CN101205874A - 具有自供电系统的发电装置 - Google Patents

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Abstract

一种具有自供电系统的发电装置，其自供电系统包括一辅助发电机，此辅助发电机的线圈设置于发电装置的叶轮上，此辅助发电机的磁极则设置于可与所述叶轮相对运动的构件上，当叶轮转动时，可使所述线圈与磁极产生相对运动并产生反电动势，以使所述自供电系统发电，提供所述叶轮作动所需电源，藉此达到提高发电装置独立运转能力、减少备用电源供应装置数量、简化系统、降低成本、减少故障等目的。

Description

具有自供电系统的发电装置
技术领域
本发明涉及一种具有自供电系统的发电装置，适于风力机、水力机等叶轮发电装置应用及制造相关领域。
背景技术
基于环保与经济需求，再生(天然)能源发电系统成为近年来积极研发的重要项目，例如风力发电、水力发电、太阳能发电等等，针对风力发电系统所采用的大型风力发电机而言，其是利用叶片调节输出功率，其采用的方式主要有三种：被动失速(Passive Stall)、主动失速(Active Stall)、以及旋角调节(Pitch Regulated)，其中以旋角调节搭配变速发电机的可控性为最佳，目前已普及应用于大型变速风力发电机中。
调节叶片旋角的机制即为旋角传动系统(Pitch Drive)，依动力源的不同，可将其驱分为油压式及电气式两种，而随着风力机产品输出功率持续提升，为掌握更有弹性功率调节效果，大型风力机采用电气式旋角传动系统的比例已超过油压式。
请参阅图1所示现有风力机的结构，所述风力机10是于一塔架11上固定设有一机舱12，于所述机舱12的一水平侧设有一叶轮13，所述叶轮13是于一轮毂131的外周缘设有多个叶片132，于所述机舱12内设有变速发电机17以及电力转换器、风力机控制器(图中未示出)等构件，所述变速发电机17是与轮毂131以直接或间接方式耦合，而风力机控制器则透过电力转换器来改变与调节变速发电机17的操作模式及旋转状态；前述所述叶轮13的每一叶片132均连接一旋角传动系统133，所述旋角传动系统133是凸伸于所述轮毂131内，其一般是由减速齿轮组、电动机、驱动器所组成(图中未示出)，主要功能是用以调整所述叶片132的旋角，以调整所述叶片132所能撷取的风能；所述轮毂131透过一主轴14连接一设置于所述机舱12内的齿轮组15，由于所述叶轮13具有可旋转性，故设置于所述轮毂131内的装置(如所述旋角传动系统133)无法以固定的导线与所述机舱12做直接连接，因此必须由所述轮毂131连接至所述机舱12的所述主轴14上安装一组滑环(slip-ring)16，所述滑环16是由一可旋转接头161及一本体162构成，通过所述滑环16与设置于所述机舱12内的变速发电机17以及电力转换器、风力机控制器等构件连接，并将电源及电控信号透过传输线163通过所述齿轮组15及主轴14含有共轴的中空部位，再连接至所述旋角传动系统133，由于所述可旋转接头161具有旋转性，可随所述轮毂131同动旋转，因此不致妨碍传输线163的布置；此外，为使风力机系统于电网故障时，仍能维持所述旋角控制系统133的正常操作能力，因此于所述轮毂131内必须备置足够的备用电源供应装置134。
由上述说明可知，大型风力机本身虽有能力产出可观的电能，但仍相当仰赖现有的电网系统及备用电源供应装置来提供及维持其自身运转所需的电力，换言的，即使本身即为一个发电系统，但仍必须仰赖外部的另一个供电系统，再者，机舱侧透过滑环系统供电，随着风力机输出功率及性能要求逐渐提升，旋角传动系统所需的电能亦因而提高，在供电方面将衍生较多噪声干扰及保养维护的工程问题，因此滑环系统的规格亦须随的调整，以满足风力机的系统可靠度需求。
因此，如何能使风力机、水力机等所述类叶轮机可透过本身的能量转换机制来获得旋角传动系统所需的电源，以提高发电系统本身的独立运转能力，并减少轮毂内的备用电源供应装置数量，为相关领域业界急需解决的课题。
发明内容
