前記延伸段は徐々に拡大し、これらのブレード片は、前記第一周縁内面に設置されることを特徴とする請求項１に記載の風力発電機のブレード構造。
【請求項５】
前記延伸段は、外向けの弧状、或いは、直線状のどちらかであることを特徴とする請求項４に記載の風力発電機のブレード構造。
【請求項６】
前記外カバーは、第一周縁と第二周縁を有し、前記第一周縁から前記第二周縁間は延伸段を形成し、前記第一周縁の円径は、前記第二周縁の円径より大きく、前記延伸段は徐々に縮小し、これらのブレード片は、前記第二周縁内面に設置されることを特徴とする請求項１に記載の風力発電機のブレード構造。  
【請求項７】
前記延伸段は、外向けの弧状、或いは、直線状のどちらかであることを特徴とする請求項６に記載の風力発電機のブレード構造。
【請求項８】
前記外カバー二側は、それぞれ、徐々に拡大する第一周縁と第二周縁を有し、その間は延伸段を有し、前記ブレード片は前記延伸段に設置され、前記ブレード片の迎風面は前記第一周縁に向くことを特徴とする請求項１に記載の風力発電機のブレード構造。  
【請求項９】
前記第一周縁から前記延伸段は内向けの弧状で、前記延伸段から前記第二周縁は外向けの弧状であることを特徴とする請求項８に記載の風力発電機のブレード構造。
【請求項１０】
前記第一周縁から前記延伸段は内向けの直線状で、前記延伸段から前記第二周縁は内向きの直線状であることを特徴とする請求項８に記載の風力発電機のブレード構造。
【請求項１１】
前記第一周縁の円径は、前記第二周縁の円径より小さいことを特徴とする請求項８に記載の風力発電機のブレード構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風力発電技術に関するものであって、特に、風力発電機に応用するブレード構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、石油価格の高騰による危機で、各国の科学者は、新しいエネルギー源を積極的に探している。例えば、太陽エネルギー、風力エネルギー、潮汐エネルギー、バイオマスエネルギーなどがあり、これらの自然界循環の不断のエネルギーにより、電力を生成して使用し、二酸化炭素の排出量を減少させる目的を達成しようとしている。風力エネルギーを例とすると、１９世紀末、デンマークの気象学者ホール・ラ・クール（Poul La Cour）がはじめて風力発電機を製造した後、風力エネルギー発電が発展し、風力は永遠にあり、汚染がなく、自産性のエネルギーで、且つ、各地に分散して設置できるので、地域性の電力供給が可能で、電力ロスを減少させ、供給コストを減少させることができる。
【０００３】
風力発電機は、風力回転ブレードにより、風力を電気エネルギーに転換するので、ブレードの気動性能（ブレードの形状、数量等の設計）は、風力発電機の出力効率にとって絶対的な影響がある。よって、多くの風力発電に関する発明があり、例えば、米国特許公告第7,094,018 B2号、中華民国（台湾）公告第M279736号考案、第D119380号意匠案、第D119380号意匠案と米国特許第4,075,500号案などである。
【０００４】
図１のように、一般のブレード１は、主に、軸心１１の外に放射状の複数のブレード片１２を有し、図中では、９個のブレード片１２で、軸心１１を風力発電機２の駆動軸上に設置する。しかし、この種のブレード１は、使用時に、図２で示されるように、風力が空気をブレード１に流動させる時、ブレード片１２末端が気流を乱して、騒音と乱流を生成し、乱流は気流拡張を生じて、空気流速が遅くなり、ブレード１の回転速度が遅くなって、風力発電の効率に影響する。  
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、風力発電機のブレード構造を提供し、気流を加速してブレードを通過させ、発電効率を向上することを目的とする。
【０００６】
本発明は、風力発電機のブレード構造を提供し、騒音を減少させることをもう一つの目的とする。
【０００７】
