TWI722445B

TWI722445B - 風力發電系統

Info

Publication number: TWI722445B
Application number: TW108118909A
Authority: TW
Inventors: 尹衍樑; 黃俊儒
Original assignee: 潤弘精密工程事業股份有限公司
Priority date: 2019-05-31
Filing date: 2019-05-31
Publication date: 2021-03-21
Also published as: TW202045811A

Abstract

本發明係關於一種風力發電系統，其包括一機艙總成、一第一扇葉組以及一第二扇葉組。第一扇葉組連接至機艙總成，且第一扇葉組包括多個第一葉片。第二扇葉組連接至機艙總成，且第二扇葉組包括多個第二葉片。其中，第一扇葉組與第二扇葉組相對於機艙總成呈軸向相對設置，且第一扇葉組的旋轉半徑小於第二扇葉組的旋轉半徑。

Description

風力發電系統

本發明係有關於一種發電系統，特別是關於一種風力發電系統。

隨著經濟的發展，各地均發生能源短缺的問題。由於核能發電存在安全方面的疑慮以及處理核能廢料之問題，而傳統火力發電有產生空氣危害之缺點，因此發展乾淨且安全的再生能源發電系統是刻不容緩之事。再生能源包含太陽能發電、風力發電以及洋流發電等。針對風力發電部分，由於風力來源以海面風力來源最為充分，因此風力發力電適於海岸線較長的地區，因其可降低取得風力來源的成本。

簡單來說，風力發電系統一般包含一風力渦輪機(簡稱風機，wind turbine)，其主要是藉由空氣流動(即風)轉動葉片來發電。葉輪(rotor)為風力機轉換利用風能最重要的系統之一，其葉片鎖定於輪轂(hub)上，以共同構成葉輪。葉片受風吹之空氣動力作用(包括升力及阻力)繞軸旋轉，擷取風的動能轉動輪轂中的轉子，並經由轉子與輪轂中的定子的電磁轉換作用，進而轉換成有用的電能並加以儲存。

為了增加接收風力的效率，業界往往增加葉片的長度，以增加受風面，得以擷取更多的風力。以目前的技術來說，葉片之旋轉半徑可能達到一百公尺甚至更長。然而，葉片一般具有一支撐部以及一受風部，支撐部位於其內端緣，用以支撐具有受風面之受風部。然而，當葉片增長時，支撐部的長度亦同時增加。由於支撐部並無受風面的設置，故其無法受風而帶動葉片旋轉，進而造成無法充分利用風力資源。

因此，能夠提供一種可以解決上述風力發電系統之葉片的支撐部無法受風而無法利用吹向該支撐部位置之風力的問題，進而增加發電效率之風力發電系統，係為業界所欲解決之問題。

緣是，為解決上述問題，本發明的目的之一在於提供一種風力發電系統，其藉由設置兩組相異旋轉半徑之扇葉組，以提升其發電效率。本發明一實施例提供一種風力發電系統，其包括一機艙總成、一第一扇葉組以及一第二扇葉組。第一扇葉組連接至機艙總成，且第一扇葉組包括多個第一葉片。第二扇葉組連接至機艙總成，且第二扇葉組包括多個第二葉片。其中第一扇葉組與第二扇葉組相對於機艙總成呈軸向相對設置，且第一扇葉組的旋轉半徑小於第二扇葉組的旋轉半徑。

1:風力發電系統

2:塔體

3:機艙總成

4:第一扇葉組

5:第二扇葉組

31:第一部分

32:第二部分

33:第一轉軸

34:第一發電機

35:第二轉軸

36:第二發電機

37:操作及維修空間

38:中間段

41:第一葉片

42:第一輪穀

51:第二葉片

52:第二輪穀

53:支撐部

54:受風部

56:受風面

A:軸向方向

A1、A2:軸心

D1:寬度

L1、L2、L3:長度

L4、L5:軸向長度

圖1係為根據本發明一實施例之風力發電系統之立體示意圖。

圖2係為圖1之風力發電系統之側視示意圖。

圖3係為圖1之風力發電系統之局部側視透視示意圖。

為更清楚了解本創作之特徵、內容與優點及其所能達成之功效，茲將本創作配合附圖，並以實施例之表達形式詳細說明如下，而其中所使用之圖式，其主旨僅為示意及輔助說明書之用，故不應就所附之圖式的比例與配置關係解讀、侷限本創作的申請專利範圍。

請參考圖1及圖2，其中圖1為根據本發明一實施例之風力發電系統1之立體示意圖，圖2係為圖1之風力發電系統1之側視示意圖。在本實施例中，本發明一實施例提供一種風力發電系統1，其可設置在陸地上或是設置在海上。風力發電系統1包括一塔體2、一機艙總成3、一第一扇葉組4以及一第二扇葉組5。機艙總成3設置於塔體2之頂端上。

