CN102650264A - 一种并联矩阵整合型风力发电系统 - Google Patents

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Abstract

一种并联矩阵整合型风力发电系统，它包括：多个沙伯纽(Savonius)式风车(10)、多个风车间相位定位组件(21)及多个风车间距离定位组件(22)；该多个沙伯纽式风车(10)以并联方式排列，风车间距离定位组件(22)连接该多个沙伯纽式风车(10)，用以使其之间保持固定距离；风车间相位定位组件(21)连接该多个沙伯纽式风车(10)，用以使其之间保持固定相位角差；所述多个沙伯纽式风车(10)还各自设有导流板(11)，该导流板(11)可调节各沙伯纽式风车(10)不同相位角下的受力。本发明能有效提升风场空间使用效率，强化风力能量收集效益，大幅提高整体风力发电效率。

Description

一种并联矩阵整合型风力发电系统
技术领域
本发明为一种并联矩阵整合型风力发电系统，特别是关于一种以并联方式排列的多个沙伯纽式风车构成的整合型风车。
背景技术
充足的能源动力，是时代进步的关键推手！
面临能源短缺、动力匮乏的极限危机，世界各国无不积极寻求新能源。加上为减缓温室效应所造成的地球暖化危机，全球已展开了包括：制订与签定京都议定书、各国国内法规限制、以及各区域性市场的规范要求，均将新能源的开发需求与使用条件标准提高为能够永续发展的绿色能源。而干净、无污染、技术成熟且可再生使用的风力发电，无疑成为这类绿色能源的最佳方案之一！
风力发电可定义为使用风车收集风能，并将其转换为旋转的动能进而推动发电机，而产生电能。以风力发电的外型来分类，简略可分为转轴与风向平行的水平轴式(horizontal axis wind turbine，HAWT)及转轴与风向垂直的垂直轴式(vertical axis wind turbine，VAWT)风力发电二大类型。
在历经长时期的发展及实际应用经验之后，这二大类型的风力发电逐渐分出强弱，目前的风力发电机主流，可以说已几乎是属于水平轴式(HAWT)类型风力发电型式的天下了。例如：散布在台湾各处的海岸线上的大型三叶式(Three-bladed)风力发电机即是其中一种应用极广的水平轴式风力发电机种。
这是因为水平轴式风力发电其轴向及叶形的关系，可使得每一水平轴式风力发电效率平均达到Cp值约0.30-0.45，是相当理想的发电效率。
Cp = P / ( ρA U 1 3 / 2 )
(P表示风车所撷取的风能，p表示空气密度
A表示风车受风面积，U表示风速)
而垂直轴式风力发电的平均Cp值则仅可达到0.15-0.30，相形之下，水平轴式风力发电效率明显较垂直轴式风力发电效率来得高。
然而，水平轴式风力发电的高周速比使得叶片速度远大于风速，造成低频率的风切声噪音，而且，由于水平轴式风力发电系统的叶片转动会形成一定范围的风场，因此每一水平轴式风车之间，必需保持一定距离，以避免风场干扰，甚至导致风车故障损坏。
另外，水平轴式风车为求良好发电效率，还必需迎合风向而调整风车角度，一旦所需调整的迎风角度大时，风机甚至需先停止运转，再将庞大的风车机组缓慢转向，最后再度启动运转，整体时程可能需耗费约1～2小时。综合以上因素，水平轴式风力发电往往只能设置在空间宽广、风向稳定的地方，如海岸边、台地上等。
而要在人烟稀少、空旷风向稳定的地方设置庞大的风车机组，同时也意味着各项高昂的费用与支出。从整地、设置发电机组、安装风车系统的一次性建设成本，到日常运转、调整、维修与养护的持续性花费，根据统计数据指出，每一水平轴式风力发电系统的平均造价都高达新台币数亿元。
而且，水平轴式风力发电为求经济效益，往往会于所选定的合适风场区域设置超过一部以上的风力发电风车，但因为水平轴式风车需迎合风向的运转特性，往往每一部水平轴式风车需搭配一部发电机组，因此，水平轴式风力发电风车系统整体的建置与后续维持成本均高。