有鉴于现有技术的缺失，本发明的目的在于提出一种具有自供电系统的发电装置，其是利用叶轮可旋转特性，驱动叶轮侧另设置的一套辅助发电机，以提供所述叶轮作动所需电源，藉此达到提高发电装置独立运转能力、减少备用电源供应装置数量、简化系统、降低成本、减少故障等目的。
为达到上述目的，本发明提出一种具有自供电系统的发电装置，其包括有：
一机舱，，其内部包括变速发电机、电力转换器及风力机控制器，所述变速发电机是与轮毂耦合，而风力机控制器则透过电力转换器来改变与调节变速发电机的操作模式及旋转状态；
一叶轮，其是由一轮毂及至少一叶片所构成，所述叶轮可被驱动旋转并与所述机舱产生相对运动；以及
一辅助发电机，是设置于所述叶轮侧与机舱的界面，用以供应所述叶轮作动所需电源，其更包括有：
一线圈，是设置于所述叶轮侧；及
一偶数磁极，是设置于所述机舱侧相对应于所述叶轮侧的线圈设置处；
藉此，当所述叶轮转动而与所述机舱产生相对运动时，可使所述线圈与磁极相对运动而产生反电动势，藉以使所述辅助发电机发电。
较佳的是，所述辅助发电机包括一电源供应电路，所述电源供应电路的输入端是用以接收所述线圈与磁极产生的反电动势，并可转换为电源。
较佳的是，所述电源供应电路是连接于一传动系统，所述传动系统是用以调整所述叶片，通过所述电源供应电路供应所述传动系统作动所需电源。
较佳的是，所述传动系统包括：
一齿轮组，其具有一输出轴与所述叶片耦合；
一电动机，是用以驱动所述齿轮组；以及
一驱动器，是用以驱动所述辅助电动机，继而驱动所述齿轮组。
较佳的是，所述齿轮组为一减速齿轮组。
较佳的是，所述电源供应电路是连接于一备用电源供应装置，所述备用电源供应装置是可用以储存电源。
较佳的是，所述备用电源供应装置为电池或超级电容器其中之一或其组合。
较佳的是，所述机舱内是设有：
一控制器，是用以控制所述自供电系统的作动；
一齿轮组，是与所述叶轮连接，用以转换所述叶轮的转速；以及
一滑环，是供设置传输线，用以将所述控制器的电控信号传输至所述叶轮。
较佳的是，所述滑环是由相互耦合的可旋转接头及本体构成。
较佳的是，所述齿轮组为一增速齿轮组。
较佳的是，所述齿轮组是与所述轮毂所具有的一主轴耦合，由所述主轴驱动所述齿轮组。
较佳的是，所述线圈是设置于所述轮毂朝向所述机舱的轴向侧。
较佳的是，所述辅助发电机为轴向气隙型永磁发电机。
较佳的是，所述叶轮是可被风力或水力驱动。
较佳的是，所述机舱内部的变速发电机是可与所述轮毂以直接或间接方式耦合。
本发明具有以下的特色及优点：
1、轮毂内的旋角传动系统可以利用所述自供电系统的输出电力运转，故毋需透过滑环由机舱侧供电，可提高风力机系统的独立操作性及可靠度；
2、采用本发明所提出的自供电系统，可使滑环仅单纯负责传送电控信号，故滑环选用条件可与传输功率脱离，因此即使变速风力机输出功率大小不同，其滑环仍可能使用相同规格，毋需变更；
3、即使于怠速或停机状态时，只要电网保持正常，本发明所提出的自供电系统仍可进入电动机操作模式，由轮毂与机舱的相对旋转运动发电，轮毂内的备用电源供应装置数量及其容量可以减少，有助于改善轮毂内部配置，并提高风力机系统的独立操作性及可靠度。
为了对本发明的结构目的和功效有更进一步的了解与认同，现配合图示详细说明如后。
附图说明
图1是现有风力机的结构示意图；
图2是本发明的较佳实施例的结构示意图。
附图标记说明：10-风力机；11-塔架；12-机舱；13-叶轮；131-轮毂；132-叶片；133-旋角传动系统；134-电源供应装置；14-主轴；15-齿轮组；16-滑环；161-旋转接头；162-本体；163-传输线；17-变速发电机；20-发电装置；21-塔架；22-机舱；23-叶轮；231-轮毂；232-叶片；233-旋角传动系统；234-备用电源供应装置；24-主轴；25-增速齿轮组；26-滑环；261-可旋转接头；262-本体；263-传输线；27-变速发电机；28-控制器；30-自供电系统；31-辅助发电机；311-线圈；312-磁极；32-电源供应电路；W-风力。
具体实施方式
以下将参照随附的图式来描述本发明为达成目的所使用的技术手段与功效，而以下图式所列举的实施例仅为辅助说明，但本案的技术手段并不限于所列举图式。