本考案は、風力発電機のブレード構造を提供し、フレキシブルな設計にすることを最後の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述の目的を達成するため、本考案の風力発電機のブレード構造は、軸心と、軸心から放射設置される複数のブレード片と、からなる。ブレード片の末端は外カバーを設置し、各ブレード片は外カバーを連動して、回転する。風力発電機に装着して使用する時、風力が気流をブレードに流入させ、外カバーを連動して回転し、気流が加速して、風力発電の効率を増加する。ブレード末端が外カバーに伴って回転する時、外カバーの影響により、気流の乱れによる騒音が生じない。また、ブレードの軸心同心で設置された連接環は、軸心、及び、外カバー間のブレード片数量を弾性的に増加して、ブレード回転時のトルクを増加させる。本考案のブレードと公知のブレードを、それぞれ、相同の発電効率の発電機上に設置すると、本発明のブレード体積、及び、迎風面積が、公知のものより小さいので、本発明は、ブレード体積を縮小することができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の風力発電機のブレード構造により、気流を加速してブレードを通過させ、発電効率を向上する。更に、騒音を減少させることもできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図３〜図６で示されるように、本発明のブレード３は、軸心３１で外向け放射状の複数のブレード片３２を設置し、ブレード片３２末端は、ラッパ状の外カバー３３を設置し、外カバー３３は、第一周縁３３１、及び、第二周縁３３２を設置する。第一周縁３３１から第二周縁３３２間は、延伸段３３３を形成し、第一周縁３３１の円径は、第二周縁３３２の円径より小さく、外カバー３３の延伸段３３３は徐々に大きくなり、各ブレード片３２末端は、第一周縁３３１内面に連接され、且つ、各ブレード片３２の迎風面は、外カバー３３の延伸段３３３の方向と反対である。更に、外カバー３３の延伸段３３は弧状（図３、図４）か、或いは、直線状（図５）である。
【００１１】
ブレード３の軸心３１は、発電機４の駆動軸に穿設され、風力により気流を帯動して、ブレード片３２の迎風面から流入し、ブレード片３２を回転させる時、発電力は、以下の公式で計算される。
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Pは電力、ρは空気密度、Aはブレード断面積、Vは空気流速である。計算された風力発電時の電力は、本公式から分かるように、空気密度を変化しない常数とみなすので、電力の変更は、ブレードの断面積からか、或いは、空気流速から着手し、空気流速の変更の効果を顕著にする。
【００１２】
図６を参照すると、流体を充填した容器５底部に、円孔５１を設置し、円孔５１の断面積はA1で、流体が円孔５１に流向する流動速度はV1である。円孔５１下方は、外に拡張するラッパ状外カバー５２を設置し、ラッパ状外カバー５２出口の断面積はA2で、流体の流出速度はV2で、流体力学の原理A1V1＝A2V2から分かるように、流体が外に拡張するラッパ状外カバー５２を流れる時、拡散する効果を生成し（即ち、A2＞A1）、流出する速度V2が遅くなる（V1＞V2）が、流体が外カバー５２に進入し、加速効果がある。同様に、本発明の外カバー５２の設計は、この種の拡散原理により、空気の流速を加速して、発電効率を増加させ、流速が１．１倍になると、電力の比例は1.13倍になり、即ち、１．３３倍の電力である。
【００１３】
公知技術は、面積を増加する方式で、発電効率を増加する時、元の体積を１．３３倍にしないと相同の発電効率に達しない。公知技術で製作時、加工精密度、及び、製造、材料コスト上の浪費問題があり、使用時に、ブレード３の体積が増加して、装着空間の制限がある。相同の発電効率の風力発電機４を例とすると、本発明（図４で示される）により流入する空気流速が高くなるので、空気流速が不変の公知のブレード１（図１で示される）と比較すると、本発明の断面積を減少させることができる（全体の体積を縮小する）。この他、外カバー３３が回転時、気流を乱さないので、運転時の騒音を減少させる。
【００１４】
図７〜図９で示されるように、ブレード６の軸心６１に設けられたブレード片６２末端に、同様に、ラッパ状の外カバー６３を設置し、且つ、外カバー６３は、第一周縁６３１、及び、第二周縁６３２を有し、第一周縁６３１から第二周縁６３２間は同様に、延伸段６３３を設置し、第一周縁６３１の円径は、第二周縁６３２より大きく、延伸段６３３は徐々に縮小する形状で、各ブレード片６２は第二周縁６３２内面に設置され、各ブレード片６２の迎風面は、外カバー６３の延伸段方向と相同である。更に、外カバー６３の延伸段６３３は弧状（図７、図８）か、直線状（図９）である。