高建置成本、设置空间与场地的限制使得人们重新省思及审视使用垂直轴式风力发电的可能性。此时，达留斯式(Darrieus)与Φ-达留斯(Φ-Darrieus)式由于其不差的发电效率(Cp值可达20-30％)，较简单的系统装置、相对较低的建置成本，逐渐被使用在都市街道、建物四周等处，如台湾外观设计专利D115854、D115855及台湾实用新型专利M312834。
相较于1931年法国航空工程师所发明的达留斯式风车所受到的重视与重新改良与应用，早在1922年就由芬兰工程师所设计开发出来的沙伯纽(Savonius)式风车的际遇就显得冷清许多。即便沙伯纽式风车的结构简便与成本低廉程度均不逊于达留斯式风车，但其较低的发电效率Cp值(一般平均值仅达15-20％)是沙伯纽式风车仍无法被产业界重新应用的主因。
因此，本案发明人为避免上述现有风车发电以及传统沙伯纽式风车的使用缺陷与应用限制，特潜心研究并配合学理之运用与长时间的机制规画与实务开发，提出一种以多个沙伯纽式风车为主体的整合型风力发电系统，透过以并联方式排列多个沙伯纽式风车构成一整合型风车，且可于多个沙伯纽式风车中，所增添搭配多个导流板或多个定位组件，以便于风吹来时，该整合型风车所连结的该多个沙伯纽式风车以一固定距离及相位角差共同随风而动，不仅能有效地提升风场空间使用效率，强化风力能量收集综效，进而大幅提高整体沙伯纽式风车风力发电效率，是一合理且能有效增进上述事件综效的发明。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种并联矩阵整合型风力发电系统，以便于风吹来时，风力发电系统的多个沙伯纽式风车以一固定距离及相位角差随风而动，使多个沙伯纽式风车所收集到的整体风力效果彼此加成，发挥综效，进而促成整体风力发电效率显著提升。
本发明的第二目的在于提供一种并联矩阵整合型风力发电系统，可随风力与风向的变化，进行调节，以使得风力发电系统中每一个沙伯纽式风车之中结合多个导流板，使每一个沙伯纽式风车间于转动中保持风场流场最佳状态，确实有效地增进风场空间使用效率及发电效率。
本发明的第三目的在于提供一种并联矩阵整合型风力发电系统，风力发电系统中的风力发电机房可以一组发电机组对应多个沙伯纽式风车，或是多组发电机组对应多个沙伯纽式风车，也可随风力与风向的强弱变化，而进行发电机组的加入或脱离控制调节，以有效利用所收集之风力能量，并降低系统之发电机组建置、维修养护成本。
为实现上述第一目的，本发明提供一种并联矩阵整合型风力发电系统，其包括：多个沙伯纽式风车、多个风车间距离定位组件与多个风车间相位定位组件，所述多个沙伯纽式风车以并联方式排列，所述风车间距离定位组件，连结该多个沙伯纽式风车，并使该多个沙伯纽式风车间保持固定距离，该多个风车间相位定位组件连结该多个沙伯纽式风车，并使该多个沙伯纽式风车间保持固定相位角差。
为实现上述第二目的，本发明提供一种并联矩阵整合型风力发电系统，每一单个沙伯纽式风车中可增加多个导流板，透过该多个导流板，可在不同风力与风向所塑成的风场情境下，相对应地配合调节各多个沙伯纽式风车在不同相位角下的受力。
为实现上述第三目的，本发明提供一种并联矩阵整合型风力发电系统，它还包括一发电机房，该发电机房内包括一控制模块及多个发电机组，所述多个沙伯纽式风车所收集的机械能量以传动轴或传动链条等各类传动方式传送至该发电机房，并由该控制模块依风力动能而控制该多个发电机组的运作。
一种并联矩阵整合型风力发电系统，其包括：
多个沙伯纽式风车10构成一整合型风车，所述多个沙伯纽式风车10以并联方式排列，用以收集风力产生的能量；
一风车间距离定位组件22连接所述多个沙伯纽式风车10，使所述多个沙伯纽式风车10之间保持固定距离；以及
一风车间相位定位组件21连接所述多个沙伯纽式风车10，用以固定所述多个沙伯纽式风车10之间的相位角差，并且，该风车间相位定位组件21被用于将所述多个沙伯纽式风车10转动产生的能量传递至一发电机组。
其中，该风车间距离定位组件22为一连杆221，由轴承与所述多个沙伯纽式风车10的轴连接。
其中，该风车间距离定位组件22为一框架222，由轴承与所述多个沙伯纽式风车10的轴连接。
其中，还包括一支撑组件30，该支撑组件30与风车间距离定位组件22以非平行方式相连接，用以提供支撑与固定的作用。
其中，该支撑组件30为杆子。