请参阅图2所示本发明所提供的具有自供电系统的发电装置的较佳实施例，所述发电装置20呈现一风力机态样，必须说明的是，本发明适用于风力机、水力机等叶轮发电装置，图标仅作为说明本发明的一具体实施例；如图所示，所述发电装置20是于一塔架21上固定设有一机舱22，于所述机舱22的一水平侧设有一叶轮23，所述叶轮23是由一轮毂231以及设置于所述轮毂231外周缘的多个叶片232所构成，所述叶轮23可为风力驱动叶轮或水力驱动叶轮，此处为风力驱动叶轮，可由风力W驱动转动，每一叶片232均连接一旋角传动系统233，所述旋角传动系统233是凸伸于所述轮毂231内，其一般是由减速齿轮组、电动机、驱动器所组成(图中未示出)，主要功能是用以调整所述叶片232的旋角，以调整所述叶片232所能撷取的风力W；其次，于所述轮毂231朝向所述机舱22的面上设有一主轴24，当所述叶轮23转动时，可带动所述主轴24转动。
再者，所述机舱22内设有一增速齿轮组25、一滑环26、一变速发电机27，以及电力转换器及风力机控制器(图中未示出)等构件，所述变速发电机27是与轮毂231以直接或间接方式耦合，而风力机控制器则透过电力转换器来改变与调节变速发电机27的操作模式及旋转状态，本实施例中，所述齿轮组25是透过所述主轴24与所述叶轮23的轮毂231耦合，当所述叶轮23转动的同时，可带动所述齿轮组25作动，由于所述叶轮23具有可旋转性，故设置于所述轮毂231内的装置(如所述旋角传动系统233)无法以固定的导线与所述机舱22做直接连接，因此必须于所述轮毂231连接至所述机舱22的所述主轴24上设置所述滑环26，所述滑环26是由一可旋转接头261及一本体262构成，所述滑环26除可接收所述变速发电机27的电源之外，并可将所述风力机控制器的电控信号经由传输线263通过所述齿轮组25及主轴24含有共轴的中空部位，再连接至所述旋角传动系统233，以控制所述旋角传动系统233调整所述叶片232的旋角。
本发明的特点在于，所述变速发电机27是接收外部电网(图中未示出)的电源，用以供应所述机舱22内的各构件作动所需电源，至于所述旋角传动系统233作动所需电源是由一与所述变速发电机27分离设置于所述叶轮23侧的自供电系统30所供应，换言之，所述滑环26仅需负责传输所述控制器28或其它构件所产生的电控信号，并不需要负责输送电源。
关于供应所述叶轮23及设置于其内部的构件(如所述旋角传动系统233)作动所需的电源的自供电系统30，其是设置于所述叶轮23侧，其包括一辅助发电机31以及一电源供应电路32，所述辅助发电机31具有一线圈311、一偶数磁极312，所述线圈311是设置于所述轮毂231朝向所述机舱22的轴向侧，所述磁极312是设置于所述机舱22侧相对于所述叶轮23侧的所述线圈311设置处，所述电源供应电路32则设置于所述轮毂231内部，且与设置于所述轮毂231内的所述旋角传动系统233、所述备用电源供应装置234电连接，所述备用电源供应装置234可采用电池或超级电容器其中之一或其组合，用以储存电源。
通过上述各构件的布置，当所述风力W驱动所述叶轮23转动时，所述轮毂231可与所述机舱22产生相对运动，而由于所述线圈311、所述磁极312是设置于所述轮毂231与所述机舱22相对应的面上，因此，可使所述线圈311与所述磁极312产生相对运动产生反电动势，而所述线圈311所产生的反电动势再传送至所述电源供应电路32，并由所述电源供应电路32转换为操作电源，供应所述旋角传动系统233以及所述备用电源供应装置234，亦即，所述旋角传动系统233采用独立的另一套辅助发电机供应电源，无须仰赖设置于所述机舱22内的变速发电机27。