【００１５】
ここで、図８、図９で示されるように、風力が気流を帯動して、ブレード６の迎風面から進入する時、まず、弧状、或いは、直線状の外カバー６３（つまり、第一周縁６３１の一端）に接触し、気流が第二周縁６３２の一端に向かって流動し、内向きに集中し、流速を加速して、ブレード６２を推動する力を増加して、発電効率を増加する。
【００１６】
この他、図１０〜図１２で示されるように、ブレード７の軸心７１に設けられたブレード７２末端は、ラッパ状の外カバー７３を設置し、外カバー７３二側は、それぞれ、徐々に広がる第一周縁７３１、及び、第二周縁７３２を有し、その間に延伸段７３３を設置し、各ブレード片７２は、延伸段７３３の内表面に設置され、且つ、各ブレード片７２の迎風面は、第一周縁７３１に向き、外カバー７３の第一周縁７３１から延伸段７３３までは、内向きの弧状（図１１）か、或いは、直線状（図１２）で、延伸段７３３から第二周縁７３２は外向きの弧状（図１１）か、或いは、直線状（図１２）で、且つ、外カバー７３の第一周縁７３１の円径は、第二周縁７３１の円径より小さい。
【００１７】
ここで、図１３、図１４で示されるように、風力が気流を帯動して、ブレード７の迎風面から進入する時、まず、弧状、或いは、直線状の第一周縁７３１に接触し、気流が内に集中し、第一段加速効果を形成する。更に、延伸段７２３から第二周縁７３２は徐々に拡大する形状で、前述の気流拡散原理により、第二段加速効果を形成し、二重の加速を経た気流は、延伸段７２３に位置するブレード片７２を帯動して、ブレード７２を推動する力を増加して、発電効率を増加する。
【００１８】
図１３、図１４で示されるように、本発明は、更に、ブレード８のブレード片８２に対し設計し、ブレード８の軸心８１の外向けの同心に、少なくとも一つの連接環８３を設置し、連接環８３と軸心８１間に、複数のブレード８２を設置し、連接環８３と外カバー８４間に、複数のブレード８２を設置し、連接環８３から軸心８１間のブレード片８２数量は、連接環８３から外カバー８４間のブレード片８２の数量より少なく、主に、連接環８３と外カバー８４間のブレード片８２により、吸気流量（或いは、稠度）に影響しない状況下で、ブレード８回転時のトルクを増加し、ブレード８回転を加速して、発電効率を増加させる。更に、外カバー８４の形状は、前述の図３〜図１２で示される各種形式の外カバー３３、６３、７３等で、外カバー８４と最外圏のブレード片８２と連接して、気流流動速度を増加して、発電効率を増加する。
【００１９】
図１５、図１６で示されるように、上述の公知のブレード、徐々に拡大していくブレード、及び、多層式ブレード片のブレードの使用状況を説明して、各ブレード使用時のトルクー回転速度、及び、効能―回転速度を比較し、本発明と公知のブレード間の差異と増強する功能を証明する。
【００２０】
図１５で示されるように、L1は公知のブレードのトルクー回転速度曲線、L2は徐々に拡大するブレードのトルクー回転速度曲線、L3は、多層式ブレード片ブレードのトルクー回転速度曲線であり、トルクとブレードを回転させる角運動量は相対関係を有し、回転速度が０の時に生成されるトルクは制動トルクで（数値が高いほどよい）、且つ、上述の曲線の比較時、ピーク値が最初に現れるのはL3曲線で（早く現れるほうがよい）、順に、L2、L1で、ここから分かるように、本発明のトルクピーク値は、回転速度が低い時に現れ、よって、低回転速度時に、好ましい角運動量を出力し、良好な発電効率を有する。
【００２１】
更に、図１６で示されるように、L4は公知のブレードの効能―回転速度曲線、L5は徐々に拡大するブレードの効能―回転速度曲線、L6は多層式ブレード片ブレードの効能―回転速度曲線で、その効能（CP）の計算公式は、以下のようである。
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τはトルク、ωは角速度、Pは電力、ρ：空氣密度、A：ブレード断面積、V：空気流速である。
【００２２】
上述の公式により運算後、各ブレードの効能曲線が得られる。公知のブレードの最大風力エネルギーを機械エネルギーに転換する効率は０．５９３で、ここで、所謂べッツ限界（Betz limit）は、電力係数を掛けると効能が得られる。図から分かるように、本発明のブレードが生成する効能は、公知のものより高く、即ち、本発明が風力発電の効率が高い。