其中，该支撑组件30为支撑框架。
其中，该支撑组件30为钢索。
其中，该支撑组件30为柱子。
其中，该沙伯纽式风车10为二叶式，三叶式或多叶式。
其中，该风车间相位定位组件21为齿轮组211。
其中，该风车间相位定位组件21为传动轴212。
其中，该风车间相位定位组件21为传动链条213。
其中，每一该沙伯纽式风车10还包括至少一个导流板11，设置于该沙伯纽式风车10内的叶片之间。
其中，该导流板11为流体力学造型。
其中，该导流板11为Clark Y改良型。
其中，还包括一发电机房50，该发电机房50内包括一控制模块51及多个发电机组52、53、54，所述多个沙伯纽式风车10所收集的能量传送至该发电机房50，并由该控制模块51依风力动能而控制所述多个发电机组52、53、54的运作。
本发明的有益效果在于：本发明提供一种并联矩阵整合型风力发电系统，当风吹来，该多个沙伯纽式风车即随风而动，并透过多个导流板调节各该多个沙伯纽式风车的受力，以及以多个风车间距离定位组件与风车间相位定位组件保持该多个沙伯纽式风车之间的固定相位角差与距离，能够确实有效地提升风场空间使用效率，强化风力能量收集综效，进而大幅提高整体系统的风力发电效率。
值得注意的是，本发明特别强调用多个沙伯纽式风车的组合，来作为风力发电的主体，这在风力发电的领域中从未被揭露。在现有技术中，达留斯风车与沙伯纽式风车相同，都是垂直轴式，发电效率也不差，但两部达留斯风车之间会产生破坏性的干扰，降低发电效益。而本发明是使用沙伯纽式风车，相邻风车之间能够产生建设性的干扰，加上本发明固定相邻风车之间的相位差，辅以导流板的设计，均有助于提升多台并联风力发电的风车的整体效益。
而由于本发明使用沙伯纽式风车，成本当然比水平轴式风车的风力发电系统低廉许多。
附图说明
图1为本发明第一实施例的示意图；
图2为本发明第二实施例的示意图；
图3为本发明第二实施例的导流板示意图；
图4为本发明第三实施例的示意图；
图5为本发明第三实施例的导流板示意图；
图6为本发明第四实施例的示意图；
图7为本发明第四实施例的导流板示意图；
图8为本发明第五实施例的示意图；
图9为本发明第五实施例的导流板示意图；
图10为本发明第六实施例的示意图；
图11为本发明第六实施例的导流板示意图。
附图标记
10         沙伯纽式风车
101        改良型三叶式沙伯纽式风车
11         导流板
21         风车间相位定位组件
211        齿轮组
212        传动轴
213        传动链条
22         风车间距离定位组件
221        连杆
222        框架
223        平板
30         支撑组件
31         支撑杆
50        发电机房
51        控制模块
52        第一发电机组
53        第二发电机组
54        第三发电机组
具体实施方式
为了使贵审查委员能更进一步了解本发明为达成预定目的所采取的技术、手段及功效，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，相信本发明的目的、特征与特点，可由此得到深入且具体的了解。
本发明一种并联矩阵整合型风力发电系统的第一实施例如图1所示，包括三台沙伯纽式风车10，风车间相位定位组件21以及风车间距离定位组件22，三台沙伯纽式风车10以并联方式排列，风车间相位定位组件21连结三台沙伯纽式风车10，用以固定各个沙伯纽式风车之间相位角差，固定相邻沙伯纽式风车10的相位角差有助于产生建设性的干扰，以追求多台并联风力发电的风车的整体效益。风车间距离定位组件22连接相邻的沙伯纽式风车10，用以使沙伯纽式风车10之间保持固定的距离，每一台沙伯纽式风车10叶片之间并设有导流板11，当风吹来，风车间相位定位组件21所连结的三台沙伯纽式风车10即随风而动，风车转动所产生的能量藉由风车间相位定位组件21传递到发电机组。