与先前技术比较，由于风力机在切入风速及切出风速之间，所述叶轮23可以相对于所述机舱22进行旋转运动，即使在电网故障时亦然，因此本发明所提出的自供电系统30可对所述旋角传动系统233提供其所需的全部电源，不必如现有变速风力机的旋角传动系统必须依赖外部供电系统；当风力机由停机或怠速进入启动状态时，若因所述叶轮23转速甚低或停止旋转，致使所述自供电系统30无法发电时，则所述旋角传动系统233仍可由所述轮毂231内的所述备用电源供应装置234提供其所需的电力；再者，于电网输电正常的情况下(对于已开发国家及台湾而言，电网全年平均妥善率皆可大于99.99％)，所述控制器28可利用电网提供的电力控制所述辅助发电机31进入电动机操作模式，以带动所述叶轮23旋转并进而使所述自供电系统30产生电力，因此，可有效降低所述轮毂231内的所述备用电源供应装置234的数量。
另必须说明的是，本发明是利用叶轮可旋转的特性，将所述辅助发电机31的线圈311设置于所述叶轮23，将所述辅助发电机31的磁极312设置于可与所述叶轮23相对运动的机舱22上，根据此一设计原则，所述线圈311与磁极312的设置位置可依实际状况而定，只要可与所述叶轮23产生相对运动的构件均可，并不限于所述机舱22，而除图示风力机的架构外，亦可实施于水力机或其它相关领域。
以上所述，仅为本发明的最佳实施例而已，当不能以之限定本发明所实施的范围。即大凡依本发明权利要求所作的均等变化与修饰，皆应仍属于本发明专利涵盖的范围内。

Claims (15)

1.一种具有自供电系统的发电装置，其特征在于，包括有：
一机舱，其内部包括变速发电机、电力转换器及风力机控制器，所述变速发电机是与轮毂耦合，而风力机控制器则透过电力转换器来改变与调节变速发电机的操作模式及旋转状态；
一叶轮，其是由一轮毂及至少一叶片所构成，所述叶轮被驱动旋转并与所述机舱产生相对运动；以及
一辅助发电机，是设置于所述叶轮侧与机舱侧的界面，供应所述叶轮作动所需电源，其更包括有：
一线圈，是设置于所述叶轮侧；及
一偶数磁极，是设置于所述机舱侧相对应于所述叶轮侧的线圈设置处。
2.如权利要求1所述的具有自供电系统的发电装置，其特征在于：所述辅助发电机包括一电源供应电路，所述电源供应电路的输入端接收所述线圈与磁极产生的反电动势，并转换为电源。
3.如权利要求2所述的具有自供电系统的发电装置，其特征在于：所述电源供应电路是连接于一传动系统，所述传动系统是用以调整所述叶片，通过所述电源供应电路供应所述传动系统作动所需电源。
4.如权利要求3所述的具有自供电系统的发电装置，其特征在于：所述传动系统包括：
一齿轮组，其具有一输出轴与所述叶片耦合；
一电动机，驱动所述齿轮组；以及
一驱动器，驱动所述电动机，继而驱动所述齿轮组。
5.如权利要求4所述的具有自供电系统的发电装置，其特征在于：所述齿轮组为一减速齿轮组。
6.如权利要求2所述的具有自供电系统的发电装置，其特征在于：所述电源供应电路是连接于一用以储存电源的备用电源供应装置。
7.如权利要求6所述的具有自供电系统的发电装置，其特征在于：所述备用电源供应装置为电池或超级电容器其中之一或其组合。
8.如权利要求1所述的具有自供电系统的发电装置，其特征在于：所述机舱内是设有：
一控制器，是用以控制所述自供电系统的作动；
一齿轮组，是与所述叶轮连接，用以转换所述叶轮的转速；以及
一滑环，是供设置传输线，用以将所述控制器的电控信号传输至所述轮毂侧。
9.如权利要求8所述的具有自供电系统的发电装置，其特征在于：所述滑环是由相互耦合的可旋转接头及本体构成。
10.如权利要求8所述的具有自供电系统的发电装置，其特征在于：所述齿轮组为一增速齿轮组。
11.如权利要求8所述的具有自供电系统的发电装置，其特征在于：所述齿轮组是与所述轮毂所具有的一主轴耦合，由所述主轴驱动所述齿轮组。
12.如权利要求1所述的具有自供电系统的发电装置，其特征在于：所述线圈是设置于所述轮毂朝向所述机舱的轴向侧。
13.如权利要求1所述的具有自供电系统的发电装置，其特征在于：所述辅助发电机为轴向气隙型永磁发电机。
14.如权利要求1所述的具有自供电系统的发电装置，其特征在于：所述叶轮为风力驱动叶轮或水力驱动叶轮。
15.如权利要求1所述的具有自供电系统的发电装置，其特征在于：所述机舱内部的变速发电机是与轮毂以直接或间接方式耦合。
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