塔體2可設置於陸地上或水中。當設置於陸地上，即為一般陸域式風力發電系統1；當設置於水中而作為離岸式風力發電系統1時，塔體2可設置於一浮動式平台上，或塔體2之底端可連接於海底上之一基礎，例如重力式基礎(gravity base)、單樁(monopile)、塔架式(jacket)、三角臺座(tripod)或吸筒式基礎(suction bucket)。塔體2係作為風力發電系統1整體支撐，且塔體2內部具有其他電路設備以及線路，以將風力發電系統1產生之電能傳送至特定之變電站。

圖3係為圖1之風力發電系統1之局部側視透視示意圖。如圖3所示，機艙總成3以塔體2的軸向方向為基準，區分為分別位於連接塔體2之中間段38之兩側之一第一部分31及一第二部分32。即，第一部分31界定位於圖3之左側，而第二部分32界定位於圖3之右側。第一扇葉組4以可旋轉的方式連接機艙總成3之第一部分31，而第二扇葉組5以可旋轉的方式連接機艙總成3之第二部分32。

請參照圖1，關於本實施例之第一扇葉組4，其連接至機艙總成3之第一部分31之端緣，並包括多個第一葉片41以及一第一輪穀42。在本實施例中，如圖1所示，第一葉片41的數目為三，但其數目非用以限定本發明。第一葉片41之內端緣連接第一輪穀42，且第一葉片41用以接收外界風力之驅動而隨之轉動，並帶動第一輪穀42轉動。

關於本實施例之第二扇葉組5，其連接至機艙總成3之第二部分32之端緣，並包括多個第二葉片51以及一第二輪穀52。在本實施例中，如圖1所示，第二葉片51的數目為三，但其數目非用以限定本發明。更詳細來說，第二葉片51之各者包括一支撐部53以及一受風部54。支撐部53係介於受風部54以及第二輪穀52之間，支撐部53用以支撐受風部54，而非用以擷取風力以旋轉。受風部54具有一受風面56，其橫向擴展，用以接收外界風力之驅動而轉動，並帶動第二輪穀52轉動。而受風部54之寬度可自支撐部53向遠離支撐部53之方向漸縮。即，如圖2所示，鄰近於支撐部53的受風部54的寬度D1可為最大值，而朝向遠端漸減。在本實施例中，支撐部53及受風部54之分界係為受風部54的寬度D1最大值之處，然而，本發明之支撐部53及受風部54之交界處非用以限定本發明。在本發明之實施例中，由於支撐部53係主要用以支撐受風部54，而受風部54主要用以擷取風力而轉動，故在其他實施例中，凡是符合前述定義之支撐部53及受風部54，不論其形狀，即可作為本發明之支撐部53及受風部54，並可定義兩者之交界處。

此外，如圖1及圖3所示，第一葉片41及第二葉片51分別具有角度調整機構，以可使第一葉片41及第二葉片51沿其軸心A1、A2原地旋轉，以調整迎風面之方向，進而在風向改變時，提升第一葉片41及第二葉片51的風力擷取量。

如圖1所示，在本實施例中，第一扇葉組4之第一葉片41在軸向方向(以軸線A表示)上對應於支撐部53。前述「對應」係指第一葉片 41旋轉時所涵蓋的面積在軸向方向可投影至第二葉片51之支撐部53，而至少涵蓋支撐部53之一實質部分。在本實施例中，第一葉片41之長度L1(即第一葉片411之遠端到軸心A1之距離)係實質上等於第二葉片51之支撐部53之長度L2(即自第二葉片51之支撐部53之遠端到軸心A2之距離)。另外，如圖1及圖3所示，第一扇葉組4之軸心A1與第二扇葉組5之軸心A2分別與一軸線A重合，且軸線A分別正交於第一葉片41及第二葉片51。如圖1所示，在本實施例中，第一葉片41的長度L1(即自第一葉片411之遠端到軸心A1之距離)與第二葉片51的長度L2+L3(即自第二葉片51之遠端到軸心A2之距離)的比例範圍介於1：3至1：6之間。也就是說，當風力發電系統11接收風力而運作時，第一葉片41的旋轉半徑(即第一葉片41的長度L1)大致涵蓋第二葉片51的支撐部53的旋轉半徑(即第二葉片51的長度L2+L3)。如此，當風自如圖2之左側朝向右側吹拂時，由於第一葉片41旋轉時涵蓋了無法接收風力以旋轉的第二葉片51之支撐部53區域，因此第一葉片41係接收了此區域之風力，以在不增加第二葉片51長度的情況下，增加了整體風力發電系統1之風力擷取量。