导流板11的构型截面介于Clark Y与NACA 0015之间，可依实际风场CFD计算来决定，导流板11可调节沙伯纽式风车10在不同相位角下的受力，有助于提升风场空间使用效率，强化风力能量收集效益，大幅提高整体的风力发电效率。
在以下以及其它的实施例中，风车间距离定位组件22可以有各种不同的选择，例如连杆，框架，藉由轴承套接在风车的轴上，或者，风车间距离定位组件亦可以是以一平板打洞套接在风车10的轴上，以使两部风车10之间保持固定的距离。
在以下及其它的实施例中，风车间相位定位组件21可以是例如传动轴，传动链条，配合齿轮组。当风车10转动时，便带动此风车间相位定位组件21动作而产生能量并传递至发电机组。在本说明书的实施例中，本发明以风车间相位定位组件来使风车10之间的相位角差保持固定，以及传递风车10转动的能量至发电机组。在其它的实施例中，这两个功能亦可以是使用两个不同的组件来实现，均仍属于本发明之风车间相位定位组件所涵盖的范围。
本发明一种并联矩阵整合型风力发电系统的第二实施例如图2及图3所示，包括：六台沙伯纽式风车10与风车间相位定位组件21，六台沙伯纽式风车10以并联方式排列，风车间相位定位组件21连结六台沙伯纽式风车10，使六台沙伯纽式风车10之间保持固定相位角差，风车间距离定位组件22使六台沙伯纽式风车10之间保持固定距离，支撑组件30与风车间距离定位组件22之间以非平行方式相连接，支撑组件30一端连接到地面或其它固定物，用以提供整个风车组固定与支撑的作用，防止风车组倾倒。支撑组件30可以是例如杆子、支撑框架，钢索，柱子等等。每一台沙伯纽式风车10叶片之间并设有导流板11，当风吹来，风车间相位定位组件21所连结的六台沙伯纽式风车10即随风而动。
本发明一种并联矩阵整合型风力发电系统的第三实施例如图4及图5所示，包括：十台沙伯纽式风车10与齿轮组211，十台沙伯纽式风车10：以并联方式排列，齿轮组211连结十台沙伯纽式风车10，且以与十台沙伯纽式风车10转动，连接此十台沙伯纽式风车10，并使十台沙伯纽式风车10之间保持固定相位角差，连杆221连接这十台沙伯纽式风车10，使十台沙伯纽式风车10之间保持固定距离，每一台沙伯纽式风车10叶片之间并设有导流板11，当风吹来，齿轮组211与连杆221所连结的十台沙伯纽式风车10即随风而动。
本发明一种并联矩阵整合型风力发电系统的第四实施例如图6及图7所示，包括：十台沙伯纽式风车10与传动轴212，十台沙伯纽式风车10：以并联方式排列，传动轴212连结十台沙伯纽式风车10，使这十台沙伯纽式风车10之间的相位角差保持固定。框架222连接这十台沙伯纽式风车10，用以使十台沙伯纽式风车10之间保持固定距离，每一台沙伯纽式风车10叶片之间并设有导流板11，当风吹来，传动轴212与框架222所连结的十台沙伯纽式风车10即随风而动。
本发明一种并联矩阵整合型风力发电系统的第五实施例如图8及图9所示，包括：十二台沙伯纽式风车10与传动链条213，十二台沙伯纽式风车10以并联方式排列，传动链条213连结十二台沙伯纽式风车10，且以与十二台沙伯纽式风车10转动轴向的非平行方向连接此十二台沙伯纽式风车10，藉以固定十二台沙伯纽式风车10之间的相位角差，支撑杆31以与平板223非平行方式连接，提供整体风车组的支撑与固定的作用。平板223用以使十二台沙伯纽式风车10之间保持固定距离，本实施例的每一台沙伯纽式风车10叶片之间并设有导流板11，当风吹来，传动链条213与平板223所连结的十二台沙伯纽式风车10即随风而动。
本发明一种并联矩阵整合型风力发电系统之第六实施例如图10及图11所示，包括：十六台改良型三叶式沙伯纽式风车101与二个风车间相位定位组件21，每八台改良型三叶式沙伯纽式风车101设为一组以并联方式排列，每一风车间相位定位组件21以与一组八台改良型三叶式沙伯纽式风车101转动轴向的非平行方向连接此一组八台的改良型三叶式沙伯纽式风车101，藉以固定八台沙伯纽式风车101之间的相位角差，风车间距离定位组件22使八台沙伯纽式改良型三叶式风车101之间保持固定距离。由本实施例可以了解，不同排列组合的风车组都可以适用于本发明。
当风吹来，每一风车间相位定位组件21及所连结一组八台沙伯纽式改良型三叶式风车101所形成的沙伯纽式风力发电组即随风而动，产生并进行能量转换、传递与收集。