【００２３】
上述のように、本発明には、以下のような長所がある。
１．図３〜図６のように、本発明の徐々に拡大する外カバー３３の設計は、気流の拡散原理により、ブレード片３２迎風面の空気流速を増加して、発電効率増加の目的を達成する。
２．図７〜図９のように、本発明の徐々に縮小する外カバー６３の設計は、気流を内向きに集中させる効果が、ブレード片６２迎風面の空気流速を増加して、発電効率増加の目的を達成する。
３．図１０〜図１２のように、本発明の徐々に縮小、徐々に拡大する外カバー７３の設計は、気流を集中させて第一段加速とし、更に、拡散原理により、第二段加速を実行する二重加速効果があり、ブレード片７２を推動する力を増加して、効果的に発電効率を向上する。
４．図３〜図１２のように、本発明の各種形式の外カバー３３、６３、７３とブレード片３２、６２、７２は同時に回転し、気流を乱さないので、運転時の騒音を減少させる。
５．図１３、図１４のように、本発明の多層式ブレード片ブレード８内部に、少なくとも一つの連接環８３を設置し、且つ、連接環８３から軸心８１の間、連接環８３から外カバー８４の間は、それぞれ、複数のブレード片８２を設置し、吸気流量に影響しない状況下で、ブレード１回転時のトルクを増加し、ブレード１回転を加速する効果を有し、発電効率を増加する。これにより、公知技術と比較すると、異なる応用の要求を満たし、フレキシブルな設計を提供する。
【００２４】
本発明では好ましい実施例を前述の通り開示したが、これらは決して本発明に限定するものではなく、当該技術を熟知する者なら誰でも、本発明の精神と領域を脱しない範囲内で各種の変動や潤色を加えることができ、従って本発明の保護範囲は、特許請求の範囲で指定した内容を基準とする。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】公知のブレードの立体外観図である。
【図２】公知のブレードの使用時の状態図である。
【図３】本発明の好ましい実施例による立体外観図である。
【図４】本発明の好ましい実施例による断面図である。
【図５】本考案の好ましい実施例によるもう一種の形式の断面図である。
【図６】液体流動時の原理を示す図である。
【図７】本発明のもう一つの好ましい実施例による立体外観図である。
【図８】本発明のもう一つの好ましい実施例による断面図である。
【図９】本発明のもう一つの好ましい実施例によるもう一種の形式の断面図である。
【図１０】本発明の更にもう一つの好ましい実施例による立体外観図である。
【図１１】本発明の更にもう一つの好ましい実施例による断面図である。
【図１２】本発明の更にもう一つの好ましい実施例によるもう一種の形式の図である。
【図１３】本発明の更にまたもう一つの好ましい実施例による立体外観図である。
【図１４】本発明の更にまたもう一つの好ましい実施例による断面図である。
【図１５】各種形式のブレードのトルクー回転速度の関係図である。
【図１６】各種形式のブレードの効能―回転速度の関係図である。
【符号の説明】
【００２６】
ブレード１
軸心１１
ブレード片１２
ブレード３
軸心３１
ブレード片３２
外カバー３３
第一周縁３３１
第二周縁３３２
延伸段３３３
発電機４
容器５
円孔５１
外カバー５２
ブレード６
軸心６１
ブレード片６２
外カバー６３
第一周縁６３１
第二周縁６３２
延伸段６３３
ブレード７
軸心７１
ブレード７２
外カバー７３
第一周縁７３１
第二周縁７３２
延伸段７３３
ブレード８
軸心８１
ブレード片８２
連接環８３
外カバー８４
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2010101276.tif 000014
【図１１】
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【図１２】
2010101276.tif 000016
【図１３】
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【図１４】
2010101276.tif 000018
【図１５】
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【図１６】
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