在本實施例中，如圖3所示，機艙總成3包括一第一轉軸33、多個第一發電機34、一第二轉軸35以及多個第二發電機36。本實施例之第一發電機34及第二發電機36的數量均為三，但該數量非用以限定本發明。在其他實施例中，第一發電機34及第二發電機36的數量可以為一、二或四以上。在本實施例中，第一轉軸33以及第一發電機34位於第一部分31內，而第二轉軸35以及第二發電機36位於第二部分32內。第一輪穀42以可旋轉的方式耦合至機艙總成3之第一轉軸33，第一轉軸33依序穿設多個第一發電機34，以使第一輪穀42耦合於該多個第一發電機34，其中第一轉軸33經構形以受第一扇葉組4之驅動而轉動。另一方面，第二葉片51之支撐部53內端緣連接第二輪穀52，而第二扇葉組5之第二輪穀52以可旋轉的方式耦合至機艙總成3之第二轉軸35。第二轉軸35依序穿設多個第二發電機36，以使第二輪穀52耦合於該多個第二發電機36，其中第二轉軸35經構形以受第二扇葉組5之驅動而轉動。需要注意的是，在本實施例中，第一轉軸33與第二轉軸35彼此分離，第一轉軸33與第二轉軸35並不同步旋轉，故而多個第一發電機34與多個第二發電機36係相互獨立運作。

另一方面，第一發電機34及第二發電機36可為永磁式或齒輪式發電機。第一發電機34及第二發電機36可分別包含轉子及定子。當轉子沿著定子旋轉時，根據電磁感應原理，通過轉子之磁場和定子之繞組的相對運動，以將機械能轉變為電能。另外，如圖3所示，機艙總成3亦可具有至少一個操作及維修空間37，供操作者或維修人員進行作業並可放置設備或工具。又，由於第二扇葉組5的重量明顯大於第一扇葉組4的重量，故第一部分31的軸向長度L4可大於第二部分32的軸向長度L5，以有效達成風力發電系統1之結構平衡。

一般來說，如圖2及圖3所示，第一葉片41經設計以先接收主要風力來源(以箭頭標示)，故其位置經配置以早於第二扇葉組5擷取到風力。當第一葉片41受風力而轉動時，第一葉片41帶動第一輪穀42旋轉，進而帶動圖3所示之第一發電機34之轉子旋轉，以將第一葉片41受風力所產生之機械能透過多個第一發電機34的作用轉變為電能。同時，第二葉片51藉由受風部54擷取風力而轉動，第二葉片51驅動第二輪穀52旋轉，進而帶動第二發電機36之轉子旋轉，以將第二葉片51受風力所產生之機械能透過多個第二發電機36的作用轉變為電能。如此，風力發電系統 1得以同時藉由軸向平行設置之第一扇葉組4以及第二扇葉組5擷取風力。

總合上述，根據本發明一實施例揭露之風力發電系統，由於第一扇葉組的旋轉直徑小於第二扇葉組的旋轉直徑，以使第一扇葉組擷取到第二扇葉組中間所無法擷取之風力，進而提升總體之風力擷取效率，進而增加風力發電系統之總發電量。

於部分實施例中，風力發電系統之機艙總成內可設有與第一扇葉組連接之多個第一發電機以及與第二扇葉組連接之多個第二發電機，當第一輪穀及第二輪穀旋轉時，可同時帶動多個第一發電機以及多個第二發電機發電，進而有效提升風力發電系統之發電效率。

本文中的用語「一」或「一種」係用以敘述本創作之元件及成分。此術語僅為了敘述方便及給予本創作之基本觀念。此敘述應被理解為包括一種或至少一種，且除非明顯地另有所指，表示單數時亦包括複數。於申請專利範圍中和「包含」一詞一起使用時，該用語「一」可意謂一個或超過一個。此外，本文中的用語「或」其意同「及/或」。

除非另外規定，否則諸如「上方」、「下方」、「向上」、「左邊」、「右邊」、「向下」、「本體」、「底座」、「垂直」、「水平」、「側」、「較高」、「下部」、「上部」、「上方」、「下面」等空間描述係關於圖中所展示之方向加以指示。應理解，本文中所使用之空間描述僅出於說明之目的，且本文中所描述之結構之實際實施可以任何相對方向在空間上配置，此限制條件不會改變本發明實施例之優點。舉例來說，在一些實施例之描述中，提供「在」另一元件「上」之一元件可涵蓋前一元件直接在後一元件上(例如，與後一元件實體接觸)的狀況以及一或複數個介入元件位於前一元件與後一元件之間的狀況。

如本文中所使用，術語「大致」、「實質上」、「實質的」及「約」用以描述及考慮微小之變化。當與事件或情形結合使用時，該等術語可意指事件或情形明確發生之情況以及事件或情形極近似於發生之情況。

以上所述之實施例僅係為說明本創作之技術思想及特點，其目的在使熟習此項技藝之人士能夠瞭解本創作之內容並據以實施，當不能以之限定本創作之專利範圍，依本創作所揭示之精神所作之均等變化或修飾，仍應涵蓋在本創作之專利範圍內。