前述的并联矩阵整合型沙伯纽式风力发电组收集风能，将机械能传递至发电机房50，并经发电机房50内的第一发电机组52与第二发电机组53进行能量转化。当风力增强时，发电机房50内的控制模块51即依据能量增多的程度，控制第三发电机组54实时加入运作，而当风力减弱时，控制模块51也随之控制第二发电机组53与第三发电机组54迅速脱离，以达成良好的发电效益。
熟习本项技术领域的人士应了解，本发明亦适用于二叶式，改良型三叶式或多叶式的沙伯纽式风车。
本发明实现了一种并联矩阵整合型风力发电系统，迥然不同于习知者的设计，堪能提高整体之使用价值，又其申请前未见于刊物或公开使用，诚已符合发明专利之要件，爰依法提出发明专利申请。
惟，上述所揭露之图式、说明，仅为本发明之实施例而已，凡精于此项技艺者当可依据上述之说明作其它种种之改良，而这些改变仍属于本发明之发明精神及以下所界定之专利范围中。

Claims (16)

1.一种并联矩阵整合型风力发电系统，其包括：
多个沙伯纽式风车(10)构成一整合型风车，所述多个沙伯纽式风车(10)以并联方式排列，用以收集风力产生的能量；
一风车间距离定位组件(22)连接所述多个沙伯纽式风车(10)，使所述多个沙伯纽式风车(10)之间保持固定距离；以及
一风车间相位定位组件(21)连接所述多个沙伯纽式风车(10)，用以固定所述多个沙伯纽式风车(10)之间的相位角差，并且，该风车间相位定位组件(21)被用于将所述多个沙伯纽式风车(10)转动产生的能量传递至一发电机组。
2.如权利要求1所述的一种并联矩阵整合型风力发电系统，其特征在于：该风车间距离定位组件(22)为一连杆(221)，由轴承与所述多个沙伯纽式风车(10)的轴连接。
3.如权利要求1所述的一种并联矩阵整合型风力发电系统，其特征在于：该风车间距离定位组件(22)为一框架(222)，由轴承与所述多个沙伯纽式风车(10)的轴连接。
4.如权利要求1所述的一种并联矩阵整合型风力发电系统，其特征在于：它还包括一支撑组件(30)，该支撑组件(30)与风车间距离定位组件(22)以非平行方式相连接，用以提供支撑与固定的作用。
5.如权利要求4所述的一种并联矩阵整合型风力发电系统，其特征在于：该支撑组件(30)为杆子。
6.如权利要求4所述的一种并联矩阵整合型风力发电系统，其特征在于：该支撑组件(30)为支撑框架。
7.如权利要求4所述的一种并联矩阵整合型风力发电系统，其特征在于：该支撑组件(30)为钢索。
8.如权利要求4所述的一种并联矩阵整合型风力发电系统，其特征在于：该支撑组件(30)为柱子。
9.如权利要求1所述的一种并联矩阵整合型风力发电系统，其特征在于：该沙伯纽式风车(10)为二叶式，三叶式或多叶式。
10.如权利要求1所述的一种并联矩阵整合型风力发电系统，其特征在于：该风车间相位定位组件(21)为齿轮组(211)。
11.如权利要求1所述的一种并联矩阵整合型风力发电系统，其特征在于：该风车间相位定位组件(21)为传动轴(212)。
12.如权利要求1所述的一种并联矩阵整合型风力发电系统，其特征在于：该风车间相位定位组件(21)为传动链条(213)。
13.如权利要求1所述的一种并联矩阵整合型风力发电系统，其特征在于：每一该沙伯纽式风车(10)还包括至少一个导流板(11)，设置于该沙伯纽式风车(10)内的叶片之间。
14.如权利要求13所述的一种并联矩阵整合型风力发电系统，其特征在于：该导流板(11)为流体力学造型。
15.如权利要求14所述的一种并联矩阵整合型风力发电系统，其特征在于：该导流板(11)为Clark Y改良型。
16.如权利要求1所述的一种并联矩阵整合型风力发电系统，其特征在于：还包括一发电机房(50)，该发电机房(50)内包括一控制模块(51)及多个发电机组(52、53、54)，所述多个沙伯纽式风车(10)所收集的能量传送至该发电机房(50)，并由该控制模块(51)依风力动能而控制所述多个发电机组(52、53、54)的运作。
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